KR101715488B1

KR101715488B1 - 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템 및 열회수방법

Info

Publication number: KR101715488B1
Application number: KR1020150106719A
Authority: KR
Inventors: 박상일; 이영수; 이길봉; 나호상; 고창복
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-03-23
Also published as: KR20170014080A

Abstract

본 발명은 산업공정에서 배출되는 배가스, 폐스팀 및 폐온수 등의 다양한 형태의 폐열을 동시에 회수하여 고온의 온수를 생산하기 위한 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기, 열교환방법, 열회수 시스템 및 열회수방법에 대한 것이다. 보다 상세하게, 산업공정에서 발생된 폐가스와 폐스팀이 유입되는 배가스 유입구와, 타단에 냉각된 상태로 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체; 상기 몸체 내에 구비되어 유입된 폐가스와 폐스팀이 통과되는 다공판과, 상기 다공판 상부측에 물 유동층으로 구성되며 상기 물 유동층 내에 구비되어 내부로 급수가 유입되는 다수의 전열관이 침지되며 상기 폐가스와 폐스팀의 응축잠열과 현열을 흡수하여 상기 급수를 가열하는 물 유동층; 및 상기 물 유동층의 상부 몸체 일측에 구비되며, 산업공정에서 발생된 폐온수가 유입되는 폐온수 유입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기에 관한 것이다.

Description

다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템 및 열회수방법{A fluidized bed heat exchanger for condensing heat recovery from multi-type heat sources}

본 발명은 산업공정에서 배출되는 배가스, 폐스팀 및 폐온수 등의 다양한 형태의 폐열을 동시에 회수하여 고온의 온수를 생산하기 위한 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기, 열교환방법, 열회수 시스템 및 열회수방법에 대한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 고온 배가스의 수직유로에 다공판을 설치하고, 다공판 위에 1차로 물 유동층을 형성하여 물 유동층 내에 설치된 전열관 배열의 전열관 내의 급수를 가열한다. 그리고 폐스팀을 열교환기 전단의 배가스 유로에 투입하여, 물 유동층에서 스팀의 응축잠열을 회수한다. 또한 물 유동층의 상부에 폐온수를 공급하여 물 유동층 내에 설치된 전열관 내 급수를 가열한다.

물 유동층에서 배가스 내의 스팀이 응축되어 응축수가 발생하며, 폐온수가 유동층 부로 계속 유입되므로, 물 유동층의 수위가 높아져서 일정한 높이의 overflow pipe 보다 높아지게 되면, 응축수와 폐온수가 전열관 내의 급수를 가열한 후에 냉각된 상태로 물 유동층의 밖으로 배출된다.

이에 따라, 물 유동층 열교환기를 사용하여, 배가스, 폐스팀 및 폐온수 또는 응축수의 3가지 형태의 다중 폐열원으로부터 동시에 폐열을 회수하여 온수를 생산할 수 있다.

종래의 연소 배가스의 폐열회수를 위하여 물 유동층 열교환기를 사용하여, 고온의 부식성 배가스에 함유된 수증기의 응축 잠열과 현열을 회수하였다. 또한, 기존의 열매체 유동층 열교환기를 사용하여 약 80^oC 정도의 고온의 온수를 생산할 수 있으나, 주로 현열만을 회수하였다.

도 1은 종래 물 유동층 열교환기의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 물 유동층 열교환기는, 사각동체(1)의 내저부에 설치된 열교환 전열관(2)의 저면에 다공판(3)을 설치하고 사각동체(1)의 상부에는 물방울 제거필터(4)가 설치되어 있다.

또한, 사각동체(1)의 일측으로 배기가스 유도통로(5)가 형성되게 배기유입구(6)를 갖은 사각외동체(1a)를 설치하여 다공판(3)의 저면에서 점차 경사진 배기가스 유도통로(5a)를 이루도록 사각외동체(1a)의 저면판(1b)을 경사지게 형성하되 사각외동체(1a)와 저면판(1b)의 연접부를 도 1에서와 같이 각이 지게 연접되어 있다.

