JP2005055083A - 熱交換器及びそれを備えた燃焼装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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Cited By (7)
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- 2003-08-05 JP JP2003286819A patent/JP2005055083A/ja active Pending
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