KR20120027582A - 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열응력이 적고, 고온에서도 사용 가능하며, 단위 체적당 열교환 성능이 우수한 에너지 및 환경분야에 활용할 수 있는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 서로 다른 작동유체가 통과하는 유로 구멍이 직교하며 교차 형태로 관통 형성된 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물을 일방향으로 조립시킬 수 있도록 함으로써, 열전달율을 극대화시키면서 열응력을 최소화할 수 있고, 1000℃이상의 고온 및 고압에서도 안전하고 높은 열전달율을 발휘할 수 있도록 한 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템{A cross type ceramic heat exchanger module and its applied heat exchanger system}

본 발명은 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열응력이 적고, 고온에서도 사용 가능하며, 단위 체적당 열교환 성능이 우수한 에너지 및 환경분야에 활용할 수 있는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템에 관한 것이다.

최근에 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 고효율의 에너지 및 환경시스템에 유용한 고온에서 작동하는 열교환기의 필요성이 크게 요구되고 있다.

특히, 고효율 화력 발전, 산업용 로의 폐열 회수 등에서 작동유체의 온도가 높을수록 그 효율이 증가하기 때문에 1000℃ 이상에서도 작동하며 500℃이상의 고온의 가스를 만들 수 있는 세라믹 열교환기는 점차 그 가치를 높여가고 있다.

한편, 세라믹 열교환기의 재료인 세라믹은 경도가 높고 깨지기 쉬운 단점이 있는 관계로 열응력에 매우 취약하며, 또한 고온 고압에서도 사용가능한 접착/용접방법이 어려운 것이 상용화의 걸림돌이 되어왔다.

종래의 일반적인 열교환기는 재질이 금속성분으로 되어 있기 때문에 작동유체의 온도를 600℃이상 올리지 못하는 한계가 있고, 또한 현재까지 개발된 세라믹 열교환기는 관형 열교환기와 판형 열교환기가 있는데, 고온에서 활용은 가능하나 고온 고압에서 사용 가능한 접착/용접/밀봉 기술에 한계가 있어서 작동유체의 압력이 올라가거나 급격한 온도차에 따른 열응력이 발생하면 세라믹 열교환기 구조물이 약해지는 단점이 있다.

또한, 세라믹 열교환기는 기존 금속 재질의 열교환기 설계방법을 활용하여 세라믹 재질의 특성을 살리지 못하면서 열교환 성능이 떨어져 체적당 열교환율이 낮은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구된 결과물로서, 서로 다른 작동유체가 통과하는 유로 구멍이 직교하며 교차 형태로 관통 형성된 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물을 일방향으로 조립시킬 수 있도록 함으로써, 열전달율을 극대화시키면서 열응력을 최소화할 수 있고, 1000℃이상의 고온 및 고압에서도 안전하고 높은 열전달율을 발휘할 수 있도록 한 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 및 이를 이용한 열교환기 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1작동유체가 통과하는 다수의 제1유로가 좌측에서 우측을 향하여 관통 형성되고, 제2작동유체가 통과하는 다수의 제2유로가 상면에서 하면을 향하여 관통 형성된 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물이 적층 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 제공한다.

바람직하게는, 상기 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물은 직육면체 또는 정육면체로 제작된 것임을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물의 제1유로 또는 제2유로가 형성된 일면 테두리 부분에 요부가 형성되고, 반대면 테두리에 요부와의 결합을 위한 철부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1작동유체가 통과하는 다수의 제1유로와, 제2작동유체가 통과하는 다수의 제2유로가 서로 직교하며 교차 형태로 관통 형성된 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물들을 원하는 열전달 경로를 만들기 위해 수평 또는 수직 방향으로 적층시켜서 열교환용 하우징내에 설치하여, 열교환용 하우징을 통해 투입 및 배출되는 제1작동유체와 제2작동유체가 각 육면체 세라믹 열교환 구조물의 제1유로 및 제2유로를 통과하면서 상호 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템을 제공한다.

바람직하게는, 상기 육면체 세라믹 열교환 구조물의 제1유로 또는 제2유로가 형성된 테두리면에 요부 또는 철부가 상호 결합 가능하게 형성되고, 요부와 철부가 결합되는 경계부에 실링 성능을 보강하기 위한 가스켓 또는 몰타르가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 열교환용 하우징의 일측 또는 타측에 제1작동유체 투입구가 형성되는 동시에 일측 또는 타측에 제1작동유체 배출구가 형성되고, 하면에 제2작동유체 투입구가 형성되는 동시에 상면에 제2작동유체 배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하우징의 내벽과 육면체 세라믹 열교환 구조물들의 적층 경계면 사이에 제1 또는 제2작동유체의 독립적인 흐름공간을 만들어주는 격판이 일체로 연결된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래의 세라믹 열교환기는 작동유체간 실링에 한계가 있는 관계로 열교환기의 용량과 형식을 자유자재로 변동하는데 한계가 있었지만, 본 발명은 실링용 요철이 있는 직육면체 또는 정육면체 형태의 교차형 세라믹 열교환기 모듈을 이용하여 다양한 용량 및 열전달 경로를 구축할 수 있는 장점이 있다.

