KR20190076461A - 집광형 태양열 발전소 (ⅲ) 의 용융 염 증기 발생기용 열교환기 - Google Patents

Abstract

열교환기 (1) 로서, 평행 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들이 연결부를 통해, 제 1 반구형 보닛 (16) 이 제 1 직선형 섹션 (9) 의 튜브들 (2) 에 제 1 유체를 분배하는 제 1 단부에, 그리고 제 2 반구형 보닛 (16) 이 제 2 직선형 섹션 (10) 의 튜브들 (2) 로부터 제 1 유체를 수집하는 제 2 단부에 연결되고, 상기 연결부 각각은 인터셸 공간 (5) 내부의 제 2 유체 저압과 개별 보닛 (16) 내부의 제 1 유체 고압 사이의 차이를 견디도록 설계된 튜브 시트 (11, 12) 로 제조되고, 튜브 시트는 중심 원형 오리피스를 갖는 원형 플레이트 (12) 를 포함하고, 튜브 시트는, 제 1 유체와 제 2 유체를 물리적으로 분리하기 위해, 상기 오리피스 위에 위치되며 상기 원형 플레이트 (12) 에 단단히 연결된 반구형 셸 (11) 을 더 포함하는, 열교환기 (1).

Description

집광형 태양열 발전소 (Ⅲ) 의 용융 염 증기 발생기용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR A MOLTEN SALT STEAM GENERATOR IN A CONCENTRATED SOLAR POWER PLANT (III)}

본 발명은 열교환기, 특히 집광형 태양열 발전소 (CSP) 의 용융 염 증기 발생기 (MSSG) 와 같은 열 유체 증기 발생기에 사용되도록 의도된 위한 증발기, 과열기, 재가열기 및 이코노마이저와 같은 열교환기의 분야에 관한 것이다.

CSP 타워 설비는 일반적으로 중앙 타워의 정점에 위치된 하나 이상의 태양열 수신기를 포함하는 것으로 알려져 있다. 이러한 태양열 수신기는 집중된 입사 태양 광선에 의해 가열되고, 터빈을 구동하고 전기를 생산할 수 있는 고압 증기를 생산하기 위해 더 사용될 고온 유체를 생성한다.

더 구체적으로, CSP 타워 설비는 주요 구성 요소로서 적어도 헬리오스탯 솔라 필드, 타워 정상부에 설치된 태양열 수신기, 증기 발생기, 증기 터빈 및 저장 시스템을 갖는다. 용융 염 기술에서, 용융 염은 전형적으로 태양열 수용기에서 565 ℃ 로 가열되고, 고온 저장 탱크에 저장된다. 전기 생산이 요구되는 때, 고온 염이 고온 탱크로부터 용융 염 증기 발생기 (MSSG) 로 유동하여, 증기 터빈에 주입될 증기를 발생시킨다.

도 1 은 MSSG 를 위한 전형적인 이른바 열교환기 트레인의 구성요소를 도식적으로 보여준다. 고온 용융 염은 입구 (100) 로부터 재가열기 (101) (또는 재가열기를 갖는 또는 갖지 않는 예열기) 및 과열기 (104) 를 통해 유동하여 증발기 (102) 에 진입한다. 그 후, 고온 염은 증발기 (102) 의 출구로부터 이코노마이저 (103) 로 그리고 출구 (105) 로 유동한다.

이른바 "셸 및 튜브" 열교환기는 선행 기술에서 고압 적용에 적합한 열교환기 디자인을 지칭한다. 이러한 타입의 열교환기는 내부에 "번들 (bundle)" 로 불리는 한 세트의 튜브를 갖는 "셸" 로 불리는 대형 압력 용기로 구성된다. 제 2 유체로부터 제 1 유체로 또는 그 반대로 열을 전달할 목적으로 (제 1 유체와 제 2 유체는 상이한 온도를 가짐), 제 1 유체는 튜브를 통해 흐르는 한편, 제 2 유체는 튜브 위의 셸 내부에서 유동한다.

셸 및 튜브 디자인에는 많은 변형이 존재한다. 일례로서, 도 2 는 직선형 튜브 열교환기 (2 패스 튜브-측) 를 개략적으로 도시한다. 각 튜브 (21) 의 단부들은 '튜브 시트들' (27) 로 불리는 분리 플레이트에 제공된 구멍들을 통해 워터 박스들 또는 플리넘들 (29) 에 연결된다. 튜브들 (21) 은 도 2 에 도시된 바와 같이 직선형이거나 "U" 자로 굽혀질 수도 있다 (U-튜브).

