KR20190087632A - 증기 압축 담수화에 특정 용도를 갖는 현열교환기 및 잠열교환기 - Google Patents

증기 압축 담수화에 특정 용도를 갖는 현열교환기 및 잠열교환기 Download PDF

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마크 티. 홀츠애플
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더 텍사스 에이 앤드 엠 유니버시티 시스템
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Abstract

열교환기가 셸 및 이 셸 내에 배치된 튜브 어셈블리를 포함하고, 튜브 어셈블리는 적어도 하나의 튜브를 포함하고, 튜브는 제 1 직경을 갖는 한 쌍의 단부 부분과, 단부 부분들 사이에 연장되고 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 중앙부를 갖는다.

Description

증기 압축 담수화에 특정 용도를 갖는 현열교환기 및 잠열교환기
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 "증기 압축 담수화에 특정 용도를 갖는 현열 및 잠열 열교환기"라는 명칭으로 2016년 12월 13일에 출원된 미국 가특허출원 번호 제 62/433,508 호의 이익을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 본원에 포함된다.
연방지원의 연구 또는 개발에 관한 진술
해당 사항 없음
본 개시는 광범위하게 적용가능하지만, 특히 해수 및 담해수의 증기 압축 담수화에 사용할 수 있는 열교환기 기술에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 시판되는 로브 압축기가 작동할 수 있는 압력 범위를 증가시키기 위한 시스템 및 방법에 관련된다. 세계의 관개 지역의 약 30%는 염분 문제로 고통을 받고 있는 것으로 추정되며, 복구에는 많은 비용이 들 수 있다. 2002 년에, 전세계 120 국가에서 약 12,500 개의 담수화 플랜트가 존재하였다. 이들 담수화 플랜트는 약 1,400만 입방 미터/일의 담수를 생산하였으며, 이는 전세계 총 소비량의 1% 미만일 수 있다. 담수화 비용이 높으므로 담수화는 더 자주 사용되지 않는다. 결과적으로, 개선된 담수화 프로세스가 필요하다.
열교환기의 일 실시형태는 셸; 및 이 셸 내에 배치된 튜브 어셈블리를 포함하고, 튜브 어셈블리는 적어도 하나의 튜브를 포함하고, 튜브는 제 1 직경을 갖는 한 쌍의 단부 부분과, 단부 부분들 사이에 연장되고 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 중앙부를 갖는다. 일부의 실시형태에서, 튜브의 각각의 단부 부분은 원형 단면을 가지며, 튜브의 중앙부는 열교환기를 통해 향류를 제공하도록 구성된 직사각형 단면을 갖는다. 일부의 실시형태에서, 튜브의 각각의 단부 부분은 원형 단면을 가지며, 튜브의 중앙부는 별형 단면을 갖는다. 특정 실시형태에서, 튜브의 중앙부는 그 외면 상에 형성된 복수의 오목 채널을 포함한다. 특정 실시형태에서, 튜브 어셈블리는 복수의 튜브를 포함하고, 튜브 어셈블리의 각각의 튜브는 튜브 어셈블리의 다른 튜브와 접촉한다. 일부의 실시형태에서, 복수의 튜브의 중앙 부분들 사이에 복수의 정사각형 채널이 형성된다. 일부의 실시형태에서, 열교환기는 셸로부터 연장되는 한 쌍의 튜브 시트 커넥터; 및 튜브 어셈블리의 튜부에 결합된, 그리고 튜브 시트 커넥터 내로 슬라이딩식으로 삽입가능한 한 쌍의 튜브 시트를 더 포함한다. 특정 실시형태에서, 열교환기는 셸 내에 배치되는, 그리고 튜브 어셈블리의 튜브를 통해 유체를 펌핑하도록 구성된 펌프를 더 포함한다. 특정 실시형태에서, 펌프는 펄스 플레이트(pulse plate)를 포함하고, 펄스 플레이트 내에서 짧은 진동 및 중첩된 큰 진동을 생성하도록 구성된다. 일부의 실시형태에서, 열교환기는 셸 및 튜브 어셈블리를 수용하도록 구성된 외부 셸을 더 포함한다.
담수화 시스템의 일 실시형태는 증기를 생성하도록 구성된 열원; 및 증발기 및 응축기를 포함하는 제 1 셸 앤드 튜브(shell-and-tube)형 열교환기를 포함하고, 증발기는 열원에 의해 생성된 증기와 혼합된 해수의 공급 흐름을 수용하고, 수용된 공급 흐름으로부터 분리된 증기 흐름 및 분리된 액체 흐름을 배출하도록 구성되고; 응축기는 증발기로부터 생성된 증기 흐름을 증류수 흐름으로 응축하도록 구성된다. 일부의 실시형태에서, 담수화 시스템은 증발기로부터 배출된 증기 흐름을 압축하도록 구성된 압축기를 더 포함한다. 일부의 실시형태에서, 압축기는 내부 하우징; 내부 하우징 내에 배치된 복수의 로브형 로터; 내부 하우징을 수용하는 외부 하우징; 내부 하우징에 유체 흐름을 제공하도록 구성된 유체 입구; 및 내부 하우징으로부터 유체를 배출하도록 구성된 유체 출구를 포함한다. 특정 실시형태에서, 담수화 시스템은 셸; 및 이 셀 내에 배치된 튜브 어셈블리를 포함하는 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기를 더 포함하고, 튜브 어셈블리는 적어도 하나의 튜브를 포함하고, 튜브는 제 1 직경을 갖는 한 쌍의 단부 부분과, 단부 부분들 사이에 연장되고 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 중앙부를 갖는다. 특정 실시형태에서, 튜브의 중앙부는 그 외면 상에 형성된 복수의 오목 채널을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 증발기는 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 튜브측을 포함하고, 응축기는 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 셸측을 포함한다.
증기 압축 담수화 방법의 일 실시형태는 (a) 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 증발기 내에 공급 흐름을 유입시키는 단계; (b) 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 증발기 내에서 공급 흐름을 분리된 증기 흐름 및 분리된 액체 흐름으로 분리하는 단계; 및 (c) 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 응축기 내에서 분리된 증기 흐름을 응축시키는 단계를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 증발기는 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 튜브측을 포함하고, 응축기는 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 셸측을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 상기 방법은 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기를 통해 공급 흐름을 유동시키는 단계; 및 (e) 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 응축기로부터 배출된 응축된 유체를 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기를 통해 향류로 유동시키는 단계를 더 포함한다. 특정 실시형태에서, 상기 방법은 (f) 응축된 유체를 터빈을 통해 유동시켜 축일(shaft work)을 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 명세서에 기술된 실시형태는 어떤 종래의 장치, 시스템 및 방법에 관련된 다양한 단점을 해결하도록 된 특징 및 특성 조합을 포함한다. 상기는 이하의 상세한 설명을 보다 깊이 이해할 수 있도록 개시된 실시형태의 특징 및 기술적 특성을 다소 광범위하게 개괄한 것이다. 전술한 다양한 특성 및 특징 뿐만 아니라 기타의 것들은 이하의 상세한 설명을 읽고, 첨부된 도면을 참조하면 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시형태가 개시된 실시형태와 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 수정 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이러한 등가의 구성은 본 명세서에 개시된 원리의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 것을 이해해야 한다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 개시된 실시형태를 상세히 설명한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 담수화 시스템의 일 실시형태의 개략도이고;
도 2는 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 압축기의 일 실시형태의 개략도이고;
도 3는 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 현열교환기의 일 실시형태의 개략도이고;
도 4는 도 3의 현열교환기의 복수의 튜브의 중앙부의 사시도이고;
도 5a 내지 도 5c는 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 3의 현열교환기를 형성하기 위한 스웨이징 공정의 일 실시형태의 개략도이고;
도 6a 내지 도 6c는 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 3의 현열교환기를 형성하기 위한 스웨이징 공정의 다른 실시형태의 개략도이고;
도 7은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 현열교환기의 다른 실시형태의 개략도이고;
도 8은 도 7의 현열교환기의 복수의 튜브의 사시도이고;
도 9는 도 7의 현열교환기의 복수의 튜브의 단부 부분의 정면도이고;
도 10은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 잠열교환기의 일 실시형태의 정면도이고;
도 11은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 10의 잠열교환기의 튜브 시트 커넥터의 일 실시형태의 확대도이고;
도 12는 도 10의 잠열교환기의 측면도이고;
도 13은 도 10의 잠열교환기의 평면도이고;
도 14는 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 10의 잠열교환기의 튜브의 일 실시형태의 측면도이고;
도 15는 도 14의 복수의 튜브의 정면도이고;
도 16은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 잠열교환기의 다른 실시형태의 측면도이고;
도 17은 도 16의 잠열교환기의 정면도이고;
도 18은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 잠열교환기의 다른 실시형태의 측면도이고;
도 19는 도 18의 잠열교환기의 정면도이고;
도 20은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 18의 잠열교환기의 펌프의 일 실시형태의 측면도이고;
도 21은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 잠열교환기의 다른 실시형태의 측면도이고;
도 22는 도 21의 잠열교환기의 정면도이고;
도 23은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 21의 잠열교환기의 펌프의 일 실시형태의 측면도이고;
도 24는 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 잠열교환기의 다른 실시형태의 측면도이고;
도 25는 도 24의 잠열교환기의 정면도이고;
도 26은 본 명세서에 개시된 원리에 따른 도 1의 담수화 시스템의 잠열교환기의 다른 실시형태의 측면도이고;
도 27은 열전달 계수에 대한 마찰로부터 손실된 일을 나타내는 그래프이고;
도 28은 수력 직경 및 유체 속도의 함수로서의 물의 편측 열전달 계수를 나타내는 그래프이고;
도 29 내지 도 31은 별 형상 튜브의 분석의 개략도이다.
다음의 설명은 다양한 예시적 실시형태에 관한 것이다. 그러나, 당업자는 본 명세서에 개시된 실시례가 광범위한 용도를 가지며, 임의의 실시형태의 설명은 그 실시형태의 예시에 불과하며, 청구항을 포함한 본 개시의 범위를 그 실시형태로 제한함을 의미하지 않는다는 것을 이해할 것이다.
특정 용어가 특정의 특징 또는 구성요소를 지칭하기 위해 다음의 설명 및 청구항의 전체를 통해 사용되었다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 사람마다 동일한 특징 또는 구성요소를 상이한 이름으로 지칭할 수 있다. 본 명세서는 명칭이 상이하지만 기능은 동일한 구성요소 또는 특징을 구별하려는 의도는 없다. 작도된 도면은 반드시 척도에 따르지는 않는다. 본 명세서 내의 특정의 특징 및 구성요소는 척도가 과장되거나 다소 개략적 형태로 도시될 수 있고, 종래의 요소의 일부의 세부는 명료성 및 간결성의 이익을 위해 도시되지 않을 수 있다.
