KR102134057B1

KR102134057B1 - 열류 센서

Info

Publication number: KR102134057B1
Application number: KR1020157035757A
Authority: KR
Inventors: 파비앙 카라; 다니엘 뤼다; 알프레드 데티에르
Original assignee: 코케릴 메인터넌스 앤드 엥쥬니에리 에스.에이.
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2020-07-15
Also published as: US10060651B2; WO2014187598A1; MX348227B; CN105264348B; ES2622056T3; AU2014270734A1; KR20160018563A; IL242689B; PE20160097A1; EP2999949A1; CL2015003435A1; CN105264348A; US20160084531A1; MX2015016066A; AU2014270734B2; EP2999949B1; BE1022051B1

Abstract

본 발명은, 유입되는 열류에 대한 장애물을 형성하는 전면부(4)를 만드는 방식으로 세로 방향으로 결합 된 상태로 장착된 복수의 교환 튜브(1) 및 2개의 이웃하는 교환 튜브(1) 사이에 위치되어 있는 지지부(12) 내에 배치된 하나 이상의 열류 센서(5)를 포함하는 열 교환기에 관한 것으로서, 열류 센서(5)의 지지부(12)가 2개 튜브(1) 중 하나 이상의 튜브에 납땜 되어 있고, 국부적인 변형부(11)의 높이에서 2개의 이웃하는 튜브(1) 사이로 삽입되는 방식으로, 유입되는 열류와 관련하여 전면부(4)에 마주하여 배치된 면과 같이 납작한 것을 특징으로 한다.

Description

열류 센서{HEAT FLOW SENSOR}

본 발명은, 열 교환기의 표면 부분에 설치되도록 설계된 열류 센서에 관한 것으로서, 이때 열류는 전도성, 대류성 또는 방사성이다. 열류 센서는 센서 내에서의 열류에 의해 발생 되는 온도 기울기에 비례하는 전기 신호를 발생한다. 이때, 열류는 각각의 센서에 특정한 상수에 의해서 획득되는 신호를 분할함으로써 획득된다(교정; calibration).

태양열을 집중하기 위한 태양열 보일러 적용 예에서는, 태양의 위치에 맞추어 방향 설정되어 있고 태양의 동작을 따라가는 미러에 의해서 태양 방사선이 집중된다. 이에 따라, 태양열의 집중은 매우 높은 값에 도달하게 되는데, 다시 말하자면 1,000배까지 도달하게 되며, 그 결과 보드 수용체 태양열 보일러 상에서는 매우 높은 열류가 나타나게 된다. 이들 교환기 패널은 대부분, 입사 광속에 대한 "밀봉" 벽을 형성하기 위해 세로 방향으로 적층된 복수의 튜브로 이루어진다.

예를 들어, 특허 문서 WO 2010/094618호는, 헤어 핀 형상의 이웃하는 튜브들이 나란히 배치되어 있고 캔틸레버(cantilever)에 고정되어 있는, "플래그(flag)"라고 불리는 교환기를 보여주며, 이 경우에는 유입 수집관과 배출 수집관이 동일한 측에 존재한다.

이들 패널을 구성하는 부품들의 기계적인 강도는, 패널에 사용된 재료 및 이들 패널의 열 교환 특성과 잘 어울릴 수 있는 방식으로, 전술된 열류의 값을 제한하는 수신기를 필요로 한다.

따라서, 태양열 보일러의 작동 중에 열류를 측정하는 것이 유용하다. 열류 센서는 이 목적을 위해서도 사용된다.

현재로서는, 이와 같은 흐름 센서를 위해 두 가지 기술이 사용되고 있다:

