(57)【要約】【課題】例えばエチレン分解炉に使用されるような、高温の化学処理物質を運ぶ放射セクションのチューブの熱伝達を向上すること。【解決手段】放射加熱ボックスの内部では、チューブ表面を流れる対流が存在する。垂直チューブの外部表面にリブを追加することにより、対流による熱伝達が向上し、チューブへの熱伝達が増大する。【選択図】図２
2006112777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部表面における流体熱伝達媒体の乱流を増すことによって内部プロセス流体を加熱するために使用される方法であって、この外部流体熱伝達媒体から、放射式加熱器ボックス内の金属またはセラミックからなる群から選択される垂直表面への対流熱伝達を少なくとも５％増加させ、また前記表面への総熱流束を少なくとも２％増加させる方法において、
前記方法は、前記外部表面にリブを形成するステップを含み、該リブは、
（ｉ）リブの高さとチューブの直径の比率（ｅ／Ｄ）が０．０５から０．３５までであり、
（ｉｉ）連続するリブの前縁と前縁の間の距離とリブの高さの比率（Ｐ／ｅ）が４０未満であり、また
（ｉｉｉ）リブの厚さとリブの高さの比率（ｔ／ｅ）が０．５から３までである
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記リブが、０．１から０．２５までのｅ／Ｄ比率を有している請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記リブが、２から２０までのＰ／ｅ比率を有している請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記リブが、１から２までのｔ／ｅ比率を有している請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記リブが、正方形、三角形、半円形および半楕円形からなる群から選択される断面プロファイルを有している請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記表面が、ステンレス鋼、鋳造合金、鍛錬用合金、炭素鋼およびセラミックからなる群から選択される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記表面が１または複数のチューブである請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記１または複数のチューブが、最大２０．３２ｃｍ（８インチ）までの外径を有している請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記外部流体熱伝達媒体が、水素、炭化水素およびそれらの混合物の燃焼生成物からなる群から選択されるガスである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記内部プロセス流体が、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ガス油、希釈蒸気およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
耐コーキング内部表面を有している請求項１０に記載のチューブ。
【請求項１２】
前記リブが、４から１６までのＰ／ｅ比率を有している請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記対流熱伝達が少なくとも８％増加する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記リブが、三角形、半円形、または半楕円形の断面プロファイルを有している請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記リブが水平である請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記リブが螺旋状である請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記１または複数のチューブが耐コーキング内部表面を有している請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
