KR20230008198A

KR20230008198A - 플랫 튜브 열교환기

Info

Publication number: KR20230008198A
Application number: KR1020227043090A
Authority: KR
Inventors: 요아힘 에이 뷔닝
Original assignee: 베에스-베르메프로체스테히닉 게엠베하
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2023-01-13
Also published as: WO2021244783A1; US20230175783A1; EP3919849B1; EP3919849C0; JP7564247B2; EP3919849A1; JP2023529632A; CN115605719A

Abstract

본 발명은 튜브 번들 공간 (50) 및 튜브 번들을 가진 폐쇄된 하우징 (5) 을 포함하는 플랫 튜브 열교환기, 특히 기체 매체용 고온 플랫 튜브 열교환기에 관한 것으로서, 상기 튜브 번들은 상기 하우징 (5) 의 상기 튜브 번들 공간 (50) 내에 배열되고 복수의 플랫 튜브들 (2) 을 포함하며, 상기 플랫 튜브들 (2) 의 종방향으로 연장되는 피크들 (30, 60) 및 골들 (31, 61) 을 갖는 파형 밴드들 (3, 6) 이 상기 플랫 튜브들 (2) 내에 그리고 상기 플랫 튜브들 (2) 사이의 상기 튜브 번들 공간 (50) 내에 배열되고, 상기 피크들 (30, 60) 및 골들 (31, 61) 은 상기 플랫 튜브들 (2) 의 플랫 측면들 (200) 에 대하여 내부에서 또는 외부에서 각각 지탱되며, 적어도 상기 튜브 번들 공간 (50) 의 영역에서 표면 압력을 상기 하우징 (5) 에 외부에서 인가하는 장치가 제공되며, 상기 압력은, 상기 플랫 튜브들 (2) 내에 또는 상기 플랫 튜브들 (2) 주위로 안내되는 매체의 압력 (p1, p2) 보다 높다.

Description

플랫 튜브 열교환기

본 발명은 플랫 튜브 열교환기, 특히 기체 매체용 고온 플랫 튜브 열교환기에 관한 것이다.

플랫 튜브 열교환기는 일반적으로 공지되어 있다. 예를 들어, EP 2 584 301 A1 은 기체 매체용 고온 플랫-튜브 열교환기를 개시하고 있는데, 상기 열교환기는 서로 대향하는 2 개의 측면들에 2 개의 튜브 시트를 갖는 폐쇄된 하우징을 포함하고, 이 튜브 시트는 하우징내에 입력측 수집 공간, 튜브 번들 공간 및 출력측 수집 공간을 분할하며, 상기 열교환기는 적어도 대부분 원형 또는 다각형 단부들을 갖는 직선형 플랫 튜브들로 구성되는 튜브 번들을 포함하고, 튜브 번들 공간은 3 개의 구역들, 즉 튜브 번들 공간 연결부들의 영역에 형성된 2 개의 교류 구역들 및 이러한 교류 구역들 사이에 형성된 하나의 종방향 유동 구역을 포함한다. 상기 문헌에 기술된 플랫 튜브 열교환기는 응력 균열의 위험 없이 고온 확산 및 빈번한 온도 변화의 경우에 사용될 수 있다. 이러한 플랫 튜브 열교환기는, 특히 1100℃ 까지의 가스 입구 온도에서 효과적인 것으로 반복적으로 입증되었다.

플랫 튜브 열교환기의 효율은 특히 사용된 플랫 튜브들의 개수에 따른다. 일반적으로, 플랫 튜브 열교환기를 사용하면 약 75% 의 효율이 발생한다. 종래의 플랫 튜브 열교환기의 경우에, 동일한 처리량으로 약 75% 에서 약 90% 까지 효율을 더 증가시키기 위해서, 플랫 튜브들의 개수를 대략 3 배로 해야 한다. 이는 일반적으로 경제적으로 실행가능한 방식으로는 불가능하다.

본 발명의 목적은 개선된 효율을 갖는 플랫 튜브 열교환기를 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 튜브 번들 공간 및 튜브 번들을 가진 폐쇄된 하우징을 포함하는, 특히 기체 매체용 플랫 튜브 열교환기에 의해 달성되고, 상기 튜브 번들은 상기 하우징의 튜브 번들 공간내에 배열되고 복수의 플랫 튜브들을 포함하며, 상기 플랫 튜브들의 종방향으로 연장되는 골들 및 피크들을 갖는 파형 밴드들이 플랫 튜브들내에 그리고 상기 플랫 튜브들 사이의 튜브 번들 공간내에 배열되고, 상기 골들 및 피크들은 상기 플랫 튜브들의 플랫 측면들에 대하여 내부에서 또는 외부에서 지탱되며, 적어도 튜브 번들 공간의 영역에서 표면 압력을 하우징에 외부에서 인가하기 위한 장치가 제공되며, 상기 표면 압력은, 플랫 튜브들 내에 또는 플랫 튜브들 주위로 안내되는 매체의 압력보다 높고, 특히 약 1 바 내지 약 4 바 더 높다.

파형 밴드에 의해, 전달 표면이라고도 하는 플랫 튜브들에서 안내되는 매체로부터 또는 매체로의 열전달을 위한 표면이 두 배 초과할 수 있다. 동시에, 플랫 튜브들 주위에서 그리고 플랫 튜브들을 통과하는 유동에 대한 유압 직경이 감소하고, 그 결과 대향류 작동시 열전달 계수가 반비례 방식으로 증가한다.

