KR20110022044A - 개선된 열교환기 튜브 및 공기-대-공기 인터쿨러 - Google Patents

개선된 열교환기 튜브 및 공기-대-공기 인터쿨러 Download PDF

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Abstract

공기-대-공기 인터쿨러 또는 다른 공기-대-공기 열교환기들에서 사용될 수 있는 개선된 열교환기 튜브가 개시된다. 냉각 튜브는 내부면 및 외부면을 구비한 제 1 튜브와, 내부면 및 외부면을 구비한 제 2 튜브를 가진다. 제 2 튜브는 제 1 튜브 내측에 위치된다. 하나 이상의 벽들이 제 1 튜브의 내부면으로부터 제 2 튜브의 외부면까지 연장한다. 복수의 핀들은 제 1 튜브의 외부면 상에 위치된다. 핀들은 개별적인 원형 핀들 또는 하나 이상의 헬리컬 핀들의 형태를 취할 수 있다.

Description

개선된 열교환기 튜브 및 공기-대-공기 인터쿨러{IMPROVED HEAT EXCHANGER TUBE AND AIR-TO-AIR INTERCOOLER}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈용 공기-대-공기 인터쿨러(air-to-air intercooler)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공기-대-공기 인터쿨러에서 사용하기 위한 개선된 튜브에 관한 것이다.
가스 터빈들의 사용은 오늘날 산업계에서 평범한 것으로 되었다. 발전기들을 구동하는데 사용되는 가스 터빈들은 특히 평범한 것으로 되었다. 가스 터빈 발전 화력 발전소(gas turbine fired electrical generating plant)는 석탄 화력 또는 핵발전소를 건설하는데 필요한 시간의 몇분의 일 및 비용의 몇분의 일로 건설될 수 있다. 이것들은 본질적으로 어디든지 위치될 수 있는 것으로 수력 및 풍력 발전과 같은 다른 전기 공급원보다 뛰어난 이점을 가진다. 가스 터빈은 공기를 압축한다. 이러한 압축은 공기의 온도를 크게 증가시킨다. 공기는 그런 다음 연료와 혼합되어 연소된다. 이러한 연소로부터 발생된 힘은 터빈을 회전시키도록 사용된다. 다양한 오염물의 방출을 감소시키고 터빈 효율을 증가시키기 위하여, 인터쿨러는 제 2 압축 단계 전에 압축된 공기를 냉각시키도록 사용된다.
가스 터빈을 위한 종래의 냉각 시스템들은 인터쿨러와 2차 냉각기를 포함한다. 인터쿨러는 전형적으로 외피 및 튜브형 열교환기를 포함한다. 가스 터빈으로부터 흡인되는 고온의 압축 가스는 열교환기의 외피측을 통해 순환된다. 2차 냉각기로부터의 냉각수는 열교환기의 튜브들을 통하여 순환된다. 고온 공기 및 가스로부터의 열은 냉각수로 전달된다. 냉각된 압축 공기는 그런 다음 가스 터빈으로 재순환되어, 제 2 단계 압축기로 도입되고, 궁극적으로 연료와 혼합되어 연소된다. 2차 냉각기는 전형적으로 핀형(fin type) 열교환기이다. 인터쿨러에서 가열된 물은 2차 냉각기에 있는 복수의 튜브들을 통해 순환된다. 하나 이상의 팬들은 튜브들의 외측을 가로질러 주위 공기의 통풍을 생성한다. 이러한 것은 물로부터의 열을 주위 공기를 전달시킨다. 냉각된 물은 그런 다음 터빈으로부터 고온 압축 공기를 냉각시키도록 인터쿨러를 통해 재순환된다. 이러한 것은 현재 가장 실현 가능한 해결 수단이다.
가스 터빈에 필요한 설비 및 유지 비용의 양을 감소시키기 위한 이상적인 해결 수단은 공기-대-공기 인터쿨러를 사용하여 이를 직접 냉각시키는 것이었지만, 공기가 물만큼 많은 열을 운반할 수 없다는 중대한 난제가 있다. 그러므로, 가스 터빈에서 생성된 열을 분산시키도록 극히 큰 공기-대-공기 인터쿨러를 채택하게 된다. 현재 이용 가능한 공기-대-공기 열교환기들은 종래의 튜브들을 사용하는 인터쿨러의 내부 용적이 너무 크고 조업 정지 동안 터빈에 대한 위험성이 존재함으로써 이러한 옵션을 충족시키기 위한 콤팩트형 유닛에서 충분한 표면 영역을 제공할 수 없다.
