KR20080102327A - 배관 - Google Patents

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KR20080102327A
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콜린 제럴드 캐로
필립 로이드 버치
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임페리얼 이노베이션스 리미티드
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Abstract

본 발명은 산업 활동에서의 사용을 위한, 특정 형태를 가진 배관(1)에 관한 것이다. 보다 상세하게, 배관(1)은 배관(1)을 통해 유동하는 유체가 소용돌이치도록 하는 저폭 나선으로 형성되어 있다. 이러한 소용돌이 유동은 수많은 장점을 제공한다. 배관(1)이 사용될 수 있는 특정 응용에는 석유 생산 라이저 및 플로라인, 정(wells)에서의 다운홀(downhole) 사용을 위한 생산 튜브, 유체의 이송을 위한 파이프라인, 정적 혼합기(static mixers), 벤드, 접합부 등, 수문(penstocks) 및 흡출관(draft tubes), 화학, 석유화학, 및 제약 응용을 위한 반응기, 열교환기, 콜드 박스(cold boxes), 폐기물 처리를 위한 노(furnaces) 및 소각기(incinerators), 정적 분리기(static separators), 및 공기 흡입구(air intakes)가 포함된다.
배관, 파이프, 나선, 소용돌이 유동

Description

배관 {PIPING}
본 발명은 산업 활동에서의 사용을 위한 특정 형태를 가진 배관에 관한 것이다.
다수의 산업 공정은 플랜트(plant) 또는 기계의 한 부분에서 다른 부분으로 유체를 이송하는 것이 관련되고, 이는 일상적으로(routinely) 배관의 사용을 통해 이루어진다. 유체는 또한 배관을 통과하는 도중, 예를 들어 가열, 조사(irradiation), 화학 반응 등으로 처리될 수 있다.
이러한 방법으로 사용되는 파이프(pipes), 특히 장거리에 걸쳐 유체를 이송하는 데 사용되는 것은 보통 직선형인데, 그 중심선이 직선이며 파이프의 벽이 중심선에 평행하다는 점에서 그러하다.
그러나 직선형 파이프에 비해 많은 장점을 제공할 수 있는 대안적인 형태(geometries)가 파이프에 이용될 수 있다는 것이 발견되었다. 특히, 저폭(low-amplitude) 나선으로 형성된 파이프는 직선형 파이프에 비해 여러 가지 현저한 장점을 제공한다.
“저폭 나선”이라 함은, 중심선이 실질적으로 나선형인 경로를 따르고 나선의 폭(amplitude)이 배관의 내부 직경의 반 이하이도록 파이프가 형성됨을 의미한다.
여기에 사용되는 “나선의 폭(amplitude of the helix)”이라는 용어는 평균 위치로부터 최고 측면까지의 거리의 정도(extent of displacement)를 의미한다. 폭은 따라서 나선형 중심선의 전체 측면 너비의 반이다. 튜브(tubing)의 단면적은 보통 그 길이를 따라 실질적으로 일정하지만, 요구되는 특정 성질에 따라 다양할 수 있다.
나선의 폭이 파이프의 내부 직경의 반 미만인 이러한 종류의 저폭 나선형 배관에서는 배관의 내강(內腔, lumen)을 따라 “시선(視線, line of sight)”이 존재 한다. 시선에서의 유동은 잠재적으로 직선형 경로를 따를 수 있음에도 불구하고 일반적으로 소용돌이 성분을 갖는 것으로 발견되었다.