하우징에 표면 압력을 인가하기 위한 장치에 의해, 예를 들어 내부로 안내되는 매체의 온도 또는 압력으로 인해, 접촉 손실을 초래할 수 있는 플랫 튜브들의 변형이 신뢰가능하게 방지된다. 따라서, 플랫 튜브 열교환기는, 예를 들어 시동 및 종료 동안, 플랫 튜브내에 그리고 플랫 튜브 주위에서 안내되는 매체들 사이의 높은 압력 차이와 높은 온도 변동 모두에서 작동하기에 적합하다.

본 출원과 관련하여, "플랫 튜브들내에" 라는 표현은 "모든 플랫 튜브들내에" 로 해석되어서는 안된다. 오히려, 플랫 튜브들의 일부만이 파형 밴드들을 포함하는 구성 및 모든 플랫 튜브들이 파형 밴드들을 포함하는 구성 모두가 고려될 수 있다. 유사하게, 본 출원과 관련하여, 단수형 ("a" 및 "an") 단어는 부정 관사로만 사용되며 숫자를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.

하우징은 일반적으로 제 1 매체가 플랫 튜브들내로 유동하고 제 1 매체가 플랫 튜브들 외부로 유동하도록 하는 2 개의 수집 공간들을 포함한다. 일 방향으로 통류시키는 튜브 번들의 경우, 수집 공간들은 튜브 번들 공간의 양 단분들에 배열된다. 제 2 매체를 튜브 번들 공간에 공급하고 그로부터 배출하기 위해, 유동 방향에서 볼 때 서로 대향하여 놓인 단부들 또는 하우징의 측면들에 튜브 번들 공간 연결부들이 제공된다.

플랫 튜브들라는 용어는 적어도 2 개의 단부들 사이에 있는 중심 부분에서 플랫한 튜브들, 즉 서로 대향하는 2 개의 플랫 측면들 및 플랫 측면들을 연결하는 2 개의 좁은 측면들을 갖는 튜브들을 지칭한다. 하나의 구성에서, 플랫 튜브들의 중심 부분은 2 개의 서로 평행한, 평면형 플랫 측면들 및 플랫 측면들을 연결하고 만곡된, 예를 들어 반원 방식으로 만곡된 2 개의 좁은 측면들을 갖는 경기장 형상의 단면을 갖는다. 이 경우, 일정한 높이 및 플랫 측면들에 닿는 골들과 피크들을 가진 파형 밴드를 사용할 수 있다. 구성들에서, 종방향으로 서로 대향하여 놓인, 플랫 튜브들의 단부들은, 수집 공간들에 대한 연결을 위해 중심 부분과 다른 단면, 특히 원형 단면, 다각형 단면 등을 가진다.

하나의 구성에서, 플랫 튜브 열교환기는 직육면체 튜브 번들 공간 및 행과 열로 배열된 복수의 플랫 튜브들을 갖는 직사각형 배열체의 형태로 구성된다. 다른 구성에서, 플랫 튜브 열교환기는 원형 또는 다각형 단면을 갖는 원통형 튜브 번들 공간을 갖는 둥근 배열체의 형태로 구성된다. 하나의 구성에서, 둥근 배열체에서, 열교환기는 링 열교환기의 형태로 구성되며, 상기 플랫 튜브들은 직경이 상이한 복수의 동심 원형 링들을 따라 배열된다.

하나의 구성에서, 파형 밴드들은 정현파, 삼각파 또는 톱니파 형상을 갖는다. 이러한 파형의 공통점은 피크들 및 골들이 이상적인 경우에 종방향으로 연장되는 좁은 스트립을 따라서만 플랫 측면들에 대해 선형으로 지탱된다는 사실이다. 그 결과, 열전달에 부정적인 영향을 미치는 재료의 축적이 방지되거나 적어도 접촉 지점에서 최소화된다. 당업자는 전달 표면의 원하는 증가를 얻기 위해 적용에 따라 적절한 방식으로 파형을 선택할 수 있다. 이 경우, 플랫 튜브 열교환기의 표준 모듈을 제공하는 것도 가능하며, 이 경우 적절한 파형 밴드들의 선택을 통해 상이한 치수의 전달 표면들을 갖는 플랫 튜브 열교환기가 제공된다.

파형 밴드들의 재료 및 벽 두께에 따라, 파형 밴드는 동시에 플랫 튜브들 주위로 안내되는 매체와 관련하여 플랫 튜브들에서 안내되는 매체의 부압으로 인해 플랫 튜브들의 변형에 대한 지지 수단으로서의 역할을 한다. 플랫 튜브 열교환기의 구성에서, 파형 밴드의 폭은 적어도 플랫 튜브들의 플랫 측면들의 폭과 동일하다.

