KR20130101282A - 쉘 앤드 플레이트식 열교환기 - Google Patents

쉘 앤드 플레이트식 열교환기 Download PDF

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KR20130101282A
KR20130101282A KR1020120022306A KR20120022306A KR20130101282A KR 20130101282 A KR20130101282 A KR 20130101282A KR 1020120022306 A KR1020120022306 A KR 1020120022306A KR 20120022306 A KR20120022306 A KR 20120022306A KR 20130101282 A KR20130101282 A KR 20130101282A
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fluid
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마사토 타케다
요시히코 우에노
유이치 카와즈
히데키 슈다이
다이스케 미야자키
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마에카와 매뉴팩쳐링 캄파니 리미티드
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Abstract

[과제] 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 제조시에, 용접 개소의 변질이나, 열 열화, 열 비틀림, 열 응력의 발생을 방지하여, 용접 불량을 없애는 한편, 플레이트 중합체의 강성을 높인다.
[해결 수단] CO2 액화기(쉘 앤드 플레이트식 열교환기)(10)는 중공 용기(12)와, 중공 용기(12)의 내부에 수용된 플레이트 중합체(14)로 구성되어 있다. 플레이트 중합체(14)는 표리면에 NH3과 CO2의 통로가 형성된 다수의 플레이트(16)로 구성되어 있다. 플레이트 외주연부(16a)를 구성하는 환형의 평탄한 판상체는 테이퍼면(46)을 갖고, 구멍(22, 24)을 형성하는 플레이트 내주연부(22a, 24a)를 구성하는 환형의 평탄한 판상체는 테이퍼면(48)을 가진다. 테이퍼면(46)의 테이퍼 각을 1.5~2.0도로 하고, 테이퍼면(48)의 테이퍼 각을 0.1~1.0도로 한다. 이에 의해, 판상체의 역 휨(52)을 없애, 용접 불량을 없애는 동시에, 플레이트 중합체(14)의 강성을 높일 수 있다.

Description

쉘 앤드 플레이트식 열교환기{SHELL AND PLATE HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 냉동 사이클을 구성하는 냉동 장치의 증발기 등에 적용되기에 적합한 동시에, 플라즈마 아크 용접에 적절한 플레이트단 형상을 가지는 쉘 앤드 플레이트식 열교환기에 관한 것이다.
냉매 순환로에 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창 장치가 개설되어 냉동 사이클을 구성하는 냉동 장치에 있어서는, 오존층 파괴, 지구 온난화 방지의 관점으로부터, 자연 냉매인 NH3나 CO2 등이 주목받고 있다. 특히, NH3는 냉동 능력이 크기 때문에, 대형 냉동 장치에 자주 이용되고 있다. 그러나, NH3는 독성이 있기 때문에, NH3를 이용한 냉동 사이클 구성 기기에 대하여, CO2를 냉각 부하측의 2차 냉매로서 이용하는 2차 냉매계를 조합한 냉동 장치가 많이 이용되고 있다. 이와 같은 NH3/CO2 냉동 장치는, 예를 들면, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시되고 있다.
NH3/CO2 냉동 장치에 있어서는, 캐스케이드 콘덴서로서 이용되는 CO2 액화기의 길이방향의 사이즈가 커져서, 냉동 유닛의 사이즈도 이에 부합하게 커질 수밖에 없다. 그 때문에, CO2 액화기는, 반입·설치시에, 냉장 창고 등의 엘리베이터에 실을 수 없어, 그 반입·설치에 지장을 초래하게 된다.
한편, 쉘 앤드 플레이트식 열교환기는, 표리 양면에 특정의 요철 패턴을 가지는 다수의 플레이트를 표리 교대로 중첩함으로써, 표리면에 기하학적 구조의 유로를 형성시킨다. 이에 의해, 플레이트의 표리면에 2개의 열교환 유체의 해당 유로를 교대로 형성시켜서, 2개의 열교환 유체 간에 플레이트를 거쳐 열교환시키도록 구성되어 있다. 해당 유로에서는, 흐르는 유체의 강력한 난류가 형성된다. 그 때문에, 쉘 앤드 플레이트식 열교환기는, 우수한 열교환 효율을 얻을 수 있는 동시에, 길이방향의 사이즈를 단축할 수 있어 설치 스페이스를 저감 할 수 있는 이점이 있으므로, 냉동 장치의 증발기나 응축기 등에 자주 이용되고 있다. 이하, 특허 문헌 3(도 4)에 개시된 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 일 구성예를 도 12에 근거하여 설명한다.
도 12에 있어서, 이 쉘 앤드 플레이트식 열교환기(100)는, 중공 용기(102)의 내부에 플레이트 중합체(104)가 수용되어 있다. 플레이트 중합체(104)는, 다수의 전열 요소인 플레이트(106)가 중첩하여 구성되어 있다. 플레이트 상호 간에는, 중공 용기(102)의 내부 공간(s1)에 대해 개방된 통로(A)와, 상기 내부 공간(s1)에 대해 닫힌 통로(B)가 교대로 형성되어 있다. 중공 용기(102)의 저부에 설치된 입구관(108)으로부터 내부 공간(s1)에 제1 열교환 유체(a)가 유입되고, 통로(A)를 통해 출구관(110)으로부터 중공 용기(102)의 외부로 배출된다.
각 플레이트(106)에는, 플레이트 외주연부 근방에서 중심점에 대해 180도 위상이 다른 위치에, 2개의 구멍(112, 114)이 뚫리고, 이들 구멍을 통해, 플레이트 중합체(104)를 관통하는 방향으로 2개의 유로가 형성된다. 구멍(112)에 대면하는 위치의 중공 용기(102)의 측벽에 입구관(116)이 설치되고, 입구관(116)과는 반대측의 측벽에서, 구멍(114)에 대면하는 위치의 측벽에 출구관(118)이 설치되어 있다. 제2 열교환 유체(b)가 입구관(116)으로부터 유입되고, 제2 열교환 유체(b)는, 구멍(112)으로부터 통로(B)를 거쳐 구멍(114)에 도달하여, 출구관(118)으로부터 유출된다.
