KR101692209B1 - 복사 튜브 버너용 복열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버너 파이프 및 배기 파이프(1)를 갖는 복사 튜브 버너용 복열 장치(R)에 관한 것으로서, 복열 장치는 배기 파이프(1)의 출구에 배치되고 또한 열교환기(E)를 포함하며, 상기 열교환기는 예열될 공기를 화염 흡입측으로부터 복열 장치의 단부에 배치된 페룰(6)로 보내기 위한 방출 섹션(5), 및 버너로부터 공기를 공급하기 위해 파이프(8)를 향해 개방되어 있는 복귀 섹션(7)을 포함하고, 화염의 일부가 통과하며 연소 공기와 혼합되도록 하는 조립체가 제공되고; 열교환기(E)는 배기 파이프(1)의 횡단면의 일부만을 차지하고, 횡단면의 다른 부분(1a)은 화염에 대해 자유로이 유지되고; 연소 공기는 방출 섹션(5)내에 있는 화염들에 의해 가열되고, 복귀 섹션(7)에서는 방출 섹션(5) 외부에서 반경 방향으로 변이되어 화염들 내로 들어가게 된다.

Description

복사 튜브 버너용 복열 장치{Recuperator for a radiating tube burner}

본 발명은 버너 파이프 및 배기 파이프를 갖는 복사 튜브 버너용 복열 장치에 관한 것으로서, 버너가 버너 파이프의 입구 단부에 배치되고, 복열 장치는 배기 파이프의 출구 단부에 배치된다.

본 발명이 지향하는 복열 장치는 연도 가스의 부분에 의해 연소 공기의 역류 예열을 수행하기 위해 상기 배기 파이프에 연결되도록 구성된 연결 파이프 내부에 배치된 열교환기를 포함하는 형식으로서, 상기 열교환기는,

- 예열될 공기를 연도 가스 입구 단부에 있는 상기 복열 장치의 단부에 배치된 페룰(ferrule)로 보내기 위한 방출 섹션(outbound section), 및

- 상기 버너에 공기를 공급하는 라인을 향하여 개방되어 있는 복귀 섹션을 포함하고, 상기 페룰은 상기 연소 공기의 유동 방향을 역전시켜 상기 복귀 섹션으로 향하게 하기 위한 경로를 형성하고,

연소 생성물에서 질산화물의 레벨을 감소시키기 위해 상기 연도 가스의 부분이 상기 연소 공기에 편승되어 상기 연소 공기와 혼합되도록 조립체가 구성되는 형식에 속한다.

이러한 형식의 복열 장치는 FR-A-2 780 770호에 공개되어 있다. 대체로, 버너들을 갖는 복사 튜브들은 연도 가스로부터 열을 복열하기 위한 시스템에 장착되고, 이 시스템은 핀형(finned) 교환기 타입에 속한다.

WO 2008/022722호도 역시 방출 섹션이 복귀 섹션에 의해 둘러싸여 있는 복열 장치를 공개하고 있다. 연소 공기는 복귀 경로 도중에서만 연도 가스에 의해 가열된다.

이 공보들에 제안된 복열 장치들은 다음과 같은 개선의 필요성을 갖는다:

- 이 복열 장치들의 열적 성능과, 연도 가스와 연소 공기 사이의 열 전달을 개선해야 함,

- 질산화물의 방출을 감소시키고 또한 복사 튜브의 온도 균일성을 향상시키기 위해 연소 공기에서 연도 가스의 재순환 레벨을 개선해야 함,

- 연소 공기를 위해 필요한 압력과 연도 가스를 운반하는데 필요한 추출을 감소시키기 위해 압력 강하를 제한해야 함,

- 압력 강하에 대한 제어를 획득해야 함,

- 버너의 냉각 점화를 더욱 확실하게 만들어야 함, 및

- 제조 원가를 감소시켜야 함.

본 발명에 따르면, 버너 파이프 및 배기 파이프를 갖는 복사 튜브 버너용 복열 장치로서, 상기 버너는 상기 버너 파이프의 입구에 배치되고, 상기 복열 장치는 상기 배기 파이프의 출구에 배치되고, 또한 연도 가스의 부분에 의해 연소 공기의 역류 예열을 수행하기 위해 상기 배기 파이프에 연결되도록 구성된 연결 파이프 내부에 배치된 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는,

- 예열될 공기를 연도 가스 입구 단부에 있는 상기 복열 장치의 단부에 배치된 페룰로 보내기 위한 방출 섹션, 및

- 상기 버너에 공기를 공급하는 라인을 향하여 개방되어 있는 복귀 섹션을 포함하고, 상기 페룰은 상기 연소 공기의 유동 방향을 역전시켜 상기 복귀 섹션으로 향하게 하기 위한 경로를 형성하고,

상기 열교환기는 상기 연결 파이프의 횡단면을 일부만을 차지하고, 다른 부분은 배출을 향하여 상기 연도 가스의 통과를 위해 비어있고, 상기 복열 장치는 상기 연도 가스의 부분이 상기 연소 공기에 편승되어 상기 연소 공기와 혼합되도록 구성되며,

- 상기 교환기의 상기 방출 섹션은 상기 연소 공기의 통과를 위해 상기 연결 파이프의 축에 평행한 복수의 교환기 튜브를 포함하고, 상기 연도 가스는 상기 교환기 튜브들을 가로지르는 공기와 열을 교환하고, 두 유체들은 대향 방향으로 평행한 흐름들을 갖고,

- 상기 교환기 튜브들은 상기 페룰의 내부로 개방되어 있고,

- 공기 회로는 "헤어핀" 형상으로 구성되고, 상기 복귀 섹션은 상기 방출 섹션의 튜브들에 대하여 반경 방향으로 오프셋되어 있고, 상기 교환기 튜브들 및 상기 복귀 섹션의 횡단면들은 서로의 외부에 배치되는 것을 특징으로 한다. 상기 "헤어핀" 형상은 방출 섹션(5), 페룰(6), 및 복귀 섹션(7)으로 구성되어, U-자 형태로 구성된다.