플랫 튜브들에 배열된 파형 밴드들의 높이는 플랫 튜브들의 높이와 대략 동일하고, 파형 밴드들 및 플랫 튜브들은, 예를 들어 약 2 내지 약 4 mm 의 높이를 가진다. 하나의 구성에서, 파형 밴드들의 삽입을 위해 압력 및/또는 온도에 의해 연장될 플랫 튜브들에 대해 제공되며, 압력 및/또는 온도가 취소된 후, 파형 밴드들은 플랫 튜브들의 플랫 측면들에 대해 지탱된다. 하나의 구성에서, 플랫 튜브들 사이에 배열된 파형 밴드들의 높이는 인접한 플랫 튜브들 사이의 간격과 대략 동일하며, 그 결과 이러한 파형 밴드들의 피크들 및 골들이 인접한 플랫 튜브들의 플랫 측면들에 대해 지탱된다.

하나의 구성에서, 피크들 및 골들은 플랫 튜브들의 플랫 측면들에 대해 자유롭게 지탱되며, 즉 파형 밴드들은 플랫 튜브들에 용접 또는 납땜되지 않거나 일부 다른 방식으로 재료 결합으로 플랫 튜브들에 연결되지 않는다. 결과적으로, 복잡하고 따라서 고가의 용접 연결이 특히 생략된다. 또한, 용접 불가능하거나 납땜 불가능한 재료로 파형 밴드들 또는 플랫 튜브들을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명에 따라서, 적어도 튜브 번들 공간의 영역에서, 표면 압력을 하우징에 외부에서 인가하기 위한 장치가 제공되기 때문에, 상기 표면 압력은 플랫 튜브들내에 또는 플랫 튜브들 주위로 안내되는 매체의 압력보다 높고, 파형 밴드들을 플랫 튜브들에 재료 접착 연결하지 않고서도 플랫 튜브들과 파형 밴드들의 접촉이 작동 중에 보장된다.

하나의 구성에서, 장치는 하우징을 수용하는 케이싱 하우징을 포함하고, 케이싱 하우징은 압력 공간을 남기도록 간격을 두고 적어도 튜브 번들 공간의 영역에서 하우징을 둘러싼다. 이 케이싱 하우징은 유체가 압력 공간에 수용될 수 있는 방식으로 형상화되고 설계되며, 상기 유체의 압력은 하우징의 내부의 매체 압력보다 높고, 특히 약 1 바 내지 약 4 바 더 높다. 이 경우, 당업자라면 적용에 따라 적절한 방식으로 케이싱 하우징을 설계할 수 있다. 하나의 구성에서, 하우징과 케이싱 하우징 사이의 압력 공간에 존재하는 유체의 가열을 피하거나 적어도 감소시키기 위해 하우징 주위에 단열이 제공된다.

하나의 구성에서, 케이싱 하우징은 매체 공급 및/또는 매체 배출을 위한 연결부를 갖는 압력 용기의 형태이며, 압력 용기 내의 압력은 매체 공급 및/또는 매체 배출에 의해 조정될 수 있다. 본 출원과 관련하여, 압력 용기라는 용어는 존재한다면 적어도 실질적인 변형 없이 가압 유체를 수용하기 위한 폐쇄된 용기를 지칭하며, 압력 용기 내부의 압력은 주변 압력보다 높다.

대안적인 구성에서, 장치는 서로에 대해 이동가능하고 타이 로드에 의해 연결되는 2 개의 휨 강성 바들 및/또는 플레이트들을 갖는 한 쌍의 바들 및/또는 플레이트들을 포함하며, 하우징의 적어도 일 부분은 바들 및/또는 플레이트들 쌍의 바들 및/또는 플레이트들 사이에 배열된다. 한 쌍의 바들 또는 한 쌍의 플레이트들의 바들 또는 플레이트들은 각각 타이 로드들에 의해 연결되고 적절한 장치를 통해 규정된 힘으로 서로 브레이싱될 수 있다. 이미 전술한 바와 같이, 본 출원과 관련하여, 단수형 ("a" 및 "an") 단어는 부정 관사로만 사용되며 숫자를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다. 이 장치는 특히 한 쌍 초과의 바들 및/또는 플레이트들을 포함할 수 있다. 당업자는 적용에 따라 적절한 방식으로 바들 및/또는 플레이트들 쌍의 수를 선택할 수 있다. 그 결과, 하우징에 표면 압력을 인가하기 위한 저렴한 장치가 제공되며, 상기 장치는 특히 플랫 튜브들내에 그리고 플래 튜브들 주위에 적당한 과압이 존재하지 않거나 적당한 과압만 존재하는 사용 분야에 적합하다. 예를 들어, 이러한 장치를 포함하는 플랫 튜브 열교환기는 오염된 공기 또는 오프가스의 열적 후연소 (post-combustion) 에 사용될 수 있다.

하나의 구성에서, 바들 및/또는 플레이트들 쌍은 하우징에 직접 작용한다. 유리한 구성에서, 장치는 케이싱 하우징을 더 포함하고, 케이싱 하우징은 적어도 튜브 번들 공간의 영역에서 간격을 두고 하우징을 둘러싼다. 바들 및/또는 플레이트들의 쌍에 의해 케이싱 하우징에 인가되는 힘은 하우징에 전달된다. 하나의 구성에서, 이는 케이싱 하우징에 존재하는 비압축성 유체에 의해 유효하게 된다. 유리한 구성에서, 힘 전달을 위한 압력 램들이 케이싱 하우징과 하우징 사이에 배열된다. 케이싱 하우징은 바들 및/또는 플레이트들의 쌍을 통해 외부에서 부하를 받을 수 있으며, 이러한 부하는 압력 램들 (pressure rams) 에 의해 하우징에 전달된다. 하나의 구성에서, 케이싱 하우징과 하우징 사이에 단열부가 추가로 제공된다.

