KR20080071990A - 증기열 교환기 - Google Patents

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Abstract

증기열 교환기(1)의 증기 가열관(4)은, 응축 전열관부(11)과 하측의 현열 전열관부(12)를 구비하고 있다. 응축 전열관부(11)에 있어서는 잠열에 의하여 가열대상인 액체가 가열된다. 드레인 배출 측에 배치되어 있는 스팀트랩(8) 또는 오리피스(13)의 드레인 배출능력은, 증기열 교환기(1)의 사용온도에 있어서의 응축량과 같도록 설정되어 있다. 응축 전열관부(11)에서 열교환 후에 발생한 응축수는 하류측의 현열 전열관부(12)로 들어가고, 현열 전열관부(12)는 방수상태로 유지된다. 이 현열 전열관부(12)에 있어서, 현열에 의하여 가열대상인 액체가 가열된다. 잠열 및 현열을 이용하여 열교환이 이루어지므로, 열교환 효율이 개선되고, 증기 사용량도 저감시킬 수 있어 증기 발생원의 부하가 경감된다.

Description

증기열 교환기{STEAM HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 도금가공(鍍金加工)에 있어서의 가온처리조(加溫處理槽)를 가열하는 경우 등에 사용하는 데에 적당한 증기열 교환기(蒸氣熱交換機)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 현열(顯熱)을 이용함으로써 적은 증기 사용량으로 효율적으로 가열 대상물을 가열할 수 있는 증기열 교환기에 관한 것이다.
도금가공 등에 있어서의 워크(work; 처리 대상물)의 가온처리조에 있어서는, 조 내의 저면(底面) 측에 증기 가열관(蒸氣加熱管)이 배치된 구성의 증기열 교환기를 사용하여 처리액이 저장된 가열처리조 내에 넣은 워크가 가열되도록 되어 있다. 도3 및 도4에는, 개방형의 처리조에 설치된 종래의 증기열 교환기의 예를 나타내고 있다.
도3에 나타내는 증기열 교환기100은 리프트 피팅(lift fitting) 방식의 증기열 교환기로서, 처리액101이 저장되어 있는 개방형의 가열처리조102의 저면 근방 위치에 있어서, 상하 2단으로 뱀 모양이 되도록 배치된 증기 가열관103을 구비하고 있다. 증기 가열관103에는 보일러 등의 증기 공급원105로부터 증기 공급관104를 통하여 소정의 압력의 증기가 공급된다. 증기 가열관103을 통하여 공급된 증기의 잠열(潛熱)을 이용하여 처리액101과의 사이에서 열교환이 이루어진다. 열교환 후의 증기는 응축수(凝縮水)(포화수(飽和水))가 되어서 하측의 증기 가열관103a로 들어가고, 여기를 경유하여 드레인 도관106으로부터 스팀트랩(steam trap)107 등의 드레인 배출장치를 통하여 회수된다.
또한 도4에 나타내는 증기열 교환기200은, 개방조201의 밑바닥으로부터 드레인을 배출하여, 리프트 피팅을 필요로 하지 않는 증기열 교환기의 예이다. 이 증기열 교환기200은, 개방조201의 측부에 증기 공급구202 및 증기 배출구203을 구비하고, 여기에서 조 내부에 수평으로 U자 모양으로 증기 가열관204가 연장되어 있다. 이 경우에 있어서도, 증기 가열관204를 지나는 증기의 잠열을 이용하여 조 내의 처리액과의 사이에서 열교환이 이루어진다.
여기에서 증기의 잠열을 이용하여 열교환을 하는 종래의 증기열 교환기에서는, 일반적으로 다음과 같은 구조, 사용방법이 채용되고 있다.
(1)증기가 응축열 전달율(凝縮熱傳達率)이 크다는 것을 이용하기 때문에 응축수가 전열면(傳熱面)으로부터 원활하게 분리되고, 전열면이 수몰(水沒)하지 않고 항상 증기로 덮여지는 구조로 된다.
