KR20190033074A - 수직튜브 열교환기와 열교환방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실질적으로 수직선(V)의 수직방향으로 연장된 튜브(32)를 갖는 열교환기(5A; 100)에 관한 것으로, 상기 열교환기가 적어도 하나의 액체와 미스트를 함유하는 제1 증기를 포함하는 이상유체의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구(12)가 구비된 하측부(44), 상측부(46)와, 제1 증기가 통과하고 하측부(44)로 복귀되는 액상형태의 미스트를 회수하기에 적합한 제1 회수부재(42)를 포함하고, 제1 증기는 다음으로 상측부(46)에 도달할 수 있게 된 제1 챔버(25); 튜브(32)를 포함하고 제1 챔버(25)의 하측부(44)에 위치하는 액체조(27)로부터 상기 액체가 공급되며 튜브(32)의 외면(76)을 흐르고 제2 증기를 생성하기 위하여 적어도 부분적으로 증발하는 액체필름(92, 94)을 형성하기에 적합하고, 튜브(32)의 내부에는 이상유체 보다는 고온인 유체가 이동되는 중앙 챔버(30); 제1 챔버(25)의 상측부(46)로부터 유입되는 제1 증기와 제2 증기를 수용하고 제3 증기를 생성할 수 있게 된 제2 챔버(35)를 포함하고; 제2 챔버(35)는 제2 증기가 통과할 수 있도록 하고 제2 증기에 함유된 미스트를 회수하기에 적합한 제2 회수부재(69)를 포함하며, 제2 챔버는 증발되지 않은 액체를 위한 적어도 하나의 유출구(16; 116)와, 제3 증기를 위한 적어도 하나의 유출구(14)를 포함하고; 제1 챔버(25)와 제2 챔버(35)가 함께 수직선(V)의 방향으로 중앙챔버를 둘러싸는 공간(40)을 형성함을 특징으로 한다.

Description

수직튜브 열교환기와 열교환방법
본 발명은 튜브 열교환기에 관한 것으로, 특히, 예를 들어, 액체와 기체상 프로판의 이상혼합물과 같이 적어도 하나의 액체와 그 증기를 포함하는 이상유체(二相流體)에 적합한 튜브 열교환기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이러한 형태의 다수의 열교환기를 포함하는 조립체에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이러한 열교환기에서 실현될 수 있는 열교환방법에 관한 것이다.
이상유체와 고온유체 사이의 열교환 분야에서, 최고온의 유체가 이동하는 수평튜브 열교환기를 이용하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 이러한 열교환기는 프로판 냉각사이클에 사용되며, 열교환기는 액상 프로판을 증발시키기 위하여 사용된다.
그러나, 이러한 열교환기는 특히 이들이 다단으로 사용될 때 실질적으로 차지하는 면적이 커서 공간을 많이 차지한다.
따라서, 본 발명의 목적은 사용면적을 줄일 수 있도록 하는 반면에 양호한 열효율을 갖는 열교환기를 제공하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명은 실질적으로 수직선의 방향으로 연장된 튜브를 갖는 열교환기에 관한 것인바. 열교환기는
- 적어도 하나의 액체와 미스트(mist)를 함유하는 제1 증기를 포함하는 이상유체의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구가 구비된 하측부, 상측부와, 제1 증기가 통과하고 하측부로 복귀되는 액상형태의 미스트를 회수하기에 적합한 제1 회수부재를 포함하고, 제1 증기는 다음으로 상측부에 도달할 수 있게 된 제1 챔버;
- 튜브를 포함하고 제1 챔버의 하측부에 위치하는 액체조로부터 상기 액체가 공급되며 튜브의 외면을 흐르고 제2 증기를 생성하기 위하여 적어도 부분적으로 증발하는 액체필름을 형성하기에 적합하고, 튜브의 내부에는 이상유체 보다는 고온인 유체가 이동되는 중앙 챔버;
- 제1 챔버의 상측부로부터 유입되는 제1 증기와 제2 증기를 수용하고 제3 증기를 생성할 수 있게 된 제2 챔버를 포함하고; 제2 챔버는 제2 증기가 통과할 수 있도록 하고 제2 증기에 함유된 미스트를 회수하기에 적합한 제2 회수부재를 포함하며, 제2 챔버는 증발되지 않은 액체를 위한 적어도 하나의 유출구와, 제3 증기를 위한 적어도 하나의 유출구를 포함하고,
제1 챔버와 제2 챔버가 함께 수직선의 방향으로 중앙챔버를 둘러싸는 공간을 형성한다.
특별한 실시예에 따라서, 열교환기는 모든 기술적으로 가능한 조합에 따라 고려되는 하나 이상의 다음의 특징적인 구성을 포함한다.
- 수평평면의 단면에서, 제1 챔버와 제2 챔버는 원을 이루는 외용기에 의하여 방사상 외측이 한정되고, 외용기는 반원형인 것이 좋으며, 제1 챔버는 원부분, 좋기로는 반원을 형성하는 내용기에 의하여 방사상 내측으로 한정된다.
