KR101937551B1

KR101937551B1 - 복사열 회수형 히터와, 그것을 사용한 스터링 엔진 및 소각로

Info

Publication number: KR101937551B1
Application number: KR1020167034301A
Authority: KR
Inventors: 지로 후쿠도메
Original assignee: 얀마 가부시키가이샤
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2019-01-10
Also published as: US10422300B2; CN106460724B; CN106460724A; EP3159520A1; KR20170002582A; US20170138301A1; WO2015194365A1; EP3159520A4; EP3159520B1

Abstract

열교환 성능을 높일 수 있는 복사열 회수형 히터와, 그것을 이용한 스터링 엔진 및 소각로를 제공한다. 히터의 부착부(11)에 U자형으로 형성된 U자 전열관(12)의 일방 통로(121)의 부착 피치원이 소경으로 형성되고, 타방 통로(122)의 부착 피치원이 대경으로 형성되며, 이들이 상기 부착부(11)에 고정되는 용기(13) 안에 수용되어 용기(13)가 고온에 노정됨으로써 상기 용기(13)로부터의 복사열을 U자 전열관(12)이 흡수하도록 이루어지는 복사열 회수형 히터(1)로서, U자 전열관(12)은 일방 통로(121) 및 타방 통로(122)가 등간격의 피치각도(θ)로 부착부에 배치되고, 일방 통로(121)는 용기(13)로부터 상기 용기(13)의 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)과 완전히 중복되지 않도록 소정각도(α)만큼 타방 통로(122)의 피치각도(θ)로부터 어긋난 위치에서 부착부(11)에 배치되어 이루어진다.

Description

복사열 회수형 히터와, 그것을 사용한 스터링 엔진 및 소각로{RADIANT HEAT RECOVERY HEATER, AND STIRLING ENGINE AND COMBUSTION FURNACE USING RADIANT HEAT RECOVERY HEATER}

본 발명은 복사열 회수형 히터와, 이 복사열 회수형 히터를 고온측 열교환기로 하는 스터링 엔진과, 이 복사열 회수형 히터에 의해 열회수하도록 이루어진 소각로에 관한 것이다.

종래부터 스터링 엔진의 고온 열교환기를 소각로 내에 노정(露呈)하도록 구성하는 것은 알려져 있었다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

일본특허 제2564849호 공보

그러나, 상기 종래의 고온 열교환기는 열교환 성능을 높이는 구체적인 구성은 개시되어 있지 않다.

본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 열교환 성능을 높일 수 있는 복사열 회수형 히터와, 그것을 이용한 스터링 엔진 및 소각로를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터는 열 매체의 왕로와 귀로를 갖는 전열관이 히터의 부착부에 복수개 배치됨에 있어서 일방 통로의 부착 피치원을 소경으로 하고, 타방 통로의 부착 피치원을 대경으로 하며, 이들이 용기 안에 수용되어 용기가 고온에 노정됨으로써 상기 용기로부터의 복사열을 각 전열관이 흡수하도록 이루어진 복사열 회수형 히터로서, 각 전열관은 일방 통로 및 타방 통로가 등간격의 피치각도로 부착부에 배치되며, 일방 통로는 용기로부터 상기 용기의 중심을 향하는 타방 통로의 투영면과 완전히 중복되지 않도록 1/2 피치각도만큼 타방 통로의 피치각도로부터 어긋난 위치에서 부착부에 배치되어 이루어지는 것이다.

상기 복사열 회수형 히터에 있어서, 타방 통로에 대하여 일방 통로는 피치각도의 반분 각도분만큼 어긋난 위치에서 부착부에 배치되어 이루어지는 것이어도 좋다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터는 열 매체의 왕로와 귀로를 갖는 전열관이 히터의 부착부에 복수개 배치됨에 있어서 일방 통로의 부착 피치원을 소경으로 하고, 타방 통로의 부착 피치원을 대경으로 하며, 이들이 용기 안에 수용되어 용기가 고온에 노정됨으로써 상기 용기로부터의 복사열을 각 전열관이 흡수하도록 이루어진 복사열 회수형 히터로서, 각 전열관의 피치원이 소경인 일방 통로는 용기로부터 상기 용기의 중심을 향하는 투영 면적이 확대되도록 상기 투영면을 따라 확대된 편평 또는 타원의 가공부가 형성되어 있는 것이다.