- 제1 기술은 (도 1에 도시되어 있는 바와 같은) 소위 관통-튜브 기술이다. 튜브(1)로 이루어진 수용체 패널은 나란히 장착되어 있고, 태양광에 대한 밀봉 벽을 형성하며, 상대적으로 더 작은 직경의 추가 튜브(2)는 한 섹션을 따라 패널 튜브(1)를 관통하고, 밀봉된 어셈블리를 유지하고 보일러의 증기 압력을 막기 위해 이 섹션에 용접되어 있다. 튜브(들)(1)의 전면(4)은 열류에 노출되어 있는 한편, 후면(3)은 전면(4)에 마주 놓여 있다. 열류 센서는, 후면(3)으로부터 방사선에 노출되는 전면(4)에 도달할 때까지 관통 튜브(2) 내부로 삽입되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 열류는 센서(5)의 팁(6)(tip)과 센서의 몸체(7) 간의 온도차에 의해서 측정되며, 이때 몸체는 관통 튜브(2)와의 접촉을 통해, 교환 튜브(1) 내에서 순환하는 흐름에 의해서 냉각된다;

- 제2 기술은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 재충전부 내부에 매립된 열전쌍(thermocouple)을 이용하는 기술이다. 2개의 열전쌍(도시되지 않음)은, 튜브(8)의 국부적인 변형부 내에서 방사선에 노출되는 튜브(1)의 측에 설치되어 있다. 이와 같은 변형은 얇아지지 않으면서 차가운 상태에서 구현된다. 이때, 2개의 열전쌍 및 이들의 연결 케이블은 충전 용접부(9)(filler welding)에 의해서 커버 되며, 이로써 튜브(1)의 원래의 표면이 재구성된다.

제1의 경우에는, 관통 튜브(2)가 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 10배 높은 국부적인 응력을 유도함으로써, 결과적으로 튜브의 열화 및 누출 가능성이 야기될 수 있다.

제2의 경우에는, 튜브 섹션이 작업장 내에서 제작되기 때문에, 각 센서의 패널 상에서 2개 튜브 사이를 용접하는 작업이 필요하다.

미국 특허 문서 US 3,724,267호는, 하나의 핀 튜브(fin)에 의해 세로 방향으로 연결된 2개의 튜브 사이에 배치된 센서를 포함하는 열류 감지 장치를 개시한다. 센서 바닥은 튜브들의 가로 부분으로 연장되는 부분들을 포함한다. 센서의 바닥은 열에 의해서 핀과 접촉되어 있다.

미국 특허 문서 US 6,485,174호는, 하나의 막(membrane)에 의해 세로 방향으로 연결된 2개의 튜브 사이에 배치된 센서를 포함하는 열류 감지 장치를 개시한다. 이 센서는 후방으로부터 막 내부로 삽입되어 있다. 열류의 크기는, 센서 내에서 간격을 두고 분리되어 있는 2개의 열전쌍에 의해서 결정된다. 열전쌍의 측정에 의해서 제공되는 이와 같은 정보는 열류를 계산하기 위해서 이용된다.

미국 특허 문서 US 2012/0067542호는, 가열 측 및 절연 측을 구비하는 막에 의해서 연결된 복수의 튜브를 포함하는 열 교환기용 측정 장치를 개시한다. 2개의 온도 센서를 구비하는 열류 센서는 가열 측에 있는 튜브의 리세스 내에 배치되어 있다. 2개의 센서는, 온도(T1 및 T2)를 측정하고 그 온도차가 검출한다. 온도(T3)를 측정하기 위한 온도 센서는 절연 측에서 열류 센서로부터 간격을 두고 배치되어 있다.

일본 특허 문서 JP 2006-329640호는, 온도에 민감한 센서 섹션이 그 뒤에 배치되어 있는 중간 섹션에 의해서 지지 되는 원통형 슬리브 내에 배치된 각각의 온도 센서를 구비하는 센서 지지부가 장착되어 있는 열형 유량계(thermal type flow meter)를 개시한다. 이들 2개 섹션은 튜브 내에서 순환하는 유체 측에 배치되어 있다.

특허 문서 WO 2010/100335호는, 개별적으로 용접된 강철 튜브, 및 벽 막을 형성하는 튜브들 사이에 있는 핀 플레이트로부터 형성된 열 교환기의 벽에 센서를 장착하기 위한 배열체를 개시한다. 센서 챔버, 및 센서에 연결하기 위해서 필요한 도체 채널은 보일러 측에서 강철 튜브의 벽의 비대부(thickening) 내에 배치되어 있다.

