KR20120117748A - 태양열 발전기용의 증기 발생을 위한 열 교환기 - Google Patents

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볼프강 헤그너
요르그 스탈후트
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발케-뒤르 게엠베하
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Abstract

본 발명은 태양열 발전기용 증기 발생을 위한 열 교환기에 관한 것이다. 상기 열 교환기는 열 방출 매체를 위한 입구 및 출구 포트를 가진 외부 케이싱; 외부 케이싱 내에 주로 놓인, 열 흡수 매체, 바람직하게는 물을 위한 입구 및 출구 집광기; 및 열 방출 매체가 완전히 흐를 수 있도록 설계되고 열 흡수 매체를 위한 입구 집광기에서 출구 집광기로의 유동 경로로 설계된, 연속형 튜브들을 포함하는 다수의 튜브 층들을 갖는 외부 케이싱 내의 튜브 번들을 포함한다. 상기 튜브 번들은 구불구불한 방식으로 설계되었으며, 여기서 증기를 발생하기 위한 상기 열 교환기는 강제 유동 원리에 따라 설계되어서, 입구 집광기로 공급되는 열 흡수 매체는 유동 경로 중에서 연속적으로 예열, 증발 및 과열되며 과열된 증기는 출구 집광기를 빠져나간다. 상기 예열, 증발 및 과열에 요구되는 에너지는 열 교환기 내에서 열 방출 매체로부터 열 흡수 매체로의 열 전달에 의해 완전히 필수적으로 공급된다.

Description

태양열 발전기용의 증기 발생을 위한 열 교환기 {HEAT EXCHANGER FOR GENERATING STEAM FOR SOLAR POWER PLANTS}
본 발명은 태양열 발전기용의 증기 발생을 위한 열 교환기에 관한 것이다.
모듈식으로 배치되고 소위 순환원리(자연 또는 강제 순환)에 따라 작동하는 열 교환기는 해당 업계에 알려져 있다. 열 교환기는 예열기 모듈, 하나 또는 다수의 증발기 모듈 및 과열기 모듈과 같은 다수의 열 교환기 모듈들을 포함하며, 이 열 교환기 모듈들은, 각각의 입구 헤더(header)와 출구 헤더, 순환 파이프 및 외부 증기 수집 드럼(external steam collecting drum)에 의해 하나의 기능적 유닛으로 함께 전환된다.
시기, 시각 및 기상상황에 따라 태양열 발전기의 하중 및 온도에 있어서의 상당한 변화가 종종 일어나기 때문에, 태양열 발전기용 증기 발생기(generator)의 설계는 어려운 것으로 판명된다. 높은 온도구배(high temperature gradients)를 갖는 급속 시동 속도(rapid start-up speeds), 작은 공간 차지, 및 낮은 생산과 작동 비용은 태양열 발전기용의 증기 발생을 위한 열 교환기에 대한 중요 필요 요건들 중 일부에 불과하다.
따라서, 태양열 발전기용의 더욱 컴팩트(compact)하고 더욱 효율적이며 게다가 적은 비용에 제작될 수 있으며 안전하게 가동될 수 있는 열 교환기에 대한 수요는 여전하다.
이것이 본 발명이 컴팩트한 구성, 비용 효율이 높은 생산 및 안전한 작동을 가능하게 하는 열 교환기를 제공하는 목적에 기초하는 이유이다.
이 목적은 독립항에 따르는 열 교환기에 의해 성취된다. 바람직한 추가 개발은 종속항에서 제공된다.
본 발명에 따른 태양열 발전기용의 증기 발생을 위한 열 교환기는 열 방출 매체를 위한 입구 노즐 및 출구 노즐을 가진 외부 케이싱(outer casing)을 포함한다. 상기 교환기는 열 흡수 매체, 바람직하게 물을 위한 입구 헤더 및 출구 헤더를 더 포함하며, 상기 입구 헤더 및 출구 헤더는 상기 외부 케이싱 내에 주로 배치된다. 뿐만 아니라, 튜브 번들(tube bundle)은 상기 외부 케이싱 내에 추가로 배치되며, 이 튜브 번들은, 열 방출 매체가 자신의 전체 주위를 유동할 수 있도록 배치되고 열 흡수 매체를 위한 입구 헤더에서 출구 헤더로의 유로(flow path)로서 설계된, 연속형 튜브(continuous tubes)를 가지는 다수의 튜브 층들을 포함한다. 상기 튜브 번들은 구불구불한 방식(meandering fashion)으로 배치된다. 본 발명에 따른 상기 열 교환기는 강제 유동 원리(forced-flow principle)에 따라 증기를 발생하기 위해 배치되어서, 입구 헤더 속으로 공급된 상기 열 흡수 매체는 유로에서 연속적으로 예열되고, 증발되고, 과열되고, 과열된 증기는 출구 헤더에서 나간다. 예열, 증발 및 과열을 위해 요구된 에너지는 외부 케이싱 내에서 열 방출 매체로부터 열 흡수 매체로의 열 전달에 의해 기본적으로 완전히 제공된다.