두 유체 사이의 개선된 열교환을 제공하기 위해, 제 2 유체의 유동 경로는 개별 통로를 형성하는 중간 배플 (28) 에 의해 종종 결정되어서, 제 2 유체 유동은 한 통로에서 다음 통로로 진행할 때 그 방향이 달라진다. 배플은 보통 제 2 유체의 지그재그 유동을 제공하기 위해 셸 (22) 의 길이방향 축선에 수직으로 설치되는 부분 원형 세그먼트 또는 환형 링 및 디스크의 형태이다.

도 3 에 도시된, 상기 디자인의 종래 기술의 대안은, 수평 헤어핀 열교환기이다. 헤어핀 열교환기 (1) 는 U-튜브의 직선형 부분을 포함하는 2 개의 셸 (22) 을 갖는다. 헤어핀의 헤드는 튜브의 180°U-벤트 부분을 포함한다. 이 헤어핀 디자인의 이점은 다음과 같다:

- 열팽창이 본질적으로 헤어핀 디자인에 의해 관리되므로, 조인트 확장 시스템이 불필요함;

- 직선형 튜브 및 교환기의 수평 위치로 인해 열교환기의 배수 및 벤팅이 더 용이함.

증기 발생기의 다른 개념은 이미 알려져 있다. 이러한 상이한 개념들의 합성이 Sandia 보고서 93-7084 "열 저장 및 증기 발생기 이슈의 조사, Bechtel Corporation" 에 보고되어 있으며, 그 보고서에는 기존 증기 발생기의 장점 및 단점이 열거되어 있다.

열교환기의 열전달 효율을 개선하기 위해, 셸에 장착된 배플이 유체를 나선형 경로로 안내하기 위한 특정 형상을 가질 수 있다는 것이 1920 년대 이후로 알려져 있다. 더욱이, 연속 나선형 배플의 경우, 동일한 셸측 압력 강하에 대해 종래의 세그먼트형 배플에 비해 열전달률이 약 10% 증가한다 (J. Heat Transfer (2007), Vol. 129(10), 1425-1431). 이러한 패턴은 세그먼트형 배플에서 발생하는 누설 스트림을 감소시키고 열전달 계수를 크게 증가시키는 것을 허용한다 (J. Heat Transfer (2010), Vol. 132(10), 101801). 또한, 유동 층화 및 정체 구역이 (계산에 따라) 회피되어, 완전한 배수가 허용되고 파울링 민감성이 감소한다 (더 낮은 파울링 저항 및 더 낮은 열전달 영역).

문헌 WO 2009/148822 는, 배플이 입구 및 출구에 각각 근접한 때에 상이한 나선각을 갖는 나선형 유동 패턴으로 유체를 안내하기 위해 셸에 장착된 배플을 개시한다. 문헌 US 2,384,714, US 2,693,942, US 3,400,758, US 4,493,368 및 WO 2005/019758 각각은 유체의 나선형 유동 패턴을 제공한다는 동일한 목적을 갖고 각각 상이한 종류의 배플을 개시한다. 문헌 US 1,782,409 는 연속 나선형 배플을 개시한다.

문헌 GB 2 020 793 A 는 2 개의 고정 튜브 플레이트들, 상부 튜브 플레이트와 하부 튜브 플레이트를 갖는 대향류 열교환기, 특히 증기 발생기를 개시하며, 튜브 플레이트들은 평행한 동축 관계로 서로 마주보게 배치되고 상이한 평균 직경의 보어드 (bored) 영역을 갖고, 상기 상부 및 하부 튜브 플레이트 사이에 튜브들의 네스트 (nest) 가 연장되고, 튜브들은 튜브 플레이트들에 연결되고 실질적으로 극 대칭 배치로 분포되고 일 단부에 S형 굽힘 부분을 가지며, 튜브 네스트의 직선형 부분은 튜브 플레이트들에 부착된 외부 슈라우드와 내부 재킷 사이에 규정되는 환형 공간 내에 실질적으로 균일한 분포로 둘러싸이는 열전달 구역을 실질적으로 포함한다. 사용시 액체 나트륨과 같은 가열 유체가 환형 공간을 통과하여 튜브에서 흐르는 유체를 가열한다.

현재의 해결책은 예를 들어 열 구배 유연성, 효율 (압력 강하, 열전달 계수), 배수성, 자연 순환, 부식과 누설의 부존재 등의 측면에서 만족스럽지 않고, 새롭게 설계된 증기 발생기 및/또는 그의 개별 열교환기는 다음과 같은 기술적 요구사항을 충족시켜야 한다:

- 내부 누설 및 바이패스 스트림을 줄임으로써 개선된 열효율;

- 국부적인 스트림 장애를 줄임으로써 개선된 압력 강하;

- 개선된 램프-업 능력;

- 개선된 신뢰도;

- 개선된 파울링 거동 등.

