KR101689109B1 - 초임계 이산화탄소 열교환기 - Google Patents

초임계 이산화탄소 열교환기 Download PDF

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Abstract

초임계 이산화탄소 열교환기가 개시된다. 상기 초임계 이산화탄소 열교환기는 내부공간이 제1 격벽을 사이에 두고 주입공간 및 배출공간으로 구획되어 있는 헤드부; 상기 주입공간에 연통된 이산화탄소 주입구; 상기 배출공간에 연통된 이산화탄소 배출구; 일면이 개방된 중공의 원통형상이고, 개방된 일면이 상기 헤드부에 연결되고, 내부공간이 제2 격벽을 사이에 두고 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간으로 구획되어 있고, 상기 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간은 상기 주입공간 및 배출공간과 평행하게 배치되어 있는 중공쉘; 상기 중공쉘의 내부공간에 수용되며, 입구 및 출구를 갖고 상기 중공쉘의 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간을 U자 형상으로 경유하여 상기 입구는 상기 주입공간과 유체 소통 가능하게 연결되고 상기 출구는 상기 배출공간과 유체 소통 가능하게 연결되어 있는 튜브들로 구성된 튜브번들; 상기 제1 열교환공간 내에서 상기 튜브번들의 길이방향을 따라 다수 배열되어 있는 제1 배플; 상기 제2 열교환공간 내에서 상기 튜브번들의 길이방향을 따라 다수 배열되어 있는 제2 배플; 상기 제1 열교환공간에 열매체를 주입하는 열매체 주입구; 및 상기 제2 열교환공간으로부터 열매체를 배출하는 열매체 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초임계 이산화탄소 열교환기{SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 초임계 이산화탄소 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초임계 이산화탄소를 열매체를 통해 임계점 이상의 온도로 열교환하여 가열하는 초임계 이산화탄소 열교환기에 관한 것이다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.
이러한 초임계 상태의 이산화탄소는 공해물질 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높일 수 있는 발전 시스템의 자원으로 활용되고 있다. 일 예로, 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)과 같이 초임계 이산화탄소를 이용한 발전 시스템의 활용이 활성화되고 있다.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 공급되는 초임계 이산화탄소는 임계점 이상의 고온으로 공급되어야 하며, 이를 위해 초임계 이산화탄소를 다양한 열매체와 열교환하여 고온의 초임계 이산화탄소를 공급하기 위한 열교환기가 필수적으로 요구된다. 따라서, 본 발명자는 아래에서 설명되는 초임계 이산화탄소 열교환기를 개발하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 초임계 이산화탄소를 고온의 열매체와 열교환하여 초임계 이산화탄소의 온도를 임계점 이상의 고온 상태가 되도록 하여 증기터빈 발전시스템에 공급할 수 있도록 한 초임계 이산화탄소 열교환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기는 내부공간이 제1 격벽을 사이에 두고 주입공간 및 배출공간으로 구획되어 있는 헤드부; 상기 주입공간에 연통된 이산화탄소 주입구; 상기 배출공간에 연통된 이산화탄소 배출구; 일면이 개방된 중공의 원통형상이고, 개방된 일면이 상기 헤드부에 연결되고, 내부공간이 제2 격벽을 사이에 두고 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간으로 구획되어 있고, 상기 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간은 상기 주입공간 및 배출공간과 평행하게 배치되어 있는 중공쉘; 상기 중공쉘의 내부공간에 수용되며, 입구 및 출구를 갖고 상기 중공쉘의 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간을 U자 형상으로 경유하여 상기 입구는 상기 주입공간과 유체 소통 가능하게 연결되고 상기 출구는 상기 배출공간과 유체 소통 가능하게 연결되어 있는 튜브들로 구성된 튜브번들; 상기 제1 열교환공간 내에서 상기 튜브번들의 길이방향을 따라 다수 배열되어 있는 제1 배플; 상기 제2 열교환공간 내에서 상기 튜브번들의 길이방향을 따라 다수 배열되어 있는 제2 배플; 상기 제1 열교환공간에 열매체를 주입하는 열매체 주입구; 및 상기 제2 열교환공간으로부터 열매체를 배출하는 열매체 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기는 상기 튜브번들을 구성하는 각 튜브들 중 일부에 장착되어 상기 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간을 지나는 열매체의 유속을 감소시키는 유속감소부재를 더 포함할 수 있다.