상기 복사열 회수형 히터는 용기 안에 불활성 가스가 충전되어 이루어지는 것이어도 좋다.

상기 복사열 회수형 히터는 용기 안에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급 경로가 형성되어 이루어지는 것이어도 좋다.

상기 복사열 회수형 히터는 불활성 가스로서 헬륨을 사용하는 것이어도 좋다.

상기 복사열 회수형 히터는 용기 안이 밀폐되어 용기를 고온으로 노정했을 때에 용기 안을 대기압보다 고압으로 유지할 수 있도록 이루어진 것이어도 좋다.

상기 복사열 회수형 히터는 압력 조정 밸브가 설치되어 이루어지는 것이어도 좋다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 스터링 엔진은 상기 복사열 회수형 히터를 고온측 열교환기로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 소각로는 상기 복사열 회수형 히터가 노 내의 열회수 가능한 공스페이스에 노정하도록 설치된 것이다.

(발명의 효과)

이상 설명한 바와 같이, 청구항 1에 기재된 본 발명에 의하면, 각 전열관은 일방 통로 및 타방 통로를 등간격의 피치각도로 부착부에 배치하고, 일방 통로는 용기로부터 상기 용기의 중심을 향하는 타방 통로의 투영면과 완전히 중복되지 않도록 소정각도만큼 타방 통로의 피치각도로부터 어긋난 위치에서 부착부에 배치하고 있으므로 열방사하는 용기로부터 일방 통로로의 복사열이 타방 통로에 의해 차단되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 용기로부터 각 전열관으로의 직달 열전달량의 향상을 도모할 수 있다.

청구항 2의 본 발명에 의하면, 타방 통로에 대하여 일방 통로는 피치각도의 반분의 각도분만큼 어긋난 위치에서 부착부에 배치함으로써 상기한 직달 열전달량의 향상을 최대한으로 도모할 수 있다.

청구항 3의 본 발명에 의하면, 각 전열관의 일방 통로 및/또는 타방 통로는 용기로부터 상기 용기의 중심 방향을 향하는 투영 면적이 확대되도록 상기 투영면을 따른 편평 또는 타원의 가공부를 형성하고 있으므로 가공부를 형성하고 있지 않는 것과 비교하여 용기로부터 각 전달관으로의 직달 열전달량의 향상을 도모할 수 있다.

청구항 4에 기재된 본 발명에 의하면, 전열관이 수용된 용기 안에 불활성 가스를 충전함으로써 전열관의 고온 산화를 억제하여 보호할 수 있고, 전열관의 내구성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 청구항 5에 기재된 본 발명에 의하면, 용기 안에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급 경로를 형성함으로써 용기 안의 공기를 불활성 가스와 용이하게 치환할 수 있다.

청구항 6에 기재된 본 발명에 의하면, 불활성 가스로서 헬륨을 사용함으로써 전열관의 고온 산화 억제뿐만 아니라 용기 안의 자연대류 열전달량을 증가시킬 수 있고, 전열관의 내구성의 향상 및 열전달 효율의 향상을 도모할 수 있다.

청구항 7에 기재된 본 발명에 의하면, 용기 안을 밀폐하여 용기를 고온에 노정했을 때에 용기 안을 대기압보다 고압으로 유지할 수 있도록 하는 것이어도 전열관의 고온 산화 억제뿐만 아니라 용기 안의 자연대류 열전달량을 증가시킬 수 있고, 전열관의 내구성의 향상 및 열전달 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 청구항 8에 기재된 본 발명에 의하면, 내부 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있다.

청구항 9에 기재된 스터링 엔진에 의하면, 상기 복사열 회수형 히터를 고온측 열교환기로 함으로써 상기 고온측 열교환기로부터의 회수열량의 향상을 도모할 수 있다.

