KR200403762Y1 - 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 LNG(액화천연가스)의 증발현상으로 발생한 휘발가스를 질소냉각방식에 의하여 재액화시키기 이전에 휘발가스를 1차 냉각시키기 위한 중간냉각기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환챔버의 내부에 휘발가스의 유동통로가 되는 열교환기를 다수 개로 장입시키되, 상기 열교환기의 몸통 내부공간을 휘발가스의 이동방향을 따라 다수 개의 전열공간으로 구획시키고 그 외측에는 전열판을 방사상으로 설치함으로서, 휘발가스의 냉각성능은 크게 향상시킬 수 있도록 하면서도 휘발가스의 냉각구조 자체는 매우 단순하고 콤펙트하게 이루어낼 수 있도록 하며, 이로 인하여 우수한 냉각성능을 가지는 중간냉각기를 저렴한 가격으로 제조할 수 있도록 한 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기에 관한 것이다.
본 고안에 의한 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기는, LNG(액화천연가스)의 증발현상으로 발생한 휘발가스(BOG : Boil-off gas)의 유입관(12)과 배출관(13)이 열교환챔버(11)의 상,하부측에 각각 연결 설치되고, 상기 열교환챔버(11)의 일측에는 휘발가스의 냉각을 위한 LNG(액화천연가스) 또는 N2(질소)가스의 유입라인(18)과, 휘발가스의 냉각을 수행한 NG(천연가스) 또는 N2(질소)가스의 배출라인(19)이 상,하로 연결 설치되며, 상기 열교환챔버(11)의 내부에는 휘발가스의 냉각을 위한 열교환구조가 설치된 것에 있어서, 상기 열교환구조는 휘발가스의 유입관(12) 및 배출관(13)과 연통되도록 열교환챔버(11)의 내부 공간을 따라 수직 방향으로 배열되는 다수 개의 열교환기(20)로 이루어지며, 상기 각각의 열교환기(20)는 파이프 형상의 몸통(21) 내부를 따라 방사상의 인서트(22)가 삽입되어 몸통(21)의 내부 공간이 부채꼴 형상을 가지는 다수 개의 전열공간(24)으로 구획 형성되고, 상기 몸통(21)의 외측면에는 전열판(23)이 방사상으로 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

엘엔지 휘발가스의 중간냉각기{Pre-cooler of boil-off gas from LNG}
본 고안은 LNG(액화천연가스)의 증발현상으로 발생한 휘발가스를 질소냉각방식에 의하여 재액화시키기 이전에 휘발가스를 1차 냉각시키기 위한 중간냉각기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환챔버의 내부에 휘발가스의 유동통로가 되는 열교환기를 다수 개로 장입시키되, 상기 열교환기의 몸통 내부공간을 휘발가스의 이동방향을 따라 다수 개의 전열공간으로 구획시키고 그 외측에는 전열판을 방사상으로 설치함으로서, 휘발가스의 냉각성능을 크게 향상시킬 수 있도록 하면서도 휘발가스의 냉각구조 자체는 매우 단순하고 콤펙트하게 이루어낼 수 있도록 한 것에 관한 것이다.
일반적으로 육상에 설치되는 LNG(액화천연가스)의 저장탱크 뿐만 아니라, LNG를 수송하는 운반선의 저장탱크에 있어서도, 모스형이나 메인브레인형과 같은 저장탱크의 형상에 관계없이 통상적으로 하루동안 개략 0.1% 내지 3%에 달하는 량의 LNG가 저장탱크를 싸고 있는 절연체를 통한 외부열의 유입 결과로 증발되며, 이러한 LNG 휘발가스(BOG: Boil-off gas)의 량이 많아질 경우 저장탱크 내부의 압력이 증가되어 탱크의 폭발과 같은 위험한 상황을 초래하게 된다.
