KR102051476B1

KR102051476B1 - 과열증기 승온장치

Info

Publication number: KR102051476B1
Application number: KR1020180066757A
Authority: KR
Inventors: 조종표; 김정근; 박성룡
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-04

Abstract

본 발명은 과열증기 승온장치에 관한 것이다.
본 발명은 과열증기가 유입되는 유입부, 외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부, 상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 나선형으로 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있다.
본 발명에 따르면, 폐기물 연소장치 등에서 발생하는 폐열에 의한 과열증기를 추가로 가열하여 승온하는 과정에서 과열증기의 흐름을 강화하는 동시에 과열증기가 열원과 접촉하는 면적을 증가시켜 승온 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

과열증기 승온장치{HEAT-RISING APPARATUS OF SUPERHEATED STEAM}

본 발명은 과열증기 승온장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 폐기물 연소장치 등에서 발생하는 폐열에 의한 과열증기를 추가로 가열하여 승온하는 장치로서, 수소발생장치 등과 같은 고온을 요구하는 장치에 고온의 과열증기를 경제적이고 효율적으로 제공할 수 있도록 하는 과열증기 승온장치에 관한 것이다.

수소는 석유탈황, 암모니아 제조 등 화학공업 부문에서 널리 사용되고 있으며, 우주항공산업의 연료, 반도체산업의 분위기 가스, 연료전지의 원료로도 사용되고 있다. 현재 주된 에너지원으로 사용 중인 화석 연료는 가격 상승 및 고갈에 따른 문제와 사용 후 발생하는 NO_X, SO_X, 각종 분진 등과 같은 대기오염물의 배출과 이산화탄소에 의한 지구온난화에 등에 따른 각종 환경 규제가 엄격해짐에 따른 대안으로 환경 친화적인 에너지원으로써 수소의 생산 및 제조 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 수소는 오일이나 천연가스를 사용하여 수증기 개질법(steam reforming)이나 부분산화법(partial oxidation) 등으로 제조되고 있으며, 이들 방법에 의해 제조된 수소는 재생에너지시스템에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 물을 전기화학 셀을 이용하여 전기분해하는 방법은 영구적인 재생에너지시스템으로 이용되고 있는데 저온에서의 물 분해는 많은 에너지를 필요로 한다.

반면, 고온의 수증기는 액체상태의 물을 직접 전기 분해하는 것보다 에너지적 측면에서 효율을 제공한다. 고온에서의 수소제조는 물분해에 필요한 에너지의 약 1/3을 열에너지로 대체하고 빠른 전극반응을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있어 중요성이 점차 증대되고 있다.

그 중에서 고체 산화물 수전해 셀은 600℃ 내지 800℃의 수증기를 전기 분해하여 수소 가스를 생성할 수 있다. 이러한 고체 산화물 수전해 셀은 현재 800℃ 이상의 고온의 열을 이용하는 전기분해법에 비해 에너지가 적게 소모되므로 전기소모 문제는 해결되나, 여전히 고온의 에너지 공급이 문제되고 있다.

한편, 대한민국 등록특허공보 제10-0442560호에는 산화칼슘과 염화알루미늄 무수물 및 가성소다, 알루미늄 금속분말 및 염화칼슘 수용액을 포함하며, 수화반응 및 중화반응에서 발생하는 반응열을 이용하는 발열체가 공지되었으나, 이 발열체는 수소 이외의 다른 불순물이 다량 발생할 수 있다는 문제가 있어서 수소 발생용 조성물 또는 수소발생기로 사용하기에는 한계가 있다.

또한, 대한민국 공개특허공보 제10-1994-0025939호에는 알루미늄 분말과 산화칼슘 등을 이용한 수소발생기의 제조방법이 공지되어 있으나, 실질적으로 사용하기에 충분한 양의 수소를 효율적으로 발생시킬 수 없다는 문제가 있다.

또한, 일본 공개특허공보 제2004-231466호에는 알루미늄 분말과 산화칼슘 분말 및 추가로 보수(保水)제를 포함하는 물과 반응하는 수소발생 재료가 개시되어 있으나, 수소발생의 속도와 효율 면에서 미흡한 문제가 있다.

