JP3837708B2 - 廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、ボイラ壁に、とくに管底部に結合された外側管、高熱ガスのための入口開口を形成するように丸められた反転キャップを介して外側管に接続されかつ円筒形の又は円錐形に狭くなった流入部分及び加熱面管に結合された流出部分を有しかつ間隔を置いて外側管によって囲まれた内側又は入口管、及び外側管と内側管との間に配置されかつ反転キャップの近くにまで延びた冷却媒体ガイド管を有する、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置に関する。

廃熱ボイラ又は熱交換器において、高熱ガス（例えば部分酸化装置による合成ガスのような）は、冷却媒体によって冷却され、かつその際、もっと頻繁な場合に、蒸気が発生される。熱交換器は、なるべく並列に接続された直線の又は曲げられた又は変化した複数の加熱面システムからなり、これらの加熱面システムは、複数の加熱面管から形成されている。

とくに高熱ガスを加えられる熱交換器入口範囲は、きわめて強力に熱的に負荷を受けている。熱を吸収する媒体（例えば沸騰水）の高いシステム圧力に基づいて、追加的に大きな機械的負荷が生じ、これらの負荷は、とりわけ入口範囲又は加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置を介しても取り除かなければならない。

刊行物“Ｖｅｒｆａｈｒｅｎｓｔｅｃｈｎｉｋ：Ａｎｌａｇｅ−ｕｎｄ Ａｐｐａｒａｔｅｂａｕ，Ｋｏｍｐｏｎｅｎｔ ｕｎｄ Ｔｅｉｌｋｒｅｉｓｌａｕｆ”（１９８６）、第１９頁、Ｆａ．Ｌ．＆Ｃ．Ｓｔｅｉｎｍｕｌｌｅｒによれば、類概念のような装置が公知である。この公知の装置において、許容できないほど高い表面温度及び／又は許容できないほど高い機械的及び熱的応力が生じることがある構成部分が存在し−とくにこれはガス入口の反転キャップに当てはまる−、これらの表面温度及び／又は応力は、その後、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するためのそれぞれ個々の装置のガス側の流速の制限に、かつ必然的に後続の加熱面管におけるガス側の流速の、したがって全廃熱ボイラの制限に至ることがある。あまりに高い表面温度により、種々の腐食機構に関する多様な危険が生じる。

本発明の課題は、前記の欠点を回避する、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置を提供することにある。とくに次のことを可能にする装置を提供するようにし、すなわち
−腐食機構に関して危険な構成部分をできるだけ薄壁に構成し、したがって腐食を避けることができ、
−廃熱ボイラ又は熱交換器の、それぞれ１つの入口装置から高熱ガスを供給される必要な加熱面管の数を最小にし、
−かつ装置の構成部分においてきわめて高い冷却媒体又は水圧力（ほぼ１５０バールまで）から結果として生じる力を確実に支配する。

前記の課題は、特許請求の範囲第１項の特徴部分の特徴によって解決される。

本発明の有利な構成は、特許請求の範囲従属請求項から明らかである。

発明の効果

本発明による解決策によって、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置が提供され、この装置は次の利点を有する：
−冷却媒体ガイド管を介した冷却媒体圧力によって又は熱応力から引起こされる力の負荷除去は、この範囲を厚くし又は強化して構成する必要なしに、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置の高熱ガス側において流れ技術的に最適な構成（例えばトランペット状の拡張）を可能にする。それにより構成部分における腐食の危険が少なくなる。
−この位置における機械的及び熱的な負荷からなる合計が明らかに減少されているので、反転キャップの範囲において最小の壁厚さが実現できる。
−きわめて大きな熱的負荷の位置は、きわめて大きな機械的応力の位置から連結解除されており、かつとくに廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置の入口円錐又は円筒の範囲における負荷取り除き点を選択することによって、全入口範囲において熱的にもっともわずかに負荷を受ける場所が選択されている。
−反転キャップ範囲は、反転範囲における組込みを妨害しないので、著しく簡単に点検することができ、かつ清掃することができる。
−反転キャップ範囲は、短い時間内に比較的簡単な手段により単一片として交換することができる。
−熱的及び機械的応力の導入に関して最高の負荷を受ける反転キャップ範囲を結合解除する。
−廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置の冷却媒体ガイド板の位置決めは、機械的に安定に構成されておりかつ位置において変わりやすくないので、いつでも一義的である。
−場合によっては生じる汚れから反転キャップを水側において清掃することが簡単に可能である。
−廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための本発明による装置を通るガス流速は、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための支持されない装置に対して、かなり高い質量流速を加えることができ（ほぼ２ないし４倍の超過流速の係数）、その際、入口幾何学的構造を拡大する構造的に別の可能性が存在する。

