KR100932282B1 - 나선형 배관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하되, 나선의 폭이 배관의 내부 직경의 반 이하인 배관에 관한 것이다. 이러한 배관 내에서 유체가 유동할 때, 그것은 소용돌이치게(swirl) 된다. 이것은 유체의 평면 내(in-plane) 혼합 향상, 체류 시간(residence time) 균일성 향상, 등과 같이 여러 가지 이점을 제공한다. 또한, 그러한 배관을 제조하는 다양한 방법이 개시된다.

나선형, 배관, 튜빙, 소용돌이, 다상 유동

Description

나선형 배관{Helical piping}

본 발명은 유체의 운반을 위한 배관에 관한 것이다.

유체가 "소용돌이 유동(swirl flow)"으로 유동할 수 있다는 것은 이미 밝혀진 바 있고, 이것은 WO 97/28637에서 터빈의 펜스톡(penstocks) 및 흡출관(draft tubes)과 관련하여 논의되어 있다. 펜스톡 또는 흡출관을 그 중심선이 삼차원으로 만곡되도록 형성함으로써 소용돌이 유동을 발생시킬 수 있다.

소용돌이 유동은 종래 유동에 비해 여러 가지 이점이 있다. 난류에 의한 압력 손실(및 에너지 손실)이 저감될 수 있다. 이에 더해, 파이프에 따른 유동의 속도 프로필(profile)이 종래 유동일 때에 비해 더욱 균일(또는 완곡(blunt))하다. 그 결과, 소용돌이 유동으로 유동하는 유체는 플런저(plunger)와 같은 역할을 하는 경향이 있어, 파이프 벽에 축적되었을 수 있는 침전물 또는 파편을 제거하는데, 이는 수력 발전소에서 특히 중요하다.

유사한 삼차원 곡선을 가진 파이프 또한 WO 02/093063에서 제조 및 가공 공 장에 대하여 논의된다. 그러한 공장에서는, 공장의 다양한 부분들을 연결하는 파이프가 흔히 상당한 거리로 늘어나고 상당수의 굴곡부를 포함해야 할 필요가 있다. 삼차원 만곡을 가지도록 굴곡부를 형성하는 것은 소용돌이 유동을 촉진시키며, 에너지 손실 저감, 및 정체 및 침전의 가능성 저감을 일으킨다.

그러나, 이러한 선행기술은 (엘보 벤드(elbow bends)와 같은) 기존의 이차원 만곡을 대신하여 소용돌이 유동을 유도하도록 삼차원 만곡을 사용하는 것에만 관련된다. 이들은 일반적으로 직선인 파이프가 보통 사용되는 상황에서의 소용돌이 유동 생성과는 관계가 없다.

직선 파이프에서 유동이 소용돌이치게 만드는 한 가지 가능한 방법은 파이프의 내부 표면을 따라 그루브(grooves) 또는 리브(ribs)를 형성시키되, 그루브 또는 리브가 파이프를 따라 만곡되게(총신 내부에 선조(旋條)를 새기는 것과 유사하게) 하는 방법이다. 그러나, 이것은 파이프의 젖음 둘레(wetted perimeter)를 증가시킨다는 단점이 있고, 리브의 경우 파이프의 단면적을 감소시킨다는 단점이 있다; 그루브 및 리브 모두 유동 저항 증가와 그에 따른 압력 손실을 일으킨다.

이에 더해, 레이놀즈 수(Reynolds number)가 매우 낮지 않은 한, 그루브 또는 리브는 파이프 벽 근처의 유동에만 영향을 미치는 것으로 실험들은 밝혀냈고, 파이프의 전체 너비에 걸쳐 유동이 소용돌이칠 것을 확실히 하기 위해 긴 파이프의 제공이 필요할 수 있다. 파이프의 중심에서의 소용돌이는 파이프 벽에서의 유동으로부터의 운동량 확산 전달에 의해서만 가능하다; 그루브 또는 리브는 파이프의 벽 근처에 있는 유체와 파이프의 중심에 있는 유체 사이의 혼합을 촉진시키지 않는다.

본 발명은 유체의 평면 내(in-plane) 혼합 향상, 체류 시간(residence time) 균일성 향상 등과 같이 여러 가지 이점을 제공하는 배관 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 그 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하되, 나선의 폭이 배관의 내부 직경의 반 이하인 배관이 제공된다.

이와 같이 유체가 나선형 일부분으로 형성된 배관의 부분에 인입되면, 거의 즉시 소용돌이 유동이 발생한다. 인입 후 파이프 직경의 수 배 이내에서 파이프의 전체 너비에 걸쳐 소용돌이 유동이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 소용돌이 유동에는 파이프 벽의 유체와 파이프 중심의 유체 사이에 질량, 운동량, 및 열 전달과 함께 상당량의 이차 운동(secondary motion)과 유체 혼합이 포함된다.

이 명세서에서, 나선의 폭은 평균 위치로부터 최고 측면까지의 거리 정도를 의미한다. 그러므로, 나선형 중심선을 갖는 튜빙의 경우에는, 그 폭이 나선형 중심선의 전체 측면 너비의 반이다. 튜빙의 단면적은 그 길이 방향을 따라 실질적으로 일정하다.

본 발명의 일 측면에 따른 배관에서는, 배관의 내강(內腔)을 따라 시선(視線)이 존재한다. 이것은 나선이 결과적으로 중심 코어(core)(고체 또는 공기 코어인 "가상") 주위로 감아지는 코크스크류(corkscrew) 구성과 구별된다. 시선에서의 유동은 잠재적으로 직선 경로를 따를 수 있음에도 불구하고 일반적으로 소용돌이 성분을 갖는 것으로 밝혀졌다.

이 명세서의 목적에 따라, 나선형 배관의 "상대 폭(relative amplitude)"이라는 용어는 폭을 내부 직경으로 나눈 것으로 정의한다. 나선형 배관의 폭이 튜빙의 내부 직경의 반 이하이므로, 이것은 상대 폭이 0.5 이하임을 의미한다. 상대 폭이 0.45, 0.40, 0.35, 0.30, 0.25, 0.20, 0.15, 0.1 또는 0.05 이하인 것이 바람직할 수 있다. 상대 폭이 작을수록 배관이 동일한 단면적의 일반 직선 파이프보다 크게 넓지 않다는 점에서 이용할 수 있는 측면 공간의 활용이 더 향상된다. 상대 폭이 작을수록 또한 더 넓은 "시선"을 제공하여, 배관에 압력 게이지 또는 기타 장비의 삽입을 위한 공간을 더 크게 한다. 높은 레이놀즈 수의 경우, 적은 상대 폭을 사용하여도 소용돌이 유동이 만족스러운 정도로 유도될 수 있다. 이것은 일반적으로, 주어진 내부 직경에 대해 유동 속도(flow rate)가 높은 경우 낮은 상대 폭을 사용하여도 소용돌이 유동을 유도하기에 충분할 수 있음을 의미할 것이다.

공간에 대한 고려사항과 유동을 위한 넓은 단면적의 이점 사이의 균형을 잡는 것에는 나선의 각도 또한 관련되는 인자이다. 나선 각도는 65˚ 이하인 것이 바람직하며, 55˚, 45˚, 35˚, 25˚, 20˚, 15˚, 10˚ 또는 5˚ 이하인 것은 더욱 바람직하다. 상대 폭의 경우와 마찬가지로, 나선 각도도 조건, 특히 배관에 운반되 는 유체의 점성, 밀도, 및 속도에 따라 최적화될 수 있다.

