KR100306672B1 - 열교환기유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열회수 증기발생기(HRSG)에서의 사용을 위한 관모양형식의 열교환기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 관모양형식의 열교환기유닛은 수직으로 배향된 U자 형상의 길다란 다증의 관에 의해 적어도 3개의 하부헤더에 연결된 상부유입구 및 유출구헤더를 이용하고 있다. U자 형식의 관은 열적으로 단열된 케이싱내에서 뱅크 및 관의 열에 인접하게 제공되며, 바람직하기로는 4~20개의 수직관을 각각 가지는 4~12개의 하부헤더가 제공된다. 이러한 열교환기유닛은 열적으로 단열된 케이싱내에 둘러싸여지며 열회수 증기발생기(HRSG)에서 이코노마이저와 과열기로서의 사용에 적합하게 되는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

열교환기 유닛
제1도는 열회수 증기 발생기(HRSG)에서 사용하기에 적합한 본 발명에 따른 관형 열교환기 유닛 및 조립체의 일 실시예의 평면도이며,
제2도는 상부 및 하부 헤더를 포함하며, 제1도의 2-2 선에서 한 열(列)의 수직으로 배향된 관을 통하여 취한 단면도이며,
제3도는 하부 헤더가 아래로부터 구조적으로 지지되어 있고, 제1도의 3-3 선에서 인접한 열의 수직으로 배향된 관을 통하여 취한 다른 단면도이며,
제4도는 제1도와 유사하나, 한쪽 단부에 인접하여 위치되고 제1유닛헤더와 정렬된 헤더를 갖는 제2유닛을 포함하며, 각각의 유닛은 별도의 유입 및 유출 도관을 갖는 관형 열교환기 조립체의 평면도이고, 그리고
제5도는 제2도 및 제3도와 유사하고 상부 및 하부 케이싱과 지지 구조체를 포함하는 관형 열교환기 유닛의 확대 상세도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,10a : 열교환기 유닛 11,24 : 유입 도관
12,22 : 상부 헤더 13,15,17,19,21 : 관
14,14a,16,18,20,20a : 하부 헤더 23,26 : 유출 도관
32,40 : 케이싱 33 : 단열재
34,36 : 비임 38 : 보강 콘크리트 구조체
본 발명은 열회수 증기 발생기(HRSG)에서의 사용을 위한 관형 열교환기 유닛에 관한 것으로서, 특히 그러한 열회수 증기 발생기에서 사용되는 이코너마이저와 과열기를 위하여 신장형의 평행한 헤더에 연결된 역 U자형의 관을 이용하는 관형 열교환기 유닛에 관한 것이다.
종래에 열회수 증기 발생기에서의 이코너마이저 또는 과열기에 사용되는 것과 같은 관형 열교환기 유닛은 수직으로 배향된 다중 관에 의해 함께 연결된 상부 및 하부 헤더 쌍들을 통상적으로 이용하고 있어서 가압 증기를 발생시키기 위해서 가스 터빈 배기관으로부터 유도된 것과 같은 고온 가스가 관을 가로질러 유동해서 관에서 수직으로 유동하는 유체를 가열할 수 있다. 각종 관 형상을 갖는 그러한 열교환기 유닛은 예를 들어 하네다 등의 미국 특허 제4,664,067호와, 기다로스키 등의 미국 특허 제4,685,426호와, 모타이 등의 미국 특허 제4,944,252호에 개시되어 있다. 그러나 상부 및 하부 헤더 쌍을 이용하는 그러한 열교환기 디자인은 열역학적으로 덜 효율적이며 바람직하지 못하게 비싸기 때문에, 그러한 열교환기 유닛을 위한 개선된 형상 및 디자인이 탐구되어 왔다.
본 발명은 개선된 헤더 및 관의 형상을 가지는 관형 열교환기 유닛 및 조립체를 제공하는 것으로서, 이것은 특히 열회수 증기 발생기(HRSG)에서의 이코너마이저 및 과열기에 유용하다. 이 열교환기 유닛은 서로에 대하여 실질적으로 평행하게 배향되며 최초 및 최종 헤더에 각각 연결된 유입 및 유출 도관을 가지는 적어도 2개의 신장형 수평 헤더를 이용하고 있다. 인접한 헤더들은 수직으로 배향된 역 U자형의 관으로 된 적어도 3개의 열에 의해 서로 연결되며, 이 헤더들은 적절한 구조 부재에 의해 아래로부터 지지되어 있다. 이 열교환기 유닛은 단열된 케이싱에 의해 둘러싸여져서 조립체를 형성하게 된다.
