KR20200022478A - 열악한 사용 조건을 위한 열교환기 - Google Patents

Abstract

일 구성에서 열악한 온도 및 유체 유동 조건을 위한 열교환기는 제1 종방향 쉘, 제2 종방향 쉘, 및 이들 종방향 쉘 사이에서 횡방향으로 연장되는 횡방향 쉘을 포함한다. 종방향 쉘은 서로 평행할 수 있다. 이들 쉘은 입구 및 출구 튜브 시트 사이에 공통의 쉘측 공간을 형성하기 위해 서로 직접 유체적으로 결합된다. 따라서, 일반적으로 U자형의 쉘 조립체가 형성된다. 튜브 다발은 튜브 시트 사이의 종방향 및 횡방향 쉘을 통해 연장되는 복수의 튜브를 포함하는 상보적인 U자형 구성을 갖는다. 신축 이음은 각각의 종방향 쉘을 튜브 시트 중 하나에 유체적으로 결합시킨다. 쉘측 입구 및 출구 노즐은 열교환기로부터 쉘측 유체를 도입 및 배출하기 위해 신축 이음에 유체 결합될 수 있다. 다른 구성에서, 열교환기는 동일한 구성의 튜브 다발을 갖는 L자형일 수 있다.

Description

열악한 사용 조건을 위한 열교환기

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2017년 6월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/526,213호(그 전체가 본원에 참조로 포함된다)의 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전 산업에 적합한 쉘 및 튜브형 열교환기에 관한 것이다.

쉘 및 튜브형 열교환기는 다양한 공정 유체를 가열 또는 냉각시키기 위해 발전 및 기타 산업에서 사용된다. 예를 들어, 급수 히터와 같은 열교환기는 전력을 생산하기 위해 증기 터빈 발전기 세트와 함께 랭킨(Rankine) 발전 사이클에 사용된다. 이러한 용도에서, 쉘측 유체(즉, 튜브 외부의 쉘 내에서 유동하는 유체)는 전형적으로 증기이고, 튜브측 유체(즉, 튜브 내부로 유동하는 유체)는 급수이다. 터빈으로부터 배출된 저압 증기는 응축되어 급수를 형성한다. 다수의 급수 히터는 일반적으로 랭킨 사이클에서 증기 터빈의 다양한 추출 지점으로부터 추출된 증기를 사용하여 온도 급수를 순차적으로 그리고 점차적으로 증가시키기 위해 사용된다. 가열된 급수는 증기 발생기로 되돌아 가서 증기로 전환되어 사이클을 완료한다. 증기 발생기에서 급수를 증기로 전환시키는 데 사용되는 열원은 핵 또는 화석 연료일 수 있다.

특정 작동 조건에서, 쉘 및 튜브 다발에서의 높은 종방향(길이방향) 응력은 쉘 및 튜빙 재료의 열팽창 계수 및 두 유동 스트림 사이의 유체 온도(튜브측 및 쉘측)의 차이로 인한 차등 열 팽창으로 발생한다. 고온 (예를 들어, 화씨 500도 이상의 온도)에서의 열악한 사용 조건에서 작동하는 고정 튜브 시트 열교환기에서 차등 팽창으로 인한 응력은 장치의 무결성과 신뢰성에 있어서의 최대의 위협이다. 인라인 벨로우즈형 신축 이음이 있는 직선형 쉘, 외부 패킹 플로팅 헤드와 같은 산업에서 사용되는 다른 설계 대안은 누출 위험(패킹 헤드 설계) 또는 구조적 견고성의 감소(신축 이음 디자인)와 같은 단점이 있다.

차등 열 팽창을 보다 효과적으로 보상할 수 있는 개선된 열교환기 설계가 필요하다.

본 발명에 따른 급수 가열 및 다른 공정 유체 가열 응용에 적합한 쉘 및 튜브 열교환기는 과거의 고정식 튜브 시트 설계의 문제점을 극복하는 방식으로 차등 열을 보상할 수 있다.

일 구성에서, 열교환기는 통합된 단일 쉘측 압력 유지 경계를 형성하기 위해 다양한 다각형 또는 곡선 형상으로 서로 결합되고 유체적으로 결합될 수 있는 복수의 쉘, 및 상기 쉘 어셈블리에 상보적인 구성을 갖는 튜브 다발을 포함한다. 쉘은 하나의 구성으로 함께 용접될 수 있다. 어셈블리의 각 쉘 내의 쉘측 공간은 유체 연통되어 있어, 튜브 다발의 튜브가 배치된(routed) 연속적인 쉘측 공간을 형성한다. 각각의 쉘 자체가 자체 전용 튜브 다발을 갖는 별개의 또는 별도의 열교환기에 있는 것이 아니기 때문에, 본 쉘 조립체가 집합적으로 단일의 열교환기를 형성한다는 점에 주목한다. 따라서 열교환기는 이 명세서에 추가로 기술된 바와 같이, 상이한 쉘 내에 위치한 단일 튜브측 입구 튜브 시트 및 단일 튜브측 출구 튜브 시트를 포함한다.

일 설계 변형에서, 열교환기는 쉘 조립체의 곡선형 축방향 프로파일에 평행한 튜브 다발을 갖는 연속적인 곡선형 U자형을 형성하도록 배열된 2개 이상의 직선형 쉘을 포함할 수 있다. 열교환기는, 일 실시 형태에서 2개의 평행한 종방향 쉘과, 상기 종방향 쉘 사이에 유체적으로 결합된 횡방향 쉘을 포함하는 그리스 문자 Π (“PI”)의 일반적인 형상일 수 있다. 각각의 종방향 쉘의 동일한 단부에 하나씩 있는 2개의 튜브 시트는, 열교환기 내의 쉘측 공간 및 체적의 범위를 정의한다. 횡방향 쉘의 각 단부는 완전히 격리된 쉘측 공간을 생성하도록 캡핑될 수 있다. 종방향 및 횡방향 쉘에서 쉘측 공간은 유체 연통하여, 쉘의 형상에 맞는 쉘측 유체 경로를 생성한다. 넓은 또는 사각형의 “U” 형상으로 형성된 튜브 레그는 누출이 없는 이음을 생성하는 방식으로 말단에서 각 튜브 시트에 고정된다. 유리하게는, 만곡된(곡선) 튜브는 쉘과 튜빙 재료의 열팽창 계수의 차이 및 두 유동 스트림(쉘측 및 튜브측) 간의 유체 온도의 차이로부터 오는 쉘 및 튜브 다발의 높은 종방향 스트레스를 실질적으로 제거하는 역할을 한다.

다른 설계 변형에서, 열교환기 쉘은 상보적인 구성을 갖는 튜브 다발 및 한 쌍의 튜브 시트를 갖는 L자형일 수 있다. 이 실시 형태는 종방향 쉘 및 이에 유체적으로 결합되고 종방향 쉘에 수직으로 배향된 횡방향 쉘을 포함한다.

곡선 쉘 열교환기 실시 형태의 공통 특징은, (1) 단일 튜브 패스(경로) 및 단일 쉘 패스(경로)가 있고; (2) 튜브측 및 쉘측 유체 스트림의 배열은 최대 열전달을 생성하기 위해 완전히 역류일 수 있고; (3) 각각의 튜브 시트는 튜브측 헤더 또는 노즐에 결합되고; 그리고 (4) 열교환기의 다수의 쉘은 일반적으로 각각의 종래의 단일 쉘 U-튜브 대응물보다 직경이 작은 쉘일 것이고, 따라서 유리하게는 각각의 더 작은 직경의 쉘과 튜브 다발 간의 차등 열 팽창이 적다.

