KR20140005847A - U-튜브 증발기 - Google Patents

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Abstract

증발기는 용기(7) 내에 포함되는 복수의 U 자형 튜브(17)를 포함하고, 각각의 튜브는 두 개의 단부를 포함하고, 상기 튜브는 적어도 하나의 평면에 배치되고, 상기 용기는 튜브 단부와 같은 수의 개구를 갖는 판(13)에 의해 일측이 폐쇄되고, 튜브 측과 대향하는 측에서 돔(2)이 덮어지고, 상기 돔은 입구 챔버(3) 및 배출 챔버(5)를 형성하기 위해 상기 튜브의 평면에 수직인 벽(6)에 의해 한정되고, 상기 입구 챔버는 상기 튜브의 평면 및 벽에 직각인 칸막이(21)에 의해 두 부분으로 나누어짐으로써 상기 판과 칸막이 사이에서 액체 입구 챔버와 칸막이 다른 쪽에서 보조 챔버를 형성하고, 액체 입구는 증발기 외부로부터 시작되어 입구 챔버와 통하고, 상기 보조 챔버는, 입구 챔버에서 시작된 액체만 수용하도록 설계되어 외부로부터 시작되어 입구 챔버에 도달한 액체가 하부 개구를 통해서만 튜브로 들어간다.

