KR200182683Y1

KR200182683Y1 - 브라운 가스를 이용한 보일러

Info

Publication number: KR200182683Y1
Application number: KR2019990029422U
Authority: KR
Inventors: 현장수
Original assignee: 현장수
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2000-05-15

Abstract

본 고안은 브라운 가스를 이용한 보일러 장치에 관한 것으로서,

(a)브라운 가스 공급 장치와;

(b)내부가 수부(水部)와 증기부(蒸氣部)로 이루어진 보일러 본체와;

(c)외표면은 상기 본체내의 수부에 노출되어 있고, 입구가 보일러 본체의 외부와 연결된 중공통로를 구비한 것으로서, 상기 중공통로의 입구에서 브라운 가스의 연소가 수행되는 금속 발열체와;

(d)외표면은 상기 본체내의 증기부에 노출되어 있고, 중공 입구가 상기 금속발열수단의 중공통로 출구와 연통된 동시에 중공 출구가 보일러 본체의 외부로 연결되어 있는 금속 전열 파이프와;

(e)상기 본체내의 증기부에서 생성된 과열 증기를 외부로 이송하는 과열증기 배기수단과;

(f)상기 본체내의 수부에 물을 공급하는 급수 수단을 포함하는 보일러가 개시된다.

Description

브라운 가스를 이용한 보일러{Boiler employing brown gas}

본 고안은 브라운 가스를 이용한 보일러 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열원으로서 브라운 가스의 연소열을 열원으로 사용하는 보일러 장치에 관한 것이다.

보일러는 연료를 연소시켜 물을 가열함으로써 소정의 압력과 온도를 가진 증기를 발생시키고, 이를 필요한 곳으로 공급하여 동력을 제공하는 장치이다.

도 1은 보일러의 기본 구조를 도시하고 있는 것으로서, 연소실내에서 연료를 연소하고, 이로부터 얻어진 열에너지를 이용하여 본체내의 물을 가열하여 증기를 얻고, 이를 과열시켜 얻어진 과열증기로 터빈 등을 구동한다.

이때, 보일러의 열원으로서는 통상 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 사용하며, 연료를 연소시키기 위해 외부에서 공기가 주입된다.

그러나, 화석연료는 연소생성물로서 이산화탄소를 발생시키며, 그을음, 회분, 기타 불순물이 부산물로 생성되어 공해를 유발한다. 따라서, 물의 전기분해로 얻어진 수소가스 등 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 브라운 가스도 이러한 대체 에너지원의 하나로 고려되고 있다.

브라운 가스는 물의 전기분해에 의해 얻어지는 기체로서, 수소와 산소의 함량비가 정확히 2:1인 혼합기체이다. 통상 물을 전기분해하면 음극에서는 수소가 얻어지고 양극에서는 산소가 얻어지는데, 이들 가스를 분리채집하지 않고 한꺼번에 포집한 것이 브라운 가스이다.(Robert Card, Extraordinary Science, 1990, Oct/Nov/Dec, P17)

브라운 가스는 일반적인 기체와 달리 연소시에 응폭(凝爆; implosion)현상을 유발하는 톡특한 성질을 갖는다. 즉, 연소시에 폭발(explosion)현상을 나타내지 않으며, 오히려 불꽃이 내부로 모여들면서 초점을 형성하고 주변에 진공을 형성시킨다. 그 결과, 브라운 가스를 연소시키면 가장 녹는점이 높다는 알려진 텅스텐(녹는점: 3,410℃, 끓는점; 5,660℃)도 승화시킬 수 있을 정도의 초고온을 얻을 수 있다.(Yull Brown, Extraordinary Science, 1993, Jul/Aug/Sep, pp19-28 ; Yull Brown US 4,014,777 ; Yull Brown US 4,081,656)) 또, 열선이 외부로 방출되지 않아 복사열로 인한 에너지 손실이 없으므로 우수한 에너지 효율을 가지며, 그 자체에 산소를 포함하고 있으므로 연소시에 별도의 산소공급이 불필요하다. 또, 연소 생성물로서 물(H₂O)만을 발생시키므로 공해오염의 문제가 없다.

그러나, 이를 보일러의 열원으로 사용하기 위해서는, 브라운 가스의 톡특한 성질을 적절히 활용할 수 있는 구조 설계가 필요하다.

