KR20000058203A - 필터-열 교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 필터-열 교환기(2)는 인접 중공 와이어(3)들 사이에 형성된 소정 폭의 슬릿(4)과 평행하게 배열된 복수의 중공 와이어(3)를 포함한다. 각각의 중공 와이어(3)는 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 갖고, 그에 따라 가열/냉각 유체가 중공 와이어(3)를 통하여 흐르며, 여과되는 유체가 슬릿(4)을 통하여 평행하게 배열된 중공 와이어(3)의 한쪽으로부터 그 다른쪽으로 흐른다. 필터-열 교환기(2)는 단일 단계에서 동시에 여과 및 열 교환 공정을 동시에 달성할 수 있다.

Description

필터-열 교환기 {Filter-heat exchanger}
본 발명은 공정(process), 동력(power) 및 파이프라인 응용을 포함하는 산업용 열 교환기에 관한 것이다.
예를 들어 산업상의 처리 공정에 있어서, 피처리 유체의 가열 또는 냉각과 유체의 여과는 필수적인 것으로, 유체는 통상적으로 (1) 가열 또는 냉각 단계, (2) 여과 단계의 두가지 분리된 공정 단계를 거치게 되므로, 이러한 두가지 단계를 달성하기 위해서는 두가지 별개 시스템 또는 장치가 요구된다. 일부 경우에, 이러한 두가지 별개 시스템 또는 장치에 대한 요구는 특히, 장치를 이용할 수 있는 공간이 한정되어 설치 공간의 가용성에 어려움을 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 두가지 단계의 공정 대신 한가지 단계 내에서 가열 또는 냉각 및 필터링을 완료함으로써 이러한 문제점을 제거할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 필터-열 교환기의 구성 요소인 중공 와이어(hollow wire)의 부분 사시도.
도 2(A 내지 F)는 중공 와이어의 각종 단면을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따라 이루어진 필터-열 교환기의 제 1 실시예의 사시도.
도 4는 중공 와이어의 표면에 피처리 유체 내에 걸려있는 고형 입자의 침적(deposition) 상태를 설명하는 설명도.
도 5는 본 발명에 따른 필터-열 교환기의 다른 실시예의 부분 사시도.
도 6은 본 발명에 따라 이루어진 필터-열 교환기의 다른 실시예의 사시도.
도 7은 루프형 중공 와이어의 일부를 도시한 설명도.
도 8은 슬릿을 형성하기 위한 돌기부를 갖는 중공 와이어의 일부를 도시한 설명도.
도 9는 본 발명에 따라 이루어진 필터-열 교환기의 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 10은 본 발명에 따라 이루어진 필터-열 교환기의 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 11은 중유를 생산하기 위한 종래의 방법을 도시한 단면도.
도 12는 본 발명에 따라 이루어진 필터-열 교환기의 다른 실시예를 도시한 단면도.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 인접한 중공 와이어들(hollow wires) 사이에 형성된 소정 폭의 슬릿(slit)을 갖고 평행하게 배열된 복수의 중공 와이어를 포함하는 필터-열 교환기를 제공하며, 상기 중공 와이어 각각은 가열/냉각 유체의 입구 및 출구를 갖고, 그에 따라 상기 가열/냉각 유체는 상기 중공 와이어를 통해서 흐르고, 여과되는 유체가 상기 슬릿을 통하여 평행하게 배열된 중공 와이어의 한쪽에서 다른쪽으로 흐른다.
본 발명에 따라, 필터-열 교환기는 종래 두가지 분리된 단계 대신 한가지 단계 내에서 가열 또는 냉각 및 여과를 완료할 수 있으며, 따라서 요구되는 공간이 상당히 절약되고, 요구되는 공정을 완료하기 위한 장치가 간단하게 되며, 공정 처리 비용도 절약된다.
중공 와이어는 통상적으로 튜브(tube) 형태로 배열될 수 있으며, 평판(flat plate) 형태로 배열될 수 있다.
본 발명의 한 특성에 있어서, 공공 와이어들은 소정 형상의 와이어들(shaped wires)로 이루어진다. 소정 형상 와이어들 중에서도 웨지형 와이어(wedge wire)가 바람직한 한 형태이다. 원형 튜브(round tube) 대신 소정 형상의 와이어를 채용함으로써, (1) 여과되는 유체와의 접촉하게 되는 각각의 와이어의 표면 영역이 원형 튜브가 사용되는 경우에 비해 증가하게 되며, (2) 슬릿의 블로킹(blocking)이 원형 튜브를 채용하는 경우보다 더 효과적으로 방지될 수 있으며, (3) 지지 로드(support rod)의 용접이 원형 튜브를 채용하는 경우에 비해 용이하게 된다.
본 발명의 다른 구성에 따라, 중공 와이어의 축방향 인접부들 사이에 형성된 소정 폭의 나선형 슬릿(helical slit)을 갖는 코일형 중공 와이어(coiled hollow wire)를 구비하는 필터-열 교환기가 제공되며, 상기 코일형 중공 와이어는 가열/냉각 유체의 입구 및 출구를 갖고, 그에 따라 가열/냉각 유체가 상기 코일형 중공 와이어를 통해서 흐르며, 여과되는 유체가 상기 슬릿을 통해서 코일형 중공 와이어의 출구로부터 그 안쪽으로 또는 그와 반대로 흐른다.
