(57)【要約】【課題】燃焼排気ガスからの熱の回収率を向上して一層省エネルギー化を図ることができる熱交換装置を提供する。【解決手段】外管１と内管２とを二重管状に設けたシングルエンド式の伝熱管の熱交換部３を燃焼排気ガスが流れる排気路４内に配置し、外管１と内管２との間の外側通路Ｓ１及び内管２内の内側通路Ｓ２に流したエアと外管１外を通る燃焼排気ガスとを熱交換させてエアを加熱するようにした熱交換装置である。これにおいて、外面側から内面側に向けて凹没する凹条部５を外管１の周方向に環状で且つ外管１の長手方向に亙るように設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外管と内管とを二重管状に設けたシングルエンド式の伝熱管の熱交換部を燃焼排気ガスが流れる排気路内に配置し、外管と内管との間の外側通路及び内管内の内側通路に流したエアと外管外を通る燃焼排気ガスとを熱交換させてエアを加熱するようにした熱交換装置において、外面側から内面側に向けて凹没する凹条部を外管の周方向に環状で且つ外管の長手方向に亙るように設けたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
エアが外管と内管との間の外側通路を基部側から先端に向けて流れると共に外管の先端で折り返して内管内の内側通路を先端から基部に向けて流れるようにし、内管の先端の内部を二分するように仕切る整流板を外管の先端から内管内に突設したことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
外管の先端の外面側に設けた充填凹所に断熱材を充填したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかの熱交換装置とバーナとを一体に設けて熱交換部で熱交換することで加熱されたエアをバーナの燃焼用のエアとして用いるようにしたことを特徴とする燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理炉、鍛造炉、非鉄金属溶解炉等の加熱炉で燃焼した燃焼排気ガスの熱を回収することで省エネルギー化を図るようにした熱交換装置とそれを用いた燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、加熱炉で燃焼した燃焼排気ガスの熱を回収する熱交換装置としては、外管と内管とを二重管状に設けたシングルエンド式の伝熱管の熱交換部を燃焼排気ガスが流れる排気路内に配置し、外管と内管との間の外側通路及び内管内の内側通路に流したエアと外管外を通る燃焼排気ガスとを熱交換させてエアを加熱するようにしたものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２２３７０号公報
【特許文献２】
特開２００１−１７４１７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例にあっては、外管と内管との間の外側通路及び内管内の内側通路に流したエアと外管外を通る燃焼排気ガスとを熱交換させてエアを加熱することにより燃焼排気ガスから熱を回収できて省エネルギー化が図れるが、外管と内管との二重管構造にするだけでは熱の回収が十分といえず、もっと熱の回収率を上げて省エネルギー化を図りたいという要望がある。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、燃焼排気ガスからの熱の回収率を向上して一層省エネルギー化を図ることができる熱交換装置及びそれを用いた燃焼装置を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の請求項１の熱交換装置Ａは、外管１と内管２とを二重管状に設けたシングルエンド式の伝熱管の熱交換部３を燃焼排気ガスが流れる排気路４内に配置し、外管１と内管２との間の外側通路Ｓ１及び内管２内の内側通路Ｓ２に流したエアと外管１外を通る燃焼排気ガスとを熱交換させてエアを加熱するようにした熱交換装置において、外面側から内面側に向けて凹没する凹条部５を外管１の周方向に環状で且つ外管１の長手方向に亙るように設けたことを特徴とする。外面側から内面側に向けて凹没する凹条部５を外管１の周方向に環状で且つ外管１の長手方向に亙るように設けたことにより、凹条部５にて外管１の伝熱面積が増えると共に外管１の外を流れる燃焼排気ガスの流れが凹条部５にて乱れることにより外管１の受熱性が向上し、燃焼排気ガスからの熱回収率を向上できて一層省エネルギー化を図ることができる。
