KR20230123895A - 열교환기 모듈, 열교환기 모듈을 제조하는 방법 및 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기 - Google Patents

열교환기 모듈, 열교환기 모듈을 제조하는 방법 및 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230123895A
KR20230123895A KR1020230020704A KR20230020704A KR20230123895A KR 20230123895 A KR20230123895 A KR 20230123895A KR 1020230020704 A KR1020230020704 A KR 1020230020704A KR 20230020704 A KR20230020704 A KR 20230020704A KR 20230123895 A KR20230123895 A KR 20230123895A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tube
heat exchanger
inlet
outlet
tubes
Prior art date
Application number
KR1020230020704A
Other languages
English (en)
Inventor
데 보스 이베스
탐신 크리스토프
Original Assignee
보살 플랜더즈 엔비
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 보살 플랜더즈 엔비 filed Critical 보살 플랜더즈 엔비
Publication of KR20230123895A publication Critical patent/KR20230123895A/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0012—Brazing heat exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/26—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass heat exchangers or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1638—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1684—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D7/1692—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0243—Header boxes having a circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0246—Arrangements for connecting header boxes with flow lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0275—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
    • F28F9/262—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators for radiators
    • F28F9/268—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators for radiators by permanent joints, e.g. by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/14—Heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/226—Transversal partitions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing
    • F28F2275/045—Fastening; Joining by brazing with particular processing steps, e.g. by allowing displacement of parts during brazing or by using a reservoir for storing brazing material

Abstract

열교환기 모듈은 제1 유체 유동을 위한 복수의 U 튜브를 포함하고, U 튜브는 U 형상부에 의해 연결된 두 개의 직선 섹션을 갖는다. 복수의 U 튜브의 유입 단부는 유입 콜렉터 튜브와 연결되어 있고, 복수의 U 튜브의 배출 단부는 배출 콜렉터 튜브와 연결되어 있다. 유입 콜렉터 튜브의 길이방향 축과 배출 콜렉터 튜브의 길이방향 축의 높이가 열교환기 모듈의 높이와 다르도록, U 튜브의 두 개의 직선 섹션은 길이가 상이하다. 또한 열교환기 모듈과 복수의 열교환기 모듈을 포함하는튜브식 열교환기를 제조하는 방법이 제공된다.

Description

열교환기 모듈, 열교환기 모듈을 제조하는 방법 및 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기{Heat exchanger module, method for manufacturing such a module and tubular heat exchanger comprising such modules}
본 발명은 높은 압력의 애플리케이션에서 사용하고 튜브식 열교환기의 구성에서 사용하기 위한 열교환기 모듈에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 복수의 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기와 열교환기 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
소위 쉘-튜브 열교환기에서, 유체들 중 하나를 가이드 하기 위해, 하우징 내에 튜브들이 서로 가까이 배치되어 있다. 튜브들은 유체 콜렉터 안으로 연장되는 U 튜브일 수 있다. 이러한 콜렉터는 보통 플레이트를 포함하고,다수의, 보통 길이가 긴, 용접 연결부를 포함하는 박스 형상으로 되어 있다.
구조때문에, 이러한 장치들은 대규모로 제조되고, 또는 수백 바아까지 높은 압력을 인가하기에 적합하지 않다. 예를 들어, 유럽특허출원 EP3170541A1에서, 네스트 U 튜브 배열을 포함하는 열교환기 모듈을 볼 수 있다. 그러나. 이러한 모듈은 백 바아(bar) 보다 훨씬 아래의 유체 압력으로 적용하는데 적합하다.
따라서, 높은 압력을 인가하는데 적합한, 특히 수백 바아(bar) 까지의 유체 압력을 인가하는데 적합한, 열교환기 모듈과 이러한 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기에 대한 필요가 있다.
본 발명에 따르면, 제1 유체 유동, 보통 가압된 유체 유동을 위한 복수의 U 튜브를 포함하는 열교환기 모듈이 제공된다. U 튜브는 U 형상부에 의해 연결된 두 개의 직선 섹션을 갖는다. 복수의 U 튜브의 유입 단부는 유입 콜렉터 튜브와 연결되어 있고, 복수의 U 튜브의 배출 단부는 배출 콜렉터 튜브와 연결되어 있다.
이 구성에 의해, 특히 유체 콜렉터로서 튜브를 사용함으로써, 열교환기 모듈은 높은 압력을 인가하기에, 예를 들어 최대 500 바아(bar)까지의 압력을 인가하기에 적합하고 적절하다. 특히 섭씨 400도에서 섭씨 700도의 온도 또는 심지어 섭씨 1000도에서 500 바아까지의 압력을 인가할 수 있는 열교환기 모듈을 저렴하게 그리고 가볍게 제조할 수 있다는 것이 발견되었다.
튜브는 원형 단면 때문에 고유의 안정성을 갖고 있다. 또한, 튜브는 보통 일체로된 하나의 부품으로 제조되어, 콜렉터를 형성하고 높은 압력을 인가하는 것을 불가능하게 만드는 용접을 할 필요가 없다
U 튜브는 적절한 방법으로 그리고 적절한 수단으로 콜렉터 튜브와 연결되어, U 튜브의 내부와 콜렉터의 내부 사이에 유체 연통을 제공한다. 예를 들어, U 튜브는, 각각 그 유입 단부와 배출 단부가 각각의 콜렉터 튜브에 직접 부착될 수 있다.
바람직하게, U 튜브의 단부들의 일부 또는 전부가 유입 콜렉터 튜브, 배출 콜렉터 튜브, 또는 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브 둘다의 튜브 벽에 묻혀 있다.
바람직하게 U 튜브의 유입 단부는 유입 콜렉터 튜브의 튜브 벽에 묻혀 있고, U 튜브의 배출 단부는 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽에 묻혀 있다. 이로써 U 튜브와 콜렉터가 서로 상대적으로 위치될 수 있는 이점이 있다. 또한, 그들은 콜렉터 튜브의 튜브 벽 내의 통로와 U 튜브의 단부의 형상맞춤(form-fit)에 의해 적어도 부분적으로 서로에 대하여 고정될 수 있다.
바람직하게, U 튜브의 유입 단부 또는 배출 단부는 각각의 튜브 벽의 벽 두께 전체에 걸쳐서 각각의 콜렉터 튜브의 튜브 벽과 연결되어 있다. 더 바람직하게, 유입 단부와 배출 단부 둘다, 각각의 유입 및 배출 콜렉터 튜브 전체 튜브 벽에 걸쳐서 각각의 콜렉터 튜브와 연결되어 있다.
튜브 벽의 두께에 따라 달라지겠지만, U 튜브와 콜렉터 튜브의 연결은 일반적으로 10 밀리미터 보다 더 길게, 예를 들어 20 밀리미터까지 연장된다. 이것은 큰 힘 또는 압력을 견딜 수 있도록 하는 조인트의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 누출을 막는 기밀성에 대하여 우호적인 효과를 갖는다.
유입 및 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽 두께는 예를 들어 사용되는 유체의 압력, 튜브 물질 또는 비용과 공간의 제약에 따라 선택되고 맞추어질 수 있다. 유입 및 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽 두께는 바람직하게 6 밀리미터 내지 20 밀리미터, 더 바람직하게는 8 밀리미터 내지 16 밀리미터, 예를 들어 10 밀리미터 내지 15 밀리미터이다.
