KR101744065B1 - 나선형 튜브 번들 처리 방식의 열 교환기 - Google Patents

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Abstract

나선형으로 감긴 튜브 번들을 포함하는 열 교환기가 개시된다. 나선형으로 감긴 튜브 번들들은 튜브 시트와 연결되어 제 2 작동 유체 시스템으로부터 유체상으로 격리된 제 1 작동 유체 시스템을 규정한다. 튜브 시트와 튜브들은 동일한 재료로 만들어졌으며, 이 때문에 상당히 내부식성인 전기 연결부인 연결부들을 이용해 서로 연결하기 용이하다.

Description

나선형 튜브 번들 처리 방식의 열 교환기{HELICAL TUBE BUNDLE ARRANGEMENTS FOR HEAT EXCHANGERS}
본 발명은 전반적으로 열 교환기에 관한 것이며, 좀더 상세하게 쉘앤튜브형 열 교환기에 관한 것이다
해양 열 에너지 변환("OTEC")은 대양, 바다, 만, 또는 크고 깊은 호수와 같이 대형수역에서 깊은 물과 얕은 물 사이에 존재하는 온도 차이에 기초해서 전기를 만들어 내는 방법이다. OTEC 시스템은 상대적으로 따뜻한 얕은 물과 상대적으로 차가운 깊은 물 사이에서 열에 의해 연결된 열 기관(즉, 온도 차이에 기초해 전기를 발생시키는 열역학 장치 또는 시스템)을 이용한다.
OTEC에 적합한 열 기관 중 하나는 저압 터빈을 이용하는 랜킨 사이클에 기초한다. 암모니아와 같이 낮은 비등점을 특징으로 하는 유체를 함유하는 폐쇄 루프 도관은 낮은 비등점을 가진 유체가 기화되는 제 1 열 교환기에서 따뜻한 물과 열을 통해 연결된다. 팽창하는 증기는 터빈 발전기를 구동시키는 터빈을 강제로 통과하게 된다. 터빈을 빠져나온 후, 기화된 작동 유체는 폐쇄 루프 도관이 차가운 물과 열을 통해 연결된 제2 열 교환기에서 다시 액체 상태로 응결된다. 그리고는 응결된 작동 유체는 시스템 안에서 재사용된다.
OTEC 시스템은 기술적으로 실행 가능하다고 밝혀져 왔지만, 이들 시스템의 기본 비용이 높아 상업화가 좌절되어 왔다. 열 교환기는 OTEC 시설의 기본 비용의 두 번째로 큰 기여자이다(첫 번째는 연안에 정박되는 선박 또는 플랫폼의 비용이다). 따라서, OTEC 시설에 요구되는 거대한 열 교환기의 최적화는 매우 중요하며 OTEC 기술의 경제적인 실행 가능성에 주요한 영향을 줄 수 있다.
플레이트-핀, 플레이트-프레임, 그리고 쉘앤튜브 형식의 열 교환기를 포함하여 많은 형태의 열교환기가 OTEC 시스템에 사용되어 왔다. 쉘앤튜브 형식의 열 교환기는 그의 대량 유체 흐름 가능성과 낮은 배압 때문에 OTEC 적용에서의 사용에 있어서 특히 매력적이다. 쉘앤튜브 형식의 열교환기는 두 개의 튜브 시트 사이에 위치하고 압력 용기 쉘에 둘러싸인 여러 개의 튜브를 포함한다. 제 1 유체 또는 가스가 튜브들을 통과하고 제 2 유체 또는 가스가 압력 용기 쉘을 통과하여 튜브의 외부 면을 따라 흐른다. 열 에너지는 튜브들의 벽을 통해 제 1 유체와 제 2 유체 사이에서 이동된다. 튜브 끝은 일반적으로 튜브 시트 안으로 압입되거나 용접된다.
유감스럽게도, 쉘앤튜브 형식의 열 교환기는 몇 가지 단점을 가지고 있어서 지금까지 해양 적용이 제한되어 왔다. 우선, 적정한 압력 하락과 관련된 전반적인 열 이동 계수 U는 일반적으로 2000 W/m2K 이하이다. 열 이동 효율은 여러 가지 중에서 (1) 일반적으로 압력 용기 내에 포함되어 제 2 유체의 난류 및 횡류를 유발하는 배플들(baffles)에 의해서, 그리고 (2) 기계적 응력을 유발하고 튜브에 무리를 주는 진동과 유동력을 유발하는 것을 피하기 위해 제 2 유체의 유량 제한에 의해서 제한된다.
종래의 쉘앤튜브식 열 교환기의 두 번째 단점은 생물 부착이 일어나기 쉽다는 것이다. 생물 부착은 효율을 저하시키고 유지 비용을 증가하게 한다(특히, 심해에 위치한 열 교환기의 경우). 생물 부착은 여러 가지 중에서 튜브 시트에 압입되거나 용융 용접된 튜브들과 관련된 빈 공간과 틈에 유기물이 끼어 발생한다.
종래의 쉘앤튜브식 열 교환기의 세 번째 단점은 OTEC과 같은 해양 적용에 적합하지 않다는 것이다. 튜브들이 튜브 시트에 압입되거나 용융 용접되기 때문에, 튜브 안의 제 1 유체와 쉘을 통해 튜브 주위를 흐르는 바닷물 사이의 유체 격리를 보장하기 어렵다. 게다가, 종래의 쉘앤튜브식 열 교환기는 튜브를 튜브 시트에 밀봉하는 데 이용되는 용접된 연결부에서 발생하는 전기 부식으로 위태로워진다. 전기 부식은 용융 용접 부위 안에 포함된 다른 금속들 사이의 반응성 때문에 발생한다. 전기 부식은 용접 부위가 바닷물에 노출되면서 더욱 악화된다. 신뢰도는 OTEC 적용에 맞춘 쉘앤튜브식 디자인의 경우라 할지라도 유체가 고여있는 부분에서의 틈 부식 가능성 때문에 더욱 저하된다.
