KR102265584B1 - 원통다관 열교환기 - Google Patents

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알파 라발 올미 에스.피.에이
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Abstract

원통다관 열교환기는 원통형 기하형상을 가지며, 양 측면에서 공통 튜브 시트에 연결된 제1 압력 챔버 및 제2 압력 챔버를 포함한다. 튜브 시트는 제1 압력 챔버에 수용된 튜브 다발에 연결되고 복수의 U 형상 교환 튜브를 포함한다. 각각의 U 형상 튜브에는 제1 부분 및 제2 부분이 제공된다. 제1 압력 챔버는 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 갖고 제1 압력 챔버의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 내부 안내 재킷을 포함한다. 내부 안내 재킷은 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 각각의 U 형상 튜브의 제1 부분을 둘러싼다. 내부 안내 재킷은 그 제1 단부에서 튜브 시트에 밀봉식으로 연결된다. 내부 안내 재킷은 그 제2 단부(52)에서 개방된다.

Description

원통다관 열교환기
본 발명은 원통다관 열교환기, 보다 구체적으로, 고온 프로세스 가스로 동작하도록 설계된 원통다관 열교환기에 관한 것이다. 이러한 열교환기는 고온 매체에 대해 온도 크로스(temperature cross)를 갖는 기화 냉각 매체 또는 비기화 냉각 매체에 의해 고온 매체를 냉각시키도록 설계된다.
프로세스 및 전력 산업에서, 화학 반응기, 노 또는 열교환기에서 고온 및 고압으로 배출되는 프로세스 및 작동 매체는 종종 특별히 설계된 열교환기를 통해 냉각되어야 한다. 이 열교환기는 특수한 열 교환 구성 및 기술 설계가 특징이다.
스팀 메탄 개질, 암모니아 합성, 석탄/바이오매스 가스화, 황 연소 및 암모니아 산화와 같은 프로세스에서 동작하는 화학 반응기에서 배출되는 고온 매체는 특수 열교환기에서 냉각되어야 하는 고온 및 고압 매체의 주요 예이다. 고온 매체 온도 및 압력은 대략적으로 각각 400℃ 내지 1000℃ 및 0.3 MPa 내지 30 MPa의 범위일 수 있다. 또한, 고온 매체는 수소, 질소, 암모니아, 일산화탄소 및 황 산화물과 같은 일부 공격적인 화학 종으로 인해 일반적인 구조 금속 재료에 유해할 수 있다.
고온 매체의 고온 및 큰 유량으로 인해, 일반적으로 수 내지 수십 메가와트의 광범위한 열 제거가 필요하다. 이러한 강력한 냉각을 수행하기 위해, 고온 매체와 냉각 매체 사이의 간접 열 교환을 위한 특수 열교환기가 사용된다.
이러한 열교환기는 산업 프로세스 및 냉각 매체에 따라 몇 가지 일반적인 이름을 갖는다. 예를 들어, 고온 매체를 냉각시키는 데 사용되는 보다 일반적인 열교환기의 일부 목록은 다음을 포함한다:
- 냉각 매체가 기화수인 경우 프로세스 보일러 또는 폐열 보일러;
- 냉각 매체가 과냉각 보일러수(boiler water)인 경우 보일러수 예열기;
- 냉각 매체가 스팀인 경우 스팀 과열기;
- 고온 매체가 암모니아 전환 반응기로부터 배출되고 기화수에 의해 냉각되는 경우 합성 루프 보일러;
- 기화 냉각 유체의 경우 증기 발생기 또는 증발기; 및
- 일반적인 냉각 매체의 경우 프로세스 냉각기.
고온 매체를 냉각하기 위한 열교환기는 빈번히 원통다관 유형으로 이루어지며, 고온 매체는 쉘측 또는 튜브측으로 유동하고 수직 또는 수평으로 설치된다. 교환 튜브는 직선 튜브, U 형상 튜브 또는 코일형 튜브와 같이 다른 유형일 수 있다. 고온 매체 및 냉각 매체는 병류 유동, 역류 유동 및 교차 유동과 같은 상이한 구성 및 단일 패스(one pass) 또는 다중 패스(multi-passes)에 따라 간접적으로 접촉될 수 있다.
고온 및 고압에서 매체를 냉각시키기 위한 많은 원통다관 유형의 열교환기가 최신 기술로 공지되어 있다. 프로세스 가스를 구체적으로 언급하는 이들 원통다관 유형 열교환기의 일부 예가 하기에 나열된다.
문서 US 4287944는 수직 프로세스 가스 보일러를 설명하며, 여기서, 쉘측에서 유동하는 고온 프로세스 가스는 튜브측에서 유동하는 기화수와 열을 간접적으로 교환하며, 자연 통풍하에 순환한다. 교환기는 쉘측에서 단일 패스, 튜브측에서 2 패스이다. 교환기 하우징 또는 쉘은 쉘 벽을 과열로부터 보호하기 위해 절연재로 내부적으로 라이닝되어 있다. 튜브 다발은 공통 튜브 시트에 연결된 U-튜브로 구성되어 있으며, 교환기 쉘을 워터-플리넘으로부터 분리한다. 워터-플리넘은 2개의 챔버로 분할되고, 하나는 튜브 다발로부터 물-스팀 혼합물을 수집하고 다른 하나는 튜브 다발로 청수(fresh water)를 방출한다. U-튜브의 하강 다리부에는 청수 챔버와 연통되는 내부 튜브가 제공된다. 내부 튜브는 개방 단부를 갖는 U-굴곡부 직전에 종료된다. 이러한 내부 튜브는 튜브 다발에 청수를 공급한다.
이 구성은 하강 다리부에서 물의 기화가 내부 튜브가 아닌 U-튜브와 내부 튜브 사이의 환형부에서 발생하기 때문에 자연 순환에 대한 방해를 방지하는 데 효과적이라고 주장하고 있다. 따라서, 환형부에서 생성된 스팀은 U-튜브로 끌려가기보다는 물-스팀 챔버로 배출되는 것으로 주장하고 있다. 다른 한편, 이 구성은 2개의 잠재적인 단점을 특징으로 한다. 첫째, 내부 튜브로부터의 청수는 U-튜브에서 진행되기보다는 환형부에 상향 이동될(drafted-up) 수 있다. 둘째, U-튜브에는 중간 용접부가 있다.
US 4010797은 열교환기를 설명하고 있으며, 여기서, 쉘은 바람직하게는 U 형상 튜브를 갖는 튜브 다발 및 쉘과 함께 환형 간극을 형성하고 튜브 다발의 대부분을 둘러싸는 슈라우드를 둘러싼다. 고온 프로세스 가스는 쉘측에서 유동하고 냉각 매체, 바람직하게는 스팀 또는 물은 튜브측에서 유동한다. 고온 가스 유입 노즐은 튜브 시트와 멀리 떨어져 설치되며 튜브 다발과 연통한다. 고온 가스는 먼저 단일 패스로 튜브 다발을 가로질러 유동한 다음 냉각 후 튜브 다발에서 빠져나와 다시 간극으로 유동한다. 따라서, 튜브 시트 및 쉘은 유입 고온 가스와 접촉하지 않는다. 그러나, 교환기는 2개의 매체 사이의 온도 크로스를 처리할 수 없거나 자연 순환 하에서 물을 기화시키기에 적합하지 않다.
문헌 EP 2482020은 튜브측의 고온 매체 및 쉘측의 냉각 매체를 갖는, 프로세스 가스를 냉각시키기 위해 특별히 설계된 열교환기를 설명하고 있다. 교환기는 U 형상 튜브를 가지며, 내부 튜브는 U 형상 튜브 다리부에 설치되어 다리부의 일부 길이 동안 고온 매체를 유입시킨다. 이러한 교환기 설계는 튜브 시트를 적당한 동작 온도로 유지한다고 주장한다.
US 4561496은 프로세스 가스 열교환기를 설명하고 있으며, 여기서, 튜브측에서 유동하는 고온 가스는 쉘측에서 순환하는 기화수를 통해 냉각된다. 쉘은 내부 벽에 의해 2개의 챔버로 분할된다. 하나의 챔버는 기화수를 수용하고 다른 챔버는 과냉수를 수용한다. 결과적으로, 쉘측에서, 2개의 상이한 냉각 스트림이 튜브 다발을 가로지른다. 내부 벽은 U 형상 튜브의 한 세트의 다리부를 둘러싸도록 쉘을 분할한다. 둘러싸여 있는 다리부 세트는 고온 가스로부터 과냉수로 열을 간접적으로 교환하는 반면, 튜브의 잔여 부분은 고온 가스로부터 기화수로 열을 간접적으로 교환한다.
문서 US 4907643은 U 형상 튜브를 갖는 프로세스 가스 스팀 과열기를 설명하며, 여기서, 고온 프로세스 가스는 쉘측에서 유동하고 저온 스팀은 튜브측에서 유동한다. 쉘측에는 대부분의 튜브 다발을 연장하고 쉘과 슈라우드 사이에 간극을 형성하여 슈라우드에서 빠져나오는 냉각된 가스가 쉘을 스위핑하도록 하는 안내 재킷(슈라우드)이 제공된다. 교환기에는 쉘측에 1개의 열 교환 패스가 있고 튜브측에 2개의 열 교환 패스가 있다. 저온 매체와 고온 매체 사이에 온도 크로스가 없으면 교환기가 적절히 작동할 수 있다.
문서 US 5915465는 프로세스 가스 스팀 과열기를 설명하며, 고온 프로세스 가스 및 저온 스팀은 각각 쉘측 및 튜브측에서 유동한다. 튜브 다발은 U 형상 튜브로 구성되며 열 교환은 쉘측과 튜브측 모두에서 2개의 패스로 얻어진다. 구불구불한 경로를 따라 고온 가스를 운반하는 내부 안내 재킷에 의해, 2개의 매체는 순수한 역류 또는 순수한 병류 구성으로 간접적으로 접촉된다. 냉각된 가스는 교환기를 떠나기 전에 쉘을 스위핑하지만; 그러나, 튜브 시트의 일부는 유입 고온 가스에 노출된다.
문헌 WO 2017/001147은 프로세스 가스 열교환기를 설명하며, 여기서, 고온 프로세스 가스는 쉘측에서 유동하고 냉각 매체는 튜브측에서 유동한다. 쉘은 내부에 튜브 다발의 대부분의 길이를 둘러싸는 안내 재킷이 장착되어 있으며, 이는 쉘과 재킷 사이에 간극을 형성한다. 이러한 간극에서, 냉각된 가스는 냉각 후에 운반된다. 튜브 다발은 베이어닛 유형의 튜브로 구성된다.