또한, 일본 공개특허공보 제1997-192026호에는 생석회 85~90 중량%와 무수 연화마그네슘 15~10 중량%로 이루어진 혼합물에 산화알루미늄이 약 1중량% 첨가된 투수성의 봉투에 수납되는 발열체가 공지되어 있으나, 이는 생석회와 무수 염화마그네슘을 합친 양이 100 중량%이고, 여기에 산화알루미늄을 단지 1 중량%로 함유하는 것으로 이 역시 수소발생 속도나 효율 면에서 미흡한 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0442560호 대한민국 공개특허공보 제10-1994-0025939호 일본 공개특허공보 제2004-231466호 일본 공개특허공보 제1997-192026호

본 발명은 폐기물 연소장치 등에서 발생하는 폐열에 의한 과열증기를 추가로 가열하여 승온하는 과정에서 과열증기의 흐름을 강화하는 동시에 과열증기가 열원과 접촉하는 면적을 증가시켜 승온 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 과열증기 승온장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 폐기물 연소장치 등의 폐열을 이용하여 고온을 필요로 하는 장치, 예를 들어, 수소발생장치에 전달되는 열원을 고열로 승온시켜 수소발생장치에 전달함으로써, 수소발생시 필요한 고열이 수소발생장치에 일정하게 공급되어 양질의 수소를 원활하게 생산할 수 있고, 폐열을 이용하여 고열을 손쉽게 얻을 수 있어 경제적으로 뛰어난 과열증기 승온장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치는 과열증기가 유입되는 유입부, 외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부, 상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 나선형으로 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 내부 돌출부는 상기 몸체부의 측벽 내면으로부터 돌출되며 상기 몸체부의 바닥 내면을 향하여 경사지게 연장된 나선형의 돌기 형상을 갖고, 상기 배출부의 하단부는 상기 몸체부의 바닥 내면과 이격된 상태로 상기 몸체부의 바닥 내면을 향하여 벌어진 개구 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기는, 상기 내부 돌출부에 의해 나선형으로 회전하면서 제1 소용돌이(swirl)로 유도됨으로써 1차적으로 상기 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 상기 외부 열원에 의해 가열되는 내부 돌출부와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 내부 돌출부에 의해 상기 몸체부의 바닥 내면으로 유도된 과열증기는, 상기 몸체부의 바닥 내면을 향하여 벌어진 개구 형상을 갖는 배출부의 하단부로 유입되어 외부로 배출됨으로써 열배출 효율이 증대되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 내부 돌출부의 돌출 높이는 상기 유입부의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 내부 돌출부의 단부는 상기 몸체부의 측벽 내면에 나란한 상방으로 굽어진 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 유입부를 통해 유입되어 상기 내부 돌출부에 의해 상기 제1 소용돌이(swirl)로 유도된 과열증기는 상기 내부 돌출부의 단부에 의해 제2 소용돌이로 유도됨으로써 2차적으로 상기 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 상기 외부 열원에 의해 가열되는 내부 돌출부와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 몸체부의 측벽 외면에는 상기 외부 열원에 노출되는 면적을 증가시켜 가열 효율을 증대시키는 외부 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 외부 돌출부는 상기 몸체부의 측벽 외면으로부터 돌출되며 상기 몸체부의 하방으로 경사진 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 몸체부의 바닥 내면에는 상기 과열증기를 상승시켜 상기 배출부로 유도하는 바닥 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 몸체부의 바닥 내면은 상기 배출부의 하단부를 기준으로 반전된 콘(cone) 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 과열증기는 상기 콘 형상을 갖는 몸체부의 바닥 내면의 꼭지점 영역으로 집중된 후 상승하여 상기 배출부로 유입되어 외부로 배출됨으로써 열배출 효율이 증대되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 배출부는 물을 전기화학 셀을 이용하여 전기분해하는 수소발생장치와 연결되면서 상기 수소발생장치로 승온된 상기 과열증기가 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 몸체부는 중력방향에 수직되는 단면이 원형이 되는 원통형 구조를 가지고, 상기 내부 돌출부는 상기 원통형 구조의 접선에 수직된 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 내부 돌출부와 상기 측벽 내면과의 연결 부분은 상기 과열증기와의 접촉면이 오목한 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다른 과열증기 승온장치는 과열증기가 유입되는 유입부, 외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부, 상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 상기 측벽 내면을 따라 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있고, 상기 내부 돌출부의 단부는 상기 몸체부의 측벽 내면에 나란한 상방으로 굽어진 형상을 갖는다.

