KR101818521B1 - 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치 및 그 방법 - Google Patents

마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로채널 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로채널 열교환기의 입구측에 냉매를 효과적으로 공급할 수 있는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치는 2상 유체의 기체 및 액체를 분리하는 기액 분리기와 내부에 혼합공간을 가지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체를 기체 측에 분사함으로써 혼합공간 내에서 액체 및 기체를 균질하게 혼합하는 믹서(mixer)를 포함하고, 상기 믹서로부터 상기 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 유체공급라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치 및 그 방법{2-PHASE FLUID SUPPLYING APPARATUS AND METHOD FOR MICRO CHANNEL HEAT EXCHANGER}
본 발명은 마이크로채널 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로채널 열교환기의 입구측에 냉매를 효과적으로 공급할 수 있는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치 및 그 방법에 관한 것이다.
특수한 용도에 사용되는 열교환기는 다른 일반적인 열교환기와는 달리 고온 고압이라는 환경에 사용되거나, 중량 또는 공간 등과 같은 제한 조건을 만족시키기 위해 소형화와 내구성이 요구되는 경우도 있다.
기체 대 기체(Gas-to-Gas)만의 열교환은 총열전달계수가 낮아 동일한 열교환을 위해서 더 큰 전열면적을 필요로 하고, 이는 중량 및 공간 제한조건이 있는 상황에는 채택이 어려운 점이 있다.
이러한 점을 감안하여 컴팩트한 사이즈 및 높은 열교환효율을 달성할 수 있는 마이크로채널 열교환기가 널리 이용되고 있다.
한편, 마이크로채널 열교환기의 일종인 인쇄회로 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, 이하 'PCHE'라 함)는 에칭가공을 통해 복수의 마이크로채널을 형성한 서로 다른 판을 격판을 사이에 두고 교대로 접합하여 만든 열교환기로서, 밀리미터급의 작은 유로를 형성시킬 수 있으며, 기체뿐만 아니라 액체도 자유롭게 흐르면서도 큰 전열면적을 갖게 함으로써 사용공간대비 큰 전열면적을 갖는 장점이 있다.
또한, PCHE는 고온 고압 사용 환경에 유리한 열교환기를 구성할 수 있는 장점이 있으며, 미세 전자기기 시스템(Micro electro mechanical system;MEMS) 분야의 발전으로 다양한 미세 가공기술들을 활용하여 다양한 형상으로 제작할 수 있다.
소형성과 우수한 성능을 갖는 PCHE는 컴퓨터, 반도체를 비롯한 정보기술 분야에서 뿐만 아니라 에너지 관련 산업 등의 에너지기술(Energy Technology)분야에서도 다양하게 적용되고 있다.
나아가, 고온, 고압, 마이크로채널열교환기를 필요로 하는 석유화학 플랜트로부터 연료전지 반응기 및 폐열회수장치, CO2 히트펌프 및 온수기의 냉동공조산업, 등 타 산업들에 파급효과가 매우 크다.
또한 일반적인 열교환기는 열전달이 증가함과 동시에 압력강하가 증가하지만, 마이크로채널 열교환기의 형상 설계를 통해 압력 강하량은 작게 유지하면서 열전달량은 크게 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
특히, PCHE 등과 같은 마이크로채널 열교환기는 LNG 액화공정 시에 그 컴팩트한 사이즈 및 고효율성 등으로 인해 널리 이용되고 있다.
이와 같이 PCHE는 마이크로채널층이 다층구조로 이루어진 열교환코어 및 헤더를 가진 마이크채널 열교환기로서, 유체가 열교환기 입구 측으로 유입되면, 유체는 헤더에서 각각의 마이크로채널 층으로 분배되도록 구성된다.
종래의 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 액체나 기체와 같은 단상의 유체가 공급되는 경우에는 별다른 문제가 없지만, 2상 유체(two-phase fluid)가 공급되는 경우에는 2상 유체의 기체 및 액체가 서로 다르게 거동하기 때문에 각각의 마이크로채널 층으로 균일하게 분배되지 않으며, 이러한 유체의 균일 분배가 이루어지지 않아 그 열교환성능이 매우 낮아지는 단점이 있었다.
