KR20220003628A - 나선 배플형 열교환기 - Google Patents

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KR20220003628A
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proximal
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KR1020217042491A
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에릭 드류 마세도
리차드 존 집
셰리프 엘세이드
멜라니 오설리반
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루머스 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

길이 방향 축을 갖는 쉘, 타원형의 부체꼴-형상의 배플과 같은 복수의 배플을 포함하는 열교환기로서, 복수의 배플 각각은 쉘을 통해 나선형 패턴으로 유체 흐름을 안내하기 위해 나선형 각도(HB)로 쉘에 장착되는, 열 교환기에 관한 것이다. 복수의 배플 각각은 외부 원주 방향 에지, 근위 반경 방향 에지, 원위 반경 방향 에지, 근위 측, 원위 측, 및 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되는 복수의 이격된 구멍을 포함한다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 배치된다.

Description

나선 배플형 열교환기
열교환 어셈블리는 압력 강하에 대한 열 전달의 비율을 최대화함으로써 향상된 성능을 목표로 하는 한편, 설치 및 유지보수 비용을 줄이고 진동으로 인한 손상 또는 오염으로 인한 효율성 손실에 대한 효과적인 보호를 제공한다.
해양, 정유, 전력, 석유화학, 제지 및 식품 산업에 관계없이 열교환기(heat exchanger)는 종종 위에서 열거한 목적의 핵심이다. 열교환기의 다양한 구성이 공지되어 있으며 다양한 응용 분야에 사용된다. 널리 사용되는 열교환기 구성 중 하나는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 쉘(shell) 및 튜브 열교환기이다. 도 1의 쉘 및 튜브 열교환기는 2개의 단부 플레이트(12) 사이에서 연장하는 평행한 튜브(11)의 묶음을 수용하는 원통형 쉘(10)을 포함한다. 제 1 유체(13)가 두 개의 단부 플레이트들 사이의 공간 내 및 관통하여 유동하여 제 2 유체(14)가 통과하는 평행 튜브(11)의 묶음과 접촉한다. 두 유체 사이의 개선된 열 교환을 제공하기 위해, 제 1 유체(13)의 흐름은 각각의 구획을 형성하는 중간 배플(baffle; 15)에 의해 정의되며, 이는 제 1 유체(13)의 흐름이 한 구획에서 다음 구획으로 통과하는 방향을 변경하도록 배열된다. 원형 세그먼트로 구성된 배플(15)은 쉘(10)의 길이 방향 축(16)에 수직으로 설치되어 제 1 유체(13)의 지그재그 흐름(17)을 제공한다.
불리하게도, 도 1에 도시된 열교환기와 같은 쉘 및 튜브 열교환기에서, 제 2 유체는 쉘의 길이를 따라 그 흐름 방향을 여러 번 급격하게 변경해야 한다. 이러한 급격한 흐름 방향의 변화는 제 2 유체의 동압을 감소시키고 그 유속을 불균일하게 하여 열교환기의 성능에 악영향을 미친다. 또한, 쉘 및 튜브 열교환기의 세척은 평행 튜브(11)의 묶음을 쉘(10)에서 제거해야 하거나 그렇지 않으면 깨끗한 유체만이 쉘 및 튜브 열교환기의 쉘(10) 내에서 흐르는 제 1 유체(13)로 사용될 수 있다. 평행 튜브(11)의 묶음을 제거 가능하게 만드는 것은 손상되지 않은 제거를 허용하기 위해 평행 튜브(11) 묶음과 쉘(10) 사이에 충분한 간극을 필요로 한다. 일반적으로 평행 튜브(11) 묶음과 쉘(10) 사이의 갭은 가열되거나 냉각될 제 1 유체(13)의 상당량이 평행 튜브(11) 묶음을 우회하여 쉘 및 튜브 열교환기의 출구에서 가열되거나 냉각되는 제 1 유체(13)와 혼합될 만큼 충분히 크다.
여전히 쉘 및 튜브 열교환기(예를 들어, 도 1에 도시된 열교환기)를 참조하면, 쉘의 길이 방향 축에 대한 배플의 수직 위치는 상대적으로 비효율적인 열 전달율/압력 강하율을 초래하는데, 이는 배플이 큰 형태의 항력을 생성하기 때문이다. 쉘의 길이 방향 축에 대해 직각으로 서로 평행하게 연장되는 인접 배플은 인접 채널 사이의 수많은 급격한 회전을 특징으로 하는 교차 흐름 경로를 정의한다. 배플 사이의 간격을 줄임으로써 열전달 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 간격을 줄이면 큰 재순환 영역이 생성되고 튜브와 배플 사이와 배플의 외측 에지를 따라 더 많은 부분의 흐름이 강제된다. 인접한 배플 사이에 정의된 각각의 세그먼트 내의 유동 분포의 불균일성은 수많은 소용돌이, 정체 영역, 및 팽창/수축을 유발하여 국부적 온도 차이를 감소시킨다. 감소된 열 전달 속도에 기여하는 또 다른 요인은 제 1 유체가 가로지르는 튜브가 쉘로부터 특정 반경 방향 거리에 위치해야 한다는 사실에 기인한다. 따라서 주변에 위치한 튜브 주변의 교차 흐름은 중앙에 장착된 튜브 주변보다 빠르다.
따라서, 전술한 바와 같은 종래의 배플 배열은 배플-대-쉘 간극을 통한 흐름 우회 및 튜브-대-배플 간극을 통한 유동 누출을 초래한다. 우회 및 누출 흐름은 교차 흐름 열 전달을 감소시키는 반면 상당한 속도 변화로 인한 흐름의 잘못된 분포는 역류 및 사각 지대의 소용돌이를 증가시키며, 이는 차례로 튜브의 묶음 중 튜브 외부에 오염 물질의 배치로 이어진다. 쉘 내에 오염 물질의 배치 후 열교환기가 계속 작동하도록 두면, 시간이 지남에 따라 성능이 크게 저하되어 운영 비용과 에너지 소비가 증가하게 된다. 오염 물질의 축적으로 인해 열교환기가 청소를 위해 서비스에서 제거되면, 생산 손실 또는 감소가 발생하며, 이는 열교환기 가치와 비슷하거나 더 높은 운영 비용이 된다. 또한, 너무 오랫동안 오염된 상태로 방치된 열교환기는 경화된 침전물을 생성하여 제거하기 어렵고 고온의 국부적 영역에서 부식을 일으킬 수 있다. 경화된 침전물이 발생하고 부식이 발생하는 튜브 묶음은 튜브 묶음을 서비스에서 제거하고 손상된 튜브를 막아야 하는 지점까지 악화될 수 있다.
더욱이, 종래의 배열은 종종 24피트 길이에 이르는 긴 튜브가 불균일한 속도와 관련된 문제를 해결하기 위해 상당한 거리를 두고 이격되어 있는 연속적인 배플에 의해 지지되기 때문에 튜브의 흐름 유도 진동을 경험할 수 있다.
쉘 및 튜브 열교환기에서 불균일한 흐름의 문제를 극복하기 위해 나선 배플형 열교환기(helically baffled heat exchangers)가 사용되어 왔다. 제 1 유체 흐름의 나선형 패턴은 이용 가능한 압력 강하를 열 전달로 특히 효과적으로 전환할 수 있게 하고 병렬 파이프 묶음의 진동 위험을 감소시킬 수 있다. 그러나 나선 배플형은 제 1 유체 흐름이 배플 주위로 누출되도록 하는 큰 갭을 가질 수 있으며 이에 의해 온도 구동력의 손실로 인해 튜브 묶음을 가로질러 속도가 감소하고 열 효율이 낮아질 수 있다. 이러한 문제는 특히 튜브 대 쉘 간극이 큰 제거 가능한 튜브 묶음이 필요할 때 발생할 수 있다. 또한, 튜브 묶음을 우회하는 것은 점성 액체를 냉각할 때 특히 심각할 수 있으며, 이에 의해 냉각된 후 액체의 점도는 열교환기에 들어갈 때 액체의 점도보다 훨씬 더 높다. 즉, 더 따뜻하고 덜 점성이 있는 액체는 냉각되고 더 점성이 있는 액체에 비해 튜브 묶음 주위를 쉽게 흐를 수 있고 우회할 수 있다.
나선 배플형 열교환기의 배플의 우회를 방지하기 위해 밀봉 디바이스가 사용되어 왔다. 그러한 나선 배플형 열교환기용 밀봉 디바이스는 종래의 배플에 사용된 밀봉 디바이스와 실질적으로 동일한 유형이었고 나선 배플형 열교환기의 우회를 방지하는 데 상대적으로 비효율적이었다. 또한, 나선 배플형 열교환기는 부분 배플 열교환기보다 일반적으로 압력 강하가 낮기 때문에 열 전달 개선에 비해 밀봉 디바이스에 의해 유도된 압력 강하와 관련된 패널티가 상대적으로 높다. 기존의 배플 열교환기에 사용되는 밀봉 디바이스는 기껏해야 열 전달에 약간의 개선을 제공할 수 있으며, 최악의 경우 묶음의 나선형 흐름 경로를 방해하여 열 전달을 크게 감소시킬 수 있다.
재순환, 사각지대, 또는 열전달 표면의 누출/우회 없이 유체 흐름의 균일성을 달성할 수 있는 배플 조립체를 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 수용 가능한 압력 강하 및 진동 한계 내에서 더 높은 열 전달 속도를 유지하기 위해 다중 배플 및 밀봉 디바이스의 위치를 지정하는 배플 어셈블리를 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 세척 및 수리를 위한 신속한 제거 및 교체를 허용하기 위해 더 큰 튜브 대 쉘 간극을 제공함으로써 튜브 묶음의 용이한 유지보수를 허용하는 배플 어셈블리가 바람직하다. 본 명세서에 개시된 실시예는 이들 중 하나 또는 그 초과를 다룬다.
본 개시내용의 실시예는 열교환기를 제공할 수 있다. 열교환기는 길이 방향 축을 갖고 제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘을 포함할 수 있다. 또한, 열교환기는 제 1 유체 흐름을 쉘을 통한 나선형 패턴으로 안내하기 위해 길이 방향 축에 대해 특정한 각도로 쉘에 장착된 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(elliptical sector-shaped baffle)을 포함할 수 있다. 또한, 열교환기는 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치된 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(seal strip)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 배플 각각은 복수의 배플의 나머지 부분의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지, 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지, 원위 측과 대향하는 근위 측, 및 제 2 유체를 운반하는 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성된 복수의 이격된 구멍을 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부는 복수의 배플 중 하나의 근위 반경 방향 에지와 원위 반경 방향 에지 사이에서 복수의 배플 중 하나의 원위 측에 커플링(coupling)될 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부는 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 반경 방향 에지와 원위 반경 방향 에지 사이에서 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 측에 커플링될 수 있다. 또한, 각각의 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 복수의 배플 중 하나의 원위 측과 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 측 모두에 직교하거나 또는 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 측에 대한 직교로부터 특정한 각도로 배치될 수 있고, 각도는 복수의 배플 중 하나의 근위 반경 방향 에지에서 원위 반경 방향 에지로 정의된 방향으로 0°보다 크고 최대 80°일 수 있다.
본 개시내용의 실시예는 열교환기를 조립하기 위한 방법을 추가로 제공할 수 있다. 상기 방법은 길이 방향 축을 갖는 중심 로드를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 나선형 패턴이 복수의 배플에 의해 형성되도록 중심 로드의 길이 방향 축에 대해 특정한 각도로 중심 로드에 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플을 장착하는 단계를 포함할 수 있다. 복수의 배플 각각은 복수의 배플의 나머지 부분의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지, 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지, 원위 측과 대향하는 근위 측, 및 복수의 이격된 구멍을 포함한다. 또한, 상기 방법은 복수의 축방향 연장 튜브를 복수의 배플 각각의 복수의 이격된 구멍에 배치하는 단계를 포함할 수 있고, 복수의 축방향 연장 튜브는 제 2 유체를 운반할 수 있다. 더욱이, 상기 방법은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 복수의 배플 중 하나의 원위 측에 커플링하는 단계 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 복수의 배플 중 다른 배플의 근위 측에 커플링하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립의 각각은 복수의 배플 중 하나의 원위 측과 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 측 모두에 직교하거나 또는 복수의 배츨 중 다른 하나의 근위 측에 대한 직교로부터 특정한 각도로 배치될 수 있고, 각도는 복수의 배플 중 하나의 원위 반경 방향 에지에서 근위 반경 방향 에지로 정의된 방향으로 0°보다 크고 최대 80°일 수 있다.
하나의 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시예는 열교환기에 관한 것이다. 열교환기는 쉘, 복수의 배플, 복수의 축방향 연장 튜브, 및 복수의 밀봉 스트립을 포함할 수 있다. 상기 쉘은 길이 방향 축을 가질 수 있고 제 1 유체를 수용하도록 구성될 수 있다. 각각 나선 각도(HB)로 쉘에 장착된 복수의 배플은 쉘을 통한 나선형 패턴으로 제 1 유체의 흐름을 안내하도록 구성될 수 있다. 상기 복수의 배플 각각은, 상기 복수의 배플의 나머지 부분의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지; 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지; 원위 측과 대향하는 근위 측; 및 제 2 유체를 운반하도록 구성된 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성된 복수의 이격된 구멍을 포함한다. 복수의 밀봉 스트립 각각은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치된 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지며, 각각은 임의의 2개의 종방향으로 인접한 배플 사이에 위치되며, 여기서 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 5°보다 크고 배플 나선 각도(HB)보다 작은 나선 각도(Hs)에서 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 배치되고, 여기서 나선 각도(HB 및 Hs)는 쉘의 길이 방향 축에 대한 각각의 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로서 정의된다.
