KR20040021991A - 오염 방지 기능을 갖는 열 교환기 - Google Patents
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Abstract
유체에 함유된 불순물이 열 교환기 내부에 축적되지 못하도록 하여 열 교환기의 작동 중지 없이 내부 오염을 방지하는 열 교환기를 제공한다.
본 발명에 의한 열 교환기는 부도체 유기물인 제 1유체의 흐름 경로를 제공하며, 제 1유체의 투입과 배출을 위한 각자의 입, 출구를 구비하는 외관과; 외관 내부에 설치되며, 제 1유체와 온도 특성이 상이한 제 2유체의 흐름 경로를 제공하여 제 1, 2유체 사이의 열 교환을 가능하게 하는 내관과; 외관에 설치되어 제 1유체에 불균일 전기장을 인가하며, 제 1유체 내부의 고체 입자와 제 1유체의 유전상수 차이를 이용하여 고체 입자의 축적을 방지하는 오염 방지 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 오염 방지 기능을 갖는 열 교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체에 함유된 불순물이 열 교환기 내부에 축적되지 못하도록 하여 내부 오염을 방지하는 열 교환기에 관한 것이다.
열 교환기에 투입되는 유체가 유기물로서 부도체인 경우, 유체에 유기 분자들을 결합시킬 수 있는 불순물이 함유되면, 유체가 열 교환되는 도중 온도가 상승하면서 화학 반응이 급격하게 진행되어 열 교환기를 오염시키며, 열 교환기의 오염은 열교환 효율 저하와 에너지의 소비 증가로 이어진다.
도 2는 열 교환기의 일례로 코크스가스 정제 공정에서 사용되는 열 교환기의 개략도로서, 도시한 구성의 열 교환기는 코크스가스 중의 조경유를 회수하는 공정에서 조경유를 흡수하는 매체인 흡수유 사이의 열 교환용으로 사용된다.
즉, 조경유를 흡수한 저온의 제 1흡수유(A)가 열 교환기의 외관(1)으로 투입되고, 증류탑(미도시)에서 나온 고온의 제 2흡수유(B)가 열 교환기의 내관(3)으로 투입되면, 제 1, 2흡수유(A, B) 사이의 열 교환에 의해, 온도가 상승된 제 1흡수유(A)가 다시 증류탑(미도시)으로 제공되고, 온도가 낮아진 제 2흡수유(B)가 조경유 흡수용으로 재사용된다.
이러한 열 교환 과정에서, 외관(1)으로 투입된 제 1흡수유(A)에는 조경유 흡수시 함께 흡수된 불순물이 존재하는데, 이 불순물은 제 1흡수유(A)와의 작용으로 제 1흡수유(A)를 고분자화시키는 역할을 하므로, 열 교환기의 내관(3) 외벽에서 제 1흡수유(A)가 고분자화되어 열 교환기 내부를 오염시킨다.
따라서 열 교환기 내부에 축적된 고분자를 제거하기 위해서는 열 교환기의 흡수유 투입구를 닫아 흡수유의 진입을 차단한 다음, 펌프(5)의 작동으로 세정 탱크(7)에 모아진 세정용 조경유를 열 교환기 내부로 투입하여 오염 물질을 제거하게 된다.
그러나 전술한 세정 방법은 열 교환기의 운전을 중지한 다음 작업이 이루어지므로, 열 교환기의 운전을 중지하고 재가동하는 과정에서 작업 부하가 발생하며,세정용 조경유(C)를 이용한 세정 과정에서 슬러지가 발생하므로, 이 슬러지를 제거해야 하는 문제를 안고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 유체에 함유된 불순물이 열 교환기의 내관 외벽에 부착되지 않도록 하여 열 교환기의 작동을 중지시키지 않고도 내부 오염을 방지할 수 있는 열 교환기를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 오염 방지 기능을 갖는 열 교환기의 개략도.
도 2는 종래 기술에 의한 열 교환기의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
2 : 열 교환기 4 : 외관
6 : 내관 16 : 오염 방지 장치
18 : 양전극 20 : 음전극
22 : 전기장 발생기 24 : 차단판
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
부도체 유기물인 제 1유체의 흐름 경로를 제공하며 제 1유체의 투입과 배출을 위한 각자의 입, 출구를 구비하는 외관과, 외관 내부에 설치되며 제 1유체와 온도 특성이 상이한 제 2유체의 흐름 경로를 제공하여 제 1, 2유체 사이의 열 교환을 가능하게 하는 내관과, 외관에 설치되어 제 1유체에 불균일 전기장을 인가하며 제 1유체 내부의 고체 입자와 제 1유체의 유전상수 차이를 이용하여 고체 입자의 축적을 방지하는 오염 방지 장치를 포함하는 열 교환기를 제공한다.
