(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内を流れる流体ガスで加熱される管路と、その管路内に当該管路の軸に沿って配置される１又は２以上の伝熱促進体とを備えるラジアントチューブであって、
上記伝熱促進体は、上記管路の中心側に配置される本体部と、上記本体部から上記管路の内壁面に向けて突出する複数の突起部と、を備え、
上記複数の突起部は、上記管路の円周方向に沿って配列するように、上記本体部の外周に形成され、
上記複数の突起部は、先端部が管路内壁面と隙間ΔＬを有して対向する複数の第１の突起部と、その他の第２の突起部とからなり、
第１の突起部の数は、第２の突起部の数よりも多く設定され、
上記管路のうちの上記伝熱促進体が配置される管路部分の等価直径Ｄｔに対する上記隙間ΔＬの比（ΔＬ／Ｄｔ）の１００分率をｘ［％］とした場合、下記（１）式を満足することを特徴とするラジアントチューブ。
０．３％  ＜  ｘ  ＜  ７％    ・・・（１）
【請求項２】
上記第２の突起部の先端が管路内壁面に当接することを特徴とする請求項１に記載したラジアントチューブ。
【請求項３】
上記伝熱促進体は、その伝熱促進体の重心が管路の開口断面の中心と一致するように設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したラジアントチューブ。
【請求項４】
上記各突起部の断面形状は、上記本体部から上記管路の径方向に沿って離れるほど、上記管路の円周方向に沿った幅が小さくなる形状であって、上記管路の円周方向で隣り合う２つの突起部の間に、上記本体部から離れるほど隣り合う２つの突起部間の距離が広くなる空間が形成されていることを特徴する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載したラジアントチューブ。
【請求項５】
上記突起部の先端部形状が、面取り形状又は曲面形状となっていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したラジアントチューブ。
【請求項６】
上記伝熱促進体は、内部が空洞となっており、その空洞は、上記管路を流れる流体の移動方向に対向する面が閉塞された形状であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載したラジアントチューブ。
【請求項７】
上記伝熱促進体が配置される管路部分の開口断面が楕円であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載したラジアントチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱促進体を有するラジアントチューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
ラジアントチューブは、チューブ本体を構成する管路と、その管路の入口側に配置されて燃焼ガスを発生させるバーナー等のガス発生部とを備える。ラジアントチューブは、ガス発生部によって発生した燃焼ガスによって加熱された管路による輻射熱によって、管路外に存在する被加熱物を間接加熱する。
ラジアントチューブは、ガス発生部によって発生した燃焼ガスが、管路で形成されるガス流路に沿って流れる。これによって、管路は、燃焼ガスからの伝熱によって高温状態となる。このとき、ラジアントチューブは、燃焼ガスから管路への伝熱が進み、燃焼ガスの温度が低下する管路の出口側（下流側）では、輻射伝熱量が減少し、管路の表面温度が低下する。そのため、ラジアントチューブの管路の下流側（出口側）における燃焼ガスからの管路への伝熱効率を高めて、ラジアントチューブの熱利用率を高めるために、管路の下流側に対し、伝熱促進体を設置する場合がある。【０００３】
例えば、特許文献１には、ラジアントチューブの管路内の後半部に伝熱促進体を配置し、その伝熱促進体として、燃焼ガスの流路をスパイラル状にする板状の案内羽根を設けた構成が開示されている。この技術によれば、ラジアントチューブの管路内の後半部で、燃焼ガスをスパイラル状に旋回させながら管路の出口へ流すことによって、管路と燃焼ガスとの間の相対速度を上昇させ、対流熱伝達係数を上昇させる。
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、燃焼ガスをスパイラル状に旋回させるために、伝熱促進体の構造を複雑な形状とする必要がある。このため、特許文献１に記載の伝熱促進体は、製造コストが高くなり、より安価な伝熱促進体が求められる。【０００４】
これに対し、特許文献２では、４枚の板状の仕切部を有する断面十字形状の伝熱促進体を有し、その断面十字形の伝熱促進体を、４５度ずつ位相を変えて、管路内に複数個直列に嵌挿することが開示されている。この構成によれば、管路内に複数の伝熱促進体が嵌挿されて構成されるため、安価に螺旋状の気流を形成可能となる。しかし、特許文献２に記載の断面十字形の伝熱促進体では、伝熱効率が十分に高いとは言えず、さらなる改善が求められていた。
更に、特許文献３では、伝熱促進体断面積とラジアントチューブの断面積に対する比と、伝熱促進体断面の周長さと、ラジアントチューブの断面の周長さに対する比を規定して、伝熱効率を向上させると共に、伝熱促進体の挿入による圧力損失の増加を抑制し、安価に製造可能な星形の伝熱促進体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−１１２６９４号公報