【０００７】
また本発明の請求項２の熱交換装置Ａは、請求項１において、エアが外管１と内管２との間の外側通路Ｓ１を基部側から先端に向けて流れると共に外管１の先端で折り返して内管２内の内側通路Ｓ２を先端から基部に向けて流れるようにし、内管２の先端の内部を二分するように仕切る整流板６を外管１の先端から内管２内に突設したことを特徴とする。外管１と内管２の間の外側通路Ｓ１を流れるエアが外管１の先端で折り返して内管１内の内側通路Ｓ２に流れ込むとき外管１の先端で折り返したエアが互いにぶつかると互いに干渉し合って大きな圧力損失となるが、整流板６があると、先端で折り返したエアが互いににぶつかることなく整流板６でガイドされて内側通路Ｓ２に流れ込むことになり、この部分で圧力損失が少なくなってエアがスムーズに流れて熱の回収効率を向上できる。
【０００８】
また本発明の請求項３の熱交換装置Ａは、請求項１または請求項２において、外管１の先端の外面側に設けた充填凹所７に断熱材８を充填したことを特徴とする。外管１の先端の外面側に断熱材８を装着することにより、外管１の先端を保護して外管１の先端の断熱性を向上できる。また充填凹所７に断熱材８を充填して装着することにより、断熱材８を容易に装着できると共に断熱材８が脱落しないように確実に装着することができる。
【０００９】
また本発明の請求項４の燃焼装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかの熱交換装置Ａとバーナ９とを一体に設けて熱交換部３で熱交換することで加熱されたエアをバーナ９の燃焼用のエアとして用いるようにしたことを特徴とする。燃焼排気ガスから効率よく熱を回収することにより加熱したエアを燃焼用のエアとしてバーナ９に供給して燃焼装置の省エネルギー化を図ることができる。熱交換装置とバーナ９とを一体に設けることによりコンパクトにできると共に配管を短くすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の熱交換装置Ａは例えば、図５に示すような熱処理炉、鍛造炉、非鉄金属溶解炉等の加熱炉１０において、バーナ９の燃焼排気ガスから熱を回収し、この回収した熱で予熱した燃焼用のエアを供給してバーナ９を燃焼させるのに用いるものである。加熱炉１０には例えばガスを燃料として燃焼するバーナ９を装着してあり、加熱炉１０に設けた排気口１１から燃焼排気ガスを加熱炉１０外に排出するようになっている。加熱炉１０の排気口１１には排気管１２を連結してあり、排気管１２内が排気路４となっている。この排気管１２の途中には熱交換装置Ａを配置してある。熱交換装置Ａとバーナ９とはエア供給管１３にて連通させてあり、燃焼排気ガスと熱交換して予熱した燃焼用のエアをエア供給管１３にてバーナ９に供給できるようになっている。
【００１１】
熱交換装置Ａを設ける部分では排気管１２内の排気路４に図１、図２に示すように外管１と内管２とを二重管状に設けたシングルエンド式の伝熱管の熱交換部３を複数本内装してある。この複数本の熱交換部３は例えば図３、図４に示すように平行になり、且つ同心円状に並ぶように内装してある。熱交換部３を構成する外管１及び内管２は円筒状の管であり、長手方向に十分に長い長さを有するものである。外管１内には内管２を同心円状に位置するように内装してあり、外管１の先端より内管２の先端を控えてあり、外管１と内管２との間に外側通路Ｓ１を形成すると共に内管２内に内側通路Ｓ２を形成してある。上記熱交換部３の外管１や内管２は例えばＳＵＳ３１０Ｓのようなステンレス鋼にて形成されているが、さらに耐熱性が要求される場合にはセラミックスで形成してもよい。上記例では複数本の熱交換部３を同心円状に並べたが、図６（ａ）のように複数本の熱交換部３を格子状の配列に並べても、図６（ｂ）のように複数本の熱交換部３を千鳥状の配列に並べても、その他の配列に並べてもよい。また上記例では排気管１２は円筒形であるが、図７に示すような角筒状でも、多角筒状でもよい。
