KR101620382B1 - 방열튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직관부재와 "U"자형 곡관부재를 연속으로 연결하기 위하여 연결지점을 용접하되, 용접부가 버너의 열기로 인하여 파손되지 않도록 연결지점의 관 내부에 보호관을 이중으로 내장하고, 상기 보호관에는 적열(赤熱)수단을 마련하여 버너의 미연소가스가 적열수단에 충돌되는 과정에서 완전연소되도록 하였으며, 특히 상기 직관부재는 스파이럴(spiral)의 연속된 나선홈이 형성되어 열변형 방지 및 방열면적이 증가되도록 하되, 나선홈에 따른 와류가 억제되도록 한 방열튜브 방열튜브에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 직관부재를 다단으로 구비하고, 상기 직관부재들의 양단을 곡관부재로 용접하여 하나의 연속된 방열튜브를 구성함에 있어서, 상기 직관부재의 외주면에 내부로 돌출된 반원호형의 나선홈이 한줄나사 또는 다줄나사의 형태로 구비되고; 상기 직관부재와 상기 곡관부재의 용접부 내주면에는 상기 직관부재 및 곡관부재의 내경에 밀착되어 상기 용접부를 화염으로부터 보호하는 보호관이 내장되며; 상기 직관부재의 내부에는 상기 나선홈을 타고 와류를 형성하는 열기가 충돌에 의해 난류로 변화되도록 하는 와류억제수단이 구비된 특징이 있다.

Description

방열튜브{The radiant tube}

본 발명은 방열튜브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직관부재와 "U"자형 곡관부재를 연속으로 연결하기 위하여 연결지점을 용접하되, 용접부가 버너의 열기로 인하여 파손되지 않도록 연결지점의 관 내부에 보호관을 이중으로 내장하고, 상기 보호관에는 적열(赤熱)수단을 마련하여 버너의 미연소가스가 적열수단에 충돌되는 과정에서 완전연소되도록 하였으며, 특히 상기 직관부재는 스파이럴(spiral)의 연속된 나선홈이 형성되어 열변형 방지 및 방열면적이 증가되도록 하되, 나선홈에 따른 와류가 억제되도록 한 방열튜브에 관한 것이다.

일반적으로 연속 소둔 설비(Continuous Annealing line)는 냉연강판을 복사열을 이용하여 열처리함으로써 금속 재질을 향상시키는 설비로, 탄소 성분 및 성분 원소에 따라 강판을 가열하여 압연 조직을 재결정, 성장시켜 내부응력을 제거하여 연화시켜 적절한 인성을 가진 조직의 강을 제조한다.

이러한 소둔설비의 소둔로에서 열처리 구간에 배치되는 래디언트 튜브 버너(RadiantTube Burner)는 4개의 히팅 구간에서 수십개가 배치되어 있다. 히팅 구간은 제 1 히팅구간, 제 2 히팅 구간, 제 3 히팅구간, 소킹 구간(Soaking section)으로 구성되며, 제 1내지 제 3 히팅구간은 4개의 존으로 구성되고, 소킹 구간은 2개의 존으로 구성되어 있다. 각각의 존에는 수십개의 래디언트 튜브 버너가 구비되어 있어, 전체적으로는 다수개가 배치된다. 구체적인 래디언트 튜브 버너의 개수는 개별 장비마다 상이하겠지만, 하나의 연속 소둔 설비에 몇백개 단위의 래디언트 튜브 버너가 구비되는 것이 일반적이다.

상기 방열튜브는 사용개소에 따라서 U형, W형등이 있고, 이러한 방열튜브는 통상적으로 일측단부에서 가열버너(예를들면, COG Burner)에 의해 가열되며, 이때 발생되는 연소가스는 방열튜브의 타측단부를 통해 외부로 배출된다. 상기와 같은 방열튜브는 내열성 강재인 인코넬(Inconel 601)로 제작되고, 가열버너의 화염에 의해 직접 가열된 후, 방열튜브의 외피로 부터 열(熱)을 복사시켜 냉연강판을 간접적으로 가열시키도록 작용된다.

이때 방열튜브를 장시간 사용하게 되면, 온도가 매우 높게 가열됨으로서 과도한 열팽창에 의한 변형이 발생된다. 종래 실용공개 제1994-0009526호는 방열튜브의 열화에 의한 변형을 방지하여 교체주기를 연장시키고, 그에 따른 작업생산성 향상 및 원가절감을 이룰 수 있도록 하기 위하여, 방열튜브에 길이 방향으로 다수개의 지지대를 몸체부에 부착하고, 상기 지지대의 몸체부에 다수개의 환형링을 일정간격으로 결합시켜 휨방지용 방열튜브를 제안한 바 있다.

