JP5622323B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、ごみや産業廃棄物の焼却炉等において発生する高温排ガス等の高温ガスと低温空気等のクリーンガス等の流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。

ごみや産業廃棄物の焼却炉等においては、焼却処理によって発生する高温の燃焼排ガスの熱エネルギーを利用するために、低温空気等のクリーンな流体と熱交換して回収する熱交換器が用いられている。
この熱交換器は、金属製単管からなる伝熱管内に低温空気等のクリーンな流体を流通させて、伝熱管外部に流通させた高温排ガスとの熱交換により、前記流体を高温に加熱して熱回収するものである。そして、回収された熱エネルギーは、ごみの熱分解や発電、その他の施設において有効利用されている。

ところで、上記のような焼却炉で発生する高温の燃焼排ガスには、焼却される廃棄物に起因する塩素や塩化水素等の腐食性の高いガスが含まれている。熱交換器は、このような焼却炉内に設置されるため、高温かつ高腐食性ガス雰囲気に曝される熱交換器の伝熱管が、耐熱性及び耐食性を有する材質及び構造であることが求められる。

しかしながら、伝熱管に適した十分な耐食性を有する金属材料や合金材料は見出されていない。
これに対して、最近では、伝熱管を、セラミックス製の外管内に内管を装着した二重管構造とすることによって、耐食性及び耐久性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２１４７９号

上記の二重管構造の伝熱管におけるセラミックス製外管には、断面形状が円形である円筒状チューブが用いられている。この円筒状チューブは製造が容易であり、また、均熱性に優れていることから、利用しやすいというメリットを有している。

しかしながら、前記円筒状チューブは、伝熱管内の流体の流路断面積に対する外周の表面積が小さいため、熱交換効率が十分に高いとは言えない。
また、高温排ガス中に灰塵等が多く含まれる場合、高温排ガスの流れ方向に面する円筒状チューブ外周面の約半分に灰塵等が付着しやすく、このような灰塵等の付着部分の熱伝導が低下する。このため、熱交換効率の低下が著しく、また、耐久性の点でも課題を有していた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、セラミックス製外管を伝熱管に用いた熱交換器において、灰塵等が付着しやすい環境等で使用された場合であっても、熱交換効率を低下させることなく、耐久性を向上させることができ、しかも、低コストで容易に設置することができる熱交換器を提供することを目的とするものである。

本発明に係る熱交換器は、先端が閉口し、後端が開口したセラミックス製外管と、前記外管内壁に対して隙間を空けて配置され、先端及び後端が開口した内管とからなる二重管構造の伝熱管を備え、前記伝熱管内を流通する低温ガスを、前記伝熱管の外側を流通する高温ガスとの熱交換により加熱する熱交換器において、前記伝熱管の外管及び内管は、先端から後端への長さ方向に対する垂直断面形状が長円形又は角丸長方形であり、かつ、前記外管と内管との隙間は、前記長円形又は角丸長方形の短軸方向における間隔よりも長軸方向における間隔の方が広いことを特徴とする。
熱交換器をこのような構成とすることにより、伝熱管の温度分布のばらつきが抑制され、これにより、伝熱管の破損が防止され、耐久性の向上を図ることができる。

前記熱交換器は、外管と内管との隙間の短軸方向における間隔が１０〜２５ｍｍであり、長軸方向における間隔が短軸方向における間隔の１．３〜１．５倍であることが好ましい。
外管と内管との隙間をこのように設定することにより、熱交換効率を低下させることなく、伝熱管の熱応力の低減化を図ることができる。

また、前記内管の先端開口部の長軸方向の両端に切り欠きが形成されていることが好ましい。
このような切り欠きにより、断面が扁平形状の伝熱管であっても、外管の先端部付近における温度分布のばらつきを抑制することができ、熱応力が低減される。

さらに、前記内管の内側に、前記内管内の空間を長軸方向に３分割する１対の仕切り板が設けられ、前記仕切り板は、後端部の間隔よりも先端部の間隔の方が広いことが好ましい。
このような仕切り板を設けることにより、内管が補強されるとともに、内管における低温ガスの整流化を図ることができる。

また、前記熱交換器は、外管の長軸方向の一端の外壁面が、前記高温ガスの流れ方向に面して配置されることが好ましい。
このような配置であれば、伝熱管における熱応力の均一化が図られ、破損を防止することができ、耐久性の向上が図られる。また、灰塵等が付着しやすい環境等で使用された場合であっても、灰塵等の付着面積の割合が小さく、熱交換効率の低下を抑制することができる。

本発明によれば、外管がセラミックス製の熱交換器において、灰塵等が付着しやすい環境等で使用された場合であっても、熱交換効率の低下が抑制され、かつ、耐久性を向上させることができる。さらに、本発明に係る熱交換器は、低コストで容易に設置することができる。

