JPS6159191A

JPS6159191A - 熱交換構造物

Info

Publication number: JPS6159191A
Application number: JP60177035A
Authority: JP
Inventors: ゴードン　リー　バーナ; ジエームス　ウオルター　リパート
Original assignee: Natl Rifurakutoriizu & Mineral; Natl Rifurakutoriizu & Mineral Corp
Current assignee: Natl Rifurakutoriizu & Mineral; Natl Rifurakutoriizu & Mineral Corp
Priority date: 1984-08-14
Filing date: 1985-08-13
Publication date: 1986-03-26
Also published as: DK157632B; MX162889B; DK348985D0; AU4523885A; EP0172655A1; EP0172655B1; CA1238184A; PH22738A; DK157632C; ATE31812T1; DE3561360D1; US4519442A; KR930004209B1; AU569217B2; NZ212561A; DK348985A; KR860002000A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の背京本発明は、特に、耐火材料製の熱交換構造物に関するも
のである。

この形式の熱交換器は、高炉式ストーブ、ガラス・タン
ク・チェッカーその他に用いられる。本発明は、特にガ
ラス・タンク・チェッカーに用いられるものなので、以
下では、それに用いられた場合について説明する。しか
し、本発明が、より広範囲に用いうろことは、この分野
の専門家には自明のことである。

スタンダードの耐火れんが、すなわ”ｌ−＞２３Ｘ１１
．５　Ｘ　６．４Ｃ，−１ｎの寸法の長方形状れんがを
用いて、ガラス・タンク・チェッカーを造ることは公知
で、　　　　ある・しかし・５う“″り熱交換器内″′
”ツカ−は、この単一のスタンダード形状のれんがを槙
々多様に組合せて構成することができ、チェッカーまた
は熱交換器の設計には、複数の異なる要因の注意深いバ
ランスが９．求される。

その１つの要因は、チェッカーを員辿する熱気迷路もし
くは垂直通路の横断面績である。（熱交換器をガラス・
タンクと組合せて、気体がチェッカー内を世直に通過す
るように構成することは公知である。しかし、本発明の
原理は、気体が水平に流れる熱交換器にも、同様にオリ
用可能７．にとはこの分野の専門家には自明のことであ
る。）最大限に熱交換が行なわれるには、熱気活路が狭
いことが望ましい。しかし、狭い活路では、気体所要量
を貫流させるさい、チェッカー内で大きな圧力降下が生
じる。ま几、狭い送路の場合は、たとえば、タンクから
熱交換器へ流れる熱気によりガラス・タンクから送出さ
れる材料が詰まりやすい。

別の要因は、活路と送路との間の耐火壁の厚さである。

これらの壁が薄ければ薄いほど、壁の中央へ熱が速（伝
わり、れんが買掛の利用効率がよくなる。他面、耐火れ
んが壁が厚ければ、それだけ蓄熱量が大となる。また、
よりＮ犬なことは、壁が薄すぎれば、チェッカー構造物
は、物理的に不安定となり、崩れ落ちる可能性もある。

（これらの構造物の場合、スタンダードの耐火れんがが
長手側を下にして置かれろ結果、熱気送路間の耐火壁は
６．４　Ｌ：ｒｒＬ厚となり、チェッカー内のれんがの
単一の層もしくはレベルの高さはｉｌ、５ｃ＊トするの
が晋遡である。より薄いれんが、たとえは６．８４ｍ厚
のれんがを造ることは全く容易であろうが、６．４σの
厚さは、スタンダードのれんが形材を用いたチェッカー
構造物を十分に安定的に保つための最低限の厚さであろ
う）。

更に、別の要因は、チェッカー構造物の単位体積におけ
る中実耐火物の量である。この敬字が犬であれば、それ
だけ単位体積当りの蓄熱量が犬となる。この要因は、熱
気送路のサイズおよび壁厚と相互関連している。ｆｃと
えば、チェッカーの単位体積当りの中実材料量が犬で、
あれば、熱気送路容積が小さいことを意味し、それに付
随する不都合が生じる。

加えて、史に別の要因は、中実耐火材料の単位負量当り
伝熱面積である。この要因の匝は、気体と耐火材料との
間の伝熱速度が比較的高くなるよっな１直であることが
望ましい。（ガラス・タンク・チェッカー内でヲ裏、チ
ェッカーの゛れんがが、まずはじめに燃焼熱気により熱
せられる。この熱気＆六ガラス溶解炉からチェッカーを
辿り排気筒へ流れ下る熱気である。次いでチェッカー全
通る空気流は逆になり、燃焼のための冷気が進入して（
る。