본 고안은 브라운 가스를 이용하기에 적합한 구조를 갖는 보일러 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 통상적인 보일러의 구조를 설명하기 위한 모식도이며,

도 2는 본 고안에 따른 보일러의 구조를 도시하는 단면도이고,

도 3은 본 고안에 따른 보일러로서, 절개부내에 내부구조의 일부를 도시하는 도면이다..

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 고안은

(a)브라운 가스 공급 장치와;

(d)외표면은 상기 본체내의 증기부에 노출되이 있고, 중공 입구가 상기 금속발열수단의 중공통로 출구와 연통된 동시에 중공 출구가 보일러 본체의 외부로 연결되어 있는 금속 전열 파이프와;

(f)상기 본체내의 수부에 물을 공급하는 급수 수단을 포함하는 보일러를 제공한다.

이하, 본 고안에 따른 바람직한 보일러의 구조 및 작동원리를 도 2 및 도 3을 참고하여 설명한다.

보일러 본체(200)는 드럼 형상으로 구성되어 있으며, 내부에는 일정 높이까지 물이 채워져 있다. 물이 채워진 부분은 수부(202)가 되고, 그 상부는 증기부(204)가 된다. 본체(200)는 드럼형상에 한정되지 않고, 사각형상, 육각형상 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

본체(200)내에는 브라운 가스의 연소열을 수부(202)로 전달하여 증기를 발생시키는 금속 발열체(300)와, 발생된 증기를 과열시키는 전열 파이프(400)가 내장되어 있다. 금속 발열체(300)의 전부 또는 일부는 수부(202)에 잠긴 형태로 장착되어 외표면이 물과 접촉하고 있으며, 전열 파이프(400)의 외표면은 증기부(204)와 접하고 있다. 금속 발열체(300)의 내부에는 중공통로가 형성되어 있으며, 상기 중공통로의 입구는 보일러 본체(200)의 외부와 연통되어 있고, 출구는 전열 파이프(400)내의 중공(402)과 이어진 후 보일러 본체(200)의 외부로 연통되어 있다.

또, 금속 발열체(300)는 브라운 가스와 접촉하여 연소열을 직접 흡수하는 발열 파이프(310)와, 금속의 팽창 및 수축에 따른 응력을 완화시키기 위한 벨로오즈(320)로 이루어진다. 발열 파이프(310)와 벨로오즈(320)는 일체로 형성될 수도 있으며, 별개로 제작한 후 용접 등의 방법으로 연결될 수도 있다. 발열 파이프(310)내에 형성된 중공통로(312; 이하, 제1 중공통로)는 벨로오즈(304)내에 형성된 중공통로(322; 이하, 제2 중공통로)와 연통된다.

본 고안에 따른 보일러의 증기 발생 작용을 살펴보면, 먼저, 브라운 가스 공급기(100)로부터 가스 공급 노즐(101)을 통해 브라운 가스가 공급된다. 브라운 가스를 발열 파이프(310)의 제1 중공통로(312)의 입구에서 연소시키면, 발열파이프(310)는 직접 연소열을 흡수하여 순식간에 고온상태가 되고, 전도에 의해 열을 수부(202)로 전달함으로써 증기를 발생시킨다. 이때, 브라운 가스는 순식간에 고온을 발생시킬 뿐만 아니라 복사에 의한 에너지 손실을 수반하지 않으므로, 연소열이 효율적으로 발열파이프(310)로 전달된다.

브라운 가스의 연소에 의해 발생되는 열소열을 보다 효과적으로 흡수하기 위해, 발열 파이프(310)내에 형성된 제1 중공통로의 내경은 중앙부가 가장 좁고 양단부로 갈수로 점차 넓어지는 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 브라운 가스 불꽃과의 접촉면적을 넓게함으로써 연소열이 발열 파이프(310)에 충분히 흡수되도록 한다. 보다 바람직하게는 상기 제1 중공통로(312)의 입구를 계단식으로 형성한다. 또, 브라운 가스는 일직선상으로 진행하는 성질을 가지므로, 발열 파이프(310)와의 접촉면을 넓히기 위해서는 불꽃을 확산시키는 특수 노즐을 이용하여 브라운 가스를 공급하는 것이 좋다.

