KR20060117198A - 연료 탈산소화를 위한 나선형 권취식 연료 안정화 유닛 - Google Patents

연료 탈산소화를 위한 나선형 권취식 연료 안정화 유닛 Download PDF

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KR20060117198A
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루이스 제이. 스파다치니
해리 코르다토스
토마스 그레고리 틸만
알렉산더 쥐. 첸
루이스 치아페타
제임스 알. 아이리쉬
포스터 필립 램
스티븐 알. 존스
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

탈산소기는 탄화수소 연료로부터 용존 산소를 제거하기 위해 배기 튜브 둘레에 나선형으로 권취되는 복수의 투과성 멤브레인을 포함한다. 투과성 멤브레인은 배기 튜브 둘레에 나선형으로 랩핑되며 연료 통로 및 배기 통로를 형성한다. 연료 통로와 배기 통로는 각각의 연료 통로가 배기 통로에 의해 각각의 인접 측면에 대하여 경계를 이루도록 교대된다. 산소 분압차가 투과성 멤브레인을 가로질러 생성되어 연료 통로 내에서 연료로부터 용존 산소를 끌어낸다. 이어서 용존 산소는 배기 튜브의 주연 둘레의 개구를 통해 그리고 탈산소기 외부로 전달된다.
용존 산소 제거, 연료 안정화 유닛, 탈산소, 나선형 권취

Description

연료 탈산소화를 위한 나선형 권취식 연료 안정화 유닛{SPIRAL WOUND FUEL STABILAIZATION UNIT FOR FUEL DE-OXYGENATION}
도1은 예시적인 나선형으로 권취된 탈산소기의 부분 분해도이다.
도2는 예시적인 나선형으로 권취된 탈산소기를 통한 연료 및 용존 산소 유동의 개략도이다.
도3은 예시적인 배기 통로 및 연료 통로의 일부에 대한 단면도이다.
도4는 예시적인 투과성 멤브레인의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 탈산소기
14 : 배기튜브
22 : 투과성 멤브레인
28 : 연료 통로
30 : 배기 통로
42 : 멤브레인 스페이서
44 : 연료 채널 스페이서
46 : 외부 랩(wrap)
본 발명은 대체로 연료로부터 용존 산소를 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며 특히, 액체 탄화수소 연료로부터 용존 산소를 제거하기 위한 나선형으로 권취된 멤브레인에 관한 것이다.
연료는 에너지 변환 장치의 다양한 시스템에 대한 냉각 매체로서 사용될 수 있다. 그러나, 연료의 온도를 증가시키면 산화 반응이 발생하는 속도도 역시 증가된다. 특정 연료의 사용가능한 냉각 용량은, 공기에의 사전 노출에 기인하는 연료 내에 존재하는 용존 산소의 양에 따라 달라지는 코크스(coke) 형성 및 침전에 의해 제한된다. 연료 내의 용존 산소의 양의 감소는 에너지 변환 장치의 연료 배달 시스템 내에 형성된 코크스의 감소를 초래할 수 있다.
연료 내에 존재하는 용존 산소의 양을 감소시키면 "코크스" 나 "코킹"으로 언급되는 불용성 부산물의 형성이 감소된다. 연료 내의 용존 산소의 양을 감소시키면 코크스 침전 속도가 감소되고 최대 허용 온도가 증가된다. 다시 말하면, 연료 내에 용존 산소가 적을수록, 코크스 형성이 문제가 되기 전에 온도는 더 높아진다. 많은 연료에서는, 코크스 침전을 억제하기 위해, 비록 탈산소화의 정도도 또한 연료가 차후에 겪을 가열량에 따라 달라지지만, 용존 산소의 농도는 대략 2 ppm 또는 포화도의 대략 3 퍼센트 이하로 감소되어야 한다는 것이 대체로 받아들여진다. 적당한 온도에서는 더 적은 탈산소화가 요구될 것이며, (800F(426.67℃)까지의) 고온에서 작동되는 연료에서는 2ppm이하의 용존 산소 수준이 바람직할 것이다. 현재 개선된 코킹 성능을 갖는 연료는 대체로 훨씬 비싸거나 첨가제를 요구하며, 따라서 항상 입수가능하지는 않다.
용존 산소를 제거하기 위한 공지의 장치는 연료 시스템 내에 배치된 기체-투과성 멤브레인을 포함한다. 연료는 투과성 멤브레인을 따라 통과하고, 연료 내의 산소 분자들은 멤브레인 내로 용해되며 이어서 멤브레인을 가로질러 확산되며 제거된다. 투과성 멤브레인을 가로지르는 진공 또는 산소 분압차는, 영향을 받지 않고 멤브레인을 너머 통과하는 연료로부터, 산소를 몰아낸다.