바람직한 실시예에서, 유입 콜렉터 튜브의 튜브 벽 또는 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽은, 튜브 벽 내에 관통 통로를 갖고 있다. U 튜브의 유입 단부 또는 배출 단부는 관통 통로에, 바람직하게는 드릴 구멍 또는 레이저-컷 구멍에 배열되어 있다. 더 바람직하게, 유입 콜렉터 튜브의 튜브 벽과 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽은 관통 통로를 갖고 있다. 따라서, U 튜브의 유입 단부와 배출 단부는 관통 통로 내에 배열되어 있다.
튜브 벽에 관통 통로를 제공하는 것은 그와 같은 콜렉터 튜브가 안정적인 하나의 부품(one-piece part)으로 제공되어 유지될 수 있다는 점에서 이점이 있다. 유체 유동 또는 U 튜브용 통로는 각각, 필요한 경우에만 제공될 수 있다. 바람직하게, 콜렉터 튜브에 연결되는 U 튜브가 있는 만큼, 콜렉터 튜브의 튜브 벽 내에 많은 관통 통로가 있다.
금속 부품들 사이의 연결이 보통 용접, 납땜 또는 브레이징에 의해 실현되지만, 상승된 온도와 압력을 인가하기 위해, 이러한 연결은 용접이나 브레이징에 의해 구현된다.
열교환기 모듈에서, U 튜브와 콜렉터의 연결은 바람직하게 브레이징에 의해, 예를 들어 진공 브레이징 또는 확산 접합(diffusion bonding)(확산 용접으로도 알려짐)에 의해 구현되고, 또한 용접에 의해서도 구현된다. 특히, 니켈-기반 브레이징 물질로 진공 브레이징을 함으로써, 매우 안정적이고 강건한 열교환기 모듈을 제조할 수 있고, 이는 상술한 높은 압력과 온도 범위에서 사용하는데 적합하다.
바람직하게, U 튜브의 유입 단부들 또는 U 튜브의 배출 단부들 중 적어도 하나는, 각각의 콜렉터 튜브와의 브레이징 조인트를 포함한다. 더 바람직하게, 복수의 유입 단부, 가장 바람직하게는 모든 유입 단부들이 유입 콜렉터 튜브와 브레이징 조인트를 포함한다. 더 바람직하게, 복수의 배출 단부, 가장 바람직하게는 모든 배출 단부들이 배출 콜렉터 튜브와의 브레이징 조인트를 포함한다. 브레이징에 의해, 콜렉터 튜브의 전체 벽 두께에 걸쳐 연장하는 조인트의 길이부를 제조할 수 있다. U 튜브와 콜렉터 튜브의 유입 단부 또는 배출 단부의 상대적인 위치에 따라, 튜브 벽 두께 보다 훨씬 더 긴 조인트를 제조할 수 있다.
매우 효율적으로 그리고 매우 안정적으로 연결시키는 브레이징 조인트를 실시할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 열교환기 모듈의 제조방법을 참고하여 아래에서 더 상세하게 설명하도록 한다.
열교환기 모듈에서, 유입 콜렉터 튜브의 길이방향 축과 배출 콜렉터 튜브의 길이방향 축은 바람직하게 서로 평행하게 배열된다.
바람직하게, U 튜브의 직선 섹션의 길이방향 축은 유입 콜렉터 튜브 또는 배출 콜렉터 튜브의 길이방향 축에 직교하도록 배열된다.
유입 콜렉터 튜브의 단부 또는 배출 콜렉터 튜브의 단부는 닫혀 있고, 바람직하게 유입 콜렉터 튜브의 단부와 배출 콜렉터 튜브의 단부는 닫혀 있다. 바람직하게 유입 및 배출 콜렉터 튜브의 닫힌 단부는 열교환기 모듈의 동일한 면에 배열되어 있다.
콜렉터 튜브의 닫힌 단부는 예를 들어 바닥판 또는 유사한 것을 제공함으로써 구현될 수 있다. 이 바닥 플레이트는 예를 들어 용접, 브레이징에 의해 또는 바닥벽을 포함하는 콜렉터 튜브의 딥드로잉(deep drawing)에 의해 튜브벽에 연결될 수 있다. 닫힌 단부, 특히 바닥판은 평면이거나 오목한 형상일 수있다. 바닥벽의 오목한 형상은 평면형상과 비교하여 높은 압력을 견딜 수 있고, 이는 예를 들어 샴페인 병으로부터 잘 알려져 있다.
유입 콜렉터의 내경과 외경은 다를 수 있고, 아니면 배출 콜렉터 튜브의 내경과 외경과 동일할 수 있다. 바람직하게, 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브의 내경과 외경은 동일하다. 바람직하게, 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브는 크기와 재료가 같다. 이로써 콜렉터 튜브와 열교환기 모듈을 제조하고 구성하는 것을 간단하게 할 수 있다.
바람직하게, 복수의 U 튜브는 열교환기 모듈에 규칙적인 배열구조로 배열되어 있다. 바람직하게, U 튜브는 네스트 배열구조로 제공되고, 예를 들어, 여러 줄로 제공되고, 이웃하는 줄에 있는 U 튜브들이 서로에 대하여 변위되어 있다.
바람직하게, 복수의 U 튜브의 유입 단부와 복수의 U 튜브의 배출 단부는 하나 이상의 줄로 배열되어 있고, 바람직하게는 직선 줄로 배열되어 있다. 바람직하게, 복수의 U 튜브의 유입 단부와 복수의 U 튜브의 배출 단부는 각각 두 줄 내지 여덟줄로, 바람직하게는 네줄 내지 여섯줄로 배열되어 있다. 바람직하게 이 줄들은 서로 같은 간격으로 배열되어 있다. 바람직하게, 하나 이상의 줄들은 콜렉터 튜브의 길이방향을 따라 연장한다. 바람직하게, 하나 이상의 줄들이 콜렉터 튜브의 길이방향 축에 평행하게 배열되어 있다.
바람직하게, U 튜브의 유입 단부와 배출 단부용 관통 통로 그리고 그에 따른 U 튜브의 유입 단부와 배출 단부는 콜렉터 튜브의 한 쪽 절반부분에 배열된다. 바람직하게, 이들은 최대 콜렉터 튜브의 원주의 사분의 일만큼에 배열되거나 그에 걸쳐 연장된다.
바람직하게, 열교환기 모듈의 복수의 U 튜브는 서로 평행하게 배열되고, 바람직하게는 같은 간격으로 그리고 한 줄로 배열된다.
열교환기 모듈 내의 U 튜브의 개수는, 열교환기 모듈로부터 제조되는 열교환기에 대한 사용자의 요구사항, 비용 또는 전력 요구량, 공간적인 제약 등등에 따라 선택하고 맞춰질 수 있다.
예를 들어, 열교환기 모듈은 20 내지 500 개의 U 튜브, 바람직하게는 60 내지 300 개의 U 튜브, 더 바람직하게 120 내지 250 개의 U 튜브, 예를 들어 140 내지 180 개의 U 튜브를 포함할 수 있다.
