JP3558178B2 - 熱交換用耐火物及びその積層構造 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はガラス工業や鉄鋼業等において蓄熱式に熱回収を行うために用いられる熱交換用耐火物及びその積層構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラス工業や鉄鋼業等の燃焼炉においては、排ガスの熱回収により熱効率を向上し、燃焼温度を高めている。
【0003】
この目的のために、蓄熱室内に熱交換用耐火物を積層して、時間を限って排ガスと燃焼用空気を交互に通過させ、熱交換用耐火物を媒体として熱の授受を行わせる。
【0004】
一般に、このような熱交換用耐火物においては、形状の改良により熱交換用耐火物と気体との熱交換効率の向上を図り、さらに蓄熱室全体の改善を図ることが研究課題である。
【0005】
このような熱交換効率の向上のための形状の改良に関する提案は従来から幾つもなされている。
【0006】
例えば、蓄熱室の上下方向に開口して配置される多数の凹凸を有する4つの壁体からなる角筒状の形状が特開平4−124034号公報に示されている。
【0007】
また、特開平2−85691号公報には、横断面が十字形を形成する4つの壁体に多数の突起部を有する形状が示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前述の、壁体に複雑な突起部を設けた熱交換用耐火物においては、表面積の増加と突出部によって気体の流れに乱流が生じることによって、熱交換効率が向上した。
【0009】
しかし、突起部によって気体が流れる流路面積が狭められて、気体の圧力損失が大きかった。
【0010】
このため、気体圧力を大きくする必要が生じた。十分な圧力が得られない場合は、流速が不足して熱交換用耐火物の性能を十分に生かせなかった。
【0011】
本発明は、炉の運転および熱交換効率の観点から最適な形状および大きさについて検討し、気体の流れにおける圧力損失をできるだけ少なくし、しかも気体が熱交換用耐火物によって構成された流路を通過するときに乱流を促進せしめて熱交換効率をさらに向上させることを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本願の第1発明は、数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との水平距離T1が実質的に均一でかつ15〜40mmの範囲内であり、さらに、積層状態でみたとき、耐火物積層体の壁面の頂部と低部の段差をDとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をWとし、隣接する内壁部の頂部のピッチ(隣接する内壁面の頂部間の距離)をSとしたとき、D/Wが0.03〜0.5であり、S/Dが7〜13であることを特徴とする熱交換用耐火物を要旨とする。
【0013】
本願の第2発明は、数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との最短距離T2が実質的に均一でかつ15〜40mmの範囲内であり、さらに、耐火物単体でみたとき、耐火物の壁面の頂部と低部の段差をdとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をWとし、隣接する内壁面の頂部のピッチ(隣接する内壁面の頂部間の距離)をSとしたとき、d/Wが0.03〜0.5であり、S/dが7〜13であることを特徴とする熱交換用耐火物を要旨としている。
【0014】
本願の第3発明は、本願の第1発明又は第2発明の熱交換用耐火物を数多く積層してほぼ垂直方向に多数の流路を形成した蓄熱式熱回収のための熱交換用耐火物組立構造において、流路を画成する耐火物壁面の頂部と底部との段差をDとし、隣接する2つの頂部のピッチをSとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をWとし、D/Wを0.03〜0.5とし、S/Dを7〜13としたことを特徴とする熱交換用耐火物積層構造を要旨としている。
【0015】
【実施例】
本発明による熱交換用耐火物は、数多く積層することによって連続するほぼ垂直方向の流路を数多く形成するための熱交換用耐火物である。
【0016】
流路を形成する壁面は単数又は複数の頂部12と底部9を有する。さらに、頂部12は、一つの熱交換用耐火物に一つ以上設けても良いし、また、複数の熱交換用耐火物を積層することによって一つの頂部を構成しても良い。
【0017】
また、図9〜図10に示すように、T1 は、熱交換用耐火物における壁体の内壁面とその裏側の外壁面との水面断面における水平距離、T2 は熱交換用耐火物における壁体の厚み、つまり外壁面とその裏側の内壁面の最短距離を意味する。壁面が正確に垂直方向に延びているときはT1 とT2 は同一であるが、そうでないときは両者(T1 ,T2 )は相違する。
