KR20030022800A - 절환 밸브 및 그 절환 밸브를 포함하는 재생 열 산화장치 - Google Patents

절환 밸브 및 그 절환 밸브를 포함하는 재생 열 산화장치 Download PDF

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Abstract

절환 밸브(20) 및 그 절환 밸브를 포함하는 재생 열 산화장치(10)가 개시된다. 본 발명의 밸브는 우수한 밀봉 특성을 나타내며 마모를 최소화한다. 상기 절환 밸브(20)는 2개의 쳄버를 형성하는 밀봉판(100)을 가지며, 각 쳄버는 산화장치(10)의 2개의 재생 베드들 중 하나로 인도하는 유동 포트이다. 또한, 상기 밸브는 밀봉판(100)의 각 절반부에 프로세스 가스의 입구 및 출구의 교대의 채널을 제공하는 절환 유동 분배기(50)를 포함한다. 상기 밸브는 고정 모드 및 밸브 이동 모드의 2개의 모드들 사이에서 작동한다. 고정 모드에서, 가스 밀봉부가 프로세스 가스 누출을 최소화 또는 방지하도록 사용된다. 또한, 상기 가스 밀봉부는 밸브 이동 중의 밀봉도 제공한다.

Description

절환 밸브 및 그 절환 밸브를 포함하는 재생 열 산화장치{SWITCHING VALVE AND A REGENERATIVE THERMAL OXIDIZER INCLUDING THE SWITCHING VALVE}
종래 재생 열 산화장치는 산업 및 동력 장치에서의 고 유동, 저 농도 방출물 내의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 제거하도록 사용되었다. 이러한 산화장치는 통상적으로 높은 VOC 제거율을 얻도록 높은 산화 온도를 필요로 한다. 높은 열 회수율을 얻기 위해, 처리될 "오염된" 프로세스 가스를 산화 전에 예열한다. 열 교환기 칼럼은 통상 이들 가스를 예열하도록 제공된다. 이 칼럼은 보통 양호한 열 및 기계적 안정성과 충분한 열량을 가진 열 교환 재료로 채워진다. 작동 시에, 프로세스 가스는 미리 가열된 열 교환기 칼럼을 통해 공급되며, 상기 프로세스 가스는 그의 VOC 산화 온도에 도달하거나 또는 그 온도가 얻어지는 온도까지 가열된다. 그 후, 이 예열된 프로세스 가스는 어떠한 불완전한 VOC 산화라도 보통 완전하게 되는 연소 영역으로 향하게 된다. 이제 처리된 "세정" 가스는 연소 영역 밖으로 향하여 열 교환기 칼럼, 또는 제2 열 교환기 칼럼을 통해 복귀된다. 산화된 고온 가스가 이 칼럼을 계속해서 통과함에 따라, 상기 가스는 그의 열을 칼럼 내의 열 교환 매체에전달하여, 그 가스가 냉각되고 열 교환 매체를 미리 가열하게 됨으로써 다른 배치(batch)의 프로세스 가스가 산화 처리 전에 예열될 수 있다. 보통, 재생 열 산화장치는 프로세스 가스와 처리된 가스를 교대로 수용하는 적어도 2개의 열 교환기 칼럼을 가진다. 이 과정이 계속 실행되어, 큰 체적의 프로세스 가스를 효율적으로 처리할 수 있게 된다.
재생 산화장치의 성능은 VOC 제거 효율을 증가시키고 작동 및 자재 비용을 감소시킴에 의해 최적화될 수 있다. VOC 제거 효율을 증가시키는 기술은, 예컨대 개선된 산화 시스템 및 퍼지 시스템(예컨대, 엔트랩먼트 쳄버) 등의 수단, 및 전환 중에 산화장치 내의 미처리된 가스의 체적을 처리하게 되는 3개 이상의 열 교환기를 이용하는 것으로 문헌에 나타나 있다. 작동 비용은 열 회수율을 증가시키고, 산화장치에 걸친 압력 강하를 감소시킴에 의해 줄어들 수 있다. 작동 및 자재 비용은 산화장치를 적절하게 설계하고 열 전달 패킹 재료를 적절하게 선택함에 의해 절감될 수 있다.
효율적인 산화장치의 중요한 요소는 하나의 열 교환 칼럼에서 다른 칼럼으로의 프로세스 가스의 유동을 절환하도록 사용되는 밸브이다. 이 밸브 시스템을 통한 미처리된 프로세스 가스의 어떠한 누출도 장치의 효율을 감소시킬 것이다. 또한, 시스템의 압력 및/또는 유동의 장애 및 변동이 밸브 절환 중에 야기될 수 있고 이는 바람직하지 않다. 또한, 밸브 마모도 문제이고, 특히 재생 열 산화장치 분야에서 밸브 절환의 높은 빈도수가 문제로 된다.
종래의 하나의 2-칼럼 설계에서는 한 쌍의 포핏(poppet) 밸브를 사용하며,하나는 제1 열 교환 칼럼과 관련되고, 하나는 제2 열 교환 칼럼과 연관된다. 포핏 밸브가 신속한 작용을 나타내기는 하지만, 사이클 중에 밸브가 절환될 때, 그 밸브들에 걸친 미처리된 프로세스 가스의 누출이 불가피하게 발생된다. 예컨대, 사이클 중에 2개의 쳄버의 산화장치에서, 입구 밸브와 출구 밸브가 모두 부분적으로 개방되는 시점이 있다. 그 시점에서, 프로세스 가스 유동에 대한 저항이 없어지게 되어, 유동이 처리되지 않고 입구로부터 직접 출구로 진행하게 된다. 또한, 밸브 시스템과 연계된 덕트가 있기 때문에, 포핏 밸브 하우징과 상기 연관된 덕트 내 둘다의 미처리된 가스의 체적이 잠재적인 누출 체적을 나타내게 된다. 상기 밸브에 걸친 미처리된 프로세스 가스의 누출이 장치에서 미처리된 가스가 배출되도록 허용하게 되어, 이러한 누출은 실질적으로 장치의 제거율을 감소시키게 된다. 또한, 종래의 밸브 설계에서는 절환 중에 압력 파동을 야기하게 되어, 그러한 누출 가능성을 악화시킨다.