연도 가스에 의한 공기의 예열은 공기와 과열 연도 가스와의 혼합으로부터 초래되는 직접적인 열교환을 통해 또한 복귀 섹션 주위를 순환하는 연도 가스와의 간접적인 열교환을 통해 상기 복귀 섹션에서 계속된다.

유리하게, 교환기 튜브들은 복귀 섹션과 상기 연결 파이프 또는 상기 배기 파이프 사이에 포함된 공간의 영역 내에서 함께 그룹을 형성한다. 복귀 섹션은 상기 교환기 튜브들로부터 나오는 공기와 상기 연도 가스의 재순환 부분의 흐름을 위해 충분히 큰 횡단면을 갖는 튜브로 형성된다.

하나의 제 1 가능성에 따라서, 복귀 섹션의 튜브는 페룰에 기밀식으로 연결되고, 상기 튜브의 다른 축방향 단부는 폐쇄되고, 상기 복귀 섹션은 버너에 공기를 공급하는 상기 라인과 대면하며 배치된 이젝터(ejector)에 의해 횡단 방향으로 개방되어 있다.

다른 가능성에 따르면, 복귀 섹션의 튜브는 상기 연도 가스 입구 단부에서 개방되어 있고, 상기 페룰은 굴곡진 체관 형상의(crook-shaped) 출구 노즐을 갖고, 상기 노즐은 수집 튜브들의 흐름들과 조합하며 또한 상기 복귀 섹션의 개방 단부 내로 개방되고, 상기 복귀 섹션 내에서 공기와 연도 가스의 부분이 혼합된다. 복귀 섹션은 특히 직각으로 구부러지고, 여기서 연결 파이프가 출발한다.

복열 장치는 관형 재킷(jacket)에 의해 둘러싸인 공기 입구 라인을 포함하고, 상기 관형 재킷은 그 내측 단부에서 폐쇄되고 또한 그 다른 단부에서 상기 교환기 튜브들을 위한 공기 입구 챔버로 개방되어 있고, 상기 관형 재킷은 연소 공기가 상기 교환기 튜브들로 들어가기 전에 제 1 예열 외향 및 복귀 트립(trip)을 만들도록 연도 가스에 의해 둘러싸여 있다.

페룰은 혼합 튜브에 연결되어 있는 펀넬(funnel)에 의해 상류측으로 연장된 원통형 부분을 포함하고, 상기 펀넬은 그 중심부에서 관형 연장부를 포함하고, 상기 관형 연장부는 상기 연소 공기를 위한 인젝터(injector)를 형성하고, 상기 연장부는 반경 방향 지향 커프들(cuffs)에 의해 지지되고, 상기 반경 방향 지향 커프들은 상기 교환기 튜브들이 개구하는 상기 환형 공간을 상기 관형 연장부의 내측과 연통하게 한다.

복열 장치는 관형 요소들 및 스테인레스강으로 제조된 시트 금속 컴포넌트들을 갖는 전-용접 구조(all-welded construction)로 유리하게 이루어진다. 나선체(helicoid)가 적어도 하나의 교환기 튜브 내에 배치될 수 있다.

교환기 튜브들은 재킷 튜브들에 의해 둘러싸여 있을 수 있고, 상기 연소 공기는 상기 교환기 튜브들을 통해 흐르는 한편 상기 연도 가스는 상기 교환기 튜브들과 상기 재킷 튜브들 사이에 포함된 환형 통로들을 통해 흐른다. 재킷 튜브들이 기밀식으로 통과하는 격벽은 상기 연결 파이프 또는 배기 파이프의 단부에서, 상기 연도 가스 배출구에 연결된 챔버를 형성하기 위한 목적으로 제공될 수 있고, 상기 재킷 튜브들은 상기 챔버로 개방되어 있다.

상기 복열 장치는 찬 공기의 일부를, 상기 복사 튜브가 연료의 자연 점화 온도(sefl-ignition temperature)에 도달되지 않는 한 상기 복열 장치를 통과하지 않고 상기 버너로 직접 우회시키고, 버너를 점화하기 위한 공기를 차단하기 위한 차단 부재(21)를 구비하는 바이패스 파이프를 포함할 수 있다.

교환기 튜브들은 다른 직경들을 갖고, 예를 들어 상기 직경은 상부에서 크고 하부에서 작다. 양호하게는, 교환기 튜브들은 단 하나의 단부에서 용접되고, 과열 단부는 상기 페룰에 연결되고, 다른 단부에서 교환기 튜브들은 벽 내에 기밀 슬라이딩 끼워맞춤(fluidtight sliding fit)으로 결합된다.

교환기 튜브들은 유체가 예를 들어 배기 파이프의 축에 중심을 둔 원호로서 통과하는 보어 섹션들을 최적화 하기 위해 그리고 자유 섹션을 통해 흐르는 연도 가스에서 압력 강하를 감소시키기 위해 신중하게 개시된다.

대안적인 형태로서, 교환기 튜브들의 집단(collection)은 재킷 벽에 의해 둘러싸이고, 상기 연도 가스는 상기 교환기 튜브들의 외부면과 상기 재킷 벽 사이에 포함된 영역을 통해 흐른다. 이러한 대안 형태는 생성되는 연도 가스의 방대한 체적 때문에 강철 플랜트 타입(이 타입은 코크-연소로로부터의 가스 및 용광로로부터의 가스를 가짐)의 가스와의 작동에 더 잘 맞추어져 있다.

상술한 구성들 이외에, 본 발명은 첨부한 도면들을 참고하여 설명된 몇 개의 실시예들에 관하여 이하에 충분히 설명하게 될 몇 가지 다른 구성들로 이루어지나, 이는 어떠한 방식으로도 제한되도록 의도되지 않는다.

도 1은 복열 장치 버너를 장착한 노에 대한 개략 부분 수직 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 복열 장치를 외부에서 바라보며 부분적으로 도시된 개략 수직 단면도.
도 3은 도 2를 우측에서 바라보며 확대한 개략도.
도 4는 도 3에 의한 인젝터(18)를 단면에서 도시한 개략도.
도 5는 실시예의 대안 형태로서 도 4와 유사한 도면.
도 6은 실시예의 다른 대안 형태로서 도 4와 유사한 도면.
도 7은 본 발명에 의한 복열 장치의 대안 형태인 도 8에서 Ⅶ-Ⅶ를 취하여 부분적으로 절개한 개략 수직 축방향 단면도.
도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ에 대한 확대 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 복열 장치의 다른 대안 형태로서 수직 축방향 단면의 사시도.

