KR101926616B1 - 온도 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용기(20)에 담긴 바이오매스의 템퍼링을 위한 템퍼링 장치(1)에 관한 것으로, 이 템퍼링 장치(1)는 하나 이상의 템퍼링 수단(3), 및 바이오매스의 매스 유동을 주된 유동 방향으로 전달하기 위한 하나 이상의 운송 장치(2)를 포함하고, 상기 하나 이상의 운송 장치(2)는 하나 이상의 교반기(2)를 포함하며, 상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 주된 유동 방향으로 배열되고, 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 동축으로 배열되는 내부 튜브(12) 및 외부 튜브(13)를 가진 튜브형으로 구성되며, 상기 내부 튜브(12) 및 외부 튜브(13)는 템퍼링 매체가 흐를 수 있는 중간 공간을 형성하고, 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은, 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 매스 유동(11)의 적어도 40%의 전달 체적이 내부 튜브(12)를 통하여 흐르도록 하나 이상의 운송 장치(2)에 대해 배향되는 것을 특징으로 한다.

Description

온도 제어 장치{TEMPERATURE CONTROL APPARATUS}
본 발명은 청구항 1의 전제부의 템퍼링 장치, 및 청구항 11의 전제부의 바이오가스 플랜트에 관한 것이다.
바이오가스 플랜트에서는, 박테리아가 바이오매스를 바이오가스로 분해 및 전환한다. 박테리아는 생화학적 과정이 효과적으로 진행되는 특정 온도에서만 최적의 생존 조건을 가진다. 따라서, 바이오매스에서 바이오가스로 미생물 전환을 위해서는 정화조의 온도를 일정하게 유지해야 한다. 중온성 작동에서, 온도는 이상적으로 약 35 - 40℃에 놓인다. 또한, 정화조 내의 바이오매스는 박테리아에게 신선한 영양분을 공급하기 위하여 순환되어야 한다.
종래에는, 온수 유동이 있는 튜브로 만들어진 원통형 또는 평평한 가열체가 정화조에서 바이오매스를 가열하기 위한 열교환기로 사용되었다. 예를 들어, 독일 공보 28 21 790 또는 JP 3 161039 A는 바이오매스가 가능한 균일하고 효율적으로 템퍼링되도록 교반기와 상호작용하여 바이오매스를 가열하는 가열체를 개시한다.
DE 10 2009 002 925 A1은 교반기에 의해 생성된 유동이 적어도 부분적으로는 가열 레지스터 내부 및 주위를 통하여 통과하도록 가열 레지스터가 교반기에 대해 배치되는 가열 및 교반 레지스터를 개시한다. 여기서 가열 레지스터 및 교반기는 하나의 요소로서 정화조에 삽입될 수 있는 유닛을 형성한다. 이는, 결합된 어셈블리의 설치시에 교반기와 가열 레지스터 사이의 적절한 간격을 보장할 필요가 없으며 채워진 정화조 내에 설치가 가능하다는 이점이 있다. 가열 레지스터는 열전달 영역을 확대하기 위하여 바이오매스의 유동 방향을 가로지르는 평면에 배치된 튜브로 만들어진다. 그러나, 상기한 가열 레지스터의 단점은 바이오매스가 흐르는 중간 공간이 바람직하지 않은 침전 및 일시적인 막힘이 생성될 수 있는 제한된 자유 단면을 갖는다는 것이다.
본 발명은, 바이오매스를 가능한 균일하고 효율적으로 템퍼링함과 동시에 바이오매스의 침전을 방지할 수 있도록 구성되는 템퍼링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 그러한 바람직한 특성을 가지는 템퍼링 장치를 포함하는 바이오가스 플랜트를 제공한다.
본 발명의 상기한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 템퍼링 장치 및 청구항 11의 특징을 갖는 바이오가스 플랜트에 의해 달성된다.