예를 들어, 열교환기 모듈은 2 내지 6줄, 바람직하게는 네스트 줄을 포함하고 각각의 줄은 10 내지 80 개의 U 튜브를 포함하고, 바람직하게는 3 내지 5줄을 포함하고 각각의 줄은 20 내지 60 개의 U 튜브를 포함하고, 더 바람직하게는 4 내지 5 줄을 포함하고 각각의 줄은 30 내지 50 개의 U 튜브를 포함하고, 예를 들어 4줄을 포함하고 각각의 줄은 35 내지 45 개의 U 튜브를 포함한다.
'U 튜브의 네스트 배열'에서, U 튜브의 배열을 이해할 수 있는데, 하나 보다 많은 U 튜브 줄이 서로의 옆에 배열되고, 각 줄의 U 튜브는 굽힘 반경과 전체적인 길이가 다르고, 작은 굽힘 반경과 길이를 갖는 U 튜브의 줄은 더 큰 굽힘 반경과 길이를 갖는 U 튜브의 줄에 가능한 가장 가까운 거리에 있다.
열교환기 모듈의 U 튜브의 모양은 모듈 내의 위치에 맞춰질 수 있다. 예를 들어, U 튜브가 열교환기 모듈의 좀 더 안쪽의 내부에 배열되거나 열교환기 모듈의 좀 더 바깥쪽의 외부에 배치되면, U 튜브의 U 형상부의 반경과 크기, 그리고 직경이 그에 따라 맞춰진다.
열교환기 모듈의 바람직한 실시예에서, 복수의 U 튜브의 U 형상부는 상이한 굽힘 반경, 상이한 크기 또는 상이한 직경 중 적어도 하나를 갖는다.
열교환기 모듈에서, U 튜브의 두 개의 직선 섹션은 길이가 같거나 상이할 수 있다. 직선 섹션의 길이가 다르면, 콜렉터 튜브를 좀 더 컴팩트하게 배열할 수 있고 다라서 열교환기 모듈을 좀 더 컴팩트하게 설계할 수 있기 때문에 바람직할 것이다. 바람직하게, 모듈의 모든 U 튜브의 모든 유입 직선 섹션은 길이가 같고, 모듈의 모든 U 튜브의 모든 배출 직선 섹션은 길이가 같지만 유입 직선 섹션의 길이와는 다르다. 이것은, 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브가 U 튜브의 두 개의 직선 섹션의 길이에 대하여 높이가 다르게 배열될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 두 개의 튜브를 정확하게 팽행하면서 일직선으로 위치시키는 것과 비교하여 두 개의 콜렉터 튜브가 함께 더 가까이 위치될 수 있어서, 모듈을 더 작게 셋업할 수 있다. 특히, 유입 및 배출 콜렉터 튜브의 길이방향 축은, 두 개의 직선 섹션의 길이에 대하여 또는 열교환기 모듈의 높이에 대하여 각각, 다른 높이로 배열된다.
U 튜브의 배출 직선 섹션의 길이는 예를 들어 U 튜브의 유입 직선 섹션의 길이의 70 내지 100 퍼센트, 더 바람직하게는 75 내지 95 퍼센트, 예를 들어 70 내지 85 퍼센트일 수 있다. 반대로 U 튜브의 유입 직선 섹션의 길이는 예를 들어 U 튜브의 배출 직선 섹션의 길이의 70 내지 100 퍼센트, 더 바람직하게는 75 내지 95 퍼센트, 예를 들어 70 내지 85 퍼센트일 수 있다. 열교환기 모듈은 U 형상 튜브의 외부에 배치된 핀(fin)을 더 포함할 수 있고, 바람직하게는 길이방향 핀을 포함할 수 있고, 이는 열교환기 모듈의 외부를 따라 제2 유체 유동을 핀의 방향으로 가이드하기 위해서이다. 바람직하게, 핀은 유입 콜렉터 튜브, 배출 콜렉터 튜브 또는 둘다의 길이방향 축에 평행하거나 직교하도록 배열되거나, 콜렉터 튜브의 길이방향 축에 평행하고 직교하도록 배열된다.
핀은 외측의 가이드에서 열교환기 모듈의 U 튜브를 통과하는 제2 유동을 제공하여, 바람직하게는 열교환기 모듈의 일측에서, 예를 들어 상부측이나 바닥측에서 제2 유동이 축적되는 것을 방지하도록 제공된다. 바람직하게, 핀은 길이방향 핀으로서 바람직하게는 열교환기 모듈의 길이 전체에 걸쳐서 연장된다. 핀은, 예를 들어 열교환기 모듈의 작은 쪽에 배열된 핀은, 이웃하는 열교환기 모듈의 핀과 상호작용하여, 복수의 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기에 배열된 열교환기 모듈의 일부 또는 전체에 걸처서 연장하는 핀을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 본 발명의 그리고 여기에서 설명하는 열교환기 모듈을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 복수의 U 튜브를 제공하고, 유입 콜렉터 튜브의 튜브 벽 내에 관통 통로를 갖고 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽 내에 관통 통로를 갖는 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브를 제공하는 것을 포함한다. 이 방법은 U 튜브의 유입 단부와 배출 단부를, 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브의 각각의 튜브 벽 내의 관통 통로에 수용하는 것과, 열교환기 모듈을 형성하도록 유체 기밀 방식으로 U 튜브의 유입 단부를 유입 콜렉터 튜브에 연결시키고 U 튜브의 배출 단부를 배출 콜렉터 튜브에 연결시키는 것을 더 포함한다.
위 발명은 관통 통로의 영역에 브레이징 페이스트를 도포하고 브레이징 페이스트의 용융점 보다 높이 열교환기 모듈을 가열하고, 브레이징 페이스트가 관통 통로에 들어가게 하여, 각각의 콜렉터 튜브와 U 튜브의 단부들 사이에 브레이징 조인트를 형성하는 것을 더 포함한다.
조립된 모듈을 브레이징 페이스트와 함께 가열함으로써, 용융된 브레이징 페이스트는 U 튜브의 단부의 외주와 관통 통로 사이의 틈새 공간에 들어간다.
조립된 U 튜브와 콜렉터 튜브를 퍼니스 안에 집어넣음으로써 가열이 실행될 수 있다. 이로써, 모든 U 튜브의 연결을 하나의 단계로 제조할 수 있다. 각각의 연결을 위한 개별적으로 용접할 필요가 없다. 또한, 모세관 현상에 의해, 브레이징 페이스트는 기본적으로 관통통로의 길이 전체에 걸쳐서 U 튜브의 단부의 외주와 관통 통로 사이의 틈새공간에 들어간다. 이로써, 바람직하게는 관통통로의 길이 전체에 걸쳐 연장되는 매우 안정적인 브레이징 조인트가 형성될 수 있고, 그 길이는 적어도 콜렉터 튜브의 튜브벽의 두께에 대응한다.
브레이징은 예를 들어 U 튜브와 콜렉터 튜브를 진공 브레이징하는 진공 퍼니스에서 수행된다. 이는 또한 확산 접합에 의해 이루어질 수도 있는데, 브레이징 페이스트의 일부가 튜브의 물질 내에서, 특히 U 튜브와 콜렉터의 강철(steel)에서 발산된다. 이는 결합을 더 향상시킬 수 있다.
브레이징 페이스트는 콜렉터 튜브의 내부에서 관통 통로의 영역에 또는 콜렉터 튜브의 외측에서 관통 통로의 영역에 도포될 수 있다. 브레이징 페이스트는 또한 콜렉터 튜브의 내부와 외부에 대하여 관통 통로의 영역에 도포될 수도 있다.
