(57)【要約】このボイラシステムは、第１のマニホールドと、この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドと、これら第１並びに第２のマニホールドを流体接続している熱交換用の導管とを有している。この熱交換用の導管は、第１の流体フロー中に設けられ、第２の流体を中に受ける。熱電対が、第２のマニホールド中の第２の流体の温度を測定するように、第２のマニホールド中に設けられている。液相の第２の流体が、熱電対により測定された温度に基づいて第２のマニホールドに入らないように、制御ユニットが、第２の流体の液相のレベルを維持するために設けられている。ボイラシステムには、第１並びに第２の導管が設けられることもでき、第２の導管は、第１の導管の下流で、第１の流体フロー中に設けられ、これら第１並びに第２の導管は、垂直軸線に対して傾斜されている。
2008546974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のマニホールドと、
この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドと、
前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続し、第１の流体フロー中に設けられるように構成され、そして、第２の流体を中に受けるように構成されている少なくとも１つの熱交換用の導管と、
前記第２のマニホールド中に設けられ、この第２のマニホールド中の第２の流体の温度を測定するように構成されている熱電対と、
この熱電対により測定された温度に基づいて、液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持するように構成されている制御ユニットとを具備しているボイラシステム。
【請求項２】
前記第１のマニホールドは、予熱器に流体接続されるように構成されている請求項１のボイラシステム。
【請求項３】
前記第２のマニホールドは、過熱器に流体接続されるように構成されている請求項１のボイラシステム。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記第２のマニホールド中の第２の流体の温度を制御するために、前記第１の流体フローの状態を制御するように構成されている請求項１のボイラシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの熱交換用の導管は、第１の熱交換用の導管と、第２の熱交換用の導管とを有し、この第２の熱交換用の導管は、前記第１の熱交換用の導管の下流の位置で、前記第１の流体フロー中に設けられるように構成され、
前記第１の熱交換用の導管と前記第２の熱交換用の導管とは、垂直軸線に対して傾斜されている請求項１のボイラシステム。
【請求項６】
前記第１の熱交換用の導管と前記第２の熱交換用の導管とは、約３５度ないし約４５度の範囲内で、前記垂直軸線に対して傾斜されている請求項５のボイラシステム。
【請求項７】
前記第２の熱交換用の導管は、前記第１の熱交換用の導管よりも大きな熱交換表面積を有している請求項５のボイラシステム。
【請求項８】
前記第２の熱交換用の導管は、これの外面に、前記第１の熱交換用の導管よりも高い集中率の熱交換用のフィンを有している請求項５のボイラシステム。
【請求項９】
前記第１のマニホールド中に設けられ、第１のマニホールド中の第２の流体の温度を測定するように構成されている他の熱電対を更に具備している請求項１のボイラシステム。
【請求項１０】
前記他の熱電対により測定された温度に基づいて、前記制御ユニットは、前記第１のマニホールド中の第２の流体の液相のレベルを維持するように更に構成されている請求項９のボイラシステム。
【請求項１１】
前記制御ユニットは、液相の前記第２の流体の上面と前記第２のマニホールドとの間の最小距離を維持するように構成されている請求項１のボイラシステム。
【請求項１２】
第１のマニホールドと、
この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドと、
前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続し、第１の流体フロー中に設けられるように構成され、そして、第２の流体を中に受けるように構成されている第１の熱交換用の導管と、
前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続し、前記第１の熱交換用の導管の下流の位置で前記第１の流体フロー中に設けられるように構成され、そして、前記第２の流体を中に受けるように構成されている第２の熱交換用の導管とを具備し、
前記第１の熱交換用の導管と前記第２の熱交換用の導管とは、垂直軸線に対して傾斜されているボイラシステム。
【請求項１３】
前記第１の熱交換用の導管と前記第２の熱交換用の導管とは、約３５度ないし約４５度の範囲で前記垂直軸線に対して傾斜されている請求項１２のボイラシステム。
【請求項１４】
前記第２の熱交換用の導管は、前記第１の熱交換用の導管よりも大きな熱交換表面積を有している請求項１２のボイラシステム。
【請求項１５】
前記第２の熱交換用の導管は、これの外面に、前記第１の熱交換用の導管よりも高い集中率の熱交換用のフィンを有している請求項１２のボイラシステム。
【請求項１６】
