(57)【要約】【課題】伝熱面積の増加及び流路断面積を小さくして熱伝達の向上を図り、熱交換効率を向上させた２重管構造熱交換器を提供する。【解決手段】本２重管構造熱交換器は、高温に加熱される伝熱外管に間隙を設けて挿入された伝熱内管では熱伝達によって熱回収し、伝熱外管は緻密質炭化珪素を使用した焼結体からなり、伝熱内管は緻密質炭化珪素または緻密質セラミックスあるいは金属からなり、その両端が解放され、前記間隙距離が５〜２０ｍｍである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の炉壁の輻射あるいは、ガス輻射及びガスの熱伝達によって伝熱外管が加熱され、この伝熱外管に間隙を設けて挿入された伝熱内管では熱伝達によって熱回収される熱交換器であって、前記伝熱外管は緻密質炭化珪素を使用した焼結体からなり、前記伝熱内管は緻密質炭化珪素または緻密質セラミックスあるいは金属からなり、その両端が解放され、前記間隙距離が５〜２０ｍｍであることを特徴とする２重管構造熱交換器。
【請求項２】
前記伝熱外管は、一端が閉塞されていることを特徴とする請求項１に記載の２重管構造熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２重管構造熱交換器に係わり、特に小型で熱交換効率がよくゴミ焼却炉など高温炉において高温の腐食性排ガスから熱回収を行うのに適する２重管構造熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に排熱回収のために焼却炉に設置される熱回収装置は、炉内雰囲気温度が比較的低温の場合は、金属材料ないしは熱伝導率が小さなセラミックス材料でも十分に対応することができ、その構造も種々考えられる。しかし、使用条件が厳しくなり、雰囲気温度が上昇し、雰囲気の腐食性が増してくると従来の材料では耐えられなくなり、使用可能な材料もセラミックスなどに限られるため、その製造上の制約からシングルエンド型の熱交換チューブなどが使用されてきた。この熱交換チューブを用いたシングルエンド熱交換器は、一端封じの外管の内部に、これよりも細く先端が開放された内管を挿入設置し、内管一端から作動空気を導入し、外管封じ部で方向を変えて内管と外管間の間隙を通って戻る際、高温雰囲気と接している外管から熱を回収するものである。炉壁から上記熱交換器を複数本炉内に突き出させ、熱回収を行う。腐食性や衝撃を緩和するために、▲１▼熱交換チューブの材質として多孔体などを利用して、回収作動ガスの一部を吹出させることにより、熱回収効率が多少低下してもチューブを保護する方法、▲２▼腐食部分を肉厚にして熱衝撃、腐食を防止する方法などが採られていた。
【０００３】
しかしながら、上記対策に依っても、エネルギ効率の上昇と腐食防止などの相反する条件を満すことは難しい。炉壁から上記熱交換チューブを複数本炉内に突出させ、熱回収を行う場合、サイズに制限のある熱回収室に挿入されるチューブの本数には制限を受けるため、各熱交換チューブで回収できる熱量をできるだけ大きくする必要がある。即ち、一本当りの熱回収量を大きくするとともに熱回収効率を上げる必要がある。熱回収量を大きくする対策として、伝熱管の伝熱面積を大きくする、即ち伝熱管の大口径化あるいは長尺化して排ガスとの接触面積を大きくすることが考えられる。伝熱管の製造上の制約から伝熱管の外径をむやみに大きくすることができなかったが、製管の改善により比較的大きな外管を大幅なコストアップなしに使用することが可能になってきた。熱伝導率が小さい場合には、管が熱抵抗となり熱回収効率を大幅に低下させるが、伝熱管にセラミックスとしては大きな熱伝導率を有する織密質炭化珪素を使用すれば管を通した伝熱は十分大きく取れるのでチューブの伝熱が熱回収効率の制約になることはない。
【０００４】
しかし、熱回収効率を上げるためには、これらの要件を満すだけでは不十分であり、内管のサイズ構造を定めなければならない。実質的な排ガスからの熱回収は、内管乃至外管の間隙のエリアであり、この部分でのガス熱伝達率を大きくすることなしには有効な熱交換器を構成することができない。従来の金属製の伝熱管の熱交換システムは、内管と外管の間隙は通常２０ｍｍ以上であり、また、伝熱特性及び耐熱性が金属製より優れているセラミックの伝熱管が使用されているが、やはり内管と外管の間隙が大きいため、熱回収効率が最適化されていない。
【０００５】