역사적으로, 이러한 단점들이 쉘앤튜브식 열 교환기의 크기와 가격을 실제로 고려하기에 너무 높게 몰고 갔다.
오늘날의 증가하는 에너지에 대한 필요성 때문에, 재생 가능하고, 지속적이며, 기저 부하의 전력원을 이용하는 것은 바람직한 해결책이다. 때문에, OTEC 발전 장치에 새롭게 관심을 갖고 있다. 그러나 해양 환경에서 높은 열교환 용량과, 높은 유량, 낮은 펌프작용 과류손, 그리고 긴 수명을 갖는 저렴한 비용의 OTEC 열 교환기의 개발은 여전히 달성하기 힘들다.
이 건은 2009년 7월 16일에 출원되었으며 참조를 통해 포함되는 미국 특허 가출원 제 61/225,991 호(대리인 서류: 711-283 US)에 대하여 우선권을 주장한다. 만일 이 건의 청구항 해석에 영향을 줄 수 있는, 이 출원과 하나 또는 그 이상의 참조를 통해 포함되었던 건들 사이에 언어상의 모순이나 불일치가 있다면, 이 건의 청구항은 이 건의 언어와 일치하도록 해석되어야 한다.
본 발명은 선행 기술의 비용과 단점들 중 일부를 감소시킨 열 교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 특히 OTEC 시스템에 사용하기에 적합하다.
본 발명에 따르는 실시 예들은 원자로, 화학 공장 등과 같은 다른 열 교환기 적용에서 사용하기에도 적합하다.
본 발명의 실례가 되는 실시예는 튜브들이 각각 제 1 또는 제 2 유체를 운반하기 위한 다수의 튜브를 포함하는 다수의 튜브 번들로 배열되는 쉘앤튜브식 열 교환기이다. 각각의 튜브 번들은 제 1 튜브 시트로부터 제 2 튜브 시트까지 연장되는 중앙 축을 갖는 것을 특징으로 하며, 각 튜브 번들은 그 중앙 축 둘레에 나선형으로 감겨있다.
몇몇 실시예에서는, 튜브 시트들과 튜브들이 동일한 재료로 만들어지며 튜브 벽을 튜브 시트에 연결시키기 위해 마찰교반용접이 사용된다. 결과적으로, 튜브 벽과 튜브 시트들은 밀봉하고 튜브 내 유체를 쉘 안에서 튜브 주위를 흐르는 유체로부터 격리시키는 상당히 내부식성인 연결부를 형성하게 된다.
몇몇 실시 예에서는, 다수의 튜브 번들이 각 튜브 시트에서 육방 밀집 배치로 배열된다.
몇몇 실시 예에서는, 각 튜브 번들 안의 튜브들이 그 튜브 번들 안의 다른 튜브들에 대한 각 튜브의 움직임을 제한하기 위해 기계적으로 결합된다. 몇몇 실시예에서는, 각 튜브 번들 안의 튜브들이 각 튜브 번들 안의 다른 튜브들에 대한 어떤 움직임도 대체로 허용하지 않도록 기계적으로 결합된다.
몇몇 실시 예에서는, 제 1 튜브 번들이 제 1 유체를 운송하는 제 1 덮개에 둘러싸이며 제 2 튜브 번들은 제 1 유체와 다를 뿐만 아니라 유체가 튜브들 자체를 통과해 흐르는 제 2 유체를 운송하는 제 2 덮개에 둘러싸인다.
본 발명의 일실시 예는: 제 1 중앙 축을 갖는 제 1 튜브 번들을 포함하는 열 교환기를 포함하는데, 여기서 제 1 튜브 번들은 제 1 유체를 운송하기 위한 다수의 제 1 튜브들을 포함하며, 제 1 튜브 번들은 제 1 중앙 축 둘레에 나선형으로 감겨 있다.
도 1은 본 발명의 실례가 되는 실시 예에 따른 OTEC 발전 시스템의 구성도를 묘사한다.
도 2는 선행 기술에 알려진 대로의 종래의 쉘앤튜브식 열 교환기를 묘사한다.
도 3a는 선행 기술에 따른 쉘앤튜브식 열 교환기에 사용하기에 적합한 꼬인 튜브를 묘사한다.
도 3b는 z 방향을 따라 다른 시점에서 본 일련의 튜브 302의 단면도를 묘사한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 쉘앤튜브식 열 교환기를 묘사한다.
도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 튜브 번들을 묘사한다.
도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 튜브 번들 404-i의 단면도를 묘사한다.
도 6은 본 발명의 첫 번째 대안적 실시 예에 따른 튜브 번들의 배열을 묘사한다.
도 7a는 본 발명의 두 번째 대안적 실시 예에 따른 튜브 번들을 묘사한다.
도 7b는 외부 튜브들이 중앙 튜브 둘레에 감기기 전 튜브 번들을 묘사한다.
도 7c는 본 발명의 두 번째 대안적 실시 예에 따른 튜브 번들을 만들기 위한 번들 조립 장치를 묘사한다.
도 8은 튜브 번들 형성 동안 및/또는 후에 외부 튜브들과 중앙 튜브를 붙들기 위한 가이드를 묘사한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OTEC 발전 시스템의 구성도를 묘사한다.
OTEC 시스템(100)은 연안 플랫폼(102)과, 터빈 발전기(104), 폐쇄 루프 도관(106), 증발기(110-1), 응결기(110-2), 선체(112), 펌프들(114, 116 및 124), 도관들(120, 122, 128, 및 130)을 포함한다.
연안 플랫폼(102)은 데크(deck)와, 케이슨(caisson)과, 폰툰(pontoons)을 포함하는 부유 선체(112)를 포함하는 인장각식(tension leg) 연안 플랫폼이다. 선체는 배치 장소(134)의 해저에 닻으로 고정된 단단한 인장각들에 의해 해저(136) 위에서 지지된다. 명확성을 위해, 데크와, 케이슨과, 폰툰 및 인장각들은 도 1에 도시하지 않았다.
