KR102600264B1 - 열교환 시스템 및 이를 이용하는 열교환 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대항류 열교환기를 이용하여 열교환 효율을 극대화한 열교환 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 열교환 시스템 및 이를 이용하는 열교환 방법은 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유동방향이 서로 반대 방향인 대향류 열교환기를 사용하여 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 유로가 내부에 집적되어 형성된 평판형 셀블록을 포함함으로써 대향류 열교환기의 단점인 유로의 복잡성 및 유로의 부피를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

열교환 시스템 및 이를 이용하는 열교환 방법{Heat exchange system and heat exchange method using same}
본 발명은 열교환 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대항류 열교환기를 이용하여 열교환 효율을 극대화한 열교환 시스템 및 방법에 관한 것이다.
극저온 액체를 저장하고 사용하는 경우 극저온 탱크를 사용한다. 극저온 탱크의 경우, 매우 낮은 온도의 액체 연료가 보관되고 있기 때문에, 외부와의 열교환을 최소화 한다 하더라도 별도의 기계장치가 없다면, 지속적인 외부 열유입에 의해 액체 연료가 기체로 기화하기 쉬운 환경이 조성된다.
이에 따라 극저온 탱크의 내부 압력이 지속적으로 높아져 탱크가 파괴될 수 있고, 내부의 극저온 연료가 외부로 유출되는 등의 사고가 발생할 수 있었다. 특히, 심우주까지 탐사를 진행하는 탐사선에 극저온 탱크가 적용될 경우, 외부의 압력이 현저히 낮기 때문에 액체 연료의 기화를 방지하여 탱크 내부의 압력을 저압 상태로 유지하는 것이 반드시 필요하다.
종래의 기술에서는 도 1에 도시된 바와 같이 극저온 탱크의 압력을 낮추기 위해 발생된 기체를 외부로 배출하는 릴리프 밸브(Relief valve)를 포함하였으며, 또는 액체 연료를 실시간으로 냉각하여 액체 연료의 기화를 최소화 하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 열교환기와, 액체를 교축시켜 냉각하는 JT 밸브를 포함하여 탱크 내부의 압력을 유지하고자 하였다.
그러나, 이 때, 종래의 열교환기는 탱크 내부에 적재되는 파이프부나 열교환기의 크기를 최소화 하여 연료의 탑재 효율을 높이기 위해 냉각된 유체와 피냉각 유체가 서로 동일한 방향으로 유동하며 열교환이 발생하는 구조를 채택하고 있었고, 이에 따라 도 2에 도시된 그래프와 같이 피냉각 유체와 냉각된 유체 간의 열이 피냉각 유체의 온도와 냉각된 유체의 온도의 중간 지점으로 수렴하기 때문에 피냉각 유체의 유량과 냉각된 유체의 유량이 동일하다 하였을 때,(Cmin/Cmax=1) 열전달 효율이 50% 밖에 되지 않아 효율이 크게 떨어졌으며, 열전달 효율을 높이기 위해 액체를 교축하는 JT 밸브를 통과하는 유체의 유량을 높여야 하였기 때문에 시스템 유지에 있어서도 비효율적이었다.
NASA/TP-2014-216633 "Liquid Oxygen Thermodynamic Vent System Testing with Helium Pressurization" (2014.04.01.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유동방향이 서로 반대 방향인 대향류 열교환기를 사용하여 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 열교환 시스템 및 이를 이용하는 열교환 방법을 제공함에 있다.
또한, 유로가 내부에 집적되어 형성된 평판형 셀블록을 포함함으로써 대향류 열교환기의 단점인 유로의 복잡성 및 유로의 부피를 최소화 할 수 있는 열교환 시스템 및 이를 이용하는 열교환 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템은 유체가 내부에 수용되는 탱크, 탱크의 내부의 유체를 순환시키되, 유체의 일부가 통과하는 피냉각부와, 유체의 또 다른 일부가 냉각되어 통과하는 냉각부가 서로 접촉 구비되어 탱크 내부에 탑재되는 열교환기, 탱크의 내부의 유체를 흡입하여 열교환기로 전달하는 제 1 펌프를 포함하는 펌프부, 펌프부와 열교환기를 연결하는 파이프부, 냉각부의 전단에 설치되어 유체를 냉각하는 교축부, 및 열교환기에서 냉각된 유체를 탱크 내부로 재분사하는 분사부를 포함하며, 피냉각부와 냉각부의 유체의 흐름이 서로 반대 방향인 것을 특징으로 한다.
