KR20190087398A - 미니-튜브 공냉식 산업용 증기 응축기 - Google Patents

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KR20190087398A
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Abstract

V 형태로 다섯 쌍 내에 배열된, 셀당 10 개의 열교환기 번들을 갖는 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 개시되며, 각각의 열교환기 번들은 네 개의 주 열교환기와 네 개의 보조 열교환기를 갖고, 여기서 각각의 보조 열교환기는 하나의 주 열교환기와 쌍을 이룬다. 네 개의 주 응축기는 튜브가 수평이 되도록 배치되고, 튜브의 일단에 있는 입구 증기 매니폴드는 주 열교환기에 평행하게, 즉, 번들의 횡축에 평행하게 정렬된다. 증기는 아래에서부터 소형 입구 증기 매니폴드로 유입된다. 튜브의 단면 치수는 200 mm 폭 및 10 mm 미만의 단면 높이를 갖고, 높이가 10 mm인 핀이 인치당 9 내지 12 개씩 배열된다.

Description

미니-튜브 공냉식 산업용 증기 응축기
본 발명은 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기에 관한 것이다.
대부분의 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기(air cooled industrial steam condenser, ACC)에 사용되는 현재의 핀 튜브(finned tube)는, 길이가 거의 11 미터이고, 반원형 리딩 및 트레일링 에지를 갖는 폭("공기 이동 길이"라고도 함)이 200 mm이며, 외부 높이(공기 이동 길이에 수직)가 18.7 mm인 납작한 튜브를 사용한다. 튜브 벽 두께는 1.35 mm이다. 핀은 각각의 튜브의 양쪽 평평한 면에 납땜된다. 핀은 일반적으로 높이가 18.5 mm이며, 인치당 11 개의 핀으로 이격된다. 핀 표면은 열 전달을 향상시키고 핀 강성을 돕기 위해 파형 패턴을 갖는다. 튜브 사이의 표준 중심 간격은 57.2 mm이다. 튜브 자체는 단면 정면 면적(face area)(공기 흐름 방향에 수직)의 대략 1/3을 구성하는 반면, 핀은 단면 정면 면적의 거의 2/3를 차지한다. 인접한 핀 끝 사이에 1.5 mm의 작은 공간이 있다. 여름철 대기 조건의 경우, 튜브를 통과하는 최대 증기 속도는 일반적으로 28 mps만큼 빠를 수 있으며, 더욱 일반적으로는 23 내지 25 mps이다. 이들 튜브와 핀과 함께 결합된 단일 A-프레임 설계는 튜브 길이, 핀 간격, 핀 높이와 모양 및 공기 이동 길이에 따라 최적화되었다. 핀 튜브는 열교환기 번들(heat exchanger bundle)로 조립되는데, 일반적으로 열교환기 번들당 39 개의 튜브가 조립되고, 10 내지 14 개의 번들이 팬(fan)당 단일 A-프레임 내에 함께 배열된 두 개의 번들 내에 배열된다. 팬은 일반적으로 A-프레임 아래에 있고, 번들을 통해 공기를 강제로 배출한다. 전체 튜브와 핀 설계, 및 튜브와 핀 조합의 공기압 저하는 또한 200 내지 250 마력에서 작동하는 대형(최대 38 피트 직경) 팬의 공기 이동 용량에 맞추도록 일치하도록 최적화되었다. 이러한 최적화된 배열은 20 년 전에 단일 행(row)의 타원형 튜브 개념을 도입한 이후 다양한 제조업체에서 비교적 변하지 않았다.
상기한 전형적인 A-프레임 ACC는 제 1 단계(1st stage) 또는 "주(primary)" 응축기 번들과 제 2 단계 또는 "보조(secondary)" 번들을 모두 포함한다. 열교환기 번들의 약 80% 내지 90%는 제 1 단계 또는 주 응축기이다. 증기는 주 응축기 번들의 상부로 유입되고, 응축수와 약간의 증기는 바닥을 빠져 나간다. 제 1 단계 구성은 열효율이 뛰어나지만, 비응축 가스를 제거하기 위한 수단은 제공하지 않는다. 비응축 가스를 제 1 단계 번들을 통해 제거하기 위해 열교환기 번들의 10% 내지 20%가 제 2 단계 또는 보조 응축기로 구성되며, 통상적으로 주 응축기 사이에 배치되어, 하부 응축수 매니폴드에서 증기를 배출한다. 이러한 배열에서, 증기와 비응축 가스는 보조 응축기의 바닥으로 빠져 나갈 때 제 1 단계 응축기를 통해 이동한다. 가스의 혼합물이 보조 응축기를 통해 위로 이동함에 따라, 증기의 나머지는 응축되어, 비응축 가스를 농축시킨다. 보조 응축기의 상부는, 시스템에서 비응축 가스를 제거하는 진공 매니폴드에 부착된다.
