KR20150126676A - 외피-및-관 열교환기용 관 번들 및 그 구축 방법 - Google Patents

외피-및-관 열교환기용 관 번들 및 그 구축 방법 Download PDF

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KR20150126676A
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블라조 류비치치
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코크 히트 트랜스퍼 캄파니, 엘피
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Abstract

외피-및-관 열 교환기를 위한 관 번들이 제공된다. 관 번들이 복수의 세장형 관을 포함하고, 각각의 관이, 적어도 하나의 대칭 축을 가지는 편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는 중간 부분을 구비한다. 관의 단부가 원형 횡단면을 가지고, 원의 단부 중 하나의 직경의 타 단부 보다 작고 또한 관의 중간 부분의 짧은 대칭 축의 길이 보다 작다. 이러한 관의 구성은, 관 번들 내의 이격된 배플들 내의 정렬된 개구부들을 통해서 관의 작은-직경의 단부를 삽입하는 것에 의해서 관 번들이 조립될 수 있게 한다. 관의 중간 부분의 비-원형 횡단면은 관-측(tube-side) 및 외피-측 열 전달 계수를 증가시킨다.

Description

외피-및-관 열교환기용 관 번들 및 그 구축 방법{TUBE BUNDLE FOR SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER AND METHOD OF CONSTRUCTING SAME}
본 발명은 일반적으로 외피-및-관 유형의 열 교환기에 관한 것으로서, 보다 특히 그러한 열 교환기에서 이용되는 번들 및 그 조립 및 이용 방법에 관한 것이다.
외피-및-관 열 교환기가 유체 스트림들 사이의 열 교환을 유도하기 위해서 매우 다양한 적용예에서 이용되고 있다. 이러한 열 교환기에서, 관-측(tube-side) 유체로서 지칭되는 제1 유체가 통상적으로 원통형 형상인 외피 내에 수용되는 관 번들 내의 세장형(elongated) 관을 통해서 지향된다. 많은 수의 관이 관 번들 내에 포함되고 그러한 관들이 서로 평행하게 그리고 이격된 관계로 연장한다. 관은 그 단부들에서, 관 시트로서 또한 공지된 대체로 평면형인 헤더(header) 판에 고정된다. 외피-측 유체로서 일반적으로 지칭되는 제2 유체가 관을 둘러싸는 개방 공간 내에서, 외피 내에서 유동하고 관 내에서 유동하는 제1 유체 스트림과 열 교환을 한다.
외피-및-관 열 교환기는, 관-측 유체와 외피-측 유체 사이의 희망하는 유동 배열을 제공하기 위한 상이한 공지된 방식들로 구축된다. 예를 들어, 단일-통과 관 및 단일-통과 외피 배열에서, 직선형 관이 이용되고 관-측 유체 스트림을 위한 유입구 노즐 및 배출구 노즐이 열 교환기의 대향 단부들에 위치된다. 유사하게, 외피-측 유체를 위한 유입구 노즐 및 배출구 노즐이 열 교환기의 대향 단부들에 위치된다. 그러한 배열의 유체 스트림의 유동이 병류(co-current) 또는 향류(counter-current)일 수 있다. 병류 유동에서, 관-측 유체 및 외피-측 유체 모두를 위한 유입구 노즐이 열 교환기의 동일한 단부에 위치되고, 유체를 위한 배출구 노즐이 열 교환기의 대향 단부에 위치된다. 이어서, 관-측 유체 및 외피-측 유체가 열 교환기의 동일한 단부에서 진입하고, 그 길이를 따라서 유동하고, 열 교환기의 대향 단부에서 빠져나온다. 향류 유동에서, 유체를 위한 유입구 노즐들이 열 교환기의 대향 단부들에 위치되고, 배출구 노즐들이 열 교환기의 대향 단부들에 유사하게 위치된다. 이어서, 유체가 열 교환기의 대향 단부들에서 진입하고, 그 길이를 따라서 반대 방향들로 유동하고, 그리고 열 교환기의 대향 단부들에서 빠져나온다.
다륜 유동 배열에서, U-형상의 관이 직선형 관 대신에 이용되고, 관-측 유체를 위한 유입구 노즐 및 배출구 노즐이 열 교환기의 동일한 단부에 위치된다. 관-측 유체가 각각의 U-형상의 관의 하나의 다리부(leg)를 따라서 유동하고 이어서 방향이 반전되고 U-형상의 관의 다른 다리부를 따라서 역으로 유동한다. 이러한 배열에서 외피-측 유체를 위한 유입구 노즐 및 배출구 노즐 모두가, 관-측 유체를 위한 유입구 노즐 및 배출구 노즐과 동일한 열 교환기의 단부에 위치될 수 있고, 그러한 경우에, 길이방향 배플이 U-형상 관의 다리부들 사이에 배치되어 분할된 유동 경로를 생성하고, 그러한 분할된 유동 경로는 길이방향 배플의 하나의 측부(side) 상에서 외피-측 유체가, 하나의 방향으로 유동한 후에, 반전되고 길이방향 배플의 다른 측부를 따라서 반대 방향으로 유동하게 한다.