그러므로, 열 교환기는 예열기, 증발기 및 과열기인 적어도 세 가지 상이한 장치를 결합한다. 튜브들의 구불구불한 배치로 인하여, 대향류(counter-flow) 원리 또는 횡류(cross-flow) 원리에 따라 열 교환이 발생한다. 열 흡수 매체, 바람직하게는 물은 구불구불한 튜브들을 통해 흐른다. 튜브 번들들의 구불구불한 배치로 인하여, 열 교환기의 전체 크기는 그것의 전체로서 축소되며, 열 방출에서 열 흡수 매체로의 열 전달은 개선되며 이 구조의 열 탄성(thermal elasticity)은 증가한다.
강제 유동 원리에 따른 태양열 발전기용의 증기 발생을 위한 열 교환기의 구성의 결과, 즉, 공급된 열 흡수 매체, 바람직하게는 물은 입구 헤더에서 출구 헤더로의 "하나의 통로"에서 예열되고 이후 증발되고 최종적으로 과열되어, 특별히 컴팩트하고 효율적인 증기 발생기가 실현된다. 비용이 많이 들고 복잡한 상호 연결을 요하는 다수의 분리된 열 교환기 모듈의 사용 대신, 유체 상태로 입구 헤더를 통해 열 교환기로 들어가는 물이 출구 헤더를 향하는 방향의 열 교환기 튜브 내에서의 그것의 유동 과정에서 예열, 증발, 과열되어서, 과열된 증기가 출구 헤더를 통해 열 교환기를 나가고, 이 과열된 증기는 발전을 위한 증기 터빈(steam turbine)으로 공급될 수 있다.
추가 증기 드럼들, 유선(flow line)들 및 개별 모듈들 사이의 연결을 생략함으로써, 열 교환기의 힘든 용접 시공 및 차후 점검의 큰 부분이 생략될 수 있기 때문에 재료비가 상당한 정도로 절약될 뿐만 아니라 생산 및 작동 비용 또한 절감된다. 증기 드럼 및 다양한 튜브 선(tube line)들과 같이 외부 케이싱의 외부에 배치된 구성 요소를 생략한 결과, 본 발명에 따른 컴팩트한 구조가 가능하며, 동시에, 증기 발생을 위한 열 전달이 대체적으로 열 교환기의 외부 케이싱 내에서만 일어나기 때문에 교환기의 고효율이 달성되어서, 열 교환기의 외부 케이싱의 외부에 배치된 구성요소로 인한 추가 열 손실은 일어나지 않는다.
이와 관련하여, "연속형 튜브"는, 열 흡수 매체를 위한 유로를 각각 정의하는 모든 튜브가 입구 헤더와 출구 헤더 사이에서의 임의의 브랜칭 또는 믹싱 지점(branching or mixing points)을 가지지 않는다는 것을 의미할 것이다. 상기 튜브는 추가적으로 "외부 케이싱 내에서" 완전히 연장하는데, 이는 튜브 번들의 어떤 부분도 외부 케이싱의 외부에 배치되지 않으며 열 방출 매체는 튜브들 주위에 완전히 흐른다는 것을 의미한다. 그러므로, 예열, 증발 또는 과열을 촉진하는 외부적인 에너지원은 요구되지 않는다. 그러므로, 연속형 튜브들의 가열 영역(heating areas)은 유동 방향으로 예열기, 증발기 및 과열기 구역(zone)을 연속적으로 형성한다. 입구 헤더와 출구 헤더 사이에 단 하나의 튜브 번들만이 배치되고 이 튜브 번들은 반복되는 구불구불한 패턴으로 일정한 진행성(constant progression)을 갖기 때문에, 이 개별적인 "구역들"은 외부로부터 인지될 수 없다.
