KR100893896B1 - 열교환기용 세라믹 전열판, 그리고 이를 포함하는 컴팩트형세라믹 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압출성형 기술과 반응소결 기술을 적용한 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 세라믹 열교환기를 제공하여 열교환 효율을 높여 에너지를 절감하고, 컴팩트한 구조의 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 세라믹 열교환기를 제공하여 설치면적을 최소화함으로써 설비비용을 절감하기 위한 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 탄화규소(SiC) 분말과 카본 블랙(cabon black) 분말과 바인더 및 물을 혼합한 후 압출성형한 성형품에 금속 규소(Si)를 반응소결시켜 제조되고, 그 내부에 길이방향을 따라 배기가스 또는 공기와 같은 유체가 유동되는 유로가 형성되며, 그 단면이 실질적으로 사각 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기를 제공한다.

컴팩트형 세라믹 열교환기, 열교환기용 세라믹 전열판, 압출성형, 반응소결, 유로, 배기가스 유동층, 냉각공기 유동층

Description

열교환기용 세라믹 전열판, 그리고 이를 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기{Ceramic heat transfer plate for heat exchanger, and compact type ceramic heat exchanger having the same}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압출성형 기술과 반응소결 기술을 적용하여 열교환 효율을 높임에 따라 에너지를 절감할 수 있고, 컴팩트한 구조를 적용하여 설치면적을 최소화함으로써 설비비용을 절감할 수 있는 열교환기용 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 가열로에서 발생되는 폐열을 이용하여 에너지 절감을 하기 위한 방법으로 폐열회수장치를 사용하는데, 상기 폐열회수장치의 대표적인 것으로는 열교환기가 있다.

상기 열교환기는 산업용 가열로에서 배출되는 고온의 배기가스를 유입하고 외부 공기와 같이 상대적으로 차가운 냉각공기를 동시에 유입하여 간접적으로 상호 열교환이 이루어지게 한 다음, 상기 냉각공기와 열교환된 배기가스는 연도를 통해 외부로 배출하고 상기 배기가스와 열교환된 공기는 버너와 같은 가열장치의 연소용 공기로 제공함으로써, 가열장치의 연소용 공기가 예열된 상태로 제공되기 때문에 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 이때, 에너지 절감은 대략 200℃ 예열에 10% 정도의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 종래 열교환기에 사용되는 금속재 전열판은 내열성과 내식성이 약하기 때문에 크리프(creep) 현상 등에 의하여 장시간 사용이 곤란하여 수명이 짧고, 특히 800℃ 이상에서의 고온에서 장시간 사용이 곤란하여 이에 따른 비용을 상승시키고 에너지 소모가 증대되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 압출성형 기술과 반응소결 기술을 적용하여 열교환 효율을 높임에 따라 에너지를 절감할 수 있고, 컴팩트한 구조를 적용하여 설치면적을 최소화함으로써 설비비용을 절감할 수 있는 열교환기용 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 형태에 의하면, 탄화규소(SiC) 분말과 카본 블랙(cabon black) 분말과 바인더 및 물을 혼합한 후 압출성형한 성형품에 금속 규소(Si)를 반응소결시켜 제조되고, 그 내부에 길이방향을 따라 배기가스 또는 공기와 같은 유체가 유동되는 유로가 형성되며, 그 단면이 실질적으로 사각 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 세라믹 전열판이 제공된다.

여기서, 상기 압출성형은 진공압출기에서 수행되고, 상기 반응소결은 진공소결로에서 1600℃~1700℃의 환경에서 수행되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 유로의 단면은 실질적으로 사각 형상으로 형성되고, 폭방향을 따라 복수개로 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 형태에 의하면, 전후방향으로 형성된 유로를 갖는 열교환기용 세라믹 전열판이 좌우방향을 따라 복수개 가 결합되어 고온의 배기가스가 유동되는 유로를 형성하는 배기가스 유동층; 및 상기 배기가스 유동층의 상부에 적층되며, 좌우방향으로 형성된 유로를 갖는 열교환기용 세라믹 전열판이 전후방향을 따라 복수개가 결합되어 냉각공기가 유동되는 유로를 형성하는 냉각공기 유동층;을 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기가 제공된다.

여기서, 상기 배기가스 유동층 및 상기 냉각공기 유동층은 상하방향을 따라 순차적으로 번갈아가며 복수층으로 적층될 수 있다.

이때, 상기 배기가스 유동층과 상기 냉각공기 유동층을 구성하는 각 열교환기용 세라믹 전열판은 열전도도가 우수한 동분말을 함유한 내화몰탈에 의해 상호 접착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 열교환기용 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기에 의하면, 압출성형 기술과 반응소결 기술을 적용하여 열교환 효율을 높임에 따라 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 컴팩트한 구조를 적용하여 설치면적을 최소화함으로써 설비비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 압출성형 기술과 반응소결 기술에 의해 세라믹 전열판을 제조함으로써 내식성과 내열성을 향상하고 크리프 현상을 최소화함에 따라 세라믹 전열판 및 열교환기의 수명을 향상할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 열교환기용 세라믹 전열판 및 이를 포함하는 컴팩트형 세라믹 열교환기에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기용 세라믹 전열판을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 컴팩트형 세라믹 열교환기의 기본구조를 설명하기 위한 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 컴팩트형 세라믹 열교환기의 바람직한 실시예를 나타낸 사시도이다.