그리고 사각동체(1)의 상부 일측에 자동조절밸브(7)를 설치한 급수관(7a)을 연관시켜 이 급수관(7a)을 통하여 적당량의 물을 공급시키면 보일러 가동 중지시에는 다공판(3)을 통하여 배기가스 유도통로(5)(5a)와 사각동체(1)의 저면에 모여 있다가 보일러 가동시에는 공급되는 배기가스압력에 의하여 다공판(3)을 통하여 사각동체(1)의 내부로 유입되어 열교환 전열관(2) 사이에서 물 유동층을 형성하게 된다. 또한, 사각외동체(1a)의 상부에는 배기가스 배출구(8)와 연통되게 배기가스 바이패스(by-pass)관(9)을 설치하여 고온의 배기가스 일부가 바이패스관(9)을 통하여 배기가스 배출구(8)로 유입되어 물방울 제거필터(4)를 통과하여 나오는 냉각된 수분 포화상태의 배기가스와 혼합되므로 수분이 포화된 배기가스는 재가열되어 배기가스 배출구(8) 이후의 연도에서는 배기가스의 냉각으로 인한 수분의 응축현상을 방지할 수 있는 구성을 기재하고 있다.

종래의 연소 배가스의 폐열회수를 위하여 물 유동층 열교환기를 사용하여, 고온 배가스에 함유된 현열과 수증기의 응축 잠열을 효율적으로 회수하여 사용하였다.

그러나, 실제의 산업공정에는 다양한 폐열이 발생하고 있다. 일반적으로 산업체에서 발생하는 폐열은 폐가스(배가스), 폐스팀 및 응축수를 포함한 폐온수의 형태를 갖는다. 그리고 이러한 폐열 들은 다양하고 또한 발생량과 발생시기는 공정에 따라서 변화한다.