즉, 본 발명에 따른 템퍼링 장치는 용기에 담긴 바이오매스의 템퍼링을 위하여 제공되는 것으로, 하나 이상의 템퍼링 수단 및 바이오매스의 매스 유동을 주된 유동 방향으로 전달하기 위한 하나 이상의 운송 장치를 포함하며, 하나 이상의 운송 장치는 하나 이상의 교반기를 가지고, 하나 이상의 템퍼링 수단은 하나 이상의 운송 장치에 의해 생성되는 주된 유동 방향으로 배열되며, 하나 이상의 템퍼링 수단은 동축으로 배열되는 내부 튜브 및 외부 튜브를 가진 튜브형으로 형성되고, 상기 내부 튜브 및 외부 튜브는 템퍼링 매체가 흐를 수 있는 중간 공간을 형성하고, 하나 이상의 템퍼링 수단은 작동시에 바람직하게는 하나 이상의 운송 장치에 의해 발생된 매스 유동의 적어도 40%의 전달 체적이 내부 튜브를 통하여 흐르도록 하나 이상의 운송 장치에 대해 배향된다. 상기 교반기는 튜브형 열교환기를 통하여 바이오매스를 이동시킨다. 상기 튜브형 구조는 표면이 바이오매스의 유동 방향에 평행하게 배향되어, 침전 및 막힘이 방지될 수 있는 이점을 가진다. 또한, 튜브형 구조는 바이오매스가 템퍼링되는 큰 접촉면을 제공한다. 교반기에 의해 생성되는 목표 유동은 열교환기에서 바이오매스의 통과 유동을 증가시켜, 용기 내 바이오매스의 균일한 온도 분포를 유도한다.
바람직하게는, 하나 이상의 운송 장치에 의해 생성되는 매스 유동의 전달 체적의 75% 이상이 내부 튜브를 통하여 흐른다. 여기서, 하나 이상의 운송 장치에 의해 생성되는 매스 유동의 전달 체적의 90% 이상이 내부 튜브를 통하여 흐르는 것이 더 유리하다.
또한, 하나 이상의 템퍼링 수단은 하나 이상의 운송 장치의 하류에 배치되고, 하나 이상의 템퍼링 수단의 길이방향 축이 하나 이상의 교반기의 회전축과 일치하도록 배향되는 것이 유리하다.
일 실시형태에서, 하나 이상의 템퍼링 수단은 열교환기이다.
일 실시형태에서, 운송 장치는 하나 이상의 운송 장치의 엔벨로프(envelope)의 직경이 하나 이상의 템퍼링 수단의 내부 튜브의 내경의 100 - 140%의 범위에 있도록 치수가 정해진다. 이러한 방식으로, 매스 유동의 일부는 내부 튜브로 흐르고, 나머지 부분은 하나 이상의 템퍼링 수단의 외부를 따라 흐르도록 보장될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 하나 이상의 운송 장치는 하나 이상의 템퍼링 수단의 내부 튜브에 배치되도록 치수가 정해진다.
일 실시형태에서, 하나 이상의 운송 장치는 단일 교반기이다.
템퍼링 장치를 가능한 콤팩트하게 유지하기 위해서, 용기 바닥에 템퍼링 장치를 세울 수 있도록 구성된 풋(foot)을 포함하는 홀딩 장치를 구비하고, 하나 이상의 운송 장치 및 템퍼링 수단은 홀딩 장치에 지지된다. 상기 홀딩 장치는 용기에 고정 배치될 수 있으나, 이동 가능하게 구성될 수도 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 운송 장치에 의해 생성되는 주된 유동 방향은 풋에 평행하도록 배향된다.
또한, 바이오매스를 수용하기 위한 용기와, 용기 내의 바이오매스의 템퍼링을 위한 템퍼링 장치로서 전술한 특성 중 적어도 하나를 가지는 템퍼링 장치를 구비하는, 바이오가스 플랜트가 제공된다.
여기서, 상기 용기눈 원통형이고, 템퍼링 장치는 주된 유동 방향이 용기 중앙 방향에서 바닥 반경에 대해 10 - 40˚의 각도로 배향되도록 용기 내에 배열되는 것이 유리하다. 큰 용기에서는, 우수한 혼합 및 텀퍼링을 보장하기 위하여 작은 각도가 바람직하다. 바이오매스의 균일한 혼합을 위하여, 바람직하게는 적어도 두 개의 추가 교반기가 용기에 제공될 수 있으며, 이 추가 교반기들은 용기 벽에 배치되고 템퍼링 장치와 함께 용기에 균일하게 분포될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조한 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 교반기를 가진 템퍼링 장치의 사시도,
도 2는 교반기를 가진 템퍼링 장치의 측면도,
도 3은 용기 및 그에 배열되는 도 1에 따른 템퍼링 장치를 구비하는 바이오가스 플랜트의 평면도,
도 4는 용기 및 그에 배열되는 도 1에 따른 템퍼링 장치를 구비하는 바이오가스 플랜트의 사시도이다.