또한, 작동유체의 흐름 방향을 모듈의 적층 구성에 따라 가변시킬 수 있고, 기본 열전달 형태인 교류형은 물론, 역류형과 병류형의 다양한 열교환기 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다,

또한, 상호 결합되는 실링용 요철에 가스켓이나 몰타르 등을 더 설치하여 압력이 높은 상태에서도 누출이 없는 열교환 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 직육면체 형태로 제작한 것을 나타내는 사시도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 정육면체 형태로 제작한 것을 나타내는 사시도 및 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템의 외관을 나타내는 사시도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템의 내부 구조를 도시한 것으로서, 도 4는 역류형 구조를, 도 5는 병류형 구조를 나타내는 일부 단면사시도.
도 6은 본 발명에 따른 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 상하좌우방향으로 적층하여 대용량 열교환기 시스템을 구축하는 예를 설명하는 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 두 개의 유체가 독립적으로 지나가는 다수의 제1유로와 다수의 제2유로를 직교 배열 형태로 형성한 세라믹 열교환기 모듈을 적층 가능하게 구성함으로써 열교환 효율을 극대화할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명의 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈은 도 1에서 보듯이 직육면체 형상을 갖는 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)로 제작되거나, 또는 도 2a 및 도 2b에서 보듯이 정육면체 형상을 갖는 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)로 제작된 것으로서, 좌측면에서 우측면을 향하여 제1작동유체(예를들어, 폐열)가 통과하는 다수의 제1유로(11)가 관통 형성되고, 상면에서 하면을 향하여 제2작동유체(예를들어, 온수)가 통과하는 다수의 제2유로(12)가 관통 형성된다.

특히, 상기 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)은 작동유체의 기밀 유지를 위한 요부(14) 및 철부(16)에 의하여 일방향으로 적층 가능하게 구성된다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 2b에서 보는 바와 같이 상기 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11) 또는 제2유로(12)가 형성된 일면 테두리 부분에 오목한 요부(14)가 형성되고, 반대면 테두리에는 요부(14)와의 결합을 위한 철부(16)가 사각링 타입으로 돌출 형성되는 바, 이 요부(14) 및 철부(16)를 상호 삽입 결합시킴으로써, 여러개의 육면체 세라믹 구조물(10)이 일방향(수직 또는 수평방향)으로 적층된다.

여기서, 상기한 구조로 제작된 본 발명의 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용하여 열교환기 시스템을 구축하는 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 즉, 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)들이 적층된 상태에서 소정의 열교환용 하우징(20)내에 설치된다.

도 3에서 보는 바와 같이, 상기 열교환용 하우징(20)의 일측 또는 타측에 제1작동유체 투입구(22)가 형성되는 동시에 일측 또는 타측에 제1작동유체 배출구(24)가 형성되고, 하면에 제2작동유체 투입구(26)가 형성되는 동시에 상면에 제2작동유체 배출구(28)가 형성된다.

즉, 역류형 세라믹 열교환기 시스템을 구축할 때는 열교환용 하우징(20)의 일측에 제1작동유체 투입구(22)가 형성되는 동시에 타측에 제1작동유체 배출구(24)가 형성되고, 병류형 세라믹 열교환기 시스템을 구축할 때는 열교환용 하우징(20)의 일측에 제1작동유체 배출구(24)가 형성되는 동시에 타측에 제1작동유체 투입구(22)가 형성된다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템을 역류형 구조로 구축한 예를 나타내는 단면도이다.

도 4를 기준으로 참조하면, 여러개의 육면체 세라믹 구조물(10)이 상하로 적층되어 열교환용 하우징(20)내에 설치되는 바, 각 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)가 상하로 관통된 상태에서 그 하면 테두리 부분에 형성된 오목한 요부(14)와 상면 테두리 부분에 형성된 철부(16)가 상호 결합됨에 따라, 여러개의 육면체 세라믹 구조물(10)이 하우징(20)내에 상하로 적층 배치된다.

