KR20020073327A - 향상된 직교류 열전달 - Google Patents

Abstract

다수의 도관(12)에 나란히 배열된 배플(20, 22).

Description

향상된 직교류 열전달 {ENHANCED CROSSFLOW HEAT TRANSFER}

액체 또는 기체와 같은 공정유체를 상류측 공정유체의 온도와는 상이한 온도로 유지되는 열전달면에 접촉하여 유동시킴으로서 공정유체에 대한 열전달 또는 이러한 공정유체로부터의 열전달(열전달면이 유체보다 높은 온도 또는 낮은 온도에서 유지되는 것에 따라서)이 이루어질 수 있도록 하여 공정유체를 가열 또는 냉각시키는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 기술의 한 예에서, 열원 또는 히트싱크로서 작용하는 열전달면은 예를 들어 튜브 또는 파이프의 내부를 통하여 축방향으로 유동하는 액체에 의하여 가열 또는 냉각되는 열전달튜브 또는 파이프의 열전도성 외부셀이다. 이러한 기술의 한 변형예에 있어서, 예를 들어 미국특허 제5,255,742호 및 제5,404,952호에 기술된 바와 같이 열이 연료가스(수소 또는 탄화수소)의 무화염 연소에 의하여 열교환관의 내부에 직접 공급될 수 있다.

또한 종래에 열전달면을 따라서 열전달튜브의 내부를 흐르는 액체의 유동방향에 대하여 동일한 방향으로 또는 이에 역류하여 축방향으로 공정유체를 유동시키거나 열전달튜브의 축선에 대하여 공정유체를 직교방향으로 유동시키는 것이 알려져 있고, 이들 두 가지 방법을 조합한 것도 알려져 있다. 직교류 유동액체와 열교환관사이의 열전달을 응용한 전형적인 예는 에어 쿨러, 연소형 히터 또는 연소로에 사용되는 절약기, 그리고 셀-튜브형 열교환기에서 찾아볼 수 있다. 여러가지 형태의 소위 반경류 또는 축류/반경류 유동반응기가 잘 알려진 축류(단부-단부)반응기와는 대조적으로 적어도 일부의 유체상 공정증기를 일부 지점에서 방사상 직교유동방향(내측-외측, 또는 외측-내측)으로 반응기를 통하여 이동시킬 수 있도록 되어 있다. 다수의 축방향으로 배치된 연전달튜브에 대하여 공정유체의 부분적인 방사상 직교류방식을 이용하는 반응기의 예는 미국특허 제4,230,669호, 제4,321,234호, 제4,594,227호, 제4,714,592호, 제4,909,808호, 제5,250,270호 및 제5,585,074호에 기술되어 있다.

비록 열전달면에 대한 공정유체의 직교류 접촉은 많은 경우에 있어서 매력적인 선택일 수는 있으나, 산업적 규모에 있어서 직교류 접촉방식의 이용은 열전달에서 어느 정도의 비효율성이 있어 제한되는 것이 실질적으로 경험되었다. 전형적으로 직교류 방식에 있어서, 공정유체의 일부는 축류방식에 비하여 짧은 시간동안만열전달면에 접촉한다. 아울러, 직교류 공정유체와 열전달면 사이의 접촉은 공정유체의 분리 및 재순환에 의하여 일정하지 않다. 짧은 면접촉시간, 불균일한 접촉 및 제한된 유체혼합은 열에너지 전달이 비효율적이고 불충분하며 불균일하도록 한다.

기술문헌 Int. J. Heat Mass Transfer., vol.27, no.12, pp.2297-2306(1984)에 수록된 논문 "Impngement heat transfer at a circular cylinder due to an offset of non-offset slot jet"에서, 저자인 Sparrow와 Alhomoud는 가스제트를 발생하기 위하여 열전달튜브의 상류측에 어느 정도의 거리를 두고 슬로트형의 면을 배치함으로서 열전달튜브에 대하여 공정가스의 직교류에 관련한 열전달효율이 달라질 수 있음이 실험에 의하여 나타났음을 보고하고 있다. Sparrow와 Alhomoud는 제트유도 슬로트의 폭, 슬로트와 튜브의 거리와, 레이놀드 수(유체의 난류도)를 변화시켜 보고, 또한 슬로트 제트를 튜브에 정렬시키거나 정렬상태에서 벗어나 오프셋트시켜 보기도 하였다. 저자들은 열전도율이 슬로트 폭과 레이놀드 수의 증가에 따라서 증가하나 슬로트-튜브사이의 거리 및 오프셋트 정도가 증가하면 감소하는 것으로 결론짓고 있다.

Sparrow와 Alhomoud의 연구에서 열전도율이 슬로트의 폭에 따라서 증가되는 것으로 결론을 짓고 있기 때문에 열전달을 증가시키기 위하여 일반적으로 상류측 슬로트를 이용하는 것은 이러한 결과에 기초하여 매우 모호하다. 다만 Sparrow와 Alhomoud에 의한 경험적인 구조에서, 비교적 넓은 슬로트는 비교적 좁은 슬로트에 비하여 열전도율이 높고 상류측 슬로트가 없는 경우 전혀 최대값을 얻을 수 없는 것으로 결론지을 수 있다. 다수의 열전달튜브를 이용하거나 다수의 각 열전달튜브의 외측면에 접촉하여 직교류 유체통로를 형성하기 위한 유동제한수단의 둘레 또는 이와 나란히 상류측 쌍 또는 하류측 쌍을 이용하여 시험이 수행되지 않았으며, 제공된 극히 제한된 데이터에 기초하여 이러한 매우 상이한 다른 구조나 구성에 대하여 특별히 추정될 수도 없다.

종래 직교류 열교환기 구조의 이러한 결점 또는 제한은 본 발명의 향상된 직교류 열전달방법과 구조에 의하여 전체적으로 또는 부분적으로 해결된다.

