KR20200012850A - 간접 열 교환기 및 이러한 열 교환기를 포함하는 액화 천연 가스를 처리하기 위한 설비를 사용하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직사각형 그리드로 배열된 복수의 열 교환 모듈들(10)을 포함하는 간접 열 교환기(1)를 사용하는 방법에 관한 것이다. 각각의 열 교환 모듈(10)은 제1 및 제2 방향으로 연장되는 복수의 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)을 포함한다. 간접 열 교환기(1)는 하나의 열 교환 모듈의 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)을 인접한 열 교환 모듈들(10)의 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)과 유체 연결하여 하나 이상의 제1 유체 경로들을 형성하는 제1 및 제2 매니폴드(12, 22)를 포함한다. 본 발명은 또한 전술한 바와 같은 적어도 하나의 간접 열 교환기를 포함하는 액화 천연 가스를 처리하기 위한 설비에 관한 것이다.

Description

간접 열 교환기 및 이러한 열 교환기를 포함하는 액화 천연 가스를 처리하기 위한 설비를 사용하는 방법
본 발명은 간접 열 교환기를 설계하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 액화 천연 가스를 처리하기 위한 설비에 관한 것으로, 상기 설비는 상기 방법에 따라 설계된 열 교환기를 포함한다.
간접 열 교환기는 유체가 하나 이상의 열 교환 표면들에 의해 분리되어 있기 때문에 두 개의 유체 흐름이 직접 접촉하지 않고 열을 교환할 수 있는 열 교환기이다. 유체 흐름은 액체, 증기, 기체 또는 다상 흐름일 수 있다. 간접 열 교환기는 다른 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 간접 열 교환기는 냉매가 주변(예를 들어, 응축기, 냉매 냉각)과 열을 교환하고 추가의 간접 열 교환기에서 냉매가 프로세스 스트림(프로세스 스트림 냉각)과 열을 교환 할 수 있도록 냉각 사이클에 사용될 수 있다. 이러한 냉매 사이클은 예를 들어 천연 가스 프로세스 스트림을 냉각 및 액화시키기 위해 액체 천연 가스 플랜트뿐만 아니라 액체 천연 가스가 재가스화/기화되도록 가열되는 재가스화 플랜트에서 사용된다.
석유 및 가스 산업에서 현재 사용되는 잘 알려진 유형의 간접 열 교환기는 판형(plate) 열 교환기 및 쉘 및 튜브(shell and tube) 열 교환기이다. 이러한 열 교환기들은 일반적으로 비교적 크다. 석유 및 가스 산업에서 현재 사용되는 가장 소형의 열 교환기는 인쇄 회로 열 교환기(printed circuit heat exchangers, PCHE)이다.
3D 프린팅으로도 지칭되는 적층 가공(additive manufacturing)과 같은 제조 기술을 지속적으로 개발함에 따라 제조 관점에서 디자인에 부과되는 제한이 덜 중요해 진다.
예를 들어, WO2008079593은 열 교환기 구성 요소를 제조하기 위해 최소 표면 또는 최소 골격을 사용하는 방법을 기술하고 비교적 복잡한 구조를 기술한다. US20150007969는 리브 및 슬릿을 포함하는 열 교환기를 기술하며, 이는 예를 들어 초음파 적층 가공(ultrasonic additive manufacturing, UAM)을 사용하여 형성될 수 있다. 적층 가공에 대한 참조는 예를 들어 US20160108814, GB2521913A, US20160114439, WO2013163398A1 및 CN204830955에서 이루어진다.
종래 기술에서는, 과잉 열의 대류적 제거를 촉진하기 위해 과도한 유동 저항을 피하면서 열을 교환하는 유체 사이의 전도성 열 접촉을 최대화하기 위해 열 교환기의 표면 영역 최대화하는 데 중점을 두고 있다.
베얀(Bejan)(2002년 11월, 열과 질량의 국제 저널(International Cross of Heat and Mass Transfer), 소규모 교차 흐름 및 대규모 역류를 갖는 무질서한 구조적 열 교환기)은 단위 체적 당 최대 열 전달율을 갖는 2-스트림 간접 열 교환이기를 설계하는 것을 설명한다. 베얀은, 그 중에서도, 채널을 통해 흐르는 작은 스트림의 열 입구 길이와 매칭되어 완전히 발달된 층류 흐름에서 발생하는 종 방향 온도 상승을 제거하고, 완전히 발달된 층류와 관련된 열 전달 계수를 두 배로 증가시키는 소규모 평행-판 채널을 제안한다. 채널의 따뜻하고 차가운 흐름들이 직교류(crossflow)에 배치된다. 요소보다 큰 길이 스케일에서, 고온 및 저온 유체의 스트림들은 직교류로 배열된다. 각 스트림은 투 트리(tree) 결합 캐노피 투 캐노피로서 열 교환기 체적을 입힌다. 한 트리는 체적 전체에 스트림을 퍼뜨리고(강 삼각주처럼), 다른 트리는 동일한 스트림을 수집한다(강 유역처럼).
베얀(Bejan)에 의해 기술된 설계는 흐름의 설계를 설명하지 않고 흐름을 분배 및 수집하기 위해 비교적 복잡한 분배 및 수집 구성을 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 이러한 분배/수집 구성은 상당한 압력 손실을 초래할 수 있다. 또한, 복잡한 분배 및 수집 구성은 많은 재료를 필요로 하기 때문에 비용 효율적이고 경량화된 설계를 초래하지 않을 것이다. 또한, 필요에 따라 열 교환기의 전체 형상 및 치수를 설계할 자유도가 제한된다.
US-3986549는 배기 공기로부터 유입 공기를 가스 가열 유닛으로 예열하기 위한 것과 같은 제1 가스와 제2 가스 사이의 열을 교환하기 위한 열 교환기를 개시한다. 교환기는 일반적으로 평면의 구불구불한 핀들의 스택을 포함하고, 각각은 핀들의 인접한 측면 부분들과 제1 가스를 위해 일 방향으로 연장되는 이들 통로들과 제1 가스와 열 교환 관계에 있는 제2 가스의 흐름을 위해 제1 가스 통로들에 일반적으로 횡 방향으로 연장되는 다른 통로들과 함께 핀들의 스택의 장착하기 위한 수단들 사이에서 나란히 가스 흐름 통로들을 한다. 네 개의 열 교환기 코어 유닛들은 지지 프레임 내에 이격된 배열로 유지되고 가스켓에 의해 에지에서 적절히 가스켓된다.
US-2013/125545-A1은 클라우지우스-랭킨(Clausius-Rankine) 사이클 프로세스를 통해 내연 기관의 폐열을 이용하는 시스템을 개시하고 있다. 일 실시 예에서, 열 교환기는 총 세 개의 유닛들을 포함한다. 세 개의 유닛들은 별개의 하우징을 가지며, 이에 의해 작동 매체에 대해 유압식으로 직렬 연결된다. 후속 증발기 열 교환기 유닛의 다른 복수의 유동 덕트 부분들으로 도입되기 전에 복수의 유동 덕트 부분들로부터 이송된 후 후속 유닛을 연결하는 혼합 덕트에서 작동 매체의 혼합으로 인해, 작동 매체는 실질적으로 완전하고 균일하게 기화될 수 있다.
상술한 열 교환기는 각각의 기술 분야에서 유리하게 적용될 수 있지만, 이들 후자의 열 교환기의 특정 구조는 석유 및 가스 산업의 열 교환기에 필요한 산업 규모 및 크기와 양립할 수 없다. 즉, 예를 들어 천연 가스의 액화에 필요한 산업적 규모로 확장될 때, 상기 열 교환기는 산업적 규모 냉각에 사용되는 종래의 열 교환기와 경쟁할 수 없다. 따라서 US-2013/125545-A1 및 US-3986549의 열 교환기는 액화 천연 가스 처리 시설에서의 규모 확대 및 적용에 적합하지 않다.
단위 체적 당 열 전달을 최대화하는 것과 압력 강하를 최소화 하는 것 사이의 균형이 개선된, 개선된 구조를 갖는 열 교환기를 제공하는 것과 같은 상기 단점 중 하나 이상을 극복하는 열 교환기를 제공하는 것이 목적이다.
일 양태에서, 본 발명은 간접 열 교환기(1)를 사용하는 방법에 관한 것이며, 간접 열 교환기는:
제1 유체 흐름을 수용하기 위한 제1 유입구,
상기 제1 유체 흐름을 배출하기 위한 제1 유출구,
제2 유체 흐름을 수용하기 위한 제2 유입구,
상기 제2 유체 흐름을 배출하기 위한 제2 유출구,
직사각형 그리드로 배열된 복수의 열 교환 모듈들(10)로서, 상기 그리드는 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향을 가지며, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제1 방향으로 서로 대향하는 제1 모듈 면 및 제2 모듈 면을 포함하고, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제2 방향으로 서로 대향하는 제3 모듈 면 및 제4 모듈 면을 포함하고,
상기 열 교환 모듈(10)들 각각은 상기 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제1 모듈 면과 상기 제2 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)들과 상기 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제3 모듈 면과 상기 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 포함하며,
상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)과 유체 연결하여 상기 제1 유입구를 상기 제1 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제1 유체 경로를 형성하는 제1 매니폴드(12), 및
상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)과 유체 연결하여 상기 제2 유입구를 상기 제2 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제2 유체 경로들을 형성하는 제2 매니폴드(22)를 포함한다.
사용 중, 제1 매니폴드는 열 교환 모듈, 즉 이 열 교환 모듈의 모든 제1 유체 흐름 채널들로부터 제1 유체를 수집하고, 제1 유체의 적어도 일부를 상이한, 인접한 열 교환 모듈로 전달하고 인접한 열 교환 모듈의 제1 유체 흐름 채널에 제1 유체를 공급한다.
