JP2012097991A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は熱交換器に関し、例えば、廃棄物等を焼却する焼却炉等の燃焼排ガス流路に設置され、燃焼排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger, for example, a heat exchanger that is installed in a combustion exhaust gas passage such as an incinerator that incinerates waste and performs heat exchange with the combustion exhaust gas.
産業廃棄物等を焼却する焼却炉等においては、焼却によって発生する燃焼排ガスの熱エネルギーを、低温の気体あるいは液体と熱交換して回収し、回収したエネルギーを有効利用することが行われている。 In incinerators that incinerate industrial waste, etc., the thermal energy of combustion exhaust gas generated by incineration is recovered by exchanging heat with a low-temperature gas or liquid, and the recovered energy is effectively used. .
この種の熱交換器としては、例えば特許文献1に示された熱交換器が提案されている。この熱交換器について図6に基づいて説明する。
図6に示すように、熱交換器30は、セラミックス製の伝熱管31と、前記伝熱管31の内部に、伝熱管31の内壁と所定の隙間を介して配置された金属内管32を備えている。また、前記伝熱管31には気体配管33が接続され、金属内管32には気体配管34が接続されている。
As this type of heat exchanger, for example, a heat exchanger disclosed in Patent Document 1 has been proposed. This heat exchanger will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 6, the
また、前記伝熱管31は、上部伝熱管31aと下部伝熱管31bとが非金属の耐火性材料のカップリング31cで連結されて一体的に形成されている。また、前記伝熱管31の上端部にはフランジ31dが形成されている。
このフランジ31dが、水平方向に延設された燃焼排ガス流路40の上壁40aに係止、吊設されることにより、伝熱管31(熱交換器30)が燃焼排ガス流路40の壁面に固定される。
The
The flange 31d is engaged with and suspended from the
そして、燃焼排ガス流路40内を流れる燃焼排ガスGが熱交換器30に当たると、伝熱管31を介して、気体配管33から供給される低温の気体Laと燃焼排ガスGとの間で熱交換が行われる。
前記気体Laは、熱交換がなされながら伝熱管31の内壁と金属内管32とのすき間を通じて伝熱管31の先端部まで達する。その後、熱交換によって高温になされた気体Haは、伝熱管31の先端部で金属内管32に流入し、気体配管34から外部に導出される。
When the combustion exhaust gas G flowing in the combustion exhaust
The gas La reaches the tip of the
この熱交換器30にあっては、燃焼排ガスGと接する伝熱管31がセラミックスで構成されているため、優れた耐食性を有し、燃焼排ガスG中に、NOx、SOxの他に、塩素、フッ素、硫黄やアルカリ元素などの腐食性の高いガスが含まれている場合にも、好適に用いることができる。
In this
ところで、上記した熱交換器は、燃焼排ガスと気体との間で熱交換がなされるものであり、高効率に熱交換を行うことができないという課題があった。即ち、本発明者は、高効率に熱交換を行うため、燃焼ガスと水などの液体との間で熱交換を行う熱交換器であって、しかも廃棄物等を焼却する焼却炉等の燃焼排ガス流路において好適に用いることができる熱交換器を鋭意検討し、本発明を想到するに至った。 By the way, the above-mentioned heat exchanger performs heat exchange between combustion exhaust gas and gas, and has a problem that heat exchange cannot be performed with high efficiency. That is, the present inventor is a heat exchanger that performs heat exchange between a combustion gas and a liquid such as water in order to perform heat exchange with high efficiency, and in addition, a combustion such as an incinerator that incinerates waste or the like. The present inventors have come up with the present invention by intensively studying heat exchangers that can be suitably used in exhaust gas passages.
本発明の目的は、廃棄物等を焼却する焼却炉等の燃焼排ガス流路において耐熱性および耐食性に優れて耐久性があり、高効率に熱交換を行える熱交換器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a heat exchanger that is excellent in heat resistance and corrosion resistance in a combustion exhaust gas passage such as an incinerator for incinerating wastes and the like, is durable, and can perform heat exchange with high efficiency.
