JP7368384B2 - 流動層ボイラに適した同軸伝熱管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換管の製造方法に関する。本発明は、流動層ボイラにとりわけ適した熱交換器のための伝熱管に関する。本発明は、循環流動層ボイラに適した熱交換器のための伝熱管に関する。本発明は、流動層熱交換器に関する。本発明は、循環流動層ボイラのループシール（loopseal）のための熱交換器に関する。本発明は粒子冷却器に関する。

保護された伝熱管が特許文献１及び特許文献２から知られている。保護された伝熱管を有する流動層熱交換器が特許文献３から知られている。流動層熱交換器は、流動層の床材料から熱を回収するためにボイラに、すなわち蒸気発生器に関連して配置され得る。一般に、そのような熱交換器では蒸気が過熱されるため、このような流動層熱交換器は流動層過熱器と呼ばれることがある。バブリング流動層ボイラでは、流動層熱交換器が炉の流動層に配置され得る。循環流動層ボイラでは、流動層熱交換器をループシールに配置され得る。このような場合、熱交換器は、ループシール熱交換器又はループシール過熱器と呼ばれることがある。

前述の特許文献から、腐食環境にある熱交換器の伝熱管を保護することが知られている。従来技術の伝熱管は直線部分を含む。直線部分では、内側の伝熱管が外側の耐火物によって保護されている。しかしながら、管の曲げられている場合、管の湾曲部分には異なる保護が用いられる。例えば、特許文献３の図４では、湾曲部分は流動媒体から隔離された空間にそれらを配置することにより保護されている。このような構成では、熱交換器管内での流動層から熱交換媒体への伝熱は、管の湾曲部分を通して熱が伝達されないため最適ではない。湾曲部品にもシールドを提供するために複数の部品から形成されたシールドを用いることができる。しかしながら、そのようなシールドは、互いに取り付けなければならないいくつかの部品から形成される。そのような取り付け部品は製造プロセスを複雑にする。シールドが２つの部品から作られたことを示す証拠として、そのようなシールドは２つの長手継ぎ目を含む。

米国特許第３３５１３６１号明細書 米国特許第５８８１８０２号明細書 米国特許第９３７１９８７号明細書

これらの問題に対処するために、内側の伝熱管の湾曲部分は、外側管又は後続の外側管を一緒に溶接したものにより保護することを見出した。外側管（又は複数の外側管）は１つの管状材料のみでできている。これに対応して、外側管には長手継ぎ目がない。このような方法で保護される場合、外側伝熱管の湾曲部分は、管の外側の伝熱材料、とりわけ流動媒体と接触させて配置することもできる。これは熱交換器の伝熱を改善させることが分かった。

そのような管、すなわち同軸管は、内側管を外側管内に配置し、これらの管を曲げることにより製造することができる。しかしながら、過熱器として適切に用いるためには、内側管と外側管との間の距離が適切でなければならない。管（すなわち、管によって形成される同軸管）を曲げる間においてもこの距離を制御するために、硬化可能な断熱材料を管の間に注入し、管を曲げる前に硬化させる。硬化されると、硬化された断熱材料は管を曲げる間も管の間の距離を適切な範囲で維持する。これに対応して、同軸管は、内側管と外側管との間に硬化した断熱材料を含む。

一実施形態では、管を互いに対して中心に置くためにスペーサアレンジメント（spacer arrangement）が設けられる。これは、環境の腐食の観点から、外側管の表面の温度を適切な温度レベルに維持するのを助ける。スペーサアレンジメントは、外側管の内面に突起を有することが好ましい。

本発明を独立請求項でより具体的に開示する。従属請求項及び以下の説明は実施形態を開示し、その一部は好ましい実施形態である。

図１ａは循環流動層ボイラの側面図を示す。 図１ｂはバブリング流動層ボイラの側面図を示す。 図２ａは内側伝熱管及び外側伝熱管を含む第１の同軸伝熱管を示す。 図２ｂは図２ａの同軸伝熱管の内側伝熱管を示す。 図２ｃは図２ａの同軸伝熱管の外側伝熱管を示す。 図３ａは図２ａの同軸伝熱管のＩＩＩａ－ＩＩＩａ断面を示す。 図３ｂは図２ａの同軸伝熱管のＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ断面を示す。 図３ｃは内側伝熱管と外側伝熱管との間のスペーサアレンジメントの一部を示す。 図３ｄは内側伝熱管と外側伝熱管との間のスペーサアレンジメントの一部を示す。 図３ｅは内側伝熱管と外側伝熱管との間のスペーサアレンジメントの一部を示す。 図４ａは、双方が内側伝熱管及び外側伝熱管を含む第１の同軸伝熱管及び第２の同軸伝熱管を示す。 図４ｂは図４ａの同軸伝熱管の内側伝熱管を示す。 図４ｃは図４ａの同軸伝熱管の外側伝熱管を示す。 図５ａは第１の同軸伝熱管、第２の同軸伝熱管及び第３の同軸伝熱管を示す。 図５ｂは第１の同軸伝熱管、第２の同軸伝熱管、第３の同軸伝熱管、及び第４の同軸伝熱管を示す。 図５ｃは同軸伝熱管を示しており、湾曲部分の曲率半径が一定でない。 図５ｄは同軸伝熱管を示す。 図６ａは図４ａの同軸伝熱管のＶＩａ－ＶＩａ断面を示す。 図６ｂは図４ａの同軸伝熱管のＶＩｂ－ＶＩｂ断面を示す。 実施形態の異なる図を示すために、３つの直交する方向Ｓｘ、Ｓｙ及びＳｚが図に示されている。使用において、方向Ｓｚは実質的に垂直であり且つ上方である。このように、方向Ｓｚは実質的に重力と逆である。

