KR910002111B1 - 이중 영역에 의한 비등방법과 열교환기 - Google Patents

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스 인코오포레이티드
이. 유진 인니스
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Abstract

내용 없음.

Description

이중 영역에 의한 비등방법과 열교환기
제1(a)도는 종래의 단일 영역을 가지는 리보일러(reboiler)-응축기를 사용하는 비등채널의 높이에 따른 온도차이의 변화를 도시한 도면.
제1(b)도는 종래의 단일 영역을 가지는 리보일러-응축기를 사용하는 비등채널의 높이에 따른 압력변화를 도시한 도면.
제2도는 2차면으로서 내측 핀(fin)을 가지고 있는 제1열전달 영역 및 개량된 핵형성 비등면을 가진 제2열전달영역을 나타내는 외각 및 튜브형 열교환기의 관의 사시도.
제3도는 2차면으로서 내부 핀을 가진 제1열전달 영역 및 개량된 핵형성 비등면을 가진 제2열전달 영역을 나타내는 핀과 핀으로 납땜된 열교환기의 비등채널의 분해사시도.
제4(a)도는 종래의 단일영역을 가지는 리보일러-응축기의 비등채널의 길이에 따른 온도 프로파일을 도시한 도면.
제4(b)도는 본 발명의 개량된 2중 영역을 가지는 리보일러 응측기의 비등채널의 길이에 따른 온도 프로 파일을 도시한 도면.
제5(a)도 및 제5(b)도는 종래의 단일 영역을 가지는 리보일러-응축기의 비등채널의 길이에 따른 압력기울기 및 본 발명의 리보일러-응축기의 압력기울기를 나타낸 도면.
본 발명은 높은 효율의 비등열전달이 필요한 공기 분리용 또는 극저온용 그외의 용도에 필요한 열사이펀 열교환기 같이 순환류가 생기는 열교환기내의 액화가스 같은 유동액체를 비등시키기 위한 개량된 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 기술에서 가능한한 최대의 열전달표면적을 제공하고 또한/또는 비등 및/또는 응축유체의 열전달계수를 높게하여 리보일러-응축기 사이의 온도차이를 감소시키기 위한 다양한 방법들이 공지 및 이용되었다. 일반적으로 이전의 열전달 장치에서는 두개의 열전달 방법이 사용되었다. 이들 공정장치에서 응축증기는 열교환기의 정상부로 유입되며, 그 응축액은 중력에 의해 하향으로 흘러 열교환기의 저부로부터 배출되었다.
하나의 비등장치(하향 비등이라함)에서는 열교환기의 정상부에서 액체를 유입시켜, 그것을 중력하에 배출시키는 동안에 비등시킨다. 이렇게 하면 액체 수두(head)의 악영향이 상당히 제거되므로 높이변화에 의한 압력변화가 적어지는 잇점이 얻어진다. 따라서, 액체의 비등 온도는 비등하는 유체와 응축하는 유체 사이의 온도차와 함께 거의 일정하게 유지되므로 리보일러-응축기의 효율을 최대로 할 수 있다.
그러나 이러한 장치는 액체를 균일하게 분배하는 것이 어렵고 리보일러-응축기에 외부 액체를 펌프압송하는 장치를 갖추어야 할 필요성때문에 거의 사용되지 않았다. 또한, 이러한 장치는 액체를 균일하게 분배하는 어려움 및 비등액체가 전체의 열전달 면에 흐르도록 충분한 액체유동을 달성할 수 있는 외부 액체 펌프 압송장치를 구비해야 하는 필요성 때문에 거의 사용되지 않는다.
공기 분리장치에 있어서 비등면에 높은 열전달능력의 유지뿐만 아니라 안정성을 고려할 필요가 있다.
보다 통상적인 열전달 방법에서 비등면이 침지되도록 비등하는 액체의 욕내에 열교환기를 배치한다. 비등면에 형성된 증기는 부력에 의해 상승하여 액체와 함께 운반된다. 그 결과 비등영역을 통해 상향순환 액체흐름을 유발하고, 신선한 액체는 비등영역의 저부내에 흡입되며, 과잉 액체는 최상단부에서 배출되어 저부입구로 재순환된다. 이러한 방법을 열사이펀 비등이라고 한다.
상기의 이들 비등 방법을 위한 다양한 형태의 장치가 공지되어 있다. 가장 초기의 형태는 튜브의 내측 또는 외측의 한쪽에서 비등이 일어나는 하향구조 또는 열사이펀구조를 사용한 외각과 튜브형태의 리보일러였다. 하나의 개량형에 있어서, 열사이펀 방법을 위해 열전달면적이 증대된 납땜된 알루미늄 리보일러의 도입에 의하여 온도차가 감소하였다.