청구항 10에 기재된 소각로에 의하면 상기 복사열 회수형 히터를 노 내의 열회수 가능한 공스페이스에 노정하도록 설치함으로써 소각로 내의 폐열을 효율 좋게 회수할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터를 갖는 스터링 엔진을 소각로에 설치한 상태를 나타내는 소각로의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터를 갖는 스터링 엔진을 소각로에 설치한 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 3은 도 2에 있어서의 I-I선 단면도이다.
도 4는 도 3에 있어서의 다른 투영면에 대하여 설명하는 단면도이다.
도 5(a)는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터의 다른 실시형태를 나타내는 부분 단면도이고, 도 5(b)는 동 부분 단면도이며, 도 5(c) 및 도 5(d)는 동 도(b)의 또 다른 실시형태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 6(a)는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터의 또 다른 실시형태를 나타내는 부분 단면도이고, 도 6(b)는 동 부분 단면도이며, 도 6(c) 및 도 6(d)는 동 도(b)의 또 다른 실시형태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 7(a)는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터의 다른 실시형태에 의한 설치 상태를 나타내는 부분 단면도이고, 도 7(b)는 동 도면(a)에 있어서의 II-II선 단면도이다.
도 8(a)는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터의 또 다른 실시형태에 의한 설치 상태를 나타내는 부분 단면도이고, 도 8(b)는 동 도면(a)에 있어서의 III-III선 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터의 용기 안에 불활성 가스를 사용했을 때의 자연대류 열전달량과 용기 내 압력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10(a)는 도 7에 의한 복사열 회수형 히터의 또 다른 실시형태를 나타내는 부분 단면도이고, 도 10(b)는 동 도면(a)에 있어서의 IV-IV선 단면도이다.
도 11(a)는 도 8에 의한 복사열 회수형 히터의 또 다른 실시형태를 나타내는 부분 단면도이고, 도 11(b)는 동 도면(a)에 있어서의 V-V선 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 복사열 회수형 히터(1)를 갖는 스터링 엔진(10)을 소각로(2)에 설치한 상태를 나타내고, 도 2는 동 소각로(2)에 있어서의 스터링 엔진(10)의 부분을 나타내고, 도 3은 동 스터링 엔진(10)에 있어서의 복사열 회수형 히터(1)의 요부를 나타내고 있다.

본 발명에 의한 복사열 회수형 히터(1)는 히터(1)의 부착부(11)에 복수 개의 U자 전열관(12)이 방사형상으로 배치되고, 이들이 용기(13) 안에 수용되어 용기(13)가 고온에 노정됨으로써 상기 용기(13)로부터의 복사열을 U자 전열관(12)이 흡수하도록 이루어져 있다.

부착부(11)는 원반형상으로 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는 스터링 엔진(10)의 고온측의 실린더 헤드를 구성하도록 이루어져 있다. 이 부착부(11)의 중심(C)으로부터는 방사형상이 되도록 복수개의 U자 전열관(12)이 배치되어 있다.

U자 전열관(12)은 U자형상으로 굴곡 형성된 전열관이며, 열 매체의 왕로와 귀로를 갖고 있다. 그 일방 통로(121)의 부착 피치원이 소경으로 형성되고, 타방 통로(122)의 부착 피치원이 대경으로 형성되어 있다. 이때, U자 전열관(12)은 부착부(11)의 둘레 방향으로 등간격의 피치각도(θ)로 설치되어 있다. 단, 내경측의 일방 통로(121)는 용기(13)가 위치하게 되는 외주측으로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)과 완전히 중복되지 않도록 피치각도(θ)의 반분의 각도(1/2θ)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 각도(α)의 위치에서 부착부(11)에 배치되어 있다.

용기(13)는 상기 방사형상으로 배치된 모든 U자 전열관(12)을 그 내부에 수용할 수 있는 유저원통형상으로 형성되어 있으며, U자 전열관(12)을 용기(13) 안에 수용한 상태로 용기(13)의 개구부 가장자리와, 부착부(11) 사이에 간극을 형성한 상태로 설치된다. 즉, 이 용기(13)는 고온 하에 폭로되기 때문에 사용하고 있지 않을 때와의 온도차가 격심하고, 부착부(11)와 용기(13)를 엄밀하게 고정해버리면 사용 시에 고온 하에 폭로했을 때, 용기(13) 안이 고압이 되어 열변형이 되어서 용기(13)의 손상을 초래하게 되어버린다. 따라서, 용기(13)의 온도 변화에 추종하는 일 없이 상기 용기(13)로부터의 복사열을 U자 전열관(12)이 흡수할 수 있도록 용기(13) 안에는 부착부(11)와의 사이에 간극을 형성한 상태로 U자 전열관(12)이 수납된다. 이 용기(13)는 스테인리스 등의 금속, 세라믹스 또는 서멧 등의 내열성이 우수한 소재로 형성되어 있다.

