KR100903685B1 - 유하액막(遊下液漠) 증발기 - Google Patents

유하액막(遊下液漠) 증발기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 유하액막 증발기는 2-상 냉각 시스템 또는 처리 시스템의 사용을 위해 제공된다. 증발기는 상위부, 하위부 및 몸체에 수평으로 확장된 튜브들로 이루어진 튜브다발이 형성되는 몸체를 포함한다. 후드는 튜브다발 상부에 배치되고, 튜브다발위의 상위부에 인접한 상단부가 형성되고, 이 상단부는 하위부를 향해 확장되는 대응 평행벽이 형성되고, 이 평행벽은 상단부에 대응하는 개방단에서 종결된다. 액체냉매 또는 액체 및 기체 냉매는 튜브다발 위에 침전되고, 후드의 평행벽은 튜브다발의 튜브들 사이에 냉매기체 또는 액체 및 기체의 교차흐름을 방해한다.
증발기, 압축기, 유하액막, 튜브다발, 냉각 시스템, 냉매, 후드

Description

유하액막(遊下液漠) 증발기{FALLING FILM EVAPORATOR}
본 발명은 일반적으로 히팅 및 냉각 시스템 또는 처리 시스템의 증발기 작동에 관한 것이고, 특히, 2-상(two-phase) 냉매 히팅 및 냉각 시스템 또는 처리 시스템의 유하액막 증발기 작동에 관한 것이다.
구조체에서 전형적으로 온도제어를 유지하는 빌딩 또는 다른 구조물의 히팅 및 냉각 시스템뿐만 아니라 처리 시스템은 튜브를 통한 유체의 흐름이 두개의 유체 사이에 열에너지의 전달에 영향을 미치는 것과 같이, 코일 튜브안의 유체를 순환시킨다. 이러한 히팅 및 냉각 시스템의 주요 구성요소는 물 또는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 같은 부가냉매가 순환하는 튜브다발을 형성하는 복수 튜브의 몸체를 포함하는 증발기로 이루어진다. R134a와 같은 주요 유체 또는 냉매는 부가 유체와 냉매 사이에 열에너지 전달을 일으키는 증발기 몸체 내부의 튜브다발 바깥 또는 외부 표면에 인접 형성된다. 전형적인 2-상 히팅 및 냉각 시스템에 있어서, 냉매는 가열되어 기체 상태로 전환되고, 그 기체는 기체가 압축되는 압축기로 복귀하여 또 다른 냉매 싸이클을 시작한다. 냉각된 부가 유체는 빌딩에 위치한 복 수의 코일로 순환된다. 따뜻한 공기는 코일을 따라 통과하고, 빌딩의 공기를 냉각시키는 동안 코일에서 부가 유체는 따뜻해져 증발기로 복귀함으로써, 재냉각되어 상기 과정을 반복한다.
튜브 외부에서 끓는 냉매를 갖는 증발기는 만액식(flooded) 증발기, 유하액막 증발기 및 하이브리드 유하액막 증발기를 포함한다. 일반적인 만액식 증발기에 있어서, 몸체는 부분적으로 튜브다발을 잠기게하는 액체 냉매가 끓는 웅덩이로 채워진다. 따라서, 냉매 유체의 상당량이 요구되어 고비용으로 제공되고, 증발기 또는 냉매충전의 손실이 있는 모든 시스템으로부터 냉매가 부족한 경우 냉매의 혼합에 따른 환경 및/또는 안전의 관심이 된다. 따라서, 시스템의 냉매 충전을 감소시키는 것이 요구된다.
유하액막 증발기에 있어서, 분배기는 분사에 의해 튜브다발 상부의 위치로부터 튜브의 표면에 액체 냉매를 침전시키고, 튜브표면의 액체 냉매층(또는 필름)을 형성한다. 액체 또는 2상 액체 및 기체 상태의 냉매는 튜브다발의 상위 튜브면과 인접하고, 중력에 의해 하위 배치튜브의 표면에 수직으로 떨어진다. 분배된 유체층은 튜브다발의 튜브면에 인접한 유체의 자원인바, 몸체 내부에서 요구되는 유체의 양은 상당히 감소된다. 그러나, 유하액막 증발기의 효과적인 구동과 관련되는 기술적 문제점들이 있다.
한가지 문제점은 유체의 한 부분이 증발하여 상당한 양으로 체적면에서 팽창한다. 증발된 액체는 모든 방향으로 팽창하여 교차 흐름(cross flow)을 유발하거나, 횡방향으로 기화된 유체에 의해 이동하거나, 적어도 부분적으로는, 중력의 영향 아래 액상 유체의 수직적인 흐름 방향을 가로지른다. 유체의 수직 흐름을 방해하는 교차 흐름에 기인하여, 최소한 튜브의 한 부분, 특히 튜브다발의 하위 튜브는 튜브다발의 튜브 내부에 흐르는 부가 유체에 의해 상당이 감소된 열전달을 제공하여 불충분한 습윤을 받게된다.