일부 실시예에서, 밀봉 스트립은 부분적으로 유체의 흐름을 출구를 향해 나선형으로 지향시키도록 구성될 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 제 1 배플의 근위 반경 방향 에지에 인접한 제 1 배플의 원위 측으로부터 제 2 배플의 원위 반경 방향 에지에 인접한 제 2 배플의 근위 측으로 배치될 수 있으며, 여기서 제 1 및 제 2 배플은 동일한 섹터(sector) 또는 사분면에 있다. 대안적으로, 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 제 1 배플의 근위 반경 방향 에지 및 원위 반경 방향 에지의 중간으로부터 제 1 배플의 원위 측으로부터 제 2 배플의 근위 반경 방향 에지 및 원위 반경 방향 에지 중간의 제 2 배플의 근위 측으로 배치될 수 있으며, 여기서 제 2 배플은 제 1 배플과 상이한 섹터 또는 사분면에 위치된다.
제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부는 일부 실시예에서 복수의 배플 중 제 1 배플의 원위 측에 커플링될 수 있고, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부는 복수의 배플 중 제 2 배플의 근위 측에 커플링될 수 있다.
제 1의 복수의 밀봉 스트립은 각각 내부 표면 및 외부 표면을 가질 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 복수의 배플 중 하나의 근위 반경 방향 에지로부터 원위 반경 방향 에지로 정의된 방향으로 쉘에 대한 직교로부터 특정한 각도만큼 외부 표면으로부터 내부 표면까지 각을 이룰 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 제 1 유체 흐름이 밀봉 스트립에 105° 내지 135° 각도로 부딪히도록 쉘에 대한 직교로부터 15°에서 최고 45° 만큼 각을 이룰 수 있다.
제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 외부 표면은 쉘의 내부 표면에 실질적으로 근접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내부 표면은 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외부 직경으로부터 복수의 축방향 연장 튜브 중 두 개의 인접한 튜브의 외부 직경들 사이의 거리와 동일한 거리만큼 이격될 수 있다.
복수의 배플 각각은 근위 측에 커플링된 복수의 제 1 밀봉 스트립 중 적어도 하나와 배플의 원위 측에 커플링된 복수의 제 1 밀봉 스트립 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 배플 각각의 원위 측에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플 각각의 근위 측에 커플링된 복수의 밀봉 스트립 각각으로부터 길이 방향 축을 중심으로 회전 오프셋(offset)될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 타원형인 곡률을 갖는 만곡된 외경을 갖고 및/또는 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 타원형인 곡률을 갖는 만곡된 내경을 갖는다.
제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 밀봉 스트립의 제 1 단부에서 제 2 단부까지의 길이를 따라 변하는 외경에서 내경을 뺀 폭을 가질 수 있고, 및/또는 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 밀봉 스트립의 폭 또는 길이를 따라 변하는 근위 측에서 원위 측까지의 깊이를 갖는다.
일부 실시예에서, 동일한 수의 밀봉 스트립이 복수의 배플의 각각의 배플에 커플링될 수 있다. 일부 실시예에서, 쉘의 길이 방향 축에 대한 회전당 밀봉 스트립의 수는 쉘의 길이 방향 축에 대한 회전당 배플의 수의 배수이다.
본 명세서의 실시예에 따른 열교환기는 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 더 포함할 수 있으며, 각각은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고 각각 임의의 두 개의 배플들 사이에 위치 설정되는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는다. 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 5°보다 크고 나선 각도(Hs)와 다르며 배플 나선 각도(HB)보다 작은 나선 각도(H2s)로 배치될 수 있으며, 여기서 나선 각도(HB, Hs, H2s)는 쉘의 길이 방향 축에 대한 각각의 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로 정의된다.
본 명세서의 실시예에 따른 열교환기는 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 포함할 수 있다. 각각은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치된 제 1 단부 및 제 2 단부를 가질 수 있고, 각각은 임의의 2개의 인접한 배플 사이에 위치될 수 있고, 여기서 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 배플의 근위 반경 방향 에지로부터 인접한 배플의 원위 반경 방향 에지까지 배치된다. 일부 실시예에서, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내경은 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외경으로부터 복수의 축방향 연장 튜브 중 2개의 인접한 튜브의 외경 사이의 거리와 동일한 거리만큼 이격될 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서의 실시예는 열교환기를 조립하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 길이 방향 축을 갖는 중심 로드를 제공하는 단계, 및 상기 중심 로드에 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플을 중심 로드의 길이 방향 축에 대해 특정한 각도로 장착하여, 나선형 패턴이 복수의 배플에 의해 형성되도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 복수의 배플 각각은, 상기 복수의 배플의 나머지 부분의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지; 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지; 원위 측과 대향하는 근위 측; 및 복수의 이격된 구멍을 포함하고, 복수의 축방향 연장 튜브를 복수의 배플 각각의 복수의 이격된 구멍에 배치하고, 복수의 축방향 연장 튜브는 제 2 유체를 운반하도록 구성된다. 상기 방법은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로 제 1 단부 및 제 2 단부를 각각 갖는 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는: 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 복수의 배플 중 하나의 근위부에 커플링하는 단계; 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 복수의 배플 중 더 원위인 다른 단부에 커플링하는 단계를 포함한다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 5°보다 크고 배플 나선 각도(HB)보다 작은 나선 각도(Hs)로 배치될 수 있으며, 여기서 나선 각도(HB 및 Hs)는 쉘의 길이 방향 축에 대한 각각의 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로 정의된다. 상기 방법은 조립된 중심 로드, 복수의 배플, 복수의 축방향 연장 튜브, 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘 내에 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 각각 내경 및 외경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는: 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 외경으로부터 내경까지 복수의 배플들 중 하나의 근위 반경 방향 에지로부터 원위 반경 방향 에지까지로 정의된 방향으로 쉘에 대한 직료로부터 특정한 각도만큼 기울이는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는: 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내경을 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외경으로부터 복수의 축방향 연장 튜브 중 2개의 인접한 튜브의 외경들 사이의 거리와 동일한 거리만큼 이격하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그리고, 일부 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는 복수의 배플의 각각의 근위 측에 커플링된 복수의 밀봉 스트립의 각각으로부터 복수의 배플의 각각의 원위 측에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립의 각각을 오프셋시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
조립 방법은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 복수의 배플 중 하나의 원위 측의 근위 반경 방향 에지에 커플링하는 단계; 및 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 복수의 배플 중 다른 배플의 근위 측의 원위 반경 방향 에지에 커플링하는 단계를 포함할 수 있고, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 쉘의 길이 방향 축에 평행하게 연장된다.
다른 양태에서, 본 명세서의 실시예는 열교환기에 관한 것이다. 열교환기는 길이 방향 축을 갖고 제 1 유체를 수용하도록 구성된, 쉘; 길이 방향 축에 대해 특정한 각도로 쉘에 장착되고 길이 방향 축을 따라 서로 이격되고 쉘을 통해 나선형 패턴을 따라 제 1 유체의 흐름을 안내하도록 구성된, 복수의 배플로서, 각각의 배플은: 외부 원주 방향 에지; 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지; 원위 측과 대향하는 근위 측; 및 근위 측에서 원위 측으로 각각의 배플을 통해 형성된 복수의 이격된 구멍을 포함하고, 상기 구멍은 제 2 유체를 운반하도록 구성된 튜브와 함께 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성되는, 복수의 배플; 및 각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하는 복수의 밀봉 부재로서, 상기 밀봉 부재는 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고, 각각의 밀봉 부재의 제 1 단부는 각각의 배플의 원위 측에 커플링되고 각각의 밀봉 부재의 제 2 단부는 각각의 배플의 근위 측에 커플링되는, 복수의 밀봉 부재를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재는 밀봉 스트립 또는 밀봉 로드를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서의 실시예는 길이 방향 축을 갖는 쉘을 포함하는 열교환기에 관한 것이며, 쉘은 제 1 유체를 수용하도록 구성된다. 복수의 배플은 쉘에 나선형 각도(HB)로 각각 장착되어 쉘을 통한 나선형 패턴으로 제 1 유체 흐름을 안내한다. 상기 복수의 배플 각각은, 상기 복수의 배플의 나머지 부분의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지; 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지; 원위 측과 대향하는 근위 측; 및 제 2 유체를 운반하도록 구성된 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성된 복수의 이격된 구멍을 포함한다. 각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1의 복수의 원주방향으로 오프셋된 밀봉 스트립은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치될 수 있고 각각은 임의의 2개의 인접한 배플 사이에 각각 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 배플 각각은 배플의 원위 측에 연결된 원위 밀봉 스트립 및 동일한 배플의 근위 측에 연결된 근위 밀봉 스트립을 포함하는 제 1의 복수의 밀봉 스트립 중 적어도 2개에 연결되고, 근위 밀봉 스트립은 원위 밀봉 스트립으로부터 원주방향으로 오프셋되어 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 일부 실시예에서 열교환기의 길이 방향 축에 평행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면 및 이점은 하기 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1은 종래의 쉘 및 튜브 열교환기에서의 유동 분포의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 배플 케이지의 사시도를 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 배플의 사시도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 다수의 도면을 예시한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 개시의 다수의 실시예에 따른 열교환기의 사시도를 예시한다.
도 7은 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 측면도를 예시한다.
도 8은 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 측면도를 예시한다.
도 9는 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기의 측면도를 예시한다.
도 10은 본원의 실시예에 따른 열교환기를 종래 기술의 열교환기와 비교하는 데이터의 그래픽 표현이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다양한 도면에서 유사한 요소는 일관성을 위해 유사한 참조 번호로 표시될 수 있다. 또한, 다음의 상세한 설명에서, 청구된 요지의 보다 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 설명된 실시예가 이러한 특정 세부사항 없이 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 설명을 불필요하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해 주지된 기능에 대해 자세히 설명하지 않았다.
도 2를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 본 발명의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 나선 배플형 열교환기(200)가 도시되어 있다. 열교환기(200)는 제 1 유체가 통과하는 쉘(220), 제 2 유체가 통과하는 복수의 축방향 연장 튜브(230), 및 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(240)을 포함할 수 있다. "타원형의 부체꼴-형상(elliptical sector-shaped)"에 의해, 배플은 기하학적으로 타원의 중심(원점)과 호의 끝점을 연결하는 선분과 호로 둘러싸인 영역을 포함하는 타원 섹터의 일반적인 형태를 취하지만 열교환기(튜브, 등)의 다른 구성요소 및 배플의 설치 방식(예: 예를 들면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 중앙 튜브를 둘러싸거나 인접하거나 타원형 섹터의 주변을 따라 튜브 수용)을 설명하도록 전체 섹터를 포함하지 않을 수 있다.
