KR102520206B1 - 폐열을 이용한 경화 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기압축부와 증기보일러와 열교환부와 관로 내의 함침튜브와 배출기를 이용하고 공기압축부에서 압축공기를 생성하며 증기보일러에서 증기를 생성하여 열교환부를 통하여 혼합할 때, 배기가스의 폐열을 이용하여 과열증기를 생성하고 이를 이용하여 관로 내의 함침튜브를 경화하므로 배기가스로부터 폐열을 회수할 수 있어 에너지를 절감할 수 있는 폐열을 이용한 경화 시스템에 관한 것으로서, 배기가스로부터 폐열을 회수하여 과열증기의 승온에 이용하므로 에너지를 절감할 수 있고, 응축수는 수막을 형성하여 열전달을 방해하여 함침튜브의 미경화 문제를 야기하는데 저온의 압축공기와 고온의 증기가 혼합되어 발생하는 에너지 손실 및 응축수의 발생을 획기적으로 줄이며, 과열증기를 생산하여 경화 공정에 사용하므로 열전달 효율을 높이고 증기 사용량을 줄여서 증기 생산에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 노후화된 상하수도 관로를 비굴착하여 보수하는 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기압축부와 증기보일러와 열교환부와 관로 내의 함침튜브와 배출기를 이용하고 공기압축부에서 압축공기를 생성하며 증기보일러에서 증기를 생성하여 열교환부를 통하여 혼합할 때, 배기가스의 폐열을 이용하여 과열증기를 생성하고 이를 이용하여 관로 내의 함침튜브를 경화하므로 배기가스로부터 폐열을 회수할 수 있어 에너지를 절감할 수 있는 폐열을 이용한 경화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 지하에 매설되어 노후화된 상·하수도관과 가스, 전기, 통신 등의 산업용 관로를 보수하기 위하여 관로가 매설된 지면을 굴착하여 노후화된 관로를 새로운 관으로 교체하거나 부분적으로 보수하는 방식이 있다.
상기의 지면을 굴착하여 새로운 관으로 교체하거나 보수하는 방식은 주변 환경의 훼손과 더불어 공사가 완료된 후, 토양의 침식으로 인하여 지면 침하가 발생할 뿐만 아니라 혼잡한 도심지역은 교통체증과 보행자의 보행을 방해하는 등의 시민불편을 초래하는 문제점이 발생한다.
상기와 같이 굴착공사에 따른 막대한 공사비용과 교통체증의 가중 및 안전사고의 발생, 환경문제 등 사회적 손실 비용이 증가함에 따라서 대안으로 비굴착 전체보수공법이 개발되어 다양한 공법이 적용되고 있는 실정이다.
상기와 같은 비굴착 보수공법 중에서 현장경화관공법(CIPP, Cured in place pipe)은 대표적인 상·하수도 비굴착 보수공법으로서 노후화된 관로에 대한 사전 준비작업을 수행하고 함침튜브 제작과 함침튜브 삽입과 경화 및 냉각을 거쳐서 마무리작업으로 종료된다.
상기 현장경화관공법은 보수관의 길이와 공법별 여유길이에 따라서 재단된 튜브에 경화성 수지를 함침하고 보수관 내부로 튜브를 삽입한 후 열을 가하여 경화시키고 양 끝단 마무리 및 연결관을 천공함으로써 그 공정을 마무리하며 열 경화된 CIPP를 서서히 상온으로 냉각시킴으로써 균열과 수축을 최소화한다. 이때 공기압축기는 동일한 전력인 경우 토출압력이 높을수록 토출유량이 감소하게 된다.
한편, 공기압축기에서 토출되는 압축공기를 이용하지 않고 증기 보일러에서 토출되는 증기만을 100% 사용하여 경화작업을 하면 증기 열과 관로 내부의 온도차로 증기가 액화되어 응축수가 대량으로 발생하여 열 전달을 차단하기 때문에 미경화 발생 및 경화작업 시간이 오래 걸리고, 미경화로 인하여 시공품질이 저하되며 재시공으로 인한 비용이 과다하게 소요되는 문제점과 증기가 공급되는 가장 가까운 곳이 높은 열로 인하여 방수층 필름의 부풀림 현상이 발생하며, 오랜 경화시간으로 인하여 연료의 과다사용 및 이산화탄소가 과다 배출되는 문제점이 있다.