도면들, 특히 도 1은 복사 튜브(T) 타입의 버너(B)를 도시한다. 튜브(T)는 버너(B)가 설치되는 입구를 갖는 버너 파이프(Tb)를 포함한다. 튜브(T)는 노의 벽(P)을 통과하여 노의 챔버 내로 연장하며 배기 파이프(1)를 경유하여 벽을 통해 나간다. 버너(B)에는 파이프(Bc)에 의해 연료가 채워진다. 버너(B)의 화염은 복사 튜브(T) 내에서 발생하고, 연도 가스(연소가스)가 이 튜브를 통과하여 노를 가열한다. 연도 가스는 튜브(T) 내에서 파이프(1)를 향하여 나아간다.

복열 장치(R)는 배기 파이프(1)의 출구에 배치된다. 도 2에서 볼 수 있는 것처럼, 복열 장치(R)는 배기부를 통해 떠나는 연도 가스의 부분(2)에 의해 연소 공기의 역류 예열을 수행하기 위하여, 배기 파이프에 플랜지(도 2에 도시 안 됨)에 의해 연결되도록 구성된 연결 파이프(1b) 내에 배치된 열교환기(E)를 포함한다.

냉각 연소 공기는 화살표(4) 방향으로 한 단부(3)를 통해 교환기(E)로 들어가고, 교환기의 방출 섹션(5)에 의해 페룰(6)을 향하여 지향되며, 상기 페룰은 연도 가스 입구 단부인 복열 장치의 단부에 배치되어 있다. 교환기(E)는 버너에 공기를 공급하는 라인(8)을 향하여 개방되어 있는 복귀 섹션(7)을 포함한다. 페룰(6)은 방출 섹션(5)으로부터 연소 공기의 흐름 방향을 역전시켜서 복귀 섹션(7)으로 향하게 하기 위한 경로를 형성한다.

조립체는 연소 연도 가스의 부분(9)이 버너에 공급되는 공기에 편승되어 이 공기와 함께 라인(8) 내에서 혼합되도록 구성되어 있다.

열교환기(E)는 도 2에 명백히 도시되어 있듯이, 연결 파이프(1b)의 횡단면, 또는 배기 파이프(1)의 횡단면의 일부만을 차지한다. 횡단면의 다른 부분(1a)은 자유로이 남아 있다. 교환기의 복귀 섹션(7)은 방출 섹션(5)에 대하여 반경 방향으로 오프셋되어 있다. 방출 섹션(5) 및 복귀 섹션(7)은 각자 서로의 외부면 상에 있다. 복귀 섹션(7)은 연도 가스의 부분(9)으로 휩싸인다(bathe).

연소 공기는, 방출 경로(5) 내에서, 연도 가스에 의해 둘러싸인 방출 섹션(5)의 벽을 가로지르는 연도 가스에 의해 가열된다. 연도 가스에 의한 공기의 가열은 복귀 섹션(7)의 벽을 통과하는 복귀 경로 도중에 계속된다.

페룰(6)의 영역 내에 배치된 복열 장치의 상류 부분은 연도 가스를 출구(10)로 배출될 부분(2)과 연소 공기와 혼합될 부분(9)으로 분리시키도록 구성된다. 출구(10)는 도 7에 도시된 바와 같이, 굴뚝(도시 안 됨)에 연결하기 위한 연결 플랜지(B2)를 구비한다. 연도 가스의 부분(9)은 교환기(E)와 연결 파이프(1b) 또는 배기 파이프(1)의 내부면 사이의 개방(free) 섹션(1a)을 통해 흐른다.

복열 장치는 연도 가스의 부분(2)을 열교환기(E)로부터 출구(10)로 안내하기 위한 통로(D)를 포함한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 교환기의 방출 섹션(5)은 파이프(1b) 및 파이프(1)의 기하 축(geometric axis)에 평행한 복수의 교환기 튜브(11)를 포함한다. 튜브들(11)의 횡단면들의 중심들은 제 1 실시예에서, 도 3 및 도 4에서 볼 수 있듯이 파이프(1)의 축에 중심을 둔 원호상에 배치되고, 상기 원호는 180°보다 작게 연장된다. 교환기 튜브들(11)은 유체들 중 하나: 즉 연소 공기 또는 연도 가스를 통과시키도록 구성된다. 도 2 내지 도 4에 도시된 실례에서, 교환기 튜브들(11)은 연소 공기를 통과시키도록 구성되며 또한 파이프(1b)의 하류(연도 가스의 흐름 방향에서) 부분을 폐쇄하는 횡방향 단부벽(12)을 기밀식으로 통과한다. 연소 공기 입구는 벽(12)의 외부로 돌출하는 튜브들(11)의 여러 단부들(3)과 연통하는 분배기 박스(도시 안 됨)를 포함한다. 이 위치에는 밀봉재가 튜브들(11)에 대하여 열 팽창이 방해받지 않도록 슬라이딩 방식으로 제공된다.

도 2 내지 도 4에서, 교환기 튜브들(11)은 동축의 재킷 튜브들(13)에 의해 개별적으로 둘러싸이고, 상기 재킷 튜브들은 출구(10)의 상류에서 파이프(1b)를 폐쇄하는 격벽(14)을 기밀식으로 통과한다. 배출 챔버(15)는 격벽(14)과 벽(12) 사이에 형성되고, 이 챔버(15)는 출구(10)와 연통한다. 재킷 튜브들(13)은 파이프(1)의 내부면으로부터 일정한 반경 방향 거리로 떨어져 배치되고, 챔버(15)로 개방되도록 벽(12) 앞에서 중단된다. 재킷 튜브들의 다른 단부에서, 재킷 튜브들(13)은 페룰(6)의 횡방향 단부 벽(6a)으로부터 어느 정도의 거리에서 중단하므로, 각 튜브(13)의 상류 단부와 페룰(6) 사이에 환형 공간(16)이 형성되며, 연도 가스의 부분(2)이 교환기 튜브들(11)의 외부면과 재킷 튜브들(13)의 내부면 사이에 포함된 환형 통로(D)로 들어갈 수 있게 허용한다. 연도 가스의 해방된 부분(2)은 하류 단부에서 튜브들(13)에서 떠나며 출구(10)에 의해 배출된다.