쉘(220)은 제 1 유체가 쉘(220) 내에서 통과할 수 있는 입구(228) 및 출구(229)를 포함할 수 있다. 각각의 배플(240)은 입구(228)로부터 출구(229)로 쉘(220)을 가로질러 나선형 패턴(231)으로 제 1 유체 흐름(222)을 안내하기 위한 쉘(220)의 길이 방향 축(221)에 수직한 선(N-N)에 대해 각도(λ)로 위치설정될 수 있다. 제 1 유체 흐름(222)의 나선형 패턴(231)은 효과적인 사용 가능한 압력 강하를 열 전달로 변환하고 지지되지 않는 튜브 길이가 최소화된다는 사실에 의해 진동 위험이 감소된다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1 유체 흐름(222)을 따라 오염을 위한 데드 스팟(dead spot)이 없을 수 있고, 소용돌이의 제거 또는 역혼합으로 인해 열 전달량이 증가될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1 유체 흐름(222)의 방향은 튜브(230) 내에서 제 2 유체 흐름(232)의 방향과 반대일 수 있다. 즉, 하나 또는 그 추가의 실시예에서, 제 2 유체는 실질적으로 출구(229)로부터 입구(228)까지인 방향으로 흐를 수 있다. 추가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 배플(240)이 평평하지만, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플의 반대 측면은 나선형 패턴을 따라 제 1 유체 흐름(222)을 안내하도록 만곡될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 배플 케이지(341)가 도시되어 있다. 상기 배플 케이지(341)는 상기 배플 케이지(341)의 길이 방향 축(도시안됨)에 수직한 각도로 위치하는 연속적인 배플(340)을 포함할 수 있으며, 상기 연속적인 배플(340)은 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 배플(340)들 사이의 회전 오프셋은 하나의 배플(340)의 적어도 근위 반경 방향 에지(344)가 종방향으로 인접한 배플(340)의 원위 반경 방향 에지(345)와 중첩되거나 접하도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 3은 각각의 배플(340)의 근위 반경 방향 에지(344)가 연속적인 배플(340)의 원위 에지(345)와 중첩되는 실시예를 도시한다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(340)의 근위 반경 방향 에지(344)는, 열교환기의 쉘(도시안됨)의 입구(도시안됨)에 축방향으로 가장 가까운, 각각의 배플(340)의 반경 방향 에지일 수 있고 각각의 배플(340)의 원위 반경 방향 에지(345)는 열교환기의 쉘의 입구로부터 축방향으로 가장 먼 배플(340)의 반경 방향 에지일 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(340)이 배치되는 길이 방향 축을 중심으로 360° 회전당 동일한 수의 배플(340)이 있을 수 있다. 또한, 배플(340)은 다수의 튜브(330)를 지지할 수 있고 나선형 경로에서 제 1 유체 흐름(도시안됨)을 안내할 수 있다. 추가적으로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(340)은 복수의 로드(342)에 의해 상호 연결될 수 있다. 스페이서(349)는 배플 간격을 보장하기 위해 구성 동안 선택적으로 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 스페이서(349)는 직사각형이지만, 다른 형상이 사용될 수 있다. 여전히 도 3을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(340)은 외부 원주 방향 에지(343)를 가질 수 있고, 각각의 외부 원주 방향 에지(343)는 인접한 배플(340)의 외부 원주 방향 에지(343)로부터 이격될 수 있다. 각각의 배플은 또한 타원형의 부체꼴-형상의 배플(340)이 외부 원주 방향 에지(343), 근위 반경 방향 에지(344), 및 원위 반경 방향 에지(345)에 의해 정의되도록 외부 원주 방향 에지(343)의 일 단부에 근위 반경 방향 에지(344) 및 외부 원주 방향 에지(343)의 다른 단부에 원위 반경 방향 에지(345)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 배플은 배플(340)을 통해 근위 측(346)에서 원위 측(347)으로 연장되는 복수의 이격된 구멍(348)뿐만 아니라 서로 대향하는 근위 측(346) 및 원위 측(347)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(340)의 근위 측(346)은 열교환기의 쉘의 입구에 축방향으로 가장 근접한 배플(340)의 측일 수 있고, 원위 측(347)은 열교환기의 셀의 입구로부터 축방향으로 가장 먼 각각의 배플(340)의 측일 수 있다. 복수의 축방향 연장 튜브(330) 중 하나의 튜브(330)는 배플(340)의 구멍(348) 각각을 통과할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 하나의 배플(340)의 구멍(348)은 축방향 연장 튜브(330)가 관통 구멍(348)에 맞을 수 있고 다수의 배플(340)에 의해 지지될 수 있도록 또 다른 배플(340) 상의 구멍과 정렬될 수 있다. 모든 배플(340)에 도시되지는 않았지만, 각각의 배플(340)은 관통 구멍(348)을 포함할 수 있음에 유의한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 튜브(330) 및 관통 구멍(348)은 원주 방향 에지(343)까지 완전히 연장되지 않는다. 이에 따라, 쉘(도시안됨) 내에 설치되지 않을 때, 갭이 쉘과 최외측 튜브(330) 사이에 존재할 것이다. 본 명세서의 실시예에 따른 튜브 케이지(341)는 쉘을 통해 흐르는 유체가 적어도 부분적으로 튜브(330)를 향해 다시 지향되도록 하는 각도로 배치된 복수의 밀봉 로드 또는 밀봉 스트립(350)을 포함할 수 있다. 따라서 스트립(350)은 강화된 밀봉 및 구조적 지지의 이중 기능을 제공할 수 있으며, 케이지(341)의 구조를 지지할 뿐만 아니라 복수의 튜브를 우회할 수 있는 유체의 양을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 밀봉 스트립으로 지칭될 수 있는 스트립(350)의 밀봉 및 구조적 지지 기능에 더하여, 스트립(350)은 밀봉 기능에 낮은 압력 강하를 제공하는 방식으로 위치될 수 있고, 유체가 나선형 유로 전체를 통해 배플 에지(343)와 튜브(330) 사이의 갭으로 흐르는 것을 방지하기 위한 흐름 장벽을 제공한다. 흐름 장벽 기능은 대안적으로 튜브 묶음과 쉘 사이의 공간이 효과적으로 차단되도록 배치된 실질적으로 직사각형 형상을 갖는 길이 방향 스트립과 같은 다른 구조물의 사용에 의해 얻을 수 있지만, 이러한 흐름 장벽은 상당한 압력 강하를 희생시켜 발생한다. 종방향 스트립과 대조적으로, 본 명세서의 실시예는 강화된 밀봉, 구조적 지지, 및 상대적으로 낮은 압력 강하를 제공하도록 설계되고 배향된 스트립에 관한 것이며, 이는 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.
전술한 바와 같이, 로드(342)는 선택적이며 튜브 삽입 동안 배플을 지지하는 목적을 추가적으로 제공하는데 사용될 수 있다. 따라서, 로드가 도 3에서 배플을 상호 연결하도록 도시되어 있지만, 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 로드는 배플(340)을 지지하고 상호 연결하는 데 필요하지 않다. 대신에, 아래에서 추가로 상세하게 도시되고 설명된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 스트립은 중심 로드를 중심으로 배플을 지지하고 상호 연결하는 데 사용될 수 있다.
이제 도 4a 및 4b를 참조하면, 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 배플(440)이 도시되어 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(440)은 열교환기(도시안됨)의 쉘(도시안됨) 내의 중심 로드(423)에 커플링될 수 있다. 연속적인 배플(440)은 센터 로드(423)의 길이 방향 축(424)에 수직인 각도로 위치할 수 있고, 연속적인 배플(440)은 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 배플(440) 사이의 회전 오프셋은 하나의 배플(440)의 적어도 근위 반경 방향 에지(444)가 길이 방향으로 인접한 배플(440)의 원위 반경 방향 에지(445)와 중첩되도록 할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(440)의 근위 반경 방향 에지(444)는 열교환기의 쉘(도시안됨)의 입구(도시안됨)에 축방향으로 가장 가까운 배플(440)의 반경 방향 에지일 수 있고, 각각의 배플(440)의 원위 반경 방향 에지(445)는 열교환기의 쉘의 입구로부터 축방향으로 가장 먼 배플(440)의 반경 방향 에지일 수 있다.
여전히 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(440)은 타원형의 부체꼴-형상일 수 있다. 각각의 배플(440)은 외부 원주 방향 에지(443)를 가질 수 있고, 각각의 외부 원주 방향 에지(443)는 인접한 배플(440)의 외부 원주 방향 에지(443)로부터 이격될 수 있다. 각각의 배플은 또한 외부 원주 방향 에지(443)의 일 단부에 근위 반경 방향 에지(444) 및 외부 원주 방향 에지(443)의 타단부에서 원위 반경 방향 에지(445)를 포함할 수 있어 타원형의 부체꼴-형상의 배플(440)이 외부 원주 방향 에지(443), 근위 반경 방향 에지(444), 및 원위 반경 방향 에지(445)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 배플은 서로 대향하는 근위 측(446) 및 원위 측(447)을 가질 수 있을 뿐만 아니라 배플(440)을 통해 제 1 측(446)에서 제 2 측(447)으로 연장되는 복수의 이격된 구멍(448)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(440)의 근위 측(446)은 열교환기의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(440)의 측일 수 있고, 원위 측(447)은 열교환기 쉘의 입구로부터 가장 먼 각각의 배플(440)의 측일 수 있다. 복수의 축방향 연장 튜브(도시안됨) 중 하나의 튜브는 배플(440)의 구멍(448)을 통과할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 하나의 배플(440)의 구멍(448)은 다른 배플(도시안됨) 상의 구멍과 정렬하여 축방향 연장 튜브는 여러 개의 배플에 의해 지지될 수 있다. 추가로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(440)은 근위 반경 방향 에지(444)와 원위 반경 방향 에지(445) 사이의 교차점에 중심 구멍(449)을 포함할 수 있으며, 이를 통해 중심 로드(423)는 각각의 배플(440)을 중심 로드(423)에 연결하기 위해 통과할 수 있다. 소수의 구멍(448)만이 도 4a/b에 도시되어 있지만, 당업자는 각각의 배플이 예를 들어 도 3 또는 5b에 도시된 것과 유사한 다수의 구멍을 포함한다는 것을 이해할 것이다.
각각의 배플(440)의 중심 구멍(449)은 배플(440)이 중심 로드(423)의 길이 방향 축(424)에 수직인 각도로 위치되도록 고유하게 기울어질 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 배플 각도는 근위 배플이 길이 방향 축에 대해 제 1 각도로 배치되고 더 원위 배플이 길이 방향 축에 대해 다른 각도로 배치되는 것과 같이 열교환기의 길이를 따라 변화할 수 있다. 다른 예로서, 근위 배플은 길이 방향 축에 대해 제 1 각도로 배치될 수 있고 더 원위 배플은 길이 방향 축에 대해 증가 또는 감소하는 각도로 연속적으로 배치될 수 있다.
이제 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기(500)의 다수의 도면이 도시된다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기(500)는 제 1 유체가 통과하는 쉘(520)(도 5b), 제 2 유체가 통과하는 복수의 축방향 연장 튜브(530), 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플, 및 배플(540)들 사이에 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)을 포함할 수 있다. 쉘(520)은 쉘(520) 내에서 제 1 유체가 통과할 수 있는 입구(도시안됨)와 출구(도시안됨)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 튜브(530), 복수의 배플(540), 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 쉘(520) 내에 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(540)은 연속적인 배플(540)이 쉘(520)의 길이 방향 축(521)에 수직인 선으로부터 기울어져 위치되도록 배치될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(540)은 중심 로드(523)에 커플링되어 그 주위에 배치될 수 있고, 연속적인 배플(540)은 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 배플(540) 사이의 회전 오프셋은 하나의 배플(540)의 적어도 근위 반경 방향 에지(544)가 길이 방향으로 인접한 배플(540)의 원위 반경 방향 에지(545)와 접하거나 중첩되도록 할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(540)의 근위 반경 방향 에지(544)는 열교환기(500)의 쉘(520)의 입구에 축방향으로 가장 가까운 배플(540)의 반경 방향 에지일 수 있고, 각각의 배플(540)의 원위 반경 방향 에지(545)는 열교환기(500)의 쉘(520)의 입구로부터 축방향으로 가장 먼 배플(540)의 반경 방향 에지일 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(540)이 배치되는 길이 방향 축(521)에 대해 360° 회전당 동일한 수의 배플(540)이 있을 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 쉘(520)의 길이 방향 축(521)을 중심으로 360° 회전당 4개의 배플(540)이 있을 수 있다. 쉘의 길이 방향 축을 중심으로 한 360° 회전 당 4개의 타원형의 부체꼴-형상의 배플이 도시되지만, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플이 나선형 흐름 경로가 형성되도록 길이 방향 및 회전 방향으로 오프셋되는 한, 쉘의 길이 방향 축을 중심으로 360° 회전당 다양한 모양의 임의의 개수의 배플이 사용될 수 있다.
여전히 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(540)은 타원형의 부체꼴-형상일 수 있다. 각각의 배플(540)은 외부 원주 방향 에지(543)를 가질 수 있고, 각각의 외부 원주 방향 에지(543)는 인접한 배플(540)의 외부 원주 방향 에지(543)로부터 이격될 수 있다. 각각의 배플(540)은 또한 상기 외부 원주 방향 에지(543)의 일단부에 근위 반경 방향 에지(544) 및 외부 원주 방향 에지(543)의 타단부에 원위 반경 방향 에지(545)를 포함할 수 있어, 타원형의 부체꼴-형상의 배플(540)이 외부 원주 방향 에지(543), 근위 반경 방향 에지(544), 및 원위 반경 방향 에지(545)에 의해 정의된다. 더욱이, 각각의 배플(540)은 서로 대향하는 근위 측(546) 및 원위 측(547) 뿐만 아니라 배플(540)을 통해 근위 측(546)으로부터 원위 측(547)으로 연장되는 복수의 이격된 구멍(548)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(540)의 근위 측(546)은 열교환기(500)의 쉘(520)의 입구에 축방향으로 가장 가까운 배플(540)의 측면일 수 있고, 원위 측(547)은 열교환기(500)의 쉘(520)의 입구로부터 축방향으로 가장 먼 각각의 배플(540)의 측면일 수 있다.
하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 축방향 연장 튜브(530) 중 하나의 튜브(530)는 배플(540)의 구멍(548)을 통과할 수 있고, 튜브(530) 내의 제 2 유체 흐름의 방향은 쉘의 입구로부터 쉘의 출구로 제 1 유체 흐름의 방향에 대해 반대일 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 하나의 배플(540)의 구멍(548)은 튜브(530)가 열교환기(500)의 전체 길이를 따라 축방향으로 연장될 수 있고 각각의 튜브(530)가 다수의 배플(540)에 의해 지지되도록 다른 배플(540) 상의 구멍과 정렬될 수 있다. 또한, 각각의 구멍(548)에 배치된 각각의 튜브(530)의 외경(535) 사이의 거리(534)는 복수의 튜브(530) 전체에 걸쳐 일정할 수 있다. 부가적으로, 상술된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(540)은 제 1 반경 방향 에지(544)와 제 2 반경 방향 에지(545) 사이의 교차점에 중심 구멍(549)을 포함할 수 있으며, 이를 통해 중심 로드(523)는 각각의 배플(540)을 중심 로드(523)에 커플링하기 위해 통과할 수 있다. 각각의 배플(540)의 중심 구멍(549)은 배플(540)이 쉘(520)의 길이 방향 축(521)에 수직인 선으로부터 소정의 각도로 위치 설정되도록 고유하게 기울어질 수 있다.
또한, 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 각각 제 1 배플(540)과 제 1 배플(540)로부터 적어도 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속 배플(540) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 복수의 튜브(530)와 쉘(520)의 내부 표면(525) 사이에 반경 방향으로 배치될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 내부 표면(525)은 직경을 가질 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 제 1 배플(540) 및 대응하는 연속적인 배플(540) 각각에 커플링될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각이 열교환기(500)의 쉘(520) 내의 배플에 의해 정의된 나선형 경로에 실질적으로 직교하도록 배치될 수 있다. 도 5a, 도 5d, 및 도 5e를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각의 제 1 단부(551)는 근위 반경 방향 에지(544)와 원위 반경 방향 에지(545) 사이의 복수의 배플(540)들 중 하나의 원위 측(547)에 커플링될 수 있고, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)의 각각의 제 2 단부(552)는 근위 반경 방향 에지(544)와 원위 반경 방향 에지(545) 사이의 복수의 배플(540)의 다른 하나의 근위 측(546)에 커플링될 수 있다.