유하액막 증발기와 관련된 이러한 문제점의 한 해결책은 미국특허 NO.6,293,112(이하 '112 특허) 이다. '112 특허는 튜브다발의 튜브가 증기 통로를 형성하도록 배열되는 유하액막 증발기에 관한 것이다. 증기 통로의 목적은 수직 아래방향으로 액체 냉매의 흐름이 충돌하지 못하도록 증기 유체를 확장시키는 접근로를 제공하는 것이다. 다시 말해, 접근로는 증기 유체의 팽창에 의해 발생하는 교차 흐름의 효과가 감소되도록 제공된다. 따라서, '112 특허는 증기 액체의 팽창에 의해 발생하는 교차 흐름이 필수적으로 발생하는 것을 확인한다.
다른 문제점은 증발기의 상위부에 전형적으로 형성되는 배출구로부터 증기화된 유체의 공급을 수용하는 압축기이고, 이러한 증기 유체가 반출(entrained) 액체 방울을 포함하는 경우 압축기는 손상을 입을 수 있다. 튜브다발의 상위부에 인접한 증기 유체는 일반적으로 이러한 동반 액체 방울을 포함하고 있는바, 이러한 동반 액체방울은 한편 압축기로 들어가고, 그 구성요소들은 기체와 액체 방울 사이의 분리가 되도록 작동되어야 한다. 이러한 구성요소들은 예를들어, 배플(baffle) 또는 그물망(mesh)과 같은 액체방울의 충돌을 제공하는 수단을 포함하고, 이러한 수단은 액체방울의 중력분리를 위해 일반적으로 증발기 체적의 약 반이 요구되는 증발기의 부피를 형성하며, 또는 중력 분리 체적으로 혼합된 충돌 수단을 포함한다. 그러나, 이러한 각 구성요소 및 그 혼합은 시스템의 복잡성 및 비용을 부가시키고, 증발기에 도달하는 기체 냉매에 앞서 원하지 않는 압력 방울을 발생시킨다.
유하액막 증발기에 연결된 또 다른 문제점은 분배기와 관련되고, 이는 증발기 몸체의 상위부에 위치한다. 높은 압력 및/또는 2-상 액체와 기체의 분배기에 의해 적용되는 냉매는 흐림 및 액체 방울을 발생시키는 경향이 있고, 덧붙여 이는 튜브다발위의 액체 증발에 의해 발생되기도 한다. 증발기 몸체의 상위부에서 발생되는 이러한 물방울은 쉽게 압축기 흡입부로 반출된다. 따라서, 다수의 설계는 분배기 전에 유체의 압력을 낮추는 장치와 튜브다발의 최상단에 액체가 서서히 침전되도록 분배기 전에 액체로부터 기체를 분리하는 장치의 혼합이 요구된다.
Witt Gmbh에 의해 발간된 것으로, "BVKF타입을 위한 지침 가이드(Instruction Guide for the BVKF type), 1998년 11월 개정"을 제목으로 하는 책자는 튜브다발과 냉매 분사노즐을 통해 위치하는 분기벽의 시트 금속 후드를 갖는 유하액막 증발기가 나타난다. 후드는 튜브다발을 덮어 부분적으로 다발의 측면을 따라 확장하고, 후드 주변의 동반 물방울과 함께 냉매 기체가 나타나며, 가스가 증발기 배출로를 향해 후드 외측으로 발생하는 경우 물방울은 가스로부터 분리될 부가적인 기회를 갖는다. 그러나, 이러한 개념이 증기 유체의 확장에 의해 발생하는 교차 흐름을 방해하지는 않는다.
결국, 유하액막 증발기와 유사한 상위 튜브의 유체를 여전히 분사하는 경우, 하이브리드 유하액막 증발기는 만액식 증발기보다 적게 튜브 다발의 튜브를 잠기게 하여 유하액막 증발기와 만액식 증발기의 특성을 통합한다.
필요로 하는 것은 증기 유체를 확장시켜 발생하는 교차 흐름을 방해하는 유하액막 증발기이고, 이는 전형적인 만액식, 만액 필름식 또는 하이브리드 증발기와 액체방울 분리를 위한 만액식 증발기보다 더 적은 공간을 요구한다.
