KR20190059420A - 쉘앤플레이트 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쉘앤플레이트 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쉘측의 하우징을 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상으로 형성하고, 상기와 같은 형상을 갖는 하우징의 내부에 플레이트측의 전열판을 복수개 적층하여 초고온, 초고압 조건에서도 사용이 가능할 뿐만 아니라, 열교환 효율이 우수한 쉘앤플레이트 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기는, 쉘측과 플레이트측에 각각 서로 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지는 쉘앤플레이트 열교환기에 있어서, 원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상의 동체로 된 하우징이 구비된 쉘측과; 상기 하우징의 내부에 수용되도록 중앙을 기준으로 양단으로 갈수록 직경이 점차적으로 작아지는 원판 형상의 전열판 복수개가 일정 간격으로 적층된 플레이트측을; 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

쉘앤플레이트 열교환기{SHELL AND PLATE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 쉘앤플레이트 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쉘측의 하우징을 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상으로 형성하고, 상기와 같은 형상을 갖는 하우징의 내부에 플레이트측의 전열판을 복수개 적층하여 초고온, 초고압 조건에서도 사용이 가능할 뿐만 아니라, 열교환 효율이 우수한 쉘앤플레이트 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 2개의 유체간에 상호 열교환을 시킴으로서 한쪽을 가열함과 동시에 다른 한쪽은 냉각하는 목적에 사용되는 것으로서 그 사용상의 목적에 따라, 유체를 가열하여 소정의 온도까지 유체온도를 상승시키는 목적으로 사용하는 가열기(Heater), 유체를 소정의 온도까지 가열하여 다음의 조작으로 효율을 양호하게 하기 위한 목적으로 사용되는 예열기(Preheater), 일반적으로 유체로서 기체를 사용하며 유체를 재차가열하여 과열상태로 조작하기 위한 목적으로 사용되는 과열기(Super-heater), 액체를 가열하여 잠열(潛熱: 물질에 가해진 열이 온도변화에 사용되지 않고 상태변화에 사용되는 열)을 줌으로서 액체를 증발시켜 발생한 증기를 사용하는 목적을 가지는 증발기(Vaporizer), 장치 중에 응축한 물질을 재가열하여 증발시킬 목적으로 사용되는 리보일러(Reboiler), 유체를 냉각하여 소정의 온도까지 유체온도를 저하시키는 목적으로 사용되는 냉각기(Cooler), 냉매를 사용하여 유체온도를 빙점이하의 저온으로 냉각시키는 목적에 사용되는 심냉기(Chiller), 응축성 냉매를 사용하여 잠열을 탈취함으로서 증기를 액화시키는 목적에 사용하는 응축기(Condenser)등이 알려져 있다.

열교환기의 구조별로 분류하면 유체 상호간의 열을 교환하게 되는 전열부의 형상에 따라 크게 쉘앤튜브 열교환기와 쉘앤플레이트 열교환기 등으로 구별되어 진다.

쉘앤튜브 열교환기에 대한 종래기술로 등록특허 제10-1550176호(2015.09.03. 공고)에는 원통 형상의 동체로 된 쉘과, 상기 쉘의 내부를 구획하도록 설치되고, 서로 마주보도록 복수의 튜브삽입홀이 각각 관통 형성된 한 쌍의 튜브시트와, 상기 튜브시트 사이를 연결하도록 서로 마주보는 상기 튜브삽입홀 각각에 용접 결합되는 복수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브 열교환기가 게재되어 있다.

한편, 쉘앤플레이트 열교환기에 대한 종래기술로 등록특허 제10-1552092호(2015.09.10. 공고)에는 원통형 또는 직육면체 형상의 케이스와, 상기 케이스의 내부에 일정간격을 직렬로 다수 배치된 냉매 유동용 판을 포함하는 쉘앤플레이트 열교환기가 게재되어 있다.

하지만, 상기의 종래기술들은 원통형 또는 직육면체 형상의 쉘로서 응력이 집중되는 부분이 존재하여 초고온, 초고압의 운전 상황에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.