【特許文献２】実開昭６３−１７３６１３号公報
【特許文献３】特開２０１７−８３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献３の技術は、流路面積を減少させることで熱伝達係数の向上を狙っている。この技術では、管路に沿った流れ方向のガス流速は向上する。しかし、この技術では、伝熱促進体を構成する突起部の先端が管路の内壁面に接していることから、隣り合う突起部間に形成された各流路断面が分断された状態となり、旋回方向の流れが抑制される。
すなわち、特許文献３では、伝熱促進体の形状が簡易で安価に製造できるものの、個々の流路断面の分断により、その分、大きな熱伝達係数を得ることができない。また、特許文献３では、実際のラジアントチューブの運用を考慮した場合、ラジアントチューブ及び伝熱促進体の熱変形を考慮した変形代も必要になる。
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、構造が簡易で、かつ、より伝熱効率をより向上可能な伝熱促進体を有するラジアントチューブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、特許文献３のような複数の突起部をもつ伝熱促進体の形状について、ラジアントチューブの廃熱削減率から伝熱効率を比較する数値シミュレーションを行った。また、発明者らは、この実験で、伝熱促進体を管路に挿入することによる圧力損失を評価した。この数値シミュレーションの結果から、外周に複数の突起部をもつ伝熱促進体において伝熱効率を向上させるためには、ラジアントチューブの管路内面と伝熱促進体の突起先端との間の距離（隙間ΔＬ）を特定の割合で保つことが有効であることを、本発明者らは見出した。【０００８】
また、発明者らは、上記隙間ΔＬを形成しつつ、伝熱促進体を管路内に簡易に配置することが好ましいとの知見を得た。そして、発明者らは、上記構成では、特許文献３に記載の伝熱促進体と同様に圧力損失が小さく、更に、この伝熱促進体は安価に製造することができるとの知見を得た。
ここで、本発明における「伝熱効率」とは、燃焼ガス由来のラジアントチューブの管路に伝わる熱と排ガスの顕熱として排出される廃熱の内、ラジアントチューブの管路に伝わる熱の効率のことを指す。排ガスから管路へ伝熱せずに排出される廃熱が減少すれば、伝熱効率は向上する。【０００９】
そして、課題解決のために、本発明の一態様は、管路内を流れる流体ガスで加熱される管路と、その管路内に当該管路の軸に沿って配置される１又は２以上の伝熱促進体とを備えるラジアントチューブであって、上記伝熱促進体は、上記管路の中心側に配置される本体部と、上記本体部から上記管路の内壁面に向けて突出する複数の突起部と、を備え、上記複数の突起部は、上記管路の円周方向に沿って配列するように、上記本体部の外周に形成され、上記複数の突起部は、先端部が管路内壁面と隙間ΔＬを有して対向する複数の第１の突起部と、その他の第２の突起部とからなり、第１の突起部の数は、第２の突起部の数よりも多く設定され、上記管路のうちの上記伝熱促進体が配置される管路部分の等価直径Ｄｔに対する上記隙間ΔＬの比（ΔＬ／Ｄｔ）の１００分率をｘ［％］とした場合、下記（１）式を満足することを要旨とする。
０．３％  ＜  ｘ  ＜  ７％    ・・・（１）
【発明の効果】
【００１０】
本発明の態様によれば、伝熱効率を向上させつつ、安価に製造可能な伝熱促進体を有するラジアントチューブが提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に基づく実施形態に係るラジアントチューブの構成を説明するための図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′で切断した、管路断面と本実施形態の伝熱促進体とを説明するための断面図である。
【図３】内壁面近傍に形成される旋回流Ｒを説明する管路軸方向からみた模式図である。
【図４】伝熱促進体に空洞を設ける場合の例を説明する図であり、（ａ）はガスの流れ方向からみた平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【図５】第２の突起部に切欠きを設けた例を説明する拡大図である。
【図６】例１（従来例）の伝熱促進体を説明するための図である。
【図７】例２の伝熱促進体を説明するための図である。
【図８】例２の伝熱促進体を説明するための図である。
【図９】例２の伝熱促進体を説明するための図である。
【図１０】本発明の効果を検証した結果を示した図である。
【図１１】隙間ΔＬの効果を検証した結果を示した図である。
【図１２】管路断面の違いによる効果を検証した結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、各部品の大きさや長さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状及び構造等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
（構成）