본 발명의 제 1 구성에 있어서, 필터-열 교환기는 중공 와이어에 대하여 실질적으로 교차 방향으로 배열되는 중공 지지 로드(hollow support rod)를 추가로 구비하고, 상기 중공 지지 로드는 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 가지며, 그에 따라 가열/냉각 유체가 중공 지지 로드를 통해서도 흐른다.
본 발명의 다른 구성에 있어서, 여과되는 유체를 도입하기 위한 입구를 갖는 컨테이너, 상기 컨테이너 내에서 중공 와이어의 축방향 인접부들 사이에 형성된 소정 폭의 나선형 슬릿을 갖고, 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 갖고, 처리된 유체를 외부로 전달하기 위한 출구를 갖는 코일형 중공 와이어, 상기 코일형 중공 와이어의 가열/냉각 유체 입구에 연결되어 상기 코일형 중공 와이어에 가열/냉각 유체를 공급하는 가열/냉각 유체원, 및 상기 코일형 중공 와이어의 가열/냉각 유체 출구에 연결되어 상기 코일형 중공 와이어로부터 가열/냉각 유체를 수집하는 가열/냉각 유체 수집 튜브(heating/coolong fluid collecting tube)가 제공된다.
본 발명의 또 다른 구성에 있어서, 필터-열 교환기는 가열/냉각 유체의 온도를 제어하여 중공 와이어의 슬릿의 폭을 제어하기 위한 온도 제어 수단을 추가로 포함한다.
중공 와이어를 통해서 흐르는 가열/냉각 유체의 온도를 제어함으로써, 중공 와이어가 확장 또는 축소를 일으키게 되어 중공 와이어의 외부 직경이 변화되어 슬릿 폭의 변화를 일으킨다. 따라서, 필터-열 교환기의 여과 능력은 보다 크거나 작은 입자를 제거하도록 수정되면서 동시에 열 교환기로서 동작하는 것이다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 첨부 도면을 참조로 이하 이루어지는 상세한 설명을 통하여 더 명료하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 구성 요소인 중공 와이어의 일례로서 중공 웨지형 와이어(1)를 설명한다. 가열 또는 냉각 유체는 중공 와이어(1)의 길이 방향 전체에 걸처 형성된 중공 공간(1a)을 통해서 흐르며, 여과되는 유체가 인접 중공 와이어들(1) 사이에 형성된 슬릿을 통해서 흐른다. 중공 와이어는 임의의 금속 또는 합금 또는 세라믹 또는 고분자 물질 또는 이들 물질들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
중공 와이어(1)를 통해서 흐르는 유체는 열전달 유체(heat transfer fluid) 또는 냉열(冷熱) 전달 유체(cold transfer fluid)이다. 가열 또는 냉각 유체 및 여과되는 유체는 액체 또는 가스 중 어느 하나일 수 있으며, 기능성 유체, 물, 유기물, 무기물 또는 이들 모든 범주의 임의의 조합물이 될 수 있다. 중공 와이어(1)의 안쪽 및 바깥쪽에 흐르는 유체는 다음의 조합물을 포함한다.
중공 와이어의 안쪽 중공 와이어의 바깥쪽
액체 액체
가스 가스
액체 가스
가스 액체
액체-미립자 액체-미립자
액체-미립자 가스-미립자
가스-미립자 가스-미립자
가스-미립자 액체-미립자
액체-미립자 가스
액체-미립자 액체
가스-미립자 가스
가스-미립자 액체
가스 액체-미립자
액체 액체-미립자
가스 가스-미립자
액체 가스-미립자
중공 와이어의 안쪽 및 바깥쪽에 흐르는 유체는 단일 또는 복합 성분, 및 단상(single-phase), 이중상(double-phase), 다중상(multi-phase) 흐름 중 어느 하나일 수 있다. 유체를 구성하는 물질은 자연적 흐름, 펌프, 송풍기, 압축기 또는 공압식 장치(pneumatic device)에 의해 이동하게 될 수 있다.
본 실시예에 있어서, "미립자(particulate)"는 고형 입자, 유연한 또는 젤형 입자, 오일(또는 유기물) 입자, 물 입자(오일 또는 유기물 유체), 콜로이드, 유화(emulsion) 입자, 임의의 다른 고형 입자 또는 액체 입자를 적용한다. 미립자는 직경 또는 단면이 1 미크론 이하 레벨로부터 12 인치 이상의 큰 사이즈의 입자의 모든 크기의 입자를 포함한다. 본 발명의 목적을 위하여, 1 미크론 이하의 입자는 사실상 이온 또는 원자가 될 수 있다. 입자는 젤라틴형(gelatinous) 또는 오일, 또는 오일과 같은 고밀도 또는 저밀도(hard or soft density)를 가질 수 있으며, 장치의 임의의 개구와 꼭 맞거나 또는 관통해서 흐르는 임의의 크기가 될 수 있다.
본 발명에서 다루어지는 입자는 사실상 균일 또는 불균일할 수 있지만, 이하의 것으로 한정되지는 않는다.
