일반적으로 증기 가열 장치는 열교환기에 형성된 가열부에 가열용 증기가 공급되고, 가열에 의해 발생한 응축수를 배출하는 응축수 회수 장치를 접속시켜 구성된다.
도 1은 종래 기술에 증기 가열 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고온의 증기를 형성하기 위한 보일러(10)와, 보일러(10)에서 생성된 고온의 증기가 공급되어 처리 대상물을 가열하는 가열부(30, 30')와, 가열부(30 및 30')로부터 응축수만 배출되도록 하는 스팀 트랩(40, 40')과, 스팀 트랩(40, 40')으로부터 배출된 응축수가 수집되며, 외부로부터 보충수가 급수되는 응축수 탱크(50)와, 응축수 탱크(50)에 수집된 응축수를 보일러(10)로 공급하는 급수 펌프(51)로 구성된다.
급수 펌프(51)에 의해 보일러(10)로 급송된 응축수는 버너에 의해 가열되어 고압의 과열 증기(super heated vapor) 상태로 헤더(20)와 체크 밸브(31, 31')를 거쳐 제 1 가열부(30) 및 제 2 가열부(30')로 공급된다.
제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급된 증기는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')에서 열교환을 통해 온도가 저하되면서 응축되어 습포화증기(wetsaturated vapor) 상태가 된다.
이때 증기가 응축되어 생기는 응축수는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')의 하부에 설치된 스팀 트랩(40, 40')에 각각 모이게 된다.
스팀 트랩(40, 40')은 일반적으로 버킷(Bucket) 또는 프로우트(Float) 타입이 사용되고, 스팀 트랩(40, 40')에 일정량 이상의 응축수가 유입되면 버킷 또는 플로우트가 응축수의 부력에 의해 상승하여 스팀 트랩의 밸브(41, 41')가 개방됨으로서 응축수만 응축수 탱크(50)로 배출된다.
스팀 트랩(40, 40')으로부터 응축수 탱크(50)로 배출되는 응축수는 압력이 저하되면서 일부는 대기중으로 증발되며, 응축수 탱크(50)에 잔류되는 나머지 응축수는 외부에서 공급되는 보충수와 섞여 급수 펌프(51)를 통해 보일러로 공급된다.
보충수는, 일반적으로 보충수 탱크(60) 및 보충수 공급 펌프(61)를 별도로 설치하여 공급하게 되고, 라인에 개폐 밸브(62)를 설치하는 것도 물론 가능하다.
그러나, 이러한 종래의 증기 가열 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
가열부(30, 30') 내부의 증기가 배출되지 않도록, 바람직하게는 증기에 포함되어 있는 잠열이 가열부(30, 30')의 외부로 빠져 나가지 않도록 스팀 트랩(40, 40')이 설치되어 있으나, 스팀 트랩(40, 40')으로부터 응축수 탱크(50)로 배출된 응축수중에서 상당량이 대기중으로 증발되어 소모되므로 에너지 효율이 극히 낮은 문제점이 있다.
또한, 대기중으로 손실되는 증기량만큼 보충수가 지속적으로 공급되어야 하므로 다량의 용수가 소요되며, 상온의 보충수가 다량 섞여 온도가 저하된 상태로 보일러(10)로 급수되므로 이를 고온의 증기로 가열하기 위해 많은 양의 연료가 소비되는 문제점이 있다.
한편, 이러한 스팀 트랩의 사용에 따른 문제점을 개선하기 위하여 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')의 하부에서 스팀 트랩을 제거하고, 응축수가 중력에 의해 집수될 수 있도록 제 1 및 제 2 가열부(30, 30') 보다 하위에 밀폐형 급수 탱크를 설치하며, 급수 펌프를 통해 밀폐형 급수 탱크의 물을 보일러로 강제 공급하는 기술이 제안되었다.
그러나, 스팀 트랩이 설치되지 않은 증기 가열 장치는 중력에 의한 응축수의 이동이 가능하지만 증기의 방출(일부 대기 방출)이 수행되지 않으면 차압이 형성되지 못하여 열순환이 느려지는 문제점이 있다.