또한, 종래기술은 원통형 또는 직육면체 형상의 쉘로서 쉘의 유체 유입구 및 유출구를 기준으로 양측단 방향으로 거리가 멀어질수록 압력강하에 의해 양측단 방향에는 유량이 적게 흘러 유체의 분배가 원활하지 않은 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초고온, 초고압 조건에서도 사용이 가능할 뿐만 아니라, 열교환 효율이 우수한 쉘앤플레이트 열교환기를 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기는, 쉘측과 플레이트측에 각각 서로 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지는 쉘앤플레이트 열교환기에 있어서, 원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상의 동체로 된 하우징이 구비된 쉘측과; 상기 하우징의 내부에 수용되도록 중앙을 기준으로 양단으로 갈수록 직경이 점차적으로 작아지는 원판 형상의 전열판 복수개가 일정 간격으로 적층된 플레이트측을; 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 쉘측은, 상기 하우징의 내부에 적층된 전열판들 사이의 빈 공간으로 제1유체 유동로가 형성되고, 상기 전열판의 직경 방향에 대응되는 상기 하우징의 양단에 각각 상기 제1유체 유동로와 연통되는 제1유체 유입구 및 제1유체 유출구가 구비된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 플레이트측은, 상기 전열판에 전후 관통된 포트가 형성되고, 상기 하우징의 내부에 적층된 전열판들의 포트를 순차적으로 연결하는 제2유체 유동로와, 상기 하우징을 관통하여 상기 제2유체 유동로의 입구단 및 출구단에 각각 연결되는 제2유체 유입구 및 제2유체 유출구가 구비된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전열판은, 상기 포트가 양단 부근에 각각 형성된 일단 포트 및 타단 포트로 이루어지고, 상기 제2유체 유동로는, 서로 이웃하는 전열판 사이에 형성된 일단 포트 간 및 타단 포트 간에 각각 연결되어 서로 나란한 2개의 라인으로 형성되는 메인유동로와, 상기 2개의 라인으로 형성되는 메인유동로를 상호 일정 간격으로 연결하는 순환유동로가 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 플레이트측은, 서로 이웃하는 전열판 사이에 형성된 일측 포트 간 및 타측 포트 간을 각각 직접 연결하는 포트연결관과, 서로 이웃하는 전열판 사이에 형성된 일측 포트와 타측 포트가 내부공간에서 상호 연통되도록 서로 이웃하는 전열판의 가장자리를 커버하며 상기 내부공간을 형성하는 전열판연결커버가 상호 교번되게 설치되고, 상기 제2 유체 유동로는, 상기 포트연결관과 상기 전열판연결커버의 조합에 의해 상기 메인유동로와 상기 순환유동로가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기는 쉘측의 하우징을 원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상으로 형성하여 응력이 집중되는 부분이 최소화됨으로써 초고온, 초고압 조건에서도 사용이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기는 하우징의 내부에 적층된 전열판을 중앙을 기준으로 양단으로 갈수록 직경이 점차적으로 작아지는 원판 형상으로 형성하여 쉘의 유체 유입구 및 유출구를 기준으로 양측단 방향으로 거리가 멀어질수록 작은 직경의 전열판이 배치됨으로써 양측단으로 갈수록 발생되는 압력강하 효과를 상쇄시킬 수 있어 결국, 거리에 따른 유동분배가 원활하게 되어 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 있는 장점이 있다.

또한, 외부로의 열손실이 가장 큰 양측단에 위치하는 고온측의 전열판이 다른 전열판에 비해 직경이 상대적으로 작아 외부로의 열손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘앤플레이트 열교환기의 사시도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘측의 제1유체 이동 경로를 도시한 상태도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트측의 제2유체 이동 경로를 도시한 개념도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트측의 제2유체 이동 경로를 도시한 상태도

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘앤플레이트 열교환기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘측의 제1유체 이동 경로를 도시한 상태도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트측의 제2유체 이동 경로를 도시한 개념도 및 상태도이다.

도 1 내지 도 4를 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 쉘앤플레이트 열교환기는 쉘측(10)과 플레이트측(20)에 각각 서로 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지는 장치로서 쉘측(10)과, 플레이트측(20)을 포함하여 구성된다.

