KR20200143396A

KR20200143396A - 열교환기 내의 튜브 번들을 지지하는 열교환 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200143396A
Application number: KR1020207029765A
Authority: KR
Inventors: 바이런 블랙; 프라샨트 자드하브; 마르코 파찌니; 도널드 우즈; 나단 바르넷
Original assignee: 코크 히트 트랜스퍼 캄파니, 엘피
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-12-23
Also published as: US20210140715A1; CA3095856A1; CN112105882A; WO2019202557A1; EP3781887A1; CN112105882B

Abstract

분할된 비틀린 세그먼트를 각각 갖는, 함께 번들로 묶인 복수의 튜브를 포함하는 열교환 장치가 개시된다. 복수의 튜브들 각각은, 제1 유체를 운반하기 위한 내부 통로를 한정하는 튜브 몸체 및 서로 유체 연통하는 직선 섹션 및 비틀린 섹션을 포함하는 그의 길이를 따른 복수의 세그먼트를 제공한다. 복수의 튜브들 각각은 그의 길이를 따라 중심 종축을 제공한다. 비틀린 섹션을 따른 튜브 몸체는 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이고, 직선 섹션을 따른 튜브 몸체는 회전을 보이지 않는다. 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면은 비틀린 섹션을 따라 다른 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면과 접촉할 수 있는 반면, 그러한 튜브들의 외부 표면들은 직선 섹션을 따른 접촉을 회피한다.

Description

열교환기 내의 튜브 번들을 지지하는 열교환 장치 및 방법

본 발명의 실시예는 대체적으로 열교환 장치, 열 교환기, 사용 방법 및 제조 방법에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 대체적으로 열 교환기 내에서 각각의 튜브를 작동가능하게 자기 지지할 수 있는 비틀린(twisted) 구성을 갖는 개별적으로 분할된 섹션(segmented section)을 포함하는 복수의 번들형(bundled) 둥근 열교환 튜브를 제공하는 실시예에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 4월 19일자로 출원된, 발명의 명칭이 "열 교환기용 튜브 번들 및 이를 열 교환기 쉘 내에 지지하는 방법(Tube Bundle for Heat Exchanger and Method of Supporting Same within Heat Exchanger Shell)"인 미국 가특허 출원 제62/660089호에 대한 우선권을 주장하고 그 전체 내용을 참고로 포함한다.

원통다관식(shell-and-tube type) 및 헤어핀(hairpin)(다중관) 방식의 열 교환기를 포함하는 관형 열 교환기는 다양한 유체의 스트림들 사이에서 열교환을 생성하기 위해 매우 다양한 응용에 사용된다. 그러한 열 교환기는 대체적으로 원통형 쉘 내에 수용된 튜브들의 조합 또는 번들을 포함한다. 작동 시, 통상 "튜브측 유체(tube-side fluid)"로 지칭되는 제1 유체는 튜브 번들의 튜브들 중 적어도 일부를 통해 지향된다. 동시에, 통상 "쉘측 유체(shell-side fluid)"로 지칭되는 제2 유체가 쉘 내에서 그리고 튜브 번들을 포함하는 튜브들 주위의 임의의 공극(void) 내로 지향되며, 여기서 각각의 튜브의 튜브 벽은 튜브 내에서 유동하는 튜브측 유체 스트림과 튜브 주위로 유동하는 쉘측 유체 스트림 사이에 열 교환을 허용할 수 있다.

대체적으로, 관형 열교환기의 튜브 번들은 서로 평행하게 연장되는 복수의 별개의 자급식 개별 튜브를 포함하며, 여기서 각각의 튜브의 단부들 중 하나 또는 둘 모두는 튜브 시트로서 알려진 헤더 플레이트 또는 복수의 헤더 플레이트에 고정된다. 다양한 길이의 대체로 긴 열 교환기를 요구하는 응용에서, 원통다관식 또는 헤어핀(다중관) 방식의 열 교환기를 포함하는, 관형 열 교환기의 공지된 튜브들 및 튜브 번들과 그의 다양한 설계는 처짐(sagging) 및 진동을 겪으며, 이들 둘 모두는 열 교환기 및 그의 구성요소에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 튜브 처짐 및 진동의 부정적인 영향을 완화시키기 위해, 관형 열 교환기의 공지된 튜브들 및 튜브 번들은 튜브들 또는 튜브 번들의 길이에 걸쳐 다양한 지점에서 중간 지지 구조물 또는 부재를 필요로 한다. 그러한 중간 지지 구조물 또는 부재는 이격된 배플(baffle)들(예를 들어, 분할된 배플들)을 포함할 수 있고, 배플은 대체적으로 튜브를 수용하고 지지하기 위한 구멍 또는 개구를 갖는 플레이트로 이루어지고, 쉘측 유체의 유동을 허용하기 위한 공간 또는 공극을 추가로 포함할 수 있다. 튜브를 지지하고 쉘 내에서 그 튜브의 원하는 위치를 유지하는 것에 더하여, 그러한 배플은 대체적으로 쉘측 유체의 유동을 방향전환할 수 있어서, 쉘측 유체가 튜브를 따라가기보다는 튜브를 가로질러 유동하게 한다. 이러한 방식으로, 그러한 배플은 대체적으로 튜브의 길이를 따른 쉘측 유체의 유동을 억제한다. 다른 유형의 지지부는 그리드(grid) 또는 로드(rod)로 이루어질 수 있다.