일부 실시 형태에서, 쉘측 유체는 증기일 수 있고, 튜브측 유체는 물과 같은 액체일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 쉘측 유체는 또한 액체일 수 있다. 다양한 화학 물질과 같은 물 이외의 액체가 본 열교환기의 일부 응용에 사용될 수 있다.

일 측면에서, 열교환기는 제1 쉘측 공간 및 제1 종축을 형성하는 종방향으로 연장된 제1 쉘; 제2 쉘측 공간 및 제2 종축을 형성하는 종방향으로 연장되고, 상기 제1 쉘에 평행하게 배치된, 제2 쉘; 상기 제1 및 제2 쉘을 서로 유체적으로 결합하고, 상기 제1 및 제2 쉘 사이에 횡방향으로 연장되고, 상기 제1 및 제2 쉘측 공간과 유체 연통하는 제3 쉘측 공간을 형성하는, 횡방향의 제3 쉘; 튜브측 공간을 각각 형성하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 쉘을 통해 연장되는 튜브 다발; 상기 제1 쉘에 유체 결합된 쉘측 입구 노즐; 및 상기 제2 쉘에 유체 결합된 쉘측 출구 노즐을 포함하고, 쉘측 유체는 상기 제1 쉘측 공간으로부터 상기 제3 쉘측 공간을 통해 상기 제2 쉘측 공간에까지의 경로에서 흐르는 것인, 열교환기.

다른 측면에서, 열교환기는 제1 쉘측 공간 및 제1 종축을 형성하는 종방향으로 연장된 제1 쉘; 제2 쉘측 공간 및 제2 종축을 형성하는 종방향으로 연장되고, 상기 제1 쉘에 평행하게 배치된, 제2 쉘; 상기 제1 쉘의 제1 말단 및 상기 제2 쉘의 제1 말단에 유체적으로 결합되고, 상기 제1 및 제2 쉘 사이에 횡방향으로 연장된, 제3 쉘로서, 상기 제1 및 제2 쉘측 공간과 유체 연통하는 제3 쉘측 공간과 횡축을 형성하는, 제3 쉘; 튜브측 공간을 각각 형성하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 쉘을 통해 연장되는 U형 튜브 다발; 상기 입구 튜브 시트 및 출구 제2 튜브 시트; 상기 입구 튜브 시트에 유체적으로 결합된 튜브측 입구 노즐; 상기 출구 튜브 시트에 유체적으로 결합된 튜브측 출구 노즐; 제1 쉘의 제2 말단과 상기 입구 튜브 시트 사이에 연결된 제1 신축 이음; 제2 쉘의 제2 말단과 상기 출구 튜브 시트 사이에 연결된 제2 신축 이음; 상기 제2 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 입구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제2 신축 이음을 통해 상기 제2 쉘에 도입되는, 쉘측 입구 노즐; 및 상기 제1 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 출구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제1 신축 이음을 통해 상기 제2 쉘로부터 배출되는, 쉘측 출구 노즐을 포함하고, 쉘측 유체는, 상기 제1 쉘측 공간으로부터 상기 제3 쉘측 공간을 통해 상기 제2 쉘측 공간까지의 경로에서 흐른다.

다른 측면에서, 열교환기는 제1 쉘측 공간 및 제1 종축을 형성하는 종방향으로 연장되고, 제1 및 제2 말단을 포함하는, 제1 쉘; 제2 쉘측 공간 및 제2 횡축을 형성하는 횡방향으로 연장되고, 제1 및 제2 말단을 포함하고, 상기 제1 쉘의 제1 말단에 유체적으로 결합되고, 상기 제1 쉘에 대해 수직으로 배향된, 제2 쉘; 튜브측 공간을 각각 형성하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 제1 및 제2 쉘을 통해 연장되는 L형 튜브 다발; 제1 튜브 시트 및 제2 튜브 시트; 상기 제1 튜브 시트와 제1 쉘의 제2 말단 사이에 결합된 제1 신축 이음; 상기 제2 튜브 시트와 제2 쉘의 제2 말단 사이에 결합된 제2 신축 이음; 상기 제2 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 입구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제2 신축 이음을 통해 상기 제2 쉘에 도입되는, 쉘측 입구 노즐; 및 상기 제1 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 출구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제1 신축 이음을 통해 상기 제1 쉘로부터 배출되는, 쉘측 출구 노즐을 포함하고, 쉘측 유체는, 상기 제2 쉘측 공간으로부터 상기 제1 쉘측 공간까지의 경로에서 흐른다.

본 명세서에 개시된 본 발명의 임의의 특징 또는 측면은 임의의 다른 특징 또는 측면과 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 예로서 개시된 본 발명의 특징 또는 측면의 조합으로 제한되지 않는다.

본 발명의 다른 적용 분야는 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.

예시적인 실시 형태의 특징에 대해서는, 유사한 요소들이 유사하게 표시된 다음의 도면을 참조하여 설명할 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 열교환기의 평면도이다.
도 2는 도 1의 열교환기의 튜브의 평면도이다.
도 3은 도 1의 열교환기의 신축 이음 및 쉘측 입구 노즐 구성의 부분 측단면도이다.
도 4는 대안적인 신축 이음 및 쉘측 입구 노즐 구성의 부분 측단면도이다.
도 5는 도 1의 열교환기의 배플의 측면도이다.
도 6은 쉘측 유동 편향판을 도시하는, 도 1의 열교환기의 종방향 및 횡방향 쉘 사이의 이음의 단면도이다.
도 7은 튜브측 입구 노즐 및 관련 튜브 시트, 신축 이음 및 종방향 쉘의 측단면도이다.
도 8은 입구 노즐을 향해서 본 단면도(端面圖)이다.
도 9는 도 3 및 도 4의 신축 이음을 통한 횡단면도이다.
도 10은 본 개시에 따른 열교환기의 제2 실시 형태의 평면도이다.
모든 도면은 개략적인 것이며 반드시 축척대로인 것은 아니다. 하나의 도면에서 참조 번호로 표시 및/또는 주어진 부분은, 다른 부분 번호로 구체적으로 표시되고 본 명세서에 기술되지 않는 한, 간결성을 위해 숫자로 표시되지 않은 다른 도면에 나타낸 동일한 부분으로 간주될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점은 예시적인 실시 형태를 참조하여 도시되고 설명된다. 예시적인 실시 형태의 이러한 설명은 첨부된 도면들과 관련하여 읽히도록 의도되며, 이는 전체 기재된 설명의 일부로 간주된다. 따라서, 본 개시는 명백히, 단독으로 또는 다른 특징들의 조합으로 존재할 수 있는 특징들의 일부 가능한 비제한적 조합을 나타내는 이들 예시적인 실시 형태로 제한되어서는 안 된다.

본 명세서에 개시된 실시 형태의 설명에서, 방향 또는 방향에 대한 임의의 참조는 단지 설명의 편의를 위한 것이며 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. “하위”, “상위”, “수평”, “수직”, “위에”, “아래에”, “위로”, “아래로”, “상부” 및 “바닥”과 같은 상대적인 용어(예를 들어, “수평적으로”, “하향으로”, “상향으로” 등)은 그와 같이 설명된, 또는 논의중인 도면에 도시된 방향을 지칭하는 것으로 해석되어야 한다. 이들 상대적인 용어는 설명의 편의만을 위한 것이며, 장치가 특정 방향으로 구성되거나 작동될 필요는 없다. “부착된”, “붙여진”, “연결된”, “커플링된”, “상호연결된” 등의 용어는, 달리 명시되지 않는 한, 이동가능한 또는 단단한 부착물 또는 관계뿐 아니라, 구조들이 개재된 구조를 통해 직접 또는 간접적으로 서로 고정되거나 연결되는 관계를 의미한다.

