KR101849540B1 - 반응기 및 열교환기용 체널형 스텍 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응 중 극심한 발열 및 흡열을 유발하는 반응기 및 낮은 열전달계수를 가지나 유체 간 열교환 부하가 높아야 하는 고부하용 열교환기 등에 사용될 수 있는 주름판 적층형의 스텍을 제작하기 위한 구성품들의 설계 원리 및 제작 방법에 관한 것으로, 열전도성의 얇은 평판에 V자형 주름을 상하로 형성시켜 제작되는 corrugated plate를 간격을 두고 적층한 것이다.

Description

반응기 및 열교환기용 체널형 스텍 및 그 제조 방법{REACTOR, CHANNEL-TYPE STACK FOR HEAT EXCHANGER, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 반응기 및 열교환기용 체널형 스텍 및 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형의 고효율 micro-channel형 열교환기부터 대형의 고효율 가스-가스용 열교환기 및 촉매 충진용 반응기에 이르기까지 두루 사용이 가능하고, 또 제작이 쉬운 새로운 반응기 및 열교환기용 채널형 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

화학반응을 수행하기 위해 사용되는 촉매반응기나 유체와 유체 사이 냉각/가열을 위한 열교환기들은 일반적으로 Shell-and-tube형이 많이 사용된다. 그러나 극심한 발열이나 흡열을 수반하는 반응들은 반응기 부피 당 발생되거나 흡수되는 열량이 크기 때문에, 반응기 부피가 커지면 면적에 비례하는 열교환량이 미쳐 따라가기 못하는 현상이 발생하게 되며, 보다 작은 직경의 튜브를 적게는 수백 개 많게는 수 천 개씩 사용하여 촉매의 충진층의 두께를 줄이는 것이 필요하다. 또한 가스-가스 간 열교환의 경우에도 통상 가스의 열교환 계수가 낮아 보다 많은 열교환 면적이 필요하여, 열교환기의 부피가 커지는 것이 필요하여 최종적으로 부피가 커지고 제조 비용이 증가하는 단점이 존재한다.

근래에 이러한 단점을 해결하기 위해 평판을 간격을 두고 쌓아 홀수 번 체널과 짝수 번 체널에 냉각용 및 가열용 유체를 번갈아 흘려서 평판을 통해 상호 열교환시키는 체널형 스텍을 사용하는 방식이 개발되고 있다.

채널형 스텍을 사용하는 방식은 대형 산업용의 경우 평판 사이에서 가스가 층류(laminar flow)로 흘러서 열전달 계수가 난류로 흐르는 쉘-튜브형에 비해 낮으며, 부피 당 열교환 면적이 shell-and-tube형과 별 차이가 없다는 문제가 있어, 주로 소형 마이크로 채널형 열교환기로만 상용화되고 있다.

소형 마이크로 채널형 열교환기는 평판에 음각 또는 양각으로 식각하여 열교환 면적을 늘려준 것인데, 촉매의 충진 및 배출이 어려워 촉매반응기로써의 사용은 부적합하다.

