KR102514159B1 - Heat exchanger for a molten salt steam generator in a concentrated solar power plant (iii) - Google Patents

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Abstract

열교환기 (1) 로서, 평행 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들이 연결부를 통해, 제 1 반구형 보닛 (16) 이 제 1 직선형 섹션 (9) 의 튜브들 (2) 에 제 1 유체를 분배하는 제 1 단부에, 그리고 제 2 반구형 보닛 (16) 이 제 2 직선형 섹션 (10) 의 튜브들 (2) 로부터 제 1 유체를 수집하는 제 2 단부에 연결되고, 상기 연결부 각각은 인터셸 공간 (5) 내부의 제 2 유체 저압과 개별 보닛 (16) 내부의 제 1 유체 고압 사이의 차이를 견디도록 설계된 튜브 시트 (11, 12) 로 제조되고, 튜브 시트는 중심 원형 오리피스를 갖는 원형 플레이트 (12) 를 포함하고, 튜브 시트는, 제 1 유체와 제 2 유체를 물리적으로 분리하기 위해, 상기 오리피스 위에 위치되며 상기 원형 플레이트 (12) 에 단단히 연결된 반구형 셸 (11) 을 더 포함하는, 열교환기 (1).As heat exchanger (1), a bundle of parallel U-bent tubes (2) distributes the first fluid to the tubes (2) of the first straight section (9) through which the first hemispherical bonnet (16) connects. connected to a first end of which the second hemispherical bonnet 16 collects the first fluid from the tubes 2 of the second straight section 10, each of which connects to an intershell space ( 5) made of tubesheets (11, 12) designed to withstand the difference between the second fluid low pressure inside and the first fluid high pressure inside the individual bonnet 16, the tubesheets being circular plates 12 having a central circular orifice; ), wherein the tube sheet further comprises a hemispherical shell (11) positioned above the orifice and rigidly connected to the circular plate (12) for physically separating the first fluid and the second fluid ( One).

Figure R1020170178274
Figure R1020170178274

Description

집광형 태양열 발전소 (Ⅲ) 의 용융 염 증기 발생기용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR A MOLTEN SALT STEAM GENERATOR IN A CONCENTRATED SOLAR POWER PLANT (III)}HEAT EXCHANGER FOR A MOLTEN SALT STEAM GENERATOR IN A CONCENTRATED SOLAR POWER PLANT (III)}

본 발명은 열교환기, 특히 집광형 태양열 발전소 (CSP) 의 용융 염 증기 발생기 (MSSG) 와 같은 열 유체 증기 발생기에 사용되도록 의도된 위한 증발기, 과열기, 재가열기 및 이코노마이저와 같은 열교환기의 분야에 관한 것이다.The present invention relates to the field of heat exchangers, such as evaporators, superheaters, reheaters and economizers intended for use in heat exchangers, in particular in thermal fluid steam generators such as molten salt steam generators (MSSG) in concentrating solar power plants (CSP). will be.

CSP 타워 설비는 일반적으로 중앙 타워의 정점에 위치된 하나 이상의 태양열 수신기를 포함하는 것으로 알려져 있다. 이러한 태양열 수신기는 집중된 입사 태양 광선에 의해 가열되고, 터빈을 구동하고 전기를 생산할 수 있는 고압 증기를 생산하기 위해 더 사용될 고온 유체를 생성한다.It is known that CSP tower installations generally include one or more solar receivers located at the apex of a central tower. These solar receivers are heated by the focused incident solar rays and produce a hot fluid that is further used to produce high-pressure steam that can drive a turbine and produce electricity.

더 구체적으로, CSP 타워 설비는 주요 구성 요소로서 적어도 헬리오스탯 솔라 필드, 타워 정상부에 설치된 태양열 수신기, 증기 발생기, 증기 터빈 및 저장 시스템을 갖는다. 용융 염 기술에서, 용융 염은 전형적으로 태양열 수용기에서 565 ℃ 로 가열되고, 고온 저장 탱크에 저장된다. 전기 생산이 요구되는 때, 고온 염이 고온 탱크로부터 용융 염 증기 발생기 (MSSG) 로 유동하여, 증기 터빈에 주입될 증기를 발생시킨다.More specifically, a CSP tower installation has at least a heliostat solar field, a solar receiver installed on the top of the tower, a steam generator, a steam turbine and a storage system as major components. In molten salt technology, molten salt is typically heated to 565° C. in a solar receiver and stored in a hot storage tank. When electricity production is required, hot salt flows from a hot tank to a molten salt steam generator (MSSG), generating steam to be injected into a steam turbine.

도 1 은 MSSG 를 위한 전형적인 이른바 열교환기 트레인의 구성요소를 도식적으로 보여준다. 고온 용융 염은 입구 (100) 로부터 재가열기 (101) (또는 재가열기를 갖는 또는 갖지 않는 예열기) 및 과열기 (104) 를 통해 유동하여 증발기 (102) 에 진입한다. 그 후, 고온 염은 증발기 (102) 의 출구로부터 이코노마이저 (103) 로 그리고 출구 (105) 로 유동한다.1 schematically shows the components of a typical so-called heat exchanger train for an MSSG. Hot molten salt flows from inlet 100 through reheater 101 (or preheater with or without reheater) and superheater 104 to enter evaporator 102. The hot salt then flows from the outlet of the evaporator 102 to the economizer 103 and to the outlet 105 .

이른바 "셸 및 튜브" 열교환기는 선행 기술에서 고압 적용에 적합한 열교환기 디자인을 지칭한다. 이러한 타입의 열교환기는 내부에 "번들 (bundle)" 로 불리는 한 세트의 튜브를 갖는 "셸" 로 불리는 대형 압력 용기로 구성된다. 제 2 유체로부터 제 1 유체로 또는 그 반대로 열을 전달할 목적으로 (제 1 유체와 제 2 유체는 상이한 온도를 가짐), 제 1 유체는 튜브를 통해 흐르는 한편, 제 2 유체는 튜브 위의 셸 내부에서 유동한다.The so-called "shell and tube" heat exchanger refers in the prior art to a heat exchanger design suitable for high pressure applications. This type of heat exchanger consists of a large pressure vessel called a "shell" having inside a set of tubes called a "bundle". For the purpose of transferring heat from the second fluid to the first fluid and vice versa (the first and second fluids have different temperatures), the first fluid flows through the tube while the second fluid flows inside the shell above the tube. flow in

셸 및 튜브 디자인에는 많은 변형이 존재한다. 일례로서, 도 2 는 직선형 튜브 열교환기 (2 패스 튜브-측) 를 개략적으로 도시한다. 각 튜브 (21) 의 단부들은 '튜브 시트들' (27) 로 불리는 분리 플레이트에 제공된 구멍들을 통해 워터 박스들 또는 플리넘들 (29) 에 연결된다. 튜브들 (21) 은 도 2 에 도시된 바와 같이 직선형이거나 "U" 자로 굽혀질 수도 있다 (U-튜브).Many variations exist in shell and tube designs. As an example, Fig. 2 schematically shows a straight tube heat exchanger (two-pass tube-side). The ends of each tube 21 are connected to water boxes or plenums 29 through holes provided in the separator plate called 'tube sheets' 27 . The tubes 21 may be straight as shown in FIG. 2 or bent in a “U” shape (U-tube).

두 유체 사이의 개선된 열교환을 제공하기 위해, 제 2 유체의 유동 경로는 개별 통로를 형성하는 중간 배플 (28) 에 의해 종종 결정되어서, 제 2 유체 유동은 한 통로에서 다음 통로로 진행할 때 그 방향이 달라진다. 배플은 보통 제 2 유체의 지그재그 유동을 제공하기 위해 셸 (22) 의 길이방향 축선에 수직으로 설치되는 부분 원형 세그먼트 또는 환형 링 및 디스크의 형태이다.To provide improved heat exchange between the two fluids, the flow path of the second fluid is often determined by an intermediate baffle 28 forming a separate passage, so that the second fluid flow moves in that direction as it proceeds from one passage to the next. this changes The baffle is usually in the form of a partial circular segment or annular ring and disk installed perpendicular to the longitudinal axis of the shell 22 to provide a zigzag flow of the secondary fluid.