유사한 누출 가능성이 종래의 로터리 밸브 시스템에도 존재한다. 또한, 이러한 로터리 밸브 시스템은 통상적으로 시간 경과 시에 누출할 수 있는 많은 내부 디바이더들을 포함하며, 구성 및 유지 비용이 많이 소요된다. 예컨대, 미국 특허 제 5,871,349호에서, 도1은 각각 누출에 대해 취약점이 될 수 있는, 12개의 금속 벽들을 가진 12개의 쳄버들로 된 산화장치를 개시하고 있다.
따라서, 2개의 쳄버의 장치로서 간단하고 비용면에서 효과적이며, 각각의 단점이 없이, 제어가 원활하고 로터리 밸브 시스템의 VOC 제거율이 높은 재생 열 산화장치를 제공함이 바람직하다.
본 발명은 절환 밸브 및 그 절환 밸브를 포함하는 재생 열 산화장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 열 산화장치의 사시도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 열 산화장치의 확대 사시도,
도3은 본 발명에 따른 콜드 페이스 플리넘의 사시도,
도4는 본 발명에 따른 밸브 포트들의 저면 사시도,
도5는 본 발명에 따른 유동 분배기 절환 밸브의 사시도,
도5a는 본 발명에 따른 유동 분배기 절환 밸브의 단면도,
도6은 본 발명에 따른 절환 밸브 구동 메카니즘의 사시도,
도7a, 7b,7c 및 7d는 본 발명에 따른 절환 밸브를 통한 유동의 개략적인 다이어그램,
도8은 본 발명에 따른 유동 분배기의 일부분의 사시도,
도9는 본 발명에 따른 밀봉 판의 평면도,
도9a는 도9의 밀봉 판의 일부분의 단면도,
도10은 본 발명에 따른 유동 분배기의 축의 사시도,
도11은 본 발명에 따른 회전 포트의 단면도, 및
도12는 본 발명에 따른 구동 축의 하부 부분의 단면도이다.
종래 기술의 문제점은, 단일 절환 밸브 및 그 절환 밸브를 포함하는 재생 열 산화장치를 제공하는 본 발명에 의해 극복된다. 본 발명의 밸브는 우수한 밀봉 특성을 나타내고 마모를 최소화한다. 상기 밸브는 2개의 쳄버를 형성하는 밀봉 판을 포함하고, 각 쳄버는 산화장치의 2개의 재생 베드들 중 하나로 인도하는 유동 포트이다. 또한, 상기 밸브는 밀봉 판의 각 절반부로의 프로세스 가스의 입구 또는 출구의 교대의 채널을 제공하는 절환 유동 분배기를 포함한다. 상기 밸브는 : 고정 모드 및 밸브 이동 모드의 2개의 모드들 사이에서 작동한다. 고정 모드에서, 프로세스 가스 누출을 최소화 또는 방지하도록 빈틈없는 가스 밀봉부가 사용된다. 또한, 상기 가스 밀봉부는 밸브 이동 중에도 밀봉을 제공한다. 상기 밸브는 콤팩트한 설계로 되어, 종래 설계에서 요구되는 덕트를 필요로 하지 않는다. 이로써 사이클 중에 차지하게 되는 프로세스 가스용 체적이 줄게 되어, 사이클 중에 미처리된 채 남겨지는 오염된 프로세스 가스를 줄이게 된다. 연관된 배플이 절환 중에 밸브에 걸친 미처리된 프로세스 가스 누출을 최소화 또는 방지하게 된다. 종래 2개 또는 4개 사용되던 대신에, 단일 밸브를 사용함으로써 밀봉을 필요로 하는 영역이 크게 감소된다. 상기 절환 유동 분배기의 외형은 그 유동 분배기가 열 교환 베드에 가깝게 배치될 수 있으므로 프로세스 가스가 진행하는 거리 및 턴 회수가 감소된다. 이로써 밸브 절환 중에 트랩되는 미처리된 가스의 체적이 감소된다. 프로세스 가스가 입구 사이클에서 출구 사이클에서와 동일한 밸브 포트를 통과하기 때문에, 열 교환 베드로의 가스 분배가 개선된다.
최소의 압력 변동, 우수한 밀봉, 및 절환 중의 최소 또는 전무한 바이패스를 갖는 밸브 절환이 얻어진다. 절환 중의 바이패스의 제거의 면에서, 종래 절환 중에 시스템 내의 미처리된 가스의 체적을 저장하도록 사용된 엔트랩먼트 쳄버들이 필요하지 않게 됨으로써, 상당한 비용을 절감할 수 있게 된다.
도1 및 도2를 참조하면, 프레임(12)상에 지지되어 있는 투-쳄버 재생 열 산화장치(10)(촉매 또는 비촉매)가 도시된다. 상기 산화 장치(10)는 중앙에 배치된 연소 영역과 소통하는 제1 및 제2 열 교환 쳄버가 있는 하우징(15)을 포함한다. 버너(도시 안됨)는 상기 연소 영역과 연계되어 있고, 연소 블로워가 프레임(12)상에 지지되어 버너로 연소 공기를 공급하게 된다. 상기 연소 영역은 통상 대기중으로 i인도하는 배기 굴뚝(16)과 유체 소통하는 바이패스 출구(14)를 포함한다. 제어 캐비닛(11)은 장치의 제어부를 내장하고 있으며 또한 프레임(12)상에 배치됨이 바람직하다. 제어 캐비닛(11) 반대편에 팬(도시 안됨)이 프레임(12)상에 지지되어 프로세스 가스를 산화 장치(10)로 구동한다. 하우징(15)은 작동자를 하우징(15)내로 액세스하는 하나 이상의 액세스 도어(18)를 가진 상부 쳄버 또는 지붕(17)을 포함한다. 당업자라면 산화 장치의 상기한 설명이 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위 내에서, 2개 이상 또는 이하의 쳄버를 가진 산화 장치, 수평으로 배향되는 쳄버를 가진 산화 장치, 및 촉매 산화 장치를 포함하는 다른 설계로 될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도2에 잘 도시되어 있는 바와 같이 콜드 페이스 플리넘(cold face plenum)(20)이 하우징(15)의 기부를 형성하고 있다. 상기 플리넘(20)상에 적절한 지지 격자(19)가 제공되어 상세하게 후술되는 바와 같이 각각의 열 교환 칼럼의 열 교환 매트릭스를 지지한다. 도시된 실시예에서, 열 교환 쳄버는 절연됨이 바람직한 분리 벽(21)에 의해 분리되어 있다. 또한, 도시된 실시예에서, 열 교환 베드를 통한 유동은 수직으로 되며, 프로세스 가스는 상기 칼럼(20)에 배치된 밸브 포트로부터 진입하여, 제1 베드로 (지붕(17)을 향해) 상방으로 유동하여, 제1 베드와 소통하는 연소 영역으로 진입하며, 그 연소 영역으로부터 제2 쳄버로 유동하여, 그곳에서 상기 플리넘(20)을 향해 제2 베드를 통해 하방으로 유동한다. 그러나, 당업자라면 열 교환 칼럼이 서로 대향하여 중앙에 배치된 연소 영역에 의해 분리된 것 등의, 수평 배열을 포함한 다른 방위도 적합함을 알 수 있을 것이다.
