JPS6246198A - 輻射体を備えた熱交換器 - Google Patents

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】 「技術分野」 本発明は、チューブラ型、バイオネ−／　）型などの伝
熱管を有する熱交換器に関し、さらに詳しくは熱交換効
率を向上するための輻射体を備えた熱交換器に関する。

「従来技術およびその問題点」 従来の熱交換器として、例えば第６図に示すようなもの
力゛く知られている　（特開昭５４−２１６５２参照）
、すなわち、加熱気体ＨＧの流路３１に対して直交する
ように複数の伝熱、管３２が２列ずつ配置され、この伝
熱管３２内部が被加熱液体の流路３３となっている。そ
して、２列ずつの各伝熱管３２に近接する上流には加熱
気体の流路３１を仕切るようにスリット付き鋼板などか
らなる多孔板３４が配置されている。したがって、加熱
気体ＨＧは多孔板３４を通り抜けるようにして流れ、そ
のとき、加熱気体ＨＧが、多孔板３４の通気孔から噴流
となって吹き出し、伝熱管３２に衝突して伝熱管３２表
面の流体境界層を破壊し、ないしは減少させるので、そ
れによって対流熱伝達率を向上させる効果が得られる。

しかしながら、上記のような従来の熱交換器においては
、多孔板３４としてスチールなどの金属製のものが好ま
しく使用されているため、例えば１２００℃以上の高温
下では耐久性の点で問題があった。すなわち、スチール
などの金属製の多孔板では、充分な耐熱性が得られず、
使用温度に限度がある。

また、本出願人は、管内を被加熱流体が流れる管式熱交
換器において、伝熱管を囲むようにして、セラミックス
ハニカム体などからなる通気性の輻射体を配置してなる
特定の管式熱交換器を先に提案した。こうした熱交換器
は高温下での伝熱に、対流よりも輻射が有効であること
をたくみに利用したものであるが、セラミ−２クスハニ
力ム体は、例えば格子状に交差する薄い隔壁を有するの
で、熱的衝撃が隔壁の交差部分に集中しやすく、温度差
が極めて大きくなるような条件下では、破損を生じる虞
れがある。さらに、セラミックスハニカム体は、大型の
ものを作りにくいという問題点もあった。さらにまた、
輻射体として金属製の多孔板やセラミックスハニカム体
を使用する場合には、これらを熱交換器内に支持するこ
とが必要となり、この支持構造が複雑となる傾向があっ
た。

「発明の目的」 本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、輻射
体の耐久性を高め、大型のものが容易に得られ、かつ、
支持構造を簡略化できるようにした熱交換器を提供する
ことにある。

「発明の構成」 本発明による熱交換器は、伝熱管の外側に輻射体が配置
され、前記輻射体が耐火レンガを積み上げて形成されて
いることを特徴とする。

このように、本発明では、輻射体として耐火レンガを積
み上げたものを使用する。耐火レンガは高温下における
耐久性に優れ、しかも安価であるため、得られた輻射体
も耐久性に優れ、安価なものとなる。また、耐火レンガ
を積み上げるだけで輻射体を形成できるので、大型のも
のを特別な支持構造を必要とせずに容易に作製すること
ができる。さらに、耐火レンガは、輻射体としてセラミ
ックスハニカム体に劣らぬ優れた性能を有し、輻射熱に
よる優れた伝熱促進効果が得られることがわかった。

本発明の好ましい態様によれば、輻射体には多数の通気
孔が形成されている。これにより、輻射体の通気性が向
上し、伝熱管の外側の流体が輻射体を通過しやすくなる
と共に、表面積が大きくなって、流体から輻射体への対
流熱伝達率も向上し、輻射体をより高温にすることがで
きる。これに伴ない、高温の輻射体から伝熱管に主とし
て輻射によって伝熱されるのであるが、その際に、輻射
体の通気孔面も伝熱管への輻射表面として寄与する。

輻射体に多数の通気孔を形成するにあたっては、輻射体
を構成する耐火レンガに一つまたは複数の通気孔が形、
成されていてもよいし、あるいは耐火レンガ間に通気孔
が形成されるようにして耐火レンガを積み上げてもよい
し、これらを併用してもよい。

耐火レンガ自身に通気孔が形成されている場合には、こ
のような耐火レンガのみで輻射体を構成してもよいし、
通気孔が形成されている耐火レンガと通気孔が形成され
ていない耐火レンガと全併用してもよい。これらの選択
にあたっては積み上げによる荷重の支持強度、通気孔の
多寡による伝熱促進効果の度合、さらにはコストなどが
勘案されて定められる。

さらに、これとは別に、またはこれと（■用して、耐火
レンガの表面に多数の凹凸を形成してもよい。これによ
っても輻射体の表面積を大きくできて、伝熱促進に寄与
する。

また、本発明の好ましい態様によれば、耐火しンガはチ
ェッカー形式で積み上げられている。ここで、チェッカ
ー形式とは、例えば第４図または第５図に示すように、
所定の空間を残しつつ多数個の耐火レンガＢを積み上げ
た形式を意味する。