문헌 EP 1610081은 스팀 과열에 의해 프로세스 가스를 냉각시키기 위해 특별히 설계된 열교환기를 설명하며, 고온 매체는 튜브측에서 유동하고 냉각 매체는 쉘측에서 유동한다. 교환기에는 서로 다른 재료로 제조된 U 형상 튜브로 구성된 2개의 동심 튜브 다발이 있다. 쉘측에서 안내 재킷은 부분적으로 분리된 2개의 영역을 정의하며, 하나의 영역은 고온에서 작동하고 2개의 튜브 다발 중 하나와 관련되며, 다른 영역은 저온에서 작동하고 다른 튜브 다발과 관련된다. 교환기는 쉘측에서 2 패스 및 튜브측에서 4 패스이다. 두 매체가 온도 크로스를 갖고 유입 고온 매체가 튜브 시트와 접촉하는 경우 교환기는 적합하지 않을 수 있다.
문헌 US 3749160은 가스의 열처리를 위한 열교환기를 설명하고, 여기서, 처리될 가스는 튜브측 또는 쉘측에서 유동할 수 있다. 교환기는 U 형상 튜브와 맨틀을 가지며, 맨틀은 쉘 내부에 설치되어 있고 튜브 다발의 대부분의 길이를 둘러싸고 있으며 쉘과 환형 간극을 형성한다. 맨틀의 양 단부는 개방되어 있다. 쉘측 가스는 대략 튜브 다발의 중간 길이에서 맨틀 내로 들어가서 상반된 방향들로 튜브 다발을 가로지르는 2개의 부분으로 분할된다. 2개의 부분은 쉘의 2개의 단부로부터 빠져나와 간극에서 출구 쉘측 노즐을 향해 유동한다. 쉘측 가스가 더 고온 가스이고 냉각되어야 하는 경우, 따라서, 냉각된 가스가 쉘을 스위핑하게 된다. 교환기에는 쉘측에 1개의 열 교환 패스가 있고 튜브측에 2개의 열 교환 패스가 있다. 2개의 매체가 온도 크로스를 갖는 경우 교환기가 적절히 작동하지 않을 수 있다.
원자로로부터 오는 고온 액체 금속 또는 고온 유체를 냉각시키기에 특히 적절한 다른 관련 열교환기가 공개 문헌에 설명되어 있다. 예를 들어, 문헌 US 3187807은 주로 압력 용기, 2 패스 튜브 다발, 각각의 튜브 패스에 대해 분리되고 용기의 상부에 설치되는 2개의 튜브 시트 및 2개의 배플을 포함하고, 배플은 튜브를 따라 연장하고 및 동심으로 배열되어, 제1 및 제2 튜브 패스가 내부 및 외부 챔버 각각에 위치되도록 내부 및 외부 챔버를 형성하는 수직 열교환기를 설명하고 있다. 고온 매체는 외부 챔버측에서 유동하고 냉각 매체는 튜브측에서 유동한다. 고온 매체 유입부가 용기의 상부 부분에 위치하기 때문에, 고온 매체로부터 저온 매체로의 열 전달은 역류 또는 횡단 유동을 통해 일어난다. 이러한 구성으로, 제2 튜브 패스의 튜브 시트 및 용기의 상부 부분은 유입 고온 매체와 접촉하고, 이는 유입 온도가 높은 경우 문제가 되는 설계를 야기할 수 있다.
문헌 US 3545536은 U 형상 튜브를 갖는 원통다관 열교환기를 설명하며, 여기서, 고온 및 냉각 매체는 각각 쉘측 및 튜브측에서 유동한다. 교환기는 쉘에 설치된 배플에 의해 튜브측 및 쉘측 모두에서 2개의 섹션을 형성하는 2개의 패스이며, 하나는 제1 튜브 패스를 위한 것이고 다른 하나는 제2 튜브 패스를 위한 것이다. 쉘측에서 튜브측으로의 열 전달은 병류 유동을 통해 발생한다. 문헌 US 3545536은 튜브 상의 쉘측 유입 매체의 수직 충돌로 인한 과열 또는 높은 열 유속으로부터 제1 튜브 패스의 유입 부분을 보호하기 위한 장치에 초점을 맞추고 있다. 이 장치는 주로 각각의 튜브와 슬리브가 연결된 판에 장착된 칼라 또는 슬리브로 구성된다. 따라서, 제1 튜브 패스의 튜브 시트 및 유입 튜브의 일부는 유입 쉘측 고온 매체와 직접 접촉하지 않는다.
문헌 US 3437077은 U 형상 튜브가 동심으로 배열된 원통다관 유형의 관류식 증기 발생기를 설명하며, 여기서, 고온 및 냉각 매체는 각각 튜브측 및 쉘측에서 유동한다. 쉘에는 냉각 매체를 순차적으로 기화 및 과열시키기 위해 쉘측 상에 2개의 통로를 형성하는 내부 안내 재킷 및 배플이 제공된다.
문헌 EP 0130404는 다단계 열 전달이 발생하는 U-튜브 열교환기를 개시하고 있다. 쉘측에는 밀봉식으로 분리된 적어도 2개의 챔버로 쉘측을 분할하는 내부 벽이 제공된다. 각각의 챔버에는 상이한 물리적 상태에서 기체 또는 액체 매체를 유입 및 유출하기 위한 그 자체의 유입 및 유출 연결부가 제공된다.
상기 문헌에 나타난 바와 같이, 고온 매체, 특히 고온 프로세스 가스를 냉각시키기 위해 많은 세트의 가능한 원통다관 열교환기 구성을 채택할 수 있다. 특히, 고온 매체 측면 및 튜브 다발 유형의 선택을 포함하는 열교환기 구성의 선택은 여러 파라미터 및 제약에 의존한다. 대체로, 설계자는 일반적으로 열 전달 성능을 증가시키고 설계 수명을 연장하며 교환기의 자본 비용을 감소시키는 데 관심이 있다.
고온 매체가 쉘측에 설치되는 경우, 원통다관 열교환기를 설계할 때의 한 가지 주요 문제는 쉘 벽의 과열 및 부식을 피하는 것이다. 상기 특허 문헌들은 2 가지 주요 해결책이 채택될 수 있음을 보여준다: 제1 해결책은 내열성 물질에 의해 내부 쉘 벽을 라이닝하는 것(예를 들어, US 4561496)으로 구성되는 반면, 제2 해결책은 미리 냉각된 고온 매체로 쉘을 스위핑하는 것(예를 들어, US　5915465, US　4907643, WO　2017/001147 및 US3749160)으로 구성된다.
교환 튜브의 선택에 있어서, 튜브 신장으로 인한 열-기계적 제약이 쉽게 흡수되기 때문에, U 형상 튜브 또는 베이어닛 튜브가 종종 바람직하다. 그러나, U 형상 튜브와 베이어닛 튜브에는 다음과 같은 2개의 잠재적인 단점이 있다:
- 이들은 튜브측에 다중 패스 열 교환 구성을 포함하고, 고온 및 저온 매체 사이의 온도 크로스의 경우 열 전달 성능 및 동작 안정성이 위험할 수 있고;
- 이들은 튜브측에서 유동하는 냉각 매체가 기화 매체인 경우에 민감하며, 그 이유는 모든 튜브 패스에서 기화가 일어날 수 있기 때문이다.
특히, 상기 문헌에 설명된 원통다관 열교환기 구성 이외에, 2개의 특정 구성은 설계 관점에서 문제가 있는 것으로 인식된다:
A) 고온 매체는 쉘측에서 유동하고, 기화 냉각 매체는 특수하게 자연 순환 하에 튜브측에서 유동하고, 튜브 다발은 쉘측에 단일 패스이고 튜브측에 2 패스이며, 교환 튜브는 U 형상으로 이루어진다. 이러한 구성에서, U 형상 튜브의 양쪽 다리부에서 기화가 발생할 수 있다. 이는 양 다리부의 기화가 자연 또는 강제 순환을 방해하여 냉각 매체 유동을 정지 또는 지연시킬 수 있어 후속하는 튜브의 과열 또는 부식을 야기하므로 위험한다. 이는 시동, 가동 중단 및 동작 부하 변경시 더욱 중요하다;
B) 고온 매체가 쉘측에서 유동하고, 비기화 냉각 매체가 튜브측에서 유동하고, 튜브 다발은 쉘측에 단일 패스이고 튜브측에 2 패스이며, 교환 튜브는 U 형상 유형이고, 고온 및 냉각 매체 유출 온도의 크로스(cross)가 발생하며, 고온 및 저온 매체는 순수한 역류 유동에서 접촉하지 않는다. 이러한 구성에서, 온도 크로스를 방지하기가 어렵다. 결과적으로, 열교환기의 열 전달 성능 및 동작 안정성이 크게 떨어질 수 있다.
다른 한편, 구성 A) 및 B)는 다음의 사실로 인해, 고온 및 고압의 매체를 냉각해야 하는 열 교환 응용에서 잠재적으로 흥미로울 수 있다:
- U 형상 튜브는 임의의 정상 상태 또는 순간 부하 동안 열 신장을 효과적으로 흡수한다;
- 쉘측에서 유동하는 고온 매체의 압력 강하는 튜브 다발 기하형상을 조절함으로써 쉽게 조절 및 감소될 수 있다;
- 쉘측에 단일 패스를 갖는 튜브 다발은 간단한 기하형상과 낮은 압력 강하를 수반한다;
- 냉각 매체가 튜브측에서 유동할 때, 튜브측 열 전달 계수가 일반적으로 쉘측의 열 전달 계수보다 훨씬 높기 때문에 튜브의 동작 금속 온도는 일반적으로 냉각 매체 온도에 더 가깝게 유지될 수 있다;
- 매체의 기화는 일반적으로 대류 유동 성분이 더 크고 유로가 더 단순하기 때문에 쉘측이 아닌 튜브측에서 보다 효율적이고 안정적이다;
- 크로스에 의해 열 성능과 동작 안정성이 위험하지 않은 경우, 단일 열교환기에 온도 크로스를 설정하는 것이 경쟁력이 있다;
- 고온 매체 압력은 종종 냉각 매체 압력보다 낮다;
쉘측에서 유동하는 고온 매체는 내부 안내 재킷에 의해 제한 및 운송될 수 있어서, 상기 일부 문헌에 설명된 바와 같이 쉘 및 튜브 시트가 냉각 후 고온 매체로 스위핑될 수 있다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 프로세스 가스, 통상적으로 고온 프로세스 매체와 같은 프로세스 매체를 위한 원통다관 열교환기를 제공하며, 이는 전술한 종래 기술의 단점을 간단하고 저렴하게, 그리고, 특히 기능적인 방식으로 해결할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 하나의 목적은, 포화 상태의 냉각 매체의 경우의 기화, 또는 비기화 냉각 매체의 경우의 온도 크로스는 튜브 다발의 튜브의 적어도 일부에서 방지되거나 적어도 최소화되는, 프로세스 매체를 위한 원통다관 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열 유체 관점에서 항상 안정적 그리고 정(positive) 조건 하에서 작동할 수 있는 프로세스 매체용 원통다관 열교환기를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 첨부된 청구범위에 기재된 원통다관 열교환기뿐만 아니라 원통다관 열교환기를 동작시키는 방법을 제공함으로써 본 발명에 따라 달성된다.