도 3 에 도시된, 상기 디자인의 종래 기술의 대안은, 수평 헤어핀 열교환기이다. 헤어핀 열교환기 (1) 는 U-튜브의 직선형 부분을 포함하는 2 개의 셸 (22) 을 갖는다. 헤어핀의 헤드는 튜브의 180°U-벤트 부분을 포함한다. 이 헤어핀 디자인의 이점은 다음과 같다:A prior art alternative of this design, shown in Figure 3, is a horizontal hairpin heat exchanger. The hairpin heat exchanger 1 has two shells 22 comprising straight sections of U-tubes. The head of the hairpin includes a 180° U-bent portion of the tube. The advantages of this hairpin design are:

- 열팽창이 본질적으로 헤어핀 디자인에 의해 관리되므로, 조인트 확장 시스템이 불필요함; - no joint expansion system is required, as thermal expansion is essentially managed by the hairpin design;

- 직선형 튜브 및 교환기의 수평 위치로 인해 열교환기의 배수 및 벤팅이 더 용이함.- Draining and venting of the heat exchanger is easier due to the straight tubes and the horizontal position of the exchanger.

증기 발생기의 다른 개념은 이미 알려져 있다. 이러한 상이한 개념들의 합성이 Sandia 보고서 93-7084 "열 저장 및 증기 발생기 이슈의 조사, Bechtel Corporation" 에 보고되어 있으며, 그 보고서에는 기존 증기 발생기의 장점 및 단점이 열거되어 있다.Other concepts of steam generators are already known. A synthesis of these different concepts is reported in Sandia report 93-7084 "Investigation of Heat Storage and Steam Generator Issues, Bechtel Corporation", which lists the advantages and disadvantages of existing steam generators.

열교환기의 열전달 효율을 개선하기 위해, 셸에 장착된 배플이 유체를 나선형 경로로 안내하기 위한 특정 형상을 가질 수 있다는 것이 1920 년대 이후로 알려져 있다. 더욱이, 연속 나선형 배플의 경우, 동일한 셸측 압력 강하에 대해 종래의 세그먼트형 배플에 비해 열전달률이 약 10% 증가한다 (J. Heat Transfer (2007), Vol. 129(10), 1425-1431). 이러한 패턴은 세그먼트형 배플에서 발생하는 누설 스트림을 감소시키고 열전달 계수를 크게 증가시키는 것을 허용한다 (J. Heat Transfer (2010), Vol. 132(10), 101801). 또한, 유동 층화 및 정체 구역이 (계산에 따라) 회피되어, 완전한 배수가 허용되고 파울링 민감성이 감소한다 (더 낮은 파울링 저항 및 더 낮은 열전달 영역).It has been known since the 1920's that in order to improve the heat transfer efficiency of a heat exchanger, shell-mounted baffles may have a specific shape for guiding the fluid in a helical path. Moreover, in the case of a continuous spiral baffle, the heat transfer rate increases by about 10% compared to a conventional segmented baffle for the same shell-side pressure drop (J. Heat Transfer (2007), Vol. 129(10), 1425-1431). This pattern reduces the leakage stream from the segmented baffle and allows for a significant increase in the heat transfer coefficient (J. Heat Transfer (2010), Vol. 132(10), 101801). In addition, fluid stratification and stagnant zones are avoided (according to calculations), allowing full drainage and reducing fouling susceptibility (lower fouling resistance and lower heat transfer area).

문헌 WO 2009/148822 는, 배플이 입구 및 출구에 각각 근접한 때에 상이한 나선각을 갖는 나선형 유동 패턴으로 유체를 안내하기 위해 셸에 장착된 배플을 개시한다. 문헌 US 2,384,714, US 2,693,942, US 3,400,758, US 4,493,368 및 WO 2005/019758 각각은 유체의 나선형 유동 패턴을 제공한다는 동일한 목적을 갖고 각각 상이한 종류의 배플을 개시한다. 문헌 US 1,782,409 는 연속 나선형 배플을 개시한다.Document WO 2009/148822 discloses a shell-mounted baffle for guiding a fluid in a helical flow pattern with different helix angles when the baffle is proximal to the inlet and outlet, respectively. Documents US 2,384,714, US 2,693,942, US 3,400,758, US 4,493,368 and WO 2005/019758 each disclose a different kind of baffle, each with the same objective of providing a helical flow pattern of a fluid. Document US 1,782,409 discloses a continuous spiral baffle.

문헌 GB 2 020 793 A 는 2 개의 고정 튜브 플레이트들, 상부 튜브 플레이트와 하부 튜브 플레이트를 갖는 대향류 열교환기, 특히 증기 발생기를 개시하며, 튜브 플레이트들은 평행한 동축 관계로 서로 마주보게 배치되고 상이한 평균 직경의 보어드 (bored) 영역을 갖고, 상기 상부 및 하부 튜브 플레이트 사이에 튜브들의 네스트 (nest) 가 연장되고, 튜브들은 튜브 플레이트들에 연결되고 실질적으로 극 대칭 배치로 분포되고 일 단부에 S형 굽힘 부분을 가지며, 튜브 네스트의 직선형 부분은 튜브 플레이트들에 부착된 외부 슈라우드와 내부 재킷 사이에 규정되는 환형 공간 내에 실질적으로 균일한 분포로 둘러싸이는 열전달 구역을 실질적으로 포함한다. 사용시 액체 나트륨과 같은 가열 유체가 환형 공간을 통과하여 튜브에서 흐르는 유체를 가열한다.Document GB 2 020 793 A discloses a counter flow heat exchanger, in particular a steam generator, having two stationary tube plates, an upper tube plate and a lower tube plate, the tube plates arranged opposite each other in parallel coaxial relation and with different mean A nest of tubes extends between the upper and lower tube plates, the tubes being connected to the tube plates and distributed in a substantially polar symmetrical arrangement and having an S shape at one end. Having a bent portion, the straight portion of the tube nest substantially includes a heat transfer zone surrounded by a substantially uniform distribution within an annular space defined between the inner jacket and the outer shroud attached to the tube plates. In use, a heating fluid, such as liquid sodium, passes through the annular space to heat the fluid flowing in the tube.

현재의 해결책은 예를 들어 열 구배 유연성, 효율 (압력 강하, 열전달 계수), 배수성, 자연 순환, 부식과 누설의 부존재 등의 측면에서 만족스럽지 않고, 새롭게 설계된 증기 발생기 및/또는 그의 개별 열교환기는 다음과 같은 기술적 요구사항을 충족시켜야 한다:Current solutions are unsatisfactory in terms of e.g. thermal gradient flexibility, efficiency (pressure drop, heat transfer coefficient), drainage, natural circulation, absence of corrosion and leaks, etc., a newly designed steam generator and/or its individual heat exchanger is Must meet technical requirements such as:

- 내부 누설 및 바이패스 스트림을 줄임으로써 개선된 열효율;- improved thermal efficiency by reducing internal leakage and bypass stream;

- 국부적인 스트림 장애를 줄임으로써 개선된 압력 강하;- improved pressure drop by reducing localized stream obstruction;

- 개선된 램프-업 능력;- improved ramp-up capability;

- 개선된 신뢰도;- improved reliability;

- 개선된 파울링 거동 등.- Improved fouling behavior, etc.

또한, 빠른 시동은 일반적으로 특히 튜브들과 튜브 시트 사이의 연결부에서 누출을 초래한다.Also, fast start-up generally results in leaks, particularly at the joints between the tubes and the tubesheet.

본 발명은 증기 발생기를 위한 종래 기술의 열교환기의 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to overcome the disadvantages of prior art heat exchangers for steam generators.