본 발명의 선호 실시예에 따르면, 열 교환기는 수평으로 또는 수직으로 세워질(erected) 수 있다. 표면적의 더 나은 활용이 가능하기 때문에 수직 설치가 선호된다. 본 발명에 따른 다수의 열 교환기들은 비교적 좁은 표면적에서 서로 평행하여 작동될 수 있다. 파라볼라 홈통 수집기(parabolic trough collector)는 넓은 공간이 필요하기 때문에 태양열 발전기에서 이용가능한 공간은 상당히 제한된다. 본 발명에 따른 열 교환기의 공간 절약형 구조는 거의 리모트(remote)한 설치가 가능하여 열 교환기에 대한 가열된 매체들의 유동 경로는 적절하게 축소될 수 있다. 열 방출 매체의 온도는 열 교환기에 진입할 때 더 높아서 열 수율(heat yield)이 개선될 것이다.
본 발명의 추가적인 선호 실시예에 따르면, 튜브 번들이, 수직 설치의 경우, 다수의 수직 튜브 층들을 포함하며, 각 튜브 층은 동일한 수의 튜브들에 의해 형성되며, 상기 튜브층들은 개별 튜브 층들의 튜브들이 수평 방향으로 정확하게 서로 나란히 정렬되도록 배치되며, 열 흡수 매체의 유동 방향은 외부 케이싱의 중심 축에 대하여 가로로 배치된 수평으로 인접한 튜브 섹션들에 반대 방향이다. 개별 튜브 층들의 튜브 번들들의 배치는 극히 컴팩트한 구조를 허용한다. 튜브들은 수평으로 정확하게 서로 나란히 배치될 수 있기 때문에, 종래의 스페이서(conventional spacer)들은 튜브들 사이에서 사용될 수 있다. 외부 케이싱의 중심 축에 대해 가로로 배치된 수평으로 인접한 튜브 섹션들에서의 반대되는 유동은 중심 축에 따른 열 교환기내의 대칭적인 온도 분포를 촉진한다. 그것은 또한 열 교환기의 수평 설치에 동일하게 적용된다. 이 경우에, 튜브 층들은 수평으로 서로 위에 배치되지만, 수직 설치에 비해 90°비틀린다(twisted).
바람직하게는, 입구 헤더 및 출구 헤더는 원형 횡단면을 갖는다. 입구 헤더 및 출구 헤더의 원주 라인상의 하나의 튜브 층의 튜브들은 동일한 각도만큼 서로로부터 오프셋된 입구 헤더 및 출구 헤더와 연결된다. 용접, 금속절삭에 의한 생산 또는 헤더 상의 다른 작업을 위한 충분한 공간이 제공되기 때문에, 생산 공정은 이러한 방식으로 용이하게 될 것이다.
인접한 튜브 층들의 튜브들은, 각각 입구 및 출구 헤더의 인접한 원주 라인상에서 일정 각도만큼 오프셋된 인접 튜브 층의 튜브들에 대해 배치되는 방식으로 입구 헤더 및 출구 헤더와 추가로 바람직하게 연결된다. 결과적으로, 입구 헤더 및 출구 헤더의 원주 영역(circumferential area)은 최적으로 활용될 수 있어서, 튜브 층들의 배치에 컴팩트한 구성을 제공할 수 있다. 용접 작업, 금속 절삭에 의한 생산 또는 헤더 상의 다른 작업을 위한 더욱 충분한 공간이 존재한다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 튜브 번들은, 열 흡수 매체의 예열이 주로 일어나는 독립된 섹션(seperate section)을 포함한다. 독립된 예열 섹션은 예컨대 외부 케이싱 내에서의 국소적 독립(local separation)에 의해 실현될 수 있다. 열 방출 매체의 유동을 제어하고, 그렇게 하여 열 흡수 매체의 예열이 주로 이 예열기 섹션에서 일어나는 방식으로 열 교환기에서의 온도 분포를 제어하는 것이 가능하다. 대안적으로, 예열은 또한 외부 케이싱의 외부, 즉 독립된 예열기에서 완전히 일어날 수 있다. 이런 경우에, 본 발명에 따른 열 교환기는 열 흡수 매체의 증발 및 과열을 위해 주로 배치될 것이다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 상기 튜브 번들은 열 흡수 매체의 증발이 주로 일어나는 독립된 섹션을 포함한다. 독립된 증발기 섹션은 예컨대 외부 자켓(outside jacket) 내의 국소적 독립에 의해 실현될 수 있다. 열 방출 매체의 유동을 제어하고, 결과적으로, 열 흡수 매체의 증발이 이 증발기 섹션에서 주로 일어나는 방식으로 열 교환기의 온도 분포를 제어하는 것이 가능하다. 대안적으로, 증발은 외부 케이싱의 외부, 즉 독립된 증발기에서 또한 완전히 일어날 수 있다. 이런 경우에, 본 발명에 따른 열 교환기는 열 흡수 매체의 예열 및 과열을 위해 주로 배치될 것이다.