이에 따라, 종래의 기술을 사용하면, 이러한 다양한 폐열들이 수시로 변화되는 경우, 동시에 폐열을 회수하기 어렵기 때문에 전체적인 폐열회수 열량이 적고, 열효율이 낮으며, 또한 열교환기의 가동시간이 길지 않기 때문에 경제성이 제한되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제1118509호 대한민국 등록특허 제0242226호 대한민국 등록특허 제0578109호 대한민국 등록특허 제0213303호 대한민국 공개특허 제2013-0096317호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 산업공정에서 발생하는 폐가스, 폐스팀 및 폐온수의 다양한 형태의 폐열이 발생량과 발생시간이 변화하는 경우에도 물 유동층 열교환기를 사용하여 이러한 다양한 폐열을 동시에 회수할 수 있는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기, 열교환방법, 열회수 시스템 및 열회수방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 물 유동층의 전단의 연소 배가스의 유로에 폐스팀을 공급하여 다중열원 폐열회수 물 유동층 열교환기의 물 유동층에서 배가스의 폐열 외에 추가로 폐스팀의 응축열을 회수하고, 물 유동층의 상부에 폐온수를 공급함으로써, 폐온수의 폐열을 회수하여 전열관 내의 급수를 가열하여 온수를 생산할 수 있어, 이러한 추가적인 폐스팀과 페온수의 폐열회수 방법을 사용하여, 물 유동층 열교환기로 배가스, 폐스팀 및 폐온수의 3가지 폐열을 동시에 회수하여 깨끗한 온수를 생산할 수 있는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기, 열교환방법, 열회수 시스템 및 열회수방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 산업공정에서 고온 배가스의 발생량이 줄어드는 경우에도, 물 유동층의 상부에 배가스 순환배관을 설치하고, 송풍기를 가동하는 경우, 물의 유동층을 계속 안정적으로 형성할 수 있어, 배가스의 폐열이 없는 경우에도 폐스팀과 폐온수의 폐열을 회수할 수 있는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기, 열교환방법, 열회수 시스템 및 열회수방법을 제공하는데 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 물 유동층 열교환기에 있어서, 산업공정에서 발생된 폐가스와 폐스팀이 유입되는 배가스 유입구와, 타단에 냉각된 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체; 상기 몸체 내에 구비되어 유입된 폐가스와 폐스팀이 통과되는 다공판과, 상기 다공판 상부측에 물 유동층으로 구성되며 상기 물 유동층 내에 구비되어 내부로 급수가 유입되는 다수의 전열관이 침지되며 상기 폐가스와 폐스팀 내의 수증기를 응축시켜 상기 폐가스와 폐스팀의 응축잠열과 현열을 회수하여 상기 급수를 가열하는 물 유동층; 및 상기 물 유동층의 상부 몸체 일측에 구비되며, 산업공정에서 발생된 폐온수가 유입되는 폐온수 유입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 급수는, 폐가스와 폐스팀 내의 수증기가 응축되면서 발생되는 응축잠열과 현열, 그리고 폐온수 유입구를 통해 유입된 폐온수에 의해 가열되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 다공판과 소정간격 상부측으로 이격되어 설정된 수위 이상의 물이 배출되는 오버플로우 배출관과, 상기 오버플로우 배출관을 통해 배출된 물이 하부측 물 탱크로 유입되는 오버플로우 유입관과, 몸체 하면과 특정간격 상부측의 몸체 외면에 형성되어 상기 물 탱크 내의 설정된 수위 이상의 물이 배출되는 물 배출구를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 배가스 배출구와 상기 물 유동층 사이의 상기 몸체 내에 구비되어 배가스의 액적을 제거하는 데미스터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 물탱크와 상기 다공판 상부 측의 몸체 외면 사이에 구비되는 물 순환관과, 상기 물 순환관 일측에 구비되어 상기 물탱크 내의 물을 상기 유동층으로 공급하는 물펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 물 유동층 열교환기를 이용한 열교환방법에 있어서, 산업현장에서 배출된 폐가스와 폐스팀이 유동층 열교환기의 몸체에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입되고, 산업현장에서 배출된 폐온수가 유동층 열교환기의 폐온수 유입구를 통해 유입되는 단계; 유입된 폐가스와 폐스팀이 몸체 내의 다공판 상부의 물 유동층 내에 구비된 전열관 내의 급수를 가열하여 응축되고, 상기 폐온수가 다공판 상부로 유입되어 상기 급수를 가열하는 단계; 및 폐가스와 폐스팀이 냉각되어 배가스 배출구를 통해 토출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열교환방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 급수는 폐가스와 폐스팀의 응축열과 현열, 및 폐온수의 열을 공급받아 온수로 토출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 다공판 상부의 물 유동층을 구성하는 폐가스와 폐스팀의 응축수와 급수를 가열한 폐온수는 오버플로우배출관과 오버플로우유입관을 통해 몸체 내부 하측에 구비된 물 탱크로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 물탱크에 저장된 특정수위를 초과하는 물은 물 배출구를 통해 토출되고, 물펌프가 가동되는 경우, 상기 물탱크에 저장된 물이 물 순환관을 통해 상기 다공판 상부로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 열회수 시스템에 있어서, 산업공정에서 배출된 폐가스가 유동되는 폐가스 공급유로; 산업공정에서 배출된 폐스팀이 유동되는 폐스팀 공급유로; 상기 폐가스 공급유로에서 유동되는 폐가스와 상기 폐스팀 공급유로에서 유동되는 폐스팀이 합류되어 유동되는 배가스 유입로; 산업공정에서 배출된 폐온수가 유동되는 폐온수 공급유로; 배가스 유입로와 연결되어 폐가스와 폐스팀이 유입되는 배가스 유입구와 타단에 냉각된 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체와, 상기 몸체 내에 구비되어 유입된 상기 폐가스와 폐스팀이 통과되는 다공판과 상기 다공판 상부측에 물 유동층으로 구성되며 상기 물 유동층 내에 내부로 급수가 유입되는 다수의 전열관이 침지되며 상기 폐가스와 폐스팀의 응축잠열과 현열을 흡수하여 상기 급수를 가열하는 물 유동층과, 상기 물 유동층의 상부 몸체 일측에 구비되며 상기 폐온수 공급유로와 연결되어 상기 폐온수가 유입되는 폐온수 유입구를 구비하는 물 유동층 열교환기; 및 상기 전열관으로 급수를 공급하는 급수펌프;를 포함하여, 상기 전열관 내를 유동하는 급수가 상기 폐가스와 상기 폐스팀의 응축열과 현열, 및 상기 폐온수의 열을 흡수하여 온수를 생산하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 배가스 유입로와 상기 몸체 상부 외면 사이를 연결하여 상기 물 유동층을 통과한 배가스를 상기 배가스 유입로로 재순환시키는 배가스재순환유로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 배가스재순환유로에 구비되어 유입되는 폐가스의 유량이 특정값 이하인 경우 개방되는 재순환밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 급수펌프, 물 펌프, 상기 송풍기 및 상기 재순환밸브의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 열회수 방법에 있어서, 산업현장에서 배출된 폐가스가 폐가스 공급유로로 유입되고, 산업현장에서 배출된 폐스팀이 폐스팀 공급유로로 유입되며, 폐온수가 폐온수 공급유로로 유입되는 단계; 폐가스와 폐스팀이 배가스 유입로로 합류되어, 물 유동층 열교환기 몸체에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입되고, 폐온수가 상기 폐온수 공급유로와 연결된 물 유동층 열교환기의 폐온수 유입구를 통해 유입되는 단계; 유입된 폐가스와 폐스팀이 몸체 내의 다공판 상부의 물 유동층 내에 구비된 전열관 내의 급수를 가열하여 냉각되고, 상기 폐온수가 다공판 상부로 유입되면서 상기 급수를 가열하는 단계; 및 폐가스와 폐스팀이 냉각되어 배가스 배출구를 통해 토출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 다공판 상부의 폐스팀과 폐가스 내의 수증기가 응축된 응축수와 상기 급수를 가열한 폐온수가 오버플로우관을 통해 몸체 내부 하단에 구비된 물탱크로 유입되는 단계; 및 물펌프의 가동에 의해 물탱크 내의 물이 물 순환관을 통해 상기 다공판 상부측으로 공급되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 폐가스의 유입량이 특정값 이하인 경우, 상기 몸체와 상기 배가스 유입로 사이를 연결하는 배가스재순환유로에 구비된 재순환밸브가 개방되는 단계; 및 상기 유동층을 통과한 배가스가 상기 배가스재순환유로를 통해 상기 배가스 유입로로 재순환되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제어부가 상기 급수펌프, 물 펌프, 상기 송풍기 및 상기 재순환밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 산업공정에서 발생하는 폐가스, 폐스팀 및 폐온수의 다양한 형태의 폐열이 발생량과 발생시간이 변화하는 경우에도 이러한 다양한 폐열을 동시에 회수하여 온수를 생산할 수 있는 효과를 갖는다.