바람직하게, 상기 오염 방지 장치는 외관 입구에 설치되어 작은 표면적으로 제 1유체와 접촉하는 양전극과, 외관 외벽에 설치되어 외관 전체를 음극화하는 음전극과, 양전극 및 음전극에 해당 전압을 인가하여 제 1유체에 불균일 전기장을 형성하는 전기장 발생기를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 교환기의 개략도로서, 여기에 설명하는 열 교환기(2)는 일례로 코크스가스 정제 공정에서 코크스가스 중의 조경유를 흡수하는 매체인 흡수유 사이의 열 교환을 위한 것으로, 대형 외관(4)에 여러개의 작은 내관(6)을 설치한 투관식으로 이루어진다.
본 실시예에 의한 열 교환기(2)는 크게 열 교환기(2)의 외형을 이루며 제 1유체(A)의 흐름 경로를 제공하는 외관(4)과, 외관(4)의 길이 방향을 따라 외관(4) 내부에 설치되며 제 2유체(B)의 흐름 경로를 제공하는 내관(6)으로 구성되고, 외관(4)에는 외관측 입, 출구(8, 10)가 구비되어 제 1유체(A)의 입, 출구로 작용하며, 내관(6)은 내관측 입, 출구(12, 14)와 연결되어 내관측 입구(12)로부터 제 2유체(B)를 제공받아 이를 내관측 출구(14)로 배출한다.
그리고 열 교환기(2)는 오염 방지 장치(16)로서, 외관측 입구(8)에 설치되어 작은 표면적으로 제 1유체(A)와 접촉하는 양전극(18)과, 외관(4) 외벽에 설치되어 외관(4) 전체를 음극화하는 음전극(20)과, 양전극(18) 및 음전극(20)과 전기적으로 연결되어 각자의 전극에 해당 전압을 인가하는 전기장 발생기(22)를 구비한다.
상기 외관(4) 내부에는 외관(4)의 길이 방향을 따라 차단벽(24)이 설치되어 외관측 입구(18)에 투입된 제 1유체(A)가 외관(4)의 우측 단부를 돌아 외관측 출구(10)로 배출되도록 하며, 제 1유체(A)와 내관(6)의 접촉 면적을 증대시키기 위해, 외관(4) 내벽과 차단판(24)에 다수의 안내판(26)을 설치하여 제 1유체(A)가 외관(4) 내부를 지그재그 방향으로 흐르도록 한다.
이로서 코크스가스 중 조경유를 흡수한 저온의 제 1유체(A)가 외관(4)으로 투입되고, 증류탑(미도시)에서 나온 고온의 제 2유체(B)가 내관(6)으로 투입되면, 제 1유체(A)와 제 2유체(B) 사이에 열 교환이 이루어져 온도가 상승된 제 1유체(A)가 증류탑(미도시)으로 제공되고, 온도가 낮아진 제 2유체(B)가 조경유 흡수용으로 재사용된다.
여기서, 외관(4)에 투입되는 제 1유체(A), 즉 저온의 흡수유는 각종 유기물의 혼합체로서, 조경유 흡수시 함께 흡수한 다량의 불순물을 함유한다. 이러한 흡수유는 기본적으로 부도체의 성질을 가지며, 미량의 수분과 전해질을 포함하고 있으므로, 고전압 조건에서도 극히 낮은 전류가 흐르게 된다.
또한 불순물에 의해 생성된 제 1유체(A) 내부의 고분자화 고체도 부도체이며, 전기장 조건에서 분극이 되는데, 제 1유체(A) 내부에서 고분자화 반응에 참여하는 분자들은 주로 극성을 띠는 분자들이므로, 제 1유체(A) 내부의 고체 입자는 유체 성분과 다른 유전상수를 가지게 된다.
이로서 전기장 발생기(22)에 전원을 연결하여 양전극(18)과 음전극(20)에 해당 전압을 인가하면, 양전극(18)이 작은 표면적으로 제 1유체(A)와 접촉하고, 음전극(20)이 설치된 외관(4) 전체가 음극이 되어 외관(4)의 내벽 전체에 전하가 분포하게 되므로, 양전극(18)의 밀도 높은 전기장으로부터 전기장 밀도가 낮은 외관(4) 내벽을 향해 전기장 변화가 발생한다.
따라서 불순물이 함유된 제 1유체(A)에 불균일 전기장이 형성되며, 그 결과 제 1유체(A)의 유체 성분과 고분자 입자간의 유전상수 차이로 인해 고체 입자 표면이 전하를 띠게 되고, 이 전하로 인해 불균일 전기장 내에서 고체 입자가 전기장이 강한쪽으로 힘을 받게 되어 이동한다.
즉, 제 1유체(A) 내부의 고체 입자는 전기장이 강한 유체 성분 방향으로 힘을 받아 이동하며, 제 1유체(A)의 운동량에 의해 제 1유체(A)를 따라 열 교환기(2) 외부로 방출된다. 이로서 내관(6)의 외벽 또는 외관(4) 내벽에 고체 입자가 부착되는 것을 방지하여 열 교환기(2)의 내부 오염을 방지한다.
한편, 양전극(18)과 음전극(20)에 고전압을 인가하여 제 1유체(A)에 고전류가 흐르게 되면, 설비의 화재나 폭발 등 사고가 발생할 수 있으므로, 제 1유체(A)에 극미량의 전류가 흐르도록 인가 전압을 조절한다.