일반적으로, 레이놀즈 수가 높은 경우 나선 각도가 낮아도 소용돌이 유동이 만족스러운 정도로 유도될 수 있는 반면에, 레이놀즈 수가 낮은 경우 만족스러운 소용돌이를 생성하기 위해 높은 나선 각도가 요구될 것이다. (레이놀즈 수가 높은) 빠른 유동에서의 높은 나선 각도 사용은 일반적으로 바람직하지 않을 것인데, 벽 근처에 정체된 유체 포켓(pocket)이 존재할 수 있기 때문이다. 그러므로, 주어진 레이놀즈 수(또는 레이놀즈 수 범위)에서 만족스러운 소용돌이를 생성하기 위해 나선 각도는 가능한 한 낮게 선택되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서는, 나선 각도가 20˚ 미만이다.

일반적으로, 배관은 복수의 나선 회전(turns of the helix)을 가질 것이다. 배관을 따라 반복되는 나선 회전은 소용돌이 유동이 온전히 형성되는 것을 보장함에 일조할 것이다.

배관 단위들은 보통 그 길이에 걸쳐 실질적으로 동일한 상대 폭과 나선 각도를 가질 것이다; 그러나, 그 중 하나 또는 둘 다 변화할 수 있다. 더욱이, 유동을 "개량"하고 배관과 다른 파이프와의 결합을 간소화하기 위해, 나선 부분은 배관의 전체 길이로 늘어나거나, 일부만큼만 늘어날 수 있다.

배관은 일반적으로 선형으로 늘어날 수 있다. (즉, 나선형 회전의 축이 직선일 수 있다.) 그러나, 축이 만곡되어 일반적으로 만곡된 파이프를 형성할 수 있다. 축의 만곡은 이차원 또는 삼차원일 수 있다; 삼차원이면, 삼차원 만곡에 의해 생성되는 소용돌이가 나선형 배관에 의해 생성되는 소용돌이를 증대시킬 것을 확인하는 것이 중요하다.

본 발명의 두 번째 측면에 따르면, 직선의 유연한 튜브 부분을 다른 직선의 유연한 부재와 나란히 배치하는 단계, 유연한 튜브와 유연한 부재가 서로 감기도록 꼬는 단계, 및 유연한 튜브에 처리를 가하여 그 형상을 유지하도록 하는 단계를 포함하는, 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관의 제조방법이 제공된다.

이와 같은 방식으로 다른 유연한 부재와 서로 감기도록 꼬으면, 유연한 튜브 부분이 전술한 것과 같은 나선형 일부분의 형상을 취하는 것으로 밝혀졌다. 튜브 부분과 부재의 직경을 변화시킴으로써 나선형 부분의 상대 폭을 변화시킬 수 있고, 상기 부분과 부재의 조립품의 단부가 서로에 대해 상대적으로 꼬여진 각도를 변화시킴으로써 피치(pitch)를 변화시킬 수 있다.

유연한 튜브 부분은 튜브 부분이 감기도록 꼬는 단계에서 유연한 튜브 부분이 비틀림 또는 기타 바람직하지 않은 방식으로의 변형으로부터 방지되는 것이 좋고, 바람직한 실시예에서는 튜브 부분이 감기도록 꼬는 단계 전에 꼭 맞는 코일 스프링(coiled spring)이 튜브 부분에 삽입된다.

유연한 튜브 부분은 여러 가지 방법으로 그 형상을 유지하도록 처리를 가할 수 있다. 예를 들어, 초기에는 유연하지만 시간이 지나면서 고형으로 굳는 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 바람직한 형태에서는, (열경화성 플라스틱, UV-양생 수지, 등과 같이) 적절한 처리를 통하여 형상을 유지하도록 하는 재료로 형성된다.

특히 바람직한 형태에서는, 유연한 직선 부재가 제 2의 유연한 튜브 부분이 다. 이러한 방법은 동시에 두 개의 나선형 부분을 제조하고, 그 후 두 개의 별도의 나선형 부분으로 분리될 수 있다. 더욱이, 두 나선형 부분은 서로에 감겨 있고, 따라서 밀접히 접해 있는데, 이는 다양한 상황에서 유리할 수 있다.

파이프들이 같은 외부 직경을 가지면, 두 나선형 부분들은 동일할 것이다; 그러나, 두 나선형 부분들은 여기에서 구상한 것에 비해 큰 폭을 가질 것이다. 그러므로, 파이프들이 상이한 직경을 가져 더 큰 파이프로부터 형성된 나선형 부분이 그 내부 직경의 반 이하인 폭을 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

다른 측면에 따르면, 직선 파이프를 사출하기 위해 사출기(extruder)를 마련하는 단계, 사출된 파이프를 나선형 형상으로 성형하기 위해 사출기 하류에 성형 장치를 마련하는 단계, 및 사출기로 직선 파이프를 사출하고 성형 장치를 사용하여 파이프를 나선형 형상으로 성형하는 단계를 포함하는, 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관의 제조방법이 제공된다.

이 방법은 원재료로부터 나선형 부분을 직접 제조하는 이점이 있고, 사전에 형성된 직선 파이프를 성형할 필요를 배제한다. 연속되는 길이의 나선형 파이프를 제조할 수도 있다.

바람직한 형태에서는, 성형 장치가 회전하는 부재를 포함하되, 그 회전축이 일반적으로 사출의 축에 평행하고, 회전 부재는 파이프가 통과하는 홀을 구비하고, 홀은 그 중심이 회전축에서 이격되게 위치하며, 회전 부재는 파이프가 통과하면서 회전하도록 운전되어 파이프에 나선형 형상을 부여한다.

이 성형 장치의 사용은 파이프의 형태가 여러 가지 방식으로 다양화될 수 있 게 한다. 예를 들어, 사출기의 속력이 증가 또는 감소될 수 있고, 회전 부재의 회전 속도도 마찬가지이다. 더욱이, 다양한 회전 부재에 다양한 홀 위치가 사용될 수 있다.

회전 부재의 홀은, 회전축이 홀을 통과하지만 홀의 중심에서 이격되어 있어 나선의 폭이 배관의 내부 직경의 반 이하이고 상대적으로 일정한 나선형 부분을 형성하도록 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 장치 또한 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 나선형 맨드릴을 마련하는 단계, 나선형 맨드릴 주위에 유연한 파이프를 감아 파이프가 나선형 형태를 가지도록 하는 단계, 유연한 튜브에 처리를 가하여 그 형상을 유지하도록 하는 단계, 및 맨드릴에서 나선형 파이프를 제거하는 단계를 포함하는, 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관의 제조방법이 제공된다.

이 방법은 제조되는 파이프의 형상에 대해 상당한 통제를 가능하게 하고, 또한 전술한 "감아 꼬기" 방법과 비교하여 향상된 재생가능성을 가진다. 나선형 부분의 형태는 맨드릴의 형태 및 맨드릴과 유연한 파이프의 상대적 크기에 의해 결정된다.

파이프는 나선형 맨드릴보다 상당히 길며, 맨드릴의 일단부에 감기고 나선형 맨드릴을 따라 움직여지고 그 형상을 유지하도록 처리가 가해지고 맨드릴의 타단부에서 감아 떨어지게 하는 것이 바람직하다. 이로 인해 상기 방법은 전술한 것과 같은 배치형(batch) 과정 대신 연속형 과정으로의 사용이 가능해진다.