이에 따라, 열 교환 면적이 넓고, 제작이 쉬우며, 소형 반응기부터 대형 산업용으로까지 사용할 수 있으며, 촉매의 충진 및 배출이 용하여 촉매 반응기로 사용할 수 있도록 한 새로운 채널형 스텍 새로운 까지 사용이 가능한 새로운 형태의 체널형 스텍에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 열 교환 면적이 넓고, 제작이 쉬우며, 소형 반응기부터 대형 산업용으로까지 사용할 수 있으며, 촉매의 충진 및 배출이 용하여 촉매 반응기로 사용할 수 있는 새로운 채널형 스텍을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 극심한 발열 반응에서도 사용이 가능하도록 냉각용 유체가 난류로 흘러 열전달 계수가 높으며, 또한 반응기 폭과 길이를 임의로 조절하여 길이에 따른 냉각량을 조절할 수 있는 새로운 채널형 스텍을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 기존의 고효율 열교환기로 시판되는 마이크로 채널형 열교환기들이 유로가 복잡하여 적층 방향으로 각 체널 당 유량이 분산되는 평행 흐름 (parrell flow)이 어려워 압력 강하가 크고, 또한 면적의 대형화가 힘들어 대형화된 산업용은 제작이 불가능한 문제를 해결하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 기존의 평판형 열교환기들은 판 사이 간격을 좁게 하면 열교환 면적은 일반 shell-and-tube형에 비해 다소 증대되나 이 경우 촉매를 충진하고 사용 후 제거할 수 있는 형태의 촉매반응기로는 사용이 불가능한 문제를 해결하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 발열 또는 흡열을 동반하는 반응 및/또는 유체 간 열교환에 사용될 수 있는 열교환 장치에 있어서, 열전도성 금속 평판에 상하로 일정하게 주름이 있으며, 주름 방향에 수직한 양끝 부분(이하,‘좌우 에지’라 함)가 평평한 다수의 주름판이 소정 간격으로 적층되고, 적층된 주름판들 사이로 유체가 흐르는 체널들이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 열교환 장치에서 상기 주름판들은 좌우 에지에 삽입되는 평평한 스페이서(플렛바)와 주름 방향의 양끝 부분(이하,‘상하 에지’라 함)에 삽입되는 주름진 스페이서(주름바)에 의해서 이격된다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 열교환 장치는 발열 또는 흡열을 동반하는 반응형 열교환 장치로 사용하기 위해서, 홀수번 체널의 상하 에지에는 주름바가 삽입되고,짝수번 체널의 좌우 에지에는 플렛바가 삽입되어, 짝수번 체널에는 흡열 또는 발열을 동반하는 촉매가 충진되고, 홀수번 체널에는 주름 방향에 수직하게 유체가 흐르면서 흡열에 필요한 열을 공급하거나 발열된 열을 제거하기 위해서 유체가 흐른다.

본 발명의 다른 실시에 있어서, 상기 열교환 장치는 고효율의 열교환 장치로 사용하기 위해서, 상하에지에는 주름바가 삽입되고, 홀수번 체널과 짝수번 채널에 주름 방향에 수직하게 각각 유체가 흐르면서 상호 열교환된다.

본 발명에서 ‘주름판’이라 함은 물결 모양으로 나란히 골이 진 판재를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 있어서, 상기 주름판은 상부 주름판의 골이 하부 주름판의 마루보다 낮게 위치하여, 바람직하게는 상부 주름판의 골이 하부 주름판의 골과 50% 이상 겹치도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 주름판은 상부 주름판과 하부 주름판이 많이 겹쳐지도록 V자형 주름이 상하로 일정하게 잡혀진 주름판을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 열전도성 주름판은 통상적으로 0.1-3mm 두께를 가질 수 있으며, 홈이 파진 Roller들을 사용하여 V자 형태의 직선형 주름을 상하에 형성시킨 주름판을 제작할 수 있다.

주름판 내 주름의 폭(마루와 마루 사이의 간격)은 적게는 수 mm 에서 크게는 수십 mm까지 가능하며, 주름의 꼭지점 사이 길이는 주름의 폭보다 길수록 면적이 많아지며 통상 1.5-2배 정도로 제작이 가능하다. 주름을 금속판의 길이 방향의 직각으로 형성하게 되면 길이가 긴 열교환기 제작에 유리하고, 길이 방향으로 평행되게 형성시키면 촉매가 충진되는 길이가 긴 반응기의 제작에 유리하다. 주름판의 좌우에지는 나중 밀봉을 위해 주름 후 수평으로 펴거나, 제작 시 주름을 형성하지 않도록 제작한다. 이렇게 제작되어진 주름판을 일정한 간격을 두고 상하 방향으로 적층하게 되는데, 이때 간격은 두 주름판의 꼭지점 사이 거리에 해당되는 두께의 평평한 플랫 바를 좌우 에지에 끼워서 유지시키게 되며, 상기 플랫 바의 폭은 나중 용접을 위해서 충분히 두꺼워야 하며 통상 3-10 mm 정도가 적당하다. 주름판의 길이 방향 양끝의 밀봉이 이루어지는 부위 (상하 edge)에는 두 주름판 사이의 단면적 모양과 동일한 단면 형상으로 제작된 폭 3-10mm 정도의 주름진 bar (주름바)를 끼우게 된다. 상기 주름바는 플랫바를 이용해서 롤러를 사용하여 주름판으로 제작하는 것은 불가능하며, 와이어 커팅 공법에 의해서 주름판 사이 주어진 패턴 모양으로 제작하여 주름판 사이에 끼웠을 때 빈틈이 없게 하는 것이 중요하다.