제1 열교환 유체(a)는, 통로(A)를 흐를 때, 제2 열교환 유체(b)와 열교환하여 그 일부가 기화하고, 기액 2상 상태의 제1 열교환 유체(a)는, 세퍼레이터(120)에 의해 기액 분리된다. 제2 열교환 유체(b)는, 통로(B)를 흐를 때, 제1 열교환 유체(a)와 열교환하여 응축하고, 애프터 쿨러(122)에서 응축액과 불응축성 가스로 분리된다. 또한, 플레이트(106)의 외형은, 통상, 각형 또는 원형을 갖고 있다.
도 13은 원형의 플레이트를 이용한 플레이트 중합체의 구성예를 나타낸다. 도 13에 있어서, 원형의 플레이트(130)에는, 파형 단면을 가지는 직선 형상의 파형 요철(132)이 형성되어 있다. 플레이트(130)에는, 플레이트 외주연부(136)의 근방에, 중심에 대해 180도 위상을 달리 한 2개의 구멍(134, 134)이 천공 설치되어 있다. 플레이트(130)의 외주연부(136) 및 구멍(134)의 내주연부(138)는, 파형 요철(132)에 늘어선 좁은 환형의 평탄면에 형성되어 있다. 외주연부(136)의 평탄면을 형성하는 판상체와 내주연부(138)의 평탄면을 형성하는 판상체는, 파형 요철(132)의 피크와 골의 단차분 만큼 고저차가 형성되어 있다.
2매의 플레이트(130)를 서로의 이면끼리를 대면시켜(요철 패턴을 서로 등을 맞대고) 중첩시키고, 서로 당접한 구멍(134)의 내주연부(138)끼리를 화살표(u)로 나타낸 바와 같이 주용접(周溶接)하여, 페어 플레이트(140)를 제조한다. 이때, 플레이트(130)의 외주연부(136) 간은, 플레이트(130)에 형성된 파형 요철(132)의 피크와 골의 단차의 2배의 간극(s)을 형성한다. 다음에, 다수의 페어 플레이트(140)를 중첩시키고, 각 페어 플레이트(140)의 외주연부(136)끼리를 당접시켜서, 당접면을 화살표(ｖ)로 나타내는 바와 같이 주용접한다. 이와 같이 하여, 플레이트 중합체(142)가 형성된다. 플레이트 중합체(142)는, 중공 용기의 내부에 지지구에 의해 고정된다.
이와 같이, 플레이트 중합체(142)는, 플레이트(130)의 외주연부(136)와 구멍(134)의 내주연부(138)가, 선택적으로 용접된다. 즉, 중첩 방향을 향해 외주연부와 내주연부가 교대로 용접된다. 이에 의해, 각 플레이트 간에, 중공 용기의 내부 공간에 개방된 제1 유로와, 중공 용기의 내부 공간에 대해서 차단되는 동시에, 구멍(134)에 연통하고, 구멍(134)으로부터 중공 용기의 외부에 연통하는 제2 유로가 형성된다. 그리고, 제1 유로와 제2 유로를 흐르는 2개의 열교환 유체를 플레이트를 거쳐 열교환시킨다.
일본특허 제4188971호 특허 공보 일본특허 제4465686호 특허 공보 일본특허공개 소64-88099호 공보(도 4)
전술한 바와 같이, NH3/CO2 냉동 장치에 조립되는 CO2 액화기의 길이방향의 사이즈가 커져서, 냉동 유닛의 사이즈가 이에 제약되어 소형화할 수 없는 문제가 있다. 그 때문에, CO2 액화기의 반입·설치시에, 냉장 창고 등의 엘리베이터에 실리지 않음으로써, 그 반입·설치에 지장을 초래하게 된다.
이 문제를 해결하기 위해, 길이방향의 사이즈가 짧고, 설치 스페이스를 저감할 수 있는 쉘 앤드 플레이트식 열교환기를 이용하면 좋다. 그러나, 쉘 앤드 플레이트식 열교환기는, 플레이트 중합체를 구성하는 플레이트 간을 용접하는 용접 개소가 많아서, 용접 공정수가 많아진다. 그 때문에, 어딘가의 용접 개소에 용접 불량이 발생하면, 열교환 유체의 누설이 생기므로, 용접시에, 용접 불량을 발생시키지 않게 주의할 필요가 있다.
그러나, 플레이트는 복잡한 형상으로 프레스 성형되므로, 프레스 성형 후에 비틀림이 발생하기 쉽고, 이 비틀림에 기인하여 일어나는 변형에 의해, 플레이트 중합체의 강성이 저하될 우려가 있다. 또한, 스프링 백(spring back)이 발생하고, 플레이트 외주연부 또는 플레이트 내주연부를 형성하는 판상체에 역 휨이 발생하여, 해당 판상체 간에 간극이 발생할 우려가 있다. 판상체 간에 간극이 발생하면, 아크 용접 등을 실시하는 경우, 아크에 의한 재료로의 입열이 불안정해져서, 용접 불량이 발생할 우려가 있다.
또한, 플레이트의 재료로서, 통상, 내식성이 있는 스테인리스강이 이용되고 있다. 그러나, TIG 용접 등을 이용하면, TIG 용접은 열집중성이 그만큼 좋지 않고, 입열량이 많기 때문에, 재료에 따라서는, 플레이트의 모재가 변질되거나 혹은 열 열화나, 열 비틀림, 열 응력이 발생하여, 플레이트 중합체의 강도가 저하될 우려가 있다.