본 발명에 따른 다른 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 유입부를 통해 유입되어 상기 내부 돌출부에 의해 제1 소용돌이(swirl)로 유도된 과열증기는 상기 내부 돌출부의 단부에 의해 제2 소용돌이로 유도됨으로써 2차적으로 상기 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 상기 외부 열원에 의해 가열되는 내부 돌출부와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 과열증기 승온장치는 과열증기가 유입되는 유입부, 외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부, 상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 상기 측벽 내면을 따라 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있고, 상기 몸체부의 측벽 외면에는 상기 외부 열원에 노출되는 면적을 증가시켜 가열 효율을 증대시키는 외부 돌출부가 형성되어 있다.

본 발명에 따른 또 다른 과열증기 승온장치에 있어서, 상기 외부 돌출부는 상기 몸체부의 측벽 외면으로부터 돌출되며 상기 몸체부의 하방으로 경사진 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 폐기물 연소장치 등에서 발생하는 폐열에 의한 과열증기를 추가로 가열하여 승온하는 과정에서 과열증기의 흐름을 강화하는 동시에 과열증기가 열원과 접촉하는 면적을 증가시켜 승온 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 과열증기 승온장치가 제공되는 효과가 있다.

또한, 폐기물 연소장치 등의 폐열을 이용하여 고온을 필요로 하는 장치, 예를 들어, 수소발생장치에 전달되는 열원을 고열로 승온시켜 수소발생장치에 전달함으로써, 수소발생시 필요한 고열이 수소발생장치에 일정하게 공급되어 양질의 수소를 원활하게 생산할 수 있고, 폐열을 이용하여 고열을 손쉽게 얻을 수 있어 경제적으로 뛰어난 과열증기 승온장치가 제공되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열장치 승온장치의 개념적인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열장치 승온장치의 개념적인 투시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 내부 돌출부의 하나의 예시적인 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 내부 돌출부의 다른 예시적인 구성을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 외부 돌출부의 예시적인 구성을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 바닥 돌출부의 예시적인 구성을 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 몸체부의 예시적인 구성을 나타낸 도면이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열장치 승온장치의 개념적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열장치 승온장치의 개념적인 투시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열장치 승온장치는 유입부(10), 몸체부(20) 및 배출부(30)를 포함한다.

유입부(10)는 과열증기가 유입되는 유로의 기능을 수행한다.

예를 들어, 유입부(10)는 몸체부(20)의 바닥 영역의 반대 영역인 상측 영역에 구비될 수 있으며, 과열증기는 고압으로 가압된 상태로 유입부(10)를 통해 몸체부(20)의 내부로 유입될 수 있다.

예를 들어, 과열증기는 폐기물 연소장치 등에서 발생하는 폐열에 의해 가열된 증기일 수 있으나, 과열증기가 이에 한정되지는 않는다.

유입부(10)의 내측 유로가 연장된 선은 몸체부(20)의 측벽 내면의 접선과 같을 수 있다. 이러한 구조를 통해 유입부(10)에서 몸체부(20)로 투입되는 과열증기는 몸체부(20)의 측벽 내면의 접선방향으로 투입될 수 있다. 이렇게 몸체부(20)의 측벽 내면의 접선 방향으로 투입된 과열증기는 몸체부(20)의 측벽 내면을 따라 흐를 수 있다.

몸체부(20)는 외부 열원에 의해 가열되며, 유입부(10)를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 기능을 수행한다. 즉, 몸체부(20)는 외부 열원에 의해 자신이 가열되는 구성요소로서, 열전도성 및 내구성이 우수한 임의 물질로 구성될 수 있으며, 그 외관이 실질적으로 원통형 형상을 가질 수 있으나, 몸체부(20)의 형상이 이에 한정되지는 않는다.

배출부(30)는 몸체부(20)에서 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 부분이다. 배출부(30)는 몸체부(20)의 가운데에서 상하방향으로 유로를 형성하면서 배치될 수 있다. 유입부(10)에서 투입된 과열증기는 몸체부(20)에서 가열되면서 몸체부(20)의 아래 방향(중력 방향)으로 흘러내려가게 되는데, 이러한 가열에 의해 승온된 과열증기는 몸체부(20)의 하측에서 배출부(30)의 유로를 따라 상측으로 배출될 수 있다.