- 제1 회수부재는 제1 챔버의 하측부와 상측부를 분리하는 실질적으로 수평인 수평판을 형성하고, 또는 선택적인 제2 회수부재가 수평평면에서 원부분, 좋기로는 반원을 형성하며, 방사상 외측으로 중앙챔버의 일부분을 한정한다.
- 제1 챔버는 액체조와 중앙챔버를 분리하는데 적합한 타이트한 내용기에 의하여 방사상 내측으로 한정되고, 제1 챔버가 액체조 측으로 연장되어 액체조를 중앙챔버의 유입구에 유체적으로 연결하는데 적합한 적어도 하나의 채널을 포함하며, 또는 열교환기가 중앙챔버의 유입구를 향하여 액체조로부터 액체를 인양하기 위한 콤프레서를 포함한다.
- 중앙챔버는 액체를 튜브에 분배하여 액체필름을 형성하도록 하는데 적합한 하나 또는 다수의 실질적으로 수평인 수평판을 포함하고, 수평판에는 튜브가 통과하는 통과오리피스가 형성되어 있으며, 중앙챔버는 금속폼을 수용하는 슬리이브를 포함하고, 이들 슬리이브는 각 액체필름을 균질화하기 위하여 튜브와 수평판 사이에 방사상으로 연장되어 있다.
- 중앙챔버는 적어도 일부의 튜브를 고정하는 적어도 하나의 그리드를 포함하고, 열교환기는 고정그리드에 의하여 붕괴된 액체플름을 회수하기 위하여 고정된 문제의 튜브에 고정된 컵을 포함하며, 각 컵에는 새로운 액체필름을 형성하기 위한 통과오리피스가 형성되어 있고, 중앙챔버는 금속폼을 수용하는 2차 슬리이브를 포함하며, 각 2차 슬리이브는 새로은 액체필름을 균질화하기 위하여 문제의 하나의 튜브와 하나의 컵 사이에 방사상으로 연장되어 있다.
- 중앙챔버는 액체를 수집하기 위한 액체수집기와, 상기 액체수집기로부터 하측으로, 좋기로는 수직으로 연장되어 액체를 내측으로 수집하고 튜브를 향하여 액체분사를 형성하도록 하는데 적합한 부가적인 호스를 포함하고, 부가적인 호스는 액체분사를 회수하기에 적합한 핀을 형성하는 수직선을 중심으로 하는 나선외부구조를 포함하며, 액체필름이 외부구조상에서 유동한다.
본 발명은 또한 상기 언급된 바와 같은 다수의 열교환기를 포함하는 조립체에 관한 것으로, 열교환기가 수직방향으로 중첩되며, 조립체는 열교환기를 서로 연결하기 위한 다단형 채널 시스템을 포함한다.
특별한 하나의 실시예에 따라서, 조립체는 열교환기가 중첩되었을 때 상대측에 대하여 열교환기의 고정된 상대위치를 한정하는데 적합한 외용기를 갖는 것으로 되어 있다.
끝으로, 본 발명은 실질적으로 수직방향으로 연장된 튜브에 의하여 실현되는 열교환방법에 관한 것이며, 이 방법은 다음의 단계들을 포함한다.
- 튜브를 포함하는 중앙챔버와, 중앙챔버의 둘레에 수직방향으로 함께 공간을 형성하는 제1 챔버 및 제2 챔버를 제공하는 단계.
- 적어도 하나의 액체와 미스트를 함유하는 제1 증기를 포함하는 이상유체를 제1 챔버의 하측부로 유입시키는 단계.
- 하측부로 복귀되는 액체상태의 미스트를 회수하기 위하여 제1 회수부재에 제1 미스트를 횡단시키는 단계, 다음으로 제1 미스트는 제1 챔버의 상측부에 도달한다.
- 제1 챔버의 하측부에 위치하는 액체조로부터 상기 액체를 중앙챔버에 공급하는 단계.
- 튜브의 외면을 유동하여 제2 증기를 형성하도록 적어도 부분적으로 증발하는 액체필름을 형성하는 단계, 튜브의 내부에는 이상유체 보다 고온인 유체가 유동한다.
- 제2 챔버에서 제1 챔버의 상측부로부터 유입되는 제1 증기와 제2 증기를 수집하여 제3 증기를 형성하는 단계.
- 제2 챔버의 적어도 하나의 유출구를 통하여 증발되지 않은 액체를 제거하고, 제2 챔버의 적어도 하나의 유출구를 통하여 제3 증기를 제거하는 단계.
- 선택적으로, 제2 챔버내에 위치하는 제2 회수부재에 제2 증기를 횡단시켜 제2 증기에 함유된 미스트를 회수하는 단계.
본 발명은 액체와 기체상 프로판의 이상혼합물과 같이 적어도 하나의 액체와 그 증기를 포함하는 이상유체에 적합한 튜브 열교환기를 제공하는바, 사용면적을 줄일 수 있도록 하는 반면에 양호한 열효율을 갖는 열교환기를 제공한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 수개의 열교환기를 포함하는 본 발명에 따른 조립체의 수직단면도.
도 2는 도 1의 조립체에서 최상측의 열교환기만을 보인 수직단면도.