바람직하게, 열교환기 모듈은 U 튜브와 콜렉터 튜브 사이의 연결부를 연결하기 위해 진공 퍼니스에서 가열된다.
바람직하게, 열교환기 모듈은 브레이징을 위해 진공 퍼니스에서 가열되고, 가장 바람직하게는 니켈-기반 브레이징 페이스트를 가지고 브레이징하도록 가열된다.
열교환기 모듈의 개별 부분들을 연결시키는데 사용되는 물질은 열교환기 모듈의 추가 작동 온도를 견딜 수 있어야만 한다. 예를 들어, 열교환기 모듈의 브레이징 연결에 사용되는 브레이징 페이스트는 일부 실시예에서 섭씨 1000도 까지의 온도를 견딜수 있어야만 한다. 따라서, 니켈-기반의 브레이징 페이스트가 용융을 위해 섭씨 1000도 보다 높게 가열되어야 한다. 이러한 고온의 조건에서, 관련 물질의 산화가 발생한다. 진공에서 브레이징을 하는 것은 산화를 방지하거나 제한할 수 있다. 이로써, 물질의 잠재적인 품질저하가 방지되고, 고온 고압이 인가되는 상황에서도 열교환기 모듈의 연결이 안정적으로 될 수 있다.
본 발명의 방법은 유입 콜렉터 튜브와 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽 내에 관통 통로를 드릴링하거나 레이저 커팅하는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게, 동일한 개수의 관통 통로가 콜렉트 튜브에 제공되고, 다수의 U 튜브가 콜렉터 튜브와 연결된다.
바람직하게, 본 발명의 방법은 네스트 배열로 복수의 U 튜브를 제공하는 것을 포함하고, 유입 단부와 배출 단부는 평행하는 여러 줄로 배열되어 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 튜브식 열교환기가 제공된다. 튜브식 열교환기는 제1 유체 유입구와, 제2 유체 유입구, 제1 유체 배출구, 제2 유체 배출구를 갖는 하우징을 포함하고, 하우징 내에 본 발명에 따라 상술한 열교환기 모듈이 복수 배치된다. 복수의 열교환기 모듈은 서로 연결되어 있고, 모듈은 직렬로 또는 병렬로, 또는 직렬과 병렬로 연결될 수 있다.
튜브식 열교환기의 제1 유입구는 복수의 열교환기 모듈의 제1 열교환기 모듈의 유입 콜렉터 튜브에 연결되고, 제1 배출구는 복수의 열교환기 모듈의 마지막 열교환기 모듈의 배출 콜렉터 튜브에 연결된다. 유입 콜렉터 튜브는 또한 다수의 제1 열교환기 모듈의 유입 콜렉터 튜브에 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 열교환기 모듈이 두줄 또는 그 이상의 줄로 배열되는 경우, 제1 유입구는 둘 이상의 제1 열교환기 모듈에, 각 줄에 하나, 연결될 수 있다. 따라서, 제1 유입구는 열교환기 모듈의 둘 이상의 마지막 배출 콜렉터 튜브에 연결될 수 있다.
튜브식 열교환기의 원하는 파워 범위 또는 효율에 따라, 하우징에 열교환기 모듈을 더 많이 또는 더 적게 제공할 수 있다. 튜브식 열교환기의 하우징에 수용된 복수의 열교환기 모듈은 예를 들어 2개 내지 100개의 모듈, 바람직하게는 4개 내지 80개의 모듈, 예를 들어 8개 내지 40개의 모듈을 포함할 수 있다.
예를 들어, 2, 6, 8, 12 또는 20개의 모듈이 직렬로 그리고 한줄로 배열될 수 있다. 열교환기는 예를 들어 두 개의 평행하는 줄로 하우징 내에 배열되어, 전체 4, 12, 16, 24 또는 40개의 모듈이 될 수 있다.
바람직하게, 복수의 열교환기 모듈이 둘 이상의 평행하는 여러 줄로 하우징에 배열되어 있다. 바람직하게, 제1 유체 유입구는 유동 분산기를 포함하고, 유동 분산기는 열교환기 모듈의 각각의 줄에서 제1 열교환기 모듈의 유입 콜렉터 튜브와 연결되어 있다. 이로써, 제1 유체, 예를 들어 가압된 초임계 유체가 분할되어, 열교환기 내의 다수의 평행하는 여러줄의 직렬로 연결된 열교환기 모듈에서 분배된다.
바람직하게, 튜브식 열교환기의 하우징은 길이방향 축을 갖는 장방형이다. 바람직하게, 열교환기 모듈의 유입 콜렉터 튜브의 길이방향 축은 하우징의 길이방향 축에 직교하여 배열되어 있다. 이러한 구조에서, 튜브식 열교환기를 통해 흐르는 주요 제1 유체 유동은 콜렉터 튜브의 제1 유체 유동에 직교한다.
바람직하게, 열교환기 모듈의 U 튜브의 직선 섹션의 길이방향 축은 하우징의 길이방향 축에 직교하도록 배열되어 있다. 이 배열구조에서, 튜브식 열교환기를 통해 흐르는 메인 제1 유체 유동은 U 튜브를 통해 흐르는 제1 유체 유동에 직교한다.
열교환기 모듈과 튜브식 열교환기는 예를 들어 초임계 유체와 같은, 초임계 물 또는 초임계 CO2와 같은 가압된 유체를, 또는 예를 들어 오일과 같은 유기 유체를 사용하도록 설계되어 있다.
열교환기 모듈과 튜브식 열교환기는 500 바아(bar)까지 가압된 유체의 압력을 견딘다. 압력은 바람직하게는 50 내지 500 바아, 더 바람직하게는 60 내지 350 바아, 예를 들어 85 내지 280 바아이다.
바람직하게 제2 유체는 낮은 압력, 예를 들어 1 내지 20 바아의 압력을 갖는다. 제2 유체는 열교환기 유체이고, 이는 제1 가압 유체로부터 제2 유체로의 열전달에 의해 가열된다. 제2 유체는 예를 들어 써멀 오일일 수 있고, 예를 들어 실리콘 써멀 오일이나 고온 가스일 수 있다. 실리콘 오일은 예를 들어 약 15 바아의 압력 범위에 있을 수 있다. 제2 유체는 또한 예를 들어 냉각수를 이용하여 제1 가압된 유체를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어 물은 대기압에, 또는 예를 들어 8 바아까지의 압력에 있을 수 있다.
열교환기 모듈과 튜브식 열교환기의 작동온도는 섭씨 200 내지 1000도이고, 바람직하게 250　내지 750도이다. 이러한 온도는 바람직하게 열교환기 모듈의 유입구에서 또는 열교환기의 유입구에서 각각 측정된 제1 유체의 온도에 해당한다.
본 발명의 튜브식 열교환기는 보통 메가와트 전력을 애플리케이션에 사용되고, 예를 들어, 0.5MW 내지 40 MW, 바람직하게 0.5MW 내지 25MW, 또는 1MW 내지 20MW, 예를 들어 1MW 내지 15MW이다.
열교환기 모듈과 튜브식 열교환기는 높은 유량에 적합하다. 제1의 가압된 유체의 유량은, 예를 들어, 5kg/s 내지 80kg/s, 바람직하게는 10kg/s 내지 60kg/s, 예를 들어 15kg/s 내지 30kg/s이다.