하나의 구성에서, 파형 밴드들은 촉매로서 작용하는 재료로 적어도 부분적으로 코팅된다. 이러한 코팅은, 예를 들어 흡열 공정을 위해, 예를 들어 탄화수소 개질을 위해, 또는 발열 공정을 위해, 예를 들어 합성 연료 합성을 위해 반응기에서 플랫 튜브 열교환기를 사용할 때 유리하다. 특히 파형 밴드들이 플랫 튜브들에 대해 자유롭게 지탱되는 경우, 용접성에 대한 제한 없이 코팅이 가능하다. 플랫 튜브 열교환기의 구성에서, 플랫 튜브에 배열된 파형 밴드들만 또는 플랫 튜브 외부에 배열된 파형 밴드들만이 코팅된다. 다른 구성에서, 플랫 튜브들에 배열된 파형 밴드들 및 플랫 튜브들 외부에 배열된 파형 밴드들은 상이한 코팅을 갖는다.

하나의 구성에서, 정확히 하나의 파형 밴드가 플랫 튜브에 제공되며, 플랫 튜브의 종방향으로의 파형 밴드의 길이는 플랫 튜브의 중심 부분의 길이보다 작거나 동일하다. 이 경우, 추가 조치를 취하지 않는 한, 파형 밴드들을 가진 플랫 튜브를 통한 유동이 층류이다.

대안적인 구성에서, 종방향에서 보았을 때, 각각의 경우에 적어도 2 개의 파형 밴드들이 플랫 튜브들에서 대향하여 진행되도록 배열된다. 대향하여 진행되는 배열체는 이 경우에 파형 밴드의 피크들 및 골들이 인접한 파형 밴드의 골들 및 피크들과 각각 정렬되어 배열되도록 180° 만큼 위상 시프트된 배열체를 지칭한다. 이 조치의 결과, 열전달 개선을 위해 플랫 튜브를 통과하는 유동의 소용돌이가 달성된다.

이 경우, 하나의 구성에서, 2 개의 인접한 파형 밴드들 사이에 횡방향 리브가 배열된다. 추가의 소용돌이는 횡방향 리브들에 의해 달성된다. 하나의 구성에서, 파형 밴드들 및 횡방향 리브들은 서로 연결된다. 다른 구성에서, 파형 밴드들은 횡방향 리브들에 대해 자유롭게 지탱된다.

하나의 구성에서, 플랫 튜브들은 각각 종방향으로 연장되는 적어도 2 개의 플랫 튜브 피스들로 구성된다. 하나의 구성에서, 플랫 튜브 피스들은 원형 단면과 더 작은 직경의 짧은 부분 및 원형 단면과 더 큰 직경의 부분을 갖는 튜브로부터 제조된다. 더 큰 직경의 부분은 성형 공정, 예를 들어 압연 공정에서 특히 원통형 롤러들 사이에서 플랫하게 압축될 수 있다. 그런 다음, 파형 밴드들은 성형된 부분들에 삽입될 수 있고, 거울 대칭 방식으로 배열된 2 개의 플랫 튜브 피스들은 서로 연결, 특히 용접될 수 있다. 이 경우, 특히 예를 들어 1000℃ 까지의 큰 온도 분포를 사용하는 경우 플랫 튜브가 다양한 재료로 만들어진 플랫 튜브 피스들로 구성되는 것이 가능하다.

발명의 추가 이점들 및 양태들은 발명의 예시적 실시형태들의 다음의 설명으로부터 그리고 청구항들로부터 부가되며, 이는 하기에서 개략적인 도면들에 기초하여 설명된다.
도 1 은 플랫 튜브 열교환기용 플랫 튜브의 종단면도를 도시하고, 플랫 튜브의 종방향으로 연장되는 피크들 및 골들을 갖는 파형 밴드가 플랫 튜브에 배열된다.
도 2 는 도 1 에 따른 절단선 II-II 를 따른 단면으로 도 1 에 따른 플랫 튜브를 도시한다.
도 3 은 도 1 에 따른 절단선 III-III 를 따른 단면으로 도 1 에 따른 플랫 튜브를 도시한다.
도 4 는 도 1 에 따른 복수의 플랫 튜브들을 갖는 플랫 튜브 열교환기의 튜브 번들 공간의 종단면도를 도시한다.
도 5 는 도 4 에 따른 튜브 번들 공간의 평면도를 도시한다.
도 6 은 도 4 에 따른 절단선 VI-VI 를 따른 단면으로 도 4 에 따른 튜브 번들 공간을 도시한다.
도 7 은 복수의 플랫 튜브들을 갖는 플랫 튜브 열교환기의 제 1 구성의 종방향 단면을 도시하고, 플랫 튜브 열교환기의 하우징은 압력 용기 형태의 케이싱 하우징에 의해 둘러싸여 있다.
도 8 은 도 7 에 따른 절단선 VIII-VIII 을 따른 단면으로 도 7 에 따른 플랫 튜브 열교환기를 도시한다.
도 9 는 복수의 플랫 튜브들을 갖는 플랫 튜브 열교환기의 제 2 구성의 종방향 단면을 도시하고, 플랫 튜브 열교환기의 하우징은 복수의 쌍들의 바들에 의해 표면 압력이 인가되는 케이싱 하우징에 의해 둘러싸여 있다.
도 10 은 도 9 에 따른 절단선 X-X 을 따른 단면으로 도 9 에 따른 플랫 튜브 열교환기를 도시한다.
도 11 은 파형 밴드들의 다른 배열체의 사시도를 도시한다.
도 12 는 도 11 에 따라 파형 밴드들의 배열체를 가진 플랫 튜브의 단면을 도시한다.

