热交换器、辐射管式加热装置以及热交换器的制造方法与流程

本发明涉及热交换器、辐射管式加热装置以及热交换器的制造方法。

背景技术：

目前，作为在对金属材料等进行热处理的热处理炉中使用的加热单元，已知有在辐射管内设有燃烧器和热交换器的辐射管式加热装置。

在专利文献1中记载的辐射管式加热装置中，对燃烧器供给燃料气体与燃烧空气来使燃料气体燃烧，由此在辐射管内生成燃烧气体，并通过该生成的燃烧气体对辐射管进行加热。此外，在热交换器主体的外周面，设有螺旋状的导热体，将辐射管加热后的燃烧气体即排出气体被导热体引导着，沿着热交换器主体的外周面，从热交换器主体的外周面与辐射管的内周面之间穿过。此时，排出气体的热量在热交换器主体的外周面被吸收，因而热交换器主体被加热，并且，排出气体的热量在导热体也被吸收，因而热交换器主体也会被源自导热体的热传导加热。并且，通过被这样加热后的热交换器主体，流动于热交换器主体的中空内部的、被供给至燃烧器之前的燃烧空气被预热，通过将该被预热后的燃烧空气供给至燃烧器，来提高燃烧器中的燃料气体的燃烧效率。

专利文献1：日本特开2014-92329号公报

技术实现要素：

然而，若热交换器主体与导热体的温度差过大，则由于因彼此接触的热交换器主体与导热体的热膨胀差而产生的热应力，会产生导热体破损等问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够减小热交换器主体与导热体的温度差而抑制导热体的破损的热交换器、辐射管式加热装置以及热交换器的制造方法。

为了解决上述问题，达成目的，本发明涉及一种热交换器，其具有：热交换器主体，其为中空状，被包含于辐射管内；以及导热体，其设置于上述热交换器主体的外周面；上述热交换器在流动于上述辐射管与上述热交换器主体之间的第一气体与流动于上述热交换器主体的中空内部的第二气体之间进行热交换，其中，在上述热交换器主体的外周面非焊接地设置湍流产生促进单元，该湍流产生促进单元促进流动于上述辐射管与上述热交换器主体之间的上述第一气体产生湍流。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，上述导热体呈环状，沿热交换器主体轴线方向相隔规定间隔地配置有多个，上述导热体兼用作上述湍流产生促进单元。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，上述导热体由在周向上分割而成的多个分割部件构成。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，上述导热体的与热交换器主体轴线方向平行的截面为纵向矩形、横向矩形或者半圆形。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，具有：连接单元，其连接上述多个分割部件的周向端部。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，上述导热体相对于上述外周面的高度，小于在热交换器主体轴线方向上相邻的导热体间的距离。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，设在热交换器主体轴线方向上相邻的导热体间的距离为p(mm)、上述导热体相对于上述外周面的高度为h(mm)、上述热交换器主体以及各导热体的全导热面积为a(mm²)、上述导热体的导热面积为af(mm²)时，满足0.10≤(h/p)^0.8·{(a-af)/a}≤0.20的关系。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，在热交换器主体轴线方向上，上述导热体以固定的高度反复地凹凸。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，上述导热体为一端部开放的环状部件，在热交换器主体轴线方向上相隔规定间隔地配置有多个，上述导热体兼用作上述湍流产生促进单元。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，追加设置有上述导热体，该导热体由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件、或者由一端部开放的环状部件构成。

此外，本发明涉及的热交换器，是在上述的发明中，上述导热体由比上述热交换器主体耐热性高的材料构成。

此外，本发明涉及一种辐射管式加热装置，其具有插入辐射管内的热交换单元，该热交换单元在流动于该辐射管内的燃烧气体与用于加热该辐射管的燃烧空气之间进行热交换，在该辐射管式加热装置中，使用上述发明的热交换器作为上述热交换单元。

此外，本发明涉及一种热交换器的制造方法，其是利用安装于辐射管的燃烧器的排出气体来与燃烧空气进行热交换的热交换器的制造方法，在该热交换器的制造方法中，在没有设置用于促进热交换的导热体的中空状的热交换器主体的外周面，设置有上述导热体，该导热体由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件、或者由一端部开放的环状部件构成。

