KR101419337B1 - 모듈형 열교환기 - Google Patents

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더그. 힐손
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Abstract

프레임에 제거가능하게 부착되는 복수의 플레이트를 포함하는 열교환기가 개시된다. 각 플레이트는 열교환기를 통해 제 1 유체를 운반하기 위한 복수의 채널을 포함한다. 프레임은 프레임 쌍들 사이의 공간이 열교환기를 통해 제 2 유체를 운반하기 위한 도관을 규정하도록 프레임에 배치된다. 플레이트는 프레임으로부터 개별적으로 제거되도록 프레임에 장착된다. 게다가, 채널 각각은 분리가능 커플링에 의해 제 1 유체를 위한 입력 및 출력 포트에 유체 접속된다. 그 결과, 본 발명에 따른 열교환기는 선행 기술의 열교환기보다 더 용이하게 수리 또는 개장된다.

Description

모듈형 열교환기{MODULAR HEAT EXCHANGER}
본 발명은 일반적으로 에너지 변환에 관한 것으로, 특히 열교환기에 관한 것이다.
지구 해양은 태양에 의해 연속적으로 가열되고 지구 표면의 거의 70%를 덮는다. 심해와 천해에서 다른 온도는 인간의 사용을 통해 잠재적으로 동력화될 수 있는 다대한 태양 에너지를 포함한다. 실제로, 적도의 ± 10°내에서 따뜻한 대양 표면수와 심해 냉수 사이의 온도 차이에 포함된 열에너지는 3 테라-와트(3 x 1012 W) 자원을 나타내는 것으로 평가된다.
이용가능한 전체 에너지는 파력과 같은 다른 해양 에너지 선택보다 큰 10 또는 20배 범위이지만, 온도 차이의 작은 크기는 낮은 열효율로 인해 에너지 추출이 비교적 어렵고 비싸지게 한다.
해양 열에너지 변환("OTEC")은 열기관을 운전하기 위해 심해와 천해 사이에 존재하는 온도 차이를 사용하는 전기를 발생시키기 위한 방법이다. 열기관은 고온 저장소와 저온 저장소 사이에 위치된 열역학 장치이다. 열이 한쪽 저장소로부터 다른 쪽 저장소로 흐르므로, 그 기관은 열의 일부를 일로 변환한다. 이 원리는 증기 터빈 및 내연 기관에 사용된다. 연료의 연소로부터의 열에너지를 사용하는 것보다는 오히려, OTEC 전력은 해양 표면의 태양 온난화에 의해 야기되는 온도 차이를 초래한다.
OTEC에 적당한 하나의 열 사이클은 랜킨 사이클이며, 그것은 저압 터빈을 사용한다. 시스템은 밀폐 사이클 또는 개방 사이클 중 어느 하나일 수 있다. 밀폐 사이클 시스템은 전기를 발생시키는 터빈을 회전시키기 위해 암모니아와 같은 저비점을 갖는 유체를 사용한다. 따뜻한 표면 해수는 저비점 유체 증발되는 열교환기를 통해 펌핑된다. 팽창하는 증기는 터보 발전기를 회전시킨다. 이어서, 차가운 깊은 해수 - 제 2 열교환기를 통해 펌핑되는 - 증기를 원래의 액체로 응축한 다음, 그것은 시스템을 통해 재순환된다. 개방 사이클 기관은 작동 유체로서 수열원을 사용한다.
어떤 열기관과 같이, 최대 효율 전력은 최대 온도 차이로 생성된다. 이 온도 차이는 통상 위도(즉, 열대 지방에서 적도에 가까운)가 감소됨에 따라 증가한다. 그러나, 증발은 표면 온도가 27℃를 초과하는 것을 방지한다. 또한, 지하수는 좀처럼 5℃ 아래로 내려가지 않는다. 이력적으로, OTEC의 주요 기술적 도전은 이러한 매우 작은 온도비로부터 상당량의 전력을 효율적으로 발생시키는 것이었다. 그러나, 현대 열교환기 설계의 효율 변경은 이론적인 최대 효율에 도달하는 성능을 가능하게 한다.
OTEC 시스템은 기술적으로 실행가능한 것으로 나타냈지만, 이 시스템의 높은 자본 비용은 상업화를 방해했다. 열교환기는 OTEC 설비 자본 비용에 대한 두번째로 큰 기여자이다(가장 큰 것은 근해 정박 배 또는 플랫폼의 비용이다). 그러므로, OTEC 설비에 요구되는 거대한 열교환기의 최적화는 매우 중요하고 OTEC 기술의 경제적 생존가능성에 영향을 미칠 수 있다.
OTEC 시스템의 사용을 위해 고려될 수 있는 다수의 기존 열교환기 설계가 존재한다. 그러나, 이하의 논의가 보여주는 바와 같이, 실제 문제로서 어떤 좋은 선택이 존재하지 않는다.
종래의 "쉘 및 튜브" 열교환기는 해상 용도에 폭넓게 이용가능하다. 그러나, OTEC에 대한 합리적인 압력 강하와 관련된 전체 열전달 계수(U)는 통상 2000 W/m2K 아래이다. 이것은 이 종류의 열교환기의 사이즈 및 비용이 경제적인 고려에 비해 매우 높아지게 한다.
