KR20200068741A - 향상된 열 전이 파이프, 및 이를 포함하는 열분해로 및 대기 및 진공 가열로 - Google Patents

향상된 열 전이 파이프, 및 이를 포함하는 열분해로 및 대기 및 진공 가열로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 열 전달 분야에 관한 것으로, 열 전달 향상 파이프뿐만 아니라 열분해로 및 이를 포함하는 대기 및 진공 가열로를 개시한다. 열 전달 향상 파이프(1)는 유체의 유입을 위한 유입구(100) 및 상기 유체가 유출되기 위한 배출구(101)를 갖는 튜브 형상의 파이프 본체(10); 파이프 본체(10)의 내벽에는 파이프 본체(10)의 내부를 향해 돌출된 핀(11)이 제공되고, 상기 핀(11)은 파이프 본체(10)의 축 방향으로 나선형으로 연장되며, 여기서 핀(11)의 높이는 핀의 적어도 부분 연장부의 일 단부로부터 점진적으로 증가시킨다. 상기 열 전달 향상 파이프는 그 자체의 열 응력을 감소시켜 열 전달 향상 파이프의 서비스 수명을 증가시킬 수 있다.

Description

향상된 열 전이 파이프, 및 이를 포함하는 열분해로 및 대기 및 진공 가열로
본 발명은, 유체 열 전이 기술 분야에 관한 것으로, 특히 열 전이 향상 파이프(heat transfer enhancement pipe)뿐만 아니라 이를 포함하는 열분해로(pyrolysis furnace, cracking furnace) 및 대기 및 진공 가열로(atmospheric and vacuum heating furnace)에 관한 것이다.
열 전이 향상 파이프는, 파이프의 내부와 외부 사이의 유체 열 전이를 향상시킬 수 있는 열 전이 요소를 지칭하는데, 즉, 단위 시간당 단위 열 전이 영역이 가능한 많은 열을 전이할 수 있게 하는 열 전이 요소를 지칭한다. 열 전이 향상 파이프는 화력 발전, 석유 화학, 식품, 제약, 경공업, 야금, 조선술 등과 같은 많은 산업에 사용된다. 열분해로(cracking furnace)는 석유 화학 산업에 중요한 장비이므로, 열 전이 향상 파이프가 열분해로에 광범위하게 사용되어 왔다.
열 전이 향상 파이프에 대해서는, 유체 유동체와 파이프 벽 표면 사이에 유동 경계층이 존재하고, 열 전이 저항이 크다. 동시에, 상기 경계층에서의 극심히 낮은 유속 때문에, 크래킹 공정 중에 코크스가 로파이프(furnace pipe)의 내부 표면에 점진적으로 증착 및 부착되어 치밀한 코크스층을 형성하는데, 이 코크스층은 열 전이 저항이 극심히 크다. 따라서, 열분해로의 복사 섹션에서의 열 전이 파이프의 최대 저항은 파이프 내벽의 경계층 영역에 있다.
US5605400A에서는 열 전이 향상 파이프의 내벽 상에 핀(fin)을 제공함으로써 열 전이를 향상시키는 것을 개시하고 있다. 상기 핀은 열 전이 향상 파이프의 표면적을 증가시킬 뿐만 아니라, 파이프 내부의 난류 운동 에너지를 증가시킨다. 상기 핀은 비틀린 날의 형상이다. 상기 핀은 대개 열 전이 향상 파이프의 내부에 배열되어 유체 자체의 회전을 통해 유체의 경계층을 얇게 하여, 열 전이 향상의 목적을 달성한다. 핀이 있는 열 전이 향상 파이프는 비교적 우수한 열 전이 향상 효과를 갖더라도, 상기 핀이 용접에 의해 열 전이 향상 파이프의 파이프 벽에 연결되기 때문에, 작업 중에 용접 부위에서 높은 응력으로 인해 열 전이 향상 파이프의 핀과 파이프 벽 사이에 균열이 종종 발생할 수 있다. 특히 초고온 환경과 결합된 장기적 작동에 있어서, 열 전이 향상 파이프의 핀과 파이프 벽 사이에 균열이 발생하기 더 쉬우므로, 열 전이 향상 파이프의 서비스 수명을 단축시킨다.
따라서, 열 전이 향상 파이프의 열 응력을 감소시켜 열 전이 향상 파이프의 서비스 수명을 증가시키면서, 열 전이 향상 파이프의 열 전이 효과를 보장할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 종래 기술에 존재하는 열 전이 향상 파이프의 짧은 서비스 수명 문제를 극복하고, 열 전이 향상 파이프 자체의 열 응력을 감소시켜 열 전이 향상 파이프의 서비스 수명을 증가시킬 수 있는, 열 전이 향상 파이프를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은 유체의 유입을 위한 유입구 및 상기 유체의 배출을 위한 배출구를 갖는 튜브 형상의 파이프 본체를 포함하는 열 전이 향상 파이프를 제공하며, 파이프 본체의 내벽은 상기 파이프 본체의 내부를 향해 돌출하고 파이프 본체의 축 방향에서 나선형으로 연장하는 핀을 가지며, 여기서 상기 핀의 높이는 상기 핀의 적어도 부분 연장부(part extension)의 일 단부로부터 점진적으로 증가한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 로파이프 조립체가 설치된, 복사챔버(radiation chamber)를 포함하는, 열분해로 또는 대기 및 진공 가열로를 제공하고; 상기 로파이프 조립체는 순차적으로 배열된 복수의 로파이프 및 로파이프와 인접하여 연통하는 열 전이 향상 파이프를 포함하고, 상기 열 전이 향상 파이프는 전술한 바와 같은 열 전이 향상 파이프이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 부분 단면도로서, 여기서 핀의 높이는 핀의 적어도 부분 연장부의 유입구 단부로부터 점진적으로 증가한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀의 높이가 양 단부로부터 중간으로 점진적으로 증가한다.
도 3은 도 2에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 갖고; 전이각은 35 °이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀의 높이는, 양 단부에 근접한 부분에서만 양 단부로부터 중간으로 점진적으로 증가하고, 중간부에서는 핀의 높이가 파형으로 변한다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 갖고; 전이각이 38 °이며, 핀의 높이는 배출구 단부로부터 점진적으로 증가한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 갖고, 전이각은 35 °이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 단면도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 핀에 배열된 간격의 수는 1이고; 전이각은 35 °이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 측면 사시도로서, 여기서 핀의 단면은, 옆에서 관측시, 삼각형 형상이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 핀에 배열된 간격의 수는 1이고; 전이각은 35 °이다.
도 10은 본 발명의 열 전이 향상 파이프 vs 종래 기술의 열 전이 파이프의 응력 분포도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 핀에 배열된 간격의 수는 2이고; 전이각은 38 °이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 전이각은 35 °이고, 파이프 본체의 중심축을 향하는 핀의 상부 표면은 오목한 형상의 제3 전이 표면으로서 형성된다.
도 13은 도 12에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 열분해로에서 로파이프 조립체의 개략적인 구조도이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 파이프 본체의 외부에 단열재가 제공되고, 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 전이각은 30 °이다.
도 16은 도 15에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 파이프 본체의 외부에 단열재가 제공되고, 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 전이각은 35 °이다.
도 18은 도 17에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 파이프 본체의 외부에 단열재가 제공되고, 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 전이각은 40 °이다.
도 20은 도 19에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 파이프 본체와 단열재 사이에 지지되는 연결부는 제2 연결부이다.
도 22는 도 21에 도시된 열 전이 향상 파이프의 또 다른 각도로부터의 개략적인 사시도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 파이프 본체의 외부에 단열재가 제공되고, 핀은 사다리꼴 단면이며, 핀에 배열된 간격의 수는 1이고, 전이각은 35 °이다.
도 24는 도 23에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 사시도로서, 여기서 파이프 본체의 외부에 단열재가 제공되고, 핀은 사다리꼴 단면을 가지며, 전이각은 35°이며, 파이프 본체의 중심축을 향하는 핀의 상부 표면은 오목한 형상의 제3 전이 표면으로 형성된다.