파이프의 외부 직경은 맨드릴의 내부 직경보다 커서, 제조되는 나선형 파이프의 폭이 파이프의 내부 직경의 반 이하이도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 나선형 맨드릴 또한 포함한다.

다른 측면에 따르면, 각각 직선의 중심선을 갖고, 단부의 면이 평행한 평면에 있지 않아 측면이 최장측과 최장측의 직경으로 반대에 위치한 최단측으로 이루어진, 복수의 짧은 배관 섹션(section)을 마련하는 단계, 한 섹션의 최장측이 다음 섹션의 최장측으로부터 약간 방사상으로 이격되도록 두 섹션을 잇는 단계, 및 각각 이전 섹션으로부터 동일한 양으로 방사상으로 이격되도록 짧은 섹션을 더 잇는 단계를 포함하는, 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관의 제조방법이 제공된다.

이전의 방법은 특정 재료의 파이프를 제조하는 데 제한된다. 대조적으로, 이 방법은 어떠한 적합한 재료로든 파이프를 제조하는데 사용될 수 있다. 이 방법은 특정 상황에서 필요할 수 있는 (예를 들어, 플라스틱 파이프는 그 강도가 부족한 경우) 금속 파이프를 제조하기에 특히 적합하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명될 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유체의 평면 내(in-plane) 혼합 향상, 체류 시간(residence time) 균일성 향상 등과 같이 여러 가지 이점을 제공할 수 있다.

도 1에 나타나 있는 튜빙(10)은 원형 단면, 외부 직경 D_E, 내부 직경 D_I, 및 벽 두께 T를 가진다. 튜빙은 (평균에서부터 최고 측면까지로 측정된) 일정한 폭 A, 일정한 피치 P, 일정한 나선 각도 θ, 및 스웹트(swept) 너비 W를 가지는 나선으로 말려 있다. 튜빙(10)은 세로로 늘어나 있고 나선의 스웹트 너비 W와 같은 너비를 가진 가상의 외피(envelope) 내에 담겨 있다. 외피(20)는 중심 세로축(30)을 가진 것으로 가정할 수 있고, 이는 나선형 회전축이라 부를 수 있다. 묘사된 튜빙(10)은 직선의 축(30)을 가지고 있지만, 이 축은 그와 달리 (이차원 또는 삼차원의) 커다란 반경의 만곡률을 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 튜빙은 중심 세로축(30) 주위로 나선형 경로를 따르는 중심선(40)을 가지고 있다.

폭 A가 튜빙의 내부 직경 D_I 미만인 것을 관찰할 것이다. 폭을 이 크기 미만으로 함으로써, 튜빙이 차지하는 측면 공간과 튜빙의 전체 길이를 상대적으로 적게 할 수 있고, 동시에 튜빙의 나선형 구성은 튜빙을 따라 유체의 소용돌이 유동을 촉진시킨다.

나선형 부분 내 유동의 특성을 확증하기 위해, 원형 단면을 갖는 폴리비닐 염화물(polyvinyl chloride) 튜빙을 사용하여 실험이 수행되었다.

[실시예 1]

도 1에 나타난 변수들과 관련하여, 튜빙은 외부 직경 D_E가 12 mm, 내부 직경 D_I가 8 mm, 그리고 벽 두께 T가 2 mm이었다. 튜빙은 피치 P가 45 mm, 나선 각도 θ가 8˚인 나선으로 말렸다. 폭 A는 두 개의 평평한 모서리 사이에 튜빙을 받치고 두 모서리 사이의 간격을 측정함으로써 확정하였다. 폭은 스웹트 너비 W에서 외부 직경 D_E를 차감함으로써 확정되었다:

따라서:

이 실시예에서, 스웹트 너비 W는 14 mm이었다, 따라서:

앞서 설명된 바와 같이, "상대 폭" A_R은 다음과 같이 정의된다:

이 실시예의 경우, 따라서:

튜브를 따라 물을 흐르게 하였다. 유동 특성을 관찰하기 위해, 튜브 벽을 방 사상으로 관통하는 두 개의 주사기(80, 82)를 사용하여 눈에 보이는 염료를 유동에 주입하였다. 주입 위치는 중심축(30) 근처에, 즉 유동의 "코어"에 위치한다. 하나의 주사기(80)는 붉은 잉크를 주입했고, 다른 주사기(82)는 푸른 잉크를 주입했다. 도 1에서 잉크 필라멘트(filaments)(84, 86)가 서로 꼬이는 것을 볼 것이고, 이는 코어에 소용돌이 유동이, 즉 일반적으로 나선형인 유동이, 있다는 것을 나타낸다. 도 1에 나타난 실험은 레이놀즈 수 R_E가 500인 경우로 수행되었다. 각각 레이놀즈 수가 250 및 100인 두 개의 추가 실험에서도 소용돌이치는 코어 유동이 관찰되었다.

[실시예 2]

잉크 필라멘트들(84, 86)이 튜빙의 벽 근처에서 방출되도록 주사기들(80, 82)이 배치된 것을 제외하고는, 이 실시예를 위한 변수들이 실시예 1에서와 동일하다. 도 2는 각각 레이놀즈 수 R_E가 500 및 250인 경우에 대해 벽 근처에서 잉크가 방출된 두 개 실험의 결과를 나타낸다. 두 경우 모두에서 잉크 필라멘트가 나선형 튜빙 형태를 따르는 것을 볼 것이고, 이는 벽 근처에 소용돌이가 있다는 것을 나타낸다.

[실시예 3]

별도의 연구에서, 내부 직경 8 mm의 직선 튜브와 내부 폭 A_R이 0.45인 내부 직경 8 mm의 나선형 튜브의 유동이 비교되었다. 두 경우 모두 레이놀즈 수가 500이었고, 0.2 ml의 지시약이 가는 튜브를 통하여 상류 단부에서 덩어리로 주입되었다. 지시약의 주입 후 경과한 시간을 나타내기 위해 유동이 디지털 시계와 같이 촬영되었다.

나선형 부분에 주입된 지시약 덩어리는 파이프를 따라 제한된 축 분산(axial dispersion)을 나타내며, 통일성을 유지하는 경향을 가졌다. 대조적으로, 직선 파이프에서는, (파이프의 중심 근처) 코어 유체의 지시약은 파이프를 빨리 벗어난 반면, 벽 근처 유체의 지시약은 파이프 벽에 남아 있는 경향을 가져 파이프를 벗어나는 데 더 오랜 시간이 걸렸다. 더욱이, 지시약은 직선 튜브보다 나선형 튜브에서 더욱 소형의 덩어리로 이동하였다. 이러한 발견은 모두 선형 튜브에서 튜브의 단면에 걸친 혼합 및 속도 프로필의 완곡이 있었음을 암시한다.

[실시예 4]

이 실시예의 실험들은 나선형 튜빙 및 중심선이 하나의 평면 내에서 일반적으로 사인 곡선의(sinusoidal) 경로를 따르는 튜빙 내의 다상 유동 비교와 관련되었다. 나선형 튜빙(중심선이 삼차원으로 만곡된, 즉 3D 튜빙)의 경우, 내부 직경은 8 mm였고, 외부 직경은 12 mm였으며, 스웹트 너비가 17 mm이어서, 상대 폭이 0.3125이었다. 피치는 90 mm이었다. 평면형, 물결-형상 튜빙(중심선이 이차원으로 만곡된, 즉 2D 튜빙)의 경우, 내부 직경은 8 mm였고, 외부 직경은 12 mm였으며, 물결 형상의 평면에서 측정된 스웹트 너비는 17 mm이었다. 피치는 80 mm로서, 3D 튜 빙의 경우와 크게 다르지 않았다. 2D 튜빙은 일반적으로 사인 곡선인 그 중심선이 수직 평면에 놓이도록 유지되어 결과적으로 상방으로 볼록하고 오목한 U-벤드들을 생성하였다.