가스 터빈과 열교환기 산업에서 필요한 것은 가스 터빈의 압축 공기를 냉각시키도록 콤팩트형 패키지에 충분한 표면 영역을 제공할 수 있는 공기-대-공기 열교환기이다.
가스 터빈 산업과 열교환기 산업에서 추가로 필요한 것은 2차 냉각기의 사용없이 가스 터빈을 냉각시킬 수 있는 공기-대-공기 인터쿨러이다.
본 발명은 공기-대-공기 인터쿨러 또는 공기-대-공기 열교환기들에서 사용될 수 있는 개선된 냉각 튜브이다. 냉각 튜브는 압출 동안 형성된 평탄 금속 스트립들을 통해 서로 결합된 2개의 네스트 서클(nested circle)들이다. 복수의 핀(fin)들은 제 1 튜브의 외부면 상에 위치된다. 상기 핀들은 개별적인 원형 핀들 또는 하나 이상의 헬리컬 핀들의 형태를 취할 수 있다.
개선된 냉각 튜브들은 2차 냉각기의 사용없이 가스 터빈용 인터쿨러로서 작용하도록 충분한 표면 영역을 제공한다. 본 발명의 추가의 실시예들은 튜브 디자인이 공기-대-공기 인터쿨러에서 사용되는 가스 터빈 시스템을 준비한다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 지금 추가의 상세한 설명에 기술된다. 본 발명의 다른 특징들, 양태들, 및 이점들은 다음의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위, 및 첨부된 도면(축척으로 도시되지 않음)들에 관하여 보다 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 인터쿨러와 2차 냉각기를 사용하는 종래의 가스 터빈 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 개선된 냉각 튜브를 사용하는 가스 터빈과 공기-대-공기 인터쿨러의 사시도.
도 3은 개선된 냉각 튜브의 단면 사시도.
도 4는 개선된 냉각 튜브의 단면 단부도(cross-sectiona end view).
도 5는 A-프레임 디자인 강제 통풍 인터쿨러에 통합된 본 발명을 예시하는 개략도.
도 6은 V-프레임 디자인 유도 통풍 인터쿨러에 통합된 본 발명을 예시하는 개략도.
도 7은 U-프레임 디자인 유도 통풍 인터쿨러와 함께 사용하는 본 발명을 예시하는 개략도.
도 8은 U-프레임 디자인 강제 통풍 인터쿨러에 통합된 본 발명의 개략도.
전체에 걸쳐서 동일한 도면 부호들이 동일 또는 유사한 부분을 지시하는 도면들을 지금 참조하면, 도 1은 인터쿨러(20)와 2차 냉각기(22)가 가스 터빈(24)을 위한 압축 연소 공기를 냉각시키도록 사용되는 종래의 시스템을 도시한다. 가스 터빈(24)은 전형적으로 전기 발전기(26)를 구동하도록 사용된다. 가스 터빈(24)으로부터의 고온 압축 공기는 인터쿨러(20)를 통해 순환된다. 인터쿨러(20)는 전형적으로 외피 및 튜브 열교환기이다. 고온 압축 공기는 인터쿨러(20)의 외피측을 통해 유동한다. 인터쿨러의 튜브들은 2차 냉각기(22)에 의해 냉각된 물을 운반한다. 고온 압축 공기로부터의 열은 물로 전달된다. 냉각된 압축 공기는 다시 가스 터빈으로부터 전달되어, 제 2 단계 압축기로 도입되고, 궁극적으로 연료와 혼합되어 연소된다.
냉각된 물은 인터쿨러에서 흡열된 후에, 2차 냉각기(22)로 다시 펌핑된다. 2차 냉각기(22)는 전형적으로 핀형 물/공기 냉각기이며, 여기에서, 온수는 2차 냉각기(22)에 있는 복수의 튜브들을 통과한다. 그런 다음, 팬들은 주위 공기를 이러한 튜브들을 가로질러 유동시키고, 그러므로, 튜브에서 운반되는 물을 냉각시키고, 주위 공기로 열을 전달한다. 물이 2차 냉각기(22)에서 냉각되었으면, 물은 인터쿨러(20)로 다시 펌핑되고, 상기 사이클이 반복된다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 가스 터빈 시스템(50)은 발전기(56)를 구동하는 가스 터빈(54)을 위한 인터쿨러로서 공기-대-공기 인터쿨러(52)를 사용한다. 고온의 압축 공기는 가스 터빈 출구(58)로부터 흡인되어, 냉각기(52)로 전달된다. 고온 압축 공기는 복수의 튜브(60)들을 통과한다. 고온 압축 공기가 튜브들을 통과함으로써, 하나 이상의 팬(62)들은 주위 공기를 튜브(60)들의 외측을 가로질러 유동시킨다. 튜브(60)들에 있는 고온 압축 공기로부터의 열은 주위 공기로 전달되고, 그러므로 고온 압축 공기를 냉각시킨다. 고온 압축 공기가 냉각되었으면, 공기는 다시 가스 터빈 입구(64)로 전달된다. 냉각된 압축 공기는 연료와 혼합되어 연소된다.
