KR20110069804A - 모듈 구조 열교환기 - Google Patents

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윌헬름 브룩만
볼프강 헤그너
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발케-뒤르 게엠베하
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Abstract

본 발명은 외통(70) 및 다수의 열교환기 모듈, 즉 예열기 모듈(10), 증발기 모듈(20,30,40) 또는 과열기 모듈(50)을 갖고, 상기 열교환기 모듈은 입구 매니폴드(11,21,31,41,51), 출구 매니폴드(12,22,32,42,52) 및, 입구 매니폴드(11,21,31,41,51)로부터 출구 매니폴드(12,22,32,42,52)로 열흡수 매체, 특히 물이 흐를 때 통하는 사행 파이프(120)를 갖고, 상기 열교환기 모듈은 또한 공유 외통(70)에 배열되어 그들 주위를 흐르는 같은 열분산 매체를 가지며, 상기 증발기 모듈(20,30,40)은 외통(70) 외부에 배열된 증기 드럼(60)을 통하여 평행하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 특히 큰 부하 및/또는 온도 변화를 갖는 시설을 위한 모듈러 구조의 열교환기(1)에 관한 것이다.

Description

모듈 구조 열교환기{HEAT EXCHANGER IN MODULAR DESIGN}
본 발명은 큰 부하 및/또는 온도 변화가 발생하는, 특히 태양광 발전소에서의 시설을 위한 모듈 구조 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 출원인의 DE 29510720 U1 문헌에 특히 가스 터빈용 냉각수 공기 냉각기로서의 열교환기가 개시되어 있다. 이 열교환기는 열흡수 매체로부터 열분산 매체를 분리하는 파이프를 갖는다. 사행(蛇行) 파이프는 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드 사이에 배열되어 있고 그들을 통하여 흐르는 열흡수 매체를 갖는다. 열분산 매체는 이러한 사행 파이프 주위를 흐른다.
빈번한 부하 및 온도 변화 때문에 발생하는 기계적 및 열의 성질의 스트레스가 열교환기의 도움으로 성공적으로 감소될 수 있다는 것이 DE 29510720 U1에 개시되어 있다. 또한, 파이프 묶음의 사행하는 형태는 성능의 변화 없이 열교환기의 "다운사이징(downsizing)"을 가능하게 한다. 열거된 장점에도 불구하고, 유연하면서도 비용효율이 높게 생산될 수 있는 보다 소형이고 효율적인 열교환기의 필요가 여전히 있다. 태양광 발전소, 특히 PTC(parabolic trough) 광발전소용 열교환기는 또한 높은 온도 변화도와 함께 보다 빠른 시작 속도를 가져야 한다.
따라서, 본 발명은 DE 29510720 U1에서 개시된 열교환기를 보다 향상시키고 특히 열교환기가 적은 공간을 차지하도록 하기 위해 보다 소형인 열교환기를 제공하는 데 목적이 있다. 또한, 제조비용 절감 뿐만 아니라 유연한 생산을 가능하게 하는 것이 발명의 목적이다.
상기 목적은 독립항에 따른 열교환기에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에 열거된다.
본 발명에 따른 열교환기는 모듈식으로 생산된다. 예열기 모듈, 적어도 증발기 모듈 및 적어도 과열기 모듈일 수 있는 열교환기 모듈은 열분산 매체가 안에서 사행 파이프 묶음과 함께 열 교환기 모듈 주위를 흐르는 공유 외통에 배열된다. 따라서 열교환기는 적어도 3개의 다른 장치를 하나로 통합한다. 열 교환은 역류 및/또는 직교류 원리에 따라 발생한다. 사행 파이프는 그들을 통해 흐르는 열 흡수 매체, 예를 들어 물을 갖는다. 파이프 묶음의 사행 배열 때문에, 열교환기의 열탄성은 증가하는 반면, 전체 크기는 감소하고, 열분산 매체에서 열흡수 매체로의 열 이동은 증가한다.