실제로 산업체에서 다양한 형태의 폐열이 존재하는 경우에도 이러한 폐열의 발생량과 발생 시기가 불규칙하게 변화하는 경우가 있고, 이에 따라, 각 폐열원에 대하여 각각의 열교환기를 사용하는 경우, 열회수를 위한 장치비가 크게 증가하게 되는 문제점이 발생되나, 본 발명의 일실시예에 따르면, 다중열원 열교환기를 사용하여, 다중열원의 여러 가지 폐열을 동시에 회수하면, 열회수를 위한 장치비가 줄어들게 되고, 폐열회수량이 증가하고, 가동시간이 증가하기 때문에, 다중열원 열교환기를 사용한 열회수장치의 경제성이 크게 향상될 수 있는 장점을 갖는다.

또한 기존의 물 유동층 열교환기의 경우, 물 유동화로 인하여 전열관에서의 열전달계수가 높게 나타나게 되나, 본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 물 유동층 열교환기에 비하여 다량의 폐온수가 물 유동층 부로 추가로 공급되어, 유동층 부에서의 난류가 더욱 증대되므로, 이러한 열교환기 전열관에서의 열전달계수가 더욱 증대될 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 산업공정에서 고온 배가스의 발생량이 적은 경우에도, 물 유동층의 상부에 배가스 순환배관을 설치하고, 송풍기를 가동하는 경우, 물의 유동층을 계속 안정적으로 형성할 수 있어서, 배가스의 폐열이 없는 경우에도 폐스팀과 폐온수의 폐열을 동시에 또는 개별적으로 회수할 수 있는 장점이 있다.

또한, 이에 따라, 폐온수의 폐열만을 회수하는 경우, 기존에 폐수 열교환기의 기능과 유사하나, 본 발명의 이러한 폐온수 유동층 열교환기는 전열관 배열 주위에서의 물의 유동화로 인한 청소성능이 우수하여, 기존의 폐수 열교환기에 비하여 파울링의 문제가 적게 될 수 있고, 또한 일반적인 폐수 열교환기에 비하여 물의 유동화로 인하여 열교환기 전열관에서의 열전달계수가 더욱 증대될 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 물 유동층 열교환기의 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템의 구성도,
도 3은 배가스, 폐스팀, 폐온수의 유동을 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배가스의 유동을 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 폐온수의 유동을 나타낸 흐름도,
도 6은 폐온수, 배가스의 유동을 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템의 일부 구성도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배가스 재순환방법의 흐름도,
도 8은 배가스가 재순환되는 상태의 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템의 구성도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)의 구성 및 기능 그리고, 열회수 방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 배가스, 폐스팀, 폐온수의 유동을 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)은, 산업공정에서 배출되는 각종, 폐가스, 폐스팀, 폐온수 열원을 활용하여 폐열의 발열량과 발생시간이 변화하는 경우에도 이러한 다양한 폐열을 동시에 회수하여 온수를 생산할 수 있게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이,본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)은, 폐온수 공급유로(33), 폐가스 공급유로(31), 폐스팀 공급유로(30), 배가스유입로(32), 송풍기(40), 배가스 재순환유로(50), 물 유동층 열교환기(10) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

폐가스 공급유로(31)는 산업공정에서 배출된 폐가스가 유동되며, 폐스팀 공급유로(30)는 산업공정에서 배출된 폐스팀이 유동되게 된다. 또한, 이러한 폐가스와 폐스팀은 배가스 유입로(32)에서 합류되어 물 유동층 열교환기(10)의 배가스 유입구(11)를 통해 몸체(12) 내부 다공판(13) 하부측으로 유입되게 된다.

