KR101795039B1 - 핀 및 튜브 열교환기 - Google Patents

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세바스티안 더블유 프레운트
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 핀 및 튜브 열교환기(210)를 제공한다. 핀 및 튜브 열교환기(210)는 다수의 튜브(220)와, 각각의 튜브(220) 상에 위치하는 다수의 핀(230)을 포함할 수 있다. 튜브(220)는 제 1 세트의 튜브(240) 및 제 2 세트의 튜브(250)를 포함할 수 있고, 제 1 세트의 튜브(240)는 제 2 세트의 튜브(250)와 비교하여 오프셋 위치(305)를 포함한다.

Description

핀 및 튜브 열교환기{FIN AND TUBE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 일반적으로 핀 및 튜브 열교환기에 관한 것이고, 특히, 압력 손실을 최소화하면서, 열교환을 최대화시키도록, 장방형 핀 및 와류 발생기를 갖는, 세미-스태거(semi-staggered) 방식으로 배열되는 컴팩트형 핀 및 튜브 열교환기에 관한 것이다.
폭넓게 다양한 핀 및 튜브 타입의 열교환기 및 유사 구조물이 판매되고 있다. 핀 및 튜브 타입의 열교환기의 구조의 주된 설계 목적 중 하나는, 압력 손실을 최소화시키면서 열 전달을 최대화시키는 데 집중된다. 일반적으로 설명하자면, 압력 손실 정도는 작동 비용 및 전체 에너지 손실과 열교환기의 효율 및 그 용도에 직접 관련될 수 있다.
알려진 핀 및 튜브 열교환기 설계의 한가지 예는 조밀-이격식 및 나선-감김식 원형 핀을 갖는 튜브 다발(tube bundles)의 이용을 포함한다. 그러나, 이러한 원형 핀을 이용할 경우, 일반적으로 통과하는 에어 속도가 감소하기 때문에, 우회 흐름 및 후류 영역(wake region)이 비교적 크고, 열 전달 계수가 작게 될 수 있다. 더욱이, 우회 흐름은 열 전달 계수뿐 아니라 핀 및 사이 공간에 대한 파울링(fouling) 문제점을 악화시킬 수 있다. 원형 핀은 또한 핀 간격을 제한할 수 있고, 따라서, 튜브 당 유용한 전체 표면적을 제한할 수 있다.
연속 평판 핀 및 실질적으로 정사각형의 핀이 또한 사용되고 있다. 이러한 연속 평판 핀은 통상적인 원형 핀에 비해 단위 전달 열 당 압력 손실이 작은 경향이 있다. 연속 평판 핀은 매우 컴팩트한, 그리고 효율적인 열교환기를 제작하는데 사용되고 있으나, 연속 평판 핀 및 정사각형 핀은 열 회수 증기 발생기, 또는, 일반적으로 많은 열전달 면적, 직경이 큰 튜브, 및/또는 강철로 만든 핀을 필요로하는 유사 타입의 장비와 같은, 대형 발전 장치용으로 일반적으로 채택되지 못하고 있다.
알려진 튜브 다발 배열은 일반적으로, 인라인 또는 스태거 정렬로 구성된다. 스태거 배열은 일반적으로, 인라인 배열에 비해, 우회 흐름이 적으면서도 높은 열 전달 계수를 제공하기 때문에, 선호된다. 그러나, 이러한 스태거 배열의 압력 손실은 튜브에 의해 야기되는 단면 저항(profile drag)으로 인해 비교적 높을 수 있다. 인라인 배열은 전체 단면 저항을 감소시키도록 선행 튜브의 후류에 각각의 튜브를 배치한다. 달갈형 및 타원형의 튜브 및 핀이 또한 사용되어 단면 저항 및 압력 손실을 감소시키고 있으나, 이러한 튜브는 일반적으로, 발전 장비에서 통상적으로 나타나는 매우 높은 압력에 견디지 못한다.
예를 들어, 루버(louver), 주름(corrugations), 기복(undulation), 세레이션(serrations), 소-익형 와류 발생기(winglet vortex generators) 이용을 포함하는, 다양한 기술들이 핀 표면 상의 열 전달을 개선시키기 위해 연구되고 있다. 대부분의 이러한 개선 기술은 연속 핀 열교환기에 대해 사용되고 있고, 개별 원형 핀에 대해 딤플(dimples) 및 세레이션(serrations)이 사용될 수 있다. 주어진 핀이나 핀 세트에 대해 이러한 개선 기술 중 여러가지를 조합할 수 있다.
