輻射装置
【課題】バーナ火炎で加熱するラジアントチューブの伝熱性能を向上させながら圧損を低下し、高寿命で、かつ、施工も容易に行える省エネ高伝熱性ラジアントチューブを提供する。
【解決手段】バーナ火炎で加熱するラジアントチューブにおいて、ラジアントチューブの出口側管内に複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒を挿入し、該チューブの軸に直列に配設するとともにバーナ取付側の該チューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設する。
【解決手段】バーナ火炎で加熱するラジアントチューブにおいて、ラジアントチューブの出口側管内に複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒を挿入し、該チューブの軸に直列に配設するとともにバーナ取付側の該チューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製品を間接加熱する加熱炉などに用いられるラジアントチューブの伝熱性能を改善した輻射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱炉では、バーナからの火炎をラジアントチューブ内に供給し、輻射熱による被加熱物の加熱を行っている。このようなラジアントチューブの一方からバーナを挿入した該チューブ入口側では高温となるが、出口側では低温となってしまい熱効率が悪かった。これは、出口側の該チューブ内の熱風が、管断面中央部の方では高温で、管断面側部の方では熱交換により低温となっている熱分布の現象による。故に、この現象により管断面中央部の高温熱風がそのまま炉外に排出されてしまい熱効率が悪かった。
【０００３】
このようなラジアントチューブの熱効率改善に、スパイラル状を呈する案内羽根を設けた伝熱促進治具を該チューブ出口側内に挿入し、高温熱風を旋回させ該チューブの側壁側に流すことによって、熱効率を高める提案がなされている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−１１２６９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スパイラル状の案内羽根によって燃焼ガスの流速を上げて熱伝達を向上させる効果はあるものの、圧損が増大する問題がある。圧力損失が大きくなると燃焼の火炎が短くなり、ラジアントチューブのバーナ側が局所的に加熱されて温度分布が変わり、炉内の温度均一性の悪化やラジアントチューブの劣化が進み、寿命が短くなる。また、圧量損失が大きくなることで、燃焼のガスの供給や空気の供給圧力を上げなければならず、ブロワーの負荷が増加し、動力の電力消費増加や設備の改善が必要となる。したがって圧損を増大させずに熱効率を向上させる更なる改良が必要であった。
【０００６】
そこで本発明は、スパイラル状案内羽根を設けた伝熱促進治具を用いるのに比べ、伝熱性能の向上、圧損の低下、かつ、耐用寿命の向上と省エネ効果のあるラジアントチューブを用いた輻射装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このようなラジアントチューブの伝熱性能と耐用寿命の向上による省エネの課題を解決するためになされたもので、複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒をラジアントチューブの出口側管内に挿入し、該チューブの軸に直列に配設することに特徴を有する。
【０００８】
更に好ましくは、バーナ取付側のラジアントチューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することに特徴を有する。
【０００９】
このような本発明は、複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒をラジアントチューブの出口側管内に挿入し、該チューブの軸に直列に配列してあるため、高温熱風の流れを阻害することはない。更に、複数の棒がラジアントチューブ中心部を通過しているので、伝熱性が良い。複数の棒や円筒は金属製でも伝熱性が得られるが、重くなり長期間使用しているとラジアントチューブ本体が高熱と重さで変形してしまうので、好ましくは、０．１〜１０％の気孔率を有する炭化珪素セラミックス製棒または管だと重さでは変形し難く、一方、セラミックス製円筒は、ラジアントチューブ内径の60%〜85%の内外径を有し、熱輻射率が０．７以上の炭化珪素製円筒だと熱伝導率が高いので最も好ましい。
【００１０】
なお、ラジアントチューブとしては耐用寿命の向上も大切であり、バーナ取付側の該チューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することによって、穴開き現象の損傷や該チューブの軟化変形を防止できる。更に、ラジアントチューブの出口側管内に複数の棒または管を角度を変えて貫通したセラミックス製円筒を該チューブと直列に挿入し配設することにより高伝熱性が得られ、かつ、ラジアントチューブの耐用寿命を向上できることになる。
【発明の効果】
【００１１】