【0018】
また、耐火物の角部は、壁体と壁体の接合部や頂部の曲がり部分を意味する。
【0019】
また、本発明においては、角部を除いて壁体が均一な水平距離T1 又は最短距離T2 であれば良く、例えば、角部を含む熱交換用耐火物の全体が均一な水平距離T1 又は最短距離T2 でも良いし、含まない部分だけが均一な水平距離T1 又は最短距離T2 でも良い。
【0020】
本発明は、壁体の水平距離T1 又は最短距離T2 を15〜40mmとすることにより、大きい表面積が得られ、しかも熱交換に必要かつ十分な水平距離T1 又は最短距離T2 を得られる。しかも、角部を除いて均一な水平距離T1 又は最短距離T2 とすることにより、壁体の温度分布をより均一に保持できて、熱交換が効率良く行われる。
【0021】
同一体積の材料で壁体を製作する場合、壁体の水平距離T1 又は最短距離T2 を40mm以下に薄くすることによって、材料の単位体積当たりの表面積が広くなって熱交換効率の良い壁体が得られる。しかし、壁体の水平距離T1 又は最短距離T2 が15mmより薄い場合は、蓄熱量が少なくなる。
【0022】
また、角部を除いた壁体の水平距離T1 又は最短距離T2 が不均一である場合は、温度も不均一な部分が生じて熱交換効率が悪くなりがちである。
【0023】
本発明による熱交換用耐火物においては、任意の水平断面における壁体の中心線は同一の形状及び寸法を有する。従って、これにより構成される流路は、ほぼ同じ断面積を有することになる。このため、気体の圧力損失が少ない。この点は次に説明する風洞実験からも明らかである。
【0024】
頂部のない熱交換用耐火物と、本発明による頂部12を有する熱交換用耐火物と、従来の突起部を有する熱交換用耐火物について、それぞれ風洞実験を行って圧力係数Cpを測定した。
【0025】
ただし、本発明による熱交換用耐火物においては、頂部12と底部9との段差Dを10mmとし、測定位置の高さを25mmとし、隣接する2つの頂部のピッチSと段差Dの比S/Dを9とし、流路をはさんで向かい合う壁体の内壁面が互いに平行になるようにし、任意の位置における流路の水平方向の断面積が同一であって変化しないようにした。また、従来の熱交換用耐火物においては、流路をはさんで向かい合う壁体の表面の一方の表面にだけ突起部を設け、流路の水平方向の断面積が変化するようにした。
【0026】
図7のグラフに、頂部のない熱交換用耐火物の測定結果を記号○でプロットし、本発明による熱交換用耐火物の測定結果を記号●でプロットし、従来の熱交換用耐火物の測定結果を記号□でプロットする。
【0027】
図7に示す各風洞実験の測定結果は、突起部による圧力損失を示す。
【0028】
この結果からも明らかなように、本発明においては、従来の突起部を設けた流路に比して遥かに流路内の圧力損失が小さい。
【0029】
しかも、本発明によれば、頂部を有すること、すなわち段差Dを適当に設けることによって表面積が増大すると共に気体の乱流が促進されて熱交換効率が大きく向上する。特に、ピッチSと段差Dの比S/Dが7〜13である場合に、気体の乱流を促進する点で最大の効果がある。
【0030】
図8は、別の風洞実験によって頂部で測定した乱れ強さU2 /U1 2 を縦軸とし、それとS/Dの関係を表したグラフである。ただし、図8において記号○、△、□、●は、それぞれ比D/Wを0.1、0.2、0.3、0.4にした場合の測定結果を示す。
【0031】
D/Wの値に関係なく、頂部における乱れ強さU2 /U1 2 は、S/D=9の場合に極大となる。また、頂部によって乱れ強さU2 /U1 2 の値が大きくなるという効果が、D/W=0.1の場合は、さほど顕著ではないが、D/Wを0.3〜0.4とした場合は顕著な効果が現れる。
【0032】
図示しないが、D/Wが0.5を越えると、流路の曲がりが大きくなり過ぎて、実際に使用したときに流路の閉塞が心配されるので採用できない。D/Wが0.03未満である場合は、頂部12と底部9の段差が小さくて効果が少ない。
【0033】
以上の説明をまとめると、乱れ強さが実用上十分な大きさになるような流路を形成する熱交換用耐火物の条件は、D/Wを0.03〜0.5とし、かつS/Dを7〜13とすることである。
【0034】
次に、図1〜16を参照して、本発明の実施例をさらに詳しく説明する。
【0035】
積層された本発明の熱交換用耐火物においては、流路が同じ断面積を持ち、上下方向に積まれた壁体が一定の間隔で頂部を有する。
【0036】
積層したときに、頂部のピッチSと段差Dの比S/Dが7〜13であり、かつ段差Dと壁体の間隔Wの比D/Wが0.03〜0.5となるのが良い。間隔Wは好ましくは140〜220mmであるが、特にこれに制限されない。
【0037】
頂部の形状は、図2および図4に示す台形や、図3および図5に示す三角形を採用できるが、これらの形状に限らず、その他の形状、例えば円の一部や楕円の一部などの形状でも良い。
