KR100299709B1 - 기류순환식관식가열설비 - Google Patents

기류순환식관식가열설비 Download PDF

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마모루 마츠오
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다나카 료이치
닛폰화네스코교 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은 전열성능을 높이고, 전열면적을 종래의 약 절반이하로 하며, 사용연료의 형태가 한정되지 않는 기류순환식 관식가열설비에 관한 것이다. 이 설비는, 다수의 관(19)을 갖는 로(1)와, 로바깥에서 순환기류를 가열하는 열원(3A, 3B)을 구비한 가열실(2)과, 로내(18)를 통과하는 순환기류의 일부를 로바깥으로 빼내고 다시 별도의 장소로 부터 로내(18)로 환류시키는 로바깥의 순환유로(4) 등을 구비한다. 그리하여, 로바깥의 순환유로(4)는 가열실(2)에의 출입구(9A, 9B)부분에 각각 축열체(5A, 5B)를 설치하는 동시에 순환팬(6)을 가지며, 순환팬(6)의 흡입구측과 배출구측을 축열체(5A, 5B)의 하나에 각각 선택적으로 교호연결시켜 축열체(5A, 5B)에 대한 기류의 흐름방향을 전환시키는 유로전환장치(7)와, 양축열체(5A, 5B)에 있어서의 열제거 또는 희석을 행하는 열제거수단(8)을 구비하고, 유로전환장치(7)에 의해 주기적으로 기류의 흐름방향을 반전시키는 고온강순환류(10)를 로내(18)에 형성하는 것이다.

Description

기류순환식 관식가열설비
이와 같은 타입의 가열설비로서, 도 6에 나타나 있는 것과 같은 기류순환식 보일러가 공지되어 있다. 이 기류순환식 보일러는 대류전열 부분으로 구성되고, 보일러수(boiler water)를 흐르게 하는 다수의 관(103)이 로(102)내에 배열되고, 화염이 한 로벽에 배치된 버너(104)로 부터 로(102)쪽으로 직접 분출되어 로벽의 반대편에 있는 배출구(109)로 부터 배출되어지는 형태를 가진다. 작은 연소공간(108)은 연소를 수행하고 화염을 형성하기 위해 설치된 버너(104)를 가지는 로벽의 정면에 형성된다. 연소가스가 로(10)내의 관(103)들 사이에서 움직이는 경우에, 관(103)속의 보일러수는 대류전열에 의해 가열된다. 참조부호 101은 로본체를, 105는 연료노즐을, 106은 윈도우박스(window box)를, 그리고 107은 버너노즐을 표시한다.
그러나, 종래기술의 기류식(氣流式) 보일러에 있어서는, 연소가스가 로(102)속을 한방향으로 통과하고 직접 배출되어 연소가스의 상류와 하류사이의 가스흐름의 온도상의 큰 차이는 상류측과 하류측의 튜브사이의 열흐름(열전이구역당 열전이량)상의 매우 큰 차이를 생성한다. 그러므로, 로 전체의 전열표면에 대한 평균 열 유속이 감소되고 큰 전열면역이 필요하면서도, 배기온도는 높고 열효율은 낮다. 열효율을 높이기 위하여 배기 온도는 극히 낮아야 한다. 그러나 이 경우, 기류와 관사이의 대수평균 온도차는 배기 온도를 낮추는 만큼 적어지므로 배기 온도를 낮춤으로써 열효율을 높이려고 하면 할수록 보다 큰 전열면적을 필요로 하고 로가 대형화하는 문제가 있다.
또한 로내의 연소공간이 없거나 있더라도 매우 작기 때문에 화염은 물파이프에 의해 냉각되고, 일산화탄소(CO)가 발생하기 쉬우며 이용 가능한 유일한 연료는 기체연료 뿐으로 액체연료는 사용될 수 없는 문제점을 초래한다.
본 발명은 로(爐)속으로 피가열물(被加熱物)을 흐르게 하는 다수의 관을 구비하고, 각 관내를 흐르는 피가열유체(被加熱流體)를 대류전열(對流傳熱)로써 가열하는 보일러나 관식로(管式爐), 과열기(過熱器) 또는 수소 리포머(reformer)와 같은 관식가열설비에 관한 것이다.
