KR20160084841A - Reactor, channel-type stack for heat exchanger, and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응 중 극심한 발열 및 흡열을 유발하는 반응기 및 낮은 열전달계수를 가지나 유체 간 열교환 부하가 높아야 하는 고부하용 열교환기 등에 사용될 수 있는 주름판 적층형의 스텍을 제작하기 위한 구성품들의 설계 원리 및 제작 방법에 관한 것으로, 열전도성의 얇은 평판에 V자형 주름을 상하로 형성시켜 제작되는 corrugated plate를 간격을 두고 적층한 것이다. The present invention relates to a reactor for generating extreme heat and endothermic reaction during a reaction, and a design principle and a manufacturing method for a component for manufacturing a stack of a corrugated plate which can be used for a heat exchanger having a low heat transfer coefficient but a high heat exchange load between fluids In which corrugated plates made by forming V-shaped wrinkles on upper and lower sides of a thin, heat-conductive plate are stacked at intervals.
Description
본 발명은 반응기 및 열교환기용 체널형 스텍 및 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형의 고효율 micro-channel형 열교환기부터 대형의 고효율 가스-가스용 열교환기 및 촉매 충진용 반응기에 이르기까지 두루 사용이 가능하고, 또 제작이 쉬운 새로운 반응기 및 열교환기용 채널형 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a channel-type stack for a reactor and a heat exchanger, and more particularly to a high-efficiency micro-channel heat exchanger, a large-scale high efficiency gas-gas heat exchanger and a catalyst- To a new reactor and a channel type stack for a heat exchanger which are easy to manufacture, and a manufacturing method thereof.
화학반응을 수행하기 위해 사용되는 촉매반응기나 유체와 유체 사이 냉각/가열을 위한 열교환기들은 일반적으로 Shell-and-tube형이 많이 사용된다. 그러나 극심한 발열이나 흡열을 수반하는 반응들은 반응기 부피 당 발생되거나 흡수되는 열량이 크기 때문에, 반응기 부피가 커지면 면적에 비례하는 열교환량이 미쳐 따라가기 못하는 현상이 발생하게 되며, 보다 작은 직경의 튜브를 적게는 수백 개 많게는 수 천 개씩 사용하여 촉매의 충진층의 두께를 줄이는 것이 필요하다. 또한 가스-가스 간 열교환의 경우에도 통상 가스의 열교환 계수가 낮아 보다 많은 열교환 면적이 필요하여, 열교환기의 부피가 커지는 것이 필요하여 최종적으로 부피가 커지고 제조 비용이 증가하는 단점이 존재한다. The catalytic reactors used to carry out chemical reactions or heat exchangers for cooling / heating between fluids and fluids are generally of the Shell-and-tube type. However, reactions involving extreme exothermic or endothermic reactions are generated or absorbed by the volume of the reactor volume, so that as the reactor volume increases, the amount of heat exchange proportional to the area will fail to follow, It is necessary to reduce the thickness of the packed bed of the catalyst by using several hundreds to several thousands. Also, in the case of heat exchange between gas and gas, the heat exchange coefficient of the gas is low, so that a larger heat exchanging area is required, so that the volume of the heat exchanger needs to be increased, resulting in a final volume increase and a manufacturing cost increase.
근래에 이러한 단점을 해결하기 위해 평판을 간격을 두고 쌓아 홀수 번 체널과 짝수 번 체널에 냉각용 및 가열용 유체를 번갈아 흘려서 평판을 통해 상호 열교환시키는 체널형 스텍을 사용하는 방식이 개발되고 있다. In order to solve these drawbacks, a method of using a channel type stack in which flat plates are stacked at intervals to alternately flow cooling and heating fluids alternately through an odd number channel and an even number channel and mutually heat exchange through a flat plate is being developed.
채널형 스텍을 사용하는 방식은 대형 산업용의 경우 평판 사이에서 가스가 층류(laminar flow)로 흘러서 열전달 계수가 난류로 흐르는 쉘-튜브형에 비해 낮으며, 부피 당 열교환 면적이 shell-and-tube형과 별 차이가 없다는 문제가 있어, 주로 소형 마이크로 채널형 열교환기로만 상용화되고 있다. In the case of large-scale industrial use, the channel-type stack has a lower heat transfer coefficient than the shell-tube type in which the heat transfer coefficient flows into the laminar flow between flat plates, and the heat exchange area per volume is in a shell-and- There is no difference, and it is mainly commercialized only as a small microchannel type heat exchanger.
소형 마이크로 채널형 열교환기는 평판에 음각 또는 양각으로 식각하여 열교환 면적을 늘려준 것인데, 촉매의 충진 및 배출이 어려워 촉매반응기로써의 사용은 부적합하다. The small microchannel heat exchanger is made by etching the flat plate at a negative angle or a relief angle to increase the heat exchange area. However, the use of the catalyst as a catalytic reactor is not suitable because of difficulty in filling and discharging the catalyst.
