KR100748763B1 - 유체 촉매처리 장치 - Google Patents

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Abstract

촉매 처리후 혹은 그 이전에 분리 유체 매개물과 상기 유체 사이에 열교환이 일어나고 유체를 촉매처리하기 위한 장치는 용접이나 납땜으로 서로 단단히 연결된 플레이트(2) 형식의 플레이트 열교환기(1)로 구성된다. 촉매제 수용기(21)는 플레이트 열교환기(1)에 탈착 가능하게 고정되고 교환기(1)의 포트(7) 중 하나로 돌출된다.

Description

유체 촉매처리 장치{A DEVICE FOR CATALYTIC TREATMENT OF FLUIDS}
본 발명은 유체를 촉매처리하고 촉매처리 한 후 혹은 그 이전에 분리유체 매개물과 상기 유체 사이에 열교환을 하는 장치에 관련된다.
상기 장치는 유체 매개물 사이에서 열 교환이 일어나도록 하는 최소한 두 개의 분리회로를 갖는 플레이트 열교환기로 구성되며, 상기 회로는 열개의 서로 연결되고 쌓아올려진 플레이트로 형성되며, 플레이트 열교환기는 각각의 회로를 위한 입구 및 출구 오프닝을 갖고, 각각의 입구 및 출구 오프닝은 열교환기 플레이트의 방향에 수직인 열교환기 안으로 연장된 실린더형 포트와 통해있고, 상기 포트는 회로들 중 하나와 연결된다.
깨끗한 물과 지역난방을 위한 물을 공급하기 위해서 공기와 함께 미세분무 액체연료(atomized liquid fuel) 혹은 공기와 함께 있는 기체연료를 촉매연소를 위한 버너를 갖는 보일러를 사용하는 것이 알려져 있다. 배출가스는 보일러의 연소챔버를 떠난다음 열교환기를 통과한다. 촉매연소는 매우 깨끗한 배출가스를 만들도록 효율적인 연소를 한다. 특히 NOx가 현저히 낮아진다. 가열될 배출가스와 물 사이의 열교환은 플레이트 열교환기에서 좀더 효율적으로 수행된다. 촉매버너와 플레이트 열교환기의 조합은 청정연소, 소형 및 경량으로 설계할 수 있는 이점을 갖는 장치 가 된다.
높은 온도를 이용하기 위해서 플레이트 열교환기는 교환기의 플레이트를 용접하거나 납땜하여 가장 효율적으로 제작한다. 그러나 촉매연소를 수행하기 위해 사용되는 촉매제는 고온 용접 혹은 납땜 처리를 하는 동안 증발된 재료에 의해 손상을 입는 새로운 금속 혹은 산화금속을 포함한다. 그러므로 플레이트 열교환기 제조과정에서 촉매재료를 포함하는 것이 바람직하지 않다.
본 발명을 따르면 최소한 열교환기의 한 부분은 유체가 포트를 통과하는 동시에 금속망 촉매요소를 통과하도록 실제포트의 열교환기 오프닝에 탈착가능하게 연결되고 밀봉된 금속망 촉매요소를 포함한다.
장치가 공기와 함께 천연가스나 미세분무 액체연료를 연소시키기 위해 사용될 경우, 상기 금속망 촉매요소는 공기와 함께 연료를 연소시키기 위한 점화기와 함께 플레이트 열교환기의 입구포트에 장착된다.
그러나 만약 상기 금속망 촉매요소가 플레이트 열교환기에서 예비 가열된 유체의 촉매분해를 위해 열교환기의 출구포트에 장착된다면, 플레이트 열교환기에 촉매요소를 장착하는 동일한 방법이 메틸알콜과 알콜의 촉매 분해를 증발시키기 위한 장치에 사용될 수 있다. 메틸알콜의 촉매분해는 전기를 공급하기 위한 연료셀에 사용될 수 있는 수소가스의 형태를 취할 것이다.
본 발명의 좀더 상세한 설명과 얻어진 이점은 첨부된 도면에서 선호되는 실시예에 대한 설명으로 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명을 따르는 공기와 함께 연료를 연소하고 물을 가열하기 위한 장치의 사시도.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따르는 횡단면도.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 장치의 두 개의 인접한 열교환기 플레이트가 두개로 분리된 상태의 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 버너의 확대 사시도.
도 5는 도 2에 도시된 형식의 장치에 사용되는 촉매버너의 변형된 실시예를 통한 횡단면도.
* 부호설명 *
1 : 플레이트 열교환기 2 : 플레이트
3,4,5,6 : 구멍 7 : 입구포트
8 : 출구포트 9 : 물 입구
10 : 물 출구 11 : 튜브
12 : 플랜지 13 : 단부 플랜지
14 : 볼트 15 : 제 1 망
16 : 밀봉 플레이트 17 : 제 2 망
18 : 밀봉 플레이트 19 : 제 3 망
20 : 점화기 21 : 버너유닛
22 : 가스튜브