이렇게 하여 형성되는 복사열 회수형 히터(1)는 스터링 엔진(10)의 고온측의 열교환기로서 사용된다. 이 스터링 엔진(10)으로서는 복사열 회수형 히터(1)로부터 회수되는 열을 상기 스터링 엔진(10)의 고온측 열원으로서 사용할 수 있는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니고, 복사열 회수형 히터(1)로부터 회수되는 열량에 따른 각종 스터링 엔진(10)이 사용된다.

소각로(2)는 피소각물을 연소시켰을 때에 발생하는 연소 가스가 고온이 되어 상기 소각로(2) 내를 통과하고, 탈황, 탈 분진 등을 거쳐 연도(煙道)로부터 배기되도록 구성되어 있다. 상기한 스터링 엔진(10)은 고온이 된 연소 가스가 통과하는 부위인, 예를 들면 2차 소각로(21)의 측벽부(211)에 형성된 개구부(211a)로부터 상기 스터링 엔진(10)의 복사열 회수형 히터(1)의 용기(13)의 부분을 삽입하고, 용기(13)의 플랜지부(131)에 의해 개구부(211a)를 막고, 복사열 회수형 히터(1)의 용기(13)의 부분이 2차 소각로(21) 내의 공스페이스(210)에 노정하도록 설치되어 있다. 단, 스터링 엔진(10)을 설치하는 위치로서는 소각로(2) 내의 연소 가스가 고온이 되어서 통과하는 장소이면 2차 소각로(21) 내의 측벽부(211)에 한정되는 것은 아니고, 그 밖에도 2차 소각로(21) 내의 천정부나 노 출구 연도 등과 같이 소각로(2) 내에서 고온이 되는 부분의 공스페이스에 복사열 회수형 히터(1)를 노정시킬 수 있는 위치이면 특별히 한정되는 것은 아니다.

이렇게 해서 소각로(2)의 2차 소각로(21)의 측벽부(211)에 설치함으로써 상기 2차 소각로(21) 내의 공스페이스(210)에 노정시킨 복사열 회수형 히터(1)는 소각로(2)의 2차 소각로(21) 내의 소각열을 받아 용기(13)가 전체적으로 가열되게 되고, 이 용기(13) 안에 수용된 U자 전열관(12)은 용기(13)로부터의 복사열에 의해 가열되게 된다.

이때, U자 전열관(12)은 내경측의 일방 통로(121)를 피치각도(θ)의 반분의 각도(1/2θ)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 각도(α)의 위치에서 부착부(11)에 배치함으로써 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)이 내경측의 일방 통로(121)와 완전히 중복되지 않도록 하고 있으므로 용기(13)로부터 일방 통로(121)로의 복사열은 타방 통로(122)에 의해 차단되는 일 없이 U자 전열관(12) 전체가 남김없이 복사열을 받을 수 있게 된다.

따라서, 복사열 회수형 히터(1)에 의한 열교환 효율이 향상됨과 아울러, U자 전열관(12)의 일부에만 복사열이 집중하여 히트 스폿을 발생시키는 것도 방지할 수 있으므로 U자 전열관(12)의 내구성도 증가할 수 있다.

또한, 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)이 내경측의 일방 통로(121)와 완전히 중복되지 않도록 하는 구성이면, 상기한 바와 같이 특히 내경측의 일방 통로(121)를 피치각도(θ)의 반분의 1/2θ의 각도(α)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 위치에서 부착부(11)에 배치하는 구성에 한정되는 것은 아니고, 아주 조금의 각도(α)만큼 어긋나게 한 위치에서 일방 통로(121)를 부착부(11)에 배치하는 구성이어도 좋다. 단, 타방 통로(122)의 투영면(122A)과 일방 통로(121)가 완전히 중복되지 않도록 하면 할수록 복사열을 받는 면이 넓어져서 복사열의 회수 효율이 높아지므로 피치각도(θ)의 반분인 1/2θ의 각도(α)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 각도(α)로 일방 통로(121)를 부착부(11)에 배치하는 구성으로 하는 것이 가장 효과가 얻어지는 구성이 된다.

