KR101654415B1

KR101654415B1 - 열교환 튜브 유닛

Info

Publication number: KR101654415B1
Application number: KR1020140073331A
Authority: KR
Inventors: 이진운; 이재달; 권우철
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-09-06
Also published as: KR20150144833A

Abstract

열교환 튜브 유닛이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 튜브 유닛을 통해 연소 가스와의 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 열교환 튜브 유닛에 관한 것이다.

Description

열교환 튜브 유닛{Heat exchange tube unit}

본 발명은 화력 발전소의 퍼니스(furnance) 후단에 위치시켜 열교환을 위해 사용되는 열교환 튜브 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소 가스와의 열교환이 이루어지는 열교환 튜브 유닛을 통한 열교환 성능 향상과, 입력 강하를 최소화시킨 열교환 튜브 유닛에 관한 것이다.

일반적으로 화력 발전소의 퍼니스 후단에는 열교환을 위한 튜브가 설치되어, 상기 퍼니스를 경유한 연소 가스와 열교환을 통해 흡수탑으로 유입되는 연소공기에 대한 리히터(reheater)로 사용된다.

튜브는 내부로 고온의 유체가 이동되고 연소 공기와 열교환을 통해 리히터를 경유한 연소 공기의 온도를 상대적으로 변화시키기 위해 사용된다.

최근에는 퍼니스의 크기가 점차 대형화 되어가는 추세에 따라 화력 발전소의 저급탄 사용으로 인해 화력 발전소에서 다양한 에러 및 오작동이 발생된다.

종래에는 튜브의 외측 길이 방향을 따라 스파이럴 형태의 열교환 핀이 설치된 상태로 사용되었으나, 상기 열교환 핀은 연소 공기의 안정적인 유동 흐름을 방해하는 문제점이 유발되었고, 연소 공기 중에 포함된 재(ash)로 인해 핀 외측에 다량의 재가 적층되는 현상이 유발되었다.

이로 인해 리히터 전체의 열교환 성능이 저하되고, 연소 가스가 다수개의 튜브를 경유하여 안정적으로 이동하지 못하고 부분적으로 압력 강하가 발생되거나 열전달 성능이 저하되는 다양한 문제점이 발생되었다.

대한민국등록특허 제10-0490722호 (등록일: 2005년 5월 12일)

본 발명의 실시 예들은 퍼니스의 리히터로 사용되는 열교환 튜브 유닛의 배치와 열교환 핀의 배치를 다양하게 변경시켜 열교환 효율을 향상시키고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 화력 발전소의 퍼니스를 경유한 고온의 연소가스에 대한 리히터를 위해 내부에 유체가 이동되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀이 장착된 다수개의 단위 튜브가 배치된 제1 튜브 유닛; 및 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 상기 제1 튜브 유닛과 이격되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀과 서로 간에 어긋난 상태로 제2 열교환 핀이 장착된 다수개의 단위 튜브가 배치된 제2튜브 유닛을 포함하고, 상기 제1 튜브 유닛의 단위 튜브에 설치된 제1 열교환 핀의 개수보다 제2 튜브 유닛의 단위 튜브에 설치된 제2 열교환 핀의 개수가 상대적으로 많이 장착되어 연소가스와 열교환되는 면적이 증가된 상태로 열교환이 이루어지되, 상기 제1 튜브 유닛은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 서로 간에 이격된 다수개의 단위 튜브를 포함하고, 상기 제1 튜브 유닛의 선단부에 구비된 단위 튜브의 제1 열교환 핀은 이웃한 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 일렬로 정렬되거나 엇갈리게 배치되고, 후단부에 구비된 단위 튜브의 제1 열교환 핀은 이격된 다른 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 서로 간에 엇갈리게 배치되며, 상기 제2 튜브 유닛은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 서로 간에 이격된 다수개의 단위 튜브를 포함하고, 상기 연소가스의 이동 방향을 기준으로 상기 제2 튜브 유닛의 후단부에 위치된 단위 튜브의 축 방향을 따라 외측으로 연장된 제2 열교환 핀의 단부와 마주보는 위치에 구비된 다른 단위 튜브의 축 방향을 따라 외측으로 연장된 다른 제2 열교환 핀의 단부가 상기 제2 열교환 핀의 이격된 공간 사이로 서로 간에 부분 삽입된 것을 특징으로 한다.
상기 열교환 튜브 유닛은 상기 제1 열교환 핀의 개수를 n이라 가정할 때 제2 열교환 핀의 개수는 2n 이상 3n 이내의 개수로 이루어진다.
상기 제1,2 열교환 핀은 상기 제1,2 튜브 유닛에서 외측 단부로 갈수록 두께가 감소된 경사부를 포함한다.
상기 열교환 튜브 유닛은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 제1 튜브 유닛과 제2 튜브 유닛이 배치되되, 상기 제1,2 튜브 유닛은 모두 일렬로 정렬되거나, 제1 튜브 유닛이 일렬로 정렬되고 제2 튜브 유닛은 서로 간에 어긋난 상태로 정렬된다.
상기 열교환 튜브 유닛은 제1 튜브 유닛의 제1 열교환 핀은 모두 일렬로 정렬되고, 제2 튜브 유닛의 제2 열교환 핀은 제1 열교환 핀을 기준으로 엇갈리게 정렬된다.