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 플레이트 열교환기는 두 개의 서로다른 유체매개물을 위한 두 개의 분리된 채널 시스템을 형성하는 여러개로 적층된 플레이트(2)로 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 플레이트(2)는 적층된 플레이트가 열을 교환하기 위해 두 개의 매개물 각각에 대한 출구 및 입구포트인 네 개의 포트를 형성한 네 개의 구멍(3,4,5,6)으로 구비된다. 도 2는 저온으로 장치를 떠나는 상기 가스를 위한 출구 포트와 공기와 함께 연료를 연소하여 발생된 배기가스를 위한 입구 포트(7)를 도시한다. 도 1의 참조번호 (9)는 가열될 물을 위한 입구를 의미하고 가열된 물을 위한 출구는 (10)으로 표시된다.
도 2에 자세히 도시된 바와 같이 연료 및 공기를 주입시키기 위한 금속튜브(11)는 적층된 플레이트(2)의 단부 플레이트(13)를 결합하는 플랜지(12)에 볼트(14)로 고정된다. 구모양으로 형성된 제 1 가스 침투성망(15)은 금속튜브(11)의 하측단부에 연결된다. 튜브(11)의 하측 단부는 또한 방사형으로 뻗은 금속밀봉 플레이트(16)를 수용하고, 제 2튜브와 가스 침투성망(17)을 수용한다. 상기 제 2 관상형망(17)은 위쪽으로 뻗은 제 2 망(net)(18) 보다 직경이 더 큰 제 3 관상형망(19)의 원반형 금속밀봉플레이트(18)를 수용하고 플레이트(16)에 단단히 연결된다. 전자점화기(20)는 연소를 시작하는 역할을 하고 플랜지(12)에 부착된다. 구성요소(11,12,15-20)는 제거 가능한 버터유닛(21)을 형성하고 볼트(14)로 연결되어 있어서 교체하기가 쉽다. 그러나 유닛(21)은 도 4에 분리되어 도시되었으며 구성요소들은 따로 떼어졌다.
가스 침투성망(15,17,19)은 현재 칸탈(Kanthal)이라는 상표로 판매되고 있는 형식의 합금을 기초로 한 금속망으로 구성되는데, 주로 철, 크롬, 알루미늄으로 구성되며 고온 전기가열코일에 널리 사용된다. 금속망은 실리카 혹은 산화 알루미늄 같은 세라믹 코팅으로 되는데 팔라듐 그룹 혹은 적합한 산화금속 같은 촉매재료로 처리된다. 외부망(19)의 직경은 가스-공기 혼합물을 연소시켜 발생된 연소가스를 위한 입구포트(7) 보다 약간 작고 플레이트(2)의 구멍(3)으로 형성된다. 선호적으로 구멍(3)은 나머지 플레이트 구멍(4-6) 보다 직경이 더 크다.
입구포트(7) 및 출구포트(8)는 종래의 두 개의 회로 플레이트 열교환기에서처럼 플레이트(2)에 의해 형성되는 채널을 통해 연결된다. 포트(8)는 배기가스 출구 튜브(22)와 연결된다. 가열될 물에 대한 입구(9)와 물의 출구(10)는 플레이트(2)에 의해 형성되는 채널을 통해 연결되고 플레이트 열교환기를 통과하는 배기가스를 안내하는 채널에 인접하게 위치한다.
도 1-4에 도시된 장치는 다음과 같이 작동한다.
연료(천연가스 혹은 미세분무 액체연료) 및 공기의 혼합물은 튜브(11)를 통해 아래쪽으로 통과하며 제 1 및 제 2 촉매망(15,17)으로 제한되는 공간을 통과할 것이다. 여기서 공기-연료 혼합물은 종래 형식의 스파크 플러그 혹은 전기가열코일 같은 전자 점화기(20)로 점화된다. 세 개의 연료-공기 혼합물이 망(15,17,19)을 통과해 연소가 완료된다. 최대연소온도는 약 800℃가 될 것이다. 연소가스는 플레이트(2)에 의해 형성된 각각의 채널을 통해 플레이트 열교환기를 즉시 통과할 것이다. 나머지 채널들은 연소가스에 의해 가열될 물의 유동을 위해 사용된다. 종래의 기술에서 잘 알려진 바와 같이 플레이트 열교환기는 그 부피에 비교하여 열교환 용량이 크고, 배기가수 출구 튜브(22)를 통해 장치를 떠나는 배기가스는 가열된 몇도 정도 물의 온도이상의 온도를 갖는다. 촉매연소는 과잉이 되는 공기를 최소화하여 수행되고 매우 깨끗한 배기가스를 제공하는데, 심지어 NOx에 대해서도 그렇다. 열효율이 높게 된다.
전술된 장치는 입구 포트(7) 내의 버너유닛(21) 위치로 인해서 배우 소형으로 설계된다. 유닛(21)을 장착하는 방법은 촉매저장망(15,17,19)으로부터 분리된 플레이트(2)를 용접 혹은 납땜하는 것을 가능하게 한다. 포트(7)에서 포트(8)로 연소가스가 유동하여 유동저항으로 형성된 경로를 따를 것이다. 가장 작은 저항이 짧은 거리에 의해 발생된다. 전체 열 교환기를 이용하기 위해서, 제 3 망(19)의 두께를 변화시며 사용하는 것이 이로운데, 즉 출구포트(8)에 가장 가까운 망(19) 부분은 이중 철그물망으로 만들어진다. 도 5에 도시된 바와 같이 출구포트(8)에 가장 가까운 망(19)부분은 망부분(19a)으로 보충된다. 유닛(21)은 필요한 경우 내장형 촉매버너의 조합으로 교체가 쉽고, 플레이트 열 교환기는 매우 가벼우며 가열용량에 대해 부피가 작다.
상기 도시된 장치는 촉매분해하기 전에 예비 가열할 필요가 있는 유체를 촉매분해하기 위해 사용된다. 예를 들어 메탄올은 튜브(22)를 통해 주입되며, 이전의 출구(10)에서 입구(9)로 교환기를 통과하는 뜨거운 물로 가열된다. 예비 가열된 메탄올은 촉매망(19,18,15)을 통과할 때 분해될 것이다. 튜브(11)를 통해 장치를 떠 나는 유체는 열료셀에서 사용될 산호 및 수소에 대한 공급원이 될 수 있다.