본 발명은, 이와 같은 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 쉘 앤드 플레이트식 열교환기를 제조할 때에, 플레이트의 프레스 성형 후의 비틀림이나 스프링 백 등에 기인한 용접 불량이나, 플레이트 모재의 변태에 의한 열화를 없애는 동시에, 플레이트 중합체의 강도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 쉘 앤드 플레이트식 열교환기는,
중공 용기와, 상기 중공 용기의 내부에 배치되어, 표리면에 유로 형성용 요철을 가지는 다수의 플레이트가 중첩된 플레이트 중합체를 구비하며,
각 플레이트의 동일 부위에 뚫린 구멍에 의해 플레이트 중합체를 관통하는 유로가 형성되어, 플레이트 외주연부 및 상기 구멍을 형성하는 플레이트 내주연부를 각 플레이트 간에 선택적으로 접합하고, 중공 용기의 내부 공간에 연통한 제1 유체 통로와, 상기 내부 공간에 대해 폐쇄되어 상기 관통 유로에 연통한 제2 유체 통로를 각 플레이트 간에 교대로 형성하여 이루어지고,
중공 용기의 내부 공간으로부터 제1 유체 통로를 통과하는 제1 유체와, 상기 관통 유로로부터 제2 유체 통로를 통과하는 제2 유체를 플레이트를 거쳐 열교환시키도록 한 쉘 앤드 플레이트식 열교환기에 있어서,
플레이트 외주연부 및 플레이트 내주연부가 상기 유로 형성용 요철을 형성한 부위와 일체의 평탄한 환상의 판상체로 구성되고,
인접한 플레이트에 형성되어 대면한 위치에 있어서 서로 접합되는 판상체가, 단부 측을 향해 서로 접근하는 방향으로 경사지는 테이퍼면이 형성되고, 상기 판상체의 단부 측이 서로 고정 부착되어 이루어지는 것이다.
본 발명 장치에서는, 플레이트의 외주연부나 내주연부를 형성하는 판상체에 단부 측을 향해 서로 접근하는 방향으로 테이퍼면을 갖게 하고, 단부 측의 고정 부착시에, 단부 측이 확실히 서로 당접하는 한편, 서로 가압하도록 한 것이다. 이에 의해, 플레이트에 발생한 비틀림을 억누를 수 있는 한편, 스프링 백 등에 기인한 판상체의 역 휨을 해소할 수 있다. 그 때문에, 용접 불량을 없앨 수 있는 동시에, 판상체를 테이퍼면으로 함으로써, 판상체가 평행면인 경우보다, 플레이트 중합체의 강성을 높일 수 있다.
본 발명 장치에 있어서, 플레이트 외주연부에서 판상체의 테이퍼면의 테이퍼 각이 플레이트면에 대해 1.5~2.0도이며, 플레이트 내주연부에서 판상체의 테이퍼면의 테이퍼 각이 플레이트면에 대해 1.0도 이하이면 좋다. 플레이트 외주연부에서 판상체의 테이퍼 각을 1.5~2.0도로 함으로써, 판상체에 발생하는 역 휨 방지 효과가 크고, 또한 플레이트 중합체의 강성 부여 효과도 커진다. 한편, 테이퍼 각이 2.0도를 넘으면, 용접시에, 판상체를 가압 지그를 이용하여 고정할 때에, 판상체를 과하중으로 압접할 필요가 생긴다. 그 때문에, 고정 부착 불량이 생기기 쉬워지는 동시에, 부적합 변형에 의한 잔류 응력이 발생하기 쉽다.
플레이트 내주연부는, 원주 길이도 짧고, 플레이트 내주연부 주변에서는 비틀림의 발생은 적다고 생각할 수 있어, 역 휨 방지만을 고려하면 좋다. 그 때문에, 판상체의 테이퍼 각을 1.0도 이하로 함으로써, 역 휨을 효과적으로 방지할 수 있는 한편, 판상체에 테이퍼 각을 부여하는 것으로, 플레이트 중합체의 강성을 증대시킬 수 있다. 또한, 역 휨이 발생하지 않으면, 테이퍼 각이 0도여도 좋지만, 역 휨을 확실히 방지하기 위해서는, 테이퍼 각을 0.1~1.0도로 하는 편이 좋다. 한편, 플레이트 내주연부에서, 판상체의 테이퍼 각이 1.0도를 넘으면, 플레이트 외주연부와 같은 불리함이 생긴다.
본 발명 장치에 있어서, 플레이트 외주연부에서 판상체의 플레이트 반경 방향폭이 2mm 이상인 한편, 플레이트 직경에 대한 상기 플레이트 반경방향 폭의 치수비(플레이트 반경방향 폭/플레이트 직경)가 0.004~0.009이면 좋다. 플레이트 반경방향 폭을 2mm 이상으로 하고, 상기 치수비≥0.004로 함으로써, 플레이트 외주연부의 고정 부착에 필요한 강도와 고정 부착 성능을 판상체에 부여할 수 있는 동시에, 플레이트 중합체의 강성을 높일 수 있다. 한편, 플레이트 외주연부의 고정 부착 강도 및 고정 부착 성능의 면에서는, 치수비＞0.009로 할 필요는 없고, 반대로, 0.009를 넘으면, 플레이트 간에 형성되는 파형 요철의 형성 영역이 작아지므로, 유체 간의 열전달 성능이 저하된다.
본 발명 장치에 있어서, 플레이트 외주연부 및 플레이트 내주연부의 판상체의 단부가 플라즈마 아크 용접에 의해 고정 부착되어 있으면 좋다. 플라즈마 아크 용접은, TIG 용접 등과 비교하여, 아크의 지향성이 높고, 아크를 핀 포인트로 집중시킬 수 있다. 그 때문에, 비드 폭이 좁고, 열집중성이 좋기 때문에, 용접 불량이 발생하지 않는 한편, 고속 용접이 가능하다. 또한, 용접 비틀림이 적은 이점이 있다. 플레이트 중합체는, 다수의 용접 개소가 있으므로, 플라즈마 아크 용접을 이용하여 고속 용접이 가능하게 됨으로써, 플레이트 중합체의 제조 공사 기간을 단축할 수 있는 이점이 있다.
