KR20160111287A - 환열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡선형 전열관 다발로 짜여진 전위 열교환부와 수직관 다발로 이뤄진 후위 열교환부를 고온의 폐가스가 거쳐가는 동안 각 열교환부를 달궈 각전열관 내의 공기를 가열해 배출하는 산업용 환열기로서, 전위 열교환부의 고온 상층부의 응력 변화, 온도 변화에 기인하는 팽창 수축 현상을 획기적으로 완화하여 변형, 파단 방지에 효과적으로 대처할 수 있는 환열기를 제공하려는 것으로서, 폐가스 도입구와 열교환이 이뤄진 후의 배가스 배출구가 딸린 본체에 곡선형 전열관 다발로 구성된 전위 열교환부와 수직관 다발로 이뤄진 후위 열교환부의 순으로 내장되고, 하부 챔버로 보충되는 외부공기가 각 열교환부의 전열관 속으로 유입되어 수열에 의해 가열되어 배기구로 배출되도록 한 환열기에 있어서, 전위 열교환부를 소속된 전체 전열관 중에서 폐가스의 흐름방향을 따라 제1열 내지 제4열 전열관의 상단에 벨로우즈를 장착하여 상부 챔버의 바닥판에 고정한 환열기를 특징으로 한다.

Description

환열기{RECUPERATOR}

본 발명은 도입 초기의 고온 배가스에 의해 열교환 튜브에서 열교환이 이뤄지는 동안에 발생하는 열응력에 능동적으로 대처하여 파단, 변형되지 않는 열교환 튜브를 가진 환열기에 관한 것이다.

제철소나 화력발전소에서 화석연료로 로를 가열하거나 증기를 생산하는 동안에는 다량의 폐가스가 발생하며, 워낙 고온이기에 대기 중에 그대로 방출하기 보다는 에너지 절감, 에너지 재활용 차원에서 보일러, 열교환기 등과 같은 2차 산업설비의 열원으로 광범위하게 활용되고 있다.

선행기술문헌으로 알려진 실용신안등록 제20-0018359호는 열교환의 수율을 높이려고 환열기용 열교환관의 안팎에 종형 핀을 형성한 것으로, 본 발명의 기술적 사상과는 거리가 멀다.

또 다른 선행기술문헌인 특허등록 10-1004239호 및 10-0976971호는 가정용 가스보일러의 폐열로부터 열을 회수하여 활용한다는 면에서 환열기의 기능과 일맥 상통하지만 폐가스가 흐르는 방향을 따라 열교환관 집단이 전,후위에 배열되어 다량으로 유입되는 산업용 보일러, 로 등의 폐가스는 처리할 수 없는 구조적 한계가 있다.

로, 보일러, 배열회수보일러 등의 연도로 나가는 폐가스로 공기를 예열하여 버너의 연소를 촉진하는데 쓰이는 산업용 환열기의 일례를 도 1에서 볼 수 있다.

이 환열기는 본체(1)의 선단에 위치한 도입구(2)를 통해 유입되는 폐가스(연도 가스. 3)가 전열관 다발로 이뤄진 전위 열교환부(4)와 후위 열교환부(5)를 차례로 거치면서 열교환이 이뤄지고, 열교환으로 온도가 크게 낮아진 배가스는 배출구(6)로 빠져나간다.

전,후위 열교환부의 온도에 따라 취입구(9)로 빨려드는 외부공기는 하부 챔버(7)를 거쳐 전위 및 후위 열교환부(4)(5)의 각 튜브로 유입되어 가열되고, 가열되어 나오는 데워진 공기는 상부 챔버(8)로 모였다가 배기구(10)를 통해 버너의 예열장치 등으로 배출된다. 전위 및 후위 열교환부의 주체인 전열관은 수직관이다.

고온의 폐가스가 환열기의 내부를 흘러나가는 동안 열교환부의 부위별 온도를 측정했더니 15열로 된 전위 열교환부(4)의 전열관 중에서 제1 내지 제4 열의 상단부측 온도가 가장 높았다. 이 부분을 고온 상층부라고 하는데, 열응력으로 인한 변형, 파단과 같은 현상도 집중되었다.

도 2는 전열관(11)을 모두 곡선형으로 설계 변경하여 상층 고온부에 집중되는 열응력을 줄이려한 환열기의 전위 열교환부(4a)를 예시한 것인데, 전열관의 고온 상층부측 열응력이 다소 완화되어 전열관의 고온 상층부측에서 발생하던 파단, 변형 현상이 개선된 기미가 엿보이나, 만족스러운 건 아니다.