제1, 제2 및 제3 방향은 서로에 대해 수직이다. 열 교환 모듈들은 직사각형 그리드로 배열된다. 직사각형 그리드는 바람직하게는 제1 방향으로 Nx 열 교환 모듈(10), 제2 방향으로 Ny 열 교환 모듈(10) 및 제3 방향으로 Nz 열 교환 모듈(10)을 포함한다. 따라서 간접 열 교환기는 N 개의 열 교환 모듈, N = Nx * Ny * Nz를 포함한다. 따라서 각 열 교환 모듈은 nx = 1,..., Nx, ny = 1,..., Ny 및 nz = 1,... Nz (n 및 N은 정수) 인 좌표 nx, ny, nz로 식별될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, N> 1이다. 추가 실시 양태에 따르면, Nx>1 및 Ny>1 및 Nz>1 및 N>8이다.
간접 열 교환기의 전체 크기를 제한하기 위해, 복수의 열 교환 모듈(10)이 배열된 직사각형 그리드는 바람직하게는 큐비클(cubicle)(세 방향 모두에서 실질적으로 동일한 길이)로 만들어지며, 이는 분배 및 수집 헤더의 크기 및 간접 열 교환기의 전체 크기 및 중량 및 이에 따른 비용을 제한할 것이기 때문이다.
열 교환 모듈은 바람직하게는 예를 들어 직사각형 또는 박스 형상을 갖는 평행 육면체로 형성되며, 여기서 제1 및 제2 유체 흐름은 직교류이다. 이를 통해 그리드 구성에서 열 교환 모듈을 컴팩트하게 쌓을 수 있으며 열 전달 및 압력 강하에 대해 검증된 상관 관계를 사용하여 분석 계산 및 시뮬레이션을 용이하게 한다. 결과적으로 모든 성능 지표를 기하학적 및 프로세스 파라미터의 조합으로 설명하는 파라미터화된 모델을 작성할 수 있다. 적합한 소프트웨어로 파라미터화된 모델을 구현함으로써 질량 및 부피와 같은 성능 지표 세트에 맞게 설계를 최적화할 수 있다.
각각의 열 교환 모듈(10)에서 모든 제1 유체 흐름 채널(11)이 실질적으로 제1 방향으로 연장되고, 즉 제1 및 제2 모듈 면 사이에서 연장되고, 모든 제2 유체 흐름 채널(21)은 실질적으로 제2 방향으로 연장되고, 즉, 제3 및 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 것을 보장함으로써, 제1 및 제2 매니폴드의 비교적 간단한 레이-아웃 및 비교적 간단한 분배 및 수집 헤더가 가능해 진다. 레이-아웃은 상이한 열 교환 모듈의 제1 유체 흐름이 정렬되고 상이한 열 교환 모듈의 제2 유체 흐름이 정렬되도록 배치된다. 분배 헤더는 분배 또는 공급 매니폴드/배열로 지칭될 수도 있다. 수집 헤더는 수집 매니폴드/배열로 지칭될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 유체 흐름 채널은 직선이고 제1 방향으로 향하고 및/또는 제2 유체 흐름 채널은 직선이고 제2 방향으로 향한다.
여기에 제안된 설정에서, 직사각형 그리드의 제1 면(의 일부)은 제1 유체를 수용하기 위해 전용될 수 있고, 직사각형 그리드의 제2 면(의 일부)은 제1 유체를 배출하기 위해 전용될 수 있고, 직사각형 그리드의 제 3면(의 일부)는 제2 유체를 수용하고 직사각형 그리드의 제 4면(의 일부) 제2 유체를 배출한다. 그리드의 면은 단일 유체 및 유입 또는 유출에만 사용되므로 복잡한 분배 및 수집 헤더가 필요하지 않다.
직사각형 그리드의 제1 면(의 일부)에 제1 유체 흐름을 분배하기 위해 제1 분배 헤더가 제공될 수 있다. 직사각형 그리드의 제2 면(의 일부)으로부터 제1 유체 흐름을 수집하기 위해 제1 헤더 배열이 제공될 수 있다.
직사각형 그리드의 제3 면(의 일부)에 제2 유체 흐름을 분배하기 위해 제2 분배 헤더가 제공될 수 있다. 직사각형 그리드의 제4 면으로부터 제2 유체 흐름을 수집하기 위해 제2 수집 헤더가 제공될 수 있다.
베얀(Bejan)이 제안한 설정에서, 제1 및 제2 매니폴드에서 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열 교환이 일어나도록 하는 것을 목적으로 하기 위해 제1 유체 흐름 채널 및 제2 유체 흐름 채널은 결과적으로 한 방향으로 배향되지 않는다. 결과적으로 베얀(Bejan)이 제안한 설정에서 그리드의 면은 하나 이상의 유체 전용이며, 다른 흐름을 분배하고 수집하기 위해 복잡한 분배 및 수집 장치가 필요하다.
또한, 베얀에 따르면, 제1 및 제2 매니폴드에서 제1 및 제2 유체 사이에서 일어날 수 있는 열 교환 (듀티) 양은 매우 제한됨에 유의한다. 온도 교차 속도에 따라, 이는 간접 열 교환기의 요구되는 전체 듀티의 최대 50 % 정도일 수 있다. 제1 및 제2 매니폴드의 듀티는 면적, 열 전달 계수 및 온도 차이에 비례한다. 열 전달 계수는 재료 특성 및 열 교환 유체의 속도에 따라 달라진다.
여기에 제공된 실시 예들에 따르면, 제1 및 제2 매니폴드의 단면 크기는 바람직하게는 비교적 높게 선택되고, 유체가 분배될 열 교환 모듈의 모든 유체 흐름 채널 사이에 유체의 균일한 분배를 보장한다. 또한, 매니폴드의 종횡비는 점성 손실을 최소화하기 위해 비교적 낮은 것이 바람직하다.
현재 제안된 간접 열 교환기에서, 열 교환이 주로 제1 유체 흐름 채널과 제2 유체 흐름 채널 사이에서 발생하기 때문에 매니폴드에서 열 교환이 발생하지 않아야 한다. 이는 블록을 직렬 및/또는 병렬로 배치할 수 있어 열 교환기 설계에 더 많은 유연성을 제공하여 압력 강하, 플롯 공간 및 총 부피 측면에서 간접 열 교환기의 최적 설계를 제공한다.
또한 현재 제안된 간접 열 교환기는 간접 열 교환기의 전체 형상을 보다 자유롭게 설계할 수 있게 하고, 예를 들어 열 교환 모듈을 유동적으로 연결하는 방법에 더 많은 자유를 제공하기 때문에 플롯 공간을 줄일 수 있다. 현재 제안된 간접 열 교환기는 도 2a, 2c 및 2d를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 열 교환 모듈의 직렬 연결을 허용한다.
또한, 베얀은 분배 및 수집 장치(헤더)에서 제1 및 제2 유체가 열을 교환할 수 있도록 제안하였다. 그러나, 이는 비교적 복잡한 분배 및 수집 장치에서 상당한 압력 손실을 초래한다. 제1 유체와 제2 유체 사이의 열 교환이 열 교환 모듈들(즉, 제1 유체 흐름 채널과 제2 유체 흐름 채널 사이)에서 발생하고 분배 및 수집 장치는 단지 흐름의 분배 및 수집을 위해 제공되기 때문에, 현재 제안된 간접 열 교환기에서는 이것이 제공되지 않는다.
현재 제안된 간접 열 교환기의 구조는 공간 효율적으로 설계되고 연결된 다수의 최적화된 열 교환 모듈에 의해 형성된다. 비교적 작고 비교적 많은 열 교환 모듈을 사용하는 이점은 유동의 대부분이 미 전개되기 때문에 효율이 높다는 것이다(열 입구 길이에 도달하기 전에 압력 강하율에 대한 열 전달이 더 높음). 또한 이 아키텍처는 필요한 듀티 사양 및 압력 강하 한계에 맞게 열 교환 모듈을 병렬 또는 직렬로 연결할 수 있다.
제1 유체 흐름은 고온 매체(예를 들어, 냉각수/냉매) 또는 저온 매체, 예를 들어 주위 물 또는 기류일 수 있다. 제2 유체 흐름은 냉 매질 또는 열 매질(제1 유체와는 다른)일 수 있고, 예를 들어, 제1 유체 흐름에 의해 냉각되거나 또는 가열될, 또는 그 반대의 프로세스 스트림일 수 있다. 고온 및 저온 매체라는 용어는 서로 관련하여 사용되는데, 이는 고온 열 교환기가 제1 및 제2 유체가 간접 열 교환기로 진입할 때 저온 매체보다 따뜻하다는 것을 의미한다. 따라서, 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름 사이의 전체 열 교환은 따뜻한 매체에서 차가운 매체로의 열 흐름이다.
전술한 바와 같은 방법은 액화 천연 가스의 처리를 위해 간접 열 교환기를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 방법은 천연 가스를 액화시키기 위해 간접 열 교환기를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 태양에 따르면, 전술한 바와 같은 간접 열 교환기를 설계하는 방법이 제공되며, 상기 설계 방법은,
상기 간접 열 교환기의 설계 작동 파라미터 결정하는 단계로서, 상기 설계 작동 파라미터는: 상기 제1 유체 흐름의 유량, 상기 제1 유체 흐름의 유입구 온도, 상기 제1 유체 흐름의 유출구 온도, 상기 제1 유체 흐름의 유입구 압력, 상기 제1 유체 흐름의 유출구 압력, 상기 제1 유체의 질량 밀도, 점도, 비열 용량 및 열 전도성과 같은 물리적 특성, 상기 제2 유체 흐름의 유량, 상기 제2 유체 흐름의 유입구 온도, 상기 제2 유체 흐름의 유출구 온도, 상기 제2 유체 흐름의 유입구 압력, 상기 제2 유체 흐름의 유출구 압력, 상기 간접 열 교환기의 듀티(duty), 상기 제2 유체의 질량 밀도, 점도, 비열 용량 및 열 전도성과 같은 물리적 특성 중 하나 이상을 포함하는, 상기 설계 작동 파라미터 결정하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 상기 설계 작동 파라미터에 기초하여,
i) 상기 제1 및 제2 유체 경로들에 포함될 열 교환 모듈들의 양을 결정하는 단계,
ii) 열 교환 모듈 당 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)의 양뿐만 아니라 상기 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)의 단면 치수를 결정하는 단계,
iii) 상기 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)의 길이를 결정하는 단계,
iv) 상기 제1 및 제2 매니폴드들의 치수를 결정하는 단계,
v) 상기 직사각형 그리드의 레이-아웃을 결정하는 단계,
vi) 제1 분배 헤더(101), 제1 수집 헤더(102), 제2 분배 헤더(103) 및 제2 수집 헤더(104)의 치수를 결정하는 단계를 더 포함한다.