본 발명은 폐쇄 냉매순환에 연결되는 압축기, 응측기, 팽창부 및 증발기를 포함하는 냉각 시스템이 개시된다. 증발기는 상위부, 하위부 및 튜브다발이 형성되는 몸체가 형성되고, 튜브다발은 몸체에서 수평으로 확장된 복수 튜브가 형성된다. 후드는 튜브다발 상부에 배치되고, 폐쇄단과 폐쇄단 반대측의 개방단이 형성되며, 이 폐쇄단은 몸체의 상위부에 인접한 튜브다발위에 배치된다. 후드는 더욱이 몸체의 개방부를 향해 폐쇄부로부터 확장되는 대응 평행벽이 형성된다. 냉매 분배기는 후드 하부 및 튜브다발 상부에 배치되고, 냉매 분배기는 튜브다발 위에 액체 냉매 또는 액체 및 기체 냉매를 침전시키도록 설계된다. 후드의 평행벽은 실질적으로 튜브다발의 복수 튜브 사이에 냉매의 교차 흐름(cross flow)을 방해한다.
본 발명은 더욱이 상위부와 하위부가 형성된 몸체를 포함하는 냉각 시스템에 사용되는 유하액막 증발기가 개시된다. 튜브 다발은 몸체에 수평으로 확장되는 복수의 튜브를 갖는다. 후드는 튜브다발 상부에 배치되고, 폐쇄단 및 폐쇄단 반대측의 개방단이 형성되며, 이 폐쇄단은 몸체의 상위부에 인접한 튜브다발 위에 배치된다. 후드는 더욱이 몸체의 개방부를 향해 폐쇄부로부터 확장되는 대응 평행벽이 형성된다. 냉매 분배기는 후드 하부 및 튜브다발 상부에 배치되고, 냉매 분배기는 튜브다발위에 액체 냉매 또는 액체 및 기체 냉매를 침전시키도록 설계된다. 후드의 평행벽은 실질적으로 튜브다발의 복수 튜브 사이에 냉매의 교차 흐름을 방해한다.
본 발명은 유체 분배기가 응축 압력에 가까운 중간 또는 높은 압력의 냉매를 수용하도록 하고, 이 냉매는 2-상의 액체 냉매 및 기체 냉매가 가능하다. 이러한 조건하에 발생되는 냉매 흐림 및 물방울은 흡입 라인으로 반출되는 것이 방지되도록 후드 하부에 함유되고, 튜브 및 후드의 지붕과 벽에서 통합된다.
본 발명은 더욱이 상위부와 하위부가 형성된 몸체를 포함하는 냉각 시스템에 사용되는 하이브리드 유하액막 증발기가 개시된다. 하위 튜브다발은 상위 튜브다발과 유체로 통하고, 하위 및 상위 튜브다발은 각각 몸체에서 수평으로 확장되는 복수의 튜브가 형성되며, 하위 튜브다발은 적어도 부분적으로 몸체의 하위부 냉매에 의해 잠긴다. 후드는 상위 튜브다발 상부에 배치되고, 폐쇄단 및 폐쇄단 반대측의 개방단이 형성되며, 이 폐쇄단은 상위 튜브다발 위의 몸체 상위부에 인접하여 형성된다. 후드는 더욱이 몸체의 하위부에 인접한 개방단을 향해 폐쇄단으로부터 확장되는 대응 평행벽이 형성된다. 냉매 분배기는 상위 튜브다발 위에 배치되고, 냉매 분배기는 상위 튜브다발 위에 냉매를 침전시킨다. 후드의 평행벽은 실질적으로 상위 튜브다발의 복수 튜브 사이에 냉매의 교차 흐름을 방해한다.
본 발명은 더욱이 상위부와 하위부가 형성된 몸체를 포함하는 콘트롤 프로세스에서 사용되는 유하액막 증발기가 개시된다. 튜브다발은 몸체에서 수평으로 확장되는 복수의 튜브가 형성된다. 후드는 튜브다발 상부에 배치되고, 폐쇄단 및 폐쇄단 반대측의 개방단이 형성되며, 이 폐쇄단은 몸체의 상위부에 인접한 튜브다발 위에 배치된다. 후드는 더욱이 몸체의 하위부를 향해 확장되는 대응 평행벽이 형성된다. 유체 분배기는 후드 하부 및 튜브다발 상부에 배치되고, 유체 분배기는 튜브다발위에 액체 냉매 또는 액체 및 기체 냉매를 침전시키도록 설계된다. 후드의 평행벽은 실질적으로 튜브다발의 복수 튜브 사이에 냉매의 교차 흐름을 방해한다.
본 발명의 장점은 최소 재순환율로 증가하는 열전달을 촉진하여, 증기 유체가 확장됨으로써 발생되는 교차 흐름을 차단한다.
본 발명의 다른 장점은 압축기 흡입부로 액체 물방울의 이월(carry-over)을 방지하는 효과적인 수단을 제공한다.