１または複数のチューブが、熱伝達を増加させるための１または複数の内部修飾物をさらに有している請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記１または複数のチューブが耐コーキング内部表面を有している請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記１または複数のチューブが、熱伝達を増加させるための１または複数の内部修飾物をさらに有している請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
反応のために熱の入力を必要とする化学反応に使用されるチューブであって、その外部表面にリブを有するチューブにおいて、前記リブは、
（ｉ）リブの高さと前記チューブの直径の比率（ｅ／Ｄ）が０．０５から０．３５までであり、
（ｉｉ）連続するリブの前縁と前縁の間の距離とリブの高さの比率（Ｐ／ｅ）が４０未満であり、また
（ｉｉｉ）リブの厚さとリブの高さの比率（ｔ／ｅ）が０．５から３までである
ことを特徴とするチューブ。
【請求項２２】
ステンレス鋼、鋳造合金、鍛錬用合金、炭素鋼およびセラミックからなる群から選択される材料から作られている請求項２１に記載のチューブ。
【請求項２３】
０．１から０．２５までのｅ／Ｄ比率を有している請求項２２に記載のチューブ。
【請求項２４】
２から２０までのＰ／ｅ比率を有している請求項２３に記載のチューブ。
【請求項２５】
１から２までのｔ／ｅ比率を有している請求項２４に記載のチューブ。
【請求項２６】
前記リブが、正方形、三角形、半円形および半楕円形からなる群から選択される断面プロファイルを有している請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記リブが、三角形、半円形または半楕円形の断面プロファイルを有している請求項２６に記載のチューブ。
【請求項２８】
前記リブが水平である請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記リブが螺旋状である請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
耐コーキング内部表面を有している請求項２８に記載のチューブ。
【請求項３１】
前記チューブが、熱伝達を増加させるための１または複数の内部修飾物をさらに有している請求項２８に記載のチューブ。
【請求項３２】
前記チューブが、熱伝達を増加させるための１または複数の内部修飾物をさらに有している請求項３１に記載のチューブ。
【請求項３３】
耐コーキング内部表面を有している請求項２９に記載のチューブ。
【請求項３４】
前記チューブが、熱伝達を増加させるための１または複数の内部修飾物をさらに有している請求項２９に記載のチューブ。
【請求項３５】
前記チューブが、熱伝達を増加させるための１または複数の内部修飾物をさらに有している請求項３４に記載のチューブ。
【請求項３６】
鋳造、機械加工および溶接からなる群から選択される１または複数の工程を含む、請求項２２に記載の金属チューブ上にリブを作る工程。
【請求項３７】
追加材料を付着させるステップを含む、請求項２２に記載の金属チューブ上にリブを作る工程。
【請求項３８】
鋳造および機械加工からなる群から選択される１または複数の工程を含む、請求項２２に記載のセラミック・チューブ上にリブを作る方法。
【請求項３９】
追加材料を付着させるステップを含む、請求項２２に記載のセラミック・チューブ上にリブを作る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温アプリケーションで使用するチューブに関するものである。より詳細には、このチューブは放射式加熱器で使用され、この加熱器では、主として放射によって熱伝達が行われ、しかし対流熱伝達もまた存在している。本発明はこの対流熱伝達に顕著な向上をもたらし、また放射熱伝達にも影響し得る。
【背景技術】
【０００２】
チューブおよびプレート熱交換器が周知である。典型的には、多数のプレートまたはフィンが取り付けられたチューブ内を熱流体が通過する。プレートあるいはフィンの寸法は、通常、チューブの直径の数倍であり、互いに近接してフィンが取り付けられる。熱交換器の目的は、伝導によって熱をプレートまたはフィンへ伝達し、次いで、空気などの流体の対流によって熱流体から熱を取り出すことである。本発明はフィン付き熱交換器を使用しない。
