JP5810237B1 - 輻射式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱側流体が、例えば、１３００℃を超える高温の燃焼排ガス等の場合であっても、熱交換によるエネルギーの回収が可能で、かつ高い熱交換効率で熱交換をすることが可能な輻射式熱交換器を提供する。【解決手段】輻射式熱交換器１０を、内筒１１及び外筒１２からなる二重筒と、内筒１１の内面側に、その両端が流体入出口２１、２２として二重筒１の内筒１１と外筒１２との間隙Ｇにそれぞれ連通するように配設された少なくとも１本のパイプ２と、を備えるように構成するとともに、内筒１１の内側空間ＩＳを通過する放熱側流体ＤＦ側から、二重筒１及びパイプ２を介して、二重筒１の間隙Ｇ及びパイプ２を通過する受熱側流体ＲＦ側に、熱交換をするように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、輻射式熱交換器に関する。さらに詳しくは、放熱側流体が、例えば、１３００℃を超える高温の燃焼排ガス等の場合であっても、熱交換によるエネルギーの回収が可能で、かつ高い熱交換効率で熱交換をすることが可能な輻射式熱交換器に関する。

燃焼加熱炉においては、省エネルギー化を図るため、炉から排出される燃焼排ガスの熱を利用して熱交換をする熱交換器が用いられている。燃焼排ガス中にダストや揮発成分を多く含む場合には、所定の間隙を介在させて配設された内筒及び外筒からなる二重筒を備えた二重筒型熱交換器が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された二重筒型熱交換器は、外筒を分割して接続片を有する複数の分割筒より構成し、各分割筒の接続片同士の接続部に熱伸縮吸収作用を備えてなるように構成され、座屈変形や破損を引き起こさないで高い温度の予熱空気を得ることができる効果を発揮するものである。

実開平５−０１７３５８号公報

しかし、例えば、１３００℃を超える高温の燃焼排ガス等の放熱側流体から熱交換によってエネルギーを回収する場合、熱交換器の耐熱性を考慮すると、輻射式熱交換器以外は採用することができないが、上述の特許文献１に記載されたような、一般的な輻射式熱交換器である二重筒式熱交換器の場合、耐熱性において必ずしも十分ではなく、また、熱交換効率も１５〜２０％程度に止まらざるを得ないのが現状である。

従って、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、放熱側流体が、例えば、１３００℃を超える高温の燃焼排ガス等の場合であっても、熱交換によるエネルギーの回収が可能で、かつ高い熱交換効率で熱交換をすることが可能な輻射式熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するため、以下の二重筒式熱交換器を提供する。

［１］内筒と、前記内筒の外側に所定の間隙を介在させて配設された外筒と、からなる二重筒を備え、前記内筒の内側空間を通過する高温の放熱側流体から、前記二重筒を介して、前記二重筒の前記間隙を通過する受熱側流体に、熱交換をする輻射式熱交換器であって、前記外筒は、熱交換前の前記受熱側流体を前記間隙に取り入れるとともに、熱交換後の前記受熱側流体を前記間隙から取り出すための、周方向に形成された軸方向に所定幅の開口部を有し、前記輻射式熱交換器は、前記内筒の内面側に、その両端が流体入出口として前記二重筒の前記間隙にそれぞれ連通するように配設された少なくとも１本のパイプと、前記外筒の外周上に、前記外筒の前記開口部を上方から覆うように所定の密閉空間を保有しつつ配設された、熱交換前の前記受熱側流体を外部から導入する導入口と、熱交換後の前記受熱側流体を外部に導出する導出口と、熱交換前の前記受熱側流体が前記二重筒及び前記パイプを通過するルートを画定するルート画定部材と、を有するケースと、をさらに備え、前記ルート画定部材は、前記内筒の外面から前記外筒の前記開口部を貫通して前記密閉空間を２つに区画するように配設された鍔状部材であり、前記内筒の内側空間を通過する前記放熱側流体から、前記二重筒及び前記パイプを介して、前記二重筒の前記間隙及び前記パイプを通過する前記受熱側流体に、熱交換をするように構成されたことを特徴とする輻射式熱交換器。

［２］前記ルート画定部材は、前記内筒の外面からの角度及び前記開口部を貫通する位置が調整可能である前記［１］に記載の輻射式熱交換器。

［３］前記ケースの前記導入口を経由して外部から導入された熱交換前の前記受熱側流体は、前記ルート画定部材で区画された一方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流入して前記二重筒の前記間隙を通過し、前記パイプの一端から流入して前記パイプを通過し、前記パイプの他端から前記二重筒に流入して前記間隙を通過し、他方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流出し、前記ケースの前記導出口から熱交換後の前記受熱側流体として外部に導出され、前記二重筒及び前記パイプを介して、熱交換をするように構成された前記［１］又は［２］に記載の輻射式熱交換器。

