KR20240095204A - 그루브 및 리세스를 가진 열교환기 플레이트들의 쌍 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기 플레이트들의 쌍에 관한 것이다. 각각의 플레이트(A, B)는 플레이트들 사이의 내부 체적(V)에 의해 한정된 채널 내로 돌출하는 적어도 하나의 그루브(101, 102)를 구비하는 중앙 패널을 포함한다. 플레이트들(A, B)의 쌍 내에서, 제 1 플레이트(A)의 각각의 그루브(101)는 제 2 플레이트(B)의 각각의 그루브(102)와 평행하다.
Description
본 발명은 특히 2개의 가스 사이, 또한 2개의 액체 사이, 또는 액체와 가스 사이의 열교환을 위해 사용되는 플레이트 열교환기의 분야에 관한 것이다.
본 발명에서 특히 관심있는 열교환기는 예를 들어 0.01 내지 1.5 MPa의 비교적 낮은 압력에서 큰 또는 작은 유동 용적으로 작동하는 가스-가스 교환기이다. 이는, 예를 들어, 노들을 위한 공기 예열기로서 사용될 수 있거나, 이는 NOx 저감(reduction) 시스템들("DeNOx" 디바이스들)의 일부일 수 있다.
열교환기는 고온 유체와 저온 유체의 혼합 없이 이들 간의 열교환을 제공하는데 그 목적이 있다. 플레이트 열교환기는 컴팩트하면서도 교환 표면이 크기 때문에 열적 성능이 양호하다.
플레이트 열교환기는 일정 간격으로 서로 평행하게 적층된 복수의 플레이트들에 의해 열을 회수한다. 플레이트들은 두 인접한 플레이트들 사이의 공간이 유체가 관류할 수 있는 채널을 형성하도록 이격된다. 연속된 채널에 고온 유체와 저온 유체를 교대로 공급하여 각 플레이트의 에이전시를 통해 고온 유체와 저온 유체 간의 열전달이 이루어지도록 한다.
플레이트 열교환기의 효율은 주로 이를 통과하는 유체들 사이의 열교환에 의해 결정된다. 교환기 플레이트 지오메트리는 열교환기에 영향을 미친다. 플레이트는 특히 실질적으로 평면일 수 있거나, 또는 릴리프(relief) 부분을 가질 수 있다.
특허 출원 FR-3,086,742(WO-2020/069,880) 및 FR-3,108,714(WO-2021/190,879)는 내부에 플레이트 쌍들이 형성되는 플레이트 열교환기를 설명하고 있다. 이러한 플레이트 교환기의 경우, 각각의 플레이트는 중앙 패널을 포함하고, 2개의 플레이트의 중앙 패널들은 유체를 위한 채널을 형성하도록 평행하고 이격된다. 또한, 플레이트 쌍은 플레이트들의 중앙 패널들 사이에 조립 및 이격을 위한 적어도 하나의 접합 패널을 포함한다. 접합 패널들은 중앙 패널들에 대해 경사진다. 이 열교환기 내에서, 열교환은 특히 평면 플레이트를 통하여, 가능하게는 릴리프 없이 일어난다. 만족스럽지만, 이러한 플레이트 열교환기의 열 효율은 개선될 수 있다.
열교환을 증가시키도록 이들 유체의 교반을 가능하게 하기 위해, 열교환기의 플레이트는 유체 유동 파괴(disruption) 장치를 구비할 수 있다.
경제적이고 실용적인 이유들로, 이러한 파괴 장치의 배치는 일반적으로 모든 플레이트들에 대해 동일하다.
특허 출원 FR-3,003,637은 이격되고 실질적으로 평행한 적어도 한 쌍의 유사한 플레이트들을 포함하는 플레이트 열교환기를 설명하고 있다. 플레이트들은 각각의 플레이트의 측면에 45°로 배향된 방향으로 연장되는 이격된 그루브들을 가질 수 있다. 제 2 플레이트는 메인 패널에 수직인 축에 대해 90° 회전에 의해 불변 형상이다. 따라서, 제 1 플레이트의 그루브들은 제 2 플레이트의 그루브들에 수직하다. 그루브들은 따라서 유체의 교반을 가능하게 하는 릴리프를 형성하여 열교환을 증가시킨다. 그러나, 열교환 성능을 향상시킬 수 있으며, 이 열교환기는 병류형(co-current) 열교환만을 가능하게 할 뿐, 역류(counter-current)나 교차류(cross-current)의 열교환은 이루어지지 않는다.
본 발명은 최적화된 열 성능 및 제한된 압력 강하를 가지는 플레이트 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 본 발명은 열교환기 플레이트들의 쌍에 관한 것이다. 각각의 플레이트는 플레이트들 사이의 내부 체적에 의해 한정된 채널 내로 돌출하는 적어도 하나의 그루브를 구비하는 중앙 패널을 포함한다. 플레이트들의 쌍 내에서, 제 1 플레이트의 각각의 그루브는 제 2 플레이트의 각각의 그루브와 평행하다. 두 개의 플레이트들 내의 그루브들은 유체의 교반을 허용하는 릴리프를 형성하여, 제한된 압력 강하로 증가된 열 교환을 제공한다. 더욱이, 이 설계는 병류, 역류 또는 교차류 열교환에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 플레이트 쌍들의 스택, 그러한 플레이트 쌍을 포함하는 열 교환기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 플레이트 쌍들의 스택 또는 그러한 열교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 제 1 유체의 유동을 위한 채널을 형성할 수 있는 내부 체적을 형성하도록 이격되고 대향하여 배치되는 제 1 및 제 2 열교환기 플레이트를 포함하는 한 쌍의 열교환기 플레이트에 관한 것으로, 각각의 플레이트는 중앙 패널을 포함하고, 제 1 및 제 2 플레이트의 중앙 패널은 바람직하게는 실질적으로 사변형이고, 선택적으로 절두(truncated), 절단(cut) 또는 둥근(rounded) 에지들을 가지며, 제 1 및 제 2 플레이트의 중앙 패널은 서로 평행하고 평면이다. 각각의 플레이트의 중앙 패널은 내부 체적 내로 돌출하는 적어도 하나의 그루브, 바람직하게는 실질적으로 직선형 그루브를 포함하고, 제1 플레이트의 각각의 그루브는 제2 플레이트의 각각의 그루브와 평행하다.
일 실시형태에 따르면, 각각의 그루브는 상기 중앙 패널의 일 측면에 대해 0 이 아니고 직각이 아닌 각도 α 로 경사지며, 각도 α 는 10°이상, 바람직하게는 10° 와 80° (포함) 사이의 범위, 더 바람직하게는 30° 와 70° (포함) 사이의 범위, 가장 바람직하게는 40° 와 50° (포함) 사이의 범위이다.
일 구현예에 따르면, 상기 제 2 열교환기 플레이트의 각 그루브는 상기 제 1 열교환기 플레이트 및 상기 제 2 열교환기 플레이트의 그루브들에 수직인 방향으로 상기 제 1 열교환기 플레이트의 각 그루브에 대하여 오프셋되어 있다.
하나의 실시형태 옵션에 따르면, 각각의 플레이트의 각각의 중앙 패널은, 서로 평행하고 바람직하게는 균일하게 이격된 복수의 그루브들을 포함한다.
유리하게는, 상기 제 1 플레이트의 상기 그루브들의 고른 간격 또는 피치는 상기 제 2 플레이트의 상기 그루브들의 피치와 동일하다.
바람직하게는, 상기 그루브들에 수직인 방향으로의 오프셋은 상기 피치의 1/3 과 2/3 사이의 거리를 가지며, 바람직하게는 상기 피치의 절반이다.
유리하게는, 2개의 연속적인 그루브들 사이의 피치는 10 mm 내지 80 mm(포함), 바람직하게는 20 mm 내지 60 mm(포함)의 범위이다.
일 양태에 따르면, 각 그루브의 단면 형상은 원호, 반원, U, V, 타원, 비행기 날개, 스피어헤드 중에서 선택되며, 상기 형상은 바람직하게는 원호 또는 비행기 날개 중에서 선택된다.
일 특징에 따르면, 각 그루브의 폭은 4 mm 내지 30 mm(포함), 바람직하게는 6 mm 내지 25 mm(포함)의 범위이다.
일 실시형태에 따르면, 각 그루브의 돌출 높이는 1.5 mm 내지 6 mm(포함), 바람직하게는 2 mm 내지 5 mm(포함)의 범위이다.
일 구현예에 따르면, 제1 및 제2 플레이트의 모든 그루브들은 동일한 단면, 동일한 폭 및 동일한 돌출 높이를 갖는다.
일 실시형태 옵션에 따르면, 제 1 열교환기 플레이트와 상기 제 2 열교환기 플레이트는 중앙 패널의 한 면 또는 두 면 상에 배열된 한 개 또는 두 개의 접합 패널에 의해 연결된다.
또한, 본 발명은 상기 특징들 중 하나에 따른 적어도 두 쌍의 플레이트들을 포함하는 열교환기 플레이트들의 쌍들의 스택에 관한 것이고, 상기 플레이트 쌍들은 연속적인 플레이트 쌍들이 이격되는 방식으로 적층된다. 제1 플레이트 쌍 및 제2 플레이트 쌍으로 각각 지칭되는 2개의 연속적인 플레이트 쌍들에 대해:
a. 제1 플레이트 쌍 및 제2 플레이트 쌍은 서로 평행하게 배치되고, 서로 마주보도록 배치되며, 각 플레이트 쌍의 플레이트들 사이의 공간은 제1 유체의 흐름을 위한 채널을 형성하고,
b. 제 1 플레이트 쌍과 제 2 플레이트 쌍 사이의 공간은 제 2 유체의 흐름을 위한 채널을 형성하고, 제 2 플레이트 쌍은 바람직하게는 제 1 플레이트 쌍과 동일하거나, 또는 제 1 플레이트 쌍의 거울상이다.
일 실시예에 따르면, 제2 유체의 유동을 위한 상기 채널은 제1 유체의 유동을 위한 상기 채널에 수직이다.
본 발명은 상기 특징들 중 하나에 따른 플레이트 쌍들, 또는 상기 특징들 중 하나에 따른 플레이트 쌍들의 스택을 포함하는 플레이트 열교환기에 관한 것이며, 플레이트 쌍들 또는 플레이트 쌍들의 스택은 프레임 내에 배열된다.
게다가, 본 발명은 상기 특징들 중 하나에 따른 플레이트 쌍들의 스택 또는 상기 특징들 중 하나에 따른 열교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법의 경우, 다음 단계들이 수행된다 :
a. 각각 중앙 패널을 포함하는 적어도 4개의 플레이트들을 준비하는 단계,
b. 상기 플레이트들의 제 1 절반부에 대해, 특히 드로잉에 의해 각각의 플레이트의 상기 중앙 패널에 적어도 하나의 그루브를 형성하는 단계,
c. 상기 플레이트들의 제 2 절반부에 대해, 특히 드로잉에 의해 각각의 플레이트의 상기 중앙 패널에 적어도 하나의 그루브를 형성하는 단계,
d. 적어도 두 쌍의 플레이트들을 조립하는 단계로서, 각 쌍의 플레이트들에 대해, 상기 플레이트들의 상기 제 1 절반부의 제 1 플레이트를 상기 플레이트들의 상기 제 2 절반부의 제 2 플레이트에 평행하게 배치하여, 가능하게는 상기 그루브들에 수직인 방향으로 제 2 플레이트의 각각의 그루브에 대해 제 1 플레이트의 각각의 그루브의 오프셋을 갖고서, 그루브들이 평행하고 상기 플레이트들 사이의 내부 체적으로 돌출되도록 하는, 상기 적어도 두 쌍의 플레이트들을 조립하는 단계,
e. 서로 평행하고 이격된 적어도 두 쌍의 플레이트들을 적층시키는 단계.
본원에 따른 장치의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 비한정적인 실시예로서 주어진 실시형태들의 이하의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다:
- 도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트 쌍의 2개의 중앙 패널을 도시하고,
- 도 2 는 본 발명의 실시형태에 따른 플레이트 쌍의 2개의 중앙 패널의 단면도를 도시하고,
- 도 3 은 본 발명의 제 1 변형 실시형태에 따른 그루브의 단면(프로파일)을 도시하고,
- 도 4 는 본 발명의 제 2 변형 실시형태에 따른 그루브의 단면(프로파일)을 도시하고,
- 도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 8 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 9 는 플레이트 쌍들의 스택의 일부를 도시하고,
- 도 10 은 비교예에 대해 사용한 3개의 플레이트 쌍 디자인을 도시하고,
- 도 11 은 종래 기술에 따른 플레이트 쌍들의 2개의 예 및 본 발명의 실시형태에 따른 플레이트 쌍에 대해, 각각 레이놀즈 수의 함수에 따른 열 파라미터의 곡선들을 도시한다.
명확성을 위해, 도면들은 반드시 이들이 조립될 수 있는 공간적 위치 또는 이들의 사용 위치에 플레이트들을 도시하지는 않는다. 실제로, 플레이트들은 상이한 평면들에서 모든 도면들로 표현된다. 도면은 도식 표현으로 남아 있으므로, 도시된 모든 컴포넌트는 반드시 스케일링되어야 하는 것은 아니며, 이들은 판독을 용이하게 하기 위해 단순화되었다.
- 도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트 쌍의 2개의 중앙 패널을 도시하고,
- 도 2 는 본 발명의 실시형태에 따른 플레이트 쌍의 2개의 중앙 패널의 단면도를 도시하고,
- 도 3 은 본 발명의 제 1 변형 실시형태에 따른 그루브의 단면(프로파일)을 도시하고,
- 도 4 는 본 발명의 제 2 변형 실시형태에 따른 그루브의 단면(프로파일)을 도시하고,
- 도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 8 은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 플레이트 쌍을 도시하고,
- 도 9 는 플레이트 쌍들의 스택의 일부를 도시하고,
- 도 10 은 비교예에 대해 사용한 3개의 플레이트 쌍 디자인을 도시하고,
- 도 11 은 종래 기술에 따른 플레이트 쌍들의 2개의 예 및 본 발명의 실시형태에 따른 플레이트 쌍에 대해, 각각 레이놀즈 수의 함수에 따른 열 파라미터의 곡선들을 도시한다.
명확성을 위해, 도면들은 반드시 이들이 조립될 수 있는 공간적 위치 또는 이들의 사용 위치에 플레이트들을 도시하지는 않는다. 실제로, 플레이트들은 상이한 평면들에서 모든 도면들로 표현된다. 도면은 도식 표현으로 남아 있으므로, 도시된 모든 컴포넌트는 반드시 스케일링되어야 하는 것은 아니며, 이들은 판독을 용이하게 하기 위해 단순화되었다.
본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "공급" 또는 "입구" 및 "출구" 또는 "배출", 및 "내부" 또는 "외부"는 유체의 유동 방향을 참조하여 사용된다.
본 명세서 전체에서, 중앙 패널의 "측면 또는 에지" 이라는 용어는 특정 폭, 예를 들어 플레이트의 폭의 5% 또는 10% 까지에 걸쳐 중앙 패널의 주변부와 관련하여 사용된다.
본 명세서 전체에서, "거울상" 이라는 용어는 물체를 그 이미지로부터 분리시키는 공간의 중간에 위치된 평면을 중심으로 하는 대칭을 나타낸다.
본 명세서 전체에서, 플레이트의 "내면(inner face)"은 플레이트 쌍으로 조립되는 다른 플레이트를 향해 회전되는 면을 지칭하며, 이 플레이트의 "외면(outer face)"은 해당 플레이트 쌍의 다른 플레이트에 대해 반대 방향으로 회전되는 면이다.
플레이트들의 쌍
본 발명은 플레이트 열교환기의 플레이트들의 쌍에 관한 것이다. 열교환기는 두 개의 유체 사이, 또는 유체와 열원 또는 냉원 사이의 열 교환을 허용한다. 일반적으로, 이러한 열교환기는 적어도 하나의 벽, 특히 두 개의 유체 사이 또는 유체와 열원 또는 냉원 사이의 열 전달을 허용하는 금속 벽(여기서는 플레이트 열교환기용 플레이트)을 포함한다. 벽의 금속(플레이트 열교환기용 플레이트의 금속)은 임의의 유형, 특히 강, 알루미늄, 구리 등 및 이들의 합금일 수 있다. 변형예로서, 벽에는 코팅이 제공될 수 있다. 대안적으로, 벽은 플라스틱 또는 임의의 유사한 재료로 제조될 수 있다.
본 발명은 예를 들어 교차-흐름 원리(cross-flow principle)로 작동하는 플레이트 열교환기에 사용될 수 있으며, 여기서 각각의 플레이트의 양 면들 상에서 흐르는 유체들은 서로에 대해 실질적으로 수직으로 지향된다. 본 발명은 또한 역류 원리(counter-current principle)로 작동하는 플레이트 열교환기에 사용될 수 있으며, 여기서 각 플레이트의 양 면들 상에서 유동하는 유체들은 실질적으로 반대 방향으로 지향된다. 본 발명은 또한 병류 원리(co-current principle)로 작동하는 플레이트 열교환기에 사용될 수 있으며, 여기서 각각의 플레이트의 양 면들 상에서 유동하는 유체들은 실질적으로 동일한 방향으로 지향된다. 본 발명은 또한 다른 흐름 원리로 작동하는 플레이트형 열교환기에 사용될 수 있다.
본 발명은 2개의 유체, 특히 2개의 가스 사이의 열교환에 특히 적합하지만, 또한 2개의 액체 사이의 또는 액체와 가스 사이의 열교환에 사용될 수 있다.
본 발명은 2개의 가스, 특히 단일 장비의 입구 및 출구에서의 가스 흐름들, 예를 들어 노로 이송될 공기 및 이 노로부터의 퓸(fumes), 또는 마찬가지로 NOx 저감 시스템으로부터의 고온 스트림 및 이 NOx 저감 시스템으로 흐르는 저온 스트림 사이의 열교환에 더욱 적합하다.
본 발명에 따르면, 열교환 플레이트들의 쌍은 실질적으로 평면인 제1 열교환기 플레이트 및 실질적으로 평면인 제2 열교환기 플레이트를 포함한다. 플레이트 쌍내에서, 제1플레이트와 제2플레이트는 서로 마주보게 조립 배치되며, 제1유체의 흐름을 위한 단일 채널을 형성할 수 있는 내부 체적을 한정하도록 이격된다.
각각의 플레이트는 열교환기 내에서 2개의 유체 사이의 열교환 표면으로서 역할하는 중앙 패널을 포함한다. 중앙 패널들은 실질적으로 평면이다. 중앙 패널은 제 1 면 (또는 하부면) 및 제 1 면 반대편의 제 2 면 (또는 상부면) 을 갖는다. 따라서, 용어 "하부" 및 "상부"는 수평면으로 배열된 패널에 관례에 의해 관련된다. 플레이트들의 쌍 내에서, 제1 플레이트의 중앙 패널은 제2 플레이트의 중앙 패널과 평행하다. 본 발명에 따른 열교환기 플레이트의 중앙 패널은 예를 들어 임의의 적합한 형상, 사다리꼴, 육각형 또는 사각형을 가질 수 있다. 중앙 패널은 가장 바람직하게는 사변형, 특히 직사각형 또는 정사각형이며, 가능하게는 절두, 절단 또는 둥근 에지들을 갖는다.
더욱이, 각각의 플레이트의 중앙 패널은 내부 체적 내로 돌출하는 적어도 하나의 그루브를 포함한다. 달리 말하면, 각각의 플레이트의 중앙 패널의 내부 면 상에 적어도 하나의 그루브가 돌출된다. 두 개의 플레이트들에 있는 그루브들은 내부 체적 내의 유체들의 교반을 제공하는 릴리프를 형성하여, 열교환이 증가되도록 한다. 실제로, 그루브들은 열교환기를 통해 유동하는 적어도 하나의 유체의 난류 레벨을 증가시키고, 플레이트에서의 유동의 경계층을 파괴하여, 열교환을 촉진한다. 더욱이, 중앙 패널은 평면이고, 중앙 패널은 적어도 하나의 평면 부분 및 적어도 하나의 그루브로 구성된다. 바람직하게는, 각각의 플레이트의 중앙 패널은 내부 체적 내로 돌출하는 그루브들만을 포함하고; 외부 체적에는 그루브가 제공되지 않는다.
본 발명의 구현예에 따르면, 적어도 하나의 그루브는 중앙 패널의 에지에 대해 각도 α 로 경사질 수 있다.
바람직하게는, 이 각도 α 는 0 이 아니고 직각이 아닐 수 있다. 환언하면, 이 바람직한 실시형태에 대해, 그루브는 중앙 패널의 어느 에지에도 평행하지 않다. 따라서, 그루브는 유체의 유동 방향에 평행하지도 수직하지도 않다.
일 태양에 따르면, 중앙 패널의 일 측면에 대한 그루브들의 경사 각도 α 는 10°이상, 바람직하게는 10°내지 80°의 범위, 보다 바람직하게는 30°내지 70°의 범위, 가장 바람직하게는 40°내지 50°의 범위일 수 있다. 이러한 수치 범위는 열교환기 내의 적어도 하나의 유체의 유동 난류 레벨을 증가시키고, 유체 유동의 경계층을 파괴할 수 있게 하며, 이는 열교환 증가의 주요 원인이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 그루브는 (중앙 패널의 평면에서) 직선형일 수 있다. 이러한 형상은 그 제조를 촉진시키고 압력 강하를 제한한다.
본 발명에 따른 플레이트들의 쌍 내에서, 제1 플레이트의 각각의 그루브는 제2 플레이트의 각각의 그루브와 평행하다. 따라서, 제1 및 제2 플레이트의 그루브들의 평행성은 조립체를 단순화할 수 있게 한다: 두 플레이트들은 거의 유사하고, 이들은 다른 플레이트에 대해 하나의 플레이트의 배향의 수정을 요구하지 않는다.
바람직한 실시형태에 따르면, 제2플레이트의 각 그루브는 제1 및 제2플레이트의 그루브들과 수직한 방향으로 제1플레이트의 각 그루브에 대해 오프셋될 수 있다. 다시 말해서, 제2 플레이트의 각각의 그루브는 플레이트들의 쌍에 의해 규정된 내부 체적 내에서 제1 플레이트의 그루브와 마주보지 않는다. 달리 말하면, 적용가능한 경우(각각의 플레이트 상의 복수의 그루브들), 제2 플레이트의 각각의 그루브는 그루브들에 수직인 방향으로 제1 플레이트의 2개의 그루브들 사이에 개재된다. 그루브 오프셋은 채널에서 유체 흐름 붕괴의 최적화를 촉진하며, 이는 플레이트 쌍의 열적 성능이 증가되도록 허용한다.
일 양태에 따르면, 그루브들은 예를 들어 롤링(rolling), 드로잉(drawing), 고무 성형(rubber forming), 또는 임의의 유사한 공정에 의한 변형에 의해 제조될 수 있다.
채널 높이(2개의 연속적인 플레이트들 사이의 공간)는 열교환기의 작동 조건에 따라 결정될 수 있다. 전형적으로, 이는 5 mm 내지 30 mm, 특히 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 30 mm, 또는 임의의 적합한 높이일 수 있다. 일 양태에 따르면, 채널 높이는 열교환기의 저온측과 열교환기의 고온측 사이에서 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기 플레이트의 폭은 전형적으로 750 mm 내지 2000 mm (포함), 바람직하게는 1000 mm 내지 1700 mm (포함) 의 범위일 수 있다. 본 발명에 따른 열교환기 플레이트의 길이는 전형적으로 1000 mm 내지 7500 mm (포함), 바람직하게는 1500 mm 내지 7000 mm (포함) 의 범위일 수 있다.
플레이트의 두께는 0.6 mm 내지 6 mm (포함), 바람직하게는 1.5 mm 내지 2.0 mm (포함) 의 범위일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 각각의 플레이트의 각각의 중앙 패널은 복수의 평행한 그루브들(즉, 서로 평행한 적어도 2개의 그루브들)을 포함할 수 있다. 또한, 각 중앙 패널의 그루브들은 균등하게 이격될 수 있다. 다른 말로 하면, 중앙 패널의 평면 부분은 두 개의 연속적인 그루브들 사이에 개재된다. 그루브들의 개수는 유체의 교반을 증가시켜, 열교환을 증가시킬 수 있다.
유리하게는, 이 실시형태의 경우, 제1 플레이트의 그루브들 사이의 피치는 제2 플레이트의 그루브들 사이의 피치와 동일할 수 있다. 따라서, 동일한 기계 및 유사한 공구로 플레이트를 제조할 수 있으며, 이는 설계를 촉진한다.
유리하게는, 제2 플레이트의 그루브들이 제1 플레이트의 그루브들에 대해 오프셋되는 실시형태의 경우, 그루브들의 수직 방향으로의 오프셋은 피치의 1/3 내지 2/3 사이의 범위의 거리를 가질 수 있다. 따라서, 제2 플레이트의 그루브들은 제1 플레이트의 그루브들 사이에 개재될 수 있다. 바람직하게는, 수직 방향으로의 오프셋은 피치의 절반과 실질적으로 동일한 거리를 가질 수 있다. 따라서, 제2 플레이트의 그루브들은 제1 플레이트의 그루브들 사이의 가운데에 개재될 수 있다.
유리하게는, 피치는 10 mm 내지 80 mm (포함), 바람직하게는 20 mm 내지 60 mm (포함) 의 범위일 수 있다. 피치는 그루브의 제1 에지에 수직인 방향으로 측정된 2개의 연속적인 그루브 정점들 사이의 치수이다.
실시형태 옵션에 따르면, 각각의 그루브는 원호, 반원, U, V, 타원, 비행기 날개, 스피어헤드(spearhead)(스피어의 단부에 부착된 뾰족한 철두의 형상, 화살표 또는 스파이크), 또는 임의의 유사한 형상으로부터 선택되는 형상을 가진 그루브에 대해 횡방향의 단면(단면을 그루브 프로파일이라고도 함)을 가질 수 있다. 바람직하게, 그루브는 원호 또는 비행기 날개의 형상을 갖는다. 이러한 형상은 유체의 교반을 촉진시켜, 열교환을 증대시키고, 돌출 각도를 갖지 않는다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 각각의 그루브의 폭은 4 mm 내지 30 mm (포함), 바람직하게는 6 mm 내지 25 mm (포함)의 범위일 수 있다. 그루브의 폭은 그루브의 제1 에지에 수직인 방향으로 하나의 에지로부터 대향하는 제2 에지까지 측정된다.
일 구현예에 따르면, 각 그루브의 돌출 높이는 1.5 mm 내지 6 mm (포함), 바람직하게는 2 mm 내지 5 mm (포함) 의 범위이다. 그루브의 돌출 높이는 중앙 패널의 평면에 직교하는 방향의 치수이다. 이는 교환기 플레이트 두께, 즉 플레이트의 하부 면으로부터 그루브의 상부까지의 두께를 제외하고 측정된다.
바람직하게는, 그루브의 폭 대 높이 비는 3 내지 5, 더 바람직하게는 3 내지 4의 범위일 수 있다. 이러한 수치 범위는 그루브의 실현을 가능하게 하고 열교환을 촉진하는 난류를 제공한다.
유리하게는, 제1 플레이트 및/또는 제2 플레이트의 모든 그루브들은 그루브의 전체 길이에 걸쳐 일정한 프로파일, 폭 및 높이를 가질 수 있다. 따라서, 돌출부들은 중앙 패널 전체에 걸쳐 동일하다.
유리하게는 제1 및 제2 플레이트의 모든 그루브들은 동일한 단면 (프로파일), 동일한 폭 및 동일한 돌출 높이를 갖는다. 따라서, 돌출부들이 동일하여, 플레이트 쌍의제조를 단순화시킬 수 있다.
일 양태에 따르면, 예를 들어 스트립(strip), 프로파일(profile) 또는 핀 핀 핀(pin fin)으로부터 제조된 스페이서들은 플레이트들 사이의 간격을 보장하기 위해 적어도 하나의 채널/각각의 채널에 삽입될 수 있다. 이들은 느슨하거나 스폿 용접될 수 있거나, 공급 및 배출시에 U자형 클램프에 의해 제 위치에 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 중앙 패널의 적어도 일측에 배치되는 접합 패널에 의해 기계적으로 체결될 수 있다. 적어도 하나의 접합 패널은 플레이트 쌍의 적어도 하나의 플레이트의 중앙 패널에 연결되고, 특히 용접된다.
접합 패널들은 바람직하게는 판 절첩 작업(plate folding operation)에 의해 획득되지만, 이들은 또한 상이하게 획득될 수 있고, 심지어 다양한 종래의 체결 수단들을 사용하여 중앙 패널들에 부착된다. 각각의 접합 패널은 바람직하게는 변형/절첩에 의해 단일 단계로 형성될 수 있다. 변형은 프레스 성형 및/또는 절첩에 의해 얻어질 수 있다. 단일 플레이트 상에 일련의 측방향 접합 패널들(한 쌍 또는 두 쌍의 패널들)을 형성하기 위해, 플랫형의 금속 시트를 변형시키는 일련의 단계들이 요구될 수 있다.
따라서, 이 실시형태의 경우, 열교환기 플레이트는 중앙 패널 및 접합 패널을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 열교환기 플레이트는 바람직하게는 용접가능한 재료, 예를 들어 금속 플레이트, 특히 강, 예를 들어 스테인리스 강으로 구성되는 편평한 금속 시트의 일 단계에서의 변형에 의해 일 피스로 제조될 수 있다.
대안적으로, 각각의 접합 패널은 임의의 종래 기술에 의해, 전형적으로 용접에 의해 인접 플레이트의 중앙 패널에 기계적으로 부착될 수 있다.
또한, 각각의 접합 패널은 플레이트에 대한 체결을 촉진하도록 서로에 대해 경사진 2개의 부분으로 제조될 수 있다.
유리하게는, 각각의 접합 패널의 제2 부분은 당업자에게 공지된 종래의 수단을 사용하여 인접 플레이트의 중앙 패널에 대한 제2 부분의 기계적 체결을 가능하게 하기에 충분히 클 수 있다.
나머지 설명에서는, (플레이트 쌍들의 스택 또는 열 교환기를 형성할 때) 단일 쌍의 플레이트 중 2개의 플레이트가 연결되도록 하는 접합 패널인 "제1 접합 패널"과, 2개의 쌍의 플레이트 중 2개의 플레이트가 연결되도록 하는 접합 패널인 "제2 접합 패널"이 구별된다.
예를 들어, 각각의 플레이트는 다음을 포함할 수 있다:
- 접합 패널 없음, 또는
- 하나 또는 두개의 제1 접합 패널(들), 또는
- 제 1 접합 패널과 제 2 접합 패널, 또는
- 두 개의 제1 접합 패널 및 두 개의 제2 접합 패널.
적어도 하나의 접합 패널은 특허 출원 FR-3,086,742(WO-2020/069,880) 또는 특허 출원 FR-3,108,714(WO-2021/190,879)에 설명된 실시형태들 중 하나에 따를 수 있다.
유리하게는, 적어도 하나 및 특히 모든 접합 패널은 중앙 패널로부터 연장되는 제1 부분 및 상기 제1 부분으로부터 연장되는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 중앙 패널과 각도 δ 를 형성하고, 상기 제2 부분은 상기 중앙 패널에 평행하다. 따라서, 패널의 제2 부분, 즉 평면 표면을, 또한 평면이고 그에 평행한 다른 플레이트의 에지에 체결할 수 있기 때문에, 매우 유리한 구성이다: 용접형 체결이 특히 용이하게 된다.
유리하게는 접합 패널들, 특히 이들 접합 패널들의 2개의 부분들은 플레이트를 절첩함으로써 얻어질 수 있다. 접합 패널의 경사는, 특히 2개의 부분을 포함할 때 제1 부분의 경사는 절첩에서 완전한 각도를 반드시 수반하지는 않는다: 중앙 패널의 평면과 접합 패널의 평면 사이의 교차부는 둥근 각도/만곡된 전이 구역을 형성할 수 있다. 2개의 부분을 포함하는 경우, 접합 패널의 제1 부분과 제2 부분 사이는 동일하다: 제2 부분은 그들 사이에 만곡된 전이 구역을 갖고 제1 부분을 연장할 수 있다.
유리하게는, 접합 패널의 제1 부분과 중앙 패널 사이의 각도 δ 는 적어도 45°, 바람직하게는 적어도 60°, 특히 80°와 110° (포함) 사이의 범위, 바람직하게는 90° 에 가깝다.
실제로, 접합 패널의 제1 부분의 폭 및 중앙 패널에 대한 그 경사 각도 δ 는 2개의 플레이트들 사이의 간격을 규정한다: 예를 들어, 동일한 각도에 대해, 접합 패널의 제1 부분이 더 넓을수록, 2개의 플레이트들 사이의 공간이 더 커진다. 따라서, 접합 패널은, 중앙 패널에 대한 그의 치수 및 위치설정으로 인해, 일단 교환기가 주어진 플레이트 크기를 갖는 이들 쌍 중 하나 이상으로 구성되면, 유체 중 하나가 흐를 체적의 높이를 단독으로 결정한다.
이들 특허 출원에 설명된 제1 변형예에 따르면, 플레이트들의 각각의 쌍은 한 쌍의 접합 패널들을 포함할 수 있다. 이러한 변형예에 대해, 각각의 플레이트는 접합 패널을 포함할 수 있다. 이 실시형태는 한 쌍의 플레이트의 2개의 플레이트에 대해, 동일한 접합 패널을 달성하는 것을 허용하며, 이는 접합 패널의 제조를 용이하게 한다. 플레이트 쌍의 접합 패널들의 설계는 하나의 플레이트를 다른 플레이트에 대해 회전시킴으로써 획득될 수 있다. 대안적으로, 2개의 플레이트 중 하나는 바람직하게는 중앙 패널의 대향 측면들 상에 배열된 2개의 접합 패널을 포함할 수 있다.
이들 특허 출원에 설명된 제2 변형예에 따르면, 플레이트들의 각각의 쌍은 2쌍의 접합 패널들을 포함할 수 있다. 각각의 쌍의 접합 패널들은 중앙 패널들의 상이한 측면 상에 제공될 수 있다. 이러한 변형예에 대해, 각각의 플레이트는 중앙 패널의 2개의 인접한 측면들 상에 2개의 접합 패널들을 포함할 수 있고, 2개의 접합 패널들 중 하나는 "제1 접합 패널"이고, 다른 접합 패널은 "제2 접합 패널"이다. 이 실시형태는, 한 쌍의 플레이트의 2개의 플레이트에 대해, 플레이트 쌍의 접합 패널의 제조를 용이하게 하는 유사한 접합 패널을 달성할 수 있게 한다. 플레이트 쌍의 접합 패널들의 설계는 하나의 플레이트를 다른 플레이트에 대해 회전시킴으로써 획득될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 한 쌍의 플레이트의 2개의 중앙 패널을 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 도 1 은 플레이트의 중앙 패널들을 3차원으로 나타낸 도면이다. 플레이트 쌍은 제1 평면 플레이트(A) 및 제2 평면 플레이트(B)를 포함하고, 2개의 플레이트는 평행하고 이격된다. 두 플레이트들 사이의 내부 체적은 V로 표시된다. 이 체적 V는 화살표 F로 표시된 유체의 흐름에 대해 제공된다. 제 1 플레이트(A)는, 내부 체적(V) 내로 돌출하고 평행한 복수의 직선 그루브들(101)을 포함한다. 그루브들(101)은 플레이트(A)의 중앙 패널의 일 측면과 각도 α 를 형성한다. 또한, 그루브들(101)은 p 로 표시된 피치만큼 균일하게 이격된다. 제 2 플레이트(B)는, 내부 체적 내로 돌출하고 평행한 복수의 직선 그루브들(102)을 포함한다. 제2 플레이트(B)의 그루브들(102)은 제1 플레이트(A)의 그루브들(101)에 평행하다. 따라서 이들은 플레이트(B)의 일 측면에 대해 각도 α 를 형성한다. 그루브들(102)은 바람직하게는 그루브들(101)과 동일한 피치로 균일하게 이격되어 있다. 또한, 제2 플레이트(B)의 그루브들(102)은 바람직하게는, A의 중앙 패널의 평면에 포함되고 그루브들(101, 102)에 수직인 방향 DD에서 제1 플레이트의 그루브들(101)에 대해 오프셋된다. 예시된 예에 대해, 각도 α 는 45°이고, 방향 DD는 (각각 플레이트 B의) 플레이트 A의 대각선이다.
도 2 는 그루브들(101, 102)에 수직인 도 1 의 방향 DD 에서 도 1 의 한 쌍의 플레이트의 2개의 중앙 패널의 일부분의 비제한적인 예로서 주어진 개략 단면도이다. 이 도면은 플레이트 A의 일부, 플레이트 B의 일부, 및 2개의 플레이트 A와 B 사이의 내부 체적(V)을 도시한다. 그루브들(101, 102)은 p로 표시된 피치로 배열된다. 이 도면은 플레이트 A의 그루브들(101)과 플레이트 B의 그루브들(102) 사이의 오프셋(s)을 나타낸다. 이 실시형태에서, 그루브들은 폭 w 및 높이 e 의 원호의 프로파일을 갖는다.
도 3 은 본 발명의 변형 실시형태에 따른 그루브의 원호의 프로파일을 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 원호는 그루브의 높이 e, 원호의 반지름 r, 및 원호의 개구 각도 에 의해 정의될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 변형 실시형태에 따른 그루브의 비행기 날개 프로파일을 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 비행기 날개 프로파일은 특히 그루브의 높이 e 및 그루브의 폭 w 에 의해 정의될 수 있다.
도 5 는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 한 쌍의 플레이트를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 한 쌍의 플레이트는 제1 플레이트(A) 및 제2 플레이트(B)를 포함한다. 플레이트 A는 중앙 패널(A0)을 포함하고, 플레이트 B는 중앙 패널(B0)(미도시)을 포함한다. 중앙 패널 A0 및 B0 은 평면이고, 평행하고 이격되어 내부 체적 (V) 을 형성한다. 중앙 패널 A0 은, 평행하고 내부 체적 (V) 내로 돌출하는 복수의 직선 그루브들(101)을 포함한다. 중앙 패널 B0 은, 평행하고 내부 체적 (V) 내로 돌출하는 복수의 직선 그루브들(미도시)을 포함한다. 제 2 플레이트 (B) 의 그루브들은 바람직한 실시형태에 따라 제 1 플레이트 (A) 의 그루브들(101)에 대해 오프셋될 수 있다. 플레이트 쌍 (A, B) 은 2 개의 제 1 접합 패널 (C 및 D) 을 더 포함한다. 접합 패널 C 및 D 는 중앙 패널 A0 에 대해서 절곡된 플레이트 (A) 의 2 개의 부분으로 이루어진다. 접합 패널들 C 및 D의 절첩부들은 플레이트 B를 향해 지향된다. 접합 패널 C와 D 는 한 쌍의 플레이트 A와 B를 조립할 수 있게 한다. 접합 패널들 C 및 D 는 중앙 패널(A0)의 2개의 대향 측들에 배치된다. 도시된 예에서, 접합 패널들 C 및 D 는 플레이트 A 에 속할 수 있다. 내부 체적 V는 또한 접합 패널 C 및 D에 의해 제한되어, 제1 유체 F1이 흐를 수 있는 채널을 한정한다.
도 6 은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 한 쌍의 플레이트를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 도면의 좌측은 두 개의 플레이트를 개별적으로 도시하고 도면의 우측은 플레이트들의 쌍을 도시한다. 플레이트들의 쌍은 제1 플레이트(A) 및 제2 플레이트(B)를 포함한다. 플레이트 A는 중앙 패널(A0)을 포함하고, 플레이트 B는 중앙 패널(B0)을 포함한다. 중앙 패널 A0 및 B0 는 평면이고 평행하고 이격되어 내부 체적 V 를 형성한다. 중앙 패널 A0 는, 평행하고 내부 체적 V 로 돌출하는 복수의 선형 그루브들(101)을 포함한다. 중앙 패널 B0 는, 평행하고 내부 체적 V 로 돌출하는 복수의 선형 그루브들(102)을 포함한다. 중앙 패널 A0 는 4개의 측면 (A2 내지 A5) 에 의해 한정된다. 측면 A5 는 제1 접합 패널(JA)에 연결된다. 제1 접합 패널(JA)은 제1 부분(A5) 및 제2 부분(A6)을 포함한다. 제1 부분(A5)은 중앙 패널(A0)에 대해 각도 δ 로 구부러진다. 제2 부분(A6)은 제1 부분(A5)에 대해 구부러지고, 평면(A0)에 평행하다. 제2 부분(A6)은 플레이트 B에 체결되도록 의도된다. 플레이트 B, 특히 접합 패널들은 플레이트 A에 대하여 대칭일 수 있고(바람직한 실시예에 따라 오프셋될 때 그루브들을 제외하고), 이는 회전에 의해 추론될 수 있다: 이는 두 개의 부분들 B5 및 B6 에 제1 접합 패널 JB 를 포함하고, 부분 B6 는 플레이트 A에 체결되도록 의도된다.
도 7 은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 한 쌍의 플레이트를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 이 도면은 두 개의 플레이트를 별도로 나타낸 것이다. 본 실시형태의 경우, 플레이트 A 및 B는 도 6 의 제 2 실시형태의 것들과 동일한 요소들을 포함한다. 이러한 도 6 의 실시형태와 동일한 구성요소에 대해서는 다시 설명하지 않는다. 플레이트 A 는 측면 A4 에 제2 접합 패널(KA)을 더 포함한다. 제2 접합 패널(KA)은 중앙 패널(A0)에 수직이다. 중앙 패널(A0)의 측면(A4)은 제1 접합 패널(JA) 이 제공되는 중앙 패널(A0)의 측면(A5)에 수직이다. 또한, 제2 접합 패널(KA)은 플레이트들 사이의 내부 체적에 대향하여 연장되고, 따라서 돌출 그루브들의 측면에 대향하여 연장된다. 플레이트 B, 특히 접합 패널들은 플레이트 A에 대해 대칭일 수 있다(바람직한 실시예에 따라 오프셋될 때 그루브들을 제외하고): 이는 그루브 돌출부들에 대향하여 연장되는 제2 접합 패널 KB 를 포함한다.
도 8 은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 한 쌍의 플레이트를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 이 도면은 두 개의 플레이트를 별도로 나타낸 것이다. 본 실시형태의 경우, 플레이트 A 및 B는 도 7 의 실시형태의 것들과 동일한 요소들을 포함한다. 도 7 의 실시형태와 동일한 구성요소에 대해서는 다시 설명하지 않는다. 이 실시형태에 대해, 플레이트 A의 제2 접합 패널 KA는 서로에 대해 구부러진 두 부분 A7, A8 로 구성되며, 부분 A8 은 중앙 패널 A0 과 평행하여 플레이트 B 에 고정될 수 있다. 또한, 부분 A7 은 돌출 그루브들과 동일한 측면에 부분 A7 의 연장인 플레이트 A9 를 포함한다. 플레이트 A9 는 제1 접합 패널 JA 의 부분들 A5 및 A6 의 에지들과 협력한다. 플레이트 B, 특히 접합 패널들은 플레이트 A에 대해 대칭일 수 있다(바람직한 실시예에 따라 오프셋될 때 그루브들을 제외하고): 이는 그루브 돌출부들에 대향하여 연장되는 제2 접합 패널 KB 를 포함하며, 부분 B9 는 부분 A9 와 동일하다.
플레이트 쌍들의 스택
본 발명은 또한 열교환기 플레이트 쌍들의 스택에 관한 것이다. 이러한 스택은 앞서 설명된 변형예들 또는 변형예 조합들 중 어느 하나에 따른 적어도 2쌍의 플레이트를 포함한다. 스택 내의 2개의 연속적인 플레이트 쌍은 이들을 구별하기 위해 각각 제1 플레이트 쌍 및 제2 플레이트 쌍으로 표시된다. 그러나, 2개의 플레이트 쌍은 동일할 수 있거나, 이들은 서로에 대해 거울상(즉, 대칭)일 수 있다.
스택에서, 제1 플레이트 쌍 및 제2 플레이트 쌍은 서로 평행하게 그리고 서로 대향하여 배열된다. 각각의 플레이트 쌍 내에서, 2개의 플레이트 사이의 내부 체적은 제1 유체의 유동을 수용하는 단일 채널을 형성한다. 이는 돌출 그루브들을 포함하는 내부 체적이다. 따라서, 막힘 위험은 이 체적에서 더 낮다. 또한, 스택 내의 2개의 연속적인 플레이트 쌍들 사이의 체적은 제2 유체의 유동을 수용하는 단일 채널을 형성한다. 이 체적은 돌출 그루브들을 포함하지 않지만, 리세싱된(recessed) 그루브들을 포함한다.
플레이트들이 제2 접합 패널들을 포함하는 실시형태의 경우, 제2 접합 패널들은 2개의 연속적인 플레이트 쌍들을 연결하고, 2개의 연속적인 플레이트 쌍들 사이의 거리를 유지하기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 제2 접합 패널들은 제2 유체의 유동을 위한 채널을 한정한다.
유체의 유동 방향은 플레이트의 설계에 의해 그리고 이들이 접합 패널들을 통해 연결되는 방식에 의해 결정된다.
열교환이 교차-유동 모드에서 발생하는 본 발명의 구현예에 따르면, 제2 유체를 위해 의도된 채널은 제1 유체를 위해 의도된 채널에 실질적으로 수직일 수 있다. 이 구현예는 특히 제1 접합 패널들에 수직인 제2 접합 패널들에 의해 달성될 수 있다.
열교환이 역류 또는 병류 모드에서 발생하는 변형예에 따르면, 제2 유체를 위해 의도된 채널은 제1 유체를 위해 의도된 채널과 실질적으로 평행할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 두 쌍의 플레이트들 사이의 높이는 두 개의 플레이트들 사이의 높이와 동일할 수 있다.
대안적으로, 두 쌍의 플레이트들 사이의 높이는 두 개의 플레이트들 사이의 높이와 상이할 수 있다.
도 9 는 비제한적인 예로서, 본 발명의 실시형태에 따른 플레이트 쌍들의 스택을 개략적으로 예시한다. 도 9 는 두 개의 플레이트 쌍들의 스택의 중앙 패널의 일부만을 나타낸 3차원 도면이다. 스택은 플레이트 Aa 및 Ba를 포함하는 제1 플레이트 쌍, 및 플레이트 Ab 및 Bb를 포함하는 제2 플레이트 쌍을 포함한다. 플레이트 Aa 및 Ab 는 (플레이트의 중앙 패널의 에지에 평행하지 않은) 경사진 그루브(101)를 포함한다. 플레이트 Ba 및 Bb 는 (플레이트의 중앙 패널의 에지에 평행하지 않은) 경사진 그루브(102)를 포함한다. 제1 플레이트 쌍 (Aa 및 Ba)에 대해, 그루브는 플레이트들 (Aa 및 Ba) 사이의 내부 체적(Va) 내로 돌출된다. 제2 플레이트 쌍 (Ab 및 Bb)에 대해, 그루브는 플레이트들 (Ab 및 Bb) 사이의 내부 체적(Vb) 내로 돌출한다. 2개의 플레이트 쌍 사이, 여기서는 플레이트 Ab 와 Ba 사이의 체적은 Z 로 표시되고, 이 체적은 돌출부를 포함하지 않는다. 제1 유체(F1)는 체적 Va 및 Vb 내에서 유동한다. 제2 유체(F2)는 체적 Z 내에서 유동한다. 도시된 실시형태에서, 유체들(F1 및 F2)의 유동은 교차-유동 모드로 발생한다: 유동들은 수직이다. 유체들(F1 및 F2) 사이의 열교환은 플레이트들(Ba 및 Ab)을 통해 일어난다.
플레이트 열 교환기
본 발명은 또한 플레이트 열교환기에 관한 것이다. 플레이트 열교환기는 전술한 변형예들 또는 변형예 조합들 중 어느 하나에 따른 플레이트 쌍들, 또는 전술한 변형예들 또는 변형예 조합들 중 어느 하나에 따른 플레이트 쌍들의 스택을 포함한다.
본 발명에 따르면, 플레이트 열교환기는 플레이트 쌍을 장착하거나 플레이트 쌍을 적층하기 위한 프레임을 포함한다.
열교환기는 다음을 더 포함한다:
- 제1 유체의 입구
- 제1 유체의 출구
- 제2 유체의 입구, 및
- 제2 유체의 출구.
제1 유체를 위한 입구 및 출구는 제1 유체가 흐르는 채널들에 연결된다. 제2 유체를 위한 입구 및 출구는 제2 유체가 흐르는 채널들에 연결된다.
본 발명에 따른 플레이트 열교환기는 총 진공 압력 내지 1.5 MPa, 바람직하게는 0.01 MPa 내지 1.0 MPa, 더 바람직하게는 0.01 MPa 내지 0.6 MPa 범위의 압력에서 작동하는 유체에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 플레이트 열교환기는 각각의 회로에서 균일한 높이의 채널들, 또는 상이한 높이의 채널들 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 마찬가지로, 제1 접합 패널의 높이와 제2 및 제3 접합 패널의 높이는, 적용가능하다면, 유사하거나 상이할 수 있다.
유리하게는, 플레이트 열교환기는 교차-유동 원리로 작동할 수 있고, 여기서 각각의 플레이트의 양 면 상에서 흐르는 유체는 서로 실질적으로 수직으로 지향된다. 대안적으로, 본 발명은 또한 역류 원리로 작동하는 플레이트 열교환기에 사용될 수 있으며, 여기서 각 플레이트의 양 면들 상에서 유동하는 유체들은 실질적으로 반대 방향으로 지향된다. 변형예로서, 본 발명은 또한 병류 원리로 작동하는 플레이트 열교환기에 사용될 수 있으며, 여기서 각각의 플레이트의 양 면들 상에서 유동하는 유체들은 실질적으로 동일한 방향으로 지향된다. 본 발명은 또한 다른 흐름 원리로 작동하는 플레이트형 열교환기에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기는 2개의 유체, 특히 2개의 가스 사이의 열교환에 특히 적합하지만, 또한 2개의 액체 사이의 또는 액체와 가스 사이의 열교환에 사용될 수 있다.
본 발명은 2개의 가스, 특히 단일 장비의 입구 및 출구에서의 가스 흐름들, 예를 들어 노로 이송될 공기 및 이 노로부터의 퓸(fumes), 또는 마찬가지로 NOx 저감 시스템으로부터의 고온 스트림 및 이 NOx 저감 시스템으로 흐르는 저온 스트림 사이의 열교환에 더욱 적합하다. 이러한 적용을 위해, 제1 유체(그루브들을 갖는 유동)는 공기일 수 있고, 제2 유체(그루브들을 갖지 않는 유동)는 퓸일 수 있다.
대안적으로, 열교환기는 산업 또는 에너지 생산의 모든 분야, 또는 임의의 유사한 시스템에 응용을 가질 수 있다.
제조 방법
본 발명은 또한 전술한 변형예들 또는 변형예 조합들 중 어느 하나에 따른 플레이트 쌍들의 스택, 또는 전술한 변형예 또는 변형예 조합들 중 어느 하나에 따른 열교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
제조 방법에 대하여, 다음과 같은 단계들이 수행된다:
- 각 플레이트가 중앙 패널을 포함하는 적어도 4개의 플레이트를 준비하는 단계,
- 플레이트들의 제 1 절반부에 대해, 특히 드로잉에 의해 각각의 플레이트의 중앙 패널에 적어도 하나의 그루브를 형성하는 단계로서, 그루브는 중앙 패널의 일 측면에 대해 경사질 수 있는, 상기 그루브를 형성하는 단계,
- 플레이트들의 제 2 절반부에 대해, 특히 드로잉에 의해 각각의 플레이트의 중앙 패널에 적어도 하나의 그루브를 형성하는 단계로서, 그루브는 중앙 패널의 일 측면에 대해 경사질 수 있는, 상기 그루브를 형성하는 단계,
- 적어도 두 쌍의 플레이트들을 조립하는 단계로서, 각 쌍의 플레이트들에 대해, 플레이트들의 제 1 절반부의 제 1 플레이트를 플레이트들의 제 2 절반부의 제 2 플레이트에 평행하게 배치하여, 가능하게는 그루브들에 수직인 방향으로 제 2 플레이트의 각각의 그루브에 대해 제 1 플레이트의 각각의 그루브의 오프셋을 갖고서, 그루브들이 평행하고 플레이트들 사이의 내부 체적으로 돌출되도록 하는, 상기 적어도 두 쌍의 플레이트들을 조립하는 단계,
- 서로 평행하고 이격된 적어도 두 쌍의 플레이트들을 적층시키는 단계.
본 발명의 구현예에 따르면, 제조 방법은, 플레이트 준비 단계 후, 열교환기 플레이트를 두 개의 스택(플레이트의 제 1 절반부 및 플레이트의 제 2 절반부)으로 배열하여 서로 다른 두 개의 플레이트 타입(각각 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트)을 준비하는 추가 단계를 포함할 수 있다.
평행도, 가능한 경사 및 선택적으로 그루브 오프셋으로 인해, 플레이트들의 제 1 절반부의 플레이트들은, 특정 경우들을 제외하고, 플레이트들의 제 2 절반부의 플레이트들과 상이하다. 실제로, 만들어진 그루브들은, 특별한 경우를 제외하고는, 이들 플레이트 사이에서 상이하다.
이러한 구현을 위해, 그루브들은, 제 2 스택의 플레이트들의 그루브들이 제 1 스택의 플레이트들의 그루브들에 대해 규칙적인 피치만큼 오프셋되도록 플레이트들에 형성될 수 있다.
제조되는 스택 또는 교환기의 실시형태에 따라, 방법은 다음 단계들 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다:
- 플레이트들의 중앙 패널들의 코너들을 절단하거나 접는 단계,
- 플레이트들의 적어도 하나의 측면을 접어서 각각의 플레이트 상에 적어도 하나의 접합 패널을 생성하는 단계 (도 5 내지 도 8 의 실시형태),
- 플레이트들의 적어도 2개의 대향 측면을 접어서 플레이트들의 일부에 2개의 제 1 접합 패널을 생성하는 단계 (도 5 의 실시형태),
- 플레이트들의 적어도 2개의 인접 측면을 접어서 각각의 플레이트 상에 2개의 접합 패널을 생성하는 단계 (도 7 및 도 8 의 실시형태),
- 접합 패널들을 플레이트 쌍의 다른 플레이트에 체결하여 각각의 플레이트 쌍을 조립하는 단계 (도 5 내지 도 8 의 실시형태), 및
- 인접한 플레이트 쌍에 접합 패널들을 체결하여 두 개의 연속적인 플레이트 쌍을 적층시키는 단계.
본 발명은 일 예로 전술한 플레이트 쌍의 실시형태에만 한정되는 것은 아니며, 모든 변형 실시형태를 포함하는 것은 물론이다.
비교예
본 발명에 따른 시스템의 다른 특징 및 이점은 이후의 비교예를 읽는 것으로부터 명백할 것이다.
이 비교예에 대하여, 본 발명에 따른 플레이트 교환기의 열적 성능과 종래 기술에 따른 2개의 플레이트 교환기의 열적 성능이 결정된다. 도 10 은 이에 따라 비교되는 3가지 유형의 열교환기를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다.
- AA1: 제 1 종래 기술에 따른 플레이트 열교환기, 여기서 플레이트는 릴리프를 갖지 않고(그루브가 없음), 이 실시형태는 특히 특허 출원 FR-3,086,742(WO-2020/069,880)에 설명된 것에 대응하고,
- AA2: 제 2 종래 기술에 따른 플레이트 열교환기, 여기서 플레이트는 에지에 대해 45°로 경사진 그루브를 포함하고, 제 2 플레이트의 그루브는 제 1 플레이트의 그루브와 직교하고 (간략화된 평면도에서, 제 1 플레이트의 그루브는 실선으로 도시되고, 제 2 플레이트의 그루브는 점선으로 도시됨), 이 실시형태는 특허 출원 FR-3,003,637에 설명된 것에 대응하고,
- INV: 본 발명에 따른 플레이트 열교환기, 여기서 플레이트는 에지에 대해 45°로 경사진 그루브를 포함하고, 제 2 플레이트의 그루브는 제 1 플레이트의 그루브에 대해 평행하고 오프셋되며, 오프셋은 그루브의 피치의 절반에 해당하는 거리를 갖는다 (단순화된 상면도에서, 제 1 플레이트의 그루브는 실선으로 도시되고, 제 2 플레이트의 그루브는 점선으로 도시됨).
이들 3개의 구성에 대해, 다른 설계 요소(예를 들어, 치수) 및 작동 조건은 동일하다.
각각의 구성에 대해, 열 전달(Nusselt number, Nu로 표시됨, 유체와 벽 사이의 열 전달의 유형을 특성화하는데 사용되는 무차원 수) 및 마찰 계수(압력 강하를 특성화하는데 사용되는 무차원 수, 로 표시됨)는 레이놀즈 수(Reynolds number)(유동 유형, 특히 유동 체제의 성질을 특성화하는데 사용되는 무차원 수)의 함수로서 평가된다. 압력 강하에 대한 열교환기의 열적 성능을 나타내는 비율 이 그런 다음 결정된다. 그러한 비율의 높은 값은 압력 강하에 대해 열 전달을 정규화하도록 허용한다; 2개의 열교환기가 동일한 압력 강하를 갖지만 상이한 비율을 갖는 경우, 더 높은 비율을 갖는 열교환기는 더 양호한 열 전달을 가질 것이고 더 작은 열 교환 표면을 요구할 수 있다.
도 11 은 레이놀즈수의 함수로서 비율 의 세 가지 구성에 대한 곡선을 보여준다. 본 발명의 INV는 레이놀즈 수가 무엇이든 더 높은 비율 을 갖는다는 것이 주목된다. 따라서, 본 발명은 종래 기술의 플레이트 열교환기와 관련하여 동일한 압력 강하를 위해 더 큰 열 전달 보강을 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명은 종래 기술의 솔루션들보다 열 전달의 관점에서 더 효율적이다.
Claims (16)
- 제 1 유체(F)의 유동을 위한 채널을 형성할 수 있는 내부 체적(V)을 한정하도록 마주보고 이격되어 배열된 제 1 열교환기 플레이트(A) 및 제 2 열교환기 플레이트(B)를 포함하는 열교환기 플레이트들의 쌍으로서,
각각의 플레이트(A, B)는 중앙 패널을 포함하고, 상기 제 1 열교환기 플레이트 및 상기 제 2 열교환기 플레이트의 중앙 패널들은 바람직하게는 실질적으로 사각형이고, 선택적으로 절두되거나, 절단되거나, 또는 둥근 에지들을 가지며, 상기 제 1 열교환기 플레이트 및 상기 제 2 열교환기 플레이트(A, B)의 상기 중앙 패널들은 평면이고 서로 평행하고, 각각의 플레이트(A, B)의 상기 중앙 패널은 상기 내부 체적(V) 내로 돌출하는 적어도 하나의 그루브(101, 102), 바람직하게는 실질적으로 직선형 그루브를 포함하고, 상기 제 1 열교환기 플레이트(A)의 각각의 그루브(101)는 상기 제 2 열교환기 플레이트(B)의 각각의 그루브(102)에 평행한 것을 특징으로 하는 열교환기 플레이트들의 쌍. - 제 1 항에 있어서, 각각의 그루브(101, 102)는 상기 중앙 패널의 일 측면에 대해 0 이 아니고 직각이 아닌 각도 α 로 경사지며, 각도 α 는 10°이상, 바람직하게는 10°와 80°(포함) 사이의 범위, 더 바람직하게는 30°와 70°(포함) 사이의 범위, 가장 바람직하게는 40°와 50°(포함) 사이의 범위인, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 열교환기 플레이트(B)의 각 그루브(102)는 상기 제 1 열교환기 플레이트 및 상기 제 2 열교환기 플레이트(A, B)의 그루브들(101, 102)에 수직인 방향(DD)으로 상기 제 1 열교환기 플레이트(A)의 각 그루브(101)에 대하여 오프셋되어 있는, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 열교환기 플레이트(A, B)의 각각의 중앙 패널은, 서로 평행하고 바람직하게는 균일하게 이격된 복수의 그루브들(101, 102)을 포함하는, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기 플레이트(A)의 그루브들(101) 사이의 피치(p)는 상기 제 2 열교환기 플레이트(B)의 그루브들(102) 사이의 피치(p)와 동일한, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 3 항 및 제 5 항에 있어서, 상기 그루브들(101, 102)에 수직인 방향(DD)으로의 오프셋(s)은 피치(p)의 1/3 과 2/3 사이의 거리를 가지며, 바람직하게는 상기 피치(p)의 절반인, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 연속적인 그루브들 사이의 피치(p)가 10 ㎜ 와 80 ㎜ (포함) 사이, 바람직하게는 20 ㎜ 와 60 ㎜ (포함) 사이의 범위인, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 그루브(101, 102)의 단면 형상은 원호, 반원, U, V, 타원, 비행기 날개, 스피어헤드 중에서 선택되며, 상기 형상은 바람직하게는 원호 또는 비행기 날개 중에서 선택되는, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 그루브(101, 102)의 폭(w)이 4 mm 와 30 ㎜ (포함) 사이, 바람직하게는 6 mm 와 25 ㎜ (포함) 사이의 범위인, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 그루브의 돌출 높이(e)가 1.5 mm 와 6 mm (포함) 사이, 바람직하게는 2 mm 와 5 mm (포함) 사이의 범위인, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기 플레이트 및 상기 제 2 열교환기 플레이트(A, B)의 모든 그루브들(101, 102)은 모두 동일한 단면, 동일한 폭(w) 및 동일한 돌출 높이(e)를 갖는, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 열교환기 플레이트(A)와 상기 제 2 열교환기 플레이트(B)는 중앙 패널의 한 면 또는 두 면 상에 배열된 한 개 또는 두 개의 접합 패널에 의해 연결되는, 열교환기 플레이트들의 쌍.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 두 쌍의 플레이트들(A, B)을 포함하는 열교환기 플레이트들의 쌍들의 스택으로서, 상기 플레이트들(A, B)의 쌍들은 연속적인 상기 플레이트들(A, B)의 쌍들이 이격되는 방식으로 적층되고,
각각 제 1 쌍의 플레이트들 및 제 2 쌍의 플레이트들로 지칭되는 2 개의 연속적인 플레이트들의 쌍들에 대해,
a. 상기 제 1 쌍의 플레이트들 및 상기 제 2 쌍의 플레이트들은 서로 평행하게 배열되고, 서로 마주보도록 배치되며, 플레이트들의 각 쌍의 플레이트들 사이의 공간(V)은 제 1 유체(F1)의 유동을 위한 채널을 형성하고,
b. 상기 제 1 쌍의 플레이트들 및 상기 제 2 쌍의 플레이트들 사이의 공간(Z)은 제 2 유체(F2)의 유동을 위한 채널을 형성하고, 상기 제 2 쌍의 플레이트들은 바람직하게는 상기 제 1 쌍의 플레이트들과 동일하거나, 상기 제 1 쌍의 플레이트들의 거울상인, 열교환기 플레이트들의 쌍들의 스택. - 제 13 항에 있어서, 제 2 유체(F2)의 유동을 위한 상기 채널은 제 1 유체(F1)의 유동을 위한 상기 채널에 수직인, 열교환기 플레이트들의 쌍들의 스택.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 플레이트들의 쌍들, 또는 제 13 항 또는 제 14 항에 따른 플레이트들의 쌍들의 스택을 포함하는 플레이트 열교환기로서, 상기 플레이트들의 쌍들 또는 상기 플레이트들의 쌍들의 스택은 프레임 내에 배치되는, 플레이트 열교환기.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 따른 플레이트들의 쌍들의 스택 또는 제 15 항에 따른 열교환기의 제조 방법으로서, 다음의 단계들이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법:
a. 각각 중앙 패널을 포함하는 적어도 4개의 플레이트들(A, B)을 준비하는 단계,
b. 상기 플레이트들(A)의 제 1 절반부에 대해, 특히 드로잉에 의해 각각의 플레이트의 상기 중앙 패널에 적어도 하나의 그루브(101)를 형성하는 단계,
c. 상기 플레이트들(B)의 제 2 절반부에 대해, 특히 드로잉에 의해 각각의 플레이트의 상기 중앙 패널에 적어도 하나의 그루브(102)를 형성하는 단계,
d. 적어도 두 쌍의 플레이트들을 조립하는 단계로서, 각 쌍의 플레이트들에 대해, 상기 플레이트들의 상기 제 1 절반부의 제 1 플레이트(A)를 상기 플레이트들의 상기 제 2 절반부의 제 2 플레이트(B)에 평행하게 배치하여, 가능하게는 상기 그루브들(101, 102)에 수직인 방향(DD)으로 제 2 플레이트(B)의 각각의 그루브(102)에 대해 제 1 플레이트(A)의 각각의 그루브(101)의 오프셋을 갖고서, 그루브들(101, 102)이 평행하고 상기 플레이트들(A, B) 사이의 내부 체적(V)으로 돌출되도록 하는, 상기 적어도 두 쌍의 플레이트들을 조립하는 단계,
e. 서로 평행하고 이격된 적어도 두 쌍의 플레이트들을 적층시키는 단계.
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