구체적으로, 이러한 목적은 원통형 기하형상을 가지며 양 측면에서 공통 튜브 시트에 연결된 제1 압력 챔버 및 제2 압력 챔버를 포함하는 원통다관 열교환기에 의해 달성된다. 제1 압력 챔버에는 제1 유체를 유입시키기 위한 적어도 유입 노즐 및 제1 유체를 유출시키기 위한 적어도 유출 노즐이 제공된다. 제2 압력 챔버에는 제2 유체를 유입 또는 유출시키기 위한 적어도 제1 노즐 및 제2 유체를 각각 유출 또는 유입시키기 위한 적어도 제2 노즐이 제공된다. 튜브 시트는 튜브 다발에 연결되며, 튜브 다발은 제1 압력 챔버에 수용되고, 복수의 U 형상 교환 튜브를 포함하고, 이를 통해 제2 유체가 유동하여 제1 유체와의 열 교환을 간접적으로 수행한다. 각각의 U 형상 교환 튜브에는 제1 부분 및 제2 부분이 제공된다. 각각의 U 형상 교환 튜브의 제1 부분 및 제2 부분은 U-굴곡부에 의해 유압식으로 연결된다. 제1 압력 챔버는 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 갖고 상기 제1 압력 챔버의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 내부 안내 재킷을 포함한다. 상기 내부 안내 재킷은 상기 제1 부분의 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 각각의 U 형상 교환 튜브의 상기 제1 부분을 둘러싼다. 상기 내부 안내 재킷은 제1 연결 수단에 의해 튜브 시트에 그 제1 단부에서 밀봉식으로 연결되고, 상기 내부 안내 재킷은 그 제2 단부에서 개방되어, 내부 안내 재킷 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역을 생성하여 각각의 U 형상 교환 튜브의 상기 제1 부분을 가로지른 제1 유체 유동을 방지하고 따라서 각각의 U 형상 교환 튜브의 상기 제1 부분에서 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 방지하거나 감소시킨다.
이들 목적은 또한 원통형 기하형상을 가지며 양 측면에서 공통 튜브 시트에 연결된 제1 압력 챔버 및 제2 압력 챔버를 포함하는 원통다관 열교환기를 동작시키는 방법에 의해 달성되며, 제1 압력 챔버에는 적어도 유입 노즐 및 적어도 유출 노즐이 제공되며, 제2 압력 챔버에는 적어도 제1 노즐 및 적어도 제2 노즐이 제공되며, 튜브 시트는 튜브 다발에 연결되고, 튜브 다발은 제1 압력 챔버에 수용되고, 복수의 U 형상 교환 튜브를 포함하고, 각각의 U 형상 교환 튜브에는 제1 부분 및 제2 부분이 제공되며, 각각의 U 형상 교환 튜브의 제1 부분 및 제2 부분은 U-굴곡부에 의해 유압식으로 연결되고, 원통다관 열교환기는 제1 압력 챔버가 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 갖고 상기 제1 압력 챔버의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 내부 안내 재킷을 포함하고, 상기 내부 안내 재킷은 상기 제1 부분의 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 각각의 U 형상 교환 튜브의 상기 제1 부분을 둘러싸고; 상기 내부 안내 재킷은 그 제1 단부에서 제1 연결 수단에 의해 튜브 시트에 밀봉식으로 연결되고; 상기 내부 안내 재킷은 그 제2 단부에서 개방되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 방법은
- 제1 압력 챔버의 유입 노즐을 통해 제1 유체를 유입시키는 단계,
- 제2 압력 챔버의 제1 노즐 또는 제2 노즐을 통해 제2 유체를 유입시키는 단계,
- 제1 유체와 간접적으로 열 교환을 수행하기 위해 상기 복수의 U 형상 교환 튜브를 통해 제2 유체를 유동시키는 단계,
- 제1 압력 챔버의 유출 노즐을 통해 제1 유체를 유출시키는 단계, 및
- 각각 제2 압력 챔버의 제2 노즐 또는 제1 노즐을 통해 제2 유체를 유출시키는 단계를 포함하고,
이에 의해, 내부 안내 재킷은 내부 안내 재킷 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역을 생성하여 각각의 U 형상 교환 튜브의 상기 제1 부분을 가로지른 제1 유체 유동을 방지하고 따라서 각각의 U 형상 교환 튜브의 상기 제1 부분에서 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 방지하거나 감소시킨다.
본 발명의 다른 특징은 본 설명의 불가분한 부분인 종속항에서 강조되어 있다.
상세히는, 본 발명에 따른 프로세스 매체를 위한 원통다관 열교환기의 바람직한 실시예는 다음의 기술적 특징을 특징으로 한다:
- 이는 고온 매체와 냉각 매체 사이의 간접적인 열 교환을 제공한다;
- 이는 원통다관 유형이다;
- 튜브 다발은 쉘측 상에서 단일 패스 및 튜브측 상에서 2 패스이다;
- 튜브는 U 형상 구성을 가지며, 다리부는 직선이거나 임의의 다른 형상(나선형 같은)일 수 있다;
- 고온 매체는 쉘측에서 유동하는 반면, 냉각 매체는 튜브측에서 유동한다;
- 냉각 매체는 자연 또는 강제 순환 하에서 유동하는 기화 매체, 또는 고온 매체 유출 온도보다 높은 유출 온도를 갖는(온도 크로스) 비기화 매체이다;
- 고온 및 냉각 매체는 순수한 역류 구성으로 접촉하지 않는다;
- 쉘측에는 바람직하게는 쉘을 따라 고온 매체를 운송하는 2개의 안내 재킷이 있다;
- 고온 매체 유입 노즐과 연통하는 제1 쉘측 안내 재킷은 튜브 다발의 대부분의 길이 및 제2 쉘측 안내 재킷의 대부분의 길이를 둘러싼다;
- 제1 쉘측 안내 재킷은 쉘과 간극을 형성하고, 상기 간극은 튜브 다발 및 고온 매체 유출 노즐과 연통한다;
- 튜브 시트에 밀봉식으로 연결되고 개방 단부를 갖는 제2 쉘측 안내 재킷은 U-튜브 다리부의 한 세트를 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸고, 둘러싸여진 다리부의 부분에 대해 2개의 매체 사이의 열 교환을 방지하거나 감소시킨다;
- 이상적으로, 튜브 레이아웃은 동심형이며, 한 세트의 다리부는 튜브 시트의 원형 중심 구역에 설치되고 다른 다리부 세트는 중심 구역을 둘러싸는 원형 외부 구역에 설치된다;
- 튜브 다발은 바람직하게는 하향 U-튜브를 갖는 상태로 수직 위치에 있다.
본 발명에 따른 프로세스 매체를 위한 원통다관 열교환기는 상기 구성 A) 및 B)가 채택될 때 안전하고 효율적으로 작동하도록 안출된다. 실제로, 구성 A)에서, 기화 매체가 냉각 매체로서 사용될 때, 특히 자연 순환 하에 유동하는 경우, 유입 U-튜브 다리부(제1 튜브 패스)는 열 교환에 참여하지 않거나 또는 미미하게 참여하므로 유입 다리부에는 무시할 수 있는 기화가 존재한다. 결과적으로, 자연 또는 강제 순환은 항상 열교환기에 포지티브하게 그리고 견실하게 설정된다. 더욱이, 바람직하게는 튜브 시트 및 쉘은 열 교환의 적어도 일부가 발생한 후, 즉, 고온 매체가 적어도 부분적으로 냉각된 후에 유입 고온 매체와 접촉하게 된다.
구성 B)에서, 비기화 매체가 냉각 매체로서 사용될 때, 고온 및 냉각 매체가 순수한 역류 유동 구성에서 접촉되지 않을 때, 및 냉각 매체 유출 온도가 고온 매체의 유출 온도보다 높을 때, 즉, 교환기 내에서 온도 크로스가 발생할 때, 온도 크로스가 발생할 수 있는 U-튜브 다리부 부분이 열 교환에 참여하지 않거나 또는 거의 참여하지 않아 튜브 다발의 온도 크로스가 방지된다. 결과적으로, 열 전달은 항상 안정적으로 유지되고 정 성능을 유지한다. 더욱이, 튜브 시트 및 쉘은 열 교환의 적어도 일부가 발생한 후, 즉, 고온 매체가 적어도 부분적으로 냉각된 후에 유입 고온 매체와 접촉하게 된다.
본 발명에 따른 프로세스 가스를 위한 원통다관 열교환기의 특징 및 이점은 첨부된 개략도를 참조하는 다음의 예시적이고 비제한적인 설명으로부터 더 명확해질 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 원통다관 열교환기의 제1 실시예를 2개의 각각의 동작 조건에서 개략적으로 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 원통다관 열교환기의 제2 실시예를 2개의 각각의 동작 조건에서 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 1 내지 도 4 중 임의의 것의 원통다관 열교환기의 중간 부분에서 얻어진 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 원통다관 열교환기의 제3 실시예를 개략적으로 및 부분적으로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 원통다관 열교환기의 제4 실시예를 개략적으로 및 부분적으로 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 원통다관 열교환기의 안내 재킷 중 하나의 3개의 각각의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 그 내부 구성요소의 상이한 레이아웃이 제공된, 도 1 및 도 2의 원통다관 열교환기를 개략적으로 도시한다.
도 10은 그 내부 구성요소의 상이한 레이아웃이 제공된, 도 3 및 도 4의 원통다관 열교환기를 개략적으로 도시한다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 원통다관 열교환기(10)의 일부 실시예가 도시되어 있다. 열교환기(10)는 원통형 기하형상을 가지며 양 측면에서 공통 튜브 시트(16)에 연결된 제1 압력 챔버(12) 및 제2 압력 챔버(14)를 포함한다. 튜브 시트(16)는 제1 압력 챔버(12)에 수용되고 복수의 U 형상 교환 튜브(18)를 포함하는 튜브 다발에 연결된다. 각각의 U 형상 튜브(18)에는 제1 부분 또는 다리부(18A) 및 제2 부분 또는 다리부(18B)가 제공된다. 각각의 U 형상 튜브(18)의 제1 다리부(18A) 및 제2 다리부(18B)는 U-굴곡부(20)에 의해 유압식으로 연결된다. 각각의 U 형상 튜브(18)의 제1 다리부(18A) 및 제2 다리부(18B)는 직선 또는 다른 형상(나선형 같은)일 수 있다. 각각의 U 형상 튜브(18)의 양 단부는 튜브 시트(16)에 연결된다.
