KR101388307B1 - 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기에 관한 것으로서, 브라운가스발생기의 대용량화에 따른 전해액 냉각문제를 해결하기 위한 방법으로 현재는 브라운가스플랜트에 냉동방식인 전해액 자동온도조절 냉각장치를 사용하고 있으나 가격이 고가인 점을 고려하여 좀 더 저렴하고 간단한 방법이면서도 냉동방식의 냉각기를 대신할 수 있는 새로운 공랭식 냉각기를 제안한 것이다.
본 발명의 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기는 냉각관 전체를 스테인리스 주름관만을 사용하여 만든 것이 특징이다. 따라서 강알칼리성인 전해액에 의한 부식문제를 해결할 수 있고 냉각관이 주름관 형태이므로 전열면적이 넓어 방열효과가 큰 것이 장점이고 또한 주름관을 자유자재로 구부릴 수 있기 때문에 여러 가지 형태의 냉각기를 만들 수 있는 것이 장점이다.
예를 들어 스테인리스 주름관으로 4각 패널형태의 냉각기를 만들어 브라운가스플랜트 본체의 외벽에 설치하고 본체 상면에 배풍기를 설치하면 브라운가스플랜트와 일체형 공랭식 냉각기가 되므로 제품이 소형화되면서 콤팩트하고 미려한 상품을 만들 수 있다.

Description

브라운가스플랜트용 전해액 냉각기 {Electrolyte Cooler for BROWN GAS PLANT}

본 발명은 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기에 관한 것으로서, 브라운가스발생기를 대용량화한 브라운가스플랜트의 전해액 냉각문제를 해결하기 위한 방법으로 현재 냉동방식인 전해액 자동온도조절 냉각장치를 사용하고 있으나 가격이 고가인 점을 고려하여 좀 더 저렴하고 간단한 방법이면서도 냉동방식의 냉각기를 대신할 수 있는 새로운 공랭식 냉각기를 제안하기 위한 것이다.

본 발명자는 전해액 냉각기의 냉각관으로 스테인리스 주름관을 사용함으로써 강알칼리성인 전해액에 의한 부식문제를 해결하였고 냉각관이 주름관 형태이므로 전열면적이 넓어 방열효과가 큰 것을 확인하였다. 따라서 본 발명의 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기는 다른 냉각기와 달리 냉각관 전체를 스테인리스 주름관만으로 사용한 것이 특징이다.

브라운가스란 브라운가스플랜트에서 자동 생산되는 완전무공해 연료를 말하며, 물(H2O)의 구성비 그대로 수소와 산소가 2 : 1의 비율로 혼합된 상태의 혼합가스를 말한다. 이 브라운가스를 대량생산할 수 있는 브라운가스플랜트의 전해조를 설계함에 있어서 전극판의 배열과 전극판 면적의 설정 등도 중요하지만 더 중요한 것이 있다면 그것은 전해액 냉각방법이다.

왜냐하면 물을 전기분해하여 생산되는 브라운가스를 산업용 보일러, 가열로, 소각로 등의 연료로 사용하기 위해서는 브라운가스를 대량 생산하여 24시간 365일 지속적으로 공급할 수 있어야 하는데 이때 전해액이 과열되어 수증기가 나오면 안 되기 때문이다.

이렇게 산업현장의 보일러, 가열로, 용융로 등의 연소설비에 브라운가스를 24시간 365일 안정적으로 공급할 수 있는 브라운가스플랜트의 전해액 냉각장치에 관해서는 본 출원인이 선 출원하여 등록한 특허 제0630803호, 전해액 자동온도조절 냉각장치(이하, 인용특허라 칭한다)에서 자세히 설명하고 있으므로 인용특허를 인용하여 설명하면 다음과 같다.

인용특허는 [요약]에 기술하기를

『본 발명은 전해조 대용량화에 따른 전해액 냉각문제를 해결하기 위한 전해액 자동온도조절 냉각장치에 관한 것이다. 본 발명의 전체적인 구성은 판형 열교환기를 냉각기로 사용하여 전해조와 연결구성한 후, 전해액 순환펌프에 의해 전해액이 판형 열교환기를 통과하여 순환하도록 구성하고 또한 상기 판형 열교환기를 증발기로 사용함과 아울러 압축기, 응축기 및 팽창밸브로 이루어진 냉매순환방식의 냉동기 사이클에 의해 냉각효과를 높이도록 일체로 구성한 것이다.