상기 유속감소부재는, 상기 튜브번들을 구성하는 각 튜브들 중 일부에 장착되는 결합관; 상기 결합관에 일체로 형성되고 상기 결합관의 길이방향에 수직하게 배치된 베어링수용관; 상기 베어링수용관의 내부에 설치되는 베어링; 회전축 및 회전축의 원주방향을 따라 배열된 날개들을 포함하고, 상기 회전축이 상기 베어링과 결합하여 상기 제1 열교환공간 및 제2 열교환공간을 지나는 열매체와 부딪혀서 회전하는 회전배플을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기에 의하면, 초임계 이산화탄소를 고온의 열매체와 열교환하여 초임계 이산화탄소의 온도를 임계점 이상의 고온 상태가 되도록 하여 증기터빈 발전시스템에 공급할 수 있고, 고온 상태의 초임계 이산화탄소를 증기터빈 발전시스템에 공급함에 따라 증기터빈 발전시스템의 발전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 초임계 이산화탄소 열교환기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 유속감소부재를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초임계 이산화탄소열교환기에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 초임계 이산화탄소 열교환기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기는 헤드부(110), 이산화탄소 주입구(120), 이산화탄소 배출구(130), 중공쉘(140), 튜브번들(150), 제1 배플(160), 제2 배플(170), 열매체 주입구(151), 열매체 배출구(152)를 포함할 수 있다.
헤드부(110)는 이산화탄소가 주입되는 공간 및 이산화탄소가 배출되는 공간을 제공한다. 헤드부(110)는 원통형상일 수 있다. 헤드부(110)는 내부공간이 제1 격벽(111)을 사이에 두고 주입공간(112) 및 배출공간(113)으로 구획된다. 주입공간(112)은 초임계 이산화탄소가 주입되는 공간이고, 배출공간(113)은 열교환된 초임계 이산화탄소가 배출되는 공간이다.
이산화탄소 주입구(120)는 헤드부(110)의 주입공간(112)으로 초임계 이산화탄소가 주입되도록 한다. 이를 위해, 이산화탄소 주입구(120)는 헤드부(110)의 주입공간(112)에 관통되어 주입공간(112)과 연통된다.
이산화탄소 배출구(130)는 헤드부(110)의 배출공간(113)으로 유입된 열교환된 초임계 이산화탄소를 외부로 배출한다. 이를 위해, 이산화탄소 배출구(130)는 헤드부(110)의 배출공간(113)에 관통되어 배출공간(113)과 연통된다.
중공쉘(140)은 초임계 이산화탄소가 열매체와 열교환되는 공간을 제공한다. 중공쉘(140)은 일면이 개방된 원통형상일 수 있고, 개방된 일면이 헤드부(110)에 연결된다. 중공쉘(140)은 내부공간이 제2 격벽(141)을 사이에 두고 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)으로 구획된다. 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)은 주입공간(112) 및 배출공간(113)과 평행하게 배치된다. 이때, 제1 열교환공간(142)은 헤드부(110)의 배출공간(113)과 평행하게 배치될 수 있고, 제2 열교환공간(143)은 헤드부(110)의 주입공간(112)과 평행하게 배치될 수 있다. 여기서, 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)은 열매체가 순환하는 공간이다.