上記目的を達成するため本発明の熱交換器は、垂直方向に延設され、燃焼排ガスが上方から下方に垂直に流下するように構成された燃焼排ガス流路の壁に設置される熱交換器であって、前記熱交換器は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管と、前記伝熱管の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と連通する金属内管とを備え、前記伝熱管の先端部が、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態になるよう燃焼排ガス流路内に配置され、前記伝熱管後端部から伝熱管内部に導入された液体が、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間を通じて伝熱管の先端部まで達し、先端部で金属内管内部に流入して、前記金属内管の他端部から外部に導出するように構成されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a heat exchanger according to the present invention is installed in a wall of a combustion exhaust gas passage that extends in the vertical direction and is configured such that the combustion exhaust gas flows vertically downward from above. The heat exchanger is disposed through a predetermined gap with respect to the heat transfer tube made of ceramics whose rear end portion is open and the front end portion is closed, and the inner wall of the heat transfer tube, A metal inner pipe communicating with the gap, the tip of the heat transfer tube is disposed in the combustion exhaust gas flow path so as to be inclined to the downstream side of the combustion exhaust gas, and from the rear end of the heat transfer tube to the inside of the heat transfer tube The liquid introduced into the heat transfer tube reaches the tip of the heat transfer tube through the gap between the inner wall of the heat transfer tube and the metal inner tube, flows into the metal inner tube at the tip, and flows from the other end of the metal inner tube to the outside. It is characterized by being configured to derive.
このように、前記伝熱管を燃焼排ガス流路内において、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態に配置することによって、従来例で示したような燃焼排ガスの流れに伝熱管を垂直あるいは水平に比べ、熱伝達率が大きくなり、熱交換を高効率に行うことができる。
特に、前記伝熱管に流入した液体は、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間で沸騰し、沸騰によって生じる気泡は伝熱管の開口端側(後端側)に移動し、伝熱管の開口端側から供給される液体と衝突し撹拌され、最終的に高温になった液体が伝熱管の先端部で金属内管内部に流入して、前記金属内管の他端部から外部に流出するため、十分な熱交換がなされる。
更に、前記伝熱管の外表面に結露が生じた際にも、前記結露による、硫酸、硝酸等の成分を含む水滴が、燃焼排ガス流路の壁側(内表面側)に流れないため、伝熱管を取付けるための部材等の腐食を抑制することができる。
In this way, by arranging the heat transfer tube in a state where the heat transfer tube is tilted to the downstream side of the combustion exhaust gas, the heat transfer tube is compared with the vertical or horizontal flow of the combustion exhaust gas as shown in the conventional example. As a result, the heat transfer coefficient is increased and heat exchange can be performed with high efficiency.
In particular, the liquid that has flowed into the heat transfer tube boils in the gap between the inner wall of the heat transfer tube and the metal inner tube, and bubbles generated by the boiling move to the open end side (rear end side) of the heat transfer tube, thereby opening the heat transfer tube. The liquid which collides with the liquid supplied from the end side and is stirred and finally becomes high temperature flows into the inner metal tube at the tip of the heat transfer tube, and flows out from the other end of the inner metal tube to the outside. Therefore, sufficient heat exchange is performed.
Further, even when condensation occurs on the outer surface of the heat transfer tube, water droplets containing components such as sulfuric acid and nitric acid due to the condensation do not flow to the wall side (inner surface side) of the combustion exhaust gas channel. Corrosion of a member or the like for attaching the heat pipe can be suppressed.
ここで、前記燃焼排ガス流路の壁に、この壁に対する垂線と平行に貫通孔が形成され、この貫通孔に、燃焼排ガス流路の内壁面に相当する位置において屈曲する形状に形成された伝熱管が設置されていることが望ましい。 Here, a through hole is formed in the wall of the flue gas flow path in parallel with a perpendicular to the wall, and the through hole is formed in a shape bent at a position corresponding to the inner wall surface of the flue gas flow path. It is desirable to install a heat pipe.