이렇게 주름판의 상하 에지 및 좌우 에지 4 곳에 유체의 출입구를 제외하고 주름바와 플랫바를 적치하고, 적층을 반복하여 일정 높이의 스텍을 만들게 되면, 상기 스텍의 상하좌우 적층된 옆 4면이 빈틈없이 주름판과 bar들로 채워지게 되어 주름판의 끝과 bar 사이를 외부에서 쉽게 용접하여 밀봉할 수가 있다.

상기 스텍에 냉각 및 가열용 유체 (또는 반응물)들의 유입 및 배출구들을 추가로 마련하기 위해서는 두 가지 방법이 제공된다.

촉매 충진 반응기로 사용하려면 반응물은 주름판의 상하로 흘리고 반응온도 조절을 위한 냉각 또는 가열용 유체는 주름판의 직각 방향인 좌우로 흘려야 한다. 이에 따라서 반응물의 유입 및 배출을 위해서 상하 에지의 홀수 번에만 주름바를 삽입하고 냉각 또는 가열용 유체의 유입 및 배출을 위해서는 좌우 에지의 짝수 번에만 플랫바를 삽입하여 완성하는 것이 바람직하고, 이런 원리로 제작된 반응기는 상하 주름 방향으로 촉매의 충진 및 사용 후 촉매의 폐기가 가능하다.

열교환기 전용으로 사용을 하는 경우에는, 상하 에지는 주름바를 층층이 끼워 넣어 적층 면을 모두 밀봉하고, 좌우 에지의 적층 면들을 다시 좌우로 양분하여 왼쪽 반에는 홀수 번, 오른 쪽 반에는 짝수 번에만 플렛바를 삽입하고 적층하여, 냉각 및 가열용 유체의 유입구 및 배출구 4개를 형성하게 된다. 이렇게 제작된 열교환기는 유체가 주름을 타고 zig zag로 흘러서 난류 효과에 의한 열전달 효율을 높여주게 된다. 이때 바람직하게는 내부 공간의 주름판 사이에는 주름바의 한 쪽 끝이 잘려 나간 절단된 주름바를 일정한 간격으로 zig zag로 삽입하는 것이 바람직한데, 이렇게 함으로써 주름판 사이를 기계적으로 받쳐주어 박판의 주름판이 찌그러지는 것을 막아주고, 유체의 분배를 좋게하며, 또한 유속을 조절하는 역할도 할 수가 있다. 또한 삽입한 절단된 주름바가 홀수 개면 유입구 및 배출구를 같은 면으로 배치할 수 있고, 짝수 개이면 대각선의 반대 방향으로 배치할 수가 있어서 최종 열교환기의 배관 설계가 용이하다. 이렇게 유입구 및 배출구가 형성된 스텍은 4면 옆면의 적층부의 주름판 끝에 밀착된 bar 사이를 용접하여 최종 스텍을 완성하게 되며, 상기 스텍에 같은 유입구 또는 배출구들의 array를 포함하는 부위에 manifold를 부착하고 다시 용접하여 유체 (또는 반응물)의 유입구 및 배출구를 완성하게 되면 최종적인 반응기 또는 열교환기가 완성된다.
본 발명의 실시예에서, 주름의 크기는 꼭지점 사이의 폭은 4-100mm 범위이고 꼭지점 사이 길이는 꼭지점 사이 폭의 1.5-2.0 배가 되는 범위이며, 적층된 스텍 내 주름판 사이 간격은 꼭지점 사이 간격 기준으로 1-40mm 범위 내에서 적층된다.