［４］前記二重筒の前記内筒の前記内面及び前記パイプの外周を被覆保護するとともに、前記放熱側流体の所定の流路を形成するように所定の厚さで配設された耐火材をさらに備え、前記耐火材から形成された前記流路を通過する前記放熱側流体から、前記耐火材、前記二重筒及び前記パイプを介して、前記二重筒の前記間隙及び前記パイプを通過する前記受熱側流体に、熱交換をするように構成された前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。

［５］前記耐火材は、厚さが５０〜４００ｍｍの円筒状で、少なくとも一部の材質が炭化ケイ素、アルミナ、又はシリカからなる前記［４］に記載の輻射式熱交換器。

［６］前記耐火材は、前記パイプの前記両端の外周を被覆保護する部分の材質が、キャスタブル、セラミックファイバー、又は耐火・断熱煉瓦からなる前記［５］に記載の輻射式熱交換器。

［７］内筒と、前記内筒の外側に所定の間隙を介在させて配設された外筒と、からなる二重筒を備え、前記内筒の内側空間を通過する高温の放熱側流体から、前記二重筒を介して、前記二重筒の前記間隙を通過する受熱側流体に、熱交換をする輻射式熱交換器であって、前記内筒の内面側に、その両端が流体入出口として前記二重筒の前記間隙にそれぞれ連通するように配設された少なくとも１本のパイプと、前記二重筒の前記内筒の前記内面及び前記パイプの外周を被覆保護するとともに、前記放熱側流体の所定の流路を形成するように所定の厚さで配設された耐火材と、をさらに備え、前記耐火材は、厚さが５０〜４００ｍｍの円筒状で、少なくとも一部の材質が炭化ケイ素、アルミナ、又はシリカからなり、かつ、前記パイプの前記両端の外周を被覆保護する部分の材質が、キャスタブル、セラミックファイバー、又は耐火・断熱煉瓦からなり、前記耐火材から形成された前記流路を通過する前記放熱側流体から、前記耐火材、前記二重筒及び前記パイプを介して、前記二重筒の前記間隙及び前記パイプを通過する前記受熱側流体に、熱交換をするように構成されたことを特徴とする輻射式熱交換器。

［８］前記二重筒の前記外筒は、熱交換前の前記受熱側流体を前記間隙に取り入れるとともに、熱交換後の前記受熱側流体を前記間隙から取り出すための、周方向に形成された軸方向に所定幅の開口部を有する前記［７］に記載の輻射式熱交換器。

［９］前記外筒の外周上に、前記外筒の前記開口部を上方から覆うように所定の密閉空間を保有しつつ配設された、熱交換前の前記受熱側流体を外部から導入する導入口と、熱交換後の前記受熱側流体を外部に導出する導出口と、熱交換前の前記受熱側流体が前記二重筒及び前記パイプを通過するルートを画定するルート画定部材と、を有するケースをさらに備えた前記［８］に記載の輻射式熱交換器。

［１０］前記ケースの前記導入口を経由して外部から導入された熱交換前の前記受熱側流体は、前記ルート画定部材で区画された一方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流入して前記二重筒の前記間隙を通過し、前記パイプの一端から流入して前記パイプを通過し、前記パイプの他端から前記二重筒に流入して前記間隙を通過し、他方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流出し、前記ケースの前記導出口から熱交換後の前記受熱側流体として外部に導出され、前記耐火材、前記二重筒及び前記パイプを介して、熱交換をするように構成された前記［９］に記載の輻射式熱交換器。

［１１］前記二重筒は、５〜１００ｍｍの前記間隙を介在させて配設された、直径が１５０〜１５００ｍｍ、長さが５００〜３５００ｍｍで、材質が鉄、ステンレス、耐熱鋳鋼、又は非鉄金属からなる前記内筒、及び直径が１５５〜１６００ｍｍ、長さが５００〜３５００ｍｍで、材質が鉄、ステンレス、耐熱鋳鋼又は非鉄金属からなる前記外筒から構成されてなる前記［１］〜［１０］のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。

［１２］前記放熱側流体は、１３００℃を超える燃焼排ガス、又は空気である前記［１］〜［１１］のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。
［１３］２２．５％以上の熱交換率で前記熱交換をすることが可能な前記［１］〜［１２］のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。

