KR100333468B1 - 강하막 증발기 및 냉매 분산 시스템을 포함하는 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강하막 증발기 및 냉매 분산 시스템으로 작동 가능한 수평 원통관 열교환기에 관한 것이다. 본 시스템은 강하막 증발 모드에서 조작되고 비엇갈림식 열의 복수의 열교환기 관들을 구비한 직렬형 열교환기 관군과, 냉매를 공급하는 공급부를 포함하며, 상기 열들은 그 열들을 분리하는 공간들과 사실상 수직으로 정렬되도록 구성된다. 유체가 유동되도록 상기 공급부와 서로 통해 있고 상기 복수열의 열교환기 관들 근처에 냉매 출구를 갖는 적어도 하나의 냉매 분산 기구에는 냉매 출구에 위치한 복수의 배플이 제공된다. 각각의 배플은 상기 공간들 중 하나와 사실상 정렬되고, 상기 분산 기구의 출구로부터 상기 공간들 중 하나로부터 떨어져서 사실상 수직으로 정렬된 열교환기 관 열들로 냉매를 배향하도록 상기 공간들 중 하나 위로 연장되어 있다.

Description

강하막 증발기 및 냉매 분산 시스템을 포함하는 열교환기 {HEAT EXCHANGER INCLUDING FALLING-FILM EVAPORATOR AND REFRIGERANT DISTRIBUTION SYSTEM}

본 발명은 열교환기 성능을 개선시키고자 하는 것으로서, 특히 강하막 열교환기용의 개선된 분산 시스템에 관한 것이다.

증기 압축 냉각기의 수평 원통관(horizontal shell-and-tube) 강하막 열교환기에서, 열교환 유체는 관 조립체를 형성하는 관의 제1 층의 상부에 스프레이 노즐을 사용하여 분무된다. 이러한 상황에서, 일반적으로 엇갈림식 관 피치가 사용된다. 엇갈림식(staggered) 관 피치는 특히 증기 압축 냉각기들에서 증기가 스택을 통해 상방으로 이동됨에 따라 관의 증기 측면 상에 더 큰 압력 강하를 유발하는 경향이 있다. 이것을 조정하기 위해, 제조업자는 압력 강하가 감소되도록 자유로운 관 피치를 사용할 것이다. 또한, 압력 강하의 문제점을 최소화하도록 관들을 직렬형으로 배열하기 위해, 다른 제조업자들은 설계 및 구조면에서 고가이고 기계의 수평(machine levelling)에 상당히 민감한 복잡한 드립퍼(dripper) 분산 시스템들을 사용한다. 2상 냉매 분산에서 또 다른 문제점이 발생되는데, 이런 문제점은 사용된 스프레이 노즐이 종종 균일하게 액체를 분산시키지 않아서 저급한 열교환기 성능을 초래하는 것이다. 엇갈림식 관군(tube bank) 배치의 또 다른 취약점은 이용 가능한 유체 유동이 다수의 관들 위로 분산된다는 것이다. 이에 따라 막 유동 속도가 상대적으로 낮아지고, (증기 생성율 분의 막 유동 속도로 정의되는) 국소(local) 재순환율도 낮아지며, 열전달률이 상당히 감소되고 소진될 가능성이 높아진다. 직렬형 관군 구성은 전술한 단점들을 개선하기 위해 더 높은 막 유동 속도로 조작되어야 한다. 그러나, 그렇게 하는 경우, 분산된 액체의 일부가 본 발명의 개선물인 열전달 표면에 도달되지 않을 수 있다.

냉매 분산 시스템을 갖는 최근의 강하막 증발기 설계의 일 실시예는 아메리칸 스탠다드사에 양도된 미국 특허 제5,645,124호에 개시되어 있다. 상기 특허에는 냉매 분산기들의 실시예들이 개시되고, 그 중 양호한 일 실시예는 분산기 및 관들 사이에 메쉬 스크린 인터페이스(mesh screen interface)를 사용하고, 다른 일 실시예는 냉매를 스크린으로 분산하기 위한 이중관(tube-in-tube) 설비와 열교환기 관 조립체를 갖는다.