이하의 설명 및 청구항에서, 용어 "포함하다"는 확장가능한 형식으로 사용되므로, "포함하지만 이것에 제한되지 않는다"는 의미로 해석되어야 한다. 또한, 용어 "결합"은 간접 또는 직접 연결을 의미한다. 따라서, 제 1 장치가 제 2 장치에 결합되는 경우, 그 연결은 2 개의 장치의 직접 연결을 통한 것일 수 있고, 또는 다른 장치, 구성요소, 노드 및 연결부를 통해 확립되는 간접 연결을 통한 것일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "축선방향의" 및 "축선방향으로"는 일반적으로 특정의 축선(예를 들면, 바디 또는 포트의 중심 축선)을 따르는 것 또는 이것과 평행한 것을 의미하고, 한편 용어 "반경방향의" 및 "반경방향으로"는 일반적으로 중심 축선에 수직인 것을 의미한다. 예를 들면, 축선방향의 거리는 축선을 따라 또는 이것에 평행하게 측정된 거리를 지칭하며, 반경방향의 거리는 축선에 수직으로 측정된 거리를 의미한다. 설명 및 청구범위에서 상방 또는 하방에의 임의의 언급은 명확화를 위해 이루어진 것이며, 보어홀의 배향에 무관하게, "상방", "상부", "상방으로", "업홀(uphole)" 또는 "상류"는 보어홀의 표면으로 향하는 것을 의미하며, "하방", "하부", "하방으로", "다운홀(downhole)", 또는 "하류"는 보어홀의 종단부로 향하는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "약", "실질적으로" 등은 인용된 값의 10% 내(즉, ± 10%)를 의미한다. 따라서, 예를 들면, "약 80 도"의 각도는 72 도 내지 88 도 범위의 각도를 나타낸다.
본 명세서에 개시된 실시형태에서, 현열교환기 내의 흐름은 전통적인 셸 앤드 튜브형 열교환기의 직교류가 아니고 완전히 향류일 수 있다. 직교류는 향류만큼 효율적이지 않을 수 있다. 직교류 열교환기는 유체가 튜브에 수직으로 흐를 때 유발되는 난류 때문에 큰 압력 강하를 가질 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시형태에서, 열교환기 내의 흐름은 튜브와 평행일 수 있으므로 압력 강하가 보다 작을 수 있다. 튜브의 형상은 길이를 따라 균일하지 않을 수 있다. 각각의 단부에서, 직경은 보다 작을 수 있고, 이는 셸측 유체가 반경 방향으로 용이하게 분배되도록 허용할 수 있다. 또한, 반경 방향으로 흐름을 분산시키는 것을 돕기 위해, 각각의 단부의 셸 직경은 확대될 수 있다.
튜브 형상은 하이드로포밍에 의해 결정될 수 있고, 이는 주어진 용도를 위해 튜브 형상을 최적화하도록 유연성을 허용할 수 있다. 하이드로포밍은 벽의 두께를 표준적으로 이용가능한 두께 미만으로 감소시킬 수 있고, 이는 재료비를 절약할 수 있고 열전달 저항을 감소시킬 수 있다. 이 열교환기는 배플을 포함하지 않을 수 있고, 이는 조립의 복잡성을 경감시킬 수 있고, 비용을 저감시킬 수 있다. 튜브 직경은 작을 수 있고, 이는 단위 체적 당 열전달을 증가시킬 수 있다.
또한, 잠열교환기는 물을 증발시키고, 소금 또는 설탕과 같은 용질을 농축시킬 수 있다. 잠열교환기는 물의 담수화, 염의 결정화, 설탕의 농축 및 기타 많은 용도에 사용될 수 있다. 물은 높은 증발 잠열을 가질 수 있으므로 히트 듀티(heat duty)가 매우 클 수 있다. 열교환기가 합리적인 크기 및 경제적 비용을 가지는 것을 보장하기 위해, 높은 전체 열전달 계수를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 열교환기의 일측은 응축 증기를 가질 수 있고, 타측은 비등수를 가질 수 있다. 응축측 상에서 적상 응축이 달성될 수 있으면, 전체 열전달 계수는 커질 수 있고, 잠열교환기의 크기를 축소하는 것을 도울 수 있다. 또한, 이 잠열교환기가 증기 압축 시스템에서 사용되는 경우, 이 잠열교환기는 작은 온도차로 작동하여 증축 증기의 압력을 감소시킬 수 있고, 따라서 압축기에 필요한 입력 전력을 저감시킬 수 있다.
로브 압축기(즉, 루츠 블로어(Roots blower))가 증기를 압축시키는데 사용될 수 있으나, 시판되는 유닛은 잠열교환기에서 높은 열전달률을 달성하기 위해 필요할 수 있는 고압에서 작동할 수 없을 수도 있다. 이 문제는 열교환기 내의 압력과 거의 일치하는 가압 증기로 채워진 압력 용기 내에 시판되는 로브 압축기를 설치함으로써 극복될 수 있다.
상기는 이하의 상세한 설명이 보다 깊이 이해될 수 있도록 본 개시의 특징 및 기술적 장점을 다소 광범위하게 개괄한 것이다. 이하 청구범위의 주제를 형성하는 본 개시의 추가의 특징 및 장점을 설명한다. 당업자는 개시된 개념 및 특정의 실시형태가 본 개시와 동일한 목적을 실행하기 위한 기타 실시형태에서 개조 또는 설계하기 위한 기본으로서 쉽게 사용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한 당업자는 이러한 균등의 실시형태가 첨부된 청구항에 기재된 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1을 참조하면, 담수화 또는 증기 압축 증발 시스템(10)의 일 실시형태가 도시되어 있다. 도 1의 실시형태에서, 증발 시스템(10)은 열원(12)(예를 들면, 연소, 폐열, 태양, 원자력, 또는 기타 열 유형의 열원)이 펌프(17)에 의해 순환되는 고압 증기(15)를 생성하기 위해 펌프(14)에 의해 보일러(16)를 통해 순환되는 작동 유체를 가열하는 랭킨 사이클 열기관을 포함한다. 열원(12)에 의해 생성되는 증기(15)는 일련의 팽창기(28)를 구동하여 축일을 생성하고, 이것은 전기를 생성하는데 사용되거나 직접적으로 증기 압축 증발 시스템의 압축기(50)를 구동하는데 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 이 축일은 다른 열기관(예를 들면, 오토, 디젤, 브레이턴, 스털링, 에릭슨 등)에 의해 생성될 수 있다. 이러한 기관에서, 폐열을 포획하여 담수화 시스템에서 도움이 되는 증기를 만들 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 열기관을 제거하고, 전기 모터 또는 증발 시스템(10)의 압축기(50)를 구동할 수 있는 다른 적절한 동력원으로 대체할 수 있다.
본 실시형태에서, 증기 압축 증발 시스템(10)은 비휘발성 성분을 함유하는 용액으로부터 휘발성 성분을 제거하도록 구성된다. 특히, 증발 시스템(10)은 해수 중에 용해된 염을 제거하도록 구성되지만, 다른 실시형태에서, 증발 시스템(10)은 물로부터의 당 또는 희석된 브라인(brine) 또는 포화된 염 용액으로부터의 염과 같은 다른 성분을 제거할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서, 증발 시스템(10)은 담수화 시스템을 포함한다. 본 실시형태에서, 미처리 해수(21)는 탄산염 제거기(22) 및 황산염 제거기(24)를 사용하여 전처리하여 이로부터 탄산염 및 황산염을 제거함으로써 해수(21)에 노출된 증발 시스템(10)의 구성요소 내의 스케일의 형성을 완화 또는 방지한다. 일부의 실시형태에서, 해수(21)의 pH는 탄산염이 이산화탄소로 변환되는 약 4.3으로 조정되며, 이산화탄소는 탄산염 제거기(22)에서 스트리핑(stripping) 또는 진공 흡인에 의해 쉽게 제거될 수 있다. 다음에, 황산염은 황산염 제거기(24)에서 이온교환을 통해 제거될 수 있다. 본 실시형태에서, 황산염 제거기로부터의 사용된 이온 교환 수지는 증발 시스템(10)으로부터 배출되는 브라인(25)을 사용하여 재생되어 화학물질의 소비를 제거한다. 이러한 시스템은 다음의 저널 논문에 기술되어 있다: L Zhu, CB Granda, MT Holtzapple, Prevention of calcium sulfate formation in seawater desalination by ion exchange, Desalination and Water Treatment, 36 (1-3): 57-64 (2011).
본 실시형태에서, 증발 시스템(10)은 시스템(10)의 펌프(26)를 통해 탄산염 제거기(22) 및 황산염 제거기(24)에 의해 전처리된 해수(21)를 수취하는 한 쌍의 현열교환기(100)를 포함한다. 현열교환기(100)는 해수(21)를 약 177.87 ℃까지 가열한다. 현열교환기(100)를 통과한 후, 증기(15)는 해수(21)가 복수의 잠열교환기(200) 내로 유입되기 전에 해수(21)에 첨가된다. 본 실시형태에서, 각각의 열교환기(100, 200)는 셸 앤드 튜브형 열교환기를 포함하지만, 다른 실시형태에서, 열교환기(100, 200)는 본 기술분야에 공지된 다른 유형의 열교환기를 포함할 수 있다. 해수(21)에 증기(15)를 첨가하면 해수(21)가 약 180 ℃까지 가열되므로 이 해수(21)를 잠열교환기(200)에 공급할 수 있다. 본 실시형태에서, 일부의 증기(15)는 보일러(16)의 하류에 위치된 복수의 팽창기(28) 및/또는 압축기(50)의 하류에 위치된 복수의 과열방지장치(30)를 통해 해수(21)에 제공될 수 있다. 특히, 증기 주입 라인(29)은 팽창된 증기(15)의 적어도 일부를 전처리된 해수(21)의 흐름 내로 주입하는 것을 허용한다. 증발 시스템(10)의 작동 중에 증기가 팽창기(28)로부터 유출될 수 있으므로, 보충수를 가하여 증기(15)의 손실을 보충할 수 있다. 증발 시스템(10)이 증기를 사용하는 열기관을 포함하지 않는 다른 실시형태에서, 별도의 증기 발생기가 증발 시스템(10)에 사용될 수 있다. 대안적으로, 증기는 다른 열기관(예를 들면, 오토, 디젤, 브레이턴, 스털링, 에릭슨 등)에 의해 생성된 폐열로부터 생성될 수 있다.
본 실시형태에서, 증발 시스템(10)은 5 개의 잠열교환기(200A-200E)를 포함하며, 제 1 잠열교환기(200A)가 있다. 각각의 잠열교환기(200A-200E)는 증발기측 또는 증발기 입구(202), 제 1 또는 증기 증발기 출구(204), 및 제 2 또는 액체 증발기 출구(206)를 포함한다. 제 1 잠열교환기(200A)의 증발기 입구(202)는 해수(21) 및 증기(15)의 흐름을 수취하고, 각각의 후속 잠열교환기(200B-200E)의 증발기 입구(202)는 선행 잠열교환기(200B-200D)의 증발기 액체 출구(206)로부터의 유체 흐름을 수취한다. 예를 들면, 제 2 잠열교환기(200B)의 증발기 입구(202)는 제 1 잠열교환기(200A)의 증발기 액체 출구(206)로부터의 유체 흐름을 수취한다.