알려진 바와 같이 투과성 멤브레인은 제조하기 어렵고 사이징(sizing)과 경제적인 인자에 의해 크기와 구조에서 제한된다. 멤브레인 다발은 스케일(scale)하기 어려운데, 왜냐하면 성능이 간격과 기하학적 구조에 매우 의존적이며 따라서 예측하기 어렵기 때문이다. 높은 압력도 역시 멤브레인 구조에 관련된다. 또한, 공간 및 중량은 임의의 시스템에 대한 구동 인자이고, 공간 및 중량의 임의의 감소는 작동에 즉각적인 이익을 제공한다.
따라서, 코크스 형성을 억제하는데 요구되는 수준 이하로 용존 산소를 제거할 수 있는 투과성 멤브레인 시스템을 설계하는 것이 바람직하며, 투과성 멤브레인 시스템이 효율적으로 공간을 이용하고 중량을 감소시키며, 용이하게 스케일 가능하고, 예측가능하도록 수행되며, 경제적으로 제조될 수 있도록 투과성 멤브레인 시스템을 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 탄화수소 연료로부터 용존 산소를 제거하기 위해 배기 튜브 둘레 에 나선형으로 권취된 복수의 투과성 멤브레인을 포함하는 탈산소기이다.
예시적인 나선형으로 권취된 연료 탈산소기는 하우징 내에 배치된 배기 튜브를 포함한다. 하우징은 연료 유동을 위한 입구 및 출구를 형성한다. 복수의 투과성 멤브레인은 배기 튜브 둘레에 나선형으로 랩핑된다. 투과성 멤브레인들은 연료 및 배기 통로를 형성하기 위해 서로 상응한다.
연료 통로와 배기 통로는 각각의 연료 통로가 배기 통로에 의해 각각의 인접 측에 대하여 경계를 이루도록 교대된다. 산소 분압차는 투과성 멤브레인을 가로질러 생성되어 연료 통로 내에서 연료로부터 용존 산소를 끌어낸다. 용존 산소는 그리고 나서 배기 튜브의 주연 둘레의 개구를 통해 그리고 개방 단부 외부로 전달된다.
각각의 투과성 멤브레인은 멤브레인 스페이서(spacer)와 연료 채널 스페이서 사이에 배치된다. 멤브레인 스페이서는 용존 산소가 배기 튜브를 향해 그리고 탈산소기 외부로 이동하도록 배기 통로를 형성한다. 연료 채널 스페이서는 연료가 입구부터 출구까지 탈산소기를 통과하여 축방향으로 관통하여 유동하는 연료 통로를 형성한다.
따라서, 본 발명의 탈산소기는 코크스 형성을 억제하기 위해 요구되는 수준 이하로 연료로부터 용존 산소를 제거할 수 있으며, 효율적으로 공간을 활용하고, 중량을 감소시키며, 용이하게 스케일할 수 있고, 예측가능하게 수행되며, 경제적으로 제조될 수 있도록 구성될 수 있는 투과성 멤브레인 시스템을 제공한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들은 이하의 명세서와 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있을 것이며, 이하의 것은 간단한 설명이다.
도1을 참조하면, 나선형으로 권취된 연료 탈산소기(10)는 하우징(12) 내에서 축(15)을 따라 배치된 배기 튜브(14)를 포함한다. 하우징(12)은 연료 유동(16)을 위한 입구(18)와 출구(20)를 형성한다. 연료 유동(16)은 어느 정도의 용존 산소(38)를 포함하면서 입구(18)로 유입된다. 투과성 멤브레인(22)이 나선형으로 배기 튜브(14)의 둘레에 랩핑된다(wrapped). 예시적인 투과성 멤브레인(22)은 배기 튜브(14)에 부착된 제1 단부(24)와 배기 튜브(14)의 둘레에 나선형으로 랩핑된 제2 단부(26)를 갖는 시트이다. 예시적인 탈산소기(10)는 연료 통로(28)와 배기 통로(30)를 형성하기 위해 서로 상응하는 복수의 투과성 멤브레인(22)을 포함한다.
