KR20100029215A - 열 교환기 셸 조립체 및 조립 방법 - Google Patents

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도미니쿠스 프레데리쿠스 물더
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

하측에 노즐을 갖는 외부 셸; 외부 셸 내에 위치하면서 외부 셸과 함께 중간 공간을 형성하고, 하측에 개구를 갖는 내부 셸 부재; 및 중간 공간에 끼워맞춰지도록 배치되고, 상기 개구와 상기 노즐 사이에 유체를 위한 밀봉된 통로를 제공하는 밀봉 부재를 포함하는 열 교환기 셸 조립체, 그리고 중간 공간을 형성하도록 내부 셸 부재를 외부 셸 부재 내로 미끄러지게 하는 단계; 상기 내부 셸 부재를 외부 셸 내에서 들어올려진 위치에 배치하는 단계; 밀봉 부재를 중간 공간 내로 미끄러지게 하는 단계; 및 상기 밀봉 부재에 가해지는 중력이 밀봉력으로 작용하도록, 상기 내부 셸 부재를 내리는 단계를 포함하는 열 교환기 셸 구조체의 조립 방법.
열 교환기 셸 조립체

Description

열 교환기 셸 조립체 및 조립 방법{HEAT EXCHANGER SHELL ASSEMBLY AND METHOD OF ASSEMBLING}
본 발명은 열 교환기 셸 조립체 및 열 교환기 셀 구조의 조립 방법에 관한 것이다.
셸-및-튜브 열 교환기는 간접 열 교환기이다. 열 교환기 셸 내에 연장된 튜브 다발의 튜브를 통과하는 유체 (튜브 측) 와 튜브 외측 공간을 통과하는 유체 (셸 측) 사이에서 열이 전달된다. 셸-및-튜브 열 교환기의 세부 내용은 예컨대 페리의 화공 기술자의 핸드북 (Perry's Chemical Engineers' Handbook, 제 7 판, 1997 년, McGraw-Hill Inc., 11-33 내지 11-46 페이지) 에서 찾을 수 있다.
셸-및-튜브 열 교환기는 셸 측과 튜브 측에서의 유체의 통로 개수에 따라 식별될 수 있다. 각 통로에서, 실질적으로 각 유체는 일반적으로 수평방향으로 연장된 열 교환기의 전체 길이를 따라 흐른다. 다중 셸 통로에서, 유체 유동은 셸의 길이를 따라 앞뒤로 수회 굽이쳐 흐른다 (meander).
열 교환기 셸은 셸측 유체를 위한 유입 및 유출 노즐을 갖는다. 단일 셸측 통로 열 교환기의 경우, 유입 노즐은 셸의 일 단부, 특히 셸의 상부에 배치되고, 유출 노즐은 반대편 단부, 특히 셸의 하부에 배치되는 것이 일반적이다. 홀수 개의 통로의 경우에도 마찬가지이다. 2 개의 셸 통로 (또는 실제로 짝수 개) 의 경우, 유입 및 유출 노즐이 동일한 단부에 배치되는 것이 적절하다.
예컨대 용도 수정이나 성능 향상을 위해 열 교환기를 개장할 때, 통로의 개수를 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 강망 (expanded metal) 배플을 포함하는 가로방향 지지부를 갖는 튜브 다발을 설치하려는 경우라면, 최적의 성능을 위해 더 많은 개수의 셸측 통로가 바람직할 수 있다. 강망은 슬릿 및 신장된 판금으로부터 제조된다. 강망 배플은, 예컨대 공개번호가 WO 2003/067170, WO2005/015107 및 WO2005/061982 인 국제특허출원 (여기서 참조로 인용됨) 으로 공지되어 있으며, 셸 유체에서 생성되는 난류로 인한 낮은 파울링 (fouling) 경향, 더 낮은 압력 강하 및 향상된 열전달과 같이 실제로 중요한 이점을 갖는 것으로 판명되었다. 이용가능한 셸 통로의 단면을 채우는 강망 배플에서, 셸 유체의 유동은 길이방향이다. 부분 배플 (segmental baffle) 을 이용하는 종래 열 교환기에서, 유동은 셸 내 주된 유동 경로를 따른 하나의 셸측 통로의 높이까지 굽이쳐 흐르므로, 셸측 유동의 유효 길이가 셸의 길이방향 연장부보다 더 길다. 강망 배플을 이용하는 경우, 셸 유동 경로 길이를 최적화하기 위해 더 많은 개수의 셸측 통로를 사용하는 것이 바람직하며, 이는 특히 강망 배플에 의해 야기되는 낮은 압력 강하의 관점에서 행해질 수 있다.