본 발명에 따른 추가 실시예에 따르면, 튜브 번들은 열 흡수 매체의 과열이 주로 일어나는 독립된 섹션을 포함한다. 독립된 과열 섹션은 외부 자켓 내의 국소적 독립에 의해 실현될 수 있다. 열 방출 매체의 유동을 제어하고, 결과적으로, 열 흡수 매체의 과열이 이 과열기 섹션에서 주로 일어나는 방식으로 열 교환기의 온도 분포를 제어하는 것이 가능하다. 대안적으로, 과열은 또한 외부 케이싱의 외부, 즉 독립된 과열기에서 완전히 일어날 수 있다. 이런 경우에, 본 발명에 따른 열 교환기는 열 흡수 매체의 예열 및 증발을 위해 주로 배치될 것이다.
바람직하게, 튜브는 입구 헤더 및 출구 헤더의 니플(nipple)을 통해 연결된다. 이것은 입구 헤더 및 출구 헤더에서의 컴팩트한 튜브 번들의 연결을 간소화한다. 니플들과 개별 튜브들 사이의 연결은 바람직하게는 물질적인 연결(material connection), 예컨대 용접에 의해 일어난다. 용접 과정은 자동화된 방식으로 일어날 수 있다. 그 후에, 용접 심(weld seam)들은 예컨대 엑스레이에 의해 개별적으로 확인된다.
본 발명의 선호되는 실시예에서, 튜브들은 니플들 없이 입구 헤더 및 출구 헤더와 직접 연결된다. 역시, 이런 경우에, 헤더와 개별 튜브 사이의 연결은 물질적인 연결, 예컨대 용접에 의해 바람직하게 일어난다. 용접 과정은 자동화된 방식으로 또한 일어날 수 있다. 그 후에, 용접 심들은 예컨대 엑스레이에 의해 개별적으로 확인된다.
바람직하게는, 니플들은 예컨대 용접으로 입구 헤더 및 출구 헤더와 물질적으로 연결된다. 납땜 과정 또한 이러한 경우에 역시 자동으로 수행될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 니플들은 입구 헤더 및 출구 헤더의 재료로부터의 금속 절삭에 의해 직접적으로 만들어진다. 예컨대, 니플들은 입구 헤더 및 출구 헤더의 기본적으로 튜브형 재료 밖으로 밀링될 수 있다. 용접 작업에 의해 유발된 잠재적인 손상은 그렇게 함으로써 줄어든다. 더욱이, 니플들과 각 헤더 사이의 개별 용접 심들의 검사는 그렇게 함으로써 회피될 수 있다.