本実施形態のラジアントチューブ１００は、図１に示すように、燃焼ガス（以下、単にガスとも記す。）が流れる管路１と、管路１内で燃焼ガスを発生するラジアントチューブバーナ２と、伝熱促進体４とを備える。ラジアントチューブ１００は、レキュペレータや蓄熱バーナーなどの各種排熱回収装置５、その他の公知の部品を備えていても良いし、そのような部品を備えていなくても構わない。レキュペレータは、ラジアントチューブ１００を流れる燃焼ガスと燃焼用空気との間で熱交換する装置である。本実施形態では、複数の伝熱促進体４を同軸に並べ、且つその複数の伝熱促進体４の突起部４２が管路に沿って並ぶように配置した場合を例示している。
【００１４】
（管路１）
本実施形態の管路１は、図１に示すように、側面視略Ｗ形状のつづら折り形状となっている。すなわち、管路１は、上下に並ぶ４つの直管部１Ａ〜１Ｄを有し、隣り合う直管部１Ａ〜１Ｄの端部同士が円弧形状に延びる曲管部１Ｅ〜１Ｇによって連結されて、ガスの流路を形成する。符号６は、隣り合う直管部間が狭くなることを防止するセパレータ部材である。符号７は、張出部３Ａに支持されて、管路１の下方への変位を抑えるサポート部材である。
【００１５】
また、最上流位置の直管部１Ａの入口側と最下流位置の直管部１Ｄの出口側とが炉壁３に固定されることで、管路１は炉壁３に支持されている。
そして、複数の直管部１Ａ〜１Ｄの並び方向に沿って被加熱体が搬送されることで、当該被加熱体がラジアントチューブ１００によって間接加熱される。図２に、被加熱体の搬送方向の例を符号５０で示す。図１では、複数の直管部１Ａ〜１Ｄの並び方向が上下方向の場合を例示しているが、複数の直管部１Ａ〜１Ｄの並び方向は左右方向であっても構わない。
ここで、ラジアントチューブ１００の管路形状は、側面視略Ｗ形状に限定されない。ラジアントチューブ１００の管路形状は、例えば、Ｕ型、ストレート型等の他の形状であってもよい。
【００１６】
本実施形態の管路１は、少なくとも伝熱促進体４が配置される直管部１Ｄの開口断面が、図２に示すように、短径と長径が異なる楕円形状の場合を例に挙げて説明する。なお、図２のように、長径側が上下方向を向くように配置することが好ましい。直管部１Ｄの開口断面が短径と長径が異なる楕円形状の場合、管路１全体が短径と長径が異なる楕円形状であることが好ましい。もっとも、管路１の開口断面は、真円や矩形形状など他の断面形状であっても、本発明は適用可能である。
【００１７】
（ラジアントチューブバーナ２）
管路１の入口側には、ラジアントチューブバーナ２のガス発生部２Ａが配置されている。ガス発生部２Ａは、管路１の延在方向に沿って燃料ガスと燃焼用空気とを噴射して燃焼ガスを発生する。発生した燃焼ガスは、管路１内を入口側から出口側に向けて流れつつ管路１への伝熱を行う。
ガス発生部２Ａは、管路１内に通流させる燃焼ガスを発生させることが可能であれば、特に限定されず、公知のバーナーを適用することができる。
【００１８】
（伝熱促進体４）
伝熱促進体４は、ラジアントチューブ１００の管路１内における延在方向の中間位置よりも出口側に配置される。伝熱促進体４は、ラジアントチューブ１００の伝熱効率を向上させるために、管路１内に設けられる。
【００１９】
次に、本実施形態の伝熱促進体４について説明する。
本実施形態では、管路１の軸に沿って複数の伝熱促進体４が同軸に配置されている。そして、複数の伝熱促進体４は、ラジアントチューブ１００の廃熱削減率及び圧力損失を適宜調整する。
各伝熱促進体４は、管路１の断面中心側（管路１の軸側）に位置する本体部４１と、本体部４１と一体になり本体部４１から管路１の内壁面１ａに向けて突出する複数の突起部４２と、を備える。
【００２０】
複数の突起部４２は、管路１の円周方向に沿って配列するようにして、本体部４１の外周に一体に形成されている。そして各伝熱促進体４の各突起部４２が、管路１の長手方向で揃うようにて、各伝熱促進体４が管路１内に配置される。隣り合う伝熱促進体４が当接するように配置することが好ましい。
各突起部４２は、本体部４１から管路１の径方向外方に向けて突出し、管路１の軸方向からみて、図２のように、本体部４１から離れるほど（管路１の壁面に近づくほど）、管路１の円周方向に沿った幅が小さくなる形状となっている。ただし、各突起部４２は、管路１の軸方向に沿った形状が同一形状となるように構成されている。この結果、管路１の円周方向で隣り合う２つの突起部４２の間にそれぞれ、本体部４１から離れるほど、隣り合う２つの突起部４２間の距離が広くなる空間が形成される。なお、各突起部４２の断面形状を規定する輪郭は、直線でなくても良い。
【００２１】
また、１つの伝熱促進体４が有する複数の突起部４２は、複数の第１の突起部４２ａと第２の突起部４２ｂとに分類される。第１の突起部４２ａは、先端部が管路１の内壁面１ａに非接触であって、第１の突起部４２ａの先端部が、管路１の径方向において、管路１の内壁面１ａに対し隙間ΔＬを有して対向配置されている。
一方、本実施形態では、第２の突起部４２ｂは、突起部４２の先端部が管路１の内壁面１ａに接触している。この場合、第２の突起部４２ｂによって、管路１内における伝熱促進体４の位置決め（管路１の軸直方向への位置決め）を行うことが出来る。なお、この場合には、第２の突起部４２ｂの数は２以上であることが好ましい。
【００２２】