튜브번들(150)은 초임계 이산화탄소가 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 순환하도록 한다. 튜브번들(150)은 다수의 튜브들로 구성될 수 있다. 각각의 튜브는 입구(151) 및 출구(152)를 갖고 중공쉘(140)의 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 U자 형상으로 경유하여 입구(151)는 주입공간(112)과 유체 소통 가능하게 연결되고 출구(152)는 배출공간(113)과 유체 소통 가능하게 연결된다.
제1 배플(160)은 제1 열교환공간(142) 내부를 지나는 열매체의 유속을 감소시킨다. 제1 배플(160)은 제1 열교환공간(142) 내에서 튜브번들(150)의 길이방향을 따라 다수 배열된다. 제1 배플(160)은 플레이트 형태일 수 있고, 튜브번들(150)에 결합된다. 이때, 제1 배플(160)의 가장자리는 중공쉘(140)의 내면과 이격된다. 이격된 공간을 통해 열매체는 제1 열교환공간(142)을 통과할 수 있다.
제2 배플(170)은 제2 열교환공간(143) 내부를 지나는 열매체의 유속을 감소시킨다. 제2 배플(170)은 제2 열교환공간(143) 내에서 튜브번들(150)의 길이방향을 따라 다수 배열된다. 제2 배플(170)은 플레이트 형태일 수 있고, 튜브번들(150)에 결합된다. 이때, 제2 배플(170)의 가장자리는 중공쉘(140)의 내면과 이격된다. 이격된 공간을 통해 열매체는 제2 열교환공간(143)을 통과할 수 있다.
열매체 주입구(151)는 제1 열교환공간(142)에 열매체를 주입한다. 이를 위해, 열매체 주입구(151)는 중공쉘(140)의 제1 열교환공간(142)에 유체 소통 가능하게 연결된다. 열매체 주입구(151)를 통해 주입되는 열매체는 고온의 물 또는 증기일 수 있다.
열매체 배출구(152)는 제2 열교환공간(143)으로부터 열매체를 배출한다. 이를 위해, 열매체 배출구(152)는 중공쉘(140)의 제2 열교환공간(143)에 유체 소통 가능하게 연결된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기를 통해 초임계 이산화탄소가 열매체와 열교환하는 과정을 설명한다.
먼저, 초임계 이산화탄소는 이산화탄소 주입구(120)를 통해 헤드부(110)의 내부의 주입공간(112)으로 주입된다. 이때, 헤드부(110)의 내부에는 주입공간(112) 및 배출공간(113)을 구획하는 제1 격벽(111)이 배치되어 있으므로 주입공간(112)으로 주입된 초임계 이산화탄소는 배출공간(113)으로 이동하지 않고 주입공간(112)과 연통된 튜브번들(150)의 입구(151)로 유입된다.
이와 동시에 열매체 주입구(151)를 통해 중공쉘(140) 내부로 열매체가 주입된다. 일 예로, 고온의 증기가 주입될 수 있다. 열매체 주입구(151)를 통해 주입된 열매체는 제1 열교환공간(142)으로 유입된 후 제1 열교환공간(142)의 길이방향을 따라 이동하면서 제1 열교환공간(142)과 연통된 제2 열교환공간(143)의 내부로 이동하여 중공쉘(140) 내부공간에 채워진다.