이에 따라, 열 교환 면적이 넓고, 제작이 쉬우며, 소형 반응기부터 대형 산업용으로까지 사용할 수 있으며, 촉매의 충진 및 배출이 용하여 촉매 반응기로 사용할 수 있도록 한 새로운 채널형 스텍 새로운 까지 사용이 가능한 새로운 형태의 체널형 스텍에 대한 요구가 계속되고 있다. As a result, it is possible to use it from a small reactor to a large industrial use with a wide heat exchange area, easy to manufacture, and a new channel type stack which can be used as a catalytic reactor by filling and discharging a catalyst. There is a continuing need for a channel-type stack of the same.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 열 교환 면적이 넓고, 제작이 쉬우며, 소형 반응기부터 대형 산업용으로까지 사용할 수 있으며, 촉매의 충진 및 배출이 용하여 촉매 반응기로 사용할 수 있는 새로운 채널형 스텍을 제공하는 것이다. A problem to be solved by the present invention is to provide a new channel-type stack which can be used as a catalytic reactor because of its wide heat exchange area, easy to manufacture, small reactor to large industrial use, will be.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 극심한 발열 반응에서도 사용이 가능하도록 냉각용 유체가 난류로 흘러 열전달 계수가 높으며, 또한 반응기 폭과 길이를 임의로 조절하여 길이에 따른 냉각량을 조절할 수 있는 새로운 채널형 스텍을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a new channel type which can control the cooling amount according to the length by arbitrarily adjusting the width and length of the reactor, Stack.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 기존의 고효율 열교환기로 시판되는 마이크로 채널형 열교환기들이 유로가 복잡하여 적층 방향으로 각 체널 당 유량이 분산되는 평행 흐름 (parrell flow)이 어려워 압력 강하가 크고, 또한 면적의 대형화가 힘들어 대형화된 산업용은 제작이 불가능한 문제를 해결하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a micro-channel type heat exchanger which is commercially available as a high-efficiency heat exchanger and which has a complicated flow path and has a large pressure drop due to difficulty in paralle flow in which the flow rate per channel is dispersed in the stacking direction, In addition, it is difficult to enlarge the size of the large-sized industrial applications to solve the problem is impossible.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 기존의 평판형 열교환기들은 판 사이 간격을 좁게 하면 열교환 면적은 일반 shell-and-tube형에 비해 다소 증대되나 이 경우 촉매를 충진하고 사용 후 제거할 수 있는 형태의 촉매반응기로는 사용이 불가능한 문제를 해결하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is that if the plate-to-plate spacing of the conventional plate heat exchangers is narrowed, the heat exchange area is somewhat increased compared to the shell-and-tube type. In this case, Type catalytic reactors that can not be used.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 발열 또는 흡열을 동반하는 반응 및/또는 유체 간 열교환에 사용될 수 있는 열교환 장치에 있어서, 열전도성 금속 평판에 상하로 일정하게 주름이 있으며, 주름 방향에 수직한 양끝 부분(이하,‘좌우 에지’라 함)가 평평한 다수의 주름판이 소정 간격으로 적층되고, 적층된 주름판들 사이로 유체가 흐르는 체널들이 형성되는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a heat exchange apparatus that can be used for a reaction accompanied by exothermic or endothermic reaction and / or fluid-to-fluid heat exchange, wherein the thermally conductive metal plate has wrinkles uniformly up and down, A plurality of corrugated plates having flat vertical ends (hereinafter referred to as " left and right edges ") are stacked at predetermined intervals, and channels are formed through which fluid flows between the corrugated plates.
본 발명에 있어서, 상기 열교환 장치에서 상기 주름판들은 좌우 에지에 삽입되는 평평한 스페이서(플렛바)와 주름 방향의 양끝 부분(이하,‘상하 에지’라 함)에 삽입되는 주름진 스페이서(주름바)에 의해서 이격된다.In the present invention, in the heat exchanger, the corrugated plates are provided with flat spacers (flap bars) inserted into left and right edges and corrugated spacers (corrugated bars) inserted into both ends of a corrugation direction .
본 발명의 실시에 있어서, 상기 열교환 장치는 발열 또는 흡열을 동반하는 반응형 열교환 장치로 사용하기 위해서, 홀수번 체널의 상하 에지에는 주름바가 삽입되고,짝수번 체널의 좌우 에지에는 플렛바가 삽입되어, 짝수번 체널에는 흡열 또는 발열을 동반하는 촉매가 충진되고, 홀수번 체널에는 주름 방향에 수직하게 유체가 흐르면서 흡열에 필요한 열을 공급하거나 발열된 열을 제거하기 위해서 유체가 흐른다. In the embodiment of the present invention, in order to use the heat exchanger as a reaction heat exchanger accompanied by heat generation or endotherm, a pleated bar is inserted into the upper and lower edges of the odd numbered channels, a flat bar is inserted into the left and right edges of the even numbered channels, In an even numbered channel, a catalyst with endothermic or exothermic heat is filled. In an odd numbered channel, a fluid flows perpendicularly to the corrugation direction to supply heat necessary for heat absorption or to remove heat generated.
본 발명의 다른 실시에 있어서, 상기 열교환 장치는 고효율의 열교환 장치로 사용하기 위해서, 상하에지에는 주름바가 삽입되고, 홀수번 체널과 짝수번 채널에 주름 방향에 수직하게 각각 유체가 흐르면서 상호 열교환된다.In another embodiment of the present invention, in order to use the heat exchanger as a high-efficiency heat exchanger, a corrugated bar is inserted into upper and lower edges of the heat exchanger, and heat exchange is performed between the odd-numbered channel and the even- .
본 발명에서 ‘주름판’이라 함은 물결 모양으로 나란히 골이 진 판재를 의미하는 것으로 이해된다. In the present invention, the term 'corrugated plate' is understood to mean a corrugated plate in a wavy shape.
본 발명에 있어서, 상기 주름판은 상부 주름판의 골이 하부 주름판의 마루보다 낮게 위치하여, 바람직하게는 상부 주름판의 골이 하부 주름판의 골과 50% 이상 겹치도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 주름판은 상부 주름판과 하부 주름판이 많이 겹쳐지도록 V자형 주름이 상하로 일정하게 잡혀진 주름판을 사용하는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the corrugated plate of the upper corrugated plate is located lower than the floor of the lower corrugated plate, and preferably the corrugation of the upper corrugated plate overlaps the corrugated plate of the lower corrugated plate by 50% or more . It is preferable that the corrugated plate is a corrugated plate having a V-shaped corrugation held vertically so that the upper corrugated plate and the lower corrugated plate overlap each other.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 열전도성 주름판은 통상적으로 0.1-3mm 두께를 가질 수 있으며, 홈이 파진 Roller들을 사용하여 V자 형태의 직선형 주름을 상하에 형성시킨 주름판을 제작할 수 있다. In the practice of the present invention, the thermally conductive corrugated board may have a thickness of 0.1 to 3 mm, and a corrugated board having V-shaped straight corrugations formed on the top and bottom using grooved rollers.
