KR20080028914A - 열방사 도포막을 갖는 축열장치 - Google Patents

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Abstract

도포막을 갖는 열교환기용 보온체가 개시되어 있다. 보온체의 적어도 하나의 표면은 보온체의 코어를 형성하는 기판 물질보다 큰 방사율을 갖는 도포막을 형성하는 고방사 물질로 도포되어 있다. 보온체는 벌집, 핀, 구, 타원, 또는 판형상이고, 보온체 내에 하나 또는 복수의 내공이 배치되어 있다. 보온체의 기판은 내화성 물질, 세라믹 물질, 또는 철강재로 형성되어 있다. 따라서, 보온체는 비교적 양호한 열흡수 및 열방출 성능을 갖는다. 또한, 축열 용량이 증가하고, 투열성(iathermancy)이 개선되며, 에너지가 절감된다.
열교환기, 보온체, 도포막, 고방사 물질

Description

열방사 도포막을 갖는 축열장치{A HEAT STORAGE BODY WITH A COATED LAYER FOR HEAT EXCHANGING}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 특히 열교환을 용이하게 하는 고방사(highly-radiative) 도포막을 갖는 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 야금, 기계류, 및 농작물 가공과 같은 산업 분야에서 일반적으로 사용되고 있다. 열교환기의 주기능은 열을 공기 또는 가스에 전달하는데 있다. 열교환기는 석탄, 가스, 기름, 또는 전기를 직접 열원으로서 사용하는 열교환기와, 2차 열원을 사용하는 열교환기로 분류할 수 있다. 열원이 먼저 열교환기의 보온체에 에너지를 전달한 다음, 가열되어야 하는 공기 또는 가스가 그 보온체를 통과한다. 보온체와 공기 또는 가스 사이의 열교환 동안, 보온체로부터는 열이 제거되고, 공기 또는 가스가 가열된다. 일반적으로, 보온체는 내화성 물질, 세라믹 물질, 철재, 또는 철강재로 형성된다.
보온체의 열흡수 및 열방출 능력은 열교환기의 열교환 성능에 있어서 중요한 요소이고, 전력 절감과 직접 관련되어 있다. 열교환기의 열교환 효율을 개선하기 위하여, 중국 특허 CN2462326Y 및 CN2313197Y과 같은 문헌에서는 구조적인 면에서의 개선을 제공하고 있다. 그러나, 보온체의 축열 능력을 개선하고, 이에 따라 열 교환기의 효율을 개선하기 위한, 고방사 물질로 형성된 도포막을 사용하는 열교환기는 지금까지 제안되어 있지 않다.
본 발명은 종래 기술의 결함을 극복하기 위한 것으로서, 그 목적은 열교환을 용이하게 하는, 도포막을 갖는 고효율 생에너지(power-saving) 보온체를 제공하는데 있다.
본 발명은 적어도 하나의 표면이 고방사 물질의 도포막으로 도포되어 있는, 열교환을 용이하게 하는 도포막을 갖는 보온체를 제공한다.
고방사 물질 도포막의 두께는 0.02 내지 3 mm인 것이 바람직하다.
고방사 물질의 방사율은 보온체의 코어를 형성하는 기판 물질보다 큰 것이 바람직하다.
고방사 물질은 보온체의 코어를 형성하는 기판 물질보다 높은 흡수속도 및 방출속도를 갖는 물질인 것이 바람직하다.
보온체는 벌집, 핀(fin), 구(ball), 타원, 또는 판 형상인 것이 바람직하다.
보온체 내에는 하나 또는 복수의 내공(inner hole)이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 내측 구멍의 형상은 원형, 정방형, 장방형, 사방형(rhombic), 육각형, 또는 다각형인 것이 바람직하다. 보온체의 기판은 내화성 물질, 세라믹 물질, 철재, 또는 철강재로 형성되는 것이 바람직하다.
보온체의 단면 형상은 원형, 정방형, 장방형, 사방형, 육각형, 또는 다각형인 것이 바람직하다.
고방사 물질은 내화성 물질, 세라믹 물질, 철재, 또는 강철재로 형성된 보온체에 적합한 고방사 원적외선 물질인 것이 바람직하다.
고방사 물질 도포막은 페이스트 코팅(paste coating), 용사 코팅(spray coating), 또는 딥 코팅(dip coating)에 의해 형성되고, 이 도포막을 갖는 보온체는 코팅 후 직접 사용되거나 또는 고온 경화 후 사용되는 것이 바람직하다.
보온체의 기판 표면은 고방사 물질과 기판 사이의 접착성을 증가시키기 위하여 페이스트 코팅, 용사 코팅, 또는 딥 코팅에 의해 고방사 물질을 도포하기 전에 전처리액으로 전처리되는 것이 바람직하다.
전처리액은 폴리아민 경화제 PA80 (PA80 접착제) 또는 알칼리 금속 규산염(alkali metal silicate)을 함유하는 수용액인 것이 바람직하다.