図１ａは循環流動層ボイラ１の側面図を示す。循環流動層ボイラ１は、炉５０と、煙道ガスから流動媒体を分離するための手段４０でありサイクロン４０と、ループシール５とを含む。ループシール５はサイクロン４０から流動媒体を受け入れるように構成されている。図１ａでは、煙道ガスチャネルを参照符号２０で示す。煙道ガスは煙道ガス流路２０を介して炉５０から排出される。図１ｂはバブリング流動層ボイラ１の側面図を示す。バブリング流動層ボイラ１は炉５０及び煙道ガス流路２０を含む。

一般に、流動層ボイラ１（バブリングまたは循環）は煙道ガス流路２０内に煙道ガス熱交換器２６、２８を含む。煙道ガス熱交換器２６、２８は煙道ガスから熱を回収するように構成されている。一部の煙道ガス熱交換器は、煙道ガスから熱を回収することによって蒸気を過熱するように構成された過熱器２６であってもよい。熱交換器の一部は、煙道ガスから熱を回収することにより水を加熱させる及び／又は沸騰させるように構成されたエコノマイザ２８であってもよい。

循環流動層ボイラ（図１ａ）では、流動媒体をガスから分離するために、流動媒体が炉５０の上部からサイクロン４０に運ばれる。サイクロン４０から、流動媒体は通路６０を通ってループシール５に落ちる。ループシール５では、流動媒体の層が形成される。流動媒体は、流動媒体をループシール５から炉５０に運ぶように構成されたパイプライン１５を介してループシール５から炉５０に戻される。ループシール５では、ループシール５の壁５１は、循環流動媒体の流動層が配置される容積Ｖを制限する。バブリング流動層ボイラ（図１ｂ）では、流動媒体が炉５０内で流動化される。そのため、炉５０の壁５１は、流動媒体の流動層が配置される容積Ｖを制限する。

一般に、流動層ボイラ１は伝熱媒体のための配管を含む。使用の際、伝熱媒体は配管内を循環し、熱交換器、とりわけ煙道ガス熱交換器２６、２８及び流動層熱交換器１０によって加熱される。配管は伝熱媒体の循環を形成する。循環では、同じ伝熱媒体が煙道ガス熱交換器２６、２８と流動層熱交換器１０との間を流れ得る。通常、循環は、伝熱媒体が先ずエコノマイザ２８で加熱され、その後に過熱器２６で加熱されるように形成される。さらに、過熱器２６の後に、伝熱媒体は流動層熱交換器１０で加熱される。その後、伝熱媒体、例えば過熱蒸気は通常蒸気タービンに運ばれる。

本発明は、とりわけ同軸伝熱管の構造及びそのような同軸管の製造方法に関する。使用の際、同軸伝熱管は熱交換器の一部として配置され得る。好ましい用途では、熱交換器は、例えば循環流動層ボイラのループシール５又はバブリング流動層ボイラの炉内に流動層内に配置される。一般に、熱交換器は、水及び／又は蒸気等の第１の伝熱媒体が流れるように構成された多数の管を含む。管の外側では、流動媒体等の第２の伝熱媒体が流れるように構成され、それにより管の壁を介して第２の伝熱媒体から第１の伝熱媒体に熱が伝達される。流動層に設置された場合に流動層熱交換器１０を形成する熱交換器１０は、ボイラの一部として又はボイラの予備部品として製造できる。加えて、同軸伝熱管１００は熱交換器１０の予備部品として又は熱交換器１０の一部として製造できる。流動層熱交換器１０は、いくつかの同軸伝熱管１００を一緒に組み立てることによって製造できる。そのため、一実施形態は同軸伝熱管１００に関する。加えて、一実施形態は熱交換器１０に関する。加えて、一実施形態は流動層ボイラ１に関する。

本説明では以下の用語を用いる。

「伝熱管」とは管を意味する。伝熱管は、単一の実質的に均質な材料、例えば、スチール等の金属から作ることができる。実施可能であると考えられる場合、伝熱管は、「同軸伝熱管」と区別するために「普通の伝熱管」という場合がある。金属は一般に伝熱が良好であるため、普通の伝熱管はある種の金属で構成され得る。

「同軸伝熱管」とは、外側伝熱管が内側伝熱管を半径方向に取り囲むように配置された管を意味する。同軸伝熱管は、互いに同軸の管（通常、２つのみの管）の配置である（図２ａ、図３ａ及び図３ｂ参照）。

「直線部」とは、伝熱管（素管、同軸管）のうちの管の製造業者から入手したものであって曲げられていないものをいう。一般的に、管の製造業者は剛性の直管を供給する。曲率半径に関して、直線部の中心線の曲率半径ｒ_ｓ（図２ｂ参照）は少なくとも1メートル（１ｍ）である。直線部の曲率半径r_ｓは無限又は実質的に無限であり得る。

「湾曲部」とは、伝熱管（素管又は同軸管）のうちの曲げられた部分をいう。曲率半径に関して、湾曲部の中心線の曲率半径ｒｃ（図２ｂ又は図２ｃ参照）は１メートル未満である。湾曲部の曲率半径ｒｃは伝熱管(通常又は同軸)の直径の少なくとも３倍であることが好ましい。とりわけ、曲げられた同軸管の通常の管の曲率半径は、湾曲部分の中心線が曲率半径を定義するため同じである。

図２ａは、本発明の一実施形態に係る同軸伝熱管１００、すなわち第１の同軸伝熱管１００の側面図を示す。図２ａに示すように、第１の同軸伝熱管１００は、第１の一次直線部１０１と、第１の一次湾曲部１０２と、第１の二次直線部１０３と、第１の二次湾曲部１０４と、第１の三次直線部１０５と、さらなる(すなわち、三次)湾曲部１０６と、さらなる(すなわち、四次)直線部１０７とを含む。このような管１００は熱交換器１０の一部を形成し得る。図２ａにおいて、第１の一次直線部１０１における管内の流体搬送媒体の流れの方向は、第１の二次直線部１０３における管内の流体搬送媒体の流れの方向と逆である。これは、第１の三次直線部１０５における管内の流体搬送媒体の流れの方向とも逆である。