표준 선행 기술의 ACC 배치에 대한 변형이 예를 들어 US 2015/0204611 및 US 2015/0330709에 개시되어있다. 이들 응용은 동일한 핀 튜브를 보여주지만, 대폭 짧아진 다음 일련의 소형 A-프레임 내에, 일반적으로는 팬당 5 개의 A-프레임 내에 배열된다. 논리의 일부는 하계 조건에서는 전체 용량에 미치는 영향이 적지만 동계 조건에는 영향이 큰 증기압 강하를 줄이는 것이다. 논리의 또 다른 부분은 공장에서 각각의 번들에 상단 증기 매니폴드 덕트를 용접하고 함께 운송하므로, 비싼 현장 용접 노동력을 절약하는 것이다. 공장에서 부착되고 튜브 번들과 함께 운송된 증기 매니폴드와 함께 이러한 배열의 순 효과는 표준 하이 큐브 선적 컨테이너 내에 매니폴드를 수용할 수 있도록 튜브 길이를 줄이는 것이다. 튜브가 더 짧아서 전체 표면적이 감소하기 때문에, 하계 조건에서 유사한 전체 치수의 표준 단일 A-프레임 설계에 대한 비교 용량은 약 3% 감소한다.
본원에 제시된 발명은, 1) 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 열교환기 시스템에 사용하기 위한 새로운 튜브 설계, 및 2) 발전소 등에서 사용하기 위한 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기에 대한 새로운 설계이며, 이들 모두는 ACC의 열용량을 현저히 증가시키면서도, 일부 구성에서는 재료를 줄인다. 본 발명의 다양한 양태 및/또는 실시형태가 아래에 설명된다.
본 발명의 튜브 설계의 바람직한 실시형태에 따르면, 튜브의 단면 치수는 선행 기술과 같이 폭(공기 이동 길이)이 200 mm이지만, 10 mm 미만의 단면 높이(공기 이동 길이에 수직), 바람직하게는 4 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 9 mm, 더욱 더 바람직하게는 5.2 내지 7 mm, 가장 바람직하게는 6.0 mm의 높이("외부 튜브 폭")를 갖고, 높이가 8 내지 12 mm, 바람직하게는 10 mm인 핀이 인치당 8 내지 12 개씩, 바람직하게는 인치당 11 개씩 배열된다. 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 실제 핀은 높이가 16 내지 22 mm, 바람직하게는 18.5 mm일 수 있고, 인접한 두 개의 튜브 사이의 공간을 가로질러, 각각의 측면의 각각의 튜브에서 8 내지 11 mm의 핀을 효과적으로 사용할 수 있게 한다.
더욱 작은 단면 튜브(동일한 공기 이동 길이지만 현저히 작은 높이)의 제조는, 대규모 발전소에서 발생되는 대량의 증기를 수용하기 위해 그리고 큰 튜브는 비용을 줄이기 때문에 튜브는 가능한 한 큰 단면으로 제조되어야 한다는 본 기술 분야의 현재의 지배적인 견해와 직접적으로 배치된다. 이러한 배열의 비용은 선행 기술의 튜브 배열보다 상당히 큰 반면, 본 발명자들은 낮은 높이의 튜브의 효율 증가가 (선행 기술의 튜브에 비해 30% 높은 효율을 초과하는 가장 바람직한 실시형태에서) 오히려 비용 증가를 만회한다는 것을 예기치 않게 발견하였다 이러한 새로운 튜브 설계는 선행 기술의(예를 들어, 배경 기술 섹션에서 설명한) 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기에 사용될 수 있고, 또는 본원의 아래에서 설명되는 새로운 ACC 설계와 함께 사용될 수 있다.
대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기에 대한 새로운 설계를 살펴보면, 본 발명의 주요 특징은 다수의 주 및 보조 응축기가, 증기 매니폴드 비용을 줄이고 열 용량을 현저하게 증가시키면서 동시에 쉽게 컨테이너로 운송할 수 있고 현장 용접을 최소화할 수 있는 새로운 설계 내에 배열된다는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 설계는 "V" 구성(표준 선행 기술의 ACC 배열과 비교하여 반전된 구성)으로 다섯 쌍으로 배열된 셀당 10 개의 열교환기 번들을 특징으로 한다. 대안적인 실시형태에 따르면, 번들은 A-프레임 배열 내에 배열될 수 있지만, 이러한 실시형태는 추가적인 덕트 설비를 필요로 하고 따라서 비용이 든다.