배플 설계가 변할 수 있고 특정 응용에 적합하도록 임의의 개수의 구성 및 특징부를 가질 수 있지만, 배플 위치설정 및 간격은 어려운 설계 문제를 제기할 수 있고 효율적이고 최적의 열 교환기 작동에 대한 장애를 생성할 수 있다. 특히, 일련의 배플들 사이의 간격이 특정 튜브 또는 튜브 번들의 처짐 및 진동을 해소하도록 감소될 때, 배플들 사이의 제한된 공간은 쉘측 유체에 대한 유동 면적을 감소시킴으로써 열 교환기에 악영향을 줄 수 있으며, 이는 과도한 쉘측 압력 강하를 초래한다.

따라서, 낮은 쉘측 압력 강하 설계 또는 응용과 관련하여 사용하기 위해 튜브 또는 튜브 번들을 쉘 내에서 효과적으로 지지할 수 있으면서 또한 튜브의 처짐 및 진동을 회피하는, 튜브, 튜브 번들, 및 열 교환기에 대한 개선된 설계의 필요성이 당업계에 존재한다.

도 1은 본 명세서에 제시된 실시예에 따른 예시적인 열 교환기의 사시도이다.
도 2는 본 명세서에 제시된 실시예에 따른 예시적인 열 교환기의 개략적인 부분 측입면도이다.
도 3은 본 명세서에 제시된 실시예에 따른 열 교환기의 튜브 섹션의 부분 상세 측면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 4-4를 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 5-5를 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 6-6을 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 7-7을 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.
도 8은 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 8-8을 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 9-9를 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.
도 10은 도 3에 도시된 실시예에 따른, 대체적으로 도 3의 선 10-10을 따라 화살표 방향으로 취하고 그리고 튜브 번들을 도시하는 단면도이다.

본 명세서에 제시된 실시예는 대체적으로 번들형 열교환 튜브의 분할된 비틀린 섹션을 제공하는, 열교환 장치, 열 교환기, 제조 방법, 및 열교환 수행 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 실시예는, 예를 들어 원통다관식 또는 헤어핀(다중관) 방식의 열 교환기 또는 다중 패스(multi-pass) 배열, 및/또는 병렬(병류(co-current)) 또는 역류 배열을 구현하는 설계를 포함하는 임의의 수의 예시적인 열 교환기 설계로 제공되거나 실시될 수 있다.

도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열 교환기(100)의 사시도를 개략적으로 도시한다. 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 관형 열 교환기(100)는 대체로 길고, 입구(102), 출구(104), 및 튜브(120) 또는 튜브 번들(140)을 포함할 수 있다. 도 1의 관형 열 교환기(100)는 쉘 또는 다른 공통의 열 교환기 구성요소(예를 들어, 슈라우드 등) 없이 도시되어 있다. 그러나, 열 교환기(100)는 제한 없이 그러한 구성요소를 포함할 수 있음이 이해될 것이다.

도 2는 본 명세서에 제공된 예시적인 실시예에 따른, 더 구체적으로는 대체로 U자형의 배열을 갖는 개별 튜브(120)의 예시적인 번들(140)에 따른 열 교환기(100)의 부분 개략 측면도를 대표적으로 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 튜브(120)의 U자형의 번들(140)은 그의 길이를 따라 서로 실질적으로 평행하게 연장되는 적어도 제1 레그 부분(142) 및 제2 레그 부분(144)을 갖는 복수의 대체로 긴 튜브(120)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 튜브 번들(140) 내의 튜브(120)의 부분들(142, 144)은 서로 유체 연통되어, 튜브들의 내부 통로 내의 튜브측 유체가 입구(102)로부터 U자형 튜브(120)의 제1 레그 부분(142)을 따라 제1 방향으로 U자형 부분(146) 내로 유동하도록 허용될 수 있게 되고, 여기서 튜브측 유체는 방향을 바꾸어 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 U자형 튜브(120)의 제2 레그 부분(144)을 따라 출구(104)로 다시 유동할 수 있게 된다.

도 2는 대체로 U자형인 부분(146)에 의해 결합되는 선형 제1 레그 부분(142) 및 선형 제2 레그 부분(144)을 대체로 포함하는 튜브 번들(140)을 도시하지만, 튜브 번들(140)은, 현재 알려져 있든지 차후에 개발되든지 간에, 대체로 삼각형 형상, 대체로 직사각형 형상, 및 다양한 호 길이 및 반경 크기를 갖는 임의의 개수의 둥근 부분에 의해 결합되는 임의의 유사한 대칭 및 비대칭 형상 또는 일련의 형상을 제한 없이 포함하는, 다수의 형상 중 임의의 것을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 예를 들어 직선 튜브 또는 쉘 배열, 단일 또는 다중 패스 배열, 및/또는 병렬(병류) 또는 역류 배열을 구현하는 설계를 포함하는 대안적인 튜브 번들 배열과 함께 사용될 수 있다.