【０００３】
２００３年１１月１１日にＫｉｌｍｅｒらに対して発行された（且つＡｌｃｏａ社に譲渡された）米国特許第６，６４４，３８８号明細書には、熱伝達特性を向上させたシート製品が開示されている。このシートは、寸法が約１ミクロンないし５０ミクロンの多数のテクスチャード・フィーチャを有している。このシートは、フィンとして熱交換器上で使用することができ、あるいはチューブの形態にすることもできる。チューブは、その内側または外側をテクスチャー化することができる。しかしながらフィンはチューブの外側に取り付けられる（第４欄第３４〜３５行）。この特許は、ロール・シートでできたパイプが、放熱器、加熱器、蒸発器、イオル・クーラ、復水器などの冷却アプリケーションで使用されることを教示している。この特許は、これらのマイクロ・テクスチャが、加熱するパイプの表面で使用され得ることを示唆していない。
【０００４】
応用熱工学２４（２００４年）の第４３〜５７頁の文書「リブによる熱伝達の増大（Ｏｎ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｒｉｂｓ）」には、例えばフィンの表面にリブを配置することが開示されている。フィンからの熱伝達が、リブの高さおよびリブの傾斜角を始めとする多くの要因の関数として向上される。しかしこの論文は、環境から熱を奪うパイプの外部表面にリブを適用できることは示唆していない。
【０００５】
２００１年１１月に工業技術事務所（Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）により発行された文書「プロセス・ヒーターのための改良型熱交換器（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｈｅａｔｅｒｓ）」は、熱交換器の対流セクションでディンプル付きチューブを使用することを教示している。ディンプルは、平坦なチューブと比較して熱伝達を最大約３０％増加させ得る渦効果をもたらすが、この文書は、ディンプルではなくリブを使用することについては教示も示唆もしていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、例えばエチレン分解炉の放射セクションのチューブといった、高温の化学処理物質を運ぶチューブの熱伝達（吸収）を向上するための単純な解決法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、外部表面における熱伝達媒体の乱流を増すことによって内部プロセス流体を加熱するために使用される方法であって、外部熱伝達媒体から、放射式加熱器ボックス内の金属またはセラミックからなる群から選択される垂直表面への対流熱伝達を少なくとも５％増加させ、且つ上記表面への総熱流束を少なくとも２％増加させる方法が、上記外部表面にリブを形成するステップを含んでおり、このリブは、
（ｉ）リブの高さとチューブの直径の比率（ｅ／Ｄ）が０．０５から０．３５までであり、
（ｉｉ）連続するリブの前縁と前縁の間の距離とリブの高さの比率（Ｐ／ｅ）が４０未満であり、また
（ｉｉｉ）リブの厚さとリブの高さの比率（ｔ／ｅ）が０．５から３までである
ことを特徴とする方法が提供される。
【０００８】
本発明によれば、さらに、反応のために熱の入力を必要とする化学反応に使用されるチューブであって、その外部表面にリブを有するチューブにおいて、このリブは、
（ｉ）リブの高さとチューブの直径の比率（ｅ／Ｄ）が０．０５から０．３５まで、好ましくは０．１から０．３５までであり、
（ｉｉ）連続するリブの前縁と前縁の間の距離とリブの高さの比率（Ｐ／ｅ）が４０未満、好ましくは２から２０まで、最も好ましくは４から１６までであり、また
（ｉｉｉ）リブの厚さとリブの高さの比率（ｔ／ｅ）が０．５から３まで、好ましくは１から２までである
ことを特徴とするチューブが提供される。
【０００９】
本発明は、金属チューブ上にリブを構築するための、鋳造、機械加工および溶接からなる群から選択される１または複数の工程を含む工程をさらに有する。
【００１０】
また本発明は、セラミック・チューブ上にリブを構築するための、鋳造、機械加工または追加材料の付着からなる群から選択される１または複数の工程を含む工程を有する。
【実施例】
【００１１】
