KR101419384B1 - 방사형 다단 회전식 냉각장치 - Google Patents

방사형 다단 회전식 냉각장치 Download PDF

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Abstract

활성탄, 하수 슬러지, 산업재료 또는 음식물 쓰레기 등의 탄화 또는 소각과정에서 배출되는 고온 상태로 배출되는 배출가스, 고체형태의 제품 또는 액상의 물질을 냉각시키는 방사형 다단 회전식 냉각장치에 관한 것으로, 외통 셀을 구비한 외통 뭉치, 상기 외통 셀에 삽입되는 내통 뭉치 및 냉각수를 공급하고 스팀 또는 온수를 배출하는 복식 로터리 조인트를 포함하고, 상기 내통 뭉치는 상기 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 투입되는 투입구, 냉각된 제품 또는 배출가스를 배출하는 배출구, 상기 투입구 및 배출구에 연결된 중심축 튜브, 상기 중심축 튜브의 주변에 배치되고 상기 중심축 튜브와 연통된 다수의 방사형 튜브, 상기 중심축 튜브와 다수의 방사형 튜브의 격벽 사이에 마련된 냉각수 자켓를 포함하는 구성을 마련하여, 제작비용 절감 및 내구성 향상으로 제품 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

방사형 다단 회전식 냉각장치{Radial Multi-pass Rotary Chiller}
본 발명은 방사형 다단 회전식 냉각장치에 관한 것으로, 특히 활성탄, 하수 슬러지, 산업재료 또는 음식물 쓰레기 등의 탄화 또는 소각과정에서 배출되는 고온 상태로 배출되는 배출가스, 고체형태의 제품 또는 액상의 물질을 냉각시키는 방사형 다단 회전식 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 경제발전, 인구증가 및 생활수준의 향상 등 여러 가지 이유로 생활 하수나 공업폐수의 발생이 증가하고 있다. 이에 따라 주요하천 및 강의 수질오염을 방지하기 위하여 수질개선의 기초시설인 하폐수 처리장의 시설도 불가피하게 증가하고 있으며, 부수적으로 발생하는 2차 부산물인 하폐수 슬러지의 양도 증가하고 있다.
이렇게 발생한 하수 슬러지는 대부분 매립 또는 해양투기에 의해 처리하고 있다. 그러나 단순 매립의 경우 2003년 7월부터는 폐기물관리법 시행규칙 개정 시행에 따라 시설용량 1만 톤/일 이상인 하수처리장 슬러지의 직매립이 금지되고 있다.
슬러지 처리방법으로 고려되고 있는 소각은 높은 소각시설 건설비용과 운영비용은 물론 2차 환경오염물질의 발생으로 인한 대기오염의 문제가 있다. 따라서, 인근주민들의 민원문제가 발생하여 적용하기에 매우 큰 어려움을 겪고 있다.
또한, 활성탄, 석회석등의 광물 소성, 유기성 폐기물의 소각 연료화, 퇴비화 또는 사료화를 위해서는 반드시 탄화소각 또는 건조 공정이 핵심적인 기술로 필요하지만, 배출된 폐열을 재활용하기 위하여 열교환기, 냉각장치, 냉각펌프, 물탱크 등의 설비가 요구되고, 배출된 폐열의 10~25%정도가 난방, 송풍공기 예열 또는 기타 목적으로 재활용되고 있다.
이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 및 2 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 함수율이 80％ 이상인 젖은 슬러지, 음식물 쓰레기 등을 함수율 10％ 이하로 건조하는 산업용 건조장치에 관한 것으로, 내측 및 외측 드럼에 의하여 형성된 공간을 다수의 방사판으로 분리한 방사형 로터리 건조기에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 드럼 뭉치, 회전체 드럼, 회전체 드럼 측판에 마련된 열원 투입구 및 송풍 투입구를 구비한 회전체 뭉치와 프레임 뭉치를 포함하는 방사형 로터리 간접열원 건조기에 있어서, 드럼 뭉치는 내부를 덕트화한 구조물로서, 다수의 피건조물 유동통로 및 상기 피건조물 유동통로의 주변에 마련된 다수의 간접열원 유동 통로를 포함하고, 상기 열원 투입구에 투입된 건조열원은 상기 다수의 간접열원 유동 통로 내부에서 유동하고, 상기 송풍 투입구에서 유입된 송풍은 상기 다수의 피건조물 유동통로로 유입되고, 피건조물은 상기 회전체 뭉치가 회전할 때, 상기 다수의 피건조물 유동통로를 순차적으로 통과하면서, 상기 다수의 간접열원 유동 통로의 전열 면을 통과하는 열전도 열원과 상기 송풍 투입구에서 유입된 송풍에 의해 건조되는 방사형 로터리 간접열원 건조기에 대해 개시되어 있다.