도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따르면, 튜브 번들(140)의 유체 튜브(120)들은 대체적으로, 대체로 관형인 직선 섹션(152) 및 대체로 비틀린 구성(154)을 추가로 포함한 섹션을 포함하는, 서로 유체 연통하는 교번하는 일련의 개별적으로 분할된 섹션(150)들을 포함할 수 있고, 비틀린 구성을 추가로 포함한 섹션은 그에 의해 한정되는 각자의 중심 종축(160)을 중심으로 그들의 길이를 따라 비틀리거나 회전된다. 예를 들어, 도 2는 각각의 튜브(120)의 제1 레그 부분(142) 및 제2 레그 부분(144)이 그들의 길이를 따라 4개의 직선 섹션(152) 및 3개의 비틀린 섹션(154)을 갖는 것으로서 도시하는데, 즉 (순차적으로, 좌측으로부터 우측으로) 제1 직선 섹션(152), 제1 비틀린 섹션(154), 제2 직선 섹션(152), 제2 비틀린 섹션(154), 제3 직선 섹션(152), 제3 비틀린 섹션(154), 및 U자형 부분(146)으로 이어지는 제4 직선 섹션(152)을 포함한다. 따라서, 튜브 번들(140)의 각각의 튜브(120)는 직선 또는 비틀리지 않은 튜브 섹션(152)에 의해 이격되는 일련(150)의 간헐적 비틀린 섹션(154)을 제공하는 것으로서 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예는 제1 레그 부분(142)의 전체 길이에 대체로 대응하는 제1 직선 섹션(152), 및 제2 레그 부분(144)의 전체 길이에 대체로 대응하는 제1 비틀린 섹션(154), 또는 이들의 임의의 변형부를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 도 2는 교번하는 일련의 개별적으로 분할된 섹션(150)을 길이가 대체로 동일하거나 일치하는 것으로서 도시하지만, 임의의 직선 섹션(152) 또는 임의의 비틀린 섹션(154)의 길이가 임의의 다른 직선 섹션(152) 또는 비틀린 섹션(154)에 대해 변할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에 따르면, 복수의 튜브의 비틀린 튜브 섹션(154)은 대체로 서로 정렬되어 위치될 수 있고, 직선 튜브 섹션(152)들은 대체로 서로 정렬되어 위치될 수 있다.

도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 튜브 번들(140) 내의 각각의 튜브(120)의 제1 레그 부분(142)의 간헐적 비틀린 섹션(154) 및 제2 레그 부분(144)의 간헐적 비틀린 섹션(154)은 각각의 레그 부분의 비틀린 섹션(154)이 다른 레그 부분의 비틀린 섹션(154)에 대체로 측방향으로 인접하도록 정렬될 수 있다. 도 2가 교번하는 비틀린 섹션(154) 및 직선 섹션(152)의 특정 개수 및 위치를 도시하지만, 실시예는 그러한 것으로 제한되지 않으며 그러한 교번하는 섹션(150)들이 제한 없이 대안적인 개수 또는 위치에 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

직선 섹션(152)들 사이에 산재된 비틀린 섹션(154)이 유리한데, 그 이유는 이들이 대체적으로 튜브(120) 및 튜브 번들(140)의 쉘측을 가로지르는 압력 강하의 더 효율적인 변환을 초래할 수 있기 때문이다. 구체적으로, 비틀린 섹션(154) 및 그의 배열은 튜브(120)의 튜브 처짐 및 진동의 부정적인 영향을 완화시킬 수 있는데, 그 이유는 비틀린 섹션(154) 및 그의 배열이 튜브(120)의 기계적 공진 주파수를 증가시키며, 이는 튜브(120) 및 그러한 튜브(120)의 임의의 번들(140)이 열 교환기(100)를 통한 쉘측 유체 유동에 의해 발생되는 힘으로부터의 측방향 편향에 대해 더 큰 저항성을 만들 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로, 비틀린 섹션(154), 및 직선 섹션(152)과의 그의 배열은 그의 길이를 따라 다양한 지점에서 밀접하게 이격된 중간 지지 구조물 또는 부재에 대한 필요성을 없애고, 일부 경우에는, 중간 지지 구조물 또는 부재에 대한 필요성을 완전히 없앤다. 본 개선물은 교번하는 일련의 개별적으로 분할된 직선 섹션과 비틀린 섹션(150) 없이, 튜브, 튜브의 배열, 및 완전히 직선인 튜브 또는 그의 전체 길이에 걸쳐 비틀린 튜브를 포함하는 튜브 번들보다 유리하다. 또한, 비틀린 섹션(154)은 공지된 튜브 배열과 비교할 때 튜브측 유체와 쉘측 유체 사이의 열전달의 효율을 촉진할 수 있다. 첫째, 튜브(120) 또는 튜브 번들(140)의 길이 상의 다양한 지점에서 밀접하게 이격된 중간 지지 구조물 또는 부재에 대한 필요성을 제거함으로써, 그러한 구성은 튜브(120) 또는 튜브 번들(140)을 지지하고 유지하기 위해 배플을 덜 필요로 하거나, 또는 심지어 배플을 필요로 하지 않으며, 이는 튜브의 길이를 따른 쉘측 유체의 유동에 대한 그러한 배플의 억제 효과를 감소시킨다. 둘째, 튜브(120) 또는 튜브 번들(140)의 길이 상의 다양한 지점에서 밀접하게 이격된 중간 지지 구조물 또는 부재에 대한 필요성을 제거함으로써, 그러한 구성은 열 교환기에 사용되는 배플의 간격 및 공지된 구성에 공통적인 과도한 쉘측 압력 강하를 생성하지 않는다.