도 1은 본 발명을 기류순환식 관식보일러에 적용한 경우의 실시예의 한 형태를 나타낸 원리도.
도 2는 순환팬 흡입구의 기류평형온도와 순환기류의 열제거에 의한 온도차의 관계를 축열체의 온도효율과의 관계로서 나타낸 그래프.
도 3은 순환팬 흡입구의 기류평형온도와 희석공기효율과의 관계를 축열체의 온도효율과의 관계로서 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 기류순환식 관식보일러의 전열을 설명하는 로내 온도분포도.
도 5는 종래의 기류식 보일러에 의한 로내 온도분포도.
도 6은 종래의 기류식 보일러의 일례를 나타낸 원리도.
그러므로 본 발명의 목적은 우수한 전열성을 가진 기류순환식 관식가열 설비를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 작은 동력으로 다량의 고온순환기류를 확보할 수 있는 기류순환식 관식가열설비를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 로 속의 전역에 걸쳐 높고 균일한 온도를 가지는 기류를 형성할 수 있는 기류순환식 관식가열설비를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 피가열 유체를 통과시키는 일군의 관을 가지는 로속으로 고온의 기류를 통과시켜 상기 관내를 흐르는 피가열물을 가열하는 설비를 제공하며, 이 설비는, 로의 양측벽에 각각 배치되고, 로에 분사되어지는 기류를 가열하는 열원(熱源)을 가지는 가열실과; 이들 가열실을 연결하는 로내의 순환기류를 로 바깥으로 빼내고 다시 로속으로 환류시키는 로바깥의 순환유로(爐外循環流路)를 구비한다. 로바깥의 순환유로는, 가열실에 인접한 인출구 및 반송구에 각각 설치된 축열체(蓄熱體)와; 순환팬과; 순환팬의 입구측과 출구측을 한쪽의 축열체에 각기 선택적으로 교호(交互)로 연결하여 축열체에 대한 기류의 흐름방향을 전환시키는 유로전환장치와; 양쪽의 축열체 사이에서 순환기류의 가스성상(性狀)을 바꾸기 위한 열제거 또는 열희석을 수행하는 열제거수단을 구비하고, 유로전환장치의 주기적인 전환동작에 의해 기류의 흐름방향을 주기적으로 전환하는 고온의 강순환기류를 로내에 형성하도록 하고 있다.
이 경우, 로내를 통과하여 피가열물의 가열에 사용된 후의 기류의 일부는, 순환팬에 의해 발생하는 부압(負壓)에 의해 로바깥의 순환유로에 부분적으로 꺼내어지고, 순환팬에 의해 압력이 높아진 후에 다시 빠른속도로 로내로 분사된다. 이것에 의해 로내에는 공급된 기류의 용적보다 훨씬 더 큰 용적을 갖는 순환기류(본 명세서에서는 이것을 강순환류(强循環流)라고 언급하고 있음)가 형성된다. 이 과정에서, 순환기류는 로 바깥의 순환유로의 흡입측에서 그 감열(感熱;sensible heat)이 축열체에 의해 꺼내어짐으로써 저온이 된다. 저온상태가 된 순환기류는 순환팬에 의해 승압된 후 반대측의 축열체를 통과하고 여기서 순환기류는 직접열교환에 의해 다시 고온이 되어 로내로 분사된다. 그러므로, 저온용 순환팬을 사용하여 로내에 고온의 강순환류를 형성할 수 있다. 즉, 순환기류의 온도저하에 의해 순환팬을 대형화 할 수 있어(능력을 향상함) 토출유량(吐出流量)을 크게하여 강순환류의 생성을 가능하게 한다. 대류전열에 있어서, 기류의 유속 전열을 지배하므로, 고속의 고온 강순환류는 로내의 가열공간의 넓은 영역에 있어서 기류순환량을 종래기술 보다 훨씬 크게 증가시킬 수 있고, 전열효율 향상시켜 전열량의 증대를 초래한다. 또한, 본 발명에 의하면, 기류의 방향이 주기적으로 반전하여, 로내의 온도의 균일화에 의해 로내에서의 기류의 온도차가 작게되고, 가열의 불균일성을 감소시키고 기류온도를 허용열유속에 까지 높인다. 따라서, 전열면적의 삭감에 의해 로의 크기를 줄이고 가열처리시간을 단축할 수 있고, 예를들어 가열처리시간이 동일할 경우, 전열면적은 종래형의 1/2 내지 1/3로 줄일 수 있어, 그 설비의 크기를 줄이게 되는 것이다. 또한, 로내부의 온도의 균일화에 의해 로구조물에 대한 열스트레스(heat stress)를 작게할 수 있다.
