KR20020077921A

KR20020077921A - 터빈 전열식열교환기

Info

Publication number: KR20020077921A
Application number: KR1020027011148A
Authority: KR
Inventors: 렌츠로렌스에드워드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2002-10-14
Also published as: JP2004516423A; WO2002052211A3; US20020079085A1; EP1348098A2; WO2002052211A2

Abstract

터빈 전열식열교환기는 하우징(66)과, 하우징(66)내에 위치된 지지 부재(62)를 포함한다. 통로(67)는 하우징(66)과 지지 부재(62) 사이로 연장된다. 다수의 열전달 셀(63)은 지지 부재(62)에 고정된다. 각 셀(63)은 그 자체상으로 접혀진 주름진 시트(52)를 포함하며, 접혀진 측면(54, 56)은 지지 부재(62)에 고정되어 있다. 시트(52)의 단부(58, 60)는 밀봉되어 챔버(64)를 형성한다. 입구 헤더(68)는 지지 부재(62)에 형성된 다수의 입구(72)를 통해 각 챔버(64)와 유체 연통된다. 출구 헤더(74)는 지지 부재(62)에 형성된 다수의 출구(76)를 통해 각 챔버(64)와 연통된다.

Description

터빈 전열식열교환기{TURBINE RECUPERATOR}

소형 가스 터빈 및 마이크로터빈은 전열식열교환기를 이용하여 그 효율을 증가시킨다. 전열식열교환기는 가열된 출구 공기를 흡수하여, 이것을 터빈내로 도입될 냉각 공기를 사전가열하는데 사용한다. 전형적으로, 전열식열교환기는 냉각 셀과 고온 셀을 포함하며, 사전가열될 냉각 공기는 상기 냉각 셀을 통해 통과되고, 가열된 배출 공기는 상기 고온 셀을 통해 통과된다.

종래 기술의 전열식열교환기 설계의 일 예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 전열식열교환기(2)는 원통형 하우징(4)을 포함하며, 지지 부재(6)가 상기 하우징(4)내에 수용된다. 다수의 냉각 셀(8) 및 고온 셀(10)은 지지 부재(6)의 원주를 중심으로 교호하는 형태로 지지 부재(6)로부터 외측으로 연장된다. 바람직하게, 냉각 셀(8) 및 고온 셀(10)은 셀의 팽창 및 수축을 수용하도록 그 반경방향 길이를 따라서 만곡되어 있다. 사전가열될 냉각 공기는 지지 부재(6)내의 헤더를 통해, 다음에 도 2와 관련하여 후술하는 바와 같이 냉각 셀(8)을 통해 통과된다. 가열된 배출 공기는 하우징(4)과 지지 부재(6) 사이에 형성된 환형 채널(12)을 통해 유동하며, 이에 의해 고온 셀(10)의 표면상으로 통과된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 셀(8)은 열전달 핀(fin)(14)을 포함하며, 상기 핀(14)은 주름진 금속의 시트로 형성되고, 쉘(16)내에 내장되고, 전형적으로 그 에지 둘레에 용접된다(도 2에서 일 단부 플레이트가 제거되고 간략성을 위해 편평한 비만곡 배향으로 도시됨). 냉각 셀(8)은 측면 에지(21)를 따라 지지 부재(6)에 고정된다. 냉각 공기(18)는 헤더(도시되지 않음)를 거쳐서 냉각 공기 공급원과 유체 연통되는 입구(20)를 통해 쉘(16)의 내부에 들어간다. 가열된 공기(22)는 출구(24)를 통해서 헤더(도시되지 않음)내로 쉘(16)을 빠져나간다. 냉각 공기(18)가 쉘(16)에 들어갈 때, 냉각 공기는 열전달 핀(14)의 표면상으로 통과하여, 출구(24)에 도달할 때까지 쉘(16)을 통해 이동하면서 점차 따뜻해진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 셀(10)은 또한 주름진 금속의 시트로 형성된 열전달 핀(14)으로 형성된다(간략성을 위해서 편평하고 비만곡 배향으로 도시됨). 고온 터빈 배출 공기(26)는 고온 셀(10)의 열전달 핀(14)의 표면상을 통과하여, 핀(14)을 따라 이동함에 따라 냉각되어, 냉각 고온 공기(28)로서 고온 셀(10)을 빠져나간다. 도 1에 도시된 바와 같이 전열식열교환기(2)에 있어서, 열은 고온 셀(10)상의 채널(12)을 통해 냉각 셀(8)로 이동되는 고온 터빈 배출 공기로부터 전달되어, 터빈에 사용할 공기를 사전가열한다.

