KR101168777B1 - 복수의 관형 어레이를 구비한 열교환기 - Google Patents

Abstract

열교환 장치는 하우징과, 하우징 내에 마련된 유체 도관의 제1 어레이와, 하우징 내에 마련된 유체 도관의 제2 어레이를 포함한다. 유체 도관의 제1 어레이와 제2 어레이는 제1 유체를 운반하도록 구성되어 있다. 상기 열교환 장치는 또한 하우징 내에 마련된 제1 유체 통로를 포함하며, 여기서 제1 유체 통로는 하우징의 내측면과 배플 플레이트에 의해 형성된다. 제1 유체 통로는 제2 유체를 운반하도록 구성되어 있다. 배플 플레이트는 제1 유체 통로를 제1 유동 경로와 제2 유동 경로로 분할하도록 구성되며, 유체 도관의 제1 어레이는 제1 유동 경로를 통해 연장하며, 유체 도관의 제2 어레이는 제2 유동 경로를 통해 연장한다.

Description

복수의 관형 어레이를 구비한 열교환기{HEAT EXCHANGER HAVING PLURAL TUBULAR ARRAYS}

본 발명은 일반적으로 열교환기와 이 열교환기를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

평행한 튜브의 대형 어레이를 구비하는 열교환기 및 열교환 화학 리액터가 해당 분야에 공지되어 있다. 이렇게 공지된 종래의 디자인 관례가 표준으로 정착되었다. 참고에 의해 본원에 병합되는 미국 특허 제6,497,856호에는 천연 가스, 프로판, 액화 석유 가스(LPG), 알코올, 나프타 및 다른 탄화수소 연료로부터 수소를 생성하기 위한 열교환 화학 리액터(heat exchange chemical reactor)가 교시되어 있다. 전형적인 산업적 용례는 반도체 제조를 위한 금속 공정 산업에서 암모니아 합성과 다른 화학 처리를 위한 공급 원료를 포함하며, 다른 산업적 용례는 석유 탈황과 표준 가스 시장에 사용하기 위한 수소 생산을 포함한다. 종래의 산업용 수소 발생기에 의해 생성되는 것보다 더 소규모에서 저가의 수소에 대한 수요는 소규모 수소 생성 장치[< 15,000 시간당 표준 입방 피트(scfh)]의 시장을 필요하게 만들었다. 이러한 수요는 고정식 및 이동식 발전기 연료로서 수소를 필요로 하는 전기 화학적 연료 전지를 사용하는 발전기용 연료로서 수소를 필요로 하는 수요에 의 해 가중되었다.

참고에 의해 본원에 병합되는 2003년 5월 13일자로 출원된 미국 특허 출원번호 제10/436,060호에는 고온 고압에서 작동되는 것과 같은 관형 열교환기에 있어서 쉘측 유체 누출과 바이패스를 줄이는 비용 효과적인 열교환 구조체를 제공하는 바람직한 열교환 장치가 개시되어 있다. 상기 미국 특허 출원번호 제10/436,060호의 도 1에는 제1 튜브시트(3)와 제2 튜브시트(4) 사이에 밀봉 가능하게 연결되어 있는 튜브(2) 어레이를 포함하는 관형 열교환기 코어가 도시되어 있다. 제1 유체는 튜브(2)의 어레이를 통해 제1 튜브시트(3)에 밀봉 가능하게 고착된 유입 매니폴드로부터 제2 튜브 시트(4)에 고착된 제2 매니폴드 바깥으로 흐른다. 튜브(2)의 어레이는 튜브의 외측면 상에 제2 유체가 튜브(2)의 어레이의 축에 대해 거의 수직인 유동을 초래하도록 사용되는 유동 안내 배플(flow directing baffle) 혹은 플레이트(5)가 마련되어 있다. 배플들 모두는 유체 통로 외측으로 확장하는 소형 확장부(18)와 각각의 유체 스테이지에서 핀이 형성된 영역을 구비한다. 상기 확장부(18)는 제2 유체의 흐름을 안내하기 위한 내화 닥트(refractory ductwork)와 정합하도록 제공된다. 상기 미국 특허 출원번호 제10/436,060호의 도 2에는 예컨대, 시트 커버 팬(20, 30)과 열교환기의 외측 셀의 일부 즉, 배플의 일부(13-16, 19)를 형성하는 다양한 배플들의 부분 등의 하우징 부재에 의해 형성된 하우징(100) 내부에서 상기 유동의 향상된 집배를 제공하는 구조가 도시되어 있다. 상기 하우징(100)은 누설이 제로인 상태를 달성할 수 있다.

그러나, 본 발명의 발명자는 상기 미국 특허 출원번호 제10/436,060호에 개 시된 열교환 장치가 본 발명에 의해 향상될 수 있는 소정의 용량 제한을 갖는다는 것을 발견하였다. 상기 미국 특허 제6,497,856호와 미국 특허 출원번호 제10/436,060호에 개시된 개질 장치(reformer) 기술에서 가장 큰 제한 요인이 아닐 경우, 열 응력 관리가 가장 큰 요인들 중 하나이다. 개질 장치는 높은 열 응력 하에서 작동하는 경향이 있기 때문에, 리액터가 적절한 크기로 밀봉될 때 튜브 어레이 전반에 걸쳐 높은 압력 강하(즉, 압력 변화 △P)가 배플과 팬 배관에 큰 응력을 가할 수 있다. 이렇게 큰 응력은 서비스 온도에서의 크리프로 인해 영구적인 파손으로 이어진다. 상기 압력 강하는 부수적인 큰 팬 영역을 지닌 열교환기 스테이지 영역의 단면적을 간단히 증가시킴으로써 저하될 수 있지만, 상기 응력은 동일한 압력 부하에 대해 대형 팬에서 현저히 더 크게 된다. 따라서, 단지 열교환기 스테이지 면적을 증가시키는 것만으로 적절한 해결책을 제공하지 못한다. 추가적으로, 리액터가 적절한 크기로 밀봉될 때, 돌출 버너 박스는 팬의 큰 크기와 버너로부터의 외팔보 힘으로 인한 높은 응력에 의해 성가시게 될 것이다. 더욱이, 매우 큰 리액터는 매우 두꺼운 튜브시트를 필요로 할 것이다. 이러한 두껍고 튼튼한 튜브시트는 고가일 뿐만 아니라 강성이 매우 높다. 따라서, 비록 참고에 의해 본원에 병합되는 미국 특허 공개번호 제2003/0173062A1호에 개시된 바와 같이 큰 오프셋 구멍을 최소화시킬 수 있지만, 이러한 구멍을 관통하여 연장하는 튜브 어레이를 손상시키는 것을 방지하기 위해 튜브시트에 상기 구멍을 형성하는 작업이 요구된다. 이러한 큰 관통구는 튜브 어레이의 우회를 초래함으로써 개질 장치의 효율성을 제한한다.

따라서, 전술한 용량 제한을 극복한 열교환 구조를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

수소의 생성, 특히 연소 공기가 물 가스 전환 공정(water gas shift process)의 냉각에서 예열되는 미국 특허 제6,623,719호의 공정에 따른 수소의 생성에 있어서, 화염 온도, 물 가스 전환 처리 온도, 증기 개질 장치 유입구 온도의 동시적인 제어는 극히 어려울 수 있다. 양호한 온도 조건에서의 이탈은 불량한 연료 전환, 높은 열 응력, 과도한 부식, 그리고 시스템 내에서 증기의 국부적인 응축과 재비등(reboiling)과 관련한 문제를 초래할 수 있다. 이러한 결핍은 시동, 정지 및 부하 변화 등의 일시적인 작동 동안 특히 문제가 심각하다. 따라서, 양호한 작동 온도로부터 바람직하기 못한 이탈을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

미국 특허 제6,623,719호에서, 일부 열에너지는 프로세스 응축기 내에서의 물 가스 전환 공정 이후에 폐열로서 대기로 소실된다. 이러한 폐기된 열에너지는 수소 처리의 작업 비용을 바람직하지 못하게 증가시키며, 기후 변화 가스의 방출량을 증가시킨다. 따라서, 경제적으로 제조하기 쉽고 수소 발생 공정의 작동 능력에 부적절한 영향을 미치지 않는, 그러한 추가의 폐열을 회수하기 위한 장치와 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 그 내부에 제1 유체 통로가 구비되어 있는 하우징을 포함하는 열교환 장치를 바람직하게 제공한다. 제1 유체 통로는 하우징의 내측면과 배플 플레이트에 의해 형성되어 있다. 제1 유체 통로는 제2 유체를 운반하도록 구성되어 있다. 유체 도관의 제1 어레이와 유체 도관의 제2 어레이가 하우징 내에 마련되어 있다. 유체 도관의 제1 어레이와 유체 도관의 제2 어레이는 제1 유체를 운반하도록 구성되어 있다. 배플 플레이트는 제1 유체 통로를 제1 유동 경로와 제2 유동 경로로 분할하도록 구성되며, 유체 도관의 제1 어레이는 제1 유동 경로를 통해 연장되고, 유체 도관의 제2 어레이는 제2 유동 경로를 통해 연장된다.

