KR102354861B1 - 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치 - Google Patents

소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가열로로부터 취출된 슬라브 등 고온의 소재로부터 열에너지를 수집하여 발전할 수 있게 하는 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치에 관한 것으로서, 가열로로부터 취출된 소재를 이송하는 소재 이송 장치; 상기 소재에서 발생되는 열에너지를 수집하는 폐열 수집 장치; 및 상기 폐열 수집 장치에서 수집된 열에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치;를 포함하고, 상기 폐열 수집 장치는, 상기 소재에서 발생된 열에너지를 대량을 저장할 수 있도록 축열성이 우수한 축열성 재질이고, 상기 소재를 향하는 면이 평평하게 형성되는 축열판을 포함할 수 있다.

Description

소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치{Power generation system using waste heat of material and its waste heat recycle apparatus}
본 발명은 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가열로로부터 취출된 슬라브 등 고온의 소재로부터 열에너지를 수집하여 발전할 수 있게 하는 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치에 관한 것이다.
일관 제철 및 전기로 공정에서는 다양한 폐열이 발생될 수 있다. 이러한, 제철소의 폐열은 제선, 제강, 압연으로 구성되는 전공정에 걸쳐 다양하게 발생하지만 연속 공정 시스템이기 때문에 공정 설비에 근접시켜서 열전 발전 장치 등을 설치하기에는 여러 가지 제약이 있을 수 있다.
특히, 이용 대상의 열원을 선택하는 데에 있어서 조업 기술자와 면밀한 검토가 이루어져야 하는 것으로서, 열전 발전 시스템은 반도체 소자 양단에 온도를 가하면 제벡효과(seebeck effect; 반도체의 양끝을 접합해 온도차를 줘 회로에 열기전력을 일으키는 것)로 기전력(electromotive force; 단위 전하당 한 일)이 발생하는 원리를 이용해 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 고체 발전 방식의 일종일 수 있다.
이러한 열전 발전 장치는, 기계적 구동부 없이 유지 및 보수성이 우수한 장수명 시스템으로서, 열원의 종류와 무관하게 발전할 수 있고, 향후 제철공정에 산재해 있는 다양한 폐열원을 활용해 자가 발전, 신재생 에너지, 열병합발전 등 분산발전에 다양하게 적용될 수 있다.
한편, 일반적으로 제철 공정은 제선, 제강, 열연 공정 등으로 구분 할 수 있다. 열연 공정이란, 앞 공정에서 생산된 반제품인 슬라브를 고온에서 압연하여 열연 강판을 만드는 공정이다.
도 1은 기존의 열연 공정을 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 열연 공정은, 가열로(2)와, 조압연 장치(3)와, 사상 압연 장치(4)와, 냉각 장치(5)와, 권취 장치(6) 등을 이용하여 슬라브(1)를 코일로 제조할 수 있다.
도 2는 도 1의 가열로(2)를 확대하여 개념적으로 나타내는 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 상기 가열로(2)는, 슬라브(1)를 섭씨 0도 내지 1000도로 예열하는 예열대(2-1)와, 1050도 내지 1250도로 가열하는 가열대(2-2) 및 1190도 내지 1230도로 가열하는 균열대(2-3) 등을 거치면서 연료(F)와 공기(A)를 공급받아 연료를 연소시키는 버너(B)에 의해 가열될 수 있다.
이 때, 상기 슬라브(1)는 이송 롤러(R)에 의해 이송될 수 있고, 상기 가열로(2)에 장입된 슬라브(1)는 워킹빔 방식으로 이동되면서 온도가 상승할 수 있다.
이렇게 상기 가열로(2)로 장입된 슬라브(1)는 통상 3시간 가량 체류하며 섭씨 1200도까지 가열된 후 추출될 수 있다.
따라서, 상기 가열로(2)에서는 슬라브(S) 정보 확인 후 가열대 별로 워킹빔 동작으로 순차적으로 가열되어 균열대로 이송 로내에서 약 3시간 가량 체류 하며 1200도로 가열될 수 있는 것으로서, 추출되는 소재(1)의 온도는 대략 1200도이며, 이 때, 약 60% 이상의 에너지가 소재(1)에 의해 배출되면서 특히 소재 근처에서 막대한 양의 폐열이 발생될 수 있다.
그러나, 이러한 가열로(2)에서 취출되는 고온의 소재(1)에서 발생되는 폐열은 자연 냉각에 의해 그대로 낭비되는 것으로서, 이로 인한 공장 전체적인 폐열 활용도가 크게 떨어지는 등 많은 문제점들이 있었다.