또한, 각각의 잠열교환기(200A-200E)는 응축기측 또는 응축기 입구(208) 및 응축기 출구(210)를 포함한다. 각각의 잠열교환기(200A-200E)의 증발기 증기 출구(204)로부터 흐르는 오버헤드(overhead) 증기 흐름은 압축기(50) 및 과열방지장치(30)를 통해 흐른 후에 응축기 입구(208)를 통해 동일 열교환기(200A-200E)의 응축기측에 유입된다. 특히, 증발기 증기 출구(204)를 통해 열교환기(200A)의 증발기측에서 배출되는 제 1 잠열교환기(200A)에서 증발되는 증기(예를 들면, 수증기)는 압축기(50)에 의해 압축되어 과열된 증기를 생성한다. 압축기(50)로부터 배출되는 과열된 증기는 무화된 포화 액체수를 압축기(50)의 하류에 위치된 과열방지장치(30) 내에 분무함으로써 제거될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 각각의 과열방지장치(30)는 무화된 포화 액체수를 증발시키는데 충분한 체류 시간을 갖는 단순한 파이프를 포함한다. 과열방지장치(30)에서 증발된 물은 (주입 라인(29)을 개재하여) 해수(21) 내에 주입되는 증기(15)의 흐름의 원인이 될 수 있고, 이것은 본 실시형태에서, 제 1 잠열교환기(200A)의 증발기 입구(202) 내에 유입되기 전에 약 180 ℃까지 해수(21)를 가열한다. 본 실시형태에서, 과열방지장치(30)에서 나오는 포화 증기는 응축기 입구(208)를 통해 제 1 잠열교환기(200A)의 응축기측 또는 응축기에 공급되어 응축기 출구(210)를 통해 제 1 잠열교환기(200A)에서 나오는 증류수를 생성한다. 본 실시형태에서, 각각의 잠열교환기(200A-200E)의 응축기에서 발생하는 응축열은 열교환기(200A-200E)의 벽을 통과하여, 증발기에 제공되는 염수 또는 해수로부터 증기를 증발시키는 잠열교환기(200A-200E)의 증발기의 증발열이 된다. 응축으로부터의 열은 압축기에 공급되는 소량의 샤프트 동력을 이용하여 반복적으로 재순환될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서, 각각의 압축기(50)는 증발기 증기 출구(204)로부터 흘러나오는 가열된 증기를 사전결정된 또는 원하는 압력으로 가압하여 열이 각각의 열교환기(200A-200E)의 증발기와 응축기를 분리하는잠열교환기(200A-200E)의 벽을 통해 전달되도록 할 수 있다. 본 실시형태에서, 각각의 잠열교환기(200A-200E)의 증발기는 열교환기(200A-200E)의 튜브측을 포함하고, 응축기는 열교환기(200A-200E)의 셸측을 포함하지만, 다른 실시형태에서, 각각의 잠열교환기(200A-200E)의 증발기는 열교환기(200A-200E)의 셸측을 포함하고, 응축기는 열교환기(200A-200E)의 튜브측을 포함한다.
본 실시형태에서, 각각의 잠열교환기(200A-200E)의 증발기 액체 출구(206)는 후속 잠열교환기(200B-200E)의 증발기 입구(202)에 공급되는 염수 또는 브라인의 흐름을 배출한다. 제 1 잠열교환기(200A)의 증발기 액체 출구(204)로부터 배출되는 브라인은 해수(21)보다 높은 염 함량 또는 농도를 갖는다. 실제로, 배출되는 브라인의 염 함량은 브라인이 후속 잠열교환기(200B-200E)의 증발기 액체 출구(204)로부터 배출됨에 따라 지속적으로 증가될 수 있다. 예를 들면, 제 5 잠열교환기(200E)의 증발기 액체 출구(204)는 제 1 잠열교환기(200A)의 증발기 액체 출구(204)로부터 배출되는 브라인보다 높은 염 함량을 가질 수 있다. 본 실시형태에서 증발 시스템(10)이 5 개의 잠열교환기(200A-200E)를 포함하지만, 다른 실시형태에서, 증발 시스템(10) 내에 포함된 잠열교환기의 수는 다를 수 있다. 일부의 용도에서, 잠열교환기(200)의 수를 증가시키면 프로세스가 가역적인 증발에 더 근접할 수 있으므로 증발 시스템(10)의 에너지 효율을 개선할 수 있다.
본 실시형태에서, 각각의 잠열교환기(200A-200E)의 응축기 출구(210)는 물 출구 라인(32) 내로 증류수(27)를 배출하였다. 또한, 본 실시형태에서, 제 5 잠열교환기(200E)의 증발기 액체 출구(206)로부터 배출되는 농축된 브라인(25)은 브라인 출구 라인(34) 내로 배출된다. 잠열교환기(200A-200E)로부터 배출된 농축된 브라인(25) 및 증류수(27)는 고온일 수 있고, 고압을 가질 수 있다. 또한, 본 실시형태에서, 현열교환기(100)는 유입 해수(21)와 열을 교환한다. 본 실시형태에서, 현열교환기(200A-200E)로부터 배출된 후에 브라인(25) 및 증류수(27)는 축일의 형태로 압력 에너지를 회수하는 터빈(18)을 통과한다. 일부의 실시형태에서, 브라인(25) 및 증류수(27)는 증발 시스템(10)이 수취하는 유입 해수(21)보다 약 2.13 ℃ 더 따뜻한 온도로 증발 시스템(10)에서 나가지만, 다른 실시형태에서 브라인(25), 증류수(27) 및 해수(21) 사이의 온도차는 달라질 수 있다. 이러한 약간의 온도 상승은 샤프트 동력의 형태로 입력되는 순 에너지 및 주입 라인(29)을 통한 소량의 직접 증기 주입로부터 발생할 수 있다.
본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 증발 시스템(10)은 전통적인 증발기 시스템에 비해 이점을 갖는 다음을 포함하는 많은 특징을 포함한다: 잠열교환기(200A-200E)는 비교적 고온 및 고압에서 작동하고, 이는 열전달 계수를 향상시킬 수 있고; 적상 응축이 잠열교환기(200A-200E)에서 사용될 수 있고, 이는 필요한 온도차를 크게 저감시킬 수 있고(예를 들면, 0.2 ℃), 에너지 효율을 증가시킬 수 있고; 고효율 용적형 압축기(예를 들면, 증발 시스템(10)의 압축기(50))가 사용될 수 있고; 효과적이지만 비싸지 않은 신규의 현열교환기 및 잠열교환기(예를 들면, 현열교환기(100) 및 잠열교환기(200A-200E))가 사용될 수 있다. 도 1의 실시형태에서, 압축기(50)의 각각의 단(예를 들면, 제 1 잠열교환기(200A)의 압축기(50)는 제 1 단이고, 제 5 잠열교환기(200E)의 압축기(50)는 제 5 단임)의 압력비는 다음과 같다: 1 단 - 1.0267; 2 단 - 1.0315; 3 단 - 1.0389; 4 단 - 1.0520; 5 단 - 1.0808. 그러나, 다른 실시형태에서, 압축기(50)의 각각의 단의 압력비는 다를 수 있다.
증발 시스템(10)의 압축기(50)는 동적 압축기(예를 들면, 축방향, 원심력) 및 용적식 압축기(예를 들면, 제로터, 회전식 로브)를 포함하는 많은 압축기 유형을 포함할 수 있다. 본 실시형태에서, 압축기(50)는 용적식 압축기를 포함한다. 용적식 압축기는 넓은 턴다운 비(turndown ratio)를 가질 수 있으므로, 즉 넓은 속도 범위에 걸쳐 작동될 때 효율을 유지할 수 있으므로 매력적인 선택지일 수 있다. 또한, 용적식 압축기는 그 설계 조건으로부터 떨어져서 작동되는 경우에도 효율을 유지할 수 있다. 회전식 로브 압축기는 실제로 증기를 압축하지 않고, "송풍기"로서의 최상의 특징을 가질 수 있다. 압축기(50)의 각 단의 압력비가 비교적 낮은 경우(예를 들면, 1.1 이하), 압축기(50)는 1.1 이하의 압력비에서 약 90% 이상의 효율을 갖는 회전식 로브 압축기를 포함한다. 그러나, 비교적 높은 압력비(예를 들면, 1.5 이상)를 갖는 압축기 단을 갖는 실시형태에서, 압축기(50)는 지오로터 압축기(georotor compressor)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 압축기(50)의 일 실시형태가 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 실시형태에서, 압축기(50)는 유체 입구(52), 유체 출구(54), 내부 하우징(56), 내부 하우징(56) 내에 위치하는 한 쌍의 로브형 임펠러(58), 및 외부 또는 압력 하우징(60)을 포함하는 회전식 로브 압축기를 포함한다. 회전식 로브 압축기(종종 루츠 블로어라고 함)는 매력적인 선택지일 수 있으나, 적어도 일부의 회전식 로브 압축기의 문제점은 이것이 저압(예를 들면, 약 25 psig 내지 약 35 psig 미만)에서만 작동할 수 있다는 것이다. 잠열교환기에서 높은 열전달 계수를 달성하기 위해, 증발 시스템(10)은 비교적 고압에서 작동할 수 있다. 이러한 불일치는 압력 용기 내에 회전식 로브 압축기를 설치함으로써 극복될 수 있다. 본 실시형태에서, 고압 증기(62)는 내부 하우징(56)의 외면에 사전결정된 압력을 가하도록 압력 하우징 밸브(64)를 통해 압력 하우징(60) 내에 주입된다. 특히, 압축기(50)의 시동 중에, 고압 증기가 압력 하우징(60) 내로 유출되고, 압축기(50)를 열평형화하여 로터(58)와 내부 하우징(56) 둘 모두를 동일한 고온에 도달하도록 할 수 있다. 이러한 방식으로, 로터(58)가 압력 하우징(60) 내에 고정되어 있는 동안에 압력 하우징(60) 내에 주입된 증기를 통해 압축기(50)를 가열하면, 압축기(50)를 손상시키기 않고 압축기(50) 내에서 열팽창을 일으킬 수 있다. 예를 들면, 로터(58)가 내부 하우징(56) 내에서 회전하고 있는 동안에 가열이 이루어지면, 로터(58)가 내부 하우징(56)과 또는 서로 접촉하여 압축기(50)를 손상시킬 가능성이 있을 수 있다. 이러한 등온화 프로시저는 작동 중에 접촉 위험 없이 긴밀한 간극이 유지될 수 있으므로 고효율을 보장할 수 있다. 작동 중에 압력 하우징(60) 내에서 일정 온도 및 압력을 유지하기 위해, 유체 입구(52)와 압력 하우징(60) 사이에 연장되어 있는 블리드 라인(66)을 통해 유체 입구(52)로부터 압력 하우징(60) 내로, 또는 유체 출구(54)로부터 압력 하우징(60) 내로 증기가 유출될 수 있다. 압력 하우징(60) 내에서 응축되는 증기는 밸브(64)를 통해 배출될 수 있다.
