KR101137528B1 - 카트리지형 인라인 히터 및 이를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템 - Google Patents

카트리지형 인라인 히터 및 이를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템 Download PDF

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이정호
이공훈
윤석호
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 카트리지형 인라인 히터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 카트리지형 인라인 히터는 내부에 수용공간이 형성되는 배관형의 외장부; 상기 외장부의 내에 수용되어 상기 외장부와의 사이에서 유체 유동로를 형성하는 몸체부, 상기 몸체부의 길이방향을 따라서 상기 몸체부의 외주면에 감기며 상기 유체 유동로를 복수개로 구획하는 복수개의 스월부를 구비하며, 유입되는 작동유체가 상기 스월부를 따라 유동하도록 안내하는 열교환부; 상기 열교환부에 길이방향을 따라 삽입되어 상기 열교환부와 접촉하는 상기 작동유체를 가열하는 히터;를 포함하며, 상기 몸체부로부터 방사방향을 따라서 상기 작동유체의 온도 균일성이 향상되도록 이웃하는 상기 유체 유동로 내를 유동하는 작동유체는 서로 열교환하되, 상기 스월부와 상기 작동유체 간의 압력저항이 감소되도록 작동유체와 접촉하는 스월부의 면에는 유동패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 향상된 내구력을 가지고 균일한 온도 분포를 가지도록 작동유체를 가열할 수 있는 카트리지형 인라인 히터가 제공된다.

Description

카트리지형 인라인 히터 및 이를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템{CARTRIDGE-TYPE INLINE HEATER AND SYSTEM FOR CONTROLLING WORKING FLUID TEMPERATURE USING THE SAME}
본 발명은 카트리지형 인라인 히터 및 이를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 균일한 온도 구배를 갖도록 작동유체를 가열할 수 있는 카트리지형 인라인 히터 및 이를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 석유화학 플랜트의 가열 단위공정, 원자력 발전소 계통 내부 단위공정의 경우에는, 공정을 거쳐 유동하는 작동유체는 다양한 상변화를 동반하게 된다. 이때, 각 단위공정에서부터 다음의 단위공정으로 이송되는 중 작동유체의 온도를 제어하기 위한 목적으로 배관형 인라인 히터가 많이 이용된다.
이러한 히터는 각 단위공정을 연결하는 배관형태의 유동로에 히터를 장착하고, 히터로부터 발생하는 열을 통하여 유동하는 작동유체를 가열시키는 방식을 이용하고 있다.
도 1은 종래의 인라인 히터의 일례를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 인라인 히터(10)는 배관(11) 내에 코일형태의 금속 발열체(12)를 장착하여 작동유체를 직접적으로 가열하는 방식이 일반적이다.
그러나, 종래의 인라인 히터(10)의 경우, 삽입되는 코일형 금속 발열체(12)는 작동유체에 직접적으로 노출되어 물리적인 손상에 취약하고, 수명이 짧은 문제가 있었다. 특히, 이러한 코일형 금속발열체(12) 중 일부라도 단선되는 경우에는 이를 교체 또는 보수하는데 많은 시간이 소모되어 전체 공정의 수율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 금속 발열체(12)가 장착되어 있는 영역과 그렇지 않은 영역 간 제공되는 열량이 상이하고, 배관 내 가열되는 작동유체 온도 분포의 균일성이 보장되지 않는다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배관 내부 위치에 상관없이 일정한 온도로 가열할 수 있는 카트리지형 인라인 히터를 제공함에 있다.
또한, 카트리지형 인라인 히터를 이용하여 구역별로 작동유체 온도를 용이하게 제어할 수 있는 작동유체 온도 제어 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부에 수용공간이 형성되는 배관형의 외장부; 상기 외장부의 내에 수용되어 상기 외장부와의 사이에서 유체 유동로를 형성하는 몸체부, 상기 몸체부의 길이방향을 따라서 상기 몸체부의 외주면에 감기며 상기 유체 유동로를 복수개로 구획하는 복수개의 스월부를 구비하며, 유입되는 작동유체가 상기 스월부를 따라 유동하도록 안내하는 열교환부; 상기 열교환부에 길이방향을 따라 삽입되어 상기 열교환부와 접촉하는 상기 작동유체를 가열하는 히터;를 포함하며, 상기 몸체부로부터 방사방향을 따라서 상기 작동유체의 온도 균일성이 향상되도록 이웃하는 상기 유체 유동로 내를 유동하는 작동유체는 서로 열교환하되, 상기 스월부와 상기 작동유체 간의 압력저항이 감소되도록 작동유체와 접촉하는 스월부의 면에는 유동패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 카트리지형 인라인 히터에 의해 달성된다.
