KR890000171B1

KR890000171B1 - 입자층의 냉각 및 유동화 방법

Info

Publication number: KR890000171B1
Application number: KR1019830003621A
Authority: KR
Inventors: 비.데이비스 로버트; 에이.델라노 마크
Original assignee: 유니온 카바이드 코포레이션; 에드워어드 지. 그리어
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1983-08-02
Publication date: 1989-03-09
Also published as: KR840006057A; DE3370597D1; MX161905A; EP0100554B1; US4422302A; EP0100554A3; EP0100554A2; ES8502351A1; ES524672A0; BR8304154A; CA1199629A

Abstract

내용 없음.

Description

입자층의 냉각 및 유동화 방법

제1도는 본 발명의 방법을 실시하는 장치의 개략도이다.

본 발명은 산업용 유동층을 제공하기 위해 입자층을 냉각시키고 유동화시키는 방법에 관한 것이다.

유동층은 물질의 냉각 및 가열에 관한 많은 응용에 사용된다. 유동층은 좋은 열전달 특성과 층의 균일한 온도분포를 나타내며, 빨리 작동되는 능력을 가지고 있다. 즉, 유동층은 열저장이나 냉각에 사용될 수 있다. 가열 또는 냉각 하중이 가열이나 냉각을 제공하는 유동화가스 유량의 용량을 상당히 초과할 경우에는 열교환 판이나 코일을 이요하도록 유동층은 설계된다.

간단한 형태로서, 유동층은 입자를 분리시켜 유체처럼 행동하도록 하기에 충분한 속도로 가스나 액체가 주입되는 분배판 위에 지지된 입자성 물질의 층이다. 유동층에 영향을 미치는 중요한 물리적 특성은 입자크기와 분포, 입자밀도, 유체의 점도, 그리고 유체의 밀도이다. 더우기, 유동화가스의 점도는 온도의 감소와 더불어 급격히 떨어져 유동화가스의 유량 증가를 필요로 한다.

영하 150℉의 온도에서 작동되는 유동층은 영하 320℉인 액체질소내에 직접 잠길경우 물체를 급격하게 영하 100℉로 냉각시킬 수 있다. 그러나 질소 소비의 30%가 감소하게 된다. 물체는 층을 개폐상태로 교대시킴에 따라 더욱 천천히, 제어된 속도로 냉각시킬 수 있다. 그러므로 냉각 유동층의 개념은 회전냉각(roll colling) 디게이팅(degating), 급속처리, 수축 끼워맞춤(shrink fitting), 음식냉동, 냉각트랩, 그리고 항온조같은 응용에 상당히 유망하다.

유동화와 냉각에 관한 다양한 시스템은 유용하다. 첫번째 방법은 대기온도의 건조가스가 유동화를 위해 사용되는 반면, 분리된 유체로 간접 열전달에 의해 층을 냉각시키는 방법을 이용한다. 예를들면, 액체 아르곤이나 프로판이 냉동용으로 사용될 수 있고 질소가스는 유동화용으로 사용된다. 두번째 방법에서는, 온도조절이 중요하지 않는 곳에서 대략 원하는 층의 온도의 유동화 가스가 간접 열전달에 의해 처음에는 냉각용으로 사용되고, 그런후에 유동화용으로 사용된다. 그리고 다른 세번째 방법에서는, 액체질소와 같은 액체냉매가 증발을 통한 간접 열전달로 냉각용으로 사용되고 증기는 유동화용으로 사용되며 부수적인 냉각도 해준다. 이 방법은 유동화가스를 증발시킴으로써 발생된 냉각량이 냉각 하중보다 항상 더 크다는 가정이 필요하며, 이 상황은 대부분의 냉각응용에 나타난다. 이 방법을 변화시킨 것은 유동화가 필요하며 부수적인 냉각은 필요없을 경우에 부수적인 유동화가스를 제공한다. 이 방법의 가장 중요한 결점은 원하는 층의 온도보다 낮은 온도에서 낮은 온도의 냉매가 고갈된다는 점이며, 이 사실은 간단하게 유용가능한 냉각이 낭비된 것을 의미한다. 다른 결점은 외부 열교환기가 필요하며 ΔT의 열손실이며, 가스상태의 냉매가 냉각이 유동화용으로 사용되는 경우에는 일반적으로 기계적인 냉각이 보조하기 위하여 요구된다는 점이다. 액체 또는 가스상태의 냉매를 간접 열전달에 의해 층을 냉각시키는데 사용된 후에, 그것들을 대기가스로 변화시키려는 시도들은 층에 가스주입을 위한 플리넘(plenum)의 가스가 주입되는 지점에서 온도와 압력의 요동과 열교환기 내부의 슬러깅 때문에 성공하지 못했다.