본 발명에서 제안된 주름진 평판, 특히 V자형 주름을 상하로 형성시켜 제작되는 주름판을 주름바 및 플랫바를 삽입하여 밀착 적층하는 원리에 의해 제작되는 열교환용 스텍의 설계 원리는, 제작이 쉽고 체널 간 밀봉이 쉬우며 주름의 크기 유무에 상관없이 주름판 간 밀착 간격의 조절이 가능하여 소형의 마이크로 채널형 열교환기에서부터 대형의 산업용 촉매 반응기 까지 다양한 범위에 적용이 가능하다는 장점이 있으며, 특히 유로가 주름판의 상하로 zig zag로 흐르고 다시 스텍의 좌우로 zig zag로 흘러서 열전달 효율이 증대되어 극심한 발열 또는 흡열반응을 동반하는 반응기의 효과적인 온도 제어를 위한 얇은 촉매층 두께와 고효율의 열교환 요구에 쉽게 부응하여 설계될 수가 있고, 또 열전달 효율이 낮은 가스-가스 간 열교환을 위한 고효율 열교환기의 제작에 효과적으로 이용될 수가 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제안에 따라, V자형 주름이 상하로 일정하게 잡혀진 열전도성 주름판 (corrugated plate).
도 2는 본 발명의 제안에 따라, 적층된 주름판 사이 형성된 체널의 길이 방향 양끝 edge에 삽입되어 밀봉되는 주름바(corrugated bar)의 평면과 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제안에 따라, 상단과 하단 평판과 주름판을 사이 형성된 체널에 삽입되어 지지체로 사용되는 반쪽 주름바(corrugated bar)의 평면과 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제안에 따라, 체널 내부에 삽입되어 체널 내 유로를 변경하기 위한 절단 주름 바.
도 5는 본 발명의 제안에 따라 제작되는 스텍의 아랫면 및 윗면 커버판이다.
도 6은 하단 플레이트에 반쪽 주름바와 단열재들이 놓여진 상태의 평면도이다.
도 7은 도 6에서 선분 F1-F1’와 F2-F2’의 단면도이다.
도 8은 도 6에서 도시된 평면 위에 홀수번의 주름판과 주름바와 절단 주름바와 플렛바를 적치한 상태의 평면도이다.
도 9은 도 8에서 선분 G1-G1’, G2-G2’, G3-G3’에 따른 단면도이다.
도 10은 도 8에서 도시된 평면 위에 짝수번의 주름판과 좌우 에지에 플렛바를 적치한 상태의 평면도이다.
도 11은 도 10에서 선분 H1-H1’, H2-H2’, H3-H3’에 따른 단면도이다.
도 12는 홀수번 주름판과 짝수번 주름판을 번갈아서 소정의 두께로 적층한 후, 상단에 커버 플레이트를 덮은 상태의 평면도이다.
도 13 내지 도 17은 도 12의 선분 J1-J1’, J2-J2’, J3-J3’, L1-L1’, L2-L2’에 따른 각각의 단면도이다.
도 18은 비등온 반응기용 스텍의 적층이 완료되고 유출구 및 유입구에 매니폴드가 부착된 상태의 평면도이다.
도 19는 홀수번 주름판과 짝수번 주름판을 번갈아서 소정의 두께로 적층한 후, 상단에 커버 플레이트를 덮은 고효율 열교환기의 평면도이다.
도 20 내지 도 24는 도 19의 선분 K1-K1’, K2-K2’, K3-K3’, M1-M1’, M2-M2’에 따른 각각의 단면도이다.
도 25는 고효율 열교환기의 적층이 완료되고 유출구 및 유입구에 매니폴드가 부착된 상태의 평면도이다.
도 26과 도 27은 도 25의 선분 N1-N1’, N2-N2’에 따른 각각의 단면도이다.
도면 부호의 설명
1. 열전도성 주름판
2. 적층된 주름판 사이 체널의 주름방향 상하 에지 밀봉용 주름바.
3. 스텍 내 밑판 또는 윗판과 주름판 사이 지지용 주름바
4. 체널 내부 유로 변경용 주름바
5. 스텍의 밑판 또는 윗판으로 사용되는 평판
7. 스텍 밑판 또는 윗판 과 주름판 사이 체널 양끝 에지 밀봉용 플랫바
8. 스텍 밑판 또는 윗판 과 주름판 사이 체널 내부 공간에 채워지는 단열재
9. 스텍 내 적층된 체널 사이 좌우 에지 밀봉용 플랫바
11. 냉각 (또는가열)되는 유체 (또는 반응물)의 스텍 내 체널로의 유입구
12. 냉각 (또는 가열)된 유체 (또는 반응물)의 스텍 체널로부터 배출구
13. 냉각 (또는 가열)되는 유체 (또는 반응물)이 흐르는 체널 공간
15. 가열 (또는 냉각)되는 유체 (또는 반응물)의 스텍 내 체널로의 유입구
16. 가열 (또는 냉각)된 유체 (또는 반응물)의 스텍 체널로부터 배출구
17. 가열 (또는 냉각)되는 유체 (또는 반응물)이 흐르는 체널 공간
21. 스텍에 부착되고 냉각 (또는 가열)되는 유체의 유입구들을 포함하는 매니폴드
22. 스텍에 부착되고 냉각 (또는 가열)된 유체의 배출구들을 포함하는 매니폴드
23. 제1스텍의 냉각 (또는 가열)되는 유체의 배출구와 제2스텍의 냉각 (또는 가열) 되는 유체의 유입구들을 포함하는 통합 매니폴드
25. 스텍에 부착되고 가열 (또는 냉각)되는 유체의 유입구들을 포함하는 매니폴드
26. 스텍에 부착되고 가열 (또는 냉각)된 유체의 배출구들을 포함하는 매니폴드
31. 21번 매니폴드용 배관
32. 22번 매니폴드용 배관
35. 25번 매니폴드용 배관
36. 26번 매니폴드용 배관
41. 주름판 내 주름의 제일 꼭지점(pitch)-마루
51. 주름판 내 주름 방향 하부 끝의 에지 부위
52. 주름판 내 주름 방향 상부 끝의 에지 부위