또한, 플레이트는 복잡한 형상으로 단조되기 때문에, 비틀림이 발생한다. 그 때문에, 용접 비틀림의 발생이 적은 플라즈마 아크 용접을 채용함으로써, 비틀림의 축적을 없앨 수 있다. 더욱이, 플라즈마 아크 용접은, TIG 용접 등과 비교하여, 입열량이 적기 때문에, 모재의 열 비틀림, 열 응력의 발생이나, 변질, 열화를 저감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명 장치에 있어서, 제1 유체가 액체이며, 중공 용기의 내부 공간에 제1 유체가 저장되어, 상기 플레이트 중합체의 하부가 제1 유체에 침지하도록 배치되고, 중공 용기의 내부에서 플레이트 중합체의 상방에 제1 유체의 적어도 일부를 플레이트 중합체를 향해 산포하는 산포 노즐이 배치되어 있으면 좋다. 이 산포 노즐을 마련하는 것으로, 제1 유체와 제2 유체의 열전달 성능을 높일 수 있다.
이에 의해, 중공 용기로의 제1 유체의 충전량을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명 장치에서는, 플레이트 외주연부에 테이퍼 각을 부여하고 있으므로, 플레이트 표면에 제1 유체의 젖은 면을 형성하기 쉬워지고, 이에 의해, 한층 열전달 성능을 향상할 수 있다.
본 발명 장치에 있어서, 제1 유체가 냉매액이며, 냉매 순환로에 압축기, 응축기, 감압 장치 및 증발기가 개설되어, 냉동 사이클을 구성하는 냉동 장치에, 만액식 증발기로서 조립되어 있으면 좋다. 본 발명의 쉘 앤드 플레이트식 열교환기는 열전달 성능을 향상할 수 있으므로, 냉동 사이클을 구성하는 냉동 장치에 만액식 증발기로서 이용하면, 냉동 장치의 COP를 향상할 수 있다.
또한, 만액식 증발기는, 포화 상태의 냉매 가스를 압축기에 보내기 위해, 증발기 출구측의 냉매의 과열도 조정을 필요로 하지 않는다. 그 때문에, 온도식 팽창 밸브 등의 자동 팽창 밸브를 갖출 필요가 없어, 설비 코스트를 저감할 수 있다.
상기 냉동 장치에 있어서, 냉매액이 NH3이면 좋다. NH3는 비열비κ(=cp/cｖ)가 1.31로 다른 냉매보다 크기 때문에, 과열되면, 팽창되어, 단위 체적 당의 순환 중량이 감소한다. 이로 인해, 냉각 성능이 저하된다. 그러나, 만액식 증발기를 갖춘 냉동 장치에서는, 만액식 증발기의 출구측에서 NH3가 과열되지 않기 때문에, NH3의 열화가 생기지 않는다. 또한, 본 발명 장치를 이용하면, NH3의 순환량을 저감해도, 열전달 성능을 높게 유지할 수 있으므로, NH3의 순환량 감소의 영향을 억제할 수 있다.
본 발명 장치에 의하면, 중공 용기와, 상기 중공 용기의 내부에 배치되고, 표리면에 유로 형성용 요철을 가지는 다수의 플레이트가 중첩된 플레이트 중합체를 구비하며, 각 플레이트의 동일 부위에 뚫린 구멍에 의해 플레이트 중합체를 관통하는 유로가 형성되고, 플레이트 외주연부 및 상기 구멍을 형성하는 플레이트 내주연부를 각 플레이트 간에 선택적으로 접합하고, 중공 용기의 내부 공간에 연통한 제1 유체 통로와, 상기 내부 공간에 대해 폐쇄되어 상기 관통 유로에 연통한 제2 유체 통로를 각 플레이트 간에 교대로 형성하여 이루어지고, 중공 용기의 내부 공간으로부터 제1 유체 통로를 통과하는 제1 유체와, 상기 관통 유로로부터 제2 유체 통로를 통과하는 제2 유체를 플레이트를 거쳐 열교환시키도록 한 쉘 앤드 플레이트식 열교환기에서, 플레이트 외주연부 및 플레이트 내주연부가 상기 유로 형성용 요철을 형성한 부위와 일체의 평탄한 환상의 판상체로 구성되고, 인접한 플레이트에 형성되어 대면한 위치에서 서로 접합되는 판상체가, 단부 측을 향해 서로 접근하는 방향으로 경사지는 테이퍼면을 가지도록 형성되고, 상기 판상체의 단부 측이 서로 고정 부착되어 이루어지므로, 단부 측의 고정 부착시에, 단부 측이 확실하게 서로 용접하는 한편, 서로 가압하게 되고, 이에 의해 플레이트의 프레스 성형시에 발생하는 비틀림이나 잔류 응력을 억누를 수 있는 한편, 판상체의 역 휨을 없앨 수 있다. 그 때문에, 판상체의 단부 간의 고정 부착을 항상 문제없이 수행할 수 있는 동시에, 판상체에 테이퍼 각을 갖게 함으로써, 플레이트 중합체의 강성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명 장치의 일 실시형태에 따른 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 정단면도이다.
도 2는 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 측단면도이다.
도 3은 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 플레이트 외주연부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 플레이트 내주연부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 플레이트 외주연부 또는 플레이트 내주연부의 용접 순서를 나타내는 설명도이다.
도 6은 플레이트의 용접단에서 역 휨이 발생한 상태를 나타내는 설명도이다.