본 발명은 그 중에서도 공유 외통에 각 열교환기 모듈을 설치함으로써 열교환기의 전체 크기를 크기가 감소되는 동시에 열교환기가 동일하거나 보다 증진된 성능을 보이는 결과에 근거한다. 모듈 구조의 또 다른 장점은 요구조건에 따른 각 열교환기 모듈의 유연한 적응 가능성이다. 따라서, 예를 들어 요구에 따라, 각 모듈은 첨가될 수 있거나 또는 오직 개별 모듈은 예를 들어 파이프 묶음 길이를 변화시킴으로써 수정될 수 있다. 따라서, 열교환기의 광범위한 전체 디자인에 필요한 노력이 생략될 수 있다. 또한, 고비용의 열교환기 부품 개별 제조 대신에 동일한 부분 및/또는 동일한 모듈이 사용될 수 있으므로 생산비용이 감소될 수 있다. 각 모듈 사이의 추가적 파이프 연결의 절약 및 소형 구조 때문에, 재료비가 절감됨은 물론이고, 주변과 접촉하는 표면의 감소로 인하여 주변으로의 열손실이 효과적으로 줄어들기 때문에 열교환기의 효율 또한 증가한다.
유연성 및 효율성은 증기 드럼을 이용한 다수의 증발기 모듈의 평행 연결에 의해 더욱 증가한다. 또한, 보다 높은 온도 변화도와 함께 보다 빠른 시작이 달성될 수 있는데, 이는 예를 들어 태양광 발전소의 부하 및 온도 조건을 변경할 때 매우 중요하다. 본 발명의 바람직한 실시예의 다른 형태에 따르면, 열흡수 매체가 특정 증발기 모듈의 출구 매니폴드로부터 증기 드럼으로 흐를 때 통하는 파이프는 그 파이프들이 증기 드럼으로의 오직 하나의 공유 입구를 갖는 방식으로 서로 연결된다. 따라서, 재료비 뿐만 아니라 주변으로의 연손실도 감소한다.
본 발명의 또 다른 유리한 실시예에 따르면, 열흡수 매체가 증기 드럼으로부터 특정 증발기 모듈의 입구 매니폴드로 흐를 때 통하는 파이프는 그 파이프들이 증기 드럼으로부터의 하나의 공유 출구를 갖는 방식으로 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 다른 형태에 따르면, 열교환기는 수평으로 또는 수직으로 설치될 수 있다. 수직 설치가 공간 사용에 훨씬 더 좋다. 본 발명에 따른 몇 열교환기는 비교적 좁은 공간에서 평행하여 서로 인접하게 작동될 수 있다. 특히 태양광 발전소에서는, PTC 집열기가 매우 많은 공간을 차지하기 때문에 공간 조건이 불리하다. 본 발명에 따른 열교환기의 공간절약 구조는 거의 장소에 영향을 받지 않는 설치를 가능하게 하여, 가열 매체의 열교환기로의 유로가 보다 편리하게 단축될 수 있도록 한다. 열분산 매체의 온도는 열교환기로의 유입 후 보다 높아서 열 산출이 더 많다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예의 다른 형태는 수평 설치시 열교환기 모듈이 다수의 수평 파이프층을 가지고, 각 파이프층은 동일한 수의 파이프로부터 형성되고 파이프층은 각 파이프층의 파이프가 수직 방향으로 정확히 하나가 다른 하나의 위에 놓이는 방식으로 배열되고, 외통의 중심축을 가로지르게 배열되고 수직으로 인접한 파이프부에서 열흡수 매체의 흐름 방향이 반대인 열교환기를 제공한다. 각 파이프층의 파이프 묶음의 실시예는 매우 소형의 구조를 가능하게 한다. 파이프가 정확히 서로 수직으로 하나의 파이프 위에 다른 하나의 파이프가 놓이기 때문에, 종래의 스페이서가 파이프 사이에 사용될 수 있다. 외통의 중심축을 가로지르게 배열된 수직으로 인접한 파이프부에서의 반대 흐름은 중심축을 기준으로 열교환기에서의 대칭 온도 분배를 선호한다. 이는 또한 열교환기의 수직 설치에도 비슷하게 적용된다. 이 경우, 파이프층은 수평 설치와 비교하여 90°회전하여 서로 수직으로 인접하며 예열기 모듈은 공유 외통에서 편리하게 가장 낮다.