도 3은 도 1 및 도 2에서 보인 열교환기의 수평 평단면도.
도 4는 도 1 내지 도 3에서 보인 열교환기의 내부에 배치되는 수직 튜브의 수직단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기의 수직단면도.
도 6은 도 5에서 보인 열교환기의 수직 튜브의 일부를 보인 상세단면도.
본 발명의 제1 실시예에 따른 조립체(1)가 도 1에 도시되어 있다.
조립체(1)는 수직선(V)의 방향으로 중첩된 3개의 열교환기(5A, 5B, 5C)와 채널 시스템(10)을 포함한다.
도시하지 않은 다른 실시예에 따라서, 조립체(1)는 단 두 개의 열교환기 또는 3개 이상의 중첩된 열교환기를 포함한다.
이들 각 열교환기(5A, 5B, 5C)는 적어도 하나의 액체와 제1 증기를 포함하는 이상유체를 유입하기 위한 유입구(12), 증기의 유출을 위한 유출구(14)와, 증발되지 않은 액체를 위한 유출구(16)를 포함한다.
또한 조립체(1)는 이러한 조립체(1)에 이상유체 보다 고온인 유체의 유입을 위한 유입구(18)와, 상기 유체의 유출을 위한 유출구(20)를 포함한다.
채널 시스템(10)은 열교환기(5A)의 유출구(16)를 열교환기(5B)의 유입구(12)에 연결하고 열교환기(5B)의 유출구(16)를 열교환기(5C)의 유입구(12)에 연결한다.
도시된 실시예에서, 유입구(18)는 조립체(1)의 정상부에 배치된 반면에, 유출구(20)는 조립체의 하측부에 배치되어 있다.
각 열교환기(5A, 5B, 5C)는 외용기(22)를 가지며, 이 외용기는 열교환기(5A, 5B, 5C)가 중첩되었을 때 상대측에 대하여 이들의 고정된 상대위치를 한정하기에 적합한 상호보완적인 형상을 갖는다.
예를 들어, 외용기(22)는 각 열교환기(5A, 5B, 5C)의 하측부에서 용기(24)를 형성하며, 열교환기(5A, 5B)의 용기(24)는 각각 열교환기(5B, 5C)의 외용기(22)에 의하여 형성된 수용기(26)내에 수직선(V)으로 보인 수직방향으로 삽입된다.
채널 시스템(10)에 의한 연결이 용이하도록 하기 위하여, 열교환기(5BA)의 유입구(12)는 수직선(V)을 중심으로 하여 열교환기(5A, 5C)의 유입구(12)의 반대측에 방사상으로 배치되어 있다. 마찬가지로, 열교환기(5B)의 유출구(14)는 열교환기(5A, 5C)의 유출구(14)의 반대측에 배치되어 있다.
열교환기(5A, 5B, 5C)는 구조적으로 서로 유사하므로, 다음의 설명에서는 도 2와 도 3을 참조하여 열교환기(5A)만을 상세히 설명하기로 한다.
이상유체는 예를 들어 프로판이다.
가장 뜨거운 최고온의 유체는 혼합냉매 또는 천연가스(feed gas)이다.
도 2와 도 3에서 보인 바와 같이, 열교환기(5A)는 유입구(12)를 통하여 이상유체를 수집하여 용기(24)의 일부분에서 액체조(27)를 형성하기 위한 제1 챔버(25), 실질적으로 수직인 다수의 수직튜브(32)를 포함하고 액체조(27)가 공급되어 액체를 적어도 부분적으로 증발시키는데 적합한 중앙챔버(30)와, 제1 챔버와 중앙챔버로부터 증기가 공급될 수 있게 되어 있는 제1 챔버(35)를 포함하고, 제1 챔버와 제2 챔버는 수직선(V)을 중심으로 하여 중앙챔버를 둘러싸는 공간(40)을 형성한다.
제1 챔버(25)는 이를 유입구(12)와 액체조(27)를 포함하는 하측부(44)와 자기조절오리피스(48)를 통하여 제2 챔버(35)와 유체적으로 연통하는 상측부(46)로 분리하는 제1 회수챔버(42)를 포함한다.
또한 제1 챔버(25)는 액체조(27) 측으로 연장되고 액체조를 중앙챔버(30)의 유입구(52)에 연결하기 위한 채널(50)을 포함한다.
제1 챔버(25)는 실질적으로 수평인 수평면(P)의 단면에서 보았을 때 반원형의 형상을 갖는다. 제1 챔버(25)는 수평면(P)의 단면으로 보았을 때 수직으로 연장된 반원형인 내용기(54)에 의하여 방사상 내측이 한정되어 있다. 제1 챔버(25)는 수평면(P)의 단면에서 보았을 때 반원형이고 열교환기(5A)의 외용기(22)에 속하는 외용기(56)에 의하여 방사상 외측이 한정된다.
제1 회수부재(42)는 내용기(54)로부터 외용기(56)를 향하여 방사상으로 연장되어 있으며 실질적으로 수평의 수평판을 형성한다. 제1 회수부재(42)는 제1 챔버(25)와 제2 챔버(35)를 분리하는 두개의 벽벽(58) 사이에서 수직선(V)을 중심으로 하여 일정한 각도범위로 연장되어 있다.