이러한 상태에서, 튜브번들(150)로 유입된 초임계 이산화탄소는 튜브번들(150)의 U자 형상의 경로를 따라 튜브번들(150)의 출구(152)를 향해 이동한다. 이때, 초임계 이산화탄소는 중공쉘(140) 내부에 채워진 열매체와 열교환하여 온도가 상승한다. 온도가 상승된, 즉 열교환된 초임계 이산화탄소는 출구(152)를 통해 튜브번들(150)로부터 헤드부(110)의 배출공간(113)으로 배출된다. 헤드부(110)의 배출공간(113)으로 배출된 열교환된 초임계 이산화탄소는 배출공간(113)에 연통된 이산화탄소 배출구(130)를 통해 헤드부(110)의 외부로 배출된다. 헤드부(110)의 외부로 배출되는 열교환된 초임계 이산화탄소는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 하는 증기터빈 발전시스템으로 공급될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기를 이용하면, 초임계 이산화탄소를 고온의 열매체와 열교환하여 초임계 이산화탄소의 온도를 임계점 이상의 고온 상태가 되도록 하여 증기터빈 발전시스템에 공급할 수 있고, 고온 상태의 초임계 이산화탄소를 증기터빈 발전시스템에 공급함에 따라 증기터빈 발전시스템의 발전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기를 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기와의 차이점을 중심으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 유속감소부재를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기는 튜브번들(150)을 구성하는 각 튜브들 중 일부에 장착되어 상기 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 열매체의 유속을 감소시키는 유속감소부재(200)를 더 포함하는 것을 제외하고는 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기와 동일하므로 이하에서는 유속감소부재(200)를 중심으로 설명한다.
유속감소부재(200)는 결합관(210), 베어링수용관(220), 베어링(230) 및 회전배플(240)을 포함할 수 있다.
결합관(210)은 튜브번들(150)을 구성하는 각 튜브들 중 일부에 장착될 수 있다. 일 예로, 결합관(210)은 튜브번들(150)을 감싸도록 튜브번들(150)에 결합되는 원통형의 관 형태일 수 있다.
베어링수용관(220)은 베어링(230)을 수용한다. 베어링수용관(220)은 결합관(210)에 일체로 형성되고 결합관(210)의 길이방향에 수직하게 배치될 수 있다. 베어링수용관(220)은 베어링(230)을 수용하기 위해 중공으로 형성된다.
베어링(230)은 회전배플(240)이 자유롭게 회전하도록 한다. 베어링(230)은 베어링수용관(220)의 내부에 설치되고, 회전배플(240)과 결합된다.
회전배플(240)은 회전축(241) 및 날개들(242)을 포함할 수 있다. 회전축(241)은 베어링(230)에 결합되어 회전배플(240)이 회전하는 중심이 되는 축이다. 날개들(242)은 회전축(241)의 원주방향을 따라 배열된다. 날개들(242)의 개수에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들면, 날개들(242)은 4개일 수 있다. 이러한 회전배플(240)은 회전축(241)이 베어링(230)에 결합됨에 따라 자유로운 회전이 가능하며, 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 열매체와 날개들(242)이 부딪혀서 회전이 가능하게 된다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기는 튜브번들(150)을 구성하는 각 튜브들의 일부에 유속감소부재(200)가 설치됨에 따라 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 열매체의 유속을 더욱 감소시킨다.
즉, 제1 열교환공간(142)으로 주입된 후 제2 열교환공간(143)을 향해 이동하는 열매체는 이동 과정에서 유속감소부재(200)의 회전배플(240)의 날개들(242)에 부딪히게 되고, 이에 의해 회전배플(240)은 회전축(241)을 중심으로 회전하게 된다. 이때, 열매체는 와류를 형성함에 따라 유속감소부재(200)가 설치된 부근에서 오래 머물게 된다. 따라서, 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 열매체는 와류의 형성에 의해 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 유속이 감소하여 튜브번들(150)을 순환하는 초임계 이산화탄소를 빠르게 가열할 수 있고, 이에 의해 초임계 이산화탄소 및 열매체 간의 열교환하는 효율이 증대될 수 있다.
한편, 본 발명 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 튜브번들(150)의 외면에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 효과적으로 달성할 수 있도록 오염 방지 도포용 조성물이 도포된 도포층이 형성될 수 있다. 상기 오염 방지 도포용 조성물은 붕산 및 탄산나트륨이 1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있고, 붕산 및 탄산나트륨의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~ 10 중량%이다. 이에 더하여, 상기 도포층의 도포성을 향상시키는 물질로 탄산나트륨 또는 탄산칼슘이 이용될 수 있으나 바람직하게는 탄산나트륨이 이용될 수 있다. 상기 붕산 및 탄산나트륨은 몰비로서 1:0.01 ~ 1:2가 바람직한 바, 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 기재의 도포성이 저하되거나 도포후 표면의 수분흡착이 증가하여 도포막이 제거되는 문제점이 있다.