도 7은 플레이트 외주연부 또는 플레이트 내주연부의 테이퍼 각이 과대한 경우를 나타내는 설명도이다.
도 8은 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 플레이트 외주연부의 실험 데이터를 나타내는 선도이다.
도 9는 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 플레이트 내주연부의 실험 데이터를 나타내는 선도이다.
도 10은 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 다른 실험 데이터를 나타내는 선도이다.
도 11은 상기 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 다른 실험 데이터를 나타내는 선도이다.
도 12는 종래의 쉘 앤드 플레이트식 열교환기의 일 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 13은 플레이트 중합체의 제조 순서를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시형태를 이용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그에만 한정하는 취지는 아니다.
본 발명 장치를 NH3/CO2 냉동 장치의 CO2 액화기에 적응한 일 실시형태를 도 1 내지 도 7에 근거하여 설명한다. 우선, 도 1 및 도 2에 의해, 본 실시형태에 따른 CO2 액화기(10)의 구성을 설명한다. CO2 액화기(10)는, NH3/CO2 냉동 장치에 만액식 증발기(캐스케이드 콘덴서)로서 조립되어 있다. 이 CO2 액화기(10)에서는, 1차 냉매인 NH3와, 2차 냉매인 CO2가 열교환되고, NH3가 흡열하여 증발하는 한편, CO2가 액화한다.
도 1 및 도 2에 있어서, 원통 형상을 가지는 중공 용기(12)의 내부에 플레이트 중합체(14)가 수용되어 있다. 플레이트 중합체(14)는, 원판 형상의 다수의 플레이트(16)가 중첩되어 원통 형상으로 형성되어 있다. 중공 용기(12)의 저부에, NH3 냉매액이 유입되는 입구관(18)이 설치되고, 중공 용기(12)의 첨단부에, 기화한 NH3 냉매 가스가 유출되는 출구관(20)이 설치되어 있다.
도 13에 나타낸 플레이트(130)와 같이, 플레이트(16)의 외형은 원형을 이루며, 파형 단면을 가지는 직선 형상의 요철이 병렬로 형성되어 있다. 또한, 플레이트(16)는, 그 외주연부(16a)의 근방에서, 또한 중심점으로부터 180°위상이 어긋난 위치에, 구멍(22, 24)이 뚫려 있다. 각 플레이트(16)의 외주연부(16a) 및 구멍(22, 24)의 내주연부(22a, 24a)는 평탄한 환형의 판상체에 형성되고, 이들을 제외한 영역은, 파형 요철(16b)이 형성되어 있다. 플레이트 중합체(14)는, 이와 같은 플레이트(16)가 다수 중첩되어 구성되어 있다.
각 플레이트(16)의 동일 부위에 구멍(22, 24)이 천공 설치되고, 이들 구멍의 내주연부(22a, 24a)가 서로 접합되므로, 플레이트 중합체(14)에는, 플레이트 중합체(14)를 관통하는 방향으로 유로(26, 28)가 형성되어 있다. 중공 용기(12)의 측벽에는, 구멍(22)에 대면하는 위치에, CO2 냉매가 유입되는 입구관(30)이 설치되고, 입구관(30)은 중공 용기(12)의 측벽을 관통하여 직접 관통 유로(26)에 접속되어 있다. 또한, 구멍(24)에 대면하는 위치에 CO2 냉매액이 유출되는 출구관(32)이 설치되고, 출구관(32)는 중공 용기(12)의 격벽을 관통하여 직접 관통 유로(28)에 접속되어 있다. 플레이트 중합체(14)는, 지지구(도시하지 않음)에 의해 중공 용기(14)의 내부에 고정되어 있다.
도 13의 플레이트 중합체(142)와 같이, 각 플레이트(16) 간에는, 중공 용기(12)의 내부 공간(s1)에 개방된 통로와, 입구관(30)으로부터 관통 유로(26, 28)를 거쳐 출구관(32)에 이르고, 내부 공간(s1)에 대해 폐쇄된 통로가 교대로 형성되어 있다.
중공 용기(14)의 내부 공간(s1)의 상부 영역에는, 중공 용기(12)의 길이방향으로 노즐관(36)이 배설되고, 상기 노즐관(36)의 하부에, 길이방향으로 배치되어 하방으로 개구한 다수의 노즐 구멍(38)이 천공 설치되어 있다. 노즐 구멍(38)이 중공 용기(12)의 외부로 도출된 관로(40)에는, NH3 냉매액관(42)이 접속되어 있다. 또한, 입구관(18)과 NH3 냉매액관(42)을 접속한 NH3 냉매액관(44)이 설치되어 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 도시 생략의 NH3/CO2 냉동 장치의 응축기로부터 나온 NH3 냉매액은, NH3 냉매액관(42) 및 관로(40)를 거쳐 노즐관(36)에 공급된다. 응축기의 하류측의 NH3 냉매 순환로에 중간 냉각기나 이코노마이저 냉각기가 설치되어 있는 냉동 장치의 경우에는, 이러한 냉각기로부터 나온 NH3 냉매액이, NH3 냉매액관(42)을 거쳐 노즐관(36)에 공급된다. NH3 냉매액을, 일단 NH3 냉매액관(44)을 거쳐 중공 용기(12)의 내부 공간(s1)에 공급하고, 내부 공간(s1)의 하부 영역에 저장된 NH3 냉매액(N)을, NH3 냉매액관(44, 42)을 거쳐 노즐관(36)에 순환하도록 해도 좋다. 노즐관(36)에 공급된 NH3 냉매액은, 노즐 구멍(38)으로부터 플레이트 중합체(14)에 분무된다.
