KR100363719B1 - 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대유량의 과열기체(수증기도 포함)를 발생시키는데 필요한 전열장치에 관한 것으로, 종래 다수의 병열분지관식 전열장치에서 과열기체의 처리용량을 증대시키는데 수반되는 구조면, 가공면, 강도면, 성능면, 내구성면 등의 수다한 난점을 극복 해소시키고자 병렬분지관식 전열장치 대신 가장 이상적인 단일통로식 와류형성 전열장치를 발명 고안한 것이다.

종래 원형관의 코일벤딩 가공방식에서 판재를 소재로 하여 판금가공만으로 본 발명의 전열장치를 구성시킬 수 있는 것으로 연소실을 형성시키는 실린더모양 또는 파형 노통모양의 내통외벽에 나선형모양의 단일통로 경사안내판을 일정 간격을 두고 밀착 용접시킨후 롤링된 외통을 경사안내판의 바깥 가장자리 날끝에 접촉 정도로 둘러씌움으로서 형성되는 4변형(4각형도 포함) 테두리 또는 1변의 파형 내통을 포함한 4변형모양 테두리가 단일통로관의 역할과 기능을 수행케 하는 것이다.

이와 같이 형성된 4변형 단일통로관 벽에 와류형성 안내깃을 적당한 위치에 장설 내장시키므로서 통과하는 기체에 대하여 층류를 난류로 변형시킴과 동시에 와류를 형성시켜 열전달을 촉진시킴은 물론 균일한 과열도를 확보하면서도 구조와 가공이 간단하고 강도면, 성능면, 내구성을 보장할 수 있는 단일통로식 와류형성 전열장치를 값싸게 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치{Spiral Wound Heat Transferring Equipment on the Single Passage for the Super-heater}

본 발명은 증기발생공장, 정유공장, 각종 화학플랜트, 폐수처리장 등 각양각색의 용도에서 많이 사용되는 과열기체(수증기도 포함)를 발생시키는 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치에 관한 것이다.

종래의 과열기용 전열 장치는 소용량을 제외하고 대량의 과열기체(온도 350∼1000℃)를 발생 처리하는데 필요한 통과 단면적을 확보하기 위하여 다수의 분지 전열관을 병렬시켜야 하므로 구조상으로 복잡하여지고 제작가공비도 고가인 점등의 많은 난점을 이유로 하여 대량의 과열기체를 발생시키고 처리한다는 것은 거의 불가능하였다.

보기를 들면 폐수처리 현장에서 필요한 과열 증기의 처리용량은 대당 5ton/h, 10ton/h, 15ton/h등인데도 불구하고 기껏해야 2∼4ton/h에 불과하였을 뿐만 아니라, 또한 다수의 분지전열관마다 유체 저항이 각각 다르므로 유량 제어가 어려웠고, 또한 기체의 특성상 통과 유량의 편차가 심하며 생산된 과열증기의 온도가 균일치 못하여 균일한 질의 과열증기를 얻기 어려웠다. 그리고 전열관 내부에 통과 유량이 부족하면 냉각이 잘 안되어 연소실에서 발생된 고온의 열로 전열관 자체의 국부적인 과열현상이 일어나게 되며, 열피로현상, 재질의 열화 또는 용해 파손이 일어나게 되므로 내구성이 단축된다.

상술한 문제점을 감안할 때 과열기용 전열장치가 병렬분지관 방식이 아닌 단일관식으로 구성된 것은 유량제어가 간단하고 온도가 균일하여 내구성을 확보할 수 있는 장점이 있어 가장 이상적인 방식이나 과열기체의 처리대량화에 따른 관경의 비대화에 따라 제작상 수반되는 수다한 난점때문에 처리용량이 제한적일 수밖에 없게 된다.

그 이유를 설명하면 과열기에 필요한 단일통로의 전열관지름 d_h(헤더지름과동일)가 매우 커진다는 것은 다음 식과 같이 산출되므로 쉽게 알 수 있다.

여기서,: 시간당 과열 증기 관내 통과량(㎏/h)

: 과열 증기의 관내 통과 속도(m/sec)

v" : 과열 증기의 비체적(㎥/㎏)이다.

보기를 들어 수증기의 경우 포화 증기압 1.2㎏/㎠G에 과열 온도가 550℃일 때 비체적은 증기표에서 약1.8㎥/㎏이므로 시간당 과열 증기 15,000㎏/h를 통과시키려면 전열관 내부의 과열증기의 통과 속도가 25m/sec일 때 필요한 관내경은 위 식에 따라 618㎜ψ로 산출되나 호환성을 감안한 관경 선정표에 따라 결국 625∼650㎜ψ로 채택하여야 한다.

이와 같이 통과 유량별, 속도별로 필요한 전열관내경은 아래 표1과 같이 산출된다.

