JP3136873U - 高温ガス顕熱回収マット - Google Patents

Abstract

【課題】工業用炉に適用するのに特に適し、その適用により工業用炉の省エネルギー化を達成できる高温ガス顕熱回収マットを提供する。
【解決手段】高温ガス顕熱回収用マット１０を、Ｓｉ−Ｃ系繊維１１を厚み：５〜１０ｍｍ、容積空隙率：９０〜９５％、通気抵抗による圧力損失：５０〜２００Ｐａとなるようにマット状に堆積又は編み上げてなるものとする。高温ガス顕熱回収用マットは工業用炉の熱フィルター又は熱レフレクターとして使用され、２０〜４０％の大きな省エネルギーを達成できる。
【選択図】図１

Description

本考案は、各種加熱炉から排出される高温ガスの顕熱を効率的に炉内において自己回収するために用いる高温ガス顕熱回収マットに関する。

工業加熱炉における最も顕著な熱損失は、高温排ガスにより系外に持ち出される顕熱によるものである。この高温排ガスの顕熱を炉内において直接回収し、炉内に還元できれば、理想的な省エネルギー炉を構築することができる。高温ガスを通過させ、その顕熱を漉し取り、炉内に向けて放射する機能を有する熱フィルターに関する伝熱工学的理論計算が非特許文献１に発表され、その実現により数１０％に達する燃料消費量の節約が可能なことが示唆されている。また、特許文献１には、「加熱炉内に於ける被加熱物体と燃焼ガス排出口との間に金網等の適度の通気性を有する熱回収物体を配置し、該熱回収物体に燃焼ガスの持つ熱量を吸収せしめ、高温にされた熱回収物体からの放射熱をも被加熱物の加熱に利用する方法。」が開示されている。

また、特許文献２には、炉壁が耐火レンガにより形成され炉内の被加熱物を輻射熱により加熱する加熱炉において、前記炉壁のうち少なくとも内壁側が黒色顔料を混入した耐火レンガにより形成することによって、従来の加熱炉に比べて、燃焼排ガス温度を低下させ、被加熱物の昇温速度を向上することができることが記載されている。

特公昭55-25353号公報 特開平8-210782号公報 越後亮三：「ガスエンタルピーと輻射エネルギー間の効果的転換方法と工業炉への応用」日本機械学会論文誌（Ｂ編）45巻（1982）p.2315−2323

これらの手段により、加熱炉から排出される高温ガスの顕熱を効率的に炉内において自己回収して炉内に還元し、省エネルギー効果を得ることが期待される。しかしながら、現実の工業用炉において、上記手段を実現するためには、多くの工学的問題を解決しなければならない。例えば、特許文献１に記載のように金網を用いる場合には、工業的に安定して操業できるレベルに達せしめるためには、金網の酸化による劣化・損耗、熱歪みによる変形・破壊、熱伝導による熱回収率の低下などの問題を解決しなければならない。また、金網を多孔セラミックスに置き換えた場合は、加熱・冷却時に生ずる膨張−収縮に起因する破損等の致命的欠陥を解決しなければならない。

特許文献２に係る発明を工業用炉に適用する場合にも多くの解決すべき課題がある。例えば、使用する寿命が長く、かつ黒体輻射の高い耐火レンガの寿命が供給されなければならないが、そのような耐火レンガはいまだ供給されていない。また、耐火レンガを通しての熱伝導による炉壁から外部に流れる顕熱が増加し、熱回収率の低下を招くという問題もある。

しかしながら、上記の工学的課題はいずれも現在に至るまで解決されていない。そのため、特許文献１及び非特許文献１により提案された加熱炉がその実現により大きな省エネルギー効果をもたらすものであるにも拘らず未だ実用レベルには達していない。本考案は、上記課題を解決することを目的とし、工業用炉に適用するのに特に適し、その適用により工業用炉の省エネルギー化を達成できる高温ガス顕熱回収マットを提供することを目的とする。