도 1, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 현열교환기(100)의 일 실시형태는 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3 및 도 4의 실시형태에서, 현열교환기(100)는 일반적으로 원통형 셸(102) 및 셸(102) 내에 배치된 튜브 어셈블리(120)를 포함한다. 셸(102)은 제 1 단부(102A) 및 제 1 단부(102A)에 대향하여 배치된 제 2 단부(102B)를 가지며, 셸(102)의 직경은 단부(102A, 102B) 사이에 연장되는 셸(102)의 부분보다 단부(102A, 102B)에서 더 크다. 본 실시형태에서, 셸(102)의 제 1 단부(102A)는 반경방향 외측으로 연장하는 플랜지형 커넥터 또는 플랜지(106)를 포함한다. 또한, 셸(102)의 제 2 단부(102B)는 반경방향 내측으로 연장하는 플랜지 또는 튜브 시트 계면(114)을 포함한다. 셸(102)은 또한 제 1 단부(102A)에 또는 이것에 근접하여 위치한 하나 이상의 셸측 유체 입구(110) 및 제 2 단부(102B)에 또는 이것에 근접하여 위치한 하나 이상의 셸측 유체 출구(112)를 포함한다. 셸(102)은 제 1 단부(102A)와 결합하는 제 1 셸 캡(104A) 및 제 2 단부(102B)와 결합하는 제 2 셸 캡(104B)을 더 포함한다. 본 실시형태에서, 제 2 셸 캡(104B)은 튜브측 유체 입구(107)를 포함하고, 제 1 셸 캡(104A)은 튜브측 유체 출구(105)를 포함한다.
현열교환기(100)의 튜브 어셈블리(120)는 제 1 튜브 시트(122), 제 1 튜브 시트(122)에 대향하여 위치한 제 2 튜브 시트(124), 및 제 1 튜브 시트(122)와 제 2 튜브 시트(124) 사이에 연장되는 복수의 열교환기 튜브(130)를 포함한다. 본 실시형태에서, 각각의 튜브(130)는 튜브(130)의 각각의 단부로부터 연장하는 한 쌍의 원통형 단부 부분(132), 및 도 4에 도시된 바와 같은 단부 부분(132)들 사이에 연장하는 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 중앙부(134)를 갖는다. 고압에 견디기 위해, 셸(102)은 원형 단면을 가질 수 있으나, 저압 작동을 위한 다른 실시형태에서, 셸(102)은 정사각형 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 튜브(130)는 각각의 중앙부(134)의 외면이 적어도 하나의 다른 튜브(130)의 중앙부(134)와 접촉하여 튜브(130)의 중앙 부분(134)들 사이에 위치하는 복수의 정사각형 채널(136)(도 4에 도시됨)를 형성하도록 배치된다.
현열교환기(100)의 튜브측 유체 유로는 튜브측 유체 입구(107), 제 2 셸 캡(104B), 튜브(130), 제 1 셸 캡(104A), 및 튜브측 유체 출구(105) 사이에 연장된다. 현열교환기(100)의 튜브측 유체 유로는 셸측 유체 입구(110), 정사각형 채널(136), 및 셸측 유체 출구(112) 사이에 연장된다. 이러한 구성에서, 제 1 유체는 튜브(130)의 내측에서 흐를 수 있고, 제 2 유체는 셸측 상에서 튜브(130)의 외측에서 흐를 수 있다. 본 실시형태에서 각각의 튜브(130)의 중앙부(134)가 정사각형 단면적을 가지는 경우, 중앙 부분(134)의 내측의 단면적과 정사각형 채널(136) 내의 단면적은 실질적으로 동일할 수 있다. 튜브 어셈블리(120)의 튜브(130)는 구리, 황동, 스테인리스강, 탄소강, 타이타늄 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 본 실시형태에서, 튜브(130)는 그 내부성을 위해 타이타늄으로 형성되고, 타이타늄을 포함한다.
본 실시형태에서, 튜브 어셈블리(120)의 튜브(130)는 하이드로포밍 공정에 의해 형성된다. 특히, 각각의 튜브(130)는 초기에 그 축방향 길이를 따라 일정한 단면을 갖는 대체로 원통형인 부재를 포함한다. 본 실시형태에서, 초기의 원통형 튜브(130)는 완성된 튜브(130)의 원하는 외부 치수(본 실시형태에서 정사각형 단면을 갖는 단면을 포함함)를 갖는 패턴을 구비한 몰드 내에 설치된다. 튜브(130)가 몰드 내에 배치된 후, 고압 유체(예를 들면, 물)를 튜브(130) 내에 압입하여, 튜브(130)를 팽창시켜 몰드를 채우도록 하여, 원하는 형상 및 치수를 형성하게 한다. 튜브(130) 내에 압입되는 유체의 요구되는 압력은 튜브(130)의 벽 두께 및 직경에 의존할 수 있으며, 적어도 일부의 용도에서 수백 기압의 압력일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 튜브(130) 내에 주입된 유체의 압력은 튜브(130)의 벽에서의 응력이 튜브(130)를 형성하는 재료의 항복 강도를 초과할 정도로 충분히 높아서 재료는 소성 변형되어 튜브(130)가 위치하는 몰드를 충만시킨다. 본 실시형태에서, 몰드는 튜브(130)의 중앙부(134)가 정사각형 단면을 가지는 반면에 튜브(130)의 양단부는 정사각형 중앙부(134) 보다 작은 외경을 갖는 단부 부분(132)을 형성하도록 설계되지만, 다른 실시형태에서, 몰드는 다양한 단면 형상 및 외부 치수를 갖는 튜브(130)를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 다른 실시형태에서, 튜브(130)는 삼각형, 오각형, 육각형, 원형, 및 별형과 같은 다른 형상을 갖는 단면 형상을 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시형태에서, 중앙부(134)는 단부 부분(132)보다 작은 외경을 가질 수 있다. 그러나, 본 실시형태에서, 외부 부분(132)는 셸측 유로의 정사각형 채널(136)들 사이의 유체의 균일한 분배를 촉진시키는 것을 돕기 위해 감소된 외경을 갖는다. 특히 도 4에 도시된 바와 같이, 중앙 부분(134)과 달리 각각의 튜브(130)의 단부 부분(132)의 외면은 이격되어 셸측 유체 입구(110)로부터 셸(102)로 들어가는 유체가 반경 방향으로 균일한 압력을 가질 수 있게 한다. 주요 압력 강하는 축선 방향에 있고, 정사각형 채널(136)을 통해 균일한 흐름을 보장한다. 유사하게, 압력 강하는 출구에서 반경 방향으로 균일하다. 결과적으로, 튜브(130)의 단부 부분(132) 및 단부(102A, 102B)에서 셸(102)의 확대된 직경은 각각의 정사각형 채널(136)이 실질적으로 균일한 흐름을 갖도록 "분배기"로서 작용 또는 역할을 하며, 따라서 열교환 영역의 전체를 활용할 수 있다. 소직경 영역의 반경 방향으로 균일한 압력을 촉진시키기 위해 흐름은 셸(102)의 둘레를 따라 다수의 지점에서 유입(또는 유출)될 수 있다.
튜브(130)를 튜브 시트(122, 124)에 접합시키기 위해 다수의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 실링이 요구되는 경우, 튜브(130)를 튜브 시트(122, 124)에 용접할 수 있다. 다른 방법에는 기계적 압연 및 하이드로스웨이지(HydroSwage)가 있다. 도 3 내지 도 6c를 참조하면, 제 1 튜브 시트(122)에 튜브(130)를 스웨이징 또는 결합시키는 제 1 실시형태는 도 5a 내지 도 5c에 도시되어 있고, 반면에 튜브 시트(160)에 다른 실시형태의 튜브(130)를 스웨이징 또는 결합시키는 제 2 실시형태는 도 6a 내지 도 6c에 도시되어 있다. 특히, 도 5a 내지 도 5c의 실시형태는 두꺼운 튜브 시트(122)를 예시하고, 반면에 도 6a 내지 도 6c의 실시형태는 얇은 튜브 시트(160)를 예시하고 있다. 도 5a 내지 도 5c의 실시형태에서, 하나 이상의 그루브(142)가 제 1 튜브 시트(122)의 내면 내로 기계가공되어 있다.
튜브측 유체 흐름과 셸측 유체 흐름 사이의 열전달을 향상시키기 위해, 튜브(130)의 벽 두께는 최소화되고, 두꺼운 튜브 시트(122) 또는 얇은 튜브 시트(160)와 튜브(130)를 스웨이징 또는 직접 결합의 곤란성을 증대시킨다. 따라서, 도 5a 내지 도 5c 및 도 6a 내지 도 6c의 각각의 실시형태에서, 외부 플랜지(152)를 갖는 원통형 두꺼운 벽 삽입체(150)가 튜브(130) 내에 삽입되어 두꺼운 튜브 시트(122) 또는 얇은 튜브 시트(162) 내에 삽입된 튜브(130)의 부분의 두께를 증가시킨다. 이러한 방식으로, 튜브(130)가 (튜브(130)의 내부에 유압을 가함으로써) 두꺼운 튜브 시트(122) 또는 얇은 튜브 시트(160)로 스웨이징되는 경우에, 두꺼운 벽 삽입체(150)는 얇은 벽 튜브(130)를 고정함으로써 이들 사이에 형성된 연결부가 기계적으로 강하고 누출되지 않도록 한다. 도 6a 내지 도 6c의 실시형태에서, 튜브(130)를 얇은 튜브 시트(160)에 스웨이징하는 프로시저는 튜브(130)를 두꺼운 튜브 시트(122)에 스웨이징하는 프로시저와 유사하다. 그러나, 도 6a 내지 도 6c의 실시형태에서, 얇은 튜브 시트(160)를 스탬핑 또는 천공함으로써 얇은 튜브 시트(160)의 내면에 구멍(162)이 생성될 수 있다. 2 개 이상의 얇은 튜브 시트(160)를 적층시키면, 얇은 튜브 시트(160)들 사이에 환형 공간이 있을 수 있고, 이는 튜브(130)가 스웨이징 공정 중에 환형 공간 내로 팽창하는 것을 허용할 수 있다.
튜브(130)가 튜브 시트(122, 124)에 접합된 후, 열교환기 코어 또는 튜브 어셈블리(120)를 현열교환기(100)의 셸(102) 내에 삽입할 수 있다. 본 실시형태에서, 하나의 튜브 시트는 셸의 내경보다 작은 외경을 가질 수 있으므로 조립 중에 끼워맞춤될 수 있다. 특히, 제 1 튜브 시트(122)는 제 2 튜브 시트(124)보다 큰 외경을 가지며, 제 1 셸 캡(104A)이 셸(102)로부터 분리되면 튜브 어셈블리(120)가 셸(102) 내에 슬라이딩식으로 삽입될 수 있다. 튜브 어셈블리(120)가 셸(102) 내에 삽입되면, 제 2 튜브 시트(124)의 외면은 튜브 시트 계면(114)의 내면과 슬라이딩 결합한다. 환형 시일(116)이 제 2 튜브 시트(124)의 외면과 튜브 시트 계면(114)의 내면 사이에 위치된다. 튜브 어셈블리(120)가 셸(102) 내에 삽입되면, 제 1 튜브 시트(122)는 제 1 셸 캡(104A)을 플랜지(106)에 결합시킴으로써 셸(102)의 플랜지(106)에 실링될 수 있고, 그 결과 제 1 튜브 시트(122)를 환형 시일(108)과 실링 결합시킨다. 본 실시형태에서, 환형 시일(108, 116)은 O 링 시일을 포함하지만, 다른 실시형태에서, 시일(108, 116)은 개스킷과 같은 다른 유형의 시일을 포함할 수 있다. 제 2 튜브 시트(124)와 셸(102)의 튜브 시트 계면(114) 사이에 상대적인 축방향 이동이 허용된다면, 환형 시일(116)에 의해 제공되는 시일은 온도 변화에 의해 일어날 수 있는 튜브 어셈블리(120) 및/또는 셸(102)의 축방향 길이 변화를 조정할 수 있다. 다른 실시형태에서, 축방향 길이 변화를 조정하는 다른 방법은 벨로우즈를 포함할 수 있다.