본 발명은 열원 또는 히트싱크로서 작용할 수 있는 다수의 축방향으로 배치된 열교환 도관의 열전도성 외부셀에 접촉하면서 직교방향으로 유동하는 유체에 대한 열전달 또는 이러한 유체로부터의 열전달을 향상시킬 수 있는 방법과 장치에 관한 것이다. 유체를 직교방향으로 유동시키고, 열교환 도관의 축선에 대하여 직각으로 유동시키며, 슬로트 또는 통공이 형성된 판체, 배플 또는 둘레의 슬리이브형 요소를 이용하여 열교환 도관의 상류측, 하류측 또는 그 둘레나 이와 나란히 유동시킴으로서, 유동하는 유체와 열전도면사이에 놀라울 정도로 효율적인 열전달이 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따라서 열전달 효율이 증가된 직교류 열교환장치의 제1실시형태를 보인 것으로, 축방향으로 배치된 열교환 도관의 원형 어레이가 유체유동제한환체내에 배치된 것을 보인 개략평면도.

도 2a는 본 발명에 따라서 열전달 효율이 증가된 직교류 열교환장치의 제2실시형태를 보인 것으로, 각각 동심원상의 유체유동제한 관상 슬리이브로 둘러싸여 축방향으로 배치된 열교환 도관의 원형 어레이를 보이고 또한 제1링형 구조물내에 결합된 여러 유체유동제한 슬리이브를 보인 개략평면도.

도 2b는 교열되게 배치된 슬로트구조를 보인 하나의 도관-슬리이브 조합의 측면도.

도 3은 각 유동제한슬리이브의 유체유동제한공이 방사상으로 정렬되게 방사상으로 도관이 인접배열된 이중동심원 어레이의 열교환 도관을 보인 도 2 구조의 변형실시형태를 보인 개략평면도.

도 4는 본 발명에 따라서 열전달 효율이 증가된 직교류 열교환장치의 다른실시형태를 보인 것으로, 이중 열의 축방향으로 배치된 열교환 도관이 사각어레이로 배열되고 제1의 상류측 유체유동제한배플, 제1 및 제2 열의 도관을 분리하는 제2의 중간 유체유동제한배플과, 제2 열의 도관에 이은 제3의 하류측 유체유동제한배플로 구성되며, 제1, 제2 및 제3 배플의 통공이 각 도관과 상대측에 대하여 정렬되어 있는 것을 보인 개략평면도.

도 5는 삼각형의 형태로 배열된 다중열(3열 이상)의 열교환 도관 어레이를 보이고 이러한 어레이를 통한 두개의 상이한 유체유로를 보인 본 발명에 따른 향상된 직교류 열전달장치의 다른 실시형태를 보인 설명도.

도 6은 사각형의 형태로 배열된 다중열(3열 이상)의 열교환 도관 어레이를 보이고 이러한 어레이를 통한 두개의 상이한 유체유로를 보인 본 발명에 따른 향상된 직교류 열전달장치의 다른 실시형태를 보인 설명도.

도 7은 하나의 플레이트 또는 다수의 플레이트가 열전달특성을 향상시키기 위하여 직교류 유체흐름이 이루어지도록 각 열교환 도관의 양측에 나란히 배치될 수 있음을 보인 본 발명에 따른 향상된 직교류 열전달장치의 다른 실시형태를 보인 설명도.

도 8은 하나의 플레이트 또는 다수의 플레이트가 열전달특성을 향상시키기 위하여 직교류 유체흐름이 이루어지도록 각 열교환 도관의 양측 둘레에 도관의 양측부분에 일치하는 윤곽을 갖는 만곡형 플레이트를 배치함으로서 구성되는 다른 형태의 슬리이브 구조를 보인 본 발명에 따른 향상된 직교류 열전달장치의 다른 실시형태를 보인 설명도.

따라서, 본 발명의 기본 목적은 공정유체와 열전달면사이의 향상된 직교류 열전달을 위한 방법과 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 공정유체와 열전달면사이의 직교류 열전달을 향상시킬 수 있도록 하나 이상의 열전달면에 접촉하여 유체 직교류 통로를 형성하기 위한 방법과 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 특별한 목적은 공정유체와 열전달면사이의 향상된 직교류 열전달을 향상시키기 위하여 공정유체가 열전달면에 직교방향으로 통과하는 유동이 이루어질 수 있도록 열전달면의 상류측, 하류측 또는 그 둘레에 또는 나란히 유체유동제한수단을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 특별한 목적은 개선된 열전달이 이루어질 수 있도록 각 도관의 외측에 유체가 직교방향으로 통과하는 유로를 형성하기 위하여 열교환 도관의 어레이에서 각 도관에 배치되는 만곡상 또는 평면상의 천공형 판 또는 천공형 슬리이브를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 도관이 개선된 열전달이 이루어질 수 있도록 각 도관의 외측에 유체가 직교방향으로 통과하는 유로를 형성하기 위하여 도관의 상류측, 하류측 또는 그 둘레에 또는 나란히 그 자신의 유체유동제한수단을 갖는 다양한 크기 및 구조의 열전달 도관어레이를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적과 잇점들은 이후 명백하게 될 것이다. 따라서, 본 발명은 다음의 첨부도면을 참조한 상세한 설명에서 예시되는 바와 같이 여러 단계와 여러 구성요소를 포함하고 이러한 단계 및 구성요소의 하나 이상이 상호 관련되는 방법 및 장치로 구성되나 이로써 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 방법과 장치의 여러 수정형태 및 변형형태가 전문가에게는 명백하게 될 것이며 이러한 수정형태 및 변형형태는 본 발명의 범위내에 속하는 것으로 간주될 것이다.

