KR200190319Y1 - 복수 층의 물유동층이 형성된 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 본 고안은 건물이나 산업체의 보일러 등의 공업로로부터 배출되는 고온의 수분을 함유한 배기가스로부터 폐열을 회수하는 응축식 열 교환에 관한 것으로, 복수 층의 물유동층이 형성된 열 교환 관한 것이다종래의 물유동층이 형성된 열교환기는 건물이나 산업체의 보일러등의 공업로로부터 배출되는 고온의 수분을 함유한 배기가스로부터 폐열을 물유동층 응축형 열교환기를 사용하므로서 배기가스의 응축잠열까지 효율적으로 회수할 수 있으나, 하나의 물유동층을 사용하였기에 열교환기의 크기가 커지고, 배기가스 측의 압력손실이 커지는 경향이 있었다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 배가스의 경로를 여러 개로 나누어 다수의 배기가스 분배로(111, 112)를 형성하고 각각의 배기가스 분배로(111, 112)에 각각 전열관(120, 120')과 물유동층(Fw)이 형성된 여러개의 열교환트레이 (121, 122)를 설치하므로서, 전열면적을 증대시키면서 물유동층(Fw)의 배기가스 통과유속을 줄일 수 있다. 이로 인하여 열교환기의 전열성능을 증대시키고, 배기가스측의 압력손실과 열교환기의 설치면적을 줄일 수 있으며, 이에 따라 물유동층을 이용한 폐열회수의 효용성과 경제성을 증대시키는데 그 특징이 있다.

Description

복수 층의 물유동층이 형성된 열 교환기 {A water fluidized multi-bed heat exchanger}

본 고안은 건물이나 산업체의 보일러 등의 공업로로부터 배출되는 고온의 수분을 함유한 배기가스로부터 폐열을 회수하는 응축식 열 교환에 관한 것으로, 복수 층의 물유동층이 형성된 열 교환 관한 것이다.

일반적으로 보일러 배기가스의 폐열회수용 응축식 열 교환기는 배기가스 내에 함유된 부식성의 염소성분이 열 교환의 전열면에 응축하여 부식현상을 일으킬 수 있는 문제점을 해결하지 못하였다. 그리고 배기가스와 전열면 사이의 열 전달 계수가 비교적 낮아 열 교환 전열면의 크기가 커지는 문제점을 갖는다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 열 교환기의 전열관이 배열된 배기가스 통로의 하부에 다공판이 형성된 응축수가 포집되고 전열관이 배관된 이용한 배기가스 폐열 회수용 열 교환장치를 창안하였다. 이와 같은 본인의 물유동층을 이용한 배기가스 폐열회수용 열교환기는 [도 1]에 도시된 바와 같이 다공판(35)위에 배관된 전열관(36) 사이에 냉각수를 공급하므로서 배기가스가 다공판(35)을 통과하면서 전열관(36) 사이에 물의 유동층(Fw)을 형성하게 된다. 다량의 수분을 함유한 고온의 배기가스는 다공판(35)을 통과하면서 물유동층(Fw)에서 물과 직접접촉하여 급속한 열전달로 인하여 배기가스와 물유동층(Fw)은 급속하게 열평형을 이룬다. 이러한 과정에서 배기가스에 함유된 수분은 물유동층(Fw)에서 응축하게 되어 물유동층(Fw)은 배기가스에 함유된 현열과 함께 다량의 잠열까지 효과적으로 회수할 수 있게 하였다. 전열관사이에 물의 유동층(Fw)을 형성하므로서 물유동층(Fw)과 전열관사이의 열전달계수는 급격히 상승하여 열전달이 촉진되며 따라서 전열면의 필요면적이 크게 적어진다. 전열관(36)의 재질로서는 스테인레스강이 요구되나 비경제적인 핀튜브등의 전열촉진관을 사용할 필요가 없고 일반 스테인레스 강관을 사용할 수 있으며 또한 열교환기의 크기가 적어져 열교환기의 경제성이 향상된다. 일반 열교환기에서는 열교환기의 상태변화에 따라서 전열면에서의 염소성분을 함유한 산성수분의 반복적인 응축 및 건조에 의한 농축현상이 나타날 수 있다. 이로 인하여 일반 강관은 물론 스테인레스 강관을 사용한 전열관에서 부식현상을 나타낼 수 있다. 본 물유동층 열교환기에서는 전열면사이에 물유동층(Fw)을 형성하므로서 열교환기가 작동하는 동안 전열면은 항상 젖어있는 상태가 된다. 따라서 산성수분의 농축으로 인한 전열관의 부식현상을 막을 수 있어서 부식으로 인한 열교환기 전열관의 수명을 크게 연장시킬 수 있다. 그리고 전열관 배열 상부에 물유동층의 높이를 일정하게 유지하기 위하여 열교환기의 작동시간 동안에 급수를 소량씩 공급하였으며 동시에 전열관 상부에 물의 배출구를 설치하였다 그러나 상기한 바와 같은 종래의 물유동층 열교환기는 하나의 물유동층을 통하여 배가스 전체유량을 통과시키므로 열교환기의 크기와 설치면적이 커지고, 전열관을 하나의 물유동층에 모두 위치시키므로서, 전열면적이 제한받아 열교환기의 효율이 제한될 수 있다.