작용 (i)을 위해, 하나 이상의 평행한 제1 및 제2 유체 경로 수에 직렬로 포함되는 최소 개수의 열 교환 모듈이 온도 교차를 방지하거나 최소화하도록 결정된다. 최소 수(Nmin)는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Nmin = |Tin, 1 - Tin,2|/(0.5*((|Tin,1-Tout,2|)+(|Tout,1-Tin,2|)))
여기서 1은 고온 유체를 나타내고, 2는 저온 유체를 나타내고, Tin은 입구에서의 온도를 의미하고 Tout은 출구에서의 온도를 의미한다.
제1 및 제2 유체 경로에 포함되는 열 교환 모듈의 양은 허용 가능한 압력 강하에 대해 전체 온도 차이를 균형 조정함으로써 결정되며, 그 양이 Nmin보다 작을 수 없다는 제한이 있다.
작용 (ii)에 대해, 열 교환 모듈 당 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)의 양뿐만 아니라, 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)의 길이 및 단면 치수는, 층류가 압력 강하 비율에 비해 비교적 우수한 열 전달을 제공하기 때문에, 각각의 유체 흐름 채널 내에서 제1 및/또는 제2 유체 흐름이 층류로 유지되도록 결정될 수 있다. 대안적으로 열 교환 모듈 당 제1 및 제 2 유체 흐름 채널(11, 21)의 양뿐만 아니라, 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)의 길이 및 단면 치수는 상대적으로 컴팩트한 디자인을 얻도록 결정되어 압력 강하가 더 높아질 수 있다. 제2 유체 흐름 채널보다 제1 유체 흐름 채널에 대해 상이한 고려가 취해지거나 다르게 가중될 수 있다는 것이 주목된다.
작용 (iii)의 경우, 층류 조건의 경우, 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)의 각각의 길이는 각각 제1 및 제2 유체의 열 유입 길이와 같거나 작도록 선택될 수 있다. 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)의 각각의 길이는 선택되어 각각의 제1 및 제2 유체 흐름 채널에서의 제1 및 제2 유체 흐름이 유체 흐름 채널의 전체 길이에 걸쳐 또는 적어도 유체 유동 채널의 길이에 걸쳐 전개되지 않고, 바람직하게는 유체 흐름 채널 길이의 90 % 이상, 75 % 이상 또는 50 % 이상이다.
작용 (iv)에 대해, 제1 및 제2 매니폴드의 치수는 유체 흐름이 후속 열 교환 모듈에 들어가기 전에 균일한 유체 분포가 달성되도록 보장하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 제1 및 제2 매니폴드의 길이는 각각의 열 입구 길이 또는 각각의 유체 흐름 채널 길이의 최대 75 % 또는 50 %가 되도록 선택된다.
이는 모든 열 교환 모듈이 유동 방향에 수직인 방향으로 실질적으로 편평한 온도 프로파일을 갖는 유사한 균질 유체 분포를 수용하기 때문에 간접 열 교환기의 시뮬레이션이 단순화된다는 추가적인 이점을 제공한다.
작용 (v)에 대해, 직사각형 그리드의 레이-아웃이 결정되는데, 이는 각 방향으로의 열 교환 모듈의 양을 결정하는 것, 즉 Nx, Ny 및 Nz의 값을 결정하는 것을 포함한다.
작용 (v)에 대해, 복수의 열 교환 모듈(10)이 배열되는 그리드는 바람직하게는 큐비클로 만들어 지는데, 이는 헤더의 크기 및 간접 열 교환기의 전체 크기 및 중량 및 이에 따른 비용을 제한할 것이기 때문이다.
작용 (vi)에 대해, 제1 분배 헤더(101) 및 제1 수집 헤더(102)의 치수 및 형상이 설계되어, 제1 유체의 간접 열 교환기에 대한 전체 압력 강하의 미리 결정된 부분보다 많지 않은 부분이 제1 분배 헤더(101) 및 제1 수집 헤더(102)에 의해 야기된다. 또한, 제2 분배 헤더(103) 및 제2 수집 헤더(104)의 치수 및 형상이 설계되어 제2 유체의 압력 강하의 1/3보다 많지 않은 부분이 제2 분배 헤더(103) 및 제2 수집 헤더(104)에 의해 야기된다.
다른 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 간접 열 교환기를 작동시키는 방법이 제공되며, 여기서 제1 유체 흐름의 유량, 제1 유체 흐름의 유입구 온도, 제1 유체 흐름의 유입구 압력, 제2 유체 흐름의 유량, 제2 유체 흐름의 유입구 온도, 제2 유체 흐름의 유입구 압력은 제1 및 제2 유체 흐름이 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)에서 층류가 되도록 제어된다.
해당 흐름의 레이놀즈 수가 미리 결정된 레이놀즈 수보다 적은 경우 흐름은 층류로 간주될 수 있다. 소정의 레이놀즈 수는 예를 들어 유체 흐름 채널의 설계, 유체 흐름 채널의 치수, 사용된 재료 및 거칠기에 따라 2300, 2000, 1200 또는 900일 수 있다. 3D 인쇄 유체 흐름 채널, 특히 직경이 1mm 미만인 유체 흐름 채널의 경우 흐름은 일반적으로 900의 레이놀즈 수에 대해 층류가 된다.
일 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 간접 열 교환기를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 3D 인쇄 기술 또는 화학적 에칭 기술을 사용하여 복수의 열 교환 모듈(10)을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 정의된 바와 같이 열 교환 모듈(10)을 직사각형 그리드로 조립하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이웃 열 교환 모듈(10)은 서로에 대해 중간 거리(dx, dy)에 위치될 수 있어서, 이로써 상기 정의된 바와 같이 제1 매니폴드(12) 및 제2 매니폴드를 생성한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 개시는 액화 천연 가스의 처리를 위한 설비를 제공하고, 설비는 상기한 바와 같은 하나 이상의 간접 열 교환기를 포함한다.
일 양태에 따르면, 본 개시는 액화 천연 가스의 처리를 위한 설비를 제공하고, 설비는 하나 이상의 간접 열 교환기를 포함하고, 간접 열 교환기는, 제1 유체 흐름을 수용하기 위한 제1 유입구,
상기 제1 유체 흐름을 배출하기 위한 제1 유출구,
제2 유체 흐름을 수용하기 위한 제2 유입구,
상기 제2 유체 흐름을 배출하기 위한 제2 유출구,
직사각형 그리드로 배열된 복수의 열 교환 모듈들(10)로서, 상기 그리드는 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향을 가지며, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제1 방향으로 서로 대향하는 제1 모듈 면 및 제2 모듈 면을 포함하고, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제2 방향으로 서로 대향하는 제3 모듈 면 및 제4 모듈 면을 포함하고, 상기 열 교환 모듈(10)들 각각은 상기 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제1 모듈 면과 상기 제2 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)들과 상기 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제3 모듈 면과 상기 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 포함하는, 상기 복수의 열 교환 모듈,
상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)과 유체 연결하여 상기 제1 유입구를 상기 제1 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제1 유체 경로를 형성하는 제1 매니폴드(12), 및
상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)과 유체 연결하여 상기 제2 유입구를 상기 제2 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제2 유체 경로들을 형성하는 제2 매니폴드(22)를 포함한다.
도면은 본 발명의 교시에 따른 하나 이상의 구현을 제한이 아니라 단지 예로서 도시한 것이다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
도 1a 내지 1d는 실시 예에 따른 간접 열 교환기와 그 세부 사항의 개략도를 제공하고,
도 2a 내지 도 2d는 열 교환 모듈을 유체 연결하는 상이한 실시 예를 개략적으로 도시하고,
도 3은 종래 기술의 열 교환기의 온도 대 채널 길이의 예시적인 그래프를 도시하며, 그리고
도 4는 본 개시에 따른 열 교환기 모듈의 실시 예의 후속 채널의 온도 대 채널 길이의 예시적인 그래프를 도시한다.
본원에서 사용되는 액화 천연 가스 처리 설비라는 용어는 적어도 천연 가스 액화 설비 및/또는 액화 천연 가스 재기화 설비를 의미할 수 있다.
이 텍스트에서 간접 열 교환기라는 용어는 흐름이 서로 직접 접촉하지 않고 흐름간에 열 전달이 발생할 수 있는 열 교환기를 의미하고, 즉 흐름은 하나 이상의 열 교환 표면들에 의해 분리된 상태로 유지된다. 이는 분리 벽이 없는 상태에서 두 유체들/상들 사이의 열 전달을 수반하는 직접 열 교환기와는 반대이다. 본원에서, 간접 열 교환기라는 용어 대신에, 열 교환기라는 용어가 사용될 수도 있다.
간접 열 교환기에는 단위 부피당 열 전달을 최대화하고 압력 강하를 최소화하며 비교적 쉽고 비용 효율적으로 생산할 수 있는 균형을 제공하는 아키텍처가 제공된다. 이 아키텍처는 공간 효율적인 방식으로 연결된 최적화된 열 교환 모듈을 사용한다. 비교적 작은 열 교환 모듈을 사용하는 이점은 설계에 따라 유량의 대부분이 미 전개되어(undeveloped) 효율이 높아진다는 것이다(열 입구 길이에 도달하기 전에 열 전달이 더 높음). 또한, 유압 직경이 작은 비교적 작은 유체 유동 채널을 사용함으로써, 증가된 열 전달 면적 밀도 및 증가된 열 전달 계수가 얻어진다.