有利なように結合リブの長手軸線は、それぞれ装置長手軸線に対して平行であり、かつ結合リブは、半径方向に整列されている。それにより一方において伝達すべき力が良好に導入でき、又は伝達でき、かつそれにより他方において冷却媒体流れ抵抗は最小になっている。

本発明の有利な構成において、結合リブの長さ（Ｌ）は、ガイド管又は装置の長さの少なくとも１つの部分範囲を占めている。この処置により結合リブの長さは、構造的な構成の要求にかつ伝達すべき力に完全に同調することができる。

装置に作用する力は、第１にガス入口範囲において作用するので、本発明の有利な構成において、結合リブは、円錐形又は円筒形の入口部分の範囲に配置されている。この処置によって力は、作用の場所から直接取出される。

冷却媒体がリング状の流れ横断面内において結合リブを通過することによって、装置の範囲を通って冷却媒体が流通する際に、乱流形成を最小にし、又は防止するために、かつそれにより生じる圧力損失を同様に最小にするために、冷却媒体の流れ方向に見て、結合リブ又はこれらの結合リブの流れ当たり面及び／又は流れ去り面が、なるべく流れに望ましく形成されている。

外側又は内側管とガイド管との間の固定的な又は緩い結合を有する装置において、生じる力を最適にガイド管に導入するために、又はこの力をガイド管から取出すために、内側管とガイド管との間の結合リブは、高熱ガスの流れ方向に見て、外側管とガイド管との間の結合リブの上流又は下流に配置される。

装置の最適な構造的構成のために、さらになるべく横断面において外側管とガイド管との間の結合リブは、内側管とガイド管との間の結合リブに対して角度的にずらして配置されている。

リング状の流れ横断面の際に、冷却媒体に圧力損失を引起こす結合リブの範囲における外側及びガイド管又はガイド及び内側管の間において、横断面の収縮が生じないようにするために、本発明の有利な形成において、結合リブの範囲における横断面は広げられるので、この横断面は、結合リブの上流又は下流における横断面に大体において相当する。

外側又は内側管とガイド管との間の緩い結合は、ガイド管の外側及び内側周が、内側又は外側管のそれぞれの結合リブを収容するために溝を有するように形成されていることによって、有利に構成される。それにより明確に定義されかつその製造及び取付けがそれにより簡単化された結合が提供される。その際、有利な構成において、結合リブは、溝内において半径方向に可動に支持されている。

刊行物に記載された図におけるように、図示された図１において、廃熱ボイラのうち容器壁の一部だけが、しかも管底部１１が図示されており、この管底部に、穴１２の範囲において廃熱ボイラの図示しない加熱面管内に高熱ガス１９を導入するための装置１が、溶接１３によって結合されている。装置１に外側管３、及び外側管３によって囲まれた内側又は入口管５が所属し、これらの管は、丸められた反転キャップ６を介して互いに結合されている。図１に図示された構成において、反転キャップ６−これは装置１内における冷却媒体２０の大体において１８０°の転向を引起こす−は、１つの部分として形成されており、この部分は、装置１の反転範囲にあり、かつ溶接１４によって外側管３に、かつ溶接１５によって内側管５に結合されている。反転キャップ６は、内側又は入口管５内へのガス入口開口１６を決定する。内側管５は、入口において円錐形に狭くなる部分１７を有し、この部分は、加熱面管に結合された直線円筒形の流出部分１８に移行し、かつこれらを通って高熱ガス１９が流れる。図１の表示に反して、円錐形に狭くなる部分１７は、円筒形に形成してもよい。その長手方向２における廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置１の延びは、これがガス側において図示しない加熱面管の上流に延びていることによって定義される。

外側管３と内側管５との間に、冷却媒体ガイド管４が配置されており、この冷却媒体ガイド管の一方の端部は、示された実施例によれば、図１によれば溶接であることができる結合部２６によって、廃熱ボイラの容器壁に結合された中間管底部２５に結合されており、かつこの冷却媒体ガイド管の自由端は、反転キャップ６の反転範囲において終っている。ガイド管４は、装置１の内部において冷却媒体２０の高められた圧力によって、熱応力によってかつ高熱ガス１９のガス圧力によって形成される力又は負荷を、内側管５によって吸収し、かつ外側管３に伝達するように形成されており、ここから力は、管底部１１、すなわち廃熱ボイラの容器壁に放出される。この力を伝達するために、内側管５及び外側管３は、結合リブ又はカム７、８によって、ガイド管４に互いに固定的に又は緩く結合されており、その際、固定的な結合の際に、装置１は、例えば溶接され、フライス加工され又は鋳造されて形成することができる。ガイド管４による力の伝達は、なるべく装置１の円錐形の（図１に示すように）又は円筒形の（代替形成）入口部分１７の範囲において行なわれ、その際、円錐形又は円筒形の入口部分１７は、装置１の全長の１０ないし８０％にわたって軸線方向に延びている。ガイド管４と外側管３又は内側管５との間の固定的な及び緩い結合の際、内側管５から外側管３に最適な力伝達を達成するために、ガイド管４と内側管５との間の結合リブ８は、ガイド管４と外側管３との間の結合リブ７に対して、なるべくずらして配置されている。