또한, 본 실시형태에서는 일방 통로(121)는 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)과 완전히 중복되지 않도록 구성되어 있지만, 도 4에 나타내는 바와 같이 용기(13)로부터 중심(C)을 향해서 수속하는 타방 통로(122)의 투영면(122B)과 완전히 중복되지 않도록 구성된 것이어도 좋다. 즉, 용기(13)는 주위가 원형으로 되어 있어 한방향으로부터 열이 복사되는 것은 아니고, 둘레 방향으로부터 남김없이 열이 복사된다. 따라서, 일방 통로(121)는 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)과는 중복되는 구성이었다고 해도 용기(13)로부터 중심(C)을 향해서 수속하는 타방 통로(122)의 투영면(122B)과 중복되지 않는 구성으로 되어 있으면, 용기(13)의 둘레 방향으로부터 혼입되는 복사열을 흡수할 수 있게 되고, U자 전열관(12)의 일방 통로(121)는 남김없이 복사열을 받을 수 있다.

또한, 일방 통로(121)는 도 3에 나타내는 바와 같이 중심(C)과 일방 통로(121)의 중심(121C)을 연결하는 직선이 일방 통로(121)의 외주와 접하는 점(121R)이 용기(13)로부터의 복사열을 가장 정면으로부터 받으므로 복사열의 흡수를 고려하면 이 점(121R)이 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)과 중복되지 않도록 어긋나게 하는 각도(α)의 설정을 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 도 4에 나타내는 바와 같이 이 점(121R)이 용기(13)로부터 중심(C)을 향해서 수속되는 타방 통로(122)의 투영면(122B)과 중복되지 않도록 어긋나게 하는 각도(α)의 설정을 하는 것이 바람직하다.

이 각도(α)로서는 부착부(11)에 설치하는 U자 전열관(12)의 수가 많을 경우에는 조정 폭이 적어진다. 이러한 경우에도 내경측의 일방 통로(121)를 피치각도(θ)의 반분 1/2θ의 각도(α)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 위치로 했을 경우에는 용기(13)로부터 중심(C)을 향해서 수속되는 타방 통로(122)의 투영면(122B)과 내경측의 일방 통로(121)의 중복을 최소한으로 할 수 있으므로 복사열을 흡수하는 것을 고려한 구조로서는 가장 바람직하다.

또한, 상기와는 반대로 부착부(11)에 설치하는 U자 전열관(12)의 수가 적을 경우에는 어긋나게 하는 각도(α)에 여유를 생기게 한다. 이러한 경우에는 U자 전열관(12)은 내경측의 일방 통로(121)를 피치각도(θ)의 반분 1/2θ의 각도(α)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 위치에서 부착부(11)에 배치하는 것에 한정되는 것은 아니고, 타방 통로(122)의 상기한 투영면(122A, 122B)이 내경측의 일방 통로(121)와 중복되지 않는 범위이면 몇° 어긋나게 하는 각도(α)를 변경하는 것이어도 좋다.

도 5는 본 발명에 의한 복사열 회수형 히터(1)의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 즉, 이 복사열 회수형 히터(1)는 U자 전열관(12)의 내경측이 되는 일방 통로(121)에 편평 또는 타원 가공한 가공부(123)를 형성하고, 용기(13)로부터 의 중심(C)을 향하는 일방 통로(121)의 투영 면적(121A)을 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 가공부(123)의 투영 면적(123A)으로 확대를 도모한 것이다. 이 구성에 의해 가공부(123)의 투영 면적(123A)은 일방 통로(121)의 투영 면적(121A)으로부터 편평 또는 타원으로 가공함으로써 확대를 도모한 분만큼 많은 복사열을 흡수할 수 있으므로 열교환 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 이 경우에도 U자 전열관(12)의 내경측이 되는 일방 통로(121)는 용기(13)로부터 중심(C)을 향하는 타방 통로(122)의 투영면(122A)과 중복되지 않는 것이 바람직하지만, 가령 중복되었다고 해도 복사열을 흡수할 수 있는 일방 통로(121)의 투영 면적(121A)을 가공부(123)의 투영 면적(123A)으로 확대를 도모한 것에는 변함이 없다. 따라서, 도 6에 나타내는 바와 같이 U자 전열관(12)의 일방 통로(121)가 타방 통로(122)의 배치 위치와 어긋나 있지 않고, 같은 피치각도(θ)로 부착된 것이어도 마찬가지의 구성으로 편평 또는 타원으로 가공하지 않았을 경우와 비교하면 복사열의 흡수 효과는 증대된다.

