KR102222426B1 - 연소로 내부 환경 측정장치 - Google Patents

연소로 내부 환경 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소로 내부 환경 측정장치에 관한 것이다.
본 발명은, 측정센서; 상기 측정센서 외부를 둘러싸도록 위치하며, 냉매가 유동하는 유로가 마련되는 냉각자켓; 상기 냉각자켓 외측에 위치하는 열전소자; 및 상기 열전소자에 전류를 인가하는 전원공급부;를 포함하는 연소로 내부 환경 측정장치를 제공한다.

Description

연소로 내부 환경 측정장치{Device for measuring Internal environment of combustor}
본 발명은 연소로 내부 환경 측정장치에 관한 것이다.
연소로는 보일러 등에 구비되어 공급되는 연료를 공급하고 연소하는 장치이다.
연소로에서 연소되는 연료로는 화석 연료인 석탄, 액체인 석유, 그리고 기체인 가스 등이 사용되고 있다.
연소로의 연소효율을 높이기 위하여는 공급되는 연료의 양이나, 산화제(공기 등)의 양을 적절히 제어하여야 할 필요가 있고, 또한, 장기간 사용에 따른 유지관리 등이 필요하다.
이를 위하여, 연소시 연소로 내부의 환경(온도, 배가스 조성, 파울링, 슬래깅, 회분의 발생량 등)을 측정하여야 한다.
특허문헌 1에는, 연소로 내부에서 발생하는 회분의 양을 측정하기 위하여 보일러 튜브 모사장치를 연소로 내에 설치하고, 튜브 모사장치에 퇴적되는 회분의 양을 측정부를 통하여 측정하는 보일러 튜브 모사장치가 개시된다.
특허문헌 2에는, 연소로 내부에서 발생하는 배가스의 조성을 측정하기 위하여 연소로에 다수의 샘플링 프로브를 설치하고, 이를 통하여 배출되는 배가스의 도성을 배가스 측정부를 통하여 측정하는 장치가 개시된다.
특허문헌 3에는, 열화상 카메라를 통하여 획득되는 연소로 내 화상을 이미지 변환부(측정부)를 통하여 변환 및 분석하여 연소로 내 부착물과 온도를 측정하는 장치가 개시된다.
측정장치의 핵심인 측정부는 온도에 대한 민감한 부품들로 구성되기 때문에, 연소로 주변 등 고온 환경에 노출되면 그 측정성능이 저하되는 문제가 발생한다.
특허문헌 3에서는, 열화상 카메라를 냉각하기 위한 냉각 하우징이 구비되나, 연소로 등의 고온의 환경에서는 냉각 하우징에 주입된 냉매의 온도가 빠르게 상승하여 냉각효과를 오래 지속하기는 어렵고, 이를 극복하기 위하여는 많은 유량과 빠른 유속으로 냉매를 주입하여야 하여 냉매의 소모가 많다는 문제가 있다.
KR 2016-0021674 A KR 2005-0099808 A KR 1,666,095 B1
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 측정장치의 고온 환경에서의 문제를 해결하여 연소로 내부 환경을 보다 효과적으로 측정할 수 있는 측정장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 측정센서; 상기 측정센서 외부를 둘러싸도록 위치하며, 냉매가 유동하는 유로가 마련되는 냉각자켓; 상기 냉각자켓 외측에 위치하는 열전소자; 및 상기 열전소자에 전류를 인가하는 전원공급부;을 포함하는 연소로 내부 환경 측정장치를 제공한다.
상기 열전소자의 일면 및 타면의 온도차에 의해 발생하는 전류로부터 상기 온도차를 감지하는 온도 감지부 및 상기 온도 감지부에서 감지된 온도차에 따라 상기 전원공급부로부터 상기 열전소자에 전류가 인가되도록 하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 온도차가 기설정된 온도차보다 이하인 경우, 상기 제어부는 상기 전원공급부로부터 상기 열전소자에 전류가 인가되도록 하고, 상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 온도차가 기설정된 온도차를 초과하는 경우, 상기 제어부는 상기 전원공급부로부터 상기 열전소자에 전류가 인가되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 냉각자켓 일측에 위치하는 단열판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 측정센서와 상기 열전소자와의 간격은, 상기 측정센서의 폭의 0.5배 내지 1배인 것이 바람직하다.
상기 측정센서와 상기 열전소자의 사이에 위치하는 상기 냉각자켓 내를 유동하는 냉매에 의해 상기 측정센서와 상기 열전소자 사이의 전기적 간섭이 억제되는 것이 바람직하다.
상기 측정센서와 연결되는 측정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연소로 내부 환경 측정장치에 의하면, 연소로 등 고온환경에 노출된 측정센서 주변의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 측정센서의 안정적인 성능발휘가 가능하다.