(2)증기열 교환기로부터 응축수를 원활하게 배출하기 위해서, 스팀트랩 은 시동부하를 고려하여, 증기열 교환기의 사용온도에 있어서의 소요 응축량보다 큰 배출능력으로 하고, 보통은 배 이상의 배출능력으로 한다.
(3)열교환에 이용되는 증기의 증발열은 압력의 상승과 함께 감소한다. 이 때문에 증기열 교환기는 가능한 한 저압에서 운전된다. 그 결과, 복수회수(復水回收; condensate recovery)에 있어서, 드레인 리프터, 진공펌프 등의 드레인 회수장치가 필요하게 될 경우가 있다.
(4)증기열 교환기의 열효율 상승을 위하여, 스팀트랩으로부터 배출된 드레인을 이용한 예열기(豫熱機)를 설치하는 경우가 있다. 이 경우에는, 수격작용(水擊作用; water hammer) 방지를 위하여 플래시 증기(flash steam) 밖에 이용할 수 없고, 또한 드레인 회수관의 압력의 제약도 있어서 비용대비 효과가 낮은 것이 많다.
(5)증기는 용적당 열용량이 작으므로, 기동시간이 느린 증기열 교환기에 있어서는, 증기의 제어는 2위치 제어(two-position control)로 충분하다. 위치비례제어(位置比例制御; positional proportional control)에 있어서는 열교환기 증기부의 진공현상이 포함되어, 증기부가 스팀트랩 배압(背壓)보다 저압이 되기 쉽다. 그 결과, 원활한 드레인 배출이 곤란하게 되어서 위치비례제어의 의미가 없어지는 경우가 많다.
본 발명의 과제는, 종래에는 이용되고 있지 않던 현열도 이용하여 효율적으로 열교환을 하는 것이 가능한 증기열 교환기를 제안하는 것에 있다.
본 발명은, 관내 유체를 증기로 하는 증기열 교환기에 있어서, 응축 전열부와, 이 응축 전열부의 하류측에 형성되고, 방수됨과 아울러 흐름의 방향이 정해진 현열 전열부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
여기에서 상기 현열 전열부의 하류단에 설치된 소정의 지름의 오리피스를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 오리피스를 상기 현열 전열부의 도중의 부위에 설치할 수도 있다.
이 경우에, 상기 오리피스에 의하여 제한되는 드레인 배출량이, 당해 증기열 교환기의 사용온도에 있어서의 증기 응축량과 같도록 설정하는 것이 바람직하다.
다음에, 오리피스 대신에, 상기 현열 전열부의 하류단에 스팀트랩 등의 드레인 배출장치를 접속하여도 좋다. 이 경우에 있어서도, 상기 드레인 배출장치의 드레인 배출량이, 당해 증기열 교환기의 사용온도에 있어서의 증기 응축량과 같도록 설정하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 증기열 교환 시스템은, 개방형 처리조 혹은 압력조와, 이 개방형 처리조 혹은 압력조에 저장된 처리액을 가열하기 위한 증기열 교환기를 구비하고, 증기열 교환기로서 상기 구성의 증기열 교환기를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 증기열 교환기에서는, 응축 전열부에 부가하여 현열 전열부가 갖추어져 있으므로 현열도 이용할 수 있고, 그 만큼 열교환기의 전열량을 증가시킬 수 있어 증기 사용량을 저감시킬 수 있다. 여기에서 단지 드레인 배출량을 조정한 것 만으로는 응축 전열부에 드레인이 체류(滯留)하여 전열면이 수몰상태가 되므로 전열량이 현저하게 감소해 버리지만, 본 발명에서는 이러한 폐해가 발생하지 않는다.