이렇게 구성하여 전해액과 냉매는 판형 열교환기 내부에 형성되어 있는 전해액 흐름공간과 냉매흐름공간을 각각 통과하면서 열교환 플레이트를 사이에 두고 효율적으로 열교환을 하면서 전해액을 냉각하게 된다. 이 때 냉동기는 온도 컨트롤러에 의해 가동과 중단을 반복하면서 전해액의 온도를 셋팅치 범위 내의 일정온도로 자동 컨트롤하여 브라운가스가 안정적으로 발생되도록 하여 주므로 결과적으로 본 발명은 전해효율을 크게 향상시킨 것이다.』 라고 기술하고 있다.

또한 본 출원인이 선 출원하여 등록한 발명의 명칭, 횡렬식전해조를 포함한 브라운가스 대량발생장치는 이미 상용화 되어 브라운가스플랜트라는 명칭으로 시판되고 있는 것인데 브라운가스플랜트는 횡렬식전해조를 내장한 브라운가스 대량발생장치 본체에 냉동방식의 전해액 자동온도조절 냉각장치와 자동급수장치 등을 일체로 구성한 것이다.

다시 말하면 브라운가스플랜트는 물을 전기분해하여 나오는 브라운가스를 연료로 사용할 수 있도록 플랜트화한 것으로 산업현장의 보일러, 가열로, 용융로 등의 연소설비에 브라운가스를 24시간 365일 안정적으로 공급할 수 있는 대용량의 브라운가스 생산설비를 말한다. 브라운가스플랜트는 WE시스템(WATER ENERGY SYSTEM)의 핵심 설비이기 때문에 앞으로 그 수요가 급증할 것이다.

WE시스템이란 브라운가스플랜트와 브라운가스 연소설비(브라운가스 보일러, 가열로, 용융로 등)를 하나의 시스템으로 연계구성하여 브라운가스플랜트에서 물을 브라운가스로 변환시키자마자 곧바로 브라운가스연소설비에서 브라운가스를 발열시켜 열에너지로 만들어 내는 물의 연료화시스템을 말한다. 이렇게 WE시스템에서 만들어지는 열에너지를 워터에너지라 한다.

다시 말하면 물의 에너지화는 브라운가스플랜트와 브라운가스 연소설비를 하나의 시스템으로 연계구성한 WE시스템에 의해 이루어진다. 지금 저탄소 녹색성장시대에 화석연료 사용량을 최소화 할 수 있는 방법으로 제시된 것으로는 WE시스템에 의한 워터에너지 혼합연소시스템(발명의 명칭 ; 브라운가스 연소촉진시스템)이 있다.

워터에너지 혼합연소시스템 이란 LNG, LPG, 경유, 벙커-C유, 정제유 등의 화석연료를 사용하는 산업용 보일러, 가열로, 용융로 등의 기존설비에 브라운가스플랜트를 설비하여 브라운가스플랜트에서 자동 공급되는 워터에너지 브라운가스를 화석연료와 함께 혼합연소시킴으로써 화석연료의 연소촉진을 유발하여 연료를 절감하는 새로운 연소기술을 말한다. 이 시스템은 기존 설비를 크게 개조하거나 새로 만들지 않고 그대로 사용할 수 있는 것이 장점이다.

따라서 누구나 브라운가스플랜트를 구비하여 워터에너지 혼합연소시스템을 구성하면 브라운가스플랜트로부터 브라운가스를 24시간 자동공급 받을 수 있으므로 연료비용을 크게 절감할 수 있다. 이와 같이 에너지문제와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 것은 물을 연료화하여 브라운가스를 대량 생산하는 브라운가스플랜트가 있어 가능한 것이다. 따라서 브라운가스플랜트는 무엇 보다 전해액이 과열되지 않도록 하는 냉각기의 구성이 중요하다.

