KR101420346B1 - 재열증기 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스팀이나 연무를 재열증기로 생성하여 공급하는 장치에 관한 것으로, 일정 체적의 공간부가 형성되고 내측 상단 중심에 버너가 설치된 연소실; 상기 연소실 외주연에 일정 체적의 공간부가 형성되고 연소실에서 전달된 열로 외부에서 공급된 일정 온도의 스팀이나 무화된 연무를 1차 가열하는 증기실; 상기 연소실 내부에 코일 형상으로 감겨 증기실에서 1차 가열된 후 공급된 스팀이나 연무를 버너에서 발생된 화염에 의해 일정 온도의 재열증기로 2차 가열시키는 복수의 증기히팅관; 상기 증기실 외주연에 일정 체적으로 형성되고 연소실과 연통되어 연소실에서 연소된 배기가스를 가스배출관을 통해 배출시키는 배기실, 및 상기 배기실 외주연에 일정 체적으로 형성되고 배기실에서 전달된 열로 외부에서 공급된 스팀이나 에어를 가열하는 가열실을 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 복수의 증기히팅관의 설치 구조에 의하여 외부에서 공급된 스팀이나 연무를 1차 및 2차로 가열함으로써 재열증기를 생성할 수 있어 재열증기 발생 효율을 향상시키고, 연소된 배기가스의 폐열을 이용하여 흡입된 스팀이나 에어를 가열할 수 있어 부차적인 고온의 증기나 에어를 생성할 수 있어 재열증기 발생장치의 기능 향상과 더불어 고효율의 에너지 활용에 따라 소모되는 연료를 절감할 수 있도록 한 것이다.

Description

재열증기 발생장치{Apparatus for Generating Reheat Steam}
본 발명은 재열증기를 발생하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스팀이나 연무를 재열증기로 생성하여 공급하는 장치에 관한 것이다.
보일러(Boiler)는, 연료와 연소열을 물 등에 전하여 온도와 압력이 높은 증기를 발생시키는 장치로서, 화력발전소와 선박 등의 증기기관, 각종 공장의 작업용이나 난방용 등에 증기를 공급하는 데 사용한다.
더욱이 보일러는 구조상 여러 종류로 나누어지고, 그 중에서 강제순환식 보일러에 해당하는 관류보일러(Once-through Boiler)는 수관 및 긴 관 등을 휘어서 만든 관만의 보일러로서, 강제 관류 보일러라고도 하는데, 긴 관의 한쪽 끝에서 급수하고 펌프로 압송하여 도중에서 차례로 가열, 증발 및 과열되어 관의 다른 한쪽 끝에서 과열증기가 송출되는 형식의 보일러이다. 관류보일러는 고압증기의 발생에 적합하고, 특히 초임계압 보일러인 경우에는 강제순환식 보일러의 일종이다.
일반적으로 압력을 일정하게 해 두고 액체를 가열하면 온도가 올라가고, 일정온도에 달하면 증발하기 시작한다. 이 경우 다시 가열하더라도 전부가 증발할 때까지는 온도가 변하지 않고 액체와 증기가 공존한다. 이것을 습윤 포화증기(濕潤飽和蒸氣)라 하고, 전부 증기가 되어 버린 것을 건조포화증기라 한다. 건조포화증기를 다시 가열하면 증기의 온도는 상승하는데, 이것을 과열증기(過熱蒸氣, Superheated Vapor)라 한다. 이 증기를 이용하면 보일러나 엔진 또는 터빈의 효율을 향상시킬 수 있다.
더욱이 과열증기는 물을 비등시켜 발생한 증기에 압력을 가하지 않고 가열하여 생성된 100℃ 이상의 고온 무색의 투명한 기체이다. 공기에 의한 전열은 대류전열에 한하지만, 과열증기는 대류전열에 추가로 방사전열과 응축전열에 의한 전열을 함으로써 열효율이 높아 음식의 조리에 매우 효과적이다. 그리고 통상 대류전열의 경우에는 과열증기의 전열속도가 가열공기에 비하여 약 10배 정도 빠르다. 특히 저 산소상태에서 열처리함으로써 피 가열물의 산화 및 연소를 억제할 수 있다. 그리고 일반적인 과열기(Superheater)는 가압된 압력 10kg/㎤G 시 183.3℃의 증기를 생산하고, 통상적으로는 7~8kg/㎤G 시 170℃의 증기를 생산하게 된다. 한편, 저압의 과열증기를 생산하기 위해서는 1차 가열된 증기를 버너로 직접 가열하거나 히터를 이용하여 축온재 등을 간접 가열하는 방법과 전자유도 가열하는 방식이 있다.