배출부(30)는 수소발생장치와 연결될 수 있다. 여기서, 수소발생장치는 물을 전기화학 셀을 이용하여 전기분해하는 장치로서, 수소발생장치는 몸체부(20)에서 승온된 과열증기를 공급받음으로써 보다 효율적으로 수소를 생산할 수 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 열원은 몸체부(20)의 측벽과 바닥으로 가해질 수 있다. 과열증기는 이러한 외부의 열원으로부터 보다 많은 열을 공급받기 위해 몸체부(20)의 상측에서부터 몸체부(20)의 측벽 내면을 따라 흐르면서 하측으로 이동된 후 몸체부(20)의 가운데에 있는 배출부(30)를 통해 배출될 수 있다.

과열증기를 입자 혹은 덩어리로 보면 과열증기는 유동 경로의 길이에 따라 공급받는 열의 양이 달라지게 된다. 과열증기는 유동 경로의 길이가 길어지면 공급받는 열의 양이 증가하고, 유동 경로의 길이가 짧아지면 공급받는 열의 양이 작아지게 된다.

그리고, 과열증기는 몸체부(20)의 측벽과의 거리에 따라 공급받는 열의 양이 달라지게 된다. 과열증기가 몸체부(20)의 측벽과 밀착하게 되면 공급받는 열의 양이 증가하게 되고, 측벽과 멀어지게 되면 공급받는 열의 양이 적어지게 된다.

이러한 원리를 고려할 때, 과열증기에 공급되는 열의 양이 가장 많아지는 것은 과열증기가 몸체부(20)의 측벽 내면에 밀착하면서 나선형의 유동 경로로 흐르는 것이다.

도 2에, 과열증기가 몸체부(20)의 측벽 내면에 밀착하면서 나선형의 유동 경로로 흐르는 것이 도시되어 있는데, 유입부(10)를 통해 투입된 과열증기는 원통형의 몸체부(20)에서 측벽 내면을 따라 나선형으로 유동하면서 몸체부(20)의 하측으로 이동했다가 몸체부(20)의 바닥에서 상승하면서 배출부(30)의 유로를 따라 외부로 배출될 수 있다.

한편, 이러한 몸체부(20)의 측벽 내면에는 과열증기를 나선형으로 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부(210)가 형성되어 있다. 내부 돌출부(210)는 일종의 과열증기의 경로에 대한 가이드로서 기능한다.

하나의 예로, 내부 돌출부(210)의 하나의 예시적인 구성을 나타낸 도 3을 추가로 참조하면, 내부 돌출부(210)는 몸체부(20)의 측벽 내면으로부터 돌출되며 몸체부(20)의 바닥 내면을 향하여 경사지게 연장된 나선형의 돌기 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 유입부(10)를 통해 유입된 과열증기는, 내부 돌출부(210)에 의해 나선형으로 회전하면서 제1 소용돌이(swirl)로 유도됨으로써, 1차적으로 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 외부 열원에 의해 가열되는 내부 돌출부(210)와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대된다.

여기서, 제1 소용돌이는 중력방향(Y방향)에 수직되는 평면(ZX평면)으로 형성되는 소용돌이로서, 과열증기의 주경로를 형성하게 된다.

내부 돌출부(210)는 몸체부(20)의 측벽에 수직되는 방향(X방향)으로 돌출되도록 형성되는데, 이때, 내부 돌출부(210)와 측벽의 내면이 연결되는 부분에서 과열증기와 접촉되는 부분은 오목한 형상을 가질 수 있다. 이러한 오목한 형상은 과열증기의 흐름을 부드럽게 하기 위한 것으로서, 난기류의 발생을 줄여줄 수 있다.

과열증기는 내부 돌출부(210)에 의해 몸체부(20)의 접선 방향(Z방향)으로 유동하면서 중력에 의해 아래방향(Y방향에서 마이너스 방향)으로 유동하게 된다.

한편, 내부 돌출부(210)는 몸체부(20)의 접선 방향(Z방향)과 일정한 각도를 가지고 중력방향(Y방향)으로 기울어져 있을 수 있는데, 이러한 각도에 따라 과열증기가 아래방향으로 유동하는 것을 가속화시킬 수 있다.

유입부(10)의 투입 경로도 이러한 몸체부(20)의 접선 방향(Z방향)과 일정한 각도를 가지고 중력방향(Y방향)으로 기울어져 있을 수 있는데, 이러한 투입 각도에 따라 과열증기가 아래방향으로 유동하는 것을 가속화시킬 수 있다.