이 명세서의 목적에 따라, 나선형 배관의 "상대 폭(relative amplitude)"이라는 용어는 폭을 내부 직경으로 나눈 것으로 정의한다. 나선형 배관의 폭이 튜브의 내부 직경의 반 이하이므로, 이는 상대 폭이 0.5 이하임을 의미한다. 상대 폭이 0.45, 0.40, 0.35, 0.30, 0.25, 0.20, 0.15, 0.1 또는 0.05 이하인 것이 바람직할 수 있다. 상대 폭이 작을수록 배관이 동일한 단면적의 일반 직선 파이프보다 너비가 많이 크지 않다는 점에서 이용가능한 측면 공간의 활용이 더 나아진다. 상대 폭이 작을수록 또한 더 넓은 "시선"을 제공하여, 배관을 따라 압력 게이지 또는 기타 장비의 삽입을 위한 더 많은 공간을 제공한다. 그러나 매우 작은 상대 폭은 일부 상황에서 감소된 이차 운동 및 혼합을 초래할 수 있다.
높은 레이놀즈 수(Reynolds number)의 경우, 적은 상대 폭을 사용하여도 소용돌이 유동이 만족스러운 정도로 유도될 수 있다. 이것은 일반적으로, 주어진 내부 직경에 대해 유동 속도(flow rate)가 높은 경우 낮은 상대 폭을 사용하여도 소용돌이 유동을 유도하기에 충분할 수 있음을 의미할 것이다.
유동에 영향을 미치는 관련 인자로서 또한 나선의 각도( 또는 피치, 피치는나선의 일 회전의 길이이며, 파이프의 내부 직경을 사용하여 정의될 수 있음)가 있다. 상대 폭의 경우와 같이, 나선 각도도 조건에 따라, 특히 배관에 운반되는 유체의 점성, 밀도, 및 속도에 따라 최적화될 수 있다. 나선 각도는 65˚ 이하인 것이 바람직하며, 55˚, 45˚, 35˚, 25˚, 20˚, 15˚, 10˚ 또는 5˚ 이하인 것은 더 욱 바람직하다.
일반적으로, 레이놀즈 수가 높은 경우 나선 각도가 낮아도 소용돌이 유동이 만족스러운 정도로 유도될 수 있는 반면, 레이놀즈 수가 낮은 경우 만족스러운 소용돌이를 형성하기 위해서는 높은 나선 각도가 요구될 것이다. (레이놀즈 수가 높은) 빠른 유동에서 높은 나선 각도의 사용은 일반적으로 바람직하지 않을 것인데, 벽 근처에 정체된 유체 포켓(pocket)이 존재할 수 있기 때문이다. 그러므로 주어진 레이놀즈 수( 또는 레이놀즈 수 범위)에서 만족스러운 소용돌이를 형성하기 위해 나선 각도는 가능한 한 낮게 선택되는 것이 바람직할 것이다. 일부 실시예에서는, 나선 각도가 20˚ 미만이다.
나선과 같은 형상을 가진 배관 부분에 유체가 진입하면, 소용돌이 유동(swirl flow)이 거의 즉시 형성된다. 소용돌이 유동은 종래의 유동에 비해 많은 장점을 가진다. 난류(turbulence) 및 연관되는 압력 손실( 및 에너지 손실)이 감소될 수 있다. 이에 더해, 단면에 걸친 혼합의 결과, 파이프를 따라 유동의 속도 프로필(velocity profile)이 종래의 파이프 내의 유동의 경우보다 더 균일( 또는 완곡(blunt))하고, 소용돌이치는(swirling) 유동이 플런저(plunger)와 같은 역할을 하는 경향을 가져 파이프 벽을 닦는다(scouring).
소용돌이 유동은 저폭 나선으로의 진입 후 파이프 직경의 수 배 이내에서 파이프의 전체 너비에 걸쳐 일반적으로 형성되는 것으로 발견되었다. 더욱이, 소용돌이 유동과 연관되는 이차 운동(secondary motion)과 단면에 걸친 혼합은 그 결과로 서 코어 내의 유체에서 및 코어 내의 유체와 파이프 벽의 유체 사이에서 상당한 질량, 운동량(momentum), 및 열 전달을 일으킨다.