특히, 본 발명은 더 낮은 압력 강하, 더 낮은 내부 누설 (바이패스), 개선된 열전달 계수, 더 낮은 파울 경향, 용이하게 배출가능한 용융 염, 자연 순환 (즉, 순환 펌프가 없음), 긴 수명 및 경쟁력있는 비용을 초래하는 최적화된 유체역학적 염 유동 덕분에 개선된 효율뿐만 아니라 열 구배의 측면에서 높은 유연성을 보이는 감소된 크기의 열교환기를 획득하는 것을 목적으로 한다.In particular, the present invention provides lower pressure drop, lower internal leakage (bypass), improved heat transfer coefficient, lower fouling tendency, easily drainable molten salt, natural circulation (i.e. no circulation pump), long life and The aim is to obtain a heat exchanger of reduced size that exhibits high flexibility in terms of the heat gradient as well as improved efficiency thanks to an optimized hydrodynamic salt flow resulting in a competitive cost.

본 발명의 제 1 양태는, 제 1 직선형 섹션, 제 2 직선형 섹션, 및 제 1 직선형 섹션과 제 2 직선형 섹션을 링크하는 벤트 섹션 또는 엘보우를 구비하는 열교환기로서, 각각의 직선형 섹션은 내부 원통형 셸의 및 외부 원통형 셸의 일부를 포함하고, 쌍방의 원통형 셸은 열교환기의 제 1 직선형 섹션 및 제 2 직선형 섹션 내에 각각 위치된 제 1 및 제 2 직선형 부분, 및 열교환기의 벤트 섹션 또는 엘보우 내에 위치된 180°-벤트 부분을 각각 구비하는 평행한 U-벤트 튜브들의 번들을 둘러싸는 인터셸 공간을 형성하도록 협력작동하여서, 사용 시, 가열 및 증발될 제 1 유체가 상기 U-벤트 튜브들 내에서 흐르고, 외부 원통형 셸은 고온 열 유체인 제 2 유체를 위해 일 단부에 입구를 그리고 타 단부에 출구를 각각 구비하여서, 사용 시, 제 2 유체는 인터셸 공간 내에서 환형 유로를 따라 흐르고 U-벤트 튜브들 내에서 흐르는 제 1 유체와 열을 교환함으로써 냉각되고, 인터셸 공간은 제 2 유체를 안내하는 배플들을 또한 둘러싸고, 평행한 U-벤트 튜브들의 번들은, 제 1 반구형 보닛이 제 1 유체를 제 1 직선형 섹션의 튜브들로 분배하는 제 1 단부에, 그리고 제 2 반구형 보닛이 제 2 직선형 섹션의 튜브들로부터 액체, 베이퍼 (vapor), 또는 액체/베이퍼 혼합물의 형태로 제 1 유체를 수집하는 제 2 단부에 연결부를 통해 연결되고, 각각의 연결부는 인터셸 공간 내부의 제 2 유체 저압과 개별 보닛 내부의 제 1 유체 고압 사이의 차를 견디도록 설계된 튜브 시트로 제조되고, 튜브 시트는 중심 원형 오리피스를 구비하는 원형 플레이트를 포함하고, 튜브 시트는, 제 1 유체와 제 2 유체를 물리적으로 분리하기 위해, 오리피스 위에 위치되며 원형 플레이트에 단단히 연결된 반구형 셸을 더 포함하는, 열교환기에 관한 것이다.A first aspect of the present invention is a heat exchanger having a first straight section, a second straight section, and a bent section or elbow linking the first and second straight sections, each straight section comprising an inner cylindrical shell and portions of an outer cylindrical shell of the heat exchanger, wherein both cylindrical shells have first and second straight portions respectively located within the first straight section and the second straight section of the heat exchanger, and located within a vent section or elbow of the heat exchanger. working in concert to form an intershell space surrounding a bundle of parallel U-Bent tubes, each having a 180°-bent section, so that, in use, a first fluid to be heated and evaporated flows within the U-Bent tubes. The outer cylindrical shell has an inlet at one end and an outlet at the other end for a second fluid, which is a high-temperature thermal fluid, so that when in use, the second fluid flows along an annular flow path within the intershell space and forms a U-vent Cooled by exchanging heat with a first fluid flowing in the tubes, the intershell space also surrounds baffles that guide the second fluid, and a bundle of parallel U-vent tubes, a first hemispherical bonnet to receive the first fluid. At a first end distributing to tubes of a first straight section, and a second hemispherical bonnet collects a first fluid in the form of a liquid, vapor, or liquid/vapor mixture from the tubes of a second straight section. Connected to the second end through joints, each joint being made of a tube sheet designed to withstand the difference between the second fluid low pressure inside the intershell space and the first fluid high pressure inside the individual bonnet, the tube sheet being a central circular A heat exchanger comprising a circular plate having an orifice, wherein the tube sheet further comprises a hemispherical shell positioned over the orifice and rigidly connected to the circular plate for physically separating a first fluid from a second fluid.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 헤어핀 열교환기는 다음 특징들 중의 하나 또는 그의 적절한 조합을 또한 포함한다:According to a preferred embodiment of the present invention, the hairpin heat exchanger also includes one or a suitable combination of the following features:

- 원형 플레이트의 두께가 동일한 압력 차를 견디기 위해 ASME 표준에 의해 권고된 두께보다 더 크고; - the thickness of the circular plate is greater than that recommended by ASME standards to withstand the same pressure differential;

- 보닛과 튜브 시트 원형 플레이트 사이의 계면이 본질적으로 편평하고, 반구형 셸은 열교환기의 내부를 향해 배향되고 내부 원통형 셸의 내측에 위치되고; - the interface between the bonnet and the tube sheet circular plate is essentially flat, the hemispherical shell being oriented towards the inside of the heat exchanger and located inside the inner cylindrical shell;

- 반구형 셸의 두께가 튜브 시트 플레이트의 두께의 20% 내지 40% 이고; - the thickness of the hemispherical shell is between 20% and 40% of the thickness of the tube sheet plate;

- 상기 제 1 직선형 섹션 및 상기 제 2 직선형 섹션은 상기 엘보우에 의해 링크된 별개 인클로저들로 구성되어서, 헤어핀 열교환기 셸을 형성하고; - said first straight section and said second straight section consist of separate enclosures linked by said elbow, forming a hairpin heat exchanger shell;

- 상기 제 1 직선형 섹션, 상기 제 2 직선형 섹션 및 상기 벤트 섹션 또는 엘보우는 평행한 U-벤트 튜브들의 번들을 둘러싸는 하나의 단일 인클로저 또는 셸로 구성되고, 제 1 반구형 보닛 및 제 2 반구형 보닛이 일치하고; - the first straight section, the second straight section and the bent section or elbow consist of one single enclosure or shell enclosing a bundle of parallel U-bent tubes, the first hemispherical bonnet and the second hemispherical bonnet coincident do;

- 열교환기는 수평형이고, 그 안에서 제 1 유체의 유동에 대한 제 2 유체의 유동이 병류 (co-current) 또는 대향류이고; - the heat exchanger is of a horizontal type, in which the flow of the second fluid relative to the flow of the first fluid is co-current or countercurrent;

- 상기 제 1 유체는 공급수 (feedwater) 또는 초임계 이산화탄소를 포함하는 유체이고; - the first fluid is feedwater or a fluid comprising supercritical carbon dioxide;

- 상기 제 2 유체는 용융 염 또는 용융 염들의 혼합물, 열유 (thermal oil) 또는 액체 나트륨이고; - the second fluid is molten salt or a mixture of molten salts, thermal oil or liquid sodium;

- 배플들은 연속 나선형 배플의 형태이고; - the baffles are in the form of continuous spiral baffles;

- 배플들은 내부 원통형 셸에 조립, 바람직하게는 용접 또는 볼트체결되고; - the baffles are assembled, preferably welded or bolted, to the inner cylindrical shell;

- 외부 원통형 셸과 배플들 사이에 밀봉 수단이 제공되고; - sealing means are provided between the outer cylindrical shell and the baffles;

- 열교환기는 열 유체 입구로부터 열교환기에 제 2 유체를 균일하게 공급하기 위해 분배 재킷을 구비하고; - the heat exchanger is provided with a distribution jacket for uniformly supplying the second fluid from the thermal fluid inlet to the heat exchanger;

- 분배 재킷은 그의 내면에 걸쳐 360°에 분포된 복수의 개구들을 갖고, 개구들은 바람직하게는 제 2 유체를 나선형 배플의 제 1 턴에 공급한다.- the distribution jacket has a plurality of apertures distributed 360° over its inner surface, the apertures preferably supplying the second fluid to the first turn of the spiral baffle.