상기와 같이 LNG 저장탱크의 내부에서 발생하는 LNG 휘발가스의 경우 전형적으로 선박의 보일러나 발전기에 동력을 공급하기 위한 보조연료원으로 사용되어져 왔으나, 최근에 들어 LNG 운반선의 설계는 스팀구동에 따른 터빈 엔진보다는 오히려 디젤 엔진을 적용하고 있는 추세이므로, LNG 저장탱크의 내부에서 발생하는 휘발가스를 보조연료원으로 사용할 필요성이 급격히 감소하고 있다.
따라서, 최근에 들어서는 이러한 LNG 휘발가스를 회수하여 LNG로 재액화시킨 다음, 이를 다시 LNG 저장탱크로 보내는 재액화시스템이 도입되고 있으며, 가장 대표적인 것으로는 LNG 탱크로부터 공급되는 휘발가스를 1차 압축하여 응축에 필요한 잠열을 감소(브레이톤 싸이클: Brayton cycle)시킨 다음, 폐쇄형 루프로 이루어지는 질소냉각시스템으로서 휘발가스를 응축 및 재액화시키도록 한 LNG 휘발가스의 재액화시스템을 들 수 있다.
주) 브레이톤 싸이클(Brayton cycle): 압축과 팽창은 단열변화이며 수열(受熱)과 방열(放熱)이 정압적으로 이루어지는 가스터빈의 기본싸이클.
또한, 상기와 같은 LNG 휘발가스의 재액화시스템에서는 질소냉각시스템을 이용하여 휘발가스를 응축 및 재액화시키기 이전에, 응축된 LNG 또는 질소냉각시스템에서 생성된 소량의 액화질소 및 질소가스를 이용하여 휘발가스를 1차 냉각시킴으로서, 휘발가스의 재액화 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 중간냉각기가 휘발가스의 공급라인상에 설치되어 사용되고 있다.
상기와 같이 LNG 휘발가스의 재액화시스템에 적용되어져 왔던 종래의 중간냉각기(1)는 도 1의 (가) 및 (나)에 도시되어 있는 바와 같이, 탱크 형상을 가지는 열교환챔버(2)가 설치되고, 상기 열교환챔버(2)를 통하여 휘발가스의 공급라인(3)이 관통되도록 하거나, 열교환챔버(2)의 상,하부측에 휘발가스의 배출관(7)과 공급관(6)을 연결시켜 그 내부공간이 휘발가스의 저장공간(5)을 이루도록 한 다음, LNG나 N2(질소)가스가 유동하는 냉각라인(4)이 열교환챔버(2)의 내부를 통과하도록 설치된 구성으로 이루어진다.
그러나, 도 1의 (가)에 도시된 종래의 중간냉각기(1)는 휘발가스의 공급라인(3)이 냉각라인(4)과 서로 다른 배관으로 분리되어 있기 때문에, LNG나 N2(질소)가스에 의한 휘발가스의 냉각효율이 매우 낮게 되는 문제점이 있었고, 열교환챔버(2)의 내부에 휘발가스의 공급라인(3)과 함께 LNG나 N2(질소)가스에 의한 냉각라인(4)을 별도의 구조물로 설치하여야 함으로서, 중간냉각기(1)에 설치되는 열교환구조가 매우 복잡하게 되고, 이로 인하여 중간냉각기(1)의 제작에 따른 시간과 비용이 과도하게 소요되는 문제점이 있었다.
그리고, 도 1의 (나)에 도시된 중간냉각기(1) 또한 냉각라인(4)의 표면 부위에서만 휘발가스의 냉각이 주로 이루어지고 열교환챔버(2)의 내부 가장자리측에는 휘발가스의 냉각이 신속히 이루어지지 않게 되며, 열교환챔버(2)의 외측 표면을 통한 열전달이 발생할 경우 이러한 현상이 두드러지게 나타남으로서 휘발가스의 냉각효율 및 그 냉각속도를 저하시키는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 열교환챔버(2)가 휘발가스의 저장탱크 역할을 하므로 휘발가스의 누설 및 이로 인한 화재나 폭발의 위험성이 크게 되는 문제점이 있었다.