상기 붕산 및 탄산나트륨은 전제 조성물 수용액중 1 ~ 10 중량%가 바람직한 바, 1 중량% 미만이면 기재의 도포성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 도포막 두께의 증가로 인한 결정석출이 발생하기 쉽다.
상기 오염 방지 도포용 조성물을 기재 상에 도포하는 방법으로는 스프레이법에 의해 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기재 상의 최종 도포막 두께는 500 ~ 2000Å이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1000 ~ 2000 Å이다. 상기 도포막의 두께가 500 Å미만이면 고온 열처리의 경우에 열화되는 문제점이 있고, 2000 Å을 초과하면 도포 표면의 결정석출이 발생하기 쉬운 단점이 있다.
또한, 오염 방지 도포용 조성물은 붕산 0.1 몰 및 탄산나트륨 0.05 몰을 증류수 1000 ㎖에 첨가한 다음 교반하여 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 제1 배플(160) 및 제2 배플(170)의 표면에는 부식방지용 피복 조성물이 도포될 수 있다.
피복 조성물은, 레조르시놀 디글리시딜에테르(Resorcinol diglycidyl ether) 80중량% 및 프로판올아민(Propanol amine) 20중량%를 혼합하여 제조한 수용해성 수지 조성물 100중량%에 대하여, 헥사메틸레이티드-헥사메틸롤 멜라민(Hexamethylated-hexamethylol melamine)을 1 내지 10중량%로 구성된다.
본 발명에서는 레조르시놀 디글리시틸에테르의 우수한 내화학성, 치수안정성 등의 특성과 프로판올아민의 내부식성 등의 특성 및 멜라민 유도체의 우수한 윤활특성 등을 활용하여 보다 친환경적인 제1 배플(160) 및 제2 배플(170)의 부식방지를 위한 피복을 형성할 수 있다.
상기 부식방지용 피복 조성물을 도포하는 방법은 특별한 제한은 없으나, 알루미늄합금 표면에 건조도막 두께가 10 내지 30㎛가 되도록 도포되는 것이 바람직하다. 건조도막 두께가 10㎛ 미만이면 수명이 짧아질 수 있고, 30㎛를 초과하는 경우에는 기능상 문제점은 없으나 경제적 이점이 감소한다.
또한, 상기 부식방지용 피복 조성물이 도포된 제1 배플(160) 및 제2 배플(170)은 10 내지 30분 동안 공기 건조 후 100 내지 200℃, 바람직하게는 150 내지 180℃에서 10 내지 50분 동안 경화하여 비점착성이고 광택이 우수한 도막을 얻는 것이 가능하다.
따라서, 제1 배플(160) 및 제2 배플(170)에 부식방지용 피복 조성물이 도포됨에 따라 열교환기의 사용 중의 부식을 방지할 수 있고, 열교환기의 수명을 연장시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 유속감소부재(200)의 날개들(242)은 알루미늄 소재의 재질로 구성될 수 있으며, 이러한 유속감소부재(200)의 날개들(242)의 표면이 먼지, 오염물질 등으로부터 표면의 부식현상을 방지시키기 위해 금속재의 표면 도포재료로 도포층이 형성될 수 있다. 이 도포층은 알루미나 분말 60중량%, NH4Cl 30중량%, 아연 2.5중량%, 구리 2.5중량%, 마그네슘 2.5중량%, 티타늄 2.5중량%로 구성된다.