도7에 도시된 바와 같이, 냉매는 내부 관을 통해 이동되고, 상부 오리피스를 통해 외부 관으로 배출된다. 냉매는 내부 관의 측면들의 하방을 지나 하부 개구를 통해 스크린으로 그 다음에 증발기 관으로 적하된다. 완전한 원통형 구조 대신에, 냉매의 액적을 하부 위치의 증발기 관으로 배향하기 위한 하부 표면 상에 V 지점을 포함하는 또 다른 증발기 관 설계가 도시된다. 또 다른 실시예에서, 그 V 지점을 따라, 증발기 관은 냉매 분산을 보다 잘 제어하기 위해 냉매를 수집하여 분산하기 위한 풀링(pooling) 영역을 포함한다.

메쉬 스크린은 관 조립체의 최상부 증발기 관과 접촉되거나 인접하여 배치된다. 메쉬 스크린은 주름져 있거나 만곡되어 있고, 정점 및 계곡을 형성하여 각각의 계곡이 최상부의 증발기 관들 중 하나의 종방향 축과 대체로 평행하고 그 축 상에 위치하도록 형성된다. 이러한 방식으로, 액체 냉매의 풀(pool)들은 메쉬 스크린 표면 상에 액체 냉매를 부유시키는 표면 인력을 중력이 극복할 때까지 스크린의 계곡들을 따라 축방향으로 성장된다. 그 다음에, 냉매는 최상부의 증발기 관으로 낙하 및 적하된다. 스크린이 관과 접촉될 때, 냉매는 관으로 유동된다. 스크린을 사용함으로써 냉매 비산(splashing) 및 압축기로 흡입된 냉매의 양을 최소화할 수 있더라도, 스크린은 냉매가 증발기 관으로 유동하는데 사실상 방해물로 작용한다.

따라서, 직렬형 관 패턴으로서 냉매를 일정하게 분산시키고 증발기 관의 압력 강하를 최소화하는 강하막 열교환기용의 개선된 냉매 분산 시스템이 요구된다.

본 발명의 주 목적은 강하막 열교환기용의 개선된 분산 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 직렬형 열교환기 관 시스템에 간단히 이용되고 압력 강하를 감소시키며 냉매 분산 효율을 개선시킬 수 있는 강하막 열교환기용의 개선된 냉매 분산 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 분산용으로 스프레이 노즐이 사용되고 냉매의 효율적인 분산을 위해 냉매를 직렬 적층형 열교환기 관들로 정확하게 배향하기 위한 기구가 제공된 강하막 열교환기용의 개선된 냉매 분산 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (증기 생성율 분의 막 유동 속도로 정의되는) 국소 재순환율이 증가되어 습윤성(wettability) 및 열전달율이 개선되고 직렬형 관군을 이용하여 국소적인 막 유동 속도를 갖는 강하막 열교환기용의 개선된 냉매 분산 시스템을 제공하는 것이다.

도1a는 본 발명의 원리에 따라 분산기 배플들과 직렬형 관군(tube bank)을 사용하는 본 발명의 스프레이 분산 시스템 및 열교환기의 전방 개략도.

도1b는 도1a의 선1b-1b를 따라 도시한 측면도.

도2는 종래 기술의 열교환기 설계를 나타내는 엇갈림식(staggered) 관군의 개략도.

도3a는 도1a 및 도1b에 도시된 스프레이 분산 시스템의 배플들의 확대 정면도.

도3b는 도1a 및 도1b에 도시된 스프레이 분산 시스템의 배플들을 도3a의 선 3b-3b를 따라 도시한 확대 측면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 냉매 분산 시스템

12 : 스프레이 노즐

14 : 배플

15 : 관군

16 : 열교환기 관

22 : 레그

28 : 세레이션

전술한 목적 및 이점은 본 발명의 강하막 증발기 및 냉매 분산 시스템으로 조작 가능한 수평 원통관 열교환기에 의해 달성된다. 본 시스템은 강하막 증발 모드에서 조작되고, 비엇갈림식 열의 복수의 열교환기 관들을 포함하며, 상기 열들은 그 열들을 분리하는 공간들과 사실상 수직으로 정렬되도록 구성된 직렬형 열교환기 관군과, 냉매를 공급하는 공급부를 포함한다. 유체가 유동되도록 상기 공급부와 서로 통해 있고 상기 복수열의 열교환기 관들 근처에 냉매 출구를 구비한 적어도 하나의 냉매 분산 기구에는 냉매 출구에 위치한 복수의 배플이 제공된다. 각각의 배플은 상기 공간들 중 하나와 사실상 정렬되고, 상기 분산 기구의 상기 출구로부터 상기 공간들 중 하나로부터 떨어져서 사실상 수직으로 정렬된 열교환기 관 열들로 냉매를 배향하도록 상기 공간들 중 상기 하나 위에 연장되어 있다.