또한, 폐온수 공급유로(33)에서 산업공정에서 배출된 폐온수가 유동되며, 물 유동층 열교환기(10)의 폐온수 유입구(34)를 통해 몸체(12) 내부 다공판(13) 상부측으로 유입되게 된다. 이하에서 배가스는 폐온수와 폐스팀을 포함하는 것으로 정의한다.

또한, 물 유동층 열교환기(10)는 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 배가스 유입구(11), 배가스 배출구(15)를 갖는 몸체(12)와, 물 유동층(14) 등으로 구성됨을 알 수 있다.

배가스 유입구(11)는 배가스 유입로(32)와 연결되어 폐가스와 폐스팀이 유입되게 된다. 또한, 배가스 배출구(15)는 몸체(12)의 상단에 형성되어, 물 유동층(14)에서 폐가스와 폐스팀이 냉각된 배가스가 배출되게 된다.

또한, 다공판(13)은 몸체(12) 내에 구비되며, 유입된 폐가스와 폐스팀이 통과되게 된다. 그리고, 다공판(13) 상부측으로는 물 유동층이 구비되며, 이러한 물 유동층 내에 내부로 급수가 유입되는 다수의 전열관(17)이 침지되어 진다. 이러한 급수는 도 2에 도시된 바와 같이 급수펌프(18)에 의해 전열관(17)으로 유입되어, 폐스팀, 폐가스, 폐온수의 열원을 흡수하여 가열된 후 온수로써 토출되게 된다.

즉, 다공판(13) 상부의 물 유동층에서 급수가 폐가스와 폐스팀의 응축잠열과 현열을 흡수하여 가열되게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 물 유동층(14)의 상부 몸체(12) 일측에 구비된 폐온수 공급유로(33)와 연결된 폐온수 유입구(34)를 통해, 폐온수가 다공판(13) 상부로 유입되게 된다. 따라서, 이러한 폐온수가 다공판(13) 상부로 유입됨에 따라 폐온수에 의해 급수가 가열되게 된다.

즉, 급수펌프(18)에 의해 공급되어 전열관(17) 내를 유동하는 급수는 폐가스와 폐스팀의 응축잠열과 현열, 및 폐온수의 열을 흡수하게 된다. 따라서, 급수는, 폐가스와 폐스팀 내의 수증기가 응축되면서 발생되는 응축열과 현열, 폐온수 유입구(34)를 통해 유입된 폐온수에 의해 가열되어 온수가 생산되게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배가스의 유동을 나타낸 흐름도를 도시한 것이다. 배가스는 종래와 달리 산업현장에서 배출되는 폐가스와 폐스팀을 포함하는 개념이다. 이러한 폐가스는 폐가스 공급유로(31)를 통해 배가스 유입로(32)로 유입되고, 폐스팀 역시 폐스팀 공급유로(30)를 통해 배가스 유입로(32)로 유입되게 된다. 배가스 유입로(32)를 통해 폐가스와 폐스팀은 몸체(12)의 배가스유입구(11)를 통해 몸체(12) 내부 다공판(13) 하부측으로 유입되게 된다(S1).

그리고, 이러한 폐가스와 폐스팀은 다공판(13) 상부의 물 유동층을 통과하면서 응축되어 응축열을 발생시키고, 물 유동층에 침지되어 배열된 전열관(17) 내를 유동하는 급수는 이러한 폐가스와 폐스팀의 응축열과 현열을 흡수하여 가열되게 된다(S2).

그리고, 일부 수분이 제거된 배가스는 물 유동층(14) 상부에 구비된 데미스터를 통과하며 액적이 제거되어(S3) 배가스 배출구(15)를 통해 토출되게 된다(S4).

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 폐온수, 물 유동층의 유동을 나타낸 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 6은 폐온수, 배가스의 유동을 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)의 일부 구성도를 도시한 것이다.