몇몇 실시 예에서, 연안 플랫폼(102)은 대양 외의 수역(예를 들어, 호수, 바다 등) 내의 배치 장소에 배치된다. 몇몇 실시예에서, 연안 플랫폼(102)은 반잠수형, 스파(spar), 시추선, 잭업식(jack-up) 연안 플랫폼, 그래이징(grazing) 시설 등과 같은 인장각 연안 플랫폼 외의 연안 플랫폼이다. 당업자에게 플랫폼(102)을 명시하는 방법, 만드는 방법, 사용하는 방법은 명백할 것이다.
터빈 발전기(104)는 선체(112)에 장착된 종래의 터빈 구동 발전기이다. 터빈 발전기(104)는 유체 흐름에 응하여 전기 에너지를 생성하고 생성된 전기 에너지를 출력 케이블(138)로 공급한다.
폐쇄 루프 도관(106)은 증발기(110-1), 응결기(110-2), 터빈 발전기(104)로 작동 유체(108)를 운송하기 위한 도관이다.
증발기(110-1)는 표면 지역(118)의 따뜻한 바닷물로부터의 열과 작동 유체(108)를 이동시켜서 작동 유체가 기화되도록 설정된 쉘앤튜브식 열 교환기이다.
응결기(110-2)는 기화된 작동 유체(108)로부터 심해 지역(126)의 차가운 바닷물로 열을 이동시켜 기화된 작동 유체(108)를 다시 액체 형태로 응결시키도록 설정된 쉘앤튜브식 열교환기이다. 증발기(110-1)와 응결기(110-2)는 연안 플랫폼(102)과 기계적으로 그리고 유체적으로 연결된다.
당업자는 증발기 또는 응결기로서의 열 교환기의 작동이 OTEC 시스템(100) 내에서 유체적으로 설정된 방식에 좌우된다는 것을 알 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 쉘앤튜브식 열 교환기(즉, 열 교환기 110)가 아래에서 더욱 상세하게 그리고 도 4와 관련하여 설명된다.
터빈 발전기(104), 폐쇄 루프 도관(106), 증발기(110) 및 응축기(112)는 집합적으로 표면 지역(118)의 물 온도와 심해 지역(126)의 물 온도 차이에 기초하여 전기 에너지를 발생시키는 랜킨 사이클 기관을 형성한다.
전형적인 작동에서, 펌프(114)가 액체 형태의 작동 유체(108)를 폐쇄 루프 도관(106)을 통해 증발기(110-1)로 퍼 올린다. OTEC 시스템에서 암모니아가 종종 작동 유체(108)로 사용된다. 그러나, 표면 지역(118) 물의 온도에서 증발하고 심해 지역(126) 물의 온도에서 응결하는 어떤 유체든지 작동 유체(108)로 사용하기에 적합하다는 것(재료 적합성 제한을 조건으로)은 당업자에게 명백할 것이다.
펌프(116)가 표면 지역(118)으로부터 도관(120)을 거쳐 증발기(110)로 따뜻한 바닷물을 끌어올린다. 일반적인 OTEC 배치에서, 표면 지역(118)의 물은 대체로 섭씨 25도로 대체로 일정한 온도이다(날씨와 태양광선 상태를 조건으로). 증발기(110-1)에서, 따뜻한 바닷물의 열이 작동 유체(108)에 의해 흡수되어, 작동 유체 증발을 유발한다. 증발기(110-1)를 통과한 후, 이제 약간 더 차가워진 물이 도관(122)을 통해 해양(140)으로 다시 배출된다. 도관(122)의 출력은 표면 물 영역의 평균 물 온도를 떨어뜨리지 않도록 일반적으로 표면 지역(118)보다 깊은 대양(140)(즉, 중위 지역(132))에 설치된다.
팽창하는 작동 유체(108) 증기는 터빈 발전기(104)를 강제로 통과하게 되는데, 이로써 터빈 발전기를 구동시켜 전기 에너지를 생성한다. 생성된 전기 에너지는 출력 케이블(138)로 공급된다. 터빈 발전기(104)를 통과한 후, 기화된 작동 유체는 응결기(110-2)로 들어간다.
펌프(124)가 심해 지역(126)으로부터 도관(128)을 거쳐 응축기(110-2)로 차가운 바닷물을 끌어올린다. 일반적으로 심해 지역(126)은 수역 표면의 대략 1000 미터 아래이며, 여기서 심해는 섭씨 수도로 대체로 일정한 온도이다. 차가운 물이 응결기(110-2)를 통과해 이동하며, 여기서 기화된 작동 유체로부터 열을 흡수한다. 그 결과로, 작동 유체(108)가 다시 액체 형태로 응결된다. 응결기(110-2)를 통과한 후, 이제 약간 따뜻해진 물은 도관(130)을 거쳐 대양(140)으로 배출된다. 도관(130)의 출력은 심해 지역 평균 물 온도를 상승시키지 않도록 심해 지역(126)보다 얕은 깊이의 대양(140)(즉, 중위 지역(132))에 설치된다.
펌프(114)가 응결된 작동 유체(108)를 다시 증발기(110-1)로 퍼 올리고, 여기서 작동 유체가 다시 기화되며, 이렇게 해서 터빈 발전기(104)를 구동시키는 랜킨 사이클이 계속된다.
도 2는 선행 기술에서 알려진 대로의 종래의 쉘앤튜브식 열 교환기를 묘사한다. 열 교환기(200)는 튜브들(202)과, 튜브 시트들(204)과, 배플들(206)과, 입력 플레넘(plenum)(208)과, 출력 플레넘(210)과, 쉘(212)과, 제 2 주입구(214)와, 제 2 배출구(216)을 포함한다. 열 교환기(200)는 제 1 유체와 제 2 유체 사이에서 열을 이동시킨다. OTEC 적용에 사용하기 위해 만들어진 열 교환기의 경우, 제 1 유체는 일반적으로 암모니아와 같은 작동 유체이며, 제 2 유체는 일반적으로 바닷물이다.