그러나 방열튜브의 외주면에 지지대를 용접하고, 환형링을 용접해야 되므로 작업성이 떨어지고 또한 용접에 따른 표면조직의 변화로 인하여 버너에서 900도 이상의 고열이 발생되었을 때 용접부위의 파손이 우려되는 등의 문제점이 있었다.

실용공개 제97-59376호는 버너와 직접 연결되는 제1직관의 외주면에 다수의 링체를 부착하고, 나머지 관들에는 길이방향의 돌출부를 형성한 기술이 제안된 바 있다. 특허공개 제1995-0026993호는 관의 외주면에 길이방향의 리브를 형성한 기술이 제안된 바 있다.

그러나 종래 실용공개 제97-59376호는 링체와 돌출부를 용접의 수단으로 형성해야 되므로 작업성이 떨어지고, 또한 특허공개 제1995-0026993호는 방열튜브의 재질이 주물로 구성된 상태에서 주물을 제작할때 리브를 함께 형성해야 되므로 주물제작이 어려워지는 문제점이 있으며, 또한 종래의 기술들은 방열튜브가 가열되는 과정에서 길이방향으로 늘어나는데 따른 대비책이 없으므로 튜브의 용접부위가 터지거나 또는 갈라지게 되는 등의 문제점이 발생되었다.

또한 버너의 연소과정에서 미연소가스가 발생되는데, 이러한 미연소가스는 질소산화물을 다량 발생시켜 대기를 오염시키는 등의 문제점이 있었다.

본 발명자는 종래의 문제점을 감안하여 방열튜브의 외주면에 반원호형 볼록부를 연속으로 일정구간 형성하여 신축변형이 보완되도록 하고, 또한 방열튜브의 외주면에 원호형 오목부를 일정구간 연속으로 형성하여 내부압력 변화에 견디도록 하되, 상기 볼록부와 오목부가 서로 겹치지 않도록 방열튜브를 다단으로 연결하여 복사열이 대상물에 균일하게 전달되도록 한 방열튜브를 특허출원 제2015-0032442호로 제안한 바 있다.

본 발명은 본 발명자의 선출원중인 특허를 개량한 것으로서, 본 발명의 목적은 직관부재와 "U"자형 곡관부재를 연속으로 연결하기 위하여 연결지점을 용접하되, 용접부가 버너의 열기로 인하여 파손되지 않도록 연결지점의 관 내부에 보호관을 이중으로 내장하고, 상기 보호관에는 적열(赤熱)수단을 마련하여 버너의 미연소가스가 적열수단에 충돌되는 과정에서 완전연소되도록 하였으며, 특히 상기 직관부재는 스파이럴(spiral)의 연속된 나선홈이 형성되어 열변형 방지 및 방열면적이 증가되도록 하되, 나선홈에 따른 와류가 억제되도록 한 방열튜브를 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 직관부재를 다단으로 구비하고, 상기 직관부재들의 양단을 곡관부재로 용접하여 하나의 연속된 방열튜브를 구성함에 있어서, 상기 직관부재의 외주면에 내부로 돌출된 반원호형의 나선홈이 한줄나사 또는 다줄나사의 형태로 구비되고; 상기 직관부재와 상기 곡관부재의 용접부 내주면에는 상기 직관부재 및 곡관부재의 내경에 밀착되어 상기 용접부를 화염으로부터 보호하는 보호관이 내장되며; 상기 직관부재의 내부에는 상기 나선홈을 타고 와류를 형성하는 열기가 충돌에 의해 난류로 변화되도록 하는 와류억제수단이 구비된 특징이 있다.

본 발명에 따르면 방열튜브는 직관부재의 외주면에 반원호형의 나선홈이 다줄나사의 형태로 연속 구비된다. 이들 나선홈은 방열튜브의 외경을 보강하는 역할을 하므로 방열튜브가 연소불안정으로 인하여 내부에 진공압이 발생되더라도 튜브의 찌그러짐이 억제되어 관의 원형을 유지시키고 튜브의 터짐 및 변형을 방지시킨다.

또한 상기 방열튜브는 직관부재와 "U"자형 곡관부재가 연속으로 연결되는데, 이들 직관부재와 곡관부재가 연결되는 지점의 내부에는 이들의 내경에 밀착되는 보호관이 내장된다. 상기 보호관은 직관부재와 곡관부재를 연결하는 용접부에 버너의 화염이 직접 닿지 않도록 하기 위한 것으로서, 용접부의 열화에 따른 경화 및 조직변화를 방지시키고, 용접부의 균열이 억제되도록 하는 효과가 있다.