입구 매니폴드 및 출구 매니폴드는 바람직하게는 원형 측면을 갖는다. 파이프층의 파이프는 특정 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 외주면에 동일각 만큼 서로 벌어진 특정 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 연결된다. 이로 인해 용접 작업, 기계 가공 또는 매니폴드에의 다른 작업에 충분한 공간에 제공되기 때문에 제조 방법은 보다 쉬워진다.
또한, 인접한 파이프층의 파이프는 바람직하게는 한 파이프층의 파이프가 인접한 파이프층의 파이프를 기준으로 특정 입구 및 출구 매니폴드의 인접 외주면에서 일정 각도 만큼 벌어지도록 배열되는 방식으로 특정 입구 및 출구 매니폴드에 연결된다. 입구 및/또는 출구 매니폴드의 외주 면적은 이런 방식으로 파이프층의 배열이 빽빽하게 설계될 수 있도록 최적으로 활용될 수 있다. 충분한 공간은 용접 작업, 기계 가공 또는 매니폴드에의 다른 작업을 위해 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열교환기 모듈의 파이프는 외통 내부에 집중적으로 배열되고 열분산 매체를 위한 입구 및 출구 개구부를 갖는 공유 내부 하우징에 배열된다. 내부 하우징의 측면 프로파일은 파이프 묶음이 이 내부 하우징에 의해 최대한 가까이 에워싸이도록 하기 위해 바람직하게는 직사각형이다. 열교환기 모듈 및 주변 사이의 추가의 절연은 열교환 부품을 추가적으로 에워쌈으로써 제공된다. 대안적으로, 외통 및 내부 하우징 사이의 공간은 열분산 매체의 추가적 흐름 채널로서 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 열분산 매체가 열교환기에 머무는 시간이 길어져서 열흡수 매체로의 열이동이 증가한다.
도면을 기초로 하기에 본 발명을 더 자세히 설명한다.
도 1은 수직 설치에서 파이프면 유로를 갖는 제 1실시예의 다른 형태를 통한 종단면을 나타낸다;
도 2는 도 1과 마찬가지로 통면 유로를 갖는 종단면을 나타낸다;
도 3은 수평 설치에서의 제 2실시예를 통한 종단면을 나타낸다;
도 4는 도 3에서의 B-B선을 따라 자른 측면을 나타낸다;
도 5는 도 8의 확대도이다;
도 6은 도 5의 평면도이다;
도 7은 도 3의 확대도이다;
도 8은 도 3의 A-A선을 따라 자른 측면도이다.
도 1은 제 1실시예를 나타낸다. 열교환기(1)는 공간을 절약하는 방식으로 수평으로 설치된다. 직사각형 측면 프로파일을 갖는 내부 하우징(80)은 외통(70)에 위치한다. 각 열교환기 모듈(10,20,30,40,50)의 사행 파이프(120)는 내부 하우징에 배열된다. 열흡수 매체, 예를 들어 물은 관로(pipe conduit,91)를 통하여 예열기 모듈(10)의 입구 매니폴드(11)로 유입된다. 예열기 모듈(10)의 파이프(120)를 통해 유입된 후, 상기 열흡수 매체는 예열기 모듈(10)의 출구 매니폴드(12) 및 관로(92)를 통하여 증기 드럼(60)으로 유입된다. 증기 드럼(60)으로부터, 가열된 물이 관로(93,94,95)를 통하여 평행하게 연결된 증발기 모듈(20,30,40)로 유입된다. 증발기 모듈(20,30,40)로부터의 물-증기 혼합물은 공유 회귀 유동 라인(96)을 통해 증기 드럼(60)으로 다시 흘러들어간다. 증기 드럼(60)은 건조한 증기가 관로(97)를 통하여 과열을 위한 과열기 모듈(50)의 입구 매니폴드(51)에 도달하게 하기 위하여 물-증기 혼합물로부터 물을 분리하는 수단(도시하지 않음)을 갖는다. 과열기 모듈(50)에서 과열된 증기는 관로(98)를 통하여 열교환기에서 나오고 예를 들어 발전(power generation)을 위한 다운스트림 터빈에 도달한다.