이 아키텍처에서는 비교적 짧은 채널을 사용할 수 있다. 열 교환 모듈은 제1 및 제2 유체 흐름을 위한 제1 및 제2 유체 흐름 채널을 포함하고, 제1 유체 흐름 채널은 실질적으로 제1 방향으로 연장되고 제2 유체 흐름 채널은 실질적으로 제2 방향으로 연장되며, 따라서 압력 강하가 제한되어 비교적 간단한 분배 및 수집 헤더가 가능하다. 또한, 아키텍처는 필요한 듀티 및 압력 강하 한계에 맞게 열 교환 모듈을 병렬 또는 직렬로 연결할 수 있으며 특정 요구 사항(예를 들어, 제한된 플롯 공간과 같은)을 충족하도록 간접 열 교환기의 외부 치수를 설계할 수 있다.
제1 및 제2 유체 흐름 채널을 포함하는 열 교환 모듈은 3D 프린팅 기술 또는 화학적 에칭 기술을 사용하여 제조될 수 있음에 유의한다.
도 1a는 일 실시 예에 따른 간접 열 교환기 유닛(100)을 개략적으로 도시한다. 열 교환기 유닛(100)은 제1 분배 헤더(101)를 포함하는 제1 유입구, 제1 수집 헤더(102)를 포함하는 제1 유출구를 가질 수 있다. 열 교환기 유닛(100)은 예를 들어 제2 분배 헤더(103)를 포함하는 제2 유입구 및 제2 수집 헤더(104)를 포함하는 제2 유출구를 갖는다.
도 1a는 복수의 열 교환 모듈(10)을 개략적으로 도시한다. 모듈(10)은 예를 들어 직사각 열 교환기 유닛(100)의 중심에 위치되는 직사각형 그리드(grid)로 배열된다. 도 1a에 도시된 열 교환 모듈(10)은 개략적으로만 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 열 교환 유닛(100)은 다수의 열 교환 모듈(10)을 포함할 수 있다. 도 1a에 도시된 실시 예에서는 예를 들어 2 내지 5 개, 예를 들어 3 개의 열 교환 모듈이 나란히 배열되어 있다(x- 방향). 열 교환 유닛(100)은 서로의 상부에 열 교환 모듈의 다수의 층, 예를 들어 2 개 이상의 층(110, 112)을 포함할 수 있다(z- 방향). 열 교환 유닛(100)은 예를 들어 약 4 개 내지 10 개의 범위, 예를 들어 약 8 개의 모듈(10)의 길이 방향(y- 방향)으로 배열된 다수의 열 교환 모듈(10)을 포함할 수 있다.
도 1a는 제2 수집 헤더(104)에 연결된 선택적 제1 유출구 플랜지 연결부(105) 및 제2 분배 헤더(103)에 연결된 유입구 플랜지 연결부(106)를 더 개략적으로 도시한다. 도 1a에 도시되지 않았지만, 제1 분배 헤더(101) 및 제1 수집 헤더(102)는 마찬가지로 각각의 플랜지 연결부가 제공될 수 있다. 플랜지 연결부(105, 106)는 공정 스트림을 간접 열 교환기 유닛(100)에 쉽게 연결하는 것을 용이하게 한다.
도 1b는 일부(예를 들어 8 개의) 열 교환 모듈(10)의 가능한 배열을 보다 상세하게 개략적으로 도시한다. 열 교환 모듈(10)은 직사각형 그리드로 배열될 수 있으며, 그리드는 제1 방향 (x), 제2 방향(y) 및 제3 방향(z)을 갖는다.
도 1b는 하나의 열 교환 모듈(10)의 제1 유체 흐름 채널(11)과 인접한 열 교환 모듈(10)의 제1 유체 흐름 채널(11)을 유체적으로 연결하여 제1 유입구를 제1 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제1 유체 경로를 형성하는 제1 매니폴드(12)를 개략적으로 도시한다.
도 1b는 하나의 열 교환 모듈(10)의 제2 유체 흐름 채널(21)과 인접한 열 교환 모듈(10)의 제2 유체 흐름 채널(21)을 유체적으로 연결하여 제2 유입구를 제2 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제2 유체 경로를 형성하는 제2 매니폴드(22)를 개략적으로 도시한다.
도 1b는 매니폴드 내에 배치된 분할 벽을 추가로 도시한다. 분할 벽(31)은 동일한 유체를 운반하는 유동 경로를 (제 1 또는 제 2) 분리하기 위해 제공된다. 분할 벽은 그리드와 정렬 될 수 있습니다. 서로 다른 유체를 운반하는 유로를 분리하기 위해 대각선 분할 벽(32)이 제공된다. 대각선 분할 벽(32)은 그리드에 대해 대각선으로 위치될 수 있다. 분할 벽(31)은 유체가 하나의 열 교환 모듈(10)로부터 다른 대각선으로 인접한 열 교환 모듈로 흐르는 것을 방지한다. 그러나, 이러한 분리 벽(31)은 선택적이고 생략될 수 있지만, 대각선 분리 벽(32)(제3 방향으로 본다)은 여전히 제1 및 제2 유체 흐름을 분리하기 위해 필요하다. 이러한 실시 예는 도 1d에 도시되어 있다.
도 1d는 후속 열 교환 모듈(10)을 통해 필요한 (구불구불한) 유체 경로에서 제1 및 제2 흐름을 안내하기 위해 제공된 제1 및 제2 방향으로 연장되는 안내 판(33)(회색으로 표시)을 추가로 도시한다. 이들 안내 판(33)은 명확성을 위해 도 1b에 도시되지 않았다.
도 1b에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 매니폴드(12, 22)는 제3 방향으로 연장된다. 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 대안적인 실시 예들도 제공된다.
도 1b는 각각의 열 교환 모듈(10)이 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)과 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 제2 방향으로 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널(21)을 포함하는 것을 더 보여준다. 제1 및 제2 유체 흐름 채널은 직선 채널로 도시되어 있지만 직조 구조로 제공되는 채널과 같이 비-직선 유동 채널도 포함되는 것으로 이해될 것이다. 더 일반적으로 설명하면, 열 교환 모듈(10)은 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 제1 모듈 면과 제2 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)과 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 제3 모듈 면과 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널(21)을 포함하고, 제1 및 제2 모듈 면은 제1 방향으로 서로 대향하고 제3 및 제4 모듈 면은 제2 방향으로 서로 대향한다. 제1 및 제2 모듈 면은 평행하고 동일한 크기 및 형상일 수 있다. 제3 및 제4 모듈 면은 평행하고 동일한 크기 및 형상일 수 있다.
열 교환 모듈(10)은 제3 방향으로 다수의 교차로 적층된 제1 및 제2 유체 채널을 포함한다.
도 1c에 개략적으로 도시된 실시 예에 따르면, 열 교환 모듈(10)은 제3 방향으로 적층된 다수의 층을 포함할 수 있으며, 각 층은 복수의 제1 및 제2 유체 채널(11, 21)을 포함한다는 것을 알 수 있다.
열 교환 모듈(10) 내의 실시 예에 따르면 복수의 제1 유체 흐름 채널(11) 및 복수의 제2 유체 흐름 채널(21)은 제3 방향으로 적층된다.
복수의 제1 유체 흐름 채널(11) 및 복수의 제2 유체 흐름 채널(21)은 제3 방향으로 교대로 적층될 수 있고, 하나 이상의 유체 흐름 채널이 제3 방향으로 동일한 레벨로 제공된다. 하나 이상의 제1 유체 흐름 채널(11)은 제3 방향에서 동일한 레벨로 서로 (제2 방향으로) 나란히 위치될 수 있다. 하나 이상의 제2 유체 흐름 채널(21)은 제3 방향에서 동일한 레벨로 서로 (제1 방향으로) 나란히 위치될 수 있다.
예를 들어, 열 교환 모듈(10)은 제3 방향으로 적층된 복수의 층을 포함할 수 있고, 층은 하나 이상의 제1 유체 흐름 채널(11) 및 하나 이상의 제2 유체 흐름 채널(21)을 교대로 포함한다.
열 교환 모듈(10)은 다수의 층을 포함할 수 있으며, 각 층은 하나 이상의 제1 유체 흐름 채널 또는 하나 이상의 제2 유체 흐름 채널을 포함한다. 각 층은 제1 유체 흐름 채널 또는 제2 유체 흐름 채널만을 포함할 수 있다.
층이 둘 이상의 (제1 또는 제2) 유체 흐름 채널을 포함하는 경우, 유체 흐름 채널은 원형, 반원형 또는 타원형 단면과 같은 임의의 적합한 단면 형상을 갖는 채널로서 형성될 수 있다. 제1 유체 흐름 채널은 모두 서로 평행할 수 있다. 제2 유체 흐름 채널은 모두 서로 평행할 수 있다. 이들 채널은 3D 프린팅 또는 화학적 에칭을 사용하여 형성될 수 있어서, 열 교환 모듈 및 채널의 크기, 형상 및 수를 최적화 할 수 있다. 이러한 제조 기술을 사용하면 형상에 대한 제한이 거의 없다. 유체 흐름 채널은 1 mm 미만, 0.5 mm 미만 또는 심지어 0.2 mm (200 마이크로미터(μm)) 미만의 직경을 가질 수 있다.
제1 및 제2 유체 흐름 채널은 최소 표면 기반 유형 형태, 직조 구조와 같은 보다 복잡한 형태로, 예를 들어 평직 구조로 제공될 수 있다. 이러한 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 유체 흐름 채널은 각각 제1 및 제2 방향으로 연장될 수 있지만, 또한 직조 구조를 얻기 위해 제3 방향으로의 변화를 포함한다. 보다 일반적으로, 열 교환 모듈은 각각 제1 방향으로 서로 대향하는 제1 모듈 면 및 제2 모듈 면을 포함하고, 열 교환 모듈(10)은 각각 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 제1 모듈 면과 제2 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)을 포함한다. 제1 모듈 면과 제2 모듈 면 사이에서, 제1 유체 흐름 채널은 직선 경로뿐만 아니라 다른 적절한 경로를 따를 수 있다. 제1 유체 흐름 채널은 또한 다른 제1 유체 흐름 채널과 분리 및/또는 결합될 수 있다.