이때, 상기 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)의 요부(11)와 철부(12)가 작동유체의 기밀 유지를 위하여 상호 결합될 때, 요부(11)와 철부(12)가 결합되는 경계부에 가스켓 또는 몰타르(미도시됨)을 부착하여 실링 성능을 보강할 수 있다.

이렇게 적층된 각 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)들은 도 4를 기준으로 좌우로 관통된 상태가 되고, 각 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)들은 상하로 관통된 상태가 되어, 서로 독립적인 유체 흐름을 위해 직교된 상태가 된다.

또한, 상기 열교환용 하우징(20)의 일측에 제1작동유체 투입구(22)가 형성되는 동시에 타측에 제1작동유체 배출구(24)가 형성되고, 하면에 제2작동유체 투입구(26)가 형성되는 동시에 상면에 제2작동유체 배출구(28)가 형성된다.

특히, 상기 가장 위쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 하단과 상기 열교환용 하우징(20)의 일측 내벽 간에 독립적인 작동유체 흐름 공간을 형성하는 수평 플레이트 형태의 격판(30)이 일체로 연결되고, 동시에 가장 아래쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 상단과 상기 열교환용 하우징(20)의 타측 내벽 간에도 독립적인 작동유체 흐름 공간을 형성하는 수평 플레이트 형태의 격판(30)이 일체로 연결된다.

이렇게 구축된 본 발명의 역류형 세라믹 열교환기 시스템에 대한 작동 흐름을 첨부한 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.

역류형이란, 온도가 높은 유체와 낮은 유체의 흐름이 반대방향으로 흐르는 것을 말하며, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제1작동유체를 온도가 높은 유체(예를 들어, 폐열)로 정하고, 제2작동유체를 온도가 낮은 유체(예를 들어, 가열 대상의 온수)로 정한다.

먼저, 열교환용 하우징(20)의 일측 상단에 형성된 제1작동유체 투입구(22)를 통해 제1작동유체가 투입되면, 가장 위쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)를 통과한 후, 그 반대쪽에서 바로 아래쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)를 통과한 다음, 가장 아래쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)를 통과하는 등, 제1작동유체가 상방향에서 하방향을 향하여 지그재그 형태로 순환하는 흐름을 한 후, 최종적으로 열교환용 하우징(20)의 타측하단에 형성된 제1작동유체 배출구(24)를 통해 빠져나가게 된다.

이와 동시에, 상기 열교환용 하우징(20)의 하면에 형성된 제2작동유체 투입구(26)를 통해 제2작동유체가 투입되면, 가장 아래쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)를 시작으로 중간에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)를 경유하여 가장 위쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)를 통과하게 된다.

즉, 각 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)가 서로 연통되며 일치된 상태이므로, 제2작동유체는 아래쪽에 위쪽을 향하여 직선 흐름을 하게 된다.

결국, 제1작동유체는 상방향에서 하방향을 향하여 지그재그 형태로 순환하는 흐름을 하고, 제2작동유체는 하방향에서 상방향으로 직선 흐름을 하게 되므로, 역류형에 상응하는 열전달 모드를 만들 수 있고, 서로 반대 방향의 역류형 흐름을 하면서 열교환이 이루어지게 된다.

여기서, 본 발명의 병류형 세라믹 열교환기 시스템 및 그 작동 흐름을 첨부한 도 5를 참조로 설명하면 다음과 같다.

병류형이란, 온도가 높은 유체와 낮은 유체의 흐름이 같은 방향으로 흐르는 것을 말하며, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제1작동유체를 온도가 높은 유체(예를 들어, 폐열)로 정하고, 제2작동유체를 온도가 낮은 유체(예를 들어, 가열 대상의 온수)로 정한다.

병류형 세라믹 열교환기 시스템은 상기한 역류형 세라믹 열교환기 시스템 구성과 동일하므로, 그 설명을 생략하기로 하고, 유체의 작동 흐름에 대해서만 설명하기로 한다.

먼저, 열교환용 하우징(20)의 타측 하단에 형성된 제1작동유체 투입구(22)를 통해 제1작동유체가 투입되면, 가장 아래쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)를 통과한 후, 그 반대쪽에서 바로 위쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)를 통과한 다음, 가장 위쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로(11)를 통과하는 등, 제1작동유체가 하방향에서 상방향을 향하여 지그재그 형태로 순환하는 흐름을 한 후, 최종적으로 열교환용 하우징(20)의 일측 상단에 형성된 제1작동유체 배출구(24)를 통해 빠져나가게 된다.

