JP2022519625A

JP2022519625A - ラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリ

Info

Publication number: JP2022519625A
Application number: JP2021545663A
Authority: JP
Inventors: アンドレアバイオ; ミルコダルフォーヴォ
Original assignee: イーエスエーソチエタペルアチオーニ
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2040-01-27
Also published as: EP3921575C0; IT201900001633A1; KR20210123366A; US11300289B2; JP7358489B2; EP3921575B1; WO2020161559A1; EP3921575A1; CN113383194A; KR102591900B1; US20220042678A1

Abstract

熱交換器（１３）とバーナ（１１）とを備えるラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリであって、当該熱交換器（１３）は、第１の内管（１５）と、上記第１の管（１５）と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管（１６）と、上記第２の管（１６）と同軸かつその外側に位置する第３の管（２４）と、上記第１の管（１５）に対して垂直に配置された第４の管（３５）と、上記第４の管（３５）と同軸かつその内側に位置する第５の管（３６）と、上記第５の管（３６）の内部に配置された排ガス出口通路（２７）と、上記第１の管（１５）と上記第２の管（１６）との間にある第１の隙間（１７）と、上記第３の管（２４）と上記第２の管（１６）との間にある第２の隙間（２５）と、上記第４の管（３５）と上記第５の管（３６）との間にある第６の隙間（４０）と、上記第５の管（３６）を横切って配置されたベンチュリ管（４１、５２）とを含み、上記第１の隙間（１７）は、上記第６の隙間（４０）と連通しており、上記第２の隙間（２５）は、上記排ガス出口通路（２７）と連通しており、上記ベンチュリ管（４１、５２）の入口は、上記第６の隙間（４０）と連通しており、上記ベンチュリ管（４１、５２）の出口は、上記排ガス出口通路（２７）と連通しており、上記熱交換器（１３）と上記バーナ（１１）との間に接続パイプ（４２）をさらに備える、ラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリが提供される。

Description

本発明は、ラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリに関する。

ラジアントチューブバーナには、火炎が発生して排ガスが循環するダクトが設けられている。このようなバーナは、排ガスと加熱する物質との間に接触があってはならない装置で用いられる。ラジアントチューブは、「Ｉ」、「Ｕ」、又は「Ｍ」等の様々な形状をとることができる。

本発明の目的は、排ガスと燃焼用空気との間の熱交換効率が高いラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリを提供することである。

別の目的は、熱交換面を増やすことである。

さらなる目的は、燃焼用空気の温度を上昇させることである。

別の目的は、ＮＯｘの生成を減少させることである。

本発明によれば、これらの目的及び他の目的は、熱交換器とバーナとを備えるラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリによって達成される。当該熱交換器は、第１の内管と、上記第１の管と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管と、上記第２の管と同軸かつその外側に位置する第３の管と、上記第１の管に対して垂直に配置された第４の管と、上記第４の管と同軸かつその内側に位置する第５の管と、上記第５の管の内部に配置された排ガス出口通路と、上記第１の管と上記第２の管との間にある第１の隙間と、上記第３の管と上記第２の管との間にある第２の隙間と、上記第４の管と上記第５の管との間にある第６の隙間と、上記第５の管を横切って配置されたベンチュリ管とを含む。上記第１の隙間は、上記第６の隙間と連通しており、上記第２の隙間は、上記排ガス出口通路と連通している。上記ベンチュリ管の入口は、上記第６の隙間と連通しており、上記ベンチュリ管の出口は、上記排ガス出口通路と連通している。ラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリは、上記熱交換器と上記バーナとの間に接続管をさらに備える。

本発明のさらなる特徴は、従属請求項に記載されている。

本解決手段は、当該分野における従来の解決手段と比較して様々な利点がある。

本発明の特徴及び利点は、添付の図面に非限定的な例として示されている実際的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかであろう。
本発明に係るラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリを示す図である。本発明に係るラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリの熱交換器を示す断面側面図である。本発明に係るラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリの熱交換器の一部を示す断面上面図である。本発明に係るラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリを示す正面図である。本発明に係るラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリの別の実施形態の熱交換器を示す正面図である。