그리고 상기 보호관은 직관부재와 곡관부재의 내경에 밀착되어 직관부재와 곡관부재의 중심을 일치시키므로 용접부의 틀어짐이 방지되는 효과가 있다. 또한 상기 보호관은 상기 직관부재의 중심으로 향해 경사진 원추형의 적열수단이 마련된다. 상기 적열수단은 버너의 열기에 의해 900도 이상 가열되는 것으로서, 버너의 연소중에 발생되는 미연소가스가 상기 적열수단에 충돌되는 과정에서 완전연소되어 배출되므로 대기오염이 감소되고, 버너의 연소효율이 향상된다.

또한 상기 직관부재의 내부에는 나선홈에 따른 와류를 억제하는 수단이 구비된다. 와류가 발생되면 열기가 직관부재를 빠르게 통과되므로 방열성이 떨어진다. 상기 와류를 억제하는 수단은 와류가 충돌되도록 충돌판이 다수개 구비된 것으로서, 와류를 난류로 변화시켜 열기를 정체시키고 방열시간이 충분히 확보되도록 해준다. 또한 미연소가스 일부가 상기 충돌판에 부딪히면서 완전연소되는 효과도 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 방열튜브의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 직관부재의 사시도
도 3은 본 발명 한 실시예의 적열수단을 갖는 보호관의 사시도
도 4는 본 발명 한 실시예의 와류억제수단의 사시도
도 5는 본 발명 한 실시예의 와류억제수단을 갖는 보호관의 사시도
도 6은 본 발명 한 실시예의 직관부재에 설치된 적열수단의 단면도
도 7은 본 발명 한 실시예의 직관부재에 설치된 와류억제수단의 단면도
도 8은 본 발명 한 실시예의 직관부재와 곡관부재의 일부 단면도
도 9은 도 7 및 도 8의 A - A선 단면도
도 10은 본 발명 다른 실시예의 와류억제수단의 단면도

도 1 내지 도 9에서 본 발명 한 실시예의 방열튜브는 W타입으로 형성되기 위하여 4개의 직관부재(10)가 필요하다. 4개의 직관부재(10)가 일렬로 구비되고, 이들 직관부재(10)는 U자 형태로 절곡된 곡관부재(11)를 통하여 연속으로 연결되어 방열튜브가 된다. 그리고 이들 곡관부재(11)와 직관부재(10)는 용접부(15)를 통하여 긴밀하게 연결되며, 양쪽의 곡관부재(11)에는 지지대(12)가 구비되어 소둔로 내부에서 방열튜브가 지지된다. 또한 상기 직관부재(10)의 시작 지점과 끝 지점에는 버너가 설치되는 입구관(13) 및 버너 열기가 배출되는 출구관(14)이 결합된다.

상기 직관부재(10)는 외주면에 나선홈(20)이 연속으로 형성된다. 상기 나선홈(20)은 반원호형으로써 상기 직관부재(10)의 내주면으로 돌출되는데, 최소 한줄나사로 구성된다. 바람직하게는 120도 간격의 3방향에서 스파이럴이 형성되는 다줄나사의 형태로 나선홈(20)이 형성되는 것이 바람직하다. 다줄나사로 형성할 한줄나사에 비하여 보다 빠르게 직관부재(10)의 표면에 나선홈을 형성할 수 있다. 이러한 나선홈(20)은 연소불안정에 따른 직관부재(10) 내부의 압력변화 발생시 관의 찌그러짐을 억제하는 효과가 있으며, 표면적 증대로 방열면적이 커지는 이점이 있다.

상기 직관부재(10)와 곡관부재(11)의 용접부(15)에는 이들의 내경으로 끼워져 밀착되는 보호관(30)이 구비된다. 상기 보호관(30)은 상기 직관부재(10)와 곡관부재(11)의 내경과 밀착되는 외경을 갖는 원통형으로 구성된다.

상기 보호관(30)은 상기 직관부재(10)의 내부로 먼저 끼워져 조립되고, 이후 상기 곡관부재(11)를 끼워서 대향면을 용접한다. 상기 보호관(30)을 상기 직관부재(10)에 먼저 끼운뒤 드릴을 이용하여 직관부재(10)와 보호관(30)에 동시에 핀구멍(51)을 천공하고, 이 핀구멍(51)에 고정핀(50)을 박아서 보호관(30)을 고정시킨다. 상기 고정핀(50)은 직관부재(10)의 상측에서 양쪽으로 근접되게 체결되는 것이 바람직하다.

