JP2011241989A - ラジアントチューブバーナ用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱式ラジアントチューブバーナでは、バーナをラジアントチューブの両端に配置するため、バーナ数が通常の２倍となり設備費が高くなる。また、予熱空気温度が上昇し省エネルギー効果は上昇するが、設備費アップに見合う効果が期待できない。本発明はこのような問題点を解決し、安価で効率のよい熱交換器を提供することを課題とする。
【解決手段】熱処理用ランジアントチューブバーナから排出される排ガスにより、ラジアントチューブ用バーナの燃焼用に使用する燃焼空気を予熱する熱交換器において、中央に予熱空気が流入する大パイプを配置し、その外周に複数の小パイプを配置してヘッダを形成し、該ヘッダの両端の一方端に燃焼用空気を供給するヘッダを連結し、他端には空気を大ヘッダに燃焼空気をリターンする予熱空気リターンヘッダを連結したことを特徴とするラジアントチューブバーナ用熱交換器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、効率的な熱交換を行い、燃焼予熱空気温度を破格的に上昇させるラジアントチューブ用熱交換器に関する。

工業炉等鋼帯を加熱する熱処理炉内の加熱帯にはラジアントチューブが配置され、このラジアントチューブの一方側にはバーナが連結されており、このバーナの燃焼排ガスをラジアントチユーブ内に排出することにより、ラジアントチューブを加熱して、間接的に鋼帯を加熱する装置が従来から採用されている。

ラジアントチューブの一方側（加熱側）にはバーナが配置され、他方側（排出ガス側）は、このバーナより発生した排ガスを排出する排ガス配管に接続されている。また排ガス側には、バーナに供給する燃焼用空気を予熱する熱交換器が配置され、この熱交換器により燃焼用空気は、予熱されてバーナ側へ送られ、燃料を燃焼する燃焼用空気として使用されている。

従来の熱交換器は、特許文献１及び本願の図７で開示しているように２重管構造となっており、内側の管に供給された空気は外側の管を通ってバーナ側へ送られる。この間、排ガスは外側の管の外周を通過して排ガス配管から排出される。排ガスと外側の管のみが接触して熱交換するため、熱交換器が排ガスと接触する面積が制約され、常温で送風された空気は４００℃程度の予熱しか出来なかった。

予熱空気をもっと上げて省エネルギーを向上させるため、蓄熱式ランジアントチューブ用バーナが開発された。この技術は、ラジアントチューブの両端部にバーナを配置し、バーナを交互燃焼させることで、それぞれのバーナに配置された蓄熱器にバーナで発生した燃焼ガスの顕熱を蓄熱させ、蓄熱した熱と燃焼空気とで熱交換させながら空気を予熱するものである（特許文献２）。この技術により予熱空気温度は１０００℃近い温度に上昇し、省エネルギー効果が期待されている。

特開平７−３０５８３３号公報 特開２０００−１８００８１号公報

蓄熱式ラジアントチューブバーナでは、バーナをラジアントチューブの両端に配置するため、バーナ数が通常の２倍となり、設備費が高くなる。特に、従来のラジアントチューブバーナから蓄熱式ラジアントチューブバーナへの置き換えの場合には、燃焼制御システムの切換えも必要となり、設備および工事費も格段にアップし工事期間も長くなる。予熱空気温度が上昇し、省エネルギー効果は期待されるが、設備費アップに見合う効果が期待できず、それほど普及していない。
このような技術の状況に鑑み、本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、安価で効率のよい熱交換器を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の構成を要旨とする。
（１）熱処理用ランジアントチューブバーナから排出される排ガスにより、ラジアントチューブ用バーナの燃焼用に使用する燃焼空気を予熱する熱交換器において、中央に予熱空気が流入する大パイプを配置し、その外周に複数の小パイプを配置してヘッダを形成し、該ヘッダの両端の一方端には燃焼用空気を供給するヘッダを連結し、他端には大パイプに予熱空気をリターンする予熱空気リターンヘッダを連結したことを特徴とするラジアントチューブバーナ用熱交換器。
また、（２）上記ヘッダの長さ方向に整流板を配置したラジアントチューブバーナ用熱交換器であり、（３）上記燃焼空気リターン側ヘッダには、大パイプへ排ガスを流入させる排ガス流入ノズルを配設したラジアントチューブバーナ用熱交換器、である。