노즐 구멍(38)으로부터 플레이트 중합체(14)에 분무된 NH3 냉매액은, 내부 공간(s1)에 개방된 플레이트(16) 간의 통로를 통과한다. 한편, CO2 냉매는, 입구관(30)으로부터 관통 유로(26)에 유입되고, 내부 공간(s1)에 대해 폐쇄된 플레이트(16) 간의 통로를 통과하여, 관통 유로(28)를 거쳐 출구관(32)으로부터 유출된다. NH3 냉매액과 CO2 냉매는, 플레이트(16)를 거쳐 서로 열교환하고, NH3 냉매액은 흡열하여 기화하고, 출구관(20)으로부터 유출된다. 한편, CO2 냉매는 액화하여, 출구관(32)으로부터 유출된다.
다음에, 도 3 및 도 4에 의해, 플레이트 중합체(14)의 구성을 설명한다. 도 3은 선단부가 서로 용접되는 플레이트(16)의 외주연부(16a)를 나타낸다. 외주연부(16a)는 파형 요철(16b)과 일체의 평탄한 환형의 판상체를 이룬다. 상기 판상체는, 플레이트 외부를 향해 서로 접근하는 테이퍼면(46)을 형성하고 있다. 테이퍼면(46)은, 플레이트면에 평행한 면(h)에 대해, 테이퍼 각(α)을 가진다.
도 4는 선단이 서로 접합되는 플레이트(16)의 내주연부(22a 또는 24a)를 나타낸다. 내주연부(22a 또는 24a)는, 파형 요철(16b)과 일체의 평탄한 환형의 판상체를 이루는 동시에, 구멍(22 또는 24) 측을 향해 서로 접근하는 테이퍼면(48)을 형성하고 있다. 테이퍼면(48)은, 플레이트면에 평행한 면(h)에 대해, 테이퍼 각(β)을 가진다.
도 5에, 외주연부(16a) 또는 내주연부(22a, 24a)의 용접 순서를 나타낸다. 도 5에 있어서, 서로 접합되는 외주연부(16a) 또는 내주연부(22a, 24a)를 양측에서 플레이트 가압 지그(50, 50)로 가압한다. 그리고, 테이퍼면(46, 46)끼리 또는 테이퍼면(48, 48)끼리를 접촉시켜 고정한 상태로, 플라즈마 아크 용접에 의해, 판상체의 단부(w)를 용접한다.
플라즈마 아크 용접은, TIG 용접 등과 비교하여, 아크의 지향성이 높고, 아크를 핀 포인트로 집중시킬 수 있다. 그 때문에, 비드 폭이 좁고, 열집중성이 좋기 때문에, 용접 불량이 없는 한편, 고속 용접이 가능한 동시에 비틀림이 적은 용접이 가능하게 된다. 플레이트 중합체(14)는, 용접 개소가 다수 있으므로, 플라즈마 아크 용접을 이용하여 고속 용접이 가능하게 됨으로써, 플레이트 중합체(14)의 제조 공사 기간을 단축할 수 있는 이점이 있다.
또한, 플레이트(16)는 복잡한 형상으로 단조되기 때문에, 비틀림이 발생하기 쉽다. 그 때문에, 용접 비틀림이 발생하기 어려운 플라즈마 아크 용접을 채용함으로써, 비틀림을 저감할 수 있는 이점이 있다. 더욱이, 플라즈마 아크 용접은, TIG 용접 등과 비교하여, 입열량이 적기 때문에, 모재의 열 비틀림, 열 응력의 발생이나, 변질, 열화를 저감할 수 있는 이점이 있다.
종래, 도 6에 나타낸 바와 같이, 플레이트(16)는, 프레스 성형 후에 발생하는 비틀림이나 스프링 백 등에 의해, 판상체에 역 휨(52)이 발생하여, 판상체 간에 간극이 발생하는 경우가 있었다. 플라즈마 아크 용접은, 아크가 핀 포인트로 집중되기 때문에, 역 휨(52)이 발생하면, 아크에 의한 재료로의 입열이 불안정이 되어, 용접 불량이 발생하기 쉽다.
본 실시형태에서는, 플레이트 외주연부(16a) 또는 내주연부(22a, 24a)를 테이퍼면(46 또는 48)으로 하고, 용접시에, 플레이트 가압 지그(50, 50)로 양측에서 가압하고, 단부(w)를 서로 당접하는 한편 서로 가압하도록 함으로써, 역 휨(52)을 없앨 수 있다.
즉, 플레이트 외주연부(16a)에서는, 판상체의 테이퍼 각(α)을 1.5도 이상으로 함으로써, 외주연부(16a)의 판상체 단부(w) 간의 접촉을 확실히 하여, 역 휨(52)을 확실히 방지할 수 있다. 이에 의해, 용접 불량을 없앨 수 있다. 또한, 테이퍼면(46)을 형성하는 것으로, 병행면의 경우보다 플레이트 중합체(14)의 강성을 높일 수도 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 테이퍼 각(α)이 2.0도를 넘으면, 용접시에, 플레이트 가압 지그(50, 50)에 의해, 사전에 판상체를 과하중으로 압착할 필요가 생긴다. 이때, 판상체의 가압 고정이 불량이 되고, 이에 따라 접착 불량이 생기거나 혹은 부적합 변형에 의한 잔류 응력이 발생할 우려가 있다. 따라서, 테이퍼 각(α)을 1.5~2.0도로 하는 것이 좋다.
또한, 테이퍼면(46)의 플레이트 반경방향 폭(W)을 적어도 2mm 확보하는 한편, 플레이트면 직경에 대한 플레이트 반경방향 폭(W)의 치수비(P)(플레이트 반경방향 폭(W)/플레이트 직경)가, P=0.004~0.009가 되도록 설정하고 있다. 플레이트 반경방향 폭(W)을 2mm 이상으로 하고, P≥0.004로 함으로써, 플레이트 외주연부(16a)의 용접에 필요한 강도와 용접에 의한 양호한 접착성을 부여할 수 있는 동시에, 플레이트 중합체(14)의 강성을 높일 수 있다. 한편, 외주연부(16a)의 강도의 면에서는, P＞0.009로 할 필요는 없고, 반대로, P＞0.009로 하면, 플레이트 간에 형성되는 냉매 통로의 영역이 작아지므로, 냉매 간의 열전달 성능이 저하된다.