주름판 내 주름의 폭(마루와 마루 사이의 간격)은 적게는 수 mm 에서 크게는 수십 mm까지 가능하며, 주름의 꼭지점 사이 길이는 주름의 폭보다 길수록 면적이 많아지며 통상 1.5-2배 정도로 제작이 가능하다. 주름을 금속판의 길이 방향의 직각으로 형성하게 되면 길이가 긴 열교환기 제작에 유리하고, 길이 방향으로 평행되게 형성시키면 촉매가 충진되는 길이가 긴 반응기의 제작에 유리하다. 주름판의 좌우에지는 나중 밀봉을 위해 주름 후 수평으로 펴거나, 제작 시 주름을 형성하지 않도록 제작한다. 이렇게 제작되어진 주름판을 일정한 간격을 두고 상하 방향으로 적층하게 되는데, 이때 간격은 두 주름판의 꼭지점 사이 거리에 해당되는 두께의 평평한 플랫 바를 좌우 에지에 끼워서 유지시키게 되며, 상기 플랫 바의 폭은 나중 용접을 위해서 충분히 두꺼워야 하며 통상 3-10 mm 정도가 적당하다. 주름판의 길이 방향 양끝의 밀봉이 이루어지는 부위 (상하 edge)에는 두 주름판 사이의 단면적 모양과 동일한 단면 형상으로 제작된 폭 3-10mm 정도의 주름진 bar (주름바)를 끼우게 된다. 상기 주름바는 플랫바를 이용해서 롤러를 사용하여 주름판으로 제작하는 것은 불가능하며, 와이어 커팅 공법에 의해서 주름판 사이 주어진 패턴 모양으로 제작하여 주름판 사이에 끼웠을 때 빈틈이 없게 하는 것이 중요하다. The width of the corrugation in the corrugated panel can be from a few millimeters to a few tens of millimeters. The longer the corrugation length is, the larger the area is. This is possible. If the corrugation is formed at right angles to the longitudinal direction of the metal plate, it is advantageous to manufacture a long length heat exchanger, and if it is formed parallel to the longitudinal direction, it is advantageous to manufacture a reactor having a long catalyst length. The left and right edges of the corrugated board are horizontally stretched after corrugation for later sealing, or they are made so as not to form wrinkles during fabrication. The corrugated plates thus manufactured are stacked in the vertical direction at regular intervals. At this time, the flat flat bars having the thickness corresponding to the distance between the vertexes of the two corrugated plates are held by the left and right edges, It should be thick enough for welding, usually about 3-10 mm. A corrugated bar (corrugated bar) having a width of about 3 to 10 mm, which is formed in the same cross-sectional shape as the cross-sectional shape between the two corrugated plates, is placed at the upper and lower edges of the corrugated plate. It is not possible to fabricate the corrugated bar using a flat bar by using a roller, and it is important that the corrugated bar is manufactured by a wire cutting method in a given pattern shape between the corrugated plates so that no gap is formed between the corrugated plates.
이렇게 주름판의 상하 에지 및 좌우 에지 4 곳에 유체의 출입구를 제외하고 주름바와 플랫바를 적치하고, 적층을 반복하여 일정 높이의 스텍을 만들게 되면, 상기 스텍의 상하좌우 적층된 옆 4면이 빈틈없이 주름판과 bar들로 채워지게 되어 주름판의 끝과 bar 사이를 외부에서 쉽게 용접하여 밀봉할 수가 있다. When the upper and lower edges of the corrugated board and the four corners of the corrugated sheet except for the fluid inlet and outlet are stacked and the flat bar is stacked and the stack is repeated to form a stack having a predetermined height, It is filled with plates and bars so that it can easily weld and seal between the end of the corrugated plate and the bar.
상기 스텍에 냉각 및 가열용 유체 (또는 반응물)들의 유입 및 배출구들을 추가로 마련하기 위해서는 두 가지 방법이 제공된다.Two methods are provided to further provide inflow and outflow of fluids (or reactants) for cooling and heating into the stack.
촉매 충진 반응기로 사용하려면 반응물은 주름판의 상하로 흘리고 반응온도 조절을 위한 냉각 또는 가열용 유체는 주름판의 직각 방향인 좌우로 흘려야 한다. 이에 따라서 반응물의 유입 및 배출을 위해서 상하 에지의 홀수 번에만 주름바를 삽입하고 냉각 또는 가열용 유체의 유입 및 배출을 위해서는 좌우 에지의 짝수 번에만 플랫바를 삽입하여 완성하는 것이 바람직하고, 이런 원리로 제작된 반응기는 상하 주름 방향으로 촉매의 충진 및 사용 후 촉매의 폐기가 가능하다. For use as a catalyst-filled reactor, the reactants should flow to the top and bottom of the corrugated board, and the cooling or heating fluid to control the reaction temperature should flow to the right and left of the corrugated board. Accordingly, it is preferable to insert a corrugated bar only at an odd number of upper and lower edges for the inflow and outflow of the reactant, and insert the flat bar only at an even number of left and right edges for inflow and outflow of cooling or heating fluid. The catalyst can be filled up in the up and down directions and the catalyst can be discarded after use.