이제 도3을 참조하여, 상기 콜드 페이스 플리넘(20)을 상세하게 설명한다. 상기 플리넘(20)은 가스 유동 분포를 보조하도록 밸브 포트(25)를 향해 외벽(20A,20B)에서 하방으로 경사져 있는 플로어(23)를 가진다. 플로어(23)상에 다수의 배플 디바이더(24), 및 쳄버 디바이더(124)가 지지되어 있다. 상기 배플 디바이더(24)는 밸프 포트들(25)을 분리하며, 밸브 절환 중에 압력 변동을 감소시킨다. 상기 쳄버 디바이더(124)는 열 교환 쳄버들을 분리한다. 쳄버 디바이더(124A,124D,124E,124H)는 각각 서로 접속되거나 또는 분리될 수 있다. 밸브 포트(25A)는 쳄버 디바이더(124A) 및 배플(24B) 사이에 한정되며; 밸브 포트(25B)는 배플들(24B,24C) 사이에 한정되며; 밸브 포트(25C)는 배플(24C) 및 쳄버 디바이더(124D) 사이에 한정되며; 밸브 포트(25D)는 쳄버 디바이더(124E) 및 배플(24F) 사이에 한정되며; 밸브 포트(25E)는 배플들(24F,24G) 사이에 한정되며; 밸브 포트(25F)는 배플(24G) 및 쳄버 디바이더(124H) 사이에 한정된다. 배플 디바이더(24)의 수는 밸브 포트(25)의 수의 함수이다. 도시된 바람직한 실시예에서, 6개의 밸브 포트들(25)이 있지만, 그 이상 또는 이하가 사용될 수 있다. 예컨대, 4개의 밸브 포트만이 사용되는 실시예에서, 하나의 배플 디바이더만이 필요하게 된다. 밸브 포트 및 대응하는 배플 디바이더의 수에 관계없이, 밸브 포트는 대칭의 동일한 형상으로 됨이 바람직하다.
배플의 높이는 배플들의 상부면들이 함께 수평 레벨 평면을 형성하도록 됨이 바람직하다. 도시된 실시예에서, 밸브 포트에서 가장 먼 배플 부분은 상기한 바와 같이 경사진 플리넘의 플로어(23)를 수용하도록 가장 짧게 되어 있다. 이와 같이 형성된 수평 레벨 평면은 상세하게 후술되는 바와 같이 각각의 열 교환 칼럼에서 열 교환 매체를 지지하기에 적합하다. 도시된 6개의 밸브 포트 실시예에서, 배플(24B,24C,24F,24G)은 그들이 밸브 포트들(25)로부터 연장되는 경우에 상기 플리넘(20)의 길이방향 중앙선 L-L에 대해 약 45°의 각도를 이루고, 계속하여 외벽(20A,20B)을 향해 연장되는 경우 상기 중앙선 L-L에 대해 평행하게 됨이 바람직하다. 배플(24A,24D,24E,24H)은 그들이 밸브 포트들(25)로부터 연장되는 경우에 상기 플리넘(20)의 위도방향 중앙선 H-H에 대해 약 22.5°의 각도를 이루고, 계속하여 외벽(20C,20D)을 향해 연장되는 경우 상기 중앙선 H-H에 대해 평행하게 됨이 바람직하다.
상기 플리넘(20)의 벽들(20A,20B,20C,20D) 뿐만 아니라 배플들(24B,24C,24F,24G)은 배플(25)의 상부 면에 의해 형성된 수평 평면보다 약간 낮게 연장되는 립(26)을 포함한다. 상기 립(26)은 상기 콜드 페이스 지지 격자(19)(도2)를 수용하여 지지하며, 각 칼럼의 열 교환 매체를 지지한다. 상기 열 교환 매체가 세라믹 새들(saddle), 구형 또는 다른 형상 등의 랜덤하게 채워진 매체를 포함하는 경우에, 배플들(24)은 그 매체를 분리시키도록 더 높게 연장될 수 있다. 그러나, 통상의 로터리 밸브 설계에서와 같이 배플들 사이의 완전한 밀봉은 필요하지 않다.
도4는 바닥에서 본 밸브 포트(25)의 저면도이다. 플레이트(28)는 2개의 대향하는 대칭의 구멍들(29A,29B)을 가지며, 배플들(26)과 함께 밸브 포트(25)를 형성한다. 각 밸브 포트(25)에 임의로 턴 베인(27)이 배치된다. 각 턴 베인(27)은 플레이트(28)에 고정된 제1 단부, 및 각 측면의 배플(24)(도3에 도시됨)에 고정된 제1 단부에서 떨어져 있는 제2 단부를 가진다. 각 턴 베인(27)은 그의 제1 단부에서 제2 단부를 향해 넓어지며, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 상방으로 각을 이루게 된 후에 27A에서 수평으로 평탄해진다. 상기 턴 베인(27)은 밸브 포트에서 배출되는 프로세스 가스의 유동을 밸브 포트에서 멀어지게 배향시키도록 작용함으로써 작동 중에 상기 플리넘에 걸쳐 분포되도록 협력한다. 상기 플리넘(20)으로의 균일한 분포는 최적의 열 교환 효율을 위해 열 교환 매체를 통한 균일한 분포를 보장한다.