본 발명에 의해, 진공 퍼니스에서 진공 브레이징을 이용하여, 바람직하게는 예를 들어 니켈-기반 브레이징 물질과 같은 고온 브레이징 물질을 가지고, 열교환기 모듈을 제조할 수 있다. 이들은 예를 들어 500 바아까지의 압력과 그리고 섭씨 1000도까지의 온도를 가하는제 적합하다. 이러한 모듈은 예를 들어 10MW 내지 40MW의 열교환을 위한 열교환기를 형성하도록 조합될 수 있다. 바람직하게 모듈을 연결하는 것은 진공 퍼니스의 외부에서, 예를 들어 용접에 의해 수행된다.
진공 퍼니스, 특히 열교환기 모듈을 진공 브레이징하는 퍼니스는 제한된 크기를 갖는다. 10 내지 20 입방미터의 진공 부피를 가열하는 것은 기술적으로 실현할 수 없다. 따라서, 종래의 대형 열교환기는 진공 브레이징될수 없고, 그와 같이 상술한 압력과 온도 범위로 고온, 고압을 적용하는 것은 적합하지 않다. 기계적으로 그리고 열적으로 안정적인 열교환기 모듈을 개별적으로 제조하기 때문에, 또한 고온 고압을 적용하기에 적합한 메가와트 범위의 열교환기를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 열교환기의 모듈성은 개별 모듈을 연속적으로 생산(serial production)을 가능케 하고, 이는 시간과 비용면에서 유리하다.
본 발명의 방법과 튜브식 열교환기의 다른 특징과 장점에 대해 열교환기 모듈과 관련하여 설명하였고 본 발명의 방법과 열교환기에도 적용될 수 있다.
본 발명에 대해서 아래의 도면에 의해 설명되는 실시예와 관련하여 추가로 설명하도록 한다.
도 1은 열교환기 모듈의 사시도이다:
도 2는 도 1의 열교환기 모듈의 부분도이다;
도 3은 두 개의 결합된 열교환기 모듈이다;
도 4는 튜브식 열교환기의 사시도이다;
도 5와 도 6은 도 4의 튜브식 열교환기의 종단면도(도 5) 및 횡단면도(도 6)이다;
도 7은 일련의 열교환기 모듈을 나타낸다.
도면에서, 동일하거나 유사한 요소들에 대하여 동일한 도면부호를 사용한다.
도 1은 열교환기 모듈(1)을 나타내며, 열교환기 모듈은 유입 콜렉터 튜브(20)와 배출 콜렉터 튜브(21)를 포함한다. 두 콜렉터 튜브(20, 21)는 단면이 원형이고 예시적으로 튜브 벽(25)의 두께는 약 8mm 내지 20mm이다. 바람직한 실시예에서, 콜렉터 튜브의 외경은 125mm이고, 내경은 100mm이고, 따라서 튜브 벽의 두께는 12.5mm가 된다.
유입 콜렉터 튜브(20)와 배출 콜렉터 튜브(21)는 도 1에서 전방쪽으로 향하는 개방 단부(23)를 포함한다. 단일 모듈로 사용되면 또는 어떤 경우에는 다른 열교환기 모듈과 직렬로 배열되어 사용되면, 유입 콜렉터 튜브(20)와 배출 콜렉터 튜브(21)는 반대편의 폐쇄 단부(22)(도시 안됨)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반대편 단부(22)는 개방될 수 있고 또 다른 열교환기 모듈의 또 다른 유입 콜렉터 튜브에 부착, 특히 용접될 수 있다. 그러면, 가압된 제1 유체는 인접하는 유입 콜렉터 튜브와 인접하는 모듈로 전달될 수 있다.
도 1의 열교환기 모듈의 일부분을 나타내는 도 2에서 보다 구체적으로 볼 수 있듯이, 4 곱하기 40개의 U 튜브(30)는 콜렉터 튜브(20, 21)의 튜브 벽(25)을 경유하여 콜렉터 튜브(20, 21)의 내부와 유체 연통되어 있다.
콜렉터 튜브(20, 21)는 각각 튜브 벽(25) 내에 네 줄의 40개의 관통 구멍(24)을 포함한다. 네 줄의 관통 구멍은 모두 콜렉터 튜브의 아래쪽 절반부분에 배열되어 있다. 네 줄의 관통 구멍은 콜렉터 튜브의 길이방향 축에 평행하는 콜렉터 튜브(20, 21)의 길이를 따라 서로 평행하게 배열되어 있다. 이웃하는 줄들에 있는 관통 구멍(24)들은, 같은 줄에 있는 관통 구멍들 사이의 거리의 절반 만큼 변위되어 있다. 이러한 위치지정에 의해 관통 구멍들 사이의 간격이 수 밀리미터인 U 튜브가 자리잡고 배열되는 것이 가능하고, 따라서 매우 컴팩트한 U 튜브 배열이 가능하다. 관통 구멍의 직경은 예를 들어 13 밀리미터로서, 인접하는 관통 구멍에 대하여 2 밀리미터의 가장 짧은 간격을 갖는다.
U 튜브(30)는 두 개의 직선 섹션(31, 35)을 포함하고, U 형상부분(32)은 두 개의 직선 섹션을 연결하여 U 튜브(30)를 형성한다. U 튜브의 유입 단부(33)와 U 튜브의 배출 단부(34)는 관통 구멍(24) 내에 배치되고 튜브 벽(25)에 브레이징 용접(braze)된다.
관통 구멍(24)은 바람직하게 드릴 구멍 또는 레이저-커팅 구멍이고, U 튜브(30)의 단부(33, 34)를 관통 구멍(24)에 삽입하기 전에 튜브 벽(25) 안으로 드릴링 되거나 절삭된다.
바람직하게, U 튜브의 유입 단부(33)와 배출 단부(34)는 유입 콜렉터 튜브(20)와 배출 콜렉터 튜브(21)의 튜브 벽(25)과 브레이징 조인트를 형성한다. 바람직하게 이것은 진공 브레이징(vacuum brazing) 또는 확산 접합(diffusion bonding)에 의해 구현된다.
예를 들어 유입 단부(33) 또는 배출 단부(34)가 튜브 벽(25)의 원주부분에 대하여 정확하게 직교하도록 배열된 경우에, 조인트의 길이는 콜렉터 튜브(20, 21)의 전체 벽 두께에 걸쳐 연장된다. 좀 더 외측에 배열된 U 튜브(30)와 좀 더 내측에 배열된 U 튜브(30)에서, 튜브 벽 두께 보다 훨씬 더 긴 조인트가 제조될 수 있다.
U 튜브의 직선 섹션(31, 35)은 길이가 다르다. 도 1에서, 모든 U 튜브의 모든 유입 직선 섹션(31)은 각각의 배출 직선 섹션(35) 보다 길다. 이것으로써, 열교환기 모듈(1)의 높이에 대해 보았을 때, 도 1의 유입 콜렉터 튜브(20)는 배출 콜렉터 튜브(21)와 다른 높이에 배열될 수 있다. 이로서, 유입 및 배출 콜렉터 튜브(20, 21)를 모듈의 폭 방향으로 함께 더 가깝게 위치시킬 수 있고, 열교환기 모듈(1)을 매우 컴팩트하게 만들 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 유입 직선 섹션(31)의 길이는 예를 들어 80　cm 내지 90　cm이고, 배출 직선 섹션(35)의 길이는 예를 들어 70　cm 내지 80　cm이고, U 튜브의 외경은 10　mm 내지 15　mm의 범위이다. 또 다른 실시예에서, 유입 직선 섹션(31)의 길이는 예를 들어 2　m 내지 2.5 m이고, 배출 직선 섹션(35)의 길이는 예를 들어 1.8　m 내지 2.3　m 이고, U 튜브의 외경은 20　mm 내지 30　mm의 범위이다.