添付の図面を参照すると、本発明に係るラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリ１０は、Ｕ字型ラジアントチューブ１２の一端に配置されたバーナ１１と、ラジアントチューブ１２の他端に配置された熱交換器１３とを備える。

熱交換器１２は、第１の内管１５と、第１の管１５と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管１６とを備える。第２の管１６は、熱交換を改善するために波形の外面を有する。

第１の円環状かつ水平の隙間１７は、第１の管１５と第２の管１６との間に形成される。

第１の管１５は、その一端がプレート２０に固定され、他端が開放されている。当該プレートは、（低温の）燃焼用空気が第１の管１５に入ることを可能にする円形穴２１を中央に備えた円形形状のプレートである。

第１の外側円形構造２２は、プレート２０に固定されている。第２の管１６は、第１の円形構造２２と同軸の第２の内側円形構造２３を介して、当該円形構造に固定されている。

第２の管１６と同軸かつその外側に位置する第３の管２４は、第１の円形構造２２に固定されている。

第２の円環状かつ水平の隙間２５は、第３の管２４と第２の管１６との間に形成される。

第２の管１６は、プレート２０から間隔を置いて配置されており、これによって、第１の隙間１７と連通している第３の実質的に垂直な隙間３０のためのスペースが確保される。

プレート２０に対向する第３の隙間３０は、第２の円形構造２３と第１の外側円形構造２２との間に形成される第４の円環状かつ水平の隙間３１と連通している。

第４の隙間３１は、第１の円形構造２２の全長にわたって延び、この長さは、第２の伝熱管１６の全長の約４分の１に相当する。

第３の管２４は、第１の円形構造２２の端部から始まるため、第２の伝熱管１６の長さの約４分の３に相当する。

第２の隙間２５と連通している第５の円環状かつ水平の隙間２６は、第２の伝熱管１６と第２の内部円形構造２３との間に形成される。

第１の円形構造２２に対して垂直に配置された第４の管３５は、第１の外側円形構造２２に対して直角に固定されている。

排ガス出口パイプ３７を支持している第５の管３６は、第４の管３５と同軸かつその内側に配置されている。

したがって、第５の円環状の隙間２６は、第４の管３５及びパイプ３７によって形成される排ガス出口通路２７に直接接続されている。

第４の隙間３１は、第４の管３５と第５の管３６との間に形成された第６の円環状かつ垂直の隙間４０に接続されている。

第６の隙間４０は、第５の管３６を横切って配置されたベンチュリ管４１に接続されており、当該ベンチュリ管は、第５の管を通過して、排ガス出口通路２７とバーナ１１との間、すなわち熱交換器１３とバーナ１１との間にある接続パイプ４２への流れを確保する。

ベンチュリ管４１の出口の直径は、パイプ４２の直径よりも小さい。

排ガスと接触する内部構成要素は、高温に耐えることができる鋼でできているため、保護断熱は必要ない。一方、外部構成要素が接触するのは、まだ低温状態の燃焼用空気であるため、高温への耐性が比較的低い、より軽量な材料で作成することができる。

いずれの場合も、断熱材は、第４の隙間３１の外側、第４の管３５の内側、及びパイプ３７の内側等に必要に応じて配置される。

穴２１を通って流れる空気は、遠位端が開放されている第１の管１５に入るが、第２の伝熱管１６の遠位端が閉じられているため、第１の隙間１７に入り、第３の隙間３０を通って第４の隙間３１に到達する。

空気は、第４の隙間３１から第６の隙間４０を通ってベンチュリ管４１に入り、パイプ４２内の排ガスと混合される。

一方、排ガスは、第２の隙間２５に到達し、穴２１を通って流れる空気の流れと反対方向に流れて、第５の円環状の隙間２６に到達する。これらの気体は、排ガス出口通路２７に入って排ガス出口パイプ３７へと流れ込む。

また、ベンチュリ管４１の近くを通過する際、当該管から高い速度で流出する空気によって、排ガスの一部がパイプ４２に押し込まれて気体の混合が生じる。

このように、バーナ１１には、排ガスの一部と混合された加熱された燃焼用空気が供給される。

このように予熱された空気の温度は、５００℃を超える値に達し得る。本システムでは、コールドスタート段階でも安定しているシステムを用いて、最大４０％の排ガスを再循環させることができる。挿入されるベンチュリの寸法は、次のようないくつかのパラメータに関連する。

