KR0145700B1 - 관형 열교환기 - Google Patents

Abstract

튜브(1)을 통해 유동하는 고온가스와 튜브의 외측 위로 유동하는 액체 또는 증기상태 냉매사이에서 열교환을 하기 위한 관형열교환기의 튜브(1)는 튜브묶음을 둘러싸고 있는 재킷(2)에 연결된 튜브플레이트(3,4)내의 각각의 끝에서 유지된다.

재킷으로부터 축방향으로 향한 절반위치에서 가스입구측상에 위치된 튜브(1)는 서로 평행하게 놓여있고 냉매가 유동하는 냉각채널(7)을 구비하고 있다.

튜브플레이트(3)는 재킷(2)의 내부로 개방된 보어식구멍(15)을 구비하고 있고 이 보어식구멍(15)은 각각의 튜브(1)를 중심적으로 둘러싸도록 냉각채널(7)안으로 개방된다.

튜브의 어떤 특정한 열의 튜브(1)는 냉각채널(7)중의 하나를 통과한다.

냉각채널(7)은 가스에 의해서 충돌되는 측에 균일한 벽두께의 베이스(12)를 가지고 있다.

Description

관형 열교환기

제1도는 열교환기의 종단면도,

제2도는 가스 입구측에 위치된 튜브 플레이트의 평면도,

제3도는 제2도에서의 선 Ⅲ-Ⅲ에 따른 단면도,

제4도는 제2도에서의 선 Ⅳ-Ⅳ에 따른 단면도,

제5도는 제3도에서의 Z의 상세도,

제6도는 제5도의 평면도,

제7도는 다른 형태의 실시예에 따른 가스 입구측에 위치된 튜브

플레이트의 평면도,

제8도는 제7도에서의 선 Ⅷ-Ⅷ에 따른 단면도, 및

제9도는 다른 형태의 실시예에 따른 제3도와 같은 Z의 상세도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:튜브 2:재킷

3,4:튜브 플레이트 5:가스입구

6:가스출구 7:냉각채널

본 발명은 특허청구의 범위 제1항에서 상술한 특징을 가진 관형 열교환기이다.

이러한 형태의 관형 열교환기는 열제거매체로서의 고압스팀을 동시 발생시키는 크래킹노 또는 화학 플랜트 재생기로부터 재생가스를 더 급냉시키기 위한 처리가스 폐열 보일러로 사용된다. 가스와 열제거냉매 사이의 큰 압력차와 고온가스를 제어 하기 위하여, 가스 입구측에 위치된 튜브 플레이트는 가스 출구측에 위치된 튜브 플레이트보다 더 얇다(DE-C-1 294 98, AT-B-361 953). 이러한 경우에 있어서, 얇은 튜브 플레이트는 금속지지시트가 앵커에 의해서 연결되는 튜브 플레이트로부터 이격된 짧은 거리에서 위치되는 금속지지시트에 의해서 보강된다.

다른 형태의 종래의 관형 열교환기(DE-C-3 533 219)에 있어서, 얇은 튜브 플레이트는 용접 베어러 핑거(welded-on bearer fingers)에 의해서 베어러 플레이트상에 지지된다. 베어러 플레이트와 튜브 플레이트 사이의 공간을 통하여 유동하는 것은 환상의 챔버를 통해서 공급되고 튜브와 베어러 플레이트 사이의 환상의 갭을 통해서 열교환기 안으로 이입되는 냉매이다. 이것은 냉매가 얇은 튜브 플레이트 위에서 횡으로 통과하는 것을 허용한다. 이러한 냉각수의 통과는 튜브 플레이트를 효율적으로 냉각시키며 냉매내의 고형물 미립자가 튜브 플레이트상에 침전되지 않도록 높은 유동비를 발생시킨다. 이 이중바닥은 작동중에 이점이 있지만 제조가가 비교적 비싸다.

더욱이, 통상의 관형 열교환기(AT-B-361 953)의 가스출구측에 위치된 두꺼운 튜브플레이트에 냉각채널이 제공될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 방식에 있어서는, 튜브 플레이트의 충분한 강성을 가지고 있으므로 550℃로부터 650℃까지의 높은 가스출구온도를 허용하는 것은 가능하다. 이러한 종래의 튜브 플레이트에 있어서, 냉각채널은 서로 이격된 비교적 큰 간격에서 튜브의 열과 가스와 접촉하여 있는 튜브 플레이트의 측으로부터의 튜브의 열 사이에 위치된다. 냉각채널의 배열로 달성되는 튜브 플레이트의 냉각은 열교환기의 가스 출구측에서의 가스온도를 조절하기에 매우 적합하다.