도 1 내지 9는 본 개시에 따른 쉘 및 튜브 열교환기(100)의 제1 실시 형태를 도시한다. 열교환기(100)는 종축(LA1)을 형성하는 제1 종방향 쉘(101), 종축(LA2)을 형성하는 제2 종방향 쉘(102), 및 횡축 (TA1)을 형성하는 횡방향 쉘(103)을 포함한다. 종방향 쉘(101, 102)은 원통형이며, 쉘측 유체(SSF)를 수용하고 순환시키기 위한 동일한 구성의 내부 개방 쉘측 공간(108a, 108c)을 각각 정의한다. 횡방향 쉘(103)은 원통형이며 동일한 구성의 내부 개방 쉘측 공간(108b)을 정의한다. 쉘측 공간(108a, 108c)은, 각각의 쉘측 공간이 인접한 쉘측 공간으로 완전히 개방되어 튜브 다발을 유지하기 위한 단일 곡선적이고 연속적인 공통 쉘측 공간을 형성하도록, 유체 연통된다.

각각의 쉘(101-103)은 직경보다 큰 길이를 갖는 선형으로 길쭉하고 직선형이다. 종방향 쉘(101, 102)은 횡방향 쉘(103)보다 길 수 있으며, 이는 일부 실시 형태에서 결합된 종방향 쉘의 직경보다 큰 길이를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 종방향 쉘(101, 102) 각각은 횡방향 쉘(103)의 길이의 2배보다 큰 길이를 갖는다. 도시된 실시 형태에서, 종방향 쉘(101, 102)은 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 다른 실시 형태에서, 하나의 종방향 쉘은 다른 종방향 쉘보다 짧은 길이를 가질 수도 있다.

본 구성에서, 쉘(101-103)은 “U” 형태의 일반적인 형태로, 또는 더 구체적으로 도시된 실시 형태에서 “그리스 문자 II에서와 같이” “PI”형태로 집합적으로 배열된다. 종방향 쉘(101, 102) 각각은 중간 배관 또는 구조 없이 횡방향 쉘(103)에 유체 결합되거나 직접 결합된 제1 말단(104)과, 각각의 튜브 시트(111, 110)에 부착되고 유체 결합된, 대향하는 제2 말단 (105)를 가진다(도 1에 가장 잘 도시됨). 쉘(101, 102)은 일 실시 형태에서 횡방향 쉘(103)에 용접되어, 밀봉된 누출 방지 유체 연결부 및 압력 유지 경계를 형성할 수 있다. 종방향 쉘(101, 102)은 측방향으로 이격되어 서로 평행하게 배열된다. 횡방향 쉘(103)은 쉘 단부(104)에서 종방향 쉘 사이에서 측방향 및 횡방향으로 연장된다. 일 실시 형태에서, 횡방향 쉘(103)은 쉘(101, 102)에 수직으로 배향된다. 횡방향 쉘(103)은 한 쌍의 대향하는 캔틸레버 단부(103a)를 포함하는데, 이들 각각은 대향하는 단부(106)를 형성하는 제1 및 제2 쉘을 지나서 횡방향 바깥쪽으로 이어진다. 단부 캡(107)은 용접과 같은 적절한 누출 방지 결합 방법에 의해 각 캔틸레버 단부에 부착된다. 단부 캡(107)은 반구형(“헤미 헤드”), 반타원형(예를 들어, 도 6 참조), 플랜지형 및 디쉬형 그리고 플랫형과 같이 일반적으로 사용되는 헤드 유형을 포함하는 임의의 ASME 보일러 및 압력 용기 코드(B&PVC) 호환 헤드일 수 있다. 열교환기(100)의 쉘 및 다른 부분은 또한 ASME B&PVC 준수 구조를 생성하도록 구성된다.

열교환기(100)는 본질적으로, 쉘(101, 102, 103)이 실질적으로 동일한 평면에 놓이는 평면 구조 또는 조립체이다. 열교환기(100)는 유리하게는 설비의 이용가능한 3차원 공간에서 임의의 방향으로 설비의 건축 및 기계적 요구(배관부, 지지 기초 위치, 배출 및 배수 라인 등)에 가장 잘 맞도록 장착될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 열교환기는, 이들 사이에 수직, 수평 또는 임의의 각도로 장착될 수 있다. 쉘측 입구 및 출구 노즐(121, 120)은 도 1에서 쉘(101 및 102)과 동일 평면으로 도시되어 있지만. 다른 실시 형태에서, 쉘 노즐은 성능 효율 및 효율의 손실없이 열교환기로의 그리고 열교환기로부터의 배관부(piping run)를 수용하기 위해 원하는 대로 임의의 각도로 회전 및 위치될 수 있다. 다른 가능한 실시 형태에서, 종방향 쉘(101 또는 102) 중 하나는 횡방향 쉘(103)상의 종방향 쉘 중 하나의 위치를 회전시킴으로써 다른 종방향 쉘과 비평면으로 배향될 수 있다. 예를 들어, 종방향 쉘(101)은 도 1에 도시된 수평 위치에 있을 수 있는 반면, 나머지 종방향 쉘(102)은 대신에 쉘(101)에 수직으로 배치된 수직 위치 또는 쉘(101)에 대해 0 내지 90도의 임의의 각도에 있을 수 있다. 따라서, 튜브는 선택된 쉘(101-103)의 배치 및 배향에 상보적인 구성을 갖도록 형성될 수 있다.

계속해서 도 1 내지 9를 참조하면, 일반적으로 “사각의(squared)” U자형 튜브 다발(150)이 종방향 및 횡방향 쉘(101-103)에 배치된다. 튜브 다발(150)은 종방향 쉘(102)의 튜브측 입구 튜브 시트(130)로부터 쉘측 공간(108a, 108b, 및 108c)을 통해 종방향 쉘(101)의 튜브측 출구 튜브 시트(131)까지 연속적으로 연장되는 복수의 사각의 U자형 튜브(157)를 포함한다 도 2는 단일 튜브(157)를 도시하며, 튜브 다발(150)은 밀접하게 패킹된 튜브 다발을 형성하기 위해 서로 평행하게 배열된 유사한 형상의 다수의 튜브를 포함함을 알 수 있다. 튜브(157)는 원형 또는 원형 단면을 갖는 원통형이다. 튜브(157)는 각각 한 쌍의 측방향으로 이격되고 평행한 직선 튜브 레그(151 및 153), 및 90도의 아치형으로 굽어지고 반경 형식의 튜브 만곡부(154)에 의해 레그(150, 151) 사이에 유체(적으로) 결합된 (fluidly coupled) 횡방향 및 수직으로 연장되는 직선형 크로스 오버 튜브 레그(152)를 포함한다. 튜브 만곡부(154)는 바람직하게는 튜브 직경의 2.5배 이상의 반경 (R1)을 갖는다. 크로스오버 튜브 레그(152)는 2개의 직선형 튜브 레그(151, 153)보다 작은 길이를 가질 수 있다. 튜브 레그(151-153)는 연속적이고 근접한 튜브 구조 및 튜브측 공간을 형성한다는 점에 유의해야 한다. 본 구성은 각각의 직선형 튜브 레그를 연결하기 위해 반경이 큰 180도로 만곡된 튜브 만곡부를 갖는 종래의 U-튜브 다발과는 다르다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 컨벤션 구성은 제3 직선부 및 90도 튜브 만곡부(154)가 결여되어 있다.