플레이트(16)의 내주연부(22a, 24a)는, 원주 길이도 짧고, 플레이트 성형 후의 비틀림은 적다. 그 때문에, 테이퍼면(48)의 테이퍼 각(β)은, 1.0도 이하로 함으로써, 용접시의 역 휨(52)을 없앨 수 있다. 역 휨(52)이 발생하지 않으면, 테이퍼 각 β=0이어도 좋다. 그러나, 플레이트 성형 후의 비틀림 등을 고려하면, 역 휨(52)을 확실히 없애기 위해서는, 테이퍼 각(β)을 0.1 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, 테이퍼 각(β)이 1, 0도를 넘으면, 외주연부(16a)와 같이, 전술한 불리함이 생기므로, 테이퍼 각 β≤1.0으로 하는 것이 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 중공 용기(12)의 내부 공간(s1)에서, 노즐 구멍(38)으로부터 NH3 냉매액을 플레이트 중합체(14)를 향해 분사하도록 하고 있으므로, NH3 냉매액(N)을 중공 용기(12)의 내부 공간(s1)에 저장하기만 하는 방식보다, NH3 냉매액과 CO2 냉매의 열교환 효율을 향상할 수 있다. 더욱이, 본 실시형태에서는, 플레이트(16)의 외주연부(16a)에 테이퍼면(46)이 형성되어 있으므로, 평행면의 경우보다 플레이트(16)에 NH3 냉매액의 젖은 면을 형성하기 쉬워지는 동시에, 부착 시간을 장기화할 수 있다. 그 때문에, NH3 냉매액과 NH3 냉매와의 열교환 효율을 한층 더 향상할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 1차 냉매로서 NH3를 이용하여 CO2 액화기(10)를 만액식 증발기로 하고 있다. 만액식 증발기는, 포화 냉매 가스를 압축기에 보내므로, 증발기 출구측의 냉매의 과열도 조정을 필요로 하지 않는다. 그 때문에, 온도식 팽창 밸브 등의 자동 팽창 밸브를 갖출 필요가 없고, 설비 코스트를 저감할 수 있다.
또한, NH3는 비열비κ(=cp/cｖ)가 1.31로 다른 냉매보다 크다. 그 때문에, NH3은 과열되면, 팽창되어, 단위 체적 당의 순환 중량이 감소하는 동시에, 냉각 성능이 저하된다. 본 실시형태에서는, CO2 액화기(10)가 만액식이기 때문에, NH3가 과열되지 않는다. 그 때문에, NH3 냉매의 열화가 생기지 않는다. 또한, 전술한 바와 같이, NH3 냉매의 순환 중량이 저감해도, 열전달 성능을 높게 유지할 수 있으므로, NH3 냉매의 순환량 저감의 영향을 억제할 수 있다.
[실시예]
(실시예 1)
플레이트(16)가 스테인리스제(SUS316L)이며, 플레이트(16)의 직경이 500mm, 관통 유로(26, 28)의 직경이 100mm, 두께 0.8mm이며, 이 플레이트를 이용하여, 역 휨 발생률 및 용접 불량 발생률을 계측한 결과를, 도 8 및 도 9에 나타낸다. 도 8은 플레이트 외주연부의 계측 결과이며, 도 9는 플레이트 내주연부의 계측 검출 결과이다.
도 8 및 도 9에 있어서, 곡선 (가)는 역 휨 발생률을 나타내고, 곡선 (나)는 용접 불량 발생률을 나타낸다. 도 8에 있어서, 테이퍼 각(α)이 1.8도 이하인 경우에는, 테이퍼 각(α)의 증가에 대해, 역 휨 발생률 및 용접 불량 발생률은 저하하지만, 테이퍼 각(α)이 1.8도 이상인 경우에는, 용접 불량 발생률이 증가하기 시작하고 있다. 이 이유는, 테이퍼 각(α)이 크면 용접시에 플레이트 가압 지그(50)에 의한 판상체의 고정에 불량이 발생하고, 이것이 용접 불량 발생률의 증가를 가져오고 있는 것으로 사료된다. 도 8로부터, 테이퍼 각 α=1.5~2.0도일 때에, 용접 불량 발생률을 가장 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
도 9는 역시 도 8과 대략 같은 경향을 나타내고 있다. 즉, 테이퍼 각(β)이 0.6도 이하인 경우에는, 테이퍼 각(β)의 증가에 대해, 역 휨 발생률 및 용접 불량 발생률은 저하하지만, 테이퍼 각(β)이 0.6도 이상인 경우에는, 용접 불량 발생률이 증가하기 시작하고 있다. 이 이유는, 플레이트 외주연부의 경우와 대략 같은 이유에 의한 것으로 사료된다. 도 9로부터, 테이퍼 각 β=0.1~1.0도일 때에, 용접 불량 발생률을 가장 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
도 10은, 실시예 1과 같은 플레이트를 이용하여, 이 플레이트로 제조한 플레이트 중합체(14)에 있어서, 상기 치수비 P(플레이트 반경방향 폭(W)/플레이트 직경(D))의 값과 강성과의 관계를 실험을 통해 구한 결과를 나타내는 선도이다. 이 실험 데이터는, NH3 냉매액의 충전량을 60kg로 하고, 윤활유로서 PN(상용성유)를 이용하여 증발 온도가 -12~-13℃, 응축 온도가 33~35℃이며, 연속 30분 운전의 평균값을 구한 것이다.