바람직한 배열에서, 각각의 열교환기 번들은 네 개의 주 열교환기와 네 개의 보조 열교환기를 갖고, 여기서 각각의 보조 열교환기는 하나의 주 열교환기와 쌍을 이룬다. 대안적인 실시형태에 따르면, 열교환기 코어당 단지 하나의 보조 열교환기가 제공되지만, 각각의 보조 열교환기를 하나의 주 열교환기에 연결시키면 응축기 배관/헤더링(headering)을 최소화하는 장점을 갖는다. 또 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 열교환기 코어당 세 개 또는 심지어 두 개 또는 다섯 개 이상의 열교환기가 제공될 수 있으며, 그로 인해 용량 및 비용이 절충된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 네 개의 주 응축기는 튜브가 수평이 되도록 배치되고, 튜브의 일단에 있는 입구 증기 매니폴드는 번들의 횡축에 평행하게 정렬된다. 이러한 배열은 증기가 아래에서부터 소형 입구 증기 매니폴드로 유입될 수 있게 한다. 대안적인 실시형태에 따르면, 증기는 위에서부터 도입될 수 있지만, 이러한 실시형태는 더 많은 덕트 설비를 필요로 한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 각각의 번들의 수직 폭은 91 인치(2.3 m) 내지 101 인치(2.57 m)이다.
바람직한 번들 길이는 41 피트 내지 43 피트이지만, 38 피트를 포함하여 다양한 다른 짧은 길이가 제공될 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 두 개의 소형 보조 응축기는 아주 적은 추가의 현장 용접 비용으로 현장에서 주 응축기에 부착될 수 있다. 이러한 실시형태는 원하는 코어 길이가 운송 컨테이너 길이보다 긴 경우에 특히 유용하다.
바람직한 실시형태에 따르면, 네 개의 주 응축기를 갖는 번들에 대해, 각각의 수평 번들 길이는 2.2 m 내지 2.8 m의 튜브 길이를 갖는다. 번들당 다섯 개의 주 응축기를 갖는 번들의 경우, 각각의 수평 번들 길이는 1.75 m 내지 2.25 m, 바람직하게는 2.0 m의 튜브 길이를 갖는다. 증기 매니폴드와 출구 매니폴드는 0.065 m 내지 0.10 m, 바람직하게는 0.075 m의 바람직한 폭(매니폴드의 수직 길이에 수직)을 갖는다. 각각의 주 응축기는 바람직하게는, 번들의 횡축에 평행하게 정렬된 종축을 갖고, 바닥으로부터 증기를 수용하도록 구성되고, 바람직하게는 대응하는 주 응축기의 정면 면적의 10% 내지 20%의 정면 면적을 갖도록 크기 조정된 핀 튜브를 갖는 보조 응축기에 직접 부착되며, 2.3 m × 2.4 m의 치수를 갖는 주 응축기의 경우, 보조 응축기는 폭이 예를 들어 0.20 m 내지 0.45 m, 바람직하게는 0.31 m이다.
바람직한 실시형태에 따르면, 열교환기 번들은 일단에서 타단까지 다음과 같이 구성된다: 번들의 횡축에 평행하게 정렬된 튜브를 갖는 소형 보조 응축기(대응하는 주 응축기의 정면 면적의 10-20%), 뒤이어 주 응축기와 보조 응축기 사이의 응축수 헤더(condensate header)로서, 이의 측면을 따라 주 응축기의 튜브의 출구에 연결되고 이의 바닥에서 보조 응축기의 입구에 연결되어 잔류 증기와 비응축 가스를 직접 보조 응축기로 전달하는 응축수 헤더를 갖는 수평 튜브(번들의 종축에 평행하게 정렬됨)를 갖는 전체 크기의 주 응축기. 증기 입구 매니폴드는 제 1 주 응축기의 맨 끝에 있다. 제 2 주 및 제 2 보조 응축기는 제 1 응축기들로부터 반전되어, 열교환기 번들의 전반부를 완성한다. 열교환기의 후반부는 전반부를 반전시킨다.
번들은 이후 바람직하게 V-프레임 내에서 서로 쌍을 이룬다. 이는 두 개의 단일 작은 영역에 두 세트의 네 개의 증기 입구를 제공한다. 이들 네 개의 입구는 아래의 대형 증기 덕트에서 나오는 하나의 증기 라이저(riser)에 결합될 수 있으며 1 대 4 어댑터를 통해 함께 연결된다. 번들의 길이에 걸쳐 증기 매니폴드의 용접은 필요하지 않다. 상기한 바와 같이, A-프레임이 사용될 수 있지만, 전통적인 A-프레임 ACC 구성은 증기 덕트가 아래보다는 오히려 코일/번들 위에 배치되어야 하기 때문에 비용 효과는 떨어진다.
