JPS597918B2 - 回収型熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に冶金炉用熱交換器に関し、特に炉ガス
から熱量を回収するように構成された逆転流れサイクル
をもつ回収型熱交換器に関する。

炉へ供給されたエネルギを有効に利用するには、炉から
出るガスに含まれた熱を回収しなければならない。

回収されたエネルギは建物やプラントの加熱のために一
般的に利用され得る。

しかしながら、この利用は季節的であり、かつ低温天候
での利用に限定される。

それ故、年間回収率は非常に制限される。

加えて、回収されたエネルギはガスによる炉装填物の予
熱、蒸気の生産及び燃焼空気の予熱のような特定の目的
のために使用され得る。

炉装填物は炉が最大熱で運転されている時だけ予熱され
得る。

加熱及び維持の交互のサイクル（又は冷却サイクル）を
もつ炉は非常に変化し且つガスからの最大熱回収を行な
い得ないガスの熱出力を有する。

同じ問題が蒸気の生産に存する。

有効な回収のためには、蒸気の消費をガスの熱出力と密
接に相互関連させねばならないが、これを行なうことは
困難である。

ガスによる燃焼空気の予熱はガス出力及び燃焼空気流量
の間の直接的相互関連が可能であるので最も有効な利用
である。

更に、移送中の熱損失は大きく減少される。

最適な効率及び最小の費用のためには、熱を交換する２
つのガスの間に規則的な逆流を維持しなければならない
。

この逆流は直接的又は間接的のいずれかであり得る。

現在使用されているい《つかの直接逆流熱交換器がある
。

例えば、実際の逆流又は交差流を有する金属管熱交換器
は当業者によく知られている。

しかしながら、これらの熱交換器は高い費用、掃除の困
難、及び硫黄及びバナジウムのような腐食性ガス成分又
は処理塩に対する敏感性などいくつかの欠点をもつ。

炉の空転は熱サージを生じ、そのため過熱により炉を破
壊する。

ガラス管熱交換器は一般に耐食性であるが、非常にもろ
くかつ高価である。

管は過熱又は熱衝撃によって破壊されることがある。

通常、それは低温環境でのみ金属管状熱交換器への挿入
体として使用されてガスからの酸凝縮の危険を最小限に
する。

金属板熱交換器も使用されることができる。

この熱交換器は比較的安価であるが、腐食に対して敏感
でありかつ板間の間隙がしばしば数ミリメートル位なの
で掃除が非常に困難である。

加えて、金属板熱交換器の効率は板が汚れたり又は詰ま
ったりすると太き《低下する。

また、この熱交換器は過熱によって破壊されることがあ
る。

間接逆流熱交換器は２つの型、即ち回転熱交換器及び逆
転サイクル熱交換器を含む。

回転熱交換器は金属又は多孔質セラミックのホイールを
有し、ホイールが回転している時に、一方向へ流れるガ
ス及び反対方向へ流れる燃焼空気が交互に回転軸線と平
行にホイールの各要素を通過するようになっている。