전술한 바와 같이 브라운가스플랜트에는 현재 냉동방식에 의한 전해액 자동온도조절 냉각장치를 구성하여 산업현장의 보일러, 가열로, 용융소각로 등에 브라운가스를 24시간 365일 안정적으로 공급하는데 지장이 없도록 하고 있다. 그러나 브라운가스플랜트에 냉동방식에 의한 전해액 자동온도조절 냉각장치를 부설하는 것은 소비자들에게 가격 면에서 부담을 주기 때문에 중소형의 경우 공랭식을 고려할 필요가 있다.

예를 들어 상기 워터에너지 혼합연소시스템을 적용할 때 5톤 이상의 대형 보일러에는 10,000ℓ/h급 이상의 대형 브라운가스플랜트를 구성하면 좋겠지만 2톤 이하의 중소형 보일러에는 3,000 - 6,000ℓ/h급의 중소형 브라운가스플랜트가 바람직하므로 이제 본 출원인은 대형 브라운가스플랜트에는 그대로 냉동방식을 사용하고 중소형 브라운가스플랜트에는 공랭식 냉각장치를 개발하여 브라운가스플랜트의 수요에 부응할 생각이다.

따라서 본 발명은 브라운가스플랜트에 적합한 공랭식 냉각기를 제안하기 위한 것이므로 시중에서 구입할 수 있는 냉각장치가 아닌 새로운 냉각장치로서 스테인리스 주름관을 이용한 전해액 냉각기를 창안하여 브라운가스플랜트를 24시간 연속가동해도 전혀 문제가 없도록 하기 위한 것이다.

시중에는 수많은 냉각장치가 나와 있지만 브라운가스플랜트의 전해액 냉각기로 쓸 수 없는 것들이다. 왜냐하면 물과 KOH 등을 혼합하여 사용하는 전해액은 강알칼리 용액이므로 전해액과 접촉되는 부위를 부식시키기는 문제가 있기 때문이다. 현재 시중에 나와 있는 냉각장치는 이 문제를 고려하지 않고 만들었기 때문에 전해액 냉각장치에 쓸 수 없는 것이므로 반드시 스테인리스 재질(SUS304, SUS319)을 사용하지 않으면 안 된다.

그러나 냉각관으로 스테인리스 직관을 사용하면 방열기를 만들 때 방열 핀을 냉각관과 단단히 결합하기 위해서 냉각관을 확장하여 성형해야 하므로 작업성이 떨어져 결국 가격이 높아지게 된다. 따라서 시중에서 스테인리스 재질의 전해액 냉각기를 쉽게 구할 수 없는 것이다. 이렇게 전해액 용도로 사용할 수 있는 마땅한 냉각기가 시중에 없기 때문에 본 발명은 스테인리스 재질의 새로운 냉각장치를 제안하기 위한 것이다.

따라서 본 발명은 새로운 공랭식 냉각기를 창안하여 대용량 전기분해 장치의 전해액 냉각문제를 해결함으로써 브라운가스플랜트의 수요에 부응하기 위한 것이므로, 무엇보다 부식문제를 해결할 수 있고 전열면적이 넓어 방열효과가 좋은 스테인리스 재질의 소재를 찾는 것이 중요하고 또한 그런 소재를 브라운가스플랜트의 전해액 냉각관으로 사용하였을 때 실제로 냉각효과가 얼마나 되는지 확인하는 작업이 중요하다.

상기 과제를 해결하기 위해선 우선 냉각기의 냉각관으로는 강알칼리성인 전해액에 부식되지 않는 스테인리스 재질이 필요하므로 본 발명은 그에 적합한 스테인리스 주름관을 냉각관으로 사용한다. 스테인리스 주름관이 전해액 냉각관으로 적합한 이유는 다음과 같다.

1) 시공성 : 스테인리스 주름관은 공구 없이 자유자재로 구부릴 수 있어 어떠한 형태의 배관도 작업이 가능하다.

2) 무해성 : 스테인리스강은 이온용출이 되지 않으므로 중금속으로 인한 해가 전혀 없다.