다수의 분리된 플레이트 쌍을 포함하는 소형 열교환기/플레이트 프레임 설계는 화학 및 제약 산업에 광범위하게 사용된다. 플레이트 프레임 설계에 대한 U 값은 2300 - 2500 W/m2K에 접근할 수 있다. 그러나, OTEC 시스템에서 이러한 열전달 레벨을 달성하기 위해, 높은 펌핑 파워는 5 psi(3.5 m 헤드 로스(head loss))를 초과할 수 있는 압력 강하를 극복하도록 열교환기를 통해 해수를 끌어내는데 필요하다. 게다가, 열전달 계수의 상한값은 고합금강 또는 티탄(비교적 낮은 열 전도율을 갖지만 염화물과 같은 부식성 재료 등에 대한 노출에 의해 야기되는 효과를 완화시키는)과 같은 재료의 사용에 의해, 스탬프된 플레이트 설계에 요구되는 최소 플레이트 두께에 의해, 그리고 허용가능 압력 강하를 유지하는데 필요한 비교적 느린 수류 속도에 의해 제한된다.
또한, OTEC 최적화 튜브 설계는 소형 열교환기 부문으로 분류된다. 이것은 수직 홈 튜브(Vertical Fluted Tube) 및 절첩 튜브 열교환기를 포함한다. 둘다 플레이트 프레임 설계보다 다소 높은 U 값을 갖는다: 통상 약 2700 - 3400 W/m2K의 범위에서. 그러나, 정체 흐름의 영역에서 실질적인 압력 강하 및 균열 부식의 잠재성은 최적화된 튜브 설계에 대한 우려이다.
납땜된 알루미늄 핀 열교환기는 저온 산업 도처에 사용된다. 이 열교환기는 액화 천연 가스(LNG) 재가스화 시설에서 대규모 해양 사용을 예상한다. 납땜된 알루미늄 핀 열교환기는 아르곤 국립 연구소(ANL)에서 1980년대 OTEC 사용을 위해 개발되고 테스트되었다. 미국 특허 제4,276,927호("Plate type heat exchanger") 및 제4,478,277호("Heat exchanger having uniform surface temperature and improved structural strength")를 참조.
그러나, 납땜된 핀 열교환기의 사용과 관련된 수 개의 기술적 도전이 존재한다. 첫 번째로, 핀을 결합하는데 사용되는 납땜된 조인트는 해수에 노출될 때 부식에 매우 민감하다. 그러므로, 이 조인트는 부식에 대한 잠재성을 감소시키기 위해 해수 통로로부터 분리되어야 한다. 어떤 경우에, 알루미늄 압출은 납땜된 조인트를 해수로의 노출로부터 보호하기 위해 추가된다. 그러나, 그러한 내식성 압출을 추가하는 비용이 엄청나게 비싸다.
두 번째로, 예시적인 납땜된 핀 열교환기에서 발견되는 작은 통로는 생물이 부착되기 쉽다.
세 번째로, 열교환기에 관한 수리, 복구, 및 개장(refurbishment)과 같은 유지를 수행하는 것은 내부 영역에 접근하는 어려움으로 인해 도전하고 있다.
80년대 중반부터 90년대 초까지, 각종 알루미늄 열교환기 모듈 및 합금은 실제 OTEC 환경에서 테스트되었다. 이렇게 기능화되고 원격 감시되는 테스트는 열전달 성능 및 해수의 화학적 그리고 물리적 성질을 열교환기의 부식과 상관시켰다. 이 확장된 테스트의 결과로서, 수 개의 비교적 저가의 알루미늄 합금이 OTEC 응용에서 충분히 견뎌내야 하는 것으로 결정되었다.
테스트될 열교환기에 대한 폼 팩터는 대개 쉘 및 튜브 타입이었다. 충분한 표면적의 쉘 및 튜브 열교환기의 알루미늄 제작은 엄청나게 비싼 것으로 결정되었다. "롤 본드" 열교환기 패널은 대체로서 제안되었고, 그것은 동등한 쉘 및 튜브 유닛의 대략 20 퍼센트 비용으로 OTEC 응용에 요구되는 큰 표면적을 제공한다.
1989년에, 롤 본드 패널은 OTEC 환경에서 테스트중인 열교환기로 약간 삽입되었다. 이 테스트는 1996년에 조립된 50kW 설비에 실제로 설치된 롤 본드 타입 열교환기의 발전을 초래했다. 1년의 테스트 동안, 부식으로 인해 심각한 암모니아 누출이 경험되었다. 그 부식은 전기 분해 때문이었고, 그것은 알루미늄 패널들 사이의 스페이서 재료에 의해 야기되었다.
열교환기는 다시 제조되었고, 납땜이 입구/출구와 관련된 일부 어려움에도 불구하고, 그 설비는 재조립되었고 추가 성능 및 부식 데이터가 수집되었다. 이 결과에 기초해서, 추가 롤 본드 모듈은 영국 발전소에서 시뮬레이트된 OTEC 환경에서 제작되어 테스트되었다.
1990년대 중반까지, OTEC에 대한 정부의 자금제공이 체결되었다. 그 시점에 소형 알루미늄 열교환기의 남아 있는 장애는 열교환기 코어 내의 납땜된 부분의 위치에 대한 우려를 포함했다.
현재 증가하는 에너지 요구에 따라, 재생가능한 일정 소스를 사용하는 것이 바람직한 해결책이다. 결과적으로, OTEC 발전소에서 새로운 관심이 존재한다. 그러나, 해양 환경에서 펌핑 기생 손실을 최소화하고 긴 수명을 제공하면서 고유량을 수용하는 OTEC 열교환기의 발전이 어려워진다.