과열증기를 발생시키는 증기발생장치로서, 특허문헌 1은 저압의 고온 과열증기를 발생하는 장치가 있다. 이는 보일러의 연소실 내에 나선형 과열기를 장착하여 1개의 버너로 가열 및 재가열하는 일체형 구조이고, 증발량이 30kg/h 로서 증기온도는 541.9℃ 이며, 증기압력은 0.12kg/㎤ 로 증기를 생산하는 비용이 적다. 특허문헌 2는 보일러에서 발생되는 증기의 온도를 상승시켜 과열증기의 용량을 증대시키는 것이 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0597429호(2006.07.05.공고, 관류 보일러) 대한민국 등록특허공보 제10-0910594호(2009.08.03.공고, 보일러 승온장치) 대한민국 등록특허공보 제10-1216769호(2012.12.28.공고, 대용량의 과열증기를 이용한 석탄 건조 시스템)
본 발명은 외부에서 공급된 스팀과 같은 포화증기나 분무되어 무화된 연무를 가열하여 일정 온도의 재열증기로 발생시킴과 더불어 재열증기의 발생 과정에서 생성되는 폐열을 재활용할 수 있도록 하기 위한 것이 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 일정 체적의 공간부가 형성되고 내측 상단 중심에 버너가 설치된 연소실; 상기 연소실 외주연에 일정 체적의 공간부가 형성되고 연소실에서 전달된 열로 외부에서 공급된 일정 온도의 스팀이나 무화된 연무를 1차 가열하는 증기실; 상기 연소실 내부에 코일 형상으로 감겨 증기실에서 1차 가열된 후 공급된 스팀이나 연무를 버너에서 발생된 화염에 의해 일정 온도의 재열증기로 2차 가열시키는 복수의 증기히팅관; 상기 증기실 외주연에 일정 체적으로 형성되고 연소실과 연통되어 연소실에서 연소된 배기가스를 가스배출관을 통해 배출시키는 배기실, 및 상기 배기실 외주연에 일정 체적으로 형성되고 배기실에서 전달된 열로 외부에서 공급된 스팀이나 에어를 가열하는 가열실을 포함하여 이루어진 재열증기 발생장치를 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 증기히팅관은 입구가 증기실과 연통되고 출구가 증기배출관에 연결된 제1증기히팅관과 제2증기히팅관이 연소실 내측 벽면에 근접하여 설치되되, 제1증기히팅관 상부에 제2증기히팅관이 일정 거리를 두고 위치되면서 제1증기히팅관과 제2증기히팅관이 번갈아 코일 형상으로 설치되고, 입구가 증기실과 연통되고 출구가 증기배출관에 연결된 제3증기히팅관과 제4증기히팅관이 제1증기히팅관과 제2증기히팅관에 근접하여 설치되되, 제3증기히팅관 상부에 제4증기히팅관이 일정 거리를 두고 위치되면서 제3증기히팅관과 제4증기히팅관이 번갈아 코일 형상으로 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 가열실 외주연에 단열을 위하여 일정 두께의 단열재를 장착할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 증기히팅관을 버너로부터 분사된 화염이 직접 접촉되지 않도록 배열 설치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 증기히팅관의 설치 구조에 의하여 외부에서 공급된 스팀이나 연무를 1차 및 2차로 가열함으로써 재열증기를 생성할 수 있어 재열증기 발생 효율을 향상시키고, 연소된 배기가스의 폐열을 이용하여 흡입된 스팀이나 에어를 가열할 수 있어 부차적인 고온의 증기나 에어를 생성할 수 있어 재열증기 발생장치의 기능 향상과 더불어 고효율의 에너지 활용에 따라 소모되는 연료를 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 재열증기 발생장치를 수직으로 절개한 상태의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 재열증기 발생장치에서 증기히팅관을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 재열증기 발생장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 재열증기 발생장치에서 재열증기의 발생과 폐열을 이용하여 고온의 스팀이나 공기를 발생시키는 작동을 나타낸 단면도이다.
이하 본 발명에 따른 재열증기 발생장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서, 본 발명에 의한 재열증기 발생장치(1)는 대략 원통형으로 공급된 물을 대용량의 재열증기로 생성하는 것이다.
연소실(10)은 일정 체적의 공간부가 형성된다. 연소실(10) 상부 중심에는 버너(11)가 설치된다. 버너(11)는 열에너지를 발생하는 액체 연료나 기체 연료가 사용된다. 버너(11)는 상부에서 하부로 화염이 생성되도록 한다. 연소실(10) 상단에 증기배출관(14)이 연결된다. 연소실(10) 하단 중심은 배기실(15)과 연통되어 버너(11)에서 발생된 화염으로부터 발생되는 배기가스가 배출되도록 형성되어 있다.
