KR102606674B1 - 복합 증발 및 혼합기 - Google Patents

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Abstract

액체, 특히, 물을 증발하고, 기체, 특히 천연 가스와 혼합하기 위한 복합 증발 및 혼합기(1)로서,
개별 혼합-증발 모듈(3)을 수용하도록 구성되고, 고온 기체가 상기 혼합-증발 모듈(3)을 통과하도록 두 개의 단부에 가열 기체 오프닝(21)을 구비한 하우징(2),
두 개의 단부에 배기 가스 오프닝(31)을 구비한 적어도 하나의 개별 혼합-증발 모듈(3)을 포함하고, 상기 혼합-증발 모듈(3)은 적어도 하나의 혼합-증발 스택(4)을 포함하고, 상기 혼합-증발 스택(4)은 적어도 두 개의 개별 열전달 셀(5)을 구비하고,
상기 적어도 두 개의 개별 열전달 셀(5)은 복수의 열전달 튜브(51)를 포함하고, 각각의 열전달 튜브(51)는 튜브 입구(511)와 튜브 출구(512)를 구비하고, 상기 튜브 입구(511)는 입구 매니폴드(52)에 연결되고 상기 튜브 출구(512)는 출구 매니폴드(53)에 연결되고, 상기 열전달 튜브(51)는 적어도 하나의 열전달 튜브 열 내에 측면으로 인접하게 배열되고,
상기 적어도 두 개의 열전달 셀(5)은 하나 아래에 다른 하나가 오는 식으로 배열되고, 상기 인접하게 배열된 열전달 셀(5)의 매니폴드들(52, 53)은 혼합-증발 스택(4)을 형성하는 일련의 열전달 셀(5)의 배열을 형성하는 방식으로 적어도 하나의 연결 채널 피스(54)를 통해 서로 연결되고,
상기 혼합-증발 스택(4)은 상기 증발될 액체를 위한, 상기 제1 열전달 셀(5)로의 액체 입구(41) 뿐만 아니라 상기 증발될 액체와 혼합되기 위한 기체를 상기 혼합-증발 스택(4)에 유입하기 위한 혼합 기체 입구(42), 및 기체성 유체 혼합물이 상기 혼합-증발 스택(4)에서 나오도록 하기 위한 혼합 기체 출구(43)를 더 포함하고, 상기 혼합 기체 입구(41)는 각각의 혼합-증발 스택(4)의 상기 제1 열전달 셀(5)의 열전달 튜브 출구(512)와 상기 최종 열전달 셀(5)의 열전달 튜브 입구(511) 사이에 배열되는, 복합 증발 및 혼합기(1).

Description

복합 증발 및 혼합기{COMBINED EVAPORATOR AND MIXER}
본 발명은 복합 증발 및 혼합기, 및 상기 복합 증발 및 혼합기를 사용해 액체를 증발하고 혼합 기체와 혼합하기 위한 방법에 관한 것이다.
열 교환기는 기존의 알려진 기술로, 가령 에어컨, 난방 또는 가스 터빈의 열 레큐퍼레이터(heat recuperator) 등 수많은 분야에 적용되고 있다.
열 교환기는 또한, 가령, 배기 가스에서 열을 추출해 고급 사이클 유체(ranking cycle fluid)로 전달하는데에도 사용되고 있다. 특히 내연 기관의 경우, 내연 기관에서 배출되는 고온 배기 가스 기류의 열기는 열 교환기를 사용해 입력 기체를 예열하는데 사용된다.
EP 2 131 131 A1에서는 일단들은 제1 매니폴드(manifold)에 연결되고 타단들은 제2 매니폴드에 연결된 튜브들의 그룹을 포함하는 열 교환기를 다룬다. 각각의 튜브 그룹은 모듈을 형성하고 인접하게 배열된 모듈들은 연결 채널 피스(connecting channel piece)를 통해 서로 연결된다. 그러나, 이러한 종래의 열 교환기는 액체의 증발과 기체 혼합을 동시에 수행하기에 적합하지 않다.
당업자에게 알려진 열 교환기들은 기체를 가열하거나 액체를 증발하는데 적합하나, 액체와 기체를 열 교환기 안으로 동시에 유입하게 되면, 증발될 액체와 동시에 유입된 기체는 거품을 형성하고 이 거품은 열 교환기의 상단으로 떠오르는 반면, 액체는 열 교환기 바닥에 남아있게 되어 열 교환 튜브들을 막음으로써, 기체가 열 교환 튜브를 따라 이동하지 못하게 하기 때문에, 혼합의 품질이 저하된다.
따라서, 본 발명의 목적은 구조가 단순하고, 품질 분석을 위한 간단한 실험이 가능하고, 앞서 기술한 단점들이 없는 열 교환 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 추가적인 목적은 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기를 사용하여 액체의 증발 및 증발된 액체와 기체의 혼합을 동시에 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립청구항 1항의 특징들로 구체화되는 열 교환기에 의해 달성된다. 상기 열 교환기의 추가적인 실시예들은 종속항들에 명시되어 있다.
특히, 본 발명에 따른, 액체, 특히 물을 증발하고, 기체, 특히 천연 가스와 혼합하기 위한 복합 증발 및 혼합기는 개별 혼합-증발 모듈들을 수용하기 위한 하우징을 포함한다. 이 하우징은, 고온 기체가 혼합-증발 모듈들을 통과하도록 하기 위한 가열 기체 오프닝들을 두 개의 단부들에 구비한다. 복합 증발 및 혼합기는 또한, 배기 가스 오프닝들을 두 개의 단부들에 구비한 적어도 하나의 개별 혼합-증발 모듈을 더 포함한다. 혼합-증발 모듈은 적어도 하나의 혼합-증발 스택(stack)을 포함하고, 혼합-증발 스택은 제1 열전달 셀과 최종 열전달 셀을 포함하는 적어도 두 개의 개별 열전달 셀들을 갖는다. 상기 적어도 두 개의 개별 열전달 셀들은 복수의 열전달 튜브들을 포함하고, 각각의 열전달 튜브는 튜브 입구(tube inlet)와 튜브 출구(tube outlet)를 갖는다. 복수의 열전달 튜브들의 튜브 입구들은 입구 매니폴드에 연결되고, 복수의 열전달 튜브들의 튜브 출구들은 출구 매니폴드에 연결된다. 열전달 튜브들은 적어도 하나의 열전달 튜브 열에 측면으로 인접하게 배열되고, 상기 적어도 두 개의 열전달 셀들은 적어도 두 개의 측면으로 인접한 열전달 셀 열들 내에 서로 나란히 배열되고, 인접하게 배열된 열전달 셀들의 매니폴드들은 혼합-증발 스택을 형성하는 일련의 열전달 셀들의 배열을 형성하는 방식으로 적어도 하나의 연결 채널 피스를 통해 서로 연결된다. 혼합-증발 스택은, 액체가 증발될 수 있도록, 제1 열전달 셀로의 적어도 하나의 액체 입구 뿐만 아니라, 증발된 액체와 혼합될 기체를 혼합-증발 스택으로 유입하기 위한 적어도 하나의 혼합 기체 입구, 및 기체성 유체 혼합물이 혼합-증발 스택에서 나올 수 있도록 적어도 하나의 혼합 기체 출구를 더 포함한다. 혼합 기체 입구는 각각의 혼합-증발 스택의 제1 열전달 셀의 열전달 튜브 출구들과 최종 열전달 셀의 열전달 튜브 입구들 사이에 배열된다.
