KR20150000963A - 열교환 장치 및 이의 오염 방지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환 장치 및 이의 오염 방지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코로나 방전으로 제1 유체에 포함된 미세입자를 하전시키는 하전장치; 상기 하전장치에서 이송된 제1 유체가 내부에 유입된 후, 열교환되도록 양측에 유입구와 배출구가 형성된 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되며, 상기 제1 유체와 온도 특성이 상이한 제2 유체의 흐름 경로를 제공하여 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환을 가능하게 하는 내관; 및 상기 케이스 외부에서 설치되며, 상기 내관 외부 표면에 전압을 인가하여 그 표면이 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 하는 전압발생장치를 포함함으로써, 상기 하전된 미세입자와 내관에 인가된 전압 사이의 정전기적 척력에 의해 내관 외부표면의 미세입자가 축척되는 것을 방지할 수 있는 열교환 장치 및 이의 오염 방지 방법에 관한 것이다.

Description

열교환 장치 및 이의 오염 방지 방법 {HEAT EXCHANGING APPARATUS AND METHOD FOR PREVENTING FOULING THE SAME}

본 발명은 내관 외부표면의 오염을 방지할 수 있는 열교환 장치 및 이의 오염 방지 방법에 관한 것이다.

일반적으로 가열로(furnace)에서 소재를 가열하는 경우, 연료를 연소시키는 버너를 통해 발생된 배가스는 가열로 내에서 소재를 가열한 이후 가열로 밖으로 방출되게 되며 방출되는 배가스의 열량은 가열로의 손실 열량 중에서 가장 큰 비율을 차지하고 있다.

이러한 측면에서 배가스 열량의 감소화 또는 배가스 열량 중 일부를 회수하게 되면 전체적인 열효율 향상을 얻을 수 있다.

또한, 폐기물 처리시설 중 소각시설에 대한 설치기준(폐기물관리법시행규칙 별표 7)에 따르면, 불완전연소로 인한 다이옥신의 생성을 방지하고 대기오염물질의 발생량을 줄이기 위해 연소실 출구에서 측정한 배가스의 온도가 850℃ 이상으로 유지되도록 규제되고 있다.

또한, 배가스 중에 포함된 분진을 제거하기 위해 후처리시설(집진시설)을 갖추도록 되어 있다. 상기 연소실에서 배출된 고온의 배가스(exhaust gas)가 후처리시설에 그대로 제공될 경우 고온의 영향으로 인해 후처리 시설이 오작동할 우려가 있어 배기가스 온도를 300℃ 이하로 낮출 수 있는 냉각 시설이나 폐열회수 시설을 상기 연소실과 후처리 시설 사이에 두도록 되어 있다.

상기 냉각시설이나 폐열회수 시설로는 열교환기(절탄기)가 주로 이용되며, 상기 열교환기에서 배가스의 온도가 충분히 감온되어야 다이옥신 등의 유해물질이 재생성되는 것을 근원적으로 억제할 수 있다.

대부분의 열교환기는 제1 유체(연소실에서 배출된 고온의 배가스)가 유입되는 외관과 제2 유체(저온)가 유입되는 내관으로 유입되어 열교환되는 구조이다.

이러한 열교환 과정에서 열을 빼앗긴 분진은 내관의 외벽에 달라붙어 경시적으로 열교환기의 성능이 낮아지게 된다. 이와 같은 내관 외벽의 오염은 관리자(작업자)가 직접 오염된 전열면을 청소하여 제거하지만 이는 매우 번거로운 일이기 때문에 일부에서는 수트 블로워(soot blower)를 사용하기도 한다.

그러나, 수트 블로워(soot blower)는 증기나 공기의 분류(噴流)를 전열면에 내뿜어 분진을 떨어내는 장치이므로 시스템 운전 중에는 사용할 수 없고, 증기나 공기 중에 포함된 수분으로 인해 전열면이 부식(腐蝕)되는 문제가 있다

이에 한국공개특허 제2004-0021991호는 외관으로 유입되는 유체에 불균일 전기장을 인가하고, 상기 유체 내부의 고체입자와 유체의 유전상수 차이를 이용하여 열교환기의 내관 외벽에 불순물이 부착되지 않도록 하는 방법에 제시되고 있다.

