KR101538626B1 - 수분무식 과열 저감 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치는, 과열 증기가 이동하며 상기 증기와 분사된 물이 내부에서 혼합작용을 일으키는 과열저감튜브; 및 상기 튜브 내로 물의 유입을 위하여 상기 과열저감튜브 일측 상부로부터 하방으로 수직으로 삽입되는 스프레이튜브;를 포함하고, 상기 과열저감튜브는 스프레이튜브 전방의 증기 속도 가속화를 위한 벤투리부를 포함하며, 상기 스프레이튜브는 상기 과열저감튜브 내에 삽입된 부분에 상기 과열저감튜브 내부로 물을 분사하는 분무수단을 포함하고, 상기 분무수단은 다수의 분무구를 갖는 적어도 하나 이상의 다공성 오리피스로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

수분무식 과열 저감 장치 및 방법{a device of water spray type desuperheater and a method thereof}

본 발명은 수분무식 과열 저감 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과열증기의 적정온도를 유지시키기 위해 고압의 분무수를 과열증기에 직접 접촉시켜 효과적으로 최종 과열증기 온도를 저감 조절하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 화력 및 열병합 발전용 보일러에는 터빈 제네레이터에서 필요로 하는 고온의 과열 증기를 발생하기 위하여 과열기를 설치한다. 과열 증기 온도를 소요온도로 조절하기 위하여 과열기의 도중에 과열 저감기를 설치하여 과열 증기의 과열도를 저하시키는 것이 필요하다.

과열 저감기는 과열 증기 온도를 떨어뜨리는 방법에 따라 표면 냉각식 과열 저감기와 분무식 과열 저감기로 나눈다. 분무식 과열 저감기가 온도조절 응답성이 좋으며 온도 조절범위 설정이 용이하여 가장 많이 사용되고 있다.

도 1은 종래의 수분무형 과열 저감기를 나타내는 단면도에 해당한다.

분무식 과열 저감기는 고온 및 고속으로 유동하는 증기에 저온 및 고압의 물을 분무하여 분사된 물이 증발할 때 흡수하는 잠열만큼 증기의 온도는 감소하게 된다.

종래의 과열 저감기에 있어서의 주요 문제점은 물과 과열 증기의 혼합작용이 충분하지 못한 점이다. 이와 같이 분무수와 과열 증기와의 혼합이 불완전할 경우 위치에 따른 증기의 감온 효과의 차이가 생기므로, 과열 저감기 내의 감온된 증기의 정확한 온도를 측정하는 것이 어려워지고, 따라서 스프레이튜브를 통해 유입되는 물의 유량을 조절하는 것도 어려운 문제점이 있었다.

또한, 혼합 작용이 충분치 못하면, 기화 지연에 따라 액적에 의한 부분적인 마모나 쇼크 등을 가져올 수 있어, 블로다운 워터 해머링 등의 문제점이 있었다.

아울러, 비효율적인 증기와 물의 상호작용 때문에 혼합과정이 일어나는 관 내 길이가 길어짐에 따라 과열 저감 장치의 전체적인 크기가 증가 되어, 공간활용성이 상당히 떨어진다는 문제점이 있었다.

선행문헌 : 미국공개특허 2013-0074788호

이 건 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 이 건 발명의 목적은 물과 과열 증기의 혼합작용을 활발히 하여, 감온된 증기의 온도를 부정확하게 측정하는 것을 방지하며 스프레이튜브를 통한 물의 유입량을 정확히 조절하고, 액적의 축적에 따른 튜브의 부식이나 마모를 방지하는, 과열 저감 효율을 높이기 위한 수분무식 과열 저감 장치을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치는, 과열 증기가 이동하며 상기 증기와 분사된 물이 내부에서 혼합작용을 일으키는 과열저감튜브 및 상기 튜브 내로 물의 유입을 위하여 상기 과열저감튜브 일측 상부로부터 하방으로 수직으로 삽입되는 스프레이튜브를 포함하고, 상기 과열저감튜브는 스프레이튜브 전방의 증기 속도 가속화를 위한 벤투리부를 포함하며, 상기 스프레이튜브는 상기 과열저감튜브 내에 삽입된 부분에 상기 과열저감튜브 내부로 물을 분사하는 분무수단을 포함하고, 상기 분무수단은 적어도 하나 이상의 오리피스로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 과열 저감 방법은 과열된 증기가 과열 저감 장치 증기 유입구에서 과열저감튜브 내로 유입되는 증기유입단계; 상기 과열 저감 장치 튜브 내부를 통해 증기가 이동되는 증기이동단계; 스프레이튜브 내부로 물이 공급되는 물공급단계; 스프레이튜브를 통해 운반된 물이 적어도 하나 이상의 오리피스를 통해 분사되는 분무단계; 과열된 증기와 분사된 물이 과열 저감 장치 튜브 내부에서 혼합되는 혼합단계; 및 증기 배출구를 통해 과열 저감된 증기를 배출시키는 배출단계;를 포함한다.

