KR20090094481A - Modular Heat Exchanger for High Temperature High Pressure Gas and Low Pressure Liquid - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고압의 가스 측에서 저압의 액체 쪽으로 차압에 의해 힘이 가해져 섭씨 900도 이상 압력 60 기압 이상에서도 기계적 접합만에 의한 고온 고압의 가스와 저압의 액체 간의 열교환장치에 관한 것으로, 원통 모양의 열교환장치(1) 내부에 모듈형으로 제작한 고온 고압용 컴팩한 열교환기를 요구 열교환량에 따라 모듈의 개수를 변동시켜 제작할 수 있다. 두 장의 금속판(7) 각각의 한 면에 액체 유로용 챈널(12)을 판 후 두 장을 서로 확산접합(diffusion bonding)에 의해 붙여 액체 유로를 구성함으로써 외부로 흐르는 가스의 고압과 내부로 흐르는 액체의 저압과의 큰 차압에 의해 외부에서 내부로 힘이 가해져 고온 고압에서 취약한 확산접합의 문제점을 해결한 것이다. The present invention relates to a heat exchanger between a high-pressure gas and a low-pressure liquid by mechanical bonding only by a force applied by a differential pressure from a high-pressure gas side to a low-pressure liquid, and even at a pressure of 900 degrees Celsius or more and 60 atmospheres or more. The compact heat exchanger for high temperature and high pressure produced in a modular form inside the heat exchanger 1 can be manufactured by varying the number of modules according to the required heat exchange amount. A liquid flow channel (12) is plated on one side of each of the two metal plates (7), and then the two sheets are bonded to each other by diffusion bonding to form a liquid flow path. Due to the large differential pressure with the low pressure of the force applied from the outside to the inside solved the problem of weak diffusion bonding at high temperature and high pressure.
온도가 서로 다른 두 유체 간에 열을 교환하는 장치를 열교환기라 하고 작은 크기에서도 많은 열을 교환할 수 있도록 고밀도로 제작한 열교환기를 컴팩 열교환기라고 한다. 일반적으로 튜브, 판, 휜 등으로 구성되는 컴팩 열교환기는 브래이징(brazing) 방법에 의해 서로 접합되는데 브래이징 작업 온도가 최대 섭씨 700도 이하이므로 섭씨 700도 이상에서 사용되는 컴팩 열교환기는 브래이징으로 제작할 수 없다. A device that exchanges heat between two fluids at different temperatures is called a heat exchanger, and a high-density heat exchanger designed to exchange large amounts of heat at a small size is called a compact heat exchanger. In general, compact heat exchangers consisting of tubes, plates, fins, etc. are joined to each other by the brazing method.Because the brazing operation temperature is not more than 700 degrees Celsius, the compact heat exchangers used at 700 degrees Celsius or more can be manufactured by brazing. Can't.
수소 생산 프로세스에 열을 공급하고자 하는 초고온원자로(Very High Temperature Reactor: VHTR)는 원자로에서 수소 생산 프로세스로 방사능 없이 안전하게 열을 전달하기 위해서 중간열교환기(Intermediate Heat Exchanger: IHX)가 필요하다. 원자로에서 공급되는 기체의 출구 온도는 섭씨 900도 이상이고 압력은 60 기압 이상이다. 중간열교환기는 이러한 고온 고압의 기체와 저압의 액체 간의 열교환 장치로 초고온원자로가 경제적이기 위해서는 중간열교환기의 크기가 가능하면 작아야 한다.Very High Temperature Reactor (VHTR), which wants to supply heat to the hydrogen production process, needs an Intermediate Heat Exchanger (IHX) to safely and heatlessly transfer heat from the reactor to the hydrogen production process. The outlet temperature of the gas supplied from the reactor is at least 900 degrees Celsius and the pressure is at least 60 atmospheres. The intermediate heat exchanger is a heat exchanger between the gas of high temperature and high pressure and the liquid of low pressure. In order for the ultra high temperature reactor to be economical, the size of the intermediate heat exchanger should be as small as possible.
사용온도가 섭씨 900도 이상이고 사용 압력이 기체측 60 기압 이상, 액체측이 대기압 수준으로 압력차가 큰 컴팩한 열교환기는 브래이징과 같은 통상적인 열교환기 제작방법으로 구현하기 어렵다. 따라서 확산접합(diffusion bonding)을 이용하여 제작할 수 있으나 확산접합 역시 차압이 큰 고온 환경에서 내구성이 보장되지 않기 때문에 확산접합을 사용하되 고압의 기체에서 저압의 액체 쪽으로 차압에 의해 항상 확산접합의 압축 방향으로 힘이 작용하도록 할 수 있다. 또한 원자로 출력과 같이 고출력 열교환이 가능하고 컴팩하게 제작 가능하도록 모듈형으로 제작하여 출력에 따라 여러 개의 모듈을 연결하여 설치할 수 있다. A compact heat exchanger with a large pressure difference of more than 900 degrees Celsius, an operating pressure of more than 60 atm of the gas side, and an atmospheric pressure of the liquid side is difficult to be implemented by a conventional heat exchanger manufacturing method such as brazing. Therefore, it can be manufactured by using diffusion bonding, but diffusion bonding is also used because diffusion durability is not guaranteed in high temperature environment with high differential pressure. However, diffusion bonding is always performed by differential pressure from high pressure gas to low pressure liquid. Force can act. In addition, it is possible to connect and install several modules according to the output by making it modular so that high power heat exchange is possible and compactly manufactured like the reactor output.
