JP5965170B2 - ラジアントチューブ式加熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱効率が良好なラジアントチューブ式加熱装置に関するものである。
例えば、工業用加熱炉、熱処理炉等の加熱炉において、炉内に燃焼ガスが存在すると悪影響を及ぼす加熱炉にあっては、炉内を燃焼ガスで満たして直接過熱する代わりに、ラジアントチューブ式加熱装置を用いて、間接加熱で高温の雰囲気を作り、被処理物の加熱処理を行っている。このラジアントチューブ式加熱装置は、チューブ内で燃料を燃焼させ、チューブ外表面からの輻射熱で、被処理物の加熱を行うものである。
このラジアントチューブ式加熱装置としては、シングルエンドの直管タイプのラジアントチューブを有するラジアントチューブ式加熱装置や、Ｕ字型やＷ字型のラジアントチューブを有するラジアントチューブ式加熱装置などがある。
Ｕ字型やＷ字型のラジアントチューブを有するラジアントチューブ式加熱装置は、シングルエンドの直管タイプのラジアントチューブを有するラジアントチューブ式加熱装置に比べて、構造が簡単で且つ伝熱量が大きいため望ましい。
このようなＵ字型やＷ字型のラジアントチューブを有するラジアントチューブ式加熱装置は、ラジアントチューブの一方側（加熱側）にはバーナが配置され、他方側（排出ガス側）にはこのバーナより発生した排ガスを排出する排ガス配管に接続されている。そして、排ガス側には、バーナに供給する燃焼用空気を予熱する熱交換器が配置され、この熱交換器により燃焼用空気は予熱されてバーナ側へ送られ、燃料を燃焼する燃焼用空気として使用されている。
この熱交換器としては、２重管構造となっており、内側の管に供給された空気は外側の管を通ってバーナ側へ送られ、排ガスは外側の管の外周を通過して排ガス配管から排出される構造が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このような構造では排ガスと外側の管のみが接触して熱交換するため、熱交換器が排ガスと接触する面積が制約され、常温で送風された空気は４００℃程度の予熱しか出来なかった。
そこで、予熱空気の温度をもっと上げて省エネルギーを向上させるため、蓄熱式ラジアントチューブ式加熱装置が開発された。この技術は、ラジアントチューブの両端部にバーナを配置し、バーナを交互燃焼させることで、それぞれのバーナに配置された蓄熱器にバーナで発生した燃焼ガスの顕熱を蓄熱させ、蓄熱した熱と燃焼用空気とで熱交換させながら燃焼用空気を予熱するものである（例えば、特許文献２参照。）。この技術により、予熱空気温度は１０００℃近い温度に上昇し、省エネルギー効果が期待されている。
しかしながら、この蓄熱式ラジアントチューブ式加熱装置では、バーナをラジアントチューブの両端に配置するため、バーナ数が通常の２倍となり、設備費が高くなる。特に、従来のラジアントチューブ式加熱装置から蓄熱式ラジアントチューブ式加熱装置への置き換えの場合には、燃焼制御システムの切換えも必要となり、設備及び工事費も格段にアップし工事期間も長くなるため、設備費アップに見合う効果が期待できず、それほど普及していない。
特開平７−３０５８３３号公報 特開２０００−１８００８１号公報
そこで本発明は、蓄熱式ラジアントチューブ式加熱装置のようにバーナをラジアントチューブの両端に配置することなく、燃焼用空気の予熱温度を効率的に上昇させることができて熱効率が良好なラジアントチューブ式加熱装置を提供することを課題とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究の結果、Ｕ字型又はＷ字型のラジアントチューブを有するラジアントチューブ式加熱装置において、ラジアントチューブの一端に接続されて炉外に設置される接続チューブ内に、
中央にバーナと当該バーナに流体燃料を供給する燃料供給用パイプとが挿入貫通される貫通孔を有し、両端に燃焼用空気が通過する通気孔が穿設されているフランジ状部が設けられており、両端のフランジ状部間に一方の通気孔から他方の通気孔に燃焼用空気を導くための中央の貫通孔を構成する管状部の外壁に設けられた２枚で一組の螺旋板状の側壁と、
当該螺旋板状の側壁の前記管状部の反対側を連結封鎖する封鎖壁で囲まれた通気室が軸方向に隣接する空気室側壁間に間隙を設けて形成されているシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器が軸方向の両端をフランジ状部の通気孔だけを閉塞しない状態で挿入保持されており、