유사하게, 열 교환 모듈은 각각 제2 방향으로 서로 대향하는 제3 모듈 면 및 제4 모듈 면을 포함하고, 열 교환 모듈(10)은 각각 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 제3 모듈 면과 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널(21)을 포함한다. 제3 모듈 면과 제4 모듈 면 사이에서, 제2 유체 흐름 채널은 직선 경로뿐만 아니라 다른 적절한 경로를 따를 수도 있다. 제2 유체 흐름 채널은 또한 다른 제2 유체 흐름 채널과 분리 및/또는 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 유체 흐름 채널(11)은 제1 방향으로 제1 채널 길이(L1)를 가지며, 제1 채널 길이(L1)는 간접 열 교환기(1)의 미리 결정된 설계 작동 파라미터를 위해 제1 유체 흐름 채널 내의 제1 유체의 열 입구 길이(LTL, 1)와 같거나 작다.
일 실시 예에 따르면, 제2 유체 흐름 채널(21)은 제2 방향으로 제2 채널 길이(L2)를 가지며, 제2 채널 길이(L2)는 간접 열 교환기(1)의 미리 결정된 설계 작동 파라미터를 위해 제2 유체 흐름 채널에서 제2 유체의 열 입구 길이(LTL, 2)보다 작거나 같다.
현재 간접 열 교환기 설계는 유체 사이의 열 교환이 치수가 정해진 제1 및 제2 유체 흐름 채널 사이에서 발생하는 간접 열 교환기를 설계할 수 있게 하여 각각의 유체 흐름 채널에서의 유체 흐름은 유체 흐름 채널의 전체 길이에 걸쳐 또는 적어도 유체 유동 채널의 길이에 걸쳐 전개되지 않으며, 바람직하게는 유체 흐름 채널 길이의 90 % 이상, 75 % 이상 또는 50 % 이상이다.
열 입구 길이는 열 경계 층이 존재하는 유체 흐름 채널의 입구에서 가져온 대략적인 길이이다. 열 입구 길이(Lt)는 열 경계 층이 합병된 유체 흐름 채널을 따른 대략적인 종 방향 위치이다. Lt의 다운 스트림, 채널을 통한 온도 분포는 완전히 전개된 프로파일을 갖는다. 다른 방법으로, 스트림은 벽으로부터 또는 벽으로의 열의 확산에 의해 완전히 침투하기 전에 특정 거리(Lt)를 여행해야 한다.
당업자는 열 입구 길이를 계산하는 방법을 이해할 것이다. 예를 들어, 층류 영역에서, 열 유입 길이는 레이놀즈(Re) 및 프란틀(Pr) 수 및 유체 흐름 채널의 특성 폭(D, 예를 들어 원형 단면을 갖는 유체 흐름 채널의 경우 직경)에 따라 달라진다. 열 입구 길이는 0.05Re
Figure pct00001
Pr
Figure pct00002
D이다.
일 실시 예에 따르면, 제1 채널 길이(L1)는 제2 채널 길이(L2)보다 길거나 짧다.
더 긴 이라는 용어는 제1 채널 길이(L1)가 제2 채널 길이(L2)보다 적어도 10 % 더 길다는 것을 나타내기 위해 사용된다: L1>1.1*L2. 더 짧은 이라는 용어는 제1 채널 길이(L1)가 제2 채널 길이(L2)보다 적어도 10 % 더 짧다는 것을 나타내기 위해 사용된다: L1<0.9*L2.
제1 및 제2 유체 흐름 채널은 바람직하게는 직선 채널이다(비록 대안적으로 직조 패턴으로 제공될 수도 있지만). 제1 유체 흐름 채널은 제2 유체 흐름 채널과 다른 길이를 가질 수 있다.
이 특징은 제1 및 제2 유체의 상이한 유체 특성 및 작동 조건(유량 등)을 고려하기 위해 제1 및 제2 유체 흐름 채널에 대해 상이한 채널 길이를 제공할 수 있게 한다. 정사각형 열 교환 모듈(제 3 방향으로 본다)이 아닌 직사각형 열 교환 모듈이 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름이 상이한 열 유입 길이를 가질 수 있음을 고려함으로써 최적화에 도달할 수 있는 것으로 인식된다.
제1 및 제2 유체 흐름 채널은 바람직하게 원형 단면을 갖는다. 제1 유체 흐름 채널은 제2 유체 흐름 채널의 제2 직경(D2)보다 크거나 작은 제1 직경(D1)을 가질 수 있다. 더 긴 이라는 용어는 제1 직경(D1)이 제2 직경(D2)보다 적어도 10 % 더 길다는 것을 나타내기 위해 사용된다: D1>1.1*D2. 더 짧은 이라는 용어는 제1 직경(D1)이 제2 직경(D2)보다 적어도 10 % 더 짧다는 것을 나타내기 위해 사용된다: D1<0.9*D2.
도 1b는 매니폴드가 위치되는 제1 및 제2 방향으로 인접한 열 교환 모듈들(10) 사이에 갭이 제공되는 것을 추가로 도시한다. 이러한 갭은 제1 및 제2 매니폴드를 생성한다.
일 실시 예에 따르면 제1 방향으로 인접한 열 교환 모듈들(10)이 서로에 대해 중간 거리(dx)에 위치되어 제1 매니폴드(12)를 생성하고, 제2 방향으로 인접한 열 교환 모듈들(10)이 서로에 대해 중간 거리(dy)에 위치되어, 제2 매니폴드(22)를 생성하는 간접 열 교환기가 제공된다.
제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11) 및 복수의 제2 유체 흐름 채널(21) 및 결과적으로 제1 및 제2 매니폴드에 대한 상이한 레이-아웃이 가능하고, 아래에 더 상세히 설명될 것이다.
전술한 바와 같이, 현재 제안된 아키텍처는 간접 열 교환기의 전체 레이아웃 및 형상을 설계할 수 있는 자유를 제공한다. 제1 매니폴드 및 제2 매니폴드는 제1, 제2 또는 제3 방향으로 인접한 열 교환 모듈(10)의 제1 및 제2 유체 흐름 채널을 유체 연결하기 위해 사용될 수 있다.
도 2a에 개략적으로 도시된 실시 예에 따르면, 제1 매니폴드(12)는 제1 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈(10)을 유체 연결하고, 제2 매니폴드(22)는 제1 방향으로 인접한 2 개의 열 교환 모듈(10)을 유체 연결한다.
이 실시 예에 따르면, 제1 유체는 굽힘 없이 직렬로 배치된 다수의 열 교환 모듈(10)을 통해 흐르고, 반면 제2 유체 유동은 제2 유체 흐름 채널(21)로부터 제2 매니폴드(22)로 그리고 그 뒤로 전달될 때 구부러지는 다수의 열 교환 모듈을 통해 구불구불해진다. 이 실시 예는 제1 유체 흐름이 하나에서 다음 열 교환 모듈로 흐를 때 급격히 구부러지지 않는다는 이점을 갖는다.
제1 방향으로 인접한 열 교환 모듈들(10)은 매니폴드, 즉 인접한 열 교환 모듈 사이의 '개방형 공간'을 생성하기 위해 서로에 대해 중간 거리(dx)에 위치되어 제1 유체 흐름이 균일한 속도 및 실질적으로 평탄한 온도 프로파일을 형성하게 한다. 이는 제1 유체 흐름이 다음 열 교환 모듈(10)로 들어갈 때, 유체 흐름 채널의 전체 길이 또는 적어도 실질적인 부분에 걸쳐 전개되지 않은 흐름을 갖는 것으로부터 다시 이점을 얻는다. 또한 모든 열 교환 모듈이 유사한 유입 조건을 경험하므로 간접 열 교환기의 시뮬레이션을 용이하게 한다.
한편, dx의 값은 바람직하게는 간접 열 교환기의 크기를 제한하기 위해 가능한 한 작은 반면, dx의 값은 바람직하게는 상기 언급된 이점을 허용하기에 충분히 큰 것이 바람직하다. 따라서, 일 실시 예에 따르면, 거리(dx)는 제1 유체 흐름 채널 길이의 최대 70 %, 바람직하게는 제1 유체 흐름 채널 길이의 50 % 이상이다. 일 실시 예에 따르면, dx> 0이다.
이러한 실시 예의 예는 도 2a에 개략적으로 도시되어 있으며 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
제1 매니폴드는 거리(dx)와 동일한 제1 방향의 길이를 가지며 제2 방향 및 제3 방향에서의 열 교환 모듈의 치수와 각각 일치하도록 제2 및 제3 방향으로 추가적으로 치수가 결정된다.
제2 매니폴드는 유체 연결되는 인접 열 교환 모듈 및 거리(dx)를 따라 제1 방향으로 연장되고, 제1 및 제3 방향으로 인접한 열 교환 모듈의 치수와 각각 일치하도록 제1 및 제3 방향으로 치수가 더 설정된다.
후속하는 제2 매니폴드는 열 교환 모듈의 교번 측면에 제2 방향으로 배치되고 제1 방향으로의 열 교환 모듈의 치수 플러스 dx와 실질적으로 동일한 거리로 제1 방향으로 서로에 대해 오프셋되어, 이에 따라 구불구불한 제2 유체 경로를 생성한다.
제1 및 제2 유체 흐름은 열 교환 모듈(10) 내에서 직교류이며 전체 간접 열 교환기의 레벨에서 흐름을 반대한다.
도 2b에 개략적으로 도시된 실시 예에 따르면, 제1 매니폴드는 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈을 유체 연결하고, 제2 매니폴드는 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈을 유체 연결한다.