3D 및 2D 튜브 모두 길이가 약 400 mm로서, 각 경우 4 내지 5 피치가 있었다. 양 튜브에서, 분당 450 및 900 ml(레이놀즈 수가 각각 1200 및 2400)의 수류(水流)에 대해 연구가 수행되었다. 모든 경우에 주사기를 사용하여 분당 3 ml의, 즉 분당 450 ml의 경우 수류(水流)의0.66%, 분당 900 ml의 경우 0.33%의 공기 유동이 인입되었다. 공기는 압축 공기 라인에서 유입되었고, 튜브들에 각각의 3D 및 2D 형태 시작 직전의 상류에서 주입되었다.

3D 튜빙 실험의 경우, 레이놀즈 수 1200에서 기포들은 크기가 약 2 내지 3 mm이었으며, 튜브를 따라 신속하게 이동하였다. 레이놀즈 수 2400에서는, 기포들이 약 5 내지 7 mm로 크기가 더 컸으나 점착하려는 경향 없이 튜브를 따라 이동하였다.

2D 튜빙의 경우 레이놀즈 수 1200 및 2400에서, 기포들은 3 내지 5 mm로 크기가 컸고, (튜빙 외부에서 봤을 때) 상방으로 볼록한 만곡부에서 점착하려는 경향이 있었다.

이 실험은 다상 유동에서 밀도가 낮은 유체가 3D 튜빙을 따라서는 이동되는 반면, 동일한 2D 튜빙에서는 밀도가 낮은 유체가 튜빙의 상부에 축적되는 경향이 있다는 것을 나타낸다.

앞서 논의된 바와 같이, 이러한 방법으로 유체가 나선형 부분으로 형성된 배관 부분에 인입되면, 소용돌이 유동이 매우 빨리 발생한다. 더욱이, 소용돌이 유동에는 파이프 벽의 유체와 파이프 중심의 유체 사이에 질량 전달과 함께 상당량의 이차 운동(secondary motion)과 유체 혼합이 포함된다.

이렇게 소용돌이 유동의 신속한 발생은 유동을 "개량"하여 나선형 부분의 하류에서 유익한 효과를 제공하도록 사용될 수 있다.

전술된 바와 같이, 삼차원 만곡을 가진 파이프의 사용은 삼차원 만곡에 의해 발생한 소용돌이 유동이 특정 유익을 제공할 수 있으므로 일반 (이차원) 엘보 벤드의 사용보다 유리할 수 있다. 그러나, 엘보 벤드를 삼차원 만곡을 가진 파이프로 단순히 대체하는 것은 일반적으로 가능하지 않다; 엘보 벤드의 유입 및 유출 파이프는 보통 동일한 평면에 위치하는데, 삼차원 만곡을 가진 파이프는 그러하지 않다. 그러므로, 삼차원 만곡을 가진 파이프가 엘보 벤드를 대신하여 사용될 경우, 유입 및 유출 파이프를 재배치하기 위한 상당량의 수정이 요구될 수 있다.

그러나, 전술된 나선형 부분이 일반 엘보 벤드 상류에 연결된다면 월등히 적은 수정으로 소용돌이 유동의 유익을 획득할 수 있다. 소용돌이 유동은 나선형 부분에서 신속하게 발생하며, 이 소용돌이 유동은 엘보 벤드 내에서 계속된다.

나선형 부분이 적은 폭을 가지므로, 이는 직선 파이프가 사용되는 대부분의 위치에서 소용돌이 유동의 유익을 제공하기 위해 유동을 "개량"하는 데 사용될 수 있다. 그 사용법이 엘보 벤드에 제한되지 않음에 유의해야 한다; T- 또는 Y- 접합부, 밸브, 및 어떤 종류의 배관 부품 앞에서도 사용될 수 있다.

이러한 방법으로 유동을 개량하는 것은 블라인드 엔드(blind end) 앞에서 특히 유용하다. 그러한 블라인드 엔드는 T- 또는 Y- 접합부에서 하나의 분기관이 차단될 때 (예를 들어, 밸브에 의해) 생성될 수 있다. 일반 유동에서는, 차단부 이전 부분의 유체가 정체되는 경향이 있는데, 이는 부식 등과 같은 문제를 야기한다. 그러나, 접합부 이전에 유동이 소용돌이치도록 하면, 소용돌이는 블라인드 엔드 내부까지 늘어난다. 이는 정체를 예방하고, 상기 문제들을 방지한다.

나선형 부분들을 사용하는 다른 방법은 이들을 리피터(repeaters)로 사용하는 것이다. 특정 상황에서는, 나선형 파이프의 연속적인 부분을 제공할 필요가 없을 수 있다; 대신, 직선 파이프는 그 길이 방향을 따라 여러 개의 짧은 나선형 부분을 구비할 수 있다. 각 부분은 통과하는 유체에서 소용돌이 유동을 유도할 것이다; 그러나, 유체가 직선 파이프를 통과하면서 이 소용돌이 유동이 사라지는 경향이 있을 것이다. 여러 개의 "리피터"를 제공하는 것은 소용돌이 유동 및 그에 따른 유익이 재발생하게 할 것이다.

이러한 종류의 나선형 배관 부분은 여러 가지 방법으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 직선의 유연한 튜브를 (장대와 같은) 직선의 경직 부재 주위에 감기도록 하여 나선으로 형성할 수 있다. 튜브는 그 다음 직선의 경직 부재에서 제거되고 나선의 축을 따라 스트레치(stretch)될 수 있다. 이러한 스트레칭은 피치가 증가되고 폭이 감소된다는 면에서 나선을 "피는(flattening out)" 효과가 있다. 그러나, 이러한 "피는" 과정은 나선을 변형시킬 수 있고, 따라서 이 방법은 바람직하지 않다.

대안의 방법으로, 도 3a 및 3b에서 개략적으로 나타난 바와 같이, 직선의 유 연한 튜브(100)가 (바람직하게는 원형의 단면을 가진) 다른 직선의 유연한 부재(110)와 나란히 배치된다. 튜브 및 부재의 단부는 서로 결합되어 있고, 그 다음 조립품은 꼬아지는데, 이는 튜브 및 부재 모두가 나선형 경로를 따르도록 하는 효과가 있다.

꼬아지는 단계에서 유연한 튜브 부분이 비틀림 또는 기타 바람직하지 않은 방식으로의 변형으로부터 방지되는 것이 좋다. 이를 위한 한 가지 방법은 꼬아지는 단계 전에 꼭 맞는 코일 스프링을 튜브에 삽입하는 것이다 (도 3a에 점선으로 묘사되고 도면번호 120으로 표시됨).

유연한 튜브는 (예를 들어, 열경화성 플라스틱, UV-양생 수지, 등과 같이) 그 형상을 유지하도록 적합한 처리를 가할 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 그러한 처리 이후, 튜브와 부재는 서로로부터 분리되어 형상을 유지할 적은 폭의 나선으로 형성된 튜브가 산출된다.

변형으로서, 두 개의 유연한 튜브가 나란히 배치되고 단부가 서로 부착될 수 있다; 양 튜브를 꼬는 것은 그러한 배관 부분 두 개를 형성하고, 이를 분리시켜 두 개의 개별 나선형 부분을 형성할 수 있다.