또한, 본 발명의 기류순환식 관식가열설비에 의하면, 기류가 로내에 도달하기 전에 충분한 연소공간이 확보될 수 있고, 화염은 관과 접촉함에 의하여 즉시 냉각되는 것이 아니기 때문에, 가용한 연료는 기체연료에만 한정되지 않고 액체연료도 사용될 수 있다.
한편, 로바깥의 순환유로에서는, 열제거수단에 의한 열제거 또는 열희석에 의하여 순환기류의 가스성상이 변화되고, 평형온도가 상승하는 것을 방지한다. 여기서, 순환기류의 열제거에 의한 평형온도와 반송구에서의 온도는 아래의 식(1)에 의해 표현될 수 있다.
순환기류의 열제거에 의한 평형온도
t1= (1-η1)tc+ ηtth
… (1)
tc: 평형온도 ℃
th: 순환기류(출구에서의)온도 ℃
t1: 순환기류(반송구에서의)온도 ℃
△t : 순환기류의 열제거에 의한 온도차 ℃
ηt: 축열기의 온도효율
순환팬의 입구에서의 기류의 평형온도 tc는 순환기류의 열제거에 의한 온도차 △t 와 축열체의 온도효율에 의해 지배되고, 예를들어 출구에서의 순환기류의 온도가 1000℃ 일 경우에는, 도 2에 표시된 것과 같은 관계가 성립한다. 또한, 순환기류의 희석에 의한 평형온도 및 반송구에서의 온도는 아래의 식(2)으로 표현된다.
순환기류의 희석에 의한 평형온도
t1= (1- ηt) tc+ ηtth
tc: 평형온도 ℃
th: 순환기류(출구에서의)온도 ℃
t1: 순환기류(반송구에서의)온도 ℃
t0: 대기온도 ℃
△G : 희석공기량 Nm3/h
G : 순환기류량 Nm3/h
ηt: 축열기의 온도효율
순환팬의 입구에서의 기류의 평형온도 tc는 순환기류에의 희석공기량 △G 와 축열체의 온도효율에 의해 지배되고, 예를들어, 출구에서의 순환기류의 온도가 1000℃ 이고, 대기온도가 20℃ 인 경우에는, 도 3에 표시된 것과 같은 관계가 성립된다. 그러므로, 로바깥의 순환유로 내에서의 적정량의 공기제거나 또는 희석에 의해 가스성상이 변화됨으로써, 평형온도의 상승이 발생하는 것을 방지한다.
여기서, 상기한 열제거수단은 로 바깥의 순환유로의 가열실에 인접한 순환기류출입구에 설치된 양단의 축열체의 사이에 설치되는한 어느 특정위치에 한정되지는 않지만, 순환팬의 입구측과 유로전환장치 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 순환팬으로 흐르는 순환기류는 더한층 저온이 되고, 순환팬에 가해지는 손상을 줄이고 토출유량을 증대시킨다. 또한, 열제거수단은, 예를들면, 공기나 배기 가스등의 소량의 희석용기체를 순환기류에 주입하고, 보일러수나 석유등의 피가열유체를 예열하는 예열기를 사용하며, 또는 양축열체의 사이의 유로의 보온효과를 감소시키는 것, 예를들면, 보온재의 두께를 얇게하거나, 보온성이 낮은 보온재를 사용함에 의해 구성된다.