前記螺旋形状熱交換器の中央の貫通孔には前記バーナと、前記バーナに流体燃料を供給する燃料供給用パイプとが挿入貫通せしめられており、また前記接続チューブの炉壁と反対側の端部には排ガスの出口が設けられていると共に螺旋形状熱交換器のフランジ状部の通気孔に供給する燃焼用空気の流入用空間を形成する空気室形成用ハウジングが取り付けられており、
前記ラジアントチューブの他端に接続されて炉外に設置される排ガス還流用チューブの他端は前記接続チューブの炉壁側で前記螺旋形状熱交換器に向けて排ガスが流入するように前記接続チューブに接続されている構造にすればよいことを究明したのである。
また、接続チューブの炉壁側で排ガス還流用チューブの他端が接続されている部位の排ガス流入口を除いた接続チューブの内面と螺旋形状熱交換器の外面との間に断熱材が配置されていると、排ガス還流用チューブの他端から接続チューブ内に流入してきた排ガスが螺旋形状熱交換器の空気室の封鎖壁と接続チューブの内面との間に直ちに流入することが防止されて燃焼用空気の加熱効率が向上して好ましいことも究明したのである。
そして、このような構造のラジアントチューブ式加熱装置において、螺旋形状熱交換器
が、両端のフランジ状部に穿設されている燃焼用空気が通過する通気孔が複数で且つこれ
ら両端のフランジ状部に穿設されている複数の通気孔を連絡する螺旋状の通気室も複数に
なる多条ネジ状であると、螺旋のピッチが長くなるため空気室内の燃焼用空気の流動抵抗
が小さくなるので好ましく、
接続チューブに接続されているラジアントチューブが、バーナよりの火炎が噴射される内
管とその内管の外側で螺旋形状熱交換器から供給される燃焼用空気の一部をバーナよりの
火炎の外周に送り込むことができる二重管構造であると、バーナよりの火炎に発生するＮ
Ｏｘを減少させることができるので好ましく、
この接続チューブに接続されているラジアントチューブが二重管構造の場合に内管に内管
の内外を連通させる穴が穿設されていると、バーナよりの火炎に発生するＮＯｘを更に減
少させることができるので好ましいことも究明したのである。

本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、燃焼用空気を２枚で一組の螺旋板状の側壁間に形成した螺旋状の通気室を経てバーナ方向に導く耐熱性が優れ且つ高熱伝導率を有するシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器の螺旋状の通気室の外面を燃焼用空気の流動方向を逆方向に流動する排ガスで加熱することによって、燃焼用空気温度を効率良く高温に上昇させることができ、蓄熱式ラジアンチトユーブ式加熱装置のようにバーナを２台設置する必要もなく、設備費や工事費を大幅に削減することができる。また、従来のラジアントチューブ式加熱装置にも熱交換器部を取り替えるだけで簡単に設置することが可能であり、省エネルギー効果を高めることができる。
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置の外観説明図である。 本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置の要部拡大断面説明図である。 本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置に使用する螺旋形状熱交換器の形状を示す斜視図である。
以下、図面により本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置について説明する。
図面中、１は炉内Ｘに配置されたＵ字型又はＷ字型のラジアントチューブであり、その一端には炉外Ｚに設置される接続チューブ部２が接続されている。この接続チューブ部２の炉壁Ｙと反対側の端部には排ガスの出口2aが設けられている
３は中央にバーナ５とこのバーナ５に流体燃料を供給する燃料供給用パイプ４とが挿入貫通される貫通孔3aを有し、両端に燃焼用空気が通過する通気孔3baが穿設されているフランジ状部3bが設けられており、両端のフランジ状部3b，3b間に一方の通気孔3baから他方の通気孔3baに燃焼用空気を導くための中央の貫通孔3aを構成する管状部3aaの外壁に設けられた２枚で一組の螺旋板状の側壁3ca，3caとこの螺旋板状の側壁3ca，3caの前記管状部3aaの反対側を連結封鎖する封鎖壁3cbで囲まれた通気室3cが軸方向に隣接する空気室側壁3ca間に間隙を設けて形成されているシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器である。この螺旋形状熱交換器３は、その軸方向の両端をフランジ状部3b，3bの通気孔3baだけを閉塞しない状態で接続チューブ部２内に挿入保持されている。