그러나, 상기 방법은 유체 내부의 고체입자가 극성을 띠는 분자들인 경우로 한정되어, 극성을 띠는 분자로 이루어지지 않은 고체입자가 유체 내부에 함유되는 경우에는 열교환기 내관 외벽에 불순물이 부착되는 문제가 있으므로 다양한 분야에 적용이 용이하지 않다.

본 발명은 내관 외부표면에, 유체에 포함된 미세입자가 축적되어 오염되는 현상을 방지하여 연속적으로 운전할 수 있는 열교환 장치 및 상기 열교환 장치의 오염 방지 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유체에 포함된 미세입자의 종류, 구체적으로 물리/화학적 특성과 관계없이 입자상이면 용이하게 적용할 수 있는 열교환 장치 및 상기 열교환 장치의 오염 방지 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 코로나 방전으로 제1 유체에 포함된 미세입자를 하전시키는 하전장치; 상기 하전장치에서 이송된 제1 유체가 내부에 유입된 후, 열교환되도록 양측에 유입구와 배출구가 형성된 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되며, 상기 제1 유체와 온도 특성이 상이한 제2 유체의 흐름 경로를 제공하여 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환을 가능하게 하는 내관; 및 상기 케이스 외부에서 설치되며, 상기 내관 외부 표면에 전압을 인가하여 그 표면이 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 하는 전압발생장치를 포함하는 열교환 장치를 제공한다.

이러한 열교환 장치는 상기 하전된 미세입자와 내관에 인가된 전압 사이의 정전기적 척력에 의해 내관 외부표면의 미세입자가 축척되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 열교환 장치를 이용하여 제1 유체에 포함된 미세입자가 내관의 외부 표면에 부착되지 않도록 함으로써 열 교환기의 작동을 중지시키기 않고 내부 오염을 방지하는 방법을 제공한다.

본 발명의 열교환 장치는 유체에 함유된 미세입자가 내관 외부표면에 부착되지 않아, 종래 상기 부착된 미세입자를 제거하기 위한 별도의 세정공정이 요구되지 않는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 열교환 장치는 세정공정을 수행하기 위해 열교환 장치의 운전의 중지와 재가동 등의 과정이 없어 작업 부하의 발생을 감소시킬 수 있고, 연속적으로 열교환 장치를 운전할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 열교환 장치는 미세입자의 물리/화학적인 특성에 관계없이, 입자상을 갖는 유체가 사용되는 다양한 분야에 적용할 수 있는 이점이 있다.

특히 다량의 불순물을 함유한 폐기물 소각공정, 코크스 가스 정제공정 등의 배가스를 열교환 처리하는 공정에 적용 시 운전의 편의성 및 안정성을 획기적으로 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치의 개략도를 나타낸 것이다.

본 발명은 내관 외부표면의 오염을 방지할 수 있는 열교환 장치 및 이의 오염 방지 방법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치이다. 도 1은 대형 케이스(20)에 여러 개의 작은 내관(30)을 넣은 투관형식 구조로, 상기 내관은 굴곡된 형상을 갖는다.

투관형식은 당 분야에서 통상 사용되는 열교환기의 형식으로, 열이 높은 유체와 낮은 유체의 흐름에서 같은 방향으로 흐르는 것은 병류형, 반대방향으로 흐르는 것은 역류형, 직각방향으로 흐르는 것은 직류형으로 구분된다.

본 발명은 상기 도 1은 직류형 투관형식의 열교환 장치를 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 코로나 방전으로 제1 유체에 포함된 미세입자를 하전시키는 하전장치(10); 상기 하전장치에서 이송된 제1 유체가 내부에 유입된 후, 열교환되도록 양측에 유입구와 배출구가 형성된 케이스(20); 상기 케이스 내부에 설치되며, 상기 제1 유체와 온도 특성이 상이한 제2 유체의 흐름 경로를 제공하여 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환을 가능하게 하는 내관(30); 및 상기 케이스 외부에서 설치되며, 상기 내관 외부 표면에 전압을 인가하여 그 표면이 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 하는 전압발생장치(40)를 포함한다.

상기 열교환 장치는 하전된 미세입자와 내관에 인가된 전압 사이의 정전기적 척력에 의해 내관 외부표면의 미세입자가 축척되는 것을 방지한다.