통상적으로 바람직한 다른 열교환기 유닛 장치에서는, 2중의 상부 유입구 및 유출구 헤더가 수직으로 배향된 U자형의 다중 관에 의해 적어도 2개의 하부 헤더에 각각 연결되며, 적어도 2개의 인접한 관의 열에 제공된다. 바람직하기로는 4개 내지 12개의 인접한 하부 헤더가 사용된다. 이들 헤더에 있어서 하부의 인접한 헤더들은 적어도 4개 또는 통상 6개 ∼ 20개의 인접한 관의 열에 제공된 역 U자형의 다중 관에 의해 서로 연결된다.
본 발명에 따른 관형 열교환기 유닛 및 단열된 케이싱은 열회수 증기 생기(HRSG)에서의 이코노마이저 또는 과열기로서의 사용에 적합한 열교환기 조립체를 제공한다. 이러한 열교환기 유닛 및 조립체는 수직 관내에서 유동하는 물 또는 증기와 같은 유체로 균일한 열전달을 제공하며, 또한 향상된 열전달을 위하여 수직 관 내부를 유동하는 유체의 속도를 증가시키게 된다.
본 발명을 첨부 도면을 참조로 하여 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
제1도에 도시된 바와 같이, 열회수 증기 발생기(10)는 유입구 상부 헤더(12)에 연결된 유입 도관(11)을 포함하며, 이 유입구 상부 헤더(12)는 수직으로 배향된 다중 관(13)에 의해 하부 헤더(14)에 연결된다. 하부 헤더(14)는 수직으로 배향된 U자형의 다중 관(15)에 의해 인접한 평행 헤더(16)에 연결된다. 제1도에서는 4개의 인접한 하부 헤더(14, 16, 18, 20)가 도시되며, 이 헤더들은 U자형 수직 다중 관(15, 17, 19, 21)에 의해 서로 연결되며, 이 U자형 다중 관들은 제2도 및 제3도에 부가적으로 도시된 바와 같이 각각의 헤더용 관 뱅크(bank)에 정렬되어 있다. 관(21)의 최종 뱅크는 유출 도관(23)에 연결된 유출구 상부 헤더(22)에 연결된다. 제2도 및 제3도에 도시된 바와 같이, 4개의 하부 헤더(14∼20)가 수직으로 배향된 관의 평행한 뱅크 및 추가 열에 의해 서로 유동연결되고 유입구 및 유출구 상부 헤더에 연결된다. 유입 도관(11) 및 유출도관(23)은 특정 설치를 위한 공간 한정 또는 제한을 고려해서 이들이 각각 연결되는 헤더의 길이를 따른 임의 위치에 위치될 수 있다. 다중 관 내부를 유동하는 가압된 물 또는 증기와 같은 유체로 열을 전달하기 위하여 가스 터빈으로부터 나오는 연소 배기 가스와 같은 “30” 위치에서의 고온 가스 흐름은 열교환기 관 뱅크 및 열을 가로질러 유동할 수 있다.
열교환기 유닛(10)용 헤더 및 관은 모두 케이싱(30) 내에 둘러싸여지며, 이 케이싱은 “33”에서 내부가 단열되어 있으며 통상 직사각형 단면 형상을 가지고 있다. 하부 헤더(14∼20)는 헤더의 길이를 따라 이격된 구조용 비임(34)에 의해 지지되며, 단열재(33) 내에 매설될 수 있다.
본 발명의 열교환기 유닛(10)을 위한 다른 유용한 형상에 있어서, 상부 유입구 헤더 및 유출구 헤더(12, 22)는 생략될 수 있으며, 제2도 및 제3도에서 점선으로 도시한 바와 같이 새로운 유입 도관 및 유출 도관(24, 26)이 각각 최초의 하부 헤더 및 최종의 하부 헤더(14, 20)에 직접 연결될 수 있다. 이러한 다른 장치에 있어서, 열교환기 유닛은 또한 단열된 케이싱(32) 내에서 둘러싸여지며 하부 헤더(14∼20)는 제3도의 장치에 대하여 기술된 것과 유사하게 각각 비임(34)으로부터 지지된다.