증기실(13)은 연소실(10) 외주연, 즉 측면과 하측면에 걸쳐 일정 체적의 공간부가 형성된 것이다. 증기실(13)은 유입관(12)을 통해 외부에서 공급된 스팀, 즉 포화증기나 물을 무화시킨 연무가 유입된다. 증기실(13)로 유입된 스팀이나 연무는 연소실(10)로부터 전달된 열에 의하여 1차적으로 가열되어 일정 온도까지 상승된다.
증기히팅관(20)은 연소실(10) 내부의 하부에서 상부까지 코일 형상으로 설치된다. 증기히팅관(20)은 증기실(13)에서 1차 가열된 후 공급된 스팀이나 연무를 버너(11)에서 발생된 화염으로 2차적으로 가열시켜 일정 온도의 재열증기를 발생시키는 것이다. 증기히팅관(20)은 연소실(10) 내에 복수로 설치된다.
도 2에서, 증기히팅관(20)은 연소실(10) 내부에 2열로 배열되는데, 연소실(10) 내측 벽면에 근접하여 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)이 배열 설치되고, 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)과 근접하여 제3증기히팅관(23)과 제4증기히팅관(24)이 배열 설치된다.
도 3에서, 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)은 각각 입구가 증기실(13)과 연통되고 출구가 증기배출관(14)에 연결된다. 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)은 연소실(10) 내측 벽면에 근접하여 설치되되, 제1증기히팅관(21) 상부에 제2증기히팅관(22)이 일정 거리를 두고 위치되면서 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)이 번갈아 코일 형상으로 배열 설치된다.
또한, 제3증기히팅관(23)과 제4증기히팅관(24)은 각각 입구가 증기실(13)과 연통되고 출구가 증기배출관(14)에 연결된다. 제3증기히팅관(23)과 제4증기히팅관(24)은 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)에 근접하여 설치되되, 제3증기히팅관(23) 상부에 제4증기히팅관(24)이 일정 거리를 두고 위치되면서 제3증기히팅관(23)과 제4증기히팅관(24)이 번갈아 코일 형상으로 배열 설치된다. 제3증기히팅관(23)과 제4증기히팅관(24)은 버너(11)로부터 분사된 화염이 직접 접촉되지 않도록 배열 설치하는 것이 좋다.
증기히팅관(20)은 연소실(10) 내측 벽면에 근접하여 제1증기히팅관(21)과 제2증기히팅관(22)이 코일 형상으로 설치되지만, 3개 이상의 증기히팅관이 순차적으로 번갈아 코일 형상으로 설치될 수 있다. 또한, 제3증기히팅관(23)과 제4증기히팅관(24)이 코일 형상으로 설치되지만, 3개 이상의 증기히팅관이 순차적으로 번갈아 코일 형상으로 설치될 수 있다. 또한, 증기히팅관(20)은 연소실(10) 내에 2열로 각각 2개의 증기히팅관이 코일 형상으로 설치되지만, 3열 이상의 증기히팅관이 순차적으로 번갈아 코일 형상으로 설치될 수 있다. 따라서 증기히팅관의 배열 및 설치 개수에 따라 재열증기의 생산용량이 달라질 수 있다. 또한, 증기히팅관의 배열 및 설치 개수에 따라 재열증기의 온도를 조절할 수도 있을 것이다.
배기실(15)은 증기실(13) 외주연에 일정 체적으로 형성된다. 배기실(15)은 연소실(10)과 연통되어 연소실(10)에서 연소된 배기가스를 가스배출관(16)을 통해 배출시키는 것이다. 배기실(15)을 통해 배출되는 배기가스의 열이 증기실(13)로 유입된 스팀이나 연무를 가열시키고 가열실(18)에도 전달된다.
가열실(18)은 배기실(15) 외주연에 일정 체적으로 형성된다. 가열실(18)은 배기실(15)에서 전달된 열로 외부에서 공급된 스팀이나 에어를 가열시키고, 일정 온도로 데워진 스팀이나 에어를 배출관(19)을 통해 배출시킨다.
또한, 재열증기 발생장치(1)는 단열을 위하여 외주연에 일정 두께의 단열재(30)가 결합되고, 단열재(30) 외측에는 하우징(31)이 결합된다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 재열증기 발생장치의 작용을 설명한다.
도 4에서, 재열증기 발생장치(1)의 유입관(12)을 통해 공급된 스팀이나 연무가 증기실(13)에 채워진 상태에서 버너(11)를 작동시켜 화염이 분사되면, 복수의 증기히팅관(20)을 통해 유입된 스팀이나 연무는 재열증기가 된다. 이때, 버너(11)를 작동시켜 연소실(10) 내부의 온도를 상승시킨 후에 유입관(12)을 통해 증기실(13)로 스팀이나 연무가 공급될 경우에 연소실(10)에서 증기실(13)로 전달된 열로 스팀이나 연무는 1차적으로 가열된다. 그리고 연소실(10)에서 연소된 가스는 배기실(15)을 통해 가스배출관(16)을 통해 배출되는 동안 증기실(13)에 폐열을 전달함으로써 증기실(13)의 스팀이나 연무를 더욱 가열시킬 수 있다.
