KR20230159307A - 유체 가열 장치 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는, 유체 가열 장치 및 그 용도를 기술한다. 상기 유체 가열 장치는, 종래의 유체 가열 장치의 문제점을 해결할 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 가열 장치는, 탄소 중립에 효율적으로 대응할 수 있다. 상기 유체 가열 장치는, 예를 들면, 대량의 유체를 가열하는 경우에도 단 시간 내에 정밀하게 제어된 열을 상기 유체에 전달할 수 있다. 본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용한 유체 가열 방법을 기술한다.
Description
본 출원은 2022년 5월 12일자 대한민국 특허 출원 제10-2022-0058137호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 유체 가열 장치와 그의 응용에 관한 것이다.
유체를 가열하는 장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다.
예를 들어서, 상기 장치는, 석유 화학의 기초 원료(예를 들면, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등과 같은 올레핀)를 생산하는 공정에서 상기 장치는 사용될 수 있다.
상기 올레핀 등을 생성하기 위해서는 원유를 정제하여 얻은 납사(naphtha), 에탄, 프로판, 폐플라스틱 및 바이오디젤 등과 같은 원료를 고온의 분해로(furnace)에서 열 분해시키는 소위 크래킹(cracking) 공정이 수행되는데, 이 과정에서 유체 가열 장치가 사용될 수 있다.
상기 열분해를 수행하는 분해로는, 일반적으로 복사부, 대류부 및 스팀 발생 장치 등을 포함한다. 열 분해의 대상 원료인 유체는, 배관과 같은 흐름 라인을 통해 이송되면서 고온의 열에 의해 열 분해될 수 있다. 통상 상기 복사부에서 이송되는 유체에 큰 열 에너지가 전달됨으로써 열 분해가 수행된다.
이러한 분해로(furnace)와 같은 종래의 유체 가열 장치는, 통상 대형 장치이고, 장치의 특성상 많은 양의 유체를 처리하기 위해 유체가 흐르는 라인인 배관 전체를 기준으로 열을 전달하였다. 또한, 상기 열 전달은 화석 연료를 태워 발생하는 화력을 통해서 이루어졌다.
그렇지만, 이러한 종래의 방식에 의해서는 유체가 흐르는 라인 전체에 열을 균일하게 전달하거나, 상기 라인의 부위별로 인가되는 열의 양상을 제어하거나, 라인의 가열을 빠르게 수행하는 것이 불가능하였다.
또한, 화석 연료를 태우는 방식은 대류를 이용한 가열이 필요하기 때문에, 장치의 구성이 제한되는 문제가 있다.
또한, 상기 종래의 방식에서는, 화석 연료의 사용으로 인해서 장치의 운전 과정에서 이산화탄소 등의 온실 가스가 다량 배출된다. 이러한 점은, 기후변화에 대응하기 위한 탄소중립(carbon neutral) 달성을 어렵게 한다.
또한, 종래 유체 가열 장치의 경우, 가열 영역을 평형 상태(steady state)에 이르도록 하기 위해서 긴 시간이 소요되기 때문에, 화력의 사용이 비효율적이 되며, 그 과정에서 온실 가스 등 유해 가스가 추가적으로 배출되게 된다.
본 출원은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 유체 가열 장치 및 그 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 유체 가열 장치를 기술한다.
상기 유체 가열 장치는, 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인; 및 가열원을 포함한다.
상기 가열원은, 상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 1 전도체를 포함하는 전류 유입부; 상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 2 전도체를 포함하고, 상기 전류 유입부와는 별도로 존재하는 전류 수용부; 및 전압원을 포함할 수 있다.
상기 가열원은, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인을 통하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 전위차를 상기 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 형성할 수 있도록 설치되어 있으며, 상기 유체 가열 장치는, 상기 전류에 의해서 상기 표면부에서 열이 발생하여 상기 내부 통로의 유체에 열을 전달하도록 설치되어 있을 수 있다.
상기 전압원은, 직류 전류, 교류 전류, 펄스형 전류 및 바이폴라형 전류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 형성하도록 구성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 제 1 및 제 2 전도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체와 열교환이 가능하도록 접촉하고 있는 냉각부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치의 냉각부는, 유체 흐름 라인과는 접촉하고 있지 않을 수 있다.
상기 유체 가열 장치의 냉각부는, 냉매 및 순환 라인을 포함하고, 상기 순환 라인은, 상기 냉매가 제 1 및 제 2 전도체 중 어느 하나와 열교환하고, 이어서 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 다른 하나와 열교환하면서 순환하도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 냉각부와 접촉하는 전도체는 절연 처리되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 유체 흐름 라인은 단열 처리되어 있을 수 있다.
상기 유체 흐름 라인은, 상기 유체 흐름 라인으로 유체가 유입될 수 있도록 형성된 유입구와 상기 유체 흐름 라인으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 유출구를 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인은, 상기 유입구와 유출구를 연결하는 가상의 선과 중력 방향이 이루는 각도가 80도 내지 90도의 범위 내가 되도록 설치되어 있을 수 있다.
상기 유입구의 면적 SA와 상기 유출구의 면적 SB의 비율 SA/SB은, 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 유체 흐름 라인으로서 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인을 포함하고, 상기 가열원의 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인 각각에 형성되어 있을 수 있다.
상기에서 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 유체 흐름 라인으로서 복수의 유체 흐름 라인을 포함하고, 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각에 형성되어 있으며, 상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 또는 상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 복수의 유체 흐름 라인과 가열원은 직렬 연결 네트워크를 형성하고 있을 수 있다.
이러한 직렬 연결 네트워크는 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
A - B = 1
식 2에서 A는, 상기 직렬 연결 네트워크의 전류 유입부와 전류 수용부의 합계 수일 수 있고, B는, 상기 직렬 연결 네트워크의 유체 가열 장치의 수일 수 있으며, 상기 전류 유입부와 전류 수용부 각각은 하나 또는 복수의 전도체를 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각의 내부 통로는 서로 연통되어 있지 않을 수 있다.
본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용하여 유체를 가열하는 방법을 기술한다.