상기와 같이 비굴착 보수공법과 관련한 선행기술로는 국내 등록특허공보 등록번호 제10-1455611호에 노후관의 내부에 투입되는 튜브의 앞 부분이 호퍼 모양으로 이루어진 튜브견인장치의 내부에 안전하게 고정되어 관로의 출구방향으로 견인될 수 있도록 튜브를 내측으로 접어서 적층 시킨 다음 튜브의 내부에 고정볼트가 삽입될 수 있도록 구멍을 천공하여 고정프레임과 너트를 이용하여 고정볼트를 고정해 튜브가 관로의 내벽에 잔존하는 이물질에 의해 파손되는 것을 방지하고, 견인작업이 완료된 이후 튜브의 내부에 응축수가 발생하지 않는 공기를 스팀으로 가열한 건열만을 공급하는 건열장치를 구비하여 응축수의 발생을 최소화하면서 이른 시간에 경화작업을 완료할 수 있도록 한 상하수도 관로 비굴착 경화공법 및 경화장치가 개시되어 있고 또, 국내 등록특허공보 등록번호 제10-1993404호에 비굴착 보수 공사 시 증기와 압축공기를 미리 혼합하면서 정해진 온도와 압력을 갖는 혼합증기를 생성하고 소프트웨어 프로그램을 이용하여 경화작업 시 튜브라이너 내부 전체의 온도와 압력을 자동으로 조절하여 튜브라이너를 시공하는 비굴착 상하수도 보수를 위한 정온정압식 튜브라이너 라이닝 장치 및 이를 이용한 상하수도비굴착 보수 공법이 개시되어 있으며 또한, 등록특허공보 등록번호 제10-1561993호에 압축공기와 스팀이 제1순환장치와 건습열 가열장치 및 제2순환장치를 반복 순환하면서 짧은 시간에 고온상태의 습기가 전혀 없는 압축공기만으로 이루어진 건습열을 생성하여 상하수도관의 내부에 설치된 튜브의 내부에 공급하여 튜브의 경화작업을 신속하게 수행할 수 있도록 한 압축공기를 이용한 건습열장치 및 공법이 개시되어 있다.
그러나 상기의 기존기술들은 혼합기를 이용하여 압축공기와 증기를 혼합하거나 습기가 전혀 없는 압축공기만으로 이루어진 건습열을 생성하여 함침튜브의 경화작업을 수행하는 반면에 본 발명은 열교환기의 내부를 지그재그 형태로 격벽을 엇갈리게 구성하고 배기가스를 통과시킬 수 있도록 복수의 열교환튜브를 형성하므로 대기중으로 방출되는 배기가스의 폐열을 회수해서 과열증기를 생산하여 에너지를 절감할 수 있도록 구성하여 완성하였다.
본 발명은 상기와 같이 기존의 경화 공법에서 공기압축기와 증기보일러의 소요동력이 많이 소모되어 에너지 손실이 많고 저온의 압축공기와 고온의 증기를 혼합할 때 발생하는 에너지 손실과 수막을 형성하여 열전달을 방해하는 응축수의 발생과 이로 인해 함침튜브가 경화되지 않는 문제를 줄이기 위해 열교환부를 형성하여 대기중으로 방출하는 배기가스를 이용하여 열교환에 의해 생성된 과열증기를 사용하므로 배기가스의 폐열을 낭비하지 않고 재사용하도록 구성한 폐열을 이용한 경화 시스템의 제공에 목적이 있다.
본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템을 이용한 관로 비굴착 보수공법의 해결수단으로는 압축공기를 생성하는 공기압축부(10)와 증기를 생성하는 증기보일러(20)와 상기 공기압축부(10)에서 생성한 압축공기와 상기 증기보일러(20)에서 생성한 증기를 유입 받아 혼합하는 열교환부(30)와 상기 열교환부(30)에서 생성된 과열증기를 일측에 투입하는 관로(40) 내의 함침튜브(50)와 상기 함침튜브(50)의 타측에 연결하여 종점 배출을 하는 배출기(60)를 포함하는 시스템(1)으로 구성하고, 추가하여 열교환부(30)를 우회하여 공기압축부(10)와 함침튜브(50)를 직접 연결하는 바이패스배관(15)을 형성한다.
상기 열교환부(30)는 좌측 내실과 우측 내실이 중앙부에 형성한 열교환기(36)의 내측에 길이방향으로 복수개 형성한 열교환튜브(38)로 연결되고, 열교환부(30)의 좌측 상단에 배기가스를 유입하는 배기가스유입관(34)을 형성하며, 상기 배기가스를 열교환부(30)의 외부로 배출하는 배기가스배출관(35)을 열교환부(30)의 우측 하단에 형성하고, 열교환부(30)의 중앙부에 형성한 열교환기(36)의 좌측 하단에는 압축공기유입관(31)을 형성하여 압축공기를 유입하며, 열교환기(36)의 중앙 하단에는 증기를 유입하는 증기유입관(32)을 형성하고, 열교환기(36)의 우측 상단에는 과열증기를 배출하는 과열증기배출관(33)을 형성하며, 열교환기(36)의 내측에는 상단 또는 하단이 뚫려있는 격벽을 엇갈리게 형성하여 상기 압축공기유입관(31)을 통하여 유입된 압축공기와 상기 증기유입관(32)을 통하여 유입된 증기가 혼합하여 상기 열교환튜브(38)와 접촉하는 면적을 크게하고 열전달 효율을 높게하도록 구성한다.
