(57)【要約】【課題】多量の煤塵等を含む排ガスの中に設置されても煤塵等が堆積・付着しにくく、伝熱効率が高く、除塵装置の設置や運用を削減できる鋼管型熱交換器を提供する。【解決手段】下向きに流れる煤塵等を含む排ガス２の中に、排ガス流の流れ方向に直角に伝熱管５を配置してその廃熱を回収する鋼管型熱交換器であって、当該伝熱管５の排ガスの流れ方向の上流側に、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型を成し、かつ、その山型を成す斜面が円筒形を成す伝熱管の上部外面全体をほぼ覆う大きさの山型フィン６を有し、当該山型を形成する斜面が水平面となす角μを当該煤塵等の安息角以上とした熱交換器。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下向きに流れる煤塵等を含む排ガスの中に、当該排ガス流の流れ方向に直角に伝熱管を配置してその廃熱を回収する鋼管型熱交換器であって、当該伝熱管の当該流れ方向の上流側に、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型を成し、かつ、その山型を成す斜面が円筒形を成す伝熱管の上部外面全体をほぼ覆う大きさの山型フィンを有し、当該山型を形成する斜面が水平面となす角を当該煤塵等の安息角以上とした熱交換器。
【請求項２】
下向きに流れる煤塵等を含む排ガスの中に、当該排ガス流の流れ方向に直角に伝熱管を配置してその廃熱を回収する鋼管型熱交換器であって、当該伝熱管の当該流れ方向の上流側に、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型を成し、かつ、その山型を成す斜面が円筒形を成す伝熱管の上部外面全体をほぼ覆う大きさの山型フィンを有し、当該山型を形成する斜面が水平面となす角を６０度以上とした熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の熱交換器であって、前記伝熱管の前記流れ方向の下流側にも、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型をなす山型フィンを有する熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントキルン排ガス、石炭燃焼ガス、廃棄物燃焼ガス等の排ガス、すなわち、その中の多量の煤塵、灰、固形不純物等（以下「煤塵等」という。）が含まれている排ガスからその廃熱を回収する鋼管型熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業界の中で、セメントキルン排ガス、石炭燃焼ガス、廃棄物燃焼ガス等、排ガス中にの多量の煤塵等が含まれている排ガスからその廃熱を回収するニーズは極めて高い。
【０００３】
例えば、セメントキルンでは通常４００℃以上のは排ガスを排出するので、その熱を有効利用するためにセメントキルンを出た排ガスの煙道内に熱交換器を設置して熱水や蒸気を発生させている。また、産業用廃棄物燃焼ボイラでは燃焼室を出たガスを煙道部に導き、そこに蒸発器や節炭器等の熱交換器を配置して廃熱の回収を行っている。多くの場合、これら廃熱回収には排ガス流に直角に伝熱管を配した鋼管型熱交換器が使われている。
【０００４】
これらの排ガスには多量の煤塵等が含まれており、熱交換器の伝熱管に煤塵等が堆積し、堆積した煤塵等により伝熱効率が低下するので、なんらかの除塵装置が設置され除塵対策が行われている。
【０００５】
石炭焚きボイラや産業廃棄物燃焼ボイラなどの排ガスでは、特許文献１に示すように通常スーツブロアにより除塵が行われるが、セメントキルンなど５０〜１００ｍｇ／Ｎｍ３程度の多量の煤塵等が含まれている排ガスでは、特許文献２に示すように槌打ち装置（ハンマーリング）により管に衝撃を与えて除塵するのが一般的である。
【特許文献１】特開２００６−３４２９９１号公報