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며, 발명의 내용을 한정하기 위한 것이 아님을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도면에서는 열 교환용 반응기의 제작을 위한 구성품들과 구성품들을 이용하여 반응기를 제작하는 과정을 나타내었다.

도 1에는 상하로 주름이 지고 좌우 양끝 에지는 평평한 부위를 가지는 주름판 (corrugated plate) (1)이 나타나 있다. 여기에서 보듯이 주름판을 적층 시 두 판사이의 중첩 비율을 높이기 위해서는 (주름판 사이 간격을 줄이기 위해서는), 주름 꼭지점 (41)의 곡선 부분을 제외하고는 V자형으로 직선형으로 주름이 형성되어야 한다.

도 2는 상기 주름판 (1)을 적층했을 때 두 판사이의 상하 edge (51, 52) 부위에 삽입하게 되는 주름판 밀봉용 주름바(2)의 그림으로, overview에서 보이는 bar의 폭은 나중 용접 시 bar 사이에 끼워져 있는 주름판 끝을 보호할 수 있는 정도의 넒이면 되며 통상 3-10mm 정도가 적당하다. 상기 주름바(2)의 단면적의 형상은 그 다음 그림에서 나와 있듯이 적층된 corrugated plate (1) 들의 간격 사이에 삽입했을 때 빈틈없이 완벽하게 끼워질 수 있도록 제작되며, wire cutting 공법에 의해서 제작될 수 있다.

도 3은 적층을 위해 가장 밑바닥과 맨 위에 마지막으로 놓게 되는 평판 (5)과 주름판 (1) 사이의 상하 edge에 꽉 끼도록 삽입하게 되는 반쪽 주름바 (3)의 도면이다.

도 4는 체널 내부의 주름판 사이의 기계적 안정성을 높이고 내부로 흐르는 유체의 유로 변경을 위해 zig zag로 삽입하게 되는 내부 체널용 절단 주름바(4)의 설계 도면으로 도2의 주름바의 한 쪽 끝을 조금 잘라서 쉽게 제작할 수 있다.

도 5는 적층된 스텍의 맨 아래 및 맨 위에 놓이게 되는 평판을 나타낸다.