また、前記燃焼排ガス流路の壁に、この壁に対する垂線から燃焼排ガス流路の下流側に、所定角度傾斜した貫通孔を形成し、この貫通孔に直線状の伝熱管が設置されることが望ましい。
更に、前記伝熱管が、燃焼排ガス流路の壁に相対向して、高さ方向において交互に配置されていることが望ましい。
In addition, a through hole inclined at a predetermined angle may be formed on the wall of the flue gas flow channel on the downstream side of the flue gas flow channel from a perpendicular to the wall, and a linear heat transfer tube may be installed in the through hole. desirable.
Furthermore, it is desirable that the heat transfer tubes are alternately arranged in the height direction so as to face the wall of the combustion exhaust gas flow path.
本発明によれば、廃棄物等を焼却する焼却炉等の燃焼排ガス流路において耐熱性および耐食性に優れて耐久性があり、高効率に熱交換を行える熱交換器を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a heat exchanger that is excellent in heat resistance and corrosion resistance in a combustion exhaust gas passage such as an incinerator that incinerates waste, has durability, and can perform heat exchange with high efficiency.
以下、本発明の熱交換器にかかる実施形態を図1乃至図4基づいて説明する。
この熱交換器1は、図1に示すように、焼却炉や溶融炉等30と、脱硫、脱硝装置等の浄化装置20との間の燃焼排ガス流路10の壁10aに設置される。
この熱交換器1が設置される燃焼排ガス流路10は垂直方向に延設され、燃焼排ガスGが燃焼排ガス流路10の上方から下方に位置する浄化装置20に向けて垂直に流下するように構成されている。
熱交換器1は、図2に示すように、燃焼排ガス流路10の壁10aの内壁面側を不定形耐火物11により固定され、壁10aの外壁面側を固定部材12(例えば、ゴムなどの弾性体)により固定されている。固定部材12により固定することで、伝熱管2にかかる応力を緩和し、伝熱管2の破損を防止することができる。
Hereinafter, an embodiment according to a heat exchanger of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the heat exchanger 1 is installed on a
The flue
As shown in FIG. 2, in the heat exchanger 1, the inner wall surface side of the
前記熱交換器1は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管2と、前記伝熱管2の内部に挿入、配置される金属内管3を備えている。この金属内管3は、図2,3に示すように前記伝熱管2の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と金属内管3の内部とは連通している。
The heat exchanger 1 includes a
前記伝熱管2の後端部には、図2,3に示すようにフランジ2aが形成され、このフランジ部2aには、液体LLの導入口4aが形成された、ステンレスあるいはフッ素樹脂コートされたステンレス製の導入板4が取り付けられている。
そして、この導入板4の中心部分には、図4に示すように、前記金属内管3が挿通しており、前記導入口4aは金属内管3の周囲に4個の貫通孔として形成されている。尚、この導入口4aの数は、特に限定されるものではなく、必要に応じて増減することができる。
The rear end portion of the
Then, as shown in FIG. 4, the
更に、図2,3に示すように、前記の外側に、液体LLを貯留する、ステンレスあるいはフッ素樹脂コートされたステンレス製の貯留部5が形成されている。この貯留部5には、液体LLを貯留部5に導入するための導入管5aが取り付けられている。
このように、導入板4の外側に液体LLを貯留する貯留部5が形成されているため、導入管5aが導入された液体LLは、貯留部5を介して導入板4の導入口4aから伝熱管2の内部に供給される。尚、前記貯留部5及び前記導入板4は、一体的な一つの部材として構成されているのが、熱交換器1を組立てる上からも好ましい。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, a stainless steel or fluororesin-coated stainless