도 3은 예시적인 실시예에 따른 튜브 번들(140)의 3개의 튜브(120)의 비틀린 섹션(154) 측의 부분 상세도를 대표적으로 도시한다. 도 4 내지 도 10은 도 3의 각각의 튜브(120)의 세그먼트(S)의 길이를 따른 특정 회전 간격에서의 다양한 단면의 표현을 추가로 도시한다. 도 3 내지 도 10에 가장 잘 도시된 바와 같이, 세그먼트(S) 사이에서, 각각의 튜브(120)는 중심 종축(160)을 중심으로 적어도 360°, 또는 완전한 일회전을 비틀리거나 회전되며, 이때 세그먼트(S)를 따른 각각의 단면도는 임의의 바로 인접한 단면으로부터 대략 60° 정도의 회전을 보여준다. 바람직한 실시예에서, 세그먼트(S)는 대략 0.625 인치 직경과 1 인치 직경 사이에서 변할 수 있는 각자의 튜브(120)의 직경에 따라, 대략 3 인치와 16 인치 사이, 또는 대략 5 인치와 10 인치 사이에 있을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 각각의 튜브(120)는 임의의 2개의 연속적인 직선 섹션(152)들 사이에서 2회의 360° 회전을 완료할 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 튜브(120)의 외부 표면은 직선 섹션(152)을 따른 접촉을 회피한다.

도 4 내지 도 10은 비틀린 섹션(154)을 따른 360° 회전 부분을 통한 튜브 번들(140) 내에서의 튜브(120)의 회전을 개략적으로 도시한다. 본 명세서에 제시된 예시적인 실시예에 따른 튜브(120)가 대체적으로 직선 섹션을 따라 배향될 때 둥근 단면 프로파일을 갖는 것으로서 제공되지만, 도 4 내지 도 10은 그러한 둥근 단면 프로파일이 튜브 몸체의 비틀림을 통해 압축되는 것을 도시한다. 예시적인 실시예에 따르면, 그러한 압축은 둥근 단면 프로파일을 평탄하게 할 수 있어서, 튜브들이 도 4 내지 도 10에 도시된 바와 같이 대체로 타원형인 형상을 취하게 한다. 그러한 압축은 튜브의 단면적을 감소시킬 수 있고 튜브의 측부 상의 대향하는 지점들이 외향으로 돌출되게 할 수 있다. 도 4 내지 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이, 그러한 돌출부는 인접한 튜브들의 튜브 몸체들의 외부 표면들 사이의 접촉(170)을 초래할 수 있다.

도 4 내지 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이, 튜브 번들(140)의 인접한 튜브(120)들의 외부 표면들은 소정 회전 간격으로 비틀린 섹션을 따른 복수의 접촉점(170)을 가질 수 있다. 도 4 내지 도 10에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 비틀린 섹션 내의 복수의 튜브들(120) 각각의 튜브 몸체의 회전은 튜브(120)들이 함께 회전하도록 동기화될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 대표적으로 도시된 바와 같은 비틀린 섹션의 시작에서, 복수의 튜브(12)는 초기 회전 배향으로 있을 수 있다. 이러한 배향으로부터, 튜브가 비틀린 세그먼트를 따라 비틀림에 따라, 각각의 튜브의 튜브 몸체는 함께 회전한다(그들의 단부 지점들이 접촉한 상태에서 도 4에서 서로 수평으로 인접한 것으로서 도시된 튜브들은 도 5에 도시된 회전 간격을 향해 반시계 방향으로 회전하는 것으로서 도시되어 있다). 그러한 회전을 겪는 데 있어서, 도 4에서 서로 접촉하는 것으로서 도시된 튜브들은 서로로부터 멀어지는 쪽으로 테이퍼져서 도 5의 회전 간격으로 (다른 튜브와 함께) 새로운 접촉을 형성한다. 그러한 접촉 및 분리는 튜브가 비틀린 섹션을 통해 회전할 때 계속된다. 도 7은 도 4의 초기 회전 배향으로부터 180° 정도에서 취해진 회전 간격을 나타내는 것으로 인식될 것이다. 따라서, 도 4의 튜브의 우측은 도 7에서 좌측인 것으로 도시될 것이다.