격벽(58)은 수직평면(P')으로 연장되고 자기조절오리피스(48)를 포함한다.
채널(50)은 예를 들어 수직으로 연장되고 내용기(54)에 근접하여 배치되는 것이 좋다.
제1 회수부재(42)는 하측부(44)로부터 미스트 함유의 제1 증기가 통과하고 내측부를 향하여 액체상태로 복귀시키는데 적합한 것이다. 제1 회수부재(42)는 당해 기술분야의 전문가에게 잘 알려지고 예를 들어 미국특허 제 3,997,303호 및 미국특허 제7,105,036호에 기술된 바와 같은 물질을 포함한다. 이러한 물질은 미스트 방울들의 합체를 허용하고 중력으로 하측부(44)를 향하여 복귀될 수 있도록 하는 구불구불한 통로(winding passage)를 형성한다.
도시하지 않은 다른 실시예에 따라서, 제1 챔버(25)는 반원형의 형태가 아니나 180°이하 또는 180°이상의 각도로 수직선(V)를 중심으로 하여 각을 이루어 연장된다.
도시하지 않은 또 다른 실시예에 따라서, 제1 챔버(25)는 원형 용기(원형 부분)에 의하여 방사상으로 한정되지 않고. 비원형의 형상을 갖는다.
중앙챔버(30)는 도시된 실시예에서 수평면(P)의 단면으로 보았을 때 일반적으로 원형의 형상이다. 이러한 중앙챔버에는 전체에 튜브(32)가 통과하고 있다. 중앙챔버(30)는 각 튜브(32)에 액체를 분배하기 위한 실질적으로 수평인 수개의 수평판(60)을 포함한다.
또한 중앙챔버(30)는 튜브(32)를 고정하기 위한 고정그레이트(holding grate)(62), 최상부 수평판(60)에서 넘치는 액체를 중앙챔버 및 제2 챔버(35)의 조면측에 있는 액체조(66) 측으로 배출하기 위한 채널(64)과, 수평판(60)의 하나에서 넘치는 액체를 그 바로 아래에 위치하는 수평판 측으로 보내는 중간 오버플로우 채널(68)을 포함한다.
이들 수평만(60)은 수직선(V)으로 보인 수직방향으로 일정한 간격을 두고 배치되어 있다.
도시된 실시예에서, 열교환기(5A)에는 4개의 수평판(60)이 있고 열교환기(5B, 5C)에는 3개의 수평판이 있다.
도시하지 않은 다른 실시예에서는 이러한 수평판이 단일 수평판이거나 또는 둘, 셋 또는 4개 이상일 수 있다.
최상부의 수평판(60)은 중앙챔버(30)에서 액체수집조(70)를 형성하고, 이 액체수집조는 채널(50)을 통하여 액체조(27)에 연결되고 오버플로우 채널(64)을 통하여 액체조(66)에 연결된다.
중앙챔버(30)는 한편으로는 제1 챔버(25)의 내용기(54)에 의하여, 다른 한편으로는 반원형이고 수직으로 연장된 제2 회수부재(69)에 의하여 방사상 외측으로 경계가 이루어진다.
도 4에서 보인 바와 같이, 각 수평판(60)에는 튜브(32)가 통과하는 통과오리피스(72)가 형성되어 있다.
금속폼이 수용된 슬리이브(74)가 통과오리피스(72)에서 튜브(32)의 둘레에 배치된다.
이 슬리이브(74)는 튜브(32)의 외면(76)으로부터 통과오리피스(72)의 변부(78)를 향하여 방사상으로 연장되어 있다.
예를 들어, 각 슬리이브(74)는 수평판(60)의 상부면(80)으로부터 수직으로 연장되고, 좋기로는 상기 수평판으로부터 하측으로 돌출되어 있다.
금속폼은 예를 들어 ERG Aerospace Corporation에서 시판하고 있는 Duocel® 폼과 같은 알루미늄 폼이다.
고정그레이트(62)(도 2)는 예를 들어 실질적으로 수평이다. 고정그레이트(62)는 상하로 규칙적으로 간격을 두고 배치되어 있다. 각 고정그레이트(62)는 예를 들어 최하측 수평판(60)과 외용기(22)로부터 동일한 거리를 두고 배치된 최하측의 고정그레이트(62)를 제외하고는 실질적으로 두 수평판(60)으로부터 동일한 거리에 배치된다.
도 4에서 보인 바와 같이, 고정그레이트(62)는 적어도 하나의 튜브(32)에 접촉하여 있다.
컵(82)이 고정그레이트(62)와 튜브(32) 사이의 접촉영역 아래에서 튜브(32)에 고정되어 있다. 이러한 컵(82)은 상측으로 개방되어 있어 튜브(32)의 하나로부터 방사상으로 이동하는 액체를 회수할 수 있게 되어 있으며, 튜브(32)와 액체를 위한 통과오리피스(84)가 형성되어 있다.
