KR20140037337A - 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기에 관한 것으로, 내부에 작동유체가 이동하는 이동공간(21)이 형성되는 하우징(20), 상기 하우징(20)의 내부에 설치되어 내부에 폐열원이 이동하는 다수의 관(30) 및 상기 하우징(20) 내부에 일정 간격으로 설치되는 복수의 격벽(40)을 포함하고, 상기 복수의 격벽(40)은 상기 하우징(20)의 단면 전체에 대응되는 형상으로 형성되며, 상기 복수의 격벽(40)의 하부에는 작동유체가 이동하도록 이동유로(42)가 형성되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기를 이용하는 것에 의해, 본 발명은 하우징 내부에 하우징 단면 전체에 대응되는 형상으로 복수의 격벽을 설치하고, 각 격벽의 하부에 형성된 이동유로를 통해 작동유체를 이동시킴으로써, 작동유체가 하우징 내부에 설치된 다수의 관과 전체적으로 열교환을 수행하게 하여 열전달 성능을 향상시킨다.

Description

폐열 회수용 관다발형 증기 발생기{TUBE BUNDLE STEAM GENERATOR FOR RECOVERY OF WASTE HEAT}

본 발명은 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 배기가스와 냉각수를 통해 외부로 배출되는 폐열원으로부터 열에너지를 회수하는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기에 관한 것이다.

일반적인 자동차는 화석연료를 연소시켜 발생하는 에너지를 기계적 운동에너지로 변환시켜 주는 기계이다.

여기서, 화석연료의 연소시 발생하는 에너지는 모두가 기계적 운동에너지로 변환되지 못하고, 발생한 에너지의 일부는 배기가스와 냉각수를 통하여 열에너지 형태로 외부로 배출된다.

최근에는 배기가스와 냉각수를 통해 외부로 버려지는 열에너지를 회수하기 위하여 여러 가지 방법들이 시도되고 있다.

그 중 하나의 방법으로 자동차의 배기가스와 냉각수를 통해 배출되는 열에너지를 이용하여 증기를 생산하고, 이 증기를 이용해 터빈을 회전시키는 랭킨 사이클이 개발되고 있다.

랭킨 사이클은 작동유체를 고압으로 가압하는 펌프, 운동에너지로 변환되지 않고 방출되는 열에너지를 회수하여 작동유치를 고온의 증기상태로 만드는 증기발생기, 가열된 작동유체를 팽창시켜 회전구동력을 발생시키는 팽창기 및 팽창된 작동유체를 응축시키는 응축기를 포함한다.

이러한 랭킨 사이클은 팽창기에 발전기를 설치하여 전기적 에너지로 생산하거나, 기구장치를 설치하여 기계적 운동에너지로 생산할 수 있다.

한편, 종래기술에 따른 랭킨 사이클에 적용되는 증기발생기는 폐열과 작동유체 사이의 열교환을 수행하여 폐열을 회수하는 열교환기로서, 폐열 회수 과정에서 액상의 작동유체는 과열증기까지 상 변화하면서 비체적이 증가한다.

여기서, 작동유체는 엔탈피가 높은 물 등을 사용하는데, 이와 같이 엔탈피가 높은 물을 작동유체로 사용하는 경우, 동일한 열량을 회수하더라고 작동유체의 유량을 크게 줄일 수 있어 각 핵심부품의 사이즈를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 랭킨 사이클에 적용되는 증기 발생기의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 증기발생기 내부에 설치되는 격벽의 정면도이다.

종래기술에 따른 랭킨 사이클은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐열을 회수하는 열교환기로서 관다발형 증기 발생기(1)를 사용할 수 있다.

이러한 관다발형 증기 발생기에 관한 기술은 대한민국 특허 등록번호 제10-0442119호(2004년 8월 2일 공고, 이하 '특허문헌 1'이라 함), 대한민국 특허 공개번호 제10-2012-0048251호(2012년 5월 15일 공개, 이하 '특허문헌 2'라 함) 등 다수에 개시되어 있다.

관다발형 증기 발생기(1)는 다수의 관(2) 내부에 배기가스와 같은 폐열원이 이동하고, 다수의 관(2) 외부, 즉 다수의 관(2)을 둘러싸는 하우징(3) 내부에는 작동유체가 이동하면서 폐열원과 작동유체 사이에 열교환을 수행하도록 구성된다.

여기서, 하우징(3) 내부에는 열전달 성능을 향상시키고, 구조적 안전성을 높이기 위해 복수의 격벽(4)이 설치된다.

격벽(4)은 관(2)에 수직한 방향으로 하우징(3) 중간에 다수가 설치된다.