액체 냉매의 효율적인 사용 및/또는 기계적 냉각을 하지 않으려면, 층을 냉각시키고 유동화시키는 어떤 다른 방법이 있어야 한다.

그러므로 본 발명의 목적은 액체 냉매에 의존한 공지의 방법들보다 실질적으로 감소된 양으로, 기계적 냉각을 필요로 하지 않고 충분한 액체 냉매를 이용하여 입자층을 냉각시키고 유동화시키기 위한 방법에서 개량 방법을 제공하는데 있다.

다른 목적들과 이점들은 다음에 기술되는 것으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면 냉매를 층으로 통과시킴으로써 입자층을 냉각, 유동화시키기 위한 방법에서 개량방법이 발견되었다. 상기 층은 우선 원하는 조업온도로 냉각된다. 개량방법은 다음의 단계들을 포함한다 : (a) 액체 냉매와 가스의 혼합물을 대략 원하는 조업온도에서 유지되기에 충분한 온도를 제공하기 위하여 층에 가까운 외부의 지점에서 대기온도로 있는 불활성가스와 액체냉매를 혼합시키며 : (b) 층 내에 위치한 적어도 두개의 열전달 코일 내에 단계(a)에서 생성된 혼합물을 주입하고, 그것에 의해 층이 원하는 조업온도로 되며, 액체 냉매는 혼합물 내에서 증발되며 : 그리고 (c) 단계(b)에서 형성된 가스와 증발된 액체냉매의 혼합물을 코일로 부터 제거하고 유동화될 층 내에 혼합물을 주입한다.

냉동공정에 적합한 일반적인 유동화공정과 시스템은 1981년 3월 23일 출원된 미국특허출원 일련번호 246,916호(1982년 8월 10일자 특허번호 4,343,634호)에 나타나 있으며, 본 발명의 참고문헌으로 소개하였다.

상기 미국 특허출원은 i) 냉각유체를 층(bed)와 간접 접촉하게 하고 ii) 유체를 간접 접촉구역에서 증발시켜 층을 냉각시키고, 그리고 iii) 단계 ii)로부터 배출된 증기를 이용하여 층을 유동화시키고, 더욱더 냉각하고, 단계(ii) 또는 (iii)에서의 상기 냉각은 주변온도에서 미리 결정된 냉각온도로 구성되는 층입자가 20이하의 레이놀드 수를 갖는 유동화층을 조절하기 위한 공정에 있어서, 특정 방정식에 따라 층의 온도가 변화함으로써 연속적으로 또는 단계적으로 변하는 증기의 최소 유동하는 질량흐름으로 구성됨을 특징으로 하는 유동화층의 조절방법에 관한 것이다.

본 공정이 수행되는 온도는 대기온도에서 약 영하 250℉의 범위이며, 바람직하기로는 약 영하 80℉에서 약 영하 160℉의 범위이다. 유동층에서 가장 일반적으로 사용되는 냉동유체는 액체질소인데, 액체형태의 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 뿐만 아니라, 장치, 공정처리물질, 유동화된 충전물에 관하여 불활성이며 저온에서 액화 가능한 많은 다른 가스들도 사용될 수 있다.

층 내에 사용되는 입자는 알루미나, 모래, 유리, 도자기 가루, 금속, 소금 또는 공정중에 사용된 다른 물질에 대해 불활성이고 어느 정도 이상으로 깨지지 않는 다른 비교적 미세한 물질도 사용될 수 있다. 입자의 직경은 일반적으로 약 44μ-177μ정도의 범위이다.

액체용매와 혼합된 대기가스 역시 장치, 공정처리물질, 유동화될 충전물에 대하여 불활성이어야 한다. 만일 질소가 가스로 선택되면, 건조 압축된 공기나 다른 비반응성 건조가스가 사용될 수 있다. 물론 증발된 냉매나 재순환된 유동화가스 역시 사용될 수 있다.

유동층은 일반적으로 두개의 제어조건이 있다 : 층의 온도와 유동화 유량 이러한 조건들이 수동으로 제어될 수 있는 반면에, 특히 냉각유동층에서는 층의 온도와 유동화 유량을 자동적으로 제어하여 관련된 인원을 최소로 하는 것이 바람직하다.