このような本発明によれば、複数の棒または管を角度を変えて貫通し長手方向に配列したセラミック製円筒をラジアントチューブの出口側内で軸に直列に配設してあるから、従来のラジアントチューブの出口側の熱効率の悪さを改善でき、かつ、ラジアントチューブの耐用寿命も向上できるという効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。図１は、炉に挿入される本発明の一例である金属製Ｕ字型ラジアントチューブを示す概念図である。ラジアントチューブは炉に挿入される部分が長いので直線部を省略線で省略してある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の金属製Ｕ字型ラジアントチューブの概念図である。
【図２】本発明の一実施例である複数の棒を角度を変えて貫通し長手方向に配列したセラミックス製円筒の斜視図である。
【図３】本発明の他の実施例である複数の棒を角度を変えて貫通し長手方向に配列したセラミックス製円筒の軸方向の投影図である。
【００１４】
図１に示すように、炉壁５に炉内部に向けて金属製Ｕ字型ラジアントチューブ１が挿入されており、該チューブのバーナ取付側には該チューブ内にバーナ３１の火炎３２を覆うように保護内管２を挿入し配設されている。更に、該チューブの出口側内に複数の棒を貫通したセラミックス製円筒４の省略図でラジアントチューブ１と直列に挿入し配設されている。高温熱風６１は、管断面中央部の方では高温で、管断面側部の方では熱交換により低温となっている熱分布となっているが、角度を変えて長手方向に貫通した複数の棒または管に高温の熱風に曝され、熱伝導により管断面側部の温度が上昇する。このように高温熱風６１が十分に熱交換され、熱風６２が従来よりも低温となって排出される。一般には、更に、出口側内に熱交換器（図示せず）を具備させ、バーナ３１の燃焼用空気として供給すると更に省エネとなる。なお、該セラミックス製円筒４は図２に示すように、複数の棒が長手方向に角度を変えて貫通した構造になっている。更に、軸方向の投影図である図３に示すように、複数の棒が放射状に配列している構造になっている。
【００１５】
本発明は、Ｕ字形状，Ｗ字形状，ストレート形状等の金属製ラジアントチューブに用いられるが、セラミックス製ラジアントチューブでも効果を有する。バーナ取付側の保護内管は金属製管でも良いが、焼結助剤としてボロンを添加したＳｉＣ質焼結体等の高伝熱性セラミックス管の方が、軽量で耐火性があり好ましい材料である。なお、該保護内管には足部を設けてラジアントチューブ内径の中央に配置したほうが、熱効率が良く耐用寿命があり好ましい。
【００１６】
一方、ラジアントチューブの出口側管内に直列に配設された複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒は、金属製だと重くなり、長期間使用しているとラジアントチューブ本体が変形してしまう。従って、好ましい材料として、０．５〜１０％の気孔率を有するＳｉＣ質焼結体が適している。また、ラジアントチューブの出口側直管に出来るだけ長く挿入すると熱効率が良いが、短いセラミックス製円筒を数段に分けて挿入しても、該チューブに直列に配置してあれば熱効率が落ちることは無い。なお、セラミックス製円筒は異なる径の円筒を重ね、二重管の構造にすると熱効率は更に良くなる。
【００１７】
公知のスパイラル状案内羽根を設けた伝熱促進治具は、熱風で動かされ易く、温度分布が変わるとラジアントチューブが局所的に加熱されて温度均一性の悪化や該チューブの劣化が進みやすい。これに比べ、本発明で用いる複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒は、固体同士の熱伝導が良く、複数の棒で固定されているので熱風で動かされることも無い。また、バーナ取付側にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することによって、火炎が不正規に集中しラジアントチューブの耐用寿命と熱効率の向上が図れる。
【実施例】
【００１８】
具体例としてＵ字型金属製ラジアントチューブついて説明する。該チューブの直管部の長さ１２００ｍｍ，内径φ７５ｍｍで、バーナ取付側にボロンを添加したＳｉＣ焼結体からなる長さ８００ｍｍ，外径φ６０ｍｍの保護内管を挿入し配設する。なお、該保護内管には足部（図示せず）を設けて該チューブ内径の中央に配置してある。一方、φ８ｍｍの棒を２０ｍｍ間隔で角度４５°に変えながら１２本貫通したセラミックス製円筒は、長さ５００ｍｍ，外径φ５０ｍｍ，内径φ４０ｍｍで該チューブの出口側管内に２個直列に配設した。
【００１９】
このようにして、バーナで１年間燃焼したところ、炉内温度９００℃の条件下で、複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミック製円筒設置部のラジアントチューブ側の平均温度を約３０℃上昇させることができ、しかもラジアントチューブより排出される熱風の温度を約５０℃低下できることで熱損失が減少されるなどの他、燃料消費も５％程低減し大きな省エネ効果が得られた。一方、圧損については燃焼時に測定することは難しいため、燃焼時と同等の空気を送風した条件で測定した結果、スパイラル状案内羽根を設けた伝熱促進治具に対して１／３以下の圧力損失となることを確認した。
【符号の説明】
【００２０】
１ ラジアントチューブ
２ 保護内管
３１ バーナ