입구들과 출구들이 혼합-증발 스택 또는 그 일부들에 배열되었다 함은 혼합-증발 스택 또는 그 일부들에 연결되는 것을 의미한다. 배열 또는 연결되었다 함은 또한 입구들 또는 출구들이 혼합-증발 스택 또는 그 일부들과 연통되는 것을 의미한다.
혼합 기체 입구는 특히 각각의 혼합-증발 스택의 제1 열전달 셀의 열전달 튜브 출구들과 최종 열전달 셀의 열전달 튜브 입구들 사이의 위치에서, 혼합-증발 스택 상에 배열(혼합-증발 스택에 연결되거나 연통)된다.
혼합 기체 출구는, 기체성 유체 혼합물이 혼합-증발 스택에서 나올 수 있도록 하기 위해, 최종 열전달 셀의 출구 매니폴드에 연결된다.
이러한 구성에서, 열전달 셀들은 서로 나란히 측면으로 인접하게 배열된다. 각각의 열전달 셀 열은 하나의 열전달 셀에 의해 형성된다. 따라서, 혼합-증발 스택 내의 열전달 셀의 열들의 개수는 해당하는 혼합-증발 스택 내의 열전달 셀들의 개수와 일치한다.
상기 열들은, 작동 중인 복합 증발 및 혼합기를 통과하는 고온 기체의 유동에 대하여, 상기 적어도 두 개의 열전달 셀들이 서로 상하로 배열되도록 배열될 수 있다. 이러한 구성에서, 고온 기체는 제1 열전달 셀을 통과할 때까지, 이전 열전달 셀을 통과하기 전에 최종 열전달 셀을 먼저 통과하게 된다.
열전달 셀들의 개수는 두 개 이상일 수 있는데, 그러한 경우에도 혼합 기체 입구는 여전히 각각의 혼합-증발 스택의 제1 열전달 셀의 열전달 튜브 출구들과 최종 열전달 셀의 열전달 튜브 입구들 사이의 위치에서, 혼합-증발 스택 상에 배열(혼합-증발 스택에 연결되거나 연통)될 것이다. 특히, 열전달 셀이 세 개인 경우, 혼합 기체 입구는 제1 열전달 셀의 열전달 튜브 출구들과 제2 열전달 셀의 열전달 튜브 입구들 사이의 위치에서 혼합-증발 스택 상에 배열되거나, 제2 열전달 셀의 열전달 튜브 출구들과 최종 열전달 셀의 열전달 튜브 입구들 사이의 위치에서 혼합-증발 스택 상에 배열될 수 있다. 혼합 기체 입구의 위치는 특히 복합 증발 및 혼합기의 구성과, 복합 증발 및 혼합기가 작동 중일 때 고온 기체의 온도에 따라 달라진다. 이러한 고려 사항은 열전달 셀이 세 개 이상일 때도 마찬가지이다.
혼합-증발 모듈들은 그들 자체가 개별 열전달 셀들을 포함하는 개별 혼합 증발 스택들을 포함하고, 각각의 개별 열전달 셀은 복수의 열전달 튜브들을 포함하는, 하우징에 삽입 가능한 개별 혼합-증발 모듈들을 구비한 복합 증발 및 혼합기의 계층적 구성은, 각각의 열전달 셀을 용이하게 시험해 볼 수 있도록 하며, 각각의 혼합-증발 스택과 각각의 개별 혼합-증발 모듈은 복합 증발 및 혼합기를 별도로 형성한다. 시험을 실시 하면 시험 대상이 된 각각의 개별 부분의 작동 역량이 나타나게 되고, 시험한 부분에 누설이 있거나 달리 동작 불가능한 것으로 나타나게 되면, 모든 서브 부분들이나 서브 모듈들이 저장되거나 신속하게 조달될 수 있기 때문에, 수리하거나 또 다른 해당 부분이나 모듈로 교체가 가능하다. 이에 따라, 복합 증발 및 혼합기의 계층적 모듈성 및 조립성 때문에 혼합-증발 모듈들의 조립 및 복합 증발 및 혼합기의 형성을 위한 하우징으로의 유입 이전에 작동할 개별 혼합-증발 모듈 전체를 조립할 수 있다. 특히, 조립의 다음 계층 수준을 형성하기 위한 조립 이전에 실시하는 개별 혼합-증발 스택들의 시험 및 검증은 복합 증발 및 혼합기의 구성 중에 특히 효율적인 것으로 나타났다. 사실상, 적어도 두 개의 개별 열전달 셀들을 포함하는 혼합-증발 스택에 있어서, 열전달 셀들은 적은 노력과 비용으로 교체가 가능한 최소의 객체일 수 있고, 개별 혼합-증발 스택의 시험 및 검증으로 결함 있는 열전달 셀로 나타나는 경우, 특정 및 개별 열전달 셀은 다른 셀로 교체될 수 있다. 결함 있는 열전달 셀을 혼합-증발 스택에서 제거한 다음에는, 열전달 셀 내에서 해당 결함 열전달 튜브를 교체함으로써 수리가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기는 효율적인 액체 유체의 증발 및 기체성 유체와의 혼합을 통한 혼합 기체 형성을 하나의 장치에서 가능케 한다. 액체, 특히 탈염수가 제1 열전달 셀에 유입되고, 액체의 증발이 제1 셀(들)에서 일어나고 혼합 기체 유입이 혼합-증발 스택의 후속 열전달 셀의 입구, 특히 액체가 완전히 증발된 단계에서 발생한다. 구조 조건 및 동작 조건들에 따라, 혼합 기체의 유입은 이미 혼합-증발 스택의 제1 열전달 셀 이후, 또는 혼합-증발 스택의 제2 또는 제3 열전달 셀 이후 (등에) 발생할 수 있다. 이렇듯, 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기는 추가적인 구성 요소 없이도 하나의 장치에서 액체의 증발 및 증발된 액체와 기체의 효율적인 혼합이 동시에 일어날 수 있도록 한다.
열전달 셀 내의 각각의 열전달 튜브의 튜브 출구들은 출구 매니폴드에 연결되고, 이는 다시 적어도 하나의 연결 채널 피스를 거쳐 혼합-증발 스택 내의 후속 열전달 셀의 각각의 열전달 튜브의 튜브 입구들에 연결된 입구 매니폴드에 연결된다. 이러한 배열은, 액체가 이전 열전달 셀에서 나올 때 전부 증발되지 않았을 경우 증발된 액체 및 남아 있는 액체의 향상된 혼합을 가능케하며, 또는 혼합 기체가 이 단계에서 혼합-증발 스택으로 유입되었을 때 혼합-증발 스택 내의 후속 열전달 셀의 열전달 튜브들에 진입하는 유체들의 균일한 분배를 위한, 증발된 액체 및 혼합 기체의 향상된 혼합을 가능케 한다.
복합 증발 및 혼합기의 계층적 구성은 매우 효율적이고 모듈식의 제조와 조립을 가능케 한다. 이러한 모듈성은 복수의 개별적인, 그러나 동일한 스택(가령, 마흔 두 개의 동일 스택들)들을 사용해 고용량(가령 1MW번째)의 복합 증발 및 혼합기 구축을 가능케 한다. 스택들은 1단계에서는 가령 저온 조건의 높은 압력에서 누출 시험을 통해 시험 및 검증할 수 있고, 후속 단계에서는 스택을 버너 위에 넣고 액체(예: 물)와 기체(예: 공기)를 넣고, 가령 필요하면 특정 온도에서 여러 사이클을 통해 다양한 파라미터(예: 압력 강하, 온도)들을 측정함으로써 시험 및 검증할 수 있다. 스택들이 일단 검증되면, 스택들은 모듈들로 조립되고 결국 그들도 조립되어 고용량 복합 증발 및 혼합기를 형성한다. 이러한 계층적 모듈성은 본 발명에 따른 장치가 허용하는 많은 수의 동일 부분들을 사용한 다양한 고용량 복합 증발 및 혼합기의 생산을 가능케 한다.