다음에 기술한 내용은 본 발명을 수행하는 냉각 유동층 시스템에 관한 것이다. 또한 확대 또는 축소된 다른 유사한 시스템에서 가장 중요한 부분은 고리형 공간의 5in 간격에 퍼얼라이트(perlite) 절연하여 분리된 두개의 동심원통을 포함하는 유동화 용기이다. 내부 원통은 높이 44in, 직경이 48in 이다. 이 원통의 내벽을 따라 길이 50ft, 외경 3/4in이 4개의 구리로 된 열전달 코일이 평행하게 연결되어 있으며 각 코일은 약 4in의 고리형 영역을 차지하여 층 내에는 약 40in 정도의 직경을 가진 단면적이 남게된다. 나사형 구조를 가진 가스분배판은 내무원통의 기저부를 포함하는데, 외부 원통의 기저부 보다 9in 높다. 이러한 9in 높은 공간은 4개의 동일한 4분원으로 나뉘어진 플리넘을 포함하며, 각 4분원은 독립적으로 가스를 공급한다. 용기는 층이 유동화되지 않을때, 습기가 축척되는 것을 막기 위하여 뚜껑과 퍼어지(purge) 시스템을 갖추고 있다. 액체질소는 저장탱크로부터 공급되며 기체상태의 질소는 장치내의 다른 공급조에서 공급된다. 상기한 두가지의 공급은 간단한 파이프 배관을 통해 행해질 수 있다. 시스템의 정상 조업중에 액체질소는 저장 탱크로부터 공기식 제어 밸브를 통해 가스상태의 주위 질소와 섞이게 되고, 평행하게 연결된 4개의 열전달 코일 내에 흘러 들어가게 된다. 열은 층으로부터 코일을 통해 액체질소에 전달되어, 결과적으로 액체질소는 증발하게 되어, 가스상태로 된다. 예를들면 금속부분에 대해 약 영하 120℉인 층 온도로 유지된 가스상태의 질소는 코일을 나와 플리넘 공급선으로 가게되고, 오리피스 미터를 거쳐, 층에 유동화가스를 제공하기 위해 플리넘으로 가게된다. 이러한 흐름은 연속적 또는 펄스형의 유동화를 제공하기 위해 선택될 수 있다.

본 방법에서는 상기한 바와같이 층 근처의 외부로부터 층 내에 위치한 코일내로 액체와 기체상태의 질소가 주입된다. 층 근처의 외부 지점은 층으로부터 1ft 이하에 위치하며, 바람직하기로는 층으로부터 6in 이내이다. 온도제어기는 층의 온도를 감지하여 압력변환기와 함께 시스템에 주입되는 액체질소의 양을 조절하도록 공기식 제어밸브를 열거나 또는 닫는다. 주위의 가스상태의 질소의 압력은 가스조절기를 미리 설치함으로써 조절된다. 예를들면 영하 120℉와 같이 원하는 층 온도가 선택되고 온도제어기와 가스조절기가 설정된다. 냉각의 초기에는 흐름은 본질적으로 액체질소일 것이다. 층의 온도가 영하 120℉에 접근함에 따라 층 온도와 코일 출구온도가 약 영하 120℉로 유지되는 정상상태에 도달할때까지 주위가스를 액체질소에 주입한다. 그러므로, 온도제어기와 가스조절기 사이에서 층의 열하중과 열손실은 보충된다. 코일로부터 플리넘 공급선으로 흐르는 혼합물은 최초 대기온도였던 질소가스와 증발된 액체질소의 혼합물이라는 점을 이해할 것이다.