도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 물 유동층 열교환기(10)의 몸체(12)에는 오버플로우배출관(21), 오버플로우유입관(22)과, 물탱크(23), 물 배출구(24), 물순환관(25) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 오버플로우배출관(21)으로는 다공판(13)과 소정간격 이격되어 설정된 수위 이상의 물이 배출되게 되며, 오버플로우배출관(21)을 통해 배출된 물은 오버플로우유입관(22)을 통해 몸체(12) 하부측 물탱크(23)로 유입되게 된다.

또한, 몸체(12) 하면과 특정간격 상부측의 몸체(12) 외면에 형성된 물 배출구(24)를 통해, 물탱크(23) 내의 설정된 수위 이상인 물은 물 배출구(24)를 통해 배출되게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 물 유동층 열교환기(10)는 물순환관(25)을 포함하여 물 유동층의 수위와 물탱크(23)의 수위를 조절할 수 있다. 즉, 물순환관(25)은 도 6에 도시된 바와 같이, 물탱크(23)와 다공판(13) 상부 측의 몸체(12) 외면 사이를 연결하게 되며, 물순환관(25) 일측에 물펌프(26)가 구비되어 물탱크(23) 내의 물을 물 유동층(14) 내로 공급하게 된다.

이하에서는 폐온수의 유동경로에 대해 설명하도록 한다. 산업현장에서 배출되는 폐온수는 폐온수공급유로(33)를 통해 유동되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 폐온수유입구(34)를 통해 물 유동층 열교환기(10) 몸체(12) 내의 다공판(13) 상부측으로 공급되게 됨을 알 수 있다(S10). 따라서 물 유동층(14)으로 폐온수가 유입되게 되면서 폐온수에 의해, 물 유동층(14) 내의 전열관(17)을 유동하는 급수를 가열하게 된다(S11).

그리고, 물 유동층(14)의 수위가 특정수위를 초과하게 되는 경우, 초과된 물은 앞서 언급한 바와 같이, 오버플로우 배출관(21)을 통해 토출되어(S12), 오버플로우유입관(22)을 통해 몸체(12) 내부 하단에 구비된 물탱크(23)로 유입되게 된다(S13).

그리고, 물탱크(23)에 저장된 특정 수위를 초과한 물은 물배출구(24)를 통해 폐수처리장 등으로 배출되게 된다(S14).

또한, 물탱크(23)의 수위 또는 물 유동층(14)의 수위를 조절할 필요가 있는 경우(S15), 물펌프(26)가 구동되어 물순환관(25)을 통해, 물탱크(23)에 저장된 물이 물 유동층(14)으로 공급되게 된다(S16).

이하에서는 앞서 언급한 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 갖는 열회수 시스템(100)을 이용한 열회수방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 산업현장에서 배출된 폐가스가 폐가스 공급유로(31)로 유입되고, 산업현장에서 배출된 폐스팀이 폐스팀 공급유로(30)로 유입되며, 폐온수가 폐온수 공급유로(33)로 유입되게 된다.

그리고, 폐가스와 폐스팀이 배가스 유입로(32)로 합류되어, 물 유동층 열교환기(10) 몸체(12)에 형성된 배가스 유입구(11)를 통해 유입되고, 폐온수가 폐온수 공급유로(33)와 연결된 물 유동층 열교환기(10)의 폐온수 유입구(34)를 통해 유입되게 된다.

그리고, 유입된 폐가스와 폐스팀이 몸체(12) 내의 다공판(13) 상부의 물 유동층(14) 내에 구비된 전열관(17) 내의 급수를 가열하여 응축되고, 폐온수가 다공판(13) 상부로 유입되면서 급수를 가열하게 된다.

그리고, 폐가스와 폐스팀이 냉각된 상태로 배가스 배출구(15)를 통해 토출되게 된다.

또한, 다공판(13) 상부의 폐스팀과 폐가스 내의 수증기가 응축된 응축수와 급수를 가열한 폐온수가 오버플로우배출관(21)과 오버플로우유입관(22)을 통해 몸체(12) 내부 하단에 구비된 물탱크(23)로 유입되게 된다. 그리고 물펌프(26)의 가동에 의해 물탱크(23) 내의 물이 물순환관(25)을 통해 다공판(13) 상부측으로 공급, 순환되게 된다.

따라서, 급수는 폐가스와 폐스팀의 응축열과 현열, 및 폐온수의 열을 공급받아 온수로 토출되게 된다.