Claims (7)

  1. 유체 매개물 사이에서 열을 교환하기 위한 2개 이상의 분리되는 회로를 가지는 플레이트 열교환기(1)를 포함하고, 상기 회로들은 복수의 상호 연결되는 적층된 플레이트(2)로 형성되며, 상기 플레이트 열교환기(1)는 각각의 회로에 대한 개방된 입구(9,11) 및 출구(10,22)를 갖으며, 각각의 입구(11) 및 출구(22)는 열교환기 플레이트(2)의 방향에 수직인 플레이트 열교환기(1)로 연장되는 실린더형 포트(7,8)와 통하고, 각각의 포트(7,8)는 회로들중 하나의 회로와 통하는, 촉매 처리 후 또은 그 이전에 분리 유체 매개물과 유체 사이에 열교환이 일어나고 유체를 촉매처리하기 위한 장치에서,
    상기 포트들 중 하나 이상의 포트(7)는 하나 이상의 볼트(14)에 의해 실제 포트(7)에 탈착가능하게 연결된 플랜지(12)를 포함하는 금속망 촉매요소(21)를 수용하여 포트(7)를 통과하는 유체는 동시에 금속망 촉매요소(21)를 통과하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 공기와 연료를 연소하기 위해 점화기(20)와 함께 상기 금속망 촉매요소(21)는 플레이트 열교환기의 입구 포트(7)에 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속망 촉매요소(21)는 플레이트 열교환기에서 예비 가열되는 유체를 촉매분해하기 위해 열교환기(1)의 출구 포트(7)에 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 2 항 혹은 제 3 항에 있어서, 상기 금속망 촉매요소(21)는 유동경로에 일렬로 배열된 최소한 두개로 분리된 금속망 촉매제(15,17,19)로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 분리된 금속망 촉매제들 중 최소한 하나(17,19)는 포트(7)의 거의 총 길이에 따라 연장되고 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 두 개의 금속망 촉매제들 중 하나(15)는 부분적인 구형인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속망 촉매제(15,17,19)는 Pd 금속 그룹이나 적합한 산화금속을 포함하는데 열저항성 금속 혹은 열저항성 금속합금 망(net)으로 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
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