KR102450401B1

KR102450401B1 - 열교환 장치

Info

Publication number: KR102450401B1
Application number: KR1020207027812A
Authority: KR
Inventors: 다케요시 마키; 켄 마츠우라; 타쿠로 노조에; 쇼이치로 우에타
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2022-10-04
Also published as: WO2019187683A1; CN111902688A; JP7089913B2; KR20200128078A; PH12020551533A1; JP2019174014A; CN111902688B

Abstract

평면에서 볼 때의 단면이 직사각형으로 형성된 케이싱과, 케이싱의 외면에 설치되고, 케이싱의 강도를 유지하는 프레임재와, 케이싱의 내부에 배치된 전열부와, 전열부를 하방으로부터 지지하도록, 상기 전열부와 직교하는 방향으로 설치된 복수의 보받이와, 프레임재의 위치로부터 케이싱의 내방으로 돌출되어 보받이의 단부를 지지하는 지지부를 구비하고, 보받이의 단부와 지지부는, 보받이의 축 방향 이동을 구속한 상태에서 지지하는 고정부로 고정되어 있고, 케이싱의 내면과 지지부와 고정부는 단열재로 단열되어 있다.

Description

열교환 장치

본 발명은 배열(排熱) 회수 등에 사용되는 종형(縱型)의 열교환 장치에 관한 것이다.

종래에, 가스 터빈(gas turbine)으로부터의 배기 가스 등의 배열을 이용한 종형의 열교환 장치(이하, 단순히 「열교환 장치」라고도 한다)가 있다. 열교환 장치로서, 예를 들어, 가스 터빈의 배열 회수 보일러(boiler) 등이 있다. 이러한 열교환 장치에서는, 예를 들어, 열교환 장치의 입구에서는 600 ℃ 정도의 온도의 배기 가스가, 열교환 장치 내에서 열 회수되어 100 ℃ 정도의 배기 가스로서 대기 방출된다.

도 9는 종래의 종형의 열교환 장치에서 전열부 지지 구조(120)를 도시하는 종단면도이다. 열교환 장치의 케이싱(casing)(111)은, 외측에 설치된 부재인 프레임(frame)재(112)에 의해 소정의 강도가 유지되고 있다. 케이싱(111)은, 내부를 고온의 배기 가스(G)가 통과하기 때문에, 내면 측에 단열재(140)가 시공되어 있다. 이에 따라서 케이싱(111)의 외면은 외기 온도에 가깝다.

한편, 케이싱(111)의 내부에서 전열부(150)를 지지하는 보받이(受梁)(117)는, 프레임재(112)의 위치에 설치된 지지대(122)에 의해 지지되고 있다. 보받이(117)의 중앙부는, 케이싱(111)의 내부를 통과하는 고온의 배기 가스에 직접 닿기 때문에, 매우 고온이 된다. 그러나, 보받이(117)의 지지대(122)로 지지되는 양단부는 외기 온도에 가깝다. 따라서, 종래의 발상에서는, 보받이(117)는, 열 신장에 의한 응력을 프레임재(112)에 전하지 않는 구조로 지지되어 있다.

이러한 구조로서, 보받이(117)와 지지대(122)의 접합부의 일방(도면의 우단부)은 고정하고, 타방(도면의 좌단부)은 고정하지 않고 보받이(117)의 단부를 지지대(122)의 상면에서 슬라이드(slide)시키는 슬라이드 구조(160)가 있다. 보받이(117)의 우단부는, 볼트(bolt)로 지지대(122)에 고정되어 있다. 보받이(117)의 좌단부에서 슬라이드 구조(160)는, 지지대(122)로부터 보받이(117)의 양측면을 가이드하도록 가이드(guide) 벽(161)을 설치하고, 보받이(117)에 열 신장이 생기더라도 단부가 지지대(122)의 상면에서 가이드 벽(161)을 따라서 슬라이드하여 흡수하도록 하고 있다. 따라서, 슬라이드 구조(160)에서 양자의 열 신장 차이를 흡수하여 열 응력이 지지대(122)를 통해 프레임재(112)에 전달되지 않는다.

여기서, 이러한 종류의 선행 기술로서, 보일러 설비에서 덕트(duct) 내의 브레이스(brace) 구조로, 둘로 분할된 브레이스를 연결하기 위한 접속재를, 일방의 브레시스에는 핀(pin)으로 고정하고, 타방의 브레이스에는 축 방향으로 연장되는 긴 구멍에 핀으로 장착한 슬라이드 기구로 한 것이 있다(예를 들어, 특허문헌 참조). 이러한 브레이스 구조에서는, 열 신장에 의해 브레이스에 발생하는 압축력을, 긴 구멍을 따라 핀을 슬라이드시키는 것으로 완화하고 있다.

일본특허공개공보 특개평11-218324호

그런데, 상기한 바와 같이, 전열부 지지 구조(120)에서는 보받이(117)와 지지대(122)의 접합부를 슬라이드 구조(160)로 하면, 열 신장에 의한 응력을 접합부로부터 지지대(122)로 전달하지 않는다. 따라서, 도 10(A)에 도시된 수평 단면의 굽힘 모멘트도에 도시된 바와 같이, 전열부 지지 구조(120)에서는, 열 신장에 의한 굽힘 모멘트는 케이싱(111) 및 프레임재(112)에 작용하지 않는다.

