WO2015194365A1 - 輻射熱回収形ヒータと、それを用いたスターリングエンジンおよび焼却炉 - Google Patents

輻射熱回収形ヒータと、それを用いたスターリングエンジンおよび焼却炉 Download PDF

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福留　二朗
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Definitions

  • the present invention relates to a radiant heat recovery heater, a Stirling engine using the radiant heat recovery heater as a high temperature side heat exchanger, and an incinerator configured to recover heat by the radiant heat recovery heater.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a radiant heat recovery type heater capable of improving heat exchange performance, a Stirling engine and an incinerator using the same.
  • the radiant heat recovery type heater has a small-diameter mounting pitch circle of one passage when a plurality of heat transfer tubes having a forward path and a return path of a heat medium are arranged in a heater mounting portion.
  • Radiation heat recovery in which each of the heat transfer tubes absorbs the radiant heat from the container by making the mounting pitch circle of the other passage large in diameter and storing them in the container and exposing the container to a high temperature.
  • Each of the heat transfer tubes is disposed in the mounting portion at equal pitch angles with one passage and the other passage, and one passage is a projection surface of the other passage from the container toward the center of the container. So as not to completely overlap with the pitch angle of the other passage by a predetermined angle.
  • the one passage may be arranged in the mounting portion at a position shifted by half the pitch angle with respect to the other passage.
  • the radiant heat recovery type heater has a small-diameter mounting pitch circle of one passage when a plurality of heat transfer tubes having a forward path and a return path of a heat medium are arranged in a heater mounting portion.
  • Radiation heat recovery in which each of the heat transfer tubes absorbs the radiant heat from the container by making the mounting pitch circle of the other passage large in diameter and storing them in the container and exposing the container to a high temperature.
  • the radiant heat recovery heater may be a container filled with an inert gas.
  • the radiant heat recovery type heater may be provided with an inert gas supply path for supplying an inert gas into the container.
  • the radiant heat recovery type heater may use helium as an inert gas.
  • the radiant heat recovery type heater may be one in which the inside of the container is sealed and the inside of the container can be maintained at a pressure higher than atmospheric pressure when exposed to a high temperature.
  • the radiant heat recovery type heater may be provided with a pressure regulating valve.
  • a Stirling engine according to the present invention for solving the above-mentioned problems uses the radiant heat recovery type heater as a high-temperature side heat exchanger.
  • the radiant heat recovery type heater is provided so as to be exposed to an empty space in the furnace where heat can be recovered.
  • each of the heat transfer tubes has one passage and the other passage arranged in the mounting portion at equal pitch angles, and the one passage extends from the container to the container. Since it is arranged in the mounting portion at a position deviated from the pitch angle of the other passage by a predetermined angle so as not to completely overlap with the projection surface of the other passage toward the center, the heat radiation container to one passage It is possible to prevent the radiant heat from being blocked by the other passage. Therefore, the amount of direct heat transfer from the container to each heat transfer tube can be improved.
  • the improvement of the direct heat transfer amount described above is maximized by arranging the one passage with respect to the other passage at a position shifted by half the pitch angle. To the limit.
  • the one passage and / or the other passage of each heat transfer tube is flattened or extended along the projection plane so that a projected area from the container toward the center of the container is enlarged. Since the elliptical processed part is formed, the amount of direct heat transfer from the container to each of the transfer pipes can be improved as compared with the case where the processed part is not formed.
  • the fourth aspect of the present invention by filling the container in which the heat transfer tubes are stored with an inert gas, high temperature oxidation of the heat transfer tubes can be suppressed and protected, and the durability of the heat transfer tubes can be improved. Can be achieved. Further, according to the present invention, the air in the container can be easily replaced with the inert gas by providing the inert gas supply path for supplying the inert gas into the container.
  • the sixth aspect of the present invention by using helium as the inert gas, not only high-temperature oxidation of the heat transfer tube can be suppressed, but also the amount of natural convection heat transfer in the container can be increased, and the durability of the heat transfer tube And heat transfer efficiency can be improved.
  • the inside of the container can be maintained at a pressure higher than the atmospheric pressure.
  • the amount of natural convection heat transfer in the container can be increased, and the durability of the heat transfer tube and the heat transfer efficiency can be improved. Further, according to the present invention described in claim 8, it is possible to prevent the internal pressure from becoming too high.
  • the amount of heat recovered from the high temperature side heat exchanger can be improved by using the radiant heat recovery type heater as a high temperature side heat exchanger.
  • the waste heat in the incinerator can be efficiently recovered by providing the radiant heat recovery type heater so as to be exposed to an empty space in the furnace where heat can be recovered. Become.
  • FIG. 1 is a fragmentary sectional view of an incinerator which shows the state where the Stirling engine which has a radiant heat recovery type heater concerning the present invention was installed in the incinerator. It is a fragmentary end view which shows the state which installed the Stirling engine which has a radiant heat recovery type heater which concerns on this invention in the incinerator. It is the II sectional view taken on the line in FIG. It is sectional drawing explaining the other projection surface in FIG. (A) is a partial end view showing another embodiment of a radiant heat recovery type heater according to the present invention, (b) is a partial cross-sectional view thereof, (c) and (d) are still other parts of FIG. It is a fragmentary sectional view showing an embodiment.
  • FIG. 1 is a partial end view showing still another embodiment of a radiant heat recovery type heater according to the present invention
  • (b) is a partial sectional view thereof
  • (c) and (d) are still other parts of FIG. It is a fragmentary sectional view showing an embodiment.
  • (A) is a partial end view showing an installation state according to another embodiment of the radiant heat recovery type heater according to the present invention
  • (b) is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. is a partial end view showing an installation state according to still another embodiment of the radiant heat recovery type heater according to the present invention
  • (b) is a sectional view taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 1 shows a state in which a Stirling engine 10 having a radiant heat recovery type heater 1 is installed in an incinerator 2
  • FIG. 2 shows a portion of the Stirling engine 10 in the incinerator 2
  • FIG. 3 shows radiant heat in the Stirling engine 10. The principal part of the recovery type heater 1 is shown.