또한, 본 발명의 기류순환식 관식가열설비에 있어서는 열원으로서, 각종 버너, 라디앤트(radiant)튜브 버너, 전기히터 등의 열원이 사용될 수 있고, 버너, 특히 축열체를 구비하고 각 축열체를 통해 연소용공기를 공급하거나 또는 순환기류를 배출하는 한쌍의 버너를 교호로 연소시키는 축열형 버너시스템을 사용하는 것이 좋다.
이 경우, 순환가스의 일부가 배출되는 경우에, 순환가스는 그 감열이 축열체에 회수된 후에 다시 극히 높은 열효율로 연소용공기의 예열에 사용되고 로에 되돌아오기 때문에, 순환기류의 온도가 높아지더라도 그 열을 회수하여 주변환경에 악영향을 주지 않는 정도의 저온으로 배출되어, 높은 열효율을 유지한다. 그리하여, 본 발명에 의하면, 로내에서의 기류의 평균온도를 보다 높일 수 있기 때문에 전열량을 높이고, 처리량과 처리시간을 동일하게 하는 경우에는 전열면적과 로의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 연소배기가스의 모든 열이 고온예열공기로 바뀌어 로내측으로 회수되는 열순환이 형성됨으로써, 연소량의 감소와 함께 고온의 강순환류가 형성될 수 있고, 에너지를 줄일 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 구성을 도면에 표시된 최상의 실시형태에 근거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명을 기류순환식 보일러에 적용한 일실시형태를 나타낸다. 이 기류순환식 보일러는, 보일러수를 통과하는 다수의 관(19)을 구비한 로(1)와, 각 로(1)의 양측벽에 접속된 가열실(2)과, 이들 가열실(2)내에서 순환기류(10)를 가열하여 증열(增熱)시키는 열원용 버너(3A, 3B) 및 증열된 고온의 기류를 로내(18)를 통과시켜 반대측의 가열실(2)에 보낸후에 다시 분사측의 가열실(2)내에 환류시키는 로바깥의 순환유로(4)등으로 주로 구성된다. 본 실시예의 경우에는, 교호로 연소하는 한쌍의 버너(3A, 3B)에 의해 구성된 축열형 버너시스템이 열원용 버너로서 채용된다. 로바깥의 순환유로(4)는 버너(3A, 3B)의 교체에 따라서 주기적으로 기류의 방향을 반전시키는 고온강순환류(10)를 로내(18)에 형성하기 위하여 설치된다. 로바깥의 순환유로(4)의 순환기류 출입구(9A, 9B)는 가열실(2)의 상부에 배치된다. 그리하여, 로바깥의 순환유로(4)로 부터 분사되는 순환기류가 가열실(2)내에서 소정온도까지 가열승온(昇溫)되어 로내(18)로 들어가게 된다. 순환기류(20)는 양측의 가열실(2)과 로바깥의 순환유로(4)를 거쳐 로내(18)를 통과하는 고온강순환류(10)를 형성한다.
한편, 축열형 버너시스템은 각각의 축열체(11A, 11B)를 가지는 한쌍의 버너(3A, 3B)를 유로전환수단, 예를들면 4방형 밸브(12),를 거쳐 공기공급장치(13) 또는 배기장치(14)에 선택적으로 접속시켜, 한쌍의 버너(3A, 3B)의 하나를 연소시키고 있는 동안에 정지중의 다른 버너로 부터 피가열물의 가열에 사용된 후의 순환기류를 배기시키도록 하여 이루어진다. 각 버너(3A, 3B)는 예를들면 로(1)의 양측벽에 설치된 가열실(2)의 각각의 최상부에 고정되고, 교호작동한다. 도면중의 참조번호 16은 연료노즐을 가리킨다.