複数の第１の熱交換用の導管が、前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドにそれぞれ流体接続するように列をなして設けられ、また、複数の第２の熱交換用の導管が、前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続するように設けられている請求項１２のボイラシステム。
【請求項１７】
前記第２のマニホールド中の第２の流体の温度に基づいて、液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段を更に具備している請求項１２のボイラシステム。
【請求項１８】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段は、前記第１のマニホールド中の第２の流体の温度に基づいて、前記第１のマニホールドの液相のレベルを維持するように更に構成されている請求項１７のボイラシステム。
【請求項１９】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段は、液相の前記第２の流体の上面と前記第２のマニホールドとの間の最小距離を維持するように更に構成されている請求項１７のボイラシステム。
【請求項２０】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段は、前記第２のマニホールド中の第２の流体の温度を制御するために、前記第１の流体フローの状態を制御するように更に構成されている請求項１７のボイラシステム。
【請求項２１】
第１のマニホールドと、
この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドと、
前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続し、第１の流体フロー中に設けられるように構成され、そして、第２の流体を中に受けるように構成されている少なくとも１つの熱交換用の導管と、
前記第２のマニホールド中の第２の流体の温度に基づいて、液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段とを具備しているボイラシステム。
【請求項２２】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段は、前記第１のマニホールド中の第２の流体の温度に基づいて、第１のマニホールドの液相のレベルを維持するように更に構成されている請求項２１のボイラシステム。
【請求項２３】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段は、液相の前記第２の流体の上面と前記第２のマニホールドとの間の最小距離を維持するように更に構成されている請求項２１のボイラシステム。
【請求項２４】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、前記第２の流体の液相のレベルを維持するための手段は、前記第２のマニホールド中の第２の流体の温度を制御するために、前記第１の流体フローの状態を制御するように更に構成されている請求項２１のボイラシステム。
【請求項２５】
第１のマニホールドを、この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドに流体接続する少なくとも１つの熱交換用の導管を第１のフロー中に設けることと、
前記少なくとも１つの熱交換用の導管中に第２の流体を与えることと、
前記第２のマニホールド中の前記第２の流体の温度を測定することと、
測定された温度に基づいて、液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持することとを具備する、ボイラシステムを制御する方法。
【請求項２６】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持することは、前記第１のマニホールド中の第２の流体の測定された温度に基づいて、前記第１のマニホールドの第２の流体の液相のレベルを維持することにより更に果たされる請求項２５の方法。
【請求項２７】
液相の前記第２の流体の上面と前記第２のマニホールドとの間の最小距離を維持することを更に具備する請求項２５の方法。
【請求項２８】
液相の前記第２の流体が前記第２のマニホールドに入らないように第２の流体の液相のレベルを維持することは、前記第２のマニホールド中の第２の流体の温度を制御するように、第１の流体フローの状態を制御することにより更に果たされる請求項２５の方法。
【請求項２９】
前記第１のマニホールドは、予熱器に流体接続される請求項２５の方法。
【請求項３０】
前記第２のマニホールドは、過熱器に流体接続される請求項２５の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの熱交換用の導管は、第１の熱交換用の導管と、第２の熱交換用の導管とを有し、この第２の熱交換用の導管は、前記第１の熱交換用の導管の下流の位置で、前記第１の流体フロー中に設けられ、
前記第１の熱交換用の導管と前記第２の熱交換用の導管とは、垂直軸線に対して傾斜される請求項２５の方法。
【請求項３２】
前記第１の熱交換用の導管と前記第２の熱交換用の導管とは、約３５度ないし約４５度の範囲内で、前記垂直軸線に対して傾斜される請求項３１の方法。
【請求項３３】
前記第２の熱交換用の導管は、前記第１の熱交換用の導管よりも大きな熱交換表面積を有する請求項３１の方法。
【請求項３４】