  • a plurality of U-shaped heat transfer tubes 12 are arranged radially on the attachment portion 11 of the heater 1, and these are accommodated in a container 13, and the container 13 is exposed to a high temperature.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 absorbs radiant heat from the container 13.
  • the mounting part 11 is formed in a disk shape.
  • a cylinder head on the high temperature side of the Stirling engine 10 is configured.
  • a plurality of U-shaped heat transfer tubes 12 are arranged radially from the center C of the attachment portion 11.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 is a heat transfer tube bent in a U shape, and has a forward path and a return path for the heat medium.
  • the mounting pitch circle of one passage 121 is formed with a small diameter
  • the mounting pitch circle of the other passage 122 is formed with a large diameter.
  • the U-shaped heat transfer tubes 12 are provided in the circumferential direction of the attachment portion 11 at equal pitch angles ⁇ .
  • one passage 121 on the inner diameter side has an angle 1 / half of the pitch angle ⁇ so that it does not completely overlap with the projection surface 122A of the other passage 122 from the outer peripheral side where the container 13 is located toward the center C.
  • the mounting portion 11 is disposed at an angle ⁇ shifted by 2 ⁇ from the position where the other passage 122 is disposed.
  • the container 13 is formed in a bottomed cylindrical shape capable of accommodating all the U-shaped heat transfer tubes 12 arranged radially, and the U-shaped heat transfer tubes 12 are accommodated in the container 13.
  • a gap is formed between the peripheral edge of the opening of the container 13 and the mounting portion 11. That is, since the container 13 is exposed to a high temperature, the temperature difference between the container 13 and the container 13 when not in use is severe. If the mounting portion 11 and the container 13 are strictly fixed, the container 13 is exposed to a high temperature during use. At this time, the inside of the container 13 becomes a high pressure, resulting in thermal distortion and causing damage to the container 13.
  • the container 13 is made of a metal such as stainless steel, a material having excellent heat resistance such as ceramics or cermet.
  • the radiant heat recovery heater 1 formed in this way is used as a heat exchanger on the high temperature side of the Stirling engine 10.
  • the Stirling engine 10 is not particularly limited as long as the heat recovered from the radiant heat recovery type heater 1 can be used as a high temperature side heat source of the Stirling engine 10.
  • Various Stirling engines 10 corresponding to the amount of heat recovered from 1 are used.
  • the incinerator 2 is configured such that the combustion gas generated when the incineration object is burned becomes high temperature, passes through the incinerator 2, and is exhausted from the flue through desulfurization, dust removal, and the like. ing.
  • the Stirling engine 10 described above is a portion through which the combustion gas having a high temperature passes, for example, from an opening 211 a provided in the side wall 211 of the secondary incinerator 21, the radiant heat recovery type heater 1 of the Stirling engine 10.
  • the portion of the container 13 is inserted, the opening portion 211 a is closed by the flange portion 131 of the container 13, and the portion of the container 13 of the radiant heat recovery heater 1 is exposed to the empty space 210 in the secondary incinerator 21. It is done.
  • the position where the Stirling engine 10 is provided is not limited to the side wall portion 211 in the secondary incinerator 21 as long as the combustion gas in the incinerator 2 passes through at a high temperature.
  • the radiant heat recovery type heater 1 can be exposed to an empty space at a high temperature in the incinerator 2 such as a ceiling in the secondary incinerator 21 or a furnace exit flue, etc. It is not limited.
  • the radiant heat recovery heater 1 exposed to the empty space 210 in the secondary incinerator 21 is the secondary of the incinerator 2.
  • the container 13 is entirely heated by receiving the incineration heat in the incinerator 21, and the U-shaped heat transfer tube 12 housed in the container 13 is heated by the radiant heat from the container 13.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 is arranged in the attachment portion 11 at a position of an angle ⁇ obtained by shifting one passage 121 on the inner diameter side from the arrangement position of the other passage 122 by an angle 1 ⁇ 2 ⁇ that is half the pitch angle ⁇ .
  • the projection surface 122A of the other passage 122 from the container 13 toward the center C is not completely overlapped with the one passage 121 on the inner diameter side, so that the radiant heat from the container 13 to the one passage 121 is
  • the entire U-shaped heat transfer tube 12 can receive the radiant heat uniformly without being blocked by the passage 122.
  • the heat exchange efficiency by the radiant heat recovery heater 1 is improved, and it is also possible to prevent the radiant heat from concentrating only on a part of the U-shaped heat transfer tube 12, thereby preventing a heat spot, so that the durability of the U-shaped heat transfer tube 12 is also improved. Can be increased.
  • the one passage 121 on the inner diameter side is particularly configured as described above.
  • the present invention is not limited to the configuration in which the mounting portion 11 is arranged at a position shifted from the arrangement position of the other passage 122 by an angle ⁇ that is half of the pitch angle ⁇ , and at a position shifted by a slight angle ⁇ .
  • path 121 in the attachment part 11 may be sufficient.
  • one passage 121 is configured not to completely overlap with the projection surface 122A of the other passage 122 that extends from the container 13 toward the center C.
  • the projection surface 122B of the other passage 122 that converges toward the center C from the projection surface 122B may not be completely overlapped. That is, the periphery of the container 13 is circular, and heat is not radiated from one direction, but heat is radiated uniformly from the circumferential direction. Therefore, even if the one passage 121 overlaps the projection surface 122A of the other passage 122 from the container 13 toward the center C, the projection of the other passage 122 that converges from the container 13 toward the center C.