한국특허출원 제10-2013-00316622
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 가열로로부터 취출된 고온의 소재에서 발생되는 열에너지를 높은 효율로 수집할 수 있어서 제철 공장의 폐열 활용도를 전체적으로 향상시킬 수 있고, 슬라브에서 발생되는 폐열을 수집 및 집열하기가 용이하여 열원의 형태별로 최적화된 에너지 수집 구조를 구현할 수 있으며, 슬라브 이외에도 가열로 주변 등 다양한 곳에도 적용될 수 있게 하는 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템은, 가열로로부터 취출된 소재를 이송하는 소재 이송 장치; 상기 소재에서 발생되는 열에너지를 수집하는 폐열 수집 장치; 및 상기 폐열 수집 장치에서 수집된 열에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치;를 포함하고, 상기 폐열 수집 장치는, 상기 소재에서 발생된 열에너지를 대량을 저장할 수 있도록 축열성이 우수한 축열성 재질이고, 상기 소재를 향하는 면이 평평하게 형성되는 축열판을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 폐열 수집 장치는, 상기 소재에서 발생된 열에너지를 상기 축열판 방향으로 전달할 수 있도록 열전달 계수가 우수한 열전도성 재질이고, 상기 축열판의 상기 면에 서로 나란하게 복수개가 배치되며, 상기 소재를 향하는 방향 또는 상기 소재를 향하는 방향과 근접한 방향으로 길게 막대 형상으로 형성되는 복수개의 집열핀; 및 상기 소재에서 발생된 열에너지를 집열할 수 있도록 상기 집열핀의 측면에 일정한 설치 간격으로 복수개가 나란히 형성되고, 상기 소재를 바라보는 대향면이 집열폭 만큼 형성되는 복수개의 집열판;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 축열판은, 상기 소재의 상방에 상기 소재의 이송 경로를 따라 길게 형성되고, 상기 집열핀은, 상기 축열판의 하면에 n행 m열을 이루도록 복수개가 일정한 배치 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 축열판은, Al2O3 성분을 포함하고, 상기 집열핀 및 상기 집열판은, Cu 성분을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 소재 이송 장치는, 상기 가열로에서 취출된 슬라브를 이송하는 슬라브 컨베이어이고, 상기 폐열 수집 장치는, 상기 소재 이송 장치의 상방에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 발전 장치는, 적어도 하나의 열전 소자를 이용할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 폐열 수집 장치는, 소재에서 발생된 열에너지를 대량을 저장할 수 있도록 축열성이 우수한 축열성 재질이고, 상기 소재를 향하는 면이 평평하게 형성되는 축열판; 상기 소재에서 발생된 열에너지를 상기 축열판 방향으로 전달할 수 있도록 열전달 계수가 우수한 열전도성 재질이고, 상기 축열판의 상기 면에 서로 나란하게 복수개가 배치되며, 상기 소재를 향하는 방향 또는 상기 소재를 향하는 방향과 근접한 방향으로 길게 막대 형상으로 형성되는 복수개의 집열핀; 및 상기 소재에서 발생된 열에너지를 집열할 수 있도록 상기 집열핀의 측면에 일정한 설치 간격으로 복수개가 나란히 형성되고, 상기 소재를 바라보는 대향면이 집열폭 만큼 형성되는 복수개의 집열판;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 축열판은, 상기 소재의 상방에 상기 소재의 이송 경로를 따라 길게 형성되고, 상기 집열핀은, 상기 축열판의 하면에 n행 m열을 이루도록 복수개가 일정한 배치 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 축열판은, Al2O3 성분을 포함하고, 상기 집열핀 및 상기 집열판은, Cu 성분을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 가열로로부터 취출된 고온의 소재에서 발생되는 열에너지를 높은 효율로 수집할 수 있어서 제철 공장의 폐열 활용도를 전체적으로 향상시킬 수 있고, 슬라브에서 발생되는 폐열을 수집 및 집열하기가 용이하여 열원의 형태별로 최적화된 에너지 수집 구조를 구현할 수 있으며, 슬라브 이외에도 가열로 주변 등 다양한 곳에도 적용될 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 기존의 열연 공정을 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 가열로를 확대하여 개념적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템 및 폐열 수집 장치를 나타내는 정면도이다.
도 4는 도 3의 폐열 수집 장치를 나타내는 저면도이다.
도 5는 도 3의 폐열 수집 장치를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 3의 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 폐열 수집 장치를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템(100) 및 폐열 수집 장치(20)를 나타내는 정면도이고, 도 4는 도 3의 폐열 수집 장치(20)를 나타내는 저면도이고, 도 5는 도 3의 폐열 수집 장치(20)를 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 3의 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템(100)을 나타내는 사시도이다.
예컨대, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템(100)은, 크게 소재 이송 장치(10)와, 폐열 수집 장치(20) 및 발전 장치(30)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 소재 이송 장치(10)는, 가열로(2)로부터 취출된 슬라브(S)를 이송하는 슬라브 컨베이어 장치일 수 있다.