본 발명의 또 다른 장점은 생산 및 설치가 용이하다.
본 발명의 또 다른 장점은 튜브다발 상부의 분배기에 의해 적용되는 중간 또는 높은 압력하에 액체 및 기체의 혼합을 수용하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 장점은 유하액막 증발기의 구조 또는 하이브리드 유하액막 증발기의 구조에도 사용 가능하다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명을 통해서 보다 명백하게 밝혀질 것이다. 숙련된 당업자는 도면의 구성요소가 단순하고 명백하게 설명되고, 반드시 수치에 맞게 도시되는 것은 아니라고 인식한다. 예를들어, 도면 구성요소들의 몇가지 치수는 본 발명의 다양한 실시예의 이해 증진을 돕기위해 다른 구성요소에 비해 상대적으로 과장될 수 있다. 또한, 산업상 이용가능한 실시예에서 유용하거나 필수적이고, 범용성의 잘 알려진 구성요소는 일반적으로 본 발명의 이런 다양한 실시예의 더 적은 차단 모습을 용이하게 하도록 묘사되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 압축 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 유하액막 증발기의 일 실시예 단면도이다.
도 3내지 도 4는 본 발명의 유하액막 증발기의 다른 실시예 단면도이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드 유하액막 증발기의 일 실시예 단면도이다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 유하액막 증발기의 다른 실시예 단면도이다.
도면을 통해서 동일하거나 유사한 부품들을 언급하기 위해서 동일한 참조부호들이 사용될 것이다.
도 1은 본 발명의 시스템 설계를 일반적으로 나타낸다. 냉동 또는 냉각 시스템(10)은 결합형 가변 운전장치(variable speed drive, 이하 "VSD"라 칭함)(30)와 파워/콘트롤 패널(35)에 공급되는 교류 전원(20)을 포함하고, 이 교류 전원은 압축기(60)를 구동하는 모터(40)에 동력을 공급하며, 이때 모터(40)는 파워/콘트롤 패널(35)에 위치한 제어기에 의해 콘트롤된다. 여기서, "냉각 시스템"은 히트 펌프와 같은 택일적인 구조를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, VSD(30)의 모든 요소는 파워/콘트롤 패널(35) 내부에 포함된다. 교류 전원(20)은 단상 또는 2-상(기타 3상), 고정된 전압 및 고정된 진동수를 갖는 전력을 작업장에 존재하는 교류전원 격자 또는 분배 시스템으로부터 VSD(30)에 제공한다. 압축기(60)는 냉매 기체를 압축하여 배출라인을 통해 응축기(70)로 전달한다. 압축기(60)는 예를들어 원심 압축기(centrifugal compressor), 왕복동 압축기(reciprocating compressors), 스크류 압축기, 스크롤 압축기 등의 적절한 타입으로 가능하다. 압축기(60)에 의해 응축기(70)로 전달되는 냉매 기체는 냉각타워(50)에 연결된 열교환기 코일 또는 튜브다발(55)을 통해 흐르는 유체, 바람직하게는 물과 함께 열교환 관계를 시작한다. 그러나, 응축기(70)가 공기 냉각되거나 다른 응축기(70)술을 사용할 수 있는 것으로 해석된다. 응축기(70)의 냉매기체는 열교환기 코일(55)내 액체와의 열교환 관계로 인해 냉매 액체로 상태변환이 이루어진다. 응축된 냉매 액체는 응축기(70)에서 팽창부(75)로 흐르고, 이 팽창부는 증발기(80)로 들어가기전에 냉매의 온도와 압력을 낮춘다. 또한, 팽창의 대부분은 압력 조절부로 사용되는 경우 노즐(108)(도 2내지 도6) 내부에서 발생한다. 증발기(80)와 열교환 관계로 순환되는 유체는 내부공간의 냉각을 제공한다.
증발기(80)는 냉각부하(90)와 연결된 공급라인(85S)과 리턴라인(85R)이 형성되는 열교환기 코일(85)이 포함될 수 있다. 열교환기 코일(85)은 증발기(80)내에 복수의 튜브 다발이 포함될 수 있다. 물 또는 다른 적절한 부가냉매 예를들어, 에틸렌, 에틸렌 글리콜 또는 염화칼슘 브라인(calcium chloride brine)등은 리턴라인(85R)을 통해 증발기(80)로 이동하고, 공급라인(85S)을 통해 증발기(80)로부터 배출된다. 증발기(80)의 냉매 액체는 열교환기 코일(85)안의 부가 냉매 온도를 낮추기 위하여 열교환기 코일(85)의 물과 함께 열교환 관계를 갖는다. 증발기(80)의 냉매 액체는 열교환기 코일(85)내 액체와의 열교환으로 인해 냉매 기체로 상태변환이 이루어진다. 증발기(80)의 기체 냉매는 순환이 완성되도록 압축기(60)로 복귀한다.