  • the one passage 121 has a point 121 ⁇ / b> R where the straight line connecting the center C and the center 121 ⁇ / b> C of the one passage 121 is in contact with the outer periphery of the one passage 121. Therefore, considering the absorption of radiant heat, it is preferable to set the offset angle ⁇ so that the point 121R does not overlap the projection surface 122A of the other passage 122 from the container 13 toward the center C, and more preferably. As shown in FIG. 4, it is preferable to set the angle ⁇ to be shifted so that this point 121R does not overlap the projection surface 122B of the other passage 122 that converges from the container 13 toward the center C.
  • the adjustment width is reduced. Even in such a case, if the one passage 121 on the inner diameter side is shifted from the arrangement position of the other passage 122 by an angle ⁇ that is half the ⁇ of the pitch angle ⁇ , Since the overlap between the projection surface 122B of the other passage 122 that converges toward C and the one passage 121 on the inner diameter side can be minimized, the structure considering absorption of radiant heat is most preferable.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 has the attachment portion 11 at a position where one passage 121 on the inner diameter side is shifted from the arrangement position of the other passage 122 by an angle ⁇ which is half 1 ⁇ 2 ⁇ of the pitch angle ⁇ . If the projection planes 122A and 122B of the other passage 122 do not overlap with the one passage 121 on the inner diameter side, the angle ⁇ to be shifted is changed. There may be.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the radiant heat recovery heater 1 according to the present invention. That is, in this radiant heat recovery type heater 1, a processed part 123 formed flat or oval is formed in one passage 121 on the inner diameter side of the U-shaped heat transfer tube 12, and the projection of one passage 121 from the container 13 toward the center C is projected.
  • the area 121 ⁇ / b> A is enlarged to the projected area 123 ⁇ / b> A of the processing unit 123 that goes from the container 13 toward the center C.
  • the projection area 123A of the processing unit 123 can absorb a large amount of radiant heat by processing the projection area 121A of the one passage 121 into a flat shape or an ellipse so that the heat exchange efficiency is increased. Can be improved.
  • the one passage 121 on the inner diameter side of the U-shaped heat transfer tube 12 does not overlap with the projection surface 122A of the other passage 122 from the container 13 toward the center C.
  • the projected area 121A of the one passage 121 that can absorb radiant heat is expanded to the projected area 123A of the processing portion 123. Therefore, as shown in FIG. 6, even if one passage 121 of the U-shaped heat transfer tube 12 is not displaced from the arrangement position of the other passage 122 and is attached at the same pitch angle ⁇ , Compared with the case where the structure is not processed into a flat shape or an ellipse, the effect of absorbing radiant heat is increased.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 forms a processing portion 123 in the one passage 121 of the U-shaped heat transfer tube 12 by shifting one passage 121 with respect to the other passage 122.
  • the processing part 123 may be formed in the other passage 122 (FIG. 5C), or the processing parts 123, 123 are formed in both of them. It may be a thing (FIG.5 (d)).
  • a processing portion 123 may be formed in one passage 121 of the U-shaped heat transfer tube 12 without shifting one passage 121 with respect to the other passage 122 (see FIG. 6). 6 (b)), or the processing portion 123 may be formed in the other passage 122 (FIG. 6 (c)), or the processing portions 123, 123 may be formed in both of them. (FIG. 6 (d)).
  • the heater of the said Example was comprised as the radiant-heat recovery type
  • the present invention can be applied to a heater of a type in which a heat transfer tube directly transfers heat with gas instead of a radiation type. Moreover, it can be applied not only for heat recovery but also for heat dissipation (that is, for cooling).
  • the container 13 when configured as the radiant heat recovery type heater 1 covered with the container 13, from the viewpoint of further corrosion prevention, the container 13 may be filled with an inert gas.
  • FIG. 7 shows the radiant heat recovery type heater 1 in which an inert gas supply pipe 14 for supplying an inert gas is provided in the space in the container 13 from the gap between the container 13 and the mounting portion 11.
  • the inert gas supply pipe 14 is configured to fill the space in the container 13 with an inert gas from a cylinder or the like by opening and closing the valve 14a.
  • the inert gas supply pipe 14 supplies the inert gas.
  • the opening may be provided so as to face the gap between the container 13 and the attachment part 11, or may be extended into the container 13 from there.
  • the inert gas supply pipe 14 is made of a material such as stainless steel so that it can withstand the radiant heat from the container 13.
  • inert gas to be used examples include rare gases such as helium and argon, gases having low reactivity such as nitrogen gas and carbon dioxide gas, and mixed gases thereof.
  • the space in the container 13 provided with the U-shaped heat transfer pipe 12 is filled with the inert gas from the inert gas supply pipe 14, and the container 13 If the air inside is replaced with an inert gas, the U-shaped heat transfer tube 12 in the container 13 is protected by high-temperature oxidation suppression by the inert gas, and the durability of the U-shaped heat transfer tube 12 is improved. Will be improved.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 in the container 13 can also improve the heat transfer amount by natural convection, and the heat transfer amount is about three times less than that of air.
  • the heat exchange performance of the radiant heat recovery heater 1 can be improved.
  • the container 13 is configured as an open system having a gap with the mounting portion 11, so that the atmospheric pressure can be maintained even when the temperature of the container 13 rises.
  • a closed system configuration may be used so that the inside of the container 13 can be pressurized.
  • the container 13 is sandwiched and fixed in the gap between the container 13 and the mounting portion 11 via the heat-resistant and pressure-resistant gasket 3 or the like so that the container 13 is not damaged by the thermal strain due to the temperature change.
  • a pressure adjusting valve 15a is provided in the pipe 15 provided in the mounting portion 11 so that the internal pressure in the container 13 can be adjusted.
  • the inert gas By supplying the inert gas from the inert gas supply pipe 14 into the container 13 after decompressing the inside of the container 13 from the supply pipe 14 or the pipe 15 or a dedicated pipe (not shown) provided elsewhere,
  • the container 13 may be filled with an inert gas.
