KR20140024414A - 전기 유도 가열 어셈블리 - Google Patents

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해리 딘 카셀
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해리 딘 카셀
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Abstract

본 발명은 전기 유도 가열 어셈블리를 개시하며, 이 어셈블리는, 입구와 출구를 갖는 동심 폐쇄 원통형 챔버를 둘러싸면서 그 챔버로부터 열적으로 절연되어 있는 유도 가열 코일을 포함한다. 전기 전도성 요소가 상기 챔버 내부에 위치되거나 그 챔버의 일 부분을 형성한다. 상기 챔버는 이 챔버 내부에서 가열될 재료를 균일하게 분포시키기 위한 수단을 포함한다. 일군의 개별적인 교반 매체가 챔버 안에 들어 있다. 그 일군의 개별적인 교반 매체는 일반적으로 강 볼들을 포함한다.

Description

전기 유도 가열 어셈블리{AN ELECTRICAL INDUCTION HEATING ASSEMBLY}
본 발명은 인라인 유체 및 가스 가열에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 액체 탄화수소의 분해를 위한 열분해 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 여러 산업에서 열분해(pyrolysis), 액체와 고형물의 처리 및 액체의 가열에 이용될 수 있다.
많은 산업 분야에서 전기 에너지를 열로 변환시키고 이 열을 화합물, 물품 또는 매체에 전달하기 위해 전기 유도 가열이 사용되고 있다. 예컨대, 전기 유도 가열은 식품 산업에서 유체를 가열하기 위해 사용된다. 이러한 설비와 관련한 문제는, 일반적으로 비용, 크기 및 장비의 효율을 포함하는데, 이는 그 설비의 용도를 제한하게 된다.
가열이 요구되는 산업의 다른 특정 용도는 열분해(thermal cracking) 산업이다. 이 열분해는 잘 알려져 있는데, 이 목적으로 다른 공정들이 개발되었다. 이는, 전구체에 있는 탄소-탄소 결합을 끊어 복합 유지 분자들을 가벼운 탄화수소와 같은 더 단순한 분자로 분해하는 공정이다.
종래의 열분해 시스템과 관련한 문제는, 일반적으로 비용, 크기 및 가열 장비의 효율을 포함하며, 이는 종래의 열분해 기술의 유용을 제한한다.
본 발명의 목적은 제어되는 가열 능력을 주기 위해 직접 전력 공급을 받는 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 입구와 출구를 갖는 폐쇄 원통형 챔버를 적어도 부분적으로 둘러싸면서 그 챔버로부터 열적으로 절연되어 있는 유도 가열 코일; 상기 챔버 내부에 위치되거나 그 챔버의 일 부분을 형성하는 전기 전도성 요소; 상기 챔버 내부에서 가열될 재료를 균일하게 분포시키기 위한 수단; 및 상기 챔버 내부에 들어 있는 일군의 개별적인 교반 매체를 포함하는 전기 유도 가열 어셈블리가 제공된다.
또한, 상기 가열 어셈블리는 챔버를 위한 가압 수단을 포함하며, 이 가압 수단은 바람직하게는 상기 챔버가 작동 연결되어 있는 처리 회로에 있는 압력 제어 밸브, 더 바람직하게는, 상기 챔버의 입구와 출구 근처에 있는 압력 제어 밸브의 형태로 되어 있다.
또한, 상기 교반 매체는 전기 전도성을 가지며 상기 챔버 내부의 전도성 요소를 형성하고, 바람직하게는 또한 상기 챔버는 전기 전도성을 가지며, 대안적으로 그 챔버는 전기적으로 비전도성이다.
또한, 상기 입구는 상기 챔버의 제 1 단부 근처에 위치하고 상기 출구는 상기 챔버의 제 2 단부 근처에 위치된다.
또한, 상기 유도 가열 코일과 챔버 사이의 열절연부는 열절연 블랭킷을 포함하며, 또한 가열 어셈블리는 가열 코일 주위에 있는 열절연부를 포함하고, 이 열절연부는 바람직하게는, 가열 코일 주위에 배치되며 또한 더 바람직하게는 상기 어셈블리가 들어 있는 하우징 내부에 들어 있는 열 블랭킷 또는 세라믹 절연체의 형태로 되어 있다.
또한, 열교환기 어셈블리는 열분해 챔버 어셈블리를 포함하며, 또한 상기 균일 분포 수단은 적어도 하나의 반경 방향 뒤섞기용 패들을 갖는 회전가능한 축을 포함하며 구동 모터가 상기 챔버에 인접해 설치되어 그 축에 연결되어 있고, 또한 바람직하게는 상기 축과 패들은 전기 전도성을 가지며 상기 챔버 내부의 다른 전기 전도성 요소를 제공한다.
