KR19990083296A - 하향류식리보일러용핀구조 - Google Patents

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마쉬 윌리엄 에프
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Abstract

냉동제(예컨대, 산소 및 질소)와 같은 응축 유체와 증발 유체 사이의 열전달 효율을 향상시키기 위하여 핀(fin)의 치수를 최적화한 플레이트-핀 열교환기 또는 하향류식 리보일러/응축기(downflow reboiler/condenser)가 이러한 리보일러/응축기를 구비하는 극저온 공기 분리 유닛과 함께 설명되어 있다. 일실시예에 있어서, 플레이트-핀 열교환기는 0.20 인치 이하의 균일한 핀 높이와, 25/인치 이상의 핀 빈도수와, 0.008 인치 이하의 핀 두께를 가지는 복수 개의 핀이 이웃한 분할 시트 사이에 배치되어 있다. 이러한 최적의 핀은 적어도 증발 유로의 하드웨이 분배기 섹션(hardway distributor section)의 제1 열전달 섹션 하류 내에서, 그리고 응축 유로의 입구와 출구 분배기 섹션 사이의 전체 열전달 섹션 내에서 가장 효과적으로 채용되고 있다.

Description

하향류식 리보일러용 핀 구조{OPTIMUM FIN DESIGNS FOR DOWNFLOW REBOILERS}
본 발명은 공기를 그 구성 성분(즉, 질소, 산소, 아르곤 등)로 증류(distillation)하는 것과 같은, 가스 혼합물 극저온 증류 공정에서 하향류식 리보일러로서 사용되는 열교환기, 구체적으로 말하자면 플레이트-핀 열교환기에 관한 것이다.
공기의 극저온 분리는 액체와 증기를 증류탑을 통하여 역류 접촉 상태(in countercurrent contact)로 통과시킴으로써 수행된다. 혼합물의 기상 성분(vapor phase)은 상승하여 휘발성이 더 큰 성분(예컨대, 질소)의 농도를 증가시키는 반면에, 혼합물의 액상 성분은 하강하여 휘발성이 더 작은 성분(예컨대, 산소)의 농도를 증가시킨다.
공기를 극저온 증류법으로 그 구성 성분들로 분리하는 공정은 많이 있다. 도 1에는 일반화된 극저온 공기 분류 유닛(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 고압으로 공급되는 공급 공기(1)는 고압 증류탑(2)의 저부로 공급되며, 여기에서 질소가 농후한 증기(5)와 산소가 농후한 액체(3)로 분리된다. 산소가 농후한 액체(3)는 고압 증류탑(2)으로부터 저압 증류탑(4)으로 이송된다. 저압 증류탑(4)은 여러 섹션으로 분할될 수 있다. 예로서, 도 1에는 세 개의 섹션(4A, 4B, 4C)이 도시되어 있다.
질소가 농후한 증기(5)는 응축기/리보일러(6)로 유입되며, 이 리보일러에서 산소가 농후한 액체와 열교환함으로써 응축되어 고압 증류탑(2)에 환류(7A)를 제공하고 저압 증류탑(4)을 비등(沸騰, boilup)시킨다. 질소가 농후한 액체의 일부(8A)는 수집되고, 일부는 고압 증류탑(2)의 환류(7A, reflux)로서 이용되며, 나머지(8B)는 액체 환류로서 저압 증류탑(4)으로 이송된다. 액상 이송 물질(3, 8B)은 저압 증류탑(4)에서 극저온 증류에 의하여 산소가 농후한 성분과 질소가 농후한 성분으로 분리된다. 질소가 농후한 성분은 증기(9A)로서 추출된다. 산소가 농후한 성분은 다른 증기(9B)로서 추출된다. 선택적으로, 산소가 농후한 성분은 액체로서 리보일러/응축기(6)를 둘러싸는 배출통으로부터 추출될 수 있다. 또한, 폐기류(11, waste stream)도 저압 증류탑으로부터 추출된다.
본 발명은 전술한 극저온 공정에서 리보일러/응축기(6)로서 이용되는 특정 형태의 플레이트-핀 열교환기에 관한 것이다. 이러한 열교환기는 통상적으로 "하향류식 리보일러" 또는 "하강 액막식 증발기(falling film vaporizer)"로 지칭되며, 이 열교환기에서는 한 세트의 유로에 있는 비등류 또는 증발류와 다른 세트의 유로에 있는 응축류의 사이에서 간접적으로 열이 교환된다. "하향류식(downflow)" 또는 "하강 액막식(falling film)"이라는 용어는 증발류의 흐름 방향을 지칭한다. 또한, 통상적인 응축류의 흐름은 하향이지만, 특별한 용례의 경우에는 응축 흐름은 상향이거나 증발류의 흐름에 대해 교차류일 수도 있다.
질소에 대해서 도 1에 도시되고, 또 앞서 논의된 바와 같이, 전술한 형태의 열교환기는 두 개의 증류탑을 열적(熱的)으로 연결하며, 질소 또는 아르곤을 함유하는 응축류는 증류탑의 상부에서 환류로서 이용하고, 산소를 함유하는 증발류는 다른 증류탑의 저부에서 비등류(沸騰流; boilup)로서 이용할 수 있다.
보다 에너지 효율이 높은 특히 대형의 공기 분리 플랜트를 설계 및 제작하려는 노력에 따라, 증류탑, 압축기, 펌프 및 팽창기의 성능과 효율에 있어서 많은 진보와 향상을 가져왔다. 열교환기, 특히 리보일러/응축기는 에너지 효율과 성능의 향상을 위한 잠재 영역이다.
플레이트-핀이 브레이징되어 있는 알루미늄 열교환기는 일반적으로 공기 분리 및 다른 극저온에 적용되는 리보일러/응축기로 이용된다. 이러한 열교환기의 열 전달 성능은 핀의 치수를 변화시킴으로써 영향을 받을 수 있다. 예컨대, 변화될 수 있는 3가지 중요한 변수는 핀의 높이, 핀의 두께 및 핀의 빈도수이다.
여러해 동안, 극저온 산업에 하향류식 리보일러가 이용되어 왔지만, 플레이트-핀 열교환기 제조업자들은 본 발명에 의한 사상과 같은 최적화된 핀 구조를 제공하지는 못했다. 분석과 실험을 통하여, 본원의 발명자는 공기 분리 플랜트에서 리보일러의 성능을 최적화하기 위한 핀의 최적 치수와 관련한 매우 놀라운 예상밖의 발견을 하였다. 이러한 놀라운 예상밖의 발견은 본 발명에 따른 개량된 플레이트-핀 열교환기를 제조하는데 이용될 수 있으며, 이 열교환기를 공기 분리 플랜트에서 리보일러로서 사용하면, 보다 효율적으로 공기 분리 공정을 수행할 수 있다.
하향류식 리보일러의 비용 및/또는 크기, 중량을 최소화하여, 보다 효율적이고 생산될 제품의 단위 분량당 비용이 덜드는 공기 분리 공정을 발생시키는 최적의 핀 구조를 가지는 것이 바람직하다.
종래 기술의 리보일러보다 컴팩트하고 효율적인 하향류식 리보일러를 이용하는 보다 효율적인 공기 분리 공정을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
또한, 최적화된 핀 구조를 이용하는 플레이트-핀 열교환기 또는 하향류식 리보일러를 조립하는 방법을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
도 1은 공기 분리 유닛의 개략적인 정면도.