저폭 나선형 형태를 가진 튜브의 일부가 도 1에 도시되어 있다. 이 튜브(1)은 원형 단면, 외부 직경 DE, 내부 직경 DI, 및 벽 두께 T를 가진다. 튜브은 (평균에서부터 최고 측면까지로 측정할 때) 일정한 폭 A, 일정한 피치(pitch) P, 일정한 나선 각도 θ, 및 스웹트(swept) 너비 W를 가지는 나선으로 말려 있다. 튜브(1)은 세로로 연장되고 나선의 스웹트 너비 W와 같은 너비를 가진 가상의 외피(imaginary envelope) 내에 포함되어 있다. 외피(20)는 중심 세로축(30)을 가진 것으로 볼 수 있고, 이는 나선형 회전의 축이라 지칭될 수도 있다. 묘사된 튜브(1)은 직선형 축(30)을 가지고 있지만, 중심축은 곡선형일 수 있고, 요구조건에 따라 어떠한 형상이든 가질 수 있음을 이해할 것이다. 튜브은 중심 세로축(30) 주위로 나선형 경로를 따르는 중심선(40)을 가지고 있다.
폭 A는 튜브의 내부 직경 DI의 반 미만인 것을 관찰할 것이다. 폭을 이 크기 미만으로 함으로써, 튜브이 차지하는 측면 공간과 튜브의 전체 길이를 상대적으로 적게 할 수 있고, 동시에 튜브의 나선형 구성은 튜브을 따라 유체의 소용돌이 유동을 촉진시킨다. 이는 또한 튜브을 따라 상대적으로 넓은 내강을 제공하는데, 이는 튜브 안쪽으로 도구, 장치 등을 통과시키는 것을 가능하게 한다.
저폭 나선형 배관의 사용은 파이프를 통한 유체의 이동 또는 이송, 파이프 내의 유체의 혼합, 파이프 내의 유체 내로 또는 외로의 열 및 질량 전달과 관련되는 수많은 공정, 파이프 내에서 침적(deposition) 또는 오염(contamination)이 일어나는 공정, 및 파이프 내에서 화학 반응이 일어나는 공정에서 유익할 수 있다. 이러한 사용은 단상(single phase)으로서의 기체 혹은 액체 또는 다상(multiphase)으로서 기체, 액체, 혹은 고체의 어떠한 조합의 혼합물에 적용가능하다. 이러한 배관의 사용은 현저한 경제적 영향을 미칠 수 있다.
일례로, 소용돌이 유동에 의해 제공되는 난류의 감소 및 연관되는 압력 강하의 감소는, 적절한 조건 하에서, 펌핑(pumping) 비용 감소를 가능하게 할 것이다.
이는 원유(crude oil) 및 가스 생산 공정을 포함하여 파이프라인(pipelines)을 통한 탄화수소물(hydrocarbons)의 분포에서 중대할 수 있다. 예를 들어, 육상(onshore) 혹은 해상(offshore)용 석유 생산 라이저(risers) 및 플로라인(flowlines)은 저폭 나선형 형태를 가지는 부분을 적어도 일부 포함할 수 있다. 저폭 나선형 형태는 플로라인 또는 라이저에 걸쳐 유동 난류를 감소시키고, 따라서 압력 손실을 감소시킨다는 점에서 라이저 또는 플로라인 내의 유체 역학을 향상시킨다.
