KR100757954B1 - 파형 구조를 갖는 회전식 공기예열기의 열소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스의 흐름 방향으로 일정한 주기의 큰 파형과 작은 파형 모양을 가지는 화력발전소 및 산업용 보일러의 대용량 보일러 등에 사용되는 회전식 공기예열기의 열전달 부품인 열소자를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 회전식 공기예열기의 열소자는 열소자의 흔들림이 작고, 압력 손실이 작으며, 열효율이 좋고, 열소자의 부식 시에 열소자가 서로 지지하는 힘이 강해 열교환기로 쉽게 빠져나오지 못하는 장점이 있다.

회전식 공기예열기, 열소자, 큰 파형, 작은 파형, 에폭시 코폴리머

Description

파형 구조를 갖는 회전식 공기예열기의 열소자{Heat Transfer Element in Rotary Air Preheater Having Regular Waves Structure}

도1은 종래의 회전식 공기예열기의 전체 사시도.

도2는 도 1의 회전식 공기예열기의 로터를 부분적으로 절단한 사시도.

도3은 도 2의 열소자 셋트를 나타낸 사시도.

도4는 도 3의 열소자의 단면도.

도5는 본 발명에 따른 회전식 공기예열기의 열소자 시트의 단면도.

도6은 에폭시계 코폴리머를 코팅한 도 5의 열소자 시트의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 ---- 공기예열기 11 ---- 구동축

12 ---- 하우징 13 ---- 로터

14 ---- 바스켓 15 ---- 열소자

16, 17, 18, 19 ---- 화살표

51 ---- 상면 열소자 시트 52 ---- 하면 열소자 시트

53 ---- 큰 파형 54 ---- 작은 파형

61 ---- 철판 62 ---- 외면

본 발명은 화력발전소 및 산업용 보일러와 같은 대용량 보일러 등에 사용되는 회전식 공기 예열기의 열전달 부품인 파형 구조를 갖는 열소자에 관한 것이다.

일반적으로 회전식 공기예열기의 열소자 사이로 유체가 잘 흐르도록 하기 위해서는, 유체의 흐름 방향으로 열소자를 밀접하게 적층하여 다수의 통로를 만든다. 이때 열소자 시트의 형상은 공기 예열기 전체의 성능에 매우 중대하게 영향을 미친다. 또한 열소자 형상과 전열표면은 열전달이 우수해야 하고, 압력손실이 낮아야 하며, 열소자 파형에 이물질이 잘 붙지 않고 쉽게 제거되며 내식성이 우수한 성능을 유지하도록 열소자에 에폭시계 코폴리머를 코팅한다.

바스켓 내에 적층되는 열소자는 요구되는 열교환 성능을 만족시키기 위해 동일한 간격과 일정한 파형 모양을 가진다. 바스켓 내에서 열소자가 병열로 적층되면, 적당한 간격을 유지 할 뿐만 아니라 인접 시트를 구조적으로 지지하여, 바스켓을 통과하는 유체나, 고압 세척 시 열소자에 작용하는 힘을 고르게 분포시켜 바스켓 조립 전체에 힘의 균형을 이루게 한다.

첨부도면 중 도1은, 일반적인 회전식 공기예열기의 사시도이다. 통상적으로 회전형 열교환기의 구성은, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 구동축(11)을 중심으로 하우징(12) 내의 로터(13)의 내부 바스켓(14)에 열소자(15)가 적층되어서 구성되어 있다. 즉, 회전식 공기 예열기의 내부에는 회전하는 로터(13)와 이에 결합된 여러 개의 바스켓(14) 및 여러 겹으로 적층되어 바스켓(14)의 내부를 채우며, 실제 열교환이 일어나는 열소자(15)들로 구성되어 있다.

이와 같이 구성되는 회전식 공기예열기는, 화살표 방향(16)으로 가열 배기가스가 유입되어 로터(13)를 통과하는데, 이 때 바스켓(14) 내부에 적층된 열소자(15)는 가열 배기가스로부터 열을 흡수하게 되며, 로터(13)를 통과하면서 열을 빼앗긴 배기가스는 화살표 방향(17)과 같이 외부로 배출된다. 저온의 외부공기는 가열 배기가스의 흐름과 반대 방향인 화살표 방향(18)으로 유입되며, 로터(2)를 통과하면서 열을 빼앗아 가열되어 화살표 방향(19)과 같이 외부로 배출된다.

도 2는 일반적인 회전형 공기예열기의 로터(13)를 부분적으로 절단한 사시도이다. 회전형 공기예열기의 로터(13)는 열소자(15) 박스의 모양이 정사각형이 아니며 사다리 모양의 육면체이다.