도 3의 실시예에서, 페룰(6)은 파이프(1b)의 내부면으로부터 반경 방향 거리에서 원호의 형태로 윤곽선을 가진다. 교환기 튜브들(11)은 페룰(6)로 개방된다. 튜브들(11)의 단부들은 양호하게 각 튜브(11)와 하나씩 정렬된 구멍들이 뚫린 벽(6a)에 용접된다.

복귀 섹션(7)은 원통형 튜브(17)로 형성되고, 이 원통형 튜브의 축은 파이프(1b)의 축에 평행하게 이어진다. 튜브(17)의 횡단면은 양호하게 교환기 튜브들(11)의 횡단면들의 합과 적어도 동일하다. 벽(6a)은 이 벽(6a)에 기밀식으로 양호하게 용접에 의해 연결된 튜브(17)와 연통하는 포트를 포함한다. 튜브(17)의 다른 축방향 단부는 격벽(14) 부근에서 벽(17a)에 의해 폐쇄된다.

벽(17a) 부근의 튜브 단부에서, 튜브(17)는 예열된 공기의 횡방향 이젝터(18)를 구비한다. 상기 이젝터는 절두원추형 노즐로 형성되며, 이 노즐의 횡단면은 외부를 향해 감소되며, 노즐의 목적은 라인(8)을 통해 버너를 향하여 예열된 공기를 송풍하는 것이다. 이젝터(18)는 파이프(1b) 또는 파이프(1)의 바로 앞의 일정 거리에서 중단되어서, 이젝터(18)의 출구와 라인(8)의 입구 사이에 환형 영역(19)을 남기게 된다. 이젝터(18)를 떠나는 공기는 연도 가스의 부분(9)을 흡입하여 공급 라인(8)으로 운반하도록 만드는 흡입효과를 발생시킨다.

교환기(E)는 스테인레스강으로 제조된 튜브들 및 시트 금속 패널들로 전체적으로 생산될 수 있다.

복열 장치(R)가 작용하는 방법은 다음과 같다.

연소를 위한 찬 공기가 흐르고, 교환기 튜브들(11) 내에서 과열된 연도 가스의 부분(2)에 대하여 역류 방향으로 가열되며, 과열된 연도 가스는 튜브들(11)과 재킷 튜브들(13) 사이의 통로(D)들을 따라 흐른다. 예열된 공기가 흐르는 방향은 페룰(6)에서 역전되며, 그 공기가 과열된 연도 가스의 부분(9)에 놓여있는 복귀 섹션(7)을 따라 이젝터(18)로 돌아간다. 공기의 예열은 이 복귀 섹션(7)에서 계속된다. 예열된 공기는 이젝터(18)를 경유하여 떠나고, 파이프(8)를 따라 운반되었던 연도 가스의 부분(9)과 혼합된다.

도 5는 교환기 튜브들(11)(이 튜브들을 통해 예열될 연소 공기가 흐른다)의 집단(collection)이 공통의 외부 재킷(20)에 의해 둘러싸여 있는 실시예의 다른 형태를 도시하고 있다. 연도 가스는 외부 재킷(20)과 튜브들(11)의 외부면 사이에 포함된 통로(D)를 통해 흐른다. 복귀 섹션(7)에는 이젝터(18)가 장착된다. 도 5의 전체 교환기 조립체(E)는 연결 파이프(1b) 또는 배기 파이프(1) 내에 설치된다. 이러한 구성은 낮은 압력 강하 때문에 연도 가스의 체적을 더 크게 허용하며, 따라서 저질의(lean) 제강소 연료에 사용하기에 아주 적합하다.

도 6은 교환기 튜브들의 다른 배열을 갖는 실시예의 다른 대안 형태를 도시하며, 이것의 목적은 재순환 연도 가스의 압력 강하를 증가시키지 않고, 교환 면적을 증가시키는 것이다. 교환기 튜브들(11, 13)은 섹션(7)과 파이프(1) 사이에 포함된 공간 영역에서 함께 그룹을 형성하고 있다. 이러한 구성은 배기 파이프 내에서 교환기 튜브들의 개수를 증가시킬 수 있게 하고, 또한 재순환되는 연도 가스의 비율을 감소시키지 않고 연소 공기를 더 많이 예열시킬 수 있게 한다.

교환기 튜브들을 통해 흐르는 연도 가스 및 연소 공기의 유동 속도는 전적으로 버너가 동작하고 있는 방법에 의존하기 때문에 본 발명에 의한 실시예의 대안 형태 모두에 대해 일정하다. 도 6의 대안 형태에 따른 추가의 튜브에 의해, 튜브들을 통과하는 가스들의 유동 속도는 약간 더 느리지만, 교환 면적은 더 넓어진다. 대류에 의해 교환되는 열량의 면에서 속도보다 면적이 더 중요하기 때문에, 이러한 결과는 연도 가스와 연소 공기가 흐르는 속도가 낮아짐에도 불구하고 도 6의 실시예에 따른 교환기에서는 열 효율이 더 좋아지게 만든다.

크기와 압력 강하 사이에 양호한 균형을 얻도록 교환 면적(튜브들의 개수, 직경 및 길이)과 유동 속도 사이에 가장 좋은 절충을 달성하기 위해 최적화시킬 필요가 있다는 것을 용이하게 이해될 것이다.

도 6에 따른 실시예의 대안 형태에서, 복귀 섹션(7)은 더 이상 배기 파이프 내에서 중심에 있지 않고, 교환기 튜브들이 상부에 놓여지도록 하향으로 오프셋되어 있다.