冷気流はチェッカーを通って上ってき、予熱されてから
、ガラス・タンク内の燃料の燃焼を助けるため、ガラス
・タンクに流入する）。

中実材料体積に対する伝熱面積の比が高ければ、熱伝達
には望ましいが、他方、このことは、熱気送路容積が犬
であり、チェッカーの単位体積当りの中実材料が比較的
少ないことを含意してお９、したがって、このことに付
随する欠点をともなう。

このようなわけで、熱交換器、たとえばガラスタンク・
チェッカーの設計者は、多くの選択肢に直面しており、
利用可能の材料を用い７′ｉｃ最も効率のよい熱交換器
の設計を模累している。若干の従来の形式のチェッカー
構造物を簡単に説明することにより、前記諸要因が実際
には、どのように処理され℃いるかを明らかにすること
にする。

第１図に示したのは、１なな千載１として昶られた公知
の型のチェッカー構造物である。第１図から分かるよう
に、決まったサイズのれんがの場合、この構造物は、比
較的小さな熱気送路をもつ。

これらの送路は、構造物の頂部から底部まで続いており
、瞬接送路とは連絡されていない。この構造物は極め℃
安矩的ではあるが、１つの大きな欠点をもっている。す
なわち、ある送路のどこかが詰まると、その送路全体が
機能しなくなり、チェッカーの能力が低下′ｆるだけで
なく、圧力降下が生じて、気体がチェッカーを通過する
ことができなくなる欠点である。

第２図に示したのは、ｌ開放なな千載Ｉとして知られる
広く用いられているチェッカー構造物で］　　ある。こ
の場合は、図から分かるように、個々のれんがの配置は
前述の”なな千載”構造の場合と同じだが、個々のれん
がが水平方向に相互に隙間をあげて配置されている。こ
の結果、連続的な垂直送路のそれぞれが、それぞれのレ
ベルにおいて４つの瞬接送路と連絡せしめられるのであ
る。この構造の１つの特欧は、活路が°なな千載“構造
の庵奮より僅かに犬であり、この結果、チェッカーの平
位体槓当りの中央耐火（イ科重がより少ないということ
である。しかし、この開放構造の最もム要な特畝は、あ
る送路のどこかが藷まった賜金、その送路を降りてくる
気体は、隣接の送路へ逃げて、詰′ｌ：９１［ｉＷ所の
下方から（もしくは上方からこれは気体流の方向によっ
て異なる）再び元の送路へ入ることができる点である。

このため、詰まっても、チェッカーの能力には重大な影
響は与えられない。この開放構造のもう１つの利点は、
チェッカーを通る気体内に乱流から生せしめられ、この
幼果、気体と中実材料との間に、より艮好な熱交換が生
ぜしめられることである。

第６図に示したのは、チェッカー構逅物の第６の有第１
」な形式であり、Ｓハトの巣箱”として知られ、時には
開放送路構造とも呼ばれる形式である。

図から分かるように、この開放送路構造の場合、既述の
６つの構造形式のうつで最も送路サイズが犬であるが、
同時に、チェッカーの単位体積当９の中実耐火材料の量
は最少である。他方、“・・トの巣箱層構造がまさに開
放構造であるため、詰まりの問題は最も少なく、総じて
構造物を気体が通過するさい顛不可避の圧力降下が少な
い（この降下は、熱気を動かすのに８債なファンおよび
モータで一員して抽慣される）。

スタンダードの耐火形材を利用した前記層構造のほかに
、もっばら熱交換器の形材として用いろために提案され
ている特殊な形材も多い。たとえば米国特許第２，４５
１，３９２号、同第３，４５６，９３７号、同第４，２
８２，９２３号参照のこと。基本的には、これらの形式
のものは、ある既知の型の熱交換器で、ある既知の用途
に用いろさいに、最大の熱効率を得ようとしたものであ
る。これらの従来の形式の形材のそれぞれを詳細に検討
することは実際的ではな（、またこれらの形式のうち、
本発明の熱交侠器購造を明らかにしているものは皆無で
ある。

本発明は、耐火形材およびその耐火形材で構成された熱
交換構造物、それも、従来技術の構造物と比較して熱効
率が高く、特に、構造の女定性、熱気送路間の壁の厚さ
、構造物を通る気体への乱流発生などの点に関して１利
な形式のものを提供するものである。

