KR20150139551A

KR20150139551A - 가스 슬라이드 열교환기

Info

Publication number: KR20150139551A
Application number: KR1020157030972A
Authority: KR
Inventors: 디르크 로어베르크; 안드레아스 오르트
Original assignee: 오토텍 (핀랜드) 오와이
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2015-12-11
Also published as: CN105164485A; EA201591777A1; US20160054064A1; CN105164485B; RS56234B1; EP2984432B1; EA029071B1; WO2014166533A1; EP2984432A1

Abstract

벌크 재료를 처리하는 열교환기 (1) 는 일 단부에서 상기 벌크 재료를 도입하기 위한 입구 (3), 그리고 타 단부에서 상기 벌크 재료를 인출하기 위한 출구 (4) 를 갖는 세장형 파이프 (2) 를 포함한다. 복수의 열교환 튜브들 (5) 은 상기 파이프 (2) 의 종방향으로 연장되고, 그리고 유동화 가스를 도입하기 위한 복수의 유동화 노즐들 (9, 9a) 은 상기 파이프 (2) 의 저부 (10) 에 제공된다.

Description

가스 슬라이드 열교환기{GAS SLIDE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 일 단부에서 벌크 재료를 도입하기 위한 입구, 그리고 타 단부에서 상기 벌크 재료를 인출하기 위한 출구를 갖는 세장형 파이프를 포함하는 벌크 재료를 처리하는 가스 슬라이드 열교환기에 관한 것이다.

플랜트 엔지니어링에서, 벌크 재료는 종종 동시에 운반되고 냉각되거나 가열되어야 한다. 이런 목적을 위하여, 스크루 컨베이어들이 공보 DE 15 51 441 에 기재된 바와 같이 공지되어 있다. 이런 열교환기는 일 단부에서 처리될 재료를 위한 입구, 그리고 타 단부에서 출구를 갖는 고정식 세장형 하우징 뿐만 아니라, 상기 하우징에 제공되고 그 길이를 따라서 연장되는 하나 이상의 스크루 로터들을 포함한다. 이 로터는 중심 샤프트 및 상기 중심 샤프트의 외부 표면에 제공된 웜 기어를 포함한다. 이 샤프트 내에는 스팀 공급부에 연결된 도관이 제공된다. 벌크 재료는 입구를 통하여 하우징 내로 도입되고 스크루 컨베이어의 회전 운동에 의해서 이를 통하여 운반된다. 동시에, 벌크 재료는 샤프트의 중심 도관에서 유동하는 스팀 뿐만 아니라, 하우징의 이중벽에서 유동하는 스팀에 의해서 가열된다.

스크루 컨베이어를 포함하는 또 다른 열교환기는 공보 DE 534 988 에서 공지되어 있고, 여기서 가열 또는 냉각 매체는 중공 스크루 컨베이어를 통하여 유동하여 하우징을 통하여 운송된 벌크 재료를 가열 또는 냉각시킨다. 다른 스크루 운반 열교환기들은 공보들 DE　17 51 961 또는 DD 288 663 A5 에서 공지되어 있다.

스크루 컨베이어들의 설계는 복잡하고 비용 집약적이다. 또한, 이 컨베이어들은 별개의 구동부를 필요로 하고 베어링 및 토크 충격들로 인하여 길이가 제한된다.

유동층 (fluidized bed) 에서 열교환을 실시하는 것도 또한 공지되어 있다. 공보 AT 507 100 B1 은 열교환을 위한 프로세스 및 장치를 개시하고, 여기서 벌크 재료는 유동화 가스를 도입함으로써 유동화되고, 그리고 벌크 재료는 교반기에 의해서 추가적으로 교반된다. 교반 아암들은 하우징 내에서 수평 평면들에 제공된 열교환 튜브들의 층들 사이에서 회전된다.

공보 DE 10 2011 078 954 A1 은 공급 섹션, 열교환기 섹션 및 벌크 재료 배출 섹션을 갖는 또 다른 벌크 열교환장치를 개시한다. 벌크 재료 공급 섹션은 컨베이어 유동 공급 챔버 및 역류형 (counter flow) 공급 챔버에서 벌크 칸막이에 의해서 나눠진다. 벌크 재료 칸막이는 벌크 열교환기 섹션으로 이어진다. 이에 따라, 컨베이어 유동 영역 및 역류 영역은 열교환기 섹션으로 형성된다. 열교환 섹션을 통과한 후, 가열된 입자들은 장치의 상부 챔버 내에서 순환되고 인출될 환형 층으로 돌아간다. 이런 시스템은 또한 아주 복잡하고 유동화 공기의 특정 조절을 필요로 한다.