도 1에서, 열교환기 모듈(1)의 내부에 있는 U 튜브는 열교환기 모듈(1)의 외부에 있는 U 튜브 보다 높이와 폭이 작다는 것을 볼 수 있다. U 튜브의 높이는 주로 U 튜브의 직선 섹션(31, 35)의 길이에 의해 정의된다. U 튜브의 폭은 U 형상 부분의 크기에 의해 정의된다.
스트립 형태로 이루어진 다섯개의 길이방향 핀(4)이 U 튜브의 외측에 배열되어 있다. 핀(4)은 콜렉터 튜브(20, 21)의 길이방향 축에 평행하게 뻗어나가고, 제2 유체유동을 가이드하기 위해 제공되고, 제2 유체유동은 열교환기 모듈(1) 주위에 흐른다. 제2 유체는, 콜렉터 튜브(20, 21)와 U 튜브(30) 내에 그리고 콜렉터 튜브와 U 튜브를 통해 흐르는 큰 압력을 받는 제1 유체유동으로부터 열을 흡수한다. 바람직하게 같은 간격으로 배열된 핀(4)은 U 튜브의 외부를 4개 내지 5개의 섹션으로 분리하고, 각각의 섹션은 열교환기 모듈(1)의 측부를 지나가는 제2 유체의 전체 유동의 약 25 퍼센트 또는 12.5 퍼센트를 가이드하도록 되어 있다.
도 1과 도 2의 예에서, 열교환기 모듈(1)의 네개의 측부 각각에 있는 핀은 시트 재료의 플레이트로 구현되고, 예를 들어 강철 플레이트로 구현된다. 하나의 플레이트가 열교환기 모듈(1)의 외부와 내부에 가이드 핀을 형성하고, 핀들은 연결되어 있고, 바람직하게는 하나의 부품으로 만들어진다. 플레이트는 U 튜브(30)의 직선 섹션(31, 35) 사이에서 연장된다.
도 1 및 도 2에 도시된 모듈은 진공 퍼니스에서 진공 브레이징될 수 있다.
예시적으로 진공 퍼니스의 크기는 250mm 부터 2000mm 까지(직경 또는 익스텐션)이고, 예를 들어 700x650x300, 600x900x600, 1200x2000x1200, 또는 (직경)250x340, (직경)1500x1500 이다. 진공 퍼니스의 바람직한 재료는 흑연 또는 몰리브덴이다. 브레이징을 위한 바람직한 재료는 니켈 또는 크롬-니켈 함유 브레이징 페이스트이고, 이는 1000°C 보다 높은 퍼니스 온도를 요구하며, 예를 들어 1100 내지 1200°C의 퍼니스 온도를 요구한다. 진공 퍼니스의 일반적인 진공은 10-3 내지 10-4 mbar 이다. 도 3은 도 1의 열교환기 모듈(1) 두 개가 정렬되어 함께 연결된 것을 보여준다. 유입 콜렉터 튜브(20) 및 배출 콜렉터 튜브(21)는 예를 들어 용접에 의해 서로 고정되어 있다.
제1 유체유동(90)은 열교환기 모듈(1) 내의 제1 유체유동에 대하여 화살표(900)로 표시되어 있다. 제1 유체유동(90)은 양쪽 측부로부터 유입 콜렉터 튜브(20) 안으로 가이드된다. 거기에서, 제1 유체유동은 열교환기 모듈(1)의 U 튜브(30)를 통해 유입 콜렉터 튜브(20)의 종축에 직교하여 흐른다. 굵은 점선 화살표(900)는 U 튜브 내의 유입 유동을 나타내고, 굵은 화살표는 U 튜브(30) 내의 배출 유동을 나타낸다.
또한, 한쪽으로부터만 유체를 유입 콜렉터 튜브(20)로 가이드하고, 하나의 배출 콜렉터 튜브(21) 만으로부터 모든 제1 유체를 수집할 수 있다.
콜렉터 튜브와 U 튜브는 적절한 금속, 바람직하게는 강철, 더 바람직하게는 스테인리스 강으로 제조된다.
도 4는 튜브식 열교환기(8)를 나타낸다. 하우징(5)에, 두 줄의 12개의 열교환기 모듈(1), 예를 들어 도 1에 따른 열교환기 모듈이 병렬로 배열되어 있고(앞줄만 보임), 예를 들어 도 3에 도시된 결합된 배열구조로 배열되어 있다. 콜렉터 튜브(20, 21)의 개방 단부(23)는 이웃하는 콜렉터 튜브의 개방 단부에 연결되어 있다. 여기서, 배출 콜렉터 튜브(21)는 커넥터를 통해(도시 안됨) 이웃하는 열교환기 모듈(1)의 유입 콜렉터 튜브(20)와 연결되어 있다.
하우징(5)은, 제1 고압 유체(90)가 제1 유입구(51)에서 하우징에 들어가서 콜렉터 튜브(20, 21)와 U 튜브(30)를 통해 열교환기 모듈(1)을 통과하고 제1 배출구(52)를 통해 하우징을 떠나도록, 제1 유입구(51)와 제1 배출구(52)를 포함한다.
하우징(5)은, 제2의 가압되지 않은 또는 저압의 유체(91)가 제2 유입구(53)에서 하우징에 들어가서 외측에서 열교환기 모듈(1)을 통과하고 제2 배출구(54)를 통해 하우징을 떠나도록, 제2 유입구(53)와 제2 배출구(54)를 포함한다.
하우징(5)은 튜브 형상으로서 단면이 원형인 튜브 측벽(56)과 약간 볼록한 형태의 단부벽(57)을 갖는다. 제1 유입구(51)와 제2 배출구(54)는 측벽(57)들 중 하나에 배열되고, 제2 유입구(53)와 제1 배출구(52)는 반대편 측벽(56)에 배열된다. 이로써, 제1 유체 유동(90)과 제2 유체 유동(91)은, 메인 공동-유동(main co-flow) 방식으로 그러나 반대방향으로 튜브식 열교환기를 통과한다.
제2 유입구(53)와 제2 배출구(54)는 측벽(57)의 중앙부에 배치되어 있다. 제1 입구(51)와 제1 출구(52)는 하우징(5)의 측부로 이동되어 배치되어 있다.
제2 유체유동(91)에 대하여 하우징(5) 내의 유체유동은 화살표(910)로 표시된다. 제2 유체유동(91)은 본질적으로 하우징(5)의 제2 입구(53)로부터 제2 출구(54) 쪽으로 향하는 직선형태로 하우징(5)의 종축에 평행하게 흐른다.