본 발명의 제 2 양태는 전술한 바와 같은 열교환기로 제조된 증발기에 관한 것이다.A second aspect of the present invention relates to an evaporator made of the heat exchanger as described above.

본 발명의 제 3 양태는 전술한 바와 같은 열교환기로 제조된 과열기에 관한 것이다.A third aspect of the present invention relates to a superheater made of the heat exchanger as described above.

본 발명의 제 4 양태는 전술한 바와 같은 열교환기로 제조된 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기에 관한 것이다.A fourth aspect of the invention relates to a reheater and/or economizer and/or preheater made of the heat exchanger as described above.

본 발명의 제 5 양태는 전술한 바와 같이 증발기, 과열기, 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기로 제조된 적어도 하나의 열교환기 트레인을 포함하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG) 에 관한 것이다. 유리하게는, 과열기, 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기는 대향류로 운전되는 한편, 증발기는 병류로 운전된다.A fifth aspect of the invention relates to a molten salt steam generator (MSSG) comprising at least one heat exchanger train made of an evaporator, superheater, reheater and/or economizer and/or preheater as described above. Advantageously, the superheater, reheater and/or economizer and/or preheater are operated counter-flow while the evaporator is operated co-current.

계속하여 본 발명의 범위 내에서, 용융 염 증기 발생기는 관류형 또는 강제 순환 증기 발생기이다.Still within the scope of the present invention, the molten salt steam generator is a once-through or forced circulation steam generator.

도 1 은 용융 염 증기 발생기를 위한 전형적인 열교환기 트레인의 구성요소를 도식적으로 나타낸다.
도 2 는 종래 기술에 따른 "셸-앤드-튜브" 직선형 튜브 열교환기의 실시형태를 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 종래 기술의 수평 헤어핀 발생기의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b 는 각각 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 제 1 실시형태의 평면도 및 정면도이다.
도 5a 및 도 5b 는 각각 도 4 의 실시형태에 따른 열교환기의 대응 단면도이다.
도 6a 및 도 6b 는 각각 열교환기의 지지 시스템을 갖는 도 5 에 대응하는 도면이다.
도 7 은 특정 튜브 시트에 초점을 맞춘, 본 발명에 따른 하나의 교환기 단부의 길이방향 단면 상세도이다.
도 8a 및 도 8b 는 각각 상기한 특정 튜브 시트의 사시도 및 단면도이다.
도 9 는 U-튜브 디자인을 갖는 증발기를 보여주는 본 발명의 제 2 실시형태에 대한 컷어웨이 3D 도면이다.
도 10a 및 도 10b 는 종래 기술에 따른 튜브 시트 (A) 및 본 발명의 특정 튜브 시트 (B) 에 대한 각각의 서모그래피 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
1 schematically shows the components of a typical heat exchanger train for a molten salt steam generator.
Figure 2 schematically shows an embodiment of a "shell-and-tube" straight tube heat exchanger according to the prior art.
3 is a perspective view of a prior art horizontal hairpin generator;
4a and 4b are plan and front views, respectively, of a first preferred embodiment of a heat exchanger according to the present invention.
5A and 5B are corresponding sectional views of a heat exchanger according to the embodiment of FIG. 4, respectively.
6a and 6b are views corresponding to FIG. 5 each with a support system of the heat exchanger.
7 is a longitudinal cross-sectional detail view of one exchanger end according to the present invention, with focus on a particular tube sheet.
8A and 8B are perspective and sectional views, respectively, of the particular tube sheet described above.
9 is a cutaway 3D view of a second embodiment of the present invention showing an evaporator having a U-tube design.
10A and 10B show respective thermography simulation data for a tube sheet (A) according to the prior art and a specific tube sheet (B) of the present invention.

본 발명의 제 1 바람직한 실시형태는, 도 4 내지 도 9 에 도시된 바와 같이, 수평 헤어핀 열교환기 (1) 에 대한 신규 디자인에 관한 것이다.A first preferred embodiment of the present invention relates to a novel design for a horizontal hairpin heat exchanger 1, as shown in FIGS. 4 to 9 .

열교환기는 두 유체 사이의 왕복 운동을 갖는다. 일반적으로 물과 수증기의 혼합물인 제 1 유체가 헤어핀의 제 1 직선형 부분에 위치된 평행한 수평 직선형 튜브 섹션들 (2) 의 제 1 번들을 통해 그리고 헤어핀의 제 2 직선형 부분에 위치된 평행한 수평 직선형 튜브 섹션들 (2) 의 제 2 번들을 통해 순환한다. 제 1 번들의 튜브들 (2) 은 엘보우 (32) 또는 헤어핀의 헤드에 위치된 180°벤트 튜브 섹션에 의해 제 2 번들의 튜브들 (2) 에 연결되어, U-벤트 튜브 섹션들을 형성한다.The heat exchanger has reciprocating motion between the two fluids. A first fluid, generally a mixture of water and steam, is passed through a first bundle of parallel horizontal straight tube sections 2 located at a first straight part of the hairpin and at a second straight part of the hairpin. Circulates through a second bundle of straight tube sections (2). The tubes 2 of the first bundle are connected to the tubes 2 of the second bundle by a 180° bent tube section located at the head of an elbow 32 or hairpin, forming U-bent tube sections.

초임계 이산화탄소가 본 발명에서 사용 가능한 대체 제 1 유체의 예이다.Supercritical carbon dioxide is an example of an alternative first fluid that can be used in the present invention.

이 실시형태에 따르면, 각각의 직선형 부분에서 튜브들 (2) 의 번들은, 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같이, 내부 원통형 셸 (3) 과 외부 원통형 셸 (4) 사이에 위치된다.According to this embodiment, a bundle of tubes 2 in each straight section is located between the inner cylindrical shell 3 and the outer cylindrical shell 4, as shown in FIGS. 5 and 6 .

2 개의 셸 (3, 4) 에 의해 한정된 내부 공간 (5) 은 열원, 바람직하게는 제 2 유체를 환형 유로 내에 유지시킬 수 있게 한다. 이 제 2 유체는 열 유체, 예를 들어 CSP 타워 설비의 정점에서 태양열 수신기에 의해 가열된 용융 염(들)이다. 열 유체는 튜브들 (2) 의 번들(들) 과 접촉하여 유동함으로써, 튜브들 (2) 을 통해 흐르는 평행-유동 제 1 유체에 열을 전달할 것이다. 제 1 유체 및 제 2 유체는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 병류 또는 대향류일 수 있다. 유사하게, 열원 또는 제 2 유체는 물, 열유, 액체 나트륨, 유동층 (fluidized bed) 등과 같은 임의의 열 유체일 수 있다.The inner space 5 defined by the two shells 3, 4 makes it possible to keep a heat source, preferably a second fluid, within the annular flow path. This second fluid is a thermal fluid, for example molten salt(s) heated by a solar receiver at the apex of a CSP tower installation. The thermal fluid will flow in contact with the bundle(s) of tubes (2), thereby transferring heat to the parallel-flowing first fluid flowing through the tubes (2). The first fluid and the second fluid may be co-current or counter-current without departing from the scope of the present invention. Similarly, the heat source or second fluid may be any thermal fluid such as water, thermal oil, liquid sodium, fluidized bed, or the like.