금속폼이 수용된 2차 슬리이브(86)가 통과오리피스(84)의 바로 아래에서 튜브(32)의 둘레에 배치되어 있다. 부가적인 슬리이브(86)는 예를 들어 슬리이브(74)와 동일한 재질의 물질로 만들어진다.
제2 챔버(35)는 예를 들어 방사상 내측이 제2 회수부재(69)에 의하여 경계를 이루고 방사상 외측은 수평면(P)에서 보았을 때 실질적으로 반원형인 외용기(88)에 의하여 경계를 이루고 있다.
외용기(56)와 외용기(88)는 함께 적어도 이들의 높이 일부에서 수직실린더를 형성한다.
유출구(14)가 제2 챔버(35)에서 상하 규칙적으로 분포되어 있다.
유출구(16)는 액체조(66)에서 수직으로 배치되어 있다.
각 열교환기(5A, 5B, 5C)는 열교환기(5A)가 예를 들어 절대압력 3~5 바의 고압에서 작동하고, 열교환기(5B)는 예를 들어 절대압력 2~3 바의 중간압력에서 작동하며, 열교환기(5C)가 예를 들어 절대압력 1~2 바의 낮은 압력에서 작동하는 것을 제외하고는 유사하게 작동한다.
따라서, 이후의 상세한 설명에서는 열교환기(5A)의 작동만을 설명할 것이다.
도 2에서 보인 바와 같이, 이상유체(화살표 F1)가 유입구(12)를 통하여 열교환기(5A)의 제1 챔버(25)의 하측부(44)로 유입된다. 액체와 제1 증기 사이에서 제1 분리가 이루어진다. 액체(화살표 F2)는 용기(24)내에 형성되는 액체조(27)로 낙하한다. 제1 증기(화살표 F3)는 압력의 효과하에 상승하여 제1 회수부재(42)를 통과한다.
제1 회수부재(42)는 제1 증기내에 함유된 미스트를 회수하여 이를 액체형태(화살표 F4)로 액체조(27)를 향하여 되돌려 보낸다. 도 2에서 화살표 F4는 상징적인 것으로, 미스트의 회수는 하측부(44)를 향하여 흐르는 것이 아니고 빗방울 처럼 방울형태로 이루어지는 것이다.
제1 회수부재(42)는 제1 증기에 함유된 미스트의 약 99.5 중량%를 회수한다.
미스트가 제거된 제1 증기는 상측부(46)로 향한다(화살표 F6). 그리고, 이는 중앙챔버(30)의 양측에서 자기조절오리피스(48)를 통하여 격벽(58)을 통과한다(도 3의 화살표 F7). 이후 제1 증기는 제2 챔버에 이르고 여기에서 유출구(14)를 통하여 유출된다(화살표 F8).
도 2에서 보인 바와 같이, 액체조(27)는 그 표면에서 열교환기(5A)로부터 유입되는 이상유체의 압력을 받아 채널(50) 측으로 상승하여(화살표 F9) 중앙챔버(30)의 상부에 위치하는 액체수집조(70)에 도달한다.
고온의 유체가 유입구(18)를 통하여 열교환기(5A)에 유입되고 튜브(32)에서 상부로부터 하부를 향하여 수직으로 유동한다(화살표 F10). 다음으로 고온의 유체는 열교환기(5B) 측으로 유입되고, 그 튜브(32)를 통하여 열교환기(5C) 측으로 이동한다. 고온의 유체는 유출구(20)를 통하여 조립체(1)를 떠난다(도 1).
액체조(70)에서, 액체는 최상측 수평판(60)의 상부에 액체조(90)를 형성한다. 오버플로우의 경우, 액체조(90)는 선택적으로 중간 오버플로우 채널(68)의 하나를 통하여 유동하여 그 바로 아래의 수평판(60)상에 도달한다. 오버플로우의 양이 많은 경우, 액체조(90)는 채널(64)을 통해 유동하여 중앙챔버(30)와 제2 챔버(35)의 아래에 위치하는 액체조(66)에 이르게 된다.
액체조(66)는 유출구(16)를 통하여 열교환기(5A)의 외부로 유동한다(도 2).
도 4에서 보인 바와 같이, 액체조(90)는 각 튜브(32)의 주위에 분포되고 오리피스(72)를 통하여 유동한다. 액체는 슬리이브(74)를 통하여 통과함으로써 각 튜브(32)의 외면(76)에 균일한 액체필름(92)을 생성한다. 이러한 액체필름(92)은 수직으로 유동하고(화살표 F11) 고온의 유체에 의하여 내부가 가열되는 튜브(32)에 의하여 가열된다. 액체필름(92)은 적어도 부분적으로 증발하여(화살표 F12) 중앙챔버(30)내에서 제2 증기를 생성한다.
액체필름(92)이 선택적으로 고정그레이트(62)의 하나와 만날 때(화살표 F13), 액체필름이 붕괴된다. 컵(82)은 고정그레이트(62)에 의하여 튜브(32)로부터 방사상으로 멀리 이동하는 액체를 포함하여 액체를 회수한다. 회수된 액체는 컵(82)의 오리피스(84)를 통하여 유동하고 부가적인 슬리이브(86)를 통과하면서 다시 튜브(32)를 따라 유동하는 균일한 액체필름(94)을 형성한다. 이와 같이 증발하지 않은 액체는 다음의 수평판(60) 측으로 유동한다.