도 26은 도 25에 도시된 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도이다.
도 27은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 열 전이 향상 파이프의 개략적인 단면 구조도로서, 여기서 파이프 본체의 외부 표면 상에 단열층이 제공되며, 핀은 사다리꼴 단면을 갖고, 핀에 배열된 간격의 수는 1이며, 전이각은 35 °이다.
도 28은 도 27에 도시된 열 전이 향상 파이프의 국부적 구조 개략도로서, 여기서 단열층은 금속 파이프 본체의 외부 표면 상에 제공되며, 이는 파이프 본체의 외부 표면에 순차적으로 적층되는 금속 합금층, 산화물층, 및 세라믹층을 포함한다.
본 발명에서, 반대로 지시되지 않는 한, 본 명세서에서 배향을 정의하기 위해 사용된 "상", "하", "좌" 및 "우"와 같은 단어는, 일반적으로 도면 실제 적용에 있어 도면 및 배향과 관련해, 배향을 지칭하고 배향으로서 이해되고; "내부" 및 "외부"는 열 전이 향상 파이프의 축에 대해 상대적이다.
또한, 핀의 높이는 파이프 본체의 중심축을 향한 핀의 상부 표면과 파이프 본체의 내벽 사이의 높이 또는 거리를 지칭한다. 상기 핀의 축 방향 길이는 측면도에서 중심축을 따라 핀의 길이 또는 거리를 지칭한다.
본 발명은, 로파이프 조립체에 열 전이 향상 파이프를 제공하는 것을 제안하여, 이로써 열 전이를 향상시켜 코크스층의 형성을 감소 또는 방지한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 열분해로의 복사챔버에 복수의 로파이프 조립체가 제공되고, 각각의 로파이프 조립체는 열 전이 향상 파이프(1)들을 갖는다. 각각의 로파이프 조립체에는, 로파이프(2)의 축 방향을 따라 간격을 두고, 2개의 열 전이 향상 파이프(1)가 배치된다. 각각의 열 전이 향상 파이프(1)는 65mm의 내부 직경을 갖는다. 각각의 로파이프 조립체에서, 2개의 인접한 열 전이 향상 파이프(1) 사이의 로파이프(2)의 축 길이는 열 전이 향상 파이프(1)의 내부 직경의 50 배이다. 열 전이 향상 파이프(1)의 개수 및 간격은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 특정 응용에 따라 달라질 수 있음을 이해해야 한다.
도 1~8에 도시된 바와 같이, 열 전이 향상 파이프(1)는 유체의 유입을 위한 유입구(100) 및 상기 유체의 배출을 위한 배출구(101)를 갖는 튜브 형상의 파이프 본체(10)를 포함한다. 파이프 본체(10)의 내벽에는 파이프 본체(10)의 내부를 향해 돌출하고 파이프 본체의 축 방향에서 나선형으로 연장하는 핀(11)을 갖는다. 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 감소시키기 위해, 핀(11)의 높이, 즉 파이프 본체(10)의 중심축을 향하는 핀(11)의 상부 표면(111)과 파이프 본체(10)의 내벽 사이의 거리는, 바람직하게는 0보다 크고 150mm 이하이고; 예를 들어, 상기 핀(11)의 높이는 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm, 60mm, 70mm, 80mm, 90mm, 100mm, 110mm, 120mm, 130mm, 또는 140 mm일 수 있다.
일례에 따르면, 핀(11)의 높이는, 핀의 적어도 부분 연장부의 일 단부로부터 점진적으로 증가한다. 도 1에 도시된 예에서, 핀(11)의 높이는 유입구(100)로부터 배출구(101)로 연장하는 방향으로 점진적으로 증가하지만; 핀(11)의 높이가, 도 5에 도시된 바와 같이, 배출구(101)로부터 유입구(100)로 연장하는 방향으로 점진적으로 증가할 수도 있음을 이해해야 한다. 또한, 핀(11)의 높이는, 도 2~3에 도시된 바와 같이, 양 단부에서 중간부로 점진적으로 증가할 수도 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 핀(11)의 높이는 양 단부에 근접한 부분에서만, 양 단부로부터 중간으로 점진적으로 증가할 수도 있으며, 중간부에서는 핀(11)의 높이는 파형으로 변한다.
파이프 본체(10)의 내벽 상에 파이프 본체(10)의 내부로 향하여 돌출하는 핀(11)을 제공함으로써 및 핀(11)의 높이가 유입구(100)로부터 배출구(101)로 연장하는 방향으로 점진적으로 증가하도록 함으로써, 이로써 열 전이 향상 파이프는 우수한 열 전이 효과를 가지면서, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력이 감소될 수 있고, 열 전이 향상 파이프(1)의 국부 과열에 저항하는 능력이 이에 따라 개선되어 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 증가시킨다. 도 10은 본 발명의 열 전이 향상 파이프 vs 종래 기술의 열 전이 파이프의 응력 분포도이다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 기술의 열 전이 파이프에서, 강화된 열 전이 튜브의 핀과 파이프 벽 사이의 연결에서 상당한 응력 집중이 존재한다(도 10의 상반부에 도시됨); 종래의 열 전이 파이프와 비교하면, 본 발명의 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력은 상당히 감소된다(도 10의 하반부에 도시됨).
열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키기 위해, 핀(11)의 가장 높은 부분의 높이 대 핀(11)의 가장 낮은 부분의 높이의 비는 1.1~1.6 : 1이다. 예를 들어, 핀(11)의 가장 높은 부분의 높이 대 핀(11)의 가장 낮은 부분의 높이의 비는 1.2 : 1, 1.3 : 1, 1.4 : 1 또는 1.5 : 1이다.
또한, 파이프 본체(10)의 내벽 상에 복수의 핀(11), 예를 들어, 2개, 3개 또는 4개의 핀(11)이 배열될 수 있다. 유입구(100)의 방향에서 관측시, 상기 복수의 핀(11)은 시계 방향 나선형 또는 반시계 방향 나선형일 수 있다. 상기 구조를 갖는 복수의 핀(11)을 구성으로 하는 것은, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 전이 효과를 향상시킬 뿐만 아니라 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 감소시키고, 열 전이 향상 파이프(1)의 고온에서 저항하는 능력을 향상시키며, 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 크게 연장시킨다.
바람직하게는, 유입구(100)의 방향에서 관측시, 복수의 핀(11)은 파이프 본체(10)의 중심 방향으로 봉입되어 파이프 본체(10)의 축 방향으로 연장하는 홀(13)을 형성하여 유체가 파이프 본체(10)로 유동하는 것을 용이하게 하고, 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 압력 강하를 가능한 한 낮게 감소시키기 위해, 홀(13)의 직경(d)과 파이프 본체(10)의 내부 직경(D) 사이의 비율 d:D는 바람직하게는 0보다 크고 1 미만일 수 있으며; 예를 들어, 비율 d:D는 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9일 수 있다.
핀(11)의 유체에 대한 교란 효과(disturbance effect)를 증가시키기 위해, 핀(11)의 회전각은 바람직하게 90~1080 °일 수 있으며; 예를 들어, 핀(11)의 회전각은 120 °, 180 °, 360 °, 720 ° 또는 1080 °일 수 있다.
일반적으로, 파이프 본체(10)의 내부 직경(D)에 대한 180 °로 회전된 핀(11)의 축 길이의 비율은 각각의 핀(11)의 길이를 결정하는 왜곡 비율이면서; 핀(11)의 회전각은 왜곡 정도를 결정하고 열 전이 효율에 영향을 미친다. 핀(11)의 왜곡 비율은 2.3 내지 2.6일 수 있으며; 예를 들어, 핀(11)의 왜곡 비율은 2.35, 2.4, 2.5, 2.49 또는 2.5일 수 있다.
또한, 파이프 본체(10)의 축의 핀(11)의 길이(L1) 대 파이프 본체(10)의 내부 직경(D)의 비(L1:D)는 1~10 : 1이고; 바람직하게는, L1:D = 1~6 : 1의 비이다.