도5 및 도5a는 프로세스 가스 입구(48) 및 프로세스 가스 출구(49)(상기 프로세스 가스 입구(48)가 출구로 될 수 있고 프로세스 가스 출구(49)가 입구로 될 수 있지만, 설명의 목적으로 여기에서는 앞의 경우가 이용되는 것임)를 가진 매니폴드(51)에 내장된 유동 분배기(50)를 나타낸다. 상기 유동 분배기(50)는 상세하게 후술되는 바와 같이 구동 메카니즘에 결합된 중공 원통형 구동 축(52)(도5a)을 포함한다. 구동 축(52)에는 부분 절두 원추형 부재(53)가 결합된다. 상기 부재(53)는 2개의 대향하는 파이형 밀봉 면(55,56)으로 형성된 결합 플레이트를 포함하며, 각밀봉 면은 원형 외측 에지(54)에 의해 연결되어 구동 축(52)에서 45°의 각도로 바깥쪽으로 연장되어, 상기 2개의 밀봉 면(55,56)과 외측 에지(54)에 의해 한정된 공간이 제1 가스 루트 또는 통로(60)를 형성한다. 유사하게, 제2 가스 루트 또는 통로(61)는 제1 통로, 및 3개의 각을 이룬 측면 플레이트들, 즉 각이 진 대향하는 측면 플레이트(57A,57B) 및 중앙의 각이 진 플레이트(57C)에 대향하게 밀봉 면(55,56)에 의해 형성된다. 상기 각이 진 측면 플레이트(57)는 통로(61)로부터 통로(60)를 분리한다. 이들 통로(60,61)의 상부는 플레이트(28)의 대칭의 구멍들(29A,29B)의 형태가 매칭되도록 설계되며, 조립된 상태에서, 각 통로(60,61)는 각 구멍(29A,29B)과 정렬된다. 임의의 주어진 시점에서의 유동 분배기(50)의 배향에 관계없이, 통로(61)는 입구(48)와만 유체 소통하며, 통로(60)는 플리넘(47)을 통해 출구(49)와만 유체 소통된다. 따라서, 입구(48)를 통해 매니폴드(51)로 진입된 프로세스 가스는 통로(61)를 통해서만 유동하고, 밸브 포트(25)에서 통로(60)로 진입된 프로세스 가스는 플리넘(47)을 통해 출구(49)를 통해서만 유동한다.
밀봉 플레이트(100)(도9)는 밸브 포트(25)(도4)를 한정하는 플레이트(28)에 결합된다. 상세하게 후술되는 바와 같이, 유동 분배기(50)의 상부 면과 밀봉 플레이트(100) 사이에는 공기 시일이 사용됨이 바람직하다. 유동 분배기는 구동 축(52)을 통해 고정 플레이트(28)에 대해 수직 축을 중심으로 회전 가능하다. 이러한 회전에 의해 후술하는 바와 같이 밀봉 면(55,56)을 구멍(29A,29B)과 폐쇄 정합을 이루거나 이루지 않게 되도록 이동시킨다.
이제 도6을 참조하면, 유동 분배기(50)를 구동하기 위한 적절한 구동 메카니즘이 도시된다. 상기 구동 메카니즘은 기부(71)를 포함하고 프레임(12)상에 지지된다(도1). 한 쌍의 랙 지지부(73A,73B) 및 실린더 지지부(74)가 기부(71)에 결합된다. 실린더(75A,75B)는 실린더 지지부(74)에 의해 지지되며, 각 랙(76A,76B)을 작용시킨다. 각 랙은 스퍼 기어(77)상의 스퍼(77A)에 대해 대응하는 형상의 다수의 홈을 가진다. 유동 분배기(50)의 구동 축(52)은 스퍼 기어(77)에 결합된다. 실린더(75A,75B)의 작용에 의해 그에 부착된 각 랙(76)이 이동하게 되어, 스퍼 기어(77)를 회전 이동시키며, 구동 축(52) 및 그에 부착된 유동 분배기(50)를 수직 축을 중심으로 회전시킨다. 랙과 피니언은 구동 축(52)을 전후로 180°회전하는 형태로 설계됨이 바람직하다. 그러나, 당업자라면 본 발명의 범위 내에서, 유동 분배기의 완전 360°회전이 실현되는 구동을 포함한 다른 설계로 될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 다른 적절한 구동 메카니즘으로는 유압 액튜에이터 및 인덱서를 포함한다.
도7a-7d는 2개의 입구 포트 및 2개의 출구 포트를 가진 밸브의 통상의 절환 사이클 중의 유동 방향을 개략적으로 나타낸다. 이 도면들에서, 쳄버 A는 입구 쳄버이고 쳄버 B는 2 칼럼 산화 장치의 출구 쳄버이다. 도7a는 밸브의 완전 개방시의 고정 위치를 나타낸다. 따라서, 밸브 포트(25A,25B)는 완전 개방 입구 모드이고, 밸브 포트(25C,25D)는 완전 개방 출구 모드이다. 프로세스 가스는 밸브 포트(25A,25B)를 통해 쳄버 A로 진입하여, 가열된 쳄버 A의 열 교환 매체를 통해 유동하며, 아직 산화되지 않은 임의의 휘발성 성분들이 산화되는 쳄버 A와 소통하는 연소 영역을 통해 유동하여, 상기 연소 영역과 소통하는 쳄버 B를 통해 유동하면서 냉각된 다음, 밸브 포트(25C,25D)를 통해 예컨대 대기 중으로 개방된 배기 굴뚝으로 유동된다. 이 작동 모드의 통상적인 기간은 약 1 내지 4분이고, 약 3분이 바람직하다.