도 5a 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 하나의 배플(540)의 원위 측(547) 및 다른 배플(540)의 근위 측(546) 모두에 직교하게 배치될 수 있다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 2개의 배플(540) 사이에 연결될 수 있다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 밀봉 스트립(550)은 밀봉 스트립(550)과 하나의 배플(540)의 근위 측(546)과 다른 배플(540)의 원위 측에 직교하는 라인 사이에 각도(595)가 형성되도록 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 각도(595)는 0° 초과로부터 최대 80°일 수 있다. 추가 실시예에서, 각도(595)는 0° 초과에서 최대 30°, 15°에서 최대 45°, 45°에서 최대 80°, 또는 15°에서 최대 30° 중 하나일 수 있다. 복수의 배플(540)의 연속적인 배플 사이의 제 1 유체의 누출 가능성으로 인해, 제 1 유체 흐름의 방향(522)은 복수의 배플(540)에 의해 형성된 나선형 경로와 약간 다를 수 있다. 또한, 제 1 유체 흐름 방향으로 이러한 가능한 변화에 의해, 밀봉 스트립(550)의 각도(595)는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각이 나선형 제 1 유체 흐름 방향(522)에 직교할 수 있도록 변할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 배플(540)은 4개의 사분면에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(550)은 동일한 사분면(또는 360° 회전당 4개 이외의 배플이 사용되는 동일한 섹터)에서 제 1 배플(540)을 제 2 배플(540)에 연결할 수 있다. 밀봉 스트립은 전술한 바와 같이 제 2 배플(540)의 원위 에지(545)에 인접한 지점에서 제 1 배플(540)의 원위 측(547)으로부터 제 2 배플(540)의 근위 측(546)으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 스트립은 제 1 배플의 근위 에지(544)에 인접하여 제 1 배플(540)의 원위 측(547)을 제 2 배플의 원위 에지(545)에 인접한 제 2 배플의 근위 측(546)에 연결할 수 있다. 다른 예로서, 밀봉 스트립은 제 1 배플의 근위 에지(544)에 인접하여 제 1 배플(540)의 원위 측(547)을 제 2 배플의 근위 에지(544)에 인접한 제 2 배플의 근위 측(546)에 연결할 수 있다.
일부 실시예에서, 밀봉 스트립(550)은 제 1 배플(540)을 인접한 사분면(섹터)의 제 2 배플(540)에 연결할 수 있다. 밀봉 스트립은 전술한 바와 같이 제 1 배플(540)의 원위 측(547)으로부터 제 2 배플(540)의 근위 측(546)으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 밀봉 스트립은 제 1 배플(540)의 원위 측(543)을 제 1 배플의 근위 에지(544) 및 원위 에지(545)의 중간으로부터 제 2 배플의 근위 에지(544) 및 원위 에지(545) 중간의 제 2 배플의 근위 측(546)으로 연결할 수 있다.
다른 실시예에서, 열교환기는 동일한 사분면의 배플(540) 사이를 연결하는 일부 밀봉 스트립(550)을 포함할 수 있는 반면, 다른 밀봉 스트립(550)은 인접한 사분면의 배플(540) 사이를 연결할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 밀봉 스트립이 부분적으로 출구를 향해 나선형으로 직접 흐르도록 할 수 있는 곳에서 개선된 열 교환 및 감소된 압력 강하가 실현될 수 있다. 즉, 밀봉 스트립(550)은 배플(540)의 나선 각도(HB)보다 작은 나선 각도(Hs)로 배치될 수 있으며, 여기서 나선 각도는 열교환기의 길이 방향 축에 대한 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로서 정의된다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립 나선 각도(Hs)는 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40° 또는 45°의 하한으로부터 25°, 30°, 40°, 45°, 50°, 60°, 70°, 75° 또는 80°의 상한까지와 같이 0° 초과 내지 80°의 범위에 있을 수 있으며, 여기서 임의의 하한은 본 명세서의 실시예에 따라 임의의 더 큰 상한과 조합될 수 있다. 일부 실시예에서, 더 나은 밀봉을 제공하면서 배플의 나선 각도(HB)보다 큰 나선 각도(Hs)를 갖는 스트립은 유체의 나선형 흐름 경로를 방해할 수 있음이 밝혀졌다(즉, 입구를 향하여 역 흐름 구동을 시도함). 대조적으로, 밀봉 스트립이 나선형 흐름을 촉진하는 경우, 압력 강하(기존 밀봉에 비해)를 줄이고 열 전달 결과를 개선하면서 적절한 밀봉이 제공된다. 다양한 실시예에서 배플 각도(HB)는 일정할 수 있거나 열교환기의 길이를 따라 변할 수 있다. 다양한 배플 각도가 사용될 때, 예를 들어, 근위 배플은 길이 방향 축에 대해 제 1 각도(HB1, 도시안됨)로 배치될 수 있고 더 많은 말단 배플이 길이 방향 축에 대해 제 2 다른 각도(HB2, 도시안됨)로 배치될 수 있다. 다른 예로서, 근위 배플은 길이 방향 축에 대해 제 1 각도로 배치될 수 있고 더 원위 배플은 길이 방향 축에 대해 증가 또는 감소하는 각도로 연속적으로 배치될 수 있다(HB1 < HB2 < HB3 등).
전술한 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 각각의 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)이 열교환기(500)의 쉘 내의 배플에 의해 정의된 나선형 경로에 직교하거나 실질적으로 직교하도록 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 누출 및 제 1 유체 흐름 방향의 가능한 변동으로 인해, 밀봉 스트립(550)의 각도(595)는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각이 나선형 제 1 유체 흐름 방향에 직교하도록 가변될 수 있다. 유체가 가능한 한 기하학적 리드에 가깝게 흐르는 것이 바람직하지만, 이것이 항상 그런 것은 아니라는 것이 여기에서 인식된다. 따라서 유체 흐름 경로는 도시된 바와 같이 밀봉 스트립(550)에 직교하지 않을 수 있다. 누출 및 제 1 유체 흐름 방향의 변화량은 또한 전달되는 유체의 특성과 쉘 및 배플 치수에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 명세서의 실시예는 스트립(550)의 각도가 스트립이 흐름에 직교하도록 기하학적 나선형 리드와 실제 유체 경로 사이의 예상된 차이를 고려하여 설치될 수 있도록 전산 유체 역학 또는 기타 시뮬레이션 또는 실험적 조사와 같은 제 1 유체 흐름 방향을 추정하는 것을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5e에 도시된 실시예는 하나의 배플과 다른 배플 사이에 모두 동일한 각도로 배치된 복수의 밀봉 스트립을 포함할 수 있지만, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 밀봉 스트립은 열교환기 내에서 상이한 각도로 배치될 수 있다. 즉, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 밀봉 스트립의 하나의 밀봉 스트립은 하나의 배플의 원위 측과 다른 배플의 근위 측 모두에 직교하게 배치될 수 있고, 복수의 밀봉 스트립의 다른 밀봉 스트립은 하나의 배플의 근위 측과 다른 배플의 원위 측에 직교하는 각도로 배치되어야 하며, 상기 각도는 0°보다 크고 최대 80°일 수 있다. 따라서, 하나 또는 그 초과의 실시예에서 모든 밀봉 스트립이 배플 사이에 동일한 각도 배치로 배치될 수 있지만, 다른 실시예에서 상이한 각도 배치의 밀봉 스트립의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서 제 1 각도 배치의 밀봉 스트립이 길이 방향 축에 대한 제 1의 여러 회전의 배플 사이에 사용될 수 있고 제 2 각도 배치의 밀봉 스트립이 길이 방향 축 주위의 나머지 회전의 배플 사이에 사용될 수 있지만, 다른 실시예에서, 제 1의 각진 배치의 밀봉 스트립 및 제 2의 각진 배치의 밀봉 스트립의 상이한 패턴이 사용될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 2개보다 많은 각도 배치의 밀봉 스트립이 열교환기 전체에 걸쳐 상이한 패턴으로 사용될 수 있다.
또한, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 만곡된 내부 표면(553) 및 만곡된 외부 표면(554)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 밀봉 스트립(550)의 만곡된 외부 표면(554)은 쉘(520)의 내부 표면(525)에 실질적으로 근접하게 배치될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 밀봉 스트립(550)의 만곡된 외부 표면(554)은 쉘(520)의 내부 표면(525)으로부터 1 내지 5mm의 간극을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 밀봉 스트립(550)의 만곡된 외부 표면(554)은 쉘(520)의 내부 표면(525)으로부터 3mm의 간극을 가질 수 있다. 부가적으로, 밀봉 스트립(550)의 만곡된 외부 표면(554)의 곡률은 형상이 타원형일 수 있고 쉘(520)의 내부 표면(525)의 곡률과 일치할 수 있다. 밀봉 스트립이 타원형일 수 있음을 주목하면서, 밀봉 스트립의 외관은 각도에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, HS가 작은 경우 스트립은 거의 직선일 수 있다. 대조적으로, HS가 큰 경우, 스트립은 타원형이 될 것이다. 타원형 모양은 쉘과 스트립 사이의 각각의 공간과 튜브 묶음과 스트립 사이의 공간이 스트립의 길이를 따라 동일할 수 있도록 한다. 또한, 스트립이 타원형이기 때문에, 스트립은 소직경 및 대직경(도시안됨)으로 표시될 수 있으며, 여기서 쉘 직경, 쉘 직경으로부터의 간격, 및 스트립 각도(HS)는 스트립의 타원형 특성을 정의할 수 있다.
또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각의 만곡된 내부 표면(553)의 곡률은 형상이 타원형일 수 있고 내부 표면(553)의 곡률은 각각의 제 1의 복수의 스트립(550)의 외부 표면(554)의 곡률과 상이할 수 있다. 즉, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 밀봉 스트립(550)의 내부 표면(553)의 곡률은 쉘(520)의 내부 표면(525)의 직경(590)에서 밀봉 스트립(550)의 반경 방향 폭을 뺀 직경을 갖는 가상 실린더의 곡률과 정합할 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각의 내부 표면(553)은 복수의 축방향 연장 튜브(530)의 가장 가까운 튜브(530)의 외부 직경(535)으로부터 거리(557) 만큼 이격될 수 있다. 밀봉 스트립(550)의 내부 표면(553)과 가장 가까운 튜브(530)의 외부 직경(535) 사이의 거리(557)는 두 개의 인접한 튜브(530)의 외부 직경 사이의 거리(534)와 동일할 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 제 1 유체 흐름(522)의 방향으로 쉘(520)에 직교하는 라인(555)으로부터 각도(556)만큼 외부 표면(554)으로부터 내부 표면(553)으로 각을 이룰 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각진 배플(540)에 수직으로 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 쉘(520)에 직교하는 라인(555)으로부터 15° 내지 45°만큼 각을 이룰 수 있어 제 1 유체 흐름(522)이 105°내지 135° 각도로 밀봉 스트립과 접촉하고 복수의 튜브(530)를 향해 뒤로 편향되도록 한다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 두께(558)를 가질 수 있고 더 큰 두께(558)가 쉘(520)의 내부 표면(525)의 더 큰 직경(590)을 갖는 열교환기(500)용으로 사용될 수 있다.
본 명세서의 일부 실시예에 대해 설명된 바와 같이, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 타원형인 곡률을 갖는 만곡된 외경을 가질 수 있고 및/또는 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 타원형인 곡률을 갖는 만곡된 내경을 갖는다. 다른 실시예에서, 밀봉 스트립(550)은 묶음-대-쉘 갭이 더 큰 영역에서 더 넓을 수 있다. 배플을 통한 구멍의 격자 레이아웃이 가장 바깥쪽 구멍에 대한 원형 패턴을 생성하지 않을 수 있으므로 폭이 변할 수 있는 밀봉 스트립이 더 나은 밀봉을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 폭은 밀봉 스트립의 내경 및 외경 각각의 타원형 곡률을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 폭은 예를 들어 프로파일 갭과 일치시키거나 각각의 튜브에 대한 밀봉 스트립의 내경 사이에 일관된 프로파일 갭을 제공하기 위해 체계적으로 변경될 수 있다. 유사하게, 밀봉 스트립의 깊이는 변할 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 밀봉 스트립의 제 1 단부 내지 제 2 단부, 길이를 따라 변화하는 외경에서 내경을 뺀 폭을 가질 수 있으며 및/또는 제 1의 복수의 밀봉 스트립의 각각은 밀봉 스트립의 폭 또는 길이를 따라 변화하는 근위 측 내지 원위 측의 깊이를 가질 수 있다.
추가로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)의 수는 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전당 배플의 수의 배수일 수 있다. 또한, 배플(540)과 배플(540)로부터 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속 배플(540) 사이에 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)의 수는 복수의 배플(540)의 모든 배플(540)에 대해 동일할 수 있다. 예를 들면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전당 4개의 배플(540)이 있을 수 있고, 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 4개가 있을 수 있어 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전당 배플(540) 당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 하나가 있도록 한다. 다른 실시예에서, 길이 방향 축(521)을 중심으로 360° 회전당 4개의 배플(540)이 있을 수 있고 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전 당 배플(540) 당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 2개가 있을 수 있도록 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360°회전 당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 8개가 있을 수 있다. 길이 방향 축(521)을 중심으로 한 360° 회전 당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)의 개수는 쉘(530)의 내부 표면(525)의 크기, 열교환기 내에 배치된 복수의 튜브(530)의 수, 및 복수의 튜브(530)의 외경(535) 사이의 거리(534)에 의존할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기(500) 내에 배치된 복수의 튜브(530)의 8 내지 10열마다 쉘(520) 내에 배치된 제 1 의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 하나가 있을 수 있다.