図２ｂ及び図３ａを参照して、第１の同軸伝熱伝熱管管１００は第１の内側伝熱管１１０を含む。第１の内側伝熱管１１０は、第１の一次直線部１１１と、第１の一次湾曲部１１２と、第１の二次直線部１１３と、第１の二次湾曲部１１４と、第１の三次直線部１１５と、さらなる湾曲部１１６と、さらなる直線部１１７とを含む。

図２ｃ及び図３ａを参照して、第１の同軸伝熱管１００は第１の外側伝熱管１２０を含む。第１の外側伝熱管１２０は、第１の一次直線部１２１と、第１の一次湾曲部１２２と、第１の二次直線部１２３と、第１の二次湾曲部１２４と、第１の三好直線部１２５と、さらなるの湾曲部１２６と、さらなる直線部１２７とを含む。

第１の外側伝熱管１２０は、第１の内側伝熱管１１０の少なくとも一部を半径方向に取り囲む。第１の外側伝熱管１２０は、全ての半径方向において第１の内側伝熱管１１０の少なくとも一部を半径方向に取り囲む。そのため、第１の内側伝熱管１１０の少なくとも一部は全ての半径方向で保護される。さらに、このような管１００の製造方法に関連して詳細に説明するように、第１の外側伝熱管１２０は１つ又は複数の管（例えば、普通の管）から形成される。したがって、第１の外側伝熱管１２０は長手継ぎ目を含まない。長手継ぎ目とは、第１の外側伝熱管１２０の長手方向ｄｅ_１２０(すなわち、延在方向、図２ｃ)に延びる継ぎ目のことをいう。これに対応して、長手継ぎ目は、長手方向に垂直な管１２０の接線方向において第１の外側伝熱管１２０の周囲に完全には延びていない。そのため、第１の外側伝熱管１２０の少なくとも第１の一次湾曲部１２１には長手継ぎ目がない（すなわち、含まない）。外側管１２０が管状部品を長手方向に溶接することによって作られる場合、外側管１２０は横方向継ぎ目又はいくつかの横方向継ぎ目を含み得る。しかしながら、これは製造の観点から好ましくない。そのため、一実施形態では、第１の外側伝熱管１２０は長手方向又は横方向のいずれにも継ぎ目を含んでいない。一実施形態では、第１の内側伝熱管１１０は継ぎ目を含んでいない。すなわち、第１の内側伝熱管１１０はシームレスである。

使用の際、第１の外側伝熱管１２０は、少なくとも空間Ｖ内で第１の内側伝熱管１１０を半径方向に取り囲んでいる。しかしながら、図２ｃに示すように、空間Ｖの外では、内側伝熱管１１０は外側伝熱管１２０による保護を必要としない。

図３ａは、図２ａのＩＩＩａ－ＩＩＩａ断面を示す。図示のように、第１の外側伝熱管１２０、とりわけ第１の外側伝熱管１２０の第１の一次直線部１２１は、第１の内側伝熱管１１０の第1の一次直線部１１１の少なくとも一部を半径方向に取り囲む。図３ｂは図２ａのＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ断面を示す。図示のように、第１の外側伝熱管１２０、とりわけ第１の外側伝熱管１２０の第１の一次湾曲部１２２は、第１の内側伝熱管１１０の第１の一次湾曲部１１２を半径方向に取り囲む。

このような構成は、湾曲部１１２、２１２、１１４、２１４、１１６、２１６を流動層媒体からさらに保護する必要がないという技術的効果を有する。したがって、湾曲部においても流動層媒体からの熱を回収することができる。さらに、製造方法に関連して示すように、そのような同軸管は製造するのが比較的容易である。

従来技術から知られているように、外側伝熱管１２０の外面の温度は、過度の腐食を避けるために適度に高いままであるべきである。したがって、内側伝熱管１１０の内面と外側伝熱管１２０の外面との間の熱抵抗は合理的なものであり、同軸伝熱管１００にわたって実質的に一定であることが好ましい。すなわち、外側伝熱管１２０の内面と内側伝熱管１１０の外面との間の距離ｄ（図３ｃ参照）は、少なくともスペーサアレンジメント（１３１、１３２）の外で実質的に一定でなければならない。さらに、伝熱を制御するために、管１１０、１２０の間に断熱材５３０が配置される。しかしながら、実際には、屈曲部を形成するために同軸管を曲げることは、同軸管にわたって間隔が通常厳密には一定にならないという効果を有する。この間隔は、湾曲部の外側で幾分小さくなり得る。管１１０、１２０の間にある断熱材５３０の別の機能は、曲げの間に湾曲部においても距離ｄがさほど変化しないように管１１０、１２０を曲げるのを助けることである。

一実施形態では、距離ｄは、直線部（１０１、１０３、１０５）及びスペーサアレンジメント（１３１、１３２）の外側で一定である。そのため、一実施形態において、距離ｄは、スペーサアレンジメント（１３１、１３２）が存在する場合にはそれを除いて、直線部内の観察点に関わらず同じである。距離ｄは、例えば０．３ｍｍ～５ｍｍ、例えば１ｍｍ～４ｍｍであり、好ましくは１ｍｍ～２ｍｍであり得る。直線部での距離ｄは、スペーサアレンジメントを除いて一定であってもよく、例えば０．５ｍｍ～５ｍｍ、例えば１ｍｍ～４ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～２ｍｍであり得る。同軸管１００の管１１０、１２０は同軸であるため、距離ｄは同軸管の断面内で一定である。加えて、湾曲部１０２内においても、管の間の距離ｄは、例えば０．３ｍｍ～５ｍｍ、例えば１ｍｍ～４ｍｍ、好ましくは１ｍｍ～２ｍｍであり得る。

第１の内側伝熱管１１０は、適度な高温度及び高圧に耐えれなければならない。これを定量化するために、第１の内側伝熱管１１０は、５００℃の温度で管１１０の内面と外面との間で１００ｂａｒの圧力差に耐えれなければならない。より好ましくは、第１の内側伝熱管１１０は、６００℃の温度で管１１０の内面と外面との間で１５０ｂａｒの圧力差に耐えれなければならない。これらの理由から、一実施形態では、第１の内側伝熱管１１０は鋼鉄、好ましくはフェライト鋼又はオーステナイト鋼を含む。一実施形態では、第１の内側伝熱管１１０の壁の厚さは少なくとも３ｍｍ、例えば３ｍｍ～１０ｍｍである。