본 발명의 열교환기 유닛용 헤더 및 U자형 관 형상은 고온 유동 가스로부터 관 내부를 유동하는 유체(물 또는 증기)로 균일한 열전달을 보장하며, 이것은 관내의 유체 속도를 증가시키며, 열회수 증기 발생기(HRSG)에서의 특정한 히트 듀티를 위하여 요구되는 열전달 표면적에 있어서 5%까지 상당한 감소를 가져온다.
본 발명은 열회수 증기 발생기(HRSG)용의 가압된 물을 가열하는 이코너마이저와 증기를 가열하는 과열기를 위하여 유용하다. 상기 관은 외경이 1∼3인치이며 길이가 20∼60피트이다. 각 헤더에 있는 인접한 관 뱅크 및 인접 헤더들을 연결하는 관의 열을 형성하기 위하여 관들은 각각 각 단부에서 상부 및/또는 하부 헤더에 압력이 누설되지 않게 용접된다. 헤더들은 특정한 열회수 발생기의 설치 요구에 따라 각각 3∼6인치 외경을 가지며 6∼14피트의 길이로 된다. 가스 유동 방향에 있는 인접한 하부 헤더들과 이들의 연결된 관들 사이의 간격은 4∼10인치이며, 헤더와 평행하고 가스 유동 방향에 수직한 방향에 있는 인접한 관들 사이의 바람직한 간격은 4∼10인치이다. 관 뱅크를 가로질러 통과하는 배기 가스는 20∼50 ft/sec의 표면 속도와 200∼1600℉의 온도를 가질 수 있으며, 관내의 유체 압력은 5∼2700 psig 일 수 있다.
본 발명을 위해서 사용된 하부 헤더 및 관 뱅크의 개수는 고온 배기 가스로부터 추출되어질 열의 양에 좌우된다. 실제 사용의 경우에 적어도 2개 이상 내지 12개를 초과하지 않는 하부 헤더와 해당 관 뱅크가 사용된다. 12개의 헤더를 가지는 열교환기 유닛은 통상 최대 적재 크기 한계이다. 필요하다면, 2개이상의 열교환기 유닛(10)이 단일 케이싱 내에서 병렬로 제공될 수 있으며, 상기 유닛은 고온가스 흐름(30)을 위하여 직렬 유동 배열로 배열될 수 있다.
또 다른 장치에서는, 제4도에 도시된 바와 같이 2개의 열교환기 유닛(10,10a)이 공통의 케이싱(40) 내에 제공될 수 있으며, 이 케이싱은 “41”에서 내부가 단열되어 있다. 제2열교환기 유닛(10a)의 경우에, 헤더(14a, 20a)는 열교환기 유닛(10)의 헤더(14∼20)와 정렬된 상태로 한쪽 단부에 인접해서 위치된다. 비록 제4도에서는 도시되지 않았지만, 제2열교환기 유닛(10a)은 제3도에 도시된 것과 유사하게 지지된다.
열교환기 유닛(10)은 제5도에 더 상세히 도시되는 바, 제5도에서 하부 헤더(14∼20)는 각각 수평 I-비임(34)에 의해 구조적으로 지지되며, 이 I-비임은 다시 케이싱(32)의 하부측의 외부에 위치된 비임(36)에 의해 각각 지지되어 있다. 적절한 단열재(33)가 케이싱(32)의 하부측과 하부 헤더(14∼20) 사이에 설치되며, 또한 케이싱(32)의 상부측과 상부 헤더(12, 22) 사이에 설치된다. 내부 단열재(33)는 강성의 내화성 재료에 의해 제공될 수 있으며, 바람직하게는 스테인레스강과 같은 얇은 금속제 내부 라이너(33a)로 덮여진 세라믹 섬유 블랭키트 재료로 이루어질 수 있으므로, 유동하는 고온 가스 흐름(30) 속에서도 섬유의 단열성을 신뢰성 있게 유지시켜주게 된다. 케이싱(32)과 강철 비임 구조체(36)는 보강콘크리트구조체(38)에 부착되는 것과 같이 편리한 방식으로 지지될 수 있다. 배수 연결체(39)가 통상 각각의 하부 헤더(14∼20)로부터 제공된다.