본 발명은 부식에 덜 민감하고 선행 기술의 열교환기보다 더 용이하게 및/또는 덜 비싸게 서비스될 수 있는 모듈형 열교환기를 제공한다. 본 발명에 따른 열교환기는 열교환기를 통해 제 1 유체를 운반하기 위한 모듈을 포함하며, 모듈은 개별적으로 제거가능하다. 그 결과, 각 모듈은 용이하게 수리, 교체, 및/또는 개장될 수 있다. 본 발명의 어떤 실시 예는 해수에 대해 부식되지 않는 재료를 실질적으로 포함한다. 본 발명의 어떤 실시 예는 해수에 대해 부식되는 재료를 포함한다. 그러나, 이 실시 예에 있어서 이들 재료는 사용 동안 해수로부터 분리된다.
본 발명의 실시 예가 OTEC 시스템에서의 사용에 특히 적절할지라도, 본 발명에 따른 실시 예는 다른 열교환기 응용에서의 사용에도 적합하다.
본 발명의 실시 예는 복수의 플레이트 어셈블리를 포함하며, 그 각각은 제 1 유체(예를 들어, 작동 유체)를 운반하기 위한 채널을 포함한다. 플레이트 어셈블리는 제 2 유체(예를 들어 해수)를 운반하기 위한 복수의 도관을 집합적으로 규정하도록 프레임에 배치된다. 각 플레이트 어셈블리는 클램프에 의해 프레임에 유지되어, 각 플레이트 어셈블리는 프레임에서 분리가능하게 장착된다.
입력 매니폴드는 제 1 유체를 채널에 제공하고 출력 매니폴드는 제 1 유체를 채널로부터 수용한다. 입력 및 출력 매니폴드는 용이하게 탈부착될 수 있는 커플링을 통해 채널과 유체 연결된다. 이 분리가능하게 접속가능한 커플링은 열교환기로부터 개별 플레이트 어셈블리의 제거를 용이하게 한다.
어떤 실시 예에 있어서, 해수(또는 다른 제 2 유체)에 노출되는 열교환기의 모든 구성요소는 해수에 대해 내식성인 재료로 제조된다. 어떤 실시 예에 있어서, 해수(또는 다른 제 2 유체)에 노출되는 열교환기의 모든 구성요소는 동일한 재료로 제조되고 이 구성요소는 마찰 교반 용접과 같은 실질적으로 갈바닉 무부식 결합 기술을 사용하여 결합된다.
어떤 실시 예에 있어서, 납땜된 조인트는 어떤 구성요소를 결합하기 위해 사용된다. 그러한 실시 예에 있어서, 시일은 해수와 같은 잠재적으로 부식성 유체로부터 납땜된 조인트를 유체 분리하는 시일이 포함된다.
어떤 실시 예에 있어서, 플레이트 어셈블리는 제 1 유체를 운반하기 위한 채널을 포함하는 열 도전성 흑연 폼 코어를 포함한다.
본 발명의 일실시 예는 프레임, 프레임에 제거가능하게 부착가능하고, 제 1 복수의 채널을 포함하는 제 1 플레이트로서, 제 1 복수의 채널 각각이 1 유체를 위해 입력 포트와 분리가능하게 접속가능한 입구와, 제 1 유체를 위해 출력 포트와 분리가능하게 접속가능한 출구를 포함하는 제 1 플레이트, 및 프레임에 제거가능하게 부착가능하고, 제 2 복수의 채널을 포함하는 제 2 플레이트로서, 제 2 복수의 채널 각각이 제 1 유체를 위해 입력 포트와 분리가능하게 접속가능한 입구와, 출력 포트와 분리가능하게 접속가능한 출구를 포함하는 제 2 플레이트를 포함하는 모듈형 열교환기를 포함하며, 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트는 이 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트가 프레임과 부착될 때 제 2 유체를 운반하기 위한 제 1 도관을 집합적으로 규정하고, 제 1 도관은 제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널로부터 유체 분리된다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 OTEC 발전 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 열교환기의 개략도를 도시한다.
도 3은 예시적 실시 예에 따른 열교환기 코어를 도시한다.
도 4는 열교환기를 형성하는데 적당한 방법의 동작을 도시한다.
도 5a는 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 개별적으로 제거가능한 플레이트 어셈블리의 정면도를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 개별적으로 제거가능한 플레이트 어셈블리의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 분리가능 커플링의 개략도를 도시한다.
도 7은 열교환기 코어에 연결된 입력 매니폴드의 개략도를 도시한다.
도 8은 열교환기 코어에 연결된 출력 매니폴드의 개략도를 도시한다.
도 9a는 본 발명의 제 1 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다.
도 9b는 본 발명의 제 2 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다.
도 9c는 본 발명의 제 3 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다.
도 9d는 본 발명의 제 4 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 OTEC 발전 시스템의 개략도를 도시한다. OTEC 시스템(100)은 터보 발전기(104), 폐루프 도관(106), 열교환기(110-1), 열교환기(110-2), 펌프(114, 116, 및 124), 및 도관(120, 122, 128, 및 130)을 포함한다.
