KR100345384B1

KR100345384B1 - 열교환장치

Info

Publication number: KR100345384B1
Application number: KR1019970703965A
Authority: KR
Inventors: 슈죠 노무라
Original assignee: 슈죠 노무라
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 2002-09-18
Also published as: WO1996018859A1; US5832994A; CA2206847C; DE69432529T2; HK1008793A1; DE69432529D1; CA2206847A1

Abstract

본 발명은 대량의 유체를 효율적으로 열교환할 수 있으며, 또한, 구성의 간소화를 도모할 수 있도록한 열교환장치이다. 열전도 매체인 액화질소를 공급, 배출하는 열교환 용기의 안쪽에 열교환 유통통로(10)를 배치한다. 열교환 유통통로는 환형 파이프(18)를 복수열로 배치하며, 인접하고 있는 환형 파이프(18)끼리를 여러곳에, 둘레 방향으로 어긋난 위치에서 연통관(19)에 의해 연통하고, 공급입구측과 배출입구측에 탱크(20,21)를 연통한다. 탱크(20)에 공급관(11)을 연통하고, 탱크(21)에 배출관(12)을 연통한다. 각 환형파이프(18)에 있어서의 유입구와 유출구의 위치를 둘레방향으로 어긋나도록하고 있으므로, 유체를 열교환 유통통로(10)의 벽면에 반복 충돌시키면서 난류 상태로 흐르게하고, 벽면의 온도의 영향을 많이 받도록 한다.

Description

열교환 장치{HEAT EXCHANGER}

종래, 질소, 산소, 아르곤, 기타의 가스는 액화 상태에서 초저온 저장조에 저장되고, 이용할 때 저장된 액화 가스를 증발기로 유도하여, 대기온도, 혹은 온수에서 증발시켜 가스화 시키고 있다.

그러나, 종래에는 액화가스의 냉열을 효과적으로 이용하지 않고 낭비하고 있었다. 이러한 냉열을 효과적으로 이용해서 공기, 질소, 산소, 아르곤, 수소 등의 가스, 또는 액체 및 가스의 혼합가스 등의 유체를 냉각하는 것으로는, 초저온 저장조와 증발기의 사이에 열교환기를 개재시키는 것이 고려되었다.

그래서, 종래의 열교환기로는, 코일식, 2중 파이프식 물주입식, 투관(套管)식, 핀부착 다관식 등 여러 구성이 공지되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 열교환기에서는, 냉각되는 유체가 파이프내에서 규칙적으로 흐르고, 파이프의 벽면으로부터 받는 온도의 영향이 적기 때문에 냉각 효과가 낮다. 그래서, 냉각효과를 높이기 위해 하류측에서 팽창밸브와 같이 교축(絞縮)하면, 대량의 유체를 냉각 처리할 수 없다. 따라서, 일정 온도의 유체를 대량으로 확보하는 것이 요구되는 경우에는 종래의 열교환기를 이용할 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 열교환 장치의 개량에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 열교환 장치를 나타내는 주요부의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 열교환 장치를 액화 질소의 초저온 저장조와 증발기 사이에 배치된 실시예를 보여주는 개략 계통도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예의 열교환 장치를 사용한 건조 공기의 냉각 실험에 사용한 장치의 시스템 구성도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예의 열교환 장치(2단 링형)를 사용한 건조 공기의 냉각 실험 결과를 표시하는 그래프(횡축 : 경과시간, 종축 : 배출되는 건조 공기의 온도)이다.

도 5는 본 발명의 일실시예의 열교환 장치(5단 링형)를 사용한 건조 공기의 냉각 실험 결과를 보여주는 그래프(횡축: 경과시간, 종축 : 배출되는 건조 공기의 온도)이다.

