KR101418137B1 - 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열교환기의 내열성 콘은 내부원통, 상기 내부원통의 외주면과 이격을 두고 상기 내부원통을 감싸도록 형성되는 외벽부 및 상기 내부원통과 상기 외벽부 사이의 상기 이격 공간에 충진되는 내화물을 포함한다. 본 발명에 따르면, 고온의 프로세스 가스와 상대적으로 저온인 BFW(Boiled feed water)의 접촉에 의한 온도차에 대한 완충작용을 위해 내열성 콘 내부에 내화물을 형성함으로써 별도의 스팀 주입 단계가 제거됨으로써 전체 시스템 작동의 비용이 경감되고, 폐열회수에 따른 에너지 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Description

폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘{Heat resistant Cone of Heat Exchanger for waste heat recovery}

본 발명은 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘에 관한 것이다.

일반적으로 폐열회수 장치 및 폐열회수시스템은 다양한 기술분야에서 사용되고 있다. 어떤 장치 등으로부터 작동에 필요한 에너지를 소비한 후, 배출되는 열에너지(배기가스, 프로세스 가스 등)를 다시 회수하여 전체적인 에너지 효율을 높일 수 있다. 산업폐기물의 소각장이나 요로 등에서 배출되는 배기가스의 열에너지(폐열)를 회수하는 열회수장치나, 대형선박 등의 엔진에서 발생되는 폐기가스가 유동되는 폐기가스관에 스팀발생기를 설치하여 폐기가스에 포함된 열에너지를 회수하여 활용하는 방안 등 폐열회수를 통한 에너지 효율을 높이는 것은 다양한 분야에서 사용되고 있다.

특히, 에틸렌(Ethylene)생산공정에서 나프타(Naphtha)를 열분해(Thermal Cracking) 후 에틸렌(Ethylene)을 회수하기 위해 Quench Tower로 이송중 850도의 스팀 온도를 떨어뜨리고 폐열회수를 위해 제1열교환기 및 제2열교환기가 설치되어 있다. 나프타 공급물이 노(furnace)에서 약 860도로 가열되면서 열분해가 이뤄진 프로세스 가스가 제1열교환기를 지나면서 약 600도로 냉각 후 제2열교환기로 이송된다. 더블 파이프로 이루어진 제1열교환기에 BFW(Boiled Feed Water)가 주입되어 열을 회수함으로써 스팀이 생성되고, 폐열회수가 이루어진다. 이러한 폐열회수과정에서 860도의 높은 온도의 프로세스 가스와 300도의 BFW가 만나는 지점은 큰 온도차에 의한 열피로(Thermal Fatigue)로 인한 균열 등이 발생하므로 제1열교환기 입구지점에 콘형태로 스팀을 주입하여 온도차에 의한 완충작용을 한다. 그러나, 이러한 스팀의 주입을 통한 완충작용은 지속적인 스팀사용에 따른 제조비용의 증가문제, 스팀 주입시의 출구부분의 방해판(baffle plate)의 위치 부정합에 의한 스팀주입의 불균일로 인한 균열의 발생 및 스팀주입으로 프로세스 가스와 합류됨으로써 후단 공정의 로드가 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 고온의 프로세스 가스주입과 냉각에 따른 급격한 온도변화의 완충작용을 통해 열교환기와 연결되는 파이프 등 관련 부재의 내구성의 향상과 원활한 폐열회수를 위해 열교환기의 내열성 콘을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 내열성 콘은 내부원통, 상기 내부원통의 외주면과 이격을 두고 상기 내부원통을 감싸도록 형성되는 외벽부 및 상기 내부원통과 상기 외벽부 사이의 상기 이격 공간에 충진되는 내화물을 포함한다.

여기서, 상기 외벽부는 상기 내부원통의 길이 방향 일측으로 이격공간의 폭이 점점 좁아지도록 형성되고, 상기 외벽부 일측단이 상기 내부원통면에 밀착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘은 상기 내부원통의 외주면과 상기 내화물의 상기 내부원통과의 접촉면 사이에 형성된 내측슬리브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내측슬리브는 두께가 3mm 내지 6.2mm의 범위에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘은 상기 내부원통의 외주면과 상기 내화물의 상기 내부원통과의 접촉면 사이에 형성된 완충페이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외벽부는 금속재질에 니켈 20 내지 25% 및 크롬 25% 내지 35% 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이격공간에 형성된 내화물의 타측단에는 원형의 세라믹 로프와 결합될 수 있도록 상기 세라믹 로프의 형상에 대응되는 제1 결합홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이격공간에 형성된 내화물의 측면에는 열교환기와의 결합을 매개하기 위한 연결부재의 결합을 위해 제2 결합홈이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 고온의 프로세스 가스와 상대적으로 저온인 BFW의 접촉에 의한 온도차에 대한 완충작용을 위해 내열성 콘 내부에 내화물을 형성함으로써 별도의 스팀주입 단계가 제거됨으로써 전체 시스템 작동의 비용이 경감되고, 폐열회수에 따른 에너지 생산성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 스팀주입시의 스팀주입의 불균일로 인해 발생될 수 있는 관련 부재의 파손 등을 방지하여 폐열회수를 위한 부재의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 열교환기의 내열성 콘의 내측슬리브의 두께를 일정범위로 형성함으로써 강도의 향상으로 인한 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 열교환기의 내열성 콘에 형성되는 내화물과 내측슬리브와의 접촉면 사이에 완충페이퍼를 삽입함으로써 각 부재의 열팽창계수의 차이로 인한 내화물 및 내부슬리브의 파손을 방지하는 효과가 있다.