이러한 설계의 대표적인 열교환기에 있어서, 0.8mm(0.03인치) 내지 1.3mm (0.05인치)두께의 분리판으로 지시되는 알루미늄 판은 분리판에 수직인 일련의 핀을 형성하는 역활을 하는 파형 알루미늄판에 의해 연결되어 있다. 이런 핀판은 대표적으로 0.2mm(0.008인치) 내지 0.3mm(0.012인치)의 두께를 가지며, 25.4mm(1인치)당 15개 내지 25개의 핀을 가지고 있으며, 분리판 사이의 거리인 핀높이는 5.1mm(0.2인치) 내지 7.6mm(0.3인치)이다. 열교환기는 측면바아(bar)에 의해 둘러싸인 모서리에 이들 판의 조립체를 납땜하여 형성된다.
이러한 교환기는 분리판 및 핀을 수직방향으로 향한 상태에서 비등될 액체의 욕중에 침지된다. 분리판에 의해 분리된 교대 통로는 비등하고 또한 응축기는 유체를 함유하고 있다. 비등될 액체는 비등통로의 개방저부속으로 유입되어, 열사이펀 작용하에 상향으로 흐른다. 그 결과 가열된 액체 및 증기 혼합물은 비등통로의 개방정상부를 경유하여 배출된다. 응축된 증기는 열교환기의 측부에 용접되어 교대로 형성된 통로중에개구를 갖는 매니폴드(manifold)를 통하여 응축통로의 정상부에서 유입된다. 그 결과 응축액은 측면 매니폴드를 통과하여 응축통로의 하단부로부터 배출된다. 수직면에 대하여 어느 각도로 경사진 특수분해 핀이 응축 통로의 입구 및 출구에서 사용된다. 응축 통로의 상부 및 하부의 수평방향의 단부는 말단의 바아로 밀봉된다.
또한, 열전달계수를 높여 열사이펀 방법에 의해 작동하는 상기 두가지 형태의 열교환기 효과를 증가시키기 위한 시도가 있었다.
외각과 튜브형태의 열교환기에 있어서, 내측의 관면에 야금학적으로 결합된 약 0.25mm(0.010인치)두께의 다공성 금속층으로 구성되어 있는 핵형성 비등촉진장치가 사용된다. 핵형성 비등에서 열전달 계수는 동등한 보통 표면에 비해 10-15배로 높다. 확장된 미세면 면적 및 수많은 안정한 재-유입 핵형성자리의 조합에 의해 개량된 성능이 얻어진다. 또한, 외부의 관표면에 홈을 만들어 응축작용을 높일 수 있다.
또한, 핵 생성을 촉진하기 위하여 주비등면에 다수의 미세한 선을 새기어 개량된 비등전열면을 납땜된 알루미늄 열교환기에 적용해 왔다. 동시에 비등통로의 핀이 제거되었다. 이러한 형태의 리보일러는 N.P.Theophilos 및 D.I-J.Wang의 미합중국 특허 제3,457,990호에 기재되어 있다.
개량된 리보일러-응축기의 이러한 양쪽형태에 있어서, 비등회로의 수직방향의 높이 전체에 걸쳐서 단일 형태의 열전달면이 사용되어 단일영역의 열사이펀 공정의 균일한 압력기울기 및 변화하는 온도 분포를 가지므로 비능률적이다.
본 발명은 열교환기내의 유동액체를 비등시키기 위한 개량된 방법에 관한 것이며, 그 개량 방법은 한개의 교환기내에 서로 다른 특성을 가지는 두개의 연속적인 열전달 영역을 가지는 열교환기내에 상기의 유동 액체를 가열하는 것으로 이루어지며, 상기의 열교환장치는 높은 대류열전달 특성과 높은 압력강하특성을 갖는 특성을 갖는 표면을 구비하는 제1열전달 영역과, 2차 핀표면에 의한 방해가 적으며 개량된 핵형성 비등전열면 및 보다 낮은 압력강하 특성을 갖는 개방 채널을 구비하는 제2열전달 영역으로 구성된다. 이외에도, 본 발명은 리보일러-응축기내의 유동액체를 비등시키기 위한 개량된 방법을 이용한 공기 분리 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 유동 액체를 비등시키기 위한 개량된 열교환기에 관한 것이며, 개량된 열교환기는 단일 열교환기내의 서로 다른 특성을 가지는 두개의 연속적인 열전달 영역을 이용하여 구성되며, 상기의 열교환기는 높은 대류 열전달 특성 및 높은 압력 강하 특성을 가지는 표면을 구비한 제1열전달영역과, 2차 핀면에 의한 방해가 적어지며, 개량된 핵형성 비등전열면 및 낮은 압력강하 특성을 가지는 개방채널을 구비하는 제2전달 영역으로 구성된다.