ただし、他の手段によって、管路１内における伝熱促進体４の位置決め（管路１の軸直方向への位置決め）が可能であれば、第２の突起部４２ｂを、管路１の内壁面１ａに接触させる秘要はない。
第２の突起部４２ｂの数は少ない方が好ましい。本実施形態では、第２の突起部４２ｂの数は、第１の突起部４２ａの数よりも少ない。好ましくは、第２の突起部４２ｂの数は、第１の突起部４２ａの数の１／３以下、より好ましくは１／４以下である。但し、第２の突起部４２ｂで管路１内における伝熱促進体４の位置決めを行うためには、第２の突起部４２ｂの数は２個以上である必要がある。図２では、第２の突起部４２ｂが２個の場合を例示し、下側に位置する２個の第２の突起部４２ｂで、管路１に対し伝熱促進体４が自重で支持される。
【００２３】
また、本実施形態は、第１の突起部４２ａの先端部と、その先端部と対向する管路１の内壁面１ａとの隙間ΔＬは、次のように規定されている。
すなわち、伝熱促進体４が配置される管路１の直管部１Ｄの等価直径Ｄｔに対する隙間ΔＬの比（ΔＬ／Ｄｔ）の１００分率をｘとした場合、下記（１）を満足する隙間ΔＬとなるように設定する。
０．３％  ＜  ｘ  ＜  ７％    ・・・（１）
更に、以下の（２）式を満たすことがより好ましい。
０．５％  ＜  ｘ  ＜  ４．５％    ・・・（２）
【００２４】
より具体的に、本実施形態の伝熱促進体４の例について説明する。
各伝熱促進体４は、上述の通り、本体部４１と、本体部４１の外周から内壁面１ａに向けて突出する複数の突起部４２からなる。
本体部４１は、図２に示すように、管路１の開口断面の楕円形に相似形若しくは当該楕円形に近似した断面を有する柱状の形状からなる。そして、本体部４１は、柱状の形状の軸（長手方向）を管路１の軸と平行に配置される。
この本体部４１によって、管路１内を流れるガスが通流する面積が制限され、本体部４１外周側（外径側）を流れるガスの流速が速くなる。
更に、本体部４１の外周に複数の突起部４２を設けることで、本体部４１外周を通流するガスが、突起部４２によって周方向に沿って複数に分断され、隣り合う突起部４２間の空間をそれぞれガスが流れる。
【００２５】
本実施形態の突起部４２は、断面が略三角形状（管路１の軸方向からみて三角形状）であって、底辺が本体部４１の外周と一体に形成されている。また、突起部４２は、長手方向においては、管路１の軸と平行な方向に同一の断面形状の厚板形状（側面視長方形形状）となっている。
管路１の円周方向に沿って（管路１の軸方向から見て）隣り合う突起部４２間には、図２のように、本体部４１から離れるほど幅が広くなる断面三角形状の空間Ｓが形成されている。
【００２６】
複数の突起部４２によって、本体部４１外周を流れるガスは旋回流となりにくく、空間Ｓに沿って層流状に管部１の軸に沿って流れるようになる。すなわち、複数の突起部４２を設けることで、突起部４２間にそれぞれ個別のガス流路が円周方向に形成され、それぞれのガス流路にガスを通流させることができる。
図２では、下側の２つの突起部４２の長さを、他の突起部４２よりも長くすることで、第２の突起部４２ｂを構成する。この２つの突起部４２ｂの先端が、管路１の内壁の下面側に当接することで、伝熱促進体４は、管路１内に所定の位置で支持される。なお、一番上方の突起部４２も第２の突起部４２ｂとして、管路１内壁に当接させる方が、伝熱促進体４は安定して管路１内に位置決めされる。但し、第２の突起部４２ｂの数は少ない方が好ましい。
【００２７】
ここで、図２のように、複数の第２の突起部４２ｂによって、管路１内に配置した伝熱促進体４の重心Ｐ２の位置が管路１の開口断面の中心Ｐ１（重心）と一致するように設定（配置）することが好ましい。両者１，４の重心Ｐ１、Ｐ２が一致するように配置すると、伝熱促進体４の重心Ｐ２と、ラジアントチューブ１００の燃焼流方向に対して垂直な断面における重心部が一致し、伝熱促進体４の重力方向への偏りを抑え伝熱性能の低下を解消することができる。なお、伝熱促進体４の重心とラジアントチューブ１００の燃焼流方向に対して垂直な断面における重心部を一致させることは、ラジアントチューブ形状が楕円形状の場合に、非常に効果的である。
更に、本実施形態では、第２の突起部４２ｂを構成する突起部４２以外は第１の突起部４２ａを構成し、その複数の第１の突起部４２ａの先端部と管路１内面との間に隙間ΔＬが形成されるように、第１及び第２の突起部の長さや、本体部４１の寸法を設定する。
隙間ΔＬは、上記の（１）式の条件を満足するものとする。
【００２８】
（作用）
次に、本実施形態の伝熱促進体４の作用について説明する。
本体部４１によって、管路１内を流れるガスが通流する面積を制限し、本体部４１の外周側（外径側）を流れるガスの流速が速くなる。本実施形態では、本体部４１の断面の重心と管路１断面の重心を一致若しくは近似させることで、本体部４１の外周を流れるガスの分布をより均等化させる。
また、複数の突起部４２によって、本体部４１の外周の空間を、管路１の円周方向に沿って複数の空間に区画する。すなわち、隣り合う突起部４２間にそれぞれ独立したガス流路が形成され、それぞれのガス流路にガスを通流させることができる。
【００２９】
ここで、伝熱促進体４を配置する管路１部分の開口断面積に対する、伝熱促進体４の断面積の比をＡとし、伝熱促進体４を配置する管路１部分の開口断面の周長さに対する、伝熱促進体４の断面の周長さの比をＢとしたとき、管路１に対する伝熱促進体４は、以下の式（３）及び式（４）を満たすことが好ましい。