본 발명에 있어서는 공정유체와 열전달면사이의 향상된 직교류 열전달을 향상시키기 위하여 열전달면에 접촉하여 직교방향으로 유동하는 공정유체의 유로를 형성토록 한 셋트쌍 이상의 유체유동제한기로 구성되는 배플구조가 이용된다. 이 장치는 유체의 바이패스 유동을 제한하여 공정유체의 상당부분이 열전달면을 통하여 강제유동될 수 있도록 구성된다. 전형적으로 열전달면은 평행한 축선들이 유체유동방향에 대하여 직각을 이루는 축방향으로 배열되고 열전달 셀을 갖는 열교환 도관의 하나 이상의 어레이가 될 것이다. 이러한 각 도관의 셀의 외면은 상류측 공정유체의 온도와는 상이한 온도로 유지되어 유체가 유동되어 열교환 도관의 외면에 접촉할 때 전도, 대류, 복사 및 이들의 조합에 의하여 공정유체에 대하여 또는 이러한 공정유체로부터 열에너지가 전달될 수 있도록 한다.

본 발명의 열교환 도관은 튜브, 파이프 또는 기타 열원 또는 히트싱크를 갖는 구조물일 수 있다. 열교환 도관의 외면은 이후 상세히 설명되는 바와 같이 외면 그대로 이거나 핀이 형성된 면을 가질 수 있으며 또는 이들의 두 조합일 수 있다. 도관의 단면은 원형, 타원형 또는 다른 폐곡선의 형상일 수 있다. 다수의 이러한 열교환 도관이 사용되는 경우, 전형적으로 이들은 특별한 구조의 선택 또는 조건에 따라서 삼각형 어레이, 사각형 어레이, 원형 어레이, 환상 어레이 또는 기타 다른 패턴의 어레이와 같은 사전에 결정된 구조로 배열될 것이다. 유체의 유동방향에 대하여, 인접한 도관은 역시 특별한 구조의 선택 또는 조건에 따라서 정연히 정열되거나 교열되거나 기타 다른 방식으로 배열될 수 있다.

열교환 도관의 크기는 적어도 부분적으로 열전도율에 대한 공정조건에 의하여 결정될 것이다. 일반적으로, 대형 단면(어느 주어진 도관구조에서)을 갖는 도관은 큰 표면적을 제공하여 보다 큰 열전달 역량을 제공할 것이다. 핀요소, 배플 또는 기타 열전달을 향상시키는 구조가 표면적을 더욱 증가시키고 열전달 특성을 개선하기 위하여 열교환 도관의 일부 또는 전부의 외면에 제공될 수 있다. 우선 실시형태는 도관의 외부 길이를 따라서 나선상으로 근접하게 배열되는 핀을 이용한다. 이러한 구성은 유동을 방해함이 없이 직교류에 노출되는 열교환 표면적을 증가시킨다. 공정유체의 특성 및 유량과, 열교환 도관의 상류측과 도관의 하류측 사이의 요구된 유체온도변화가 이들 구조의 선택에 영향을 줄것임을 이해할 것이다.

공정유체의 직교류 유동이 이루어질 수 있도록 하는 유체유동제한수단은 열교환 도관의 상류측, 하류측 또는 그 둘레에 또는 이에 나란히 배치된 배플구조물의 다양한 형상과 크기의 유입구, 유출구 및 개방부로 구성된다. 다른 우선실시형태에서, 각 열교환 도관은 이후 상세히 설명되는 바와 같이 자체의 상류측 및 하류측 유체유동제한기를 갖거나 그 둘레에 또는 나란히 유동제한기를 갖는다.유체유동제한수단으로서 작용하는 천공형의 배플구조물은 평면 또는 만곡면 또는 평면과 만곡면의 조합으로 구성되는 플레이트, 슬리이브 또는 기타 다른 형태의 배플로 구성될 수 있다. 열교환 도관의 어레이의 상류측 및 하류측에 쌍으로 배치되는 이러한 형태의 천공형 구조물은 1.5~2배로 열전달효율을 향상시키는 것으로 확인되었다. 어떤 경우 특히 유리한 실시형태에서, 유체유동제한구조는 관상 열교환 도관의 어레이에서 각 도관을 부분적으로 둘러싸고 있는 대형의 동심원상 슬리이브 구조이며, 이러한 각 슬리이브 구조는 중앙에 배치된 열교환 튜브의 상류측과 하류측에 통공을 갖는다. 이러한 도관의 어레이에서 각 열교환 도관을 부분적으로 둘러싸고 있는 이러한 형태의 통공형 슬리이브는 약 5배 이상 열전달효율을 향상시키는 것으로 확인되었다.

유체유동제한구조물에서 통공은 천공형 통공 또는 축상 슬로트(장축이 열교환 도관의 축방향에 평행한 기다란 통공)의 조합으로 구성되는 것이 좋다. 장치의 다른 부분에 형성된 통공 또는 슬로트는 곡률, 크기 및 형상에서 동일하거나 상이할 수 있다. 유입구 및 유출구 둘레의 변부는 직선형, 만곡형, 톱니형 또는 이들의 일부 조합일 수 있다.

유체유동제한 구조물은 상류측 또는 하류측 통공의 중심선과 열교환 도관의 중심사이의 거리가 도관의 외경(또는 비원형 도관의 경우 최대단면부의 크기)에 대하여 약 0~2.0배, 좋기로는 약 0.50~1.00배가 되도록 열교환 도관에 대하여 배치되는 것이 좋다. 어떤 경우에 있어서 통공과 도관사이의 간격은 향상된 열전달이 이루어질 수 있도록 충분히 근접하여야 한다. 기다란 유동제한공의 폭(최단측 거리) 또는 원형 제한공의 직경은 도관의 외경(비원형 도관의 경우 최대단면부의 크기)에 대하여 약 0.02~1.5배, 좋기로는 약 0.05~0.25배인 것이 좋다. 유체유동제한 구조물은 통공의 중심과 열교환 도관의 중심사이의 거리가 도관의 외경(또는 비원형 도관의 경우 최대단면부의 크기)에 대하여 0~0.5배, 좋기로는 0배가 되도록 열교환 도관에 대하여 배치되는 것이 좋다.