これらの熱交換器は非常に有効であるが、汚れ易いため
清浄で非腐食性のガスを必要とする。

それらは過熱が一時的であっても過熱に対する敏感性が
高い。

特に、ガス温度は８００℃を越えてはならず、このため
ガスを冷却してそれを８００゜Ｃ以下のレベルに保つた
めに冷却空気入口が設けられている。

加えて、ホイールの外側部分は一般に急速に摩耗する。

回転熱交換器の設計上、２つのガス流の間の気密はしば
しば悪い。

加熱される流体は冷却される流体中へ漏れ、エネルギ出
力の５係から１０％に達する。

このため、熱交換器の効率は更に低下される。

逆転サイクル熱交換器は２つの並列の静止体からなる。

一方の静止体が一方向へ流れもガスから熱を貯蔵してい
る時に、他方の静止体は、それが貯蔵した熱を、逆方向
へ流れる加熱される気体へ放出する。

ガス及び加熱される気体の流れは周期的に逆転される。

フランクルの熱交換器は低い温度で使用され得る逆転型
である。

各静止体は波形金属板のコイルを有し、これらコイルは
耐火スペーサによって互いに分離されている。

この型の熱交換器は気体を液化しかつ分離する低温工学
で使用される。

煉瓦壁熱交換器は高い温度での使用に適する。

各静止体は気体流路を分離する煉瓦壁からなる。

これらの熱交換器は腐食や偶発的過熱に対する敏感性が
低い。

しかしながら、それらは掃除が困難でありかつ掃除には
熱交換器の解体を必要とする。

加えて、耐火容積に対する熱交換表面積の割合が小さく
、大きな熱交換器容積を必要とするので、設備費は相当
な額になる。

同じ理由で、逆転サイクルは非常に長《且つ数時間持続
する。

本発明は炉ガスからの排熱回収での前記した欠点を排除
する長い間の要求を満たす回収型熱交換器を提供するこ
とを目的とする。

本発明による回収型熱交換器は、逆方向へ流れる高温ガ
ス流体及び低温ガス流体の間の間接伝達を行なう回収型
熱交換器であって、連続した半サイクルごとに交互に加
熱体及び被加熱体として作用する２つの熱交換体と、各
熱交換体内に配置され且つ耐酸性粒子を一部に含むセラ
ミック粒子の少なくとも１つの床層と、セラミック粒子
の床層を保持するために各熱交換体に設けた孔あき支持
体と、高温″ガス流体を被加熱体から床層の上部を通し
て流し且つ冷却時に孔あき支持体を通し且つ熱交換器か
ら出る前に前記床層・の下部から加熱体中へ流し、一方
低温ガス流体を加熱体から床層の下部及び孔あき支持体
を通して流し且つ加熱後熱交換器を出る前に前記床層の
上部から被加熱体中へ流すように２つのガス流体を逆流
させる装置と、少なくとも一方のガス流体の温度を測定
する装置と、各半サイクルの時間を３分以下、好ましく
は１０〜１３秒にして床層の所定点の温度が平均値から
±５０℃で変化するように連続したサイクル中に流体の
温度に応じて高温ガス流体及び低温ガス流体の方向を急
速に逆転させ゜る装置とを有して構成されている。

斯かる構成により、本発明は前記した従来の熱交換器の
欠点を取除き、腐食による破損を最小限にし、装置の過
熱を防止すると共に熱回収効率を最大限に維持し、構造
が簡単で安価であり且つ掃除などの維持作業を容易に行
にうことができ、且つボイラや傾注炉などに簡単に装着
してそれからの排ガスから熱の回収を行なうことができ
るという効果を奏する。

次に、図示した本発明による回収型熱交換器の例を説明
する。

第１図は本発明による回収型熱交換器の二つの熱交換体
の一つの縦断面で、実施例として、被加熱交換体に作用
しながら高い方から低い方へとガスが移動するように逆
転翼が置かれている。

ガスは絶縁耐火物２で内側を被覆した内側金属フレーム
１により熱交換体へ導かれる。

熱交換器に達した新しい燃焼空気はこの内側金属フレー
ム１と外側金属フレーム３０間を循環する。

入口の配分翼群４がガスを選択した熱交換体へ、燃焼空
気がこの熱交換体へ達すると直ちに方向づけられる。

次にガスは少くとも加熱地帯を耐火物６で被覆し、その
低部にガスの凝縮で発生した酸化水を臨時の排出を可能
にする浄化栓７を備えた熱交換体５に侵入する。

この実施例では、ガスは先ず孔のあいた、多数の並置し
た要素に分割した耐火性の板石８を通過する。

板石の目的は熱交換器を取りつげる炉が傾注炉の時セラ
ミック粒子をその場所に保持する事である。

この耐火性板石は熱交換器が静止位置にとどまる時は勿
論必要でない。

次にガスは耐熱性セラミック粒子の第１床層９を、更に
耐酸性の粒子の第２床層１０を通過する。

これら重なった二つの層９と１０の組立体は耐酸性被覆
をした金属格子１１上に置かれ、ガスは最後にそこを通
過する。

冷却ガスは翼群４と同じ出口翼群１２により、この場合
入口分配器と同じ出口分配器を介し、図示していない排
出送風機へ向けられる。

第２図はガスの入口と過熱空気の出口の高さの回収熱交
換器の水平断面図である。

第１図に示した要素の一部であるが、熱交換体をＡとＢ
に分ける中央仕切壁１３が加えられている。

この中央仕切壁は絶縁耐火体の二つの表面１４で被覆さ
れており、その基本的目的はこの仕切壁を通る垂直方向
の熱伝導を妨げること及びガスによるこの仕切壁の腐食
を避けることである。