도 5 및 도 6의 교환기들이 작용하는 방법은 도 2 내지 도 4의 교환기의 작동과 유사하다.

유리하게도, 복사 튜브가 연료의 자기 점화 온도에 아직 도달되지 않는 한, 찬 공기가 복열 장치를 통과하지 않고 버너로 직접 우회(short-circuited)(바이패스)되도록 하는 설비가 제공된다. 이러한 직접 우회(바이패스) 시스템은 버너를 점화시키는데 사용되는 공기를 차단하기 위한 차단 부재(21)(도 1)의 사용을 필요로 한다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 실시예의 다른 대안 형태를 도시한다. 전술한 실시예들에서 설명된 요소들과 동일한 기능을 수행하는 요소들은 가능한 윗첨자(')를 붙여 동일한 참고 부호로 지칭된다.

이들은 다시 설명되지 않거나 또는 다만 간략하게 다시 설명될 것이다. 교환기 튜브들(11)은 연결 파이프(1b) 내에서 도 7에서 좌측에 배치된 단부벽(12')으로부터 연장되고, 상기 단부벽을 튜브들이 슬라이딩 가능하게 기밀식으로 통과하여 튜브들(11)을 위한 입구 챔버(G)로 개방된다. 이러한 교환기 튜브들(11)은 동축의 재킷 튜브들에 의해 둘러싸여 있지 않다. 도 7에 의하면, 파이프(1b)는 파이프(1)에 연결하기 위한 플랜지(B1)를 구비한다. 교환기(E)는 플랜지(B1)를 지나 부분적으로 돌출하고, 이러한 돌출 부분은 파이프(1b)와 동축상으로 파이프(1) 내에 결합된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브들(11)은 파이프(1) 또는 예전과 같이 파이프(1b)의 벽과 복귀 섹션(7)을 형성하는 튜브(17') 사이에 포함된 초승달 모양의 공간에 모여있다.

페룰(6')은 튜브들(11)의 횡단면들에 대응하는 구멍들을 갖는 플레이트(6'a)로 구성되는 큰 베이스와 함께 결정 원뿔체의 형상을 이루고 있다. 이러한 튜브들(11)은 페룰(6') 내로 기밀식으로 개방되도록 플레이트(6'a)에 용접된다. 페룰(6')의 작은 베이스는 여러 튜브들(11)로부터 오는 공기의 흐름들을 혼합시키는 180°-벤드 출구를 구성하는 체관 형상(crook-shaped) 노즐에 연결된다.

복귀 섹션(7)(튜브 17')의 단부(23)는 체관(22)의 단부(24)와 마주보며 개방되어 있다. 체관(22)을 떠나는 공기는 튜브(17')로 들어가며, 이 튜브(17')로 들어오는, 상류에서 오는 연도 가스의 부분(9)과 혼합된다. 이 연도 가스의 부분과 공기의 혼합은 산화제에서 산소 함량을 낮출 수 있게 하고, 이것이 연소시에 형성된 NOx를 감소시키는 효과를 갖는다. 이러한 혼합은 또한 공기를 가열하는데 일부 역할을 수행한다.

연도 가스의 부분은 이 페룰(6')과 파이프(1) 또는 파이프(1b)의 내부면 사이에서 페룰(6') 주위에 배치된 빈 공간(2)으로 들어간다. 이러한 연도 가스의 부분은 튜브들(11) 주위, 특히 공간(1a) 내에서, 출구(10)의 방향에서 튜브들(11) 내의 공기에 대하여 역류로 흐른다. 또한 튜브(17')는 출구(10)를 향하여 나아가는 연도 가스에 의해 둘러싸인다.

튜브(17')는 출구 노즐(26)에 의해 연장된 벤드(25) 내로 직각으로 구부러지는 연결 파이프로부터 측방향으로 연장되고, 상기 출구 노즐에는 그 자유 단부에서 버너의 공기 노즐(도시 안 됨)에 연결하기 위한 플랜지(27)가 끼워져 있다.

공기는 챔버(G)에 의해 직접 튜브들(11)로 들어갈 수 있다. 그러나, 도시된 실시예에서 공기 입구는 라인(28)을 경유하여 들어가는데, 상기 라인(28)은 벽(12')을 통과하며, 또한 연도 가스를 발견하게 될 공간 내에서, 엘보우(elbow)(25) 부근의 내부 단부에서 폐쇄된 관형 재킷(29)에 의해 둘러싸여 있다. 라인(28)은 관형 재킷(29)의 내부 단부 바로 앞에서 중단하고, 그리고 들어간 공기가 180°로 방향을 바꾸어서 벽(12')의 구멍을 향해 복귀할 수 있도록 개방되어 있으며, 상기 벽 주위에 관형 재킷(29)이 기밀식으로 부착되어 있다.

재킷(29)이 연도 가스에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 라인(28)과 재킷(29)의 내부 벽 사이에서 복귀하며 순환하는 공기는 챔버(G)에서 출발하기 전에 제 1 예열을 경험하게 된다.

라인(28)과 관형 재킷(29)으로 구성되는 이중 튜브로 들어가는 공기에 의해 수행되는 이러한 방출 및 복귀 트립(trip)은 선택 사양이다. 제공될 때, 이것은 압력 강하의 증가 때문에, 에너지 절감 및 효율 개선을 제공한다.

효율을 개선하며 열교환을 촉진하기 위해, 나선체(helicoids)로 꼬인 금속 스트립들(30)이 도 8에 도시된 바와 같이 튜브들(11) 내부에 제공될 수 있다.

도 7 및 도 8의 히터의 작동은 전술한 도면들을 참조하여 설명된 것과 유사하다.

도 7에 도시된 화살표들은 공기와 연도 가스가 따라가는 경로들을 구체화 한다.

선택적인 대안 형태에 따르면, 방출 및 복귀 트립을 만드는 라인(28)에 의해 들어오는 공기는 챔버(G)로 복귀하여, 도 8의 실례에서 13개의 교환기 튜브들(11)로 들어간다. 공기는 튜브들(11)의 외부면을 역류 방향으로 흐르는 연도 가스와의 열 교환에 의해 이러한 튜브들(11)에서 가열된다. 이렇게 가열된 공기는 페룰(6') 내에 모이고, 부분(22)으로 180도 전환하여 튜브(17')로 들어간다. 이 지점에서 연도 가스의 재순환이 발생한다. 따라서, 체관(22)에 의해 형성된 인젝터를 복열 장치의 단부로 변위(shift)시킴으로써, 최대 재순환 효율이 달성될 수 있다.