상술한 바와 같은 이 건 발명의 과열 저감 장치는, 벤투리부을 마련함으로써, 벤투리관의 목부를 지날 때 베르누이 원리에 의해 과열 증기의 속도가 약 4배 정도 증가하게 되어, 분무된 물과 증기의 혼합속도가 증가하여 과열 증기가 감온 효과가 증가하되 효과가 있다.

또한, 다수의 분무구로 물이 분무는 다공성 오리피스를 마련하여 물과 과열증기의 접촉 표면을 증가시킴으로써, 물과 과열 증기의 혼합작용을 촉진시킬 수 있다.

또한, 과열저감튜브 내에서 골고루 혼합작용이 일어남에 따라, 상기 튜브 내에서 온도를 측정할 때 위치에 따른 측정 온도의 오차를 감소시켜, 정확한 튜브 내의 온도 측정이 가능해지고, 따라서 후에 유입될 물의 양을 정확히 결정할 수 있다.

아울러, 과열 증기의 증발속도가 증가하여, 기화되지 못하고 상기 튜브 내로 가라앉는 액적의 양을 감소시켜 스프레이튜브로 유입이 요구되는 물의 양을 현저히 감소시킬 수 있다.

그리고, 기화 지연에 따른 액적에 의한 부분적인 마모나 쇼크등을 방지하여, 블로다운 워터 해머링 등을 예방할 수 있다.

또한, 과열 증기와 물의 혼합과정이 일어나는 관 내 길이가 상당히 단축됨에 따라 과열 저감 장치의 전체적인 크기가 감소 되어, 공간활용성이 높일 수 있다.

도 1은 종래의 수분무형 과열 저감 장치를 나타내는 단면도에 해당한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치의 주요 구성을 나타내는 요부 단면도에 해당한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치의 스프레이튜브와 과열저감튜브를 나타내는 단면도에 해당한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치의 스프레이튜브와 과열저감튜브를 나타내는 단면도에 해당한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치의 과열저감튜브 내부에 형성된 베인을 나타내며, 도 6은 돌기를 나타내는 단면도에 해당한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치에 적용된 다공성 오리피스 및 그 분무면을 나타내는 발췌도에 해당한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치에 적용된 다공성 오리피스의 분무구의 원주방향 배열 및 타공방향을 나타내는 단면도에 해당한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치에 적용된 분무구 크기 조절 수단을 나타내는 단면도에 해당한다.

본 발명에 따른 수분무형 과열 저감 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치의 주요 구성을 나타내는 요부 단면도에 해당하며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열 저감 장치의 스프레이튜브(100)와 과열저감튜브(300)를 나타내는 단면도에 해당한다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 과열저감튜브(300)는 내측이 중공이며, 그 공간으로 과열된 증기가 운반된다. 이하의 설명에서는 전, 후의 기준을 증기가 진행되는 방향을 기준으로 증기 배출부(a) 측을 전방, 증기 유입부(d) 측을 후방으로 정의한다.

과열저감튜브(300)의 일단은 타 배관으로부터 과열 증기가 유입되는 증기 유입부(d)이며 타단은 공기가 배출되는 증기 배출부(a)이다. 상기 양 끝단은 타 배관 등에 체결이 용이하도록 구성된다.

과열저감튜브(300)의 일측 상부로부터 하방으로 수직으로 스프레이튜브(100)의 일단이 과열저감튜브(300) 내부에 위치하도록 삽입된다. 이 때, 너무 깊숙이 삽입되면 증기의 흐름을 방해하고, 너무 얕게 삽입되면 물이 상부로 분무되는 효과를 감소시키므로 스프레이의 분무수단이 과열저감튜브(300)의 수직단면상에서 중앙에 위치하도록 삽입하는 것이 바람직하다.