또한, 도 5a를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 적어도 하나는 배플(540)의 근위 측(546)에 커플링될 수 있고 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 중 적어도 하나는 배플(540)의 원위 측(547)에 커플링될 수 있다. 추가로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(540) 각각의 원위 측(547)에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각은 복수의 배플(540)의 각각의 근위 측(546)에 커플링되는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)의 각각으로부터 쉘(520)의 길이 방향 축(521)을 중심으로 회전적으로 오프셋될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 회전 오프셋 밀봉 스트립(550)은 열교환기(500)의 전체 길이를 따라 미리 결정된 패턴을 따를 수 있다. 또한, 회전 오프셋된 인접한 밀봉 스트립(550)이 도 5a에 도시되어 있지만, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 인접한 밀봉 스트립(550)은 열교환기의 전체 길이를 따라 길이 방향으로 정렬될 수 있다. 추가적으로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 강철로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550)은 제 1의 복수의 밀봉 스트립(550) 각각이 열교환기의 길이 방향 축에 대해 실질적으로 평행하도록(실질적으로 평행은 +/-1° 또는 다른 작은 제조 공차임) 배치될 수 있다. 길이 방향 축에 평행할 때, 각각의 밀봉 스트립은 근위 배플(540)과 근위 배플(540)에 길이 방향으로 인접한 원위 배플(540)에 연결되어야 한다. 각각의 배플 플레이트에서 각각의 밀봉 스트립을 위한 구멍을 포함하고 열교환기의 일 단부에서 타 단부까지 단일의 긴 밀봉 스트립을 이용하는 종래의 관행에 비해, 길이 방향으로 인접한 배플들 사이의 개별 밀봉 스트립이 우수한 밀봉 및 감소된 압력 강하 둘다를 제공한다는 것이 밝혀졌다. 일부 실시예에서, 종방향으로 인접한 배플에 연결된 밀봉 스트립은 원주방향으로 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배플 각각은 배플의 원위 측에 연결된 원위 밀봉 스트립(550) 및 동일한 배플의 근위 측에 연결된 근위 밀봉 스트립(550)을 포함하는 적어도 2개의 밀봉 스트립(550)에 연결될 수 있으며, 여기서 근위 밀봉 스트립은 원위 밀봉 스트립에서 원주 방향으로 오프셋된다. 일부 실시예에서, 원주방향 오프셋은 적어도 10°, 적어도 15°, 또는 적어도 20°일 수 있지만, 필연적으로 부채꼴-형상의 배플의 각각의 타원형 섹터의 총 각도 수보다 작게 오프셋될 수 있다. 따라서 회전 또는 원주 방향으로 오프셋된 밀봉 스트립은 배플의 근위 측에 연결된 하나, 둘, 또는 그 초과의 밀봉 스트립과 배플의 원위 측에 연결된 하나, 둘, 또는 그 초과의 밀봉 스트립을 포함할 수 있으며, 여기서 원위 및 근위 측에 연결된 밀봉 스트립의 개수가 일부 섹터에서 동일할 수 있고 다른 섹터에서 동일하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 동일한 수의 밀봉 스트립이 복수의 배플의 각각의 배플에 커플링될 수 있다. 다른 실시예에서, 밀봉 스트립은 복수의 배플의 모든 배플에 커플링되지 않을 수 있다. 예를 들어 사분면(A, B, C 및 D)을 포함하여 360° 회전당 4개의 배플이 사용되는 경우, 밀봉 스트립은 예를 들어 사분면(A 및 C 또는 B 및 D)에서만 사용될 수 있으며; 다른 실시예에서, 밀봉 스트립은 예를 들어 매 3개의 사분면(연속적으로 A, D, C, B, A….)마다 사용될 수 있다. 밀봉 스트립의 수와 배치는 특정 열교환기의 밀봉 및 구조적 요구 사항에 따라 달라질 수 있다.
이제 도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 본 개시내용의 몇몇 실시예에 따른 열교환기(600)의 부분이 도시되어 있다. 도 5a 내지 도 5e와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기(600)는 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(640) 및 배플(640) 사이에 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650)을 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650)은 각각 제 1 배플(640)과 제 1 배플(640)로부터 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속적인 배플(640) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650) 각각의 제 1 단부(651)가 근위 반경 방향 에지(644)와 원위 반경 방향 에지(645) 사이의 복수의 배플(640) 중 하나의 원위 측(647)에 커플링될 수 있으며, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650) 각각의 제 2 단부(652)가 근위 반경 방향 에지(644)와 원위 반경 방향 에지(645) 사이의 복수의 배플(640)의 다른 하나의 근위 측(646)에 커플링될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(640)의 근위 반경 방향 에지(644)는 열교환기(640)의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(640)의 반경 방향 에지일 수 있으며, 각각의 배플(640)의 원위 반경 방향 에지(645)는 열교환기(600) 쉘의 입구로부터 가장 먼 배플(640)의 반경 방향 에지일 수 있다. 유사하게, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(640)의 근위 측(646)은 열교환기(600)의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(640)의 측일 수 있고, 원위 측(647)은 열교환기(600)의 쉘의 입구로부터 가장 먼 각각의 배플(640)의 측일 수 있다.
도 6a를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650) 각각은 하나의 배플(640)의 원위 측(647) 및 다른 배플(640)의 근위 측(646) 모두에 직교하게 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 밀봉 스트립(650) 각각은 하나의 배플(640)의 근위 측(646) 및 다른 배플(640)의 원위 측(647)에 직교하는 각도(도시안됨)로 배치될 수 있고, 각도는 0°보다 크고 최대 80°일 수 있다.
단지 예로서 도 6b를 참조하면, 밀봉 스트립(650)은 동일한 사분면에서 제 1 배플(640)과 제 2 배플(640) 사이에 연결될 수 있다. 복수의 밀봉 스트립의 각각은 제 1 배플(640)의 근위 측(646)에 대해 직교하는 각도로 배치될 수 있고, 각도는 원위 반경 방향 에지(645)로부터 제 2 배플(640)의 근위 반경 방향 에지(644)로 정의된 방향으로 45°보다 크고 최대 80°일 수 있다. 추가로, 위에서 논의된 바와 같이, 다른 실시예에서, 각도는 0° 보다 크고 최대 30°, 15°로부터 최대 45°, 또는 15°로부터 최대 30° 중 하나일 수 있다. 복수의 배플(640)의 연속적인 배플 사이의 제 1 유체의 누출 가능성으로 인해, 제 1 유체 흐름의 방향은 복수의 배플(640)에 의해 형성된 나선형 경로와 약간 다를 수 있다. 또한, 이러한 가능한 변동으로 인해 제 1 유체 흐름 방향에서, 밀봉 스트립(650)의 각도는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650) 각각이 나선형의 제 1 유체 흐름 방향에 직교할 수 있도록 변할 수 있다.
단지 예로서 도 6c를 참조하면, 밀봉 스트립(650)은 제 1 사분면의 제 1 배플(640)과 인접한 사분면의 제 2 배플(640) 사이에 연결될 수 있다. 복수의 밀봉 스트립의 각각은 제 1 배플(640)의 근위 측(646)에 대해 직교하는 각도로 배치될 수 있고, 각도는 원위 반경 방향 에지(645)로부터 제 2 배플(640)의 근위 반경 방향 에지(644)로 정의된 방향으로 45°보다 크고 최대 80°일 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 다른 실시예에서, 각도는 원위 반경 방향 에지(645)에서 제 2 배플(640)의 근위 반경 방향 에지(644)까지 정의된 방향으로 0°보다 크고 최대 30°, 15°로부터 최대 45°, 또는 15°로부터 최대 30° 중 하나일 수 있다. 복수의 배플(640)의 연속저인 배플들 사이의 제 1 유체의 가능한 누출로 인해, 제 1 유체 흐름의 방향이 복수의 배플(640)에 의해 형성된 나선형 경로로부터 약간 변화할 수 있다. 또한, 제 1 유체 흐름 방향으로 이러한 가능한 변화로 인해, 밀봉 스트립(650)의 각도는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(650) 각각이 나선형 제 1 유체 흐름 방향에 직교할 수 있도록 변할 수 있다.
일부 실시예에서, 일부 밀봉 스트립(650)은 도 6b에 도시된 바와 같이 동일한 사분면의 배플(640) 사이에 연결될 수 있는 반면, 다른 밀봉 스트립(650)은 도 6c에 도시된 바와 같이 인접한 사분면의 배플(640) 사이에 연결될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에 도시된 실시예가 하나의 배플(640)과 다른 배플(640) 사이에 모두 동일한 각도로 배치된 복수의 밀봉 스트립(650)을 포함할 수 있지만, 도 6c를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 상기 밀봉 스트립(650)은 열교환기 내에서 서로 다른 각도(도시안됨)로 배치될 수 있다. 즉, 도 6c를 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 밀봉 스트립(650) 중 하나의 밀봉 스트립(650a)은 하나의 배플(640)의 원위 측(647)과 다른 배플(640)의 근위 측(646) 모두에 직교하게 배치될 수 있으며, 복수의 밀봉 스트립(650) 중 다른 밀봉 스트립(650b)은 하나의 배플(640)의 근위 측(646) 및 다른 배플(640)의 원위 측(647)에 직교하는 각도로 배치될 수 있으며, 여기서 각도는 0°보다 크고 최대 80°일 수 있다. 따라서, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 모든 밀봉 스트립(650)이 동일한 각도 배치를 갖는 배플 사이에 배치될 수 있지만, 다른 실시예에서, 상이한 각도 배치의 밀봉 스트립(650)의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1 각도 배치의 밀봉 스트립(650a)이 길이 방향 축을 중심으로 한 제 1의 수 회전(first several rotation)의 배플(640) 사이에 사용될 수 있고 제 2 각도 배치의 밀봉 스트립(650b)이 길이 방향 축을 중심으로 나머지 회전의 배플(640) 사이에 사용될 수 있는 반면, 다른 실시예에서, 제 1의 각진 배치의 밀봉 스트립(650a) 및 제 2의 각진 배치의 밀봉 스트립(650b)의 상이한 패턴이 사용될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 2개보다 많은 각도 배치의 밀봉 스트립이 열교환기 전체에 걸쳐 상이한 패턴으로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립의 각도 배치 및 밀봉 스트립이 그 사이에 배열되는 사분면 모두는 열교환기 내에서 변할 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기(700)의 일부가 도시되어 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기(700)는 제 1 유체가 통과하는 쉘(도시안됨), 제 2 유체가 통과하는 복수의 축방향 연장 튜브(730), 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(740), 및 배플(740) 사이에 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)을 포함할 수 있다. 쉘은 제 1 유체가 쉘 내에서 통과할 수 있는 입구(도시안됨) 및 출구(도시안됨)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 튜브(730), 복수의 배플(740), 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)은 쉘 내에 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 위에서 논의된 열교환기와 유사하게, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(740)은 연속적인 배플(740)이 쉘의 길이 방향 축(도시안됨)에 수직인 선으로부터 각도로 위치되도록 배치될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(740)은 길이 방향 축을 중심으로 커플링될 수 있고, 연속적인 배플(740)은 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 배플(740) 사이의 회전 오프셋은 하나의 배플(740)의 적어도 근위 반경 방향 에지(744)가 길이 방향으로 인접한 배플(740)의 원위 반경 방향 에지(745)와 중첩되도록 할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(740)의 근위 반경 방향 에지(744)는 열교환기(700)의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(740)의 반경 방향 에지일 수 있고, 각각의 배플(740)의 원위 반경 방향 에지(745)는 열교환기(700)의 쉘의 입구로부터 가장 먼 배플(740)의 반경 방향 에지일 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 길이 방향 축을 중심으로 360° 회전당 동일한 수의 배플(740)이 있을 수 있으며 상기 길이 방향 축을 중심으로 배플(740)이 배치된다.