또한, 파이프부는, 제 1 펌프로부터 수신한 유체를 피냉각부로 전달하는 제 1 유체 전달부와, 제 1 펌프로부터 수신한 유체를 냉각부로 전달하는 제 2 유체 전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 펌프부는, 열교환기(100)에서 열교환이 완료된 냉각부를 통과한 유체를 탱크 외부로 배출하는 제 2 펌프를 포함하며, 제 2 유체 전달부는 제 2 펌프와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 열교환기(100)는 2개 이상의 평편한 판 형상의 셀으로 이루어지는 셀블록을 포함하고, 셀블록은 유체가 유동하는 유로가 2차원 형상으로 배치된 형상 것을 특징으로 한다.
또한, 냉각부는, 교축부가 유로 내부에 탑재된 평판 형의 셀블록인 교축 플레이트와, 교축 플레이트의 일면 및 타면에 각각의 일면이 접하도록 적층된 셀블록인 복수의 냉각 플레이트를 포함하고, 피냉각부는, 냉각 플레이트의 타면에 각각의 일 면이 접하도록 적층된 셀블록인 피냉각 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 교축 플레이트와 냉각 플레이트 및 피냉각 플레이트는 유체가 유입 및 배출되는 유입구와 배출구 중 적어도 어느 하나가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 피냉각 플레이트와 교축 플레이트의 유입구는 제 1 펌프와 연결되고, 피냉각 플레이트의 배출구는 분사부와 연결되며, 교축 플레이트의 배출구는 냉각 플레이트의 유입구와 연결되고, 냉각 플레이트의 배출구는 제 2 펌프와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 피냉각 플레이트 및 냉각 플레이트는 순환구가 형성되고, 피냉각 플레이트와 냉각 플레이트는 동종의 셀블록끼리 서로 순환구를 통해 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 교축 플레이트와 피냉각 플레이트의 유체는 서로 동일한 방향으로 유동하고, 냉각 플레이트와 피냉각 플레이트의 유체는 서로 반대방향으로 유동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 열교환기는, 피냉각 플레이트의 타면에 결합되고 평판 형상을 갖는 엔드 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 열교환기는, 교축 플레이트를 2개 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 방법은 유체가 내부에 수용되는 탱크와, 탱크의 내부의 유체를 순환시키되, 유체의 일부가 통과하는 피냉각부와, 유체의 또 다른 일부가 냉각되어 통과하는 냉각부가 서로 접촉 구비되어 탱크 내부에 탑재되는 열교환기를 포함하는 열교환 시스템을 통해 탱크 내부의 유체의 온도를 소정 수치로 유지하는 열교환 방법에 있어서, (a) 펌프부가 탱크 내부의 유체를 열교환기에 순환시키는 단계, (b) 교축부가 제 2 유체 전달부에 의해 전달된 유체를 냉각하는 단계, (c) 열교환기가 (b) 단계에서 냉각된 유체를 냉각부에 통과 시키고, 제 1 유체 전달부에 의해 전달된 냉각되지 않은 유체를 피냉각부에 통과시켜 서로 열교환 시키는 단계, (d) 분사부가 (c) 단계에서 냉각된 피냉각부를 통과한 유체를 탱크 내부로 분사하는 단계, (e) 펌프부가 (c) 단계에서 가열된 냉각부를 통과한 유체를 취합하여 탱크 밖으로 배출하는 단계를 포함하며, (c) 단계에서 열교환기의 냉각부와 피냉각부의 유체의 흐름이 서로 반대 방향인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 열교환 시스템 및 이를 이용하는 열교환 방법은 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유동방향이 서로 반대 방향인 대향류 열교환기를 사용하여 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 유로가 내부에 집적되어 형성된 평판형 셀블록을 포함함으로써 대향류 열교환기의 단점인 유로의 복잡성 및 유로의 부피를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 극저온 탱크를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 극저온 탱크의 열교환기 및 그에 따른 유체의 온도 현황을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 열교환 시스템을 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 열교환기의 개략도 및 그에 따른 유체의 온도 현황을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 파이프부와 타 구성 간의 결합관계를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 열교환기의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 열교환기에 포함되는 셀블록을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 열교환기의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 열교환기의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 열교환기의 일 실시 예에 따른 단면도이다.
도 11은 본 발명의 열교환 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하로, 도 3 내지 4를 참조하여 본 발명의 열교환 시스템(1000)에 대해 설명한다.