第３図は熱交換体ＡとＢの横断面である。

耐火性の床層を支持する格子１１又は孔あき金属板と、
垂直金属仕切壁の補強材として同時に役立つブラケット
１６を示している。

覆蓋１５は随意に熱交換体の熱損失（側壁の損失又は熱
ガス流体の漏れによる損失）により加熱された空気を熱
交換器の外側へ回収する事を可能にし、それを燃焼空気
補給送風機へ向ける。

この事は完全な熱回収を確実にする。

第４図は本発明による回収型熱交換器のアルミニウム融
解及び維持炉への取付けを図式的に示す図である。

熱交換器１７は炉１８上に置かれる。換気筒１９により
排出したガスは導管２０により熱交換器へ導かれる。

熱交換器を通過した後、ガスは排出送風機２１により排
出され、排出ガス量は引張翼２２により調整される。

熱交換器の熱損失により軽く加熱された燃焼空気は覆蓋
１５により採取され、送風機２３越しに通過する。

この流量は翼２４により調整される。それは熱交換器を
通って耐熱導管２６によりボイラ２５へ導かれる。

第５図は熱交換器に用いられるセラミック粒子のなしう
る型の一つを示すもので、これをトリス型という。

第６図はガス流体循環の逆転システムのなしうる変形例
のーを示す図である。

この変形例では、第１図及び第２図に示された翼群４と
１２は軸２８の周囲を枢動する弁２７で置きかえられる
。

その回転駆動部と軸承は熱交換体の外側に突出し、流体
の熱損失ともれを制限する。

気密性は柔軟なジョイント２９により確立される。

この柔軟なジョイントは熱ガス流体にさらされる少なく
とも上方部分は耐火性（たとえば、シリコンアルミニウ
ムの耐火性フエルト）である。

この構造は熱交換器の内側又は外側にガス流体のもれの
危険を相当に制限する。

第７図から第１２図までは摺動翼片を有する熱交換器中
で二つのガス流の循環の逆転がいかに行なわれるかを図
式的に示している。

第７図及び第８図は任意に選択された半サイクル中の熱
交換体ＡとＢに於て流体循環の状態を示すものである。

熱交換体Ａは冷却ガス流体が上から下へ流れる。

従って、それは被加熱交換体に作用する。

熱交換体Ｂは加熱ガス流体が下から上へ通過する。

従ってそれは加熱交換体に作用する。第９図及び第１０
図は二つの半サイクルを分ける中間時の熱交換体Ａ及び
Ｂに於けるガス流の循環を示す。

熱交換体ＡとＢは両方共加熱ガス流体が下から上へ通過
し、被加熱交換体（この実施例では熱交換体Ａ）にあら
かじめ含まれた冷却ガス流体を追い出し、希釈する。

この作動持続時間は加熱ガス流体の瞬間流量と加熱時の
重量増加を考慮し、熱交換体Ａはこの時間の間隔中加熱
流体が完全に追い出されるようにされる。

第１１図及び第１２図はこの中間追い出しに従って半サ
イクル中のガス流体の流れを示す。

熱交換体Ａは加熱ガス流体が下から上へ通過する状態を
保つ。

従ってそれは加熱交換体として作用する。熱交換体Ｂは
今度は冷却ガス流体が上から下に通過する。

従ってそれは被加熱交換体として作用する。

第１３図から第１８図までは、第６図に示したような回
転翼を有する熱交換器のためのガス流体の流れの逆転方
法を第７図から第１２図までのそれと同じような図式で
示す図である。

