KR102113677B1 - 습기 분리기 구성체 - Google Patents

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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

증기 및 물방울들의 혼합물을 포함하는 유동(20)의 증기로부터 물방울들을 분리하기 위한 습기 분리기 구성체(10)는 유동(20)과 나란하게 배향된 복수의 제1 플레이트(11)들을 포함한다. 복수의 제1 플레이트(11)들은 유동(20)이 이동하는 채널(30)들을 형성하고, 제2 플레이트(11')는 채널(30)들 내에 인접한 제1 플레이트(11)들로부터 이격되게 삽입되어, 채널(30)들은 유동(20)에서 증기로부터 분리된 물방울들을 점진적으로 모으기 위하여 유동(20) 방향을 따라 점진적인 단면 변화부를 가진다. 각각의 제1 플레이트(11)는 일측면에 매끄러운 비충돌 벽면(12)을 포함하고, 반면에 각각의 제1 플레이트(11)의 일측면의 반대편 측면은 충돌 벽면(13)을 형성한다. 각각의 제2 플레이트(11')는, 제1 쌍의 제1 플레이트(11)들 사이에서 연장하는 제1 단부 및 상기 제1 쌍의 제1 플레이트(11)들 사이를 지나 상기 제1 쌍의 제1 플레이트들로부터 멀리 연장하는 제2 단부를 포함하고, 또한 복수의 윈도우 개방부(70)를 포함하고 상기 습기 분리기 구성체(10)의 진동을 방지한다. 제1 플레이트(11)들 및 제2 플레이트(11')들의 결합은 제1 쌍의 제1 플레이트(11)들을 따라 벤추리 채널(40)을 구성하고, 상기 벤추리 채널은 증기 스트림이 제1 플레이트(11)의 충돌 벽면으로부터 이탈되지 않게 하며 따라서 충돌 벽면 상에서의 재비산 영향들을 방지한다.

Description

습기 분리기 구성체{MOISTURE SEPARATOR CONFIGURATION}
본 발명은 특히 발전소에서 사용되는, 효과 증대를 제공하는 습기 분리기 구성체에 관한 것이다.
또한 방울 분리기로 공지된 습기 분리기는 증기로부터 물방울을 분리하기 위한 장치이다. 습기 분리기는 가스 또는 증기로부터 액체 방울들을 제거하기 위하여 오일 및 가스 산업에서 광범위하게 사용된다. 일반적으로 하기 기술된 바와 같이 여러 이유들로 인하여 연무 제거가 필요하다.
● 하나의 이유는 발전소의 사이클 효율을 증가시키는 것이다.
대체로, 열적 발전소에서, 보일로부터 발생된 증기는 소위 고압 터빈(HPT), 중간압 터빈(MPT), 저압 터빈(LPT)에서 수차례 팽창된다. 핵발전소에서, 보일러로부터 나오는 과열 또는 포화 증기의 HPT에서 제 1 팽창 중에, 핵발생 현상이 HPT 실린더를 따라 발생하고 HPT 배기에서 그에 따른 작용 유체는 임의의 증기 품질을 갖는 습한 증기이다. 상류 MPT 및 LPT의 효율성 이유로 인하여 습한 증기를 재가열하기 전에, 포화 증기로부터의 습기의 기계적인 분리는 습기 분리기들을 통해서 달성된다: 재가열기 번들로 보내진 그에 따른 작용 유체는 낮은 습기 함량을 갖는 습한 증기이다. 수증기의 잠열(latent heat)은 상당히 높기 때문에, 습한 증기에서 물 함량을 제거하고 습기 증발을 위한 다량의 에너지를 사용하는 것 대신에, 열동력 사이클에서 모아진 물을 반환하여, 증발 공정에 의해서 유발된 번들에서의 열적 부하를 제한하는 것이 바람직하다.
