(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼生成した排ガスの顕熱を蓄熱体で回収して予熱ガスに付与し、該予熱ガスを金属帯に吹き付け後蓄熱体に戻す熱交換器の温度制御方法において、蓄熱体に戻る途中の予熱ガスに該予熱ガスよりも低温の気体を混入させ、該混入と同期させて前記吹き付け前の予熱ガスの一部を熱交換器外に前記低温の気体の混入量と同量放出することを特徴とする熱交換器の温度制御方法。
【請求項２】
金属帯を予熱する予熱炉と予熱された金属帯を加熱する加熱炉とを有する焼鈍設備に配置され、加熱炉で燃焼生成した排ガスの顕熱を回収して予熱ガスに付与する蓄熱体と、顕熱を貰った予熱ガスを予熱炉へ送る送り配管と、送られてきた予熱ガスを金属帯に吹き付ける吹付手段と、吹き付け後の予熱ガスを蓄熱体へ戻す戻し配管とを有する熱交換器において、前記戻し配管に前記吹き付け後の予熱ガスよりも低温の気体を導入する吸気弁を設け、前記送り配管に前記吸気弁と同期し同量の開度に制御される排気弁を設けたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器の温度制御方法および熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料の燃焼により被加熱物例えば金属帯を加熱する各種加熱設備例えば焼鈍炉においては、通常、燃焼効率を高めるため、加熱帯の燃焼排ガス等の顕熱を蓄熱体で回収して金属帯の予熱ガスに付与し、該予熱ガスを金属帯に吹き付けた後、蓄熱体に戻して循環使用するよう構成された熱交換器が併用される。かかる熱交換器で使用される蓄熱体としては、プレート式蓄熱体や、回転式蓄熱体（例えば特開平11−310831号公報参照）がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転式蓄熱体は、多数の蓄熱板を回転軸の回りに放射状に配列して形成した羽根車状の円筒体を低速回転させて各蓄熱板を燃焼排ガス流内と予熱ガス流内とに交互に出入りさせるよう構成されたもので、プレート式蓄熱体よりも熱効率が高く、燃料原単位の面で有利である。しかしながら、その一方で、予熱ガスの温度が上がりすぎることがあって、以下のような問題が生じていた。
【０００４】
▲１▼機械設備に使用される排ガスファン、予熱ガスの循環ファン、予熱ガス吹き付け用のプレナムチャンバ等の部材が、上限使用温度を超える温度に曝される危険性が高くなる。これら部材の材質を耐熱性のより高いものとすればよいのであるが、そうすると設備コストが高くなる。
▲２▼金属帯の速度、板厚、目標温度等のダイナミックな変化に追従して金属帯の温度を目標温度に一致させるフィードバック制御の安定性が悪くなる。
【０００５】
▲３▼金属帯の温度が高くなりすぎてテンパーカラー等の酸化皮膜性欠陥が発生するケースが多くなる。
このような問題は、回転式蓄熱体以外の蓄熱体を用いる熱交換器においても、用いる蓄熱体の熱効率が高い場合には起こりうる。
本発明の目的は、上記の問題点を解決し、熱交換装器内に循環させる予熱ガスの温度および板温の安定制御を達成しうる熱交換器の温度制御方法および熱交換器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明は、以下の通りの熱交換器の温度制御方法および熱交換器である。
（１）燃焼生成した排ガスの顕熱を蓄熱体で回収して予熱ガスに付与し、該予熱ガスを金属帯に吹き付け後蓄熱体に戻す熱交換器の温度制御方法において、蓄熱体に戻る途中の予熱ガスに該予熱ガスよりも低温の気体を混入させ、該混入と同期させて前記吹き付け前の予熱ガスの一部を熱交換器外に前記低温の気体の混入量と同量放出することを特徴とする熱交換器の温度制御方法。
（２）金属帯を予熱する予熱炉と予熱された金属帯を加熱する加熱炉とを有する焼鈍設備に配置され、加熱炉で燃焼生成した排ガスの顕熱を回収して予熱ガスに付与する蓄熱体と、顕熱を貰った予熱ガスを予熱炉へ送る送り配管と、送られてきた予熱ガスを金属帯に吹き付ける吹付手段と、吹き付け後の予熱ガスを蓄熱体へ戻す戻し配管とを有する熱交換器において、前記戻し配管に前記吹き付け後の予熱ガスよりも低温の気体を導入する吸気弁を設け、前記送り配管に前記吸気弁と同期し同量の開度に制御される排気弁を設けたことを特徴とする熱交換器。
【０００７】
本発明では、蓄熱体が回転式蓄熱体の場合に、その効果が最も顕著であるので、蓄熱体は回転式蓄熱体であることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明（１）では、燃焼生成した排ガスの顕熱を蓄熱体で回収して予熱ガスに付与し、該予熱ガスを金属帯に吹き付け後蓄熱体に戻す熱交換器の温度制御方法において、蓄熱体に戻る途中の予熱ガスに該予熱ガスよりも低温の気体を混入させることとした。排ガスは蓄熱体を通過後は排ガス煙突９に放出され、予熱ガスは、金属帯への吹き付けを行う場所（予熱炉）と蓄熱体との間を循環する。それゆえ、以下、予熱ガスを循環ガスともいう。