특히 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 튜브(130)의 중앙부(134)는 중앙부(134)의 모서리에서 하나 이상의 다른 튜브(130)와 접촉하고, 그 결과 각각의 튜브(130)의 축방향 길이를 따라 적절한 간격을 유지한다. 전술한 바와 같이, 각각의 튜브(130)의 중앙부(134)의 내부의 단면적과 정사각형 채널(136) 내의 단면적은 실질적으로 동일하다. 이러한 구성에서, 튜브측 유체와 셸측 유체의 체적 유량과 점도가 동일한 용도에서, 단위 길이 당 속도 및 압력 강하는 현열교환기(100)의 튜브측과 셸측 둘 모두에서 실질적으로 동일하다. 이러한 결과는 아래에서 설명된 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 삼각형 단면 또는 원형 단면의 중앙 부분을 갖는 튜브를 포함하는 다른 단면 형상을 이용하여 얻어질 수 있다.
일부의 용도에서, 현열교환기의 2 개의 셸측 및 튜브측 유체의 체적 유량은 다를 수 있으므로 튜브 간격 및/또는 형상을 변경하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 도 7 내지 도 9를 간단히 참조하면, 복수의 튜브(174)를 포함하는 튜브 어셈블리(172)를 포함하는 현열교환기(170)의 일 실시형태가 도시되어 있다. 튜브(174)는 도 3 및 도 4에 도시된 튜브(130)와 유사한 단부 부분(132)을 포함한다. 그러나, 튜브(130)와 달리, 각각의 튜브(174)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 원형 단면을 갖는 중앙부(176)를 포함한다. 도 7 내지 도 9의 실시형태에서, 각각의 튜브(174)의 중앙부(176)는 인접하여 위치된 튜브(174)와 접촉하지 않는다. 튜브(174)가 접촉하지 않고, 현열교환기(170)가 수평으로 장착되면, 튜브(174)가 새깅(sagging)되고, 튜브들 사이의 간격이 불균일해져서, 유체는 보다 큰 간격을 통해서 우선적으로 흐르게 되고, 튜브가 좁은 간격으로 배치되는 영역을 통해 적은 유체가 흐르게 되므로 열전달에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이 문제는 배플 플레이트를 사용함으로써 극복될 수 있으나, 복잡성 및 비용이 추가될 수 있다. 또한, 배플 플레이트는 유체를 튜브에 대해 수직으로 흐르도록 강제할 수 있고, 직교류는 진향류(true countercurrent flow)에 비해 효율이 낮을 수 있으므로 이는 압력 강하를 증가시킬 수 있고, 열전달 효과를 감소시킬 수 있다. 따라서, 배플 플레이트의 필요성을 배제하기 위해, 본 실시형태에서, 현열교환기(170)가 수직으로 장착되어, 중력이 각각의 튜브(174)의 축선에 평행하게 되고, 따라서 튜브(174)의 새깅을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 10 내지 도 15를 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 잠열교환기(200)의 일 실시형태가 도 10 내지 도 15에 도시되어 있다. 도 10 내지 도 15의 실시형태에서, 잠열교환기(200)는 일반적으로 원통형 셸(220) 및 그 내부에 위치된 튜브 어셈블리(240)를 포함한다. 셸(220)은 한 쌍의 축방향 단부(221), 셸(220)의 상단부 및 하단부 부근에 위치된 한 쌍의 튜브 시트 커넥터 또는 트랙(222), 및 셸(220) 내로 연장되는 복수의 축방향으로 이격된 배플(228)를 갖는다. 응축기 출구(210)에 더하여, 잠열교환기(200)의 셸(220)은 셸(220)로부터 유체를 퍼지하기 위한 퍼지 출구(212)를 포함한다. 본 실시형태에서, 잠열교환기(200)의 튜브 어셈블리(240)는 한 쌍의 튜브 시트(240)들 사이에서 연장되는 복수의 열교환기 튜브(242)를 포함한다.
특히 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 튜브 시트(250)는 셸(220)의 각각의 튜브 시트 커넥터(222)에 형성된 축방향으로 연장되는 슬롯(223) 내에 수용된다. 이러한 방식으로, 튜브 어셈블리(240)는 잠열교환기(200)를 조립하기 위해 셸(220) 내로 축방향으로 삽입되는 것이 편리할 수 있다. 또한, 각각의 튜브 시트 커넥터(222)는 튜브 시트(250)의 상면 및 하면과 실링 상태로 결합되는 한 쌍의 시일(224)을 포함한다. 이러한 구성에서, 시일(224)은 중앙 셸 체임버(230), 제 1 또는 입구 튜브 체임버(232), 및 제 2 또는 출구 튜브 체임버(234) 사이에 유체 연통을 제한한다. 본 실시형태에서, 시일(224)은 중공 탄성중합체 튜브를 포함하고; 그러나, 다른 실시형태에서, 시일(224)은 개스킷과 같은 본 기술분야에 공지된 다른 유형의 시일을 포함할 수 있다. 튜브 어셈블리(240)가 셸(220) 내에 삽입되는 동안, 시일(224)은 수축되어 튜브 시트(250)를 튜브 시트 커넥터(222) 내에 용이하게 삽입할 수 있게 한다. 튜브 어셈블리(240)가 셸(220) 내의 정위치에 있으면, 시일(224)은 가압되어 탄성중합체를 팽창시킬 수 있고, 시일(224)과 튜브 시트(250) 사이의 실링 결합을 보장한다. 일부의 실시형태에서, 튜브 어셈블리(250)는 이들이 셸(220) 내로 삽입되면 함께 접합될 수 있는 세그먼트로 분할될 수 있다. 이러한 방식으로, 튜브 시트 어셈블리(250)의 하나의 세그먼트가 수리 또는 교체를 필요로 하면, 이것은 튜브 시트 어셈블리(250)의 다른 세그먼트로부터 용이하게 분리될 수 있다. 튜브(242)는 도 5a 내지 도 5c 및/또는 도 6a 내지 도 6c에 도시된 것과 유사하게 스웨이징 공정을 통해 튜브 시트(250)와 접합될 수 있다.
특히 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 잠열교환기(200)의 각각의 튜브(242)는 한 쌍의 원통형 단부 부분(244) 및 단부 부분(244)보다 큰 최대 폭 또는 직경을 갖는 별형 단면을 갖는 중앙부(246)를 포함한다. 각각의 튜브(242)의 형상은 전술한 바와 같이 하이드로포밍을 이용하여 달성될 수 있다. 중앙부(246)의 별형 단면은 각각의 튜브(242)의 외면을 따라 축방향으로 연장되는 복수의 오목 채널(248)을 형성한다. 오목 채널(248)은 튜브(242)의 외면을 따라 튜브(242)의 표면 상의 적상 응축의 흐름을 잠열교환기(200)의 응축기 출구(210)를 향해 지향시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 응축이 튜브(242)의 외면에 부착하는 것을 억제할 수 있고, 이는 잠열교환기(200)에 의해 제공되는 열전달을 억제할 수 있다. 본 실시형태에서, 튜브 시트(250)들 사이의 간격은 비교적 작을 수 있고(예를 들면, 0.5 미터), 이는 튜브 체임버(232, 234) 사이의 정수압 헤드를 저감시킬 수 있다. 튜브가 너무 길면, 큰 정수압 헤드가 튜브(242)의 액체측(예를 들면, 내부) 상에서 기포 형성을 억제할 수 있고, 그 결과 열전달 계수를 저감시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 유체를 튜브 입구 체임버(232) 내로 펌핑하여 튜브(242)를 통한 상방 순환을 유발시키기 위해 펌프(238)가 사용될 수 있고, 이것은 대류를 증가시켜 열전달 계수를 향상시킬 수 있다. 셸(220)의 배플(228)은 튜브(242)의 외면에 대하여 구불구불하게 셸 체임버(230)을 통해 증기의 흐름을 안내한다. 배플(228)들은 셸 체임버(230)를 통해 거의 균일한 속도를 유지하도록 이격될 수 있다. 셸 체임버(230)를 통해 흐르는 증기가 응축됨에 따라, 배플(228)의 간격은 거의 균일한 속도를 유지하기 위해 감소될 수 있다. 결국, 셸 체임버(230)를 통해 흐르는 증기와 함께 존재할 수 있는 임의의 비응축성물질을 제거하기 위해 소량의 증기가 퍼지 출구(212)를 통해 퍼지될 수 있다.
하나의 잠재적 문제는 용질의 농도가 증가함에 따라 잠열교환기(200)의 튜브(242) 내부에 스케일이 축적될 수 있다는 것이다. 특히, 다음의 알칼리 토류 염은 고온 증발에서 문제가 될 수 있다: CaSO4, BaSO4, SrSO4, CaCO3, BaCO3, 및 SrCO3. 본 실시형태에서, 탄산염의 영향은 (탄산염 제거기(22)를 통해) 공급수를 산성화하고, 결과로서 생기는 이산화탄소를 진공, 증기 스트리핑, 또는 공기 스트리핑에 의해 제거함으로써 최소화될 수 있다. 황산염의 영향은 황산염 제거기(24)를 통해 이온 교환에 의해 황산염을 제거함으로써 최소화될 수 있다. 염이 튜브(242)의 표면에 부착하여 파울링(fouling)을 일으키면, 이것은 산, 알칼리 및 킬레이트제를 이용한 세정과 같은 본 기술분야의 당업자에게 공지된 다양한 세정 방법을 이용하여 제거될 수 있다. 또한, 튜브(242)의 표면을 세정하기 위해 기계적 마모 및 음향 캐비테이션(acoustic cavitation)이 이용될 수 있다. 파울링을 감소시키기 위한 추가의 방법은 파울링 물질의 대량 침전을 촉진시킬 수 있는 인라인 장치(예를 들면, Colloid-A-Tron)를 사용하는 것 및 표면을 마모시키는 고무 볼을 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 전해연마를 통해 매끈한 표면을 생성하는 것은 파울링 물질의 부착을 방지하는데 도움이 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 탄산염 및 황산염 음이온의 실질적인 제거 및 염화물 음이온에 의한 후속 치환은 스케일의 형성의 가능성을 감소시킨다. 농축된 브라인으로부터 염이 회수되는 경우에 상승적인 이익이 생긴다. 정석장치(crystallizer)와 같은 적절한 하드웨어에서 농축 브라인으로부터 물을 더 증발시키면, 탄산염 및 황산염의 침전과의 간섭없이 염화물 염(예를 들면, NaCl, MgCl2, KCl)을 회수할 수 있다. 염은 비교적 순수하므로 이것은 더 큰 경제적 가치를 갖는다. 또한, 농축된 브라인으로부터 귀중한 염을 회수함으로써 제로 액체 배출(ZLD; zero liquid discharge)이 가능해지고, 그 결과 브라인 처리와 관련된 문제가 제거될 수 있다. 전형적으로, 환경적 피해를 최소화하기 위해서는 브라인을 바다로 되돌리기 위해 복잡하고 고가의 파이프 네트워크가 필요하다. ZLD는 이러한 비용을 배제하고, 그 결과 담수화의 경제성을 향상시킨다.