도 4 내지 도 10의 각각은 비틀린 세그먼트의 완전한 360° 회전을 통해 60° 정도에서 취해진 특정 회전 간격으로 예시적인 튜브 번들(140)의 튜브(120)를 도시한다. 예를 들어, 인접한 주변 튜브들에 의해 둘러싸인 도 4의 튜브 번들(140)의 내부 튜브에 관하여, 그러한 내부 튜브(120)는 그의 바로 우측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제1 접촉점(170)을 그리고 그의 바로 좌측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제2 접촉점(170)을 가질 수 있다. 도 5에서, 한가운데의 튜브는 그의 상부 우측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제1 접촉점(170)을 갖고, 그의 하부 좌측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제2 접촉점(170)을 갖는다. 도 6에서, 한가운데의 튜브(120)는 그의 상부 좌측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제1 접촉점(170)을 갖고, 그의 하부 우측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제2 접촉점(170)을 갖는다. 이어서, 도 7에서, 한가운데의 튜브(120)는 그의 바로 좌측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제1 접촉점(170)을 갖고, 그의 바로 우측으로 인접한 튜브(120)와 함께 제2 접촉점(170)을 갖는다. 이러한 방식으로, 한가운데의 튜브(120)는 도 4 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 세그먼트(S)의 일부분을 따라 180°의 회전을 통해 8개의 상이한 접촉점(170)을 만날 수 있다. 대조적으로, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 튜브 번들(140) 내의 한가운데의 튜브(120) 이외의 임의의 튜브(120)에 대해, 그러한 튜브는 세그먼트(S)의 일부분을 따라 180°의 회전을 통해 4개의 상이한 접촉점(170)을 만날 수 있다. 도 4 내지 도 10은 다양한 접촉점(170)을 갖는 7개의 개별 튜브(120)를 포함하는 튜브 번들(140)의 비틀린 섹션(154)을 도시하지만, 튜브 번들(140)은 제한 없이 임의의 개수의 접촉점(170)을 갖는 임의의 개수의 튜브(120)를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

본 명세서에 제시되고 도 2 내지 도 10에 대표적으로 도시된 실시예에 따르면, 튜브(120)의 간헐적 비틀린 섹션(154)은 열 교환기 쉘 내의 지지 메커니즘으로서 작용할 수 있고, 또한 배플에 대한 필요성을 완전히 제거할 수 있다. 또한, 비틀린 섹션(154)의 비틀린 특성은 도 4 내지 도 10의 단면에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 튜브 번들(140) 내의 각각의 튜브(120) 사이에서 더 큰 공극(180)을 허용한다. 튜브 벽을 통한 튜브측 유체와 쉘측 유체 사이의 열교환의 효율은 튜브(120)의 비틀린 세그먼트와 공극(180)에 의해 생성되는 선회류(swirl flow)에 의해 공지된 열 교환기에 비해 추가로 개선될 수 있다. 구체적으로, 선회류는 튜브 번들(140)의 개별 튜브(120)들에 의해 한정되고 대체적으로 비틀린 섹션을 따라 공극(180)을 포함하는 선회 영역에 의해 생성될 수 있다. 쉘측 유체는 공극(180)과 그에 의해 한정되는 가변 공간 사이에서, 그리고 대체적으로 튜브(120) 및 튜브 번들(140)의 길이를 따라 이동할 수 있다. 이러한 방식으로, 쉘측 유체는 도 4 내지 도 10에 가장 잘 도시된 바와 같이, 세그먼트(S)에 대한 그의 배향에 따라 튜브(120)에 의해 영향을 받아, 쉘측 유체에 선회 효과를 생성할 수 있고, 이것이 선회류를 만들 수 있다.

또한, 비틀린 섹션(154)이 대체적으로 적어도 하나의 직선 섹션(152)에 인접하고, 여기서 튜브 번들(140)의 튜브(120)들이 대체적으로 튜브들 사이에 더 적은 개수 및 더 소형의 공극을 갖는 더 조밀한 배열로 배열되기 때문에, 튜브(120)의 전체 기계적 공명은 비틀린 섹션(154)의 간격 및 공극(180)에 의해 악영향을 받지 않는다. 간헐적 비틀린 세그먼트(154)는 튜브측 및 쉘측 유동 상에서의 향상된 열 전달을 갖는 고도로 가요성인 지지 시스템을 제공하는 방식으로 쉘 내에서 튜브(120) 및 튜브 번들(140)을 지지할 수 있어서, 각각의 튜브(120) 또는 튜브 번들(140)이 배플의 사용 없이도 대체로 자기 지지하고 있게 한다. 그러한 지지는, 적어도 부분적으로, 각각의 개별 튜브(120)가 인접한 튜브(120)들에 의해 제 위치에 고정되는 상태에서 본 명세서에서 논의된 공극(180)을 또한 한정하고 그리고 인접한 튜브(120)들의 고정을 용이하게 하면서, 인접한 튜브(120)들 사이에 튜브 대 튜브로 이격된 접촉점(170)을 생성할 수 있는 비틀린 세그먼트(154)에 의해 달성될 수 있다. 그러한 배열은 진동을 감소시키고, 열 교환기(100)를 통한 쉘측 상에서의 더 용이한 세척을 촉진할 수 있다.

