JP2017083127A - 伝熱促進体およびラジアントチューブ - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制し、安価に製造可能な伝熱促進体および該伝熱促進体を用いたラジアントチューブを提供する。【解決手段】ラジアントチューブ１内のガス流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置するための伝熱促進体１０であり、本体部１１と、該本体部１１外周に形成され、前記ラジアントチューブ１内で前記ガス流路の垂直方向に突出する複数の突起部１２と、を有し、促進体断面積の前記設置部の断面積に対する比をｘとし、促進体断面の周長さの、前記設置部の断面の周長さに対する比をｙとしたとき、ｘ≦０．５３と、（１−ｘ）−４／５×ｙ≧２．４８とを満たす伝熱促進体１０。【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱促進体および該伝熱促進体を有するラジアントチューブに関する。

従来、ラジアントチューブにおいて、燃焼ガスを発生させるバーナー等のガス発生部の設置側（入口側）の表面は、燃焼ガスからの輻射伝熱により高温になる。一方、燃焼ガスからラジアントチューブへの伝熱が進み、燃焼ガスの温度が低下するラジアントチューブ出口側では輻射伝熱量が減少し、ラジアントチューブの表面温度は低下する。

そのため、ラジアントチューブ出口側における燃焼ガスからラジアントチューブへの伝熱効率を高めて、ラジアントチューブの熱利用率を高めることが求められている。そこで、ラジアントチューブ内のガス流路の出口側に伝熱促進体を設置する技術が検討されている。

例えば、特許文献１では、チューブ内後半部に燃焼ガスの流路をスパイラル状にする案内羽根を設けたラジアントチューブ用伝熱促進装置の技術が開示されている。この技術によれば、ラジアントチューブ後半部で燃焼ガスをスパイラル状に旋回させながらラジアントチューブ出口へ流すことによって、ラジアントチューブと燃焼ガスの間の相対速度を上昇させ、対流熱伝達係数を上昇させる。

しかしながら、この技術では、装置を複雑な形状に製造するために、製造コストが高くなり、より安価に装置を製造できるようにすることが求められている。

これに対し、特許文献２では、チューブ本体内の排気下流側に、断面十字型の伝熱促進体を嵌装させる技術が開示されている。この技術によれば、安価に伝熱促進体を製造することができ、熱交換の効率を高めることができる。

特開昭５７−１１２６９４号公報 実開昭６３−１７３６１３号公報

しかしながら、上述した特許文献２の断面十字型の伝熱促進体では、伝熱効率が十分に高いとは言えず、更なる改善が求められていた。

一方で、伝熱促進体をラジアントチューブに設置した場合に、圧力損失が増加して、ガスの流れを阻害することを防止することも希求されている。この圧力損失と上記の伝熱効率に関しては、流速は伝熱促進体挿入による流路が縮小すると増加し、伝熱効率は流速の４／５乗に比例して向上するが、圧力損失は流速の２乗に比例して増加する。そのため、従来、圧力損失の増加を抑制しつつ高い伝熱効率を示す伝熱促進体を製造することは困難であった。

このような問題点を鑑み、本発明では、伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制し、安価に製造可能な伝熱促進体および該伝熱促進体を有するラジアントチューブを提供することを目的とする。

本発明者らは、断面十字型、キューブ型、断面丸型等の多様な形状の伝熱促進体を製造し、ラジアントチューブの廃熱削減率から伝熱効率を比較する実験を行った。また、この実験で、伝熱促進体挿入による圧力損失を評価した。この実験より、伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制するためには、ラジアントチューブ内のガス流路を特定の割合で狭めること、この流路をラジアントチューブ内表面上に形成すること、伝熱促進体の伝熱面積を特定の範囲にすることが有効であることを本発明者らは見出した。そして、ラジアントチューブ内のガスの通流面積を特定の割合とし、ガス通流方向に垂直面のラジアントチューブ内周に対して外周が特定の割合となる伝熱促進体を製造してラジアントチューブに設置したところ、伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制することができることを知見した。すなわち、上述のように、従来、圧力損失の増加を抑制しつつ高い伝熱効率を示す伝熱促進体を製造することは困難であったが、本発明者らは、伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制することができることを知見した。さらに、この伝熱促進体は安価に製造することができることも知見した。

