JP2005055083A - 熱交換器及びそれを備えた燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、簡単な構成により伝熱管の耐熱性を向上させ、高温酸化による損傷を抑制することができる熱交換器及びそれを備えた燃焼装置を提供する点にある。
【解決手段】 管部材３１と管部材３１の先端を封鎖するキャップ部材３２とを接合して有底筒状に形成された伝熱管３３と、伝熱管３３の内側において筒軸心に沿って延出し、伝熱管３３の内側を伝熱管３３の基端側から先端側に通じる往路３８と往路３８に対して先端側で連通し基端側に通じる復路３９とに仕切る仕切壁３６とを備え、伝熱管３３の外側を伝熱管３３の先端側から基端側に向けて流通する第１流体Ｅと、伝熱管３３の内側を往路３８から復路３９に渡って流通する第２流体Ａとを伝熱管３３を介して熱交換させる熱交換器３０であって、伝熱管３３において、管部材３１とキャップ部材３２との接合部３５を、仕切壁３６の先端３７位置よりも基端側に引退した位置に配置する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、第１流体と第２流体とを伝熱管を介して熱交換させる熱交換器、及び、その熱交換器をバーナ本体に供給される燃焼用空気を予熱するための熱交換器として備えた燃焼装置に関する。

従来、鍛造炉や熱処理炉等で利用される燃焼装置として、燃焼用空気の供給を受け、その供給された燃焼用空気に燃料を混合して燃焼させるバーナ本体を備え、そのバーナ本体に供給される燃焼用空気を、バーナ本体から排出された燃焼排ガスとの熱交換により予熱する熱交換器を備えたレキュペバーナとよばれる燃焼装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

また、図４に示すように、このような燃焼装置において、バーナ本体に供給される燃焼用空気Ａを予熱するために設けられる熱交換器１３０は、管部材１３１と管部材１３１の先端を封鎖するキャップ部材１３２とを溶接により接合して有底筒状に形成された伝熱管１３３と、その伝熱管１３３の内側において筒軸心に沿って延出する仕切壁１３６とを備え、更に、その仕切壁１３６が、伝熱管１３３の内側を、伝熱管１３３の基端側から先端側に通じる往路１３８と、その往路１３８と先端側で連通し基端側に通じる復路１３９とに仕切るように配置されている。

そして、この熱交換器１３０は、伝熱管１３３の外側を伝熱管１３３の先端側から基端側に向けて流通する第１流体としての燃焼排ガスＥと、伝熱管１３３の内側を往路１３８から復路１３９に渡って流通する第２流体としての燃焼用空気Ａとを、伝熱管１３３を介して熱交換させて、燃焼用空気Ａを燃焼排ガスＥにより予熱することができる。

また、このような熱交換器１３０においては、キャップ部材１３２として半球状に形成されたキャップ部材が利用されている。また、伝熱管１３５の内側において往路１３８と復路１３９との連通部、即ち、仕切壁１３６の先端１３７よりも先端部の流路断面積が、往路１３８及び復路１３９の流路断面積と略同等になるように、仕切壁１３６の先端１３７は、キャップ部材１３２の先端から、伝熱管１３３の筒状の半径分に相当する距離だけ基端側に引退した位置に配置されている。よって、伝熱管１３３の筒軸心に沿って、キャップ部材１３２と管部材１３１との接続部１３５が、仕切壁１３６の先端１３７と略同じ位置に配置されていることになる。

特開平７−２０８７０８号公報 特開平７−２０８７０９号公報

上記のような燃焼装置に設けられる熱交換器において、伝熱管の先端部は、１１５０℃〜１２５０℃程度という高温の燃焼排ガスが直接吹き付けられるので、高温酸化による損傷が懸念される。
そこで、高温酸化による損傷を抑制するために、上記伝熱管の厚さを全体に渡って厚くすると、燃焼用空気を充分に予熱することができず、熱効率の低下を招く場合がある。

また、伝熱管の管部材とキャップ部材との接合部も、伝熱管の先端部に近いので過剰に高温となりやすく、その接合部の耐熱性が比較的低いことにより、接合部の損傷が懸念される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成により伝熱管の耐熱性を向上させ、高温酸化による損傷を抑制することができる熱交換器及びそれを備えた燃焼装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る熱交換器の第１特徴構成は、管部材と前記管部材の先端を封鎖するキャップ部材とを接合して有底筒状に形成された伝熱管と、前記伝熱管の内側において筒軸心に沿って延出し、前記伝熱管の内側を前記伝熱管の基端側から先端側に通じる往路と前記往路に対して先端側で連通し基端側に通じる復路とに仕切る仕切壁とを備え、
前記伝熱管の外側を前記伝熱管の先端側から基端側に向けて流通する第１流体と、前記伝熱管の内側を前記往路から前記復路に渡って流通する第２流体とを前記伝熱管を介して熱交換させる熱交換器であって、
前記伝熱管において、前記管部材と前記キャップ部材との接合部を、前記仕切壁の先端位置よりも基端側に引退した位置に配置した点にある。