3) 열효율성 : 스테인리스강은 산화스케일이 끼지 않으므로 열효율이 높다.

4) 전열면적 : 주름관을 형성하여 직관에 비해 전열면적이 두 배 정도 넓다.

5) 전열성 : 스테인리스 주름관은 두께가 0.25mm에 불과하므로 직관에 비해 전열성이 높다.

6) 내부식성 : 강알칼리성인 전해액에도 부식되지 않고 녹물이 발생하지 않는 청정배관재이다.

7) 내열성 : 섭씨 200℃의 고온에서도 상온과 같은 특성을 유지 할 수 있는 내열성이 우수한 배관재이다.

8) 내압성 : 주름형상으로 열팽창시 관 자체의 흡수율이 높기 때문에 열팽창으로 인한 소재변형 및 파괴현상의 위험이 없다.

9) 안정성 : 진동에 의한 뒤틀림 또는 비틀림을 주름형상에 의해 충격을 흡수하기 때문에 안전하다.

10) 경제성 : 타 금속직관에 비해 작업시간 단축되므로 제품가격이 싸진다.

상기와 같이 본 발명의 스테인리스 주름관을 이용한 전해액 냉각기는 주름관을 자유자재로 구부릴 수 있기 때문에 여러 가지 형태의 냉각기를 만들 수 있는 것이 장점이다.

예를 들어 상판과 하판 사이에 다수개의 지지대를 다각형으로 설치하고 스테인리스 주름관을 지지대 주위를 감아올려 속이 텅 빈 원통형상의 코일을 형성하고 상판의 중심에 배풍기를 설치하면 훌륭한 공랭식 냉각기가 된다.

다른 실시예로 앵글로 평면 4각틀을 짜고 4각틀 안쪽으로 X자형 지지대를 형성하여 스테인리스 주름관을 4각틀 안쪽을 따라 계속 중심 쪽으로 설치해가면 4각 패널형태의 냉각기가 된다.

이 패널 냉각기를 브라운가스플랜트 본체의 외벽에 설치하고 본체 상면에 배풍기를 설치하면 브라운가스플랜트와 일체형 공랭식 냉각기가 된다. 이러한 패널형태의 냉각기는 공간을 적게 차지하므로 브라운가스플랜트 본체의 외벽에 설치하고 그 외측에 공기 출입이 자유롭도록 타공된 커버를 설치하면 제품이 소형화되면서 콤팩트하고 미려한 상품을 만들 수 있다.

<실시예>

본 발명자는 본 발명의 스테인리스 주름관을 이용한 전해액 냉각기로서, 기대(하판)와 상판 사이에 8개의 지지대를 등간격의 팔각형을 이루도록 수직으로 설치하고 50A 스테인리스 주름관을 지지대 주위를 감아올려 속이 텅 빈 원통형상의 코일을 형성한 후 상판의 중심에 배풍기를 설치하여 전해액 냉각기를 만들었다.

이 냉각기를 브라운가스플랜트(모델 BL-3000)에 부설하여 매 10분마다 전해액 상승온도와 브라운가스 생산량을 측정하면서 최고온도가 더 이상 올라가지 않고 일정 온도를 유지할 때까지 연속 가동하였다. 적용모델(BL-3000)의 사양과 측정결과는 다음과 같다.

1) 브라운가스플랜트(BL-3000)

- 가스 생산량: 3000ℓ/h

- 물 소모량: 1.62ℓ/h

- 전력소모량: 11.25kwh

2) 전해액 냉각기

- 스테인리스 주름관 호칭경: 25A

- 스테인리스 주름관 두께: 0.25mm

- 스테인리스 주름관 총길이: 60m

3) 측정결과

도3은 상기 측정결과를 온도상승곡선으로 나타낸 것이다. 도3에서 보듯이 상온 20.3℃에서 시작하여 60분까지는 급격히 올라갔지만 90분부터 서서히 오르고 180분 이후부터는 49.8℃로 더 이상 오르지 않는 것을 알 수 있다. 이것은 전해조의 열 발생량과 냉각기의 발열량이 평형을 이루는 것이므로 충분한 냉각효과를 보고 있는 것이다.