제1 유체유동(90)과 관련된 하우징(5) 내의 유체유동은 화살표(900)로 표시된다. 제1 유체유동(90)은 한 줄의 제1 열교환기 모듈의 유입 콜렉터 튜브(20) 안으로 가이드된다. 여기서 제1 유체유동은 열교환기 모듈(1)의 U 튜브(30)를 통해 하우징(5)의 종축에 직교하는 방향으로 흐른다. 한 줄의 마지막 열교환기 모듈(1)에서, 제1 유체유동(90)은 배출 콜렉터 튜브(21)에 수집되고 제1 출구(52)를 통해 열교환기를 떠난다. 다시, 굵은 점선의 화살표(900)는 U 튜브 내의 유입 유동을 나타내고 굵은 화살표는 U 튜브(30) 내의 배출 유동을 나타낸다.
열교환기 모듈 조립체 전방측에, 5개의 핀(4)을 볼 수 있고, 이 핀은 하우징(5)의 길이방향으로 제2 유동방향(910)에 평행하게 뻗어나간다. 핀(4)은 U 튜브(30)의 높이를 따라 공간을 섹션(40)으로 분할한다. 제2 유동(91)은 이러한 섹션(40)에 유지되고, 유동이 이탈하여 콜렉터 튜브(20, 21)의 방향으로 또는 U 튜브의 U 형상부(32)로 들어가는 것이 제한되거나 방지될 수 있다.
도 5와 도 6은 도 4의 열교환기(8)의 종단면과 횡단면을 나타낸다.
예를 들어 도 1에 도시된 모듈 2 곱하기 12개 또는 도 3에 도시된 12개의 복합 모듈이 하우징(8)에 연속하여 배열되어 있다. 하우징(5)의 길이(800)는 약 3040mm (제1 유입구(51)와 제1 배출구(52) 포함, 3640mm)이고, 직경은 약 1700mm 이다.
제1 유입구(51)와 제1 배출구(52)는, 한줄로 열교환기의 높이에 대하여 같은 높이로, 그리고 제2 유입구(53)와 제2 배출구(54)에 평행하게 이격되어 배열되어 있다. 제2 유입구(53)와 제2 배출구(54)는 하우징(5)의 중심축에 배치되어 있다.
제1 유입구(51)에 의해 각각의 열교환기(8)에 들어가는 제1 유체 유동(90)은, 유동 분산기(55)에 의해 두 줄의 모듈 각각의 제1 열교환기 모듈(1)의 유입 콜렉터 튜브(20)로, 또는 복합 유입 콜렉터 튜브의 두 반대측 단부들로, 개별적으로 분배된다.
제1 유입구(51)와 제1 배출구(52)의 내경(510)은 약 100　mm 이다.
제2 유입구(53)와 제2 배출구(54)의 외경(540)은 약 300mm 이다.
도 6의 횡단면에서, 두 줄의 모듈(1)이 위아래로 포개어져 있다. 이웃하는 유입 콜렉터 튜브(20)와 배출 콜렉터 튜브(21)는 개방 단부(23)들을 연결하는 각각의 단부 커넥터(7)에 의해 서로 연결되어 있다.
도 7에, 일련의 4개의 열교환기 모듈(1)이 도시되어 있다. 이 모듈(1)은 도 1의 모듈과 비슷한 셋업을 갖는다. 그러나, 도 7의 예에서는, 인접하여 배치된 모듈(1)의 인접하는 직선 섹션(31, 35)이 같은 길이를 갖도록, 인접한 모듈(1)이 플립되어 있다.
따라서, 인접하는 모듈(1)은 길고/짧은 유입 직선 섹션(31)과 길고/짧은 배출 직선 섹션(35)을 갖는다.
도 7에서, 유입 콜렉터(20)는 도 6에 도시된 단부 커넥터(7)에 의해 인접하는 배출 콜렉터(21)와 연결되어 있지 않다. 콜렉터 튜브(20, 21)는, 방사상으로 배열된, 도 6에 도시된 예에서 수평으로 배열된 4개의 인터페이스 튜브(28)를 포함한다. 콜렉터(20, 21)의 각각의 인터페이스 튜브(28)는 인접하는 콜렉터(21, 20)의 인터페이스 튜브(28)에 연결되어 있다. 인터페이스 튜브(28)를 서로 연결하는 것은, 용접이나 브레이징에 의해, 바람직하게는 용접에 의해 이루어질 수 있다.
U 튜브가 콜렉터(20, 21)에 연결될 때와 같은 방식으로 인터페이스 튜브(28)는 각각의 콜렉터 튜브(20, 21)에 연결될 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 관통 구멍이 콜렉터 튜브(20, 21)의 튜브벽에 제공되고, 인터페이스 튜브(28)가 관통 구멍에 삽입된다. 인터페이스 튜브(28)와 콜렉터 튜브 벽 사이의 브레이징 조인트는 바람직하게, 콜렉터 벽으로 U 튜브의 단부를 브레이징하는 것 보다는, 동일한 제조단계에서 구현된다.
모듈(1)은 바람직하게 양 단부가 닫힌 유입 콜렉터(20)와 배출 콜렉터(21)를 포함한다.
도 7에 도시된 실시예의 모듈은 연속하여 번갈아가면서 더 길거나 더 짧은 U 튜브의 입구 섹션을 사용한다. 모듈(1)은 동일하지만, 일련의 모듈이 번갈아 가면서 플립되어 있다.
방사상으로 배치되고 콜렉터 튜브(20, 21)의 길이에 걸쳐서, 같은 간격으로 배열된 연결 튜브(28)에 의해, 콜렉터 튜브(20, 21)의 길이에 걸쳐서 따라서 열교환기 모듈(1)의 길이를 따라, 유체유동이 균일하게 분포된다.
한 예의 튜브식 열교환기는 12개의 열 교환기 모듈이 두 줄로 배열된 24개의 열교환기 모듈을 포함하고, 열교환기 모듈 마다 4 곱하기 40개의 U 튜브가 있고, 바람직하게 압력이 85　바아(bar) 내지 280　바아(bar) 이고 유동률이 22.5kg/s 인 압축된 유체로서 이산화탄소(CO2)가 제공된다.
예를 들어, 제1 유체는 임계초과의 CO2 이고, 압력은 73 내지 90 바아(bar) 이고, 온도는 섭씨 31도 내지 70도이다.