본 발명의 예시적인 실시형태들에 대한 이하의 설명에서, 동일하거나 유사한 구성요소에 대해 동일한 도면부호가 사용된다.

도 1 내지 도 3 은, 도 1 내지 3 에 도시되지 않은 플랫 튜브 열교환기 (1) (도 7 내지 도 10 참조) 용 플랫 튜브 (2) 를 종단면도로 그리고 도 1 에 따른 절단선 II-II 및 절단선 III-III 을 따른 2 개의 단면도로 도시한다.

플랫 튜브 (2) 는 2 개의 단부들 (21, 22) 및 2 개의 단부들 (21, 22) 사이에 있는 중심 부분 (20) 을 갖는다. 중심 부분 (20) 의 단면은, 2 개의 서로 평행한 평평한 플랫 측면들 (200) 및 플랫 측면들 (200) 을 연결하고 만곡된, 예를 들어 도시된 예시적인 실시형태에서 반원 방식으로 만곡된 2 개의 좁은 측면들 (201) 을 갖는 경기장 형상을 가진다. 단부들 (21, 22) 은, 플랫 튜브 열교환기 (1) (비도시) 의 하우징의 수집 공간에 연결하기 위한 중심 부분 (20) 과 상이한 단면, 예를 들어 원형 단면을 갖는다.

플랫 튜브의 종방향 (L) 으로 연장되는 피크들 (30) 및 골들 (31) (도 2 및 도 3 참조) 을 갖는 2 개의 파형 밴드들 (3) 은, 플랫 튜브 (2), 보다 정확하게는 플랫 튜브 (2) 의 중심 부분 (20) 에 배열된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 2 개의 파형 밴드들 (3) 은 정현파 형상을 갖는다. 피크들 (30) 및 골들 (31) 은 동일한 형상을 갖는다. 피크들 (30) 은 도면의 평면에서 상방으로 돌출하는 파형 밴드들 (3) 의 진폭을 지칭하고; 마찬가지로 도면의 평면에서 하방으로 돌출하는 진폭을 피크라고 지칭하는 것도 생각할 수 있다.

도시된 파형 밴드들 (3) 은 각각 일정한 높이를 갖고, 피크들 (30) 및 골들 (31) 은 플랫 튜브들 (2) 의 플랫 측면들 (200) 의 대향 내부 표면들에 접촉한다. 파형 밴드들 (3) 의 폭은 플랫 측면들 (200) 의 폭과 대략 동일하다.

도 1 에 도시된 플랫 튜브 (2) 는 종방향 (L) 으로 각각 연장되는 2 개의 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 로 구성된다. 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 은 거울 대칭 방식으로 배열되고 용접 이음부 (4) 를 따라 서로 용접된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 은 적어도 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 하나의 구성에서, 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 은 다양한 재료로 제조되며, 각각의 플랫 튜브 피스 (2a, 2b) 는 관련된 플랫 튜브 열교환기의 온도 구역에 대해 최적화될 수 있다. 플랫 튜브 피스들은 용접 이음부 (4) 를 따라 서로 용접된다.

도시된 예시적인 실시형태에서, 각각의 파형 밴드 (3) 는 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 에 제공되며, 파형 밴드들 (3) 의 파형은 동일하고, 파형 밴드들 (3) 은 서로 정렬되어 배열된다. 다른 구성에서, 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 에 배열된 파형 밴드들 (3) 은 파형 또는 파의 개수의 면에서 상이하다. 또 다른 구성에서, 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 둘 다를 넘어 연장되는 파형 밴드 (3) 가 제공된다.

도 4 내지 도 6 은, 도 4 내지 도 6 에 도시되지 않은 플랫 튜브 열교환기 (1) (도 7 내지 도 10 참조) 의 폐쇄된 하우징 (5) (부분적으로만 도시됨) 의 튜브 번들 공간 (50) 을 각각 종단면도, 평면도 및 도 4 에 따른 절단선 VI-VI 을 따른 단면도로 도시한다.

도시된 튜브 번들 공간 (50) 은 직육면체 형상을 갖는다. 도 1 에 따른 복수의 플랫 튜브들 (2) 을 갖는 튜브 번들은 튜브 번들 공간 (50) 에 배열되고, 플랫 튜브들 (2) 의 직사각형 배열체가 도시된 예시적인 실시형태에 제공된다. 튜브 번들은 50 개의 플랫 튜브들 (2) 을 포함하고, 이들은 서로 옆에 배열된 5 개의 플랫 튜브들 (2) 을 각각 포함하는 10 행으로 배열되고 이들의 플랫 측면들 (200) 은 공통 평면들에 놓여 있다. 행의 개수 및 행당 플랫 튜브들 (2) 의 개수는 여기에서 예시적이며, 다른 구성에서 더 많거나 더 적은 행들이 제공된다. 플랫 튜브들 (2) 의 단부들 (21, 22) 은 튜브 시트들 (52) 에 체결된다.