버너용 축열체(11A, 11B)는 버너본체 또는 별개의 케이싱에 수용되고, 버너(3A, 3B)에 통합된다. 축열체(11A, 11B)는 통과하는 배기가스와 열교환을 행하여 배열(排熱)을 회수하고, 회수된 열로써 연소용공기를 예열한다. 각각의 버너(3A, 3B)의 버너용 축열체(11A, 11B)는 덕트(15)를 통하여 4방형 밸브의 4개의 포트(ports)중의 2개의 포트(상호간에 연통하지 않는 위치관계에 있는 2개의 포트)에 접속된다. 또한, 공기공급장치(13) 및 배기장치(14)는 4방형 밸브(12)의 나머지 2개의 포트에 접속된다. 그러므로, 버너(3A, 3B)의 하나와 버너용 축열체(11A, 11B)의 하나는 공기공급장치(13)에 접속되고, 나머지 버너와 버너용 축열체는 배기장치(14)에 접속된다. 이 접속관계는 로바깥의 순환유로의 유로전환장치(7)와 동시성을 가지는 4방형 밸브(12)를 전환함으로써 전환된다.
한편, 로바깥의 순환유로(4)는, 각 가열실(2)의 순환기류출입구(9A, 9B)에 인접한 부분에 각각 설치된 축열체(5A, 5B)와; 순환팬(6)과; 이 순환팬(6)의 흡입구측과 배출구측을 축열체(5A, 5B)의 하나에 각각 선택적으로 교호연결시켜 축열체(5A, 5B)에 대한 기류의 흐름방향을 전환하는 유로전환장치(7)와; 기류의 가스성상을 변화시키기 위하여 열제거 또는 열희석을 수행하는 열제거수단(8)과; 이들을 연결하는 제2덕트(21)로 구성되고, 유로전환장치(7)의 주기적인 전환에 의해 축열체(5A, 5B)를 통과한 일부의 연소가스의 제거나 재공급을 교대로 행하며, 기류의 흐름방향을 주기적으로 반전시키는 고온강순환류(10)를 로내(18)에 형성한다.
여기서, 열원용 버너(3A, 3B)에 사용되는 축열체(11A, 11B)와, 또한 로바깥의 순환유로(4)에 배치되는 축열체(5A, 5B)와, 비교적 압력손실이 작으면서 열용량이 크며 내구성이 높은 구조와 재료, 예를들어 다수의 셀을 가지며 허니컴(honey-comb; 벌집)형상을 한 세라믹 원통형보디를 사용하는 것이 좋다. 예를들면, 연소배기가스 같은 1000℃ 전후의 고온유체와, 연소용공기 같은 20℃ 전후의 저온유체와의 열교환에는 코디라이트(cordierite) 또는 멀라이트(mullite) 등의 세라믹 재료의 압출성형에 의해 제조되는 허니컴 형상의 부재를 사용하는 것이 좋다. 또한, 허니컴 형상의 축열체로서는 알루미늄 또는 세라믹 외의 재료, 예를들어 내열강 또는 세라믹과 금속의 복합체, 예를들어 그 기공이 완전히 충진된 Al2O3-Al 복합체 또는 SiC-Al2O3-Al 복합체를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 타입의 복합체는 용해금속을 다공질 구조를 가지는 세라믹의 기공에 동시에 침투하도록 하고, 이 금속의 일부를 산화 또는 질화시켜 세라믹으로 변환시킴으로써 제조될 수 있다. 허니컴 형상은 본래 육각형을 나타내는 것이지만, 본 명세서에서는 육각형 뿐만 아니라 사각형 또는 삼각형의 구조도 포함한다는 것을 주목하기 바란다. 또한, 일체성형(一體成形)을 하지 않고 관 등속을 묶음으로써 허니컴 형상의 축열체를 얻을 수 있다. 그러나, 각각의 축열체(5A, 5B, 11A, 11B)의 형상도 특히 허니컴 형상에 한정되지 않고, 평판형상 또는 주름판형상의 축열재료를 원통형 케이싱내에 방사상으로 배치하거나 또는 파이프형상의 축열재료를 축방향으로 유체가 통과하기 위하여 원통형 케이싱내에 충진될 수 있다. 또한, 격벽에 의해 원주방향으로 2실(二室)로 구획형성되고, 축방향으로 유체가 통과할 수 있는 원통형 케이싱을 준비하고, 그 각실에 구상(球狀), 단관(短管), 단봉(短棒), 세편(細片), 너겟(nugget)형 또는 망상(網狀) 등의 축열재료의 덩어리를 충진시킴으로써 축열체가 구성될 수 있다.