삭제

본 발명의 실시 예들은 열교환 튜브 유닛의 배치 형태와 열교환 핀의 배치 형태에 대한 변경을 통해 열교환 효율을 향상시키고, 연소 공기의 안정적인 이동을 가능하게 함으로써 부분적으로 재(ash)가 열교환 핀에 적층되는 경우에도 연소 가스와의 열교환이 안정적으로 유지될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 화력발전소의 흡수탑으로 흡수되는 연소 공기의 온도를 안정 온도 상태로 유지할 수 있어 오작동으로 인한 작동 중지를 예방할 수 있어 화력 발전소의 안정적인 가동을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 튜브 유닛이 퍼니스에 설치된 위치를 도시한 측면도.
도 6은 본 발명의 열교환 튜브 유닛을 도시한 평면도.
도 7은 도 6의 변형 실시 예를 도시한 평면도.

본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 튜브 유닛에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1 또는 도 6을 참조하면, 열교환 튜브 유닛(1)은 일 예로 화력 발전소에 구비된 퍼니스(2)의 일측에 굵은 점선으로 도시된 위치에 설치되어 리히터(reheater)를 위한 용도로 사용된다.

열교환 튜브 유닛(1)은 제1 튜브 유닛(100)과 제2 튜브 유닛(200)을 포함하고, 제1 튜브 유닛(100)은 내부에 유체가 이동되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀(110)이 장착되며 소정의 길이로 연장된다.

참고로 본 실시 예에서는 설명의 이해 및 편의를 위해 제1 튜브 유닛(100)의 길이를 도면에 간략히 도시하였으며 제1 튜브 유닛(100)의 길이와 배치 형태는 변동될 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명의 구성 요소들의 관계를 보다 명확하게 하기 위해 제1 튜브 유닛(100)에 구비된 다수개의 단위 튜브는 도면과 발명의 상세한 설명에 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 최초 위치된 단위 튜브를 제1 단위 튜브(101)라 정의하였고, 순차적으로 제2 단위 튜브(102), 제3 단위 튜브(103)로 도면에 도시하였다.
그리고 상기 제1 튜브 유닛(100)의 축 방향을 따라 다수개의 제1 열교환 핀(110)이 외측을 향해 연장되고, 상기 제1 열교환 핀(110)은 일 예로 상기 제1 내지 제3 단위 튜브(101, 102, 103)의 축 방향을 따라 각각 형성되고 명칭을 모두 제1 열교환 핀으로 정의하고 도번도 110번으로 통일하여 도시 한다.
즉 제1 튜브 유닛(100)은 다수개의 단위 튜브가 구비되고, 상기 단위 튜브에 구비된 열교환 핀은 모두 제1 열교환 핀(110)으로 정의 한다.
따라서 제1 단위 튜브 또는 제2 단위 튜브(101, 102)의 위치에 상관없이 모두 제1 열교환 핀(110)으로 정의하였고, 서로 간에 구별되도록 제1 단위 튜브(101)의 제1 열교환 핀(110), 제2 단위 튜브(102)의 제1 열교환 핀(110)으로 발명의 상세한 설명에 기재하기로 한다.

제1 튜브 유닛(100)은 특별히 개수는 한정하지 않으며 도면에는 한정된 개수로 도시한다. 제1 튜브 유닛(100)에는 축 방향을 따라 제1 열교환 핀(110)이 일정 간격으로 다수개가 장착되고, 제1 튜브 유닛(100)의 내측으로 이동되는 유체가 갖고 있는 고온의 열에너지와 열교환 튜브 유닛(1)으로 공급되는 연소 가스와 상호 열교환을 통해 연소 가스의 온도를 소정의 온도까지 상승시킨다.