본 발명은 또한 하우징과 제1 유체 통로를 포함하는 저부 모듈과, 과열기 섹션, 보일러 섹션 및 예열기 섹션을 포함하는 동시에 그것을 관통하여 연장하는 추가의 유체 통로를 구비하는 상부 모듈을 바람직하게 제공한다. 상부 및 저부 모듈과 그 내부의 유체 통로는, 상부 및 저부 모듈을 통한 자연스러운 양력을 생성하여 개질 장치 내측의 압력을 줄이기 위해, 통로를 통해 유동하는 가열된 유체의 부력을 유리하게 이용하는 수직 배열을 지닌다. 이상적으로, 개질 장치 하우징 내측에 진공이 형성된다. 이러한 효과는 또한 배기 팬을 추가시킴으로써 보충될 수 있다.

본 발명은 또한 모든 작동 모드 동안 처리 온도의 정확한 동적 제어를 용이하게 하기 위한 공기 흐름 전환 수단(air diverting means)과 그것의 사용 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 미국 특허 제6,623,719호의 공정과 비교하였을 때 향상된 열 회수를 용이하게 하기 위해 본 발명의 리액터 혹은 미국 특허 제6,497,856호의 리액터로 밀접하게 기계적으로 통합될 수 있는 열 회수 공기 예열기를 제공한다. 독립적으로 혹은 더욱 바람직하게는, 공기 흐름 전환 수단과 관련되는 향상된 열 회수 수단을 작동시키는 방법이 또한 제공된다.

본 발명의 완벽한 이해와 본 발명의 부수적인 많은 장점들은 아래의 상세한 설명 특히, 첨부 도면과 관련한 설명을 참조하면 쉽사리 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 제1 실시예의 전방 단면도이다.

도 2a는 도 1의 열교환기의 상부 모듈과 저부 모듈의 측면도이다.

도 2b는 열교환기의 변형예의 측면도이다.

도 3a는 본 발명의 상부 모듈용 컨테이너의 개략도이다.

도 3b는 본 발명의 저부 모듈용 컨테이너의 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 제2 실시예의 전방 단면도이다.

도 5는 도 1로부터 분리하여 나타낸 보강 튜브 영역의 일부의 확대 단면도이다.

도 6은 가열 핀을 구비한 튜브 어레이를 확대 단면도이다.

도 7은 다양한 절연층과 쉘 케이싱을 구비한 열교환기에 있는 저부 모듈 하우징의 단면도이다.

본 발명의 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명될 것이다. 아래의 설명에서, 실질적으로 동일한 기능과 구성을 지닌 부품들에는 동일한 참조 번호가 병기되어 있으며, 반복적인 설명은 필요할 경우를 제외하고는 생략할 것이다.

도 1에는 저부 모듈(20)을 포함하는 열교환기(10)가 도시되어 있으며, 상기 저부 모듈(20)은 제1 관형 열교환기 코어(30)와 제2 관형 열교환기 코어(40)를 지 닌다. 제1 코어(30)는 제1 튜브시트(50)와 제2 튜브시트(60) 사이에 밀봉 상태로 연결되어 있는 실질적으로 평행한 도관 혹은 튜브 어레이(32)를 포함한다. 제2 코어(40)는 제1 튜브시트(50)와 제2 튜브시트(60) 사이에 밀봉 상태로 연결되어 있는 실질적으로 평행한 도관 혹은 튜브 어레이(42)를 포함한다. 제1 유체는 튜브(32) 어레이와 튜브(42) 어레이의 튜브들을 통해 제1 튜브시트(50)에 인접하게 마련된 복수 개의 유입 매니폴드(51)들 중 한 매니폴드로부터 제2 튜브시트(60)에 인접하게 마련된 복수 개의 제2 매니폴드(61)들 중 한 매니폴드 바깥으로 흐른다. 매니폴드(51, 61)는 도 2a에 매니폴드 파이프(52, 62)에 연결된 상태로 도시되어 있지만, 그 대안으로 상기 매니폴드들은 각각의 튜브시트에 밀봉 가능하게 고착된 하나 이상의 챔버일 수 있다. 본 발명의 상기 실시예에서, 튜브(32, 42) 어레이의 하나 이상의 튜브 열들은 단일 유입 매니폴드(51) 및/또는 단일 유출 매니폴드(61)에 고착될 수 있다. 예컨대, 튜브(32) 어레이의 2개의 튜브 열들은 단일 유입 매니폴드 파이프(51)와 단일 유출 매니폴드 파이프(61)에 유체 연통 가능하게 연결될 수 있다.

튜브 어레이(32, 42)에는 그 튜브의 외측면에 튜브 어레이(32, 42)의 축에 대해 거의 수직으로 제2 유체의 유동을 초래하는 유동 안내 배플 혹은 플레이트(34, 36)가 설치되어 있다. 제1 유체를 운반하는 튜브 어레이를 가로질러 제2 유체의 횡단 흐름의 여러 연속한 단계들을 생성하기 위해 하나 이상의 배플(34, 36)이 설치될 수 있다. 배플(34, 36)은 저부 모듈(20)을 통해 제2 유체의 사행 유동을 제공하도록 구성되어 있다. 배플(34)은 저부 모듈(20)의 중앙 부분을 가로질러 연장되고, 저부 모듈(20)의 외측면에 유체 간격(35)을 제공한다. 배플(36)은 2개의 배플(36)들이 동일한 높이에서 저부 모듈(20) 내에 설치되도록 구성되어 있기 때문에 2개의 배플(26)들은 저부 모듈(20)의 측면으로부터 내측으로 연장되고, 중앙 유동 간격(37)을 제공한다. 따라서, 제2 유동은 2방향으로 갈라져 배플(34) 둘레로 흐르도록 안내되어 유동 간격(36)을 통과한 다음, 중앙 부분에서 다시 합류되어 도 1의 유동 화살표에 표시된 바와 같이 중앙 유동 간격을 통해 흐른다. 도 1의 배플(34, 36)은 양호하게는 직사각형 평면 형상으로 되어 있다. 도 1의 관형 어레이(32, 42)는 직사각형과 유사하며, 비록 본 발명은 관형 어레이와 직사각형 평면 도형을 지닌 배플에만 한정되지 않고, 임의의 원하는 평면 형태로 이루어질 수 있다.

저부 모듈은 유입구(110)에서 유출구(120)로 연장되는 하측 유동 통로(80)와 유입구(140)에서 유출구(150)로 연장되는 상측 유동 통로(90)를 포함한다. 하측 유동 통로(80)에서, 제2 유체의 흐름은 관형 어레이(32, 42) 사이의 중앙 부분 내에 배치되어 있는 유입구(110)를 통해 유입한다. 배플(34)은 하측 유동 통로(80) 내에서 제2 유체의 분할을 초래하기 때문에, 제1 유동 경로(82)가 배플(34)의 한쪽 측면 둘레에 생성되고 제2 유동 경로(84)가 배플의 다른 쪽 측면 둘레에 생성된다. 제1 유동 경로(82)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부는 관형 어레이(32)를 통과하도록 지향되고, 제2 유동 경로(84)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부는 관형 어레이(34)를 통과하도록 지향된다. 제1 유동 경로(82)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부와 제2 유동 경로(84)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부는 중앙 부분에서 합류되어 유출구(120)를 통해 빠져 나간다. 상측 유동 통로(90)에서, 제2 유체의 흐름은 관형 어레이(32, 34) 사이에 중앙 부분 내에 배치되어 있는 유입구(140)를 통해 유입된다. 배플(34)은 상측 유동 통로(90) 내에서 제2 유체의 분할을 초래하기 때문에, 제1 유동 경로(92)가 배플(34)의 한쪽 측면 둘레에 생성되고 제2 유동 경로(94)가 배플의 다른 쪽 측면 둘레에 생성된다. 제1 유동 경로(92)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부는 관형 어레이(32)를 통과하도록 지향되고, 제2 유동 경로(94)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부는 관형 어레이(34)를 통과하도록 지향된다. 제1 유동 경로(92)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부와 제2 유동 경로(94)를 따라 이동하는 제2 유체의 일부는, 이들이 간격(37)을 통해 흐름 분리가 반복되는 다음 레벨로 상향으로 진행하게 되는 중앙 위치에서 합류된다.