전술한 바와 같은 파형 밴드들 (3) 은 플랫 튜브들 (2), 보다 정확하게는 그 중심 부분 (20) 에 배열된다 (도 1 참조). 또한, 파형 밴드들 (6) 은 마찬가지로 플랫 튜브들 (2) 의 행들 사이에 제공되고, 이 파형 밴드들의 피크들 (60) 및 골들은 플랫 튜브들 (2) 의 플랫 측면들 (200) 에 대해 외부에서 지탱된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 플랫 튜브들 (2) 사이에 배열된 파형 밴드들 (6) 은 마찬가지로 사인파 형상을 갖는다. 이러한 파형 밴드들 (6) 의 높이는 플랫 튜브들 (2) 의 2 행들 사이의 간격에 적어도 대략적으로 대응한다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 파형 밴드들 (6) 각각은 전체 행에 걸쳐 연장된다. 다른 구성에서, 행당 2 개 이상의 파형 밴드들이 제공된다.

도 6 에 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이, 튜브 번들 공간 (50) 영역에서 하우징 (5) 에 표면 압력이 인가된다. 표면 압력은 플랫 튜브들 (2) 내에 또는 플랫 튜브들 (2) 주위로 안내되는 매체의 압력보다 높고, 특히 약 1 내지 4 바 더 높다. 표면 압력은, 플랫 튜브들 (2) 과 파형 밴드들 (3, 6) 사이의 재료 접착 연결, 특히 용접 또는 납땜 연결을 필요로 하지 않으면서, 내부 측면 및 외부 측면 상의 플랫 튜브들 (2) 과 파형 밴드들 (3, 6) 의 접촉이 작동 중에 유지되도록 보장해준다. 표면 압력은 적절한 장치에 의해 인가될 수 있다.

도 7 및 도 8 은 종단면도 및 도 7 에 따른 절단선 VIII-VIII 을 따른 단면도에서 복수의 플랫 튜브들 (2) 을 갖는 플랫 튜브 열교환기 (1) 의 제 1 예시적인 실시형태를 각각 도시하며, 여기서 하우징 (5) 은 압력 용기 형태의 케이싱 하우징 (7) 에 의해 둘러싸여 있다.

하우징 (5) 은 튜브 번들 공간 (50), 입력측 수집 공간 (54), 출력측 수집 공간 (56) 및 2 개의 튜브 번들 공간 연결부들 (58) 을 포함한다. 튜브 번들 공간 (50) 은 튜브 시트들 (52) 에 의해 수집 공간들 (54, 56) 로부터 분리된다. 튜브 시트들 (52) 은 개략적으로 도시된 플랫 튜브들 (2) 을 위한 연결부들을 포함하여, 입력측 수집 공간 (54) 에 공급되고 압력 (p1) 을 갖는 매체가 입력측 수집 공간 (54) 으로부터 플랫 튜브 (2) 내로 그리고 플랫 튜브들 (2) 로부터 출력측 수집 공간 (56) 내로 유동할 수 있다.

도시된 플랫 튜브 열교환기 (1) 는 바람직하게는 역류로 작동되며, 여기서 플랫 튜브들 (2) 주위로 안내되고 압력 (p2) 을 갖는 매체는 도면의 평면도에서 상부에 도시된 튜브 번들 공간 연결부 (58) 를 통해 공급되고, 그리고 거기에서부터 튜브 번들 공간 (50) 내로 유동한다.

압력 용기 형태의 케이싱 하우징 (7) 은 압력 공간 (70) 을 남겨두도록 간격을 두고 하우징 (5) 을 둘러싼다. 도 8 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 케이싱 하우징 (7) 은 매체 공급 및/또는 매체 배출을 위한 연결부 (72) 를 가져서, 케이싱 하우징 (7) 내의 압력 (p) 이 매체 공급 및/또는 매체 배출에 의해 조절될 수 있다. 압력 용기 형태의 케이싱 하우징 (7) 의 압력 공간 (70) 내의 압력 (p) 은, 이 경우 플랫 튜브들 (2) 내에 또는 플랫 튜브들 (2) 주위로 안내되는 매체의 압력 (p1, p2) 보다 높게, 특히 약 1 바 내지 약 4 바 더 높은 방식으로 선택된다. 그 결과, 표면 압력은 하우징 (5) 에 외부에서 인가되고, 도 7 및 도 8 에 도시되지 않은 파형 밴드들 (3, 6) (도 1 내지 도 6 참조) 이 재료 접착 연결 없이도 플랫 튜브들 (2) 에 대하여 지탱되도록 보장해준다.

도 7 및 도 8 에 도시된 플랫 튜브들 (2) 의 직사각형 배열체는 단지 예시일 뿐이다. 다른 구성에서, EP 2 584 201 A1 에 설명된 바와 같이, 플랫 튜브들 (2) 의 상이한 배열체들, 특히 링 배열체들이 제공된다. 이로써, EP 2 584 201 A1 의 전체 개시 내용이 참조된다.

