JP6594484B1 - ガスバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制することができるガスバーナを提供する。【解決手段】ガスバーナ１は、燃料ガスＦを通過させるガス管３、燃焼用空気Ａを通過させる空気管４、燃料ガスＦを噴出させるガスノズル５、及び排ガスＧを通過させる排気管６を備える。ガスバーナ１は、排気管６内の排ガスＧから空気管４を介して空気管４内の燃焼用空気Ａへ排熱を回収するよう構成されたものである。ガス管３の外周には、空気管４内の燃焼用空気Ａからガス管３への伝熱を抑制する伝熱抑制材３５が設けられている。伝熱抑制材３５の内周とガス管３の外周との間には、環状の断熱空間３６が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガスから燃焼用空気へ排熱を回収するよう構成されたガスバーナに関する。

加熱炉、熱処理炉等の工業炉に設けられるガスバーナは、燃料ガスと燃焼用空気とを燃焼させ、工業炉内を加熱するために用いられる。ガスバーナには、燃料ガスを通過させるガス管と、ガス管の外周側に燃焼用空気を通過させる空気管と、燃料ガスと燃焼用空気とを燃焼させるガスノズルとを備えるものがある。この場合には、空気管の外周側に排ガスを通過させる排気管を配置し、排ガスが有する排熱を燃焼用空気に回収させることがある。

例えば、特許文献１の工業用炉の直熱式バーナにおいては、ガス管（中心燃料管）の外周側に、燃焼用空気が通過する空気管（燃焼用空気供給管）が配置されており、この空気管は、ガス管の軸線方向に沿って径方向に重なるよう蛇行する環状通路を有する。また、空気管の外周側には、排ガス（廃ガス）が通過する排気管（外被管）が配置されている。そして、空気管の外周面を復熱器として機能させ、排気管内を流れる排ガスの排熱を、空気管内の燃焼用空気に回収している。

特開昭５５−２８４９２号公報

特許文献１の直熱式バーナにおいては、空気管が、径方向に重なる環状通路を有していることにより、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収しつつ、排熱によってガス管内の燃料ガスが、炭化水素が分解される温度までは加熱されないようにしている。しかし、特許文献１の直熱式バーナにおいては、燃焼用空気が蛇行して通過する環状通路を形成するために、空気管を構成する管状隔壁を径方向に複数段に重ねて形成する必要がある。

そのため、特許文献１の直熱式バーナによると、空気管の形状が複雑になるだけでなく、バーナが大型化する。また、この直熱式バーナにおける空気管の構造を適用できるバーナの形状に制約が生じ、種々のバーナに汎用的に適用することはできない。従って、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制するためには、バーナの構造に更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制することができるガスバーナを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、燃料ガスを通過させるガス管と、
前記ガス管が内部に挿通されるとともに、前記ガス管の外周側において燃焼用空気を通過させる空気管と、
前記ガス管の先端部に設けられ、前記ガス管を通過する燃料ガスを噴出させるためのガスノズルと、
前記空気管が内部に挿通されるとともに、前記空気管の外周側において排ガスを通過させる排気管と、を備え、
前記排気管内の排ガスから前記空気管を介して前記空気管内の燃焼用空気へ排熱を回収するよう構成されたガスバーナにおいて、
前記ガス管の外周には、前記ガス管の外周との間に環状の断熱空間を形成して、前記空気管からの伝熱によって高温となった前記空気管内の燃焼用空気から前記ガス管への伝熱を抑制する伝熱抑制材が設けられており、
前記断熱空間は、前記伝熱抑制材によって前記空気管内の燃焼用空気よりも低温な燃焼用空気の断熱層として形成されている、ガスバーナにある。

前記一態様のガスバーナは、ガス管、空気管、ガスノズル及び排気管を備える構造において、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスが過熱されないようにする構成を有する。

具体的には、ガス管の外周には、ガス管の外周との間に環状の断熱空間を形成する伝熱抑制材を設けている。そして、伝熱抑制材の内側に形成された断熱空間によって、空気管からの伝熱によって高温となった空気管内の燃焼用空気からガス管への伝熱が抑制される。また、排ガスの排熱によってガス管内の燃料ガスが加熱される温度は、燃料ガスに含まれる炭化水素が分解しない温度の範囲内に留めることができる。

また、伝熱抑制材は、環状の断熱空間を形成するものであればよいため、その構造を極めて簡単にすることができる。そして、伝熱抑制材は、例えば、既存のガスバーナにおけるガス管の外周に設けることもできる。そのため、伝熱抑制材を設けるガスバーナに特別な制約は生じず、伝熱抑制材は、種々のガスバーナに汎用的に適用することができる。