고온 압축 공기로부터 열을 전달하도록 튜브(60)들 내측에 충분한 표면 영역을 가지기 위하여, 본 발명의 개선된 튜브(60)들을 사용하는 것이 필요하다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 개선된 튜브(60)는 내부면(82)과 외부면(84)을 가지는 제 1 튜브(80)로 구성된다. 냉각 튜브(60)는 제 1 튜브(80) 내측에 위치된 제 2 튜브(86)를 가진다. 일부 실시예들에서, 제 1 및 제 2 튜브(80, 86)들은 동심일 수 있다.
제 2 튜브(86)는 내부면(88)과 외부면(90)을 가진다. 하나 이상의 벽(92)들이 제 1 튜브(80)의 내부면(82)으로부터 제 2 튜브(86)의 외부면(90)으로 연장한다. 하나 이상의 핀(94)들은 제 1 튜브(80)의 외부면(84) 상에 위치된다. 도 3 및 도 4는 복수의 개별적인 원형 핀들로 구성된 핀(94)들을 도시한다. 그러나, 제 1 튜브(80)의 외부면(84) 상에 위치된 하나 이상의 연속적인 헬리컬 핀(94)들을 사용하여 본 발명을 구성하는 것도 가능하다.
도 3 및 도 4는 8개의 벽(92)들을 사용하는 본 발명을 도시한다. 그러나, 벽(92)들의 정확한 수 뿐만 아니라 두께와 지름, 및 제 1 및 제 2 튜브(80, 86)들의 벽 두께 뿐만 아니라 핀(94)들의 정확한 기하학적 형태 및 수는 이러한 부분들을 구성하도록 사용되는 금속의 열전달 특성 뿐만 아니라 튜브들 내측에서 냉각되는 고온 압축 공기의 온도 및 핀(94)들을 가로질러 유동하는 주위 공기의 예상되는 온도의 함수로서 결정된다.
본 발명은 다양한 구성의 냉각기들로 통합될 수 있다. 도 5는 강제 통풍(100)을 사용하는 A-프레임 디자인을 도시하고, 마주하는 튜브 묶음(102)들이 서로를 향하여 각이 져서 A-프레임을 형성한다. 하나 이상의 팬(104)들은 화살표로 지시된 바와 같이 위를 향해 튜브 묶음(102)을 통과하도록 공기를 강제 통풍한다.
도 6은 V-프레임 디자인(100)을 도시하고, 마주하는 튜브 묶음(112)들이 서로 각이 져서 V-형상을 형성한다. 하나 이상의 팬(114)들은 화살표로 지시된 패턴으로 튜브 묶음(112)들을 통해 공기를 흡인하도록 사용된다.
본 시스템은 도 7에 도시된 바와 같이 유도 통풍을 구비한 U-프레임 디자인(120)을 또한 이용할 수 있다. 여기에서, 마주하는 튜브 묶음(122)들은 서로 나란하게 위치된다. 하나 이상의 팬(124)들은 그런 다음 화살표로 지시된 바와 같이 튜브 묶음들을 가로지르는 주위 공기의 통풍을 유도하도록 사용된다.
본 발명은 도 8에서 도시된 강제 통풍 구성을 사용하는 U-프레임 디자인(130)을 또한 통합할 수 있다. 여기에서, 마주하는 튜브 묶음(132)들은 서로 나란하게 배치된다. 하나 이상의 팬(134)들은 그런 다음 화살표로 지시된 바와 같이 튜브 묶음(132)들을 가로질러 주위 공기를 강제 통풍하도록 사용된다.
이전의 기술은 본 발명의 특정 실시예들을 상술하고, 의도된 가장 좋은 형태를 기술한다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 구조의 상세 및 부품들의 구성에서의 변경이 만들어질 수 있다는 것을 예측할 것이다. 그러므로, 본원에 제공된 설명은 제한보다는 예시적인 것으로 고려되어야 하며, 본 발명의 참된 범위는 다음이 특허청구범위와 각각의 요소가 부여되는 등가물의 전체 범위에 의해 한정된다.