하전장치(10)는 케이스의 앞부분 즉, 하전장치의 제1 유체의 유입구(31) 부분에 구비되며 상기 제1 유체에 포함된 미세입자를 하전시킨다. 상기 미세입자는 다양한 분야의 공정 후 배출되는 배기가스 등에 함유되어 내관 외부 표면에 오염을 발생시킬 수 있는 물질이다.

상기 미세입자가 포함된 제1 유체를 하전장치(10)에 유입시키고, 유입된 제1 유체에 방전봉(미도시), 방전판(미도시), 방전봉 고전압장치(미도시) 등을 사용하여 코로나 방전을 발생시켜 상기 코로나 방전이 미세입자 표면에 하전된다. 이때, 하전장치(10)는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 코로나 방전으로 미세입자의 표면을 하전시킬 수 있는 것이면, 장치의 구조 및 구성 등은 특별히 한정하지 않는다.

상기 케이스(20)은 하전장치에서 이송된 제1 유체가 내부에 유입되도록 하전장치와 연결되는 유입구(21)와, 상기 유입구의 반대 측에 형성되어 하전된 미세입자를 포함하는 제1 유체가 배출되는 유출구(23)를 구비한다. 상기 케이스(20)는 그 길이 방향으로 제1 유체의 흐름의 경로를 제공한다.

상기 케이스(20)의 내부에는 작은 내관(30)이 굴곡된 형상으로 설치되며, 케이스(20) 내부로 유입되는 제1 유체와 내관(30) 표면의 접촉 면적이 넓도록 내관(30)이 지그재그형상의 굴곡을 이룬다.

상기 내관(30)은 유입구(31) 및 유출구(33)과 연결되어, 내관의 유입구(31)로부터 제2 유체를 제공받아 이를 내관의 유출구(33)로 배출한다. 상기 내관(30)은 제2 유체의 흐름 경로를 제공한다.

상기 케이스(20)로 유입되는 하전된 미세입자를 포함하는 제1 유체와, 내관(30)으로 유입되는 제2 유체는 서로 온도 특성이 상이하여 이들 사이에 열교환이 이루어진다.

본 발명에서 사용되는 케이스(20) 및 내관(30)의 소재는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않는다. 구체적으로, 케이스(20) 및 내관(30)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 케이스(20)의 내부 및 내관(30)의 외부 표면은 상기 알루미늄 상에 니켈 및 구리를 순차적으로 화학도금하여 니켈층 및 구리층을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 화학도금으로 형성된 니켈층 및 구리층은 열교환기의 내부의 알루미늄이 부식에 의해 손상되는 것을 방지하고, 균등 열전도에 의해 원활한 열교환이 이루어지도록 하는 역할을 한다.

본 발명은 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 내관의 외부 표면에 전압을 형성한다. 구체적으로 상기 미세입자를 (-)극으로 하전하고, 내관의(30) 외부표면에 (-)전압을 인가한다.

상기 (-)극으로 하전된 미세입자는 (-)전압이 인가된 내관의 외부표면과 정전기적 척력이 발생되어 서로 밀어내게 되므로, 상기 내관(30)의 외부표면에 미세입자가 축척되는 것을 방지할 수 있다.

상기 내관(30)의 외부표면에 인가되는 전압은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 전압발생기(40)를 이용하며, 이때 전압은 하전된 미세입자의 동일한 극성을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 구체적으로 하전장치에서 미세입자가 (-)극으로 하전되는 경우에는 음전압발생기를 이용하여 내관의 외부표면에 음전압을 인가한다.

전압의 인가 효율을 향상시키기 위하여, 상기 내관(30)의 외부표면상에 전도성 카본입자층을 추가로 형성할 수 있다. 상기 전도성 카본입자층은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 플러린으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 전도성 카본입자층은 입자층 형성 조성물을 제조한 후, 당 분야에서 일반적으로 사용되는 다이코터, 에어 나이프, 리버스 롤, 스프레이, 블레이드, 캐스팅, 그라비아 및 스핀코팅 등의 적당한 방식으로 도포하여 형성할 수 있다.

이러한 전도성 카본입자층의 두께는 본 발명이 목적으로 하는 효과를 달성할 수 있으면 특별히 한정하지는 않으나, 바람직하기로는 8 내지 1000㎛가 좋다.

또한, 케이스(20)는 외부 표면에 절연 수지층이 형성될 수 있다.