튜브들(202)는 구리 합금, 스테인레스 스틸, 탄소강, 비철 구리 합금, 인코넬(Inconel), 니켈, 하스텔로이(Hastelloy), 그리고 티타늄과 같은 열 전도성 물질로 만들어진 똑바르고 꼬이지 않은 도관들이다. 작동 유체는 입구(218)에서 열 교환기(200)로 공급된다. 입구(218)는 작동 유체를 각 튜브(202)로 분배하는 입력 플레넘(208)에 유체적으로 연결된다. 튜브들(202) 작동 유체를 작동 유체를 수집하고 그것을 출구(220)로 공급하는 출력 플레넘(210)으로 운송한다. 입구(218)와 출구(220)는 일반적으로 작동 유체를 운송하는 폐쇄 루프 도관에 연결된다.
튜브 시트들(204)은 대체로 동일한 평판이며, 각각은 튜브들(202) 중 하나를 수용하는 구멍들의 배열을 포함한다. 튜브들(202)은 튜브 시트(204)에, 예를 들면, 튜브들을 구멍 안으로 기계적으로 "스웨이지" 시키기 위해 튜브들의 끝을 플레어링함으로써 고정된다. 그렇지 않으면, 경납땜(brazing), 본딩(bonding) 또는 용접이 튜브들과 튜브 시트들을 연결하는 데 사용된다.
튜브 시트(204)의 구멍들은 쉘앤튜브식 열 교환기의 많은 수의 해 대비하기 위해서 튜브들(202) 사이 간격을 설정하는 2차원적 배치로 배열된다. 열 이동이 튜브들의 측벽을 통해 열 교환기에서 우선 일어나기 때문에, 제 1 및 제 2 유체들 사이에 열이 전달될 수 있는 표면적을 실질적으로 최대화하기 위해 열 교환기 내 튜브를 가능한 한 많이 포함하는 것이 바람직하다. 또한 유체 배압의 발생 때문에 열 교환기의 효율을 감소시키지 않고 튜브들(202) 둘레에 그리고 튜브들을 따라 흐르는 제 2 유체의 유량이 적정할 수 있도록 튜브들(202) 사이의 간격은 충분해야 한다.
배플들(206)은 제 2 유체와 튜브들(202) 벽 사이의 상호작용 시간과 길이를 증가시키도록 튜브들(202)의 길이를 따라 분배된다. 그러나, 배플들(206)은 또한 열 교환기를 통과하는 제 2 유체의 흐름을 제한하는데; 이렇게 함으로써 제 2 유체를 위한 배압을 증가시키고, 제 2 유체가 퍼 올려져야 하는 힘을 증가시키고, 전반적인 열 이동 효율을 감소시킨다.
제 1(별칭, 작동) 유체는 입력 플레넘(208)을 통해 튜브들(202)로 도입된다. 입력 플레넘(208)은 일반적으로 튜브 시트(204)에 경납땜되거나 용접된다. 유사한 방법으로, 제 1 유체는 일반적으로 각각의 튜브 시트(204)에 경납땜되거나 용접된 출력 플레넘(210)을 통해 튜브에서 나간다.
쉘(212)은 튜브들(202)을 에워싸고 제 2 유체를 위한 도관을 형성한다. 쉘(212)은 일반적으로 튜브 시트(204)에 볼트로 접합된다. 보통은 개스킷이 쉘과 튜브 시트 사이에 포함되어 유체 밀봉을 제공한다.
제 2 유체는 제 2 주입구(214)를 통해 쉘(212) 안으로 도입되고 제 2 배출구(216)를 통해 열 교환기(200)를 나간다. 제 2 주입구(214)와 제 2 배출구(216)는 일반적으로 쉘(212)에 경납땜되거나 용접된다.
유감스럽게도, 종래의 쉘앤튜브식 열 교환기는 특히 OTEC 시스템에 사용되는 경우와 관련해 몇 가지 쟁점을 갖는다. 튜브 재질은 반드시 양호한 열 전도성을 가지며, 또한 제 1 및 제 2 작동 유체들 사이의 온도 차이 때문에 발생하는 큰 열 응력을 견뎌내는 것으로 선택되어야 한다. 게다가, 제 1 및 제 2 유체들은 종종 튜브들(202)이 영향을 받을 수 있는 굽힘 모멘트를 추가하는 높은 압력에 있게 된다. 게다가, 튜브 재질은 또한 부식의 영향을 완화하도록 오랜 기간 동안 작동 조건들(예를 들어, 온도, 압력, 흐름, pH 등) 하에서 양쪽 쉘앤튜브 측면 유체들과 맞아야 한다. 또한, 튜브 재질 및/또는 연결 재질(예를 들어, 경납땜 화합물 또는 용접 물질 등)의 선택은 유체 교차 오염을 야기하고 압력의 손실 및 열 교환기의 고장을 야기할 수 있는 쉘앤튜브 측면들 사이 튜브를 통한 누출을 초래할 수 있다.
도 3a는 선행 기술에 따른 쉘앤튜브식 열 교환기에 사용하기에 적합한 꼬인 튜브를 묘사한다. 튜브(302)는 열 교환기(200)에 튜브(202)로 사용하기에 적합한 똑바른 타원형 도관이다. 그러나, 튜브(202)와 달리 튜브(302)는 그 세로 축(304) 둘레에 개별적으로 꼬여있다. 튜브(302)의 타원형 단면이 세로 축(304) 둘레를 회전하는 동안, 세로 축(304)은 튜브(302)의 길이를 따라 여전히 대체로 똑바로 남아있다는 것을 주목해야 한다.
도 3b는 z 방향을 따라 다른 시점에서 본 일련의 튜브 302의 단면도를 묘사한다.
z 방향에 따른 A 시점에서, 튜브(302)의 타원형 단면의 주요 축(306)은 x 방향과 나란하다. B 시점에서, 주요 축(306)은 x-y 평면에서 대략 60° 회전했다. C 시점에서, 주요 축(306)은 x-y 평면에서 60도 더 회전해서 대략 120° 회전했다. D 시점은 튜브 302의 회전 주기 파장의 대략 1/2 지점에 있다. 세로 축(304) 둘레의 대략 60°인 튜브 302의 추가 회전이 E, F, 그리고 G 시점 각각의 사이에서 발생한다. 결과적으로, 주요 축(306) x-y 평면에서 각각 다시 대략 60° 및 120°에 있게 된다. G 시점은 튜브 302 회전 주기의 완전한 한 파장을 나타낸다. 따라서, 주요 축(306)은 다시 x 방향과 나란해진다.