대한민국 특허등록공보 제10-1035851호(2010.05.13 등록) 대한민국 특허등록공보 제10-1158841호(2012.06.15 등록)
그러나 상술한 바와 같은 종래의 방사형 다단 회전식 냉각로는 제작하는 과정에서 과다한 용접부로 인하여 제작비용이 많아지고, 고온의 열팽창에 따른 용접부 파손 및 열변형 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 장치의 내구성 향상 및 제작 비용을 절감하는 방사형 다단 회전식 냉각장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치는 활성탄, 하수 슬러지, 산업재료 또는 음식물 쓰레기 등의 건조, 탄화 또는 소각과정에서 배출되는 고온의 제품과 배출가스를 냉각처리하는 방사형 다단 회전식 냉각장치로서, 외통 셀을 구비한 외통 뭉치, 상기 외통 셀에 삽입되는 내통 뭉치 및 냉각수를 공급하고 스팀 또는 온수를 배출하는 복식 로터리 조인트를 포함하고, 상기 내통 뭉치는 상기 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 투입되는 투입구, 냉각된 제품 또는 배출가스를 배출하는 배출구, 상기 투입구 및 배출구에 연결된 중심축 튜브, 상기 중심축 튜브의 주변에 배치되고 상기 중심축 튜브와 연통된 다수의 방사형 튜브, 상기 중심축 튜브와 다수의 방사형 튜브의 격벽 사이에 마련된 냉각수 자켓를 포함하고, 상기 외통 뭉치의 회전에 따라 상기 투입구에 투입된 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 각각 상기 중심축 튜브 및 다수의 방사형 튜브를 순차적으로 이동하여 상기 배출구로 배출되고, 상기 냉각수는 상기 중심축 튜브와 다수의 방사형 튜브 및 상기 자켓으로 유입되어 흐르고, 상기 중심축 튜브와 방사형 튜브로 유동되는 고온의 제품 또는 고온의 배출가스에 의해 스팀 또는 온수로 변환되어 상기 복식 로터리 조인트로 배출되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치에 있어서, 상기 중심축 튜브와 상기 다수의 방사형 튜브의 적어도 하나는 연통되고, 상기 다수의 방사형 튜브의 적어도 어느 하나는 서로 연통되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치에 있어서, 상기 내통 뭉치의 배출구 쪽 끝단을 상기 외통 뭉치와 일체화되고, 상기 내통 뭉치의 투입구 쪽은 자유단으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치에 의하면, 제작비용 절감 및 내구성 향상으로 제품 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
즉, 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치에 의하면, 고온에서 운용되는 산업 재료의 소성, 활성탄 또는 유기성 폐기물 탄화소각 과정에서 노 내부의 온도를 500~1200℃를 유지하는 열교환 장치의 냉각로가 방사형 다단으로 구성되어 회전하면서 간접 냉각시키는 것으로, 제작비용 절감 및 고온 열팽창에 대응하도록 원형 튜브를 노 내부의 유동공간이 되도록 하였다. 냉각과정에서 투입된 냉각수는 스팀 또는 온수로 변환되어 배출되고, 배출되는 물질 및 배기가스는 상온까지 냉각된다.
본 발명에 따른 냉각장치는 고온 열교환기, 스팀발생기 기능을 동시에 갖고 있다. 본 특허 기술을 통하여 냉각로가 산업 전반에 걸쳐서 다양하게 사용될 것으로 기대된다.