본 발명의 선호되는 추가 실시예에 따르면, 튜브 번들의 튜브들은, 외부 케이싱 내에 동심으로 배치되고 열 방출 매체를 위한 입구 개구 및 출구 개구(inlet and outlet opening)를 포함하는 내부 하우징(internal housing)에 배치된다. 내부 하우징의 횡단면 프로파일은 바람직하게는 직사각형이어서 튜브 번들은 상기 내부 하우징에 의해 가능한 단단히 봉인(enclose)된다. 열 교환 구성요소의 추가적 봉인(enclosure)의 결과로, 열 교환기 모듈들과 주위 환경 사이에서 추가적 절연처리(insulation)가 달성된다. 내부 하우징의 입구 개구 및 출구 개구는, 독립된 공간이 외부 케이싱과 내부 하우징 사이에 생성되는 방식으로 해당 입구 노즐 및 출구 노즐(nozzle)과 연결될 수 있다. 대안적으로, 열 방출 매체의 유동은 외부 케이싱의 내부 벽을 따라 허용될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 열 교환기의 수직 설치의 경우, 열 방출 매체를 위한 입구 노즐 및 출구 노즐은 외부 케이싱의 바닥 부분에 배치된다. 열 교환기의 컴팩트함(compactness)은 그렇게 함으로써 추가로 더욱 증가된다. 더욱이, 케이싱 측면상의 연결이 바닥 부분에 가깝게 배치되기 때문에 그렇게 함으로써 유지 작업이 용이하게 된다. 외부 케이싱과 내부 하우징 사이의 공간은 열 방출 매체를 위한 유동 채널(flow channel)로 사용된다. 뜨거운 열 방출 매체는 외부 케이싱의 입구 노즐 및 내부 하우징의 입구 개구를 통해 내부 하우징의 내부로 진입하며 상향으로 유동한다. 그 후에, 열 방출 매체는, 외부 케이싱과 내부 하우징의 동심형 배치에 의해 생성된 환형 유동 채널(annular flow channel)을 통해 유동하고, 이어서, 아래로 역류하며 여기서 열 방출 매체는 출구 노즐을 통해 외부 케이싱을 빠져나간다. 열 교환기 내 열 방출 매체의 드웰 타임(dwell time)은 그렇게 함으로써 증가되어서 열 흡수 매체로의 열 전달은 일반적으로 개선된다.
본 발명은 개략적으로 도시한 도면들을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 기재 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열 교환기의 실시예의 측면도를 도시한다;
도 2는 도1의 A-A 선을 따르는 단면도를 도시한다;
도 3은 도 2의 "X"의 상세도를 도시한다;
도 4는 도 3의 B-B 선을 따르는 단면도를 도시한다;
도 5는 도 1 및 도 2의 입구 헤더의 상세도를 도시한다;
도 6은 도 5의 입구 헤더의 상면도를 도시한다.
도 1과 도 2는 본 발명에 따른 열 교환기(1)의 실시예를 도시한다. 열 교환기(1)는 공간 절약형 방식으로 수직으로 세워진다. 내부 하우징(3)은 외부 하우징(2) 내에 배치되고, 이 내부 하우징은 직사각형의 횡단면 프로파일을 갖는다. 튜브 번들(11)의 구불구불한 튜브들은 내부 하우징(3) 내에 배치된다. 물과 같은 열 흡수 매체는 입구 헤더(6)를 통해 열 교환기(1)로 진입한다. 튜브 번들(11)을 통해 흐른 뒤, 그것은 출구 헤더(7)를 통해 열 교환기(1)로부터 빠져나간다. 물은 입구 헤더(6)에서 출구 헤더(7)로의 경로 상에서 예열되고 그 후에 증발되고 그 뒤 과열된다. 열 교환기(1)로부터 빠져나간 과열된 증기는 발전(power generation)을 위해 하류 증기 터빈(도시 없음)으로 유도된다. 예열기, 증발기 및 과열기인 개별 "구역"들은 외부에서는 보이지 않는다. 증기의 발생을 위한 열 교환기(1)는, 벤슨 원리와 같은 강제 유동 원리에 따라 작동하며, 유체 형태(fluid form)로 입구 헤더에 진입하는 급수(feed water)로부터 열 교환기(1) 내의 유동 중에서 과열된 증기를 발생시키고, 이 과열된 증기는 출구 헤더(7)로부터 얻어질 수 있다. 결과적으로, 종래 사용된 증기 드럼들, 순환 파이프들, 입구 헤더와 출구 헤더 및 수많은 용접 심들이 생략될 수 있어서 컴팩트함은 증가되고 생산 비용은 절감될 수 있다. 클로(claw; 8)는 열 교환기(1)를 설치하기 위해 사용된다. 유지 작업은 투명 유리창 및 또는 잠금 수단(locking means)을 포함하는 맨홀(9)을 통해 단순한 방식으로 수행될 수 있다.
바람직하게, 열 방출 매체는, 파라볼라 플루티드 반사경(parabolic fluted reflectors)의 흡수체 튜브들에서 대략 400℃까지 가열되는 열 매체유(thermal oil)에 관련한다. 유체염(fluid salt) 또는 다른 적절한 열 운반 매체들이 하나의 대안으로 사용될 수 있다. 열 매체유는 외부 케이싱(2)의 입구 노즐(4)을 통해 열 교환기(1)로 진입한다. 이것은 그곳에서 출구 노즐(5)방향으로 흐르고 구불구불한 방식으로 형성된 튜브 번들(11)을 따라 흐른다. 일단 열 매체유가 그것의 열 에너지 일부를 물에 이송하면, 그것은 출구 노즐(5)을 통해 열 교환기(1)로부터 빠져나간다.