13개의 튜브들(11)은 양호한 경로를 구성하는 하부 부분에서 오히려 자연적으로 통과하는 연도 가스 내에 잠기게 된다. 연도 가스의 양호한 경로들을 제한하고 또한 이용가능한 공간을 더 양호하게 충전시키기 위하여, 튜브들(11)은 다른 직경들을 가질 수 있는데, 예를 들어 횡단면의 상부 부분에서 더 큰 직경을 가지고 횡단면의 하부 부분에서 더 작은 직경을 갖는다. 튜브들(11)의 개수도 역시 복열 장치의 치수에 적합하게 구성될 것이다.

튜브들이 플레이트(6'a)에 대응하는 과열 단부에서만 용접되기 때문에, 튜브들(11) 사이에 다른 팽창이 발생할 수 있다. 다른 단부에서, 튜브들(11)은 벽(12')에 활주가능하게 결합되고, 이 벽(12')은 절연체에 의해 분리된 3개의 플레이트로 양호하게 구성된다.

도 9는 본 발명에 의한 복열 장치의 다른 실시예를 도시한다. 이미 설명된 요소들과 동일하거나 유사한 요소들은 가능한 이중 윗첨자(")를 붙여 동일한 참고부호로 지칭되며, 이들은 다시 설명되지 않거나 또는 다만 간략하게 다시 설명될 것이다.

도 9는 복열 장치(R)가 배기 파이프(1)와 동축 상에 연결되어 있는 원통형 본체(31)를 포함하고 있는 것을 도시한다. 연소 공기(3)를 위한 입구는 수직 횡단면의 다른 측면에 배치된 본체의 보이지 않는 부분에 제공되고, 본체(31) 및 파이프(1)의 축에 수직인 수평축을 갖는다. 연소 생성물의 나머지의 출구(10)는 수직축을 갖고 하향으로 지향하는 반면에, 연소 공기 및 연소 생성물의 부분으로 구성되는 혼합물의 출구(8)는 출구(10)에 직접 대향한다. 입구(3) 및 출구들(8, 10)은 라인에 연결하기 위한 플랜지를 형성하는 칼라를 구비한다.

도 9에서 볼 수 있는 것처럼, 본체(31)는 입구(3) 및 출구들(8, 10)과 연통하는 여러 영역들을 분리하는 내부 격벽들을 포함한다. 입구(3)는 원통형 격벽(32)에 의해 결정된 내부 챔버(3a)와 연통하고, 상기 원통형 격벽(32)은 횡방향 단부 벽(32a)을 갖고, 상기 단부 벽(32a)을 지나서 하류로 연장되는 혼합 튜브(17)에 의해 형성된 복귀 섹션(7")이 충분하게 기밀되는 방식으로 단부벽(32a)을 통과한다. 튜브(17)와 동축상의 캡(33)은 튜브(17)의 하류 단부를 덮도록 특히 플랜지(도시 안 됨)에 의해 본체(31)에 고정된다. 튜브(17)의 외부면과 캡(33)의 내부면 사이에 포함된 환형 공간은 연소 공기 및 연소 생성물의 혼합을 위해 출구 오리피스(8)와 연통한다. 이러한 혼합물이 흐르는 방향은 튜브(17)의 출구에서 180도 역전되어 출구(8)를 향하여 나아간다.

페룰(6")(도 9)은 원통형 부분(34)을 포함한다. 상기 부분(34)의 하류 단부는 튜브(17) 상에 단단히 끼워지며 부분(34)에 의해 단단히 둘러싸여 있는 원형 링(35)에 의해 형성된다. 교환기 튜브들(11)은 이에 평행하게 혼합 튜브(17) 주위에 분포되어 있고, 또한 링(35)에 제공된 구멍들을 경유하여 페룰(6")로 개방되어 있다. 튜브들의 다른 단부에서, 튜브들(11)은 원형 링(36)을 통해 공기 유입 챔버(3a) 내로 개방되어 있다. 원통형 부분(34)의 상류 단부에는 펀넬(37)이 장착되고, 이 펀넬의 상류 주변 에지(37a)는 180°로 구부러져 있다. 펀넬(37)의 벽은 구부러진 에지(37a)로부터 시작하는 실질적으로 절두원추형 스커트를 형성하고, 또한 부분(34)의 상류 에지와 소직경의 혼합 튜브(17) 사이에 접속을 제공한다. 복귀 섹션을 구성하는 튜브(17)는 이를 둘러싸는 튜브들(11)에 대하여 내측을 향해 반경 방향으로 오프셋되어 있다.

인젝터-형성용 관형 연장부(38)는 튜브(17) 내로 돌출하며, 펀넬(37)과 동축상에 있으며, 이 펀넬에 상기 연장부가 중공 커프들(cuffs)(39)에 의해 고정되고, 반경 방향으로 지향하고 각 단부에서 개방되어 있다. 커프들(39)은 튜브들(11)이 개방되어 있는 공간으로 외측을 향해 개방되고, 내측을 향하여 세장형(elongate shape) 구멍들을 통해 연장부(38)로 개방되어 있다. 관형 연장부(38)는 상류 단부에서 총화(ogee) 형상부(40)에 의해 차단되고, 상기 총화 형상부는 연소 생성물의 재순환된 부분을 통로들을 경유하여 튜브(17)를 향해 지향시키며, 상기 통로들은 커프들(39)을 둘러싸고, 또한 펀넬(37)의 내부면과 관형 요소(38)의 외부면 사이에 포함된다.

교환기 튜브들(11)은 그들의 냉각 단부에서만 용접될 수 있고, 페룰(6")은 내부 튜브(17)에 의해 제 위치에 유지될 수 있다.

도 9의 복열 장치의 작동은 전술한 도면들에 대하여 설명한 것과 유사하다.