또한, 순환팬(6)의 흡입측과 유로전환장치(7) 사이에는 열제거수단으로서 보일러수 예열기가 설치된다. 이 예열기(8)로 부터는 축열체(5A, 5B)의 온도효율에 적합한 열제거를 효과적으로 하기 위하여 보일러수가 흐른다. 이 경우, 전체설비의 열효율은 더욱 향상될 수 있다. 보일러수를 예열함으로 인한 열제거량은 전술한 식(1)에 의해 표시될 수 있다.
순환팬의 흡입구에서의 기류의 평형온도 tc는 열제거온도차 △t 와 축열체의 온도효율에 의해 지배되고, 예를들면 순환기류 출구에서의 온도 th가 1000℃인 경우에는 도 2에 표시된 관계가 성립한다. 평균온도의 상승이 발생하는 것을 방지하기 위하여 로바깥의 순환유로(4)내에서 적정량의 열제거에 의한 가스성상의 변경이 행해진다. 통상, 축열체(5A, 5B)의 온도효율이 80% 내지 90%인 경우에는 열제거온도차 △t 는 100℃ 내지 200℃의 범위내로 설정된다.
이상과 같은 구성의 기류순환식 보일러에 의하여, 다음과 같은 전열량의 증가가 실현될 수 있다.
열원을 구성하는 한쌍의 축열형 버너(3A, 3B)를 교호로 연소하여 가열실(2)내에서 화염(17)을 형성하여 로쪽으로 향하는 순환기류(20)의 증열(增熱)을 꾀한다. 예를들면, 버너(3A)를 작동시키는 경우에는 버너(3A)측을 연소용 공기공급장치(13)에 접속하도록 4방형 밸브(12)를 전환하고, 한쪽의 연료제어밸브(22A)를 여는 동시에 다른쪽의 연료제어밸브(22B)를 닫는다. 그 결과, 공급된 연소용공기는 버너용 축열체(11A)를 통과하여 배기가스 온도에 가까운 고온, 예를들면 800℃ 내지 1000℃ 정도에서 예열된 후에 각 버너스로트(burner throat)내로 흘러가고, 각 연료노즐(16)로 부터 분사된 연료와 혼합되어 연소한다. 한편, 배기장치에 접속되는 버너(3B)측에서는 로내(18)를 통과한 후의 가스(순환기류(20)를 형성하는 가스와 연소가스)의 일부가 배출된다. 이때, 배출되는 가스의 감열은 버너용 축열체(11B)에서 회수된다. 그리하여, 버너(3A)측이 작동을 개시하는 것으로 부터 소정의 시간(예를들면 60초 이내, 바람직하게는 20초 정도, 제일 바람직하게는 그 이하의 단시간)이 경과하여, 4방형 밸브(12)가 전환되고, 이렇게 연동되는 연료제어밸브(22A, 22B)의 한쪽이 닫히고 다른쪽이 열린다. 이로 인해, 버너(3B)측으로 연소공기 및 연료가 공급되는 연소를 개시하는 한편, 버너(3A)는 배기작동의 대기상태로 된다. 이 경우, 버너(3B)측으로 공급되는 연소용공기는 배기가스의 열로써 가열된 축열체(11B)에 의해 예열되고, 매우 고온(예를들면 800℃ 내지 1000℃)이 된다.
통상, 고유속(高流速)의 순환기류(20)의 흐름이 화염(17)에 충돌하는 경우에는, 화염의 온도가 낮아지고 화염이 소멸되지만, 순환기류(20)의 온도가 연료의 자가점화온도(배기가스온도에 가까운 온도) 보다 높기 때문에, 점화포인트에서의 온도가 쉽게 낮아지지 않으므로, 점화성과 화염의 안정성이 향상되며 화염은 소멸되지 않게 된다.
이후, 버너(3A, 3B)는 로바깥의 순환유로(4)에서의 순환기류(20)의 반전과 동시에 소정의 시간간격으로 각각 교호로 작동하고, 매우 고온의 연소용공기를 사용하여 교호연소를 반복하여, 가열에 의해 소비된 만큼의 순환기류의 증열을 꾀한다.