또한, 냉각효율 및 냉각속도를 향상시키기 위하여 열교환챔버(2)의 내부에 설치되는 냉각라인(4)의 직경을 가늘게 하여 동일 체적당 삽입되는 냉각라인(4)의 개수와 길이를 증가시킴과 동시에, 그 냉각라인(4)의 표면에 전열핀이나 전열판과 같은 수단을 설치할 수도 있으나, 이는 수 십 내지 수 백개에 해당하는 냉각라인(4)을 열교환챔버(2)에 일일이 고정 설치하는 매우 번거러운 작업을 거쳐야 함으로서 중간냉각기(1)의 제조단가를 크게 상승시키는 문제점이 있었다.
본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 고안에 의한 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기는 열교환챔버의 내부에 휘발가스의 유동통로가 되는 열교환기를 다수 개로 장입시키되, 상기 열교환기의 몸통 내부공간을 휘발가스의 이동방향을 따라 다수 개의 전열공간으로 구획시키고 그 외측에는 전열판을 방사상으로 설치함으로서, 휘발가스의 냉각성능은 크게 향상시킬 수 있도록 하면서도 휘발가스의 냉각구조 자체는 매우 단순하고 콤펙트하게 이루어낼 수 있도록 하며, 이로 인하여 우수한 냉각성능을 가지는 중간냉각기를 저렴한 가격으로 제조할 수 있도록 하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안은, LNG의 증발현상으로 발생한 휘발가스의 유입관과 배출관이 열교환챔버의 상,하부측에 각각 연결 설치되고, 상기 열교환챔버의 일측에는 휘발가스의 냉각을 위한 LNG 또는 N2가스의 유입라인과, 휘발가스의 냉각을 수행한 NG 또는 N2가스의 배출라인이 상,하로 연결 설치되며, 상기 열교환챔버의 내부에는 휘발가스의 냉각을 위한 열교환구조가 설치된 것에 있어서, 상기 열교환구조는 휘발가스의 유입관 및 배출관과 연통되도록 열교환챔버의 내부 공간을 따라 수직 방향으로 배열되는 다수 개의 열교환기로 이루어지며, 상기 각각의 열교환기는 파이프 형상의 몸통 내부를 따라 방사상의 인서트가 삽입되어 몸통의 내부 공간이 부채꼴 형상을 가지는 다수 개의 전열공간으로 구획 형성되고, 상기 몸통의 외측면에는 전열판이 방사상으로 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 고안에 의한 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 3의 (가) 및 (나)는 본 고안의 요부에 해당하는 열교환기의 구조를 나타내는 사시도이다.
본 고안에 의한 중간냉각기(10)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, LNG의 증발현상으로 발생한 휘발가스의 유입관(12)과 배출관(13)이 탱크 형상을 가지는 열교환챔버(11)의 하부측과 상부측에 각각 연결 설치되고, 상기 열교환챔버(11)의 일측(도면상 우측)에는 휘발가스의 냉각을 위한 LNG 또는 N2가스의 유입라인(18)과, 휘발가스의 냉각을 수행한 NG(천연가스) 또는 N2가스의 배출라인(19)이 상,하로 연결 설치되어 있다.
그리고, 상기 열교환챔버(11)의 내부에 설치되어 휘발가스의 냉각기능을 수행하는 본 고안의 요부에 해당하는 열교환구조로서, LNG 휘발가스의 유입관(12) 및 배출관(13)과 연통되어 휘발가스의 유동통로 역할을 하도록 열교환챔버(11)의 내부 공간을 따라 수직 방향으로 배열되는 다수 개의 열교환기(20)가 설치되고, 열교환기(20)의 외부에 해당하는 열교환챔버(11)의 내부공간은 LNG 또는 N2가스의 유동공간을 형성하게 된다.