본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 유체가 내부에 수용되는 탱크(200)와, 탱크(200) 내부에 탑재되어 열교환을 수행하는 열교환기(100)를 포함 할 수 있다. 열교환기(100)는 탱크(200)의 내부의 유체를 수신하여 내부에서 유체가 순환되되, 소정 온도 미만의 냉각된 유체가 유동하는 냉각부(110)와, 마찬가지로 탱크(200)의 내부의 유체를 수신하되, 소정 온도 이상의 유체가 유동되는 피냉각부(120)를 포함할 수 있다. 이 때, 탱크(200)는 액화 상태의 연료가 수용되는 극저온 탱크(200)일 수 있고, 열교환기(100)는 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유동 방향이 반대인 대향류 열교환기(100)인 것이 바람직하다. 보다 자세한 설명은 후술한다.
또한, 본 발명의 열교환 시스템(1000)은 탱크(200) 내부의 유체를 수신하여 열교환기(100)로 전달하는 제 1 펌프(310)를 포함하는 펌프부(300)와, 펌프부(300)와 열교환기(100)를 연결하는 파이프부(400), 냉각부(110)의 전단에 설치되어 유체를 냉각하는 교축부(500) 및 열교환기(100)에서 냉각된 유체를 탱크(200) 내부로 재 분사하는 분사부(600)를 포함할 수 있다.
이 때, 교축부(500)는 순간적으로 유체를 교축하는 오리피스(JT 밸브) 일 수 있다. 교축부(500)로 오리피스를 채택함으로써 작은 구성으로 파이프부(400) 내부에 적용이 용이하면서 팽창밸브와 같은 역할로 액체를 교축시켜 온도를 낮출 수 있다.
분사부(600)는 일단이 탱크(200) 내부로 개방될 수 있고, 유체가 분사부(600)의 일단을 통해 탱크(200) 내부 공간으로 분사될 수 있다. 분사부(600)는 지면에 수직한 방향으로 형성된 관일 수 있고, 분사부(600)의 일단은 분사부(600)의 최상단일 수 있으며, 분사부(600)의 일단은 탱크(200)내부의 유체 수위보다 더 높은 위치에 위치하는 것이 바람직하다.
이에 더하여 분사부(600)는 탱크(200)의 중심에 위치할 수 있으며, 이에 따라 분사부(600)에서 유출되는 유체가 탱크(200) 내부에 분수 형식으로 분사되되, 냉각된 유체가 탱크(200) 내부의 기존 유체에 고르게 퍼지도록 함으로써 탱크(200) 내부 공간의 위치에 따른 온도 편차를 최소화 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(100)는 냉각된 유체와 피냉각 유체가 서로 반대 방향으로 유동하는 대향류 열교환기(100) 인 것이 바람직하고, 이에 따라, 시간에 따라 냉각된 유체와 피냉각 유체가 서로 열교환 하는 지점이 변경될 수 있고,(진행방향의 맨 앞에 있는 피냉각 유체의 입자는 유동이 진행됨에 따라 서로 다른 냉각된 유체의 입자와 접촉하여 열교환 됨) 이에 따라 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유량이 동일하다고 가정할 시 열교환 효율이 80% 이상으로 높아질 수 있다.
이하로, 도 5를 참조하여 본 발명의 파이프부(400)에 대해 보다 자세히 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 파이프부(400)는, 제 1 펌프(310)로부터 수신한 유체를 피냉각부(120)로 전달하는 제 1 유체 전달부(410)와, 제 1 펌프(310)로부터 수신한 유체를 냉각부(110)로 전달하는 제 2 유체 전달부(420)를 포함할 수 있다.
파이프부(400)는 가지관 형태일 수 있고, 제 1 펌프(310)와 연결된 부분은 하나의 유로로 형성되되, 제 1 펌프(310)와 일정 간격 이격된 위치에서 제 1 유체 전달부(410)와 제 2 유체 전달부(420)로 분리되는 형태인 것이 바람직하다.
제 1 유체 전달부(410)는 유체를 제 1 펌프(310) - 피냉각부(120) ?? 분사부(600)의 순으로 전달하는 역할을 수행할 수 있으며, 제 1 유체 전달부(410)의 내부에 흐르는 유체는 탱크(200) 내부의 뜨거운 유체, 즉 피냉각 유체이며 피냉각부(120)를 거치면서 냉각부(110)를 유동하는 미리 냉각된 유체와 열교환하여 냉각되는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 유체 전달부(420)는 유체를 제 1 펌프(310) ?? 교축부(500) - 냉각부(110)의 순으로 전달하는 역할을 수행할 수 있으며, 제 2 유체 전달부(420)의 내부에 흐르는 유체는 교축부(500)를 거치면서 냉각되어 제 1 유체 전달부(410)의 내부에 흐르는 뜨거운 유체를 냉각하는 역할을 수행할 수 있다.