균일 불균일
결정 그라운드 물질(ground material)
침전 침전물
촉매제 촉매제
냉동 제품 식품
찌꺼기 찌꺼기
슬러리 슬러리
이온 수지
기포 기포
농축물 분쇄된 물질(crushed material)
증기(vapor) 갈은 물질(milled material)
펠릿 펠릿(pellet)
유리 파유리
안료 안료
화학 물질(유기물) 화학 물질(유기물)
화학 물질(무기물) 화학 물질(무기물)
원자 미네럴
기(基; radical) 겔(gel)
금속 금속
필터-열 교환기에 영향을 주는 이러한 분류는 스크리닝(screening), 레지스턴스(resistance), 병합(coalescence), 원심(centrifugation) 또는 비틀림 경로(tortuous paht)와 같은 여과법 또는 다른 분류법으로 이루어질 수 있다.
필터-열 교환기의 열 전달율은 피처리 물질, 이용되는 구성, 성분의 크기 및 시스템 크기에 기초를 두게 된다. 본 발명에 의해 적용되는 온도 범위는 -459.8 ℉(-273.2℃) 내지 +4000℉(+2204.4℃)이다. 이러한 온도 범위는 액체 질소(N2)(-180℃, 0.1 MPa)의 초저온 레벨(cryogenic level)로부터 초임계 수산화(650℃, 24.8MPa; supercritical water oxidation)를 통한 온도를 포함한다.
본 발명의 중요한 특징은 중공 와이어(1)의 열 팽창 또는 수축을 이용하여 인접 중공 와이어들 사이의 슬릿의 폭을 제어하고, 그에 따라 여과되는 입자의 크기를 제어한다는 것이다. 모든 물질, 특히 금속은 물질의 위험이 없는 동작 온도에서 선형 또는 선형에 가까운 열팽창 계수를 갖는다. 이러한 간단한 형태로서 다음의 기본적 열 전달 함수가 사용된다.
H = UA△t
여기서, H는 전달된 열, U는 전체 열 전달 계수이며, A는 중공 와이어의 표면적이고, △t는 로그-평균-온도차(log-mean-temperature difference)이다.
슬릿의 원래 폭과, 가열 또는 냉각 유체 및 여과되는 유체의 온도를 적절히 선택함으로써, 슬릿의 폭이 원하는 값으로 제어될 수 있다.
본 발명의 이러한 특징은 중공 와이어를 통해서 흐르는 유체의 온도를 변경함으로써, 슬릿 개구가 넓거나 또는 좁게 이루어질 수 있으며, 슬릿의 개구 코스에서 슬릿 내에 방해가 되는 입자가 떨어지게 되고, 그에 따라 필터-열 교환기를 세정 및/또는 방해를 제거하는 어느 한 방향(순방향 흐름(향류) 또는 역방향 흐름(역류))으로 제거될 수 있다.
추가적으로, 중공 와이어 외측 물질은 중공 와이어를 통해서 또한 중공 와이어 내측 유체에 열 또는 냉열의 흐름을 제공하기 위하여 고온이거나 또는 저온이 될 수 있다. 이러한 모드에서, 유니트는 응축기(condenser) 또는 증발기(evaporator)로서 작용하면서, 동시에 원한다면 중공 와이어 외측 재료의 여과를 완료할 수 있다(특정 촉매 시스템의 경우에서와 같이).
중공 와이어의 형상은 도 1에 도시한 바와 같은 바람직한 웨지형 와이어 형상으로 한정되는 것은 아니며, 중공 와이어는 도 2(A)에 도시한 바와 같은 원형 튜브(round tube)와 같이 형성되거나, 또는 두개의 압착 표면을 갖춘 수정된 중공 와이어인 도 2(B)에 도시한 바와 같은 단면부, 사각형 중공인 도 2(C)에 도시한 바와 같은 단면부, X형 중공인 도 2(D)에 도시한 단면부, 하나의 압착 표면을 갖는 수정된 중공 웨지형 와이어인 도 2(E)에 도시한 단면부, 직사각형 중공인 도 2(F)에 도시한 단면부로 형성될 수 있다. 중공 와이어 형상은 달걀형, 타원형 또는 그 외에 열 전달을 달성하면서 미립자 제거를 용이하게 하는 방식으로 형상화될 수 있다.
중공 와이어들 사이의 슬릿의 폭은 중공 와이어의 폭(또는 원형 중공 와이어의 경우에 외경)보다 크지 않아야 한다. 중공 와이어의 폭 또는 외경이 크면 클수록 중공 와이어의 내부 공간이 크게 되므로, 열 교환 효과가 더 커지게 된다. 슬릿의 폭이 중공 와이어의 폭을 초과하면, 열 교환 효과가 슬릿의 필요한 폭에 대하여 부적절한 정도로 감소하게 될 것이며, 이것은 필터-열 교환기의 설계 상의 단점이 되는 것이다. 이러한 이유로, 슬릿의 폭은 바람직하게는 중공 와이어의 폭(또는 외경)의 2/3 이하가 되어야 한다.
본 발명에 따른 필터-열 교환기의 일부 적용이 이하 기술된다.