여기서, 격벽(4)은 하우징(3) 단면 전체를 차단할 경우, 유체의 흐름을 방해하게 된다.

이에 따라, 특허문헌 2에는 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(3)의 단면 일부만을 차단하도록 격벽(4)을 설치하여 나머지 공간을 통해 유체가 통과할 수 있도록 형성하는 구성이 기재되어 있다.

이와 함께, 격벽(4)은 작동유체의 유동 방향을 따라서 엇갈려 배치되어 도 1에 도시된 화살표와 같이 작동유체의 유동방향을 지그재그로 바꿈으로써, 유동 길이를 증가시키고, 난류 강도를 높여 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 종래기술에 따른 랭킨 사이클에 적용되는 관다발형 증기 발생기(1)에서 격벽(4)은 유체가 지나가는 공간을 확보하기 위해 하우징(3) 단면의 일부만을 차단하도록 형성된다.

여기서, 랭킨 사이클의 작동유체로서 엔탈피가 높은 물 등의 유체를 사용하는 경우가 있는데, 엔탈피가 높은 유체를 작동유체로 사용하는 경우, 동일한 열량을 회수하더라도 작동유체의 유량을 크게 줄일 수 있어 각 핵심부품의 사이즈를 줄일 수 있는 장점이 있었다.

반면, 엔탈피가 높은 유체를 작동유체로 사용하는 경우에는 작동유체의 유량이 작아지는 단점이 있다.

이에 따라, 종래기술에 따른 랭킨 사이클에 적용되는 관다발형 증기 발생기(1)는 엔탈피가 높은 작동유체를 적용하는 경우, 유체의 유량이 작아짐에 따라 작동유체가 격벽(4)을 넘어가면서 관(2) 전체에 분포되지 못하여 열전달 성능이 감소하는 문제점이 있었다 .

또 종래기술에 따른 랭킨 사이클에 적용되는 관다발형 증기 발생기(1)는 증기발생기의 작동유체가 유입부에서 토출부까지 흐르면서 폐열을 회수함에 따라, 고온 고압의 기체상태로 상 변화가 이루어지면서 비체적이 증가하게 된다.

하지만, 모든 격벽(4)이 하우징(3)의 동일한 면적을 차단하기 때문에 유로 단면에서 작동유체의 유속이 급격하게 증가하여 작동유체의 유동 압력 손실이 증가하는 문제점이 있었다.

또한 구조적인 측면에서도 하우징(3) 단면 전체에 격벽(4)을 형성하는 경우에 비해 불리한 문제점이 있었다.

대한민국 특허 등록번호 제10-0442119호(2004년 8월 2일 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2012-0048251호(2012년 5월 15일 공개)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 자동차의 배기가스와 냉각수를 통해 외부로 배출되는 폐열을 회수하고, 폐열 회수율을 향상시킬 수 있는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 증기발생기 내부에서 작동유체의 상 변화에 따라 발생할 수 있는 압력 손실을 감소시키고, 유동의 불균일도를 감소시킬 수 있는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유체의 높은 온도와 압력에 대한 구조 강도를 향상시킬 수 있는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 작동유체가 이동하는 이동공간이 형성되는 하우징, 상기 하우징의 내부에 설치되어 내부에 폐열원이 이동하는 다수의 관 및 상기 하우징 내부에 일정 간격으로 설치되는 복수의 격벽을 포함하고, 상기 복수의 격벽은 상기 하우징의 단면 전체에 대응되는 형상으로 형성되며, 상기 복수의 격벽의 하부에는 작동유체가 이동하도록 이동유로가 형성된다.

상기 복수의 격벽에는 상기 다수의 관이 삽입되는 다수의 결합공이 형성될 수 있다.

상기 이동유로는 미리 설정된 유량의 작동유체만이 통과될 수 있도록 초승달 형상으로 형성될 수 있다.

상기 하우징의 일측에는 상기 하우징 내부로 작동유체가 유입되는 유입관이 연결되고, 상기 하우징의 타측에는 상기 하우징 내부의 이동공간을 따라 이동하면서 상기 다수의 관을 통해 이동하는 폐열원과 열교환을 수행한 작동유체를 배출하는 배출관이 연결되며, 상기 이동유로는 상기 유입관 및 배출관의 중심선과 동일선상에 형성될 수 있다.

상기 복수의 격벽에 형성된 이동유로는 상기 유입관 측에서 상기 배출관 측으로 갈수록 점차적으로 크게 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 하우징 내부에 복수의 격벽을 설치하고, 각 격벽의 하부에 각각 이동유로를 형성함에 따라, 이동유로를 통해 작동유체를 상시적으로 이동시킴으로써, 작동유체가 하우징 내부에 설치된 다수의 관과 전체적으로 열교환을 수행하게 하여 열전달 성능을 향상시키는 효과를 가진다.