도 6은 도 5의 그래프의 건조 공기의 각 유량 마다의 수치를 표시한 표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 열교환 장치 3 : 열교환 용기

10 : 열교환 유통로 11 : 공급로

12 : 배출로18 : 환형관(둘레 방향 유통로)

19,22,23 : 연통관(연통 유통로)20 : 공급구측의 탱크

21 : 배출구측의 탱크24 : 유입구

25 : 유출구100 : 콤프레서

101 : 유량계102 : 중량계

103 : 단식 튜브(1/2인치) 104 : 액체 질소(-196℃)

105 : 열교환기106 : 디지털 압력계

107 : 디지털 온도계108 : 가스 홀더

109 : 냉각 건조 공기

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제를 해결하는 것이며, 유체를 교축하는 일없이 대량의 유체를 효율적으로 열교환 할 수 있어서, 대량으로 일정 압력, 일정 온도의 열교환 유체를 얻을 수 있으므로 이용 편리를 도모할 수 있고, 또한, 구성의 간소화를 도모할 수 있으며, 따라서, 고장을 없앨 수 있는 동시에 비용 절감을 도모할 수 있도록 한 열교환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 열전달 매체가 공급 및 배출되는 열교환 용기와, 이러한 열교환 용기 내에 복수의 병렬 상태로 배치되고 둘레 방향으로 연통하는 둘레 방향 유통로와, 그리고 이들 둘레 방향 유통로 사이에 여러 곳을 각 둘레 방향 유통로에서의 유입구와 유출구의 위치가 둘레 방향을 따라 서로 어긋나도록 연통하는 연통 유통로를 갖는 열교환 유통로와, 이러한 열교환 용기에 삽입되고 열교환 유통로와 연통하는 유체의 공급로 및 배출로를 구비한다. 더욱이, 여기서 유통로(flowpassage)라는 것은 유체가 흐르는 파이프 등의 물체를 의미한다. 이하, 청구범위를 포함해서 같은 의미로 사용된다.

그래서, 상술한 기술적 수단에 있어서, 열교환 유통로는 공급입구측과 배출입구측에 탱크를 가지고 있으며, 각 탱크와 공급로 및 배출로가 연통하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 열교환 용기를 열전달 매체로 충진시키고, 공급로로부터 열교환 유통로로 열교환용 유체를 공급하면, 열교환 유통로에서, 공급된 유체가 복수 병렬 상태로 배치된 둘레 방향 유통로와, 이들과 연통하는 연통 유통로로 흐르며, 둘레 방향 유통로에서의 유입구와 유출구의 위치가 둘레방향을 따라 서로 어긋나게 놓여져 있으므로, 유체는 열교환 유통로의 벽면과 충돌을 반복하면서 난류가 되어 흐르고, 이러한 가운데, 열전달 매체의 열을 탈취하고, 또는 열전달 매체로부터 열을 탈취당할 수 있으며, 이러한 열교환 후에 유체는 배출로에 의해서 열교환 용기 밖으로 배출될 수 있다. 이것에 의해 유체를 열교환 유통로의 벽면에 충돌을 반복하면서, 난류 상태로 흐르게함으로써 유체가 벽면의 온도의 영향을 많이 받고, 또한, 각 둘레 방향 유통로에서 각 연통 유통로로부터 보내온 유체를 동일 조건으로 해서 분산시키도록 되어 있으므로, 유체를 교축하는 일없이, 대량의 유체를 효율적으로 열교환할 수 있다. 또한, 열교환 유통로는 유통로의 연결에 의해 구성할 수 있으므로, 구성의 간소화를 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에서의 열교환 장치를 보여주는 주요부의 사시도이고, 도 2는 이러한 열교환 장치가 액화 질소의 초저온 저장조와 증발기 사이에배치된 실시예를 보여주는 개략계통도이다.