도 1 및 도 2는 교반기(2) 및 열교환기(3)를 구비한 바이오가스 플랜트의 용기를 위한 템퍼링 장치(1)를 도시한다. 상기 교반기(2) 및 열교환기(3)는 캐리어(4)를 통하여 홀딩 장치(5)에 연결된다. 상기 홀딩 장치(5)는 용기의 바닥에 템퍼링 장치(1)를 세우기 위한 바닥 프레임(foot)(6)을 구비한다. 교반기(2)는 회전 축(7)이 바닥 프레임(6)에 평행하게 배열된다. 교반기(2)는 드라이브(8)에 직접적으로 연결된다. 따라서, 상기 드라이브(8)는 템퍼링 장치 작동중에 용기 또는 바이오매스 내부에 위치된다. 교반기(2)는, 드라이브(8)에 의해 구동될 때 회전 축(7)을 중심으로 회전하는 교반기 샤프트(9)에 장착된 세 개의 교반기 블레이드(10)를 구비한다. 교반기 블레이드(10)는 드라이브에 가까운 측면에서 바이오매스를 끌어당기고, 드라이브에서 멀리 떨어진 측면에서 바이오매스를 교반기(2)로부터 밀어내도록 구성된다. 이는 드라이브(8)로부터 멀어지는 방향으로 바이오매스의 축 방향 주된 유동(main flow)(11)을 제공한다. 열교환기(3)는 교반기(2)의 하류 드라이브로부터 먼쪽 측면에 배치된다. 열교환기(3)는 이중벽의 튜브 형태로 구성된다. 열교환기(3)는 바이오매스가 흐를 수 있는 내부 튜브(12) 및 길이 방향 축에 동축으로 배열되는 외부 튜브(13)를 구비한다. 작동시에, 내부 튜브(12)와 외부 튜브(13) 사이에 형성된 중간 공간을 통하여 템퍼링 매체가 흐른다. 상기 중간 공간은 교반기(2)에 가까운 영역의 템퍼링 매체 배출구(14) 및 교반기로부터 먼 영역의 템퍼링 매체 공급구(15)에 연결된다. 따라서, 배출구(14) 및 공급구(15)는 정 반대편에 배열된다. 열교환기(3)는 길이방향 축(16)이 교반기(2)의 회전 축(7)과 일치하도록 위치된다. 열교환기(3)의 내경은 교반기(2) 또는 교반기 블레이드(10)의 엔벨로프(envelope)의 직경보다 미세하게 작다. 열교환기(3)는 바람직하게는 1m 내지 3m의 길이를 가진다. 열교환기(3)는 유동 방향(11)으로 교반기(2) 바로 뒤에 배열된다. 교반기(2)에 인접한 열교환기(3)의 단면(17)과 교반기 블레이드(10)에 의해 형성된 교반기(2)의 외측 단부(18) 사이의 거리는 10cm 내지 3m의 범위에 있다.
홀딩 장치(5)는 작동중에 용기 내에 담긴 바이오매스 밖으로 돌출되는 수송 장치(19)를 더 포함한다. 상기 수송 장치(19)에 의하여, 열교환기(3)로서의 템퍼링 장치(1)와 교반기(2)를 포함하는 구성요소는 용기가 바이오매스로 채워진 경우에도 용기를 비울 필요 없이 제거, 재배치, 또는 삽입될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 템퍼링 장치(1)는 바람직하게는 원통형 용기(20)에 배열된다. 상기 용기(20)는 원형 바닥(21)과 그에 수직으로 배열된 벽(22)을 포함한다. 열교환기(3)의 길이방향 축(16) 또는 교반기(2)의 회전축(7)은 용기(20)의 바닥(21)의 반경(23)에 대해 약 30˚로 배향되어, 교반기(2)는 바이오매스를 벽(22)으로부터 용기(20) 내부를 향하여 이동시킨다. 벽(22)으로부터의 거리는 이상적으로는 1m 내지 3m로 선택된다.