또한, 빠른 시동은 일반적으로 특히 튜브들과 튜브 시트 사이의 연결부에서 누출을 초래한다.

본 발명은 증기 발생기를 위한 종래 기술의 열교환기의 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 더 낮은 압력 강하, 더 낮은 내부 누설 (바이패스), 개선된 열전달 계수, 더 낮은 파울 경향, 용이하게 배출가능한 용융 염, 자연 순환 (즉, 순환 펌프가 없음), 긴 수명 및 경쟁력있는 비용을 초래하는 최적화된 유체역학적 염 유동 덕분에 개선된 효율뿐만 아니라 열 구배의 측면에서 높은 유연성을 보이는 감소된 크기의 열교환기를 획득하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 1 양태는, 제 1 직선형 섹션, 제 2 직선형 섹션, 및 제 1 직선형 섹션과 제 2 직선형 섹션을 링크하는 벤트 섹션 또는 엘보우를 구비하는 열교환기로서, 각각의 직선형 섹션은 내부 원통형 셸의 및 외부 원통형 셸의 일부를 포함하고, 쌍방의 원통형 셸은 열교환기의 제 1 직선형 섹션 및 제 2 직선형 섹션 내에 각각 위치된 제 1 및 제 2 직선형 부분, 및 열교환기의 벤트 섹션 또는 엘보우 내에 위치된 180°-벤트 부분을 각각 구비하는 평행한 U-벤트 튜브들의 번들을 둘러싸는 인터셸 공간을 형성하도록 협력작동하여서, 사용 시, 가열 및 증발될 제 1 유체가 상기 U-벤트 튜브들 내에서 흐르고, 외부 원통형 셸은 고온 열 유체인 제 2 유체를 위해 일 단부에 입구를 그리고 타 단부에 출구를 각각 구비하여서, 사용 시, 제 2 유체는 인터셸 공간 내에서 환형 유로를 따라 흐르고 U-벤트 튜브들 내에서 흐르는 제 1 유체와 열을 교환함으로써 냉각되고, 인터셸 공간은 제 2 유체를 안내하는 배플들을 또한 둘러싸고, 평행한 U-벤트 튜브들의 번들은, 제 1 반구형 보닛이 제 1 유체를 제 1 직선형 섹션의 튜브들로 분배하는 제 1 단부에, 그리고 제 2 반구형 보닛이 제 2 직선형 섹션의 튜브들로부터 액체, 베이퍼 (vapor), 또는 액체/베이퍼 혼합물의 형태로 제 1 유체를 수집하는 제 2 단부에 연결부를 통해 연결되고, 각각의 연결부는 인터셸 공간 내부의 제 2 유체 저압과 개별 보닛 내부의 제 1 유체 고압 사이의 차를 견디도록 설계된 튜브 시트로 제조되고, 튜브 시트는 중심 원형 오리피스를 구비하는 원형 플레이트를 포함하고, 튜브 시트는, 제 1 유체와 제 2 유체를 물리적으로 분리하기 위해, 오리피스 위에 위치되며 원형 플레이트에 단단히 연결된 반구형 셸을 더 포함하는, 열교환기에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 헤어핀 열교환기는 다음 특징들 중의 하나 또는 그의 적절한 조합을 또한 포함한다:

- 원형 플레이트의 두께가 동일한 압력 차를 견디기 위해 ASME 표준에 의해 권고된 두께보다 더 크고;

- 보닛과 튜브 시트 원형 플레이트 사이의 계면이 본질적으로 편평하고, 반구형 셸은 열교환기의 내부를 향해 배향되고 내부 원통형 셸의 내측에 위치되고;

- 반구형 셸의 두께가 튜브 시트 플레이트의 두께의 20% 내지 40% 이고;

- 상기 제 1 직선형 섹션 및 상기 제 2 직선형 섹션은 상기 엘보우에 의해 링크된 별개 인클로저들로 구성되어서, 헤어핀 열교환기 셸을 형성하고;

- 상기 제 1 직선형 섹션, 상기 제 2 직선형 섹션 및 상기 벤트 섹션 또는 엘보우는 평행한 U-벤트 튜브들의 번들을 둘러싸는 하나의 단일 인클로저 또는 셸로 구성되고, 제 1 반구형 보닛 및 제 2 반구형 보닛이 일치하고;

- 열교환기는 수평형이고, 그 안에서 제 1 유체의 유동에 대한 제 2 유체의 유동이 병류 (co-current) 또는 대향류이고;

- 상기 제 1 유체는 공급수 (feedwater) 또는 초임계 이산화탄소를 포함하는 유체이고;