한 실시예(도시 없음)에 따르면, 케이싱 측면 상의 열 매체유의 유동은, 열 매체유가 열 교환기(1)의 바닥 부분에서 들어오고 나가는 방식으로 유도될 수 있다. 내부 하우징(3)과 외부 케이싱(2) 사이의 공간은 하류로 흐르는 열 매체유를 위한 유로로서 사용된다. 이 경우, 입구 노즐 및 또는 출구 노즐 모두 수직으로 세워진 열 교환기(1)의 바닥 영역(bottom region)에 배치된다.
하나의 튜브 층의 두 개의 튜브들이 도 2에서 보여진다. 튜브 번들(11)의 튜브들 및 튜브 층들의 개수는 상이한 조건에 따라 조정되는 것으로 이해된다. 도 3은 예컨대 4개의 튜브(21, 22, 23, 24)를 갖는 튜브 층(20)을 도시한다. 이는 튜브 번들(11)의 구불구불한 구조를 명확하게 도시한다.
도 4는 튜브 층(20, 30)의 서로에 관하여 개별적인 배치를 도시한다. 외부 케이싱(1)의 중심축(10)에 가로로 배치된 튜브 섹션들(15)(도 3)에서, 각 튜브는, 수직 설치의 경우 그것의 수평으로 인접한 튜브에 대해 튜브 유동에 반대하는 방향을 갖는다. 이는 예컨대 튜브(21)의 유동이 수평으로 인접한 튜브(34)의 유동에 반대된다는 것을 의미한다. 각각 인접한 튜브 층들(20, 30)에서의 이 반대되는 유동은, 열 교환기(1) 내의 변함없는 온도 분포를 추가로 보장한다. 서로에 대한 튜브들과 튜브 층들의 지속적이고 컴팩트한 배치의 결과로, 단순한 스페이서들(12)이 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 확대된 헤더를 도시한다. 입구 헤더(6)와 출구 헤더(7)는 서로 다소 차이가 있다. 니플들(22a, 33a)은 명확히 식별 가능하며, 이는 튜브들(22, 33)을 입구 헤더(6)에 고정하기 위해 이용된다. 그러므로 니플들(21a, 22a, 23a, 24a) 및 제 1 튜브 층(20)의 튜브들(21, 22, 23, 24)은 제 1 원주 라인(13)상에 배치되고 각각 동일한 각도α만큼 오프셋되는 헤더(6)로 통한다. 마찬가지로, 동일한 니플들(31a, 32a, 33a, 34a)을 가지는 튜브들(31, 32, 33, 34)은 동일한 각도α만큼 오프셋되는 인접 원주 라인(14)상의 헤더(6)에 진입한다.
도 6은 헤더(6)의 상면도를 도시한다. 다음 층의 다음 튜브로부터 한 층의 튜브를 오프셋시키는 각도α는 이 경우 각각 45°이다. 제 1 층(20)에 인접한 제 2 층(30)은 제 1 층(20)에 관해 정확히 β는 22.5°만큼 오프셋되도록 배치되어서, 도 6의 제 2 층(30)의 튜브(31, 32, 33, 34)는 제 1 층(20)의 튜브들(21, 22, 23, 24) 사이의 중간에서 제각기 알아볼 수 있다. 헤더(6)상 니플들의 이러한 일반적인 수평이고 수직인 오프셋 배치의 결과, 높은 레벨의 컴팩트함에도 불구하고 여전히 용접 작업 또는 다른 생산 단계를 위한 충분한 거리가 존재할 것이다.