도7b는 모드 변화의 개시를 나타내며, 60°의 밸브 회전이 발생되고, 통상 약 0.5 내지 2초가 걸린다. 도시된 위치에서, 밸브 포트(25B)가 폐쇄되고, 따라서 이 포트를 통한 쳄버 A로 또는 쳄버 A로부터의 유동이 차단되며, 밸브 포트(25C)가 폐쇄되어, 그 포트를 통한 쳄버 B로 또는 쳄버 B로부터의 유동이 차단된다. 밸브 포트(25A,25D)는 개방으로 유지된다.
유동 분배기를 계속해서 60°더 회전시키는 경우, 도7c에서 밸브 포트(25A,25D)가 차단됨을 나타낸다. 그러나, 밸브 포트(25B)는 개방되게 되지만, 출구 모드에서는, 프로세스 가스가 포트(25B)를 통해 쳄버 A에서 유출되어 배기 굴뚝 등으로 유동되는 것만이 허용된다. 유사하게, 이제 밸브 포트(25C)가 개방되지만, 입구 모드에서는, 프로세스 가스가 쳄버 B로(도7a의 출구 모드에서의 경우와 같이 쳄버 B의 외측이 아님) 유동하는 것만이 허용된다.
유동 분배기를 마지막으로 60°회전시키는 경우를 도7d에 나타낸다. 이제 쳄버 A는 완전 개방 출구 모드이고, 쳄버 B는 완전 개방 입구 모드이다. 따라서, 밸브 포트(25A,25B,25C,25D)는 모두 완전 개방 상태이고, 유동 분배기는 휴지된다. 상기 유동이 다시 역전될 때, 유동 분배기는 바람직하게 이동하여온 방향으로부터 180°뒤로 회전하여 도7a의 위치로 복귀되며, 종전의 회전 방향과 동일 방향으로 계속하여 180°회전하는 것도 본 발명의 범위내이다.
도3의 6개의 밸브 포트 시스템도 유사한 형식으로 작동한다. 따라서, 각 밸브 포트는 60°가 아닌 45°로 된다. 도3의 밸브 포트(25A,25B,25C)는 입구 모드이고 완전 개방되며, 밸브 포트(25D,25E,25F)는 출구 모드이고 완전 개방된 것으로 하면, 상기 사이클의 제1 단계는 45°의 밸브 턴(시계 방향)이고, 밸브 포트(25C)로 그리고 밸브 포트(25F)에서의 유동을 차단한다. 밸브 포트(25A,25B)는 입구 개방 위치에 유지되며, 밸브 포트(25D,25E)는 출구 개방 위치에 유지된다. 유동 분배기가 시계방향으로 45°더 회전되면, 밸브 포트(25C)는 출구 개방 위치에 있게 되고, 밸브 포트(25B)는 차단되며, 밸브 포트(25A)는 입구 개방 위치에 유지된다. 유사하게, 이제 밸브 포트(25F)는 입구 개방 위치에 있게 되고, 밸브 포트(25E)는 차단되며, 밸브 포트(25D)는 출구 개방 위치에 유지된다. 유동 분배기가 계속해서 45°더 회전되면, 밸브 포트(25C,25B)는 입구 개방 위치에 있게 되고, 밸브 포트(25A)는 차단된다. 유사하게, 밸브 포트(25F,25E)는 입구 개방 위치에 있게 되고, 밸브 포트(25F)는 차단된다. 최종 위치에서, 유동 분배기는 45°더 회전되어 정지하게 되며, 모든 밸브 포트들(25A,25B,25C)는 출구 개방 위치에 있게 되고, 모든 밸브 포트(25D,25E,25F)는 입구 개방 위치에 있게 된다.
전술한 바에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 로터리 밸브에 대한 본 발명의 하나의 장점은 유동 분배기가 대부분 시간에 고정되어 있는 점이다. 그 유동 분배기는 입구-출구 사이클 전환 중에만 이동되며, 그러한 이동은, 쳄버 A 또는 쳄버 B 중 하나가 입구 모드이고 다른 하나가 출구 모드인 동안 유동 분배기가 고정되어 있는 수분의 기간에 비해, 수초 동안만(일반적으로 전체 약 0.5초 내지 4초 동안)지속된다. 이와 대조적으로, 대부분의 종래의 로터리 밸브들은 지속적으로 이동하게 되어, 장치의 여러 부품들의 마모를 가속화하고 결과적으로 누출을 야기할 수 있다. 본 발명의 다른 장점은 아직 세정되지 않은 프로세스 가스로부터 세정된 가스를 분리하는 물리적 공간이, 밸브 자체 및 쳄버(쳄버 디바이더(124E,124D), 및 디바이더(124H,124A) 사이의 공간(80)(도3)), 및 상기 쳄버 디바이더(124E,124H)와 (124A,124D)에 의해 형성되는 이중 벽 모두에서, 크다는 점이다. 또한, 상기 밸브가 하나의 작용 시스템만을 갖기 때문에, 다수의 작용 시스템이 함께 작동되어야 하는 종래 기술과 다르게, 상기 밸브가 빠르게 또는 느리게 이동하는 경우에 성공적으로 작용하게 된다. 더 구체적으로, 종래 기술에서는, 예컨대 하나의 포핏 밸브가 다른 것에 대해 느리게 되는 경우, 프로세스 유동의 누출 또는 손실 또는 큰 압력 펄스가 발생되었던 것이다.
본 발명의 또 다른 장점은 절환 작동 중에 존재하는 저항이 있는 점이다. 상기한 포핏 밸브와 같은 종래의 밸브에서는, 양 밸브들이 부분 개방(즉, 하나는 폐쇄되고 다른 하나는 개방된 경우)될 때, 유동에 대한 저항이 영에 가깝다. 그 결과, 단위 시간당 가스의 유동이 실제로 증가할 수 있고, 절환 중에 부분적으로 개방된 양 밸브에 걸친 가스의 누출을 더욱 왕성하게 한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 유동 분배기에서는 동시에 부분적으로만 폐쇄함에 의해 입구(또는 출구)를 점차로 폐쇄하므로, 절환 중에 저항이 영으로 감소되지 않고 실제로 증가됨으로써, 절환 중에 밸브 포트에 걸친 프로세스 가스의 유동을 제한하여 누출을 최소화한다.