本考案者は、上記課題を解決するために、ポリマー・ルートにより作成されたＳｉ−Ｃ系繊維に着目し、これを特に工業用炉の高温ガス顕熱回収マットとして適した構造に組み上げたとき、前記効果を効果的に発揮できるという事実を確認し、本考案を完成した。

具体的には、本考案に係る高温ガス顕熱回収マットは、Ｓｉ−Ｃ系繊維を、厚み：５〜１０ｍｍ、容積空隙率：９０〜９５％、通気抵抗による圧力損失：５０〜２００Ｐａとなるように堆積又は編み上げてなるものである。

上記高温ガス顕熱自己回収マットは、熱フィルター又は熱レフレクターとして使用することができる。また、上記高温ガス顕熱回収マットを、少なくともその表裏面のうち１面が耐熱性の金網により覆われてなるものとすることができる。

本考案に係る高温ガス顕熱回収マットは、耐熱性が高く、強度の大きいＳｉ−Ｃ系繊維を空隙率が大きいマットに編み上げ又は堆積したものであり、その通気抵抗による圧力損失が低く、熱伝達係数が大きいので、工業用炉に適用したとき、酸化による劣化・損耗、熱歪みによる破壊、熱伝導による熱回収率の低下などが発生することなく、工業的に安定して省エネルギー化を達成することができる。

図１は、本考案に係る高温ガス顕熱回収マットの(a)平面図、(b)側面図、(c)一部拡大模式図である。図１に示すように、本考案に係る高温ガス顕熱回収用部材10は、Ｓｉ−Ｃ系繊維11を厚み：５〜１０ｍｍ、容積空隙率：９０〜９５％、通気抵抗による圧力損失：５０〜２００Ｐａとなるように堆積又は編み上げたものである。

本考案に使用するＳｉ−Ｃ系繊維11は、直径５〜１５μｍ程度の繊維であり、その微細構造は、図２のナノ尺度構造モデルに示すように、その表面が緻密なＳｉＯ_２薄膜12で覆われており、内部にはＳｉ−Ｃ−Ｏアモルファス・マトリックス13中にβ−ＳｉＣナノ結晶14並びにｓｐ^２−Ｃナノ・クラスター15が析出し、かつこれらの結晶界面及びβ−ＳｉＣナノ結晶とｓｐ^２−Ｃナノ・クラスターとの界面に差渡し１ｎｍ以下のナノ・ボイド16が存在する多相ナノ・コンポシットである。炉内において高温排ガスが繊維に接触して伝達された熱は、繊維表面を被覆する厚み１０ｎｍ程度の薄いＳｉＯ_２ガラス膜12を通過して、熱伝達率の高いｓｐ^２−Ｃナノ・クラスター14に伝達され、β−ＳｉＣナノ結晶13に蓄えられる。比熱の小さいβ−ＳｉＣナノ結晶13の温度は急速に上昇し、やがて輻射熱として熱を炉内に放出する。

このようなＳｉ−Ｃ系繊維11は、宇部興興産（株）からチラノ繊維として、また日本カーボン（株）からニカロン繊維として販売されており、いわゆるポリマー・ルートで作製される。また、強度、耐酸化性、伝熱特性等の向上のために数％以下のＡｌ，Ｔｉ，Ｚｒ等の金属元素を含有させることができる。このＳｉ−Ｃ系繊維は、５０〜７０ｍｍ程度の長さの短繊維に切断して不織布として堆積させ、又は数十ｍ以上の長繊維として、図１(c)に示すように３次元に編み上げて高温ガス顕熱回収マットとする。