なお、本発明でいう伝熱効率とは、燃焼ガス由来のラジアントチューブに伝わる熱と排ガスの顕熱として排出される廃熱の内、ラジアントチューブに伝わる熱の効率のことを指し、排ガスからラジアントチューブへ伝熱せずに排出される廃熱が減少すれば伝熱効率は向上する。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］ラジアントチューブ内のガス流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置するための伝熱促進体であり、
本体部と、
該本体部外周に形成され、前記ラジアントチューブ内で前記ガス流路の垂直方向に突出する複数の突起部と、
を有し、
促進体断面積の前記設置部の断面積に対する比をｘとし、
促進体断面の周長さの、前記設置部の断面の周長さに対する比をｙとしたとき、
以下の式（１）および式（２）を満たす伝熱促進体。
ｘ≦０．５３ ・・・（１）
（１−ｘ）^−４／５×ｙ≧２．４８ ・・・（２）
［２］燃焼ガスを内部の流路に通流させる筒状部と、
該筒状部に通流させる前記ガスを発生させるガス発生部と、
前記流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置された伝熱促進体と、
を有し、
前記伝熱促進体は、
本体部と、
該本体部外周に形成され、前記ラジアントチューブ内で前記流路の垂直方向に突出する複数の突起部と、
を有し、
促進体断面積の前記設置部の断面積に対する比をｘとし、
促進体断面の周長さの、前記設置部の断面の周長さに対する比をｙとしたとき、
以下の式（１）および式（２）を満たすラジアントチューブ。
ｘ≦０．５３ ・・・（１）
（１−ｘ）^−４／５×ｙ≧２．４８ ・・・（２）

本発明によれば、伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制し、安価に製造可能な伝熱促進体および該伝熱促進体を有するラジアントチューブが得られる。

本発明のラジアントチューブ１の構成を説明するための図である。 本発明の伝熱促進体１０の構成を説明するための図である。 従来の伝熱促進体１１０の構成を説明するための図である。 本発明の伝熱促進体１０で形状を特定する方法を説明するための図である。 発明例で用いた伝熱促進体１０の斜視図である。 比較例で用いた従来の伝熱促進体１１０の斜視図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。

＜ラジアントチューブ＞
本発明の伝熱促進体について説明する前に、まず、伝熱促進体が用いられるラジアントチューブの構成について説明する。

図１は、本発明のラジアントチューブ１の構成を説明するための図である。図１に示すように、ラジアントチューブ１は、燃焼ガス（以下、単にガスとも記す。）を内部の流路に通流させる筒状部２と、筒状部２に通流させるガスを発生させるガス発生部３と、流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置された伝熱促進体１０とを有する。なお、ラジアントチューブ１は、レキュペレータ４を有していてもよい。

本発明のラジアントチューブ１は、連続焼鈍炉等の加熱炉の炉壁５等に設置して用いることができる。

ラジアントチューブ１は、図１では、Ｗ型の形状をしているが、この形状に限られない。ラジアントチューブ１は、例えば、Ｕ型、ストレート型等の多様な形状であってもよい。なお、以下では、ラジアントチューブ１は、図１に示すように、Ｗ型の形状として説明する。

筒状部２は、燃焼ガスを内部の流路に通流させる。筒状部２の形状は、ガスを入口側（ガス発生部３が設けられる側）から、出口側（レキュペレータ４が設けられる側）に向けて通流させることが可能であれば特に限定されず、例えば、第一直管部２１、第二直管部２２、第三直管部２３、第四直管部２４が入口側から出口側に向けて順に形成される。そして、第一直管部２１と第二直管部２２、第二直管部２２と第三直管部２３、および第三直管部２３と第四直管部２４は、夫々が曲管部（図中、符号は付さず）で連結されて一体形成される。

ガス発生部３は、筒状部２に通流させるガスを発生させることが可能であれば、特に限定されず、公知のバーナーとすることができる。ガス発生部３は、筒状部２の入口側に配置される。