또한 증기를 보내는 중에 현열 전열부로 들어간 응축수는 압축수가 되고, 증기를 보내는 중에 현열 전열부에 기부(氣部)가 존재하지 않는다. 증기를 보내는 것을 정지하면 현열 전열부 내의 압축수는 포화수가 되어 재증발 하는 경우도 있지만, 증기를 보내는 것을 시작하여 가압됨과 아울러 다시 응축된다. 따라서 전자 밸브 등의 1차측 증기 밸브가 급격하게 개폐되어도 수격작용이 발생하지 않는다.
따라서 본 발명의 증기열 교환기에 의하면 다음의 작용효과가 얻어진다.
(a)수격작용의 위험을 수반하지 않고 증기의 현열까지 사용할 수 있기 때문에, 열을 유효하게 이용할 수 있다. 그 결과, 1차측 증기유량을 저감하고, 보일러 등의 증기 발생원의 부하를 경감시킬 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
(b)현열 전열부의 면적을 고려함으로써 열효율을 감소시키지 않고 증기를 고압인 채로 사용할 수 있다. 이 때문에 드레인 회수 측에 있어서 진공 펌프 등의 드레인 회수기기가 불필요하게 되고, 또한 증기제어 밸브 및 증기배관의 구경을 작게 할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
(c)현열 전열부의 면적을 고려함으로써 드레인 도관 내에서의 재증발을 방지할 수 있다. 그 때문에 복수관(復水管)의 구경을 작게 할 수 있고 또한 드레인의 온도도 낮으므로 복수관으로부터의 방열손실을 대폭적으로 저감시킬 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
(d)현열 전열부의 면적과 부착위치를 고려함으로써 열교환기의 사용온도 이하까지 응결수의 온도를 내리는 것이 가능하게 된다.
(e)현열 전열부 이후에는 압축수 밖에 존재하지 않으므로, 스팀트랩 등의 드레인 배출장치 대신에, 현열 전열부의 2차측에 소정의 지름의 오리피스를 설치하는 것만으로 좋다. 또한 오리피스의 설치위치로서는, 이의 수리(修理)가 불필요하면 현열 전열부 안에 설치할 수도 있다.
도1은 본 발명에 의한 증기열 교환기를 구비한 가열 시스템을 나타내는 도면으로서, (a)는 그 개략적인 구성도, (b)는 스팀트랩 대신에 오리피스를 사용했을 경우의 설명도이다.
도2는, 본 발명에 의한 증기열 교환기를 구비한 가열 시스템의 다른 예를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도3은, 종래의 증기열 교환기를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도4는, 종래의 증기열 교환기의 다른 예를 나타내는 개략적인 구성도 이다.
도5는, 승온시험 결과의 증기사용 비율을 증기선도와 함께 나타내는 설명도이다.
도6은, 승온시험에 있어서의 온도측정위치를 나타내는 설명도이다.
도7은, 승온시험에 있어서의 샘플B-3의 경우의 각 측정위치에서의 온도변화의 상태를 나타내는 그래프이다.
다음에, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 증기열 교환기를 구비한 증기열 교환 시스템의 실시예에 관하여 설명한다.
(실시예1)
도1(a)는, 본 발명을 적용한 증기열 교환기를 구비한 증기열 교환 시스템을 나타내는 개략적인 구성도이다. 증기열 교환 시스템10A는, 증기열 교환기1과, 가열대상인 처리액2가 저장되어 있는 개방형의 가열처리조3을 구비하고 있다. 증기열 교환기1은, 가열처리조3의 내부의 저면 근방에 수평으로 배치되어 있는 뱀 모양의 증기 가열관4를 구비하고 있다. 증기 가열관4의 상류측의 단부로부터는 수직으로 증기 공급관5가 상승하여 있고, 이 증기 공급관5를 통하여 보일러 등의 증기 발생원6으로부터 소정의 온도의 증기가 공급된다. 증기 가열관4의 하류측의 단부로부터는 수직으로 드레인 도관7이 상승하여 있고, 당해 드레인 도관7 및 스팀트랩8을 통하여 드레인이 배출되도록 되어 있다.