Ａ  ≦  ０．５３                  ・・・（３）
（１−Ａ）−４／５×Ａ・Ｂ≧２．４８    ・・・（４）
【００３０】
この（３）式及び（４）式に関して説明する。
ここで、管路１の設置部が形成する開口断面の面積をαとする。また、伝熱促進体４の断面積をβとする。このとき、Ａは（β／α）である。また、管路１の設置部の開口断面の周長さ（管路１の内周長さ）をｃとする。また、伝熱促進体４の周長さをｄとする。このとき、Ｂは（ｄ／ｃ）である。
そして、本実施形態の伝熱促進体４では、Ａ及びＢについて、上記の式（４）及び式（４）を満たすように設計されることが好ましい。発明者らが検討したところ、上記のＡが０．５３を超えると、圧力損失が大きく燃焼ガスの流れを著しく抑制することが分かった。そのため、式（３）で規定するように、Ａは０．５３以下が好ましい。より好ましくは、Ａは０．４６以下である。
【００３１】
また、上記の式（４）は、本発明者らが、一般的な対流伝熱理論式に基づいて、伝熱促進体４の断面積を小さくするとガス流速が遅くなり対流伝熱の効果が弱まること、及び伝熱面積が伝熱促進体４の外周長さに比例することに着目し見出した式である。そして、本発明者らは、式（４）の左辺が２．４８以上であることで、所望の伝熱効率を得ることができることを確認している。
更に、本実施形態は、第１の突起部４２ａと管路１の内壁面１ａとの間に所定の隙間ΔＬを設けることが特徴の１つである。
管路１の内壁面１ａ近傍に上記の隙間ΔＬを設けることで、図３に示すように、管路１の内壁面近傍に対し、管路１の円周方向に沿った燃焼流の旋回方向の流れ（旋回流Ｒ）が形成される。
【００３２】
ここで、燃焼流の流れ方向の流速をＶｘ、流れ方向に垂直な断面の流速をＶｙ、Ｖｚとすれば燃焼流の速度Ｖは、下記（５）式で表すことができる。
Ｖ＝√（Ｖｘ２＋Ｖｙ２＋Ｖｚ２）  ・・・（５）
この（５）式から分かるように、管路１の内壁の近傍に形成された旋回流Ｒの分だけ、速度Ｖは大きくなり、本実施形態では更に、熱伝達効率も向上する。
【００３３】
また、旋回流Ｒは、特に曲面から直線状の面へと流れが移行する際に強くなる。曲面から直線状の面へと流れが移行する部分とは、図１における、例えば、曲管部１Ｇから直管部１Ｄへの移行部であり、図１におけるＡ−Ａ′断面位置辺りにおける上側空間位置でよどみが発生しやすくなる。これは、曲面での燃焼流の剥離により生じる流れの偏りのためである。そのため、隙間ΔＬが本発明に基づくだけの隙間がない又は隙間が小さい伝熱促進体では、区分けされた空間Ｓ間にそれぞれ異なる量の燃焼ガスが流れる結果、伝熱効率が低下する。一方で、適切な隙間ΔＬを設けることで、突起部４２で区画された複数の空間Ｓ間の流量バランスが自然と同量となる。本実施形態では、ガスの流れを分割する突起部４２は、管路１の内壁面１ａに近づくほど幅が小さくなる形状である。このため、図３に示すように、突起部４２で区画された各空間Ｓ内においても旋回流が生じやすく燃焼流から伝熱促進体への伝熱効率が上昇する。
【００３４】
更に、本実施形態では、突起部４２で区画された各空間Ｓの断面は、管路１の内壁面１ａに近づくほど幅が広くなっていて壁面の影響が少ないため、流路抵抗が相対的に小さい。このため、各突起部４２間を流れるガスは、中心側よりも外周側により流れる。この結果、より多くのガスが、管路１の内壁面１ａ近傍に形成される旋回流Ｒに寄与する。
【００３５】
特に、本実施形態では、突起部４２の形状を断面長方形状などではなく、管路１の内壁に近づくほど周方向の幅が狭くなる略三角形状とする。このため、更に、突起部４２で区画された各空間Ｓの断面は、突起部４２の形状を断面長方形状とする場合に比べて、径方向外方向に向かうにつれて単位長さ当たりの周方向の広がりの度合いを大きく設定できる。この結果、より各突起部４２間を流れるガスは、中心側よりも外周側により流れることで、より多くのガスが、管路１の内壁面１ａ近傍に形成される旋回流Ｒに寄与する。
【００３６】
なお、突起部４２は、隣り合う突起部４２の付け根同士（本体部側の部分）が接続された形状（連続した形状）であることが好ましい。
更に、突起部４２間に形成する空間Ｓの断面を三角形状とすると、常に伝熱促進体４、燃焼ガス、管路１壁面と並ぶことから、熱源である燃焼ガスから管路への輻射伝熱を阻害しない。
ここで、上記旋回流Ｒが管路１の内壁面１ａ付近で生じるためには、伝熱促進体４の突起部４２と管路１の内壁面１ａとの間に所定の隙間ΔＬが要求される。所定の隙間ΔＬとは、粘性底層と呼ばれる壁面付近の燃焼ガスの流速が０に近い領域幅以上となる隙間である。
【００３７】
一般的な工業用ラジアントチューブの管内流れでは、粘性底層の領域幅は等価直径に対して０．３％以上であり、等価直径に対し０．５％であれば十分に遷移領域内となる。
このため、本実施形態では、伝熱促進体４が配置される管路１部分の等価直径Ｄｔに対する上記の隙間ΔＬの比（ΔＬ／Ｄｔ）の１００分率ｘを、０．３％以上、好ましくは、０．５％とした。
一方、隙間ΔＬが広すぎると、伝熱面積、特に燃焼流から伝熱促進体への対流熱伝達面積が小さくなる。このため、上記のｘを７％以下、好ましくは４．５％以下とした。
【００３８】