본 발명(예를 들어, 본 발명의 개념 등)이 예시적인 실시예에 따라 본 특허 문헌의 명세서에 기술되고/되거나 도면에 예시되었고; 본 발명의 실시예는 단지 예로서 제시되며, 본 발명의 범주에 대한 제한으로서 의도되지 않음에 유의하는 것이 중요하다. 본 명세서에 기술되고/되거나 도면에 예시된 바와 같은 본 발명에 구현된 본 발명의 개념의 요소의 구성 및/또는 배열은 단지 예시적인 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예가 본 특허 문헌에 상세히 기술되어 있지만, 당업자는 예시적인 실시예 및 대안적인 실시예의 주제의 등가물, 수정, 변형 등이 가능하고 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려되고; 모든 그러한 주제(예를 들어, 수정, 변형, 실시예, 조합, 등가물 등)가 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 다양한/다른 수정, 변형, 대체, 등가물, 변경, 생략 등이 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 예시적인 실시예들의 구성 및/또는 배열(예를 들어, 개념적으로, 설계, 구조, 장치, 형태, 조립체, 구성, 수단, 기능, 시스템, 공정/방법, 단계, 공정/방법 단계들의 순서, 작동, 작동 조건, 성능, 재료, 조성, 조합 등)에서 이루어질 수 있고; 모든 그러한 주제(예를 들어, 수정, 변형, 실시예, 조합, 등가물 등)가 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다는 것에 유의해야 한다. 본 발명의 범주는 본 특허 문헌의 명세서에 기술되고/되거나 도면에 예시된 주제(예를 들어, 상세 사항, 구조, 기능, 재료, 작용, 단계, 순서, 시스템, 결과 등)로 제한되도록 의도되지 않는다. 본 특허 문헌의 청구범위는 본 발명의 주제의 전체 범주(예를 들어, 임의의 그리고 모든 그러한 수정, 변형, 실시예, 조합, 등가물 등을 포함함)를 포괄하도록 적절하게 해석될 것으로 고려된다. 본 특허 문헌에 사용되는 용어는 본 발명의 범주에 대한 제한으로서가 아니라 예시적인 실시예의 주제의 설명을 제공하는 목적을 위한 것임이 이해되어야 한다.

또한, 예시적인 실시예에 따르면, 본 발명은 (예를 들어, 예시적인 실시예, 수정, 변형, 조합, 등가물 등에서 구현되고/되거나 통합된 바와 같은) 종래의 기술을 포함할 수 있거나 또는 본 명세서에 기술되고/되거나 도면에 예시된 기능 및 공정/작동을 수행하기 위한 적합성 및/또는 능력을 갖는 임의의 다른 적용가능한 기술(현재 및/또는 미래)을 포함할 수 있다는 것에 유의하는 것이 중요하다. (예컨대, 실시예, 수정, 변형, 조합, 등가물 등으로 구현된 바와 같은) 모든 그러한 기술은 본 특허 문헌의 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