플로라인 또는 라이저는 실질적으로 수직이거나, 실질적으로 수평이거나, 또는 S-형상 또는 사슬(catenary) 형상을 포함하여 곡선형 형태를 가질 수 있다. 플로라인 또는 라이저는 경직성(rigid) 또는 유연성(flexible), 또는 그 둘의 어떠한 조합일 수 있다. 플로라인 또는 라이저는 어떠한 조합의 재료로 축조될 수 있으며, 보강 링(strengthening rings)을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 유, 가스, 수(water), 또는 지열 정(geothermal wells) 내의 다운홀(downhole) 사용을 위한 생산 튜브은 저폭 나선형 형태를 사용할 수 있다. 정(well)의 적어도 일부는 저폭 나선형 형태를 가진 생산 튜브을 포함할 것이다. 그 이익에는 유동 난류의 감소 및 압력 손실 감소를 포함할 것이다. 더욱이, 탄화수소물의 이송을 위한 파이프라인은 저폭 나선형 형태를 사용할 수 있으며, 유동 난류 감소 및 압력 손실 감소의 이익을 누릴 것이다. 물론, 음용수, 폐수 및 하수, 슬러리, 분말, 식품 혹은 음료 제품, 또는 어떠한 단상(single phase) 혹은 다상(multiphase) 유체와 같이 기타 유체의 이송을 위한 파이프라인 또한 저폭 나선형 형태를 가지고 동일한 이익을 누릴 수 있다.
압력 강하 감소가 특히 유익한 다른 분야는 수력발전(hydropower) 응용을 위한 수문(penstocks) 및 흡출관(draft tubes)의 배경에 있다. 압력 손실 감소는 발전 출력 증가로 이어질 것이며, 압력 강하에 있어 적은 감소도 플랜트의 수명(life)에 걸쳐서는 전력 출력의 매우 큰 증가로 이어질 수 있다.
압력 강하 감소는 발전소(power stations) 및 기타 산업 플랜트 주위의 증기 분포에서도 중요하다. 또한 열분해(pyrolysis)에 의한 올레핀(olefins)의 생산 및 에틸 벤젠(ethyl benzene)으로부터 스티렌(styrene)의 생산과 같이, 수율(yields)을 향상시키기 위해 압력이 가능한 한 낮은 수준으로 유지될 필요가 있는 화학 반응 작업에서도 중요하다.
파이프 내의 혼합은 화학, 식품, 제약(pharmaceutical), 물 및 석유 산업을 포함하는 다수의 산업에서 중요하다. 활성(active) 화학물의 적은 양이 큰 질량의 다른 재료 내에 균일하게 분포되는 것이 흔히 중요하다. 일부 경우에서 이는 도우징(dosing)으로 알려져 있다. 예로서는 다양한 재료 및 식품에 대한 산화방지제의 첨가, 및 식수에 대한 염소(chlorine) 또는 알칼리(alkali)의 첨가를 들 것이다. 저폭 나선은 본질적으로 양호한 혼합을 제공하기 때문에, 원하는 목적을 달성하기 위해 충분한 농도를 보장하는 데 필요한 활성 화학물의 양을 감소시킬 수 있고, 첨가제가 국부적으로 용납할 수 없을 정도로 높은( 또는 낮은) 농도인 부분이 없을 것을 보장할 수 있다.
혼합은 둘 이상의 큰 유체 줄기(streams)를 합치고 분리되지 않을 것을 보장하는 것이 요구되는 경우에도 중요하다. 혼합은 또한 유체를 (원하지 않는 상 분리를 방지하기 위해) 안정된 혼합상(mixed phase)으로 보유하는 것이 유익한 경우 중요하다. 이는 원유 및 가스의 생산에서 중요한데, 여기서 가스의 분리는 파이프라인의 용량을 감소시키는 슬러깅(slugging)을 발생시키고 작업의 지출을 상승시킨다. 사실, 석유 생산 라이저 및 플로라인, 다운홀 사용을 위한 생산 튜브, 그리고 탄화수소 및 기타 유체의 이송을 위한 파이프라인에서 저폭 나선형 형태의 또 다른 주요 이익은 슬러그 유동(slug flow)의 감소이다. 향상된 상 혼합은 파이프라인에서 또한 중대한데, 이는 가스 또는 공기를 파이프의 상부 지점에 축적되어 에어로크(airlocks)를 야기할 가능성이 생기도록 하는 대신 유체 내에 유지한다.