따라서, U자 전열관(12)은 도 5에 나타내는 바와 같이 타방 통로(122)에 대하여 일방 통로(121)를 어긋나게 하여 U자 전열관(12)의 일방 통로(121)에 가공부(123)를 형성하는 것이어도 좋고(도 5(b)), 또는 타방 통로(122)에 가공부(123)를 형성하는 것이어도 좋고(도 5(c)), 그 양쪽에 가공부(123, 123)를 형성하는 것이어도 좋다(도 5(d)). 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이 타방 통로(122)에 대하여 일방 통로(121)를 어긋나게 하지 않고 U자 전열관(12)의 일방 통로(121)에 가공부(123)를 형성하는 것이어도 좋고(도 6(b)), 또는 타방 통로(122)에 가공부(123)를 형성하는 것이어도 좋고(도 6(c)), 그 양쪽에 가공부(123, 123)를 형성하는 것이어도 좋다(도 6(d)).

상기 실시형태의 히터는 소각로(2)의 내부에 노정하기 위해서 U자 전열관(12)의 부식 방지의 관점으로부터 용기(13)로 덮은 복사열 회수형 히터(1)로 하여 구성했지만, 유동로 등의 부식 방지의 가능성이 작은 노에 적용할 경우에는 용기(13)로 덮을 필요가 없다. 즉, 복사형이 아니라 전열관이 가스와 직접 열전달을 행하는 형식의 히터에도 적용할 수 있다. 또한, 열회수용뿐만 아니라 방열용(즉, 냉열용)에도 적용할 수 있다.

한편, 용기(13)로 덮은 복사열 회수형 히터(1)로서 구성했을 경우, 추가적인 부식 방지의 관점으로부터 용기(13) 안에 불활성 가스를 충전해도 좋다.

도 7은 용기(13)와 부착부(11)의 간극으로부터 용기(13) 안의 공간에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급관(14)을 설치한 복사열 회수형 히터(1)를 나타내고 있다. 불활성 가스 공급관(14)은 봄베 등으로부터의 불활성 가스를 밸브(14a)의 개폐에 의해 용기(13) 안의 공간에 충전하도록 구성된 것이며, 불활성 가스 공급관(14)은 불활성 가스의 공급 개구부가 용기(13)와 부착부(11)의 간극에 면하여 설치된 것이어도 좋고, 거기에서 용기(13)의 내부에 연장되어 설치된 것이어도 좋다. 단, 용기(13)의 내부에 연장되어 설치할 경우, 불활성 가스 공급관(14)은 용기(13)로부터의 복사열에 견딜 수 있도록 스테인리스제 등의 소재로 이루어진 것이 사용된다.

사용하는 불활성 가스로서는 헬륨, 아르곤 등의 희가스류나, 질소가스, 탄산가스 등의 반응성이 낮은 가스나, 그들의 혼합 가스를 들 수 있다.

이렇게 하여 구성된 복사열 회수형 히터(1)에 의하면 U자 전열관(12)이 설치된 용기(13) 안의 공간에는 불활성 가스 공급관(14)으로부터의 불활성 가스를 충전하고, 상기 용기(13) 안의 공기를 불활성 가스와 치환해 두면, 상기 용기(13) 안의 U자 전열관(12)은 불활성 가스에 의해 고온 산화 억제되어서 보호되게 되고, U자 전열관(12)의 내구성이 향상하게 된다.