각 수평판(60)의 작동은 유사하며, 증발되지 않은 액체는 결국 중앙챔버(30)의 저면의 액체조(66)에 수집되고, 제2 챔버(35)를 지나 유출구(16)를 통하여 유출된다(도 2).
압력의 효과하에 중앙챔버(30)에 발현되는 제2 증기는 제2 회수챔버(69)를 통과하게 된다(화살표 F15). 제2 증기에 선택적으로 함유된 미스트는 액체의 형태로 회수되고 액체조(66)로 유동된다. 그리고 제2 증기는 제2 챔버(35)에 도달하여 유출구(14)를 통하여 열교환기(5A)를 떠나기 전에 제1 증기와 혼합된다.
도 1에서 보인 바와 같이, 유출구(16)를 통하여 유출된 액체는 채널 시스템(10)에 의하여 열교환기(5B)의 유입구(12)로 보내지고, 열교환기(5A)에서 이상유체와 같이 동일한 단계를 거쳐 평균압력인 낮은 압력하에 상기 열교환기에서 새로운 이상유체가 형성된다.
이와 같이, 전체 열교환기의 단계에서, 액체는 튜브에서 점진적으로 증발하여 증기를 생성하고 이러한 증기는 최종적으로 열교환기(5C)의 유출구(14)에서 회수된다. 증발되지 않은 액체는 열교환기(5C)의 유출구(16)에서 수집된다.
가장 뜨거운 최고온의 유체는 열교환기(5A)~열교환기(5C)의 튜브(32)를 통과하는 동안에 점진적으로 냉각된다. 이러한 유체는 냉각된 상태로 열교환기(5C)의 저면에서 유출구(20)를 통하여 유출된다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예를 따른 열교환기(100)가 설명된다. 이 열교환기(100)는 도 1 내지 도 4에서 보인 열교환기(5A)와 유사하다. 유사한 구성요소에 대하여서는 동일한 도면부호를 붙였으며 다시 설명하지는 않을 것이다. 이후 차이점만을 상세히 설명할 것이다.
이 열교환기는 액체조(27)로부터 유입되는 액체가 유출될 수 있도록 제2 챔버(35) 측이 아닌 제1 챔버(25) 측에 배치된 유출구(116)를 포함한다. 또한 열교환기(100)는 유출구(116)로부터 유출되는 액체를 가압하여 이를 액체수집기(70)의 유입구(52)로 주입하기 위한 콤프레서(110)를 포함한다.
중앙챔버(30)는 액체수집기(70)로부터 유출되는 액체를 수집하기 위하여 액체수집기(70)로부터 수직하측으로 연장된 부가적인 호스(132)를 포함한다.
부가적인 호스(132)는 튜브(32)를 향하여 외측으로 액체분사(134)를 형성할 수 있게 되어 있다. 예를 들어, 부가적인 호스(132)는 상하로 일정한 간격을 두고 배치된 오리피스(136)를 포함한다.
튜브(32)는 수직선(V)을 중심으로 하여 나선외부구조(138)를 포함하고 이에 액체분사(134)를 회수하기에 적합한 나선형 핀(140)이 형성되어 있다.
열교환기(100)의 작동은 열교환기(5A)와 유사하다. 이후 차이점만을 상세히 설명할 것이다.
액체조(27)의 액체는 채널(50)을 통하여 액체수집조(70) 측으로 상승하지 않고 콤프레서(110)에 의하여 유입구(152) 측으로 주입될 수 있도록 유출구(116)를 통하여 유출된다.
액체조(70)내의 액체는 수평판의 오리피스를 이용하지 않고 액체분사(134)를 형성하기 위하여 부가적인 호스(132) 측으로 유입된다.
액체분사(134)는 튜브(32)의 외면(138)에 부딪치고(도 6) 이에 의하여 회수되어 액체필름(92)을 형성하게 된다. 이러한 액체필름(92)은 나선구조를 따라 이동하면서(화살표 F11) 부분적으로 증발하여(화살표 F12) 중앙챔버(30)에서 제2 증기를 형성한다.
증발되지 않은 액체는 액체조(27)에 연통되어 있는 액체조(66)에 남는다. 마찬가지로, 제2 증기내에 잠재적으로 존재하는 미스트로부터 제2 회수부재(69)에 의하여 회수된 액체도 액체조(27)에 연통된 액체조(66)에 남는다.
선택적으로, 또한 콤프레서(110)는 이상유체를 유입구(12) 측으로 주입하는데 사용된다(화살표 F1).
상기 언급된 구조로, 조립체(1)와 열교환기(100)는 매우 콤팩트하게 구성되고 작은 공간을 차지한다. 더욱이, 이들은 제작이 용이하고 열효율이 높다. 이들은 표준화될 수 있는 하나 또는 다수 모듈의 형태를 취할 수 있다.
