加熱炉チューブ表面温度の検討をする場合、従来の設計手法ではバーナーが均一に燃焼されていることを前提として検討されますが、不均一燃焼（バーナー間引き運転等）の場合、従来設計手法では精度の高い検討が困難となります。
加熱炉の熱流体解析技術
熱流体解析技術を活用したシミュレーション
この条件に対応できる技術として熱流体解析技術があります。そこで今回、熱流体解析技術を活用して炉内ヒートフラックスおよびチューブ表面温度の分布を解析し、燃焼条件（均一燃焼、不均一燃焼）による比較検討を行いました。
これにより、不均一燃焼時の炉内挙動が解明され、コーキング抑制対策を立案することで、加熱炉の安全操業に貢献することができました。
シミュレーションの概要
まず熱流体解析ソフト（FLUENT）を用いた燃焼、流動、輻射伝熱解析によりチューブへのヒートフラックスをシミュレーションし（図1参照）、その結果を基にチューブ内伝熱設計手法によりチューブ表面温度を推定しました。
燃焼条件による比較を行う為、解析ケースとして、バーナーを一部消火したケースと全数点火したケースについて実施しました。
炉内挙動の解明
バーナーを一部消火（不均一燃焼）して運転した場合、以下の挙動により、炉内南側上部にチューブ高温（コーキング）部が発生する可能性があることが分かりました。（図2参照）
- 炉内ドラフト効果により、負荷の高い側（炉内南側）に燃焼ガスが流れる。
- 炉内南側に高温の燃焼ガスゾーンが形成される。
- 高温燃焼ガスの一部北側への流れに加え、チューブ周りへの循環流が生じる。
これに対して、バーナーを全数点火（均一燃焼）することで、ヒートフラックスの偏りが解消されることがシミュレーションの結果より確認されました。（図3参照）
対策案の立案
上記結果を受け、以下の対策案を立案しました。
- 加熱炉チューブのデコーキング※1
- バーナー全数点火の為の設備改造※2
また、これらの対策によりチューブ表面温度は大幅に低下しました。（図4参照）
※1 温度計設置箇所以外でのコーキングの可能性が考えられた為
※2 バーナーを小容量の仕様に変更しました
関連技術
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シミュレーション解析