강성을 구하는 방법은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 페어 플레이트의 양측에서 하중(F)를 가해 파형 요철의 피크부(m)를 서로 접촉시켰을 때에 측정한 힘(F)의 값을 가지고 강성의 지표로 했다.
도 10으로부터, 치수비 P=0.004~0.009일 때에, 플레이트 중합체(14)의 강성 및 열전달 성능이 모두 우수한 것을 알 수 있다.
(실시예 3)
도 11은 NH3/CO2 냉동 장치의 만액식 CO2 액화기에 있어서, 열전달량을 측정한 결과를 나타낸다. 도 11에 있어서, 직선 (다)가, 본 실시형태와 같이, NH3 냉매액의 하부 급액과 상부 산포를 병용했을 경우이며, 직선 (라)가 하부 급액만의 경우를 나타낸다.
도면으로부터, 열전달 성능이 동일하다고 했을 때의, 필요 냉매 충전 중량의 차이를 구한다. 예를 들면, 열전달량(K) 값이 있는 양 K1(w/m2k)일 때, 필요 냉매 충전 중량은, 상부 산포 병용인 경우가 57kg이며, 하부 급액만인 경우가 60kg이 된다. 그 때문에, 본 실시형태와 같이, 상부 산포 병용의 경우, 냉매 충전 중량을 5% 삭감할 수 있다.
또한, 도 2에 있어서, X가 NH3 냉매액의 충전 중량이 60kg일 때의 냉매액면을 나타내고, Y가 충전 중량이 50kg일 때의 냉매액면을 나타낸다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면, 용접 불량을 없애고, 강성을 높인 쉘 앤드 플레이트식 열교환기를 실현할 수 있고, 특히 냉동 사이클을 구성하는 냉동 장치의 증발기나 응축기 등에 매우 적합하게 적용된다.
10, 100: CO2 액화기
12, 102: 중공 용기
14, 104, 142: 플레이트 중합체
16, 106, 130: 플레이트
16a, 136 플레이트 외주연부
16b, 132: 파형 요철
18, 30, 108, 116: 입구관
20, 32, 110, 118: 출구관
22, 24, 112, 114, 134: 구멍
22a, 24a, 138: 플레이트 내주연부
26, 28: 관통 유로
36: 노즐관
38: 노즐 구멍
40: 관로
42, 44: NH3 냉매액관
46, 48: 테이퍼면
50: 플레이트 가압 지그
52: 역 휨
120: 세퍼레이터
122: 애프터 쿨러
140: 페어 플레이트
F: 하중
N: NH3 냉매액
P: 치수비
X, Y: NH3 냉매액면
W: 테이퍼면 폭
a: 제1 열교환 유체
b: 제2 열교환 유체
m: 피크부
s: 간극
w: 판상체 단부

Claims (7)

  1. 　중공 용기와, 상기 중공 용기의 내부에 배치되어, 표리면에 유로 형성용 요철을 가지는 다수의 플레이트가 중첩한 플레이트 중합체를 구비하며,
    각 플레이트의 동일 부위에 뚫린 구멍에 의해 플레이트 중합체를 관통하는 유로가 형성되어, 플레이트 외주연부 및 상기 구멍을 형성하는 플레이트 내주연부를 각 플레이트 간에 선택적으로 접합하고, 중공 용기의 내부 공간에 연통한 제1 유체 통로와, 상기 내부 공간에 대해 폐쇄되어 상기 관통 유로에 연통한 제2 유체 통로를 각 플레이트 간에 교대로 형성하여 이루어지고,
    중공 용기의 내부 공간으로부터 제1 유체 통로를 통과하는 제1 유체와, 상기 관통 유로로부터 제2 유체 통로를 통과하는 제2 유체를 플레이트를 거쳐 열교환시키도록 한 쉘 앤드 플레이트식 열교환기에 있어서,
    상기 플레이트 외주연부 및 플레이트 내주연부가 상기 유로 형성용 요철을 형성한 부위와 일체의 평탄한 환상의 판상체로 구성되고,
    인접한 플레이트에 형성되어 대면한 위치에 있어서 서로 접합되는 판상체가, 단부 측을 향해 서로 접근하는 방향으로 경사지는 테이퍼면을 가지도록 형성되고, 상기 판상체의 단부 측이 서로 고정 부착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트 외주연부에서 판상체의 테이퍼면의 테이퍼 각이 플레이트면에 대해 1.5~2.0도이며, 상기 플레이트 내주연부에서 판상체의 테이퍼면의 테이퍼 각이 플레이트면에 대해 1.0도 이하인 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플레이트 외주연부에서 판상체의 플레이트 반경방향 폭이 2mm 이상인 한편, 플레이트 직경에 대한 상기 플레이트 반경방향 폭의 치수비가 0.004~0.009인 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 판상체의 단부가 플라즈마 아크 용접에 의해 고정 부착되어 있는 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체가 액체이며, 상기 중공 용기의 내부 공간에 제1 유체가 저장되어, 상기 플레이트 중합체의 하부가 제1 유체에 침지하도록 배치되고,
    중공 용기의 내부에서 플레이트 중합체의 상방에 제1 유체의 적어도 일부를 플레이트 중합체를 향해 산포하는 산포 노즐이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 유체가 냉매액이며, 냉매 순환로에 압축기, 응축기, 감압 장치 및 증발기가 개설되어, 냉동 사이클을 구성하는 냉동 장치에, 만액식 증발기로서 조립되어 있는 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉매액이 NH3인 것을 특징으로 하는
    쉘 앤드 플레이트식 열교환기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10458713B2 (en) * 2015-06-09 2019-10-29 Mayekawa Mfg. Co., Ltd. Refrigerant heat exchanger
EP4071433A4 (en) * 2020-01-14 2023-01-18 Daikin Industries, Ltd. Shell-and-plate heat exchanger

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