참고로 연소 가스가 갖는 고온의 열 에너지는 제1,2 열교환 핀(110,210)을 통해 열이 흡수되어 제1,2 튜브 유닛(100,200)으로 공급된 유체의 온도를 특정 온도로 상승시킨다.

제1 열교환 핀(110)은 확대도에 도시된 바와 같이 제1 튜브 유닛(100)의 외측에서 브레이징(brasing) 방식에 의해 고정되나 다른 방식으로 변경될 수 있음을 밝혀둔다.

제1,2 열교환 핀(110,210)은 플레이트 형태의 직육면체로 이루어지고, 제1,2 튜브 유닛(100,200)의 외측 단부로 갈수록 두께가 감소된 경사부(111,211)가 형성된다.

경사부(111,211)는 제1 튜브 유닛(100) 또는 제2 튜브 유닛(200) 통해 이동된 연소 가스와의 접촉 면적 증가 및 이동 방향을 가이드 하여 고온의 열 에너지를 제1,2 열교환 핀(110,210)으로 열전달시켜 고온의 연소가스와의 열교환 효율을 상대적으로 향상시킨다.

경사부(111,211)의 경사 각도는 특별히 한정하지 않으나, 제1 열교환 핀(110)을 기준으로 전면과 후면이 동일 경사각으로 경사진다.
제1 튜브 유닛(100)은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 서로 간에 이격된 다수개의 단위 튜브를 포함한다.
상기 제1 튜브 유닛(100)의 선단부에 구비된 제1 단위 튜브(101)의 제1 열교환 핀(110)은 이웃한 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 일렬로 정렬되거나 엇갈리게 배치되고, 후단부에 배치된 단위 튜브의 제1 열교환 핀은 이격된 다른 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 서로 간에 엇갈리게 배치된다.

제2 튜브 유닛(200)은 제1 튜브 유닛(100)의 후단부와 인접한 선단부에 위치된 제1 단위 튜브(201)에 축 방향을 따라 제2 열교환 핀(210)이 구비되고, 상기 제2 열교환 핀(210)은 제1 열교환 핀(110)과 마주보는 동일 선상에 위치될 수 있다.

제2 튜브 유닛(200)은 상기 제1 튜브 유닛(100)과 마찬가지로 제1 단위 튜브 (201)와, 제2 단위 튜브(202)와, 제3 단위 튜브(203)으로 구성될 수 있다. 참고로 단위 튜브의 개수는 도면에 도시된 개수로 한정하지 않는다.
이와 같이 배치될 경우 제2 튜브 유닛(200)의 내측으로 이동되는 유체가 갖고 있는 고온의 열에너지와 열교환을 통해 상기 유체의 온도를 소정 온도로 상승시킨다.

본 실시 예는 일 예로 제1 열교환 핀(110)과 제2 열교환 핀(210)이 연소가스의 이동 방향과 동일한 방향을 향해 배치되므로, 연소 가스는 경사부(111,211)의 외주면을 따라 이동되면서 고온의 열이 제1,2 열교환 핀(110,210)으로 전달된다.

제1,2 튜브 유닛(100,200)은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 다수개의 단위 튜브가 일렬로 정렬된 형태 또는 서로 간에 어긋난 형태 중의 어느 한 형태로 배열된다.

이와 같이 배열시키는 이유는 열교환 튜브 유닛(1)으로 고온의 연소 가스가 이동될 경우 난류 흐름을 발생시켜 제1 튜브 유닛(100)과 제2 튜브 유닛(200) 전체에서 균일하게 열교환이 이루어지도록 함으로써 열교환 효율을 향상시키기 위해서이다.