열교환기 전용으로 사용을 하는 경우에는, 상하 에지는 주름바를 층층이 끼워 넣어 적층 면을 모두 밀봉하고, 좌우 에지의 적층 면들을 다시 좌우로 양분하여 왼쪽 반에는 홀수 번, 오른 쪽 반에는 짝수 번에만 플렛바를 삽입하고 적층하여, 냉각 및 가열용 유체의 유입구 및 배출구 4개를 형성하게 된다. 이렇게 제작된 열교환기는 유체가 주름을 타고 zig zag로 흘러서 난류 효과에 의한 열전달 효율을 높여주게 된다. 이때 바람직하게는 내부 공간의 주름판 사이에는 주름바의 한 쪽 끝이 잘려 나간 절단된 주름바를 일정한 간격으로 zig zag로 삽입하는 것이 바람직한데, 이렇게 함으로써 주름판 사이를 기계적으로 받쳐주어 박판의 주름판이 찌그러지는 것을 막아주고, 유체의 분배를 좋게하며, 또한 유속을 조절하는 역할도 할 수가 있다. 또한 삽입한 절단된 주름바가 홀수 개면 유입구 및 배출구를 같은 면으로 배치할 수 있고, 짝수 개이면 대각선의 반대 방향으로 배치할 수가 있어서 최종 열교환기의 배관 설계가 용이하다. 이렇게 유입구 및 배출구가 형성된 스텍은 4면 옆면의 적층부의 주름판 끝에 밀착된 bar 사이를 용접하여 최종 스텍을 완성하게 되며, 상기 스텍에 같은 유입구 또는 배출구들의 array를 포함하는 부위에 manifold를 부착하고 다시 용접하여 유체 (또는 반응물)의 유입구 및 배출구를 완성하게 되면 최종적인 반응기 또는 열교환기가 완성된다. In the case of using only for the heat exchanger, the upper and lower edges are formed by sandwiching the laminated surfaces of the corrugated bar and sealing the laminated surfaces of the left and right edges to the left and right. The bars are inserted and laminated to form four inlets and four outlets for cooling and heating fluids. The heat exchanger thus produced increases the heat transfer efficiency due to the turbulence effect by flowing the wrinkles into the zig zag. In this case, it is preferable to insert the cut corrugated bar cut at one end of the corrugated bar between the corrugated plates of the inner space at regular intervals with the zig zag. By doing so, the corrugated plates are mechanically supported between the corrugated plates, It can prevent squeezing, improve the distribution of fluid, and also control the flow rate. In addition, the inlet and outlet ports can be arranged on the same plane as the odd number of the cut corrugated bar inserted, and the even number can be arranged in the opposite direction of the diagonal line, thereby facilitating the design of the piping of the final heat exchanger. The stack having the inlet and outlet ports is welded between the bars adhered to the edges of the corrugated plate of the laminate on the side of the four sides to complete the final stack. A manifold is attached to the stack including the array of the inlet or outlet, Once the inlet and outlet of the fluid (or reactant) are completed by welding, the final reactor or heat exchanger is completed.
본 발명에서 제안된 주름진 평판, 특히 V자형 주름을 상하로 형성시켜 제작되는 주름판을 주름바 및 플랫바를 삽입하여 밀착 적층하는 원리에 의해 제작되는 열교환용 스텍의 설계 원리는, 제작이 쉽고 체널 간 밀봉이 쉬우며 주름의 크기 유무에 상관없이 주름판 간 밀착 간격의 조절이 가능하여 소형의 마이크로 채널형 열교환기에서부터 대형의 산업용 촉매 반응기 까지 다양한 범위에 적용이 가능하다는 장점이 있으며, 특히 유로가 주름판의 상하로 zig zag로 흐르고 다시 스텍의 좌우로 zig zag로 흘러서 열전달 효율이 증대되어 극심한 발열 또는 흡열반응을 동반하는 반응기의 효과적인 온도 제어를 위한 얇은 촉매층 두께와 고효율의 열교환 요구에 쉽게 부응하여 설계될 수가 있고, 또 열전달 효율이 낮은 가스-가스 간 열교환을 위한 고효율 열교환기의 제작에 효과적으로 이용될 수가 있는 장점이 있다. The design principle of the heat exchange stack manufactured by the present invention is that the corrugated flat plate, in particular, the corrugated plate formed by vertically forming the V-shaped corrugations is inserted into the corrugated bar and the flat bar to closely stack them, It is easy to seal, and it is possible to control the gap between the corrugated plates regardless of the size of the corrugation, so that it can be applied to various ranges from a small microchannel heat exchanger to a large industrial catalytic reactor. It flows through the zig zag to the top and bottom of the plate and flows back to the zig zag to the left and right of the stack to increase the heat transfer efficiency. It is designed to meet the thin catalyst bed thickness and high efficiency heat exchange requirement for effective temperature control of the reactor accompanied by extreme heat or endothermic reaction. High efficiency heat exchange for gas-gas heat exchange with low heat transfer efficiency There is an advantage that can be effectively used in the production of.
도 1은 본 발명의 제안에 따라, V자형 주름이 상하로 일정하게 잡혀진 열전도성 주름판 (corrugated plate).
도 2는 본 발명의 제안에 따라, 적층된 주름판 사이 형성된 체널의 길이 방향 양끝 edge에 삽입되어 밀봉되는 주름바(corrugated bar)의 평면과 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제안에 따라, 상단과 하단 평판과 주름판을 사이 형성된 체널에 삽입되어 지지체로 사용되는 반쪽 주름바(corrugated bar)의 평면과 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제안에 따라, 체널 내부에 삽입되어 체널 내 유로를 변경하기 위한 절단 주름 바.
도 5는 본 발명의 제안에 따라 제작되는 스텍의 아랫면 및 윗면 커버판이다.
도 6은 하단 플레이트에 반쪽 주름바와 단열재들이 놓여진 상태의 평면도이다.
도 7은 도 6에서 선분 F1-F1’와 F2-F2’의 단면도이다.
도 8은 도 6에서 도시된 평면 위에 홀수번의 주름판과 주름바와 절단 주름바와 플렛바를 적치한 상태의 평면도이다.