도 2는 하드웨이 피닝(hardway finning) 및 이지웨이 피닝(easyway finning)의 부분 확대 상세도를 포함한 하향류식 리보일러의 사시도.
도 3A는 본 발명의 용례를 나타내는 하향류식 리보일러로서 이용된 열교환기의 증발 유로의 개략도.
도 3B는 본 발명의 용례를 표시하는 하향류식 리보일러로서 이용된 열교환기의 응축 유로의 개략도.
도 4는 플레이트-핀 열교환기의 소조립체 또는 기본 요소의 분해 사시도.
도 5A 내지 도 5D는 플레이트-핀 열교환기에 통상적으로 이용되는 4가지 형태의 핀을 도시한 도면.
도 6은 분할 시트에 의하여 서로 물리적으로 격리되어 있는 유로(A, B)의 유체 흐름과, 분할 시트들 사이에 있는 핀의 기본 조립체를 도시한 개략적인 다이아그램.
도 7은 유로가 대략 장방형이라는 전제를 기초로 핀으로 형성된 유로의 단순화된 형상을 도시한 개략적인 다이아그램.
도 8은 0.008 인치의 일정한 핀 두께(tf)와 25/인치의 일정한 핀 빈도수(fpi)에서 핀 높이(H)에 따른와의 종속 관계를 보여주는 그래프.
도 9는 0.25 인치의 일정한 핀 높이(H)와 25/인치의 일정한 핀 빈도수(fpi)에서 핀 두께(tf)에 따른와의 종속 관계를 보여주는 그래프.
도 10은 0.25 인치의 일정한 핀 높이(H)와 0.008인치의 일정한 핀 두께(tf)에서 핀 빈도수(fpi)에 따른와의 종속 관계를 보여주는 그래프.
도 11은 리보일러의 단위 용적 당 상대 총효율(relative duty)과 상대 열 구동력(relative thermal driving force)을 보여주는 종래 기술의 리보일러의 성능 특성 그래프.
도 12는 리보일러의 용적 당 상대 총효율과 상대 열 구동력을 보여주는 본 발명에 따른 리보일러의 성능 특성 그래프.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
6: 열교환기
18, 20: 유로
22: 팬형 장치
25: 소조립체
27: 하이웨이 핀
28A, 28B, 28C: 열전달 피닝의 세 섹션
40, 42: 분할 시트
본 발명은 비교적 높이가 낮고, 두께가 얇으며, 빈도수가 큰 핀을 이용하면 하향류식 리보일러로서 이용되는 플레이트-핀 열교환기에 최적의 핀 구조를 제공할 수 있다는 놀라운 예상밖의 발견을 기초로 한다. 구체적으로 말하자면, 본 발명은 이하에 설명하는 바와 같은 최적의 핀 치수를 이용하는 플레이트-핀 열교환기 또는 하향류식 리보일러에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 플레이트-핀 열교환기와 이러한 열교환기 또는 하향류식 리보일러를 구비하는 극저온 공기 분리 유닛을 조립하는 방법을 포함한다.
제1 실시예에 있어서, 플레이트-핀 열교환기는 25핀/인치 이상의 실질적으로 균일한 핀 빈도수로 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 각각의 핀은 0.20 인치 이하의 실질적으로 균일한 핀 높이를 가진다.
제2 실시예에 있어서, 플레이트-핀 열교환기는 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 각각의 핀은 0.20 인치 이하의 실질적으로 균일한 핀 높이와, 0.008 인치 이하의 실질적으로 균일한 핀 두께를 가진다.
제3 실시예에 있어서, 플레이트-핀 열교환기는 25핀/인치 이상의 실질적으로 균일한 핀 빈도수로 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 각각의 핀은 0.20 인치 이하의 실질적으로 균일한 핀 높이와, 0.008 인치 이하의 실질적으로 균일한 핀 두께를 가진다. 예컨대, 이러한 한 열교환기에 있어서, 핀의 빈도수는 약 40핀/인치이며, 핀의 높이는 약 0.100 인치이며, 핀의 두께는 약 0.004 인치이다. 이러한 다른 열교환기에 있어서, 핀의 빈도수는 약 40핀/인치이며, 핀의 높이는 약 0.100 인치이며, 핀의 폭은 약 0.008 인치이다.
이러한 핀은 평탄하거나, 천공되거나, 톱니 모양이거나 물결 모양 〔헤링본(herringbone)〕일 수 있다. 통상적으로, 핀은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 그러나, 핀은 또한 다른 열전도성 재료로 제조될 수도 있다.
제4 실시예는 리보일러 또는 응축기 설비용 플레이트-핀 열교환기로서, 이 열교환기는 복수 개의 평행한 분할 시트와 이들 인접 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 주름진 핀으로 구성된 조립체를 구비하는 평행육면체형 본체를 포함한다. 핀은 25핀/인치 이상의 실질적으로 균일한 핀 빈도수를 가지며, 각각의 핀은 0.20 인치 이하의 실질적으로 균일한 높이와, 0.008 인치 이하의 실질적으로 균일한 두께를 가진다.
본 발명의 다른 특징은 본 발명에 따른 플레이트-핀 열교환기를 구비하는 극저온 공기 분리 유닛이다. 예컨대, 극저온 공기 분류 유닛은 제4 실시예에서 전술한 바와 같은 리보일러/응축기 설비용 플레이트-핀 열교환기를 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 있어서, 전술한 실시예에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 플레이트-핀 열교환기를 조립하는 방법이 제공된다. 이러한 열교환기를 조립하는 방법은 다음 단계를 포함한다. 제1 단계는 두 개의 실질적으로 평행한 분할 시트를 마련하는 것이다. 그 다음 단계는 핀 빈도수가 실질적으로 균일하고, 핀 높이가 실질적으로 균일하며, 핀 두께가 실질적으로 균일한 복수 개의 핀을 형성하도록 긴 시트를 주름지게 하는 것이다. 최종 단계는 핀의 주름진 시트를 분할 시트 사이에 배치하는 것이다. 조립 방법의 일실시예에 있어서, 핀의 빈도수는 25핀/인치 이상이며, 핀의 높이는 0.20 인치 이하이며, 핀의 두께는 0.008 인치 이하이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고로 예로서 설명하기로 한다.
본 발명은 냉동제(예컨대, 산소 및 질소)와 같은 응축 유체와 증발 유체 사이의 열전달 효율을 향상시키기 위하여 본 명세서에서 설명된 바와 같이 핀의 치수를 최적화한 플레이트-핀 형태의 열교환기에 관한 것이다. 공기 분리 설비에 리보일러/응축기로서 열교환기를 이용하는 것을 참고로 한다. 이러한 참고는 바람직한 용도를 나타내려는 의도이다. 그러나, 본 발명은 이러한 열교환기 설비가 필요한 어떤 용도에서도 이용될 수 있다.
도 2에 도시된 하향류식 리보일러는 제1 단부(12)와 제2 단부(14)가 마련되어 있는 플레이트-핀 형태의 열교환기(6)이다. 열교환기(6)의 본체(16)는 일반적으로 평행육면체 형태이다. 열교환기(6)는, 서로(18, 20) 번갈아 위치되고 서로 다른 유체를 수용하도록 제1 그룹의 유로(18)와 제2 그룹의 유로(20)로 배열된 복수의 유로를 한정하는 복수 개의 분할 시트를 포함한다. 본 명세서에서 설명한 공정에 있어서, 예컨대 한 그룹의 유로는 산소의 흐름을 수용하고, 다른 그룹의 유로는 질소의 흐름을 수용한다.
