KR100284495B1 - 열교환기 용액분배기의 분배면 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 용액분배기에 관한 것으로 코일 내부를 유동하는 유체와의 열교환을 이용하는 쉘 및 튜브형 열교환기의 성능을 좌우하는 요소중의 하나가 액막이 균일하게 코일의 전 표면을 적실 수 있도록 용액을 분배해 주는 용액분배기에 관한 것이다.

본 발명의 용액분배기는 분배면 바닥에 폭이 좁고 긴 장방형의 슬릿을 가지고 그 슬릿의 짧은 한 변은 슬릿에 대응되는 모양의 판이 분배면 바닥에 고정되어 있으며, 분배면의 아래쪽으로는 분배면 바닥과 소정의 각도를 이루면서 상기 판을 설치하여 분배면 바닥 슬릿 사이의 틈을 유체가 표면장력에 의해 흘러 상기 판을 타고 아래의 코일 튜브로 낙하 되도록 한 것이다. 이에따라 단순한 구조변경을 통해 경제적인 분배기 제작이 가능하며, 그러면서도 분배 액적의 유량이나 증기 유속에 의한 유량 변동을 줄여주며, 액면의 높이 변화에 대하여 수동적인는 용액분배기 제작이 가능하다.

Description

열교환기 용액분배기의 분배면 구조

본 발명은 열교환기의 용액분배기에 관한 것으로 더 상세하게는 코일 내부를 유동하는 유체와의 열교환을 이용하는 쉘 및 튜브형 열교환기의 성능을 좌우하는 요소중의 하나가 액막이 균일하게 코일의 전 표면을 적실 수 있도록 용액을 분배해 주는 용액분배기에 관한 것이다.

도 1은 상부에 용액 분배기(1)와 그 밑에 튜브 코일(2)을 가진 쉘 및 튜브형 열교환기(3)의 개략도로서 상부의 분배기(1)는 용액을 담을 수 있는 일종의 용기로서 기본적으로 공급된 용액을 저장하고 종류에 따라 다르지만 하부의 코일(2)에 용액을 분배하는 역할을 한다.

코일(2)에는 최대한 균일하고 전 표면을 고르게 적실 수 있도록 용액을 분배하여야 성능을 발휘할 수 있다. 대부분의 분배기(1)는 튜브 코일(2)의 중심에 맞춰서 용액 유량 등의 설계 인자에 따라 일정한 개수의 분배홀 혹은 분배관 및 모세관을 이용하여 코일 상부에 용액을 분배해 주는 형태로 되어 있다.

따라서 분배기(1)에 공급된 용액은 적절한 분배홀을 통해 아래의 코일(2) 상부로 떨어져 코일(2) 표면을 적시면서 흘러내리는 동시에 코일 내부의 유체와 열교환을 한다.

도 3은 분배기(1)의 다양한 분배면(4) 구조를 나타낸 것으로 (가)는 홀분배형, (나)는 관분배형, (다)는 모세관분배형 등으로 이루어지는 분배면 구조를 나타낸 것이다.

(가)의 홀분배형은, 단순히 분배기(1)의 분배면(4) 바닥에 홀(5)을 가공한 형태로서 가장 단순하나 액적의 낙하 위치를 정확히 할 수 없고, 용액의 표면 장력으로 인해 홀(5)의 가공 상태에 따라 홀당의 유량차가 심하다. 또한 열교환기내에 증기 "C"의 유동이 있는 경우 때로는 그 유속에 의해 액막이 낙하하는 중 증기에 딸려가기 때문에 의도한 대로 코일을 적시질 못한다.(도 4의 (가))

(나)의 관분배형은, 분배기(1)의 분배면(4) 바닥에 홀을 뚫고, 이 홀에 작은 튜브(6)를 픽싱시켜 튜브(6)가 분배면(4) 밑으로 노출되도록 한 형태로서, 속이 빈 튜브(6)를 홀에 끼우고 분배기 바닥에 리벳처럼 머리를 변형시켜 고정하는 방법 등이 있다. 이 경우 (가)의 형태 처럼 홀 가공 상태 등에 의한 홀당 유량차 등의 불리한 점이 줄어들어 균일한 분배가 가능하나 분배면(4)의 수평이 흐트러져 액면의 높이가 위치에 따라 차이가 나는 경우 균일 분배가 어렵다.(도 4의 (나))