그리고 열교환기의 전열면적을 증대시키기 위하여 물유동층내(Fw)의 전열관(36) 배열의 층수를 증대시키면서 물유동층(Fw)의 높이가 높아져 이를 통과하는 배가스측의 압력손실이 커지는 경향이 있었다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 배가스의 경로를 여러 개로 나누고 각각의 배가스 경로에 물유동층 열교환기를 설치하므로서, 물유동층 열교환기의 전열촉진효과와 내부식성효과를 유지하면서, 열교환기의 적용성을 향상시켰다. 본 고안의 목적은 복수층의 물유동층이 형성된 열교환기를 사용하므로서, 전열관을 여러 개의 물유동층에 분배하여 설치하므로써 하나의 물유동층에 하나의 전열관을 설치하여 물유동층 높이의 높임이 없어 효과적이고 배기가스의 압력손실없는 물유동층에 의한 열교환기를 제공하고자 하는데 그 특징이 있다.

도 1은 종래의 물유동층을 이용한 배기가스 폐열회수용 열교환기의 개략적 구성단면도

도 2는 본 고안에 따른 복수 층의 물유동층이 형성된 열 교환기의 개략적 구성단면도

도면의 주요 부분에 대한 부호 및 설명 >

1 : 열 교환 블록 2 : 배풍블록

11 : 배기가스 유입로 12 : 열 교환 어셈블리,

13 : 응축수 탱크 14 : 응축수 배수배관

15 : 응축수 급수배관 21 : 연결덕트

22 : 송풍기 111, 112 : 배기가스 분배로

121,122 : 열 교환 트레이 121h, 122h : 다공판

G : 배기가스 Fw : 물유동층

w1 : 응축수 h : 관통구멍

상기와 같은 본 고안의 목적을 달성하기 위한 실시예에 대하여 첨부 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

[도 2]는 본 고안에 따른 복수 층의 물유동 층이 형성된 열 교환기의 개략적 구성 단면도이다.

[도 2]에 도시된 바처럼 본 고안의 복수 층의 물유동 층이 형성된 열 교환기는 열 교환 불럭(1)과 배풍 블럭(2)으로 구성되는데, 열교환 블럭(1)의 입구에 빌딩이나 산업용 보일러로부터 배출되는 고온 다습한 배기가스가 유입되는 배기가스 유입로(11)가 형성되는데, 이 배기 가스 유입로(11)는 측면으로 평행하게 뻗어 분지된 다수의 배기가스분배로(111,112)가 연통하여 층상으로 형성된다.

각 배기가스 분배로(111,112)의 상측에 열 교환 어셈블리(assambly, 12)가 각각 형성된다.

열 교환 어셈블리(12)는 상측이 개방된 통상의 열교환 트레이(tray, 121,122)가 복수개로 형성되고, 상기 각 열교환 트레이(121,122)의 하단은 다수의 미세한 관통구멍(h)이 형성된 다공판(121h, 122h)이 각각 형성된다. 그리고 각 열교환 트레이(121, 122)의 내부에는 응축수가 담겨 물유동층(Fw)을 형성하고, 각 열 교환 트레이(121, 122)에는 물유동층(Fw)의 응축수에 잠긴 상태로 열교환 전열관(120, 120')이 지그재그상으로 파이프가 배관되어 있는데, 전열관(120, 120') 내부에 냉수를 유입하여 온수를 얻도록 하고 있다.