대안적으로, 외피-측 유체의 유입구 노즐 및 배출구 노즐이 외피의 대향 단부들에 위치될 수 있고, 그에 따라 외피-측 유체가 열 교환기의 길이를 따라서 하나의 방향으로만 유동할 수 있다. 다른 다중-통과 외피 및 다중-통과 관 배열이 통상적으로 이용되고 있고, 전체가 본원에서 참조로서 포함되는 미국 관형 열 교환기 제조 협회의 규격(Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association)에서 추가적으로 규정되어 있다.
많은 적용예에서, 관 번들 내의 관이, 관에 대한 구조적 지지를 제공하기 위한 그리고 그에 의해서 관의 처짐 및 진동을 줄이기 위한 관 번들의 길이방향 길이를 따라서 이격된 배플을 통과한다. 각각의 배플이 또한 외피-측 유체의 유동을 전향시키는 역할을 하고, 그에 따라 관-측 유체와의 보다 양호한 열 전달을 달성하기 위해서 외피-측 유체가 관을 따르는 대신에 관을 가로질러 유동하도록 강제된다. 전형적으로, 배플이 단일 또는 이중 단편적 커트 배플(single or double segmental cut baffle), 또는 디스크나 도넛형의 배플의 형태이며, 단일 또는 이중 단편적 커트 배플의 형태에서, 배플의 사분체(quadrant) 또는 다른 영역이 개방되어 외피-측 유체의 통과를 허용하고, 디스크나 도넛형의 배플의 형태에서 외피-측 유체가 디스크 배플을 둘러싸는 환형 영역을 통해서 그리고 도넛형 배플의 중심 개구부를 통해서 유동한다.
관 번들의 초기 조립 중에, 전형적으로 결속 막대(tie rod)가 배플로 용접되어, 배플들이 이격된 관계로 고정되는 새장-유사 구조를 형성한다. 관이 통과하여 삽입되는 배플 내의 홀이 길이방향으로 정렬되도록, 각각의 배플의 회전 배향이 설정된다. 홀을 통한 유체 누출을 줄이기 위해서 홀이 관 보다 약간만 더 크기 때문에, 홀의 길이방향 정렬이 엄격한 공차 이내가 되어야 한다. 일단 관이 배플 내의 홀을 통해서 삽입되면, 관의 단부가 관 시트(들)로 고정되어 복잡한 관 번들을 형성한다.
통상적인 외피-및-관 열 교환기 내의 관 시트는, 열 교환기 내의 동작 압력을 견디도록 그리고 관 시트 내에서 관을 수용하는 많은 수의 홀에 의해서 생성되는 구조적 취약성을 보상하기 위해서, 고강도 금속 또는 금속 합금으로 일반적으로 형성되고 외피의 두께 보다 상당히 더 두꺼운 두께를 갖는다. 통상적으로 홀이 관 시트의 두께를 통해서 개별적으로 드릴 가공되어야 함에 따라, 관 시트의 제조는 시간-집약적 공정이 된다. 드릴 가공 작업이 원형 횡단면의 홀을 생성하고, 그에 의해서 관이, 동일한 원형 횡단면을 가지는 관으로 제한된다. 타원형 또는 다른 비-원형형 단면을 가지는 관을 이용할 때 큰 열 전달이 달성될 수 있지만, 이제까지, 관 시트 내의 홀의 원형 횡단면은, 외피-및-관 열 교환기에서 타원형(elliptical), 장박형(obround), 타원체형(oval) 또는 계란형 횡단면을 가지는 관을 이용하는 것을 막아 왔다.