필터-열 교환기의 한 적용은 냉각 타워(cooling tower)이다. 냉각 타워는 냉각 장치와 연관된 유사 구조이다. 냉각 타워는 통상적으로 대기 중에 열을 방출시키도록 작용하는 재순환 장치(recirculating arrangement)로 유체(예를 들어 물)를 이동시킨다. 냉각 타워는 통상적으로 그 유체 순환에서 열 교환 매체를 통해서 재순환되는 유체를 갖는 열 교환 장치를 갖는다. 재순환 냉각 타워 및 열 교환 장치는 그것을 통해서 전달되는 공기로 열기 및 수증기 모두를 합하여 통상적으로 다량의 냉각 유체가 증발되게 되는 것과 같은 물 보충 시스템(makeup water system)을 요구한다. 본 발명의 필터-열 교환기는 열 교환기로서 작용하며, 또한 이러한 냉각 타워 시스템 내의 필터로서도 작용할 수 있다.
따라서, 필터-열 교환기는 냉각 타워 또는 냉동 시스템과 연관되어 사용될 수 있으며, 또는 가열, 냉각, 여과, 유체-입자 분리 또는 이들 동작의 조합을 달성하기 위하여 완전히 자체-내장된 저압 또는 고압 폐루프 또는 오픈 루프 시스템에 기초한 연소식 히터(fired heater) 또는 보일러(boiler)와 함께 사용될 수 있다. 이것은 상 변화를 가지거나 상 변화 없이, 필터-열 교환기를 통하거나 또는 인접에서 물질을 펌핑하거나 펌핑하지 않고 연속적 순환을 통해서 이루어질 수 있다. 필터-열 교환기 안쪽에서 상 변화의 엔탈피(enthalpy)에 의해 강화된 대류(convection)에 의한 순환(circulation)이 발생할 수 있다.
필터-열 교환기는 수증기(steam)의 생성을 위하여 물을 보일러로 보내기 전에 물로부터 미립자를 분리하는데 효과적인 보일러 급수 히터 필터로서도 사용될 수 있다.
이러한 필터-열 교환기는 또한 습한 공기(wet air) 또는 습한 공기 가스 또는 그 외의 유체에 대한 건조기(dryer)가 될 수 있으며, 직접 또는 간접 증발 냉각과 결합될 수 있다. 공기에 대하여, 정밀한 특징 또는 원하는 공기 온도 및 습도 조건이 건습계 차트(psychrometric chart)에 기록되어 있다. 그 점에 있어서, 필터-열 교환기는 천연 가스-연소 터빈으로 진행하는 공기를 흡입하기 위한 냉각기를 추가한 필터 또는 프리-필터(fre-filter)로서도 작용할 수 있다. 상기 가스 터빈의 설계점(design point)은 ISO 59°F(15℃)이다. 필터-열 교환기는 통상 두 단계인 여과 및 냉각 동작을 한 단계로 줄이는 천연 가스-연소 터빈에 대한 조합 필터/냉각기로서 작동할 수 있다.
필터-열 교환기는 미립자 제거 및/또는 전달을 달성하기 위하여 배관(piping) 또는 도관(ducting)에 삽입될 수 있다. 또한, 건조 및 여과를 달성하기 위하여 탈수(탈수기)를 위한 공정 플랜트에서 단위 동작이 건조제 충전 물질을 도입하거나 또는 건조제 충전 물질을 도입하지 않기 때문에 건조기로서 사용될 수 있는 것이다.
필터-열 교환기는 시스템을 통해서 흐르는 증기 및/또는 미립자 포함 증기(vapors-plus-particulates)의 응축을 통해서 유착(coalescence)을 달성하기 위하여, 장치(중공 와이어의 안쪽 또는 중공 와이어의 바깥쪽 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두)의 셀측을 통해서 추가된 패킹 물질을 갖는 유착기(coalescer)로서 사용될 수 있다.
필터-열 교환기는 냉각제를 포함하는 중공 와이어가 냉각용 얼음을 추후에 사용하기 위하여 물을 냉동할 수 있도록 물(닫혀진 컨테이너)이 충전될 수 있다. 따라서, 필터-열 교환기는 냉동기(freezer)로서 사용될 수 있다. 이것은 등온 저장(오프-피크 전력(off peak power) / 냉각(cooling) / 에어-컨디셔닝(air conditioning))용 장치를 사용하는 보외(extrapolation) 장치이다.
필터-열 교환기는 임의의 유기물 또는 비유기물 액체(예를 들어, 각각 크실렌 분리(xylenes saparation), 해수(海水)의 음용수화의 선택적 냉동 결정화 처리 공정에 이용될 수 있다.
필터-열 교환기는 뜨겁거나 또는 차가운 가스에서의 미립자 제거에 사용될 수 있지만, 그에 한정되지 않으며, 발전소(power plant)로부터의 굴뚝 가스, 플레어(flare), 굴뚝, 분연구, 및 미국 환경 보호청에 의한 허가를 요구하는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 미립자 제거를 허용하는 임의의 배출 흐름을 포함한다. 이것은 필터-열 교환기 대신 임의 형태의 백하우스(baghouse) 또는 정전 집진기, 사이클론 시스템, 스크러버 소각로(scrubber incinerator) 또는 다른 형태의 공기 오염 제어 장치의 일부 시스템으로서의 사용을 포함한다.