본 발명의 향상된 직교류 열교환장치는 다음의 하나 이상에 의하여 직교류 유체와 다수의 열교환 도관 사이의 열전달 효율을 향상시킨다: (a) 열교환 도관의 둘레에서 유체속도를 증가시킨다; (b) 유체가 열교환 도관의 외면에 근접하여 유동토록 한다; (c) 열교환 도관의 외면으로 유동하거나 열교환 도관의 외면으로부터 거리를 둔 영역을 통하여 유동하는 유체를 제한한다; (d) 열교환 도관 둘레의 "사각"영역 및 유동제한을 감소시킨다; (e) 유체의 교란을 증가시킨다; (f) 유체의 차거운 부분과 뜨거운 부분의 혼합을 증가시킨다.

도 1은 각각 공통의 중심(14)을 갖는 원통형 내벽(20)과 원통형 외벽(22)에 의하여 한정되는 환상영역(28)의 내부 둘레에 배치된 축방향 배치형 열교환 도관(12)의 원형 어레이를 갖는 본 발명에 따른 직교류 열교환장치(10)를 보이고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도관(12)은 환상영역의 방사상 폭 보다 작은 동일한 직경을 가지고 서로 일정한 간격을 두고 있다.

각 열교환 도관(12)은 방사상 방향의 내외측에 내벽(20)의 상류측 통공(24)과 외벽(22)의 하류측 통공(26)이 배치된다. 도 1에서 보인 바와 같이, 각 쌍의 상류측 통공(24)과 하류측 통공(26)은 도관(12)에 대하여 그리고 상대측에 대하여 방사상으로 정렬되어 있다. 이와 같이, 도 1에서, 공정유체(30)는 열교환장치(10)의 원통형 내부영역(16)을 향하여 축방향으로 유동하고 상류측 통공(24)을 통하여 방사상 외측으로 향한 다음 도 1에서 유체유동 화살표로 보인 바와 같이 열교환 도관(12)에 접촉하여 직교방향으로 유동함으로서 하류측 통공(26)을 통하여 환상영역(28)을 벗어나는 열조절된 유체유동류(32)를 형성토록 공정유체유동류를 가열 또는 냉각시킨다.

도 1이 방사상 외측으로 유동하는 유체유로를 보인 반면에 이 장치는 중앙영역(16)을 향하여 방사상 내측으로 유동한 후 이 영역(16)으로부터 축방향으로 유출되는 공정유체유동류를 열적으로 처리하는데 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 변형형태에서, 외벽(22)의 통공(26)은 상류측 통공이 되고 내벽(20)의 통공은 하류측 통공이 될 것이다.

도 2a와 도 2b는 상류측 통공(124)과 하류측 통공(126) 또는 이후 상세히 설명되는 바와 같이 오프셋트 통공쌍(174, 176)(184, 186)을 갖는 천공형 슬리이브(120)에 의하여 각각 둘러싸인 축방향 배치형 열교환 도관(112)의 원형 어레이를 갖는 본 발명에 따른 직교류 열교환장치(110)를 보이고 있다. 각 슬리이브(120)는 연결벽(122)에 의하여 대형의 링 또는 원통형의 구조로 결합된다. 통공(124)(126)은 도관(112)과 방사상으로 정렬되는 축방향 통공, 즉 기다란 슬로트의 걸럼으로 구성된다. 또는, 도 2a에서 일부를 보인 우선실시형태에서, 통공쌍(174, 176)(184, 186)은 교열된 슬로트구조로 방사상으로 정렬된 상태에서 약간 어긋나게 오프셋트 배열된다. 통공쌍(174, 176)(184, 186)의 교열된 슬로트구조가 도 2a에 도시되어 있고 도 2b에서는 상세히 도시되어 있으며, 어긋나게 오프셋트 배열된 통공쌍(174, 176)(184, 186)(통공 124, 126을 대신함)은 정면에서 보았을 때 교열되어 있고 중심점(114)으로부터 각도 θ만큼 방사상 라인에서 약간 벗어나 있다. 도 2b는 교열형의 슬로트구조를 보이는 원통형 슬리이브(120)를 갖는 열교환 도관(112)을 도 2a의 2B-2B선 방향에서 본 것이다. 도 2a에서 보인 바와 같은 이러한 교열형 슬로트 도관/슬리이브 조합의 평면도는 도 2b의 2A-2A선 방향에서 본 것이다. 교대로 어긋나게 배열된 슬로트 쌍으로부터 슬로트의 단부는 약간 중첩되거나 동일한 선상에 놓여 열교환장치의 축방향을 따라 유동하는 것을 방해하지 않게 되어 있다. 또한 이러한 오프셋트 슬로트의 분리 및 중첩 구조는 유체유동을 차단함이 없이 보다 양호한 주연방향의 기계적인 완벽성을 슬리이브(120)에 제공할 수 있도록 도 2b에서 부호 190으로 보인 인접한 오프셋트 슬로트의 축방향 중첩부분사이의 연결영역을 남긴다. 설명을 간단히 하기 위하여 도 2a는 두쌍의 오프셋트 통공구조를 갖는 하나의 천공형 슬리이브(120)를 보이고 있는 반면에 다른 슬리이브들은 한쌍의 정렬된 통공구조를 갖는다. 그러나, 실제로 본 발명의 장치(110)를 위한 모든 천공형 슬리이브는 전형적으로 동일한 통공구조를 갖는다.

이와 같이, 도 2a에서, 공정유체(130)는 열교환장치(110)의 중심점(114)을 갖는 원통형의 내부영역(116)을 향하여 축방향으로 유동하고 상류측 통공(124)을 통하여 방사상 외측으로 유동한 다음 도 2a에서 화살표로 보인 바와 같이 열교환 도관(112)에 접촉하여 직교방향으로 유동함으로서 하류측 통공(126)을 통하여 슬리이브(120)에 의하여 한정된 내부영역을 벗어나는 열조절된 유체유동류(132)를 형성토록 공정유체유동류를 가열 또는 냉각시킨다. 교열형 슬로트를 갖는 실시형태에서, 방사상 외측으로 유동하는 유체는 상류측 통공(174)를 통하여 도관(112)에 접촉토록 유동하고 하류측 통공(176)을 통하여 유출되거나 또는 축방향의 높이에 따라서 통공쌍(184, 186)를 통하여 유동할 것이다.