各回転体上全ての翼が同時に、同じ方向に回動し、この
事はその運動の機械的同期を容易にする。

第１図から第１２図までに示した如く、熱交換体ＡとＢ
上の翼の運動の間に変相部があり、循環方向の逆転の際
、加熱ガス流体による冷却ガス流体の追い出しを確実に
する。

熱交換体の填材のため、精留塔の備品として化学工業で
知られている特に「テクニック・ド・ランジエニール」
化学工業部門（Ｊ一第２巻Ｎ９６５年度版第Ｊ−２６２
６−１ページに記載されたような又は蒸留や精留に関す
る種々の概論に記載さレタよウナ、セルーインクロツク
ス，セル〜トルス，セルードーベルル，アノ一ラシグ，
アノーパル等の公知のセラミック粒子を利用する事がで
きる。

これら耐火粒子は孔のあいた且つ５０チ以上の空隙の割
合を示す鉄板上か、同じく化学工業上よく知られている
「蜂の巣」型セラミック構成体上又は金属格子上又は延
展金属の格子上に設置される。

この支持体はセラミック粒子の床層の冷却面上にあり、
この事は機械の保存を良くする。

実施例に於で、本発明による熱交換器はアルミニウムを
融解維持する含有金属容量２７トンの、冷却空気中一時
間あたり５００テルミの加熱能力の二つのバーナにより
供給される傾注炉に取りつげられる。

熱交換器は各１／２プース（１２−１３ミリ）の、外観
密度６８５ｋ９／ｍの、隙率７１係の、熱交換面積６２
０ｍ／ｍのセル「トルス」の床層を備えた二つの熱交換
体を含む。

各層は０．４５ｍ”の表面と１６０ｍｍの厚さを有し、
セラミック粒子５０ｋｑを含んでいる。

熱交換表面は各熱交換体につき約４５平方メートルであ
る。

それは金属ブラケットで補強された伸展金属の格子上に
設置される。

それは厚さ５０關の、直径５０Ｔｎｍの孔のあいた且つ
六角網に従って６０ｍｍ離れた耐火板石上に置かれる。

炉の最大加熱時、ガス量は１時間あたり１７２０ｋｇで
、その温度は炉の換気筒の高さで、約１０００°Ｃであ
る。

ガスは導管により、排気筒の高さで回収され、熱交換器
の入口に導き、そこに９７５℃以上の温度で侵入する。

セラミック粒子の床層を通過した後、ガスの温度は約２
００°Ｃ（ガスの酸性露点より上の平均温度）に落ちる
。

この流れが連続する間、この温度は加熱はじめの１５０
°Ｇから加熱終了時の２５０℃まで連続的に増加する。

従ってガスがその酸性露点より低い温度で排出する危険
がある。

この危険は装置の始動時に増大する。

セラミック粒子の床層を通ると、約２ ０ ’Ｏｍｖｔ
Ｃ Ｅ（即わち２０ｍバール）の熱損失を起し、そのた
めこのガスを熱交換器の出口に排出する送風機を設置す
る必要があった。

逆転の半サイクルを最盛加熱１０秒に選択し、次の事が
確かめられた。

（ａ） 粒子の床層の所定の点で、セラミック粒子の
温度が−５０℃（加熱はじめ）から＋５０°Ｃ（加熱終
了時）まで平均温度周囲を変化する。

（ｂ） 粒子の床層中の温度の垂直方向勾配は５０゜
Ｃ／ぼ程度である。

この条件の中で、熱交換器の効率を悪くする加熱面と冷
却面間の伝導による垂直方向熱流出はガスとセラミック
粒子の間の交換熱の１係以下にとどまり、これは全《容
認できるものである。

（Ｃ） ガスに回収される熱は毎時３５０テルミに達
する。

熱交換器の熱損失（側壁の損失、もれ）は毎時３５テル
ミ程度で、燃焼空気は毎時約３１５テルミを吸収し、こ
の事はその温度を約２０から８００℃に上げるのを可能
にする。

毎時１１５ノルモメートル立方の一定自然ガス量で、炉
中に導入されたエネルギは従って毎時１０００から１３
１５テルミに移行する。

毎時１０００テルミの炉中に一定ｌ７て導入されるエネ
ルギで、必要な天然ガスの量は毎時１１５ノルモメート
ル立方から毎時８７ノルモメートル立方に戻され、２４
％の節約となる。