この螺旋形状熱交換器３は、両端のフランジ状部3b，3bに穿設されている燃焼用空気が通過する通気孔3baが複数で且つこれら両端のフランジ状部3b，3bに穿設されている複数の通気孔3baを連絡する螺旋状の通気室3cも複数になる多条ネジ状であると、螺旋のピッチが長くなるため空気室3c内の燃焼用空気の流動抵抗が小さくなるので好ましい。
６はラジアントチューブ１の一端に接続されて炉外Ｚに設置される接続チューブ部２の炉壁Ｙと反対側の端部に取り付けられており、螺旋形状熱交換器３のフランジ状部3bの通気孔3baに供給する燃焼用空気の流入用空間6aを形成する空気室形成用ハウジングである。
７はラジアントチューブ１の他端に接続されて炉外Ｚに設置される排ガス還流用チューブであり、その他端は接続チューブ２の炉壁Ｙ側で螺旋形状熱交換器３に向けて排ガスが流入するように接続されている。そして接続チューブ２の炉壁Ｙ側で排ガス還流用チューブ７の他端が接続されている部位の排ガス流入口2bを除いた接続チューブ２の内面と螺旋形状熱交換器３の外面との間に断熱シートを積層したような構成の断熱材８が配置されていると、排ガス還流用チューブ７の他端から接続チューブ２内に流入してきた排ガスが螺旋形状熱交換器３の空気室3cの封鎖壁3cbと接続チューブ３の内面との間に直ちに流入することが防止され、螺旋形状熱交換器３の軸方向に隣接する空気室側壁3ca間の間隙に流入して螺旋形状熱交換器３の通気室3cを流動する燃焼用空気と逆方向に流動するため、燃焼用空気の加熱効率が向上して好ましいのである。
なお、接続チューブ２に接続されているラジアントチューブ１が、バーナ５よりの火炎が噴射される内管1aとその内管1aの外側で螺旋形状熱交換器３から供給される燃焼用空気の一部をバーナ５よりの火炎の外周に送り込むことができる二重管構造であると、バーナ５よりの火炎に発生するＮＯｘを減少させることができるので好ましく、この場合に内管1aに内管1aの内外を連通させる穴1aaが穿設されていると、バーナ５よりの火炎に発生するＮＯｘを更に減少させることができるので好ましい。
上記したような構造の本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置においては、接続チューブ部２の炉壁Ｙと反対側の端部に取り付けられている空気室形成用ハウジング６の流入用空間6aに燃焼用空気を供給して螺旋形状熱交換器３の炉壁Ｙと反対側の端部のフランジ状部3bの通気孔3baから螺旋状の通気室3cを経て炉壁Ｙ側の端部のフランジ状部3bの通気孔3baからＵ字型又はＷ字型のラジアントチューブ１内に燃焼用空気を送り込むと共に、螺旋形状熱交換器３の中央の貫通孔3aに挿入貫通された燃料供給用パイプ４から流体燃料を供給して燃料供給用パイプ４の先端に取り付けたバーナ５によって流体燃料を着火して火炎をラジアントチューブ１内に発生させるのである。この際、接続チューブ２に接続されているラジアントチューブ１が、バーナ５よりの火炎が噴射される内管1aとその内管1aの外側で螺旋形状熱交換器３から供給される燃焼用空気の一部をバーナ５よりの火炎の外周に送り込むことができる二重管構造であると、バーナ５よりの火炎に発生するＮＯｘを減少させることができるので好ましく、この場合に内管1aに内管1aの内外を連通させる穴1aaが穿設されていると、バーナ５よりの火炎に発生するＮＯｘを更に減少させることができるのである。
かくしてラジアントチューブ１内の火炎は、ラジアントチューブ１を高温に加熱して間接加熱で炉内Ｘに高温の雰囲気を作り、被処理物の加熱処理を行った後、排ガス還流用チューブ７より接続チューブ部２の排ガス流入口2bを経て接続チューブ部２内の螺旋形状熱交換器３に向けて流入し、螺旋形状熱交換器３の通気室3cを流動する燃焼用空気と逆方向に流動して螺旋形状熱交換器３の通気室3cを流動する燃焼用空気を通気室3cの外壁を構成する２枚で一組の螺旋板状の側壁3ca，3caとこの螺旋板状の側壁3ca，3caの管状部3aaの反対側を連結封鎖する封鎖壁3cbとを介して加熱して接続チューブ部２の炉壁Ｙと反対側の端部に設けられている排ガスの出口2aから排出せしめられるのである。
この際、螺旋形状熱交換器３は耐熱性に優れ且つ熱伝導率が高いシリコンカーバイト製であるので、螺旋形状熱交換器３の温度は短時間で高温に加熱されて熱効率良く螺旋形状熱交換器３の通気室3cを流動する燃焼用空気を予熱することができるのである。