상기 열교환부(30)의 중앙부에 형성한 열교환기(36)의 내측에 추가로 전기히터(39)를 복수개 형성하여 상기 열교환기(36)의 내측을 이동하는 과열증기의 온도를 보다 더 승온하고 세밀하게 제어할 수 있다.
상기 열교환부(30)에 과열증기 온도계와 유량조절밸브 및 유량계, 제어기 등을 추가하여 정확한 수치의 온도와 유량을 파악할 수 있고, 제어기에 의해 밸브를 제어하여 더욱 세밀하게 열교환부(30)를 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 바이패스배관(15)은 열교환부(30)를 우회하여 공기압축부(10)와 함침튜브(50)를 직접 연결하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열교환튜브(38)는 스파이럴튜브 또는 핀튜브 중에 어느 하나를 선택하여 사용한다.
상기 열교환부(30)의 내측에 열교환튜브(38)와 격벽(37)을 형성하므로 압축공기와 배기가스가 이동하면서 최대한 접촉면적이 커지고 열전달 효율이 좋아진다.
열교환부(30)와 연결된 배관들인 배기가스유입관(34)과 압축공기유입관(31)과 증기유입관(32)과 과열증기배출관(33) 및 배기가스배출관(35)은 대기 중으로 발산되어 사라지는 열손실을 최소화하기 위하여 보온재를 이용하여 외측을 감싼다.
상기와 같이 구성한 시스템(1)을 이용하여 노후화된 관로(40)를 보수하기 위하여 지하를 굴착하지 않고서 상기 보수하려는 관로(40)에 함침튜브(50)를 삽입하여 경화시키는 공법으로는 함침튜브삽입 단계(S01)와 팽창 단계(S02)와 배기가스유입 단계(S03)와 가열 단계(S04)와 압축공기및증기유입 단계(S05)와 과열증기배출 단계(S06)와 배기가스배출 단계(S07)와 냉각 단계(S08)로 이루어진다.
구체적으로는 노후화된 관로 내에 함침튜브를 삽입하는 함침튜브삽입 단계(S01)와 공기압축부를 이용하여 저온 및 저압의 압축공기로 함침튜브를 노후화된 관로 내에 밀착시키기 위해 팽창시키는 팽창 단계(S02)와 공기압축부와 증기보일러 및 발전기로부터 생성된 배기가스를 열교환기의 내측에 형성한 열교환튜브에 유입하는 배기가스유입 단계(S03)와 공기압축부에서 생성한 압축공기를 열교환기에 투입하고, 투입한 압축공기가 배기가스와 열교환에 의해 승온하며, 승온된 압축공기를 함침튜브 내부로 주입하여 압력을 유지한 상태에서 온도를 상승시키는 가열 단계(S04)와 공기압축부에서 생성한 압축공기와 증기보일러에서 생성한 증기를 열교환기에 동시에 투입하여 혼합하는 압축공기및증기유입 단계(S05)와 압축공기와 증기를 혼합하여 생성한 과열증기를 열교환기에서 배출하여 함침튜브에 투입하는 과열증기배출 단계(S06)와 열교환부 내측에 형성한 열교환튜브를 통과한 배기가스를 열교환부의 외부로 배출하는 배기가스배출 단계(S07)와 공기압축부에서 생성한 압축공기를 바이패스배관(15)을 이용하여 함침튜브에 투입하여 함침튜브를 냉각하는 냉각 단계(S08)를 포함하여 구성한다.
상기와 같이 함침튜브삽입 단계(S01)와 팽창 단계(S02)와 배기가스유입 단계(S03)와 가열 단계(S04)와 압축공기및증기유입 단계(S05)와 과열증기배출 단계(S06)와 배기가스배출 단계(S07)와 냉각 단계(S08)로 이루어지는 폐열을 이용한 경화 시스템을 이용한 공법은 기존 공법에서 함침튜브의 경화에 사용하는 증기량보다 적은 증기량이 필요하므로 에너지를 획기적으로 줄일 수 있고, 대기중으로 배출되는 배기가스를 열교환부를 이용하여 과열증기와 열교환을 할 수 있으므로 폐열을 이용하여 승온할 수 있다.
본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템은 배기가스로부터 폐열을 회수하여 과열증기의 승온에 이용하므로 에너지를 절감할 수 있고, 응축수는 수막을 형성하여 열전달을 방해하여 함침튜브의 미경화 문제를 야기하는데 저온의 압축공기와 고온의 증기가 혼합되어 발생하는 에너지 손실 및 응축수의 발생을 획기적으로 줄이며, 과열증기를 생산하여 경화 공정에 사용하므로 열전달 효율을 높이고 증기 사용량을 줄여서 증기 생산에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 일반시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 열교환부 구성도이다.
도 4는 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 온도와 유량 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 순서도이다.
도 2는 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 열교환부 구성도이다.