또한, 도 2에서는 열교환챔버(11)의 내측 상,하부에 열교환챔버(11)와 일정한 간격을 두고 격판(14)(15)이 고정 설치된 상태에서, 파이프 형태를 가지는 열교환기(20)의 몸통(21) 상,하단부가 해당 격판(14)(15)을 일정 길이만큼 관통하도록 설치됨으로서, 하부격판(15)과 유입관(12)의 사이에는 휘발가스의 분기공간(16)이 형성되고, 상부격판(14)과 배출관(13)의 사이에는 휘발가스의 혼합공간(17)이 형성되어, 각각의 열교환기(20)가 유입관(12) 및 배출관(13)과 함께 휘발가스의 유동통로를 이루도록 설치되어 있다.
그러나, 도 2에 도시되어 있는 것과는 달리 휘발가스의 유입관(12)과 배출관(13)이 다수 개의 배관으로 분기되어 각각의 열교환기(20) 몸통(21)과 연결되도록 설치될 수도 있으나, 이는 유입관(12) 및 배출관(13)을 열교환기(20) 몸통(21)과 연결시키기 위한 배관작업이 까다롭게 될 뿐만 아니라, 열교환챔버(11)의 내부에서 각각의 열교환기(20)가 견고히 지지될 수 있도록 별도의 지지수단을 설치하여야 하기 때문에 가급적 전자의 방식을 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 휘발가스의 냉각을 위하여 열교환챔버(11)의 내부로 유입되는 냉각원이 LNG가 될 경우에는 크게 상관이 없지만, 열교환챔버(11)의 내부로 유입되는 냉각원이 N2가스가 될 경우에는 상,하부격판(14)(15)이 열교환챔버(11)의 내측면과 밀착되는 부분 및 각각의 열교환기(20) 몸통(21)이 상,하부격판(14)(15)을 관통하는 부위에 기밀(氣密)이 유지되도록 하여 LNG 휘발가스가 N2가스와 혼합되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 고안에 의한 열교환구조를 이루는 핵심구성요소인 상기 열교환기(20)는 도 2 및 도 3에 각각 도시되어 있는 바와 같이, 파이프 형상으로 이루어지는 몸통(21)의 내부를 따라 방사상의 인서트(22)가 몸통(21)의 내측면과 견고히 밀착되도록 끼움식으로 삽입되어, 몸통(21)의 내부 공간이 부채꼴 형상을 가지는 다수 개의 전열공간(24)으로 구획 형성되고, 상기 몸통(21)의 외측면에는 전열판(23)이 방사상으로 연결 설치된 구성으로 이루어진다.
또한, 상기 전열판(23)은 도 3의 (가)에 도시되어 있는 바와 같이, 열교환기(20)의 몸통(21) 전체 길이를 따라 하나의 전열판(23)이 고정 설치될 수도 있고, 도 3의 (나)에 도시되어 있는 바와 같이 열교환기(20)의 몸통(21) 길이 방향을 따라 여러 개의 전열판(23)이 일정한 간격을 두고 분할식으로 고정 설치될 수도 있으며, 상기 전열판(23) 이 외에도 전열핀과 같은 다른 형태의 전열수단이 고정 설치될 수도 있다.
상기와 같이 방사상의 인서트(22)를 파이프 형상의 몸통(21) 내측면과 견고하게 밀착되도록 끼움식으로 삽입시키게 되면, 인서트(22)를 형성하는 각각의 날개판에 의하여 휘발가스의 유동통로 및 냉각통로가 되는 부채꼴 형상의 전열공간(24)이 몸통(21)의 길이 방향을 따라 일직선상으로 형성되는 데, 상기 전열공간(24)은 그 개수가 많으면 많을수록 휘발가스의 냉각측면에서 유리하다.