본 발명에 따른 냉각장치는 산업 시설, 자치단체의 자원화 시설, 소각장, 발전소 또는 건조/사료화 시설에서 배출되는 폐열의 회수율을 향상시킨다.
그리고 피건조물(예를 들어, 산업 재료, 비료, 사료, 폐기물, 고추, 대파, 고구마, 감자, 버섯 또는 수산물)은 회수된 폐열(스팀)에 의한 간접건조가 이루어질 수 있어서 활용처가 다양하게 될 것이다. 또한, 발전소에서 발생하는 폐열(일반적으로 스팀) 또는 소각로에서 발생하는 폐열(일반적으로 온수와 스팀이 혼합)은 인근의 각종 산업시설에 재활용 되도록 공급되도록 하므로, 기존의 열교환기, 냉각기, 응축기, 물탱크 등을 대체할 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명에 따른 방사형으로 배치된 튜브형 유동공간을 나타내는 단면 입체도.
도 2는 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각로 셀(shell) 내부에 장착된 튜브형 유동공간을 나타내는 단면 사시도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명은 각종 산업 현장에서 발생하는 폐열을 직접 에너지원으로 재사용할 수 있는 방사형 다단 회전식 냉각기술에 관한 것으로, 기존의 열교환기를 이용하는 복잡한 폐열 재활용 설비를 대체하고, 폐열 재활용 효율을 극대화시키고, 설비 및 공정을 단순화하여 생산성 향상을 가져온다.
본 발명을 통하여 기존의 방사형 다단 회전식 냉각기술의 단점, 과다한 용접에 따른 제작비용 과다, 열팽창에 의한 노 내부 용접부 열변형 문제를 개선하여 제품의 내구성을 크게 향상시키고자 하였다.
본 발명은 제작과정에서 용접부를 최소화하고자 상기 특허 문헌 등에 기재된 기존의 부체꼴 유동공간을 스테인리스 튜브의 원형 유동공간으로 대체하고, 고온에 의한 용접부 균열에 대응하여 방사형으로 배치된 7개의 튜브를 일체화하였다. 고온에 따른 냉각로 내부의 열팽창에 대응하여 축 방향으로 열응력이 발생되지 않도록 자유단을 구현하였다. 고온의 투입가스의 온도는 700~900℃에 이르기 때문에 냉각로 입구부는 항상 고온에 노출되어 있다. 따라서 고온에 노출된 부위는 항상 냉각수가 체류하도록 하여 열변형 발생을 최소화하였다.
즉 본 발명은 일종의 열교환기로서, 고온 상태로 배출되는 배출가스, 고체형태의 제품 또는 액상의 물질을 냉각시키기 위한 방사형 다단 회전식 냉각장치를 마련한 것이다. 900℃ 이상의 물질이 상온으로 냉각되고 유입된 냉각수는 스팀 또는 온수로 변환되어 배출된다. 회전식 냉각장치이므로 냉각로 내부의 막힘이나 격벽에 스케일이 거의 없는 컴팩트한 구조로서, 다수의 튜브는 회전중심축과 방사형으로 배치되어 물질의 유동을 위한 유동공간을 형성하는 구조이다. 각각의 튜브와 외부 드럼과 형성된 격벽 공간은 냉각수 또는 스팀이 흐르는 자켓이 된다. 튜브를 사용하여 방사형 유동공간을 구성하므로, 용접부가 많지 않아서 냉각로 제작비용을 절감하고 제작기간을 단축하고, 고온 열변형으로 인한 용접부 파손을 방지함으로써 냉각로의 내구성을 향상시킨다.
이하, 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치의 구성에 대해 도면에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방사형으로 배치된 튜브형 유동공간을 나타내는 단면 입체도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각로 셀(shell) 내부에 장착된 튜브형 유동공간을 나타내는 단면 사시도 이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치는 활성탄, 하수 슬러지, 산업재료 또는 음식물 쓰레기 등의 건조, 탄화 또는 소각과정에서 배출되는 고온의 제품과 배출가스를 냉각처리하는 방사형 다단 회전식 냉각장치로서, 외통 셀(301)을 구비한 외통 뭉치(300)와 상기 외통 셀(301)에 삽입되는 내통 뭉치(100) 및 냉각수를 공급하고 스팀 또는 온수를 배출하는 복식 로터리 조인트(402)를 포함한다.