  • the inside of the container 13 whose internal pressure has been increased by the inert gas not only protects the U-shaped heat transfer tube 12 by suppressing high-temperature oxidation described above.
  • the amount of heat transfer by natural convection can be improved. Therefore, when helium gas is used as the inert gas, as shown in FIG. 9, the inside of the container 13 is constituted by an open system and is about 1.5 times or more than when the container 13 is filled with helium gas.
  • the amount of heat transfer can be improved. This means that the heat transfer amount can be improved by about 5 times compared to the case where the inside of the container 13 is constituted by an open system and the container 13 is filled with air.
  • both the improvement of the natural convection heat transfer amount by the helium gas and the improvement of the natural convection heat transfer amount by the configuration of the closed vessel 13 can be obtained. It is possible to further improve the natural convection heat transfer amount.
  • the durability of the U-shaped heat transfer tube 12 can be improved and the amount of heat transfer by natural convection can be improved. Durability and heat recovery efficiency are improved, and the Stirling engine 10 and the incinerator 2 using the durability can improve the output.
  • the inert gas can be achieved even if the number of U-shaped heat transfer tubes 12 provided in the container 13 is reduced.
  • the radiant heat recovery type heater 1 can be downsized, and the Stirling engine 10 using the same can be downsized in the same manner.
  • the incinerator 2 using the Stirling engine 10 can reduce the size of the radiant heat recovery type heater 1 of the Stirling engine 10, so that it can be installed even in a limited empty space 240. It becomes.
  • the radiant heat recovery type heater 1 is provided with the U-shaped heat transfer tube 12 in the container 13, but the shape, number and arrangement structure are not particularly limited, and this kind of Various heat transfer tubes employed in the radiant heat recovery heater 1 can be used. Therefore, the U-shaped heat transfer tube 12 shown in FIGS. 7 and 8 may be formed in various shapes as shown in FIGS. 5 and 6.
  • the U-shaped heat transfer tube 12 shown in FIGS. 7 and 8 has a position at an angle ⁇ in which one passage 121 on the inner diameter side is shifted from the arrangement position of the other passage 122 by an angle 1 ⁇ 2 ⁇ that is half the pitch angle ⁇ .
  • the pitch angle ⁇ between one passage 121 and the other passage 122 is not shifted as shown in FIGS. 10 and 11. It may be arranged in. Even in this case, the effect of filling the inert gas in the container 13 can be obtained, so that the durability of the U-shaped heat transfer tube 12 and the heat transfer efficiency can be improved.

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Abstract

熱交換性能を高めることができる輻射熱回収形ヒータと、それを利用したスターリングエンジンおよび焼却炉を提供する。ヒータの取付け部(11)に、Ｕ字型に形成されたＵ字伝熱管(12)の一方の通路(121)の取付けピッチ円が小径に形成され、他方の通路(122)の取付けピッチ円が大径に形成され、これらが、前記取付け部(11)に固定される容器(13)内に収められ、容器(13)が高温に露呈されることで、当該容器(13)からの輻射熱をＵ字伝熱管(12)が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータ(1)であって、Ｕ字伝熱管(12)は、一方の通路(121)および他方の通路(122)が等間隔のピッチ角度(θ)で取付け部に配置され、一方の通路(121)は、容器(13)から当該容器(13)の中心(Ｃ)に向かう他方の通路(122)の投影面(122A)と完全重複しないように、所定角度(α)だけ他方の通路(122)のピッチ角度(θ)からずれた位置で取付け部(11)に配置されてなる。