第１の外側伝熱管１２０は、そのような高圧に耐える必要はない。したがって、一実施形態では、第１の内側伝熱管１１０の壁の厚さは、第１の外側伝熱管１２０の壁の厚さよりも大きい。しかしながら、第１の外側伝熱管１２０は、管の間に断熱材５３０が存在するため、第１の内側伝熱管１１０よりも高い温度に耐える必要がある。したがって、一実施形態では、第１の外側伝熱管１２０は鋼鉄、好ましくはオーステナイト鋼を含む。さらに、使用中の管１１０、１２０の熱膨張により、第１の外側伝熱管１２０及び第１の内側伝熱管１１０は同じ材料で、例えばオーステナイト鋼で作られることが好ましい。

図３ａ及び図３ｂを参照して、第１の内側伝熱管１１０と第１の外側伝熱管１２０との間には、固体の、例えば硬化された断熱材５３０が配置されている。断熱材５３０は、（ｉ）第１の内側管１１０の第１の一次直線部１１１と第１の外側管１２０の第１の一次直線部１２１との間、（ｉｉ）第１の内側管１１０の第１の一次湾曲部１１２と第１の外側管１２０の第１の一次湾曲部１２２との間に配置されている。

直線部及び湾曲部の双方に関して、断熱材５３０の熱伝導率は、同軸管１００により熱を回収するために十分に高くなければならない。さらに、熱伝導率は、同軸管の外面の温度を使用の際に十分高く維持するために十分低くなければならない。断熱材５３０の熱伝導率は、２０℃で１Ｗ／ｍＫ～１０Ｗ／ｍＫであることが好ましい。さらに、断熱材５３０は、高動作温度に耐えるために耐熱性がなければならない。したがって、一実施形態では、断熱材５３０は少なくとも１０００℃まで耐熱性である。湾曲部に関して、断熱材５３０の機能は、同軸管１００を曲げる間に機械的な支持体として作用することである。そのため、断熱材５３０は、硬化された場合に圧縮されないように適度に高いヤング率を有していなければならない。一実施形態では、同軸管１００の断熱材５３０のヤング率は、２０℃の温度で少なくとも１ＧＰａである。一実施形態では、同軸管１００の断熱材５３０のヤング率は、２０℃の温度で少なくとも５ＧＰａである。

同軸伝熱管１００は、外側管１２０が内側管１１０の少なくとも一部を半径方向に取り囲むように内側管１１０の少なくとも一部を外側管１２０に挿入することにより製造できる。さらに、内側管１１０は、少なくとも外管１２０を通っての外側管１２０の一端１２０ａから外管１２０の他端１２０ｂまで延びている（図２ａ～図２ｃ参照）。このように、直っ直ぐな同軸伝熱管が形成される。その後、管１１０、１２０の間に断熱材５３０が配置される。一実施形態では、断熱材５３０は硬化可能であり、硬化前に注入可能である。そのため、一実施形態では、断熱材５３０は管１１０、１２０の間に注入される。その後、断熱材５３０が上述したように機械的支持体として作用するのに十分に硬くなるように断熱材が硬化（例えば、乾燥）され得る。硬化は１００℃～４００℃の温度で行われ得る。最後に、真っ直ぐな同軸伝熱管の適切な位置が適切な曲率半径になるように曲げられる。直っ直ぐな同軸管は、管１１０、１２０の温度が３００℃未満に、例えば２００℃未満であるような温度で曲げられることが好ましい。直管が曲げられる温度は少なくとも－５０℃、例えば、０℃～５０℃、例えば実質的に室温であり得る。

上記のように曲げられるため、内側管１１０及び外側管１２０（すなわち、普通館）は屈曲可能な材料、すなわち延性材料で作られるべきである。適切な材料は多くの金属、とりわけフェライト鋼又はオーステナイト鋼等の鋼鉄を含み得る。

第１の同軸伝熱管１００の外径ｄ_１２０に対する同軸伝熱管１００の屈曲(すなわち、湾曲)部の曲率半径ｒ_ｃの比ｒ_ｃ／ｄ_１２０は好ましくは少なくとも３であることが分かった。これは、管１１０、１２０の間の距離は曲げの間に実質的に一定で留まるという効果を有する。より好ましくは、比ｒ_ｃ／ｄ_１２０は少なくとも３．３、例えば少なくとも３．５であることがより好ましい。

また、第１の内側伝熱管１１０の外径ｄ_１１０に対する同軸伝熱管１００の屈曲(すなわち、湾曲)部の曲率半径ｒ_ｃの比ｒ_ｃ／ｄ_１１０は、好ましくは少なくとも３であることが分かった。これは、内側伝熱管１１０の高圧に耐える能力が、同軸管１００を曲げる間に実質的に変化しないという効果を有する。比ｒ_ｃ／ｄ_１１０は少なくとも３．３、例えば少なくとも３．５であることがより好ましい。内側伝熱管１１０を小さな（より小さな）曲率半径になるように曲げることは、曲げ後の同軸伝熱管１００の熱処理が必要となり、このように製造プロセスが複雑になる。そのため、適度に大きな曲率半径を有することによって、よりシンプルな製造プロセスとなる。

断熱材５３０は、外側伝熱管１２０の端部（１２０ａ、１２０ｂ）から管１１０、１２０の間に供給されてもよい。加えて又は代替的に、外側伝熱管１２０にオリフィス１３５（図３ａ参照）を形成して、オリフィスを介して断熱材５３０を管１１０、１２０の間に注入してもよい。オリフィスは後に閉じられ得る。そのため、一実施形態では、第１の外側伝熱管１２０は、閉じられ得るオリフィス１３５を含み、オリフィス１３５を介して第１の内側伝熱管１１０と第１の外側伝熱管１２０との間に断熱材５３０が供給(例えば、注入)される。オリフィス１３５を介して注入することは、より高い注入圧力を使用することができるため、注入をより素早く行うことができるという有益な効果を有する。