따라서, 에너지 손실이 적고 전체 라이프 사이클 비용이 낮은, 소형의 저렴한 열교환기를 제공하도록 단위 압력 손실 당 열 전달율을 증가시킬 수 있는, 개선된 컴팩트형 핀 및 튜브 열교환기가 필요하다. 이러한 핀 및 튜브 열교환기는 다양한 기체-액체 또는 기체-증기 열 전달 애플리케이션에 사용될 수 있고, 특히, 발전 작동, 등에 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 핀 및 튜브 열교환기를 제공한다. 핀 및 튜브 열교환기는 다수의 튜브와, 각각의 튜브 상에 위치한 다수의 핀을 포함할 수 있다. 튜브는 제 1 세트의 튜브와 제 2 세트의 튜브를 포함하는 데, 제 1 세트의 튜브는 제 2 세트의 튜브와 비교하여 오프셋 위치를 포함한다.
본 발명은 핀 및 튜브 열교환기를 더 제공한다. 핀 및 튜브 열교환기는 다수의 튜브와, 각각의 튜브 상에 위치하는 다수의 장방형 핀을 포함할 수 있다. 장방형 핀은 장방형 핀 상에 하나 이상의 와류 발생기를 포함할 수 있다.
본 발명은 핀 및 튜브 열교환기를 더 제공한다. 핀 및 튜브 열교환기는 제 2 세트의 튜브와 비교하여 오프셋 위치를 갖는 제 1 세트의 튜브로 구성되는 복수의 튜브와, 각각의 튜브 상에 위치하는 다수의 장방형 핀을 포함할 수 있다. 장방형 핀은 장방형 핀 상에 다수의 와류 발생기를 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 그외 다른 특징은 여러 개의 도면 및 첨부된 청구범위와 연계하여 다음의 상세한 설명을 읽을 때 당 업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 가스 터빈 엔진의 개략도,
도 2는 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기의 부분 사시도,
도 3은 도 2의 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기와 함께 사용될 수 있는 와류 발생기를 갖는 개별 장방형 평판 핀의 사시도.
이제 도면을 참조하면, 유사 번호들은 여러개의 도면을 통해 유사 요소를 나타내고, 도 1은 여기서 설명되는 가스 터빈 엔진(100)의 개략도를 도시한다. 가스 터빈 엔진(100)은 압축기(110)를 포함할 수 있다. 압축기(110)는 유입 에어 흐름(120)을 압축한다. 압축기(110)는 압축된 에어 흐름(120)을 연소기(130)로 전달한다. 가스 터빈 엔진(100)은 연소기(130)는 압축된 에어 흐름(120)을 압축된 연료 흐름(140)과 혼합하고, 이 혼합물을 점화하여 연소 가스 흐름(150)을 생성한다. 단 하나의 연소기(130)만이 도시되었으나, 가스 터빈 엔진(100)이 다수의 연소기(130)를 포함할 수 있다.
연소 가스 흐름(150)은 또한 터빈(160)에 전달된다. 연소 가스 흐름(150)은 터빈(160)을 구동하여, 터빈 로터(170)의 회전을 통해 기계적 작동을 생성한다. 터빈(160)에서 생성되는 기계적 작동은 압축기(110)와, 발전기(180), 등과 같은 외부 부하를 터빈 로터(170)를 통해 구동시킨다.
그후, 소모된 연소 가스 흐름(150)이 열 회수 증기 발생기(190) 또는 다른 타입의 열교환기에 전달될 수 있다. 열 회수 증기 발생기(190)로의 소모된 연소 가스 흐름(150)은, 증기 터빈, 연료 예열기, 및/또는 다른 타입의 작동에 사용하기 위해, 통과하는 증기 흐름(200)을 가열할 수 있다. 연소 가스 흐름(150)은 그후 배출되거나 그렇지 않을 경우 처리된다.
가스 터빈 엔진(100)은 천연 가스, 다양한 타입의 신가스, 및 다른 타입의 연료를 이용할 수 있다. 가스 터빈 엔진(100)은 미국, 뉴욕, Schenectady에 소재한 General Electric Company 사에서 제공하는 여러 종류의 터빈 중 임의의 것일 수 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 가스 터빈 엔진(100)이 다른 구조를 가질 수 있고, 다른 타입의 구성요소를 이용할 수 있다. 다른 타입의 가스 터빈 엔진이 또한 여기서 사용될 수 있다. 복수의 가스 터빈 엔진(100), 다른 타입의 터빈, 및 다른 타입의 발전 장비가 여기서 함께 사용될 수 있다.