증기는 증기 덕트를 통해 열교환기 번들로 전달된다. 라이저는 증기 덕트로부터 열교환기 입구로 증기를 전달하고, 이는 다시 증기 입구 매니폴드로 증기를 전달한다. 증기 입구 매니폴드는 주 응축기의 수평으로 배향된 튜브로 증기를 전달한다. 대부분의 증기는 주 응축기의 튜브를 통과하면서 액체수로 응축된다. 주 응축기의 튜브는 응축수와 잔류 증기(비응축 가스 포함)를 수용하는 응축수 헤더에서 종료한다. 응축수 헤더의 바닥은, 보조 응축기 아래로 연장되고 이어지는 "풋(foot)" 부분을 갖는다. 응축수는 응축수 헤더의 바닥에 수집되고, 여기서 응축수 수집 튜브로 전달된다. 한편, 비응축 가스를 포함하는 잔류 증기는 응축수 헤더에서 보조 응축기를 통해 위쪽으로 빠져 나간다. 잔류 증기가 응축됨에 따라, 응축수는 보조 응축기를 통해 응축수 헤더의 풋과 응축수 수집 튜브로 다시 이동한다. 비응축 가스는 비응축 수집 튜브를 통해 보조 응축기를 빠져 나간다.
상기한 바와 같이, 이러한 새로운 ACC 설계는 선행 기술의 단면 형상과 면적(200 mm × 18.7 mm)을 갖는 튜브와 함께 사용될 수 있으며, 이 경우 효율 증가는 대략 5%이다. 대안적으로, 이러한 새로운 ACC 설계는 본원에서 설명하는 새로운 설계(200 mm × 10 mm 미만)를 갖는 튜브와 함께 사용될 수 있으며, 이 경우 표준 튜브 구성을 갖는 선행 기술의 A-프레임과 비교했을 대 효율 증가는 대략 22%이다.
또 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 본 발명의 새로운 ACC 설계는 오프셋 핀(offset fin)을 갖는 100 mm × 5 mm 내지 7 mm 튜브와 함께 사용될 수 있다. 이러한 실시형태는 표준 튜브를 갖는 표준 ACC 구성에 비해 대략 40%의 튜브와 핀 비용의 감소 및 지지되는 번들 무게의 동시 감소와 함께 17.5%의 총 용량 증가를 가져온다. 이 실시형태에 따르면, 번들은 또한 무게가 선행 기술의 번들의 약 60%가 될 것이고, 따라서 새로운 ACC 구조 내에서 더욱 용이하게 지지될 것이다.
또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 새로운 ACC 설계는 인치당 9.8 개의 핀으로 배열된 "화살촉"-형 핀을 갖는 200 mm × 5 mm 내지 7 mm 튜브와 함께 사용될 수 있다. 이러한 실시형태는 표준 튜브를 갖는 표준 ACC 구성에 비해 30% 이상의 총 용량 증가를 가져온다
또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 새로운 ACC 설계는 인치당 9.8 개의 핀으로 배열된 "화살촉"-형 핀을 갖는 120 mm × 5 mm 내지 7 mm 튜브와 함께 사용될 수 있다. 이러한 실시형태는 표준 튜브를 갖는 표준 ACC 구성에 비해 17% 이상의 총 용량 증가를 가져온다. 또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 새로운 ACC 설계는 인치당 9.8 개의 핀으로 배열된 "화살촉"-형 핀을 갖는 140 mm × 5 mm 내지 7 mm 튜브와 함께 사용될 수 있다. 이러한 실시형태는 표준 튜브를 갖는 표준 ACC 구성에 비해 23% 이상의 총 용량 증가를 가져온다. 120 mm 및 140 mm 구성은 200 mm 구성과 완전히 동일한 용량 증가를 가져오지는 않지만, 120 mm 및 140 mm 구성 모두는 200 mm 설계에 비해 재료와 중량을 감소시킨다.
상기한 화살촉-형 핀 구조의 개시에 대하여, 2017년 2월 6일 출원된 미국 특허 출원 제 15/425,454호 그 전체가 본원에 포함된다. 또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 새로운 ACC 설계는, 정확하게 오프셋 핀의 기능을 할 뿐만 아니라, 더욱 쉽게 사용할 수 있고 용이하게 제조할 수 있는 "루버형(louvered)"핀을 갖는 튜브와 함께 사용될 수 있다.