그리고 배기가스 유입통로(11)의 하측 즉 열교환 블록(1)의 맨 하단측에 응축수 저장탱크(13)가 형성된다.

각 열교환 트레이(121, 122)의 일측면([도 2]에는 좌측)에 물유동층(Fw)에 있는 응축수를 응축수 저장탱크(13)로 배출시키는 응축수 배수배관(14)이 형성되고 열교환 트레이(121, 122)의 타측면([도 2]에는 우측)에는 응축수 저장탱크(13)로부터 응축수를 물펌프(P)에 의하여 뽑아내어 각 열교환 트레이(121, 122)의 개방된 상부로 공급하는 응축수 급수배관(15)이 형성되어 응축수가 열교환 트레이(121, 122)와 응축수 저장탱크(13)사이에서 순환되게 되어 있다.

이와 같은 구성으로 이루어진 열교환 블록(1)은 연통하여 배풍블럭(2)에 형성되는데, 열교환 블록(1)에서 고온 배기가스의 열을 흡수하고, 냉각된 배기가스가 연결덕트(21)를 통과하여 연이어 송풍기(22)를 거쳐 외부로 방출하게 되어 있다.

그런데, [도 2]에 도시된 본 고안의 열교환 트레이(121, 122)는 2개층으로 만 도시되어 있는데, 본 고안은 2층으로 형성된 열교환 트레이(121, 122)만에 한정된 것이 아니고 2개 또는 그 이상의 복수층으로 구성될 수 있음을 본 고안의 권리범위로 한다. 따라서 2이상 복수층의 열교환 트레이(121, 122)가 구성될 경우 당연히 전열관(120, 120')도 복수개로 형성될 것이다.

상기와 같은 구성부분으로 이루어진 본 고안에 따른 복수층의 물유동층이 형성된 열교환기의 열교환 작용을 살펴보면, 먼저 빌딩이나 산업용 보일러의 고온 다습한 배기가스가 배기가스유입로(11)를 거쳐 배기가스분배로(111, 112)로 유입되는데 고온의 배기가스가 이처럼 유입 유통되는 기작은 후술하는 배풍블럭(2)의 송풍기(22)에 의한다.

이렇게 배기가스유입로(11)에 유입된 고온의 배기가스는 열교환 트레이(121, 122)의 다공판(121h, 122h)의 다수의 관통구멍(h)을 통과하여 냉수가 흐르는 전열관(120, 120')에 닿게 되며 동시에 전열관(120, 120')에는 냉수가 유입되어 흐르게되는데, 고온의 배기가스가 상대적으로 저온인 전열관(120, 120')에 맞닿으면 배기가스가 전열관에 열을 빼앗기면서 배기가스중에 있는 습분이 응축하고 더욱이 이때 응축잠열이 방출되어 배기가스는 더욱 냉각되는 것이다. 즉 다량의 수분을 함유한 고온의 배기가스(G)는 다공판(121h, 122h)을 통과하면서 물유동층(Fw)에서 물과 직접 접촉하여 급속한 열전달로 인하여 배기가스(G)와 물유동층(Fw)은 급속하게 열평형을 이룬다. 이러한 과정에서 배기가스(G)에 함유된 수분은 물유동층(Fw)에서 응축하게 되어 물유동층(Fw)은 배기가스(G)에 함유된 현열과 함께 다량의 잠열까지 효과적으로 회수할 수 있게 되는 것이다.

이렇게 응축된 응축수는 각 열교환 트레이(121, 122)에 포집 저장 된다. 이렇게 포집된 응축수(w1)는 물유동층(Fw)을 형성한다. 고온의 배기가스가 다공판(121h, 122h)의 다수의 관통구멍(h)을 통과하여 포집된 응축수를 통과하는데 이때 포집된 응축수는 물유동층을 형성하기에 고온의 배기가스의 응축과 냉각이 더욱 효과적으로 일어난다. 일정량이상 포집되면 응축수 배수배관(14)를 통하여 응축수탱크(13)으로 자연 배수되고, 응축수 저장탱크(13)에 모아진 응축수는 응축수 급수배관(15)을 통하여 각 열교환 트레이(121, 122)로 물펌프(P)에 의하여 다시 순환하도록 되어있는데 이렇게 응축수를 순환하므로서 응축수가 냉각되기에 더욱 열교환 효율이 증대된다.