열회수 증기 발생기에 있는 열교환기 유닛(10)의 작동 중에, 고온 연소가스(30)는 신장형 단열 케이싱(32)을 통하여 유동하며, 30∼50ft/sec의 표면 속도로 관을 가로질러 지나게 됨으로써, 관내를 유동하는 물 또는 증기와 같은 유체를 가열하게 된다. 약 10피트를 초과하는 길이를 가진 관의 경우에, 관은 통상 억지 끼워 맞춤 방진 지지 부재 또는 타이(tie)(42)에 의해 횡진동에 대하여 안정화되며, 이 억지 끼워 맞춤 방진지지 부재는 인접한 관들 사이에서 연장되며 관 둘레에 억지 끼워 맞춤된다. 길이가 약 30피트를 초과하는 관의 경우에, 바람직하기로는 관의 길이를 따라 약 8∼10피트 이격된 2개의 타이(42)가 사용되어야 한다.
관과 헤더는 통상 요구되는 작동 온도 및 압력에 따라 탄소강 또는 합금강으로 제조되며, 관들은 압력이 누설되지 않도록 열교환기 유닛의 상부 및 하부 헤더안으로 금속 아크 용접된다.
본 발명은 유리하게는 열회수 증기 보일러 또는 발생기에 있는 이코너마이저 또는 과열기 유닛으로서의 사용을 위한 관형 열교환기 유닛 장치를 제공하며, 양호한 가스 유동의 혼합을 달성하고 열전달 표면 요건을 최소화하기 위하여 다중의 관들은 열적으로 평행하게 위치되며, 또한 본 발명은 관에서의 양호한 온도 평형과 최소의 열응력을 제공하게 된다.
본 발명은 하기의 대표적인 실시예에 의해 더 설명되지만, 이 실시예는 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
열회수 증기 발생기(HRSG)는 본 발명에 따라 구성되며, 본 발명에서는 뱅크에 연결된 상부 및 하부 헤더와 수직으로 배향된 관의 열이 내부가 단열된 직사각형의 케이싱 내에 제공된다. 제2도 및 제3도에 도시된 바와 같이, 관들은 압력이 누설되지 않도록 유입구 및 유출구 상부 헤더와 하부 헤더 안으로 금속 아크용접된다. 보조 연소기가 구비되거나 또는 구비되지 않은 가스 터빈에서의 천연가스, 연료 가스, 또는 기름의 연소로부터 유도된 것과 같은 고온의 연소 가스가 다중 뱅크 및 관의 열을 가로질러 통과할 수 있다. 이코너마이저 유닛의 경우에, 가압된 물은 관을 위하여 최초 상부 헤더 안으로 유입될 수 있으며, 고온 가스에 의해 관 내에서 가열된 물은 최종 상부 헤더로부터 배출될 수 있다. 가열된 물은 가압된 증기가 헤더와 관을 통하여 고온 가스에 의해 가열되는 과열기와 같은 다른 열교환기 유닛으로 통과될 수 있다. 다음에 과열 증기는 동력을 발생시키기 위하여 고압 터빈에서 팽창된다.
이코너마이저 또는 과열기로서 사용되는 열교환기 유닛의 몇 가지 중요한 대표적인 특징 및 치수가 하기의 표 1에 제공된다.