도 9은 도 8에서 선분 G1-G1’, G2-G2’, G3-G3’에 따른 단면도이다.
도 10은 도 8에서 도시된 평면 위에 짝수번의 주름판과 좌우 에지에 플렛바를 적치한 상태의 평면도이다.
도 11은 도 10에서 선분 H1-H1’, H2-H2’, H3-H3’에 따른 단면도이다.
도 12는 홀수번 주름판과 짝수번 주름판을 번갈아서 소정의 두께로 적층한 후, 상단에 커버 플레이트를 덮은 상태의 평면도이다.
도 13 내지 도 17은 도 12의 선분 J1-J1’, J2-J2’, J3-J3’, L1-L1’, L2-L2’에 따른 각각의 단면도이다.
도 18은 비등온 반응기용 스텍의 적층이 완료되고 유출구 및 유입구에 매니폴드가 부착된 상태의 평면도이다.
도 19는 홀수번 주름판과 짝수번 주름판을 번갈아서 소정의 두께로 적층한 후, 상단에 커버 플레이트를 덮은 고효율 열교환기의 평면도이다.
도 20 내지 도 24는 도 19의 선분 K1-K1’, K2-K2’, K3-K3’, M1-M1’, M2-M2’에 따른 각각의 단면도이다.
도 25는 고효율 열교환기의 적층이 완료되고 유출구 및 유입구에 매니폴드가 부착된 상태의 평면도이다.
도 26과 도 27은 도 25의 선분 N1-N1’, N2-N2’에 따른 각각의 단면도이다.
도면 부호의 설명
1. 열전도성 주름판
2. 적층된 주름판 사이 체널의 주름방향 상하 에지 밀봉용 주름바.
3. 스텍 내 밑판 또는 윗판과 주름판 사이 지지용 주름바
4. 체널 내부 유로 변경용 주름바
5. 스텍의 밑판 또는 윗판으로 사용되는 평판
7. 스텍 밑판 또는 윗판 과 주름판 사이 체널 양끝 에지 밀봉용 플랫바
8. 스텍 밑판 또는 윗판 과 주름판 사이 체널 내부 공간에 채워지는 단열재
9. 스텍 내 적층된 체널 사이 좌우 에지 밀봉용 플랫바
11. 냉각 (또는가열)되는 유체 (또는 반응물)의 스텍 내 체널로의 유입구
12. 냉각 (또는 가열)된 유체 (또는 반응물)의 스텍 체널로부터 배출구
13. 냉각 (또는 가열)되는 유체 (또는 반응물)이 흐르는 체널 공간
15. 가열 (또는 냉각)되는 유체 (또는 반응물)의 스텍 내 체널로의 유입구
16. 가열 (또는 냉각)된 유체 (또는 반응물)의 스텍 체널로부터 배출구
17. 가열 (또는 냉각)되는 유체 (또는 반응물)이 흐르는 체널 공간
21. 스텍에 부착되고 냉각 (또는 가열)되는 유체의 유입구들을 포함하는 매니폴드
22. 스텍에 부착되고 냉각 (또는 가열)된 유체의 배출구들을 포함하는 매니폴드
23. 제1스텍의 냉각 (또는 가열)되는 유체의 배출구와 제2스텍의 냉각 (또는 가열) 되는 유체의 유입구들을 포함하는 통합 매니폴드
25. 스텍에 부착되고 가열 (또는 냉각)되는 유체의 유입구들을 포함하는 매니폴드
26. 스텍에 부착되고 가열 (또는 냉각)된 유체의 배출구들을 포함하는 매니폴드
31. 21번 매니폴드용 배관
32. 22번 매니폴드용 배관
35. 25번 매니폴드용 배관
36. 26번 매니폴드용 배관
41. 주름판 내 주름의 제일 꼭지점(pitch)-마루
51. 주름판 내 주름 방향 하부 끝의 에지 부위
52. 주름판 내 주름 방향 상부 끝의 에지 부위BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a thermally conductive corrugated plate having V-shaped wrinkles held up and down in accordance with the proposal of the present invention.
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of a corrugated bar inserted and sealed at both longitudinal edges of a channel formed between stacked corrugated plates according to the proposal of the present invention. FIG.
3 is a plan view and a cross-sectional view of a corrugated bar used as a support inserted in a channel formed between upper and lower flat plates and a corrugated plate according to the proposal of the present invention.
4 is a cut-away corrugation bar inserted into a channel to change the in-channel flow path according to the proposal of the present invention.
5 is a bottom and top cover plate of a stack manufactured according to the proposal of the present invention.
FIG. 6 is a plan view of the lower plate with the half corrugated bar and the heat insulating materials placed thereon. FIG.
7 is a cross-sectional view of line segments F1-F1 'and F2-F2' in FIG.
FIG. 8 is a plan view of a state in which an odd number of corrugated plates, a corrugated bar, a cut corrugated bar and a flat bar are placed on the plane shown in FIG.
FIG. 9 is a sectional view taken along line segments G1-G1 ', G2-G2' and G3-G3 'in FIG.
FIG. 10 is a plan view of a state in which a flat bar is placed on the corrugated plate at an even number and the left and right edges on the plane shown in FIG.
11 is a sectional view taken along line segments H1-H1 ', H2-H2' and H3-H3 'in Fig.
FIG. 12 is a plan view of a laminated structure in which odd-numbered corrugated sheets and even-numbered corrugated sheets are alternately laminated to a predetermined thickness, and then cover plates are covered on the top.
Figs. 13 to 17 are sectional views, respectively, according to line segments J1-J1 ', J2-J2', J3-J3 ', L1-L1' and L2-L2 'in Fig.
FIG. 18 is a plan view of a stack for a non-isothermal reactor after lamination is completed and a manifold is attached to an outlet port and an inlet port. FIG.