【００１２】
外管１には外面側から内面側に向けて凹没する凹条部５を外管１の周方向に環状で且つ外管１の長手方向に亙るように設けてある。本例の場合、外管１の周りに凹条部５を外管１の長手方向に亙ってスパイラル状に設けてある。このように凹条部５をスパイラル状に設ける代わりに円環状の凹条部５を外管１の長手方向に間欠的に設けてもよい。
【００１３】
外管１の先端は閉塞板部１４にて閉塞してあるが、外管１の先端の手前の部分に閉塞板部１４を設けてあり、閉塞板部１４の外面側の部分は充填凹所７となっており、充填凹所７内に耐熱材料からなる断熱材８を充填して装着してある。かかる耐熱材料からなる断熱材８としては例えばキャスタブルと称されるものがある。外管１の先端の閉塞板部１４から内管２内を二分するように仕切る整流板６を突設してある。
【００１４】
熱交換装置Ａを設ける部分では排気管１２の管壁が中空になってエア通路１５が形成されており、熱交換部３の先端側で排気管１２の外面側にエア入口１６を設けてあり、エア入口１６をエア通路１５に連通させてある。このエア入口１６にブロア１７からダンパー１８を介して燃焼用のエアが供給されるようになっている。排気管１２の符号２２で示す部分は熱伸縮を吸収する伸縮吸収部である。熱交換部３の基部側には外管ヘッダー１９を設けてあり、外管ヘッダー１９には上記エア通路１５及び外側通路Ｓ１に連通させてある。また熱交換部３の基部側には内管ヘッダー２０を設けてあり、内管ヘッダー２０に内管２内の内側通路Ｓ２を連通させてあり、内管ヘッダー２０のエア出口２１が上記エア供給管１３に連通させてある。
【００１５】
加熱炉１０ではバーナ９が燃焼することで内部が加熱されるが、燃焼排気ガスが排気口１１から排気管１２内の排気路４を通って排気される。熱交換装置Ａの部分では図３の矢印αのように燃焼排気ガスが流入し、矢印βのように流出するように流れる。一方ブロア１７が駆動されることで燃焼用のエアが図３の矢印γのようにエア入口１６に供給され、この燃焼用のエアがエア入口１６からエア通路１５、外管ヘッダー１９を介して外側通路Ｓ１に流れ、外側通路Ｓ１から内側通路Ｓ２に流れ、内側通路Ｓ２から内管ヘッダー２０を介してエア出口２１から図３の矢印δのように流れ、エア出口２１からエア供給管１３を介してバーナ９に燃焼用のエアが供給される。
【００１６】
エア入口１６から流入してエア通路１５をエアが流れるとき、排気路４を流れる燃焼排気ガスと熱交換してエアが加熱され、また外管ヘッダー１９から外側通路Ｓ１及び内側通路Ｓ２を流れるときも排気路４を流れる燃焼排気ガスと熱交換して加熱される。これにより高温に予熱した燃焼用のエアが得られ、この高温に予熱した燃焼用のエアがバーナ９に供給されることにより燃焼の省エネルギー化が図れる。エアが外側通路Ｓ１、内側通路Ｓ２を流れて熱交換するとき、外管１に上記のように凹条部５を設けてあるため、凹条部５にて外管１の伝熱面積が増えると共に外管１の外を流れる燃焼排気ガスの流れが凹条部５にて乱れることにより外管１の受熱性が向上し、熱回収率が向上してエアが高温に加熱されて一層省エネルギー化が図れる。
【００１７】
エアが外側通路Ｓ１を先端側に流れ、外管１の先端の閉塞板部１４に当って折り返すことにより内側通路Ｓ２に流入して基部側に流れるが、閉塞板部１４に当って折り返すとき、エアが整流板６に沿って流れることで整流されて圧力損失を少なくすることができる。つまり、整流板６がないと、外側通路Ｓ１を流れるエアが外管１の先端で折り返して内側通路Ｓ２に流れ込むとき外管１の先端で折り返したエアが互いにぶつかると互いに干渉し合って大きな圧力損失となるが、整流板６があると、先端で折り返したエアが互いににぶつかることなく整流板６でガイドされて内側通路Ｓ２に流れ込むことになり、この部分で圧力損失が少なくなってエアがスムーズに流れて熱の回収効率を向上できる。本発明の場合、熱交換率を高くするために外管１に凹条部５を設けてあるが、この凹条部５を設けると外側通路Ｓ１の圧力損失が大きくなるが、外管１の先端で流れが折り返す部分での圧力損失が少なくなると、全体として圧力損失が大きくならない。