혼합-증발 모듈들과 공기 중에 순환하는 유체들을 가열하는데 사용되는 고온 기체는 일반적으로 가스 버너나 디젤 엔진에서 온다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 혼합 기체 입구는, 적어도 하나의 연결 채널 피스, 바람직하게는 하나의 열전달 셀을 인접한 열전달 셀에 연결하는 적어도 하나의 연결 채널 피스 상의 혼합-증발 스택 상에 배열(또는 연결되거나 연통)된다.
특히, 열전달 셀이 세 개인 경우, 혼합 기체 입구는 제1 열전달 셀을 제2 열전달 셀에 연결하는 적어도 하나의 연결 채널 피스, 또는 제2 열전달 셀을 제3 열전달 셀에 연결하는 적어도 하나의 연결 채널 피스 상에 배열될 수 있다. 혼합 기체 입구의 위치는 특히 복합 증발 및 혼합기의 구성과 복합 증발 및 혼합기의 작동 시 고온 기체의 온도에 따라 달라진다. 이러한 고려 사항은 열전달 셀이 세 개이상인 경우에도 마찬가지이다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 복합 증발 및 혼합기는 적어도 두 개의 개별 혼합-증발 모듈들을 포함한다.
본 발명의 이로운 측면에 따르면, 두 개 이상의 개별 혼합-증발 모듈들의 사용으로 하나의 여분의 혼합-증발 모듈 구비가 가능하다. 이러한 여분의 혼합-증발 모듈은 가령 복합 증발 및 혼합기의 작동 시 누설 등 하나의 혼합-증발 모듈이 손상될 경우 특히 이롭다. 작동 시, 본 발명의 복합 증발 및 혼합기의 서비스 제공 가능성은, 압력 강하, 누설 또는 온도들을 측정함으로써 일반적으로 모니터링된다. 모니터링 결과 결함 있는 혼합-증발 모듈이 탐지될 경우, 이 개별 모듈을 폐쇄하고 혼합 기체의 생산을 상기 여분의 혼합-증발 모듈로 스위칭할 수 있다. 이때 여분의 혼합-증발 모듈의 작동은 증발될 액체 및 혼합 기체를 공급함으로써 시작된다. 그런 다음, 폐쇄되어 있는 결함 있는 혼합-증발 모듈을 새로운 또는 수리된 혼합-증발 모듈로 교체할 수 있다. 이러한 교체는 비축되어 있는 혼합-증발 모듈을 유입하거나, 동일한 혼합-증발 모듈을 수리 후 유입함으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 시스템은, 정지 시간 없이 작동을 계속할 수 있고, 결함 있는 모듈은 다음 번 예정된 유지 보수 때, 또는 임의의 편리한 시간에 교체할 수 있다.
본 발명의 복합 증발 및 혼합기의 추가적인 측면에 따르면, 액체 입구, 혼합 기체 입구 및 혼합 기체 출구는 각각의 입구 매니폴드 또는 출구 매니폴드 또는 연결 채널 피스 상에 배열된다. 특히, 액체 입구는 입구 매니폴드 상에 배열되고, 혼합 기체 입구는 하나의 열전달 셀을 인접 열전달 셀에 연결하는 적어도 하나의 연결 채널 피스 상에 배열되고, 혼합 기체 출구는 출구 매니폴드 상에 배열된다.
이러한 배열은 조립할 부품들의 표준화에 있어서 유리함을 제공함으로써, 부분들의 조립을 통한 혼합-증발 스택을 형성에 있어서 뿐만 아니라 그것을 제조함에 있어서 복잡성을 줄여준다. 사실상, 이러한 구성은 조립 시퀀스 및 용접 단계 중의 다른 부분들의 접근 가능성에 있어서 유리하다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 추가적인 측면에 따르면, 각각의 열전달 셀의 열전달 튜브들은 U-자 형태이며, 각각의 열전달 셀의 출구 매니폴드는 동일한 열전달 셀의 입구 매니폴드에 인접하게 배열된다.
비록 각각의 열 교환기 셀의 열 교환기 튜브들이, 이러한 튜브들의 일단들은 상부 매니폴드에 연결되는 반면 이러한 튜브들의 타단들은 하부 매니폴드에 연결되도록 본질적으로 길이 방향으로 연장형성될 수 있지만, 열전달 튜브들은 바람직하게는 본질적으로 U-자 형태를 가지고 U-자 형태의 튜브들 중 하나는 제1 상부 매니폴드(입구 매니폴드)에 연결되는 반면 U-자 형태의 튜브들의 타단들은 제2 상부 매니폴드(출구 매니폴드)에 연결될 수 있다. 각각의 열전달 셀의 제2 상부 매니폴드(출구 매니폴드)는 이 열전달 셀의 제1 상부 매니폴드의 전방이나 후방에 각각 배열된다. 또한, 각각의 열전달 셀의 제2 상부 매니폴드(출구 매니폴드)는 후속 열전달 셀의 제1 상부 매니폴드(입구 매니폴드)에 연결되거나 이전 열전달 셀의 제1 상부 매니폴드(입구 매니폴드)에 각각 연결된다. 이러한 U-자 형태의 열전달 튜브들의 대안적인 구성은 텀 확장(term expansion)으로 인한 스트레스에 있어서 유리한데, 길이 방향의 U-자 형태의 열전달 튜브들의 두 개의 다리들의 동시적 연장에 의해 보완될 수 있다. 여기서, 튜브들은 그들의 하부 단부에서 매니폴드에 용접되지 않았기 때문에 U-자 형태의 열전달 튜브들의 다리들의 이러한 연장은 제한되지 않는다. 동일한 셀에서의 인접한 튜브들은 온도가 다를 수 있고, 다른 튜브들에 스트레스를 유입시키지 않으면서도 다른 길이로 확장될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 또 다른 측면에 있어서, 액체 입구 및 혼합 기체 입구는 해당하는 분배 매니폴드들에 연결 가능하고, 혼합 기체 출구는 혼합 기체 수집기(mixed gas collector)에 연결 가능하다. 분배 매니폴드들과 혼합 기체 수집기는 혼합-증발 모듈의 외부에 위치된다.
분배 매니폴드들과 혼합 기체 수집기가 혼합-증발 모듈의 외부에 배열되는 것은 결함 있는 혼합-증발 스택의 폐쇄 및/또는 여분의 혼합-증발 스택으로의 스위칭 시 용이한 작동 및 교체 과정을 가능케 한다. 또한, 유지 보수를 위한 분배 매니폴드들 및 혼합 기체 수집기로의 접근이 용이해진다.