한편, 케이싱(111) 및 프레임재(112)에는, 열 신장에 의한 응력과는 별도로 내부를 흐르는 배기 가스(G)의 압력이 작용한다. 상기 전열부 지지 구조(120)에서는, 중간의 보받이(117)가 슬라이드 구조로 되어 있기 때문에, 케이싱(111)의 프레임재(112)의 장변 방향은 긴 보로서 내압이 큰 모멘트(moment)를 받는다. 예를 들어, 긴 스팬(span)의 프레임재(112)의 경우에는, 내압에 의해 외측 방향으로 밀어내는 큰 굽힘 모멘트가 작용한다. 따라서, 도 10(B)의 굽힘 모멘트도에 도시된 바와 같이, 전열부 지지 구조(120)에서는, 내압에 의한 큰 굽힘 모멘트가 케이싱(111) 및 프레임재(112)에 작용한다. 이러한 예의 경우, 케이싱(111)의 장변 방향의 부분에 최대의 굽힘 모멘트(M1)가 작용하고 있다.

따라서, 종래의 열교환 장치에서는, 내압에 의한 큰 굽힘 모멘트(M1)가 작용하더라도 케이싱(111)에서 프레임재(112)의 강도를 유지할 수 있도록, 대형의 프레임재(112)를 이용한 구조로 되어 있다. 이러한 대형의 프레임재(112)에는, 예를 들어, 빌트 업 채널(built-up channel)재 등이 사용된다. 도 10에 도시된 굽힘 모멘트도에 대응하는 도 9에 도시된 예에서는, 횡 방향으로 연장된 프레임재(112)가 대형으로 되어 있어, 종 방향으로 연장된 프레임재(112)에 비해 2 배의 크기로 되어 있다. 그러나, 대형의 프레임재(112)를 이용한 구조로 하면, 케이싱(111)에서 프레임재(112)의 철골 중량 및 용접량이 많아진다. 따라서, 재료의 중량 증가 및 작업량의 증가에 의해서, 열교환 장치의 제조에 많은 노력과 비용을 요한다.

이에 본 발명자는, 상기 과제에 대해서 열 역학 및 구조 역학의 양방에서 열교환 장치의 전열부 지지 구조에 대해 예의 검토하였다. 그리고, 배기 가스의 내압에 의한 변형량에 의해 프레임에 작용하는 굽힘 모멘트에 비해서 보받이의 열 신장량에 의한 굽힘 모멘트가 작은 것에 착안하여, 종래의 발상을 전환하고, 보받이와 프레임재의 접합부를 슬라이드 구조에서 핀 지지 구조로서 열 신장을 프레임재로 지지하는 것에 대해서 검증하고, 종래와는 다른 전열부 지지 구조를 구비한 열교환 장치를 발명하였다.

본 발명에 따른 열교환 장치는, 평면에서 볼 때의 단면이 직사각형으로 형성된 케이싱과, 상기 케이싱의 외면에 설치되고, 상기 케이싱의 강도를 유지하는 프레임재와, 상기 케이싱의 내부에 배치된 전열부와, 상기 전열부를 하방으로부터 지지하도록, 상기 전열부와 직교하는 방향으로 설치된 복수의 보받이와, 상기 프레임재의 위치로부터 상기 케이싱의 내방으로 돌출되어 상기 보받이의 단부를 지지하는 지지부를 구비하고, 상기 보받이의 단부와 상기 지지부는, 상기 보받이의 축 방향 이동을 구속한 상태에서 지지하는 고정부로 고정되어 있고, 상기 케이싱의 내면과 상기 지지부와 상기 고정부는 단열재로 단열되어 있다. 본 명세서 및 특허 청구 범위의 서류 중의 「고정부」는 보받이를 하방에서 지지한 상태에서 보받이의 축 방향 이동을 구속하는 것을 포함한다.

이러한 구성에 의해, 전열부를 지지하는 보받이는, 프레임재의 위치로부터 내방으로 돌출하는 지지부에 고정부로 고정된다. 보받이는, 고정부에 의해 축 방향 이동을 구속한 상태에서 지지되어 있기 때문에, 열 신장에 의한 축 방향의 변위는 지지부로부터 프레임재에 전달되고, 프레임재에 의해 지지된다. 즉, 배기 가스가 종 방향으로 흐르는 케이싱에 대해서 구조 역학적으로 검토한 결과, 보받이의 열 신장을, 지지부를 통해서 프레임재로 받도록 고정함으로써, 배기 가스의 내압에 의한 프레임재의 변형이 보받이에 의해 구속된다. 이에 따라서, 보받이의 열 신장 변형에 의한 굽힘 모멘트에, 내압에 의한 굽힘 모멘트를 추가하여도, 프레임재에 작용하는 굽힘 모멘트를 대폭 저감시킬 수 있는 전열부 지지 구조를 발명하였다. 이에 따라서, 전열부 지지 구조를 소형화하여, 케이싱에서 프레임재의 철골 중량, 용접량을 줄이고, 재료의 중량 감소 및 작업량을 축소하여, 열교환 장치를 설치하기 위한 노력과 비용을 저감시킬 수 있다.

또한, 상기 지지부는 상기 프레임재의 위치로부터 상기 케이싱의 내방으로 돌출되는 지지 부재를 구비하고, 상기 고정부는, 상기 보받이의 단부가 상기 지지 부재에 고정 핀으로 고정되어도 좋다. 본 명세서 및 특허 청구 범위의 서류 중의 「고정 핀」은, 고정 볼트, 고정 핀 등의 체결 요소를 포함한다.

이와 같이 구성하면, 보받이의 고정부와 지지부의 지지 부재를 고정 핀으로 결합하기 때문에, 보받이의 열 신장을 지지부를 통해서 프레임재로 직접적으로 받을 수 있다.

또한, 상기 지지 부재와 상기 보받이의 단부 사이에 단열재가 끼워져 있어도 좋다.

이와 같이 구성하면, 단열재에 의해, 보받이의 고정부로부터 프레임재 측의 지지 부재에 열이 전해지는 것을 더 억제할 수 있다.