（ａ）は本発明に係る熱交換器の一形態の概略を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 外管と内管との隙間の間隔が均等である場合の図１（ａ）に対応する断面図である。 本発明に係る熱交換器の他の形態の概略を示す断面図である。 本発明に係る熱交換器の他の形態の概略を示す断面図である。 本発明に係る熱交換器の他の形態の概略を示す断面図である。

以下、本発明を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明に係る熱交換器の一形態の概略とガスの流れを示す。図１（ａ）に示すように、本発明に係る熱交換器１は、先端が閉口し、後端が開口したセラミックス製外管２と、外管２の内壁に対して隙間を空けて配置され、先端及び後端が開口した内管３とからなる二重管構造の伝熱管４を備えているものである。
そして、図１（ｂ）に示すように、伝熱管４の外管２及び内管３は、先端から後端への長さ方向に対する垂直断面、すなわち、図１（ａ）のＡ−Ａ断面においては、その断面形状が長円形又は角丸長方形である。また、外管２と内管３との隙間は、前記長円形又は角丸長方形の短軸方向における間隔ａよりも長軸方向における間隔ｂの方が広く設定される。

上記のような構成からなる熱交換器１は、外管２の閉口した先端側を、焼却炉等の燃焼排ガス等の高温ガスＧ２の流路に向けて設置することにより、内管３内に送入された低温ガスＧ１が、外管２と内管３との隙間を通過し、伝熱管４の外側を流通する高温ガスＧ２と熱交換することにより加熱されて、伝熱管４内から排出される。

熱交換器１の外管２は、セラミックス製とする。セラミックス製であれば、１０００〜１２００℃の高温排ガス雰囲気においても耐用可能である。高温の腐食性ガスに曝される環境下で使用される場合には、セラミックスの中でも、特に、気孔率が０．１〜１０％の緻密質であり、熱輻射率が０．７以上の炭化珪素自焼結体が好適に用いられる。
一方、内管３は、高温排ガスに曝されることはなく、通常、内管には、空気等の清浄な低温ガスが送入されるため、金属製でよい。あるいはまた、外管２と同様にセラミックス製であってもよい。
なお、外管２の肉厚は、熱伝導性及び強度等の観点から、５〜１５ｍｍであることが好ましい。また、内管３の肉厚は、強度やコスト等の観点から、２〜１０ｍｍであることが好ましい。

上記のように、熱交換器１のＡ−Ａ断面形状は、長円形又は角丸長方形とする。
ここでいう長円形とは、楕円形に限らず、図１（ａ）に示すように、一対の対辺が直線を含むトラック形状又はこれに近似した形状のものも含む。
長円形又は角丸長方形のいずれにおいても、伝熱管４の外周面ができる限り均等に加熱され、かつ、熱応力が低減されるようにするため、角部を有しない形状であることが好ましい。

伝熱管４の断面形状を上記のような扁平形状とすると、従来のような円形断面の伝熱管に比べて、外側を流通する高温ガスＧ２の流れが不均一となりやすく、伝熱管４の温度分布にばらつきが生じやすくなり、熱応力によって、セラミックス製外管が破損することがある。
このため、上記のような断面形状の熱交換器１は、破損防止の観点から、外管２の長軸方向の一端の外壁面が、高温ガスＧ２の流れ方向に面して配置されることが好ましい。
このように配置されることにより、外管２の外周面において、高温ガスＧ２の流れが図１（ｂ）に示すように形成されるため、伝熱管４における熱応力の均一化が図られ、断面が円形でなく扁平形状であっても、破損を防止することができ、耐久性の向上が図られる。
また、上記のような配置であれば、高温ガスＧ２が焼却炉で発生する高温の燃焼排ガスであり、灰塵等を多く含むような場合であっても、高温ガスＧ２の流れ方向に面する外管２の表面積が小さいため、断面が円形である管よりも、灰塵等の付着する面積の割合を小さくすることができ、熱交換効率の低下を抑制することができる。

上記のように、断面が扁平形状の伝熱管は、熱応力が増大しやすく、特に、熱交換効率を高めるために外管と内管との隙間を小さくした場合、温度分布のばらつきの増大により破損しやすい。
このため、外管と内管との間の隙間を、短軸方向における間隔ａよりも長軸方向における間隔ｂの方が広くなるようにすることにより、間隔のより広いｂの隙間を流れるガスが多くなるため、伝熱管４の温度分布のばらつきが抑制され、これにより、伝熱管４の破損を防止し、耐久性の向上を図ることができる。

具体的には、外管２と内管３との隙間の短軸方向における間隔ａは１０〜２５ｍｍであり、長軸方向における間隔ｂは短軸方向の間隔ａの１．３〜１．５倍であることが好ましい。
前記間隔ａが１０ｍｍ未満では、低温ガスＧ１が加熱された後のガス排出路が狭すぎて、熱応力を十分に低減させることが困難である。
一方、前記間隔ａが２５ｍｍを超える場合、熱交換を効率的に行うことが困難となる。
また、ｂ／ａ＜１．３の場合は、図２に示すような外管２と内管３との隙間の間隔が均等（ｂ／ａ＝１）である場合と比較して、熱応力を十分に低減させることが困難である。
一方、ｂ／ａ＞１．５の場合は、熱応力の低減化は図られるものの、熱交換効率の低下が著しく好ましくない。