튜브(157)는 각각 튜브 시트(130)를 통해 연장되는 레그(151)에 의해 형성된 제1 단부(155) 및 튜브 시트(131)를 통해 연장되는 레그(153)에 의해 형성된 제2 단부 (156)를 포함한다 (예를 들어, 도 3 참조). 튜브 시트(130, 131)는 각각 쉘(101 및 102)의 종축(LA1 및 LA2)에 평행하게 배향된, 복수의 축방향으로 연장되고 평행한 보어(132)를 포함한다. 튜브(157)의 말단부는 스루 보어(132) 내에 수용되고, 그 스루 보어(132) 내부에서 이를 완전히 관통해서 튜브 시트(130, 131)의 외부 표면 또는 면(134) (도 3에 도시된 튜브 시트(130)의 면 (134)의 예)까지 연장되고 수용된다. 튜브 시트(130) 내의 튜브(157)의 개방 단부(155)는 튜브측 유체(TSF)를 수용한다. 반대로, 튜브 시트(131) 내의 튜브(157)의 다른 개방 단부(156)는 튜브측 유체를 배출한다. 튜브 시트(130, 131)는 튜브의 말단부를 단단하게 지지한다.

튜브(157)는 밀봉 누출 방지 방식으로 튜브 시트(130, 131)에 고정 결합되어, 고압 튜브측 유체(TSF)로부터 저압 쉘측 유체(SSF)로의 누출을 방지한다. 셀측과 튜브측의 압력 차이는 일부 고압 히터에 있어서 매우 커서, 튜브-대-튜브 시트 이음 누출에 노출될 가능성이 커질 수 있다. 예를 들어, 튜브측 설계 압력은 고압 급수 히터의 경우 약 300 psig 내지 5000 psig 범위일 수 있는 반면, 고압 히터의 경우 쉘측 설계 압력은 약 50 psig 내지 1500 psig 범위일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 튜브(157)는 팽창 또는 팽창 및 용접을 통해 튜브 시트(130, 131)에 견고하게 결합될 수 있고; 이들 기술은 추가의 설명이 필요 없을 정도로 당업계에 잘 알려져 있다. 사용될 수 있는 튜브 팽창 공정에는 폭발성, 롤러 및 유압 팽창이 포함된다.

튜브(157)는, 예를 들어 서비스 온도 및 압력, 튜브측 및 쉘측 유체, 열 전달 요건, 열교환기 크기 고려 사항 등과 같은 고려 사항에 대해 선택된 적합한 고강도 금속으로 형성될 수 있다. 일부 비제한적인 예에서, 튜브는 스테인리스 스틸, 인코넬, 니켈 합금 또는 이러한 응용에 대한 기계적 강도가 부족한 구리를 일반적으로 배제하는 발전 열교환기에 전형적으로 사용되는 다른 금속으로 형성될 수 있다.

튜브 시트(130, 131)는 주기적 열 응력을 견디고 튜브(157)에 대한 적절한 지지를 제공하기에 적합한 축방향 두께 및 원형 디스크형 구조를 갖는다. 튜브 시트는, 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 개별 쉘(101, 102)의 두께보다 실질적으로 큰 두께(예를 들어, 5배 이상)를 가질 수 있다. 튜브 시트(130, 131)는 수직 외부 표면 또는 면(134) 및 내부 표면 또는 면(135)을 포함한다. 튜브 시트(130, 131)는 스틸 및 그 합금을 포함하는 적절한 금속으로 형성될 수 있다. 튜브 시트는 일 실시 형태에서 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다.

튜브 시트(130, 131)의 외부 림은, 스루 보어(132)를 포함하는 튜브 시트의 천공된 영역과 비천공(solid) 외주 림 간의 온도차로 인한 반경 방향 차등 열팽창이 높은 계면 응력을 생성하지 않도록, 가공 장비의 한계 내에서 가능한 한 얇게(반경 방향으로) 만들어지는 것이 바람직하다. 외주 림은 림 두께를 감소시키기 위해 가능한 한 가공될 수 있다. 일반적으로, 림은 경우에 따라 1/4인치 두께로 만들어질 수 있다 (가장 바깥쪽 튜브 보어에서 측정).

본 발명의 일 양태에 따르면, 각각의 종방향 쉘(101, 102)은 바람직하게는 신축 이음(110, 111)과 같은 “유연한 쉘 요소 어셈블리”를 개재함으로써 유연한 방식으로 튜브 시트(130, 131)에 결합된다 (예를 들어, 도 1, 3, 및 4 참조). 신축 이음(110, 111)은 플랜지형 및 연도형(flanged and flued) 신축 이음일 수 있으며, 이는 일반적으로 고장 및 누출에 더 취약한 열교환기 쉘에 사용되는 벨로우즈형 신축 이음과 대조적으로, 구조적으로 견고한 구성 및 신뢰할 수 있는 누출 방지 서비스를 제공할 수 있다. 신축 이음(110, 111)은, 유연성 없이 강성 고정 튜브 시트 배열로 쉘을 튜브 시트에 직접 용접하는 것과 달리, 계면에서의 쉘과 튜브 시트 사이의 차등 열팽창(방사형)으로부터의 응력 레벨을 완화하여, 차등 열팽창을 수용할 수 있다.

특히 도 3 또는 4를 참조하면, 플랜지형(flanged) 및 연도형(flued) 신축 이음(110, 111)은 2개의 절반부(half)(예를 들어, 제1 및 제2 절반부)로 형성되며, 각각 종방향 쉘(101, 102)의 종축(LA1 또는 LA2)에 수직으로 배열된 반경 방향으로 연장되는 플랜지부(112) 및 축방향으로 연장되고 축(LA1 또는 LA2)에 평행한 연도부(113)를 포함한다. 플랜지부(112)는, 용접과 같이 연도부(113)에 고정식으로 부착되거나, 또는 각 절반부의 플랜지부 및 연도부 둘 다를 형성하도록 굽히거나(bent) 벼린(forged) 환상의 피가공재로부터 형성된, 그 일체형의 단일 구조 부품으로서의 연도부와 일체형으로 형성될 수 있다. 2개의 연도부(113)는 예를 들어 용접을 통해 서로 견고하게 연결된다. 신축 이음(110, 111)은 쉘 둘레에서 원주 방향으로 연장되며 환형 구조를 갖는다. 신축 이음(110, 111)은 도시된 바와 같이 쉘(101, 102)의 외부 표면을 넘어 반경 방향으로 바깥쪽으로 돌출된다.

신축 이음(110)의 제1 절반부의 하나의 플랜지부(112)는 종방향 쉘(102)의 단부(105)에 용접 등을 통해 견고하고 고정적으로 부착된다. 신축 이음(110)의 제2 절반부의 다른 플랜지부(112)는 튜브 시트(130)에 용접 등을 통해 견고하고 고정적으로 부착된다 (예를 들어, 도 3 및 4 참조). 튜브 시트(130)의 내측 표면 또는 면(135)은 신축 이음(110)으로 내측으로 향한다. 동일한 구성 및 결합 방법이 종방향 쉘(101) 상에 배열된 다른 신축 이음(111)에도 적용 가능하다.

도 3은 2개의 플랜지부(112) 사이를 연결하는 단일 연도부(113)가 제공되는 신축 이음(110, 111)의 하나의 예시적인 구성을 도시한다. 단일 연도부는 일 실시 형태에서 각각의 플랜지부(112)에 용접될 수 있다. 도 4는 개재하는 환형 링(118)이 신축 이음(110)의 각각의 연도부(113) 사이에 용접되는 다른 예시적인 구성을 도시한다. 도 3 및 4는 신축 이음(110, 111) 중 하나 또는 둘 다에 사용될 수 있다. 그러나 다른 구성도 가능하다. 신축 이음(110, 111)의 구성 부분은 바람직하게는 사용 조건에 적합한 금속으로 형성된다. 신축 이음에 사용가능한 금속은 비제한적인 예로서 탄소강, 스테인리스 스틸 및 니켈 합금을 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 신축 이음(130, 131)의 비교적 큰 직경은, 열교환기의 쉘 상의 쉘측 입구 및 출구의 전형적인 위치에 고유한 과도하게 높은 국부 속도 및 압력 손실 없이, 열교환기(100) 내로 쉘측 유체(SSF)를 도입 (또는 배출) 하기 위한 이상적인 위치를 제공한다. 열교환기의 쉘에 있는 쉘측 입구 및 출구. 또한, 신축 이음은 쉘과 튜브 다발 사이의 차등 열 팽창을 수용하기에 가장 적합하기 때문에 신축 이음을 통한 열교환기 내로의 고온 쉘측 유체의 도입도 바람직하다.