중공 와이어를 통해서 흐르는 가열/냉각 유체의 온도를 제어함으로써 중공 와이어들 사이의 슬릿의 폭이 의도하는 정도로 제어될 수 있는 본 발명의 상기 바람직한 특징으로 인하여, 필터 열 교환기는 응집제(flocculant), 덩어리(agglomerate), 생물학적 불순물, 결정, 및 연질 또는 경질, 유연성 또는 비유연성, 결정질 또는 탄성 특성을 갖는 유사 고형체에 대하여 민감한 제거 능력을 요구하는 많은 제약 분야 응용과 같이 여과 작용이 생기는 통안에 근소한 온도 오차를 요구하는 시스템용으로 적당한 것이다.
동일한 이유로, 필터-열 교환기는 촉매체 미립자의 처리 및/또는 분리, 및/또는 필터-열 교환기를 추가한 반응기(reactor)로 고려될 수 있는 장치로부터 촉매제 분말의 제거용으로 적당하다.
필터-열 교환기는 중유를 연화(softening)시키기 위하여 중공 와이어를 통해서 흐르는 열 전달 매체로 중유를 가열시키는 오일 웰(oil well)에도 사용되고, 그에 따라 오일 웰로부터 중유의 펌핑을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 필터-열 교환기의 응용은 상기한 설명으로 제한되지 않으며, 필터-열 교환기는 공정 및 다른 산업 상의 여러 가지 다른 유체 입자 분리 및 열 배출 동작, 파이프라인 시스템, 및 용수 및 폐수 처리 플랜트에도 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도 3 내지 도 12를 참조해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 필터-열 교환기의 제 1 실시예를 나타낸다. 필터-열 교환기(2)는 인접 중공 웨지형 와이어(3)들 사이에 형성된 소정 폭의 슬릿과 평행하게 배열된 복수의 중공 웨지형 와이어(3)를 포함한다. 중공 웨지형 와이어(3)는 중공 와이어(3)의 바깥쪽으로 흐르는 유체의 흐름의 상류측과 접하는 한쪽(3a)과, 중공 와이어(3) 바깥쪽으로 흐르는 유체의 흐름의 방향에서 넓어지는 슬릿(4)을 형성하는 두개의 다른쪽(3b, 3c)으로 배열되어 있다. 따라서, 중공 웨지형 와이어(3)의 표면(3a)은 공통면을 형성하고, 전체적으로 필터-열 교환기(2)는 플랫형 구성을 나타낸다. 부분적으로 배열된 중공 와이어(3)는 중공 웨지형 와이어(3)에 대한 교차 방향으로 소정 간격으로 배열된 지지 로드가 용접되어 이들 중공 웨지형 와이어(3)의 슬릿이 유지되고 있다. 각각의 중공 웨지형 와이어(3)는 중공 웨지형 와이어(3)를 통해서 흐르는 가열/냉각 유체에 대한 입구(3d) 및 출구(3e)를 갖는다. 따라서, 가열/냉각 유체는 중공 웨지형 와이어(3)를 통해서 흐르며, 여과되는 유체는 슬릿(4)을 통해서 중공 웨지형 와이어(3)의 한쪽(3a)으로부터 중공 웨지형 와이어(3)의 다른쪽으로 흐른다.
동작시, 도 4에 도시한 바와 같이 여과되는 입자를 포함하는 피처리 유체는 중공 웨지형 와이어(3)의 슬릿(4)을 통해서 흐르게 되고, 여과되는 입자(10)는 중공 웨지형 와이어(3)의 표면(3a) 상에 침적된다.
부분적으로 배열된 중공 웨지형 와이어(3)는 통상적으로 평판 대신에 튜브의 형태로 배열될 수 있다. 중공 웨지형 와이어(3)가 튜브의 형태로 배열되어 있는 경우에, 지지 로드(5)로서 링(ring)이 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 필터-열 교환기의 다른 실시예를 나타낸다. 이 필터-열 교환기(6)는 코일형 중공 웨지형 와이어(coiled hollow wedge wire)를 갖는다. 필터-열 교환기(6)는 필터-열 교환기(6)의 축방향으로 연장하는 지지 로드(7)를 갖고, 통상적으로 소정 간격을 유지하고 원통형으로 배열되며, 방사상으로 바깥쪽 단부에 돌기부(7a)와, 지지 로드(7)에 대하여 실질적으로 교차 방향으로 지지 로드(7) 외측에 나선형으로 감은 중공 웨지형 와이어(8)를 포함하고 있다. 중공 웨지형 와이어(8)는 바깥쪽에 접하는 한쪽(8a)과, 인접 웨지형 와이어측(8b, 8c) 사이에서 방사상으로 내부로 넓혀지는 슬릿(11)을 형성하는 다른쪽(8b, 8c)으로 배열되며, 중공 웨지형 와이어(8) 및 지지 로드(7)의 교차부(9)에서 지지 로드(7)의 돌기부(7a)에 용접되는 중공 웨지형 와이어(8)의 내부 정점(8d; apex)으로 배열된다. 코일형 중공 웨지형 와이어(8)는 중공 웨지형 와이어(8)를 통해서 흐르는 가열/냉각 유체에 대한 입구(8e) 및 출구(도시하지 않음)를 갖는다. 코일형 중공 웨지형 와이어(8)로 가열/냉각 유체를 공급하기 위하여 입구(8e)가 가열/냉각 유체원에 연결될 수 있다. 코일형 중공 웨지형 와이어(8)로부터 가열/냉각 유체를 수집하기 위하여 중공 웨지형 와이어(8)의 출구가 가열/냉각 유체 수집 튜브에 연결될 수 있다. 따라서, 가열/냉각 유체는 코일형 중공 웨지형 와이어(8)를 통해서 흐르고, 여과되는 입자를 포함하는 피처리 유체는 슬릿(11)을 통해서 코일형 중공 웨지형(8)의 바깥쪽으로부터 그 안쪽으로 흐르며, 코일형 중공 웨지형 와이어(8)의 한쪽(8a) 상에 침적된 피처리 입자를 잔류시킨다.