WO 2010/147771 A 에서 공지된 바와 같이, 열교환 요소들 없는 공통 가스 슬라이드들에서, 유동화 가스는 가스 슬라이드의 하부 부분에서 노즐들 또는 멤브레인들을 통하여 주입된다. 주입된 가스량은 예를 들어 유동층 냉각기에서 원하는 바와 같이 벌크 재료가 유동하지만 팽창하거나 순환하지 않는 범위로 유지된다.

본 발명의 목적은 열교환 용량들이 개선되고 구조가 간단한 가스 슬라이드 열교환기를 제공하는데 있다.

본 발명에 따라, 청구범위 제 1 항의 특징부를 포함하는 열교환기가 제공된다. 복수의 열교환 튜브들은 파이프의 종방향으로 연장되고, 유동화 가스를 도입하기 위한 복수의 유동화 노즐들이 파이프의 저부에 제공된다. 벌크 재료는 유동화되어 세장형 파이프를 따라 서서히 유동한다. 동시에, 열교환 튜브들을 통하여 유동하는 열교환 매체에 의해서 열이 교환된다. 스크루 컨베이어와 비교하여, 본 발명에 따른 가스 슬라이드 열교환기의 열교환기 요소들은 더 큰 표면/체적 비로 설계된다. 다중 단일 열교환 튜브들은 선행 기술에서 사용된 스크루 컨베이어 및 스크루 샤프트의 원통형 표면 보다 훨씬 더 큰 표면을 갖는 번들로 통합될 수 있다. 동시에, 열 교환은 유동화 가스에 의해서 유동화된 벌크 재료의 팽창 표면에 의해서 촉진된다. 이것은 표준 스크루 컨베이어에서 가능하지 않다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 유동화 노즐들은 벌크 재료의 운반 방향에 수직으로 배향된다. 이에 따라, 벌크 재료는 노즐들을 통과할 때 충분히 유동화되는 것이 보장된다. 본 발명의 명세서에서 "수직" 이라는 것은 파이프를 따라서 벌크 재료의 주 운반 방향에 대하여 85 내지 95°범위내의, 특히 약 90°의 유동화 노즐들의 배향을 나타낸다.

일부의 유동화 노즐들이 파이프의 저부로부터 파이프의 상부 영역 내로 연장된다면, 유동화될 때 팽창되는 것보다 오히려 홀들을 발생시키는 경향이 있는 벌크 재료의 경우들에서 또한 재료의 팽창 및 운반을 보장할 수 있다. 이것은 특히 벌크 재료가 매우 미세한 경우에 발생한다.

바람직하게는, 파이프는 벌크 재료의 운반 방향으로 하향으로, 바람직하게는 5 내지 10°의 각도에서, 또는 보다 바람직하게는 6 내지 8°의 각도에서 경사진다. 이런 파이프에서, 유동화된 벌크 재료는 자동으로 출구를 향하여 파이프 아래로 유동한다.

열교환기 내에서 열교환을 증가시키기 위하여, 파이프는 열교환 매체를 수용하기 위하여 이중벽을 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 열은 유동화된 재료 내의 종방향 열교환 튜브들 사이에서 뿐만 아니라 외벽으로부터 교환된다.

또 다른 실시형태에서, 파이프는 열교환 매체를 수용하기 위하여 복수의 더 작은 파이프들로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열교환 표면은 증가된다. 추가로, 또한 대안적으로, 복수의 더 작은 파이프들은 열교환 매체를 수용하기 위하여 파이프 내에 제공될 수도 있다.

파이프를 통한 벌크 재료의 운송을 촉진시키기 위하여, 본 발명의 범위 내에서 파이프의 저부로부터 이격된 위치에서 파이프 내로 진입되어 추가의 운송 가스를 도입하는 운송 노즐들이 제공된다. 바람직하게는, 운송 노즐들의 개구들은 파이프 높이의 약 25 내지 75% 에서 연장되는 영역에 위치된다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 운송 노즐들은 30 내지 60°, 바람직하게는 40 내지 50°, 특히 약 45°의 각도에서 하향으로 경사진다.