일본 공개특허공보 특개2011-169496호(2011.09.01.) 일본 공개특허공보 특개2007-263473호(2007.10.11.) 일본 특허공보 특허 제7045984호(1995.05.17.)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 2상 유체(two-phase fluid)가 마이크로채널 열교환기의 입구 측으로 공급하는 경우 2상 유체의 기체과 액체가 동일하게 거동하게 함으로써 각 마이크로채널 층으로 균일하게 분배할 수 있는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 2상 유체를 마이크로채널 열교환기의 입구 측으로 공급하는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치로서, 2상 유체의 기체 및 액체를 분리하는 기액 분리기와, 내부에 혼합공간을 가지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체를 기체측에 분사함으로써 혼합공간 내에서 액체 및 기체를 균질하게 혼합하는 믹서(mixer)를 포함하고, 상기 믹서로부터 상기 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 유체공급라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 기액분리기에는 액체를 이송하는 액체이송라인과 기체를 이송하는 기체이송라인이 연결되고, 상기 액체이송라인 및 상기 기체이송라인 각각은 상기 믹서 측에 개별적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 액체이송라인에는 액체 공급펌프가 설치되며, 상기 액체이송라인의 단부에는 분사유닛이 설치되고, 상기 분사유닛은 상기 믹서의 혼합공간을 향해 액체를 분사하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 2상 유체를 마이크로채널 열교환기의 입구 측으로 공급하는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법으로, 2상 유체의 기체 및 액체를 분리하는 분리단계와, 분리단계에서 분리된 액체 및 기체를 혼합하는 혼합단계와, 혼합단계에서 혼합된 액체 및 기체를 상기 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 공급하는 공급단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합단계는 소정의 혼합공간을 통과하는 기체 측에 액체를 분사함으로써 기체과 액체를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합단계는 소정의 혼합공간을 수직방향으로 통과하는 기체 측에 액체를 수평방향으로 분사함으로써 기체과 액체를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 2상 유체가 마이크로채널 열교환기의 입구 측으로 공급되는 경우, 2상 유체의 기체 및 액체를 분리한 후에 기체과 액체를 균질하게 혼합하여 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 공급함으로써 기체과 액체의 균일한 거동을 통해 복수의 마이크로채널 층으로 균일하게 유체를 분배할 수 있고, 이를 통해 열교환성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치를 도시한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법을 도시한 공정도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치(10)는 마이크로채널 열교환기(1)의 입구(2) 측으로 2상 유체를 공급하도록 구성된다.
특히, 본 발명이 적용되는 마이크로채널 열교환기(1)는 인쇄회로 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE)일 수 있다.
본 발명에 의한 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치(10)는 2상 유체의 기체 및 액체를 분리하는 기액 분리기(11), 기액분리기(11)에 의해 분리된 액체를 기체 측에 분사함으로써 액체 및 기체를 균질하게 혼합하는 믹서(12, mixer)를 포함한다.
기액분리기(11)의 일측에는 2상 유체가 유입되는 유입구(11a)가 형성되고, 기액분리기(11)의 하측에는 액체를 이송하는 액체이송라인(13)이 연결되며, 기액분리기(11)의 상측에는 기체를 이송하는 기체이송라인(14)이 연결된다.
이에, 유입구(11a) 측으로 2상 유체가 기액분리기(11) 내로 유입되면, 액체는 액체이송라인(13)을 통해 이송되고, 기체는 기체이송라인(14)을 통해 이송된다.
그리고, 액체이송라인(13)과 기체이송라인(14) 각각은 믹서(12) 측에 개별적으로 접속되고, 액체이송라인(13)의 도중에는 액체를 공급하는 액체 공급펌프(17)가 설치된다.
믹서(12)는 내부에 혼합공간(12a)이 형성된 하우징 구조로 구성되고, 믹서(12)의 측벽에는 액체이송라인(13)의 단부가 접속되며, 믹서(12)의 상단에는 기체이송라인(14)의 단부가 접속된다.
믹서(12)의 하단에는 유체공급라인(15)이 연결되며, 유체공급라인(15)의 단부는 마이크로채널 열교환기(1)의 입구(2)측에 접속된다.
그리고, 액체이송라인(13)의 단부에는 분사유닛(16)이 설치되고, 분사유닛(16)은 믹서(12)의 혼합공간(12a) 내로 액체를 분사하도록 배치된다.
이러한 구성에 의해, 기체이송라인(14)을 통해 이송되는 기체는 믹서(12)의 혼합공간(12a)에서 수직방향으로 통과하고, 액체이송라인(15)을 통해 이송되는 액체는 믹서(12)의 혼합공간(12a)에서 수평방향으로 분사된다.