도 2a가 방사상 외측으로 유동하는 유체유로를 보인 반면에 이 장치는 중앙영역(116)을 향하여 방사상 내측으로 유동한 후 이 영역(116)으로부터 축방향으로 유출되는 공정유체유동류를 열적으로 처리하는데 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 변형형태에서, 통공(126)(또는 176과 186)은 상류측 통공이 되고 통공(124)(또는 174와 184)은 하류측 통공이 될 것이다.

도 3은 도 2에서 보인 직교류 열교환장치(110)의 변형형태인 직교류 열교환장치(160)를 보인 것이다. 이 장치(160)는 도 2의 단일 원형어레이 대신에 이중의 동심원 원형어레이의 열교환 도관을 이용하는 점에서 장치(110)와 상이하다. 도 3에서 보인 바와 같이, 제2원형어레이의 열교환 도관(142)이 제1원형어레이의 도관(112)과 방사상으로 정렬되어 있다. 각 도관(142)은 상류측 통공(164)과 하류측 통공(166)을 갖는 천공형 슬리이브(150)에 의하여 둘러싸여 있다. 도관(142)에 결합되는 슬리이브(150)의 통공(164)(166)은 방사상으로 인접한 도관(112)의 슬리이브(120)에 형성된 통공(124)(126)과 방사상으로 정렬되는 것으로 도시되어 있다. 각 슬리이브(150)는 벽(152)에 의하여 대형의 링 또는 원통형의 구조로 결합된다. 비록 도 3이 제2원형어레이의 열교환 도관의 도관(142)을 하나만 보이고 있으나 제1원형어레이의 모든 도관(112)에 대하여 제2원형어레이의 도관(142)이 결합됨을 이해할 것이다.

이와 같이, 도 3에서, 슬리이브(120)의 제1하류측 통공(126)으로부터 유출되는 부분적으로 열조절된 공정유체유동류(132)는 제2상류측 통공(164)을 통하여 방사상 외측으로 향하고 열교환 도관(142)에 접촉하여 직교방향으로 유동함으로서 하류측 통공(166)을 통하여 슬리이브(150)에 의하여 한정된 내부영역을 벗어나는 충분히 열조절된 유체유동류(162)를 형성토록 공정유체유동류를 가열 또는 냉각시킨다. 도 3이 방사상 외측으로 유동하는 유체유로를 보인 반면에 이 장치는 중앙영역(116)을 향하여 방사상 내측으로 유동한 후 이 영역(116)으로부터 축방향으로 유출되는 공정유체유동류를 열적으로 처리하는데 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 변형형태에서, 통공(166)(126)은 제1 및 제2 상류측 통공이 되고 통공(164)(124)은 제1 및 제2 하류측 통공이 될 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 직교류 열교환장치(210)의 일부를 보인 것이다. 도 4에서, 상류측 제1열의 도관(212)과 하류측 제2열의 도관(216)으로 구성된 축방향 배치형의 이중열 열교환 도관이 통공(226)을 갖는 상류측 제1 천공형 플레이트(220), 통공(228)을 가지며 제1 및 제2 열의 도관을 분리하는 중간의 제2 천공형 플레이트(222)와, 통공(230)을 갖는 하류측 제3 천공형 플레이트(224)와 함께 사각어레이로 배치된다. 상류측-하류측 인접쌍의 도관(212)에 관련한 각 셋트의 통공(226)(228)(230)은 상류측 및 하류측의 도관(212)(216)에 관련하여 서로 직선상으로 정렬되어 있다.

이와 같이, 도 4에서, 공정유체(232)는 화살표로 보인 바와 같이통공(226)을 지나 제1의 상류측 열교환 도관(212)에 접촉하여 직교방향으로 유동하고 여기에서 공정유체유동류가 부분적으로 가열 또는 냉각되어 부분적으로 열조절된유체유동류(234)를 형성한다. 그리고 이 유체유동류(234)는 통공(228)을 지나 제2의 하류측 열교환 도관(216)에 접촉하여 직교방향으로 유동하고 여기에서 공정유체유동류가 더욱 가열 또는 냉각되어 전체적으로 열조절된 유체유동류(234)를 형성하며 이는 통공(230)을 통하여 장치(210)로부터 유출된다.

도 5는 본 발명에 따른 직교류 열교환장치(310)의 다른 실시형태에 따라서 오프셋트 또는 삼각어레이로 배열된 다중열 셋트의 열교환 도관(312)을 통한 두 종류의 유로를 보인 것이다. 이러한 도 5에서, 교대로 배열되는 열의 열교환 도관은 도 4와 도 6에서 보인 바와 같이 인접한 열의 도관이 직선으로 정렬되지 않고 인접한 열로부터 오프셋트되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 두 인접한 열에서 3개의 인접한 도관의 중심점은 등변삼각형(340)을 이룬다. 비록 도 5에는 도시하지 않았으나, 도 5의 장치는 제1열 도관의 앞과 최종 열의 도관의 뒤에 각각 배치된 상류측 및 하류측 천공형 플레이트와, 인접한 열의 도관을 분리하는 중간의 천공형 플레이트를 포함한다. 또한, 각 도관(312)은 다른 도면에서 이미 언급된 바와 같이 천공형의 슬리이브로 둘러싸일 수 있다.