제1 그룹의 유로(18)는 상부 둘레부 또는 개방된 상부의 팬-형 장치(22)로부터 하강하는 유체를 수용하도록 되어 있다. 제1 그룹의 유로(18)는 열교환기 본체(16)의 상부 또는 제1 단부(12)와, 저부 또는 제2 단부(14)에서 개방되어 있다. 측면바(24)는 각 유로(18)의 연직 단부를 폐쇄한다. 통상적인 측면바(24)의 일부가 도 2의 오른쪽에 확대 도시되어 있다.
유로(18, 20)는 인접한 분할 시트 사이에 배치된 주름진 시트에 의하여 형성된 핀을 각각 포함하며, 이에 따라 핀은 분할 시트에 실질적으로 수직하다. 핀은 유체 분배와 열전달을 위하여 유로 내에 설치된다. 핀과 분할 시트는 통상적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되지만, 다른 열 전도성 재료로 구성될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유로(18)에는 천공 구멍(29)이 있고 나란하게 배치된 핀(27, 확대부로 도시)을 구비하는 상부가 마련되어 있다. 이러한 형태의 핀은 하드웨이 피닝(hardway finning, 번역자주: 본원에서 사용하는 피닝이라 함은 통상 주름잡힌 얇은 금속판을 지칭하며, 피닝이 유로를 통한 유체의 흐름에 평행하게 주름잡힌 것을 이지웨이 피닝이라하고, 수직하게 주름 잡힌 것을 하드웨이 피닝이라 한다)으로 지칭되며 팬-형 섹션(22)을 통하여 제1 유로(18)로 유입되는 유체의 분배를 더욱 향상시킨다.
제1 유로(18)의 저부는 연직으로 배치된 열전달 핀(28, 확대도로 도시)을 포함하며, 이 핀은 종종 이지웨이 피닝(easy-way finning)으로 지칭되며, 화살표30방향으로 흐르는 유체를 수용한다. 도 2에 도시된 열전달 핀(28)은 톱니 모양이지만, 천공된 핀, 평탄한 핀, 헤링본(물결 모양) 핀 또는 다른 유사한 형태의 핀이 이용될 수 있다.
도 5A 내지 도 5D는 플레이트-핀 열교환기에 통상적으로 이용되는 열전달핀의 4가지 타입이 도시되어 있다. 즉 평탄한 핀, 천공된 핀, 톱니 모양 핀 및 물결 모양 핀(또는 헤링본 핀)이 있다.
도 2에 도시된 실시예에 있어서, 팬-형 장치(22)에 도입된 증발 유체 또는 비등 유체는 열교환기(6)의 제1 유로(18)를 통하여 하방으로 흘러서, 열교환기 저부의 단부(14)를 통하여 자유로이 낙하되어 배출되며, 종래 기술에 공지된 설비(도시 생략)에 의한 공정의 다른 부분을 위하여 수집된다. 응축되는 가스는 도관(33)과 헤더(32)를 거쳐서 열교환기의 제2 유로(20)로 도입되며, 나란한 연직 분배기를 통하여 화살표34로 도시된 바와 같이 거동하며, 저부 헤더(35)에 수집된다.
도 3A에는 하향류식 리보일러로서 이용되는 열교환기(6, 도 2에 도시)의 개략도가 도시되어 있으며, 여기에서 비등류/증발류는 팬-형 장치(22)를 거쳐서 화살표110으로 도시된 바와 같이 열교환기로 도입된다. 비등류/증발류는 열교환기로부터 화살표112로 도시된 바와 같이 배출된다. 유입류(110)는 하드웨이 핀(27)에 의하여 제1 유로(18)를 가로질러 잘 분배되며 하강 액막으로서 핀(28)에서 열전달을 받는다. 열전달 피닝의 세 섹션(28A, 28B, 28C)은 표면적이 점차로 감소하며, 이것은 선더(Sunder) 등에 허여된 미국 특허 제5,122,174호에 개시된 증발류에서의 양호한 열전달과 습윤(wetting)에 유리하다.
도 3B에는 열교환기(6)의 응축 유로가 개략적으로 도시되어 있으며, 응축류(118)는 헤더(32)를 통하여 도입되고, 헤더(35)를 통하여 응축류(120)로서 추출된다. 이러한 유로는 부분적으로는 나란하고 부분적으로는 연직인 분배 섹션(34)을 구비한다. 큰 응축 열전달은 도 3B에 도시된 바와 같이 연직의 하강 액막으로서 피닝(37)에서 발생한다.
도 2, 도 3A, 도 3B에 도시된 리보일러에 있어서, 비등류/증발류는 산소 함유 유체일 수 있으며, 응축류는 질소 및/또는 아르곤 함유 유체일 수 있다.
본 발명은 도 3A의 증발 유로에서28로 도시되고, 도 3B의 응축 유로에서36으로 도시되고 대략 연직으로 정향된 이지웨이 열전달 피닝(easy-way heat transfer finning)에 관한 것이다.
도 4는 증발류 피닝(28)과 관련하여 이러한 플레이트-핀 열교환기 내측에 있는 기본 소조립체(25)의 다른 상세도를 도시하고 있다. 그러나, 이 원리는 응축류 피닝(36)에도 또한 적용될 수 있다. 플레이트-핀 열교환기는 복수 개의 소조립체(25)를 포함하며, 이 소조립체는 주름진 알루미늄 시트(28)의 어느 한쪽에 배치된 알루미늄 분할 시트(40, 42)로 구성되며, 주름진 알루미늄 시트는 분할 시트에 실질적으로 수직한 일련의 핀을 형성한다. 일반적으로, 각각의 소조립체(25)는 핀 시트(28)에 의하여 일정 간격 떨어져 있는 두 개의 분할 시트(40, 42)를 브레이징함으로써 형성되며, 그 엣지는 도 4에 도시된 바와 같이 측면바(24A, 24B)에 의하여 둘러싸인다. 완전한 열교환기는 초기에 전술하고 도 2에 도시된 다른 부품 뿐만 아니라 복수 개의 소조립체(25)를 함께 브레이징함으로써 조립된다.
도 6에는 분할 시트 사이에 있는 기본 핀 조립체가 도시되어 있다. 유로(A, B)에서의 흐름은 분할 시트에 의하여 서로 물리적으로 격리되어 있으며, 열은 단지 간접적으로만 교환된다. 주어진 열교환기는 많은 유로를 구비할 수 있으며, 일반적으로 하향류식 리보일러에 있어서, 응축 유로와 증발 유로가 교호하는 방식으로 배열되어 각 응축 유로마다 대략 하나의 증발 유로가 있다. 완전히 조립된 플레이트-핀 열교환기는 유로의 극단을 밀봉하는 측면바 및 단부바와, 두 개의 최외측 유로를 둘러싸는 캡 시트(cap sheet)와, 유로 내에서 핀으로 형성된 분배 섹션과, 각각의 공정의 흐름을 균일하게 열교환기의 안,밖으로 이동시키는 역할을 하는 노즐과 외측 헤더를 포함하여 많은 다른 부품을 포함한다. 그러나, 이러한 요부는 도 3A 및 3B에 도시된 열교환기의 섹션(28, 36)에서 핀 구조를 최적화하는 본 발명과 관련이 없다.