또한, 열교환기의 내열성 콘의 외벽부의 재질에 포함되는 니켈과 크롬의 함량을 조절함으로써 내열성 콘의 내열성 및 내구성을 더욱 향상시키는 효과가 있다.

또한, 열교환기의 내열성 콘에 형성된 내화물 일측단에 제1 결합홈을 형성하여 세라믹 로프를 결합함으로써, 열교환기의 연결부재와 결합시 내부가스의 유출을 방지하여 내열성 콘의 작동 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 열교환기의 내열성 콘의 내화물 외측면에 제2 결합홈을 별도로 형성함으로써 열교환기의 연결부재와의 용접결합을 용이하게 하여, 전체적인 부재간의 결합력을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘의 단면도; 및
도 2는 본 발명에 따른 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘의 분해 사시도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘의 분해 사시도이다.

본 발명에 따른 열교환기의 내열성 콘(10)은 내부원통(11), 상기 내부원통(11)의 외주면과 이격을 두고 상기 내부원통(11)을 감싸도록 형성되는 외벽부(17) 및 상기 내부원통(11)과 상기 외벽부(17) 사이의 상기 이격공간에 충진되는 내화물(14)을 포함한다.

내부원통(11)은 고온의 프로세스 가스가 통과하는 과정에서 그 재질에 따른 내열성이 문제될 수 있다. 고온의 프로세스 가스가 통과하며 이후에 BFW와 만나는 지점에서 양 물질의 온도차에 의한 열피로가 발생됨에 따라, 고온의 프로세스 가스가 주입되는 지점에서의 열적 완충작용의 필요성이 발생된다. 종래, 이러한 열적 완충작용을 하기 위해, 별도의 콘 형태의 주입구를 통해 스팀을 분사하는 방식이 사용되어 왔으나, 스팀분사에 따른 생산비용의 증가, 스팀분사의 불균일에 의해 발생될 수 있는 부재의 균열 등이 문제되었다. 따라서, 본 발명에서는 고온의 프로세스 가스가 주입되는 부분인 내열성 콘(10) 부분에 내화물(14)을 형성함으로써 내열성 및 내구성을 향상시킴과 동시에, 고온의 프로세스 가스에 대한 열적 완충작용을 한다.

외벽부(17)는 내부원통(11)의 외주면과 이격을 두고 내부원통(11)을 감싸도록 형성한다. 외벽부(17)는 내부원통(11)과 이격을 두어 형성함으로써 그 이격공간에 내화물(14)을 충진시킬 수 있도록 하는 구조이다. 외벽부(17)는 내부원통(11)의 외주면에 이격을 두며, 내부원통(11)을 감싸도록 형성되며, 내부원통(11) 길이방향 일측으로 이격공간의 폭이 좁아지도록 형성할 수 있다. 도 2의 사시도 에서와 같이 "콘" 형상이 되도록 외벽부(17)를 내부원통(11) 주변에 형성하는 것이다. 그러나, 이러한 형상은 하나의 실시예에 불과한 것이며 도 2에 도시된 형상에 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

내화물(14)은 내부원통(11)과 외벽부(17) 사이의 이격공간에 충진된다. 내화물(14)은 "불에견디는 물질"이란 뜻을 가진 것으로, 아주 높은 온도에서 녹지 않고 견디는 재료를 통틀어 말하는 것이다. 전기로나 래들, 가열로 벽체 등에는 일정한 형태를 가지고 있는 '내화벽돌'을 쌓으며 이것을 '정형 내화물(14)'이라 한다. 반면, 일정한 형태 없이 일정량의 물이나 바인더에 반죽하여 사용할 수 있도록 만들어진 내화물(14)을 '부정형 내화물(14)'이라고 한다. 또한, 내화물(14)을 구성하고 있는 성분에 따라, 실리콘 성분이 포함된 SiO₂가 주성분인 '산성내화물(14)', 알루미늄 성분인 Al₂O₃가 주성분인 것을 '중성내화물(14)', 마그네슘과 칼슘 성분이 포함된 MgO, CaO 가 주성분인 '염기성 내화물(14)'이 있다. 본 발명에서의 내화물(14)은 특별히 한정되는 것은 아니며, 고온의 프로세스 가스의 완충작용을 위해 내열성을 갖는 것이면 그 재질과 형태에 특별이 제한이 있는 것은 아니다. 다만, 열교환기의 연결부재(20)와의 결합을 위해 형성되는 후술할 제1 결합홈(15)과 제2 결합홈(16)이 형성될 수 있도록 소정의 정형성과 내구성을 갖는 것이 바람직할 것이다.