Claims (14)

  1. 태양열 발전기용 증기 발생을 위한 열 교환기(1)로서,
    - 열 방출 매체를 위한 입구 노즐(4) 및 출구 노즐(5)을 갖는 외부 케이싱(outer casing; 2);
    - 열 흡수 매체, 바람직하게는 물을 위한 상기 외부 케이싱(2) 내에 주로 배치되는 입구 헤더(6) 및 출구 헤더(7); 및
    - 상기 열 방출 매체가 완전히 튜브 둘레를 유동할 수 있도록 배치되며, 상기 열 흡수 매체를 위한 상기 입구 헤더(6)에서 상기 출구 헤더(7)까지의 유로로서 배치되는 연속형 튜브(continuous tube; 21, 22, 23, 24, 33, 34)를 가지는 다수의 튜브 층들(20, 30)을 갖는 상기 외부 케이싱(2) 내의 튜브 번들(11)을 포함하며
    상기 튜브 번들(11)이 구불구불한 방식(meandering manner)으로 배치되고, 증기 발생을 위한 상기 열 교환기(1)는 강제 유동 원리에 따라 배치되어서, 상기 입구 헤더(6)에 공급된 상기 열 흡수 매체는 유로 과정에서 연속적으로 예열, 증발 및 과열되며, 과열된 증기는 상기 출구 헤더(7)로부터 나가고, 예열, 증발 및 과열에 요구되는 에너지는 상기 열 교환기(1) 내 상기 열 방출 매체로부터 상기 열 흡수 매체로의 열 전달에 의해서만 주로 이용가능하게 만들어지는 열 교환기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열 교환기(1)는 수평으로 또는 수직으로 세워질 수 있으며, 바람직하게는 수직으로 세워지는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서, 수직 설치의 경우, 상기 열 교환기(1)는 다수의 수직으로 인접한 튜브 층들(20, 30)을 포함하며, 각 튜브 층(20, 30)은 동일한 개수의 튜브들(21, 22, 23, 24, 33, 34)로부터 형성된다는 것과, 상기 튜브 층들(20, 30)은 개별 튜브 층들(20, 30)의 상기 튜브들(21, 22, 23, 24, 33, 34)이 수평 방향으로 정확하게 서로 나란히 놓이도록 정렬되고, 상기 열 흡수 매체의 유동 방향은, 상기 외부 케이싱(2)의 중심 축(10)에 대해 가로로 배치되는 수평으로 인접한 튜브 섹션(15)에 반대된다는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)는 원형 횡단면을 가지며, 상기 튜브 층(20)의 상기 튜브들(21, 22, 23, 24)은, 동일한 각도(α)만큼 서로로부터 오프셋되는 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)의 원주 라인(13) 상에서 입구 헤더(6) 및 출구 헤더(7)와 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 튜브 층(30)의 상기 튜브들(33, 34)이 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)의 인접 원주 라인(14)상에서 각도(β)만큼 오프셋된 상기 인접 튜브 층(20)의 상기 튜브들(21, 22, 23, 24)에 대해 배치되는 방식으로, 상기 인접 튜브 층들(20, 30)의 상기 튜브들(21, 22, 23, 24, 33, 34)이 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)와 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브 번들(1)이 상기 열 흡수 매체의 예열이 주로 일어나는 독립된 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브 번들(11)이 열 흡수 매체의 증발이 주로 일어나는 독립된 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브 번들(11)이 열 흡수 매체의 과열이 주로 일어나는 독립된 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브들(21, 22, 23, 24, 33, 34)은 니플들(21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a)을 통해 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)와 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브들(21, 22, 23, 24, 33, 34)은 니플들 없이 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)와 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 니플들(21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a)은 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)와 실질적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 니플들(21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a)은 상기 입구 헤더(6) 및 상기 출구 헤더(7)의 재료로부터 금속 절삭에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브 번들(11)은, 상기 외부 케이싱(2) 내에 동심으로 배치되고 상기 열 방출 매체를 위해 입구 개구 및 출구 개구를 포함하는 내부 하우징(3)내에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 매체를 위한 상기 입구 노즐(4) 및 상기 출구 노즐(5)은, 상기 열 교환기(1)의 수직 설치의 경우, 상기 외부 케이싱(2)의 바닥 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170016477A (ko) * 2014-06-10 2017-02-13 지멘스 악티엔게젤샤프트 모듈식 열 회수 증기 발생기 구성
KR20170041716A (ko) * 2014-07-03 2017-04-17 틸 솔라 엘엘씨 태양 에너지 시스템

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102721031A (zh) * 2012-06-11 2012-10-10 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种直流式蒸汽发生器
US11150037B2 (en) * 2014-10-10 2021-10-19 Baltimore Aircoil Company, Inc. Heat exchange apparatus
CN104949150A (zh) * 2015-07-03 2015-09-30 哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司 一种锅炉管式空气预热器管箱与连通箱的连接结构