前記第２の熱交換用の導管は、これの外面に、前記第１の熱交換用の導管よりも高い集中率の熱交換用のフィンを有する請求項３１の方法。
【請求項３５】
複数の第１の熱交換用の導管が、前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続するように列をなして設けられ、複数の第２の熱交換用の導管が、前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続するように設けられる請求項３１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱交換器と、この熱交換器を制御する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラは、熱交換器として種々の方面で使用されている。このようなボイラは、代表的に、外部源から熱を吸収するように、チューブ中の熱媒液を使用して、加熱流体の実質的に液体を含まない蒸気分留を使用のために所望の位置に移送する。ボイラ中の加熱流体は、代表的に、気相と液相との両方で存在する。このようなボイラは、液相の熱媒液がボイラの下流の位置に存在するのを防止することが望ましい構成での使用に、特に効果的である。
【０００３】
従来技術のボイラ４３０が、図４Ａ並びに４Ｂに示されている。このボイラ４３０は、煙道４１４に沿って設けられている。このボイラ４３０は、第１のマニホールド４３２と、この第１のマニホールドの真上に所定の高さで設けられた第２のマニホールド４４２と、第１のマニホールド４３２を第２のマニホールド４４２に流体接続している熱交換用のチューブ４５２，４５４，４５６，４５８とを有している。第１の流体は、これらチューブの外面に接触し、また、第２の流体は、これらチューブの内部へと与えられる。
【０００４】
図４Ａは、非動作状態のボイラ４３０を示し、図４Ｂは、動作状態のボイラを示している。図４Ａに示されている非動作状態において、各導管４５２，４５４，４５６，４５８中の液相レベルは、第２の流体に作用する重力と、導管中の第２の流体の均一な温度分布とのために、同じ垂直方向の高さであり、水平軸線に平行である。第１の流体フローＣが図４Ｂに示されているように存在しているときの動作状態において、第１の流体フローＣの上流に位置された導管は、最高温度の第１のフローと接触する。これら導管が、第１の流体フローＣから熱を吸収するので、次の下流の導管の各々は、順次低い温度で第１のフローと接触する。この温度分布は、非動作状態の液相レベル（図４Ａに示されている）を、図４Ｂに示されている液相レベルに移行させる。
【０００５】
本発明者は、導管中の液相レベルの上記のような移行が、下流の導管４５８の液相レベルが第２のマニホールド４４２に達するレベルにまで上昇する状態をもたらす傾向にあることを指摘している。液相レベルが第２のマニホールド４４２に達した場合、ボイラ４３０の下流に位置された、第２の流体フローのシステム部品を汚染しかねない。さらに、液相レベルが第２のマニホールド４４２に達すると、液相の第２の流体は、他の導管中に流れ落ち、ボイラ中に液相の流体の循環的流れ（図４Ｂの反時計回り）をもたらし得る。このことは、ボイラの効率をかなり低下させる。前記チューブ４５８から流れ落ちる水は、動作温度の飽和温度以下であるため、このように流れ落ちるフローは、チューブ４５２，４５４，４５６，４５８を冷却し、これらチューブを飽和状態以下の温度に急冷する可能性がある。このような急冷により、蒸気生成が一時的に中断され、この結果、ボイラにより供給された下流のシステムに深刻なダメージをもたらしかねない。
【０００６】
一般に使用されているボイラは、１つ以上の遠心分離器、即ちサイクロン分離器で蒸気を分離して、制御バルブを介して測定することにより、実質的に乾燥した蒸気の一定の流れを確実にしている。これには、所定の水位を維持することと、１つ以上の高温蒸気測定バルブを動作させることとが、必要である。この水位は、通常、サイトグラス、機械的なフロート、超音波、レーダ、並びに、キャパシタンスを含む系統から選択され、一般に使用されるレベルセンサの使用により、所定の方法で測定されなければならない。このようなセンサは、過熱に対する過度の感度、腐食や汚れに対する弱さ、大きなサイズ、高いコスト、複雑さ、並びに、低い検出性のような１つ以上の問題に常に直面している。レーダのような多くの無接触センサは、また、検出のために最小距離を多く必要とするので、小さなボイラの動作に不適切である。
【０００７】
伝統的なレベルセンサを使用して、チューブへの流れ落ちの問題を防止するには、システムのサイズを大きくする必要があり、動作の不調に対して強くないシステムを提供する傾向にある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、上記の制限を克服するボイラシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１のマニホールドと、この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドと、これら第１並びに第２のマニホールドを流体接続している熱交換用の導管とを有している。この熱交換用の導管は、第１の流体フロー中に設けられ、また、第２の流体を中に受ける。熱電対が、第２のマニホールド中の第２の流体の温度を測定するように、第２のマニホールド中に設けられている。この熱電対により測定された温度に基づいて、制御ユニットが、液相の第２の流体が第２のマニホールドに入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持するために設けられている。このレベルの制御は、第１の流体の熱容量を増加させることにより、若しくは、第２の流体の質量流量を減少させることにより、若しくは、これら動作の組み合わせにより、果たされることができる。