표 1

위 표 1에서 나타낸 바와 같이 대유량의 과열 증기를 임의의 설정온도, 보기를 들어 550℃로 균일하게 통과시키려면 단일 통로의 경우 반드시 관경 300㎜ψ 이상 650㎜ψ까지의 전열관이 선정되어야 한다. 그럼에도 불구하고 종래의 과열기용 전열장치 구조는 도 1a(하나의 보기임)에서 나타낸 바와 같이 다수의 전열관 양끝을 도넛모양의 상부 헤더와 하부 헤더에 꽂아 용접 제작된 새장모양의 병렬분지관형 전열장치로 구성된다.

그리고 코일모양으로 원형 벤딩된 다수의 전열관 양끝을 도넛모양의 상부 헤더와 하부 헤더에 꽂아 용접 제작된 다중 나선형 모양의 병렬분지관형 전열장치 등으로 구성된 것이 대표적인 보기라 할 수 있다.

여기에서 병렬분지관의 필요한 개수(n)는 통과유량 및 증기통과 속도에 따라 헤더 안지름(단일관경과 동일) d_h와 분지전열관의 안지름 d_b과의 관계를 고려하여 다음 식에 따라 산출된다.

이 도출되므로 그 계산 결과는 표 1과 비교하면 표 2와 같이 정리하여 나타낸다.

여기서 d_h: 헤더의 안지름(m)

d_b: 분지전열관의 안지름(m)

표 2. 유량별·속도별·관경별 분지전열관 소요 개수(n)

과열증기의 조건: 압력 1.2㎏/㎠G, 온도 500℃, 비체적 1.8㎥/㎏

표 2에서 알 수 있는 바와 같이 대유량의 과열증기를 통과 처리하는데 용량별, 속도별로 필요한 분지전열관 개수(n)는 분지전열관경에 따라 최소 2개에서 38개까지 소요되므로 같은 병렬분지관 방식이라도 하나의 보기이지만 도 1에서 나타낸 것보다 그 구조가 훨씬 복잡해지며, 작업공간에 따라서는 용접가공이 불가능하게 된다. 뿐만 아니라 과열증기를 발생시키는데 공정상 필요한 통과시간 Z(또는 체류시간 이라고도 함)을 충족시키기 위하여 각 분지전열관마다 길이 L은 통과 증기속도(V)에 따라 L = V × Z로 계산되어야 하므로 그 길이는 수 10m에서 수백 m에 이르는 것도 있어, 도 1a에 나타낸 새장모양에서 연소실의 크기, 연소특성 및 열전달 특성을 감안하여 전열관 사이의 틈새를 메우던가 아니면 좁혀야 하고, 또한 높이(H)를 낮추기 위하여 불가피하게 도 1b에서와 같이 코일벤딩후 다중 나선형모양의 전열관으로 용접 가공하여야 한다. 용량이 커지면 코일지름을 달리한 다중나선형 전열장치를 여러개의 동심원(개수는 표2 참조)으로 배열시킨후 코일의 양끝을 각각 위,아래 헤더(도넛모양, 포크모양, 직선형, 만곡형 등)에 병렬 배관하여야 하는 등 구조가 복잡하여지고 용접가공이 어렵게 된다.

대구경의 관(여기서는 코일 지름에 따라 다르나 연소실의 지름을 고려하여 통상 분지전열관 지름 150㎜ψ∼ 200㎜ψ)을 훨씬 초과하는 300㎜ψ이상의 관에 대하여 코일벤딩작업을 한다는 것은 관의 단면계수 및 재료의 연신율을 감안할 때 거의 불가능하다.

설사 코일벤딩작업이 가능하다 하더라도 이에 필요한 가공설비의 규모가 방대하여지고 가공설비의 가격이 엄청나게 비싸게 될 뿐만 아니라, 관경이 커지고 관의 길이도 길게 될수록 가공비도 기하 급수적으로 누진되므로 소용량을 제외하고 아직까지 세계적으로 대량의 과열 증기를 취급 처리하는데 필요한 단일관로식 와류형 전열장치를 개발하지 못하고 있다.