- 상기 제 2 유체는 용융 염 또는 용융 염들의 혼합물, 열유 (thermal oil) 또는 액체 나트륨이고;

- 배플들은 연속 나선형 배플의 형태이고;

- 배플들은 내부 원통형 셸에 조립, 바람직하게는 용접 또는 볼트체결되고;

- 외부 원통형 셸과 배플들 사이에 밀봉 수단이 제공되고;

- 열교환기는 열 유체 입구로부터 열교환기에 제 2 유체를 균일하게 공급하기 위해 분배 재킷을 구비하고;

- 분배 재킷은 그의 내면에 걸쳐 360°에 분포된 복수의 개구들을 갖고, 개구들은 바람직하게는 제 2 유체를 나선형 배플의 제 1 턴에 공급한다.

본 발명의 제 2 양태는 전술한 바와 같은 열교환기로 제조된 증발기에 관한 것이다.

본 발명의 제 3 양태는 전술한 바와 같은 열교환기로 제조된 과열기에 관한 것이다.

본 발명의 제 4 양태는 전술한 바와 같은 열교환기로 제조된 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기에 관한 것이다.

본 발명의 제 5 양태는 전술한 바와 같이 증발기, 과열기, 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기로 제조된 적어도 하나의 열교환기 트레인을 포함하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG) 에 관한 것이다. 유리하게는, 과열기, 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기는 대향류로 운전되는 한편, 증발기는 병류로 운전된다.

계속하여 본 발명의 범위 내에서, 용융 염 증기 발생기는 관류형 또는 강제 순환 증기 발생기이다.

도 1 은 용융 염 증기 발생기를 위한 전형적인 열교환기 트레인의 구성요소를 도식적으로 나타낸다.
도 2 는 종래 기술에 따른 "셸-앤드-튜브" 직선형 튜브 열교환기의 실시형태를 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 종래 기술의 수평 헤어핀 발생기의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b 는 각각 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 제 1 실시형태의 평면도 및 정면도이다.
도 5a 및 도 5b 는 각각 도 4 의 실시형태에 따른 열교환기의 대응 단면도이다.
도 6a 및 도 6b 는 각각 열교환기의 지지 시스템을 갖는 도 5 에 대응하는 도면이다.
도 7 은 특정 튜브 시트에 초점을 맞춘, 본 발명에 따른 하나의 교환기 단부의 길이방향 단면 상세도이다.
도 8a 및 도 8b 는 각각 상기한 특정 튜브 시트의 사시도 및 단면도이다.
도 9 는 U-튜브 디자인을 갖는 증발기를 보여주는 본 발명의 제 2 실시형태에 대한 컷어웨이 3D 도면이다.
도 10a 및 도 10b 는 종래 기술에 따른 튜브 시트 (A) 및 본 발명의 특정 튜브 시트 (B) 에 대한 각각의 서모그래피 시뮬레이션 데이터를 도시한다.

본 발명의 제 1 바람직한 실시형태는, 도 4 내지 도 9 에 도시된 바와 같이, 수평 헤어핀 열교환기 (1) 에 대한 신규 디자인에 관한 것이다.

열교환기는 두 유체 사이의 왕복 운동을 갖는다. 일반적으로 물과 수증기의 혼합물인 제 1 유체가 헤어핀의 제 1 직선형 부분에 위치된 평행한 수평 직선형 튜브 섹션들 (2) 의 제 1 번들을 통해 그리고 헤어핀의 제 2 직선형 부분에 위치된 평행한 수평 직선형 튜브 섹션들 (2) 의 제 2 번들을 통해 순환한다. 제 1 번들의 튜브들 (2) 은 엘보우 (32) 또는 헤어핀의 헤드에 위치된 180°벤트 튜브 섹션에 의해 제 2 번들의 튜브들 (2) 에 연결되어, U-벤트 튜브 섹션들을 형성한다.

초임계 이산화탄소가 본 발명에서 사용 가능한 대체 제 1 유체의 예이다.

이 실시형태에 따르면, 각각의 직선형 부분에서 튜브들 (2) 의 번들은, 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같이, 내부 원통형 셸 (3) 과 외부 원통형 셸 (4) 사이에 위치된다.