또한, 공정에서 고온 폐가스의 공급량이 크게 줄어드는 경우, 기존의 물 유동층 열교환기(10)에서는 다공판(13) 상부의 물 유동층(14)의 형성이 어려운 문제점이 존재하였다. 그런, 본 발명의 일실시예에서는 물 유동층(14) 상부의 배가스 재순환유로(50)를 설치하여 폐가스의 공급량이 적은 경우에 송풍기(40)를 가동하여 배가스를 순환시켜 물 유동층(14)을 통과하는 배가스의 유량을 비교적 일정하게 유지하여 물 유동층(14)을 비교적 안정적으로 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배가스 재순환방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 8은 배가스가 재순환되는 상태의 본 발명의 일실시예에 따른 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기(10)를 이용한 열회수 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(60)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 배가스재순환유로(50)는, 배가스유입로(32)와 몸체(12) 상부 외면 사이를 연결하여 물 유동층(14)을 통과한 배가스를 배가스 유입로(32)로 재순환시키게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 폐가스 공급유로(31) 일측에 구비되어 유입되는 폐가스의 유량을 실시간으로 측정하는 폐가스유량측정부(41)를 포함할 수 있다

따라서, 폐가스공급유로(31)를 통해 유입되는 폐가스의 유량이 특정값 이하인 경우, 송풍기(40)가 가동되고, 배가스재순환유로(50) 일측에 구비된 재순환밸브(51)가 개방되어 배가스재순환유로(50)를 통해 배가스가 재순환되게 된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제어부(60)는 급수펌프(18), 물펌프(26), 송풍기(40) 및 재순환밸브(51)의 구동을 제어하게 되며, 급수펌프(18)를 제어하여 전열관(17) 내를 유동하는 급수의 유량을 조절하게 되며, 물펌프(26)를 제어하여, 물탱크(23)와 물 유동층(14)의 수위를 조절하며, 송풍기(40)와 재순환밸브(51)를 제어하여 배가스를 재순환시킬 수 있게 된다.

즉, 폐가스유량측정부(41)에 의해 측정된 값을 기반으로(S21) 폐가스의 유입량이 특정값 이하인 경우, 제어부(60)는 배가스 유입로(32)에 구비된 송풍기(40)를 작동시키고, 배가스재순환유로(50)에 구비된 재순환밸브(51)가 개방시키게 된다(S22).

그리고, 물 유동층(14)을 통과한 배가스가 배가스재순환유로(50)를 통해 배가스 유입로(32)로 유입되어 재순환되게 된다(S23).

따라서 공정에서 배가스의 공급이 적은 경우에, 송풍기(40)를 가동하여 물 유동층(14)을 안정적으로 형성함으로써, 폐스팀, 폐온수의 폐열을 동시에 또는 개별적으로 회수하여 온수를 생산할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1b:저면판
2:열교환 전열관
3:다공판
4:물방울 제거필터(데미스터)
5a,5b:배가스 유동통로
6:배기가스유입구
7:자동조절밸브
8:배기가스 배출구
9:바이패스관
10:물 유동층 열교환기
11:배가스 유입구
12:몸체
13:다공판
14:물 유동층
15:배가스배출구
17:전열관
18:급수펌프
21:오버플로우배출관
22:오버플로우유입관
23:물탱크
24:물배출구
25:물순환관
26:물펌프
30:폐스팀공급유로
31:폐가스공급유로
32:배가스유입로
33:폐온수공급유로
34:폐온수유입구
40:송풍기
41:폐가스유량측정부
50:배가스재순환유로
51:재순환밸브
60:제어부
61:폐가스유량측정부
100:다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기, 열교환방법, 열회수 시스템