도 1, 도 16, 및 도 17을 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 잠열교환기의 다른 실시형태(300)가 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 잠열교환기(300)는 도 10 내지 도 15에 도시된 잠열교환기(200)와 공통적인 특징을 포함하며, 이 공통적인 특징은 유사하게 표시되어 있다. 특히, 잠열교환기(300)는 잠열교환기(200)와 유사하지만, 튜브(242)를 통해 상방으로 유체를 순환시키는 것을 돕기 위해 외부 펌프(예를 들면, 펌프(238))를 사용하는 대신, 잠열교환기(300)는 튜브 입구 체임버(232)에 위치하는 축방향 펌프(302)를 포함한다. 축방향 펌프(302)는 잠열교환기(300)의 튜브(242)를 통해 상방향으로 유체 흐름을 구동시키는 축방향으로 이격된 복수의 로터 또는 임펠러(304)를 포함한다.
도 1 및 도 18 내지 도 20을 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 잠열교환기의 다른 실시형태(330)가 도 18 내지 도 20에 도시되어 있다. 잠열교환기(330)는 도 10 내지 도 15에 도시된 잠열교환기(200)와 공통적인 특징을 포함하며, 이 공통적인 특징은 유사하게 표시되어 있다. 도 18은 대류를 유도하기 위한 단일 "펄스 플레이트(pulse plate)" 트레인을 사용하는 일 실시형태를 도시한다. 특히, 잠열교환기(330)는 잠열교환기(200)와 유사하지만, 튜브(242)를 통해 상방으로 유체를 순환시키는 것을 돕기 위해 외부 펌프(예를 들면, 펌프(238))를 사용하는 대신, 잠열교환기(330)는 튜브(242)를 통해 상방으로 유체를 순환시킴과 동시에 튜브(242)를 통해 흐르는 유체에 고주파 진동을 유발시켜 튜브(242)의 표면을 세정하도록 구성된 펄스 펌프(3323)를 포함한다. 도 18 내지 도 20의 실시형태에서, 펄스 펌프(332)는 로드(334) 및 이것에 장착된 축방향으로 이격된 복수의 펄스 플레이트(336)를 포함하며, 이 펄스 플레이트는 잠열교환기(330)의 튜브 입구 체임버(232)를 통해 축방향으로 진동 또는 왕복운동한다. 펄스 플레이트(336)가 진동함에 따라 튜브(242) 내에서 유체 진동을 유발하여 열전달을 향상시킨다. 진동은 튜브(242) 내의 큰 대량의 흐름을 유도하는 큰 진폭에서는 느려질 수 있다. 진동은 또한 짧은 진폭에서 급속할 수 있으므로 튜브(242)를 통해 흐르는 유체 내에서 음파를 생성하고, 이것은 열전달을 향상시키는 것으로 알려질 수 있다. 본 실시형태에서, 급속하고 짧은 진동은 큰 진동 상에 중첩되어 단일 장치에서 대량 흐름 및 음파의 이점을 조합한다.
도 1 및 도 21 내지 도 23을 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 잠열교환기(360)의 다른 실시형태가 도 21 내지 도 23에 도시되어 있다. 잠열교환기(360)는 도 10 내지 도 15에 도시된 잠열교환기(200)와 공통적인 특징을 포함하며, 이 공통적인 특징은 유사하게 표시되어 있다. 특히, 잠열교환기(360)는 잠열교환기(360)가 열교환기(360)에서 열전달을 더 향상시키기 위해 튜브 입구 체임버(232) 내에 위치하는 한 쌍의 펄스 펌프(332)를 포함하는 것을 제외하면 도 18 내지 도 20의 잠열교환기(330)와 유사하다.
도 1, 도 24, 및 도 25를 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 잠열교환기의 다른 실시형태(390)가 도 24 및 도 25에 도시되어 있다. 잠열교환기(390)는 도 10 내지 도 15에 도시된 잠열교환기(200)와 공통적인 특징을 포함하며, 이 공통적인 특징은 유사하게 표시되어 있다. 특히, 잠열교환기(390)는 잠열교환기(390)가 튜브 입구 체임버(232) 내에 위치하는 수직으로 배향된 복수의 펄스 펌프(392)를 포함하는 것을 제외하면 도 21 내지 도 23의 잠열교환기(360)와 유사하다. 각각의 펄스 펌프(392)는 튜브(242)를 향해 그리고 튜브(2)로부터 멀어지는 방향으로 왕복운동 또는 진동하도록 구성된 진동 펄스 플레이트(394)를 포함한다. 각각의 펄스 펌프(392)는 잠열교환기(390)의 일부의 역할을 할 수 있다. 각각의 펄스 플레이트(394)가 튜브(242)를 향해 상방으로 이동함에 따라, 액체가 튜브 입구 체임버(232)의 인접 영역으로부터 인출되어 펄스 플레이트(3940의 후방의 공극을 채울 수 있다. 유사하게, 펄스 플레이트(394)가 튜브(242)로부터 멀어지는 하방으로 이동함에 따라, 액체가 튜브 입구 체임버(232)의 인접 영역으로 흘러서 펄스 플레이트(394)의 후방의 축소된 용적을 조정할 수 있다. 튜브를 통해 최대 유량을 유도하기 위해, 각각의 펄스 펌프(392)는 동기적으로 운동할 수 있다. 또한, 고주파 진동이 느린 진동에 부과될 수 있으며 이는 열전달을 더욱 향상시킨다.
도 1 및 도 26을 참조하면, 도 1의 증발 시스템(10)의 잠열교환기의 다른 실시형태(420)가 도 26에 도시되어 있다. 잠열교환기(420)는 도 10 내지 도 15에 도시된 잠열교환기(200)와 공통적인 특징을 포함하며, 이 공통적인 특징은 유사하게 표시되어 있다. 특히, 도 26의 실시형태에서, 잠열교환기(420)는 셸(220)이 위치되는 외측 덕트식 셸(422)을 포함한다. 본 실시형태에서, 잠열교환기(420)는 260 ℃에 이르는 고온에서 연수 부식에 저항하는 고가의 재료인 타이타늄(예를 들면, 7, 11, 및 12 등급의 타이타늄)으로 구성된다. 타이타늄은 고온 작동이 가능하므로, 담수화 시스템(예를 들면, 도 1에 도시됨)은 이전에 설명된 180 ℃가 아니라 260 ℃에 이르는 온도에서 작동할 수 있다. 온도가 상승하면 압력이 증가하고, 이는 증기 밀도를 상승시킴으로써 응축열전달을 향상시킨다. 또한, 타이타늄은 자연히 적상 응축을 촉진하고, 이는 열전달을 향상시킨다.
본 실시형태에서, 외부 셸(422)은 증기에만 접촉하므로, 외부 셸(422)은 증발 시스템(10)의 내압에 견딜 수 있는 두꺼운 벽을 갖는 보다 저렴한 재료(예를 들면, 탄소강)로 제조될 수 있다. 외부 셸(422)의 내압은 상당히 균일하므로, 타이타늄 형성 셸(220) 및 튜브 어셈블리(240)는 얇은 벽으로 구성되며, 이는 잠열교환기(420)의 제조 비용을 낮춘다. 외부 셸(422)은 증발 시스템(10)의 압축기(50)의 흡인력을 공급하는 상부 또는 배출 부분(424)을 포함한다. 또한 외부 셸(422)은 배출 부분(424)보다 비교적 고압으로 배치된 그리고 증발 시스템(10)의 압축기(50)의 배출에 의해 공급을 받는 하부 또는 입구 부분(426)을 포함한다. 본 실시형태에서, 잠열교환기(420)의 출구 튜브 부분 내의 비등하는 염수로부터 분리되는 증기는 압축기(50)의 흡입부로 운반될 수 있는 혼입 액적을 탈락 또는 제거하는 데미스터(430)를 통해 흐른다.
도 3 내지 도 6, 도 27 및 도 28을 참조하면, 비원형 채널 내에서의 열전달 및 압력 강하를 분석하기 위해, 수력 직경을 직경 대신 사용할 수 있다. 각각의 튜브(130)의 중앙부(134) 및 각각의 정사각형 채널(136)의 대해 수력 직경(Dh)은 채널의 폭일 수 있다: D h = w. 다른 튜브 형상의 경우, 수력 직경은 단면적의 4 배를 윤변(wetted perimeter)으로 나눔으로써 용이하게 계산될 수 있다. 어떤 이론에도 구속되는 것을 의도하지 않고, 원형 튜브의 경우, 튜브의 내부 및 외부에서 동일한 유동 단면적을 달성하는데 필요한 간격(S)(도 6에 도시됨)은 다음의 식 (1)에 의해 제공되며, 여기서 D는 각각의 원형 튜브(도 6 에 도시됨)의 직경(D)을 지칭한다.
Figure pct00001
일반적으로, 그리고 어떤 이론에도 구속되는 것을 의도하지 않고, 튜브의 외부의 수력 직경(D ho )은 아래의 식 (2)에서 보여지는 바와 같이 (4 x 단면적)/윤변(P)일 수 있다.
Figure pct00002
간격(S)이 튜브(130)의 외부와 동일한 단면적을 제공하는 경우, 튜브(130)의 외부 수력 직경은 튜브 직경(D)과 동일할 수 있다. 어떤 이론에도 구속되는 것을 의도하지 않고, 아래의 식 (3)(v는 유체 흐름의 속도를 지칭하고, ρ는 유체의 밀도를 지칭하고, μ는 유체의 점도를 지칭함)은 압력 강하 계산 및 열전달 계산의 둘 모두에 사용될 수 있는 레이놀즈수(Re)를 계산하는데 사용될 수 있다:
Figure pct00003
예를 들면, 약 121℃의 물의 예에서, 레이놀즈수는 약 4.2x106에 수력 직경(Dh)과 속도(v)를 곱한 값이다. 이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 아래의 식 (4)(디터스-벨터 식)는 레이놀즈수가 약 6,000을 초과하는 경우에 난류에서 열전달을 추정하기에 적합할 수 있으며, 여기서 Pr는 프란틀수(Prandtl Number)(121℃의 물의 경우에 약 1.49)를 지칭하고, k는 유체의 열전도율(약 0.670 줄/(초*제곱미터*켈빈))을 지칭한다.