なお、炭化珪素質の外管に間隙を設けて内管を挿入し、間隙面積に対する内管の空間面積の比を１．０以下にし、輻射熱効率の向上を図ったラジアントチューブが提案されているが、このラジアントチューブは内管中でガスを燃焼させて間隙に流し、この間隙と接した外管を介して外側の空気を加熱するものであり、このような比が１．０以下の２重管構造ラジアントチューブを、加熱される外管に間隙を設けて挿入された内管により熱回収する２重管構造熱交換器として用いても、圧力損失が大きく、実用上適さない（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−２７９９０７号公報（第２ページ右欄第１７行〜第３頁上段左欄第３行〜同ページ上段右欄第３〜１３行、［表１］、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、伝熱面積の増加及び流路断面積を小さくして熱伝達の向上を図り、熱回収効率を向上させた２重管構造熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、高温の炉壁の輻射あるいは、ガス輻射及びガスの熱伝達によって伝熱外管が加熱され、この伝熱外管に間隙を設けて挿入された伝熱内管では熱伝達によって熱回収される熱交換器であって、前記伝熱外管は緻密質炭化珪素を使用した焼結体からなり、前記伝熱内管は緻密質炭化珪素または緻密質セラミックスあるいは金属からなり、その両端が解放され、前記間隙距離が５〜２０ｍｍであることを特徴とする２重管構造熱交換器が実現される。これにより、伝熱面積の増加及び流路断面積を小さくして熱伝達の向上を図り、熱回収効率を向上させた２重管構造熱交換器が実現される。
【０００９】
好適な一例では、前記伝熱外管は、一端が閉塞されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる２重管構造熱交換器の一実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明に係わる２重管構造熱交換器の一実施形態の縦断面図、図２はその正面図である。
【００１２】
図１及び図２に示すように、本実施形態の２重管構造熱交換器１は、外部から加熱される伝熱外管２と、この伝熱外管２に間隙Ｇを設けて挿入された伝熱内管３からなっている。本２重管構造熱交換器１は、単独あるいは複数本水平または垂直に並べて用いられる。
【００１３】
伝熱外管２は、例えば熱伝導率１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導の特性を有する緻密質炭化珪素製円筒形状で、肉厚が５〜１５ｍｍの焼結体からなり、その一端は閉塞されている（シングルエンド２重管構造）。また、伝熱内管３は、伝熱外管２と同材質の緻密質炭化珪素または緻密質セラミックスあるいは金属製で、肉厚２〜１０ｍｍの円筒体からなり、その両端が解放されている。間隙Ｇはその距離が５〜２０ｍｍであるのが好ましい。圧力損失の抑制よりも、熱回収効率の向上を優先させる場合には、距離は５〜１０ｍｍにするのが好ましい。間隙Ｇの距離が５ｍｍより小さいと伝熱外管２と伝熱内管３間の熱交換効率は大きくなるが、圧力損失が増大し、実用上問題がある。距離が２０ｍｍを超えると最適な熱交換効率が得られない。
【００１４】
なお、本実施形態の２重管構造熱交換器では、伝熱外管が閉塞されたシングルエンド２重管構造熱交換器の例で説明したが、伝熱外管の両端が開放された直管型２重管構造熱交換器であっても、シングルエンド２重管構造と同様の効果が期待できる。
【００１５】
図４に示すように、本実施例の２重管構造熱交換器１は、ゴミ焼却炉１１に設けられた排気路１２の直前に炉体１３を横断するように１本あるいは複数本設置されて使用される。
【００１６】
従って、ゴミ焼却炉１１に搬入されたゴミＭは、バーナー１２からの火焔によって燃焼され、高温の燃焼空気は、２重管構造熱交換器１の外表面に沿って上方に流れ排気路１３を経て炉外に排気される。一方、２重管構造熱交換器１はガス輻射及びガスの熱伝達によって伝熱外管２が加熱され高温状態にあり、伝熱内管３に導入され間隙Ｇに流入した空気は、高温の伝熱外管２を介して高温の燃焼空気と熱交換して、加熱され２重管構造熱交換器１外に流出される。
【００１７】
このような熱交換過程において、本実施例の２重管構造熱交換器によれば、伝熱外管と伝熱内径との隙間が５〜２０ｍｍであり、伝熱面積の増加を図り、かつ流路断面積を小さくすることによる熱伝達の増加を図って熱回収効率を向上させ、さらに、圧力損失を抑制できる。
【００１８】
【実施例】
図１に示すような本発明の２重管構造熱交換器（実施例１〜４）及び間隙が本発明の範囲外の２重管構造熱交換器（比較例１〜５）について、表１に示すように管径と間隙を変化させ、出口空気温度、圧力損失、各部の温度上昇、平均流速について計算した。