Description

輻射熱回収形ヒータと、それを用いたスターリングエンジンおよび焼却炉
　本発明は、輻射熱回収形ヒータと、この輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とするスターリングエンジンと、この輻射熱回収形ヒータによって熱回収するようになされた焼却炉とに関するものである。
　従来より、スターリングエンジンの高温熱交換器を、焼却炉内に露呈するように構成することは知られていた（例えば、特許文献１参照。）
特許第２５６４８４９号公報
　しかし、上記従来の高温熱交換器は、熱交換性能を高める具体的な構成は開示されていない。
　本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、熱交換性能を高めることができる輻射熱回収形ヒータと、それを利用したスターリングエンジンおよび焼却炉を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するための本発明に係る輻射熱回収形ヒータは、熱媒体の往路と復路を有する伝熱管がヒータの取付け部に複数個配置されるに当って一方の通路の取付けピッチ円を小径とし、他方の通路の取付けピッチ円を大径とし、これらが容器内に収められ、容器が高温に露呈されることで、当該容器からの輻射熱を各伝熱管が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータであって、各伝熱管は、一方の通路および他方の通路が等間隔のピッチ角度で取付け部に配置され、一方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう他方の通路の投影面と完全重複しないように、所定角度だけ他方の通路のピッチ角度からずれた位置で取付け部に配置されてなるものである。
　上記輻射熱回収形ヒータにおいて、他方の通路に対して一方の通路は、ピッチ角度の半分の角度分ずれた位置で取付け部に配置されてなるものであってもよい。
　上記課題を解決するための本発明に係る輻射熱回収形ヒータは、熱媒体の往路と復路を有する伝熱管がヒータの取付け部に複数個配置されるに当って一方の通路の取付けピッチ円を小径とし、他方の通路の取付けピッチ円を大径とし、これらが容器内に収められ、容器が高温に露呈されることで、当該容器からの輻射熱を各伝熱管が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータであって、各伝熱管の一方の通路および／または他方の通路は、容器から当該容器の中心方向に向かう投影面積が拡大するように、当該投影面に沿った扁平または楕円の加工部が形成されているものである。
　上記輻射熱回収形ヒータは、容器内に不活性ガスが充填されてなるものであってもよい。
　上記輻射熱回収形ヒータは、容器内に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給経路が設けられてなるものであってもよい。
　上記輻射熱回収形ヒータは、不活性ガスとしてヘリウムを用いるものであってもよい。
　上記輻射熱回収形ヒータは、容器内が密閉され、容器を高温に露呈した際に容器内を大気圧よりも高圧に保持することができるようになされたものであってもよい。
　上記輻射熱回収形ヒータは、圧力調整弁が設けられてなるものであってもよい。
　上記課題を解決するための本発明に係るスターリングエンジンは、上記輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とするものである。
　上記課題を解決するための本発明に係る焼却炉は、上記輻射熱回収形ヒータが、炉内の熱回収可能な空スペースに露呈するように設けられたものである。
　以上述べたように、請求項１記載の本発明によると、各伝熱管は、一方の通路および他方の通路を等間隔のピッチ角度で取付け部に配置し、一方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう他方の通路の投影面と完全重複しないように、所定角度だけ他方の通路のピッチ角度からずれた位置で取付け部に配置しているので、熱放射する容器から一方の通路への輻射熱が他方の通路によって遮られることを防止することができる。したがって、容器から各伝熱管への直達熱伝達量の向上を図ることができる。
　請求項２記載の本発明によると、他方の通路に対して一方の通路は、ピッチ角度の半分の角度分ずれた位置で取付け部に配置することで、前記した直達熱伝達量の向上を最大限に図ることができる。
　請求項３記載の本発明によると、各伝熱管の一方の通路および／または他方の通路は、容器から当該容器の中心方向に向かう投影面積が拡大するように、当該投影面に沿った扁平または楕円の加工部を形成しているので、加工部を形成していないものと比較して、容器から各伝達管への直達熱伝達量の向上を図ることができる。
　請求項４記載の本発明によると、伝熱管が収められた容器内に不活性ガスを充填することで、伝熱管の高温酸化を抑制して保護することができ、伝熱管の耐久性の向上を図ることができる。また、請求項５記載の本発明によると、容器内に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給経路を設けることで、容器内の空気を不活性ガスと容易に置換することができる。
　請求項６記載の本発明によると、不活性ガスとしてヘリウムを用いることで、伝熱管の高温酸化抑制だけでなく、容器内の自然対流熱伝達量を増加させることができ、伝熱管の耐久性の向上および熱伝達効率の向上を図ることができる。
　請求項７記載の本発明によると、容器内を密閉して容器を高温に露呈した際に容器内を大気圧よりも高圧に保持することができるようにすることでも、伝熱管の高温酸化抑制だけでなく、容器内の自然対流熱伝達量を増加させることができ、伝熱管の耐久性の向上および熱伝達効率の向上を図ることができる。また、請求項８記載の本発明によると、内部圧力が高くなりすぎるのを防止することができる。
　請求項９記載のスターリングエンジンによると、上記輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とすることで、当該高温側熱交換器からの回収熱量の向上を図ることができる。
　請求項１０記載の焼却炉によると、上記輻射熱回収形ヒータを、炉内の熱回収可能な空スペースに露呈するように設けることで、焼却炉内の廃熱を効率良く回収することができることとなる。