2 개의 셸 (3, 4) 에 의해 한정된 내부 공간 (5) 은 열원, 바람직하게는 제 2 유체를 환형 유로 내에 유지시킬 수 있게 한다. 이 제 2 유체는 열 유체, 예를 들어 CSP 타워 설비의 정점에서 태양열 수신기에 의해 가열된 용융 염(들)이다. 열 유체는 튜브들 (2) 의 번들(들) 과 접촉하여 유동함으로써, 튜브들 (2) 을 통해 흐르는 평행-유동 제 1 유체에 열을 전달할 것이다. 제 1 유체 및 제 2 유체는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 병류 또는 대향류일 수 있다. 유사하게, 열원 또는 제 2 유체는 물, 열유, 액체 나트륨, 유동층 (fluidized bed) 등과 같은 임의의 열 유체일 수 있다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 분배 재킷 (30) 에는 열교환기 (1) 의 일 단부에 입구 노즐 (6), 각각 출구 노즐 (6) 이 제공되고, 이를 통해 열 유체가 열교환기 (1) 에 진입하거나 열교환기에서 나온다. 유사하게, 냉각된 열 유체를 배출하거나 고온 유체를 수용하기 위해 열교환기 (1) 의 타 단부에서 제 2 분배 재킷 (30) 에 출구 노즐 (7), 각각 입구 노즐 (7) 이 제공된다.

유리하게는, 열 유체는 열교환기의 입구 노즐에 위치된 분배 재킷 (30) 덕분에 360°(입구, 순환, 유체 온도) 에서 셸 상에 균일하게 분포된다.

열전달의 효율을 향상시키기 위해, 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같이, 공간 (5) 은 헤어핀 교환기의 직선형 부분에 열 유체의 유동을 안내할 수 있는 밀폐된 연속 나선형 배플 (8) 을 구비한다. 그러면, 열 유체는 환형 유로에 따라 내부 셸과 외부 셸 사이에서 열교환기, 예를 들어 자연 순환하에서 작동하는 증발기 내에서 나선형으로 유동한다. 연속 나선형 배플 구성은 제 2 유체의 완만한 유동을 보장하여, 유동에 수직한 배플을 갖는 교환기에서와 같이 급격한 방향 변화 또는 데드 존을 방지한다. 이러한 방식에서, 종래의 세그먼트 배플 (위 참조) 을 갖는 교환기에 비해 열전달율은 크게 증가되고 압력 강하는 크게 저하된다.

일 실시형태에 따르면, 내부 원통형 셸 (3) 및 배플들 (8) 은 함께 용접되거나 볼트체결될 수 있다. 또한, 기생 (parasitic) 스트림을 방지하기 위해 외부 셸 (4) 과 배플들 (8) 사이에 밀봉 수단이 제공될 수 있다.

유익하게는 나선형 배플은 배플과 튜브 사이에서 가능한 최소 간극을 갖기 위해 혁신적인 해결책 (밀봉 디바이스 및 제조, 도시되지 않음) 을 사용하여 설계된다. 이는 배플들 사이 그리고 튜브들을 통한 바이패스를 억제하거나 적어도 강하게 감소시킬 수 있다.

계속해서 본 발명에 따르면, 도 7 에 도시된 바와 같이, 헤어핀 교환기 직선형 부분의 각각의 외부 단부에서는, 평행한 직선형 튜브들 (2) 의 환형 번들이 특정 튜브 시트 (11, 12) 를 통해 고압 유체 (증기/수증기) 를 함유하는 (반)구형 보닛 (16) 에 연결된다. 특정 튜브 시트 (11, 12) 는 다음의 특징을 갖는다:

- 튜브 시트 플레이트 (12) 자체는 그 중심이 비어 있고, 오리피스가 내부에 기계가공되고 튜브 (2) 가 없는 열교환기 직선형 부분의 연장에 대응하고;

- 열교환기 직선형 부분의 용융 염 저압 구역 (13) 과 고압 물/증기 보닛 구역 (15) 사이의 물리적인 단단한 분리 (직사각형 프레임 참조) 가 상기 오리피스 위의 튜브 시트 플레이트 (12) 에 용접되거나 단단히 연결된 구면 헤드 (11) 에 의해 보장되고;

- 튜브 시트 플레이트 (12) 는 ASME (American Society of Mechanical Engineers) 코드의 권고에 따른 종래 기술에서의 보통의 설계에서보다 더 두껍다.

상기 특징에 따르면, 열교환기 구성요소들은 열교환기가 다음과 같이 작동하도록 협력작동한다:

- 구형 보닛 (16) 은 튜브 시트 (12) 를 향해 제 1 유체 (물/증기 등) 를 분배하고; 보닛의 구형 형상은 더 얇은 보닛을 설계할 수 있게 하며;

- 튜브 시트 (12) 는 열교환기의 입구에서 튜브 번들 (2) 을 향해 그리고 열교환기의 출구에서 튜브 번들로부터 제 1 유체를 분배하고;

- (제 2 유체의) 환형 염 유동 하강은 셸-앤드-튜브 구성의 연속 나선형 배플들 (8) 에 의해 개선되고, U-튜브 디자인 (14) 은 튜브의 시차 열 팽창 (differential thermal expansion) 을 관리할 수 있게 한다.