이에, 기체가 믹서(12)의 혼합공간(12a)을 수직방향으로 통과할 때 액체가 수평방향으로 분사됨으로써 즉, 기체과 액체의 흐름이 서로 직교함에 따라 기체과 액체의 균질한 혼합이 매우 효율적으로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법을 도시한 공정도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법은 도 1의 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치를 이용할 수 있다.
본 발명의 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법은 2상 유체의 기체 및 액체를 분리하는 분리단계(S1), 분리단계에서 분리된 기체 및 액체를 균질하게 혼합하는 혼합단계(S2), 혼합단계에서 혼합된 기체 및 액체를 마이크로채널 열교환기(1)의 입구(2) 측으로 공급하는 공급단계(S3)로 이루어진다.
혼합단계(S2)는 소정의 혼합공간을 통과하는 기체 측에 액체를 분사함으로써 기체과 액체를 균질하게 혼합하도록 이루어진다.
특히, 혼합단계(S2)는 소정의 혼합공간(12a)을 수직방향으로 통과하는 기체 측에 액체를 수평방향으로 분사함으로써 기체과 액체를 보다 균질하게 혼합할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 2상 유체의 기체 및 액체를 분리한 후에 기체과 액체를 균질하게 혼합하여 마이크로채널 열교환기(1)의 입구(2)측으로 공급함으로써 기체과 액체의 균일한 거동을 통해 복수의 마이크로채널 층으로 균일하게 유체를 분배할 수 있고, 이를 통해 열교환성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
특히, 마이크로채널 열교환기(1)는 LNG액화공정에 이용될 경우, LNG가 압력 또는 상변화 등으로 불안전하게 마이크로채널 열교환기(1)측으로 공급될 경우 장비 가동 시 많은 문제가 발생할 수 있지만, 본 발명을 적용할 경우 불안전하게 공급되는 LNG(압력,상의 상태)를 기체 및 액체으로 분리한 후에 기체 및 액체를 균질하게 혼합하여 마이크로채널 열교환기(1) 측으로 공급함으로써 그 열교환성능을 대폭 향상시킬 수 있다.
1...마이크로채널 열교환기 2...입구
10...2상 유체 공급장치 11...기액분리기
12...믹서 13...액체이송라인
14...기체이송라인 15...유체공급라인

Claims (6)

  1. 2상 유체를 마이크로채널 열교환기의 입구 측으로 공급하는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치에 있어서,
    2상 유체를 기체 및 액체로 분리하는 기액분리기; 및
    내부에 혼합공간을 가지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체를 기체 측에 분사함으로써 혼합공간 내에서 액체 및 기체를 혼합하는 믹서(mixer);를 포함하고,
    상기 믹서로부터 상기 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 유체공급라인이 연결되며,
    상기 기액분리기에는 액체를 이송하는 액체이송라인과 기체를 이송하는 기체이송라인이 연결되고,
    상기 액체이송라인 및 상기 기체이송라인 각각은 상기 믹서에 개별적으로 접속되고,
    상기 액체이송라인을 따라 상기 믹서로 공급된 액체와, 상기 기체이송라인을 따라 상기 믹서로 공급된 기체가, 상기 혼합공간에서 서로 직교하며 균질하게 혼합된 후 상기 유체공급라인을 따라 상기 마이크로채널 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체이송라인에는 액체를 공급하는 액체 공급펌프가 설치되며, 상기 액체이송라인의 단부에는 분사유닛이 설치되고, 상기 분사유닛은 상기 믹서의 혼합공간을 향해 액체를 분사하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급장치.
  4. 2상 유체를 마이크로채널 열교환기의 입구 측으로 공급하는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법에 있어서,
    2상 유체를 기체 및 액체로 분리하는 분리단계;
    상기 분리단계에서 분리된 액체 및 기체를 혼합하는 혼합단계; 및
    상기 혼합단계에서 혼합된 유체를 상기 마이크로채널 열교환기의 입구측으로 공급하는 공급단계;를 포함하고,
    상기 혼합단계는 혼합공간을 통과하는 기체 측에 액체를 분사함으로써 기체와 액체를 혼합하며,
    상기 분리단계에서 분리된 액체와 기체가, 상기 혼합단계에서 서로 직교하며 균질하게 혼합된 후, 상기 공급단계에서 상기 마이크로채널 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 혼합단계는 소정의 혼합공간을 수직방향으로 통과하는 기체 측에 액체를 수평방향으로 분사함으로써 기체과 액체를 혼합하는 것을 특징으로 하는 마이크로채널 열교환기용 2상 유체 공급방법.
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