상기 발열파이프(310)에 흡수된 연소열을 효과적으로 수부(202)로 전달하기 위해서, 상기 발열 파이프(310)의 외표면은 넓은 표면적을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 보일러에 있어서, 발열파이프(310)의 외표면에는 만곡이 형성되어 있다.

발열 파이프(310)는 초고온에 견딜 수 있는 금속으로 스테인레스 스틸, 티타늄, 텡스텐 등 용융점이 높고 열전도율이 우수한 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것이 좋다. 이때, 지나친 온도상승으로 발열파이프(310)가 손상되는 것을 방지하기 위해, 발열파이프(310)와 브라운 가스 공급노즐(101)의 거리를 조절하거나, 브라운 가스의 공급량 및 공급속도를 조절하도록 한다.

한편, 고온 상태의 발열파이프(310)는 전도 및 복사의 형태로 에너지를 전달하여 금속 밸로오즈(320)의 온도를 상승시키고, 금속 밸로오즈(320)는 이를 수부(202)에 전달하여 증기 발생을 보조한다. 동시에, 밸로오즈(320)는 온도변화에 따른 금속의 팽창 및 수축으로 야기되는 응력을 흡수하여 발열체(300)가 손상되는 것을 방지한다. 벨로오즈(320)는 고온에 견딜수 있으면서 열전도율이 높은 금속 또는 이들의 합금으로 형성하는 것이 좋으며, 바람직하게는 스테인레스 스틸이 좋다.

이어서, 고온상태의 밸로오즈(320)는 전열파이프(400)에 열을 전달하고, 전열파이프(400)는 이 열을 다시 증기부(204)로 전달하여 과열증기를 생성시킨다. 따라서, 종래의 보일러와 달리, 별도의 과열기를 구비하지 않고도 보일러 본체내에서 증기 발생과정 및 증기 과열과정을 동시에 수행할 수 있어, 보일러를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 발생된 증기를 보일러 본체 외부에 설치된 과열기로 이송하는 동안에 발생되는 열손실을 최소화할 수 있다.

전열 파이프(400)는 증기부(204)로의 열전달을 효과적으로 수행하기 위해 외표면적을 넓게 형성한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 외표면에 만곡부가 형성된 실린더 형상으로 설계하거나, 또는 나선형 파이프 형태로 설계하는 것이 바람직하다. 전열 파이프(400)는 열전도성이 우수한 금속 예를 들어, 구리 또는 그 합금으로 이루어지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 나선형 구리 파이프가 좋다.

고온상태의 밸로오즈(320) 내부에서 발생된 복사열은 제2 중공통로 및 전열 파이프(400)의 중공을 통과하여 보일러 본체(200)의 외부로 배출된다.

증기부(204)에서 생성된 과열증기는 과열증기 배기장치에 의해 보일러 본체(200)의 외부로 이송되어 터빈 등의 구동에 사용된다. 과열증기 배기장치는 증기부(204)의 과열증기를 보일러 본체(200)의 외부로 이송하는 증기 배기구(502)와, 배기구의 개폐를 조절하는 증기밸브(504)로 구성된다. 또, 배기가스의 온도를 측정하기 위한 온도계(미도계)를 부착할 수도 있다.

한편, 본체(200)내에는 고온, 고압의 증기가 들어 있으므로 파열에 의한 피해를 막기 위해 압력계(미도시)를 설치하고, 본체(200)내의 압력이 일정압력 이상이 되면 자동적으로 밸브를 열어 본체내의 압력을 일정하게 유지하는 안전밸브(미도시)를 추가적으로 설치하는 것이 바람직하다.

급수는 급수펌프(600)를 이용하여 행하며, 급수관(604)에는 급수 역지밸브 (602)를 설치하여 급수펌프가 작동하기 않아도 보일러 본체로부터 급수가 역류하는 것을 방지한다. 도 2에서는 급수관이 물재킷의 형태로 이루어져 있다.

또, 필요한 경우에는 예열기를 설치하여 급수의 온도를 조절한다. 급수의 예열을 위해 상기 전열 파이프(400)의 중공(402)을 통해 보일러 본체(100)의 외부로 배출된 열을 이용할 수 있다.