또한, 운송 노즐들이 재료의 운반을 촉진하기 위하여 벌크 재료의 운반 방향으로 경사지는 본 발명이 제공된다. 일반적으로, 운송 노즐들은 30 내지 60°, 바람직하게는 40 내지 50°, 특히 약 45°의 각도에서 경사진다.

본 발명의 양태에 따르면, 유동화 및/또는 운송 노즐들은 파이프의 종방향으로 각각의 열들로 위치되고, 바람직하게는 공통 공급 파이프들은 노즐들의 각 열에 유동화 가스를 공급하기 위하여 제공된다.

본 발명에 따르면, 유동화 및/또는 운송 노즐들의 유량은 조절될 수 있고, 바람직하게는 유동화 가스는 운반 방향으로 저속으로 운송 노즐들을 통하여 주입되어 아주 적당한 벌크 재료 유동을 보장한다.

대신에, 이 유동화 가스의 다른 부분은 비교적 더 높은 속도로 유동화 노즐들을 통하여 운반 방향에 수직으로 주입되어 벌크 재료의 팽창, 그렇기 때문에 큰 재료 표면 및 개선된 열교환을 얻을 수 있다.

열교환 매체는 프로세스 및 재료의 특정 요구 조건들에 따라 벌크 재료의 운반 방향에 역류로 또는 병류로 배향될 수도 있다.

본 발명은 이제 바람직한 실시형태들 및 도면에 근거하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 설명 및/또는 예시된 모든 특징들은 개별적인 청구항들 또는 이들의 역참조에서 이들의 개재물과 관계 없이 그 자체로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 주제를 형성한다.

도 1 은 본 발명에 따른 열교환기의 단면도이고,
도 2 는 도 1 의 A-A선을 따라 취한 제 1 실시형태의 단면도이고,
도 3 은 열교환 튜브들이 도시되어 있지는 않지만 파이프 단면 내에 벌크 재료의 분포가 도시된 본 발명의 제 1 실시형태의 단면도이고,
도 4 는 도 1 의 A-A선을 따라 취한 본 발명의 제 2 실시형태의 도 3 과 유사한 단면도이고,
도 5 는 도 1 의 A-A선을 따라 취한 본 발명의 대안적인 실시형태의 도 3 과 유사한 단면도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 슬라이드 열교환기 (1) 는 제 1 단부에서 벌크 재료를 도입하기 위한 입구 (3), 그리고 파이프 (2) 의 타 단부에서 상기 벌크 재료를 인출하기 위한 출구 (4) 를 갖는 파이프 (2) 를 포함한다. 파이프 (2) 는 출구 (4) 의 방향으로 6 내지 8도의 각도에서 하향으로 약간 경사진다. 복수의 열교환 튜브들 (5)(도 2) 은 파이프 (2) 의 종방향을 따라서 연장된다. 가열 매체는 공급구 (6) 를 통하여 열교환 튜브들 (5) 내로 도입되고, 그리고 파이프 (2) 의 타 단부에서 유출구 (7) 를 통하여 인출된다. 파이프 (2) 의 벽 (2a) 은 추가의 열교환 매체를 수용하도록 이중벽으로서 설계된다.

도 1 에 도시된 실시형태에서, 열교환 매체, 바람직하게는 물, 보일러 공급수 또는 서모 오일 (thermo oil) 은 벌크 재료의 유동에 역류로 배향된다. 대안적인 실시형태에서, 열교환 매체는 열교환 프로세스 및 처리될 재료의 특정 요구 조건들에 따라서 벌크 재료의 운반 방향에 병류로 배향되어도 좋다.

파이프 (2) 아래에는 유동화 가스용 공급 파이프 (8) 가 제공된다. 복수의 유동화 노즐들 (9) 은 상기 공급 파이프 (8) 로부터 파이프 (2) 를 향하여 상향으로 연장된다. 도 2 에서 명백한 바와 같이, 유동화 노즐들 (9) 은 파이프 (2) 의 저부 영역의 대략 중심에서 그 파이프의 저부 (10) 에서 파이프 (2) 로 진입한다.