제1 유체, 즉, 고온 매체는 "쉘"이라고도 지칭되는 제1 압력 챔버(12)에서 유동하고, 제2 유체, 즉, 냉각 매체는 "채널"이라고도 지칭되는 제2 압력 챔버(14)에서 유동한다. 제2 압력 챔버(14)는 U 형상 튜브(18)와 연통된다. 달리 말해서, 고온 매체는 쉘측에서 유동하고 냉각 매체는 튜브측에서 유동한다. 원통다관 열교환기(10)는 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 일부를 가로질러 제1 유체를 안내하도록 구성된다. 원통다관 열교환기(10)는 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 제2 다리부(18B)의 적어도 일부를 가로질러 제1 유체를 안내하도록 구성된다. 따라서, 원통다관 열교환기(10)는 제1 유체가 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열의 일부가 교환되도록 제1 유체를 안내하도록 구성된다. 제1 유체는 열의 적어도 일부를 제2 유체와 교환함으로써 제1 유체가 튜브 시트(16)를 향해 유동하는 지점에서 제1 압력 챔버(12) 내로 도입된다.
제1 압력 챔버(12)에는 하나 이상의 고온 매체 유입 노즐(28) 및 하나 이상의 고온 매체 유출 노즐(30)이 제공된다. 유입 노즐(28) 및 유출 노즐(30)은 튜브 시트(16)로부터 멀리 떨어져, 바람직하게는 U-굴곡부(20) 근방 또는 이후에 위치된다. 제1 유체가 고온 매체 또는 더 따뜻한 매체라는 것은 열교환기에 공급될 때 제1 유체가 제2 유체보다 더 따뜻하다는 것을 의미하고, 즉, 열교환기에 공급될 때의 제1 유체가 열교환기에 공급될 때의 제2 유체보다 더 따뜻하다는 것을 의미한다. 달리 말해서, 제1 노즐(46) 또는 제2 노즐(48)을 통해 제2 유체가 열교환기에 들어갈 때보다 제1 유체가 유입 노즐(28)을 통해 열교환기에 들어갈 때 더 따뜻하다. 제2 유체는 냉각 매체이고 또한 저온 매체로 표시될 수 있다. 제2 유체가 저온 매체 또는 더 저온인 매체라는 것은 열교환기에 공급될 때 제2 유체가 제1 유체보다 더 저온이라는 것을 의미한다. 제2 유체는 열교환기에 공급될 때, 열교환기에 공급될 때의 제1 유체보다 더 저온이다. 달리 말하면, 제1 유체가 유입 노즐(28)을 통해 열교환기에 들어갈 때보다, 제2 유체가 제1 노즐(46) 또는 제2 노즐(48)을 통해 열교환기에 들어갈 때 더 저온이다.
제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐(28)은 튜브 시트(16)로부터 거리를 두고 배열되어 제1 유체가 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 일부를 가로질러 안내된다. 제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐(28)은 튜브 시트(16)로부터 거리를 두고 배열되어 제1 유체가 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 제2 다리부(18B)의 적어도 일부를 가로질러 안내된다. 이에 의해, 제1 유체는 제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐로부터 제2 유체와 열의 적어도 일부를 교환하는 튜브 시트(16)를 향해 유동한다.
제1 압력 챔버(12)는 적어도 하나의 외부 안내 재킷(22) 및 적어도 하나의 내부 안내 재킷(24)을 포함한다. 각각의 외부 안내 재킷(22) 및 내부 안내 재킷(24)은 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 가지며 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장된다. 외부 안내 재킷(22)은 U-굴곡부(20)까지 또는 그 이후로 연장된다. 제1 압력 챔버(12)는 또한 교환 튜브(18)와 함께 튜브 다발을 형성하는 복수의 배플 또는 그리드(26)를 포함한다.
외부 안내 재킷(22)과 제1 압력 챔버(12)는 사이에 간극(32)을 형성한다. 간극(32)은 고온 매체 유출 노즐(30)과 연통된다. 외부 안내 재킷(22)은 튜브 다발의 길이 부분, 바람직하게는 대부분의 길이, 즉, 주요 길이 부분과 내부 안내 재킷(24)의 길이 부분, 바람직하게는 대부분의 길이, 즉, 주요 길이 부분을 둘러싼다. 외부 안내 재킷(22)에 의해 둘러싸인 튜브 다발의 길이 부분은 바람직하게는 U-굴곡부(20)를 포함한다. 외부 안내 재킷(22)은 바람직하게는 U-굴곡부(20)를 포함하는 튜브 다발의 길이 부분을 둘러싼다. 외부 안내 재킷(22)은, 튜브 시트(16)로부터 멀리 떨어져서 멀어지는 방향을 향하는 그 제1 단부에서 연결 도관(34)에 의해 고온 매체 유입 노즐(28)과 연통하고, 튜브 다발이 튜브 시트(16)에 또는 U-굴곡부(20) 근방에 연결되는 측면에 대해 U-굴곡부(20)의 반대 측면에서 유입 노즐(28)로부터 고온 매체를 수용한다. 이와 관련하여, 튜브 다발이 튜브 시트(16)에 연결된 측면에 대해 U-굴곡부(20)의 반대 측면에서의 외부 안내 재킷(22)으로의 고온 매체의 도입은 튜브 다발 내로의 고온 매체의 진입이 U-굴곡부(20)와 튜브 시트(16) 사이에서 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 외부 안내 재킷(22)은, 튜브 시트(16)를 향하고 그 근방에 있는 그 제2 단부에서 간극(32)과 연통하는 개구(36)를 갖는다. 외부 안내 재킷(22)은 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 일부를 가로질러 제1 유체를 안내하도록 구성될 수 있다. 유입 노즐(28)을 외부 안내 재킷(22)과 연결하는 연결 도관(34)은 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 일부를 가로질러 제1 유체를 안내하도록 구성될 수 있다.
유입 노즐(28)과 외부 안내 재킷(22)의 연결 도관(34) 사이의 결합 부분은 바람직하게 밀봉된다. 반대로, 밀봉부가 제공되지 않으면, 외부 안내 재킷(22)은 연결 도관(34) 근방에 유입 노즐(28)로부터의 특정 양의 고온 매체를 의도적으로 간극(32)으로 바이패스하기 위한 조절 장치(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 이러한 바이패스는 유출 노즐(30)에서 고온 매체 온도를 제어하는 데 유용하다.
내부 안내 재킷(24)은 방위각(원형) 방향으로 제1 U-튜브 다리부(18A) 세트를 완전히 둘러싸고, 길이방향으로 그 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 상기 제1 U-튜브 다리부(18A) 세트를 둘러싼다. 보다 구체적으로:
- 냉각 매체가 자연 순환 하에 유동하는 기화 유체인 경우, 내부 안내 재킷(24)은 제1 다리부(18A)의 세트, 즉, 냉각 매체가 들어가는 튜브(18)의 다리부(18A)(제1 튜브 패스)를 길이방향으로 완전히 또는 거의 완전히 둘러싸고;
- 냉각 매체가 강제 순환 하에 유동하는 기화 유체인 경우, 내부 안내 재킷(24)은 제1 다리부(18A)의 세트, 즉, 냉각 매체가 들어가는 튜브(18)의 다리부(18A)(제1 튜브 패스)를 길이방향으로 완전히 또는 부분적으로 둘러싸고;
- 냉각 매체가 비기화 유체인 경우, 내부 안내 재킷(24)은 제1 다리부(18A)의 세트, 즉, 냉각 매체가 빠져나가는 튜브(18)의 다리부(18A)(제2 튜브 패스)를 길이방향으로 부분적으로 둘러싼다.
튜브 시트(16)를 향하고 그 근방에 있는 그 제1 단부(78)에서 내부 안내 재킷(24)은 제1 연결 수단(38)에 의해 상기 튜브 시트(16)에 밀봉식으로 연결된다. 튜브 시트(16)로부터 멀리 떨어지고 멀어지는 방향을 향하는 그 제2 단부(52)에서 내부 안내 재킷(24)은 개방되며, 이 경우 내부 안내 재킷(24) 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역이 존재하며, 이는 제1 다리부(18A)의 제2 유체와 제1 유체 사이의 열 교환을 감소시킨다. 따라서, 내부 안내 재킷(24)은 그 제2 단부(52)에서 개방되어, 내부 안내 재킷(24) 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역을 생성하여 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 가로지른 제1 유체 유동을 방지하고 따라서 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)에서 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 방지하거나 감소시킨다. 내부 안내 재킷(24)은 봉입된 U-튜브 다리부(18A)의 둘러싸인 부분을 가로지르는 제1 유체, 예를 들어 고온 매체의 유동을 방지하고 따라서, U-튜브 다리부(18A)의 상기 부분에서 제1 유체, 예를 들어 고온 매체로부터 제2 유체, 예를 들어 냉각 매체로의 열 전달을 방지하거나 감소시킨다. 달리 말하면, 내부 안내 재킷(24)은, U-튜브 다리부(18A)의 둘러싸인 부분에 대해서, 냉각 매체가 포화 상태에 있는 경우의 기화, 또는 비기화 냉각 매체의 경우 온도 크로스를 방지하거나 감소시키는 목적을 갖는다. 제2 단부(52)에는 제1 U-튜브 다리부(18A)의 통과를 위한 관통 구멍 또는 창을 갖는 판이 제공될 수 있다. 판은 천공된 판일 수 있다. 대안적으로, 판은 제1 U-튜브 다리부(18A) 및 가능하게는 추가적인 장비 또는 장치의 통과를 위한 관통 구멍 또는 창을 제외하고 강성 판일 수 있으며, 관통 구멍 또는 창 중 적어도 하나는 제1 U-튜브 다리부(18A) 및 가능하면 추가적인 장비 또는 장치의 단면보다 크다.