열교환기용 세라믹 전열판

먼저, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 열교환기용 세라믹 전열판에 대하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기용 세라믹 전열판(100)은, 단면이 실질적으로 사각 형상으로 형성되고, 그 내부에는 길이방향을 따라 배기가스 또는 공기와 같은 유체가 유동되는 유로(100a)가 형성된다.

그리고, 상기 유로(100a)의 단면은 열교환기용 세라믹 전열판(100)의 형상과 동일한 사각 형상으로 형성되고, 열교환기용 세라믹 전열판(100)의 폭방향을 따라 복수개로 형성된다.

따라서, 상기 유로(100a)의 사이 사이에 형성된 열교환기용 세라믹 전열판(100)의 수직벽 자체가 열교환 효율을 증대시키기 위한 전열핀 역할을 수행할 수 있다.

상기 열교환용 세라믹 전열판(100)의 제조방법은 다음과 같다.

주원료인 탄화규소(SiC) 분말과 카본 블랙(cabon black) 분말과 바인더 및 물을 혼합한 후 진공압출기에서 압출성형하고, 진공압출성형된 성형품을 진공소결로에서 금속 규소(Si)를 반응소결 시켜 제조한다.

이때, 상기 진공압출성형된 성형품을 진공소결로에서 금속 규소와 반응소결시 1600℃~1700℃의 온도에서 반응소결하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명에 의한 열교환기용 세라믹 전열판은 기존 금속제 전열판을 사용할 수 없는 800℃~1500℃의 환경에서 사용이 가능하여 이를 폐열회수장치인 열교환기에 적용시 최대 60%까지의 폐열회수가 가능하며, 대략 35%의 추가적인 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명에 의한 열교환기용 세라믹 전열판은 진공압출성형 및 진공반응소결하여 제조함으로써 내식성과 내열성이 향상되고 크리프 현상을 최소화함에 따라 내구성 및 수명을 향상할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 열교환기용 세라믹 전열판은 사각형상으로 형성되어 전열면적을 극대화할 수 있고, 컴팩트한 구조로 열교환기를 적용할 수 있어 설치면적을 최소화함으로써 설비비용을 절감할 수 있다.

컴팩트형 세라믹 열교환기의 기본 구조

다음으로, 첨부된 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 열교환기용 세라 믹 전열판으로 이루어진 컴팩트형 세라믹 열교환기에 대하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컴팩트형 세라믹 열교환기는, 전후방향으로 형성된 유로(110a)를 갖는 열교환기용 세라믹 전열판(110)이 좌우방향을 따라 복수개가 결합되어 고온의 배기가스가 유동되는 유로(110a)를 형성하는 배기가스 유동층과, 상기 배기가스 유동층의 상부에 적층되며 좌우방향으로 형성된 유로(120a)를 갖는 열교환기용 세라믹 전열판(120)이 전후방향을 따라 복수개가 결합되어 냉각공기가 유동되는 유로를 형성하는 냉각공기 유동층을 포함하여 구성된다.

이때, 배기가스 유동층을 형성하는 열교환기용 세라믹 전열판(110)과 냉각공기가 유동층을 형성하는 열교환기용 세라믹 전열판(120)의 수량 및 크기를 변화시킴에 따라 열교환 효율을 증감할 수 있다.

그리고, 상기 배기가스 유동층과 상기 냉각공기 유동층을 구성하는 각 열교환기용 세라믹 전열판(110,120)은 열전도도가 우수한 동분말을 함유한 내화몰탈에 의해 상호 접착되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 배기가스 유동층을 구성하는 열교환기용 세라믹 전열판(110)과 상기 냉각공기 유동층을 구성하는 열교환기용 세라믹 전열판(120) 사이의 접착력을 향상하고, 열전달 및 열교환 효율을 증대시킴과 아울러, 열전달 및 열교환을 저해할 수 있는 공기층의 형성을 방지할 수 있다.

컴팩트형 세라믹 열교환기의 실시예

다음으로, 첨부된 도 3을 참조하여 실질적으로 산업용 가열로에서 발생되는 폐열을 회수하기 위한 장치로서 적용되는 컴팩트형 세라믹 열교환기의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기는 상술한 기본 구조에서 상기 배기가스 유동층 및 상기 냉각공기 유동층을 상하방향을 따라 순차적으로 번갈아가며 복수층으로 적층하여 형성된다.

여기서, 상기 배기가스 유동층 및 상기 냉각공기 유동층이 적층되는 높이는 요구되는 폐열회수량에 따라 결정될 수 있다.