【００１８】
また外管１の先端の外面側に設けた充填凹所７に断熱材８を充填していることにより、外管１の先端を保護して外管１の先端の断熱性を向上でき、また充填凹所７に断熱材８を充填して装着することにより、断熱材８を容易に装着できると共に断熱材８が脱落しないように確実に装着することができる。
【００１９】
次に上記のように構成せる本発明の熱交換装置Ａの性能を下記の実験データよりさらに詳しく説明する。図８に示すような熱交換装置Ａを用いてスパイラル状の凹条部５を有するスパイラル管からなる外管１とスケジュール管（普通のストレートのパイプ）の外管１を用いた場合の性能テストを行った。図８で１は外管、２は内管であり、燃焼排気ガスが入口から図８の矢印αのように流入すると共に出口から図８の矢印βのように流出し、エアは入口から図８の矢印γのように流入すると共に出口から図８の矢印δのように流出する。図８で×印は温度測定点、△は圧力測定点である。その結果を下記の表１に示す。
【００２０】
【表１】
2005003258.tif 000003
【００２１】
表１の結果より外管１としてスパイラル管を採用する方が廃熱回収率が向上することがわかる。つまり、ホットエアの温度は＋２１℃となり、総括伝熱係数は＋１１％となった。
【００２２】
また図９に示すように整流板６を取り付けた場合と、整流板６を取り付けなかった場合の性能を図８に示すような熱交換装置Ａでテストした結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
2005003258.tif 000004
【００２４】
この結果より整流板６を取り付けると圧力損失が低減できることがわかる。つまり、圧力損失は−４５％となった。またホットエアの温度が殆ど変化しなく、また総括伝熱係数も変化しなかった。
【００２５】
また図１０に示すように断熱材８としてキャスタブルを取り付けた場合とキャスタブルを取り付けない場合との性能を図８のような熱交換装置Ａにてテストした。このとき、矢印εのように流れる燃焼排気ガスの温度は１０００℃で×印の位置の温度測定点の温度を測定した。このとき、断熱材８がなしの場合、９５０℃で断熱材８がありの場合、８９０℃となり、断熱材８を装着する方が６０℃を低くできた。
【００２６】
次に上記熱交換装置Ａとバーナ９とを一体にした燃焼装置の例について述べる。
図１１に示すように加熱炉１０の排気口１１には排気管１２を連結してあり、この排気管１２に上記と同様の構造の熱交換装置Ａを設けてある。かかる熱交換装置Ａの構造は上記のものと基本的に同じ構造のために同一の符号を付して詳しい説明は省略する。熱交換装置には外管１と内管２とからなる熱交換部３が複数本設けられるが、中心部だけ熱交換部３を設ける代わりにバーナ９を設けてある。このバーナ９はバーナヘッド９ａと燃料供給管９ｂとエア吐出筒９ｃとで形成されており、エア吐出筒９ｃ内の先端にバーナヘッド９ａを配置してあり、先端にバーナヘッド９ａを装着した燃料供給管９ｂをエア吐出筒９ｃ内に挿通してある。この燃料供給管９ｂには燃料としてのガスが供給されるようになっている。エア吐出筒９ｃの基部には内管ヘッダー２０を連通させてある。
【００２７】
バーナ９のバーナヘッド９ａに燃料が供給されて燃焼するとき、エア吐出筒９ｃから燃焼用のエアが供給される。加熱炉１０内の燃焼排気ガスや図１１の⇒のように流れて排気されると共に燃焼用のエアは→に示すように流れて供給される。燃焼用のエアはエア入口１６からエア通路１５、外管ヘッダー１９を介して外側通路Ｓ１に流れ、外側通路Ｓ１から内側通路Ｓ２に流れ、内側通路Ｓ２から内管ヘッダー２０を介してエア吐出筒９ｃに流れる。そしてエア通路１５や外側通路Ｓ１や内側通路Ｓ２をエアが通るときに燃焼排気ガスと熱交換してエアが加熱され、高温のエアが燃焼用のエアとして吐出される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の請求項１の発明は、叙述の如く外面側から内面側に向けて凹没する凹条部を外管の周方向に環状で且つ外管の長手方向に亙るように設けたので、凹条部にて外管の伝熱面積が増えると共に外管の外を流れる燃焼排気ガスの流れが凹条部にて乱れることにより外管の受熱性が向上し、燃焼排気ガスからの熱回収率を向上できて一層省エネルギー化を図ることができるものである。