本発明の要約本発明によれば、従来技術のものより効率のよい熱交換
構造物は、少なくとも２つの異なる型の熱気送路を有す
る場合に得られろことが分かった。

すなわち第１の型の送路は、交后のレベルにおいては、
隣接する４つの送路のそれぞれへ通じる隙間を有し、こ
れらの隙間を有するレベルの間に介在するレベルでは、
他の送路には連絡されていす、第２の型の送路は、交后
のレベルにおいては、隣接する２つの向い合った送路へ
通じる隙間を有し、中間のレベルにおいては、別の２つ
の向い合った瞬接送路へ通じる隙間を有している。

詳細な説明本発明の熱交換器を構成するのに用いる耐火プロックは
第４図に示されている。基本的には、このブロックは、
２本のクロスアーム１３によって粘付された２つの中断
のない長手辺１２を有する長方形ブロック１１である。

追いかえると、このブロックは、長手方向に並んだ６つ
の送路形成用の開口ないし切欠さを有している。真中の
開口１４は４万を耐火材料によって取囲まれており（百
うまでもなく、あらゆる送路形成開口同様、頂部と底部
が開放されている）、他の２つの切欠き１６は、それぞ
れ端部に１つずつ形成され、６方が耐火材料で囲まれて
いる。ブロックの比寸法は臨界的ではないが、用いられ
たブロックは、長さ４６ｃＩｎ、１ｍ２３１．高さ７．
６Ｃ：ＩＩＬの寸法のものであった。しかし、より寸法
の太きいもの、もしくは少さいものを用いろこともでき
よう。この特殊ブロックの場合、壁厚は４．４淵と容易
に決めるこコ　　　とができる。しかし、この壁厚は２
．５　（ｍから５　ｃｍまでの範囲内で変えることがで
きるし、中央開口のサイズも１０ＣＩＩＬから１６．５
Ｃ：Ｉｒ＋の範囲内で、また端部分の切欠きも、それに
応じて変えろことができる。この分野の専門家には自明
のことであるが、ブロックの侵さ、１陽、壁厚は、チェ
ッカーの沿効率に影＃するから、そのことｔ０己、ン江
して選ばねンまならない。ブロックの誦さは、一般的に
−ｇって、チェッカー構造物のブロック数が最低限にな
るよう調整されるが（こしは建設に要する労愕〕費用金
低減することにもなる）、このことは、取扱うのに余つ
重すさ゛ないブロックを得るということとも矛盾しない
。とはいえ、ブロックの島さと直接に関係する送路間開
口部さおよび頻度は、熱効率にかなりの影パ＃を与える
。

これらの：１ｆｆｔ大形材は、第５図に見られるように
、いくつかの数を組合せて、′開放なな千載・形状にさ
れる。より具体的に言えば、どれか１つの層のブロック
〔たとえば、第５図の第１層１９〕が縦・横交互に１列
に並べられるようにし、更に、隣りの列のブロックも、
同じように並べられるが、ただ列の縦方向に半ブロック
長さだゆずらされて配置されろ。この配置の最終的なホ
占釆し工、ブロックの中央開口１４により形成される周
囲に切れ目のない送路部分と、隣接ブロックの切れ目な
い側に面する１つのブロックの切欠き１６により形成さ
れる迷路セグメントとに８口えて、４つのブロックの並
置により形成される第６の送路セグメント１７が得られ
ろことである。有利には少なくとも２．５　ｃＩｒＬあ
ろブロック間の間隙１８により、前記の２つの型の送路
セグメントの間に隙間が形成される。この隙間から、一
方の送路から次の送路へ気体流が送られる。

耐火ブロックの次の層〔たとえば、第５図の層２１〕は
、第１層１９の上に設けられるが、対角方向にずらされ
て配置されろ。換言すれば、第２Ｊｉ１２１のブロック
の中央開口１４により形成される周囲に切れ目なしの送
路部分は、第１層１９の４ブロツク並置により形成され
る送路セグメント１７の上に重ねられろ。ブロックの第
６層〔たとえば、第５図の層２２〕は、第１層１９のブ
ロックの上方に直接配置される。このようにして、構造
物は、熱交侠チェッカーの頂部まで続（。