삭제
또한, 상기 스월부를 중심으로 어느 하나의 유체 유동로 내를 유동하는 작동유체가 이웃하는 유체 유동로를 향하지 못하도록 상기 외장부는 상기 스월부에 밀착되게 장착될 수 있다.
삭제
삭제
본 발명에 따르면, 카트리지형 히터를 열전달부 내부에 삽입하여 간접 접촉을 통하여 작동유체를 가열함으로써 내구력을 향상시킬 수 있는 카트리지형 인라인 히터가 제공된다.
또한, 열전달부의 외면에 나선형의 스월부가 가열되는 작동유체의 교반을 유도함으로써, 작동유체의 온도 균일성이 보장될 수 있다.
또한, 나선형 스월부에 유동패턴을 형성하여 압력저항과 마찰저항과 같은 유동저항을 감소시키고 작동유체의 유동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 원자력 발전소 계통과 같이 고압 유체 유동이 적용되는 공정 내에서도 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 인라인 히터의 일례를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터의 사시도이고,
도 3은 도 2의 카트리지형 인라인 히터를 III-III' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이고,
도 4는 도 2의 카트리지형 인라인 히터의 분해사시도이고,
도 5(a)는 도 2의 카트리지형 인라인 히터의 작동유체가 유입되는 영역의 종단면의 작동유체 온도 구배를 도시한 것이고,
도 5(b)는 도 2의 카트리지형 인라인 히터의 작동유체가 유출되는 영역의 종단면의 작동유체 온도 구배를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터를 이용하는 작동유체 온도 제어 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터의 사시도이고, 도 3은 도 2의 카트리지형 인라인 히터를 III-III' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이고, 도 4는 도 2의 카트리지형 인라인 히터의 분해사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터(100)는 열교환부(110)와 히터(120)와 외장부(130)와 단열부재(미도시)를 포함한다.
상기 열교환부(110)는 작동유체가 유동하기 위한 유체 유동로(115)를 형성하여 후술하는 히터(120)로부터 발생하는 열을 작동유체에 전달하기 위한 부재로서, 몸체부(111)와 스월부(113)를 포함한다.
상기 몸체부(111)는 실린더 형상으로서 스테인리스 스틸 재질로 형성되나, 형상 및 재질이 상술한 내용에 제한되는 것은 아니다. 한편, 후술하는 히터(120)가 장착될 수 있도록 몸체부(111)의 중심에는 길이방향을 따라 장착부(112)가 관통되게 형성된다.
상기 스월부(113)는 몸체부(111)의 외주면으로부터 외측으로 돌출되고, 몸체부(111)의 외주면의 길이방향을 따라 나선형으로 감기는 형태로 형성되며, 스월부(113)는 몸체부(111)에 용접 또는 디퓨전 본딩과 같은 방법에 의하여 형성될 수 있다. 이러한 스월부(113)의 재질으로는 상술한 몸체부(111)와 동일한 스테인리스 스틸이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 몸체부(111)에는 복수개의 스월부(113)가 마련되며, 어느 하나의 스월부(113)와 이에 이웃하는 스월부(113)의 사이의 공간은 유체 유동로(115)를 형성한다. 즉, 이웃하며 대향되는 스월부(113)는 유체 유동로(115)의 측벽면을 이루고, 몸체부(111)의 외주면은 유체 유동로(115)의 하면을 이루며, 후술하는 외장부(130)의 내주면은 유체 유동로(115)의 상면을 이루게 된다. 또한, 스월부(113)는 복수개가 마련되므로 상술한 유체 유동로(115) 역시 구비되는 스월부(113)의 갯수만큼 형성될 수 있다.
한편, 스월부(113)의 높이는 후술하는 외장부(130)의 내주면에 밀착되도록 외장부(130)의 내경을 고려하여 결정되는 것이 바람직하며, 스월부(113)의 갯수, 스월부(113)의 두께, 스월부(113)의 감기는 횟수 등은 유동하는 작동유체의 유량, 온도 및 압력 등의 구체적인 유동조건을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
상기 마감부재(114)는 후술하는 히터(120)가 장착부(112) 내에서 외부로 이탈하지 않도록 장착부(112)의 단부를 마감하기 위한 부재이다.