● 습기 함량을 제거함으로써 얻어지는 다른 장점은 부식 손상으로부터의 하류 설비의 보호이다. 습기 분리기들의 유형은 가스 또는 증기 상태로부터 액체 방울들을 제거하기 위하여 오일 및 가스 산업 뿐 아니라 발전소 산업에서도 광범위하게 사용되는 소위 파동형-플레이트 연무 제거기(wave-plate mist eliminator)들이다. 대부분의 분리기들은 물방울들이 운반되는 공기/증기 스트림의 유동 방향이 변화될 때, 큰 물방울일수록 직선으로 계속해서 진행하는 경향이 있는, 관성의 원리를 이용한다. 이들 파동형-플레이트 연무 제거기는 공기/증기 유동 경로에서 배향된 복수의 좁게 이격된 파동형의 휨 금속 시트들을 포함한다. 2개의 상태 유동(증기 및 물방울의 혼합물)은 복잡한 채널들을 통해서 이동하고 유동 방향을 반복적으로 변경하도록 압송된다. 관성으로 인하여 상기 방향 변경을 추종할 수 없는 물방울들은 주요 유동으로부터 벗어나고 채널 벽에 충격을 주며, 여기서 이들은 고착되어 합체된다. 액체량이 막을 형성하기에 충분히 많고 액체 줄기가 형성될 때, 이들은 중력에 의해서 파동형-플레이트 연무 제거기로부터 계속해서 배출된다. 방울의 관성 및 증기의 견인은 채널들을 통과하는 방울들의 움직임을 제어한다.
본 발명은 종래 기술의 습기 분리기와 비교할 때 효과가 증가한 습기 분리기를 지향하고 있다.
본 발명은 특히 발전소에서 사용되는 습기 분리기 구성체에 관한 것이다. 습기 분리기 구성체는 복수의 플레이트들. 양호하게는 파동형으로 휘어진 복수의 금속 시트들을 포함하고, 상기 플레이트들은 가스/증기 및 물방울들을 포함하고 상기 습기 분리기 구성체를 통하여 이동하는 유동과 나란하게 배향되어서, 상기 유동이 습기 분리기 구성체를 통하여 이동한 후에 상기 물방울들은 상기 증기로부터 효과적으로 분리된다. 상기 증기로부터 분리된 물방울들은 상기 플레이트 벽들에서 모아져서 상기 물방울들의 양이 충분히 많아질 때, 액체 막 또는 물결이 형성되고, 이들은 그때 중력에 의해서 플레이트들로부터 배출된다.
본 발명의 습기 분리기 구성체는 다음과 같은 특징들을 가진다:
- 각각의 플레이트들은 비충돌 벽면 및 충돌 벽면을 포함하고: 상기 비충돌 벽면은 매끄러운 면을 갖고 상기 충돌 벽면은 현재의 막 두께를 감소시키기 위하여 복수의 배출 채널들을 구성하는 복수의 길이방향 홈들을 포함하고, 따라서 임계 가스/증기 속도에서 재비산(re-entrainment)의 위험성을 감소시키고 플레이트 벽들에 축적된 액체 막을 배출한다;
- 각 쌍의 플레이트들의 결합은 플레이트 벽들로부터 증기 층류(streamlines)의 분리/이탈로 인한 재비산 효과를 방지하는 것을 목적으로 하는 벤추리 채널을 구성한다;
- 각 쌍의 플레이트들의 결합은 축적된 물방울들을 포획하고, 고속/증기 유동 속도에 대한 직접적인 노출을 방지하기 위한 제 1 오목형 캐비티를 구성한다;
- 상기 제 1 오목형 캐비티에 의해서 아직 포획되지 않은 물방울들을 포획하고 상기 물방울들을 증기로부터 분리하기 위해 제 2 오목형 캐비티가 습기 분리기 구성체 내의 플레이트들의 단부에 구성된다;
- 2개의 플레이트들이 습기 분리기 구성체의 단부 부분에서 합쳐질 때, 벽 단차부가 형성되며, 상기 벽 단차부가 형성되는 지역에서 증기에 의해서 가해진 전단력의 작용으로부터 수막을 분리하게 된다;
- 증가한 난류 분산을 갖고, 넓은 단면을 갖는 중간 영역은 여전히 잔류하여 아직 모아지지 않은 작은 물방울들의 분리를 증가시키기 위하여 구성되어서, 상기 증기로부터 상기 작은 물방울들을 분리시킨다;
- 상기 증기에 대한 통로를 형성하고, 동시에 구조적 장치로서 작용하고, 습기 분리기 구성체 내의 진동들을 방지하는 복수의 윈도우 개방부들이 제공된다.
본 발명에 따른 습기 분리기 구성체는 따라서 높은 효과를 갖는 보유 시스템을 제공할 수 있고 점진적인 물방울 수집이 달성된다.