셸측 통로의 개수가 짝수와 홀수 사이에서 바뀌는 때에, 노즐 중 하나가 적절하지 않게 위치되므로, 문제가 발생한다. 원리적으로, 셸의 일 단부로부터 타 단부로의 셸측 유동을 위한 내부 유동 경로를 배치하는 것을 생각할 수 있다. 본 발명의 목적은 ,셸측 통로의 개수를 수정할 수 있는 열 교환기 셸 장치를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 하측에 노즐을 갖는 외부 셸; 외부 셸 내에 위치되면서 외부 셸과 함께 중간 공간을 형성하고, 하측에 개구를 갖는 내부 셸 부재; 및 중간 공간에 끼워맞춰지도록 배치되고, 상기 개구와 상기 노즐 사이에 유체를 위한 밀봉된 통로를 제공하는 밀봉 부재를 포함하는 열 교환기 셸 장치를 제공한다.
내부 셸 부재를 배치함으로써, 중간 공간을 이용하여 셸측 유체를 셸의 일 단부로부터 타 단부로 향하게 할 수 있다. 튜브 다발과의 실제 열교환이 이루어지는 내부 셸 공간은 중간 공간에 대해 밀봉될 필요가 있으며, 그렇지 않으면 셸측 유체가 지름길을 따라 유동하여, 열전달 효율이 저하될 수 있다. 이러한 목적으로, 내부 셸 부재와 외부 셸 사이에 밀봉 부재가 제공된다. 바람직하게는, 밀봉 부재는 중력 밀봉 부재이고, 여기서 밀봉력은 내부 셸 부재에 의해 밀봉 부재에 가해지는 중력에 의해 제공된다. 특히, 밀봉 부재는 외부 셸과 내부 셸 부재 중 적어도 하나에 연결되지 않고, 바람직하게는 외부 셸과 내부 셸 부재 모두에 연결되지 않는다. 이로 인해, 내부 셸 부재를 외부 셸 내에 배치한 후 밀봉 부재를 중간 공간 내로 밀 수 있기 때문에, 셸 장치의 설치가 특히 용이해지고, 내부 셸의 중량이, 적절하게는 튜브 다발의 중량과 함께, 밀봉 부재를 위한 밀봉력을 가하도록, 내부 셸을 하강시킴으로써 밀봉이 간단히 달성된다. 더욱이, 밀봉 부재를 통해 내부 셸과 하부 셸을 연결하지 않음으로써, 외부 셸과 내부 셸 부재 사이에 상이한 온도 팽창이 수용될 수 있다.
적절한 실시형태에서, 밀봉 부재는 노즐과 개구를 둘러싸는 외부 셸과 내부 셸 부재에 일치하도록 배치된 상부 및 하부 표면을 갖는 플레이트, 바람직하게는 상부 및/또는 하부 표면에 개스킷을 포함하는 플레이트이다.
특정 실시형태에서, 노즐은 외부 셸의 제 1 노즐을 형성하고, 개구는 내부 셸 부재의 제 1 개구를 형성하며, 외부 셸은 제 2 노즐을 더 포함하고, 내부 셸 부재는 제 2 개구를 포함하며, 제 2 노즐과 제 2 개구는 중간 공간을 통해 유체 소통 상태가 되도록 배치된다.