【０００９】
予熱ガスに混入させる低温の気体は、予熱ガスと同じ組成の気体が好ましい。また、低温の気体の混入時機および混入量は、熱交換器内の要所で予熱ガスおよび排ガスの温度を測定し、かつ、予熱炉出側で金属帯温度を測定し、それらの結果に応じて決定するのが好ましい。これにより、循環させている予熱ガスの温度を常時安定して適正な範囲に制御できるようになり、前記問題点▲１▼〜▲３▼が解決される。予熱ガスの種類は特に限定されず、操業条件に応じて、N2ガス等の非酸化性ガスあるいは不活性ガスを用いてもよいし、また、予熱時にテンパーカラー等の不具合を生じる虞がない場合には空気を用いてもよい。
【００１０】
本発明（１）では、さらに、吹き付け前の予熱ガスを熱交換器外に一部放出することとした。放出の時機および放出量は、熱交換器内の要所で予熱ガスおよび排ガスの温度を測定し、かつ、予熱炉出側で金属帯温度を測定し、それらの結果に応じて決定するのが好ましい。これにより、予熱ガスの温度をより迅速に下げることができ、温度制御の安定性がより向上する。
【００１１】
なお、金属帯への予熱ガス吹付量の変動を極力小さくする観点から、予熱ガスの放出時機は低温の気体の混入時機に同期させ、予熱ガスの放出量は低温の気体の混入量と等量にする。
本発明（２）は、本発明（１）の実施に好適な熱交換器であり、図１にその装置構成の１例を示すように、金属帯40を予熱する予熱炉３と予熱された金属帯40を加熱する加熱炉２とを有する焼鈍設備に配置され、加熱炉２で燃焼生成した排ガスの顕熱を回収して循環ガス（＝予熱ガス）に付与する蓄熱体１と、顕熱を貰った循環ガスを予熱炉３へ送る送り配管31と、送られてきた循環ガスを金属帯40に吹き付けるプレナムチャンバ（吹付手段）４と、吹き付け後の循環ガスを蓄熱体１へ戻す戻し配管30とを有する熱交換器において、戻し配管30に吸気弁８を設け、送り配管31に排気弁７を設けたものである。吸気弁８は戻し配管30に前記吹き付け後の予熱ガスよりも低温の気体を導入する。排気弁７は吸気弁８と同期し同量の開度に制御される。なお、この例では、蓄熱体１は回転式蓄熱体である。
【００１２】
循環ガス流量は戻し配管30に付設した循環ファン６により調整され、一方、排ガス流路は、加熱炉２と蓄熱体１を結ぶ１次排気管20、および、蓄熱体１と排ガス煙突９を結ぶ２次排気管21にて構成され、排ガス流量は２次排気管21に付設した排気ファン５により調整される。
吸気弁８、排気弁７は指令Ｃ８，Ｃ７に従い自己の開度を自動的に変更しうる自動開閉式のものが好ましい。指令Ｃ８，Ｃ７は夫々熱交換器内の要所で循環ガスおよび排ガスの温度を測定した結果ならびに予熱炉出側で金属帯温度を測定した結果を用いて生成される。
【００１３】
この例では、温度測定手段として、予熱後の金属帯温度を測定する温度計Ｔ１、吹付前後の循環ガス温度を測定する温度計Ｔ２，Ｔ３、熱交換前後の排ガス温度を測定する温度計Ｔ４，Ｔ５を有する。なお、各温度計Ｔ１〜Ｔ５の出力も同じ符号で表すものとする。これらのうち、出力Ｔ１〜Ｔ３，Ｔ５を図２に示すように処理して指令Ｃ８，Ｃ７が生成される。なお、出力Ｔ４はモニタ用に使われる。
【００１４】
図２は、循環ガス温度制御方式の概要を示すブロック図である。出力Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５が夫々偏差演算器51,52,53,55 に入力されて目標値ＴＢ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ５との偏差に応じた操作量が演算され、その結果がハイセレクタ50に入力され、４つの操作量のうち最大のものがＣmax としてゲート59に入力される。ゲート59は、もう１つの入力Ｃ０の値に応じてＣmax 、０（開度０％）のいずれか一方を選択し、選択した一方をＣ７，Ｃ８の値とする。なおＣ０は、循環ファン停止時にＣ７，Ｃ８が０となるように設定される。すなわち循環ファン停止時は制御が中断される。
【００１５】
また、この熱交換器では、前記の循環ガス温度制御の他、排ガス圧力制御、板温制御、吹付圧力制御を行っている。
図３は、排ガス圧力制御方式の概要を示すブロック図である。蓄熱体１入側の排ガス圧力を測定する圧力計Ｐ２の出力Ｐ２が偏差演算器56に入力されて目標値ＰＡ２との偏差が演算され、その結果に応じてＶＶＶＦが作動して排気ファンモータ５Ｍの回転数が調整される。なお、蓄熱体１出側の排ガス圧力は圧力計Ｐ３でモニタされる。
【００１６】