상기 쉘측(10)은 제1유체가 유입 및 유출되는 구성으로 하우징(11)과, 제1유체 유동로(12)와, 제1유체 유입구(13)와, 제1유체 유출구(14)를 포함하여 구성된다.

상기 하우징(11)은 제1유체의 유동통로의 역할을 함과 동시에 열교환을 위한 상기 플레이트측(20)의 전열판(21)들이 내부로 수용되는 구성으로 원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상 즉, 구형, 달걀형 또는 원추형 등의 동체로 형성되는데, 본 발명의 일실시예에서는 구 형상의 동체를 그 일예로 도시하였다.

상기 하우징(11)이 원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상으로 형성됨으로써 원통형 또는 직사각형에 비해 응력이 집중되는 부분을 최소화할 수 있어 초고온, 초고압 조건에서도 사용할 수 있게 된다.

상기 제1유체 유동로(12)는 상기 하우징(11)의 내부에 적층된 전열판(21)들 사이의 빈 공간으로 형성된다.

상기 제1유체 유입구(13) 및 제1유체 유출구(14)는 상기 전열판(21)의 직경 방향에 대응되는 상기 하우징(11)의 양단에 각각 구비된다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1유체 유입구(13)로 유입된 제1유체는 상기 제1유체 유동로(12)를 통해 상기 제1유체 유출구(14)로 유출된다.

본 발명의 일실시예에서는 원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상으로 형성된 하우징(11)의 형상으로 인해 상기 하우징(11)의 내부에 원판 형상의 전열판(21)들이 중앙을 기준으로 양단으로 갈수록 직경이 점차적으로 작아지게 배치됨으로써 상기 제1유체 유입구(13) 및 제1유체 유출구(14)를 기준으로 양측단 방향으로 거리가 멀어질수록 작은 직경의 전열판(21)이 배치됨으로써 양측단으로 갈수록 발생되는 압력강하 효과를 상쇄시킬 수 있어 결국, 거리에 따른 유동분배가 원활하게 되어 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 플레이트측(20)은 제2유체가 유동되며 상기 쉘측(10)을 흐르는 제1유체와 열교환 되도록 하는 구성으로 전열판(21)과, 제2유체 유동로(22)와, 제2유체 유입구(23)와, 제2유체 유출구(24)와, 포트연결관(25)과, 전열판연결커버(26)를 포함하여 구성된다.

상기 전열판(21)은 원판 형상으로 형성되어 제1유체와 제2유체 상호간 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 구성으로 본 발명의 일실시예에서는 상기 구 형상의 하우징(11) 내부에 수용되도록 중앙을 기준으로 양단으로 갈수록 직경이 점차적으로 작아지는 원판 형상의 전열판(21) 복수개가 일정 간격으로 적층된다.

즉, 상기 하우징(11)의 내부에 적층된 전열판(21)들은 전체적으로 보았을 때 외형이 상기 하우징(11)의 형상에 대응되는 구 형상을 이루게 된다.

상기와 같은 전열판(21)의 형상 및 배치로 인해 외부로의 열손실이 가장 큰 양측단에 위치하는 고온측의 전열판이 다른 전열판에 비해 직경이 상대적으로 작아 외부로의 열손실을 감소시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 전열판(21)에는 제2유체의 유동을 위해 전후 관통된 포트(211, 212)가 형성되는데, 본 발명의 일실시예에서는 상기 포트(211, 212)가 상기 전열판(21)의 양단 부근에 각각 형성된 일단 포트(211) 및 타단 포트(212)로 이루어진다.

상기 제2유체유동로(22)는 제2유체가 유동되며 제1유체와 열교환이 이루어질 수 있도록 상기 하우징(11)의 내부에 적층된 전열판(21)들의 포트(211, 212)를 순차적으로 연결하는 구성이다.

본 발명의 일실시예에서 제2유체유동로(22)는 도 3에 개념적으로 도시한 바와 같이 서로 이웃하는 전열판(21) 사이에 형성된 일단 포트(211) 간 및 타단 포트(212) 간에 각각 연결되어 서로 나란한 2개의 라인으로 형성되는 메인유동로(221)와, 상기 2개의 라인으로 형성되는 메인유동로(221)를 상호 일정 간격으로 연결하는 순환유동로(222)가 형성된다.