伝熱促進体１０は、ラジアントチューブ１内の流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置され、ラジアントチューブ１の伝熱効率を向上させる。伝熱促進体１０の詳細な構成および機能については、図１の他に図２〜図４を参照しながら後述する。

レキュペレータ４は、筒状部２の出口に配置される。レキュペレータ４はラジアントチューブ１の筒状部２内部のガスと燃焼用空気との間で熱交換することができる。

＜伝熱促進体＞
次に、本発明の伝熱促進体１０について説明する。伝熱促進体１０は、ラジアントチューブ１内の流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置され、ラジアントチューブ１の伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体挿入による圧力損失の増加を抑制する。

図１に示すように、伝熱促進体１０はラジアントチューブ１の筒状部２のガス流れ方向の後半部、すなわちラジアントチューブ１の流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置されることで、ラジアントチューブ１の伝熱効率をより向上させることができる。

また、伝熱促進体１０は、ラジアントチューブ１内に複数個設置して、ラジアントチューブ１の廃熱削減率および圧力損失を適宜調整することができる。

図２は、本発明の伝熱促進体１０の構成を説明するための図であり、図１中の伝熱促進体のＡ−Ａ断面図（以下、単に断面図と記す。）を示す。また、図３は、従来の伝熱促進体１１０の構成を説明するための図である。図２に示すように、本発明の伝熱促進体１０は、ラジアントチューブ１内のガスが通流する面積を制限することが可能な本体部１１と、該本体部１１外周に形成され、ラジアントチューブ１内でガス流路の垂直方向に突出する複数の突起部１２とを有する。

図３に示すような従来の伝熱促進体１１０に比べ、本発明の伝熱促進体１０は、本体部１１外周に多数の突起部１２が形成されている点を特徴とする。特に限定されないが、伝熱促進体１０は、図２に示すように、例えば、断面が歯車形状である。このとき、各突起部間に、ガス流路が形成され、夫々のガス流路にガスを通流させることができる。

伝熱促進体１０は、図２に示すように、ラジアントチューブ１の内壁に当接する場合には、ラジアントチューブ１内に複数の流路が形成される。

ここで、本発明の伝熱促進体１０では、促進体の断面積の、筒状部２の設置部の断面積に対する比をｘとし、促進体断面の周長さの、設置部の断面の周長さに対する比をｙとしたとき、以下の式（１）および式（２）を満たす。
ｘ≦０．５３ ・・・（１）
（１−ｘ）^−４／５×ｙ≧２．４８ ・・・（２）
この点について、図４を参照しながらより詳細に説明する。

図４は、本発明の伝熱促進体１０で形状を特定する方法を説明するための図である。図４（ａ）では、図２で示した構成の内、筒状部２のみを実線で示し、図４（ｂ）では、図２で示した構成の内、伝熱促進体１０のみを実線で示す。

図４（ａ）に示すような断面図において、筒状部２の設置部が形成する実線領域の面積をαとする。また、図４（ｂ）に示すような断面図において、伝熱促進体１０が形成する実線領域の面積をβとする。このとき、ｘはβ／αである。

また、図４（ａ）に示すような断面図において、筒状部２の設置部の周長さ（筒状部２の内周長さ）をＡとする。また、図４（ｂ）に示すような断面図において、伝熱促進体１０の周長さをＢとする。このとき、ｙはＢ／Ａである。

そして、本発明の伝熱促進体１０では、ｘおよびｙについて、上記の式（１）および式（２）を満たすように設計される。

上記のｘが０．５３超えであると、圧力損失が大きくなり燃焼ガスの流れを著しく抑制する。そのため、式（１）で規定するように、ｘは０．５３以下とする。好ましくは、ｘは０．４６以下である。

また、上記の式（２）については、本発明者らが、一般的な対流伝熱理論式に基づいて、伝熱促進体の断面積を小さくするとガス流速が遅くなり対流伝熱の効果が弱まること、および伝熱面積が伝熱促進体の外周長さに比例することに着目し見出した式であり、式（２）の左辺が２．４８以上であることで、所望の伝熱効率を得ることができる。