상기 히터(120)는 길게 형성되는 전열튜브의 내부에 전열선이 삽입되어 열을 발생시키는 형태의 카트리지형 히터로 구성된다. 히터(120)는 몸체부(111)의 길이방향을 따라 관통되는 장착부(112) 내에 장착된다.
한편, 히터(120)로부터 발생하는 열이 손실없이 몸체부(111)에 열전달 될 수 있도록 히터(120)는 실린더형으로 구성되어 히터(120)의 외경에 대응되는 내경을 가지고 몸체부(111)를 관통하는 장착부(112) 내에 밀착되게 장착된다. 즉, 히터(120)의 외면은 장착부(112)의 내면에 완전 밀착되어 열전달 면적을 최대화하는 것이 바람직하다.
상기 외장부(130)는 실린더형으로 마련되며, 내부에 공간이 형성되어 내부에는 상술한 몸체부(111) 및 스월부(113)를 수용한다.
한편, 상술한 바와 같이 몸체부(111)의 외측으로는 스월부(113)가 형성되는데, 외장부(130)는 내주면이 스월부(113)의 최외곽 단부에 밀착하는 형태로 외장부(130)와 열교환부(110)가 상호 결합된다. 상술한 바와 같이, 스월부(113)의 단부가 외장부(130)의 내주면을 따라 밀착됨으로써, 스월부(113)의 양측에 형성되는 유체 유동로(115)를 유동하는 작동유체 간의 상호 교환이 방지될 수 있다.
상기 단열부재(미도시)는 외장부(130)의 외주면을 둘러싸는 것으로서, 외장부(130)와 외기의 열교환을 방지하여 열손실을 최소화하기 위한 부재이다.
지금부터는 상술한 카트리지형 인라인 히터(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
몸체부(111)와 외장부(130) 사이의 공간, 즉, 이웃하는 스월부(113) 사이의 유체 유동로(115) 내로 작동유체가 유입되는 동시에, 히터(120)가 작동하여 열을 발생시킨다. 히터(120)로부터 발생되는 히터는 몸체부(111)를 통하여 유동하는 작동유체에 전달되어 작동유체를 가열한다.
도 5(a)는 도 2의 카트리지형 인라인 히터의 작동유체가 유입되는 영역의 종단면의 작동유체 온도 구배를 도시한 것이다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 유체 유동로(115) 내로 작동유체가 유입되는 영역에서 본 실시예의 카트리지형 인라인 히터(100)의 종단면을 보면, 작동유체의 온도는 히터(120)와 인접한 몸체부(111) 측이 가장 높고, 외측으로 갈수록 감소하는 것을 알 수 있다.
다만, 작동유체가 유체 유동로(115) 내를 유동하면서, 나선형 스월부(113)의 영향을 받아 스월부(113)가 형성되는 방향을 따라 나선형으로 강제 이송되며, 몸체부(111)의 길이방향에 수직인 방향을 따라 작동유체는 지속적으로 교반된다.
즉, 히터(120)와 인접하는 위치에서 상대적으로 고온 상태의 작동유체는 히터(120)로부터 바깥쪽으로 이격된 위치에서 상대적으로 저온 상태인 작동유체와 반복적으로 교환되어 상호 열교환이 이루어짐으로써, 유체 유동로(115)를 유동하는 작동유체는 전체적으로 균일한 온도를 갖게 된다.
도 5(b)는 도 2의 카트리지형 인라인 히터의 작동유체가 유출되는 영역의 종단면의 작동유체 온도 구배를 도시한 것이다.
다시 말해, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 유체 유동로(115)의 작동유체가 유출되는 부분에서 본 실시예의 카트리지형 인라인 히터(100)의 종단면을 보면, 위치와 관계없이 작동유체의 온도는 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터(200)에 대하여 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터(200)는 열교환부(110)와 히터(120)와 외장부(130)와 단열부재(미도시)를 포함한다. 다만, 히터(120)와 외장부(130)와 단열부재는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복 설명을 생략한다.
상기 열교환부(110)는 작동유체가 유동하기 위한 유체 유동로(115)를 형성하여 히터(120)로부터 발생하는 열을 작동유체에 전달하기 위한 부재로서, 몸체부(111)와 스월부(113)를 포함한다. 다만, 몸체부(111)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일하므로 중복 설명은 생략한다.
상기 스월부(113)는 몸체부(111)의 외측으로 연장되며, 몸체부(111)의 길이방향을 따라 나선형으로 감기도록 형성된다.