튜브(302)의 꼬인 구조는 그 튜브 벽들의 표면적 증가를 야기한다. 결과적으로, 튜브(302)의 튜브 벽들을 통한 제 1 및 제 2 유체 사이의 열 이동이 튜브(202)보다 더 효과적일 수 있다. 게다가, 꼬인 튜브의 기계적 공명 주파수가 비교할 만한 꼬이지 않은 튜브보다 더 높으며, 이는 튜브(302)를 열 교환기를 통과하는 제 2 유체 흐름에 의해 가해지는 힘 때문에 측면 굴절에 튜브(202)보다 더 잘 견디게 한다.
그러나 튜브(302)는 몇 가지 단점을 가지고 있다. 개별적으로 꼬인 튜브들은 꼬이지 않은 튜브들보다 청소하기 더 어려우며 생물 유착이 일어나기가 더 쉽다. 또한, 개별적으로 꼬인 튜브들은 서로 맞물리는/높은 부분 계수를 유지하기 위해 조밀한 패킹을 필요로 한다. 이러한 조밀한 패킹에 대한 요구는 쉘앤튜브식 열 교환기 내에 튜브들을 배치하는 데 있어 바람직하지 않은 제약들을 가한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 쉘앤튜브식 열 교환기를 묘사한다.
열 교환기(110)는 튜브 시트들(402)과, 튜브 번들들(401-1 내지 401-N), 쉘(408), 주입구(410), 그리고 배출구(412)를 포함한다.
튜브 시트들(402)은 열 교환기(100)의 튜브 시트들(204 및 206)과 유사하다; 그러나, 튜브 시트(402)의 구멍 배치는 튜브 번들들(401-1 내지 401-N)(집합적으로 튜브 번들들(404)라 한다)에 충분한 공간을 제공한다.
튜브 시트들(402)는 해양 품질의 알루미늄 합금으로 만들어진다. 어떤 알루미늄 합금들은 바닷물에서 부식에 대한 저항성 덕분에 OTEC 적용에 적합하다. 게다가, 알루미늄과 대부분의 그 합금들은 마찰 교반 용접(FSW) 연결 기술의 사용을 잘 받아들인다.
마찰 교반 용접은 동일한 재료로 된 두 요소를 연결하는 잘 알려진 방법이다. 종래의 FSW는 두 요소 사이 접점 안으로 강제로 넣어지는 회전 탐침을 사용한다. 탐침과 재료들 사이의 어마어마한 마찰이 탐침 아주 가까이 있는 재료가 녹는 점 아래 온도까지 뜨거워지게 한다. 이는 서로 접한 단면들을 부드럽게 만들지만, 재료는 고체 상태로 남아 있기 때문에, 본래 재료의 속성이 유지된다. 용접선을 따르는 탐침의 움직임이 두 부품의 부드러워진 재료를 강제로 트레일링 에지(trailing edge)를 향하게 해서 근접한 영역이 융합되게 하며, 이렇게 해서 용접이 이루어진다.
용융 용접, 경납땜 등과 같은 다른 일반적인 결합 기술들과는 대조적으로, FSW는 몇 가지 성능상의 이점을 갖는다. 특히, 그 결과로 생긴 용접부가 결합 단면들과 동일한 재료로 이루어진다. 결과적으로, 연결부에서 서로 다른 금속 간의 접촉 때문에 발생하는 전기 부식이 감소하거나 제거된다. 게다가, 결과로 생긴 용접부가 연결된 단면 재료의 재료 속성을 유지한다.
열 교환기(110) 구성요소들을 연결하는 데 FSW를 사용하면, 본 발명이 아래 기술한 바와 같은 몇 가지 장점을 갖게 된다.
튜브 번들(404) 각각이 튜브들(406-1 내지 406-3)(집합적으로 튜브들(406)이라 한다)을 포함한다. 튜브들(406)은 튜브 시트들(402)과 동일한 재료로 만들어진 압출 성형된 튜브들이다. 몇몇 실시예에서, 튜브들(406)은 인발관이다. 몇몇 실시예에서, 튜브들(406)은 대체로 이음매가 없게 만들어진다. 튜브들(406)은 열 교환기(110)의 길이를 통해 바닷물을 운송한다. 비록 실례적인 실시예에서 각각의 튜브 번들(404)이 세 개의 튜브를 포함하지만, 이 명세서를 읽고 나면, 적어도 하나의 튜브 번들이 세 개 이상 또는 이하의 튜브를 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예들을 만들고 사용하는 방법이 당업자에게는 명백할 것이다.
비록 실시 예가 알루미늄으로 만들어진 튜브들과 튜브 시트들을 포함하고 있지만, 이 명세서를 읽고 나면, 특히 해양 환경에서 대체로 내 부식성인 다른 재료로 만들어진 구성 요소들을 포함하는 본 발명의 대안적인 실시 예들을 특정하고, 만들고, 사용하는 방법이 당업자에게는 명백할 것이다. 튜브 시트들(402)과 튜브들(406)에 사용된 재료는 열 교환기의 전체 수명 동안 해양 환경에서 과도한 부식을 보이면 안 된다. 게다가, 튜브 시트들(402)과 튜브들(406)에 사용된 재료는 대체로 열 전도성 물질이어야 한다. 튜브 시트들(402)과 튜브들(406)에 사용하기에 적합한 재료들은, 제한 없이, 알루미늄, 알루미늄 합금들, 세라믹, 강철 합금들, 티타늄, 티타늄 합금들, 열 전도성 플라스틱들, 열 전도성 폴리머들 등을 포함한다.