증기 가열관4는, 수평으로 배치된 상측의 복수개의 응축 전열관부11과, 하측의 복수개의 현열 전열관부12를 구비하고 있다. 응축 전열관부11은, 평행하게 연장되는 상하의 복수개의 배관부11a, 11b의 양단이 서로 접속된 구성으로 되어 있고, 그 일방측의 단부에 증기 공급관5의 하단이 접속되어 있다. 응축 전열관부11의 타방측의 단부는, 하측에 위치하는 현열 전열관부12의 일단측에 연결되어 있고, 당해 현열 전열관부11의 타단측이 수직으로 상승하여 있는 드레인 도관7의 하단에 연결되어 있다.
이러한 구성의 증기열 교환기1에서는, 응축 전열관부11에 있어서는 잠열에 의하여 가열대상인 액체가 가열된다. 스팀트랩8의 드레인 배출능력은, 증기열 교환기1의 사용온도에 있어서의 응축량과 같도록 설정되어 있다. 따라서 응축 전열관부11에서 열교환 후에 발생한 응축수는 실질적으로 당해 응축 전열관부11에 멈춰있지 않고, 하류측의 현열 전열관부12로 들어 가고, 현열 전열관부12는 방수상태(water sealed state)로 유지된다. 이 현열 전열관부12에 있어서, 현열에 의하여 가열대상인 액체가 가열된다. 또, 현열 전열관부12는, 압력손실의 허용범위 내에서 가능한 한 소수열(少數列)로, 가능한 한 소구경의 관으로 구성하도록 설계하면, 전열면적이 작게 경제적으로 제작할 수 있다.
본 발명자는, 증기열 교환기1의 효과를 확인하기 위하여, 당해 증기열 교환기1과 도3에 나타내는 종래의 증기열 교환기100을 사용하여 각종 조 건하에서 승온시험을 실시하였다. 표1에는, 승온시험의 각 샘플A-1～A-3 및 B-1～B-3의 시험조건 및 시험결과가 나타나 있다. 샘플A-1～A-3은 도3에 나타내는 종래 구성의 증기열 교환기100을 사용한 것이며, 샘플B-1～B-3은 도1에 나타내는 본 실시예의 증기열 교환기1을 사용한 것이다. 또한 도5는, 시험결과의 일부의 증기사용 비율을 증기선도(蒸氣線圖)와 함께 나타내는 설명도이며, 도6은, 시험 시에 있어서의 온도측정위치를 나타내는 설명도이며, 도7은, 샘플B-3에 있어서의 승온시험에 있어서 각 측정위치에서의 온도변화의 상태를 나타내는 그래프이다.
[표1]
G ; 수량 G = 폭(m) × 안길이(m) × 깊이(m) × 비중량(kg/m3)
= 0.396 × 0.9 × 0.365 × 1000 = 130(kg)
T1 ; 수조의 처음 온도 T1 = 20(℃)
T2 ; 수조의 나중 온도 T2 = 60(℃)
Figure 112008034785100-PCT00001
시험결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 증기열 교환기1을 사용하면, 종래에 비하여 승온에 필요한 소요시간 및 증기 사용량을 대폭적으로 저감시킬 수 있고, 현열을 이용함으로써 효율이 좋은 열교환이 구현되는 것이 확인되었다. 또한 드레인 온도도 낮으므로, 복수관(復水管)으로부터의 방열손실을 대폭적으로 저감시킬 수 있다. 또, 본 실시예의 시험은 승온 시의 경우이지만, 정온 유지 시의 경우도 고려하면, 종래의 증기열 교환기에 비하여 증기 사용량을 대폭적으로 저감시킬 수 있는 것이 분명하다.