터보 발전기(104)는 종래의 터빈 구동 발전기이다. 터보 발전기(104)는 종래의 부유식 에너지 플랜트 플랫폼인 부유식 플랫폼(102) 상에 장착된다. 플랫폼(102)은 라인(132) 및 앵커(134)를 정박함으로써 해저에 고정되며, 그것은 해저에 매립되어 있다. 어떤 경우에, 플랫폼(102)은 해저에 고정되지 않지만 표류되게 된다. 그러한 시스템은 때때로 "그레이징 플랜트(grazing plant)"로 지칭된다
예시적인 동작에서, 펌프(114)는 제 1 유체(즉, 작동 유체(108))를 액체 형태로 폐루프 도관(106)을 통해 열교환기(110-1)로 펌핑한다. 암모니아는 OTEC 시스템에서 작동 유체(108)로 종종 사용된다; 그러나, 표면수 영역(118)의 온도에 증발되고 심해수 영역(126)의 온도에서 응축되는 어떤 유체가 작동 유체(108)(재료 호환 요건에 의존하는)로서의 사용에 적당하다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다.
열교환기(110-1 및 110-2)는 증발기 및 응축기 각각으로서의 동작을 위해 구성된다. 당업자는 증발기 또는 응축기로서의 열교환기의 동작이 시스템(100) 내에 구성되는 방식에 의존하는 것을 인식할 것이다. 열교환기(110)는 이하에 상세히 그리고 도 2에 대해서 기재된다.
그 동작을 증발기로 가능하게 하기 위해, 펌프(116)는 따뜻한 제 2 유체(즉, 표면 영역(118)으로부터의 해수)를 열교환기(110-1)로 도관(120)을 통해 끌어당긴다. 열교환기(110-1)에서 온수로부터의 열은 작동 유체(108)에 의해 흡수되며, 그것은 작동 유체(108)를 증발시키게 한다. 열교환기(110-1)를 통과한 후, 온수는 도관(122)을 통해 수역으로 다시 배출된다. 예시적인 OTEC 전개에서, 표면 영역(118)인 온수는 대략 섭씨 25도의 실질적으로 일정한 온도(날씨 및 일광 조건에 의존하는)에 있다.
팽창하는 작동 유체(108) 증기가 터보 발전기(104)에 의해 강제됨으로써, 전기 에너지를 발생시키기 위해 터보 발전기를 구동시킨다. 발생된 전기 에너지는 출력 케이블(112) 상에 제공된다. 그것이 터보 발전기(104)를 통과하면, 증발된 작동 유체는 열교환기(110-2)에 진입한다.
열교환기(110-2)에서, 펌프(124)는 차가운 제 2 유체(즉, 심해 영역(126)으로부터의 해수)를 열교환기(110-2)로 도관(128)을 통해 끌어당긴다. 냉수는 열을 증발된 작동 유체로부터 흡수하는 열교환기(110-2)를 통해 이동한다. 그 결과, 작동 유체(108)는 액체 형태로 다시 응축된다. 열교환기(110-2)를 통과한 후, 냉수는 도관(130)을 통해 수역으로 배출된다. 통상 심해 영역(126)은 수역 표면 아래의 1000+ 미터이며, 그것에서 심해수는 섭씨 몇 도의 실질적으로 일정한 온도에 있다.
펌프(114)는 응축된 작동 유체(108)를 다시 증발되는 원래의 열교환기(110-1)로 펌핑함으로써, 터보 발전기(104)를 구동시키는 랜킨 사이클을 지속시킨다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 열교환기의 개략도를 도시한다. 열교환기(110)는 입력 매니폴드(202), 분리가능 커플링(204), 열교환기 코어(206), 및 출력 매니폴드(208)를 포함한다.
도 3은 예시적 실시 예에 따른 열교환기 코어를 도시한다. 코어(206)는 프레임(302), 플레이트 어셈블리(304-1 내지 304-4), 및 클램프(314)를 포함하는 모듈형 열교환기 코어이다.
도 4는 열교환기(110)를 형성하는데 적당한 방법의 동작을 도시한다. 도 4는 도 1-3을 계속 참조하고 도 5-7을 참조하여 여기에 기재된다. 방법(400)은 동작 401로 시작되고, 여기서 플레이트 어셈블리(302-1 내지 302-4)는 시트(304-1 내지 304-4)로 각각 삽입된다. 예시적 실시 예가 4개의 플레이트 어셈블리를 포함할지라도, 본 명세서를 판독한 후 어떤 실용적인 수의 플레이트 어셈블리를 포함하는 본 발명의 대체 실시 예를 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다.
프레임(302)은 플레이트 어셈블리(304-1 내지 304-4)(플레이트 어셈블리(304)로 집합적으로 지칭되는)를 수용하고 위치시키기 위한 시트(306-1 내지 306-4)(시트(306)로 집합적으로 지칭되는)를 포함하는 강성 프레임이다. 시트(306)는 각 쌍의 인접한 플레이트 어셈블리가 제 2 유체를 운반하기 위한 도관을 규정하도록 플레이트 어셈블리(304)를 위치시킨다. 예를 들어, 시트(306-1 및 306-2)는 이 플레이트 어셈블리가 도관(308-2)을 규정하도록 플레이트 어셈블리(304-1 및 304-2)를 위치시킨다. 유사한 방식으로, 시트(306-3 및 306-4)는 이 플레이트 어셈블리가 도관(308-4)을 규정하도록 플레이트 어셈블리(304-3 및 304-4)를 위치시킨다. 게다가, 시트(306-1 및 306-4)는 프레임(302) 및 플레이트 어셈블리가 도관(308-1 및 308-5)을 집합적으로 규정하도록 프레임(302)의 측벽으로부터 떨어져서 플레이트 어셈블리(304-1 및 304-4)를 위치시킨다. 명확화를 위해, 제 2 유체에 대한 입력 및 출력 매니폴드가 도시되지 않는다. 본 명세서를 판독한 후 제 2 유체에 대한 입력 및 출력 매니폴드를 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 개별적으로 제거가능한 플레이트 어셈블리의 정면도 및 측면도를 각각 도시한다. 플레이트 어셈블리(304)는 플레이트(502), 분배기(506 및 510), 및 니플(508-1 및 508-2)을 포함한다.