図４は、板温および吹付圧力制御方式の概要を示すブロック図である。温度計Ｔ１の出力Ｔ１が偏差演算器61に入力され目標値ＴＡ１との偏差に応じた操作量ＣFB1 が演算されてゲート66に入力される。ゲート66は他の入力Ｃ２の値によりＣFB1 、０のいずれか一方を選択してハイセレクタ60に送る。Ｃ２は、板継ぎ溶接点の通過時に０が選択されるように設定される。すなわち板継ぎ溶接点の通過時には板温のフィードバック制御はホールドされる。
【００１７】
一方、プレナムチャンバ４の内圧を測定する圧力計Ｐ１の出力Ｐ１が偏差演算器62に入力され目標値ＰＡ１との偏差に応じた操作量ＣFB2 が演算されその結果がゲート67に入力される。ゲート67にはさらに、ＦＦ演算器65にてラインスピード、板厚、循環ガス熱伝達率等の操業値を用いて伝熱モデル式を演算して得られた操作量ＣFFが入力される。ゲート67はもう１つの入力Ｃ１の値に応じてＣFB2 ，ＣFFのいずれか一方を選択してハイセレクタ60に送る。なお、Ｃ１は定常操業時にはＣFB2 、操業条件の初期設定時または変更時にはＣFFが選択されるように設定される。すなわち、定常操業時にはフィードバック制御、操業条件の初期設定または変更時にはフィードフォワード制御が採用される。
【００１８】
ハイセレクタ60は、送られた２つの操作量のうち値の大きい方を選択しＣ６として、これを上限リミッタ63に送る。上限リミッタ63は、別途入力された温度計Ｔ３の出力を援用してＣ６が上限ＣULを超えているか否かを判定し、以下の場合はＣ６、超の場合はＣULを選択する。これは、循環ガス温度の上がりすぎに対する歯止め措置である。かくして選択された操作量に応じてＶＶＶＦが作動して循環ファンモータ６Ｍの回転数が調整される。
【００１９】
【実施例】
鋼板の焼鈍設備に対して本発明を実施した実施例について説明する。焼鈍設備には、図１の装置構成になり図２〜図４の制御方式を備えた熱交換器が配置された。実施にあたっては、鋼板のラインスピードＬＳ×板厚Ｄが例えば図５（ａ）に示すように変化した際に、この変化に応じて吸気弁の開度を同図に示すように変更し、循環ガスに低温の気体を混入させ、かつ、これと同時に排気弁の開度も同じ量だけ変更し、高温の循環ガスを一部大気中に放出した。この実施例では、予熱炉での板温が低く酸化による品質不具合を生じる虞がないため、循環ガスとして空気を用い、吸気弁の入側端と排気弁の出側端はともに大気に通じている。大気温度は15〜40℃であって、熱交換器内の循環ガス温度よりも格段に低い。
【００２０】
かかる制御の結果として具現した排ガスの温度（出力Ｔ４）と流量（図示省略の流量計で計測）の推移を図５（ｂ）に、循環ガスの温度（出力Ｔ２）と吹付圧力（出力Ｐ１）の推移を図５（ｃ）に、実測板温（出力Ｔ１）の推移を図５（ｄ）に夫々示す。また、図５（ｄ）には目標板温も併示した。
排気弁の開放操作により吹付圧力が一時的に低下するが、循環ガス温度は略一定に制御できており（図５（ｃ））、板温の変動も目標温度200 ℃に対してその±10℃以内に制御できている（図５（ｄ））。なお、従来は、図１において吸気弁と排気弁を欠いた熱交換器を用い、図２の循環ガス温度制御は行われていなかった。この従来例に対比して実施例では循環ガス温度と板温の変動幅が夫々約30％、約50％に縮小した。
【００２１】
このように、本発明によれば、循環ガス温度が安定するので、機械設備に使用される排ガスファン、予熱ガスの循環ファン、予熱ガス吹き付け用のプレナムチャンバ等の部材が、上限使用温度を超える温度に曝されることがなくなって、これらを耐熱性の比較的低い材質で構成できるようになり、設備コストを低減しうる。また、ＬＳ×Ｄの急激な変動に良く追従できて板温を安定的に制御できるので、板温の上がりすぎによる品質不良の発生も防止できる。
【００２２】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、循環ガス温度と板温の制御精度が大きく向上するので、設備コスト削減と品質向上を達成できるという優れた効果を奏する。また、温度制御精度の向上に伴いさらに熱効率のよい蓄熱体が使用可能となって燃料原単位を削減できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の１例を示す装置構成図である。
【図２】循環ガス温度制御方式の概要を示すブロック図である。
【図３】排ガス圧力制御方式の概要を示すブロック図である。
【図４】板温および吹付圧力制御方式の概要を示すブロック図である。
【図５】実施例における操業変数の推移図である。
【符号の説明】
１  蓄熱体
２  加熱炉
３  予熱炉
４  プレナムチャンバ（吹付手段）
５  排気ファン
６  循環ファン
７  排気弁
８  吸気弁
９  排ガス煙突
20  １次排気管
21  ２次排気管
30  戻し配管
31  送り配管
40  金属帯
【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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