KR101178975B1 - 과열증기 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온의 과열증기를 대량으로 발생시키는 소형의 과열증기 발생장치에 관한 것으로, 전극에 인가된 전원으로 발열하는 히터; 원통형으로 상기 히터 바깥쪽에 설치된 보호관; 상기 보호관 바깥쪽에 설치되어 증기분사관에서 분사된 포화증기를 일정 방향으로 승강 이동시키는 과정에서 과열증기로 변환시키는 과열증기관; 상기 과열증기관 바깥쪽에 설치되어 과열증기관에서 방사되는 열을 차단하여 단열시키는 외벽, 및 상기 과열증기관 위에 설치되어 과열증기관과 외벽 사이에 형성된 공간으로 포화증기 발생장치에서 공급된 포화증기를 분사하는 증기분사관을 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 전기에너지를 이용하여 고온 및 대용량의 과열증기를 생산하므로 에너지절감 효과를 거둘 수 있고, 소형 또는 초소형으로 설치를 위한 공간 마련이 용이하며, 식품산업이나 건조산업 또는 환경산업에 유용하게 사용할 수 있고, 과열증기의 온도 및 압력조절을 신속하게 수행할 수 있도록 한 것이다.

Description

과열증기 발생장치{Apparatus for Generation of Superheated Vapor}

본 발명은 과열증기를 발생하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온의 과열증기를 대량으로 발생시키는 소형의 과열증기 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 보일러(Boiler)는 연료의 연소열을 물 등에 전달하여 온도와 압력이 높은 증기를 발생시키는 장치이다. 이러한 보일러는 화력발전소나 선박 등의 증기기관 또는 각종 공장의 작업용이나 난방용 장치 등에 증기를 공급하는 데 사용된다. 더욱이 보일러는 구조상 여러 종류로 나누어지고, 그 중에서 강제순환식 보일러에 해당하는 관류보일러(Once through boiler)는 수관 및 긴 관 등을 휘어서 만든 관만의 보일러로서, 강제 관류 보일러라고도 하는데, 긴 관의 한쪽 끝에서 급수하고 펌프로 압송하여 도중에서 차례로 가열, 증발 및 과열되어 관의 다른 한쪽 끝에서 과열증기가 송출되는 형식의 보일러이다. 관류보일러는 고압증기의 발생에 적합하고, 특히 초임계압 보일러인 경우에는 강제순환식 보일러의 일종이다.

과열증기(Superheated Vapor)는 보일러 안에서 발생한 증기를 압력의 변화 없이 가열한 열량이 높은 증기이다. 압력을 일정하게 해 두고 액체를 가열하면 온도가 올라가고, 일정온도에 달하면 증발하기 시작한다. 이 경우 다시 가열하더라도 전부가 증발할 때까지는 온도가 변하지 않고 액체와 증기가 공존한다. 이것을 습윤포화증기라 하고, 전부 증기가 되어 버린 것을 건조포화증기라 한다. 건조포화증기를 다시 가열하면 증기의 온도는 상승하는데, 이것을 과열증기라 한다. 이 증기를 이용하면 보일러나 엔진, 터빈 등의 효율을 높일 수 있다. 더욱이 과열증기는 물을 비등시켜 발생한 증기에 압력을 가하지 않고 가열하여 생성된 100℃ 이상의 고온 무색의 투명한 기체이다. 공기에 의한 전열은 대류전열에 한하지만, 과열증기는 대류전열에 추가로 방사전열과 응축전열에 의한 전열을 함으로써 열효율이 높아 음식의 조리에 매우 효과적이다. 그리고 대류전열의 경우에는 과열증기의 전열속도가 가열공기에 비하여 약 10배 정도 빠르다. 특히 저 산소상태에서 열처리함으로써 피 가열물의 산화 및 연소를 억제할 수 있다. 그리고 일반적인 과열기(Superheater)는 가압된 압력 10kg/㎤G 시 183.3℃의 증기를 생산하고, 통상적으로는 7~8kg/㎤G 시 170℃의 증기를 생산하게 된다. 한편, 저압의 과열증기를 생산하기 위해서는 1차 가열된 증기를 버너로 직접 가열하거나 히터를 이용하여 축온재 등을 간접 가열하는 방법과 전자유도 가열하는 방식이 있다.