【００１０】
このボイラシステムは、第１の熱交換用の導管と、第２の熱交換用の導管とを有することが好ましい。この第２の熱交換用の導管は、第１の熱交換用の導管の下流の位置で、第１の流体フロー中に設けられるように構成されている。これら第１並びに第２の熱交換用の導管は、垂直軸線に対して傾斜されることが好ましい。例えば、第１並びに第２の熱交換用の導管は、約３５度ないし約４５度の範囲内で、垂直軸線に対して傾斜されている。このボイラシステムは、第１の熱交換用の導管よりも大きな熱交換表面積を有する第２の熱交換用の導管を有することが好ましい。例えば、第２の熱交換用の導管は、これの外面に、第１の熱交換用の導管よりも高い集中率の熱交換用のフィンを有することが好ましい。前記制御ユニットは、液相の第２の流体の上面と第２のマニホールドとの間の最小距離を維持するように構成されることが好ましい。
【００１１】
本発明は、また、第１のマニホールドと、この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドとを有するボイラシステムを効果的に与えている。第１の熱交換用の導管が、第１のマニホールドを第２のマニホールドに流体接続詞、この第１の熱交換用の導管は、第１の流体フロー中に設けられるように構成されている。この第１の熱交換用の導管は、第２の流体を中に受けるように構成されている。第２の熱交換用の導管が、前記第１のマニホールドを前記第２のマニホールドに流体接続している。この第２の熱交換用の導管は、第１の熱交換用の導管の下流の位置で、第１の流体フロー中に設けられるように構成され、また、この第２の熱交換用の導管は、第２の流体を中に受けるように構成されている。前記第１の熱交換用の導管と、この第２の熱交換用の導管とは、垂直軸線に対して傾斜されることが好ましい。
【００１２】
本発明は、第１のマニホールドと、この第１のマニホールドの上方に設けられた第２のマニホールドと、前記第１のマニホールドを第２のマニホールドに流体接続している少なくとも１つの熱交換用の導管とを有するボイラシステムを更に効果的に与えている。少なくとも１つの熱交換用の導管は、第１の流体フロー中に設けられるように構成され、第２の流体を中に受けるように構成されている。このボイラシステムは、第２のマニホールド中の第２の流体の温度に基づいて、液相の第２の流体が第２のマニホールドに入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持するための手段を更に有している。
【００１３】
本発明は、ボイラシステムを制御する方法を更に効果的に与えている。この方法は、第１のマニホールドを第２のマニホールドに流体接続する少なくとも１つの熱交換用の導管を第１のフロー中に与えることを含む。第２のマニホールドは、第１のマニホールドより上の高さに設けられている。この方法は、また、少なくとも１つの熱交換用の導管中に第２の流体を与えることと、第２のマニホールド中の第２の流体の温度を測定することと、測定温度に基づいて、液相の第２の流体が第２のマニホールドに入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持することとを含む。
【００１４】
本発明のより十分な理解と、本発明の付随の多くの効果とは、特に添付図面と組み合わせて考えられたときの以下の詳細な説明を参照して、容易に明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態が、添付図面を参照して以下に説明される。以下の説明では、実質的に同じ機能並びに構成を有する構成部材は、同じ参照符号により示され、繰り返しの説明は、必要な場合にのみなされる。
【００１６】
図１は、過熱蒸気を生成するシステムに組み込まれ本発明に従ったボイラシステム１０の一実施形態の概略図である。図１は、煙道１４を有する過熱式の熱交換器、即ち過熱器１２を全体的に示している。前記煙道は、この過熱器１２から排出された、加熱された第１の流体フロー（矢印Ａにより示されている）を移送する。この過熱器は、直接加熱されても良いし間接的に加熱されても良い。前記煙道１４は、第１の流体フローＡを本発明のボイラに案内し、オプションとして、例えば第２の流体フローを予熱するのに使用される予熱器、即ちエコノマイザーであり得る更なる熱交換器１６へと移送する。過熱器１２とボイラ３０とエコノマイザー１６とのこのような配置は、第２の流体の過熱蒸気が所望されるときに望ましいが、本発明のボイラの他の実施形態は、単に飽和蒸気が必要とされるとき、若しくは、第１の流体Ａからの更なるエネルギー回収が経済的な理由で必要とされ得ないとき、若しくは、幾らかの他のストリームの加熱が所望される場合に、望ましい。ボイラの周囲に熱交換器を配置することは、本発明のボイラの適用を決して限定するものではない。
【００１７】