또한, 상기 지지부는, 상기 프레임재의 위치로부터 상기 케이싱의 내방으로 돌출되는 수부(受部)와, 상기 수부로부터 상방으로 돌출되는 계합(係合)부를 구비하고, 상기 고정부는, 상기 보받이의 단부에 설치되고, 상기 수부에 재치(載置)되는 재치부와, 상기 계합부에 계합되어 상기 보받이의 축 방향 이동을 구속하는 계지(係止)부를 구비하며, 상기 수부와 상기 재치부 사이와, 상기 계합부와 상기 계지부 사이는 단열재로 단열되어 있어도 좋다.

이와 같이 구성하면, 보받이의 단부에 설치된 계지부를 지지부에 설치하는 계합부에 계합시킨 상태에서, 보받이의 재치부를 지지부에 설치된 수부에 재치함으로써, 보받이의 열 신장에 의한 축 방향 이동을 지지부로 구속할 수 있다. 보받이의 단부로부터 지지부로의 열 전달은, 수부와 재치부 사이와, 계합부와 계지부 사이에 설치된 단열재에 의해 억제할 수 있다.

또한, 상기 보받이는, 상기 지지부로 지지하는 종판과, 상기 종판과 직교하는 횡판을 구비하고, 상기 보받이의 단부에는, 상기 횡판을 상기 단열재로부터 소정 거리 내측에 위치시키는 릴리프(relief)부가 설치되어 있어도 좋다.

이와 같이 구성하면, 보받이에 생기는 열 신장량과 단열재에 생기는 열 변형량에 차이가 생겨도, 보받이가 단열재의 내측면을 가압하지 않도록 할 수 있다.

또한, 상기 케이싱은 종 방향으로 복수의 분할 모듈(module)로 구성되고, 복수의 상기 분할 모듈은, 상기 분할 모듈의 상부와 하부를 상하 방향으로 연결하는 제1 연결부를 구비하고 있어도 좋다.

이와 같이 구성하면, 프레임재의 위치로부터 내방으로 설치된 지지부의 구성이나, 지지부에 고정 장치로 고정한 보받이의 단부를 포함하도록 설치되는 단열재 등의 구성을, 각각의 분할 모듈의 제조 시에 정확하게 가공하는 것이 용이할 수 있다. 각각의 분할 모듈은 설치 장소로 반송하고 상하 방향으로 겹쳐서, 상부의 분할 모듈과 하부의 분할 모듈을 제1 연결부로 연결하면, 상하 방향으로 연장 열교환 장치를 쉽게 설치할 수 있다. 따라서, 종형 열교환 장치의 제조 및 설치에 소요되는 시간과 노력을 대폭 줄일 수 있다.

본 발명에 따르면, 열교환 장치의 전열부 지지 구조를 소형화하여, 케이싱과 전열부 지지 구조의 철골 중량, 용접량을 줄이고, 재료의 중량 감소 및 작업량을 축소하여, 열교환 장치를 설치하기 위한 노력과 비용을 저감시키는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치의 전체 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환 장치에서 일부의 분할 모듈을 도시하는 확대 정면도이다.
도 3은 도 2와 다른 예의 분할 모듈을 도시하는 확대 정면도이다.
도 4는 도 2, 3에 도시된 IV-IV 단면도에서 도시된 제1 실시예에 따른 제1 전열부 지지 구조의 확대 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제1 전열부 지지 구조의 평면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 단면도의 제2 실시예에 따른 제2 전열부 지지 구조를 도시한 확대 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 제2 전열부 지지 구조의 평면도이다.
도 8은 도 4에 도시된 제1 전열부 지지 구조 및 도 6에 도시된 제2 전열부 지지 구조에서 수평 단면의 굽힘 모멘트를 도시하는 도면이고, 도 8(A)는 열 신장에 의해 생기는 굽힘 모멘트도이고, 도 8(B)는 내압에 의해 생기는 굽힘 모멘트도이다.
도 9는 종래의 열교환 장치의 전열부 지지 구조를 도시하는 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 전열부 지지 구조의 수평 단면의 굽힘 모멘트를 도시하는 도면이고, 도 10(A)는 열 신장에 의해 생기는 굽힘 모멘트도이고, 도 10(B)는 내압에 의해 생기는 굽힘 모멘트도이다.

이하에서, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 이하의 실시예에서는, 가스 터빈으로부터의 배기 가스(G)를 열교환하는 종형 열교환 장치(1)를 예로 설명한다. 본 명세서 및 특허 청구 범위의 서류 중에서 상하 좌우 방향의 개념은, 도 1에 도시된 종형 열교환 장치(1)을 향한 상태에서 상하 좌우 방향의 개념과 일치하는 것이 된다.

(열교환 장치의 전체 구성)

도 1은 일 실시예에 따른 종형의 열교환 장치(1)의 전체 정면도이다. 본 실시에의 종형의 열교환 장치(1)는, 하방의 우측방에 배기 가스(G)의 가스 입구부(2)가 설치되어 있다. 가스 입구부(2)로부터 들어간 고온의 배기 가스(G)는, 열교환 장치(1)의 하방에서 상방으로 흐른다. 열교환 장치(1)에 의해 열회수된 배기 가스(G)는, 상방의 가스 출구부(3)로부터 대기 방출된다.

본 실시예의 열교환 장치(1)는, 종 방향으로 복수의 분할 모듈(10)이 설치되어 있다. 각각의 분할 모듈(10)은 평면에서 볼 때 단면이 직사각형인 직사각형 형상으로 형성되고, 상하 방향이 개방되고, 측면의 주위가 케이싱(11)에 의해 둘러싸여 있다. 케이싱(11)은 판재로 형성되고, 그 외면에 설치된 프레임재(12)에 의해 강도가 확보되어 있다.