管１１０、１２０のセンタリングは、それらのいずれも当然ながら無限に（naturally infinitely）真っ直ぐではないので困難であり得ることが分かった。管１１０、１２０は、少なくとも１つのスペーサアレンジメント１３１を用いることにより、互いに対してセンタリングできることが分かった。スペーサアレンジメント１３１は、断熱材５３０とは異なる固体材料から作られる。そのため、曲げ前の管の間の距離ｄは、少なくとも１つのスペーサ要素（１１９、１２９）を含む第１のスペーサアレンジメント１３１によって実質的に一定にすることができるのが分かった。第１のスペーサアレンジメント１３１は、管１００の直線部（１０１、１１１、１２１、１０３、１１３、１２３）の位置で、第１の外側伝熱管１２０の内面と第１の内側伝熱管１１０の外面との間の一定距離ｄを定義するように構成されている。実際に、第１のスペーサアレンジメント１３１は、内側管１１０と外側管１２０とが平行且つ同軸になるようにそれらを揃えるように構成されている。図３ｃを参照して、第１の外側伝熱管１２０の内面の突起１２９は、スペーサアレンジメントのスペーサ要素の１つとして機能し得る。一実施形態では、第１の外側伝熱管１２０の内面の突起１２９は、スペーサアレンジメントのスペーサ要素として（少なくともその一部として）機能する。

加えて又は代替的に、第１の内側伝熱管１１０の外面上の突起１１９（図３ｃ参照）は、スペーサアレンジメントのスペーサ要素のうちの１つとして機能し得る。そのような突起は、例えば、第１の内側伝熱管１１０の外面に溶接され得る。一実施形態では、第１の内側伝熱管１１０の外面上の突起１１９は、スペーサアレンジメントのスペーサ要素として（少なくともその一部として）機能する。しかしながら、内側伝熱管１１０は、高温で高圧に耐える必要があるため、第１の内側伝熱管１１０の外面には突起１１９がないことが好ましい。そのため、スペーサアレンジメント１３１は、第１の外側伝熱管１２０の内面上の突起１２９で構成されることが好ましい。

図３ｃを参照して、第１のスペーサアレンジメント１３１は少なくとも３つの突起１２９を含む。第１のスペーサアレンジメント１３１は、最大で１０個の突起１２９を含むことが好ましく、第１のスペーサアレンジメント１３１は、４～８個の突起１２９を含むことがより好ましい。突起１２９は、管１００の同じ長手位置にある必要はない。突起は、第１のスペーサアレンジメント１３１の長さ内に配置されてもよく、第１のスペーサアレンジメント１３１の長さは、例えば最大で１００ｍｍであり得る。

一実施形態では、第１の同軸伝熱管１００は第２のスペーサアレンジメント１３２を含む。第２のスペーサアレンジメント１３２は、第１のスペーサアレンジメント１３１と組み合わされて、内側管１１０と外側管１２０とが平行且つ同軸にあるように整合させるように構成されている。第２のスペーサアレンジメントも断熱材５３０以外の固体材料から作られている。図２ｃを参照して、第１のスペーサアレンジメント１３１と第2のスペーサアレンジメント１３２との間の距離ｄ_１３１は、第１の同軸伝熱管１００に沿って１００ｍｍ～２０００ｍｍである。距離ｄ_１３１は、管１１０、１２０を互いに対してセンタリングするには大きすぎてはならない。さらに、距離ｄ_１３１は、管１１０、１２０の間に好適な断熱特性を有するには小さすぎてはならない。距離ｄ_１３１は３００ｍｍ～１０００ｍｍであることが好ましい。

外側伝熱管１２０の内面に突起１２９が形成され得る。例えば、外側伝熱管１２０の外面に盲孔１２８を打ち抜くことにより、外側伝熱管１２０が局部的に曲げられて、図３ｄに示すように外側伝熱管１２０の内面に突起１２９が形成される。そのような曲げは、少なくとも、外側伝熱管１２０が金属、例えば延性金属、例えばオーステナイト鋼等の鋼鉄を含む場合に生じる。一般に、この目的に適した金属は融点が少なくとも１０００℃である。そのため、一実施形態では、外側伝熱管１２０はこれらの材料のうちの１つを含む。一実施形態では、第１の外側伝熱管１２０（及び任意で第２の外側伝熱管２２０も）はその外面に盲孔１２８を含む。とりわけ、図３ｄ及び図２ｃを参照して、そのような盲孔１２８及び対応する突起１２９（すなわち、第１のスペーサアレンジメント１３１）は第１の外側伝熱管１２０の第１の端部１２０ａと第１の外側伝熱管１２０の第２の端部１２０ｂとの間で、第１の外側伝熱管１２０が延びる方向ｄｅ_１２０に配置されている。第１のスペーサアレンジメント１３１（例えば、突起１２９に対応する盲孔１２８）は、第１の外側伝熱管１２０の両端１２０a、１２０bから、例えば少なくとも５０ｍｍ又は少なくとも１５０ｍｍ離れて配置され得る。したがって、本方法の一実施形態は、突起１２９が外側管１２０の内面に形成されるように、外側伝熱管１２０の外面に盲孔１２８を打ち抜くことを含む。そのような突起１２９は第１のスペーサアレンジメント１３１を形成する。盲孔１２８は、（ｉ）内側管１１０の少なくとも一部を外側管１２０内に配置した後で且つ（ｉｉ）管１１０、１２０の間に断熱材５３０を配置（例えば、注入）する前に打ち抜かれることが好ましい。内側管１１０を外側管１２０内に配置する前に、外側管１２０の突起１２９及び／又は内側管１１０の突起１１９を設けることが可能であり得る。