본 발명의 냉각 시스템(10)은 복수의 혼합된 VSD(30), 모터(40), 압축기(60), 응축기(70) 및증발기(80)를 사용하는 것으로 개시된다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 증발기(80)의 일 실시예는 유하액막(遊下液漠, falling film) 증발기로 나타낸다. 이러한 실시예에 있어서, 증발기(80)는 실질적으로 몸체(100)의 길이를 따라 수평하게 확장되는 튜브다발(106)이 형성된 복수 튜브를 갖는 상위부(102)와 하위부(104)가 형성되는 원통형 몸체(100)를 포함한다. 물, 에틸렌, 에틸렌 글리콜 또는 염화칼슘 브라인과 같은 적절한 유체는 튜브다발(106)의 튜브를 따라 흐른다. 튜브다발(106) 상부에 배치된 분배기(108)는 R134a와 같은 냉매 유체를 분배하되, 이 냉매는 튜브다발(106)의 상위튜브에서 액체상태 또는 2상의 액체 및 기체상태로 응축기(126)로부터 전달된다. 바꾸어 말하면, 냉매 유체는 액체 및 기체 냉매의 2가지 상태가 될 수 있다. 도 3에서, 분배기(108)로 전달되는 냉매는 모두 액체이다. 도 2 및 도 4내지 6에서, 분배기(108)로 전달되는 냉매는 모두 액체 또는 액체와 기체의 2상 혼합이 가능하다. 상태변화없이 튜브다발(106)의 튜브를 통해 이동하는 유체 냉매는 하위부(104)에 인접하여 수집되고, 이렇게 수집된 액체 냉매는 액체냉매(120)로 정의된다. 펌프(95)는 하위부(104)에서 분배기(108)로 액체냉매(120)를 재순환시키는데 사용될 수 있더라도(도 3과 4), 분출기(128)는 응축기(126)로부터 가압된 냉매를 사용하여 하위부(104)에서 액체냉매(120)를 인출하도록 형성될 수 있고, 도 2에서 도시한 바와 같이 베르누이 효과 에 의해 작동한다. 덧붙여, 액체냉매(120)의 레벨이 튜브다발(106) 이하로 나타나는 경우(도 2내지 4), 액체냉매(120)의 레벨이 튜브다발(106)의 튜브 일부를 가라앉힐 수 있다고 해석된다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 후드(112)는 튜브다발(106) 상부에 배치되어 튜브다발(106)의 튜브들 사이의 기상 냉매 또는 기상/액상 냉매의 교차 흐름을 방지한다. 후드(112)는 튜브다발(106)과 분배기(108) 위의 몸체(100) 상위부(102)에 인접하는 상단부(114)를 포함한다. 몸체(100)의 하위부(104)로 향하는 상단부(114) 반대단으로부터의 확장은 평행벽(116)에 대응되고, 바람직하게는 이 평행벽(116)은 상단부(114)에 대응하는 개방단(118)에서 종결되고 대체로 수직방향으로 확장된다. 바람직하게는, 상단부(114)와 평행벽(116)은 튜브다발(106)의 튜브들에 인접하여 배치되고, 이 평행벽(116)은 튜브다발(106)의 튜브들 측면에서 감싸도록 몸체(100)의 하위부(104)를 향하여 충분히 확장된다. 그러나, 평행벽(116)은 수직방향으로 튜브다발(106)의 하부튜브를 지나서 연장하는 것이 요구되지 않으며, 비록 튜브다발(106)의 윤곽 내에 형성되는 기체 냉매(122)가 평행벽(116)의 경계 및 후드(112)의 개방단(118)을 통하여 실질적으로 수직으로 유로가 형성되더라도, 평행벽(116)이 평면으로 형성되는 것 또한 요구되지 않는다. 후드(112)는 평행벽(116) 사이의 아래 방향 및 개방단(118)을 통해 기체냉매(122)를 보내고, 몸체(100)의 하위부(104)에서 상위부(102)까지 몸체(100)와 평행벽(116) 사이의 공간에 상방향으로 보낸다. 기체냉매(122)는 이후에 평행벽(116)의 상단에 인접 돌출된 한쌍의 확장체(150)를 지나 흡입부(154)로 흐른다. 기체냉매(122)는 슬롯(152)을 형성하는 확장체(150)의 단부와 몸체(100) 사이의 공간으로 이루어지는 슬롯(152)을 통하여 흡입부(154)로 이동하고, 그전에 압축기(60)와 연결되는 배출구(132)에서 증발기(80)로부터 배출된다.