이러한 실시 예의 예시는 도 2b에 개략적으로 도시되어 있으며 아래에서 더 상세히 설명될 것이다. 이러한 실시 예시는 예를 들어 해양 시설(고정된 플랫폼, 반-잠수정 플랫폼, 중력 기반 플랫폼, 텐션 레그 플랫폼 및 플로팅 생산 선박을 포함하는)과 같은 제한된 플롯 공간이 이용 가능한 상황에서 특히 유리할 수 있다. 해양 시설의 예로는 부유 액체 천연 가스 시설(FLNG 용기), 부유 생산, 저장 및 하역 시설(FPSO) 및 부유 저장 및 재기화 유닛(FSRU)이 있다.
이 실시 예에 따르면, 제1 유체는 다수의 열 교환 모듈(10)을 통해 구불구불하게 되고 또한 제2 유체 흐름은 다수의 열 교환 모듈을 통해 구불구불하게 되며, 제1 및 제2 흐름 모두 유체 유동 채널에서 매니폴드로 그리고 뒤로 이동할 때 구부러진다.
제1 매니폴드는 거리(dx/2)에 걸쳐 제1 방향으로 연장되고, 제2 방향으로 인접한 열 교환 모듈의 치수와 일치하도록 제2 방향으로 연장되고, 인접한 두 개의 열 교환 모듈을 따라 제3 방향으로 연장된다.
제2 매니폴드는 제1 방향으로 인접한 열 교환 모듈의 치수와 일치하도록 제1 방향으로 연장되고, 거리(dy/2)에 걸쳐 제2 방향으로 연장되며, 인접한 두 개의 열 교환 모듈을 따라 제3 방향으로 연장된다.
열 교환 모듈이 제3 방향으로 중간 거리(dz)에 위치되는 경우, 반드시 그런 것은 아니지만, 제1 및 제2 매니폴드는 또한 이 중간 거리(dz)를 제3 방향으로 커버한다.
설명된 실시 예는 필요한 플롯 공간을 증가시키지 않고 열 교환 모듈을 직렬로 배치할 수 있게 한다. 이는 선박 또는 바지선과 같이, 예를 들어 FLNG 선박(부상 액체 천연 가스) 또는 LNG 재기화 선박(LNG: 액체 천연 가스)과 같은 더 적은 플롯 공간이 이용 가능한 상황에서 특히 유리할 수 있다.
제1 및 제2 유체 흐름은 역류 또는 평행 흐름일 수 있다.
일 실시 예에 따르면 간접 열 교환기(1)는 제1 방향으로 인접한 열 교환 모듈을 유체 연결하는 복수의 제1 매니폴드와 제2 또는 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈을 유체 연결하는 복수의 제1 매니폴드를 포함한다.
이러한 실시 예의 예시는 도 2c에 개략적으로 도시되어 있다.
이러한 실시 예에 따르면, 제1 유입구와 제1 유출구를 연결하는 하나 이상의 제1 유체 경로는 제1 방향으로 직렬로 배치된 제1 그룹의 열 교환 모듈(10)을 통과 할 수 있고, 제1 방향으로 직렬로 배치된 제2 그룹의 열 교환 모듈(10)이 뒤 따르고, 제1 방향으로 직렬로 배치된 제3 그룹의 열 교환 모듈(10)이 뒤 따르고, 상기 제1 및 제2 그룹은 상기 제2 또는 제3 방향으로 서로 인접하고 상기 제2 또는 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈을 연결하는 제1 매니폴드 및 상기 제2 및 제3 그룹이 각각 인접한 유체에 의해 유체 소통되는 다른 하나는 제2 또는 제3 방향으로 다른 하나이며, 제2 또는 제3 방향으로 인접한 2 개의 열 교환 모듈을 연결하는 제1 매니 폴드에 의해 유체 연통된다.
임의의 적절한 양의 추가 그룹의 열 교환 모듈(10)이 각각의 하나 이상의 제1 유체 경로에 추가 될 수 있다는 것이 이해 될 것이다.
이러한 실시 예에 따르면, 간접 열 교환기의 전체 형상을 설계하는 자유도가 증가되고, 제1 방향으로의 간접 열 교환기의 길이 및 제3 방향으로의 간접 열 교환기의 높이는 조절될 수 있다. 제1 흐름에 의해 경험되는 압력 강하는 열 교환 모듈의 수에 대해 굽힘(제3 방향으로 연장되는 매니폴드)의 수가 제한되기 때문에 상대적으로 낮게 유지될 수 있다.
도 2d에 개략적으로 도시된 실시 예에 따르면, 간접 열 교환기(1)는 제2 방향으로 인접한 2 개의 열 교환 모듈을 유체 연결하는 복수의 제2 매니폴드 및 제1 또는 제3 방향으로 인접한 2 개의 열 교환 모듈을 유체 연결하는 복수의 제2 매니폴드를 포함한다.
이러한 실시 예의 예는 도 2d에 개략적으로 도시되어있다.
이러한 실시 예에 따르면, 제2 유입구와 제2 유출구를 연결하는 하나 이상의 제2 유체 경로는 제2 방향으로 직렬로 배치된 제1 그룹의 열 교환 모듈(10)을 통과 할 수 있고, 제2 방향으로 직렬로 배치된 제2 그룹의 열 교환 모듈(10)이 뒤 따르고, 제2 방향으로 직렬로 배치된 제3 그룹의 열 교환 모듈(10)이 뒤 따르고, 제1 및 제2 그룹은 제1 또는 제3 방향으로 서로 인접하고 제1 또는 제3 방향으로 인접한 2 개의 열 교환 모듈을 연결하는 제2 매니폴드에 의해 유체 연통하고 제2 및 제3 그룹은 제1 또는 제3 방향으로 서로 인접하고 제1 또는 제3 방향으로 인접한 2 개의 열 교환 모듈을 연결하는 제2 매니폴드에 의해 유체 연통된다.
임의의 적절한 양의 추가 그룹의 열 교환 모듈(10)이 각각의 하나 이상의 제2 유체 경로에 추가될 수 있다는 것이 이해 될 것이다.
이러한 실시 예에 따르면, 간접 열 교환기의 전체 형상을 설계하는 자유도가 증가되고, 제2 방향으로의 간접 열 교환기의 길이 및 제3 방향으로의 간접 열 교환기의 높이가 조정될 수 있다. 제2 흐름에 의해 경험되는 압력 강하는 열 교환 모듈의 수에 대해 굽힘(제3 방향으로 연장되는 매니폴드)의 수가 제한되기 때문에 비교적 낮게 유지될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 유입구는 제1 분배 헤더(101)를 포함하고, 제1 유출구는 제1 수집 헤더(102)를 포함하고, 제2 유입구는 제2 분배 헤더(103)를 포함하고 제2 유출구는 제2 수집 헤더(104)를 포함한다. 이것은 위에서 이미 설명한 도 1a에 개략적으로 도시되어 있다.
헤더는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 직사각형 그리드의 면의 적어도 일부를 덮는 캡으로서 형성될 수 있다. 헤더는 내부를 포함할 수 있거나 유체의 분포를 최적화하기 위해 특정 형상으로 제공될 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 분배 및 수집 헤더는 각각 직사각형 그리드의 단일 면과 연관될 수 있다. 다른 디자인 옵션이 가능하다.
분배 및 수집 헤더는 유체 흐름이 열 교환 모듈로 직접 유입되도록 하는 직사각형 그리드의 면과 관련될 수 있다. 이는 제1 분배 헤더가 제1 방향을 향하는 직사각형 그리드의 제1면과 관련되는 실시 예의 경우일 수 있으며, 제1 수집 헤더는 제1 면의 반대 방향으로 향하는 직사각형 그리드의 제2 면과 관련되고, 제2 분배 헤더는 제2 방향을 향하는 직사각형 그리드의 제3 면과 연관되고 제2 수집 헤더는 제3면의 반대 방향을 향하는 직사각형 그리드의 제4 면과 연관된다.
그러나, 각각의 분배 및 수집 헤더가 열 교환 모듈을 통한 각각의 유체 흐름 방향과 상이한 방향으로 향하는 직사각형 그리드의 각각의 면과 관련되는 대안적인 실시 예가 고려될 수 있다. 예를 들어, 제1 분배 헤더는 제2 방향을 향하는 직사각형 그리드의 제1 면(의 일부)과 연관될 수 있고, 제1 수집 헤더는 제1 면의 반대 방향으로 향하는 직사각형 그리드의 제2 면(의 일부)과 연관될 수 있고, 제2 분배 헤더는 제3 방향을 향하는 직사각형 그리드의 제3 면(의 일부)과 연관될 수 있고 제2 수집 헤더는 제3 면의 반대 방향을 향하는 직사각형 그리드의 제4 면(의 일부)과 연관될 수 있다.
이러한 실시 예에서, 각각의 제1 및 제2 분배 헤더를 열 교환 모듈의 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)과 유체 연결하기 위해 하나 이상의 제1 및 제2 유체 분배 채널이 제공될 수 있고 하나 이상의 제1 및 제2 유체 수집 채널이 각각의 제1 및 제2 수집 헤더를 열 교환 모듈의 제1 및 제2 유체 흐름 채널(11, 21)과 유체 연결하기 위해 제공될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 제1 및 제2 유체 분배 채널은 인접한 열 교환 모듈 모두(의 로우)에 제1 및 제2 유체를 각각 제공하기 위해 2 개의 (로우의) 인접한 열 교환 모듈 사이에 제공된다. 마찬가지로, 이러한 제1 및 제2 유체 수집 채널은 인접한 두 (로우의) 열 교환 모듈로부터 각각 제1 및 제2 유체를 수용하기 위해 2 개의 (로우의) 인접한 열 교환 모듈 사이에 제공된다.