몇몇 실시 예에서, FSW 외의 연결 기술이 사용되어 대체로 전기 내 부식성을 갖는 연결부를 만들면서 구성 요소들을 연결한다. 몇몇 실시 예에서, 적합한 연결 기술들은, 제한 없이, 몇몇 종류의 용융 용접, 탄성 중합체, 열가소성 수지, 열경화성 수지, 또는 에폭시 수지 기반의 연결 화합물의 사용 등을 포함한다.
각 튜브(406)의 크기, 길이, 벽 두께는 본 발명의 특정한 실행에 좌우되는 설계 변수들이다. 그러나, 본보기로서, 실시 예에서, 각 튜브(406)는 직경이 대략 24 밀리미터(mm)이고, 길이가 대략 10 미터이고, 대략 2.54 mm의 벽 두께를 갖는다.
튜브 번들들(404)이 도 5a 및 5b와 관련하여 아래 좀더 상세하게 기술된다.
튜브 번들들(404)은 튜브 시트들(402)에 육방 밀집 배치로 배열된다. 몇몇 실시예에서, 튜브 번들들(404)은 육방 밀집 배치 외의 패킹 배치로 튜브 시트들(402)에 배열된다.
쉘(408)은 튜브 번들들(404)을 둘러싸기에 적합하고 또한 튜브들(406)의 표면을 따라 제 1(즉, 작동) 유체를 운송하기에 적합한 쉘이다. 쉘(408)은 작동 유체에 노출되어 생기는 부식 또는 다른 손상에 적절하게 강한 재료로 만들어진다.
작동 유체는 주입구(410)를 통해 쉘(408)로 들어가고 배출구(412)를 통해 쉘(402)에서 나온다. 결과적으로, 작동 유체는 튜브(406) 안의 바닷물과 작동 유체 사이의 효율적인 열 이동을 가능하게 하는 튜브들(406)을 따라 그리고 튜브들 사이로 운송된다. 당업자에게 주입구(410)와 배출구(412)를 명시하고, 만들고, 사용하는 방법은 명백할 것이다.
실시 예에서, 열 교환기 110은 제 2 유체(즉, 바닷물)는 튜브 번들들(404) 내 튜브 각각을 통해 운송되고 작동 유체는 쉘(408)을 통과해 진행되는 동안 튜브들 주위를 그리고 튜브를 따라 운송된다는 점에서 열 교환기 200과 반대되는 방법으로 작동한다는 사실을 주목해야 한다. 그러나, 당업자는 이 명세서를 읽고 나면, 열 교환기 110이, 작동 유체가 튜브들(408)을 통해 흐르고 제 2 유체(예를 들어, 바닷물)가 쉘(408)을 통해 흐르는, 열 교환기 200과 유사한 방법으로 작동할 수 있다는 사실을 알 것이다.
도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 튜브 번들을 묘사한다. 튜브 번들(404-i)는 튜브들(406-1, 406-2, 및 406-3)과 선택적인 번들 덮개(502)를 포함한다.
튜브들(406-1 내지 406-3)의 끝(504-1 내지 504-3)은 중앙 축(506) 둘레에 대칭적 배치로 튜브 시트(402)(미도시)에 배열된다. 튜브 번들(404-i)은 한 단위로 중앙 축(506) 주위로 꼬여서 나선형으로 감긴 배치를 이룬다. 나선형으로 감긴 번들의 외부 반경, 나선형 감긴 나선의 주율, 그리고 번들의 외부 반경은 설계의 문제이다.
몇몇 실시 예에서, 튜브들(406-1 내지 406-3)은 서로 단단하게 붙어 있다. 따라서, 튜브 번들에 대한 각 튜브의 움직임은 허용되지 않는다. 몇몇 실시 예에서는, 튜브들(406-1 내지 406-3)이 나선형으로 감긴 배치의 결과로 튜브 번들 내 튜브들이 만나는 지점과 같은 일부분만 서로 붙어 있다. 따라서, 튜브 번들에 대한 각 튜브의 움직임은 제한된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 튜브 번들들은 보다 높은 기계적 단단함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열 교환기는 똑바르고 꼬이지 않은 튜브를 포함하는 선행 기술의 열 교환기보다 나은 다음과 같은 몇 가지 이점들을 갖는다:
i. 보다 넓어진 튜브 벽 표면적 때문에 향상된 열 이동 효율; 또는
ii. 증가된 튜브의 단단함; 또는
iii. 흐름이 유발하는 튜브의 진동에 대한 증가된 저항력; 또는
iv. 향상된 제 2 유체의 흐름; 또는
v. 향상된 단면 계수; 또는
vi. i, ii, iii, iv, 그리고 v의 모든 조합.
본 발명에 따른 열 교환기는 각각 꼬인 튜브들을 포함하는 선행 기술의 열 교환기보다 나은 다음과 같은 몇 가지 이점들을 갖는다:
i. 줄어든 생물 부착 민감성; 또는
ii. 향상된 부식 면역성; 또는
iii. 향상된 각 튜브의 표면적; 또는
iv. 향상된 제 2 유체 흐름; 또는
v. i, ii, iii, 그리고 iv의 모든 조합.
튜브들의 나선형 배치는 튜브들의 내부 및/또는 외부에 있는 경계층을 깨뜨림으로써 그리고 튜브들의 외부면을 따라 그리고 외부면 주위로 흐르는 축 방향 흐름과 방사상 흐름을 결합시킴으로써 제 1 및 제 2 유체 사이의 열 흐름을 향상시킨다는 것에 주목해야 한다. 튜브를 통과하는 유체의 소용돌이 흐름은 열 교환기를 통한 압력 강하가 비교적 거의 증가하지 않게 하면서 유체 경계층을 가로지르는 열 이동을 향상시킨다. 결과적으로, 몇몇 실시 예에서, 쉘(502)을 통과하는 유체 흐름을 다시 보내기 위한, 위에서 그리고, 도 2와 관련하여 기술된 배플들(206)과 같은 배플들이 요구되지 않는다.
도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 튜브 번들(404-i)의 단면도를 묘사한다.