응축기(70) 및 몸체(100)(액체냉매(120))의 하위부(104)에서 전달되는 냉매는 분배기(108)를 통해 이동하고, 바람직하게는 튜브다발(106)의 상위 튜브 상부에 형성되는 복수의 위치체(110)로부터 가라앉는다. 이러한 위치체(110)들은 튜브다발(106)과 관련된 길이방향 또는 측방향 위치체의 여러 혼합이 포함될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 분배기(108)는 응축기(70)에 의해 공급되는 액체 경사로에 의해 제공되는 복수의 노즐을 포함한다. 노즐은 바람직하게는 상부열의 튜브가 덮어지도록 미리 결정된 제트 패턴이 형성된다. 다량의 냉매는 튜브다발(106)의 튜브 표면을 따라 발생하는 열교환에 의해 끓는다. 이러한 팽창 기체냉매(122)는 후드(112)의 상단부(114)에서 개방단(118)으로 즉, 하방향으로 이동하고, 평행벽(116)은 어떠한 택일적인 배출 경로도 제공하지 않는다. 평행벽(116)은 바람직하게는 튜브다발(106)의 외측렬 튜브에 인접하고, 기체냉매(122)는 수직 아래방향으로 이동하여 후드(112) 내부의 기체냉매(122) 교차흐름의 가능성을 배제시킨다. 튜브다발(106)의 튜브는 튜브 표면 주위의 필름을 형성하는데 있어서 냉매의 흐름을 촉진시키도록 배열되고, 이 액체 냉매는 튜브 표면의 바닥에서 액체 냉매의 물방울, 예를들어 커튼 또는 시트의 형태로 형성되도록 합체된다. 결과적으로 시트화는 튜브다발(106)의 튜브 내부에서 흐르는 유체와 튜브다발(106)의 튜브 표면에 흐르는 냉매 사이의 열전달 효율성을 높이는 튜브 표면의 습식화(wetting)를 촉진시킨다.
현 시스템과는 다르게 상기 후드(112)의 상단부(114)는 적용 냉매의 흐름이 튜브다발의 상단에서 증기와 안개의 형상으로 압축기(60)로 유입되는 배출구(132)에 직접 흐르는 것을 방지한다. 대신에, 하방향으로 이동하는 흐름을 갖는 냉매를 인도하여, 기체냉매(122)는 냉매가 개방단(118)을 통과하기전에 평행벽(116)의 길이를 통하여 하방향으로 이동해야 한다. 기체냉매(122)가 방향면에서 급작스런 변화가 발생하는 개방단(118)을 통과한 후에, 기체냉매(122)는 후드(112)와 몸체(100)의 안쪽면 사이로 이동한다. 이러한 갑작스런 방향전환은 액체냉매(120), 몸체(100) 또는 후드(112)와 충돌하는 냉매의 반출 물방울 비율이 높아지도록 하여, 기체냉매(122)의 흐름으로부터 물방울이 제거된다. 또한, 평행벽(116)의 길이를 따라 이동하는 냉매 안개는 중력에 의해 더 쉽게 분리되는 더 큰 방울로 합쳐지거나, 튜브다발(106) 상에서 열전달에 의해 증발된다.
기체냉매(122)가 후드(112)의 평행벽(116)을 통해 이동하는 경우, 기체냉매(122)는 하위부(104)에서 상위부(102)까지 일정하게 좁은 통로를 따라 흐르고, 바람직하게는 배출구(132)에 도달하기 전에 후드(112)의 표면과 몸체(100) 사이에 형성되는 대칭형 통로이다. 증가하는 물방울 크기의 결과로, 중력에 의한 액체분리의 효율성은 증대되고, 증발기를 통한 기체냉매 흐름의 상방향 속도는 증가한다. 배플(baffle)은 압축기 흡입구에서의 기체냉매(122) 방향로를 차단하도록 증발기(80) 배출구에 인접하여 제공된다. 배플은 확장체(150)의 단부와 몸체(100) 사이의 공간으로 확보되는 슬롯(152)을 포함한다. 평행벽(116)의 혼합으로, 증발기(80) 내의 좁은 통로와 슬롯(152)은 실질적으로 기체냉매(122)로부터 남아있는 모든 반 출 물방울을 제거한다.