また、内管３には、先端開口部の長軸方向の両端に切り欠きが形成されていることが好ましい。
図３及び図４に、内管３に切り欠きが形成された熱交換器の一例を示す。切り欠き形状は、特に限定されないが、先端開口部の長軸方向の両端に形成され、長軸方向及び長さ方向を紙面とした断面において、例えば、図３に示すように、三角形状に切り欠き３ａが形成されることが好ましい。あるいはまた、図４に示すように、四角形状に切り欠き３ｂが形成されていてもよい。
このような切り欠きを形成することにより、伝熱管４の断面が上記のような扁平形状であっても、外管２の先端部付近における温度分布のばらつきが抑制されるため、外管２の熱応力が低減され、破損が防止される。

さらに、前記内管の内側には、仕切り板が設けられていることが好ましい。図５に、このような仕切り板を設けた熱交換器の一例を示す。図５に示すように、仕切り板５は、内管３の内側に、内管３内の空間を長軸方向に３分割するように１対設けられ、後端部の間隔ｃよりも先端部の間隔ｄの方が広いことが好ましい。
このような仕切り板５を設けることにより、内管に送入された低温ガスＧ１を扁平形状の内管３の内壁に沿って誘導しやすくなり、安定的に整流化を図ることができる。また、仕切り板５は、内管３を補強する役割も果たす。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
図１に示すような熱交換器において、Ａ−Ａ断面の長軸方向における間隔ｂを変化させ、それぞれの場合の熱交換効率と熱応力をシミュレーションにより相対評価した。
セラミックス製外管２は、長さ１５００ｍｍ、肉厚１０ｍｍ、Ａ−Ａ断面における短径１２０ｍｍ、長径３６０ｍｍとし、金属製内管３は、肉厚５ｍｍとした。また、Ａ−Ａ断面の短軸方向における間隔ａを１０ｍｍとした。長軸方向における間隔ｂは１０ｍｍを基準（基準値１）として、ｂ／ａ＝１．３〜１．７（１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍ）の場合について評価した。
伝熱管４の外側を流通する高温ガスＧ２の温度は１０００℃とし、伝熱管４内に送入する低温ガスＧ１を２０℃の空気とし、８００ｍ³／ｈｒの流量で排出されるガスの温度を測定した。
表１に、各評価結果をまとめて示す。
熱交換効率及び熱応力は、伝熱管内からの排出ガスの温度からANSYSプログラムにより求めた。熱交換率は、高温ガスと低温ガスとの熱収支から算出し、また、熱応力は、温度分布により発生する熱応力を計算した。表１においては、いずれも、比較品（Ｎｏ．１）を基準値１００とした相対指数で示した。

表１に示したように、ｂ／ａ＝１．７の場合（Ｎｏ．４）は、図２に示すような外管と内管の隙間の間隔が均等（ｂ／ａ＝１）である比較品（Ｎｏ．１）と比べて、熱応力を４０％も低減させることができるが、熱交換効率の低下も大きく、熱交換器としての性能に劣る。
これに対して、ｂ／ａ＝１．３〜１．５の場合（Ｎｏ．２，３）は、熱応力を３０〜４０％程度低減させることができ、かつ、熱交換効率の低下も抑制される。

１ 熱交換器
２ 外管
３ 内管
４ 伝熱管
５ 仕切り板

Claims (5)

1. 先端が閉口し、後端が開口したセラミックス製外管と、前記外管内壁に対して隙間を空けて配置され、先端及び後端が開口した内管とからなる二重管構造の伝熱管を備え、前記伝熱管内を流通する低温ガスを、前記伝熱管の外側を流通する高温ガスとの熱交換により加熱する熱交換器において、
   前記伝熱管の外管及び内管は、先端から後端への長さ方向に対する垂直断面形状が長円形又は角丸長方形であり、かつ、前記外管と内管との隙間は、前記長円形又は角丸長方形の短軸方向における間隔よりも長軸方向における間隔の方が広いことを特徴とする熱交換器。
2. 前記外管と内管との隙間の短軸方向における間隔が１０〜２５ｍｍであり、長軸方向における間隔が短軸方向における間隔の１．３〜１．５倍であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記内管の先端開口部の長軸方向の両端に切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記内管の内側に、前記内管内の空間を長軸方向に３分割する１対の仕切り板が設けられ、前記仕切り板は、後端部の間隔よりも先端部の間隔の方が広いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記外管の長軸方向の一端の外壁面が、前記高温ガスの流れ方向に面して配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。

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