도 5에서 화살표(332)는 장치(310)의 삼각형 도관 어레이에서 이용될 수 있는 제1유로의 방향을 나타낸다. 도 5의 화살표(334)는 장치(310)의 삼각형 도관 어레이에서 이용될 수 있는 제2유로의 방향을 나타낸다. 비록 도 5는 삼각형 어레이에서 4개 열의 열교환 도관을 보이고 있으나 이러한 구성에서 더 적은 수 또는 더 많은 수의 도관 열이 적당히 사용될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 직교류 열교환장치(410)의 또 다른 실시형태에 따라서 사각어레이로 배열된 다중열 셋트의 열교환 도관(412)을 통한 두 종류의 유로를 보인 것이다. 이러한 도 5에서, 인접한 열의 열교환 도관(412)은 직선상으로 정렬되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 인접한 두개의 열에서 4개의 인접한 도관의 중심점은 정사각형(440)을 이룬다. 비록 도 6에는 도시하지 않았으나, 도 6의 장치는 제1열 도관의 앞과 최종 열의 도관의 뒤에 각각 배치된 상류측 및 하류측 천공형 플레이트와, 인접한 열의 도관을 분리하는 중간의 천공형 플레이트를 포함한다. 또한, 각 도관(412)은 이미 언급된 바와 같이 천공형의 슬리이브로 둘러싸일 수 있다.

도 6에서 화살표(432)는 장치(410)의 사각형 도관 어레이에서 이용될 수 있는 제1유로의 방향을 나타낸다. 도 6의 화살표(434)는 장치(410)의 사각형 도관 어레이에서 이용될 수 있는 제2유로의 방향을 나타낸다. 비록 도 6는 사각형 어레이에서 5개 열의 열교환 도관을 보이고 있으나 이러한 구성에서 더 적은 수 또는 더 많은 수의 도관 열이 적당히 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 향상된 직교류 열교환장치(510)의 또 다른 변형실시형태를 보인 것이다. 도 7에서, 각 열교환 도관(512)에는 이러한 도관(512)에 나란히 배치되고 화살표(530)(532)로 보인 바와 같이 유체유동방향에 대하여 직교방향으로 향하는 하나 이상의 측방향 유동제한판(520)(522)(524)(526)(528)이 결합된다. 도관(512)에 가장 근접한 측방향 유동제한판(520)(522)(524)(526)(528)의 변부는 이들 유동제한판의 변부와 각 도관(512)의 양측에 하나씩 배치된 도관벽사이에 두개의 유체개방부 또는 채널을 형성토록 도관(512)의 외벽으로부터 일정한 간격을두고 있다. 유동제한판의 변부와 도관벽사이의 간격은 열전달이 최대화될 수 있도록 유체유로를 최적하게 형성하기 위하여 경로시험을 통하여 조절될 수 있다. 각 도관(512)에 둘 이상의 측방향 유동제한판이 이용되는 경우 유동제한판의 변부와 도관벽사이의 간격은 유체유로를 최적하게 형성하기 위하여 동일하거나 상이할 수 있다.

도 7에서 보인 바와 같이, 측방향 유동제한판은 유동제한판의 평면이 도관(512)의 중심을 통과하도록 도관(512)에 나란히 배치되거나(유동제한판 524와 같이), 또는 유동제한판의 평면중심(518)의 상류측(유동제한판 520 및 526과 같이)에서 또는 중심(518)의 하류측(유동제한판 522 및 528과 같이)에서 또는 이들의 조합에서 도관(512)에 교차하도록 배치될 수 있다. 통공과 도관 중심(518)사이의 거리(542)는 도시된 바와 같이 직경(544)의 1/2 이하이며 예를 들어 유동제한판(524)에서는 이러한 거리가 거의 제로에 근접한다. 이는 통공과 도관 중심사이의 거리가 도관직경의 1/2 이상인 도 1 및 도 4에서 보인 배플구조와는 상이하다. 본문에 사용된 "열교환 도관에 나란히 배치된 측방향 유동제한판"이라는 문구는 유체유동의 방향에 대하여 직각을 이루는 도 7의 유동제한판(520)(522)(524)(526)(528)을 의미하며 이들 판의 평면은 열교환 도관의 어느 부분에서나 교차한다.

도 8은 도 2의 천공형 슬리이브구조의 변형형태를 보인 본 발명에 따른 향상된 직교류 열교환장치(610)의 다른 변형형태를 보인 것이다. 도 8에서, 각 열교환 도관(612)은 조개껍질구조로 도관(612)의 외벽의 곡률이 맞추어진 대향된 한쌍의 만곡판(620)에 의하여 부분적으로 둘러싸여 있다. 각 만곡판(620)은화살표(630)(632)로 보인 바와 같이 유체유동방향에 직각으로 배치된 벽 또는 측판(622)에 결합되어 있다.

도관(612)의 양측 둘레에 있는 한쌍의 만곡판(620)은 서로 접촉하여 있지 아니하며 도관(612)의 외벽의 상류측 또는 하류측으로 연장되어 있지도 않다. 따라서, 도 8에서 설명을 위하여 도시한 바와 같이, 한쌍의 만곡판(620)의 상류측 또는 하류측 변부를 연결하는 선이나 평면은 도관(612)에 교차할 것이다. 한쌍의 만곡판(620)사이의 상류측 및 하류측 개방부는 공정유체유동류가 유동토록 하는 통공을 형성한다. 통공과 도관 중심(618)사이의 거리(642)는 도시된 바와 같이 직경(644)의 1/2 이하이며 이러한 거리는 도 7의 경우와 같이 예를 들어 만곡판(620)의 길이가 측판(622)을 남기는 제로값으로 근접한다. 이는 통공과 도관 중심사이의 거리가 도관직경의 1/2 이상인 도 1 및 도 4에서 보인 배플구조와는 상이하다.

각 도관(612)의 양측 둘레에 각 쌍의 만곡판(620)을 갖는 도 8의 조개껍질구조는 도 8에서 상류측 및 하류측 유체개방부의 변부를 연결하는 라인 또는 평면이 도 2a에서 보인 슬로트형 슬리이브의 경우와는 다르게 도관(612)에 교차하는 것에서 도 2의 슬로트형 슬리이브 구조와는 상이하다. 이러한 점에서 도 8의 실시형태는 도 7의 실시형태의 극단적인 변형형태라 할 수 있을 것인 바, 도 7에서 보인 바와 같이 열교환 도관에 나란히 배치된 각 측판이 간격을 두고 있지 않는 대신에 도관측 변부가 도 8의 만곡판(620)을 형성하도록 서로 대면하여 배치된다.