고온의 과열증기는 식품산업이나 건조산업 또는 환경산업에 유용하게 사용된다. 즉 식품의 조리나 건조, 농축, 살균, 멸균이나, 하수슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 돼지나 소 등의 동물배설물의 건조 등에 주로 사용될 수 있다.

종래에 과열증기 발생장치는 한 번에 생성할 수 있는 과열증기의 용량이 제한적이었다. 따라서 용량을 증가시키기 위해서는 과열증기 발생장치의 부피가 커지거나 사용 연료의 소모가 많아지는 등 생산량 대비 비용이 증가하는 문제가 있었다. 또한, 과열증기 발생장치는 온도와 압력이 조절하기가 쉽지 않은 문제도 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소형 또는 초소형으로 전기에너지를 이용하여 고온 및 대용량의 과열증기를 생산할 수 있도록 하기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 증기를 발생하는 보일러와 연계하여 고온 및 대용량의 과열증기를 발생시키기 위한 것이 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 과열증기 발생장치는 전극에 인가된 전원으로 발열하는 히터; 원통형으로 상기 히터 바깥쪽에 설치된 보호관; 상기 보호관 바깥쪽에 설치되어 증기분사관에서 분사된 포화증기를 일정 방향으로 승강 이동시키는 과정에서 과열증기로 변환시키는 과열증기관; 상기 과열증기관 바깥쪽에 설치되어 과열증기관에서 방사되는 열을 차단하여 단열시키는 외벽, 및 상기 과열증기관 위에 설치되어 과열증기관과 외벽 사이에 형성된 공간으로 포화증기 발생장치에서 공급된 포화증기를 분사하는 증기분사관을 포함하여 이루어진 것이다.

또한, 본 발명에서, 상기 과열증기관은 보호관 외측표면을 따라 세로방향으로 일정 간격을 두고 칸막이가 결합된 셀이 형성되고, 칸막이는 아래쪽에 관통공이 형성된 제1칸막이와 위쪽에 관통공이 형성된 제2칸막이가 번갈아 결합될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 히터는 전극에 코일 형상으로 발열체가 감겨 있고, 히터 가장자리에서 보호관 안쪽까지 절연을 위한 환형의 절연체가 일정 간격으로 복수로 결합되어 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 전극은 단상 또는 3상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 과열증기관에는 증기가 유입되는 입구와 과열증기가 유출되는 출구가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 외벽 바깥쪽에 케이스가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 증기분사관의 입구는 포화증기 발생장치의 배출구와 연결될 수 있다.

본 발명은 전기에너지를 이용하여 고온 및 대용량의 과열증기를 생산하므로 에너지절감 효과를 거둘 수 있고, 소형 또는 초소형으로 설치를 위한 공간 마련이 용이하며, 식품산업이나 건조산업 또는 환경산업에 유용하게 사용할 수 있고, 과열증기의 온도 및 압력조절을 신속하게 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 과열증기 발생장치를 나타낸 분리사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 과열증기 발생장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 과열증기 발생장치의 사용상태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 과열증기 발생장치의 사용상태를 나타낸 투시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 과열증기 발생장치에 관한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에서, 과열증기 발생장치는 대략 원통형이다. 과열증기 발생장치는 포화증기 발생장치로부터 포화증기를 공급받아 포화증기를 고온의 과열증기로 변환시켜 배출하는 것이다.

도 2에서, 히터(10)는 전극(12)에 인가된 전원으로 저항체의 열저항으로 발열하는 것이다. 전극(12)으로 인가되는 전원은 교류전원이 사용되고, 전극은 단상이거나 3상이 적용될 수 있다. 단상의 경우에 전극은 2개이고, 3상의 경우에 전극은 3개가 될 것이다. 히터(10)는 전극(12)에 코일 형상으로 발열체(13)가 일정 간격으로 감겨 있다. 발열체(13)는 전극에서 인가된 전원을 열로 변환시키는 금속의 저항체이다. 히터(10) 가장자리에는 환형의 복수의 절연체(14)가 일정 간격으로 결합된다. 즉 절연체(14)는 히터(10) 바깥쪽에 위치하는 보호관(20) 안쪽까지 설치된다. 절연체(14)는 세라믹 등 고온에 강한 재질이 적용되고, 절연체(14)는 히터(10)가 과열증기 발생장치 내부에서 유동되지 않고 고정될 수 있도록 하는 기능이 포함되어 있다. 히터(10) 상부에는 절연과 단열을 위한 헤드(11)가 보호관(20) 상단과 고정부재로 나사 결합된다.