하나의 양태에서, 본 발명은 외피-및-관 열 교환기 내에서 이용하기 위한 관 번들에 관한 것이다. 관 번들은 미리 선택된 패턴으로 서로 평행한 그리고 이격된 관계로 연장하는 복수의 중공형의, 세장형 관을 포함하고, 각각의 관은 관의 길이방향 길이를 따라서 관 내에서 유동하기 위한 제1 유체의 진입을 위한 제1 단부 및 제1 유체가 관을 빠져 나가게 하기 위한 대향하는 제2 단부 그리고 제1 단부와 제2 단부 사이의 중간 부분을 포함한다. 각각의 관의 중간 부분이 편평한(flattened) 원의 형태의 횡단면을 갖는다. 일 실시예에서 편평한 원이 하나의 대칭 축을 갖는다. 다른 실시예에서, 편평한 원이 2개의 대칭 축을 가지며, 하나의 축이 다른 축 보다 짧다. 관 번들이 또한 홀을 가지는 제1 관 시트 및 복수의 배플을 포함하고, 제1 관 시트의 홀 내로 관의 제1 단부가 연장하고 고정되며, 복수의 배플은 관을 지지하기 위해서 그리고 관의 외부에서 제2 유체의 유동을 안내하기 위해서 관의 길이방향 길이를 따라서 이격된 위치들에 배치된다. 배플의 각각이 유체의 통과를 위한 절개부 및 관의 적어도 일부가 삽입되는 복수의 개구부를 구비한다. 배플 중 인접한 배플들의 절개부들이 관 번들의 중앙의 길이방향 축 주위로 회전방향으로 오프셋된다. 각각의 관의 중간 부분이 각각의 관의 길이방향 길이의 적어도 대부분을, 각각의 관의 길이의 적어도 75%를, 각각의 관의 길이의 적어도 90%를, 또는 각각의 관의 길이의 적어도 95%를 차지한다. 하나의 실시예에서, 관의 제1 및 제2 단부가 원형 횡단면을 가지고, 그러한 원형 횡단면에서, 제2 단부의 직경이 제1 단부의 직경 보다 작고 각각의 관의 중간 부분의 짧은 대칭 축의 길이와 같거나 그보다 작다.
다른 양태에서, 발명은, 전술한 바와 같은 관 번들이 내부에 배치된 외피-및-관 열 교환기에 관한 것이다.
추가적인 양태에서, 발명은 전술한 관 시트를 조립하는 방법에 관한 것이다. 조립 방법은 원형 횡단면을 가지는 관의 제1 및 제2 단부를 제공하는 단계 및 관의 중간 부분의 짧은 대칭 축의 길이 보다 작은 직경을 가지는 제2 단부를 제공하는 단계를 포함한다. 조립 방법은 배플들의 개구부들이 정렬된 상태로 배플들을 희망하는 미리 선택된 거리로 서로로부터 이격시키는 단계, 배플들을 서로에 대해서 이격된 그리고 회전적인 관계로 고정하기 위해서 결속-막대를 배플들에 고정하는 단계, 각각의 배플 내의 정렬된 개구부를 통해서 각각의 관의 제2 단부를 삽입하는 단계, 각각의 관의 제1 단부를 제1 관 시트 내의 홀 내에 고정하는 단계, 및 각각의 관의 제2 단부를 제1 관 시트 또는 제2 관 시트 내의 다른 홀 내에 고정하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 내부 관 번들을 보여주기 위해서 열 교환기의 외피의 일부를 제거한 상태로, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 열 교환기의 일 단부로부터의 사시도이다.
도 2는 대향 단부로부터 취한 도 1에 도시된 열 교환기의 사시도이다.
도 3은 관 번들의 단부 부분을 보여주는 열 교환기의 확대된 단편적 사시도이다.
도 4는 배플 내의 개구부를 통해서 개별적인 관을 삽입함으로써, 관 번들을 조립하는 공정을 설명하는 확대된 단편적 사시도이다.
도 5는 수직 단면으로 취한 열 교환기의 측면 입면도이다.
도 6은, 배플 중 하나의 일부를 통해서 삽입된 관 및 결속-막대를 보여주기 위한, 도 5의 선 6-6을 따른 수직 단면에서 취한 확대된 단편적 단부 입면도이다.
도 7은 하나의 관의 단편적 단부 입면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 관의 하나의 단부로부터 취한 입면도이다.
도 9는 관의 대향 단부로부터 취한 입면도이다.
도 10은 관의 일부의 타원형 횡단면의 계산에서 이용되는 변수를 도시한 도면이다.
이제, 도면을 참조하면, 보다 구체적으로 그리고 먼저 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 구축된 열 교환기가 참조번호 10에 의해서 광범위하게 표시되어 있다. 열 교환기(10)는 외피-및-관 열 교환기이고 전방 단부(14), 대향 단부(16), 및 개방형 내부 부피(18)를 구비한 세장형 외피(12)를 포함한다. 외피(12)는 일반적으로 원통형 구성이나, 다른 형상도 이용될 수 있다. 외피(12)는, 외피(12) 내의 유체에 대해서 일반적으로 불활성적이고 열 교환기(10)의 동작 중에 외피(12) 내의 압력 및 온도를 견딜 수 있는, 금속, 중합체 또는 다른 재료로 형성된다.