기체냉매의 교차흐름과 튜브다발(106)을 따라 연합되는 액체 냉매의 물방울을 제거함으로써, 재순환되어야 하는 냉매(120)의 양은 감소될 수 있다. 재순환 냉매 흐름량의 감소는 종래 펌프에 대한 분출기(128)의 사용을 가능하게 한다. 분출기(128)는 팽창 장치와 냉매 펌프의 기능을 함께 갖는다. 덧붙여, 분배기(108) 노즐로 모든 팽창 기능성을 통합하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 2개의 팽창 장치가 설치되는바: 제1팽창 장치는 분배기(108)의 분사 노즐로 통합된다. 또한, 제2팽창 장치는 유체라인(130)의 부분적 팽창이 가능하고, 예를들어 이 유체라인은 고정 오리피스, 또는 택일적으로 액체 냉매(130)의 레벨에 의해 제어되는 밸브로써, 부분적 냉각부하뿐만 아니라 증발 및 응축 압력과 같은 작동조건에서의 변화를 설명한다. 더욱이, 대부분의 팽창이 노즐에서 발생하는 것이 바람직하고, 동시에 노즐이 감소된 사이즈로 바뀌어, 이에의해 노즐의 단가 및 그 크기가 감소된다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 하이브리드 유하액막 증발기(280)의 일 실시예는 완전히 잠기거나, 최소 부분적으로 잠기는 튜브체와 튜브다발(207)을 포함하는 것으로 나타난다. 상기 언급된 것 이외에, 유하액막 증발기(280)의 구성요소는 증발기(80)와 유사하다. 바람직하게는, 유하액막 증발기(280)는 냉각 유체의 두 개의 유로 구성(pass system)을 통합시키는바, 상기 두 개의 유로 구성은 냉각된 유체가 먼저 하위 튜브다발(207)의 튜브 내부에서 흐른 다음, 상위 튜브다발(106)의 튜브 내에서 흐르도록 통제된다. 상기 두 개의 유로 구성 중 제2유로는 상위 튜브다발(106) 위에서 발생하는바, 튜브다발(106)에서 흐르는 유체의 온도는 감소하고, 튜브다발(106) 표면의 냉매 흐름량이 적게 요구된다. 따라서, 분배기(108)에 대한 재순환 냉매(120)의 필요성은 없다. 또한, 하위 튜브다발은(207) 상위 튜브다발(106)로부터의 여분의 냉매 방울을 증발시킨다. 펌프 또는 분출기와 같은 재순환 장치가 없는 경우, 유하액막 증발기는 하이브리드 타입이어야 한다.
두 개의 유로 구성이 서술되는데 있어서, 제1유로는 적어도 부분적으로 잠기는(flooded) 하부 튜브다발(207)에 연결되고, 제2유로는 상위 튜브다발(106)(유하액막: falling film)에 연결되는 것으로 이해될 수 있지만, 다른 배열도 고려되어진다. 예를들어, 증발기는 하위 튜브다발(207)과 연결되는 다양한 비율의 잠김(flooding)이 이루어지고, 상위 튜브다발(106)과 연결되어 하나의 유로 잔여 부분을 갖는 하나의 유로 구성으로 통합시킬 수 있다. 또한, 증발기는 세 개의 유로 구성을 통합시킬 수 있는바, 여기서 두 개의 유로는 하위 튜브다발(207) 연결되고, 나머지 하나의 유로는 상위 튜브다발(106)과 연결거나, 또는 하나의 유로가 하부 튜브다발(207)에 연결되고, 나머지 두 개의 유로는 상위 튜브다발(106)에 연결된다. 더욱이, 증발기는 두 개의 유로 구성을 통합시킬 수 있는바, 여기서 하나의 유로는 상위 튜브다발(106)에 연결되고, 두번째 유로는 상위 튜브다발(106)과 하위 튜브다발(207)에 모두 연결된다. 요컨데, 각 유로가 상위 튜브다발(106)과 하위 튜브다발(207)중 하나 또는 모두에 연결되는 경우 그 유로의 수는 제한되지 않는다.
실시예가 냉각 시스템으로 구현되는 경우, 본 발명의 증발기는 처리 시스템으로 사용될 수 있고, 예를들어 석유화학 산업과 같은 휘발성 요소를 포함하는 두가지 요소의 혼합으로 이루어진 화학적 처리가 해당될 수 있다. 또한, 처리 시스템은 식품 처리 시스템과 연관될 수 있다. 예를들어, 본 발명의 증발기는 쥬스 응집 을 제어하는데 사용될 수 있다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 유체 분배기(108)를 통해 흡입되는 쥬스(예를들어, 오렌지 쥬스)는 가열되어, 그 일부는 기체로 되고, 반면에 증발기의 하위부(104)에 축적된 액체(120)는 더 높게 응집된 쥬스를 함유한다. 해당 분야의 숙련자는 증발기가 다른 처리 시스템으로 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
평행벽(116)이 수평하다고 언급되는 반면에, 또한 평행벽은 상위부(102) 및 하위부(104)를 양분하는 중앙 수직면에 대해 대칭 형성되며, 이에 튜브다발(106)의 배열은 전형적으로 대칭을 이룬다.