가공된 관경 및 코일지름에 따라 달라지나 벤딩 가공후의 잔류 응력은 사용 온도 및 연소실 내부 온도에 따라 사용된 재료의 기계적 성질에 대하여 열화현상은물론 전열관 자체의 잔류 응력에 의한 부식을 촉진시킬 우려가 있어 내구성을 보장할 수 없게 된다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 전술한 다수의 병렬 분지관식 전열장치에서 과열 기체(수증기도 포함)의 처리 용량을 증대시키는데 수반되는 구조면, 가공면, 강도면, 성능면, 가격면, 내구성면 등의 많은 난점을 극복 해소시키고자 병렬분지관식 전열장치 대신 가장 이상적인 단일통로식 와류형성 전열장치(單一通路式 渦流形成 傳熱裝置)를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연소실을 형성시키는 실린더형의 내통과,

상기 내통 외벽의 상하 일정 피치 간격으로 용접부에 의해 설치한 단일 통로 경사안내판과,

상하로 적어도 1개 이상의 벨로우스 도랑을 갖되, 이 도랑의 상부에 용접되고, 그 하부는 상기 경사안내판의 바깥 가장자리 끝과 밀착되게 접촉 유지되는 덮개판을 가지면서 상기 경사안내판의 바깥 가장자리 끝날부에 밀착상태로 둘러 씌워지는 외통과,

상기 내, 외통의 상부 및 하부 둘레에 용접되는 반도넛구조의 윗 경판 및 아래 경판과,

상기 경판 일정 위치의 반원형 내경과 대응위치의 경사판의 단면적을 폐쇄하는 유체 공전 차단판과, 유체 및 기체 유출입용 신축이음관을 설치해서된 것을 특징으로 한다.

한편 상기에서 실린더형 내통을 파형 단면을 갖는 노통으로 구성할 수도 있다.

그리고 상기의 단일통로식 전열장치는 서로 그 본체의 경을 달리하여 그들이 서로 삽입되어 동심원을 이루거나 편심원을 이루어 신축주름관으로 직렬 연결되는 적어도 2개 이상의 복수로 구성된 것도 본 발명의 요지라 할 수 있다.

한편 상기의 다양한 실시예에서 단일통로관을 형성시키는 4변형중 임의의 각변 내부에 와류형성을 위한 안내깃을 유체의 진행방향으로 스크류형태가 되게 각각 부착한 것을 특징으로 한다.

여기서 안내깃은 호미날, 쟁기날형 또는 새 깃털, 물고기 지느러미형 및 바람개비나 클로버잎형 등의 다양한 실시예가 적용될 수 있는 것으로 본 발명의 장치에서 와류를 형성하는 목적을 달성할 수만 있으면 된다.

도 1a는 종래의 대표적인 실시예의 새장형 전열장치 사시도.

도 1b는 종래의 대표적인 실시예의 다중나선형 전열장치 사시도.

도 2는 본 발명의 부분 절단한 전열장치 사시도.

도 3은 도 2의 내통을 파형으로 구성하여 사용예를 보인 단면도.

도 4는 본 발명의 도 2를 2륜형으로 구성한 전열장치 부분 절단한 사시도.

도 5는 도 4의 본 발명을 사용한 예를 보인 단면도.

도 6은 본 발명 안내깃의 다른 예를 보인 요부 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 연소실

2: 내통 2': 내통 전열면

2": 외륜 전열장치의 내통전열면

3: 경사안내판 3': 용접부

4:외통 4':외통 전열면

4": 외륜 전열장치의 외통전열면

5: 안내깃 6: 윗 경판

6': 아래경판, 7: 벨로우스 도랑

8: 덮개판 9: 입구 신축이음관

9': 출구 신축이음관 10,10': 차단판

11: 드레인 12: 버너

13: 단열재 14: 캐스터블 천정

15: 연돌 16: 배연기

17: 캐스터블 측벽 18: 연돌 유도공

19: 연돌 유도환 20: 공기예열기

21: 공기예열관 22: 윈드박스

23: 양륜 연결 신축이음관 24: 내륜 전열장치

25: 외륜 전열장치 26: 캐스터블 바닥

27: 상변화 기체발생장치(보일러) 28: 공지의 열교환기

29: 내장 전열관 30: 셀

31: 공지의 필요한 공정장치

이하에서 본 발명을 바람직한 실시예의 첨부된 도면에 의해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 2에서와 같이, 연소실(1)을 형성시키는 실린더형의 내통(2)과,

상기 내통(2) 외벽의 상하 일정 피치 간격으로 용접부(3')에 의해 설치한 단일통로 경사안내판(3)과,

상하로 적어도 1개 이상의 벨로우스 도랑(7)을 갖되, 이 도랑(7)의 상부에 용접되고, 그 하부는 상기 경사 안내판(3)의 바깥 가장자리 끝과 밀착되게 접촉 유지되는 덮개판(8)을 가지면서 상기 경사안내판(3)의 바깥 가장자리 끝날부에 밀착 상태로 둘러 씌워지는 외통(4)과,

상기 내,외통(2,4)의 상부 및 하부 둘레에 용접되는 반도넛구조의 윗 경판 (6) 및 아래 경판(6')과,

상기 경판(6,6') 일정위치의 반원형 내경과 대응 위치의 경사안내판(3)의 단면적을 폐쇄하는 유체 공전 차단판(10,10')과, 유체 및 기체 유출입용 신축 이음관 (9,9')을 설치해서된 것을 특징으로 한다.