この構成の最終結果は、チェッカー内に２つの異なる型
の送路が形成されることである。第１の型の走路は、構
造物内のそれぞれ別の層において、４つの隣接する送路
へ辿じる４つ“の隙間をもっている。（１隣接する１と
は、送路が互いに隣りに位置し、特定の送路と共通の壁
を有しているという意味である）。この構成により形成
される第２の型の送路は、走路の各層に隙間をもつが、
これらの隙間は２つの向い合った隣接送路へ通じている
だけである。すなわ）、これらの隙間は、１つの層とそ
の層の上もしくは下の、いずれかのノ′―とに存在する
１対の隣接送路へ通じ、かってた中間層の別の１対の隣
接送路へ通じている。言いかえると、本発明の熱交換器
の構造は、単一の耐火ブロックにより造り出される２つ
の異なる型の送路全有している〔第５図のブロック２３
のようなカット・ブロックはチェッカー構造物の縁部に
用いられるのは言うまでもない〕。

本発明による熱交換器構造を第４図に示しｆｃ耐火ブロ
ックを用いて説明したが、不発明の基本原理は、前述の
２つの異なる型の迷路全形成することにあり、かつまた
、本発明を実施するには、他の型の耐火ブロックを用い
てもよい点にある。

本発明の熱交換器の利点のつつ、第１の利点＆六従米技
術のものより、迷路間の１耐火壁が薄＜、シかも物理的
に極めて女定的な構造金もっている点である。また、第
２の利点は、２つの異なる型の通路間の連絡がなされる
ことにより、気体流に乱流が生せしめられ、これにより
伝熱率が高まる点である。２つの型の送路が、異なる空
気力学的構成をもつことで、同一レベルにあるこれら２
つの送路に圧力差が生じ、この結果、一方の送路から他
方の送路への流れが生ぜしめられる。この流れによって
生じる乱流が境界層流の発生を阻止し、伝熱率ｋ　＋％
めるのである。（境界層の形成が望ましくないのは、気
体と固体との間の伝熱を妨げるからである）。

）　　　本発明による構造物の場合、１つのノー内のブ
ロックの迷路形成部分が、その下の層のブロックの送路
形成部分と正確に整列せしめられていると説明したが、
そのような児べきな整列は不必要であるとも考えられよ
う。事実、層から層への送路形成開口が備かに不整列な
状態にブロックを配置することにより、たとえは、乱流
が増大するという利点が生じよう。

ガラス・タンク熱交侠チェッカーや他の用途の類似構造
物は、５年から７年、もしくはそれ以上の寿命があるの
で、本発明によるチェッカー構造物のすぐれた点が、実
際に工業分野で使用されて証明されるには至っていない
。このため本発明の熱交換構造物の熱特性を証明するた
めに、ガラス・タンク・チェッカーのコンピュータ・モ
デルヲ造って、本発明による構造物の使用も含めて、種
々のパラメータが変化することによる影＃全丘定した。

この食定は、モデルのアウトプットに対するパラメータ
変化の影響といつ親点から見たもので、主として、構造
物の熱効率と、入って米る空気が熱交保構造物の頂部に
達するまでに熱せられろ最高温度とが調べられた。

モデルの詳細には立つ入らないが、モデルの設計にさい
して、次のことを考慮に入れた点は言つておかねばなら
ない。すなわち、ガラス生産率、炉の熱損、炉の排気温
度、眠りチャージの場合の湿気、耐気温度など、炉に関
する１６の異なるパラメータと、次元、比表面積、中実
部分率、仝気侵人、送路開口寸法、進入空気温度、伝熱
係数などを含む熱交換器の特性に属する１５の要因とが
インプットされたということである。異なる熱交換器構
造物に関係する特定のインク０ツト・パラメータは、比
表ｍｌ頂、中央部分率、流れ用の部分面積率、送路の寸
法、対流伝熱相関係数である。

このモデルは、２つの仮定のだが実物上つ（りのガラス
・タンク・チェッカーの特性を計算するのに用いられた
。１つは、２３　Ｘ　ｊｌ、５　Ｘ　６．４淵のれんが
セットを用いた”、、’１ｃｍスペースの従来形式開放
“なな子餓″構成のものであり、第２のチェッカーは、
本発明みよる構成で、長さ３８ｃｍ。