(다)의 모세관형은, 분배기(1) 안팎으로 별도의 드리퍼(7)를 연장시켜 설치하여 용액의 표면장력을 이용하여 분배하는 것으로서 분배기(1)에서는 용액이 모세관 현상에 의해 드리퍼(Dripper)의 미세한 틈을 타고 분배기(1)의 벽을 타고 넘어간후 다시 드리퍼(7)를 타고 중력에 의해 떨어지므로 액면의 높이 변화에 둔감하고 이로인해 유량변동을 적게 가지는 장점이 있다.(도 4의 (다))

그러나 이와같은 종래 쉘 및 튜브형 열교환기의 다양한 용액 분배기는 수두압을 이용하는 경우 분배기안 액면에 의한 수두압에 의해 홀 또는 튜브를 낙하하는 유량이 결정되도록 되어 있어 분배기안 액면의 높이 변화에 따라 유량변동이 있어 유량차가 심해져서 열교환 성능을 일정하게 유지하지 못하는 문제점과 열교환기안에서의 증기 유동이 있는 경우 그 유속에 의해 낙하중 증기에 딸려가기 때문에 코일 표면에 대한 액막 형성이 어렵고 액적의 낙하 위치를 정확히 할 수 없는 문제점이 있다.

또한 홀분배형에 비해 홀당 유량차를 줄여주는 쪽에서의 균일 분배에 유리한 관분배형은 분배면 수평이 흐트러지면 액면의 높이가 위치에 따라 차이가 나서 역시 균일 분배가 어렵고, 별도의 튜브를 제작하여 부가하므로 비 경제적인 문제점이 있었으며, 모세관형식은 관분배형식과 마찬가지로 별도의 드리퍼를 제작하여 설치해야 하므로 경제성이 떨어졌다.

따라서 본 발명의 목적은 분배기안 액면에 의한 수두압에 의해 분배기안의 용액을 균일하게 열교환기에 분배해 주면서도 분배기에서의 용액 액면 변화에 의한 유량 변동을 줄이는 용액분배기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용액 분배에 안정성을 기하기 위해 투입되는 분배홀의 구조 변경에서 제작비를 줄이는 것이다.

도 1은 쉘 및 튜브형 열교환기의 개략도.

도 2는 용액분배기의 분배면 구조.

도 3은 종래 용액분배기의 다양한 분배면 구조를 보인 것으로,

(가)는 홀분배형,

(나)는 관분배형,

(다)는 모세관분배형.

도 4는 도 3의 용액 분배상태를 보인 것으로,

(가)는 홀분배식,

(나)는 관분배식,

(다)는 모세관식 분배 상태.

도 5는 본 발명에 따른 분배면 구조를 보인 것으로,

(가)는 평면도,

(나)는 단면도.

도 6은 도 5의 "A"부 상세도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 보인 도면.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서,

(가)는 분배면 구조,

(나)는 단면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1:분배기 2:튜브 코일

3:열교환기 4:분배면

5:홀 6:튜브

7:모세관 9:판

10:슬릿(Slit)

본 발명은 튜브 코일의 외측면에 유체를 액막의 형태로 흐르게 하고 코일 내부의 유체와 열교환을 하게 하는 쉘 및 튜브형 열교환기에서 코일 외측 유체를 코일 표면에 분배하기 위한 분배면을 구비하는 용액분배기에 있어서;

용액분배기는,

분배면 바닥에 폭이 좁고 긴 장방형의 슬릿을 가지고 그 슬릿의 짧은 한 변은 슬릿에 대응되는 모양의 판이 분배면 바닥에 고정되어 있으며, 분배면의 아래쪽으로는 분배면 바닥과 최적의 각도를 이루면서 상기 판을 설치하여 분배면 바닥 슬릿 사이의 틈을 유체가 표면장력에 의해 흘러 상기 판을 타고 아래의 코일 튜브로 낙하되도록 한 것을 특징으로 한다.

선택적으로 분배기의 분배면에 형성되는 슬릿의 모양을 삼각형으로 한 것을 특징으로 한다.

선택적으로 분배기의 분배면 슬릿을 따라 형성되는 판은 분배면 바닥에 대하여 복수의 각을 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

이와같은 쉘 및 튜브형 열교환기의 용액분배기는 분배면에 붙어 있는 판과 분배면 바닥 사이의 틈새는 모세관 현상을 통해 용액을 끌어 당기므로 분배기에서의 용액 액면 변화에 상대적으로 둔감해지는 결과를 갖게되고, 슬릿에 대응되는 판은 형상적으로 분배면을 지난 액적을 코일 상부로 정확히 낙하시키는 가이드 역할을 수행하므로 증기의 유속이 빠른 경우에도 용액이 날려가거나 다른 위치로 떨어지는 현상을 방지하게 된다.