유리하게는, 혼합 기체 출구를 혼합 기체 수집기에 연결하는 연결 파이프 뿐만 아니라 액체 입구와 혼합 기체 입구를 해당하는 분배 매니폴드들에 연결하는 연결 파이프들은, 작동 시, 고온 기체가 혼합-증발 스택을 가로지르기 전이나 고온 기체가 혼합-증발 스택을 가로지른 후에, 연결 파이프들이 고온 기체와 접촉 상태에 있도록, 혼합-증발 모듈 내에 배열된다. 액체 입구와 혼합 기체 입구의 연결 파이프들은 특히 고온 기체가 혼합-증발 스택을 가로지른 후에 배열된다. 이러한 배열은 혼합-증발 스택에 들어가기 전에 차가운 액체 및 차가운 혼합 기체의 예열을 가능케 한다. 혼합 기체 출구의 연결 파이프는 특히, 고온 기체가 혼합-증발 스택을 가로지르기 전에 배열되기 때문에, 형성된 혼합 기체를 추가적으로 가열한다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 추가적인 측면에 따르면, 각각의 개별 혼합-증발 모듈의 해당 분배 매니폴드들에 대한 액체 입구와 혼합 기체 입구의 연결부들 및 혼합 기체 수집기에 대한 혼합 기체 출구의 연결부는 혼합-증발 모듈의 외부에 위치하고 각각의 혼합-증발 모듈에 대해 독립적으로 폐쇄가 가능하다.
이러한 배열은 유리하게는, 가령 모니터링으로 교체나 수리가 필요한 결함 있는 혼합-증발 모듈 탐지 시, 여분의 혼합-증발 모듈의 개별 폐쇄 및/또는 개별 작동을 시작할 수 있도록 한다. 이 개별 모듈은, 액체 입구와 혼합 기체 입구 및 해당하는 분배 매니폴드들 사이, 그리고 혼합 기체 출구와 혼합 기체 수집기 사이의 연결부에 위치한 작동 밸브들에 의해 폐쇄될 수 있다. 여분의 혼합-증발 모듈의 작동 시작은 해당 밸브들을 작동시킴으로써 시작되며, 이에 따라, 증발될 액체와 혼합 기체가 여분의 모듈에 공급된다. 그런 다음, 폐쇄된 결함 있는 혼합-증발 모듈은 새로운 또는 수리된 혼합-증발 모듈로 교체됨으로써, 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 계층적 모듈성을 최적으로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 또 다른 측면에 따르면, 액체 입구, 혼합 기체 입구 및 혼합 기체 출구는 혼합-증발 모듈의 동일한 측면상에 배열된다.
혼합-증발 모듈들의 입구들과 출구들이 혼합-증발 모듈의 서로 다른 측면들 상에 배열될 수도 있지만, 혼합-증발 모듈들의 입구들과 출구들을 동일한 측면 상에 배열하는 것이 유리하다. 본 발명의 이러한 측면은 특히 혼합-증발 모듈의 설치 시, 여분의 혼합-증발 모듈로의 스위칭 동작 시, 또는 혼합-증발 모듈의 교체 시 혼합-증발 모듈들의 취급을 간단하게 만든다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 복합 증발 및 혼합기에 있어서, 하우징은 혼합-증발 모듈들을 독립적으로 삽입 또는 제거하기 위해, 가열 기체 오프닝들에 인접하게 하우징의 측벽에 오프닝들을 포함한다. 하우징은 혼합-증발 모듈들의 삽입과 제거가 가능하도록 배열된, 혼합-증발 모듈들의 수용을 위한 레일들을 포함한다.
하우징의 측벽에 있는 오프닝들과 레일들은 혼합-증발 모듈들의 하우징 내부 및 외부로의 매우 효율적이고 신속하고 정확한 배치, 유입 및 제거를 가능케 한다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 추가적인 측면에 따르면, 혼합-증발 스택들은 혼합-증발 모듈들의 배기 가스 오프닝들과 0°내지 45°의 각도(α)를 형성하도록 혼합-증발 모듈들 내에 배열된다.
혼합-증발 스택들이 혼합-증발 모듈들의 배기 가스 오프닝들과 0°내지 45°의 각도(α)를 형성하면, 혼합-증발 모듈들을 통과하는 고온 기체의 유동은 각각의 열전달 셀의 열전달 튜브들의 벽들을 따라 효율적으로 안내됨으로써, 열전달 튜브들을 통해 순환하는 고온 기체와 유체들 사이의 열 교환이 개선된다. 사실상, 이러한 배열에서는, 고온 기체의 유동이 완전한 개별 열전달 스택들 위에 더 균일하게 분포된다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 추가적인 측면에 따르면, 두 개의 혼합-증발 스택들이 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하도록 배열된다. V-자 형태의 스택-쌍을 이루는 두 개의 혼합-증발 스택들은 누설밀봉(leak-tight) 방식으로 서로 연결될 수 있다. 특히, V-자 형태의 스택-쌍을 이루는 두 개의 혼합-증발 스택들은 변류기(deflector)에 의해 서로 연결될 수 있다.
변류기는 V-자 형태의 스택-쌍의 바닥의 공극을 메움으로써, 고온 기체가 열전달 튜브들을 따라 통과하도록 강제한다. 변류기는 특히, 가령 각각의 혼합-증발 스택을 통해 원하는 유동 경로로 기체를 안내한다. 특히, 변류기는 구부러진 금속판으로서, 각각의 혼합-증발 스택에 특히 누설밀봉 방식으로 연결된다. 여기서, 구부러진 판은 특히 각각의 혼합-증발 스택 내 튜브들 상에 스트레스를 가하지 않도록 배열된다.
복합 증발 및 혼합기의 본 발명의 또 다른 측면에서는, 적어도 두 개의 스택-쌍들이, 적어도 네 개의 혼합-증발 스택들로 구성된 W-자 형태의 조립체를 형성하도록 혼합-증발 모듈 내에 배열된다. W-자 형태의 조립체의 두 개의 스택-쌍들은 특히 누설밀봉 방식으로 서로 연결될 수 있다. 혼합-증발 스택의 상단에서의 누설밀봉 연결을 위해, W-자 형태의 배열의 중앙 다리들 또는 각각의 다리의 상단에는 작은 판이 장착됨으로써, 가령 중앙의 다리들이 만나는 위치에서의 인접 스택-쌍들 사이의 공극을 메울 수 있다.
두 개의 혼합-증발 스택들을 결합해 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하는 것 뿐만 아니라 V-자 형태의 스택-쌍들에 결합하여 W-자 형태의 조립체를 형성하는 것은 고온 기체 유동의 열 에너지를 매우 효율적으로 사용할 수 있도록 하며 복합 증발 및 혼합기의 매우 소형화된 아키텍쳐를 가능케 한다.
본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기의 추가적인 측면에 있어서, 혼합 기체 입구는 이젝터(ejector)를 포함한다.
혼합 기체의 복합 증발 및 혼합기로의 유입을 위해 적어도 하나의 이젝터를 사용하면, 기체 유동을 규제할 수 있고 혼합 효율성이 증대되기 때문에, 각각의 열전달 셀에서 혼합을 추구해야 하는 복합 증발 및 혼합기로의 단순한 혼합 기체 유입의 경우에 비해, 혼합-증발 스택들의 크기를 작게 할 수 있다. 또한, 이젝터는 복합 증발 및 혼합기로 쉽게 유입이 가능한 매우 간단한 혼합 장치로서, 그 효율성은 다중 혼합 기체의 혼합을 가능케 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 액체를 증발하고 증발된 액체를 기체와 혼합하는 방법이 제공되는데, 증발 및 혼합 단계는 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기를 사용하여 수행된다. 증발될 액체는 혼합-증발 모듈 내 각각의 혼합-증발 스택의 제1 열전달 셀로 유입되고 혼합 기체는 제1 열전달 셀 이후 최종 열전달 셀 이전에 유입된다. 혼합-증발 모듈은 고온 기체 스팀, 특히 배기 가스 기류에 의해 가열된다.