도 1에는 참고에 의해 본원에 병합되는 상기 미국 특허 제6,497,856호의 유동 구조를 제공하도록 구성된 열교환기 코어가 도시되어 있다. 배플(34, 36)은 간단한 역류식 혹은 평행 유동식 열교환과 같은 임의의 종류의 희망하는 유동 패턴을 실행하도록 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 유동 배치에서, 제2 유체의 유동은 밀봉 영역(70)에 의해 2개의 별도의 유동 통로로 분할된다. 도 1에서, 내열 펠트 개스킷의 밀봉 방법은 하측 유동 통로(80)와 상측 유동 통로(90) 사이의 밀봉 영역(70)에 사용된다. 제2 유체는 공기를 포함하는 제2 유체에 연료를 첨가하는 공정과 그 결과로 생긴 혼합물을 연소시키는 공정 등과 같은 몇몇 중간 공정 이후에 상기 양 통로를 통해 흐를 수 있거나 또는 별개의 제3 유체가 통로들 중 하나로 유입될 수 있다. 어느 한 경우, 유동 통로(80, 90) 내의 스트림의 유체 압력은 상이 하게 될 것이고, 이에 따라 압력 구배는 밀봉 영역(70)을 가로질러 빠져나갈 것이다.

또한, 열교환 핀(33, 43)은 열교환 면적을 증가시키고, 부식을 방지하고, 그리고 튜브에 기계적 지지부를 제공하기 위해 관형 어레이(32, 42)에 있는 튜브의 외측면 상에 유리하게 설치될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 열교환 핀은 관형 어레이(32)의 튜브 모두를 가로질러 연장되는 플레이트와, 관형 어레이(42)의 튜브 모두를 가로질러 연장하는 플레이트일 수 있거나, 혹은 상기 핀은 도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 튜브 어레이(32, 42)의 하나 이상의 열의 튜브에 있는 모든 튜브를 가로질러 연장되는 스트립 모양의 플레이트(혹은 경사형 핀)(700)로 구성될 수 있다. 상기 스트립 모양의 플레이트(700)는 횡류 스테이지(cross-flow stage) 전반에 걸친 열 구배가 튜브(42) 상에 유해한 기계적 응력을 부여할 정도로 충분히 높게 되는 상황에 바람직하다. 열 응력이 손상되지 않는 상황에서, 더 많은 튜브 열들이 조립 시간과 열 교환기에 드는 비용을 줄이기 위해 단일 핀에서 바람직하게 에워싸여 있다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 튜브 어레이(32, 42)의 튜브 열들은 저부 모듈(20)의 상측에서 단일 튜브(51)(관형 유입 매니폴드라고도 칭함)에 각각 연결되고 그 다음 모든 튜브(51)는 유입 매니폴드(52)에 연결되며, 튜브 어레이(32, 42)의 튜브 열들은 저부 모듈(20)의 하측에서 단일 튜브(61)(관형 유출 매니폴드라고도 칭함)에 각각 연결되고 그 다음 모든 튜브(61)는 유입 매니폴드(62)에 연결된다. 튜브 어레이(32, 42)에서 각각의 튜브 열은 개개의 튜브(51, 61)에 각각 연결되어 있기 때문에, 열팽창 동안, 개개의 튜브(51, 61)에 의해 유입 매니 폴드(52)와 유출 매니폴드(62) 상의 어떤 응력을 감소시키기 위해 열교환 핀용 스트립 모양의 플레이트(700)를 사용하는 것이 바람직하다. 튜브시트의 평면에 있는 2개의 축에 차등 열팽창 응력을 부과하는 상기 미국 특허 제6,497,856호의 견고한 튜브시트와 비교할 때, 본 발명의 매니폴드(51, 61)는 단 하나의 축에 차등 팽창 응력을 바람직하게 가한다. 따라서, 미국 특허 공개번호 제2003/0173062 A1호에 개시된 열팽창의 효과를 줄이기 위한 방법은 우회하는 유동량을 줄인 상태로 유리하게 이용할 수 있다. 이러한 장점의 중요성은 열교환기의 물리적 크기가 증가함에 따라 증가한다.

도 1에서 볼 수 있는 명백한 하나의 특징은 배플 플레이트의 다양한 크기에 있다. 배플 플레이트(34, 36)는 간격(35, 37)을 통한 상기 방향으로의 흐름을 허용하면서 튜브에 평행한 제2 유체의 흐름을 방지한다. 완전한 배플 플레이트(72, 74)가 밀봉 영역(70)의 어느 한 측면에 설치되고, 튜브 어레이(32, 42)에 평행한 임의의 제2 유체의 흐름을 방지한다. 도 1에 도시된 모든 배플 플레이트(34, 36, 72, 74)는, 배플 플레이트가 접하는 각각의 유체 스테이지 내의 핀이 설치된 영역과 유동 통로 외측으로 연장하는 동시에 하우징 부재에 장착되어 있는 소형의 확장부(38)[배플 플레이트(34)의 확장부는 도 1에 도시 생략되어 있지만 하우징(100)의 전방 및 후방 측면을 따라 연장됨)와 함께 형성된다. 상기 확장부(38)는 내화 절연물과 결합하고 그리고 상기 특허 출원 번호 제10/436,060호의 방법과 마찬가지로 도관 작업 구조체를 위한 열팽창 수단을 제공하기 위해 마련된다.

도 1 및 도 2a에는 시트 커버 팬(102) 등의 하우징 부재에 의해 형성된 하우징(100)이 도시되어 있다. 본 발명의 하우징(100)은 누출이 제로가 되는 상태를 얻을 수 있다. 하우징(100)은 커버 팬(102)의 인접하는 가장자리들이 결합되어 있는 위치에 플랜지 조인트들을 설치함으로써 구성된다. 플랜지 조인트는 또한 배플(34, 36)의 확장부(38)가 인접하는 커버 팬(102)의 가장자리 사이에 끼워지게 되는 위치에 형성된다. 플랜지 조인트(104)는 용접, 브레이징(brazing), 접착제 접착, 롤 성형 등의 방법이나 또는 당업자에게 명백한 다른 방법에 의해 유체가 스며들지 않도록 형성될 수 있다. 커버 팬의 가장자리들과 배플(34, 36) 사이의 조인트에 있는 플랜지 조인트를 용접 혹은 롤 성형하는 것이 특히 유리한데, 그 이유는 커버 팬의 플랜지형 가장자리들이 차등적인 열팽창 하에서 탄성적으로 편향되어 조립체 상의 응력을 완화하고 배플, 팬 혹은 이들 양자의 영구 변형을 방지할 수 있기 때문이다. 본 발명의 상기 실시예는 튜브 어레이에 평행한 탄성 굽힘과 수직인 탄성 굽힘을 유리하게 수용한다.

본 발명의 변형예에서, 하나 이상의 커버 팬(102)은 볼트, 나사, 혹은 다른 분리 가능한 고정 장치에 의해 고착될 수 있다. 이러한 실시예에서, 인접한 커버 팬(102) 사이에 그리고 커버 팬(102)과 배플 플레이트(34, 36)의 확장부(38) 사이에 고정식 밀봉 부재를 설치하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 변형예의 장점은 커버 팬이 열교환 어레이(32, 34)를 포함하는 열교환기 코어를 조사 및/또는 세척하기 위해 분리될 수 있다는 데 있다. 이 특징은 몇몇 열교환기 서비스 조건 하에서 오염물의 부식 혹은 석출이 높을 것으로 예상되는 곳에 매우 바람직할 수 있다.

본 발명의 커버 팬(102)은 작동 조건에 부합하는 임의의 재료로 제작될 수 있다. 그러나, 금속 시트 원료로부터 배플 팬을 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 그 다음, 플랜지 특징부는 통상적인 시트 금속 공정을 사용하여 매우 용이하게 형성되며, 유체 조인트가 용이하게 형성될 수 있다.