本発明に係る輻射熱回収形ヒータを有するスターリングエンジンを焼却炉に設置した状態を示す焼却炉の部分断面図である。 本発明に係る輻射熱回収形ヒータを有するスターリングエンジンを焼却炉に設置した状態を示す部分端面図である。 図２におけるＩ－Ｉ線断面図である。 図３における他の投影面について説明する断面図である。 （ａ）は本発明に係る輻射熱回収形ヒータの他の実施の形態を示す部分端面図、（ｂ）は同部分断面図、（ｃ）および（ｄ）は同図（ｂ）のさらに他の実施形態を示す部分断面図である。 （ａ）は本発明に係る輻射熱回収形ヒータのさらに他の実施の形態を示す部分端面図、（ｂ）は同部分断面図、（ｃ）および（ｄ）は同図（ｂ）のさらに他の実施の形態を示す部分断面図である。 （ａ）は本発明に係る輻射熱回収形ヒータの他の実施の形態に係る設置状態を示す部分端面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるII－II線断面図である。 （ａ）は本発明に係る輻射熱回収形ヒータのさらに他の実施の形態に係る設置状態を示す部分端面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるIII－III線断面図である。 本発明に係る輻射熱回収形ヒータの容器内に不活性ガスを使用した際の自然対流熱伝達量と容器内圧力との関係を示すグラフである。 （ａ）は図７に係る輻射熱回収形ヒータのさらに他の実施の形態を示す部分端面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるIV－IV線断面図である。 （ａ）は図８に係る輻射熱回収形ヒータのさらに他の実施の形態を示す部分端面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるＶ－Ｖ線断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
　図１は、輻射熱回収形ヒータ１を有するスターリングエンジン１０を焼却炉２に設置した状態を示し、図２は同焼却炉２におけるスターリングエンジン１０の部分を示し、図３は同スターリングエンジン１０における輻射熱回収形ヒータ１の要部を示している。
　本発明に係る輻射熱回収形ヒータ１は、ヒータ１の取付け部１１に、複数本のＵ字伝熱管１２が放射状に配置され、これらが容器１３内に収められ、容器１３が高温に露呈されることで、当該容器１３からの輻射熱をＵ字伝熱管１２が吸収するようになされている。
　取付け部１１は、円盤状に形成されている。本実施の形態においては、スターリングエンジン１０の高温側のシリンダヘッドを構成するようになされている。この取付け部１１の中心Ｃからは、放射状となるように、複数本のＵ字伝熱管１２が配置されている。
　Ｕ字伝熱管１２は、Ｕ字状に屈曲形成された伝熱管であって、熱媒体の往路と復路を有している。その一方の通路１２１の取付けピッチ円が小径に形成され、他方の通路１２２の取付けピッチ円が大径で形成されている。この際、Ｕ字伝熱管１２は、取付け部１１の周方向に、等間隔のピッチ角度θで設けられている。ただし、内径側の一方の通路１２１は、容器１３が位置することとなる外周側から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと完全重複しないように、ピッチ角度θの半分の角度１／２θだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αの位置で取付け部１１に配置されている。
　容器１３は、前記放射状に配置された全てのＵ字伝熱管１２を、その内部に収めることができる有底円筒状に形成されており、Ｕ字伝熱管１２を容器１３内に収めた状態で、容器１３の開口部周縁と、取付け部１１との間に間隙を形成した状態で設けられる。すなわち、この容器１３は、高温下に曝露されるため、使用していない時との温度差が激しく、取付け部１１と容器１３とを厳密に固定してしまうと、使用時に高温下に曝露した際、容器１３内が高圧となり、熱歪みとなって容器１３の損傷を招くことになってしまう。したがって、容器１３の温度変化に追従することなく、当該容器１３からの輻射熱をＵ字伝熱管１２が吸収できるように、容器１３内には、取付け部１１との間に間隙を形成した状態でＵ字伝熱管１２が納められる。この容器１３は、ステンレスなどの金属、セラミックスまたはサーメットなどの耐熱性に優れた素材で形成されている。
　このようにして形成される輻射熱回収形ヒータ１は、スターリングエンジン１０の高温側の熱交換器として使用される。このスターリングエンジン１０としては、輻射熱回収形ヒータ１から回収される熱を、当該スターリングエンジン１０の高温側熱源として使用することができるものであれば、特に限定されるものではなく、輻射熱回収形ヒータ１から回収される熱量に応じた各種のスターリングエンジン１０が使用される。
　焼却炉２は、被焼却物を燃焼させた際に発生する燃焼ガスが高温となって、当該焼却炉２内を通過し、脱硫、脱塵などを経て煙道から排気されるように構成されている。前記したスターリングエンジン１０は、高温となった燃焼ガスが通過する部位である、例えば、二次焼却炉２１の側壁部２１１に設けられた開口部２１１ａから、当該スターリングエンジン１０の輻射熱回収形ヒータ１の容器１３の部分を挿入し、容器１３のフランジ部１３１によって開口部２１１ａを塞ぎ、輻射熱回収形ヒータ１の容器１３の部分が、二次焼却炉２１内の空スペース２１０に露呈するように設けられる。ただし、スターリングエンジン１０を設ける位置としては、焼却炉２内の燃焼ガスが高温となって通過する場所であれば、二次焼却炉２１内の側壁部２１１に限定されるものではなく、その他にも二次焼却炉２１内の天井部や炉出口煙道などのように、焼却炉２内で高温となる部分の空スペースに輻射熱回収形ヒータ１を露呈させることができる位置であれば、特に限定されるものではない。
　このようにして焼却炉２の二次焼却炉２１の側壁部２１１に設けることによって、当該二次焼却炉２１内の空スペース２１０に露呈させた輻射熱回収形ヒータ１は、焼却炉２の二次焼却炉２１内の焼却熱を受けて容器１３が全体的に加熱されることとなり、この容器１３内に収められたＵ字伝熱管１２は、容器１３からの輻射熱によって加熱されることとなる。
　この際、Ｕ字伝熱管１２は、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分の角度１／２θだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αの位置で取付け部１１に配置することによって、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａが内径側の一方の通路１２１と完全重複しないようにしているので、容器１３から一方の通路１２１への輻射熱は、他方の通路１２２によって遮られることもなく、Ｕ字伝熱管１２全体が万遍なく輻射熱を受けることができることとなる。
　したがって、輻射熱回収形ヒータ１による熱交換効率が向上するとともに、Ｕ字伝熱管１２の一部だけに輻射熱が集中してヒートスポットを生じることも防止できるので、Ｕ字伝熱管１２の耐久性も増すことができる。
　なお、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａが内径側の一方の通路１２１と完全重複しないようにする構成であれば、上記のように特に内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした位置で取付け部１１に配置する構成に限定されるものではなく、ほんの少しの角度αだけずらした位置で一方の通路１２１を取付け部１１に配置する構成であっても良い。ただし、他方の通路１２２の投影面１２２Ａと一方の通路１２１とが完全重複しないようにすればするほど輻射熱を受ける面が広がって輻射熱の回収効率が高くなるので、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αで一方の通路１２１を取付け部１１に配置する構成とすることが最も効果が得られる構成となる。