이때, 상기 배기가스 유동층과 상기 냉각공기 유동층을 구성하는 각 열교환기용 세라믹 전열판(110,120)은 열전도도가 우수한 동분말을 함유한 내화몰탈에 의해 상호 접착되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 배기가스 유동층을 구성하는 열교환기용 세라믹 전열판(110)과 상기 냉각공기 유동층을 구성하는 열교환기용 세라믹 전열판(120) 사이의 접착력을 향상하고, 열전달 및 열교환 효율을 증대시킴과 아울러, 열전달 및 열교환을 저해할 수 있는 공기층의 형성을 방지할 수 있다.

한편, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기의 전면 중 하부에는 산업용 가열로에서 배출되는 고온의 배기가스가 유입되도록 하는 배기가스 유입덕트(211)가 설치되고, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기의 전면 중 상부에는 냉각공기와 열교환이 완료된 배기가스가 연도를 통해 외부로 배출되도록 하는 배기가스 배출덕트(213)가 설치되며, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기의 후면에는 상기 배기가스 유입덕트(211) 로 유입되어 냉각공기와 일차적으로 열교환된 배기가스를 배기가스 유동층으로 다시 순환시켜 냉각공기와 재차 열교환시키는 배기가스 순환덕트(212)가 설치된다.

그리고, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기의 우측면 중 하부에는 외부 냉각공기가 유입되도록 하는 냉각공기 유입덕트(221)가 설치되고, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기의 우측면 중 상부에는 배기가스와 열교환이 완료된 공기가 상기 산업용 가열로의 버너와 같은 가열장치의 연소용 공기로 제공하기 위한 냉각공기 배출덕트(223)가 설치되며, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기의 좌측면에는 상기 냉각공기 유입덕트(221)로 유입되어 배기가스와 일차적으로 열교환된 냉각공기를 냉각공기 유동층으로 다시 순환시켜 배기가스와 재차 열교환시키는 냉각공기 순환덕트(222)가 설치된다.

따라서, 상기 컴팩트형 세라믹 열교환기는 산업용 가열로에서 배출되는 고온의 배기가스를 배기가스 유입덕트(211)를 통해 유입하고 외부 공기와 같이 상대적으로 차가운 냉각공기를 냉각공기 유입덕트(221)를 통해 동시에 유입하여 일차적으로 상호 열교환시키고, 이를 다시 배기가스 순환덕트(212) 및 냉각공기 순환덕트(222)를 통해 재차 상호 열교환시킴에 따라 열교환 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 상기 냉각공기와 열교환이 완료된 배기가스는 배기가스 배출덕트(213)를 통해 연도를 거쳐 외부로 배출하고 상기 배기가스와 열교환이 완료된 냉각공기는 냉각공기 배출덕트(223)를 통해 산업용 가열로의 버너와 같은 가열장치의 연소용 공기로 제공함으로써, 가열장치의 연소용 공기가 예열된 상태로 제공되기 때문에 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기용 세라믹 전열판을 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 컴팩트형 세라믹 열교환기의 기본구조를 설명하기 위한 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 컴팩트형 세라믹 열교환기의 바람직한 실시예를 나타낸 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100:열교환기용 세라믹 전열판

100a, 110a, 120a:유로

110:배기가스 유동층의 열교환기용 세라믹 전열판

120:냉각공기 유동층의 열교환기용 세라믹 전열판

211:배기가스 유입덕트 212:배기가스 순환덕트

213:배기가스 배출덕트 221:냉각공기 유입덕트

222:냉각공기 순환덕트 223:냉각공기 배출덕트

Claims (6)

1. 전후방향으로 형성된 유로를 갖는 열교환기용 세라믹 전열판이 좌우방향을 따라 복수개가 결합되어 고온의 배기가스가 유동되는 유로를 형성하는 배기가스 유동층; 및

   상기 배기가스 유동층의 상부에 적층되며, 좌우방향으로 형성된 유로를 갖는 열교환기용 세라믹 전열판이 전후방향을 따라 복수개가 결합되어 냉각공기가 유동되는 유로를 형성하는 냉각공기 유동층;을 포함하며,

   상기 열교환기용 세라믹 전열판은,

   탄화규소(SiC) 분말과 카본 블랙(cabon black) 분말과 바인더 및 물을 혼합한 후 압출성형한 성형품에 금속 규소(Si)를 반응소결시켜 제조되고, 상기 압출성형은 진공압출기에서 수행되고, 상기 반응소결은 진공소결로에서 1600℃~1700℃의 환경에서 수행되며, 상기 유로의 단면은 실질적으로 사각 형상으로 형성되고, 폭방향을 따라 복수개로 형성되고,

   상기 배기가스 유동층과 상기 냉각공기 유동층을 구성하는 각 열교환기용 세라믹 전열판은 열전도도가 우수한 동분말을 함유한 내화몰탈에 의해 상호 접착되는 것을 특징으로 하는 컴팩트형 세라믹 열교환기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배기가스 유동층 및 상기 냉각공기 유동층은 상하방향을 따라 순차적으로 번갈아가며 복수층으로 적층되는 것을 특징으로 컴팩트형 세라믹 열교환기.
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