도 2a에는 하측 유동 통로(80)의 유출구(120)와 상층 유동 통로(90)의 유입구(140) 사이에 버너(130)가 설치된 도 1의 열교환기(10)가 도시되어 있다. 하측 유동 통로(80)는 제2 유체를 열교환기로 주입하는 유입구(110)를 구비하며, 상측 유동 통로(90)는 제2 유체를 상부 모듈(200)로 배출하는 유출구(150)를 구비한다. 열교환기(10)는 제2 매니폴드(62)로부터 나온 가열된 제1 유체를 사용하여 유입구(110)보다 이전에 있는 제2 유체를 가열하는 공기 예열기(160)를 선택적으로 포함한다. 이러한 선택적인 실시예에 있어서, 제2 유체는 저온 연소 공기 유입구(170)로 유입되고, 통로(172)를 따라 공기 예열기(160)로, 그 다음 유입구(110)로 이동할 수 있거나 혹은 제2 유체는 통로(174)를 따라 저온 연소 공기 유입구(170)로부터 버너(130)로 직접 이동할 수 있다. 통로(172, 174)를 따른 제2 유체의 유동은 밸브(180)에 의해 제어되며, 이 밸브는 예컨대, 양쪽 밸브(180)에 연결된 제어 연동 장치(182)를 구동하도록 구성된 액츄에이터 혹은 밸브(180)를 독립적으로 제어하도록 구성된 개개의 액츄에이터에 의해 제어되는 비례형 나비 밸브일 수 있다. 상기 밸브(180)는 하측 유동 통로(80)의 유출구(120)에서 배출되는 제2 유체의 온도와 버너(130)로 유입하는 제2 유체의 온도를 제어한다. 변형예에서, 2개의 밸브는 변환 밸브 혹은 선택기 밸브로서 다양하게 언급되고 공지된 밸브 등과 같은, 통로(172, 174) 사이의 유동을 연속적으로 조정하는 단일 밸브로 교체될 수 있다. 변형예에 따르면, 하나의 통로에는 연속적으로 조정하는 밸브가 마련될 수 있는 반면에 다른 하나의 통로에는 밸브를 설치하지 않아도 좋다. 이 실시예에서, 시스템에서의 압력 손실은 바람직하게 줄어들지만 유동 변화의 범위는 불리하게 감소한다. 이러한 변형례는 2개의 통로 사이에서 단지 작은 동적 유동비 범위를 원하는 상황에서 바람직할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 열 교환기(10)는 수소 생성을 위해 사용되고, 튜브(32, 42)에는 상기 미국 특허 제6,497,856호에 개시된 바와 같은 적절한 촉매가 공급된다. 본 실시예에 따르면, 제1 유체는 참고에 의해 본원에 병합되는 미국 특허 제6,623,719호 뿐만 아니라 제6,497,856호에 개시된 바와 같은 촉매, 비등온 물 가스 전환 반응을 겪은 다음 저부 모듈(20)의 하측 유동 통로(80)에 해당하는 영역을 빠져나간다. 상기 2개의 미국 특허 제6,497,856호와 제6,623,719호는 제1 유체가 실질적으로 단열 조건 하에서 작동하는 물 가스 전환 리액터 내에서 추가로 반응할 수 있다는 것을 교시하고 있다. 미국 특허 제6,497,856호에서, 이러한 리액터는 하측 유동 통로(80)에 해당하는 영역의 유출구에서 튜브시트에 선택적으로 덧붙여질 수 있다. 그러나, 미국 특허 6,497,856호의 견고한 튜브시트는 열교환기에 열 응력을 바람직하지 못하게 전달하여 그것의 수명을 단축시키거나 아니면 열교환기 내에서 부적절한 열 효과를 경감시키기 위해 넓은 범위에 미치는 조치를 요구할 수 있다. 매니폴드 파이프(62)로부터 제1 유체의 배출에 후속하는 물 가스 전환 반응의 실행을 위한 별도의 반응 용기를 제공하는 것이 유리하다. 이러한 목적에 적합한 리액터 용기와 부속 연결 수단들은 당업자에게 잘 알려져 있다.

미국 특허 제6,497,856호와 제6,623,719호의 방법에 따라 양호하게 실행되는 추가의 물 가스 전환 반응에 후속하여, 제1 유체는 상당량의 현저한 열과 증기 응축과 관련한 잠열을 보유한다. 이러한 열이 제2 유체에 의해 회수될 경우, 미국 특허 제6,497,856호와 제6,623,719호에 따라 수소를 발생시키기 위해 필요한 연료 소모를 바람직하게 줄인다. 따라서, 공기 예열기를 설치하는 것은, 전술한 연료 사용 감소를 달성할 수 있고, 연료비가 비쌀 때 혹은 CO₂ 등의 부산물 가스의 방사를 원하지 않을 때 바람직할 수 있다.

도 2a의 실시예는 제1 유체로부터 회수되는 열의 양과 적어도 하나의 다른 지점의 온도의 독립적인 제어를 바람직하게 할 수 있도록 해준다. 예컨대, 제2 유체가 연소 공기인 수소 발생기의 경우, 공기의 유량은 매니폴드 파이프를 통해 하측 유체 통로(80)에 해당하는 영역을 빠져나오는 제1 유체의 희망 온도를 얻기 위해 조절될 수 있다. 이러한 제어 정도는 후속하는 물 가스 전환 리액터에서 반응 조건의 미세 조절을 바람직하게 허용할 수 있다. 따라서, 리액터의 작동 특징은 최소 크기, 최대 수소 생성, 최저 메탄화 속도 등이 생기게 하도록 최적화될 수 있다. 버너(130)로 향하는 연료의 유량을 동시적으로 변화시킴으로써, 상측 유동 통로(90)에 해당하는 상측 증기 개질 영역으로 향한 유입구(140)에서의 화염 온도도 또한 제어될 수 있다. 이는 튜브(32, 42)에 의해 겪은 최대 온도의 폐쇄 제어를 바람직하게 허용하며, 이에 따라 열교환기의 수명이 증가되도록 해준다.

온도의 추가적인 제어는 다양한 열교환 요소의 열전달 용량을 선택함으로써 바람직하게 달성할 수 있다. 따라서, 버너(130)로 향한 혼합형 버너 유입구에 있는 공기의 온도는 버너 조립체를 위한 최대 허용 한계 이하에서 조절될 수 있다. 상측 유동 통로(90)에 해당하는 증기 재질 영역으로 향한 유입 매니폴드(52) 내의 혼합된 증기와 연료의 온도는 또한 상기 미국 특허 제6,497,856호와 제6,623,719호의 교시에 따른 성능을 최적화시키기 위해 조절될 수 있다. 이는 또한 유입구(140)에서의 화염 온도와, 물 가스 전환 온도와, 그리고 열교환기의 설계를 적절하게 만듦으로써 버너 유입구에 있는 공기의 온도를 또한 유지하면서 달성될 수 있다. 이러한 프로세스의 제어 정도는 밸브(180)를 이용하는 수소 발생기의 작동상의 안정성이 매우 높아지도록 해주며, 공기 예열기의 설치 유무에 상관없이 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 상기 제어 밸브(180)는 미국 특허 제6,497,856호와 제6,623,719호에 개시된 것과 같은 양호한 프로세스 조건으로부터 크게 벗어나지 않고 완전한 설계 유량과 다른 조건에서 작동되는 본 발명의 수소 발생기를 위한 놀라운 능력을 제공한다. 더욱이, 본 발명의 조절 밸브와 공기 예열기는 관련된 분야의 증기 개질 장치와 물 가스 전환 리액터와 함께 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 조절 밸브(180)와 공기 예열기(160)를 이용하는 수소 발생기는 공기 예열기 내에서 제1 유체와 제2 유체 사이의 열교환량이 제1 유체 내의 수증기의 현저한 응축을 야기하기에 불충분하게 설계되어 있다. 이 실시예는 물 분리기 내에서 시스템으로부터 제거될 때 응축수의 갑작스런 플래싱(flashing)을 원하지 않는 상황에서 바람직하게 적용할 수 있다. 이것은 상 전이(phase transition)에 의해, 응축수를 방출하기 위해 사용된 밸브의 증가된 마모 에 의해 발생된 부당한 소음으로 인해 혹은 고온 응축수의 취급에 있어서의 부식 관계 혹은 밸브 내구성으로 인한 것일 수 있다. 부속 버너 공기 유입구 온도가 허용 한계를 초과하는 조건 하에서 응축을 배제하기 위해 열교환을 제한하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 따라서, 비록 소비 연료의 절약이 결정적인 인자가 되는 경우에 응축 공기 예열기에서의 더 큰 열교환이 바람직할 수 있지만, 다른 상황들이 비응축 예열기 사용을 더 바람직하게 만들 수 있다. 공기 예열기의 열교환 표면과 하측 유동 통로(80)에 해당하는 열교환 영역의 특징들은 해당 분야의 종사자들에게 공지된 기술을 사용하여 소망하는 열 플럭스를 얻기 위해 선택될 수 있다.

도 2b에는 열교환의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 실시예는 도 2a의 공기 예열기(160), 저온 연소 공기 유입구(170), 및 밸브를 포함하지 않지만 유입구(110)로의 연결과 통로(122)를 경유한 유출구(120)와 버너(130) 사이로의 연결이 더욱 간단하다는 점만 제외하고 도 2a의 실시예와 동일하다.