이 때, 펌프부(300)는, 열교환기(100)에서 열교환이 완료되어 가열된 유체를 탱크(200) 외부로 배출하는 제 2 펌프(320)를 포함할 수 있고, 제 2 유체 전달부(420)는 제 2 펌프(320)와 연결될 수 있다. 제 2 펌프(320)는 탱크(200)의 외부에 위치할 수 있으며, 제 2 유체 전달부(420)는 제 2 펌프(320)와 연결된 부분이 탱크(200) 내측에서 외측으로 인출될 수 있다.
이하로, 도 6 내지 10을 참조하여 본 발명의 열교환기(100)에 대해 보다 자세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 열교환기(100)는 2개 이상의 평편한 판 형상의 셀으로 이루어지는 셀블록을 포함할 수 있고, 또한, 열교환기(100)는, 셀블록의 양 측 면에 결합되어 평판 형상을 갖는 엔드 플레이트(160)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 엔드 플레이트(160)를 포함함으로써, 각각의 셀블록의 위치를 고정 및 유지할 수 있고, 셀블록 내부를 유동하는 유체가 외부와 열교환 하는 것을 최소화 할 수 있다.
이 때, 열교환기(100)를 이루는 셀블록은 도 7의 (a) 에 도시된 바와 같이, 유체가 유입 및 배출되는 유입구(130)와 배출구(140)가 형성될 수 있다. 이 때, 유입구(130)가 셀블록의 일측에 형성된다 가정하면, 배출구(140)는 셀블록의 타측에 형성되는 것이 바람직하다. 이는 셀블록에 배선되는 유로(170)의 형태를 보다 단순히 하기 위함이다. 유입구(130) 및 배출구(140)는 펌프부(300) 및 또 다른 셀블록과 연결되어 유체를 전달받거나 또는 전달할 수 있다.
또한, 셀블록이 2개 이상일 경우, 셀블록은 순환구(150)를 포함할 수 있는데, 순환구(150)는 하나의 셀 블록과 동종의 또 다른 셀블록을 연결하여 유체를 순환시키는 역할을 수행할 수 있다. 순환구(150)를 포함함으로써, 유체가 셀블록 내를 여러 번 순환하도록 할 수 있으며, 이에 따라 열교환이 충분하지 않을 경우에 보다 완전히 열교환이 이루어지도록 할 수 있다. 순환구(150)는 중간에 별도의 제어모듈에 의해 제어되는 밸브를 포함하여 개폐가 제어될 수 있고, 순환구(150)가 개방될 경우 유체는 셀블록과 셀블록 사이를 순환할 수 있고, 순환구(150)가 폐쇄될 경우 유체는 셀블록으로 유입 또는 배출될 수 있다.
또한, 셀블록은 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 유체가 유동하는 유로(170)가 2차원 형상으로 배치된 형상인 것이 바람직하다. 보다 자세히, 셀블록의 표면에 일정한 깊이 및 간격으로 슬롯이 형성될 수 있고, 형성된 슬롯을 따라 유체가 유동될 수 있다.
이와 같은 형태를 채택함으로써 도 8에 도시된 바와 같이, 열교환기(100)는 너비 w = 50mm 내지 60mm, 두께 h = 28mm 내지 30mm(엔드 플레이트(160) 포함, 셀블록 하나 당 4mm 내외), 총장 L = 150mm 내지 160mm 정도의 체적으로 탱크(200) 내부에 수납될 수 있다. 즉, 대향류 열교환기(100)를 채택한다 하더라도 유로(170)의 부피를 최소화하며 형태를 단순화 할 수 있기 때문에 탱크(200)의 내부에 적재될 수 있는 액체 연료의 양을 증가시킬 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 열교환기(100)의 냉각부(110)는 교축부(500)가 유로(170) 내부에 탑재된 평판 형의 셀블록인 교축 플레이트(111)와, 교축 플레이트(111)의 일면 및 타면에 각각의 일면이 접하도록 적층된 셀블록인 복수의 냉각 플레이트(112)를 포함할 수 있고, 열교환기(100)의 피냉각부(120)는 냉각 플레이트(112)의 타면에 각각의 일 면이 접하도록 적층된 셀블록인 피냉각 플레이트(121)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상술한 엔드 플레이트(160)는 피냉각 플레이트(121)의 타면에 접하는 것이 바람직하다.
