분리형 히트파이프를 이용한 고효율 폐열회수장치, 열이송 시스템

분리형 히트파이프를 이용한 고효율 폐열회수장치

 

1. 개요

○ 산업체에서 많이 활용되고 있는 보일러 및 열풍로에서 배열은 가스형태로 배출되고 있
으며, 폐가스로 배출되는 에너지는 전체의 약 20%에 이르고 있는 실정이다. 이러한 배
가스열을 회수하기 위해서 기존의 열교환기를 사용하는 경우 배가스측의 열전달효과가
작아서 전열면적을 크게 하여야 하므로 장치가 커지는 단점이 있으며, 폐가스열이 배출
되는 곳과 예열된 급기의 사용처가 멀리 떨어져 있으면 큰 닥트로 연결하여 사용하고자
하는 곳까지 예열된 급기를 이동시켜야 하는 어려운 문제가 발생하고 있다.

○ 종래의 에코노마이져식 배가스열 회수장치를 대신하며, 대용량이고, 닥트의 설치 및 회
수열을 멀리 보내야 하는 경우 선진국에서는 분리형 히트파이프식 열교환기를 개발하여
사용하고 있다.

○ 분리형 히트파이프식 열교환기는 고온부에서 저온부로 열이동을 증발잠열을 이용하므로
작동유체를 순환시키기위한 동력이 불필요하고, 열교환이 먼거리에서도 가능하고, 고온․저
온유체를 완전히 분리가능하고, 한 종류의 유체로 여러 종류의 유체와 열교환이 가능한
특징이 있어 제철소, 화력발전소 및 화학공업분야에서 폐열회수열교환기로 사용되고 있다.

○ 본 내용은 동장치의 개발을 주도한 한국에너지기술연구소 및 관련업체로부터 수집된 자
료를 토대로 동장치에 대한 기술적 사항에 대해 살펴본 것이다.

 

 

 

2. 폐열회수기술

○ 히트파이프는 일반적으로 용기와 작동유체로 구성되며, 용기 내에 작동유체를 주입하고
진공으로 하면 낮은 온도에서도 작동유체는 증발하고 증기상태의 작동유체는 냉각부에
서 액체로 응축되어 증발부로 귀환함으로써 연속적인 반복에 의해 열을 전달하는 것이
다. 분리형 히트파이프의 특징은 증발부와 응축부가 약 70m정도 분리되었다는 것이고
작동원리는 진공밀폐된 루프내부의 작동유체가 증발부에서 고온의 열유체에 의해 가열
되면, 작동유체는 증발하여 증기상승관을 통하여 응축부로 이동하게 되고 여기서 증기는
응축기 관외부의 저온유체에 의하여 관내벽에 응축되며 응축액은 중력의 작용에 의하여
액체하강관을 통하여 증발기로 이동 순환하여 열을 수송하게 된다.

○ 따라서 분리형 히트파이프식 열교환기의 이점은 증발부와 응축부 간의 거리를 아주 멀
리 할 수 있다는 것이지만 다음의 제약조건이 있다. 증발부와 응축부 간의 설치위치에서
반드시 고도차가 있어야 하고, 그 고도차는 증기와 액체를 수송하는 압력손실에 상당하는

액주높이보다 반드시 커야 한다는 것이다.

 

 

 

○ 분리형 히트파이프식 열교환기는 배가스열이 접촉되는 고온측의 증발부와 급기가 접촉
하는 저온측의 응축부를 가격이 저렴한 탄소강관을 사용하는 것으로서 제작이 용이한
장점을 갖고 있는 에너지절약형 고성능의 열회수장치로 잠열에 의해서 열을 이동시킴으
로서 파이프내의 열저항이 미소하므로 작은 온도차로서도 배가스열의 약 60～80%까지
도 회수할 수 있다. 또한, 종래의 배가스열회수장치에서는 전열면적의 확대가 어려워 장
치가 커지는 단점이 있었으나, 분리형 히트파이프는 양측의 외부로 배가스가 유동하므로
휜을 부착하여 전열면적의 확대가 용이하기 때문에 장치의 크기도 기존의 1/3정도 소형
화가 가능하며 전열면적의 비율도 자유로이 조절이 가능하므로 배가스열의 회수장치로
서 보급이 촉진될 수 있는 장치이다

 

 

 

3. 응용분야

○ 적은 온도차로서 배가스열의 60% 내지 80%까지 회수할 수 있기 때문에 보일러 및 열
풍로의 배가스 열회수용으로 설치하여 에너지절약에 기여할 수 있다.