Thus, since the
前記伝熱管2の内部に供給される液体は、水、工業用水、純水等を用いることができる。特に、伝熱管2および金属内管3への付着・沈着物による閉塞防止の観点から純水を用いるのが好ましい。
The liquid supplied into the
また、図中の符号6は,伝熱管2のフランジ2aと燃焼排ガス流路10の壁10aとの間に配置されたシール部材であって、材質としてはゴム等が用いられる。このシール部材6は、炉壁10aから燃焼排ガスが漏れないようになすこと、及び伝熱管2を固定するために用いられる。尚、前記した固定部材12とこのシール部材6とを一体として形成し、一つの部材とするのが、熱交換器1の組立て上、好ましい。
また、図2,3において、符号13は、前記伝熱管2、導入板4、貯留部5等を燃焼排ガス流路10の壁10aに取り付けるためのボルトであって、導入板4、受けフランジ14を挿通し、シール部材6に螺合するように構成され、前記伝熱管2のフランジ2aは、導入板4と受けフランジ14によって固定される。尚、図中、符号15はOリングである。
2 and 3,
更に、前記伝熱管2の構成について詳述する。この伝熱管2は、直線状の管(直管)として形成されている。
図2に示すように、燃焼排ガス流路10の壁10aに前記伝熱管2を挿通する貫通孔10cを、壁10aに対する垂線Yから燃焼排ガスGの下流側に、角度θh傾斜して形成する。また、焼排ガス流路10の外表面10dと伝熱管2のフランジ2aの間に、所定の角度で傾斜した傾斜面を有するシール部材6を介して、前記伝熱管が2が取り付けられている。尚、金属内管42についても直線状の管(直管)として形成されている。
具体的には、図2,3に示すように、燃焼排ガス流路10内の伝熱管2は、燃焼排ガス流路10の壁10aの垂線Yに対して燃焼排ガスGの下流側に、角度θ傾倒した状態に配置される。
Further, the configuration of the
As shown in FIG. 2, a through
Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the
この角度が20度未満の場合には、前記伝熱管2の炉内長を十分に確保できず熱交換を高効率に行うことができない。また前記伝熱管2の表面で結露した腐食性を有する液体が燃焼排ガスGの流れによって燃焼排ガス流路壁10aに接触する虞れがあり好ましくない。一方、この角度が65度超える場合には、前記伝熱管2と前記シール部材6aとの間のシール性が低下する虞れがある。また隣り合う導入板4、貯留部5、伝熱管2等が近接し、距離が狭くなり設置のためのスペースを確保できない虞があり、または交換作業効率が低下する虞れがあるため好ましくない。したがって、前記角度θは、20〜65度の範囲が好ましい。
When this angle is less than 20 degrees, the furnace length of the
このように、前記伝熱管2が燃焼排ガスGの下流側に傾倒した状態に配置されることにより、従来例で示したような燃焼排ガスGの流れに垂直に配置した場合よりも、前記伝熱管2における燃焼排ガスGとの接触面積を大きくなすことができ、熱交換を高効率に行うことができる。
In this way, the
また、燃焼排ガス流路10中を流れる燃焼排ガスGが伝熱管2と接触した際、硫酸、硝酸等の成分を含む結露が生じることがある。この際、前記伝熱管2は燃焼排ガスGの下流側に傾倒した状態に配置されているため、硫酸、硝酸等の成分を含む水滴は、伝熱管2の先端部側に流れ落ちる。
このように、前記結露による、硫酸、硝酸等の成分を含む水滴が、燃焼排ガス流路10の内表面10b側に流れないため、燃焼排ガス流路壁10a、不定形耐火物11、シール部材6などの腐食を抑制することができる。またこの結露による水滴は、前記伝熱管2の先端部側から下方向に位置する浄化装置20に落下し、処理される。
Further, when the combustion exhaust gas G flowing through the combustion
In this way, water droplets containing components such as sulfuric acid and nitric acid due to the condensation do not flow to the
また、図1に示すように、前記伝熱管2が燃焼排ガス流路の壁に相対向して、高さ方向において交互に配置されている。具体的には、左右に夫々3本の伝熱管2を設けているが、これに限定されることなく、数多くの伝熱管2を設置することにより、高効率な熱交換をなすことができる。
また、燃焼排ガスGには、NOx、SOxの他に、塩素、フッ素、硫黄やアルカリ元素などの非常に強い腐食性物質を含んでいるため、前記伝熱管2は、焼却灰の成分と反応しにくく耐食性に優れ、耐熱性のある炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム等のセラミックスを用いることが好ましい。尚、これらのセラミックスは、熱伝導性にも優れ、熱交換率を向上させることが可能となる。
Moreover, as shown in FIG. 1, the said