동시에, 로내부(18)로 부터 가열실(2)로 유출한 기류의 일부는 순환팬(6)에 의해서 발생하는 부압(負壓)에 의해 로바깥의 순환유로(4)에 유인되고, 순환팬(6)으로써 승압된 후 순환기류(20)로 되어 다시 가열실(2)로 부터 로내부(18)에 고속으로 분사되며, 로내부(18)에 고온의 강순환류(10)를 형성한다. 여기서, 순환기류(20)는 로바깥의 순환유로(4)의 순환기류출입구(9B)의 축열체(5B)를 거쳐 그 감열을 축열체(5B)에 주고 저온이 된다. 순환기류는 다시 열제거수단(8)에 의해 냉각된다. 냉각된 순환기류는 순환팬(6)에 유입되고, 승압된 후 반대측의 축열체(5A)를 통과하여 로내부(18)에 분사된다. 이때, 순환기류(20)는 축열체(5A)(또는 5B)에서의 직접적인 열교환에 의해 다시 고온이 된다. 약 1000℃의 고온의 순환기류(20)는 로바깥의 순환유로(4)를 흐르는 경우에는 200℃ 또는 그 이하의 저온이 되고, 다시 로내부(18)에 회귀하는 때에는 상술한 고온상태로 돌아간다.
고온의 강순환류(10)는 다수의 관(19)이 분포되는 로내부(18)의 기류순환량을 지금까지 보다도 크게 증가시킬 수 있다. 즉, 로내부(18)를 흐르는 가스의 유량은 투입된 공기 및 연료의 양에 순환기류(20)의 가스량을 더한 강순환류(10)로 되고, 순환기류량의 증대에 의해 로내부(18)의 가스유동이 격화되며, 로내부 가스의 혼합의 촉진또는 대류전열량의 증가가 일어나 로내부 각 부분에서의 기류온도차가 해소되어 온도분포는 평활하게 된다. 또한, 가스순환율이 증가되는 경우에는, 연소가스의 열용량이 증가되어 전열량이 증대된다. 다시말해, 대류전열에서는 기류의 속도가 전열을 지배하기 때문에 순환기류의 양이 증가하면 전열효율이 크게 향상된다. 또한, 강순환류(10)의 방향의 주기적인 반전으로 인해 로내온도(로내부 온도는 기류온도와 로벽온도에 의해 형성되는 분위기온도(ambient temperature)이고, 기류식 보일러의 경우에는 주로 기류온도가 지배적이다)가 보다 균일하게 되고, 불균일한 가열을 제거한다. 또한, 가스순환율의 증가와 함께 로내부 최고온도는 역비례하게 저하되지만, 로내부 평균온도는 단지 저하되고, 로내부 최고온도는 로내부 평균온도에 가깝게 되어 로내부 온도분포는 평균화된다.
그러므로, 본 실시예의 기류순환식 보일러에서는, 관(19)의 허용열유속에 까지 기류온도를 높일 수 있기 때문에, 전열면적의 삭감에 따른 로의 소형화 또는 가열처리 시간의 단축이 가능하다. 또한, 순환기류의 증열로 인한 연소에 의해 야기된 온도상승분을 300℃ 내지 500℃로 억제할 수 있기 때문에, 연소량을 줄일 수 있다.
비록 상기한 실시형태는 본 발명의 양호한 실시예의 하나이지만, 발명은 이것에 국한되지 않고 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형과 다른 실시형태가 가능하다. 예를들면, 상기 실시예에 있어서는, 보일러에 적용된 본 발명의 예에 관해 주로 설명한 것이지만, 본 발명은 그것에 한정되지 않고, 로내에 일군의 관을 구비하고 그 속으로 피가열물을 흐르게 하여 기류에 의한 대류전열로써 가열하는 방식의 가열설비이기만 하면 관식가열로, 과열기, 수소리포머 및 다른 어떤 가열설비에도 응용된다.