또한, 본 발명은,
하측에 노즐을 갖는 외부 셸 및 개구를 갖는 내부 셸 부재를 제공하는 단계;
외부 셸과 함께 중간 공간을 형성하도록 그리고 상기 개구가 노즐 위에 위치하는 위치에 도달하도록, 상기 내부 셸 부재를 상기 외부 셸 부재 내로 미끄러지게 하는 단계;
상기 내부 셸 부재를 외부 셸 내에서 들어올려진 위치에 배치하는 단계;
상기 개구와 상기 노즐 사이에 유체를 위한 통로를 제공하는 밀봉 부재를 중간 공간 내로 미끄러지게 하는 단계; 및
상기 밀봉 부재에 가해지는 중력이 밀봉력으로 작용하도록, 상기 내부 셸 부재를 내리는 단계
를 포함하는 열 교환기 셸 구조체의 조립 방법을 제공한다.
본 방법은, 외부 셸을 유지하면서 새로운 튜브 다발을 내부 셸 부재 내에 배치하는 열 교환기의 개조에 특히 유용하다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1 은, 본 발명에 따른 열 교환기 셸 조립체를 갖는 열 교환기의 개략도이다.
도 2 는, 도 1 의 선 Ⅱ-Ⅱ 을 따라 자른 열 교환기의 단면도이다.
도 3 은, 도 1 및 도 2 의 밀봉 부재 (25) 의 개략 평면도이다.
동일한 도면 부호가 도 1 내지 도 3 에서 사용되며, 이들은 동일하거나 유사한 대상을 가리킨다.
본 발명에 따른 열 교환기 셸 조립체 또는 구조체 (2) 를 포함하는 열 교환기 (1) 를 개략적으로 보여주는 도 1 내지 도 3 을 참조한다. 열 교환기 셸 조립체 (2) 는 외부 셸 (4) 및 내부 셸 부재 (5) 를 포함한다. 외부 셸 (4) 은 상측에 유입 노즐 (8) (제 2 노즐) 을 갖고, 하측에 유출 노즐 (9) (제 1 노즐) 을 갖는다. 내부 셸 부재 (5) 는 튜브 시트 (12) 와 부유 (floating) 헤드 (14) 사이에 원통형으로 연장되어, 외부 셸과 함께 중간 공간 (16) 을 형성한다. 내부 셸 부재는, 유입 노즐 (8) 에 대해 반대편에 있는 단부 근방의 상측 주위에 복수의 구멍 형태의 유입 개구 (제 2 개구) (21) 를 갖고, 동일한 단부의 하측에 유출 개구 (제 1 개구) (23) 를 갖는다. 설치시 핸들링을 위해, 내부 셸 부재가 외부 셸 (4) 내로 미끄러져 들어갈 수 있게 하는 길이방향 슬라이딩 바아 (24) 가 내부 셸 부재 (5) 에 제공되는 것이 바람직하다.
중간 공간 (16) 에 밀봉 부재 (25) 가 위치되며, 이 밀봉 부재는 유출 개구 (23) 와 유출 노즐 (9) 사이에 유체를 위한 밀봉된 통로 (26) 를 제공한다.
밀봉 부재 (25) 는 도 1 에 매우 간략하게만 나타내었고, 도 2 및 도 3 에 잘 나타내었다. 밀봉 부재의 기본 구조는 외부 셸 및 내부 셸 부재에 일치하는 아치형 플레이트 (28) 로 형성된다. 손잡이 (31) 는 설치시 밀봉 부재의 핸들링에 기여한다. 내부 셸 부재에는, 유출구 (23) 주위에 용접된 플레이트 (30) 가 제공되어, 밀봉 부재를 위한 접촉 표면을 형성한다.