それ故、前記一態様のガスバーナによれば、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制することができる。

なお、ガス管を通過する燃料ガスには、ガスバーナに供給される前に、燃料ガスと可燃範囲に入らないごく微量の燃焼用空気が混合されていてもよい。

実施形態にかかる、ガスバーナの一部を、断面によって示す説明図。 実施形態にかかる、ガスバーナの一部を、図１のII−II断面によって示す説明図。 実施形態にかかる、ガスバーナを、断面によって示す説明図。 確認試験にかかる、５箇所の測定位置を示す説明図。

前述したガスバーナにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態＞
本形態のガスバーナ１は、図１及び図２に示すように、ガス管３、空気管４、ガスノズル５及び排気管６を備える。ガス管３は、燃料ガスＦを通過させるものである。空気管４は、ガス管３が内部に挿通されるとともに、ガス管３の外周側において燃焼用空気Ａを通過させるものである。ガスノズル５は、ガス管３の先端部３１に設けられており、ガス管３を通過する燃料ガスＦを噴出させるためのものである。排気管６は、空気管４が内部に挿通されるとともに、空気管４の外周側において排ガスＧを通過させるものである。

ガスバーナ１は、排気管６内の排ガスＧから空気管４を介して空気管４内の燃焼用空気Ａへ排熱を回収するよう構成された排熱回収型のものである。ガス管３の外周には、空気管４内の燃焼用空気Ａからガス管３への伝熱を抑制する伝熱抑制材３５が設けられている。伝熱抑制材３５の内周とガス管３の外周との間には、環状の断熱空間３６が形成されている。

以下に、本形態のガスバーナ１について詳説する。
（ガスバーナ１）
図３に示すように、本形態のガスバーナ１は、加熱炉、熱処理炉等の工業炉７に設けられ、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとを燃焼させて火炎を形成し、火炎及び燃焼ガスによって工業炉７内を加熱するために用いられる。本形態のガスバーナ１は、ラジアントチューブ６１を用い、工業炉７内の雰囲気ガスＨをラジアントチューブ６１からの放射熱（輻射熱）によって加熱するよう構成されている。本形態のガスバーナ１の排気管６の一部は、ラジアントチューブ６１によって形成されている。ラジアントチューブ６１の先端部６１１は閉塞されている。本形態のガスバーナ１は、自ら燃焼を行った後の排ガスＧにおける排熱によって、燃焼用空気Ａを加熱するシングルエンドバーナを構成する。

同図に示すように、ガスバーナ１は、ラジアントチューブ６１の先端部６１１付近の内部にガスノズル５が配置された構造にすることができる。この場合には、ラジアントチューブ６１の先端部６１１付近の内部に形成される火炎及び燃焼ガスによって工業炉７内の雰囲気ガスＨを加熱し、燃焼ガスが排ガスＧとしてラジアントチューブ６１内を通過するときに、排ガスＧの排熱を空気管４へ回収することができる。

なお、図１〜図３は、ガスバーナ１の構成を概略的に示すものである。ガスバーナ１の細部は、組付性等を考慮して適宜変更される。

（バーナボディ２）
図３に示すように、ガスバーナ１は、燃料ガスＦ及び燃焼用空気Ａが供給されるとともに、排ガスＧが排出されるバーナボディ２を備える。バーナボディ２は、金属製であり、工業炉７の外部に配置される。ガス管３は、バーナボディ２内に挿通されて、バーナボディ２に支持されている。バーナボディ２には、空気管４に連通された燃焼用空気Ａの空気入口部２１と、排気管６に連通された排ガスＧの排ガス出口部２２とが形成されている。バーナボディ２は排気管６の一部を構成する。

（ガス管３）
図１〜図３に示すように、ガス管３は、金属製のパイプによって構成されている。ガス管３の基端部３２には、燃料ガスＦを受け入れるガス入口部が形成されている。ガス管３の先端部３１には、燃料ガスＦを噴出させるガスノズル５が設けられている。ガス管３は、ガスバーナ１の径方向の中心部に挿通されている。ガス管３内には、燃料ガスＦを通過させるためのガス流路３３が形成されている。ガス管３の周囲には、伝熱抑制材３５及び空気管４が配置されており、ガス管３は、排気管６を通過する排ガスＧから隔離されている。