도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 분배 재킷 (30) 에는 열교환기 (1) 의 일 단부에 입구 노즐 (6), 각각 출구 노즐 (6) 이 제공되고, 이를 통해 열 유체가 열교환기 (1) 에 진입하거나 열교환기에서 나온다. 유사하게, 냉각된 열 유체를 배출하거나 고온 유체를 수용하기 위해 열교환기 (1) 의 타 단부에서 제 2 분배 재킷 (30) 에 출구 노즐 (7), 각각 입구 노즐 (7) 이 제공된다.As shown in FIG. 4, the first distribution jacket 30 is provided with an inlet nozzle 6, respectively, an outlet nozzle 6 at one end of the heat exchanger 1, through which the thermal fluid flows into the heat exchanger 1 ) enters or exits the heat exchanger. Similarly, an outlet nozzle 7, respectively an inlet nozzle 7, is provided in the second distribution jacket 30 at the other end of the heat exchanger 1 to discharge the cooled thermic fluid or to receive the hot fluid.

유리하게는, 열 유체는 열교환기의 입구 노즐에 위치된 분배 재킷 (30) 덕분에 360°(입구, 순환, 유체 온도) 에서 셸 상에 균일하게 분포된다.Advantageously, the thermal fluid is evenly distributed over the shell over 360° (inlet, circulation, fluid temperature) thanks to the distribution jacket 30 located at the inlet nozzle of the heat exchanger.

열전달의 효율을 향상시키기 위해, 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같이, 공간 (5) 은 헤어핀 교환기의 직선형 부분에 열 유체의 유동을 안내할 수 있는 밀폐된 연속 나선형 배플 (8) 을 구비한다. 그러면, 열 유체는 환형 유로에 따라 내부 셸과 외부 셸 사이에서 열교환기, 예를 들어 자연 순환하에서 작동하는 증발기 내에서 나선형으로 유동한다. 연속 나선형 배플 구성은 제 2 유체의 완만한 유동을 보장하여, 유동에 수직한 배플을 갖는 교환기에서와 같이 급격한 방향 변화 또는 데드 존을 방지한다. 이러한 방식에서, 종래의 세그먼트 배플 (위 참조) 을 갖는 교환기에 비해 열전달율은 크게 증가되고 압력 강하는 크게 저하된다.In order to improve the efficiency of heat transfer, as shown in Figs. 5 and 6, the space 5 is equipped with a closed continuous spiral baffle 8 capable of guiding the flow of thermal fluid to the straight part of the hairpin exchanger. . The thermal fluid then flows spirally between the inner shell and the outer shell according to an annular flow path in a heat exchanger, for example an evaporator operating under natural circulation. The continuous helical baffle configuration ensures a gentle flow of the secondary fluid, avoiding sudden direction changes or dead zones, such as in exchangers with baffles perpendicular to the flow. In this way, the heat transfer rate is greatly increased and the pressure drop is greatly lowered compared to exchangers with conventional segmented baffles (see above).

일 실시형태에 따르면, 내부 원통형 셸 (3) 및 배플들 (8) 은 함께 용접되거나 볼트체결될 수 있다. 또한, 기생 (parasitic) 스트림을 방지하기 위해 외부 셸 (4) 과 배플들 (8) 사이에 밀봉 수단이 제공될 수 있다.According to one embodiment, the inner cylindrical shell 3 and the baffles 8 can be welded or bolted together. Sealing means may also be provided between the outer shell 4 and the baffles 8 to prevent parasitic streams.

유익하게는 나선형 배플은 배플과 튜브 사이에서 가능한 최소 간극을 갖기 위해 혁신적인 해결책 (밀봉 디바이스 및 제조, 도시되지 않음) 을 사용하여 설계된다. 이는 배플들 사이 그리고 튜브들을 통한 바이패스를 억제하거나 적어도 강하게 감소시킬 수 있다.Advantageously the spiral baffle is designed using an innovative solution (sealing device and manufacturing, not shown) to have the smallest possible clearance between the baffle and the tube. This can suppress or at least strongly reduce the bypass between the baffles and through the tubes.

계속해서 본 발명에 따르면, 도 7 에 도시된 바와 같이, 헤어핀 교환기 직선형 부분의 각각의 외부 단부에서는, 평행한 직선형 튜브들 (2) 의 환형 번들이 특정 튜브 시트 (11, 12) 를 통해 고압 유체 (증기/수증기) 를 함유하는 (반)구형 보닛 (16) 에 연결된다. 특정 튜브 시트 (11, 12) 는 다음의 특징을 갖는다:Continuing according to the present invention, as shown in FIG. 7 , at each outer end of the straight section of the hairpin exchanger, an annular bundle of parallel straight tubes 2 is passed through a particular tube sheet 11 , 12 to a high pressure fluid It is connected to the (half) spherical bonnet 16 containing (steam/steam). Certain tube sheets 11, 12 have the following characteristics:

- 튜브 시트 플레이트 (12) 자체는 그 중심이 비어 있고, 오리피스가 내부에 기계가공되고 튜브 (2) 가 없는 열교환기 직선형 부분의 연장에 대응하고;- the tube sheet plate 12 itself is hollow in its center, with orifices machined therein and corresponding to the extension of the straight section of the heat exchanger without the tubes 2;

- 열교환기 직선형 부분의 용융 염 저압 구역 (13) 과 고압 물/증기 보닛 구역 (15) 사이의 물리적인 단단한 분리 (직사각형 프레임 참조) 가 상기 오리피스 위의 튜브 시트 플레이트 (12) 에 용접되거나 단단히 연결된 구면 헤드 (11) 에 의해 보장되고;- physically rigid separation (see rectangular frame) between the molten salt low pressure zone (13) and the high pressure water/steam bonnet zone (15) of the straight part of the heat exchanger welded or rigidly connected to the tube sheet plate (12) above the orifice secured by the spherical head 11;

- 튜브 시트 플레이트 (12) 는 ASME (American Society of Mechanical Engineers) 코드의 권고에 따른 종래 기술에서의 보통의 설계에서보다 더 두껍다.- The tube sheet plate 12 is thicker than in common designs in the prior art according to the recommendations of the ASME (American Society of Mechanical Engineers) code.

상기 특징에 따르면, 열교환기 구성요소들은 열교환기가 다음과 같이 작동하도록 협력작동한다:According to the above features, the heat exchanger components work cooperatively so that the heat exchanger operates as follows:

- 구형 보닛 (16) 은 튜브 시트 (12) 를 향해 제 1 유체 (물/증기 등) 를 분배하고; 보닛의 구형 형상은 더 얇은 보닛을 설계할 수 있게 하며; - the spherical bonnet 16 distributes the first fluid (water/steam etc.) towards the tubesheet 12; The spherical shape of the bonnet makes it possible to design a thinner bonnet;

- 튜브 시트 (12) 는 열교환기의 입구에서 튜브 번들 (2) 을 향해 그리고 열교환기의 출구에서 튜브 번들로부터 제 1 유체를 분배하고; - the tube sheet 12 distributes the first fluid towards the tube bundle 2 at the inlet of the heat exchanger and from the tube bundle at the outlet of the heat exchanger;

- (제 2 유체의) 환형 염 유동 하강은 셸-앤드-튜브 구성의 연속 나선형 배플들 (8) 에 의해 개선되고, U-튜브 디자인 (14) 은 튜브의 시차 열 팽창 (differential thermal expansion) 을 관리할 수 있게 한다.- the annular salt flow down (of the second fluid) is improved by continuous spiral baffles (8) of shell-and-tube configuration, and the U-tube design (14) reduces the differential thermal expansion of the tube allow you to manage

고전적인 셸-앤드-튜브 구성에서와 같이, 제 1 유체, 보통 물은 준구형 (quasi-spherical) 베슬 또는 플리넘 내에서 고압 하에 있다. 튜브 시트의 다른 측에서는, 튜브 번들 주위에서 유동하는 염은 훨씬 더 낮은 압력 하에 유지되며, 압력 차를 견디기 위해 매우 두꺼운 튜브 시트가 필요하다.As in the classic shell-and-tube configuration, the first fluid, usually water, is under high pressure in a quasi-spherical vessel or plenum. On the other side of the tube sheet, the salt flowing around the tube bundle is kept under a much lower pressure, requiring a very thick tube sheet to withstand the pressure difference.