선행 기술에 따르면, 열교환기 핀과 튜브는 한 번에 하나의 튜브로 함께 납땜된다. 본 발명에 따르면, 이러한 더욱 작은 번들과 더욱 작은 튜브로 인해, 다수의 핀 튜브를 단일 조립체로서 납땜할 수 있고, 따라서 제조 비용을 절감하고, 성능을 저해하는 핀 튜브 사이의 에어 갭을 제거하며, 인접한 튜브 벽 사이에 강한 구조를 제공하여 진공 상태에서 붕괴되는 것을 방지한다. 또한, 특히 열 전달을 위한 총 면적이 운송 컨테이너의 문 크기에 의해 제한되기 때문에, 본 발명의 배열을 갖는 핀과 튜브에 대해 상당한 표면적이 얻어진다. 튜브 길이 또는 번들 폭은 다른 설계에서 요구되는 증기 매니폴드에 의해 감소되지 않기 때문에, 이러한 배열은 다른 모든 설계보다 운송 컨테이너 크기 단위당 더욱 효과적인 열교환 면적을 제공한다.
요약하면, 선행 기술의 동등한 크기의 장치에 비해 본 발명에 대한 증기 응축 능력 및 비용 감소의 총 이득은 팬당 일정한 팬 전력에서 33% 정도이다. 다중 셀 ACC의 경우 팬의 수를 줄일 수 있는데, 이는 각각의 셀이 더욱 큰 용량을 갖고 증기 응축 임무를 수행하는 데 필요한 셀의 수가 적기 때문이며, 총 팬 전력은 25% 이상 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 ACC 설계는 발전소 내의 전체 공간을 덜 요구하면서 더욱 쉽게 위치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 산업용 증기 발생 시설에 연결된 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기는 다수 쌍의 열교환기 번들을 포함하고, 각각의 쌍의 열교환기 번들은 V-형 구성으로 배열되며, 각각의 열교환기 번들은 종축 및 종축에 수직인 횡축을 갖고, 각각의 열교환기 번들은 다수의 증기 입구 매니폴드와, 다수의 주 응축기 섹션과, 다수의 출구 응축수 헤더, 및 적어도 하나의 보조 응축기 섹션을 포함하고; 각각의 주 응축기는 대응하는 열교환기 번들의 종축에 평행한 종축을 각각 갖는 다수의 핀 튜브를 포함하고; 각각의 보조 응축기는 대응하는 열교환기의 횡축에 평행한 종축을 각각 갖는 다수의 핀 튜브를 포함하고; 상기 증기 입구 매니폴드 각각은 대응하는 열교환기의 횡축에 평행한 종축을 갖고, 각각의 증기 입구 매니폴드는 상기 열교환기 번들 아래에 위치한 증기 분배 매니폴드로부터 증기를 수용하고 대응하는 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브의 제 1 단부로 증기를 분배하도록 구성되고; 상기 출구 응축수 헤더 각각은 대응하는 열교환기의 횡축에 평행한 종축을 갖고, 응축수, 응축되지 않은 증기 및 비응축 가스를 수집하기 위해 제 1 측에서 대응하는 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브의 제 2 단부에 연결되고; 각각의 상기 출구 응축수 헤더는 하단부에서 상기 적어도 하나의 보조 응축기 섹션의 하단부에 연결되고, 상기 출구 응축수 헤더 각각은 하단부에서 응축수 수집 튜브에 또한 연결되고, 및 각각의 상기 보조 응축기 섹션은 상단부에서 비응축 수집 튜브에 연결된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 동일한 개수의 주 및 보조 응축기를 포함하고, 각각의 보조 응축기는 하나의 주 응축기와 쌍을 이루는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 각각의 열교환기 번들은 네 개의 주 응축기와 네 개의 보조 응축기를 포함하고, 각각의 상기 주 응축기/보조 응축기 쌍의 좌우 방향은 인접한 주 응축기/보조 응축기 쌍에 대해 반전되어, 열교환기 번들 내의 상기 증기 입구 매니폴드의 첫 번째 두 개가 서로 직접 인접하고, 동일한 열교환기 번들 내의 상기 증기 입구 매니폴드의 두 번째 두 개가 서로 직접 인접한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 한 쌍의 열교환기 번들에서 제 1 열교환기 번들의 상기 증기 입구 매니폴드의 하단부는 제 2 열교환기 번들 내의 증기 입구 매니폴드의 하단부에 인접한다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 한 쌍의 열교환기 번들에서 제 1 열교환기 번들로부터의 상기 두 개의 인접한 증기 입구 매니폴드의 하단부 및 제 2 열교환기 번들로부터의 두 개의 인접한 증기 입구 매니폴드의 하단부는 1 대 4 증기 매니폴드 어댑터의 제 1 단부에 연결되고, 상기 1 대 4 증기 매니폴드 어댑터의 제 2 단부는 증기 공급 매니폴드에 연결된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 상기 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브는 2.0 m 내지 2.8 m의 길이, 200 mm의 단면 폭 및 4 내지 10 mm의 단면 높이를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 주 응축기 내의 튜브는 5.2 내지 7 mm의 단면 높이를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 주 응축기 내의 튜브는 5.9 mm의 단면 높이를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 상기 주 응축기 내의 다수의 핀 튜브는 상기 튜브의 평평한 면에 부착된 핀을 갖고, 상기 핀은 10 mm의 높이를 가지며, 인치당 9 내지 12 개의 핀으로 이격된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 상기 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브는 상기 튜브의 평평한 면에 부착된 핀을 갖고, 상기 핀은 18 mm 내지 20 mm의 높이를 갖고, 인접한 튜브 사이의 공간을 가로질러 인접한 튜브와 접촉하며, 상기 핀은 인치당 9 내지 12 개의 핀들로 이격된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 열교환기 번들 내의 모든 보조 응축기의 정면 면적은 동일한 열교환기 번들 내의 모든 주 응축기의 정면 면적의 10 내지 20%를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기가 제공되며, 여기서 두 개의 주 응축기/보조 응축기 쌍은 서로 인접하고, 두 쌍의 보조 응축기는 서로 인접하며, 상기 두 개의 보조 응축기는 하나의 보조 응축기로 결합된다.