일반적으로 설명하자면, 열 회수 증기 발생기(190)는, 증기 발생 프로세스를 위한 공급수를 소모된 연소 가스(150)의 폐기 흐름에 의해 가열시키는, 비-접촉식 열교환기일 수 있다. 열 회수 증기 발생기(190)는 내부에 삽입된 튜브 다발을 이용한 대형 덕트일 수 있어서, 연소 가스 흐름(150)이 덕트를 통과함에 따라 물이 증기로 가열되게 된다. 다른 열 회수 증기 발생기 구조 및 다른 타입의 열교환 장치가 여기서 사용될 수 있다.
도 2는 여기서 설명되는 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)의 일부분을 도시한다. 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 열 회수 증기 발생기(190)의 일부분으로 사용될 수 있고, 또는, 임의의 타입의 열교환 장치용으로 사용될 수 있다.
세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 관통하여 돌출하는 다수의 튜브(220)를 포함하고, 다수의 핀(230)이 튜브 상에 위치한다(명료한 설명을 위해, 도 2에서는 단 하나의 돌출 튜브(220)만이 도시됨). 임의의 개수의 튜브(220) 및 핀(230)이 여기서 사용될 수 있다. 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 기존의 핀 및 튜브 열 교한기에 비해 비교적 컴팩트할 수 있으나, 요망되는 임의의 크기, 형태, 및/또는 구조를 가질 수 있다.
세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 스태거 관계로 위치하는 튜브(220)를 포함할 수 있다. 특히, 제 1 세트(240)의 튜브(220)는 제 2 세트(250)의 튜브(220)와 엇갈리거나[즉, 스태거(staggered)], 오프셋될 수 있다. 제 1 세트(240)의 튜브(220)는 제 1 열(260) 및 제 2 열(270)을 포함할 수 있고, 그 튜브(220)는 통과하는 에어 흐름(280)에 대해 인라인 위치(275)를 갖는다. 제 2 세트(250)의 튜브(220)는 제 3 열(290) 및 제 4 열(300)을 포함할 수 있고, 그 튜브(220)는 또한 인라인 위치(275)를 갖는다. 튜브(220)의 쌍들이 제 1 세트(240) 및 제 2 세트(250)에서 도시되지만, 임의의 개수의 열(260, 270 및 290, 300)이 임의의 개수의 튜브(220)와 함께 여기서 사용될 수 있다. 제 1 세트(240) 및 제 2 세트(250)이 서로에 대해 오프셋 위치(305)를 가져서, 세미-스태거 관계를 형성할 수 있다. 오프셋 위치(305)는 핀(230)의 횡방향 간격의 약 절반일 수 있다. 다른 타입의 오프셋, 간격, 및 구조가 여기서 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)의 핀(230)은 실질적으로 장방형의 핀(310)의 형태일 수 있다. 각각의 장방형 핀(310)은 코너 상에 위치한 다수의 와류 발생기(320)를 가질 수 있다. 본 예에서, 와류 발생기(320)는 실질적인 삼각형 형상부(330)를 가질 수 있다. 더욱이, 와류 발생기(320)의 대향된 쌍은 상향 각도(340)를 가질 수 있고, 와류 발생기(320)의 다른 대향된 쌍은 하향 각도(350)를 가질 수 있다. 다른 크기, 구조, 및/또는 각도를 갖는 임의의 개수의 와류 발생기(320)가 여기서 사용될 수 있다.