도 2에서와 같이, 초저온 저장조(1)는 액화 질소를 -196℃에서 저장 할 수 있으며, 이러한 초저온 저장조(1)의 저부는 본 발명의 열교환 장치(2)의 열교환 용기(3)의 저부와 파이프(4)를 통해 연통되고, 파이프(4)의 중간에 밸브(5)가 설치되어 있다. 열교환 용기(3)의 상부는 증발기(6)의 입구에 파이프(8)로 연통되고, 증발기(6)의 출구에 공급파이프(9)가 연통되어 있다. 열교환 장치(2)의 열교환 용기(3)내에는 후술하는 바와 같이 열교환 유통로(10)가 배치되고, 이 열교환 유통로(10)에는 열교환 용기(3)에 삽입 관통된 건조 공기의 공급로(11)와 배출로(12)가 연통되어 있다. 공급로(11)와 배출로(12)의 중간에는 밸브(13,14)가 각각 설치되고, 배출로(12)는 탱크(15)와 연통되어 있다. 탱크(15)에는 복수의 공급로(16)가 연통되며, 각 공급로(16)의 중간에는 밸브(17)가 설치되어 있다.

이러한 열교환 유통로(10)는, 도 1에서와 같이, 둘레 방향 유통로인 원주방향으로 연통하는 환형관(18), 연통 유통로인 연통관(19), 공급구측의 탱크(20), 배출구측의 탱크(21) 등으로 구성된다. 환형관(18)은 수직축 둘레에서 복수 열(도시예에서는 5열)로 배치되고, 복수의 위치에서 수직방향의 연통관(19)에 의해 인접한 환형관(18)끼리 연통되어 있다. 상하의 각 열의 연통관(19)끼리는 둘레방향을 따라 서로 어긋나도록 등간격으로 배치되고, 이에 따라 각 열의 환형관(18)에서의 유입구(24)와 유출구(24)의 위치가 둘레방향으로 서로 어긋나 있으며, 이들 유입구(24)와 유출구(24)가 직선 상에서 대향하지 않도록 설정되어 있다. 복수 열의 환형관(18)의 하부 내측과 상부 내측에 공급구측의 탱크(20)와 배출구측의탱크(21)가 각각 배치되고, 공급구측의 탱크(20)는 그의 중간부가 최하단의 환형관(18)과 방사형상으로 배치되는 연통관(22)에 의해서 연통되고, 배출구측의 탱크(21)는 그의 상단부가 최상단의 환형관(18)과 방사형상으로 배치된 연통관(23)에 의해서 연통되어 있다. 그리하여, 공급로(11)가 공급구측의 탱크(20)의 저부와 연통되고, 배출로(12)가 배출구측의 탱크(21)의 저부에 연통되어 있다.

열교환 용기(3), 열교환 유통로(10)를 구성하는 환형관(18), 연통관(19), 탱크(20,21), 연통관(22,23) 및 공급로(11), 배출로(12)는 저온에 견딜 수 있는 재료, 예컨대, 스텐리스, 동으로 구성되어 있다.

상술한 구성에 의한 작동을 아래에 설명한다.

파이프(4)에 의해서 초저온 저장조(1)로부터 열교환 장치(2)의 열교환 용기(3)내로 열전달 매체인 액화 질소를 공급하여 충진시킨다. 열교환 용기(3)에는 빙결 방지를 위해서 단열재(7)가 제공된다. 이러한 상태에서, 공급로(11)로부터, 액화 질소에 침전된 열교환 유통로(10)의 공급구측 탱크(20)로, 열교환에 의해 냉각시키기 위한 건조 공기를 공급한다. 탱크(20)내로 공급된 건조 공기는, 연통관(22)을 통해서 최하단의 환형관(18)으로 유입되고, 최하단의 환형관(18)으로부터 연통관(19)을 통해서 최상단의 환형관(18)으로 유입된다. 건조 공기는, 이하, 순차적으로 연통관(19)을 통해서 상위의 환형관(18)으로 유입되고, 최상단의 환형관(18)으로부터 연통관(23)을 통해서 배출구측의 탱크(21)로 유입된다. 이와 같이 건조 공기가 유동하는 동안에, 각 파이프(관)(18,19,22,23) 및 탱크(20,21)에 있어서, 그들 벽면으로부터 냉매인 액화 질소의 냉열을 탈취하여(즉 건조 공기가열을 탈취 당해서), 건조 공기가 냉각된다. 이때, 건조 공기가 연통관(22)으로부터 최하단의 환형관(18)으로 유입되었을 때, 환형관(18)의 벽면의 충돌하고, 또한, 상기와 같이 각 열의 환형관(18)에서의 유입구의 위치가 둘레방향을 따라 서로 어긋나 있으며, 유입구(24)와 유출구(25)가 직선상에서 대향하지 않도록 설정되어 있으므로, 건조 공기가 연통관(19)으로부터 환형관(18)으로 유입될 때, 환형관(18)의 벽면에 충돌해서 좌우로 분기되고, 또한 동일하게 옆의 연통관(19)으로부터 유입되어 환형관(18)의 벽면과 충돌해서 분기된 건조 공기와 충돌하고, 환류가 되어 순차적으로 최상단의 환형관(18)으로 유동한다. 벽면의 온도의 영향을 많이 받는 환류 상태로 흐르고, 또한, 각 환형관(18)에서 각 라인의 연통관(19)으로 보내온 건조 공기를 동일 조건으로 일정한 라인만을 건조 공기가 흐르지 않고 분산시키도록 하고 있으므로, 액화 질소로부터 효율적으로 냉열을 탈취할 수 있다(즉 건조 공기가 열을 탈취 당한다).