혼합은 또한, 파이프라인에 의한 하수의 이송 또는 광물 추출 공정에서 광물의 이송에서와 같이, 액체에 의한 고체의 이송에서 고체가 침재(settling out)되는 것을 방지하는 데 중요하다. 이러한 침강(sedimentation)( 및 광물 및/또는 탄화수 소물 침전(precipitation))의 감소는 석유 생산 라이저 및 플로라인에서, 그리고 다운홀 사용을 위한 생산 튜브에서 또한 중대하다. 침강의 감소는 또한 수력발전 응용에서도 중요하다. 이에 더해, 석유 생산 라이저 및 플로라인에서, 그리고 다운홀 사용을 위한 생산 튜브에서, 향상된 혼합은 물 드롭아웃(water drop-out)의 위험을 감소시킨다.
일례로, 화학 도우징, 그리고 식품, 화학, 석유화학 및 제약 가공을 위한 정적 혼합기(static mixers)는 저폭 나선형 형태를 사용할 수 있다. 그 이익에는 교차혼합(cross-mixing) 증가, 및 침강물 혹은 침전물에 의한 봉쇄 감소가 포함될 것이다. 이에 더해, 전술된 바와 같이, 저폭 나선형 형태는 혼합기 압력손실 감소를 줄 것이다. 더 나아가, 저폭 나선형 부분을 따라 “시선” 내강이 있고, 종래의 혼합기에 흔히 발견되는 것과 같은 배플 플레이트(baffle plates) 또는 베인(vanes)이 없기 때문에, 세척(cleaning)의 용이함이 증가된다. 이러한 이익은 그 결과로서 관리 및 마모 감소를 일으킬 것이다.
더 나아가, 저폭 나선형 형태를 사용하여 얻어질 수 있는 향상된 혼합( 특히 열적 혼합) 및 감소된 압력 손실은 발전소의 열교환기(heat exchangers), 냉장용 콜드 박스(cold boxes), 공기 분리용 콜드 박스, 등에서 특히 유익하다.
저폭 나선형 배관은 또한 반응 이전에 성분 간의 완전한 혼합을 보장하는 데 사용될 수 있다. 이는 반응이 보다 완전하게 이루어지고 재료가 효율적으로 사용될 것을 보장할 것이다. 통상적으로 이는 기체 또는 액체 반응물을 촉매 상으로 통과시키기 이전에 혼합하는 것과 관련될 것이다. 그러나 구체적으로 이는 내부 연소 엔진으로 통과시키기 이전에 연료와 공기를 혼합하는 데 사용될 수 있을 것으로 구상된다. 이는 내부 연소 공정의 효율을 향상시키고, 대기로 통과되는 타지 않은 혹은 부분적으로 연소된 연료 및 미세 고체를 감소시킬 것이다. 이 마지막 개선점은 또한 도로 운송에 사용되는 내부 연소 엔진 하류의 촉매 컨버터(catalytic converter)의 부하(demand)를 감소시키고 따라서 그 성능을 향상시킬 것이다.
저폭 나선형 배관은 파이프 내에 나선형 (소용돌이) 유동을 보장하고 더 완곡한 속도 프로필을 생성하기 때문에, 파이프 내부의 유체 내외로의 열 전달의 속도 및 균일성이 향상될 수 있다. 보통의 유동에서는, 파이프 중심의 유체가 파이프 벽 근처의 유체보다 상당히 빠르게 이동하고, 따라서 파이프가 가열되면, 벽 근처의 유체가 파이프의 중심 근처의 유체보다 더 많은 정도로 가열될 것이다.
그러나 소용돌이 유동은 더 완곡한( 그리고 이에 따라 더 균일한) 속도 프로필을 가지므로, 유체의 일부가 과하게 또는 부족하게 가열되어 원하지 않는 효과를 야기할 가능성이 더 적다. 저폭 나선형 배관은 동일한 열이 파이프 내부 및 외부 사이에 더 낮은 온도 차이(differential temperature)로 전달될 수 있게 한다.