본 발명의 상기 목적 및 많은 부수적인 장점들은 첨부된 도면과 연계하여 기술된 하기 상세한 설명을 참조할 때 더욱 이해할 수 있고 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 증가한 효과를 제공하는 습기 분리기 구성체의 상면도.
도 2는 본 발명에 따라 증가한 효과를 제공하는 습기 분리기 구성체의 측면도.
도 3은 본 발명에 따라 증가한 효과를 제공하는 습기 분리기 구성체의 저면도.
본 발명은 도 1 내지 도 3 중 어느 하나에 도시된 바와 같이, 복수의 플레이트들(11), 양호하게는 파동형으로 휘어진 복수의 금속 시트들을 포함하는 습기 분리기 구성체(10)에 관한 것이다. 복수의 플레이트들(11)은 유동(20)이 흐르는 채널들(30)을 형성하고: 상기 플레이트들(11)은 상기 습기 분리기 구성체(10)를 통하여 이동하는 유동(20)과 나란하게 배향되고, 상기 유동(20)은 증기 및 물방울들의 혼합물을 포함한다. 물방울들은 증기로부터 분리되고 유동(20)은 습기 분리기 구성체(10)를 통하여 이동한다. 플레이트들(11)의 벽들에 모아진 물방울의 양이 충분히 많을 때, 액체 막이 형성되고, 이 막은 중력에 의해서 플레이트들(11)로부터 배출된다. 습기 분리기 구성체(10)에 있는 각각의 플레이트들(11)은 비충돌 벽면(12) 및 충돌 벽면(13)을 포함하고: 상기 비충돌 벽면(12)은 매끄러운 면을 갖고 상기 충돌 벽면(13)은 복수의 길이방향 홈들(14)을 포함하여, 전단력의 영향을 감소시키고 결과적으로 증기/수막 계면 레벨에서 작용하는 물 인력을 감소시킴으로써, 플레이트 벽들에 모아진 물방울들의 배출을 보조하고 평균 벽 막 두께를 감소시키고, 따라서 수막으로부터 증기를 분리시키기 위한 복수의 배출 채널들(60)을 구성한다. 각 쌍의 플레이트들(11,11';도 2 참조)의 결합은 반대 압력 기울기들에 의해서 유도된 벽들의 프로파일로부터 증기 층류의 분리/이탈로 인한 재비산 효과를 방지하는 벤추리 채널(40)을 구성한다. 더우기, 각 쌍의 플레이트들(11,11')의 결합은 또한 물방울들을 포획하고 비충돌 벽면(12) 상의 수막 이동을 방지하기 위한 제 1 오목형 캐비티(104)를 구성한다;
플레이트들(11)은 각각 매끄러운 비충돌 벽면(12)을 포함하고, 다른 벽면은 충돌 벽면(13) 상의 길이방향 홈들(14)을 포함한다. 이들 길이방향 홈들(14)은 유동(20)으로부터 모아진 물방울들의 배출이 수막 인력을 방지/제한하는 것을 도와주기 위하여 제공된다. 배출 채널들(60)을 포함하는 플레이트들(11) 중 각각의 플레이트의 충돌 벽면(13)은 채널들(30)을 통한 이동이 대부분 플레이트(11)의 충돌 벽면(13) 상으로 충돌하는 경향이 있을 때 유동(20)에서 운반 증기의 방향 변화로 인하여 물방울들을 편향시킨다.
배출 채널들(60)은 3가지 기능을 가진다:
a) 일단 수막이 배출 채널(60) 안으로 들어가면, [운반 매체인 유동(20)과 수막 사이에 있는] 수막면 상에 작용하는 계면 전단력을 감소시켜서, 습기 분리기 구성체(10)의 출구를 향한 수막 운송을 가능한 많이 회피하고;
b) 배출 채널들(60) 내의 물 자체의 축적으로 인하여 물의 중력을 증가시켜서, 배출을 돕고; 그리고
c) 평균 수막 두께를 감소시킨다.