최적의 핀 구조와 최고의 리보일러 성능을 달성하는 본 발명의 주요 특징은 이하의 분석과 관련하여 매우 잘 설명되어 있다. 본 발명이 많은 일반적인 용례를 가지지만, 분석의 설명을 용이하게 하기 위하여, 지칭된 증발 유체와 응축 유체는 각각 산소와 질소이다.
플레이트-핀 열교환기의 인접한 유로 사이의 열전달 관계를 이해하는 것을 돕기 위하여, 핀으로 형성된 유로를 단순화한 형상이 도 7에 도시되어 있으며, 여기서 유로는 대략 장방형이라는 것을 알 수 있다. 각 유로의 흐름(A)은 열교환기의 최외측 유로 내부를 제외하고는 유로의 흐름(B)과 열교환된다. 열교환기의 각 흐름에 대해 통상적으로 70 내지 100개의 유로가 있기 때문에, 이러한 단부 효과는 경미하며 무시할 수 있다.
압력 강하를 고려하지 않은 열전달도(Heat Transfer Goodness)
이하의 이론적 분석에 있어서는, 증발류에 할당되어 있는 용적으로 흐르는 주어진 증발 유량에 있어서 사용 가능한 열전달에 미치는 변화되는 핀 높이, 핀 두께 및 핀 빈도수의 효과를 비교한다. 이러한 용적은 플레이트-핀 열교환기에서 금속이 점유하는 공간을 포함한다. 열전달도를 비교하기 위하여, 이 초기의 겉보기 속도(superficial velocity)를 각 기하학적 형태에 대한 유효 속도(efficient velocity)로 변환한다. 그 다음에, 전열 면적과 열전달 계수를 평가한다. 증발측에 대한 전개 및 표본 계산법(development and sample calculation)이 제시되지만, 응축측에 대해서도 유사한 결과와 결론이 적용된다.
한 유로의 흐름(A)을 고려하는 경우, 다음과 같은 관계가 존재한다. 관련 용어에 대해서는 23 및 24 페이지의 "명명법(Nomenclature)"에서 정의한다.
분할 시트는 1차 면적(AP)을 제공하며, 핀은 2차 면적(AS)을 제공한다.
열교환기의 증발측 용적으로 흐르는 동일한 겉보기 유량(Q)에 대해서 비교를 행하기 때문에, 상대적인 성능을 계산하기 위하여 다음과 같이 유효 유량으로 변환한다.
하강 경막(境膜; falling laminar film)을 통한 열전달의 기본 방정식은 1916년에 누셀(Nusselt)에 의하여 처음 유도되었다. 이것은 수학식 [10]과 [11]로 제시되어 있다. 실제, 하강 액막을 얇게 함으로써 모델링될 수 있는 병류(竝流)의 증기 흐름에 의하여 발생되는 전단 응력뿐만 아니라 액막의 프란틀 수(Prandtl Number)와 레이놀즈 수를 포함한 보정 인자를 이용하여 모델링될 수 있는 난류 또는 파(波) 큰 값이 얻어진다. 동일한 작용 조건하에서 두 개의 상이한 기하학적 형태 내에서의 비율을 취하여 비교를 행하기 때문에, 전단력과 프란틀 수는 효과적으로 소거되며, 단지 레이놀즈 수 만이 남는다. 문헌에 보고된 몇가지 결과를 기초로, 상수 "a" 는 0.7 정도이며, 상수 "b"는 0.1 정도이다. 이러한 전체적 단순화는 핀 효율 계산에 있어 약간의 오차를 수용하는데, 이에 대해서는 후술한다. 그러나, 이것은 부수적 효과이므로 무시된다. 또한, 증발류에서의 유량이 임계값 이하일 경우, 열전달 계수를 감소시키는 건조 패치(dry patches)가 나타난다. 이것은 아래에서 다시 논의 되겠지만 여기에서 설명된 사항의 적용 가능성을 증발측의 단지 일부분으로 한정한다. 그러나, 이러한 열화 현상(degradation)은 응축 유로내에서는 발생하지 않으므로, 여기서 설명된 사항은 전체 응축측에 적용된다.
표본 계산(Sample Calculation)
이하의 표본 계산은 이중 칼럼 공기 분리 플랜트의 메인 리보일러/응축기에 관한 것이다. 증발류는 25psia에서 99.5%의 순수 산소를 함유한다. 액체의 물성은, 밀도 = 70 lbm/ft3, 열전도율 = 0.085 Btu/hr·ft·F, 동점성 계수= 0.42 lbm/ft·hr 이다. 알루미늄의 열전도율은 100 Btu/hr·ft·F이다. 분할 시트의 두께는 0.041 인치 이다. 응축측의 흐름은 거의 순수 질소이다. 그러나, 이하의 계산은 산소 흐름 측 특유의 것이다.
하향류식 리보일러에 통상적으로 이용되는 핀 치수의 범위는
H = 0.20 내지 0.30 인치]
tf= 0.008 내지 0.012 인치
fpi = 15/인치 내지 25/인치
이러한 범위는 상업적 적용 가능성에 의하여 부분적으로 제한된다.
본 발명의 교시 내용을 입증하기 위하여, 후술되는 바와 같이 훨씬 넓은 범위에 걸친 표본 계산값을 제시한다. 아래에 제시된 범위의 한계값을 초래하는 많은 치수 조합은 현재로서는 상업적으로 유용하지 않다.
H = 0.10 내지 0.40 인치
tf= 0.002 내지 0.014 인치
fpi = 10/인치 내지 40/인치
도 8은 핀 두께 tf가 0.008 인치로 일정하고, 핀 빈도수 fpi가 25/인치로 일정한 상태에서 핀 높이 H에 대한 [hA]*의 계산된 종속 관계를 보여준다. 기초가 되는 계산은 동일한 산소의 겉보기 속도에서 수행했으며, 따라서 핀 높이의 범위의 중간 지점에서 액체의 레이놀즈 수는 두 개의 다른 곡선에 대해 100과 500이다. 각 곡선에 대해, 액체 레이놀즈 수는 중앙 지점에서 떨어진 모든 지점에서 상이하지만, 이러한 변동의 효과는 이 분석에 고려된다. 용적 측정(the measure of volume goodness), [hA]*은 고려된 핀 높이 H의 전체 범위의 감소와 더불어 단조롭게 증가한다. 이 때문에 하향류식 리보일러에 높이가 낮은 핀을 채용할 것을 제안한다.
도 9는 상이한 두 겉보기 속도에서 핀 높이 H가 0.25 인치로 일정하고, 핀 빈도수가 25/인치로 일정한 조건에서 핀 두께에 대한 [hA]*의 종속 관계를 보여주며, 액체 레이놀즈 수는 중앙 지점에서 100과 500이다. 도시된 바와 같이, [hA]*는 고려된 핀 두께 tf의 전체 범위의 증가와 더불어 단조롭게 증가한다. 이 때문에 하향류식 보일러에 두꺼운 핀을 채용할 것을 제안한다.