スペーサアレンジメント１３１、１３２が管１００のこのように曲げられた部分で用いられた場合、曲げの間に内側管１１０の機械的特性を容易に劣化させることが分かった。したがって、スペーサアレンジメント１３１、１３２は、同軸管１００の湾曲部に配置されないことが好ましい。そのため、一実施形態では、中心軸の曲率半径が１ｍ未満である同軸伝熱管１００の湾曲部は、スペーサアレンジメント（１３１、１３２）を含まない。しかしながら、上述のように、断熱材５３０が管１１０、１２０の間の空間を定義し、断熱材５３０も曲線部内で用いられる。そのため、同軸伝熱管１００の湾曲部は、断熱材５３０以外のスペーサアレンジメントを含まず、そのスペーサアレンジメント（１３１、１３２）は、第１の外側伝熱管１２０の内面と、第１の内側伝熱管１１０の外面との間の距離ｄを、少なくとも管１００の直線部（１０１、１０３）で定義するように構成される。そのため、前記曲げの後も真っ直ぐに保たれる管１００の部分のみに盲孔１２８が打ち抜かれ得る。これに対応して、一実施形態は、管１００のスペーサアレンジメントがない部品のみを曲げることを含む。さらに、一実施形態では、第１の同軸伝熱管１００は盲孔１２８を含むが、盲孔１２８は同軸管１００の直線部のみに設けられる。

熱交換器１０、例えば流動層熱交換器１０は第１の同軸伝熱管１００を含む。さらに、好ましい用途では、流動層熱交換器１０の少なくとも一部は、流動層が使用時に形成されるように構成された空間Ｖに配置される。一実施形態では、（ｉ）第１の外側伝熱管１２０の第１の一次湾曲部１２２及び（ｉｉ）第１の外側伝熱管１２０の第１の一次直線部１２１の双方が、使用時に流動層の流動媒体と接触するように構成されている。

内側管１１０と、内側管１１０と同軸の外側管１２０とを有する同軸伝熱管１００は、例えば米国特許第９３７１９８７号に示されているように、いくつかの有益な効果を有する。同軸伝熱管の湾曲部のための別個の保護容器を持たないことは、内側伝熱管１１０への伝熱を改善する。

図２ｂを参照して、上述の定義によれば、一実施形態では、第１の内側伝熱管１１０の第１の一次直線部１１１の中心線の曲率半径ｒ_ｓは少なくとも１ｍである。加えて又はあるは、第１の内側伝熱管１１０の第１の一次湾曲部１１２の中心線の曲率半径ｒ_ｃは１ｍ未満である。図２ａを参照して、上述の定義は、内側管１１０及び外側管１２０を含む第１の同軸伝熱管１００にも該当し得る。

図２ｂを参照して、一実施形態では、管１００は、第１の同軸伝熱管１００の少なくとも直線部が平面Ｐ内に延びるように曲げられている。一実施形態では、第１の一次直線部１０１及び第１の二次直線部１０３が平面Ｐ内に延びている。さらに、一実施形態では、第１の同軸伝熱管１００は第１の三次直線部１０５を含み、第１の三次直線部１０５も平面Ｐ内に延びている。これは、図２ａ～図２ｃに示すように、内側管１１０及び外側管１２０及びそれらの部分１１１、１１３、１１５及び１２１、１２３、１２５の両方にも該当する。

図２ａを参照して、一実施形態では、熱交換器１０（及び／又は流動層ボイラ１）は、第１の同軸伝熱管１００と、第１の同軸伝熱管１００、とりわけその内側伝熱管１１０に伝熱媒体を供給するように構成された分配タヘッダ５１０と、第１の同軸伝熱管１００、とりわけその内側伝熱管１１０から伝熱媒体を回収するように構成された回収ヘッダ５２０とを含む。図２ａに示すように、第１の同軸伝熱管１００（とりわけ、その内側伝熱管１１０）は、分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びている。図２ｃに示すように、外側管１２０は、分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びている必要はない。

直線部及び湾曲部を有する１つの同軸伝熱管１００のみが用いられる場合、適度に小さな容積内に適度に大きな伝熱面を有するために、管１００は、幾つかの位置で適度に小さな湾曲半径になるように曲げられなければならない。小さな曲率半径を有することで、直線部１０１、１０３は互いに近づく（図２ａ参照）。しかしながら、上記のように、製造上の理由から、湾曲部の曲率半径は小さすぎないことが好ましい。したがって、同軸管の２つの直線部、の間の距離は、例えば図２ａの部分１０１、１０３の間の距離は実際にはかなり大きい。伝熱管の間の距離を減少させ、このようにして容積内の伝熱面を大きくするために、第１の同軸管の２つの部分の間に第２の同軸管の一部が残るような平面内で隣り合う少なくとも２つの同軸管を用いることができることが分かった。とりわけ、図４ａを参照して、直線部１０３と１０１との間の距離が、適切な曲率半径のために合理的に大きい必要があっても、直線部２０１と１０１との間の距離を必要な限り小さくすることができる。このようにして、図４ａの同軸管により得られる容積当たりの伝熱面は、図２ａの同軸管の場合よりもはるかに大きい。

また、隣り合って配置される同軸伝熱管の最適な数は、たとえ数が１つであったとしても（図２ａ）、少なくとも２つ、例えば２つ（図４ａ）、３つ（図５ａ）、４つ（図５ｂ）、５つ（図示せず）又は６つ（図示せず）であることが分かった。