10-1004239호 20-0018359호

본 발명의 목적은 곡선형 전열관 다발로 짜여진 전위 열교환부와 수직관 다발로 이뤄진 후위 열교환부를 고온의 폐가스가 거쳐가는 동안 각 열교환부를 달궈 각전열관 내의 공기를 가열해 배출하는 산업용 환열기로서, 전위 열교환부의 고온 상층부의 응력 변화, 온도 변화에 기인하는 팽창 수축 현상을 획기적으로 완화하여 변형, 파단 방지에 효과적으로 대처할 수 있는 환열기를 제공하려는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 폐가스 도입구와 열교환이 이뤄진 후의 배가스 배출구가 딸린 본체에 곡선형 전열관 다발로 구성된 전위 열교환부와 수직관 다발로 이뤄진 후위 열교환부의 순으로 내장되고, 하부 챔버로 보충되는 외부공기가 각 열교환부의 전열관 속으로 유입되어 수열에 의해 가열되어 배기구로 배출되도록 한 환열기에 있어서, 전위 열교환부를 소속된 전체 전열관 중에서 폐가스의 흐름방향을 따라 제1열 내지 제4열 전열관의 상단에 벨로우즈를 장착하여 상부 챔버의 바닥판에 고정한 환열기를 제안한다.

본 발명은 고온의 폐가스로부터 열교환이 이뤄지는 동안에 응력 변화와 환열기의 내부 온도 변화에 민감하게 반응하는 전위 열교환부측 제1 내지 제4 전열관은 전체 전열관 열 중의 대략 1/3에 해당하는데, 이들 전열관의 고온 상층부가 벨로우즈에 의해 신축성을 갖게 됨으로써 고온 상층부에 집중되는 폐가스의 온도 변화, 환열기의 기동과 가동 중의 온도와 폐가스간의 온도차 및 가동을 멈추면서 서서히 강하되면서 발생하는 팽창 수축분이 수용돼 가동 중에는 물론 가동을 중지할 때에도 전위 열교환부측 제1열 내지 제4열 전열관의 고온 상층부에 집중되는 응력 변화에도 전열관측 고온 상층부의 변형과 파단 현상이 현저히 개선된다.

도 1은 전,후위 열교환부가 수직형 전열관 다발로 이뤄진 종래 환열기의 구조도
도 2는 전위 열교환부의 전열관 다발이 곡관으로 된 환열기의 구조도
도 3은 본 발명에 의한 환열기의 구조도
도 4는 전위 열교환부에서 제1 내지 제4열측 전열관의 상단과 상부 챔버 간의 결합 구조 단면확대도

도 3에서와 같이, 본 발명 환열기는 곡선형 전열관 다발로 이루어진 전위 열교환부(4a)에서 열응력이 집중되어 변형과 파단의 우려가 높은 제1열 내지 제4열 전열관(11a~11d)의 상단은 벨로우즈(20)로 상부 챔버(8)의 바닥판(12)에 고정되어 있다.

상기 전위 열교환부(4a)의 전열관이 총 15열로 이뤄진 경우를 가정하면 상기 전열관(11a~11d)은 전체의 약 1/3에 상당하는 수치이다. 이는 어디까지나 일례에 불과하며, 특정적인 것은 아니다. 곡선형 전열관 다발로 이뤄진 전위 열교환부(4a)로서 열응력이 가장 집중되는 부분이 제1열 내지 제4열 전열관(11a~11d)으로 밝혀진 연구결과를 토대로 한 것이다.

상기 벨로우즈(20)는 전열관(11a~11d) 보다도 높은 열응력에도 너끈히 견디고 온도에 따라 신축과 팽창에 능한 금속제 주름관이다.

도 4는 벨로우즈(20)를 개입시켜 전열관(11a~11d)의 상단을 상부 챔버(8)의 바닥판(12)에 고정하는 한 가지 요령을 예시한 것이다. 전열관(11a~11d)의 상단을 끼워 붙이던 기존의 관공은 벨로우즈(20)의 외경에 부합하도록 조정해 벨로우즈공(13)으로 하고, 여기다 벨로우즈(20)를 내리 끼워 플랜지(21)가 관공(13)의 가장자리에 걸터앉게 한 후 용접한다.

상기 전열관(11a~11d)은 상단을 각자에 소속된 벨로우즈(20)의 하단에 끼우고 용접 등의 방법으로 고정한다.

환열기의 성능개선을 위해 수직관 다발 및 곡선관 다발로 된 기존의 전위 열교환부와 본 발명에 의한 벨로우즈 적용 곡선관 다발형 전위 열교환부의 성능을 평가하기 위한 FEM해석 결과는 표.1에 표시하였다.

또한 전열관의 열(Row)별 고온 상층부의 응력 해석 결과는 표.2에 표시하였다. 그리고 참고로 벨로우즈(Sandvik 4C54)의 크리이프 파열 응력값은 표.3에 표시하였다.