例えば、図２等に示すように、伝熱促進体１０を歯車形状とする場合には、上記の設計に基づいて、歯数や歯の寸法等を選択することができる。

伝熱促進体１０の材質は、特に限定されず、耐火断熱レンガ、耐熱金属、セラミック、キャスタブル等が挙げられるが、製作コスト低減および伝熱促進体重量によるラジアントチューブ変形抑制のため、安価かつ軽量である耐火断熱レンガとすることが好ましい。

以上説明したように、本発明では、伝熱促進体１０を特定の形状に設計する。これにより、圧力損失が大きくなり熱交換する燃焼ガスの流れを著しく抑制しない範囲で、流路断面積を狭め、流路縮小により燃焼ガスの流速を増大させることができる。そして、本発明では、伝熱促進体１０の伝熱面積を大きくすることができ、伝熱効率を高めることができる。さらに、本発明の伝熱促進体１０は、簡単な形状であるため安価での製造が可能である。また、伝熱促進体１０をラジアントチューブ１に挿入することで、従来技術と同様に、燃焼ガスを撹拌することができ、上記の説明では均一断面の伝熱促進体を用いたが、排ガス上流側を先細状とすることで、燃焼ガスの撹拌をより促進することもでき、伝熱効率をより高めることもできる。

以下、実施例に基づき、本発明について説明する。下記の実施条件でラジアントチューブ１に用いる伝熱促進体１０の評価をした。

（ｉ）筒状部２
形状は、図１に示すＷ字型とし、筒状部２のＡ−Ａ断面図の内径を６７．９ｍｍとした。また、第一直管部２１および第四直管部２４のガス進行方向の長さを８５５ｍｍとし、第二直管部２２および第三直管部２３のガス進行方向の長さを５３０ｍｍとした。さらに、素材はＳＵＳ３０４とした。

（ｉｉ）ガス発生部３
ガス発生部３としてはバーナーを用いた。燃料は、都市ガス（１３Ａ）を２．５Ｎｍ^３／ｈとして用い、空気を３０Ｎｍ^３／ｈとして用いた。

（ｉｉｉ）伝熱促進体１０
図５は本実施例の発明例１で用いた伝熱促進体１０の斜視図である。発明例１では、図５に示すようなキャスタブル製の歯数が９個の歯車型の伝熱促進体１０を用いた。伝熱促進体１０の１個あたりの長さ（高さ）は５０ｍｍであり、第四直管部２４のラジアントチューブ１出側３００ｍｍの位置から８００ｍｍの位置までに等間隔に詰めて１０個の伝熱促進体を配置して並べた。

なお、図１に示すレキュペレータ４は用いずに評価を行った。

（ｉｖ）断面積比ｘ
図４を参照しながら説明した以下の式（３）で示されるガス通流面積占有率を測定した。
ｘ＝β／α ・・・式（３）
α：筒状部２の設置部の断面積（図４（ａ）中の実線領域の面積）（ｃｍ^２）
β：伝熱促進体１０の断面積（図４（ｂ）中の実線領域の面積）（ｃｍ^２）
発明例１では、０．５１であった。

（ｖ）周長さ比ｙ
図４を参照しながら説明した以下の式（４）で示される周長さ比を測定した。
ｙ＝Ｂ／Ａ ・・・式（４）
Ａ：筒状部２の設置部の断面の周長さ（図４（ａ）中の周長さ（筒状部２の内周長さ）Ａ）（ｃｍ）
Ｂ：伝熱促進体１０の断面の周長さ（図４（ｂ）中の周長さＢ）（ｃｍ）
発明例１では、１．５６であった。

（ｖｉ）性能評価指数Ｚ
上記のｘおよびｙを測定してから、Ｚ＝（１−ｘ）^−４／５×ｙを算出した。

（ｖｉｉ）廃熱削減比
廃熱削減比としては、試験炉からの放熱量と排ガスの熱量のバランスを計算し、入熱量に占める排ガスの熱量の割合を算出した。そして、後述の比較例１の十字型の廃熱削減率を１．００としたときの比を示す。なお、入熱量は燃料の成分から発熱量を求め、排ガスの熱量は、排ガスの流量、温度、比熱を用いて、算出した。