（空気管４）
図１〜図３に示すように、空気管４は、金属製又はセラミックス製のパイプによって構成されている。空気管４の基端部４２には、バーナボディ２の空気入口部２１が連通されている。空気管４は、ガス管３の外周側に、ガス管３と同心状になるように配置されている。空気管４の先端部４１は開口されている。空気管４内、言い換えれば空気管４の内周と伝熱抑制材３５の外周との間には、空気管４からの伝熱によって高温となった燃焼用空気Ａを通過させるための空気流路４３が形成されている。

空気管４を通過する燃焼用空気Ａは、空気管４とガスノズル５との隙間Ｓ１から噴出されて、ガス管３から噴出された燃料ガスＦと混合される。空気管４は、排気管６を通過する排ガスＧと、空気管４を通過する燃焼用空気Ａとの熱交換を行うための伝熱壁を構成する。空気管４内には、ガスノズル５の周辺においてスパークを発生させるためのスパークロッド（図示略）が挿通されている。

（ガスノズル５）
図１〜図３に示すように、ガスノズル５は、ガス管３を通過する燃料ガスＦを噴出させるガス噴出孔５１を有する。ガスノズル５は、空気管４の内周側に配置されている。ガス管３を通過する燃料ガスＦと空気管４を通過する燃焼用空気Ａとは、ガスノズル５の周辺においてスパークロッドによって着火されて燃焼し、ガスノズル５から先端側に向けて火炎を形成する。

ガスノズル５は、種々の構成とすることができる。例えば、ガスノズル５における燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが混合される位置に、金属製の網状体等を配置し、この網状体等の表面において、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとを燃焼させるようにしてもよい。

（排気管６）
図１〜図３に示すように、本形態の排気管６は、バーナボディ２とラジアントチューブ６１とによって形成されている。バーナボディ２とラジアントチューブ６１とは、それぞれに形成されたフランジ部２３，６４によって連結されている。ラジアントチューブ６１は、先端部６１１が閉塞された有底円筒体として形成されている。

排気管６内、言い換えればバーナボディ２の内周及びラジアントチューブ６１の内周と空気管４の外周との間には、排ガスＧを通過させるための排ガス流路６３が形成されている。ラジアントチューブ６１は、耐熱性に優れたセラミック製のチューブとして形成されている。ラジアントチューブ６１は金属製のチューブとしてもよい。

（伝熱抑制材３５）
図１〜図３に示すように、伝熱抑制材３５は、筒形状（円筒形状）を有しており、ガス管３の外周に、所定の間隔を空けて配置されている。伝熱抑制材３５の先端部３５１は、ガスノズル５に支持されている。伝熱抑制材３５の基端部３５２とバーナボディ２との間には、隙間Ｓ２が形成されている。そして、空気管４内に流入する燃焼用空気Ａの一部は、隙間Ｓ２から伝熱抑制材３５内に流入することがある。

伝熱抑制材３５は、ガス管３の外周側に仮置きの状態、つまり完全に固定しない自由な状態で配置することができる。また、伝熱抑制材３５の先端部３５１とガスノズル５との間には隙間が形成されていてもよい。この場合には、伝熱抑制材３５内の燃焼用空気Ｂが、伝熱抑制材３５の先端部３５１とガスノズル５との隙間から空気管４内へ流出することがある。また、伝熱抑制材３５の基端部３５２は、ガス管３の基端部３２の外周又はバーナボディ２に支持されていてもよい。

伝熱抑制材３５の先端部３５１及び基端部３５２は、いずれもガス管３の外周に支持されていてもよい。伝熱抑制材３５は、ガス管３の外周に環状の断熱空間３６を形成することができれば、ガス管３等の周囲の部材に、いかなる状態で支持されていてもよい。

本形態の筒形状の伝熱抑制材３５は、ガス管３における、空気管４内に挿通された部分の全長を覆っている。「全長」とは、必ずしも完全な全長のみを意味するのではなく、例えば両端部を除くほぼ全長であってもよい。この構成により、伝熱抑制材３５の内側に、断熱空間３６を適切に形成することができる。

伝熱抑制材３５は、環状の断熱空間３６を形成するものであればよく、その構成を極めて簡単にすることができる。本形態の伝熱抑制材３５は、厚みが１００μｍである金属製の膜体によって形成されている。伝熱抑制材３５は、例えば、５０〜２００μｍの厚みを有する膜体によって構成することができる。また、伝熱抑制材３５は、ガス管３と空気管４との間に収まる寸法の範囲内において、パイプ体として形成することもできる。伝熱抑制材３５は、種々のガス管３の寸法に合わせて形成することができる。そして、例えば、既存のガスバーナ１のガス管３に合わせて、伝熱抑制材３５の形状を決定することもできる。