상기 구성품들을 사용하여 적층된 스텍을 제작하기 위해서, 도 6 및 도 7에서는 맨 밑바닥용 평판 (5)을 놓고 그 위에 상하 edge에 2개의 반쪽 주름바 (3)을 놓고, 중간에 3개의 반쪽 주름바 (3)를 놓은 후 그 사이에는 단열재 (8)를 채우게 된다. 그 다음 좌우 edge (53, 54)의 반쪽 주름바 사이에 해당 길이의 플렛바 (7)을 끼워서 적치하여 그 다음 주름판 (1)이 적층될 수 있는 상태를 나타낸다.

도 8과 도 9는 첫 번 째 홀수 번의 주름판 (1)을 적층한 경우로, 적층 후 상하 edge에 2개의 주름바 (2)와 내부에 3개의 유로 변경용 절단 주름바 (4)가 zig zag로 적치되고 좌우 edge의 비어있는 곳에 플렛바 (9)를 적치하게 된다. 이때 우측 edge에는 냉각용 (또는 가열용) 유체가 유입되고 배출되는 부분은 플렛바 (4)를 설치하지 않게 하여 해당 유체의 유입구 (11)와 배출구 (12)를 확보하게 된다.

도 10과 도 11은 여기에 짝수 번의 주름판 (1)을 적층한 경우로 여기서는 좌우 edge에만 플렛바 (9)를 적치하여, 상하 방향으로 반응물의 유입 및 배출을 위한 유입구 및 배출구 (16)을 확보하게 되고 반응물이 하부의 유입구 (15)로 들어와 주름방향과 평행하게 흐르게 되며 최종적으로 상부 배출구 (16)으로 배출되게 된다. 따라서 이 부분의 짝수 전 체널 공간에 촉매를 충전할 수가 있고 또한 필요 시 체널 간격을 좁게 유지하여 일반 tube-and-shell 구조로 되는 튜브형 반응기에서 보다 촉매 충진층의 두께를 얇게 유지할 수도 있어서, 심한 발열 및 흡열을 동반하여 온도 제어가 어려운 반응의 경우에도 촉매 충진층의 내부 온도를 보다 균일하게 유지할 수 있는 장점을 제공한다.

도 12 내지 도 17은 적층이 끝난 최종 스텍의 평면도와 단면도들을 나타내며, 상기 스텍은 홀수번 주름판과 짝수번 주름판을 적층하는 과정을 원하는 만큼 반복한 후 (여기서는 5번 반복 함) 최종적으로 6c형의 적층을 한번 더 한 후, 다시 맨 위에 평판 (5)과 부속 바 등을 밑 평판 적층 때와 같이 대칭되게 하여 완성하게 된다.

이렇게 완성된 스텍은 도 13에서 도시된 바와 같이, 상하 edge 부위의 단면도 J1-J1’에서 보듯이 주름판의 길이 방향으로 반응물이 유입되거나 배출되는 짝수 번 체널 (17) 만 열리게 되고 홀수 번 체널 (13)은 주름바 (2)에 의해 막히게 되며 주름판 (1)과 주름바 (2) 및 반쪽 주름바 (3) 및 flat bar (9)사이는 용접에 의해 밀봉이 가능하게 된다. 한편 도 14에서 도시된 바와 같이 냉각용 (또는 가열용) 유체가 유입되거나 배출되는 부분은 단면도 J2-J2’에서 보듯이 홀수 번 체널 (13)로는 하부 우측의 유입구 (11)로 유체가 유입되어 체널 내부를 zig zag로 흘러서 상부 우측의 배출구 (12)로 나가게 된다. 도 15에서 도시된 바와 같이 단면도 J3-J3’는 3개의 유료 변경용 절단 주름바 위치에서의 도면으로 반응물은 짝수 번 체널 (17)의 길이 방향으로 유체가 흐르고 냉각 (또는 가열용) 유체는 홀수 번 체널 (13)에서 유료 변경용 절단 주름바 (4)의 끝에서 유로 방향이 좌 또는 우로 변경되어 주름 직각 방향으로 zig zag로 흘러가게 된다. 또한 도 16의 단면도 L1-L1’에서 보면 스텍의 우측 측면부에서 냉각용 (또는 가열용) 유체는 홀수 단의 좌측 유입구 (11)로 유입되어 같은 단의 우측 배출구 (12)로 배출되는 것을 알 수가 있고, 도 17의 단면도 L2-L2’에서 보듯이 스텍 좌측 측면부는 적층용 플렛바 (9)와 유로변경용 절단 주름바 (4)에 의해 완전히 막히게 되어 있다.