본 발명은, 도 14에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 로파이프 조립체가 장착된, 복사챔버를 포함하는 열분해로를 제공한다. 상기 로파이프 조립체는 순차적으로 배열된 복수의 로파이프(2)를 포함하며, 여기서 열 전이 향상 파이프, 즉, 로파이프(2)와 인접하여 연통하는, 열 전이 향상 파이프(1)는 이격된 방식(spaced manner)으로 축 상으로 배열될 수 있고; 상기 열 전이 향상 파이프는 본 발명에 의해 제공되는 열 전이 향상 파이프(1)이다. 열분해로의 복사챔버에 본 발명에 의해 제공된 열 전이 향상 파이프(1)를 배열함으로써, 복사챔버에 유체의 열 전이 효과가 향상될 뿐만 아니라, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력 감소로 인해 열분해로의 작동 사이클 및 열분해로가 고온에서 저항하는 능력도 향상될 수 있다. 구체적으로, 로파이프 조립체는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 열 전이 향상 파이프(1)들을 가질 수 있다.
바람직하게는, 파이프 본체(10)의 로파이프(2)의 축 방향 길이(L2) 대 내부 직경(D)의 비(L2:D)는 15~75이므로, 열분해로의 열 전이 효과 및 작동 사이클이 추가로 향상될 수 있다. L2:D = 25~50의 비인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 효과는 하기 실시예 및 비교예를 통해 추가로 설명될 것이다.
실시예 11
복수의 로파이프 조립체를 열분해로의 복사챔버에 배열하였다. 열 전이 향상 파이프(1)를 3개의 로파이프 조립체로 배열하였다. 2개의 열 전이 향상 파이프(1)를 로파이프(2)의 축 방향으로 간격을 두고 각각의 로파이프 조립체에 배열하였다. 각각의 열 전이 향상 파이프(1)은 65mm의 내부 직경을 가졌다. 각각의 로파이프 조립체에서, 2개의 인접한 열 전이 향상 파이프(1)들간의 로파이프(2)의 축 길이는 열 전이 향상 파이프(1)의 내부 직경의 50 배였다. 각각의 열 전이 향상 파이프(1)의 구조는 다음과 같다 : 파이프 본체(10)의 내벽 상에 2개의 핀(11)을 배열하였고; 유입구(100)의 방향에서 관측시, 2개의 핀(11)은 시계 방향의 나선형의 형상을 취하고; 파이프 본체(10)의 중심에 2개의 핀(11)을 봉입하여 파이프 본체(10)의 축 방향으로 연장하는 홀(13)을 형성하였으며; 파이프 본체(10)의 내부 직경에 대한 홀(13)의 직경의 비는 0.6이며; 각각의 핀(11)의 회전각은 180 °이었고; 각각의 핀(11)의 왜곡 비율은 2.5이고, 핀(11)의 높이는 유입구(100)로부터 배출구(101)로 연장하는 방향으로 점진적으로 증가하였으며, 핀(11)의 가장 높은 부분의 높이 대 핀(11)의 가장 낮은 부분의 비는 1.3 : 1이었으며, 여기서 크래킹의 배출구 온도는 820~830 °이었다.
실시예 12
실시예 12는 핀(11)의 높이가 배출구(101)로부터 유입구(100)로 연장하는 방향으로 점진적으로 증가할 수도 있고, 핀(11)의 가장 높은 부분의 높이 대 핀(11)의 가장 낮은 부분의 비는 1.4 : 1인 점을 제외하고는, 실시예 11과 동일하였다. 다른 조건은 변경되지 않았다.
실시예 13
실시예 13은 핀(11)의 높이가 양 단부로부터 중간부로 점진적으로 증가할 수 있다는 점을 제외하고는, 실시예 11과 동일하였다. 다른 조건은 변경되지 않았다.
비교예 11
종래 기술의 열 전이 향상 파이프를 배열하였고, 여기서 파이프 본체에 파이프 본체의 축 방향에서 나선형으로 연장하고 파이프 본체의 내부를 2개의 상호 비-연통 챔버로 분리하는 단 하나의 핀만을 가지며, 나머지 조건은 변경되지 않았다.
동일한 조건 하에서 작동한 후의 실시예 및 비교예에서의 열분해로의 각각의 테스트 결과가 하기 표 1에 제시되어 있다.
[표 1]
Figure pct00001
열분해로에 본 발명에 의해 제공되는 열 전이 향상 파이프를 배열하는 것은 열 전이 부하를 최대 6620w까지 증가시키고, 열 전이 효율을 상당히 증가시키며, 압력 강하를 상당히 감소시키면서, 열 전이 향상 파이프에서 최대 열 응력의 50 % 이상의 감소로 인해, 열 전이 향상 파이프의 수명을 증가시킨다는 것을 상기로부터 알 수 있다.
일례에 따르면, 핀(11)은 연속적으로 또는 섹션들로 연장할 수 있다. 핀(11)이 섹션들로 연장할 경우, 핀(11)은 간격(12)으로 나눠진 복수의 핀 섹션들을 포함한다. 유사하게, 핀(11)이 연속적으로 연장할 경우, 핀(11)은 단일 핀 섹션을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 핀(11)은 파이프 본체(10)의 축 방향에서 나선형으로 연장하는 하나 이상의 핀 섹션들을 갖는다. 각 핀 섹션의 길이는 동일하거나 상이할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 각각의 핀 섹션은 유입구(100)를 향하는 제1 단부 표면 및 배출구(101)를 향하는 제2 단부 표면을 포함한다. 핀 섹션들 중 적어도 하나의 제1 단부 표면 및 제2 단부 표면 중 적어도 하나는 나선형으로 연장하는 방향을 따라 전이 표면으로서 형성된다. 구별을 용이하게 하기 위해, 본 출원에서는, 유입구(100)에 가장 근접한 제1 단부 표면(110)을 제1 전이 표면으로 지칭하고; 배출구(101)에 가장 근접한 제2 단부 표면(115)을 제2 전이 표면으로 지칭하며; 간격(12)의 측 벽(120)에 의해 정의된 제1 단부 표면 및 제2 단부 표면을 제4 전이 표면으로 지칭한다. 복수의 핀 섹션들의 제1 단부 표면 및/또는 제2 단부 표면이 전이 표면일 경우, 각각의 핀 섹션의 제1 단부 표면 및/또는 제2 단부 표면에 의해 형성된 전이 표면은 동일하거나 상이할 수 있다.
또한, 상기 전이 표면은 곡면(curved face) 또는 평면(flat face)일 수 있음을 유의해야 한다. 곡면은 볼록하거나 오목할 수 있다. 바람직하게는, 곡면은 열 전이 향상 파이프의 열 전이 효과를 추가로 개선하고 열 전이 향상 파이프의 열 응력을 추가로 감소시키기 위해 오목하다. 또한, 전이 표면은 핀 상의 유체의 충격력을 감소시킬 수도 있다. "전이각(transition angle)"은 연결 위치에서 전이 표면 또는 전이 표면의 접평면(tangent plane) 과 파이프 벽의 접평면 사이의 각을 지칭한다(전이 표면이 곡면일 경우). 전이각은 0 ° 이상 90 ° 미만의 각도로 연장한다.
도 1~5에 도시된 바와 같이, 나선형으로 연장하는 방향에서 유입구(100)에 가장 근접한 핀(11)의 제1 단부 표면(110)은 제1 전이 표면으로서 형성된다. 파이프 본체(10)의 내부를 향해 돌출하는 핀(11)을 파이프 본체(10)의 내벽 상에 제공함으로써, 및 나선형으로 연장하는 방향에서 유입구(100)에 가장 근접한 핀(11)의 제1 단부 표면(110)을 제1 전이 표면으로서 형성함으로써, 이로써 열 전이 향상 파이프가 우수한 열 전이 효과를 가지게 하면서, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력이 감소될 수 있고, 열 전이 향상 파이프(1)의 국부 과열에 저항하는 능력이 이에 따라 개선되어, 열 전이 향상 파이프의 서비스 수명이 늘어나고; 게다가, 제1 전이 표면으로서 형성하는 제1 단부 표면(110)이 파이프 본체(10)의 유체에 대해 비교적 강한 난류 효과를 가지며 코킹 현상을 감소시킨다.