종래 기술에서 규정된 것보다 훨씬 두꺼운 튜브 시트를 제안하는 것은 본 발명의 예상치 않은 효과 또는 이점이다. 튜브 시트 플레이트 (12) 를 오버사이징하는 것은 그 굽힘 응력을 줄이는데 도움을 주고 크리프를 감소시킨다. 또한, 튜브 시트 및/또는 보닛의 특정 기계가공은 쓸모없는 금속의 양을 줄일 수 있게 한다.It is an unexpected effect or advantage of the present invention to suggest a tube sheet much thicker than specified in the prior art. Oversizing the tube sheet plate 12 helps reduce its bending stress and reduces creep. In addition, certain machining of the tube sheet and/or bonnet can reduce the amount of waste metal.

yes

본 발명은 유연하고, 모든 공통 구성요소가 본 발명의 포괄적인 열교환기 디자인에 따라 제조된, 재가열기, 과열기, 이코노마이저, 예열기 및 증발기 디바이스와 같은 MSSG 기술에 사용되는 일련의 열교환기 디자인에 적용되도록 의도된다.The present invention is flexible and adapts to a series of heat exchanger designs used in MSSG technology, such as reheaters, superheaters, economizers, preheaters and evaporator devices, in which all common components are manufactured according to the comprehensive heat exchanger design of the present invention. it is intended

전술한 바와 같이 (도 1), 온도가 감소하는 고온 용융 염은 예를 들어 먼저 재가열기 및 과열기를 통해 병렬로 유동하고 재결합되어 증발기에 그리고 예열기/이코노마이저에 연속적으로 들어간다.As described above (FIG. 1), the hot molten salt of decreasing temperature, for example first flows in parallel through a reheater and a superheater, recombines and enters the evaporator and sequentially into the preheater/economizer.

본 실시형태에서, 고온, 예를 들어 563 ℃ (그리고 확실히, 보통의 용융 염에 대한 열화 온도인 650 ℃ 미만) 에서 시스템에 들어가는 고온 용융 염은 과열기 및 재가열기를 통해 병렬로 흐르고, 결합되고, 증발기와 예열기를 통해 연속적으로 통과한다. 저온 염은 전형적으로 290-300 ℃ 의 온도에서, 바람직하게는 약 293 ℃ 의 온도에서, 또는 열전달 유체의 고체화 온도 (나트륨 유도체와 같은 용융 염의 경우 90 ℃ 만큼 낮음) 인 최소 온도 초과에서 예열기를 떠난다. 대안적으로, 임의의 열 유체, 예컨대 열유가 작동 온도 범위, 이 경우 예컨대 80 ℃ (응축 및/또는 결정화 온도) 내지 380 ℃ (열화 온도의 예) 의 작동 온도 범위로 용융 염 대신에 사용될 수 있다.In this embodiment, hot molten salt entering the system at high temperature, e.g., 563° C. (and certainly below the degradation temperature for normal molten salt, 650° C.) flows in parallel through a superheater and a reheater, combine, It passes continuously through the evaporator and preheater. The cold salt typically leaves the preheater at a temperature of 290-300 °C, preferably at a temperature of about 293 °C, or above a minimum temperature which is the solidification temperature of the heat transfer fluid (as low as 90 °C for molten salts such as sodium derivatives). . Alternatively, any thermal fluid, such as thermal oil, may be used in place of the molten salt in the operating temperature range, in this case for example in the operating temperature range of 80 °C (condensation and/or crystallization temperature) to 380 °C (example of degradation temperature). .

또한, 열 유체가 700 ℃ 까지의 온도를 가질 수 있다는 것은 본 발명의 범위에 속한다. 모든 금속 부품은 최대 600 ℃ 이상의 온도를 견딜 수 있는 귀금속 또는 스테인리스강으로 제조되는 것이 유리하다.It is also within the scope of the present invention that the thermal fluid can have a temperature of up to 700 °C. All metal parts are advantageously made of noble metal or stainless steel capable of withstanding temperatures of up to 600 °C and higher.

더 구체적으로, 일 실시형태에 따르면, 재가열기 및 과열기로부터 나오는 용융 염은 입구 노즐을 통해 증발기에 들어가고, 전술한 바와 같이, 내부 파이프와 외부 슈라우드 사이에 위치된 환형 공간에서 자연 순환 방식으로 증발기 내에서 나선형으로 흐른다. 포화된 물은 증발기의 증기 드럼 (구형 또는 수평형) 으로부터 다운코머 (도시되지 않음) 를 통해 그리고 반구형 보닛으로부터 증기 발생을 위해 열교환기 내부의 U-튜브로 흐른다. 이 디자인에서, 고압의 물은 셸과 접촉하지 않는 튜브 내에서 흐른다. 바람직하게는, 모든 열교환기는 수평형이다.More specifically, according to one embodiment, the molten salt from the reheater and superheater enters the evaporator through an inlet nozzle and, as described above, within the evaporator in a natural circulation manner in an annular space located between the inner pipe and the outer shroud. flows in a spiral Saturated water flows from the vapor drum (spherical or horizontal) of the evaporator through a downcomer (not shown) and from the hemispherical bonnet to a U-tube inside the heat exchanger for steam generation. In this design, high-pressure water flows in a tube that does not come into contact with the shell. Preferably, all heat exchangers are horizontal.

본 발명에 따른 열교환기의 디자인이 자연 순환 러닝에 최적화되어 있지만, 관류형 또는 강제 순환 증기 발생기에 또한 사용될 수 있다.Although the design of the heat exchanger according to the invention is optimized for natural circulation running, it can also be used with once-through or forced circulation steam generators.

도 9 에 도시된 본 발명의 일 대안적인 실시형태에 따르면, 제 1 튜브 번들 및 제 2 튜브 번들의 직선형 튜브 섹션들은 단일 인클로저 또는 셸 (헤어핀 셸을 형성하지 않음) 내에 위치된 하나의 단일 U-튜브 번들을 형성하고, U-튜브들 (2) 의 엘보우 (32) 는 교환기의 일 측에 있고 다른 측에 위치된 단일 U-튜브 번들의 입구/출구는 본 발명에 따른 튜브 시트 (11, 12) 를 통해 구형 보닛 (16) 에 연결된다.According to an alternative embodiment of the present invention shown in figure 9, the straight tube sections of the first tube bundle and the second tube bundle are one single U-unit located within a single enclosure or shell (not forming a hairpin shell). Forming a tube bundle, the elbow 32 of the U-tubes 2 is on one side of the exchanger and the inlet/outlet of a single U-tube bundle located on the other side is a tube sheet 11, 12 according to the present invention. ) through which it is connected to the spherical bonnet 16.