　また、本実施の形態では、一方の通路１２１は、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと完全重複しないように構成されているが、図４に示すように、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと完全重複しないように構成されたものであってもよい。すなわち、容器１３は、周囲が円形となっており、一方向から熱が輻射されるのではなく、周方向から万遍なく熱が輻射される。したがって、一方の通路１２１は、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａとは重複する構成であったとしても、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと重複しない構成となっていれば、容器１３の周方向から回り込む輻射熱を吸収できることとなり、Ｕ字伝熱管１２の一方の通路１２１は、万遍なく輻射熱を受けることができる。
　また、一方の通路１２１は、図３に示すように、中心Ｃと一方の通路１２１の中心１２１Ｃとをつなぐ直線が一方の通路１２１の外周と接する点１２１Ｒが、容器１３からの輻射熱を最も正面から受けるので、輻射熱の吸収を考えると、この点１２１Ｒが、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと重複しないように、ずらす角度αの設定をすることが好ましく、より好ましくは図４に示すように、この点１２１Ｒが、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと重複しないように、ずらす角度αの設定をすることが好ましい。
　この角度αとしては、取付け部１１に設けるＵ字伝熱管１２の数が多い場合には調整幅が少なくなる。このような場合であっても、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした位置とした場合は、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと内径側の一方の通路１２１との重複を最小限にすることができるので、輻射熱を吸収することを考慮した構造としては最も好ましい。
　また、上記とは逆に取付け部１１に設けるＵ字伝熱管１２の数が少ない場合には、ずらす角度αに余裕を生じる。このような場合には、Ｕ字伝熱管１２は、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした位置で取付け部１１に配置することに限定されるものではなく、他方の通路１２２の前記した投影面１２２Ａ，１２２Ｂが内径側の一方の通路１２１と重複しない範囲であれば、何度ずらす角度αを変更するものであってもよい。
　図５は、本発明に係る輻射熱回収形ヒータ１の他の実施の形態を示している。すなわち、この輻射熱回収形ヒータ１は、Ｕ字伝熱管１２の内径側となる一方の通路１２１に扁平または楕円加工した加工部１２３形成し、容器１３からの中心Ｃに向かう一方の通路１２１の投影面積１２１Ａを、容器１３から中心Ｃに向かう加工部１２３の投影面積１２３Ａへと拡大を図ったものである。この構成により、加工部１２３の投影面積１２３Ａは、一方の通路１２１の投影面積１２１Ａから扁平または楕円に加工することにより拡大を図った分だけ多くの輻射熱を吸収することができるので、熱交換効率の向上を図ることができる。
　なお、この場合も、Ｕ字伝熱管１２の内径側となる一方の通路１２１は、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと重複しないことが好ましいが、仮に重複したとしても、輻射熱を吸収することができる一方の通路１２１の投影面積１２１Ａを、加工部１２３の投影面積１２３Ａへと拡大を図ったことには変わりがない。したがって、図６に示すように、Ｕ字伝熱管１２の一方の通路１２１が、他方の通路１２２の配置位置とずれておらず、同じピッチ角度θで取り付けられたものであっても、同様の構成で扁平または楕円に加工しなかった場合と比較すると輻射熱の吸収効果は増大する。
　よって、Ｕ字伝熱管１２は、図５に示すように、他方の通路１２２に対して一方の通路１２１をずらしてＵ字伝熱管１２の一方の通路１２１に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図５（ｂ））、または他方の通路１２２に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図５（ｃ））、その両方に加工部１２３，１２３を形成するものであってもよい（図５（ｄ））。また、図６に示すように、他方の通路１２２に対して一方の通路１２１をずらさずにＵ字伝熱管１２の一方の通路１２１に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図６（ｂ））、または他方の通路１２２に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図６（ｃ））、その両方に加工部１２３，１２３を形成するものであってもよい（図６（ｄ））。
　上記実施例のヒータは、焼却炉２の内部に露呈するためにＵ字伝熱管１２の腐食防止の観点から容器１３で覆った輻射熱回収形ヒータ１として構成したが、流動炉等の腐食防止の可能性が小さい炉に適用する場合は、容器１３で覆う必要がない。すなわち、輻射型でなく伝熱管がガスと直接熱伝達を行う形式のヒータにも適用できる。また、熱回収用だけでなく、放熱用（すなわち冷熱用）にも適用できる。
　一方、容器１３で覆った輻射熱回収形ヒータ１として構成した場合、さらなる腐食防止の観点から、容器１３内に不活性ガスを充填してもよい。
　図７は、容器１３と取付け部１１との間隙から容器１３内の空間に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給管１４を設けた輻射熱回収形ヒータ１を示している。不活性ガス供給管１４は、ボンベ等からの不活性ガスをバルブ１４ａの開閉で容器１３内の空間に充填するように構成されたもので、不活性ガス供給管１４は、不活性ガスの供給開口部が容器１３と取付け部１１との間隙に臨んで設けられたものであってもよいし、そこから容器１３の内部に延設されたものであってもよい。ただし、容器１３の内部に延設する場合、不活性ガス供給管１４は、容器１３からの輻射熱に耐えることかできるように、ステンレス製等の素材でできたものが使用される。
　使用する不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴンなどの希ガス類や、窒素ガス、炭酸ガスなどの反応性の低いガスや、それらの混合ガスを挙げることができる。
　このようにして構成された輻射熱回収形ヒータ１によると、Ｕ字伝熱管１２が設けられた容器１３内の空間には、不活性ガス供給管１４からの不活性ガスを充填し、当該容器１３内の空気を不活性ガスと置換しておけば、当該容器１３内のＵ字伝熱管１２は、不活性ガスによって高温酸化抑制されて保護されることとなり、Ｕ字伝熱管１２の耐久性が向上することとなる。
　また、不活性ガスとしてヘリウムガスを使用した場合、容器１３内のＵ字伝熱管１２は、自然対流による熱伝達量を向上させることもできることとなり、空気の場合の約３倍弱も熱伝達量を向上させ、輻射熱回収形ヒータ１の熱交換性能の向上を図ることができる。