또한, 불활성 가스로서 헬륨 가스를 사용했을 경우, 용기(13) 안의 U자 전열관(12)은 자연대류에 의한 열전달량을 향상시킬 수도 있게 되며, 공기의 경우의 약 3배 안되게도 열전달량을 향상시켜 복사열 회수형 히터(1)의 열교환 성능의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서 용기(13)는 부착부(11)와의 사이에 간극을 갖는 개방계로 구성되어 있기 때문에 용기(13)의 온도가 상승해도 대기압 상태를 유지할 수 있도록 이루어져 있지만, 도 8에 나타내는 바와 같이 이 부착부(11)에 형성한 플랜지부(11a)와 용기(13)의 간극을 밀폐하는 구성으로 하여 용기(13) 안을 가압할 수 있도록 밀폐계의 구성으로 해도 좋다. 단, 이 경우, 온도 변화에 의한 열변형에 의해 용기(13)가 손상되지 않도록 용기(13)와 부착부(11)의 간극에 내열성 및 내압성의 개스킷(3) 등을 통해 양자를 협지 고정한다. 또한, 내부 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하기 위해서 부착부(11)에 설치된 배관(15)에 압력 조정 밸브(15a)를 설치하고, 용기(13) 안의 내압을 조정할 수 있도록 이루어져 있다.

또한, 밀폐하는 구성으로 했을 경우, 용기(13) 안에 단지 불활성 가스를 공급한 것만으로는 용기(13) 안을 능숙하게 불활성 가스로 치환할 수 없으므로 불활성 가스를 충전할 때에는 불활성 가스 공급관(14) 또는 배관(15) 또는 그 외에 설치한 전용의 배관(도시 생략)으로부터 용기(13) 안을 감압한 후, 상기 용기(13) 안에 불활성 가스 공급관(14)으로부터 불활성 가스를 공급함으로써 상기 용기(13) 안에 불활성 가스를 충전하도록 해도 좋다.

이렇게 하여 용기(13) 안의 압력을 높일 수 있도록 함으로써 불활성 가스에 의해 내압이 높아진 용기(13) 안은 상기한 고온 산화 억제에 의한 U자 전열관(12)의 보호뿐만 아니라 자연대류에 의한 열전달량의 향상을 도모할 수 있게 된다. 따라서, 불활성 가스로서 헬륨 가스를 사용한 경우에는 도 9에 나타내는 바와 같이 용기(13) 안을 해방계로 구성하여 상기 용기(13) 안에 헬륨 가스를 충전했을 경우의 약 1.5배 이상의 열전달량의 향상을 도모할 수 있다. 이것은 용기(13) 안을 해방계로 구성하여 상기 용기(13) 안에 공기를 충전했을 경우와 비교했을 경우의 약 5배의 열전달량의 향상을 도모할 수 있게 된다. 즉, 불활성 가스로서 헬륨 가스를 사용한 경우에는 헬륨 가스에 의한 자연대류 열전달량의 향상과, 밀폐계의 용기(13)의 구성에 의한 자연대류 열전달량의 향상의 쌍방의 효과가 얻어져 한층 더 우수한 자연대류 열전달량의 향상을 도모할 수 있게 된다.

이와 같이 용기(13) 안에 불활성 가스를 충전함으로써 U자 전열관(12)의 내구성의 향상이나, 자연대류에 의한 열전달량의 향상을 도모할 수 있으므로 복사열 회수형 히터(1)는 내구성 및 열의 회수 효율이 향상하게 되고, 그것을 사용한 스터링 엔진(10) 및 소각로(2)는 출력의 향상을 도모할 수 있게 된다.