다른 예로, 내부 돌출부(210)의 다른 예시적인 구성을 나타낸 도 4를 추가로 참조하면, 내부 돌출부(210)는 몸체부(20)의 측벽 내면으로부터 돌출되며 몸체부(20)의 바닥 내면을 향하여 경사지게 연장된 나선형의 돌기 형상을 가지며, 내부 돌출부(210)의 단부는 몸체부(20)의 측벽 내면에 나란한 상방으로 굽어진 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 유입부(10)를 통해 유입되어 내부 돌출부(210)에 의해 제1 소용돌이(swirl)로 유도된 과열증기는 내부 돌출부(210)의 단부에 의해 제2 소용돌이로 유도됨으로써, 2차적으로 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 외부 열원에 의해 가열되는 내부 돌출부(210)와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대된다.

제1 소용돌이가 ZX 평면으로 형성된다면, 제2소용돌이는 XY 평면으로 형성될 수 있다. XY평면은 측벽의 상하방향과 내부 돌출부(210)의 돌출방향(측벽에 수직된 방향)이 이루는 평면으로서, 과열증기는 이러한 XY평면에서의 소용돌이를 통해 전체 과열증기가 고르게 섞일 수 있고, 또한, 몸체부(20)의 측벽 내면과의 접촉 시간이 증가하여 보다 많은 열을 공급받을 수 있다.

내부 돌출부(210)의 단부는 측벽 내면에 나란한 상방으로 굽어진 후에 측면 내면 방향으로 다시 굽어지면서 측면 내면에서 내부 돌출부(210)의 단부로 향하는 과열증기가 다시 측벽 내면 방향으로 되돌아 올 수 있게 할 수 있다.

과열증기의 흐름을 증대시키기 위한 구성으로서, 내부 돌출부(210)의 돌출 높이(d2)는 유입부(10)의 직경(d1)보다 크도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 외부 돌출부(220)의 예시적인 구성을 나타낸 도 5를 추가로 참조하면, 몸체부(20)의 측벽 외면에는 외부 열원에 노출되는 면적을 증가시켜 가열 효율을 증대시키는 외부 돌출부(220)가 형성되도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 이러한 외부 돌출부(220)는 몸체부(20)의 측벽 외면으로부터 돌출되며 몸체부(20)의 하방으로 경사진 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 도 5의 도면부호 θ는 외부 돌출부(220)와 몸체부(20)의 측벽 외면에 수직인 면 간의 각도이다. 이러한 구성에 따르면, 외부 이물질, 예를 들어, 폐기물 연소장치에서 발생하는 재(ash) 등이 외부 돌출부(220)에 쌓이지 않고 하방으로 흘러내려 제거되기 때문에, 과열증기 승온장치의 유지보수가 용이해지고 외부 돌출부(220)에 적층되는 재(ash) 등에 의한 열전달 효율 저하를 사전에 방지할 수 있다.

예를 들어, 바닥 돌출부(230)의 예시적인 구성을 나타낸 도 6을 추가로 참조하면, 몸체부(20)의 바닥 내면에는 과열증기를 상승시켜 배출부(30)의 하단부로 유도하는 바닥 돌출부(230)가 형성되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 유입부(10)를 통해 유입된 과열증기가 몸체부(20)의 측벽 내면에 형성된 내부 돌출부(210)에 의해 나선형으로 회전하면서 소용돌이(swirl)의 형태로 몸체부(20)의 바닥 내면에 도달하면, 과열증기가 몸체부(20)의 바닥 내면으로부터 배출부(30)의 하단부를 향하여 돌출되어 있는 바닥 돌출부(230)의 표면을 따라 상승하여 배출부(30)의 하단부로 집중 유도되기 때문에, 열배출 효율이 증대된다.

예를 들어, 몸체부(20)의 예시적인 구성을 나타낸 도 7을 추가로 참조하면, 몸체부(20)의 바닥 내면은 배출부(30)의 하단부를 기준으로 반전된 콘(cone) 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 몸체부(20)의 바닥 내면에 도달한 과열증기는 콘 형상을 갖는 몸체부(20)의 바닥 내면의 꼭지점 영역으로 집중된 후 상승하여 배출부(30)의 하단부로 유입되어 외부로 배출되기 때문에, 열배출 효율이 증대된다.