이 때, 피냉각 플레이트(121)와 교축 플레이트(111)의 유입구(130)는 제 1 펌프(310)와 연결되어 탱크(200) 내의 뜨거운 유체 즉, 피냉각 유체를 수신할 수 있다. 교축 플레이트(111)의 내부에는 교축부(500)가 형성되어 유체를 냉각 시킬 수 있다. 피냉각 플레이트(121)로 유입된 유체는 냉각 플레이트(112)와 접하여 열 교환될 수 있다. 제 1 펌프(310)에서 교축 플레이트(111)와 피냉각 플레이트(121)로 분리되어 유입되는 유체의 유량 비율은 목표로 하는 열교환 효율이 80% 이내인 경우 1:1로 유입되는 것이 바람직하며(도 4의 그래프 참조), 그 이상의 열교환 효율이 요구되는 경우에는 교축 플레이트(111)로 유입되는 유체의 유량 비율을 높일 수 있다. 냉각 플레이트(112)의 유입구(130)는 교축 플레이트(111)의 배출구(140)와 연결되어 냉각 플레이트(112)에서 교축부(500)에 의해 냉각된 유체를 수신할 수 있다. 냉각 플레이트(112)는 상술한 바와 같이 교축 플레이트(111)의 양측면과 접하도록 형성될 수 있기 때문에, 동일 시간 내에 열 교환되는 면적 및 유량을 높일 수 있다.
피냉각 플레이트(121)의 배출구(140)는 분사부(600)와 연결되어 탱크(200) 내부에 분사될 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(112)의 배출구(140)는 제 2 펌프(320)와 연결되어 피냉각 플레이트(121)와 열교환 한 후 가열된 유체를 탱크(200) 외부로 배출할 수 있다.
또한, 피냉각 플레이트(121) 및 냉각 플레이트(112)는 순환구(150)가 형성될 수 있다. 이 때, 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112)는 2개 이상 배치되는 것이 바람직하다. 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112)는 동종의 셀블록끼리 서로 순환구(150)를 통해 연결되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112) 내부의 유체가 서로 2회 이상 열교환을 수행하도록 할 수 있고, 열교환율을 높일 수 있다.
또한, 냉각 플레이트(112) 및 피냉각 플레이트(121)의 유체는 서로 동일한 방향으로 유동하고, 냉각 플레이트(112)와 피냉각 플레이트(121)의 유체는 서로 반대방향으로 유동하는 것이 바람직하다. 대향류 열교환을 진행함으로써, 상술한 바와 같이, 시간에 따라 냉각부(110)를 유동하는 유체와 피냉각부(120)를 유동하는 피냉각 유체가 서로 열교환 하는 지점이 변경될 수 있으며,(진행방향의 맨 앞에 있는 피냉각 유체 입자는 유동이 진행됨에 따라 서로 다른 냉각된 유체의 입자와 접촉하여 열교환 됨) 이에 따라 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유량이 동일하다고 가정할 시 열교환 효율이 80% 이상으로 높아질 수 있다.
더 나아가, 도 10에 도시된 바와 같이, 열교환기(100)는, 교축 플레이트(111)를 2개 이상 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 냉각 플레이트(112)와 피냉각 플레이트(121)의 수량 또한 교축 플레이트(111)의 개수 만큼 배로 포함되는 것이 바람직하다. 이에 따라 열교환 속도 가 시간 대비 배로 높아질 수 있어 탱크(200) 내부에 수용된 유체의 양이 일정 이상인 경우, 빠른 시간 내에 냉각할 수 있도록 하여 탱크(200) 내부의 온도를 용이하게 유지할 수 있다.
이는, 본원발명의 열교환기(100)가, 셀블록 형태로 이루어짐으로써, 매우 적은 부피 내에 복잡한 형태의 유로(170)가 형성될 수 있는 효과를 더욱 극대화 할 수 있다. 보다 자세히, 셀블록 개수가 증가함에 따른 전체의 부피 증가량 대비 열교환 가능한 유량 증가량이 매우 높기 때문에 탱크(200) 내부의 수용되는 유체의 부피가 높을수록 더욱 높은 효과를 이끌어낼 수 있다.