Further, since the combustion exhaust gas G contains very strong corrosive substances such as chlorine, fluorine, sulfur and alkali elements in addition to NOx and SOx, the
また、伝熱管2の長さAは、図1、図2に示すように、燃焼排ガス流路10の断面が円形状の場合には、燃焼排ガス流路10の直径Bの1/2〜3/2が好ましい。このときの前記伝熱管2の外径Dは、熱媒体の流量により適宜選択できるがφ40〜φ280mm、肉厚が5〜15mmであることが好ましい。
The length A of the
また、伝熱管の内表面の表面粗さRaは0.3μm〜200μmが好ましい。より好ましくは表面粗さRaは50μm〜100μmである。上記範囲とすることにより、熱媒体の核沸騰において適度な大きさの気泡が発生して効率良く熱交換することができる。 Moreover, the surface roughness Ra of the inner surface of the heat transfer tube is preferably 0.3 μm to 200 μm. More preferably, the surface roughness Ra is 50 μm to 100 μm. By setting it as the said range, the bubble of a moderate magnitude | size will generate | occur | produce in the nucleate boiling of a heat medium, and it can heat-exchange efficiently.
また、金属内管3は、高腐食性ガスに晒されることはないが、耐食性および耐熱性に優れたステンレス、Ni基合金等を用いるのが好ましい。
この金属内管3は、伝熱管の長さよりも短く、伝熱管2の先端部において隙間Sが伝熱管2の内径dの1/2から内径相当に形成されるのが好ましい。伝熱管2の先端部内表面と、金属内管3の先端部の隙間Sが伝熱管2の内径dの1/2未満の場合には、隙間S部の内圧が高くなり、伝熱管2の内径d相当以上の場合には先端まで熱媒体(液体)が流れないため好ましくない。
The
The
また、金属内管3の内側断面積は、伝熱管2の内側断面積(金属内管3の断面積を除く)の100%〜130%で形成されるのが好ましい。
金属内管3の内側断面積が伝熱管2の内側断面積より小さい場合には、加熱された熱媒体(液体)の体積膨張により内圧が上昇し、熱媒体の流量が低下してしまうため好ましくない。一方、金属内管3の内側断面積が伝熱管2の内側断面積の130%より大きい場合には、伝熱管2内を流れる熱媒体(液体)の流量が減少し熱交換を高効率におこなうことができないため好ましくない。
Further, the inner cross-sectional area of the
When the inner cross-sectional area of the metal
また、金属内管5の外周面表面粗さは圧力損失を低くするため滑らかな方が好ましい。管長手方向でRa≦1μmであることが好ましい。
Also, the outer peripheral surface roughness of the
次に、本発明にかかる熱交換器1の動作、作用について説明する。まず、液体導入管5aから貯留部5に導入された液体LL(例えば、水)は、導入板4の導入口4aから伝熱管2の内部に導出される。そして、この液体はLL伝熱管2の内壁と金属内管3とのすき間を通じて伝熱管2の先端部まで達し、先端部で金属内管3内部に流入して、前記金属内管3の他端部から外部に流出する。
Next, the operation and action of the heat exchanger 1 according to the present invention will be described. First, the liquid L L (for example, water) introduced from the
このとき、前記伝熱管2は、燃焼排ガス流路10を流通する燃焼排ガスGによって加熱されており、前記伝熱管2に流入した液体は、熱交換によって高温の液体LHとなって前記金属内管3の他端部から外部に導出される。
At this time, the
このとき、燃焼排ガスGの温度は一般的に100〜300℃であるため、前記伝熱管2の温度も前記温度に加熱される。
その結果、前記伝熱管2に流入した液体は、伝熱管2の内壁と金属内管3とのすき間で沸騰する。図2に示すように、この沸騰によって生じる気泡Fは伝熱管2の開口端側に移動し、伝熱管2の開口端側から供給される液体と衝突し、十分な熱交換がなされる。
そして、最終的に高温になった液体LHが伝熱管2の先端部で金属内管3内部に流入して、前記金属内管3の他端部から外部に流出する。
At this time, since the temperature of the combustion exhaust gas G is generally 100 to 300 ° C., the temperature of the
