KR20040086336A - 튜브 다발 - Google Patents

Abstract

원통형 용기는, 다수의 평행 튜브 (1, 5, 9) 와, 원통형 용기내에서 상기 튜브 (1, 5, 9) 를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부 (21, 22, 23, 24, 25) 를 포함하는 튜브 다발이 내장된 원통형 쉘 (30) 을 포함하고, 각각의 횡방향 지지부 (21, 22, 23, 24, 25) 는 익스팬디드 금속판을 포함한다.

Description

튜브 다발{TUBE BUNDLE}

튜브 다발의 주요 응용 분야는 쉘-튜브 열교환기이다. 쉘-튜브 열교환기는 튜브 다발이 내장된 원통형 용기를 포함하고, 이 튜브 다발은, 용기의 종방향으로 연장하는 다수의 평행 튜브와 원통형 용기내에서 튜브를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부를 포함한다.

매우 잘 알려진 바와 같이, 쉘-튜브 열교환기는, 튜브 다발의 튜브 (튜브측) 를 통과하는 유체와 튜브 외측 공간 (쉘측) 을 통과하는 유체 사이에서 열전달되는 간접 열교환기이다. 쉘-튜브 열교환기에 대한 상세한 사항은, 예를 들어 McGraw-Hill Inc. 에서 편찬한 Perry 의 화공학자용 핸드북의 제 5 판(1973) 11-3 내지 11-21 페이지에서 알 수 있다. 튜브 다발은 열교환기에서 가장 중요한 부분이다. 튜브의 단부는 튜브판에 고정된다. 열교환기는 2 개의 튜브판을포함할 수 있는데, 이 2 개의 튜브판은 원통형 용기의 각단부에 하나씩 제공되거나, 또는 열교환기가 U형 튜브 교환기인 경우 원통형 용기의 일단부에 하나의 튜브판이 제공된다.

예를 들어 유체 유동에 의해 유발되는 진동으로 인하여 튜브가 손상되는 것을 방지하기 위해 튜브의 중간부도 지지되어야 한다. 튜브의 중간부를 지지하기 위해서, 튜브 다발은 축방향으로 이격된 횡방향 지지부를 포함한다. 종래의 지지부는 배플이고 상기 Perry 의 핸드북에 개시된 여러 종류의 배플이 소개되어 있다. 배플은 튜브를 지지할 뿐만 아니라 쉘측의 유동 영역을 제한하여 쉘측을 관류하는 유체를 제어한다. 따라서, 배플의 구성은 열전달을 고려하여 결정되어야 한다.

미국특허 제 2 018 037 호에서는, 쉘측의 유동 영역의 제한을 감소시키도록 구성된 튜브 지지부를 개시하였다. 이 특허에서는, 다수의 평행 튜브와, 원통형 용기내에서 튜브의 중간부를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부를 포함하는 튜브 다발에 대해서 개시하였고, 여기서 횡방향 지지부는 튜브 열 사이에 배열된 봉 (rods) 또는 바아로 구성된다. 횡방향 지지부는, 원통형 용기의 내경보다 다소 작은 외경으로 되어 있는 지지 링과 이 지지 링에 그 단부가 고정되는 평행봉 또는 바아로 구성된다. 튜브 다발의 튜브가 삼각형 피치로 배열되면 (튜브의 중심이 정삼각형의 꼭지점에 배열됨), 그 사이가 60° 각으로 배열된 축방향으로 이격된 3 개의 횡방향 지지부는 튜브를 모든 방향으로 충분히 지지할 것이다. 튜브가 정사각형 피치로 배열되면 (튜브의 중심이 사각형의 꼭지점에 배열됨), 그 사이가 90°각으로 배열된 축방향으로 이격된 2 개의 횡방향 지지부는 튜브를 모든 방향으로 충분히 지지할 것이다.

공지된 횡방향 지지부는 지지 링과 그에 고정된 평행봉 또는 바아로 구성되기 때문에, 공지된 횡방향 지지부가 형성된 튜브 다발을 용이하게 제조하기가 쉽지 않다.

본 발명은, 다수의 평행 튜브와, 원통형 용기내에서 상기 튜브를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부를 포함하는 튜브 다발 (tube bundle) 에 관한 것이다. 다른 태양에 있어서, 본 발명은 튜브 다발이 내장된 원통형 용기에 관한 것이고, 또 다른 태양에 있어서, 본 발명은 원통형 쉘과 이 원통형 쉘내에 배열된 튜브 다발을 포함하는 열교환기에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 튜브 다발의 일부를 개략적으로 도시한 종단면도,

도 2 는 도 1 의 Ⅱ-Ⅱ 라인을 따라서 확대 도시된 개략도,

도 3 은 횡방향 지지부의 다른 크기의 틈을 나타내는 개략도,

도 4 는 부분형 횡방향 지지부의 일예를 나타내는 개략도,

도 5 는 부채꼴 부분으로 된 횡방향 지지부의 실시예를 나타내는 개략도, 및

도 6 은 도 5 의 횡방향 지지부 중 하나의 평면도.