최적의 밀봉을 위해, 밀봉 부재에 상부 및 하부 개스킷 링 (32, 33) 이 제공되며, 이들 개스킷 링은 밀봉 부재의 플레이트 (28) 에 기계가공된 원형 그루브 시팅 (groove seating) 내에 위치되는 것이 적절하다. 적절한 개스킷 재료는 250 ℃ 까지의 내열도 (temperature resistance) 를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 이다. 100 % 신장형 (expanded) PTFE (e-PTFE), 다방향성 배향 섬유 구조 (multidirectional orientated fibre structure), 고어텍스 시리즈 300 종류의 경우, 양호한 결과가 얻어졌다. 이 재료의 온도 범위는 -240 ℃ ∼ +250 ℃ 이고, 허용되는 피크 온도는 315 ℃ 까지이다. 두께 3 ㎜ 의 PTFE 테이프를 사용하였다. 부유 헤드 및 배플의 밀봉을 위해, 두께 2 ㎜ 의 밀봉 테이프를 사용하였다. 개스킷 링을 위치시키기 전에, 시팅을 알코올로 세척하고, 개스킷을 시팅 내에 접착시켰다.
따라서, 밀봉 부재 (25) 는 중력에 의해 밀봉되도록 배치된다. 내부 셸 이 들어올려지면셔, 밀봉 부재는 중간 공간 (16) 에 느슨하게 도입될 수 있다. 내부 셸 부재에 의해 밀봉 부재에 가해지는 중력에 의해 밀봉력이 제공되고, 밀봉 부재를 셸 (4, 5) 중 어느 하나에 고정시키지 않으면서 밀봉이 달성된다. 밀봉 부재의 설치 후, 내부 셸 부재는 유출 개구 (23) 의 근방에서 슬라이딩 스트립 (24) 에 놓이지 않는다.
내부 셸 부재는 튜브 시트 (12) 로부터 부유 헤드 (16) 까지 연장된 튜브 (35, 36) 를 수납하고, 튜브는 밀봉 부재를 가압하는 중량을 제공한다. 중량은 예컨대 1000 ㎏ 초과 (5,000 ㎏ 등) 일 수 있다. 개구 (39) 를 갖는 길이방향 배플 (38) 은 셸측의 2 개의 통로 구성을 제공하는 역할을 한다. 길이방향 배플을 기계적으로 설치하기 위해, 내부 셸 부재는 상측 및 하측 절반 셸로 구성되고, 이 절반 셸들 사이에 길이방향 배플이 클램핑될 수 있다.
열 교환기 (1) 의 튜브 측에는, 간명화를 위해 단지 수개의 튜브 (35, 36) 만을 나타내었다. 열 교환기 (31) 의 튜브 측은 점을 찍어 표시하였다. 이 실시형태에서, 튜브 측은 2 개의 튜브 통로 배치를 갖는다. 튜브 측은 튜브 유입 헤더 (43) 에 연결된 유입구 (41) 를 갖는다. 튜브 유입 헤더는 튜브 다발의 하측 부분과 유체 소통 상태에 있고, 튜브 단부 시트 (44) 까지 연장된 튜브 (36) 는 튜브 다발의 상측 부분과 유체 소통 상태에 있는 부유 헤드 (14) 에 연결되며, 튜브 (35) 는 튜브 유출 헤더 (47) 까지 연장되고, 튜브 유출 헤더에는 튜브 측으로부터의 유출구 (49) 가 배치되어 있다. 유입 및 유출 튜브 헤드 (43, 47) 는, 셸 단부로부터 튜브가 고정된 튜브 시트 (12) 까지 외부 셸 (4) 의 중심을 따라 수평방향으로 연장된 수평방향 플레이트 (51) 에 의해 분리된다. 튜브 시트는 플랜지 (도시 안 됨) 에 의해 셸에 고정되며, 플랜지를 통해 셸의 유입 단부가 내부부품 (internals) 의 삽입 또는 제거를 위해 개방될 수 있다. 플랜지 (이를 통해 셸의 단부 부품이 제거될 수 있음) 는 부유 헤드 (14) 근처의 후방 단부에 배치될 수도 있다.