연소 공기는 튜브(17)에 평행한 튜브들(11)을 통해 역류로 흐르고, 원통형 부분(34)으로 들어간 다음에 커프들(39)을 경유하여 반경 방향 내부로 관형 요소(38) 내로 흐르고, 또한 튜브들(11) 내의 유동 방향에 대향한 방향으로 튜브(17) 내로 축방향으로 분사된다.

연소 생성물은 한 부분은 환형 공간(2)을 통과하여 출구(10)를 향하고, 다른 부분은 커프들(39) 사이의 통로들 내로 통과하며, 최소의 압력 강하를 갖고, 튜브(17) 내에서 연소 공기와 혼합된다. 도 9의 실례에서, 페룰(6")은 120°로 이격 배치된 3개의 커프들(39)을 포함한다.

인젝터(38)의 단부에 있는 횡단면이 좁아짐으로써 공기의 속도 증가를 초래하고, 이것이 연소 생성물을 흡입하는 원인이 된다.

연소 공기는 섹션(2)을 통해 흐르는 연소 생성물에 대해 대향 방향으로 튜브들(11)을 통해 흐르고, 이에 의해 두 유체 사이의 열교환을 향상시키며, 또한 하나의 단부와 대향 단부 사이의 온도 차이를 감소시킴으로써 복열 장치의 온도 프로파일을 향상시킨다.

종래 복열 장치들에서 마주치는 파손의 위험은 작은 열 충격을 발생시키는 복열의 역류 모드 때문에 논리적으로 감소된다.

끝으로, 주형을 사용하지 않으므로 파손의 위험을 감소시킬 수 있다.

복열 장치/버너는 제작될 때 단열 처리될 수 있으므로, 현장에서 단열재가 제공되지 않는다. 현장의(on-site) 조립은 3개의 연결 플랜지(27, B1, B2)로 감소된다.

본 발명에 의한 복열 장치는 공기와 연도 가스 사이의 열교환과, 공급 라인(8)을 통과하며 재순환되는 연도 가스의 레벨을 동시에 향상시킬 수 있다. 교환기에서 직선형 튜브들의 사용은 압력 강하를 제한하며 양호하게 제어할 수 있게 한다.

튜브들에 대해 여러가지 직경들의 선택은 기계적 성능 및 인라인 압력 강하(튜브 두께) 모두에 의해 좌우되지만, 또한 튜브들이 소스가 될 수 있다는 용이성에 의해 좌우된다. 그 결과, 상업상 이용가능한 표준 튜브 크기를 채택하는 것이 적절하다.

연도 가스의 부분(9)은 연도 가스의 속도가 낮게 유지되도록 큰 개방 섹션(1a)에서 흐른다. 연소 연도 가스에서의 전체 압력 강하가 복귀 회로의 형상이 어떠하든지 거의 변하지 않더라도, 개방 섹션(1a)을 통해 흐르는 연도 가스의 상기 부분에서 압력 강하를 변경시킴으로써 연도 가스의 재순환 레벨에 직접 영향을 준다.

재순환된 연도 가스의 체적이 클수록, 복사 튜브 내에서 가스 속도는 높아진다. 그럼에도 불구하고 이러한 속도 증가는 튜브 내에서 압력 강하에 단지 작은 변화만을 초래한다.

본 발명에 의한 디자인은 교환기 상류에서 연도 가스를 분리할 수 있게 하며, 또한 이것은:

- 열교환기들의 효율을 증가시키기 위해 연도 가스가 교환기 튜브들(11) 주위의 통로들 내에서 가스 속도 증가를 가질 수 있음을 의미하고;

- 재순환되는 연도 가스에서의 압력 강하를 제한함과 함께 이젝터(18)의 유효성의 증가를 유발시킨다.

본 발명에 의한 튜브들(11, 13, 17, 17')의 사용은 유체들의 속도를 제어할 수 있게 하고, 따라서 열교환 및 압력 강하를 반복할 수 있도록 일정하게 고정시킬 수 있으며, 이는 일반적으로 제조 공차들의 결과로서 보어 섹션들에서 인식가능한 차이들을 갖는 주형으로 제조되는 종래 복열 장치들에서는 할 수 없는 것이다.

역류 순환은 유체들 사이의 열교환을 향상시킴과 동시에 연도 가스와 복열 장치의 입구측의 연소 가스 사이의 온도 구배를 감소시킴에 의해 기계적 응력을 감소시킨다.

또한, 관형 디자인은 복열 장치를 길게 만들 수 있게 하며, 그 결과 열교환 면적이 커지고 양호한 복열을 초래한다.

본 발명의 복열 장치는 전-용접 구조이므로, 주형으로 제조된 복열 장치에 비하여 경량이다. 또한, 내화성 스테인레스강의 질은 영향을 받는 온도 레벨에 따라 복열 장치 조립체의 각 컴포넌트에 맞게 제작될 수 있어서, 전체적으로 복열 장치의 재료 원가의 감소를 달성할 수 있다.

Claims (16)