U 튜브의 예는:
- U 튜브 전체 길이가 1.55 미터이고, 각각의 직선 섹션이 0.75 미터에 걸쳐 연장하고, 직경이 10 mm 내지 15 mm이고;
- U 튜브의 단부에 대하여 콜렉터 튜브벽 내의 통로 사이의 가장 짧은 거리: 2　mm, U 튜브의 직경은 13　mm;
- U 튜브의 외경 25　mm; 입구 직선 섹션 2　m 내지 2.5　m, 출구 직선 섹션 1.8　m 내지 2.3　m

Claims (15)

  1. 제1 유체 유동을 위한 복수의 U 튜브를 포함하는 열교환기 모듈로서,
    상기 U 튜브는 U 형상부에 의해 연결된 두 개의 직선 섹션을 갖고, 복수의 상기 U 튜브의 유입 단부는 유입 콜렉터 튜브와 연결되어 있고, 복수의 상기 U 튜브의 배출 단부는 배출 콜렉터 튜브와 연결되어 있고,
    상기 열교환기 모듈의 높이와 관련하여 상기 유입 콜렉터 튜브의 길이방향 축과 상기 배출 콜렉터 튜브의 길이방향 축이 다른 높이로 배열되도록 상기 U 튜브의 두 개의 직선 섹션은 길이가 다른 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 U 튜브의 유입 단부 또는 배출 단부는 각각의 튜브 벽의 벽 두께 전체에 걸쳐서 각각의 유입 콜렉터 튜브 또는 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 U 튜브의 유입 단부 또는 상기 U 튜브의 배출 단부 중 적어도 하나는 각각의 유입 콜렉터 튜브 또는 배출 콜렉터 튜브와의 브레이징 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 콜렉터 튜브의 단부 또는 상기 배출 콜렉터 튜브의 단부가 닫혀 있고, 바람직하게는 상기 유입 콜렉터 튜브의 단부와 상기 배출 콜렉터 튜브의 단부가 닫혀 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 U 튜브는 규칙적인 배열로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    복수의 상기 U 튜브의 유입 단부와 복수의 상기 U 튜브의 배출 단부는 복수의 줄로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 상기 U 튜브의 유입 단부와 배출 단부는 각각 두줄 내지 여덟줄로 배열되어 있고, 바람직하게는 네줄 내지 여섯줄로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 U 튜브의 외부에 배치된 핀을 더 포함하여, 상기 열교환기 모듈의 외부를 따라 상기 핀의 방향으로 제2 유체 유동을 가이드하는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 열교환기 모듈을 제조하는 방법으로서,
    - 복수의 U 튜브를 제공하는 단계;
    - 튜브 벽 내에 관통 통로를 갖는 유입 콜렉터 튜브와, 튜브 벽 내에 관통 통로를 갖는 배출 콜렉터 튜브를 제공하는 단계;
    - 상기 U 튜브의 유입 단부와 배출 단부를, 상기 유입 콜렉터 튜브와 상기 배출 콜렉터 튜브의 각각의 튜브 벽 내의 관통 통로에 수용시키는 단계;
    - 열교환기 모듈을 형성하도록, 유체 기밀 방식으로 상기 U 튜브의 유입 단부를 상기 유입 콜렉터 튜브에 연결시키고 상기 U 튜브의 배출 단부를 상기 배출 콜렉터 튜브에 연결시키는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈을 제조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    - 브레이징 페이스트를 상기 관통 통로의 영역에 도포하는 단계;
    - 상기 브레이징 페이스트의 용융 온도 보다 높이 상기 열교환기 모듈을 가열하고, 상기 브레이징 페이스트가 상기 관통 통로에 들어가게 하여, 각각의 상기 콜렉터 튜브와 상기 U 튜브의 단부 사이에 브레이징 조인트를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈을 제조하는 방법.
  11. 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 콜렉터 튜브와 상기 배출 콜렉터 튜브의 튜브 벽 내에 관통 통로를 드릴링 하거나 레이저 커팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈을 제조하는 방법.
  12. 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 모듈을 가열하는 것은, 진공 퍼니스에서 상기 열교환기 모듈을 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 모듈을 제조하는 방법.
  13. 제1 유체 유입구, 제2 유체 유입구, 제1 유체 배출구, 제2 유체 배출구를 갖는 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내에 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 열교환기 모듈이 복수 배치되고, 복수의 상기 열교환기 모듈은 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 튜브식 열교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    복수의 상기 열교환기 모듈이 평행하는 둘 이상의 줄로 상기 하우징에 배열되어 있고, 상기 제1 유체 유입구는 유동 분산기를 포함하고, 상기 유동 분산기는 열교환기 모듈의 각각의 줄에서 제1 열교환기 모듈의 유입 콜렉터 튜브와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 튜브식 열교환기.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 하우징은 길이방향 축을 갖는 장방형이고, 상기 열교환기 모듈의 U 튜브의 직선 섹션의 길이방향 축은 상기 하우징의 길이방향 축에 직교하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 튜브식 열교환기.
KR1020230020704A 2022-02-17 2023-02-16 열교환기 모듈, 열교환기 모듈을 제조하는 방법 및 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기 KR20230123895A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22157167 2022-02-17
EP22157167.2 2022-02-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230123895A true KR20230123895A (ko) 2023-08-24

Family

ID=80682811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230020704A KR20230123895A (ko) 2022-02-17 2023-02-16 열교환기 모듈, 열교환기 모듈을 제조하는 방법 및 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230258408A1 (ko)
EP (1) EP4230944A1 (ko)
JP (1) JP2023120165A (ko)
KR (1) KR20230123895A (ko)
CN (1) CN116608710A (ko)
CA (1) CA3188310A1 (ko)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3841271A (en) * 1971-03-03 1974-10-15 Westinghouse Electric Corp Heat exchanger having a plurality of modular tube bundles
US4036293A (en) * 1973-06-09 1977-07-19 Daimler-Benz Aktiengesellschaft Heat exchanger for gases of greatly varying temperatures
DE4139104C1 (ko) * 1991-11-28 1993-05-27 Mtu Muenchen Gmbh
DE10236380A1 (de) * 2002-08-08 2004-03-04 Mtu Aero Engines Gmbh Rekuperativ-Abgaswärmetauscher für ein Gasturbinentriebwerk
US10287982B2 (en) * 2015-08-14 2019-05-14 United Technologies Corporation Folded heat exchanger for cooled cooling air
US10465902B2 (en) 2015-11-18 2019-11-05 Bosal Emission Control Systems Nv Combined evaporator and mixer
US11092384B2 (en) * 2016-01-14 2021-08-17 Hamilton Sundstrand Corporation Thermal stress relief for heat sinks

Also Published As

Publication number Publication date
US20230258408A1 (en) 2023-08-17
EP4230944A1 (en) 2023-08-23
CN116608710A (zh) 2023-08-18
JP2023120165A (ja) 2023-08-29
CA3188310A1 (en) 2023-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2176616B1 (en) Heat exchanger
US6390185B1 (en) Annular flow concentric tube recuperator
US8602089B2 (en) Heat exchanger apparatus for accommodating thermal and/or pressure transients
US4270602A (en) Heat exchanger
JP4880094B2 (ja) 熱交換器
US4326582A (en) Single element tube row heat exchanger
EP1532414B1 (en) Multiservice heat exchange unit
US20070000652A1 (en) Heat exchanger with dimpled tube surfaces
AU2016221798A1 (en) Shell and tube heat exchanger
EP2131131A1 (en) Heat exchanger
KR20230123895A (ko) 열교환기 모듈, 열교환기 모듈을 제조하는 방법 및 열교환기 모듈을 포함하는 튜브식 열교환기
CN113513932B (zh) 热交换器及其系统
JPH04292789A (ja) 熱交換器
US10697708B2 (en) Heat exchangers
AU2019249806B2 (en) Tube-fin heat exchanger
WO2001023823A1 (en) Heat exchanger
US20230175783A1 (en) Flat tube heat exchanger
US20240093952A1 (en) Crossflow heat exchanger with stacked distribution tubes
JP7416854B2 (ja) スタッドにより形成された少なくとも１つの流体供給分配ゾーンを組み込んだチャネルを備えるプレートを有するタイプの熱交換器モジュール
WO2005015110A1 (en) Heat exchanger comprising two manifolds
CZ127796A3 (en) Plate-like heat-exchange apparatus
KR20190083462A (ko) 내적 가열용 열교환장치
EP3236190A1 (en) Heat exchangers
JP2006038336A (ja) 高温熱交換器
KR20020061580A (ko) 오브롱 타입 열교환 장치