열교환 장치로서,
서로 인접하게 번들(bundle)로 묶인 복수의 튜브들을 포함하고, 상기 복수의 튜브들 각각은 제1 유체를 운반하기 위한 내부 통로를 한정하는 튜브 몸체를 갖고, 상기 복수의 튜브들 각각은 서로 유체 연통하는 직선 섹션 및 비틀린(twisted) 섹션을 포함하는 복수의 세그먼트(segment)들을 그의 길이를 따라 갖고;
상기 복수의 튜브들 각각은 그의 길이를 따른 중심 종축을 갖고, 상기 비틀린 섹션을 따른 상기 튜브 몸체는 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이고, 상기 직선 섹션을 따른 상기 튜브 몸체는 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이지 않고,
상기 복수의 튜브들 중 제1 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면은 상기 비틀린 섹션을 따라 상기 복수의 튜브들 중 제2 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면과 접촉하고, 상기 제1 및 제2 튜브들의 외부 표면들은 상기 직선 섹션을 따른 접촉을 회피하는, 열교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 주위에 그리고 그들 사이에 영역을 추가로 포함하고, 상기 영역은 제2 유체를 운반하기 위한 통로를 형성하는, 열교환 장치.
제1항에 있어서, 각각의 튜브의 상기 복수의 세그먼트들은 직선 섹션과 비틀린 섹션의 교번하는 배열을 포함하고, 상기 비틀린 섹션은 제1 직선 섹션과 제2 직선 섹션 사이에 위치되고, 상기 직선 섹션은 제1 비틀린 섹션과 제2 비틀린 섹션 사이에 위치되는, 열교환 장치.
제3항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 각각의 직선 및 비틀린 섹션들의 교번하는 배열은 서로 일렬로 있고, 상기 제1 튜브의 비틀린 섹션은 상기 제2 튜브의 비틀린 섹션에 인접하고, 상기 제1 튜브의 직선 섹션은 상기 제2 튜브의 직선 섹션에 인접하는, 열교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 비틀린 섹션 내의 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 튜브 몸체의 회전은 상기 제1 튜브의 회전이 상기 제2 튜브의 회전에 대응하도록 동기화되는, 열교환 장치.
제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 비틀린 섹션을 따른 상기 튜브 몸체의 회전은 상기 제2 유체가 상기 비틀린 섹션을 따라 유동할 때 상기 제2 유체가 선회 작용(swirling action)을 보이게 하는, 열교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 각각의 튜브 몸체는 상기 비틀린 섹션들 각각을 따라 그의 중심 종축을 중심으로 적어도 360° 회전되고, 상기 복수의 튜브들 중 상기 제1 튜브의 상기 비틀린 섹션과 다른 인접한 튜브들의 인접한 비틀린 섹션들 사이의 접촉점들은 상기 360° 회전을 통해 60° 정도의 회전 간격으로 만들어지는, 열교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 비틀린 섹션에 진입할 때, 상기 복수의 튜브들 각각은 제1 회전 배향으로 있고, 이에 의해 상기 제1 튜브의 튜브 몸체의 상기 외부 표면이 상기 제2 튜브의 튜브 몸체의 상기 외부 표면과 접촉하고, 상기 제1 튜브 및 상기 제2 튜브의 튜브 몸체들의 상기 외부 표면들은 상기 튜브들이 상기 제1 회전 배향으로부터 멀리 상기 비틀린 섹션을 통해 회전됨에 따라 서로 분리되고 상기 튜브들이 상기 제1 회전 배향으로부터 180° 정도의 회전 간격으로 회전될 때 서로 다시 접촉하는, 열교환 장치.
제8항에 있어서, 상기 제1 튜브의 튜브 몸체의 상기 외부 표면은 상기 튜브들이 상기 제1 회전 배향으로부터 60° 및 240° 정도의 회전 간격으로 회전될 때, 상기 복수의 튜브들의 제3 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면과 접촉하는, 열교환 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 각각의 튜브 몸체는 상기 직선 섹션을 따라 주어진 영역을 점유하는 실질적으로 둥근 단면 프로파일을 가지며, 상기 둥근 단면 프로파일은 상기 비틀린 섹션을 통해 압축되고, 상기 압축은 상기 주어진 영역의 감소 및 상기 둥근 단면 프로파일의 평탄화(flattening)를 야기하며, 이에 의해 상기 둥근 단면 프로파일의 대향하는 지점들이 외향으로 돌출되는, 열교환 장치.
제10항에 있어서, 상기 비틀린 섹션 내의 상기 제1 튜브의 튜브 몸체의 대향하는 지점들의 외향 돌출부는 상기 제2 튜브의 튜브 몸체의 대향하는 지점들과의 접촉을 허용하는, 열교환 장치.
열 교환기로서,
서로 인접하게 번들로 묶인 복수의 튜브들 - 상기 복수의 튜브들 각각은 제1 유체를 운반하기 위한 내부 통로를 한정하는 튜브 몸체를 갖고, 상기 복수의 튜브들 각각은 서로 유체 연통하는 복수의 교번하는 직선 섹션들 및 복수의 비틀린 섹션들을 포함하는 복수의 세그먼트들을 그의 길이를 따라 갖고, 상기 복수의 튜브들의 상기 직선 섹션들은 서로 정렬되고, 상기 복수의 튜브들의 상기 비틀린 섹션들은 서로 정렬됨 -; 및
상기 복수의 튜브들을 둘러싸는 쉘 - 상기 쉘은 상기 복수의 튜브들 둘레에 그리고 그들 사이에 영역을 한정하고, 상기 영역은 제2 유체를 운반하기 위한 통로를 형성함 - 을 포함하고;
상기 복수의 튜브들 각각은 그의 길이를 따른 중심 종축을 갖고, 상기 비틀린 섹션들을 따른 상기 튜브 몸체는 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이고, 상기 직선 섹션들을 따른 상기 튜브 몸체는 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이지 않고;