반대변 단부에 있는 튜브 단부 시트 (44) 가 튜브를 또한 고정시키는데, 튜브 시트 (12) 와는 달리, 튜브 단부 시트 (44) 및 그 튜브 단부 시트가 연결된 부유 헤드 (14) 는 셸 (34) 에 연결되지 않고, 즉 단부 헤더는 떠 있다. 이로써 셸 내에서 튜브의 열 팽창이 가능하다. 물론, 모든 튜브 유체를 수용하고 분배하는 단부 헤더 대신에, 개별 U-튜브가 적용될 수 있다.
튜브는 복수의 가로방향 배플 (65) 에 의해 지지된다. 가로방향 배플은 특히 강망 배플일 수 있지만, 로드 배플 (rod baffle) 이나 다른 배플이 또한 적용될 수 있다. 도 2 에는, 상측 절반부에서 튜브 (35) 를 지지하는 강망 그리드 (66) 가 도시되어 있다. 강망 구조의 창 (window) 을 통해 연장 및 지지된 단지 수개의 튜브만 도시하였다. 적절하게는, 하측 절반부의 튜브 (36) 도 동일한 방식으로 지지된다.
이제, 조립된 열 교환기 (1) 의 정상 작동에 대해 설명한다. 열 교환기가 원유 증류 장치의 원유 예열 트레인 (train) 에서 사용되는 때, 튜브측 유체는 (차가운) 원유일 수 있고, 셸측 유체는 원유 증류 장치로부터의 (뜨거운) 긴 잔류물 (long residue) 일 수 있다. 파울링 위험이 큰 그러한 적용의 경우, 셸측에 서의 강망 배플이 파울링을 억제하기 때문에 유리하다. 튜브측 유체는, 유입구 (41) 및 튜브 유입 헤더 (43) 를 경유하여 튜브 (36) 를 따라 전달된 후, 부유 헤드 (14) 를 경유하여 튜브 다발의 상측 부분을 따라, 유출 헤더 (47) 및 유출구 (49) 로 전달된다. 튜브측 유체는, 통과하는 동안, 셸측 유체와의 열교환에 의해 가열된다.
뜨거운 셸측 유체는 유입 노즐 (8) 을 통해 외부 셸 내로 도입된 후, 중간 공간을 따라 내부 셸 부재의 유입구 (21) 를 향해 흐른다. 이 유입구는 내부 셸 부재의 상측 부분 주위에 퍼져 있는 복수의 구멍으로 형성된다. 이런 식으로, 튜브 (35) 주위에서의 셸 유체의 최적 분배가 달성된다. 셸측 유체는 튜브 시트 (12) 를 향해 흐르고, 개구 (39) 를 통해 방향이 바뀐 후, 계속해서 유출구 (23) 를 향해 흐른다. 셸측 유체는, 유출구 (23) 로부터, 밀봉 부재에 의해 형성된 통로 (26) 를 통해 유출 노즐 (9) 로 전달되며, 이때 온도는 유입 노즐 (8) 에서의 온도보다 더 낮다.
외부 셸 (4) 과 내부 셸 부재 (5) 사이의 중간 공간 (환형) 의 하측 절반은 비유동성 또는 저속 유동성 셸 유체로 채워진다. 이 유체는 대략 튜브측 유입구 온도 근처의 온도를 가질 것이다. 밀봉 부재가 외부 셸 (4) 과 내부 셸 부재 (5) 를 서로 연결하지 않기 때문에, 외부 셸과 내부 셸 부재는 작동 중에 갖는 다른 온도에 따라 열적으로 다르게 팽창할 수 있다.