Figure pct00004
이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 마찰에 의해 손실된 에너지는 아래의 식 (5) 내지 (7)에서 보여지는 바와 같이 달시 마찰 계수(f)를 이용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
최적으로 설계된 열교환기는 압력 강하로 인한 동력 손실을 최소화하면서 열전달을 증가시키는 것을 시도할 수 있다. 이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 전체 동력 손실(W)은 아래의 식 (8)을 이용하여 계산될 수 있고, 열전달 계수(Φ)에 대한 마찰로부터 손실된 동력에서 V는 튜브의 체적/길이를 지칭하고, P는 압력을 지칭한다:
Figure pct00008
Figure pct00009
이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 원통형 튜브의 단위 길이 당 금속의 초기 체적(V int )은 아래의 식 (10)을 이용하여 계산될 수 있고, 여기서, d는 초기 외경을 지칭하고, t i 는 초기 벽 두께를 지칭한다. 초기 외경이 2.0 밀리미터(mm)이고, 초기 벽 두께가 0.3 mm인 실시례에서, 초기 체적(V int )은 약 1.602 mm2이다.
Figure pct00010
하이드로포밍 공정을 이용하여, 원통형 튜브의 중앙부는 정사각 튜브 폭(w) 및 벽 두께 0.13 mm(0.005 인치)로 변환될 수 있다. 예를 들면, 이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 하이드로포밍 공정이 단위 길이 당 금속의 체적을 변화시키지 않는다고 가정하면, 정사각형 튜브의 폭(w) 또는 수력 직경은 아래의 식 (11)을 이용하여 계산될 수 있다(t f 는 최종 벽 두께를 지칭함):
Figure pct00011
속도 v = 3.0 미터/초(m/s)로 가정한 제 1 실시례에서, 수력 직경은 3.21 mm일 수 있으므로 열전달 계수(h t )는 도 28의 그래프(310)에 도시된 바와 같이 27 kW/(m2·K)일 수 있다. 이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 전체 열전달 계수(U)는 아래의 식 (12)로부터 약 12.4 킬로와트/(제곱미터*켈빈)(kW/(m2·K)으로 계산될 수 있고, 여기서 k는 유체의 열전도율(물의 경우에 약 0.02 킬로와트/(미터*켈빈)(kW/(m·K))을 지칭한다:
Figure pct00012
도 27의 그래프(300)는 본 실시례에서 일 손실(work dissipation; Ф)이 약0.0028임을 보여주며, 이는 벽 온도(T wall )와 벌크 온도(T bulk ) 사이의 차이에 기초할 수 있다. 금속 저항은 필름에 비해 작을 수 있고, 따라서 벽 온도가 총 접근 온도의 반인 것으로 가정하면, 일 손실(Ф)은 이온에 구애됨이 없이 아래의 식 (13)을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00013
표 1은 총 접근 온도의 함수로서 편측의 일 손실을 보여준다:
Figure pct00014
도 28의 그래프(310)에 도시된 바와 같이, 속도 v = 2.5 m/s로 가정한 제 2 실시례에서, 수력 직경은 3.21 mm이고, 따라서 열전달 계수는 약 23 kW/(m2·K)이다. 상기 식 (12)를 이용하면, 전체 열전달 계수(U)는 본 실시례에서 약 10.7 kW/(m2·K)로서 계산될 수 있다. 도 27의 그래프(300)는 일 손실(Ф)이 약 0.0019(kW·K/kW)임을 보여주며, 이것은 벽 온도와 벌크 온도 사이의 차이에 기초할 수 있다. 상기 식 (13)을 이용하면, 본 실시례(v = 2.5 m/s)의 경우, 아래의 표 2에서 보여지는 바와 같이, 총 접근 온도의 함수로서 편측에서의 일 손실(Ф)이 계산될 수 있다:
Figure pct00015
도 28의 그래프(310)에서 보여지는 바와 같이, 속도 v = 2.0 m/s로 가정한 제 3 실시례에서, 수력 직경은 3.21 mm이고, 따라서, 열전달 계수는 약 19 kW/(m2·K)이다. 상기 식 (12)를 이용하면, 전체 열전달 계수(U)는 본 실시례에서 약 8.95 kW/(m2·K)으로서 계산될 수 있다. 도 27의 그래프(300)는 일 손실(Ф)이 약 0.0013(kW·K/kW)임을 보여주며, 이것은 벽 온도와 벌크 온도 사이의 차이에 기초할 수 있다. 상기 식 (13)을 이용하면, 본 실시례(v = 2.0 m/s)의 경우, 아래의 표 3에서 보여지는 바와 같이, 총 접근 온도의 함수로서 편측에서의 일 손실(Ф)이 계산될 수 있다:
Figure pct00016
타이타늄의 필름 열전달 저항은 Ni-P-PTFE 코팅을 포함하는 튜브의 필름 열전달 저항보다 22%(Ni-P-PTFE에 대한 약 5.74·10-6(m2·℃/W)의 Rfilm 대 타이타늄에 대한 약 7.04·10-6(m2·℃/W)의 Rfilm) 더 클 수 있으나, 타이타늄은 내식성일 수 있고, Ni-P-PTFE 코팅보다 실질적으로 저렴할 수 있으므로, 전술한 튜브(130, 242)의 열전달 증가 특성을 고려하면 필름 저항의 약간의 증가는 허용될 수 있다. 각각의 튜브의 벽은 얇으므로 재료비가 낮아질 수 있다. 그러나, 일부의 실시형태에서, 얇은 벽은 고압제 저항할 수 없으므로 응축 증기와 비등수 사이의 압력차가 작은 용도로 그 적용이 제한될 수 있다. 이 조건은 도 1에 도시된 증발 시스템(10)의 실시형태와 같은 낮은 온도차(예를 들면, 0.2 ℃)로 작동하는 증기 압축 시스템으로 충족될 수 있다.
딤플 시트보다 수직의 그루브를 사용하는 것에 의한 추정되는 이점은 아래의 표 4와 같다.
Figure pct00017
상승된 압력은 열전달을 향상시키는 것으로 나타났다(예를 들면, 수직 그루브의 경우, 압력에 대한 지수는 1.977임). 일 예로서, 180 ℃ 및 1,002 킬로파스칼에서, 추정된 전체 열전달 계수(U)는 약 244 kW/m2·℃이다.
도 14, 도 15, 도 29, 및 도 30을 참조하면, 도 29는 별 형상 튜브(예를 들면, 구성이 튜브(242)와 유사한 튜브)의 분석을 도시한다. 별 형상 튜브는 전술한 바와 같이, 열전달을 증가시킬 수 있는 수직 그루브(예를 들면, 오목 채널(248))를 가질 수 있다. 기준 원(330)은 별 형상 튜브의 최대 직경과 동일한 직경을 가질 수 있다. 이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 기준원에 대한 별 형상 튜브의 면적이고, 아래의 식 (14)를 이용하여 계산될 수 있으며, 여기서, D1, D2, 및 D3는 도 30에 도시되어 있다:
Figure pct00018
도 15는 동일한 중심-중심 간격으로 배치된 별 형상 튜브(242)와 기준 원(330)을 도시한다. 기준 원(330)은 서로 접촉해 있으므로 증기가 튜브의 외부로 흐를 수 있는 공간이 없을 수 있음에 유의한다. 대조적으로, 별 형상 튜브(242)는 외면을 가로질러 방해받지 않는 증기 흐름을 허용할 수 있는 상당량의 개방 영역을 가질 수 있다. 별 모양은 기준 원(330)에 비해 튜브 당 면적이 약간 작을 수 있지만, 가스가 외부 통로를 통해 쉽게 흐를 수 있으므로 훨씬 조밀하게 충진될 수 있다. 도 31은 도 30에 도시된 것과 동일한 중심-중심 간격을 갖는 기준 원(330)을 도시한다. 2 개의 삼각형(332)은 단위 셀을 정의할 수 있다. 2 개의 삼각형(332)은 하나의 완전한 기준 원(330)을 포함할 수 있고, 하나의 삼각형(332)은 하나의 반원을 포함할 수 있다. 이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 아래의 식 (15)는 단위 체적 당 별 형상 튜브(242)의 면적을 특정할 수 있고, 여기서, L은 튜브(242)의 길이이다:
Figure pct00019
이론에 구속되는 것을 의도하지 않고, 별형 튜브(242)의 금속 체적(V star )는 아래의 식 (16) 및 식 (17)을 이용하여 결정될 수 있고, 여기서 t t 는 하이드로포밍을 이용하여 별 형상 튜브(242)를 형성하는 원통형 튜브의 초기 두께이고, D t 는 원통형 튜브의 초기 직경이다:
Figure pct00020
예시적인 실시형태가 도시되고 설명되었으나, 본 발명의 범위 또는 교시로부터 벗어나지 않는 한 당업자에 의해 이것의 개조가 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시형태는 단지 예시적인 것이며 제한적이지 않다. 본 명세서에 기술된 시스템, 장치 및 프로세스의 많은 변경 또는 개조가 가능하고, 본 개시의 범위 내에 속한다. 예를 들면, 다양한 부품들의 상대적 치수, 다양한 부품들이 제작되는 재료, 및 기타 파라미터는 변경될 수 있다. 따라서, 보호의 범위는 본 명세서에 기술된 실시형태에 제한되지 않고, 후속되는 청구항에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구항의 요지의 모든 등가물을 포함해야 한다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 방법 청구항에서의 단계는 임의의 순서로 수행될 수 있다. 방법 청구항에서 단계 앞의 (a), (b), (c) 또는 (1), (2), (3)과 같은 식별부호를 인용한 것은 그 단계의 특정의 순서를 명시하기 위한 의도를 갖거나 또는 명시하는 것이 아니며, 이러한 단계의 후속적인 참조를 단순화하기 위해 사용된다.

Claims (20)

  1. 열교환기로서,
    셸(shell); 및
    상기 셸 내에 배치된 튜브 어셈블리를 포함하고, 상기 튜브 어셈블리는 적어도 하나의 튜브를 포함하고;
    상기 튜브는 제 1 직경을 갖는 한 쌍의 단부 부분과, 상기 단부 부분들 사이에 연장되고 상기 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 중앙부를 갖는, 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브의 각각의 단부 부분은 원형 단면을 가지며, 상기 튜브의 중앙부는 상기 열교환기를 통해 향류를 제공하도록 구성된 직사각형 단면을 갖는, 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브의 각각의 단부 부분은 원형 단면을 가지며, 상기 튜브의 중앙부는 별형 단면을 갖는, 열교환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 튜브의 중앙부는 그 외면 상에 형성된 복수의 오목 채널을 포함하는, 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브 어셈블리는 복수의 상기 튜브를 포함하고, 상기 튜브 어셈블리의 각각의 튜브는 상기 튜브 어셈블리의 다른 튜브와 접촉하는, 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 튜브의 중앙 부분들 사이에 복수의 정사각형 채널이 형성된,
    열교환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 셸로부터 연장되는 한 쌍의 튜브 시트 커넥터; 및
    상기 튜브 어셈블리의 튜브에 결합되고, 상기 튜브 시트 커넥터 내에 슬라이딩식으로 삽입가능한 한 쌍의 튜브 시트를 더 포함하는, 열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 셸 내에 배치되는, 그리고 상기 튜브 어셈블리의 튜브를 통해 유체를 펌핑하도록 구성된 펌프를 더 포함하는, 열교환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 펌프는 펄스 플레이트(pulse plate)를 포함하고, 상기 펄스 플레이트 내에서 짧은 진동 및 중첩된 큰 진동을 생성하도록 구성된, 열교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 셸 및 상기 튜브 어셈블리를 수용하도록 구성된 외부 셸을 더 포함하는, 열교환기.