열전소자의 특징을 활용한 균일한 온도 자동제어를 통해 냉각자켓으로 공급되는 냉매의 양을 줄이면서도 냉각 효과를 극대화 시킬 수 있다.
냉매의 온도를 감지하기 위하여 별도로 구비되는 열전대 등의 구성을 생략할 수 있게 된다.
열전소자와 측정센서 사이의 전기적 간섭을 최소화 하면서도 냉각효과를 극대화할 수 있다.
추가로, 열전소자 냉각시의 온도차를 통해 발생하는 전류를 에너지 하베스팅 기술에 접목하여 에너지 생산이 가능할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치의 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치의 종단면도이다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치의 종단면도로서, 측정부가 구비되어 보일러에 설치된 모습을 나타낸다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치의 개략도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 이하에서 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치를 상세히 설명한다.
첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치의 구성을 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치는, 측정센서(100), 냉각자켓(110), 열전소자(120), 온도 감지부(300), 전원공급부(400), 및 제어부(500)를 포함한다.
측정센서(100)는 감지되는 연소로 내의 환경정보, 예를 들면, 연소로 내의 온도, 배가스 조성, 파울링 생성, 슬래깅 생성 등의 정보를 감지 또는 분석한다.
상기와 같은, 연소로 내의 환경정보는 측정센서(100)와 연결되는 카메라, 프로브, 배가스관 등의 측정부의 구성을 통하여 측정된 정보로서, 측정센서(100)는 측정부에서 측정된 정보를 감지 또는 분석한다.
측정센서(100)는 온도변화에 대하여 민감하기 때문에, 고온환경에서 사용하는 경우 측정센서(100)가 열적 손상에 의해 성능 저하를 일으킬 수가 있다.
따라서, 측정센서(100)의 열적손상을 방지하고 감지 및 분석성능의 정확도를 높이기 위하여는 측정센서(100) 주변의 온도를 일정하게 유지하여야 한다.
냉각자켓(110)은 측정센서(100)의 외부를 둘러싸도록 위치하며, 냉매가 유동할 수 있는 유로가 마련된다.
냉각자켓(110)은 그 내부에 소정공간이 마련되며, 냉매가 유동하는 유로가 소정공간을 둘러싸는 형태를 이룬다. 즉, 측정센서(100)는 냉각자켓(110) 내부 공간에 위치한다.
냉각자켓(110)의 일측에는 냉매가 유입되는 유입구(111)가 형성되며, 타측에는 냉각자켓(110) 내를 유동한 냉매가 유출되는 유출구(112)가 형성된다.
냉각자켓(110)으로 유입되어 유동하는 냉매의 종류는 공기, 물 등의 유체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 그외의 냉매를 사용할 수 있다.
냉각자켓(110)의 유로를 유동하는 냉매와 냉각자켓(110) 내부와의 열교환을 통하여, 냉각자켓(110) 내부가 냉각되어 일정 온도로 유지될 수 있다.
이로써, 측정센서(100) 주변의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 고온 환경에서도 측정센서(100) 성능의 정확도를 높일 수 있다.
다만, 연소로 외부와 같은 환경의 경우, 매우 고온의 환경으로서 냉각자켓(110)을 유동하는 냉매의 온도가 빠르게 상승하여 냉각효과가 저하되는 경우가 많아, 냉각자켓(110)으로 상당히 많은 유량의 냉매를 빠른 유속으로 유동시켜 냉각을 행하여야 하므로 사용되는 냉매의 양이 많아지게 된다.
열전소자(120)는 냉각자켓(110)의 외측에 위치한다. 구체적으로 열전소자(120)의 일측면이 냉각자켓(110)의 외측면에 접하여 위치하고 타측면은 외부측을 향하도록 위치한다.
열전소자(120)는 열전효과를 이용하는 것으로서, 열전효과는 소자의 양측을 서로 다른 온도로 유지하면 회로에 전류가 흐르는 제벡 효과와, 이와는 반대로, 소자에 전류를 인가하면 일측은 발열하고 타측에서는 흡열이 발생하는 펠티에 효과를 이용하는 소자이다.
열전소자(120)를 냉각자켓(110)의 외부에 배치함으로써, 열전소자(120)에 전류를 인가하여 냉각자켓(110)에 접한 면에 흡열현상을 발생시켜 냉각자켓(110) 내의 냉매를 냉각할 수 있다.
이로써, 냉각자켓(110)으로 공급되는 냉매의 양을 줄이면서도 냉각효과를 유지할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 열전소자(120)의 일측면(냉각자켓(110) 측)과 타측면(외부 측)의 온도차에 의해 발생하는 전류를 통하여 온도차를 감지할 수 있으므로, 냉매의 온도를 감지하기 위하여 별도로 구비되는 열전대 등의 구성을 생략할 수 있게 된다.