このボイラシステム１０は、過熱器１２とエコノマイザー１６との間に前記煙道１４に沿って設けられたボイラ３０を有している。このボイラ３０は、第１のマニホールド３２と、この第１のマニホールド３２の上方に設けられた第２のマニホールド４２と、第１のマニホールド３２を第２のマニホールド４２に流体接続している少なくとも１つの熱交換用の導管とを有している。図１に示されている実施形態では、複数の熱交換用の導管が、環状のアレイ５０として与えられている。ボイラ３０は、第２の流体フロー（矢印Ｂにより示されている）を受け入れて移送するように構成されており、この第２の流体フローは、代表的に、気相と液相との両方の状態でボイラ３０中に存在する。
【００１８】
このボイラ３０は、前記環状のアレイ５０の内側（即ち、チューブ側）へと第２の流体フローＢを移送する。このボイラ３０は、第１の流体フローを環状のアレイ５０の外面（即ち、シェル側）に接触させて、第１の流体フローＡと第２の流体フローＢとの間で熱を交換することを、可能にしている。図１に示されている実施形態では、ボイラ３０は、更なる熱交換器１６に与えられ得るエコノマイザーから、主に液相の第２の流体フローＢを、第１のマニホールド３２に受ける。代わって、前記第２の流体Ｂは、予熱されることなく与えられることもできる。どちらの場合においても、入口マニホールド３２のところでの流体Ｂの蒸気質量率、即ち蒸気の質量分率は、０．２５未満である。第２の流体フローＢは、この第２の流体フローＢが環状のアレイ５０中を流れるのに従って、第１の流体フローＡにより加熱されて、第２の流体フローＢは、この第２の流体フローＢが第２のマニホールド４２のところで気相に移行する温度にまで、更に加熱される。そして、気相の第２の流体フローＢは、第２のマニホールド４２から過熱器１２に流れる。この過熱器は、例えば、煙道１４の上流部分で、他の熱交換器を使用して第２の流体フローＢを更に加熱することができる。水、石油分留、並びに、アルコールのような技術的に重要な多くの流体は、流体Ｂが蒸発されるのに従って固体の堆積物を形成し得る、溶解された不純物を含んでいる。従って、流体Ｂの蒸相として下流に運ばれた、排出マニホールド４２からの液滴、若しくは液体の連続した流れは、前記過熱器１２のような下流の装置に、詰まらせる堆積物を生じさせる。従って、マニホールド４２から排出された蒸気を中に実質的に液体を含まない状態に維持することが、望まれる。
【００１９】
上述されたように、前記ボイラ３０は、第１のマニホールド、即ち混合ドラム(mud drum)３２を有している。この第１のマニホールド３２は、ヘッダープレート３３と、内側流体チャンバ３４と、入口３６とを有している。このヘッダープレート３３は、内側流体チャンバ３４を環状のアレイ５０に流体接続している。前記入口３６は、流体用の導管３８を介して内側流体チャンバ３４を予熱器、即ち他の流体源に流体接続している。熱電対３５が、第１のマニホールド３２中の第２の流体の温度を測定するように、第１のマニホールド３２に設けられている。この熱電対３５は、第１のマニホールド３２中に直接設けられることが好ましいが、代わって、熱電対は、必要に応じて、第１のマニホールド３２の上流（例えば、導管３８中）に設けられることもできる。
【００２０】
上述されたように、前記ボイラ３０は、第２のマニホールド、即ち蒸気ドラム４２を有している。この第２のマニホールド４２は、ヘッダープレート４３と、内側流体チャンバ４４と、出口４６とを有している。このヘッダープレート４３は、内側流体チャンバ４４を環状のアレイ５０に流体接続している。前記出口４６は、流体用の導管４８を介して、内側流体チャンバ４４を過熱器１２若しくは他の出力部(destination)に流体接続している。温度センサ４５が、第２のマニホールド中の第２の流体の温度を測定するように、第２のマニホールド４２に設けられている。この温度センサ４５は、第２のマニホールド４２中に直接設けられることが好ましいが、代わって、温度センサは、必要に応じて、第２のマニホールド４２の下流（例えば、導管４８中）に設けられることもできる。この温度センサは、熱電対、サーミスタ、抵抗温度検出器（ＲＴＤｓ）、バイメタル温度計、赤外線検出器のような温度センサから選択されることができる。熱電対という用語は、本明細書では温度センサと同義で用いられるが、センサの選択が、本発明を限定することはない。
【００２１】
上述されたように、前記ボイラ３０は、第１のマニホールド３２を第２のマニホールド４２に流体接続している少なくとも１つの熱交換用の導管を有している。図１に示されている実施形態は、環状のアレイ５０を有しているが、単一の熱交換用の導管が第１のマニホールド３２を第２のマニホールド４２に流体接続する実施形態を有することも可能である。図１に示されている環状のアレイ５０は、第１の導管、即ち第１の導管５２の列と、第２の導管、即ち第２の導管５４の列と、第３の導管、即ち第３の導管５６の列と、第４の導管、即ち第４の導管５８の列とを有している。この環状のアレイ５０には、導管と導管の列とが一緒に設けられることができ、これら導管は、所望の位置構成で与えられることができる。図１の実施形態では、第１の導管５２は、第１の流体フローＡにおいて、第２の導管５４の上流にあり、第２の導管５４は、第１の流体フローＡにおいて、第３の導管５６の上流にあり、そして、第３の導管５６は、第１の流体フローＡにおいて、第４の導管５８の上流にある。
【００２２】
図１に示されているボイラ３０は、便宜上、垂直軸線１５に対して所定の角度で傾斜、即ち傾いている。図１は、ボイラ３０の軸線に沿って延びる軸線５１を示している。この軸線は、前記環状のアレイ５０の導管５２，５４，５６，５８に平行である。この軸線５１は、前記垂直軸線１５に対して角度αで与えられ、重力は、垂直軸線に沿って作用する。これら導管５２，５４，５６，５８は、０度以上９０度未満の角度αで設けられている。好ましくは、これら導管５２，５４，５６，５８は、約３５度ないし約４５度の範囲内の角度αで設けられている。