本発明によれば、放熱側流体が、例えば、１３００℃を超える高温の燃焼排ガス等の場合であっても、熱交換によるエネルギーの回収が可能で、かつ高い熱交換効率で熱交換をすることが可能な輻射式熱交換器が提供される。

本発明の実施の形態に係る輻射式熱交換器を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る輻射式熱交換器に用いられるパイプの配置を模式的に示す横断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の輻射式熱交換器は、内筒１１と、内筒１１の外側に所定の間隙を介在させて配設された外筒１２と、からなる二重筒１を備え、内筒１１の内側空間ＩＳを通過する高温の放熱側流体ＤＦ側から、二重筒１を介して、二重筒１の間隙Ｇを通過する受熱側流体ＲＦ側に、熱交換をする輻射式熱交換器１０である。

本実施の形態の輻射式熱交換器は、内筒１１の内面側に、その両端が流体入出口２１、２２として二重筒１の間隙Ｇにそれぞれ連通するように配設された少なくとも１本、好ましくは、少なくとも２本、さらに好ましくは、少なくとも３本、最も好ましくは４本以上のパイプ２を、好ましくは、等間隔に、さらに備えており、内筒１１の内側空間ＩＳを通過する放熱側流体ＤＦ側から、二重筒１及びパイプ２を介して、二重筒１の間隙Ｇ及びパイプ２を通過する受熱側流体ＲＦ側に、熱交換をするように構成されている。

図２に、パイプ２の配置の一例（１２本配置した場合）を示す。図２に示すように、パイプ２は、内筒１１の内面側（耐火材３の内部）に円周上配列で配置されている。

本実施の形態の輻射式熱交換器は、上述の構成に加えて、好ましくは、二重筒１の内筒１１の内面及びパイプ２の外周を被覆保護するとともに、放熱側流体ＤＦの所定の流路ＦＰを形成するように所定の厚さで配設された耐火材３をさらに備え、耐火材３から形成された流路ＦＰを通過する放熱側流体ＤＦ側から、耐火材３、二重筒１及びパイプ２を介して、二重筒１の間隙Ｇ及びパイプ２を通過する受熱側流体ＲＦ側に、熱交換をするように構成されたものであってもよい。

本実施の形態においては、二重筒１の外筒１２は、熱交換前の受熱側流体ＲＦを間隙Ｇに取り入れるとともに、熱交換後の受熱側流体ＲＦを間隙Ｇから取り出すための、周方向に形成された軸方向に所定幅の開口部１２ａを有することが好ましい。

この場合、外筒１２の外周上に、外筒１２の開口部１２ａを上方から覆うように所定の密閉空間ＳＳを保有しつつ配設された、ケース本体４０と、熱交換前の受熱側流体ＲＦを外部から導入する導入口４１と、熱交換後の受熱側流体ＲＦを外部に導出する導出口４２と、熱交換前の受熱側流体ＲＦが二重筒１及びパイプ２を通過するルートを画定するルート画定部材４３と、を有するケース４をさらに備えていることが好ましい。

ルート画定部材４３は、例えば、内筒１１の外面から外筒１２の開口部１２ａを貫通して密閉空間ＳＳを２つに区画するように配設された、材質がＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１０Ｓの鍔状部材であることが好ましい。

また、ルート画定部材４３は、内筒１１の外面又はケース本体４０の内面とのみ固定し、固定しない側はスライドできる構造となっていることが好ましい。スライドする部分の構造については、ポケット状の部分をつくるようにする等、流体のもれを防止する構造とすることが好ましい。

本実施の形態においては、ケース４の導入口４１を経由して外部から導入された熱交換前の受熱側流体ＲＦは、ルート画定部材４３で区画された一方の密閉空間ＳＳに属する外筒１２の開口部１２ａから流入して二重筒１の間隙Ｇを通過し、パイプ２の一端（流体入口２１）から流入してパイプ２を通過し、パイプ２の他端（流体出口２２）から二重筒１に流入して間隙Ｇを通過し、他方の密閉空間ＳＳに属する外筒１２の開口部１２ａから流出し、ケース４の導出口４２から熱交換後の受熱側流体ＲＦとして外部に導出され、二重筒１及びパイプ２を介して、又は耐火材３、二重筒１及びパイプ２を介して、熱交換をするように構成されていることが耐久性の面から好ましい。

本実施の形態に用いられる二重筒１は、例えば、５〜１００ｍｍの間隙Ｇを介在させて配設された、直径が１５０〜１５００ｍｍ、長さが５００〜３５００ｍｍで、材質が鉄、ステンレス、耐熱鋳鋼、又は非鉄金属からなる内筒１１、及び直径が１５５〜１６００ｍｍ、長さが５００〜３５００ｍｍで、材質が鉄、ステンレス、耐熱鋳鋼又は非鉄金属からなる外筒１２から構成されてなることが耐久性・コストの面から好ましい。