본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명이 적용된 용액 분배기의 분배면 구조이고, 도 6은 도 5의 유로각도 설정 예를 표시한 것이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이고, 도 8은 또 다른 실시예를 표현한 것이다.

본 발명은 도 5와 같이 분배기(1)의 분배면(4) 바닥면에 장방형의 홈인 슬릿(10)을 가공하여 만들 수 있다. 각 슬릿(10)들은 분배면(4)의 중심을 점으로 나란히 원주상의 규칙 배열로 위치 하지만 반드시 이러한 배열은 지켜지지 않아도 된다. 분배면(4)의 슬릿(10) 형성으로 부터 슬릿(10)의 짧은 한쪽 끝은 바닥과 분리되지 않으며 3변이 잘려진 장방형의 판(9)은 분배면(4) 바닥과 θ의 각도를 이루는 아랫쪽 기울기를 주어서 만들어 진다.

장방형 슬릿(10)이나 이 슬릿(10)으로 부터 벌려져 나온 판(9)의 치수, 판(9)의 각도 θ의 크기 등은 분배 유량과 면적 그리고 부피에 관련시켜 최적의 값으로 결정할 수 있다.

장방형 슬릿(10)을 그대로 유지하는 조건에서 판(9)의 각도를 하나의 각도 θ로 만들고, 그 끝단을 구부려서 또 다른 각도를 만드는 도 7과 같은 판(9)의 형태는 분배면(4)에 장방형 슬릿(10)을 프레스 가공하는 단계에서 만들 수 있다.

분배면(4)에서의 슬릿(10)의 모양은 도 8과 같이 삼각형으로의 제작도 가능하다.

이렇게 분배면(4)에 슬릿(10)을 만들고, 판(9)을 분배면(4)의 아래쪽으로 처지도록 하는 분배홀의 개설 구조는 프레스 가공에서 언더 컷을 만드는 형태와 비슷하다.

따라서 판(9)의 형태는 슬릿(10)의 기하학적 모양과 관계없이 슬릿(10)의 원래 모양과 대등해진다.

또한 슬릿(10)의 가공에 따라서는 슬릿(10)을 먼저 만들고 이 슬릿(10)의 한변을 지지점으로 선정하여 적절한 각도가 주어진 별도의 판(9)을 붙히는 제작도 가능하다.

이와같이 제작되는 분배기는 분배면에 형성되는 슬릿과, 이 슬릿과 대응되는 판이 이루는 틈에만 용액의 표면장력이 작용하도록 만들고 연속적으로는 판의 끝에서 용액의 액적이 표면장력을 이기고 떨어져 코일을 적시도록 만든다. 구체적인 작용을 살펴보면 다음과 같다.

쉘 및 튜브형 열교환기(3)에서 코일(2)에 용액을 분배하는 분배기(1)안에 용액이 있으면 액면에 의한 수두압이 생기고, 이 수두압은 용액을 정해진 공간을 통해 유출 시키고 그 유량을 변동 시킨다.

수두압 뿐만아니라 분배기(1)안을 벗어나는 용액의 출구가 되는 분배기의 분배면 상태도 액분배의 형태를 결정한다.

용액을 자연 낙하시키는 중력식 분배에서는 기본적으로 수두압으로 액적을 코일(2) 표면에 적시기 때문에 용액이 유동하는 경로상에서 그 유동을 변화시키고 상태에 영향을 주는 여러개의 인자들에 노출되어 있다.

이같이 용액 분배기(1)의 설치 목적이 용액을 코일 표면에 균일 분배 상태로 분배하여 열교환성능을 일정하게 유지하는 것에 있는 측면에서 용액 분배 보다는 용액을 어떠한 상태로 코일 표면에 이르게 할 수 있는가가 더 중요한 문제가 된다.

쉘 및 튜브형 열교환기에서의 용액 분배기는 액분배중 증기 유속에 의하거나 위치변화에 의해 용액의 분배 위치가 바뀌어 정해진 코일 표면에 정확히 액적을 적셔 주지 못하게 되는 여건에 놓여있다.

증기의 유속과 분배위치 변동의 문제는 액적을 그대로 코일에 떨어뜨리지 않고 별도의 드리퍼를 통해 용액을 모세관 현상을 이용하여 회피 시키면서 코일 표면으로 내려주는 것으로 해결될 수 있었고, 이런 구조에서는 수두압에 따라 변하는 유량 변동폭을 줄여주는 상승된 효과까지 얻을 수 있었다.