바이오매스의 우수한 혼합을 달성하기 위하여, 두 개의 추가 교반기(24, 25)가 제공된다. 이들 두 개의 교반기(24, 25)는 벽(22)의 내부에 배치되고, 용기(20)의 바닥(21)의 반경(26, 27)에 대해 60˚로 배향된다. 상기 교반기(24, 25)들은 각각 바닥의 중심점으로부터 시작하여 템퍼링 장치(1)에 대해 120˚의 각도로 배열된다. 두 개의 교반기(24, 25) 및 템퍼링 장치(1)는 각각 유동 방향으로 배열되어, 원형 바닥의 원주 방향과 거의 동일한 방향의 주된 유동을 생성한다.
도 3에서, 교반기들(24, 25, 2)은 실질적으로 시계방향 유동을 형성하도록 배열된다.
작동시에, 열교환기는 용기에 내장된 바이오매스에 열을 방출한다. 바이오가스로 전환하는 동안 온도가 너무 높아지면, 열교환기가 정화조로부터 열을 추출할 수도 있다. 바이오매스의 냉각 또한 가능하다. 적합한 열매체, 바람직하게는 물 또는 열유(thermal oil)가 템퍼링 매체로서 사용될 수 있다. 교반기는 바이오매스를 튜브형 열교환기를 통하여 외부로 밀어낸다. 튜브형 구조는 표면이 바이오매스의 유동 방향에 실질적으로 평행하도록 배향되기 때문에 침전물 및 막힘이 방지될 수 있어 유리하다. 또한, 튜브형 구조는 바이오매스가 템퍼링되는 큰 접촉 표면을 제공한다. 교반기에 의하여 발생되는 목표 유동은 열교환기에서 바이오매스의 통과 유동을 증가시키고, 용기 내 바이오매스의 균일한 온도 분포를 유도한다.
또한, 다수의 교반기가 각각의 열 교환기와 함께 서로의 하류 뒤쪽에 배치될 수도 있다.
본 발명에 따른 템퍼링 장치는 용기에 고정식으로 결합되어 배치될 수 있다. 그러나, 템퍼링 장치는 예를 들어 유지보수 또는 교체를 위하여 용기로부터 제거될 수 있도록 이동 가능하게 구성될 수도 있다.
적용 영역에 따라, 템퍼링 장치는 용기에 수평 또는 수직으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 원통형 또는 눕혀진 탱크형 용기(예를 들어, 발효조(fermenter))에서는, 수평 배향이 바람직하다. 그러나, 세워진 탱크형 용기에서는, 템퍼링 장치의 수직 배향이 바람직하다.
교반기는 바람직하게는 2 내지 4개의 교반기 블레이드를 가진 축 방향 이송 교반기로 형성된다. 교반기 블레이드는 곡선형으로, 저속 교반기로 바이오매스의 가능한 최대 속도를 얻을 수 있어, 최적의 혼합이 이루어진다.
큰 용기에서, 템퍼링 장치는 유동 방향으로 적어도 하나의 템퍼링 수단 하류에 인접한 튜브를 구비할 수 있다. 여기서, 튜브는 적어도 하나의 템퍼링 수단과 거의 동일한 내경을 가지고 이송 장치 또는 교반기는 열교환기 내에 배치되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 템퍼링 장치의 이러한 실시예는 큰 작동 반경을 가진 바이오매스의 템퍼링 및 혼합을 보장한다. 교반기에 의해 발생된 매스 유동 100%는 열교환기 및 그 위에 배치된 튜브를 통하여 흐르고 역류가 튜브 외부에서 형성되기 때문에, 용기에서 먼 영역 또한 교반될 수 있다.
본 발명에 따른 템퍼링 장치는 정화조 또는 발효조, 가수분해 발효조 및 바이오가스 플랜트의 2차 발효 용기, 및 하수 플랜트의 용기 중에서 사용될 수 있다. 이 템퍼링 장치는 바이오매스가 균일하고 효과적으로 템퍼링될 수 있고 바이오매스가 외부에 침착되는 것을 방지하도록 설계된다.

