KR100203727B1 - 열교환기 - Google Patents

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벤캣 나타라잔
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페이스 살바토르 피
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Abstract

열교환기는 제 1 및 제 2 유동체사이의 열을 교환시킨다. 다수의 수직으로 배향된 통로는 선택적인 제 1 및 제 2 통로 벽사이에 규정되어 있다. 제 1 및 제 2 통로는 제 1 및 제 2 유동체에 열전달 관계를 형성하도록 제공된다. 이를 위해서, 제 1 통로는 예를 들면 가스 질소가 제 1 통로의 상부로 그리고 응축된 질소가 제 1 통로의 바닥으로부터 배출되게 하는 입구 및 출구를 구비한다. 입구는 제 2 유동체를 제 2 통로내로 도입하도록 제공된다. 액체인 제 2 유동체는 제 2 통로내에서 적어도 부분적으로 증기화될 수 있다. 액체로 구성된 액체 막은 통로를 규정하는 통로 벽에 대항하여 액체를 강제하도록 이러한 슬롯형성된 분할 바아의 길이부를 따라 엇갈린 슬롯을 갖는 슬롯형성된 분할 바아의 장치에 의해 제 2 통로내에서 분산된다. 부가적으로 또는 분할 바아 장치의 위치에서, 다중 도메인의 주름진 핀 요소 장치는 제 2 통로내에서 액체 막 분산을 효율적으로 제공할 수 있다.

Description

열교환기
본 발명은 열교환이 인접하고 교호하는 열교환 통로내에서 유동하는 두개의 유동체 사이에서 이뤄지는 하류유동 리보일러 또는 떨어지는 막 증발기로서 공지된 열교환기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 두개의 유동체중 하나가 슬롯형성된 분할 바아 장치에 의해 열교환기 통로내에서 액체 막으로서 분산되는 액체인 열교환기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 액체 막이 보다 증가된 조밀도를 갖는 주름진 핀 요소의 장치에 의해 열교환기내에서 분산되는 열교환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 액체 막 분산이 분할 바아 장치에 의해 먼저 이뤄지고 다음에 주름진 핀 요소의 장치에 의해 이뤄지는 열교환기에 관한 것이다.
떨어지는 막 증발기로서 공지된 하방유동 리보일러는 일반적으로 액체와 증기인 두개의 유동체사이에서 간접적으로 열을 전달하기 위해 차량에 사용되고 있다. 이러한 열교환기는 종종 두개의 유동체상에서 열을 간접적으로 교환시키기 위해 교호하는 열교환기 통로를 형성하도록 다수의 평행한 플레이트로 구성된다. 액체로 열을 전달하는 경우에, 열교환 효율은 액체용으로 제공된 열교환 통로내에 하향성 액체 막을 형성함으로서 이뤄진다. 효율을 더 증가시키기 위해서, 열교환 통로는 열전달 통로내에 수직으로 배향된 채널을 형성하도록 주름진 핀 요소의 시트로 충전될 수 있다. 이러한 채널은 액체 막의 유동을 위한 표면적으로 증가시키며, 그에 따라 열교환이 이뤄질 수 있는 반응 면적을 증가시킨다.
