KR200294127Y1 - 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 셀엔드튜브(shell ＆ tube)형 열교환기의 튜브(tube) 자동세정장치에 관한 것으로, 펌프에 의해 스폰지 볼(sponge ball)과 같은 세정체를 일정시간 간격으로 열교환기 입구 유체 유입도관에 투입시켜 유체 유동에 휩쓸려 튜브 내를 순환하게 하여 열교환기 운전 중에 생기는 튜브 내의 스케일(scale), 슬라임(slime) 등 전열 방해물질을 제거함으로서 열교환기 성능을 향상시키기 위한 장치이다.

본 고안은 셀엔드튜브(shell ＆ tube)형식 열교환기에서와 같이 셀(shell)측에 피냉각 유체가 흐르고 튜브(tube)내에 냉각유체가 흐르는 열교환기에 있어서, 열교환기를 중심으로, 열교환기 입구측에 유체유입관이 연결되고, 출구측에 볼 분리기가 설치되며, 상기 볼 분리기는 볼 회수도관을 매개로 볼 순환펌프와 연결되며, 상기 볼 순환펌프의 출구측에는 볼 회수기가 설치되며, 상기 볼 회수기는 볼 투입도관과 볼 반송유체 회수도관을 매개로 상기 열교환기 입구 유체유입관과 연결되며, 상기 볼 투입관과 볼 반송유체 회수관이 교차하는 부분에는 삼방밸브(3-ways valve)가 설치되어 있어 상기 삼방밸브의 유로전환에 의해 볼을 계속 순환시키거나 상기 볼 회수기에 볼을 회수하는 것을 특징으로 한다.

Description

볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치{Heat exchange tube auto cleaning system using ball circulation pump}

본 고안은 셀엔드튜브(shell ＆ tube)형 열교환기의 튜브 내부 자동세정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼 순환펌프를 이용하여 열교환기 튜브 내부에 세정체인 스폰지 볼을 투입시켜 유체 흐름에 의해 튜브 내부를 통과하게 함으로서 튜브 내부의 부착물을 제거하여 열교환기 성능을 향상시키고 또 수명을 연장시키는 것을 목적으로 하는 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치에 관한 것이다.

종래부터 냉동장치나 화학플랜트에서는 셀 내부에 다수의 튜브를 배열한 셀엔드튜브(shell ＆ tube)형 열교환기가 많이 사용되어 왔으며, 이 형식의 열교환기에서 열매체로 사용되는 유체는 대부분 냉각탑에서 대기와 열교환하여 냉각되는데, 열교환기를 장시간 사용하게 되면 대기 중의 미생물, 먼지 등의 이물질이 유체로 유입되어 이들이 열교환기 튜브 내면에 쌓여 스케일, 슬라임 등의 부착물을 형성하여 열교환기성능이 저하되고 수명이 단축되는 등의 문제가 발생하고 있어, 이들 부착물을 정기적으로 세정해 줄 필요가 있다.

상기 부착물의 세정방법으로는 종래부터 스폰지 볼과 같은 세정체를 이용하여 이것을 튜브 내부로 유체흐름에 의해 강제적으로 통과시켜 튜브내벽의 부착물을 제거하는 열교환기 튜브 세정방법이 미국 특허 3919372호 일본 공개특허공보 소63-238397호, 미국 특허 486521호, 국내 국제특허출원의 출원공개 공개번호 1996-7006061호, 국내 실용신안 등록번호 20-0227922, 국내 실용신안 등록번호 20-0237353 등을 통해 알려져 있다.