상기 제2유체 유입구(23) 및 제2유체 유출구(24)는 상기 하우징(11)을 관통하여 상기 제2유체 유동로(22)의 입구단 및 출구단에 각각 연결되는 구성이다.

상기 포트연결관(25)은 서로 이웃하는 전열판(21) 사이에 형성된 일측 포트(211) 간 및 타측 포트(212) 간을 각각 직접 연결하는 구성이다.

여기서, 서로 이웃하는 전열판(21)은 서로 직경이 다르기 때문에 상기 포트연결관(25)은 포트(211, 212)간 사선으로 용접하여 유로를 형성하게 된다.

상기 전열판연결커버(26)는 서로 이웃하는 전열판(21) 사이에 형성된 일측 포트(211)와 타측 포트(212)가 내부공간에서 상호 연통되도록 서로 이웃하는 전열판(21)의 가장자리를 커버하며 상기 내부공간을 형성하는 구성이다.

본 발명의 일실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 포트연결관(25)과 상기 전열판연결커버(26)가 상호 교번되게 설치되어, 상기 포트연결관(25)과 상기 전열판연결커버(26)의 조합에 의해 상기 메인유동로(221)와 상기 순환유동로(222)가 형성되게 된다.

앞에서 설명되고 도면에서 도시된 쉘앤플레이트 열교환기는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

10 쉘측
11 하우징
12 제1유체 유동로
13 제1유체 유입구
14 제1유체 유출구
20 플레이트측
21 전열판
211, 212 일단 포트, 타단 포트
22 제2유체 유동로
221 메인유동로
222 순환유동로
23 제2유체 유입구
24 제2유체 유출구
25 포트연결관
26 전열판연결커버

Claims (5)

1. 쉘측과 플레이트측에 각각 서로 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지는 쉘앤플레이트 열교환기에 있어서,
   원형의 단면을 갖고 중앙에서 양단으로 갈수록 단면의 직경이 점차적으로 작아지는 형상의 동체로 된 하우징이 구비된 쉘측과;
   상기 하우징의 내부에 수용되도록 중앙을 기준으로 양단으로 갈수록 직경이 점차적으로 작아지는 원판 형상의 전열판 복수개가 일정 간격으로 적층된 플레이트측을; 포함하는 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 쉘측은, 상기 하우징의 내부에 적층된 전열판들 사이의 빈 공간으로 제1유체 유동로가 형성되고, 상기 전열판의 직경 방향에 대응되는 상기 하우징의 양단에 각각 상기 제1유체 유동로와 연통되는 제1유체 유입구 및 제1유체 유출구가 구비된 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 플레이트측은, 상기 전열판에 전후 관통된 포트가 형성되고, 상기 하우징의 내부에 적층된 전열판들의 포트를 순차적으로 연결하는 제2유체 유동로와, 상기 하우징을 관통하여 상기 제2유체 유동로의 입구단 및 출구단에 각각 연결되는 제2유체 유입구 및 제2유체 유출구가 구비된 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 전열판은, 상기 포트가 양단 부근에 각각 형성된 일단 포트 및 타단 포트로 이루어지고,
   상기 제2유체 유동로는, 서로 이웃하는 전열판 사이에 형성된 일단 포트 간 및 타단 포트 간에 각각 연결되어 서로 나란한 2개의 라인으로 형성되는 메인유동로와, 상기 2개의 라인으로 형성되는 메인유동로를 상호 일정 간격으로 연결하는 순환유동로가 형성된 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 플레이트측은, 서로 이웃하는 전열판 사이에 형성된 일측 포트 간 및 타측 포트 간을 각각 직접 연결하는 포트연결관과, 서로 이웃하는 전열판 사이에 형성된 일측 포트와 타측 포트가 내부공간에서 상호 연통되도록 서로 이웃하는 전열판의 가장자리를 커버하며 상기 내부공간을 형성하는 전열판연결커버가 상호 교번되게 설치되고,
   상기 제2 유체 유동로는, 상기 포트연결관과 상기 전열판연결커버의 조합에 의해 상기 메인유동로와 상기 순환유동로가 형성된 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기.

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