그러나, 인서트(22)의 끼움식 삽입에 따른 날개판의 강도 즉, 그 두께를 고려함과 동시에 휘발가스의 충분한 유동통로를 확보할 수 있도록, 인서트(22)에 의하여 형성되는 전열공간(24)의 개수는 최소 2개에서 최대 16개 정도의 범위내로 하는 것이 바람직하며, 인서트(22) 자체의 재질은 각 전열공간(24) 사이의 열전달을 방지할 수 있도록 열전도도가 낮은 플라스틱이나 금속 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 열교환기(20)의 몸통(21) 외측면을 따라 방사상으로 설치되는 상기 전열판(23) 역시 그 개수가 많을수록 유리하지만, 열교환기(20)의 제조에 따른 단가상승과 전열판(23)에 의한 휘발가스의 냉각효과를 동시에 고려하여 전열공간(24) 1개당 그 외측에 1 ~ 3개 정도의 전열판(23)이 위치하도록 하는 것이 바람직하며, 휘발가스의 효과적인 냉각을 위하여 상기 전열판(23)이 몸통(21)과 인서트(22)와의 접촉부위를 따라 설치되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 고안의 작용관계를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 열교환챔버(11)의 하부측에 설치된 유입관(12)을 통하여 LNG 휘발가스가 유입되도록 함과 동시에, 열교환챔버(11)의 일측 상부에 설치된 유입라인(18)을 통하여 LNG 또는 N2가스가 유입되도록 하면, 열교환챔버(11)로 유입된 휘발가스는 하부측 분기공간(16)을 거쳐 각각의 열교환기(20)로 유입된 다음, 상부측 혼합공간(17)과 배출관(13)을 거쳐 열교환챔버(11)의 외부로 배출되고, 휘발가스의 냉각을 위한 LNG 또는 N2가스는 열교환챔버(11)의 내부공간에 저장되었다가 배출라인(19)을 통하여 열교환챔버(11)의 외부로 배출된다.
상기와 같이 LNG 휘발가스 및 LNG 또는 N2가스가 열교환챔버(11)의 내부를 유동하는 과정에서 휘발가스가 LNG 또는 N2가스와의 열교환 작용에 의하여 냉각되는데, 본 고안에 의한 중간냉각기(10)는 열교환챔버(11)의 내부에서 각각의 열교환기(20)를 냉각원이 되는 LNG 또는 N2가스가 에워싸는 형태를 가지므로, 열교환기(20)의 내부를 유동하는 휘발가스의 냉각을 종래의 경우와 비교하여 보다 능률적으로 수행할 수 있게 된다.
또한, 상기 열교환기(20)의 몸통(21) 내부공간이 방사상의 인서트(22)에 의하여 그 길이방향 즉, 휘발가스의 유동방향을 따라 여러 개의 좁은 전열공간(24)으로 형성되어 있고, 각 전열공간(24)의 외측에는 1 ~ 3개 정도의 전열판(23)이 설치되어 있기 때문에, 해당 전열공간(24)의 내부를 유동하는 휘발가스에 대한 집중적인 냉각이 이루어지게 되며, 이로 인하여 휘발가스의 냉각성능 및 그 냉각속도와 이로 인한 휘발가스의 재액화 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 열교환기(20)의 몸통(21) 내부를 따라 방사상의 인서트(22)를 끼움식으로 삽입시키게 되면, 하나의 열교환기(20) 몸통(21)이 여러 개의 좁은 전열공간(24)으로 구획되므로, 하나의 열교환기(20)를 상,하부격판(14)(15)에 고정시키는 작업만으로도 그 직경이 가늘게 되는 많은 배관을 고정시키는 것과 동일한 효과를 발생시키기 때문에, 휘발가스의 냉각을 위한 열교환구조를 보다 단순하고 콤펙트하게 이루어낼 수 있게 된다.