본 발명은 다음 특징들 덕분에 열 구배의 측면에서 특히 높은 유연성을 제공한다:The present invention provides a particularly high flexibility in terms of thermal gradients thanks to the following features:

- 튜브 시트는 튜브 시트 내부의 유해한 열 구배를 피하기 위해 중앙이 비어 있고; 이는 시동 중에 이 부품의 열적 거동을 개선하여 이 부품의 수명이 길어지고 (도 10b 참조, 도 10a 의 종래 기술에 비해 본 발명의 경우 튜브 시트의 열 구배가 더 낮음); - the tube sheet is hollow in the center to avoid detrimental thermal gradients inside the tube sheet; This improves the thermal behavior of this component during start-up, resulting in a longer lifetime of this component (see Fig. 10b, lower thermal gradient of the tube sheet in the present invention compared to the prior art in Fig. 10a);

- 튜브 시트 (12) 와 내부 파이프 (3) 사이에, 피크 응력을 피하기 위해 그리고 이 후자의 구성요소의 수명을 향상시키기 위해, 특정 기계가공이 예견될 수도 있고;- between the tube sheet 12 and the inner pipe 3, certain machining may be foreseen in order to avoid peak stresses and to improve the life of this latter component;

- 튜브 시트 (12) 와 구형 보닛 (16) (플랜지 부존재) 사이에 특정 기계가공이 또한 예견될 수도 있고;- certain machining between the tube sheet 12 and the spherical bonnet 16 (without flanges) may also be foreseen;

- 설치 시작 중에 임의의 차가운 영역을 피하기 위해, 구형 보닛 (16) 이 헤더 또는 단부 부분으로서 선택되었고; - the spherical bonnet 16 was chosen as a header or end part to avoid any cold areas during the start of installation;

- 고압의 물은 셸 측 (4) 이 아닌 튜브 또는 파이프 (2) 내에서 흐르고, 이는 그의 더 얇은 두께를 허용하고, 결과적으로 더 높은 열 구배 능력을 허용하고; - the high-pressure water flows within the tube or pipe (2) rather than the shell side (4), which allows its thinner thickness and consequently a higher heat gradient capability;

- 전통적인 직선형 배플은 나선형 배플 (8) 에의해 대체되어, 염은 나선형으로 흐르는 반면, 물은 튜브들 (2) 내에서 유동하도록 제한되고; - the traditional straight baffle is replaced by a spiral baffle (8), so that the salt flows in a spiral while the water is restricted to flow in the tubes (2);

- 연속적인 나선형 배플 (8) 은 매끄러운 유동 방향 변화를 허용한다. 동등한 ΔP 에서, 연속 나선형 배플 (8) 은 종래의 배플에 비해 더 빠른 속도의 유동, 더 높은 교환 표면 및 더 작은 열교환기 디자인을 보장한다. 더욱이, 그러한 배플 디자인을 갖는 데드 존이 부존재하므로, 파울링 위험이 더 낮다.- The continuous spiral baffle (8) allows smooth flow direction changes. At equivalent ΔP, the continuous spiral baffle (8) ensures higher velocity flow, higher exchange surface and smaller heat exchanger design compared to conventional baffles. Moreover, since there is no dead zone with such a baffle design, the risk of fouling is lower.

더욱이, 본 발명에 따르면, 당업계에 그 자체로 공지된 IBW (internal bore wilding) 와 같이, 튜브와 튜브 시트의 특별한 연결은 부식이 없고 누출이 없는 해결책 (틈새 부식의 위험이 없고, 누출 또는 이완 (relaxation) 의 위험이 없음) 을 제공할 수도 있다.Furthermore, according to the present invention, the special connection of tubes and tubesheets, such as the internal bore wilding (IBW) known per se in the art, provides a corrosion-free and leak-free solution (no risk of crevice corrosion, leakage or loosening). (no risk of relaxation) can also be provided.

1 헤어핀 열교환기
2 직선형 튜브 (섹션)
3 내부 원통형 셸
4 외부 원통형 셸
5 인터셸 공간
6 열 유체 입구
7 열 유체 출구
8 나선형 배플
9 제 1 직선형 섹션
10 제 2 직선형 섹션
11 튜브 시트의 구형 헤드
12 두꺼운 튜브 시트
13 제 2 저압 유체 (용융 염)
14 U-벤트 튜브
15 고압 유체 (물/증기)
16 보닛 (입구 또는 출구)
17 튜브 통로
18 전방 클로저
19 후방 클로저
20 지지부
21 직선형 튜브
22 셸
23 셸측 유체 유입
24 튜브측 유체 유입
25 튜브측 유체 유출
26 셸측 유체 유출
27 튜브 시트
28 직선형 배플
29 워터 박스 또는 플리넘 또는 보닛
30 분배 재킷
32 엘보우
33 분리 플레이트
100 MSSG 의 용융 염 입구
101 MSSG 의 재가열기
102 MSSG 의 증발기
103 MSSG 의 이코노마이저
104 MSSG 의 과열기
105 MSSG 의 용융 염 출구
1 hairpin heat exchanger
2 straight tubes (sections)
3 inner cylindrical shell
4 outer cylindrical shell
5 intershell space
6 thermal fluid inlet
7 thermal fluid outlet
8 spiral baffle
9 first straight section
10 second straight section
11 The spherical head of the tube sheet
12 thick tube sheet
13 2nd low pressure fluid (molten salt)
14 U-bent tube
15 high pressure fluids (water/steam)
16 bonnet (entry or exit)
17 tube passage
18 front closure
19 rear closure
20 support
21 straight tube
22 shell
23 Shell-side fluid inlet
24 Tube side fluid inlet
25 Tube side fluid leakage
26 Shell-side fluid leakage
27 tube seat
28 straight baffle
29 water box or plenum or bonnet
30 distribution jacket
32 elbow
33 separation plate
Molten salt inlet of 100 MSSG
101 MSSG reheater
Evaporator of 102 MSSG
103 MSSG economizer
Superheater of 104 MSSG
Molten salt outlet of 105 MSSG

Claims (22)