Description

U-튜브 증발기{U-TUBE VAPORIZER}
본 발명은 증발기에 관한 것이다. 특히, 발열 유체가 액체가 증발하도록 열을 넘겨주는 열 교환기를 포함하는 증발기에 관한 것이고, 액체는 판에 연결된 적어도 하나의 U 자형 튜브(U-shaped tube) 내에서 순환한다. 상기 증발기는 예를 들어 극저온 유닛으로부터 나오는 유량을 보상하기 위해 극저온 액체를 네트워크를 향해 증발시키는 예비 증발기(standby vaporizer)일 수 있다.
이 시스템에는 일반적으로 극저온 펌프가 제공되고 헤어핀(hairpin)에서 증발된 액체는 공기 분리 유닛이 정지될 때 고객에게 보내진다.
도 1에는 원통형 용기(7)와 반구형 돔을 포함하는 증발기(4)가 도시되어 있고, 이 둘은 개구가 뚫려있는 수직판(13)으로 분리된다. 이 개구는 U 자형 파이프에 연결되어 파이프의 일단부가 수직판(13) 하부의 개구에 부착되고 타단부가 상기 판 상부의 개구에 부착된다. 상기 돔은 벽(6)을 형성하는 수평 평판에 의해 밀봉식으로 상부(5)와 하부(3)로 나누어진다. 증발될 액체는 공급 챔버를 형성하는 하부(3)로 안내되고 U 자형 튜브(17) 내에서 순환한다. 판(13)에서 튜브 개구 중 몇 개는 다른 것들보다 높아서 액체가 다른 높이에서 튜브로 다시 들어간다. 액체는 배출 챔버를 구성하는 돔(2)의 상부(5)로 도착한다. 거기에서 그것은, 용기(7)로 보내져서 튜브 또는 튜브들(17) 주변에서 순환하는 증기(9) 또는 다른 발열 기체와 함께 열 교환함으로써 완전히 증발된다. 액체의 증발로 형성된 기체(15)는 돔(2)의 상부(5)에서 나온다. 냉각된 증기(11)는 용기(7) 상부에서 대기로 나간다.
증발 시스템은 상대적으로 긴 개시 시간을 가진다. 극저온 펌프가 예비 시스템(standby system)에 최대 유량을 보내는 때에도 최대 증발 유량이 관찰되기까지는 30초에서 1분 사이의 대기 시간이 있다.
이러한 지연은 기체를 포함하는 완충 용기가 상기 유닛의 차단과 증발 시스템의 최대 생산 사이에서 천이 유량(transitional flow rate)을 보장하는 방법에 있어서는 결점을 보이지 않는다. 그러나 이러한 형태의 완충 용기는 비싸고, 특히 동작 압력이 높을 때 비싸다.
이러한 응답 시간에 대한 상세한 분석은 생산 증가(ramp-up)뿐만 아니라 생산 감소(ramp-down)에 대해 시간에 대한 함수로써 생산 유량의 선형 응답을 보여준다. 이러한 곡선으로부터, 우리는 시스템의 응답이 공급 쉘(3)의 액체 관성과 매우 밀접한 연관성을 가진다는 것을 추정할 수 있다. 실제, 증발기의 생산은 모든 튜브들(17)이 제공되어 공급 쉘(3)이 액체로 채워져 있을 때 최대가 될 것이다.
본 발명의 목적은 증발기의 개시 시간을 줄이고 완충 용기를 제거하거나 그 사이즈를 줄임으로써 증발기를 포함하는 장치의 총 비용을 줄이는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 용기 내에 포함되는 복수의 U 자형 튜브를 포함하는 증발기로서, 각각의 튜브는 두 개의 단부를 포함하고, 상기 튜브는 적어도 하나의 평면에 배치되고, 상기 용기는 튜브 단부와 같은 수의 개구를 갖는 판에 의해 일측이 폐쇄되고, 상기 개구는 상부 개구와 하부 개구를 포함하고, 각각의 튜브는 상부 단부에 의해 상기 판의 상부 개구에 연결되고 하부 단부에 의해 상기 판의 하부 개구에 연결되고, 돔이 튜브 측과 대향하는 측에서 상기 판을 덮고, 돔은 흡입 챔버 및 배출 챔버를 형성하기 위해 상기 튜브의 평면에 수직인 벽에 의해 한정되고, 상기 흡입 챔버는 상기 튜브의 평면 및 벽에 직각인 칸막이에 의해 두 부분으로 나누어짐으로써 상기 판과 칸막이 사이에서 액체 입구 챔버와 칸막이 다른 쪽에서 보조 챔버를 형성하고, 액체 입구는 증발기 외부로부터 시작되어 입구 챔버와 통하고, 상기 보조 챔버는, 외부로부터 시작되어 입구 챔버에 도달한 액체가 하부 개구를 통해서만 튜브로 들어가도록 입구 챔버에서 시작된 액체만 수용하도록 배치된다.
다른 선택적인 태양에 따르면:
- 상기 칸막이는 칸막이와 돔 사이에서 액체의 순환을 허용하도록 그 하부 에지를 향하는 개구를 포함한다,
- 상기 칸막이의 단부와 벽 사이에 공간이 형성된다,
- 입구 챔버의 부피가 보조 챔버의 부피보다 작다,
- 입구 챔버의 부피가 보조 챔버의 부피보다 적어도 두 배 이상 작다,
- 하부 개구들은 벽으로부터 다른 거리로 배열된다,
- 튜브들의 브랜치들(branches)이 수평면에 배열된다,
- 증발기는 용기로의 발열 유체 흡입 개구를 포함한다,
- 흡입 챔버와 배출 챔버는 실질적으로 동일한 형태 및 동일한 부피를 가진다,
- 벽은 평판이다,
- 사용시, 외부에서 시작된 액체는 칸막이의 개구를 통해서만 또는 칸막이를 넘어서 통과해서만 보조 챔버로 들어갈 수 있다,
- 액체 입구는 용기에 형성된다,
- 사용시, 액체가 증발기의 하부를 통해 다시 들어가도록 액체 입구는 배열된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 극저온 증류 분리 장치는 청구항 1 내지 13 중 어느 하나의 증발기와 증발기에 극저온 액체를 공급하기 위한 수단을 포함하면서 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 청구항 1 내지 13 중 어느 하나의 증발기에서 액체를 증발시키는 방법이며, 이는 발열 기체는 용기로 보내지고, 증발될 액체는 입구 챔버로 안내되며, 증발된 액체는 배출 챔버를 통해 배출되는 것이다.
본 발명에 따른 개선된 장치는 증발 시스템의 생산 증가시 교환기의 튜브들에게 우선적으로 공급하는 오버플로우 시스템이다. 이러한 오버플로우는, 상부가 개방되어 있고 탱크의 최저점에 위치한 탄화수소 안전용 분산 구멍을 구비하는 고체판을 포함한다.
이것을 하는 데 있어, 튜브들의 분출구와 입구 사이의 거리를 감소시킴으로써, 튜브 공급 시간이 10배로 감소하고 이에 따라 예비 증발 개시 시간도 감소하고 따라서 완충 용기를 제거하는 것이 가능하다. 이러한 형태의 장치는 모든 액체, 특히 CO, CO2, O2, N2, Ar 등에 적용될 수 있다.
본 발명은 도 2 및 도 3을 통해 좀 더 자세히 설명될 것이다. 도 2는 증발기의 수직 단면도를 도시하고, 도 3은 도 2의 증발기의 내부 측면도를 보여준다.
도 2의 증발기는, 고체판(21)이 돔(2)의 하부(3)를 두 개의 다른 부분으로 나누는 부분 칸막이를 형성한다는 점에서 도 1의 증발기와 다르다. 도 1의 왼쪽 부분은 도 2의 증발기의 왼쪽 부분에 대응한다. 칸막이(21)는 대체로 수직으로 배열되어, 하부(3) 부피의 약 3분의 1이 칸막이(21)와 평판(13) 사이에 위치된다. 칸막이(21)는 벽(6)의 수평판까지 멀리 연장하지는 않고, 개구(23)는 하부 에지에서 칸막이(21)의 중앙에 형성된다.
사용시, 액체는 바깥으로부터 판(13)과 칸막이(21) 사이에 배치된 입구를 통해서만 하부(3)의 공간으로 들어온다. 개구(23)가 작기 때문에, 이 공간에 액체가 많아져서 액체 높이가 높아지면 판(13)에 개구된 모든 파이프(17)들로 공급된다. 판(21)의 더 높은 높이에 다다르면, 액체는 판(21)의 다른 편으로 흘러간다. 탄화수소와 같은 불순물의 증가를 막기 위해, 상기 액체는 또한 개구(23)를 통과할 수 있다.
도 3에서는, 단순화를 위해 개구가 도시되지 않은 판(13)을 보여준다. 판(21)은 돔(2)의 하부(3)의 내부를 따라 곡선인 에지 및 수평인 에지를 가진다.
본 발명은 또한 극저온 이상의 온도에서 응축하는 액체의 증발에도 적용된다.