국내 국제특허출원 출원공개 공개번호 1996-7006061호의 발명 명칭 "유체수송 튜브의 내부를 청소하기 위한 청소시스템과 이에 결착된 장치"는 도1에 도시되어 있는 바와 같이, 펌프(17)에 의해 유체가 유입되는 유체 유입관(1)에 열교환기(2)가 설치되고, 상기 열교환기(2) 출구에는 원통형체(4)가 구비된 볼 분리기(3)가 설치되며, 상기 볼 분리기(3)는 도관(10)을 통하여 체(19), 볼 저장부(17), 유체 저장부(21), 깔때기(20)로 구성되는 저장탱크(16)와 연통되게 설치되어 있으며, 상기 저장탱크(16)는 또한 도관(11)을 통하여 유체 유입관(1)과 연통되어 있다. 그리고 저장탱크(16)의 한 쪽에는 압축된 공기를 공급하는 압축기(25)가 자동밸브(23)가 구비된 공기공급관(24)에 의해 연결되어 있으며, 저장탱크(16)의 다른 한쪽에는 공급된 압축공기를 감압하는 자동밸브(22)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 국내 국제특허출원 출원공개 공개번호 1996-7006061호의 발명 명칭 "유체수송 튜브의 내부를 청소하기 위한 청소시스템과 이에 결착된 장치"의 작동개요는, 먼저 튜브의 내부를 청소하고자 할 때는, 볼 분리기(3)로 유체가 흐르도록 볼 분리기 전후의 밸브를 조작한 후, 볼 회수관관(10)에 설치된 전자밸브는 닫고 볼 투입관(11)에 설치된 전자밸브는 개방한 상태에서 공기공급관(24)에 연결되어 있는 자동밸브(23)를 도시되지 않은 제어판넬에 의해 개방하면 압축기(25)에 의해 압축된 공기가 저장탱크(16)의 유체저장부(21)로 공급되어 유체저장부(21)에 저장되어 있던 유체가 공기의 압력에 의해 깔때기(20)를 통하여 상부로 이동하여 체(19) 상부에 있는 볼(18)를 볼 투입관(11)를 통하여 열교환기(2) 입구 유체 유입관(1)으로 투입하게 된다. 볼이 모두 투입되고 나면 자동밸브(23)는 도시되지 않은 제어판넬에 의해 닫히게 된다. 상기와 같이 유체유입관(1)에 투입된 볼(18)는 유체의 유동력에 의하여 열교환기(2)를 통과하게 되며, 이 때 열교환기(2) 튜브 내부를 청소한다. 열교환기(2)를 통과한 볼(18)을 포함한 유체는 볼 분리기(3)에서 유체는 원통형체(4)의 통기부를 통하여 빠져나가고 볼(18)만 유체의 와류에 휩쓸려 회전하며 남아 있게 된다. 이 상태에서 볼 회수관(10)에 설치된 밸브를 열고 볼 투입관(11)에 설치된 밸브를 닫은 후, 감압장치인 자동밸브(22)를 열어 저장탱크(16) 내의 압축공기를 밖으로 배출하면 볼(18)는 볼 분리기(3)와 저장탱크(16)의 압력차에 의해 볼 회수관(10)을 통하여 저장탱크(16)로 회수된다. 이와 같은 과정을 반복함으로써 열교환기(2) 튜브 내부의 스케일 등 이물질이 청소되어 진다.

국내 실용신안 등록번호 20-0227922의 고안명칭 "콘덴서 내의 유체수송관 세정장치"는, 도 2에 도시한 것과 같이, 유체 유입관(1), 열교환기(2), 분리기(3), 저장탱크(16), 펌프(27) 및 밸브(15)와 이들을 연결하는 도관(10,11)으로 구성되어 있으며, 장치의 구성과 작동개요는 상기의 국내 국제특허출원 출원공개 공개번호 1996-7006061호의 발명 명칭 "유체수송 튜브의 내부를 청소하기 위한 청소시스템과 이에 결착된 장치"와 유사하나, 다만 볼(18)을 저장탱크(16)에서 유체 유입관(1)으로 투입하거나 또는 볼 분리기(3)에서 저장탱크(16)로 회수할 때, 감압 또는 가압장치로 압축기 대신 펌프를 사용한다는 점이 다르며, 또 분리기에 구비된 원통형체(4)의 비통기부 부분을 유선형으로 하였다는 점이 다르다. 그러나 상기의 종래 방식들은 열교환기(2) 튜브에 스폰지 볼(18)을 투입하여 순환시킴에 있어 그 방식이 단속적이었다. 즉 펌프(27)나 압축기(25)에 의해 볼 저장탱크(16)를 가압하거나 감압하는 방법에 의해 간접적(스폰지 볼이 직접 펌프에 들어가지 않음)으로 스폰지 볼(18)에 힘을 가해, 볼(18)을 열교환기(2) 튜브에 투입하고, 투입된 볼(18)은 저장탱크(16)에 모두 회수한 다음 다시 투입하는 방식이었다. 따라서 목표한 세정효과를 거두기 위해서는 수 십 차례 압축기(25)ㆍ펌프(27) 또는 전자밸브가 기동ㆍ정지를 반복하여야 하므로, 동력이 소모가 많고, 또한 압축기(25)ㆍ펌프(27) 또는 전자밸브의 고장 우려가 높다.