여전히 도 7을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(740)은 타원형의 부체꼴-형상일 수 있다. 각각의 배플(740)은 외부 원주 방향 에지(743)를 가질 수 있고, 각각의 외부 원주 방향 에지(743)는 인접한 배플(740)의 외부 원주 방향 에지(743)로부터 이격될 수 있다. 각각의 배플(740)은 또한 외부 원주 방향 에지(743)의 일 단부에서 근위 반경 방향 에지(744) 및 외부 원주 방향 에지(743)의 타 단부에서 원위 반경 방향 에지(745)를 포함할 수 있어, 타원형의 부체꼴-형상의 배플(740)이 외부 원주 방향 에지(743), 근위 반경 방향 에지(744), 및 원위 반경 방향 에지(745)에 의해 정의되도록 한다. 더욱이, 각각의 배플(740)은 서로 대향하는 근위 측(746) 및 원위 측(747) 뿐만 아니라 근위 측(746)으로부터 원위 측(747)으로 배플(740)을 통해 연장되는 복수의 이격된 구멍(도시안됨)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(740)의 근위 측(746)은 열교환기(70)의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(740)의 측일 수 있으며, 원위 측(747)은 열교환기(700)의 쉘의 입구로부터 가장 먼 각각의 배플(740)의 측일 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 축방향 연장 튜브(730) 중 하나의 튜브(730)가 배플(740) 내의 구멍을 통과할 수 있다. 따라서, 위에서 논의된 바와 같이, 복수의 튜브(730)는 열교환기(700)의 전체 길이를 따라 축방향으로 연장될 수 있고, 각각의 튜브(730)는 튜브(730)의 길이를 따라 동일하게 이격된 다중 배플(740)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 각각의 구멍에 배치된 각각의 튜브(730)의 외경 사이의 거리는 복수의 튜브(730) 전체에 걸쳐 일정할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)이 각각 제 1 배플(740)과 제 1 배플(740)로부터 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속적인 배플(740) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각은 복수의 튜브(730)와 쉘의 내면의 직경 사이에 반경 방향으로 배치될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각은 제 1 배플(740) 및 대응하는 연속적인 배플(740) 각각에 커플링될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)은 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각이 열교환기(700)의 쉘 내에서 나선형 제 1 유체 흐름 방향에 직교하도록 배치될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각의 제 1 단부(751)는 근위 반경 방향 에지(744)와 원위 반경 방향 에지(745) 사이의 복수의 배플(740) 중 하나의 원위 측(747)에 커플링될 수 있고, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각의 제 2 단부(752)가 근위 반경 방향 에지(744)와 원위 반경 방향 에지(745) 사이에서 복수의 배플(740) 중 다른 하나의 근위 측(746)에 커플링될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각은 하나의 배플(740)의 원위 측(747) 및 다른 배플(740)의 근위 측(746) 모두에 직교하게 배치될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 복수의 밀봉 스트립(750) 각각은 하나의 배플(740)의 근위 측(746) 및 다른 배플(740)의 원위 측(747)에 직교하는 각도(도시안됨)로 배치될 수 있고; 각도는 0° 보다 크고 최대 80°일 수 있다. 추가 실시예에서, 각도는 0° 보다 크고 최대 30°, 15°로부터 최대 45°, 45°로부터 최대 80°, 또는 15°로부터 최대 30° 중 하나일 수 있다. 복수의 배플(740)의 연속적인 배플 사이의 제 1 유체의 누출 가능성으로 인해, 제 1 유체 흐름의 방향은 복수의 배플(740)에 의해 형성된 나선형 경로와 약간 다를 수 있다. 또한, 이러한 가능한 변동으로 인해 제 1 유체 흐름 방향에서, 밀봉 스트립(750)의 각도는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각이 나선형의 제 1 유체 흐름 방향에 직교할 수 있도록 변할 수 있다. 배플(740)은 사분면으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(750)은 동일한 사분면에 위치된 배플(740) 사이에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(750)은 인접한 사분면에 위치된 배플(740) 사이에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(750)은 동일한 사분면에 위치한 배플(740)과 인접한 사분면에 위치한 배플(740) 사이에 연결될 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각은 도 5a 내지 도 5e 및 도 6a 내지 도 6d와 관련하여 전술한 바와 같은 제 1의 복수의 밀봉 스트립과 실질적으로 유사한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)은 곡면의 내면과 곡면의 외면을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 밀봉 스트립(750)의 만곡된 외부 표면은 쉘의 내부 표면에 실질적으로 근접하게 배치될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 밀봉 스트립(750)의 만곡된 외부 표면은 쉘의 내부 표면과 접촉할 수 있다. 또한, 밀봉 스트립(750)의 만곡된 외부 표면의 곡률은 형상이 타원형일 수 있고 쉘의 내부 표면의 곡률과 일치할 수 있다.
또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각의 만곡된 내부 표면의 곡률은 형상이 타원형일 수 있고 내부 표면의 곡률은 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)의 각각의 외부 표면의 곡률과 상이할 수 있다. 즉, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 밀봉 스트립(750)의 내부 표면의 곡률은 쉘의 내부 표면 빼기 밀봉 스트립(750)의 반경 방향 폭의 직경과 동일한 직경을 갖는 가상의 실린더의 곡률과 일치할 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각의 내부 표면은 복수의 축방향 연장 튜브(730) 중 가장 가까운 튜브(730)의 외경으로부터 멀리 이격될 수 있다. 밀봉 스트립(750)의 내부 표면과 가장 가까운 튜브(730)의 외부 직경 사이의 거리는 2개의 인접한 튜브(730)의 외부 직경 사이의 거리와 동일할 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)은 외부 표면에서 내부 표면으로 제 1 유체 흐름의 방향으로 쉘에 직교하는 선으로부터 각도만큼 기울어질 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)은 쉘의 내면의 직경에 따라 달라지는 두께를 가질 수 있다.
여전히 도 7을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 중 적어도 하나는 배플(740)의 근위 측(746)에 커플링될 수 있고 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 중 적어도 하나는 배플(740)의 원위 측(747)에 커플링될 수 있다. 추가적으로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(740) 각각의 원위 측(747)에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750) 각각은 복수의 배플(740)의 각각의 근위 측(746)에 커플링되는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)의 각각과 열교환기(700)의 쉘의 길이 방향 축에 대해 평행한 방향으로 정렬될 수 있다. 상술된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(740)과 배플(740)로부터 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속 배플(740) 사이에 배치된 복수의 제 1 밀봉 스트립(750)의 수는 복수의 배플의 모든 배플(740)에 대해 동일할 수 있어, 길이 방향 축을 중심으로 360° 회전 당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(750)의 개수가 길이 방향 축을 중심으로 한 360° 회전 당 배플(740)의 개수의 배수일 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기(800)의 일부가 도시되어 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기(800)는 제 1 유체가 통과하는 쉘(도시안됨), 제 2 유체가 통과하는 복수의 축방향 연장 튜브(830), 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(840), 배플(840)들 사이에 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)들, 및 배플(840)들 사이에 배치된 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860)을 포함할 수 있다. 상기 쉘은 입구(도시안됨) 및 출구(도시안됨)를 포함할 수 있고, 상기 입구 및 출구 사이에 제 1 유체가 쉘 내에서 지나갈 수 있다. 또한, 복수의 튜브(830), 복수의 배플(840), 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850), 및 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860)은 쉘 내에 배치될 수 있다.
여전히 도 8을 참조하면, 위에서 논의된 열교환기와 유사하게, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(840)은 연속적인 배플(840)이 쉘의 길이 방향 축(도시안됨)에 수직인 선으로부터 기울어져 위치 설정되도록 배치될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(840)은 길이 방향 축을 중심으로 커플링될 수 있고, 연속적인 배플(840)은 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 배플(840) 사이의 회전 오프셋은 하나의 배플(840)의 적어도 근위 반경 방향 에지(844)가 길이 방향으로 인접한 배플(840)의 원위 반경 방향 에지(845)와 중첩되도록 할 수 있다. 또한, 중첩하는 근위 반경 방향 에지(844) 및 연속적인 배플(840) 사이의 원위 반경 방향 에지(845)의 길이 방향 오프셋은 제 1 유체 흐름이 통과할 수 있는 근위 반경 방향 에지(844)와 원위 반경 방향 에지(845) 사이에 갭(870)을 생성할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(840)의 근위 반경 방향 에지(844)는 열교환기(800)의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(840)의 반경 방향 에지일 수 있고, 각각의 배플(840)의 원위 반경 방향 에지(845)는 열교환기(800)의 쉘의 입구로부터 가장 먼 배플(840)의 반경 방향 에지일 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 길이 방향 축을 중심으로 360° 회전당 동일한 수의 배플(840)이 있을 수 있으며, 상기 길이 방향 축을 중심으로, 배플(840)이 배치된다.
또한, 도 8을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(840)은 타원형의 부체꼴-형상일 수 있다. 각각의 배플(840)은 외부 원주 방향 에지(843)를 가질 수 있고, 각각의 외부 원주 방향 에지(843)는 인접한 배플(840)의 외부 원주 방향 에지(843)로부터 이격될 수 있다. 각각의 배플(840)은 또한 외부 원주 방향 에지(843)의 일 단부에서 근위 반경 방향 에지(844) 및 외부 원주 방향 에지(843)의 타 단부에서 원위 반경 방향 에지(845)를 포함할 수 있어, 타원형의 부체꼴-형상의 배플(840)은 외부 원주 방향 에지(843), 근위 반경 방향 에지(844), 및 원위 반경 방향 에지(845)에 의해 정의된다. 더욱이, 각각의 배플(840)은 서로 대향하는 근위 측(846) 및 원위 측(847) 뿐만 아니라 근위 측(846)으로부터 원위 측(847)으로 배플(840)을 통하여 연장되는 복수의 이격된 구멍(도시안됨)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 배플(840)의 근위 측(846)은 열교환기(80)의 쉘의 입구에 가장 가까운 배플(840)의 측일 수 있고, 원위 측(847)은 열교환기(800)의 쉘의 입구로부터 가장 먼 각각의 배플(840)의 측일 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 축방향 연장 튜브(830) 중 하나의 튜브(830)는 배플(840) 내의 구멍의 각각을 통과할 수 있다. 따라서, 위에서 논의된 바와 같이, 복수의 튜브(830)는 열교환기(800)의 전체 길이를 따라 축방향으로 연장될 수 있고, 각각의 튜브(830)는 튜브(830)의 길이를 따라 균등하게 이격된 다중 배플(840)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 각각의 구멍에 배치된 각각의 튜브(830)의 외경 사이의 거리는 복수의 튜브(830) 전체에 걸쳐 일정할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)은 각각 제 1 배플(840)과 제 1 배플(840)로부터 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속적인 배플(840) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각은 복수의 튜브(830)와 쉘의 내면의 직경 사이에 반경 방향으로 배치될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각은 제 1 배플(840) 및 대응하는 연속적인 배플(840) 각각에 커플링될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)은 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각이 열교환기(800)의 쉘 내에서 나선형 제 1 유체 흐름 방향에 직교하도록 배치될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)의 각각의 제 1 단부(851)는 근위 반경 방향 에지(844)와 원위 반경 방향 에지(845) 사이의 복수의 배플(840) 중 하나의 원위 측(847)에 커플링되고, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각의 제 2 단부(852)가 근위 반경 방향 에지(844)와 원위 반경 방향 에지(845) 사이의 복수의 배플(840) 중 다른 하나의 근위 측(846)에 커플링된다.
위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각은 하나의 배플(840)의 원위 측(847) 및 다른 배플(840)의 근위 측(846) 모두에 직교하게 배치될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 복수의 밀봉 스트립(850) 각각은 하나의 배플(840)의 근위 측(846) 및 다른 배플(850)의 원위 측(847)에 직교하는 각도(도시안됨)로 배치될 수 있고; 각도는 0°보다 크고 최대 80°일 수 있다. 추가 실시예에서, 각도는 0°보다 크고 최대 30°, 15°에서 최대 45°, 45°에서 최대 80°, 또는 15°에서 최대 30° 중 하나일 수 있다. 복수의 배플(840)의 연속적인 배플 사이에서 제 1 유체의 누출 가능성으로 인해, 제 1 유체 흐름의 방향은 복수의 배플(840)에 의해 형성된 나선형 경로와 약간 다를 수 있다. 또한, 이러한 가능한 변동으로 인해 제 1 유체 흐름 방향에서, 밀봉 스트립(850)의 각도는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각이 나선형 제 1 유체 흐름 방향에 직교할 수 있도록 변할 수 있다.
배플(740)은 사분면으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(750)은 동일한 사분면에 위치된 배플(740) 사이에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(750)은 인접한 사분면에 위치된 배플(740) 사이에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉 스트립(750)은 동일한 사분면에 위치한 배플(740)과 인접한 사분면에 위치한 배플(740) 사이에 연결될 수 있다.
추가로, 도 8을 참조하면, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각은 도 5a 내지 도 7과 관련하여 전술한 바와 같은 제 1의 복수의 밀봉 스트립과 실질적으로 유사한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)은 곡면의 내면과 곡면의 외면을 가질 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 중 적어도 하나는 배플(840)의 근위 측(846)에 커플링될 수 있고 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 중 적어도 하나는 배플(840)의 원위 측(847)에 커플링될 수 있다. 추가로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 복수의 배플(840) 각각의 원위 측(847)에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850) 각각은 열교환기(800)의 쉘의 길이 방향 축에 대해 평행한 방향으로 복수의 배플(840)의 각각의 근위 측(846)에 커플링되는 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)의 각각과 길이 방향으로 정렬될 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(840)과 배플(840)로부터 완전히 360° 회전하는 대응하는 연속적인 배플(840) 사이에 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)의 수는 복수의 배플(840) 내의 모든 배플(840)에 대해 동일할 수 있고, 이에 따라,길이 방향 축을 중심으로 한 360° 회전당 제 1의 복수의 밀봉 스트립(850)의 수는 길이 방향 축을 중심으로 한 360° 회전당 배플의 수의 배수일 수 있다.
여전히 도 8을 참조하면, 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860) 각각은 배플(840)들 중 하나의 원위 반경 방향 에지(845)가 연속적인 배플(840)의 근위 반경 방향 에지(844)와 중복하는 영역에서 연속하는 배플(840)의 원위 측(847)과 배플(840)들 중 하나의 근위 측(846) 사이에 형성된 갭(870) 내에 연속적인 배플(840)과 배플(840)들 중 하나 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860) 각각은 열교환기(800)의 쉘의 길이 방향 축과 평행한 방향으로 배플(840)에 커플링될 수 있고, 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860)은 쉘과 복수의 튜브(830) 사이에 반경 방향으로 배치될 수 있다. 더욱이, 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860) 각각은 복수의 배플(840)들 중 하나의 원위 측(847)의 근위 반경 방향 에지(844)에 근접하게 커플링될 수 있는 제 1 단부(861) 및 복수의 배플들 중 다른 하나의 근위 측(846)의 원위 반경 방향 에지(845)에 근접하게 커플링될 수 있는 제 2 단부(862)를 가질 수 있다. 추가적으로, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860) 각각은 내부 표면(863) 및 외부 표면(864)을 갖는 사다리꼴 형상일 수 있다. 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860) 각각의 내부 표면(863)은 복수의 축방향 연장 튜브(830) 중 가장 가까운 튜브(830)의 외경으로부터 복수의 축방향 연장 튜브(830) 중 2개의 인접한 튜브(830)의 외경 사이의 거리와 동일할 수 있는 거리만큼 이격될 수 있다. 또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 배플(840) 사이의 중첩 영역에 의해 형성된 갭(870)에서 배플(840)과 연속적인 배플(840) 사이에 배치된 제 2의 복수의 밀봉 스트립(860)의 수는 종방향 축을 중심으로 한 360° 회전당 배플의 수와 동일할 수 있다.