도 4는 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 온도와 유량 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템의 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하였다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일반시스템을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 열교환부 구성도이고, 도 4는 본 발명의 온도와 유량 그래프를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 순서도로서,
도 1을 참조하여 상세하게 설명하면,
본 발명의 일반적인 시스템을 나타낸 구성도를 도시한 것으로서, 노후화된 상하수도 관로를 비굴착하여 보수하는 일반적인 공법이다.
공기압축부(10)는 혼합기(70)에 연결한다. 또한, 증기보일러(20)도 혼합기(70)에 연결한다. 그러므로 상기 혼합기(70)의 일측에는 공기압축부(10)와 증기보일러(20)가 함께 연결된다.
그리고 상기 혼합기(70)는 관로(40) 내에 삽입한 함침튜브(50)의 일측에 연결하고, 상기 함침튜브(50)의 타측은 배출기(60)에 연결한다.
상기와 같은 노후화된 상하수도 관로를 비굴착하여 보수하는 일반적인 공법 시스템은 견인 삽입인 경우 공기압축부(10)에서 생성한 압축공기를 이용하여 함침튜브(50)를 가압시키고 팽창시켜서 관로(40)에 밀착시키는 가압단계를 실시하고, 종점인 배출기(60)를 개방하여 압축공기를 배출하면서 동시에 압축공기의 투입량을 서서히 줄이고 증기보일러(20)에서 생성하는 증기의 투입량을 서서히 늘려서 압력은 유지된 채로 온도만 올리는 승온단계를 실시하며, 온도와 압력을 유지할 수 있도록 압축공기와 증기의 투입량 및 종점인 배출기(60)에서 배출량을 제어하는 유지단계를 실시하고, 증기의 투입을 차단하며 압축공기만으로 열 경화된 함침튜브(50)를 서서히 상온으로 냉각하는 냉각단계를 실시한다.
상기 일반 시스템은 온도와 압력만을 측정하여 수동밸브를 이용하여 압축공기와 증기의 투입량을 제어하므로 증기의 일부는 이송배관 내에서 손실되고 또한, 압축공기의 승온에 소모되며, 일부는 함침튜브(50)의 경화 및 함침튜브(50)와 인접한 관로(40)와 토양을 통해서 손실되고, 일부는 종점인 배출기(60)를 통하여 배출된다.
이와 같이 기존의 일반적인 시스템은 열경화성 수지로 구성한 함침튜브(50)를 90℃ 정도의 증기열에 의하여 경화시킨다. 즉, 공기압축부(10)에서 생성한 압축공기를 이용하여 함침튜브(50)를 가압, 팽창시켜 관로(40)에 밀착시킨 후, 증기보일러(20)에서 생성한 증기를 주입함으로써 온도를 높여 함침튜브(50)를 경화시키는 것이다.
공기압축부(10)에서 생성한 압축공기와 증기보일러(20)에서 생성한 증기는 혼합기(70)에서 혼합된 후, 함침튜브(50) 내부로 유입되며 배출기(60)를 통하여 대기중으로 배출된다. 이때 저온의 압축공기와 고온의 증기가 혼합되면서 열 손실이 발생하는 문제점이 있다.
도 2를 참조하여 상세하게 설명하면,
본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템에서 시스템(1)을 도시한 도면이다. 상기 시스템(1)은 좌측에서부터 공기압축부(10)를 형성하고, 상기 공기압축부(10)는 열교환부(30)로 연결한다. 또한, 상기 열교환부(30)에 증기보일러(20)를 연결한다.
상기 열교환부(30)는 관로(40) 내에 삽입한 함침튜브(50)에 연결하고, 상기 함침튜브(50)는 배출기(60)로 연결한다.
상기 공기압축부(10)에서 생성하는 압축공기는 보수해야 하는 관로(40) 내에 삽입하는 함침튜브(50)의 반전삽입과 가압, 팽창, 경화 및 냉각 공정 등에서 관로(40) 내에 함침튜브(50)를 밀착시키는 압력원과 열을 전달하는 열매체로 사용한다.
공기압축부(10)에서 생성한 압축공기는 열교환부(30)로 투입된다. 또한, 증기보일러(20)에서 생성한 증기도 열교환부(30)로 투입된다.
상기와 같이 압축공기와 증기는 열교환부(30)로 투입되어 가열 및 혼합 효과가 극대화된다. 그리고 열교환부(30)에 증기유량계를 추가 형성하여 시스템(1)의 제어에 의해 정량적으로 증기를 사용하고, 열교환부(30)에 온도센서를 추가 형성하여 시스템(1)의 제어를 받아서 온도를 적정하게 유지할 수 있다.
상기 시스템(1)의 제어를 받아서 열교환부(30)의 시작부에 압축공기를 유입하고, 상기 압축공기는 열교환부(30)의 내측에서 배기가스와 열교환으로 인하여 승온된 후, 열교환부(30)의 내측에 증기를 유입하여 혼합하고, 상기 배기가스와 열교환으로 인하여 생성된 과열증기를 열교환부(30)의 외측으로 배출하여 함침튜브(50)의 경화에 사용한다.