【００２９】
また本発明の請求項２の発明は、請求項１において、エアが外管と内管との間の外側通路を基部側から先端に向けて流れると共に外管の先端で折り返して内管内の内側通路を先端から基部に向けて流れるようにし、内管の先端の内部を二分するように仕切る整流板を外管の先端から内管内に突設したので、外管の先端で折り返したエアが互いににぶつかることなく整流板でガイドされて内側通路に流れ込むことになり、この部分で圧力損失が少なくなってエアがスムーズに流れて熱の回収効率を向上できるものである。
【００３０】
また本発明の請求項３の発明は、請求項１または請求項２において、外管の先端の外面側に設けた充填凹所に断熱材を充填したので、断熱材で外管の先端を保護して外管の先端の断熱性を向上できるものであり、また充填凹所に断熱材を充填して装着することにより、断熱材を容易に装着できると共に断熱材が脱落しないように確実に装着することができるものである。
【００３１】
また本発明の請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの熱交換装置とバーナとを一体に設けて熱交換部で熱交換することで加熱されたエアをバーナの燃焼用のエアとして用いるようにしたので、燃焼排気ガスから効率よく熱を回収することにより加熱したエアを燃焼用のエアとしてバーナに供給して燃焼装置の省エネルギー化を図ることができるものであり、また熱交換装置とバーナとを一体に設けることによりコンパクトにできると共に配管を短くすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の熱交換装置の熱交換部を示す一部省略断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。
【図３】同上の熱交換装置の全体を示す断面図である。
【図４】同上の熱交換装置の全体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は右側面図である。
【図５】同上の熱交換装置を加熱炉に用いた状態を示す一部切欠概略図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は同上の熱交換部の配列の他の例を示す概略断面図である。
【図７】同上の排気管の他の断面形状を示す断面図である。
【図８】同上の性能テストをする熱交換装置の一部省略断面図である。
【図９】同上の性能テストするときの整流板の取り付けを示し、（ａ）は正面から見た断面図、（ｂ）は平面から見た断面図である。
【図１０】同上の性能テストするときの断熱材の取り付けを説明する断面図である。
【図１１】熱交換装置とバーナとを一体に設けた燃焼装置の断面図である。
【符号の説明】
Ａ  熱交換装置
Ｓ１  外側通路
Ｓ２  内側通路
１  外管
２  内管
３  熱交換部
４  排気路
５  凹条部
６  整流板
７  充填凹所
８  断熱材
９  バーナ
【図１】
2005003258.tif 000005
【図２】
2005003258.tif 000006
【図３】
2005003258.tif 000007
【図４】
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【図５】
2005003258.tif 000009
【図６】
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【図７】
2005003258.tif 000011
【図８】
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【図９】
2005003258.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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