외피-측 유체를 외피(12)의 내부 부피(18) 내로 도입하기 위해서, 유입구 노즐(20)이 전방 단부(14)에서 외피(12)로부터 연장한다. 외피-측 유체를 외피(12)의 내부 부피(18)로부터 제거하기 위해서, 배출구 노즐(22)이 외피(12)로부터 연장한다. 일 실시예에서, 배출구 노즐(22)은, 유입구 노즐(20)이 배치되는 전방 단부(14)로부터의, 외피(12)의 대향 단부(16)에 배치된다. 다른 실시예에서, 배출구 노즐(22)이 유입구 노즐(20)과 함께 전방 단부(14)에 배치되고 길이방향-연장 배플(미도시)이 외피(12)의 내부 부피(18) 내에 배치된다. 길이방향-연장 배플은, 외피-측 유체가 배플의 대향 측부 상에서 전방 단부(14)로 다시 유동하도록 방향을 반전시킬 때까지, 외피-측 유체가 외피(12)의 유입구 노즐(20)로부터 대향 단부(16)까지 유동하도록 강제하고, 그러한 전방 단부(14)에서 외피-측 유체가 배출구 노즐(22)을 통해서 외피(12)의 내부 부피(18)를 빠져 나온다. 전형적으로, 유입구 노즐(20) 및 배출구 노즐(22)이 외피(12)로부터 반경방향으로 연장하나, 그러한 노즐이 다른 배향으로, 예를 들어 접선 방향으로 외피(12)로부터 연장할 수 있을 것이다.
도시된 단일 통과 관-측(tube-side) 실시예에서, 내부 플리넘(plenum)(25)을 형성하고 관-측 유체를 위한 유입구 노즐(26)를 가지는 유입구 채널 또는 헤드(24)가 외피(12)의 개방형 전방 단부(14)에 근접하여 배치된다. 내부 플리넘(29)을 형성하고 관-측 유체를 위한 배출구 노즐(30)를 가지는 배출구 채널 또는 헤드(28)가 외피(12)의 개방 단부(16)에 근접하여 배치된다. 2회 통과 관-측 실시예에서, 유입구 헤드(24) 및 배출구 헤드(28) 모두가 외피(12)의 전방 단부(14)에 배치되고, 외피의 타 단부(16)는 폐쇄된다. 유입구 노즐(26) 및 배출구 노즐(30)이 도시된 실시예에서 외피(12)의 길이방향 중심 축을 따라서 연장하나, 그러한 노즐이 다른 배향으로, 예를 들어 외피(12)의 길이방향 중심 축에 수직으로 연장할 수 있을 것이다.
관 번들(32)이 외피(12)의 개방형 내부 부피(18) 내에 배치되고 복수의 중공형의 세장형 관(34)을 포함하고, 그러한 관들은 서로에 대해서 평행한 그리고 이격된 관계로 연장하고 미리 선택된 패턴으로 배치된다. 각각의 관(34)이 관(34)의 길이방향 길이를 따라서 관(34) 내에서 유동하기 위한 관-측 유체의 진입을 위한 개방형 제1 단부(36) 및 제1 유체가 관(34)을 빠져나가게 하기 위한 개방형 제2 단부(38)를 구비한다. 관(34)이, 구리 합금, 스테인리스 스틸, 탄소강, 비철 구리 합금, 인코넬(Inconel) 합금, 니켈, 하스텔로이(Hastelloy) 합금, 및 티타늄을 포함하는 여러 가지 금속과 같은, 열-전도성의, 내식성 재료로 형성된다.
관 번들(32)은, 관(34)의 길이방향 길이를 따른 이격된 위치들에 배치되는 복수의 판-유사 배플(40)을 포함한다. 배플(40)은, 관(34)의 외부에서 외피-측 유체가 유동할 때, 그러한 외피-측 유체의 유동을 재지향시키는 기능을 한다. 배플(40)은 또한 관(34)을 지지하고 관의 희망 배치를 유지하는 역할을 한다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 배플(40)이 개별적인 개구부(42)를 구비하고, 그러한 개구부를 통해서 관(34)이 연장한다. 개구부(42)를 통과할 수 있는 외피-측 유체의 양을 최소화하면서 관(34)이 개구부(42)를 통해서 길이방향으로 삽입될 수 있게 허용하기 위해서, 개구부(42)가 관(34) 보다 약간 더 큰 크기를 갖는다.
배플(40)이 불완전한 디스크로서 형성되고, 배플의 외경이 외피(12)의 내측 표면과 접촉하거나 그로부터 근접하여 이격되도록, 그 크기가 결정된다. 배플(40)이 외피의 중앙의 길이방향 축에 수직으로 배치될 때, 배플(40)이 불완전한 원형 디스크로서 형성될 수 있을 것이다. 배플(40)이 수직으로부터 경사질 때, 배플(40)이 불완전한 타원형 디스크로서 형성될 수 있을 것이다. 배플(40)이 불완전한 디스크로서 지칭되는데, 이는 그러한 배플의 각각이 절개부(44)를 포함하기 때문이고, 그러한 절개부는 배플(40)을 통한 외피-측 유체의 통과를 허용한다. 일 실시예에서, 절개부(44)가 배플(40)의 외측 둘레와 교차한다. 절개부(44)가 배플(40)의 섹터(sector), 단편(segment) 또는 다른 부분으로서 형성될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 절개부(44)가 45 내지 270 도, 75 내지 240 도, 85 내지 230 도, 90 도, 135 도, 또는 180 도의 각도를 가지는 섹터이다.