본 테스트 결과는 100% 연속 가동하여 최고온도가 49.8℃로 나타났으나 실제로 기계를 운전할 때의 가동률이 70 - 80% 정도이므로 49.8℃ 보다 훨씬 낮은 온도인 40℃ 이하로 운전될 것이다. 브라운가스플랜트의 전해액온도는 50℃ 이하로 운전하면 바람직하기 때문에 만족할 만한 결과를 얻었다.

만약 스테인리스 주름관의 길이를 현재 60m 보다 더 늘리면 현재 최고온도 49.8℃ 보다 더 낮은 온도를 얻을 수 있으므로 설계자가 필요에 따라 적정 온도를 설정할 수 있다. 또한 현재 길이 60m인 냉각기 2대를 설계하든가 길이를 두 배로 하면 가스 생산량이 두 배인 BL-6000 모델에 쓸 수 있고 길이를 보다 길게 하면 더 큰 모델에도 쓸 수 있다는 결론이다.

따라서 본 테스트 결과 스테인리스 주름관의 냉각효과가 입증되었고 또한 스테인리스 주름관의 길이를 얼마로 설정하느냐에 따라 냉각기 용량과 전해액 운전온도를 조정할 수 있게 되었다.

본 발명은 대용량의 전기분해 장치인 브라운가스플랜트의 전해액 냉각문제를 값싼 방법으로 해결함으로써 브라운가스플랜트의 수요에 부응하기 위한 것이다. 이에 따라 본 발명은 브라운가스플랜트의 전해액 냉각관으로 전열면적이 넓고 방열효과가 좋은 스테인리스 주름관을 사용하여 무엇보다 중요한 부식문제를 해결하였고 실제로 탁월한 냉각효과를 얻었다.

본 발명은 스테인리스 주름관의 냉각효과를 실제로 입증함으로써 브라운가스플랜트에 냉동방식이 아닌 공랭식 냉각기를 사용할 수 있게 하였고 결과적으로 제품가격을 낮출 수 있게 하는 큰 효과를 얻었다.

또한 패널형태의 냉각기를 브라운가스플랜트 본체의 외벽에 설치하고 본체 상면에 배풍기를 설치하여 브라운가스플랜트와 일체형으로 만들 수 있게 하였다.

일반적으로 방열기를 만들 때 냉각관으로 직관을 사용하고 방열 핀을 냉각관과 단단히 결합하기 위해서 냉각관을 확장 성형하여 사용하고 있다. 만약 이런 방법으로 만든다면 스테인리스 직관에 방열 핀을 구성하여야 한다. 이렇게 스테인리스 직관에 방열 핀을 구성하는 방법과 본 발명의 스테인리스 주름관을 사용하는 방법을 서로 비교해 보면 스테인리스 주름관이 훨씬 경제적임을 알 수 있다.

결과적으로 브라운가스플랜트의 전해액 냉각기에 스테인리스 주름관을 사용함으로써 전열면적이 넓고 두께가 0.25mm에 불과하여 전열성이 높을 뿐만 아니라 강알칼리성인 전해액을 순환시키기에 적합한 내부식성, 내열성은 물론 내구성까지 전부 확보할 수 있으므로 소비자들에게 값싼 제품을 제공할 수 있게 만들어 준 아주 유용한 발명이다.

도1은 인용특허에서 도시한 냉동방식의 전해액 계통도
도2는 본 발명의 전해액 계통도
도3은 본 발명에 따라 실시한 전해액 온도상승 곡선도
도4는 본 발명의 일구성 요소인 지지대의 설치 위치를 보여주는 기대 평면도
도5는 본 발명에 따른 스테인리스 주름관 코일이 설치된 상태를 보여주는 사시도
도6은 도5의 스테인리스 주름관 코일이 접촉된 상태의 부분도
도7은 본 발명에 따른 냉각기의 전체 외관을 보여주는 사시도

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1은 인용특허에서 도시한 냉동방식의 전해액 계통도이고, 도2는 본 발명의 전해액 계통도이며, 도3은 본 발명에 따라 실시한 전해액 온도상승 곡선도이고, 도4는 본 발명의 일구성 요소인 지지대의 설치 위치를 보여주는 기대 평면도이며, 도5는 본 발명에 따라 스테인리스 주름관 코일이 설치된 상태를 보여주는 사시도이고, 도6은 도5의 스테인리스 주름관 코일이 접촉된 상태의 부분도이고, 도7은 본 발명에 따른 냉각기의 전체 외관을 보여주는 사시도이다.