전형적인 배열이 수직 및 수평하게 배치되는 복수의 획일공간 튜브에 의해 이루어지고, 직각이 되는 윤곽을 형성하더라도, 튜브다발(106)에서 튜브의 배열은 위와같이 도시되지 않는다. 그러나, 튜브가 배열의 획일성 없이, 수직 또는 수평으로도 배치되지 않는 적층배열이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징을 부가 또는 혼합하는 경우 별개의 튜브다발 설계가 이루어진다. 예를들어, 냉매가 넓은 각도로 분배기(108)에 의해 침전되는 경우, 몸체(100)의 부피를 감소시키는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 넓은 각도는 수평속도의 요소를 갖는 침전 냉매를 형성시킬 수 있고, 가능한 불균일한 길이방향의 액체분포가 발생한다. 이러한 결과를 추구하기 위해 해당 분야에서 알려진 핀붙이 튜브(finned tube, 미도시됨)는 튜브다발(106)의 최상단 수평열 또는 최상단부 따라 사용될 수 있다. 최상단에 핀붙이 튜브를 사용하는 것 이외에, 직접적 접근은 범람하는 증발기에서 끓는 웅덩이에서 발전된 새로운 세대의 튜브를 사용하는 것이다. 핀붙이 튜브를 부가 또는 혼합하는 경우 통기성 코팅(porous coatings)이 튜브다발(106)의 튜브 외표면에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 많은 변형이 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 실행하기 위한 특정 이벤트나 재료를 채택하도록 이루어질 것이다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위한 최선의 모드로서 설명하고 있는 본 발명의 특정한 실시 예로서 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 영역 내에 있는 모든 실시 예들을 포함하게 될 것이다.

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  19. 냉각 시스템에 사용되는 증발기에 있어서,
    상위부와 하위부가 형성되는 몸체와;
    상위 튜브다발과 유체로 소통하는 하위 튜브다발로서, 상기 상위 튜브다발과 상기 하위 튜브다발은 각각 상기 몸체에서 수평으로 확장되는 복수의 튜브를 갖고, 상기 하위 튜브다발은 상기 몸체의 하위부 냉매에 의해 부분적으로 잠기도록 형성된 하위 튜브다발 및 상위 튜브다발과;
    상기 상위 튜브다발 상부에 배치되는 것으로서, 상기 상위 튜브다발 위로 상기 몸체의 상위부에 인접한 폐쇄단과, 상기 폐쇄단의 반대측의 개방단과, 상기 폐쇄단으로부터 상기 몸체의 하위부에 인접한 개방단을 향하여 연장되는 대립되는 평행한 벽을 갖는 후드와;
    상기 상위 튜브다발 위에 배치되어, 상기 상위 튜브다발 위로 냉매를 침전시키는 냉매 분배기를; 포함하며,
    상기 후드의 평행한 벽이 상기 상위 튜브다발의 복수 튜브 사이에서 냉매의 교차 흐름(cross flow)을 방지하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 평행한 벽은 수직으로 확장되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 평행한 벽은 상기 상위 튜브다발의 복수 튜브를 측면으로 감싸는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  22. 청구항 19에 있어서, 상기 상위 튜브다발의 복수 튜브중 적어도 하나의 튜브는 핀붙이(finned) 형식이고, 이 핀붙이 튜브는 튜브다발의 상위부에 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  23. 청구항 19에 있어서, 상기 상위 튜브다발의 복수 튜브중 적어도 하나의 튜브는 이 튜브의 바깥면 최소 부분에 적용되는 통기성 코팅이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 상위 튜브다발의 복수 튜브중 적어도 하나의 튜브는 이 튜브의 바깥면 최소 부분에 적용되는 통기성 코팅이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  25. 청구항 19에 있어서, 분출기가 상기 냉매 분배기에 냉매의 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  26. 청구항 19에 있어서, 상기 냉매 분배기는 적어도 부분적으로 냉매가 팽창되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  27. 청구항 19에 있어서, 튜브다발 내에서 흐르는 유체는 두 개의 유로 구성에 종속되며, 상기 두 개의 유로 구성은 제1유로를 지나는 동안 먼저 상기 하위 튜브다발의 복수 튜브 내부에서 상기 유체가 유동하고, 다음으로, 제2유로를 지나는 동안 상기 상위 튜브다발의 복수 튜브내에서 상기 유체가 유동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
  28. 청구항 19에 있어서, 튜브다발 내에서 흐르는 유체는 상기 상위 튜브다발 및 상기 하위 튜브다발의 복수 튜브들 각각의 적어도 일부분 내에서 유체가 유동하도록 구성된 하나 이상의 유로 구성에 종속되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템에 사용되는 증발기.
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