この高温ガス顕熱回収マットは、図３に示すように、第一に、加熱炉21の炉室26を取り囲むように炉壁21の内壁に取り付けられて熱レフレクター22として使用される。この場合には、高温ガス顕熱回収マットが熱レフレクターとして加熱炉の高温雰囲気により急速に加熱されて輻射熱を被加熱体24に向けて放射し、その昇温速度を高めるのに役立つ。第二に、加熱炉21の排気口27を覆うように取り付けられて熱フィルター23として使用される。この場合には、加熱炉21から排出される高温排ガスの熱を漉し取り、それにより自らは高温に加熱されて輻射熱を炉室26に放出し、高温排ガスの顕熱を効率的に炉内において自己回収して炉内に還元して、被加熱体24の昇温速度を高めるのに役立つ。これら熱レフレクター、熱フィルター又はこれらの共同作用によって、バーナ25からの燃料供給量が節減されることになる。なお、図３に示す場合には、熱フィルター23を金網28で挟み込んだものとしていて、排ガス流等によりマット繊維が持ち去られることのないようになっている。

このような熱フィルター効果あるいは熱レフレクター効果を得るためには、高温ガス顕熱回収マットは、厚み：５〜１０ｍｍ、容積空隙率：９０〜９５％、通気抵抗による圧力損失：５０〜２００Ｐａの特性をもつようにすることが必要である。

厚さが５ｍｍ未満では、熱フィルターとして用いたとき、高温排ガスの有する熱量を十分漉し取ることができず、また、熱レフレクターとして用いたとき、炉壁側への熱の移行を十分阻止することができない。一方、厚さが１５ｍｍ超では、熱フィルターとして用いたとき、圧力損失が大きくなりすぎて、加熱炉の円滑な操業が阻害され、また、熱レフレクターとして用いたとき、操業時、炉壁からはがれやすくなるなどの問題を生ずる。

容積空隙率は容積率で９０〜９５％とする必要がある。９０％未満であると、高温排ガス通気抵抗が大きくなり過ぎ、特に熱フィルターとして使用したとき負圧が大きくなりすぎて、加熱炉の円滑な操業が阻害されることになる。一方、９５％超では、必要な強度を有するマット形成が困難になり、熱工学的特性も低下するとともに、加熱炉の省エネルギー効果が失われる。なお、容積空隙率は、たとえば製造された顕熱回収マットに静かに樹脂を注入して固化させた後、断面を光学顕微鏡によって観測して繊維の占める面積率を、たとえばリニア・アナリシスによって求めることによって定めることができる。

通気抵抗による圧力損失は５０〜２００Ｐａ（５〜２０ｍｍＡｑ）とする必要がある。５０Ｐａ未満であると、先に述べた容積空隙率と相俟って高温排ガスと高温ガス顕熱回収マットとの間の熱交換が不十分となり、一方、２００Ｐａ％超では、熱フィルターとして用いたとき、炉内圧力が大きくなりすぎて、加熱炉の円滑な操業が阻害されることになる。また、熱レフレクターとして使用したとき、その表面からの高温排ガスの浸透が不十分となって、炉壁からの輻射熱の放出が不十分となる。

なお、本考案の高温ガス顕熱回収マットは、Ｓｉ−Ｃ系繊維を上記のように堆積又は編み上げた状態で使用することができるが、少なくとも表裏面のうち１面が耐熱性の金網により覆われてなるものとしておくのが好ましい。これにより、高温ガス顕熱回収用部材熱フィルターとして用いる場合に、その煙道側に当たる面に前記金網配置部が位置するようにすることができ、煙道側からの高速流体の排気により、Ｓｉ−Ｃ系繊維が持ち去られるのを防止することができる（図３参照）。かかる効果を確実にするためには、熱フィルターとして用いる高温ガス顕熱回収用部材は、長繊維を三次元に編みこんだものとするのがよい。