ここで、伝熱促進体４を構成する材質は、伝熱促進体４として公知の材料を採用すればよい。例えば、当該材質として、耐火断熱レンガ、耐熱金属、セラミック、キャスタブル等が例示できる。製作コスト低減及び伝熱促進体４重量によるラジアントチューブ１００変形抑制のため、安価かつ軽量である耐火断熱レンガとすることが好ましい。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態では、伝熱促進体４を上記のような特定の形状に設計する。これにより、流路断面積を狭め、流路縮小により燃焼ガスの流速を増大させることができる。更に、本実施形態では、伝熱促進体４の伝熱面積を大きくしつつ、燃焼ガスの内壁面近傍での旋回流Ｒを抑制せずに、伝熱効率を高めることができる。更に、本実施形態の伝熱促進体４は、簡単な形状であるため安価での製造が可能である。また、伝熱促進体４をラジアントチューブ１００に挿入することで、従来技術と同様に、燃焼ガスを撹拌することができる。上記の説明では、流路に沿って均一断面の伝熱促進体４を用いたが、流路に沿って排ガス上流側を先細状とすることで、燃焼ガスの撹拌をより促進することもでき、伝熱効率をより高めることもできる。
【００４０】
［等価直径について］
等価直径Ｄｔは、内壁の周長さＬと、流れ方向に垂直な管路１の開口断面積Ｓａから、下記式によって求めることが可能である。
Ｄｔ＝（４・Ｓａ）／Ｌ
【００４１】
［円管流れの粘性底層の近似的求め方について］
管摩擦係数ｆは、コールブルックの式から下記式で表される。
１／√ｆ＝−２ｌｏｇ１０  （（（ε／Ｄｔ  ）／３．７）
＋（２．５１／（Ｒｅ√ｆ）））
ここで、
ε：面粗さ
Ｒｅ：レイノルズ数（（ｕ・Ｄｔ）／νで求められる）
である。
【００４２】
また、円管断面における単位長さ当たりの圧力降下をΔＰとすると、
ΔＰ＝１／２（ｆ・（１／Ｄｔ）・ρ・ｕ２）と表現できる。
【００４３】
単位長さ当たりの管路１の内壁面１ａに生じるせん断応力τ０と圧力降下ΔＰは等しいから、下記のように記載可能である。
Ｓａ・ΔＰ＝Ｌ・τ０
τ０＝（Ｓａ／（２・ｌ・Ｄｔ））ｆ・ρ・ｕ２
摩擦速度ｕ＊は、ｕ＊＝√（τ０／ρ）と表現できる。
粘性底層の範囲は、  ｕ＊（ｙ／ν）＜  ５となる。
【００４４】
よって、本実施形態の隙間ΔＬは、粘性底層より大きければいいので、下記のように設定すればよい。
ｘ［％］×１００＝ｄ／Ｄｔ  ＞５（ν／（ｕ＊・Ｄｔ））
≒０．００３  ｏｒ（０．００５）
【００４５】
（変形例）
（１）突起部４２の先端の断面形状は、面取り形状又はアール形状などの曲面形状となっていることが好ましい。
伝熱促進体４のうちの管路１の内壁面１ａに近い位置は、突起部の先端である。その先端を面取り形状などとして輪郭形状を鈍らすことで、突起部における、管路１の内壁面１ａの対向する対向部の面積を稼いでいる。
これによって、燃焼ガスから伝熱促進体４に伝熱した熱が、管路１の内壁面１ａに接近している突起部４２の先端から管路１の内壁面１ａへの伝熱する効率が向上する。すなわち、伝熱促進体４の管路１への伝熱面積を大きくし、さらなる伝熱促進効果が発現する。
【００４６】
（２）伝熱促進体４は、例えば、図４（ｂ）に示すように、内部が空洞となっており、その空洞は、管路１を流れる流体の移動方向に沿った面側に開口している。
この構成によれば、伝熱促進体４の伝熱面積を大きく保ちつつ、伝熱促進体４の軽量化を図ることが可能となる。
【００４７】
（３）上記のように、伝熱促進体４が配置される管路１部分の開口断面を、短径と長径の長さが異なる楕円形形状とし、長径を上下方向に配置しても構わない。
ラジアントチューブ１００を配置する雰囲気は高温雰囲気となり、管路１に熱負荷が掛かるが、この変形例では、管路１の剛性が向上し、伝熱促進体４の荷重や熱負荷が管路１に負荷されても、管路１の変形を抑えることが可能となる。このことは、ラジアントチューブ１００から被加熱体への間接加熱をより長期に亘って安定して実行可能となる。
【００４８】
（４）第１の突起部４２ａの数は、例えば８以上２５以下が好ましい。
突起部４２の数を多くするほど、本体部４１外周に形成される流路の数が多くなり、周方向に沿った管路１軸方向の流れの調整が容易となる。ただし、多すぎる場合には、流路抵抗が高くなるおそれがあるため、２５以下が好ましい。
【００４９】
（５）また、隣り合う２つの第２の突起部４２ｂ間に、１以上の第１の突起部４２ａが配置されていることが好ましい。
周方向に沿った旋回流Ｒの発生箇所の低減を抑えることができる。
なお、管路１の面に接触する第２の突起部４２ｂの先端に対し、長手方向途中位置に、図５のような、切欠き４２Ｂａを形成して、第２の突起部４２ｂによる旋回流Ｒの流れの抑制を低減させるようにしてもよい。切欠き４２Ｂａにおける管路１の内壁面１ａとの対向距離ΔＬ１は、隙間ΔＬの内壁面１ａとの対向条件と同じ範囲の大きさで設定する。すなわち、上記（１）式と同等の式を満足するように設定することが好ましい。
【００５０】
（６）被加熱体は、複数の管路１の並び方向に沿って搬送されてラジアントチューブ１００によって間接加熱される。なお、管路１の断面が楕円形の場合、長径を管路１の並び方向に設定した方が、加熱効率がよい。
この被加熱体と対向する側に配置される突起部４２間の空間の面積を、相対的に他の位置の突起部４２間の空間の面積よりも多くなるように設定することが好ましい。例えば、楕円形の短軸を楕円形の中心を中心に±４５度傾けた２つの直線で、管路１内を４つの領域に区画し、各区画に位置する突起部４２間の空間の面積について、より被加熱体と対向する側に配置する区画（楕円形では短軸を含む区画）での空間の全面積が、他の区画での空間の全面積よりも相対的に多くなるように設定する。