제1 회수부재(42)와 제2 회수부재(69) 등은 생산라인의 장비(예를 들어, 냉각사이클에서 콤프레서 이전의 발룬(balloon)과 같은 장비)의 일부를 줄일 수 있도록 하는바, 이는 권유되거나, 또는 필요하다면 이들 회수부재없이 권유될 수 있을 것이다.
선택적인 고정그레이트(62)는 효과적으로 튜브(32)를 고정하여 진동을 피할 수 있도록 한다.
선택적인 컵(82)은 고정그레이트(82)의 붕괴효과는 줄여줄 수 있도록 한다.
역시 선택적인 슬리이브(74)와 부가적인 슬리이브(86)는 튜브(32)의 둘레에서 액체필름(92, 94)의 균일한 분배가 이루어질 수 있도록 한다.
1: 조립체, 5A, 5B, 5C: 열교환기, 10: 채널 시스템, 12: 유입구, 14: 유출구, 16: 유출구, 18: 유입구, 20: 유출구, 22: 외용기, 24: 용기, 25: 제1 챔버, 26: 수용기, 27: 액체조, 30: 중앙챔버, 32: 튜브, 35: 제2 챔버, 40: 공간, 42: 제1 회수부재, 44: 하측부, 46: 상측부, 48: 자기조절오리피스, 50: 채널, 52: 유입구, 54: 내용기, 56: 외용기, 58: 격벽, 60: 수평판, 62: 고정그레이트, 64: 채널, 68: 중간 오버플러우 채널, 69: 회수부재, 70: 액체수집조, 72: 통과오리피스, 74: 슬리이브, 76: 외면, 78: 변부, 80: 상부면, 82: 컵, 84: 통과오리피스, 86: 2차 슬리이브, 88: 외용기, 90: 액체조, 92, 94: 액체필름, 100: 열교환기, 110: 콤프레서, 116: 유출구, 132: 호스, 134: 액체분사, 136: 오리피스, 138: 나선외부구조, 140: 핀.

Claims (10)

  1. 실질적으로 수직선(V)의 수직방향으로 연장된 튜브(32)를 갖는 열교환기(5A; 100)에 있어서, 상기 열교환기가
    - 적어도 하나의 액체와 미스트를 함유하는 제1 증기를 포함하는 이상유체의 유입을 위한 적어도 하나의 유입구(12)가 구비된 하측부(44), 상측부(46)와, 제1 증기가 통과하고 하측부(44)로 복귀되는 액상형태의 미스트를 회수하기에 적합한 제1 회수부재(42)를 포함하고, 제1 증기는 다음으로 상측부(46)에 도달할 수 있게 된 제1 챔버(25);
    - 튜브(32)를 포함하고 제1 챔버(25)의 하측부(44)에 위치하는 액체조(27)로부터 상기 액체가 공급되며 튜브(32)의 외면(76)을 흐르고 제2 증기를 생성하기 위하여 적어도 부분적으로 증발하는 액체필름(92, 94)을 형성하기에 적합하고, 튜브(32)의 내부에는 이상유체 보다는 고온인 유체가 이동되는 중앙 챔버(30);
    - 제1 챔버(25)의 상측부(46)로부터 유입되는 제1 증기와 제2 증기를 수용하고 제3 증기를 생성할 수 있게 된 제2 챔버(35)를 포함하고; 제2 챔버(35)는 제2 증기가 통과할 수 있도록 하고 제2 증기에 함유된 미스트를 회수하기에 적합한 제2 회수부재(69)를 포함하며, 제2 챔버는 증발되지 않은 액체를 위한 적어도 하나의 유출구(16; 116)와, 제3 증기를 위한 적어도 하나의 유출구(14)를 포함하고;
    제1 챔버(25)와 제2 챔버(35)가 함께 수직선(V)의 방향으로 중앙챔버를 둘러싸는 공간(40)을 형성함을 특징으로 하는 열교환기(5A; 100).
  2. 제1항에 있어서, 수평면(P)의 단면에서,
    - 제1 챔버(25)와 제2 챔버(35)가 원을 이루는 외용기(56, 88)에 의하여 방사상 외측이 한정되고, 외용기(55, 88)는 반원형이며,
    - 제1 챔버(25)는 원부분, 좋기로는 반원을 형성하는 내용기(54)에 의하여 방사상 내측이 한정됨을 특징으로 하는 열교환기(5A; 100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 제1 회수부재(42)가 제1 챔버(25)의 하측부(44)와 상측부(46)를 분리하는 실질적으로 수평인 수평판을 형성하거나, 또는
    - 선택적인 제2 회수부재(69)가 수평평면(P)에서 원부분, 좋기로는 반원을 형성하며, 방사상 외측으로 중앙챔버(30)의 일부분을 한정함을 특징으로 하는 열교환기(5A; 100).