2개의 플레이트들(11,11')의 결합은 결과적으로 비충돌 벽면에 모아진 물을 포획할 목적으로 벤추리 채널(40) 및 제 1 오목형 캐비티(104)를 정렬시킨다. 벤추리 채널(40)은 [벤추리 채널의 바로 전방에서의 초킹(choking)을 회피하기 위하여] 벤추리 자체 내부에서 수막을 흡인하는 것을 목적으로 하고, 동시에 이러한 종류의 파동형 플레이트들 습기 분리기들에 대해서 문헌에 재비산 장치로서 공지된 벤추리 채널(40)의 입구에 대응하는 플레이트(11)의 곡률 직후에 발생되는, 운반 매체[유동(20)]의 난류 분리로 인한, 플레이트(11)의 충돌 벽면(13)으로부터 수막 분리를 방지하는 것을 목적으로 한다. 벤추리 채널(40)의 대향 측부에서, 채널들(30)의 초기 폭은 벤추리 자체에 의해서 점유된 공간으로 인하여 감소되고, 윈도우 개방부들 및 채널들(30)의 휨으로 인한 채널들(30)의 잔여부의 단면 감소 덕분에, 유동(20)에서의 잔여 물방울들은 가속될 것이고, 이들은 유동(20)(운반 매체) 방향의 강한 변화를 추종할 수 없기 때문에, 플레이트들(11)의 비충돌 벽면(12) 상에 충돌하므로, 제 1 오목형 캐비티(104)로 인하여 모아져서 배출될 수막을 형성할 것이다.
본 발명의 습기 분리기 구성체(10)는, 아직 배출되지 않았다면, 벤추리 채널(40)로부터 운반된 수막을 배출하기 위하여, 플레이트(11)의 단부에 구성된 적어도 제 2 오목형 캐비티(103)를 포함하고, 제 1 오목형 캐비티(104)에 의해서 아직 포획되지 않은 물방울들을 포획하기 위하여, 이들 물방울들을 증기로부터 분리시킨다(도 2 참조). 더우기, 습기 분리기 구성체(10)의 단부 부분에서 2개의 플레이트들(11, 11')이 합쳐질 때 벽 단차부(102)가 형성되며, 상기 벽 단차부(102)가 형성되는 지역에서 증기에 의해서 작용되는 전단력의 작용에 의해 수막을 분리하게 된다.
도 2는 여전히 남아 있고 아직 모아지지 않은 작은 물방울들을 모으는 양을 증가시키도록 넓은 단면을 갖도록 구성된, 증가된 난류 분산을 갖는 중간 영역(101)을 도시한다.
본 발명의 습기 분리기 구성체(10)는, 유동(20)에 대한 통로를 형성하고 동시에 구조 장치로서 작용하여, 채널들(30)을 형성하고 습기 분리기 구성체(10) 내의 진동들을 방지하는 복수의 윈도우 개방부들(70)을 포함한다(도 3 참조).
일반적으로, 습기 분리기들은 해양 가스 터빈 및 산업 적용에서 사용된다. 발전소에서는, 여러 이유로 인하여 연무 제거가 필요하다:
- 한가지 이유는 증기가 HPT(고압 터빈), MPT 및 LPT(중간압 및 저압 터빈들)에 의해서 수차례 팽창되는 열적 사이클을 처리하는 발전소의 사이클 효율을 증가시키는 것이고, 증기는 팽창된 후에 그리고 다른 터빈에 의해서 처리되기 전에 그 엔탈피를 증가시키기 위하여 재열 공정을 겪는다. 증발의 잠열(latent heat)은 상당히 높기 때문에, 습한 증기의 습기 함량은 증발 공정에 의해서 제거되는 대신에 기계적으롤 분리된다.
- 습기 함량을 제거함으로써 얻어지는 다른 장점은 부식 손상으로부터 하류 설비를 보호하는 것이다.
종래 기술의 공지된 구성체에 대한 본 발명의 습기 분리기 구성체(10)의 주요 장점은 다음과 같다:
- 재비산 효과가 얻어지는 더욱 큰 동적 압력;
- 분리기 플레이트의 저부에서 물을 모으기 위하여 더욱 큰 플레이트들과 결과적으로 적은 수의 구성요소들(거터들)이 필요하다는 것;
- 증기 방향에 대한 더욱 짧은 플레이트들;
- 모듈 방식.
본 발명은 양호한 실시예들과 연계하여 충분하게 기술되었지만, 본 발명의 범주 내에서 수정이 이루어질 수 있고, 이는 상기 실시예들에 의해서 제한되는 것이 아니라, 하기 청구범위의 내용에 의해서 제한된다는 것은 자명한 사실이다.