【特許文献２】特開平１１−３２５４０３号公報
【０００６】
しかし、これらの除塵装置を設置しても、十分な除塵効果が得られなくて伝熱効率が低下することが多く、その対応策として、伝熱管を正常なガスとの熱交換の場合に比べてより多く設置する必要が生じていた。
【０００７】
また、煤塵等の多い排ガス中に設置される熱交換器は伝熱管の摩耗が早いので、それを抑制するために排ガスの流速を下げる必要がある。排ガスの流速を下げることにより、伝熱効率がさらに低下するので伝熱管がさらに多く必要となり、煤塵等の堆積もより進行しやすい傾向にあった。
【０００８】
図５に従来の鋼管型熱交換器の側面図を、図６にはそのＢ−Ｂ断面図を示す。多くの場合排ガスは煙道内を上方から下向きに流れ、その煙道内に排ガスの流れ方向を横切る形で、流れ方向に直角に伝熱管が配置されている。排ガスから熱を受け取る流体は入口管寄から伝熱管の内部を通り、排ガスと熱交換をしながら出口管寄に至り廃熱を回収する。
【０００９】
この熱交換器をある期間稼働を続けると、排ガス中の煤塵等は図７（ａ）に示すごとく、伝熱管の上流側に堆積する。同時に下流側にも付着する場合がある。さらに稼働時間が長くなり煤塵等の堆積が進行すると、伝熱管の上流側に堆積した煤塵等と、その伝熱管の上に位置する伝熱管の下流側に付着した煤塵等が図７（ｂ）に示すようにブリッジ状につながる場合も生じる。このような状態になれば、伝熱効率は著しく低下し、所定の廃熱回収性能を発揮できなくなる。
【００１０】
このような状況を避けるためには前述のとおりスートブロアや槌打ち装置などの除塵装置で除塵を行うが、十分な除塵効果を上げるためには、数多くの除塵装置を当初から設置する必要があるのでイニシャル・コストがかかり、また、その除塵装置の運用を頻繁に行う必要があり運転操作が煩雑になり、運転コストも増大する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、多量の煤塵等が含まれている排ガスの中に設置されても煤塵等が堆積・付着しにくく、伝熱効率が高く、除塵装置の設置を必要としない、あるいは、設置する除塵装置の数量を大幅に削減でき、経済的で、運転操作も簡単な鋼管型熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
その課題を解決するために本発明は、下向きに流れる煤塵等を含む排ガスの中に、当該排ガス流の流れ方向に直角に伝熱管を配置してその廃熱を回収する鋼管型熱交換器であって、当該伝熱管の当該流れ方向の上流側に、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型を成し、かつ、その山型を成す斜面が円筒形を成す伝熱管の上部外面全体をほぼ覆う大きさの山型フィンを有し、当該山型を形成する斜面が水平面となす角を当該煤塵等の安息角以上とした熱交換器である。
【００１３】
図８に示すように、粉体をロートなどの容器に入れて平面上に自然落下させると、粉末は山型に堆積する。その粉末の山型を形成する斜面が水平面と成す角θを安息角という。安息角θの測定方法には、図８で示した注入法の他に、排出法（容器底部の小穴から粉末を自然落下させ、容器内に残った粉末の作る角度を測定する方法)や傾斜法（容器内に粉末を入れ、容器を傾けて粉末の作る角度を計測する方法）があり、ＪＩＳ  Ｒ９３０１−２−２等に規定されている。
【００１４】
表１に示す石炭焚きボイラの排ガス中の煤塵の測定結果のように、安息角はそれぞれの粉体により一定している。また、粉体はこの安息角以上の角度には堆積しないことが知られている。排ガス中の煤塵等は微細な粒子であり、基本的に粉体として行動するから、伝熱管外面に山型に堆積する場合においても、その山型を形成する斜面は安息角を超えることはない。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