제 1 직선형 섹션 (9), 제 2 직선형 섹션 (10), 및 상기 제 1 직선형 섹션과 상기 제 2 직선형 섹션을 링크하는 벤트 섹션 또는 엘보우 (32) 를 구비하는 열교환기 (1) 로서,
각각의 직선형 섹션 (9, 10) 은 내부 원통형 셸 (3) 의 및 외부 원통형 셸 (4) 의 일부를 포함하고,
쌍방의 원통형 셸은 상기 열교환기의 상기 제 1 직선형 섹션 (9) 및 제 2 직선형 섹션 (10) 내에 각각 위치된 제 1 및 제 2 직선형 부분, 및 상기 열교환기의 상기 벤트 섹션 또는 엘보우 (32) 내에 위치된 180°-벤트 부분을 각각 구비하는 평행한 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들을 둘러싸는 인터셸 공간 (5) 을 형성하도록 협력작동하여서, 사용 시, 가열 및 증발될 제 1 유체가 상기 U-벤트 튜브들 (2) 내에서 흐르고,
상기 외부 원통형 셸 (4) 은 고온 열 유체인 제 2 유체를 위해 일 단부에 입구 (6) 를 그리고 타 단부에 출구 (7) 를 각각 구비하여서, 사용 시, 상기 제 2 유체는 상기 인터셸 공간 (5) 내에서 환형 유로를 따라 흐르고 상기 U-벤트 튜브들 (2) 내에서 흐르는 상기 제 1 유체와 열을 교환함으로써 냉각되고,
상기 인터셸 공간 (5) 은 상기 제 2 유체를 안내하는 배플들 (8) 을 또한 둘러싸고,
평행한 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들은, 제 1 반구형 보닛 (16) 이 상기 제 1 유체를 상기 제 1 직선형 섹션 (9) 의 튜브들 (2) 로 분배하는 제 1 단부에, 그리고 제 2 반구형 보닛 (16) 이 상기 제 2 직선형 섹션 (10) 의 튜브들 (2) 로부터 액체, 베이퍼 (vapor), 또는 액체/베이퍼 혼합물의 형태로 상기 제 1 유체를 수집하는 제 2 단부에 연결부를 통해 연결되고,
각각의 상기 연결부는 상기 인터셸 공간 (5) 내부의 제 2 유체 저압과 상기 제 1 반구형 보닛 (16) 및 상기 제 2 반구형 보닛 (16) 내부의 제 1 유체 고압 사이의 차를 견디도록 설계된 튜브 시트 (11, 12) 로 제조되고,
상기 튜브 시트는 중심 원형 오리피스를 구비하는 원형 플레이트 (12) 를 포함하고,
상기 튜브 시트는, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체를 물리적으로 분리하기 위해, 상기 오리피스 위에 위치되며 상기 원형 플레이트 (12) 에 단단히 연결된 반구형 셸 (11) 을 더 포함하고,
각각의 상기 반구형 셸 (11) 은 상기 열교환기 (1) 의 내부를 향해 배향되고 상기 내부 원통형 셸 (3) 의 내측에 위치되는, 열교환기 (1).
A heat exchanger (1) having a first straight section (9), a second straight section (10) and a bent section or elbow (32) linking the first straight section and the second straight section,
Each straight section (9, 10) comprises an inner cylindrical shell (3) and part of an outer cylindrical shell (4),
Both cylindrical shells have first and second straight sections respectively located within the first and second straight sections 9 and 10 of the heat exchanger, and the vent section or elbow 32 of the heat exchanger. working in concert to form an intershell space (5) surrounding a bundle of parallel U-vent tubes (2) each having a 180°-bent portion located within the first fluid to be heated and vaporized in use. flows within the U-bent tubes (2),
The outer cylindrical shell (4) has an inlet (6) at one end and an outlet (7) at the other end, respectively, for a second fluid, which is a high-temperature thermal fluid, so that, when in use, the second fluid passes through the intershell space. cooled by exchanging heat with the first fluid flowing along the annular flow path in (5) and flowing in the U-vent tubes (2);
the intershell space (5) also surrounds the baffles (8) guiding the second fluid;
A bundle of parallel U-bent tubes (2), at a first end from which a first hemispherical bonnet (16) distributes the first fluid to the tubes (2) of the first straight section (9), and A connection at the second end where a second hemispherical bonnet 16 collects the first fluid in the form of a liquid, vapor, or liquid/vapor mixture from the tubes 2 of the second straight section 10 connected through
Each said connection is a tube designed to withstand the difference between the second fluid low pressure inside the intershell space 5 and the first fluid high pressure inside the first hemispherical bonnet 16 and the second hemispherical bonnet 16 made of sheets 11, 12;
The tube sheet comprises a circular plate (12) with a central circular orifice;
the tube sheet further comprises a hemispherical shell (11) positioned above the orifice and rigidly connected to the circular plate (12) for physically separating the first fluid and the second fluid;
The heat exchanger (1), wherein each said hemispherical shell (11) is oriented towards the inside of said heat exchanger (1) and located inside said inner cylindrical shell (3).
제 1 항에 있어서,
상기 원형 플레이트 (12) 의 두께가 동일한 압력 차를 견디기 위해 ASME 표준에 의해 권고된 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that the thickness of the circular plate (12) is thicker than the thickness recommended by the ASME standard to withstand the same pressure difference.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반구형 보닛 (16) 과 튜브 시트의 원형 플레이트 (12) 사이의 계면 및 상기 제2 반구형 보닛 (16) 과 튜브 시트의 원형 플레이트 (12) 사이의 계면이 본질적으로 편평한 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchange, characterized in that the interface between the first hemispherical bonnet (16) and the circular plate (12) of the tube sheet and the interface between the second hemispherical bonnet (16) and the circular plate (12) of the tube sheet are essentially flat. Ki (1).
제 1 항에 있어서,
상기 반구형 셸 (11) 의 두께가 튜브 시트의 원형 플레이트 (12) 의 두께의 20% 내지 40% 인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that the thickness of the hemispherical shell (11) is 20% to 40% of the thickness of the circular plate (12) of the tube sheet.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 직선형 섹션 (9) 및 상기 제 2 직선형 섹션 (10) 은 상기 엘보우 (32) 에 의해 링크된 별개 인클로저들로 구성되어서 헤어핀 열교환기 셸을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that the first straight section (9) and the second straight section (10) consist of separate enclosures linked by the elbow (32) to form a hairpin heat exchanger shell.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 직선형 섹션 (9), 상기 제 2 직선형 섹션 (10) 및 상기 벤트 섹션 또는 엘보우 (32) 는 평행한 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들을 둘러싸는 하나의 단일 인클로저 또는 셸로 구성되고, 상기 제 1 반구형 보닛 (16) 및 상기 제 2 반구형 보닛 (16) 이 일치하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
the first straight section (9), the second straight section (10) and the bent section or elbow (32) consist of one single enclosure or shell enclosing a bundle of parallel U-bent tubes (2); , Heat exchanger (1), characterized in that the first hemispherical bonnet (16) and the second hemispherical bonnet (16) coincide.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기는 수평형이고, 그 안에서 상기 제 1 유체의 유동에 대한 상기 제 2 유체의 유동이 병류 (co-current) 또는 대향류인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
The heat exchanger (1), characterized in that the heat exchanger is of a horizontal type and the flow of the second fluid relative to the flow of the first fluid therein is co-current or countercurrent.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유체는 공급수 (feedwater) 또는 초임계 이산화탄소를 포함하는 유체인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
The heat exchanger (1), characterized in that the first fluid is feedwater or a fluid containing supercritical carbon dioxide.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 유체는 용융 염 또는 용융 염들의 혼합물, 열유 (thermal oil) 또는 액체 나트륨인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that the second fluid is molten salt or a mixture of molten salts, thermal oil or liquid sodium.
제 1 항에 있어서,
상기 배플들 (8) 은 연속 나선형 배플의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that the baffles (8) are in the form of continuous spiral baffles.
제 1 항에 있어서,
상기 배플들 (8) 은 상기 내부 원통형 셸 (3) 에 조립, 또는 용접 또는 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
The heat exchanger (1), characterized in that the baffles (8) are assembled, welded or bolted to the inner cylindrical shell (3).
제 1 항에 있어서,
상기 외부 원통형 셸 (4) 과 상기 배플들 (8) 사이에 밀봉 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that sealing means are provided between the outer cylindrical shell (4) and the baffles (8).
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기는 열 유체 입구 (6, 7) 로부터 상기 열교환기에 상기 제 2 유체를 균일하게 공급하기 위해 분배 재킷 (30) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 1,
Heat exchanger (1), characterized in that the heat exchanger has a distribution jacket (30) for uniformly supplying the second fluid to the heat exchanger from the thermal fluid inlets (6, 7).
제 13 항에 있어서,
상기 분배 재킷 (30) 은 그의 내면에 걸쳐 360°에 분포된 복수의 개구들을 갖고, 상기 개구들은 상기 제 2 유체를 나선형 배플 (8) 의 제 1 턴에 공급하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
According to claim 13,
The heat exchanger (1), characterized in that the distribution jacket (30) has a plurality of openings distributed over 360° over its inner surface, said openings supplying the second fluid to the first turn of the spiral baffle (8) ).
제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 증발기.An evaporator made with the heat exchanger according to claim 1. 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 과열기.A superheater manufactured with the heat exchanger according to claim 1. 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 재가열기.A reheater made of the heat exchanger according to claim 1. 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 이코노마이저. An economizer manufactured with the heat exchanger according to claim 1 . 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 예열기. A preheater manufactured with the heat exchanger according to claim 1. 제 15 항에 따른 증발기; 제 16 항에 따른 과열기; 그리고 제 17 항에 따른 재가열기, 제 18 항에 따른 이코노마이저 및 제 19 항에 따른 예열기 중 하나 이상으로 제조된 적어도 하나의 열교환기 트레인을 포함하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG).an evaporator according to claim 15; a superheater according to claim 16; and a molten salt steam generator (MSSG) comprising at least one heat exchanger train made of at least one of a reheater according to claim 17 , an economizer according to claim 18 and a preheater according to claim 19 . 제 20 항에 있어서,
상기 과열기, 상기 재가열기, 상기 이코노마이저, 상기 예열기는 대향류로 운전되는 한편, 상기 증발기는 병류로 운전되는 것을 특징으로 하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG).
21. The method of claim 20,
wherein said superheater, said reheater, said economizer and said preheater are operated in counter flow while said evaporator is operated in co-current.
제 20 항에 있어서,
상기 용융 염 증기 발생기는 관류형 또는 강제 순환 증기 발생기인 것을 특징으로 하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG).
21. The method of claim 20,
The molten salt steam generator (MSSG), characterized in that the molten salt steam generator is a once-through or forced circulation steam generator.
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