본 발명의 목적은 공지된 튜브 다발의 제조가 보다 간단한 튜브 다발을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 튜브 다발은, 다수의 평행 튜브와, 원통형 용기내에서 상기 튜브를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부를 포함하고, 각각의 횡방향 지지부는 익스팬디드 금속판으로 제조된다.

익스팬디드 금속판은, 슬릿 및 스트래칭 가공되어 틈을 가진 교차 라스의 구조로 된 판금으로 제조된다. 그 제조는 간단하고 값싸다. 또한, 판금은 예를 들어 레이저 절단에 의해 원형으로 용이하게 절단될 수 있다.

틈의 크기는, 튜브의 직경과 대략 동일하도록 선택되어서, 단일의 횡방향 지지부에 의해 튜브가 횡방향으로 지지된다. 다른 방법으로서, 틈의 크기는 튜브의 직경보다 더 커서, 횡방향 지지부가 튜브를 1 또는 2 개의 횡방향으로 지지할 수 있다. 이 경우에 있어서, 서로에 대하여 변위되는 2 이상의 횡방향 지지부는 튜브를 모든 횡방향으로 지지할 필요가 있다.

명세서 및 청구항에서, '틈의 크기가 튜브의 직경과 대략 동일하다' 라는 말은, 하한계 및 상한계에 의해 한정되는 횡방향 지지부의 틈의 크기를 말하는데 사용된다. 하한계는 튜브가 유극없이 틈을 관통할 수 있는 것을 말하고, 상한계는 튜브보다 10% 더 큰 외경을 가진 게이지 튜브가 유극없이 틈을 관통할 수 있음을 말한다. '틈의 크기가 튜브의 직경보다 더 크다' 라는 말은, 하한계에 의해 한정되는 횡방향 지지부의 틈의 크기를 말하는데 사용되고, 하한계는 튜브 다발의 튜브의 외경보다 50% 더 큰 외경을 가진 게이지 튜브가 유극없이 틈을 관통할 수 있음을 말한다. 실제로 상한계는, 통상적인 중심간 거리로 배열된 튜브 다발 중 2 내지 4 개의 평행 튜브가 유극없이 틈을 관통할 수 있음을 말한다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 방식으로 보다 자세히 설명될 것이다.

본 발명에 따른 튜브 다발은, 다수의 평행 튜브 (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,9) 와, 원통형 쉘 (30) 로 된 원통형 용기에서 상기 튜브의 중간부를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부 (21, 22, 23, 24, 25) 를 포함한다. 도 1 에서는 튜브판과 함께 튜브의 단부를 도시하지 않았다.

각각의 횡방향 지지부는 익스팬디드 금속판 (40) 으로 제조된다. 익스팬디드 금속판 (40) 은 틈 (42) 을 가진 교차 라스 (41) 로 된 구조물이다. 도 2 에서는 명확성을 위해서 일부 라스와 틈에 대해서만 도면부호를 나타내었다. 틈 (42) 의 크기는 튜브 (1 ~ 9)의 외경과 대략 동일하거나 그 보다 더 커야 한다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 횡방향 지지부 (21) 를 형성하는 익스팬디드 금속판 (40) 의 틈 (42) 의 크기는 튜브 (1 ~ 9) 의 외경보다 더 크다. 따라서, 횡방향 지지부 (21) 는 튜브 (1 ~ 9) 를 하방으로만 지지한다. 튜브를 상방으로도 지지하기 위해서, 다음 횡방향 지지부 (22) 가 횡방향 지지부 (21) 에 대하여 엇갈리게 배열되어 있다. 그 다음의 횡방향 지지부 (22) 의 익스팬디드 금속판의 틈 (52) 의 가장자리는 도 2 에서 점선으로 도시되었다.

선택적으로, 횡방향 지지부의 익스팬디드 금속판은 원통형 쉘 (30) 의 내경보다 약간 작은 외경을 가진 지지 링 (27) (도 1 참조) 에 고정될 수 있다. 지지 링 (27) 은 스페이서 부재 (비도시) 가 장착된 연결봉 (비도시) 에 의해 연결될 수 있고, 이로써 설치 및 정상 작동시 횡방향 지지부의 축방향 간격의 유지가 보장된다.