본 발명의 기초가 되는 문제점은, 가스측상의 벽의 얇은 두께와 냉매의 높은 유동비로, 냉매의 균일한 분포가 성취될 수 있고 1000℃ 이상의 가스온도가 처리될 수 있는 방식으로 통상의 형태의 관형 열교환기용 냉각튜브 플레이트를 전개시키는 방법에 있다.

통상의 관형 열교환기에 있어서, 이러한 문제는 특허청구의 범위에 기재된 특징부를 사용함으로써 본 발명에 의해서 해결된다.

본 발명에 따른 튜브 플레이트는 두꺼운 구조로 되어 있어 고압냉매를 견디기 위한 필수조건을 갖추고 있다. 튜브가 튜브열중의 어느 한열을 따라 직선으로 배치된 냉각채널을 통과하는 사실 때문에, 냉각채널은 냉매가 대단히 큰 표면위로 유동하도록 서로 밀접하게 위치될 수 있다. 일정한 벽두께의 채널 베이스는 채널 내측에 물질이 쌓이는 것을 방지한다. 이러한 특징은 튜브 플레이트의 강한 냉각을 유도하여 1000℃ 이상의 높은 가스온도를 만족하게 처리할 수 있다.

냉각채널의 냉매의 유량은 냉매에 존재하는 어떤 고형물 미립자가 침전될 수 없는 수치로 조정되어 튜브 플레이트가 과열되지 않도록 한다. 그러므로, 가스 입구측상의 튜브 플레이트가 튜브 플레이트의 두꺼운 부분에 있는 웨브(web)에 의해서 냉각채널 사이에서 지지되는 얇은 베이스 부분을 가지는 것은 가능하다. 이러한 지지는 각각의 앵커를 사용한 지지보다 더 많은 장점을 갖고 있고 더 균일한 응력분포에 의해서 두드러진다. 얇은 베이스 부분은 단지 저열응력으로 냉각을 허용하고 갭이 없고 튜브 플레이트 안으로의 질적으로 실용적인 튜브의 용접결합을 실시하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예의 다수실예는 도면을 수반하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.

묘사된 열교환기는 특히 고압하에서 비등 및 부분적으로 증발된 냉각수의 도움으로써 크래킹 가스의 냉각을 위해 사용된다. 열교환기는 냉각될 가스가 통과되고 재킷(2)에 의해서 둘러싸여 있는 각각의 튜브(1)로 이루어진 복수의 튜브로 구성된다. 명료함을 위해, 약간의 튜브(1)를 도시하였다. 튜브(1)는 가스입구(5) 및 가스출구(6)가 각각 부착되는 2개의 튜브 플레이트(3,4)에 의해서 제위치에 위치되고 상기 플레이트는 재킷(2)안에서 용접된다.

가스 입구측에 위치된 튜브 플레이트(3)는 서로 평행하게 이루어진 냉각채널을 구비하고 있다. 튜브 플레이트(3)의 축방향에서 보았을 때, 냉각채널(7)은 재킷(2)의 내부에서 이격된 간격보다 튜브 플레이트의 가스측에서 이격된 간격이 더 작은 방식으로 튜브 플레이트(3)내에 배치된다. 이러한 방식으로, 얇은 베이스 부분(8)은 가스측상에 형성되고 두꺼운 베이스 부분(9)은 재킷(2)의 근처에 형성된다.

제1도 내지 제6도에 도시된 냉각채널은 양끝에서 튜브 플레이트(3)의 주위 둘레의 환상의 챔버(10)안으로 개방되어 있다. 챔버(10)의 입구측은 고압상태의 냉매가 들어가는 하나 또는 그 이상의 공급노즐(11)을 구비하고 있다.