  11. 담수화 시스템으로서,
    증기를 생성하도록 구성된 열원; 및
    증발기 및 응축기를 포함하는 제 1 셸 앤드 튜브(shell-and-tube)형 열교환기를 포함하고;
    상기 증발기는 상기 열원에 의해 생성된 증기와 혼합된 해수의 공급 흐름을 수용하고, 상기 수용된 공급 흐름으로부터 분리된 증기 흐름과 분리된 액체 흐름을 배출하도록 구성되고;
    상기 응축기는 상기 증발기로부터 생성된 상기 증기 흐름을 증류수 흐름으로 응축시키도록 구성된, 담수화 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 증발기로부터 배출된 상기 증기 흐름을 압축하도록 구성된 압축기를 더 포함하는, 담수화 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압축기는:
    내부 하우징;
    상기 내부 하우징 내에 배치된 복수의 로브(lobe)형 로터;
    상기 내부 하우징을 수용하는 외부 하우징;
    상기 내부 하우징에 유체 흐름을 제공하도록 구성된 유체 입구; 및
    상기 내부 하우징으로부터 유체를 배출하도록 구성된 유체 출구를 포함하는, 담수화 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 담수화 시스템은 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기를 더 포함하고, 상기 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기는:
    셸; 및
    상기 셸 내에 배치된 튜브 어셈블리를 포함하고, 상기 튜브 어셈블리는 적어도 하나의 튜브를 포함하고;
    상기 튜브는 제 1 직경을 갖는 한 쌍의 단부 부분과, 상기 단부 부분들 사이에 연장되고 상기 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 중앙부를 갖는, 담수화 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 튜브의 중앙부는 그 외면 상에 형성된 복수의 오목 채널을 포함하는, 담수화 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 증발기는 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 튜브측을 포함하고, 상기 응축기는 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 셸측을 포함하는, 담수화 시스템.
  17. 증기 압축 담수화 방법으로서,
    (a) 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 증발기 내로 공급 흐름을 유입시키는 단계;
    (b) 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 증발기 내에서 상기 공급 흐름을 분리된 증기 흐름 및 분리된 액체 흐름으로 분리시키는 단계; 및
    (c) 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 응축기 내에서 상기 분리된 증기 흐름을 응축시키는 단계를 포함하는, 증기 압축 담수화 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 증발기는 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 튜브측을 포함하고, 상기 응축기는 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 셸측을 포함하는, 증기 압축 담수화 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    (d) 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기를 통해 공급 흐름을 유동시키는 단계; 및
    (e) 상기 제 1 셸 앤드 튜브형 열교환기의 응축기로부터 배출된 응축된 유체를 상기 제 2 셸 앤드 튜브형 열교환기를 통해 향류로 유동시키는 단계를 더 포함하는, 증기 압축 담수화 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    (f) 상기 응축된 유체를 터빈을 통해 유동시켜 축일을 생성하는 단계를 더 포함하는, 증기 압축 담수화 방법.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9958211B2 (en) 2015-03-12 2018-05-01 Bayotech, Inc. Nested-flow heat exchangers and chemical reactors
ES1203439Y (es) * 2017-12-05 2018-04-13 Wga Water Global Access Sl Cámara intercambiadora de calor latente
WO2020005162A1 (en) * 2018-06-29 2020-01-02 National University Of Singapore Heat exchange unit and method of manufacture thereof
CN110542304B (zh) * 2019-09-27 2024-03-01 中国环境科学研究院 一种蒸脱机废气、污染物零排放及溶剂回收系统
CN111219181B (zh) * 2019-11-05 2023-07-11 中国石油天然气集团有限公司 一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统及方法
US20240092659A1 (en) * 2020-01-15 2024-03-21 Starrotor Corporation Oilfield brine desalination
JP7469177B2 (ja) 2020-07-30 2024-04-16 三恵技研工業株式会社 熱交換構造
CN113713414B (zh) * 2021-07-27 2022-10-14 山东亿维新材料有限责任公司 一种提高燃料油品质的防冲塔
CZ309510B6 (cs) * 2022-04-25 2023-03-08 České vysoké učení technické v Praze Výměník tepla
US11707695B1 (en) * 2022-06-27 2023-07-25 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Multiple-effect system and method for desalination and cooling

Family Cites Families (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2185928A (en) * 1937-09-01 1940-01-02 Socony Vacuum Oil Co Inc Apparatus for catalytic conversions and other contact mass operations
GB1351738A (en) * 1970-04-21 1974-05-01 Serck Industries Ltd Tubular heat exchangers
JPS5741572Y2 (ko) * 1976-10-13 1982-09-11
US4386456A (en) * 1978-03-31 1983-06-07 Phillips Petroleum Company Method of assembling a unitary heat exchanger tube bundle assembly
US4450904A (en) * 1978-03-31 1984-05-29 Phillips Petroleum Company Heat exchanger having means for supporting the tubes in spaced mutually parallel relation and suppressing vibration
JPS5941417Y2 (ja) * 1980-12-12 1984-11-29 日本エ−・シ−・イ−株式会社 熱交換器
DE3611623A1 (de) * 1985-04-27 1986-10-30 Akzo Patente GmbH, 42103 Wuppertal Stoff- und/oder waermeaustauscher
US5251693A (en) * 1992-10-19 1993-10-12 Zifferer Lothar R Tube-in-shell heat exchanger with linearly corrugated tubing
CN1099578C (zh) * 1998-08-15 2003-01-22 鲍锐 内循环式液体换热器
JP2000111278A (ja) * 1998-10-06 2000-04-18 Usui Internatl Ind Co Ltd 多管式熱交換器
JP4386215B2 (ja) * 1999-02-15 2009-12-16 臼井国際産業株式会社 Ｅｇｒガス冷却装置
JP2001289583A (ja) * 2000-04-10 2001-10-19 Usui Internatl Ind Co Ltd Ｅｇｒガス冷却装置
JP3903869B2 (ja) * 2001-07-26 2007-04-11 株式会社デンソー 排気熱交換器
US6631077B2 (en) * 2002-02-11 2003-10-07 Thermal Corp. Heat spreader with oscillating flow
EP1357344B1 (en) * 2002-04-23 2008-11-12 ExxonMobil Research and Engineering Company Heat exchanger with floating head
US6923035B2 (en) * 2002-09-18 2005-08-02 Packless Metal Hose, Inc. Method and apparatus for forming a modified conduit
ITMI20020573U1 (it) * 2002-12-10 2004-06-11 Apen Group S P A Gruppo scambiatore di calore e camera di combustione ad alto rendiment o per caldaie e generatori di aria calda
JP2005036765A (ja) * 2003-07-18 2005-02-10 Hino Motors Ltd Ｅｇｒクーラ
DE10333577A1 (de) * 2003-07-24 2005-02-24 Bayer Technology Services Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von flüchtigen Substanzen aus hochviskosen Medien
JP2005273512A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Isuzu Motors Ltd エンジンのｅｇｒクーラー
US7694402B2 (en) * 2005-08-01 2010-04-13 Packless Metal Hose, Inc. Method for forming a lined conduit
EP1929231B1 (de) * 2005-09-16 2018-08-01 MAHLE Behr GmbH & Co. KG Wärmeübertrager, insbesondere abgaswärmeübertrager für kraftfahrzeuge
WO2007142292A1 (ja) * 2006-06-08 2007-12-13 Denso Corporation 排熱回収装置
JP2010505623A (ja) * 2006-10-10 2010-02-25 ザ テキサス エイ・アンド・エム ユニヴァーシティ システム 脱塩システム
JP2008256253A (ja) * 2007-04-04 2008-10-23 Toyota Motor Corp 熱交換器及び熱交換器の製造方法
US8517086B2 (en) * 2008-02-29 2013-08-27 Caterpillar Inc. Composite heat exchanger end structure
US20090242181A1 (en) * 2008-03-27 2009-10-01 Exxonmobil Research And Engineering Company Law Department Reduced vibration tube bundle support device
US8286594B2 (en) * 2008-10-16 2012-10-16 Lochinvar, Llc Gas fired modulating water heating appliance with dual combustion air premix blowers
US8517720B2 (en) * 2008-10-16 2013-08-27 Lochinvar, Llc Integrated dual chamber burner
TWI358520B (en) * 2008-12-04 2012-02-21 Ind Tech Res Inst Pressure-adjustable multi-tube spraying device
EP2409104B1 (en) * 2009-03-17 2015-11-11 Dow Global Technologies LLC Method of heat exchange
CN102472589B (zh) * 2009-07-22 2014-01-22 江森自控科技公司 用于冷冻机的紧凑型蒸发器
US8844472B2 (en) * 2009-12-22 2014-09-30 Lochinvar, Llc Fire tube heater
CN102588281B (zh) * 2011-01-05 2015-12-09 黄秀保 带有旁支脉动陷阱的螺杆式压缩机
CN202013125U (zh) * 2011-04-13 2011-10-19 张文强 新型流体冲击旋转式换热器
CN202119300U (zh) * 2011-06-02 2012-01-18 陕西科技大学 一种快速冷却器
US20120312514A1 (en) * 2011-06-13 2012-12-13 Erickson Donald C Dense twisted bundle heat exchanger
EP2584301B1 (de) * 2011-10-19 2014-08-13 WS-Wärmeprozesstechnik GmbH Hochtemperatur-Wärmeübertrager
US9015923B2 (en) * 2012-08-09 2015-04-28 Modine Manufacturing Company Heat exchanger tube, heat exchanger tube assembly, and methods of making the same
US20140166252A1 (en) * 2012-12-17 2014-06-19 Whirlpool Corporation Heat exchanger and method
US20140338643A1 (en) * 2013-05-15 2014-11-20 Caterpillar Inc. System and method for cooling of an exhaust gas recirculation unit
JPWO2014184964A1 (ja) * 2013-05-17 2017-02-23 株式会社日立製作所 熱交換器
WO2015014387A1 (fr) * 2013-07-29 2015-02-05 Francois-Mathieu Winandy Procedes et installations de dessalement d'eau par distillation a compression mecanique de vapeur
JP5989619B2 (ja) * 2013-09-13 2016-09-07 株式会社ティラド ヘッダープレートレス熱交換器のタンク構造
JP5850099B2 (ja) * 2014-07-01 2016-02-03 ダイキン工業株式会社 流下液膜式蒸発器
CN204612029U (zh) * 2015-01-30 2015-09-02 苏宇贵 空调冷水机组
US10222106B2 (en) * 2015-03-31 2019-03-05 The Boeing Company Condenser apparatus and method
CN204923960U (zh) * 2015-09-08 2015-12-30 北京石油化工工程有限公司 大型立式高效螺旋折流板换热器
US10323608B2 (en) * 2016-02-16 2019-06-18 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Combustion system with an ion transport membrane assembly and a method of using thereof
CN205784740U (zh) * 2016-05-31 2016-12-07 中冶焦耐工程技术有限公司 一种自支撑式缩放管换热器
US10913010B2 (en) * 2017-01-11 2021-02-09 The Queenstown Trust Methods of distillation

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