분명하게, 막을 보다 더 형성시킴이 없이 열교환 통로를 통해 액체가 간단히 떨어지는 범위까지, 열교환 효율은 감소한다. 또한, 이러한 열교환기의 열교환 효율의 전체 가능성은 주름진 핀 요소에 의해 제공된 채널내에서 액체 막을 형성하지 않는 범위가지 실현되지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 열교환 통로내에 위치된 주름진 핀 요소에 의해 형성된 열교환 통로 및 채널내에서의 액체 막의 형성 및 유지를 향상시키기 위해 액체 막 분산 장치를 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 제 1 및 제 2 유동체사이에서 열을 간접적으로 교환시키기 위한 열교환기를 제공한다. 열교환기는 상기 제 1 및 제 2 유동체를 간접 열전달 관계로 각기 수납하기 위해서 상기 통로 벽사이에 위치된 다수의 다른 제 1 및 제 2 통로를 규정하는 다수의 수직으로 배향되고 멀리 이격된 통로 벽을 포함한다. 제 1 입구 및 출구 수단은 제 1 통로내로 및 제 1 통로로부터 제 1 유동체를 각기 도입 및 배출하기 위해 제공된다. 제 2 입구 수단은 제 2 통로내로 제 2 유동체를 액체로 도입하기 위해 제공된다. 슬롯형성된 분할 바아는 제 2 통로를 규정하는 통로 벽사이에 위치된다. 슬롯형성된 분할 바아는 제 2 통로를 규정하는 통로 벽에 대항하여 액체가 유동하도록 이격되고 수직으로 배향된 슬롯을 구비하여, 통로 벽상의 액체 막의 형성을 향상시킨다. 제 2 출구 수단은 제 1 유동체와 간접적으로 열교환후에 제 2 통로로부터 제 2 유동체를 배출하기 위해 제공된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 제 1 및 제 2 유동체사이에서 열을 교환시키기 위한 열교환기를 제공한다. 열교환기는 상기 제 1 및 제 2 유동체를 간접 열전달 관계로 각기 수납하기 위해서 상기 통로 벽사이에 위치된 다수의 다른 제 1 및 제 2 통로를 규정하는 다수의 수직으로 배향되고 멀리 이격된 통로 벽을 포함한다. 제 1 주름진 핀 요소는 액체 막의 하방유동용의 수직으로 배향된 채널을 형성하도록 제 1 및 제 2 통로내에 위치된다. 제 1 입구 및 출구 수단은 상기 제 1 유동체를 상기 제 1 통로내로 도입하고 제 1 통로로부터 각기 배출하기 위해 제공된다. 제 2 입구 수단은 상기 제 2 유동체를 제 2 통로내로 액체로 도입하기 위해 제공된다. 상기 수직으로 배향된 채널상에 그리고 제 2 통로내에 위치된 적어도 두개의 섹션은 각기 주름진 제 2 및 제 3 주름진 핀 요소를 포함한다. 제 2 주름진 핀 요소는 주름진 제 3 핀 요소상에 위치된다. 주름진 제 3 핀 요소는 상기 주름진 제 3 핀 요소는 상기 주름진 제 2 핀 요소보다는 큰 주름 조밀도와, 상기 주름진 제 1 핀 요소보다 크지 않은 주름 조밀도를 가져서, 상기 제 2 통로내에 위치된 상기 수직으로 배향된 채널내로 상기 액체 막을 분산시킨다. 제 2 출구 수단은 제 1 유동체와의 간접 열교환후에 제 2 통로로부터 제 2 유동체를 배출하기 위해 제공된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 액체 막 형성 및 액체 막의 분산이 향상되도록 상기 실시예를 서로 연관시켜 이용할 수도 있다. 여기에서 설명한 것과 특허청구범위에서의 용어 ＂조밀도＂는 요소의 단위 길이당 주름진 핀 요소내에 다수의 접힘부 또는 주름을 의미한다.
본 명세서는 본 발명의 요지를 지적한 특허청구범위를 포함하며, 본 발명은 첨부 도면과 관련하여 취한 하기의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 도 2의 1-1 선을 따라 취한 본 발명에 따른 열교환기의 단면도,
도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 취한 도 1의 단면도,
도 3은 열교환기의 내부 부품을 도시하기 위해서 부분 절단한 것으로 본 발명에 따른 열교환기의 부분 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 열교환기 10 : 통로 벽
12 : 제 1 통로 14 : 제 2 통로
20, 22 : 매니폴드 26, 28, 30, 32, 60, 62, 64 : 주름진 핀 요소
36 : 배출구 58 : 슬롯
본 발명에 따른 열교환기(1)를 도시한 도 1 및 도 2를 참조한다. 열교환기(1)는 섬프와 접속하여 사용하도록 설계된다. 간단히 상기 섬프는 예를 들면 액체 산소를 수납하도록 설계된 이중 증류 칼럼중 보다 낮은 압력의 칼럼내에 열교환기(1) 또는 섬프를 포함하고 있는 탱크일 수 있다.
열교환기(1)는 가스 질스 및 액체 산소일 수 있는 제 1 유동체와 제 2 유동체사이에서 열을 교환시키도록 형성된다. 이를 위해서, 다수의 수직 배향되고 멀리 이격된 통로 벽(10)은 각기 다수의 다른 제 1 및 제 2 통로(12, 14)를 형성하도록 제공된다. 통로 벽(10)은 수직으로 배향된 분할 바아(15)사이에 삽입되어, 그 횡방향 에지에서 제 1 및 제 2 통로(12, 14)를 밀봉한다. 열교환기(1)의 측면은 그 횡방향 에지에서 제 1 통로(12)의 최외측부를 밀봉하는 수직 분할 바아에 접속된 측벽(16)에 의해 형성된다.