CN107606641A (zh) * 2017-10-27 2018-01-19 四川省洪雅青衣江元明粉有限公司 一种基于mvr技术中的预热器
WO2020036825A1 (en) 2018-08-11 2020-02-20 Tyll Solar, Llc Solar energy system
EP3861269B1 (en) 2018-10-01 2024-05-15 Header-coil Company A/S Heat exchanger, such as for a solar power plant
WO2020253924A1 (en) 2019-06-17 2020-12-24 Aalborg Csp A/S Heat exchanger with pipe bundle
CN111912260A (zh) * 2020-06-24 2020-11-10 哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司 一种集预热、蒸发、过热为一体的换热设备

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2221382A (en) * 1937-12-14 1940-11-12 Riley Stoker Corp Steam generator
US2547589A (en) * 1947-07-02 1951-04-03 Comb Eng Superheater Inc Apparatus for extracting heat from gases under pressure
US3110288A (en) * 1958-06-26 1963-11-12 Babcock & Wilcox Ltd Heat exchanger construction
US2980083A (en) * 1958-09-22 1961-04-18 Combustion Eng Heat exchange organization
FR1359081A (fr) 1961-09-07 1964-04-24 Foster Wheeler Ltd Perfectionnements aux échangeurs de chaleurs, particulièrement pour centrales nucléaires
FR1351602A (fr) * 1962-12-29 1964-02-07 Babcock & Wilcox France Perfectionnements aux échangeurs de chaleur de récupération
US4296804A (en) * 1979-06-28 1981-10-27 Resistoflex Corporation Corrosion resistant heat exchanger element and method of manufacture
US4325171A (en) * 1979-10-15 1982-04-20 Econo-Therm Energy Systems Corporation Means and method for sealing heat exchanger walls
FR2540971B1 (fr) * 1983-02-10 1985-09-27 Novatome Generateur de vapeur pour un reacteur nucleaire refroidi par du metal liquide
US4753773A (en) * 1985-05-09 1988-06-28 Stone & Webster Engineering Corporation Double tube steam generator
US5044427A (en) * 1990-08-31 1991-09-03 Phillips Petroleum Company Heat exchanger
DE4321250A1 (de) * 1993-06-25 1995-01-05 Fritz Egger Gmbh Rohrbündel-Wärmetauscher
DE29510720U1 (de) * 1995-07-01 1995-09-07 Balcke Duerr Ag Wärmetauscher
DE19545308A1 (de) * 1995-12-05 1997-06-12 Asea Brown Boveri Konvektiver Gegenstromwärmeübertrager
US6019070A (en) * 1998-12-03 2000-02-01 Duffy; Thomas E. Circuit assembly for once-through steam generators
JP2003090690A (ja) * 2001-09-18 2003-03-28 Hitachi Ltd 積層型熱交換器及び冷凍サイクル
US6779596B2 (en) * 2002-03-22 2004-08-24 Exxonmobil Research And Engineering Company Heat exchanger with reduced fouling
US6820685B1 (en) * 2004-02-26 2004-11-23 Baltimore Aircoil Company, Inc. Densified heat transfer tube bundle
DE102004032611A1 (de) * 2004-07-05 2006-02-02 Babcock-Hitachi Europe Gmbh Herstellung einer Verbindung zwischen Dampferzeuger-Heizflächen und einem Sammler und/oder Verteiler
CN101245972A (zh) * 2008-03-14 2008-08-20 泰州市新恒盛机械制造有限公司 穿片式换热器
EP2161525B8 (de) * 2008-09-08 2016-06-08 Balcke-Dürr GmbH Wärmetauscher in Modulbauweise
PT2737261T (pt) * 2011-07-29 2019-07-16 Babcock & Wilcox Co Recetor solar de sal fundido de fluxo em serpentina vertical montando na fábrica

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170016477A (ko) * 2014-06-10 2017-02-13 지멘스 악티엔게젤샤프트 모듈식 열 회수 증기 발생기 구성
US10330310B2 (en) 2014-06-10 2019-06-25 Siemens Heat Transfer Technology B.V. Modular heat recovery steam generator construction
KR20170041716A (ko) * 2014-07-03 2017-04-17 틸 솔라 엘엘씨 태양 에너지 시스템

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Publication number Publication date
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AU2010321334B2 (en) 2015-12-03
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CN102667338B (zh) 2015-02-11

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