상기 알루미나 분말은 고온으로 가열될 때 소결, 엉킴, 융착 방지 등의 목적으로 첨가된다. 이러한 알루미나 분말이 60중량% 미만으로 첨가되면, 소결, 엉킴, 융착 방지의 효과가 떨어지며, 알루미나 분말이 60중량%를 초과하면 상술한 효과는 더 개선되지 않는 반면에, 재료비가 크게 증가된다. 따라서, 알루미나 분말은 60중량%를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 NH4Cl은 증기 상태의 알루미늄, 아연, 주식, 구리 및 마그네슘과 반응하여 확산 및 침투를 활성화시키는 역할을 한다. 이러한 NH4Cl은 30중량% 첨가된다. NH4Cl이 30중량% 미만으로 첨가되면, 증기 상태의 알루미늄, 아연, 주식 구리 및 마그네슘과 반응이 제대로 이루어지지 않으며 이에 따라 확산 및 침투를 활성화시키지 못한다. 반면에, NH4Cl이 30중량% 초과하면 상술한 효과는 더 개선되지 않는 반면에, 재료비가 크게 증가된다. 따라서 NH4Cl은 30중량%를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 아연은 물에 닿는 금속의 부식을 방지하는 것과 전기 방식용으로 사용되도록 배합된다. 이러한 아연은 2.5중량%가 혼합된다. 아연의 혼합비율이 2.5중량%를 초과하면 물에 닿는 금속의 부식을 제대로 방지시키지 못하게 된다. 반면에 아연의 혼합비율이 2.5중량%를 초과하면 상술한 효과는 더 개선되지 않는 반면에 재료비가 크게 증가된다. 따라서 아연은 2.5중량% 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 구리는 상기 알루미늄과 조합하여 금속의 경도 및 인장강도를 높이게 된다. 이러한 구리는 2.5중량% 혼합된다. 구리의 혼합 비율이 2.5중량% 미만이면, 알루미늄과 조합될시 금속의 경도 및 인장강도를 제대로 높이지 못하게 된다. 반면에 구리의 혼합 비율이 2.5중량%를 초과하면 상술한 효과는 더 개선되지 않는 반면에 재료비가 크게 증가된다. 따라서 구리는 2.5중량% 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘의 순수한 금속은 구조강도가 낮으므로 상기 아연 등과 함께 조합하여 금속의 경도, 인장강도 및 염수에 대한 내식성을 높이는 용도로 배합된다. 이러한 마그네슘은 2.5중량% 혼합된다. 마그네슘의 혼합 비율이 2.5중량% 미만이면, 아연 등과 함께 조합될 시 금속의 경도, 인장강도 및 염수에 대한 내식성이 크게 개선되지 않는다. 반면에 마그네슘의 혼합 비율이 2.5중량%를 초과하면 상술한 효과는 더 개선되지 않는 반면에 재료비가 크게 증가된다. 따라서 마그네슘는 2.5중량% 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 티타늄은 가볍고 단단하고 내부식성이 있는 전이 금속 원소로 은백색의 금속광택이 있는바, 뛰어난 내식성과 비중이 낮아 강철 대비 무게는 60% 밖에 되지 않으므로 금속모재에 도포되는 도포재의 중량은 줄이되 광택을 높이고 뛰어난 방수성 및 내식성을 갖도록 배합된다.
이러한 티타늄은 2.5중량% 혼합된다. 티타늄의 혼합 비율이 2.5중량% 미만이면, 금속모재에 도포되는 도포재의 중량이 그다지 경감되지 않고, 광택성, 방수성, 내식성이 크게 개선되지 않는다. 반면에, 티타늄의 혼합 비율이 2.5중량%를 초과하면 상술한 효과는 더 개선되지 않는 반면에 재료비는 크게 증가된다. 따라서 티타늄은 2.5중량% 혼합되는 것이 바람직하다.
도포층의 도포방법은 다음과 같다.
도포층이 형성되어야 할 모재와 상기 구성으로 배합된 도포재료를 폐쇄로 내에 함께 투입시키고 폐쇄로 내부에는 모재의 산화를 방지하기 위하여 2 L/min의 비율로 아르곤 가스를 주입시킨다, 아르곤 가스가 주입된 상태에서 700℃ 내지 800℃의 온도로 4 ~ 5 시간 동안 유지한다.