도 10은 상이한 두 겉보기 속도에서 핀 높이 H가 0.25 인치로 일정하고, 핀 두께 tf가 0.008 인치로 일정한 조건에서 핀 빈도수에 대한 [hA]*의 종속 관계를 보여주며, 액체 레이놀즈 수는 중앙 지점에서 100과 500이다. 도시된 바와 같이, [hA]*는 고려된 핀 빈도수의 전체 범위의 증가와 더불어 단조롭게 증가한다. 이 때문에 하향류식 보일러에 보다 많은 핀을 채용할 것을 제안한다.
압력 강하를 고려한 열전달도(Heat Transfer Goodness Considering Pressure Drop)
후술되는 분석은 열전달도에 대한 압력 강하의 효과를 포함한다. 하향류식 리보일러에 있어서의 유용한 열 구동력(available thermal driving force)은 마찰에 의한 압력 강하(frictional pressure drop)에 의하여 감소된다. 열전달 특성은 주로 액상에 의하여 결정되는 반면, 압력 강하는 주로 기상에 의하여 결정된다. 플레이트-핀 유로가 작은 파이프와 유사하다고 가정하면, 마찰에 의한 압력 구(frictional pressure gradient)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
전술한 수학식에서 차수를 상쇄하는 상수(the constant to balnace the dimensions)는 표시하지 않았다. 난류 영역의 마찰 인자(f)가 증기 레이놀즈 수 또는 -0.2 파워(power)로 상승된 속도에 비례한다는 것은 알려져 있다. 상대적인 액체 및 증기 상태(relative liquid and vapor condition)가 유사한 열교환기 내의 어떤 거리(z)에 걸쳐 유사한 작동 조건하에서 다른 열교환기에 대한 비교를 행하기 때문에, 수학식 [20]의 종속 관계는 다음의 결과(상이한 경우들 사이의 상대값을 발견하는 데에만 작용하며)를 도출하도록 유효 액체 유량에 소급되어 적용될 수 있다.
또한, 하향류식 리보일러의 흐름(stream)의 온도와 압력은 서로 독립적이지 않다. 증발측과 응축측의 흐름은 모두 온도 대 압력의 포화 관계(saturation relationship of temperature versus pressure)를 따른다. 기본 열역학으로부터,
임을 알 수 있다.
또한, 열교환기의 열 구동력이 마찰 압력 강하 없이인 경우,의 감소는 압력 강하에 기인하여 발생하며, 평균의 유용한 구동력(dT)은
로 어림될 수 있다.
수학식 [20내지23]으로부터, 동일한 겉보기 조건에서 작용하는 두 개의 상이한 기하학적 형태에 대해 유용한 열 구동력은
과
으로 나타낼 수 있다.
압력 강하가 존재하는 상황에서 열전달도를 평가하기 위하여, 다음의 수학식이 이용된다.
표본 계산값(Sample Calculations)
[hAdT]*의 여러 샘플 계산값이 도 8 내지 도 10에 도시되어 있으며, 이러한 계산값에 대해서 수학식 [24]의항은 각 곡선 내에서 0.9(참고 조건에서)인 것으로 가정한다.
도 8은 핀 두께 tf가 0.008 인치로 일정하고, 핀 빈도수 fpi가 25/인치로 일정한 조건에서 핀 높이 H에 대한 [hAdT]* 의 종속 관계를 보여준다. 이러한 계산은 동일한 산소의 겉보기 속도에서 수행했으며, 따라서 핀 높이의 범위의 중간 지점에서 액체의 레이놀즈 수는 두 개의 다른 곡선에 대해 100과 500이다. 각 곡선에 대해, 액체 레이놀즈 수는 중앙 지점에서 떨어진 모든 지점에서 상이하지만, 이러한 변동의 효과는 이 분석에 고려된다. 용적 측정값(measure of volume goodness), [hAdT]*은 핀 높이 H가 감소함에 따라 증가한다. 그러나, 초기에 전술한 [hA]* 곡선과는 확실하게 대조적으로, 그 기울기는 고려된 전체 범위의 핀 높이 H에 있어 단조롭지 않다. 오히려, 고려된 범위의 하한치를 향하여 갈수록 최적화되는 것으로 제시된다. 이 때문에 하향류식 리보일러에 높이가 낮은 핀을 채용할 것을 제안한다.
도 9는 상이한 두 겉보기 속도에서 핀 높이 H가 0.25 인치로 일정하고, 핀 빈도수 fpi가 25/인치로 일정한 조건에서 핀 두께 tf에 대한 [hAdT]*의 종속 관계를 보여주며, 액체 레이놀즈 수는 중앙 지점에서 100과 500이다. 도시된 바와 같이, [hAdT]*는 핀 두께가 증가할 수록 증가한다. 그러나, 초기에 전술한 [hA]* 곡선과는 확실하게 대조적으로, 그 기울기는 고려된 전체 범위에 있어 단조롭지 않다. 오히려, 고려된 범위의 상한치를 향하여 갈수록 최적화되는 것으로 제시된다. 이 때문에, 이러한 높은 범위의 핀 두께가 하향류식 보일러에 바람직하다는 것을 제안한다.
도 10은 상이한 두 겉보기 속도에서 핀 높이 H가 0.25 인치로 일정하고, 핀 두께 tf가 0.008 인치로 일정한 조건에서 핀 빈도수 fpi에 대한 [hAdT]*의 종속 관계를 보여주며, 액체 레이놀즈 수는 중앙 지점에서 100과 500이다. 도시된 바와 같이, 그 증가율이 [hA]* 곡선에 비해 어느 정도 감소되지만, [hAdT]*는 고려된 핀 빈도수의 전체 범위의 증가와 더불어 단조롭게 증가한다. 이 때문에 하향류식 보일러에 보다 많은 핀을 채용할 것을 제안한다.
양호한 해결법의 평가
효과적인 하향류식 리보일러를 설계하기 위하여, 3개의 핀 변수(H, tf, fpi)에 대해 최적의 세트를 구하는 것이 요구된다. 도 8 내지 도 10에 도시된 전술한 계산의 결과는 핀 높이는 낮고, 핀 두께는 중간이고, 핀 빈도수는 크게 선택하는 것이 열전달도를 증가시키는 것을 나타낸다. 압력 강하의 효과가 포함될 때, 3개의 변수는 높은 열전달도를 달성하기 위하여 한계값으로부터 멀어지게 감소되는 것이 기대된다. 3 범위의 각 반대 한계값으로 변수를 조합하면 최악의 열전달도가 예상된다.
hA*와 hAdT*의 여러 샘플 계산이 표 1에 표시되어 있다.