As a result, the liquid flowing into the
Then, finally the liquid L H became hot flows into 3 inside the pipe metal at the tip of the
次に、本発明にかかる熱交換器の変形例を図5に示す。この熱交換器40は、前記した実施形態における伝熱管2のように直線状の形状ではなく、燃焼排ガス流路10の内壁面10bに相当する位置において屈曲した形状に形成された、屈曲管が用いられている点に特徴がある。即ち、この伝熱管41は、図5に示すように、燃焼排ガス流路壁10aの内表面10bの位置する箇所で屈曲し、前記伝熱管2の先端部が燃焼排ガスGの下流側に傾倒した状態になるように配置されている。
Next, the modification of the heat exchanger concerning this invention is shown in FIG. The
具体的には、図5に示すように、燃焼排ガス流路10内の伝熱管41は、燃焼排ガス流路10の壁10aの垂線Yに対して燃焼排ガスGの下流側に、角度θ傾倒した状態に配置される。また、金属内管42についても、燃焼排ガス流路壁10aの内表面10bの位置する箇所で屈曲し、前記金属内管42の先端部が燃焼排ガスGの下流側に傾倒した状態になるように配置されている。尚、屈曲した伝熱管41が用いられるため、シール部材43は、前記した傾斜面を有するシール部材6と異なり、傾斜面を有しないものを用いることができる。
Specifically, as shown in FIG. 5, the
1 熱交換器
2 伝熱管
2a フランジ
3 金属内管
4 導入板
5 貯留部
6 シール部材
10 燃焼排ガス流路
10a 壁
10b 内表面
10c 貫通孔
10d 外表面
20 浄化装置
40 熱交換器
41 伝熱管
42 金属内管
43 シール部材
θ 燃焼排ガス流路の壁面に対する垂線と、伝熱管とのなす角度
θh 燃焼排ガス流路の壁面に対する垂線と、伝熱管を挿通する貫通孔がなす角度
1
2a Flange
3 Metal
Claims (4)
前記熱交換器は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管と、前記伝熱管の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と連通する金属内管とを備え、前記伝熱管の先端部が、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態になるよう燃焼排ガス流路内に配置され、
前記伝熱管後端部から伝熱管内部に導入された液体が、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間を通じて伝熱管の先端部まで達し、先端部で金属内管内部に流入して、前記金属内管の他端部から外部に導出するように構成されていることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger that is installed in a wall of a flue gas passage that extends vertically and is configured such that flue gas flows vertically downward from above,
The heat exchanger is disposed through a predetermined gap with respect to an inner wall of the heat transfer tube and a heat transfer tube made of ceramics having a rear end portion opened and a front end portion closed, and communicates with the gap. An inner metal pipe, and the tip of the heat transfer tube is disposed in the combustion exhaust gas passage so as to be inclined to the downstream side of the combustion exhaust gas,
The liquid introduced into the heat transfer tube from the rear end of the heat transfer tube reaches the tip of the heat transfer tube through the gap between the inner wall of the heat transfer tube and the metal inner tube, flows into the metal inner tube at the tip, A heat exchanger configured to be led out from the other end of the metal inner tube.
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