제 1 통로(12)는 제 1 통로(12)의 상부 및 바닥에 각기 위치된 상부 및 하부 분할 바아(17, 18)에 의해 상부 및 바닥에서 밀봉된다. 예를 들면 응축시킬 가스 질소인 제 1 유동체는 입구 개구부(22)를 구비한 제 1 입구 매니폴드(20)에 들어간다. 예시의 목적으로, 입구 매니폴드(20)에 들어간 가스 질소는 수평으로 배향된 주름진 핀 요소(24)에 의해 수평 방향으로 전도된다. 경사지고 주름진 핀 요소(26)는 제 1 통로(12)내에 수용하기 위해 더욱 수직인 방향으로 질소의 수평 유동체를 전도한다. 열전달을 위한 표면적을 증가시키기 위해서 제 1 및 제 2 통로의 각각은 주름진 제 1 핀 요소(28)를 포함한다. 제 1 통로(12)내에서의 액화상태후에, 결과적인 액체는 경사진 주름진 핀 요소(30) 및 수평으로 배향된 주름진 핀 요소(32)를 제공함으로서 수직에서 수평으로 편향된다. 다음에, 액체 질소는 배출구(36)을 가진 제 1 출구 매니폴드(34)를 제공함으로써 제 1 통로(12)로부터 배출된다.
제 1 입구 매니폴드(20) 및 제 1 출구 매니폴드(34)는 수직으로 배향된 분할 바아(15)에 결합된다. 도시한 바와 같이, 제 1 통로(12)를 밀봉하는데 사용된 수직으로 배향된 분할 바아(15)는 제 1 유동체가 제 1 입구 매니폴드(20)로부터 제 1 통로에 들어갈 수 있어서 제 1 통로(12)로부터 제 1 출구 매니폴드(34)로 배출될 수 있도록 엇갈려 있다.
제 2 유동체(설명을 위해 액체 산소일 수 있다)는 입구 개구부(46)를 갖는 제 2 입구 매니폴드(44)를 통해 용기(42)에 들어간다. 상기 용기(42)는 한 측면에서 제 2 입구 매니폴드(44)에 의해 형성되며, 반대 측면에서 단부 플레이트(47)에 의해 형성된다. 측벽(16)은 용기(42)의 횡단측면을 형성하도록 제 1 및 제 2 통로(12, 14) 상으로 연장할 수 있는 크기로 되어 있다. 액체는 개구부(50)를 갖는 천공된 기부 플레이트(48)를 통해 제 2 통로(14)로 유동하며, 액체는 막으로 전달되어 제 1 통로(12)내를 통과하는 제 1 유동체와 간접적인 열교환이 이뤄진다. 도시한 바와 같이, 제 2 통로(14)는 열교환기(1)의 바닥에서 개방되어, 증기화되지 않은 액체가 섬프내로 떨어져서 열교환기(1)의 도시한 실시예와 결합하여 사용될 수 있다. 따라서, 도시하지는 않았지만, 제 2 통로(14)와 결합하여 사용된 분할 바아(15)는 제 2 통로(14)의 전장을 통해 연장한다. 본 기술분야에 숙련된 자들에게는 자명한 바와 같이, 열교환기(1)가 섬프를 사용하고 있지 않다면 열교환기(1)로부터 액체를 전도하도록 출구 매니폴드 또는 이와 유사한 것이 제공될 수 있다.
도 3을 참조하면, 개구부(50)를 통해 통과하는 액체는 슬롯형성된 분할 바아(54)상으로 떨어지며, 각 바아(54)는 길이방향으로 연장하는 피크(56)를 구비할 수 있다. 분할 바아(54)의 각각의 측면내에 규정된 엇갈린 슬롯(58)의 다른 장치는 액체가 하방으로 그리고 통과 벽(10)에 대항하여 유동할 수 있게 하여 액체 막 형성을 개시하게 한다. 피크(56)는 배제될 수 있는데, 이런 경우 슬롯형성된 분할 바아(54)의 상부는 평평하게 되는 것을 이해할 수 있다. 분할 바아(54)의 실시예에서, 슬롯(58)을 엇갈리게 하는 것은 제 2 통로(14)를 활용하도록 제 2 통로(14)의 각각의 전장을 따라 액체를 커버하는 것을 보장하다.