플레이트(502)는 복수의 내부 채널(504)을 포함하는 알루미늄 합금의 강성 압출이다. 채널(504) 각각은 작동 유체(108)를 운반하는데 적당하다. 예시적 실시예에 있어서 플레이트(502)가 알루미늄 합금일지라도, 본 명세서를 판독한 후 작동 유체(108)에 대해 실질적인 내식성인 임의 재료로 제조된 플레이트를 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다. 플레이트 어셈블리(304)의 요소에 사용되는 적당한 재료는 한정 없이 알루미늄 합금, 알루미늄, 복합 재료, 세라믹스 등을 포함한다.
본 명세서를 판독한 후 채널(504)이 제 2 유체를 운반하고 도관(308)이 제 1 유체를 운반하도록 열교환기(100)가 구성될 수 있는 것이 당업자에게 명백해질 것이다.
분배기(506 및 510)는 조인트(512)로 플레이트(502)에 결합되는 알루미늄 합금의 실질적으로 동일한 하우징이다. 조인트(512)는 마찰 교반 용접 조인트이며, 그것은 실질적으로 갈바닉 무부식 조인트이다. 분배기(506)는 작동 유체(108)를 니플(508-1)로부터 수용하고 그것을 채널(504)에 제공한다. 분배기(510)는 작동 유체(108)를 채널(504)로부터 수용하고 그것을 니플(508-2)에 제공한다. 니플(508-1 및 508-2)은 분리가능 커플링(204)과 결합하는 나사산 커넥터이다. 또한, 니플(508-1 및 508-2)은 알루미늄 합금으로 제조되고 조인트(512)로 분배기(506 및 510)에 각각 결합된다. 예시적 실시 예에 있어서, 플레이트(502), 분배기(506 및 510), 및 니플(508-1 및 508-2)이 마찰 교반 용접을 사용하여 함께 결합될지라도, 본 명세서를 판독한 후 본 발명의 대체 실시 예를 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이며 여기서 이 요소는 실질적으로 갈바닉 무부식인 다른 결합 기술을 사용하여 결합된다.
동작 402에서, 플레이트 어셈블리(304)는 클램프(310)에 의해 시트(306)에 고정된다. 클램프(310)는 독립적으로 제거가능하다. 그 결과, 플레이트 어셈블리(304)는 프레임(302)에 대해 제거가능하게 부착가능하다. 첨부된 청구범위를 포함하는 본 명세서를 위해, 용어 "제거가능하게 부착가능하다"는 제거가능한 파스너(예를 들어, 스크류, 클램프, 볼트 등)의 사용을 통하는 것과 같이 비영구적인 방식으로 부착가능한 것으로 규정된다. 그러므로, 개별 플레이트 어셈블리(304)는 각 플레이트 어셈블리가 독립적으로 교체, 서비스, 또는 개장될 수 있도록 독립적으로 제거될 수 있다. 어떤 실시 예에 있어서, 플레이트 어셈블리(304) 각각은 열교환기(110)가 그 조작 깊이에 잠수되어 있는 동안 서비스 가능하다.
클램프(310)는 내식성 플레이트(312)를 포함하며, 그것은 내식성 스크류(314)에 의해 프레임(302)에 고정된다. 클램프(310)는 플레이트 어셈블리(304)를 시트(306)에 고정하는데 적당한 기구만을 나타내고 당업자는 본 발명에 따른 임의 수의 대체 클램핑 장치를 고안할 수 있다.
동작 403에서, 입력 매니폴드(202)는 열교환기 코어(206)의 채널(504)과 유체 연결된다.
도 6은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 분리가능 커플링의 개략도를 도시한다. 분리가능 커플링(204)은 커플링 열교환기 코어를 입력 매니폴드(202) 또는 출력 매니폴드(208)에 유체 연결하기 위한 커넥터화된 가요성 도관이다. 분리가능 커플링(204)에 의해, 입력 매니폴드(202) 및 출력 매니폴드(208) 각각은 채널(504)의 입구 및 출구 각각에 대하여 분리가능하게 접속가능하다. 첨부된 청구범위를 포함하는 본 명세서를 위해, 용어 "분리가능하게 접속가능하다"는 용이하게 이루어지거나 브레이크될 수 있는 접속을 통하는 것과 같이 비영구적인 방식으로 접속가능한 것으로 규정된다. 분리가능 커플링(204)은 도관(602) 및 커넥터(604)를 포함한다.
도관(602)은 실질적으로 내식성 재료의 가요성 도관이다. 어떤 실시예에 있어서, 도관(602)은 실질적으로 강성이다.