또한, 상기 축은 도관을 포함하고, 상기 입구가 액체 유동 경로 주위에서 그 도관에 연결되어 있고, 이 도관은 상기 챔버에 들어가는 출구로서 길이 방향으로 서로 떨어져 있는 출구들을 갖는다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 교반 매체는 강으로 되어 있고, 바람직하게는 강 볼이며, 더 바람직하게는 스테인레스강 볼이고, 대안적으로 연마성 입상 매체, 바람직하게는 전기 전도성 매체, 대안적으로는 전기적 비전도성 매체이다.
또한, 상기 출구는 스크류 컨베이어를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 균일 분포 수단은 상기 챔버의 내부 크기에 상보적으로 형성된 원통형 케이지를 포함하고, 이 케이지는 상기 챔버에 인접하여 설치되는 구동 모터에 연결되어 있는 회전가능한 축에 고정되어 있으며, 상기 케이지는 상기 일군의 개별적인 교반 매체를 포함한다.
또한, 상기 챔버는 직원통형 챔버를 포함한다.
본 발명은 또한 액체를 가열하는, 바람직하게는 그 액체를 열분해하는 방법을 제공하는데, 이 방법은, 입구와 출구를 갖는 챔버 안에서 가열될, 바람직하게는 분해될 액체를 위한 전기 전도성 매체를 유도(induction)로 가열하는 단계; 상기 액체를 받아들이고 뒤섞이는 일군의 교반 매체를 챔버 안에 두는 단계; 및 챔버를 가압된 상태로 유지하는 단계를 포함하고, 상기 액체는 입구를 통해 챔버 안으로 도입되며, 가열된 생성물은 챔버의 출구를 통해 모이게 된다.
또한, 상기 방법은 분해된 생성물을 챔버의 출구를 통해 모으는 것을 포함하고, 분해 중에 형성된 고형물은 상기 매체의 교반에 의해 상기 출구로 운반되어 이 출구에서 제거된다.
이하, 첨부된 도식적인 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명하도록 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 열분해 챔버의 도식적인 단면도를 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 일 부분의 확대도이다.
본 발명의 바람직한 실시 형태는 열분해 챔버 어셈블리를 포함하는데, 이 챔버 어셈블리는 사용된 산업용 오일과 같은 오일을 분해하여 사용가능하고 가치 있는 연료 및 부산물을 생성하는데 사용된다.
도시되어 있는 바와 같이, 열분해 어셈블리(1)는 분해 챔버(2)를 포함하며, 이 분해 챔버는 단부 폐쇄 부재(4, 5)를 갖는 스테인레스강 실린더(3)로 형성될 수 있다. 적절한 유리, 세라믹 및 흑연을 포함하는 다른 재료도 실린더(3)를 위해 사용될 수 있다. 상기 챔버(2)는 상기 실린더(3) 주위에 감싸여 있는 열절연 블랭킷(6)을 포함하는 어셈블리의 일 부분을 형성하며, 유도 가열 코일(7)이 그 실린더로부터 반경 방향으로 이격되어 있다. 블랭킷(6)은 챔버(2)로부터의 열손실을 최소화해준다. 다른 열절연 블랭킷(8)이 상기 가열 코일(7) 주위에 감싸여 있고 하우징(9) 안에 들어 있으며, 이 하우징은 상기 챔버(2), 가열 코일(7) 및 열절연 블랭킷(6, 8)을 포함한다. 상기 유도 가열 코일(7)은 가열을 최적화하기 위해 챔버(2)와 동심으로 위치되어 있다.
상기 유도 가열 코일(7)은 상기 어셈블리에서 떨어져 위치되어 있는 50KW 전력 발생기에 전기적으로 연결되어 있다.
입구(10)가 챔버(2)의 일 단부에 제공되어 있고, 반대쪽 단부에는 출구(11)가 제공되어 있다. 축(12)이 챔버(2)의 일 단부(이 경우 입구(10) 단부)를 통과해 뻗어 있다. 축(12)은 커플링(14)에 의해 전기 구동 모터(13)에 고정된다. 축(12)은 한 세트의 흑연 또는 세라믹계 시일(15) 및 베어링(16)을 통과해 챔버(2) 안으로 들어가 있다. 축(12)은 반경 방향으로 연장되어 있는 복수의 패들(17)을 포함하는데, 이들 패들은 챔버(2) 내에서 상기 축의 길이를 따라 서로 떨어져 있다. 패들(17)은 축으로부터 반경 방향으로 챔버(2)의 내측 표면 근처까지 연장되어 있다.
상기 구동부(13)는 커플링(14)에 의해 상기 챔버(2)로부터 떨어져 위치된다. 이 커플링에 의해 구동부(13)는 작업 중에 챔버(2)에서 발생되는 열에서 멀리 떨어져 있게 되며, 이로써, 분해 공정 중에 발생되는 열 및 유도된 와전류(eddy current)에 대한 적절한 보호가 이루어진다. 강성적인 커플링으로 인해, 상기 축은 작업 중에 확실하게 챔버(2) 내에서 가동된다.