なお、伝熱抑制材３５は、１ｍｍ超過の厚みに形成される場合には、例えば、金属製又はセラミック製のパイプによって形成することができる。

伝熱抑制材３５は、５０〜２００μｍの膜体としての、弾性変形可能な板状体として形成される場合には、板状体を円筒状に弾性変形させるとともに、板状体の端部同士を溶接等によって接合して、円筒形状に形成することができる。伝熱抑制材３５は、弾性変形可能な板状体から構成することにより、その形状を維持することが容易である。

伝熱抑制材３５は、塑性変形させて、必要とする円筒形状に加工されていてもよい。伝熱抑制材３５は、種々の金属材料によって構成することができる。本形態の伝熱抑制材３５は、ステンレス鋼鋼材によって形成されている。

（断熱空間３６）
図１〜図３に示すように、断熱空間３６は、伝熱抑制材３５によって燃焼用空気Ｂの断熱層として形成されている。燃焼用空気Ｂの温度は、空気管４によって加熱される燃焼用空気Ａの温度よりも低い。断熱空間３６とは、完全に断熱できる空間を示すのではなく、熱の移動を弱めるための空間を示す。断熱空間３６内には、燃焼用空気Ａとほとんど混合されない、燃焼用空気Ａよりも低温な燃焼用空気Ｂが常に存在し、断熱空間３６による、燃焼用空気Ａとガス管３との断熱効果を良好に維持することができる。

（ガスバーナ１の燃焼）
ガスバーナ１において燃焼が行われる際には、ガス管３内に、その基端部３２から燃料ガスＦが導入されるとともに、バーナボディ２の空気入口部２１から空気管４内に燃焼用空気Ａが導入される。そして、ガス管３内を流れる燃料ガスＦはガスノズル５のガス噴出孔５１から噴出され、空気管４内を流れる燃焼用空気Ａは、空気管４とガスノズル５との隙間Ｓ１から噴出される。ガスノズル５の周囲においては、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが混合されるとともに、この混合気がスパークロッドによって着火され、ガスノズル５から先端側に火炎が形成される。

そして、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが燃焼された後の燃焼ガスがラジアントチューブ６１内を通過する。このとき、ラジアントチューブ６１からの放射熱によって工業炉７内の雰囲気ガスＨを加熱することができる。そして、ラジアントチューブ６１内を通過する燃焼ガスは排ガスＧとなって空気管４の周囲を通過する。このとき、排ガスＧから、空気管４及び空気管４内の燃焼用空気Ａへ伝熱が生じ、排ガスＧが有する排熱が、空気管４を介して燃焼用空気Ａに回収される。

また、加熱された燃焼用空気Ａの熱は、ガス管３及びガス管３内の燃料ガスＦへ移動しようとする。このとき、伝熱抑制材３５の配置によって、ガス管３の外周に断熱空間３６が形成されていることにより、燃焼用空気Ａからガス管３及び燃料ガスＦへの熱の移動が抑制される。これにより、ガス管３内を通過する燃料ガスＦが過熱されることを防止することができる。

（作用効果）
本形態のガスバーナ１は、ガス管３の外周に、ガス管３の外周との間に環状の断熱空間３６を形成する伝熱抑制材３５を備える。そして、伝熱抑制材３５の内側に形成された断熱空間３６によって、空気管４内の燃焼用空気Ａからガス管３への伝熱が抑制される。言い換えれば、ガス管３の外周に断熱空間３６が形成されていることにより、燃焼用空気Ａからガス管３への、熱伝達、熱放射（熱輻射）等による伝熱を抑制することができる。また、排ガスＧの排熱によってガス管３内の燃料ガスＦが加熱される温度は、燃料ガスＦに含まれる炭化水素が分解しない温度の範囲内に留めることができる。

そして、燃料ガスＦにおける炭化水素がほとんど分解されないことにより、燃料ガスＦから炭素等がほとんど発生しないようにすることができる。これにより、燃料ガスＦから遊離した炭素等が、ガス管３の内面に煤として堆積することを抑制することができる。

また、伝熱抑制材３５は、環状の断熱空間３６を形成するものであればよいため、その構造を極めて簡単にすることができる。そして、伝熱抑制材３５は、例えば、既存のガスバーナにおけるガス管３の外周に設けることもできる。そのため、伝熱抑制材３５を設けるガスバーナに特別な制約は生じず、伝熱抑制材３５は、種々のガスバーナに汎用的に適用することができる。