상기 방법은, 상기 가열원의 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 전위차를 형성하여, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인에 전류를 흘리고, 상기 전류의 흐름에 의해서 상기 유체 흐름 라인의 표면부에서 발생한 열을 상기 유체 흐름 라인의 내부 통로를 흐르는 유체에 전달하는 것을 포함할 수 있다.
본 출원은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 유체 가열 장치 및 그 용도를 제공할 수 있다.
도 1 및 9는 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 비제한적인 예시이다.
도 2는 본 명세서에서 기술하는 유체 흐름 라인의 단면의 비제한적인 예시이다.
도 3은, 유체 흐름 라인의 형태와 배열의 비제한적인 예시이다.
도 4 내지 6은 냉각부의 비제한적인 예시이다.
도 7은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 비제한적인 예시이다.
도 8은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치에 공급되는 전류 패턴의 비제한적인 예시이다.
도 2는 본 명세서에서 기술하는 유체 흐름 라인의 단면의 비제한적인 예시이다.
도 3은, 유체 흐름 라인의 형태와 배열의 비제한적인 예시이다.
도 4 내지 6은 냉각부의 비제한적인 예시이다.
도 7은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 비제한적인 예시이다.
도 8은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치에 공급되는 전류 패턴의 비제한적인 예시이다.
본 명세서에서 기술하는 물성 중 측정 온도가 측정치에 영향을 주는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상온에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 사용하는 용어 상온은, 인위적으로 가열 및 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도일 수 있다. 다른 예시에서 상온은, 약 15℃ 이상, 약 18℃ 이상, 약 20℃ 이상 또는 약 23℃ 이상이면서 약 27℃ 이하의 범위 내의 온도 또는 대략 25℃ 수준의 온도를 의미할 수 있다.
특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 기술하는 온도의 단위는 섭씨(℃)이다.
본 명세서에서 기술하는 물성 중 측정 압력이 측정치에 영향을 주는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상압에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 사용하는 용어 상압은, 인위적으로 가압 및 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 약 730 mmHg 내지 790 mmHg의 범위 내의 온도를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 용어 유체(fluid)는, 흐를 수 있는 물질을 의미한다. 통상 기체(gas), 액체(liquid) 및 플라즈마(plasma)는, 유체로 취급된다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 가열 대상이 되는 유체의 비제한적인 예로는, 물, 스팀, 공기 및 탄화수소 화합물 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체는 가열되는 대상으로서 열 에너지를 전달 받아서 크래킹(cracking)되는 물질일 수 있고, 이러한 유체의 비제한적인 예에는 탄화수소 화합물이 있다. 상기 탄화수소 화합물의 비제한적인 예에는 납사(naphtha), 에탄, 프로판, 메탄, 폐플라스틱 및 바이오 디젤 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함될 수 있으며, 이 외에도 당업계의 일반 상식에 따라 적용 가능한 물질이 포함될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체는 가열되는 대상으로서, 상기 크래킹을 수행하기 위해서 사용되는 물질일 수 있고, 이러한 유체의 비제한적인 예에는 물, 스팀 및 촉매로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 유체 흐름 라인이 후술하는 반응기인 경우에 상기 유체는 반응 전의 물질 및 반응 후의 물질 중 어느 하나를 의미하거나, 양자를 모두 의미할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치는 다른 설비의 일부일 수 있다. 상기 다른 설비의 비제한적인 예에는 스팀 크래커, 개질기 및 알칸 탈수소화기 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치는 상기 다른 설비에서 적어도 하나의 공정을 수행하도록 구성될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 스팀 크래커의 일부일 수 있다. 상기 스팀 크래커는, 스팀 크래킹을 수행하는 장치이고, 긴 탄소 사슬의 탄화수소 화합물에 열 에너지를 인가하여 짧은 탄소 사슬의 탄화수소 화합물로 전환하는 설비일 수 있다. 상기에서 긴 탄소 사슬의 탄화수소 화합물의 비제한적인 예에는 납사, 프로판, 부탄 및 에탄 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 스팀 크래킹을 통해서, 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 생산될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 개질기의 일부일 수 있다. 상기 개질기는, 천연 가스, 경질 가솔린, 메탄올, 바이오 가스 및 바이오매스 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로부터 스팀 및 탄소 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 생산하는 설비를 의미할 수 있다. 이러한 개질기는 또한 메탄 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로부터 수소를 생산하는 설비일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 알칸 탈수소화기의 일부일 수 있다. 상기 알칸 탈수소화기는 탈수소화 공정을 통하여 알칸으로부터 알켄을 생산하는 설비일 수 있다.
이하, 실시예에 따른 도면 등을 참조하여 상기 유체 가열 장치를 더 자세하게 설명하지만, 이는 용이한 이해를 위한 것으로 상기 유체 가열 장치의 범주가 이에 의해 제한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서의 도면 등에 도시된 실시예들은 특정 구성에 대한 구체적인 설명을 위한 것일 수 있고, 이러한 도면에서 설명되는 구성들은 실제 비율과 다르게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 상기 유체 가열 장치(10)의 하나의 예시를 도시한 것이다.
도면과 같이 상기 유체 가열 장치(10)는, 가열부(100)를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 가열부(100)는, 가열되는 대상인 유체가 가열되는 영역일 수 있다.
상기 가열부(100)는, 유체 흐름 라인(110)을 포함할 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(100)은, 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 표면부를 포함할 수 있다. 상기 표면부에 의해서 상기 내부 통로가 형성될 수 있다. 상기 내부 통로는, 그를 통해서 유체가 흐를 수 있도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)의 상기 가열부(100)는, 상기 유체 흐름 라인(110)을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)은, 내부 통로와 표면부를 적어도 포함할 수 있다. 도 2는 이러한 표면부(111)와 내부 통로(112)를 가지는 유체 흐름 라인의 단면 형상의 예시이다. 상기 표면부는 상기 내부 통로를 둘러싸는 형태로 존재할 수 있으며, 표면부에 의해서 상기 내부 통로가 형성되어 있을 수 있다.
상기 내부 통로는, 유체가 흐를 수 있도록 형성되어 있을 수 있다. 상기 유체는, 상기 유체 가열 장치에 의해서 가열되는 대상일 수 있다.