　なお、本実施の形態において、容器１３は、取付け部１１との間に間隙を有する開放系で構成されているため、容器１３の温度が上昇しても大気圧状態を保つことができるようになされているが、図８に示すように、この取付け部１１に設けたフランジ部１１ａと容器１３との間隙を密閉する構成として容器１３内を加圧できるように密閉系の構成としてもよい。ただし、この場合、温度変化による熱歪みによって容器１３が損傷しないように、容器１３と取付け部１１との間隙に耐熱性および耐圧性のガスケット３などを介して両者を挟持固定する。また、内部圧力が高くなりすぎるのを防止するために、取付け部１１に設けられた配管１５に圧力調整弁１５ａを設け、容器１３内の内圧を調整することができるようになされている。
　なお、密閉する構成とした場合、容器１３内に単に不活性ガスを供給しただけでは容器１３内を上手く不活性ガスで置換することができないので、不活性ガスを充填する際は、不活性ガス供給管１４または配管１５、あるいは他に設けた専用の配管（図示省略）から、容器１３内を減圧した後、当該容器１３内に不活性ガス供給管１４から不活性ガスを供給することで、当該容器１３内に不活性ガスを充填するようにしてもよい。
　このようにして容器１３内の圧力を高めることができるようにすることで、不活性ガスによって内圧が高められた容器１３内は、前記した高温酸化抑制によるＵ字伝熱管１２の保護だけでなく、自然対流による熱伝達量の向上を図ることができることとなる。したがって、不活性ガスとしてヘリウムガスを使用した場合は、図９に示すように、容器１３内を解放系で構成して当該容器１３内にヘリウムガスを充填した場合の約１．５倍以上の熱伝達量の向上を図ることができる。これは、容器１３内を解放系で構成して当該容器１３内に空気を充填した場合と比較した場合の約５倍の熱伝達量の向上を図ることができることとなる。すなわち、不活性ガスとしてヘリウムガスを使用した場合は、ヘリウムガスによる自然対流熱伝達量の向上と、密閉系の容器１３の構成による自然対流熱伝達量の向上の双方の効果が得られ、より一層優れた自然対流熱伝達量の向上を図ることができることとなる。
　このように容器１３内に不活性ガスを充填することで、Ｕ字伝熱管１２の耐久性の向上や、自然対流による熱伝達量の向上を図ることができるので、輻射熱回収形ヒータ１は、耐久性および熱の回収効率が向上することとなり、それを使用したスターリングエンジン１０および焼却炉２は、出力の向上を図ることができることとなる。
　また、容器１３内に不活性ガスを充填することで、自然対流による熱伝達量の向上を図ることができるので、容器１３内に設けるＵ字伝熱管１２の数を減らしても、不活性ガスを充填しないものと同程度の出力が得られることとなり、輻射熱回収形ヒータ１の小型化を図ることができ、それを使用したスターリングエンジン１０も同様に小型化が図れることとなる。また、このスターリングエンジン１０を使用した焼却炉２は、当該スターリングエンジン１０の輻射熱回収形ヒータ１の部分の小型化を図ることができるので、限られた空スペース２４０であっても取り付けることが可能となる。
　なお、本実施の形態において、輻射熱回収形ヒータ１は、容器１３内にＵ字伝熱管１２を設けているが、その形状、本数、配置構造については特に限定されるものではなく、この種の輻射熱回収形ヒータ１で採用されている各種の伝熱管を用いることができる。したがって、図７および図８に示すＵ字伝熱管１２は、図５および図６に示すように、各種形状に形成されたものであってもよい。また、図７および図８に示すＵ字伝熱管１２は、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分の角度１／２θだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αの位置で取付け部１１に配置することによって、輻射熱を吸収し易いように構成されているが、図１０および図１１に示すように、一方の通路１２１と他方の通路１２２とのピッチ角度θをずらさずに配置したものであってもよい。この場合であっても、容器１３内の不活性ガスの充填による効果は、得ることができるので、Ｕ字伝熱管１２の耐久性の向上および熱伝達効率の向上を図ることができる。
１　輻射熱回収形ヒータ
１０　スターリングエンジン
１１　取付け部
１２　Ｕ字伝熱管
１２１　一方の通路
１２２　他方の通路
１２２Ａ　投影面
１２３　加工部
１２３Ａ　投影面
１３　容器
１４　不活性ガス供給管（不活性ガス供給経路）
１５ａ　圧力調整弁
２　焼却炉
２１０　空スペース
θ　ピッチ角度
α　角度

Claims (10)

  1. 　熱媒体の往路と復路を有する伝熱管がヒータの取付け部に複数個配置されるに当って一方の通路の取付けピッチ円を小径とし、他方の通路の取付けピッチ円を大径とし、これらが容器内に収められ、容器が高温に露呈されることで、当該容器からの輻射熱を各伝熱管が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータであって、
    　各伝熱管は、一方の通路および他方の通路が等間隔のピッチ角度で取付け部に配置され、一方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう他方の通路の投影面と完全重複しないように、所定角度だけ他方の通路のピッチ角度からずれた位置で取付け部に配置されてなることを特徴とする輻射熱回収形ヒータ。
  2. 　他方の通路に対して一方の通路は、ピッチ角度の半分の角度分ずれた位置で取付け部に配置されてなる請求項１記載の輻射熱回収形ヒータ。
  3. 　熱媒体の往路と復路を有する伝熱管がヒータの取付け部に複数個配置されるに当って一方の通路の取付けピッチ円を小径とし、他方の通路の取付けピッチ円を大径とし、これらが容器内に収められ、容器が高温に露呈されることで、当該容器からの輻射熱を各伝熱管が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータであって、
    　各伝熱管の一方の通路および／または他方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう投影面積が拡大するように、当該投影面に沿って拡大した扁平または楕円の加工部が形成されていることを特徴とする輻射熱回収形ヒータ。
  4. 　容器内に不活性ガスが充填されてなる請求項１記載の輻射熱回収形ヒータ。
  5. 　容器内に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給経路が設けられてなる請求項４記載の輻射熱回収形ヒータ。
  6. 　不活性ガスとしてヘリウムを用いる請求項４または５記載の輻射熱回収形ヒータ。
  7. 　容器内が密閉され、容器を高温に露呈した際に容器内を大気圧よりも高圧に保持することができるようになされたことを特徴とする請求項４または５記載の輻射熱回収形ヒータ。
  8. 　圧力調整弁が設けられてなる請求項７記載の輻射熱回収形ヒータ。
  9. 　請求項１ないし５の何れか一に記載の輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とするスターリングエンジン。
  10. 　請求項１ないし５の何れか一に記載の輻射熱回収形ヒータが、炉内の熱回収可能な空スペースに露呈するように設けられた焼却炉。
     
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