本発明を適用することができるチューブは、典型的には、反応を推進して完了させるため、あるいは所望の生成物を得るために熱を必要とする１または複数の反応物質の混合体を運搬する垂直チューブ（鉛直管）である。これらのチューブは、典型的には、対流加熱を用いて、あるいは対流熱および放射熱の組み合わせを用いて加熱される。例えば、エチレン・クラッカー（エチレン分解炉）の熱ボックスの場合、炉内のチューブは約８００℃から約１１５０℃までの温度、典型的には約９５０℃から１１００℃までの温度で運転される。
【００１２】
チューブは、ステンレス鋼、鋳造合金、鍛錬用合金、炭素鋼およびセラミックからなる群から選択された金属から作られていてもよい。これらの用語には当業者によく知られている。
【００１３】
鋼は炭素鋼とすることができ、あるいは鍛錬用ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、およびＨＰ、ＨＴ、ＨＵ、ＨＷおよびＨＸステンレス鋼、耐熱鋼、およびニッケル・ベース合金からなる群から選択することができるステンレス鋼であってもよい。鋼はまた高強度低合金鋼（ＨＳＬＡ）、高強度構造鋼あるいは超高強度鋼であってもよい。このような鋼の分類および組成は当業者に公知である。
【００１４】
一実施例では、鋼はステンレス鋼であり、好ましくは、１３から５０重量％まで、好ましくは２０から５０重量％まで、最も好ましくは２０から３８重量％までのクロムを典型的に含む耐熱ステンレス鋼である。またこのステンレス鋼は、２０から５０重量％まで、好ましくは２５から５０重量％まで、最も好ましくは２５から４８重量％まで、望ましくは約３０から４５重量％までのＮｉをさらに含んでいてもよい。ステンレス鋼の残部は実質的に鉄である。
【００１５】
本発明はまた、ニッケルおよび／またはコバルト・ベースの極オーステナイト（ｅｘｔｒｅｍｅ  ａｕｓｔｅｎｔｉｃ）系高温合金（ＨＴＡ）とともに使用することができる。通常この合金は、そのほとんどがニッケルまたはコバルトである。高温ニッケル・ベース合金は、典型的には、約５０から７０重量％まで、好ましくは約５５から６５重量％までのＮｉ、約２０から１０重量％までのＣｒ、約２０から１０重量％までのＣｏ、および約５から９重量％までのＦｅ、ならびに以下で言及する１または複数の微量元素の、組成を１００重量％にする残部を含む。高温コバルト・ベース合金は、通常、４０から６５重量％までのＣｏ、１５から２０重量％までのＣｒ、２０から１３重量％までのＮｉ、４重量％未満のＦｅ、以下で説明する１または複数の微量元素の残部、および最大２０重量％のＷを含む。成分の合計は１００重量％になる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施例では、鋼は、少なくとも０．２重量％で最大３重量％、典型的には１．０重量％で最大２．５重量％、好ましくは２％以下のマンガン、０．３から２重量％まで、好ましくは０．８から１．６重量％まで、典型的には１．９重量％未満のＳｉ、３重量％未満、典型的には２重量％未満のチタン、ニオブ（典型的には２．０重量％未満、好ましくは１．５重量％未満のニオブ）、他のすべての微量金属、および２．０重量％未満の量の炭素をさらに含んでいてもよい。
【００１７】
本発明の一実施例では、チューブの内側が耐コーキング表面を有していてもよい。
【００１８】
耐コーキング表面の一実施例は、厚さが１ミクロンから１０ミクロンまで、好ましくは２ミクロンから５ミクロンまでのスピネル外部表面またはオーバコーティングを有し、ｘが０．５から２まで、好ましくは０．８から１．２まで、最も好ましくは１である（スピネルが、化学式ＭｎＣｒ２Ｏ４を有している）化学式ＭｎｘＣｒ３−ｘＯ４のスピネルからなる群から選択される。
【００１９】
表面層またはオーバコーティング全体の厚さは、２ミクロンから３０ミクロンまでである。表面層は少なくとも外部表面を有し、その厚さは好ましくは１ミクロンから１０ミクロンまであり、２ミクロンから５ミクロンであることが好ましい。クロミア層の厚さは通常、最大２５ミクロンであり、一般的には５ミクロンから２０ミクロンまで、好ましくは７ミクロンから１５ミクロンまでである。上で言及したように、スピネルがクロミア幾何学表面領域を覆っている。クロミアのみの、その上を覆っているスピネル層を有していない極めて小さい表面領域が存在していることがあり、その意味では、層状表面は非一様であると言える。クロミア層は、スピネルの８０％以上、好ましくは９５％以上、最も好ましくは９９％以上で下に敷かれていること、あるいは隣接していることが好ましい。