커넥터(604)는 누설 방지 시일을 형성하기 위해 니플(508)과 결합하는 나사산 커넥터이다. 어떤 실시 예에 있어서, 개스킷(606)은 누설 방지 시일의 보전을 개선하기 위해 커넥터(604)에 포함된다. 어떤 실시예에 있어서, 커넥터(604) 및 니플(508)은 종래의 나사산 커넥터 이외의 구성요소이다. 본 발명에 따라 사용하는데 적당한 유체 커플링 시스템은 퀵 디스커넥트 유체 커넥터와 같은 클릭 투 커넥트 커넥터(즉, 스냅 링 커넥터); 업처치(upchurch) 커넥터; 블라인드메이트(blindmate) 커넥터; 스레드 투 커넥트 커넥터; 헤파린 로크(heparin-lock) 커넥터 등을 한정 없이 포함한다. 본 명세서를 판독한 후 커넥터(604) 및 니플(508)을 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다.
어떤 실시 예에 있어서, 커플링(204 및 208)은 갈바닉 부식의 효과를 완화하기 위해 플레이트, 분배기, 및 니플과 동일한 재료로 제조된다.
어떤 실시 예에 있어서, 분리가능 커플링(204)은 직접 강성 유체 접속을 입력 및 출력 매니폴드(202 및 208) 및 플레이트 어셈블리(304) 사이에 이루는데 적당한 벌크헤드 요소이다. 본 발명에 따라 사용하는데 적당한 분리가능 커플링은 압력 피팅, 유압 피팅, 업처치 커넥터, 블라인드메이트 커넥터, 래피드 디스커넥트 유압 라인 커넥터 등을 한정 없이 포함한다. 본 명세서를 판독한 후 가요성 도관 및 나사산 커넥터 이외의 분리가능 커플링을 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다.
도 7은 열교환기 코어에 연결되는 입력 매니폴드의 개략도를 도시한다. 입력 매니폴드(202)는 마찰 교반 용접을 사용하여 프레임(302)에 결합되는 알루미늄 합금의 하우징이다. 입력 매니폴드(202)는 분리가능 커플링(204)에 의해 분배기(506)와 유체 연결된다. 분리가능 커플링(204)은 입력 매니폴드(202)의 니플(508) 및 플레이트 어셈블리(304)의 니플(508)에 접속된다.
도 8은 열교환기 코어에 연결되는 출력 매니폴드의 개략도이다. 출력 매니폴드(208)는 마찰 교반 용접을 사용하여 프레임(302)에 결합되는 알루미늄 합금의 하우징이다. 출력 매니폴드(208)는 분리가능 커플링(204)에 의해 분배기(506)와 유체 연결된다. 분리가능 커플링(204)은 출력 매니폴드(208)의 니플(508) 및 플레이트 어셈블리(304)의 니플(508)에 접속된다. 본 명세서를 판독한 후 입력 매니폴드(202) 및 출력 매니폴드(208)에 사용되는 재료가 앞서 논의된 바와 같이 열교환기 코어(206)에 사용하는데 적당한 어떤 재료로부터 선택될 수 있는 것이 당업자에게 명백해질 것이다.
도 9a는 본 발명의 제 1 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다. 플레이트 어셈블리(900)는 패널(902) 및 패널(904)을 포함한다. 패널(902 및 904)은 알루미늄 합금의 압출 패널이다. 패널(902 및 904) 각각은 복수의 핀(906)을 포함한다. 패널(902 및 904)은 핀(906)이 복수의 채널(504)을 집합적으로 규정하도록 마찰 교반 용접으로 결합된다. 어떤 실시 예에 있어서, 핀(906)은 패널(902 및 904) 사이의 전체 분리 거리에 걸치지 않는다. 그러므로, 그러한 실시예에 있어서 패널(902 및 904)은 핀(906)이 부분적으로 연장되는 단일 도관을 집합적으로 규정한다. 어떤 실시 예에 있어서, 패널(902 및 904)은 작동 유체(108) 및 해수에 대해 실질적으로 내식성인 다른 재료를 포함한다.
도 9b는 본 발명의 제 2 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다. 플레이트 어셈블리(908)는 패널(910), 패널(912), 핀(914), 지지체(916), 및 시일(918)을 포함한다. 핀(906) 및 지지체(916)는 채널(504)을 집합적으로 규정하기 위해 패널(910 및 912)에 납땜된다. 납땜된 접속이 해수의 존재로 갈바닉 부식에 크게 민감하므로, 시일(918)은 모든 납땜된 접속을 해수의 노출로부터 실질적으로 분리하기 위해 패널(910 및 912) 사이에 형성된다.
도 9c는 본 발명의 제 3 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다. 플레이트 어셈블리(920)는 패널(910), 패널(912), 인터포저(922), 지지체(916), 및 시일(918)을 포함한다. 인터포저(922) 및 지지체(916)는 채널(504)을 집합적으로 규정하기 위해 패널(910 및 912) 상에 납땜된다. 시일(918)은 모든 납땜된 접속을 해수의 노출로부터 실질적으로 분리하기 위해 패널(910 및 912) 사이에 형성된다. 제 3 대체 실시 예는 채널(504)을 부분적으로 규정하는 u자형 영역을 갖는 인터포저를 포함할지라도, 본 명세서를 판독한 후 어떤 적당한 형상의 영역을 갖는 인터포저를 포함하는 본 발명의 다른 대체 실시예를 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다.