チェッカー形式によれば、安定性があり、特別な接着や
支持機構を必要とせずに輻射体を構成できる利点がある
と共に、第４図のようなチェッカー積みでは、耐火レン
ガ間に通気孔が形成されて輻射体全体として多数の通気
孔が形成されることともなる。

さらに、本発明の好ましい態様によれば、輻射体は伝熱
管を囲むように配置されている。これによれば、伝熱管
の全外表面に輻射熱が照射されるので、輻射熱による熱
伝達効率をより向上させることができる。この場合、伝
熱管の外側の流体は、輻射体および伝熱管に対して直交
するように流通させてもよく、また、伝熱管を囲む輻射
体の内側から外側に流通させてもよい。

因に、第５図のチェッカー積みにおいては、同図に矢線
で例示的に示したような位置・方向に伝熱管を配置する
とよいし、第４図のチェッカー積みにおいては、同図に
縦向矢線で、または斜向矢線で例示的に示したような位
置・方向に伝熱管を配置するとよい。

さらにまた１本発明の好ましい態様によれば、伝熱管は
いわゆるチューブラ型またはバイオネット型とされる。

すなわち、これらの形式にあっては輻射体の配置が一般
に容易なことが多いからである。

さらにまた、本発明の好ましい態様によれば。

伝熱管はセラミックスからなる。輻射体による輻射熱は
材料の温度が向上するほど効果が高まるので、伝熱管を
セラミックスとして高温の加熱流体に適用することが最
も効果的である。

本発明における耐火レンガとしては、各種形状、製法の
ものが採用でき、焼成レンガであっても不焼成レンガで
あってもよい、耐火レンガ自身に通気孔を形成するにあ
たっては、孔なし耐火レンガに通気孔を穿設してもよい
し、例えばキャスタブル耐火物粉末と所要の流し込み型
とを用いて、耐火レンガ自身の成形と同時に通気孔を形
成シテもよい。耐火レンガに複数の通気孔を形成する場
合には、通気孔間の肉厚は好ましくは３ｍｍ以上、特に
は５ｍｍ以上とされる。

「発明の実施例」 第１図および第２図には本発明による熱交換器の一実施
例が示されている。

セラミックスの伝熱管１１はその両端部を上部管板１２
および下部管板１３で保持されている。空気などの被加
熱流体ＣＬは、被加熱流体人口１４から入り、伝熱管１
１内を通って被加熱流体出口１５から出るようになって
いる。

多数の耐火レンガＢをチェッカー形式で積み上げて形成
された輻射体１６は、各伝熱管１１を囲むように配置さ
れている。なお、この実施例では下部管板１３が輻射体
保持機能も果している。この場合、各耐火レンガＢには
、複数の通気孔１６ａが形成されている。

高温排ガスなどの加熱流体Ｈしは、加熱流体人口１７よ
り入り、輻射体１６を外側から内側に通過して、輻射体
１Ｂで囲まれた伝熱管１１に接触し、再び輻射体１６を
内側から外側に通過して、加熱流体出口１８より出るよ
うになっている。

上記の熱交換器において、加熱流体ＨＬは、輻射体１８
を通過するときに輻射体１６を高温に加熱し、さらに伝
熱管１１に接触して伝熱管１１も高温に加熱する。この
場合、輻射体１６の耐火レンガＢに形成された通気孔ｔ
ｅａにより、表面積が大きくなって輻射体１６の加熱は
効率的になされる。そして、高温に加熱された輻射体１
６から伝熱Ｗｌｌに輻射熱が照射され、伝熱ｖ＋１はさ
らに加熱される。一方、被加熱流体ＣＬは、伝熱管１１
の内部を渣れ、伝熱管１１の壁と接触して熱交換し、昇
温される。このように、この熱交換器では、輻射体１６
から伝熱管１１に輻射熱が照射され、輻射熱による伝熱
促進がなされる。

なお、上記熱交換器において、伝熱管１１としてＳｉＣ
からなるものを使用し、輻射体１６として縦１５０ｍ＋
＊　Ｘ横３００ｍｍ　Ｘ厚み５０＋ｕ＋の外形を有し、
直径１５ｍ＋＊の厚み方向に貫通する通気孔を多数形成
した耐火レンガＢ　（アルミナ分８５％、ジルコニア分
１８％、シリカ分１３％、カルシア分２％、その他２％
からなるキャスタブル粉末を流し込み成形して製造した
。）をチェッカー形式に積み上げたものを使用し、伝熱
管１１の外側に入口温度１４００℃の高温燃焼排ガスを
加熱流体）ＩＬとして流し、伝熱管１１の内側に入口温
度９００℃の空気を被加熱流体ＣＬとして流したところ
、熱通過率が１２０　ｒｒｆ／ｈ”Ｃ，以上、伝熱管１
１の外側の熱伝達率は２００〜４００ｋｃａｌ／ｍ’　
ｈ”ｃという高い伝熱性能を得ることができた。また、
このような高温下で約１カ月の長期運転をしたが、耐火
レンガＢで構成した輻射体１６には全く損傷がなく、優
れた耐久性を確認できた。