일 실시 형태에서, 쉘측 출구 및 입구와 관련된 신축 이음(110, 111)은 각각 외향의(outward facing), 종방향으로 연장되는 환형 노즐 장착 벽(117)을 형성한다. 벽(117)은, 쉘측 입구 노즐(121) 및 쉘측 출구 노즐(120)을 장착하기 위해, 축방향으로 실질적으로 직선이며, 종축(LA1 및 LA2)에 평행하다. 벽(117)은 물론 반경 방향으로 아치형으로 그리고 볼록하게 만곡된다.

각 신축 이음(110, 111)은 각각의 신축 이음 내부에 형성된 환형 유동 플리넘(114)을 각각 형성한다. 유동 플리넘(114)은 종방향 쉘(101, 102) 주위에서 원주 방향으로 연장되고, 도시된 바와 같이 쉘의 외부 표면을 넘어 반경 방향으로(방사상으로) 더 멀리 배치된다. 그러므로, 유동 플리넘(114)은 쉘(101, 102)을 넘어 반경 방향으로 돌출하는 신축 이음(110, 111)의 부분에 의해 형성된다. 신축 이음(110)의 유동 플리넘(114)은 쉘측 출구 유동 플리넘을 형성하고, 신축 이음 (111)의 플리넘(114)은 쉘측 입구 유동 플리넘을 형성한다. 입구 및 출구 쉘측 노즐(121, 120)은 각각의 유동 플리넘(114)과 유체 소통된다.

도 1, 3, 및 4에 도시된 바와 같이, 쉘측 입구 노즐(121)은 신축 이음(111)의 노즐 장착 벽(117)에 고정적으로 유체 결합된다. 유사하게, 쉘측 출구 노즐(120)은 신축 이음(111)의 노즐 장착 벽(117)에 고정적으로 유체적으로 결합된다(fluidly coupled). 각각의 노즐(120, 121)은 각각의 노즐 장착 벽(117)을 완전히 관통하고, 신축 이음(110 및 111) 내부에 형성된 관련된 유동 플리넘(114)과 유체 연통된다. 일 실시 형태에서, 노즐(120 및 121)은 종축(LA1 및 LA2)에 수직으로 배향되어, 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기(100)로/로부터 횡방향으로 쉘측 유체를 도입/배출한다 (방향성 쉘측 유체(SSF) 흐름 화살표 참고). 쉘측 유체는 입구 노즐(121)로부터 신축 이음(111)의 쉘측 입구 유동 플리넘(114)으로 흐른다. 쉘측 유체는 신축 이음(110)의 쉘측 출구 유동 플리넘(114)으로부터 출구 노즐(120) 내로 흐른다.

열교환기(100)의 쉘측 공간(108a 및 108c)으로 쉘측 유체를 균일하게 도입하거나 쉘측 공간(108a 및 108c)으로부터 쉘측 유체를 배출하는 것을 돕기 위해, 천공된 쉘측 환형 입구 및 출구 유동 분배 슬리브(115)가 제공된다. 도 3, 4 및 9는 출구 유동 분배 슬리브(115)의 일 예를 도시하는데, 본 실시 형태에서 입구 유동 분배 슬리브(간결화를 위해 별도로 도시하지 않음)가 동일함을 알 수 있다. 입구 유동 분배 슬리브(115)는 신축 이음(111) 내부에 배치되고, 종방향 쉘(101)과 동심으로 정렬되고 종축(LA1)과 동축이다. 출구 유동 분배 슬리브(115)는 신축 이음(110) 내부에 배치되고, 종방향 쉘(102) 및 동축 종축(LA2)과 동심으로 정렬된다. 따라서, 각각의 슬리브(115)의 축 중심선(C)은 그 각각의 종축과 일치한다(예를 들어, 도 9 참조).

입구 유동 분배 슬리브(115)는 쉘측 입구 유동 플리넘(114)과 신축 이음(111) 내로 연장되는 쉘측 공간(108a) 사이에 산재되어 있다. 출구 유동 분배 쉘(115)은 쉘측 출구 유동 플리넘(114)와 신축 이음 (11)내로 연장되는 쉘측 공간 (108c) 사이에 산재되어 있다. 입구 유동 분배 슬리브(115)는 종방향 쉘(101)의 쉘측 공간(108a) 및 쉘측 입구 노즐(121)과 유체 연통한다. 출구 유동 분배 슬리브(115)는 종방향 쉘(102)의 쉘측 공간(108c) 및 쉘측 출구 노즐(120)과 유체 연통한다. 쉘측 유체 입구 측에서, 유동 분배 슬리브(115)는, 유체가 종방향 쉘(101)의 쉘측 공간(108a)에 들어가기 전에, (유체가) 쉘측 입구 유동 플리넘(114) 주위에서 원주 방향으로 순환하도록 강제한다 (도 9에 도시된 방향성 쉘측 유동 화살표 (SSF)와 반대). 쉘측 유체 출구 측에서, 유동 분배 슬리브(115)는 유체가 슬리브 둘레에서 균일한 원주 유동 패턴으로 종방향 쉘(102)의 쉘측 공간 (108c)으로부터 쉘측 출구 유동 플리넘(114)으로 들어가도록 강제한다 (도 9에 도시된 바와 같음).

각각의 입구 및 출구 유동 분배 슬리브(115)는 쉘측 유체를 각각의 종방향 쉘(101, 102) 내로 도입 또는 종방향 쉘(101, 102)로부터 배출하기 위한 복수의 구멍 또는 천공 (116)을 포함한다. 유동 분배 슬리브(115)는 각각의 쉘의 직경과 실질적으로 같은 공간을 차지하는(同延, coextensive) 직경을 가질 수 있다(예를 들어, 도 3 또는 4 참조). 천공(116)은 임의의 적절한 균일 또는 비균일한 패턴으로 배열될 수 있고 임의의 적절한 직경을 가질 수 있다. 바람직하게는, 천공은 각각의 쉘측 공간(108a 및 108c) 내외부로의 쉘측 유체의 균일한 분포를 촉진시키기 위해 유동 분배 슬리브(115)의 전체 원주 주위에 분포된다. 슬리브(115)는 스틸, 스테인리스 스틸, 니켈 합금 또는 기타와 같은 임의의 적합한 금속으로 제조될 수 있다. 슬리브(115)는 용접과 같은 그들의 각각의 신축 이음(110 또는 111)에 고정적으로 부착될 수 있다.