본 발명의 과제는, 선행 기술의 단점들, 예를 들어 관통 튜브 기술 또는 납땜 재충전에 의해 열 교환기의 국부적인 변형부 내부에 매립된 열전쌍 기술과 관련된 단점들을 극복하게 하는 열류 센서를 제공하는 것이다.

특별히, 본 발명의 과제는, 압력 용접을 수행함으로써 튜브의 기계적인 가공 또는 튜브의 변형을 필요로 하지 않는 비-침습적인(non-invasive) 열류 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는, 저렴한 열류 센서용 지지부를 제공하는 것 그리고 센서의 손쉬운 교체를 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 제1 과제는, 유입되는 열류에 대한 장애물을 형성하는 전면부를 만드는 방식으로 세로 방향으로 인접하여 장착된 복수의 교환 튜브, 및 2개의 이웃하는 교환 튜브 사이에 있는 지지부 내에 배치된 하나 이상의 열류 센서를 포함하는 열 교환기와 관련이 있으며, 이 경우:

- 2개 튜브 사이로 삽입함을 통해 열류 센서의 지지부의 위치 설정을 가능하게 하는 방식으로, 2개의 이웃하는 튜브 각각은 이들의 인접하는 부분에 약간의 국부적인 변형부를 구비하며;

- 열류 센서는 지지부 내에 탈착 가능하게 장착되어 있고, 이 지지부는 상기 국부적인 변형부의 높이에서 2개의 이웃하는 튜브 사이로 삽입되도록 중공 쉘(hollow shell)의 형상을 가지며;

그리고 열류 센서의 지지부가 2개 튜브 중 하나 이상의 튜브에 납땜 되어 있고, 국부적인 변형부의 높이에서 2개의 이웃하는 튜브 사이로 삽입되는 방식으로, 유입되는 열류와 관련하여 전면부에 마주하여 배치된 면과 같이 납작한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 열 교환기는 또한 다음과 같은 특징들 중 어느 하나 또는 이들의 적합한 조합을 포함한다:

- 열류 센서는 제거될 수 있는 원뿔 모양의 부분을 포함하며, 이 원뿔 모양의 부분이 유입되는 열류와 관련하여 후방으로부터 삽입되고, 나사에 의해 전면부 쪽으로 지지부 내부로 삽입됨으로써, 센서와 지지부 간에 열적인 접촉이 보장되며;

- 열류 센서는 전방 팁 및 몸체를 포함하며, 이 경우 온도 측정은, 열류를 측정하기 위한 온도차의 획득을 가능하게 하기 위해 개별적으로 실행되며;

- 약간의 국부적인 변형부는 압축에 의해서 구현된 변형부이다.

본 발명의 제2 과제는, 전술된 바와 같은 열 교환기가 제공된 보일러를 포함하는, 열역학적으로 집중되는 태양열 발전소와 관련이 있다.

도 1은 선행 기술에 따른 열류 센서를 제공하기 위한 관통 튜브가 장착된 열 교환 튜브 패널의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 관통 튜브의 기술에 따라 설치된 열류 센서의 단면도이다.
도 3은 선행 기술에 따라, 열 교환 튜브의 국부적인 변형부 내부에 용접 충전 방식으로 열전쌍을 설치하는 기술을 보여주는 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 관통 튜브 기술의 사용으로부터 결과적으로 야기되는 국부적인 응력을 보여주는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 한 특별한 실시 예에 따라, 교환 튜브 상의 소켓 내부에 위치된 열류 센서의 횡단면도 및 사시도이다.

본 발명의 기본이 되는 아이디어는, 밀봉 중단부 없이, 압력 용접을 실행하지 않고서 그리고 튜브를 최소로 기계 가공 또는 변형함으로써, 교환 패널의 2개 튜브 사이에 열류 센서를 설치하려는 것이다. 특히, 본 발명은, 열 교환 튜브들이 선택적으로 핀 튜브들 간의 접합 없이 약간의 간격을 두고 인접하는 열 교환기 적용 예와 관련이 있다.