도 2 에 도시된 본 발명의 실시형태에 있어서, 튜브들은 수평에 대하여 45°로 사각형 피치로 배열되어 있다. 다른 실시형태에 있어서, 사각형 피치는수평이며, 이는 도 2 가 45°만큼 회전된 것을 의미한다. 이 실시형태에 있어서, 평행 튜브를 횡방향 (좌우측 및 상하) 으로 지지하기 위해서 4 개의 횡방향 지지부가 필요할 것이다.

도 1 과 도 2 에 도시된 본 발명의 실시형태에 있어서, 인접한 두 횡방향 지지부는 모든 튜브를 지지한다. 다른 방법으로, 각각의 횡방향 지지부는 튜브를 모든 횡방향으로 지지하고, 이 경우에 있어서, 익스팬디드 금속판의 틈의 크기는 튜브의 외경과 대략 동일하다.

도 3 에서는, 익스팬디드 금속판 (60, 61) 으로 제조되고 서로에 대하여 변위되어 있으며 차례로 배열된 인접한 2 개의 횡방향 지지부의 일부만을 도시하였다. 익스팬디드 금속판 (60, 61) 은 틈 (63) 을 가진 교차 라스 (62) 를 포함한다. 도 3 에서는 명확성을 위해서 일부 라스와 틈에 대해서만 도면부호로를 나타내었다. 틈 (63) 의 크기는 튜브 (65) 의 외경보다 더 크다. 도 3 에 도시된 구성에 있어서, 통상적인 중심간 거리 (70) 로 배열된 튜브 다발 중 4 개의 평행 튜브 (65) 는 어떠한 유극도 없이 틈 (63) 을 관통할 수 있다. 횡방향 지지부는, 모든 방향으로 지지하기 위해서, 서로에 대하여 변위되어 있다.

도 1 과 도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시형태에 있어서, 횡방향 지지부는 원통형 용기의 전체 내경에 걸쳐서 연장한다. 다른 방법으로, 횡방향 지지부는 부분형 횡방향 지지부일 수 있다. 부분형 지지부는 열교환기의 쉘측을 관류하는 유체의 교차 유동을 허용한다.

도 4 에서는, 익스팬디드 금속으로 된 다수의 부분형 지지부 (80a, 80b,80c, 80d) 를 개략적으로 도시하였고, 각각의 부분형 지지부는 서로 다른 위치에서 개구부 (82a, 82b, 82c, 82d) 를 구비하고 있다. 튜브 다발의 튜브는 명확성을 위해 도시하지 않았다. 이러한 부분형 지지부를 사용함으로써, 작동중의 유동은 엇갈림 패턴으로 쉘을 통하여 안내되기 때문에, 어느 정도의 교차 유동이 발생할 것이다. 교차 유동의 열교환은 종방향 유동의 열교환보다 양호하다.

도 5 와 도 6 에서는 본 발명에 따른 횡방향 지지부의 다른 실시형태를 도시하였다. 횡방향 지지부 (90a, 90b) 각각은 지지 링 (98a, 98b) 의 내부에서 익스팬디드 금속 (91a, 91b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b) 으로 된 4 개의 부채꼴 부분으로 형성된다. 부채꼴 부분 각각은 튜브 다발의 축방향에 수직한 평면, 즉 지지 링 (94a, 94b) 에 의해 규정되는 평면에 대하여 기울어진다. 이 예에서, 부채꼴 부분은 쉘 (96) 의 직경을 중심으로 하여 기울어지도록 배열된다. 수평면에 대하여 기울어진 각은 20 ~ 70 도인 것이 적절하다. 대략 30 도의 각에서 양호한 결과를 얻을 수 있다. 중앙의 축방향 지지보 (99) 가 기계적 안정을 위해 배열될 수 있다. 익스팬디드 금속 원의 틈을 통과하는 튜브 다발의 튜브는 명확하게 도시되지 않았다.

도 6 은 횡방향 지지부 (90a) 의 평면도이다. 이 투사도에서 보는 바와 같이, 부채꼴 부분은 원형 쉘의 전체 내경에 걸쳐서 연장한다. 명세서 및 청구항에서 "틈의 크기" 라고 하는 것은, 틈을 수직면상에 투사시켰을 때의 크기를 의미하고, 이는 도 6 의 평면도에 도시된 크기이다.

부채꼴 부분이 이러한 방식으로 기울어질 때, 유동 일부는 부채꼴 부분 사이의 틈을 통하여 횡방향 지지부를 통과할 것임을 발견하였다. 또한, 이러한 배열은 유동에 소용돌이를 형성하여 열전달을 개선시켜주는 교차 유동을 유발한다. 이러한 배열은, 유속을 더 빠르게 하여, 정체 영역이 생기지 않기 때문에, 오염 경향이 매우 낮아지게 된다.