더욱이 증기실(13)의 스팀이나 연무는 제1증기히팅관(21) 내지 제4증기히팅관(24)의 입구를 통해 유입된 후에 재열증기가 되어 각 증기히팅관(20)의 출구를 통해 증기배출관(14)으로 배출된다. 따라서 본 발명의 재열증기 발생장치는 제1증기히팅관(21) 내지 제4증기히팅관(24)을 통해 많은 양의 재열증기를 생성 및 배출시킬 수 있다.
또한, 재열증기 발생장치(1)의 공급관(17)을 통해 가열실(18)로 공급된 스팀이나 에어는 배기실(15)로부터 전달된 열로 인하여 일정 온도로 가열된 후에 배출관(19)을 통해 배출된다.
이와 같이 연소실(10)에서는 버너(11)에서 발생된 화염으로 복수의 증기히팅관(20)에서 재열증기가 생성되도록 함과 더불어 증기실(13)에 전달된 열로 스팀이나 연무를 1차적으로 가열할 수 있도록 하고, 연소실(10)에서 연소된 후에 발생된 배기가스는 배기실(15)을 통과하면서 증기실(13)로 열을 전달함과 더불어 가열실(18)에서도 증기실(13)로 열이 전달되어 스팀이나 연무가 가열되도록 한다. 따라서 증기실(13)에서 연소실(10) 및 배기실(15)에서 전달된 열로 스팀이나 연무가 1차 가열되고, 1차 가열된 스팀이나 연무는 복수의 증기히팅관(20)을 통과하면서 재열증기로 변한다. 증기히팅관(20)에서 생성된 재열증기는 증기배출관(14)을 통해 배출된다.
또한, 공급관(17)을 통해 가열실(18)로 유입된 스팀이나 에어는 배기실(15)에서 전달된 열로 일정 온도로 가열되어 배출관(19)을 통해 배출된다.
따라서 증기배출관(14)을 통해 배출되는 일정 온도의 재열증기와 더불어 배출관(19)을 통해 배출되는 일정 온도의 스팀이나 에어를 다양하게 이용할 수 있다. 또한, 가스배출관(16)을 통해 배출된 가스는 열교환을 통해 폐열로 이용할 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 재열증기 발생장치 10: 연소실 11: 버너 12: 유입관 13: 증기실 14: 증기배출관 15: 배기실 16: 가스배출관 17: 공급관 18: 가열실 19: 배출관 20-24: 증기히팅관 30: 단열재 31: 하우징

Claims (4)

  1. 일정 체적의 공간부가 형성되고 내측 상단 중심에 버너가 설치된 연소실;
    상기 연소실 외주연에 일정 체적의 공간부가 형성되고 연소실에서 전달된 열로 외부에서 공급된 일정 온도의 스팀이나 무화된 연무를 1차 가열하는 증기실;
    상기 연소실 내부에 코일 형상으로 감겨 증기실에서 1차 가열된 후 공급된 스팀이나 연무를 버너에서 발생된 화염에 의해 일정 온도의 재열증기로 2차 가열시키는 복수의 증기히팅관;
    상기 증기실 외주연에 일정 체적으로 형성되고 연소실과 연통되어 연소실에서 연소된 배기가스를 가스배출관을 통해 배출시키는 배기실, 및
    상기 배기실 외주연에 일정 체적으로 형성되고 배기실에서 전달된 열로 외부에서 공급된 스팀이나 에어를 가열하는 가열실을 포함하여 이루어지되,
    상기 증기히팅관은 입구가 증기실과 연통되고 출구가 증기배출관에 연결된 제1증기히팅관과 제2증기히팅관이 연소실 내측 벽면에 근접하여 설치되되, 제1증기히팅관 상부에 제2증기히팅관이 일정 거리를 두고 위치되면서 제1증기히팅관과 제2증기히팅관이 번갈아 코일 형상으로 설치되고,
    입구가 증기실과 연통되고 출구가 증기배출관에 연결된 제3증기히팅관과 제4증기히팅관이 제1증기히팅관과 제2증기히팅관에 근접하여 설치되되, 제3증기히팅관 상부에 제4증기히팅관이 일정 거리를 두고 위치되면서 제3증기히팅관과 제4증기히팅관이 번갈아 코일 형상으로 설치된 재열증기 발생장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열실 외주연에 단열을 위하여 일정 두께의 단열재가 장착된 재열증기 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 증기히팅관을 버너로부터 분사된 화염이 직접 접촉되지 않도록 배열 설치된 재열증기 발생장치.
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