도1 내지 도7에 도시한 바와 같이 본 발명은 실제 실험결과에 의해 안출한 것으로 전체적인 전해액 계통은 브라운가스플랜트의 전해조탱크(100)에서 온도 상승된 전해액이 순환펌프(110)에 의해 전해액 냉각기(200)로 보내지고 여기서 전해액은 스테인리스 주름관 코일(230)을 따라 인입구(231)로부터 출구(232)로 올라가면서 방열되어 냉각된 후 다시 전해조탱크(100)로 되돌아가는 사이클을 반복하도록 구성한 것이다.

도4와 도5에 도시한 바와 같이 본 발명의 전해액 냉각기(200)는 캐스터(211)가 장착된 기대(210)와 기대(210) 위쪽 상부에 설치되는 상판(220) 사이에 앵글 철재로 8개의 지지대(212)를 등간격의 팔각 형태를 이루도록 수직으로 설치하고 50A 스테인리스 주름관을 지지대(212) 외측을 서로 접촉되는 상태로 감아올려 속이 텅 빈 원통 형상의 스테인리스 주름관 코일(230)을 형성한 후 상판(220)의 중심에 배풍기(240)를 설치하고 사방이 타공된 직육면체의 케이스(250)를 씌워 완성한 것이다.

도6에 도시한 바와 같이 상기 스테인리스 주름관 코일(230) 사이에 약간의 틈새와 함께 틈새통기공(233)이 무수히 생기는데 상판(220) 중심에 설치한 배풍기(240)의 작동에 따라 외부 공기가 틈새통기공(233)을 빠르게 통과하므로 스테인리스 주름관(230) 내부를 흐르는 전해액을 효과적으로 방열시켜 준다.

본 발명의 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기는 통상의 지식을 가진 자가 응용하거나 설계 변경하여 사용할 수 있는 것으로써, 전해액 냉각기 이외의 화학물질 냉각기, 오일 냉각기, 워터 냉각기 등에도 얼마든지 사용할 수 있는 것이다.

100: 전해조 탱크 110: 전해액 순환펌프
200: 전해액 냉각기 210: 기대
211: 캐스터 212: 지지대
220: 상판 230: 스테인리스 주름관 코일
231: 전해액 인입구 232: 전해액 출구
233: 틈새통기공 240: 배풍기
250: 케이스

Claims (2)

1. 전해조에서 온도 상승된 전해액을 전해액 순환펌프에 의해 전해액 냉각기를 통과시켜 냉각시키기 위한 전해액 냉각장치에 있어서, 캐스터(211)가 장착된 기대(210)와; 상기 기대(210)에 등간격의 다각 형태를 이루도록 수직으로 설치한 다수개의 지지대(212)와; 상기 지지대(212) 위에 설치되는 상판(220)과; 상기 상판(220)의 중심에 설치되는 배풍기(240)와; 상기 지지대(212)를 둘러싸며 서로 접촉되는 상태로 감아올려진 원통 형상의 스테인리스 주름관 코일(230)과; 상기 스테인리스 주름관 코일(230)에 전해액을 통과시키기 위한 전해액 순환펌프(110)와; 상기 전해액 순환펌프(110)의 작동에 의해 온도 상승된 전해액을 스테인리스 주름관 코일(230)에서 방열시키는 전해액 냉각기(200)와; 상기 전해액 냉각기(200)의 외각에 사방이 타공된 직육면체 형태의 케이스(250)를 구성한 것을 특징으로 하는 스테인리스 주름관을 이용한 브라운가스플랜트용 전해액 냉각기.
   
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