이제, 도 1 의 열 교환기 셸 구조체 (2) 의 조립 방법을 설명한다. 먼저, 적절하게는 길이방향 양 단부가 개방되도록, 부유 헤드 및 튜브 유입/유출 헤 더의 단부 부분을 포함하지 않는 외부 셸이 제공된다. 개조의 경우, 원래 열 교환기의 외부 셸이 유지되며, 새로운 내부부품, 일반적으로 튜브 다발 및 내부 셸이 제공된다. 튜브 시트, 유입/유출 헤더, 부유 헤드는 수정 또는 대체될 필요가 있을 수 있다. 내부 셸 부재 (5), 적절하게는 튜브 다발을 포함하는 내부 셸 부재 (5) 는, 개구 (23) 가 유출 노즐 (9) 의 바로 위에 위치될 때까지, 외부 셸 내로 슬라이딩 바아 (24) 상으로 미끄러진다. 그리고 나서, 내부 셸 부재는 밀봉 부재가 유출 개구 (23) 와 유출 노즐 (3) 사이의 중간 공간 내로 들어갈 수 있도록 충분히 들어올려진다. 내부 셸 부재가 내려져서, 밀봉 부재에 가해지는 중력이 밀봉력으로 작용한다. 그리고 나서, 플랜지로 단부 부품을 부착시킴으로써, 열 교환기를 완성할 수 있다.
열 교환기의 세척이 필요하다면, 반대 순서로 열 교환기를 분해할 수 있고, 세척한 후, 다시 조립할 수 있다.

Claims (6)

  1. 하측에 노즐을 갖는 외부 셸;
    외부 셸 내에 위치되면서 외부 셸과 함께 중간 공간을 형성하고, 하측에 개구를 갖는 내부 셸 부재; 및
    중간 공간에 끼워맞춰지도록 배치되고, 상기 개구와 상기 노즐 사이에 유체를 위한 밀봉된 통로를 제공하는 밀봉 부재
    를 포함하는 열 교환기 셸 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 중력 밀봉 부재이고, 상기 내부 셸 부재에 의해 밀봉 부재에 가해지는 중력에 의해 밀봉력이 제공되는 열 교환기 셸 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는, 정상 작동 동안, 외부 셸과 내부 셸 부재 중 적어도 하나에 연결되지 않고, 바람직하게는 외부 셸과 내부 셸 부재 모두에 연결되지 않는 열 교환기 셸 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 상기 노즐과 상기 개구를 둘러싸는 외부 셸과 내부 셸 부재에 일치하도록 배치된 상부 및 하부 표면을 갖는 플레이트, 바람직하게는 상부 및/또는 하부 표면에 개스킷을 포함 하는 플레이트인 열 교환기 셸 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐은 제 1 노즐을 형성하고, 상기 개구는 제 1 개구를 형성하며, 상기 외부 셸은 제 2 노즐을 더 포함하고, 상기 내부 셸 부재는 제 2 개구를 포함하며, 상기 제 2 노즐과 상기 제 2 개구는 중간 공간을 통해 유체 소통 상태가 되도록 배치되는 열 교환기 셸 조립체.
  6. 하측에 노즐을 갖는 외부 셸 및 개구를 갖는 내부 셸 부재를 제공하는 단계;
    외부 셸과 함께 중간 공간을 형성하도록 그리고 상기 개구가 노즐 위에 위치하는 위치에 도달하도록, 상기 내부 셸 부재를 상기 외부 셸 부재 내로 미끄러지게 하는 단계;
    상기 내부 셸 부재를 외부 셸 내에서 들어올려진 위치에 배치하는 단계;
    상기 개구와 상기 노즐 사이에 유체를 위한 통로를 제공하는 밀봉 부재를 중간 공간 내로 미끄러지게 하는 단계; 및
    상기 밀봉 부재에 가해지는 중력이 밀봉력으로 작용하도록, 상기 내부 셸 부재를 내리는 단계
    를 포함하는 열 교환기 셸 구조체의 조립 방법.
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