上記第１特徴構成によれば、管部材と管部材の先端を封鎖するキャップ部材とを接合して有底筒状に形成された伝熱管において、伝熱管の内側に筒軸心に沿って延出し伝熱管の内側を上記往路と上記復路とに仕切る仕切壁の先端位置を、例えば比較的伝熱管の先端に近くして十分に長い往路と復路とを形成しつつ、その仕切壁の先端位置よりも基端側に引退し比較的低温である位置に、管部材とキャップ部材との接合部を配置することで、その接合部が過剰に高温となることを抑制することができる。
従って、伝熱管における接合部を切壁の先端位置よりも基端側に引退した位置に配置するという簡単な構成により、伝熱管の耐熱性を向上させ、高温酸化による損傷を抑制することができる。

本発明に係る熱交換器の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記キャップ部材の厚さが、前記管部材の厚さよりも大きい点にある。

上記第２特徴構成によれば、伝熱管において、キャップ部材が管部材とは別体で構成されていることから、容易に、キャップ部材の厚さを他の管体の厚さと異ならせることができ、更に、その過剰に高温となりやすいキャップ部材の厚さを管部材の厚さよりも大きくすることで、キャップ部材の高温酸化による損傷を良好に抑制することができる。

本発明に係る熱交換器の第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、前記接合部において、前記キャップ部材の基端部が前記管部材の先端部に内挿されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、接合部において、キャップ部材の基端部を管部材の先端部に内挿し、その挿入部において溶接等を施して接合することで、接合時において部材のがたつきを抑制して作業性を向上することができる。また、キャップ部材が管部材よりも高温となることから、キャップ部材の方が管部材よりも外径が膨張しようとするが、接合部においてキャップ部材の膨張をそれを外囲する管部材により規制することができ、その膨張率の差に起因する接合部の損傷を抑制することができる。

本発明に係る熱交換器の第４特徴構成は、上記第１から第３の何れかの特徴構成に加えて、前記キャップ部材の外面に、溶射材料を溶射してなる溶射層が形成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記キャップ部材は、管部材と比較して、過剰に高温となりやすいことから、そのキャップ部材の外面のみ、耐熱性を有する耐熱材料性の溶射層を形成することで、高温酸化による損傷を一層抑制することができる。

本発明に係る燃焼装置は、供給された燃焼用空気により燃料を燃焼させるバーナ本体を備え、前記バーナ本体に供給される燃焼用空気を前記バーナ本体から排出された燃焼排ガスとの熱交換により予熱する熱交換器を備えた燃焼装置であって、その特徴構成は、前記熱交換器として、上記第１から第３の何れかの特徴構成を有する熱交換器を、前記バーナ本体から排出された燃焼排ガスを前記第１流体として前記伝熱管の外側に流通させ、前記バーナ本体に供給される燃焼用空気を前記第２流体として前記伝熱管の内側に流通させるように構成して備えた点にある。

上記燃焼装置の特徴構成によれば、これまで説明してきた高温酸化による損傷を抑制することができる熱交換器を、バーナ本体に供給される燃焼用空気を燃焼排ガスにより予熱するための熱交換器として設けることで、燃焼装置のように非常に高温の燃焼排ガスが伝熱管の外側を先端側から基端側に向けて流通することにより、伝熱管の先端部が過剰に高温となる場合においても、伝熱管の高温酸化による損傷を良好に抑制することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示す燃焼装置５０は、燃焼用空気Ａの供給を受け、その供給された燃焼用空気Ａに燃料Ｇを混合して燃焼させるバーナ本体２０と、そのバーナ本体２０に供給される燃焼用空気Ａを、バーナ本体２０から排出された燃焼排ガスＥとの熱交換により予熱する熱交換器３０とを備えたレキュペバーナとして構成されており、この燃焼装置５０は、鍛造炉や熱処理炉等の炉壁３を貫通するように設置され、バーナ本体２０により燃料Ｇを燃焼させて炉内２の被処理物を加熱するように構成される。

