(57)【要約】【課題】輻射型レキュペレータに関し、伝熱効率を良くし、小型化が可能な輻射型レキュペレータおよびそれを用いた熱交換システムを提供することを目的とする。【解決手段】高温流体と低温流体が導入される輻射型レキュペレータであって、当該流体の少なくとも一方の流路を形成する壁面に複数の窪みを有するとともに、一方の流路を形成する壁面が他の流路を形成する壁面よりも平滑度が高いことを特徴とする。ここで、前記輻射型レキュペレータが二重管構造を有し、内管に前記高温流体を導入するとともに、該内管の外面に複数の窪みを有することが好ましい。また、高温の炉内排気流体および低温の空気を並流または向流として導入する炉内加熱用熱交換システムへの適用に好適である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体と低温流体が導入される輻射型レキュペレータであって、当該流体の少なくとも一方の流路を形成する壁面に複数の窪みを有するとともに、一方の流路を形成する壁面が他の流路を形成する壁面よりも平滑度が高いことを特徴とする輻射型レキュペレータ。
【請求項２】
前記輻射型レキュペレータが二重管構造を有し、内管に前記高温流体を導入するとともに、該内管の外面に複数の窪みを有することを特徴とする請求項１に記載の輻射型レキュペレータ。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載の輻射型レキュペレータに、高温の炉内排気流体および低温の空気を並流または向流として導入することを特徴とする炉内加熱用熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輻射型レキュペレータに関するもので、例えば、各種溶融炉用の予熱器や熱交換器として特に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バーナ式灰溶融炉あるいは熱分解ガス化溶融炉においては、反応用あるいは熱処理用として炉内に高温の空気が供給される一方、炉内で反応あるいは処理を完了した高温ガスは、所定の処理を施した後大気に放出される。従来、こうした排ガスの廃熱を前記加熱用空気の予熱用に利用するために、各種の熱交換器が用いられているが、排ガス中には非常に多くのダストを含むことがあり、ダストが多い高温ガスと空気の熱交換は、ダスト付着による伝熱特性の低下の問題から複雑な構造がとれないために高い変換効率を得ることが困難な場合が多い。
【０００３】
このため、例えば、図７（Ａ）や（Ｂ）に示すような輻射型レキュペレータでは、２重管構造の輻射型レキュペレータの内管内部に高温排ガスＨが保有していた熱の一部が内管１の管壁を介して内管外部を流れる空気Ｌに伝達されるとともに、内管１の管壁の温度上昇に伴う輻射によって、空気Ｌの温度が上昇する。こうして、排ガスＨと空気Ｌとの間における熱交換が円滑に行われるが、さらに、伝熱面の伝熱効率を高めるために、図８に示すようにフィンや溝などを設け必要伝熱面積を大きくすることによって熱伝達を促進してきた。
【０００４】
また、伝熱面に窪みを設けることによって、伝熱面積を増やして伝熱性能を高めるとともに、面上での流体の撹拌を促進し吸収性能を高めるなど、様々な形状の熱交換器が提案されている（例えば特許文献１または２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３０７７８８号公報
【特許文献２】
特開平８−２４７３４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法は加工コストの問題や、圧力損失の増加、すなわち流体輸送動力の増加につながっている。つまり、フィンや溝の追加は複雑な加工を必要とし、材料面あるいは工数面での負荷の増大を招く一方、フィンの存在は、ダストが多く含まれる高温排ガスにとっては、ダストの付着や凝集による伝熱効率の低下に加え流路の狭小・抵抗の増加を招く原因となり、また、空気側にフィンを設けること場合にあってもフィンの存在による流路の抵抗の増加の影響は無視できないことが多い。従って、所望の伝熱効率を確保するためには、熱交換部を大きくすることが必要となり、装置が拡大を招来することとなる。
【０００７】