다만, 열전소자(120)가 설치됨에 따라, 열전소자(120)와 냉각자켓(110) 내부의 측정센서(100)가 전기적인 간섭을 일으킬 우려가 있으므로, 측정센서(100)는 열전소자(120)와 일정 간격 이격되어 위치한다.
전기적 간섭을 최소화하기 위하여는, 측정센서(100)와 열전소자(120)의 간격을 가능한 이격시키는 것이 바람직하나, 측정센서(100)와 열전소자(120)의 간격이 너무 이격되는 경우에는 냉각효과가 저하된다.
따라서, 측정센서(100)와 열전소자(120)의 간격은 측정센서(100)의 폭(측정센서(100)의 형태에 따라 가로 폭, 세로 폭 또는, 높이, 및 직경을 포함)의 0.5배 내지 1배로 설정된다.
측정센서(100)가 상기와 같이 냉각자켓(110) 내부에서 열전소자 이격된 위치에 배치되도록 측정센서(100)를 고정하는 고정부(101)가 구비될 수 있다.
이로써, 열전소자(120)와 측정센서(100) 사이의 전기적 간섭을 최소화하면서도 냉각효과를 극대화할 수 있다.
또한, 열전소자(120)와 측정센서(100) 사이에 냉각자켓(110)이 위치함으로써, 냉각자켓(110) 내를 유동하는 냉매에 의해서도 열전소자(120) 측정센서(100) 사이의 전기적 간섭이 억제된다.
그리고, 냉각자켓(110) 일측에 위치하는 단열판을(130) 더 포함한다.
단열판(130)은 냉각자켓(110) 일측에 위치하며, 열을 차단하는 소재로 이루어짐으로써, 측정장치의 설치시 연소로로부터 전달되는 복사열이 측정센서(100)에 도달하지 않도록 차단한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 측정부는 측정센서(100)와 연결되며, 보일러 내 환경(온도, 파울링, 슬래깅 또는 배가스)의 정보를 측정센서(100)에서 분석 또는 측정할 수 있도록 한다.
측정부는 필요한 측정환경에 따라서 프로브, 배가스관, 카메라 등으로 구성될 수 있다.
이에 따라, 측정센서(100)는 프로브에 부착된 슬래깅의 무게를 감지하는 로드셀, 카메라의 영상을 분석하는 영상분석장치, 배가스의 성분을 분석하는 가스분석장치 등으로 구성될 수 있다.
온도 감지부(300)는 열전소자(120)와 연결되며, 열전소자(120)의 일측면과 타측면에서의 온도차이에 따라 발생하는 전류를 통하여 열전소자(120)의 냉각자켓(110) 측과 외부 측의 온도차를 감지한다. 온도 감지부(300)에서 감지되는 온도차를 표시하기 위한 온도 표시부가 설치될 수도 있다.
전원공급부(400)는 열전소자(120)와 연결되어 열전소자(120)에 전류를 인가하여 열전소자(120) 일측면과 타측면에 온도차가 발생하도록 한다. 즉, 전원공급부(400)로부터 열전소자(120)로 전류가 인가되면, 열전소자(120)의 일측면은 흡열(냉각)되고 타측면은 발열된다.
제어부(500)는 온도 감지부(300) 및 전원공급부(400)와 각각 연결되며, 온도 감지부(300)에서 감지된 열전소자(120) 일측면과 타측면의 온도차에 따라 전원공급부(400)로부터 열전소자(120)에 인가되는 전류를 제어한다.
이와 같이, 열전소자(120)의 특징을 이용하여 온도를 자동제어하여 냉각효과를 행상하고 전력소모를 줄일 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 내부 환경 측정장치의 동작 및 제어를 설명한다.
연소로 내부 환경 측정장치는 연소로 외벽(10)에 설치된다.
연소로 내부 환경 측정장치는, 측정부(200)의 종류에 따라, 도 3에 나타낸 바와 같이, 측정부(200)가 측정센서(100)로부터 연장되어 통공(140) 통하여 연소로 내부에 삽입되거나, 또는 연소로에 설치된 관측창 부근에 위치하도록 설치된다.
연소로에서 연소가 이루어지며, 연소로 내의 환경 상태가 측정부(200)에 의해 측정센서(100)로 전달된다.
이 과정에서, 연소로에서 발생하는 열에 의해 연소로 내부 환경 측정장치의 외부가 고온으로 가열된다.
냉각자켓(110)의 유입구(111)를 통하여 냉매를 주입하여 유동시킴으로써 측정센서(100)의 냉각이 이루어지며, 단열판(130)에 의해서 연소로에서 전달되는 열이 측정센서(100)로 도달하지 않도록 차단된다.