19 is a plan view of a high-efficiency heat exchanger in which odd-numbered corrugated plates and even-numbered corrugated plates are alternately laminated to a predetermined thickness and then a cover plate is covered at the top.
Figs. 20 to 24 are sectional views, respectively, according to line segments K1-K1 ', K2-K2', K3-K3 ', M1-M1' and M2-M2 'in Fig.
FIG. 25 is a plan view of a state in which stacking of a high efficiency heat exchanger is completed and a manifold is attached to an outlet port and an inlet port. FIG.
Figs. 26 and 27 are sectional views, respectively, according to line segments N1-N1 'and N2-N2' in Fig.
Explanation of reference numerals
1. thermally conductive corrugated board
2. Wrinkle bar for sealing upper and lower edges in the corrugation direction of the channel between stacked corrugated plates.
3. Crease bar for supporting between bottom plate or upper plate and corrugated plate in the stack
4. Wrinkle bar for channel change inside channel
5. Flat plate used as base plate or top plate of stack
7. Between the bottom plate or the top plate and the corrugated plate.
8. Between the bottom plate or top plate and the corrugated board Insulation filling the inner space of the channel
9. Flat bar for sealing left and right edges between stacked channels in a stack
11. Inlet to channel in the stack of fluid (or reactant) to be cooled (or heated)
12. From the outlet channel of the cooled (or heated) fluid (or reactant)
13. A channel space through which the fluid (or reactant) to be cooled (or heated)
15. Inlet to channel in the stack of fluid (or reactant) to be heated (or cooled)
16. From the stack channel of the heated (or cooled) fluid (or reactant)
17. A channel space through which fluid (or reactant) to be heated (or cooled)
21. A manifold comprising an inlet of a fluid attached to the stack and cooled (or heated)
22. A manifold comprising exhausts of fluid adhered to the stack and cooled (or heated)
23. An integrated manifold comprising an outlet for a fluid to be cooled (or heated) in a first stack and an inlet for fluid to be cooled (or heated) in a second stack,
25. A manifold comprising an inlet of a fluid attached to the stack and heated (or cooled)
26. A manifold comprising manifolds attached to a stack and heated (or cooled)
31. Piping for manifold No. 21
32. Piping for manifold No. 22
35. Piping for manifold No. 25
36. Piping for manifold No. 26
41. Pitch of the pleats in the corrugated plate -
51. Edge area at the lower end of the corrugation in the corrugated board
52. Edge area of the upper end of the corrugated board in the crease direction
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며, 발명의 내용을 한정하기 위한 것이 아님을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. It should be noted that the following examples illustrate the invention and are not intended to limit the scope of the invention. Further aspects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments, which are to be understood in conjunction with the accompanying drawings. In order to facilitate a clear understanding of the present invention, some of the elements in the figures may be exaggerated, omitted or schematically illustrated. Also, the size of each component does not entirely reflect the actual size.
도면에서는 열 교환용 반응기의 제작을 위한 구성품들과 구성품들을 이용하여 반응기를 제작하는 과정을 나타내었다. In the figure, the process of fabricating a reactor using the components and components for manufacturing a heat exchange reactor is shown.
도 1에는 상하로 주름이 지고 좌우 양끝 에지는 평평한 부위를 가지는 주름판 (corrugated plate) (1)이 나타나 있다. 여기에서 보듯이 주름판을 적층 시 두 판사이의 중첩 비율을 높이기 위해서는 (주름판 사이 간격을 줄이기 위해서는), 주름 꼭지점 (41)의 곡선 부분을 제외하고는 V자형으로 직선형으로 주름이 형성되어야 한다. FIG. 1 shows a
도 2는 상기 주름판 (1)을 적층했을 때 두 판사이의 상하 edge (51, 52) 부위에 삽입하게 되는 주름판 밀봉용 주름바(2)의 그림으로, overview에서 보이는 bar의 폭은 나중 용접 시 bar 사이에 끼워져 있는 주름판 끝을 보호할 수 있는 정도의 넒이면 되며 통상 3-10mm 정도가 적당하다. 상기 주름바(2)의 단면적의 형상은 그 다음 그림에서 나와 있듯이 적층된 corrugated plate (1) 들의 간격 사이에 삽입했을 때 빈틈없이 완벽하게 끼워질 수 있도록 제작되며, wire cutting 공법에 의해서 제작될 수 있다.2 is a view of a
도 3은 적층을 위해 가장 밑바닥과 맨 위에 마지막으로 놓게 되는 평판 (5)과 주름판 (1) 사이의 상하 edge에 꽉 끼도록 삽입하게 되는 반쪽 주름바 (3)의 도면이다. Fig. 3 is a view of a half
도 4는 체널 내부의 주름판 사이의 기계적 안정성을 높이고 내부로 흐르는 유체의 유로 변경을 위해 zig zag로 삽입하게 되는 내부 체널용 절단 주름바(4)의 설계 도면으로 도2의 주름바의 한 쪽 끝을 조금 잘라서 쉽게 제작할 수 있다. 4 is a design drawing of a cutting
도 5는 적층된 스텍의 맨 아래 및 맨 위에 놓이게 되는 평판을 나타낸다. 5 shows a flat plate which is placed at the bottom and top of stacked stacks.