분할 모듈(10)에는, 내부에 전열부인 복수의 전열관(50)(수평 사관(蛇管)(55))(도 2 ~ 4, 6)이 설치되어 있다. 케이싱(11)의 내부를 고온의 배기 가스(G)가 통과하므로, 전열관(50)(수평 사관(55))의 내부를 흐르는 물 또는 증기와 열 교환된다. 전열관(50)(수평 사관(55))의 내부를 흐르는 물 또는 증기는, 열 교환에 의해 열수 또는 포화수와 포화 증기의 혼합 또는 과열 증기로 되어 배출된다. 포화 증기나 과열 증기는, 예를 들어, 증기 터빈에 보내거나 가열원으로서 사용된다.

(열교환 유닛의 구성)

도 2는, 도 1에 도시된 열교환 장치(1)에서 하나의 분할 모듈(10)을 도시하는 확대 정면도이다. 도 3은, 도 2와 다른 예의 분할 모듈(10)을 도시하는 확대 정면도이다. 도 3은 전열관(50)이 수평 사관(55)으로 구성된 예이고, 수평 사관(55) 이외의 구성은 도 2와 동일하므로 동일한 구성은 동일 부호를 부여하고, 공통으로 설명한다.

분할 모듈(10)은 케이싱(11)의 외면에 프레임재(12)를 설치함으로써 강도가 확보되어 있다. 프레임재(12)는, 종 방향으로 연장되는 종 프레임재(13)와 횡 방향으로 연장되는 횡 프레임재(14)와, 케이싱(11)의 모서리부에 설치되는 모서리부 프레임재(15)(예를 들어, H형 강재)를 구비하고 있다. 본 예에서는, 직사각형의 케이싱(11)의 장변 방향(도면의 좌우 방향)에 소정 간격으로 4 개의 종 프레임재(13)가 설치되어 있다.

각각의 분할 모듈(10)의 내부에는, 전열관(50)(수평 사관(55))이 횡 방향으로 배치되어 있다. 본 예에서는, 좌우 방향의 치수가 긴 직사각형 형상의 케이싱(11)을 구비하는 분할 모듈(10)이기 때문에, 도면의 좌단에서 우단까지 횡 방향으로 연장되는 긴 전열관(50)(수평 사관(55))이 복수 개 설치되어 있다. 여기서, 도시된 전열관(50)(수평 사관(55))은 일부를 도시하고 있고, 각각의 분할 모듈(10)의 내부에는, 소정 개수의 전열관(50)(수평 사관(55))이 설치되어 있다. 도 2의 전열관(50)은, 좌하방에서 우상방을 향해서 비스듬하게 설치되어 있다. 도 3의 수평 사관(55)은 수평으로 설치되어 있다.

전열관(50)(수평 사관(55))은 종 프레임재(13)의 위치의 케이싱(11)의 내방에 설치된 보받이(17)에 의해 지지되고 있다. 보받이(17)는, 전열관(50)(수평 사관(55))과 직교하는 방향으로 설치되어 있다. 보받이(17)는, 본 예에서는 케이싱(11)의 장변 방향으로 소정 간격으로 설치된 4 개의 종 프레임재(13)의 위치에 설치되어 있기 때문에, 전열관(50)(수평 사관(55))은 이러한 4 개의 보받이(17)에 의해 지지되고 있다. 여기서, 정면에서 볼 때 도시된 보받이(17)의 위치는 후술하는 지지 부재(22 ,32)의 위치와 동일하다.

또한, 열교환 장치(1)는, 종 방향으로 복수의 분할 모듈(10)을 조합한 구조로 되어 있다(도 1). 따라서, 분할 모듈(10)에는, 상부와 하부에 배치되는 분할 모듈(10)을 상하 방향으로 연결하는 제1 연결부(16)를 구비하고 있다. 제1 연결부(16)는 분할 모듈(10)의 상부와 하부를 연결하는 구성이면 좋다. 본 실시예에 따르면, 제1 연결부(16)를 횡 프레임재(14)가 겸하고 있다. 횡 프레임재(14)에는, 상하 방향으로 관통하는 볼트 구멍(도시된 수직선)이 설치되고, 분할 모듈(10)을 쌓은 상태에서 볼트에 의해 연결할 수 있도록 되어 있다. 도면에서는, 볼트 구멍에 제1 연결부(16)의 부호를 부여하고 있다. 상부와 하부의 횡 프레임재(14)는 용접으로 연결되어도 좋다. 또한, 본 실시예에 따르면, 케이싱(11)의 내부에 설치되는 전열관(50)(수평 사관(55))은, 상부와 하부에 배치되는 분할 모듈(10)의 전열관(50)(수평 사관(55))을 연결하는 제2 연결부(51)를 구비하고 있다. 제2 연결부(51)는 전열관(50)(수평 사관(55))의 단부를 연결할 수 있는 구성이면 좋고, 배관의 접속 부재를 이용할 수 있다(도시 생략). 여기서, 전열관(50)(수평 사관(55))은 상하로 배치되는 분할 모듈(10)에 연결하지 않는 구성으로 할 수도 있다.

열교환 장치(1)를 복수의 분할 모듈(10)로 구성하면, 각각의 분할 모듈(10)을 공장 등에서 효율적으로 제조할 수 있다. 그리고, 각각의 분할 모듈(10)을 설치 장소로 반송하여 상하 방향으로 겹쳐 배치하고, 하부의 분할 모듈(10)의 전열관(50)(수평 사관(55))의 상단부와, 상부의 분할 모듈(10)의 전열관(50)(수평 사관(55))의 하단부가 제2 연결부(51)에서 연결된다. 또한, 하부의 분할 모듈(10) 및 상부의 분할 모듈(10)이 제1 연결부(16)에서 연결된다. 이에 따라서, 상하 방향으로 연장되는 열교환 장치(1)를 쉽게 설치할 수 있다. 따라서, 종형 열교환 장치(1)를 분할 모듈(10)로 구성함으로써, 종형 열교환 장치(1)의 제조 및 설치에 소요되는 시간과 노력을 대폭 줄일 수 있다.