【００２０】
このようなコーティングすなわち上を覆う表面は、例えば爆発ガン溶射、セメント・パッキング、表面硬化、レーザ・クラッディング、プラズマ溶射（例えば低圧プラズマ溶射）、物理蒸着法（陰極アーク・スパッタリング、ＤＣ、ＲＦ、マグネトロンを始めとするＰＶＤ）、フレーム溶射（例えば高圧／高速酸素燃料（ＨＰ／ＨＶＯＦ））、電子ビーム蒸発および電気化学方式を始めとする従来のコーティング・プロセスを用いた溶射技法などの多くの方法を使用して加えることすなわち生成することができる。またこれらの方法を使用して、セラミック表面あるいは金属表面にリブを適用することも可能である。さらに、これらの方法を組み合わせて使用することも可能である。典型的には、目標とする組成を有する粉末が基板に塗布される。
【００２１】
表面は、熱処理を施すことによって生成してもよい。このような熱処理の１つは、
（ｉ）５０から１００重量％まで、好ましくは６０から１００重量％までの水素と、０から５０重量％まで、好ましくは０から４０重量％までの１または複数の不活性ガスとを含む還元性雰囲気中で、１時間当たり１００℃ないし１５０℃、好ましくは１２０℃から１５０℃までの速さで、８００℃から１１００℃の温度までステンレス鋼を加熱するステップと、
（ｉｉ）続いて５時間から４０時間まで、好ましくは１０時間から２５時間まで、最も好ましくは１５時間から２０時間までの時間期間の間、３０から５０重量％までの空気および７０から５０重量％までの１または複数の不活性ガスの混合物と等価の酸化能力を有する８００℃から１１００℃までの温度の酸化環境にステンレス鋼を晒すステップと、
（ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）で得られたステンレス鋼を、ステンレス鋼の表面を損傷しない速度で室温まで冷却するステップと
を含む。
【００２２】
不活性ガスは当業者に公知であり、ヘリウム、ネオン、アルゴンおよび窒素があるが、窒素もしくはアルゴンであることが好ましい。
【００２３】
上記プロセスのステップ（ｉｉ）における酸化環境は、４０ないし５０重量％の空気、および１または複数の不活性ガス（好ましくは窒素、アルゴンもしくはそれらの混合物）の残部を含んでいることが好ましい。
【００２４】
上記プロセスのステップ（ｉｉｉ）では、処理済みステンレス鋼の冷却速度は、処理済み表面の破砕を防止する速度でなければならない。通常、処理済みステンレス鋼は、１時間当たり２００℃未満の速度で冷却される。
【００２５】
もう１つの耐コーキング表面は、９０から１０重量％まで、好ましくは６０から４０重量％まで、最も好ましくは４５から５５重量％までのスピネル（例えばｘが０．５から２までであるＭｎｘＣｒ３−ｘＯ４）、および１０から９０重量％まで、好ましくは４０から６０重量％まで、最も好ましくは５５から４５重量％までのＭｎ、Ｓｉの酸化物であって、ＭｎＯ、ＭｎＳｉＯ３およびそれらの混合物からなる群から選択される公称化学量論を有する酸化物を含む。
【００２６】
酸化物がＭｎＯの公称化学量論を有している場合、１原子％から５０原子％までのＭｎを表面に存在させることができる。酸化物がＭｎＳｉＯ３である場合、１原子％から５０原子％の量のＳｉを表面に存在させることができる。
【００２７】
耐コーキング表面は、約１０ミクロンから５，０００ミクロンまで、典型的には１０ミクロンから２，０００ミクロンまで、好ましくは１０ミクロンから１，０００ミクロンまで、望ましくは１０ミクロンから５００ミクロンまでの厚さにすることができる。基板表面は通常、ステンレス鋼基板の表面の少なくとも約７０％、好ましくは８５％、最も好ましくは９５％以上、望ましくは９８．５％以上を覆っている。
【００２８】
耐コーキング表面は、上で言及した熱処理を使用して生成することができ、あるいは上で言及した技法を使用して適用（塗布）することができる。
【００２９】
チューブあるいはリブは、上で言及した温度で有用なセラミック金属とすることができる。適用可能なセラミックの１つは炭化ケイ素である。
【００３０】
リブは、任意の多くの方法（上で言及した他の材料の付着を含む）を使用してチューブの外部表面に設けることができる。リブの形状は（形成）型の一部とすることができ、またチューブは成形が可能である。リブは、チューブの表面に機械加工してもよい（例えばリブとリブの間にギャップを機械加工することによってリブが生成される）。