본 발명은 공냉식 산업용 증기 응축기의 열용량을 현저히 증가시키면서도, 일부 구성에서는 재료를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1A는 선행 기술의 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기의 열교환부의 사시도이다.
도 1B는 증기 분배 매니폴드에 대한 튜브의 방향을 도시하는, 선행 기술의 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기의 열교환부의 부분 노출 확대도이다.
도 2A는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기("ACC")의 열교환부의 사시도이다.
도 2B는 주 응축기 내의 튜브의 방향을 도시하는, 도 2A에 도시된 장치의 부분 노출 확대도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 ACC의 열교환부의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ACC의 열교환부의 하부에 있는 증기 라이저 및 대응하는 증기 헤더 사이의 연결을 확대하여 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ACC용 증기 라이저/전이 요소/증기 매니폴드 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 선행 기술의 ACC 튜브와 핀의 단면 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 미니-튜브 및 핀의 제 1 실시형태의 사시도이다.
도 8은 도 2A에 도시된 주 및 보조 응축기 배열을 갖는 V-형 열교환기 번들 쌍을 갖는 본 발명의 실시형태에 따른 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기의 측면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기의 단면도이다.
도 10은 도 8에 도시된 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기의 상면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 주 응축기 핀 튜브 번들의 사시도이다.
도 12는 도 11의 도면에서 생성된 주 응축기 핀 튜브 번들의 사시도 사진이다.
수평 주 응축기 및 수직 보조 응축기를 갖는 V-형상의 ACC
도 2A, 도 2B 및 도 3을 참조하면, 번들 쌍(2)은 V 구성에서 두 개의 번들(4)을 결합시킴으로써 구성될 수 있다. 각각의 번들(4)은 네 개의 주 응축기(6)와 네 개의 보조 응축기(8)로 구성되며, 각각의 보조 응축기((8)는 하나의 주 응축기(6)와 쌍을 이룬다. 주 응축기(6) 내의 튜브(10)는 튜브(10)가 수평이 되도록 배치되고, 튜브의 일단에 있는 입구 증기 매니폴드(12)는 번들의 횡축에 평행하게 정렬된다. 이러한 배열은 증기가 아래에서부터 소형 입구 증기 매니폴드(12)로 유입될 수 있게 한다. 보조 응축기(8) 내의 튜브(14)는 마찬가지로 번들의 횡축에 평행하게 정렬된다. 각각의 번들의 바람직한 수직 높이는 91 인치(2.3 m) 내지 101 인치(2.57 m)이며, 바람직한 번들 길이는 38 피트 내지 45 피트이다.
바람직한 실시형태에 따르면, 번들의 길이를 따라 측정하면, 각각의 주 응축기(6)는 2.6 m의 길이를 차지하고, 각각의 증기 매니폴드(12) 및 출구 응축수 헤더(16)는 0.3 m의 길이를 차지하며, 각각의 보조 응축기 번들(8)은 0.4 m의 길이를 차지한다. 어떤 경우에도, 각각의 보조 응축기 번들(8)은 전체 열교환기 번들의 핀 튜브의 정면 면적의 10% 내지 20%를 차지한다.