상기 과열증기는 시스템(1)에 의하여 정량적이고 적정한 온도를 유지한다. 상기 과열증기는 함침튜브(50)에 투입하기 전에 열교환부(30)에 추가 구성한 압력센서와 온도센서에 의하여 압력과 온도를 측정한 후 투입한다.
상기 열교환부(30)에서는 시스템(1)의 제어에 의해 관로 비굴착 보수공법의 각 단계에 맞도록 공기압축부(10)에서 생성하여 투입하는 압축공기의 투입량과 증기보일러(20)에서 생성하여 투입되는 증기의 투입량을 조절한다.
상기와 같이 함침튜브(50)에 투입하는 과열증기는 함침튜브(50)의 경화에 사용하고 종점에 위치한 배출기(60)를 통하여 배출한다.
상기와 같은 시스템(1)에 의하여 노후화된 관로(40)를 보수하면 열교환부(30)에 투입하는 배기가스로부터 폐열을 회수할 수 있으므로 노후화된 관로의 보수에 투입하는 에너지를 줄일 수 있다. 또한, 저온의 압축공기와 고온의 증기가 혼합되면서 발생하는 에너지 손실 및 응축수 발생을 최대한 줄일 수 있고, 과열증기를 생산하여 경화 공정에 사용함으로써 열 전달 효율을 높이며 증기 사용량을 줄일 수 있어서 증기 생산에 필요한 에너지를 줄일 수 있다.
상기 바이패스배관(15)은 열교환부(30)를 우회하여 공기압축부(10)와 함침튜브(50)를 직접 연결한다.
바이패스배관(15)은 함침튜브(50)와 공기압축부(10)를 연결하는 것으로서, 상기 공기압축부(10)에서 생성된 압축공기를 열교환부(30)에 투입하지 않고 직접 함침튜브(50)에 투입하는 것이다.
노후화된 관로를 비굴착하여 보수하는 공정 중에 저온 및 저압의 압축공기로 함침튜브(50)를 노후화된 관로(40) 내에 밀착시키기 위하여 팽창시키는 공정과 관로(40) 내에 경화한 함침튜브(50)를 냉각하는 공정에는 저온 및 저압의 압축공기를 함침튜브(50)에 유입시키므로 공기압축부(10)에서 생성된 압축공기를 열교환부(30)를 거치지 않고 직접 함침튜브(50)에 공급한다.
이를 위하여 공기압축부(10)에서 열교환부(30)로 연결되는 배관이 아닌 우회하는 바이패스배관(15)이 필요하다. 상기 바이패스배관(15)은 공기압축부(10)에서 함침튜브(50)로 직접 연결한다.
상기 바이패스배관(15)은 저온 및 저압의 압축공기를 함침튜브(50)에 투입할 때 사용하는 것으로, 시스템(1)에 의하여 제어된다.
열교환부(30)에 투입되는 배기가스는 공기압축부(10)와 증기보일러(20)와 발전기(80)로부터 생성될 수 있으며, 이중 일부 또는 전체를 포집하여 열교환에 사용하고 열교환부(30)를 통과하면서 압력손실에 의한 배압이 높아지므로 본 시스템(1)에 악영향을 주지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 시스템(1)에는 추가로 제어기를 구성하여 공기압축기(10)와 증기보일러(20)와 발전기(80)를 제어하는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하여 상세하게 설명하면,
열교환부(30)를 도시한 것으로서, 상기 열교환부(30)는 좌측 상부에 배기가스가 유입되는 배기가스유입관(34)을 형성하고, 상기 배기가스유입관(34)을 통하여 유입된 배기가스는 열교환부(30)의 중앙에 형성한 열교환기(36)의 내측으로 투입되고, 상기 배기가스는 열교환기(36) 내측에 길이방향으로 복수개 이상 형성한 열교환튜브(38)의 내측을 통하여 열교환기(36)의 우측으로 이동하여 열교환부(30) 우측 하부에 형성한 배기가스배출관(35)을 통하여 열교환부(30)의 외부로 배출되며, 상기 열교환기(36)의 내부에는 지그재그 형태로 격벽(37)을 상단과 하단에 엇갈리도록 형성하고, 열교환기(36)의 좌측 하단에 압축공기를 유입하는 압축공기유입관(31)을 형성하고, 열교환기(36)의 중앙 하단에 증기를 유입하는 증기유입관(32)을 형성하며, 열교환기(36)의 우측 상단에 압축공기와 증기가 혼합하여 만들어진 과열증기를 배출하는 과열증기배출관(33)을 형성하여 구성한다.
배기가스는 공기압축기와 증기보일러 및 발전기로부터 생성되고, 이중 일부 또는 전체를 포집하여 열교환에 이용하는데, 상기 배기가스가 열교환부(30)의 좌측 상단에 형성한 배기가스유입관(34)을 통하여 열교환부(30)의 좌측 내실로 유입된다.