【００２３】
非動作状態では、前記導管５２，５４，５６，５８の各々の液相レベルは、同じ垂直方向の高さにあり、第２の流体に作用する重力のために水平軸線に平行である。第１の流体フローＡが存在するときの動作状態では、第１の流体フローＡの上流に位置された導管、即ち導管の列は、最高温度の第１のフローと接触する。前記導管が第１の流体フローＡから熱を吸収するため、各々の次の下流の導管、即ち導管の列は、順次低い温度で第１のフローと接触する。かくして、図１に示されている実施形態では、導管、即ち導管５２の列が、最高温度を有する第１のフローと接触し、導管、即ち導管５４の列が、導管５２よりも低い温度を有する第１のフローと接触し、導管、即ち導管５６の列が、導管５４よりも低い温度を有する第１のフローと接触し、そして、導管、即ち導管５８の列が、導管５６よりも低い温度を有する第１のフローと接触する。第１の流体Ａの低下する温度状態のために、連続した導管の列の各々における対数平均温度差（ＬＭＴＤ）は、前の導管に比べて減じられる。このＬＭＴＤは、以下の関係により所定の導管に伝達され得る最高熱量に関連付けられる。
【００２４】
Ｑ＝伝達される熱＝導管面積×熱伝達係数×ＬＭＴＤ
伝達される熱Ｑは、１．０の蒸発質量率で完全に蒸発され得る流体Ｂの質量流量に正比例する。従って、第１の導管５２は、導管５４よりも多くの流体Ｂを蒸発させ、導管５４は、導管５６よりも多くの流体Ｂを蒸発させ、導管５６は、導管５８よりも多くの流体Ｂを蒸発させる。与えられた連続の導管の数に関係なく、最後の導管は、常に最小のＬＭＴＤを有する。重力が、前記軸線１５に対する各導管の比較的一定の液体レベルを維持するように作用するので、比較的大量の流体Ｂが、比較的大きなＬＭＴＤを有する導管に流れる。蒸発の間に見られる膨大な体膨張のために、比較的大きな蒸気生成率を有する導管は、また、流れる蒸気と導管との間に比較的大きな粘性抵抗、かくして、比較的大きな圧力損失、即ち「水頭圧力」を示す。かくして、動作状態の間、導管中の流体レベルは、ダクト内での導管の夫々の位置に応じて、幾らか変位する。破線は、各導管の摩擦水頭のこのような変位の結果を示している。
【００２５】
流体Ａから伝達され得る総熱量が、流体フローＢ全体を蒸発させるのに不十分である場合、液体レベルは、導管の全てにおいて上昇する。最後の導管５８は、ＬＭＴＤが低いために、最初に、流体が十分に蒸発されることができない臨界熱流速を超える。
【００２６】
最後の導管５８の液体レベルが、前記ヘッダー４３より上に上昇すると、この液体は、他の導管中に流れ落ち、ボイラ中に液相の流体の循環的流れ（図１の反時計回り）が形成される。導管５８からの冷たい流体の循環により、他の導管を急速に冷却し、潜在的に、温度を飽和温度よりも低く低減し、一時的に、蒸気生成を停止させてしまう。蒸気流が完全に中断されなくても、出口４８から送出される蒸気の液体流体Ｂの割合は増加し、極端な場合では、実質的に純粋な液体Ｂが、出口の導管４８を通って下流の装置に送出される。
【００２７】
このことを考慮して、本発明者は、環状のアレイ５０の導管が、循環的流れの防止と一致した最高レベルまで、蒸発していない液体で充填されているときに、ボイラが、熱の最も効率的な伝達を与えることを指摘している。この循環的流れは、幾らかの液体が存在しているときに達成される沸騰伝熱率と純粋な気相状態との間の比率が極端に高いために防止される。本発明者は、環状のアレイ５０の導管の各々に最高レベルの液相の第２の流体を与えつつ、液相の第２の流体が第２のマニホールド４２に入るのを防止するボイラシステム１０を与え、従って、効率の良い強固なシステムを与える。
【００２８】
上述されたように、本発明のボイラシステム１０は、便宜上、垂直軸線１５に対して所定の角度で傾斜、即ち傾いたボイラ３０を与えている。前記導管５２，５４，５６，５８は、１度以上９０度未満、好ましくは、約３５度ないし約４５度の範囲内の角度αで設けられている。このような傾斜により、ボイラ３０は、導管、即ち導管５２，５４，５６，５８の列の各々の液相レベルが、第２のマニホールド４２のヘッダープレート４３から均一な距離若しくはほぼ均一な距離のところに位置された、図１に示されているような動作状態を有することが可能である。かくして、ボイラ３０の動作の間に、第２の流体フローＢは、距離ｄが、最小に減じられ、従って導管５２，５４，５６，５８に出来るだけ最大量の液相の第２の流体を与えるように、制御されることができる。個々の導管、即ち導管の列の各々と第２のマニホールドとの間の距離は、均一若しくはほぼ均一である必要がないことに、注意すべきである。実際に、前記角度αは、長さｄが最後の下流の導管５８の導管長さにほぼ等しくなるまで増加されることができる。この範囲を超えて、導管５８は、蒸相の流体Ｂが連続的に満たされ、液体の流体Ｂが循環する場合と同様の動作の問題をもたらす。
【００２９】