그리고 볼 분리기(3)에 있어서도, 열교환기(2)를 통과한 볼(18)을 작동원리상 볼 분리기(3)에 모두 모은 다음 저장탱크(16)로 회수할 수밖에 없어서, 도3 예시한 바와 같이, 많은 양의 볼(18)이 볼 분리기(3)의 원통형체(4)에 머물러 있게 되며, 이는 곧 유체통로 일부를 폐쇄하는 결과가 되어 유체흐름에 대한 저항증가 요소가 될 뿐 아니라, 볼(18)이 원통형체(4)와 마찰하여 마모가 발생하여 사용수명이 짧아진다는 단점이 있다. 또 많은 양의 볼(18)이 뒤엉켜 볼 회수관(10) 입구를 막아 볼(18) 회수가 완전하지 못하다는 단점이 있다. 또한 볼 분리기(3)의 체(4)가 원통형으로 되어 있어 유체가 원통형체(4)의 개구부를 통과할 때 흐름방향이 90°로 꺾이게 되어 유체와류 발생에 따른 압력손실이 증가한다는 문제점이 있다.

본 고안은 종래의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 도 4에 예시한 것과 같이, 열교환기(2), 볼 분리기(3, 볼 순환펌프(7), 삼방밸브(9) 및 볼 회수기(8)와 이들을 연결하는 배관으로 구성된다. 상기 볼 순환펌프(7)의 구동에 의해 스폰지 볼(18)이 유체 유입관(1)으로 투입되어 열교환기(2)의 튜브 내를 통과하면서 튜브 내의 스케일 등 이물질을 세정한다. 상기 열교환기(2)를 통과한 스폰지 볼(18)은 볼 분리기(3)에서 타원격자형 체(4)에 의해 유체와 분리되어 유체는 다음 공정으로 보내지고, 분리된 볼(18)은 다시 볼 순환펌프(7)에 의해 유체 유입관(1)으로 투입되는 구조로 되어 있어, 종래의 본 고안과 유사한 "유체수송관 세정장치" 등에서와 같이 볼 순환방식이 단속적이지 않고, 도시되지 않은 제어판넬에 설정되어 있는 시간동안 계속하여 볼 순환이 계속된다. 따라서 볼 순환펌프(7) 및 삼방밸브(9)가 하루에 1∼2회 정도만 가동되므로 전력소비가 적고, 고장우려가 낮아, 매우 합리적 이며 경제적인 방식이다.

또한 볼 분리기(3)에 있어서는, 도5 및 도6에 예시한 바와 같이, 체(4)의 형태를 타원격자형으로 하여 유체흐름과 경사지게 설치함으로써 유체가 타원격자형 체(4)를 통과할 때 흐름방향 변화를 작게 하여 유체 와류 발생에 따른 압력손실을 최소화하였다. 또한 본 고안 방식은 작동구조상 볼 분리기(3)에 볼이 들어오면 즉시 볼 순환펌프(7)가 흡입하여 버리므로 볼이 볼 분리기(3)에 정체하여 유체의 흐름을 방해할 우려가 전혀 없는 구조로 되어 있다.