또한, 상기한 실시형태에서는 축열체(11A, 11B)를 구비하는 한쌍의 버너(3A, 3B)를 교호연소시키는 축열형 버너시스템이 열원으로서 사용되지만, 본 발명은 이 시스템에 한정되지 않는다. 열원으로서는, 예를들면, 전기히터, 라디앤트튜브버너, 산소연소버너 또는 그밖의 버너가 사용될 수 있다. 여기서, 수십초의 단시간에 전환될 수 없는 전기히터, 라디앤트 튜브버너 같은 열원의 경우에는, 양쪽 가열실(2)의 열원이 항상 ON 상태로 유지된다. 이 경우에도, 발생하는 열은 로바깥의 순환유로(4)의 축열체(5A, 5B)에 회수되어 순환기류의 가열에 사용됨으로써 열은 버려지지 않는 것이다. 또한, 본 발명에 의하면, 화염은 로내부 측으로 부터 떨어진 가열실(2)에서 형성되고, 연소는 연소실(2)에서 완료되기 때문에, 가용연료는 기체연료에만 한정되지 않고 액체연료도 또한 사용될 수 있다.
열제거수단(8)은 보일러수나 석유 같은 피가열물을 예열하는 예열기에 한정되지 않는다. 비록 도시되지는 않았지만, 순환기류(20)에 항상 일정한 온도의 공기를 주입하는 것에 의해 직접 열을 빼내는 수단을 채용할 수 있다. 이 경우, 열교환에 의해 순환기류(20)의 성상을 변화시킴으로써 전술한 식 2 및 도 3에 표시된 관계가 성립된다.
또한, 비록 도시되지 않았지만, 열제거수단(8)은 로바깥의 순환유로(4)의 순환기류출입구(9A, 9B) 근처의 양쪽 축열체(5A, 5B) 사이의 유로의 보온효과를 낮추는 것, 예를들면 보온재의 두께를 얇게 하거나 보온성이 낮은 값싼 보온재 등을 사용함에 의해 구성될 수 있다. 이 경우, 비록 열의 이용효율은 저하되지만, 설비에 사용되는 보온재의 사용량을 줄일 수 있고, 값싼 보온재의 사용으로 인해 설비비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 관속을 흐르는 피가열물을 가열하기 위해 피가열물유체를 관속으로 통과시키는 일군의 관을 가지는 로의 내부로 고온의 기류를 통과시키는 기류순환식 관식가열설비에 있어서,
    로의 양측에 각각 배치되어 로내로 분사되는 기류를 가열하는 열원을 구비한 가열실과;
    이 가열실을 연결하여 상기 로내부의 순환기류를 로외부로 빼내고 다시 로내부로 환류시키는 로바깥의 순환유로 등을 구비하고,
    로바깥의 순환유로는 상기 가열실의 순환기류 출입구의 근처에 각각 설치된 축열체와, 순환팬과, 순환팬의 흡입구측과 배출구측을 상기 축열체중 하나에 각각 선택적으로 교호연결하여 상기 축열체에 대한 기류의 흐름방향을 전환하는 유로전환장치와,
    상기 양축열체 사이의 구간에서 상기 순환기류의 가스성상을 변화시키기 위해 열제거 또는 열희석을 행하는 열제거수단을 구비하여,
    상기 유로전환장치의 주기적인 전환에 의해 주기적으로 기류의 흐름방향을 반전시키고, 주기적으로 흐름방향을 반전시키는 고온강순환류를 상기 로내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 기류순환식 관식가열설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열원은, 축열체를 구비하고, 이 축열체를 통해 연소용 공기의 공급 또는 순환기류의 배기를 행하는 한쌍의 버너를 교호로 연소시키는 축열형 버너시스템인 것을 특징으로 하는 기류순환식 관식가열설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열제거수단은 유로전환장치와 순환팬의 흡입구측 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 기류순환식 관식가열설비.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열제거수단은 소량의 기체를 주입하는 것을 특징으로 하는 기류순환식 관식가열설비.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열제거 수단은, 피가열물을 예열하는 예열기로서, 피가열물의 예열에 의해 순환기류의 열을 제거하는 것을 특징으로 하는 기류순환식 관식가열설비.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열제거 수단은 상기 로바깥의 순환유로의 상기 양축열체 사이의 유로의 보온효과를 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기류순환식 관식가열설비.
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