유입된 배기가스는 열교환부(30)의 좌측 내실로 진입하여 열교환기(36)의 내측에 길이방향으로 형성된 열교환튜브(38)를 따라서 이동하고 열교환부(30)의 우측 내실까지 이동한다. 이후 열교환부(30)의 우측 내실에서 배기가스배출관(35)을 통하여 열교환부(30)의 외측으로 배출된다.
상기와 같이 배기가스는 고온으로서 열교환기(36)의 내측에 형성한 열교환튜브(38)를 따라서 이동하면서 상기 열교환튜브(38)의 온도를 높이는 것이다. 이때, 외부로 방출되는 높은 온도를 가진 에너지이고 공기압축기와 증기보일러 및 발전기로부터 생성되는 배기가스를 열교환기(36)를 이용하여 폐열을 회수하는 구성이므로 에너지를 절감할 수 있는 것이다.
위와 같이 열교환튜브(38)의 온도가 높아지므로 열교환기(36)의 내측으로 투입된 압축공기와 증기가 혼합되어 생성된 과열증기는 배기가스와 열교환으로 승온된다.
배기가스와 과열증기의 열교환이 최고의 효율을 보이기 위하여 열교환기(36)의 내측에는 엇갈리도록 지그재그 형태로 격벽(37)을 설치한다.
상기와 같이 지그재그 형태로 격벽(37)을 설치하면 압축공기와 증기가 열교환부(30)의 내측을 이동하면서 최대한 열교환튜브(38)와 접촉하면서 열교환이 발생한다.
이는 열교환기(36)의 우측 하단에 형성한 압축공기유입관(31)과 중앙 하단에 형성한 증기유입관(32)을 통하여 열교환기(36)의 내측으로 유입된 압축공기와 증기가 최대한 열교환튜브(38)와 접촉하여 생성된 과열증기를 열교환기(36)의 우측 상단에 형성한 과열증기배출관(33)을 통하여 열교환기(36)의 외부로 배출되도록 구성 하는 것이다.
또한, 상기 열교환기(36)의 내부에 추가로 전기히터(39)를 구성한다. 상기 전기히터(39)는 열교환기(36)의 내부를 이동하는 과열증기의 온도를 보다 더 승온할 수 있도록 하는 것이다.
그리고 상기 전기히터(39)는 시스템(1)에 의해 제어하고 과열증기의 온도를 보다 더 승온하고 측정하여 세밀하게 온도조절을 제어한다.
도 4를 참조하여 상세하게 설명하면,
적색선으로 표시하는 배기가스의 온도는 최초 10분까지 200℃로 급격히 승온하고 이후 40 ~ 50분 후에는 250℃로 승온하며 80분 후에는 350℃까지 서서히 상승한다.
파란색 점선으로 표시하는 과열증기의 유량은 최초 20분부터 40분까지 50Nm3/hr이고, 40분부터 60분까지는 100Nm3/hr이며, 60분 이후에는 150 ~ 200Nm3/hr으로 상승한다.
검정색선으로 표시하는 과열증기의 온도는 최초 30분까지 서서히 상승하여 150℃까지 올랐다가 30분 이후에는 150℃를 유지한다.
상기와 같이 과열증기 유량 변화에 따른 배기가스의 유입 온도와 과열증기의 유출 온도를 측정한 결과, 과열증기의 유량이 증가할 수록 출력 증가에 따른 배기가스의 유입 온도가 상승하고 과열증기의 유출 온도는 약 150℃를 일정하게 유지한다.
본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템은 열교환기에서 배기가스의 폐열을 이용하여 압축공기와 증기를 열교환 및 가열하여 과열증기를 생산하므로 과열증기의 생성에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
함침튜브에 투입하는 과열증기의 온도가 최초 30분까지 20℃에서 서서히 올라서 최고 150℃까지 승온하고 이후 150℃를 일정하게 유지한다.
함침튜브에 과열증기를 150℃ 온도로 가열하여 주입하므로 함침튜브가 서서히 승온한다. 이때 열교환기를 이용하므로 다량의 응축수의 발생을 방지할 수 있다.
과열증기를 계속 유입시켜서 함침튜브의 경화 온도를 유지하기 위하여 압력과 온도를 제어하면서 일정하게 유지한다.
함침튜브가 경화된 이후에는 증기량을 서서히 감소시키면서 압력, 온도를 제어하며 온도는 유지하면서 증기 사용량을 줄일 수 있다.
이후 증기유입을 차단하고 상온의 압축공기만을 사용하여 경화된 함침튜브를 상온으로 냉각시킨다.
이와 같이 본 발명은 노후화된 관로를 비굴착하여 보수하는 시스템으로서 기존의 일반적인 시스템보다 낮은 에너지를 사용하므로 보수하는데 필요한 비용을 절감할 수 있고, 응축수의 발생을 줄일 수 있으므로 함침튜브의 미경화도 방지할 수 있다.