절연 수지층은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 절연 고분자 재료를 함유하는 것으로, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐알콜, 폴리이미드 및 폴리에폭시 등이 사용될 수 있다. 이중 내열성 측면에서는 폴리이미드가 바람직하다.

상기 케이스(20)는 전압이 인가되는 내관(30)으로부터 절연하기 위하여, 케이스와 내관이 접하는 공간에 상기 절연 고분자 재료를 함유하는 절연 수지부를 추가로 형성할 수 있다. 상기 케이스와 내관 사이에 형성된 절연부의 두께는 25 내지 100㎛일 수 있다.

또한, 상기 케이스의 하단에는 밸브로 개폐하는 드레인(미도시)을 설치하여 내부바닥에 쌓인 슬러지 또는 슬러리 등의 오염물을 간헐적으로 처리(물청소 등)할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기에서 언급된 장치를 이용하여 열교환 장치의 오염을 방지하는 방법에 특징이 있다.

구체적으로 열교환 장치의 오염 방지 방법은 하전장치에, 미세입자를 포함하는 제1 유체를 유입하여 미세입자를 단극성으로 하전시키는 단계; 상기 하전된 미세입자를 포함하는 제1 유체를 케이스 내부에 유입하여 순환시키는 단계; 상기 제1 유체와 온도 특성이 상이한 제2 유체를 내관으로 투입하여 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환을 수행하는 단계; 상기 내관 외부표면에, 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 전압을 인가하는 단계; 및 상기 하전된 미세입자와 내관에 인가된 전압 사이의 정전기적 척력에 의해 내관 외부표면의 미세입자가 축척되는 것을 방지하는 단계를 포함한다.

상기 전압 인가는 열교환기 작동 도중에 내관 표면에 지속적 또는 비지속적으로 인가할 수 있으나, 입자와 표면간의 척력을 고려하면 0.1kv/cm 이상으로 인가하는 것이 바람직하다.

통상 전압의 세기 및 전압 인가 주기 등은 제1 유체에 함유된 미세입자의 종류, 양, 직경 등을 고려하여 적절하게 변화시킬 수 있다.

구체적으로 열교환기에 인가되는 전압의 세기는 0.1kv/cm 이상인 것이 좋다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 하전장치
20: 케이스
21: 제1 유체 유입구
23: 제1 유체 유출구
30: 내관
31: 제2 유체 유입구
33: 제2 유체 유출구
40: 전압 발생기

Claims (7)

1. 코로나 방전으로 제1 유체에 포함된 미세입자를 하전시키는 하전장치;
   상기 하전장치에서 이송된 제1 유체가 내부에 유입된 후, 열교환되도록 양측에 유입구와 배출구가 형성된 케이스;
   상기 케이스 내부에 설치되며, 상기 제1 유체와 온도 특성이 상이한 제2 유체의 흐름 경로를 제공하여 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환을 가능하게 하는 내관; 및
   상기 케이스 외부에서 설치되며, 상기 내관 외부 표면에 전압을 인가하여 그 표면이 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 하는 전압발생장치를 포함하고,
   상기 하전된 미세입자와 내관에 인가된 전압 사이의 정전기적 척력에 의해 내관 외부표면의 미세입자가 축척되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 내관은 그 외부표면에 전도성 카본입자층이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 전도성 카본입자층은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 플러린으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 유체에 포함된 미세입자는 (-)극으로 하전되고, 내관 표면은 (-)극을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스는 외부 표면에 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
   
6. 하전장치에, 미세입자를 포함하는 제1 유체를 유입하여 미세입자를 단극성으로 하전시키는 단계;
   상기 하전된 미세입자를 포함하는 제1 유체를 케이스 내부에 유입하여 순환시키는 단계;
   상기 제1 유체와 온도 특성이 상이한 제2 유체를 내관으로 투입하여 제1 유체와 제2 유체 사이에 열교환을 수행하는 단계;
   상기 내관 외부표면에, 상기 하전된 미세입자와 동일한 극성을 갖도록 전압을 인가하는 단계; 및
   상기 하전된 미세입자와 내관에 인가된 전압 사이의 정전기적 척력에 의해 내관 외부표면의 미세입자가 축척되는 것을 방지하는 단계를 포함하는 열교환 장치의 오염 방지 방법.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 유체에 포함된 미세입자는 (-)극으로 하전되고, 내관 표면은 음전압 발생기를 이용하여 (-)극을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치의 오염 방지 방법.

Images