과열저감튜브(300) 내부는 삽입된 스프레이튜브(100) 기준으로 전방 측에 증기 가속화를 위한 벤투리부(210,220,230)를 포함한다. 도 2의 경우, 상기 벤츄리부는 과열저감튜브(300) 내부에 슬리브(200)의 형태로 마련되며, 슬리브(200)의 중간부 일측의 유로가 좁아지는 벤튜리 형태를 가진다. 슬리브(200)의 일부에 벤튜리부가 형성된 것뿐만 아니라, 상기 과열저감튜브(300) 내부에 벤튜리 형태의 유로가 형성된 것을 고려할 수 있다.

벤투리부(210,220,230)의 목부(220)는 직관부에 비해 그 직경이 작아서, 과열 증기의 유속이 증가하고, 궁극적으로 분무수를 미립화 시키고 저온의 분무수의 증발을 가속화시켜 증기와의 혼합작용을 활발히 일어나도록 한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 증기 유입부(d)와 스프레이튜브(100) 사이의 공간(도 2을 기준으로 c 와 d 사이의 공간)의 과열저감튜브(300)의 내벽 또는 슬리브(200)의 내벽에는, 운반된 과열 증기가 와류를 형성하여, 후에 분무수와의 혼합작용을 더욱 활발히 할 수 있도록 돌기(250) 또는 베인(240)을 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 스프레이튜브(100)는 상단은 냉각수 공급관이 연결되고, 하단이 폐쇄된 원통 형태인 것이 바람직하다. 상기 스프레이튜브(100)의 하단은 평평하거나 반원구의 형태 등 한 형태로 한정되지 않는다.

스프레이튜브(100)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하단 인접에 과열저감튜브(300) 내부로 물이 분무되도록 분무수단을 포함한다. 분무수단으로서, 종래의 스프레이튜브(100)는 스프레이 노즐을 주로 사용하지만, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같은 오리피스(110)를 마련하는 것을 고려할 수 있다.

또한, 혼합작용을 더욱 촉진시키기 위하여, 상기 분무수단은 도 4에 도시된 바와 같은 다수의 분무구(121)를 포함하는 다공성 오리피스(120)를 포함하는 것을 고려할 수 있다. 다공성 오리피스(120)를 통해 물이 분무될 때 물과 증기가 닿는 표면적이 더 넓고 더 균일하게 물을 분사시키므로 물과 증기의 혼합작용을 촉진시킬 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 다공성 오리피스(120)는 다수의 분무구(121)로 구성된다. 다수의 분무구(121)는 스프레이튜브(100)의 원주면의 일정면적에 균일하게 분포하여 상기 일정면적을 분무면이라 정의하고, 도 7에 점선으로 나타내었다.

상기 분무면은 복수개로 마련될 수 있으며, 다양한 배치로 분포할 수 있으나, 상기 스프레이튜브(100)의 원주면의 평면전개도를 기준으로 볼 때 원형이나 사각형의 형태로 배치되는 것이 바람직하다.

상기 분무수단은 적어도 한 개 이상의 다공성 오리피스(120)를 포함한다. 한 개 이상의 다공성 오리피스(120)는 다양하게 위치할 수 있으나, 벤딩모멘트를 최소화할 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이 과열저감튜브(300) 내에 삽입된 스프레이튜브(100)의 삽입부분을 기준으로 상, 하 방향으로 이격적으로 위치하는 것이 바람직하다.

스프레이튜브(100)의 수직단면을 보면, 도 8에 도시된 바와 같이 분무구(121)는 스프레이 원주면의 전방으로 방사형으로 타공되어 있고, 타공방향은 상기 원주의 중심을 향하는 것을 특징으로 한다. 방사형으로 타공함에 따라 직선형으로 타공할때보다, 더 넓은 공간으로 물을 분무하는 것이 가능해진다. 도 8에 있어서 θ는 0° 이상 90° 이하로 가능하다고 볼 수 있으며, 90°이상의 경우는 바람직하지 않다.

또한, 상기 원주면의 전면, 즉 전방 측 반원주면 전체에 방사형으로 타공할 수도 있고, 일부만 타공을 할 수도 있다.

다공성 오리피스(120)의 다수의 분무구(121)는 도 7에 도시된 바와 같이 하부에서 상부로 갈수록 분무구(121)의 지름의 크기가 증가하는 것이 바람직하다. 하나의 다공성 오리피스(120) 내에서 뿐만 아니라, 복수 개의 오리피스가 상하에 존재할 때, 복수 개의 다공성 오리피스(120) 전체를 보더라도 상부로 갈수록 분무구(121)의 크기가 증가하는 것이 바람직하다.