도 9 및 도 10 은 복수의 플랫 튜브들 (2) 을 갖는 플랫 튜브 열교환기 (1) 의 제 2 구성을 종단면도로 그리고 도 9 에 따른 절단선 X-X 을 따른 단면도로 각각 도시한다. 도 9 및 도 10 에 도시된 플랫 튜브 열교환기 (1) 는 열적 후연소 (TNV) 를 위한 개략적으로 도시된 설비의 일부이며, 여기서 오염된 공기 또는 오프가스는 유입측 수집 공간 (54) 을 통해 플랫 튜브들 (2) 로 공급되고, 거기에서부터 개략적으로 도시된 연소 공간 (9) 으로 통과한다. 연소된 오프가스는 연소 공간 (9) 으로부터 튜브 번들 공간 (50) 내로 유동하고 튜브 번들 공간 연결부 (58) 를 통해 주변으로 배출된다. 이 경우, 오프가스 및 연소된 오프가스는 일반적으로 적당한 과압에서만 플랫 튜브들 (2) 내에 그리고 플랫 튜브들 주위로 유동한다.

도 9 및 도 10 에 도시되지 않은 파형 밴드들 (3, 6) (도 1 내지 6 참조) 은 플랫 튜브들 (2) 내에 배열되고, 구성에 따라, 추가로 또한 플랫 튜브들 (2) 주위에 배열되며, 플랫 튜브들과 파형 밴드들 (3, 6) 사이의 접촉을 보장하기 위해 하우징 (5) 에 표면 압력을 인가하기 위한 장치가 제공된다.

이를 위해, 도 9 및 도 10 에 도시된 예시적인 실시형태에서, 플랫 튜브 열교환기 (1) 의 하우징 (5) 도 케이싱 하우징 (7) 에 의해 둘러싸여 있다. 더욱이, 도시된 예시적인 실시형태에서 복수 쌍의 바들, 4 쌍의 바들 (8) 이 제공된다. 바들 (8) 쌍은 각각 타이 로드들 (82) 에 의해 연결된 2 개의 바들 (80) 을 포함한다. 하나의 구성에서, 스프링 요소들은 타이 로드 (82) 상에 제공되며, 상기 스프링 요소들은 규정된 힘으로 바들 (80) 을 서로 브레이싱하는데 사용된다. 이를 위해, 다른 구성에서, 수동으로 또는 모터에 의해 조정될 수 있는 조정 요소들, 특히 조정 나사가 대안적으로 또는 추가적으로 제공된다. 바들 (8) 쌍은 케이싱 하우징 (7) 에 표면 압력을 인가하는데 사용된다. 이러한 적용은 하우징 (5) 으로 전달된다. 이를 위해, 도시된 예시적인 실시형태에서, 균일한 방식으로 하우징 (5) 에 표면 압력을 인가하도록 설계된 압력 램들 (84) 이 케이싱 하우징 (7) 과 하우징 (5) 사이에 배열된다.

도시된 예시적인 실시형태에서, 플랫 튜브들 (2) 은 직사각형 배열체이다. 따라서, 플랫 튜브들 (2) 행의 방향에 수직인 방향으로 힘을 인가하면 플랫 튜브들 (2) 과 그 안에 배열된 파형 밴드들 (3) 사이, 또한 플랫 튜브들 (2) 과 행들 사이에 배열된 파형 밴드들 (6) 사이의 접촉을 보장하기에 충분하다. 대조적으로, 링 배열체를 갖는 플랫 튜브 열교환기의 경우, 링 배열체의 반경 방향으로 작용하는 힘을 인가하는데 사용될 수 있는 장치가 제공된다.

도시된 예시적인 실시형태에서, 단열재 (88) 는 하우징 (5) 과 케이싱 하우징 (7) 사이에 제공된다.

대안적인 구성에서, 케이싱 하우징 (7) 은 생략되며, 이 경우 표면 압력이 바들 (8) 쌍에 의해 직접 하우징 (5) 에 인가된다.

도 1 내지 도 6 에 도시된 예시적인 실시형태들에 따르면, 각각의 경우에 서로 정렬된 피크들 (30) 및 골을 갖는 2 개의 파형 밴드들 (3) 이 플랫 튜브들 (2) 내에 배열된다.

도 11 은 파형 밴드들 (3) 의 다른 배열체의 사시도를 도시한다. 도 11 에 따른 배열체에서, 종방향 (L) 에서 보았을 때, 종방향 (L) 으로 연장되는 피크들 (30) 및 골들 (31) 을 갖는 복수의 파형 밴드들 (3) 이 교대로 대향하여 진행하도록 배열된다. 즉, 연속적인 파형 밴드들 (3) 의 피크들 (30) 및 골들 (31) 은 각 경우에 180° 만큼 위상 시프트된다. 횡방향 리브들 (34) 은 또한 연속적인 파형 밴드들 (3) 사이에 배열된다.

도 12 는 도 11 에 따라 파형 밴드들 (3) 의 배열체를 가진 플랫 튜브 (2) 의 단면을 도시한다.

도 11 및 도 12 에 따른 파형 밴드들 (3) 의 교대로 대향하여 진행하는 배열체로 인해, 개선된 열전달을 위한 유동의 소용돌이가 달성된다.