냉각채널(7)은 그 표면에서 평행한 튜브 플레이트(3)를 관통한 원통형 구멍으로 형성될 수 있다. 하지만, 최초의 원주 횡단면은 대체로 기계가공되고 터널형 윤곽을 만들기 위하여 넓여진다. 이 터널형 횡단면은 도면에 도시되어 있고 만곡된 윗면과 튜브 플레이트(3)의 상부면에 평행하게 놓여 있는 편평한 베이스(12)로 특징을 이루고 있다. 이러한 방식으로 특히 간단한 작업에 의해 일정한 벽 두께의 얇은 베이스 부분을 만드는 것이 가능하다. 또한 터널형 냉각채널(7)의 측벽(13)은 편평하고 베이스(12)에 수직으로 바람직하게 배치된다. 이 측별(13)은 좁은 웨브(14)를 형성하고 이것에 의해서 하부 얇은 베이스 부분(8)은 큰 지지길이로 상부 두꺼운 베이스 부분(9)에 현수되어 있다.

두꺼운 베이스 부분(9) 내측에는 튜브 플레이트(3)가 재킷(2)의 내부로 개방되고 그 길이방향에 대해 직각으로 냉각채널(7) 안으로 개방된 보어식 구멍(15)을 구비하고 있다. 복수의 튜브중의 튜브(1)는 자유로운 이동을 하기 위한 작은 환상의 갭을 가진 보어식 구멍(15)을 통과한다. 튜브의 어떤 특정한 열의 튜브(1)는 냉각채널(7)중의 하나를 통과하고 어떤 갭도 갖고 있지 않은 완전한 용접이음매(16)를 가진 튜브 플레이트(3)의 얇은 베이스 부분(8) 안에서 용접된다. 이러한 방식으로 형성된 냉각채널(7)의 폭은 튜브(1)의 직경보다 한배 내지 두배 크다.

공급노즐(11)을 통해서 챔버(10)의 입구측으로 이송된 냉매는 냉각채널(7)에 접근하고 튜브(1)와 보어식 구멍(15)의 내측벽 사이에 환상의 갭을 통해서 열교환기의 재킷(2)의 내부안으로 통과한다. 냉매의 일부는 튜브(1)의 외측을 따라 재킷(2)내에서 불기 시작하고 고압스팀으로서 재킷(2)의 벽 안에서 용접된 방출노즐(17)을 통해서 방출된다.

냉매의 일부는 상기 환상의 갭을 통해서 열교환기의 재킷 내부로 들어가지 않고 열교환기의 대향측상의 냉각채널(7)에 남아 있고 환상의 챔버(10)의 출구측에 접근한다. 출구측은 냉각채널(7)의 길이방향축에 수직한 챔버(10)내에 배치되고 챔버(10)의 전체 횡단면에 걸쳐 뻗어 있는 2개의 격벽(22)에 의해서 입구측으로부터 분리된다. 이러한 배열 때문에, 각각의 냉각채널의 하나의 끝은 상기 챔버의 출구측과 연통하여 있고 다른 끝은 상기 챔버의 출구측과 연통하여 있다. 곡관(23)은 챔버(10)의출구측에 부착되고 열교환기의 재킷(2) 내부안으로 개방되어 있다. 나머지 냉매는 상기 관(23)을 통해서 열교환기의 내부로 이입되고 고압스팀으로 변형된다. 냉매의 일부의 이러한 전달 때문에, 이 결과는, 냉매의 충분히 높은 유동비가 냉각채널(7)의 출구측에서 존재하여, 고형물 미립자가 냉매로부터 냉각채널(7)의 베이스(12)위에 침전되지 않는 것을 달성한다. 냉매속에 있는 어떤 고형물 미립자는 냉각채널(7)을 통해서 휩쓸어 내보내질 것이다.

전체 냉각채널을 통해서 일정한 유동이 있도록, 밖에 있는 짧은 냉각채널을 통한 유동에 대한 저항은 중심에 있는 긴 냉각채널(7)을 통한 유동에 대한 저항으로 변경될 수 있다. 이것은 쓰로틀 포인트를 밖에 있는 냉각채널(7)에 합체한 것 또는 중심에 있는 긴 냉각채널보다 더 작은 횡단면적을 가진 밖에 있는 짧은 냉각채널(7)에 의해서 발생될 수 있다.