본 발명의 조절 밸브는 시동, 정지 및 공정 동안 수소 플랜트의 조작에 특별한 장점을 제공한다. 시동 중에, 도 2b의 도시된 변형예에서는 모든 버너 공기를 간이화된 도관을 통해 공급해야만 한다. 이러한 기류는 제1 유체에서 나온 바람직하지 못한 다량의 열을 제거하며, 이 열을 제거하지 못했을 때는 하측 유동 통로(80)에 해당하는 영역과 후속하는 물 가스 전환 리액터의 온도를 증가시키기 위해 사용되었을 것이다. 이러한 열 제거는 제1 유체 통로 내에서의 광범위한 응축을 초래할 수 있다. 이러한 응축은 제1 유체의 흐름을 바람직하지 못하게 방해할 수 있다. 그것은 또한 튜브(32, 42)와, 사용시 차후의 물 가스 전환 리액터 내에 배치된 촉매에 물리적 혹은 화학적 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에서, 조절 밸브(180)가 설치된 수소 플랜트는 하측 유동 통로(80)에 해당하는 영역을 통과하는 제2 유체 유동을 실질적으로 줄일 수 있으며, 이에 따라 제2 유체의 냉각을 줄이고, 응축을 감소시키며, 시동에 필요한 시간을 단축시킬 수 있다.

정지 및 공전 중에, 조절 밸브는 전술한 바와 같이 제1 유체의 온도를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 시스템 작동의 세부 사항에 따라, 차단 및 공전 조건은 바람직하지 못한 고온 혹은 저온 발생 위험성이 존재할 수 있다. 더욱이, 제2 유체 공급부로 향한 바람직하지 못한 역류가 또한 발생할 수 있다. 조절 밸브를 적절하게 사용함으로써 이러한 조건들을 완전히 피할 수 있다. 수소 생성을 위한 작동 모드에서 고온 공전 작동으로의 전이에서 플랜트를 작동하기 위한 양호한 방법은 통로(172)를 통한 유동을 허용하는 반면에 상측 통로(174)를 통한 흐름을 차단하기 위해 밸브(180)를 사용하는 것이다. 유입구(170)를 통한 공기의 공급은 또한 종결된다. 이러한 상태에서, 통로(172, 174) 사이에서 가열된 공기의 부력은 상기 밸브 혹은 고착된 배관으로 바람직하지 못한 열 이동을 유발하지 않을 것이다. 그 대신, 통로(172)와 예열기(240) 사이의 정압 차이는 부적절한 가열 밸브(180) 없이 어떤 기류라도 통로(172)로부터 예열기로 이동할 수 있도록 해준다.

모든 도면에는 다각형 튜브 어레이의 전체 측면을 하나의 패널로 덮는 커버 패널이 도시되어 있다. 몇몇 응용에서, 열교환 코어의 치수와 관련되는 서비스 압력과 온도는 하나 이상의 측면에 복수 개의 서브 패널을 제공하는 것을 바람직하게 만든다. 이것은 주어진 코어 플레이트 두께에 대한 기계적인 응력을 유리하게 감소시키고 추가적인 열팽창 조인트를 제공한다. 따라서, 주어진 위치에 마련된 커버 플레이트의 수와 두께는 국부적인 온도와 응력 조건에 알맞게 변경될 수 있다.

도 1에는 본 발명의 열교환기 밀봉 영역(70)이 도시되어 있다. 이 밀봉 영역(70)은 배플 플레이트(72, 74)에 의해 구획된다. 밀봉 영역(70)은 내화 펠트 시일(78)과 하나 이상의 팽창성 재료(76)의 층을 포함한다. 압력차는 하측 유동 통로(80)와 상측 유동 통로(90) 사이를 빠져나가기 때문에, 내화 펠트 시일(78)은 누설과 열 응력을 줄인다.

본 발명은 상측 유동 통로(90)로 유입하는 유체가 800℃의 팽창성 재료에 대한 서비스 한계보다 높은 온도이고, 하측 유동 통로(80)를 빠져나가는 유체가 팽창 성 재료에 대한 서비스 한계보다 낮은 온도인 경우에, 특히 유리한 밀봉 영역(70)을 바람직하게 포함한다. 이 실시예에서, 배플 플레이트(72, 74) 사이의 간격에는 성형 가능한 내화 섬유로 캐스팅되거나 느슨한 내화 펠트로 채워진 내화 펠트 개스킷(78) 등의 하나 이상의 내화재 층으로 충전되어 있다. 이러한 내화재는 상측 유동 통로(90)와 접촉 상태로 있는 배플(74)과 긴밀하게 접촉되어 있다. 이러한 내화재는 튜브 어레이(32, 42)의 튜브, 배플(74) 및 하우징(100)의 내측면과 초기에 밀봉식 접촉 상태로 설치되어 있다. 그 다음, 팽창성 재료(76)의 하나 이상의 층은 내화재(78)와 배플(72) 사이에 제공된다. 팽창성 재료(76)는 이것의 과열을 방지하기 위한 열 단열체로서 작용하는 충분한 내화물(78)에 의해 상측 유동 통로(90)로부터 분리되어 있다. 2개의 배플은 해당 분야에 공지된 바와 같은 배플 지지 로드로의 연결부 등의 기계적 수단에 의해, 튜브(32, 42)와 긴밀한 접촉 상태로 있는 확장된 열교환 핀의 층들 사이의 기계적인 포획에 의해 혹은 당업자에게 공지된 다른 수단에 의해 실질적으로 고정된 기계적 관계로 유지된다.

300℃보다 높은 온도로 가열하자마자, 팽창성 재료(76)는 배플(72, 74)의 표면에 대해 수직으로 팽창한다. 이러한 팽창은 내화물(78)을 상당히 높은 압력에 노출시킨다. 이러한 압력 하에서, 내화물(78)은 그것이 설치될 때보다 더 높은 밀도로 압축된다. 더욱이, 내화물(78)은 이러한 압력에 의해 튜브 어레이(32, 42)의 튜브와 하우징(100)의 내측면과 향상된 밀봉식 접촉 상태로 강제된다. 하우징(100)의 커버 플레이트는 실질적으로 고정되어 있기 때문에, 튜브에 평행한 방향으로의 팽창성 재료(76)의 팽창은 균일한 압력을 내화 펠트 재료(78)에 작용하는 균일한 압력으로 전환된다.

내화재(78) 두께의 선택과 팽창성 재료(76)의 양의 선택은 문제의 내화물(78)의 원하는 압축, 사용되는 내화물의 예상된 수축, 팽창성 재료(76)의 팽창 특징, 및 배플, 팬(하우징) 및 이들의 기계적 지지물의 기계적 강도에 의해 정해진다. 따라서, 예상된 열교환기의 정확한 타입과 그것의 작동 조건에 유일하게 적합할 수 있는 많은 상이한 조합이 가능하다.

특별히 양호한 팽창성 매트 제품이 가열된 가스의 유동에 의한 부식에 내성을 갖도록 형성된다. 따라서, 본 발명의 포획된 팽창성 시일은 부식에 의한 파괴에 대해 본질적으로 내성을 갖는다.

저부 모듈(20)의 상측 유동 통로(90)의 유출구(150)는 저부 모듈(20) 위에 설치된 상부 모듈(200)의 매니폴드 섹션(210)에 결합되어 있다. 이 유출구(150)는 슬립 조인트(202)에 의해 혹은 유체 밀봉을 제공하고 열팽창 차이를 허용하는 다른 수단에 의해 매니폴드 섹션(210)에 연결되고, 설치 장소 예컨대, 섬유 혹은 금속 벨로우즈에 쉽게 연결되는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2a에 도시된 매니폴드 섹션(210)은 경사진 측벽(212)과 경사진 전방벽(214)을 포함한다. 이러한 경사는 사용된 부품의 치수에 의해 결정되고, 임의의 방법으로 본 발명을 한정해서는 안 된다.

유출구(150)에서 나온 제2 유체는 매니폴드 섹션(210)으로 유입된 다음에 과열기(220)를 거쳐, 보일러 섹션(230)을 경유하여, 그리고 예열기 섹션(240)을 통해 운반되고, 그 다음 상부 모듈(200)을 빠져 나간다. 상부 모듈(200)은 제1 유체가 유입 매니폴드(52)로 유입되기 전에 제1 유체를 가열하기 위해 저부 모듈에서 유출되는 가열된 제2 유체에서 나온 열을 사용한다. 상부 모듈(200)은 가열된 제2 유체의 자연적인 부력의 장점을 취할 수 있는 수직 방식으로 배향되어 있지만, 선택적인 배출 팬(250)은 강제된 양력을 생성하고 저부 모듈(20) 내부의 압력을 줄이기 위해 상부 모듈(200)의 유출구(242)에 마련될 수 있다. 따라서, 진공은 제2 유체에 관해서 저부 모듈(200) 내에 형성될 수 있다.