고방사 물질 내의 고체 성분들은 입자 직경을 20 내지 900 nm로 하고 고방사 물질과 기판 사이의 접착성을 증가시키기 위하여 초미세 처리되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열교환기용 보온체의 표면은 보온체의 코어를 형성하는 기판 물질보다 큰 방사율을 갖는 고방사 물질의 도포막으로 도포되어 있다. 따라서, 열교환기의 열흡수 및 열방출 능력이 증가한다. 그 결과, 보온체의 열흡수 및 열방출이 개선되고, 축열 용량이 증가한다.
한편, 열교환기의 열교환 효율이 증가함으로써 에너지도 절감된다. 특히, 용광로에 있어서 열풍로의 내부연와(checker brick)가 고방사 물질로 도포되어 있는 경우에, 열풍로 내의 온도가 균일하게 분포하고, 축열 용량이 현저하게 증가한다. 이에 따라 순환 공기의 온도가 상승하고, 시동 기간이 짧아지며, 가스량과 공기 유량이 감소한다. 또한, 가스량과 공기 유량이 감소함으로써 에너지가 추가로 절감되고, 풍력 터빈(wind turbine)의 요구가 감소하며, 장치의 전체 비용이 감소한다. 보온체의 도포막은 또한 보온체의 코어를 형성하는 기판을 보호하도록 작용한다. 철강압연 축열로(steel-rolling regenerative furnace)에 있어서 보온체의 표면이 고방사 물질로 도포되어 있는 경우에는, 보온체 내의 온도가 상당히 증가한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 벌집형상 보온체를 보여주는 도면;
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 벌집형상 보온체를 보여주는 도면;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 핀형상(fin-shaped) 보온체를 보여주는 도면;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 판형상 보온체를 보여주는 부분단면도;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 구형상(ball-shaped) 보온체를 보여주는 도면;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 타원형상 보온체를 보여주는 도면; 및
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도포막을 갖는 열교환기용 비금속 보온체를 보여주는 부분단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1-원형 내공; 2-고방사 물질 도포막; 3-원형 내공; 4-고방사 물질 도포막; 5-장방형 내공; 6-고방사 물질 도포막; 7-고방사 물질 도포막; 8-기판; 9-열교환면; 10-기판; 11-고방사 물질 도포막; 12-열교환면; 13-기판; 14-고방사 물질 도포막; 15-열교환면.
실시예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 용광로의 열풍로에 사용되는 보온체는 내부연와이다. 내부연와(보온체)는 복수의 원형 내공(1)을 갖고, 내부연와(보온체)의 모든 표면(내공의 표면을 포함)은 0.02 mm 두께의 고방사 물질의 도포막(2)으로 도포되어 있다. 보온체의 기판은 내화성 물질로 형성되어 있고, 고방사 물질 도포막(2)은 보온체의 기판 물질보다 큰 원적외영역 방사율을 갖는 고방사 물질로 형성되어 있다. 고방사 물질 도포막(2)은 Cr2O3 110중량부, 클레이(clay) 80중량부, 몬모리로나이트(montmorillonite) 90중량부, 브라운 코런덤(brown corundum) 300중량부, 탄화규소(silicon carbide) 100중량부, PA80 접착제 400중량부, 및 물 100중량부를 포함한다. 이들 성분들은 입자 직경이 25 내지 700 nm의 범위 내에 포함되도록 초미세 처리된다. 기존의 열교환기에 비하여, 본 실시예에 따른 열교환기는 20% 이상 에너지를 절감한다.
실시예 2
도 2에 도시된 바와 같이, 벌집형상 보온체의 단면이 장방형이고, 고방사 물질 도포막(4)이 원형 내공(3) 내에 배치되어 있는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시된다.
실시예 3
도 3에 도시된 바와 같이, 열교환기용 보온체는 핀형상이다. 보온체에는 복수의 장방형 내공(5)이 배치되어 있고, 열교환기용 보온체의 모든 표면(내공의 표면을 포함)은 0.03 mm 두께의 고방사 물질 도포막(6)으로 페이스트 코팅에 의해 도포되어 있다. 보온체의 기판은 세라믹 물질로 형성되어 있고, 고방사 물질 도포막(6)은 보온체의 기판 물질보다 큰 원적외선 방사율을 갖는 고방사 물질로 형성되어 있다. 고방사 물질은 산화지르코늄(zirconium oxide) 15중량부, Cr2O3 8중량부, TiO2 10중량부, 몬모리로나이트 2중량부, Al2O3 15중량부, 카보런덤(carborundum) 10중량부, PA80 접착제 30중량부, 및 물 10중량부를 포함한다. 기존의 열교환기에 비하여, 본 실시예에 따른 열교환기의 효율은 10% 이상 개선된다
실시예 4
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 열교환기용 보온체는 판형상이고, 보온체의 표면은 0.1 mm 두께의 고방사 물질의 도포막(7)으로 페이스트 코팅에 의해 도포되어 있다. 보온체의 기판(8)은 철재 및 철강재로 형성되어 있고, 고방사 물질은 기판 물질보다 큰 원적외선 방사율을 갖는 고방사 물질이다. 고방사 물질은 Cr2O3 60중량부, 브라운 코런덤 200중량부, 클레이 50중량부, 몬모리로나이트 30중량부, 탄화규소 200중량부, 수화규산나트륨 겔(hydrated sodium silicate gel) 200중량부, 및 물 100중량부. 도포막(7)의 외표면이 열교환면(9)이 된다. 보온체의 표면은 페이스트 코팅에 의해 고방사 물질을 도포하기 전에 전처리액으로 도포된다. 전처리액은 수화규산나트륨 겔 수용액 10중량%를 포함한다. 기존의 열교환기에 비하여, 본 실시예에 따른 열교환기의 가열 효율은 10% 이상 개선된다.