도 9d는 본 발명의 제 4 대체 실시 예에 따른 플레이트 어셈블리의 개략도를 도시한다. 플레이트 어셈블리(924)는 패널(910), 패널(912), 인터포저(926), 및 지지체(928)를 포함한다. 지지체(928)는 알루미늄 합금의 스탠드오프(stand-off)이다. 인터포저(922)는 패널(910 및 912)에 접합된다. 지지체(928) 및 패널(910 및 912)이 모두 동일 재료로 제조되므로, 마찰 교반 용접은 이 요소를 함께 결합하는 바람직한 기술이다.
인터포저(926)는 복수의 채널(504)을 포함하는 열 전도성 흑연 폼의 압출 시트이다. 흑연 폼은 플레이트 어셈블리(924)를 위해 적당한 구조적 보전을 제공한다. 또한, 예시적인 흑연 폼 조성은 0.5 - 0.7 범위 내의 비중을 갖는다. 그 결과, 흑연 폼계 인터포저(926)는 비슷한 종래의 금속계 열교환기보다 가벼울 수 있는 열교환기를 가능하게 한다.
게다가, 흑연 폼은 대략 180 W/M Deg C 범위의 벌크 열 전도율을 갖는다. 이 열 전도율은 순(pure) 벌크 알루미늄만큼 높고, 예를 들어 대부분의 알루미늄 핀 구성의 유효 전도율보다 훨씬 더 높다.
또한, 인터포저(926)는 개방 기공(open pore)에 특징이 있는 흑연 벽 표면을 포함할 수 있다. 이것은 증발 및 응축이 비슷한 종래의 열교환기보다 훨씬 큰 표면적에 걸쳐 발생되게 한다. 그 결과, 본 발명에 따른 열교환기는 선행 기술의 쉘 및 튜브 및 플레이트 프레임 열교환기에 비해 소정 열 전달 듀티에 대한 감소된 용적을 나타낼 수 있다.
제 4 대체 실시 예는 직사각형 채널(504)을 갖는 인터포저를 포함할지라도, 본 명세서를 판독한 후 어떤 적당한 형상의 영역을 갖는 인터포저를 포함하는 본 발명의 다른 대체 실시 예를 지정, 구성, 및 사용하는지가 당업자에게 명백해질 것이다.
본 개시는 예시적 실시 예의 일례만을 교시하고 본 발명의 다수의 변경이 본 개시를 판독한 후 당업자에 의해 용이하게 고안될 수 있고 본 발명의 범위가 이하의 청구범위에 의해 결정되어야 하는 것이 이해되어야 한다.
104: 터보 발전기
112: 전력
118: 표면 영역
120: 온수 인
122: 온수 아웃
130: 냉수 아웃
126: 심해수 영역
128: 냉수 인
208: 출력 매니폴드
106: 폐루프 도관
204: 분리가능 커플링
206: 열교환기 코어
204: 분리가능 커플링
106: 폐루프 도관으로부터
202: 입력 매니폴드

Claims (21)

  1. (1) 프레임,
    (2) (a) 제 1 재료를 포함하고, 제 1 복수의 채널을 구비한 제 1 플레이트와,
    (b) 제 1 유체를 수용하고 그것을 상기 제 1 복수의 채널 각각에 분배하며, 상기 제 1 재료를 포함하되, 상기 제 1 플레이트 및 제 1 분배기는 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 제 1 조인트를 통해 결합되는 제 1 분배기와,
    (c) 상기 제 1 유체를 상기 제 1 복수의 채널 각각으로 수용하고, 상기 제 1 재료를 포함하되, 상기 제 1 플레이트 및 상기 제 2 분배기는 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 제 2 조인트를 통해 결합되는 제 2 분배기를 포함하는 제 1 플레이트 어셈블리, 및
    (3) (a) 상기 제 1 재료를 포함하고, 제 2 복수의 채널을 구비한 제 2 플레이트와,
    (b) 상기 제 1 유체를 수용하고 그것을 상기 제 2 복수의 채널 각각에 분배하며, 상기 제 1 재료를 포함하되, 상기 제 2 플레이트 및 상기 제 3 분배기는 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 제 3 조인트를 통해 결합되는 제 3 분배기와,
    (c) 상기 제 1 유체를 상기 제 2 복수의 채널 각각으로부터 수용하고, 상기 제 1 재료를 포함하되, 상기 제 2 플레이트 및 상기 제 4 분배기는 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 제 4 조인트를 통해 결합되는 제 4 분배기를 포함하는 제 2 플레이트 어셈블리를 포함하는 모듈형 열교환기에 있어서,
    상기 제 1 플레이트 어셈블리 및 상기 제 2 플레이트 어셈블리 각각은 상기 프레임에 제거가능하게 부착가능하고, 상기 제 1 플레이트 어셈블리 및 상기 2 플레이트 어셈블리는 이 제 1 플레이트 어셈블리 및 제 2 플레이트 어셈블리가 상기 프레임과 부착될 때 제 2 유체를 운반하기 위한 단일 도관을 집합적으로 규정하도록 이격된 채로 배치되고, 상기 단일 도관은 상기 제 1 복수의 채널 및 상기 제 2 복수의 채널로 더 유체 분리되는 모듈형 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유체에 대한 입력 포트 및 상기 제 1 분배기를 유체 연결하는 제 1 분리가능 커플링,
    상기 제 1 유체에 대한 출력 포트 및 상기 제 2 분배기를 유체 연결하는 제 2 분리가능 커플링,
    상기 입력 포트 및 상기 제 3 분배기를 유체 연결하는 제 3 분리가능 커플링, 및