【0038】
図2に示す頂部12は、右に傾斜する面と左に傾斜する面を有し、両方の傾斜は等しいが、これに限らず、一方の傾斜が他方の傾斜より小さくても良い。
【0039】
図1〜図5は、本発明の実施例による熱交換用耐火物の単体を示す。
【0040】
図1は、図2〜図5に示す耐火物に共通の上面図である。一点鎖線1は任意の水平断面における外壁面と内壁面との仮想の中心線である。
【0041】
図2〜図5は、各々異なる形状の底部9と頂部12を持つ熱交換用耐火物を示す縦断面図である。図11〜図16は、図3の耐火物を1ピッチ分だけ積層した状態を示す。
【0042】
ただし、図13、14、15、16の例では、耐火物単体では突起も、頂部も全く存在しない壁体11aが介在している。
【0043】
図1〜図5の熱交換用耐火物10は4つの壁体11からなり、このうちの2つの壁体11には頂部12が設けてある。頂部12は同じ方向に突出している。
【0044】
壁体の高さHと、一つの熱交換用耐火物における頂部12の高さd(つまり底部9と頂部12との高低差)の比H/dは、3.5〜6.5または7〜13である。
【0045】
比H/dを3.5〜6.5とした場合は、例えば図6のように積層することにより、比S/Dを7〜13とした頂部を有する流路を構成することができる。図6は、図2と同様の形状をした熱交換用耐火物を積層した一例である。図6において一番下に記載されている4つの熱交換用耐火物をn段目として、その上に積層されたものを順次、n+1段目、n+2段目、n+3段目とする。n+1段目は、n段目の熱交換用耐火物に対して反時計方向に90度回転して積層したものである。n+2段目、n+3段目も順次同様に積層したものである。この積層方法は4段で1単位(つまり1ピッチ)を構成する。
【0046】
この積層構造において上下に連なる壁体が形成する隣接する2つの頂部のピッチSと、頂部と底部9との段差Dについて説明する。
【0047】
上下に連なる壁体は互いに反対方向に突出した頂部を有するので、図6の積層方法によって構成された頂部と底部9の段差Dは、1つの熱交換用耐火物の頂部の高さdの2倍であり、D=2dとなる。頂部のピッチSは4つの熱交換用耐火物で1単位を構成するから、S=4Hとなる。
【0048】
故に、S/D=4H/2d=2H/dという等式が成り立つ。ここでH/d=3.5〜6.5だから、S/D=7〜13となる。
【0049】
比H/dが7〜13の場合は、各段をその下の段と同じ向きにして積層するか、または180度回転して積層する。それによって、S/D=7〜13となる。
【0050】
次に積層構造の理解を容易にするために、上下に連なる一つの流路について別の例を説明する。
【0051】
n段目とn+1段目の2段で1個の左手前向きの頂部があり、n+2段目とn+3段目の2段で1個の右奥向きの頂部がある場合、それらの頂部の向きに差があるが、各頂部が中心面に及ぼす効果は同一にすることができる。
【0052】
従って2個の熱交換用耐火物で1単位を構成することもできる。
【0053】
さらに、上下に連なる一つの流路について別の例を説明する。
【0054】
n段目に左奥方向の頂部があり、n+1段目に左手前向きの頂部がある場合は、それらの突出方向に90度の差があるが、各頂部が中心線に及ぼす効果は同一にすることができる。
【0055】
従って1個の熱交換用耐火物で1単位を構成することもできる。
【0056】
4つの外側角部13を図1に示すように欠いておくと、積層したときに安定性が良い。
【0057】
また、4つの内側角部14を円弧形状にしておくと、製作する点で好都合である。
【0058】
本発明による熱交換用耐火物の各寸法の一例を示すと、壁体の最短距離(つまり厚み)T2 は28mm、壁体の高さHは252mm、1つの熱交換用耐火物における頂部の高さdは28mm、互いに向かい合う壁体の間隔Wは一定で160mmである。
【0059】
図2は、1個の頂部12を有する壁体11を2つ持つ熱交換用耐火物10の例を示す。
【0060】
図3および図4は、頂部の一部分を有する壁体11を2つ持つ熱交換用耐火物10の例を示す。この場合は、例えば2個の熱交換用耐火物10を上下対称に積層することにより1個の頂部を構成できる。
【0061】
図5は、2個の頂部12を有する壁体11を2つ持つ熱交換用耐火物10の例を示す。この場合は、D=dであり、頂部12のピッチSと、頂部12と底部9との段差Dの比S/Dが7〜13である。
【0062】
以上説明した本発明の実施例は、4つの壁体を有し、この内の2つの壁体に頂部を持つ熱交換用耐火物である。
【0063】
しかし、本発明はこれに限らず、この他の形状、例えば2つの壁体(たとえば水平断面がL形のもの)を有しそのうちの1つの壁体に頂部を持つ形状、3つの壁体を有し(たとえば水平断面が凹形のもの)1つまたは2つの壁体に頂部を持つ形状、あるいは2つないし4つの壁体を有しそれらの全ての壁体に頂部を持つ形状の熱交換用耐火物でも良い。