그리고, 온도 감지부(300)는 열전소자(120)의 일측면 및 타측면의 온도차에 의해 발생하는 전류에 의해 온도차를 감지한다.
제어부(500)는 온도 감지부(300)에서 감지된 열전소자(120) 일측면과 타측면의 온도차에 따라 전원공급부(400)로부터 열전소자(120)에 인가되는 전류를 제어한다.
구체적으로, 제어부(500)는 온도 감지부(300)에서 감지되는 온도차가 기설정된 온도차보다 큰 경우에는 전원공급로부터 열전소자(120)로 전류가 인가되지 않도록 한다.
온도 감지부(300)에서 감지되는 열전소자(120)의 일측면과 타측면의 온도차가 크다는 것은, 냉각자켓(110) 내를 유동하는 냉매의 온도가 낮아 측정센서(100)의 냉각이 제대로 이루어지고 있는 것으로서, 이 때에는 냉각자켓(110)에 의한 냉각만이 이루어지도록 한다.
한편, 제어부(500)는 온도 감지부(300)에서 감지되는 온도차가 기설정된 온도차보다 작은 경우에는 전원공급부(400)로부터 열전소자(120)에 전류가 인가되도록 한다.
상기와 같이, 온도 감지부(300)에서 감지되는 온도차가 기설정된 온도차보다 작은 경우는 연소로에서의 연소에 의해 외부가 더 가열되거나, 냉각자켓(110)을 유동하는 냉매의 온도가 열교환에 의해 온도가 높아져서 열전소자(120) 일측면과 타측면의 온도차가 작아지는 경우에는 냉각이 제대로 이루어지지 않는 상황이다.
따라서, 제어부(500)는 열전소자(120)에 전류가 인가되도록 하여, 펠티에 효과에 의해 열전소자(120) 일측면에 흡열현상을 발생시켜 냉각자켓(110)이 냉각되도록 함으로써 냉각성능이 유지되도록 한다.
이상, 본 발명에 따른 연소로 내부 환경 측정장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
연소로 등 고온환경에 노출된 측정센서 주변의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 측정센서의 안정적인 성능발휘가 가능하다.
열전소자의 특징을 활용한 균일한 온도 자동제어를 통해 냉각자켓으로 공급되는 냉매의 양을 줄이면서도 냉각 효과를 극대화 시킬 수 있다.
냉매의 온도를 감지하기 위하여 별도로 구비되는 열전대 등의 구성을 생략할 수 있게 된다.
열전소자와 측정센서 사이의 전기적 간섭을 최소화 하면서도 냉각효과를 극대화할 수 있다.
추가로, 열전소자 냉각시의 온도차를 통해 발생하는 전류를 에너지 하베스팅 기술에 접목하여 에너지 생산이 가능할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 측정센서
110: 냉각자켓
120: 열전소자
130: 단열판
200: 측정부
300: 온도 감지부
400: 전원공급부
500: 제어부

Claims (7)

  1. 측정센서(100);
    상기 측정센서(100) 외부를 둘러싸도록 위치하며, 냉매가 유동하는 유로가 마련되는 냉각자켓(110);
    상기 냉각자켓(110) 외측에 위치하는 열전소자(120);
    상기 열전소자(120)에 전류를 인가하는 전원공급부(400);
    상기 열전소자(120)의 일면 및 타면의 온도차에 의해 발생하는 전류로부터 상기 온도차를 감지하는 온도 감지부(300); 및
    상기 온도 감지부(300)에서 감지된 온도차에 따라 상기 전원공급부(400)로부터 상기 열전소자(120)에 전류가 인가되도록 하는 제어부(500);를 포함하며,
    상기 온도 감지부(300)에서 감지되는 상기 온도차가 기설정된 온도차보다 이하인 경우, 상기 제어부(500)는 상기 전원공급부(400)로부터 상기 열전소자(120)에 전류가 인가되도록 하고,
    상기 온도 감지부(300)에서 감지되는 상기 온도차가 기설정된 온도차를 초과하는 경우, 상기 제어부(500)는 상기 전원공급부(400)로부터 상기 열전소자(120)에 전류가 인가되지 않도록 하는,
    연소로 내부 환경 측정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각자켓(110) 일측에 위치하는 단열판을 더 포함하는,
    연소로 내부 환경 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정센서(100)와 상기 열전소자(120)와의 간격은, 상기 측정센서(100)의 폭의 0.5배 내지 1배인,
    연소로 내부 환경 측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정센서(100)와 상기 열전소자(120)의 사이에 위치하는 상기 냉각자켓(110) 내를 유동하는 냉매에 의해 상기 측정센서(100)와 상기 열전소자(120) 사이의 전기적 간섭이 억제되는,
    연소로 내부 환경 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정센서(100)와 연결되는 측정부(200)를 더 포함하는,
    연소로 내부 환경 측정장치.
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