상술된 열 전이 향상 파이프(1)는 가열로에 적합하며 열분해로에도 적합하다. 상술된 열 전이 향상 파이프(1)는 가열로 및 열분해로에 적합하다. 상술된 열 전이 향상 파이프(1)는 에틸렌 열분해로와 같은 열분해로에 설치될 수 있어, 운송 중에 유체가 유입구(100)를 통해 열 전이 향상 파이프(1)의 파이프 본체(10)로 유입될 수 있고; 그 후, 핀(11)의 영향 하에, 유체가 선회류가 되고; 이의 접선속도로 인해, 유체가 경계층을 파괴하고 코킹 속도를 감소시키며, 열분해로의 서비스 사이클을 연장시킬 수 있는 한편; 나선형으로 연장하는 방향에서 유입구(100)에 가장 근접한 핀(11)의 제1 단부 표면(110)이 제1 전이 표면으로서 형성되기 때문에, 이로써 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력이 감소되고 열 전이 향상 파이프(1)의 수명이 연장된다. 여기서 도 4는 나선형으로 연장하는 방향에서 형성하는 제1 전이 표면을 명백하게 도시하고; 여기서 제1 단부 표면(110)은 나선형으로 연장하는 방향으로 경사져 있다. 상술된 열 전이 향상 파이프(1)는 가열로에 적합하며 열분해로에도 적합하다. 또한, 열 전이 향상 파이프(1)의 유체는 특별히 제한되지 않으며, 열 전이 향상 파이프(1)의 실제 적용 환경에 따라 선택될 수 있음을 유의해야 한다.
또한, 제1 전이 표면은 제1 곡면으로서 형성될 수 있다. 제1 곡면은 볼록하거나 오목한 형상일 수 있으며; 바람직하게는, 제1 곡면은 열 전이 향상 파이프(1)의 열 전이 효과를 추가로 개선하고 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키기 위해 오목한 형상일 것이다. 구체적으로, 제1 곡면은 포물면에서 취한 부분 포물면일 수 있다.
또한, 제1 전이 표면의 전이각은 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키고 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 크게 증가시키기 위해 0 ° 이상 90 ° 미만일 수 있다. 제1 전이 표면의 전이각은 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, 35 °, 38 °, 40 °, 45 °, 50 °, 55 °, 60 °, 65 °, 70 °, 75 °, 80 ° 또는 85 °일 수 있다.
열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키기 위해, 배출구(101)에 가장 근접한 핀(11)의 제2 단부 표면은 나선형으로 연장하는 방향으로 제2 전이 표면으로서 형성될 수 있고; 여기서 제2 단부 표면(110)은 열 전이 향상 파이프의 수명을 상응하게 증가시키기 위해 나선형으로 연장하는 방향으로 경사져 있다. 또한, 제2 전이 표면은 제2 곡면으로서 형성될 수 있다. 제2 곡면은 볼록하거나 오목한 형상일 수 있으며; 바람직하게는, 제2 곡면은 오목한 형상일 수 있다. 또한, 제2 전이 표면의 전이각은 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키고 열 전이 향상 파이프(1)의 수명을 크게 증가시키기 위해 0 ° 이상 90 ° 미만일 수 있다. 제2 전이 표면의 전이각은 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, 35 °, 38 °, 40 °, 45 °, 50 °, 55 °, 60 °, 65 °, 70 °, 75 °, 80 ° 또는 85 °일 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 파이프 본체(10)의 중심축을 향하는 핀(11)의 상부 표면(111)은, 제3 전이 표면으로서 형성되어, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 전이 효과에 영향을 미치지 않으면서 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 감소시킬 수 있다. 제3 전이 표면이 오목한 것이 더 바람직하다. 구체적으로, 제3 전이 표면은 포물면 형상을 취한다.
바람직하게는, 핀(11)의 2개의 대향 측 벽면(112)은 파이프 본체(10)의 내벽으로부터 파이프 본체(10)의 중심부로의 방향으로 점진적으로 서로 접근하고; 즉, 핀(11)이 파이프 본체(10) 내로 유입되는 유체에 대한 교란(disturbance)을 향상하고 열 전이 효과를 개선하면서 열 전이 향상 파이프의 열 응력을 추가로 감소시키도록 각각의 측 벽면(112)이 경사질 수 있다. 파이프 본체(10)의 반경 방향에서 평행하는 평면으로부터 취한 단면인 핀(11)의 단면은 실질적으로 사다리꼴 또는 사다리꼴 형일 수 있는 것으로도 이해된다. 물론, 핀(11)의 단면은 실질적으로 직사각형일 수 있다.
열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 감소시키기 위해, 핀(11)의 2개의 대향 측 벽면(112) 중 적어도 하나와 파이프 본체(10)의 내벽의 연결에서 스무스 전이 필렛(113)이 형성될 수 있다. 스무스 전이 필렛(113)의 반경은 0보다 크고 10mm 이하이다. 스무스 전이 필렛(113)의 반경을 상기 범위 이내로 설정하는 것은 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키고 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 스무스 전이 필렛(113)의 반경은 5 mm, 6mm 또는 10mm일 수 있다.
또한, 각각의 측 벽면(112)과 파이프 본체(10)의 내벽에 의해 형성된 각도는, 서로 연결될 경우, 5 ° 내지 90 °일 수 있고; 즉, 각각의 측 벽면(112)의 접평면과 파이프 본체(10)의 내벽 사이의 각도가, 서로 연결될 경우, 5 ° 내지 90 °일 수 있으며; 상기 범위 이내에서 각도를 설정하는 것은 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키고 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 증가시킬 수 있다. 각각의 측 벽면(112) 및 파이프 본체(10)의 내벽에 의해 형성된 각도는, 서로의 연결될 경우, 20 °, 30 °, 40 °, 45 °, 50 °, 60 °, 70 ° 또는 80 °일 수 있다.
도 7~9와 관련하여 도시된 바와 같이, 간격(12)이 핀(11) 상에 배열되어 핀(11)을 분리시킬 수 있어, 열 전이 향상 파이프(1)가 우수한 열 전이 효과를 가질 뿐만 아니라, 열 전이 향상 파이프의 열 응력이 감소되면서, 국부 과열에 저항하는 능력이 개선될 수 있다. 간격(12)이 있는 열 전이 향상 파이프(1)가 가열로 또는 열분해로에 적용될 때, 가열로 또는 열분해로의 작동 사이클도 증가될 수 있다. 상기 간격(12)의 수는 특별히 제한되지 않으며 실제 요구에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 1개의 간격(12), 또는 2개, 3개, 4개 또는 5개의 간격(12)을 가질 수 있다. 복수의 간격(12)을 가질 경우, 복수의 간격(12)은 바람직하게는 핀(11)의 연장 방향으로 배열된다.
바람직하게는, 간격(12)의 2개의 측 벽(120) 중 적어도 하나는 제4 전이 표면으로서 형성된다. 예를 들어, 도 6~7 및 도 10에 도시된 바와 같이, 간격(12)의 2개의 측 벽(120)은 전이 표면으로서 형성될 수 있고, 2개의 측 벽(120) 사이의 거리는 파이프 본체의 내벽에 근접하여 파이프 본체의 내벽으로 멀어지는 방향으로 점진적으로 증가한다. 여기서 2개의 측 벽(120) 사이의 거리, 즉 간격(12)의 폭은 0보다 크고 10000mm 이하일 수 있고; 예를 들어, 2개의 측 벽(120) 사이의 거리는 1000mm, 2000mm, 3000mm, 4000mm, 5000mm, 6000mm, 7000mm, 8000mm 또는 9000mm일 수 있다. 또한, 제4 전이 표면은 간격(12)의 중심으로부터 멀어지는 방향을 향해 오목할 수 있다.