本実施の形態に用いられる耐火材３は、例えば、厚さが５０〜４００ｍｍの円筒状で、少なくとも一部の材質が炭化ケイ素、アルミナ、又はシリカからなるもの、中でも炭化ケイ素からなるものであることが、パイプ２の保護と熱伝達の面から好ましい。

また、パイプ２の両端（流体入出口２１、２２）、すなわち、パイプ２の内筒１１との溶接部分は、熱による影響が大きいことを考慮して、耐火材３は、パイプ２の両端（流体入出口２１、２２）の外周を被覆保護する部分の材質が、断熱性の高いキャスタブル、セラミックファイバー、又は耐火・断熱煉瓦であることが好ましく、中でも断熱キャスタブルからなる、耐火材３ａであることがさらに好ましい。

本実施の形態の輻射式熱交換器１０は、放熱側流体ＤＦが、好ましくは、１０００℃を超える、さらに好ましくは、１３００℃を超える、最も好ましくは、１５００℃を超える燃焼排ガス又は空気である場合に、特に有効である。

また、本実施の形態の輻射式熱交換器１０は、好ましくは、２２．５％以上、さらに好ましくは、２６．０％以上、最も好ましくは、３０．０％以上の熱交換率で熱交換をすることが可能である。これは、従来の輻射式熱交換器の熱交換効率の１．５倍を超える高い熱交換効率である。従来の輻射式熱交換器では、受熱側気体は内筒と外筒との間の間隙を通過するのみであることから、本発明の輻射式熱交換器と比較した場合、熱の授受を行う面積は約２倍となり、熱交換効率は約１．５倍を超えることが可能となる。

本発明の輻射式熱交換器は、１３００℃を超える高温の燃焼排ガス等を排出する燃焼加熱炉を用いる産業分野、例えば、窯業、ガラス製造業、鉄鋼業等で有効に利用される。

１ 二重筒
２ パイプ
３ 耐火材（炭化ケイ素等）
３ａ 耐火材（キャスタブル等）
４ ケース
１０ 輻射式熱交換器
１１ 内筒
１２ 外筒
１２ａ 開口部
２１ 流体入口
２２ 流体出口
４０ ケース本体
４１ 導入口
４２ 導出口
４３ ルート画定部材
ＤＦ 放熱側流体
ＦＰ 流路
Ｇ 間隙
ＩＳ 内側空間
ＲＦ 受熱側流体
ＳＳ 密閉空間

Claims (13)