특히, 증발될 액체 및 혼합 기체를 가열하기 위한 가열 기체는 연료 전지 스택에서 나오는 고온 캐소드 기체에 의해 발생된다. 이는 또한 기체 온도가 매우 낮은 경우 버너에 의해 가열될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 측면에 따르면, 증발될 액체는 물, 특히 탈염수이고, 혼합 기체는 천연 가스이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 측면에 따르면, 복합 증발 및 혼합기에서 나오는 혼합 기체와 증발된 액체를 포함하는 혼합 기체 출구는 리포머(reformer)로 유입된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 측면에 따르면, 고온 기체는 최종 열전달 셀의 열전달 튜브들을 따라 통과함으로써 혼합-증발 스택에 진입함으로써, 기체성 유체 혼합물을 가열하고, 제1 열전달 셀의 열전달 튜브들을 따라 통과함으로써 혼합-증발 스택에서 나옴으로써, 증발될 액체를 가열한다.
본 발명에 따른 방법 및 그것의 다양한 실시예들의 이점들은 앞서 이미 설명한 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기 및 다양한 해당 실시예들의 이점들과 같다. 따라서, 본 발명에 따른 방법의 몇몇 실시 예들을 명시적으로 언급했지만, 상기 장치의 해당 실시예의 이점들은 반복 설명하지 않을 것이다.
여기에 기술한 각각의 모든 특징, 그리고 그러한 특징의 두 개 이상의 조합은 모두 그러한 조합에 포함된 특징들이 서로 일관성을 유지한다는 가정하에, 본 발명의 범주 내에 포함된다. 또한, 모든 특징 또는 특징들의 조합은 본 발명의 어떤 실시예에서든 구체적으로 배제될 수 있다.
본 발명을 이하 도면을 통해 도시된 실시예들을 참조로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열전달 셀의 제1 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전달 스택의 사시도이다.
도 3은 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하도록 배열된 도 2에 따른 두 개의 혼합-증발 스택들의 사시도이다.
도 4는 네 개의 혼합-증발 스택들로 구성된 W-자 형태의 조립체를 형성하도록 혼합-증발 모듈 내에 배열된 도 3에 도시된 두 개의 스택-쌍들의 사시도이다.
도 5는 이젝터(ejector)를 포함하는 본 발명에 따른 열전달 스택의 제2 실시예의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이젝터의 일 실시예의 단면도이다.
도 7은 도 6에 따른 이젝터의 작동 원리를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 이젝터의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 9는 도 8에 따른 이젝터의 작동 원리를 도시한 것이다.
도 10은 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하도록 배열된 도 9에 따른 두 개의 혼합-증발 스택들의 사시도이다.
도 11은 네 개의 혼합-증발 스택들로 구성된 W-자 형태의 조립체를 형성하도록 혼합-증발 모듈 내에 배열된 도 10에 도시된 두 개의 스택-쌍들의 사시도이다.
도 12는 복합 증발 및 혼합기의 하우징 내로 삽입될 개별 혼합 증발 모듈의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 하나의 혼합 증발 모듈을 포함하는 복합 증발 및 혼합기의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 두 개의 혼합 증발 모듈들을 포함하는 복합 증발 및 혼합기의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 네 개의 혼합 증발 모듈들을 포함하는 복합 증발 및 혼합기의 사시도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 열전달 셀(5)의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 개별 열전달 셀(5)은 조립된 상태로 있으며 복수의 U-자 형태의 열전달 튜브들(51) 및 상부 매니폴드들(52, 53)을 포함한다. 하나의 개별 열전달 셀(5) 내에는, U-자 형태의 튜브들의 각각의 단부들(511, 512)이 열전달 셀(5)의 제1 상부 매니폴드(52)와 제2 상부 매니폴드(53)에 연결된다. 제1 및 제2 상부 매니폴드들(52, 53)은 각각의 해당 U-자 형태의 튜브(51)의 각각의 상부 플랜지들 상에 배열된다.
개별 열전달 셀(5)은 상술한 U-자 형태를 갖고 측면으로 인접 배열된 일 열의 열전달 튜브들(51)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 열전달 셀(5)은 두 개 열의 U-자 형태의 열전달 튜브들(51)을 포함하는데, 이는 열전달 튜브들의 "외부" 열과 열전달 튜브들의 "내부" 열이다. 도시된 바와 같이, 각각의 열전달 튜브의 단부들(511, 512)은 서로 상대적으로 측면으로 오프셋(엇갈린)된 제1 및 제2 매니폴드들(52, 53)에 연결된다.
도 2에서는 두 개의 개별 열전달 셀들(5), 즉 제1 열전달 셀(5a) 및 최종 열전달 셀(5b)을 포함하는 조립된 상태의 혼합-증발 스택(4)을 도시하고 있는데, 각각의 개별 열전달 셀(5)은 두 개의 열전달 튜브 열들로 배열된 복수의 U-자 형태의 열전달 튜브들(51)과 두 개의 상부 매니폴드들(52, 53)을 포함한다. 두 개의 개별 열전달 셀들(5)은, 두 개의 측면 인접 열전달 셀의 열들 내에서, 하나 다음에 또 다른 하나가 배열되고 하나 옆에 또 다른 하나가 배열되는 식으로 배열되어, 혼합-증발 스택(4)을 형성한다. 당업자라면, 혼합-증발 스택(4)이 두 개 이상의 개별 열전달 셀들(5), 특히 세 개 이상의 개별 열전달 셀들(5)을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, 혼합-증발 스택(4) 내에는 안내판들(미도시)이 구비될 수 있는데, 이 안내판들은 (U-자 형태의 튜브들(51)의 길이가 상당할 수 있으므로) 개별 열전달 셀들(5)의 추가적인 안정성을 제공하고, 열 팽창 시 튜브들의 안내 역할을 함으로써 길이 방향으로 확장하도록 할 수 있다. 또한, 안내판들은 고온 기체가 혼합-증발 스택(4)을 그 전체 길이에 걸쳐서 통과하도록 함으로써, 고온 기체 유동의 분배를 향상시킬 수 있다. 이는 열전달 튜브들(51)에 평행하는 고온 기체의 유동을 차단하고, 열전달 튜브들(51)에 수직하는 유동을 강제함으로써 이루어질 수 있다.
제1 개별 열전달 셀(5)의 안내판들은, 가령 용접 스폿들(welding spots)에 의해, 제2 개별 열전달 셀(5)의 안내판들에 연결될 수 있고, 혼합-증발 스택(4)에 두 개 이상의 열전달 셀들(5)이 존재하는 경우에는 그 이상의 개별 열전달 셀(5)의 안내판들에 연결될 수 있다. 이는 혼합-증발 스택(4) 전체의 추가적인 안정성을 제공한다.
혼합-증발 스택(4)은 증발될 액체, 가령 물을 위한, 제1 열전달 셀(5a)로의 액체 입구(41) 뿐만 아니라 증발된 액체와 혼합되기 위한 기체를 혼합-증발 스택(4)으로 유입시키는 혼합 기체 입구(42), 그리고 기체성 유체 혼합물이 혼합-증발 스택(4)에서 나오도록 하기 위한 혼합 기체 출구(43)를 더 포함한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 열전달 셀(5a)의 제1 상부 매니폴드(52)는 제1 열전달 셀(5a)의 액체 입구(41)와 복수의 열전달 튜브들(51)의 튜브 입구들(511)에 연결되고, 제1 열전달 셀(5a)의 제2 상부 매니폴드(53)는 제1 열전달 셀(5a)의 복수의 열전달 튜브들(51)의 튜브 출구들(512)에 연결된다. 그런 다음, 제1 개별 열전달 셀(5)의 제2 상부 매니폴드(53)는 연결 채널 피스(54)를 통해 제1 개별 열전달 셀(5)의 뒤에 배열된 제2 개별 열전달 셀(5)의 제1 상부 매니폴드(52)에 연결된다. 제3 열전달 셀이 있는 경우에는 제2 열전달 셀(5)에 동일한 방식으로 연결될 것이다. 따라서, 개별 열전달 셀들(5)의 일련의 배열이 형성된다.