공급로(11)와 배출로(12)가 역할을 바꾸어서, 공급로(11)가 배출로(12)의 작용으로, 또한, 배출로(12)가 공급로의 작용으로 되어도 마찬가지이다.

이러한 열교환으로 냉각된 건조 공기는 탱크(21)로부터 배출로(12)에 의해서 탱크(15)로 유출되고, 여기에서, 복수의 공급로(16)에 의해 원하는 사용현장으로 분배할 수 있다. 각 사용현장에서는, 상온의 공기와 혼합하는 것에 의해 적당한 온도로 조정해서 사용할 수 있다. 한편, 이러한 열교환에 의해서 냉열을 탈취당한 액화 질소는 파이프(8)에 의해서 증발기(6)로 유도되고, 대기온도, 혹은 온수를 증발시키고 질소 가스로 된다. 이와 같이 얻어진 질소가스를 공급로(9)에 의해서 소망의 사용현장으로 공급할 수 있다.

종래와 같이 액화 질소를 직접 증발기(6)로 공급하는 것에 대해서, 본 발명 실시예에 열교환 장치(2)에 의해 열교환에 이용한 후, 증발기(6)로 공급하도록 하면, 액화 질소의 온도가 상승하므로 증발기(6)에 의한 증발 효율을 향상시킬 수가 있다.

다음에 본 발명의 실시예에 의한 건조 공기의 냉각효율에 관한 실험 결과를 제시한다. 이 실험은 다음 조건하에서 실시한 것이다.

측정가스 건조 공기 압력 6.8㎏/㎠

이슬점-80℃ 이하

온도 9℃

냉매가스 액체질소 온도 -196℃

증발온도-188℃

자연증발량0.05㎏/mim

실험에 사용한 장치의 시스템도를 도 3에 나타낸다.

본 실험의 방법의 개요는 다음과 같다.

1. 측정용의 건조 공기는 공장의 사용 밸브의 1/2 인치의 튜브로 선택하여 공급했다.

2. 유량과 압력의 관계를 구하기 위해, 열교환기의 입구측에 부력식 유량계를 부착하고, 입구측과 출구측에 디지털식의 압력계를 부착했다.

3. 열교환기는 전부 SUS제로 제조되었다.

4. 열교환기는 간이단열(簡易斷熱)을 실시한 SUS제 용기의 중앙에 수납되고, 용기의 내측에 엘프로부터 액체 질소를 충진시켰다. 용기는 덮개를 하므로 개방형이다.

5. 증발한 액체 질소의 중량을 측정하기 위해, SUS제의 용기 전체를 중량계 위에 올려 놓고 눈금의 변화를 측정했다. 감소치는 30초마다 측정하고, 동일 유량 1분당의 평균치를 구하였다.