此外，本发明涉及的热交换器的制造方法，是在上述的发明中，在热交换器主体轴线方向上，上述导热体以固定的高度反复地凹凸。

此外，本发明涉及一种热交换器的制造方法，其是利用安装于辐射管的燃烧器的排出气体来与燃烧空气进行热交换的热交换器的制造方法，在该热交换器的制造方法中，在设置用于促进热交换的导热体的热交换器主体，追加设置有上述导热体，该导热体由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件、或者由一端部开放的环状部件构成。

此外，本发明涉及的热交换器的制造方法，是在上述的发明中，在热交换器主体轴线方向上，上述导热体以固定的高度反复地凹凸。

本发明涉及的热交换器、辐射管式加热装置以及热交换器的制造方法，可以起到能够减小热交换器主体与导热体的温度差而抑制导热体的破损的效果。

附图说明

图1为表示实施方式涉及的辐射管式加热装置的结构的示意图。

图2为辐射管式加热装置中的热交换器附近的放大图。

图3为表示在热交换器中没有设置导热体的热交换器主体的图。

图4为表示现有技术例涉及的热交换器的结构的示意图。

图5为表示设置于实施方式涉及的热交换器的散热片的一个示例的示意图。

图6为表示将上部散热片以及下部散热片的周向两端部连接后的状态的图。

图7为表示设置于实施方式涉及的热交换器的导热体的示例的示意图。

图8为关于实施方式涉及的热交换器中的散热片的间距以及高度的说明图。

图9为表示散热片的尺寸参数与热交换效率以及排出气体压力损失富余率之间的关系的图表。

图10为在热交换器中，使导热体在热交换器主体轴线方向上以固定的高度反复地凹凸来将其设置在热交换器主体的外周面的图。

具体实施方式

以下，利用附图对应用本发明的热交换器以及具有该热交换器的辐射管式加热装置的一个实施方式进行说明。另外，本发明并不限定于该实施方式。图1为表示实施方式涉及的辐射管式加热装置1的结构的示意图。图2为辐射管式加热装置1中的热交换器13附近的放大图。辐射管式加热装置1具有筒状的辐射管11，从内部加热辐射管11，并通过源自辐射管11的外周面的放射热量来加热钢板或钢材。

辐射管11的一方的端部插入有燃烧器12。燃烧器12利用燃烧空气来使燃料气体燃烧，由此生成燃烧气体，并利用在辐射管11内流通的燃烧气体来从内部加热辐射管11。辐射管11的另一方的端部插入有热交换器13。热交换器13在将辐射管11加热后的燃烧气体(以下也称为排出气体)与从外部供给来的燃烧空气之间进行热交换，并将被加热后的燃烧空气供给至燃烧器12侧。

在中空状的热交换器主体13a的外周面，将热交换器主体13a包含于内部的环状的导热体即散热片14，沿热交换器主体轴线方向相隔规定间隔地并列配置有多个。另外，在本实施方式中，以使散热片14的径向与热交换器主体轴线方向正交的方式，将散热片14设置于热交换器主体13a，但也可以以散热片14的径向与热交换器主体轴线方向斜交的方式，将散热片14相对于热交换器主体13a倾斜地设置。

此外，在本实施方式涉及的热交换器13中，在如图3所示的没有设置导热体的热交换器主体13a的外周面，非焊接地设置散热片14。由此，能够抑制基于热交换器主体13a与散热片14的温度差的破损，能够长久地维持散热片14的导热功能。

在排出气体从热交换器主体13a的外周面与辐射管11的内周面之间穿过时，排出气体的热量在热交换器主体13a的外周面被吸收，因而热交换器主体13a被加热。此外，散热片14将排出气体具有的热量吸收，并通过热传导将该吸收的热量传递至热交换器13来加热热交换器13。由此，与在热交换器13的外周面没有设置散热片14的情况相比，能够促进从排出气体向热交换器13导热，能够增加向热交换器13的导热量。并且，通过被这样加热后的热交换器主体13a，流动于热交换器主体13a的中空内部的、被供给至燃烧器12之前的燃烧空气被预热，通过将该被预热后的燃烧空气供给至燃烧器12，来提高燃烧器12中的燃料气体的燃烧效率。其结果，能够削减在燃烧器12中的燃料气体的使用比例。如此，在实施方式涉及的热交换器13中，散热片14作为促进从排出气体向热交换器主体13a导热的导热促进体发挥功能。