동일한 겉보기 속도에서의 핀 치수의 함수인 열전달도
경우의수 H(in) tf(in) fpi(in) Re(1)(-) [hA]*100(-) [hAdT]*100(-) Re(1)(-) [hA]*300(-) [hAdT]*300(-) Re(1)(-) [hA]*500(-) [hAdT]*500(-)
1 0.100 0.004 10 174 0.667 0.697 523 0.636 0.665 871 0.624 0.652
2 0.100 0.004 25 100 1.259 1.227 301 1.212 1.182 502 1.192 1.162
3 0.100 0.004 40 71 1.898 1.663 212 1.837 1.609 353 1.811 1.586
4 0.100 0.008 10 178 0.671 0.697 534 0.636 0.661 890 0.622 0.646
5 0.100 0.008 25 104 1.277 1.184 311 1.217 1.129 518 1.193 1.106
6 0.100 0.008 40 73 1.938 1.358 219 1.853 1.298 365 1.818 1.273
7 0.100 0.012 10 182 0.661 0.682 545 0.626 0.645 909 0.611 0.630
8 0.100 0.012 25 107 1.252 1.067 320 1.189 1.014 534 1.164 0.992
9 0.100 0.012 40 76 1.898 0.514 227 1.807 0.490 378 1.769 0.479
10 0.250 0.004 10 204 0.401 0.432 611 0.399 0.430 1019 0.399 0.430
11 0.250 0.004 25 99 0.839 0.864 296 0.854 0.880 493 0.862 0.888
12 0.250 0.004 40 65 1.301 1.252 195 1.337 1.287 325 1.355 1.304
13 0.250 0.008 10 206 0.454 0.488 618 0.446 0.479 1031 0.443 0.476
14 0.250 0.008 25 100 1.000 1.000 300 1.000 1.000 500 1.000 1.000
15 0.250 0.008 40 66 1.586 1.342 198 1.599 1.353 330 1.605 1.357
16 0.250 0.012 10 209 0.477 0.510 626 0.465 0.497 1043 0.459 0.492
17 0.250 0.012 25 101 1.074 1.022 304 1.061 1.010 507 1.056 1.005
18 0.250 0.012 40 67 1.722 0.960 201 1.713 0.955 335 1.709 0.952
19 0.400 0.004 10 215 0.272 0.295 646 0.276 0.299 1077 0.278 0.302
20 0.400 0.004 25 98 0.575 0.599 294 0.597 0.621 490 0.609 0.634
21 0.400 0.004 40 63 0.891 0.873 190 0.933 0.914 317 0.956 0.937
22 0.400 0.008 10 217 0.327 0.354 651 0.330 0.357 1086 0.332 0.359
23 0.400 0.008 25 99 0.732 0.743 297 0.756 0.767 495 0.767 0.779
24 0.400 0.008 40 64 1.160 1.071 192 1.208 1.058 320 1.231 1.079
25 0.400 0.012 10 219 0.360 0.388 657 0.361 0.389 1095 0.362 0.390
26 0.400 0.012 25 100 0.831 0.808 300 0.849 0.826 499 0.858 0.835
27 0.400 0.012 40 65 1.332 0.823 194 1.374 0.849 323 1.393 0.861
최대 1.938 1.663 1.853 1.6091.818 1.586
최소 0.272 0.295 0.276 0.2990.278 0.302
3 변수중 2개(핀 높이 H와 핀 빈도수 fpi)는 그 전체의 원래 범위에서 고려된다. 그러나, 3번째 변수(핀 두께 tf)는 두가지 이유로 인하여 약간 작은 범위에서 고려된다. 첫째, 플레이트-핀 열교환기에 얼마나 얇은 핀이 형성되고 브레이징 될 수 있는지에 대한 실제적인 한계가 있다. 둘째, 3 변수가 동시에 넓은 범위에 걸쳐 변화되는 경우 매우 많은 한계치 조합 공정이 발생한다. 중앙 지점을 중심으로 대칭을 유지하기 위하여, 0.004 인치 내지 0.012 인치 범위가 계산에 이용된다.
계산은 각 경우에 일정한 겉보기 속도로 수행되며, 액체 레이놀즈 수는 100, 300 또는 500이다. 표 1에 표시된 바와 같이, 최악의 조합은 핀 높이가 높고, 핀 두께가 얇고, 핀 빈도수가 작은 경우(19번째 경우)에 발생한다. 최고의 성능은 예상밖으로, 핀 높이가 낮고, 핀 두께가 낮거나 중간이고, 핀 빈도수가 높은 경우(3번째와 6번째 경우)에 얻어진다. 작은 핀두께가 낮은 핀 효율을 야기하여 열 효율에 영향을 끼친다는 것을 고려하면, 이것은 놀라운 것이다. 압력 강하를 포함하는 경우, 최고의 성능은 매우 얇은 핀으로 얻어진다.
계산 결과와 한계치의 개요
전술한 분석은 핀 높이가 낮고, 핀 두께가 얇고 핀 빈도수가 큰 경우가 하향류식 리보일러로서 이용되는 플레이트-핀 열교환기에 최적의 핀 구조라는 예상밖의 결과를 나타낸다. 그러나, 후술하는 바와 같이 약간의 제한이 가해진다.
길이, 폭, 높이와 관련하여, 하향류식 리보일러의 전체 형상은 리보일러를 주어진 공기 분리 유닛에 설치할 이용 가능한 공간으로 인하여 종종 제한된다. 이로 인하여, 본 발명의 교시에 따른 핀은 전체 열교환기에 채용될수는 없다(최대로 바람직한 곳에 본 발명이 적용될 수 있도록 다른 기준이 아래에서 설명된다). 증발막(evaporating film)이 연직 표면 아래로 하강함에 따라, 그 액체 레이놀즈 수는 연속적으로 감소하며, 동시에 그 증기 레이놀즈 수는 증가한다. 막이 점점 얇아져서 열전달을 감소시키는 경우, 증발막이 건조 패치를 형성하는 경향이 있다는 것은 알려져 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 교시는 입구 근처와 하향류식 리보일러의 열전달 섹션의 증발측의 상부 내에서 가장 유용하다. 이것은 도 3A에 피닝(28A)으로 표시된 섹션이다. 보다 아래의 영역(피닝 28B, 28C)에 대해서, 핀 빈도수 fpi는 점차적으로 감소할 수 있다. 또한, 기계적 이유 및 열적 이유로, 핀의 두께 tf는 핀 빈도수 fpi의 이러한 감소와 동시에 증가할 수 있다. 플레이트-핀 열교환기의 기하학적 형상으로 인해 핀 높이를 쉽게 변경할 수 없을 경우, 최적의 핀 구조는 열 교환기의 전체 길이(27, 28A, 28B, 28C)에서 핀 높이 H를 낮게 유지하는 것이다.
핀으로 형성된 3개의 섹션(28A, 28B, 28C)과 관련하여 전술한 설명을 하였지만, 본 발명이 가장 일반적으로 적용될 수 있는 곳은 핀으로 형성된 하나 이상의 섹션(표면적이 점차로 감소)을 포함할 수 있는 증발측 유로의 제1 열전달 섹션이라는 것을 이해해야 한다.
전술한 계산이 증발 측부의 흐름과 관련하여 제시되어 있지만, 유사하게 응축 측부의 흐름에 대해서도 동일한 결론에 도달한다. 다시 말하면, 낮은 핀 높이, 얇은 핀 두께, 높은 핀 빈도수는 응축측 흐름에 대해서도 또한 바람직하다. 또한, 건조 패치에 의하여 열전달 감소 현상이 응축부에서 발생하지 않기 때문에 본 명세서의 사상은 전체 응축측 유로(36)에 대해서도 적용될 수 있다. 그러나, 증발측의 밀도와 반대로 핀 밀도를 변화시키는 것이 가능하며, 열전달 공간이 극도로 제한되는 경우 핀 빈도수는 상부의 입구 근처에서 낮고 저부 출구에 근접한 곳에서 높게 될 수 있다.