이는 상부에 위치된 분무구(121)의 경우 하부에 위치된 분무구(121)에 비하여 분무수가 과열저감튜브(300) 내부에서 이동함에 있어서, 중력의 영향을 고려할 때, 주변의 과열 증기와 열교환할 수 있는 이동 시간 및 이동 거리가 증가하기 때문이다. 일반적으로 분무수의 입자가 큰 경우 감온 효율은 높지만, 혼합 효율이 낮아지는 문제가 있지만, 본 발명의 경우 분무구(121)의 직경을 상부로 갈수록 크게 함으로써 감온 효율를 높이는 동시에 혼합 효율 또한 높일 수 있다.

또한, 분무구(121)의 크기를 조절하는 분무구 크기 조절 수단을 마련하는 것이 바람직하다. 분무구 크기 조절 수단은 각 분무구(121)의 크기를 조절함으로써, 과열 증기의 온도에 따라 적합한 운전을 가능케 한다.

과열 증기의 온도가 매우 높은 경우, 분무구(121)의 크기를 크게 함으로써 분무량 및 분무수의 입자크기를 증가시킬 수 있다. 일반적으로 분무구(121)의 크기가 제한된 경우에는 분무압력을 높여 분무량을 일부 증가시킬 수는 있으나 분무수의 입자크기를 증가시키는 것에는 한계가 있으므로 결과적으로 분무량의 증가에도 한계가 존재한다.

반대로 과열 증기의 온도가 높지 않은 경우, 분무구(121)의 크기를 작게함으로써 분무량을 줄이는 동시에 분무수의 입자 크기를 감소시킬 수 있다. 과열 증기의 온도가 높지 않은 경우에는 혼합 효율이 높지 않아 분무량을 줄이게 되더라도 액적이 발생될 가능성이 높다. 본 발명의 분무수의 입자 크기를 감소시킴으로써 혼합 효율을 높여 액적 발생에 따른 문제점을 방지할 수 있다.

상기 분무구 크기 조절 수단의 실시예로서 도 9에 도시된 바와 같이 스프레이튜브(100) 내부에 스프레이튜브(100)보다 작은 직경을 갖고 말단이 개방된 개폐조절튜브(101)를 더 포함하는 것을 고려할 수 있다.

상기 개폐조절튜브(101)는 상기 스프레이튜브(100)와 접촉되며 상기 스프레이튜브(100)의 분무구(121)와 동일한 형태의 분무구(122)를 원주면에 포함한다.

상기 개폐조절튜브(101)가 회전수단에 의해 회전됨에 따라 스프레이튜브(100)의 분무구(121)의 개폐 정도를 조절할 수 있다.

상기 개방 정도는 스프레이튜브(100)의 분무구(121)와 개폐조절튜브(101)의 분무구(122)가 완전히 포개져있을 때, 최대이며 스프레이튜브(100)의 분무구(121)와 개폐조절튜브(101)의 분무구(122)가 완전히 엇갈려있을 때, 최소를 나타낸다..

또한, 상기 개폐조절튜브(101)의 상단은 밸브 또는 액츄에이터 등의 회전수단에 연결되어 회전 정도를 제어될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 위치관계는 첨부된 도면을 중심으로 설명된 것으로서, 실시 태양에 따라 그 위치관계는 달라질 수 있다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 할 것이다.

이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술을 단순 주합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리 범위에 해당한다고 보아야 할 것이다.

100 : 스프레이튜브
101 : 개폐조절튜브
110 : 오리피스
120 : 다공성 오리피스
121 : 분무구
200 : 슬리브
210 : 벤투리 입구부
220 : 목부
230 : 벤투리 출구부
240 : 베인
250 : 돌기
300 : 과열저감튜브
400 : 분무구

Claims (13)