고전적인 셸-앤드-튜브 구성에서와 같이, 제 1 유체, 보통 물은 준구형 (quasi-spherical) 베슬 또는 플리넘 내에서 고압 하에 있다. 튜브 시트의 다른 측에서는, 튜브 번들 주위에서 유동하는 염은 훨씬 더 낮은 압력 하에 유지되며, 압력 차를 견디기 위해 매우 두꺼운 튜브 시트가 필요하다.

종래 기술에서 규정된 것보다 훨씬 두꺼운 튜브 시트를 제안하는 것은 본 발명의 예상치 않은 효과 또는 이점이다. 튜브 시트 플레이트 (12) 를 오버사이징하는 것은 그 굽힘 응력을 줄이는데 도움을 주고 크리프를 감소시킨다. 또한, 튜브 시트 및/또는 보닛의 특정 기계가공은 쓸모없는 금속의 양을 줄일 수 있게 한다.

예

본 발명은 유연하고, 모든 공통 구성요소가 본 발명의 포괄적인 열교환기 디자인에 따라 제조된, 재가열기, 과열기, 이코노마이저, 예열기 및 증발기 디바이스와 같은 MSSG 기술에 사용되는 일련의 열교환기 디자인에 적용되도록 의도된다.

전술한 바와 같이 (도 1), 온도가 감소하는 고온 용융 염은 예를 들어 먼저 재가열기 및 과열기를 통해 병렬로 유동하고 재결합되어 증발기에 그리고 예열기/이코노마이저에 연속적으로 들어간다.

본 실시형태에서, 고온, 예를 들어 563 ℃ (그리고 확실히, 보통의 용융 염에 대한 열화 온도인 650 ℃ 미만) 에서 시스템에 들어가는 고온 용융 염은 과열기 및 재가열기를 통해 병렬로 흐르고, 결합되고, 증발기와 예열기를 통해 연속적으로 통과한다. 저온 염은 전형적으로 290-300 ℃ 의 온도에서, 바람직하게는 약 293 ℃ 의 온도에서, 또는 열전달 유체의 고체화 온도 (나트륨 유도체와 같은 용융 염의 경우 90 ℃ 만큼 낮음) 인 최소 온도 초과에서 예열기를 떠난다. 대안적으로, 임의의 열 유체, 예컨대 열유가 작동 온도 범위, 이 경우 예컨대 80 ℃ (응축 및/또는 결정화 온도) 내지 380 ℃ (열화 온도의 예) 의 작동 온도 범위로 용융 염 대신에 사용될 수 있다.

또한, 열 유체가 700 ℃ 까지의 온도를 가질 수 있다는 것은 본 발명의 범위에 속한다. 모든 금속 부품은 최대 600 ℃ 이상의 온도를 견딜 수 있는 귀금속 또는 스테인리스강으로 제조되는 것이 유리하다.

더 구체적으로, 일 실시형태에 따르면, 재가열기 및 과열기로부터 나오는 용융 염은 입구 노즐을 통해 증발기에 들어가고, 전술한 바와 같이, 내부 파이프와 외부 슈라우드 사이에 위치된 환형 공간에서 자연 순환 방식으로 증발기 내에서 나선형으로 흐른다. 포화된 물은 증발기의 증기 드럼 (구형 또는 수평형) 으로부터 다운코머 (도시되지 않음) 를 통해 그리고 반구형 보닛으로부터 증기 발생을 위해 열교환기 내부의 U-튜브로 흐른다. 이 디자인에서, 고압의 물은 셸과 접촉하지 않는 튜브 내에서 흐른다. 바람직하게는, 모든 열교환기는 수평형이다.

본 발명에 따른 열교환기의 디자인이 자연 순환 러닝에 최적화되어 있지만, 관류형 또는 강제 순환 증기 발생기에 또한 사용될 수 있다.

도 9 에 도시된 본 발명의 일 대안적인 실시형태에 따르면, 제 1 튜브 번들 및 제 2 튜브 번들의 직선형 튜브 섹션들은 단일 인클로저 또는 셸 (헤어핀 셸을 형성하지 않음) 내에 위치된 하나의 단일 U-튜브 번들을 형성하고, U-튜브들 (2) 의 엘보우 (32) 는 교환기의 일 측에 있고 다른 측에 위치된 단일 U-튜브 번들의 입구/출구는 본 발명에 따른 튜브 시트 (11, 12) 를 통해 구형 보닛 (16) 에 연결된다.