도 5를 참조하여 상세하게 설명하면,
본 발명인 폐열을 이용한 경화 시스템은 하기와 같은 단계를 거쳐서 진행한다. 먼저, 노후화된 관로 내에 함침튜브를 삽입하는 함침튜브삽입 단계(S01)와 공기압축부를 이용하여 저온 및 저압의 압축공기로 함침튜브를 노후화된 관로 내에 밀착시키기 위해 팽창시키는 팽창 단계(S02)와 공기압축부와 증기보일러 및 발전기로부터 생성된 배기가스를 열교환기의 내측에 형성한 열교환튜브에 유입하는 배기가스유입 단계(S03)와 공기압축부에서 생성한 압축공기를 열교환기에 투입하고, 투입한 압축공기가 배기가스와 열교환에 의해 승온하며, 승온된 압축공기를 함침튜브 내부로 주입하여 압력을 유지한 상태에서 온도를 상승시키는 가열 단계(S04)와 공기압축부에서 생성한 압축공기와 증기보일러에서 생성한 증기를 열교환기에 동시에 투입하여 혼합하는 압축공기및증기유입 단계(S05)와 압축공기와 증기를 혼합하여 생성한 과열증기를 열교환기에서 배출하여 함침튜브에 투입하는 과열증기배출 단계(S06)와 열교환부 내측에 형성한 열교환튜브를 통과한 배기가스를 열교환부의 외부로 배출하는 배기가스배출 단계(S07)와 공기압축부에서 생성한 압축공기를 바이패스배관을 이용하여 함침튜브에 투입하여 함침튜브를 냉각하는 냉각 단계(S08)를 포함하여 구성한다.
즉, 함침튜브삽입 단계(S01)와 팽창 단계(S02)와 배기가스유입 단계(S03)와 가열 단계(S04)와 압축공기및증기유입 단계(S05)와 과열증기배출 단계(S06)와 배기가스배출 단계(S07)와 냉각 단계(S08)로 이루어지는 것이다.
함침튜브삽입 단계(S01)에서는 노후화되어 보수가 필요한 관로 내에 함침튜브를 삽입한다.
팽창 단계(S02)에서는 관로 내에 삽입한 함침튜브를 저온 및 저압의 압축공기를 이용하여 관로 내에 팽창시킨다. 압축공기가 함침튜브에 공급되어 필요한 압력만 증가시킨다.
배기가스유입 단계(S03)에서는 공기압축기와 증기보일러와 발전기로부터 생성하는 배기가스를 열교환부에 유입하여 열교환기 내부를 승온한다.
즉 공기압축부와 증기보일러 및 발전기로부터 생성된 배기가스를 열교환기의 내측에 형성한 열교환튜브에 유입하는 것이다.
가열 단계(S04)에서는 공기압축부에서 생성한 압축공기를 열교환기에 투입하고, 투입한 압축공기가 배기가스와 열교환에 의해 승온하며, 승온된 압축공기를 함침튜브 내부로 주입하여 압력을 유지한 상태에서 온도를 상승시킨다.
압축공기및증기유입 단계(S05)에서는 공기압축부에서 생성한 압축공기와 증기보일러에서 생성한 증기를 열교환기에 동시에 투입하여 혼합한다. 상기와 같이 열교환기에 투입하는 압축공기와 증기는 혼합되어 과열증기를 생성한다.
과열증기배출 단계(S06)에서는 압축공기와 증기를 혼합하여 생성한 과열증기를 열교환기에서 배출하여 함침튜브에 투입한다. 이때 압력과 온도를 유지한다. 함침튜브가 경화되고 관로와 토양으로 열손실이 평형상태에 도달하면 과열증기의 유량을 실시간으로 측정하면서 함침튜브 내의 온도와 압력을 유지하면서 과열증기의 투입량을 줄이게 된다. 상기와 같이 온도는 유지하면서 증기 사용량을 줄일 수 있다.
배기가스배출 단계(S07)에서는 열교환부 내측에 형성한 열교환튜브를 통과한 배기가스를 열교환부의 외부로 배출한다.
냉각 단계(S08)에서는 바이패스배관을 이용하여 압축공기만으로 열 경화된 함침튜브를 상온으로 서서히 냉각시킨다.
상기와 같이 본 발명을 이용하여 노후화된 관로를 보수하면 다량의 응축수가 생성되는 것을 방지하고 이로 인하여 함침튜브가 미경화하는 것을 막을 수 있으며, 증기의 사용량을 감소시킬 수 있으므로 증기생산에 필요한 에너지를 줄일 수 있고, 배기가스로부터 폐열을 회수하므로 에너지를 절감할 수 있다.