10. 습기 분리기 구성체
11, 11'. 플레이트들
20. 유동(증기 및 물방울들)
30. 채널들
12. 플레이트의 비충돌 벽면
13. 플레이트의 충돌 벽면
14. 길이방향 홈들
40. 벤추리 채널들
101. 증가된 난류 분산을 갖는 중간 영역
102. 벽 단차부
103. 제 2 오목형 캐비티들
104. 제 1 오목형 캐비티들
60. 배출 채널들
70. 윈도우 개방부들

Claims (9)

  1. 증기 및 물방울들의 혼합물을 포함하는 유동(20)의 증기로부터 물방울들을 분리하기 위한 습기 분리기 구성체(10)로서, 상기 유동(20)이 상기 습기 분리기 구성체(10)를 통하여 이동해서 상기 분리가 이루어지고, 상기 습기 분리기 구성체(10)는 상기 유동(20)과 나란하게 배향된 복수의 제1 플레이트(11)들을 포함하는, 상기 습기 분리기 구성체(10)에 있어서,
    상기 복수의 제1 플레이트(11)들은 상기 유동(20)이 이동하는 채널(30)들을 형성하고, 상기 채널(30)들은 상기 유동(20)에서 상기 증기로부터 분리된 상기 물방울들을 점진적으로 모으기 위하여 상기 유동(20) 방향을 따라 점진적인 단면 변화부를 가지며,
    상기 복수의 제1 플레이트(11)들 각각은, 복수의 배출 채널(60)들을 구성하는 충돌 벽면(13) 상에 복수의 홈(14)을 포함하고,
    상기 습기 분리기 구성체(10)는 복수의 제2 플레이트(11')들을 더 포함하며, 상기 복수의 제1 플레이트(11)들 중 하나와 상기 복수의 제2 플레이트(11')들 중 하나를 포함하는 플레이트 쌍들 각각은 벤추리 채널(Venturi channel;40)을 형성하고,
    상기 복수의 제2 플레이트(11')들 각각은 상기 유동(20)을 위한 통로를 형성하고 상기 습기 분리기 구성체(10)의 진동을 방지하는 복수의 윈도우 개방부(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 플레이트(11)들은 파동형으로 휘어진 복수의 시트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동(20)이 증가한 난류 분산의 영향을 받는 곳에 상기 증기로부터 작은 물방울들을 모으는 것을 증가시키기 위해서 넓은 단면을 갖는 중간 영역(101)이 형성되도록 상기 채널(30)들이 구성되는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤추리 채널(40)은 증기 스트림이 상기 제1 플레이트(11)의 충돌 벽면으로부터 이탈되지 않게 하며, 따라서 상기 충돌 벽면 상에서의 재비산(re-entrainment) 영향들을 방지하는 것을 도와주는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 쌍의 제1 플레이트(11)들 및 제2 플레이트(11')들의 결합은 작은 물방울들을 포획하여 작은 물방울들을 상기 유동(20)에서의 증기로부터 분리하고 상기 플레이트의 비충돌 벽면(12)에 모인 수막이 유동(20) 방향으로 운반되는 것을 방지하기 위한 제 1 오목형 캐비티(104)를 구성하는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 오목형 캐비티(104)에 의해서 아직 포획되지 않은 물방울들을 포획하여 상기 플레이트의 상기 비충돌 벽면(12)에 모인 수막이 유동(20) 방향으로 운반되는 것을 방지하기 위해 제 2 오목형 캐비티(103)가 상기 제2 플레이트(11')의 단부에 구성되는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 플레이트(11) 및 제2 플레이트(11')가 상기 습기 분리기 구성체(10)의 단부 부분에서 합쳐질 때 벽 단차부(102)가 형성되어, 상기 벽 단차부(102)가 형성되는 지역에서 상기 증기에 의해 가해지는 전단력의 작용에 의해 충돌 벽면(13)으로부터 수막을 분리하는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 습기 분리기 구성체(10)를 포함하는 열 교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 쌍의 제1 플레이트(11)들에 인접하여 제2 쌍의 제1 플레이트(11)들을 포함하고, 중앙의 제1 플레이트는 상기 제1 쌍 및 제2 쌍의 제1 플레이트(11)들에 공통이고, 상기 제2 플레이트(11')들의 제2 단부는 상기 제2 쌍의 제1 플레이트(11)들 사이로 연장하는 것을 특징으로 하는 습기 분리기 구성체(10).
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