한편 상기에서 도 3에서와 같이 실린더형 내통(2)을 파형 단면을 갖는 통 (2A)으로 구성할 수도 있다.

그리고 도 4 및 도 5에서와 같이 상기의 단일통로식 전열장치는 안쪽의 내륜전열장치(24)와 바깥쪽의 외륜전열장치(25)로써 각각 그 본체의 경을 달리하여 그들이 서로 삽입되어 동심원 또는 편심원을 이루도록 하여 양륜 연결 신축이음관(23)으로 직렬 연결되는 적어도 2개 이상의 복수로 구성된 것도 본 발명의 요지라 할 수 있다.

한편 상기의 다양한 실시예에서 내통(2)의 외벽에서 경사안내판(3)의 바닥면또는 천정면에 이르는 위치에 와류형성을 위한 안내깃(5)을 형성하는 등 단일통로관을 형성시키는 4변형중 임의의 각변 내부에 안내깃(5)을 형성한 것을 특징으로 한다. 이때 각각의 안내깃(5)은 유체의 진행방향으로 스크류형태가 되게 각각 부착된다.

여기서 안내깃(5)은 호미날, 쟁기날형 또는 새깃털, 물고기 지느러미형 내통 외벽에 부착된 지지대(5s)에 힌지결합되고 바람개비나 클로버잎형 등의 다양한 실시예가 적용될 수 있는 것으로, 본 발명의 장치에서 와류를 형성하는 목적을 달성할 수만 있으면 된다.

본 발명의 구성 내용을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

연소실(1)을 형성시키는 실린더 모양 또는 파형노통(波形爐筒) 모양의 내통 (2) 외벽에 나선형모양의 단일 통로 경사안내판(3)을 일정간격이나 또는 적당한 간격을 두고 용접부(3')에 따라 밀착되게 용접 장설한다. 단일통로 경사안내판(3)의 바깥 가장자리 날끝에 롤링된 외통(4)을 밀착되게 둘러씌우게 하고 내통(2), 경사안내판(3) 및 외통(4)으로 둘러싸인 사변형(사각형도 포함) 테두리모양의 통과 단면은 종래의 원형 단면관을 대신하여 과열기체가 경사안내판(3)에 따라 내통(2)외벽 주변과 외통(4) 내벽 사이를 나선형으로 흐르게 하므로서 단일통로 역할과 기능을 수행하게 되는 것이다.

본 발명의 사변형 통과 단면의 경우는 원형통과 단면과는 달리 와류형성이 어려우므로 와류형성 안내깃(5)을 내통(2) 외벽, 단일통로 경사안내판(3) 및 외통 (4) 내벽 등의 적당한 위치에 용접 또는 가공 장설하여 내장시키도록 하므로서 과열증기가 나선형으로 진행하면서 층류현상을 파괴하고 와류를 적극적으로 발생 형성시켜 내통(2)과 외통(4)의 각 전열면(2') 및 (4')에서 가장 먼 중심부에까지 열전달을 촉진시키도록 하는 것이다.

다시 말하면 내장된 와류형성 안내깃(5)은 단일 통로에 통과하는 과열기체의 흐름에 대하여 층류를 난류로 변형시키면서 와류(소용돌이)를 일으키는 역할을 함과 동시에 내통(2) 외벽과 경사안내판(3) 사이의 보강브래킷 역할을 하는 것으로,쟁깃날 모양, 호미날 모양, 새 깃털 모양, 물고기 지느러미 모양 또는 지지대(5s)에 설치된 클로버잎 모양, 바람개비 모양 등 다양한 모양의 와류형성 안내깃(5)을 임의로 동원할 수 있다. 이 와류형성 안내깃은 내통(2)외벽, 경사안내판(3), 외통 (4) 내벽 등 4변형의 임의의 적당한 위치에 필요하면 자유자재로 용접 장설한 후, 미리 롤링된 판인 외통(4) 상단부와 내통(2) 상단부에 반도넛 도랑모양의 윗 경판 (6)을 그리고 외통(4) 하단부와 내통 (2) 하단부에 반도넛 도랑모양의 아래 경판 (6')을 각각 연계 용접 가공하므로서 본 발명의 단일통로식 와류형성 전열장치의 기본 골격을 비로소 완성하는 것이다.

여기서 도면의 부호 " 7 "은 연소실(1) 역할을 하는 내통(2)의 온도와 연도 역할을 하는 외통(4)의 온도 차이에 따라 발생되는 내통(2)과 외통(4)과의 높이(H)의 변동을 감안하여 열응력을 완화 내지 흡수 분산시킬 수 있는 벨로우스도랑(7)이며 전열장치의 높이(H)에 따라 적당한 위치에 적당한 개수를 설치할 수 있다.

도면 부호 " 8 "은 벨로우스 도랑(7)의 덮개판이며, 이 덮개판(8)이 경사안내판(3)의 바깥 가장자리 날끝과 밀착되게 접촉된 상태를 유지하면서 통과중의 과열기체가 벨로우스 도랑(7)을 가로질러 다음의 경사안내판(3)으로 바로 건너뛰지 못하도록 바이패스 방지역할을 수행하는 것이다. 도랑 덮개판(8)은 각 도랑의 윗 부분에만 원주 용접을 시행하므로서 응축수(수증기의 경우)가 고이지 않도록 하여 불의의 동파를 예방하는 것이다.

이와 같이 경사 안내판(3)을 내통(2) 외벽에다 용접부(3')에 따라 밀착 용접 장설하여 내통(2)의 단면 계수를 획기적으로 보강시키므로 내통(2)의 외압에 의한좌굴(Buckling)현상을 예방하며 경사안내판(3)의 바깥 가장 자리 끝날부와 외통(4)의 내벽 사이에는 용접을 하지 않고 밀착 정도로 접촉하여 둘러싸이게 하므로서 온도차에 따라 발생된 내통(2)과 외통(4)의 높이(H) 변화에 대응하여 미끄러움직임 (Sliding)을 허용시켜 경사안내판(3)의 용접부(3') 또는 내통(2) 및 외통(4)와 경판(6 및 6') 사이의 용접부에 무리한 열응력을 작용시키지 못하게 하는 등, 각부의 열 응력을 완화시키던가 자유롭게 흡수 분산시키도록 유도하므로서 강도상 내구성을 확보하는 것이다.

밀착에 의한 접촉으로 미끄럼을 허용시키면 필연적으로 경사안내판 바깥 가장자리날부와 외통내벽 사이와의 틈새가 있게 마련이므로 통과중의 과열기체가 그 틈새를 통하여 다음의 경사안내판 쪽으로 바로 가로질러 새치기로 흘러갈 수 있을 것이다. 그러나 그 틈새는 둘러싸인 테두리에 비하여 상대적으로 무시할 정도인데다가 이웃하는 경사안내판 끼리의 상대적인 압력차가 미미하므로 새치기 유량은 무시할 정도이며, 또한 새치기 유량이 있다 하더라도 과열증기의 질에 영향을 주지 않는다.

도면의 부호 " 9 " 및 " 9′"는 공지의 신축이음관이며 본 발명의 전열장치의 입구부분과 출구부분의 적당한 위치에 신축이음관(Bellows)(9) 및 (9')을 장설하므로서 온도 상승이나 하강에 따라 발생된 전열장치의 높이(H) 및 지름(D) 변동에 대응하여 열응력을 완화 내지 흡수 분산시키므로 구조상의 강도 및 내구성을 보장하는 것이다. 상부의 입구 신축이음관(9)은 증기 입구관에 연결 배관하고 하부의 출구 신축이음관(9')는 과열증기의 토출관에 연결 배관하므로서 공지의 열교환기또는 공정상 필요한 열 이용장치에 연계 사용하는 것이다.

또 도면 부호 " 10 " 및 " 10′"는 유체공전 차단판이며 통과중인 유체가 경사안내판(3)의 양끝에 도달되었을 때 반도넛모양의 윗 격판(6)의 도랑이나 아래경판(6')의 도랑을 타고 겉도는 것을 방지하기 위하여 경사안내판(3)의 끝부에서 각 도랑쪽에 반달모양의 판을 삽입하여 도랑을 가로질러 차단시키는 것이다.

그리고 도면의 부호 " 11 "은 공지의 드레인(액체빼기)이며, 단일통로식 와류형성 전열장치 내부에서 통과중인 과열증기의 함유된 오염물질의 열분해로 낙하 잔류한 탄화물, 석출물 등의 각종 이물질의 수집, 제거 장치역할을 수행하는 것으로 반달모양의 유체공전 차단판(10 또는 10')의 막다른 골목의 적당한 위치에 장착하는 것이다.

이와 같이 완성된 기본 골격에 필요한 공지의 부속 설비(보기를 들어 각종 용도의 밸브, 연소장치(버너), 연통설비, 단열재 씌우기, 압력계, 온도계 등 자동 제어장치, 드레인, 이물질 수집 제거 청소장치 등)를 부착 장설하므로서 다양한 용도, 즉 상기한 폐수처리장, 정유공장, 각종 플랜트 등의 공지의 다양한 열 이용장치에 연결 활용할 수 있는 것이다.

이하에서 본 발명의 작용을 설명하기로 한다.

도 2와 같이 구성하여서된 본 발명의 전열장치를 현장에 구체적으로 사용할 수 있는 방안을 예시하면 도 3과 같이 나타낼 수 있다.

상향 자세로 설치된 버너(12)를 가동하여 경유, LPG, LNG 등 적당한 연료를 연소시킬때 연소실(1)에서 발생된 열이 파형 모양의 내통(2A) 전열면(2')에 복사열및 고온의 대류열로 전달되면서 연소가스가 상향으로 흐르면 단열재(13)와 함께 캐스터블로 구성된 천정(14)에 부딪치게 된다. 연소실(1)의 노내압 또는 연돌(15)내부에 설치된 강제 흡인식 배연기(16)의 부압에 따라 연소가스는 외통전열면(4')과 단열된 캐스터블측벽(17) 사이에 하향하면서 2패스방식으로 외통전열면(4')에 마지막 남은 고온의 대류열을 전달한 후 측벽 하부에 장설한 연돌 유도공(18)을 지나 연돌 유도환(19)으로 유인되면서 연돌(15)의 외부로 나가게 된다.

한편 피가열체인 과열증기의 경우는 공지의 상변화 기체 발생장치(27)(보기를 들면, 증기보일러)에 증발되어 t'_i=120℃인 포화증기가 공지의 열교환기(28)에 내설된 전열관(29) 내부를 통과 진행함에 따라 셀(Shell)(30) 내부에서 본 발명의 전열장치 하부로부터 유출된 과열증기(t_o=550℃)와의 대향류 열교환으로 점진적으로 열을 받게되어 우선 t_i=450℃로 상승된 초기 과열증기 상태로 된 다음 상부 입구 신축이음관(9)을 경유 본 발명의 전열장치 입구로 유입된다. 유입된 초기 과열증기 (t_i=450℃)가 단일통로 경사안내판(3)에 따라 나선형으로 하향하는 과정중에 연소실 (1)의 내통전열면(2')에서 상향중인 연소가스와 대향류의 열교환으로 설정 온도인 t_o= 550℃의 과열증기 상태로 된 후 본 전열장치의 하부에 출구 신축이음관(9')을 경유 공지의 열교환기(28)의 셀(30)쪽으로 유출된다.

다시 말하면 t_i= 450℃의 초기 과열증기가 연소실(1)의 내통전열면(2')에서 버너 화염의 복사열 및 고온의 연소가스 대류열을 그리고 외통(4)전열면(4')에서마지막 남은 연소가스의 대류열을 각각 받아가면서 본격적으로 t_o= 550℃의 과열증기로 된다.

t_o= 550℃의 과열증기는 상당한 열에너지를 갖고 있으므로 에너지회수 목적으로 하부 출구 신축이음관(9')을 경유 전술한 셀(30)쪽으로 유입되자마자 전열관 (29) 내부에서 반대방향으로 흐르고 있는 포화증기(t'_i=120℃)에게 열을 빼앗기면서 자신은 t'_o= 220℃로 하강됨과 동시에 공지의 필요한 공정장치(31)로 유출되고 대향류중인 상대방 포화증기는 t_i= 450℃로 상승되어 초기 과열증기로 되면서 전술한 바와 같이 본 발명의 전열장치(24) 입구에 유입되는 것이다.

연돌 유도공(18) 및 연돌 유도환(19)을 지나 연돌로 유출중인 연소가스가 생산코자 하는 과열증기 온도가 550℃인 점을 감안하면 아직도 고온(추정온도: 600 ∼700℃정도)일 것이므로 열회수 목적으로 연돌에 내설된 공기예열기(20)로 압송된 연소용 바깥공기와의 대향류 열교환으로 약 350℃ 전후의 연소가스로 유출됨과 동시에 공기예열기(20)에 압송된 연소용 공기는 약 300℃ 전후로 예열 상승되면서 버너의 윈드박스(22)에 압송되어 연소실(1)로 투입시키므로서 에너지 소비를 최대한으로 절약하는 것은 이미 공지의 사실이다.

전술한 도 2 및 도 3의 사용 실시예 경우는 단일통로식 와류형성 전열장치가 한 개만 인 단일윤(單一輪) 전열장치로 구성된 것으로, 이 경우는 설명의 편의상 1단위(單位)의 전열장치로 명명한다. 그런데 설치현장의 공간크기(높이,지름 등),용량, 연소특성, 열효율, 설정과열온도 등의 여건에 따라 설치 사용자의 요구조건을 더욱 충족시키고자 도 4의 사용 실시예와 같이 2개의 전열장치 사이를 연결시키는데 신축이음관(23)을 사용하여 2단위 전열장치, 즉 안쪽의 내륜(內輪) 전열장치 (24)와 바깥쪽의 외륜(外輪) 전열장치(25)와를 유체가 내통되도록 신축이음관(23)을 사용하여 직렬로 배관 연결시키면 같은 용량이면서 장치 높이를 낮추고 연소특성, 열효율 및 과열온도를 향상시키는데 적합한 2륜형 전열장치 또는 필요에 따라 3륜형 전열장치(3단위 즉 내륜 전열장치, 중륜(中輪) 전열장치 및 외륜 전열장치의 조합형식) 더 나아가서 n륜형 전열장치까지 확장 적용할 수 있을 것이다.