상기와 같은 수단에 의하여 고온의 배기가스가 본 고안의 열교환 블록(1)에서 냉각되고 냉각된 배기가스는 배풍블록(2)으로 배출되는데, 열결덕트(22)를 통과하여 송풍기(22)를 거쳐 외부로 방출되게 되는 것이다. 상기 송풍기는 본고안 장치에 있어 배기가스의 흐름을 제어하여 전체적인 배기가스 유동압을 적절하게 한다. 특히 열교환 트레이(121,122)에서 응축수가 다공판(121h, 122h)의 관통구멍(h)에서 누설되지 않게 배기가스의 압력을 적정수준으로 제어한다.

상기한바와 같이 본고안의 열교환기는 열교환 트레이(121, 122)를 복수층으로 하여 하나의 열교환 트레이(121, 122)에 최소한의 전열관(120, 120')만을 배관하기에 물유동층(전열면적을 증대하여 열교환기의 전열효율이 증대시킬 수 있다.

따라서 본 고안의 열교환기는 열교환 트레이(121, 122)의 층수 또는 물유동층(Fw)의 높이의 높임없이 상당한 전열효과를 얻을 수 있고, 이에 따라 물유동층(Fw)을 통과하는 배기가스의 압력손실을 줄일 수 있다. 본 고안은 복수개의 열교환 트레이(121, 122)가 형성되므로 복수개의 물유동층에서 배기가스의 유로면적을 증대되며, 다공판(121h, 122h)과 물유동층을 통과하는 배가스의 유속을 감소되는데, 이에 따라 다공판(121h, 122h)을 통과하는 배기가스의 압력손실을 줄일 수 있으며, 배기가스의 폐열을 효과적으로 이용할 수 있다.

따라서 본 고안의 열교환기는 종래의 단일층으로 된 물유동층의 열교환기에 비하여 효과적이고 효율적인 전열효과를 얻을 수 있고, 기기의 설치면적과 크기를 줄일 수 있는 것이다.

또한 배기가스의 압력손실을 줄일 수 있으므로 송풍기의 용량이 줄어, 송풍기의 설치면적과 가격이 줄어들고, 가동비가 줄어들기에 그만큼 경제적이며, 또한 공업로에 부착된 버너의 연소에 따라 적절하게 송풍용량을 조절할 수 있다.

더욱이 본 고안의 열 교환기는 상술한 바와 같이 각 물유동층과 응축수 저장탱크(13)사이를 순환하도록 되어 있기에 이 과정에서 포집된 응축수의 냉각이 이루어져 물유동층에서 전열이 그만큼 효과적으로 이루어진다.

Claims (2)

1. 물유동층을 이용한 배기가스 폐열회수용 열교환기에 있어서, 배기가스 유입로(11)를 여러 개로 나누어 복수개의 배기가스 분배로를 형성하고 각각의 분배로에 저면에 다수의 관통구멍(h)이 있는 다공판(121h, 122h)이 형성되고 내부에 냉각수가 흐르는 전열관(120, 120')이 배관된 열교환 트레이(121, 122)가 형성되어 각각의 열교환 트레이에 물유동층이 형성되어 여러 개의 물유동층을 형성하므로서, 전열면적을 증대시킨 복수 층의 물유동층이 형성된 열 교환기
2. 제 1항에 있어서, 각 열교환 트레이의 일측면 쪽에서 응축수 배수배관(14)이 반대편 측에 응축수 공급배관(15)이 설치되고, 응축수 배수배관(14)와 응축수 공급배관(15)이 별도로 형성된 물펌프(P)와 응축수 저장탱크(13)에 상호 연통 연결되어 응축수가 각 응축수 트레이의 물유동층(Fw)과 응축수 저장탱크(13) 사이를 순환하게 된 복수 층의 물 유동층이 형성된 열 교환기