내부 안내 재킷(24)은 인벨로프 표면(80)을 포함한다. 인벨로프 표면(80)은 내부 안내 재킷(24)의 제1 단부(78)로부터 제2 단부(52)까지 연장된다. 인벨로프 표면(80)은 천공되지 않는다. 따라서, 인벨로프 표면(80)은 어떠한 천공 또는 관통 구멍도 갖지 않는다. 인벨로프 표면은 비투과성이다. 제1 유체는 인벨로프 표면(80)을 관통할 수 없다. 인벨로프 표면(80)은 중공 실린더 또는 의사-실린더를 형성한다. 인벨로프 표면에는 내부 안내 재킷 내부의 유체를 순환시키기 위한 어떠한 (유입 또는 유출) 개구도 제공되지 않는다. 내부 안내 재킷에는 내부 안내 재킷 내부의 유체를 순환시키기 위한 유입 및 유출 개구 어느 쪽도 제공되지 않는다. 내부 안내 재킷에는 개방된 제2 단부에서만 개구(들)이 제공된다. 내부 안내 재킷의 다른 곳에는 어떠한 개구도 제공되지 않아, 내부 안내 재킷 내부의 유체 순환이 얻어지지 않아서 내부 안내 재킷 내부의 유체는 주로 정체되어 있다. 내부 안내 재킷(24)은 제1 압력 챔버(12)의 잔여부로부터 밀봉식으로 분리되지 않는다. 제1 유체는 내부 안내 재킷(24)을 채울 수 있지만, 제1 유체는 내부 안내 재킷(24)을 통해, 즉, 내부 안내 재킷의 내외로 연속적으로 유동할 수 없다. 대신, 내부 안내 재킷 내부의 제1 유체는 주로 정체되어 있다.
제2 압력 챔버(14)는 제2 압력 챔버(14)를 제1 섹션(42) 및 제2 섹션(44)으로 분리하는 제2 압력 챔버 안내 재킷(40)을 포함한다. 제1 섹션(42)과 제2 섹션(44)은 서로 비-직접적으로 연통한다. 제1 섹션(42)과 제2 섹션(44)은 U 형상 교환 튜브(18)를 통해 서로 연통된다. 제2 압력 챔버(14)에는 또한 냉각 매체를 유입 또는 유출하기 위한 적어도 제1 노즐(46) 및 냉각 매체를 유출 또는 유입시키기 위한 적어도 제2 노즐(48)이 제공된다. 제2 압력 챔버 안내 재킷(40)은 제2 연결 수단(50)에 의해 튜브 시트(16) 또는 한 세트의 U-튜브 다리부(18A 및 18B)에 연결된다. 결과적으로, 제2 압력 챔버(14)의 각 섹션(42 및 44)은 한 세트의 U-튜브 다리부(18A 또는 18B)와 연통된다. U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)은 제1 섹션(42)과 연통하고 U 형상 교환 튜브(18)의 제2 부분(18B)은 제2 섹션(44)과 연통된다.
제2 압력 챔버(14)의 제1 섹션(42) 및 제2 섹션(44)은 또한 제2 압력 챔버(14)에 설치된 조절 밸브에 의해 연통될 수 있다. 이러한 조절 밸브는 제2 유체의 일부를 바이패스하기 위한 바이패스 장치로서 작용할 수 있고, 따라서 제2 유체의 유출 온도를 제어하는 데 유용할 수 있다.
바람직하게는, 튜브(18) 레이아웃은 도 5에 도시된 바와 같이 동심형이며, 제1 다리부(18A)는 튜브 시트(16)의 원형 중심부에 배열되고("중심"(64), 도 5 참조), 제2 다리부(18B)는 상기 튜브 시트(16)의 중심부를 둘러싸는 원형 부분("크라운"(66), 도 5 참조)에 배열된다. 이러한 바람직한 튜브 레이아웃에 따라, 다음의 열교환기(10) 구성이 바람직하게 채택될 수 있다.
- 내부 안내 재킷(24)은 제1 압력 챔버(12) 내부에 동심으로 설치되고 냉각 매체에 관계없이 튜브 시트(16)의 "중심"에 연결된 제1 다리부(18A)를 둘러싼다. 결과적으로, 제1 다리부(18A)는 기화 냉각 매체의 경우 제1 튜브 패스를 나타내고 비기화 냉각 매체의 경우 제2 튜브 패스를 나타낸다;
- 외부 안내 재킷(22)은 제1 압력 챔버(12) 내부에 동심으로 설치되고 튜브 다발의 대부분의 길이 및 내부 안내 재킷(24)의 대부분의 길이를 둘러싼다;
- 제2 압력 챔버(14)의 2개의 섹션(42 및 44)은 상기 제2 압력 챔버(14) 내에 동심으로 배열되며, 제1 내부 섹션(42)은 제1 다리부(18A)와 유체 연통하고 제2 외부 섹션(44)은 제2 다리부(18B)와 유체 연통한다;
- 기화 냉각 매체의 경우(도 1 및 도 3 참조), 냉각 매체는 제2 압력 챔버(14)의 제1 노즐(46)로부터 내부 섹션(42)으로 들어가고, 이어서 상기 냉각 매체는 제1 다리부(18A)로 들어가고(제1 튜브 패스), 튜브(18)를 따라 유동하고, 제2 다리부(18B)로부터 빠져나가고(제2 튜브 패스), 외부 섹션(44)으로 들어간 다음 제2 압력 챔버(14)의 제2 노즐(48)로부터 빠져나간다;
- 비기화 냉각 매체의 경우(도 2 및 도 4 참조), 냉각 매체는 제2 압력 챔버(14)의 제2 노즐(48)로부터 외부 섹션(44)으로 들어가고, 이어서 상기 냉각 매체는 제2 다리부(18B)로 들어가고(제1 튜브 패스), 튜브(18)를 따라 유동하고, 제1 다리부(18A)로부터 빠져나와(제2 튜브 패스) 내부 섹션(42) 내로 들어간 다음 제2 압력 챔버(14)의 제1 노즐(46)로부터 빠져나간다.
냉각 매체가 자연 순환 하에 유동하는 기화 매체인 경우, 열교환기(10)는 튜브 다발이 하향 배향된 상태로 수직 위치(그 쉘의 주 길이방향 축 참조)에 배치되는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 열교환기(10)는 튜브 다발의 배향에 관계없이 수직 또는 수평일 수 있다.
쉘측(즉, 고온 매체 측면)에서, 도 1 및 도 2에 도시된 열교환기(10)는 다음 방식으로 작동한다. 고온 매체는 유입 노즐(28)로부터 외부 안내 재킷(22) 내로 들어간 다음, 배플 또는 그리드(26)에 의해 형성된 유로에 따라 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸여진 상기 U-튜브(18)의 부분을 제외하고, 외부 안내 재킷(22)을 따라 U-튜브(18)를 가로질러 튜브 시트(16)를 향해 유동한다. 튜브 다발을 따라, 고온 매체는, 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 상기 U-튜브(18)의 부분을 제외하고, U-튜브(18)에서 유동하는 냉각 매체로 간접적으로 열을 방출한다. 따라서, 2개의 매체는 다음에 따라 접촉된다:
- 자연 순환하는 기화 냉각 매체의 경우, 순수 또는 거의 순수한 병류 구성(도 1), 바람직하게는 내부 안내 재킷(24)이 길이방향으로 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)을 완전히 또는 거의 완전히 둘러싼다;
- 강제 순환하는 기화 냉각 매체의 경우 순수 또는 거의 순수한 병류 구성 또는 병류 및 역류 구성 둘 모두(도 1), 바람직하게는 내부 안내 재킷(24)은 길이방향으로 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)을 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싼다;
- 유출 온도가 고온 매체 유출 온도보다 높은 비기화 냉각 매체의 경우의 병류 및 역류 구성 모두(도 2), 바람직하게는 내부 안내 재킷(24)은 길이방향으로 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)을 부분적으로 둘러싼다.
튜브 시트(16) 근방에서, 고온 매체는 개구(36)에 의해 외부 안내 재킷(22)으로부터 빠져나가고, U-턴하고, 간극(32) 내로 들어간 후 유출 노즐(30)을 향해 유동하며, 그로부터 상기 고온 매체는 열교환기(10)로부터 빠져나간다. 개구(36)로부터 빠져나오는 고온 매체는 냉각된 상태이다. 따라서, 고온 매체와 접촉하는 튜브 시트(16) 및 제1 압력 챔버(12)의 부분은 냉각된 고온 매체에 의해 스위핑된다. 예를 들어, 도관(34)에 설치된 조절 밸브에 의해 튜브 다발을 가로지르기 전에 소정량의 유입 고온 매체가 바이패스되는 경우, 이 양의 유입 고온 매체는 유출 노즐(30)로부터 벗어나기 전에 간극(32)에서 유동하는 냉각된 고온 매체와 혼합된다.
튜브측(즉, 냉각 매체 측면)에서 열교환기(10)는 다음과 같은 방식으로 작동한다. 제1 동작 조건(도 1)에서 냉각 매체는 자연 순환 하에 유동하는 기화 매체이다. 고온 및 냉각 매체에 따라 때때로 프로세스 증발기, 증기 발생기, 프로세스 가스 보일러 또는 폐열 보일러로 지칭되는 열교환기(10)는 튜브 다발이 하향 지향된 상태에서 수직 위치에 있는 것이 바람직하다. U-튜브(18)의 바람직한 동심 레이아웃의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 포화 상태 또는 거의 포화 상태에서 기화 냉각 매체는 액체 상이며, 제1 노즐(46)로부터 제2 압력 챔버(14)의 내부 섹션(42)으로 들어간다. 튜브 시트(16) 중심부(64)의 U-튜브 제1 다리부(18A)는 내부 섹션(42)과 연통하는 반면, 튜브 시트(16) "크라운" 또는 주연부(66)의 U-튜브 제2 다리부(18B)는 제2 압력 챔버(14)의 외부 섹션(44)과 연통한다.
내부 섹션(42)의 기화 냉각 매체는 U-튜브 제1 다리부(18A)(제1 튜브 패스)로 들어가 자연 순환 하에 하향 유동한다. 내부 안내 재킷(24)은 U-튜브 제1 다리부(18A)를 완전히 또는 거의 완전히 둘러싸서, 고온 매체로부터 냉각 매체로의 열 전달을 방지하거나 감소시켜 U-튜브 제1 다리부(18A)에서 기화를 방지한다. 내부 안내 재킷(24)의 제2 단부(52)에서, 기화 냉각 매체는 U-튜브 제1 다리부(18A)의 둘러싸인 부분을 벗어나고 고온 매체와 열 교환을 시작한다. 곧, 기화 냉각 매체는 U-굴곡부(20)에서 U-턴한 다음, 고온 매체의 냉각이 기화에 의해 발생하는 제2 다리부(18B)(제2 튜브 패스)에서 자연적으로 상향 이동한다.