また、伝熱面に窪みを設けた場合にあっても、窪みの存在だけの伝熱効率の改善は限界があり、また窪みの形状によってはダストの付着や凝集を招くことがある。ダストの付着や凝集を招かないような浅い窪みは、表面積の増加はあってもその増加分に見合った伝熱効率の向上に結びつかないことが多く、むしろ、流れの乱れによる圧力損失の増大を招くこととなる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ダストが多く含まれる高温排ガスと空気とで熱交換を行う輻射型レキュペータの伝熱効率を良くし、小型化が可能な輻射型レキュペレータおよびそれを用いた熱交換システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意研究したところ、以下に示す輻射型レキュペレータおよびそれを用いた熱交換システムにより上記目的をできることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、高温流体と低温流体が導入される輻射型レキュペレータであって、当該流体の少なくとも一方の流路を形成する壁面に複数の窪みを有するとともに、一方の流路を形成する壁面が他の流路を形成する壁面よりも平滑度が高いことを特徴とする。平滑度を上げることで、ダスト等の付着・成長を防ぐとともに、伝熱面における所定の形状を有する複数の窪みの存在は伝熱効率を上げ、かつ、容易な加工を実現することができる。従って、ダストが多く含まれる高温排ガスと空気とで熱交換を行う輻射型レキュペータの伝熱効率を良くし、小型化が可能な輻射型レキュペレータおよびそれを用いた熱交換システムを提供することが可能となる。
【００１１】
また、前記輻射型レキュペレータが二重管構造を有し、内管に前記高温流体を導入するとともに、該内管の外面に複数の窪みを有することを特徴とする。こうした構成によって、ダスト等の付着・成長を防ぎ、かつ流体の圧力損失の軽減を図りつつ、より伝熱効率を良くすることが可能となる。
【００１２】
本発明は、炉内加熱用熱交換システムであって、前記請求項１または２に記載の輻射型レキュペレータに、高温の炉内排気流体および低温の空気を並流または向流として導入することを特徴とする。上記の輻射型レキュペレータの特性を活かし、炉ガス中のダストや腐食性物質の存在による悪影響を受けずに、効率的な廃熱の活用を図ることができる熱交換システムを供給することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明は、高温流体と低温流体が導入される輻射型レキュペレータであって、当該流体の少なくとも一方の流路を形成する壁面に複数の窪みを有するとともに、一方の流路を形成する壁面が他の流路を形成する壁面よりも平滑度が高いことを特徴とする。つまり、本発明者は、平滑度を高くするとダスト等の付着・成長が少なくなるが伝熱効率は低下する一方、伝熱面に設けられたディンプル上を流体が流れると、流体が撹拌され熱伝達率が改善され、かつ、容易な加工を実現することができることを見出したもので、これを組合せることで、従来にない伝熱効率の良い、小型の輻射型レキュペレータが可能となったものである。特に、ダスト濃度が高い高温排ガス（腐食性ガス）と空気とで熱交換が行われる熱交換器において、空気側の伝熱面にディンプルを複数個設置していること及び排ガス側の伝熱面の平滑度を上げることで、伝熱効率を上げ、かつ、ダスト等の付着・成長を防ぐとともに、容易な加工を実現することができる。なお、本発明にいう「平滑度」とは、窪みや膨らみ加工に伴う表面の凹凸状態だけでなく、表面粗さを含む概念である。
【００１４】
本発明の実施態様の一例を図１に示す。
図１（ａ）に示すように、流路を形成する壁面１の表面に複数の窪み３が加工されており、伝熱効果を高めている。窪みの配置は、図１（ｂ）あるいは図１（ｃ）のような配列を含め、任意に設定可能であるが、本発明者の知見によれば、空気流速を１０〜３０ｍ／ｓとした場合において、窪み深さ１〜６ｍｍ、窪み径２〜３０ｍｍ、窪みピッチ２．１５〜６０ｍｍが好ましい。
【００１５】
図２に上記伝熱面の断面を示す。特に、高温排ガスを平滑面Ｂ側に流し、空気をディンプル加工面Ａに流すことで、ダスト等の付着・成長を防ぐとともに、伝熱効率を良くすることが可能となる。
【００１６】
また、前記輻射型レキュペレータの両方の流路に複数の窪みを形成する壁面を有するとともに、該壁面の窪みの形状が各流路によって異なることが好ましい。つまり、排ガス側の伝熱面の平滑度を上げるとともに、図３に示すように、空気側の伝熱面Ａに設けられたディンプル３とは異なった形状のディンプル３を設けることで、より伝熱効率を良くするとともに、ダスト等の付着・成長を防ぐことが可能となる。ここで、ダスト等の付着のおそれのある排ガス面Ｃは、空気面Ａのディンプル３よりも浅くする（ｄ１  ／ｗ１  ＜ｄ２  ／ｗ２  ）ことで、窪みでのダストの付着等を防止することができる。