본 발명은 사용온도가 섭씨 900도 이상이고 사용 압력이 기체측 60 기압 이상, 액체 측이 대기압 수준으로 압력차가 큰 작동 환경에서 적용 가능한 컴팩한 열교환기에 관한 것으로, 고온 고압의 사용 환경으로 인해 통상적인 브래이징과 같은 컴팩 열교환기 제작방법으로 구현하기 어려운 문제점과, 원자로 출력과 같이 고출력에 해당하는 열교환 능력을 갖는 대형이고 컴팩한 열교환기 제작을 모듈식 방법으로 가능하도록 하는 것이다. The present invention relates to a compact heat exchanger that can be used in an operating environment where the operating temperature is greater than 900 degrees Celsius, the operating pressure is greater than 60 atm on the gas side, and the atmospheric pressure level on the liquid side is large. It is difficult to implement a compact heat exchanger manufacturing method such as brazing, and to make a large and compact heat exchanger having a heat exchange ability corresponding to a high output such as a reactor output in a modular way.
본 발명은 원통 모양(1)의 열교환기 내부에 모듈형으로 제작한 고온 고압용 컴팩한 열교환기(4)를 요구 열교환량에 따라 모듈의 개수를 변동시켜 제작할 수 있도록 한 것이다. 반원형의 두 장의 금속판 각각의 한 면에 액체 유로용 챈널을 파낸 후 두 장을 서로 확산접합(diffusion bonding)에 의해 붙여 액체 유로를 구성함으로써 외부로 흐르는 가스의 고압과 내부로 흐르는 액체의 저압과의 큰 차압에 의해 항상 외부에서 내부로 힘이 가해져 고온 고압에서 취약한 확산접합의 문제점을 해결한 것이다. 내부로 챈널이 구성된 여러 장의 판(7)과 기체측 열전달 능력을 보강하도록 휜 집합체(11)를 서로 교대로 쌓아 반원통형 모양을 만들고 이 것 두 개를 서로 붙여 원통형 열교환 모듈(4)을 구성한다. 한편 각 모듈에서 액체 유로의 길이가 모듈 반경에 비례해서 커지며 이는 각 유로 챈널마다 유량이 달라지게 하므로 각 유로마다 동일한 유량을 흐르게 하기 위해서 액체 유로 직경(12)을 해당 유 로가 위치하는 반경에 선형적으로 비례하게 정한다(도 4). 가스가 열교환기를 지나며 온도가 낮아지고 밀도가 커져 속도가 작아지므로 가스 측 압력 강하를 낮추기 위해 가스 유동의 방향은 원통형 열교환기 모듈 밖에서 안쪽으로 흐르도록 한다(도 1).The present invention is to allow the compact heat exchanger (4) for high temperature and high pressure produced in a modular form inside the heat exchanger of the cylindrical shape (1) by varying the number of modules according to the required heat exchange amount. Dig a channel for the liquid flow channel on one side of each of the two semi-circular metal plates, and attach the two sheets by diffusion bonding to form a liquid flow path. The large differential pressure always exerts a force from the outside to the inside to solve the problem of weak diffusion bonding at high temperature and high pressure. Several plates (7) consisting of a channel inside and a stack (11) are alternately stacked to reinforce the gas-side heat transfer ability to form a semi-cylindrical shape, and the two are joined together to form a cylindrical heat exchange module (4). . On the other hand, the length of the liquid flow path in each module increases in proportion to the module radius, which causes the flow rate to be different for each flow channel, so that the flow path diameter (12) is linear to the radius where the flow path is located in order to flow the same flow rate in each flow channel. Proportionally (FIG. 4). As the gas passes through the heat exchanger, the temperature decreases, the density increases, and the speed decreases, so that the direction of the gas flow flows inward from the cylindrical heat exchanger module to lower the gas side pressure drop (FIG. 1).
본 발명은 고온고압 기체와 저압의 액체 간에 열교환장치에 관한 것으로, 모듈형 구성으로 원자로의 고출력 열교환이 가능한 컴팩한 열교환기를 제작할 수 있으며, 고압의 가스 측에서 저압의 액체 쪽으로 차압에 의해 항상 힘이 가해져 섭씨 900도 이상 압력 60 기압 이상에서도 확산접합과 같은 기계적 접합만으로 고온 고압의 가스와 저압의 액체 간의 견고한 열교환장치 구성이 가능하게 된다. The present invention relates to a heat exchanger between a high-temperature high-pressure gas and a low-pressure liquid, the modular configuration can produce a compact heat exchanger capable of high power heat exchange of the reactor, the force is always increased by the differential pressure toward the low-pressure liquid from the high-pressure gas side In addition, even at a pressure of more than 900 degrees Celsius and a pressure of 60 atm or more, it is possible to construct a solid heat exchanger between a gas of a high temperature and a high pressure and a liquid of a low pressure by only a mechanical bonding such as diffusion bonding.