챔버(2)는 축(12) 주위에서 스테인레스강 볼(18)들로 채워져 있다. 챔버의 출구(11) 단부는 상기 볼(18)을 챔버(2) 내에 유지하기 위해 다공 판의 현태로 된 스트레이너(strainer; 19)를 포함한다. 이 스트레이너(19)에 있는 구멍들은 볼 베어링(18)의 직경 보다 작게 되어 있다. 볼(18)은 작업 중에 마모를 받게 되므로, 챔버는 정기적인 간격으로 서비스를 받게 되며, 서비스 중에, 볼들이 스트레이너(19)를 통과하기에 충분히 마모되기 전에, 마모된 볼(18)들이 제거될 것이다. 분해 공정에서 발생되는 고형물은 스트레이너(19)를 통과하여 배출을 위해 출구로 갈 수 있다.
상기 볼(18), 축(12), 패들(17) 및 챔버(2) 모두는 전기 전도성을 갖는데, 이는 그들이 유도의 결과로 가열되는 것을 의미한다. 이 열은 챔버(2)를 통과하는 오일에 전달된다.
구동부(13)를 포함하는 상기 어셈블리(1)는 열분해 공정에서 작동상 인라인으로 위치된다. 사용된 오일은 챔버(2) 안으로 펌핑되며, 이 챔버에서 그 오일은 가압 가열을 받게 된다. 오일은 약 280℃ 및 800℃로 가열될 수 있으며, 28 bar 만큼 높은 압력을 받게 된다. 일반적으로 챔버는 가압된 상태로 유지되는데, 이는 대기압 보다 높게 유지될 것임을 의미한다. 상기 챔버는 이 챔버에 대한 입구 통로 및 출구 통로에 있는 압력 제어 밸브들에 의해 가압되며, 이들 밸브는 그들 사이에서 챔버를 가압된 상태로 유지한다.
가압 가열의 결과, 오일이 공지된 방식으로 열분해된다. 분해에 의해 액체 및 고형 생성물이 생기게 된다. 고형물은 볼 베어링(18)에 의한 교반으로 챔버에서 제거되며, 상기 볼 베어링에 의해 고형물은 출구(11)를 통과하게 된다. 그 출구에는 고형물이 챔버(2)에서 잘 나갈 수 있게 해주는 스크류 컨베이어가 제공되어 있다.
분해의 고형 및 액체 생성물은 증발, 응축 및 분리를 포함하여 열분해를 위한 공지된 기술을 사용하여 더 처리된다.
챔버(2)에는 또한 분해 공정을 최적화하기 위해 불활성 가스 입구가 제공될 수도 있다.
유닛의 크기는 특정 용도에 적합하게 정해질 수 있으며, 실용적인 실시 형태에 따르면 실린더의 길이는 약 100 cm 이고 직경은 약 14 ∼ 20 cm 가 될 것이다. 어셈블리는 그의 직경 및/또는 길이를 증가시켜 규모 확장될 수 있다. 바람직한 규모 확장 방법은 직경을 증가시키는 것이 될 것인데, 왜냐하면 길이를 증가시키면 축(12)과 구동부(13)에 대한 스트레인이 더 커지게 되고 또한 축이 작업 중에 휘어지는 것을 방지하는 것이 더욱 어려워지기 때문이며, 축이 휘어지는 것은 바람직하지 않은데, 축이 휘어지면 패들이 챔버(2)의 내측 표면에 걸릴 수 있기 때문이다.
상기한 바로 알 수 있듯이, 상기 어셈블리는 컴팩트하고 시스템 안으로 들어온 사용된 오일을 요구되는 온도로 효율적으로 가열하는데 요구되는 질량을 초과하지 않는다.
전술한 바와 같은 분해 유닛의 특정 설치는 특별한 용도를 위해 수정될 것이며, 이러한 수정은 당업자의 능력 범위 내에 있을 것이다. 또한, 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 전술한 본 발명은 열교환기, 보일러, 열분해(pyrolysis) 공정에서 사용되는데 적합하게 될 수 있다.
전술한 실시 형태는 단지 예를 들기 위해 주어진 것이며, 본 발명 및 그의 보호의 범위를 제한하는 것이 아니다. 예컨대, 챔버 내에 동심으로 배치되는 케이지를 포함할 수 있으며, 이때 축은 그 케이지에 고정된다. 상기 케이지는 교반 매체(일반적으로 볼 베어링)를 포함할 것이고 축에 의해 회전될 수 있다. 이러면, 상기 스트레이너가 필요 없게 될 것이며 또한 패들도 필요 없을 수 있다.