도1a 및 도1b를 참조하면, 본 발명의 개선된 냉매 분산 시스템(10)의 양호한 실시예의 개략도가 도시된다. 본 시스템은 일반적으로 스프레이 노즐(12), 배플(14) 및 관군(15)을 포함한다.

스프레이 노즐(12)은 본 기술 분야에서 알려된 방식으로 설계 및 작동되고, 수직으로 정렬되고 비엇갈림(non-staggered) 방식으로 배열된 열교환기 관 시스템에서 냉매를 하방으로 분무한다. 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 각각의 스프레이 노즐(12)은 분무 영역에 미치고, 그 영역 상에서 냉매를 열교환기 관으로 하방 분무한다. 전형적인 구성으로서, 비엇갈림식으로 배치된 열교환기 관(16)에 의해, 냉매는 분리 이격된 열교환기 관들 사이에서 사실상의 체적으로 유동됨으로써 가용 냉매에 의한 관 적용 범위의 효율성에 영향을 미친다. 이것은 전형적으로 예를 들어 도2에서 엇갈림식 구성이 도시된 엇갈림식 열교환기 관 구성이 사용되기 때문이다. 이러한 방식으로, 열교환기 관들 사이의 임의의 냉매 강하는 전열 및 후열로부터 엇갈림식으로 오프셋된 그 다음의 열의 관들에 의해 사용된다. 그러나, 발명의 배경 부분에서 설명된 바와 같이, 엇갈림식 구성은 설명된 다른 것들 중에서 바람직하지 못한 압력 강하를 촉발한다.

본 발명의 원리에 따르면, 배플(14)은 스프레이 노즐(12)의 모서리에 제공되고, 열교환기 관들 사이의 공간 위에 배치된다. 즉, 양호한 비엇갈림식의 수직 적층식으로 배열된 열교환기 관들을 사용함으로써, 배플(14)은 예를 들어 공간(18) 상의 배플(14a)과 같은 열교환기 관들 사이의 간격으로 정렬된다. 냉매를 각각의 배플이 배치된 열교환기 관들로 용이하게 배향하기 위해, 배플은 양호하게는 스프레이 노즐을 향해 상방으로 좁거나 뾰쪽한 단부를 갖는 쉐브론형(chevron shape)이고, 배플의 레그(22)와 그 표면(24)이 쉐브론형 배플이 위치하는 2개의 열교환기 관들의 종방향 상부면 중심(23)을 사실상 향하게 된다. 또한, 각각의 배플의 하부 모서리(25)는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같이 세레이션(serration)형이고, 도시된 대로 세레이션은 직렬형 관 스택과 대면된다. 양호한 실시예에서, 세레이션(28)의 팁(26)들 사이의 거리는 소정의 피치(P)이다. 피치(P)는 냉매가 열교환기의 수평 관들로부터 액체 기둥에 떨어질 때 측정된 냉매의 고유 피치보다작도록 선택된다. 액체 기둥의 고유 피치는 다음의 수학식으로 제공된다.

2*π*[(2*σ)/(ρ*g)]^0.5

여기서, σ는 표면 장력이고, ρ는 액체 냉매 밀도이며, g는 중력 가속도임.

일 실시예에서, 세레이션의 팁들의 양호한 피치는 수학식 1에 의해 정해진 값의 60 내지 85 퍼센트의 범위이고, 보다 특정하면 75 퍼센트이다. 그러나, 최적 비율을 선택하는데 있어서 사용되는 냉매의 종류와, 사용되는 냉각기 및 기타 설비 종류를 포함하는 다른 인자들에 의해 영향을 받을 수 있다. 모든 경우에, 세레이션의 피치는 수학식 1에 의해 정해진 값보다 작아야 한다. 세레이션의 피치를 액체 기둥의 고유 피치보다 작게 함으로써, 액체 냉매의 신속한 분산이 용이해진다. 또한, 세레이션은 현저한 압력 강하없이도 증기가 관군을 빠져나가도록 통로를 제공하는데, 그러한 압력 강하가 발생될 경우에 흡입 압력 및 냉각기 효율이 저하될 수 있다.