또한, 용기(13) 안에 불활성 가스를 충전함으로써 자연대류에 의한 열전달량의 향상을 도모할 수 있으므로 용기(13) 안에 설치하는 U자 전열관(12)의 수를 줄여도 불활성 가스를 충전하지 않는 것과 같은 정도의 출력이 얻어지게 되어 복사열 회수형 히터(1)의 소형화를 도모할 수 있고, 그것을 사용한 스터링 엔진(10)도 마찬가지로 소형화가 도모되게 된다. 또한, 이 스터링 엔진(10)을 사용한 소각로(2)는 상기 스터링 엔진(10)의 복사열 회수형 히터(1)의 부분의 소형화를 도모할 수 있으므로 한정된 공스페이스(240)이어도 부착하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 복사열 회수형 히터(1)는 용기(13) 안에 U자 전열관(12)을 설치하고 있지만, 그 형상, 개수, 배치 구조에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 이 종류의 복사열 회수형 히터(1)에서 채용되어 있는 각종 전열관을 사용할 수 있다. 따라서, 도 7 및 도 8에 나타내는 U자 전열관(12)은 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이 각종 형상으로 형성된 것이어도 좋다. 또한, 도 7 및 도 8에 나타내는 U자 전열관(12)은 내경측의 일방 통로(121)를 피치각도(θ)의 반분의 각도(1/2θ)만큼 타방 통로(122)의 배치 위치로부터 어긋나게 한 각도(α)의 위치에서 부착부(11)에 배치함으로써 복사열을 흡수하기 용이하도록 구성되어 있지만, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이 일방 통로(121)와 타방 통로(122)의 피치각도(θ)를 어긋나게 하지 않고 배치한 것이어도 좋다. 이 경우이어도 용기(13) 안의 불활성 가스의 충전에 의한 효과는 얻을 수 있으므로 U자 전열관(12)의 내구성의 향상 및 열전달효율의 향상을 도모할 수 있다.

1 : 복사열 회수형 히터 10 : 스터링 엔진
11 : 부착부 12 : U자 전열관
121 : 일방 통로 122 : 타방 통로
122A : 투영면 123 : 가공부
123A : 투영면 13 : 용기
14 : 불활성 가스 공급관(불활성 가스 공급 경로)
15a : 압력 조정 밸브 2 : 소각로
210 : 공스페이스 θ : 피치각도
α : 각도

Claims

열 매체의 왕로와 귀로를 갖는 전열관이 히터의 부착부에 복수개 배치됨에 있어서 일방 통로의 부착 피치원을 소경으로 하고, 타방 통로의 부착 피치원을 대경으로 하며, 이들이 용기 안에 수용되어 용기가 고온에 노정됨으로써 그 용기로부터의 복사열을 각 전열관이 흡수하도록 이루어진 복사열 회수형 히터로서,
각 전열관은 일방 통로 및 타방 통로가 등간격의 피치각도로 부착부에 배치되고, 일방 통로는 용기로부터 그 용기의 중심을 향해서 수속하는 타방 통로의 투영면과 완전히 중복되지 않도록 타방 통로의 피치각도로부터 어긋난 위치에서 부착부에 배치되어 이루어지고,
상기 용기는, 상기 용기의 개구부 가장자리와 상기 부착부 사이에 간극을 형성한 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 복사열 회수형 히터.
제 1 항에 있어서,
타방 통로에 대하여 일방 통로는 피치각도의 반분의 각도분만큼 어긋난 위치에서 부착부가 배치되어 이루어지는 복사열 회수형 히터.
열 매체의 왕로와 귀로를 갖는 전열관이 히터의 부착부에 복수개 배치됨에 있어서 일방 통로의 부착 피치원을 소경으로 하고, 타방 통로의 부착 피치원을 대경으로 하며, 이들이 용기 안에 수용되어 용기가 고온에 노정됨으로써 그 용기로부터의 복사열을 각 전열관이 흡수하도록 이루어진 복사열 회수형 히터로서,
각 전열관의 피치원이 소경인 일방 통로는 용기로부터 그 용기의 중심을 향해서 수속하는 타방 통로의 투영면과 완전히 중복되지 않고, 투영 면적이 확대되도록 그 투영면을 따라 확대된 편평 또는 타원의 가공부가 형성되어 있고,
상기 용기는, 상기 용기의 개구부 가장자리와 상기 부착부 사이에 간극을 형성한 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 복사열 회수형 히터.
제 1 항에 있어서,
용기 안에 불활성 가스가 충전되어 이루어지는 복사열 회수형 히터.
제 4 항에 있어서,
용기 안에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급 경로가 형성되어 이루어지는 복사열 회수형 히터.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
불활성 가스로서 헬륨을 사용하는 복사열 회수형 히터.
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제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 복사열 회수형 히터를 고온측 열교환기로 하는 스터링 엔진.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 복사열 회수형 히터가 노 내의 열회수 가능한 공스페이스에 노정하도록 설치된 소각로.