직선 파이프를 변형시켜 나선형 부분을 제조하는 방법의 대안으로, 나선형 부분을 파이프의 사출 중에 직접 나선형 부분을 형성하는 것이 가능하다. 이를 위한 장치가 도 4에 개략적으로 나타나 있다.

나타난 바와 같이, 장치는 직선 파이프(210)를 사출하는 기존 파이프 사출기(200)를 포함한다. 이러한 사출기는 널리 알려져 있는 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

사출기 유출구의 하류에는 관통홀(through-hole)(224)을 구비한 회전 부재(222)를 포함하는 장치(220)가 배치되어 있다. 관통홀은 회전 부재의 회전 중심이 관통홀 이내에 위치하지만 관통홀의 중심과는 일치하지 않도록 편심되게 위치된다. 회전 부재는 관통홀의 축이 사출되는 파이프의 축과 평행하도록 고정되고, 회전하도록 운전된다. 이것은, 예를 들어 웜 기어(worm gear)(226)에 맞물리는 회전 부재 둘레의 톱니, 또는 기타 적합한 운전 시스템에 의해 달성 가능하다.

사출기로부터 사출되는 파이프(210)는 관통홀(224)으로 인도되며, 파이프가 사출되는 동안 회전 부재(222)는 회전하도록 운전된다. 이 회전의 결과, 관통홀의 중심은 원형 경로를 그리도록 운전되고, 이는 사출되는 파이프가 나선형 형태를 가지게 한다. 관통홀이 회전 부재의 회전 중심을 포함하므로, 파이프는 전술된 바와 같이 적은 폭의 나선(230)으로 형성된다.

파이프가 나선으로 형성된 후, 그 형상을 유지하도록 처리를 가할 수 있다. 실무에서는, 파이프를 간단히 열경화성 재료로 사출할 수 있고, 이는 냉각하면서 나선형 형태로 굳게 될 것이다. 이러한 냉각은 물 분사 혹은 이와 유사한 방법으로 달성할 수 있다.

열경화성 파이프가 관통홀에서 늘어붙지 않도록 어떤 종류의 윤활제를 제공할 필요가 있을지 모른다. 특히, 파이프가 회전 부재를 통과하면서 비틀림을 겪지 않도록 윤활제가 요구될 수 있다.

나선의 구체적인 형상은 여러 가지 인자, 특히 사출 속도, 회전 부재의 회전 률, 및 관통홀의 편심 정도에 의존한다. 나선형 파이프의 요구되는 특정 형태를 얻기 위해 이들을 다양화할 수 있다.

나선형 부분을 형성하는 특히 바람직한 방법은 나선형 맨드릴의 사용과 관련되며, 도 5a 내지 5e에 나타나 있다.

도 5a는 이 방법에서의 사용을 위한 나선형 맨드릴을 개략적으로 나타낸다. 맨드릴은 나선으로 성형된 경직 막대를 포함한다. 묘사된 실시예에서는, 나선의 피치와 폭이 맨드릴의 길이에 걸쳐 일정하지만, 이들을 다양하게 할 수 있다.

나선형 부분을 형성하기 위해, 도 5b에 나타난 바와 같이, 외부 직경이 맨드릴(300)의 내부 직경보다 큰 직선의 유연한 파이프(310) 한 단위가 맨드릴(300) 주위에 감긴다. 도에 나타난 바와 같이, 파이프가 맨드릴 내의 공간보다 너비가 크므로, 그것은 나선형 형상을 취할 수 밖에 없다.

나선형 형태를 유지하도록 처리를 가한 후, 도 5c 및 5d에 나타난 바와 같이 파이프는 맨드릴에서 제거될 수 있다.

나타난 바와 같이, 나선형 부분의 피치는 맨드릴의 피치와 동일하다. 나선형 부분의 폭은 파이프 및 맨드릴의 직경에 의해 결정될 것이다.

전술한 설명은 나선형 부분을 형성하기 위한 배치(batch) 가공 방법과 관련되지만, 이 방법은 또한 연속적 작업에도 사용이 가능하다. 연속적인 길이의 유연한 파이프를 비교적 짧은 길이의 맨드릴을 통하여 인발할 수 있고, 인발되면서 그 형상을 유지하도록 처리를 가할 수 있다 (예를 들어, 열경화성 수지로 형성된 파이프를 가열함으로써).

이러한 방식으로 인발되면 파이프는 맨드릴에 대해 회전한다는 것이 실험으로 밝혀진 바 있다. 그러므로, 이 과정이 순조롭게 진행될 수 있도록 어떤 종류의 윤활제가 요구될 수 있다. 매우 큰 파이프 및 맨드릴에서는, 윤활제 대신 맨드릴에 롤러 베어링을 제공하는 것이 유리할 수 있다.

도 5e는 파이프가 인발될 때 파이프(310) 및 맨드릴(300)의 개략적 단면도이다. 나선형 맨드릴이 단부에서 그 축을 따라 관찰되므로, 원으로 나타난다; 마찬가지로, (더 큰 원형 단면을 가진) 파이프 또한 도에서 원으로 나타난다. 맨드릴이 점(320)에서 파이프의 외부에 접하는 것을 볼 것이고, 따라서 인발 과정에 간섭하지 않으면서 맨드릴은 하부에서 지지될 수 있다.

맨드릴은 어떠한 적합한 방식으로든 형성될 수 있고, 맨드릴을 형성하는 방법은 큰 부분 처리하는 파이프의 크기에 의존할 것이다. 상대적으로 작은 파이프를 위해서는, 막대를 원형 단면을 가진 부재 주위에 감음으로써 맨드릴을 형성할 수 있을 것이다. 큰 파이프를 위해서는, 예를 들어 CNC 밀링 머신(CNC milling machine)을 사용하는 것과 같이 맨드릴을 기계로 가공해야 할 수 있다.

전술된 방법들은 (열경화성 및 열가소성 재료와 같은) 특정 재료에 제한된다. 그러나, 이러한 재료는 강도가 낮은 경향이 있고, (해상(offshore) 또는 매우 고압의 유체가 운반되어야 하는 경우와 같이) 더욱 극심한 환경에서의 사용에는 아마 적합하지 않을 것이다. 적은 폭의 나선형 파이프가 그러한 환경에 사용된다면, 그것은 다른 방식으로 형성되어야만 한다.

고압 상황에서의 사용을 위한 적은 폭의 나선을 형성하는 한 가지 방법이 도 6a, 6b, 및 6c를 참조하여 나타나 있다.

직선의 고압 파이프를 형성하는 알려진 방법은 다수의 짧은 섹션들(section)로부터 형성하는 것이다. 각 섹션은 그 상류 및 하류 단부에 플랜지(flange)를 가지고, 이 플랜지는 서로 협동하여 섹션들을 서로 고정시킨다. 기존의 기술에서는, 섹션들의 단부들이 평행한 평면들에 위치하여 섹션들이 연결될 때, 결과로 이루어지는 파이프는 직선이다.

그러나, 세그멘트(segment)들은 또한 그 단부들이 약간 비스듬한 평면들에 위치하도록 형성될 수 있다. 이러한 종류의 세그멘트(400)는 도 6a에 나타난 바와 같이, 직경의 반대측(S_S)보다 약간 더 긴 일측(S_L)을 가질 것이고, 만곡된 파이프 및 전술된 나선형 파이프를 형성하도록 조립될 수 있다.