6. 1/2인치의 단식 튜브(simplex tube)를 통해 열교환기에 의해 냉각된 건조 공기를 가스 홀더 안에 주입하고, 홀더에 부착된 디지털식의 온도계로 온도 변화를 측정했다.

실험 결과는 도 4 및 도 5에 나타낸다.

도 4는 2단 링형의 열교환기(도 1에서, 환형관(18)을 최상단 및 최하단의 2개로 하고, 이들 사이를 연통관(19)으로 연결한 것)를 사용한 경우의 건조 공기 공급 개시로부터의 경과 시간에 대한 열교환기로부터 배출되는 냉각 건조 공기의 온도를 표시한 그래프이다.

이 실험 결과를 종합적으로 정리하면 다음과 같이 된다.

1. 건조 공기의 유량이 많아질수록 냉각을 위한 열교환 효율이 높아졌다.

2. 건조 공기의 유량은 일정 조건에서 입구 압력에 대한 출구 압력이 거의 일정 압력을 유지하고, 압력 변동은 거의 없었다.

3. 배출되는 건조 공기의 최저온도는 -162℃까지 도달하고, 일정 유량에 대해서 일정 온도의 냉각 가스를 발생하고, 온도 변화는 없었다.

4. 2단 링에서는 냉각 가스만 배출되고, 액화 현상은 볼 수 없었다.

5. 건조 공기의 공급 후 2∼3분만에, 거의 -160℃의 온도에 도달했다.

도 5는, 단 5 단 링형의 열교환기를 사용한 경우의 건조 공기 공급 개시로부터의 경과 시간에 대한 열교환기로부터 배출되는 냉각 건조 공기의 온도를 표시한 그래프이다.

이와 같이, 상술한 실시예에 의하면, 건조 공기를 교축시키지 않고 대량의 건조 공기를 효율적으로 열교환할 수 있으므로, 일정 온도로 냉각된 대량의 건조 공기를 얻을 수 있다. 또한 건조 공기를 공급로(11)로부터 공급구측의 탱크(20)에 일단 보유시키므로, 건조 공기를 각 라인의 연통관(19)으로 일정 압력, 일정 유량으로 공급할 수 있다. 또한 각 라인의 연통관(19)으로부터 배출구측의 탱크(21)에 일정 온도로 냉각된 후의 건조 공기를 일단 보유시킴으로써, 사용 현장에 일정 압력, 일정 유량으로 냉각 후의 건조 공기를 공급할 수 있다. 그리하여, 환형관(18), 연통관(19) 등의 지름, 면적, 길이, 탱크(20,21)의 체적을 크게 함으로써 냉각하는 건조 공기를 간단하게 증량시킬 수 있다.

더욱이, 본 실시예에서는, 둘레방향 유통로, 연통 유통로, 공급로, 배출로 등에 원형 단면의 관(18,19,11,12)를 사용하고 있지만, 다각형의 단면이나 타원형의 단면을 사용해도 좋다.

또한, 둘레 방향 유통로는 환형에 한정되지 않고, 다각형이나 타원형이어도 좋고, 연통관(19)도 등간격으로 배치되지 않아도 좋다. 환형 파이프 각각의 지름은 상이해도 좋다. 연통관은 인접하는 환형관 사이를 연결시키지 않고, 예컨대 하나 건너의 환형관과 연결하게 해도 좋다. 또한, 열전달 매체로서는 액화 질소 외에, 액화 산소, 액화 아르곤, LNG 등의 냉매를 사용할 수 있는 것은 물론, 온도를 올리기 위해서는 열매(熱媒)를 사용할 수도 있으며, 열교환해야 할 유체도 건조 공기 외에, 질소, 산소, 수소, 아르곤, 천연가스 등의 가스는 물론, 액과 가스의 혼합가스 등을 사용할 수도 있다. 또한, 둘레 방향 유통로인 환형관(18)이 수평축 둘레에서 횡방향으로 병렬 상태에서 복수 열로 배치되어도 좋다. 이외에, 본 발명은 그의 기본적 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 각종 설계의 변경이 가능하다.