본 발명에 따르면, 플랫 튜브들 (2) 내의 그리고 추가로 또한 플랫 튜브들 (2) 의 외부 측면들 상의 파형 밴드들 (3) 의 배열체는 열전달을 위한 전달 표면의 크기가 증가되어 플랫 튜브 열교환기 (1) 의 효율이 증가하는 효과를 갖는다. 이 경우, 파형 밴드들 (3, 6) 과 플랫 튜브들 (2) 사이의 접촉이 작동 중에도 플랫 튜브 열교환기 (1) 의 하우징 (5) 에 표면 압력을 인가함으로써 보장된다는 점에서, 파형 밴드들 (3, 6) 과 플랫 튜브들 (2) 사이의 용접 및/또는 납땜 연결부들은 생략될 수 있다.

Claims

튜브 번들 공간 (50) 및 튜브 번들을 가진 폐쇄된 하우징 (5) 을 포함하는, 특히 기체 매체용 플랫 튜브 열교환기로서,
상기 튜브 번들은 상기 하우징 (5) 의 상기 튜브 번들 공간 (50) 내에 배열되고 복수의 플랫 튜브들 (2) 을 포함하며,
상기 플랫 튜브들 (2) 의 종방향으로 연장되는 피크들 (30, 60) 및 골들 (31, 61) 을 갖는 파형 밴드들 (3, 6) 이 상기 플랫 튜브들 (2) 내에 그리고 상기 플랫 튜브들 (2) 사이의 상기 튜브 번들 공간 (50) 내에 배열되고,
상기 피크들 (30, 60) 및 상기 골들 (31, 61) 은 상기 플랫 튜브들 (2) 의 플랫 측면들 (200) 에 대하여 내부에서 또는 외부에서 지탱되며,
적어도 상기 튜브 번들 공간 (50) 의 영역에서, 표면 압력을 상기 하우징 (5) 에 외부에서 인가하기에 적절한 그리고 인가하도록 구성된 장치가 제공되며,
상기 표면 압력은, 상기 플랫 튜브들 (2) 내에 또는 상기 플랫 튜브들 (2) 주위로 안내되는 매체의 압력 (p1, p2) 보다 높은 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 플랫 튜브들 (2) 내에 또는 상기 플랫 튜브들 (2) 주위로 안내되는 매체의 압력 (p1, p2) 보다 약 1 바 내지 약 4 바 더 높은 표면 압력은 상기 장치에 의해 상기 하우징 (5) 에 인가되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 파형 밴드들 (3, 6) 은 정현파, 삼각파 또는 톱니파 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플랫 튜브들 (2) 에 배열된 상기 파형 밴드들 (3) 의 폭은 적어도 상기 플랫 튜브들 (2) 의 상기 플랫 측면들 (200) 의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파형 밴드들 (3, 6) 의 상기 피크들 (30, 60) 및 상기 골들 (31, 61) 은 상기 플랫 튜브들 (2) 의 플랫 측면들 (200) 에 대하여 자유롭게 지탱되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 상기 하우징 (5) 을 수용하는 케이싱 하우징 (7) 을 포함하고, 상기 케이싱 하우징 (7) 은 적어도 상기 튜브 번들 공간 (50) 의 영역에서, 압력 공간 (70) 을 남기도록 간격을 두고 상기 하우징 (5) 을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 6 항에 있어서,
상기 케이싱 하우징 (7) 은 매체 공급 및/또는 매체 배출을 위한 연결부 (72) 를 갖는 압력 용기의 형태이고, 상기 압력 용기 내의 압력 (p) 은 매체 공급 및/또는 매체 배출에 의해 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는, 서로에 대해 이동가능하고 타이 로드 (82) 에 의해 연결되는 2 개의 휨 강성 바들 (80) 및/또는 플레이트들을 갖는 한 쌍의 바들 및/또는 플레이트들 (8) 을 포함하며, 상기 하우징 (5) 의 적어도 일 부분은 상기 바들 및/또는 플레이트들 (8) 쌍의 상기 바들 (80) 및/또는 플레이트들 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 8 항에 있어서,
상기 장치는 케이싱 하우징 (7) 을 포함하고, 상기 케이싱 하우징 (7) 은 적어도 상기 튜브 번들 공간 (50) 의 영역에서 간격을 두고 상기 하우징을 둘러싸고, 바람직하게는 힘 전달을 위한 압력 램들 (84) 이 상기 케이싱 하우징 (7) 과 상기 하우징 (5) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 9 항에 있어서,
상기 케이싱 하우징 (7) 과 상기 하우징 (5) 사이에 단열재 (88) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플랫 튜브 열교환기 (1) 는 직육면체 튜브 번들 공간 (50) 및 행과 열로 배열된 복수의 플랫 튜브들 (2) 을 갖는 직사각형 배열체의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파형 밴드들 (3, 6) 은 촉매로서 작용하는 재료로 적어도 부분적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 종방향에서 보았을 때, 각 경우에 적어도 2 개의 파형 밴드들 (3) 은 플랫 튜브들 (2) 내에 대향하여 진행하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 13 항에 있어서,
2 개의 인접한 파형 밴드들 (3) 사이에 횡방향 리브들 (34) 이 배열되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플랫 튜브들 (2) 은 상기 종방향 (L) 으로 각각 연장되는 적어도 2 개의 플랫 튜브 피스들 (2a, 2b) 로 구성되는 것을 특징으로 하는, 플랫 튜브 열교환기.