[표 1]
비록 본 발명을 바람직한 실시예의 측면에서 기술하였지만, 본 발명의 범위내에서 본 발명에 대한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 고온 유동 가스로부터 열교환기 유닛의 관내부를 유동하는 보다 저온의 유체로 열을 전달하도록 되어 있는 관형 열교환기 유닛으로서, 상기 열교환기 유닛은 서로 인접해서 배향되고 서로에 대해 평행한 적어도 3개의 신장형 하부 헤더를 포함하고, 상기 헤더의 각각은 상기 헤더의 상부로부터 연장된 신장형의 수직 배향된 U자형 다중 관에 의해 인접한 헤더에 연결되고, 상기 관들은 각각이 상기 헤더들을 가로질러 정렬된 적어도 3개의 평행한 열에서 제공되고 상기 관들은 또한 각각의 헤더를 위한 관 뱅크에서 정렬되며, 상기 관의 열과 상기 관의 뱅크는 서로에 대해 수직하게 배향되며, 상기 각 열에 있는 상기 U자형 관들은 인접한 관 열에 있는 관들에 대해 엇갈린 패턴으로 정렬되며, 상기 열교환기 유닛은 또한 각각이 수직 배향된 다중 관에 의해 상기 하부 헤더의 최초 헤더 및 최종 헤더의 상부에 각각 마련되어 이들에 대해 각각 유동 연결된 유입 상부 헤더 및 유출 상부 헤더와, 상기 상부 헤더 중 최초 상부 헤더에 연결된 유입 도관 수단과 상기 상부 헤더 중 최종 헤더에 연결된 유출 도관 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 관의 각각은 외경이 1∼3인치이고, 상기 헤더의 각각은 외경이 3∼6인치이며, 상기 관의 각각은 길이가 20∼60 피트인 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관들은 각각 외경이 동일하고, 각각의 관 뱅크 및 열에서 동일한 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 열교환기 조립체를 제공하도록 상기 인접한 헤더들과 상기 U자형 관들을 지지하고 또 이들 헤더와 관들을 둘러싸도록 되어 있으며 내부가 단열되어 있는 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 케이싱은 직사각형의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  6. 제4항에 있어서, 상기 내부 단열재는 내부의 얇은 금속 라이너에 의해 덮여진 세라믹 섬유 재료로 된 블랭키트인 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  7. 제4항에 있어서, 상기 케이싱 내에서 상기 열교환기 유닛과 함께 제공된 제2열교환기 유닛을 포함하며, 상기 제2열교환기 유닛은 한쪽 단부에 인접하고 상기 열교환기 유닛의 하부 및 상부 헤더와 정렬된 상태에 있는 적어도 3개의 하부 헤더를 구비한 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  8. 제4항에 있어서, 상기 케이싱은 직사각형이고, 케이싱 내에 적어도 2개의 열교환기 유닛들이 직렬 가스 유동 배열로 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  9. 고온 유동 가스로부터 열교환기 유닛의 관내부를 유동하는 보다 저온의 유체로 열을 전달하도록 되어 있는 관형 열교환기 유닛으로서, 상기 열교환기 유닛은 (a) 유입 도관이 유동 연결되어 있는 상부 유입구 헤더와, (b) 서로 인접해서 정렬되고 서로에 대해 평행한 적어도 3개의 신장형 하부 헤더를 포함하고, 상기 하부 헤더의 각각은 신장형의 수직 배향된 U자형 다중 관에 의해 인접한 하부 헤더에 연결되고, 상기 U자형 관들은 상기 헤더들을 가로질러 정렬된 적어도 3개의 평행한 열에서 제공되고 상기 관들은 또한 각각의 헤더를 위한 관 뱅크에서 정렬되며, 상기 관의 열과 상기 관의 뱅크는 서로에 대해 수직하게 배향되며, 상기 각 열에 있는 상기 U자형 관들은 인접한 관 열에 있는 관들에 대해 엇갈린 패턴으로 정렬되며, 상기 하부 헤더들 중 최초 하부 헤더는 수직 배향된 다중 관들에 의해 상기 상부 유입구 헤더에 유동 연결되며, 상기 열교환기 유닛은 또한 (c) 유출 도관이 유동 연결되어 있고, 수직 배향된 다중관에 의해 상기 하부 헤더 중 최종 헤더에 유동 연결되는 상부 유출구 헤더와, (d) 고온 유동 가스가 관을 가로질러 통과하여 관내부를 유동하는 유체로 열을 전달할 수 있도록 상기 헤더 및 관들을 둘러싸는 단열 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  10. 제1항에 있어서, 상기 신장형 하부 헤더의 각각으로부터 배수 접속체가 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
  11. 제1항에 있어서, 상기 관들은 횡진동에 대해 판들을 안정화시키도록 인접한 관들 사이로 연장되고 이들 관의 둘레에 억지 끼워맞춤되는 억지 끼워맞춤 지지 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 유닛.
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