从热交换器主体13a的外周面与辐射管11的内周面之间穿过而被热交换器主体13a及散热片14吸热后的排出气体，从设置于辐射管11的排気口6被排出。

在实施方式涉及的热交换器13中，在辐射管11的内周面与热交换器主体13a的外周面之间，与热交换器主体轴线方向平行地流动于辐射管11内的排出气体与散热片14发生碰撞，由此产生湍流。如此，在实施方式涉及的热交换器13中，对于流动于辐射管11的内周面与热交换器主体13a的外周面之间的排出气体，散热片14还作为促进其产生湍流的湍流产生促进体发挥功能。

图4为表示现有技术例涉及的热交换器113的结构的示意图。如图4所示，在现有技术例涉及的热交换器113中，在热交换器主体113a的外周面，在整个热交换器主体轴线方向上设有螺旋状散热片114，排出气体被螺旋状散热片114引导着，沿着热交换器主体113a的外周面，从热交换器主体113a的外周面与辐射管11的内周面之间穿过。因此，尽管对于流动于热交换器主体113a的外周面与辐射管11的内周面之间的排出气体，通过螺旋状散热片114会使其产生湍流，但在热交换器主体113a的外周面附近湍流的产生效果较小，流动于热交换器主体113a的外周面附近的、被热交换器主体113a吸热后的温度较低的排出气体，与流动于辐射管11的内周面附近的、温度较高的排出气体之间的交换进行得并不活跃。

与此相对，在实施方式涉及的热交换器13中，通过如上所述地通过散热片14使排出气体积极地产生湍流，使得在辐射管11的内周面与热交换器主体13a的外周面之间，流动于热交换器主体13a的外周面附近的、被热交换器主体13a吸热后的温度较低的排出气体与流动于辐射管11的内周面附近的、温度较高的排出气体之间的交换可以活跃地进行。由此，在辐射管11的内周面与热交换器主体13a的外周面之间，与通过散热片14对排出气体产生的在热交换器主体113a的外周面附近的湍流的产生效果较小的情况相比，能够增加从排出气体向热交换器13传递的热量。因此，与之相应地，能够减小热交换器主体13a与散热片14的温度差，能够抑制由于热交换器主体13a与散热片14的热膨胀差导致的散热片14的破损。此外，通过这样抑制散热片14的破损，能够延长散热片14的寿命，能够抑制由于散热片14的破损导致的从排出气体向热交换器主体13a的导热效率改善效果的恶化。

图5为表示设置于实施方式涉及的热交换器13的散热片14的一个示例的示意图。图5所示的散热片14由在周向上平分而成的2个分割部件即上部散热片14a及下部散热片14b构成。另外，也可以将散热片14在周向上分割成3个以上来将其构成。通过像这样将散热片14在周向上分割成多个，能够提高对热交换器主体13a进行散热片14的安装及拆卸的作业效率。此外，通过将散热片14在周向上分割成多个，能够抑制基于热膨胀的热应力的产生，能够实现延长散热片14的寿命。

图6为表示将上部散热片14a以及下部散热片14b的周向两端部连接后的状态的图。如图6所示，上部散热片14a以及下部散热片14b的周向两端部分别通过螺栓20a、20b与螺母21a、21b紧固连接。由此，能够通过螺栓20a、20b的紧固量来事先调整由于散热片14与热交换器主体13a的接触而产生的应力，以使热交换器13以及散热片14由于热膨胀而彼此挤压从而产生的应力不会过大。因此，在热交换器13以及散热片14热膨胀时，能够抑制由于彼此挤压而产生的应力过大，而散热片14破损的情况。