(제1 실시예에 따른 전열부 지지 구조)

도 4는 도 2, 3에 도시된 IV-IV 단면도에서 도시된 제1 실시예에 따른 제1 전열부 지지 구조(20)의 확대 단면도이다. 도 5는 도 4에 도시된 제1 전열부 지지 구조(20)의 평면도이다. 보받이(17)의 양단부를 지지하는 구조는 동일하기 때문에, 이하의 설명에서는 일방만을 도시하고 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전열부 지지 구조(20)는 보받이(17)의 단부에 설치된 고정부(21)를, 지지부인 지지 부재(22)에 고정 볼트(23)로 고정하여, 보받이(17)의 축 방향 이동(도면의 좌우 방향 이동)를 구속하고 있다. 보받이(17)의 상부에, 전열관(50)(수평 사관(55))이 지지되어 있다.

지지 부재(22)는 케이싱(11)의 종 프레임재(13)가 설치된 위치에 설치되어 있다. 지지 부재(22)는 종 프레임재(13)로부터 케이싱(11)의 내측을 향해 돌출되어 설치되어 있다. 지지 부재(22)는 종판(22a)과, 그 상하 위치에 설치된 횡판(22b)을 구비하고 있다. 지지 부재(22)는, 예를 들어, H 형 강을 사용할 수 있다. 종판(22a)에는, 종 방향으로 소정 간격으로 볼트 구멍(24)(도 5)이 설치되어 있다.

한편, 보받이(17)는, 종판(17a)과, 그 상하에 설치된 횡판(17b)을 구비하고 있다. 보받이(17)는, 예를 들어, H 형 강을 사용할 수있다. 보받이(17)의 단부에서 고정부(21)는, 단부 종판(21a) 및 단부 종판(21a)의 한 쪽 면(片面)의 상부와 하부에 설치된 보조 횡판(21b)을 구비하고 있다. 단부 종판(21a)은 보받이(17)의 중간 부분에서 종판(17a)으로부터 연장되어 있다. 단부 종판(21a)은, 예를 들어, H 형 강의 상부와 하부의 횡판(17b)을 제거함으로써 형성할 수 있다. 단부 종판(21a)에는, 지지 부재(22)의 종판(22a)에 설치된 볼트 구멍(24)과 동일한 간격으로 동일 직경의 볼트 구멍(25)(도 5)이 설치되어 있다. 보조 횡판(21b)은 단부 종판(21a)의 횡 방향에서 강도를 유지하기 위해 설치되어 있다. 보조 횡판(21b)은 단부 종판(21a)의 단부로부터 보받이(17)의 중간 부분에서 횡판(17b)의 단부를 넘는 위치까지 설치되어 있다.

또한, 단부 종판(21a)과 보받이(17)의 횡판(17b) 사이에는 릴리프부(27)가 설치되어 있다. 릴리프부(27)는 횡판(17b)이 케이싱(11)의 내면에 설치되는 단열재(40)로부터 소정 거리 내측이 되는 위치까지 설치되어 있다. 릴리프부(27)를 설치함으로써, 보받이(17)에 생기는 열 신장량과, 단열재(40)에 발생하는 열 변형량에 차이가 생겨도, 보받이(17)가 단열재(40)의 내측면을 가압하지 않도록 하고 있다. 단열재(40)로는, 예를 들어, 세라믹 섬유(ceramic fiber)와 록 울(rock wool)을 이용한 판상의 것을 이용할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전열부 지지 구조(20)에 의하면, 지지 부재(22)의 종판(22a)과 보받이(17)의 단부 종판(21a)의 접촉면 사이에 단열재(41)를 끼운 상태에서, 종판(22a)과 단부 종판(21a)을 맞춘다. 그리고, 지지 부재(22)의 종판(22a)에 설치된 볼트 구멍(24)과, 고정부(21)의 단부 종판(21a)에 설치된 볼트 구멍(25)에 고정 볼트(23)를 삽입하고, 종판(22a)과 너트(nut)(26)의 접촉면 사이에 단열재(41)를 삽입하고 너트(26)로 고정한다. 본 예에서는, 고정 볼트(23)와 너트(26)로 지지 부재(22)와 고정부(21)를 고정하고 있지만, 고정 핀(도시 생략)으로 연결하도록 하여도 좋다. 이러한 구조로, 보받이(17)의 축 방향 이동을 구속하고 있다.

그리고, 지지 부재(22)와 보받이(17)의 고정부(21)가 단열재(40)로 덮여 있다. 단열재(40)는, 예를 들어, 내측면에 금속판이 설치된 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 단열재(40)는, 금속판의 부분을 볼트로 케이싱(11)에 장착할 수 있다(도면의 이점 쇄선). 단열재(40)는 지지 부재(22)와 보받이(17)의 고정부(21)의 부분에서는, 이들을 덮도록 가공하여 설치된다. 본 예의 경우, 단열재(40)의 내면은, 고정부(21)의 단부 종판(21a)과 보조 횡판(21b)을 삽입 통과하는 부분에만 슬릿(slit) 형상의 개구가 있다. 이러한 단열재(40)의 시공은, 열교환 장치(1)를 복수의 분할 모듈(10)(도 2, 3)로 함에 따라서, 공장 등에서 적절히 가공하여 시공할 수 있다.

이러한 제1 전열부 지지 구조(20)를 구비한 열교환 장치(1)에 따르면, 고온의 배기 가스(G)에 접하는 보받이(17)에 생긴 열 신장은, 종 프레임재(13)의 내방에 설치된 지지 부재(22)에 고정된 고정부(21)를 통해서 종 프레임재(13)에 의해 지지된다. 또한, 케이싱(11)의 내부에서 배기 가스(G)의 내압도, 보받이(17)의 고정부(21)가 지지 부재(22)에 고정되어 있기 때문에, 케이싱(11) 및 프레임재(12)에 의해 지지된다.