본 발명은 분배면(4) 바닥의 슬릿(10)과 장방형 판(9)이 이루는 사이 틈에는 표면장력이 작용하며 이 힘은 분배기 바닥의 용액을 장방형 판(9)의 끝으로 끌어 당기도록 하고, 장방형 판(9)은 임의의 기울기 각도 θ가 있어 용액의 이동을 X방향으로 안내하며, 장방형 판(9)을 따라 이동된 용액의 액적은 장방형 판(9)의 끝에서 표면장력을 이기고 낙하하여 아래에 있는 튜브 코일을 적시도록 되어 있다.

여기서 장방형 판(9)은 분배기의 분배면(4) 바닥과의 사이에 좁고 긴 틈을 만듦으로서 표면장력으로 하여금 용액을 낙하하게 하는 동시에 튜브 코일 (2)상부의 정확한 위치에 액적을 낙하시키는 가이드 역할을 동시에 수행한다.

분배면(4)에 형성되는 슬릿(10)의 형상이나 그 아래쪽에 위치하는 판(9)의 형태는 장방형 외에 삼각형을 포함하는 다양한 기하학적인 모양을 선택하여 변경할 수 있다. 슬릿(10) 그리고 판(9)의 모양은 용액의 유동에 관여하지만 슬릿(10)의 치수가 대등한 조건에서는 판(9)의 기울기에 따라 용액의 분배상태가 달라진다.

따라서 슬릿(10)의 치수나 판(9) 그리고 분배면(4)이 이루는 각도 θ는 분배기(1)안의 체적과 표면장력 그리고 튜브 코일(2)의 액적 단면적, 증기의 유속 및 반경 등을 고려하여 전체 열교환기 특성에 맞는 최적 설계가 가능하다.

슬릿(10)과 판(9)은 분배기(1) 제작에서 이루어지는 분배면(4) 가공단계에서 단일 작업 공정으로 제작이 가능하다.

이렇게 슬릿(10)을 만들 때 형성되는 판(9)은 분배면 슬릿(10)과 사이 틈새를 형성하고, 이 틈새는 모세관 현상을 이용해 용액을 끌어 당기므로서 분배기에서의 용액 액면 변화에 상대적으로 둔감해지고, 판(9)은 액적을 튜브 코일(2) 상부로 정확히 낙하시키는 가이드 역할을 수행하므로 증기의 유속이 빠른 경우에도 용액이 날려가거나 다른 위치로 떨어지는 등의 용액 낙하 불안정을 없애는 결과로 나타난다.

본 발명은 쉘 및 튜브형 열교환기의 용액분배기 분배면 구조를 변경하므로서 분배기에서의 용액 액면 변화에 대한 유량 변동을 줄여 용액 분배 안정성을 향상 시키고, 증기 유속에 의한 액막 유동 변화를 줄여 튜브 코일에 대한 균일 분배를 가능케 하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 유량 변동을 줄이고, 액적의 낙하위치 문제, 액적의 균일 분배 등을 위해 분배면의 홀 구조를 조정하는데 소요되는 분배기의 제작 비용 손실을 줄여 경제성 있는 분배기의 제작을 가능케 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 튜브 코일의 외측면에 유체를 액막의 형태로 흐르게 하고 코일 내부의 유체와 열교환을 하게 하는 쉘 및 튜브형 열교환기와, 상기 코일 표면에 유체를 분배하기 위한 분배면을 구비하는 용액분배기에 있어서;

   용액분배기는,

   분배면 바닥에 폭이 좁고 긴 장방형의 슬릿을 가지고 그 슬릿의 짧은 한 변은 슬릿에 대응되는 모양의 판이 분배면 바닥에 고정되어 있으며, 분배면의 아래쪽으로는 분배면 바닥과 소정의 각도를 이루면서 상기 판을 설치하여 분배면 바닥 슬릿 사이의 틈을 유체가 표면장력에 의해 흘러 상기 판을 타고 아래의 코일 튜브로 낙하되도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기 용액분배기의 분배면 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 분배기의 분배면에 형성되는 슬릿의 모양을 삼각형으로 한 것을 특징으로 하는 열교환기 용액분배기의 분배면 구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 분배기의 분배면 슬릿을 따라 형성되는 판은 분배면 바닥에 대하여 복수의 각을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기 용액분배기의 분배면 구조.