본 발명은 다음 특징들 덕분에 열 구배의 측면에서 특히 높은 유연성을 제공한다:

- 튜브 시트는 튜브 시트 내부의 유해한 열 구배를 피하기 위해 중앙이 비어 있고; 이는 시동 중에 이 부품의 열적 거동을 개선하여 이 부품의 수명이 길어지고 (도 10b 참조, 도 10a 의 종래 기술에 비해 본 발명의 경우 튜브 시트의 열 구배가 더 낮음);

- 튜브 시트 (12) 와 내부 파이프 (3) 사이에, 피크 응력을 피하기 위해 그리고 이 후자의 구성요소의 수명을 향상시키기 위해, 특정 기계가공이 예견될 수도 있고;

- 튜브 시트 (12) 와 구형 보닛 (16) (플랜지 부존재) 사이에 특정 기계가공이 또한 예견될 수도 있고;

- 설치 시작 중에 임의의 차가운 영역을 피하기 위해, 구형 보닛 (16) 이 헤더 또는 단부 부분으로서 선택되었고;

- 고압의 물은 셸 측 (4) 이 아닌 튜브 또는 파이프 (2) 내에서 흐르고, 이는 그의 더 얇은 두께를 허용하고, 결과적으로 더 높은 열 구배 능력을 허용하고;

- 전통적인 직선형 배플은 나선형 배플 (8) 에의해 대체되어, 염은 나선형으로 흐르는 반면, 물은 튜브들 (2) 내에서 유동하도록 제한되고;

- 연속적인 나선형 배플 (8) 은 매끄러운 유동 방향 변화를 허용한다. 동등한 ΔP 에서, 연속 나선형 배플 (8) 은 종래의 배플에 비해 더 빠른 속도의 유동, 더 높은 교환 표면 및 더 작은 열교환기 디자인을 보장한다. 더욱이, 그러한 배플 디자인을 갖는 데드 존이 부존재하므로, 파울링 위험이 더 낮다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 당업계에 그 자체로 공지된 IBW (internal bore wilding) 와 같이, 튜브와 튜브 시트의 특별한 연결은 부식이 없고 누출이 없는 해결책 (틈새 부식의 위험이 없고, 누출 또는 이완 (relaxation) 의 위험이 없음) 을 제공할 수도 있다.

1 헤어핀 열교환기
2 직선형 튜브 (섹션)
3 내부 원통형 셸
4 외부 원통형 셸
5 인터셸 공간
6 열 유체 입구
7 열 유체 출구
8 나선형 배플
9 제 1 직선형 섹션
10 제 2 직선형 섹션
11 튜브 시트의 구형 헤드
12 두꺼운 튜브 시트
13 제 2 저압 유체 (용융 염)
14 U-벤트 튜브
15 고압 유체 (물/증기)
16 보닛 (입구 또는 출구)
17 튜브 통로
18 전방 클로저
19 후방 클로저
20 지지부
21 직선형 튜브
22 셸
23 셸측 유체 유입
24 튜브측 유체 유입
25 튜브측 유체 유출
26 셸측 유체 유출
27 튜브 시트
28 직선형 배플
29 워터 박스 또는 플리넘 또는 보닛
30 분배 재킷
32 엘보우
33 분리 플레이트
100 MSSG 의 용융 염 입구
101 MSSG 의 재가열기
102 MSSG 의 증발기
103 MSSG 의 이코노마이저
104 MSSG 의 과열기
105 MSSG 의 용융 염 출구

Claims (20)