상기 내통 뭉치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 투입되는 투입구(101), 냉각된 제품 또는 배출가스를 배출하는 배출구(102), 상기 투입구(101) 및 배출구(102)에 연결된 중심축 튜브(208), 상기 중심축 튜브(208)의 주변에 배치되고 상기 중심축 튜브(208)와 연통된 다수의 방사형 튜브(201~207), 상기 중심축 튜브(208)와 다수의 방사형 튜브(201~207)의 격벽 사이에 마련된 냉각수 자켓(401)을 구비한다. 이하, 설명의 편의상, 상술한 바와 같은 구성을 구비한 내통 뭉치(100)의 기능에 대해 '냉각로'라 하여 설명한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 외통 뭉치(300)의 회전에 따라 상기 투입구(101)에 투입된 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 각각 상기 중심축 튜브(208) 및 다수의 방사형 튜브(201~207)를 순차적으로 이동하여 상기 배출구(102)로 배출된다(도 1의 유동 궤적(500) 참조).
한편, 상기 복식 로터리 조인트(402)에서 유입된 냉각수는 상기 중심축 튜브(208)와 상기 다수의 방사형 튜브(201~207) 사이에 마련된 상기 자켓(401)으로 유입되어 흐르고, 상기 다수의 방사형 튜브(201~207)로 유동되는 고온의 제품 또는 고온의 배출가스에 의해 스팀 또는 온수로 변환되어 상기 복식 로터리 조인트(402)로 배출된다.
즉, 본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치는 방사형 유동공간인 상기 중심축 튜브(208)와 다수의 방사형 튜브(201~207)에서 고온의 제품 및 배출가스가 통과하고, 다수의 방사형 튜브(201~207)의 주변에는 스팀, 물 또는 열 매체가 통과할 수 있는 자켓(401)을 마련한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 방사형 다단 회전식 냉각장치에서 고온의 배출가스 및 물질은 방사형 유동 공간으로 함께 투입되고 폐열의 대부분은 내부의 전열면을 통하여 자켓(401)의 냉각수에 열전도 방식으로 전달된다. 냉각로의 회전(도 1의 회전방향(501) 참조)에 따라 고온의 배출가스 및 물질은 냉각로 내부의 유동공간을 거의 1시간 동안 이동하면서 자켓(401) 내부의 냉각수를 간접적으로 데워서 스팀 또는 온수로 변환시킨다.
동시에 고온의 배출가스 및 물질은 온도가 급격하게 저하, 예를 들어 70℃ 정도로 유지되어 배출구(102)로 배출된다. 유동공간 표면에는 갑작스런 온도 저하에 따른 응축된 수분이 발생하여 유동되는 물질이 2~3㎜ 두께의 스케일을 형성하지만, 냉각로의 회전으로 금세 떨어지고 또다시 생성되는 것이 관찰되었다. 하지만 연속적으로 배출되는 배출가스 및 물질의 온도는 거의 일정하게 70℃ 이하를 유지하였다.
냉각수 투입량을 늘리면 배출되는 배출가스 및 물질의 온도는 더욱 저하되었다. 냉각로의 용량은 자켓(401) 내부의 전열면적이 증가하면 증가한다. 전열면적이 증가할수록 냉각로의 크기도 증가할 것이다. 따라서 최대의 전열면적을 가지는 최소의 냉각로 크기를 결정하는 냉각로 설계의 최적화가 요구되고 있다.
본 발명에서는 방사형 다단 회전식 냉각장치의 제작과정에서 용접부를 줄이고자 유동공간을 종래의 부체꼴 형상에서 도 1에 도시된 바와 같이, 원형의 튜브형상인 상기 중심축 튜브(208)와 다수의 방사형 튜브(201~207)로 대체하였다.
즉, 중심축 튜브(208)를 중심으로 방사형으로 배치된 7개의 다수의 방사형 튜브(201~207)는 각각 1번에서 7번까지의 유동공간을 형성하고, 중심축 튜브(208)와 연통되어 일체화된다.