또한, 공급 파이프들 (11, 12) 은 파이프 (2) 의 길이의 주요 부분을 따라서 연장되고, 그리고 운송 노즐들 (13, 14) 을 포함하며, 이들 운송 노즐들은 파이프 (2) 의 높이의 25 내지 75%, 특히 30 내지 40% 에 위치된 영역에서 파이프 (2) 내로 진입한다. 도 2 로부터 명백한 바와 같이, 운송 노즐들 (13, 14) 은 대략 45°의 각도에서 하향으로 경사지고: 게다가, 도 1 에서 명백한 바와 같이, 운송 노즐들 (13, 14) 은 또한 약 45°의 각도에서 벌크 재료의 운반 방향으로 경사진다. 유동화 노즐들 (9) 및 운송 노즐들 (13, 14) 을 통하여 파이프 (2) 내로 (연속적으로 또는 펄스 스트림으로서) 도입되는 유동화 가스, 특히 공기는 파이프 (2) 내에서 벌크 재료를 유동화하고, 그리고 이 유동화 가스가 파이프 (2) 의 단부에 제공된 가스 출구 (15) 를 통하여 배출될 때까지 파이프 (2) 를 따라서 벌크 재료와 함께 유동한다.

도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 열교환기는 전술한 바와 같이 기본적으로 구성된다. 이어서, 열교환기의 작동 및 이점들이 설명될 것이다.

벌크 재료, 예를 들면, 분광들 (ore fines), 알루미늄 수화물, 애시 등은 입구 (3) 를 통하여 파이프 (2) 내로 도입된다. 벌크 재료는 유동화 노즐들 (9) 및 운송 노즐들 (13, 14) 을 통하여 도입된 유동화 가스에 의해서 파이프 (2) 내에서 유동화되고, 그리고 이 벌크 재료가 출구 (4) 를 통하여 파이프 (2) 로부터 인출될 때까지 파이프 (2) 를 따라서 유동한다. 유동화 가스의 일부는 운송 노즐들 (13, 14) 을 통하여 운반 방향으로 저속으로 주입되는 반면에, 이 유동화 가스의 다른 부분은 벌크 재료의 운반 방향에 수직한 방향으로 유동화 노즐들 (9) 을 통하여 비교적 고속으로 주입된다. 이에 따라, 벌크 재료는 유동화되고 팽창되어 큰 재료 표면 및 개선된 열교환이 얻어진다. 운송 노즐들 (13, 14) 및 유동화 노즐들 (9) 각각을 통하여 도입된 유동화 가스의 속도들은 벌크 재료의 입자 크기 및 다른 특성들에 좌우된다. 벌크 재료가 유동화 가능하다면, 유동화 노즐 (9) 을 통하여 도입된 유동화 가스의 속도는 일반적으로 (종단면에 대하여) 0.2 m/s 보다 작다. 벌크 재료가, 예를 들면, 너무 미세하거나 너무 무겁기 때문에, 유동화 가능하지 않고, 그리고 운송 메카니즘이 중력식 유동에 근거하지 않는 경우에, 운송 노즐들 (13, 14) 을 통하여 도입된 유동화 가스의 양은 노즐 (9) 을 통하여 도입된 유동화 가스의 양 보다 더 많다.

유동화의 개념은 도 3 에서 예시되며, 여기서 벌크 재료는 운송 구역 (20) 에서 주로 운송되지만, 구역 (21) 은 벌크 재료의 팽창으로 인해 재료 표면이 확대된 영역을 가리킨다. 편의상 열교환 튜브들 (5) 은 도 3 내지 도 5 에 예시되어 있지 않다.

특히, 유동화 가스의 도입시 팽창하는 것 보다 홀들을 발생시키는 경향이 있는 벌크 재료에 대하여, 도 4 는 운송 노즐들 (13, 14) 은 파이프 (2) 의 더 높은 영역에 배열되어 재료 표면이 확대된 증가된 구역 (21) 이 발생되는 실시형태를 도시한다. 유동화 노즐들 중 일부의 유동화 노즐들 (9a) 이 파이프 (2) 의 저부 (10) 에서 개방되어 있지 않지만 파이프 (2) 의 상부 영역 내로 연장되어 재료 표면이 확대된 구역 (21) 을 발생시키는 경우에, 유사한 효과가 도 5 에 도시된 실시형태에서 달성된다. 운송 노즐들 (13, 14) 및 연장된 유동화 노즐들 (9a) 은 열교환기 (1) 에서 조합될 수도 있다.