以下、燃焼装置５０に設けられたバーナ本体２０について説明を加える。
バーナ本体２０は、最も内側に配置された筒状の燃料ノズル２２と、その燃料ノズル２２を外囲し、前記燃料ノズル２２との間に空気路２５を形成する筒状のバーナ筒２３とを備える。そして、空気供給口５に供給され、詳細については後述する熱交換器３０により予熱された燃焼用空気Ａは、燃料ノズル２２の外側に形成された空気路２５を基端側から先端側に向けて流通して、炉内２に供給される。そして、燃料供給口６から燃料ノズル２２に供給された燃料Ｇは、燃料ノズル２２の先端から噴射され、その周囲に上記空気路２５から供給された燃焼用空気Ａにより燃焼して、炉内２が加熱される。

以下、燃焼装置５０に設けられた熱交換器３０について説明を加える。
熱交換器３０は、図３も参照して、管部材３１と管部材３１の先端を封鎖するキャップ部材３２とを溶接により接合して有底筒状に形成された伝熱管３３と、その伝熱管３３の内側において筒軸心に沿って延出する仕切壁３６とを備え、更に、その仕切壁３６が、伝熱管３３の内側を、伝熱管３３の基端側から先端側に通じる往路３８と、その往路３８と先端側で連通し基端側に通じる復路３９とに仕切るように配置されている。また、このような熱交換器３０は、バーナ本体２０の周囲で炉内２に開口する燃焼排ガス取込口８に取込んだ燃焼排ガスＥが流通する排気路１０において、その先端を炉内２側に向けた状態で、上記バーナ本体２０の周囲に等間隔で複数並設されている。
尚、上記キャップ部材３２及び管部材３３は、耐熱性に優れたＳＵＳ３１０Ｓ（ＪＩＳ Ｇ ４３０３）に相当するステンレス鋼製である。
また、キャップ部材３２は有底筒状の一体成形品であり、その内部の凹部は、比較的製造コストが安価なドリル加工により形成されている。

そして、空気供給口５に供給された燃焼用空気Ａが、熱交換器３０の伝熱管３３の内側に形成された往路３８及び復路３９を順に流通すると共に、バーナ本体２０の周囲で炉内２に開口する燃焼排ガス取込口８に取込んだ燃焼排ガスＥが、熱交換器３０の伝熱管３３の外側に形成された排気路１０を伝熱管３３の先端側から基端側に向けて流通した後に、排気口１２から排出される。従って、このような熱交換器３０により、伝熱管３３の内側を流通する燃焼用空気Ａを、伝熱管３３を介して、伝熱管３３の外側を流通する燃焼排ガスとの間で熱交換させて予熱することができ、その予熱された燃焼用空気Ａを、バーナ本体２０に供給することができる。

上記のように構成された熱交換器３０は、伝熱管３３において、管部材３１とキャップ部材３２との接合部３５が、仕切壁３６の先端３７の位置よりも所定の距離Ｌだけ基端側に引退した位置にあることを特徴構成とし、かかる特徴構成により、接合部３５に接触する燃焼排ガスＥが、伝熱管３３の先端部から接合部３５に至るまでに比較的低温となることから、接合部３５の高温酸化による損傷が抑制されている。
尚、仕切壁３６の先端３７の位置は、伝熱管３５の内側において往路３９と復路３９との連通部、即ち、仕切壁３６の先端３７よりも先端側の通路における圧力損失等を考慮して、キャップ部材３２の先端の内面から１８ｍｍ程度基端側に引退した位置となっている。

更に、仕切壁３６の先端３７の位置から接合部３５までの距離Ｌを１３０ｍｍ以上とすることで、接合部３５での燃焼排ガスＥの温度が、例えば伝熱管３３の先端での燃焼排ガスＥの温度（例えば１１５０℃〜１２５０℃）よりも１００℃程度低い温度となっていることから、接合部３５の高温酸化による損傷が一層抑制されている。
また、仕切壁３６の先端３７の位置から接合部３５までの距離Ｌが１８０ｍｍを超えると、伝熱管３３を介した熱交換の効率の悪化が懸念されることから、該距離Ｌは１８０ｍｍ以下とされている。
ただし、接合部３５が上記仕切壁３６の先端３７よりも引退している場合において、それらの距離Ｌは、上記の範囲外であっても、接合部３５での燃焼ガスＥの温度がその接合部３５における溶接材等の耐熱性に対する許容範囲となる程度のものであればよい。

更に、熱交換器３０において、キャップ部材３２の厚さＤ２が、管部材３１の厚さＤ１よりも大きなっている。即ち、伝熱管３３において、高温の燃焼排ガスＥが接触し、過剰に高温となりやすい部分の厚さＤ２が、比較的低温の燃焼排ガスＥが接触する他部の厚さＤ１よりも大きくなっており、比較的高温酸化し易いキャップ部材３２の寿命が改善されている。