일체화된 내통 뭉치(100)를 외통 뭉치(300) 내부에 삽입하고, 내통 뭉치(100)의 배출구(102) 쪽 끝단을 외통 뭉치와 일체화하고, 내통 뭉치(100)의 투입구(101) 쪽은 자유단으로 구속을 시키지 않는다. 따라서 고온의 투입물질에 의해 노 내부의 온도가 상승하여 열팽창으로 직경 및 길이가 늘어나는 것이 자유단에서 흡수가 되어 열응력 발생을 최소화할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 냉각로에 투입되는 고온의 물질은 냉각로의 회전에 따라 굵은 화살표인 유동 궤적(500)을 따라 상기 중심축 튜브(208)와 다수의 방사형 튜브(201~207)를 통해 순차적으로 이동한다.
냉각수는 복식 로타리 조인트(402)를 통하여 냉각로 내부의 냉각수 자켓(401)으로 유입된다. 유입된 냉각수는 냉각로 내부에서 고온의 유동물질에 의해 간접적으로 전달된 열에너지로 인하여 스팀 또는 온수로 변환되어 복식 로타리 조인트의 출구(402)를 통하여 배출된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 방사형 다단 회전식 냉각장치는 활성탄, 산업재료, 하수 슬러지 또는 음식물 쓰레기 등의 고온의 배출가스, 고형 물질 또는 액상의 물질을 상온까지 급속 냉각시키는 장치로 폐열을 회수하는 열교환기 또는 스팀 또는 온수를 직접 생산하는 스팀 보일러 기능을 동시에 수행하므로, 모든 산업 분야에 매우 다양하게 사용될 것이다.
100 : 내통 뭉치
101 : 투입구
102 : 배출구
201~207 : 다수의 방사형 튜브
208 : 중심축 튜브
300 : 외통 뭉치
301 : 외통 셀
302 : 타이어링
401 : 자켓
402 : 복식 로터리 조인트

Claims (3)

  1. 활성탄, 하수 슬러지, 산업재료 또는 음식물 쓰레기 등의 건조, 탄화 또는 소각과정에서 배출되는 고온의 제품 또는 고온의 배출가스를 냉각처리하는 방사형 다단 회전식 냉각장치로서,
    외통 셀을 구비한 외통 뭉치,
    상기 외통 셀에 삽입되는 내통 뭉치 및
    냉각수를 공급하고 스팀 또는 온수를 배출하는 복식 로터리 조인트를 포함하고,
    상기 내통 뭉치는 상기 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 투입되는 투입구, 냉각된 제품 또는 배출가스를 배출하는 배출구, 상기 투입구 및 배출구에 연결된 중심축 튜브, 상기 중심축 튜브의 주변에 배치되고 상기 중심축 튜브와 연통된 다수의 방사형 튜브, 상기 중심축 튜브와 다수의 방사형 튜브의 격벽 사이에 마련된 냉각수 자켓을 포함하고,
    상기 외통 뭉치의 회전에 따라 상기 투입구에 투입된 고온의 제품 또는 고온의 배출가스가 각각 상기 중심축 튜브 및 다수의 방사형 튜브를 순차적으로 이동하여 상기 배출구로 배출되고,
    상기 냉각수는 상기 중심축 튜브와 다수의 방사형 튜브 및 상기 자켓으로 유입되어 흐르고, 상기 중심축 튜브와 방사형 튜브로 유동되는 고온의 제품 또는 고온의 배출가스에 의해 스팀 또는 온수로 변환되어 상기 복식 로터리 조인트로 배출되는 것을 특징으로 하는 방사형 다단 회전식 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심축 튜브와 상기 다수의 방사형 튜브의 적어도 하나는 연통되고, 상기 다수의 방사형 튜브의 적어도 어느 하나는 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 방사형 다단 회전식 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내통 뭉치의 배출구 쪽 끝단을 상기 외통 뭉치와 일체화되고,
    상기 내통 뭉치의 투입구 쪽은 자유단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방사형 다단 회전식 냉각장치.
KR1020130021937A 2013-02-28 2013-02-28 방사형 다단 회전식 냉각장치 KR101419384B1 (ko)

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