이와 동시에, 상기 열교환용 하우징(20)의 하면에 형성된 제2작동유체 투입구(26)를 통해 제2작동유체가 투입되면, 상기한 역류형의 흐름에서 설명된 바와 같이 가장 아래쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)를 시작으로 중간에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)를 경유하여 가장 위쪽에 적층된 육면체 세라믹 구조물(10)의 제2유로(12)를 통과하게 된다.

결국, 제1작동유체는 하방향에서 상방향을 향하여 지그재그 형태로 순환하는 흐름을 하고, 제2작동유체도 하방향에서 상방향으로 직선 흐름을 하게 되므로, 병류형에 가까운 열전달 모드를 만들 수 있고, 서로 동일한 방향의 병류형 흐름을 하면서 열교환이 이루어지게 된다.

한편, 본 발명의 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈 즉, 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)들을 상하 좌우방향으로 마치 박스를 쌓듯이 적층시켜, 열교환기의 용량을 크게 증대시킬 수 있다.

즉, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이, 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)들을 상하 좌우방향으로 마치 박스를 쌓듯이 적층시킨 상태에서, 제1작동유체를 각 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)의 제1유로(11)를 따라 상방향에서 하방향 또는 하방향에서 상방향을 향하는 지그재그 흐름을 갖게 하고, 동시에 제2작동유체를 각 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)의 제2유로(12)를 따라 일측에서 타측방향으로 수평 흐름을 갖게 하여, 제1 및 제2작동유체가 서로 직교되는 교류형 열전달 모드를 만들 수 있고, 열교환 용량을 크게 증대시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 하나의 육면체 세라믹 열교환 구조물만 이용하여 기본 교류형 열교환 모드를 만들 수 있고, 여러 개의 열교환 구조물을 직렬 또는 병렬로 적층 연결하여 열교환기 용량을 유연하게 변동시킬 수 있는 역류형, 교류형, 병류형 등 다양한 열교환 모드를 만들 수 있으며, 이렇게 세라믹 열교환기 모듈의 구성과 작동유체의 흐름을 여러가지 형태로 바꿈에 의해 다양한 성능을 갖는 고효율의 컴팩트한 열교환기를 제공할 수 있다.

10 : 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물 11 : 제1유로
12 : 제2유로 14 : 요부
16 : 철부 20 : 열교환용 하우징
22 : 제1작동유체 투입구 24 : 제1작동유체 배출구
26 : 제2작동유체 투입구 28 : 제2작동유체 배출구
30 : 격판

Claims (7)

1. 제1작동유체가 통과하는 다수의 제1유로(11)가 좌측에서 우측을 향하여 관통 형성되고, 제2작동유체가 통과하는 다수의 제2유로(12)가 상면에서 하면을 향하여 관통 형성된 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)이 적층 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)은 직육면체 또는 정육면체로 제작된 것임을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단위 모듈의 육면체 세라믹 구조물(10)의 제1유로 또는 제2유로가 형성된 일면 테두리 부분에 요부(14)가 형성되고, 반대면 테두리에 요부(14)와의 결합을 위한 철부(16)가 형성된 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈.
   
4. 제1작동유체가 통과하는 다수의 제1유로(11)와, 제2작동유체가 통과하는 다수의 제2유로(12)가 서로 직교하며 교차 형태로 관통 형성된 단위 모듈의 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)들을 원하는 열전달 경로를 만들기 위해 수평 또는 수직 방향으로 적층시켜서 열교환용 하우징내의 소정 위치에 설치하여, 열교환용 하우징(20)을 통해 투입 및 배출되는 제1작동유체와 제2작동유체가 각 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)의 제1유로(11) 및 제2유로(12)를 각각 통과하면서 상호 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)의 제1유로(11) 또는 제2유로(12)가 형성된 테두리면에 요부(11) 또는 철부(12)가 상호 결합 가능하게 형성되고, 요부(11)와 철부(12)가 결합되는 경계부에 실링 성능을 보강하기 위한 가스켓 또는 몰타르가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 열교환용 하우징(20)의 일측 또는 타측에 제1작동유체 투입구(22)가 형성되는 동시에 일측 또는 타측에 제1작동유체 배출구(24)가 형성되고, 하면에 제2작동유체 투입구(26)가 형성되는 동시에 상면에 제2작동유체 배출구(28)가 형성된 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 열교환용 하우징(20)의 내벽과 육면체 세라믹 열교환 구조물(10)들의 적층 경계면 사이에 제1 또는 제2작동유체의 독립적인 흐름공간을 만들어주는 격판(30)이 일체로 연결된 것을 특징으로 하는 교차 형식의 세라믹 열교환기 모듈을 이용한 열교환기 시스템.

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