층 내에서 평행하게 연결된 둘 이상의 열전달 코일의 배치는 액체 슬러깅을 최소로 해주는, 코일 내의 낮은 유체속도에 대해 충분한 열전달 면적을 제공한다. 일반적인 코일은 항상 원형으로 감긴 튜브의 코일이다. 튜브 코일의 각기 한 원은 다른 것과 접촉할 수도 또 그렇지 않을수도 있다. 외부 모습은 코일형 용수철과 유사하다. 튜브의 길이와 직접 코일의 갯수는 층의 크기에 의해 결정되지만 통상적인 층의 크기는 다음과 같이 주어진다. 즉, 각 코일당 튜브의 길이는 약 10-100ft의 범위이며, 코일의 갯수는 약 2-6개, 그리고 코일을 형성하는 튜브의 직경은 약 0.25-1.0in의 범위이다. 비록 각 코일에 사용되는 튜브의 길이가 길지만, 코일형 튜부는 예를들면, 약 12-30in³정보의 적은 공간을 차지하며, 그러한 경우에 코일의 직경은 약 6-80in의 범위이다. 층 내의 코일의 위치는 층의 모든 입자가 가능하면 코일에 접근하도록 위치시킨다. 층을 사분원으로 나누어 각 사분원에 한 코일씩 넣는 것이 코일의 배열하는 바람직한 방법이다. 비록 코일형 튜브 대신에 판 코일과 같은 다른 열전달 장치가 사용되기도 하지만 코일형 튜브가 바람직하다. 튜브로 선택된 물질은 구리지만, 알루미늄과 같이 높은 열전도도를 가진 다른 물질도 사용될 수 있다. 액체질소, 주위가스, 증발된 액체질소와 주위가스의 혼합물에 대한 전형적인 유량은 약 4-150 표준 ft³/min 의 범위이다.

상기한 코일과 더불어 액체냉매와 주위가스를 미리 섞어 주입하는 것이 급속한 냉각을 제공하고 : 열전달 단계에서 뿐만 아니라, 냉각된 유동화가스를 제공함으로써 냉매의 유용한 모든 냉각능력을 이용하며 : 층의 불안정한 온도제어에 의해 발생된 코일 내에서의 냉각능력 증진을 방지하며 : 유동화가스를 예냉시키기 위해 냉매 저장용기에 코일을 담그는 것과 같은 외부 열전달 시스템이 필요없게 되며 : 코일 내의 액체의 변칙적인 증발에 의한 압력요동을 완화시켜 주며 : 가스와 액체의 비율에 무관하게 층에 비교적 일정한 유동화 가스의 온도를 확실하게 보장할 수 있으며 : 값비싼 액체냉매의 소비를 최소화할 수 있다.

층이 정상 상태로 다가감에 따라 주위가스와 액체냉매를 혼합할 수 있지만, 층이 원하는 온도로 냉각될때까지, 즉 층이 정상상태에 도달하려할때까지 기다리는 것이 바람직하다. 그리고 층내의 코일로 혼합물을 주입하는 지점 바로 직전에서 주위가스를 액체냉매와 혼합시킨다. 증발된 액체질소와 가스의 혼합물은 코일에서 배출된 후에 유동하를 위하여 사용된다. 층에 걸리는 열하증은 저온으로부터 원하는 층의 온도까지 주위 가스를 냉각시키는데 필요한 냉각량이 된다. 냉각은 액체냉매의 증발과 온도까지 과열하는 것으로부터 이루어진다.

정상상태 조업을 나타내는 식은 다음과 같다 :

1. X=액체냉매와 주위가스의 전체 유량에서 액체냉매의 분율.

Y=전체유량에서 주위가스의 분율.

X+Y=전체유량=1

2. 시스템의 열수지식은 다음과 같다 :

코일에 공급된 냉각량=주위가스를 냉각시키는데 사용된 냉각량×A=B

상기식에서 :

A=코일내에서 액체의 온도변화(℉)

B=코일내의 주입에 앞서 액체질소와 주위가스 혼합물의 온도변화(℉)

3.

상기식에서 ;

C=주위가스의 초기온도(℉)

D=원하는 층의 온도(℉)

F=가스상태의 질소의 비열(Btu's/1b℉)

E=액체질소의 증발열(Btu's/1b)

Claims

냉매를 층 속으로 통과시켜 층이 조절되는 최초온도로 처음으로 냉각시키는 입자층의 냉각 및 유동화 방법에 있어서, (a) 불활성기체가 주변온도에 있고, 혼합이 입자들의 층의 외주지점으로, 층에 인접한 지점에서 이루어지는 액체냉매 및 불활성기체를 혼합시켜 원하는 조절온도 범위로 액체냉매 및 기체의 혼합물을 제공하고, (b) 단계(a)로부터 얻어진 혼합물을 층에 위치한 간접 열전달 수단으로 유입시켜 원하는 조절온도가 층에 부여되고, 혼합물 중의 액체냉매를 증발시키고, (c) 단계(b)에서 형성된 증발된 액체냉매 및 기체의 혼합물을 열전달 수단으로부터 제거하고 이 혼합물을 층 속으로 유입시켜 층을 유동화시킴을 특징으로 하는 입자층의 냉각 및 유동화방법.
제1항에 있어서, 열전달 수단이 2 내지 6개의 열전달 코일로 구성됨을 특징으로 하는 방법.