本発明により、予熱空気温度を１０００℃弱に上昇させることができ、蓄熱式ラジアンチトユーブバーナのようにバーナを２台設置する必要もなく、設備費や工事費を大幅に削減することができる。また、従来のラジアントチューブバーナにも熱交換器部を取り替えるだけ、または縦ヘッダ部に置き換えるだけで簡単に設置することが可能であり、省エネルギー効果を高めることができる。

本発明の熱交換器をラジアントチューブに適用した実施例を示す図。 本発明の熱交換器の概要を示す図。 図２のＡ−Ａ断面を示す図。 本発明熱交換器の他の例の概要を示す図。 本発明の熱交換器の更に他の例の概要を示す図。 本発明の熱交換器と予熱空気温度の関係を示す図。 従来例の概要を示す図（特許文献１の図５）。

本発明を実施するための形態について、図１から図６を用いて説明する。
図１及び図２において、１は炉内１４に配置されたラジアントチューブであり、その一方側上端部ａは炉壁１５を貫通して炉外に突出し、炉壁１５に設けた炉体フランジ２０に固定されると共に、その上端部には燃焼ノズル１３を内挿した燃焼側バーナボディ１２をも接続している。また、他方側下端部ｂも炉壁１５を貫通して炉外に突出し、炉壁１５に設けた炉体フランジ２０に固定されると共に、その下端部には排ガス側バーナボディ７を接続している。

図２〜６は本発明の熱交換器を示し、ラジアントチューブの下端部ｂに接続している排ガス側バーナボディ７には、空気供給ヘッダ１６を配設している。空気供給ヘッダ１６の炉外側は燃焼空気供給配管４が連結され、空気供給ヘッダ１６内には所定空間を保つ鏡板２１が配置されている。この鏡板２１の中央には、大パイプ２が貫通して鏡板２１に支持され、炉内側に向かって延長し、予熱空気リターン側鏡板（ヘッダ）２２に連結されている。空気供給ヘッダ１６内の鏡板２１は大パイプ２を包囲するように配置され、鏡板２１を貫通して固定される小パイプ３が複数設けられ、該小パイプ３の他端は予熱空気リターンヘッダ１７側に伸び、該ヘッダ１７の鏡板２２を貫通して連結されている。

燃焼空気として、空気供給ヘッダ１６内に供給された燃焼空気は、複数の小パイプ３内を通って予熱空気リターンヘッダ１７に送られ、このヘッダ１７からリターンして大パイプ２を通り、縦ヘッダ５を介して連結している燃焼用バーナボディ１２に送られる。
バーナ側では燃料用ノズル１３からの燃料が吹き込まれ、前記した予熱空気と混合して、ラジアントチューブ内で燃焼し、チューブ表面を加熱して排ガス排出側６から排出される。排ガスは、予熱空気リターンヘッダ１７に衝突してラジアントチューブ１と予熱空気リターンヘッダ１７の隙間を通って小パイプ３の外周を通って、小パイプ３内の燃焼空気を予熱しながら排ガス出口６より排ガスヘッダ（図示しない）から排出される。小パイプ３には整流板１１を所定の間隔を空けて嵌入している。この整流板１１により排ガスは小パイプ３の周りを均等に流れながら小パイプ３および大パイプ２内の空気を予熱し、排ガス排出口６に流入する。
整流板１１はドーナツ状の円板で作られ、小パイプ３で貫通されて配置され、その１１ａは大パイプ２側方向に、１１ｂはラジアントチューブ１の内側方向に交互に位置することで、排ガスを大パイプ２側−ラジアントチューブ１内側方向に流すことにより整流化させることができる。但し、この配置に限定するものではない。

予熱空気リターンヘッダ１７にはラジアントチューブ１内の排ガスを大パイプ２内にエダクタにより抽気する排ガス抽気ノズル８を設置し、ラジアントチューブ内に発生した排ガスの一部を大パイプ２内に抽気してバーナ部で燃料とともに燃焼することで、ＮＯｘを低減する。