이러한 전열식열교환기 설계는 상당한 양의 재료가 사용되어야 하고, 그 조립에 있어서 상당한 정도의 용접 및 취급 재료가 필요하게 되어 제한되고 있다. 또한, 고온 공기와 냉각 공기 사이의 열전달은 편평한 시트 사이에서 주로 이뤄지며, 이에 의해 열의 전도시에 사용되는 표면적으로 최적화하는데 실패하고 있다.

냉각 및 고온 셀을 구비한 전열식열교환기(29)의 다른 예가 도 4에 도시되어 있다. 다수의 고온 셀(30)은 튜브 또는 도관으로 형성된다. 냉각 셀(32)은 또한 평행한 형태로 고온 셀(30)을 따라 연장되는 튜브 또는 도관으로 형성된다. 간략성을 위해서 단지 몇 개의 고온 셀(30)과 냉각 셀(32)만이 도시되어 있다. 고온 셀(30)은 그 중에서 하나만이 도시된 한 세트의 헤더(34)를 통해 서로 연결된다. 가열된 배기(36)는 도시하지 않은 입구를 통해서 최단부 고온 셀(30)에 들어가고, 헤더(34)에 의해서 고온 셀의 각각을 통해서 꾸불꾸불한 형태로 통과된다. 다음에, 냉각된 배기(36)는 고온 셀(30)내의 출구(38)를 통해 대향 단부에서 빠져나간다. 유사하게, 냉각 공기(40)는 입구(도시되지 않음)를 통해 냉각 셀(32)에 들어가고, 각 냉각 셀(32) 및 관련 헤더(도시되지 않음)를 통해 꾸불꾸불한 형태로 통과되고, 가열된 공기(42)는 출구(도시되지 않음)를 통해 냉각 셀(32)을 빠져나간다. 이러한 설계가 공기 스트림이 통과되는 긴 경로 인해서 도 1 내지 도 3의 종래 기술의 전열식열교환기보다 큰 열전달을 제공할지라도, 이러한 설계는 공기가 따라가야 하는 꾸불꾸불한 경로로 인해서 최적의 압력 강하를 제공하지 못한다. 또한, 이러한 설계는 복잡한 세트의 헤더를 사용해야 하고, 이에 의해 제조를 위한 고가의 기구와, 노동집약적이고 비용이 많이 드는 조립 공정이 필요하므로 제한되고 있다.

이러한 복잡한 전열식열교환기 설계는 고가이며, 실제로 설계의 복잡성과 소망의 효율을 성취하기 위해 필요한 재료의 양으로 인해서 마이크로터빈의 전체 비용의 25% 내지 40%를 차지할 수 있다.

따라서, 종래의 공지된 장치에서의 본래의 문제점의 일부 또는 모두를 감소시키거나 완전히 극복하는 터빈 전열식열교환기를 제공할 필요가 있다. 본 발명의 특정 목적 및 장점은 본 기술분야에 숙련된 자들, 즉 본 기술분야에 익숙하거나 숙련된 자들에 의해 본 발명의 하기 설명 및 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

발명의 요약

따라서, 터빈 사이클의 효율을 최적화하고, 전열식열교환기를 횡단하는 압력 강하를 최소화하는 동시에 사용되는 재료의 양과, 전열식열교환기를 조립하는데 필요한 제조 공정의 수를 최소화하는 전열식열교환기를 제공할 필요가 있다.

제 1 실시예에 따르면, 터빈 전열식열교환기는 하우징을 포함한다. 지지 부재는 하우징내에 위치되며, 지지 부재와 하우징 사이에 통로를 형성한다. 다수의 열전달 셀은 지지 부재에 고정된다. 각 열전달 셀은 2개의 대향 단부 및 2개의 대향 측면을 구비하는 주름진 재료의 시트로 형성된다. 시트는 측면이 서로 근접하도록 그 자체상으로 접혀지고, 측면은 지지 부재에 고정된다. 단부는 열전달 셀내에 챔버를 형성하도록 밀봉된다. 또한, 셀은 입구 헤더와 출구 헤더를 구비한다. 다수의 입구가 지지 부재에 형성되며, 각 입구는 입구 헤더 및 챔버와 유체 연통되어 있다. 다수의 출구가 지지 부재에 형성되며, 각 출구는 출구 헤더 및 챔버와 유체 연통되어 있다.