상기 구성품들을 사용하여 적층된 스텍을 제작하기 위해서, 도 6 및 도 7에서는 맨 밑바닥용 평판 (5)을 놓고 그 위에 상하 edge에 2개의 반쪽 주름바 (3)을 놓고, 중간에 3개의 반쪽 주름바 (3)를 놓은 후 그 사이에는 단열재 (8)를 채우게 된다. 그 다음 좌우 edge (53, 54)의 반쪽 주름바 사이에 해당 길이의 플렛바 (7)을 끼워서 적치하여 그 다음 주름판 (1)이 적층될 수 있는 상태를 나타낸다. In order to produce stacked stacks using the above-mentioned components, in FIG. 6 and FIG. 7, the bottom
도 8과 도 9는 첫 번 째 홀수 번의 주름판 (1)을 적층한 경우로, 적층 후 상하 edge에 2개의 주름바 (2)와 내부에 3개의 유로 변경용 절단 주름바 (4)가 zig zag로 적치되고 좌우 edge의 비어있는 곳에 플렛바 (9)를 적치하게 된다. 이때 우측 edge에는 냉각용 (또는 가열용) 유체가 유입되고 배출되는 부분은 플렛바 (4)를 설치하지 않게 하여 해당 유체의 유입구 (11)와 배출구 (12)를 확보하게 된다.Figs. 8 and 9 show the case where the first odd number of
도 10과 도 11은 여기에 짝수 번의 주름판 (1)을 적층한 경우로 여기서는 좌우 edge에만 플렛바 (9)를 적치하여, 상하 방향으로 반응물의 유입 및 배출을 위한 유입구 및 배출구 (16)을 확보하게 되고 반응물이 하부의 유입구 (15)로 들어와 주름방향과 평행하게 흐르게 되며 최종적으로 상부 배출구 (16)으로 배출되게 된다. 따라서 이 부분의 짝수 전 체널 공간에 촉매를 충전할 수가 있고 또한 필요 시 체널 간격을 좁게 유지하여 일반 tube-and-shell 구조로 되는 튜브형 반응기에서 보다 촉매 충진층의 두께를 얇게 유지할 수도 있어서, 심한 발열 및 흡열을 동반하여 온도 제어가 어려운 반응의 경우에도 촉매 충진층의 내부 온도를 보다 균일하게 유지할 수 있는 장점을 제공한다. 10 and 11 show a case in which an even number of
도 12 내지 도 17은 적층이 끝난 최종 스텍의 평면도와 단면도들을 나타내며, 상기 스텍은 홀수번 주름판과 짝수번 주름판을 적층하는 과정을 원하는 만큼 반복한 후 (여기서는 5번 반복 함) 최종적으로 6c형의 적층을 한번 더 한 후, 다시 맨 위에 평판 (5)과 부속 바 등을 밑 평판 적층 때와 같이 대칭되게 하여 완성하게 된다. FIGS. 12 to 17 show a top view and a cross-sectional view of a laminated end stack, in which the stack is repeated as many times as desired (here, it is repeated five times) And then the
이렇게 완성된 스텍은 도 13에서 도시된 바와 같이, 상하 edge 부위의 단면도 J1-J1’에서 보듯이 주름판의 길이 방향으로 반응물이 유입되거나 배출되는 짝수 번 체널 (17) 만 열리게 되고 홀수 번 체널 (13)은 주름바 (2)에 의해 막히게 되며 주름판 (1)과 주름바 (2) 및 반쪽 주름바 (3) 및 flat bar (9)사이는 용접에 의해 밀봉이 가능하게 된다. 한편 도 14에서 도시된 바와 같이 냉각용 (또는 가열용) 유체가 유입되거나 배출되는 부분은 단면도 J2-J2’에서 보듯이 홀수 번 체널 (13)로는 하부 우측의 유입구 (11)로 유체가 유입되어 체널 내부를 zig zag로 흘러서 상부 우측의 배출구 (12)로 나가게 된다. 도 15에서 도시된 바와 같이 단면도 J3-J3’는 3개의 유료 변경용 절단 주름바 위치에서의 도면으로 반응물은 짝수 번 체널 (17)의 길이 방향으로 유체가 흐르고 냉각 (또는 가열용) 유체는 홀수 번 체널 (13)에서 유료 변경용 절단 주름바 (4)의 끝에서 유로 방향이 좌 또는 우로 변경되어 주름 직각 방향으로 zig zag로 흘러가게 된다. 또한 도 16의 단면도 L1-L1’에서 보면 스텍의 우측 측면부에서 냉각용 (또는 가열용) 유체는 홀수 단의 좌측 유입구 (11)로 유입되어 같은 단의 우측 배출구 (12)로 배출되는 것을 알 수가 있고, 도 17의 단면도 L2-L2’에서 보듯이 스텍 좌측 측면부는 적층용 플렛바 (9)와 유로변경용 절단 주름바 (4)에 의해 완전히 막히게 되어 있다. As shown in FIG. 13, only the even-numbered
이상에서 보듯이 스텍의 4면 측면부는 반응물 및 유체의 유입구 및 배출구를 제외하고는 빈틈 없이 적층되어 있어서 주름판 끝과 적층용 bar들 사이를 용접에 의해 쉽게 밀봉할 수가 있다. 이렇게 제작된 스텍은 각각의 유입구 및 유출구에 최종적으로 Manifold를 부착 연결하고 배관을 연결하여 최종 반응기를 완성하게 되며, 도 18에서 보듯이 스텍의 길이 방향이 짧을 경우 복수개의 스텍을 직렬로 연결하고 외부에서 용접하여 하나의 반응기로 사용할 수도 있으며, 우측의 냉각용 (또는 가열용) 유체도 복수 개의 유입구 및 유츨구를 설치하여 반응기 길이 방향의 냉각 정도를 각각 다르게 조절할 수 있는 방법도 함께 제공된다.As can be seen from the above, the side faces of the four sides of the stack are stacked tightly except for the inlet and outlet of reactants and fluids, so that it is possible to easily seal between the corrugated plate end and the stacking bars by welding. As shown in FIG. 18, when the length of the stack is short, a plurality of stacks are connected in series, and the stack is connected to the outside (Or heating) fluid is also provided with a plurality of inlets and outlets for adjusting the degree of cooling in the longitudinal direction of the reactor, respectively.