유동화 노즐들 (9, 9a) 및 운송 노즐들 (13, 14) 을 통하여 공급된 유동화 공기의 유량은 파이프 (2) 내에서 벌크 재료의 적절한 유동화 및 운송 조건들을 제공하기 위하여 조절될 수 있다.

유동층 냉각기들에 의한 스크루 컨베이어 공급자들 및 작동 경험에 대한 정보에 근거하여, 표준 스크루 컨베이어 대신 본 발명에 따른 가스 슬라이드 열교환기를 사용한 열 운송이 대략적으로 4배로 될 수 있는 것으로 추정될 수 있다. 이것은 가스 슬라이드 열교환기에서 합리적으로 실현될 수 있는 범위에서 벌크 재료를 팽창시킴으로써 가능하다.

스크루 컨베이어와 비교하여, 본 발명에 따른 가스 슬라이드 열교환기는 제조하는데 덜 복잡하고, 대략적으로 동일한 주요 치수들에서 더 큰 열교환 표면을 제공하고, 그리고 팽창된 벌크 재료 표면으로 인하여 개선된 열전달을 제공한다.

본 발명은 가열된 열교환 매체를 사용함으로써 벌크 재료를 가열하는데 적합하지만 또한 냉각된 열교환 매체에 의해서 벌크 재료를 냉각시키는데 사용될 수도 있다.

1 열교환기
2 파이프
2a 이중벽
3 입구
4 출구
5 열교환 튜브
6 공급구
7 유출구
8 공급 파이프
9, 9a 유동화 노즐
10 저부
11, 12 공급 파이프
13, 14 운송 노즐
15 가스 출구
20 운송 구역
21 벌크 재료 표면이 확대된 구역
22 벌크 재료 레벨 (유동화 없음)

Claims

벌크 재료를 처리하는 열교환기 (1) 로서,
일 단부에서 상기 벌크 재료를 도입하기 위한 입구 (3), 그리고 타 단부에서 상기 벌크 재료를 인출하기 위한 출구 (4) 를 갖는 세장형 파이프 (2) 를 포함하고,
복수의 열교환 튜브들 (5) 은 상기 파이프 (2) 의 종방향으로 연장되고,
유동화 가스를 도입하기 위한 복수의 유동화 노즐들 (9, 9a) 은 상기 파이프 (2) 의 저부 (10) 에 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 유동화 노즐들 (9, 9a) 은 상기 벌크 재료의 운반 방향에 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유동화 노즐들 중 적어도 일부의 유동화 노즐들 (9a) 은 상기 파이프 (2) 의 상기 저부 (10) 로부터 상기 파이프 (2) 의 상부 영역 내로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파이프 (2) 는 상기 벌크 재료의 운반 방향으로, 바람직하게는 5 내지 10°의 각도에서 하향으로 경사지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파이프 (2) 는 열교환 매체를 수용하기 위하여 이중벽 (16) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파이프 (2) 는 열교환 매체를 수용하기 위하여 복수의 더 작은 파이프들에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
운송 노즐들 (13, 14) 은 상기 파이프 (2) 의 상기 저부 (10) 로부터 이격된 거리에서, 바람직하게는 상기 파이프 (2) 의 높이의 약 25 내지 75% 만큼 상기 파이프 (2) 내로 진입되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 7 항에 있어서,
상기 운송 노즐들 (13, 14) 은 30 내지 60°의 각도에서 하향으로 경사지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 운송 노즐들 (13, 14) 은 상기 벌크 재료의 운반 방향으로 경사지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유동화 노즐들 (9, 9a) 및/또는 상기 운송 노즐들 (13, 14) 은 상기 파이프 (2) 의 종방향으로 각각의 열들로 위치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 10 항에 있어서,
공통 공급 파이프들 (11, 12) 은 상기 유동화 노즐들 (9, 9a) 및 상기 운송 노즐들 (13, 14) 의 각각의 열로 유동화 가스를 공급하기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유동화 노즐들 (9, 9a) 및/또는 상기 운송 노즐들 (13, 14) 의 유량은 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
열교환 매체는 상기 벌크 재료의 운반 방향에 역류로 또는 병류로 배향되는 것을 특징으로 하는 열교환기.