KR950001413Y1 - 열효율이 높은 간접가열 방식의 공기예열장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열효율이 높은 간접가열 방식의 공기예열장치

제1도는 종래 열선 직접접촉식 공기예열장치의 단면 개략도.

제2도는 종래 도관가열식 공기예열장치의 단면 개략도.

제3도는 종래 열매체를 사용하는 공기예열장치의 단면 개략도.

제4도는 본 고안에 의한 공기예열장치의 구성도.

제5도는 본 고안 체커연와의 구성도.

제6도는 본 고안 제4도의 열선 장착상태를 나타낸 상세도.

제7도는 본 고안의 실시예에 따른 열매체의 종류와 열효율과의 관계를 나타낸 그래프.

제8도는 본 고안의 실시예에 따른 열매체의 직경과 열효율과의 관계를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 냉풍 2 : 열풍

3 : 발열체 4 : 챔버

5 : 도관 6 : 버너

7 : 연소실 8 : 열매체

9 : 내화벽돌 10 : 단열판

11 : 내화물 12 : 세라믹울

13 : 철피 14 : 지지판

15 : 하부레듀사 16 : 상부레듀사

17 : 열선 18 : 열전대

19 : 챔버 20 : 체커연와

21 : 구멍 22 : 열선 홈

본 고안은 간접가열 방식에 의해 반응성 실험에 사용되는 공기를 500∼800℃정도의 온도로 예열하는 방법에 있어서 예열대상 기체를 외부에 노출되지 않도록 하는 챔버(chamber)를 다공형으로 형성시키고, 챔버내에 충전(充塡)되어 열매체로 사용되는 물질과, 열매체의 충전방법을 정정화하여 열효율을 극대화시킬 수 있도록한 열효율이 높은 간접가열 방식의 공기예열 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공기의 예열로에는 예열시 예열대상 기체의 성분변동 여부에 관계없이 목표온도의 도달에만 주안점을 두는 직접가열방식과, 예열전후의 기체성분 변동없이 예열하는 간접가열 방식이 있다.

간접가열방식은 예열대상 기체를 챔버내로 흐르게 하면서 챔버 외부에서의 열원을 이용하여 챔버를 가열하여, 열원과 직접적인 접촉없이 예열대상 기체를 간접적으로 예열하는 방법으로서, 예열대상 기체의 성분변동이 없기 때문에 반응성 공정이나 이와 관련된 실험용에 적합한 장점이 있다. 그러나 열원의 연소 또는 가열시 발생되는 열이 직접 예열대상 기체와 접촉하지 않기 때문에 열효율이 직접가열방식보다 떨어지는 문제점이 있었다.

일반적으로 상용화되고 있는 간접가열 공기예열방식으로는 제1도에서 도시된 바와같이 챔버(4)내에 발열체(3)를 다수 설치하여 공기를 예열시키는 방식과, 제2도에서 도시된 바와같이 연소실(7)내부에 도관(5)를 설치하여 도관(5)내부로 공기를 유통시키고 도관(5) 외부를 버너(6)로 가열하여 공기를 예열하는 방식, 그리고 제3도에서 도시된 바와같이 연소실(7) 내부에 챔버(4)를 설치하며 챔버(4)내에 열매체(8)를 충전하고 쳄버(4)외부를 가열하여 공기가 열매체(8) 사이를 통과하면서 예열되게 하는 방식이 있는데 상기 제1도의 방식은 발열체(3)와 냉풍(1)이 직접접촉하므로서 열효율이 높은 열풍(2)을 얻을 수 있는 장점은 있으나, 발열체 (3)의 고온산화로 인하여 예열온도와 발열체(3) 수명이 짧은 문제점이 있다.

또한 제2도의 방식은 도관(5)을 비금속제인 세라믹물질로 하면 높은 예열온도에 비례하여 세라믹 도관(5)의 길이가 상당히 길어야 하므로 도관(5) 끼리의 접합등 제작상의 문제와 열효율이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.

제3도의 방식은 챔버 (4)내에 열매체(8)을 충전하므로 인해서 길이는 단축할 수 있으나, 챔버(4)와 열매체(8)를 열전도도가 높은 금속제를 사용할 경우에 고온산화에 의한 챔버(4)와 열매체(8)의 수명이 짧아지므로 해소고온열풍을 얻을 수 없는 문제점이 있고, 이를 해결하기 위하여 챔버 (4)와 열매체(8)를 비금속인 세라믹물질을 사용하거나 초금속(super alloy)를 사용하는 경우에는 열효율이 떨어지거나, 고가의 초금속 사용으로 인한 경제성의 문제점을 갖고 있었다.