1. 버너 파이프 및 배기 파이프(1)를 갖는 복사 튜브 버너용 복열 장치(heat recupator)로서, 상기 버너는 상기 버너 파이프의 입구에 배치되고, 상기 복열 장치는 상기 배기 파이프의 출구에 배치되고, 또한 연도 가스의 부분(2)에 의해 연소 공기의 역류 예열을 수행하기 위해 상기 배기 파이프(1)에 연결되도록 구성된 연결 파이프(1b) 내부에 배치된 열교환기(E)를 포함하고, 상기 열교환기(E)는,
   - 예열될 공기를 연도 가스 입구 단부에 있는 상기 복열 장치의 단부에 배치된 페룰(6, 6', 6")로 보내기 위한 방출 섹션(5), 및
   - 상기 버너에 공기를 공급하는 라인(8)을 향하여 개방되어 있는 복귀 섹션(7, 7")을 포함하고, 상기 페룰(6, 6', 6")이 상기 연소 공기의 유동 방향을 역전시켜 상기 복귀 섹션으로 향하게 하기 위한 경로를 형성하고,
   상기 복열 장치가 상기 연도 가스의 부분이 상기 연소 공기에 편승되어 상기 연소 공기와 혼합되도록 구성되고,
   상기 열교환기는 상기 연결 파이프의 횡단면의 일부만을 차지하고, 다른 부분은 배출을 향하는 상기 연도 가스의 통과를 위해 비어 있는, 상기 복열 장치에 있어서,
   - 상기 열교환기의 방출 섹션(5)은 상기 연소 공기의 통과를 위해 상기 연결 파이프(1b)의 축과 평행한 복수의 교환기 튜브(11)를 포함하고, 상기 연도 가스는 상기 교환기 튜브들을 가로지르는 공기와 열을 교환하고, 상기 연도 가스와 상기 연소 가스는 대향 방향으로 평행한 흐름들을 갖고,
   - 상기 교환기 튜브(11)들은 상기 페룰(6, 6', 6")의 내부로 개방되어 있고,
   - 공기 회로가 "헤어핀" 형상으로 구성되고, 상기 복귀 섹션(7, 7")은 상기 방출 섹션(5)의 튜브들에 대하여 반경 방향으로 오프셋되어 있고, 상기 교환기 튜브들 및 상기 복귀 섹션의 횡단면들은 서로의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 교환기 튜브(11)들은 상기 복귀 섹션(7, 7")과 상기 연결 파이프(1b) 또는 상기 배기 파이프(1) 사이에 포함된 공간의 영역 내에서 함께 그룹을 형성하는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 복귀 섹션(7, 7")은 상기 교환기 튜브(11)들로부터 나오는 공기의 흐름과 상기 연도 가스의 재순환 부분의 흐름을 위해 충분히 큰 횡단면을 갖는 튜브(17, 17')로 형성되는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복귀 섹션의 상기 튜브(17)는 상기 페룰에 기밀식으로 연결되고, 상기 튜브(17)의 다른 축방향 단부는 폐쇄되고, 상기 복귀 섹션(7)은 버너에 공기를 공급하는 상기 라인(8)과 대면하며 배치된 이젝터(18)에 의해 횡단 방향으로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 복귀 섹션의 상기 튜브(17')는 상기 연도 가스 입구 단부에서 개방되어 있고, 상기 페룰(6')은 굴곡진 체관 형상의(crook-shaped) 출구(22)를 갖고, 상기 출구(22)는 수집 튜브들(collecting tubes)의 흐름들을 집결하고 상기 복귀 섹션의 개방 단부(23) 내로 개방되고, 상기 복귀 섹션 내에서 공기와 상기 연도 가스의 부분이 혼합되는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 복귀 섹션(7)은 상기 연결 파이프로부터 상기 복귀 섹션의 출구에서 굴곡지는(25) 것을 특징으로 하는 복열 장치.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 복열 장치는 관형 재킷(29)에 의해 둘러싸인 공기 입구 라인(28)을 포함하고, 상기 관형 재킷은 상기 관형 재킷의 내측 단부에서 폐쇄되고 또한 다른 단부에서 상기 교환기 튜브들을 위한 공기 입구 챔버(G) 안으로 개방되어 있고, 상기 관형 재킷(29)은 상기 연소 공기가 상기 교환기 튜브(11)들로 들어가기 전에 제 1 예열 외향 및 복귀 트립을 만들도록 연도 가스에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 페룰(6")은 상기 튜브(17)에 연결되어 있는 펀넬(37)에 의해 상류측으로 연장된 원통부(34)를 포함하고, 상기 펀넬은 상기 펀넬의 중심부에 관형 연장부(38)를 포함하고, 상기 관형 연장부는 상기 연소 공기를 위한 인젝터를 형성하고, 상기 연장부는 반경 방향 지향 커프들(39; cuffs)에 의해 지지되고, 상기 반경 방향 지향 커프들은, 상기 복열 장치의 상류에서 상기 튜브(17)와 상기 교환기 튜브(11)들 사이에 있고 상기 교환기 튜브(11)들이 개구하는 환형 공간을 상기 관형 연장부(38)의 내측과 연통하게(in communication with) 하는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 복열 장치는 관형 요소들 및 스테인레스강으로 제조된 시트 금속 컴포넌트들을 갖는 전-용접 구조(all-welded construction)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    나선체(30)가 적어도 하나의 교환기 튜브(11) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 교환기 튜브(11)들은 재킷 튜브들(13)에 의해 둘러싸이고, 상기 연소 공기는 상기 교환기 튜브(11)들을 통해 흐르는 한편 상기 연도 가스는 상기 교환기 튜브(11)들과 상기 재킷 튜브들(13) 사이에 포함된 환형 통로들(D)을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 재킷 튜브들(13)이 기밀식으로 통과하는 격벽(14)은 상기 연결 파이프의 단부에서, 연도 가스 배출구에 연결된 챔버(15)를 형성하기 위한 목적으로 제공되고, 상기 재킷 튜브들(13)은 상기 챔버 내로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 교환기 튜브(11)들의 집단(collection)은 재킷 벽(20)에 의해 둘러싸이고, 상기 연도 가스는 상기 교환기 튜브들의 외부면과 상기 재킷 벽 사이에 포함된 영역을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복열 장치는 찬 공기의 일부를, 상기 복사 튜브가 연료의 자연 점화 온도에 도달되지 않는 한 상기 복열 장치를 통과하지 않고 상기 버너로 직접 우회시키는 바이패스 파이프를 포함하고, 상기 바이패스 파이프는 상기 버너를 점화하기 위해 의도된 공기에 제공되는 차단 부재(21)를 구비하는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 교환기 튜브들은 다른 직경들을 가지며, 상기 직경은 상부에서 더 크고 하부에서 더 작은 것을 특징으로 하는 복열 장치.
16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 교환기 튜브들은 단 하나의 단부에서 용접되고, 과열 단부(hot end)가 상기 페룰에 연결되고, 다른 단부에서 교환기 튜브들은 벽 내에 기밀 슬라이딩 끼워맞춤(fluidtight sliding fit)으로 결합되는 것을 특징으로 하는 복열 장치.
    

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