상기 고정핀(50)이 90도 내지 120도 간격으로 4곳 또는 3곳에서 직관부재(10)에 고정될 경우 상기 직관부재(10)가 길이방향으로 열변형되는 동안 상기 고정핀(50)들이 엇갈리면서 파단될 수 있으므로 상기 직관부재(10)의 위쪽에서 근접되게 양쪽으로 체결되어 틀어짐에 따른 파손이 억제되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 고정핀(50)에는 머리부(52)를 마련하여 직관부재(10)의 외주면에서 머리부(52)를 용접하여 핀구멍(51)이 밀봉되도록 해준다.

상기 보호관(30)의 끝단에는 적열수단(31)이 마련된다. 상기 적열수단(31)은 상기 직관부재(10)의 중심으로 향해 축소 경사진 원추형 원통으로 구성되며, 외주면에는 다수의 타공부(32)가 천공된다. 상기 적열수단(31)은 상기 버너의 열기가 직접 닿아 900도 이상 가열되는 것으로서, 버너에서 발생되는 미연소가스가 적열수단(31)에 충돌되는 과정에서 적열에 의해 완전연소되며, 일부 미연소가스는 상기 타공부(32)로 빠져나가면서 완전연소된다.

상기 적열수단(31)은 상기 보호관(30)의 끝단에 일체로 형성하기 위하여 다수의 절개부(33)를 통하여 방사상으로 분할되고, 각 분할된 부분들은 원호형으로 절곡되어 전체적으로 원추형으로 경사진 형태를 갖는다. 다른 실시예로써, 별도로 제작된 원추형의 적열수단을 상기 보호관(30)의 끝단에 용접 등의 수단으로 결합시킬 수 도 있다.

또한 상기 보호관(30)의 내부에는 와류억제수단(40)이 내장된다. 버너의 열기는 직관부재(10)를 통과하는 과정에서 상기 나선홈(20)을 타고 와류가 형성되는데, 이러한 와류는 방열성을 저하시킨다. 와류에 의해 버너의 열기가 직관부재(10)를 빠르게 통과하면서 방열시간이 짧아지는데, 이를 억제하는 와류억제수단(40)은 다수의 충돌판(41)을 갖는다. 상기 충돌판(41)은 직관부재(10)와 나란하게 수직으로 중심을 향해 돌출된 다수의 판으로 구성되어 버너의 열기가 충돌에 의해 난류를 형성하여 와류에 변화를 주는 것이다.

그리고 상기 직관부재(10)의 내부에는 상기 보호관(30)과 별개의 와류억제수단(40)이 단독으로 구비된다. 상기 와류억제수단(40)은 다수의 고정핀(50)에 의해 상기 직관부재(10) 내부에 고정되는 것으로서, 내주면에 다수의 충돌판(41)이 방사상으로 돌출 구비된다. 이러한 충돌판(41)은 와류를 난류로 변화시키는 역할도 하지만 열기에 의해 가열된 충돌판(41)에 미연소가스가 부딪히면서 완전연소되도록 하는 기능도 있다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예의 방열튜브는 위쪽으로 버너가 내장되는 입구관(13)이 구비되고, 하단은 열기가 빠져나가는 출구관(14)으로 형성된다. 상기 직관부재(10)는 외주면에 한줄나사 또는 다줄나사 형태로 나선홈(20)이 구비된다. 이러한 나선홈(20)은 직관부재(10)의 내주면으로 오목하게 돌출된 반원호형으로 구성되어 표면적이 늘어나므로 방열면적이 증가되는 이점이 있으며, 또한 직관부재(10)의 외주면을 보강하는 역할도 한다. 따라서 버너의 불안전연소에 따른 진공압 발생시 직관부재(10)의 찌그러짐을 억제할 수 있다.

상기 보호관(30)은 상기 직관부재(10)와 곡관부재(11)의 용접부(15) 내부에 이들의 내경과 밀착되도록 구비된다. 따라서 버너의 화염이 상기 용접부(15)에 직접 닿지 않고 상기 보호관(30)에 의해 차단되므로 용접부(15)의 열화현상이 억제되어 용접부의 터짐이나 국부적인 반복 변형이 발생되지 않는다.