본 발명의 원리를 설명하기 위한 다른 하나의 예로서, 상기 구성품들을 이용하여 고효율의 체널형 열교환기용 스텍을 제작한 것이 도 19에 나타나 있다. 여기서는 반응기용 스텍 제작 경우에서와 달리 냉각용 (또는 가열용) 유체뿐 만 아니고 반응물이 아닌 가열용 (또는 냉각용) 유체도 주름 체널의 직각 방향으로 흐르도록 하여 열전달 효율을 높여 열교환기 본래의 목적을 극대화 시킨 것이 특징이다. 이를 위해서 단면도 K1-K1’에서 보듯이 적층된 스텍 내 주름판 (1)의 길이 방향 끝의 상하 edge 부분은 주름바 (2)를 사용하여 체널 사이를 모두 막고 용접을 하여 밀봉을 하게 된다. 대신 스텍의 좌우 측면 부에 냉각 및 가열용 유체의 유입구 및 배출구를 함께 형성시키게 되며, 이를 위해 홀수 번의 주름판 (1)을 적층 시에는 상하 edge에는 주름바 (2)를 삽입 적치하나 좌우 edge의 좌측 반 쪽은 플렛바 (9)를 비우고 적치하게 되며, 마찬가지로 짝수 번의 주름판 (1)을 적층 시에는 상하 edge에는 주름바 (2)를 삽입 적치하나 좌우 edge의 우측 반 쪽은 플렛바 (9)를 비우고 적치하는 방법으로 스텍을 완성한다. 이 경우 체널 내부에 적치되는 유로 변경용 절단 주름바 (4)는 짝수 개를 zig zag로 적치하면 유체의 유입구와 배출구가 대각선으로 반대쪽에 위치하게 된다. 도 25에서 이렇게 제작된 열교환기용 스텍에 유체의 유입구 및 배출구에 해당 Manifold를 부착하여 제작된 최종 열교환기가 나타나 있으며, 일예로 냉각용 유체는 유입 배관 (31)을 통해 manifold (21)로 유입되고 여기에서 주름판 (1) 사이 홀수 번 체널로 분산되어 유입된 후 주름의 직각 방향으로 아래 위로 zig zag로 흐르면서 유로 변경용 절단 주름바(4)에 의해 유로가 스텍의 좌우측으로 다시 zig zag로 방향을 틀면서 흘러 최종적으로 대각선 반대 방향의 배출용 manifold (22)로 유체가 모아져서 최종적으로 배출용 배관 (32)을 통해 승온되어 배출되고, 가열용 유체도 스텍의 좌측면 우측에 부착된 유입 manifold (25)를 통해 주름판 (1) 사이 짝수 번 체널로 분산 유입되고 마찬가지로 상하 및 좌우 흐름 변경을 거쳐 최종적으로 스텍 우측 옆면의 우측 manifold (26)을 통해 감온되어 배출되어지는 원리로 제작되는 방법을 제공한다.As another example for explaining the principle of the present invention, FIG. 19 shows the manufacture of a stack for a highly efficient channel-type heat exchanger by using the above components. In this case, unlike the case of producing a stack for a reactor, not only a fluid for cooling (or heating) but also a fluid for heating (or cooling), which is not a reactant, flows in a direction perpendicular to the corrugation channel to increase the heat transfer efficiency, . To this end, as shown in section K1-K1 ', the upper and lower edge portions of the longitudinal end of the stacked
이상에서 보는 것처럼 본 발명에서 제안된 평판에 V자형 주름을 상하로 형성시켜 제작되는 주름 판을 이용하여 간격을 두고 적층을 하여 반응기 및 열교환용기 스텍을 제작하는데 있어서, 상하 edge 밀봉용 주름바, 좌우 edge 밀봉용 플렛바와 내부 체널 유로 변경용 절단 주름바를 삽입하여 사이에 빈틈이 없이 밀착 적층하는 원리에 의해 제작되는 열교환기의 설계 원리는, 제작이 쉽고 체널 간 밀봉을 위한 용접이 스텍 측면의 바깥쪽에서 이루어져 쉬우며 주름의 크기 유무에 상관없이 주름 간 밀착이 작게는 mm 이하 단위 까지 크게는 수십 mm 까지도 가능하여 소형의 micro-channel 형 열교환기에서부터 대형의 산업용 촉매반응기 까지 다양한 범위에 적용이 가능하다는 장점이 있으며, 특히 유로가 주름판의 상하로 zig zag로 흐르고 다시 스텍의 좌우로 zig zag로 흘러서 열전달 효율이 증대되어 극심한 발열 또는 흡열반응을 동반하는 반응기의 효과적인 온도 제어를 위한 얇은 촉매층 두께와 고효율의 열교환 부하 요구에 쉽게 부응하여 설계될 수가 있고, 또 열전달 효율이 낮은 가스-가스 간 열교환을 위한 고효율 열교환기의 제작에 효과적으로 이용될 수가 있는 장점이 있다.As described above, in the manufacturing of the reactor and the heat exchanger container stack by laminating the corrugated plates formed by vertically forming the V-shaped wrinkles on the flat plate proposed in the present invention, the corrugated bar for upper and lower edge sealing, The design principle of the heat exchanger, which is manufactured by the principle of closely stacking without any gaps by inserting a cutting pleat bar for changing an inner channel flow, is easy to manufacture and the welding for sealing between channels is carried out from the outside of the side of the stack It is easy to make and it can be applied to a wide range from small micro-channel type heat exchanger to large industrial catalytic reactor because the adhesion between wrinkles can be as small as mm or less up to several tens of mm regardless of the size of wrinkles. In particular, the Euro flows to the zig zag up and down the corrugated plate, and the zig zag The heat transfer efficiency can be increased, so that it can be designed to meet the requirements of the thin catalyst layer thickness and the high efficiency heat exchange load for effective temperature control of the reactor accompanied by extreme heat or endothermic reaction, and the gas- It is advantageous to be able to be effectively used in the production of a high-efficiency heat exchanger.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |