KR100635407B1

KR100635407B1 - 수랭식 화격자

Info

Publication number: KR100635407B1
Application number: KR1020050062340A
Authority: KR
Inventors: 정종수; 진성민; 이승우
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20070006785A1; WO2007007935A1; JP2009500590A; US7426892B2

Abstract

본 발명은 간단하고 효과적으로 고온 부식과 저온 부식이 방지되면서 냉각이 달성될 수 있는 수랭식 화격자를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 소각로의 화격자에 있어서, 냉각수의 유동을 안내하기 위한 적어도 하나의 냉각수관과, 소각 대상물이 놓이고, 상기 냉각수관을 수용하기 위한 냉각수관 수용부가 형성된 본체와, 상기 냉각수관 수용부에 결합되고, 상기 본체의 온도에 따라 열변형하여 상기 냉각수관과의 열저항을 변화시킴으로써 상기 냉각수관으로의 열전달을 증감시키는 열전달 조절 부재를 포함하는 수랭식 화격자를 제공한다.

화격자, 열부하, 수랭식, 고온부식, 저온부식, 노점, 접촉열저항

Description

수랭식 화격자{Water-cooled grate}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자가 채용되는 소각로의 구성을 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자의 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 수랭식 화격자의 부분 측면도이다.

도 4는 저온 부식을 방지하기 위한 구성을 가진 도 2의 수랭식 화격자의 부분 측면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자의 분해 사시도이다.

도 6은 도 5의 수랭식 화격자의 부분 측면도이다.

도 7은 저온 부식을 방지하기 위한 구성을 가진 도 5의 수랭식 화격자의 부분 측면도이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자와 배관 구조를 나타낸 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 수랭식 화격자 110 : 본체

115 : 냉각수관 수용부 120 : 냉각수관

130 : 열전달 조절 부재 G : 간극

본 발명은 수랭식 화격자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고온 부식과 저온 부식이 방지되면서 냉각이 달성될 수 있는 구조를 가진, 폐기물 소각로 등에 사용되는 수랭식 화격자에 관한 것이다.

일반적으로, 생활 폐기물 또는 산업 폐기물을 소각하기 위한 소각장치에는 화격자식 소각장치, 유동층식 소각장치, 회전로식 소각장치 등이 있다. 이중 화격자식 소각장치는 소각로 내에 다단으로 배치된 화격자가 구비되고 소각 대상인 폐기물이 화격자를 따라서 이동되면서 소각되는 구조로서 일반적으로 사용되는 소각장치이다.

소각 대상물이 놓여져 소각되는 화격자의 수명을 연장시키고 불완전 연소 등에 의한 오염 물질의 발생을 저감하기 위해 화격자를 냉각시킬 필요가 있으며, 통상 공랭식과 수랭식이 사용된다. 공랭식은 연소용 공기를 화격자 하부에서 공급하여 화격자를 냉각하면서 폐기물을 연소시키는 방식이고, 수랭식은 공랭식의 가장 큰 단점인 고온 부식을 방지하기 위해 냉각수관을 설치하고 냉각수관 내부를 유동하는 냉각수에 의해 화격자를 냉각시키는 방식이다.

일본 공개특허공보 제2000-240926호는 전면부에 U자형 관로가 구비된 수랭식 화격자를 기술하고 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제2002-0091022호는 화격자 내부의 격판을 따라서 냉각수가 순환하며 냉각하는 고정식 수랭 화격자를 기술하고 있다.

그러나, 이러한 수랭식 화격자에서는, 소각로의 부분 부하 운전으로 소각량이 감소하거나 소각로가 정지하기 직전 등 소각로의 열부하가 낮아질 때, 냉각수가 화격자를 과도하게 냉각하여 화격자 표면의 온도가 노점 이하로 낮아지게 되고, 이 때 화격자 표면 상에 연소가스 중 부식성분을 포함한 물질이 응결되어 저온 부식이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 저온 부식으로 인해, 화격자의 유지 보수 비용이 상승하고, 공해 물질의 발생 제어가 방해되는 등 경제적 비용이 상승하는 결과를 초래한다.

또한, 이러한 냉각수의 과도한 화격자 냉각을 방지하기 위해 냉각수의 유량이나 온도를 제어하는 방법은 화격자 표면의 온도를 적절한 수준으로 제어하는 것이 현실적으로 곤란한 문제이므로, 보다 간단하고 효과적인 방식으로 화격자를 냉각시키고 냉각 성능을 향상시킬 필요가 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 간단하고 효과적인 방식으로 냉각 성능이 개선된 수랭식 화격자를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 고온부식 및 저온부식을 방지하면서 냉각이 달성될 수 있는 수랭식 화격자를 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적 및 그 밖의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 수랭식 화격자는, 소각로의 화격자에 있어서, 냉각수의 유동을 안내하기 위한 적어도 하나의 냉각수관과, 소각 대상물이 놓이고, 상기 냉각수관을 수용하기 위한 냉각수관 수용부가 형성된 본체와, 상기 냉각수관 수용부에 고정되고, 상기 본체의 온도에 따라 열변형하여 상기 냉각수관과의 열저항을 변화시킴으로써 상기 냉각수관으로의 열전달을 증감시키는 열전달 조절 부재를 포함한다.

이와 같은 구성의 수랭식 화격자에 의하면, 화격자의 본체와 냉각수관 사이의 열전달은 본체에 고정된 열전달 조절 부재를 매개로 이루어진다. 이 때, 본체에 고정된 열전달 조절 부재가 본체의 열적 상태에 따라 팽창 또는 수축의 열변형을 하면서 냉각수관과 접촉하므로, 열전달 조절 부재에 의해 냉각수관이 압박되는 정도가 달라진다. 즉, 열전달 조절 부재와 냉각수관 사이의 접촉열저항이 본체가 고온일 경우 감소되고 본체가 저온일 경우 증가되며, 이에 대응하게 본체와 냉각수관 사이의 열전달이 고온에서 증가하고 저온에서 감소되어, 열전달 조절 부재는 본체와 냉각수관 사이의 열전달을 증감시킬 수 있다. 그러므로, 본체의 열부하가 높은 고온 상태에서는 보다 많은 열전달이 이루어져 본체의 냉각 성능이 향상되고, 본체의 열부하가 낮은 저온 상태에서는 열전달이 감소되어 본체가 냉각수에 의해 과랭되는 문제가 회피된다.

또한, 상기 열전달 조절 부재는 상기 냉각수관 수용부의 영역 내의 상기 냉각수관을 감싸도록 형성된 것이 바람직하다.

이 경우, 본체를 냉각하기 위한 냉각수관은 냉각수관 수용부에 수용되고, 이 냉각수관 수용부에 열전달 조절 부재가 고정되며, 열전달 조절 부재가 냉각수관 수용부의 영역 내에서 냉각수관 수용부에 위치한 냉각수관을 감싸도록 형성되어 있으므로, 열전달 조절 부재와 냉각수관은 냉각수관 수용부의 전 영역에 걸쳐 접촉될 수 있다.

여기서, 상기 냉각수관 수용부는 상기 본체의 표면에 형성된 홈이거나 상기 본체를 관통한 보어일 수 있다.

이 경우, 본체를 냉각시키기 위한 냉각수관의 배치를 위해 본체의 하측 표면에 형성된 홈 또는 본체를 관통한 보어가 제공되고, 이 홈 또는 보어에 냉각수관이 배치되며, 홈 또는 보어의 벽에 고정된 열전달 조절 부재는 본체의 열적 상태에 따라 팽창 또는 수축의 열변형을 한다. 홈 또는 보어에 배치된 열전달 조절 부재는 홈 또는 보어의 벽에 밀착 고정되어 있고, 홈 또는 보어에 의해 한정된 영역 내에서 수용된 냉각수관을 감싸도록 형성되어 있다.

또한, 상온에서 상기 열전달 조절 부재와 상기 냉각수관 사이에 일정한 간극이 형성되도록 이들의 위치가 설정된 것이 바람직하다.

이 경우, 간극의 존재로 인해, 특정 온도를 기준으로 열전달 조절 부재와 냉각수관은 서로 접촉하거나 분리됨으로써, 자동적이고 기계적으로 열전달을 차단하거나 개시할 수 있다.

또한, 상기 본체의 온도가 노점 온도 범위 위에 있을 때 상기 열전달 조절 부재가 팽창하여 상기 냉각수관과 접촉하도록 상기 간극이 형성된 것이 바람직하 다.

이 경우, 본체의 온도가 노점 온도 범위 위에 있을 때 열전달 조절 부재가 팽창하여 냉각수관과 접촉하도록 간극을 형성하므로, 본체의 온도 상승시 노점 온도 범위 위에서만 열전달 조절 부재와 냉각수관이 접촉하여 열전달이 개시되고, 본체의 온도 하강시, 노점 온도 범위 아래에서는 열전달 조절 부재와 냉각수관은 서로 분리되어 열전달이 차단된다. 따라서, 본체가 노점 온도 범위 아래로 과랭되는 문제가 회피될 수 있다.

또한, 상기 열전달 조절 부재는 상기 본체의 열팽창계수보다 큰 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

이 경우, 금속으로 이루어진 열전달 조절 부재는 본체의 열적 상태에 따라서 열변형하게 되는데, 본체가 고온일 경우에는 상대적으로 큰 정도로 팽창하고 본체와 냉각수관을 압박하여 접촉열저항을 감소시키고, 본체가 저온일 경우에는 상대적으로 적은 정도로 팽창하고 본체와 냉각수관을 압박하는 정도가 작아져 접촉열저항을 증가시킨다. 더욱이, 열전달 조절 부재의 열팽창계수가 본체의 열팽창계수보다 크므로, 본체와 냉각수관 사이에 배치된 상태에서 본체의 열에 의해 팽창하면 본체와 냉각수관 모두를 압박하여 접촉열저항을 감소시킴으로써 열전달을 더욱 증가시킨다.

또한, 상기 냉각수관은 다수개로 구비되고, 상기 냉각수관을 상호 연통시키고, 냉각수 유입을 안내하기 위한 제1 배관과, 상기 냉각수관을 통과한 냉각수의 유출을 안내하기 위한 제2 배관이 더 구비되는 것이 바람직하다.

이 경우, 화격자 내로 급수되는 냉각수는 다수의 냉각수관들에 동시에 공급되어 배출되므로, 단일의 냉각수관이 화격자 전체에 걸쳐 통과하는 형태에 비해 냉각 효율이 향상될 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자에 대하여, 본 발명의 수랭식 화격자가 화격자식 소각로에 채용된 예를 들어 상세하게 설명한다. 또한, 본원에 있어서, 화격자 또는 본체의 고온과 저온은 각각 화격자 또는 본체의 열부하가 높은 상태와 열부하가 낮은 상태를 의미하는 것으로 사용된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자가 채용된 소각로의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 1에 예시한 소각로(1)는 가정용 또는 산업용 폐기물을 소각하기 위한 화격자식 소각로의 일 예로서, 설명의 편의를 위해 소각로의 세부 구성요소들 중 일부는 생략하였다.

도 1에 예시한 바와 같이, 폐기물이 소각로(1) 내로 반송되거나 투입되면 폐기물은 일정 높이의 계단 형상으로 구성된 화격자(100)들을 순차적으로 통과하면서 연소실(2) 내에서 소각된 후 소각로의 하측에 마련된 소각재 배출부를 통해 배출된다. 각 화격자들 사이의 폐기물 이송은 유압장치(4)에 의해 구동되는 푸셔(pusher)(3)에 의해 이루어진다.

여기서, 화격자는 소각로의 연소실 내에서 폐기물을 이송시키며 소각을 용이하게 하는 기능을 수행한다. 따라서, 화격자는 소각시 발생되는 연소가스의 고온과 부식에 견디어야 하고 폐기물의 이송시 발생될 수 있는 마모에도 견디어야 하므 로, 강도가 높고 내식성이 우수한 금속으로 이루어진다. 화격자는 화격자식 소각로에서 핵심설비로서, 소각로 연소실 내의 연소 온도를 높이고 화격자의 보호를 위해 적절하게 냉각될 필요가 있다.

특히, 폐기물 연소시 발생되는 연소 가스 중 HCL, SOx 등 부식성 가스에 의해 화격자가 부식될 가능성이 있으며, 이러한 부식은 대략 350℃ 이상에서 발생하는 고온부식과 대략 150℃ 이하에서 발생되는 저온부식으로 구분될 수 있다. 즉, 금속의 표면에서의 부식 속도는 150℃ 내지 330℃ 범위에서 가장 느린 것으로 알려져 있으므로, 화격자의 보호를 위해 고온부식과 저온부식을 방지함과 동시에 화격자를 냉각시킬 필요가 있다. 본 발명에 따르면 냉각수관 내부를 흐르는 냉각수를 통해 화격자를 냉각시키면서 고온부식과 저온부식을 방지할 수 있는 수랭식 화격자가 제공된다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 수랭식 화격자의 부분 측면도이며, 도 4는 저온 부식을 방지하기 위한 구성을 가진 도 2의 수랭식 화격자의 부분 측면도이다. 이들 도면에서 사용된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 지칭한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자(100)는, 화격자를 냉각시키는 냉각수의 유동을 안내하기 위한 냉각수관(120)과, 냉각수관(120)을 수용하기 위한 냉각수관 수용부(115)가 형성되어 있고 소각 대상물이 놓여 소각이 이루어지는 본체(110)와, 냉각수관 수용부(115)에 고정되어 본체(110)의 열 적 상태에 따라 팽창 또는 수축의 열변형을 하는 열전달 조절 부재(130)를 포함한다.

본체(110)의 상측 표면 상에 소각 대상물, 예컨대 가정 또는 산업 폐기물(미도시)이 놓여 소각이 이루어진다. 소각 대상물의 원활한 소각을 위해 본체(110)에는 그 하측과 상측을 관통하여 형성된 다수의 연소가스 통로(116)가 제공될 수 있다. 본체(110)는 내식성이 강하고 강도가 높은 금속으로 이루어지며, 주조 가공에 의해 제조될 수 있다.

본체(110)에 냉각수관(120)이 배치되게 하는 다수의 냉각수관 수용부(115)가 본체(110)에 제공되며, 본 실시예에서의 냉각수관 수용부는 본체(110)의 하측 표면 상에 형성된 홈(115)이다. 홈(115)은 오목한 형상, 예컨대 원호형 단면을 가지며, 본체(110)의 하측 표면 상에 본체(110)를 가로지르는 방향으로 일직선으로 형성되어 있다. 변형예로서, 단일의 냉각수관이 사행형으로 만곡되어 본체(110)에 설치되는 경우, 홈 또한 냉각수관의 사행형에 대응하게 본체(110)의 하측 표면 상에 형성될 수 있다. 또한, 홈(115)은 본체(110)의 측면 둘레에 형성될 수도 있으며, 이 경우 냉각수관(120) 또한 본체(110)의 측면을 돌아 지나가도록 배치될 수 있다.

본체(110)를 냉각시키는 냉각수가 유동되는 냉각수관(120)이 홈(115)들의 각각에 배치된다. 설명의 편의를 위해, 냉각수관(120)은 그 전체 관로에서 본체(110) 부근의 부분만이 절단된 형태로서 도시되어 있다. 도시된 냉각수관(120)들은 서로 이어져 단일의 관로를 이룰수도 있고, 혹은 냉각수가 유입 또는 유출되는 다른 배관들에 연결될 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 냉각수관(120)은 그 일부가 본체(110)에 결합되어 이들 상호간에 위치가 변하지 않도록 고정될 수도 있고, 냉각수관의 전체 관로가 소각로의 임의의 부분에 결합되어 본체(110)와 냉각수관(120)의 상호간 위치가 변하지 않도록 설치될 수도 있다. 도 2에 도시된 홈(115)과 냉각수관(120)의 개수는 단지 예시적인 것으로서, 홈(115)과 냉각수관(120)의 개수는 소각로의 크기와 구비되는 수랭식 화격자의 설계 치수에 따라 다양할 수 있다.

이렇게 홈(115) 내에 배치된 냉각수관(120)을 통해 냉각수가 유동되어 본체(110)를 냉각시키며, 이러한 냉각수는 예컨대 냉각수 냉각 장치, 집수조, 냉각수 펌프, 분배관, 냉각수관 등으로 구성될 수 있는 냉각수 순환 시스템(미도시)을 순환한다.

위에서 언급한 바와 같이, 소각로의 연소실(2) 내에서의 고온의 연소가스에 의한 부식을 방지하고 본체(110)를 보호하기 위해 본 발명의 수랭식 화격자(100)는 열전달 조절 부재(130)를 매개로 하여 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달을 실행하고 냉각수관(120) 내부를 흐르는 냉각수에 의해 본체(110)를 냉각시킨다. 따라서, 본체(110)가 고온으로 가열되지 않고 냉각되므로, 고온 부식이 방지되면서 본체(110)가 냉각될 수 있다.

그러나, 소각로가 부분 부하로 운전되기 위해 소각량이 감소하거나 소각로의 운행 정지 직전 등 소각로의 열부하가 낮아질 경우에는, 본체(110)의 온도는 낮아지게 된다. 냉각수관(120) 내부를 흐르는 냉각수는 대략 70℃로 가열된 상태로 순환되는 것으로 알려져 있으므로, 소각로의 열부하가 낮아질 때 본체(110)의 표면 이 냉각수관(120) 내부를 흐르는 냉각수의 온도까지 냉각될 수 있는 본체의 과랭 현상이 일어날 수 있다.

소각로 내에서의 연소 가스에 포함된 수분이 임의의 표면에 응결하는 노점(露点) 온도는 대략 130℃ 내지 150℃ 범위 내에 있는 것으로 알려져 있다(이하, 이러한 온도 범위를 “노점 온도 범위”라 한다). 따라서, 소각로의 열부하가 낮아져 본체(110)가 저온 상태가 되면 냉각수에 의해 본체(110)가 과랭되어 본체(110)의 표면 온도가 노점 온도 범위 아래로 떨어질 수 있다. 이 경우, 소각시 발생되는 연소가스 내에는 수증기와 부식성 가스 성분이 포함되어 있으므로, 이러한 부식성 가스 성분이 수증기에 포함되어 본체(110)의 표면 상에서 응결하여 본체(110)의 표면을 부식시키게 된다. 따라서, 소각로의 열부하가 낮은 본체(110)의 저온 상황에서는 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달을 감소시킴으로써 본체(110)를 덜 냉각시켜, 본체(110)가 노점 온도 범위 아래로 과랭되지 않는 구조를 채택할 경우, 저온부식을 방지하면서도 본체(110)의 효율적인 냉각을 달성할 수 있다.

일반적으로, 두 물체 사이에 열전달이 일어나는 경우 열전달을 방해하는 열저항이 존재한다. 특히, 두 물체가 서로 접촉하는 경우, 실제로 접촉하는 두 물체의 경계면은 이상적으로 평탄하지는 않고 시각적으로 관측되기 어려운 표면거칠기를 가지므로, 이러한 두 물체가 직접 접촉하면 열전도가 불량한 다수의 미세 공기 틈새들이 존재하게 되어 열전달을 방해하는 이른바 접촉열저항이 존재한다. 이와 같은 접촉열저항은 접촉면이 평탄하고 매끄럽거나 접촉면이 서로 강하게 밀착될 수록 작아지는 것으로 알려져 있다. 본 발명자는 이러한 점에 착안하여, 본체(110) 와 냉각수관(120) 사이에 열전달을 매개함과 동시에 접촉열저항을 변화시킴으로써 열전달을 증감시키는 열전달 조절 부재(130)를 구상하였다.

고온의 본체(110)와 이를 냉각하기 위한 냉각수가 유동되는 냉각수관(120) 사이의 열전달은 열전달 조절 부재(130)를 통해 이루어진다. 열전달 조절 부재(130)는 예컨대 구리 또는 알루미늄과 같은 열팽창계수 또는 선팽창계수가 높고 열전도성이 양호한 금속 재료 또는 이러한 금속 재료를 포함한 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 열전달 조절 부재(130)는 본체(110)에 고정되어 본체(110)의 열적 상태에 따라 팽창 또는 수축의 열변형을 하여 냉각수관(120)과 상호작용 하므로, 본체(110)를 이루는 금속의 열팽창계수보다 큰 열팽창계수를 가진 것이 바람직하다.

본 실시예에서의 열전달 조절 부재(130)는 도 2에서 명확하게 나타낸 바와 같이 반원형 단면의 기다란 판상의 부재이다. 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달을 열전달 조절 부재(130)가 확실히 보장해야 하므로, 열전달 조절 부재(130)는 본체(110)에 형성된 홈(115)에 빈틈없이 결합되고 냉각수관(120)과 확실한 접촉을 이루도록 형성되어야 한다. 따라서, 열전달 조절 부재(130)는 홈(115)의 영역 내에서 홈(115)에 배치되는 냉각수관(120)을 전체적으로 감싸도록 형성되어야 함이 이해될 것이다.

도 3을 참조하여 열전달 조절 부재(130)에 대해 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 수랭식 화격자(100)에 구비된 열전달 조절 부재(130)는 본체(110)(상세하게는, 홈(115)의 벽면)에 그 일부 또는 전부가 결합되어 본체(110)와 고정되어 있다. 따라서, 열전달 조절 부재(130)는 홈(115)을 통해 본체(110)의 열적 상 태에 따라 팽창 또는 수축의 열변형을 한다. 본체(110)가 고온일 때(소각로의 열부하가 높을 때), 열전달 조절 부재(130)는 큰 정도로 팽창한다. 이러한 열전달 조절 부재(130)의 열팽창은 본체(110)의 온도에 비례해서 일어난다. 위에서 언급한 바와 같이, 본체(110)와 냉각수관(120)이 상호간의 위치가 변하지 않도록 설치되어 있는 까닭에, 이들 사이에 개재된 열전달 조절 부재(130)의 팽창은 본체(110)를 기초로 해서 냉각수관(120)을 압박하게 되며, 이러한 압박은 열전달 조절 부재(130)의 길이를 따라서 홈(115)에 배치된 냉각수관(120)의 영역에 대하여 전체적으로 발생한다. 도 3에 도시한 양방향 화살표는 열전달 조절 부재(130)의 팽창 또는 수축 방향을 나타낸다.

그러므로, 열전달 조절 부재(130)의 팽창에 의해 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120)은 서로에 대해서 가압되어 한층 더 밀착되므로, 위에서 설명한 바와 같이 이들 사이의 접촉열저항이 감소한다. 여기서, 열전달 조절 부재(130)의 팽창은 본체(110)의 온도가 상승함에 따라 그 정도가 더 커지게 되므로, 접촉열저항이 또한 본체(110)의 온도 상승 정도에 대응하게 감소되며, 결국 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 본체(110)의 온도 상승 정도에 대응하게 증가된다. 그러므로, 본체(110)의 온도가 상승함에 따라, 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 온도 상승 정도에 대응하게 증가한다.

소각로의 열부하가 높은 본체(110)의 고온 상태에서는, 열전달 조절 부재(130)의 팽창으로 인한 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이의 접촉열저항의 감소로, 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달은 열전달 조절 부재(130) 없 이 이들이 직접 접촉할 때에 비해 증가하게 되므로, 수랭식 화격자(100)의 냉각 성능이 향상된다.

한편, 소각로의 열부하가 낮은 상황, 즉 고온 상태의 본체(110)가 저온 상태로 온도가 낮아지거나 본체(110)가 저온 상태로 소각이 진행될 때, 열전달 조절 부재(130)는 고온 상태에 비해 수축의 열변형을 하거나 또는 상대적으로 적은 정도로 팽창한다. 이 경우, 열전달 조절 부재(130)가 냉각수관(120)을 압박하는 정도는 고온에 비해 작아지게 되고, 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120)의 접촉열저항은 그만큼 커지게 되며, 결국 이들 사이의 열전달은 본체(110)의 열부하가 높은 고온 상태에 비해 감소한다.

소각로의 열부하가 낮은 본체(110)의 저온 상태에서는, 열전달 조절 부재(130)는 상대적으로 적은 정도로 팽창하거나 고온 상태에 비해 수축한다. 따라서, 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이의 밀착 정도는 본체(110)의 고온 상태에 비해 약해지게 되고, 그에 따라 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이의 접촉열저항이 커지게 되어 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달은 본체(110)의 고온 상태와 비교해 감소된다. 따라서, 본체(110)의 온도가 낮아질 수록 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 감소하므로, 본체(110)가 냉각수의 온도까지 과랭되는 문제가 회피될 수 있다.

한편, 본체(110)가 과랭되어 발생하는 화격자의 저온 부식을 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 접촉을 차단함으로써 보다 확실하게 방지할 수도 있다. 도 4는 소각이 일어나지 않는 상온에서의 수랭식 화격자(100)의 구성을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 상온에서 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이에 일정하고 미세한 간극(G)이 형성되도록 냉각수관(120)이 본체에 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 화격자(100)에 소각 작업이 개시되면, 본체(110)의 온도가 상승하고, 이에 대응하게 열전달 조절 부재(130)가 팽창의 열변형을 한다. 본체(110)의 온도가 증가함에 따라 열전달 조절 부재(130)의 팽창 정도가 커지게 되고, 결국에는 열전달 조절 부재(130)는 간극(G)을 넘어 냉각수관(120)에 접촉하게 된다. 이 때부터, 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 개시되어 본체(110)의 냉각이 이루어진다. 그 후, 본체(110)의 온도가 계속해서 상승함에 따라, 열전달 조절 부재(130)의 팽창 정도도 더욱 커지게 되어, 위에서 기술한 바와 같이 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 더욱 증가될 수 있다.

이와는 반대로, 고온 상태로부터 본체(110)의 온도가 낮아지게 되면, 열전달 조절 부재(130)는 상대적으로 적은 정도로 팽창하거나 고온 상태에 비해 점차 수축하게 되고, 일정 시점에 도달하면 냉각수관(120)과의 접촉이 해제되어 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 차단된다.

열전달 조절 부재(130)가 냉각수관(130)과 접촉하거나 분리되는 시점을 본체(110)의 표면 온도가 상기 노점 온도 범위 위로 상승하는 시점과 일치하도록 설정할 경우, 본체(110)가 노점 온도 범위 아래로 과랭되는 문제가 회피될 수 있다. 즉, 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이에 형성된 간극(G)을 본체(110)가 노점 온도 범위 위로 가열될 때 열전달 조절 부재(130)가 팽창하여 냉각수관(120)에 접촉하도록 설정하면, 위에서 언급한 문제가 회피될 수 있다.

상세하게 설명하면, 본체(110)가 상온에서 노점 온도 범위를 지나 그 이상의 고온으로 가열되는 경우 상온에서 노점 온도 범위까지는 본체(110)와 냉각수관(120)은 간극(G)에 의해 서로 접촉하지 않게 되어 열전달이 이루어지지 않으므로, 본체(110)는 냉각수에 의해 냉각되지 않는다. 그리고, 소각로의 열부하가 낮아져 본체(110)가 고온 상태에서 저온 상태로 천이할 때, 냉각수관(120)과 접촉하여 열전달을 매개하던 열전달 조절 부재(130)는 본체(110)의 노점 온도 범위 바로 위에서 냉각수관(120)과 분리되고, 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 차단되어 본체(110)는 노점 온도 아래로 과랭되지 않는다. 따라서, 본체(110)의 노점 온도 범위 바로 위에서 열전달 조절 부재(130)는 냉각수관(120)과 접촉 또는 분리하게 되어, 화격자(100)의 저온 부식을 자동적이고 기계적으로 방지할 수 있다.

요약하면, 본체(110)가 저온 상태에서 고온 상태로 될 수록, 열전달 조절 부재(130)의 팽창으로 인한 접촉열저항의 감소 및 열전달의 증가로 인해 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 증가되어, 본체(110)와 냉각수관(120)이 직접 접촉하여 본체(110)를 냉각시키는 것에 비해 냉각 성능이 향상된다. 또한, 본체(110)가 고온 상태에서 저온 상태로 될 수록, 열전달 조절 부재(130)의 수축(상세하게는, 본체(110)의 고온 상태보다 적은 정도의 팽창)으로 인한 접촉열저항의 증가 및 열전달의 감소로 인해 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달이 감소되어, 본체(110)의 과랭 문제가 회피될 수 있다.

아울러, 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이에 본체(110)가 노점 온도 범위 바로 위에 있을 때 열전달 조절 부재(130)가 팽창하는 정도에 해당하는 간극(G)을 형성하면, 본체(110)와 냉각수관(120) 사이의 열전달을 재개하거나 차단시킴으로써 본체(110)의 과랭을 자동적이고 기계적으로 방지할 수 있다. 결국, 열전달 조절 부재(130)와 냉각수관(120) 사이에 형성된 간극(G)으로 인해 본체(110)는 노점 온도 범위 아래에서는 냉각수관(120)과 열전달을 일으키지 않는다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자(200)를 도시한다. 본 실시예에 있어서, 냉각수관(220)이 배치되는 냉각수관 수용부(215)는 본체(210)를 관통한 보어로서 구성되고, 이에 대응하게 열전달 조절 부재(230)가 변형된 구성을 가진다는 점을 제외하고는, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 수랭식 화격자(100)와 동일한 구성이므로, 서로 상이한 점에 대해서만 설명한다.

도 5에 명확하게 나타낸 바와 같이, 냉각수관(220)은 본체(210)를 관통한 보어(215) 내에 배치된다. 따라서, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예와는 달리, 본 실시예에서의 냉각수관(220)은 본체(210) 내측에 완전히 매설되어 있다.

이와 같이 본체(210)를 관통한 보어(215) 내에 냉각수관(220)이 설치되므로, 본체(210)와 냉각수관(220) 사이에 배치되는 열전달 조절 부재(230)는 기다란 관상의 형태를 취하는 것이 바람직하다. 열전달 조절 부재(230)가 냉각수관(220)을 완전히 감싸고 있으므로, 본체(210)와 냉각수관(220) 사이의 열전달 양은 위에서 설명한 수랭식 화격자(100)에 비해 향상될 수 있다.

열전달 조절 부재(230)는 본체(210)(상세하게는, 본체(210)를 관통한 보어(215)의 벽면)에 고정되어 있고 내부를 관통한 냉각수관(220)과 접촉하여 팽창 또 는 수축의 열변형에 의해 냉각수관(220)에 대한 압박 정도를 달리하여 냉각수관(230)과의 접촉열저항을 변화시킨다. 본 실시예에서의 열전달 조절 부재(230)의 팽창 및 수축 방향은 열전달 조절 부재(230)과 관상을 이루로 있는 까닭에 도 6에 양방향 화살표로 나타낸 바와 같이 반경방향 또는 직경방향으로 일어난다. 열전달 조절 부재(230)의 팽창 또는 수축의 열변형의 메커니즘은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 경우와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 수랭식 화격자(200)도 도 7에 도시한 바와 같이 열전달 조절 부재(230)와 냉각수관(220) 사이에 간극(G′)이 형성되도록 구성될 수 있다. 열전달 조절 부재(230)가 보어(215)에 고정된 상태에서 열전달 조절 부재(230)를 관통해 냉각수관(220) 배치함과 동시에 냉각수관(220)과 열전달 조절 부재(230)가 서로 접촉하지 않게 유지한 후 냉각수관(220)을 고정시켜 간극(G′)을 형성한다. 위에서 기술한 바와 같이, 간극(G′)의 거리는 본체(210)의 온도가 노점 온도 범위 바로 위에 있을 때 열전달 조절 부재(230)가 팽창하여 냉각수관(230)에 접촉하도록 설정된다. 따라서, 본체(210)는 노점 온도 범위 아래에서는 냉각수관(230)과 열전달을 일으키지 않아 본체(210)가 노점 온도 범위 아래로 과랭되어 저온부식이 발생하는 문제가 회피될 수 있다.

한편, 위에서 설명한 열전달 조절 부재(130, 230)는 단일의 부재가 홈(115) 또는 보어(215) 내에서 냉각수관(130, 230)과 확실한 접촉을 이루도록 구성되어 있지만, 열전달 조절 부재의 형태가 단일의 부재로서 반원형 단면의 판상 형태 또는 관상 형태에 한정되는 것은 아니다. 본체와 냉각수관 사이에 열전달 조절 부재를 배치함에 있어서, 홈(115) 또는 보어(215)의 길이와 유사한 길이의 기다란 세편 형태의 열전달 조절 부재를 다수개 마련하고, 홈(115) 또는 보어(215)에 다수의 열전달 조절 부재를 설치할 수도 있음이 이해될 것이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수랭식 화격자와 배관 구조를 나타낸 사시도이다. 본체(110) 내부를 통과하는 냉각수 유동을 위한 구성으로서, 단일의 관로를 형성하여 냉각수가 일측 입구에서 유입하고 타측 출구에서 유출하는 구성이 일반적으로 채용될 수 있지만, 본 발명에 따른 수랭식 화격자(100)에서의 냉각수는 본체(110)의 평면 내에서 서로 병행하게 배치된 다수의 냉각수관(120)에 각각 유입하고 유출하는, 이른바 병렬식으로 공급된다.

이를 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수랭식 화격자(100)는, 본체(110)의 양측에 구비되어 다수의 냉각수관(120)을 서로 연통시키며, 냉각수 유입 및 유출을 안내하기 위한 제1 및 제2 배관(121, 122)을 더 포함한다. 즉, 이들 배관들(121, 122)의 각각은 본체(110)의 일측 가장자리로부터 병행하게 인출된 다수의 냉각수관(120)의 단부들을 연결하며, 이 배관들 중 제1 배관(121)은 냉각수 유입관으로서 기능하고, 제2 배관(122)은 냉각수 유출관으로서 기능한다. 한편, 이와는 반대로, 제1 배관(121)이 냉각수 유출관으로서 기능하고 제2 배관(122)이 냉각수 유입관으로서 기능할 수도 있다.

이러한 구성에 의하면, 냉각수가 병행하게 배치된 다수의 냉각수관(120)을 통해 본체(110) 내부로 동시에 유입되고 유출되므로, 수랭식 화격자(100)의 냉각 성능이 보다 더 향상될 수 있다. 즉, 단일의 냉각수관이 화격자의 전체에 걸쳐 지 나도록 구성하면, 관로의 길이가 길어져 유출구 쪽으로 갈수록 냉각수의 온도가 높아지게 되어 냉각 성능이 떨어지는 문제점이 있을 수 있으나, 도 8에 도시된 바와 같이 본체(110)를 지나는 냉각수관(120)을 서로 나란하게 배치하고, 하나의 유입관(121 또는 122)으로부터 다수의 냉각수관(120)으로 분기되는 일종의 매니폴드 형태로 구성하여 냉각수를 공급함으로써, 냉각수가 유동되는 관로의 길이가 단축되어 본체(110)의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다. 이러한 매니폴드 형태로 냉각수관의 관로를 구성하는 것은 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한 수랭식 화격자(200)에도 적용될 수 있음은 당연하다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수랭식 화격자에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫 째, 본체의 온도가 상승함에 따라 본체에 결합된 열전달 조절 수단이 팽창하여 냉각수관과의 열전달을 증가시킴으로써, 수랭식 화격자의 냉각 성능이 향상된다.

둘 째, 고온의 본체의 온도가 낮아지면 열전달 조절 수단이 이에 상응하게 수축하여 냉각수관과의 열전달을 감소시킴으로써, 수랭식 화격자가 과랭되는 문제가 회피된다.

셋 째, 본체의 노점 온도 범위 바로 위에서의 열전달 조절 부재가 팽창하여 냉각수관과 접촉하도록 열전달 조절 부재와 냉각수관 사이에 형성된 간극으로 인해, 본체가 노점 온도 범위 아래로 냉각되는 문제가 회피된다.

그러므로, 이와 같은 효과들로 인해 고온부식뿐만 아니라 저온부식에도 대처하며 냉각이 달성될 수 있는 수랭식 화격자를 얻을 수 있게 되어, 화격자의 유지 보수 비용을 절감할 수 있고 소각로 운영이 안정될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

소각로의 화격자에 있어서,

냉각수의 유동을 안내하기 위한 적어도 하나의 냉각수관,

소각 대상물이 놓이고, 상기 냉각수관을 수용하기 위한 냉각수관 수용부가 형성된 본체, 그리고

상기 냉각수관 수용부에 고정되고, 상기 본체의 온도에 따라 열변형하여 상기 냉각수관과의 열저항을 변화시킴으로써 상기 냉각수관으로의 열전달을 증감시키는 열전달 조절 부재

를 포함하는 수랭식 화격자.
제 1 항에 있어서,

상기 열전달 조절 부재는 상기 냉각수관 수용부의 영역 내의 상기 냉각수관을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.
제 2 항에 있어서,

상기 냉각수관 수용부가 상기 본체의 표면에 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.
제 2 항에 있어서,

상기 냉각수관 수용부가 상기 본체를 관통한 보어인 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.
제 1 항에 있어서,

상온에서 상기 열전달 조절 부재와 상기 냉각수관 사이에 일정한 간극이 형성되도록 이들의 위치가 설정된 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.
제 5 항에 있어서,

상기 본체의 온도가 노점 온도 범위 위에 있을 때 상기 열전달 조절 부재가 팽창하여 상기 냉각수관과 접촉하도록 상기 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열전달 조절 부재가 상기 본체의 열팽창계수보다 큰 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각수관은 다수개로 구비되고,

상기 냉각수관을 상호 연통시키고, 냉각수 유입을 안내하기 위한 제1 배관과, 상기 냉각수관을 통과한 냉각수의 유출을 안내하기 위한 제2 배관을 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 수랭식 화격자.