그러나, 이러한 상기 소재 이송 장치(10)는 반드시 컨베이어 장치에만 국한되지 않는 것으로서, 각종 이송 테이블이나 이송 로봇 등이 모두 적용될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 폐열 수집 장치(20)는, 상기 소재(1)에서 발생되는 열에너지를 수집하는 일종의 열 수집 장치로서, 열전도, 열대류, 열방사 등의 형태로 공간에 방출되는 열에너지를 집열 및 축열할 수 있는 형태의 구조체일 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 폐열 수집 장치(20)는, 상기 소재(1)에서 발생된 열에너지를 대량을 저장할 수 있도록 축열성이 우수한 축열성 재질이고, 상기 소재(1)를 향하는 면이 평평하게 형성되는 축열판(21)과, 상기 소재(1)에서 발생된 열에너지를 상기 축열판(21) 방향으로 전달할 수 있도록 열전달 계수가 우수한 열전도성 재질이고, 상기 축열판(21)의 상기 면에 서로 나란하게 복수개가 배치되며, 상기 소재(1)를 향하는 방향 또는 상기 소재를 향하는 방향과 근접한 방향으로 길게 막대 형상으로 형성되는 복수개의 집열핀(22) 및 상기 소재(1)에서 발생된 열에너지를 집열할 수 있도록 상기 집열핀(22)의 측면에 일정한 설치 간격으로 복수개가 나란히 형성되고, 상기 소재(1)를 바라보는 대향면(F)이 집열폭(W) 만큼 형성되는 복수개의 집열판(23)을 포함할 수 있다.
여기서, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 축열판(21)은, 상기 소재(1)의 상방에 상기 소재(1)의 이송 경로를 따라 길게 형성될 수 있고, 상기 폐열 수집 장치(20)는, 상기 소재 이송 장치(10)의 상방에 설치될 수 있다.
따라서, 상기 소재 이송 장치(10)에 의해 상기 가열로로부터 취출되어 이송되는 도중에 상기 슬라브(S)에서 발생되는 열에너지를 상기 축열판(21)을 이용하여 지속적으로 수집 및 축열할 수 있다.
또한, 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 집열핀(22)은, 상기 축열판(21)의 하면에 n행 m열을 이루도록 복수개가 일정한 배치 간격으로 배치될 수 있다.
따라서, 이러한 상기 축열판(21)의 구조와 상기 집열핀(22)의 배치로 인하여 공간에 방출되는 열에너지를 효율적으로 빈틈없이 집열 및 축열할 수 있다.
또한, 이러한 축열 성능을 향상시키기 위해서, 상기 축열판(21)은, Al2O3 성분을 포함할 수 있고, 이러한 집열 성능을 향상시키기 위해서, 상기 집열핀(22) 및 상기 집열판(23)은, Cu 성분을 포함할 수 있다.
그러나, 이러한 상기 축열판(21), 상기 집열핀(22) 및 상기 집열판(23)의 소재는 이에 반드시 국한되지 않고, 높은 열전도도와 열집열도를 가진 다양한 형태 및 종류의 재질이 모두 적용될 수 있다.
한편, 예컨대, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템(100)은, 상기 폐열 수집 장치(20)에서 수집된 열에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치(30)를 포함할 수 있는 것으로서, 상기 발전 장치(30)는, 적어도 하나의 열전 소자(E)를 이용할 수 있다.
이러한, 상기 열전 소자(E)를 이용하는 발전 장치(30)는 이미 널리 공지되어 상용화된 기술로서, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
그러므로, 본 발명에 의하면, 상기 가열로로부터 취출된 고온의 소재(1)에서 발생되는 열에너지를 높은 효율로 수집할 수 있어서 제철 공장의 폐열 활용도를 전체적으로 향상시킬 수 있고, 슬라브(S)에서 발생되는 폐열을 수집 및 집열하기가 용이하여 열원의 형태별로 최적화된 에너지 수집 구조를 구현할 수 있으며, 슬라브(S) 이외에도 가열로 주변 등 다양한 곳에도 적용될 수 있다.