도1은 종래의 압축기 이용방식의 열교환기 튜브 자동세정장치 구성도

도2는 종래 펌프 이용방식의 열교환기 튜브 자동세정장치 구성도

도3은 종래 볼 분리기 단면도

도4 본 고안의 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치 구성도

도5은 본 고안의 볼 분리기 단면도

도6은 본 고안의 타원격자형 체 상세도

도7은 본 고안의 볼 회수기 단면도

도8은 본 고안의 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치의 볼 투입 및 순환 작용도

도9는 본 고안의 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치의 볼 회수 작용도

〈 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 〉

1 : 유체 유입관 2 : 열교환기

3 : 볼 분리기 4 : 볼 분리기 체

5 : 유체 유출관 6 : 수동 볼밸브

7 : 볼 순환펌프 8 : 볼 회수기

9 : 삼방밸브(3-ways valve) 10 : 볼 회수관

11 : 볼 투입관 12 : 볼 반송유체회수관

13 : 체크밸브 14 : 유체 순환펌프

15 : 전자밸브 16 : 저장탱크

17 : 볼 저장부 18 : 스폰지 볼

19 : 저장탱크 체 20 : 깔때기

21 : 유체 저장부 22, 23 : 자동밸브

24 : 공기 공급관 25 : 압축기

26 : 필터 27 : 펌프

3a : 유체입구 3b : 유체 제1출구

3c : 유체 제2출구 3d : 타원격자형 체

3d' : 타원격자형 체 상세 3e : 볼 포집통

3f : 분리기 외통 4a : 격자

4b : 유체흐름 전환날개 8a : 사이트글라스

8b : 덮개 8c : 원통형 체

본 고안의 "볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치"는 도4, 도5, 도6 및 도7에 도시되어 있는 바와 같이, 유체 유입관(1), 열교환기(2), 볼 분리기(3), 볼 순환펌프(7), 삼방밸브(9) 및 볼 회수기(8)와 이들을 연결하는 배관으로 구성되어 있다.

상기 볼 분리기(3)는 열교환기(2) 출구와 연결되는 유체입구(3a)와, 볼이 분리된 유체가 다음 공정으로 송출되는 유체 제1출구(3b)와, 분리된 볼이 볼 순환펌프(7)로 흡입되는 유체 제2출구(3c)와, 유체와 볼을 분리하는 타원격자형 체(4)와, 상기 타원격자형 체(4) 하부에 설치되어 분리된 볼을 포집하여 유체 제2출구(3c)로 배출하는 역학을 하는 볼 포집통(3e)을 구비하고 있으며, 상기 타원격자형 체(4)는 유체흐름과 경사지게 설치하여 유체가 타원격자형 체(4)를 통과할 때 흐름방향 변화를 작게 하여 유체 와류 발생에 따른 압력손실을 최소화하였으며, 또 격자(4a)의 간격을 아래로 갈수록 넓게 배치하여 유체속도를 아래로 갈수록 빠르게 하고, 타원격자형 체(4)의 아래쪽 끝 가장자리에 유체흐름전환날개(4b)를 설치하여 유체흐름의 일부가 상기 볼 포집통(3e) 방향으로 형성되게 하여, 볼이 볼 포집통(3e)으로 쉽게 유도될 수 있는 구조로 되어 있다.

상기 볼 순환펌프(7)는, 종래 방식에서는 펌프 또는 압축기가 볼 저장탱크(16) 내를 가압 또는 감압함으로서 간접적으로 볼에 에너지를 가해 볼을 투입 또는 회수하는 구조이어서 볼의 투입 및 회수가 단속적이었으나, 본 고안 방식에서는 볼이 통과할 수 있는 구조의 펌프를 채택하여, 볼 순환펌프(7)에서 토출된 볼은 볼 회수기(8)를 거쳐 직접 열교환기(2) 입구 유체유입관(1)에 투입되고, 열교환기(2)를 통과한 볼(18)이 볼 분리기(3)에 들어오면 즉시 볼 순환펌프(7)가 흡입하여 버리므로 볼(18)이 볼 분리기(3)에 정체하여 유체의 흐름을 방해할 우려가 전혀 없는 구조로 되어 있다.

상기 볼 회수기(8)는 내부에 체(8c)가 설치되어 있고, 상부덮개(8b)에는 사이트글라스(8a)가 구비되어 있어 볼(18)의 유동과 마모 정도를 관찰할 수 있도록되어 있고, 또한 상부 덮개(8b)는 탈착이 용이한 구조로 되어 있어 볼이 마모되었을 때 쉽게 교체가 가능한 구조로 되어 있다.

상기와 같은 구성의 본 고안 " 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브자동세정장치"의 작동개요는 다음과 같다.