짧고 비스듬한 단부를 갖는 파이프 섹션으로부터 이차원 만곡을 가진 파이프(410)를 형성하려면, 하나의 섹션의 긴 측이 이전 섹션의 긴 측과 연결되고, 마찬가지로 짧은 측들이 서로 연결되도록 섹션들이 연결된다. 도 6b에 나타난 바와 같이, 이것은 이차원 만곡을 가진 파이프를 형성한다.

나선형 파이프(420)를 형성하려면, 섹션들은 유사한 방식으로 서로 연결되지만, 각 섹션은 이전 섹션에 대해 상대적으로 약간 회전되어 있다. 이것은 도 6c에 나타나 있는데, 그러한 섹션으로 형성된 나선형 파이프가 나타나 있다. 파이프의 좌측에는, 처음 몇 개의 섹션에 대해 긴 측 S_L이 나타나 있고, 섹션들 사이에 상대적 회전이 있음을 볼 것이다. 상대적 회전의 양이 나선의 피치를 결정하여, 적은 상대적 회전은 적은 나선 각도와 큰 피치를 갖는 나선을 형성하고, 큰 상대적 회전은 큰 나선 각도와 적은 피치를 갖는 나선을 형성한다.

파이프에서 적어도 하나의 단부가 완전한 원 대신 약간 타원형일 것을 이해할 것이다(평면과 원통의 축이 정확히 90˚가 아닌 각도로 교차하여 원통을 절단함에 의해 단부가 형성되므로). 바람직한 형태에서는, 양단부가 타원형이도록 형성되는데, 이것은 이차원 만곡의 형성을 더 용이하게 한다(세그멘트들 양단부의 타원형 면이 서로 상응하므로).

섹션들이 나선으로 조립되게 하기 위해, 서로 연결되는 단부 면 사이에 약간의 회전 및/또는 형상 변형을 수용할 수 있도록 단부 면에 어느 정도의 마련이 있을 필요가 있다. 이것은 어떤 적합한 방식으로든, 예를 들어 단부 면에 사용되는 탄성(elastomeric) 재료를 수단으로, 달성할 수 있다.

나선형 부분 내의 소용돌이 유동에 의해 형성되는 효과와, 특히 더욱 균일한 속도 프로필 및 향상된 혼합은 여러 상황에서 활용될 수 있다. 이에 더해, 나선형 부분의 전체 너비가 동일한 단면적의 직선 파이프에 비해 약간만 크므로, 나선형 부분은 직선 파이프가 보통 사용될 거의 어떠한 상황에서도 사용될 수 있다.

이러한 종류의 나선형 배관은 열교환기(heat exchangers)에서 사용될 수 있다. 이는 통상적으로 제1 유체가 통과하여 유동하는 상대적으로 지름이 큰 챔버(chamber)의 형태를 취한다. 챔버 안에는, 통상적으로 제1 유체보다 시원한 제2 유체가 유동하는 여러 개의 적은-직경 파이프가 설치되어 있다. 두 유체 사이에 열이 교환된다.

적은-직경 파이프를 나선형 배관으로 형성하는 것은 여러 개의 이점을 가진다. 우선, 나선으로 만곡된 파이프의 표면적은 동일한 길이의 직선 파이프의 표면적보다 어느 정도 크고, 따라서 열전달을 위해 이용할 수 있는 면적이 증가된다. 더욱 중요하게, 나선형으로-만곡된 파이프 내의 유체 혼합의 향상은, 제1 유체에 의해 가열된 파이프 벽에 있는 유체가 지속적으로 더 시원한 유체로 교체됨을 의미한다. 이것은 파이프 벽에 있는 유체가 벽 근처에 남으려는 경향을 가진 직선 파이프 내의 유동과 대조적이다. 혼합 효과는 나선형으로-만곡된 파이프 내의 유체 모두가 열 교환 과정에 참여하는 것을 가능하게 하며, 효율을 향상시킬 수 있다.

향상된 혼합이 도 7에 나타나 있는데, 나선형 부분과 그 후의 직선 하류 부분을 나타낸다. 부분들의 여러 지점에서 유동이 나타나 있다. 유동의 첫 단면은 나선형 부분으로의 유입시에 관한 것이다; 파이프의 중심에 있는 유체는 파이프 벽 근처의 유체에 비해 어둡게 표현되어 있다. 유체가 나선형 부분을 따라 이동하면서, 나선형 부분 내에서 상당량의 평면 내 혼합이 있다는 것을 볼 수 있고, 이 혼합은 나선형 부분의 하류에 있는 직선 부분에서 계속된다.

열교환기로 돌아와서, 여러 개의 "트위스티드 페어(twisted pairs)" 튜브로부터 열교환기를 형성하는 것이 가능할 것인데, 그러한 튜브형 부분을 형성하는 방법에 관해 앞서 논의된 바와 같다. 뜨거운 유체가 하나의 파이프 내에, 시원한 유체는 다른 파이프 내에 유동할 것이다. 튜브들의 밀접한 접촉은 열 교환이 매우 용이하게 이루어지도록 한다.

소용돌이 유동의 다른 이점은 (액체와 기체 혼합물의 유동에서와 같은) 다상 유동에서 관찰할 수 있다. 이러한 종류의 다상 유동은 비등점에 가까운 액체에서, 또는 오일과 기체 혼합물이 있는 석유 굴착과 같이 다수의 배경 하에서 일어날 수 있다. 오일과 물과 같이 밀도가 다른 두 비혼화성 유체의 유동에서, 또는 이러한 상황의 조합에서 또한 일어날 수 있다. 다상 유동은 종래 파이프 내에 여러 가지 문제를 야기할 수 있는데, 기체가 기포를 형성하고, 이는 그 부력에 의해 파이프의 상부에 축적되는 경향을 가진다. 기체가 충분히 축적되면 에어로크(air lock)가 형성하여 유동에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 마찬가지로, 두 비혼화성 액체의 유동에서, 밀도가 높은 유체가 파이프의 하부에 축적되어 유사한 문제를 야기할 수 있다.

다상 유동에서의 기체 축적에 있어 또 다른 문제는 "슬러깅(slugging)"을 야기할 수 있다는 것이다. 이 현상은 유동을 완전히 봉쇄할 정도로 기포가 파이프 배관에 쌓일 때 일어난다. 이러한 봉쇄에 접근하는 유체는 기체의 압력을 증가시키는 경향이 있고, 압력이 일정 수준에 다다를 때, 봉쇄가 갑자기 파괴된다. 이러한 "폭발"은 파이프 및 하류의 장치에 큰 충격 하중을 야기하며, 이는 심각한 손상을 야기할 수 있다. 사실, 산유 플랫폼(oil production platforms)은 그러한 부하에 대응하기 위해 일상적으로 과잉관리(over-engineer)된다.

그러나 소용돌이 유동에서는, 기포가 벽에 축적되는 것보다는 파이프의 중심에 남아 있으려는 경향이 있다. 이것은 소용돌이의 원심 효과의 결과인 것으로 사료된다; 유동에서 밀도가 높은 액체 부분이 파이프 벽을 향하고, 유동에서 밀도가 낮은 기체 부분이 파이프의 중심을 향하며 유체에 끌려간다(entrained). 다른 밀도 를 가진 유체가 합착(coalesce) 또는 정체(pool)할 기회가 더 적기 때문에 에어로크와 같은 봉쇄가 야기될 가능성이 더 적다. 기포가 파이프 벽으로부터 떨어지도록 유지되므로 슬러깅이 야기될 가능성 또한 월등히 낮다.