인접한 배플들(40) 내의 절개부들(44)이 외피(12)의 길이방향 중심 축 주위로 서로로부터 회전방향으로 또는 달리 오프셋되어, 외피-측 유체가 유입구 노즐(26)로부터 배출구 노즐(30)까지 외피(12)의 내부 부피(18) 내에서 유동할 때 외피-측 유체의 희망 유동 경로를 생성한다. 일 실시예에서, 배플(40) 내의 절개부(44)가 반구형이고 인접한 배플들(40) 내의 절개부들(44)이 서로로부터 180 도 회전되어 외피-측 유체를 위한 정현파형(sinusoidal) 유동 경로를 생성한다. 다른 실시예에서, 배플(40) 내의 절개부(44)가 사분체형이고 인접한 배플들(40) 내의 절개부들(44)이 서로로부터 90 도 회전되어 외피-측 유체의 나선형 유동을 생성한다.
관 번들(32)이, 길이방향으로 관통하여 연장하고 배플(40)의 둘레 영역으로 고정되어 배플(40)을 희망하는 길이방향 간격 및 회전방향 배향으로 고정하는 결속 막대(46)를 포함할 수 있을 것이다. 결속 막대(46)의 수가 필요에 따라 달라질 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 4개 내지 24개의 결속 막대(46)가 배플(40)의 둘레 주위로 균일하게 이격된다.
관 번들(32)이, 외피(12)의 전방 단부(14)에 배치되고 외피(12)의 개방형 내부 부피(18)를 유입구 헤드(24)의 내부 플리넘(25)으로부터 분리하는 적어도 하나의 관 시트(48)를 포함한다. 관 시트(48)는 일반적으로, 통상적인 방식으로 외피(12)의 내측 표면에 대해서 밀봉하는 둘레를 가지는 디스크-형상이다. 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 관 시트(48)는, 관 시트(48)의 대향 면들 사이에서 관 시트(48)의 두께를 완전히 통과하여 연장하는 복수의 홀(49)을 포함한다. 관(34)의 제1 단부(36)가 관 시트(48)의 홀(49) 내로 삽입되고 그러한 홀 내에서 고정된다. 만약 관(34)이 U-형상이라면, 관(34)의 제2 단부(38)가 관 시트(48)의 다른 홀(49) 내로 삽입되고 고정된다. 관(34)이 직선형인 도시된 실시예에서, 제2 관 시트(50)가 외피(12)의 대향 단부(16)에 배치되고 외피(12)의 개방형 내부 부피(18)를 배출구 헤드(28)의 내부 플리넘(29)으로부터 분리한다. 관(34)의 제2 단부(38)가 제2 관 시트(50)를 통해서 연장하는 홀(49) 내로 삽입되고 그러한 홀 내에서 고정된다. 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도시된 실시예에서, 관(34)의 제1 및 제2 단부(36 및 38)가 관 시트(48 및 50) 내의 홀(49) 내로 피팅되는(fitted) 슬리브(51) 내에 수용된다.
관 시트(48 및 50)는 열 교환기(10) 내의 동작 압력을 견뎌야 한다. 홀(49)의 존재로 인해서 관 시트(48 및 50)의 강도가 상당히 감소되기 때문에, 관 시트(48 및 50)가, 외피(12)의 두께의 배수인 두께를 가지는 고강도 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 관 시트(48 및 50)의 각각이 고강도 금속 또는 금속 합금으로 형성되고 2 내지 10 인치 사이의 두께를 갖는다. 관 시트(48 및 50)를 위해서 이용되는 재료의 경도 및 두께로 인해서, 일 실시예에서 관 시트(48 및 50)의 홀(49)이 원형 횡단면을 가지고 드릴 가공 작업으로 형성된다.
본 발명에 따라서, 관(34)의 제1 단부(36)와 제2 단부(38) 사이의 각각의 관(34)의 중간 부분(52)이 편평한 원의 형태의 횡단면을 갖는다. 일 실시예에서, 편평한 원이 서로 직각으로 연장하는 2개의 대칭 축을 가지며, 하나의 축이 다른 축 보다 짧고, 그에 따라 관(34)의 횡단면에 대해서 타원형 또는 장박형과 같은 기하형태적 형상을 형성한다. 다른 실시예에서, 편평한 원이 하나의 대칭 축만을 가지고, 그에 따라 관(34)의 횡단면에 대해서 타원체형 또는 계란형과 같은 기하형태적 형상을 형성한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 관(34)의 횡다면이 2개의 대칭 축을 가질 때, 관(34)이 관(34)의 횡단면의 가장 넓은 부분에서 미리 선택된 길이의 긴 축(54) 및 관(34)의 횡단면의 가장 좁은 부분에서 수직의 짧은 축(56)을 구비한다. 도 10에 도시된 실시예에서, 관(34)의 횡단면이 타원형이고, 반경(r1 및 r2)이 2개의 곡선의 접선의 지점(P1 및 P2)에서 공직선적이다(co-linear). 그 범위(domain)의 한계(limit)에서, 반경(r1)이 초점(Q1 및 Q2)에서 타원형의 긴 축("a")과 교차하고, 그러한 초점은 또한 반경(r2)에 대한 중심점이다. 타원형의 짧은 축(“b”) 대 타원형의 긴 축(“a”)의 비율이 0.22 < b/a < 0.92의 범위이다.