Claims (15)

  1. 열교환기 튜브로서,
    내부면과 외부면을 갖는 제 1 튜브; 및
    내부면과 외부면을 가지며, 상기 제 1 튜브 내에 위치되는 제 2 튜브를 포함하는 열교환기 튜브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 튜브의 상기 내부면으로부터 상기 제 2 튜브의 상기 외부면까지 연장하는 하나 이상의 벽들을 추가로 포함하는 열교환기 튜브.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 튜브의 상기 외부면으로부터 연장하는 핀(fin)을 추가로 포함하는 열교환기 튜브.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 핀은 헬리컬 코일을 포함하는 열교환기 튜브.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 튜브의 상기 외부면으로부터 연장하는 복수의 핀들을 추가로 포함하는 열교환기 튜브.
  6. 제 1 항에 있어서, 동심인 상기 제 1 및 제 2 튜브들을 추가로 포함하는 열교환기 튜브.
  7. 발전 시스템으로서,
    터빈; 및
    내부면과 외부면을 구비한 제 1 튜브, 및 내부면과 외부면을 가지며 상기 제 1 튜브 내측에 위치되는 제 2 튜브를 갖는 공기-대-공기 인터쿨러를 포함하며;
    상기 제 1 및 제 2 튜브들은 상기 가스 터빈과 유체 연통하는 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 튜브의 상기 내부면으로부터 상기 제 2 튜브의 상기 외부면까지 연장하는 하나 이상의 벽들을 추가로 포함하는 발전 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 튜브의 상기 외부면으로부터 연장하는 핀을 추가로 포함하는 발전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 핀은 헬리컬 코일을 포함하는 발전 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 튜브의 상기 외부면으로부터 연장하는 복수의 핀들을 추가로 포함하는 발전 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서, 동심인 상기 제 1 및 제 2 튜브들을 추가로 포함하는 발전 시스템.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 튜브들은 복수의 제 1 및 제 2 튜브 줄기(tube run)들을 포함하는 포함하는 발전 시스템.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 튜브들을 가로질러 주위 공기의 통풍을 유도하도록 위치된 팬을 추가로 포함하는 발전 시스템.
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 튜브들을 가로질러 주위 공기를 강제 통풍하도록 위치된 팬을 추가로 포함하는 발전 시스템.
KR1020117000462A 2008-06-11 2009-06-09 개선된 열교환기 튜브 및 공기-대-공기 인터쿨러 KR20110022044A (ko)

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