제7도 및 제8도에서는 냉매를 위해 내부에 배치된 입구챔버(18)가 도시되어 있고 상기 챔버는 열교환기의 주위의 대략 절반에 걸쳐서 뻗어 있다. 이러한 입구챔버(18)의 벽은 재킷(2)의 벽의 내측에 연결되고 접경지역에서 튜브 플레이트(3)에 연결된다. 이러한 형태의 실시예에 있어서 각각의 냉각채널(7)은 양끝에서 커버(20)에 의해서 폐쇄된다. 냉각채널(7)의 각각의 끝에는 튜브 플레이트(3)의 상부 두꺼운 베이스 부분(9)을 통해서 열교환기의 축방향으로 드릴 작업된 구멍(19,24)이 있다. 드릴작업된 구멍(19)중의 하나는 입구챔버(18)로부터 시작되고 냉매를 냉각채널(7)로 공급하는데 사용된다. 드릴작업된 다른 구멍(24)은 열교환기 내부로 개방되어 있고 튜브(1)와 보어식 구멍(15)의 내측벽 사이의 환상의 갭을 통해서 위로 통과하지 않는 나머지 냉매를 유도하는데 사용된다.

제9도에 도시된 바와 같이, 또한 냉각채널(7)은 튜브 플레이트(3)가 절단되어 접경 오목부가 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 냉각채널(7)은 만곡된 또는 편평한 윗면을 가질 수 있다. 접경 오목부는 냉각채널(7) 사이에 있는 웨브(14)위에서 용접된 시트금속 스트립(21)으로 덮혀져 있다. 튜브(1)의 끝은 시트 금속스트립(21)안에서 용접된다. 제1도 내지 제8도에서 묘사된 실시예와 비교하여 볼때, 제9도에 도시된 실시예는 추가적인 응력을 리드하는 증가된 용접 이음매를 필요로 하고 일정한 환경하에서 낮은 효과를 가지고 있지만 간단하게 제조된다.

Claims (10)

1. 튜브를 통해서 유동하는 고온가스와 튜브의 외측위로 유동하는 액체 또는 증기상태 냉매 사이에 열교환기용 튜브 플레이트내의 각각의 끝에서 유지되는 튜브를 가진 관형 열교환기에 있어서, 튜브 플레이트는 튜브 플레이트중의 하나가 재킷으로부터 축방향으로 이격되어 면한 플레이트의 절반으로 평행한 냉각채널을 구비한 상태로 복수의 튜브를 둘러싸고 있는 재킷의 끝에 연결되고, 이 튜브 플레이트는 재킷의 내부에서 개방되는 보어식 구멍을 구비하고 있고 이 보어식 구멍이 중심적으로 튜브를 둘러싸도록 냉각채널안으로 개방되어 있으며, 이 튜브 플레이트는 열교환기의 가스입구측에 위치된 냉각채널을 구비하고 있고 튜브의 어떤 특정한 열의 튜브는 냉각채널중의 하나를 통과하며, 냉매가 유동하는 냉각채널은 가스에 의해서 충돌되는 측에 일정한 두께의 베이스를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 냉각채널은 편평한 측벽이 상기 베이스에 수직으로 배치된 상태로 만곡된 윗면과 편평한 베이스를 가진 터널형 횡단면부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 튜브 플레이트는 냉각채널이 양끝에서 상기 챔버안으로 개방된 상태로 환상의 챔버에 의해서 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
4. 제1항에 있어서, 냉매를 위한 입구챔버는 대략 열교환기의 주위의 절반에 걸쳐서 뻗어 있으며, 이 입구챔버는 재킷의 벽의 내측과 접경지역에 있는 튜브 플레이트에 연결되어 있으며, 양측에서 폐쇄된 각각의 냉각채널은 축방향으로 드릴작업된 구멍을 경유하여 입구챔버에 연결되는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
5. 제1항에 있어서, 입구측상의 냉각채널은 재킷내에서 밀폐된 열교환기의 내부공간과 연통하여 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
6. 제2항 또는 제5항에 있어서, 환상의 챔버는 냉각채널의 길이방향축에 수직으로 배치된 두개의 격벽에 의해서 입구측과 출구측으로 분리되어 있으며, 곡관은 챔버의 출구측과 열교환기의 재킷의 벽에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 관형열교환기.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 추가적인 구멍은 냉각채널로부터 열교환의 내부로 통해 있고 제1 드릴작업된 구멍으로부터 이격된 다른 끝에서 튜브 플레이트를 통해서 축방향으로 드릴작업된 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
8. 제1항에 있어서, 밖에 있는 냉각채널은 중심에 있는 냉각채널보다 더 큰 유동저항을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각채널은 단일피스 플레이트로 기계가공되어 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각채널은 접경오목부로서 튜브 플레이트내에서 기계가공되어 있으며 시트금속 스트립으로 덮혀져 있는 것을 특징으로 하는 관형 열교환기.

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