図２ａ及び図４ａに示すように、第１の一次湾曲部（第１の同軸管１００及びその通常管１１０、１２０の１０２、１１２及び１２２）の第１の一次直線部（それぞれ１０１、１１１、１２１）は第１の二次直線部（それぞれ１０３、１１３、１２３）に接続する。そのため、第１の一次湾曲部（それぞれ、１０２、１１２、１２２）は、第１の一次直線部（それぞれ、１０１、１１１、１２１）と第１の二次直線部（それぞれ、１０３、１１３、１２３）との間で第1の（同軸又は通常）伝熱管（それぞれ、１００、１１０、１２０）に沿って配置される。ここで、「沿って」という用語は、伝熱媒体が、第１の（同軸又は通常の）伝熱管（１００、１１０及び１２０）に流れるように構成された方向を意味する。
図４ａ、図６ａ、図６ｂを参照して、一実施形態では、熱交換器１０は、第２の内側伝熱管２１０及び第２の外側伝熱管２２０を有する第２の同軸伝熱管２００をさらに含む。第２の同軸伝熱管２００は、分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる。さらに、図６ａ及び図６ｂを参照して、第２の同軸伝熱管２００は、
・第２の内管２１０の第２の一次直線部２１１及び第２の外側管２２０の第２の一次直線部２２１を有する第２の一次直線部２０１と、
・第２の内管２１０の第２の二次直線部２１３及び第２の外側管２２０の第２の二次直線部２２３を有する第２の二次直線部２０３と、
・第２の内側管２１０の第２の一次湾曲部２１２及び第２の外側管２２０の第２の一次湾曲部２２２を有する第２の一次湾曲部２０２と、
を含む。

図４ａに示すように、第２の一次湾曲部（第２の同軸管２００及びその通常管２１０、２２０の２０２、２１２及び２２２）は、第２の一次直線部（それぞれ２０１、２１１、２２１）を第２の二次直線部（それぞれ２０３、２１３、２２３）に接続する。そのため、第２の一次湾曲部は、第２の一次直線部（それぞれ２０１、２１１、２２１）と第２の二次直線部（それぞれ２０３、２１３、２２３）との間で、第２の（同軸又は通常の）伝熱管（２００、２１０、２２０）に沿って配置されている。ここで、「沿って」という用語は、伝熱媒体が、第２の（同軸又は通常の）伝熱管（２００、２１０及び２２０）に流れるように構成された方向を意味する。

湾曲部及び直線部の曲率半径を制限することは上記で定義した。これは、第１の同軸管１００及び第２の同軸管２００の双方に該当する。

図４ａを参照して、一実施形態では、第１の同軸伝熱管１００と第２の同軸伝熱管２００とは、第１の一次直線部１０１が第２の一次直線部２０１と第２の二次直線部２０３との間に配置されるように、互いに対して配置される。これは、図４Ａ～図４ｃに示すように、内側管（１１０、１２０）の直線部１１１、２１１及び２１３並びに外側管（１２０、２２０）の直線部１２１、２２１及び２２３にも当てはまる。上述したように、過度に屈曲された管（すなわち、曲率半径の小さい湾曲部）を用いることなく適度に小さい空間Ｖに同軸伝熱管の適度に高い伝熱面を設けることができるという技術的効果を有する。これにより、同軸管（１００、２００）の製造が簡略化される。

上記で定義したように、「同軸伝熱管」という用語は、同軸に配置された管の配置をいう。したがって、この文脈では、異なる同軸伝熱管（１００、２００）は相互に同軸ではない。そのため、一実施形態では、第１の同軸伝熱管１００のどの部分も、第２の同軸伝熱管２００の部分と同軸でない。なお、２つの伝熱管の同様の配置は、その適用の伝熱管が同軸又は通常であるか関係なく、小さな容量で高い領域が必要な他の用途で用いることができる。

分配ヘッダ５１０は、第１の同軸伝熱管１００、とりわけ第１の内側管１１０と、第２の同軸伝熱管２００、とりわけ第２の内側管２１０とに伝熱媒体を供給するように構成されている。同様に、回収ヘッダ５２０は、第１の同軸伝熱管１００、とりわけ内側管１１０と、第２の同軸伝熱管２００、とりわけ第２の内側管２１０とから伝熱媒体を回収するように構成されている。明らかなように、伝熱媒体は、同軸伝熱管１００、２００を通って分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に流れる間に加熱される。

図２ａを参照して、一実施形態では、同一平面Ｐ内で分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる同軸伝熱管の数Ｎ_ｔｕｂｅは、第１の同軸管１００しか存在しないため１つだけであり得る。しかしながら、図４ａを参照して、一実施形態では、同一平面Ｐ内で分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる同軸伝熱管の数Ｎ_ｔｕｂｅは、第２の同軸管２００も存在するため２つであり得る。図５ａを参照して、熱交換器１０は、同じ平面Ｐ内で分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる第３の同軸伝熱管３００を含み得る。そのため、数Ｎ_ｔｕｂｅは３であり得る。図５ｂを参照して、熱交換器１０は、同じ平面Ｐ内で分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる第４の同軸伝熱管４００を含み得る。そのため、数Ｎ_ｔｕｂｅは４であり得る。図示されていないが、数Ｎ_ｔｕｂｅは５、６又は６より大きい。図５ａを参照して、必要に応じて、同軸管１００、２００、３００は、バインダ５４０により結合してもよい。バインダ５４０は、熱交換器１０の機械的安定性を改善する。同じ平面Ｐ内に延びる同軸伝熱管の数Ｎ_ｔｕｂｅは少なくとも２つ又は少なくとも３つであることが好ましい。

一実施形態では、流動層ボイラ１又はその流動層熱交換器１０は、（ｉ）分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びるとともに、（ｉｉ）少なくとも一次直線部（１０１、２０１、３０１）と、二次直線部（１０３、２０３、３０３）と、該一次直線部を該二次直線部に接続する一次湾曲部（１０２、２０２、３０２）とを含むＮ_ｔｕｂｅ個の同軸伝熱管（１００、２００、３００、４００）を含む。

図５ａを参照して、一実施形態では、数Ｎ_ｔｕｂｅは３である。そのような実施形態は、上述したように、第１の同軸伝熱管１００及び第２の同軸伝熱管２００を含む。さらに、係る実施形態では、流動層ボイラ１又はボイラ１の流動層に適した熱交換器１０は、分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる第３の同軸伝熱管３００を含む。第３の同軸伝熱管３００は、第1の管１００及び第２の管２００について上述した部分を含む。一実施形態では、第３の同軸伝熱管３００は、第１の同軸伝熱管１００及び／又は第２の同軸伝熱管２００に関連して上述したように、内側伝熱管及び外側伝熱管を含む。