먼저, 도8에 도시된 바와 같이, 수동 볼밸브를 개방하고 삼방밸브(9)의 흐름방향을 a→c로 한 상태에서, 볼 회수기(8)에 적당량의 볼을 넣고, 볼 순환펌프(7)를 가동하면, 볼(18)은 볼 회수관(10)을 거쳐 볼 순환펌프(7)에 흡입되어 볼 회수기(8)를 거쳐 유체 유입관(1)으로 투입되어 열교환기(2)의 튜브 내를 통과하면서 튜브 내의 스케일 등 이물질을 세정한다. 열교환기(2)를 통과한 볼(18)은 볼 분리기(3)에서 타원격자형 체(4)에 의해 유체와 분리되고, 분리된 볼(18)은 분리 즉시 볼 회수관(10)을 통해 볼 순환펌프(7)에 흡입, 토출되어 다시 유체 유입관(1)으로 투입된다. 이렇게 도시되지 않은 제어판넬에 설정된 횟수만큼 열교환기(2)를 세정한 볼(18)은, 도9에 도시되어 있는 바와 같이, 도시되지 않은 제어판넬에 의해 삼방밸브(9)의 흐름방향을 b→c로 전환함으로서 볼은 볼 회수기(8)의 체(8c)에 의해 걸러지고, 유체만 볼 반송유체회수관(12)을 통해 유체 유입관(1)으로 배출되어 볼 회수가 이루어진다. 이렇게 회수된 볼(18)은 볼 회수기(8)에 저장하였다가 일정 시간이 경과하면 다시 위와 같은 과정을 반복한다.

상기와 같이, 본 고안은, 스폰지 볼을 열교환기 입구의 유체 인입관에 투입시켜 열교환기 튜브 내부를 통과하게 함으로써 열교환기 운전 중에 생기는 튜브 내의 스케일(scale), 슬라임(slime) 등 전열 방해물질을 세정하는 장치에 있어, 종래 방식은 볼 투입과 회수가 단속적으로 이루어지므로 감압/가압장치인 펌프, 압축기 및 전자밸브가 빈번히 기동 정지를 반복하여 전력소모가 많고, 세정효과가 떨어지며, 기기의 신뢰성에도 문제가 있었으나, 본 고안의 방식은 스폰지 볼을 직접 흡입 및 토출할 수 있는 구조의 볼 순환펌프를 사용하여 열교환기에로의 볼 투입 및 회수가 연속적으로 이루어질 수 있는 방식이어서, 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 방식이다.

또한 볼 분리기에 있어서도, 종래 방식은 작동원리상 볼이 볼 분리기의 체에 일시 정체하여 있을 수밖에 없고, 또 원통형 구조의 체를 채택한 방식에 있어서는 유체가 체의 개구부를 통과할 때 흐름방향이 90°로 꺾이므로 와류발생에 따른 압력손실이 많다. 그러나 본 고안방식은 볼이 볼 분이기에 들어오면 즉시 볼 순환펌프가 흡입하여 버리므로 볼이 볼분리기에 정체하는 경우가 없고, 또 체의 형상 및 설치에 있어서도 타원격자형 체를 유체흐름에 대해 경사지게 설치함으로써 유체가 타원격자형 체를 통과할 때 흐름방향 변화를 작게 하여 유체 와류 발생에 따른 압력손실을 최소화할 수 있다.

Claims (2)

1. 열교환기 튜브 내부를 스폰지 볼과 같은 세정체를 순환시켜 자동세정하는 장치에 있어서, 열교환기(2) 입구 유체 유입관(1)에 볼 투입관이 연결되고, 열교환기(2)출구에는 볼 분리기(3)가 연결되고, 상기 볼 분리기(3)는 볼회수관(10)을 통하여 볼 순환펌프(7)와 연결되며, 상기 볼 순환펌프(7)의 출구에는 볼 회수기(8)가 설치되며, 상기 볼 회수기(8) 출구에는 삼방밸브(12)가 설치되어 유체를 선택적으로 흐르게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자등세정장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 볼 분리기(3)는 열교환기(2) 출구와 연결되는 유체입구(3a)와, 볼과 분리된 유체가 다음 공정으로 송출되며 상기 유체입구(3a)와 일직선상에 설치되어 있는 유체 제1출구(3b)와, 분리된 볼이 볼 순환펌프(7)로 흡입되는 유체 제2출구(3c)와, 유체와 볼을 분리하는 타원격자형 체(4)와, 상기 타원격자형 체(4) 하부에 설치되어 분리된 볼을 포집하여 상기 유체 제2출구(3c)로 배출하는 역학을 하는 볼 포집통(3e)을 구비하고 있으며, 상기 타원격자형체(4)는 유체흐름과 경사지게 설치되고, 격자(4a)의 간격이 아래로 갈수록 넓은 구조이며, 체(4)의 아래쪽 끝 가장자리에 유체흐름전환날개(4b)를 설치한 것을 특징으로 하는 볼 순환펌프를 이용한 열교환기 튜브 자동세정장치.