본 발명의 효과는 하기 실시예 및 비교예를 통해 추가로 설명될 것이다.
실시예 21
실시예 21은, 제1 전이 표면 및 제2 전이 표면이 제공되고, 제1 전이 표면의 전이각이 40 °이고; 제2 전이 표면의 전이각이 40 °인 점을 제외하고는, 실시예 11과 동일하다.
실시예 22
실시예 22는 핀(11)의 가장 높은 부분의 높이 대 핀(11)의 가장 낮은 부분의 높이의 비가 1.4 : 1이고, 제1 전이 표면의 전이각이 35 °이고; 제2 전이 표면의 전이각이 35 °이며, 각각의 핀(11)의 단면, 즉, 파이프 본체(10)에 평행한 반경 방향에서의 표면으로부터 취한 단면이 실질적으로 삼각형 형상이라는 점을 제외하고는 실시예 21과 동일하였다. 다른 조건은 변경되지 않았다.
실시예 23
실시예 23은 열 전이 향상 파이프(1)를 대기 및 진공 가열로에 사용하였고, 각각의 열 전이 향상 파이프(1)는 75 mm의 내부 직경을 갖고, 제1 전이 표면의 전이 각은 60 °이고; 제2 전이 표면의 전이각은 60 °이며, 상기 가열로의 배출구 온도는 406 °이라는 점을 제외하고는 실시예 21과 동일하였다.
비교예 21
비교예 21은 향상된 열 전이 튜브의 구조를 변경하였는데, 즉, 종래 기술의 열 전이 향상 파이프를 배열하고, 여기서 파이프 본체에는 파이프 본체의 축 방향에서 나선형으로 연장하고 파이프 본체의 내부를 2개의 상호 비-연통 챔버로 분리하는 단 하나의 핀을 제공하는 점을 제외하고는, 실시예 21과 동일하였으며, 나머지 조건은 변경되지 않았다.
비교예 22
비교예 22는 향상된 열 전이 튜브의 구조를 변경하였는데, 즉, 종래 기술의 열 전이 향상 파이프를 배열하고, 여기서 파이프 본체에는 파이프 본체의 축 방향으로 나선형으로 연장하고 파이프 본체의 내부를 2개의 상호 비-연통 챔버로 분리하는 단 하나의 핀을 제공하는 것을 제외하고는, 실시예 23과 동일하였으며, 나머지 조건은 변경되지 않았다.
1. 동일한 조건 하에서 작동한 후, 실시예 21-22 및 비교예 21의 열분해로의 각각의 테스트 결과는 하기 표 2.1에 제시되어 있다.
[표 2.1]
Figure pct00002
열분해로에 본 발명에 의해 제공되는 열 전이 향상 파이프를 배열하는 것은 열 전이 부하를 최대 6550w까지 증가시키고, 열 전이 효율을 상당히 증가시키며, 압력 강하를 상당히 감소시키면서, 열 전이 향상 파이프의 최대 열 응력의 50 % 이상의 감소로 인해, 열 전이 향상 파이프의 수명을 증가시킨다는 것을 상기로부터 알 수 있었다.
2. 동일한 조건 하에서 작동한 후, 실시예 23 및 비교예 22의 열분해로의 각각의 테스트 결과는 하기 표 2.2에 제시되어 있다.
[표 2.2]
Figure pct00003
본 발명에 의해 제공되는 열 전이 향상 파이프를 대기 및 진공 가열로에 적용하는 것은, 대기 및 진공 가열로가 더 나은 열 전이 효과를 갖도록 하고, 열 전이 향상 파이프가 더 적은 열 응력을 갖게 한다는 것을 상기로부터 알 수 있었다.
또 다른 예에 따르면, 파이프 본체(10)의 외부에는 파이프 본체(10)의 둘레를 적어도 부분적으로 감싸는 단열재(14)를 갖는다. 파이프 본체(10)의 외부 둘레를 적어도 부분적으로 감싸는 단열재(14)를 파이프 본체(10)의 외부에 제공함으로써, 고온 가스와 파이프 본체(10)의 외벽 사이의 열 전이를 방해하여 파이프 본체(10)의 외벽의 온도를 낮추고, 이로써 파이프 본체(10)와 핀(11) 사이의 온도차를 감소시켜, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 효과적으로 감소시키고, 열 전이 향상 파이프(1)의 수명을 연장시키며, 이에 따라 열 전이 향상 파이프(1)의 허용 온도를 증가시킨다. 상술된 열 전이 향상 파이프(1)를 열분해로에 적용할 때, 열분해로의 장기 안정적인 작동이 보장될 수 있다. 핀(11)이 파이프 본체(10)의 내부에 배열되기 때문에, 파이프 본체(10)로 유입하는 유체는 선회류(swirling flow)로 변할 수 있으며; 접선속도(tangential velocity)로 인해, 상기 유체가 경계층을 파괴하고 코킹 속도를 감소시킬 수 있다. 단열재(14)는 파이프 본체(10)의 둘레에서, 파이프 본체(10)의 외부 둘레를 완전히 감쌀 수 있으며, 즉, 파이프 본체(10)의 외부 둘레 주위를 360 °로 완전히 감쌀 수 있고; 단열재(14)도 파이프 본체(10)의 둘레에서 파이프 본체(10)의 둘레를 부분적으로 감쌀 수 있으며, 예를 들어, 파이프 본체(10)의 외부 둘레 주위를 90 °로 부분적으로 감쌀 수 있음을 이해할 수 있으며; 물론, 단열재(14)가 실제 요구에 따라 적절한 각도로 파이프 본체(10)의 외부 둘레를 감쌀 수 있으며; 상술된 열 전이 향상 파이프(1)를 열분해로에 적용하고 파이프 본체(10)의 외부에서 파이프 본체(10)의 외부 둘레를 부분적으로 감싸는 단열재(14)를 제공할 때, 파이프 본체(10)의 가열된 표면에 단열재(14)를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 단열재(14)는 핀을 갖는 파이프 본체(10)의 외부에 배열되어, 파이프 본체(10)로부터 핀이 쉽게 균열되어 버리지 않도록 하여 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.
도 15~26에 도시된 바와 같이, 단열재(14)는 튜브 형상일 수 있고, 바람직하게는 파이프 본체(10)의 외부 상에 슬리브되고, 파이프 본체(10)의 파이프 벽의 온도를 추가로 감소시키기 위해서, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시켰다. 단열재(14)의 형상 및 구조에 대해서는, 특별히 한정되지 않으며, 도 15에 도시된 바와 같이, 단열재(14)는 원통 형상일 수 있고; 또는 도 17에 도시된 바와 같이, 단열재(14)는 타원 형상일 수 있다.
또한, 단열재(14)가 배치되는 방식은 특별히 한정되지 않으며, 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 단열재(14)는 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 인접할 수 있으며; 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 단열재(14)는 파이프 본체(10)의 외부 상에 슬리브될 수도 있고; 단열재(14)와 파이프 본체(10)의 외벽 사이에 갭(15)이 남겨질 수 있다. 단열재(14)와 파이프 본체(10)사이의 외벽 사이에 갭(15)을 남겨짐으로써, 사용중인 파이프 본체(10)의 파이프 벽의 온도가 추가로 감소되고, 이로써 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시킨다.