1. 제 1 직선형 섹션 (9), 제 2 직선형 섹션 (10), 및 상기 제 1 직선형 섹션과 상기 제 2 직선형 섹션을 링크하는 벤트 섹션 또는 엘보우 (32) 를 구비하는 열교환기 (1) 로서,
   각각의 직선형 섹션 (9, 10) 은 내부 원통형 셸 (3) 의 및 외부 원통형 셸 (4) 의 일부를 포함하고,
   쌍방의 원통형 셸은 상기 열교환기의 상기 제 1 직선형 섹션 (9) 및 제 2 직선형 섹션 (10) 내에 각각 위치된 제 1 및 제 2 직선형 부분, 및 상기 열교환기의 상기 벤트 섹션 또는 엘보우 (32) 내에 위치된 180°-벤트 부분을 각각 구비하는 평행한 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들을 둘러싸는 인터셸 공간 (5) 을 형성하도록 협력작동하여서, 사용 시, 가열 및 증발될 제 1 유체가 상기 U-벤트 튜브들 (2) 내에서 흐르고,
   상기 외부 원통형 셸 (4) 은 고온 열 유체인 제 2 유체를 위해 일 단부에 입구 (6) 를 그리고 타 단부에 출구 (7) 를 각각 구비하여서, 사용 시, 상기 제 2 유체는 상기 인터셸 공간 (5) 내에서 환형 유로를 따라 흐르고 상기 U-벤트 튜브들 (2) 내에서 흐르는 상기 제 1 유체와 열을 교환함으로써 냉각되고,
   상기 인터셸 공간 (5) 은 상기 제 2 유체를 안내하는 배플들 (8) 을 또한 둘러싸고,
   평행한 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들은, 제 1 반구형 보닛 (16) 이 상기 제 1 유체를 상기 제 1 직선형 섹션 (9) 의 튜브들 (2) 로 분배하는 제 1 단부에, 그리고 제 2 반구형 보닛 (16) 이 상기 제 2 직선형 섹션 (10) 의 튜브들 (2) 로부터 액체, 베이퍼 (vapor), 또는 액체/베이퍼 혼합물의 형태로 상기 제 1 유체를 수집하는 제 2 단부에 연결부를 통해 연결되고,
   각각의 상기 연결부는 상기 인터셸 공간 (5) 내부의 제 2 유체 저압과 개별 보닛 (16) 내부의 제 1 유체 고압 사이의 차를 견디도록 설계된 튜브 시트 (11, 12) 로 제조되고,
   상기 튜브 시트는 중심 원형 오리피스를 구비하는 원형 플레이트 (12) 를 포함하고,
   상기 튜브 시트는, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체를 물리적으로 분리하기 위해, 상기 오리피스 위에 위치되며 상기 원형 플레이트 (12) 에 단단히 연결된 반구형 셸 (11) 을 더 포함하는, 열교환기 (1).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 원형 플레이트 (12) 의 두께가 동일한 압력 차를 견디기 위해 ASME 표준에 의해 권고된 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 보닛 (16) 과 튜브 시트 원형 플레이트 (12) 사이의 계면이 본질적으로 편평하고,
   상기 반구형 셸 (11) 은 상기 열교환기 (1) 의 내부를 향해 배향되고 상기 내부 원통형 셸 (3) 의 내측에 위치되는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 반구형 셸 (11) 의 두께가 튜브 시트 플레이트 (12) 의 두께의 20% 내지 40% 인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 직선형 섹션 (9) 및 상기 제 2 직선형 섹션 (10) 은 상기 엘보우 (32) 에 의해 링크된 별개 인클로저들로 구성되어서 헤어핀 열교환기 셸을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 직선형 섹션 (9), 상기 제 2 직선형 섹션 (10) 및 상기 벤트 섹션 또는 엘보우 (32) 는 평행한 U-벤트 튜브들 (2) 의 번들을 둘러싸는 하나의 단일 인클로저 또는 셸로 구성되고, 상기 제 1 반구형 보닛 (16) 및 상기 제 2 반구형 보닛 (16) 이 일치하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환기는 수평형이고, 그 안에서 상기 제 1 유체의 유동에 대한 상기 제 2 유체의 유동이 병류 (co-current) 또는 대향류인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 유체는 공급수 (feedwater) 또는 초임계 이산화탄소를 포함하는 유체인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 유체는 용융 염 또는 용융 염들의 혼합물, 열유 (thermal oil) 또는 액체 나트륨인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플들 (8) 은 연속 나선형 배플의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플들 (8) 은 상기 내부 원통형 셸 (3) 에 조립, 바람직하게는 용접 또는 볼트체결되는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 원통형 셸 (4) 과 상기 배플들 (8) 사이에 밀봉 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 열 유체 입구 (6, 7) 로부터 상기 열교환기에 상기 제 2 유체를 균일하게 공급하기 위해 분배 재킷 (30) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분배 재킷 (30) 은 그의 내면에 걸쳐 360°에 분포된 복수의 개구들을 갖고, 상기 개구들은 바람직하게는 상기 제 2 유체를 나선형 배플 (8) 의 제 1 턴에 공급하는 것을 특징으로 하는 열교환기 (1).
15. 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 증발기.
16. 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 과열기.
17. 제 1 항에 따른 열교환기로 제조된 재가열기 또는 이코노마이저 및/또는 예열기.
18. 제 15 항에 따른 증발기, 제 16 항에 따른 과열기, 및 제 17 항에 따른 재가열기 및/또는 이코노마이저 및/또는 예열기로 제조된 적어도 하나의 열교환기 트레인을 포함하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG).
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 과열기, 상기 재가열기 및/또는 상기 이코노마이저 및/또는 상기 예열기는 대향류로 운전되는 한편, 상기 증발기는 병류로 운전되는 것을 특징으로 하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG).
20. 제 18 항에 있어서,
    상기 용융 염 증기 발생기는 관류형 또는 강제 순환 증기 발생기인 것을 특징으로 하는 용융 염 증기 발생기 (MSSG).

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