1. 과열 증기가 이동하며, 상기 증기와 분사된 물이 내부에서 혼합작용을 일으키는 과열저감튜브(300); 및 상기 튜브 내로 물의 유입을 위하여, 상기 과열저감튜브(300) 일측 상부로부터 하방으로 수직으로 삽입되는 스프레이튜브(100);를 포함하고
   상기 과열저감튜브(300)는 스프레이튜브(100) 전방의 증기 속도 가속화를 위한 벤투리부(210,220,230)를 포함하고,
   상기 스프레이튜브(100)는 상기 과열저감튜브(300) 내에 삽입된 부분에 상기 과열저감튜브(300) 내부로 물을 분사하는 분무수단을 포함하되,
   상기 분무수단은 적어도 하나 이상의 오리피스(110)로 이루어지고,
   상기 오리피스(110)는 다수의 분무구(121)를 갖는 적어도 하나 이상의 다공성 오리피스(120)로 이루어지며,
   상기 스프레이튜브(100) 내부에 상기 스프레이튜브(100)의 직경보다 작은 직경을 가지고 말단이 개방된 원통 형상의 개폐조절튜브(101)를 더 포함하되,
   상기 개폐조절튜브(101)의 외주면(101a)은 상기 스프레이튜브(100)의 내주면(100a)과 접촉되고,
   상기 개폐조절튜브(101)는 상기 스프레이튜브(100)의 분무구(121)와 연결되는 다수의 분무구(122)를 포함하며,
   상기 개폐조절튜브(101)가 회전수단에 의해 회전됨에 따라 스프레이튜브(100)의 분무구(121)의 개폐 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 과열저감튜브(300)는,
   상기 과열저감튜브(300)의 증기 유입부(d)와 상기 스프레이튜브(100) 사이의 내부에, 와류를 형성을 도모하기 위한 베인(240) 또는 돌기(250)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치.
4. 제1항에 있어서
   상기 다공성 오리피스(120)의 각각은 다수의 분무구(121)가 일정면적에 균일하게 분포된 분무면을 포함하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치.
5. 제4항에 있어서
   상기 다공성 오리피스(120)는 스프레이튜브(100)의 하부에 상호 상하로 이격된 복 수개가 마련되고, 각각의 상기 다공성 오리피스(120)의 분무면은 상호 이격되어 독립적인 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치
6. 제4항에 있어서,
   다공성 오리피스(120)의 분무면은 상기 스프레이튜브(100)의 원주면의 평면 전개도를 기준으로 원형 또는 사각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 스프레이튜브(100)는 원통 형상이며,
   상기 스프레이튜브(100)의 다수의 분무구(121)는 상기 원통 형상의 원주면의 전면부에 방사형으로 위치하되,
   분무구(121)의 타공방향은 상기 원통 형상의 원주의 중심을 향하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 오리피스(120)의 다수의 분무구(121)의 크기는 하부에서 상부로 갈수록 지름의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 장치.
9. 삭제
10. 과열된 증기가 과열 저감 장치 증기 유입부(d)에서 과열저감튜브(300) 내로 유입되는 증기유입단계;
    상기 과열저감튜브(300) 내부를 통해 증기가 이동되는 증기이동단계;
    스프레이튜브(100) 내부로 물이 공급되는 물공급단계;
    스프레이튜브(100)를 통해 운반된 물이 오리피스(110)를 통해 분사되는 분무단계;
    과열된 증기와 분사된 물이 과열저감튜브(300) 내부에서 혼합되는 혼합단계; 및
    증기 배출부(a)를 통해 과열 저감된 증기를 배출시키는 배출단계;를 포함하며,
    상기 분무단계의 상기 오리피스(110)는 적어도 하나 이상의 다공성 오리피스(120)이며,
    상기 혼합단계는, 상기 스프레이튜브(100)의 전방 측 과열저감튜브(300)에 마련된 벤투리부(210,220,230)에서, 과열된 증기와 상기 다공성 오리피스(120)에서 분사된 물이 함께 가속되어 혼합 속도가 증가되며,
    상기 스프레이튜브(100) 내부에 상기 스프레이튜브(100)의 직경보다 작은 직경을 가지고 말단이 개방된 원통 형상의 개폐조절튜브(101)가 마련되고,
    상기 개폐조절튜브(101)의 외주면(101a)은 상기 스프레이튜브(100)의 내주면(100a)과 접촉되고, 상기 개폐조절튜브(101)는 상기 스프레이튜브(100)의 분무구(121)와 연결되는 다수의 분무구(122)를 포함하며,
    상기 분무단계는, 상기 개폐조절튜브(101)가 회전수단에 의해 회전됨에 따라 스프레이튜브(100)의 분무구(121)의 개폐 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 과열 저감 방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제10항에 있어서,
    상기 증기이동단계에서 상기 과열된 증기는, 상기 증기 유입부(d)와 상기 스프레이튜브(100) 사이의 위치된 상기 스프레이튜브(100)의 내부에 형성된 돌기 또는 베인을 지나면서 와류가 형성되는 것을 특징으로 하는 과열 저감 방법.

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