배출부(30)는 몸체부(20)의 내부에 구비되어 있으며, 외부 열원에 의해 가열된 몸체부(20)에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 기능을 수행한다.

예를 들어, 배출부(30)는 몸체부(20)의 중앙 영역에 배치될 수 있으며, 몸체부(20)가 원통형인 경우 배출부(30)는 몸체부(20)보다 작은 직경을 갖는 원통형으로 구비될 수 있다.

예를 들어, 이러한 배출부(30)의 하단부는 몸체부(20)의 바닥 내면과 이격된 상태로 몸체부(20)의 바닥 내면을 향하여 벌어진 개구 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 내부 돌출부(210)에 의해 몸체부(20)의 바닥 내면으로 유도된 과열증기는, 몸체부(20)의 바닥 내면을 향하여 벌어진 개구 형상을 갖는 배출부(30)의 하단부로 유입되어 외부로 배출됨으로써 열배출 효율이 증대된다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 유입부의 예시적인 구성을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 유입부(10)에서 과열증기가 흘러가는 유로는 단면의 면적이 점점 줄어드는 형상을 가질 수 있다.

이러한 형상에 의해, 유입부(10)에서 몸체부(20)로 투입되는 과열증기의 속도가 올라갈 수 있다. 과열증기는 몸체부(20)의 측벽 내면을 따라 흐르게 되는데, 이때, 과열증기의 속도가 올라가게 되면 원심력이 강해지면서 과열증기가 몸체부(20)의 측벽 내면에 밀착되는 시간이 증가하게 된다.

또한, 유입부(10)와 몸체부(20)가 연결되는 부분의 유로가 작아지게 되면, 과열증기의 통로가 좁아지면서 과열증기가 투입되는 경로의 단면이 작아지게 된다. 과열증기가 투입되는 경로의 단면이 넓으면 몸체부(20)의 측벽과 접촉되는 과열증기의 양이 적어지기 때문에 열을 더 적게 받게 되는데, 전술한 형상에 의하면, 과열증기가 투입되는 경로의 단면이 작아지면서 측벽과 접촉되는 과열증기의 양이 증가하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 폐기물 연소장치 등에서 발생하는 폐열에 의한 과열증기를 추가로 가열하여 승온하는 과정에서 과열증기의 흐름을 강화하는 동시에 과열증기가 열원과 접촉하는 면적을 증가시켜 승온 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 과열증기 승온장치가 제공되는 효과가 있다.