구체적으로 설치 사용 현장에 2륜형 전열장치를 사용할 수 있는 방안을 예시하면 도 5와 같이 나타낼 수 있다. 하향 자세로 설치된 버너(12)를 가동하여 경유, LNG, LPG 등의 적당한 연료를 연소시킬때 연소실(1)에서 발생된 열이 내륜 전열장치(24)의 실린더모양 내통 전열면(2')에 복사열과 고온의 대류열로 전달되면서 연소가스가 하향으로 흐르면 단열재와 함께 둘러싸인 캐스터블로 깔린 바닥(26)에 부딪치게 된다. 연소실(1)에서 발생된 노내압 또는 연돌(15) 내부에 설치된 강제 흡인식 배연기(16)의 부압에 따라 연소가스는 내륜 전열장치(24)의 외통 전열면(4')과 외륜 전열장치(25)의 내통 전열면(2'') 사이에 상향하면서 고온 연소가스의 대류열을 양쪽 전열면(4' 및 2")에 각각 전달하고 상향 연소가스가 캐스터블 천정 (14)에 부딪치게 된 후 더욱 노내압 또는 배연기의 부압에 따라 다시 외륜 전열장치(25)의 외통 전열면(4'')과 단열된 캐스터블측벽(17) 사이에 하향하면서 외륜 전열장치(25)의 외통 전열면(4'')에 마지막 남은 대류열을 전달하게 된다. 그리고연소실(1)의 노내압 또는 연돌(15)의 부압에 따라 연돌 유도공(18)을 경유 연돌 유도환(19)으로 유인되면서 공기예열기(20)에서의 대향류 열교환으로 유도환(19)의 토출 온도보다 냉각된 연소가스(추정온도: 300℃전후)로 되어 연돌(15) 외부로 유출하게 된다.

한편, 피가열체인 과열증기의 경우 보일러(27)에서 증발되어 t'_i= 120℃인 포화증기가 공지의 열교환기(28)에 내설된 전열관(29) 내부를 통과 진행함에 따라 셀(30) 내부에서 본 발명의 전열장치 상부 출구로부터 유출된 과열증기(t_o=550℃)와의 대향류 열교환으로 점진적으로 열을 받게되어 우선 t_i=450℃로 상승된 초기 과열증기상태로 된 다음 상부의 입구 신축이음관(9)을 경유 본 발명의 전열장치 입구로 1차 유입된다. 유입된 초기 과열증기(t_i=450℃)가 단일통로 경사안내판(3)에 따라 나선형으로 하향하는 과정중에 외륜전 열장치(25)의 내통전열면(2'')에서 상향중인 중온의 연소가스 대류열을 외륜 전열장치(25)의 외통전열면(4'')에서 하향중인 저온의 연소가스 마지막 남은 대류열을 각각 받아가면서 중간 과열증기로 된 다음 양륜 연결 신축이음관(23)을 경유 내륜의 전열장치(24)로 2차 유입된다.

2차로 유입된 중간 과열증기가 내륜 전열장치(24)의 단일통로 경사안내판(3)에 따라 나선형으로 상향하는 과정중에 연소실(1)의 전열면(2)'에서 복사열 및 하향중인 고온의 연소가스 대류열을 그리고 외통(4)의 전열면(4')에서 상향중인 중온의 연소가스 대류열을 각각 받아가면서 본격적으로 t_o=550℃의 과열증기로 된 후 상부의 출구 신축이음관(9')을 경유 공지의 열교환기(28)의 셀(30)쪽으로 유출된다. 유출된 t_o= 550℃ 과열증기는 상당한 열에너지를 갖고 있으므로 에너지 회수 목적으로 출구 신축이음관(9')을 경유 셀(30)쪽으로 유입되자마자 전열관(29) 내부에서 반대방향으로 흐르고 있는 포화증기(t'_i= 120℃)에게 열을 빼앗기면서 자신은 t'_o= 220℃로 하강됨과 동시에 공지의 필요한 공정장치(31)로 유출되고 대향류중인 상대방 포화증기는 t_i= 450℃로 상승되어 초기 과열증기로 되면서 전술한 바와 같이 본 발명의 외륜 전열장치(25)의 입구에 유입되는 것이다.