Claims (15)

  1. 용기(7) 내에 포함되는 복수의 U 자형 튜브(17)를 포함하는 증발기로서,
    각각의 튜브는 두 개의 단부를 포함하고, 상기 튜브는 적어도 하나의 평면에 배치되고, 상기 용기는 튜브 단부와 같은 수의 개구를 갖는 판(13)에 의해 일측이 폐쇄되고, 상기 개구는 상부 개구와 하부 개구를 포함하고, 각각의 튜브는 상부 단부에 의해 상기 판의 상부 개구에 연결되고 하부 단부에 의해 상기 판의 하부 개구에 연결되고, 돔(2)이 튜브 측과 대향하는 측에서 상기 판을 덮고, 상기 돔은 흡입 챔버(3) 및 배출 챔버(5)를 형성하기 위해 상기 튜브의 평면에 수직인 벽(6)에 의해 한정되고,
    상기 흡입 챔버는 상기 튜브의 평면 및 벽에 직각인 칸막이(21)에 의해 두 부분으로 나누어짐으로써 상기 판과 칸막이 사이에서 액체 입구 챔버와 칸막이 다른 쪽에서 보조 챔버를 형성하고, 액체 입구는 증발기 외부로부터 시작되어 입구 챔버와 통하고, 상기 보조 챔버는, 외부로부터 시작되어 입구 챔버에 도달한 액체가 하부 개구를 통해서만 튜브로 들어가도록 입구 챔버에서 시작된 액체만 수용하도록 배치되는 증발기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 칸막이(21)는 칸막이(21)와 돔(2) 사이에서 액체의 작은 순환을 허용하도록 그 하부 에지를 향하는 개구(23)를 포함하는 증발기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 칸막이(21)의 단부와 벽(6) 사이에 공간이 형성되는 증발기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 챔버의 부피가 보조 챔버의 부피보다 작은 증발기.
  5. 제4항에 있어서, 입구 챔버의 부피가 보조 챔버의 부피보다 적어도 두 배 이상 작은 증발기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하부 개구들은 벽(6)으로부터 다른 거리로 배열되는 증발기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 튜브들(17)의 브랜치들이 수평면에 배열되는 증발기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용기(9)로의 발열 유체 흡입 개구를 포함하는 증발기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 흡입 챔버와 배출 챔버가 실질적으로 동일한 형태 및 동일한 부피를 가지는 증발기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 벽(6)이 평판인 증발기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시, 외부에서 시작된 액체는 칸막이의 개구를 통과해서만 또는 칸막이를 넘어서 통과해서만 보조 챔버로 들어갈 수 있는 증발기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 입구가 용기에 형성되는 증발기.
  13. 제12항에 있어서, 액체 입구는 사용시 액체가 증발기의 하부를 통해 다시 들어가도록 배열되는 증발기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 증발기(4)와 증발기에 극저온 액체를 공급하기 위한 수단(1)을 포함하는 극저온 증류 분리 장치.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 증발기(4)에서 액체를 증발시키는 방법이며, 발열 기체는 용기(7)로 보내지고, 증발될 액체는 입구 챔버(3)로 안내되며, 증발된 액체는 배출 챔버(5)를 통해 배출되는, 액체를 증발시키는 방법.
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