각각의 관(34)의 중간 부분(52)이 각각의 관(34)의 길이방향 길이의 적어도 대부분을, 각각의 관(34)의 길이의 적어도 75%를, 각각의 관(34)의 길이의 적어도 90%를, 또는 각각의 관(34)의 길이의 적어도 95%를 차지한다. 도 7 내지 도 10에 가장 잘 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 각각의 관(34)의 제1 단부(36)가, 제2 단부(36)의 직경 보다 큰 직경을 가지는 원형 횡단면을 가진다. 각각의 관(34)의 제1 단부(36)의 직경이 또한 관(34)의 중간 부분(52)의 횡단면의 짧은 축(56)(도 10)의 길이의 직경 보다 크고 각각의 관(34)의 긴 축(54)(도 10)의 길이 보다 짧다. 각각의 관(34)의 제2 부분(38)이 또한, 관(34)의 중간 부분(52)의 횡단면의 짧은 축(56)(도 10)의 길이와 동일하거나 그보다 약간 더 작은 직경을 가지는 원형 횡단면을 갖는다.
각각의 관(34)이, 제1 단부(36)의 직경과 동일한 직경을 가지는 원형 횡단면을 가지는 원자재(stock)로부터 제조될 수 있다. 이어서, 관(34)이 하나 이상의 일련의 압연기에 의해서 편평화되어, 중간 부분(52)의 횡단면에 대한 희망하는 기하형태적 형상을 형성한다. 이어서, 제2 단부(38)가 코닝 가공(coining) 도구에 의해서 형성되어, 작은 직경을 가지는 원형 횡단면을 획득한다. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 각각의 관(34)이 제1 단부(36)와 중간 부분(52) 사이의 전이 단편(58) 및 제2 단부(38)와 중간 부분(52) 사이의 유사한 전이 단편(60)을 포함한다. 관(34)이 원래의 상태(bare)일 수 있거나, 관이 연장되거나 개선된 내부 및/또는 외부 표면을 가질 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 연장된 표면은, 관(34)을 따라서 길이방향으로 연장하는 핀(fin)(미도시)이다.
일 실시예에서, 배플(40)의 개구부(42)가, 관(34)의 중간 부분(52)의 횡단면 형상과 동일한 타원형, 장박형, 타원체형, 계란형 또는 다른 기하형태적 형상을 갖는다. 개구부(42)가 관(34)의 중간 부분(52) 보다 약간 더 크고, 그에 따라 관(34)이 개구부(42)를 통해서 삽입될 수 있고 개구부(42) 내에서 꼭 맞는 피팅(tight fit)을 유지하여 개구부(42)를 통과할 수 있는 외피-측 유체의 양을 감소시킬 수 있다. 하나의 예로서, 개구부(42)가 관(34)의 외측 치수 보다 약 0.4 mm 더 크다. 개구부(42)가, 그 개구부의 긴 축이 수직으로, 수평으로 또는 수직과 수평 사이의 배향으로 연장하는 상태로 배열될 수 있다. 개구부(42) 각각이 동일한 방향으로 배향되거나, 개구부들이 독립적으로 배향될 수 있을 것이다.
배플(40) 내의 개구부(42)가, 정사각형, 직사각형, 또는 삼각형 피치(pitch)와 같은, 미리 선택된 패턴으로 관(34)을 배치하도록 배열된다. 다른 실시예에서, 배플(40) 내의 개구부(42)가, 각각의 관(34)의 긴 축(56)이 연관된 원에 대해서 접선방향으로 연장하는 상태로, 관(34)을 일련의 동심적인 원들 내에 배치하도록 배열된다.
관 번들(32)의 조립 중에, 관 시트(48 및 50) 및 배플(40)이 서로로부터 미리 선택된 거리로 이격되고 그들의 개구부들(42)이 정렬된다. 이어서, 결속-막대(46)가 배플(40)로 용접되거나 달리 고정되어, 배플들(40)을 서로에 대해서 이격되고 회전적인 관계로 고정한다. 각각의 결속-막대(46)의 하나의 단부가 시트(48 및 50) 중 하나 내의 나사산형 홀(미리 결정된) 내로 나사체결되고, 결속-막대(46)의 타 단부가 관 번들(32)의 대향 단부에서 마지막 배플(40)로 고정된다.