상기 표면부는 전도성일 수 있다. 즉, 표면부는 전도성인 소재로 형성될 수 있다. 용어 전도성은, 열 및/또는 전기가 흐를 수 있는 성질을 의미한다. 하나의 예시에서 상기 유체 흐름 라인의 표면부는, 전류가 흐를 수 있는 전도성을 가지고, 이러한 전류의 흐름에 의해 발열하는 소재일 수 있다. 이와 같이 전류의 흐름에 의해 발열하는 현상은 소위 전류의 줄 효과(Joule effect of current)라고도 불린다. 이러한 유체 흐름 라인의 표면부는 다른 예시에서 저항 가열성 표면부로 불릴 수 있다. 상기 유체 흐름 라인은 상기 표면부가 전류가 흐르는 것에 의해 발열하는 표면부이고, 이러한 표면부의 발열에 의해서 상기 내부 통로를 흐르는 유체가 가열되도록 구성되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체가 상기 가열에 의해서 화학 반응을 경험하는 경우에 상기 유체 흐름 라인은, 반응기로 불릴 수 있고, 상기 가열부는 반응부로 불릴 수 있다. 상기에서 유체 흐름 라인이 반응기로 불리는 경우에, 유체 흐름 라인은, 화학 반응이 수행되는 기구, 기계 또는 설비일 수 있다. 상기 화학 반응은, 분자와 분자간 또는 원소와 원소간의 결합이 끊어지거나, 혹은 분자와 분자간 또는 원소와 원소간에 새로운 결합이 형성되는 경우를 의미할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)은, 가열의 목적을 고려하여, 가열의 대상인 유체에 포함되는 성분의 물리화학적 성질과 혼합 비율, 유체에 요구되는 유속 내지 시간, 장치의 운전 주기 및/또는 장치를 포함하거나, 장치에 포함되는 설비의 종류나 크기 등을 종합적으로 고려하여 가장 적절한 형태로 구성될 수 있다.
상기 표면부를 구성하는 소재의 종류에는 특별한 제한은 없으며, 상기 전류의 줄 효과(Joule effect of current)를 통해서 전류의 흐름에 의해 발열할 수 있는 것으로 알려진 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 효과를 나타낼 수 있는 적정 수준의 열전도도를 가지고, 열에 대한 내구성이 우수한 소재가 사용될 수 있다. 이러한 소재의 비제한적인 예에는, 니켈; 크롬; 및 니켈과 크롬을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유체 흐름 라인은, 하나의 예시에서 상기 소재로 제작된 배관일 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 유체 흐름 라인(110)은 상기 표면부(111) 및 상기 내부 통로(112)를 포함할 수 있다. 상기 내부 통로(112)는 유체가 흐를 수 있도록 형성된 빈 공간일 수 있다. 상기 내부 통로(112)는, 상기 유체의 흐름이 연속적으로 이루어지거나, 유체의 흐름이 유지되되, 상기 라인의 적어도 일부의 영역에서 일정 시간 정체가 발생하도록 구성될 수 있다. 유체의 흐름의 속도도 일정하게 유지되도록 구성되거나, 흐름의 따라서 변화되도록 구성될 수 있다. 이러한 유체의 흐름의 형태는, 유체의 가열 목적을 고려하여 가장 적합한 결과가 나타나도록 제어될 수 있다. 예를 들어서, 상기 유체 흐름 라인이 전술한 반응기인 경우에 상기 유체는, 상기 내부 통로를 통해 흐르면서 화학 반응을 경험할 수도 있고, 및/또는 내부 통로로 도입된 후에 일정 영역에서 정체된 상기 화학 반응을 경험한 후에 배출될 수도 있다. 유체는 연속적인 흐름으로 흐를 수 있고, 경우에 따라서는 화학 반응을 위해 유입되었다가 정체되어 화학 반응을 경험한 후에 유출되는 흐름으로 흐를 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 단면 형태는 제한되는 것은 아니다. 이러한 형태는, 가열의 목적과 가열되는 유체에 포함된 성분의 종류 내지 혼합 비율 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 도 2는 상기 유체 흐름 라인(110)의 비제한적 단면 형태에 대한 예시이다. 물론 유체 흐름 라인(110)은 도 2에 도시되지 않은 단면 형태, 예를 들면, 삼각형, 마름모형, 평행사변형 및 타원형 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과 같은 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)의 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)의 형태 및 배열은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 형태 및 배열은 가열의 목적 및 가열되는 유체의 성분 및/또는 혼합 비율 등을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 흐름 라인(110)은 파이프 형태 또는 배치(batch) 형태일 수 있다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 파이프 형태의 유체 흐름 라인(110)의 형태 및 배열에 대한 비제한적인 예시이다. 도 3의 (a)는 U자형이 반복되는 유체 흐름 라인(110)의 형태를 나타내고, 도 3의 (b)는 U자형이 반복되는 유체 흐름 라인(110)이 서로 겹치지 않으면서 어긋나게 배열된 예시를 나타낸다. 도 3의 (c)는 U자형 형태의 유체 흐름 라인(110)의 예시이고, 도 3의 (d)는, 일자형 형태의 유체 흐름 라인(110)의 예시이다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 치수에도 특별한 제한은 없다. 상기 치수는, 가열의 목적과 가열되는 유체의 성분 및 혼합 비율을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(110)의 치수는, 파이프 형태의 상기 라인(110)의 유체 흐름 방향을 따른 길이 및/또는 배치 형태의 상기 라인(110)의 내부 공간의 부피 등일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치(10)의 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)은 단열 처리되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 라인(110)은, 단열재로 둘러싸여 있을 수 있다. 단열재로는 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 석면, 유리, 페놀폼 및 에어로젤 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 상기 단열재로 사용될 수 있다. 종래 고온의 분해로(furnace) 등의 유체 가열 장치의 경우, 화석 연료의 연소에 필요한 공기의 유입 및 배기 가스의 배출 등으로 인해서 가열부, 예를 들면, 상기 분해로의 복사부 등에는 단열재를 구비할 수 없었다. 그렇지만, 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 공기의 유입 및 배기 가스의 배출 없이 유체의 가열이 가능하기 때문에, 유체 흐름 라인(110)을 단열재로 둘러싸는 것이 가능하다. 단열재가 존재하는 경우에 유체 흐름 라인(110)에 전달되는 열 에너지의 손실(loss)을 방지할 수 있고, 더욱 효과적으로 유체에 열을 전달할 수 있다. 또한, 상기 단열재를 통해서 후술하는 냉각부가 가열부의 열을 낮추지 않으면서도 제 1 전도체 및/또는 제 2 전도체에서 발생하는 열을 효과적으로 회수하여 더 효율적인 열관리가 가능하다.
상기 유체 흐름 라인(110)에서 유체가 유입될 수 있도록 형성된 위치(유입구)와 상기 유체 흐름 라인(110)으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 위치(유출구) 각각의 지면과의 거리는 서로 실질적으로 동일할 수 있다. 여기서 실질적으로 동일하다는 것의 의미에는 완전히 동일한 경우는 물론 일정 부분 오차가 있다고 해도 거의 유사한 경우도 포함된다. 상기 유체 가열 장치(10)의 유체 흐름 라인(110)의 상기 유입구와 지면 사이의 거리(H1) 및 상기 유체 흐름 라인(110)의 상기 유출구와 지면 사이의 거리(H2)의 비율(H1/H2)은 적정 범위일 수 있다. 예를 들면, 상기 비율(H1/H2)의 하한은, 0.8, 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 0.98 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05, 1.04, 1.03, 1.02, 1.01 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 상기에서 유입구 또는 유출구와 지면과의 거리 H1 또는 H2는, 상기 유입구 및 유출구와 지면과의 거리 중 가장 짧은 거리를 의미할 수 있다.
도 7은 유체 가열 장치(10)의 비제한적 예시이다. 도 7과 같이 유체 흐름 라인(110)은 유체가 유입되는 유입구와 유체가 유출되는 유출구를 가지고, 상기 유입구와 지면(G) 사이의 거리를 H1이라 할 수 있으며, 상기 유출구와 지면(G) 사이의 거리를 H2라 할 수 있다.
상기와 같은 유체 흐름 라인의 배치는, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 가상의 선이 중력 방향과 대략 수직을 이루는 것을 의미한다. 따라서, 상기 가상의 선과 상기 중력 방향이 이루는 각도의 하한은, 80도, 82도, 84도, 86도, 88도 또는 90도 정도일 수 있고, 그 상한은, 90도 또는 88도 정도일 수 있다. 상기 각도는, 상기 가상의 선과 상기 중력 방향이 이루는 각도 중 작은 각도이다. 상기 각도는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다.
상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 가상의 선은, 상기 지면과의 거리 H1 및 H2를 확인하는 것의 기준이 되는 상기 유입구와 유출구의 위치를 연결하는 가상의 선이거나, 혹은 상기 유입구와 상기 유출구 각각의 무게 중심을 연결하는 가상의 선일 수 있다. 즉, 상기 가상의 선은, 상기 유입구를 단면으로 잘랐을 때 확인되는 상기 단면의 무게 중심(GA)과 상기 유출구를 단면으로 잘랐을 때 확인되는 상기 단면의 무게 중심(GB)을 연결하는 가상의 선일 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 유입구의 면적(SA)과 상기 유출구의 면적(SB)은 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 상기 면적 SA 및 SB는, 서로 완전하게 동일하거나, 완전하게 동일하지는 않아도 대략 유사할 수 있다. 예를 들면, 상기 면적 SA 및 SB의 비율 SA/SB의 하한은, 0.8, 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 0.98 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05, 1.04, 1.03, 1.02, 1.01 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다.
종래 고온의 분해로(furnace)와 같이 화석 연료를 이용하는 유체 가열 장치의 경우, 유체의 가열에 대류 현상을 이용하여야 하였기 때문에, 유체 흐름 라인의 수직 배열이 필요하였다. 또한, 수직 배열 시에 하부에 가해지는 하중과 고온에 대한 대응을 위해서 라인의 하부로 갈수록 더욱 큰 단면을 가지도록 설계되었다. 이러한 설계는, 유체로의 열을 전달하는 효율을 저하시킨다. 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 경우, 대류 현상을 이용하지 않고서도 효율적인 가열 및 열의 전달이 가능하다. 따라서, 라인의 설계의 자유도가 높아진다. 위와 같은 라인의 유출구와 유입구의 배치 및 면적의 제어를 통해서 유체에 효과적인 가열 및 유체로의 효율적인 열의 전달이 가능하게 된다.
전술한 바와 같이 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)이 상기 라인(110)의 표면부가 전류의 줄 효과에 의해서 통전(通電)에 의해 열을 발생시키고, 이러한 열이 내부 통로에 흐르는 유체에 전달될 수 있도록 설계되어 있다. 필요한 경우에 상기 유체는 상기 전달된 열에 의해 화학 반응(예를 들면, cracking)을 경험할 수 있고, 이에 의해서 올레핀(에틸렌이나 프로필렌 등)이나 수소 등이 생산될 수 있다. 본 명세서에서 용어 가열은 어떤 대상(예를 들면, 유체)에 열을 전달하는 것을 의미한다. 열을 전달받은 대상의 온도는 일반적으로 상승하게 되지만, 등온 반응 등을 경험하거나, 상전이를 경험하는 경우에 온도의 상승이 없이도 열이 전달될 수 있다.
가열부의 가열(즉, 유체 흐름 라인으로의 전류의 공급)은, 가열원에 의해서 수행될 수 있다. 상기 가열원은, 상기 유체 흐름 라인에 저항열을 유도할 수 있도록 구성되어 있을 수 있다.
도 1에 예시적으로 표시된 바와 같이, 상기 가열원(200)은 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)에 전류를 공급할 수 있다. 상기 가열원(200)은, 전류 유입부(220), 전류 수용부(230) 및 전압원(210)을 포함할 수 있다. 상기 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230)는 서로 별도로 존재한다. 하나의 예시에서 상기 전류 유입부(220)는, 상기 전류 수용부(230)에 비해서 후술하는 유체 흐름 라인의 유입구(예를 들면, 도 1에서 R로 표시된 부분)에 더 가깝게 배치되어 있을 수 있다. 다른 예시에서 상기 전류 유입부(220)는, 상기 전류 수용부(230)에 비해서 후술하는 유체 흐름 라인의 유출구(예를 들면, 도 1에서 P로 표시된 부분)에 더 가깝게 배치되어 있을 수 있다. 다른 예시에서 상기 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230) 중 어느 하나는, 상기 유출구와 인접하여 배치되고, 다른 하나는 상기 유입부과 인접하여 배치될 수 있다. 상기 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230)는 가열의 목적과 유체의 상태 등에 따라서 이러한 배치에서 보다 효과적인 가열이 가능할 수 있다. 상기 가열원(200)은, 상기 전압원(210), 전류 유입부(220), 전류 수용부(230) 및 상기 유체 흐름 라인(110)을 포함하는 라인이 마치 전기 회로와 같은 형태가 되어서 상기 유체 흐름 라인(110)에 직접 전류가 흐를 수 있도록 설계되어 있다. 즉, 상기 가열원(200)에 의해서 상기 유체 흐름 라인은 통전될 수 있다.
따라서, 상기 가열원(200)은, 상기 전류 유입부(220), 상기 전류 수용부(230) 및 유체 흐름 라인(110)을 통하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 전위차를 상기 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 형성할 수 있도록 설치되어 있다. 상기 유체 가열 장치는, 전술한 바와 같이 상기 전류에 의해서 상기 표면부에 열(저항열)이 발생하여 상기 내부 통로를 흐르는 유체에 열을 전달하도록 설치되어 있을 수 있다.
상기 전류 유입부(220)는, 적어도 하나 이상의 제 1 전도체(240a)를 포함하고, 상기 전류 수용부(230)는, 적어도 하나 이상의 제 2 전도체(240b)를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)는, 유체 흐름 라인(110)과 전기적으로 연결되어 있다. 일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)는, 상기 유체 흐름 라인(110)의 표면부와 직접 접촉하여 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 가열원(200)의 전압원(210)은, 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)의 사이에서 전위차를 형성하여 전류를 발생시키고, 이러한 전류는, 유체 흐름 라인(110)을 흐르면서 열을 발생시킨다. 상기 전압원(210)은, 직류를 공급할 수 있는 직류 전압원 또는 교류를 공급할 수 있는 교류 전압원일 수 있다. 상기 전압원은, 가열의 목적과 가열되는 유체를 고려하여 적정한 크기의 전류를 형성할 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 전류는 직류 또는 교류 전류일 수 있다. 직류는 시간에 의존하지 않고 일정한 방향으로 흐르는 전류를 의미하고, 교류는 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전류를 의미할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 전압원은, 펄스형 전류 및 바이폴라형 전류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 형성하도록 구성되어 있을 수 있다. 이에 의해서 상기 가열원(200)는 패턴을 가진 전류를 제공할 수 있다. 이를 통해서 목적에 따라서 유체 흐름 라인의 온도를 정밀하고, 신속하게 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 가열원(200)이 패턴을 가진 전류를 제공하는 것에 의해서 유체 흐름 라인(110)의 온도를 단 시간 내에 균일하게 승온할 수 있다.
상기 패턴을 가지는 전류는, 예를 들면, 전술한 펄스형 전류 또는 바이폴라형 전류일 수 있다. 상기 펄스형 전류는, 예를 들면, 정해진 시간(t1) 동안 일정한 세기의 직류 전류를 형성한 후에 정해진 시간(t2) 동안 전류를 차단하는 패턴일 수 있다. 또한, 상기 바이폴라형 전류는, 정해진 시간(t3)동안 일정한 세기의 직류 전류(A1)를 형성한 후에 정해진 시간(t4)동안 상기 직류 전류(A1)의 반대 위상을 가지면서 일정한 세기의 직류 전류(A2)를 형성하는 패턴일 수 있다. 반대 위상이란 위상차가 약 180도 정도인 경우이다. 또한, 상기 직류 전류(A1)와 직류 전류(A2)의 크기는 서로 상이할 수 있다.
도 8은 상기 펄스형 전류와 바이폴라형 전류의 비제한적인 예시이다. 그렇지만, 본 명세서의 전압원이 제공하는 전류의 패턴은 도 8에 제한되지 않는다. 예를 들면, 펄스형 전류에서 전류가 흐르는 시간 및 전류가 흐르지 않은 시간이 일정하지 않게 제어될 수도 있고, 주기별로 전류의 세기도 다르게 제어될 수 있으며, 이는 바이폴라형의 경우도 같다. 또한, 펄스형과 바이폴라형이 혼재된 형태의 전류도 형성될 수 있다.
상기 패턴 전류에서 전류의 세기(A1, A2) 및/또는 상기 전류의 제공 및 차단의 시간(t1, t2, t3, t4)의 구체적인 값은, 가열의 목적, 가열되는 유체의 상태 및/또는 유체 흐름 라인(110)의 형태 등을 고려하여 정해질 수 있다.
전압원이 상기와 같은 펄스형 또는 바이폴라형 전류를 제공하도록 형성되는 것에 의해서 전류에 의한 자기장 형성을 억제하여 주변 장치로의 영향을 최소화하면서도 효율적으로 유체 흐름 라인(110)의 발열을 안정적으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 전류의 제공을 통해서 온도를 빠르게 승온하면서도 균일성(uniformity)을 확보할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 가열원(200)의 전류 유입부(220)는 상기 제 1 전도체(240a)를 통해서 직접 전류를 유체 흐름 라인(110)으로 유입시키고, 전류 수용부(230)는 상기 제 2 전도체(240b)를 통해서 전류를 유체 흐름 라인(110)으로부터 전류를 직접 수용한다. 즉, 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)는, 유체 흐름 라인(110)과 전기적으로 직접 연결된 상태일 수 있다.
상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)는 유체 흐름 라인(110)으로 전기를 유입하거나, 상기 전기를 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로는 상기 기능을 수행할 수 있도록 적절한 전기 전도성을 가지는 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)는 각각 독립적으로 철; 크롬; 알루미늄; 및 합금(예를 들면, 철, 크롬 및 알루미늄을 포함하는 합금)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 되거나, 그를 포함할 수 있다. 이러한 재료들은, 적절한 전기 전도성을 나타내면서 유체 가열을 위해 발열하는 유체 흐름 라인(110)의 열 등에 의한 전기 전도성 및 내구성의 감소에 효율적으로 대응할 수 있다. 다만, 상기 기능을 나타낸다면, 전도체로 사용 가능한 소재가 상기에 제한되는 것은 아니다.
전류 유입부(220)는, 적어도 하나의 제 1 전도체(240a)를 포함할 수 있고, 전류 수용부(230)도, 적어도 하나의 제 2 전도체(240b)를 포함할 수 있다. 유체 흐름 라인(110)을 통전시키기 위해서는, 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)가 각각 1개씩 존재하여도 무방하지만, 라인(110)의 운전 과정에서 전도체의 전기 전도성이 손상되는 경우에 운전에 문제가 발생할 수도 있기 때문에, 경우에 따라서는 전류 유입부(220) 및 전류 수용부(230) 각각에 복수의 전도체를 설치하고, 그 중 어느 하나의 전도체의 전기 전도성이 손상되는 경우에도 다른 전도체가 작동할 수 있도록 복수의 전도체의 배열을 제어할 수도 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 냉각부(300)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 냉각부(300)은, 상기 제 1 및/또는 제 2 전도체가 전류를 공급하는 과정에서 발생할 수 있는 열을 회수할 수 있도록 존재할 수 있다. 즉, 상기 제 1 및/또는 제 2 전도체에서도 전술한 줄 효과에 의해서 저항열이 발생할 수 있는데, 이러한 저항열에 의한 저항 상승 등으로 인해 라인의 가열 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 상기 냉각부(300)를 통해서 열을 회수하면서 운전을 할 수 있다. 이러한 냉각부는, 상기 제 1 전도체 및 제 2 전도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체와 열교환이 가능하도록 접촉된 상태로 유체 가열 장치에 포함될 수 있다.
이에 의해서 상기 냉각부(300)은, 상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체에서 발생할 수 있는 열을 회수할 수 있다.
상기 냉각부(300)는 상기 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)과는 접촉하지 않을 수 있다. 상기에서 접촉을 하지 않는다는 것은 상기 냉각부(300)와 상기 유체 흐름 라인(110)이 그들간의 열교환이 실질적으로 이루어지지 않도록 배치되어 있다는 것을 의미한다. 예를 들면, 냉각부(300)는, 유체 흐름 라인(110)의 임의의 지점과 서로 닿지 않게 마련될 수 있다. 이를 통해서 가열된 유체 흐름 라인(110)의 온도가 냉각부의 영향으로 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)에서, 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상과 접촉할 수 있다. 이 때의 접촉은 냉각부(300)가 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 열교환이 가능한 상태로 존재하는 것을 의미한다. 따라서, 냉각부과 상기 전도체와 직접 접촉하는 경우는 물론 직접 접촉하지 않더라도 열전도 내지 열교환이 가능한 상태도 포함될 수 있다. 냉각부(300)에 포함되는 구성은 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)의 적어도 일부분 또는 전부와 서로 직접 접촉하거나, 별도의 층을 사이에 두더라도 열전도 내지 열교환이 이루어지도록 마련될 수 있다. 이를 통해서 상기 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 직접 회수할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있도록 구성된다면, 특별한 제한 없이 업계에서 공지된 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각부(300)는 냉매(310) 및 순환 라인을 포함할 수 있다. 이를 통해서 냉매(310)가 순환되면서 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있다. 예를 들면, 냉각부(300)의 냉매(310)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 접촉하여 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있다. 도 1은, 냉각부(300)가 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 냉매(310)를 통해 회수하고 있는 비제한적인 예시이다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)에서, 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)의 형태와 재료 등을 고려하여 적절한 형태를 구비하고 있을 수 있다. 도 4는 냉각부(300)의 비제한적인 예시이다. 도 4를 참조하면, 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a)의 적어도 일부와 냉매(310)가 접촉하되, 상기 냉매(310)과 외부로 유출되지 않도록 적절한 내부 공간을 가지는 냉매 저장 공간(330)을 포함할 수 있다. 도 4의 예시는, 냉각부(300)의 예시적인 형태이고, 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 냉매(310)가 접촉하여 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있도록 구성된다면, 그 형태는 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)에서, 냉각부(300)는 전술한 바와 같이 냉매(310)를 포함하고, 상기 냉매(310)가 순환 라인을 통해 순환하면서, 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있다. 상기 냉매(310)는 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상과 직접 접촉함으로써 열을 회수할 수 있다.
도 5는 냉각부(300)의 냉매(310) 순환 시스템의 비제한적인 예시이다. 도 5에 예시된 바와 같이 제 1 전도체(240a)에서 열을 일단 회수한 냉매는, 순환하면서 별도의 냉각기(320) 및/또는 공기와 열 교환을 하여 냉각된 후 다시 제 1 전도체(240a)로부터 열을 회수할 수 있다. 도 5는 제 1 전도체(240a)에 대해서만 나타내었으나, 제 2 전도체(240b)에서도 유사한 시스템이 적용될 수 있다.
하나의 예시에서 냉매 및 순환 라인을 포함하는 냉각부의 상기 순환 라인은, 상기 냉매가 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 어느 하나와 열교환하고, 이어서 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 다른 하나와 열교환하면서 순환하도록 형성되어 있을 수 있다.
도 6은, 이러한 순환 시스템의 하나의 비제한적인 예시이다. 도 6에 예시된 바와 같이, 냉매(310)는 제 1 전도체(240a)에서 발생된 열을 열교환을 통해 회수한 후 제 2 전도체(240b)에서 발생된 열을 열교환을 통해서 회수하면서 순환할 수 있다. 이러한 순환 과정에서 예를 들면, 제 1 전도체(240a)에서 발생된 열을 회수한 냉매는, 제 2 전도체(240b)와의 열교환 전에 별도의 냉각기(미도시) 및/또는 공기와 열교환을 통해 냉각될 수 있으며, 제 2 전도체(240b)에서 발생된 열을 회수한 냉매는, 제 1 전도체(240a)와 열교환 전에 별도의 냉각기(미도시) 및/또는 공기와 열교환하여 냉각되면서 연속적으로 순환할 수 있다.
상기 냉각부(300)에 의해 열이 회수되는 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상은 절연 처리를 포함할 수 있다. 즉, 상기 열교환이 가능하도록 냉각부와 접촉하는 전도체는, 절연 처리된 것일 수 있고, 예를 들면, 절연재로 둘러싸여 있을 수 있다. 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)는 전압원(210)과 연결되어서 전류가 흐르는 상태이기 때문에 외부 요인에 인하여 단락(short) 현상 등이 이 발생될 수 있다. 절연 처리는 이러한 단락 현상 등을 방지하기 위해서 수행될 수 있다. 예를 들어서, 상기 냉각부(300)가 냉매(310)를 이용하는 경우, 상기 냉매(310)가 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 접촉하면서 단락 현상을 유발할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)의 적어도 냉매(310)와 접촉하는 부분에는 절연재 코팅 등의 절연 처리가 되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 하나의 예시에서, 하기 식 1을 만족할 수 있다. 이를 통해서 보다 효과적으로 열을 전달할 수 있다.
[식 1]
d ≥ L/2
식 1의 d는 상기 제 1 전도체(240a)와 제 2 전도체(240b) 사이의 직선 거리이다. 예를 들면, 상기 d는 제 1 전도체(240a)의 무게 중심과 제 2 전도체(240b)의 무게 중심 사이의 직선 거리를 의미할 수 있다.
식 1의 L은 상기 유체 흐름 라인(110)에서 유체가 흐르는 거리를 의미한다. 도 1의 경우, L은 유체 흐름 라인(110)에서 유체가 흐르는 방향으로의 길이를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(20)는, 하나의 예시에서 상기 유체 흐름 라인(110)를 포함하는 가열부(100); 및 상기 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)에 전류를 공급하는 가열원(200)을 포함하되, 상기 가열부(100)가 복수의 유체 흐름 라인(110)을 포함할 수 있다. 이러한 경우에 상기 가열부(100)의 개개의 유체 흐름 라인(110)과 가열원(200)에 대한 설명은 상기의 내용이 필요한 경우에 적절한 변형 하에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(20)가 가열부(100)에서 복수의 유체 흐름 라인(110)을 포함하는 경우, 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각에는 전술한 가열원의 전류 유입부와 전류 수용부가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 경우에 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 수용부는 다른 유체 흐름 라인에 연결되어서 상기 다른 유체 흐름 라인의 전류 유입부로 기능하도록 구성되어 있을 수 있다. 또는, 상기의 경우에 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 다른 유체 흐름 라인에 연결되어서 상기 다른 유체 흐름 라인의 전류 수용부로 기능하도록 구성되어 있을 수 있다. 예를 들어서, 가열부가 유체 흐름 라인으로서 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인을 포함하는 경우에 상기 가열원의 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인 각각에 형성되되, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있을 수 있다.
이러한 방식으로 상기 가열부의 복수의 유체 흐름 라인(110)을 모두 전기적으로 연결할 수 있다.
특히, 본 명세서에서 기술하는 방식에 의하면, 상기 복수의 유체 흐름 라인(110)을 서로 전기적으로 직렬로 연결한 네트워크를 형성할 수 있다. 이러한 방식에 의하면, 전기적 가열의 제어를 복수의 유체 흐름 라인에 대해서 원하는 방식으로 정밀하게 제어될 수 있다. 예를 들면, 동일한 전류의 형성을 통해서 복수의 유체 흐름 라인에 동일한 발열 효과를 예측성 높게 얻을 수 있다.
이러한 직렬 연결 네트워크가 형성되기 위해서는, 상기 복수의 유체 흐름 라인이 아래의 3가지 경우 중 어느 하나에 해당하여야 한다.
경우 1: 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 전압원과 연결되고, 전류 수용부는 제 2 유체 흐름 라인에 연결(상기 전류 수용부는, 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부이면서 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부로 기능)
경우 2: 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 제 2 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결되고, 전류 수용부는 제 3 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결(상기 전류 유입부는 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부이면서 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부로 기능하고, 상기 전류 수용부는, 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부이면서, 제 3 유체 흐름 라인의 전류 유입부로 기능)
경우 3: 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 제 2 유체 흐름 라인과 연결되고, 전류 수용부는 전압원에 연결(상기 전류 유입부는, 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부이면서 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부로 기능)
따라서, 상기 직렬 연결 네트워크가 형성된 경우에 유체 가열 장치는 하기 식 2를 만족한다.
[식 2]
A - B = 1
식 2에서 A는, 상기 직렬 연결 네트워크의 전류 유입부와 전류 수용부의 합계 수이고, B는, 상기 직렬 연결 네트워크의 유체 가열 장치의 수이다. 단, 이러한 경우에 상기 전류 유입부와 전류 수용부 각각은 하나 또는 복수의 전도체를 포함할 수 있다.
도 9는 이러한 유체 가열 장치(20)의 비제한적인 예시이다. 도 9와 같이 상기 복수의 유체 흐름 라인(110)은 전도체(240a)를 포함하는 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230)를 통해서 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 상기 전도체에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 같고, 이러한 전도체는, 각 전류 유입부와 전류 수용부에 하나 또는 복수 존재할 수 있다.
도 9와 같은 구조에서도 각 전도체 또는 전류 유입부와 전류 수용부에는 전술한 냉각부가 구비되어 있을 수 있다.
도 9와 같이 복수 존재하는 유체 흐름 라인(110) 각각이 직선 형태인 파이프 형태인 경우에 이러한 파이프 형태의 각각의 유체 흐름 라인(110)는 실질적으로 평행하게 배열될 수 있다. 이러한 배열을 통해서 대량의 유체를 보다 효율적으로 처리할 수 있다.
상기와 같이 유체 가열 장치가 복수의 유체 흐름 라인을 포함하는 경우에 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각의 내부 통로는 서로 연통되어 있지 않을 수 있다. 이는, 하나의 유체 흐름 라인의 내부 통로로 흐르는 유체가 다른 유체 흐름 라인의 내부 통로로는 흐르지 않도록 설계된 것을 의미한다. 도 9와 같이 각각의 유체 흐름 라인(110)으로 유입된 유체는, 다른 유체 흐름 라인(110)으로는 흐르지 않도록 구성될 수 있다. 따라서, 유체는 하나의 유체 흐름 라인(110)에 유입되면 다른 유체 흐름 라인(110)를 통해서는 유출되지 않을 수 있다. 이러한 구조는, 열 에너지를 각 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 유체에 균일하게 전달하는 것에 효과적이다. 이러한 경우에 유체는 상기 복수의 유체 흐름 라인(110)에 대해서 병렬로 유입되어 병렬로 유출될 수 있다.