튜브(406-1)은 측벽(508-1)을 포함한다. 측벽(508-1)은 FSW를 사용해 튜브 시트(402)와 결합되어 튜브(406-1)의 외부 가장자리 둘레에 대체로 누출이 방지되는 밀봉을 형성한다. FSW는 비슷하지 않은 재료를 포함하지 않고 두 요소를 연결하는 방법이다. FSW 용접된 연결부는 연결된 재료의 대량 자재 속성들을 대체로 유지하며 연결된 재료들의 금속 결정립계가 보통 부정적으로 영향받지 않는다. FSW는 여기에 참고로 포함된 2009년 6월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 12/484,542 호(대리인 서류: 711-231US)에 상세하게 기술된다. FSW는 결과적으로 대체로 전기 내부식성인 연결부를 만들게 되는 연결 기술의 한 예이다.
측벽(508-1)과 튜브 시트(402) 사이에 형성된 연결부는 종래의 쉘앤튜브식 열 교환기에 있는 기계적으로 말린 튜브 끝들과 주위 튜브 시트 재질 사이에 일반적으로 존재하는 틈들의 형성을 방지한다. 이 틈들을 방지하면, 틈의 부식성 바닷물에 노출되어 생기는 부식이 경감되거나 제거되기 때문에, 본 발명에 따른 열 교환기의 수명이 상당히 길어질 수 있다.
유사한 방식으로, 튜브(406-2)는 측벽(508-2)를 포함한다. 측벽(508-2)는 튜브 시트(402)와 마찰 교반 용접(FSW)을 이용하여 연결되어 튜브(406-2)의 가장자리 주위에 대체로 누출이 방지되는 밀봉을 형성한다. 또한, 튜브(406-3)은 측벽(508-3)을 포함한다. 측벽(508-3)은 튜브 시트(402)와 마찰 교반 용접(FSW)을 이용하여 연결되어 튜브(406-3) 가장자리 주위에 대체로 누출이 방지되는 밀봉을 형성한다.
그러나, 당업자는 FSW 공정이 측벽 508-1과 튜브 시트(402) 사이 결합부를 둘러싸는 열 영향부(510-1)을 남긴다는 것을 알 것이다. 이러한 열 영향부의 측면 범위는 각 튜브 시트(402)의 튜브 측벽들(508-1 내지 508-3) 사이의 최소 간격을 제한한다.
나선형 튜브 번들들은 튜브와 쉘 측면 사이의 압력 차 또는 재질 사이의 온도 팽창/수축 변화에서 기인하는 예압 또는 축 방향 하중을 순조롭게 처리할 수 있는 스프링 요소 역할을 한다. 몇몇 실시 예에서는, 하나 또는 그 이상의 튜브 번들들(404) 내 튜브들이 그들의 공명 주파수를 높여서, 흐름에서 기인하는 작동 중의 변화에 대한 저항력을 높이기 위해서 미리 하중을 받는다.
게다가, 나선형으로 배열된 튜브들의 증가된 단단함은 본 발명에 따른 열 교환기가 위를 향해 흐르는 쉘 측면 증발기 또는 아래를 향해 흐르는 쉘 측면 응결기와 같은 수직 작용을 잘 받아들일 수 있게 한다.
튜브 번들들(404)이 몇 가지 방법 중 어떤 방법으로도 만들어질 수 있음을 주목해야 한다. 몇몇 실시 예에서는, 아래에 그리고, 도 7A 내지 7C 및 도 8과 관련하여 기술된 방법과 유사한 방식으로 미리 형성된 튜브들을 중앙 축(506) 둘레에 감아 하나 또는 그 이상의 튜브 번들들(404)을 형성한다. 그렇지 않으면, 모든 튜브들(502)을 동시에 여러 개의 튜브들(406)로 압출하며, 압출 공정 동안 압출 금형 또는 압출된 재료를 동시에 회전시켜서 나선형으로 감긴 배치로 하나 또는 그 이상의 튜브 번들들(404)를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 첫 번째 대안적인 실시 예에 따른 튜브 번들들의 배치를 묘사한다.
열 교환기(600)는 튜브 번들들(404)의 육방 밀집 배치를 포함한다. 각 튜브 번들은 번들 덮개(602) 안에 둘러싸인다. 각 번들 덮개는 다른 번들 덮개들로부터 유체적으로 격리되며, 이 때문에 열 교환기(600)가 다른 번들 덮개들을 통해 다른 유체들을 운송할 수 있다. 또한, 몇몇 실시 예에서는, 튜브 번들들(404) 내의 하나 또는 그 이상의 튜브들이 튜브 번들들 내 적어도 하나의 다른 튜브와는 다른 유체를 운송한다.
예를 들어, 튜브 번들 404-1 내 각 튜브가 첫 번째 제 2 유체를 운송하고 반면에 튜브 번들들(404-2 내지 404-N) 내의 각 튜브가 두 번째 제 2 유체를 운송한다. 게다가, 번들 덮개(602-2)가 첫 번째 제 1 유체를 운송하는 반면 번들 덮개들(602-1 및 602-3 내지 602-N) 각각은 두 번째 제 1 유체를 운송한다.
당업자는 이 명세서를 읽고 나면 도 6에 묘사된 배치가 보다 큰 열 교환기일 수 있다는 것을 알 것이다.
도 7a는 본 발명의 두 번째 대안적인 실시 예에 따른 튜브 번들을 묘사한다. 튜브 번들 700은 중앙 튜브(702)와 외부 튜브들(704)을 포함한다.
튜브들(702 및 704) 각각은 위에 그리고, 도 3과 관련해 기술된 튜브들(406) 중 하나와 유사하다.
튜브 번들(700)은 중앙 튜브(702)가 똑바르고 꼬이지 않았으며 외부 튜브들(704)이 중앙 튜브(702) 둘레에 감겨 있다는 것만 제외하고 튜브 번들들(404) 중 하나와 유사하다. 중앙 튜브(702)는 튜브 번들(700)의 중앙 축(706)과 동일 선형이다.