조작시에, 냉매가 노즐로부터 하방으로 분무될 때, 공간(18)과 정렬하여 또는 그 공간과 충돌하면서 노즐을 빠져나가는 냉매는 배플(14)의 레그(22)의 후방 모서리(24)의 아래로 모서리(25)를 거쳐서 세레이션(28)을 통해 유동되고, 주위의 열교환기 관들의 상부 중심부(23)로 배향된다. 그 이후에, 냉매가 관의 저면에 도달되고 기화되지 않은 잔류 냉매가 하부 열교환기 관으로 이동되도록 냉매와 관 사이의 표면 결합이 중력에 의해 파괴될 때까지 냉매는 관의 외측면 상에서 열교환기관들 둘레로 유동한다. 쉐브론형 배플이 도시되었지만, 명명하기에 따라서 c형, v형 및 반8각형(half octagonal)과 같은 다른 형상들이 이용될 수 있다.

본 발명이 최선의 실시예로 도시되고 설명되었지만, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어남이 없이도 전술한 다양한 변경예, 생략예 및 추가예가 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 주 이점은 강하막 열교환기용의 개선된 분산 시스템을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 이점은 직렬형 열교환기 관 시스템에 간단한 이용되고 압력 강하를 감소시키며 냉매 분산 효율을 개선하는 강하막 열교환기용의 냉매 분산 시스템을 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 이점은 분산용으로 스프레이 노즐이 제공되고 냉매의 효율적인 분산을 위해 직렬 적층형 열교환기 관으로 냉매를 정확하게 배향하는 기구가 제공되는 개선된 분산 시스템을 강하막 열교환기에 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 이점은 직렬형 관군을 사용하고 증진된 막 유동 속도 및 분산된 유체의 국소 재순환율을 나타내는 개선된 분산 시스템에 있다.

Claims (10)

1. 강하막 증발기 및 냉매 분산 시스템을 구비한 수평 원통관 열교환기에 있어서,

   강하막 증발 모드에서 작동되고, 비엇갈림식 열의 복수의 열교환기 관들을 구비하고, 상기 열들은 그 열들을 분리하는 공간들과 사실상 수직으로 정렬된 직렬형 열교환기 관군과,

   냉매를 공급하는 공급부와,

   유체가 유동되도록 상기 공급부와 서로 통해 있고, 상기 복수열의 열교환기 관들 근처에 냉매 출구를 갖는 적어도 하나의 냉매 분산 기구와,

   상기 냉매 출구에 위치하고, 상기 공간들 중의 하나와 각각 정렬되고, 상기 분산 기구의 상기 출구로부터 상기 공간들 중 하나로부터 멀어지게 열교환기 관의 수직 정렬된 열들로 냉매를 배향하도록 상기 공간들 중의 하나 위로 연장된 복수의 배플들을

   포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 배플들의 각각은 넓은 단부와 좁은 단부를 구비하고, 상기 좁은 단부는 상기 냉매 출구에 가장 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제2항에 있어서, 상기 배플들은 냉매를 열교환기 관으로 배향하도록 쉐브론형으로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제2항에 있어서, 상기 배플들은 스프레이 기구를 빠져나오는 냉매와 접촉하기 위한 세레이션형 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제4항에 있어서, 상기 세레이션형 표면은 상기 스프레이 기구로부터의 냉매 유동 방향으로 연장된 복수개의 세레이션들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제5항에 있어서, 상기 냉매는 고유 피치를 갖는 액체 기둥에서 상기 관들로부터 떨어져서 유동하고, 상기 복수의 세레이션들의 각각은 상기 고유 피치보다 크기가 작은 소정의 피치를 갖는 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제6항에 있어서, 상기 소정의 피치는 상기 고유 피치의 60 내지 85%의 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제7항에 있어서, 상기 소정의 피치는 상기 고유 피치의 75%인 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 제1항에 있어서, 상기 냉매는 표면 장력이 낮은 냉매인 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제3항에 있어서, 상기 분산 기구는 스프레이 노즐 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.