이상에서 보듯이 스텍의 4면 측면부는 반응물 및 유체의 유입구 및 배출구를 제외하고는 빈틈 없이 적층되어 있어서 주름판 끝과 적층용 bar들 사이를 용접에 의해 쉽게 밀봉할 수가 있다. 이렇게 제작된 스텍은 각각의 유입구 및 유출구에 최종적으로 Manifold를 부착 연결하고 배관을 연결하여 최종 반응기를 완성하게 되며, 도 18에서 보듯이 스텍의 길이 방향이 짧을 경우 복수개의 스텍을 직렬로 연결하고 외부에서 용접하여 하나의 반응기로 사용할 수도 있으며, 우측의 냉각용 (또는 가열용) 유체도 복수 개의 유입구 및 유츨구를 설치하여 반응기 길이 방향의 냉각 정도를 각각 다르게 조절할 수 있는 방법도 함께 제공된다.

본 발명의 원리를 설명하기 위한 다른 하나의 예로서, 상기 구성품들을 이용하여 고효율의 체널형 열교환기용 스텍을 제작한 것이 도 19에 나타나 있다. 여기서는 반응기용 스텍 제작 경우에서와 달리 냉각용 (또는 가열용) 유체뿐 만 아니고 반응물이 아닌 가열용 (또는 냉각용) 유체도 주름 체널의 직각 방향으로 흐르도록 하여 열전달 효율을 높여 열교환기 본래의 목적을 극대화 시킨 것이 특징이다. 이를 위해서 단면도 K1-K1’에서 보듯이 적층된 스텍 내 주름판 (1)의 길이 방향 끝의 상하 edge 부분은 주름바 (2)를 사용하여 체널 사이를 모두 막고 용접을 하여 밀봉을 하게 된다. 대신 스텍의 좌우 측면 부에 냉각 및 가열용 유체의 유입구 및 배출구를 함께 형성시키게 되며, 이를 위해 홀수 번의 주름판 (1)을 적층 시에는 상하 edge에는 주름바 (2)를 삽입 적치하나 좌우 edge의 좌측 반 쪽은 플렛바 (9)를 비우고 적치하게 되며, 마찬가지로 짝수 번의 주름판 (1)을 적층 시에는 상하 edge에는 주름바 (2)를 삽입 적치하나 좌우 edge의 우측 반 쪽은 플렛바 (9)를 비우고 적치하는 방법으로 스텍을 완성한다. 이 경우 체널 내부에 적치되는 유로 변경용 절단 주름바 (4)는 짝수 개를 zig zag로 적치하면 유체의 유입구와 배출구가 대각선으로 반대쪽에 위치하게 된다. 도 25에서 이렇게 제작된 열교환기용 스텍에 유체의 유입구 및 배출구에 해당 Manifold를 부착하여 제작된 최종 열교환기가 나타나 있으며, 일예로 냉각용 유체는 유입 배관 (31)을 통해 manifold (21)로 유입되고 여기에서 주름판 (1) 사이 홀수 번 체널로 분산되어 유입된 후 주름의 직각 방향으로 아래 위로 zig zag로 흐르면서 유로 변경용 절단 주름바(4)에 의해 유로가 스텍의 좌우측으로 다시 zig zag로 방향을 틀면서 흘러 최종적으로 대각선 반대 방향의 배출용 manifold (22)로 유체가 모아져서 최종적으로 배출용 배관 (32)을 통해 승온되어 배출되고, 가열용 유체도 스텍의 좌측면 우측에 부착된 유입 manifold (25)를 통해 주름판 (1) 사이 짝수 번 체널로 분산 유입되고 마찬가지로 상하 및 좌우 흐름 변경을 거쳐 최종적으로 스텍 우측 옆면의 우측 manifold (26)을 통해 감온되어 배출되어지는 원리로 제작되는 방법을 제공한다.