연료 통로(28)와 배기 통로(30)는 각각의 연료 통로(28)가 배기 통로(30)에 의해 각각의 인접한 측에 대하여 경계를 이루도록 교대된다. 산소 분압차가 투과성 멤브레인(22)을 가로질러 생성되어 연료 통로(28) 내의 연료로부터 용존 산소(38)를 끌어낸다. 이러한 실시예에서, 산소 분압차는 진공원(40)에 의해 생성된다. 이어서 용존 산소(38)는 배기 튜브(14)의 주연 둘레의 개구(34)를 통해 그리고 개방 단부(32) 외부로 전달된다. 시일(54)이 배기 통로(30)를 시일하기 위해 탈산소기(10)의 각각의 축방향 단부에 구비된다. 따라서, 탈산소기(10)를 떠나는 연료(16)는 유입되는 연료보다 상당히 적은 용존 산소를 포함한다.
각각의 투과성 멤브레인(22)은 멤브레인 스페이서(42, membrane spacer)와 연료 채널 스페이서(44) 사이에 배치된다. 멤브레인 스페이서(42)는 용존 산 소(38)가 배기 튜브(14)를 향해 그리고 탈산소기(10) 외부로 이동하도록 배기 통로(30)를 형성한다. 연료 채널 스페이서(44)는 연료가 입구(18)부터 출구(20)까지 탈산소기(10)를 통과하여 축방향으로 관통하여 유동하는 연료 통로(28)를 형성한다. 외부 랩(46)은 하우징(12) 내로의 조립을 위해 복수의 투과성 멤브레인(22)의 바람직한 주연을 유지한다. 이 도면에서는 외부 랩이 연료 통로와 접하여 있지만, 외부 랩은 진공 통로와도 또한 접할 수 있다.
도2를 참조하면, 배기 용존 산소(38)는 배기 튜브(14)까지 이어지는 나선형으로 형성된 통로 내에서 원주방향으로 유동한다. 개구(34)는 배기 통로(30)와 연통되어 위치되며 연료 통로(28)와 연통되지 않는다. 투과성 멤브레인(22)의 제2 단부(26)는 각각의 멤브레인 스테이서(42)가 단일의 나선형 형상의 배기 통로(30)를 형성하도록 시일된다. 나선형 형상 배기 통로(30)는, 배기 튜브(14)의 표면까지 이어지고 복수의 개구(34) 중 하나와 연통될 때까지 제2 단부(26)에서 시작되며 배기 튜브(14)의 둘레를 랩핑한다.
연료 통로(28)는 연료 스페이서(44)에 의해 투과성 멤브레인(22)들 사이에 형성된다. 연료는 탈산소기(10)를 통해 연료 통로(28) 내에서 축방향으로 유동한다. 연료 통로 내의 연료는 투과성 멤브레인(22)에 대하여 접하고 유동함으로써 용존 산소(38)가 연료로부터 투과성 멤브레인(22)을 통해 배기 통로(30) 내로 끌어내진다.
도3을 참조하면, 연료 통로(28)는 연료 스페이서(44)에 의해 형성된다. 예시적인 연료 스페이서(44)는 연료의 유동을 유도하기 위한 복수의 배플(48)을 포함 한다. 배플(48)은 대향하는 투과성 멤브레인(22)에 대해 교대적으로 연료 유동을 유도하여 연료로부터의 용존 산소(38)의 수송을 증가시킨다. 증가된 산소의 수송은 투과성 멤브레인(22)의 표면에 대한 연료 접촉을 최적화함으로써 향상된다. 예시적인 배플(48)은 L-형상이며 탈산소기(10)의 축(15)에 횡방향으로 연료 유동을 유도하는 곡면을 포함한다. 횡방향 유동은 투과성 멤브레인(22)과의 접촉을 향상시키고 따라서 탈산소기(10)의 효율을 증가시킨다. 양호한 실시예에서, 예시적인 연료 스페이서(44)는 시트(sheet)형태의 플라스틱 재료로부터 제조되며 투과성 멤브레인(22)의 인접하는 시트들 사이에 층을 이룬다. 배플(48)에 대한 예시적인 구성이 도시되었지만, 투과성 멤브레인(22)과 연료 접촉을 향상시키기 위한 다른 형상 및 구성도 본 발명의 의도 내에 있다.
배기 통로(30)는 멤브레인 스페이서(42)에 의해 형성된다. 멤브레인 스페이서(42)는 인접하는 투과성 멤브레인(22)들 사이에 소정의 간격을 제공하는 스크린 또는 다공성 재료이다. 바람직한 간격은 배기 통로(30)의 소정의 체적을 형성한다. 배기 통로(30)는 배기 튜브(14)의 개구(34)와 연통되어 이어진다(도2).