잘 알려진 바와 같이, 동일한 온도 또는 근사한 온도에서 액체 유체와 그 액체-증기 혼합물은 상이한 밀도를 갖는다. 이러한 차이는 자연 순환의 원동력이다. 제2 다리부(18B)로부터 빠져나오는 2상 혼합물은 제2 압력 챔버(14)의 외부 섹션(44) 내로 배출된 후, 제2 노즐(48)로부터 열교환기(10)를 벗어난다. 제2 압력 챔버(14)의 제1 노즐(46) 및 제2 노즐(48)은 일반적으로 액체-증기 드럼으로 지칭되는 분리 및 상승되어 있는 장비(도시되지 않음)에 연결될 수 있으며, 이는 자연 순환을 위한 필요한 정수두(static head) 및 액체-증기 분리를 제공한다.
U-튜브 제1 다리부(18A)는 단열성 또는 거의 단열성이기 때문에, 제1 튜브 패스에서 현저한 기화가 발생하지 않으므로 자연 순환이 방해받지 않는다. 열교환기(10)는 열 유체 관점에서 항상 안정적 그리고 정 조건 하에서 작동한다.
제2 동작 조건(도 1)에서 냉각 매체는 강제 순환 하에 유동하는 기화 매체이다. 다시 한번, 열교환기(10)는 튜브 다발이 하향 지향된 상태에서 수직 위치에 있는 것이 바람직하다. U-튜브(18)의 바람직한 동심 레이아웃의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 포화 상태 또는 거의 포화 상태에서 기화 냉각 매체는 액체 상으로 제1 노즐(46)로부터 내부 섹션(42)으로 들어간다. 튜브 시트(16) 중심부(64)의 U-튜브 제1 다리부(18A)는 내부 섹션(42)과 연통하는 반면, 튜브 시트(16) "크라운" 또는 주연부(66)의 U-튜브 제2 다리부(18B)는 제2 압력 챔버(14)의 외부 섹션(44)과 연통한다.
내부 섹션(42)의 기화 냉각 매체는 U-튜브 제1 다리부(18A)(제1 튜브 패스)로 들어가 강제 순환 하에 하향 유동한다. 내부 안내 재킷(24)은 U-튜브 제1 다리부(18A)를 완전히 또는 부분적으로 둘러싸서, 고온 매체로부터 냉각 매체로의 열 전달을 방지하거나 감소시켜 U-튜브 제1 다리부(18A)의 둘러싸인 부분에서 기화를 방지한다. 내부 안내 재킷(24)의 제2 단부(52)에서, 기화 냉각 매체는 U-튜브 제1 다리부(18A)의 둘러싸인 부분을 벗어나고 고온 매체와 열 교환을 시작한다. 기화 냉각 매체가 U-굴곡부(20)에 도달하면, 이는 U-턴하고, U-튜브 제2 다리부(18B)(제2 튜브 패스)에서 상향 이동한다. U-튜브 제2 다리부(18B)로부터 빠져나오는 액체-증기 혼합물은 제2 압력 챔버(14)의 외부 섹션(44) 내로 배출된 후, 제2 노즐(48)로부터 열교환기(10)를 벗어난다. 또한, 이 제2 동작 조건에서, 제2 압력 챔버(14)의 제1 노즐(46) 및 제2 노즐(48)은 액체-증기 분리를 제공하는 일반적으로 액체-증기 드럼으로 지칭되는 분리된 장비에 연결될 수 있다.
내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 U-튜브 제1 다리부(18A)의 부분은 단열성 또는 부분적으로 단열성이기 때문에, 제1 튜브 패스의 이러한 부분에서의 기화는 제거되거나 감소된다. 이는 제1 튜브 패스의 액체가 자연 통풍에 기여하기 때문에 강제 순환에 정 영향을 미친다. 이러한 기여는 펌핑 장치의 고장 또는 과도 상태에서 더 중요하거나 심지어 필수적이다.
제3 동작 조건(도 2)에서, 냉각 매체는 열교환기 유출부(제1 노즐(46))에서 유출 고온 매체 온도보다 높은 온도를 갖는(즉, 온도 크로스가 발생) 비기화 매체이다. 냉각 매체는 과냉수, 스팀 또는 증기 또는 액체 상의 임의의 다른 유체일 수 있다. 이러한 동작 조건에서, 열교환기(10)는 일반적으로 각각 물 예열기, 스팀 과열기 또는 냉각기로 지칭될 수 있다. 바람직한 U-튜브(18)의 동심 레이아웃의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각 매체는 제2 노즐(48)로부터 외부 섹션(44)으로 들어간 다음 U-튜브 제2 다리부(18B)로 들어간다(제1 튜브 패스). 냉각 매체는 U-튜브 제2 다리부(18B)를 따라 유동하고 U-굴곡부(20)에서 U-턴하며, 그후, U-튜브 제1 다리부(18A)로 유동한다(제2 튜브 패스). 냉각 매체는 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸이지 않은 U-튜브 제2 다리부(18B) 및 U-튜브 제1 다리부(18A)를 따라 고온 매체와 간접적으로 열을 교환한다. 이어서, 내부 안내 재킷(24)의 제2 단부(52)와 튜브 시트(16) 사이의 튜브(18) 부분에서, U-튜브 제1 다리부(18A)는 2개의 매체 사이의 열 교환에 기여하지 않거나 미미하게 기여한다. 내부 안내 재킷(24)의 제2 단부(52)에서의 냉각 매체의 온도는 튜브 다발의 이 지점에서의 고온 매체 온도와 같거나 그보다 낮다. 따라서, 온도 크로스가 방지된다. 결과적으로, 냉각 매체의 온도가 열교환기 유출부에서의 고온 매체의 온도보다 높고 열교환기가 순수한 역류 구성을 갖지 않더라도, 튜브 다발을 따라 온도 크로스가 방지되고 따라서 열교환기는 열적 관점에서 항상 안정적 그리고 정 성능으로 작동한다.
도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 프로세스 가스용 원통다관 열교환기(10)의 제2 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 열교환기(10)의 이 제2 실시예는 다음을 제외하고는 앞서 설명한 제1 실시예와 거의 동일하다:
- 외부 안내 재킷(22)은 양 단부가 모두 개방되어 있고;
- 유입 고온 매체는 튜브 시트(16)와 U-굴곡부(20) 사이의 지점, 예를 들어 튜브 시트(16)와 U-굴곡부(20) 사이의 중간의 구역 내의 지점에서 외부 안내 재킷(22) 내로 도입되고;
- 고온 매체는 튜브 다발을 가로질러 2개의 부분으로 나누어진다.
제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐(28) 및 유출 노즐(30)은 바람직하게는 튜브 시트(16)와 U-굴곡부(20) 사이에서, 예를 들어 튜브 시트(16)와 U-굴곡부(20) 사이의 중간의 구역에서 상기 제1 압력 챔버(12) 상에 위치된다. 따라서, 외부 안내 재킷(22)의 제1 단부, 즉, 튜브 시트(16)로부터 멀리 떨어지고 멀어지는 방향을 향하는 외부 안내 재킷(22)의 단부에는 간극(32)과 연통하는 개구(54)가 제공된다.
쉘측(즉, 고온 매체 측면)에서, 도 3에 도시된 열교환기(10)는 다음 방식으로 작동한다. 유입 고온 매체는 튜브 시트(16)와 U-굴곡부(20) 사이에 위치된 지점에서 유입 노즐(28)로부터 그리고 연결 도관(34)에 의해 외부 안내 재킷(22) 내로 들어간다. 외부 안내 재킷(22)에는 2개의 개구(36, 54)가 제공되므로, 유입 고온 매체는 2개의 부분으로 분할되어, 각각 외부 안내 재킷(22)의 제1(상부) 개구(36) 및 제2(하부) 개구(54)를 향해 유동한다. 두 유체 부분은 상반된 방향으로 튜브 다발을 가로지르고, 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 튜브(18)의 부분을 제외하고, 튜브측에서 유동하는 냉각 매체와 열을 교환한다. 제1(상부) 개구(36) 및 제2(하부) 개구(54)로부터 빠져나온 2개의 유체 부분은 냉각되고, 그후 U-턴하여 간극(32) 내로 들어가고 두 부분 모두가 유출 노즐(30)을 향해 이동한다. 따라서, 2개의 매체는 다음에 따라 접촉된다:
- 자연 또는 강제 순환 하에 유동하는 기화 냉각 매체의 경우 병류 및 역류 구성 양자 모두;
- 유출 온도가 고온 매체 유출 온도보다 높은 비기화 냉각 매체의 경우에 병류 및 역류 구성 양자 모두.
유입 노즐(28)을 갖는 연결 도관(34) 근방의 외부 안내 재킷(22)은 밀봉되거나 밀봉되지 않을 수 있다. 밀봉되지 않은 경우, 외부 안내 재킷(22)은 연결 도관(34) 근방에 유입 노즐(28)로부터의 특정 양의 고온 매체를 의도적으로 간극(32)으로 바이패스하기 위한 조절 장치(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 이러한 바이패스 장치는 유출 노즐(30)에서 고온 매체 온도를 제어하는 데 유용하다.
튜브측(즉, 냉각 매체 측)에서, 도 3 및 도 4에 도시된 열교환기(10)는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 열교환기(10)의 제1 실시예와 동일한 방식으로 작동한다.
일 양태에서, 원통다관 열교환기(10)는 튜브 다발 상에 단일 패스 구성을 갖는다. 일 양태에서, 원통다관 열교환기(10)는 튜브측에 2 패스 구성을 갖는다. 튜브 다발은 쉘측에서 단일 패스일 수 있다. 제1 유체는 단일 패스로 튜브 다발을 가로질러 유동할 수 있다. 튜브 다발은 튜브측에서 2 패스일 수 있다. 제2 유체는 2 패스에 의해 튜브 다발을 통해 유동할 수 있다.
일 양태에서, 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체는 순수한 역류 구성에 따라 접촉되지 않는다.
일 양태에서, 냉각 매체는 포화 상태에서 또는 그 근방에서 열교환기(10) 내로 도입되고 자연 또는 강제 순환 하에 유동하는 기화 매체이다.
일 양태에서, 냉각 매체는 비기화 매체이고 열교환기(10) 유출부에서의 온도는 열교환기(10) 유출부에서의 고온 매체의 온도보다 높다.