이제 도5, 도8 및 도9를 참조하여 상기 밸브를 밀봉하기 위한 바람직한 방법에 대해 설명한다. 유동 분배기(50)는 이동시에 마모를 최소로 또는 없게 하도록 공기 쿠션 위에 얹혀있게 된다. 당업자라면, 공기가 바람직하고 본 명세서에서 설명의 목적으로 언급되고 있지만, 공기 이외의 가스도 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 공기 쿠션은 밸브를 밀봉할 뿐만 아니라, 유동 분배기 이동시에 마찰이 없거나 또는 거의 없게 한다. 연소 영역 버너에 연소 공기를 공급하도록 사용되는 팬과 같거나 또는 다른 팬 등의 가압 배출 시스템이 유동 분배기(50)의 구동 축(52)에 적절한 덕트(도시 안됨) 및 플리넘(64)을 통해 공기를 공급한다. 도8에 잘 도시된 바와 같이, 그 공기는 구동 메카니즘(70)에 결합된 구동 축(52)의 기부(82)상의 구동 축(52)의 본체에 형성된 하나 이상의 구멍(81)을 통해 덕트로부터 구동 축(52)으로 이동한다. 구멍(81)의 정확한 위치는, 구동 축(52)을 중심으로 대칭으로 배치되어 동일 크기로 일치됨이 바람직하지만, 특히 한정되지는 않는다. 가압 공기는 도8에 화살표로 나타낸 바와 같이 축을 따라 상향으로 유동하며, 일부가 상세하게 후술하는 바와 같이 환형 회전 포트(90)에 배치된 하나 이상의 피스톤 링 밀봉부와 소통하는 하나 이상의 반경방향 덕트(83)로 진입한다. 상기 반경방향 덕트(83)로 진입하지 않은 공기의 일부는 통로(94)에 이를 때까지 축(52)을 따라 계속 상향으로 이동하여, 파이형 웨지(55,56)에 의해 형성된 부분 및 반(semi)-환형부(95)를 가진 채널에 공기를 분배한다.
유동 분배기(50)의 결합면, 특히, 파이형 웨지(55,56)와 외측 환형 에지(54)의 결합면들에는 도5에 도시된 바와 같이 다수의 구멍들(96)이 형성된다. 채널(95)에서의 가압 공기는 도8에 화살표로 나타낸 바와 같이 구멍들(96)을 통해 채널(95)에서 배출되어, 유동 분배기(50)의 상부면과 도9에 도시된 고정 밀봉판(100) 사이에 공기 쿠션을 형성한다. 밀봉판(100)은 유동 분배기(50)의 상부면(54)의 폭에 대응하는 폭을 가진 외측 환형 에지(102), 및 유동 분배기(50)의 파이형 웨지(55,56)에 대응하는 형상으로 된 한 쌍의 파이형 요소(105,106)를 포함한다. 그 밀봉판은 밸브 포트의 판(28)(도4)에 결합된다. 구멍(104)은 유동 분배기(50)에 결합된 축 핀(59)(도8)을 수용한다. 유동 분배기에 대향하는 외측 환형 에지(102)의 하면은 유동 분배기(50)의 결합면의 구멍들(96)과 정렬되는 하나 이상의 환형 홈(99)(도9a)을 포함한다. 바람직하게 상기 홈(99)의 2개의 동심 행들, 및 2개의 대응하는 구멍들(96)의 행들이 있다. 따라서, 홈(99)은 상부면(54)의 구멍(96)들에서 공기를 배출시키는데 조력하여 결합면(54)과 밀봉판(100)의 외측 환형 에지(102) 사이에 공기 쿠션을 형성한다. 또한, 파이형 부분(55,56)의 구멍(96)에서 배출되는 공기는 파이형 부분(55,56) 및 밀봉판(100)의 파이형 부분(105,106) 사이에 공기 쿠션을 형성한다. 이들 공기 쿠션은 세정되지 않은 프로세스 가스의 세정된 프로세스 가스의 유동으로의 누출을 최소화 또는 방지한다. 유동 분배기(50) 및 밀봉판(100) 양쪽의 비교적 큰 파이형 웨지는, 미처리된 가스가 횡단하도록 함으로써 누출을 야기하게 되는 유동 분배기(50)의 상부에 걸쳐 긴 경로를 제공한다. 유동 분배기가 작동 중에 대부분 기간 동안 고정되어 있으므로, 밸브의 모든 결합면들 사이에 관통할 수 없는 공기 쿠션을 형성한다. 유동 분배기가 이동하여야 할 때, 밸브를 밀봉하도록 사용된 공기 쿠션은 유동 분배기(50)와 밀봉판(100) 사이에 마모를 야기하게 되는 높은 접촉 압력을 제거하는 작용을 한다.
바람직하게 가압 공기는 밸브가 사용되는 장치에 프로세스 가스를 공급하는 팬과는 다른 팬에서 배출되어, 밀봉 공기의 압력이 입구 또는 출구 프로세스 가스의 압력보다 높게 됨으로써, 확실한 밀봉을 제공한다.