진공원(40, 도1)은 배기 튜브(14)를 통해 그리고 따라서 배기 통로(30) 전체에 걸쳐 전달되어 소정의 산소 분압차를 생성한다. 멤브레인 스페이서(42)는 용존 산소 유동에 대한 임의의 저항을 최소화하는 특징을 포함한다. 예시적인 멤브레인 스페이서(42)는 플라스틱 재료로부터 제조된다. 또한, 당업자는 멤브레인 스페이서(42)를 위한 다른 재료 및 구성이 본 발명의 의도 내라는 것을 이해할 것이다.
또한, 스트립 가스가 산소 분압차를 생성하기 위하여 또한 이용될 수 있다. 따라서, 배기 튜브(14)는 제2 개방 단부와, 투과성 멤브레인(22)에 인접한 연료로부터 용존 산소를 끌어내기 위해 배기 튜브(14)를 통해 축방향으로 유동되는 스트립 가스를 포함할 수 있다.
도4를 참조하면, 투과성 멤브레인(22)은 다공성 배킹(52) 위에 배치되는 투과성 층(50)을 포함한다. 다공성 배킹(52)은 투과성 층(50)에 대해 소정의 지지 구조를 제공하면서 여전히 연료 통로(28)로부터의 최대 산소 확산을 허용한다. 투과성 층(50)은 다공성 배킹(52)의 상부에 코팅되며, 둘 사이에 기계적인 접합이 형성된다. 투과성 층(50)은 양호하게는 0.1-0.3㎛ 기공 크기를 갖는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 또는 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI)로 이루어지는 0.005인치(0.127㎜) 두께의 다공성 배킹(52) 위에 0.5-20㎛ 두께의 테플론 에이에프 2400(Teflon AF 2400) 코팅이다. 필요한 강도 및 개방성을 제공하는 상이한 재료, 두께 및 기공 크기의 또다른 공급이 사용될 수 있다.
양호하게는 투과성 층(50)은 듀퐁사의 테플론 에이에프 비결정질 플루오로폴리머(Dupont Teflon AF amorphous fluoropolymer)이지만, 솔베이 하이플론 에이디 퍼플루오리네이티드 유리질 폴리머(Solvay Hyflon AD perfluorinated glassy polymer)와 아사히 글래스 사이톱 폴리퍼플루오로부테닐 비닐 에테르(Asahi Glass CYTOP polyperfluorobutenyl vinyl ether)와 같은 당업자에게 공지인 다른 재료들이 본 발명의 의도 내에 있다. 다공성 배킹(52)은 배기 튜브(14) 둘레에 나선형 랩핑을 제공하도록 유연하다.
탈산소기(10)는 제1 단부(24) 상에서 배기 튜브(14)에 접합된 복수의 투과성 멤브레인(22)을 포함한다. 이어서 투과성 멤브레인(22)은 멤브레인 스페이서(42)와 연료 스페이서(44) 사이에 교대로 개재된다. 연료 스페이서(44)는 각각의 투과성 멤브레인(22)의 투과성 층(50)과 접하도록 위치설정되며, 멤브레인 스페이서(42)는 대향하는 다공성 배킹(52)들 사이에 배치된다. 이어서 그 결과로 초래된 투과성 멤브레인(22), 멤브레인 스페이서(42) 및 연료 스페이서(44)의 교대적인 층의 개재는 배기 튜브(14)의 둘레에 소정의 원주로 권취된다. 이어서 각각의 투과성 멤브레인(22)의 제2 단부(26)는 배기 유동이 탈산소기(10)의 축(15)에 인접하는 제1 단부(24)에 인접하는 배기 튜브(14)의 개구(34)를 통해서만 배기될 수 있도록 시일된다.
시일(54)은 배기 통로(30)를 더 막기 위해 탈산소기(10)의 축방향 단부에 인접하는 배기 통로(30)의 측면들을 시일한다. 그러나, 시일(54)은 탈산소기(10)를 통해 연료의 소정의 축방향 유동을 제공하는 연료 통로(28)의 축방향 단부를 시일하지는 않는다. 나선형으로 권취된 투과성 멤브레인(22)은 연료 유동을 위한 입구(18)와 출구(20)를 형성하는 하우징(12) 내에 수납된다.