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 챔버(25)가 액체조(27)와 중앙챔버(30)를 분리하는데 적합한 타이트한 내용기(54)에 의하여 방사상 내측으로 한정되고, 제1 챔버(25)는 액체조(27) 측으로 연장되어 액체조(27)를 중앙챔버의 유입구(25)에 유체적으로 연결하는데 적합한 적어도 하나의 채널(50)을 포함하거나, 또는
    - 열교환기가 중앙챔버(30)의 유입구(12)를 향하여 액체조(27)로부터 액체를 인양하기 위한 콤프레서(115)를 포함함을 특징으로 하는 열교환기(5A; 100).
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 중앙챔버(30)가 액체를 튜브(32)에 분배하여 액체필름(92)을 형성하도록 하는데 적합한 하나 또는 다수의 실질적으로 수평인 수평판(60)을 포함하고, 수평판(60)에는 튜브가 통과하는 통과오리피스(74)가 형성되어 있으며, 중앙챔버(30)는 금속폼을 수용하는 슬리이브(74)를 포함하고, 이들 슬리이브(74)는 각 액체필름(92)을 균질화하기 위하여 튜브(32)와 수평판(60) 사이에 방사상으로 연장되어 있음을 특징으로 하는 열교환기(5A).
  6. 제5항에 있어서, 중앙챔버(30)가 적어도 일부의 튜브(32)를 고정하는 적어도 하나의 그리드(62)를 포함하고, 열교환기는 고정그리드(62)에 의하여 붕괴된 액체필름(92)을 회수하기 위하여 고정된 문제의 튜브(32)에 고정된 컵(82)을 포함하며, 각 컵(82)에는 새로운 액체필름(94)을 형성하기 위한 통과오리피스(84)가 형성되어 있고, 중앙챔버(30)는 금속폼을 수용하는 2차 슬리이브(86)를 포함하며, 각 2차 슬리이브(86)는 새로은 액체필름(94)을 균질화하기 위하여 문제의 하나의 튜브(32)와 하나의 컵(82) 사이에 방사상으로 연장됨을 특징으로 하는 열교환기(5A).
  7. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 중앙챔버(30)가 액체를 수집하기 위한 액체수집기(70)와, 상기 액체수집기(70)로부터 하측으로, 좋기로는 수직으로 연장되어 액체를 내측으로 수집하고 튜브(32)를 향하여 액체분사(134)를 형성하도록 하는데 적합한 부가적인 호스(132)를 포함하고, 부가적인 호스(132)는 액체분사(134)를 회수하기에 적합한 핀(140)을 형성하는 수직선(V)을 중심으로 하는 나선외부구조(138)를 포함하며, 액체필름(92)이 나선외부구조(138)상에서 유동함을 특징으로 하는 열교환기(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 따른 여러 열교환기(5A, 5B, 5C)를 포함하는 조립체(1)에 있어서, 열교환기(5A, 5B, 5C)가 수직선(V)의 방향으로 중첩되며, 조립체(1)는 열교환기(5A, 5B, 5C)를 서로 연결하기 위한 다단형 채널 시스템(10)을 포함함을 특징으로 하는 조립체(1).
  9. 제8항에 있어서, 열교환기(5A, 5B, 5C)가 중첩되었을 때 상대측에 대하여 열교환기(5A, 5B, 5C)의 고정된 상대위치를 한정하는데 적합한 외용기(22)를 가짐을 특징으로 하는 조립체(1).
  10. 실질적으로 수직선(V)의 방향으로 연장된 튜브(32)에 의하여 실현되는 열교환방법에 있어서, 이 방법은 다음의 단계들을 포함함을 특징으로 하는 열교환방법.
    - 튜브(32)를 포함하는 중앙챔버(30)와, 중앙챔버(30)의 둘레에 수직선(V)의 방향으로 함께 공간(40)을 형성하는 제1 챔버(25) 및 제2 챔버(35)를 제공하는 단계.
    - 적어도 하나의 액체와 미스트를 함유하는 제1 증기를 포함하는 이상유체를 제1 챔버(25)의 하측부(44)로 유입시키는 단계.
    - 하측부(44)로 복귀되는 액체상태의 제1 미스트를 회수하여 제1 미스트가 제1 챔버(25)의 상측부(46)에 도달하도록 제1 회수부재(42)에 제1 미스트를 횡단시키는 단계.
    - 제1 챔버(25)의 하측부(44)에 위치하는 액체조(27)로부터 상기 액체를 중앙챔버(30)에 공급하는 단계.
    - 내부에 이상유체 보다 고온인 유체가 유동하는 튜브(32)의 외면(76)으로 유동하여 제2 증기를 형성하도록 적어도 부분적으로 증발하는 액체필름(92)을 형성하는 단계.
    - 제2 챔버(35)에서 제1 챔버(25)의 상측부(46)로부터 유입되는 제1 증기와 제2 증기를 수집하여 제3 증기를 형성하는 단계.
    - 제2 챔버(35)의 적어도 하나의 유출구(16; 116)를 통하여 증발되지 않은 액체를 제거하고, 제2 챔버(35)의 적어도 하나의 유출구(14)를 통하여 제3 증기를 제거하는 단계.
    - 선택적으로, 제2 챔버(35)내에 위치하는 제2 회수부재(69)에 제2 증기를 횡단시켜 제2 증기에 함유된 미스트를 회수하는 단계.
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