실험 결과
전술한 분석의 타당성을 시험하기 위하여, 두 개의 하향류식 리보일러를 제작하여 시험하였다. 이러한 열교환기의 여러 치수는 다음과 같다.
경우 종래 기술 본 발명
길이, 인치 42 42
폭, 인치 20 18
적층 높이, 인치 5.25 5.25
증발측
핀 높이(H), 인치 0.281 0.160
핀 빈도수(fpi), /인치 18.2 28
핀 두께(tf), 인치 0.008 0.006
응축측
핀 높이(H), 인치 0.281 0.160
핀 빈도수(fpi), /인치 20.2 28
핀 두께(tf), 인치 0.010 0.006
본 발명의 시제품의 3개의 핀 치수 모두는 하향류식 리보일러에 대해 최적인 본 발명에 의한 교시 방향으로 종래 기술에 비해 변화시켰다. 따라서, 낮은 핀 높이, 큰 핀 빈도수, 얇은 핀 두께를 종래 기술의 리보일러의 핀 치수와 비교하도록 시제품으로 이용하였다. 이러한 값이 전술한 샘플 계산에 나타낸 한계치에 있지 않더라도, 후술되는 바와 같이 실질적인 성능 향상이 증명된다. 전술한 열전달 핀의 치수 차이를 제외하고는, 두 개의 열교환기는 다른 특징이 모두 유사하다. 이것은 열전달기 핀의 구체적 형태와, 분배 핀, 헤더, 노즐 등과 같은 모든 다른 부분을 포함한다. 폐 루프 시스템(closed loop system)에서 응축 질소에 대항하여 증발 질소를 이용하여 실험을 행하였다. 이러한 결과는 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
도 11은 종래 기술의 리보일러의 성능 특성 곡선을 나타낸다. 총효율과 외부 열 구동력 사이의 관계는 리보일러 출구에서의 품질의 함수로서 도시된다. 품질은 증발측에서의 총 흐름에 대한 증기 부분을 지칭한다. 도 12는 본 발명에 따른 리보일러와 유사한 도면을 나타낸다. 열 구동력이 균일한 조건에서, 본 발명은 약 1.5배 이상의 총효율(단위 용적당)을 달성한다. 다르게 설명하면, 동일 총효율에 대해, 본 발명은 종래 기술의 리보일러와 비교하여 전술한 비율(즉 2/3)의 역수만큼 적은 외부 열 구동력을 필요로 한다. 이러한 결과는 전술한 분석과 일치한다.
명명법
기호 정의 단위
a, b 상수
Aeff 유효 면적 유로 A의 ft2/in3(복수 유로의 길이, 폭, 높이)
Af 흐름 면적 in2/in 유로 A의 폭
AP 1차 면적 in2/in 유로 A의 폭과 길이
AS 2차 면적 in2/in 유로 A의 폭과 길이
Atot 총 면적 ft2/in 유로 A의 폭과 길이
Deq 균등 직경 in
dT 압력 강하를 포함하는 열 구동력 F
f 마찰 계수
fpi 핀 빈도수 in-1
g 중력에 기인한 가속도 ft/hr2
H 핀 높이 in
hAxxx xxx의 참고값 Re1에서의 hA Btu/hr·F
[hA]*xxx xxx의 참고값 Re1인 상태로 참조 형상에서의 hA에 대한 국부 형상에서의 hA
heff 유효 열전달 계수 Btu/hr·ft2·F
hnus 누셀 열전달 계수 Btu/hr·ft2·F
kl 액체 열 전도열 Btu/hr·ft·F
kmetal 금속 열 전도율 Btu/hr·ft·F
mL 수학식[14]에서 한정된 양
P 습윤 변수 in/in 유로 A의 폭
p 흐름 압력 lbf/in2
Q 흐름 A의 겉보기 유량 in3/sec. in2흐름 A에 의하여 점유된 공간(유로당 1개의 분할 시트를 포함)
명명법
기호 정의 단위
Qeff 흐름 A의 유효 유량 in3/sed in2유로 A 내에서의 흐름 면적
Re1 액체 레이놀즈 수
Rev 증기 레이놀즈 수
T 흐름 온도 F
tanh 하이퍼 탄젠트 함수
tf 핀 두께 in
tp 분할 시트 두께 in
V 증기 속도 ft/hr
W 핀 간격 in
xxx 참고 형상의 액체 레이놀즈 수를 나타내는 첨자
Δp 마찰 압력 강하 lbf/in2
ΔT 마찰 압력 강하에 기인한 온도 변화 F
δ 누셀 액막 두께 ft
δT 압력의 효과가 없는 상태의 열 구동력 F
단위 둘레당 질량 유량 lbm/ft·hr
η 핀 효율
레이놀즈 수 증가
액체 점도 lbm/ft·hr
액체 밀도 lbm/ft3
증기 밀도 lbm/ft3
ψ 2상 증가기(two phase multiplier)
하향류식 리보일러의 비용 및/또는 크기, 질량을 최소화하여, 보다 효율적이고 생산될 제품의 단위 분량당 비용이 적게드는 공기 분리 공정을 발생시키는 최적의 핀 구조를 제공하며, 종래 기술의 리보일러보다 컴팩트하고 효율적인 하향류식 리보일러를 이용하는 보다 효율적인 공기 분리 공정을 제공하며, 핀 구조가 최적화된 플레이트-핀 열교환기 또는 하향류식 리보일러를 조립하는 방법을 제공한다.

Claims (27)

  1. 실질적으로 균일한 핀 빈도수와 실질적으로 균일한 핀 높이를 가지는 상태로, 인접한 분할 시트 사이에 위치된 복수 개의 핀을 구비하는 플레이트-핀 열교환기로서,
    상기 핀의 높이는 0.20 인치 이하이며,
    상기 핀의 빈도수는 25/인치 이상인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 핀은 0.008인치 이하의 실질적으로 균일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  3. 실질적으로 균일한 핀 높이와 실질적으로 균일한 핀 두께를 가지는 상태로, 인접한 분할 시트 사이에 위치된 복수 개의 핀을 구비하는 플레이트-핀 열교환기로서,
    상기 핀의 높이는 0.20 인치 이하이며,
    상기 핀의 두께는 0.008 인치 이하인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  4. 실질적으로 균일한 핀 높이와 실질적으로 균일한 핀 두께를 가지는 상태로, 실질적으로 균일한 핀 빈도수를 가지며, 인접한 분할 시트 사이에 위치된 복수 개의 핀을 구비하는 플레이트-핀 열교환기로서,
    상기 핀의 두께는 0.008인치 이하이며, 핀 높이는 0.20 인치 이하이며, 상기 핀의 빈도수는 25/인치 이상인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  5. 제4항에 있어서, 핀의 두께는 약 0.004 인치이고, 핀의 높이는 약 0.100인치이며, 핀의 빈도수는 약 40/인치인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  6. 제4항에 있어서, 핀의 두께는 약 0.008 인치이고, 핀의 높이는 약 0.100인치이며, 핀의 빈도수는 약 40/인치인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 핀은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  8. 제4항에 있어서, 상기 핀은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 이외의 열 전도성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  9. 제4항에 있어서, 상기 핀은 평평한 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  10. 제4항에 있어서, 상기 핀은 천공된 것을 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  11. 제4항에 있어서, 상기 핀은 톱니 모양인 것을 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  12. 제4항에 있어서, 상기 핀은 물결 모양인 것을 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 열교환기.