비록 튜브 번들(700)이 여섯 개의 외부 튜브들(704)을 포함한다 할지라도, 이 명세서를 읽고 나면, 튜브 번들 700이 여섯 개 외에 외부 튜브들(704) 및/또는 하나 이상의 중앙 튜브(702)를 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예들을 명시하고 만들고 이용하는 방법이 당업자에게는 명백할 것이다.
도 7b는 중앙 튜브(702) 둘레에 외부 튜브들(704)을 감기 전 튜브 번들 700을 묘사한다.
도 7c는 본 발명의 두 번째 대안적인 실시예에 따른 튜브 번들을 만들기 위한 번들 조립 장치를 묘사한다. 장치(708)는 지지 구조(710)와, 고정된 끝단 캡(712), 그리고 회전 가능한 끝단 캡(714)을 포함한다.
대표적인 튜브 번들(700) 형성 방법에서는, 중앙 튜브(702)와 외부 튜브들(704)이 고정된 끝단 캡(712)과 회전 가능한 끝단 캡(714)에 삽입된다. 그리고 나서, 회전 끝단 캡(714)을 회전시켜 외부 튜브들(704)의 나선형 배치의 와인딩과 주율을 원하는 만큼 얻을 때까지 외부 튜브들(704)을 중앙 축(706) 둘레에 감는다. 그리고 나서, 튜브 번들(700)이 고정된 끝단 캡(712)과 회전 가능한 끝단 캡(714)로부터 제거된다.
도 8은 튜브 번들(700)을 만드는 동안 및/또는 만든 후에 외부 튜브들(704)과 중앙 튜브(702)를 붙잡기 위한 가이드를 묘사한다. 가이드(800)는 팔들(802)을 이용해 함께 무리지어진 외부 튜브들(704)을 유지한다. 구멍(804)은 가이드(800)가 중앙 튜브의 비틀림 변형을 유발하지 않고 중앙 튜브(702) 둘레를 회전할 수 있게 한다. 몇몇 실시 예에서는, 다수의 가이드들이 튜브 번들(700)의 길이를 따라 배열된다.
이 공시가 단지 실시 예의 한 예를 알려줄 뿐이며 본 발명의 많은 변형이 이 공시를 읽고 난 당업자들에 의해 쉽게 창안될 수 있으며 본 발명의 범위는 다음 청구항들에 의해 결정된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (25)

  1. 물 속에서 동작하는 열 교환기에 있어서,
    제 1끝단으로부터 제 2끝단으로 연장되는 각각의 동일한 제 1 길이를 가지고, 중앙 축 둘레에 나선형으로 감겨져 있으며 제 1튜브 끝단으로부터 제2 튜브 끝단으로 제 1 유체를 운송하도록 하는 다수의 튜브를 구비한 다수의 튜브 번들;
    상기 다수의 튜브 번들과 동일한 제 1길이를 가지고, 상기 튜브 번들의 각각을 원주 방향으로 둘러싸고, 상기 각 튜브 번들의 튜브로부터 유체적으로 격리된 튜브 번들 주위에 통로를 형성하도록 하는 다수의 튜브 덮개;
    상기 다수의 튜브 덮개의 제 1끝단에 대해 고정되고, 상기 다수의 튜브 덮개 및 상기 다수의 튜브 번들을 통해 별도의 유체의 흐름을 유도하도록 하는 다수의 제 1 개구를 갖는 제 1 튜브 시트;
    상기 다수의 튜브 덮개의 제 2끝단에 대해 고정되고, 상기 다수의 튜브 덮개 및 상기 다수의 튜브 번들을 통해 별도의 유체의 흐름을 유도하도록 하는 다수의 제 2 개구를 갖는 제 2 튜브 시트; 및
    상기 제 1 튜브 시트 및 상기 제 2 튜브 시트에 연결되어 상기 다수의 튜브 덮개가 배치된 챔버를 형성하는 쉘(shell);을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 재질을 포함하는 상기 제 1 튜브 시트;
    상기 제 1 재질을 포함하는 상기 제 2 튜브 시트; 및
    상기 다수의 튜브들 각각은 제 1 끝단, 제 2 끝단, 그리고 튜브 벽을 포함하되,
    상기 다수의 튜브들은 상기 제 1 재질로 이루어지며; 상기 제 1 튜브 시트와 상기 제 1 끝단들 각각에서의 상기 튜브 벽은 누출을 방지하도록 전기 내부식성 연결부(galvanic corrosion-resistant joint)로 밀봉 연결되고,
    상기 제 2 튜브 시트와 상기 제 2 끝단들 각각에서의 상기 튜브 벽은 누출을 방지하도록 전기 내부식성 연결부로 밀봉 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 2 유체를 상기 챔버 내로 유입하기 위한 주입구; 및
    상기 제 2 유체가 상기 챔버를 나갈 수 있도록 하는 배출구를 더 포함하되,
    상기 다수의 튜브들 각각 안의 상기 제 1 유체는 상기 제 2 유체로부터 유체적으로 격리되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 튜브 번들은 육방 밀집 배치로 배열된 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 튜브 중 적어도 하나는 상기 중앙 축과 일치하는 제 1 튜브를 포함하되, 상기 제 1 튜브가 똑바르고 꼬이지 않은 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 튜브들 중 다른 튜브들과 관련된 상기 다수의 튜브들 중 각각의 움직임이 억제되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체가 동일한 유체인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 시트는 마찰 교반 용접된 연결부를 통해 상기 다수의 튜브 덮개의 제 1끝단에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2 튜브 시트는 마찰 교반 용접된 연결부를 통해 상기 다수의 튜브 덮개의 제 2끝단에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 튜브 번들, 상기 다수의 튜브 덮개, 상기 제 1튜브 시트 및 상기 제 2 튜브 시트는 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 동일한 재질은 바닷물에 대해 내부식성인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 동일한 재질이 알루미늄인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브 번들 내의 상기 다수의 튜브 각각은 서로 붙어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 유체는 바닷물인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 튜브 덮개는 상기 다수의 튜브 번들 또는 상기 쉘과 접촉되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
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