【００５１】
（効果）
本実施形態は、次のような効果を奏する。
（１）本実施形態では、管路１内を流れる流体ガスで加熱される管路１と、その管路１内に当該管路１の軸に沿って配置される１又は２以上の伝熱促進体４とを備えるラジアントチューブ１００であって、伝熱促進体４は、管路１の中心側に配置される本体部４１と、本体部４１から管路１の内壁面１ａに向けて突出する複数の突起部４２と、を備え、複数の突起部４２は、管路１の円周方向に沿って配列するように、本体部４１の外周に形成され、複数の突起部４２は、先端部が管路１の内壁面１ａと隙間ΔＬを有して対向する複数の第１の突起部４２ａと、その他の第２の突起部４２ｂとからなり、第１の突起部４２ａの数は、第２の突起部４２ｂの数よりも多く設定され、管路１のうちの伝熱促進体４が配置される管路１部分の等価直径Ｄｔに対する隙間ΔＬの比（ΔＬ／Ｄｔ）の１００分率をｘ［％］とした場合、下記式を満足する。
０．３％  ＜  ｘ  ＜  ７％    
【００５２】
この構成によれば、伝熱効率を向上させつつ安価に製造可能な伝熱促進体４を有するラジアントチューブ１００が提供可能となる。
特に、この構成によれば、伝熱促進体４が簡易な構造にも関わらず、簡易に、管路１の内壁面１ａ近傍に伝熱に寄与する旋回流Ｒを形成できる結果、伝熱効率が向上する。
【００５３】
（２）本実施形態では、第２の突起部４２ｂの先端が管路１の内壁面１ａに当接することで、管路１に対する伝熱促進体４の位置決めが行われている。この場合、第２の突起部４２ｂの数は２以上である。
この構成によれば、第１の突起部４２ａと内壁面１ａとの間に隙間ΔＬを形成しつつ、簡易に、伝熱促進体４を管路１内に配置することが可能となる。
第２の突起部４２ｂの先端が管路１の内壁面１ａに当接していなくても良い。この場合、第２の突起部４２ｂの先端と管路１の内壁面１ａとの間の隙間は、隙間ΔＬを満足しなくても良い。
【００５４】
（３）本実施形態では、伝熱促進体４は、その伝熱促進体４の重心Ｐ２が管路１の開口断面の中心Ｐ１（重心）と一致するように設置されている。
両者の重心が一致するように配置することで、伝熱促進体４の重心とラジアントチューブ１００の燃焼流方向に対して垂直な断面における重心部が一致し、伝熱促進体４の重力方向への偏りを抑え伝熱性能の低下を解消することが可能となる。
【００５５】
（４）本実施形態では、各突起部４２の断面形状は、本体部４１から管路１の径方向に沿って離れるほど、管路１の円周方向に沿った幅が小さくなる形状であって、管路１の円周方向で隣り合う２つの突起部４２の間に、本体部４１から離れるほど隣り合う２つの突起部４２間の距離が広くなる空間が形成されている。
この構成によれば、２つの突起部４２の間に、本体部４１から離れるほど隣り合う２つの突起部４２間の距離が広くなる空間を形成しても、突起部４２が断面板状の場合に比べ、より外周側にガス流が流れるようになって、突起部４２先端の隙間ΔＬによる旋回流Ｒがより確実に形成される結果、より伝熱効率を向上さることが可能となる。
【００５６】
（５）本実施形態では、突起部４２の先端部形状が、面取り形状又は曲面形状となっている。
この構成によれば、突起部４２から管路１への伝熱効率がより向上する。
（６）伝熱促進体４は、内部が空洞となっており、その空洞は、管路１を流れる流体の移動方向に対向する面が閉塞された形状であってもよい。
この構成によれば、伝熱促進体４の軽量化が図られ、熱負荷による管路１の変形をより抑制可能となる。
【００５７】
（７）本実施形態では、伝熱促進体４が配置される管路１部分の開口断面が、楕円形状である。楕円は、一番直径が短い短径と、その短径に直交する径である長径とは大きさが異なる。その楕円の長径が上下方向を向くことが好ましい。
この構成によれば、管路１の剛性が向上して熱負荷による管路１の変形をより抑制すると共に、本実施形態の伝熱促進体４による伝熱効率をより向上可能となる。
楕円は、例えば、（長径Ｌｂ／短径Ｌａ）を１．１以上１．６以下とする。
【００５８】
（８）各伝熱促進体４の長手方向の断面形状を同一の形状とし、複数の伝熱促進体４の形状を同形状とし、その複数の伝熱促進体４を同軸で且つ各先端部の位置が軸方向で並ぶように配置することが好ましい。
この場合、より確実に旋回流Ｒを管路１の内壁面１ａ近傍だけで発生可能となって、簡易な構造の伝熱促進体４であっても、より伝熱効率を向上させることが可能となる。
【実施例】
【００５９】
以下、実施形態に基づく実施例を説明する。
本例では、下記の有限体積法を用いた燃焼伝熱シミュレーションによりラジアントチューブ１００に用いる伝熱促進体４の評価をした。
（ｉ）  管路１
管路１の延在方向の形状は、図１に示すＷ形状とし、管路１の開口断面を、長径２３６ｍｍで短径１８８ｍｍの楕円形形状とした。また管路１の全長は８９００ｍｍとした。
（ｉｉ）  ガス発生部２Ａ
ガス発生部２Ａとしてはバーナーを用いた。燃料は、コークス炉おいて石炭の乾溜中に発生するガスを精製したものを用いた。
（ｉｉｉ）  伝熱促進体４
最下流に位置する直管部のラジアントチューブ１００出側３００ｍｍの位置から９５０ｍｍの位置までに伝熱促進体４を１０個配置するとした。【００６０】