Claims

열회수 시스템에 있어서,
산업공정에서 배출된 폐가스가 유동되는 폐가스 공급유로;
산업공정에서 배출된 폐스팀이 유동되는 폐스팀 공급유로;
상기 폐가스 공급유로에서 유동되는 폐가스와 상기 폐스팀 공급유로에서 유동되는 폐스팀이 합류되어 유동되는 배가스 유입로;
산업공정에서 배출된 폐온수가 유동되는 폐온수 공급유로;
배가스 유입로와 연결되어 폐가스와 폐스팀이 유입되는 배가스 유입구와 타단에 냉각된 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체와, 상기 몸체 내에 구비되어 유입된 상기 폐가스와 폐스팀이 통과되는 다공판과 상기 다공판 상부측에 물 유동층으로 구성되며 상기 물 유동층 내에 내부로 급수가 유입되는 다수의 전열관이 침지되며 상기 폐가스와 폐스팀의 응축잠열과 현열을 흡수하여 상기 급수를 가열하는 물 유동층과, 상기 물 유동층의 상부 몸체 일측에 구비되며 상기 폐온수 공급유로와 연결되어 상기 폐온수가 유입되는 폐온수 유입구와, 상기 다공판과 소정간격 상부측으로 이격되어 설정된 수위 이상의 물이 배출되는 오버플로우 배출관과, 상기 오버플로우 배출관을 통해 배출된 물이 하부측 물탱크로 유입되는 오버플로우 유입관과, 몸체 하면과 특정간격 상부측의 몸체 외면에 형성되어 상기 물 탱크 내의 설정된 수위 이상의 물이 배출되는 물 배출구를 구비하는 물 유동층 열교환기;
상기 전열관으로 급수를 공급하는 급수펌프;
상기 물탱크와 상기 다공판 상부 측의 몸체 외면 사이에 구비되는 물 순환관과, 상기 물 순환관 일측에 구비되어 상기 물탱크 내의 물을 상기 유동층으로 공급하는 물펌프;
상기 배가스 유입로와 상기 몸체 상부 외면 사이를 연결하여 상기 물 유동층을 통과한 배가스를 상기 배가스 유입로로 재순환시키는 배가스재순환유로;
상기 폐가스 공급유로에 구비되어 유입되는 폐가스의 유량을 측정하는 폐가스유량측정부; 및
상기 배가스재순환유로에 구비되어 유입되는 폐가스의 유량이 특정값 이하인 경우 개방되는 재순환밸브를 포함하여,
상기 전열관 내를 유동하는 급수가 상기 폐가스와 상기 폐스팀의 응축열과 현열, 및 상기 폐온수의 열을 흡수하여 온수를 생산하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 배가스 유입로에 구비되어 유입되는 폐가스의 유량이 특정값 이하인 경우 작동되는 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 급수펌프, 물 펌프, 상기 송풍기 및 상기 재순환밸브의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 배가스 배출구와 상기 물 유동층 사이의 상기 몸체 내에 구비되어 배가스의 액적을 제거하는 데미스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 시스템.
제 1항에 따른 열회수 시스템을 이용한 열회수 방법에 있어서,
산업현장에서 배출된 폐가스가 폐가스 공급유로로 유입되고, 산업현장에서 배출된 폐스팀이 폐스팀 공급유로로 유입되며, 폐온수가 폐온수 공급유로로 유입되는 단계;
폐가스와 폐스팀이 배가스 유입로로 합류되어, 물 유동층 열교환기 몸체에 형성된 배가스 유입구를 통해 유입되고, 폐온수가 상기 폐온수 공급유로와 연결된 물 유동층 열교환기의 폐온수 유입구를 통해 유입되는 단계;
유입된 폐가스와 폐스팀이 몸체 내의 다공판 상부의 물 유동층 내에 구비된 전열관 내의 급수를 가열하고, 상기 폐온수가 다공판 상부로 유입되면서 상기 급수를 가열하는 단계; 및
폐가스와 폐스팀이 냉각된 상태로 배가스 배출구를 통해 토출되는 단계를 포함하고,
상기 급수는 폐가스와 폐스팀 내의 수증기의 응축열과 현열, 및 폐온수의 열을 공급받아 온수로 토출되며,
상기 다공판 상부의 물 유동층을 구성하는 폐가스와 폐스팀의 응축수와 급수를 가열한 폐온수는 오버플로우배출관과 오버플로우유입관을 통해 몸체 내부 하측에 구비된 물 탱크로 유입되고,
상기 물탱크에 저장된 특정수위를 초과하는 물은 물 배출구를 통해 토출되고, 물펌프가 가동되는 경우, 상기 물탱크에 저장된 물이 물 순환관을 통해 상기 다공판 상부로 공급되는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 방법.
제 5항에 있어서,
폐가스의 유입량이 특정값 이하인 경우, 배가스 유입로에 구비된 송풍기가 작동되고, 상기 몸체와 상기 배가스 유입로 사이를 연결하는 배가스재순환유로에 구비된 재순환밸브가 개방되는 단계; 및
상기 유동층을 통과한 배가스가 상기 배가스재순환유로를 통해 상기 배가스 유입로로 재순환되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 방법.
제6항에 있어서,
제어부가 급수펌프, 물 펌프, 송풍기 및 상기 재순환밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 다중열원 동시 열회수를 위한 응축형 물 유동층 열교환기를 이용한 열회수 방법.
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