伝熱抑制材３５は、ガス管３の外周に、断熱空間３６を形成するために設けたものであり、形状を維持できるだけの強度があればよい。伝熱抑制材３５は、板状の金属材料が加工された膜体とすることができ、加工が容易であるとともに、ガス管３の外周に配置することも容易である。そして、伝熱抑制材３５を用いることによって、燃焼用空気Ａよりも低温な燃焼用空気Ｂの断熱層としての断熱空間３６を容易に形成することができる。

それ故、本形態のガスバーナ１によれば、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスＧの排熱を燃焼用空気Ａに回収するとともに、燃料ガスＦの加熱を抑制することができる。

＜確認試験＞
本確認試験においては、実施形態に示した、伝熱抑制材３５及び断熱空間３６を有するガスバーナ１（試験品）におけるガス管３の温度を測定した。また、比較のために、伝熱抑制材３５及び断熱空間３６を有しないガスバーナ（比較品）におけるガス管３の温度も測定した。燃料ガスＦには、都市ガス（１３Ａ）を用い、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの質量混合比率は、１：１０とした。ガスノズル５から噴出させる燃料ガスＦの流量は、１．８［Ｎｍ³／ｈ］と１．０［Ｎｍ³／ｈ］とに変化させた。そして、各ガスバーナの燃焼を行っているときに、ガス管３の各部における温度を測定した。

図４に示すように、ガス管３の各部における温度の測定位置は、ガス管３内の径方向の中心位置である第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２、並びにガス管３の外周の表面位置である第３〜第５位置Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５の５箇所とした。また、第１位置Ｐ１及び第３位置Ｐ３は、ガス管３の軸線方向のガスノズル５に隣接する位置とし、第２位置Ｐ２及び第５位置Ｐ５は、第１位置Ｐ１からガス管３の軸線方向の基端側へ３００ｍｍずれた位置とした。また、第４位置Ｐ４は、第３位置Ｐ３からガス管３の軸線方向の基端側へ１５０ｍｍずれた位置とした。

温度を測定した結果を表１に示す。

同表において、比較品については、第２〜第５位置Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５における測定温度が高く、特に第３〜第５位置Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５における測定温度は、燃料ガスＦにおける炭化水素が分解される温度以上となっていた。一方、試験品においては、第１〜第５位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５における測定温度が全般的に低くなり、特に第３〜第５位置Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５における測定温度は、燃料ガスＦにおける炭化水素が分解される温度には到達しなかった。

この測定結果より、伝熱抑制材３５及び断熱空間３６を有する試験品のガスバーナ１によれば、ガス管３内の燃料ガスＦの温度を、燃料ガスＦにおける炭化水素が分解しない低い温度に維持できることが分かった。

本発明は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

１ ガスバーナ
２ バーナボディ
３ ガス管
３５ 伝熱抑制材
３６ 断熱空間
４ 空気管
５ ガスノズル
６ 排気管
Ｆ 燃料ガス
Ａ 燃焼用空気
Ｇ 排ガス

Claims (4)

1. 燃料ガスを通過させるガス管と、
   前記ガス管が内部に挿通されるとともに、前記ガス管の外周側において燃焼用空気を通過させる空気管と、
   前記ガス管の先端部に設けられ、前記ガス管を通過する燃料ガスを噴出させるためのガスノズルと、
   前記空気管が内部に挿通されるとともに、前記空気管の外周側において排ガスを通過させる排気管と、を備え、
   前記排気管内の排ガスから前記空気管を介して前記空気管内の燃焼用空気へ排熱を回収するよう構成されたガスバーナにおいて、
   前記ガス管の外周には、前記ガス管の外周との間に環状の断熱空間を形成して、前記空気管からの伝熱によって高温となった前記空気管内の燃焼用空気から前記ガス管への伝熱を抑制する伝熱抑制材が設けられており、
   前記断熱空間は、前記伝熱抑制材によって前記空気管内の燃焼用空気よりも低温な燃焼用空気の断熱層として形成されている、ガスバーナ。
2. 前記伝熱抑制材は、金属製の膜体、又は金属製もしくはセラミック製のパイプによって形成されている、請求項１に記載のガスバーナ。
3. 前記伝熱抑制材は、筒形状に形成されており、かつ、前記ガス管における、前記空気管内に挿通された部分の全長を覆っている、請求項１又は２に記載のガスバーナ。
4. 前記排気管は、その先端部が閉塞されたラジアントチューブとして形成されており、かつ、前記ガス管から噴出された燃料ガスと、前記空気管から噴出された燃焼用空気との燃焼が行われた後の排ガスを通過させるよう構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスバーナ。

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