第３図には本発明による熱交換器の他の実施例が示され
ている。この実施例では伝熱管１１がバイヨネー、ト型
となっている。

この伝熱管１１は、外筒２１と内筒２２とからなる。

外筒２１は好ましくはセラミックス酸とされて、高温の
加熱流体にも適用可能とされる。内筒２２は被加熱流体
の温度、製作コストなどを勘案して、金属製またはセラ
ミックス酸とされる。外筒２１は下端部が閉塞され、上
端部を下部管板１３に支持されている。また、内筒２２
は下端部が開口され、上端部を上部管板１２に保持され
ている。また、多数の耐大レンガＢをチェッカー形式で
積み上げて形成した輻射体１６は、下部管板１３と輻射
体保持板１９の間で伝熱管１１を囲むように配置されて
いる。なお、図示してないが、耐火レンガＢには複数の
通気孔が形成されている。

上記熱交換器において、加熱流体ＨＬは、加熱流体入口
１７から流入し、輻射体保持板１９の孔１９ａから各輻
射体１６の内部に入り、各輻射体１６を内側から外側に
通過して加熱流体出口１８より流出する。

この場合、輻射体１６を通過するときの抵抗により、加
熱流体ＨＬは一旦輻射体１６の内側全体に充満してから
輻射体１６を通過するので、輻射体１６を通過する加熱
流体）ＩＬの流量はほぼ均等になる。そして、輻射体１
Ｇは、複数の通気孔が形成された耐火レンガＢからなる
ので、加熱流体ＨＬが通過するときに高温に加熱される
。こうして高温かつ均等に加熱された各輻射体１６から
各伝熱管１１に輻射熱が照射され、輻射熱による伝熱促
進がなされる。一方、被加熱流体ＣＬは、被加熱流体人
口１４から流入し、外筒２１と内筒２２の間を通って下
方に流れ、外筒２１の下端部で反転して内筒２２の内部
を通って上方に流れ、被加熱流体出口１５より流出する
。そして、被加熱流体ＣＬは、外筒２１および内筒２２
に接触して熱交換される。

なお、各輻射体１６に均等に加熱流体ＨＬが通過するよ
うに、必要に応じて輻射体１６の通気抵抗を調整するこ
とが好ましい。

また、本発明においては、必ずしも伝熱管１１の内側に
被加熱流体ＣＬが流れ、伝熱管１１の外側に加熱流体Ｈ
Ｌが流れる必要はなく、伝熱管１１の内側に加熱波体Ｈ
Ｌが波れ、伝熱管１１の外側に被加熱流体ＣＬが流れる
ようにしてもよく、その場合にも輻射体１６により同様
な伝熱促進効果が期待できる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、輻射体として耐
火レンガを用いたので、高温下における耐久性に優れ、
かつ、安価な輻射体を得ることができる。また、耐火レ
ンガを積み上げるだけで輻射体を構成できるので、大型
のものの作製が容易であり、支持機造も簡略化される。

さらに、耐火レンガからなる輻射体により、優れた伝熱
促進効果を得ることができる。さらにかかる輻射体は熱
容量が犬きく、蓄熱効果も備えているので、加熱流体お
よび／または被加熱流体の入口温度が急激に変動しても
、加熱流体および／または被加熱流体の出口温度は急変
せず、この熱交換器の下流の設備の仕様条件も緩和され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱交換器の一実施例を示す縦断面
図、第２図は第１図におけるＸ−Ｘ線に沿った部分断面
図、第３図は本発明による熱交換器の他の実施例を示す
縦断面図、第４図は耐火レンガの積み上げ形式の一例を
示す斜視図、第５図は耐火レンガの積み上げ形式の他の
例を示す斜視図、第６図は従来例の熱交換器の要部を示
す断面図である。 図中、１１は伝熱管、１２は上部管板、１３は下部管板
、１４は被加熱流体入口、１５は被加熱流体出口、１６
は輻射体、１１３ａは通気孔、１７は加熱流体入口、１
８は加熱流体出口、１９は輻射体保持板、２１は外筒、
２２は内筒、ＨＬは加熱流体、ＣＬは被加熱流体、Ｂは
耐火レンガである。 第３図 第乙図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）伝熱管の外側に輻射体が配置された熱交換器にお
   いて、前記輻射体が耐火レンガを積み上げて形成されて
   いることを特徴とする輻射体を備えた熱交換器。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記輻射体には
   多数の通気孔が形成されている輻射体を備えた熱交換器
   。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記耐火レンガはチェッカー形式で積み上げられている輻
   射体を備えた熱交換器。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか一
   において、前記輻射体は前記伝熱管を囲むように配置さ
   れている輻射体を備えた熱交換器。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか一
   において、前記伝熱管はチューブラ型またはバイオネッ
   ト型である輻射体を備えた熱交換器。
6. （６）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか一
   において、前記伝熱管はセラミックスからなる輻射体を
   備えた熱交換器。