【００１７】
さらには、一方の流路に複数の窪みを形成する壁面を有するとともに、他の流路の壁面には前記窪みの位置に対応する位置に複数の膨らみを形成し、かつ、両者の断面形状が各流路によって異なることが好ましい。つまり、排ガス側の伝熱面の平滑度を上げるとともに、図４（ａ）に示すように、空気側の伝熱面Ａに設けられた窪み３とは異なった形状の膨らみ４を排ガス面Ｄに設けることで、より伝熱効率を良くするとともに、ダスト等の付着・成長を防ぐことが可能となる。特に、平面状よりも伝熱効率を上げる必要があり、かつ、窪みのピッチｐが短い場合には、図３のような構成が難しく、排ガス面Ｄに膨らみ４を形成することで壁面を薄くして伝熱効率の向上を図るとともに、Ｄ’部が実質的に窪みとなることから、上記同様の効果を得ることができる。このとき膨らみ４の形状を、ｄ３  ／ｗ３  ＜ｄ２  ／ｗ２  とすることで、面Ｄの平滑度を確保している。むろん、図３と図４（ａ）とを組み合わせた、図４（ｂ）に示すような構成も可能であり、空気面Ｅおよび排ガス面Ｆにおいて同様の技術的効果を得ることができる。
【００１８】
また、前記輻射型レキュペレータが二重管構造を有し、内管に前記高温流体を導入するとともに、該内管の外面に複数の窪みを有することを特徴とする。つまり、管状体では、内壁面よりも外壁面の表面積が大きく、かつ、流路の高さ方向への広がりが大きいことから、上述の窪みの設置を外壁面に施すことで、より伝熱効率を良くすることが可能となる。このとき、ダストが多く含まれる高温排ガスを内管内部に流すことで、ダスト等の付着・成長を防ぎ、流体の圧力損失の軽減を図ることができる。また、図５に示すように、外管２と内管１とで囲まれた流路を流れる流体は、一部窪み３に導入され、窪み３でウズ流を発生し、それ以外の流体は直進する。これらは、窪み３通過直後に合流するが、流路が狭いことからウズ流によって撹拌・混合され両者は上手く熱伝達を行うことができる。
【００１９】
本発明者の知見によれば、上述の窪み形状を有する管を用い、空気流速を１０〜３０ｍ／ｓとした場合において、内管外径と外管内径との隙間長さが１０〜２００ｍｍが好ましい。こうした条件によって、空気側の熱伝達率が約１．２〜１．６倍に増加する一方、摩擦係数の増加は熱伝達率の増加を略上回らないという好結果が得られた。また、このとき、排ガス側の伝熱面を平滑面にすると、ダスト付着の問題は従来と変わらない。
【００２０】
また、本発明は、上記の輻射型レキュペレータを用いた炉内加熱用熱交換システムであって、高温の炉内排気流体および低温の空気を並流または向流として導入することを特徴とする。上記の輻射型レキュペレータの特性を活かし、高温の炉内排気流体のエネルギーを炉内加熱用流体の予熱用として利用し、反応用あるいは熱処理用として炉内に供給される空気の予熱を行うことができる。つまり、上記炉ガス中には大量のダストや腐食性物質が存在するが、本発明に係る輻射型レキュペレータを用いることで、こうしたダスト等の悪影響を受けずに、効率的な廃熱の活用を図ることができる熱交換システムを供給することができる。バーナ式灰溶融炉あるいは熱分解ガス化溶融炉において、特に有効である。
【００２１】
図６に、本発明の実施態様の一例として、バーナ式灰溶融設備のフロー例を示す。上記発明に係る輻射型レキュペレータを空気予熱器５として用い、送風機からの空気を予熱して燃焼用空気として溶融炉に供給される一方、溶融炉からの排気ガスが二次燃焼塔を経由して導入されさらに減温・処理されて放出される。高温高ダストの排気ガスと低温空気との熱交換を効率よくかつトラブルなく行うことで、本システム全体の円滑な運転が可能となる。
【００２２】
なお、図においては、並流式の輻射型レキュペレータを例示したが、むろん向流式の場合についても同様の効果が得られる。一般には両者の温度勾配を小さくするなどの目的で用いられることが多い。
【００２３】
具体的に伝熱効率の向上によるエネルギー低減効果を試算すると、例えば、上記溶融炉における灰処理装置の他の要素を代えずに、空気予熱器の燃焼空気熱量が約１．２５倍に増加したと仮定すると、約１５ｔ／ｄａｙの灰処理規模において、表１のように灯油換算で約２．７％低減できるとの結果が得られた。