本発明のボイラシステム１０は、ボイラの動作を監視並びに制御するための効果的な手段を与える制御ユニット６０を有している。この制御ユニット６０は、第２のマニホールド４２中に設けられた熱電対４５により測定された温度に基づいて、液相の第２の流体が第２のマニホールド４２に入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持するように構成されている。この制御ユニット６０は、また、前記第１のマニホールド３２中に設けられた熱電対３５により測定された温度に基づいて、第１のマニホールド３２中の第２の流体の優勢の液相を維持するように構成されることが好ましい。このため、ボイラ３０内に過度の固体の堆積が形成されることと、ボイラ３０の過熱が阻止されることとが、効果的に防止される。これら熱電対３５，４５を使用してボイラ３０の温度特性を測定することにより、制御ユニット６０は、ボイラ３０内の液相の第２の流体レベルを算出し、従って、液相レベルが第２のマニホールドに達しないことを確実にするようにシステムの部品を調整することができる。この制御ユニット６０は、第１のマニホールド３２が乾燥しきってしまうのを防止することができる。
【００３０】
前記制御ユニット６０は、前記熱電対３５，４５と任意の圧力センサ６１とからの信号を受ける。この圧力センサは、圧力がボイラ３０中の圧力に実質的に等しい、第２の流体と接触するいずれの位置、例えばマニホールド３２又はマニホールド４２、若しくは、ボイラ３０の（第２の流体フローＢ中の）上流位置、例えば導管３８に、配置されることができる。ボイラシステムが、機械的な制御バルブにより、若しくは、（雰囲気若しくは大きな容器(large vessel)のような）既知の圧力の環境に直接連通するという利点のために、既知の圧力で動作される場合、前記圧力センサは、省略されることができる。この圧力が、上述された手段の１つにより知られると、飽和温度は、熱力学的な要素のみに基づいて確実に予測されることができる。従って、前記温度センサ３５，４５は、第２の流体Ｂが完全な液体状態なのか完全な気体状態なのかを正確に決定するために使用されることができる。純流体において、蒸発質量率が０ないし１．０であるとき、即ち、温度が飽和温度で一定のままであるときの蒸発の程度を決定することは、不可能である。かくして、温度センサ３５，４５は、やや冷却された液体の流体Ｂと、知られていない量の気体Ｂを含んだ飽和液Ｂと、温度が飽和温度を超えた場合の純気体Ｂとを区別することができる。
【００３１】
前記制御ユニット６０は、また、第１の流体フローの制御システム１３と情報を交換することができる。この制御システムは、前記煙道１４を流れる第１の流体フローＡの量と、煙道１４を流れる第１の流体フローＡの温度とのような特徴を、反応器１２、過熱器等の様々な動作状態に関連付け、これら動作状態に基づいて制御する。前記制御ユニット６０は、更に、第２の流体フローの制御システム１７と情報を交換することができる。この制御システムは、ボイラ３０中を流れる第２の流体フローＢの量のような特徴を制御する。この制御ユニット６０は、液相の第２の流体が第２のマニホールド４２に入らないように、第２の流体の液相のレベルを維持するために、第１の流体フローの制御システム１３並びに/若しくは第２の流体フローの制御システム１７を制御するように構成されている。代わって、この制御ユニット６０は、前記熱電対３５，４５を監視し、液相の第２の流体のレベルが第２のマニホールドに接近していることを制御ユニット６０が決定した場合に、オペレータが制御システムを使用してこのような結果を回避するように、オペレータに警告システムを与える。
【００３２】
本発明は、熱電対３５を設けることなく、単一の熱電対４５を使用して動作されることができる。この熱電対４５は、第２のマニホールド４２中の雰囲気の温度が第２の流体の飽和点よりも高いことを確実にするように、この温度を監視するために使用されることができる。熱電対４５から検出された温度データを使用して、前記制御ユニット６０は、液相の第２の流体のレベルを制御して液体が第２のマニホールド４２に入るのを防止するために、システムの特性を調整することができる。例えば、制御ユニット６０は、液相の第２の流体フローＢが第２のマニホールド４２に入るのを防止する必要がある場合、第２の流体フローＢへの熱伝達を増加させるために第１の流体フローＡの温度を上げ、従って、第２の流体フローＢの蒸発を向上させ、第２の流体フローの液体レベルを低減することができる。また、制御ユニット６０は、液相の第２の流体フローＢが第２のマニホールド４２に入るのを防止する必要がある場合、第２の流体の液相レベルを減じるために、第２の流体フローＢの流量を低減することができる。このような構成の１つの欠点は、熱電対が第１のマニホールド３２中に存在しない場合に、第１のマニホールド３２が乾燥しきってしまうのを防止することが困難若しくは不可能なことである。
【００３３】
図２は、本発明に従ったボイラシステム１１０の他の実施形態の拡大斜視図である。図２は、第１のマニホールド１３２を第２のマニホールド１４２に流体接続している流体用の導管のアレイ１５０を有するボイラ１３０を示している。環状のアレイ１５０は、第１の導管、即ち第１の導管１５２の列と、第２の導管、即ち第２の導管１５４の列と、第３の導管、即ち第３の導管１５６の列と、第４の導管、即ち第４の導管１５８の列とを有している。各導管、即ち導管の列は、他の導管、即ち他の導管の列とは異なる熱交換表面積を有している。各導管、即ち導管の列は、第１の流体フローＡのストリームに沿った導管の位置、即ち列の位置に対応した熱交換表面積を有し、これは、ストリームに沿った位置での第１の流体フローの温度に一致することが好ましい。かくして、この構成は、比較的低い温度の第１の流体フローに与えられた導管に比較的高い熱交換表面積を与え、従って、環状のアレイ１５０の導管の各々おいて、均一若しくはほぼ均一な熱伝達量をもたらす。
【００３４】