도 3 및 도 5에 도시한 실시예에서, 지지 로드(5, 7)로서 고형바가 사용된다. 대안적으로, 지지 로드(5, 7) 대신에 중공 지지 로드가 사용될 수 있다. 도 6은 도 3에 나타낸 실시예의 변경된 실시예를 나타낸다. 도 6의 한 실시예에 있어서, 필터-열 교환기는 도 3의 실시예에서와 동일한 방식으로 슬릿(4)을 형성하는 평행하게 배열된 중공 웨지형 와이어(3)를 갖지만, 고형바 대신 중공 웨지형 와이어(3)가 용접되어 있는 원형 튜브(13)가 지지 로드로서 사용된다. 이들 중공 지지 로드(13) 각각은 가열/냉각 유체에 대한 입구(13a) 및 출구(도시하지 않음)를 포함하며, 가열/냉각 유체는 중공 와이어(3)를 통해서 뿐만 아니라 지지 로드(13)를 통해서도 흐를 수 있다. 이러한 배열에 의하여, 필터-열 교환기에 이용되는 가열/냉각 유체의 량이 증가될 수 있으며, 그에 따라 열 교환 효과도 향상될 수 있다.
상기한 실시예에 있어서, 지지 로드(5, 7)는 중공 와이어에 용접되어 있다. 대안적으로, 지지 로드는 밀봉재(sealant)에 의하여 중공 와이어에 고정될 수 있다. 또한, 대안적으로 중공 와이어는 용접 또는 밀봉재를 이용하지 않고 도 7에 도시한 바와 같은 루프형 중공 웨지형 와이어(14)를 채용함으로써 지지 로드가 고정될 수 있다. 중공 웨지형 와이어(14)는 루프부(14a)를 포함하며, 홀(14b) 내에 지지 로드가 삽입되어 중공 웨지형 와이어(14)를 지지 로드에 고정시킬 수 있다.
코일형 중공 웨지형 와이어를 사용하는 도 5의 실시예에 있어서, 도 8에 도시한 바와 같은 코일형 웨지형 와이어(15)가 코일형 중공 웨지형 와이어로서 사용될 수 있다. 이 중공 웨지형 와이어(15)는 그 한쪽에 소정 간격으로 형성된 복수의 돌기(15a)를 포함하며, 지지 로드를 이용하지 않고 와이어(15)의 반대쪽 표면에 이들 돌기(15a)의 받침대에 의해 필요한 슬릿(16)이 제공된다.
중공 평행 와이어 또는 코일형 중공 와이어의 배열은 상기한 실시예로 한정되지 않으며, 편물형 와이어(knitted wire) 및 직조형 와이어(weaved wire)와 같은 다른 배열이 채용될 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명의 필터-열 교환기의 다른 실시예를 나타낸다. 필터-열 교환기(17)에 있어서, 도 5의 코일형 중공 웨지형 와이어(6)와 동일한 구성 및 구조인 코일형 중공 웨이 와이어(19) 내에 중공 화이버(18; hollow fiber)가 채워진다. 이 중공 화이버(18)는 코일형 중공 웨지형 와이어(19)의 슬릿을 통해서 들어가는 작은 직경의 입자를 여과하는 기능을 한다. 중공 화이버(18)는 여과되는 유체가 코일형 중공 웨지형 와이어(19)의 안쪽으로부터 그 바깥쪽으로 흐르는 경우에 코일형 중공 웨지형 와이어(19)를 둘러싸는 방식으로 코일형 중공 웨지형 와이어(19)의 외측이 제공될 수 있다.
도 10은 본 발명의 필터-열 교환기의 다른 실시예를 나타낸다. 필터-열 교환기(20)는 원형 단면을 갖는 컨테이너(21)를 포함한다. 피처리 유체를 도입하기 위한 입구(21a)는 컨테이너(21)의 저부에 형성된다. 펌프(25)는 필터-열 교환기(20)에 연결된다. 피처리 유체는 컨테이너(21)의 상단벽에 거의 채워진다. 상부판(23a) 및 저부판(2b)에 의하여 그 상부 및 저부 단부 내에 닫혀진 짧은 원통형 형상의 코일형 중공 와이어 홀더(23)는 컨테이너(21)의 상부 벽 내에 형성된 개구(21b)를 통해서 수직으로 연장되는 중공 샤프트(24)에 의하여 컨테이너(21)에서 피처리 유체 내에서 걸려 있고(suspended), 그 하부 단부에서 코일형 중공 와이어 홀더(23)의 상부판(23a)에 단단히 고정되어 있으며, 그 상부 단부에서 프레임(27)의 걸림부(26)에 연결되어 있다.