다른 실시 예에 따르면 제1 세트의 제1 유체 경로 및 제1 세트의 제2 유체 경로는 제1 세트의 열 교환 모듈(10)과 관련되고 제2 세트의 제1 유체 경로 및 제2 세트의 제2 유체 경로는 제2 세트의 열 교환기 모듈(10)과 관련된다. 열 교환 모듈(10)의 제1 및 제2 세트는 중첩되지 않는다. 제1 및 제2 유체 경로의 제1 세트는 열 교환 모듈의 제1 세트와 독점적으로 관련되며 제2 세트의 제1 및 제2 유체 경로는 독점적으로 제2 세트의 열 교환 모듈과 관련된다. 추가적인 독점적으로 연관된 제1 및 제2 유체 경로를 갖는 추가적인 열 교환 모듈 세트가 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 상이한 세트의 제1 및 제2 유체 경로가 각각에 평행하게 제공된다. 제1 및 제2 유체 분배 채널 및 제1 및 제2 유체 수집 채널은 상이한 세트의 유체 경로에 걸쳐 제1 및 제2 유체를 분배하기 위해 제공된다.
본 출원은 비교적 컴팩트한 열 교환기에 관한 것이다. 상기 열 교환기는 액화 천연 가스의 처리를 위한 설비에 유리하게 적용될 수 있다. 열 교환기는 일반적으로 이러한 시설의 중요한 영역을 차지하고 영역 및 필요한 플롯 공간이 필요한 자본 지출에 직접 영향을 미치므로, 보다 컴팩트한 열 교환기의 가용성은 CAPEX를 크게 절약할 수 있다. CAPEX는 이러한 시설의 경제적 생존 능력의 핵심 요소이다. 그러나, 본 발명의 열 교환기의 설계는 또한 보다 효율적인 열 전달을 가능하게 한다. 그리고 보다 효율적인 열 전달은 필요한 열 교환기의 양을 줄이고 결과적으로 필요한 면적, 플롯 공간 및 관련 비용을 더욱 줄인다.
보다 컴팩트한 열 교환기의 경우 드라이브는 더 작은 채널 직경을 사용해야 하므로 동일한 체적에 더 많은 표면적을 배치할 수 있다. 이는 재료 및 관련 비용에 대한 요구 사항을 줄인다. 더 작은 채널 직경을 적용함으로써, 층류 영역에서 작동하도록 열 교환기를 설계하는 것이 유리하다. 층류 영역에서, 더 나은 열 전달 및 개선된 압력 강하 비율이 있다. 이점은 예를 들어 작은 채널 직경에 대한 비율에서 특히 유리하다(예를 들어, 1mm 이하의 각 흐름 채널(11, 21)의 직경은 여기에서 작음). 열 교환기가 층류 영역에서 작동하도록 설계된 경우, 이 영역은 완전히 전개된 흐름보다 열 전달 계수가 더 우수하므로 채널 길이를 입구 길이 내에 유지하는 것이 좋다.
입구 길이를 사용하려면 흐름이 채널을 가져와 열 교환기를 통과할 때 여러 번 다시 수집해야 한다. 이러한 어려움은 비교적 많은 수의 후속 열 교환기 모듈이 충분한 온도 감소를 제공할 수 있어야 하기 때문에 액화 천연 가스를 처리하는 방법에 사용하기 위한 것과 같은 산업 규모의 열 교환기에서 해결된다. 위에서, 적어도 8 개의 모듈을 포함하는 실시 예가 설명되었다. 그러나, 본원에서 다수의 문구는 예를 들어, 약 20 내지 100 개의 상호 연결된 열 교환기 모듈 또는 그 이상의 범위인 8개 모듈을 초과하는 수를 지칭할 수 있다.
기존의 제조 기술(밀링, 튜브 용접 등)은, 이는 제조 과정에서 복잡성을 유발하기 때문에, 모듈을 상호 연결하기 위한 적절한 회수 영역을 만드는 데 적합하지 않다. 결과적으로, 열 입구 길이를 효과적으로 사용하기 위한 회수 영역을 갖는 산업 규모의 열 교환기가 현재 없다. 예를 들어, 인쇄 회로 열 교환기(PCHE)는 현재 석유 및 가스 산업에서 사용되는 가장 컴팩트한 빌드 열 교환기이지만 PCHE는 열 교환기의 입구와 출구 사이에 연속 채널을 가지고 있다.
도 3은 세로 축의 온도(T)와 가로 축의 채널 길이(Lch)를 나타내는 다이어그램이다. 연속 채널을 갖는 종래의 열 교환기의 경우, 제1 채널의 공급물 스트림 온도 프로파일(150)은 예를 들어 웜 엔드(warm end)(152)에서 콜드 엔드(cold end)(154)로 연속적으로 떨어질 수 있다. 제1 채널에 대해 수직으로 배열된 연속적인 제2 채널은 냉매를 보유할 수 있다. 제2 채널을 통해 흐르는 냉매의 냉매 온도 프로파일(160)은 결과적으로 예를 들어 저온(162)으로부터 웜 엔드(164)로 연속적으로 증가할 수 있다. 양 채널(즉, 웜 엔드(152)의 온도와 콜드 엔드(162) 사이)의 입구에서의 온도 차이는 교차점(170)으로 표시되는 양 채널의 온도가 교차하는 것을 피하기에 충분해야 한다.
본 발명의 열 교환기 유닛의 모듈식 구성은 도 4에 도시된 바와 같이 온도 교차를 피할 수 있게 한다. 예를 들어, 도 4는 예를 들어 3 개의 후속 모듈(10)에서 3 개의 채널(Lch1, Lch2, Lch3)에 대한 온도(T) 대 채널 길이(L)의 그래프로 도시한다. 여기서, 공급물 스트림 온도 프로파일(180)은 제1 채널(Lch1) 내지 제2 채널(Lch2) 내지 제3 채널(Lch3)을 통해 웜 엔드(182)로부터 콜드 엔드(184)로 떨어진다. 냉매는 제3 채널(Lch3)을 통해 제2 채널(Lch2) 내지 제1 채널(Lch1)로 역류로 흐른다. 이로 인해 후속 냉매 온도 프로파일(190, 200 및 210)이 세 번째 또는 마지막 채널의 콜드 엔드(192)에서 웜 엔드(194)로, 제2 채널의 콜드 엔드(202) 및 웜 엔드 (204)로, 제1 채널의 콜드 엔드(212) 및 온 엔드(214)로 꾸준히 증가한다. 본 개시의 열 교환기 유닛(100)은 사실상 무제한의 후속 모듈을 추가함으로써 도 4의 온도 프로파일을 산업 규모로 확장할 수 있게 한다.
US3986549 및 US20130125545에 개시된 열 교환기는 각각 가정 또는 차량에서 소규모 적용을 목적으로 하며 경제적으로 실행 가능한 방식으로 확장하기에 적합하지 않다. 예를 들어, US20130125545A1에 개시된 열 교환기(소개에서 논의)는 유체가 중간 단계에서 혼합되어 하류 열 교환 채널에서 균일한 온도를 달성하는 구성을 갖는다. 이는 역류 흐름 배향을 달성하기 위해 작동 유체의 보다 균일한 가열 또는 냉각으로 이어진다.
본 출원의 열 교환기는 각각의 후속 모듈에 대해 역류 흐름 방향을 달성할 수 있게 하는 매니폴드를 포함하고, 매니폴드는 또한 균일한 속도 프로파일을 갖는 각각의 각 모듈에서 흐름을 시작하기 위해 흐름을 혼합한다. 이것은 열 입구 길이의 이점을 효과적으로 이용할 수 있게 한다. 또한, 본 출원의 열 교환기는 오일 및 가스, 인쇄 회로 열 교환기(PCHE)에 사용되는 현재 가장 작은 열 교환기에 대한 질량 감소 및 부피 감소를 제공한다.
본 개시의 열 교환기는 산업 규모로 적용되도록 스케일 업 될 수 있다. 예를 들어, 열 교환 유닛(100)은 액화 천연 가스를 처리하기 위한 시설에서 수냉식 열 교환기를 대체하도록 스케일링될 수 있다. 이러한 적용에서, 본 발명의 열 교환기는 천연 가스 스트림을 60 ℃ 정도의 처리 온도에서 0 내지 10 ℃ 정도의 워터 루프 온도로 냉각시키는 공정에 포함될 수 있다. 대안적인 실시 예는
실제 실시 예에서, 열 교환 유닛(100)은 50 개의 상호 연결된 열 교환 모듈(10)의 순서로 포함할 수 있다(도 1a와 같이). 열 교환 유닛의 유입구 및 유출구의 플랜지 연결은 필요에 따라 다수의 열 교환 유닛(100)을 병렬 또는 직렬로 연결할 수 있게 한다.
실제 실시 예에서, 모듈(10)은 10 내지 50 cm, 예를 들어 약 20 cm의 길이 및/또는 폭(각각 x 및 y 방향)을 가질 수 있다. 모듈들(10)(z 방향)의 높이는 20 내지 100 cm, 예를 들어 약 50 cm 일 수 있다. 열 교환 유닛(100)(도 1a)은 폭이 약 1.25m, 길이가 2m, 높이가 1.5m 정도일 수 있다. 열 교환 유닛(100) 내부에서 상호 연결된 열 교환 모듈(10)의 조립체는 75 cm 정도의 폭, 1 m 정도의 높이를 가지며 실질적으로 유닛(100)의 전체 길이에 걸쳐 있을 수 있다.
따라서, 열 교환 모듈(100)은 산업 규모의 적용, 예를 들어 액화 천연 가스의 처리에 적합하다. 단일 유닛(100)은 대량 처리량을 처리하기에 충분히 큰 크기 일 수 있다. 그러나, 유닛(100)은 트럭, 크레인 및/또는 선박과 같은 종래의 수단에 의해 산업 현장으로 및 산업 현장으로부터 운송될 수 있는 크기일 수 있다. 냉각 용량을 증가시키기 위해 다수의 유닛(100)이 병렬 및/또는 직렬로 포함될 수 있다.