따라서 본 고안은 상기와 같은 제반문제점을 감안하여 이를 해소하고자 고안한 것으로 소형 예열로에서 예열공기의 발생시 예열공기의 성분변동 없게 하는 간접가열방식을 사용하면서 고온산화의 영향을 배제하고, 챔버내에 열매체를 사용하는 방법에 있어서 예열대상 기체의 양이 충전물의 공극율 때문에 열매체의 가열이 챔버의 직경이 제한을 받는 문제점을 해결하기 위해 세라믹 계통의 관통형 다공(多孔)을 갖는 챔버를 사용하고, 이러한 챔버의 다공내에 열효율을 극대화 시킬 수 있는 열매체의 충전방법을 이용하여 열효율을 극대화 시킬 수있도록 한 열효율이 높은 간접가열 방식의 공기예열장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 갖는 본 고안을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 제4도에서 도시된 바와같이 세라믹 물질중 비교적 열전도도가 우수하고 500∼800℃ 고온구간에서 상변태가 일어나지 않는 알루미나물질로서 다수의 관통형 예열공기의 유로를 갖는 고로의 열풍로에서 일반적으로 사용되는 체커연와(Checker brick) (20)을 접합하여 냉풍(1)을 가열하는 다공형 챔버 (19)로 사용하였고, 가열은 열선(17)을 사용하였다. 또한 체커연와(20)의 상하로 관통하는 구멍(21)에는 공기와 반응하지 않는 열매체 (8)을 충전하여 냉풍(1)이 이 사이를 지나면서 예열되도록 하였다.

상기한 바와같이 본 고안에서 제시된 열풍로의 구조는 중심부에 알루미나질의 체커연와(20)로 만들어진 다공형 챔버(19)를 설치하고, 다공형 챔버(19)의 측벽에는 길이방향으로 열선(17)을 장착하여 열원으로 사용되며, 열선(17)에서 발열되는 열이 외부로 방열되는 것을 방지하기 위하여 열선(17)이 장착된 다공형 챔버 (19)를 판상의 세라믹울(12)을 감싸고, 세라믹울(12) 외부에는 분상(粉相)의 단열용 내화물(11)을 충전하였으며, 이 내화물(11) 외부에는 단열판(10)을 장착하여 내화물(11)을 지지하게 하였으며, 단열판(10) 외부에는 단열정형내화벽돌(9)를 쌓았으며 최외측에는 철핀(13)를 설치하였다.

또한 다공형 챔버 (19)내에 충전된 열매체(8)를 지지하기 위하여 다공형 챔버 (20) 하단부에 열매체 (8)의 입경보다 작은 구멍이 다수 천공된 스테인레스 지지판(14)을 장착하였다. 예열대상 냉풍(1)은 상부레듀사(Reducer) (16)를 통하여 다공형 챔버 (19)내로 유입되고 다공형 챔버 (19)내에 충전된 열매체 (8)의 사이를 지나면서 예열되어 지지판(14)에 천공된 구멍을 통하여 하부레듀사(15)의 열풍(2)상태로 빠져나간다. 이때에 열풍온도틀 결정하는 노내온도는 다공형 챔버 (19) 일측면 중간부의 열선(17)에 인접한 부위로 열전대(18)를 설치하여 조절하였다.

한편 제5도는 본 고안에서 다공형 챔버(19)로 사용된 체커연와(20)의 수평단면도로서 내부에 관통형 구멍(21)이 다수개 뚫려 있으며 측벽에 열선(17)을 장착할 수 있는 열선 홈(22)을 갖는 구조로 되어 있다.

다공형 챔버 (19)는 다수의 체커연와(20)를 필요한 가열대의 높이만큼 알루미나 세멘트를 이용하여 높이방향으로 접촉시켜 제작하였다.

또한 제6도는 체커연와(20)의 측벽에 있는 열선홈(22)에 열선(17)을 다공형 챔버 (19)의 높이방향으로 장착한 구조를 나타낸 것이다.