図２は、本発明による装置を示しており、ここではガイド管は、結合リブ７、８を介して内側管５又は外側管３に緩く結合されている。その際、内側管５は、その外周において周にわたって均一に分散されかつ半径方向に整列された複数の結合リブ８を有するように形成されており、これらの結合リブの長手軸線２８は、それぞれ装置長手軸線２に対して平行に整列されている。長さＬ２を有する結合リブ８は、少なくともガイド管４又は装置１の長さの部分範囲にわたって延びている。突出した結合リブ８は、ガイド管４の内周に配置された溝１０によって収容され、これらの溝を有するようにガイド管４が形成されており、かつこれらの溝は、正確に結合リブ８に対向している。溝１０は、内側管５の結合リブ８が溝１０内において半径方向に運動自由度を有するが、軸線及び角度方向に固定保持されているように、すなわち内側５及び外側管３の半径方向に移動結合が存在するように形成されている。外側管３とガイド管４との間の結合は、内側管５とこのガイド管のもののように配置されかつ構成されたものであり、その際、ここでは結合リブ７は、外側管３の内周に配置されており、かつガイド管４の外周に配置された溝９内に半径方向内方に向いている。ここでも半径方向に自由度が存在するが、一方軸線及び角度方向にリブ７は固定保持されており、かつこれらのリブは、長さＬ１を有し、この長さは、少なくともガイド管４又は装置１の長さの部分範囲にわたって延びている。したがってリブ７、８の長さＬ１及びＬ２は、ガイド管４又は装置１の全長にわたって延びていてもよい。装置１の横断面にわたって見て、結合リブ７は、最適な構成を達成するために、結合リブ８に対して互いに角度的にずらして形成されている。

図３及び４は、ガイド管４を有する本発明による装置を示しており、このガイド管は、内側管５及び外側管３に固定的に結合されている。図３は、溶接構造を示しており、かつそれぞれガイド管４に取付けられた結合リブ７、８は、外側管３及び内側管５に溶接されているが、一方図４は、鋳造構造を示している。緩い結合の際と同様に、溶接された構成においてガイド管４は、その外周に及びその内周に、複数の結合リブ７、８を有するように形成されており、これらの結合リブの長手軸線２８は、それぞれ装置長手軸線２に対して平行に整列されており、かつ少なくともガイド管４又は装置１の長さの部分範囲にわたって延びており、半径方向に整列されており、かつ周にわたって均一に分散されている。その際、結合リブ７、８は、外側又は内側管３、５内にある開口２１、２２を通して差込まれており、かつ管３、５に溶接されている。

結合リブ７、８又はこれら結合リブの流れ当たり面２７及び流れ去り面２９は、ガイド管４と内側又は外側管３、５との間の固定的な及び緩い結合の際に、冷却媒体２０の流れの方向に見て（図１における矢印方向参照）、流れに望ましく形成されているので、リング状の流れ横断面２３、２４内にある結合リブ７、８によって、わずかな流れ損失しか生じない。

結合リブ７の範囲における流れ横断面の収縮を及びその結果圧力損失を避けるために、結合リブ７の範囲におけるリング状の横断面２３（外側３及びガイド管４の間）は、結合リブ７の上流又は下流におけるリング状横断面２３と大体において同じ大きさに形成することができる。そのためにリブ７の範囲における横断面２３の深さは、面積に関して、存在するリブ７の面が合計において占める部分だけ拡大されている。リング状の横断面２４（内側５及びガイド管４の間）に対して、結合リブ８の範囲において同様に処理することができる。

図１による表示に反して、ガス入口開口１６は、トーラス又はトランペット状に拡大することができ、それにより装置１内へのガス侵入の効率を場合によっては高めるようにすることができる。

装置１の本発明による形成によって、内側及び外側管３、５及び反転キャップ６の範囲において最小の壁厚さを使用することができる。それにより同時にこれらの構成部分における腐食の危険が最小になる。本発明による形成によりさらに、従来の技術による装置に対して、装置１における一層大きな入口幾何学的構造を用意することが可能になる。装置１の後に接続される加熱面管も一層大きく構成することができるので、それにより有利なように、それぞれボイラユニットごとに流通することができる一層大きなガス質量流が生じる。