따라서, 중간냉각기(10)의 냉각성능은 크게 향상시키면서도 중간냉각기(10)의 제조에 따른 시간과 비용은 최소화시켜 그 냉각성능이 매우 우수하게 되는 중간냉각기(10)를 보다 저렴한 가격으로 공급할 수 있게 될 뿐만 아니라, 휘발가스의 중간냉각원으로서 불활성, 무독성 기체인 N2가스를 적용시킬 경우에는 중간냉각기(10)의 사용과정에서 발생할 수 있는 화재나 폭발의 위험성 또한 최소화시켜 중간냉각기(10)의 안전한 사용에 보다 더 크게 기여할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 본 고안에 의한 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기는, 열교환챔버의 내부에서 각각의 열교환기를 냉각원이 되는 LNG 또는 N2가스가 에워싸는 형태를 가지도록 하여, 열교환기의 내부를 유동하는 휘발가스의 냉각을 종래의 경우와 비교하여 보다 능률적으로 수행할 수 있는 효과가 있고, 열교환기의 몸통 내부공간이 방사상의 인서트에 의하여 여러 개의 좁은 전열공간으로 구획된 상태에서 각 전열공간의 외측에 1 ~ 3개 정도의 전열판이 설치되어, 해당 전열공간의 내부를 유동하는 휘발가스에 대한 집중적인 냉각이 가능하게 됨으로서, 휘발가스의 냉각성능 및 그 냉각속도와 이로 인한 휘발가스의 재액화 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 상기 인서트에 의하여 하나의 열교환기를 상,하부격판에 고정시키는 작업만으로도 그 직경이 가늘게 되는 많은 배관을 고정시키는 것과 동일한 효과를 발생시키기 때문에, 휘발가스의 냉각을 위한 열교환구조를 보다 단순하고 콤펙트하게 이루어낼 수 있는 효과가 있고, 이로 인하여 중간냉각기의 냉각성능은 크게 향상시키면서도 중간냉각기의 제조에 따른 시간과 비용은 최소화시켜 그 냉각성능이 매우 우수하게 되는 중간냉각기를 보다 저렴한 가격으로 공급할 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 휘발가스의 중간냉각원으로서 N2가스를 적용시킬 경우에는 중간냉각기의 사용과정에서 발생할 수 있는 화재나 폭발의 위험성 또한 최소화시켜 중간냉각기의 안전한 사용에 보다 더 크게 기여할 수 있는 효과가 있는 것이다.
도 1은 종래의 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기 구조를 나타내는 개략적인 배관도.
도 2는 본 고안에 의한 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기 구조를 나타내는 측단면도.
도 3의 (가) 및 (나)는 본 고안의 요부에 해당하는 열교환기의 구조를 나타내는 사시도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 중간냉각기 11 : 열교환챔버 12 : 유입관
13 : 배출관 14 : 상부격판 15 : 하부격판
16 : 분기공간 17 : 혼합공간 18 : 유입라인
19 : 배출라인 20 : 열교환기 21 : 몸통
22 : 인서트 23 : 전열판 24 : 전열공간

Claims (1)

  1. LNG(액화천연가스)의 증발현상으로 발생한 휘발가스(BOG : Boil-off gas)의 유입관(12)과 배출관(13)이 열교환챔버(11)의 상,하부측에 각각 연결 설치되고, 상기 열교환챔버(11)의 일측에는 휘발가스의 냉각을 위한 LNG(액화천연가스) 또는 N2(질소)가스의 유입라인(18)과, 휘발가스의 냉각을 수행한 NG(천연가스) 또는 N2(질소)가스의 배출라인(19)이 상,하로 연결 설치되며, 상기 열교환챔버(11)의 내부에는 휘발가스의 냉각을 위한 열교환구조가 설치된 것에 있어서,
    상기 열교환구조는 휘발가스의 유입관(12) 및 배출관(13)과 연통되도록 열교환챔버(11)의 내부 공간을 따라 수직 방향으로 배열되는 다수 개의 열교환기(20)로 이루어지며,
    상기 각각의 열교환기(20)는 파이프 형상의 몸통(21) 내부를 따라 방사상의 인서트(22)가 삽입되어 몸통(21)의 내부 공간이 부채꼴 형상을 가지는 다수 개의 전열공간(24)으로 구획 형성되고, 상기 몸통(21)의 외측면에는 전열판(23)이 방사상으로 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 엘엔지 휘발가스의 중간냉각기.
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