또한. 보받이(17)의 단부에서 고정부(21)와 지지 부재(22)는, 케이싱(11)의 내면에 설치된 단열재(40)에 의해 덮여 있다. 따라서, 보받이(17)의 고정부(21) 및 지지 부재(22)는 고온의 배기 가스 (G)에 접하는 것은 아니어서, 내부의 배기 가스(G)의 온도가 케이싱(11)에 열 전도되는 것을 억제할 수 있다. 게다가, 보받이(17)의 고정부(21)와 지지 부재(22) 사이에 단열재(41)를 사이에 두고 있기 때문에, 이 부분으로부터 보받이(17)의 열이 지지 부재(22)에 전해지는 열 전도량도 억제할 수 있다.

이러한 제1 전열부 지지 구조(20)를 구비한 종형 열교환 장치(1)에 의하면, 후술하는 도 8에 도시된 바와 같이, 케이싱(11) 및 프레임재(12)가 지지하는 전체적인 굽힘 모멘트를 대폭 작게 할 수 있다.

따라서, 열교환 장치(1)의 케이싱(11)의 강도를 유지하는 프레임재(12) 중 특히 횡 프레임재(14)를 소형화하고(도 9에 도시된 종래의 대형의 횡 프레임재(112)를 도 4에 도시된 소형의 횡 프레임재(14)로 한다), 프레임재(12)의 철골 중량, 용접량을 줄일 수 있다. 철골 재료의 중량을 줄이고, 작업량을 축소함으로써, 열교환 장치(1)를 설치하기 위한 노력과 비용을 줄일 수 있게 된다. 예를 들어, 철골 재료의 중량을 40 % 정도 절감하는 것도 가능하다. 또한, 케이싱(11)의 외면 도장도 상온 도장으로도 좋아서, 이 점에서도 비용 절감을 도모할 수 있다.

(제2 실시예에 따른 전열관 지지 구조)

도 6은, 도 4에 도시된 단면에서 제2 실시예에 따른 제2 전열부 지지 구조(30)를 도시하는 확대 단면도이다. 도 7은 도 6에 도시된 제2 전열부 지지 구조(30)의 평면도이다. 제2 전열부 지지 구조(30)는 보받이(17)의 단부에 설치된 고정부(31)를, 지지부인 지지 부재(32)에 계지함으로써, 보받이(17)의 축 방향 이동을 구속하고 있다. 보받이(17)의 상부에, 전열관(50)(수평 사관(55))이 지지되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 케이싱(11)의 종 프레임재(13)가 설치된 위치에 지지부인 지지 부재(32)가 설치되어 있다. 지지 부재(32)는 종 프레임재(13)의 위치로부터 케이싱(11)의 내측을 향해 돌출되어 설치된 수부(32a)를 구비하고 있다. 수부(32a)에는, 케이싱(11)의 내면으로부터 내방으로 소정 거리의 위치에 계합부(32b)가 설치되어 있다. 계합부(32b)는 수부(32a)로부터 상방으로 돌출하는 2 개의 L 형상의 단열재고, 평면에서 볼 때 L 형상이 반대 방향이 되도록 설치되어 있다. 계합부(32b)는 수부(32a)에 용접 또는 볼트로 고정될 수 있다.

한편, 보받이(17)는, 종판(17a)과, 그 상하에 설치된 횡판(17b)을 구비하고 있다. 보받이(17)는, 예를 들어, H 형 강을 사용할 수 있다. 보받이(17)의 단부에 설치된 고정부(31)는, 수부(32a)에 재치하는 재치부(31a)와, 계합부(32b)에 계합되는 보받이(17)의 축 방향 이동을 구속하는 계지부(31b)를 구비하고 있다. 재치부(31a)는 보받이(17)의 종판(17a)이 연장되는 방향으로 설치되어 있다. 계지부(31b)는 재치부(31a)의 선단부에서 직교하도록 설치되어 있다. 재치부(31a)와 계지부(31b)에 의해서, 평면에서 볼 때 T 형상으로 형성되어 있다. 재치부(31a)는, 예를 들어, 보받이(17)의 단부에서 상부와 하부의 횡판(17b)을 제거함으로써 형성할 수 있다. 그리고, 재치부(31a)의 선단부에, 계지부(31b)를 용접 등으로 고정함으로써, 평면에서 볼 때 T 형상의 고정부(31)가 형성될 수 있다.

또한, 재치부(31a)와 보받이(17)의 횡판(17b) 사이에는, 릴리프부(37)가 설치되어 있다. 릴리프부(37)는, 횡판(17b)이 케이싱(11)의 내면에 설치되는 단열재(40)로부터 소정 거리 내측이 되는 위치까지 설치되어 있다. 릴리프부(37)를 설치함으로써, 보받이(17)에 생기는 열 신장량과, 단열재(40)에 생기는 열 변형량에 차이가 생겨도, 보받이(17)가 단열재(40)의 내측면을 가압하지 않도록 하고 있다. 단열재(40)로는, 예를 들어, 세라믹 섬유 및 록 울을 판상의 것을 이용할 수 있다.

그리고, 제2 전열부 지지 구조(30)에 의하면, 지지 부재(32)의 수부(32a)의 상면에 제1 단열재(33)가 설치된다. 그 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 단열재(33)의 상면에 보받이(17)의 고정부(31)가 상방으로부터 내려놓아진다. 그 후, 케이싱(11)의 내면과 계지부(31b) 사이에 제2 단열재(34)가 설치되고, 계합부(32b)와 계지부(31b) 및 재치부(31a) 사이에 제3 단열재(35)가 설치된다. 제2 단열재(34)는 케이싱(11)의 내면과 계지부(31b) 사이에 거의 간격이 없는 상태로 설치된다. 제3 단열재(35)는 계합부(32b)와 계지부(31b) 및 재치부(31a) 사이에 거의 간격이 없는 상태로 설치된다. 여기서, 수부(32a)의 상면에 제1 단열재(33)와 제2 단열재(34) 및 제3 단열재(35)를 설치한 후, 보받이(17)의 T 형상으로 형성된 고정부(31)를 상방으로부터 끼워 넣도록 하여도 좋다. 이와 같이 제2 전열부 지지 구조(30)는 보받이(17)의 단부에 설치된 고정부(31)를 지지 부재(32)의 상방으로부터 내려놓는 내려놓음 방식으로 되어 있다. 이와 같은 구조로, 보받이(17)의 축 방향 이동을 구속하고 있다.