투과성 멤브레인(22)의 숫자와 크기는 적용예의 특정 요건에 대해 탈산소기(10)를 스케일하도록 조정될 수 있다. 탈산소기(10)는 압력 손실을 최소화하고, 용존 산소의 제거를 최대화하거나 또는 특정한 설계 외형 내에 끼워 맞춰지도록 크기가 정해질 수 있다. 탈산소기(10)의 스케일은 축방향 길이를 다양화함으로써 그리고 투과성 멤브레인(22)의 길이를 다양화함으로써 또는 투과성 멤브레인(22)의 갯수를 다양화함으로써 그리고 탈산소기(10)의 지름을 다양화함으로써 변형될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 개시되었으나, 당업자는 본 발명의 범주 내에서 특정한 변형이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 이러한 이유로, 본 발명의 진정한 범주와 내용을 결정하기 위해 이하의 청구항이 연구되어야 한다.
용존 산소를 코크스 형성을 억제하는데 요구되는 수준 이하로 제거할 수 있는 투과성 멤브레인 시스템이 설계되고, 시스템이 효율적으로 공간을 이용하고 중량을 감소시키도록, 용이하게 스케일 가능하며, 예측가능하도록 수행되며, 경제적으로 제조될 수 있도록, 구성되는 연료 탈산소용 나선형 환상 연료 안정화 유닛을 제공한다.

Claims (20)

  1. 입구와 출구를 갖는 하우징과,
    하우징 내에 배치되며 하우징으로부터 연장되는 적어도 하나의 개방 단부를 갖는 배기 튜브와,
    입구와 출구 사이에서 하우징을 관통해 연료를 공급하는 제1 통로와,
    하우징 내에서 배기 튜브 둘레에 나선형으로 랩핑되며 제1 통로를 관통해 유동하는 연료에 인접하도록 배치되는 투과성 멤브레인과,
    제2 통로를 포함하며, 제2 통로는 배기 튜브의 적어도 하나의 개방 단부에 연통하면서, 연료로부터 투과성 멤브레인을 통해 제2 통로 내로 그리고 배기 튜브의 적어도 하나의 개방 단부 외부로 용존 산소를 끌어내기 위해 산소 분압차를 생성하는 제2 통로를 포함하는 연료 탈산소기 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인은 배기 튜브에 부착된 제1 단부를 포함하는 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 인접하는 투과성 멤브레인들 사이에 제1 통로를 형성하는 제1 스페이서를 포함하는 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 제1 스페이서는 제1 통로를 통과하여 유동하는 연료의 혼합 을 유도하기 위해 제1 통로의 측면들 사이에서 연장되는 복수의 부재를 포함하는 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 제1 스페이서는 투과성 멤브레인이 제1 통로의 일부를 형성하도록 투과성 멤브레인의 나선형으로 권취된 층들 사이에 개재되는 조립체.
  6. 제3항에 있어서, 인접하는 투과성 멤브레인들 사이에서 제2 통로를 형성하는 제2 스페이서를 포함하는 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인은 다공성 배킹 위에 플루오로폴리머 코팅을 포함하는 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인 상에 배치된 솔베이 하이플론 에이디 퍼플루오리네이티드 유리질 폴리머(Solvay Hyflon AD perfluorinated glassy polymer)를 더 포함하는 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인 상에 배치된 아사히 글래스 사이톱 폴리퍼플루오로부테닐 비닐 에테르(Asahi Glass CYTOP polyperfluorobutenyl vinyl ether)를 더 포함하는 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인을 가로질러 산소 분압차를 생성하기 위한, 적어도 하나의 개방 단부에 구비되는 진공을 포함하는 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 배기 튜브를 통과하여 그리고 산소 분압차를 생성하는 다공성 기질과 연통되는 스트립 가스의 유동을 위한 제2 개구를 포함하는 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인은 테플론 에이에프 비결정질 풀루오로폴리머(Teflon AF amorphous fluoropolymer)를 포함하는 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene)을 포함하는 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인의 두께는 약 4 마이크론인 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인의 두께는 1마이크론 내지 4 마이크론 사이인 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 투과성 멤브레인의 두께는 4 마이크론 미만인 조립체.
  17. 제1항에 있어서, 연료 통로 내의 연료로부터 약 97% 이상의 용존 산소가 제 거되는 조립체.
  18. 제1항에 있어서, 연료 통로 내의 연료는 약 화씨 200도(섭씨 93.33도)인 조립체.
  19. 제1항에 있어서, 연료 통로 내의 연료는 약 화씨 150도(섭씨 65.56도) 이상인 조립체.
  20. 제1항에 있어서, 연료 통로 내의 연료로부터 약 80% 이상의 용존 산소가 제거되는 조립체.
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