도 1 내지 9를 참조하면, 튜브측 유동 경로는 튜브측 유체(TSF)를 열교환기(100)로부터 쉘측 유체의 출구와 관련된 종방향 쉘(102)에 배치된 튜브 다발(150)의 부분 내로 도입하기 위해 입구 튜브 시트(130)에 유체적으로 결합된 튜브측 입구 노즐(140)에서 시작한다. 튜브측 유체는, 노즐(140)로부터 튜브 시트(130) 내의 튜브(157) 내로, 그리고 튜브 다발(150)을 통해 종방향 쉘(101)과 관련된 출구 튜브 시트(131) 및 쉘측 유체의 입구로, 열교환기(100)로 흐른다. 튜브측 출구 노즐(141)은 튜브측 유체를 열교환기로부터 배출하기 위해 출구 튜브 시트(131)에 유체적으로 결합된다. 노즐(140 및 141)은 누출 방지 유체 연결부를 형성하기 위해 각각의 튜브 시트(130, 131)에 용접될 수 있다. 노즐(140 및 141)에는, 용접, 플랜지형 및 볼트형 이음, 또는 다른 유형의 기계적 유체 커플링과 같은 외부 배관에 유체 결합되도록 구성된 자유단이 각각 제공된다. 노즐(140 및 141)은 비제한적인 예로서 스틸 및 이들의 합금과 같은 임의의 적합한 금속으로 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 노즐 (140 및 141)은 튜브측 스트림에서 압력 손실을 최소화하는 것이 중요하다면 도시된 바와 같이 절두 원추형일 수 있다.

일부 실시 형태에서, 복수의 동심으로 정렬되고 배열된 흐름 교정기 (170)는, 균일한 튜브측 흐름 분포 (입구 노즐(140)의 경우) 또는 수집 (출구 노즐(141)의 경우)을 위해 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 노즐 (140) 및/또는 노즐(141) 내부에 선택적으로 제공될 수 있다. 흐름 교정기(170)는 유리하게는 유체 스트림에서 난류를 감소시켜 압력 손실을 최소화한다. 바람직하게는, 흐름 교정기(170)는 노즐(140 및 141)의 형상에 상보적으로 구성된다. 노즐(140, 141)이 도시된 바와 같이 절두 원추형을 갖는 일 실시 형태에서, 흐름 교정기(170)는 각각 유사한 형상을 갖지만 직경이 다르다. 흐름 교정기(170)는 흐름 교정기 사이의 각 노즐을 통해 복수의 환형 흐름 통로를 형성하도록 반경 방향으로(방사상으로) 이격되어 있다. 노즐(140, 141)이 절두 원추형 대신에 직선 벽일 수 있는 다른 가능한 실시 형태에서, 흐름 교정기(170)는 유사하게 직선 벽일 수 있다.

열교환기(100)는 튜브 다발(150)을 지지하고 튜브들 사이의 간격을 유지하는 종방향 쉘(101, 102) 및 횡방향 쉘(103) 내부에 횡방향으로 배열 된 복수의 배플을 더 포함한다. 쉘측 압력 손실의 최소화가 중요한 고려 사항인 경우, 비-세그먼트 배플(180)(예를 들어, 도 1 및 5 참조)은 쉘측 유체 흐름을 본질적으로 축방향 구성으로(즉, 종축(LA1, LA2) 및 횡축(TA1)에 평행하게) 유지하기 위해 이용될 수 있다 배플(180)은 도시된 바와 같이 다이아몬드 형상의 개구를 형성하는 복수의 대각선으로 교차하는 스트랩 또는 플레이트에 의해 형성된 개방된 격자 구조를 포함한다. 더미 (dummy) 튜브는 쉘측 흐름의 임의의 부분이 튜브와의 밀접한 접촉 및 대류 상호 작용을 우회하는 것을 차단하기 위해 이용될 수 있다. 배플의 개수 및 간격은 튜브 파열을 야기할 수 있는 흐름 유도 파괴 튜브 진동(flow induced destructive tube vibration)을 방지하고 최소화하기 위해 선택된다.

다른 실시 형태에서, 튜브 다발(150) 및 그 개별 튜브(157)는 과도한 정교화없이 당업계에 잘 알려진 비-세그먼트 및 “세그먼트된” 크로스 배플의 조합에 의해 적절한 간격으로 지지될 수 있다. 일반적으로 단일 세그먼트, 이중 세그먼트, 트리플 세그먼트, 디스크 및 도넛 등으로 알려진 여러 세그먼트 배플 구성을 사용할 수 있다. 유체 탄성 소용돌이 및 난류 버피팅과 같은 다양한 파괴 진동 모드에 대해 적절한 마진을 보장하면서 쉘측 필름 계수를 최대화하기 위해 허용 가능한 압력 손실을 최대한 활용하도록 배플 유형을 혼합하여 선택할 수 있다. 쉘측 배출 노즐(120)을 향하고 이에 근접한 튜브(157)는 일반적으로 증가된 국소 교차 흐름 속도로부터 흐름 유도 튜브 진동의 위험으로부터 튜브를 보호하기 위해 추가적인 측면 지지부를 필요로 한다.

본 명세서에서 전술한 바와 같은 흐름 분배 슬리브(115)가 쉘측 배출 노즐(120)에서 신축 이음(110)에 사용되는 경우, 슬리브는 유리하게 흐름 유도 튜브 진동을 최소화하기 위해 쉘측 유체 스트림의 교차 흐름을 감소하도록 작용한다. 교차류 유도 튜브 진동에 대한 동일한 보호 장치가 신축 이음(111)의 쉘측 유체 입구 흐름 분배 슬리브(115)에 적용된다.

일부 실시 형태에서, 도 6에 도시된 바와 같은 편향판(deflector plate)(160)이 선택적으로 종방향 쉘(101, 102)과 횡방향 쉘(103) 사이의 영역에 추가되어, 흐름의 방향이 변화하는 소용돌이 와류(eddies and vortices)를 최소화할 수 있다. 흐름 편향판(160)은 종방향 쉘(101, 102)을 횡방향 쉘에 연결하는 이음(joint)에서 횡방향 쉘(103)의 각 단부(106)에 근접하게 배치된다. 이들은 쉘측 흐름이 횡방향 쉘로 들어가거나 나가는 위치이다. 흐름 편향판(160)은, 횡방향 쉘(103)의 각 단부의 제3 쉘측 공간(108b) 내부에 배치되고, 횡방향 쉘을 가로질러 연장되는 것이 바람직하다. 흐름 편향판은 종방향 쉘(101, 102)의 말단(104)에서 횡방향 쉘(103)에 위치되고 용접되는 일 단부 또는 측면을 갖는다. 편향판(160)의 나머지 측면은 횡방향 쉘의 다른 부분의 주위에 모두 용접된다. 편향판(160)은 일부 실시 형태에서 아치형으로 구부러진 원형 디스크 형상을 갖는다(도 6에 도시된 플레이트(160)의 측면 또는 모서리). 편향판(160)은 쉘측 유체가 단부 캡(107)과 접촉하는 것을 방지하도록 종방향 쉘을 지나 측방향으로 연장되는 횡방향 쉘(103)의 캔틸레버형 단부를 완전히 밀봉하도록 구성될 수 있다. 편향판(160)은 엔드 캡(107)과 편향판 사이의 횡방향 쉘(103)의 단부(106)에 완전히 둘러싸이고 밀봉된 유체 데드 스페이스(161)를 형성한다. 편향판(160)은 예를 들어 스틸 및 그 합금 등 (이들에 제한되는 일 없이) 쉘에 용접하기에 적합한 임의의 적합한 금속으로 제조될 수 있다.

열교환기(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 쉘측 유체와 튜브측 유체(SSF, TSF) 사이의 역류를 생성하도록 배열되어 열 전달 효율을 극대화할 수 있다. 튜브측 유체는 종축(LA2 및 LA1) 각각에 평행하고 (종축과) 일치하는 축 방향으로 열교환기에 진입하고 배출된다. 쉘측 유체는 종축(LA1 및 LA2)에 각각 수직으로 반경 방향으로 열교환기에 진입 및 배출된다. 다른 가능한 실시 형태에서, 쉘측 및 튜브측 유체가 동일한 방향으로 흐르는 공류(co-flow)가 사용될 수 있다.