図５ａを参照して、第３の同軸伝熱管３００は、第３の一次直線部３０１及び第３の二次直線部３０３を含む。第２の同軸伝熱管２００及び第３の同軸伝熱管３００は、第２の一次直線部２０１が第３の一次直線部３０１と第３の二次直線部３０３との間に配置されるように互いに対して配置される。第１及び第２の同軸伝熱管（１００、２００）の相対配置に関して上述したことが該当する。上述したように、一実施形態では、第１の一次直線部１０１、第２の一次直線部２０１及び第２の二次直線部２０３とが平面Ｐ内に延びている。第３の同軸伝熱管が存在する場合、一実施形態では、第３の一次直線部３０１及び第３の二次直線部３０３も平面Ｐ内に延びている。

図５ｂを参照して、一実施形態では、数Ｎ_ｔｕｂｅは４である。そのような実施形態は、上述したように、第１の同軸伝熱管１００、第２の同軸伝熱管２００及び第３の同軸伝熱管３００を含む。さらに、その実施形態では、流動層ボイラ１又はボイラ１の流動層に適した熱交換器１０は、分配ヘッダ５１０から回収ヘッダ５２０に延びる第４の同軸伝熱管４００を含む。

図４ａを参照して、一実施形態では、同軸伝熱管１００、２００はより湾曲した部分を有する。これは、分配ヘッダ５１０と回収ヘッダ５２０との間の距離を適度に大きくしつつ、管１００、２００の直線部分を互い近づけることができるという効果を有する。管１００、２００の直線部を互いに近づけることにより伝熱領域が大きくなり、熱回収が改善される。管の直線部分は同じ平面Ｐ内に配置されることが好ましい。

図示のように、湾曲部は、管内の伝熱媒体の伝搬方向が曲線部内で３０～１８０度変化するような湾曲部であることが好ましい。例えば、図２ａ、図４ａは、流れの方向を１８０度変化させる湾曲部１０２、２０２を示す。例えば、図５ｄは、流れの方向を９０度変える湾曲部３０２と、流れの方向を９０度変える別の湾曲部３０６を示す。同様に、直線部により互いに離れたより多くの湾曲部を用いることによって、１８０度の旋回を作ることができる。図５ｃを参照して、湾曲部の曲率半径は一定である必要はない。

上述した流動層熱交換器１０は、循環流動層ボイラのループシール５で用いられることが好ましい。そのため、一実施形態では、流動層ボイラ１は、流動媒体を煙道ガスから分離する手段４０を含む。図１ａを参照して、一実施形態では、流動層ボイラ１は、流動媒体を煙道ガスから分離するためのサイクロン４０を含む。流動層ボイラは、流動媒体を煙道ガスから分離するための手段４０（例えば、サイクロン）から流動媒体を受け取るように構成されたループシール５を含む。さらに、流動層熱交換器１０の少なくとも一部はループシール５内に配置される。例えば、図２ｂ及び図２ｃを参照して、分配ヘッダ５１０及び回収ヘッダ５２０はループシールの外側に配置され得る。しかしながら、同軸伝熱管（１００、２００）の少なくとも大半は、上述したようにループシールに配置されている。例えば、一実施形態では、流動層熱交換器１０の長手方向に測った同軸伝熱管（１００、２００）の少なくとも９０％は、上述したようにループシール５内に配置される。

Claims (8)

1. 同軸伝熱管を製造する方法であって、当該方法は、
   内側伝熱管及び外側伝熱管を利用可能に配置するステップと、
   前記内側伝熱管が少なくとも前記外側伝熱管を貫通して真っ直ぐな同軸伝熱管が形成されるように、前記内側伝熱管の少なくとも一部を前記外側伝熱管に挿入するステップと、
   前記内側伝熱管と前記外側伝熱管との間に断熱材を配置するステップと、
   １００℃～４００℃の温度で前記断熱材を硬化するステップと、
   前記断熱材を硬化するステップの後に、第１の一次湾曲部を前記同軸伝熱管に形成するために前記真っ直ぐな同軸伝熱管を曲げるステップと、
   前記真っ直ぐな同軸伝熱管を曲げるステップの前に、前記外側伝熱管の内面及び／又は前記内側伝熱管の外面に第１の突起を形成するステップを含み、
   を含み、
   前記断熱材を硬化するステップの後、前記断熱材の熱伝導率は、２０℃の温度で１Ｗ/ｍＫ～１０Ｗ/ｍＫである、方法。
2. 前記外側伝熱管の外面に盲孔を打ち抜くことにより前記第１の突起を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法は、
   前記真っ直ぐな同軸伝熱管を曲げるステップの前に、前記外側伝熱管の内面又は内側伝熱管の外面に第２の突起を形成するステップであって、該第２の突起は、前記第１の突起と該第２の突起との間の距離が１００ｍｍ～２０００ｍｍになるように形成される、ステップ、
   を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の突起と前記第２の突起との間の距離は３００ｍｍから１０００ｍｍである、請求項３に記載の方法。
5. 前記断熱材を硬化するステップの前に、前記断熱材が前記内側伝熱管と前記外側伝熱管との間に注入され、
   前記断熱材を硬化するステップの後、
   前記断熱材のヤング率は、２０℃の温度で少なくとも１ＧＰａ又は少なくとも５ＧＰａであり、
   前記断熱材は、少なくとも１０００℃まで耐熱性を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記盲孔は、前記外側伝熱管の、前記真っ直ぐな同軸伝熱管を曲げるステップの後でも真っ直ぐに保たれる部分のみに打ち抜かれる、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記方法は、
   前記内側伝熱管及び前記外側伝熱管の温度が３００℃未満になる温度で前記真っ直ぐな同軸伝熱管を曲げて前記同軸伝熱管に第１の一次湾曲部を形成すること、
   を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１の突起を用いることにより、前記内側伝熱管及び前記外側伝熱管を互いに対してセンタリングさせることを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。

Images