한편, 본 실시예에서의 스월부(113)의 양측면, 즉, 유체 유동로(115)의 측면을 형성하여 유동하는 작동유체와 접촉하는 면에는 유동패턴(216)이 형성된다. 상기 유동패턴(216)은 스월부(113)의 측면 상에서 내부로 함몰되거나 외측으로 돌출되는 반복적인 프리즘형태의 패턴일 수 있다.
다만, 유동패턴(216')의 형상은 스월부(113)의 측면에 반복적으로 형성되는 U자 형태의 패턴일 수도 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 유동패턴(216, 216')에 의하면, 작동유체와 스월부(113) 면의 사이에서 발생하는 압력저항 및 마찰저항과 같은 유동저항을 감소시키고 작동유체의 유동성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상술한 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템(300)에 대하여 설명한다.
본 실시예의 카트리지형 인라인 히터를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템(300)은 복수개의 카트리지형 인라인 히터(100, 200)와 제어부(340)를 포함한다.
상기 카트리지형 인라인 히터(100, 200)는 복수개가 마련되되, 각 카트리지형 인라인 히터(100, 200)는 유체 유동로가 상호 연결되도록 한다. 또한, 본 실시예에서는 최초의 카트리지형 인라인 히터(100, 200)에 유입된 작동유체가 최종단부에 배치되는 카트리지형 인라인 히터(100, 200)로 배출되도록 길이방향을 따라 일렬로 배치하는 직렬형 구조로 배치된다.
상기 제어부(340)는 직렬형 구조로 배치되는 복수개의 카트리지형 인라인 히터(100, 200)를 제어하기 위한 부재이다.
한편, 카트리지형 인라인 히터를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템(300')의 다른 변형례에서는 각 카트리지형 인라인 히터(100, 200)가 폭방향을 따라 일렬로 배치되는 병렬형 구조로 배치된다.
카트리지형 인라인 히터를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템(300'')의 또 다른 변형례에서는 각 카트리지형 인라인 히터(100, 200)가 직렬형 구조와 병렬형 구조가 복합되는 복합형 구조로 구성될 수 있다.
본 실시예의 카트리지형 인라인 히터를 이용한 작동유체 온도 제어 시스템의 작동에 대해 설명한다.
본 실시예에서 복수개의 카트리지형 인라인 히터(100, 200)가 복합형 구조로 배열된 것으로 가정하여 설명하면, 제어부(340)는 배출되는 작동유체의 온도 별로 각 카트리지형 인라인 히터(100, 200)를 구역화한다.
제어부(340)는 각 카트리지형 인라인 히터(100, 200)를 복수개로 구역화하고, 각 구역에서 작동유체의 가열 정도를 산출한 후에, 각 구역 내에 포함되는 카트리지형 인라인 히터(100, 200)에 온도정보를 전송함으로써, 작동유체의 온도를 구역별로 제어하게 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 인라인 히터
110 : 열전달부 111 : 몸체부
113 : 스월부 115 : 유체 유동로
120 : 히터 130 : 외장부

Claims (6)

  1. 내부에 수용공간이 형성되는 배관형의 외장부;
    상기 외장부의 내에 수용되어 상기 외장부와의 사이에서 유체 유동로를 형성하는 몸체부, 상기 몸체부의 길이방향을 따라서 상기 몸체부의 외주면에 감기며 상기 유체 유동로를 복수개로 구획하는 복수개의 스월부를 구비하며, 유입되는 작동유체가 상기 스월부를 따라 유동하도록 안내하는 열교환부;
    상기 열교환부에 길이방향을 따라 삽입되어 상기 열교환부와 접촉하는 상기 작동유체를 가열하는 히터;를 포함하며,
    상기 몸체부로부터 방사방향을 따라서 상기 작동유체의 온도 균일성이 향상되도록 이웃하는 상기 유체 유동로 내를 유동하는 작동유체는 서로 열교환하되,
    상기 스월부와 상기 작동유체 간의 압력저항이 감소되도록 작동유체와 접촉하는 스월부의 면에는 유동패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 카트리지형 인라인 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스월부를 중심으로 어느 하나의 유체 유동로 내를 유동하는 작동유체가 이웃하는 유체 유동로를 향하지 못하도록 상기 외장부는 상기 스월부에 밀착되게 장착되는 것을 특징으로 하는 카트리지형 인라인 히터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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