또한, 급수 탱크에 포집된 응축수를 급송하기 위한 급수 펌프의 작동시 케비테이션이 발생하여 급수 펌프가 파손되는 문제점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치를 이용한 보일러 시스템의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 4는 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치의 증기 재압축 제어 밸브의 구성을 나타낸 단면도이다.
우선 종래기술과 동일한 구성요소에 대한 반복적인 설명은 생략하고, 종래기술과 동일한 구성요소에 대하여 동일한 도면부호를 사용한다.
도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치는 고온의 증기를 형성하기 위한 보일러(10)와, 보일러(10)에서 생성된 고온의 증기가 헤더(20)를 통해 공급되어 처리 대상물을 가열하는 제 1 가열부(30) 및 제 2 가열부(30')와, 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')를 가열하기 위한 증기가 공급되도록 하는 증기 가압부(100)와, 제 1 및 제 2 가열부(30 및 30')로부터 배출되는 응축수의 수집과 상기 응축수에서 발생하는 재증발 증기를 회수하는 증기 회부수(200)와, 증기 회수부(200)에서 회수된 상기 재증발 증기가 증기 가압부(100)에 공급되도록 하는 증발 증기 연결관(300)을 포함하고, 바람직하게는 밀폐 회로로 이루어진다.
증기 가압부(100)는 보일러(10)로부터 공급되는 고온의 증기와 증기 회수부(200)로부터 공급되는 재증발 증기를 혼합하여 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급하는 구성으로서, 증기 재압축 제어 밸브(110)와, 압력 센서(130)와, 압력 제어부(140)를 포함하여 이루어진다.
증기 재압축 제어 밸브(110)는 보일러(10)부터 공급되는 고온의 증기와, 증발 증기 연결관(300)을 통해 증기 회수부(200)로부터 공급되는 재증발 증기를 혼합하여 제 1 및 제 2 가열부(30. 30')로 공급한다.
증기 재압축 제어 밸브(110)를 더욱 구체적으로 설명하면, 보일러(10)로부터 공급되는 고온의 증기가 유입되는 고온 증기 유입구(111)와, 증기 회수부(200)로부터 공급되는 재증발 증기가 유입되는 재증발 증기 유입구(112)와, 상기 고온의 증기와 재증발 증기가 혼합되어 토출되는 증기 토출구(113)와, 증기 재압축 제어 밸브(110)의 온/오프 동작을 제어하기 위한 액추에이터(120)와, 액추에이터(120)의 동작에 따라 이동하는 개폐 로드(121)와, 액추에이터(120)의 개폐 로드(121)에 설치되어 액추에이터(120)의 동작에 따라 고온 증기 유입구(111)와 증기 토출구(113) 를 연결한 제 1 관통공(114)을 개폐하는 제 1 개폐부(122)와, 재증발 증기 유입구(112)와 증기 토출구(113)를 연결한 제 2 관통공(115)을 개폐하는 제 2 개폐부(123)를 포함한다.
따라서 증기 재압축 제어 밸브(110)는 고온의 증기(실선 화살표)가 고온 증기 유입구(111)로 유입되어 제 1 관통공(114)을 통해 증기 토출구(113)로 분출되면, 재증발 증기 유입구(112)의 제 2 관통공(115) 부분에서 압력 저하 현상이 발생하고, 이에 따라 주변의 공기가 흡인되어 진공압(음압)이 발생하여 재증발 증기(점선 화살표)가 고온의 증기(실선 화살표)와 함께 혼합되어 분출된다.
압력 센서(130)는 증기 재압축 제어밸브(110)와 제 1 및 제 2 가열부(30, 30') 사이에 설치되어 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급되는 증기의 압력을 검출하는 구성으로서, 바람직하게는 증기 재압축 제어 밸브(110)의 증기 토출구(113)로 토출되어 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급되는 증기의 압력을 검출하고, 상기 검출된 증기의 압력 값을 압력 제어부(140)로 제공한다.
압력 제어부(140)는 압력 센서(130)로부터 검출된 압력에 따라 증기 재압축 제어 밸브(110)로 동작 제어 신호를 출력하여 증기 재압축 제어 밸브의 동작을 제어하는 구성으로서, 바람직하게는 압력 센서(130)로부터 검출된 증기의 압력 값을 분석하고, 상기 분석된 결과에 따라 증기 재압축 제어 밸브(110)에 설치된 액추에이터(120)의 동작 제어 신호를 출력함으로써, 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급되는 증기의 압력이 조절되도록 한다.