복수의 코일형 중공 와이어(22)는 코일형 중공 웨지형 와이어(8) 및 지지 로드(7)로 이루어진 도 5의 필터-열 교환기(6)와 동일한 구조이고, 코일형 중공 와이어 홀더(23)의 저부판(23b)에 단단히 고정되어 있으며, 피처리 유체 내에 잠겨있는 상태로 수직 방향으로 아래로 향하여 연장된다. 코일형 중공 와이어(22)의 저부단은 밀봉판(28)에 의해 밀폐된다. 코일형 중공 와이어(22)의 열린 상부 단부는 코일형 중공 와이어 홀더(23)의 안쪽 공간과 통해 있으며, 중공 샤프트(24) 또한 코일형 중공 와이어 홀더(23)의 안쪽 공간과 통해 있다. 중공 샤프트(24)는 걸림부(26)를 통해서 연장되며, 처리된 유체의 출구를 구성하는 유연성 호스(29; flexible hose)가 중공 샤프트(24)의 상부 단부에 연결된다. 컨테이너(21)의 저부에는 피처리 유체의 여과된 입자를 제거하기 위한 출구(30)가 제공된다. 출구(30)는 통상적으로 닫혀 있다.
각각의 코일형 중공 와이어(22)는 코일형 중공 와이어(22)를 통해서 흐르는 가열/냉각 유체에 대한 입구(22a) 및 출구(22b)를 갖는다. 가열/냉각 유체의 저장소(reservoir)와, 가열/냉각 유체를 코일형 중공 와이어(22)로 공급하기 위한 펌프를 포함하는 가열/냉각 유체원(31)은 가열/냉각 유체 공급 튜브(32)를 통해서 코일형 중공 와이어(22)의 가열/냉각 유체 입구(22a)에 연결되며, 또한 유체 수집 튜브(33)를 통해서 코일형 중공 와이어(22)의 가열/냉각 유체 출구(22b)에 연결된다. 따라서, 가열/냉각 유체는 가열/냉각 유체 공급 튜브(32)를 통해서 가열/냉각 유체원(31)으로부터 코일형 중공 와이어(22)로 공급되고, 코일형 중공 와이어(22)를 통해서 흐르며, 가열/냉각 유체 수집 튜브(33)를 통해서 코일형 중공 와이어(22)로부터 수집되고, 재순환을 위하여 가열/냉각 유체원(31)으로 되돌아간다.
상기 실시예에 있어서, 가열/냉각 유체의 온도를 제어하고, 그에 따라 코일형 중공 와이어(22)의 슬릿의 폭을 제어하기 위하여 가열/냉각 유체 수집 튜브(33) 내에 온도 제어기(34)가 제공된다.
동작시, 펌프(25)가 동작되어 컨테이너(21)의 입구(21a)에서 각각의 코일형 중공 와이어(22) 안으로 피처리 유체를 도입한다. 피처리 유체는 코일형 중공 와이어(22) 안으로 흐르고, 여과된 유체는 코일형 중공 와이어(22) 안쪽에서위쪽으로 향하여 흐르며, 코일형 중공 와이어 홀더(23) 및 중공 샤프트(24)의 안쪽 공간을 통해서 호스(29) 밖으로 흐른다. 그 동안, 가열/냉각 유체는 가열/냉각 유체원(31), 공급 튜브(32), 코일형 중공 와이어(22) 및 수집 튜브(33)로 이루어진 재순환 채널을 통해서 흐른다. 가열/냉각 유체의 온도는 온도 제어기(34)에 의하여 코일형 중공 와이어(22)의 슬릿의 원하는 폭을 유지시키기 위한 적당한 온도로 제어된다.
도 12는 도 5의 필터-열 교환기가 중유 생산 웰(well)에 적용되는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다.
도 11에 설명한 바와 같은 생산 웰(production well)로부터 중유를 얻어내기 위한 종래의 방법은 지하에 두개의 웰, 즉 생산 웰(40) 및 수증기 주입 웰(41; steam injection well)을 설치함으로써 수행된다. 생산 웰은 튜브부(40a)와, 튜브부(40a) 아래에 위치되면서 중유 페이 존(43; pay zone) 내에 위치되는 스크린부(40b)를 갖는다. 또한, 증기 주입 웰(41)은 튜브부(41a)와, 튜브부(41a) 아래에 위치되면서 중유 페이 존(48) 내에 위치되는 스크린부(41b)를 갖는다.
중유는 점성이 높기 때문에 보통의 오일과는 달리 생산 웰(40)의 스크린부(40b)의 슬릿을 통해서 생산 웰 안으로 흐르지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 고온 및 고압 하에서 수증기가 수증기 주입 웰(41)의 스크린부(41b)를 통해서 수증기 주입 웰에서 중유 페이 존(43) 안으로 주입된다. 이러한 수증기 주입의 효력에 의하여, 중유 페이 존(43) 내의 중유의 점도가 떨어져서, 낮은 점성의 중유가 스크린부(40b)를 통해서 생산 웰(40) 안으로 흘러서 펌프로 퍼낼 수 있게 된다.