더욱이, 전술된 바와 같이, 나선형 배관의 소용돌이 유동에서의 기포들이 직선 파이프의 종래 유동의 것에 비해 더 작다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 다른 밀도의 두 비혼화성 액체에서도 유사한 효과가 발생할 것이다.

기포(또는 어떠한 밀도가 낮은 일부분)가 나선형 파이프의 중심으로 향한다는 사실은 유동의 기체 함유량 감소와 관련해서 추가의 이점을 제공한다.

나선형 파이프 내의 기체/액체 다상 유동에서, 기체가 파이프의 중심에서 매우 작은 단면적을 차지하는 것으로 밝혀졌다. 직선 파이프와 비교하여 보면, 단면에 걸친 기체의 농도는 감소되었고, 이 감소는 20 내지 30 퍼센트까지일 수 있다. (양 파이프에서 기체의 유동 속도(flow rate)는 동일함에 주의해야 할 것이다; 유동의 적은 단면적을 만회하기 위하여 기체의 유동이 직선 파이프 내에서보다 나선형 파이프 내에서 더 빠르다.)

기체 농도의 이러한 감소는, 예를 들어 펌프에서, 매우 유익할 수 있다. 펌프는 통상적으로 다상 유동에 대처할 수 있도록 디자인되지 않으며, 기체의 농도가 높은 경우 보통 잘 작동하지 않는다. 이러한 방법으로 나선형 파이프의 사용에 의해 유동 내의 기체 농도를 감소시키는 것은 펌프의 효율을 향상시킬 것이다.

다상 소용돌이 유동에서 얻는 또 다른 유익한 효과는 압력 강하의 감소이다; 수직 파이프에 대한 실험에서 직선 튜브 내의 압력 강하와 비교할 때 십 내지 이십 퍼센트의 감소를 획득하였다. 압력 강하의 감소는 또한 동일한 압력 차이에 대해 증가된 유량을 가능하게 하고, 따라서 유체를 펌프하는 데 요구되는 에너지량을 저감시킬 것이다.

소용돌이 유동으로 획득할 수 있는 더욱 균일한 속도 프로필 또한 여러 가지 이점을 수여한다. 파이프 벽 근처의 유동 속도는 직선 파이프의 종래 유동에서보다 높고, 따라서 파이프 벽에 고형물이 퇴적될 위험성이 더 적다. 이것은 배관이 슬러리(slurries) 등을 운반하는 데 사용되는 경우 특히 중요하다.

다양한 채광 및 채취 과정 중에서 밀도가 높은 입자형 고형물이 유체 현탁액(fluid suspension) 내에서 (예를 들어 슬러리 내에서) 운반되며, 통상적인 유동은 50% 고형물이다. 고형물이 현탁액으로부터 침전되는 것을 방지하기 위해, 레이놀즈 수를 꽤 높게 유지할 필요가 있다. 직선 파이프가 사용된다면, 침전을 방지하기 위해 유속이 상대적으로 높을 필요가 있고, 이는 슬러리를 펌프하는 데 사용되는 에너지를 더 요구한다. 그러나, 나선형 배관에서는, 침전의 위험성 없이 감소된 유속이 사용될 수 있고, 따라서 에너지 소비가 저감될 수 있다.

슬러리가 상당한 거리(수 킬로미터까지) 운반될 수 있음에 유의해야 하고, 필요한 유량 속도를 수용하기 위해 배관은 수 미터의 직경을 가질 수 있다. 나선형 배관의 유익한 효과는 이러한 규모의 배관에도 여전히 획득할 수 있다.

벽 근처의 증가된 유량 속도는 또한 극도로 바람직하지 않을 수 있는 바이오필름(biofilms)의 조성을 억제할 수 있다. 정체 구간(stagnation regions)이 형성될 위험성도 감소되는데, 정체 구간에서 부식이 발생할 수 있으므로, 부식의 위험 성도 감소된다. 이러한 유익한 효과는 모든 경우에 적용되고, 전술한 슬러리의 운반에만 적용되는 것이 아니다.

더욱이, 더욱 균일한 속도 프로필, 및 파이프 벽에서의 유체와 파이프의 중심에서의 유체 사이의 향상된 혼합에 의해 파이프 내 유체의 체류 시간이 훨씬 더 균일하다. 이것은 파이프 내의 유체에 어떤 방법으로 처리가 가해질 때(예를 들어, 가열, 냉각, 복사(irradiated) 등) 상당한 이점을 가지는데, 유체에 가해지는 처리의 효과가 더욱 균일할 것이기 때문이다. 대조적으로, 파이프 중심의 유동이 파이프 벽의 유동보다 빠른 통상의 파이프에서는, 체류 시간이 (유체가 중심 근처인지 벽 근처인지에 따라) 다양화될 것이다. 그러므로, 벽 근처에 있는 유체는 더 긴 체류 시간에 의해 파이프의 중심에 있는 유체에 비해 더 많은 정도 처리가 가해질 것이다. 이것은 상기 실시예 3의 설명에서 관찰할 수 있다.

나선에서의 소용돌이 유동과 관련되는 이차 운동 및 혼합의 다른 이점은 유동 불안정성(flow instability) 및 난류(turbulence) 생성의 억제이다; 이것은 실험적으로 밝혀진 바 있다. 더욱 균일한 속도 프로필의 또 다른 이점은, 그것이 축 분산 및 이 결과 다른 재료를 운반하는 데 동일한 배관이 사용될 때 발생하는 혼합을 감소시킨다는 것이다. 이것은 예를 들어 배치(batch) 가공 중 리액터(reactor)가 원료들로 채워질 때 발생할 수 있다.

축 분산은 알려진 문제이고, 파이프의 중심에 있는 유체가 파이프의 벽 근처에 있는 유체에 비해 현저히 빠른 층류(laminar flow)에서 특히 그러하다. 축 분산을 감소시키는 하나의 방법은 유동을 난류로 만드는 것인데, 이는 속도 프로필을 " 피는(flatten)" 경향이 있고 파이프에 걸쳐 속도를 더욱 균일하게 한다; 그러나, 이것은 또 다른 문제를 야기할 수 있는데, 몇몇의 유체(예를 들어, 고분자(macromolecules)의 현탁액)는 난류에 의해 손상을 받을 수 있기 때문이다.

배관에서 나선형 부분의 사용은 배치(batch)의 축 분산 감소를 가능하게 하고, 종래 파이프에서보다 최고 농도에 월등히 일찍 도달하게 한다. 이러한 특징은 적은 배치(batch) 규모에서 특히 중요하다.

이러한 효과는 식료품 가공 및 의약품 제조에 있어서 특히 유익하다.

식료품 가공에서는 통상적으로, 식료품 배치(batches)가 직선 파이프를 통해 운반된다. 그러나, 속도 프로필 때문에, 파이프의 중심에 있는 재료는 파이프의 벽 근처에 있는 재료에 비해 더 빠른 속도로 이동하는 경향이 있을 것이다. 대조적으로, 나선형 배관이 사용되면, 파이프의 중심 근처에 있는 재료와 파이프의 벽 근처에 있는 재료의 향상된 혼합이 있어, 배치(batch)가 더욱 "통일성 있게(coherent)" 유지된다. 이것은 배치(batches) 간의 변경(change-over) 시간을 감소시키고, 또한 배치(batches) 사이에 파이프를 세척하는 데 필요한 시간을 감소시킨다(설명된 바와 같이, 침전물 조성의 위험성을 감소시키고 기타 유익한 효과를 제공하기도 한다).