도 2에 열분산 매체의 유로가 더 자세히 도시되어 있지만, 도 2는 도 1과 같은 실시예를 도시한다. 이 경우 태양에너지에 의해 열매체 가열된 열분산 매체가 외통(70)의 입구 연결부(71)를 통해 약 400℃의 온도에서 유입된다. 외통(70) 및 내부 하우징(80)에 의해 형성되는 채널(73)을 통하여, 열유는 안에서 열유가 과열기 모듈(50)의 파이프, 3개의 증발기 모듈(40,30,20) 및 예열기 모듈(10) 주위를 차례로 흐른 뒤 열을 물로 방출하는 내부 하우징(80)에 유입된다. 냉각된 열유는 이어서 출구 연결부(72)를 통하여 열교환기(1)를 빠져나온다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 수평으로 설치된 열교환기(1)를 도시한다.
도 3의 B-B선을 따라 자른 단면도인 도 4는 열교환기(1)의 모듈러 구조를 가장 잘 보여준다. 입구 매니폴드(11) 및 출구 매니폴드(12)를 갖는 예열기 모듈(10)은 사행 파이프(120)를 갖는다. 다른 열교환기 모듈의 구조, 즉 증발기 모듈(20,30,40) 및 과열기 모듈(50)은 동일하다. 그들은 오직 크기에만 차이가 있다. 그러나, 증발기 모듈 20,30,40은 정확히 동일하다. 증발기 모듈(20,30,40)의 수는 필요에 따라 변경될 수 있다. 정확히 동일한 부분의 사용은 생산비용에 있어서 유리한 결과를 야기한다. 또한, 기능 불량의 경우, 하나 이상의 결함 있는 열교환기 모듈은 제거하거나 새로운 것으로 대체될 수 있다.
본 발명에 따른 매니폴드는 도 5에 확대 도시되어 있다. 이는 제 3증발기 모듈(40)의 출구 매니폴드(42)이다. 다양한 열교환기 모듈의 입구 및 출구 매니폴드는 본질적으로 약간만 서로 다르다. 모듈러 구조의 장점 또한 여기서 쉽게 알 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 제 1층(100)의 파이프(101,102,103,104)는 수평면 기준으로 동일 각 α 만큼 벌어진 매니폴드(42)로 이어진다. 제 2층(110)의 파이프(111,112,113,114) 또한 같은 각 α 만큼 벌어지는 매니폴드(42)로 이어진다.
도 6은 매니폴드(42)의 평면도이다. 한 층의 한 파이프가 같은 층의 다음 파이프로부터 벌어진 각 α는 이 경우 각각 45°이다. 제 1층(100)에 수직으로 인접한 제 2층(110)은 매니폴드(42)에서 제 1층 기준으로 정확히 β=22.5°만큼 벌어져 배치되어 제 2층(110)의 파이프(111,112,113,114)가 도 6의 제 1층(100)의 파이프(101,102,103,104) 사이에 각각 중앙에 보이게 된다. 접합점의 매니폴드(42)에의 이러한 규칙적 수평 및 수직 오프셋 배열 때문에, 매우 소형임에도 불구하고 용접 작업 또는 추가의 제조단계에서 충분한 공간이 남아있게 된다.
도 7은 도 3의 'X'의 확대도이다. 다른 층의 모든 파이프는 정확히 수직으로 하나의 파이프가 다른 파이프 위에 놓이는 방식으로 배열된다. 수평 및 수직의 정확한 정열 때문에 간단한 스페이서(130)가 균일하게 배열될 수 있다. 층의 파이프(120)의 배열의 또 다른 장점은 외통(70)의 중심축(200)을 가로지르게 배열되는 수직으로 인접한 파이프부(210)에서 흐름의 방향이 반대라는 점이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 장점을 도시한다. 열교환기(1)의 총 길이는 인접한 열교환기 모듈(40,50)의 입구 및 /또는 출구 매니폴드(42,51)의 인접한 배열에 의해 더욱 감소될 수 있다. 매니폴드는 열운반기(1)의 중심축(200)에 전형적으로 중앙에 배열된다.