이하로, 도 11을 참조하여 본 발명의 열교환 방법에 대해 설명한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명은 유체가 내부에 수용되는 탱크(200)와, 탱크(200) 내부에 탑재되어 열교환을 수행하며, 탱크(200)의 내부의 유체를 순환시키되, 탱크(200) 내부의 유체 일부가 통과하는 피냉각부(120)와, 유체의 또 다른 일부가 냉각되어 통과하는 냉각부(110)가 서로 접촉 구비되어 탱크(200) 내부에 탑재되는 열교환기(100)를 포함하는 열교환 시스템(1000)을 통해 탱크(200) 내부의 유체의 온도를 소정 수치로 유지하는 열교환 방법에 있어서, (a) 펌프부(300)가 탱크(200) 내부의 유체를 열교환기(100)에 순환시키는 단계, (b) 교축부(500)가 파이프부(400) 내부의 유체 중 적어도 일부를 냉각하는 단계, (c) 열교환기(100)가 (b) 단계에서 냉각된 유체를 냉각부(110)에 통과시키고, 제 1 유체 전달부(410)에 의해 전달된 와 냉각되지 않은 유체를 피냉각부(120)에 통과시켜 서로 열교환 시키는 단계, (d) 분사부(600)가 (c) 단계에서 냉각된 피냉각부(120)의 유체를 탱크(200) 내부로 분사하는 단계, (e) 펌프부(300)가 (c) 단계에서 가열된 냉각부(110)의 유체를 취합하여 탱크(200) 밖으로 배출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이 때, (a) 단계는 제 1 펌프(310)에 의해 수행될 수 있는데, 제 1 펌프(310)에 의해 유동되는 유체는 파이프부(400)의 제 1 유체 전달부(410)와 제 2 유체 전달부(420)로 분리되어 유동될 수 있다. 제 1 유체 전달부(410)는 유체를 피냉각부(120)로 전달하는 역할을 수행할 수 있으며, 제 1 유체 전달부(410)의 내부에 흐르는 유체는 탱크(200) 내부의 소정 온도 이상의 유체이며 피냉각부(120)를 거치면서 냉각부(110)의 냉각된 유체와 열 교환하여 냉각되는 것이 바람직하다.
제 2 유체 전달부(420)는 유체를 교축부(500)와 냉각부(110)로 전달하는 역할을 수행할 수 있으며, 제 2 유체 전달부(420)의 내부에 흐르는 유체는 교축부(500)를 거치면서 냉각되어 피냉각부(120)에 흐르는 제 1 유체 전달부(410)의 내부에 흐르는 뜨거운 유체 즉 피냉각 유체를 냉각하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, (c)단계에서, 열교환기(100)는 냉각부(110)를 유동하는 유체와 피냉각부(120)를 유동하는 피냉각 유체가 서로 반대방향으로 유동하는 것이 바람직하다. 이에 따라,시간에 따라 냉각부(110)를 유동하는 유체와 피냉각부(120)를 유동하는 피냉각 유체가 서로 열교환 하는 지점이 변경될 수 있으며,(진행방향의 맨 앞에 있는 피냉각 유체 입자는 유동이 진행됨에 따라 서로 다른 냉각된 유체의 입자와 접촉하여 열교환 됨) 이에 따라 냉각된 유체와 피냉각 유체의 유량이 동일하다고 가정할 시 열교환 효율이 80% 이상으로 높아질 수 있다.
이 때, 파이프부(400)는 표면의 슬릿이 다수 형성된 평판 형상의 다수의 셀블록과 상기 셀블록의 양면에 부착되는 평판형의 엔드 플레이트(160)를 포함할 수 있으며, 제 1 유체 전달부(410)는 교축부(500)가 유로(170) 내부에 탑재된 평판 형의 셀블록인 교축 플레이트(111)와, 교축 플레이트(111)의 일면 및 타면에 각각의 일면이 접하도록 적층된 셀블록인 복수의 냉각 플레이트(112)를 포함할 수 있고, 제 2 유체 전달부(420)는 냉각 플레이트(112)의 타면에 각각의 일 면이 접하도록 적층된 셀블록인 피냉각 플레이트(121)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상술한 엔드 플레이트(160)는 피냉각 플레이트(121)의 타면에 접하는 것이 바람직하다. 이 때, 피냉각 플레이트(121)와 교축 플레이트(111)의 유입구(130)는 제 1 펌프(310)와 연결되어 탱크(200) 내의 뜨거운 유체를 수신할 수 있다.