도 10은, 열교환기(100)에 대해 본 명세서에서 이미 설명된 동일한 원리 및 특징에 따라 구성된 열교환기(200)의 대안적인 실시 형태를 도시한다. 그러나, 열교환기(200)는 쉘(201, 203) 및 튜브 다발 (250)의 L자형 배열을 갖는다. 다른 특징은 열교환기(100)와 동일하다. 일반적으로, 열교환기(200)는 내부 쉘측 공간(208a)을 형성하는 단일 종방향 쉘(201) 및 쉘측 공간(208a)과 유체 연통하는 쉘측 공간(208b)을 형성하는 횡방향 쉘(203)을 포함한다. 횡방향 쉘(203)은 쉘(201)의 말단(204)에 수직으로 배향되고 유체 결합된다. 쉘(201)의 다른 단부는 쉘측 출구 노즐(120)을 포함하는 신축 이음(110)에 유체 결합된다. 신축 이음(110)은 튜브측 입구 노즐(140)에 유체 결합된 튜브측 입구 튜브 시트(130)에 유체 결합된다. 신축 이음(111)은 튜브측 출구 노즐(141)에 연결된 튜브측 출구 튜브 시트(131)와 횡방향 쉘(203)의 하나의 말단(206) 사이에 유체 결합된다. 단부 캡(207)은 도시된 바와 같이 종방향 쉘(201)을 지나 측방향으로 연장되는 쉘(203)의 캔틸레버형 단부에 형성된 횡방향 쉘(203)의 나머지 단부(206)에 부착된다.

종방향 쉘(201)은 횡방향 쉘(203)보다 각각 길 수 있으며, 이는 일부 실시 형태에서 종방향 쉘의 직경보다 큰 길이를 가지며, 일부 경우에 종방향 쉘의 직경의 두 배보다 큰 길이를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 종방향 쉘(201)은 횡방향 쉘(203)의 길이의 2배보다 큰 길이를 갖는다.

튜브 다발(250)은 동일한 구성의 복수의 튜브(257)를 포함하는 L 자형이다. 튜브(257)는 쉘(201)의 직선 튜브 레그(251) 및 쉘(203)의 직선 튜브 레그(252)를 포함한다. 직선 튜브 레그(251 및 252)는 반경 형식의 튜브 굴곡부(254)에 의해 서로 유체적으로 결합하여, 튜브 시트 사이에 튜브측 유체를 위한 연속적인 튜브측 유체 경로를 형성한다.

신축 이음 (110 및 111)은 흐름 분배 슬리브(115) 및 유동 플리넘(114)을 포함하는 열교환기(100)에 대해 본 명세서에서 전술한 바와 동일할 수 있다. 단일 편향판(160)은 종방향 쉘(201)과의 접합부에서 단부 캡(207) 근처의 횡방향 쉘(103)에 대해 설명된 것과 동일한 위치에서 횡방향 쉘(203)에 배치될 수 있다. 열교환기(200)는 튜브 다발과 쉘 간의 차등 열 팽창을 수용하는 능력을 포함해서, 열교환기(100)과 동일한 이점을 제공한다. 열교환기(200)는, 열 전달 효율을 극대화하도록, 도 10에 도시된 바와 같이 쉘측 유체와 튜브측 유체 사이에 역류를 생성하도록 배열될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 흐름은 병류(co-flow)일 수 있다.

본 명세서에 개시된 열교환기 (100 및 200)의 추가의 장점은 소형 공간 요건; 설치 및 방향에 대한 최대 유연성; 열팽창 억제로 인한 심각한 스트레스의 위험 감소; 열 및 압력 과도를 견딜 수 있는 기능의 향상; 비-세그먼트 배플을 사용함으로써 최적의 열 전달 성능을 위한 흐름 스트림에서의 쉘측 압력 감소의 최소화를 포함한다.

전술한 설명 및 도면은 본 발명의 바람직한 또는 예시적인 실시 형태를 나타내지만, 첨부된 특허청구범위의 사상, 범위 및 등가물을 벗어나지 않고 다양한 추가, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 형태, 구조, 배열, 비율, 크기 및 다른 요소, 재료 및 구성 요소로 구현될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기술된 방법/프로세스의 많은 변형이 이루어질 수 있다. 당업자는, 본 발명이 본 발명의 실시에 사용된 구조, 배열, 비율, 크기, 재료 및 구성 요소 등을 변경해서 사용될 수 있으며, 이들은, 본 발명의 원칙으로부터 벗어나지 않고, 특정 환경 및 작동 요구조건에 특히 적합하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 현재 개시된 실시 형태는 모든 면에서 예시적이고 비제한적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 정의되며, 전술한 설명 또는 실시 형태에 제한되지 않는다. 오히려, 첨부된 청구범위는 본 발명의 등가물의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 만들어 질 수 있는 본 발명의 다른 변형 및 실시 형태를 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

100: 열교환기
101: 제1 쉘
102: 제2 쉘
103: 제3 쉘
LX1: 제1 종축
LX2: 제2 종축
108a: 제1 쉘측 공간
108b: 제2 쉘측 공간
108c: 제3 쉘측 공간
157: 튜브
150: 튜브 다발

Claims (22)