【表１】
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【００２４】
以上は、バーナ式灰溶融炉あるいは熱分解ガス化溶融炉等の反応用あるいは処理用空気の予熱器を中心に述べたが、同様の技術は、シェルアンドチューブ型熱交換器、ボイラ水管あるいはプレート式熱交換器など各種の熱交換器についても適用されるものである。特に廃熱利用によるシステムに適用する場合にあっては、本発明の適用は非常に有効であり、上記に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。実施例等における評価項目は下記のようにして算出した。なお、本発明がかかる実施例、評価方法に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００２６】
＜評価項目＞
（１）吸熱量
吸熱量Ｑは、以下の式により算出した。
Ｑ＝Ｋ×ΔＴ×２π×Ｌ
１／Ｋ＝１／（αｇ  ×ｒｇ  ）＋ｌｏｇ（ｒａ  ×ｒｇ  ）／λ＋１／（αａ  ×ｒａ  ）
ΔＴ＝（Δ１  −Δ２  ）／ｌｎ（Δ１  ／Δ２  ）
Δ１  ＝Ｔｇｉｎ  −Ｔａｉｎ
Δ２  ＝Ｔｇｏｕｔ−Ｔａｏｕｔ
ここで、Ｋ：熱貫流係数、ΔＴ：対数平均温度差、Ｌ：伝熱管長さ、α：熱伝導係数、ｒ：内筒半径、λ：熱伝導度、ｇ：排気ガス、ａ：空気という。
（２）熱伝達率
熱伝達率ｈは、以下の式により算出した。
ｈ＝Ｋ／Ａ
ここで、Ａ：有効伝熱面積をいう。
（３）圧力損失
圧力損失は、差圧ΔＰより算出した。
（４）摩擦係数
摩擦係数ζは、以下の式により算出した。
ΔＰ＝ζ×Ｌ／ｄ×ρ／（２ｕ２  ）
ここで、ｄ：相当直径、ρ：密度、ｕ：流速をいう。
【００２７】
＜実施例＞
二重管構造の熱交換器の内管外壁に窪みを設け、窪みの深さ、直径、ピッチをパラメータとして、その効果を確認した。熱交換器としては、図７（Ａ）に示すような構造で、外管内径２５４．６ｍｍ、内管外径２３４．２ｍｍ、内管内径２２２．２ｍｍ、内々管内径２０８．２ｍｍとした。
【００２８】
＜評価結果＞
以上の実施例の評価結果を表２にまとめる。
【表２】
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表２の結果より、本発明における窪みの設置による優れた伝熱効果が得られることは明らかである。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、高温流体と低温流体が導入される輻射型レキュペレータであって、流路を形成する壁面の平滑度を上げることで、ダスト等の付着・成長を防ぐとともに、複数の窪みの存在によって、ダストが多く含まれる高温排ガスと空気とで熱交換を行う輻射型レキュペータの伝熱効率を良くし、小型化が可能な輻射型レキュペレータおよびそれを用いた熱交換システムを提供することが可能となる。
【００３０】
また、輻射型レキュペレータが二重管構造を有し、内管に前記高温流体を導入するとともに、該内管の外面に複数の窪みを有することによって、ダスト等の付着・成長を防ぎ、かつ流体の圧力損失の軽減を図りつつ、より伝熱効率を良くすることが可能となる。
【００３１】
さらに、上記輻射型レキュペレータの特性を活かし、炉内加熱用熱交換システムに適用して高温の炉内排気流体および低温の空気を並流または向流として導入することで、炉ガス中のダストや腐食性物質の存在による悪影響を受けずに、効率的な廃熱の活用を図ることができる熱交換システムを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の態様の一例を示す説明図
【図２】本発明の実施の態様の一例を示し、伝熱面の断面図を示す説明図
【図３】本発明の他の実施の態様例を示す説明図
【図４】本発明の他の実施の態様例を示す説明図
【図５】本発明の実施の態様の一例を示し、伝熱面での流体の状態を示す説明図
【図６】本発明の実施の態様である熱交換システムを適用した一例を示す説明図
【図７】基本的な輻射型レキュペレータを示す説明図
【図８】従来技術の一例を示す説明図
【符号の説明】
１    壁面（内管）
２    外管
３    窪み
５    空気予熱器
【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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