그리고, 지지 부재(22)와 보받이(17)의 고정부(31)가 단열재(40)로 덮여 있다. 단열재(40)는, 예를 들어, 내측면에 금속판이 설치된 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 단열재(40)는, 금속판의 부분을 볼트로 케이싱(11)에 장착할 수 있다(도면의 이점 쇄선). 단열재(40)는 지지 부재(32)와 보받이(17)의 부분에서는, 이들을 덮도록 가공하여 설치된다. 본 예의 경우, 단열재(40)의 내면은, 보받이(17)의 단면 형상의 개구이다. 이러한 단열재(40)의 시공은, 열교환 장치(1)를 복수의 분할 모듈(10)(도 2, 3)로 함에 따라서, 공장 등에서 적절히 가공하여 시공할 수 있다.

이러한 제2 전열부 지지 구조(30)를 구비한 열교환 장치(1)에 따르면, 고온의 배기 가스(G)에 접하는 보받이(17)에 생긴 열 신장은, 종 프레임재(13)의 내방에 설치된 지지 부재(32)에 단열재(33 ~ 35)를 통해 지지된 고정부(31)를 통해서 종 프레임재(13)에 의해 지지된다. 또한, 케이싱(11)의 내부에서 배기 가스(G)의 내압은, 보받이(17)의 고정부(31)가 종 프레임재(13)의 내방에 설치된 지지 부재(32)에 단열재(33 ~ 35)를 통해 고정되어 있기 때문에, 종 프레임재(13)에 의해 지지된다.

또한, 보받이(17)의 단부에서 고정부(31)와 지지 부재(32)는, 케이싱(11)의 내면에 설치된 단열재(40)에 의해 덮여 있다. 따라서, 보받이(17)의 고정부(31) 및 지지 부재(32)는 고온의 배기 가스(G)에 접하는 것은 아니어서, 내부의 배기 가스(G)의 온도가 케이싱(11)에 열 전도되는 것을 억제할 수 있다.

게다가, 지지 부재(32)와 보받이(17)의 고정부(31)의 접촉면에 단열재(33 ~ 35)를 설치하여 보받이(17)의 축 방향 이동을 구속하고 있다. 따라서, 보받이(17)의 고정부(31)와 지지 부재(32) 사이에 볼트 등의 체결 단열재도 없어서, 금속면끼리의 접촉을 없애고 있다. 이에 따라서, 고온의 배기 가스(G)에 접촉하는 보받이(17)로부터 고정부(31)를 통해 외기 온도 측의 지지 부재(32)로의 열 전도율을 낮출 수 있다.

이러한 제2 전열부 지지 구조(30)를 구비한 종형 열교환 장치(1)에 의하면, 제1 전열부 지지 구조 (20)를 구비한 종형 열교환 장치(1)와 마찬가지로, 후술하는 도 8에 도시된 바와 같이, 케이싱(11) 및 프레임재(12)가 지지하는 전체적인 굽힘 모멘트를 대폭 작게 할 수 있다.

따라서, 열교환 장치(1)의 케이싱(11)의 강도를 유지하는 프레임재(12) 중 특히 횡 프레임재(14)를 소형화하고(도 9에 도시된 종래의 대형의 횡 프레임재(112)를 도 6에 도시된 소형의 횡 프레임재(14)로 한다), 프레임재(12)의 철골 중량, 용접량을 줄일 수 있다. 철골 재료의 중량을 줄이고, 작업량을 축소함으로써, 열교환 장치(1)를 설치하기 위한 노력과 비용을 줄일 수 있게 된다. 예를 들어, 철골 재료의 중량을 40 % 정도 절감하는 것도 가능하다. 또한, 케이싱(11)의 외면 도장도 상온 도장으로도 좋아서, 이 점에서도 비용 절감을 도모할 수 있다.

(굽힘 모멘트의 응력도)

도 8은 도 4에 도시된 제1 전열부 지지 구조(20) 및 도 6에 도시된 제2 전열부 지지 구조(30)에서 수평 단면(도 2, 3에 도시된, 화살 표시 VIII-VIII의 단면)의 굽힘 모멘트를 도시하는 도면이고, 도 8(A)는 열 신장에 의해 생기는 굽힘 모멘트도이고,도 8(B)는 내압에 의해 생기는 굽힘 모멘트도이다.

도 8(A)에 도시된 바와 같이, 프레임재(12)에 작용하는 열 신장에 의한 굽힘 모멘트는, 보받이(17)가 지지 부재(22)에 고정되어 있기 때문에, 케이싱(11)에서 프레임재(12)의 장변 방향에서는 전체적으로 굽힘 모멘트를 받는다. 이러한 굽힘 모멘트는, 보받이(17)의 간격에 따라 다르지만, 수십 mm 정도의 열 신장량에 의해 굽힘 모멘트를 받는다. 그러나, 열 신장량에 의한 굽힘 모멘트로 프레임재(12)가 변형하는 각도는 상대적으로 작다.