기존 및 본 발명에 의한 전위 열교환부의 응력 및 변형 결과 대비표

	최대 변형(mm)	상당응력(MPa)
수직관형 전열관	26.564	40.935
곡관형 전열관	25.287	35.524
제1열 벨로우즈 적용 전열관	25.098	35.147
제2열 벨로우즈 적용 전열관	24.917	35.056
제3열 벨로우즈 적용 전열관	24.729	34.992
제4열 벨로우즈 적용 전열관	24.729	34.992

전위 열교환부의 고온 상층부측 응력 대비표(MPa)

	수직관형	곡관형	제1열 벨로우즈 적용 곡관형	제2열 벨로우즈 적용 곡관형	제3열 벨로우즈 적용 곡관형	제4열 벨로우즈 적용 곡관형
제1열 전열관	2.21	6.272	1.106	1.106	1.105	1.103
제2열 전열관			6.030
제3열 전열관				5.764
제4열 전열관	6.210				5.731
제5열 전열관						5.800

샌드빅(SANDVIK)제 4C54 이음매 없는 튜브 및 관(DIN 1.4749)

크리이프 파열응력 (N/㎟)
온도(℃)	10,000시간	50,000시간	100,000시간
500	100	77.5	55
525	77	60	43
550	59	46	33
575	46	36	26
600	35	27.5	20
625	25	19.5	14
650	18	14	10
675	13	10	7
700	9.5	7.25	5
725	7.6	5.8	4
750	6.2	4.75	3.3
775	5	3.85	2.7
800	4.3	3.3	2.3
825	3.4	2.65	1.9
850	2.8	2.15	1.5
875	2.3	1.75	1.2
900	1.9	1.45	1

기존 및 본 발명에 의한 전위 열교환부의 크리이프 파열강도 비교표

결과	기존	곡관형 전열관	곡관형 전열관의 제1열 벨로우즈 적용예	곡관형 전열관의 제2열 벨로우즈 적용예	곡관형 전열관의 제3열 벨로우즈 적용예	곡관형 전열관의 제4열 벨로우즈 적용예
크리이프 파열강도
제1열 전열관	2.21	6.272	1.106	1.106	1.105	1.103
	5.2	4.75	4.75	4.75	4.75	4.75
제2열 전열관			6.030
			4.85
제3열 전열관				5.764
				5.0
제4열 전열관	6.210				5.731
	5.8				5.3
제5열 전열관						5.80
						5.8

이상의 분야별 해석 결과 대비표에서 보듯이, 곡관형 전열관에서 고온 상층부 영역에 든 상단에 벨로우즈를 적용한 결과, 크리이프 파열강도가 50,000 시간에 가깝게 버틸 정도로 수명이 길어 가장 안정적인 설계모델이고, 그 중에서도 제1열 내지 제4열 전열관에 벨로우즈를 적용한 환열기의 기계적 수명이 가장 긴 것으로 나타났다.

전위 열교환부(4a)의 전열관(11a~11d)을 비롯한 나머지 전열관도 하단으로 수열할 공기가 유입되는데, 이때의 공기는 가열되기 전이기 때문에 온도가 낮다. 이런 점에서 전열관(11a~11d)의 하단부는 고온 상층부에 대응하는 의미로 저온 하층부에 해당한다. 그럼에도, 한편으론 전열관(11a~11d)의 고온 상층부에 집중되는 열응력으로 인한 파단, 변형을 개선하기 위해 적용한 벨로우즈(20)의 신축작용의 부담을 덜어줄 필요에 대해서도 고려해 봄직하다. 그런 차원의 일환으로, 전열관(11a~11d)의 하단에 벨로우즈(20)의 신축량을 극히 일부라도 분담하는 하부 벨로우즈(20a)를 부가할 수 있다.

4a: (곡관형 전열관 다발로 된) 전위 열교환부
8: 상부 챔버
11a~11d: (고온 상층부의 응력이 가장 큰 곡관형) 전열관
12: 바닥판
13: 벨로우즈공
20: 벨로우즈
20a: 하부 벨로우즈

Claims (3)

1. 폐가스 도입구와 열교환이 이뤄진 후의 배가스 배출구가 딸린 본체에 곡선형 전열관 다발로 구성된 전위 열교환부와 수직관 다발로 이뤄진 후위 열교환부의 순으로 내장되고, 하부 챔버로 보충되는 외부공기가 각 열교환부의 전열관을 통과하면서 가열되어 배기구로 배출되도록 한 환열기에 있어서, 전위 열교환부의 전열관 중에서 폐가스의 도입 초기에 노출되는 고온 상층부에 열응력이 집중되는 영역의 전열관 상단에 벨로우즈를 장착하여 상부 챔버의 바닥판에 고정한 것을 특징으로 하는 환열기.
2. 제1항에 있어서, 벨로우즈는 전위 열교환부의 제1열 내지 제4열 전열관에 장착한 것을 특징으로 하는 환열기.
3. 제1항 또는 제2항 중의 어느 한 항에 있어서, 전열관의 하단에 하부 벨로우즈가 부가된 것을 특징으로 하는 환열기.

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