바람직하게, 전기장 발생기(22)는 열 교환기(2) 작동 도중 양전극(18)과 음전극(20)에 전압을 비지속적으로 인가하여 제 1유체(A)에 간헐적인 전기장을 형성하며, 제 1유체(A)에 가해지는 전기장의 세기나 전기장의 인가 주기 등은 제 1유체(A)의 성질에 따라 적절하게 변화시킬 수 있다.
일례로 코크스가스 정제 공정에 사용되는 열 교환기(2)를 기준으로, 열 교환(2)기의 면적을 100m2으로 가정하면, 제 1유체(A)에 가해지는 전기장의 세기는 10∼50V가 바람직하다. 이는 전기장의 세기가 50V를 초과하면, 제 1유체(A)에 전류가 필요 이상으로 공급되어 오히려 감전의 위험이 발생하기 때문이다.
이와 같이 본 발명에서 열 교환기(2)의 오염을 방지하는 원리는, 전기장을 이용해 열 교환기(2)의 내벽에서 슬러지를 분리시키고, 떨어진 슬러지를 제1유체(A)의 흐름과 함께 열 교환기(2) 외부로 배출하는 것이다. 이 때, 전기장이 슬러지에 미치는 힘은 그 크기가 매우 약한 것이어도 열 교환기(2) 내벽에서 슬러지를 분리시키는데 충분한 힘으로 작용한다.
한편, 제 1유체(A)에 가해지는 전기장의 세기가 약하기 때문에 전기장을 지속적으로 인가하는 것이 바람직하며, 주기적으로 간헐적인 전기장을 인가하는 것이 보다 효과적이다. 예를 들어 코크스가스 정제 공정에 사용되는 특정의 열 교환기에서는 제 1유체(A)에 1분 동안 전기장을 인가하고, 30초 중단하는 과정을 1시간 적용했을 때, 슬러지 분리 효과가 나타났다.
또한 코크스가스 정제 공정에 사용되는 열 교환기(2)에서, 전기장은 하루 2시간 이내로 적용하는 것이 바람직하다. 이는 흡수유가 너무 오랜 시간 전기장에 노출되어 있으면, 슬러지 분리 효과 보다도 흡수유의 슬러지화 반응을 촉진시켜 흡수유의 손실을 증대시키기 때문이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 발명은 불순물이 함유된 부도체 유체에 불균일 전기장을 인가하면 유체와 다른 유전상수를 갖는 고체 입자가 전기장이 강한 방향으로 힘을 받게 되어 이동하는 유전전기영동법을 이용하여 유체에 함유된 불순물이 열 교환기 내부에 부착되지 않도록 한다. 따라서 본 발명은 열 교환기의 작동을 중지시키지 않고도 열 교환기의 내부 오염을 방지한다.
Claims (5)
- 부도체 유기물인 제 1유체의 흐름 경로를 제공하며, 제 1유체의 투입과 배출을 위한 각자의 입, 출구를 구비하는 외관과;상기 외관 내부에 설치되며, 제 1유체와 온도 특성이 상이한 제 2유체의 흐름 경로를 제공하여 제 1, 2유체 사이의 열 교환을 가능하게 하는 내관; 및상기 외관에 설치되어 제 1유체에 불균일 전기장을 인가하며, 제 1유체 내부의 고체 입자와 제 1유체의 유전상수 차이를 이용하여 고체 입자의 축적을 방지하는 오염 방지 장치를 포함하는 열 교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 오염 방지 장치가,상기 외관 입구에 설치되어 작은 표면적으로 제 1유체와 접촉하는 양전극과;상기 외관 외벽에 설치되어 외관 전체를 음극화하는 음전극; 및상기 양전극과 음전극에 해당 전압을 인가하여 제 1유체에 불균일 전기장을 형성하는 전기장 발생기를 포함하는 열 교환기.
- 제 2항에 있어서,상기 전기장 발생기가 양전극과 음전극에 비지속적인 전압을 인가하여 제 1유체에 간헐적인 전기장을 형성하는 열 교환기.
- 부도체 유기물인 저온의 제 1유체를 외관으로 투입하여 외관 내부를 순환시키는 단계와;고온의 제 2유체를 내관으로 투입하여 제 1, 2유체 사이의 열 교환을 진행하는 단계와;상기 외관에 투입되는 제 1유체에 양전극을 접촉시키고, 음전극을 이용해 외관 전체를 음극화하여 제 1유체에 불균일 전기장을 형성하는 단계; 및상기 불균일 전기장에 의해 제 1유체에 함유된 고체 입자를 대전시키고, 대전된 고체 입자를 제 1유체 방향으로 유도하여 외관 내부에 고체 입자의 축적을 방지하는 단계를 포함하는 열 교환기의 오염 방지 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제 1유체에 불균일 전기장을 형성하는 단계가 양전극과 음전극에 전압을 비지속적으로 인가하여 불균일 전기장을 간헐적으로 형성하는 열 교환기의 오염 방지 방법.
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