장방형 핀(310)은 각각의 튜브(220)에 대해 실질적으로 편심 위치(360)를 가질 수 있다. 그 결과, 각 세트(240, 250)의 열(260, 270 및 290, 300) 사이의 거리가 최소화될 수 있다(따라서, 각 세트(240, 250)의 튜브(220) 사이의 거리가 증가될 수 있다). 다른 타입의 위치 설정이 여기서 사용될 수 있다. 각각의 장방형 핀(310) 사이에 갭(370)이 존재할 수 있다. 갭(370)의 크기 및 형태가 바뀔 수 있다. 갭(370)은 장방형 핀(310)이 사용시 실질적으로 연속적인 핀으로 작용하도록 하는 크기를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 인라인 튜브 배열은 일반적으로 압력 손실이 적은 장점을 갖고, 스태거 배열은 일반적으로 우수한 열 전달을 유도한다. 따라서, 사용시, 여기서 설명되는 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 두 위치설정의 장점을 조합한다. 본 예에서 구체적으로, 제 1 세트(240)의 제 2 열(270)과 제 2 세트(250)의 제 4 열(300)이 일반적으로, 제 1 세트(240)의 제 1 열(260)과 제 2 세트(250)의 제 3 열(290)의 후류(wake)에 각각 위치한다. 따라서, 이와 같은 스태거 또는 오프셋 위치(305)는, 특히, 열(260, 270 및 290, 300)의 핀(230)의 편심 위치(360)에 부분적으로 근거하여, 튜브(220)의 인라인 열(260, 270 및 290, 300) 사이의 비교적 작은 간격이 주어졌을 때, 압력 손실의 일부분을 부담하고 있는 공기 역학적 단면 저항을 감소시킨다. 마찬가지로, 튜브(220)의 제 1 세트(240) 및 제 2 세트(250)를 엇갈리게 배치함으로써, 핀(230) 상의 열 전달을 개선시키도록 말굽 및 후류 와류를 발생시키거나 개선시킬 수 있다.
세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)의 장방형 핀(310)은 흐름 필드를 변경시키거나 우회 흐름을 많이 또는 어느 정도 생성하지 않으면서, 조밀한 핀 간격을 가능하게 하도록 대부분 연속 평판 핀으로 작용한다. 장방형 핀(310) 사이의 갭(370)의 크기는, 예를 들어, 상술한 원형 핀 및 튜브 다발에 비해, 훨씬 적은 우회 흐름을 허용하면서 개별 튜브(220)를 컴팩트한 튜브 다발 내로 설치할 수 있게 한다. 구체적으로, 갭(370)은 반-연속 평판 핀을 형성하도록 충분히 작을 수 있으나, 실질적으로 경계층을 해체할만큼 충분히 클 수 있다. 따라서, 갭(370)은 핀(310) 사이에서 소정의 혼합 및 경계층 파괴를 행하여, 열 전달 성능에 긍정적 영향을 미칠 수 있다.
세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)의 와류 발생기(320)의 삼각형 팁(330)은 또한, 스태거 세트(240, 250)에 대해 말굽 및/또는 후류-형 와류를 생성하거나 개선시킨다. 종방향 및 다른 타입의 와류가 또한 발생될 수 있다. 이러한 와류는 장방형 핀(310) 상의 전체 열 전달을 개선시키는 경향이 있다. 상향 및 하향 각도(340, 350)를 교대로 이용함으로써, 상측 및 하측 핀(310) 상에 충돌하는 흐름을 각각 리디렉션시킬 수 있다. 이러한 흐름은 또한, 경계층을 해체시키면서, 종방향 와류를 개선시키고 열 전달을 더 강화시킨다.
따라서, 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 튜브(220)의 스태거 세트(240, 250)에 오프셋 위치(305)를 제공한다. 각각의 튜브(220)는 다수의 장방형 핀(310)을 그 위의 다수의 와류 발생기(320)와 함께 갖는다. 핀(310)은 각 세트(240, 250)의 열(260, 270 및 290, 300) 사이의 거리를 최소화시키도록 편심 위치(360)를 포함할 수 있고, 이와 동시에, 핀(210)은 그 사이에 작은 갭(370)을 또한 갖는다. 따라서, 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 종래의 핀 및 튜브 설계에 비해 압력 손실이 적고 튜브 당 열 전달이 우수하다. 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 또한, 주어진 총효율(duty)에 대해 튜브 열이 적고 작동 비용이 저렴하면서 더욱 컴팩트할 수 있다.
따라서, 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기(210)는 다양한 기체-액체 또는 기체-증기 열 전달 애플리케이션에 사용될 수 있고, 특히, 발전 작동 등에 사용될 수 있다. 보다 작고, 우수하며, 저렴한 열교환기가, 일반적으로, 풋프린트가 작고 작동 비용이 저렴하면서도 저렴한 에너지 시스템을 제공한다.