제1 유체는 예열기 섹션(240)을 통해 연장되는 파이프(244)를 경유하여 액체로서 상부 모듈(200)로 유입된다. 상기 제1 유체는 예열기 섹션(240) 내의 제2 유체에서 나온 열을 흡수한 다음, 파이프(246)를 경유하여 보일러 섹션(230) 내의 보일러(232)로 이동한다. 제1 유체는 보일러 섹션(230) 내에서 제2 유체로부터 열을 흡수함으로써 보일러(232) 내에서 액체로부터 가스로 변환된다. 그 다음, 가스상의 제1 유체는 파이프(234)를 매개로 과열기 섹션(220)으로 이동하며, 이곳에서 제1 유체는 과열기 섹션(220)을 여러 번 통과하는 파이프(222)를 따라 이동한다. 그 다음, 제1 유체는 파이프(224)를 경유하여 과열기 섹션(220)에서 유입 매니폴드(52)로 이동한다. 하나 이상의 추가적인 유체는 공정 중에 임의의 지점에 주입될 수 있다. 이러한 유체는 액체이거나 또는 기체일 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 추가의 유체는 수소를 생성하기 위한 수소 공급 원료이다.

도 3a 및 도 3b에는 본 발명에 따른 상부 모듈(200)용 컨테이너와 저부 모듈(20)용 컨테이너가 개략적으로 도시되어 있다. 이 컨테이너는 본 발명의 열교환기(10)를 효율적으로 운반 및 조립하기 위해 수단으로서 사용된다. 컨테이너(300)는 상부 모듈(200)을 위해 제공되고, 이때 상부 모듈(200)은 제조 플랜트에서 컨테이너(300) 내부에 내장되고 컨테이너(300) 내에서 조립 장소로 운반된다. 이와 유사하게, 컨테이너(400)는 저부 모듈(20)을 위해 제공되고, 이때 저부 모듈(20)은 제조 플랜트에서 컨테이너(400) 내부에 내장되고 컨테이너(400) 내에서 조립 장소로 운반된다. 컨테이너(300, 400)가 조립 장소에 도착하면, 저부 모듈 컨테이너(400)는 적절한 최종 위치에 위치하고, 그 다음 상부 모듈 컨테이너(300)는 저부 모듈 컨테이너(400)의 상부에 적층된다. 양호하게는, 도 3b에 개략적으로 도시된 장착 구조물(410) 등의 얼라인먼트 혹은 장착 구조물이 상부 모듈컨테이너(300) 및/또는 저부 모듈 컨테이너(400)에 설치되어 있다. 저부 모듈 컨테이너(400) 위에 상부 모듈 컨테이너(300)를 적층함으로써, 상부 모듈(200)은 슬립 조인트(202)에 의해 저부 모듈(20)에 결합될 것이다. 도시는 생략하였지만, 배기 팬(250)은 또한 상부 모듈(200)의 상부에 이것을 용이하게 운반 및 조립하기 위해 사용될 수 있는 운반 및 조립 컨테이너에 내장될 수 있다.

도 4에는 매니폴드 섹션이 저부 모듈의 상측 유동 통로로부터 2개의 유출구(152)를 수용하도록 변경되어 있는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 실시예에 있어서, 상측 유동 통로 내의 횡류 스테이지(cross-flow stage) 수는 저부 모듈을 빠져나가는 흐름이 도 1에 도시된 바와 같은 중앙에 배치된 유출구(150)로부터가 아니라 측면으로부터 바깥으로 이동하도록 변형되어 있다. 도 4에 도시된 매니폴드 섹션(500)은 일반적으로 수직 측벽(152)을 갖지만, 벽의 경사는 부품의 상대 치수에 의해 결정될 것이고, 반드시 이것에만 한정되지 않는다. 매니폴드 섹션(500)은 슬립 조인트(502)에 의해 혹은 수직방향의 열팽창 차이를 수용할 수 있고 설치 장소에서 쉽게 연결되는 다른 몇몇 수단에 의해 저부 모듈에 연결되는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 4에 도시된 실시예에 있어서, 상측 유동 통로(90)의 유입구(140)에 인접한 열교환기의 영역은 열교환기에서 가장 뜨거운 부분이다. 이러한 고온 영역에, 보강된 튜브(600) 영역을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 도 5는 도 1의 보강 튜브(600)의 영역의 일부를 확대 도시한 단면도이다. 보강 튜브(600)의 영역에서, 제1 튜브 어레이(32)와 제2 튜브 어레이(42)의 양자 어레이 내의 튜브들에는 튜브의 파괴를 초래하는 크리프 응력이 발생하게 될 고온 영역 내에서 튜브 어레이(32, 42)의 튜브에 강도를 부가하는 외측 슬리브(602)가 마련되어 있다. 이 러한 지지 슬리브는 튜브(32, 42)와 슬리브 사이에 전단 응력을 바람직하게 전달하지 못하기 때문에 열교환기 내의 총 응력을 감소시킨다. 그것은 또한 금속 온도를 더 높게 유지하기 위해 사용되는 재료의 양을 바람직하게 감소시킨다. 그것은 또한 튜브와 지지 슬리브를 위한 상이한 재료를 사용할 수 있도록 바람직하게 허용해준다. 따라서, 제2 유체 조건 하에서 품질 저하에 대한 내성이 향상된 재료가 지지 슬리브를 위해 선택될 수 있는 반면에, 제1 유체 조건에 최적인 재료가 튜브 자체를 위해 선택될 수 있다.

제1 유체로의 열교환 감소 없이 제2 유체의 유량의 감소를 허용하기 위해 버너의 화염 온도를 1050℃ 내지 1250℃ 사이의 범위로 증가시키는 것이 (미국 특허 제6,497,856호에 설명된 프로세스에 비해) 바람직하다. 제2 유체의 유량을 감소시킴으로써, 열교환기를 통한 압력 강하는 바람직하게 감소된다. 유체의 온도가 너무 높을 때, 열전달은 거의 방사방향으로 이루어지기 때문에 (압력 강하를 증가시키는) 열교환 핀은 불필요하게 된다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예의 보강 튜브(600)의 영역 내에는 열전달 핀이 설치되지 않는다. 외측 보강 슬리브(602)의 사용은 제2 유체의 온도가 약 900℃, 보다 양호하게는 1000℃ 이상일 때가 바람직하다. 외측 보강 슬리브(602)는 압입법, 급속 유압 혹은 기계적 팽창 방법, 혹은 튜브의 외측면과 외측 보강 슬리브의 내측면 사이의 억지 끼워 맞춤을 형성하는 다른 방법을 사용하여 튜브 어레이(32, 42)의 튜브들의 외측면 상에 위치 설정될 수 있다.

도 7에는 다양한 절연층들과 셀 케이싱을 지닌 열교환기의 저부 모듈(20)의 하우징의 단면도가 도시되어 있다. 본 발명은 복수 개의 절연 내화 보드(800) 블록으로 형성된 제1 절연층을 포함한다. 내화 보드(800)의 블록들은, 예컨대 마스킹 테이프(masking tape) 등의 접착제(802)에 의해 커버 팬(102)의 외측면에 임시로 고착될 수 있다. 내화 보드(800)의 블록들은 커버 팬(102)의 외측면에 고착되어 있기 때문에 하우징(100)의 전체 혹은 실질적으로 전체의 외측면은 내화 보드(800)로 덮이게 된다. 접착제(802)는 제1 케이싱(810)이 내화 보드(800)와 하우징(100)의 외측면 상에 장착될 때까지 적소에 내화 보드(800)를 유지하기 위해 사용된다. 제1 케이싱(810)은 내화 보드(800)를 적소에 유지시킨다. 제1 케이싱은 파스너를 사용하여 서로 결합되는 아연 도금된 복수 개의 패널로 구성되는 것이 바람직하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 또한 복수 개의 절연 내화 보드(820) 블록으로 형성된 제2의 절연층을 포함한다. 내화 보드(820)의 블록들은 제1 절연층의 내화 보드(800)의 블록보다 바람직하게 더 크며, 제1 층의 내화 보드(800)의 블록과 바람직하게 중첩되기 때문에 보드(800)들 사이의 임의의 간격은 보드(820)에 의해 덮이게 된다. 내화 보드(820)의 블록들은, 예컨대 마스킹 테이프 등의 접착제(822)에 의해 제1 케이싱(810)의 외측면에 임시로 고착될 수 있다. 내화 보드(820)의 블록들은 제1 케이싱(810)의 외측면에 고착되어 있기 때문에 제1 케이싱(810)의 전체 혹은 실질적으로 전체의 외측면은 내화 보드(820)로 덮이게 된다. 접착제(822)는 제2 케이싱(820)이 내화 보드(820)와 하우징(100)의 외측면 상에 장착될 때까지 적소에 내화 보드(820)를 붙들기 위해 사용된다. 제2 케이싱(830)은 내화 보드(820)를 적소에 유지시킨다. 제2 케이싱은 파스너를 사용하여 서로 결합되는 아연 도금된 복수 개의 패널로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 변형예에 있어서, 본 발명은 단일 셀 케이싱을 구비한 하나 이상의 절연층을 포함한다. 예컨대, 본 발명은 접착제에 의해 커버 팬(102)의 외측면에 임시로 고착되어 있는 복수 개의 절연 내화 보드 블록으로 형성된 제1 절연층을 바람직하게 포함한다. 내화 보드의 블록들은 커버 팬(102)의 외측면에 고착되어 있기 때문에 하우징(100)의 전체 혹은 실질적으로 전체의 외측면은 내화 보드로 덮이게 된다. 추가적으로, 복수 개의 절연 내화 보드 블록으로 형성된 제2 절연층은 접착제를 사용하여 제1 절연층의 외측면 상에 마련되어 있기 때문에 제2 층의 블록은 제1 층의 내화 보드의 블록과 바람직하게 중첩된다. 추가의 절연층 예컨대, 유리 섬유 매트의 최외곽층, 혹은 메조포러스(mesoporous) 실리카 혹은 알루미나 등의 고성능 절연층이 필요에 따라 제공될 수 있다. 그 다음, 외측 케이싱은 절연물을 적소에 유지하기 위해 절연물의 최외층의 외측면 상에 장착된다.