제 1 펌프(310)에서 교축 플레이트(111)와 피냉각 플레이트(121)로 분리되어 유입되는 유체의 유량 비율은 목표로 하는 열교환 효율이 80% 이내인 경우 1:1로 유입되는 것이 바람직하며(도 4의 그래프 참조), 그 이상의 열교환 효율이 요구되는 경우에는 교축 플레이트(111)로 유입되는 유체의 유량 비율을 높일 수 있다. 냉각 플레이트(112)의 유입구(130)는 냉각 플레이트(112)의 배출구(140)와 연결되어 냉각 플레이트(112)에서 교축부(500)에 의해 냉각된 유체를 수신할 수 있다. 냉각 플레이트(112)는 상술한 바와 같이 교축 플레이트(111)의 양측면과 접하도록 형성될 수 있기 때문에, 동일 시간 내에 열교환되는 면적 및 유량을 높일 수 있다.
교축 플레이트(111)는 유입구(130)를 통해 소정 온도 이상의 뜨거운 유체를 (b) 단계에서 수신한 후, 교축 플레이트(111)의 내부에 형성된 교축부(500)에 의해 유체를 교축 및 냉각시킬 수 있다. 냉각 플레이트(112)의 유입구(130)는 교축 플레이트(111)의 배출구(140)와 연결되어 소정 온도 미만의 냉각된 유체를 수신할 수 있고, 피냉각 플레이트(121)에 유입된 유체는 냉각 플레이트(112)와 접하여 열교환 할 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(112)의 배출구(140)는 제 2 펌프(320)와 연결되어 피냉각 플레이트(121)와 열교환 한 후 소정 온도 이상으로 데워진 유체를 탱크(200) 외부로 배출할 수 있다.
이 때, 피냉각 플레이트(121) 및 냉각 플레이트(112)는 순환구(150)가 형성될 수 있다. 이 때, 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112)는 2개 이상 배치되는 것이 바람직하다. 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112)는 동종의 셀블록끼리 서로 순환구(150)를 통해 연결되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112) 내부의 유체가 서로 2회 이상 열교환을 수행하도록 할 수 있고, 열교환 효율을 높일 수 있다.
더 나아가, (c)단계는 2회 이상 수행될 수 있고, (c)단계가 수행되는 회수는 상술한 피냉각 플레이트(121)와 냉각 플레이트(112)의 순환구(150)를 개폐하는 밸브에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
또한, (d) 단계에서, 분사부(600)는 일단이 탱크(200) 내부로 개방될 수 있고, 유체가 분사부(600)의 일단을 통해 탱크(200) 내부 공간으로 분사될 수 있다. 분사부(600)는 지면에 수직한 방향으로 형성된 관일 수 있고, 분사부(600)의 일단은 분사부(600)의 최상단일 수 있으며, 분사부(600)의 일단은 탱크(200)내부의 유체 수위보다 더 높은 위치에 위치하는 것이 바람직하다. 이에 더하여 분사부(600)는 탱크(200)의 중심에 위치할 수 있으며, 이에 따라 분사부(600)에서 유출되는 유체가 탱크(200) 내부에 분수 형식으로 분사되되, 냉각된 유체가 탱크(200) 내부의 기존 유체에 고르게 퍼지도록 함으로써 탱크(200) 내부 공간의 위치에 따른 온도 편차를 최소화 할 수 있다.