  13. 리보일러/응축기 설비용 플레이트-핀 열교환기로서, 복수 개의 나란한 분할 시트와 이들 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 물결 모양 핀으로 구성된 조립체를 구비하는 평행육면체 본체를 포함하며, 핀 빈도수는 실질적으로 균일하고, 각각의 핀의 높이와 두께는 균일하며,
    핀의 두께는 0.008 인치 이하이며,
    핀의 높이는 0.20 인치 이하이며,
    핀의 빈도수는 25/인치 이하인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 조립체.
  14. 제13항에 따른 플레이트-핀 열환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 분리 유닛.
  15. 플레이트-핀 열교환기를 조립하는 방법으로서,
    두 개의 실질적으로 나란한 분할 시트를 마련하는 단계와,
    실질적으로 균일한 핀 빈도수를 가지는 복수 개의 핀을 형성하는 긴 시트를 주름지게 하는 단계와,
    핀의 주름진 시트를 분할 시트 사이에 배치하는 단계를 포함하며,
    각 핀은 실질적으로 균일한 높이와 두께를 가지며,
    핀의 두께는 0.008 인치 이하이며,
    핀의 높이는 0.20 인치 이하이며,
    핀의 빈도수는 25/인치 이하인 것을 특징으로 하는 플레이트-핀 조립체.
  16. 제1 그룹의 유로에 도입된 제1 유체와 제2 그룹의 유로에 도입된 제2 유체를 수용하도록 되어있는 실질적으로 나란하게 연직 방향으로 연장하는 유로 조립체에 의하여 형성된 대략 평행 육면체형의 본체를 포함하는 하향류식 리보일러로서,
    상기 제2 그룹의 유로는 제1 그룹의 유로와 제위치에서 교호하며, 제1 그룹의 유로는 인접 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 상기 핀은 제1 유체의 분배를 위한 하드웨이 핀(hardway fins)과 하드웨이 핀의 하류에 있는 이지웨이 열전달핀(easyway heat transfer fin)을 포함하며, 이 열전달핀은 표면적이 점차로 감소하는 하나 이상의 열전달 섹션을 형성하며, 제1 열전달 섹션의 열전달 핀은 실질적으로 균일한 핀 빈도수와 실질적으로 균일한 높이를 가지며,
    열전달 핀의 빈도수는 25/인치 이상이며,
    열전달 핀의 높이는 0.20 인치 이하인 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  17. 제16항에 있어서, 제1 열전달 섹션의 열전달 핀은 0.008 인치 이하의 실질적으로 균일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  18. 제1 그룹의 유로에 도입된 제1 유체와 제2 그룹의 유로에 도입된 제2 유체를 수용하도록 되어있는 실질적으로 평행하게 연직 방향으로 연장하는 유로의 조립체에 의하여 형성된 대략 평행 육면체형의 본체를 포함하는 하향류식 리보일러로서,
    상기 제2 그룹의 유로는 제1 그룹의 유로와 제 위치에서 교호하며, 제1 그룹의 유로는 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 상기 핀은 제1 유체의 분배를 위한 하드웨이 핀(hardway fin)과 하드웨이 핀의 하류에 있는 이지웨이 열전달핀(easyway heat transfer fin)을 포함하며, 이 열전달 핀은 표면적이 점차로 감소하는 하나 이상의 열전달 섹션을 형성하며, 제1 열전달 섹션의 열전달 핀은 실질적으로 균일한 높이와 실질적으로 균일한 두께를 가지며,
    열전달 핀의 높이는 0.20 인치 이하이며,
    열전달 핀의 두께는 0.008 인치 이하인 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  19. 제17항에 있어서, 열전달 핀의 높이는 약 0.100 인치이고, 열전달 핀의 두께는 약 0.004 인치이고, 열전달 핀의 빈도수는 약 40/인치인 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  20. 제17항에 있어서, 제1 열전달 섹션에 뒤이은 연속되는 열전달 섹션에서는 핀의 빈도수가 점차적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  21. 제17항에 있어서, 제1 열전달 섹션에 뒤이은 연속되는 열전달 섹션에서는 핀의 두께가 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  22. 제1 그룹의 유로에 도입된 제1 유체와 제2 그룹의 유로에 도입된 제2 유체를 수용하도록 되어있는 실질적으로 평행하게 연직 방향으로 연장하는 유로의 조립체에 의하여 형성된 대략 평행 육면체형의 본체를 포함하는 하향류식 리보일러로서,
    상기 제2 그룹의 유로는 제1 그룹의 유로와 제 위치에서 교호하며, 제1 그룹의 유로는 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 상기 핀은 제2 유체가 제2 유체 유로로 균일한 흐름으로 유입되고 유출되게 하는 입구 분배 핀과 출구 분배 핀을 구비하며, 이 열전달 핀은 입구 분배 핀과 출구 분배 핀 사이에 하나 이상의 열전달 섹션을 형성하며, 열전달 핀은 실질적으로 균일한 핀 빈도수와 실질적으로 균일한 높이를 가지며,
    열전달 핀의 빈도수는 25/인치 이상이며,
    열전달 핀의 높이는 0.20 인치 이하인 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  23. 제22항에 있어서, 열전달 섹션의 열전달 핀은 0.008 인치 이하의 실질적으로 균일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  24. 제1 그룹의 유로에 도입된 제1 유체와 제2 그룹의 유로에 도입된 제2 유체를 수용하도록 되어있는 실질적으로 평행하게 연직 방향으로 연장하는 유로의 조립체에 의하여 형성된 대략 평행 육면체형의 본체를 포함하는 하향류식 리보일러로서,
    상기 제2 그룹의 유로는 제1 그룹의 유로와 제 위치에서 교호하며, 제1 그룹의 유로는 인접한 분할 시트 사이에 배치된 복수 개의 핀을 구비하며, 상기 핀은 제2 유체가 제2 유체 유로로 균일한 흐름으로 유입되고 유출되게 하는 입구 분배 핀과 출구 분배 핀을 구비하며, 이 열전달 핀은 입구 분배 핀과 출구 분배 핀 사이에 하나 이상의 열전달 섹션을 형성하며, 각 열전달 섹션의 열전달 핀은 실질적으로 균일한 높이와 실질적으로 균일한 두께를 가지며,
    열전달 핀의 높이는 0.20 인치 이하이며,
    열전달 핀의 두께는 0.008 인치 이하인 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  25. 제23항에 있어서, 열전달 핀의 높이는 약 0.100 인치이며, 열전달 핀의 두께는 약 0.004 인치이며, 열전달 핀의 빈도수는 약 40/인치인 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  26. 공기 분리 플랜트의 탑에 설치된 제17항에 따른 하향류식 리보일러로서, 흐름을 포함하는 액상 산소는 제2 그룹의 유로에 흐름을 포함하는 질소 및/또는 아르곤에 평행한 흐름으로 제1 그룹의 유로를 통하여 통과하는 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
  27. 공기 분리 플랜트의 탑에 설치된 제23항에 따른 하향류식 리보일러로서, 흐름을 포함하는 액상 산소는 제2 그룹의 유로에 흐름을 포함하는 질소 및/또는 아르곤에 평행한 흐름으로 제1 그룹의 유로를 통하여 통과하는 것을 특징으로 하는 하향류식 리보일러.
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