도 12의 실시예에 따라, 단일 돌기 웰(44)로서 충분하므로, 종래 방법에서 사용되는 증기 주입 벽(41)이 생략될 수 있다. 도 12의 실시예에 있어서, 생산 웰(44)은 튜브부(44a) 및 스크린부(44b)를 갖고 동시에 히터로서 동작한다. 도 5에 도시한 필터-열 교환기가 스크린부(44b)로서 채용된다. 스크린부(44b)는 증기와 같은 가열 유체에 대한 입구(45) 및 출구(46)를 갖고, 입구(45) 및 출구(46)가 배관(48)을 통해서 가열 유체 공급원(47)에 연결되어, 가열 유체가 가열 유체 공급원(47)과 스크린부(44b) 사이에서 재순환한다. 따라서, 스크린부(44b)를 구성하는 필터-열 교환기를 통해서 순환하는 가열 유체에 의하여 가열된 중유는 점성이 떨어지게 되어 스크린부(44b)의 슬릿을 통해서 돌기 웰(44) 안으로 흐른다.
본 발명에 의하면, 필터-열 교환기는 종래 두가지로 분리된 단계 대신 한가지 단계 내에서 가열 또는 냉각 및 여과를 완료할 수 있으며, 따라서 요구되는 공간이 상당히 절약되고, 요구되는 공정을 완료하기 위한 장치가 간단하게 되며, 공정 처리 비용도 절약되는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 인접 중공 와이어들 사이에 형성된 소정 폭의 슬릿을 갖고 평행하게 배열된 복수의 중공 와이어를 포함하고,
    상기 중공 와이어가 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 갖고, 그에 따라 상기 가열/냉각 유체가 상기 중공 와이어를 통해서 흐르며, 여과되는 유체가 상기 슬릿을 통해서 평행하게 배열된 중공 와이어의 한쪽으로부터 그 다른 한쪽으로 흐르는 필터-열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 와이어가 일반적으로 튜브(tube)의 형태로 배열되는 필터-열 교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 와이어가 일반적으로 평판(flat plate)의 형태로 배열되는 필터-열 교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 와이어가 소정 형상의 와이어(shaped wire)로 이루어지는 필터-열 교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중공 와이어가 웨지형 와이어(wedge wire)로 이루어지는 필터-열 교환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    중공 와이어에 대하여 실질적으로 교차 방향으로 배열되는 중공 지지 로드(hollow support rod)를 추가로 포함하고,
    상기 중공 지지 로드 각각은 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 가지며, 그에 따라 상기 가열/냉각 유체가 또한 상기 중공 지지 로드를 통해서 흐르는 필터-열 교환기.
  7. 중공 와이어의 축방향 인접부들 사이에 형성된 소정 폭의 나선형 슬릿(helical slit)을 갖는 코일형 중공 와이어(coiled hollow wire)를 포함하고,
    상기 코일형 중공 와이어는 가열/냉각 유체의 입구 및 출구를 갖고, 그에 따라 상기 가열/냉각 유체가 상기 코일형 중공 와이어를 통해서 흐르며, 여과되는 유체가 상기 슬릿을 통해서 코일형 중공 와이어의 바깥쪽으로부터 그 안쪽으로, 또는 그와 반대로 흐르는 필터-열 교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 코일형 중공 와이어가 소정 형상의 와이어(shaped wire)로 이루어지는 필터-열 교환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 코일형 중공 와이어가 웨지형 와이어(wedge wire)로 이루어지는 필터-열 교환기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 중공 와이어에 대하여 실질적으로 교차 방향으로 배열되는 중공 지지 로드(hollow support rod)를 추가로 포함하고,
    상기 중공 지지 로드 각각은 상기 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 갖고, 그에 따라 상기 가열/냉각 유체가 또한 상기 중공 지지 로드를 통해서 흐르는 필터-열 교환기.
  11. 여과되는 유체를 도입하기 위한 입구를 갖는 컨테이너(container);
    상기 컨테이너 내에서 중공 와이어의 축방향 인접부들 사이에 형성된 소정 폭의 나선형 슬릿을 갖고, 가열/냉각 유체에 대한 입구 및 출구를 가지며, 처리된 유체를 외부로 전달하기 위한 출구를 갖는 코일형 중공 와이어(coiled hollow wire);
    상기 코일형 중공 와이어의 가열/냉각 유체 입구에 연결되어, 상기 가열/냉각 유체를 상기 코일형 중공 와이어로 공급하는 가열/냉각 유체원(heating/cooling fluid source); 및
    상기 코일형 중공 와이어의 가열/냉각 유체 출구에 연결되어, 상기 코일형 중공 와이어로부터 상기 가열/냉각 유체를 수집하는 가열/냉각 유체 수집 튜브(heating/cooling fluid collecting tube)
    를 포함하는 필터-열 교환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 코일형 중공 와이어가 소정 형상의 와이어(shaped wire)로 이루어지는 필터-열 교환기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 코일형 중공 와이어가 웨지형 와이어(wedge wire)로 이루어지는 필터-열 교환기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 가열/냉각 유체의 온도를 제어하여 상기 코일형 중공 와이어의 슬릿 폭을 제어하기 위한 온도 제어 수단을 추가로 포함하는 필터-열 교환기.
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