한편, 본 발명은 상술된 본 발명의 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템(100)의 폐열 수집 장치(20)를 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 폐열 수집 장치(20)는, 소재(1)에서 발생된 열에너지를 대량을 저장할 수 있도록 축열성이 우수한 축열성 재질이고, 상기 소재(1)를 향하는 면이 평평하게 형성되는 축열판(21)과, 상기 소재(1)에서 발생된 열에너지를 상기 축열판(21) 방향으로 전달할 수 있도록 열전달 계수가 우수한 열전도성 재질이고, 상기 축열판(21)의 상기 면에 서로 나란하게 복수개가 배치되며, 상기 소재(1)를 향하는 방향 또는 상기 소재를 향하는 방향과 근접한 방향으로 길게 막대 형상으로 형성되는 복수개의 집열핀(22) 및 상기 소재(1)에서 발생된 열에너지를 집열할 수 있도록 상기 집열핀(22)의 측면에 일정한 설치 간격으로 복수개가 나란히 형성되고, 상기 소재(1)를 바라보는 대향면(F)이 집열폭(W) 만큼 형성되는 복수개의 집열판(23)을 포함할 수 있다.
여기서, 예컨대, 상기 축열판(21)은, 상기 소재(1)의 상방에 상기 소재(1)의 이송 경로를 따라 길게 형성되고, 상기 집열핀(22)은, 상기 축열판(21)의 하면에 n행 m열을 이루도록 복수개가 일정한 배치 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 예컨대, 상기 축열판(21)은, Al2O3 성분을 포함하고, 상기 집열핀(22) 및 상기 집열판(23)은, Cu 성분을 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 폐열 수집 장치(20)의 구성 요소들은 상술된 본 발명의 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템(100)의 구성 및 역할과 동일할 수 있다. 따라서, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 폐열 수집 장치(20)를 나타내는 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 폐열 수집 장치(20)의 집열판(23)은, 상기 소재(1)를 바라보는 대향면(F)의 집열폭(W)이 상방으로 갈수록 점점 넓어지게 형성되는 것도 가능하다.
따라서, 상방으로 갈수록 점차로 상기 집열폭(W)이 넓어지는 형태의 상기 집열판(23)을 이용하여 상기 소재(1)에서 발생된 열에너지가 상방에 설치된 상기 집열판(23)으로 쉽게 도달되게 하는 것도 가능하다.
그러나, 이러한 상기 집열판(23)의 형상은 도면에 반드시 국한되지 않는 것으로서, 예컨대, 타원판 또는 사각판 형상이나 별모양 등 다양한 형상으로 형성되는 것이 모두 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 소재
2: 가열로
S: 슬라브
10: 소재 이송 장치
20: 폐열 수집 장치
21: 축열판
22: 집열핀
23: 집열판
30: 발전 장치
F: 대향면
W: 집열폭
E: 열전 소자
100: 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템

Claims (10)

  1. 가열로로부터 취출된 소재를 이송하는 소재 이송 장치;
    상기 소재에서 발생되는 열에너지를 수집하는 폐열 수집 장치; 및
    상기 폐열 수집 장치에서 수집된 열에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치;를 포함하고,
    상기 폐열 수집 장치는, 상기 소재에서 발생된 열에너지를 대량을 저장할 수 있도록 축열성이 우수한 축열성 재질이고, 상기 소재를 향하는 면이 평평하게 형성되는 축열판을 포함하고,
    상기 폐열 수집 장치는,
    상기 소재에서 발생된 열에너지를 상기 축열판 방향으로 전달할 수 있도록 열전달 계수가 우수한 열전도성 재질이고, 상기 축열판의 상기 면에 서로 나란하게 복수개가 배치되며, 상기 소재를 향하는 방향 또는 상기 소재를 향하는 방향과 근접한 방향으로 길게 막대 형상으로 형성되는 복수개의 집열핀; 및
    상기 소재에서 발생된 열에너지를 집열할 수 있도록 상기 집열핀의 측면에 일정한 설치 간격으로 복수개가 나란히 형성되고, 상기 소재를 바라보는 대향면이 집열폭 만큼 형성되는 복수개의 집열판; 을 포함하고,
    상기 축열판은, 상기 소재의 상방에 상기 소재의 이송 경로를 따라 길게 형성되고,
    상기 집열핀은, 상기 축열판의 하면에 n행 m열을 이루도록 복수개가 일정한 배치 간격으로 배치되는,
    소재의 폐열을 이용한 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열판은, Al2O3 성분을 포함하고,
    상기 집열핀 및 상기 집열판은, Cu 성분을 포함하는, 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소재 이송 장치는, 상기 가열로에서 취출된 슬라브를 이송하는 슬라브 컨베이어이고,
    상기 폐열 수집 장치는, 상기 소재 이송 장치의 상방에 설치되는, 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 장치는, 적어도 하나의 열전 소자를 이용하는, 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 집열판은 상기 소재를 바라보는 대향면의 집열폭이 상방으로 갈수록 점점 넓어지는, 소재의 폐열을 이용한 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR200284927Y1 (ko) * 2002-04-12 2002-08-10 핀튜브텍(주) 고효율 폐열회수장치
JP2014225509A (ja) * 2013-05-15 2014-12-04 スズキ株式会社 排熱発電装置
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