도 9 및 10은 각 파이프층(100 및 110)의 구조를 나타낸다. 외통(70)의 중심축(200)을 가로지르게 배열된 파이프부(210)에서, 각 파이프는 수평 설치시 수직으로 인접한 파이프를 기준으로 또는 수직 설치시 수평으로 인접한 파이프를 기준으로 반대의 파이프 흐름 방향을 갖는다.

Claims (9)

  1. 외통(70) 및 다수의 열교환기 모듈을 갖고, 상기 열교환기 모듈은 예열기 모듈(10), 증발기 모듈(20,30,40) 또는 과열기 모듈(50)이며, 입구 매니폴드(11,21,31,41,51), 출구 매니폴드(12,22,32,42,52) 및, 입구 매니폴드(11,21,31,41,51)로부터 출구 매니폴드(12,22,32,42,52)로 열흡수 매체, 특히 물이 흐를 때 통하는 사행 파이프(120)를 갖고, 열교환기 모듈은 또한 공유 외통(70)에 배열되어 그들 주위를 흐르는 같은 열분산 매체를 가지며, 증발기 모듈(20,30,40)은 외통(70) 외부에 배열된 증기 드럼(60)을 통하여 평행하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 특히 큰 부하 및/또는 온도 변화를 갖는 시설을 위한 모듈러 구조의 열교환기(1).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기(1)는 수평으로 또는 수직으로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 수평 설치시, 상기 열교환기 모듈은 다수의 수평 파이프층(100,110)을 가지며, 각 파이프층(100,110)은 동일한 수의 파이프에 의해 형성되고, 파이프층(100,110)은 각 파이프층(100,110)의 파이프가 정확히 수직 방향으로 하나의 파이프가 다른 파이프 위에 놓이는 방식으로 배열되며, 외통(70)의 중심축(200)을 가로지르게 배열되는 수직으로 인접한 파이프부(210)에서 열흡수 매체의 흐름 방향은 반대인 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 설치시, 상기 열교환시 모듈은 다수의 수직 파이프층(100,110)을 갖고, 각 파이프층(100,110)은 동일한 수의 파이프로부터 형성되고, 파이프층(100,110)은 각 파이프층(100,110)의 파이프가 정확히 수평 방향으로 서로 인접하게 배열되는 방식으로 정열되고, 외통(70)의 중심축(200)을 가로지르게 배열된 수평하게 인접한 파이프부(210)에서 열흡수 매체의 흐름 방향은 반대인 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 매니폴드(11,12,31,41,51) 및 출구 매니폴드(12,22,32,42,52)는 원형 측면을 갖고, 파이프층(100)의 파이프(101,102,103,104)는 특정 입구 매니폴드(41) 및 출구 매니폴드(42)의 외주면에서 동일각(α) 만큼 서로 벌어져 특정 입구 매니폴드(41) 및 출구 매니폴드(42)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인접한 파이프층(100,110)의 파이프(101,102,103,104,111,112,113,114)는 하나의 파이프층의 파이프(111,112,113,114)가 인접한 파이프층(100)의 파이프(101,102,103,104)를 기준으로 특정 입구 매니폴드(41) 및 출구 매니폴드(42)의 인접한 외주면에 각(β) 만큼 벌어져 배열되는 방식으로 특정 입구 매니폴드(41) 및 출구 매니폴드(42)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기 모듈의 파이프(120)는 외통(70)의 내부에 집중적으로 배열되는 공유 내부 하우징(80)에 배열되고, 열분산 매체를 위한 입구 및 출구 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열흡수 매체가 특정 증발기 모듈(20,30,40)의 출구 매니폴드(22,32,42)로부터 증기 드럼(60)으로 흐를 때 통하는 파이프(96a,96b,96c)가 증기 드럼(60)으로의 하나의 공유 입구(96)를 갖는 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기(1).
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열흡수 매체가 증기 드럼(60)으로부터 특정 증발기 모듈(20,30,40)의 입구 매니폴드(21,31,41)로 흐를 때 통하는 파이프(93,94,95)가 그들이 증기 드럼(60)으로부터의 하나의 공유 출구를 갖는 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기(1).

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