廃熱削減比が１．５０以上の場合、伝熱効率が優れるとして合格とした。

（ｖｉｉｉ）圧力損失比
圧力損失についても廃熱削減比と同様に比較例１の十字型の値を１．００としたときの比を示す。より具体的には、伝熱促進体を挿入していない場合の流速を用い、圧力損失ΔＰ＝Ｃ・ρＶ^２／２（式中、Ｃは圧力損失係数、ρは流体の密度、Ｖは流体の流速である。）に基づいて、各伝熱促進体の圧力損失係数を算出し、比較例１の十字型を基準として圧力損失係数の比を出し、これを圧力損失比とした。なお、ρは排ガスの成分から算出し、Ｖは、排ガスの流量を用いて算出した。

圧力損失比が２．００以下の場合を合格とした。

発明例１の他に、発明例２、３、比較例１〜４として、種々の形状からなる伝熱促進体を用いて、発明例１と比し、以下の表１に示す断面積比ｘ、周長さ比ｙ、および性能評価指数Ｚが異なる場合の圧力損失比および廃熱削減比を評価した。具体的な形状の一例として、比較例１では、図６に示すようなキャスタブル製の断面十字型の伝熱促進体１１０を用いた。

評価結果を表１に示す。

表１に示すように、発明例１、２では、断面積比ｘが０．５３以下であり、性能評価指数Ｚが２．４８以上であり、圧力損失比が２．００以下であり、廃熱削減比が１．５０以上であり、伝熱効率および圧力損失に優れていた。また、発明例１の伝熱促進体は安価に製造することができた。特に発明例２では、断面積比ｘが０．４６以下であり、圧力損失比が１．５０以下であり、廃熱削減比が１．５０以上であった。

これに対し、比較例１では、性能評価指数Ｚが２．４８未満であり、十分な高廃熱削減量を得られず、所望の伝熱効率を得られなかった。

比較例２では、断面積比ｘが０．５３超えであり、性能評価指数Ｚが２．４８未満であり、十分な低圧力損失比と十分な高廃熱削減比を得られず、伝熱効率および圧力損失の双方に劣っていた。

比較例３では、性能評価指数Ｚが２．４８未満であり、十分な高廃熱削減比を得られず、所望の伝熱効率を得られなかった。

比較例４では、断面積比ｘが０．５３超えであり、十分な低圧力損失比を得られず、圧力損失に劣っていた。

１ ラジアントチューブ
２ 筒状部
３ ガス発生部
４ レキュペレータ
５ 炉壁
１０ 伝熱促進体
１１ 本体部
１２ 突起部
２１ 第一直管部
２２ 第二直管部
２３ 第三直管部
２４ 第四直管部
１１０ 従来の伝熱促進体

Claims (2)

1. ラジアントチューブ内のガス流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置するための伝熱促進体であり、
   本体部と、
   該本体部外周に形成され、前記ラジアントチューブ内で前記ガス流路の垂直方向に突出する複数の突起部と、
   を有し、
   促進体断面積の前記設置部の断面積に対する比をｘとし、
   促進体断面の周長さの、前記設置部の断面の周長さに対する比をｙとしたとき、
   以下の式（１）および式（２）を満たす伝熱促進体。
   ｘ≦０．５３ ・・・（１）
   （１−ｘ）^−４／５×ｙ≧２．４８ ・・・（２）
2. 燃焼ガスを内部の流路に通流させる筒状部と、
   該筒状部に通流させる前記ガスを発生させるガス発生部と、
   前記流路の中間位置よりも出口側の設置部に設置された伝熱促進体と、
   を有し、
   前記伝熱促進体は、
   本体部と、
   該本体部外周に形成され、前記ラジアントチューブ内で前記流路の垂直方向に突出する複数の突起部と、
   を有し、
   促進体断面積の前記設置部の断面積に対する比をｘとし、
   促進体断面の周長さの、前記設置部の断面の周長さに対する比をｙとしたとき、
   以下の式（１）および式（２）を満たすラジアントチューブ。
   ｘ≦０．５３ ・・・（１）
   （１−ｘ）^−４／５×ｙ≧２．４８ ・・・（２）

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