도 6에는 본 발명에 따른 프로세스 가스와 같은 프로세스 매체용 원통다관 열교환기(10)의 제3 실시예가 개략적으로 그리고 부분적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 상기 튜브(18)의 제1 다리부(18A) 및 제2 다리부(18B)에 연결된 U 형상 튜브(18)의 U-굴곡부(20)는 제1 압력 챔버(12)에 수용된 말단 안내 재킷(56)에 의해 둘러싸인다. 따라서, 말단 안내 재킷(56)은 U-굴곡부(20)를 가로지르는 고온 매체 유동을 방지하거나 감소시킨다. 이에 의해, U-굴곡부에 걸친 열 교환이 방지된다. 특히, U-굴곡부를 가로지른 고온 매체의 연속적인 유동이 방지된다. 말단 안내 재킷(56)은 바람직하게는 반구형 쉘과 같은 부분 구형 또는 부분 의사 구형 쉘의 형태이다. 말단 안내 재킷(56)에는 또한 "샌드위치" 유형의 하나 이상의 추가 절연층이 제공될 수 있다. 말단 안내 재킷(56)은 U-굴곡부(20)에서 냉각 매체의 기화를 피해야 하는 경우와, 고온 매체 유동으로 인해 상기 U-굴곡부(20)의 진동의 위험이 있는 경우에 모두 채택될 수 있다. U 형상 교환 튜브(18)의 U-굴곡부(20)는 제1 압력 챔버(12)에 수용된 말단 안내 재킷(56)에 의해 둘러싸이고, 상기 말단 안내 재킷(56)은 상기 U-굴곡부(20)를 가로지르는 제1 유체의 유동을 방지하도록 구성된다. U 형상 교환 튜브(18)의 U-굴곡부(20)는 제1 압력 챔버(12)에 수용된 말단 안내 재킷(56)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 상기 U-굴곡부(20)를 가로지른 제1 유체의 유동이 방지된다. 말단 안내 재킷(56)은 U-굴곡부(20)를 차폐한다. 말단 안내 재킷(56)은 제1 유체의 유동에 대해 U-굴곡부(20)를 차폐한다. 말단 안내 재킷(56)은 제1 유체의 유동을 U-굴곡부(20)로부터 멀어지게 한다. 말단 안내 재킷(56)은 U 형상 교환 튜브로부터 멀어지는 방향을 향하는, 즉, 제1 유체의 유동을 향하는 폐쇄된 측면을 가질 수 있다. 말단 안내 재킷(56)은 U 형상 교환 튜브(18)를 향하는 개방된 측면을 가질 수 있다. 따라서, 말단 안내 재킷(56)은 밀봉식으로 폐쇄되지 않는다. 말단 재킷(56)에는 내부의 임의의 유체를 순환시키기 위한 어떠한(유입 또는 유출) 개구도 제공되지 않는다.
도 7에는 본 발명에 따른 프로세스 가스용 원통다관 열교환기(10)의 제4 실시예가 개략적으로 및 부분적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 바이패스 밸브(68)는 유입 노즐(28)과 외부 안내 재킷(22) 사이의 연결 도관(34) 상에 얻어진 바이패스 도관(70)에 설치된다. 바이패스 밸브(68)는 유입 노즐(28)로부터 들어오는 유체의 적어도 하나의 부분(72)을 간극(32)으로 직접 전달하도록 구성된다. 달리 말하면, 유체의 상기 부분(72)은 외부 안내 재킷(22)으로 들어가지 않는 반면, 바이패스 밸브(68)에서, 상기 외부 안내 재킷(22)으로부터 빠져나와 간극(32)을 통해 유동하는 유체의 다른 부분(74)과 혼합된다. 이 배열은 원론적으로 도 1 및 도 2에 도시된 배열 및 도 3 및 도 4에 도시된 배열 모두에 가능하다. 연결 도관(34)에는 개구를 형성하는 바이패스 도관(70)이 제공된다. 바이패스 밸브(68)는 바이패스 도관(70)에 설치된다. 바이패스 밸브(68)는 통상적으로 조절 밸브이다. 요약하면, 바이패스 밸브(68)는 유입 노즐(28)과 외부 안내 재킷(22) 사이의 연결 도관(34) 상에 얻어진 바이패스 도관(70)에 설치된다.
도 8a 내지 도 8c에는 내부 안내 재킷(24)의 3개의 각각의 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 8a에서, 내부 안내 재킷(24)에는, 그 표면의 적어도 일부, 바람직하게는 그 내부 표면, 즉, 상기 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 U-튜브 제1 다리부(18A)를 향하는 표면 상에 절연층(58)이 제공된다. 따라서, 내부 안내 재킷(24)의 내부 표면은 상기 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)을 향하는 표면이다. 도 8b에서, 내부 안내 재킷(24)에는 이중 벽, 즉, 그 자체의 제1 벽 및 제2 벽(60)이 제공된다. 제1 벽과 제2 벽(60)은 서로 거리를 두고 배열되어 있다. 내부 안내 재킷은 그 자체의 제1 벽이 외부를 향하고 제2 내부 벽(60)이 상기 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 U-튜브 제1 다리부(18A)를 향하도록 배열되어, 2개의 벽 사이에 간극을 형성하고, 여기서, 고온 매체 유동, 특히 연속적인 고온 매체 유동이 방지된다. 따라서, 내부 안내 재킷(24)은 외부를 향하는 제1 벽 및 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)을 향하는 제2 내부 벽(60)이 제공될 수 있다. 도 8c에서, 내부 안내 재킷(24)은 "샌드위치" 구성으로 절연층(58) 및 제2 벽(60), 즉, 내부 안내 재킷(24)의 제1 벽과 그 제2 벽(60) 사이에 개재된 절연층(58)을 구비한다. 따라서, 내부 안내 재킷(24)은 그 표면의 적어도 일부 상에 절연층(58) 및 제1 벽 및 제2 벽(60)을 모두 구비할 수 있고, 상기 절연층(58)은 상기 제1 벽과 상기 제2 벽(60) 사이에, 즉, "샌드위치" 구성으로 개재된다. 또한, 내부 안내 재킷(24)은 그 내부 표면의 적어도 일부 상에 절연층(58)과 외부를 향하는 제1 벽 및 상기 내부 안내 재킷(24)에 의해 둘러싸인 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 향하는 제2 내부 벽(60)을 구비할 수 있으며, 상기 절연층(58)은 상기 제1 외부 벽과 상기 제2 내부 벽(60) 사이에, 즉, "샌드위치" 구성으로 개재된다. 내부 안내 재킷(24)의 이들 3개의 대안적인 기본 실시예는 내부 안내 재킷(24)의 벽을 통한 전도 또는 복사로 인해 고온 매체로부터 냉각 매체로의 가능한 열 전달을 감소시키거나 제거할 수 있다.
도 9 및 도 10에는 도 1 내지 도 4의 원통다관 열교환기의 2개의 각각의 대안적인 형태가 도시되어 있다. 차이점은 외부 안내 재킷(22)과 간극(32)이 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 절연재(내화물)의 적어도 층(76)으로 대체된다는 사실에 있다. 절연재의 층(76)은 튜브 다발의 길이 부분, 바람직하게는 대부분의 길이 및 내부 안내 재킷(24)의 길이 부분, 바람직하게는 대부분의 길이 둘 모두를 둘러싼다. 절연재의 층(76)은 튜브 다발의 주요 길이 부분을 둘러쌀 수 있다. 절연재의 층(76)은 내부 안내 재킷(24)의 주요 길이 부분을 둘러쌀 수 있다. 절연재의 층(76)은 따라서 제1 압력 챔버(12)를 고온 매체로부터 보호한다. 따라서, 제1 압력 챔버(12)는 상기 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 절연재의 적어도 층(76)을 포함할 수 있고, 절연재의 상기 적어도 층(76)은 상기 튜브 다발의 길이 부분과 내부 안내 재킷(24)의 길이 부분 모두를 둘러싼다.
제1 압력 챔버(12), 즉, 열교환기(10)의 쉘측 내로 유동하는 제1 유체는 고온 매체일 수 있는 반면, 상기 제2 압력 챔버(14) 및 튜브 다발의 상기 U 형상 교환 튜브(18), 즉, 열교환기(10)의 튜브측으로 유동하는 제2 유체는 냉각 매체일 수 있다.
제1 유체 및 상기 제2 유체는 통상적으로 순수한 역류 구성에 따라 접촉되지 않는다.
마지막으로, 열교환기(10)의 모든 실시예에는 구조적 지지부(62) 및 본 발명의 보호 범위에 포함되지 않은 맨홀 및 기구 노즐과 같은 다른 장비가 제공될 수 있다.
일 양태에 따라서, 본 발명은 원통형 기하형상을 가지며 양 측면에서 공통 튜브 시트(16)에 연결된 제1 압력 챔버(12) 및 제2 압력 챔버(14)를 포함하는 원통다관 열교환기(10)를 동작시키는 방법에 관련하며, 제1 압력 챔버(12)에는 적어도 유입 노즐(28) 및 적어도 유출 노즐(30)이 제공되며, 제2 압력 챔버(14)에는 적어도 제1 노즐(46) 및 적어도 제2 노즐(48)이 제공되며, 튜브 시트(16)는 튜브 다발에 연결되고, 튜브 다발은 제1 압력 챔버(12)에 수용되고 복수의 U 형상 교환 튜브(18)를 포함하고, 각각의 U 형상 교환 튜브(18)에는 제1 부분(18A) 및 제2 부분(18B)이 제공되며, 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A) 및 제2 부분(18B)은 U-굴곡부(20)에 의해 유압식으로 연결되고, 제1 압력 챔버(12)는 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 갖고 상기 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 내부 안내 재킷(24)을 포함하며, 상기 내부 안내 재킷(24)은 상기 제1 부분(18A)의 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 둘러싸고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 그 제1 단부(78)에서 제1 연결 수단(38)에 의해 튜브 시트(16)에 밀봉식으로 연결되고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 그 제2 단부(52)에서 개방되어 있으며, 방법은
- 제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐(28)을 통해 제1 유체를 유입시키는 단계,
- 제2 압력 챔버(14)의 제1 노즐(46) 또는 제2 노즐(48)을 통해 제2 유체를 유입시키는 단계,
- 제1 유체와 간접적으로 열 교환을 수행하기 위해 상기 복수의 U 형상 교환 튜브(18)를 통해 제2 유체를 유동시키는 단계,
- 제1 압력 챔버(12)의 유출 노즐(30)을 통해 제1 유체를 유출시키는 단계,
- 각각 제2 압력 챔버(14)의 제2 노즐(48) 또는 제1 노즐(46)을 통해 제2 유체를 유출시키는 단계를 포함하고,
이에 의해, 내부 안내 재킷(24)은 내부 안내 재킷(24) 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역을 생성하여 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 가로지른 제1 유체 유동을 방지하고 따라서 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)에서 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 방지하거나 감소시킨다.