４ セラミックス製円筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製品を間接加熱する加熱炉などに用いられるラジアントチューブの伝熱性能を改善した輻射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱炉では、バーナからの火炎をラジアントチューブ内に供給し、輻射熱による被加熱物の加熱を行っている。このようなラジアントチューブの一方からバーナを挿入した該チューブ入口側では高温となるが、出口側では低温となってしまい熱効率が悪かった。これは、出口側の該チューブ内の熱風が、管断面中央部の方では高温で、管断面側部の方では熱交換により低温となっている熱分布の現象による。故に、この現象により管断面中央部の高温熱風がそのまま炉外に排出されてしまい熱効率が悪かった。
【０００３】
このようなラジアントチューブの熱効率改善に、スパイラル状を呈する案内羽根を設けた伝熱促進治具を該チューブ出口側内に挿入し、高温熱風を旋回させ該チューブの側壁側に流すことによって、熱効率を高める提案がなされている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−１１２６９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スパイラル状の案内羽根によって燃焼ガスの流速を上げて熱伝達を向上させる効果はあるものの、圧損が増大する問題がある。圧力損失が大きくなると燃焼の火炎が短くなり、ラジアントチューブのバーナ側が局所的に加熱されて温度分布が変わり、炉内の温度均一性の悪化やラジアントチューブの劣化が進み、寿命が短くなる。また、圧量損失が大きくなることで、燃焼のガスの供給や空気の供給圧力を上げなければならず、ブロワーの負荷が増加し、動力の電力消費増加や設備の改善が必要となる。したがって圧損を増大させずに熱効率を向上させる更なる改良が必要であった。
【０００６】
そこで本発明は、スパイラル状案内羽根を設けた伝熱促進治具を用いるのに比べ、伝熱性能の向上、圧損の低下、かつ、耐用寿命の向上と省エネ効果のあるラジアントチューブを用いた輻射装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このようなラジアントチューブの伝熱性能と耐用寿命の向上による省エネの課題を解決するためになされたもので、複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒をラジアントチューブの出口側管内に挿入し、該チューブの軸に直列に配設することに特徴を有する。
【０００８】
更に好ましくは、バーナ取付側のラジアントチューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することに特徴を有する。
【０００９】
このような本発明は、複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒をラジアントチューブの出口側管内に挿入し、該チューブの軸に直列に配列してあるため、高温熱風の流れを阻害することはない。更に、複数の棒がラジアントチューブ中心部を通過しているので、伝熱性が良い。複数の棒や円筒は金属製でも伝熱性が得られるが、重くなり長期間使用しているとラジアントチューブ本体が高熱と重さで変形してしまうので、好ましくは、０．１〜１０％の気孔率を有する炭化珪素セラミックス製棒または管だと重さでは変形し難く、一方、セラミックス製円筒は、ラジアントチューブ内径の60%〜85%の内外径を有し、熱輻射率が０．７以上の炭化珪素製円筒だと熱伝導率が高いので最も好ましい。
【００１０】
なお、ラジアントチューブとしては耐用寿命の向上も大切であり、バーナ取付側の該チューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することによって、穴開き現象の損傷や該チューブの軟化変形を防止できる。更に、ラジアントチューブの出口側管内に複数の棒または管を角度を変えて貫通したセラミックス製円筒を該チューブと直列に挿入し配設することにより高伝熱性が得られ、かつ、ラジアントチューブの耐用寿命を向上できることになる。
【発明の効果】
【００１１】
このような本発明によれば、複数の棒または管を角度を変えて貫通し長手方向に配列したセラミック製円筒をラジアントチューブの出口側内で軸に直列に配設してあるから、従来のラジアントチューブの出口側の熱効率の悪さを改善でき、かつ、ラジアントチューブの耐用寿命も向上できるという効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。図１は、炉に挿入される本発明の一例である金属製Ｕ字型ラジアントチューブを示す概念図である。ラジアントチューブは炉に挿入される部分が長いので直線部を省略線で省略してある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の金属製Ｕ字型ラジアントチューブの概念図である。
【図２】本発明の一実施例である複数の棒を角度を変えて貫通し長手方向に配列したセラミックス製円筒の斜視図である。
【図３】本発明の他の実施例である複数の棒を角度を変えて貫通し長手方向に配列したセラミックス製円筒の軸方向の投影図である。
【００１４】
図１に示すように、炉壁５に炉内部に向けて金属製Ｕ字型ラジアントチューブ１が挿入されており、該チューブのバーナ取付側には該チューブ内にバーナ３１の火炎３２を覆うように保護内管２を挿入し配設されている。更に、該チューブの出口側内に複数の棒を貫通したセラミックス製円筒４の省略図でラジアントチューブ１と直列に挿入し配設されている。高温熱風６１は、管断面中央部の方では高温で、管断面側部の方では熱交換により低温となっている熱分布となっているが、角度を変えて長手方向に貫通した複数の棒または管に高温の熱風に曝され、熱伝導により管断面側部の温度が上昇する。このように高温熱風６１が十分に熱交換され、熱風６２が従来よりも低温となって排出される。一般には、更に、出口側内に熱交換器（図示せず）を具備させ、バーナ３１の燃焼用空気として供給すると更に省エネとなる。なお、該セラミックス製円筒４は図２に示すように、複数の棒が長手方向に角度を変えて貫通した構造になっている。更に、軸方向の投影図である図３に示すように、複数の棒が放射状に配列している構造になっている。