이와 같은 목적을 위해, 도 5a 및 도 5b에 한 실시 예로 도시되어 있는 바와 같이, 2개 튜브(1)의 약간의 국부적인 변형부(11)가 압축에 의해서 구현된다. 그 다음에, 지지 상태를 유지하기 위해서 그리고 교환 튜브 내에 있는 유체에 의한 우수한 냉각 상태를 유지하기 위해서, 한 면이 실질적으로 납작한 튜브 형태인 센서 지지부(12)가 2개의 교환 튜브(1) 사이에 설치되고, 교환 튜브(1)들 중 하나에 납땜된다. 센서(5)는 유입되는 태양열 흐름과 관련하여 후방으로부터 지지부(12) 내부로 삽입되고, 나사에 의해서 지지부(12)에 고정된다. 센서(5)는 바람직하게 지지부(12) 내부에 맞는 원뿔 모양의 부분(도시되지 않음)을 구비하고, 그 위에 납땜 된 튜브(1)에 의해서 냉각되는 지지부(12)와 센서(5) 사이에 접촉을 구현한다.

선행 기술에서와 마찬가지로, 열류는, 튜브 내에서 순환하는 유체에 의해서 냉각되는 몸체와 센서 팁 간에 나타나는 온도차의 이미지이다.

본 발명에 의해 제공된 해결책은 비-침습적이고, 튜브에 대한 어떤 위험도 유도하지 않으며, 추가의 압력 용접을 요구하지 않는다는 장점을 갖는다. 더욱이, 관통 튜브의 해결책에서와 마찬가지로, 센서는 후방으로부터 해체 가능하고, 쉽게 대체될 수 있다.

1: 교환 튜브
2: 관통 튜브, 열류 센서의 지지부
3: 교환 튜브의 후방부
4: 교환 튜브의 전방부
5: 열류 센서
6: 센서 팁
7: 센서 몸체
8: 튜브의 국부적인 변형부
9: 열전쌍을 포함하는 재충전 납땜부
10: 국부적인 응력
11: 변형부 / 교환 튜브 내에 있는 평탄부
12: 센서의 지지부

Claims

유입되는 열류에 대한 장애물을 형성하는 전면부(4)를 만드는 방식으로 세로 방향으로 인접하여 장착된 복수의 교환 튜브(1), 및 2개의 이웃하는 상기 교환 튜브(1) 사이에 있는 지지부(12) 내에 배치된 하나 이상의 열류 센서(5)를 포함하는 열 교환기로서,
- 2개의 상기 튜브 사이로 삽입함을 통해 상기 열류 센서(5)의 상기 지지부(12)의 위치 설정을 가능하게 하는 방식으로, 2개의 이웃하는 상기 튜브(1) 각각은 이들의 인접하는 부분에 국부적인 변형부(11)를 구비하며;
- 상기 열류 센서(5)는 상기 지지부(12) 내에 탈착 가능하게 장착되어 있고, 상기 지지부는 상기 국부적인 변형부(11)의 높이에서 2개의 이웃하는 상기 튜브(1) 사이로 삽입될 수 있는 방식으로 중공 쉘의 형상을 가지며;
상기 열류 센서(5)의 상기 지지부(12)가 2개의 상기 튜브(1) 중 하나 이상의 튜브에 납땜 되어 있고, 상기 지지부(12)는 상기 국부적인 변형부(11)의 높이에서 2개의 이웃하는 상기 튜브(1) 사이로 삽입될 수 있도록, 측면이 납작한 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
제1항에 있어서, 상기 열류 센서(5)는 제거될 수 있는 원뿔 모양의 부분을 포함하며, 상기 원뿔 모양의 부분이 유입되는 열류와 관련하여 후면(3)으로부터 삽입되고, 나사에 의해 상기 전면부(4) 쪽으로 상기 지지부(12) 내부로 삽입됨으로써, 상기 열류 센서(5)와 지지부(12) 간에 열적인 접촉이 제공되는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
제2항에 있어서, 상기 열류 센서(5)는 전방 팁(6) 및 몸체(7)를 포함하며, 이때 온도 측정은, 열류를 측정하기 위한 온도차의 획득을 가능하게 하기 위해 상기 전방 팁(6) 및 상기 몸체(7) 에서 개별적으로 실행되는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
제1항에 있어서, 상기 국부적인 변형부(11)가 압축에 의해서 구현된 변형부인 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 열 교환기가 제공된 보일러를 포함하는, 태양열 발전소.