천연 가스 액화 설비에 적용하기 위해, 냉매 및 공정 스트림(일반적으로 전처리된 천연 가스)의 유량은 0.5 내지 20m/s 정도일 수 있다. 본 발명의 열 교환 모듈은 물, 메탄, 에탄, 프로판 및 질소를 포함한 다양한 냉매 또는 혼합 냉매(MR)와 함께 사용하기에 적합하다. MR은 전형적으로 메탄, 에탄 및/또는 프로판과 같은 탄화수소의 혼합물을 포함한다. MR은 질소를 포함할 수 있다.
본 개시는 전술한 바와 같은 실시 예들 및 첨부된 청구 범위에 제한되지 않는다. 많은 수정들이 고려될 수 있고 각각의 실시 예들의 특징들이 결합될 수 있다.
일부 실시 양태의 특정 측면의 하기 실시 예는 본 발명의 보다 나은 이해를 돕기 위해 제공된다. 이들 실시 예는 본 발명의 범위를 제한하거나 정의하기 위해 판독되어서는 안 된다.

Claims (21)

  1. 간접 열 교환기(1)를 사용하는 방법에 있어서, 상기 간접 열 교환기는:
    제1 유체 흐름을 수용하기 위한 제1 유입구,
    상기 제1 유체 흐름을 배출하기 위한 제1 유출구,
    제2 유체 흐름을 수용하기 위한 제2 유입구,
    상기 제2 유체 흐름을 배출하기 위한 제2 유출구,
    직사각형 그리드로 배열된 복수의 열 교환 모듈들(10)로서, 상기 그리드는 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향을 가지며, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제1 방향으로 서로 대향하는 제1 모듈 면 및 제2 모듈 면을 포함하고, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제2 방향으로 서로 대향하는 제3 모듈 면 및 제4 모듈 면을 포함하고,
    상기 열 교환 모듈(10)들 각각은 상기 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제1 모듈 면과 상기 제2 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)들과 상기 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제3 모듈 면과 상기 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 포함하는, 상기 복수의 열 교환 모듈,
    상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)과 유체 연결하여 상기 제1 유입구를 상기 제1 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제1 유체 경로를 형성하는 제1 매니폴드(12), 및
    상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)과 유체 연결하여 상기 제2 유입구를 상기 제2 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제2 유체 경로들을 형성하는 제2 매니폴드(22)를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 흐름 채널들(11)은 상기 제1 방향으로 제1 채널 길이(L1)를 가지며, 상기 제1 채널 길이(L1)는 상기 간접 열 교환기(1)의 미리 결정된 설계 작동 파라미터에 대해 상기 제1 유체 흐름 채널들(11)에서 상기 제1 유체의 열 입구 길이(LTL, 1)보다 작거나 같은, 방법.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 유체 흐름 채널들(21)은 상기 제2 방향으로 제2 채널 길이(L2)를 가지며, 상기 제2 채널 길이(L2)는 상기 간접 열 교환기(1)의 미리 결정된 설계 작동 파라미터에 대해 상기 제2 유체 흐름 채널들(21)에서 상기 제2 유체의 열 입구 길이(LTL, 2)보다 작거나 같은, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널 길이(L1)는 상기 제2 채널 길이(L2)보다 길거나 짧은, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 방향으로 인접한 열 교환 모듈들(10)은 서로에 대해 중간 거리(dx)에 위치되어 상기 제1 매니폴드(12)를 생성하고, 상기 제2 방향으로 인접한 열 교환 모듈들(10)은 서로에 대해 중간 거리(dy)에 위치되어 상기 제2 매니폴드(22)를 생성하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환 모듈들(10) 내의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11) 및 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)은 상기 제3 방향으로 적층되는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매니폴드(12)는 상기 제1 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들(10)을 유체 연결하고, 상기 제2 매니폴드(22)는 상기 제1 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들(10)을 유체 연결하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매니폴드(12)는 상기 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들을 유체 연결하고, 상기 제2 매니폴드(22)는 상기 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들(10)을 유체 연결하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간접 열 교환기(1)는 상기 제1 방향으로 인접한 열 교환 모듈들을 유체 연결하는 복수의 제1 매니폴드와 상기 제2 또는 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들을 유체 연결하는 복수의 제1 매니폴드를 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간접 열 교환기(1)는 상기 제2 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들을 유체 연결하는 복수의 제2 매니폴드와 상기 제1 또는 제3 방향으로 인접한 두 개의 열 교환 모듈들을 유체 연결하는 복수의 제2 매니폴드를 포함하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유입구는 제1 분배 헤더(101)를 포함하고, 상기 제1 유출구는 제1 수집 헤더(102)를 포함하고, 상기 제2 유입구는 제2 분배 헤더(103)를 포함하고 상기 제2 유출구는 제2 수집 헤더(104)를 포함하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 3D 인쇄 기술 또는 화학적 에칭 기술을 사용하여 상기 복수의 열 교환 모듈들(10)을 제조하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 세트의 제1 유체 경로 및 제1 세트의 제2 유체 경로는 제1 세트의 열 교환 모듈(10)과 관련되고 제2 세트의 제1 유체 경로 및 제2 세트의 제2 유체 경로는 제2 세트의 열 교환기 모듈(10)과 관련되는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 액화 천연 가스의 처리를 위해 상기 간접 열 교환기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 천연 가스를 액화시키기 위해 상기 간접 열 교환기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 상기한 바와 같은 간접 열 교환기를 설계하는 방법에 있어서, 상기 설계하는 방법은,
    -상기 간접 열 교환기의 설계 작동 파라미터 결정하는 단계로서, 상기 설계 작동 파라미터는: 상기 제1 유체 흐름의 유량, 상기 제1 유체 흐름의 유입구 온도, 상기 제1 유체 흐름의 유출구 온도, 상기 제1 유체 흐름의 유입구 압력, 상기 제1 유체 흐름의 유출구 압력, 상기 제1 유체의 질량 밀도, 점도, 비열 용량 및 열 전도성과 같은 물리적 특성, 상기 제2 유체 흐름의 유량, 상기 제2 유체 흐름의 유입구 온도, 상기 제2 유체 흐름의 유출구 온도, 상기 제2 유체 흐름의 유입구 압력, 상기 제2 유체 흐름의 유출구 압력, 상기 간접 열 교환기의 듀티(duty), 상기 제2 유체의 질량 밀도, 점도, 비열 용량 및 열 전도성과 같은 물리적 특성 중 하나 이상을 포함하는, 상기 설계 작동 파라미터 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 상기 설계 작동 파라미터에 기초하여,
    vii) 상기 제1 및 제2 유체 경로들에 포함될 열 교환 모듈들의 양을 결정하는 단계,
    viii) 열 교환 모듈 당 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)의 양뿐만 아니라 상기 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)의 단면 치수를 결정하는 단계,
    ix) 상기 제1 및 제2 유체 흐름 채널들(11, 21)의 길이를 결정하는 단계,
    x) 상기 제1 및 제2 매니폴드들의 치수를 결정하는 단계,
    xi) 상기 직사각형 그리드의 레이-아웃을 결정하는 단계,
    xii) 제1 분배 헤더(101), 제1 수집 헤더(102), 제2 분배 헤더(103) 및 제2 수집 헤더(104)의 치수를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 간접 열 교환기(10)의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 3D 인쇄 기술 또는 화학적 에칭 기술을 사용하여 상기 복수의 열 교환 모듈들(10)을 제조하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 액화 천연 가스 처리 시설에 있어서, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 간접 열 교환기를 포함하는, 설비.
  19. 적어도 하나의 간접 열 교환기를 포함하는 액화 천연 가스 처리 설비에 있어서, 상기 간접 열 교환기는,
    제1 유체 흐름을 수용하기 위한 제1 유입구,
    상기 제1 유체 흐름을 배출하기 위한 제1 유출구,
    제2 유체 흐름을 수용하기 위한 제2 유입구,
    상기 제2 유체 흐름을 배출하기 위한 제2 유출구,
    직사각형 그리드로 배열된 복수의 열 교환 모듈들(10)로서, 상기 그리드는 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향을 가지며, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제1 방향으로 서로 대향하는 제1 모듈 면 및 제2 모듈 면을 포함하고, 상기 열 교환 모듈들 각각은 상기 제2 방향으로 서로 대향하는 제3 모듈 면 및 제4 모듈 면을 포함하고, 상기 열 교환 모듈(10)들 각각은 상기 제1 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제1 모듈 면과 상기 제2 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제1 유체 흐름 채널(11)들과 상기 제2 유체 흐름을 수용하기 위해 상기 제3 모듈 면과 상기 제4 모듈 면 사이에서 연장되는 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 포함하는, 상기 복수의 열 교환 모듈,
    상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제1 유체 흐름 채널들(11)과 유체 연결하여 상기 제1 유입구를 상기 제1 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제1 유체 경로를 형성하는 제1 매니폴드(12), 및
    상기 열 교환 모듈들 중 하나의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)을 인접한 열 교환 모듈(10)의 상기 복수의 제2 유체 흐름 채널들(21)과 유체 연결하여 상기 제2 유입구를 상기 제2 유출구와 연결하고 둘 이상의 열 교환 모듈들(10)을 통해 흐르는 하나 이상의 제2 유체 경로들을 형성하는 제2 매니폴드(22)를 포함하는, 설비.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 유체 흐름 채널(11)은 상기 제1 방향으로 제1 채널 길이(L1)를 가지며, 상기 제1 채널 길이(L1)는 상기 간접 열 교환기(1)의 미리 결정된 설계 작동 파라미터에 대해 상기 제1 유체 흐름 채널(11)에서 상기 제1 유체의 열 입구 길이(LTL, 1)보다 작거나 같은, 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 제2 유체 흐름 채널들(21)은 상기 제2 방향으로 제2 채널 길이(L2)를 가지며, 상기 제2 채널 길이(L2)는 상기 간접 열 교환기(1)의 미리 결정된 설계 작동 파라미터에 대해 상기 제2 유체 흐름 채널들(21)에서 상기 제2 유체의 열 입구 길이(LTL, 2)보다 작거나 같은, 방법.
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