상기 복수의 튜브들 중 제1 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면은 상기 비틀린 섹션들을 따라 상기 복수의 튜브들 중 제2 튜브의 튜브 몸체의 외부 표면과 접촉하고, 상기 제1 및 제2 튜브들의 외부 표면들은 상기 직선 섹션들을 따른 접촉을 회피하는, 열 교환기.
제12항에 있어서, 상기 비틀린 섹션들 내의 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 튜브 몸체의 회전은 상기 제1 튜브의 회전이 상기 제2 튜브의 회전에 대응하는 경우에 동기화되는, 열 교환기.
제12항에 있어서, 상기 비틀린 섹션들을 따른 상기 튜브 몸체의 회전은 상기 제2 유체가 상기 비틀린 섹션들을 따라 유동할 때 상기 제2 유체가 선회 작용을 보이게 하는, 열 교환기.
제12항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 튜브 몸체는 상기 비틀린 섹션들을 따라 적어도 360° 회전되고, 인접한 튜브들 사이의 접촉은 상기 튜브 몸체들의 상기 회전을 통해 60° 정도의 회전 간격으로 이루어지는, 열 교환기.
제12항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 튜브 몸체는 상기 직선 섹션들을 따라 주어진 영역을 점유하는 실질적으로 둥근 단면 프로파일을 가지며, 상기 둥근 단면 프로파일은 상기 비틀린 섹션들을 통해 압축되고, 상기 압축은 상기 주어진 영역의 감소 및 상기 둥근 단면 프로파일의 평탄화를 야기하며, 이에 의해 상기 프로파일 상의 대향하는 지점들이 외향으로 돌출되는, 열 교환기.
제16항에 있어서, 상기 비틀린 섹션들 내의 상기 제1 튜브의 튜브 몸체의 대향하는 지점들의 외향 돌출부는 상기 제2 튜브의 튜브 몸체의 대향하는 지점들과의 접촉을 허용하는, 열 교환기.
열교환을 수행하는 방법으로서,
열교환 장치의 복수의 튜브들 내로 제1 유체를 도입하는 단계 - 상기 복수의 튜브들은 함께 번들로 묶이고, 상기 복수의 튜브들 각각은 그의 각자의 길이를 따라 중심 종축을 갖고 복수의 직선 섹션들 및 복수의 비틀린 섹션들을 포함하고, 상기 복수의 직선 섹션들 및 복수의 비틀린 섹션들은 상기 튜브들의 길이를 따라 교번하는 배열로 되고, 상기 복수의 비틀린 섹션들은 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이고, 상기 복수의 직선 섹션들은 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이지 않음 -;
제2 유체를 상기 열교환 장치 내로 번들로 묶인 상기 복수의 튜브들에 인접한 영역으로 지향시키는 단계;
상기 제1 유체가 직선 섹션들 및 비틀린 섹션들의 교번하는 배열을 통해 상기 복수의 튜브들 내에서 유동하도록 허용하는 단계; 및
상기 복수의 비틀린 섹션들을 따른 접촉점들에서 상기 열교환 장치 내의 상기 복수의 튜브들을 지지하는 단계 - 상기 접촉점들은 상기 복수의 튜브들의 인접한 튜브들이 서로 접촉하는 상기 복수의 비틀린 섹션들을 따른 위치에 있음 - 를 포함하는, 방법.
제16항에 있어서, 상기 제2 유체가 상기 복수의 비틀린 섹션들을 따라 유동함에 따라 상기 제2 유체가 선회 작용을 보이게 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
열 교환기 제조 방법으로서,
서로 인접한 복수의 튜브들을 번들로 묶는 단계 - 상기 복수의 튜브들 각각은 제1 유체를 운반하기 위한 내부 통로를 한정하는 튜브 몸체 및 그의 길이를 따른 중심 종축을 가짐 -;
상기 복수의 튜브들 각각의 길이를 따라 복수의 세그먼트들을 형성하는 단계 - 상기 복수의 세그먼트들은 직선 튜브 섹션들 및 비틀린 튜브 섹션들의 교번하는 순서를 포함하고, 상기 비틀린 튜브 섹션들을 따른 상기 튜브 몸체는 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이고, 상기 직선 섹션들을 따른 상기 튜브 몸체는 상기 중심 종축을 중심으로 하는 회전을 보이지 않음 -;
상기 복수의 튜브들 각각을 따른 상기 직선 튜브 섹션들이 서로 인접하도록 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 직선 튜브 섹션들을 서로 정렬하는 단계 - 상기 복수의 튜브들의 상기 튜브 몸체의 외부 표면들은 상기 직선 튜브 섹션들을 따른 서로의 접촉을 회피함 -;
상기 복수의 튜브들 각각을 따른 상기 비틀린 튜브 섹션들이 서로 인접하도록 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 비틀린 튜브 섹션을 서로 정렬하는 단계 - 상기 복수의 튜브들 각각의 상기 튜브 몸체의 상기 외부 표면은 각각의 비틀린 섹션을 따라 상기 복수의 튜브들 중 적어도 3개의 다른 튜브들의 상기 튜브 몸체의 상기 외부 표면과 접촉하게 됨 -; 및
상기 복수의 튜브들 주위에 그리고 그들 사이에 영역을 형성하는 단계 - 상기 영역은 제2 유체를 운반하기 위한 통로를 형성함 - 를 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 상기 복수의 튜브들 각각의 길이를 따라 상기 복수의 세그먼트들을 형성하는 단계는 각각의 비틀린 섹션의 각각의 튜브 몸체를 그의 중심 종축을 중심으로 적어도 360° 회전시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 복수의 튜브들 중 제1 튜브를 따른 각각의 비틀린 섹션의 상기 회전은 60° 정도의 회전 간격으로 상기 복수의 튜브들 중 다른 인접한 튜브들의 인접한 비틀린 섹션들과의 접촉점들을 제공하는, 방법.