본 발명은 전문가라면 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상기 언급된 직교류 열전달을 향상시키기 위한 장치와 방법에서 다른 변경과 수정이 있을 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 상기 모든 설명내용은 본 발명의 이해를 도모하기 위한 것이지 어떠한 제한을 두고자 하는 것은 아니다.

Claims (38)

1. 다수의 간격을 둔 열전달면에 접촉하여 직교방향으로 유동하는 공정유체의 유로를 형성하기 위한 배플구조물에 있어서, 상기 구조물이 열전달면에 대하여 직교방향의 유로를 형성하는 한 셋트 쌍 이상의 유체유동제한기로 구성되고, 상기 유체유동제한기가 열전달면과의 개선된 열접촉이 이루어질 수 있도록 열잔달면의 둘레에 상기 공정유체의 유로를 형성하기 위하여 상대측에 대하여 그리고 열전달면에 대하여 또는 열전달면의 양측을 따라서 부분적으로 상류측 및 하류측으로 정렬되게 배치됨을 특징으로 하는 배플구조물.
2. 제1항에 있어서, 열전달면에 결합되는 유체유동제한기가 열전달면으로부터 각 상류측 및 하류측으로 간격을 둔 배플의 다중쌍의 유체유동제한공으로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
3. 제2항에 있어서, 상기 열전달면이 평행한 축선을 갖도록 배치되는 열교환 도관의 어레이의 외면으로 구성되고 열교환 도관에 결합되는 다중쌍의 통공이 상기 도관의 축선에 평행한 컬럼으로 정렬됨을 특징으로 하는 배플구조물.
4. 제2항에 있어서, 상기 연절달면이 평행한 축선을 갖도록 배치되는 하나 이상의 원형어레이의 열교환 도관의 외면으로 구성되고, 열교환 도관으로부터 상류측및 하류측으로 간격을 둔 상기 배플이 축방향으로 배치된 통공컬럼을 갖는 동심원상의 원통형 천공판으로 구성되며, 각 어레이의 열교환 도관이 상기 두 원통형 천공판사이의 환상영역에 배치됨을 특징으로 하는 배플구조물.
5. 제4항에 있어서, 각 쌍의 유체유동제한공이 상기 동심원상의 원통형 판의 축선에 방사상으로 정렬된 통공으로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
6. 제4항에 있어서, 각 쌍의 유체유동제한공이 기다란 슬로트로 구성되고, 각 슬로트의 장축이 열교환 도관의 축선에 평행함을 특징으로 하는 배플구조물.
7. 제6항에 있어서, 기다란 슬로트의 쌍이 방사상으로 정렬됨을 특징으로 하는 배플구조물.
8. 제6항에 있어서, 하나의 열교환 도관에 대하여 두 쌍의 기다란 슬로트가 연합되고, 각 슬로트 쌍이 상기 동심원상의 원통형 판의 축선과 방사상으로 정렬된 것으로부터 벗어나 있음을 특징으로 하는 배플구조물.
9. 제8항에 있어서, 열교환 도관에 연합되는 두개의 상류측 및 두개의 하류측 기다란 슬로트가 서로 축방향으로 어긋나 있음을 특징으로 하는 배플구조물.
10. 제1항에 있어서, 상기 열전달면이 평행한 축선을 갖도록 배치되는 하나 이상의 원형어레이의 열교환 도관의 외면으로 구성되고, 그 일부가 도관의 축선에 평행하게 컬럼으로 상류측 및 하류측 통공쌍을 갖는 동심원상의 천공형 슬리이브에 의하여 부분적으로 둘러싸여 있으며, 각 동심원상의 셀이 대형의 원통형 구조물을 형성토록 원형어레이에서 인접한 동심원 셀에 판부재로 고정됨을 특징으로 하는 배플구조물.
11. 제10항에 있어서, 통공쌍이 기다란 슬로트로 구성되고, 각 슬로트의 장축이 열교환 도관의 축선에 평행함을 특징으로 하는 배플구조물.
12. 제11항에 있어서, 기다란 슬로트의 쌍이 방사상으로 정렬됨을 특징으로 하는 배플구조물.
13. 제11항에 있어서, 하나의 열교환 도관에 대하여 두 쌍의 기다란 슬로트가 연합되고, 각 슬로트 쌍이 대형 원통형 구조물판의 축선과 방사상으로 정렬된 것으로부터 벗어나 있음을 특징으로 하는 배플구조물.
14. 제13항에 있어서, 열교환 도관에 연합되는 두개의 상류측 및 두개의 하류측 기다란 슬로트가 서로 축방향으로 어긋나 있음을 특징으로 하는 배플구조물.
15. 제10항에 있어서, 상기 열전달면이 둘 이상의 동심원상 어레이의 열교환 도관의 외면으로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
16. 제15항에 있어서, 통공쌍이 방사상으로 정렬된 기다란 슬로트로 구성되고, 각 슬로트의 장축이 열교환 도관의 축선에 평행함을 특징으로 하는 배플구조물.
17. 제2항에 있어서, 상기 열전달면이 평행한 축선을 갖도록 배치되는 둘 이상의 정렬된 열의 열교환 도관으로 구성되는 사각형 어레이의 외면으로 구성되고, 상기 배플이 제1열의 열교환 도관의 상류측, 최종 열의 열교환 도관의 하류측 및 각 열의 열교환 도관사이에 배치된 천공판부재로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
18. 제17항에 있어서, 상기 유체유동제한공이 상기 판부재의 통공컬럼으로 구성되고, 상기 통공컬럼이 열교환 도관의 각 축선에 정렬됨을 특징으로 하는 배플구조물.
19. 제2항에 있어서, 상기 열전달면이 평행한 축선을 갖도록 배치되는 3개 이상의 정렬된 열의 열교환 도관으로 구성되는 사각형 어레이의 외면으로 구성되고, 상기 배플이 제1열의 열교환 도관의 상류측, 최종 열의 열교환 도관의 하류측 및 각 열의 열교환 도관사이에 배치된 천공판부재 또는 상류측 및 하류측 통공쌍을 갖는 천공형 슬리이브부재로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