○ 중국에서는 제철공장, 정유소 등 중화학 플랜트의 가열로, 고온공기로, 보일러, 공기예열
기, 건조탑 등에 사용하여 산업용 폐열의 30～50%를 회수할 수 있었으며, 연료절감률은
5～10%에 이르고, 초기투자에 대한 회수기간은 불과 1～3년 정도였다. 적용 온도범위는
고온 기체 온도가 150～450℃, 배기가스의 온도는 50～150℃로서 저온범위에 속한다.
또한 정비나 수리가 용이하고 내부식성도 훨씬 높일 수 있었다는 것이 알려져 있다.

○ 주로 보일러 및 배가스의 폐열회수, 가열 및 공기조화장치의 에너지 변환 및 이송 등에
활용되고 있다.

 

1) 열풍로용 공기예열기

 

[그림 2] 중국에 설치된 배열회수용 공기예열기

 

○ 용광로 열풍로에서 배출되는 약 300℃정도의 배가스열을 회수하여 열풍로에 사용되는
보조공기를 가열하는 시스템으로 1982년 히다치에서 제조하여 후지산제철소에서 현재까
지 사용하고 있으며 보일러용 강관에 휜을 부착한 휜형강관과 물을 사용하였고 150만불
정도의 초기투자비를 1년 내에 회수한 것으로 알려져 있다.

 

 

2) 보일러용 BFG예열기

○ 보일러용 BFG예열기는 보일러배가스로서 BFG를 예열하는 것으로 BFG는 CO를 함유하는
위험한 가스이나, 분리형 히트파이프를 사용하는 경우에는 BFG가 접하는 응축부와 배가
스가 접하는 증발부가 완전히 분리되어 있어 혼합의 위험이 없이 안전하게 열교환을 할
수 있게 된다. 1984년부터 일본의 일신제강(주)의 보일러에 설치하여 BFG예열기용으로
운전되고 있다.

 

[그림 3] 한국에너지기술연구소에 설치된 분리형 히트파이프식 열교환기

 

3) 습식배연탈류장치

○ 화력발전소의 습식배연탈류장치에서 배출되는 가스는 연돌에서 배출하기 전에 재가열을
행하고 있으며, 이러한 시스템에서 분리형 히트파이프식 열교환기를 사용하여 가열하는
방법으로서는 탈류장치에 유입하는 미처리가스의 현열로 탈류처리배출가스를 가열하는
자기재가열방식이 행해지고 있다

 

 

4. 결론

○ 두 종류의 열교환유체가 멀리 떨어져 있는 경우 열교환을 위해서는 닥트를 설치해야하고
유체의 이송을 위한 팬의 구동전력이 필요하고, 또한 현장설치면적이 좁은 경우에는 설치
가 어려워지게 되므로 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 분리형 히트파이프식 열교환
기가 등장하였다. 분리형 히트파이프식 열교환기는 보일러 배가스열을 회수하여 닥트없이
약 70m정도 열을 수송하는 장점이 있어 고온의 배가스열을 회수하는 장치에 응용이 가
능하고 투자비 회수기간이 2년 이내로 경제성이 매우 양호한 것으로 보고되고 있다.

○ 국내에서도 이의 개발이 완료되어 닥트사용의 불편함 등으로 인하여 폐열회수가 어려운
분야에 대해서 이용이 확대될 것으로 보인다.

 

 

 

참고문헌
1. 한국에너지공단 기술정보팜플렛 269번 분리형 히트파이프를 이용한 고효율 폐열회수장치, 1998

 

 

 

분리형 히트파이프를 이용한 고효율 폐열회수장치, 열이송 시스템 

EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼

 

 

 

 

 

 

 

2021.08.18 - [에너지절감] - 노후보온재 교체, 열이송 시스템

노후보온재 교체, 열이송 시스템

 

2021.08.15 - [에너지절감] - 증기 및 응축수 시스템 합리화, 열이송 시스템

증기 및 응축수 시스템 합리화, 열이송 시스템

 

마이 홈플러스, 홈플퀴즈 및 쿠폰 포인트 등의 이벤트 혜택!

마이 홈플러스, 홈플퀴즈 및 쿠폰 포인트 등의 이벤트 혜택!

 

농협몰, 농협에서 운영하는 국민행복장터 농협몰!

농협몰, 농협에서 운영하는 국민행복장터 농협몰!

 

케이뱅크, 다른은행 계좌 가져오기도 가능!

케이뱅크 (K bank), 다른은행 계좌 가져오기도 가능