このような螺旋形状熱交換器３において排ガスによる螺旋形状熱交換器３の通気室3cを流動する燃焼用空気の加熱は、接続チューブ２の炉壁Ｙ側で排ガス還流用チューブ７の他端が接続されている部位の排ガス流入口2bを除いた接続チューブ２の内面と螺旋形状熱交換器３の外面との間に断熱材８が配置されていると、排ガス還流用チューブ７の他端から接続チューブ２内に流入してきた排ガスが螺旋形状熱交換器３の空気室3cの封鎖壁3cbと接続チューブ３の内面との間に直ちに流入することが防止され、螺旋形状熱交換器３の軸方向に隣接する空気室側壁3ca間の間隙に流入して螺旋形状熱交換器３通気室3cを流動する燃焼用空気と逆方向に流動するため、加熱効率が向上するのである。
Ｘ 炉内
Ｙ 炉壁
Ｚ 炉外
１ ラジアントチューブ
1a 内管
1aa 穴
２ 接続チューブ部
2a 排ガスの出口
2b 排ガス流入口
３ 螺旋形状熱交換器
3a 貫通孔
3aa 管状部
3b フランジ状部
3ba 通気孔
3c 通気室
3ca 螺旋板状の側壁
3cb 封鎖壁
４ 燃料供給用パイプ
５ バーナ
６ 空気室形成用ハウジング
6a 燃焼用空気の流入用空間
７ 排ガス還流用チューブ
８ 断熱材

Claims (4)

  1. Ｕ字型又はＷ字型のラジアントチューブ(１)を有するラジアントチューブ式加熱装置において、ラジアントチューブ(１)の一端に接続されて炉外に設置される接続チューブ(２)内に、
    中央にバーナ(５)と、当該バーナ(５)に流体燃料を供給する燃料供給用パイプ(４)とが挿入貫通される貫通孔(３ａ)を有し、両端に燃焼用空気が通過する通気孔(３ｂａ)が穿設されているフランジ状部(３ｂ)が設けられており、
    両端の前記フランジ状部(３ｂ，３ｂ)間に、一方の通気孔(３ｂａ)から他方の通気孔(３ｂａ)に燃焼用空気を導くための中央の貫通孔(３ａ)を構成する管状部(３ａａ)の外壁に設けられた２枚で一組の螺旋板状の側壁(３ｃａ)と、
    当該螺旋板状の側壁(３ｃａ)の前記管状部(３ａａ)の反対側を連結封鎖する封鎖壁(３ｃｂ)で囲まれた通気室(３ｃ)が軸方向に隣接する空気室側壁(３ｃａ，３ｃａ)間に間隙を設けて形成されているシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器(３)が軸方向の両端を前記フランジ状部(３ｂ)の通気孔(３ｂａ)だけを閉塞しない状態で挿入保持されており、
    前記螺旋形状熱交換器(３)の中央の前記貫通孔(３ａ)には前記バーナ(５)と、前記バーナ(５)に流体燃料を供給する燃料供給用パイプ(４)とが挿入貫通せしめられており、また前記接続チューブ(２)の炉壁(Ｙ)と反対側の端部には排ガスの出口(２ａ)が設けられていると共に前記螺旋形状熱交換器(３)の前記フランジ状部(３ｂ)の前記通気孔(３ｂａ)に供給する燃焼用空気の流入用空間(６ａ)を形成する空気室形成用ハウジング(６)が取り付けられており、
    前記ラジアントチューブ(１)の他端に接続されて炉外(Ｚ)に設置される排ガス還流用チューブ(７)の他端は前記接続チューブ(２)の炉壁(Ｙ)側で前記螺旋形状熱交換器(３)に向けて排ガスが流入するように前記接続チューブ(２)に接続されており、
    前記接続チューブ(２)の前記炉壁(Ｙ)側で前記排ガス還流用チューブ(７)の他端が接続されている部位の排ガス流入口(２ｂ)を除いた前記接続チューブ(２)の内面と前記螺旋形状熱交換器(３)の外面との間に断熱材(８)が配置されているラジアントチューブ式加熱装置。
  2. 前記螺旋形状熱交換器(３)が、両端の前記フランジ状部(３ｂ)に穿設されている燃焼用空気が通過する前記通気孔(３ｂａ)が複数で且つ他方の前記フランジ状部(３ｂ)間に穿設されている複数の前記通気孔(３ｂａ)に燃焼用空気を螺旋状に導く通気室(３ｃ)も複数になる多条ネジ状である請求項１に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
  3. 前記接続チューブ(２)に接続されている前記ラジアントチューブ(１)が、前記バーナ(５)よりの火炎が噴射される内管(１ａ)と、当該内管(１ａ)の外側で前記螺旋形状熱交換器(３)から供給される燃焼用空気の一部を前記バーナ(５)よりの火炎の外周に送り込むことができる二重管構造である請求項１又は２に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
  4. 前記内管(１ａ)に、当該内管(１ａ)の内外を連通させる穴(１ａａ)が穿設されている請求項３に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
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