실시예 5
도 5에 도시된 바와 같이, 열교환기용 보온체는 구형상이고, 보온체의 표면은 페이스트 코팅에 의해 두께 2 mm의 도포막(11)을 형성하는 고방사 물질로 도포되어 있다. 도포막(11)의 외표면은 열교환면(12)이 된다. 보온체의 기판(10)은 내화성 물질로 형성되어 있고, 도포막(11)을 형성하는 고방사 물질은 기판 물질보다 큰 원적외선 방사율을 갖는 고방사 물질. 고방사 물질은 산화지르코늄 5중량부, 산화규소 10중량부, 티타늄 5중량부, 클레이 3중량부, 브라운 코런덤 40중량부, 수산화알루미늄 10중량부, 인산 15중량부, 및 물 12중량부를 포함한다. 기존의 열교환기에 비하여, 본 실시예에 따른 열교환기의 상대온도는 15℃ 이상 증가한다. 본 실시예에 따른 보온체는, 구형상 보온체가 축열로의 일부를 구성하는 축열기 내에서 열교환을 수행하는 축열로에 있어서 적용가능하다.
실시예 6
도 6에 도시된 바와 같이, 열교환기용 보온체가 타원형상인 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 실시된다.
실시예 7
구형상 보온체의 표면은 용사 코팅에 의해 두께 2.5 mm의 도포막을 형성하는 고방사 물질로 도포되어 있다. 도포막은 탄화규소 15중량부, 브라운 코런덤 2중량부, 지르코니아(zirconia) 35중량부, 몬모리로나이트 2중량부, 산화크롬 6중량부, PA80 접착제 27중량부, 및 물 13중량부.
보온체의 표면은 용사 코팅에 의해 고방사 물질을 도포하기 전에 전처리액으로 도포된다. 전처리액은 PA80 접착제 수용액 10중량%를 포함한다.
실시예 8
도 7에 도시된 바와 같이, 보온체의 세라믹 기판(13)의 표면은 페이스트 코팅에 의해 두께 3 mm의 도포막(14)을 형성하는 고방사 물질로 도포되어 있다. 도포막(14)의 외표면은 열교환면(15)이 된다. 도포막은 Fe2O3 60중량부, 지르코니아 5중량부, 수화규산나트륨 겔 20중량부, 및 물 15중량부. 보온체의 표면은 페이스트 코팅에 의해 고방사 물질 도포막으로 도포되기 전에 전처리액으로 도포된다. 전처리액은 수화규산나트륨 겔 수용액 8중량%를 포함한다.
보온체 상에 도포막을 형성하는 고방사 물질은 임의로 선택가능하다. 상기한 실시예들은 예시적인 것일 뿐이며 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라는 점을 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 표면이 도포막을 형성하는 고방사 물질로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는, 도포막을 갖는 열교환기용 보온체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도포막의 두께는 0.02 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 보온체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고방사 물질의 방사율이 보온체를 형성하는 기판 물질보다 큰 것을 특징으로 하는 보온체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 보온체는 벌집, 핀, 구, 타원, 또는 판형상인 것을 특징으로 하는 보온체.
  5. 제 1 항에 있어서, 하나 또는 복수의 내공이 상기 보온체 내에 배치된 하나 또는 복수의 내공을 포함하는 것을 특징으로 하는 보온체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 내공은 원형, 정방형, 장방형, 사방형, 육각형, 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 보온체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보온체의 단면은 원형, 정방형, 장방형, 사방형, 육각형, 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 보온체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 보온체는 표면을 전처리액으로 도포하고, 페이스트 코팅, 용사 코팅, 또는 딥 코팅에 의해 상기 보온체의 기판의 표면을 상기 고방사 물질로 도포하여 도포막을 형성함으로써 제조되고, 상기 전처리액은 폴리아민 경화제 PA80 또는 알칼리 금속 규산염을 함유하는 수용액인 것을 특징으로 하는 보온체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 보온체의 기판은 내화성 물질, 세라믹 물질, 철재, 또는 철강재로 형성되는 것을 특징으로 하는 보온체.
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