＋ｍ２０ｃｍ１中央開口１１．５ｃｆｎ、壁厚４．４０
のブロックが２．５函の間隔をおいて配置されたもので
ある。双方の炉とも、１時間当り２０トンのガラス生産
率、炉排気温度１５４０°Ｃ１ライダ・アーチのところ
での進入空気温度２０５°Ｃという数置にもとづいてい
る。各チェッカーは尚さ４．６７７Ｌ、長さ１８．３ｍ
、幅は３．７ｍであった。従来形式のチェッカーは０．
１３５ぼ２／」３の比面積、０．４６の中実部分率、０
．４１の流れ用の部分横断囲槓率をもつ。本発明による
チェッカーは、０．１７７ばヅｃｍ３の比面積、０．４
４の中央部分率、０．５２の流れのための部分横萌面積
率を有している。

し九がって、本発明によるチェッカーは、比表面積およ
び訛れ横断面積が、より犬さく、中実部分率が僅かに低
いことが分かる。

このモデルにより、従来技術によるチェッカーをもつ炉
への熱のインプットは、比生産率を維持するためには、
１４９，０００．０ロロＢＴＵ／ｈであったのに対し、
本発明によるチェッカーをもつ炉の場合は、１４１，０
００，０００Ｂ’ｒｕ／ｈｔ、か妥しない。

これは５％余の低減である。一定のガラス・アウトプッ
トのための熱消費のこのような低減が著しく融断的に有
義であることに、この仮術分封の専門ぼには目明のこと
であろう。

ガラス・タンク熱交換器の有効性の別の尺度＆六平均熱
父挾効率である。この効率は、分割されたチェッカー？
通過し上方へ進入する空気の温度上昇度（炉排気温度マ
イナス進入空気温度）として定義される。ＡｉＪ記モデ
ル紫用いた場合、平均熱交換効＄は、従来技術のチェッ
カーで＋ｉ６７．６％であったのに対し、本発明による
チェッカーでは７６．８％であった。ここでも、本発明
によるチェッカーのすぐれていることが明らかとなった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の技術によるなな千載型チェッカー構造物
の斜視図、第２図は従来の技術による開放なな千載型チ
ェッカー構造物の斜視図、第６図は従来の技術によるハ
トの巣型チェッカー構造物の斜視図、第４図は本発明に
よる熱交換構造物を俗塵するのに用いられる耐火ブロッ
クの斜視図、１　　　第５図は本発明による熱交換器の
構成の１列を示し九がト視図である。図において：１１・・・耐火ブロック１４・・・中央穴１６・・・切欠き１７・・・迷路セグメント１８・・・スペース１日・−・第１の層２１・・・第２０層２２・−・第６の層２３・・・カット・ブロック

Claims

【特許請求の範囲】

（１）個別の耐火形材で造られた熱交換構造物、それも
、これらの形材により、構造物の頂部から底部まで延び
る相互連絡された垂直熱気送路が画定されており、かつ
また構造物が、個別の耐火形材の垂直高によつて画定さ
れた水平レベルに分割されている形式のものにおいて、
構造物が少なくとも２つの異なる型の熱気送路をもつよ
うに改良され、しかも、その第１の型の送路は、交互の
レベルにおいて、４つの隣接送路のそれぞれへ通じる隙
間をもつが、これら隙間をもつレベルの中間に介在する
レベルにおいては、どの別の送路とも連通されておらず
、第２の型の送路は、交互のレベルにおいて、向い合つ
た２つの隣接送路へ通じる隙間をもち、かつまた、中間
に介在するレベルにある別の向い合つた２つの隣接送路
へ通じる隙間をもつことを特徴とする熱交換構造物。
（２）３つの直線的に整列された送路形成開口をもち、
２つの端部開口がブロツクの耐火材料により３方を囲ま
れており、中央の開口がブロツクの耐火材料により４方
を囲まれている長方形耐火ブロツクにより構成された特
許請求の範囲第１項に記載の構造物。
（３）送路形成開口が、１辺４インチ（１０ｃｍ）から
６．５インチ（１６．５ｃｍ）までの範囲の送路を形成
するための寸法を有することを特徴とする特許請求の範
囲第２項記載の構造物。
（４）送路形成開口を囲む耐火材料の厚さが、１インチ
（２．５ｃｍ）から２インチ（５ｃｍ）の範囲の寸法で
あることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の構造
物。
（５）送路形成開口を囲む耐火材料の厚さが、１インチ
（２．５ｃｍ）から２インチ（５ｃｍ）の範囲の寸法で
あることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の構造
物。
（６）２つの型の送路間の開口が単一のレベルの頂部か
ら底部まで延びており、少なくとも１インチ（２．５ｃ
ｍ）幅であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の構造物。