그리고 본 발명은 하우징의 단면 전체에 대응되는 형상으로 형성된 격벽을 설치하여 고온의 폐열원이 이동하는 다수의 관을 지지하는 지지력을 증대시켜 다수의 관을 안정적으로 지지할 수 있다.

또 본 발명은 작동유체의 유량이 매우 작은 상태에서 이동유로를 유입관 및 배출관과 동일선상에 형성으로써, 중력에 의한 작동유체의 불균일한 분포를 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 각 격벽에 형성된 이동유로의 크기를 유입관으로부터 배출관 측으로 갈수록 점차적으로 크게 형성함으로써, 상 변화에 따른 작동유체의 비체적 증가에 따라 유동 속도의 증가 폭을 줄일 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 작동유체의 이동 속도 증가로 인한 압력손실을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 랭킨 사이클에 적용되는 증기 발생기의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 증기발생기 내부에 설치되는 격벽의 정면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 증기 발생기의 측단면도,
도 5는 도 3에 도시된 격벽의 정면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기의 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 증기 발생기의 측단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 격벽의 정면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 작동유체가 이동하는 공간이 형성되는 하우징(20), 하우징(20)의 내부에 설치되어 내부에 폐열원이 이동하는 다수의 관(30) 및 하우징(20) 내부에 일정 간격으로 설치되는 복수의 격벽(40)을 포함한다.

다수의 관(30)은 하나의 다발을 이루도록 나란하게 배치되고, 각 관(30)의 일측에는 하우징(20) 외부로부터 자동차의 배기가스나 냉각수와 같이 외부로 방출되는 열에너지를 갖는 폐열원이 공급되는 공급구가 형성되고, 타측에는 폐열원이 방출되는 방출구가 형성된다.

하우징(20)은 대략 원통 형상으로 형성되고, 하우징(20)의 내부에는 작동유체가 이동하는 이동공간(21)이 마련된다.

그리고 하우징(20)의 일측 상부에는 하우징(20) 내부로 작동유체가 유입되는 유입관(22)이 연결되고, 하우징(20)의 타측 상부에는 하우징(20) 내부의 이동공간(21)을 따라 이동하면서 다수의 관(30)을 통해 이동하는 폐열원과 열교환을 수행한 작동유체를 배출하는 배출관(23)이 연결된다.

이러한 하우징(20) 내부에는 다수의 관(30)과 수직으로 배치되어 일정 간격으로 격벽(40)이 설치된다.

여기서, 격벽(40)은 하우징(20)의 단면 전체에 대응되는 형상으로 형성되고, 격벽(40)에는 다수의 관(30)이 결합되는 결합공(41)이 형성된다.

특히, 격벽(40)의 하부에는 도 4에 도시된 바와 같이, 유입관(22) 및 배출관(23)의 중심선과 동일선상에 작동유체가 이동하는 이동유로(42)가 형성된다.

이동유로(42)는 하우징(20) 내부의 작동유체 일부를 이동시키는 역할을 한다.

여기서, 이동유로(42)는 소량의 작동유체만이 통과될 수 있도록 초승달(crescent) 형상으로 형성될 수 있다.

이러한 이동유로(42)는 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(20)의 유입관(22) 측에서 배출관(23) 측으로 갈수록 작동유체가 열교환을 수행하여 기체상태로 상 변화하는 양이 많아짐에 따라 점차적으로 크게 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 하우징 내부에 복수의 격벽을 설치하고, 각 격벽의 하부에 각각 이동유로를 형성함에 따라, 이동유로를 통해 작동유체를 이동시킴으로써, 작동유체가 하우징 내부에 설치된 다수의 관과 전체적으로 열교환을 수행하게 하여 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명은 하우징의 단면 전체에 대응되는 형상으로 형성된 격벽을 설치해서 고온의 폐열원이 이동하는 다수의 관을 지지하는 지지력을 증대시켜 다수의 관을 안정적으로 지지할 수 있다.

또 본 발명은 작동유체의 유량이 매우 작은 상태에서 이동유로를 유입관 및 배출관과 동일선상에 형성으로써, 중력에 의한 작동유체의 불균일한 분포를 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 각 격벽에 형성된 이동유로의 크기를 유입관으로부터 배출관 측으로 갈수록 점차적으로 크게 형성함으로써, 상 변화에 따른 작동유체의 비체적 증가에 따라 유동 속도의 증가 폭을 줄인다.