【００３１】
リブの断面は、正方形、三角形、半円および半楕円（半楕円形状）などの多数の形状から選択される形状を有することができる。
【００３２】
チューブは、反応物の流れ、典型的には流体もしくは液体、好ましくはガスの流れを加熱する必要があるあらゆるアプリケーションに使用することができる。いくつかの反応物は、クラッキング（分解）すべきエタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ガス油およびそれらの混合物を含み、これらは希釈蒸気をさらに含んでいてもよい。チューブは、典型的には、対流ゾーンまたは対流／放射加熱ゾーンを通っていてもよい。このような加熱ゾーンにおける熱伝達媒体は、通常、水素、炭化水素（典型的にはＣ１−１０、脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素）、もしくはそれらの混合物の燃焼生成物からなる群から選択されるガスなどの気体媒体である。一実施例では、炭化水素は、Ｃ１−４パラフィンおよびそれらの混合物とすることができる。
【００３３】
本発明によるリブ付きチューブまたはパイプのとりわけ有用なアプリケーションは、オレフィン（例えばエチレン、プロピレン、ブテンなど）への炭化水素（例えば希釈蒸気を含むエタン、プロパン、ブタン、ナフサおよびガス油もしくはそれらの混合物）のクラッキングに使用される炉用チューブまたはパイプである。一般的にこのような運用では、外径の範囲が、典型的には３．８１ｃｍから２０．３２ｃｍまで（１．５インチから８インチまで）（例えば典型的な外径が約５ｃｍ（２インチ）、約７．６ｃｍ（３インチ）、約８．９ｃｍ（３．５インチ）、約１５．２ｃｍ（６インチ）および約１７．８ｃｍ（７インチ））のチューブ、パイプもしくはコイルに気体の形で供給材料（例えばエタン）が供給される。チューブまたはパイプは、一般的に約９００℃から１１００℃までの温度に維持される炉であって、出口ガスの温度が通常は約８００℃から９００℃までである炉の中、典型的には放射炉（ある程度の量の対流熱伝達を有している）の中を通っている。供給材料は、炉の中を通過する際に水素（および他の副産物）を放出し、不飽和状態（例えばエチレン）になる。このようなプロセスの温度、圧力および流量など典型的な動作条件は当業者に周知である。
【００３４】
本発明の他の実施例では、チューブは、熱伝達を改善するための、螺旋状フィン、ビーズ、施条もしくはそれらの組み合わせなどの内部表面修飾物をチューブの内側にさらに有していてもよい。例えば、株式会社クボタに譲渡されたＳｕｇｉｔａｎｉらに対する１９９９年９月１４日発行の米国特許第５，９５０，７１８号明細書には、内部螺旋リブまたはビーズの一実施例が記載されている。フィンもしくはビーズがチューブの内部表面に螺旋状突起を形成している。フィンもしくはビーズとチューブの縦軸との交点の角度は、円周Ｓにおけるフィンのピッチ（ｐ）でシータ（θ）である（Ｓ＝πＤであり、Ｄはチューブの内径である）。単一螺旋突起すなわちビーズによって形成されるフィンのピッチｐは、螺旋突起の一点がチューブの軸線の周りに完全に１回転した場合に進む軸方向の距離に等しい（すなわち、リードＬ＝πＤ／ｔａｎθ）。螺旋フィンのピッチ（ｐ）は、隣接する螺旋突起間の間隔（軸線方向の距離）として随意に決定することができる。通常、１または複数の内部フィンが１ｍｍから１５ｍｍまでの高さを有することができ、また１５°から４５°まで、好ましくは２５°から４５°までの交差角度（θ）に対して、２０ｍｍから３５０ｍｍまでのピッチにすることができる。
【００３５】
理論に制約されることなく、熱流体もしくはガスの流れが本発明によるリブを通過する時、パイプの表面で流体中に旋回乱流が生成されると信じられている。伝導流体の新しい表面がチューブもしくはパイプと接触するので、この旋回乱流には、流体からの伝導熱伝達を改善する傾向がある（例えば境界層中に還元を引き起こす）。
【００３６】
ここで、本発明は、以下の実施例／シミュレーションによって説明される。
【００３７】
「実施例」
モデル化するために、本出願人は、チューブの表面を表すために８５，０００個のグリッド・セルを有する三次元メッシュに対して、Ｆｌｕｅｎｔ（登録商標）ソフトウェアを使用して計算流体力学（ＣＤＦ）技術を使用した。
【００３８】
炉用コイル・チューブのエレメントの定常状態の熱伝達は、しばしば、