상기 단계를 수행하여 증기 상태의 알루미나 분말, 아연, 구리, 마그네슘 및 티타늄이 폐쇄로 내부에 형성되고, 알루미늄 분말, 알루미나 분말, 아연, 구리, 마그네슘 및 티타늄 배합물은 모재의 표면에 침투하여 도포층이 형성된다.
도포층이 형성된 후 폐쇄로 내부의 온도를 도포 물질/기재 복합물이 800℃~900℃로 하여 30 ~ 40시간을 유지하면 모재의 표면에는 부식 방지용 도포층이 형성되어 모재의 표면과 외기를 격리시키게 된다. 이때 상기 공정을 수행함에 있어 급격한 온도 변화는 모재 표면의 도포층이 박리될 수 있으므로 60℃/hr의 비율로 온도 변화를 시킨다.
본 발명의 도포층은 다음과 같은 장점이 있다.
본 발명의 도포층은 매우 넓은 범위의 용도를 가지므로 커튼 도포, 스프레이 페인팅, 딥 도포, 플루딩(flooding) 등과 같은 여러 가지 방법에 의해 도포될 수 있다.
본 발명의 도포층은 부식 및/또는 스케일에 대한 원칙적인 보호 기능에 추가하여 도포가 매우 얇은 층두께로 도포될 수 있어 전기전도성을 개선하는 것은 물론 물질 및 비용 절감이 가능하다. 열간 성형 과정 이후에도 높은 전기전도성이 바람직하다면 얇은 전기전도성 프라이머가 도포층의 상부에 도포될 수 있다.
성형 과정 또는 열간 성형 과정 이후, 도포 물질은 기재의 표면상에 유지될 수 있으며, 예를 들어, 긁힘 내성을 증가시키며, 부식 보호를 개선하고, 미적 외관을 충족시키며, 변색을 방지하고, 전기전도성을 변화시키며 종래 다운스트림 공정(예, 침린 및 전기이동 딥 도포)용 프라이머로 제공될 수 있다.
따라서, 본 발명은 유속감소부재(200)의 날개들(242)이 알루미늄 소재의 재질로 구성되고, 이와 같은 재질의 유속감소부재(200)의 날개들(242)의 표면에 알루미나 분말, NH4Cl, 아연, 구리, 마그네슘, 티타늄으로 이루어진 도포층이 도포되므로 먼지, 오염물질 등으로부터 유속감소부재(200)의 날개들(242)의 표면의 부식현상을 방지시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 열교환기의 헤드부(110), 중공쉘(140), 이산화탄소 주입구(120), 이산화탄소 배출구(130), 열매체 주입구(180) 및 열매체 배출구(190)는 FCD주철로 이루어진다. 이 FCD주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진다.
FCD주철은, 일반 회주철의 용탕에 마그네슘 등을 첨가하여 응고과정에서 흑연이 구상으로 정출된 주철이므로 회주철에 비하여 흑연의 형태가 구상이다. 이러한 FCD주철은 노치효과가 적기 때문에 응력 집중 현상이 감소되어 강도와 인성이 크게 향상된다.
본 발명의 헤드부(110), 중공쉘(140), 이산화탄소 주입구(120), 이산화탄소 배출구(130), 열매체 주입구(180) 및 열매체 배출구(190)는 FCD주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진다.
여기서, FCD주철을 1600℃ 미만으로 가열하면 전체 조직이 충분히 용융되지 못하며, 1650℃를 초과하여 가열시키면 불필요하게 에너지가 낭비된다. 그러므로 FCD주철을 1600∼1650℃로 가열하는 것이 바람직하다.