그리고 상기 보호관(30)은 끝단에 적열수단(31)이 마련되는데, 상기 적열수단(31)은 열기가 빠져나가는 방향과 나란하게 상기 직관부재(10) 내부에 형성되어 버너의 열기에 의해 상기 적열수단(31)이 가열된다. 따라서 버너의 미연소가스가 상기 적열수단(31)을 통과하는 과정에서 표면 충돌에 의해 순간적으로 완전연소되는 효과가 있다. 또한 일부 미연소가스는 상기 타공부(32)을 타고 빠져나면서 완전연소되므로 적열성능이 향상된다. 상기 적열수단(31)은 각 직관부재(10)마다 구비되므로 버너의 열기가 이들 직관부재(10)를 연속으로 거치면서 미연소가스가 완전연소된다.

상기 직관부재(10)에 내장된 와류억제수단(40) 및 상기 보호관(30)의 일부에 형성된 와류억제수단(40)은 버너의 열기를 난류로 변화시키는 역할을 한다. 버너의 열기가 상기 직관부재(10) 내부로 흐르는 과정에서 나선홈(20)을 타고 와류를 형성하여 상기 직관부재(10)를 빠르게 통과하는 문제가 발생된다. 그러나 상기 와류억제수단(40)에는 와류가 충돌되는 충돌판(41)이 구비되므로 버너의 열기가 난류를 형성하면서 직관부재(10)에 정체되는 시간이 충분히 확보되어 방열성이 저하되지 않는다.

그리고 상기 충돌판(41)은 버너의 열기에 의해 가열되어 적열성을 갖는데, 이때 충돌판으로 향하는 버너의 열기 중에서 미연소가스가 충돌에 의해 완전연소된다.

도 10은 본 발명 다른 실시예의 와류억제수단의 단면도로써, 원통형의 외주면에 상기 직관부재(10)의 나선홈(20)으로 끼워지는 나선홈(40a)을 형성하여 상기 와류억제수단(40)이 별도의 고정핀 없이 나사체결 방식으로 상기 직관부재(10)의 내부로 들어가도록 한 것이다.

이처럼 구성하면 상기 와류억제수단(40)이 나사체결방식에 의해 직관부재(10)의 내주면으로 형성된 나선홈(20)에 와류억제수단(40)의 외주면에 형성된 나선홈(40a)이 나사체결되어 원하는 지점에서 고정되므로 별도의 드릴 작업 및 용접작업이 생략되는 이점이 있다.

10 : 직관부재 11 : 곡관부재
12 : 지지대 13 : 입구관
14 : 출구관 15 : 용접부
20 : 나선홈 30 : 보호관
31 : 적열수단 32 : 타공부
33 : 절개부 40 : 와류억제수단
40a : 나선홈 41 : 충돌판
50 : 고정핀 51 : 핀구멍

Claims (5)

1. 직관부재를 다단으로 구비하고, 상기 직관부재들의 양단을 곡관부재로 용접하여 하나의 연속된 방열튜브를 구성함에 있어서,
   상기 직관부재의 외주면에 내부로 돌출된 반원호형의 나선홈이 한줄나사 또는 다줄나사의 형태로 구비되고;
   상기 직관부재와 상기 곡관부재의 용접부 내주면에는 상기 직관부재 및 곡관부재의 내경에 밀착되어 상기 용접부를 화염으로부터 보호하는 보호관이 내장되며;
   상기 직관부재의 내부에는 상기 나선홈을 타고 와류를 형성하는 열기가 충돌에 의해 난류로 변화되도록 하는 와류억제수단이 구비됨을 특징으로 하는 방열튜브.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 보호관의 끝단에는 상기 직관부재의 내부로 경사진 원추형의 적열수단이 구비되며,
   상기 적열수단에는 다수의 타공부가 형성되어 미연소가스를 완전연소시킴을 특징으로 하는 방열튜브.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 직관부재와 곡관부재의 용접부에 내장되는 상기 보호관의 내부에는 상기 보호관의 중심을 향해 다수개의 충돌판이 방사상으로 돌출되어 버너의 열기가 충돌되도록 한 것을 특징으로 하는 방열튜브.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 와류억제수단은 원통형으로 구성되고 내주면에는 중심을 향해 다수개의 충돌판이 방사상으로 돌출되어 버너의 열기가 충돌되도록 한 것을 특징으로 하는 방열튜브.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 와류억제수단은 상기 직관부재의 외주면에서 상기 와류억제수단의 내부로 박히는 고정핀에 의해 상기 직관부재의 내부에 고정되도록 하거나, 또는 상기 와류억제수단의 외주면에 상기 직관부재의 나선홈과 맞물리는 나선홈이 형성되어 나사체결방식으로 끼워져 고정되도록 한 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방열튜브.

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