도 9에 예시된 바와 같이, 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(20)는 단열부(400)를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 상기 가열부 또는 유체 흐름 라인은 단열 처리되어 있을 수 있다. 전술한 바와 같이 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 공기의 유입 및 배기 가스의 배출 없이 유체의 가열이 가능하기 때문에, 유체 흐름 라인(110)을 단열재로 둘러싸는 것이 가능하다. 단열재가 존재하는 경우에 유체 흐름 라인(110)에 전달되는 열 에너지의 손실(loss)을 방지할 수 있고, 더욱 효과적으로 유체에 열을 전달할 수 있다. 또한, 상기 단열재를 통해서 상기 냉각부가 가열부의 열을 낮추지 않으면서도 제 1 전도체 및/또는 제 2 전도체에서 발생하는 열을 효과적으로 회수하여 더 효율적인 열관리가 가능하다.
본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용한 유체 가열 방법에 대해서 기술한다.
이러한 유체 가열 방법은, 상기 가열원의 상기 전류 유입부와 상기 전류 수용부의 사이에서 전위차를 형성하여, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 상기 유체 흐름 라인에 전류가 흐르도록 하는 단계와 상기 전류의 흐름에 의해서 상기 유체 흐름 라인의 표면부에서 발생한 열을 상기 유체 흐름 라인의 내부 통로를 흐르는 유체에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 방식에서 적용되는 유체 가열 장치에 대한 구체적인 내용은 전술한 바와 같다. 예를 들면, 상기 단계에서 흐르는 전류는, 전술한 직류 전류, 교류 전류, 펄스형 전류 또는 바이폴라형 전류 중 어느 하나 또는 2개 이상의 조합일 수 있다.
10, 20: 유체 가열 장치
P, R: 유체의 흐름
100: 가열부
200: 가열원
300: 냉각부
P, R: 유체의 흐름
100: 가열부
200: 가열원
300: 냉각부
Claims (15)
- 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인; 및
가열원을 포함하며,
상기 가열원은,
상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 1 전도체를 포함하는 전류 유입부;
상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 2 전도체를 포함하고, 상기 전류 유입부와는 별도로 존재하는 전류 수용부; 및
전압원을 포함하고,
상기 가열원은, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인을 통하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 전위차를 상기 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 형성할 수 있도록 설치되어 있으며,
상기 전류에 의해서 상기 표면부에서 열이 발생하여 상기 내부 통로의 유체에 열을 전달하도록 설치되어 있는 유체 가열 장치. - 제 1 항에 있어서, 전압원은, 직류 전류, 교류 전류, 펄스형 전류 및 바이폴라형 전류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 형성하도록 구성되어 있는 유체 가열 장치.
- 제 1 항에 있어서, 제 1 전도체 및 제 2 전도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체와 열교환이 가능하도록 접촉하고 있는 냉각부를 추가로 포함하는 유체 가열 장치.
- 제 3 항에 있어서, 냉각부는, 유체 흐름 라인과는 접촉하지 않은 유체 가열 장치.
- 제 3 항에 있어서, 냉각부는, 냉매 및 순환 라인을 포함하고, 상기 순환 라인은, 상기 냉매가 제 1 및 제 2 전도체 중 어느 하나와 열교환하고, 이어서 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 다른 하나와 열교환하면서 순환하도록 형성되어 있는 유체 가열 장치.
- 제 3 항에 있어서, 냉각부와 접촉하는 전도체는 절연 처리되어 있는 유체 가열 장치.
- 제 1 항에 있어서, 유체 흐름 라인은 단열 처리되어 있는 유체 가열 장치.
- 제 1 항에 있어서, 유체 흐름 라인은, 상기 유체 흐름 라인으로 유체가 유입될 수 있도록 형성된 유입구와 상기 유체 흐름 라인으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 유출구를 포함하고, 상기 유체 흐름 라인은, 유입구와 유출구를 연결하는 가상의 선과 중력 방향이 이루는 각도가 80도 내지 90도의 범위 내가 되도록 설치되어 있는 유체 가열 장치.
- 제 1 항에 있어서, 유체 흐름 라인은, 상기 유체 흐름 라인으로 유체가 유입될 수 있도록 형성된 유입구와 상기 유체 흐름 라인으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 유출구를 포함하고, 상기 유입구의 면적 SA와 상기 유출구의 면적 SB의 비율 SA/SB은, 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있는 유체 가열 장치.
- 제 1 항에 있어서,
유체 흐름 라인으로서 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인을 포함하고,
가열원의 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인 각각에 형성되되,
상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있는
유체 가열 장치. - 제 1 항에 있어서,
유체 흐름 라인으로서 복수의 유체 흐름 라인을 포함하고,
전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각에 형성되어 있으며,
상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 또는 상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성된 유체 가열 장치. - 제 11 항에 있어서, 복수의 유체 흐름 라인과 가열원은 직렬 연결 네트워크를 형성하고 있는 유체 가열 장치.
- 제 12 항에 있어서, 직렬 연결 네트워크는 하기 식 2를 만족하는 유체 가열 장치:
[식 2]
A - B = 1
식 2에서 A는, 상기 직렬 연결 네트워크의 전류 유입부와 전류 수용부의 합계 수이고, B는, 상기 직렬 연결 네트워크의 유체 가열 장치의 수이며, 상기 전류 유입부와 전류 수용부 각각은 하나 또는 복수의 전도체를 포함한다. - 제 11 항에 있어서, 복수의 유체 흐름 라인 각각의 내부 통로는 서로 연통되어 있지 않은 유체 가열 장치.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 유체 가열 장치를 사용하여 유체를 가열하는 방법이고,
가열원의 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 전위차를 형성하여, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인에 전류를 흘리고, 상기 전류의 흐름에 의해서 상기 유체 흐름 라인의 표면부에서 발생한 열을 상기 유체 흐름 라인의 내부 통로를 흐르는 유체에 전달하는 것을 포함하는 유체 가열 방법.
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