表示が引用した刊行物の第１９頁における上側の図：“Ｇｅｋｕｈｌｔｅｒ ｋｏｎｉｓｃｈｅｒ Ｅｉｎｔｒｉｔｔｓｂｅｒｅｉｃｈ ｉｎ ｄｉｅ Ｈｅｉｚｆｌａｃｈｉｎｒｏｈｒｅ”と対比可能である本発明による装置の構成の垂直部分断面図である。 図１の断面Ａ−Ａによる大体において水平な横断面図である。 図２と同様であるが代替構成を示す図である。 図２と同様であるが代替構成を示す図である。 図１の断面Ｂ−Ｂによる外側及びガイド管の間の結合リブの長手断面図である。 図１の断面Ｃ−Ｃによる内側及びガイド管の間の結合リブの長手断面図である。

符号の説明

１ 装置
２ 装置長手軸線
３ 外側管
４ ガイド管
５ 内側管
６ 反転キャップ
７ 外側及びガイド管の間の結合リブ
８ 内側及びガイド管の間の結合リブ
９ 結合リブを収容する溝
１０ 結合リブを収容する溝
１１ 管底部
１２ 穴
１３ 溶接
１４ 溶接
１５ 溶接
１６ ガス入口開口
１７ 円錐形又は円筒形の入口部分
１８ 円筒形流出部分
１９ 高熱ガス
２０ 冷却媒体
２１ 開口
２２ 開口
２３ リング状流れ横断面
２４ リング状流れ横断面
２５ 中間管底部
２６ 結合又は溶接
２７ 流れ当たり面
２８ 結合リブの長手軸線
２９ 流れ去り面

Claims (10)

1. ボイラ壁に、とくに管底部に結合された外側管、高熱ガスのための入口開口を形成するように丸められた反転キャップを介して外側管に接続されかつ円筒形の又は円錐形に狭くなった流入部分及び加熱面管に結合された流出部分を有しかつ間隔を置いて外側管によって囲まれた内側又は入口管、及び外側管と内側管との間に配置されかつ反転キャップの近くにまで延びた冷却媒体ガイド管を有する、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置において、ガイド管（４）が、力伝達構成部分として形成されており、かつ力を導入し又は伝達するために、それぞれ周にわたって均一に分散された少なくとも３つの結合リブ（７，８）によって、内側管（５）にかつ外側管（３）に緩く又は固定的に結合されていることを特徴とする、廃熱ボイラの加熱面管内に高熱ガスを導入するための装置。
2. 結合リブ（７，８）の長手軸線（２８）が、それぞれ装置長手軸線（２）に対して平行であり、かつ結合リブ（７，８）が、半径方向に整列されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 結合リブ（７，８）の長さ（Ｌ）が、ガイド管（４）又は装置（１）の長さの少なくとも１つの部分範囲を占めていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 結合リブ（７，８）が、円錐形又は円筒形の入口部分（１７）の範囲に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の装置。
5. 冷却媒体（２０）の流れ方向に見て、結合リブ（７，８）又はこれらの結合リブの流れ当たり面（２７）及び／又は流れ去り面（２９）が、流れに望ましく形成されていることを特徴とする、請求項１ないし４の１つに記載の装置。
6. 外側又は内側管（３，５）とガイド管（４）との間の固定的な結合の際、内側管（５）とガイド管（４）との間の結合リブ（７，８）が、高熱ガス（１９）の流れ方向に見て、外側管（３）とガイド管（４）との間の結合リブ（７，８）の上流又は下流に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし５の１つに記載の装置。
7. 横断面において外側管（３）とガイド管（４）との間の結合リブ（７）が、内側管（５）とガイド管（４）との間の結合リブ（８）に対して角度的にずらして配置されていることを特徴とする、請求項１ないし６の１つに記載の装置。
8. それぞれの結合リブ（７，８）の範囲におけるリング状の流れ横断面（２３，２４）が、それぞれの結合リブ（７，８）の上流又は下流におけるリング状の流れ横断面と大体において同じ大きさであることを特徴とする、請求項１ないし７の１つに記載の装置、
9. 外側又は内側管（３，５）とガイド管（４）との間の緩い結合の際、ガイド管（４）の外側及び内側周が、内側又は外側管（３，５）のそれぞれの結合リブ（７，８）を収容するために溝（９，１０）を有するように形成されていることを特徴とする、請求項１ないし８の１つに記載の装置。
10. 結合リブ（７，８）が、溝（９，１０）内において半径方向に可動に支持されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。

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