본 발명은 원통형의 열교환기(1) 내부에 원통형의 열교환 모듈(4)을 요구하는 열교환량에 비례한 개수만큼 수직으로 쌓아 구성하며, 고온 가스 유동의 방향은 원통형 열교환 모듈 밖에서 안쪽으로 흐르게 한다. 따라서 가스는 원통형 열교환기 측면에 위치한 여러 개의 입구 노즐(2)을 통해 유입되어 열교환 모듈을 통과하여 중심의 빈 공간에서 모아져 하부에 위치한 출구 노즐(3)로 배출된다. 저온 액체는 각 원통형 열교환 모듈마다 설치된 입구 노즐(5)로 유입되어 출구 노즐(6)로 배출된다.According to the present invention, the cylindrical heat exchanger 1 is configured by stacking the cylindrical
본 발명의 원통형 열교환 모듈은 반원형의 두 장의 금속판 각각의 한 면에 액체 유로용 챈널을 파낸 후 두 장을 서로 확산접합(diffusion bonding)에 의해 붙 여 액체 유로를 구성함으로써 외부로 흐르는 가스의 고압과 내부로 흐르는 액체의 저압과의 큰 차압에 의해 외부에서 내부로 항상 힘이 가해져 고온 고압에서 취약한 확산접합의 문제점을 해결한 것이다. 이렇게 내부로 챈널이 구성된 여러 장의 판(7)과 기체측 열전달 능력을 보강하도록 휜 집합체(11)를 서로 교대로 쌓아(도 3) 반원통형 모양을 만들고 이 것 두 개를 서로 붙여 원통형 열교환 모듈(4)을 구성한다. The cylindrical heat exchange module according to the present invention digs a channel for a liquid flow channel on one surface of each of two semicircular metal plates, and then attaches two sheets by diffusion bonding to form a liquid flow path. Due to the large pressure difference from the low pressure of the liquid flowing inside, the force is always applied from the outside to the inside, thereby solving the problem of the vulnerable diffusion bonding at high temperature and high pressure. In this way, several plates (7) composed of the channel inside and 휜 aggregates (11) are alternately stacked to reinforce the gas-side heat transfer ability (Fig. 3) to form a semi-cylindrical shape, and the two are attached to each other to form a cylindrical heat exchange module ( 4) Configure.
원통형 열교환 모듈에서 액체는 입구 노즐(5)에서 입구 탱크(8)로 유입되어 반 정도 개수의 유로들을 지나 반대 끝에 설치된 탱크(10)에서 돌아 나머지 반의 유로를 따라 되돌아와 출구 탱크(9)에서 출구 노즐(6)로 배출된다. 이렇게 함으로써 가스 유동과 대향 유동(counter flow) 배열을 구성하여 열교환기 효율을 높인다.In the cylindrical heat exchange module, the liquid flows from the inlet nozzle (5) to the inlet tank (8), passes through half the number of flow paths, returns from the tank (10) installed at the opposite end, and returns along the other half flow path and exits from the outlet tank (9). It is discharged to the
한편 각 모듈에서 액체 유로의 길이가 모듈 반경에 비례해서 커지며 이는 각 유로 챈널마다 유량이 달라지게 하므로 각 유로마다 동일한 유량을 흐르게 하기 위해서 액체 유로 직경(12)을 해당 유로가 위치하는 반경에 선형적으로 비례하게 정한다(도 4).On the other hand, the length of the liquid flow path in each module increases in proportion to the module radius, which causes the flow rate to be different for each channel, so that the
도 1은 본 발명 열교환장치 정단면도1 is a cross-sectional view of the present invention heat exchanger
도 2는 본 발명 열교환 모듈의 단면도2 is a cross-sectional view of the present invention heat exchange module
도 3은 본 발명 열교환 모듈의 기체 유로와 액체 유로 구성도3 is a configuration diagram of a gas flow path and a liquid flow path of the present invention heat exchange module
도 4는 본 발명 액체 유로 직경과 모듈 반경의 함수도4 is a function diagram of the present invention liquid flow path diameter and module radius
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
1 : 원통형 열교환기 4 : 원통형 열교환 모듈1: cylindrical heat exchanger 4: cylindrical heat exchanger module
5 : 액체 입구 노즐 6 : 액체 출구 노즐5: liquid inlet nozzle 6: liquid outlet nozzle
7 : 반원형 액체 유로 판 8 : 액체 입구 탱크7: semi-circular liquid flow path plate 8: liquid inlet tank
9 : 액체 출구 탱크 11 : 기체 측 휜 집합체9
12 : 액체 유로12: liquid flow path
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