상술한 바와 같이, 주름진 제 1 핀 요소(28)는 양 제 1 및 제 2 통로(12, 14)에 제공된다. 주름진 제 1 핀 요소(28)의 파형은 제 1 및 제 2 통로(12, 14)의 각각에 수직 채널을 형성한다. 이러한 수직 채널상에서 가능한한 많은 막 형성을 이루기 위해서, 주름진 핀 요소(60, 62, 64)는 제 2, 제 3, 제 4 요소가 제공되어 슬롯형성된 분할 바아(54)에서 개시된 액체 막을 더 분산시킬 수 있다. 주름진 제 2 핀 요소(62)는 하부에 있는 주름진 제 3 핀 요소(64) 보다 덜 조밀하다. 주름진 제 1 핀 요소(60)와 주름진 제 2 핀 요소(62)사이에 삽입된 주름진 제 4 핀 요소(64)는 주름진 제 1 핀 요소(60)보다는 조밀하지만, 주름진 제 2 핀 요소(62)보다는 덜 조밀하다. 이러한 주름진 핀 요소의 배열은 강하하는 액체 막이 주름진 핀 요소의 이러한 섹션을 통해 그 강하하는 동안에 보다 증분식으로 분할되는 것을 보장하게 한다. 제 1 주름진 핀 요소(28)에 의해 형성된 수직 채널로 액체를 적당하게 분산시키기 위해서, 주름진 제 2 핀 요소(62)의 밀도는 주름진 제 1 핀 요소(28)보다 높지 않아야 한다.
이러한 다중-도메인 핀형성(상술하였음)은 주름진 핀 요소의 두개 영역으로 구성되며, 상기 제 1 영역은 하부의 제 2 영역보다 낮은 조밀도의 요소를 갖는다. 더우기, 상술한 바와 같이, 이러한 다중-도메인 분산은 슬롯형성된 분할 바아(54)와 다른 액체 막 분산 설계에 따라 또는 조합하여 이용될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 바람직할 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들에게는 자명한 바와 같이 다양한 부가, 변경 및 생략이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따르면, 액체 막 분산 장치를 제공하여, 열교환 통로내에 위치된 주름진 핀 요소에 의해 형성된 열교환 통로 및 채널내에서의 액체 막의 형성 및 유지를 향상시키는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 제 1 및 제 2 유동체사이에서 열을 교환시키기 위한 열교환기에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유동체를 간접 열전달 관계로 각기 수납하기 위해서 상기 통로 벽사이에 위치된 다수의 다른 제 1 및 제 2 통로를 규정하는 다수의 수직으로 배향되고 멀리 이격된 통로 벽과,
    상기 제 1 유동체를 상기 제 1 통로내로 도입하고 제 1 통로로부터 각기 배출하기 위한 제 1 입구 및 출구 수단과,
    상기 제 2 유동체를 상기 제 2 통로내로 액체로 도입하기 위한 제 2 입구 수단과,
    상기 제 2 통로를 규정하는 상기 통로 벽사이에 위치되며, 상기 액체가 상기 제 2 통로를 규정하는 상기 통로 벽에 대항하여 유동하게 하여 상기 통로 벽상에 액체 막이 형성되는 것을 향상시키게 하는 이격되고 수직으로 배향된 슬롯을 갖는 슬롯형성된 분할 바아와,
    상기 제 1 유동체와 간접적인 열교환후에 상기 제 2 통로로부터 상기 제 2 유동체를 배출하기 위한 제 2 출구 수단을 포함하는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    액체 막의 하방유동용의 수직 배향된 채널을 형성하기 위해 제 1 및 제 2 통로내에 위치된 주름진 제 1 핀 요소와,
    상기 수직으로 배향된 채널과 상기 슬롯형성된 분할 바아사이에서 위에 그리고 상기 제 2 통로내에 위치되고, 주름진 제 2 및 제 3 핀 요소를 각기 보유한 적어도 두개의 섹션을 더 포함하며,
    상기 주름진 제 2 핀 요소는 상기 주름진 제 3 핀 요소상에 위치되며,