도 8(B)에 도시된 바와 같이, 프레임재(12)에 작용하는 내압의 굽힘 모멘트는, 보받이(17)가 지지 부재(22)에 고정되어 있기 때문에, 케이싱(11)에서 프레임재(12)의 장변 방향은 각각의 보받이(17)의 피치에서 지지된다. 따라서, 내압에 의해 작용하는 굽힘 모멘트는, 보받이(17)의 프레임재(12)와의 접속부를 지점으로 한 짧은 피치의 모멘트가 된다. 본 예의 경우, 케이싱(11)에서 프레임재(12)의 보받이(17)와의 접속부에 최대의 굽힘 모멘트(M2)가 작용하고 있다. 그러나, 도 8(B)에 도시된 최대의 굽힘 모멘트(M2)는, 상기한 도 10(B)에 도시된 종래의 굽힘 모멘트(M1)에 비해 작고, 10 % 정도 축소된 것일 수 있다.

따라서, 상기 열교환 장치(1)에 의하면, 프레임재(12)에, 열 신장량에 의한 굽힘 모멘트 및 내압에 의한 굽힘 모멘트가 작용한다고 해도, 케이싱(11) 및 프레임재(12)가 지지하는 전체적인 굽힘 모멘트를 대폭 줄일 수 있다.

(총괄)

이상과 같이, 상기 종형 열교환 장치(1)에 의하면, 프레임재(12)의 중량을 대폭 줄일 수 있다. 게다가, 보받이(17)와 종 프레임재(13)의 접합부의 구조가 심플해진다. 따라서, 종형 열교환 장치(1)의 제조에 소요되는 제작 코스트, 설치 코스트의 대폭적인 절감이 가능해진다.

또한, 종형 열교환 장치(1)를 복수의 분할 모듈(10)로 구성하면, 종 프레임재(13)의 위치로부터 내방으로 돌출되도록 설치된 지지 부재(22, 32)의 구성이나, 지지 부재(22, 32)에 고정부(21, 31)로 고정된 보받이(17)의 단부를 포함하도록 설치되는 단열재(40) 등의 구성을, 공장 등에서 효율적으로 가공 및 장착할 수 있다. 따라서, 종형 열교환 장치(1)의 제조 및 설치에 소요되는 노력과 시간을 절감할 수 있게 된다.

(기타 변형예)

열교환 장치(1)는, 종형이라면 적용할 수 있고, 평면에서 볼 때의 형태는 상기한 실시 형태의 종형의 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한 보받이(17)의 피치(pitch) 등이 한정되는 것은 아니다. 나아가, 열교환 장치(1)는, 복수의 분할 모듈(10)로 구성된 것으로 한정되지 않는다.

상기한 실시예는 일례이며, 본 발명은 종형 열교환 장치(1)이면 실시 가능하며, 본 발명의 요지를 해치지 않는 범위에서 다양한 구성을 변경할 수 있고, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

1: 종형 열교환 장치 2: 가스 입구부
3: 가스 출구부 10: 분할 모듈
11: 케이싱 12: 프레임재
13: 종 프레임재 14: 횡 프레임재
15: 모서리부 프레임재 16: 제1 연결부
17: 보받이 17a: 종판
17b: 횡판 20: 제1 전열부 지지 구조
21: 고정부 21a: 단부 종판
21b: 보조 횡판 22: 지지 부재
22a: 종판 22b: 횡판
23: 고정 볼트 24, 25: 볼트 구멍
26: 너트 27: 릴리프부
30: 제2 전열부 지지 구조 31: 고정부
31a: 재치부 31b: 계지부
32: 지지 부재 32a: 수부
32b: 계합부 33: 제1 단열재
34: 제2 단열재 35: 제3 단열재
37: 릴리프부 40, 41: 단열재
50: 전열관(전열부) 51: 제2 연결부
55: 수평 사관(전열부) G: 배기 가스

Claims

평면에서 볼 때의 단면이 직사각형으로 형성된 케이싱과,
상기 케이싱의 외면에 설치되고, 상기 케이싱의 강도를 유지하는 프레임재와,
평면에서 볼 때 제1 방향으로 연장되는 복수의 전열관을 갖고, 상기 케이싱의 내부에 배치된 전열부와,
상기 전열부를 하방으로부터 지지하도록, 평면에서 볼 때 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 연장되도록 설치된 복수의 보받이와,
상기 프레임재의 위치로부터 상기 케이싱의 내방으로 돌출되어 상기 보받이의 단부를 지지하는 지지부를 구비하고,
상기 보받이의 단부와 상기 지지부는, 상기 보받이의 축 방향 이동을 구속한 상태에서 지지하는 고정부로 고정되어 있고,
상기 케이싱의 내면과 상기 지지부와 상기 고정부는 단열재로 단열되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지부는, 상기 프레임재의 위치로부터 상기 케이싱의 내방으로 돌출되는 지지 부재를 구비하고,
상기 고정부는, 상기 보받이의 단부가 상기 지지 부재에 고정 핀으로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제2항에 있어서,
상기 지지 부재와 상기 보받이의 단부 사이에 단열재가 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지부는, 상기 프레임재의 위치로부터 상기 케이싱의 내방으로 돌출되는 수부와, 상기 수부로부터 상방으로 돌출되는 계합부를 구비하고,
상기 고정부는, 상기 보받이의 단부에 설치되고, 상기 수부에 재치되는 재치부와, 상기 계합부에 계합되어 상기 보받이의 축 방향 이동을 구속하는 계지부를 구비하며,
상기 수부와 상기 재치부 사이와, 상기 계합부와 상기 계지부 사이는 단열재로 단열되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보받이는, 상기 지지부로 지지하는 종판과, 상기 종판과 직교하는 횡판을 구비하고,
상기 보받이의 단부에는, 상기 횡판을 상기 단열재로부터 소정 거리 내측에 위치시키는 릴리프부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 케이싱은, 종 방향으로 복수의 분할 모듈로 구성되고,
복수의 상기 분할 모듈은, 상기 분할 모듈의 상부와 하부를 상하 방향으로 연결하는 제1 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.