Claims (15)

  1. 용기(20)에 담긴 바이오매스의 템퍼링을 위한 템퍼링 장치(1)로서,
    - 하나 이상의 템퍼링 수단(3), 및
    - 바이오매스의 매스 유동을 주된 유동 방향으로 전달하기 위한 하나 이상의 운송 장치(2)를 포함하며,
    - 상기 하나 이상의 운송 장치(2)는 하나 이상의 교반기(2)를 포함하고,
    - 상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 주된 유동 방향으로 배열되는, 템퍼링 장치(1)에 있어서,
    상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 동축으로 배열된 내부 튜브(12) 및 외부 튜브(13)를 가진 튜브형으로 형성되고,
    - 상기 내부 튜브(12) 및 외부 튜브(13)는 템퍼링 매체가 흐를 수 있는 중간 공간을 형성하며,
    - 상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은, 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 매스 유동(11)의 전달 체적의 적어도 40%가 내부 튜브(12)를 통하여 흐르도록 하나 이상의 운송 장치(2)에 대해 배향되고,
    상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 하나 이상의 운송 장치(2)의 하류에 배치되고, 하나 이상의 템퍼링 수단의 길이방향 축이 하나 이상의 교반기의 회전축과 일치하도록 배향되고,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)의 엔벨로프(envelope)의 직경은 하나 이상의 템퍼링 수단(3)의 내부 튜브(12)의 내경의 100 - 140% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 매스 유동(11)의 전달 체적의 75% 이상이 내부 튜브(12)를 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 매스 유동(11)의 전달 체적의 90% 이상이 내부 튜브(12)를 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 열교환기인 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)는 단일 교반기인 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 템퍼링 장치는 풋(foot)(6)을 포함하는 홀딩 장치(5)를 구비하고,
    - 상기 풋(6)은 템퍼링 장치(1)를 용기(20)의 바닥(21)에 세울 수 있도록 형성되고,
    - 상기 하나 이상의 운송 장치(2) 및 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 상기 홀딩 장치(5)에 지지되는 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 주된 유동 방향(11)은 상기 풋(6)에 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 템퍼링 장치(1).
  8. 바이오매스를 수용하는 용기(20) 및 용기(20)에 담긴 바이오매스의 템퍼링을 위한 템퍼링 장치(1)를 포함하는, 펌핑가능한 바이오매스의 미생물 전환에 의해 바이오 가스를 생산하는 바이오가스 플랜트로서,
    - 하나 이상의 템퍼링 수단(3), 및
    - 바이오매스의 매스 유동을 주된 유동 방향으로 전달하기 위한 하나 이상의 운송 장치(2)를 포함하며,
    - 상기 하나 이상의 운송 장치(2)는 하나 이상의 교반기(2)를 포함하고,
    - 상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 주된 유동 방향(11)으로 배열되는, 바이오가스 플랜트에 있어서,
    상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 동축으로 배열된 내부 튜브(12) 및 외부 튜브(13)를 가진 튜브형으로 형성되고,
    - 상기 내부 튜브(12) 및 외부 튜브(13)는 템퍼링 매체가 흐를 수 있는 중간 공간을 형성하며,
    - 상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은, 템퍼링 장치(1)의 작동시에 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 매스 유동(11)의 전달 체적의 적어도 40%가 내부 튜브(12)를 통하여 흐르도록 하나 이상의 운송 장치(2)에 대해 배향되고,
    상기 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 하나 이상의 운송 장치(2)의 하류에 배치되고, 하나 이상의 템퍼링 수단의 길이방향 축이 하나 이상의 교반기의 회전축과 일치하도록 배향되고,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)의 엔벨로프(envelope)의 직경은 하나 이상의 템퍼링 수단(3)의 내부 튜브(12)의 내경의 100 - 140% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스 플랜트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 운송 장치(2)에 의해 생성되는 매스 유동(11)의 전달 체적의 75% 이상이 내부 튜브(12)를 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 바이오가스 플랜트.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 용기(20)는 원통형이고,
    상기 템퍼링 장치(1)는, 주된 유동 방향(11)이 용기(20)의 중앙 방향에서 바닥(21)의 반경에 대해 10 - 40˚의 각도로 배향되도록, 용기(20) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 플랜트.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    적어도 두 개의 추가 교반기(24, 25)가 용기(20)에 제공되며, 상기 추가 교반기(24, 25)는 용기(20)의 벽(22)에 배열되고, 상기 용기(20)에서 템퍼링 장치(1)와 함께 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 플랜트.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 템퍼링 장치는 풋(6)을 구비한 홀딩 장치(5)를 포함하고,
    - 상기 풋(6)은 템퍼링 장치(1)를 용기(20)의 바닥(21)에 세울 수 있도록 형성되고,
    - 상기 하나 이상의 운송 장치(2) 및 하나 이상의 템퍼링 수단(3)은 상기 홀딩 장치(5)에 지지되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 플랜트.
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