상기 설명으로부터 본 기술분야에 숙련된 자들은 본 발명이 상당한 개선점을 제공하는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 터빈 전열식열교환기의 바람직한 실시예는 개선된 열전달 및 개선된 제조성을 제공하는 동시에 사용되는 재료를 감소시키고 전열식열교환기를 조립하는데 필요한 단계를 감소시킨다. 본 발명의 이들 및 다른 특징과 장점은 바람직한 실시예의 하기 상세한 설명으로부터 잘 이해될 것이다.

본 발명은 터빈 전열식열교환기(turbine recuperator)에 관한 것이며, 특히 열전도가 개선되고 제조가 용이한 터빈 전열식열교환기에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술의 전열식열교환기 설계의 단부도,

도 2는 도 1의 종래 기술의 전열식열교환기의 냉각 셀의 사시도,

도 3은 도 1의 종래 기술의 전열식열교환기의 고온 셀의 사시도,

도 4는 부분적으로 조립된 것을 도시하는 다른 종래 기술의 전열식열교환기 설계의 사시도,

도 5는 그 자체상으로 접혀져서 본 발명의 전열식열교환기의 열전달 셀을 형성하는 주름진 금속 시트의 사시도,

도 6은 본 발명의 전열식열교환기의 단부도,

도 7은 도 6의 7-7 선을 따라 취한 전열식열교환기의 단면도,

도 8은 도 6의 전열식열교환기를 부분적으로 절단한 단면 사시도.

상술한 도면은 반드시 축척으로 도시된 것이 아니며, 본 발명을 표현하기 위해서 포함된 원리를 설명하는 것으로 이해해야 한다. 도면에 도시된 터빈 전열식열교환기의 몇몇 특징부는 설명 및 이해를 용이하게 하기 위해서 다른 것에 비해서 확대 또는 변형되어 있다. 도면에서 다양한 변형 실시예에 도시된 유사하거나 동일한 구성요소 및 특징부에 대해서 동일한 참조부호가 사용된다.

본 발명의 전열식열교환기(50)의 바람직한 실시예가 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다. 측면 또는 측면 에지(54, 56) 및 단부 또는 단부 에지(58, 60)를 구비하는 주름진 재료의 시트(52)는, 측면 에지(54, 56)가 서로 근접하도록 그 자체상으로 접혀져 있다. 바람직하게, 시트(52)는 금속이 바람직하며, 예를 들면, 철 또는 니켈계 합금으로 형성될 수도 있다. 다음에, 단부 에지(58, 60)는 주름이 형성되고, 바람직하게 용접에 의해서 밀봉되며, 측면 에지(54, 56)는 바람직하게 용접에 의해 지지 부재(62)에 고정되어 열전달 셀(63)을 형성한다. 노출된 에지를 구비하는 접혀진 시트(52)의 모든 3개 측면이 시트의 다른 부분에 또는 지지 부재(62)중 어느 하나에 밀봉되기 때문에, 시트(52)내에 챔버가 형성된다. 다수의 열전달 셀(63)은 지지 부재(62)의 원주 둘레에 고정되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 열전달 셀(63)은 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이 지지 부재(62)에 대해서 그 반경방향 치수를 따라 만곡되어 열팽창 및 열수축을 수용하는 것이 바람직하다.

지지 부재(62)가 하우징(66)내에 위치되어 지지 부재(62)와 하우징(66) 사이에 통로(67)를 형성한다. 바람직한 실시예에 있어서, 지지 부재(62) 및 하우징(66)은 단면이 원형이며, 또한 서로 동축이여서, 통로(67)는 원형 형상이다. 입 구 헤더(68)는 지지 부재(62)의 일 단부에 형성되며, 출구 헤더(74)는 지지 부재(62)의 다른 단부에 제공된다. 입구 헤더(68)는 전열식열교환기(50)에 의해 사전가열될 냉각 공기(70)의 공급원과 유체 연통되어 있다. 다수의 입구(72)가 지지 부재(62)에 형성되며, 각 입구(72)는 입구 헤더(68)와 각 챔버(64) 사이에 유체 연통 경로를 형성한다. 다수의 출구(76)가 지지 부재(62)에 형성되며, 각 출구(76)는 각 챔버(64)와 출구 헤더(74) 사이에 유체 연통 경로를 형성한다.