내부원통(11)의 외주면과 내화물(14)이 접촉하는 면사이에는 내측슬리브(12)를 더 포함하여 형성할 수 있다. 내측슬리브(12)는 내열성 콘(10)의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만아니라, 내화물(14)이 형성됨에 따라 내부원통(11)면과의 접촉에 따른 금속 더스팅(Metal dusting) 현상을 방지하는 기능을 한다. 내측슬리브(12)는 그 두께가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 적어도 금속 더스팅(Metal dusting)의 방지를 위해 최소두께 3mm이상은 되어야 하며, 전체 폐열회수 시스템을 고려하여 최대 6.2mm 내의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.

내부원통(11)의 외주면에 형성된 내측슬리브(12)와 내화물(14) 사이에는 각 물질의 열팽창계수의 차이에 따른 크랙(crack)등을 방지하기 위해 완충페이퍼(13)를 더 포함하여 형성할 수 있다. 완충페이퍼(13)는 그 재질에 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에서는 세라믹 재질의 완충페이퍼(13)를 형성하는 것이 바람직하다. 완충페이퍼(13)를 형성함으로써, 고온의 프로세스 가스가 통과할 때 열팽창계수 차이로 인한 부재의 파손을 방지할 수 있다.

내화물(14)을 감싸고 있는 외벽부(17)는 그 재질을 금속재질에 니켈과 크롬이 일정비율 함유되도록 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 니켈 20 내지 25%와 크롬 25% 내지 35%의 범위에서 형성하는 것이 바람직하며, 니켈과 크롬을 조합하여 형성함으로써 금속의 침탄저항성을 향상시켜, 전체적인 내열성 콘(10)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

내부원통(11)과 외벽부(17)의 이격공간에 형성된 내화물(14)의 상단부에는 내부원통(11) 외주면과 일정한 간격을 두고 제1 결합홈(15)이 형성될 수 있다. 도 2에서 도시된 바와 같이 세라믹 로프(18)가 결합될 수 있도록 원형의 홈이 내화물(14)상에 형성되는 것이 바람직하다. 세라믹 로프(18)가 제1 결합홈(15)에 형성됨으로써 열교환기의 연결부재(20)와 내열성 콘(10)의 결합시 내부 가스의 누출이 방지되고, 결합의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 세라믹 로프(18)의 형성에 따른 제1 결합홈(15)은 하나 이상으로 형성될 수 있음은 물론이다. 다만, 내화물(14)의 형태에 맞도록 적절하게 변형되어 형성될 수 있다.

제1 결합홈(15)이 형성된 내화물(14) 측면에 제2 결합홈(16)이 더 형성될 수 있다. 제2 결합홈(16)은 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이 외벽부(17)에 감싸져 있지 않은 노출된 내화물(14) 측면부에 형성될 수 있다. 측면부에 형성되는 제2 결합홈(16)은 열교환기의 연결부재(20)와의 용접 결합을 용이하게 할 수 있다. 이러한 제2 결합홈(16)이 없이 바로 평행한 면에 연결부재(20)와 용접결합을 하게되면 그 결합력 및 신뢰성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 제2 결합홈(16)이 연결부재(20)와 용접결합되는 부분에 대응되도록 형성됨으로써 내열성 콘(10)이 열교환기의 연결부재(20)에 안정적으로 결합될 수 있다. 제2 결합홈(16)은 내화물(14)의 측면둘레에 연속되어 형성될 수도 있고, 측면 둘레를 따라 부분적으로 복수개의 홈 형상으로 형성될 수도 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10: 내열성 콘 11: 내부원통
12: 내측슬리브 13: 완충페이퍼
14: 내화물 15: 제1 결합홈
16: 제2 결합홈 17: 외벽부
18: 세라믹 로프 20: 연결부재

Claims (9)

1. 삭제
2. 내부원통;
   상기 내부원통의 외주면과 이격을 두고 상기 내부원통을 감싸도록 형성되는 외벽부; 및
   상기 내부원통과 상기 외벽부 사이의 상기 이격 공간에 충진되는 내화물을 포함하며,
   상기 외벽부는 상기 내부원통의 길이 방향 일측으로 이격공간의 폭이 점점 좁아지도록 형성되고, 상기 외벽부 일측단이 상기 내부원통면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘은
   상기 내부원통의 외주면과 상기 내화물의 접촉면에 형성된 내측슬리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 내측슬리브는 두께가 3mm 내지 6.2mm의 범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘은
   상기 내측슬리브와 상기 내화물의 접촉면에 형성된 완충페이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘
   
6. 삭제
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 이격공간에 형성된 내화물의 타측단에는 원형의 세라믹 로프와 결합될 수 있도록 상기 세라믹 로프의 형상에 대응되는 제1 결합홈이 형성된 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 이격공간에 형성된 내화물의 측면에는 열교환기와의 결합을 매개하기 위한 연결부재의 결합을 위해 제2 결합홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘
   
   
   
   
   
   
9. 청구항 2에 있어서,
   상기 외벽부는 금속재질에 니켈 20 내지 25% 및 크롬 25% 내지 35% 포함된 것을 특징으로 하는 폐열회수를 위한 열교환기의 내열성 콘.

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