다른 대안예에 따르면, 챔버는 세라믹으로 만들어질 수 있고, 교반 매체를 형성하는 볼들은 강 볼을 포함할 수 있다. 상기 출구는 그에 설치되는 스크류 컨베이어 없이 작동될 수 있다.

Claims (19)

  1. 전기 유도 가열 및 열분해 어셈블리로서,
    입구와 출구를 갖는 동심 폐쇄 원통형 챔버를 둘러싸면서 그 챔버로부터 열적으로 절연되어 있는 유도 가열 코일; 상기 챔버 내부에 위치되거나 그 챔버의 일 부분을 형성하는 전기 전도성 요소; 상기 챔버 내부에서 가열되고 열분해될 재료를 균일하게 분포시키기 위한 수단; 및 상기 챔버 내부에 들어 있는 일군의 개별적인 교반 매체를 포함하는 전기 유도 가열 및 열분해 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버를 위한 가압 수단을 포함하고, 이 가압 수단은 바람직하게는 상기 챔버가 작동 연결되어 있는 처리 회로에 있는 압력 제어 밸브, 더 바람직하게는, 상기 챔버의 입구와 출구 근처에 있는 압력 제어 밸브의 형태로 되어 있는 전기 유도 가열 및 열분해 어셈블리.
  3. 전기 유도 가열 어셈블리로서,
    입구와 출구를 갖는 동심 폐쇄 원통형 챔버를 둘러싸면서 그 챔버로부터 열적으로 절연되어 있는 유도 가열 코일; 상기 챔버 내부에 위치되거나 그 챔버의 일 부분을 형성하는 전기 전도성 요소; 상기 챔버 내부에서 가열될 재료를 균일하게 분포시키기 위한 수단; 상기 챔버 내부에 들어 있는 일군의 개별적인 교반 매체; 및 상기 챔버를 위한 가압 수단을 포함하는 전기 유도 가열 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가압 수단은, 상기 챔버가 작동 연결되어 있는 처리 회로에 있는 압력 제어 밸브, 더 바람직하게는, 상기 챔버의 입구와 출구 근처에 있는 압력 제어 밸브를 포함하는 전기 유도 가열 어셈블리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교반 매체는 전기 전도성을 가지며 상기 챔버 내부의 상기 전도성 요소를 포함하는 어셈블리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 전기 전도성을 가지며 그 챔버의 일 부분을 형성하는 상기 전도성 요소를 포함하는 어셈블리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구는 상기 챔버의 제 1 단부 근처에 위치하고 상기 출구는 상기 챔버의 제 2 단부 근처에 위치하는 어셈블리.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도 가열 코일과 챔버 사이의 열절연부는 열절연 블랭킷을 포함하는 어셈블리.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균일 분포 수단은 적어도 하나의 반경 방향 뒤섞기용 패들을 갖는 회전가능한 축을 포함하며 구동 모터가 상기 챔버에 인접해 설치되어 그 축에 연결되어 있는 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 축과 패들은 전기 전도성을 가지며 상기 챔버 내부의 다른 전기 전도성 요소를 포함하는 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 축은 도관을 포함하고, 상기 입구가 액체 유동 경로 주위에서 그 도관에 연결되어 있고, 이 도관은 상기 챔버에 들어가는 출구로서 길이 방향으로 서로 떨어져 있는 출구들을 갖는 어셈블리.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교반 매체는 강 볼들을 포함하는 어셈블리.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교반 매체는 스테인레스강 볼들을 포함하는 어셈블리.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구는 스크류 컨베이어를 포함하는 어셈블리.
  15. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균일 분포 수단은 상기 챔버의 내부 크기에 상보적으로 형성된 원통형 케이지를 포함하고, 이 케이지는 상기 챔버에 인접하여 설치되는 구동 모터에 연결되어 있는 회전가능한 축에 고정되어 있으며, 상기 케이지는 상기 일군의 개별적인 교반 매체를 포함하는 어셈블리.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 직원통형 챔버를 포함하는 어셈블리.
  17. 유체를 가열하고 열분해하는 방법으로서,
    입구와 출구를 갖는 챔버 안에서 전기 전도성의 뒤섞이는 일군의 교반 매체를 전기 유도(electrical induction)로 가열하는 단계; 상기 유체를 챔버의 입구를 통해 받아들이는 단계; 상기 가열된 일군의 교반 매체를 챔버 안에서 뒤섞어 상기 유체를 열분해하는 단계; 및 가열되어 열분해된 생성물을 상기 출구를 통해 모으는 단계를 포함하는, 유체를 가열하고 열분해하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    유체의 분해 중에 형성된 고형물을 상기 매체의 교반에 의해 상기 출구로 운반하여 그 고형물을 출구에서 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 챔버를 가압하는 단계를 포함하는 방법.
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