사용시에, 사전가열될 냉각 공기(70)는 입구 헤더(68)내로 유동하고, 입구(72)를 통해 챔버(64)내로 유동한다. 고온 터빈 배출 공기(78)는 통로(67)에 들어가고, 열전달 셀(63)의 외부 표면을 횡단하여 유동하여 냉각된 배기(79)로서 통로(67)를 빠져나간다. 사전가열될 냉각 공기(70)가 챔버(64)를 통해 통과할 때, 고온 배출 공기(78)로부터 전달된 열은 챔버(64)내의 공기를 따뜻하게 하여, 출구(76)를 거쳐서 챔버(64)를 빠져나가고 그리고 출구 헤더(74)를 거쳐서 전열식열교환기(50)를 빠져나가는 따뜻한 공기(80)를 형성하게 된다. 선택적으로, 배출 공기(78)는 열전달 셀(63)을 통해 통과하고, 사전가열될 냉각 공기(70)는 열전달 셀(63)의 외부 표면상으로 통과될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 고온 배출 공기(78)는 냉각 공기(70)의 유동과 반대로 유동한다. 본 발명의 전열식열교환기는 평행한 유동 배열 또는 뿐만 아니라 바람직하게 모든 다른 유동 배열로 작동하도록 구성될 수 있다.

그 에지를 따라 밀봉된 단일편의 주름진 금속의 열전달 셀(63)을 형성함으로써, 셀을 형성하는데 이용된 재료의 양이 유리하게 감소되며, 이에 의해 비용이 상당히 절감될 뿐만 아니라 전열식열교환기를 조립하는 경우에 열전달 셀을 제조하는데 필요한 제조 단계의 수를 감소시킬 수 있다. 열전달 셀(63)의 주름진 표면은 특정 종래 기술의 전열식열교환기 설계에서 형성되는 편평한 표면보다 큰 표면적을 제공한다. 또한, 본 발명의 구성은 종래 기술의 몇몇 전열식열교환기와 비교할 때 전열식열교환기를 횡단하는 전체 압력 강하를 유리하게 감소시킨다. 소수의 부품을 구비한 이러한 간단한 구성을 제공함으로써, 본 발명의 전열식열교환기는 부품의 대량 제조 및 표준화에 매우 적합하며, 그 결과 제조 및 재고 비용을 감소시킨다.

상술한 실시예의 전열식열교환기는 열전달 셀이 중앙 지지 부재로부터 반경방향 외측으로 연장된 것이다. 본 발명의 전열식열교환기의 다른 구성이 본 발명의 영역내에서 고려될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 지지 부재 및 하우징은 장방형과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 특정 바람직한 실시예에 있어서, 마이크로터빈은 열 손실 및 압력 강하를 최소화하기 위해서 전열식열교환기에 의해 둘러싸여 있다. 다른 바람직한 실시예에 있어서, 전열식열교환기는 분리되어 있을 수 있는데, 즉 마이크로터빈으로부터 분리되고 필요한 도관 또는 배관작업에 의해서만 마이크로터빈에 연결된다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술하였지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해서 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 다양한 변경이 이뤄질 수 있으며 그 구성요소가 등가물로 대체될 수 있다. 또한, 본 발명의 필수 영역을 벗어남이 없이 본 발명의 요지인 특정 위치 또는 재료에 대해서 많은 변경이 채용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 예측되는 최상의 모드로서 기재된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 영역내에 속해 있는 모든 실시예를 포함한다.