【００１５】
本発明は、Ｕ字形状，Ｗ字形状，ストレート形状等の金属製ラジアントチューブに用いられるが、セラミックス製ラジアントチューブでも効果を有する。バーナ取付側の保護内管は金属製管でも良いが、焼結助剤としてボロンを添加したＳｉＣ質焼結体等の高伝熱性セラミックス管の方が、軽量で耐火性があり好ましい材料である。なお、該保護内管には足部を設けてラジアントチューブ内径の中央に配置したほうが、熱効率が良く耐用寿命があり好ましい。
【００１６】
一方、ラジアントチューブの出口側管内に直列に配設された複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒は、金属製だと重くなり、長期間使用しているとラジアントチューブ本体が変形してしまう。従って、好ましい材料として、０．５〜１０％の気孔率を有するＳｉＣ質焼結体が適している。また、ラジアントチューブの出口側直管に出来るだけ長く挿入すると熱効率が良いが、短いセラミックス製円筒を数段に分けて挿入しても、該チューブに直列に配置してあれば熱効率が落ちることは無い。なお、セラミックス製円筒は異なる径の円筒を重ね、二重管の構造にすると熱効率は更に良くなる。
【００１７】
公知のスパイラル状案内羽根を設けた伝熱促進治具は、熱風で動かされ易く、温度分布が変わるとラジアントチューブが局所的に加熱されて温度均一性の悪化や該チューブの劣化が進みやすい。これに比べ、本発明で用いる複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒は、固体同士の熱伝導が良く、複数の棒で固定されているので熱風で動かされることも無い。また、バーナ取付側にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することによって、火炎が不正規に集中しラジアントチューブの耐用寿命と熱効率の向上が図れる。
【実施例】
【００１８】
具体例としてＵ字型金属製ラジアントチューブついて説明する。該チューブの直管部の長さ１２００ｍｍ，内径φ７５ｍｍで、バーナ取付側にボロンを添加したＳｉＣ焼結体からなる長さ８００ｍｍ，外径φ６０ｍｍの保護内管を挿入し配設する。なお、該保護内管には足部（図示せず）を設けて該チューブ内径の中央に配置してある。一方、φ８ｍｍの棒を２０ｍｍ間隔で角度４５°に変えながら１２本貫通したセラミックス製円筒は、長さ５００ｍｍ，外径φ５０ｍｍ，内径φ４０ｍｍで該チューブの出口側管内に２個直列に配設した。
【００１９】
このようにして、バーナで１年間燃焼したところ、炉内温度９００℃の条件下で、複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミック製円筒設置部のラジアントチューブ側の平均温度を約３０℃上昇させることができ、しかもラジアントチューブより排出される熱風の温度を約５０℃低下できることで熱損失が減少されるなどの他、燃料消費も５％程低減し大きな省エネ効果が得られた。一方、圧損については燃焼時に測定することは難しいため、燃焼時と同等の空気を送風した条件で測定した結果、スパイラル状案内羽根を設けた伝熱促進治具に対して１／３以下の圧力損失となることを確認した。
【符号の説明】
【００２０】
１ ラジアントチューブ
２ 保護内管
３１ バーナ
４ セラミックス製円筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ火炎で加熱するラジアントチューブにおいて、ラジアントチューブの出口側管内に複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒を挿入し、該チューブの軸に直列に配設することを特徴とする輻射装置。
【請求項２】
前記ラジアントチューブにおいて、バーナ取付側の該チューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することを特徴とする請求項１に記載された輻射装置。
【請求項１】
バーナ火炎で加熱するラジアントチューブにおいて、ラジアントチューブの出口側管内に複数の棒または管を長手方向に角度を変えて貫通したセラミックス製円筒を挿入し、該チューブの軸に直列に配設することを特徴とする輻射装置。
【請求項２】
前記ラジアントチューブにおいて、バーナ取付側の該チューブ内にバーナの火炎を覆うように保護内管を挿入し配設することを特徴とする請求項１に記載された輻射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−７８５７（Ｐ２０１２−７８５７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４６１２１（Ｐ２０１０−１４６１２１）
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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