한편, 본 실시예에서는 압력 센서(130)와 압력 제어부(140)를 실시예로 설명 하였으나, 압력 센서(130)를 증기의 온도를 검출하는 온도 센서로 설계 변경하고, 압력 제어부(140)를 상기 온도 센서로부터 검출된 온도에 따라 액추에이터(120)의 동작 제어 신호를 출력하는 온도 제어수단으로 설계 변경하여 구성할 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
증기 회수부(200)는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로부터 배출되는 응축수와 상기 응축수에서 재증발하는 증기를 회수하여 응축수는 보일러(10)로, 재증발 증기는 증기 가압부(100)로 각각 공급하는 구성으로서, 증발 용기(210)와 급수 펌프(220)와 수위 센서(230)와 수위 제어부(240)와 오버 플로우 밸브(250)를 포함하여 이루어진다.
증발 용기(Flash Vessel: 210)는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')와 연결되고, 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')에서 열교환을 통해 발생된 응축수가 체크 밸브(41, 41')에 의해 배출되면 유입되도록 하고, 증발 용기(210)로 회수된 응축수에서 재증발하여 분리되는 증발 증기를 회수하여 증기 재압축 제어 밸브(110)로 공급한다.
즉 증발 용기(210)는 응축수와 재증발 증기가 분리된 상태에서 함께 수납되어 있어 응축수와 재증발 증기를 선택적으로 배출할 수 있다.
또한, 증발 용기(210)는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')가 설치된 높이와 동일한 높이에 설치될 수도 있고, 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')가 설치된 높이보다 낮은 곳에 설치될 수도 있으며, 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')가 설치된 높이보다 높은 곳에 설치될 수도 있지만, 바람직하게는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')가 설치된 높이보다 낮은 곳에 설치하여 응축수가 중력에 의한 자연 낙하를 통해 더욱 용이하게 이동될 수 있게 한다.
급수 펌프(220)는 증발 용기(210)로 유입된 응축수가 보일러(10)로 강제 급수되도록 한다.
수위 센서(230)는 증발 용기(210)의 일측에 설치되어 증발 용기(210)로 유입되는 응축수의 수위를 검출한다.
수위 제어부(240)는 수위 센서(230)로부터 검출된 수위를 분석하고, 상기 분석된 결과에 따라 급수 펌프(220)의 동작을 제어하기 위한 동작 제어 신호를 급수 펌프(220)로 출력한다.
오버 플로우 밸브(250)는 증발 용기(210)의 일측에 설치되어 증발 용기(210)로 과도한 양의 응축수가 유입되는 경우 응축수의 오버플로우를 방지하는 구성으로서, 오버 플로우 밸브(250)의 일측은 증발 용기(210)에 연결되고 오버 플로우 밸브(250)의 타측은 보충수 탱크(60)와 연결되어 오버 플로우로 인한 응축수가 보충수 탱크(60)로 배출되도록 한다.
미설명 부호 31, 31'은 체크 밸브로서, 증기 가압부(100)로부터 공급되는 증기가 제 1 가열부(30) 및 제 2 가열부(30')로 선택적으로 유입되도록 개폐 동작을 수행한다.
또한, 미설명 부호 61은 보충수 탱크(60)의 물을 보일러(10)로 공급하는 공급 펌프이고, 미설명 부호 62는 밸브이다.
다음은 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치의 동작 과정을 설 명한다.
초기 동작시에는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')의 온도가 사용자에 의해 미리 설정된 온도에 도달할 때까지 보일러(10)에서 가열된 고온의 증기가 헤더(20)를 거처 증기 가압부(100)의 증기 재압축 제어 밸브(110)로 지속적으로 공급된다.
초기 동작시에는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')의 온도가 낮아 열교환시에 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')에서 대량의 응축수가 발생하게 되고, 상기 발생된 응축수는 체크 밸브(41, 41')를 통해 증발 용기(210)로 유입된다.