ｑ＝ＵＡΔＴ                      （１）
の関係で定義される総合熱伝達係数Ｕによって表される。ここで、Ａは、熱伝達に適した面積の一部である。等価電気抵抗（図１）を使用すると、上の式は、
【数１】
2006112777.tif 000003
で表すことができる。ここで、ｈｏおよびｈｉは、それぞれ外部および内部対流熱伝達係数であり、ｋは壁の熱伝導率、Ｆｓは形状係数、εｇおよびεｇ／ｗは、それぞれガス発散率パラメータおよびガス吸収率パラメータ、σはステファン−ボルツマン定数、Ｔｗ，ｏは、チューブの外部表面の壁の温度である。分母の３つの項は、それぞれ外部表面の熱伝達抵抗Ｒｏ、チューブ壁の熱伝達抵抗Ｒｗおよび内部表面の熱伝達抵抗Ｒｉを表している。チューブの外部表面の壁の温度Ｔｗ，ｏが未知であるため、式（２）は、次の式（３）と共に反復して解かなければならない。
【数２】
2006112777.tif 000004
【００３９】
外部チューブ壁の対流熱伝達係数ｈｏは、垂直チューブ［１３］からの自由対流の表現式から予測することができる。
【数３】
2006112777.tif 000005
ここで、ｌｐは、単一チューブ通路の垂直方向のチューブの長さである。
【００４０】
滑らかなパイプの場合、次の関係を使用して、内部チューブ壁に沿った対流熱伝達係数ｈｉを予測することができる。
ｈｉ＝０．０２３Ｒｅ０．８Ｐｒ０．４        （５）
ここで、すべての特性は、チューブ内のプロセス・ガスの体積温度で計算される。表１は、商用エタン・クラッキング炉の典型的な条件を示す。
【００４１】
【表１】
2006112777.tif 000006
【００４２】
表１に示す炉条件の場合、以下の通りに３つの抵抗が予測される。
Ｒｏ＝０．０４３０ｍＫ／Ｗ
Ｒｗ＝０．０００４１５ｍＫ／Ｗ
Ｒｉ＝０．００２３８ｍＫ／Ｗ
【００４３】
（計算流体力学ＣＦＤの考察の妥当性確認）
計算モデルの妥当性を確認するために、計算モデルを実行して、ｅ／Ｄ＝０．０２およびＰ／ｅ＝４０の内部横方向リブのケースをシミュレーションした。計算は、Ｗｅｂｂ，Ｒ．Ｌ．，Ｅｃｋｅｒｔ，Ｅ．Ｒ．Ｇ．＆Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，Ｒ．Ｊ．「反復リブ粗さを有するチューブの熱伝達および摩擦（Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ａｎｄ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｉｎ  Ｔｕｂｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｒｅｐｅａｔｅｄ−Ｒｉｂ  Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）」（Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｖｏｌ．１４，６０１〜６１７頁，１９７１年）に示されるデータと比較された。
【００４４】
表２は、計算モデルを使用した計算結果と、上記文書に示された実際の結果とを示したものである。
【００４５】
【表２】
2006112777.tif 000007
【００４６】
内部の流量が実際の流量の５％内までモデル化されているので、ＣＦＤモデル化は、提案されている外部修飾物に対して間違いなく十分に正確であることが結論付けられた。
【００４７】
（実験１）
この考察の第１の部分では、正方形のリブの高さ、間隔および厚さが変更された。表３は、総合的な結果を示したものである。第１のケース（１）の場合、リブの間隔（Ｐ／ｅ）が狭すぎ、またリブとリブの間のギャップにわたって再循環領域がセット・アップされているので、リブの有効性が損なわれている。第２のケース（２）では、炉内の対流の流れへのリアタッチメント・ポイント（再付着点）がリブとリブの間に存在しているので、結果がより良好になっている。リブの間隔をさらに広くすると（ケース３）、リブとリブの間の距離が長いため、熱流束の増加が減少し始める。これらの結果は、外部リブを使用することによって対流／伝導熱伝達を約２０％増加させることができること、またリブの幾何形状を最適化することによって、間違いなく対流／伝導熱伝達をさらに増加させることができることを示している。
【００４８】