여기에서 본 실시예에서는 드레인 배출장치로서 스팀트랩8을 사용하고 있다. 스팀트랩8을 사용하는 대신에, 도1(b)에 나타나 있는 바와 같이 소정의 지름의 오리피스(orifice)13을 사용할 수도 있다. 즉 현열 전열관부12 및 그 하류측에는 압축수 밖에 존재하지 않으므로, 스팀트랩8등의 드레인 배출장치 대신에 소정의 지름의 오리피스13을 설치하는 것만으로 좋다. 또한 오리피스13의 설치위치로서는, 이의 수리가 불필요하면 현열 전열관부12의 도중 위치에 설치할 수도 있다. 오리피스13을 사용하는 경우에 있어서도, 그 드레인 배출능력이 증기열 교환기1의 사용온도에 있어서의 응축량과 같아지게 되도록, 구멍지름을 설정하면 좋다.
또, 드레인 배출장치로서 스로틀 밸브(throtlle valve)를 사용하는 것도 가능하다. 또한 본 실시예의 증기열 교환기는, 압력조에 사용하는 증기열 교환기에 대하여도 적용 가능하다.
(실시예2)
도2는, 본 발명을 적용한 증기열 교환기를 구비한 증기열 교환 시스템의 다른 예를 나타내는 개략적인 구성도이다. 증기열 교환 시스템10B는, 증기열 교환기20과, 처리액21이 저장되고 종(縱)으로 배치된 개방조22를 구비하고 있다. 증기열 교환기20은, 개방조22의 측부에 부착한 증기 공급구23 및 배출구24와, 이들로부터 내부를 향해서 수평으로 연장되어 있는 U자 모양의 응축 전열관25와, 당해 응축 전열관25의 하측에 있어서 마찬가지로 개방조 내부를 향해서 수평으로 연장되어 있는 U자 모양의 현열 전열관26을 구비하고 있다. 현열 전열관26의 상류단은 개방조22의 외측의 배관27을 통 하여 배출구24와 연결되어 있고, 현열 전열관26의 하류단은 스팀트랩 등의 드레인 배출장치28 측과 연결되어 있다.
이러한 구성의 증기열 교환 시스템10B에 있어서의 증기열 교환기20에 있어서도 상기한 증기열 교환기1과 같은 작용효과가 얻어진다. 또한 증기열 교환기20에 있어서도, 그 드레인 배출장치28에 오리피스를 사용할 수 있다. 또한 본 실시예의 증기열 교환기20은, 압력조에 사용하는 증기열 교환기에 대하여도 적용 가능하다.

Claims (7)

  1. 관내 유체(管內流體)를 증기(蒸氣)로 하는 증기열 교환기(蒸氣熱交換機)에 있어서,
    응축 전열부(凝縮傳熱部)와,
    이 응축 전열부의 하류측에 형성되고, 방수(water sealed)됨과 아울러 흐름의 방향이 정해진 현열 전열부(顯熱傳熱部)를
    구비하고 있는 것을 특징으로 하는 증기열 교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 현열 전열부의 하류단(下流端)에 설치된 소정의 지름의 오리피스(orifice)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 증기열 교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 현열 전열부의 도중의 부위에 설치된 소정의 지름의 오리피스를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 증기열 교환기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 오리피스에 의하여 제한되는 드레인 배출량(drain 排出量)이, 당해 증기열 교환기의 사용온도에 있어서의 증기 응축량과 같도록 설정되는 것을 특징으로 하는 증기열 교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 현열 전열부의 하류단에 접속되는 스팀트랩(steam trap) 등의 드레인 배출장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 증기열 교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 드레인 배출장치의 드레인 배출량이, 당해 증기열 교환기의 사용온도에 있어서의 증기 응축량과 같도록 설정되는 것을 특징으로 하는 증기열 교환기.
  7. 개방형 처리조 혹은 압력조와,
    이 개방형 처리조 혹은 압력조에 저장된 처리액을 가열하기 위한 증기열 교환기를
    구비하고,
    상기 증기열 교환기는, 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항의 증기열 교환기인 것을 특징으로 하는 증기열 교환 시스템.
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