전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시예에만 관련되며, 따라서, 다음의 청구범위 및 그 등가물에 의해 규정되는 본 발명의 일반적 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 당 업자에 의해 수많은 변화 및 변형이 이루어질 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
100 : 가스 터빈 엔진 110 : 압축기 120 : 에어 흐름
130 : 연소기 140 : 연료 흐름 150 : 연소 가스 흐름
160 : 터빈 170 : 로터 180 : 발전기
190 : 열 회수 증기 발생기 200 : 증기 흐름
210 : 세미-스태거식 핀 및 튜브 열교환기
220 : 튜브 230 : 핀 240 : 제 1 세트
250 : 제 2 세트 260 : 제 1 열 270 : 제 2 열
275 : 인라인 위치 280 : 에어 흐름 290 : 제 3 열
300 : 제 4 열 305 : 오프셋 위치 310 : 장방형 핀
320 : 와류 발생기 330 : 삼각형 형상부 340 : 상향 각도
350 : 하향 각도 360 : 편심 위치 370 : 갭

Claims (12)

  1. 핀 및 튜브 열교환기(210)에 있어서,
    복수의 튜브(220)를 구비하고,
    상기 복수의 튜브(220)의 각각은, 그 주위에 배치된 대응하는 복수의 핀(230)을 포함하며, 상기 복수의 튜브(220) 중 하나의 튜브에 대응하는 핀은, 다른 복수의 튜브(220)에 대응하는 핀으로부터 이격되어 있으며,
    상기 복수의 튜브(220)의 제 1 세트(240)가, 상기 핀 및 튜브 열교환기(210)의 적어도 하나의 제 1 쌍의 열(260, 270)을 포함하고, 상기 복수의 튜브(220)의 제 2 세트(250)가, 상기 핀 및 튜브 열교환기(210)의 적어도 하나의 제 2 쌍의 열(290, 300)을 포함하며,
    상기 핀 및 튜브 열교환기(210)의 상기 적어도 하나의 제 1 쌍의 열(260, 270)의 튜브는, 그곳을 통과하는 공기의 흐름에 대하여 제 1 직렬위치에 배치되고,
    상기 핀 및 튜브 열교환기(210)의 상기 적어도 하나의 제 1 쌍의 열(260, 270)이 제 1 거리만큼 이격되어 있고,
    상기 핀 및 튜브 열교환기(210)의 상기 적어도 하나의 제 2 쌍의 열(290, 300)의 튜브는, 그곳을 통과하는 공기의 흐름에 대하여 제 2 직렬위치에 배치되고,
    상기 핀 및 튜브 열교환기(210)의 상기 적어도 하나의 제 2 쌍의 열(290, 300)이 제 2 거리만큼 이격되어 있으며,
    상기 적어도 하나의 제 1 쌍의 열(260, 270)의 튜브(220)와 상기 적어도 하나의 제 2 쌍의 열(290, 300)의 튜브(220)는 서로에 대하여 오프셋 위치(305)를 가지며,
    상기 오프셋 위치(305)는, 상기 공기의 흐름에 대하여 수직인 방향으로의 핀(230)의 길이의 절반이며,
    상기 복수의 핀(230)의 각각이, 해당 핀의 코너에 위치하는 복수의 와류 발생기(320)를 포함하고, 해당 복수의 와류 발생기(320)는, 상향 각도(340)을 갖는 제 1 대향된 쌍의 와류 발생기와, 하향 각도(35)를 갖는 제 2 대향된 쌍의 와류 발생기를 구비하는
    핀 및 튜브 열교환기(210).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 핀(230)은 복수의 장방형 핀(310)을 포함하는
    핀 및 튜브 열교환기.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 쌍의 열(260, 270)의 튜브(220) 사이의 거리 및 상기 제 2 쌍의 열(290, 300)의 튜브(220) 사이의 거리보다 상기 제 1 쌍 및 상기 제 2 쌍의 이웃하는 열(270, 290)의 튜브(220) 사이의 거리를 크게 설정한
    핀 및 튜브 열교환기.
  8. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 와류 발생기(320)는 실질적인 삼각형 형상부(330)를 포함하는
    핀 및 튜브 열교환기.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 핀(230)은 각각의 튜브(220)에 대해 실질적인 편심 위치(360)를 포함하는
    핀 및 튜브 열교환기.
  11. 삭제
  12. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 핀 및 튜브 열교환기(210)는 열 회수 증기 발생기(190)를 구성하는
    핀 및 튜브 열교환기.
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