（ｉｖ）  廃熱削減比
廃熱削減比としては、試験炉からの放熱量と排ガスの熱量のバランスを計算し、入熱量に占める排ガスの熱量の割合を算出した。そして、後述の例１の伝熱促進体４の全突起部４２がラジアントチューブ１００内壁に接地しているとき（図６参照）の廃熱削減率を１．００としたときの比を示す。
この実施例では、廃熱削減比が１．２０以上の場合、好ましくは廃熱削減比が１．５０以上の場合伝熱効率が優れるとして合格とした。【００６１】
まず、断面星形の伝熱促進体４の基本形状について検討した。
図６に示す例１は、伝熱促進体４の複数の先端部の全ての先端と、管路１の内壁とが接地しているものである。
図７に示す例２は、伝熱促進体４の先端部を均等に短くしたものである。ただし、重力方向に伝熱促進体４が偏っている。すなわち、管路１の断面中心に対し、伝熱促進体４の重心位置が下方に位置する場合である。【００６２】
図８に示す例３は、例２に対して２本の先端部のみ例１と同じ長さとして第２の突起部４２ｂとして、伝熱促進体４の重心と管路１の中心（円筒上の流れ方向に垂直な方向に対する断面の重心部）を一致させたものである。
図９に示す例４は、例１の形状から突起部４２の先端の隙間ΔＬが例３と同様になるように突起部４２の先端を面取りしたものである。なお、突起部４２の図９に示す形状において、突起部４２にＲを取った場合もほぼ例４と同程度の廃熱削減量であった。【００６３】
上記の例１〜例４の検討結果を図１０に示す。図１０では、縦軸は廃熱削減比を表す。
図１０から分かるように、例２〜例４のように、突起部４２の先端に隙間ΔＬを設けることで、先端部を管路１に接した状態（例１）と比較して、廃熱削減比が向上することが分かった。
更に、例３及び例４のように、管路１断面の重心と伝熱促進体４の断面の重心を一致若しくは近似させることで、より廃熱削減比が向上して、廃熱削減比が１．５０以上となった。【００６４】
次に例４の形状をベースに、星型からなる伝熱促進体４の先端部と管路１内壁との隙間ΔＬを変化させて廃熱削減比を検討した。
その結果を図１１に示す。
図１１から分かるように、ラジアントチューブ１００内壁の等価直径に対する突起部４２先端とチューブ内壁との隙間ΔＬが０．３＜ｘ＜７を満足すれば廃熱削減比１．３倍以上となり非常に高い伝熱効率向上効果を示すことを確認した。更に好ましくは先端部と内壁との隙間ΔＬが０．５＜ｘ＜４．５を満足すれば、廃熱削減比１．５倍以上となりより高い伝熱効率向上効果を示すことを確認した。【００６５】
次に管路１が直径１８８ｍｍの真円形状のものと、楕円形状のものを比較した。
どちらの場合も、伝熱促進体４の先端部が管路１壁面に接地しているときの廃熱量を基準としてラジアントチューブ１００内壁の等価直径に対する突起部４２先端とチューブ内壁との隙間ΔＬが真円と楕円で等しくなる条件である。
その比較結果を図１２に示す。
図１２から分かるように、管路１の開口断面が円形でも楕円形でも同様に廃熱削減比が向上することが分かった、更に、管路１の開口断面が楕円形状の方が、円形形状の場合に比べ、廃熱削減比が１０％程度向上することが分かった。【００６６】
ここで、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０２０−０２８０３３（２０２０年０２月２１日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。
【符号の説明】
【００６７】
１ 管路
１ａ 内壁面
２Ａ ガス発生部
３ 炉壁
４ 伝熱促進体
４１ 本体部
４２ 突起部
４２ａ 第１の突起部
４２ｂ 第２の突起部
１００ ラジアントチューブ
Ｒ 旋回流
ΔＬ 隙間
【要約】
構造が簡易で、かつ、より伝熱効率をより向上可能な伝熱促進体を有するラジアントチューブを提供する。伝熱促進体（４）は、管路（１）の中心側に配置される本体部（４１）と、本体部（４１）から管路（１）の内壁面（１ａ）に向けて突出する複数の突起部（４２）とを備える。複数の突起部（４２）は、管路（１）の円周方向に沿って配列するように、本体部（４１）の外周に形成され、複数の突起部（４２）は、先端部が管路（１）の内壁面（１ａ）と隙間（ΔＬ）を有して対向する複数の第１の突起部（４２ａ）と、その他の第２の突起部（４２ｂ）とからなり、第１の突起部（４２ａ）の数は、第２の突起部（４２ｂ）の数よりも多く設定され、管路（１）のうちの伝熱促進体（４）が配置される管路（１）部分の等価直径に対する隙間の比（ΔＬ／Ｄｔ）の１００分率をｘ［％］とした場合、下記式を満足する。
０．３％  ＜  ｘ  ＜  ７％【図１】
0006904504.tif 000002
【図２】
0006904504.tif 000003
【図３】
0006904504.tif 000004
【図４】
0006904504.tif 000005
【図５】
0006904504.tif 000006
【図６】
0006904504.tif 000007
【図７】
0006904504.tif 000008
【図８】
0006904504.tif 000009
【図９】
0006904504.tif 000010
【図１０】
0006904504.tif 000011
【図１１】
0006904504.tif 000012
【図１２】
0006904504.tif 000013