伝熱管の上面は平面ではなく円弧を成しているから、粉体を平面上に落下させた場合とは、堆積する状況は多少異なるが、結果として堆積した粉体の形成する斜面の角度、すなわち、図７（ａ）に示す角度βが、安息角θを超えることがない点では相違はない。
【００１７】
そこで、伝熱管の排ガス流の上流側に伝熱管の軸方向からみた断面が山型を成す山型フィンをもうけ、その山型を形成する斜面が水平面となす角を安息角θ以上にすると、煤塵等が堆積しようとする面がすでにその煤塵等の安息角θを超えているので、煤塵等が堆積・付着しにくくなる。
【００１８】
勿論、伝熱管を軸方向からみたときにその円筒形を成す管の最上部に小さな山型フィンをもうけたのでは、フィン部を少し外れたところの伝熱管の表面が水平面と成す角は煤塵の安息角θより小さいので煤塵が堆積する可能性がある。そこで山型フィンの山型を成す斜面が円筒形を成す伝熱管の上部外面全体をほぼ覆う大きさを持つことが必要である。
【００１９】
安息角θを知るには、熱交換器で廃熱回収する排ガスの煤塵等を集めて上述の注入法等で計測するが、実際にその排ガスから熱回収している既設の熱交換器があれば、その休転時に中に入り伝熱管上に堆積した煤塵等が水平面と成す角度を計測するのがよい。安息角は粉体により一定しているとは言え温度、湿度や風速により多少は変化するから、実際に堆積した煤塵等の山が水平面と成す角を計測すれば運転時と同じ条件におけるその煤塵等の安息角を容易に求められるからである。
【００２０】
煤塵等の体積・付着防止に影響するのは山型フィンのその山型を成す斜面の角度のみであるから、山型フィンの断面の外形のみが問題となる。したがって、山型フィン付き伝熱管の製造においては、伝熱管の外面に少し間隔を置いて傾斜させて２枚の細い板状部材を溶接で止めて立て、その板状部材の頂部を相互に溶接で止めることにより山型フィンを構成する方法、１枚の細い板状部材をその幅の中央で折り曲げて山形状にしたものを伝熱管の外面に溶接で取り付ける方法、伝熱管の外面に山型状の引き抜き材や削りだし材を溶接する方法、最初から山型の突部を有する引き抜き鋼管を用いる方法等種々の方法が考えられる。
【００２１】
さらに、本発明は、下向きに流れる煤塵等を含む排ガスの中に、当該排ガス流の流れ方向に直角に伝熱管を配置してその廃熱を回収する鋼管型熱交換器であって、当該伝熱管の当該流れ方向の上流側に、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型を成し、かつ、その山型を成す斜面が円筒形を成す伝熱管の上部外面全体をほぼ覆う大きさの山型フィンを有し、当該山型を形成する斜面が水平る面となす角を６０度以上とした熱交換器である。
【００２２】
表１に示すように、石炭焚きボイラの排ガス中の煤塵の安息角は、４０度から５５度である。セメントキルン等、排ガスが変ればその煤塵等の安息角も変化するが、経験的に多くの場合６０度以下である。したがって、事前に煤塵等のサンプルを入手できず、安息角を測定することができないような場合には、山型を形成する斜面が水平面となす角を６０度以上とすることにより、ほぼ所定の目的を達成できる。
【００２３】
また、本発明は、請求項１または請求項２記載の熱交換器であって、前記伝熱管の前記流れ方向の下流側にも、伝熱管の軸方向からみた断面の外形が山型をなす山型フィンを有する熱交換器である。
【００２４】
前述の通り、煤塵等は熱交換器の伝熱管の上流側に堆積すると同時に下流側にも付着する場合がある。そして、さらに稼働時間が長くなり煤塵等の堆積が進行すると、伝熱管の上流側に堆積した煤塵等と、その伝熱管の上に位置する伝熱管の下流側に付着した煤塵等がブリッジ状につながる場合も生じる。
【００２５】
伝熱管の上流側に山型フィンをつけて煤塵等の上流側への堆積・付着を防止するとともに、伝熱管の下流側にも山型フィンをつけることにより、下流側への煤塵等の堆積・付着を防止すれば、図７（ｂ）に示すようにブリッジ状につながることも防止できる。