同時に、ガス量は毎時１７２０から１３００ｋｇに戻さ
れる。

この事はセラミック粒子の層を通過する時のガスでこう
むる圧力損失の減少をもたらし、この損失は１２ミリバ
ール又はそれ以下に下がる。

逆転の適当な半サイクルは１０秒から１３秒でから増加
する。

このため、バーナの炎は短かく且つ明るく、炎から負荷
への熱伝達が改善される。

更に多量の燃焼空気過多により生じるバーナの悪い動作
の場合に、回収型熱交換器を使用している時にはガスの
過大消費が非常に少ない事が確められた。

事実、この空気過剰の事実からガスによりもたらされた
補充熱はこの同じ空気過剰の予熱のため犬部分が回収さ
れる。

上記回収型熱交換器つきの場合、１００％の空気超過は
１０係の天然ガスの消費過剰をもたらすにすぎず、これ
に反して熱交換器のない場合は消費過剰は７５％である
。

必要な瞬時エネルギが設定最大エネルギを下回る時、次
のファクターを適当に変化させる。

即わち天然ガスの流量、導入される燃焼空気の流量、排
出されるガスの流量である。

当該技術の専門家によく知られている流量調節装置を、
低温ガスが流れる区域（燃焼空気用供給送風機と熱交換
器の間）又は冷却されたガスが流れる区域（ガス用熱交
換器と排出送風機の間）に位置させる事に注意すべきで
ある。

セラミック粒子の層を横断するガスの圧力損失は流量の
自乗で減少する。

逆転のサイクルはガス及び燃焼空気の流量に反比例して
調節されて限定した空気一ガスの混合比を維持する。

この調節は通常の温度及び流量計を用いる電気的又は電
子的システムによりなす事ができる。

熱交換器の効率はこの場合には７０係と８０％の間であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による熱交換器の二つの熱交換
体の一つの縦断面図、第２図は熱交換器の２つの熱交換
体の水平断面図、第３図は二つの交換体ＡとＢの横断面
図、第４図は本発明による熱交換器をアルミニウム製煉
炉に取りつけた概略図、第５図はトルス型セラミック粒
子の形を示す図、第６図はガス流体流れ逆転システムの
変形例を示す図、第７図から第１８図までは熱交換体Ａ
とＢに於ける流体の流れ方向を示す図である。 １・・・・・・内側金属フレーム、３・・・・・・外側
金属フレーム、５・・・・・・熱交換体、８・・・・・
・板石、９・・・・・・上方セラミック粒子床層、１０
・・・・・・下方耐酸性粒子床層、１１・・・・・・金
属格子（層支持体）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 逆方向へ流れる高温ガス流体及び低温ガス流体の間
   の熱の間接伝達を行な゛う回収型熱交換器において、連
   続した半サイクルごとに交互に加熱体及び被加熱体とし
   て作用する２つの熱交換体と、各熱交換体内に配置され
   、かつ耐酸性粒子を一部に含むセラミック粒子の少なく
   とも１つの床層と、セラミック粒子の床層を保持するた
   めに各熱交換体に設けた孔あき支持体と、高温ガス流体
   を被加熱体から床層の上部を通して流し、かつ冷却時に
   孔あき支持体を通しかつ熱交換器から出る前に前記床層
   の下部から加熱体中へ流し、一方低温ガス流体を加熱体
   から床層の下部及び孔あき支持体を通して流し、かつ加
   熱後熱交換器を出る前に前記床層の上部から被加熱体中
   へ流すように２つのガス流体を逆流させる装置と、少な
   くとも一方のガス流体の温度を測定する装置と、各半サ
   イクルの時間を３分以下、好ましくは１０〜１３秒にし
   て床層の所定点の温度が平均値から±５０℃で変化する
   ように連続したサイクル中に流体の温度に応じて高温ガ
   ス流体及び低温ガス流体の方向を急速に逆転させる装置
   とを有する回収型熱交換器。