상기한 바와 같이 본 고안에서는 세라믹 계통의 물질중 열전도도가 우수한 알루미나질의 다공형 챔버 (19)를 사용함으로 인하여 종래의 단공형 챔버 (4)나 도관(5)을 사용하는 경우 열매체(8)의 공극율 때문에 챔버(4)나 도관(5)의 직경이 커질때, 냉풍(1)에 의해 빼앗기는 열을 보상하기 위해 열원으로부터 열매체 (8)의 가열이 어려워지므로해서 챔버 (4)나 도관(5)의 직경에 반비례하여 감소하는 열효율을 다공형 챔버 (19) 본체의 치밀층을 열전도의 통로로 이용하므로서 일차적으로 높여주는 구조를 갖도록 하였다. 또한 열매체(8)용 충전물질로서는 상기한 예열온도구간에서 상변태로 인한 급격한 열팽창이 일어나 상기한 다공형 챔버 (19)의 균열이 발생하지 않도록 열전도도가 우수한 구형 알루미나와 다각형의 알루미나성 아이소라이트 (ISORITE)를 입도를 달리하고, 충전방법을 구형(求形) 알루미나, 아이소라이트 및 구형 알루미나와 아이소라이트를 교호로 하는 식의 3가지형태로 하여 간접가열방식의 단점인 열효율을 최대로 하는 조건을 찾아 열매체(8)를 충전하였다.

본 고안에서 열효율의 평가는 열선(17)에 의해 발생한 열이 외부로 방산되는 열은 일정하다고 가정하고, 냉풍 취입전에 균질화된 노내온도가 취입후에도 강화되지 않는 상태를 기준하여 투입되는 전력에너지와 배출되는 열풍 열량의 비로서 다음과 같은 식을 이용하였다.

이하 실시예를 통하여 본 고안의 효과를 상세히 설명한다.

[실시예]

본 고안에서 사용한 공기예열로는 열선(17)이 7mmø이고, 냉풍가열대인 다공형 챔버 (19)의 길이가 1m이며, 냉풍(1)은 공압기 (Compressor)를 이용하여 공급하였다. 다공형 챔버 (19)로 사용된 체커연와(20)의 외경은 270mmø이고, 상하로 관통하는 내경 32mmø의 구멍 (21)이 다수개 뚫려있어 이 구멍(21)안에 열매체(8)를 충전하였고 충전물 사이를 공기가 유통하도록 하였다.

열매체용 충전물종류 및 충전방법에 따른 열효율의 변화를 확인하기 위하여 10mmø의 구형 알루미나, 평균입경이 10mmø인 다각형의 소라이드를 하기표와 같은 조건에서 실험하였다.

[표 1]

제7도는 상기표의 실험결과에 따른 충전물의 종류 및 충전방법에 따른 열효율 실험결과를 비교하여 도시한 것으로 구형 알루미나 만으로 충전한 경우가 공기예열용 가장 좋은 효과를 갖는 것이 확인되었다.

따라서 열매체용 충전물은 구형 알루미나로 고정하고, 압손이 과다하게 발생하지 않고, 열손으로부터 발열되는 열흡수와 공기로의 열공급이 균형을 이루는 가장 적합한 조건을 찾기 위하여 구형 알루미나의 직경을 변화시켜 하기표와 같은 조건에서 열효율 비교 시험을 수행하였다.

[표 2]

제8도는 상기표의 실험결과에 따른 충전물의 직경과 열효율의 관계를 특정의 온도에 따라 그래프로 나타낸 것으로서, 구형 알루미나의 직경이 5mmø이고, 이 때의 구형 알루미나에 대한 체커연와의 1개 구멍의 직경비가 0.1563일때에 가장 좋은 열효율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

이상과 같은 본 고안에 의한 간접가열식 공기예열장치는 알루미나질의 다공형 챔버를 사용함으로써 열풍에 의한 고온산화와 손상을 배제할 수 있을 뿐만 아니리, 특히 열매체로서는 알루미나를 사용하고, 열매체의 입경에 대한 공기가 유통하는 관경의 비를 0.1563로 할때에 최대의 열효율을 얻을 수가 있다.

Claims (1)

1. 내부에는 관통형 구멍 (21)이 다수개 천공되고 외주면에는 열선홈(22)이 다수개 통공된 체크연와(20)를 적층하여 다공형 챔버 (19)를 형성하고, 하단부에는 미세한 구멍이 천공된 지지판(14)을 연접시키되, 구멍(21)에는 열매체(8)를 충전하고 열선홈(22)에는 열선(17)을 수직선상으로 배선하며, 열선(17)이 장착된 챔버(19)를 중심으로 하여 외향으로 방열방지용 세라믹울(12)과, 분상의 단열용내화물(11) 및 단열판(10)을 차례로 연접적층하며, 그 단열판(10)과 최외측 철피(13)사이의 공간은 단열정형내화벽돌(9)을 적층시켜서 된 것을 특징으로 하는 열효율이 높은 간접가열방식의 공기예열장치.