본 방법의 원통다관 열교환기는 앞서 정의된 원통다관 열교환기일 수 있고 앞서 설명한 특징, 형태 및 실시예 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 안내 재킷(24)은 내부 안내 재킷(24)의 제1 단부(78)로부터 제2 단부(52)로 연장되는 비천공 인벨로프 표면(80)을 포함할 수 있다.
이 방법에서, 제1 유체는 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 일부를 가로질러 안내될 수 있다. 제1 유체는 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 제2 다리부(18B)의 적어도 일부를 가로질러 안내될 수 있다. 따라서, 제1 유체는 제1 유체가 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열의 일부가 교환되도록 안내될 수 있다. 제1 유체는 열의 적어도 일부를 제2 유체와 교환함으로써 제1 유체가 튜브 시트(16)를 향해 유동하는 지점에서 제1 압력 챔버(12) 내로 도입될 수 있다.
이 방법에서, 제1 압력 챔버(12), 즉, 열교환기(10)의 쉘측 내로 유동하는 제1 유체는 고온 매체일 수 있는 반면, 상기 제2 압력 챔버(14) 및 튜브 다발의 상기 U 형상 교환 튜브(18), 즉, 열교환기(10)의 튜브측으로 유동하는 제2 유체는 냉각 매체일 수 있다. 달리 말하면, 제1 압력 챔버(12)로의 제1 유체 유입은 고온 매체일 수 있는 반면, 제2 압력 챔버(14) 내로, 그리고, 튜브 다발의 상기 U 형상 교환 튜브(18)를 통해 유동하는 제2 유체 유입은 냉각 매체일 수 있다.
이 방법에서, 제1 유체 및 상기 제2 유체는 통상적으로 순수한 역류 구성에 따라 접촉되지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 원통다관 열교환기 및 원통다관 열교환기의 동작 방법은 앞서 개요설명된 목적을 달성한다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 안출된 본 발명의 방법뿐만 아니라 원통다관 열교환기는 어쨌든 다수의 변경 및 변형이 이루어질 수 있으며, 이들 모두가 동일한 발명의 개념 내에 속하며; 또한, 모든 세부 사항은 기술적으로 동등한 요소로 대체될 수 있다. 실제로, 사용된 재료뿐만 아니라 형상 및 크기는 기술 요구 사항에 따라 임의의 유형으로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (16)

  1. 원통형 기하형상을 가지며 양 측면에서 공통 튜브 시트(16)에 연결된 제1 압력 챔버(12) 및 제2 압력 챔버(14)를 포함하는 원통다관 열교환기(10)이며, 제1 압력 챔버(12)에는 제1 유체를 유입시키기 위한 적어도 유입 노즐(28) 및 제1 유체를 유출시키기 위한 적어도 유출 노즐(30)이 제공되고, 제2 압력 챔버(14)에는 제2 유체를 유입 또는 유출시키기 위한 적어도 제1 노즐(46) 및 제2 유체를 각각 유출 또는 유입시키기 위한 적어도 제2 노즐(48)이 제공되고, 튜브 시트(16)는 튜브 다발에 연결되고, 튜브 다발은 제1 압력 챔버(12)에 수용되고, 복수의 U 형상 교환 튜브(18)를 포함하고, 이를 통해 제2 유체가 유동하여 제1 유체와의 열 교환을 간접적으로 수행하고, 각각의 U 형상 교환 튜브(18)에는 제1 부분(18A) 및 제2 부분(18B)이 제공되며, 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A) 및 제2 부분(18B)은 U-굴곡부(20)에 의해 유압식으로 연결되는, 원통다관 열교환기(10)에 있어서,
    원통다관 열교환기(10)는 제1 압력 챔버(12)가 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 갖고 상기 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 내부 안내 재킷(24)을 포함하고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 상기 제1 부분(18A)의 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 둘러싸고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 그 제1 단부(78)에서 제1 연결 수단(38)에 의해 튜브 시트(16)에 밀봉식으로 연결되고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 그 제2 단부(52)에서 개방되어, 내부 안내 재킷(24) 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역을 생성하여 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 가로지른 제1 유체 유동을 방지하고, 따라서 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)에서 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 방지하거나 감소시키는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  2. 제1항에 있어서, 내부 안내 재킷(24)은 내부 안내 재킷(24)의 제1 단부(78)로부터 제2 단부(52)로 연장되는 비천공 인벨로프 표면(80)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원통다관 열교환기(10)는 쉘측에서의 튜브 다발에 대한 단일 패스 구성을 갖는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐(28)은 튜브 시트(16)로부터 거리를 두고 배열되어 제1 유체가 튜브 시트(16)와 접촉하기 전에 튜브 다발의 일부를 가로질러 안내되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 압력 챔버(12)는 또한 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 가지며 상기 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 외부 안내 재킷(22)을 포함하고, 상기 외부 안내 재킷(22)은 튜브 다발의 길이 부분과 내부 안내 재킷(24)의 길이 부분 모두를 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 외부 안내 재킷(22)과 상기 제1 압력 챔버(12)는 사이에 간극(32)을 형성하고, 상기 간극(32)은 제1 유체 유출 노즐(30)과 연통되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  7. 제6항에 있어서, 상기 외부 안내 재킷(22)은, 튜브 시트(16)로부터 멀어지는 방향을 향하는 그 제1 단부에서, 연결 도관(34)에 의해 제1 유체 유입 노즐(28)과 연통하는 반면, 상기 외부 안내 재킷(22)은, 튜브 시트(16)를 향하는 그 제2 단부에서, 상기 간극(32)과 연통하는 개구(36)를 갖는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  8. 제6항에 있어서, 상기 외부 안내 재킷(22)에는, 튜브 시트(16)로부터 멀어지는 방향을 향하는 그 제1 단부에서, 상기 간극(32)과 연통하는 제1 개구(54)가 제공되는 반면, 상기 외부 안내 재킷(22)은, 튜브 시트(16)를 향하는 그 제2 단부에서, 상기 간극(32)과 연통하는 제2 개구(36)를 가지며, 상기 외부 안내 재킷(22)은 상기 제1 개구(54)와 상기 제2 개구(36) 사이에 위치된 지점에서 연결 도관(34)에 의해 제1 유체 유입 노즐(28)과 연통하는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, U 형상 교환 튜브(18)의 U-굴곡부(20)는 제1 압력 챔버(12)에 수용된 말단 안내 재킷(56)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 상기 U-굴곡부(20)를 가로지른 제1 유체의 유동이 방지되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내부 안내 재킷(24)에는 그 표면의 적어도 일부에 절연층(58)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내부 안내 재킷(24)에는 서로 거리를 두고 배열된 제1 벽 및 제2 내부 벽(60)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 압력 챔버(14)에는 상기 제2 압력 챔버(14)를 제1 섹션(42) 및 제2 섹션(44)으로 분리하는 제2 압력 챔버 안내 재킷(40)이 제공되고, 상기 제2 압력 챔버 안내 재킷(40)은 제2 연결 수단(50)에 의해 튜브 시트(16)에 또는 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A) 또는 상기 제2 부분(18B) 중 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 섹션(42) 및 상기 제2 섹션(44)은 상기 제2 압력 챔버(14)에 동심으로 배열되고, 상기 제1 섹션(42)은 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)과 유체 연통하고, 상기 제2 섹션(44)은 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제2 부분(18B)과 연통하는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, U 형상 교환 튜브(18)는 동심형의 레이아웃을 갖고, 상기 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A)은 튜브 시트(16)의 원형 중심부(64)에 배열되고, 상기 U 형상 교환 튜브(18)의 제2 부분(18B)은 상기 원형 중심부(64)를 둘러싸는 상기 튜브 시트(16)의 원형 주연부(66)에 배열되는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원통다관 열교환기(10)는 튜브측에서의 2 패스 구성을 갖는 것을 특징으로 하는, 원통다관 열교환기(10).
  16. 원통형 기하형상을 가지며 양 측면에서 공통 튜브 시트(16)에 연결된 제1 압력 챔버(12) 및 제2 압력 챔버(14)를 포함하는 원통다관 열교환기(10)를 동작하는 방법이며, 제1 압력 챔버(12)에는 적어도 유입 노즐(28) 및 적어도 유출 노즐(30)이 제공되고, 제2 압력 챔버(14)에는 적어도 제1 노즐(46) 및 적어도 제2 노즐(48)이 제공되고, 튜브 시트(16)는 튜브 다발에 연결되고, 튜브 다발은 제1 압력 챔버(12)에 수용되고 복수의 U 형상 교환 튜브(18)를 포함하고, 각각의 U 형상 교환 튜브(18)에는 제1 부분(18A) 및 제2 부분(18B)이 제공되며, 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 제1 부분(18A) 및 제2 부분(18B)은 U-굴곡부(20)에 의해 유압식으로 연결되고, 제1 압력 챔버(12)는 원통형 또는 의사-원통형 기하형상을 갖고 상기 제1 압력 챔버(12)의 주 길이방향 축을 따라 연장되는 적어도 하나의 내부 안내 재킷(24)을 포함하며, 상기 내부 안내 재킷(24)은 상기 제1 부분(18A)의 각각의 길이의 적어도 일부에 대해 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 둘러싸고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 그 제1 단부(78)에서 제1 연결 수단(38)에 의해 튜브 시트(16)에 밀봉식으로 연결되고, 상기 내부 안내 재킷(24)은 그 제2 단부(52)에서 개방되어 있으며, 방법은
    - 제1 압력 챔버(12)의 유입 노즐(28)을 통해 제1 유체를 유입시키는 단계,
    - 제2 압력 챔버(14)의 제1 노즐(46) 또는 제2 노즐(48)을 통해 제2 유체를 유입시키는 단계,
    - 제1 유체와 간접적으로 열 교환을 수행하기 위해 상기 복수의 U 형상 교환 튜브(18)를 통해 제2 유체를 유동시키는 단계,
    - 제1 압력 챔버(12)의 유출 노즐(30)을 통해 제1 유체를 유출시키는 단계, 및
    - 각각 제2 압력 챔버(14)의 제2 노즐(48) 또는 제1 노즐(46)을 통해 제2 유체를 유출시키는 단계를 포함하고,
    이에 의해, 내부 안내 재킷(24)은 내부 안내 재킷(24) 내에 적어도 부분적으로 정체된 구역을 생성하여 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)을 가로지른 제1 유체 유동을 방지하고, 따라서 각각의 U 형상 교환 튜브(18)의 상기 제1 부분(18A)에서 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 방지하거나 감소시키는, 방법.
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