보호관(20)은 원통형으로 히터(10) 바깥쪽에 설치된다. 보호관(20) 상부에는 헤드(11)가 고정 결합된다. 보호관(20)은 내부에 설치되는 히터(10)를 보호하고 히터(10)에서 발생된 열을 외부로 전달한다.

과열증기관(40)은 원통형으로 보호관(20) 바깥쪽에 설치된다. 과열증기관(40)은 증기분사관(30)에서 분사된 포화증기를 일정 방향으로 승강 이동시키는 과정에서 과열증기로 변환시키는 것이다. 과열증기관(40)은 보호관(20) 외측표면을 따라 세로방향으로 일정 간격을 두고 칸막이(41)가 결합된 셀(46)이 형성되고, 칸막이(41)는 아래쪽에 관통공(43)이 형성된 제1칸막이(42)와 위쪽에 관통공(45)이 형성된 제2칸막이(44)가 번갈아 결합되어 있다. 즉 과열증기관(40)은 일정 간격으로 밀폐된 칸막이(41)가 결합되어 있고, 칸막이(41)에는 아래쪽에 관통공(43)이 형성된 제1칸막이(42)와 위쪽에 관통공(45)이 형성된 제2칸막이(44)가 번갈아 설치되어 제1칸막이(42)와 제2칸막이(44) 사이에 일정 체적의 공간을 갖는 셀(46)이 형성된다. 따라서 과열증기관(40)은 번갈아 결합된 제1칸막이(42)의 관통공(43)과 제2칸막이(44)의 관통공(45)을 따라 긴 통로가 형성된다. 이는 과열증기관(40)을 따라 이동하는 포화증기의 이동경로를 늘려 히터(10)에서 가해진 열로 고온의 과열증기가 생산될 수 있도록 하기 위한 것이다. 과열증기관(40)에는 어느 한 칸막이(41) 사이에 포화증기가 유입되는 입구(47)가 형성되고, 입구(47)가 형성된 인접하는 칸막이(41) 사이에 과열증기가 유출되는 출구(48)가 형성된다. 과열증기관(40)의 칸막이(41) 사이 간격이나 셀의 크기에 따라 과열증기의 용량이나 온도가 결정될 수 있다.

도 3에서, 외벽(50)은 원통형으로 과열증기관(40) 바깥쪽에 설치된다. 외벽(50)은 과열증기관(40)에서 방사되는 열을 차단하여 단열시키기 위한 것이다. 외벽(50)은 세라믹 등과 같이 고온에 견디면서 강성을 가진 재질의 단열재가 적용되는 것이 좋다. 그리고 외벽(50) 바깥쪽에는 케이스(51)가 결합된다. 케이스(51)는 과열증기 발생장치의 상부와 하부 및 측면 모두를 커버할 수 있어야 할 것이다.

증기분사관(30)은 링 형상의 관으로 과열증기관(40) 위에 설치된다. 증기분사관(30)에는 복수의 분사공(31)이 형성되어 있다. 분사공(31)은 과열증기관(40)과 외벽(50) 사이에 형성된 공간으로 포화증기를 분사할 수 있는 방향으로 형성되는 것이 좋다. 증기분사관(30)의 입구는 포화증기 발생장치(2)의 배출구와 증기공급관(3)으로 연결된다.

이와 같이 이루어진 본 발명의 과열증기 발생장치의 작용을 도 4를 참조하여 설명한다.