열 전이 향상 파이프(1)의 구조적 안정성을 추가로 향상시키기 위해, 단열재(14)와 파이프 본체(10)를 연결하는 커넥터가 이들 사이에 배열될 수 있으며, 여기서 커넥터의 구조적 형상은, 단열재(14)와 파이프 본체(10)가 연결될 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 도 23에 도시된 바와 같이, 커넥터는 파이프 본체(10)에 평행하여 축 방향으로 연장할 수 있는 제1 커넥팅 피스(160)를 포함할 수 있고; 도 21에 도시된 바와 같이, 커넥터는 파이프 본체(10)의 외벽을 따라 나선형으로 연장할 수 있는 제2 커넥팅 피스(161)를 포함할 수 있으며; 도 15 및 도 17에 도시된 바와 같이, 커넥터는 이의 양 단부가 파이프 본체(10)의 외벽 및 단열재(14)의 내벽에 각각 연결될 수 있는 커넥팅 로드(162)를 포함할 수 있다. 상기 3개의 구조 중 임의의 2개 이상의 커넥터가 단열재(14)와 파이프 본체(10) 사이에 선택적으로 배열될 수 있음을 이해해야 한다. 바람직하게는, 커넥터는 35Cr45Ni와 같은 경질 물질 또는 세라믹 섬유처럼 연질 물질로부터 제조 및 수득된다.
도 15, 16 및 18에 도시된 바와 같이, 단열재(14)는 스트레이트 파이프 섹션(140), 및 스트레이트 파이프 섹션(140)의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 연결되는 제1 테이퍼 파이프 섹션(141) 및 제2 테이퍼 파이프 섹션(142)을 포함할 수 있고, 여기서 제1 테이퍼 파이프 섹션(141)은 제1 단부에 근접하여 제1 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼되고; 제2 테이퍼 파이프 섹션(142)은 제2 단부에 근접하여 제2 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼된다. 단열재(14)는 상기 구조로서 배열되어, 파이프 본체(10)의 파이프 벽의 온도가 효과적으로 감소될 뿐만 아니라, 파이프 본체(10)의 축 방향으로의 온도 변화가 비교적 균일하면서, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력도 감소된다.
또한, 제1 테이퍼 파이프 섹션(141)의 수평 표면과 외벽 표면 사이에 형성된 각도는 바람직하게는 10~80 °이고; 구체적으로, 제1 테이퍼 파이프 섹션(141)의 수평 표면과 외벽 표면 사이에 형성된 각도는 20 °, 30 °, 40 °, 50 °, 60 ° 또는 70 °일 수 있다. 제2 테이퍼 파이프 섹션(142)의 수평 표면과 외벽 표면 사이에 형성된 각도는 바람직하게는 10~80 °이고; 유사하게, 제2 테이퍼 파이프 섹션(142)의 수평 표면과 외벽 표면 사이에 형성된 각도는 20 °, 30 °, 40 °, 50 °, 60 ° 또는 70 °일 수 있다.
게다가, 파이프 본체(10)의 축 방향으로의 단열재(14)의 연장 길이는 바람직하게는 파이프 본체(10)의 길이의 1~2 배이다. 상기 범위 이내에서 단열재(14)의 축 방향 길이를 설정하는 것은 사용시 파이프 본체(10)의 파이프 벽의 온도를 추가로 감소시킬 수 있고, 파이프 본체(10)의 열 응력을 추가로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 하기 실시예 및 비교예를 통해 추가로 설명될 것이다.
실시예 31
실시예 31은, 파이프 본체(10)의 외부 상에 원통 형상의 단열재(14)를 배열하였고; 상기 단열재(14)는 파이프 본체(10)의 둘레를 완전히 감싸고 파이프 본체의 외벽과 갭(15)을 남겼으며; 상기 단열재(14)를 커넥팅 로드(162)를 통해 파이프 본체(10)와 연결시켰고; 파이프 본체(10)에 평행한 반경 방향의 표면으로부터의 단면은 실질적으로 사다리꼴이며; 각 측 벽면(112) 및 파이프 본체(10)의 내벽에 의해 형성된 각도는 45 ° 이라는 점을 제외하고는, 실시예 11과 동일하였다.
실시예 32
실시예 32는, 단열재(14)가 타원형이었고; 제1 전이 표면의 전이각은 35 °이었으며; 제2 전이 표면의 전이각은 35 °이었다는 점을 제외하고는, 실시예 31과 동일하였다. 다른 조건은 변경되지 않았다.
실시예 33
실시예 33은, 단열재(14)를 파이프 본체(10)의 외벽에 부착하였고; 제1 전이 표면의 전이각은 40 °이었으며; 제2 전이 표면의 전이각은 40 °이었다는 점을 제외하고는, 실시예 31과 동일하였다. 다른 조건은 변경되지 않았다.
비교예 31
비교예 31은 비교예 11과 동일하며, 즉, 종래 기술의 열 전이 향상 파이프를 배열하였으며, 여기서 파이프 본체의 외부에는 단열재를 갖지 않았고; 파이프 본체의 내부에는, 파이프 본체의 축 방향에서 나선형으로 연장하고 파이프 본체의 내부를 2개의 상호 비-연통 챔버로 분리한, 단 하나의 핀(110)을 갖고, 나머지 조건을 변경되지 않았다.
동일한 조건 하에서 작동한 후의 실시예 및 비교예에서의 열분해로의 각각의 테스트 결과는 하기 표 3에 제시되어 있다.
[표 3]
Figure pct00004
열분해로에 본 발명에 의해 제공되는 열 전이 향상 파이프를 제공하는 것은 열 전이 부하를 증가시키고, 열 전이 효율을 크게 증가시키며, 압력 강하를 상당히 감소시키면서, 열 전이 향상 파이프의 최대 열 응력을 감소시키고, 열 전이 향상 파이프의 수명을 크게 증가시킨다는 것을 상기로부터 알 수 있었다.
본 발명의 또 다른 예에 따르면, 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 단열층(17)을 제공하였다. 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 단열층(17)을 제공함으로써, 고온 가스와 열 전이 파이프 본체(10)의 파이프 벽 사이의 열 전이가 방해되어, 파이프 본체(10)의 파이프 벽의 온도를 감소시키고, 이로써 파이프 본체(10)와 핀(11) 사이의 온도차를 감소시켜 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 효과적으로 감소시키고, 열 전이 향상 파이프(1)의 서비스 수명을 연장시켰다. 또한, 단열층(17)의 배열로 인해 열 전이 향상 파이프(1)의 고온 저항 성능, 열 충격 성능 및 고온 내식성 성능을 향상시켰다. 상술된 열 전이 향상 파이프(1)를 열분해로에 적용할 경우, 열분해로의 장기 안정적인 작동이 보장될 수 있었다. 핀을 파이프 본체(10)에 배열하였기 때문에, 파이프 본체(10)로 유입되는 유체는 선회류로 변할 수 있었으며; 접선속도로 인해 유체가 경계층을 파괴하고 코킹 속도를 감소시킬 수 있었다. 또한, 핀을 갖는 파이프 본체(10)의 외부에 단열층(17)을 바람직하게 배열하여, 핀이 파이프 본체(10)로부터 쉽게 균열되어 버리지 않고, 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 감소시킬 수 있었다.
바람직하게는, 단열층(17)은 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 배열된 금속 합금층(170) 및 금속 합금층(170) 상에 배열된 세라믹층(171)을 포함할 수 있었다. 파이프 본체의 외부 표면 상에 금속 합금층(170)의 제공을 통해 금속 합금층(170) 상의 세라믹층(171) 및 단열층(17)의 단열 효과가 개선되어 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시킬 수 있었다.
금속 합금층(170)은 M, Cr, Al 및 Y를 포함하는 금속 합금 물질에 의해 제조 및 형성될 수 있으며, 여기서 M은 Fe, Ni, Co 및 Al 중 하나 이상으로부터 선택되고; M이 Ni 및 Co와 같은 2 이상의 금속으로부터 선택될 때, 금속 합금층(170)은 Ni, Co, Cr, Al 및 Y를 포함하는 금속 합금 물질에 의해 제조 및 형성될 수 있고; 금속 합금층(170)이 Ni 및 Co를 함유하는 경우, 단열층(17)의 단열 능력이 추가로 향상될 수 있고, 단열층(17)의 내산화성 및 고온 내식성이 향상된다. 금속 합금 물질 중의 각 금속의 함량에 대해, 특별한 요구 사항 없이 실제 요구에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, Al의 중량 분율은 5~12 %일 수 있고, Y의 중량 분율은 0.5~0.8 %일 수 있어, 금속 합금층(170)의 산화 속도를 줄이면서 단열층(17)의 견고성을 향상시킬 수 있고; Cr의 중량 분율은 25~35 %일 수 있다. 또한, 금속 합금 물질은 저압 플라즈마, 대기 플라즈마, 또는 전자빔 물리 기상 증착을 이용하여 금속 합금층(170)을 형성하기 위해 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 분무될 수도 있음에 유의해야 한다. 금속 합금층(170)의 두께는 50 내지 100 μm일 수 있으며; 구체적으로, 금속 합금층(170)의 두께는 60 μm, 70 μm, 80 μm 또는 90 μm일 수 있다.