【００１９】
また、鋼管（従来例１）及びセラミックス管（従来例２）の間隙と出口空気温度との関係についても計算した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
なお、伝熱外管を一定とし伝熱内管寸法のみを変更し、同一量（０．０４ｍ３／ｓｅｃ）の空気（２０℃）を伝熱内管の内側から流入させ、熱交換器を通って排気される出口の平均温度を計算、熱交換器の圧力損失、伝熱外管の表面の最高温度も算出した。伝熱外管材質は室温における熱伝導が１７０Ｗ／ｍ・Ｋの織密質炭化珪素とした。
【００２２】
結果：図４からもわかるように、間隙が５ｍｍで約５１０℃、２０ｍｍで約３９０℃の出口温度が得られて実用に適し、図５からもわかるように、圧力損失は間隙が５ｍｍで約３５００Ｐａ、２０ｍｍで数１０Ｐａと実用上問題ない。これに対して、間隙が５ｍｍ未満では、図４からもわかるように、約５１０℃を超えて良好であるが、図５からもわかるように、圧力損失が急激に増大して、実用には適しない。
【００２３】
図６からもわかるように、外管表面の最高温度は間隙が小さくなるにつれて低下するが、間隙が５ｍｍ近傍で最小となる。図７からもわかるように、熱交換状態を見ると伝熱外管と伝熱内管の間隙を小さくすることで外管内面の熱交換が増加して熱交換効率が向上する。
【００２４】
図８からもわかるように、平均流速（流量／間隙の断面積）を増すにつれて出口温度も上昇するが、１５ｍ／ｓｅｃ以上ではその上昇度は鈍化する。図９からもわかるように、１５ｍ／ｓｅｃが得られる間隙は約５ｍｍである。図１０からもわかるように、本実施例の２重管構造熱交換器は、従来の鋼管製（従来例１）及びセラミックス製（従来例２）２重管構造熱交換器に比べて、高温の出口温度が得られる。
【００２５】
これらの結果から伝熱内管を太くすると熱交換効率が向上するが、圧力損失が増大するため、両者のバランスをとった２重管構造熱交換器を設計することが実用上必要である。圧力損失を重視する場合は間隙を１０〜２０ｍｍに設計することが好ましく、熱交換効率を重視する場合は間隙を５〜１０ｍｍに設計することが必要であることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係わる２重管構造熱交換器によれば、伝熱面積の増加及び流路断面積を小さくして熱伝達の向上を図り、熱回収効率を向上させた２重管構造熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の縦断面図。
【図２】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の正面図。
【図３】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の使用例を示す概念図。
【図４】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の間隙−出口温度の計算結果図。
【図５】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の間隙−圧力損失の計算結果図。
【図６】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の間隙−表面温度の計算結果図。
【図７】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の間隙−温度上昇の計算結果図。
【図８】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の平均流速−出口温度の計算結果図。
【図９】本発明の一実施例の２重管構造熱交換器の間隙−平均流速の計算結果図。
【図１０】本発明の実施例及び従来例の間隙−出口温度の計算結果図。
【符号の説明】
１  ２重管構造熱交換器
２  伝熱外管
３  伝熱内管
Ｇ  間隙
【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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【図９】
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【図１０】
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