또한, (e) 단계는, 제 2 펌프(320)에 의해 수행될 수 있으며, 보다 자세히는, 교축 플레이트(111)에 의해 냉각된 유체가 냉각부(110)를 거치고 가열된 이후에 제 2 펌프(320)에 의해 탱크(200) 외부로 배출되도록 할 수 있다. 이 때, 제 2 펌프(320)는 외부에 위치하는 것이 바람직하며, 이에 따라 제 2 유체 전달부(420)는 제 2 펌프(320)와 연결된 부분이 탱크(200) 내측에서 외측으로 인출될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 열교환 시스템
100 : 열교환기
110 : 냉각부
111 : 교축 플레이트
112 : 냉각 플레이트
120 : 피냉각부
121 : 피냉각 플레이트
130 : 유입구
140 : 배출구
150 : 순환구
160 : 엔드 플레이트
200 : 탱크
300 : 펌프부
310 : 제 1 펌프
320 : 제 2 펌프
400 : 파이프부
410 : 제 1 유체 전달부
420 : 제 2 유체 전달부
500 : 교축부
600 : 분사부

Claims (12)

  1. 유체가 내부에 수용되는 탱크;
    상기 탱크의 내부의 유체를 순환시키되, 상기 유체의 일부가 통과하는 피냉각부와, 상기 유체의 또 다른 일부가 냉각되어 통과하는 냉각부가 서로 접촉 구비되어 상기 탱크 내부에 탑재되는 열교환기;
    상기 탱크의 내부의 유체를 흡입하여 상기 열교환기로 전달하는 제 1 펌프를 포함하는 펌프부;
    상기 펌프부와 상기 열교환기를 연결하는 파이프부;
    상기 냉각부의 전단에 설치되어 상기 유체를 냉각하는 교축부; 및
    상기 열교환기에서 냉각된 유체를 상기 탱크 내부로 재분사하는 분사부;를 포함하며, 상기 피냉각부와 냉각부의 유체의 흐름이 서로 반대 방향이고,
    상기 파이프부는,
    상기 제 1 펌프로부터 수신한 유체를 상기 피냉각부로 전달하는 제 1 유체 전달부와,
    상기 제 1 펌프로부터 수신한 유체를 상기 냉각부로 전달하는 제 2 유체 전달부를 포함하며,
    상기 펌프부는,
    상기 열교환기에서 열교환이 완료된 상기 냉각부를 통과한 유체를 상기 탱크 외부로 배출하는 제 2 펌프를 포함하며,
    상기 제 2 유체 전달부는 상기 제 2 펌프와 연결되고,
    상기 열교환기는
    2개 이상의 평편한 판 형상의 셀으로 이루어지는 셀블록을 포함하고,
    상기 셀블록은 유체가 유동하는 유로가 2차원 형상으로 배치된 형상이며,
    상기 냉각부는,
    상기 교축부가 유로 내부에 탑재된 평판 형의 셀블록인 교축 플레이트와,
    상기 교축 플레이트의 일면 및 타면에 각각의 일면이 접하도록 적층된 셀블록인 복수의 냉각 플레이트를 포함하고,
    상기 피냉각부는,
    상기 냉각 플레이트의 타면에 각각의 일 면이 접하도록 적층된 셀블록인 피냉각 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 교축 플레이트와 상기 냉각 플레이트 및 상기 피냉각 플레이트는 유체가 유입 및 배출되는 유입구와 배출구 중 적어도 어느 하나가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 피냉각 플레이트와 상기 교축 플레이트의 상기 유입구는 상기 제 1 펌프와 연결되고,
    상기 피냉각 플레이트의 상기 배출구는 상기 분사부와 연결되며,
    상기 교축 플레이트의 상기 배출구는 상기 냉각 플레이트의 상기 유입구와 연결되고,
    상기 냉각 플레이트의 상기 배출구는 상기 제 2 펌프와 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 피냉각 플레이트 및 상기 냉각 플레이트는 순환구가 형성되고,
    상기 피냉각 플레이트와 상기 냉각 플레이트는 동종의 셀블록끼리 서로 상기 순환구를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 교축 플레이트와 상기 피냉각 플레이트의 유체는 서로 동일한 방향으로 유동하고,
    상기 냉각 플레이트와 상기 피냉각 플레이트의 유체는 서로 반대방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 피냉각 플레이트의 타면에 결합되고 평판 형상을 갖는 엔드 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 교축 플레이트를 2개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
  12. 제 1항의 열교환 시스템을 통해 상기 탱크 내부의 유체의 온도를 소정 수치로 유지하는 열교환 방법에 있어서,
    (a) 펌프부가 상기 탱크 내부의 유체를 상기 열교환기에 순환시키는 단계;
    (b) 교축부가 제 2 유체 전달부에 의해 전달된 유체를 냉각하는 단계;
    (c) 상기 열교환기가 상기 (b) 단계에서 냉각된 유체를 상기 냉각부에 통과 시키고, 제 1 유체 전달부에 의해 전달된 냉각되지 않은 유체를 상기 피냉각부에 통과시켜 서로 열교환 시키는 단계;
    (d) 분사부가 상기 (c) 단계에서 냉각된 상기 피냉각부를 통과한 유체를 상기 탱크 내부로 분사하는 단계;
    (e) 펌프부가 상기 (c) 단계에서 가열된 상기 냉각부를 통과한 유체를 취합하여 상기 탱크 밖으로 배출하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서 상기 열교환기의 상기 냉각부와 상기 피냉각부의 유체의 흐름이 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 열교환 방법.
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