그리고 기존의 회전식 공기예열기의 열소자(15)는 배기가스의 배출시 배출가스의 온도저하로 열소자(15) 시트 표면에 수분이 응축하여 배기가스 내에 함유된 분진의 부착현상 및 유황성분에 의해 저온부식이 발생되고, 열소자(15) 시트 표면에 부산물의 부착현상을 더욱 가속화 시켜, 열소자(15) 사이의 유속을 급격하게 저하시키는 단점이 있다.

도 3은 일반적인 회전형 공기예열기의 열소자를 조립한 열소자 셋트를 나타낸 사시도이다.

도 4는 회전형 공기예열기의 열소자를 적층 조립한 모양을 나타내는 정면도이다. 열소자(15)에 여러 파형을 형성하여 적층 내부로 흐르는 유동의 방향과 일치 된 노치를 형성하므로, 공기의 유동통로를 확보하여 교란없이 유동을 유도하게 된다.

그런데, 종래에 회전형 공기예열기에 사용되던 열소자(15)는 일정 형상을 가진 열소자와 평편한 열소자 시트에 에나멜 코팅을 한 후 적층 조립하여 사용하고 있으므로, 유동에 특별한 교란이 없이 열교환기를 통과하여 열전달 효율이 높지 않고, 배출 가스에서 나오는 수분의 응축으로 부식과 분진의 부착이 발생해 잔류 열을 충분히 전달하지 못하고, 수명 저하를 나타내는 단점이 있다.

예컨대, 공기 예열기의 바스켓(14) 내의 열소자의 역할은 고온의 배기가스로부터 열을 흡수하여, 가열된 상태에서 저온의 공기에 노출시킴으로써 고온의 배기가스로부터 흡수한 열을 저온의 공기흐름에 전달하는 것이다. 이러한 열소자의 최적설계를 위해서는 작동유체가 적층된 열소자 사이의 좁은 유로를 통과하면서 최소의 압력손실과 최대의 열전달 성능을 나타내는 형상을 찾는 것이 중요하다. 그러나, 실제 파형 열소자 내에서 압력손실과 열전달 성능은 서로 반비례하는 특성을 나타내어 열소자의 최적화 설계를 매우 어렵게 하고 있다.

이에 본 발명은 이러한 압력손실과 열전달 성능의 상반된 경향을 전산유체역학을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 최적화된 설계점을 찾아내어 열소자 형상 즉 단면(유동흐름에 수직), 표면적(유동흐름에 평행) 및 배치/적층 등을 최적화하여 기존의 상용 열소자에 비해 압력손실을 적게 하고 열전달 효율을 향상시키는 최 적형상을 도출하여 최적의 성능을 낼 수 있게 설계되었다.

즉, 본 발명은, 회전식 공기예열기의 로터 내에 적층되는 열소자에 있어서, 열소자의 형상을 개량함과 동시에 에폭시계 코폴리머를 코팅하여 내부 유동을 개선시킴으로써, 압력손실을 줄이고 열전달의 성능은 향상시키며, 열소자 표면에 배기가스 부산물의 부착 방지 및 부식을 방지함으로써, 회전식 공기 예열기의 효율을 극대화시키는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 파형 구조를 갖는 회전식 공기예열기의 열소자는, 공기 흐름 방향과 같은 방향으로 큰 파형과 작은 파형이 규칙적이고 일정한 주기로 나타나는 물결 무늬의 파형 구조를 갖는 시트가 조립 및 적층되어 있되 동일한 반경(R)을 갖는 큰 파형의 정점 부위와 작은 파형의 중간 부위가 서로 겹쳐지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 상기 물결 모양의 열소자 사이로 흐르는 유동은 압력손실을 줄이고 열전달 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 에폭시계 코폴리머에 의해 열교환시 응축된 수분으로 인한 열소자의 심각한 부식을 방지할 수 있고, 열소자의 수명을 향상시킬 수 있으며, 장시간 동안 안정적으로 사용할 수 있는 효과를 준다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

첨부 도면 중 도 5는 본 발명에 따른 회전식 공기예열기의 물결 무늬의 파형 구조를 갖는 열소자의 적층 상태를 보여주기 위한 단면도이고, 도 6은 통상적인 방법으로 에폭시계 코폴리머를 적용 코팅한 도 5의 회전식 공기예열기의 열소자의 단면도이다.