본 발명은 리액터를 n=2 혹은 그 이상의 독립적인 튜브 다발로 분리시킨다. 도 1 및 도 2a에 도시된 실시예는 2개의 튜브 다발(32, 42)을 구비하는 구조로 되어 있지만, 본 발명은 제2 유체 유동이 공통 유입구에 의해 급송되고 공통 유출구를 공유하는 3개 이상의 다발을 지닌 실시예도 포함할 수 있다. 독립적인 다발의 수를 2개 이상으로 증가시킴으로써, 본 발명은 주어진 튜브 다발을 통해 흐르는 제2 유체의 속도를 1/n까지 감소시킨다. 주어진 더미를 통한 제2 유체 유동의 속도 감소는 저부 모듈 내의 제2 유체의 압력 강하를 50% 내지 75% 만큼 줄인다. 본 발 명은 또한 유입구(140)에 인접한 2개의 코어(32, 42)의 중간에 버너 박스를 만듦으로써 미국 특허 출원 제10/436,060호에 개시된 돌출 버너 박스를 생략할 수 있다. 화염은 버너(130)에서 유입구(140)로 이르는 튜브 내에서 완전히 발달되며, 이 유입구는 리액터로부터 버너 중량을 분리하기 위해 1개 이상의 탄성 부재(예컨대, 벨로우즈)(132)에 의해 절연될 수 있다. 상기 버너(130)는 지지 프레임에 견고하게 장착될 수 있다.

본 발명은 개질 장치 내측의 압력을 줄이기 위해 배기 통기 팬(250)으로부터 선택적으로 강제된 양력에 추가하여 개질 장치/저부 모듈(20), 과열기 섹션(220), 보일러 섹션(230), 및 예열기 섹션(240)을 통한 자연스러운 양력을 생성하기 위해 가열된 제2 유체의 부력을 유리하게 이용한다. 이상적으로, 진공은 개질 장치 하우징 내측에 형성된다. 이러한 효과는 더 큰 "굴뚝 높이"를 갖도록 도시된 바와 같은 구성 요소들의 수직 배열에 의해 향상된다.

본 명세서에 예시 및 설명된 대표적인 실시예들은 본 발명의 양호한 실시예를 설명하기 위한 것이며, 어떠한 방식으로 본원의 청구 범위의 범주를 제한하기 위한 것으로 해석되어서는 안된다는 것에 주목해야 한다.

본 발명의 다양한 수정 및 변형은 전술한 교시의 관점에서 가능하다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 범주 내에 속하는 본 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명한 것 이상으로 실시될 수 있다는 것으로 이해해야 한다.

Claims (49)

1. 하우징과,

   상기 하우징 내에 마련되고 제1 유체를 운반하도록 구성되어 있는 유체 도관의 제1 어레이와,

   상기 하우징 내에 마련되고 제1 유체를 운반하도록 구성되어 있는 유체 도관의 제2 어레이, 그리고

   상기 하우징 내에 마련되고 상기 하우징의 내측면과 배플 플레이트에 의해 형성되며, 제2 유체를 운반하도록 구성되어 있는 제1 유체 통로

   를 포함하고,

   상기 배플 플레이트는 상기 제1 유체 통로를 제1 유동 경로와 제2 유동 경로로 분할하도록 구성되며,

   상기 유체 도관의 제1 어레이는 상기 제1 유동 경로를 통해 연장되며, 상기 유체 도관의 제2 어레이는 상기 제2 유동 경로를 통해 연장되는 것인 열교환 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 통로는 유입구와 유출구를 포함하며, 상기 유출구는 상기 유입구 위로 수직인 위치에 마련되는 것인 열교환 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 통로는 유입구, 제1 유출구, 및 제2 유출구를 포함하며, 상기 제1 유출구는 상기 제1 유동 경로에 연결되고, 상기 제2 유출구 는 상기 제2 유동 경로에 연결되며, 상기 제1 유출구와 상기 제2 유출구는 상기 유입구 위로 수직인 위치에 마련되는 것인 열교환 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 통로의 유출구에 유체 연통 가능하게 연결된 추가의 유체 통로를 구비하는 예열기 섹션을 더 포함하며, 상기 예열기 섹션은 상기 추가의 유체 통로를 통해 연장되는 유체 도관을 포함하고, 상기 유체 도관은 제1 유체를 운반하도록 구성되어 있으며, 상기 유체 도관은 상기 유체 도관의 제1 어레이와 상기 유체 도관의 제2 어레이에 유체 연통 가능하게 연결되는 유입 매니폴드에 유체 연통 가능하게 연결되어 있는 것인 열교환 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 유체 통로의 유출구는 상이한 팽창을 허용하도록 구성된 유체 밀봉 조인트에 의해 상기 추가의 유체 통로에 연결되어 있는 것인 열교환 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 유체 밀봉 조인트는 슬립 조인트인 열교환 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 유체 밀봉 조인트는 직물 혹은 금속 벨로우즈인 열교환 장치.
8. 제4항에 있어서, 상기 예열기 섹션과 상기 유입 매니폴드 사이에 상기 유체 도관을 따라 마련된 보일러를 구비하는 보일러 섹션을 더 포함하고, 상기 추가의 유체 통로는 상기 보일러 섹션을 통해 연장되며, 상기 보일러는 상기 예열기 섹션과 상기 제1 유체 통로의 유출구 사이의 위치에서 상기 추가의 유체 통로를 통해 연장되는 것인 열교환 장치.
9. 제8항에 있어서, 과열기 섹션을 더 포함하며, 상기 추가의 유체 통로는 상기 과열기 섹션을 통해 연장되고, 상기 유체 도관은 상기 보일러 섹션과 상기 제1 유체 통로의 유출구 사이의 위치에서 상기 추가의 유체 통로를 통해 연장되는 것인 열교환 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 과열기 섹션은 상기 제1 유체 통로의 유출구 위로 수직인 위치에 마련되며, 상기 보일러 섹션은 상기 과열기 섹션 위로 수직인 위치에 마련되고, 상기 예열기 섹션은 상기 보일러 섹션 위로 수직인 위치에 마련되는 것인 열교환 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 유체 통로는 유입구를 포함하며, 상기 제1 유체 통로의 유출구는 상기 유입구 위로 수직인 위치에 마련되는 것인 열교환 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 추가의 유체 통로의 유출구에 마련된 배기 팬을 더 포함하는 열교환 장치.
13. 제10항에 있어서, 상기 제1 유체 통로는 유입구, 제1 유출구, 및 제2 유출구를 포함하고, 상기 제1 유출구는 상기 제1 유동 경로에 연결되며, 상기 제2 유출구는 상기 제2 유동 경로에 연결되고, 상기 제1 유출구와 상기 제2 유출구는 상기 유입구 위로 수직인 위치에 마련되는 것인 열교환 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 추가의 유체 통로의 유출구에 마련된 배기 팬을 더 포함하는 열교환 장치.
15. 제10항에 있어서,

    제1 컨테이너와, 상기 제1 컨테이너의 상부에 적층되도록 구성되는 제2 컨테이너를 더 포함하고,

    상기 하우징은 저부 모듈로서 형성되며,

    상기 과열기 섹션, 상기 보일러 섹션, 및 상기 예열기 섹션은 상부 모듈로서 형성되고,

    상기 저부 모듈은 상기 제1 컨테이너 내부에 수납되며,

    상기 상부 모듈은 상기 제2 컨테이너 내부에 수납되고,

    상기 제2 컨테이너가 상기 제1 컨테이너의 상부에 적층될 때, 상기 제1 유체 통로의 유출구는 상기 추가의 유체 통로에 연결되는 것인 열교환 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이는 상기 배플 플레이트를 통해 연장되고, 상기 유체 도관의 제2 어레이는 상기 배플 플레이트를 통해 연장되는 것인 열교환 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이는 상기 유체 도관의 외측면 상에 마련된 복수 개의 제1 열전달 핀(fin)을 구비하며, 상기 복수 개의 제1 열전달 핀은 상기 제1 유동 경로 내에서 연장되고,