10: 유입부
20: 몸체부
30: 배출부
210: 내부 돌출부
220: 외부 돌출부
230: 바닥 돌출부

Claims

과열증기가 유입되는 유입부;
외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부;
상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고,
상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 나선형으로 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있고,
상기 몸체부의 바닥 내면에는 상기 몸체부의 바닥 내면으로부터 상기 배출부의 하단부를 향하여 돌출되고, 상기 몸체부의 바닥 내면과의 연결 부분이 오목한 형태이며, 상기 과열증기를 상승시켜 상기 배출부로 유도하는 바닥 돌출부가 형성되어 있고,
상기 유입부에서 과열증기가 흘러가는 유로의 형상은 상기 유로의 단면의 면적이 점점 줄어드는 형상이고,
상기 유입부에서 상기 몸체부로 투입되는 과열증기의 속도가 증가하고,
상기 과열증기와 상기 몸체부의 측벽 내면에 밀착되는 시간은, 상기 과열증기의 속도가 증가로 인해 원심력이 강해지면서, 증가하고,
상기 유입부에서 상기 몸체부로 투입되는 과열증기의 양은 증가하고,
상기 과열증기가 상기 내부 돌출부에 의해 상기 몸체부의 측벽 내면을 따라 나선형으로 회전하여 흐르면서, 소용돌이(swirl)의 형태로 상기 몸체부의 바닥 내면에 도달하고, 상기 바닥 돌출부의 표면을 따라 상승하여 배출부의 하단부로 집중 유도됨으로써 열배출 효율이 증대되는 것을 특징으로 하는 과열증기 승온장치.
제1항에 있어서,
상기 내부 돌출부는 상기 몸체부의 측벽 내면으로부터 돌출되며 상기 몸체부의 바닥 내면을 향하여 경사지게 연장된 나선형의 돌기 형상을 갖고,
상기 배출부의 하단부는 상기 몸체부의 바닥 내면과 이격된 상태로 상기 몸체부의 바닥 내면을 향하여 벌어진 개구 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제2항에 있어서,
상기 유입부를 통해 유입된 과열증기는,
상기 내부 돌출부에 의해 나선형으로 회전하면서 제1 소용돌이(swirl)로 유도됨으로써 1차적으로 상기 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 상기 외부 열원에 의해 가열되는 내부 돌출부와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대되는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제3항에 있어서,
상기 내부 돌출부에 의해 상기 몸체부의 바닥 내면으로 유도된 과열증기는,
상기 몸체부의 바닥 내면을 향하여 벌어진 개구 형상을 갖는 배출부의 하단부로 유입되어 외부로 배출됨으로써 열배출 효율이 증대되는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제2항에 있어서,
상기 내부 돌출부의 돌출 높이는 상기 유입부의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
제2항에 있어서,
상기 배출부는 물을 전기화학 셀을 이용하여 전기분해하는 수소발생장치와 연결되면서 상기 수소발생장치로 승온된 상기 과열증기가 공급되는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
제2항에 있어서,
상기 몸체부는 중력방향에 수직되는 단면이 원형이 되는 원통형 구조를 가지고,
상기 내부 돌출부는 상기 원통형 구조의 접선에 수직된 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
제2항에 있어서,
상기 내부 돌출부와 상기 측벽 내면과의 연결 부분은 상기 과열증기와의 접촉면이 오목한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
삭제
제2항에 있어서,
상기 몸체부의 바닥 내면은 상기 배출부의 하단부를 기준으로 반전된 콘(cone) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제10항에 있어서,
상기 과열증기는 상기 콘 형상을 갖는 몸체부의 바닥 내면의 꼭지점 영역으로 집중된 후 상승하여 상기 배출부로 유입되어 외부로 배출됨으로써 열배출 효율이 증대되는 것을 특징으로 하는, 과열증기 승온장치.
과열증기가 유입되는 유입부;
외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부;
상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고,
상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 상기 측벽 내면을 따라 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있고,
상기 내부 돌출부의 단부는 상기 몸체부의 측벽 내면에 나란한 상방으로 굽어지고 상기 몸체부의 측벽 내면 방향으로 굽어진 형상을 갖고,
상기 과열증기는 상기 내부 돌출부에 의해 중력방향에 수직되는 평면에 대응되는 제1 소용돌이로 유도되고,
상기 제1 소용돌이로 유도된 과열증기는 상기 단부에 의해 상기 중력방향과 평행한 평면에 대응되는 제2 소용돌이로 유도되어 2차적으로 상기 과열증기의 흐름이 강화되는 동시에 상기 내부 돌출부와의 접촉 면적의 증가에 의해 가열 효율이 증대되는 것을 특징으로 하는 과열증기 승온장치.
삭제
과열증기가 유입되는 유입부;
외부 열원에 의해 가열되어 상기 유입부를 통해 유입된 과열증기를 승온하는 몸체부;
상기 몸체부의 내부에 구비되어 있으며 상기 몸체부에 의해 승온된 과열증기를 외부로 배출하는 배출부를 포함하고,
상기 몸체부의 측벽 내면에는 상기 과열증기를 상기 측벽 내면을 따라 회전시키면서 가열하는 내부 돌출부가 형성되어 있고,
상기 몸체부의 측벽 외면에는 상기 외부 열원에 노출되는 면적을 증가시켜 가열 효율을 증대시키는 외부 돌출부가 형성되어 있고,
상기 외부 돌출부는 상기 몸체부 외부에 존재하는 외부 이물질이 상기 외부 돌출부에 쌓이지 않고 하방으로 흘러내려 제거하고 열전달 효율 저하를 방지하도록, 상기 몸체부의 측벽 외면으로부터 돌출되며 상기 몸체부의 하방으로 경사진 형상을 갖고,
상기 몸체부의 바닥 내면은 상기 배출부의 하단부를 기준으로 반전된 콘(cone) 형상을 갖고,
상기 과열증기는 상기 콘 형상을 갖는 상기 몸체부의 바닥 내면의 꼭지점 영역으로 하강하여 집중된 후 상승하여 상기 배출부로 유입되어 외부로 배출됨으로써 열배출 효율이 증대되는 것을 특징으로 하는 과열증기 승온장치.
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