혼합-증발 스택(4) 내의 개별 열전달 셀들(5)은 연결 채널 피스들(54)로 서로 연결되는데, 이 연결 채널 피스들(54)은 복수의 열전달 튜브들(51)의 튜브 출구들(512)을, 후속하는 복수의 열전달 튜브들(51)의 튜브 입구들(511)에 연결하거나, 기체성 유체 혼합물이 혼합-증발 스택(4)에서 나오게 하는 혼합 기체 출구(43)에 연결한다.
혼합 기체 입구(42)는, 제1 열전달 셀(5a)을 제2 (및 최종) 열전달 셀(5b)과 연결하는 연결 채널 피스(54) 상에서, 각각의 혼합-증발 스택(4)의 제1 열전달 셀(5a)의 제2 상부 매니폴드(53)를 경유하는 열전달 튜브 출구들(512), 및 제2 (및 최종) 열전달 셀(5b)의 제1 상부 매니폴드(52)를 경유하는 열전달 튜브 입구들(511)을 연결하고 그 사이에 배열된 연결 채널 피스(54)에 연결된다.
도 3은 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하고 혼합-증발 모듈들(1)의 배기 가스 오프닝들과 약 10°의 각도(α)를 형성하도록 혼합-증발 모듈(1) 내에 배열된 한 쌍의 혼합-증발 스택들(4)을 도시한 것이다.
도 4는 두 개의 스택-쌍들이, 네 개의 혼합-증발 스택들(4)로 이루어진 W-자 형태의 조립체를 형성하도록 혼합-증발 모듈(1) 내에 배열된 추가적인 일 실시예를 도시한 것이다.
이 도면들은 본 발명의 계층적 모듈성을 도시하고 있다.
도 5에 도시된 실시예는 제1 열전달 셀(5a)과 최종 열전달 셀(5b)을 포함하는 도 2에 도시된 두 개의 개별 열전달 셀들(5)을 포함하는 혼합-증발 스택(4)과 유사한 또 다른 실시예인데, 차이점은 혼합 기체 입구(42)가, 각각의 혼합-증발 스택(4)의 제1 열전달 셀(5a)의 열전달 튜브 출구들(512)을 제2 (및 최종) 열전달 셀(5b)의 열전달 튜브 입구들(511)과 연결하는 세 개의 연결 채널 피스들(54)을 포함한다는 점이다. 혼합 기체를 혼합 챔버에 흡입하기 위한 벤투리 원리(Venturi principle)에 따라 동작하는 이젝터(6)가 혼합 기체를 혼합-증발 스택(4)으로 유입하는데 사용된다. 혼합 기체 입구(42)는, 제1 열전달 셀(5a)을 인접하는 제2 (및 최종) 열전달 셀(5b)에 연결하는 세 개의 연결 채널 피스들(54) 각각에서 이젝터(6)를 거쳐 혼합-증발 스택(4)으로 연결된다.
도 6과 도 8에서는 이젝터(6)의 두 개의 실시예들의 세부 단면도를 도시하고 있다. 이 도면들에 도시된 실시예들에서는, 혼합 기체 입구(42)가 이젝터의 혼합 챔버(61) 내로 연장형성된 혼합 기체 입구 튜브(421)를 포함한다. 혼합 기체 입구 튜브(421)는 혼합 챔버 내에서 연결 채널 피스(54)에 의해 둘러싸여 있어서, 혼합 기체 입구 튜브(421) 주위의 증발된 유체(EF)가 후속 열전달 셀(5)의 입구 매니폴드(52)로 향하게 된다.
도 7과 도 9에 도시된 이젝터들의 단면도들로부터, 이젝터(6)의 작동 원리가 명백해진다. 이젝터(6)의 구성으로 인해, 혼합 기체 입구 튜브(421)의 주위를 지나가는 증발된 유체(EF)는, 증발된 유체(EF)와 혼합 기체 간의 속도차를 일으키고, 이에 따라 압력차가 발생하고, 이러한 압력차로 인해 혼합 기체는 입구 매니폴드(52)에 진입하기 전에 혼합 기체 입구 튜브(421)를 통해 이젝터의 혼합 챔버(61) 안으로 흡입된다.
도 10은 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하고 혼합-증발 모듈들(1)의 배기 가스 오프닝들과 약 20°의 각도(α)를 형성하도록 혼합-증발 모듈(1) 내에 배열된 한 쌍의 혼합-증발 스택들(4)을 도시한 것이다.
도 11은 두 개의 스택-쌍들이 네 개의 혼합-증발 스택들(4)로 구성된 W-자 형태의 조립체를 형성하도록 혼합-증발 모듈(1) 내에 배열된 추가적인 일 실시예를 도시한 것이다.
도 3, 도 4, 도 10 및 도 11에 도시된 V-자 형태의 스택-쌍(들)의 두 개의 혼합-증발 스택들(4)의 실시예들에는 변류기가 도시되어 있지 않다. 이들은 도 12에서 추가적으로 도시된 바와 같이 변류기에 의해 누설밀봉 방식으로 서로 연결될 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 계층적 모듈성을 다시 한번 보여주고 있다.
도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 개별 혼합-증발 모듈(3)은 두 개의 단부들에 가열 기체 오프닝들(31)을 구비하며 네 개의 열전달 스택들(4)을 포함한다. 혼합 기체 입구(41), 액체 입구(42) 및 혼합 기체 출구(43)는 혼합-증발 모듈(3)의 동일 측면상에 배열된다. 혼합 기체 입구(41)와 액체 입구(42)는 해당 분배 매니폴드들(11, 12)에 연결될 수 있고, 혼합 기체 출구(43)는 혼합 기체 수집기(13)에 연결될 수 있고, 분배 매니폴드들(11, 12)과 혼합 기체 수집기(13)는 혼합-증발 모듈(3) 외부에 위치한다. 각각의 개별 혼합-증발 모듈(3)의 혼합 기체 입구(41) 및 액체 입구(42)의 해당 분배 매니폴드들(11, 12)에 대한 연결부들 및 혼합 기체 출구(43)의 혼합 기체 수집기(13)에 대한 연결부는, 각각의 혼합-증발 모듈(3)에 대해 독립적으로 차단이 가능하다. 액체 입구(41)와 혼합 기체 입구(42)의 연결 파이프들(410, 420)은, 특히 혼합-증발 모듈(3)에서 고온 기체가 혼합-증발 스택(4)을 횡단한 후에 배열된다. 이러한 배열은 저온 액체와 저온 혼합 기체가 혼합-증발 스택(4)에 진입하기 전에 예열이 가능하도록 한다. 혼합 기체 출구(43)의 연결 파이프(430)는 특히 고온 기체가 혼합-증발 스택(4)을 횡단하기 전에 배열됨으로써, 혼합-증발 모듈(3)에서 나가는, 형성된 혼합 기체를 추가 가열한다. 이 실시예에서, V-자 형태의 스택-쌍의 두 개의 혼합-증발 스택들(4)은 변류기(44)에 의해 누설밀봉 방식으로 서로 연결된다. W-자 형태 조립체의 두 개의 스택-쌍들 또한 누설밀봉 방식으로 서로 연결된다.