更に、キャップ部材３２の厚さＤ２が１２ｍｍを超えると、キャップ部材３２介した熱交換の効率の悪化が懸念されることから、キャップ部材３２の厚さＤ２は１２ｍｍ以下であることが好ましい。
ただし、キャップ部材３２の厚さＤ２を管部材３１の厚さＤ１よりも大きくする場合において、キャップ部材３２の厚さＤ２は、上記のように示した範囲内でなくても構わない。

更に、熱交換器３０において、キャップ部材３２の基端側には、外径が管部材３１の内径程度である段部３２ａが形成され、この段部３２ａは、管部材３１の内側に嵌合されている。

即ち、管部材３１とキャップ部材３２との接合時において、両部材３１，３２のがたつきが抑制され作業性が向上され、更に、管部材３１よりも高温となるキャップ部材３１の熱膨張が、それを外囲する管部材３１により規制され、両部材３１，３２の膨張率の差に起因する接合部３５の損傷が抑制されている。

更に、熱交換器３０において、キャップ部材３２の外面には、溶射材料を溶射してなる溶射層４１が形成されている。
かかる溶射層４１を形成するためにキャップ部材３２の外面に溶射する溶射材料としては、高温酸化防止性に優れたものであればあらゆるものでも使用できるが、例えば、高温酸化防止性に非常に優れたＭ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅから選択される１つ又は複数）合金を利用することが好ましい。

また、キャップ部材３２の外面に溶射材料としてＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金を溶射して溶射層４１を形成した熱交換器３０（実施例）を設置した燃焼装置５０と、キャップ部材の外面に溶射層を形成していない熱交換器（比較例）を設置した燃焼装置との夫々において、１６００時間の耐久試験を行った。その結果、比較例の熱交換器においては、キャップ部材の厚さがその先端部において２．３ｍｍ程度減少しており、高温酸化が非常に進行していることが確認できた。一方、実施例の熱交換器３０においては、キャップ部材３２の厚さがその先端部において０．２ｍｍ程度しか減少しておらず、比較例と比較して、高温酸化が非常に良好に抑制されていることが確認できた。
尚、上記耐久試験において、熱交換器側に供給される燃焼排ガスの温度は、１１５０℃〜１２５０℃程度であった。

燃焼装置の概略構成を示す側断面図 図１に示す燃焼措置の炉内側から見た立断面図 熱交換器の概略構成を示す側断面図 従来の熱交換器の概略構成を示す側断面図

符号の説明

１０：排気路
２０：バーナ本体
３０：熱交換器
３１：管部材
３２：キャップ部材
３２ａ：段部
３３：伝熱管
３５：接合部
３６：仕切壁
３７：先端
３８：往路
３９：復路
４１：溶射層
５０：燃焼装置
Ａ：燃焼用空気（第２流体）
Ｅ：燃焼排ガス（第１流体）
ｌ：距離
Ｄ１：Ｄ２：厚さ

Claims (5)

1. 管部材と前記管部材の先端を封鎖するキャップ部材とを接合して有底筒状に形成された伝熱管と、前記伝熱管の内側において筒軸心に沿って延出し、前記伝熱管の内側を前記伝熱管の基端側から先端側に通じる往路と前記往路に対して先端側で連通し基端側に通じる復路とに仕切る仕切壁とを備え、
   前記伝熱管の外側を前記伝熱管の先端側から基端側に向けて流通する第１流体と、前記伝熱管の内側を前記往路から前記復路に渡って流通する第２流体とを前記伝熱管を介して熱交換させる熱交換器であって、
   前記伝熱管において、前記管部材と前記キャップ部材との接合部を、前記仕切壁の先端位置よりも基端側に引退した位置に配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記キャップ部材の厚さが、前記管部材の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記接合部において、前記キャップ部材の基端部が前記管部材の先端部に内挿されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記キャップ部材の外面に、溶射材料を溶射してなる溶射層が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の熱交換器。
5. 供給された燃焼用空気により燃料を燃焼させるバーナ本体を備え、前記バーナ本体に供給される燃焼用空気を前記バーナ本体から排出された燃焼排ガスとの熱交換により予熱する熱交換器を備えた燃焼装置であって、
   前記熱交換器として、請求項１から４の何れか１項の熱交換器を、前記バーナ本体から排出された燃焼排ガスを前記第１流体として前記伝熱管の外側に流通させ、前記バーナ本体に供給される燃焼用空気を前記第２流体として前記伝熱管の内側に流通させるように構成して備えたことを特徴とする燃焼装置。
   
   

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