    상기 출력 포트 및 상기 제 4 분배기를 유체 연결하는 제 4 분리가능 커플링을 더 포함하는 모듈형 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트는 제 1 복수의 핀을 구비한 제 1 패널 및 제 2 복수의 핀을 구비한 제 2 패널을 포함하며, 상기 제 1 복수의 핀 및 상기 제 2 복수의 핀은 상기 제 1 복수의 채널을 집합적으로 규정하는 모듈형 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트는 제 1 패널, 제 2 패널, 및 상기 제 1 패널과 상기 제 2 패널 사이에 있는 인터포저를 포함하며, 상기 인터포저는 상기 제 1 복수의 채널을 집합적으로 규정하는 복수의 성형 영역을 포함하는 모듈형 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트는 제 1 패널, 제 2 패널, 및 상기 제 1 패널과 상기 제 2 패널 사이에 있는 인터포저를 포함하며, 상기 인터포저는 상기 제 1 복수의 채널을 포함하는 흑연 폼을 구비하는 모듈형 열교환기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트는,
    상기 제 1 재료로 구성되는 제 1 패널,
    상기 제 1 재료로 구성되는 제 2 패널,
    복수의 핀 및 상기 제 1 패널 중 적어도 1개가 납땜 조인트를 통해 결합되는 복수의 핀, 및
    상기 제 1 재료로 구성되고, 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 적어도 1개의 조인트를 통해 상기 제 1 패널 및 상기 제 2 패널 각각과 결합되는 시일을 포함하고,
    상기 복수의 핀, 상기 제 1 패널, 및 제 2 패널은 상기 제 1 복수의 채널을 집합적으로 규정하며,
    상기 시일, 상기 제 1 패널, 및 상기 제 2 패널은 상기 복수의 핀을 상기 제 2 유체로부터 실질적으로 분리하도록 배치된 모듈형 열교환기.
  7. (1) 제 1 재료를 포함하고, 제 1 복수의 채널을 구비한 제 1 플레이트와, (2) 제 1 유체를 상기 제 1 복수의 채널 각각에 분배하고, 상기 제 1 재료를 포함하는 제 1 분배기와, (3) 상기 제 1 유체를 상기 제 1 복수의 채널 각각으로부터 수용하고, 상기 제 1 재료를 포함하는 2 분배기를 포함하는 제 1 플레이트 어셈블리를 제공하되, 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 적어도 1개의 조인트를 통해 상기 제 1 분배기 및 상기 제 2 분배기 각각과 결합되는 단계,
    (1) 상기 제 1 재료를 포함하고, 제 2 복수의 채널을 구비한 제 2 플레이트와, (2) 상기 제 1 유체를 상기 제 2 복수의 채널 각각에 분배하는 제 3 분배기와, (3) 상기 제 1 유체를 상기 제 2 복수의 채널 각각으로부터 수용하는 제 4 분배기를 포함하는 제 2 플레이트 어셈블리를 제공하되, 상기 제 2 플레이트는 상기 제 1 재료를 포함하며 상기 제 1 재료로 구성되는 마찰 교반 용접 조인트인 적어도 1개의 조인트를 통해 상기 제 3 분배기 및 상기 제 4 분배기 각각과 결합되는 단계,
    상기 제 1 플레이트 어셈블리를 프레임에 분리가능하게 장착하는 단계, 및
    상기 제 2 플레이트 어셈블리를 상기 프레임에 분리가능하게 장착하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 제 1 플레이트 어셈블리 및 상기 제 2 플레이트 어셈블리는 상기 프레임에 장착될 때 제 2 유체를 운반하기 위한 단일 도관을 집합적으로 규정하도록 이격된 채로 배치되는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트 어셈블리는 상기 제 1 플레이트가,
    제 1 패널,
    제 2 패널, 및
    복수의 핀을 포함하도록 제공되며,
    상기 제 1 패널, 제 2 패널, 및 복수의 핀은 상기 제 1 복수의 채널을 집합적으로 규정하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트 어셈블리는 상기 제 1 플레이트가,
    제 1 패널,
    제 2 패널, 및
    흑연 폼을 포함하고, 상기 제 1 패널과 상기 제 2 패널 사이에 있되, 상기 흑연 폼은 상기 제 1 복수의 채널을 포함하는 인터포저를 포함하도록 제공되는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트 어셈블리는 상기 제 1 플레이트가,
    상기 제 1 재료로 구성되는 제 1 패널,
    상기 제 1 재료로 구성되는 제 2 패널,
    복수의 핀을 포함하고, 상기 제 1 패널과 상기 제 2 패널 사이에 있으며, 적어도 1개 납땜 조인트를 통해 상기 제 1 패널과 결합되는 인터포저, 및
    각각이 상기 제 1 재료로 구성되는 복수의 시일을 포함하도록 제공되며,
    상기 제 1 패널, 제 2 패널, 및 인터포저는 상기 제 1 복수의 채널을 집합적으로 규정하고, 상기 제 1 패널, 상기 제 2 패널, 및 상기 복수의 시일은 마찰 교반 용접 조인트인 적어도 1개의 조인트를 통해 결합되며, 상기 제 1 패널, 상기 제 2 패널, 및 복수의 시일은 상기 인터포저를 상기 제 2 유체로부터 유체 분리하도록 더 배치된 방법.
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