관 시트(48 및 50), 배플(40) 및 결속-막대(46)에 의해서 세장-유사 구조물이 일단 형성되면, 더 작은 직경의 각각의 관(34)의 제2 단부(38)가 관 시트(48) 내의 홀(49) 중 하나를 통해서 삽입되고 관 번들(32)의 하나의 단부에 위치하는 제1 배플(40) 내의 개구부(42) 중 하나를 통해서 제2 단부(38)가 길이방향으로 이동된다. 이어서, 관(34)을 필요에 따라 회전시켜 관(34)의 중간 부분(52)의 긴 축(54) 및 짧은 축(56)을 단부 배플(40) 내의 개구부(42)의 상응하는 축과 정렬시킨다. 이어서, 관(34)의 제1 단부(36)가 관 번들(32)의 대향 단부에서 마지막 배플(40)을 통과하고 다른 관 시트(50) 내의 홀(49) 중 하나 내에 안착될 때까지, 관(34)을 연속적인 배플들(40) 내의 정렬된 개구부들(42)을 통해서 공급한다. 나머지 관(34)이 동일한 방식으로 관(34) 시트(48) 내의 홀(49), 각각의 배플(40) 내의 개구부(42), 및 다른 관 시트(50) 내의 홀(49)을 통해서 삽입된다. 이어서, 일 실시예에서 관(34) 시트(48 및 50)를 지나서 약간 돌출하는 관(34)의 제1 및 제2 단부(36 및 38)가, 예를 들어 팽창시키고 관 시트(48 및 50)로 용접하는 것에 의해서, 관 시트(48 및 50)로 고정된다. 이어서, 조립된 관 번들(32)이 통상적인 방식으로 열 교환기(10)의 외피(12) 내로 삽입된다.
사용시에, 외피-측 유체가 유입구 노즐(20)을 통해서 열 교환기(10)의 외피(12) 내의 내부 부피(18) 내로 도입된다. 외피-측 유체가 외피의 길이를 따라서 이동할 때 정현파형 경로를 통해서 이동하고 배플(40) 내의 절개부(44)를 통해서 진행된다. 이어서, 외피-측 유체가 배출구 노즐(22)을 통해서 외피(12)의 내부 부피(18)로부터 제거된다.
관-측 유체가 유입구 노즐(26)을 통해서 유입구 헤드(24)의 내부 플리넘(25)으로 도입된다. 이어서, 관-측 유체가 관(34)의 제1 단부(36)로 분배되고, 관(34)의 제2 단부(38)를 빠져나가기 전에, 관(34)의 길이를 따라서 유동한다. 이어서, 관-측 유체가, 배출구 노즐(30)을 통해서 열 교환기(10)를 빠져나가기 전에, 배출구 헤드(28)의 내부 플리넘(29)으로 진입한다.
외피-측 유체 및 관-측 유체가 열 교환기(10) 내에서 이동함에 따라, 열이 하나의 유체로부터 다른 유체로 전달된다. 관 번들(32) 내의 관(34)의 비-원형적인 중간 부분(52)은 통상적인 둥근 관 보다 큰 관-측 및 외피-측 열 전달 계수를 제공하는데, 이는 관(34)의 중간 부분(52)의 편평한 원형 횡단면이, 중간 부분(52)을 형성하는 관(34)의 둥근 단면적 보다 큰 표면적을 가지기 때문이다.
전술한 내용으로부터, 본 발명이, 본 발명의 구조에 고유한 다른 장점과 함께, 전술한 모든 목표 및 목적을 달성하도록 잘 구성된 하나라는 것을 확인할 수 있을 것이다.
특정의 특징 및 하위 조합이 이용될 수 있고 다른 특징 및 하위 조합을 인용하지 않고도 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 것은 발명의 범위에 의해서 고려되고 그 범위에 포함된다.
발명의 많은 가능한 실시예가 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도 이루어질 수 있기 때문에, 첨부 도면에서 도시되거나 본원에서 기술된 모든 내용이 예시적인 것으로서 해석되어야 할 것이고 제한적인 의미로 해석되지 않아야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 외피-및-관 열 교환기용 관 번들이며:
    미리 선택된 패턴으로 서로 평행한 그리고 이격된 관계로 연장하는 복수의 중공형의, 세장형 관으로서, 각각의 관이 관의 길이방향 길이를 따라서 관 내에서 유동하기 위한 제1 유체의 진입을 위한 제1 단부 및 제1 유체가 관을 빠져 나가게 하기 위한 대향하는 제2 단부 그리고 제1 단부와 제2 단부 사이의 중간 부분을 포함하고, 관의 중간 부분이 적어도 하나의 대칭 축을 가지는 편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는, 관;
    관의 제1 단부가 내부로 연장하고 고정되는 홀을 구비하는 제1 관 시트; 및
    관을 지지하기 위해서 그리고 관의 외부에서 제2 유체의 유동을 안내하기 위해서 관의 길이방향 길이를 따른 이격된 위치들에 배치되는 복수의 배플로서, 각각의 배플이 유체의 통과를 위한 절개부 및 관의 적어도 일부가 관통 삽입되는 복수의 개구부를 구비하고, 배플들 중 인접한 배플들의 절개부들이 관 번들의 중앙의 길이방향 축 주위로 회전방향으로 오프셋되는, 복수의 배플을 포함하는, 관 번들.