上記高温ガス顕熱回収マットの炉室内への取り付けの手段は特に制限されないが、加熱炉の炉壁に対し接着剤により貼りつける、あるいは、耐火セラミックス製の釘で固定するなどの手段を採用できる。また、その取り付けに当たっては、燃焼条件や炉の形式、サイズ等に合わせて上記Ｓｉ−Ｃ系繊維の材質（熱的性質、直径）やマットの厚み、容積空隙率、通気抵抗等を適宜選択し、自己回収エネルギー量（比）が適当な範囲になるようにし、操業結果から計算される熱伝達係数が１０^３〜１０^４ｗ／ｍ^２・Ｋ以上となるように調整するのがよい。結果的には、例えば、厚み：８ｍｍの熱フィルターを用いたとき、炉室側の温度１２００℃に対し、煙道側の温度を６６０℃と大きく低下させるようにすることにより後に実施例で示すような大きな省エネルギー効果を得ることができる。

図３に示す構造を有し、表１に示す諸元をもつバッチ式の加熱炉を構築して自動車用鋳造部品の熱処理炉とした。この熱処理炉の炉室内排気口に熱フィルターとして本考案に係る高温ガス顕熱回収用部材を、また、炉室内の床面を除く４壁面及び天井に熱レフレクターとして本考案に係る高温ガス顕熱回収用部材を取り付けて本考案を適用したときの省エネルギー効果及び操業時間短縮効果を検証した。表２に使用した高温ガス顕熱回収用部材の主要仕様を示す。

検証は、熱処理温度：９００℃、熱処理時間：９０分、バッチ当たりの熱処理量：１．０〜１．５ｔとし、１日当たり８バッチの操業を週５日繰り返し、連続する３週間の各週における燃料(プロパン)ガスの消費量を測定することによって行った。結果は、表３にまとめて示す。熱フィルターならびに熱レフレクターのいずれも装着されなかった第１週のプロパンガス消費量は、標準状態換算で、１４．０ｍ^３／ｔであったが、熱フィルター及び熱レフレクターをともに装着した第２週及び第３週のプロパンガス消費量は、それぞれ１０．７及び８．４ｍ^３／ｔまで削減された。第１週を基準に取ると、燃料節減率は２３．４％(第２週)、３９．６％(第３週)に及ぶ。

本考案の高温ガス顕熱回収マットは、柔軟、強靭でかつ、耐熱性の高いＳｉ−Ｃ系繊維を用いているので、その寿命が長く、これまで実用化できなかった高温ガスの顕熱の炉内自己回収とそれによる省エネルギー効果を長期・安定して得ることができる。さらにその省エネルギー効果は、前記のとおり顕著である。これにより、地球温暖化の元凶であるＣＯ２ガスの排出量を抑制するという緊急課題に貢献することができるなど、本考案の利用可能性は非常に大きい。

本考案に係る高温ガス顕熱回収マットの(a)平面図、(b)側面図、(c)一部拡大模式図である。 本考案の高温ガス顕熱回収マットの製作に用いるＳｉ−Ｃ系繊維のナノ尺度構造モデルを示す。 本考案を適用する典型的な加熱炉の模式的断面図である。

符号の説明

10：高温ガス顕熱回収マット
11：Ｓｉ−Ｃ系繊維
12：ＳｉＯ_２薄膜
13：Ｓｉ−Ｃ−Ｏアモルファス・マトリックス
14：β−ＳｉＣナノ結晶
15：ｓｐ^２−Ｃナノ・クラスター
21：加熱炉
22：熱レフレクター
23：熱フィルター
24：被加熱体
25：バーナ
26：炉室
27：排気口
28：金網

Claims (3)

1. Ｓｉ−Ｃ系繊維を、厚み：５〜１０ｍｍ、容積空隙率：９０〜９５％、通気抵抗による圧力損失：５０〜２００Ｐａとなるように堆積又は編み上げてなる高温ガス顕熱自己回収マット。
2. 熱フィルター又は熱レフレクターとして使用される請求項１記載の高温ガス顕熱自己回収マット。
3. 少なくとも表裏面のうち１面が耐熱性の金網により覆われてなる請求項１〜２のいずれかに記載の高温ガス顕熱回収マット。

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