另外，作为连接上部散热片14a以及下部散热片14b的周向端部的连接单元，并不限定于使用螺栓20a、20b以及螺母21a、21b等紧固部件，例如，也可以通过夹子等夹持部件将上部散热片14a以及下部散热片14b的周向端部夹持固定来进行连接。

此外，如图2所示，在实施方式涉及的热交换器13中，使用的是与热交换器主体轴线方向平行的截面为纵向矩形的散热片14，但也可以使用上述截面的形状为比上述纵向矩形的厚度薄的横向矩形或者半圆形等的散热片14。

图7为表示设置于实施方式涉及的热交换器13的导热体的示例的示意图。作为设置于热交换器13的导热体，可以使用如图7所示的由一端部14a1开放的环状部件(c型形状部件)构成的散热片14a。在散热片14a中，通过使一端部14a1开放，能够提高对如图3所示的没有设置导热体的热交换器主体13a进行散热片14a的安装及拆卸的可操作性。此外，通过使散热片14a的一端部14a1开放，能够抑制基于热膨胀的热应力的产生，能够实现延长散热片14a的寿命。

此外，作为散热片14、14a所使用的材料，优选使用比热交换器主体13a所使用的材料耐热性高的材料。在本实施方式中，热交换器主体13a使用了耐热铸钢，而散热片14、14a使用比热交换器主体13a所使用的耐热铸钢ni比例更高且耐热特性也更高的耐热材料。由此，能够延长与热交换器主体13a相比为高温的散热片14、14a的寿命，能够进一步抑制由于散热片14、14a破损导致的导热效率的恶化。

图8为关于实施方式涉及的热交换器13中的散热片14的间距以及高度的说明图。图9为表示散热片14的尺寸参数与热交换效率以及排出气体压力损失富余率之间的关系的图表。此外，在表1中表示散热片14的尺寸参数与热交换效率以及排出气体压力损失富余率之间的关系。

表1

如图8所示，在实施方式涉及的热交换器13中，在设在热交换器主体轴线方向上相邻的散热片14之间的距离即散热片间距为p、相对于热交换器主体13a的外周面的散热片高度为h、热交换器主体13a以及各散热片14的可与排出气体接触的表面积的合计即全导热面积为a、各散热片14的可与排出气体接触的表面积的合计即散热片导热面积为af时，根据图9以及表1如后述那样，考虑热交换效率以及排出气体压力损失富余率，而构成为散热片14的尺寸参数(h/p)^0.8·{(a-af)/a}满足下式(1)。

0.10≤(h/p)^0.8·{(a-af)/a}≤0.20…(1)

另外，从表1可知，在散热片间距p相同的情况下，散热片高度h越高则热交换效率越高。另一方面，可知在散热片高度h相同的情况下，散热片间距p越短则热交换效率越高。此外，可知与散热片间距p的长度无关，散热片高度h越高则排出气体压力损失富余率越小。若排出气体压力损失富余率过小，换言之，若排出气体的压力损失过大，则排出气体难以流过外周面设有散热片14的热交换器主体13a与辐射管11之间。因此，优选排出气体压力损失富余率为100％以上。此外，此时散热片高度h及散热片间距p优选为使得热交换效率为1.0％以上。

通过使散热片14的尺寸参数满足上述式(1)的关系，能够确保足够的热交换效率及排出气体压力损失富余率，并且减小散热片14与热交换器主体13a的热膨胀差，抑制散热片14的破损。

在表2中，示出散热片14的尺寸参数满足上述式(1)的关系的实施例1～3与散热片14的尺寸参数不满足上述式(1)的关系的比较例中的、热交换器主体13a以及散热片14的表面温度与产生热应力比的关系。另外，实施例1应用表1中的“no.2”的条件、实施例2应用表1中的“no.5”的条件、实施例3应用表1中的“no.3”的条件、比较例应用表1中的“no.1”的条件。此外，“产生热应力比”是指，与在热交换器主体13a和散热片14之间产生的热应力相关的比，在实施例1～3以及比较例中，是求取散热片14与热交换器主体13a之间的表面温度的差、并且以比较例中的上述表面温度的差为基准(1.0)时计算出的比例值。