본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 하고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
1. 시스템
10. 공기압축부
15. 바이패스배관
20. 증기보일러
30. 열교환부
31. 압축공기유입관
32. 증기유입관
33. 과열증기배출관
34. 배기가스유입관
35. 배기가스배출관
36. 열교환기
37. 격벽
38. 열교환튜브
39. 전기히터
40. 관로
50. 함침튜브
60. 배출기
70. 혼합기
80. 발전기
10. 공기압축부
15. 바이패스배관
20. 증기보일러
30. 열교환부
31. 압축공기유입관
32. 증기유입관
33. 과열증기배출관
34. 배기가스유입관
35. 배기가스배출관
36. 열교환기
37. 격벽
38. 열교환튜브
39. 전기히터
40. 관로
50. 함침튜브
60. 배출기
70. 혼합기
80. 발전기
Claims (4)
- 압축공기를 생성하는 공기압축부(10)와 증기를 생성하는 증기보일러(20)와 상기 공기압축부(10)에서 생성한 압축공기와 상기 증기보일러(20)에서 생성한 증기를 유입 받아 혼합하는 열교환부(30)와 상기 열교환부(30)에서 생성된 과열증기를 일측에 투입하는 관로(40) 내의 함침튜브(50)와 상기 함침튜브(50)의 타측에 연결하여 종점 배출을 하는 배출기(60)를 포함하는 시스템(1)으로 구성하고,
추가하여 열교환부(30)를 우회하여 공기압축부(10)와 함침튜브(50)를 직접 연결하는 바이패스배관(15)을 형성하고,
상기 열교환부(30)는 좌측 내실과 우측 내실이 중앙부에 형성한 열교환기(36)의 내측에 길이방향으로 복수개 형성한 열교환튜브(38)로 연결되고, 열교환부(30)의 좌측 상단에 배기가스를 유입하는 배기가스유입관(34)을 형성하며, 상기 배기가스를 열교환부(30)의 외부로 배출하는 배기가스배출관(35)을 열교환부(30)의 우측 하단에 형성하고, 열교환부(30)의 중앙부에 형성한 열교환기(36)의 좌측 하단에는 압축공기유입관(31)을 형성하여 압축공기를 유입하며, 열교환기(36)의 중앙 하단에는 증기를 유입하는 증기유입관(32)을 형성하고, 열교환기(36)의 우측 상단에는 과열증기를 배출하는 과열증기배출관(33)을 형성하며, 열교환기(36)의 내측에는 상단 또는 하단이 뚫려있는 격벽을 엇갈리게 형성하여 상기 압축공기유입관(31)을 통하여 유입된 압축공기와 상기 증기유입관(32)을 통하여 유입된 증기가 혼합하여 상기 열교환튜브(38)와 접촉하는 면적을 크게하며 열전달 효율을 높게 구성하고,
상기 열교환튜브(38)는 스파이럴튜브 또는 핀튜브 중에 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 경화 시스템. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 열교환부(30)의 중앙부에 형성한 열교환기(36)의 내측에 추가로 전기히터(39)를 복수개 형성하여 상기 열교환기(36)의 내측을 이동하는 압축공기와 증기가 혼합한 과열증기의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 경화 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 시스템(1)을 이용한 비굴착하여 노후화된 관로 내에 함침튜브를 경화하는 공법에 있어서,
노후화된 관로 내에 함침튜브를 삽입하는 함침튜브삽입 단계(S01)와;
공기압축부를 이용하여 저온 및 저압의 압축공기로 함침튜브를 노후화된 관로 내에 밀착시키기 위해 팽창시키는 팽창 단계(S02)와;
공기압축부와 증기보일러 및 발전기로부터 생성된 배기가스를 열교환기의 내측에 형성한 열교환튜브에 유입하는 배기가스유입 단계(S03)와;
공기압축부에서 생성한 압축공기를 열교환기에 투입하고, 투입한 압축공기가 배기가스와 열교환에 의해 승온하며, 승온된 압축공기를 함침튜브 내부로 주입하여 압력을 유지한 상태에서 온도를 상승시키는 가열 단계(S04)와;
공기압축부에서 생성한 압축공기와 증기보일러에서 생성한 증기를 열교환기에 동시에 투입하여 혼합하는 압축공기및증기유입 단계(S05)와;
압축공기와 증기를 혼합하여 생성한 과열증기를 열교환기에서 배출하여 함침튜브에 투입하는 과열증기배출 단계(S06)와;
열교환부 내측에 형성한 열교환튜브를 통과한 배기가스를 열교환부의 외부로 배출하는 배기가스배출 단계(S07)와;
공기압축부에서 생성한 압축공기를 바이패스배관(15)을 이용하여 함침튜브에 투입하여 함침튜브를 냉각하는 냉각 단계(S08)를 포함하여 구성하는 폐열을 이용한 경화 공법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020220052076A KR102520206B1 (ko) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 폐열을 이용한 경화 시스템 |
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| KR102520206B1 true KR102520206B1 (ko) | 2023-04-10 |
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ID=85984735
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| KR1020220052076A KR102520206B1 (ko) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 폐열을 이용한 경화 시스템 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP5054642B2 (ja) * | 2008-09-09 | 2012-10-24 | アクアインテック株式会社 | 管路補修システム |
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-
2022
- 2022-04-27 KR KR1020220052076A patent/KR102520206B1/ko active IP Right Grant
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