이에 따라, 본 발명은 작동유체의 유동 속도 증가로 인한 압력손실을 감소시킬 수 있다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기의 결합관계 및 작동방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 일정 간격으로 복수의 격벽(40)을 배치한 후, 각 격벽(40)에 설치된 다수의 결합공(41)에 다수의 관(30)을 각각 삽입하여 격벽(40)과 관(30)이 서로 수직이 되도록 설치한다.

이와 같이, 관(30)이 설치된 복수의 격벽(40)을 하우징(20) 내부의 이동공간(21)에 배치한 후, 하우징(20)의 양단을 절곡하여 하우징(20) 제작을 완료한다.

그리고 하우징(20)의 상부 일측에는 유입관(22)을 연결하고, 타측에는 배출관(23)을 연결한다.

이때, 각 격벽(40)의 하부에 형성된 이동유로(42)는 유입관(22) 및 배출관(23)의 중심선과 동일선상에 위치된다.

이와 같은 과정을 거쳐 증기 발생기(10)의 조립이 완료되면, 다수의 관(30) 일측에 형성된 공급구를 통해 폐열원을 공급하여 방출구 측으로 이동시킨다.

그리고 하우징(20)의 상부 일측에 연결된 유입관(22)을 통해 작동유체를 공급하여 배출관(23) 측으로 이동시킨다.

그러면 폐열원과 작동유체가 서로 반대 방향으로 이동하면서 열교환을 수행하게 된다.

이때, 작동유체는 격벽(40)에 형성된 이동유로(42)를 순차적으로 관통해서 이동하면서 폐열원으로부터 회수되는 열에너지에 의해 기체상태로 상 변화하게 된다.

여기서, 복수의 격벽(40)에 형성된 이동유로(42)는 유입관(22) 측에서 배출관(23) 측으로 갈수록 점차적으로 크게 형성됨에 따라, 기체상태로 상 변화된 작동유체의 비체적 증가로 인한 유동 속도의 증가 폭을 줄여 단면 유동 속도 증가로 인한 압력 손실을 감소시킨다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 하우징 내부에 다수의 관과 수직방향으로 하우징 단면 전체에 대응되는 형성으로 형성된 복수의 격벽을 형성하고, 저유량의 유체가 이동할 수 있는 형태의 이동유로를 통해 하우징 내부의 작동유체를 이동시킴으로써, 작동유체가 다수의 관과 전체적으로 열교환을 수행하여 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 하우징 내부에 다수의 관과 수직 방향으로 하우징 단면 전체에 대응되는 형상으로 복수의 격벽을 형성해서 관을 지지하는 지지력을 증대하고, 격벽의 하부에 형성된 이동유로를 통해 작동유체를 이동시킴으로써, 작동유체가 다수의 관과 전체적으로 열교환을 수행하여 열전달 성능을 향상시키는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기 기술에 적용된다.

10: 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기
20: 하우징 21: 이동공간
22: 유입관 23: 배출관
30: 관 40: 격벽
41: 결합공 42: 이동유로

Claims (5)

1. 내부에 작동유체가 이동하는 이동공간(21)이 형성되는 하우징(20),
   상기 하우징(20)의 내부에 설치되어 내부에 폐열원이 이동하는 다수의 관(30) 및
   상기 하우징(20) 내부에 일정 간격으로 설치되는 복수의 격벽(40)을 포함하고,
   상기 복수의 격벽(40)은 상기 하우징(20)의 단면 전체에 대응되는 형상으로 형성되며,
   상기 복수의 격벽(40)의 하부에는 작동유체가 이동하도록 이동유로(42)가 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 격벽(40)에는 상기 다수의 관(30)이 삽입되는 다수의 결합공(41)이 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 이동유로(42)는 미리 설정된 유량의 작동유체만이 통과될 수 있도록 초승달(crescent) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징(20)의 일측에는 상기 하우징(20) 내부로 작동유체가 유입되는 유입관(22)이 연결되고,
   상기 하우징(20)의 타측에는 상기 하우징(20) 내부의 이동공간(21)을 따라 이동하면서 상기 다수의 관(30)을 통해 이동하는 폐열원과 열교환을 수행한 작동유체를 배출하는 배출관(23)이 연결되며,
   상기 이동유로(42)는 상기 유입관(22) 및 배출관(23)의 중심선과 동일선상에 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 복수의 격벽(40)에 형성된 이동유로(42)는 상기 유입관(22) 측에서 상기 배출관(23) 측으로 갈수록 점차적으로 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수용 관다발형 증기 발생기.
   

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