계속해서 도 2A 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 바람직한 열교환기 번들은 일단에서 타단까지 다음과 같이 구성된다: 종축이 번들의 횡축에 평행하게 배향된 튜브(14)를 갖는 보조 응축기(8), 뒤이어 보조 응축기(8)에 인접하고 주 응축기(6)로부터 보조 응축기(8)로 직접 증기를 전달하는 출구 응축수 헤더(16), 뒤이어 수평 튜브(10)를 갖는 전체 크기의 주 응축기(6). 바람직한 실시형태에 따르면, 각각의 응축수 헤더(16)는 이의 바닥에서 대응하는 보조 응축기(8) 아래로 연장되고 이어지는 풋(28)을 갖는다. 증기 입구 매니폴드(12)(측면당 약 0.20 내지 0.25 m)는 제 1 주 응축기(6)의 맨 끝에 있다. 제 2 주 및 제 2 보조 응축기는 제 응축기들로부터 반전되어, 열교환기의 전반부를 완성한다. 열교환기의 후반부는 전반부를 반전시킨다. 도 2A 및 도 3의 중앙에 도시된 인접한 보조 응축기는 하나의 보조 응축기로 결합될 수 있다. 응축수 헤더(16)의 바닥에서 수집된 응축수는 응축수 수집 튜브(30)로 유입된다. 비응축 가스는 보조 응축기(8)의 상부로부터 비응축 수집 튜브(32)로 빠져 나간다.
번들은 이후 바람직하게 V-프레임 내에서 서로 쌍을 이룬다. 이러한 배열은, 도 2A 은 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 단일 작은 영역에 두 세트의 네 개의 증기 입구(18)를 제공한다. 이들 네 개의 입구는 대형 증기 덕트(22)에서 나오는 하나의 증기 라이저(20)에 결합될 수 있으며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 1 대 4 어댑터(24)를 통해 함께 연결된다. 번들의 길이에 걸쳐 증기 매니폴드의 용접은 필요하지 않다. A-프레임이 사용될 수 있지만, 비용 효과는 떨어진다.
도 8 내지 도 10은 도 2A에 도시된 주 및 보조 응축기 배열을 갖는 V-형상의 열교환기 번들 쌍을 갖는 본 발명의 실시형태에 따른 대표적인 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기를 도시하고 있다. 도 8 내지 도 10에 도시된 장치는 셀당 5 개의 번들 쌍 또는 "스트리트(street)"의 가장 바람직한 실시형태를 갖는 36 셀(6 셀 × 6 셀) ACC이지만, 본 발명은 임의의 크기의 ACC와 함께 그리고 셀당 임의의 수의 번들 쌍 또는 스트리트와 함께 사용될 수 있다.
미국 특허 출원 공개 제 US 2013/0312932호, 미국 특허 출원 공개 제 2015/0204611호 및 미국 특허 출원 공개 제 2015/0330709호에 개시된 설계에 비해, 본 발명의 상기한 실시형태는 열용량을 13% 증가시킨다.
현재의 표준 A-프레임 기술에 비해, 예를 들어 도 6을 참조하면(튜브 길이는 제외), 표준 단면 형상 및 면적(200 mm × 18.7 mm)을 갖는 주 튜브를 사용하는 본 발명의 상기한 실시형태는 열용량을 5% 증가시키며, 설치 비용을 비슷한 정도로 상당히 감소시킨다.
가장 바람직한 실시형태에 따르면, 상기한 새로운 ACC 설계는, 200 mm 폭(공기 이동 길이)의 단면 치수(공기에 수직인 단면 높이) 및 10 mm 미만의 단면 높이(공기 이동 길이에 수직), 바람직하게는 4 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 9 mm, 더욱 더 바람직하게는 5.2 내지 7 mm, 가장 바람직하게는 6.0 mm의 높이(0.8 mm의 튜브 두께와 4.4 mm의 튜브 내경)를 갖고, 높이가 8 내지 12 mm, 바람직하게는 10 mm인 핀이 인치당 8 내지 12 개씩, 바람직하게는 인치당 11 개씩 배열되는, 주 응축기 튜브(도 7)와 함께 사용될 수 있다. 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시형태에 따라 주 응축기 번들에 조립된 다수의 주 응축기 튜브와 핀을 도시하고 있다. 이 바람직한 실시형태에 따르면, 17%의 추가 용량 증가가 제공되어, 일정한 팬 전력에서 단일 셀에 대해, 표준 튜브를 갖는 선행 기술의 A-프레임 설계에 비해 30%의 결합된 증가를 가져온다.
또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 실제 핀은 높이가 16 내지 22 mm, 바람직하게는 18.5 mm일 수 있고, 인접한 두 개의 튜브 사이의 공간을 가로질러, 각각의 측면의 각각의 튜브에서 8 내지 11 mm의 핀을 효과적으로 사용할 수 있게 한다.