히터(10)의 전극(12)으로 인가된 전원이 발열체(13)의 저항에 의하여 발열된다. 발열체(13)에서 발생된 열은 보호관(20) 외벽에 설치된 과열증기관(40)에 전도된다. 이때, 포화증기 발생장치(2)에서 공급된 포화증기가 증기분사관(30)의 복수 분사공(31)을 통해 분사된다. 증기분사관(30)에서 분사된 포화증기는 과열증기관(40)과 외벽(50) 사이의 공간에 분포된 후에 과열증기관(40)의 입구(47)로 유입된다. 과열증기관(40)의 칸막이(41) 사이, 즉 셀(46)로 유입된 포화증기는 각 칸막이(41)에 대략 대각선으로 형성된 관통공(43, 45)을 통해 지그재그로 이동된다. 포화증기는 각 셀(46)을 이동하는 동안 히터(10)에서 전도되어 온 열에 의하여 고온의 증기, 즉 과열증기로 변환된다. 더욱이 과열증기관(40)의 각 셀(46)을 따라 이동되는 동안 포화증기는 더욱 더 고온의 과열증기로 변환될 것이다.

과열증기관(40)의 셀(46)을 따라 이동되면서 변환된 고온의 과열증기는 출구(48)를 통해 배출된다. 출구(48)에는 과열증기 이송관(49)이 연결되어 식품의 조리나 건조, 농축, 살균이나 멸균 또는 하수슬러지나 축산분뇨의 열풍 건조 또는 음식물쓰레기의 건조 등에 이용될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 과열증기 발생장치는 포화증기 발생장치에서 발생된 상대적으로 저온의 포화증기를 과열증기로 변환시킬 수 있도록 함으로써, 과열증기의 온도조절이 가능하다. 즉 증기분사관에서 분사되는 포화증기의 양을 조절하거나 히터에 인가되는 전원의 조절 등에 의하여 과열증기의 온도나 양의 조절이 가능할 것이다. 과열증기 발생장치는 저압이나 대기압 상태에서도 높은 온도의 과열증기가 생산된다. 또한, 전기에너지를 이용하는 히터에 의하여 단시간에 과열증기를 생산할 수 있어 사용하기 위한 과열증기의 온도조절이 빠르게 조절할 수 있고, 기름이나 가스 연료에 비하여 에너지원의 사용 비용을 절감할 수 있다. 그리고 과열증기 발생장치는 소형 또는 초소형으로 제작할 수 있어 설치에 따른 공간 마련의 장점도 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

2: 포화증기 발생장치 3: 증기공급관 10: 히터 11: 헤드 12: 전극 13: 발열체 14: 절연체 20: 보호관 30: 증기분사관 31: 분사공 40: 과열증기관 41, 42, 44: 칸막이 43, 45: 관통공 46: 셀 47: 입구 48: 출구 49: 이송관 50: 외벽 51: 케이스

Claims (7)

1. 전극에 인가된 전원으로 발열하는 히터;
   원통형으로 상기 히터 바깥쪽에 설치된 보호관;
   상기 보호관 바깥쪽에 설치되어 증기분사관에서 분사된 포화증기를 일정 방향으로 승강 이동시키는 과정에서 과열증기로 변환시키는 과열증기관;
   상기 과열증기관 바깥쪽에 설치되어 과열증기관에서 방사되는 열을 차단하여 단열시키는 외벽, 및
   링 형상으로 상기 과열증기관 위에 설치되어 과열증기관과 외벽 사이에 형성된 공간으로 포화증기 발생장치에서 공급된 포화증기를 복수의 분사공으로 분사하는 증기분사관을 포함하고,
   상기 과열증기관은 보호관 외측표면을 따라 세로방향으로 일정 간격을 두고 칸막이가 결합된 셀이 형성되고, 칸막이는 아래쪽에 관통공이 형성된 제1칸막이와 위쪽에 관통공이 형성된 제2칸막이가 번갈아 결합된 과열증기 발생장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 히터는 전극에 코일 형상으로 발열체가 감겨 있고, 히터 가장자리에서 보호관 안쪽까지 절연을 위한 환형의 절연체가 일정 간격으로 복수로 결합되어 설치된 과열증기 발생장치.
   
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전극은 단상 또는 3상으로 이루어진 과열증기 발생장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 과열증기관에는 증기가 유입되는 입구와 과열증기가 유출되는 출구가 형성된 과열증기 발생장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 외벽 바깥쪽에 케이스가 설치된 과열증기 발생장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 증기분사관의 입구는 포화증기 발생장치의 배출구와 연결된 과열증기 발생장치.

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