20. 제2항에 있어서, 상기 열전달면이 평행한 축선을 갖도록 배치되는 3개 이상의 정렬된 열의 열교환 도관으로 구성되는 사각형 어레이의 외면으로 구성되고, 하나 건너씩 교번의 열이 인접한 상류측 및 하류측 열로부터 오프셋트되어 있으며, 열교환 도관이 평행한 축선을 갖도록 배치되고, 상기 배플이 제1열의 열교환 도관의 상류측, 최종 열의 열교환 도관의 하류측 및 각 열의 열교환 도관사이에 배치된 천공판부재 또는 상류측 및 하류측 통공쌍을 갖는 천공형 슬리이브부재로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
21. 제1항에 있어서, 열전달면에 연합되는 유체유동제한기가 열전달면에 근접하여 이 열전달면의 양측에 변부가 나란히 쌍으로 배치되는 평면상 판부재로 구성되고, 상기 판부재가 상기 유로에 대하여 직교방향으로 배치됨을 특징으로 하는 배플구조물.
22. 제1항에 있어서, 열전달면에 연합되는 유체유동제한기가 열전달면에 근접하여 이 열전달면의 두 측부에 나란히 쌍으로 배치되는 판부재로 구성되고, 상기 판부재가 열전달면의 두 측부를 따라 상류측 및 하류측 개방부를 갖는 채널을 형성토록 열전달면의 각 두 측부에 일치하는 윤곽을 가지며, 상기 판부재가 인접한 열전달면에 연합하여 다른 판부재에 결합됨을 특징으로 하는 배플구조물.
23. 제1항에 있어서, 열전달면이 열전달향상구조물로 구성됨을 특징으로 하는 배플구조물.
24. 제23항에 있어서, 상기 열전달향상구조물이 핀요소임을 특징으로 하는 배플구조물.
25. 다수의 축방향 배치형의 열교환 도관의 외면에 접촉하여 직교방향으로 유동하는 유체에 대한 열전달을 향상시키기 위한 방법에 있어서, 이 방법이 유체가 상대측에 대하여 상류측 및 하류측에 부분적으로 정렬되고 열교환 도관에 정렬되거나 열교환 도관의 양측부를 따라서 상기 열교환 도관에 연합된 한 셋트의 쌍 이상의 유체유동제한기를 통하여 열교환 도관의 축선에 직각인 방향으로 유동될 수 있도록 함으로서 외면을 가로질러 유체유동이 이루어질 수 있도록 하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 열전달향상방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 유체가 열교환 도관의 상류측 배플의 통공을 통하여 유동하여 열교환 도관에 접촉하며 열교환 도관 하류측 배플의 통공을 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
27. 제26항에 있어서, 배플의 통공이 기다란 슬로트로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
28. 제26항에 있어서, 상기 유체가 유체유동방향으로부터 각각 오프셋트된 열교환 도관의 상류측 배플의 두 통공을 통하여 유동하여 열교환 도관에 접촉하며 유체유동방향으로부터 각각 오프셋트된 열교환 도관 하류측 배플의 두 통공을 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
29. 제25항에 있어서, 상기 유체가 열교환 도관이 한 셋트 쌍 이상의 유체유동제한기와 연합된 하나 이상의 상류측 및 하류측 열의 열교환 도관으로 구성된 어레이를 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
30. 제29항에 있어서, 3개 이상의 열의 열교환 도관으로 구성되고, 상기 유체유동제한기가 제1열의 열교환 도관의 상류측, 최종 열의 열교환 도관의 하류측 및 각 열의 열교환 도관사이에 배치된 천공판부재 또는 상류측 및 하류측 통공쌍을 갖는 천공형 슬리이브부재로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
31. 제30항에 있어서, 상기 열의 열교환 도관이 어레이를 통하여 직선상의 채널을 형성토록 정렬됨을 특징으로 하는 방법.
32. 제31항에 있어서, 유체가 열교환 도관의 열에 직각인 방향으로 어레이를 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
33. 제31항에 있어서, 유체가 열교환 도관의 열의 평면에 대하여 대각선 방향으로 어레이를 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
34. 제30항에 있어서, 열교환 도관의 교번열이 상대측에 대하여 오프셋트됨을 특징으로 하는 방법.
35. 제34항에 있어서, 유체가 열교환 도관의 열에 직각인 방향으로 어레이를 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
36. 제34항에 있어서, 유체가 열교환 도관의 열의 평면에 대하여 대각선 방향으로 어레이를 통하여 유동함을 특징으로 하는 방법.
37. 제25항에 있어서, 상기 유체가 열교환 도관의 두 각 측부를 따라 채널을 통하여 유동하고, 상기 각 채널은 열교환 도관의 외면에 근접하여 열교환 도관의 양측에 변부가 나란히 배치되는 한쌍 이상의 평면상 판부재에 의하여 한정되며, 상기 판부재가 유체유동방향에 대하여 직교방향으로 배치됨을 특징으로 하는 방법.
38. 제25항에 있어서, 상기 유체가 열교환 도관의 두 각 측부를 따라 채널을 통하여 유동하고, 상기 각 채널은 열교환 도관의 외면에 근접하여 열교환 도관의 양측에 변부가 나란히 배치되는 한쌍의 평면상 판부재에 의하여 한정되며, 상기 판부재가 열교환 도관의 양측에 일치하는 윤곽을 가지고 인접한 열교환 도관에 연합된 다른 판부재에 결합됨을 특징으로 하는 방법.