【００２６】
図７（ａ）に示すように、下流側への煤塵等の堆積・付着は上流側ほど多くなく、その堆積した煤塵等が成す山型を形成する斜面が水平面となす角γも、上流側に堆積した煤塵等が成す山型を形成する斜面が水平面と成す角βより小さいから、下流側の山型フィンの斜面が成す角度は、上流側の山型フィンの斜面が成す角度と同じでも良いし、やや小さめでも良い。伝熱管の制作方法も考えれば、上下同型のフィンをつけることが実際的であろう。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の熱交換器を採用することにより、多量の煤塵等が含まれている排ガス中に設置しても煤塵等が堆積・付着しにくく、そのために伝熱効率が高く維持できるので、設置する伝熱管の量を低減することができる。また、除塵装置の設置を必要としない、あるいは、設置する除塵装置の数量を大幅に削減できることとなるので、両方の面から経済的である。さらに、除塵装置の使用を行うことなく、あるいは、使用するにしてもその頻度を大幅に下げられることから、運転操作も簡単になり、運転コストも低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明をする。なお、本発明はかかる実施の形態には限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えて良いことは言うまでもない。
【００２９】
図1は本発明の熱交換器の実施例1の側面図、図２はそのＡーＡ断面図、図3はその中の１本の伝熱管の断面図、図４は本発明の熱交換器の実施例２の１本の伝熱管の断面図である。
【実施例１】
【００３０】
煙道１の中を下向きに流れる煤塵を含む排ガス２の中に、その排ガス流の流れ方向に直角に伝熱管５を配置して排ガスの有する廃熱を回収する熱交換器３が設けられている。排ガスから熱を受け取る流体は入口管寄４ａから伝熱管５の中を通り、排ガスと熱交換してその廃熱を回収しながら出口管寄４ｂに至る。
【００３１】
そのＡ−Ａ断面図、すなわち、伝熱管５の軸方向からみた断面図である図２、及び、その中の伝熱管５の１本を取り出した断面図である図３に示すように、伝熱管５の排ガスの流れ方向の上流側、すなわち、これらの図における伝熱管５の上側に、外形が山型を成す山型フィン６を設ける。
【００３２】
山型フィン６は、側面図である図１からわかるように伝熱管の直管部をほぼ覆う長さを有する幅の狭い板状部材６ａ、６ｂを伝熱管５の外面に少し間隔を置いて、かつ、傾斜させて溶接６ｃ、６ｄで止め、さらにそれらの頂部を溶接６ｅで止めて形成している。
【００３３】
図３のように山型フィン６を構成することにより、板状部材６ａ、６ｂの外面が山型を成す斜面を構成し、その斜面が伝熱管５の上部外面全体をほぼ覆っている。また、その山型を成す斜面が水平面と成す角μは、排ガス２に含まれる煤塵等の安息角θ以上とする。
【００３４】
排ガス２に含まれて運ばれてきた煤塵等は、伝熱管５の上面はが水平面と成す角μがその煤塵等の安息角θ以上の斜面になっているので、堆積・付着ができない、あるいは、堆積・付着するにしてもその程度が大幅に低減されるので、伝熱効率を高く維持でき、除塵装置の設置を必要としない、あるいは、設置するにしても、その台数を大幅に削減できて、経済的であるとともに、運転操作も簡単になる。
【００３５】
なお、この実施例では山型フィン６を２枚の幅の狭い板状部材６ａ、６ｂを用いて構成したが、煤塵等の体積・付着防止に影響するのは、山型フィンのその山型を成す斜面の角度のみであるから、山型フィンの構成に当たっては、この方法の他に、１枚の幅の狭い板状部材をその幅の中央で折り曲げて山形状にしたものを伝熱管の外面に溶接で取り付ける方法、伝熱管の外面に山型状の引き抜き材や削りだし材を溶接する方法、最初から山型の突部を有する引き抜き鋼管を用いる方法等種々の方法が考えられるとは、前述の通りである。