    상기 유체 도관의 제2 어레이는 상기 유체 도관의 외측면 상에 마련된 복수 개의 제2 열전달 핀을 구비하며, 상기 복수 개의 제2 열전달 핀은 상기 제2 유동 경로 내에서 연장되는 것인 열교환 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이는 유체 도관의 제1 열을 포함하며, 상기 유체 도관의 제1 열은 제1 관형 유입 매니폴드와 제1 관형 유출 매니폴드에 유체 연통 가능하게 연결되고, 상기 유체 도관의 제1 열은 그 외측면에 마련된 제1 열전달 핀을 구비하며, 상기 제1 열전달 핀은 상기 제1 유동 경로 내에서 연장되고,

    상기 유체 도관의 제1 어레이는 유체 도관의 제2 열을 포함하며, 상기 유체 도관의 제2 열은 제2 관형 유입 매니폴드와 제2 관형 유출 매니폴드에 유체 연통 가능하게 연결되고, 상기 유체 도관의 제2 열은 그 외측면에 마련된 제2 열전달 핀을 구비하며, 상기 제2 열전달 핀은 상기 제1 유동 경로 내에서 연장되는 것인 열교환 장치.
19. 제1항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이는 유체 도관의 제1 열과 유체 도관의 제2 열을 포함하며, 상기 유체 도관의 제1 열과 상기 유체 도관의 제2 열은 관형 유입 매니폴드에 유체 연통 가능하게 연결되어 있는 것인 열교환 장치.
20. 제1항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이는 유체 도관의 제1 열과 유체 도관의 제2 열을 포함하며, 상기 유체 도관의 제1 열과 상기 유체 도관의 제2 열은 관형 유출 매니폴드에 유체 연통 가능하게 연결되어 있는 것인 열교환 장치.
21. 제1항에 있어서, 상기 하우징 내부에 상기 제1 유체 통로와 제2 유체 통로를 형성하도록 구성된 밀봉 영역을 더 포함하는 것인 열교환 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 밀봉 영역은 상기 하우징의 전체 단면에 걸쳐 연장되는 상기 배플 플레이트와,

    상기 하우징의 전체 단면을 가로질러 연장되는 동시에 상기 제2 유체 통로를 형성하는 추가의 배플 플레이트와,

    상기 배플 플레이트와 상기 추가의 배플 플레이트 사이에 마련된 내화 개스킷, 그리고

    상기 배플 플레이트와 상기 추가의 배플 플레이트 사이에 마련된 팽창성 재료층을 포함하며,

    상기 유체 도관의 제1 어레이와 상기 유체 도관의 제2 어레이는 상기 배플 플레이트, 상기 추가의 배플 플레이트, 상기 내화 개스킷, 및 상기 팽창성 재료층을 통해 연장되는 것인 열교환 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 내화 개스킷과 상기 팽창성 재료층은 상기 배플 플레이트와 상기 추가의 배플 플레이트 사이의 간격을 완전히 채우는 것인 열교환 장치.
24. 제22항에 있어서, 상기 팽창성 재료층은 300℃를 넘는 온도에서 팽창하는 재료로 형성되는 것인 열교환 장치.
25. 제21항에 있어서, 상기 제1 유체 통로의 유출구와 상기 제2 유체 통로의 유입구를 연결하는 추가의 유체 통로와,

    상기 추가의 유체 통로를 따라 마련된 버너

    를 더 포함하며, 상기 버너는 상기 제2 유체 통로의 유입구로 유입되는 제2 유체를 가열하도록 구성되어 있는 것인 열교환 장치.
26. 제25항에 있어서, 상기 제1 유체 통로의 유입구에 유체 연통 가능하게 연결된 유입 유체 통로를 구비하는 예열기로서, 상기 유입 유체 통로를 통해 연장하는 유체 도관을 포함하고, 상기 유체 도관은 상기 제1 유체를 운반하도록 구성되어 있으며, 상기 유체 도관은 상기 유체 도관의 제1 어레이와 상기 유체 도관의 제2 어레이에 유체 연통 가능하게 연결된 유출 매니폴드에 유체 연통 가능하게 연결되어 있는 것인 예열기와,

    상기 유입 유체 통로에 유체 연통 가능하게 연결되고 상기 버너의 상류 위치에서 상기 추가의 유체 통로에 유체 연통 가능하게 연결되는 저온 연소 유입구, 그리고

    상기 저온 연소 유입구에서 상기 예열기로, 그리고 상기 저온 연소 유입구에서 상기 버너로의 제2 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 수단

    을 더 포함하는 열교환 장치.
27. 제26항에 있어서, 상기 제어 수단은

    상기 저온 연소 유입구에서 상기 예열기로의 제2 유체의 유동을 제어하도록 상기 저온 연소 유입구와 상기 예열기 사이에 마련된 제1 밸브와,

    상기 저온 연소 유입구에서 상기 버너로의 제2 유체의 유동을 제어하도록 상기 저온 연소 유입구와 상기 버너 사이에 마련된 제2 밸브

    를 포함하는 것인 열교환 장치.
28. 제27항에 있어서, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브를 제어하도록 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브에 연결된 제어 연동 장치를 구동하도록 구성된 액츄에이터를 더 포함하는 열교환 장치.
29. 제27항에 있어서, 상기 제1 밸브를 제어하도록 구성된 제1 액츄에이터와, 상기 제2 밸브를 제어하도록 구성된 제2 액츄에이터를 더 포함하는 열교환 장치.
30. 제26항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 저온 연소 유입구와 상기 예열기 사이의 유동과 상기 저온 연소 유입구와 상기 버너 사이의 유동을 연속적으로 조절하도록 구성된 밸브를 포함하는 것인 열교환 장치.
31. 제26항에 있어서, 상기 제어 수단은

    상기 저온 연소 유입구를 상기 예열기에 연결하는 제1 파이프와,

    상기 저온 연소 유입구를 상기 버너에 연결하는 제2 파이프, 그리고

    유동을 조절하도록 구성된 밸브

    를 포함하며, 상기 밸브는 상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프 중 하나에 마련되고,

    상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프 중 다른 하나는 그 내부에 밸브를 구비하지 않는 것인 열교환 장치.
32. 제1항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이에 있는 유체 도관은 그 외측면 상에 외측 보강 슬리브가 마련되어 있는 것인 열교환 장치.
33. 제32항에 있어서, 상기 외측 보강 슬리브는 상기 하우징 내의 영역에 마련되고, 상기 영역은 적어도 900℃ 온도의 제2 유체를 수용하도록 되어 있는 것인 열교환 장치.
34. 제33항에 있어서, 상기 영역은 적어도 1,000℃ 온도의 제2 유체를 수용하도록 되어 있는 것인 열교환 장치.
35. 제32항에 있어서, 상기 외측 보강 슬리브는 상기 유체 도관의 제1 어레이에 있는 유체 도관을 형성하기 위해 사용되는 재료와는 다른 재료로 제조되는 것인 열교환 장치.
36. 제35항에 있어서, 상기 유체 도관의 제1 어레이에 있는 유체 도관을 형성하기 위해 사용되는 재료는 제1 유체의 환경 조건을 기초로 하여 선택되고, 상기 외측 보강 슬리브를 형성하기 위해 사용되는 재료는 제2 유체의 환경 조건을 기초로 하여 선택되는 것인 열교환 장치.
37. 제32항에 있어서, 상기 유체 도관의 제2 어레이에 있는 유체 도관은 그 외측면에 외측 보강 슬리브가 마련되어 있는 것인 열교환 장치.
38. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 외측면 둘레에 마련된 복수 개의 제1 절연재 블록을 포함하는 제1 절연층과,

    상기 제1 절연층의 외측면 둘레에 마련된 제1 케이싱

    을 더 포함하는 열교환 장치.
39. 제38항에 있어서, 상기 제1 케이싱의 외측면 둘레에 마련된 복수 개의 제2 절연재 블록을 포함하는 제2 절연층과,

    상기 제2 절연층의 외측면 둘레에 마련된 제2 케이싱

    을 더 포함하며, 상기 복수 개의 제2 절연재 블록은 상기 복수 개의 제1 절연재 블록들 사이의 간격에 중첩되도록 위치 설정되는 것인 열교환 장치.
40. 제39항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 절연재 블록과 상기 복수 개의 제2 절연재 블록은 절연 내화 보드로 형성되고, 상기 제1 케이싱과 상기 제2 케이싱은 아연 도금된 시트 금속의 패널로 형성되는 것인 열교환 장치.
41. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 외측면 둘레에 마련된 절연재 블록을 포함하는 복수 개의 절연층과,

    상기 복수 개의 절연층의 최외측 절연층의 외측면 둘레에 마련된 케이싱

    을 더 포함하는 열교환 장치.
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