表2

如表2所示，在实施例1～3中，与比较例相比，散热片14与热交换器主体13a之间的表面温度的差较小，产生热应力比与比较例相比也较小，因此可知能够降低在热交换器主体13a与散热片14之间产生的热应力，抑制散热片14的破损。此外，按照实施例1、实施例2、实施例3的顺序，热交换器主体13a以及散热片14的表面温度依次增高，这是因为基于散热片14的湍流促进效果按照实施例1、实施例2、实施例3的顺序依次增大，从排出气体向热交换器主体13a及散热片14的导热效率增高的缘故。

此外，如图10所示，在本实施方式中，也可以使导热体在热交换器主体轴线方向上以固定的高度反复地凹凸，来将其设置在热交换器主体13a的外周面。例如，将相对于热交换器主体13a的外周面的散热片高度h1为10mm的散热片14h，与相对于热交换器主体13a的外周面的散热片高度h2为5mm的散热片14l，在热交换器主体轴线方向上相隔规定间隔交错配置。作为散热片14h、14l，例如可以使用由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件、或者由一端部开放的环状部件构成的导热体。由此，基于散热片14h、14l的湍流促进效果增大，能够进一步提高从排出气体向热交换器主体13a及散热片14h、14l的导热效率。

此外，对于如图2所示的在热交换器主体13a的外周面设置有散热片14的热交换器13，也可以追加设置由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件(例如散热片14)、或者由一端部开放的环状部件(例如散热片14a)构成的导热体。由此，能够容易地对热交换器主体13a进行导热体的追加安装及拆卸。因此，在辐射管式加热装置1上设置热交换器13后，也能够容易地实现热交换效率的改善。

此外，本实施方式涉及的热交换器13，能够通过在如图3所示的没有设置导热体的热交换器主体13a的外周面，设置由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件或者一端部开放的环状部件构成的散热片14、14a等导热体，来进行制造。由此，能够大幅改善对热交换器主体13a设置导热体的作业效率，能够由没有设置导热体的热交换器主体13a容易地制造出导热效率高的热交换器13。

此外，本实施方式涉及的热交换器13，能够通过对已设置有导热体的热交换器主体13a，设置由呈环状并在周向上分割而成的多个分割部件或者一端部开放的环状部件构成的散热片14、14a等导热体，来进行制造。由此，对热交换器主体13a进行导热体的追加设置变得容易，能够将其改变成导热效率更高的热交换器13。

此外，在没有设置导热体的热交换器主体13a的外周面、或者在已设置有导热体的热交换器主体13a的外周面，设置散热片14、14a等导热体，来制造本实施方式涉及的热交换器13时，可以如上述那样在热交换器主体轴线方向上使导热体以固定的高度凹凸，来进行设置。这样，通过使导热体的高度在热交换器主体轴线方向上凹凸，能够进一步增大湍流促进效果而提高导热效率，从而提高热交换器13的热交换效率。

以上，对应用本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不受构成基于本实施方式对本发明进行的公开的一部分的记述以及附图所限。即，本领域技术人员基于本实施方式完成的其他的实施方式、实施例以及应用技术等，全部包含于本发明的范围内。例如，也可以将促进流动于辐射管11的内周面与热交换器主体13a的外周面之间的排出气体产生湍流的湍流产生促进体，以与散热片14为分离部件的形式设置于上述外周面。此外，不仅是在对金属带进行加热的退火炉的辐射管式加热装置中使用的热交换器，对于在对无机材料等进行其他热处理的加热炉的辐射管式加热装置中使用的热交换器，也可以应用本发明。

根据本发明，可以提供一种能够减小热交换器主体与导热体的温度差，抑制导热体的破损的热交换器、辐射管式加热装置以及热交换器的制造方法。

符号说明

1辐射管式加热装置

11辐射管

12燃烧器

13热交换器

13a热交换器主体

14散热片

14a上部散热片

14b下部散热片

14a散热片

14a1一端部

14h散热片

14l散热片

20a螺栓

20b螺栓

21a螺母

21b螺母

113热交换器

113a热交换器主体

114螺旋状散热片