次に、相対リブ高さｅ／Ｄを半分に縮小した（ケース４および５）ところ、熱流束が著しく減少した。これは、チューブの周りの外部流れ場に対する小型リブの影響が些細であることによるものである。
【００４９】
【表３】
2006112777.tif 000008
【００５０】
表３に示す温度変化は、チューブ壁の内部と外部の間の最大温度差を意味する。温度差が大きくなるほど外部熱伝達の効果がより著しいことを示している。
【００５１】
（実験２）
次に、リブの高さ、厚さおよび間隔を一定に維持した状態でリブの幾何形状を比較した。図２に示す正方形、半円形および三角形のリブ幾何形状がシミュレーションされた。表４は、その結果を示したものである。半円形および三角形の形状は、外部コーティング処理によってより容易に製造することができるので選択されている。
【００５２】
【表４】
2006112777.tif 000009
【００５３】
正方形リブの場合、他の２つの幾何学構成とは対照的に、炉ガスのリブ間への侵入を許容しないため、対流熱伝達が極めて不十分である。また、三角形リブはリブの根元部分から先端部分への温度勾配が最も小さく、半円形の場合、それにはやや及ばないが、三角形リブの次に温度勾配が小さい。正方形リブは、根元部分から先端部分への温度勾配が最も大きい。
【００５４】
（実験３）
よりサイズの小さいチューブに対する外部リブの効果を評価するために、よりサイズの小さいチューブ（直径３．８１ｃｍ（１．５インチ））に半円形リブを使用して、いくつかのシミュレーションを実施した。図３は、計算領域の幾何形状を示したものであり、表５はシミュレーションの結果を示したものである。
【００５５】
【表５】
2006112777.tif 000010
【００５６】
これらの結果は、リブの間隔に関しては同様の傾向である（すなわち間隔が広いほど、より良好な熱伝達が得られる）が、より細いチューブは、同じ相対幾何学条件の場合、より太いチューブより熱伝達の増加がやや小さいことを示している。これは、恐らくチューブ壁がより薄いことによるものと思われる（０．３２ｃｍ（０．１２５インチ）対０．６４ｃｍ（０．２５インチ））。
【００５７】
（実験４）
最後に、正方形リブ幾何形状のケース２における放射の効果を考察した。炉壁の発散率を０．９、チューブの発散率を０．６と仮定した。表６は、考察の結果を示したものである。
【００５８】
【表６】
2006112777.tif 000011
【００５９】
総合結果は、一次元熱伝達解析と比較的一致しており、対流熱伝達の百分率が増加すると、その対流熱伝達の百分率増加の大まかに１／１０だけ総合熱伝達が増加することを示している。しかしながら放射がない場合と比較すると、熱伝達のレベルははるかに大きい。これは恐らく、Ｆｌｕｅｎｔに使用される放射熱伝達モデルによるものと思われ、発散率および壁のモデルが正確でない場合、誤った結果をもたらし得る。
【００６０】
（結論）
ＣＦＤを使用した、外部横方向反復リブを備えた炉用チューブに対するパラメトリック熱伝達考察の結果は、外部リブを使用して対流／伝導熱伝達を２０％増加させることができることを示している。対流／伝導熱伝達が２０％増加することにより、炉用チューブ・システムの総合熱伝達効率が３〜５％向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】炉用チューブ壁を介した熱伝達と類似した熱抵抗を示す図である。
【図２】直径１５．２４ｃｍ（６インチ）のチューブの外側に正方形のリブが横方向に反復した計算領域を示す図である。１６７３Ｋの煙道ガスが炉壁と炉用チューブの外側の間を速度２．４ｍ／ｓで上昇している。８７３Ｋのエタン・ガスが１．３８ｋｇ／ｓの割合でチューブ内を上昇している。
【図３】直径３．８１ｃｍ（１．５インチ）のチューブの外側に半円形のリブが横方向に反復した計算領域を示す図である。条件は、図２の条件と同じ条件である。
【符号の説明】
【００６２】
ｈｉ  内部対流熱伝達係数
ｈｏ  外部対流熱伝達係数
ｑ  定常状態の熱伝達
Ｒｉ  内部表面の熱伝達抵抗
Ｒｏ  外部表面の熱伝達抵抗
Ｒｗ  チューブ壁の熱伝達抵抗
Ｔｗ，ｏ  チューブの外部表面の壁の温度
【図１】
2006112777.tif 000012
【図２】
2006112777.tif 000013
【図３】
2006112777.tif 000014
【外国語明細書】
2006112777000001.pdf