또한, 부채꼴 부분 사이의 틈을 따라서 1 이상의 종방향 배플 (baffles) 을 설치할 수 있다. 종방향 배플을 설치하면, 유체가 여러번 쉘측을 관류하는 쉘-튜브 열교환기가 얻어질 수 있다. 이렇게 되면, 열교환기의 용기는 더 짧아질 수 있다. 특히 유리한 경우는, 도 5 와 도 6 에 도시된 실시형태에서 부채꼴 부분간의 경계부를 따라서, 적절하게는 쉘 (95) 의 전체 직경에 걸쳐서, 2 개의 종방향 배플을 십자형으로 설치하는 것이다. 중앙 지지보 (support beam) 가 필요하지 않을 수 있다. 종방향 배플은 쉘을 4 개의 부분형으로 분할하고, 이 4 개의 부분형은 유체가 흐를 수 있도록 배열되어 있어, 유체는 4 개의 쉘 부분형을 연속적으로 통과한다. 이러한 방식으로, 예를 들어 24 m 길이와 1.5 m 직경으로 된 열교환기의 용기에 대한 대안으로서, 6 m 길이와 3 m 직경의 용기를 구성할 수 있다. 이는, 예를 들어 이른바 'Texas tower' 열교환기라고 할 수 있다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 튜브 다발이 형성된 원통형 쉘을 포함하는 원통형 용기에 관한 것이다. 본 발명의 튜브 다발이 형성된 원통형 용기는 쉘-튜브 열교환기 또는 반응기일 수 있다. 원통형 용기는 수평 위치 또는 수직 위치에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 튜브 다발은 간단한 재료, 즉 익스팬디드 금속판으로 제조된 횡방향 지지부를 포함한다. 따라서, 튜브 다발은 공지된 횡방향 지지부를 갖춘 튜브 다발보다 제조가 더 용이하다. 또한, 본 발명의 횡방향 지지부는 유체 유동에 작은 저항을 준다.

본 발명은, 쉘내에 튜브 다발을 포함하는, 예를 들어 산화에틸렌의 제조시 사용되는 화학 반응기에 특히 응용할 수 있다. 이러한 반응기에서는 개방이 많이 된 튜브 지지 구조물이 종종 필요하다. 이러한 용도의 횡방향 지지부는 미국특허 제 5 366 188 호에 공지되어 있다. 여기서 공지된 지지부는 특정한 방식으로 천공된 솔리드 디스크로 제조된다. 이러한 천공된 디스크의 제조는 다소 값비싸다. 이의 간단한 대안이 본 발명에 따른 횡방향 지지부이다. 개방이 많이 된 지지 구조물을 형성하기 위해서, 횡방향 지지부는 익스팬디드 금속으로 된 다수의 부분을 포함하는 것이 적절할 수 있고, 각 부분은 반응기 용기의 단면보다 작으며 단면의 평면에 대하여 기울어져 있고, 모든 부분은 반응기 용기의 단면을 덮도록 서로 연결된다. 유체는 익스팬디드 금속의 각 부분을 통하여 또한 인접한 경사진 부분 사이의 개구부를 통하여 유동할 수 있다.

Claims (12)

1. 다수의 평행 튜브와, 원통형 용기내에서 상기 튜브를 지지하기 위해서 축방향으로 이격된 횡방향 지지부를 포함하는 튜브 다발에 있어서,

   각각의 횡방향 지지부는 익스팬디드 금속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 횡방향 지지부는 단일의 익스팬디드 금속판으로 제조된 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 횡방향 지지부는 원통형 쉘의 전체 내경에 걸쳐서 연장하는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 횡방향 지지부는 부분형 횡방향 지지부인 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 횡방향 지지부는 익스팬디드 금속으로 된 부채꼴 부분으로 실질적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
6. 제 5 항에 있어서, 부채꼴 부분은 튜브 다발에 수직한 평면에 대하여 기울어지는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬디드 금속판의 틈은 튜브의 직경과 대략 동일한 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬디드 금속판의 틈의 크기는 튜브의 직경보다 크고, 인접한 횡방향 지지부는 모든 방향으로 지지하기 위해서 서로에 대하여 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 쉘을 포함하는 원통형 용기에 내장되는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 열교환기의 일부를 형성하는 원통형 쉘에 배열되는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 튜브 다발은 화학 반응기, 특히 산화에틸렌 반응기의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.
12. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 부채꼴 부분 사이에서 종방향 배플이 십자형으로 더 배열되는 것을 특징으로 하는 튜브 다발.