・バーナの最大出力
・再循環された排ガスの割合
・熱交換器で実現可能な燃焼空気圧
本システムの利点は、熱交換器内に統合されたシステムでのＮＯｘ排出値が１５０乃至２００ｍｇ／Ｎｍ^３未満となることである。

第６の円環状かつ垂直の隙間４０は、パイプ５１を取り囲む第７の隙間５０に接続されており、当該パイプは、第５の管３６と接続パイプ４２との間を接続している。

別の実施形態では、第６の隙間４０がベンチュリ管４１の入口に直接接続される代わりに、第７の隙間５０が複数の穴５２と連通しており、当該穴は、パイプ５１に円環状に配置され、管３６から到着する排ガスの流れと同軸の、パイプ４２への流れを確保する。

複数の穴５２は、それらが接続されている隙間よりも小さな断面を有するので、ベンチュリ効果を生み出す。

バルブ５３をパイプ５１内に挿入することができ、これにより、再循環させる排ガスの量を調整することができる。

本システムは、パイプ４２内で排ガスを常に再循環させ、中心に真空圧を作り出して排ガスを引き込むが、熱交換器を低温状態から加熱する際に排ガスの通路を閉鎖可能なバタフライバルブ５３を取り付けることができるという利点がある。

低温安定性は、システムが再循環させる排ガスの割合を制限する場合に重要となる。

再循環が大きいほど火炎が不安定になるため、専用の始動手順に常に従う必要がある。これにより、初期加熱時間が長くなり、いずれの場合も、排ガス中に顕著なレベルのＣＯが生成される。

したがって、コールドフェーズの必要性と重要視される排出量との間で妥協点を見つける必要がある。

通常、排出される排ガスの割合は最大で４０％であるが、これは、排出される排ガスがこの割合を超えると、低温状態のバーナが安定した火炎を維持できないためである。

バルブ５３を用いることにより、低温の排ガスを低減又は遮断することが可能であり、排ガスを再循環させない状態でバーナを始動させることができるため、安定性がはるかに向上する。

所定の温度に達した後でバルブ５３を開放すると、再循環させる排ガスの量を４０％よりも大きな割合にすることができ、システムが高温であるため、いずれの場合も安定した燃焼を行うことができる。

構成部材１６、２３、３６及び４１の一連の表面は、排ガスとの熱交換が熱交換器１６の表面に限定されず、下流のさらなる金属体上でも行われるので、バーナの効率を高める。

燃焼用空気を燃焼用ガスで希釈することにより、反応ゾーン内の酸素含有量を制御することができるため、燃焼の温度を下げ、放出されるＮＯｘを減少させることができる。

ベンチュリ管４１を用いることにより、再循環させる排ガスの量を増加することができる。

バルブ５３を用いることにより、再循環させる排ガスの量を調節することができる。

上記のように、熱交換器に入る利用可能な燃焼用空気の圧力の機能として、５０％を超え得る排ガスの再循環を実現可能である。

本発明によれば、これらの目的及び他の目的は、熱交換器とバーナとを備えるラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリによって達成される。当該熱交換器は、第１の内管と、上記第１の管と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管と、上記第２の管と同軸かつその外側に位置する第３の管と、上記第１の管に対して垂直に配置された第４の管と、上記第４の管と同軸かつその内側に位置する第５の管と、上記第５の管の内部に配置された排ガス出口通路と、上記第１の管と上記第２の管との間にある第１の隙間と、上記第３の管と上記第２の管との間にある第２の隙間と、上記第４の管と上記第５の管との間にある第６の隙間と、上記第５の管を横切って配置されたベンチュリ管とを含む。上記第１の隙間は、上記第６の隙間と連通しており、上記第２の隙間は、上記排ガス出口通路と連通している。上記ベンチュリ管の入口は、上記第６の隙間と連通しており、上記ベンチュリ管の出口は、上記排ガス出口通路と連通している。ラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリは、上記熱交換器と上記バーナとの間に接続パイプをさらに備える。

熱交換器１３は、第１の内管１５と、第１の管１５と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管１６とを備える。第２の管１６は、熱交換を改善するために波形の外面を有する。