용융된 FCD주철에는 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣는 바, 마그네슘이 0.3중량% 미만이면 구상화 처리제를 투입효과가 극히 미미해 지며, 0.7중량%를 초과하면 구상화 처리제의 투입효과가 크게 향상되지 않는 반면에, 고가의 재료비가 증가되는 문제점이 있다. 그러므로 구상화 처리제의 마그네슘 혼합비율은 0.3∼0.7중량% 정도가 적합하다.
용융된 FCD주철에 구상화 처리제가 투입되면 이를 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한다. 구상화 처리 온도가 1500℃ 미만이면 구상화 처리가 제대로 이루어지지 않으며, 1550℃를 초과하면 구상화 처리 효과가 크게 개선되지 않는 반면에 불필요하게 에너지가 낭비된다. 그러므로 구상화 처리 온도는 1500∼1550℃가 적합하다.
이와 같이 본 발명의 헤드부(110), 중공쉘(140), 이산화탄소 주입구(120), 이산화탄소 배출구(130), 열매체 주입구(180) 및 열매체 배출구(190)가 FCD주철로 이루어지므로 노치효과가 적기 때문에 응력 집중 현상이 감소되어 강도와 인성이 크게 향상될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
110 : 헤드부 120 : 이산화탄소 주입구
130 : 이산화탄소 배출구 140 : 중공쉘
150 : 튜브번들 160 : 제1 배플
170 : 제2 배플 180 : 열매체 주입구
190 : 열매체 배출구

Claims (3)

  1. 내부공간이 제1 격벽(111)을 사이에 두고 주입공간(112) 및 배출공간(113)으로 구획되어 있는 헤드부(110);
    상기 주입공간(112)에 연통된 이산화탄소 주입구(120);
    상기 배출공간(113)에 연통된 이산화탄소 배출구(130);
    일면이 개방된 중공의 원통형상이고, 개방된 일면이 상기 헤드부(110)에 연결되고, 내부공간이 제2 격벽(141)을 사이에 두고 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)으로 구획되어 있고, 상기 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)은 상기 주입공간(112) 및 배출공간(113)과 평행하게 배치되어 있는 중공쉘(140);
    상기 중공쉘(140)의 내부공간에 수용되며, 입구(151) 및 출구(152)를 갖고 상기 중공쉘(140)의 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 U자 형상으로 경유하여 상기 입구(151)는 상기 주입공간(112)과 유체 소통 가능하게 연결되고 상기 출구(152)는 상기 배출공간(113)과 유체 소통 가능하게 연결되어 있는 튜브들로 구성된 튜브번들(150);
    상기 제1 열교환공간(142) 내에서 상기 튜브번들(150)의 길이방향을 따라 다수 배열되어 있는 제1 배플(160);
    상기 제2 열교환공간(143) 내에서 상기 튜브번들(150)의 길이방향을 따라 다수 배열되어 있는 제2 배플(170);
    상기 제1 열교환공간(142)에 열매체를 주입하는 열매체 주입구(151); 및
    상기 제2 열교환공간(143)으로부터 열매체를 배출하는 열매체 배출구(152)를 포함하고;
    상기 튜브번들(150)을 구성하는 각 튜브들 중 일부에 장착되어 상기 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 열매체의 유속을 감소시키는 유속감소부재(200)를 더 포함하며;
    상기 유속감소부재(200)는,
    상기 튜브번들(150)을 구성하는 각 튜브들 중 일부에 장착되는 결합관(210);
    상기 결합관(210)에 일체로 형성되고 상기 결합관(210)의 길이방향에 수직하게 배치된 베어링수용관(220);
    상기 베어링수용관(220)의 내부에 설치되는 베어링(230);
    회전축(241) 및 회전축(241)의 원주방향을 따라 배열된 날개들(242)을 포함하고, 상기 회전축(241)이 상기 베어링(230)과 결합하여 상기 제1 열교환공간(142) 및 제2 열교환공간(143)을 지나는 열매체와 부딪혀서 회전하는 회전배플(240)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초임계 이산화탄소 열교환기.
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