상기한 핀 형태 및 치수에 대한 설명은 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 본원에 기재된 본 발명의 튜브는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 유형의 핀과 함께 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 산업용 증기 발생 시설에 연결된 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기로서, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기는,
    다수 쌍의 열교환기 번들을 포함하고, 각각의 쌍의 열교환기 번들은 V-형 구성으로 배열되며, 각각의 열교환기 번들은 종축 및 종축에 수직인 횡축을 갖고,
    각각의 열교환기 번들은 다수의 증기 입구 매니폴드와, 다수의 주 응축기 섹션과, 다수의 출구 응축수 헤더, 및 적어도 하나의 보조 응축기 섹션을 포함하고;
    각각의 주 응축기는 대응하는 열교환기 번들의 종축에 평행한 종축을 각각 갖는 다수의 핀 튜브를 포함하고;
    각각의 보조 응축기는 대응하는 열교환기의 횡축에 평행한 종축을 각각 갖는 다수의 핀 튜브를 포함하고;
    상기 증기 입구 매니폴드 각각은 대응하는 열교환기의 횡축에 평행한 종축을 갖고, 각각의 증기 입구 매니폴드는 상기 열교환기 번들 아래에 위치한 증기 분배 매니폴드로부터 증기를 수용하고 대응하는 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브의 제 1 단부로 증기를 분배하도록 구성되고;
    상기 출구 응축수 헤더 각각은 대응하는 열교환기의 횡축에 평행한 종축을 갖고, 응축수, 응축되지 않은 증기 및 비응축 가스를 수집하기 위해 제 1 측에서 대응하는 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브의 제 2 단부에 연결되고;
    각각의 상기 출구 응축수 헤더는 하단부에서 상기 적어도 하나의 보조 응축기 섹션의 하단부에 연결되고, 상기 출구 응축수 헤더 각각은 하단부에서 응축수 수집 튜브에 또한 연결되고, 및
    각각의 상기 보조 응축기 섹션은 상단부에서 비응축 수집 튜브에 연결되는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    동일한 개수의 주 및 보조 응축기를 포함하고, 각각의 보조 응축기는 하나의 주 응축기와 쌍을 이루는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 열교환기 번들은 네 개의 주 응축기와 네 개의 보조 응축기를 포함하고, 각각의 상기 주 응축기/보조 응축기 쌍의 좌우 방향은 인접한 주 응축기/보조 응축기 쌍에 대해 반전되어, 열교환기 번들 내의 상기 증기 입구 매니폴드의 첫 번째 두 개가 서로 직접 인접하고, 동일한 열교환기 번들 내의 상기 증기 입구 매니폴드의 두 번째 두 개가 서로 직접 인접한, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    한 쌍의 열교환기 번들에서 제 1 열교환기 번들의 상기 증기 입구 매니폴드의 하단부는 제 2 열교환기 번들 내의 증기 입구 매니폴드의 하단부에 인접한, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    한 쌍의 열교환기 번들에서 제 1 열교환기 번들로부터의 상기 두 개의 인접한 증기 입구 매니폴드의 하단부 및 제 2 열교환기 번들로부터의 두 개의 인접한 증기 입구 매니폴드의 하단부는 1 대 4 증기 매니폴드 어댑터의 제 1 단부에 연결되고, 상기 1 대 4 증기 매니폴드 어댑터의 제 2 단부는 증기 공급 매니폴드에 연결되는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브는 2.0 m 내지 2.8 m의 길이, 200 mm의 단면 폭 및 4 내지 10 mm의 단면 높이를 갖는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 튜브는 5.2 내지 7 mm의 단면 높이를 갖는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 튜브는 6.0 mm의 단면 높이를 갖는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브는 상기 튜브의 평평한 면에 부착된 핀을 갖고, 상기 핀은 10 mm의 높이를 가지며, 인치당 9 내지 12 개의 핀으로 이격되는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 응축기 내의 상기 다수의 핀 튜브는 상기 튜브의 평평한 면에 부착된 핀을 갖고, 상기 핀은 18 mm 내지 20 mm의 높이를 갖고, 인접한 튜브 사이의 공간을 가로질러 인접한 튜브와 접촉하며, 상기 핀은 인치당 9 내지 12 개의 핀들로 이격되는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    열교환기 번들 내의 모든 보조 응축기의 정면 면적은 동일한 열교환기 번들 내의 모든 주 응축기의 정면 면적의 10 내지 20%를 포함하는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
  12. 제 4 항에 있어서,
    두 개의 주 응축기/보조 응축기 쌍은 서로 인접하고, 두 쌍의 보조 응축기는 서로 인접하며, 상기 두 개의 보조 응축기는 하나의 보조 응축기로 결합되는, 대규모 현장 설치형 공냉식 산업용 증기 응축기.
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