수위 제어부(240)는 수위 센서(230)를 통해 증발 용기(210)내의 응축수 수위를 검출하고, 상기 검출된 응축수의 수위가 미리 설정된 일정 수위에 도달하면 급수 펌프(220)를 동작시켜 증발 용기(210) 내의 응축수가 보일러(10)로 급송되도록 한다.
또한, 과도한 양의 응축수가 증발 용기(210)로 유입되어 응축수의 오버 플로우가 발생될 경우 오버 플로우 밸브(250)가 동작하여 상기 오버 플로우로 인해 발생되는 응축수가 보충수 탱크(60)로 보내지도록 한다.
한편, 초기 동작후 일정 시간이 경과하면 증발 용기(210)로 유입된 응축수 중의 일부에서 재증발이 발생하게 되고, 이때 재증발된 증기는 증발 증기 연결관(300)을 통해 증기 재압축 제어 밸브(110)의 재증발 증기 유입구(112)로 공급된다.
재증발 증기 유입구(112)로 공급된 재증발 증기는 고온 증기 유입구(111)를 통해 유입되는 고온의 증기가 증기 토출구(113)로 배출되는 동안 재증발 증기 유입 구와 증기 토출구(113) 사이에 형성된 제 2 관통공(115)의 주변에는 진공압(음압)이 발생하게 되고, 이로 인해 재증발 증기 유입구(112)로 공급된 재증발 증기가 흡인되어 고온의 증기와 함께 증기 토출구(113)를 통해 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급된다.
즉 버려지던 재증발 증기를 회수하여 재사용함으로써 에너지 사용 효율을 향상시킬 수 있게 되고, 또한 밀폐회로 상에서 진공압에 의해 발생되는 차압으로 인해 증기의 유속을 연속적으로 빠르게 할 수 있어 열 관류율을 높임과 동시에 열교환 효율이 개선될 수 있게 된다.
제 1 및 제 2 가열부(30, 30')가 일정 온도까지 도달하여 압력 센서(130)로부터 검출되는 증기의 압력이 일정 압력에 도달하면, 압력 제어부(140)는 액추에이터(120)로 동작 제어 신호(오프 신호)를 출력하여 증기 재압축 제어 밸브(110)의 동작을 종료한다.
이후 압력 제어부(140)는 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')의 온도가 떨어져 압력 센서(130)로부터 검출되는 증기의 압력이 낮아지게 되면, 액추에이터(120)로 동작 제어 신호(온 신호)를 출력하여 증기 재압축 제어 밸브(110)가 동작하도록 제어한다.
이에 따라 고온의 증기가 증기 재압축 제어 밸브(110)를 통해 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급되는 동안 증발 용기(210)에서 재증발된 증기는 증기 재압축 제어 밸브(110)에 발생된 진공압(음압)으로 인해 흡인되어 제 1 및 제 2 가열부(30, 30')로 공급됨으로써 재증발 증기를 사용할 수 있게 된다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치를 설치하기 전/후의 시간당 증기 사용량과 연료 소비량을 측정하여 나타낸 파형도이다.
도 5a에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치를 설치하기 전에 시간당 사용되는 증기의 양은 평균 약 6,000Kg/hr이었으나, 설치후에 시간당 사용되는 증기의 양은 도 5b에 나타낸 바와 같이, 평균 약 4,000Kg/hr이 사용되어 재증발 증기의 사용으로 약 2,000Kg/hr의 증기 사용량이 감소되었음을 알 수 있다.
또한, 도 6a에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 재증발 증기 및 응축수 회수 장치를 설치하기 전에 시간당 소비되는 연료의 양은 평균 약 660ℓ/hr이었으나, 설치후에 시간당 소비되는 연료의 양은 도 6b에 나타낸 바와 같이, 평균 약 430ℓ/hr가 소비되어 재증발 증기의 사용으로 약 230ℓ/hr의 연료 소비량이 감소되었음을 알 수 있다.
따라서, 증발 용기(210)에서 발생하는 재증발 증기량 만큼 보일러(10)로부터 공급되는 증기의 양을 감소시킬 수 있고, 보일러(10)로부터 공급되는 증기의 양이 감소되는 만큼 보일러(10)에서 소비되는 연료의 소비량도 절감할 수 있게 된다.
이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.