의약품 제조 또한 직선 파이프를 따르는 재료의 운반과 관계가 있는 한, 나선형 배관을 사용함으로써 동일한 유익한 효과를 획득할 수 있다.

나선형 부분은 석유화학(petrochemical) 가공 플랜트(plant)에서 또한 사용될 수 있다. 이들이 사용될 수 있는 하나의 특수한 분야는 "크래커(crackers)"이 다. 다수의 분해(cracking) 과정은 공급 원료에 존재하는 것보다 더 많은 분자를 산출하며, 수득량(yield)은 분자들이 재결합(recombining)하는 것을 방지하기 위해 저압 환경(low pressure environment)에 의존한다. 이것은 퀀치 타워(quench tower)에서 제품을 냉각하고, 분해로(cracking furnace)에서, 퀀치 타워를 통해, 분해 기체 압축기(cracked gas compressor)로의 압력 손실을 최소화함으로써 달성할 수 있다(수득량은 압력 손실에 반비례하므로). 직선 파이프를 대신한 나선형 부분의 사용은 압력 손실을 저감시키고, 따라서 수득량을 증가시킨다. 물론, 나선형 부분은 석유화학 가공 플랜트의 다른 분야에서 또한 사용될 수 있다.

더욱이, 유동의 향상된 평면 내 혼합에 의해, 이러한 종류의 나선형 파이프는 혼합기(mixers)로 사용될 수 있다. 제1 유체가 나선형 파이프에서 운반될 수 있고, 제2 유체가 분기관을 통해 도입될 수 있다. 분기관 또한 나선형 파이프일 수 있는데, 이 경우 두 파이프가 동일한 "핸디드니스(handedness)"를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 향상된 혼합은, 더욱 균일한 체류 시간과 조합할 때, 나선형 파이프가 리액터 튜빙의 역할을 수행할 수 있음을 의미한다.

나선형 배관의 구체적인 실시예가 상술되었으나, 배관의 사용이 이러한 실시예에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 사실, 상기 배관은 그것이 수여하는 이점(더욱 균일한 속도 프로필, 향상된 평면 내 혼합, 감소된 축 분산, 감소된 정체, 등)이 유익할 수 있는 어떠한 실시예에서든 사용될 수 있다.

도 1은 나선형 부분에서의 유동에 관한 실험에 사용된 튜빙을 나타낸 도면;

도 2는 도 1과 유사하지만 다른 실험과 관련된 도면;

도 3a 및 3b는 나선형 파이프의 제 1 제조방법을 나타내는 도면;

도 4는 나선형 파이프의 제 2 제조방법을 나타내는 도면;

도 5a 내지 5e는 나선형 파이프의 제 3 제조방법을 나타내는 도면;

도 6a 내지 6c는 나선형 파이프의 제 4 제조방법을 나타내는 도면;

도 7은 나선형 부분 내에서 및 하류에서 발생하는 평면 내(in-plane) 혼합을 나타내는 도면.

Claims (14)

1. 오일과 기체의 혼합물을 포함하는 다상 유동을 운반하기 위해 이용되며,

   그 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관을 제조하는 방법으로서,

   직선의 유연한 튜브 부분을 다른 직선의 유연한 부재와 나란히 배치하는 단계;

   상기 유연한 튜브와 상기 유연한 부재가 서로 감기도록 꼬는 단계; 및

   상기 유연한 튜브에 처리를 가하여 그 형상을 유지하도록 하는 단계를 포함하는 배관 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 꼬는 단계에서 상기 유연한 튜브 부분이 비틀림 또는 기타 바람직하지 않은 방식으로의 변형으로부터 방지되는 배관 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 튜브 부분이 감기도록 꼬는 단계 전에 꼭 맞는 코일 스프링이 상기 튜브 부분에 삽입되는 배관 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유연한 튜브 부분이 열경화성 플라스틱, UV-양생 수지, 등과 같이 그 형상을 유지하도록 처리를 가할 수 있는 재료로 형성된 배관 제조방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유연한 직선 부재가 제2의 유연한 튜브 부분인 배관 제조방법.
6. 오일과 기체의 혼합물을 포함하는 다상 유동을 운반하기 위해 이용되며,

   그 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관을 제조하는 방법으로서,

   직선 파이프를 사출하기 위해 사출기를 마련하는 단계;

   사출된 파이프를 나선형 형상으로 성형하기 위해 상기 사출기 하류에 성형 장치를 마련하는 단계; 및

   상기 사출기로 직선 파이프를 사출하고 상기 성형 장치를 사용하여 상기 파이프를 나선형 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 배관 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 성형 장치는 회전하는 부재를 포함하되, 그 회전축이 일반적으로 사출의 축에 평행하고, 상기 회전 부재는 상기 파이프가 통과하는 홀을 구비하고, 상기 홀은 그 중심이 상기 회전축에서 이격되게 위치하며, 상기 회전 부재는 상기 파이프가 통과하면서 회전하도록 운전되어 상기 파이프에 나선형 형상을 부여하는 배관 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 회전 부재의 홀은 상기 회전축이 상기 홀을 통과하되, 나선 부분을 제공하도록 그 중심이 상기 회전축에서 이격되게 위치하며,

   상기 나선의 폭은 상기 배관의 내부 직경의 절반 이하이고, 길이 방향을 따라 상대적으로 일정한 배관 제조방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법을 수행하기 위한 장치.
10. 오일과 기체의 혼합물을 포함하는 다상 유동을 운반하기 위해 이용되며,

    그 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관을 제조하는 방법으로서,

    나선형 맨드릴을 마련하는 단계;

    상기 나선형 맨드릴 주위에 유연한 파이프를 감아 상기 파이프가 나선형 형태를 가지도록 하는 단계;

    상기 파이프에 처리를 가하여 그 형상을 유지하도록 하는 단계; 및

    상기 맨드릴에서 상기 나선형 파이프를 제거하는 단계를 포함하는 배관 제조방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 파이프는 상기 나선형 맨드릴보다 상당히 길며, 상기 맨드릴의 일단부에 감기고 상기 나선형 맨드릴을 따라 움직여지고 그 형상을 유지하도록 처리가 가해지고 상기 맨드릴의 타단부에서 감아 떨어지게 하는 배관 제조방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 파이프의 외부 직경은 상기 맨드릴의 내부 직경보다 커서, 제조되는 상기 나선형 파이프의 폭이 상기 파이프의 내부 직경의 반 이하인 배관 제조방법.
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항의 제조방법에서의 사용을 위한 나선형 맨드릴.
14. 오일과 기체의 혼합물을 포함하는 다상 유동을 운반하기 위해 이용되며,

    그 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관을 제조하는 방법으로서,

    각각 직선의 중심선을 갖고, 단부의 면이 평행한 평면에 있지 않아 측면이 최장측과 상기 최장측의 직경으로 반대에 위치한 최단측으로 이루어진, 복수의 짧은 배관 섹션(sections)을 마련하는 단계;

    한 섹션의 최장측이 다음 섹션의 최장측으로부터 약간 방사상으로 이격되도록 두 섹션을 잇는 단계; 및

    각각 이전 섹션으로부터 동일한 양으로 방사상으로 이격되도록 짧은 섹션을 더 잇는 단계를 포함하는, 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르는 일부분을 포함하는 배관의 제조방법.

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