이것은 어느 성분이 유체에 첨가되고 (가열과 같은) 어떠한 방식으로 처리되는 경우 특히 유익하다. 불량한 혼합에서는, 혼합물에서 빠르게 이동하는 부분은 처리가 부족하고(undertreated), 혼합물에서 천천히 이동하는 부분은 처리가 과하게(overtreated) 될 것이다; 그러나 저폭 나선형 형태에 의해 제공되는 매우 양호한 혼합으로는 이것이 예방되고, 보다 균일한 처리가 얻어질 수 있다.
이것은 올레핀 분해로(olefin cracking furnaces), 정제소(refinery) 열분해 로(thermal crackers) 또는 비스브레이커(visbreakers)를 위한 예열로(preheating furnaces), 올레핀 플랜트의 트랜스퍼 라인 교환기(transfer line exchangers), 발전소의 열교환기, 산업용 냉장 유닛의 콜드 박스, 공기 분리 유닛 및 냉장 유닛을 위한 콜드 박스와 같은 노(furnaces)에서 일반적으로 대단한 경제적 이익일 수 있다.
완곡한 속도 프로필은 또한 수력발전 응용에서도 유익하다. 터빈(turbines)은 속도 프로필이 완곡할 때 더 잘 작동하는 경향이 있고, 따라서 수력발전 응용에서 저폭 나선형 부분의 사용은 이러한 방법으로 효율을 향상시킬 수 있다. 수력발전 응용의 배경에서 소용돌이 유동의 부가적 장점에는 캐비테이션(cavitation) 감소 및 파이프 스트레스(pipe stresses) 감소가 포함된다.
이에 더해, 저폭 나선형 배관에 의해 생성되는 소용돌이 유동의 “플런저” 부면은 파이프의 내벽 상 미세물(fines) 또는 기타 고체 입자의 침적이 열 전달에 장애를 발생시키거나, 이를 통해 유동하는 유체를 오염시키거나, 파이프를 통한 유체의 유동을 감소시키는 파이프 내에서 일어나는 공정에 현저한 경제적 이익을 제공할 수 있다. 이러한 미세물 또는 기타 고체 입자는 유체 내에 존재할 수 있고, 또는 유체의 성분 사이의 화학 반응에 의해 발생될 수 있다.
저폭 나선형 배관의 사용은 파이프의 내벽 상에 그러한 고체 침적물을 현저히 감소시키고, 따라서 세척 이전의 작업 수명을 연장시키고, 필요한 열의 양을 감소시키며, 오염된(fouled) 파이프와 비교하여 압력 강하를 감소시킬 것으로 기대된다. 이러한 효과가 경제적으로 중대한 경우의 예에는 액체 파이프라인 내에서 고체 의 이송과, 또한 열분해에 의한 올레핀의 생산이 있는데, 노 코일(furnace coils) 내부 코크의 침전은 세척을 위해 이를 가동에서 제외시키는 것이 요구된다( 통상적으로 20 내지 60일마다). 정제 공정을 위한 예열로와 같은 기타 노에서도 유사한 효과가 발생한다.
더 나아가, 완곡한 속도 프로필 및 “플런저” 부면은 제약 및 식품 가공에서 흔한 배치가공(batch processing)의 배경에서 지극히 유용하다. 완곡한 속도 프로필 때문에, 배치(batches)의 축방향 분산(axial dispersion)이 감소될 수 있고 종래 구성보다 피크 농도(peak concentration)를 훨씬 일찍 달성할 수 있다. 이러한 특징은 배치 크기가 작은 경우 특히 유익하다. 이에 더해, “플런저 유동”은 제2 성분으로 바꾼 후 파이프 벽에서 제1 성분의 잔재를 제거하는 데 돕는데, 이는 배치가공에서 오염의 가능성을 감소시키는 것을 돕는다. 시스템을 세정(wash out)하는 데 요구되는 시간은 세정을 수행하는 데 요구되는 유체의 양과 함께 적어도 감소될 수 있다.