1. 열교환기로서,
   제1 쉘측 공간 및 제1 종축을 형성하는, 종방향으로 연장된 제1 쉘;
   제2 쉘측 공간 및 제2 종축을 형성하는, 종방향으로 연장되고, 상기 제1 쉘에 평행하게 배치된, 제2 쉘;
   상기 제1 및 제2 쉘을 서로 유체적으로 결합하고, 상기 제1 및 제2 쉘 사이에 횡방향으로 연장되고, 상기 제1 및 제2 쉘측 공간과 유체 연통하는 제3 쉘측 공간을 형성하는, 횡방향의 제3 쉘;
   튜브측 공간을 각각 형성하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 제1, 제2, 및 제3 쉘을 통해 연장되는 튜브 다발;
   상기 제1 쉘에 유체적으로 결합된 쉘측 입구 노즐; 및
   상기 제2 쉘에 유체적으로 결합된 쉘측 출구 노즐
   을 포함하고,
   쉘측 유체는 상기 제1 쉘측 공간으로부터 상기 제3 쉘측 공간을 통해 상기 제2 쉘측 공간까지의 경로에서 흐르는 것인, 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제3 쉘은 상기 제1 쉘 및 제2 쉘에 수직으로 배향된 것인, 열교환기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제3 쉘은 상기 제1 및 제2 쉘 각각의 제1 말단에 유체적으로 결합된 것인, 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 쉘의 제2 말단에 결합된 제1 튜브 시트와, 상기 제2 쉘의 제2 말단에 결합된 제2 튜브 시트를 더 포함하는 것인, 열교환기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 튜브 시트와 상기 제1 쉘의 제1 말단 사이에 결합된 제1 신축 이음을 더 포함하는 것인, 열교환기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 신축 이음은 제1 절반부 및 제2 절반부를 포함하는 플랜지형 및 연도형 신축 이음이고, 상기 제1 절반부 및 제2 절반부는 집합적으로 상기 제1 종축에 수직해서 각각 연장되는 한 쌍의 축방향으로 이격된 제1 및 제2 플랜지부를 형성하고, 한 쌍의 제1 및 제2 연도부는 각각 상기 제1 종축에 평행하게 연장되고, 상기 제1 및 제2 연도부는 서로 용접되는 것인, 열교환기.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 쉘측 입구 노즐은 상기 제1 신축 이음에 유체적으로 결합되고, 상기 쉘측 유체는 반경 방향으로 상기 제1 신축 이음을 통해 상기 제1 쉘로 도입되는 것인, 열교환기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 신축 이음은 환형 노즐 장착 벽을 형성하고, 상기 쉘측 입구 노즐은 상기 제1 신축 이음의 상기 노즐 장착 벽에 유체적으로 그리고 수직으로 결합되는 것인, 열교환기.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 신축 이음 내부에 배치된 쉘측 환형 입구 흐름 분배 슬리브를 더 포함하고, 상기 입구 흐름 분배 슬리브는 상기 쉘측 입구 노즐과 유체 연통하고, 상기 쉘측 유체를 상기 제1 쉘의 제1 쉘측 공간으로 도입하기 위한 복수의 천공을 포함하는 것인, 열교환기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 쉘측 입구 노즐과 상기 흐름 분배 슬리브 사이의 상기 제1 신축 이음 내에 형성된 환형 출구 유동 플리넘을 더 포함하고, 상기 쉘측 유체는 상기 쉘측 입구 노즐로부터 환형 출구 유동 플리넘 내로 및 그 주위에 원주 방향으로, 상기 흐름 분배 슬리브 내의 천공을 통해 상기 제1 쉘의 제1 쉘측 공간으로 흐르는 것인, 열교환기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 신축 이음 내부의 환형 출구 유동 플리넘은 상기 제1 쉘의 외부 표면보다 더 바깥쪽의 반경 위치에서 상기 제1 쉘 주위에 원주 방향으로 배치되는 것인, 열교환기.
12. 제5항에 있어서,
    상기 제2 튜브 시트와 상기 제2 쉘의 제2 말단 사이에 연결된 제2 신축 이음;
    상기 제2 신축 이음 내부에 형성된 환형 출구 흐름 분배 플리넘;
    상기 제2 신축 이음 내부에 배치되고 복수의 천공을 포함하는 쉘측 출구 흐름 분배 슬리브; 및
    상기 제2 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 출구 노즐로서, 상기 쉘측 유체는, 상기 제2 쉘의 제2 쉘측 공간으로부터 상기 출구 흐름 분배 슬리브, 환형 출구 흐름 분배 플리넘 및 상기 쉘측 출구 노즐의 순서로 이들을 통해 배출되는 것인, 쉘측 출구 노즐
    을 더 포함하는 것인, 열교환기.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    튜브측 유체를 축방향으로 상기 제1 쉘로 도입하기 위해 상기 제1 튜브 시트에 유체적으로 결합된 튜브측 입구 노즐 및 축방향으로 상기 제2 쉘로부터 튜브측 유체를 배출하기 위해 상기 제2 튜브 시트에 유체적으로 결합된 튜브측 출구 노즐을 더 포함하는 것인, 열교환기.
14. 제13항에 있어서,
    상기 쉘측 유체는 상기 열교환기를 통해 상기 튜브측 유체와 반대 방향으로 흐르는 것인, 열교환기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 튜브측 입구 및 출구 노즐은 각각 절두 원추형을 가지며, 각각 제1 및 제2 종축과 동축으로 배향되는 것인, 열교환기.
16. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브측 입구 노즐 및 튜브측 출구 노즐 중 적어도 하나는 복수의 동심으로 정렬된 내부 흐름 교정기를 포함하는 것인, 열교환기.
17. 제1항에 있어서,
    상기 제3 쉘은, 각각 상기 제1 및 제2 쉘을 지나서 횡방향 외측으로 연장되어 캔틸레버형 단부를 형성하는 한 쌍의 대향 단부 및 각 캔틸레버형 단부에 부착된 단부 캡을 포함하는 것인, 열교환기.
18. 제17항에 있어서,
    각 단부의 상기 제3 쉘측 공간 내부에 배치되고 상기 제3 쉘에 횡방향으로 연장되는 흐름 편향판을 더 포함하고, 상기 흐름 편향판은 일 단부가 상기 제1 및 제2 쉘 각각의 제1 말단에 연결되고, 상기 쉘측 흐름이 엔드 캡과 접촉하는 것을 방지하도록 구성되는 것인, 열교환기.
19. 제1항에 있어서,
    튜브 다발의 튜브 각각은 상기 제1 쉘에 배치된 제1 직선부, 상기 제2 쉘에 배치되고 상기 제1 직선부에 평행하게 배향된 제2 직선부, 및 상기 제3 쉘에 배치되고 상기 제1 및 제2 직선부에 수직으로 배향된 제3 직선부를 포함하는 사각의 U자 형상을 가지고, 상기 제1 직선부는 90도의 반경 형식의 굴곡부를 통해 상기 제3 직선부에 유체적으로 결합되고, 상기 제2 직선부는 90도의 반경 형식의 굴곡부를 통해 상기 제3 직선부에 유체적으로 결합된 것인, 열교환기.
20. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 튜브 시트는 횡방향으로 인접하고 서로 평행하게 배치되는 것인, 열교환기.
21. 제1 쉘측 공간 및 제1 종축을 형성하는 종방향으로 연장된 제1 쉘;
    제2 쉘측 공간 및 제2 종축을 형성하는 종방향으로 연장되고, 상기 제1 쉘에 평행하게 배치된, 제2 쉘;
    상기 제1 쉘의 제1 말단 및 상기 제2 쉘의 제1 말단에 유체적으로 결합되고, 상기 제1 및 제2 쉘 사이에 횡방향으로 연장된, 제3 쉘로서, 상기 제1 및 제2 쉘측 공간과 유체 연통하는 제3 쉘측 공간과 횡축을 형성하는, 제3 쉘;
    튜브측 공간을 각각 형성하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 쉘을 통해 연장되는 U형 튜브 다발;
    상기 입구 튜브 시트 및 출구 제2 튜브 시트;
    상기 입구 튜브 시트에 유체적으로 결합된 튜브측 입구 노즐;
    상기 출구 튜브 시트에 유체적으로 결합된 튜브측 출구 노즐;
    제1 쉘의 제2 말단과 상기 입구 튜브 시트 사이에 연결된 제1 신축 이음;
    제2 쉘의 제2 말단과 상기 출구 튜브 시트 사이에 연결된 제2 신축 이음;
    상기 제2 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 입구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제2 신축 이음을 통해 상기 제2 쉘에 도입되는, 쉘측 입구 노즐; 및
    상기 제1 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 출구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제1 신축 이음을 통해 상기 제2 쉘로부터 배출되는, 쉘측 출구 노즐을 포함하고,
    쉘측 유체는, 상기 제1 쉘측 공간으로부터 상기 제3 쉘측 공간을 통해 상기 제2 쉘측 공간까지의 경로에서 흐르는 것인, 열교환기.
22. 제1 쉘측 공간 및 제1 종축을 형성하는 종방향으로 연장되고, 제1 및 제2 말단을 포함하는, 제1 쉘;
    제2 쉘측 공간 및 제2 횡축을 형성하는 횡방향으로 연장되고, 제1 및 제2 말단을 포함하고, 상기 제1 쉘의 제1 말단에 유체적으로 결합되고, 상기 제1 쉘에 대해 수직으로 배향된, 제2 쉘;
    튜브측 공간을 각각 형성하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 제1 및 제2 쉘을 통해 연장되는 L형 튜브 다발;
    제1 튜브 시트 및 제2 튜브 시트;
    상기 제1 튜브 시트와 제1 쉘의 제2 말단 사이에 결합된 제1 신축 이음;
    상기 제2 튜브 시트와 제2 쉘의 제2 말단 사이에 결합된 제2 신축 이음;
    상기 제2 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 입구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제2 신축 이음을 통해 상기 제2 쉘에 도입되는, 쉘측 입구 노즐; 및
    상기 제1 신축 이음에 유체적으로 결합된 쉘측 출구 노즐로서, 쉘측 유체가 상기 제1 신축 이음을 통해 상기 제1 쉘로부터 배출되는, 쉘측 출구 노즐을 포함하고,
    쉘측 유체는, 상기 제2 쉘측 공간으로부터 상기 제1 쉘측 공간까지의 경로에서 흐르는 것인, 열교환기.

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