Claims

熱交換器（１３）とバーナ（１１）とを備えるラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリであって、
当該熱交換器（１３）は、第１の内管（１５）と、前記第１の管（１５）と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管（１６）と、前記第２の管（１６）と同軸かつその外側に位置する第３の管（２４）と、前記第１の管（１５）に対して垂直に配置された第４の管（３５）と、前記第４の管（３５）と同軸かつその内側に位置する第５の管（３６）と、前記第５の管（３６）の内部に配置された排ガス出口通路（２７）と、前記第１の管（１５）と前記第２の管（１６）との間にある第１の隙間（１７）と、前記第３の管（２４）と前記第２の管（１６）との間にある第２の隙間（２５）と、前記第４の管（３５）と前記第５の管（３６）との間にある第６の隙間（４０）と、前記第５の管（３６）を横切って配置されたベンチュリ管（４１、５２）とを含み、
前記第１の隙間（１７）は、前記第６の隙間（４０）と連通しており、前記第２の隙間（２５）は、前記排ガス出口通路（２７）と連通しており、前記ベンチュリ管（４１、５２）の入口は、前記第６の隙間（４０）と連通しており、前記ベンチュリ管（４１、５２）の出口は、前記排ガス出口通路（２７）と連通しており、
前記熱交換器（１３）と前記バーナ（１１）との間に接続パイプ（４２）をさらに備える、ラジアントチューブ熱交換器付バーナアセンブリ。
燃焼用空気が前記第１の管（１５）に入ることを可能にする円形穴（２１）を中央に備えた円形形状のプレート（２０）と、前記プレート（２０）に対向する第３の隙間（３０）とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のバーナアセンブリ。
前記プレート（２０）に固定されている第１の外側円形構造（２２）と、前記第１の円形構造（２２）と同軸の第２の内側円形構造（２３）と、前記第２の円形構造（２３）と前記第１の円形構造（２２）との間にある第４の隙間（３１）とをさらに備え、
前記第２の管（１６）は、前記第１の円形構造（２２）に固定されていることを特徴とする、請求項２に記載のバーナアセンブリ。
前記第３の管（２４）は、前記第１の円形構造（２２）に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載のバーナアセンブリ。
前記第４の管（３５）は、前記第１の外側円形構造（２２）に対して垂直に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載のバーナアセンブリ。
前記第５の管（３６）は、排ガス出口パイプ（３７）を支持していることを特徴とする、請求項５に記載のバーナアセンブリ。
前記第１の隙間（１７）は、前記第３の隙間（３０）、前記第４の隙間（３１）、及び前記第６の隙間（４０）と連通していることを特徴とする、請求項５に記載のバーナアセンブリ。
前記第２の隙間（２５）は、前記第５の隙間（２６）及び前記排ガス出口通路（２７）と連通していることを特徴とする、請求項５に記載のバーナアセンブリ。
バーナ（１１）の熱交換器（１３）であって、当該熱交換器（１３）は、接続パイプ（４２）を介して前記バーナ（１１）に接続されており、
第１の内管（１５）と、前記第１の管（１５）と同軸かつその外側に位置する第２の伝熱管（１６）と、前記第２の管（１６）と同軸かつその外側に位置する第３の管（２４）と、前記第１の管（１５）に対して垂直に配置された第４の管（３５）と、前記第４の管（３５）と同軸かつその内側に位置する第５の管（３６）と、前記第５の管（３６）の内部に配置された排ガス出口通路（２７）と、前記第１の管（１５）と前記第２の管（１６）との間にある第１の隙間（１７）と、前記第３の管（２４）と前記第２の管（１６）との間にある第２の隙間（２５）と、前記第４の管（３５）と前記第５の管（３６）との間にある第６の隙間（４０）と、前記第５の管（３６）を横切って配置されたベンチュリ管（４１、５２）とを含み、
前記第１の隙間（１７）は、前記第６の隙間（４０）と連通しており、前記第２の隙間（２５）は、前記排ガス出口通路（２７）と連通しており、前記ベンチュリ管（４１、５２）の入口は、前記第６の隙間（４０）と連通しており、前記ベンチュリ管（４１、５２）の出口は、前記排ガス出口通路（２７）と連通している熱交換器。