도 12에 도시된 혼합-증발 모듈(3)은 도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이 복합 증발 및 혼합기 형성을 위한 하우징(2) 안으로 삽입될 수 있다.
하우징(2)은 개별 혼합-증발 모듈들(3)을 수용하고, 도시된 실시예들에서는 하우징이 하나, 두 개 또는 네 개의 개별 혼합-증발 모듈들(3)을 수용하고 고온 기체가 혼합-증발 모듈들(3)을 통과하도록 하기 위해 그 두 개의 단부들에 가열 기체 오프닝들(21)을 구비한다. 하우징(2)은 혼합-증발 모듈들(3)을 독립적으로 삽입 또는 제거하기 위해 그 측벽(22) 중 하나에 오프닝들을 포함한다. 또한, 하우징(2)은 특히 혼합-증발 모듈들(3)의 삽입 및 제거가 가능하도록 배열된 레일들(미도시)을 포함한다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 하나, 두 개 또는 네 개의 혼합 증발 모듈들을 포함하는 복합 증발 및 혼합기(1)를 도시하고 있다.
도 13 내지 도 15에 도시된 복합 증발 및 혼합기(1)의 관점에서 보면, 복합 증발 및 혼합기(1)의 작동 원리가 명백해진다. 가스 터빈(미도시) 또는 기타 배기 장치로부터의 고온 기체, 가령 배기 가스는 각각의 화살표(HG)가 가리키는 것처럼 복합 증발 및 혼합기(1)를 통해 유동한다. 이와 동시에, 가령 물 등 증발될 액체 유체는 액체 유체 매니폴드(12)로부터 액체 입구(42)를 통해 입구 매니폴드(52)로 유동한 후 제1 열전달 셀(5a)의 U-자 형태의 열전달 튜브들(51)로 분배된다.
고온 기체는 최종 열전달 셀(5b)의 열전달 튜브들(51)을 따라 통과함으로써 혼합-증발 스택(4)에 진입하여 기체성 유체 혼합물을 가열하고, 제1 열전달 셀(5a)m이열전달 튜브(51)를 따라 통과함으로써 혼합-증발 스택(4)에서 나와서 증발될 액체를 가열한다.
고온 기체(HG)가, 초기의 액체 유체(LF)가 유동하는 튜브들(51)과 접촉할때마다, 열기는 열전달 튜브들(51)의 벽들을 통해 고온 기체(HG)로부터 초기 액체 유체(LF)로 전달되고, 액체 유체는 가열되어 결국 가스 상태로의 전환을 겪게 되며, 이는 증발된 유체(EF)로 지칭한다. 이 유체는 그 최고 온도에 도달할 때까지 가열되고, 열전달 튜브(51)에서 나와 튜브 출구들(512)을 거쳐 각각의 출구 매니폴드(53)로 진입한다.
이 시점에서, 복합 증발 및 혼합기(1)의 구성, 그리고 이 실시예에서의 동작 조건들로 인해, 액체 유체(LF)는 제2 열전달 셀(5)을 향해 연결 채널 피스(54)에 진입할때 완전한 기체 상태에 있게 된다. 이 도면에 도시된 실시예에서, 혼합 기체 입구(42)는, 혼합-증발 스택(4)의 제1 열전달 셀(5a)의 출구 매니폴드(53)와 제2 열전달 셀(5)의 입구 매니폴드(52)를 연결하는 연결 채널 피스(54) 상에 배열된다.
초기 액체 유체(LF)가 혼합 기체와 접촉 상태에 진입할 때 전부 기체 상태에 이르기 때문에 혼합의 품질이 우수해진다. 혼합 기체(MG)는 제2 열전달 셀에 진입하여 혼합 기체(MG)가 최고 온도에 도달할때 까지 전달 튜브 벽들을 통한 고온 기체(HG)와 혼합 기체(MG)와의 열 교환에 의해 추가로 가열 및 혼합되고, 혼합 기체 출구(43)를 통해 혼합-증발 스택(4)에서 배출된다.
액체 유체(LF)가 구조적 조건 및 동작 조건들 때문에 제1 열전달 셀(5a)에서 배출된 후 완전한 기체 상태에 있지 않은 경우, 추가적인 열전달 셀(5)이 혼합-증발 스택(4)에 포함될 수 있다. 이 경우, 액체 유체(LF)와 증발된 유체(EF)의 혼합물은 제1 열전달 셀(5a)의 열전달 튜브들(51)의 튜브 출구들(512)을 통해 제1 열전달 셀(5a)에서 나오게 되고, 증발 과정을 완료하기 위해 연결 채널 피스(54)를 통해 제2의 추가적인 열전달 셀(5)의 열전달 튜브들(51)로 유도되게 된다. 이러한 경우, 액체 유체(LF)와 증발된 유체(EF)의 혼합물은 고온 기체(HG)에 추가적으로 노출되게 되고, 열기는 고온 기체(HG)로부터 열전달 튜브(51)의 벽들을 통해 유체 혼합물(LF 및 EF)로 전달됨으로써 남아 있는 액체 유체(LF) 부분을 증발시킨다. 이 실시예에서, 초기 액체 유체(LF)가 제2 열전달 셀(5)을 떠나 혼합-증발 스택(4)의 제3 열전달 셀(5)을 향해 연결 채널 피스(54)에 진입할 때, 완전한 상전이(phase transition)를 겪은 후가 된다. 이 실시예에서, 혼합-증발 스택(4) 내에 세 개의 열전달 셀들(5)이 있는 상태에서, 혼합 기체 입구(42)는 혼합-증발 스택(4)의 제2 열전달 셀(5)의 출구 매니폴드(53)와 제3 열전달 셀(5)의 입구 매니폴드(52)를 연결하는 연결 채널 피스(54) 상에 배열된다. 그런 다음, 혼합 기체 입구(42)를 통해 유입된 혼합 기체와 증발된 유체(EF)와의 접촉에 의해 형성된 혼합 기체(MG)는 혼합 기체(MG)가 그 최고 온도에 도달할때 까지 추가 가열 및 혼합되기 위해 혼합-증발 스택(4)의 제3 열전달 셀(5)에 진입한 후, 혼합 기체 출구(43)를 통해 혼합-증발 스택(4)에서 배출된다.
혼합 기체 출구(43)는 혼합 기체 수집기(13)에 연결된 후, 하우징(2)을 떠날 때까지 복합 증발 및 혼합기(1)의 하우징(2)의 고온 기체(HG) 입구(21)를 향해 안내됨으로써, 혼합 기체 수집기(13)를 통과하는 혼합 기체(MG)를 추가 가열한다.