이상에서 보는 것처럼 본 발명에서 제안된 평판에 V자형 주름을 상하로 형성시켜 제작되는 주름 판을 이용하여 간격을 두고 적층을 하여 반응기 및 열교환용기 스텍을 제작하는데 있어서, 상하 edge 밀봉용 주름바, 좌우 edge 밀봉용 플렛바와 내부 체널 유로 변경용 절단 주름바를 삽입하여 사이에 빈틈이 없이 밀착 적층하는 원리에 의해 제작되는 열교환기의 설계 원리는, 제작이 쉽고 체널 간 밀봉을 위한 용접이 스텍 측면의 바깥쪽에서 이루어져 쉬우며 주름의 크기 유무에 상관없이 주름 간 밀착이 작게는 mm 이하 단위 까지 크게는 수십 mm 까지도 가능하여 소형의 micro-channel 형 열교환기에서부터 대형의 산업용 촉매반응기 까지 다양한 범위에 적용이 가능하다는 장점이 있으며, 특히 유로가 주름판의 상하로 zig zag로 흐르고 다시 스텍의 좌우로 zig zag로 흘러서 열전달 효율이 증대되어 극심한 발열 또는 흡열반응을 동반하는 반응기의 효과적인 온도 제어를 위한 얇은 촉매층 두께와 고효율의 열교환 부하 요구에 쉽게 부응하여 설계될 수가 있고, 또 열전달 효율이 낮은 가스-가스 간 열교환을 위한 고효율 열교환기의 제작에 효과적으로 이용될 수가 있는 장점이 있다.

Claims (10)

1. 발열 또는 흡열을 동반하는 반응 및/또는 유체 간 열교환에 사용될 수 있는 열교환 장치에 있어서,
   열전도성 금속 평판에 상하로 일정하게 주름이 있으며, 좌우 에지가 평평한 다수의 주름판이 소정 간격으로 적층되고, 적층된 주름판들 사이로 유체가 흐르는 체널들이 형성되는 스텍을 포함하며,
   상기 스텍에서 주름판의 평평한 좌우 에지에 삽입되는 플렛바와 주름진 상하 에지에 삽입되는 양측은 평평하고 중앙 부위가 주름진 주름바에 의해서 이격되며,
   상기 스텍의 상하에는 평판이 적층되며,
   상기 스텍과 평판 사이에는 반쪽 주름바가 삽입되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스텍에서 주름판들은 상부 주름판의 골이 하부 주름판의 마루보다 낮게 위치하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 주름판은 V자를 상하로 전치시켜 옆으로 이어간 직선 주름인것을 특징으로 하는 열교환 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 주름의 크기는 꼭지점 사이의 폭은 4-100mm 범위이고 꼭지점 사이 길이는 꼭지점 사이 폭의 1.5-2.0 배가 되는 범위이며, 적층된 스텍 내 주름판 사이 간격은 꼭지점 사이 간격 기준으로 1-40mm 범위 내에서 적층되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상하 에지 사이에 주름바가 설치된 채널에서 상기 주름바 사이에 절단 주름바가 삽입되어 유로가 지그 재그로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 발열 또는 흡열을 동반하는 반응형 열교환 장치로 사용하기 위해서, 홀수번 체널의 상하 에지 사이에는 주름바가 삽입되고, 짝수번 체널의 좌우 에지에는 플렛바가 삽입되고, 짝수번 체널에는 흡열 또는 발열을 동반하는 촉매가 충진된 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고효율의 열교환 장치로 사용하기 위해서, 상하 에지 사이에는 홀수번 체널과 짝수번 체널에 주름바가 삽입되고, 홀수번 체널과 짝수번 채널에 서로 다른 열을 가지는 유체가 흐르면서 주름판을 통해 열교환되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
9. 제7항에 있어서, 짝수번 채널에 촉매의 충진 및 사용 후 폐기가 가능하도록 탈부착식 매니폴드가 부착되는 되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
10. 제8항에 있어서, 스텍에 각각의 유체의 유입구 및 배출구에 유출용 및 배출용 매니폴드가 용접에 의해서 부착된 것을 특징으로 하는 열교환 장치.

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