삭제

첨부된 도 6을 참조하면, 열교환 튜브 유닛(1d)은 내부에 유체가 이동되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀(110)이 장착된 다수개의 단위 튜브가 배치된 제1 튜브 유닛(100)과, 상기 제1 튜브 유닛(100)과 이격되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀(110)과 서로 간에 어긋난 상태로 제2 열교환 핀(210)이 장착된 다수개의 단위 튜브가 배치된 제2 튜브 유닛(200)을 포함하고, 상기 제1 튜브 유닛(100)의 단위 튜브에 설치된 제1 열교환 핀(110)의 개수보다 제2 튜브 유닛(200)의 단위 튜브에 설치된 제2 열교환 핀(210)의 개수가 상대적으로 많이 장착되어 연소가스와 열교환되는 면적이 증가된 상태로 열교환이 이루어진다.
또한 상기 제1 튜브 유닛(100)은 다수개의 단위 튜브를 포함하는데, 연소가스의 이동 방향을 기준으로 선단부에 제1 단위 튜브(101)가 배치되고, 연속적으로 제2 단위 튜브(102)와 제3 단위 튜브(103)가 배치된다.
제1 튜브 유닛(100)의 선단부에 위치된 상기 제1 단위 튜브(101)의 제1 열교환 핀(110)은 이웃한 단위 튜브(102, 1203)의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀(110)과 일렬로 정렬되거나 도 7에 도시된 바와 같이 엇갈리게 배치되고, 후단부에 구비된 단위 튜브의 제1 열교환 핀은 이격된 다른 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 서로 간에 엇갈리게 배치될 수 있다.

열교환 튜브 유닛(1d)은 상기 제1 열교환 핀(110)의 개수를 n이라 가정할 때 제2 열교환 핀(210)의 개수는 2n 이상 3n 이내의 개수로 이루어진다.

예를 들면 상기 제1 튜브 유닛(100)의 단위 튜브에 설치된 제1 열교환 핀(110)의 개수가 7개일 경우 제2 튜브유닛(200)의 단위 튜브에 설치된 제2 열교환 핀(210)은 14개 또는 그 이상의 개수로 설치되어 제2 튜브 유닛(200)으로 이동된 연소 가스와의 열교환 효율을 제1 튜브 유닛(100)에서 이루어지는 열교환 효율에 비해 상대적으로 증가시킬 수 있다.

여기서 제2 열교환 핀(210)의 개수는 연소 가스의 이동 흐름을 방해하지 않고 안정적인 열교환을 위해 최소 제1 열교환 핀(110) 개수의 2n배 이상이고 최대는 3n이내의 개수로 장착된다. 또한 제2 열교환 핀(210)은 서로 간에 일정 간격으로 이격 되거나, 다수개의 제2 열교환 핀(210)이 특정 개수로 집합된 상태로 장착될 수 있다.

첨부된 도 7을 참조하면, 제2 튜브 유닛(200)은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 서로 간에 이격된 다수개의 제1 내지 제3 단위 튜브(201, 202, 203)를 포함하고, 상기 연소가스의 이동 방향을 기준으로 상기 제2 튜브 유닛(200)의 후단부에 위치된 제3 단위 튜브(203)의 축 방향을 따라 외측으로 연장된 제2 열교환 핀(210)의 단부와 마주보는 위치에 구비된 제2 단위 튜브(202)의 축 방향을 따라 외측으로 연장된 제2 열교환 핀(210)의 단부가 상기 제3 단위 튜브(203)와 제3 단위 튜브(203)에 구비된 제2 열교환 핀(210)의 이격된 공간 사이로 서로 간에 부분 삽입된다.

이와 같이 제2, 3 단위 튜브(202, 203)의 서로 마주보는 위치에 구비된 제2 열교환 핀(210)이 서로 부분 삽입될 경우 외측으로 면적이 길게 연장되어야 하므로 선단부에 위치된 제2 열교환 핀(210)에 비해 면적이 증가되어 연소 가스와의 열전달 효율이 상대적으로 향상된다.

열교환 튜브 유닛(1d)은 연소 가스의 이동 방향을 기준으로 제1 튜브 유닛(100)과 제2 튜브 유닛(200)이 배치되되, 상기 제1,2 튜브 유닛(100,200)은 모두 일렬로 정렬되거나, 제1 튜브 유닛(100)이 일렬로 정렬되고 제2 튜브 유닛(200)은 서로 간에 어긋난 상태로 정렬된다.

이와 같이 제1,2 튜브 유닛(100,200)이 배치될 경우 연소 가스의 난류 흐름을 안정적으로 유도하고 이를 통해 제1 튜브 유닛(100)과 제2 튜브 유닛(200) 전체에서 균일하게 열교환이 이루어지도록 함으로써 연소가스와의 열교환 효율을 도모하고자 한다.