図２は、導管１５２が、これの外面に与えられた熱交換用のフィン１６２を有し、第２の導管１５４が、これの外面に与えられた熱交換用のフィン１６４を有し、第３の導管１５６が、これの外面に与えられた熱交換用のフィン１６６を有し、そして、導管１５８が、これの外面に与えられた熱交換用のフィン１６８を有した実施形態を示している。前記熱交換用のフィン１６２は、熱交換用のフィン１６４よりも低い集中率(concentration)を有し、これら熱交換用のフィン１６４は、前記熱交換用のフィン１６６よりも低い集中率を有し、そして、これら熱交換用のフィン１６６は、前記熱交換用のフィン１６８よりも低い集中率を有している。これら熱交換用のフィンの他の構成が、与えられることもでき、例えば、各導管には、同じ数のフィンが設けられることができるが、フィンのサイズは、上流の導管と比較して、より大きな熱交換表面積を下流の導管に与えるように、変更されることができる。さらに、同列の複数の導管、並びに/若しくは、複数の列の複数の導管に結合された熱交換用のフィンが、設けられ得る（例えば、第１のフィンが導管１５２，１５４，１５６，１５８に取着され、第２のフィンが導管１５４，１５６，１５８に取着され、第３のフィンが導管１５６，１５８に取着され、第４のフィンが導管１５８に取着される）ことに、注意すべきである。幾つかの導管を組み合わせることにより、一般に使用され打ち抜かれたプレート状のフィンに使用されるフィンの総数は減じられ、かくして、製造上の問題を低減する。かくして、製造コストが最適な能力よりも重要である場合、熱伝達面積の密度が同じ２つ以上の導管を設け得ることが、好ましい。
【００３５】
前記環状のアレイ１５０の各導管のための比較的均一な熱伝達量を形成することにより、ボイラと導管とが、導管の各々に対して均一若しくはほぼ均一な距離を得るために傾斜される必要のある角度は、減じられる。
【００３６】
図３は、本発明に従ったボイラシステム２１０の更に他の実施形態の拡大斜視図である。図３は、流体用の導管のアレイ２５０を有するボイラ２３０を示している。この実施形態では、導管のアレイ２５０は、第１のマニホールド部分２３２Ａを第２のマニホールド部分２４２Ａに流体接続した第１の導管、即ち第１の導管２５２の列と、第２の導管、即ち第２の導管２５４の列とを有している。前記導管のアレイ２５０は、第１のマニホールド部分２３２Ｂを第２のマニホールド部分２４２Ｂに流体接続した第３の導管、即ち第３の導管２５６の列と、第４の導管、即ち第４の導管２５８の列とを更に有している。前記第１のマニホールド部分２３２Ａは、入口２３６Ａを有し、前記第１のマニホールド部分２３２Ｂは、入口２３６Ｂを有している。この入口２３６Ａと入口２３６Ｂとは、内側流体チャンバ２３４Ａ，２３４Ｂを予熱器又は他の流体源にそれぞれ流体接続している流体用の導管２３８に結合されている。前記第２のマニホールド部分２４２Ａは、出口２４６Ａを有し、また、前記第２のマニホールド部分２４２Ｂは、出口２４６Ｂを有している。この出口２４６Ａと出口２４６Ｂとは、内側流体チャンバ２４４Ａ，２４４Ｂを予熱器又は他の出力部にそれぞれ流体接続している流体用の導管２４８に結合されている。
【００３７】
第２のマニホールド部分２４２Ａに流体接続された第１のマニホールド部分２３２Ａと、これと分離され、第２のマニホールド部分２４２Ｂに流体接続された第１のマニホールド部分２３２Ｂとを設けることにより、この実施形態は、液相の第２の流体の循環的流れがボイラ２３０全体に展開する可能性を減じる。言い換えれば、導管２５８中の液相のレベルが第２のマニホールド２４２Ｂに達した場合、液相の第２の流体は、導管２５６中に流れ落ち、従って液相の流体の循環的流れを（図３の反時計回りに）形成するが、導管２５４，２５２中には流れ落ちない。さらに、図３の複数のマニホールドは、比較的大きな単一のマニホールドよりも小さな機械的歪みを所定の動作圧力で示し、かくして、壁厚を比較的軽量に効果的に形成することができる。
【００３８】
上記の発明は、多くの適用例で利用されることができる。例えば、本発明は、例えば、天然ガス、プロパン、液化石油ガス（ＬＰＧ）、アルコール、ナフサ、並びに、他の炭化水素燃料から水素を生成する熱交換式の化学反応器と組み合わせて与えられ得ることが効果的である。このような産業上の適用例は、半導体製造における金属加工業並びに他の産業上の適用でのアンモニア合成並びに他の化学処理のための供給材料、商業的なガス市場における石油の脱硫、並びに水素製造を含むことができる。
【００３９】
本明細書に図示並びに記載されている例示的な実施形態は、本発明の好ましい実施形態を説明し、請求項の範囲を限定することを決して意味していないことに、注意すべきである。
【００４０】
本発明の複数の変更並びに変形が、上記の教示の観点から可能である。従って、添付された請求項の範囲内で、本発明が、明確に記載されているように実施され得ることは、理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】過熱蒸気を生成するシステムに組み込まれ、本発明に従ったボイラシステムの一実施形態を示している概略図である。
【図２】本発明に従ったボイラシステムの別の実施形態を示している拡大概略図である。
【図３】本発明に従ったボイラシステムの更なる他の実施形態を示している拡大概略図である。
【図４Ａ】非動作状態の従来のボイラを示している概略図である。
【図４Ｂ】動作状態の従来のボイラを示している概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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