本発明の熱交換器のラジアントチューブ１内で炉内側の装入長さＬは３５０ｍｍ以内が望ましい。３５０ｍｍ以上熱交換器を装入すると排ガス出側での排ガス温度が低下し、ラジアントチューブ１の表面温度も低下し、ラジアントチューブ１の表面温度分布に差が発生し、ラジアントチューブの性能上望ましくない。
図６は、ラジアントチューブ１内への熱交換器装入長さ（ｍｍ）と予熱空気温度との関係を示し、該長さを３５０ｍｍ以内にすることが好適であることが分かる。

図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す図であり、大パイプ２の周囲に複数の小パイプ３を配置している。排ガスは、小パイプ３と小パイプ３間および大バイプ２の外面を通って流れ、燃焼用空気は大パイプ２内及び小パイプ３内を流れる。
燃焼用空気は燃焼空気管４から空気供給ヘッダ１６に供給される。空気供給ヘッダ１６に供給された燃焼用空気は、空気供給ヘッダ１６に設置した空気供給側鏡板２１介して、空気供給ヘッダ１６に貫通して配置された小パイプ３に流入する。流入した燃焼用空気は小パイプ３の他端側に配置した予熱空気リターンヘッダ１７に送られ、予熱空気リターンヘッダ１７内でリターンして大パイプ２内に流入する。大パイプ２内に流入した予熱空気は縦ヘッダ５を介してバーナに送られ燃焼用空気として使用される。

一方排ガス１０は小パイプ３間を通って排ガス出口６から排出される。小パイプ３と大パイプ２で構成するヘッダの空気供給ヘッダ１６と予熱空気リターンヘッダ１７の間にはラビリンス状に整流板１１を配置しているため、排ガスはヘッダの外側及び大パイプ側を交互に通って排ガス排出口に向かって流れるため、小パイプ３及び大パイプ２内に流れる空気と効率良く熱交換できる。

図４は、本発明の熱交換器を排ガス側バーナボティ７内に挿入したタイプで、ラジアントチューブ１に拘束されることなく直径を大きくすることで、排ガスと小パイプ３の接触面積を増加させ、伝熱面積を増やし、空気の予熱温度をアップすることができる。符号で示した各部位は、図２の各部位の符号と同一であり、説明を省略する。

図５は、本発明の熱交換器を縦ヘッダ部に配置したもので、縦ヘッダ５はラジアントチューブ１の形状及びサイズにより寸法が決定されるため、この縦ヘッダ部に本発明の熱交換器を設置するとこで、小パイプ３及び大パイプ２の長さを長くすることができ、伝熱面積を確保することができる。符号で示した各部位は、図２の各部位の符号と同一であり、説明を省略する。

１：ラジアントチューブ ２：大パイプ
３：小パイプ ４：燃焼空気
５：予熱空気 ６：排ガス出口
７：排ガス側バーナボディ ８：排ガス抽気ノズル
９：排ガス抽気口 １０：排ガス
１１：整流板 １２：燃焼側バーナボディ
１３：燃料ノズル １４：炉内
１５：炉壁 １６：空気供給ヘッダ
１７：予熱空気リターンヘッダ １８：ラジアントチューブフランジ
１９：バーナフランジ ２０：炉体フランジ
２１：空気供給側鏡板 ２２：予熱空気リターン側鏡板
ａ：ラジアントチューブの一方側上端部
ｂ：ラジアントチューブの他方側下端部
ｓ：熱交換器

Claims (3)

1. 熱処理用ランジアントチューブバーナから排出される排ガスにより、ラジアントチューブ用バーナの燃焼用に使用する燃焼空気を予熱する熱交換器において、中央に予熱空気が流入する大パイプを配置し、その外周に複数の小パイプを配置してヘッダを形成し・該ヘッダの両端の一方端に燃焼用空気を供給する空気供給ヘッダを連結し、他端には大パイプに燃焼空気をリターンする予熱空気リターンヘッダを連結したことを特徴とするラジアントチューブバーナ用熱交換器。
2. 上記ヘッダの長さ方向に整流板を配置したことを特徴とする請求項１に記載のラジアントチューブバーナ用熱交換器。
3. 上記予熱空気リターンヘッダには大パイプへ排ガスを流入させる排ガス流入ノズルを配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアントチューブバーナ用熱交換器。
   
   

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