삭제

열교환 튜브 유닛(1d)은 제1 튜브 유닛(100)의 제1 열교환 핀(110)은 모두 일렬로 정렬되고, 제2 튜브 유닛(200)의 제2 열교환 핀(210)은 제1 열교환 핀(110)을 기준으로 엇갈리게 정렬된다. 또한 제2 튜브 유닛(200)은 서로 간에 엇갈리게 배치된다.

이와 같이 배치될 경우 제1 튜브 유닛(100)에서 연소 가스와 제1 열교환 핀(110)을 통한 열교환이 일차적으로 이루어진 후에 제2 튜브 유닛(200)에서 제2 열교환 핀(210)을 통한 열교환이 상대적으로 향상된 상태로 이루어져 전체적인 열교환 효율이 향상된다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1 : 열교환 튜브 유닛
2 : 퍼니스
100 : 제1 튜브 유닛
110 : 제1 열교환 핀
200 : 제2 튜브 유닛
210 : 제2 열교환 핀

Claims

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화력 발전소의 퍼니스를 경유한 고온의 연소가스에 대한 리히터를 위해 내부에 유체가 이동되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀이 장착된 다수개의 단위 튜브가 배치된 제1 튜브 유닛; 및
연소 가스의 이동 방향을 기준으로 상기 제1 튜브 유닛과 이격되고 외측 길이 방향을 따라 제1 열교환 핀과 서로 간에 어긋난 상태로 제2 열교환 핀이 장착된 다수개의 단위 튜브가 배치된 제2튜브 유닛을 포함하고,
상기 제1 튜브 유닛의 단위 튜브에 설치된 제1 열교환 핀의 개수보다 제2 튜브 유닛의 단위 튜브에 설치된 제2 열교환 핀의 개수가 상대적으로 많이 장착되어 연소가스와 열교환되는 면적이 증가된 상태로 열교환이 이루어지되,
상기 제1 튜브 유닛은,
연소 가스의 이동 방향을 기준으로 서로 간에 이격된 다수개의 단위 튜브를 포함하고, 상기 제1 튜브 유닛의 선단부에 구비된 단위 튜브의 제1 열교환 핀은 이웃한 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 일렬로 정렬되거나 엇갈리게 배치되고, 후단부에 구비된 단위 튜브의 제1 열교환 핀은 이격된 다른 단위 튜브의 축 방향을 따라 구비된 제1 열교환 핀과 서로 간에 엇갈리게 배치되며,
상기 제2 튜브 유닛은,
연소 가스의 이동 방향을 기준으로 서로 간에 이격된 다수개의 단위 튜브를 포함하고, 상기 연소가스의 이동 방향을 기준으로 상기 제2 튜브 유닛의 후단부에 위치된 단위 튜브의 축 방향을 따라 외측으로 연장된 제2 열교환 핀의 단부와 마주보는 위치에 구비된 다른 단위 튜브의 축 방향을 따라 외측으로 연장된 다른 제2 열교환 핀의 단부가 상기 제2 열교환 핀의 이격된 공간 사이로 서로 간에 부분 삽입된 것을 특징으로 하는 열교환 튜브 유닛.
제7 항에 있어서,
상기 열교환 튜브 유닛은,
상기 제1 열교환 핀의 개수를 n이라 가정할 때 제2 열교환 핀의 개수는 2n 이상 3n 이내의 개수로 이루어진 열교환 튜브 유닛.
삭제
제7 항에 있어서,
상기 제1,2 열교환 핀은,
상기 제1,2 튜브 유닛에서 외측 단부로 갈수록 두께가 감소된 경사부를 포함하는 열교환 튜브 유닛.
제7 항에 있어서,
상기 열교환 튜브 유닛은,
연소 가스의 이동 방향을 기준으로 제1 튜브 유닛과 제2 튜브 유닛이 배치되되,
상기 제1,2 튜브 유닛은 모두 일렬로 정렬되거나, 제1 튜브 유닛이 일렬로 정렬되고 제2 튜브 유닛은 서로 간에 어긋난 상태로 정렬된 열교환 튜브 유닛.
제7 항에 있어서,
상기 열교환 튜브 유닛은,
제1 튜브 유닛의 제1 열교환 핀은 모두 일렬로 정렬되고, 제2 튜브 유닛의 제2 열교환 핀은 제1 열교환 핀을 기준으로 엇갈리게 정렬된 열교환 튜브 유닛.
삭제