유동 분배기(50)는 도10 및 도11에 도시된 바와 같이 회전하는 포트를 포함한다. 유동 분배기(50)의 절두 원추형 부분(53)은 외측 링 밀봉부로서 작용하는 환형 원통 벽(110)을 중심으로 회전한다. 상기 벽(110)은 그의 중심을 잡아서 매니폴드(51)에 대해 벽을 고정시키도록(도5a에도 도시됨) 사용되는 외측 환형 플랜지(111)를 포함한다. E자형 내측 링 밀봉 부재(116)(금속으로 제조됨이 바람직함)가 유동 분배기(50)에 결합되며 평행하게 이격된 한 쌍의 홈(115A,115B)이 형성되어 있다. 도시된 바와 같이 피스톤 링(112A)은 홈(115A)에 장착되고, 피스톤 링(112B)은 홈(115B)에 장착된다. 각 피스톤 링(112)은 외측 링 밀봉 벽(110)에 대해 바이어스되어, 유동 분배기(50)가 회전하더라도 고정되어 유지된다. 가압 공기(또는 가스)는 도11에 화살표로 나타낸 바와 같이 반경방향 덕트(83), 및 각각의 반경방향 덕트(83)와 소통하는 구멍(84)을 통해, 피스톤 링(112A,112B) 사이의 채널(119) 및 각 피스톤 링(112)과 내측 링 밀봉부(116) 사이의 갭으로 유동한다. 유동 분배기가 고정된 원통형 벽(110)(및 피스톤 링(112A,112B))에 대해 회전할 때, 채널(119)의 공기가 2개의 피스톤 링(112A,112B) 사이의 공간을 압축하여, 연속적이고 비마찰형의 밀봉부를 형성한다. 피스톤 링(112)과 내측 피스톤 밀봉부(116) 사이의 갭, 및 내측 피스톤 밀봉부(116)와 벽(110) 사이의 갭(85)은열 팽창 또는 다른 요인들로 인한 구동 축(52)에서의 어떠한 이동(축방향 또는 다른 방향)도 수용한다. 당업자라면 2개의 피스톤 링 밀봉부가 도시되어 있지만, 더욱 완전한 밀봉을 위해 3개 이상의 피스톤 링이 사용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 밀봉을 위해 양 또는 음의 압력이 사용될 수 있다.
도12는 축(52)에 가압 공기를 공급하는 플리넘(64)이 구동 축(52)에 대해 밀봉되는 방법을 나타낸다. 상기 밀봉은, 밀봉부가 가압되지 않고, 플리넘(64) 상하의 각 밀봉부에 대해 하나의 피스톤 링만이 사용되는 점을 제외하면, 전술한 회전 포트의 경우와 유사하다. 예시한 바와 같이 플리넘(64)상의 밀봉부를 사용하면, 중앙 홈을 뚫어서 C자형 내측 링 밀봉부(216)가 형성된다. 외측 링 밀봉부로서 작용하는 고정된 환형 원통 벽(210)은 상기 벽(210)의 중심을 잡아서 플리넘(64)에 대해 고정시키도록 사용되는 외측 환형 플랜지(211)를 포함한다. 고정 피스톤 링(212)은 상기 C자형 내측 링 밀봉부(216)에 형성된 홈에 장착되어 벽(210)에 대해 바이어스된다. 피스톤 링(212)과 C자형 내측 밀봉부(216)의 중앙 홈 사이의 갭, 및 C자형 내측 밀봉부(216)와 외측 원통형 벽(210) 사이의 갭은 열 팽창 등으로 인한 구동 축(52)의 어떠한 이동도 수용한다. 유사한 원통형 벽(310), C자형 내측 밀봉부(316) 및 피스톤 링(312)이 도12에 도시된 바와 같이 플리넘(64)의 대향 측 상에서 사용된다.
작동 시에, 제1 모드에서, 미처리된("오염된") 프로세스 가스가 유동 분배기(50)의 통로(61)를 통해 입구(48), 및 이 모드에서 상기 통로(61)와 소통하여 개방되어 있는 각 밸브 포트들(25)로 유동한다. 다음, 상기 미처리된 프로세스가스는 콜드 페이스 플리넘(20)에 의해 지지된 뜨거운 열 교환 매체 및 처리되는 연소 영역을 통해 상향으로 유동한 후, 세정된 가스가 제2 칼럼에서의 차가운 열 교환 매체를 통해 아래쪽으로 유동하여 냉각되며, 통로(60)와 소통하는 밸브 포트들(25)을 통과하여, 플리넘(47) 및 출구(49)를 통해 배출된다. 상기 차가운 열 교환 매체가 비교적 뜨거워지고 상기 뜨거운 열 교환 매체가 비교적 차가워지면, 구동 축(52) 및 유동 분배기(50)를 회전시키는 구동 메카니즘(70)을 작용시킴에 의해 사이클이 반전된다. 제2 모드에서, 미처리된 프로세스 가스가 다시 유동 분배기의 통로(61)를 통해 입구(48)로 유동하며, 상기 통로는 이제 종전에는 통로(60)와만 유체 소통하였던 다른 밸브 포트들(25)과 유체 소통하게 됨에 따라, 상기 미처리된 프로세스 가스를 이제는 뜨거워진 열 교환 매체 칼럼으로 향하도록 하여 프로세스 가스가 처리되는 연소 영역으로 통과시킨다. 그 후, 세정된 가스는 다른 칼럼의 이제는 차가워진 열 교환 매체를 통해 아래쪽으로 유동하면서 냉각되며, 이제 통로(60)와 소통하는 밸브 포트들(25)을 통과하여, 플리넘(47) 및 출구(49)를 통해 배출된다. 이 사이클은 필요한 만큼, 일반적으로 모두 1-4분간 반복된다.

Claims (22)

  1. 제1 밸브 포트 및 상기 제1 밸브 포트에서 떨어져 있는 제2 밸브 포트;
    입구 통로 및 출구 통로를 가지며, 상기 제1 및 제2 밸브 포트들에 대해, 상기 제1 밸브 포트가 입구 통로와 유체 소통하고 있고 상기 제2 밸브 포트가 출구 통로와 출구 통로와 유체 소통하고 있는 제1 위치, 및 상기 제1 밸브 포트가 출구 통로와 유체 소통하고 있고 상기 제2 밸브 포트가 입구 통로와 유체 소통하고 있는 제2 위치 사이에서 이동 가능하고, 상기 제1 및 제2 위치 사이에 있을 때 상기 제1 밸브 포트의 제1 부분 및 상기 제2 밸브 포트의 제2 부분을 통한 유동을 차단하는 차단면을 가지는 유동 분배기를 포함하는 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밸브 포트는 각각 적어도 2개의 쳄버들로 분할되는 밸브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밸브 포트는 각각 적어도 3개의 쳄버들로 분할되는 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유동 분배기는 상기 제1 및 제2 위치들 사이에서 180°회전 가능한 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 밸브 포트의 제1 및 제2 부분은 일치되는 밸브.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유동 분배기에 결합되는 구동 축; 상기 구동 축과 유체 소통하며 상기 구동 축에서 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 반경방향 덕트; 및 외측 링 밀봉부, 상기 외측 링 밀봉부에서 떨어져 있으며 다수의 보어들을 가진 내측 링 밀봉부, 및 상기 내측 링 밀봉부의 다수의 보어들의 각각에 위치하여 상기 외측 링 밀봉부에 대해 바이어스된 적어도 하나의 피스톤 링을 구비하는 회전 포트를 더 포함하는 밸브.