  2. 제1항에 있어서,
    편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는 관의 중간 부분이 각각의 관의 길이방향 길이의 대부분인, 관 번들.
  3. 제1항에 있어서,
    편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는 관의 중간 부분이 각각의 관의 길이방향 길이의 적어도 75%인, 관 번들.
  4. 제1항에 있어서,
    편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는 관의 중간 부분이 각각의 관의 길이방향 길이의 적어도 90%인, 관 번들.
  5. 제1항에 있어서,
    편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는 관의 중간 부분이 각각의 관의 길이방향 길이의 적어도 95%인, 관 번들.
  6. 제1항에 있어서,
    각각의 배플이 관 번들의 중앙의 길이방향 축에 대체로 수직한 평면 내에 배치되는, 관 번들.
  7. 제1항에 있어서,
    각각의 배플이 부분적인 디스크이고, 절개부가 디스크의 둘레와 교차하는, 관 번들.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 관 시트가, 관의 제2 단부가 내부로 연장하고 고정되는 부가적인 개구부를 구비하는, 관 번들.
  9. 제1항에 있어서,
    관의 제2 단부가 내부로 연장하고 고정되는 부가적인 개구부를 구비하는 제2 관 시트를 포함하는, 관 번들.
  10. 제1항에 있어서,
    배플 내의 개구부가 관의 중간 부분의 횡단면과 일치하도록 성형되는, 관 번들.
  11. 제1항에 있어서,
    절개부가 배플의 섹터 또는 단편인, 관 번들.
  12. 제1항에 있어서,
    미리 선택된 패턴이 정사각형 또는 삼각형 피치인, 관 번들.
  13. 제1항에 있어서,
    미리 선택된 패턴이 일련의 동심적인 원들인, 관 번들.
  14. 제13항에 있어서,
    각각의 관 내에서, 관의 중간 부분의 적어도 하나의 대칭 축이 동심적인 원 중 하나의 접선을 따라서 놓이는, 관 번들.
  15. 제1항에 있어서,
    각각의 관의 중간 부분의 횡단면이 2개의 대칭 축을 가지고, 하나의 축이 다른 축 보다 짧으며, 관의 제1 및 제2 단부가 원형 횡단면을 가지고, 제1 및 제2 단부 중 하나가 짧은 대칭 축의 길이 보다 작은 직경을 가지는, 관 번들.
  16. 제1항에 있어서,
    각각의 관이 그 전체 길이방향 길이를 따라서 편평한 원의 형태의 횡단면을 가지는, 관 번들.
  17. 제1항에 있어서,
    편평한 원이 타원형 또는 장박형의 기하형태적 형상의 형태인, 관 번들.
  18. 제1항에 있어서,
    편평한 원이 타원체형 또는 계란형의 기하형태적 형상의 형태인, 관 번들.
  19. 외피-및-관 열 교환기이며:
    제1항에 따른 관 시트가 내부에 배치되는 내부 부피를 가지는 외피;
    외피-측 유체를 외피의 내부 부피 내로 도입하기 위해서 외피로부터 연장하는 유입구 노즐;
    외피-측 유체를 외피의 내부 부피로부터 제거하기 위해서 외피로부터 연장하는 배출구 노즐;
    관 번들 내의 관의 제1 단부 내로 관-측 유체를 도입하기 위한 다른 유입구 노즐; 및
    관 번들 내의 관의 제2 단부로부터 관-측 유체를 제거하기 위한 다른 배출구 노즐을 포함하는, 열 교환기.
  20. 제1항의 관 번들을 조립하는 방법이며:
    원형 횡단면을 가지는 관의 제1 및 제2 단부를 제공하는 단계 및 관의 중간 부분의 적어도 하나의 대칭 축의 길이 보다 작은 직경을 가지는 제2 단부를 제공하는 단계;
    배플들의 개구부들이 정렬된 상태로 배플들을 희망하는 미리 선택된 거리로 서로로부터 이격시키는 단계;
    배플들을 서로에 대해서 이격된 그리고 회전적인 관계로 고정하기 위해서 결속-막대를 배플들에 고정하는 단계;
    각각의 배플 내의 정렬된 개구부를 통해서 각각의 관의 제2 단부를 삽입하는 단계;
    각각의 관의 제1 단부를 제1 관 시트 내의 홀 내에 고정하는 단계; 및
    각각의 관의 제2 단부를 제1 관 시트 또는 제2 관 시트 내의 다른 홀 내에 고정하는 단계를 포함하는, 방법.
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