저폭 나선형 배관을 사용하는 것은 파이프 또는 튜브 내에서 화학 반응이 일어나는 경우 또한 실제적인(material) 경제적 중대성을 가질 수 있다. 향상된 혼합 및 보다 균일한 열 전달의 조합은 수율을 향상시키고 (연소를 포함하여) 반응의 완성을 조장할 것이다. 수율을 향상시키는 것은 또한 하류(downstream) 분리 비용을 감소시킬 것이다. 이것이 중요할 공정의 예에는 올레핀 생산 및 벤젠을 형성하기 위한 톨루엔의 크래킹(cracking)과 부텐-1(butane-1)의 부타디엔(butadiene)으로의 전환과 같은 유사한 기체 상 반응이 포함된다. 이러한 반응에 공급 재 료(feedstock)의 각 분자에 대해 하나 초과의 생성물 분자가 관련되는 경우, 저폭 나선형 배관의 사용을 통해 달성될 수 있는 반응기 및 그 하류 파이프워크(pipework) 내의 더 낮은 압력 강하는 더 낮은 평균 압력으로 부가적인 이익을 제공하는데, 이는 생성물 분자가 재결합하여 공급 재료 또는 기타 원하지 않는 부산물을 형성할 가능성을 감소시킬 것이기 때문이다. 이에 더해, 화학, 석유화학, 및 제약 응용을 위한 반응기에서저폭 나선형 형태의 사용은 반응기 튜브에 탄소 침적물(carbon deposition) 감소로 이어질 수 있는데, 이는 석유화학 산업에서 특히 중요하다.
향상된 혼합 및 보다 균일한 열 전달은 또한 (반응의 화학량에서 요구되는 것에 비해) 많은 양의 잉여 공기 없이 연소 반응의 완성을 조장할 것이다. 이것은 환경 및 인체 건강에 해로운 화학물 및/또는 입자가 대기로 방출되는 것을 방지하기 위해 완전한 반응을 보장하는 것이 필요한, 소각기(incinerators) 또는 폐기물 처리로(waste disposal furnaces)에서 특히 중요하다. 이를 방지하고 완전한 연소를 보장하는 것은 연소 가스를 대기로 통과시키기 전에, 아직 고온일 때, 저폭 나선으로 형성된 배관의 구간을 통과시킴으로써 이루어질 수 있다. 노를 내부에 소용돌이치는 유동의 생성은 폐기물의 제거, 그리고 연소의 속도 및 효율을 증가시킬 것이다.
둘 이상의 상이한 상(phases)을 포함하는 유동에서 사용될 때, 저폭 나선형 부분은 더 나아가 상이한 비중을 가진 유체의 혼합물을 “인라인(in line)” 분리하는 데 사용될 수 있다. 나선형 유동에 의해 발생되는 소용돌이(swirling)는, 원 심 효과의 결과, 혼합물에서 고비중 성분은 튜브 벽 방향으로 그리고 저비중이 성분은 중심선 방향으로 옮기려는 경향을 가진다. 적합한 구성을 통해, 고비중 (또는 저비중) 성분은 뽑아 내어져, 나머지 성분이 증가된 농도로 남도록 할 수 있다. 이 과정은 유사한 인라인 정적 분리기(in-line static separators)를 추가로 사용하여 반복될 수 있다. 이러한 분리는 액체로부터 가스를 제거하는 데 사용될 수 있고, 그러므로 특히 석유화학 산업에서 슬러깅을 감소시키는 것을 돕는 데 사용될 수 있다.
이와 유사한 접근법이 유동하는 유체 내 입자의 농도를 증가 또는 감소시키는 데 사용될 수 있다. 이것은 튜브 중심선 부근으로부터 또는 튜브 벽 근처로부터 유체를 뽑아 냄으로써 달성될 것이다.