지금부터, 도 9를 참조하면, 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기(900)가 도시되어 있다. 도 9는 이중 나선 흐름 패턴을 갖는 열교환기를 예시하며, 이는 나선 사이에 전술한 바와 같은 스트립을 포함할 수 있다. 흐름 패턴을 쉽게 이해하기 위해 스트립이 도시되지 않았지만, 아래의 설명은 스트립을 포함하고 스트립이 다중 나선형 흐름 경로를 갖는 열교환기에 통합될 수 있는 방법을 설명한다.
하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기(900)는 제 1 유체가 통과하는 쉘(920), 제 2 유체가 통과하는 복수의 축방향 연장 튜브(도시안됨), 제 1의 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(940), 제 1의 복수의 배플(940)로부터 길이 방향으로 오프셋된 제 2의 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플(980), 제 1 배플(940)과 제 2 배플(980) 사이에 각각 배치된 제 1의 복수의 밀봉 스트립(도시안됨), 및 배플(940) 사이에 배치된 제 2의 복수의 밀봉 스트립(960)을 포함할 수 있다. 상기 쉘은 입구(928) 및 출구(도시안됨)를 포함할 수 있으며, 상기 입구와 출구 사이로 제 1 유체가 쉘 내에서 통과할 수 있다. 또한, 복수의 튜브, 제 1의 복수의 배플(940), 제 2의 복수의 배플(980), 제 1의 복수의 밀봉 스트립, 및 제 2의 복수의 밀봉 스트립은 쉘(920) 내에 배치될 수 있다.
여전히 도 9를 참조하면, 위에서 논의된 열교환기와 유사하게, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 배플(940)은 연속적인 제 1 배플(940)이 쉘(920)의 길이 방향 축(92)에 수직인 선으로부터 기울어져 위치되도록 배치될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 배플(940)은 길이 방향 축(920)을 중심으로 커플링될 수 있고, 연속적인 제 1 배플(940)은 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 제 1 배플(940) 사이의 회전 오프셋은 하나의 제 1 배플(940)의 적어도 제 1 반경 방향 에지(도시안됨)가 길이 방향으로 인접한 제 1 배플(940)의 제 2 반경 방향 에지(도시안됨)와 중첩되도록 할 수 있다. 또한, 연속적인 제 1 배플(940) 사이의 중첩하는 제 1 반경 방향 에지 및 제 2 반경 방향 에지의 길이 방향 오프셋은 제 1 유체 흐름이 통과할 수 있는 제 1 반경 방향 에지와 제 2 반경 방향 에지 사이에 갭을 생성할 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 배플(940)이 주위에 배치되는 길이 방향 축(921)을 중심으로 360° 회전할 때마다 동일한 수의 제 1의 복수의 배플(940)이 있을 수 있다.
유사하게, 제 2의 복수의 배플(980)은 연속적인 제 2 배플(980)이 쉘(920)의 길이 방향 축(921)에 수직인 선으로부터 기울어져 위치되도록 배치될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 2의 복수의 배플(980)은 길이 방향 축(921)을 중심으로 커플링될 수 있고, 연속적인 제 2 배플(980)은 제 1의 복수의 배플(940)의 나선형 패턴과 실질적으로 동일한 나선형 패턴이 형성되도록 서로 회전 및 길이 방향으로 오프셋될 수 있다. 연속적인 제 2 배플(980) 사이의 회전 오프셋은 하나의 제 2 배플(980)의 적어도 제 1 반경 방향 에지(도시안됨)가 길이 방향으로 인접한 제 2 배플(980)의 제 2 반경 방향 에지(도시안됨)와 중첩되도록 할 수 있다. 또한, 연속적인 제 2 배플(980) 사이의 중첩하는 제 1 반경 방향 에지 및 제 2 반경 방향 에지의 길이 방향 오프셋은 제 1 배플(940)의 길이 방향 오프셋과 동일할 수 있고 제 1 반경 방향 에지와 제 2 반경 방향 에지 사이에 동일한 갭을 생성할 수 있으며, 상기 동일한 갭을 통해 제 1 유체 흐름이 이동할 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 2의 복수의 배플(980)이 주위에 배치되는 길이 방향 축(921)을 중심으로 360° 회전할 때마다 동일한 수의 제 2의 복수의 배플(980)이 있을 수 있다. 또한, 제 2의 복수의 배플(980)은 제 1의 복수의 배플(940)로부터 길이 방향으로 오프셋되어 제 1 배플(920)의 연속적인 회전 사이의 유로가 2개의 개별 유로로 분리될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 2의 복수의 배플은 서로 360° 회전하는 제 1 배플(940) 사이의 거리의 절반만큼 제 1의 복수의 배플로부터 길이 방향으로 오프셋될 수 있다.
또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 배플(940) 및 제 2의 복수의 배플(980) 각각은 타원형의 부체꼴-형상일 수 있다. 각각의 배플(940, 980)은 외부 원주 방향 에지(도시안됨)를 가질 수 있고, 각각의 외부 원주 방향 에지는 인접한 배플(940, 980)의 외부 원주 방향 에지로부터 이격될 수 있다. 각각의 배플(940, 980)은 또한 타원형의 부체꼴-형상의 배플(940, 980)이 외부 원주 방향 에지, 제 1 반경 방향 에지, 및 제 2 반경 방향 에지에 의해 정의되도록 외부 원주 방향 에지의 일 단부에서 제 1 반경 방향 에지 및 외부 원주 방향 에지의 타단부에서 제 2 반경 방향 에지를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 배플(940, 980)은 서로 대향하는 제 1 측면(도시안됨) 및 제 2 측면(도시안됨)을 가질 수 있을 뿐만 아니라 배플(940, 980)을 통해 제 1 측면으로부터 제 2 측면으로 연장되는 복수의 이격된 홀(도시안됨)을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 각각의 제 1 배플(940)은 각각의 제 1 배플(940)의 구멍이 인접한 제 2 배플(980)의 구멍과 정렬되고 복수의 축방향 연장 튜브 중 하나의 튜브가 배플(940, 980) 내의 구멍들 각각을 통과할 수 있도록 인접한 제 2 배플(980)과 정렬될 수 있다. 따라서, 위에서 논의된 바와 같이, 복수의 튜브는 열교환기(900)의 전체 길이를 따라 축방향으로 연장될 수 있고, 각각의 튜브는 제 1의 복수의 배플 및 제 2의 복수의 배플(980) 각각의 다수의 배플에 의해 지지될 수 있다. 또한, 각각의 구멍에 배치된 각각의 튜브의 외경 사이의 거리는 복수의 튜브 전체에 걸쳐 일정할 수 있다.
또한, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 각각 제 1의 복수의 배플(940)의 제 1 배플과 제 1의 복수의 배플(940)의 제 1 배플과 정렬되는 제 2의 복수의 배플(940)의 대응하는 인접한 배플 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플(940) 중 하나의 제 1 측면 및 제 2 측면 중 하나와 제 2의 복수의 배플(980) 중 하나의 대응하는 제 1 측면 또는 제 2 측면 사이에 커플링될 수 있다. 추가로, 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 다른 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 열교환기(900)의 쉘(920) 내에 배치될 수 있고, 제 1의 복수의 각각의 밀봉 스트립 각각은 다른 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 제 1의 복수의 밀봉 스트립과 실질적으로 유사한 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 배플들(940, 980) 중 하나의 제 1 반경 방향 에지가 연속하는 배플(940, 980)의 제 2 반경 방향 에지와 중복하는 영역에서 상기 배플(940, 980) 중 하나의 제 1 측과 연속하는 배플(940, 980)의 제 2 측 사이에 형성된 갭 내에 제 1의 복수의 배플(940) 중 하나와 제 1의 복수의 배플(940)의 연속적인 배플 사이 및 제 2의 복수의 배플(980) 중 하나와 제 2의 복수의 배플(980) 중 연속적인 배플 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 다른 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 열교환기(900)의 쉘(920) 내에 배치될 수 있고, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 다른 실시예와 관련하여 전술한 바와 같은 제 2의 복수의 밀봉 스트립과 실질적으로 유사한 구조를 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예는 또한 열교환기의 조립 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 길이 방향 축을 갖는 중심 로드를 제공하는 단계 및 복수의 배플에 의해 나선형 패턴이 형성되도록 중심 로드의 길이 방향 축에 대한 각도로 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플을 중심 로드에 장착하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 복수의 배플 각각은, 상기 복수의 배플의 나머지 부분의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지; 원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지; 원위 측과 대향하는 근위 측; 및 복수의 이격된 구멍을 포함할 수 있다. 복수의 축방향 연장 튜브는 복수의 배플 각각의 복수의 이격된 구멍 내로 배치될 수 있고, 복수의 축방향 연장 튜브는 제 2 유체를 운반하도록 구성된다.
상기 방법은 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는: 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 복수의 배플 중 하나의 원위 측에 커플링하는 단계; 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 복수의 배플 중 다른 배플의 근위 측에 커플링하는 단계를 포함한다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은: 복수의 배플 중 하나의 원위 측과 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 측 모두에 직교하거나; 또는 복수의 배플 중 하나의 근위 측과 복수의 배플 중 다른 배플의 원위 측에 직교하는 각도로 배치되고, 여기서 각도는 0°보다 크고 최대 80°이다. 조립된 중심 로드, 복수의 배플, 복수의 축방향 연장 튜브, 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘 내에 배치될 수 있다.
커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 내경 및 외경을 갖는다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 외경으로부터 내경까지 복수의 배플들 중 하나의 근위 반경 방향 에지로부터 원위 반경 방향 에지로 정의된 방향으로 쉘에 대한 직교로부터 특정한 각도만큼 경사지는 단계를 포함할 수 있다.
제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내경을 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외경으로부터 복수의 축방향 연장 튜브 중 2개의 인접한 튜브의 외경들 사이의 거리와 동일한 거리 만큼 이격하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는 또한 복수의 배플 각각의 원위 측에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각을 복수의 배플 각각의 근위 측에 커플링된 복수의 밀봉 스트립 각각으로부터 회전 오프셋시키는 단계를 포함할 수 있다.
조립 방법은 또한 일부 실시예에서 쉘과 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 복수의 배플 중 하나의 원위 측의 원위 반경 방향 에지에 커플링하는 단계; 및 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 복수의 배플 중 다른 배플의 근위 측의 근위 반경 방향 에지에 커플링하는 단계를 포함하며, 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 쉘의 길이 방향 축에 평행하게 연장된다.
밀봉 스트립이 제 1 유체의 흐름 방향에 직교하도록 복수의 배플 각각에 직교하게 배치된 밀봉 스트립을 갖는 본 개시내용의 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기는 종래의 열 교환기 및 다른 나선 배플형 열교환기에 대해 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 각각의 배플에 직각으로 배치된 밀봉 스트립은 열교환기의 길이 방향 축에 평행하게 배치된 밀봉 스트립을 포함하는 열교환기보다 열교환기의 전체 길이에 걸쳐 더 낮은 압력 강하를 허용할 수 있다. 또한, 예로서, 제 1 유체 흐름이 제 2 유체를 운반하는 복수의 튜브를 향해 다시 지향되도록 하는 각도로 제 1 유체 흐름의 방향에 직각으로 배치된 밀봉 스트립은 제 1 유체의 열교환기의 길이 방향 축에 평행하게 배치된 밀봉 스트립보다 복수의 튜브를 우회한다. 또한, 예로서, 하나 또는 그 초과의 실시예에서, 열교환기의 길이를 따라 복수의 밀봉 스트립을 반경 방향으로 오프셋하는 것은 더 많은 수의 복수의 튜브에 국부적 열 전달 향상을 제공하는 것을 허용할 수 있다. 추가적으로, 예로서, 배플의 제 1 및 제 2 반경 방향 에지에 인접하게 배치된 제 2의 복수의 밀봉 스트립은 중첩 배플 주위에서 누출됨으로써 나선형 유동 경로를 떠나는 제 1 유체의 양이 더 적도록 할 수 있다. 따라서, 하나 또는 그 초과의 실시예에 따른 열교환기는 기존 열교환기 및 다른 나선 배플형 열교환기에 비해 제조 비용 및 유지 보수 비용이 낮을 뿐만 아니라 열 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시내용의 실시예와 관련하여 몇 가지 놀라운 결과가 주목된다. 첫째, 실험은 여기에 개시된 바와 같이 배열되지 않은 종래의 밀봉 스트립이 열 전달에 거의 직접적인 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었다. 이러한 방식으로 추가되는 열교환기의 효율성은 크게 향상되지 않는다. 사실, 이러한 실험은 기존의 밀봉 스트립이 밀봉 스트립이 없는 동일한 열교환기와 비교할 때 열교환기 내에서 상당한 압력 강하를 일으킬 수 있음을 보여주었다. 압력 강하는 열교환기의 열 전달 효율을 감소시킬 수 있다. 선행 기술에서는 유체가 튜브 묶음을 우회하는 것을 방지함으로써 열교환기의 성능을 향상시키는 밀봉 스트립이 있다고 교시하고 있기 때문에 이러한 결과는 예상치 못한 것이다. 그러나 현재 발견은 본 명세서의 실시예에 따라 배열된 밀봉 스트립이 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다.