본체(200)에는 수부(202)의 높이를 관찰할 수 있는 수면계(702)를 추가로 설치하여 급수량을 조절할 수 있도록 한다. 또, 불순물 분출수단으로서, 보일러 본체(200)의 바닥에 분출관, 분출밸브 등을 추가로 설치하여, 급수중에 포함된 침전 불순물을 제거하는 것이 바람직하다.

발열체의 수는 보일러의 크기에 따라 적절하게 조절될 수 있는데, 도 2에서는 하나의 보일러 본체(200)내에 2개의 발열체(300)가 포함되어 있으며, 도 3에서는 7개의 발열체(300)가 포함되어 있다.

본 고안에 따른 보일러는 열원으로서, 전기분해에 의해 생성된 브라운 가스를 사용하므로, (1) 순식간에 고온 증기를 발생시킬 수 있어, 열효율이 우수하고, (2) 브라운 가스의 연소에 따른 생성물로 물만을 발생시키므로 공해오염의 문제가 없고, (3) 연소를 위해 별도의 공기주입을 필요로 하지 않아 보일러의 소형화가 가능하고, (4) 전기를 이용하므로 보일러 설치를 위한 별도의 배관시설이 필요없는 등 다양한 장점을 갖는다.

또, 종전의 보일러는 다량의 과열증기를 발생시키기 위해서는 장기간의 연소가 요구되어 열효율이 떨어지는 반면, 본 고안에 따른 보일러는 순식간에 고온을 발생시켜 대량의 증기를 생산하므로 열손실을 획기적으로 줄일 수 있다. 따라서, 특히 대형 보일러 예를 들어, 전력용 보일러로 사용하기에 보다 적합하다.

Claims

(a)브라운 가스 공급 장치와;

(b)내부가 수부(水部)와 증기부(蒸氣部)로 이루어진 보일러 본체와;

(c)외표면은 상기 본체내의 수부에 노출되어 있고, 입구가 보일러 본체의 외부와 연결된 중공통로를 구비한 것으로서, 상기 중공통로의 입구에서 브라운 가스의 연소가 수행되는 금속 발열체와;

(d)외표면은 상기 본체내의 증기부에 노출되이 있고, 중공 입구가 상기 금속발열수단의 중공통로 출구와 연통된 동시에 중공 출구가 보일러 본체의 외부로 연결되어 있는 금속 전열 파이프와;

(e)상기 본체내의 증기부에서 생성된 과열 증기를 외부로 이송하는 과열증기 배기수단과;

(f)상기 본체내의 수부에 물을 공급하는 급수 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 금속 발열체는

브라운가스의 연소열을 직접 흡수하는 발열 파이프와;

금속 벨로우즈(bellows)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제2항에 있어서,

상기 발열 파이프는 스테인레스 스틸, 텡스텐 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러.
제2항에 있어서,

상기 금속 벨로우즈는 스테인레스 스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러.
제2항에 있어서,

상기 발열 파이프내에 형성된 중공통로의 내경은 중앙부가 가장 좁고 양단부로 갈수로 점차 넓어지는 것을 특징으로 하는 보일러.
제2항에 있어서,

상기 발열 파이프내에 형성된 중공통로의 입구는 계단식으로 형성된 것을 특징으로 하는 보일러.
제2항에 있어서,

상기 발열 파이프의 외표면에는 만곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 전열 파이프는 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항 또는 제8항에 있어서,

상기 전열 파이프는 직선형인 것을 특징으로 하는 보일러.
제9항에 있어서,

상기 전열 파이프의 외표면에는 만곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항 또는 제8항에 있어서,

상기 전열 파이프는 나선형인 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 과열증기 배기수단은 증기 배기구와 증기밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제12항에 있어서,

상기 과열증기 배기수단은 보일러 본체내의 증기부의 압력을 측정하기 위한 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제12항에 있어서,

상기 과열증기 배기수단은 안전밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 보일러 본체내의 수부의 높이를 조절하기 위한 수면계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 급수 수단은 급수펌프 및 급수 역지밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 보일러 본체는 급수중에 포함된 침전 불순물을 제거하기 위한 불순물 분출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제17항에 있어서,

상기 불순물 분출수단은 본체에 연결된 분출관(blow off pipe)과, 상기 분출관의 개폐를 조절하는 분출밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제1항에 있어서,

상기 보일러는 전력용 보일러인 것을 특징으로 하는 보일러.