  7. 제6항에 있어서, 상기 구동 축을 통과하여, 상기 적어도 하나의 반경방향 덕트를 통해, 상기 적어도 하나의 피스톤 링 및 내측 링 밀봉부 사이로 가스를 유동시키는 수단을 더 포함하는 밸브.
  8. 제6항에 있어서, 다수의 피스톤 링들이 제공되고, 상기 구동 축을 통과하여, 상기 적어도 하나의 반경방향 덕트를 통해, 상기 다수의 피스톤 링들 사이로 가스를 유동시키는 수단을 더 포함하는 밸브.
  9. 제1항에 있어서, 밀봉 판을 더 포함하며, 상기 유동 분배기가 가스가 통과하는 다수의 구멍들을 가진 결합면을 더 포함하여, 상기 결합면과 밀봉 판 사이에 가스의 쿠션을 형성하는 밸브.
  10. 제9항에 있어서, 상기 밀봉 판은 상기 다수의 구멍들 중 적어도 하나와 정렬되는 적어도 하나의 환형 홈을 포함하는 밸브.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유동 분배기를 상기 제1 및 제2 위치들 사이에서 이동시키는 구동 수단을 더 포함하는 밸브.
  12. 제11항에 있어서, 상기 구동 수단은 상기 유동 분배기에 결합된 기어를 포함하고, 상기 기어는 다수의 스퍼를 포함하며, 적어도 하나의 랙은 상기 다수의 스퍼들이 끼워맞춤되는 다수의 홈들을 가지며, 이로써 상기 랙의 이동이 상기 기어의 대응하는 이동을 야기하게 되어, 상기 유동 분배기를 회전시키는 밸브.
  13. 연소 영역;
    열 교환 매체를 포함하고 상기 연소 영역과 소통하는 제1 열 교환 베드;
    열 교환 매체를 포함하고 상기 연소 영역과 소통하는 제2 열 교환 베드;
    상기 제1 및 제2 열 교환 베드 사이에서 상기 가스의 유동을 교대하는 밸브로서 :
    상기 제1 열 교환 베드와 유체 소통하는 제1 밸브 포트 및 상기 제1 밸브 포트에서 떨어져 있고 제2 열 교환 베드와 유체 소통하는 제2 밸브 포트;
    입구 통로 및 출구 통로를 가지며, 상기 제1 및 제2 밸브 포트들에 대해, 상기 입구 통로로 진입한 가스가 상기 제1 밸브 포트를 통해 제1 열 교환 칼럼으로 유동하여 상기 제2 열 교환 칼럼 및 제2 밸브 포트를 통해 상기 배출 통로로 배출되는 제1 위치, 및 상기 제1 통로로 진입한 가스가 상기 제2 밸브 포트를 통해 제2 열 교환 칼럼으로 유동하여 상기 제1 열 교환 칼럼 및 제1 밸브 포트를 통해 상기 배출 통로로 배출되는 제2 위치 사이에서 이동 가능하고, 상기 제1 및 제2 위치 사이에 있을 때 상기 제1 및 상기 제2 밸브 포트의 부분을 통한 가스의 유동을 차단하는 차단부를 가지는 유동 분배기를 구비한 밸브를 포함하는, 가스를 처리하기 위한 재생 열 산화장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밸브 포트들을 다수의 쳄버들로 분할하는 적어도 하나의 배플을 가지는 콜드 페이스 플리넘을 더 포함하는 재생 열 산화장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 쳄버들 각각이 일치되는 재생 열 산화장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 유동 분배기는 매니폴드 입구 및 매니폴드 출구를 가진 매니폴드에 내장되고, 상기 매니폴드 입구는 유동 분배기의 제1 통로와 유체 소통하며, 상기 매니폴드 출구는 유동 분배기의 제2 통로와 유체 소통하는 재생 열 산화장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 유동 분배기에 결합되는 구동 축; 상기 구동 축과 유체 소통하며 상기 구동 축에서 반경방향으로 연장하는 적어도 하나의 반경방향 덕트; 및 외측 링 밀봉부, 상기 외측 링 밀봉부에서 떨어져 있으며 다수의 보어들을 가진 내측 링 밀봉부, 및 상기 내측 링 밀봉부의 다수의 보어들 각각에 위치하여 상기 외측 링 밀봉부에 대해 바이어스된 적어도 하나의 피스톤 링을 구비하는 회전 포트를 더 포함하는 재생 열 산화장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 구동 축으로 유동하여, 상기 적어도 하나의 반경방향 덕트 내로, 상기 적어도 하나의 피스톤 링 및 내측 링 밀봉부 사이로 가스를 유동시키는 수단을 더 포함하는 재생 열 산화장치.
  19. 제13항에 있어서, 밀봉 판을 더 포함하며, 상기 유동 분배기는 가스가 통과하는 다수의 구멍들을 가진 결합면을 더 포함하여, 상기 결합면과 밀봉 판 사이에 가스의 쿠션을 형성하는 재생 열 산화장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 밀봉 판은 상기 다수의 구멍들 중 일부와 정렬되는 적어도 하나의 환형 홈을 포함하는 재생 열 산화장치.
  21. 제13항에 있어서, 상기 유동 분배기를 상기 제1 및 제2 위치들 사이에서 이동시키는 구동 수단을 더 포함하는 재생 열 산화장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 구동 수단은 상기 유동 분배기에 결합된 기어를 포함하고, 상기 기어는 다수의 스퍼를 포함하며, 적어도 하나의 랙은 상기 다수의 스퍼들이 끼워맞춤되는 다수의 홈들을 가지며, 이로써 상기 랙의 이동이 상기 기어의 대응하는 이동을 야기하게 되어, 상기 유동 분배기를 회전시키는 재생 열 산화장치.
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