    상기 주름진 제 3 핀 요소는 상기 주름진 제 2 핀 요소보다는 큰 주름 조밀도와, 상기 주름진 제 1 핀 요소보다 크지 않은 주름 조밀도를 가져서, 상기 제 2 통로내에 위치된 상기 수직으로 배향된 채널내로 상기 액체 막을 분산시키는 열교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 슬롯형성된 분할 바아의 각각이 상기 액체가 상기 슬롯쪽으로 유동하도록 길이방향으로 연장하는 피크를 갖는 열교환기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 슬롯형성된 분할 바아의 각 측면상의 상기 슬롯이, 상기 슬롯이 교호하도록 서로 멀리 이격되어 있는 열교환기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 출구 수단은 상기 열교환기의 바닥 영역에서 개방된 상기 제 2 통로를 포함하는 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 입구 및 출구 수단의 각각이 상기 제 1 통로로 상기 제 1 유동체를 분산시키기 위한 매니폴드와, 상기 제 1 유동체를 수평으로 전도시키기 위한 주름진 핀 요소와, 수평 유동에서 수직 유동으로 상기 제 1 유동체를 편향시키도록 경사지고 주름진 핀 요소를 포함하는 열교환기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 통로 벽이 다수의 멀리 이격된 플레이트를 포함하는 열교환기.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 주름진 제 2 및 제 3 핀 요소사이에 위치되고, 상기 주름진 제 2 및 제 3 핀 요소의 파형 조밀도의 중간 조밀도를 가진 주름진 제 4 파형 핀 요소를 더 포함하는 열교환기.
  9. 제 1 및 제 2 유동체사이에서 열을 교환시키기 위한 열교환기에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유동체를 간접 열전달 관계로 각기 수납하기 위해서 상기 통로 벽사이에 위치된 다수의 다른 제 1 및 제 2 통로를 규정하는 다수의 수직으로 배향되고 멀리 이격된 통로 벽과,
    액체 막의 하방유동용의 수직으로 배향된 채널을 형성하기 위해 상기 제 1 및 제 2 통로사이에 위치된 주름진 제 1 파형 핀 요소와.
    상기 제 1 유동체를 상기 제 1 통로내로 도입하고 제 1 통로로부터 각기 배출하기 위한 제 1 입구 및 출구 수단과,
    상기 제 2 유동체를 상기 제 2 통로내로 액체로 도입하기 위한 제 2 입구 수단과,
    상기 수직으로 배향된 채널상에 그리고 상기 제 2 통로내에 위치되고, 주름진 제 2 및 제 3 파형 핀 요소를 각기 포함한 적어도 두개의 섹션과,
    상기 제 1 유동체와 간접적인 열교환후에 상기 제 2 통로로부터 상기 제 2 유동체를 배출하기 위한 제 2 출구 수단을 포함하며,
    상기 주름진 제 2 핀 요소는 상기 주름진 제 3 핀 요소상에 위치되며,
    상기 주름진 제 3 핀 요소는 상기 주름진 제 2 핀 요소보다는 큰 주름 조밀도와, 상기 주름진 제 1 핀 요소보다 크지 않은 주름 조밀도를 가져서, 상기 제 2 통로내에 위치된 상기 수직으로 배향된 채널내로 상기 액체 막을 분산시키는 열교환기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 출구 수단은 상기 열교환기의 바닥 영역에서 개방된 상기 제 2 통로를 포함하는 열교환기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 입구 및 출구 수단의 각각이 상기 제 1 통로로 상기 제 1 유동체를 분산시키기 위한 매니폴드와, 상기 제 1 유동체를 수평으로 전도시키기 위한 주름진 핀 요소와, 수평 유동에서 수직 유동으로 상기 제 1 유동체를 편향시키도록 경사지고 주름진 핀 요소를 포함하는 열교환기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 통로 벽이 다수의 멀리 이격된 플레이트를 포함하는 열교환기.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 주름진 제 2 및 제 3 핀 요소사이에 위치되고, 상기 주름진 제 2 및 제 3 핀 요소의 파형 조밀도의 중간 조밀도를 가진 주름진 제 4 파형 핀 요소를 더 포함하는 열교환기.
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