【００３６】
なお、事前に熱回収の対象である排ガスに含まれる煤塵の安息角等が測定できないような場合には、山型を形成する斜面が水平面と成す角μを６０度以上とすることにより、ほぼ所定の目的を達成できることは、前述の通りである。
【実施例２】
【００３７】
本実施例では、伝熱管に付くフィンが実施例１と異なるのみで、図１や図２に示した熱交換器全体の配置や構成は変らないので、伝熱管の構成のみ説明する。また、実施例１と同じ機能と同じ構成を持つ要素には、理解を容易にするために同じ付番を付けることとする。
【００３８】
伝熱管５の上側に外形が山型を成す山型フィン６を設け、その山型フィン６が伝熱管の直管部をほぼ覆う長さを有する幅の狭い板状部材６ａ、６ｂを伝熱管５の外面に少し間隔を置いて、かつ、傾斜させて溶接で止め、さらにそれらの頂部を溶接で止めて形成され、板状部材６ａ、６ｂの外面が山型を成す斜面が伝熱管５の上部外面全体をほぼ覆っており、また、その山型を成す斜面が水平面と成す角μが排ガス２に含まれる煤塵等の安息角θ以上、あるいは、６０度以上とすることは実施例１と同様である。
【００３９】
さらに、本実施例では、伝熱管５の下側にも２枚の幅の狭い板状部材７ａ、７ｂを伝熱管５の外面に少し間隔を置いて、かつ、傾斜させて溶接７ｃ、７ｄで止め、さらにそれらの頂部を溶接７ｅで止めて形成され、板状部材７ａ、７ｂの外面が山型を成す山型フィン７が設けられている。
【００４０】
伝熱管５の下流側にも山型フィン７を付けることにより、伝熱管５の下流側への煤塵等の堆積・付着を防止することにより、伝熱管５の上流側に付けた山型フィン６の上流側への煤塵等の堆積・付着の防止と相まって、それらがブリッジ状につながることを防止できる。
【００４１】
図７（ａ）に示すように、下流側への煤塵等の堆積は上流側ほど多くなく、その堆積した煤塵等が成す山型を形成する斜面が水平面となす角γも、上流側に堆積した煤塵等が成す山型を形成する斜面が水平面と成す角βより小さいから、下流側の山型フィンの斜面が成す角度ρは、上流側の山型フィンの斜面が成す角度μと同じでも良いし、やや小さめでも良い。伝熱管の制作方法も考えれば、上下同型のフィンをつけることが実際的であろう。
【００４２】
この実施例においても、煤塵等の堆積・付着防止に影響するのは、山型フィン６、７のその山型を成す斜面の角度のみであるから、山型フィン６、７の構成に当たっては、上述の方法の他に、１枚の幅の狭い板状部材をその幅の中央で折り曲げて山形状にしたものを伝熱管の外面に溶接で取り付ける方法、伝熱管の外面に山型状の引き抜き材や削りだし材を溶接する方法、最初から山型の突部を有する引き抜き鋼管を用いる方法等種々の方法が考えられることは、実施例１の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の熱交換器の実施例1の側面図である。
【図２】そのＡーＡ断面図である。
【図３】その中の１本の伝熱管の断面図である。
【図４】本発明の熱交換器の実施例２の１本の伝熱管の断面図である。
【図５】従来の熱交換器の側面図である。
【図６】そのＢ−Ｂ断面図である。
【図７】その伝熱管に煤塵等が堆積・付着した状態を示す説明図である。
【図８】粉体の安息角を測定する注入法の説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    煙道
２    排ガス
３    熱交換器
４ａ  入口管寄
４ｂ  出口管寄
５    伝熱管
６、７  山型フィン
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ  幅の狭い板状部材
６ｃ、６ｄ、６ｅ、７ｃ、７ｄ、７ｅ  溶接
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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