1. 内筒と、前記内筒の外側に所定の間隙を介在させて配設された外筒と、からなる二重筒を備え、前記内筒の内側空間を通過する高温の放熱側流体から、前記二重筒を介して、前記二重筒の前記間隙を通過する受熱側流体に、熱交換をする輻射式熱交換器であって、
   前記外筒は、熱交換前の前記受熱側流体を前記間隙に取り入れるとともに、熱交換後の前記受熱側流体を前記間隙から取り出すための、周方向に形成された軸方向に所定幅の開口部を有し、
   前記輻射式熱交換器は、前記内筒の内面側に、その両端が流体入出口として前記二重筒の前記間隙にそれぞれ連通するように配設された少なくとも１本のパイプと、
   前記外筒の外周上に、前記外筒の前記開口部を上方から覆うように所定の密閉空間を保有しつつ配設された、熱交換前の前記受熱側流体を外部から導入する導入口と、熱交換後の前記受熱側流体を外部に導出する導出口と、熱交換前の前記受熱側流体が前記二重筒及び前記パイプを通過するルートを画定するルート画定部材と、を有するケースと、をさらに備え、
   前記ルート画定部材は、前記内筒の外面から前記外筒の前記開口部を貫通して前記密閉空間を２つに区画するように配設された鍔状部材であり、
   前記内筒の内側空間を通過する前記放熱側流体から、前記二重筒及び前記パイプを介して、前記二重筒の前記間隙及び前記パイプを通過する前記受熱側流体に、熱交換をするように構成されたことを特徴とする輻射式熱交換器。
2. 前記ルート画定部材は、前記内筒の外面からの角度及び前記開口部を貫通する位置が調整可能である請求項１に記載の輻射式熱交換器。
3. 前記ケースの前記導入口を経由して外部から導入された熱交換前の前記受熱側流体は、前記ルート画定部材で区画された一方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流入して前記二重筒の前記間隙を通過し、前記パイプの一端から流入して前記パイプを通過し、前記パイプの他端から前記二重筒に流入して前記間隙を通過し、他方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流出し、前記ケースの前記導出口から熱交換後の前記受熱側流体として外部に導出され、前記二重筒及び前記パイプを介して、熱交換をするように構成された請求項１又は２に記載の輻射式熱交換器。
4. 前記二重筒の前記内筒の前記内面及び前記パイプの外周を被覆保護するとともに、前記放熱側流体の所定の流路を形成するように所定の厚さで配設された耐火材をさらに備え、前記耐火材から形成された前記流路を通過する前記放熱側流体から、前記耐火材、前記二重筒及び前記パイプを介して、前記二重筒の前記間隙及び前記パイプを通過する前記受熱側流体に、熱交換をするように構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。
5. 前記耐火材は、厚さが５０〜４００ｍｍの円筒状で、少なくとも一部の材質が炭化ケイ素、アルミナ、又はシリカからなる請求項４に記載の輻射式熱交換器。
6. 前記耐火材は、前記パイプの前記両端の外周を被覆保護する部分の材質が、キャスタブル、セラミックファイバー、又は耐火・断熱煉瓦からなる請求項５に記載の輻射式熱交換器。
7. 内筒と、前記内筒の外側に所定の間隙を介在させて配設された外筒と、からなる二重筒を備え、前記内筒の内側空間を通過する高温の放熱側流体から、前記二重筒を介して、前記二重筒の前記間隙を通過する受熱側流体に、熱交換をする輻射式熱交換器であって、
   前記内筒の内面側に、その両端が流体入出口として前記二重筒の前記間隙にそれぞれ連通するように配設された少なくとも１本のパイプと、
   前記二重筒の前記内筒の前記内面及び前記パイプの外周を被覆保護するとともに、前記放熱側流体の所定の流路を形成するように所定の厚さで配設された耐火材と、をさらに備え、
   前記耐火材は、厚さが５０〜４００ｍｍの円筒状で、少なくとも一部の材質が炭化ケイ素、アルミナ、又はシリカからなり、かつ、前記パイプの前記両端の外周を被覆保護する部分の材質が、キャスタブル、セラミックファイバー、又は耐火・断熱煉瓦からなり、
   前記耐火材から形成された前記流路を通過する前記放熱側流体から、前記耐火材、前記二重筒及び前記パイプを介して、前記二重筒の前記間隙及び前記パイプを通過する前記受熱側流体に、熱交換をするように構成されたことを特徴とする輻射式熱交換器。
8. 前記二重筒の前記外筒は、熱交換前の前記受熱側流体を前記間隙に取り入れるとともに、熱交換後の前記受熱側流体を前記間隙から取り出すための、周方向に形成された軸方向に所定幅の開口部を有する請求項７に記載の輻射式熱交換器。
9. 前記外筒の外周上に、前記外筒の前記開口部を上方から覆うように所定の密閉空間を保有しつつ配設された、熱交換前の前記受熱側流体を外部から導入する導入口と、熱交換後の前記受熱側流体を外部に導出する導出口と、熱交換前の前記受熱側流体が前記二重筒及び前記パイプを通過するルートを画定するルート画定部材と、を有するケースをさらに備えた請求項８に記載の輻射式熱交換器。
10. 前記ケースの前記導入口を経由して外部から導入された熱交換前の前記受熱側流体は、前記ルート画定部材で区画された一方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流入して前記二重筒の前記間隙を通過し、前記パイプの一端から流入して前記パイプを通過し、前記パイプの他端から前記二重筒に流入して前記間隙を通過し、他方の前記密閉空間に属する前記外筒の前記開口部から流出し、前記ケースの前記導出口から熱交換後の前記受熱側流体として外部に導出され、前記耐火材、前記二重筒及び前記パイプを介して、熱交換をするように構成された請求項９に記載の輻射式熱交換器。
11. 前記二重筒は、５〜１００ｍｍの前記間隙を介在させて配設された、直径が１５０〜１５００ｍｍ、長さが５００〜３５００ｍｍで、材質が鉄、ステンレス、耐熱鋳鋼、又は非鉄金属からなる前記内筒、及び直径が１５５〜１６００ｍｍ、長さが５００〜３５００ｍｍで、材質が鉄、ステンレス、耐熱鋳鋼又は非鉄金属からなる前記外筒から構成されてなる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。
12. 前記放熱側流体は、１３００℃を超える燃焼排ガス、又は空気である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。
13. ２２．５％以上の熱交換率で前記熱交換をすることが可能な請求項１〜１２のいずれか１項に記載の輻射式熱交換器。

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