이와 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열 교환 용기를 열전달 매체로 충진시키고, 공급통로로부터 열교환 유통로로 열교환하기 위한 유체를 공급하면, 열교환 유통로에서, 공급된 유체가 복수 병렬 상태로 배치된 둘레 방향 유통로와, 이들을 연통하는 연통 유통로로 유동하지만, 둘레 방향 유통로에서의 유입구(24)와 유출구(25)의 위치가 둘레 방향을 따라 서로 어긋나 있으므로, 유체는 열교환 유통로의 벽면과 반복 충돌하면서 난류로 유동하고, 이 사이에, 열전달 매체의 열을 탈취하거나, 또는 열전달 매체로부터 열을 탈취 당하게 되어, 열교환 후 배출로에 의해서 열교환 용기 밖으로 유체가 배출될 수 있다. 이와 같이 유체가 열교환 유통로의 벽면과 충돌을 반복하면서 난류 상태로 유동하게 함으로써, 유체가 벽면의 온도의 영향을 많이 받으며, 또한 유체의 난류 팽창에 의해서 온도가 저하하고, 더욱이, 각 둘레방향 유통로에서 각 연통 유통로로부터 보내온 유체를 동일 조건으로 되게 하고 유체가 특정 연통로를 유동하지 않고 분산되도록 하고 있으므로, 유체를주입시킬 일이 없으며, 대량의 유체를 효율적으로 열교환 시킬 수 있다. 따라서 대량으로 일정 온도의 열교환 유체를 얻을 수 있어 이용의 편의를 도모할 수 있다. 그리고, 열교환 유통로의 연결로 구성할 수 있으므로, 구성의 간소화를 도모할 수 있다. 따라서, 고장을 없앨 수 있는 동시에, 비용을 감소시킬 수 있다.

또한, 열교환 유통로는 공급구측과 배출구측에 각각 탱크를 구비하며, 각 탱크에 공급로와 배출로가 연통됨으로써, 공급로로부터 공급구측의 탱크에 일단 유체를 보유하게 해서 각 라인의 연통 유통로로 일정 압력, 일정 유량으로 공급할 수 있으며, 또한, 각 라인의 연통 유통로로부터 배기구측의 탱크에 일정 온도로 열교환 된 후의 유체를 일단 저장해서 일정 압력, 일정 유량으로 사용 현장에 공급할 수 있으므로, 가일층 안정적으로 이용할 수 있다.

(산업상의 이용 가능성)

이상과 같이, 본 발명에 관한 열교환 장치는, 공냉용의 열교환 장치로서, 그리고, 용량이 큰 공조용의 열교환 장치 등으로서 유용하며, 특히 냉동 창고 등의 규모가 크고 저온을 필요로 하는 열교환 장치로 사용함에 있어 적합하다.

Claims

복수의 병렬 상태로 배치되어 둘레방향으로 연통하는 둘레방향 유통로(18), 상기 둘레 방향 유통로(18) 각각의 둘레 방향을 따라 서로 어긋나도록 상기 둘레방향 유통로(18)에 설치된 유입구(24) 및 유출구(25), 상기 둘레방향 유통로(18) 사이의 상기 유입구(24)와 상기 유출구(25)를 연통하는 연통 유통로(19)로 구성되는 것을 특징으로 열교환 장치용의 열교환 유통로.
열전달 매체가 공급 및 배출되는 열교환 용기(3)와, 상기 열교환 용기(3)내에 설치되는 제 1항에 기재된 열교환 유통로(10)와, 그리고 상기 열교환 유통로(10)와 연통하는 유체의 공급로(11) 및 배출로(12)를 구비하는 것을 특징으로 열교환 장치.
제 2항에 있어서, 상기 열교환 유통로(10)가 공급구측 탱크(20) 및 배출구측 탱크(21)를 구비하고, 상기 탱크(20,21) 각각에 공급로(11)와 배출로(12)가 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.