연돌 유도공(18) 및 연돌 유도환(19)을 지나 연돌(15)로 유출중인 연소가스가 전술한 단일륜 전열장치의 경우와 동일한 이유로 아직도 상대적으로 고온(추정온도: 500℃∼600℃)일 것이므로 열 회수 목적으로 연돌에 내설된 공기예열기(20)로 압송된 연소용 바깥 공기와의 대향류 열교환으로 연소가스는 약 300℃ 전후로 냉각시킨후 연돌(15)로 배출됨과 동시에 유입된 연소용 공기는 약 250℃로 예열 상승되면서 버너의 윈드박스(Wind Box)(22)에 압송되어 연소실(1)로 투입시키므로서 에너지 소비를 보다 더욱 줄이게 되는 것이다.

지금까지 주로 과열증기 발생의 실시예를 들어 설명하였으나, 하나의 보기로 다른 용도를 추가시킨다면 본 발명에서 고안된 단일통로식 와류형성 장치의 구조 특성상 공지의 관류형(貫流型) 온수보일러 또는 관류형 증기보일러와 같은 상변화 가능 장치나 용도에 수납하여 사용할 수 있을 것이며, 더군다나 와류형성 안내깃(5)을 내장할 수 있게 구성시켰으므로 보다 열전달 특성이 획기적으로 개선되면서 조밀하게 축소된 소형의 보일러 구성도 역시 본 발명의 요지에 속할 것이다. 첨부된 청구범위는 단지 본 발명의 하나의 실시예를 의미하는 것이며, 본 청구범위 이외에 본 발명의 구성 및 수단을 이용한 다양한 발명의 수정 또는 변경이 있을 수 있으나 그것 역시 발명의 개념에 있어서 본 발명의 범주에 속한다 할 것이다.

이상과 같이 구성되고 작용되는 본 발명을 종래의 과열기용 병렬분지관식 전열 장치와 본 발명의 단일통로식 와류형성 전열 장치의 장·단점 또는 효과를 나열 비교하면 표 3과 같이 일목요연하게 정리할 수 있다.

표 3.

위 표 3에서 알 수 있는 바와 같이 종래의 병렬분지관식 전열장치는 오로지 관 자체를 소재로 하여 벤딩가공 용접하는 것이나, 본 발명의 단일통로식 와류형성 전열장치는 판재만을 소재로 하여 판금 가공 용접하는 것이므로 이에 수반되는 재료비, 가공에 따른 에너지 소비 등 모든 면에서 비교하여도 본 발명이 구조가 간단하면서도 내구성과 성능이 확실한 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치를 값싸게 공급할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 연소실(1)을 형성시키는 실린더형의 내통(2)과,

   상기 내통(2) 외벽의 상하 일정 피치 간격으로 용접부(3')에 의해 설치한 단일통로 경사안내판(3)과,

   상하로 적어도 1개 이상의 벨로우스 도랑(7)을 갖되, 이 도랑(7)의 상부에 용접되고, 그 하부는 상기 경사안내판(3)의 바깥 가장자리 끝과 밀착되게 접촉 유지되는 덮개판(8)을 가지면서 상기 경사안내판(3)의 바깥 가장자리 끝날부에 밀착상태로 둘러 씌워지는 외통(4)과,

   상기 내, 외통(2,4)의 상부 및 하부 둘레에 용접되는 반도넛구조의 윗 경판 (6) 및 아래 경판(6')과,

   상기 경판(6,6') 일정 위치의 반원형 내경과 대응위치의 경사안내판(3)의 단면적을 폐쇄하는 유체 공전 차단판(10,10')과, 유체 및 기체 유출입용 신축이음관 (9,9')을 설치해서된 것을 특징으로 한 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치.
2. 제 1항에 있어서, 내통(2A)은 파형의 단면을 갖는 노통인 것을 특징으로 한 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기의 단일통로식 전열장치는 안쪽의 내륜전열장치(24)를 바깥쪽의 외륜전열장치(25)안에 동심원 또는 편심원을 이루도록 삽입시키고 각 전열장치 사이를 양륜 연결 신축이음관(23)으로 직렬 연결되는 적어도 2개 이상의 복수로 구성된 것을 특징으로 한 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치.
4. 제 3항에 있어서, 내통(2,2A)의 외벽과 상하 경사안내판(3)과 외통(4)에 이르는 통로 4변형중 임의의 각 변에 와류형성을 위한 호미날 모양의 안내깃(5)이 부착된 것을 특징으로 한 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치.
5. 제 4항에 있어서, 안내깃(5)은 단일통로의 사변 모서리 각각에 설치되는 것을 특징으로 한 과열기용 단일통로식 와류형성 전열장치.
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