Claims

터빈 전열식열교환기(turbine recuperator)에 있어서,

하우징(66)과,

상기 하우징(66)내에 위치되고, 상기 하우징(66)과의 사이에 통로(67)를 형성하는 지지 부재(62)와,

상기 지지 부재(62)에 고정된 다수의 열전달 셀(63)로서, 각 열전달 셀(63)은 2개의 대향 단부(58, 60) 및 2개의 대향 측면(54, 56)을 구비하는 주름진 재료의 시트(52)를 포함하며, 상기 시트(52)는 상기 측면(54, 56)이 서로 근접하도록 그 자체상으로 접혀지며, 상기 측면(54, 56)은 지지 부재(62)에 고정되어 있고, 상기 단부(58, 60)는 챔버(64)를 형성하도록 밀봉된, 상기 다수의 열전달 셀(63)과,

입구 헤더(68)와,

상기 지지 부재(62)에 형성된 다수의 입구(72)로서, 각 입구(72)는 입구 헤더(68) 및 챔버(64)와 유체 연통되어 있는, 상기 다수의 입구(72)와,

출구 헤더(74)와,

상기 지지 부재(62)에 형성된 다수의 출구(76)로서, 각 출구(76)는 출구 헤더(74) 및 챔버(64)와 유체 연통되어 있는, 상기 다수의 출구(76)를 포함하는

터빈 전열식열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 챔버(64)는 냉각 셀(63)을 형성하며, 사전가열될 공기가 상기 냉각 셀(63)을 통과하는

터빈 전열식열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 하우징(66)이 원통형 단면을 갖고 있는

터빈 전열식열교환기.
제 3 항에 있어서,

상기 지지 부재(62)가 원통형 단면을 갖고 있고, 상기 하우징(66)과 동축으로 연장되는

터빈 전열식열교환기.
제 4 항에 있어서,

상기 열전달 셀(63)이 상기 지지 부재(62)에 대해서 그 반경방향 치수를 따라 만곡된

터빈 전열식열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 통로(67)가 입구(72), 챔버(64) 및 출구(76)를 통해서 입구 헤더(68)로부터 출구 헤더(74)로 통과되는 냉각 공기(70)의 유동과 반대 방향으로 고온 배출 공기(78)의 유동을 제공하도록 구성되는

터빈 전열식열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 주름진 재료의 시트(52)가 금속인

터빈 전열식열교환기.
제 7 항에 있어서,

상기 측면(54, 56)이 상기 지지 부재(62)에 용접되는

터빈 전열식열교환기.
제 7 항에 있어서,

상기 단부(58, 60)가 함께 용접되어 시일을 형성하는

터빈 전열식열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 주름진 재료의 시트(52)가 철인

터빈 전열식열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 주름진 재료의 시트(52)가 니켈계 합금인

터빈 전열식열교환기.
터빈 전열식열교환기에 있어서,

원통형 하우징(66)과,

상기 하우징(66)내에 동축으로 위치되고, 상기 하우징(66)과의 사이에 환형 통로(67)를 형성하는 지지 부재(62)로서, 고온 배출 공기(78)가 상기 통로(67)를 통해 이동하는, 상기 지지 부재(62)와,

상기 지지 부재(62)에 고정된 다수의 열전달 셀(63)로서, 각 열전달 셀(63)은 2개의 대향 단부(58, 60) 및 2개의 대향 측면(54, 56)을 구비하는 주름진 재료의 시트(52)를 포함하며, 상기 시트(52)는 상기 측면(54, 56)이 서로 근접하도록 그 자체상으로 접혀지며, 상기 측면(54, 56)은 지지 부재(62)에 고정되어 있고, 상기 단부(58, 60)는 챔버(64)를 형성하도록 밀봉된, 상기 다수의 열전달 셀(63)과,

입구 헤더(68)와,

상기 지지 부재(62)에 형성된 다수의 입구(72)로서, 각 입구(72)는 입구 헤더(68) 및 챔버(64)와 유체 연통되어 사전가열될 냉각 공기(70)를 상기 챔버(64)내로 도입하는, 상기 다수의 입구(72)와,

출구 헤더(74)와,

상기 지지 부재(62)에 형성된 다수의 출구(76)로서, 각 출구(76)는 출구 헤더(74) 및 챔버(64)와 유체 연통되어 있는, 상기 다수의 출구(76)를 포함하는

터빈 전열식열교환기.
제 12 항에 있어서,

상기 열전달 셀(63)이 상기 지지 부재(62)에 대해서 그 반경방향 치수를 따라 만곡된

터빈 전열식열교환기.
제 11 항에 있어서,

상기 주름진 재료의 시트(52)가 금속인

터빈 전열식열교환기.
제 11 항에 있어서,

상기 주름진 재료의 시트(52)가 철인

터빈 전열식열교환기.
제 11 항에 있어서,

상기 주름진 재료의 시트(52)가 니켈계 합금인

터빈 전열식열교환기.