이에 더해, 저폭 나선형 부분에 의해 일어나는 소용돌이 유동은 유동에서 입자 물질을 제거하는 데 사용될 수 있다. 이것은 예를 들어 공기 흡입구(air intakes)에서 특히 중요하다. 공기 흡입구는 공기가 요구되는 수많은 상황에서 사용되는데, 특히 연소 및/또는 냉각을 위해 공기가 요구되는 수송 수단(vehicles)에서 그러하다. 특히 헬리콥터 공기 흡입구에는 분진이 엔진에 도달하는 것을 방지하도록 보통 분진 분리기(dust separator)가 필요한데, 별도의 필터의 필요 없이 기류에서 분진을 분리하는 데 저폭 나선형 형태에 의해 생성되는 소용돌이 유동이 사용될 수 있다.
더 나아가, 저폭 나선형 부분에 의해 일어나는 소용돌이 유동은 그 구간 하류의 직선형 파이프 내에서 얼마의 거리에서 지속되는 것으로 발견되었다. 따라서, 저폭 나선형 배관의 구간은 벤드(bends), T- 혹은 Y-접합부(junction), 매니폴드(manifolds), 및/또는 콘딧 교차점(conduit cross-section)과 같은 구조의 상류에 삽입될 수 있고, 여기서 저폭 나선형 부분에 의해 생성되는 소용돌이 유동은 유동 분리, 정체(stagnation) 및 유동 불안정성을 억제하여 펌핑 비용 및 파이프 내의 부식 및 마모에 유익할 것이다. 벤드, 접합부 등에서 소용돌이치는 유동 특유의 이익은 유동 분리 감소로서, 이는 압력 손실 감소, 침강 및 침전 감소, 캐비테이션 감소, 및 유동 안정성 증가로 이어질 것이다. 벤드 이전에 배치된 저폭 나선형 형태 파이프는 또한 파이프 벤드 내의 입자 침식(particulate erosion)을 감소시킬 것인데, 이는 발전소로의 연료 공급에 있어 특히 유익할 수 있다.
이와 같이 저폭 나선형 형태를 가진 배관은 수많은 상황에서 다수의 장점을 제공할 수 있다는 점이 당업자에게 명확할 것이다.
도 1은 저폭 나선형 형태를 가진 튜브을 도시한다.

Claims (12)

  1. 저폭 나선형 형태(low-amplitude helical geometry)를 사용하는, 육상(onshore) 또는 해상(offshore) 사용을 위한 석유 생산 라이저(petroleum production risers) 및 플로라인(flowlines).
  2. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 유, 가스, 수(water), 또는 지열 정 내의 다운홀(downhole) 사용을 위한 생산 튜브.
  3. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 탄화수소물, 음용수, 폐수 및 하수, 슬러리, 분말, 식품 혹은 음료 제품, 또는 어떠한 단상(single phase) 혹은 다상(multiphase) 유체의 이송을 위한 파이프라인.
  4. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 화학 도우징, 및 식품, 화학, 석유화학 및 제약 가공을 위한 정적 혼합기(static mixers).
  5. 평면형 벤드(planar bend) 상류의 저폭 나선형 형태 파이프 부분 또는 이와 유사한 것을 포함하며, 상기 벤드 주위에 소용돌이 유동을 생성하는 벤드, 접합부 등.
  6. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 수력발전 응용을 위한 수문(penstocks) 및 흡출관(draft tubes).
  7. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 화학, 석유화학, 및 제약 응용을 위한 반응기.
  8. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 발전소, 냉장용 콜드 박스(cold boxes), 및 공기 분리용 콜드 박스 내의 열교환기(heat exchangers).
  9. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 폐기물 처리를 위한 노(furnaces) 및 소각기(incinerators).
  10. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 상이한 비중을 가진 유체의 혼합물의 유동이 있는 산업 공정에서의 사용을 위한 정적 분리기(static separators).
  11. 저폭 나선형 형태를 사용하는 공기 흡입구(air intakes).
  12. 저폭 나선형 형태를 사용하는, 내부 연소 엔진을 위한 흡입구(intake).
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