도 5에 의하면 본 발명에 따른 회전식 공기예열기의 열소자는 공기의 흐름 방향으로 직선 노치가 형성되어 있고, 큰 파형과 작은 파형이 규칙적이고, 일정한 주기의 물결 무늬와 같은 파형 구조로 적층되어 이루어져 있다. 즉, 정점 부위에서 동일한 반경(R)을 갖는 큰 파형과 작은 파형이 일정한 주기로 규칙적으로 나타나도록 구성된 상면 열소자 시트(51)와 정점 부위에서 동일한 반경(R)을 갖는 큰 파형과 작은 파형이 일정한 주기로 규칙적으로 나타나도록 구성된 하면 열소자 시트(52)가 조립 및 적층되어 있되, 일정한 반경(R)을 갖는 하면 열소자 시트(52)의 큰 파형(53)의 정점 부위와 역시 일정한 반경(R)을 갖는 상면 열소자 시트(51)의 중간 부위에 위치하는 작은 파형(54)의 정점 부위가 서로 겹쳐지도록 구성되어 있다. 이에 따라 열소자들의 움직임을 막고 적층된 열소자 내부로 개방형 통로가 형성되어, 공기의 흐름이 활발한 유동 패턴을 형성시켜 열전달이 원활이 이루어지게 된다.

도 5에 의하면, 본 발명의 회전식 공기예열기의 열소자 시트(51, 52)에서 큰 파형(53)의 정점 부위와 작은 파형(54)의 정점 부위에서의 곡면 반경(R)은 동일하며, 높이(H1, H2)는 서로 다르게 구성되어 있다.

첨부 도면 중 도 6은 본 출원인이 2006년 7월 19일자로 특허등록을 받은 제10-0604991호의 “강판의 에폭시계 코폴리머 코팅방법”에 따라 에폭시계 코폴리머를 적용 코팅한 회전식 공기예열기 열소자(13)의 코팅 구조를 보여주기 위한 단면도로서, 부호 61은 열소자의 기본 구조의 모양을 형성시키는 지지체인 철판이고, 부호 62는 에폭시계 코폴리머를 200 ~ 400μm정도의 두께로 코팅한 외면이다.

이와 같이 에폭시 코폴리머를 철판(61)에 적용할 경우 적층된 열소자 내부에 형성된 공간으로 배기 가스와 외부 공기가 통과 됨으로써 원활한 열 전달이 이루어지고, 배기 가스의 응축으로 인한 부식 방지와 배기가스의 부산물의 부착되는 것을 막아 열소자의 수명 연장과 높은 효율을 유지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

본 발명에 파형 구조를 갖는 회전식 공기예열기의 열소자에 의하면, 첫째, 열소자를 통과하는 배기가스의 유동에 활발한 유동 패턴을 형성시켜 열전달 성능을 향상시킬 수 있고, 둘째, 열소자 표면에 배기가스의 부산물에 의한 부착 방지와 저온 부식을 막을 수 있으며, 셋째, 열소자가 일정한 주기를 갖는 파형모양을 형성함으로써, 활발한 유동에 의한 열효율 향상을 유도하고, 추가로 내식성과 내열성이 우수한 에폭시계 코폴리머를 코팅함으로써, 회전식 공기 예열기의 열소자 수명을 연장시킴으로써 장기적으로 설치 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 구동축(11)을 중심으로 하우징(12) 내의 로터(13)의 내부 바스켓(14)에 열소자(15)가 적층되어서 구성되어 있는 회전식 공기예열기의 내부에서 회전하는 상기 로터(13)와 이에 결합된 여러 개의 상기 바스켓(14) 및 여러 겹으로 적층되어 바스켓(14)의 내부를 채우고 있으면서 가열 배기가스와 차가운 공기 간에 실제 열교환을 일으키고, 공기 흐름 방향과 같은 방향으로 큰 파형(53)과 작은 파형(54)이 물결 무늬의 파형 구조로 상면 열소자 시트(51)와 하면 열소자 시트(52)가 조립 및 적층되어 있는 열소자(15)에 있어서,

   상기 하면 열소자 시트(52)의 큰 파형의 정점 부위와 상기 상면 열소자 시트(51)의 작은 파형의 중간 정점 부위가 서로 겹쳐지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파형 구조를 갖는 회전식 공기예열기의 열소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 상면 및 하면 열소자 시트(51, 52)에서 상기 큰 파형(53)과 작은 파형(54)의 정점 부위는 동일한 곡면 반경(R)을 가지는 반면에 높이(H1, H2)는 서로 다르게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파형 구조를 갖는 회전식 공기예열기의 열소자.
3. 삭제

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