단열층(17)의 내산화성을 추가로 향상시키고 단열층(17)의 서비스 수명을 연장시키기 위해, 금속 합금층(170)을 제조하기 위한 금속 합금 물질에 첨가제가 첨가될 수 있는데, 즉, 금속 합금층(170)은, 금속 합금 물질을 첨가제 물질과 혼합한 후, 제조 및 형성되며, 여기서 금속 합금 물질은 M, Cr, Al 및 Y를 포함하며, 여기서 M은 Fe, Ni, Co 및 Al 중 하나 이상으로부터 선택되고; 첨가제 물질은 Si, Ti, Co 또는 Al2O3으로부터 선택되며; 첨가제의 첨가량에 대해, 금속 합금 물질이 이미 위에서 설명된 바와 같이 특별한 제한 없이 실제 요구에 따라 첨가될 수 있으며, 본 명세서에 상세하게 다시 설명되지 않을 것이다.
또한, 세라믹층(171)은 이트리아-안정화 지르코니아, 마그네시아-안정화 지르코니아, 칼시아-안정화 지르코니아 및 세리아-안정화 지르코니아로부터 하나 이상의 물질에 의해 제조 및 형성될 수 있다. 세라믹층(171)이 상기로부터 2개 이상의 물질에 의해 형성될 때, 상기 물질 중 임의의 2개 이상이 혼합될 수 있고, 혼합 후 세라믹층(171)으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 세라믹층(171)의 물질로서 이트리아-안정화 지르코니아를 선택할 때, 세라믹층(171)은 비교적 높은 열 팽창 시스템을 가질 수 있으며, 예를 들어, 최대 11 x 10-6 K-1에 도달할 수 있고; 세라믹층(171)은 또한 2.0~2.1Wm-1K-1의 비교적 낮은 열전도 계수를 가질 수 있으면서; 세라믹층(171)은 우수한 열 충격 저항성도 갖는다. 단열층(17)의 단열 성능을 추가로 개선하기 위해, 산화 세륨이 세라믹층(171)을 형성하는 상기 물질에 첨가될 수 있으며; 구체적으로, 산화 세륨의 첨가량은 이트리아-안정화 지르코니아의 총 중량의 20~30 %일 수 있고; 또한, 산화 세륨의 첨가량은 이트리아-안정화 지르코니아의 총 중량의 25 %일 수 있다. 유사하게, 이트리아-안정화 지르코니아, 마그네시아-안정화 지르코니아, 칼시아-안정화 지르코니아 및 세리아-안정화 지르코니아 중 하나 이상의 물질이 저압 플라즈마, 대기 플라즈마 또는 전자빔 물리 기상 증착 방법을 이용하여 세라믹층(171)을 형성하기 위해 금속 합금 표면(170)의 외부 표면 상에 분무될 수 있다. 또한, 세라믹층(171)의 두께는 200~300 μm일 수 있으며; 예를 들어, 세라믹층(171)의 두께는 210 μm, 220 μm, 230 μm, 240 μm, 250 μm, 260 μm, 270 μm, 280 μm 또는 290 μm일 수 있다. 열 전이 향상 파이프(1)를 사용하는 경우, 금속 합금층(170) 내 Al은 세라믹층(171)의 산소와 반응하여 얇고 조밀 한 산화 알루미늄 보호막을 형성하여 파이프 본체(10)를 보호한다는 점을 유의해야 한다.
단열층(17)의 내박리성을 향상시키기 위해, 산화물층(172)은 금속 합금층(170)과 세라믹층(171) 사이에 배열될 수 있으며, 여기서 산화물층(172)은 바람직하게는 알루미나, 실리카, 티타니아 또는 알루미나, 실리카, 및 타티아나로부터의 임의의 2개 이상의 혼합물에 의해 제조 및 형성된다. 바람직하게는, 산화물층(172)을 제조 및 형성하기 위해 알루미나가 선택되어, 단열층(17)의 단열 성능을 향상시킨다. 유사하게, 상기 산화물 물질은, 저압 플라즈마, 대기 플라즈마 또는 전자빔 물리 기상 증착 방법을 이용하여, 금속 합금층(170)의 표면 상에 분무되어 산화물층(172)을 형성할 수 있다. 또한, 산화물층(172)의 두께는 3~5 ㎛일 수 있고; 예를 들어, 산화물층(172)의 두께는 4 ㎛일 수 있다.
또한, 단열층(17)의 다공성(porosity)은 8 내지 15 %일 수 있다.
파이프 본체(10)의 파이프 벽의 온도를 효과적으로 감소시키고 파이프 본체(10)의 축 방향에서의 온도 변화를 비교적 균일하게 하면서 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 감소시키기 위해, 단열층(17)은 스트레이트 섹션, 및 스트레이트 섹션의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 연결되는 제1 테이퍼 섹션 및 제2 테이퍼 섹션을 포함할 수 있고, 여기서 제1 테이퍼 섹션은 제1 단부에 근접하여 제1 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼되고; 제2 테이퍼 섹션은 제2 단부에 근접하여 제2 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼된다. 단열층(17)의 두께는 단부 근처에서 더 얇고; 단열층(17)의 두께는 5~10 %의 값으로 점진적으로 감소될 수 있음을 이해해야 한다. 열 전이 향상 파이프(1)의 열 응력을 추가로 감소시키기 위해, 단열층(17)은 핀에 해당하는 위치에서는 더 두껍다.
본 발명의 효과는 하기 실시예 및 비교예를 통해 추가로 설명될 것이다.
실시예 41
실시예 41은, 단열층(17)을 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 배치하였고, 상기 단열층(17)을 70 ㎛ 두께의 금속 합금층(170), 4 ㎛ 두께의 산화물층(172), 및 240 ㎛ 두께의 세라믹층(171)이 파이프 본체(10)의 외부 표면에 순차적으로 배열하였고; 여기서 금속 합금층(170)을 대기 플라즈마 분무법을 통해, 64.5 % Ni, 30 % Cr, 5 % Al 및 0.5 % Y의 중량 분율을 갖는 금속 합금 물질로부터 분무-형성하였고; 산화물층(172)을 선택된 저압 플라즈마 분무법에 의해 금속 합금층(170)의 표면에 산화 알루미늄을 분무함으로써 형성하였으며; 세라믹층(171)을 이트리아-안정화 지르코니아 중 25 중량 % 분율의 산화 세륨과 혼합된 이트리아-안정화 지르코니아를 분무함으로써 형성하였고; 이트리아-안정화 지르코니아에서 산화 세륨의 중량 분율은 6 %이었고, 제1 전이 표면의 전이각은 35 °이고; 제2 전이 표면의 전이각은 35 °이고; 각각의 핀(11)의 단면, 즉, 파이프 본체(10)에 평행한 반경 방향에서의 표면으로부터 취한 단면은 실질적으로 사다리꼴이며; 각각의 측 벽면(112)과 파이프 본체(10)의 내벽에 의해 형성된 각도는 45 °이었다.
실시예 42
실시예 42는, 단열층(17)에서, 각각 64.2 % Ni, 30 % Cr, 5 % Al 및 0.8 % Y의 중량 분율을 갖는 금속 합금 물질로 금속 합금층(170)을 제조 및 형성하였고; 세라믹층(171)을 이트리아-안정화 지르코니아에 의해 형성하였고; 이트리아-안정화 지르코니아에서 산화 이트륨의 중량 분율은 8 %이었다는 점을 제외하고는 실시예 41과 동일하였다. 다른 조건은 변경하지 않았다.