【0064】
また、熱交換用耐火物の材質としては、通常の耐火物が使用できるが、熱伝導率や蓄熱性を考慮すると、マグネシア質、またはAZS(アルミナ・ジルコニア・シリカ)質あるいはアルミナ質の電鋳耐火物がより好ましい。
【0065】
【発明の効果】
本発明の熱交換用耐火物によれば、任意の積層方法によって、一種類の同じ形状の熱交換用耐火物を使用して流路を構成し、かつ流路を前後左右の方向あるいは螺旋に沿った方向またはこれらの組み合わせの方向などの任意の方向に自由に蛇行させることができる。
【0066】
このように蛇行させることによって、壁体の表面積を大きくすると共に、流体の乱流を促進させて、熱交換効率を向上させることができる。
【0067】
さらに、流路の断面積がほとんど変化しないので、流体の圧力損失が少なく、炉の運転が簡便である。
【0068】
しかも、角部を除いて均一な水平距離T1 又は最短距離T2 の壁体を有する耐火物であるために、亀裂などの欠陥が発生しにくくて製作が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による熱交換用耐火物の上面図である。
【図2】図1に示す熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図3】本発明による別の形状の熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図4】本発明によるさらに別の形状の熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図5】本発明によるさらに別の形状の熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図6】図2に示す熱交換用耐火物を積層した組立構造を示す図である。
【図7】風洞実験の結果を示すグラフ。
【図8】風洞実験の結果を示すグラフ。
【図9】水平距離T1 を示す。
【図10】最短距離T2 を示す。
【図11】図3の耐火物を2個を単位として積層する例を示す。
【図12】図3の耐火物を4個を単位として積層する例を示す。
【図13】図3の耐火物を3個を単位として積層する例を示す。
【図14】図3の耐火物を3個を単位として積層する例を示す。
【図15】図3の耐火物を4個を単位として積層する例を示す。
【図16】図3の耐火物を7個を単位として積層する例を示す。
【符号の説明】
1 内壁面と外壁面との中心線
9 底部
10 熱交換用耐火物
11 壁体
12 頂部
13 外側角部
14 内側角部
Claims (3)
- 数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との水平距離T1が実質的に均一でかつ15〜40mmの範囲内であり、さらに、積層状態でみたとき、耐火物積層体の壁面の頂部と低部の段差をDとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をWとし、隣接する内壁部の頂部のピッチ(隣接する内壁面の頂部間の距離)をSとしたとき、D/Wが0.03〜0.5であり、S/Dが7〜13であることを特徴とする熱交換用耐火物。
- 数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との最短距離T2が実質的に均一でかつ15〜40mmの範囲内であり、さらに、耐火物単体でみたとき、耐火物の壁面の頂部と低部の段差をdとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をWとし、隣接する内壁面の頂部のピッチ(隣接する内壁面の頂部間の距離)をSとしたとき、d/Wが0.03〜0.5であり、S/dが7〜13であることを特徴とする熱交換用耐火物。
- 請求項1又は2に記載の熱交換用耐火物を数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱回収をするための熱交換用耐火物組立構造において、流路を画成する耐火物壁面の頂部と底部との段差をDとし、隣接する2つの頂部のピッチをSとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をWとし、D/Wを0.03〜0.5とし、S/Dを7〜13とし、かつ、流路を蛇行させたことを特徴とする熱交換用耐火物積層構造。
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JP12738095A JP3558178B2 (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | 熱交換用耐火物及びその積層構造 |
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