이에 대한 대안으로, 본 발명에 따른 개별 열전달 셀의 또 다른 일 실시예에서는, 열전달 셀이 U-자 형태는 갖지 않지만 직선 또는 반은 구부러진 부분들을 갖는 복수의 별도의 개별 열전달 튜브들을 포함한다. 개별 열전달 튜브들이 반대 측면들에 튜브 입구들 및 튜브 출구들을 구비하는 경우에는, 열전달 셀은 상부 매니폴드 및 하부 매니폴드를 구비하게 된다. 이 경우, 연결 채널 피스들을 통해, 제1 열전달 셀의 열전달 튜브들의 출구는 하부 매니폴드들에 연결되고 제1 열전달 셀의 하부 매니폴드는 제2 열전달 셀의 하부 매니폴드에 연결된다. 그런 다음, 제2 개별 열전달 셀의 상부 매니폴드는 연결 채널 피스들을 통해 제3의 별도의 열전달 셀의 상부 매니폴드에 연결된다. 모든 개별 열전달 셀들이 연결될 때까지 이러한 조립은 계속된다. 따라서, 일련의 열전달 셀들의 배열이 형성된다. 하나의 개별 열전달 셀 내에, 튜브 입구는 상기 열전달 셀의 상부 매니폴드에 연결되는 반면, 열전달 튜브들의 튜브 출구들은 상기 열전달 셀의 하부 매니폴드에 각각 연결된다.
앞에서 본 발명에 따른 복합 증발 및 혼합기에 대한 구체적인 실시예를 설명했지만, 당업자라면 본 발명의 정신에서 착안할 수 있는 범위 내에서 실시예들에 대한 변경이 가능하기 때문에 실시예들의 보호의 범위를 제한하기 위한 목적으로 쓰인 것이 아님을 이해할 것이다. 따라서, 보호의 범위는 첨부된 청구항에 의해 정의된다.

Claims (15)

  1. 액체를 증발시키고, 기체와 혼합시키는 복합 증발 및 혼합기(1)로서,
    개별 혼합-증발 모듈(3)을 수용하도록 구성되고, 고온 기체가 상기 혼합-증발 모듈(3)을 통과하도록 두 개의 단부에 가열 기체 오프닝(21)을 구비한 하우징(2)과,
    두 개의 단부에 배기 가스 오프닝(31)을 구비한 적어도 하나의 개별 혼합-증발 모듈(3)로서, 적어도 하나의 혼합-증발 스택(4)을 포함하고, 상기 혼합-증발 스택(4)은 제1 열전달 셀(5a)과 최종 열전달 셀(5b)을 포함하는 적어도 두 개의 개별 열전달 셀(5)을 구비하는, 혼합-증발 모듈(3)을 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 개별 열전달 셀(5)은 복수의 열전달 튜브(51)를 포함하고, 각각의 열전달 튜브(51)는 튜브 입구(511)와 튜브 출구(512)를 구비하고, 상기 튜브 입구(511)는 입구 매니폴드(52)에 연결되고 상기 튜브 출구(512)는 출구 매니폴드(53)에 연결되고, 상기 복수의 열전달 튜브(51)는 적어도 하나의 열전달 튜브 열 내에 측면으로 인접하게 배열되고,
    상기 적어도 두 개의 열전달 셀(5)은 적어도 두 개의 측면으로 인접한 열전달 셀의 열 내에 하나 다음에 다른 하나가 오는 식으로 배열되고, 상기 인접하게 배열된 열전달 셀(5)의 매니폴드(52, 53)는 혼합-증발 스택(4)을 형성하는 일련의 열전달 셀(5)의 배열을 형성하는 방식으로 적어도 하나의 연결 채널 피스(54)를 통해 서로 연결되고,
    상기 혼합-증발 스택(4)은, 증발될 액체를 상기 혼합-증발 스택(4)으로 유입하기 위한 상기 제1 열전달 셀(5a)로 향하는 적어도 하나의 액체 입구(41), 증발된 액체와 혼합될 기체를 상기 혼합-증발 스택(4)으로 유입하기 위한 적어도 하나의 혼합 기체 입구(42), 및 기체성 유체 혼합물이 상기 혼합-증발 스택(4)에서 나올 수 있도록 상기 최종 열전달 셀(5b)로부터의 적어도 하나의 혼합 기체 출구(43)를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 혼합 기체 입구(42)는 각각의 혼합-증발 스택(4)의 상기 제1 열전달 셀(5a)의 열전달 튜브 출구(512)와 상기 최종 열전달 셀(5b)의 열전달 튜브 입구(511) 사이에서 상기 혼합-증발 스택(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 기체 입구(42)는 적어도 하나의 연결 채널 피스(54) 상에서 상기 혼합-증발 스택(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 두 개의 개별 혼합-증발 모듈(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액체 입구(41)는 상기 입구 매니폴드(52) 상에 배열되고, 상기 혼합 기체 입구(42)는 하나의 열전달 셀(5)을 인접한 열전달 셀(5)에 연결하는 적어도 하나의 연결 채널 피스(54) 상에 배열되고, 상기 혼합 기체 출구(43)는 상기 출구 매니폴드(53) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 열전달 셀(5)의 열전달 튜브(51)는 U-자 형태이고, 상기 각각의 열전달 셀(5)의 출구 매니폴드(53)는 동일한 열전달 셀(5)의 입구 매니폴드(52)에 인접하게 배열된 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 액체 입구(41)와 혼합 기체 입구(42)는 대응하는 분배 매니폴드(11, 12)에 연결 가능하고, 상기 혼합 기체 출구(43)는 혼합 기체 수집기(13)에 연결 가능하고, 상기 분배 매니폴드(11, 12)와 혼합 기체 수집기(13)는 상기 혼합-증발 모듈(3)의 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 혼합-증발 모듈(3) 외부에 위치한 각각의 개별 혼합-증발 모듈(3)의 대응하는 분배 매니폴드(11, 12)에 대한 상기 액체 입구(41)와 혼합 기체 입구(42)의 연결부, 및 상기 혼합 기체 수집기(13)에 대한 상기 혼합 기체 출구(43)의 연결부는, 각각의 혼합-증발 모듈(3)에 대해 독립적으로 차단될 수 있는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 액체 입구(41), 혼합 기체 입구(42) 및 혼합 기체 출구(43)는 상기 혼합-증발 모듈(3)의 동일한 측면상에 배열된 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 혼합-증발 스택(4)은 상기 혼합-증발 모듈(3)의 배기 가스 오프닝(31)과 0°내지 45°의 각도(α)를 형성하도록 상기 혼합-증발 모듈(3) 내에 배열된 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  10. 제1항에 있어서,
    두 개의 혼합-증발 스택(4)이 V-자 형태의 스택-쌍을 형성하도록 배열된 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  11. 제10항에 있어서,
    적어도 두 개의 스택-쌍이, 적어도 네 개의 혼합-증발 스택(4)으로 구성된 W-자 형태의 조립체를 형성하도록 상기 혼합-증발 모듈(3) 내에 배열된 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  12. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 기체 입구(42)는 이젝터(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 증발 및 혼합기(1).
  13. 액체를 증발시키고 증발된 액체를 기체와 혼합시키는 방법으로서, 증발 및 혼합 단계가 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 복합 증발 및 혼합기(1)를 사용하여 수행되고,
    증발될 액체는 상기 혼합-증발 모듈(3) 내의 각각의 혼합-증발 스택(4)의 제1 열전달 셀(5a) 안으로 유입되고, 혼합 기체는 상기 제1 열전달 셀(5a) 이후 상기 최종 열전달 셀(5b) 이전에 유입되고,
    상기 혼합-증발 모듈(3)은 고온 기체 기류에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증발될 액체는 물이고, 상기 혼합 기체는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    고온 기체는 상기 최종 열전달 셀(5b)의 열전달 튜브(51)를 따라 통과함으로써 상기 혼합-증발 스택(4)에 진입하여 기체성 유체 혼합물을 가열하고, 상기 제1 열전달 셀(5a)의 열전달 튜브(51)를 따라 통과함으로써 상기 혼합-증발 스택(4)에서 배출되어 증발될 액체를 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
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