이제 도 10을 참조하면, 3개의 열교환기의 열교환기 성능이 비교된다: (1) 밀봉 스트립(삼각형)이 없는 열교환기, (2) 각각의 배플(사각형)의 각각의 관통 구멍을 통해 배치되는 열교환기의 길이를 연장하는 4개의 길이 방향 밀봉 스트립을 포함하는 열교환기, 및 (3) 각진 밀봉 스트립을 포함하는 열교환기로서, 여기서 밀봉 스트립은 열교환기(원)를 통한 유체의 나선형 흐름을 촉진하는 방식으로 흐름을 안내하는 열교환기. 실험 데이터는 하단 축에 레이놀즈 수(Reynolds number), 좌측 축에 압력 강하 변환 비율, 및 우측 축에 페클렛 수(Peclet number)를 포함하여 표시된다. 도시된 바와 같이, 유체 흐름의 주어진 레이놀즈 수에 대해, 본 명세서의 실시예에 따라 배열된 밀봉 스트립에 대해 압력 강하 변환율 및 페클렛 수가 개선되어, 압력 강하를 열 전달로 변환하는 효율이 더 높다는 것을 나타낸다.
둘째, 실험은 유체 흐름에 반대하도록 연결된 밀봉 스트립, 즉 여기에서 교시된 것과 반대로 연결된 밀봉 스트립이 열 전달을 상당히 감소시킬 수 있음을 보여주었다. 일부 실험에서, 이러한 밀봉 스트립은 밀봉 스트립이 없는 열교환기에 비해 열 전달을 60%까지 줄였다. 이는 모든 유형의 밀봉이 우회를 방지하여 열 전달을 개선할 것으로 예상되기 때문에 놀라운 일이다. 그러나 이러한 결과는 열교환기의 열 전달을 개선하기 위해 우회를 방지해야 할 뿐만 아니라 상당한 압력 강하도 방지해야 함을 보여준다. 따라서, 여기에 교시된 밀봉 스트립의 특정 배열 및 배향은 개선된 열 전달을 달성하는 데 중요하다.
셋째, 본 명세서에 개시된 바와 같이 연결된 밀봉 스트립이 상당한 압력 강하를 야기하지 않고 열 전달을 증가시킬 수 있다는 것이 실험에 의해 밝혀졌다. 이 밀봉 스트립은 열교환기를 통한 유체의 나선형 흐름을 촉진하기 위해 연결된다. 이는 선행 기술에서 임의의 밀봉이 약 30%-50%의 압력 강하 패널티를 유발한다고 교시하기 때문에 예상치 못한 것이다. 따라서, 본 개시 내용의 결과는 대응하는 증가된 압력 강하 없이 개선된 열 전달을 제공하기 때문에 선행 기술에 기초하여 예상되었던 것보다 훨씬 더 긍정적이다.
본 발명이 제한된 수의 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 본 명세서에서 개시된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예가 고안될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (29)

  1. 열교환기(heat exchanger)로서,
    길이 방향 축을 갖고 제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘(shell);
    상기 쉘을 통해 나선형 패턴으로 제 1 유체 흐름을 안내하기 위해 나선형 각도(HB)로 상기 쉘에 각각 장착된 복수의 배플(baffle)로서, 상기 복수의 배플 각각은:
    상기 복수의 배플의 나머지의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지;
    원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지;
    원위 측과 대향하는 근위 측; 및
    제 2 유체를 운반하도록 구성된 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성된 복수의 이격된 구멍을 포함하는, 복수의 배플; 및
    각각이 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖고, 상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고, 각각이 임의의 2개의 인접한 배플 사이에 각각 위치되는, 제 1의 복수의 밀봉 스트립(seal strip)을 포함하고,
    제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 5°보다 크고 상기 배플 나선 각도(HB)보다 작은 나선 각도(Hs)로 배치되고,
    상기 나선 각도(HB 및 Hs)는 상기 쉘의 길이 방향 축에 대한 각각의 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로 정의되는, 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 스트립은 부분적으로 유체의 흐름을 출구를 향해 나선형으로 지향하고 부분적으로 유체의 흐름을 상기 쉘로부터 멀리 그리고 복수의 축방향 연장 튜브를 향하여 지향하도록 부분적으로 구성되는, 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 제 1 배플의 근위 반경 방향 에지에 인접한 것으로부터의 제 1 배플의 원위 측으로부터 상기 제 2 배플의 원위 반경 방향 에지에 인접한 제 2 배플의 근위 측으로 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 배플은 동일한 섹터(sector) 또는 사분면에 위치되거나; 또는
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 상기 제 1 배플의 근위 반경 방향 에지 및 원위 반경 방향 에지 중간으로부터의 제 1 배플의 원위 측으로부터 상기 제 2 배플의 근위 반경 방향 에지와 원위 반경 방향 에지 중간의 제 2 배플의 근위 측으로 배치되고, 상기 제 2 배플은 상기 제 1 배플과 다른 섹터 또는 사분면에 위치되는, 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부는 상기 복수의 배플 중 제 1 배플의 원위 측에 커플링(coupling)되고, 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부는 상기 복수의 배플의 제 2 배플의 근위 측에 커플링되는, 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배플은 타원형의 부채꼴-형상의 배플인, 열교환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 상기 외부 표면으로부터 상기 내부 표면으로 복수의 배플 중 하나의 근위 반경 방향 에지로부터 원위 반경 방향 에지로 정의된 방향으로 쉘에 대한 직교로부터 특정한 각도만큼 각을 이루는, 열교환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 상기 쉘에 대한 직교로부터 15°내지 45°만큼 각을 이루는, 열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 외부 표면은 상기 쉘의 내부 표면에 실질적으로 근접하게 배치되는, 열교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내부 표면은 상기 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외부 표면으로부터 상기 복수의 축방향 연장 튜브의 두 개의 인접한 튜브의 외경들 사이의 거리와 동일한 거리 만큼 이격되는, 열 교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배플 각각은 상기 근위 측에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립 중 적어도 하나와 상기 원위 측에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립 중 적어도 하나를 포함하는, 열교환기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배플 각각의 원위 측에 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 상기 복수의 배플 각각의 근위 측에 커플링된 복수의 밀봉 스트립 각각으로부터 길이 방향 축을 중심으로 회전 오프셋(offset)되는, 열교환기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 타원형인 곡률을 갖는 만곡된 외경을 갖고 및/또는 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 타원형인 곡률을 갖는 만곡된 내경을 갖는, 열교환기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 상기 밀봉 스트립의 제 1 단부 내지 제 2 단부의 길이를 따라 변하는, 외경에서 내경을 뺀 폭을 가지며, 및/또는 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 상기 밀봉 스트립의 폭 또는 길이를 따라 변하는, 근위 측 내지 원위 측의 깊이를 갖는, 열교환기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    동일한 수의 밀봉 스트립이 상기 복수의 배플의 각각의 배플에 커플링되는, 열교환기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 쉘의 길이 방향 축을 중심으로 한 회전당 밀봉 스트립의 수는 상기 쉘의 길이 방향 축을 중심으로 한 회전당 배플의 수의 배수인, 열교환기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 강철로 형성되는, 열교환기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    각긱이 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖고, 상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고, 각각이 임의의 2개의 배플 사이에 각각 위치되는, 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 더 포함하고,
    상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 5°보다 크고 나선 각도(HS)와 다르며 배플 나선 각도(HB) 보다 작은 나선 각도(H2S)로 배치되고,
    상기 나선 각도(HB, Hs, H2s)는 상기 쉘의 길이 방향 축에 대한 각각의 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로 정의되는, 열 교환기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    각각이 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖고, 상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고, 각각이 임의의 2개의 인접한 배플 사이에 각각 위치되는, 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 더 포함하고,
    상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각은 배플의 근위 반경 방향 에지로부터 상기 인접한 배플의 원위 반경 방향 에지까지 배치되는, 열교환기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내부 표면은 상기 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외부 표면으로부터 복수의 축방향 연장 튜브 중 두 개의 인접한 튜브의 외경들 사이의 거리와 동일한 거리만큼 이격되는, 열교환기.
  20. 열교환기의 조립 방법으로서,
    길이 방향 축을 갖는 중심 로드(rod)를 제공하는 단계;
    나선형 패턴이 복수의 배플에 의해 형성되도록 상기 중심 로드의 길이 방향 축에 대해 특정한 각도로 중심 로드에 복수의 타원형의 부체꼴-형상의 배플을 장착하는 단계로서, 상기 복수의 배플 각각은:
    상기 복수의 배플들 중 나머지의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지;
    원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지;
    원위 측과 대향하는 근위 측; 및
    복수의 이격된 구멍을 포함하는, 단계;
    복수의 축방향 연장 튜브를 복수의 배플 각각의 복수의 이격된 구멍에 배치하는 단계로서, 복수의 축방향 연장 튜브는 제 2 유체를 운반하도록 구성되는, 단계;
    상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로, 제 1 단부 및 제 2 단부를 각각 갖는 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계로서, 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는:
    제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 상기 복수의 배플 중 하나의 근위에 커플링하는 단계; 및
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 복수의 배플 중 더 원위에 있는 다른 하나에 커플링하는 단계로서, 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 복수의 배플의 근위로부터 복수의 배플의 원위까지 5°보다 크고 배플 나선 각도(HB)보다 작은 나선 각도(HS)로 배치되고, 상기 나선 각도(HB 및 HS)는 상기 쉘의 길이 방향 축에 대한 각각의 배플 또는 밀봉 스트립의 각도로 정의되는 단계를 포함하는, 단계; 및
    제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘 내에 조립된 중심 로드, 복수의 배플, 복수의 축방향 연장 튜브, 및 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 배치하는 단계를 포함하는, 조립 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립은 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는:
    상기 커플링된 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 복수의 배플 중 하나의 근위 반경 방향 에지로부터 원위 반경 방향 에지로 정의된 방향으로 상기 쉘에 대한 직교로부터 특정한 각도만큼 상기 외부 표면으로부터 상기 내부 표면으로 각을 이루는 단계를 더 포함하는, 조립 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는:
    상기 복수의 축방향 연장 튜브 중 2개의 인접한 튜브의 외경 사이의 거리와 동일한 거리만큼 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각의 내부 표면을 상기 복수의 축방향 연장 튜브 중 가장 가까운 튜브의 외부 표면으로부터 이격시키는 단계를 더 포함하는, 조립 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는:
    상기 복수의 배플 각각의 근위 측에 커플링된 상기 복수의 밀봉 스트립 각각으로부터 상기 복수의 배플 각각의 원위 측에 커플링된 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각을 회전 오프셋시키는 단계를 더 포함하는, 조립 방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에서 반경 방향으로 커플링하는 단계로서, 상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립을 커플링하는 단계는:
    상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 1 단부를 상기 복수의 배플 중 하나의 원위 측의 근위 반경 방향 에지에 커플링하는 단계; 및
    상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립 각각의 제 2 단부를 상기 복수의 배플 중 다른 하나의 근위 측의 원위 반경 방향 에지에 커플링하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2의 복수의 밀봉 스트립의 각각은 상기 쉘의 길이 방향 축에 평행하게 연장되는, 조립 방법.
  25. 열교환기로서,
    길이 방향 축을 갖고 제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘;
    상기 길이 방향 축에 대해 특정한 각도로 상기 쉘에 장착되고, 상기 길이 방향 축을 따라 서로 이격되고, 상기 쉘을 통해 나선형 패턴을 따라 상기 제 1 유체의 흐름을 안내하도록 구성된 복수의 배플로서, 각각의 배플은:
    외부 원주 방향 에지;
    원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지;
    원위 측과 대향하는 근위 측; 및
    상기 근위 측으로부터 상기 원위 측까지 각각의 배플을 통해 형성된 복수의 이격된 구멍으로서, 상기 구멍은 제 2 유체를 운반하도록 구성된 튜브를 구비한 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성된, 복수의 이격된 구멍;을 포함하는, 복수의 배플; 및
    복수의 밀봉 부재로서, 각각이 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고, 상기 밀봉 부재는 상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고, 각각의 밀봉 부재의 상기 제 1 단부는 각각의 배플의 상기 원위 측에 커플링되고 각각의 밀봉 부재의 상기 제 2 단부는 각각의 배플의 상기 근위 측에 커플링되는, 복수의 밀봉 부재;를 포함하는, 열 교환기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 밀봉 부재는 밀봉 스트립 또는 밀봉 로드를 포함하는, 열교환기.
  27. 열교환기로서,
    길이 방향 축을 갖고 제 1 유체를 수용하도록 구성된 쉘;
    상기 쉘을 통해 나선형 패턴으로 제 1 유체 흐름을 안내하기 위해 나선형 각도(HB)로 상기 쉘에 각각 장착된 복수의 배플로서, 상기 복수의 배플 각각은:
    상기 복수의 배플 중 나머지의 외부 원주 방향 에지 위치로부터 길이 방향으로 이격된 외부 원주 방향 에지;
    원위 반경 방향 에지로부터 이격된 근위 반경 방향 에지;
    원위 측과 대향하는 근위 측; 및
    제 2 유체를 운반하도록 구성된 복수의 축방향 연장 튜브에 의해 횡단되도록 구성된 복수의 이격된 구멍을 포함하는, 복수의 배플; 및
    제 1의 복수의 원주방향으로 오프셋된 밀봉 스트립으로서, 각각이 제 1 단부와 제 2 단부를 갖고, 상기 쉘과 상기 복수의 축방향 연장 튜브 사이에 반경 방향으로 배치되고, 각각이 임의의 2개의 인접한 배플 사이에 위치되는, 제 1의 복수의 원주방향으로 오프셋된 밀봉 스트립;을 포함하는, 열교환기.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 복수의 배플 각각은 배플의 원위 측에 연결된 원위 밀봉 스트립 및 동일한 배플의 근위 측에 연결된 근위 밀봉 스트립을 포함하는, 상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 중 적어도 두 개에 연결되고, 상기 근위 밀봉 스트립은 상기 원위 밀봉 스트립으로부터 원주방향으로 오프셋되는, 열교환기.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1의 복수의 밀봉 스트립 각각은 상기 열교환기의 길이 방향 축에 평행한, 열교환기.
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