비교예 41
비교예 41은 비교예 11과 동일하였다, 즉: 종래 기술의 열 전이 향상 파이프를 배열하였고(파이프 본체의 외부 표면에는 단열층을 갖지 않음), 여기서 파이프 본체의 외부는 단열층을 갖지 않았고; 파이프 본체의 내부에는 파이프 본체의 축 방향에서 나선형으로 연장하고 파이프 본체의 내부를 2개의 상호 비-연통 챔버로 분리하는, 단 하나의 핀만을 가졌으며 나머지 조건은 변경하지 않았다.
동일한 조건 하에서 작동한 후, 실시예 및 비교예에서의 열분해로의 각각의 테스트 결과는 하기 표 4에 제시되어 있다.
[표 4]
Figure pct00005
열분해로에서 본 발명에 의해 제공되는 열 전이 향상 파이프를 제공하는 것은 열 전이 부하를 증가시키고, 열 전이 효율을 크게 증가시키며, 압력 강하를 상당히 감소시키면서, 열 전이 향상 파이프의 최대 열 응력을 감소시켰고, 열 전이 향상 파이프의 서비스 수명을 크게 증가시켰다는 것을 상기로부터 알 수 있었다.
본 발명의 바람직한 구현예는 도면과 관련하여 위에서 상세히 설명되었으나; 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 임의의 적절한 방식으로 각각의 특정 기술적 특징의 조합을 포함하여 본 발명의 기술의 많은 간단한 변경들이 본 발명에서 고려되는 기술의 범위에서 이루어질 수 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 본 발명은 많은 가능한 조합들에 대해 추가로 설명하지 않을 것이다. 그러나, 이러한 간단한 변경 및 조합은 본 발명에 의해 개시된 내용으로 간주되어야 하고 본 발명에 의해 보호되는 범위에 속한다.
1- 열 전이 향상 파이프; 10- 파이프 본체; 100- 유입구; 101- 배출구; 11- 핀; 110- 제1 단부 표면; 111- 상부 표면; 112- 측 벽면; 113- 스무스 전이 필렛; 115- 제2 단부 표면; 120- 측 벽; 12- 간격; 13- 홀; 14- 단열재; 140- 스트레이트 파이프 섹션; 141- 제1 테이퍼 파이프 섹션; 142- 제2 테이퍼 파이프 섹션; 15- 갭; 160- 제1 커넥팅 피스; 161- 제2 커넥팅 피스; 162- 커넥팅 로드; 17- 단열층; 170- 금속 합금층; 171- 세라믹층; 172- 산화물층; 2-로파이프.

Claims (20)

  1. 유체의 유입을 위한 유입구(100) 및 상기 유체의 배출을 위한 배출구(101)를 갖는 튜브 형상의 파이프 본체(10)를 포함하는 열 전이 향상 파이프로서,
    상기 파이프 본체(10)의 내벽은 파이프 본체(10)의 내부를 향해 돌출하는 핀(11)을 갖고, 상기 핀(11)은 파이프 본체(10)의 축 방향으로 나선형으로 연장하며, 여기서 핀(11)의 높이가 상기 핀의 적어도 부분 연장부의 일 단부로부터 점진적으로 증가하는, 열 전이 향상 파이프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀(11)의 높이가 상기 유입구(100)에 근접한 단부로부터 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 핀(11)의 높이가 상기 배출구(101)에 근접한 단부로부터 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핀(11)의 높이가 양 단부로부터 중간부로 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핀(11)의 높이가, 상기 유입구(100) 및/또는 상기 배출구(101)에 근접한 부분 연장부에서만 유입구 및/또는 배출구 단부들로부터 중간부로 점진적으로 증가하며,
    다른 부분들에서는, 상기 핀(11)의 높이가 파형으로 변하는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유입구(100)에 근접한 핀(11)의 제1 단부 표면(110)은 제1 전이 표면으로서 형성되고; 및/또는
    상기 배출구(101)에 근접한 핀(11)의 제2 단부 표면은 제2 전이 표면으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프 본체(10)의 외부 둘레를 적어도 부분적으로 감싸는 단열재(14)가 상기 파이프 본체(10)의 외부에 제공되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단열재(14)는 튜브 형상이며, 상기 단열재(14)는 상기 파이프 본체(10)의 외부 상에 슬리브된 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단열재(14)와 상기 파이프 본체(10)의 외벽 사이에 갭(15)이 남아 있는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단열재(14)와 상기 파이프 본체(10) 사이에 상기 단열재(14)와 상기 파이프 본체(10)를 연결하기 위한 커넥터가 배열되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커넥터는, 하기 3개의 구조 중 하나 이상으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프:
    상기 커넥터는, 파이프 본체(10)에 평행하여 축 방향으로 연장하는 제1 커넥팅 피스(160)를 포함하는 구조;
    상기 커넥터는, 파이프 본체(10)의 외벽을 따라 나선형으로 연장하는 제2 커넥팅 피스(161)를 포함하는 구조; 및
    상기 커넥터는, 파이프 본체(10)의 외벽과 단열재(14)의 내벽에 각각 연결된 2개의 단부를 갖는 커넥팅 로드(162)를 포함하는 구조.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 단열재(14)는 스트레이트 파이프 섹션(140)을 포함하고, 상기 스트레이트 파이프 섹션(140)의 제1 단부 및 제2 단부에 제1 테이퍼 파이프 섹션(141) 및 제2 테이퍼 파이프 섹션(142)이 각각 연결되며,
    여기서 제1 테이퍼 파이프 섹션(141)은, 제1 단부에 근접하여 제1 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼되고; 제 2 테이퍼 파이프 섹션(142)은 제2 단부에 근접하여 제2 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 단열층(17)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단열층(17)은 상기 파이프 본체(10)의 외부 표면 상에 배열된 금속 합금층(170) 및 상기 금속 합금층(170) 상에 위치된 세라믹층(171)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단열층(17)은 상기 금속 합금층(170)과 상기 세라믹층(171) 사이에 배열된 산화물층(172)을 포함하고, 및/또는
    상기 산화물층(172)은 알루미나, 실리카, 티타니아, 또는 알루미나, 실리카 및 티타니아로부터 둘 이상의 물질의 혼합물에 의해 제조 및 형성되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 금속 합금층(170)은 M, Cr, Al 및 Y를 포함하는 금속 합금 물질에 의해 제조 및 형성되며, 여기서 M은 Fe, Ni, Co 및 Al 중 하나 이상으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속 합금층(170)은 Si, Ti, Co 또는 Al2O3로부터 선택되는 첨가 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 세라믹층(171)은 이트리아-안정화 지르코니아, 마그네시아-안정화 지르코니아, 칼시아-안정화 지르코니아, 및 세리아-안정화 지르코니아 중 하나 이상의 물질에 의해 제조 및 형성되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 단열층(17)은 스트레이트 섹션을 포함하고,
    상기 스트레이트 섹션의 제1 단부 및 제2 단부에 제1 테이퍼 섹션 및 제2 테이퍼 섹션이 각각 연결되며,
    여기서 제1 테이퍼 섹션은 상기 제1 단부에 근접하여 제1 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼되고; 제2 테이퍼 섹션은 제2 단부에 근접하여 제2 단부로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼되는 것을 특징으로 하는, 열 전이 향상 파이프.
  20. 적어도 하나의 로파이프 조립체(furnace pipe assembly)가 설치된, 복사챔버를 포함하는 열분해로 또는 대기 및 진공 가열로로서,
    상기 로파이프 조립체는 순차적으로 배열된 복수의 로파이프(2) 및 로파이프(2)에 인접하여 연통하는 열 전이 향상 파이프를 포함하고;
    상기 열 전이 향상 파이프는 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 열 전이 향상 파이프(1)인,
    열분해로 또는 대기 및 진공 가열로.
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