일반적으로 사용되는 2단의 탑의 구조와 같은 극저온 공기분리장치(미합중국 특허 제3,214,926호에 개시되어 있음)의 조작에 있어서, 공기 압축기의 동력소모는 저압의 탑내에서 비등되는 산소와 고압의 탑내에서 응축되는 질소사이의 온도차에 관계된다. 이러한 리보일러와 응축기사이의 온도차이를 감소시키면 산소 및 질소의 생성을 위한 동력소모가 감소될 수 있다. 대표적으로 리보일러의 정상부에서 온도차를 1℉감소시키면 약 2.5%의 공기 압축동력을 감소시킬 수 있다. 또한, 리보일러-응축장치는 소형이어야 하며, 바람직하게는 증류탑 내부에 완전히 조립될 수 있어야 한다. 이렇게하면 장치비용, 현장으로의 수송비용 및 설비비용을 최소화할 수 있다. 또한, 이들 개량된 장치는 안전한 상태로 실시할 필요가 있으며, 특정경우의 공기분리에서 액체를 완전히 기화시키는 즉, 완전히 건조시키는 가능성이 없도록 비등시키는 것이 필요하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 공기 분리 방법에 관계되는 동력비용 및 자본비용을 줄이는데 있다. 이러한 잇점들은 소형 장치에서 열전달 온도차이를 감소시키는 것이 필요한 그외의 공정, 특히 극저온 공정산업, 예를 들면 장치를 깨끗히 해야 소경의 열교환장치를 사용할 수 있는 천연가스, 수소, 헬륨 및 그밖의 다른 가스를 처리하는 경우에 얻어져야 한다.
본 발명을 기술하기전에 열사이펀 비등에 대한 상기 문제점의 해결책을 조사하는 것이 중요하다. 이들 방법에서 불리한 점은 비등 통로의 전반에 걸쳐 압력기울기가 비교적 일정하다는 것이다.
따라서, 액체의 비등온도는 비등 채널 높이의 전체에 걸쳐 상당히 변하므로, 교환기 한쪽측의 응축 증기와 다른 측의 비등액체 사이에서 온도차이가 변화하여 열교환기의 효율을 감소시킨다, 이외에도, 액체는 액체수두에 의한 압력 증가때문에 비등온도보다 낮은 온도로 비등 영역의 저부에 유입하고 비등채널내의 높은 위치상에서 비등 온도에 도달할 때까지 효과적이지 못한 대류 열전달에 의하여 온도가 상승되어야만 한다. 이 방법의 효과는 제1(a) 및 (b)도에 나타낸 것과 같이 비등채널내의 높이에 따라 비등압력, 온도 및 온도 차이를 변화시키는 것이다.
제1(a)도를 보면, 비등채널내에서 3개의 열전달영역을 식별할 수 있다. 영역(A)는 비등채널의 입구에서부터 유체의 내부 온도가 국부압력에서 액체의 포화온도와 같은 점(Ps)까지 연장된 대류 열전달영역이다. 액체과열영역인 영역 B는 액체의 내부 온도가 비등을 발생시키지 않으면서 포화온도를 초과하는 영역이며, 이러한 영역은 유체의 내부 온도가 국부압력에서 액체의 포화온도와 같은 점(Ps)와 완전한 핵형성 및 증기발생이 생기는 점사이의 영역이다.
영역 C는 상향 이동할수록 압력 및 온도가 감소하는 핵형성 및/또는 대류 비등을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 비등채널의 높이에 따른 비등압력, 온도 및 온도차의 변화를 만들기 위해 순환류 비등공정의 작용을 극복하는 것이다.
본 발명의 중요한 특징은 동일한 비등채널에서 서로 다른 압력강하 및 열전달 특성을 가지는 두개의 연속적인 열전달 영역을 사용하는 것이다. 이러한 조합은 개개의 영역중 어느 한 영역에 의해 얻어지는 열전달 효율보다도 큰 열전달 효율이 얻어지는 점에서 상호 의존적이다.
제1열전달 영역은 높은 압력강하와, 연장된 2차 핀 면을 가진 높은 열전달 영역으로 구성된다. 이들 2차 핀 표면은 비등채널의 하부의 비등이 생기지 않는 영역내에 설치된다. 핀부착부의 길이는 액체의 열물리적성질, 국부열 및 질량속도 그리고 열전달 계수에 따라 변한다. 근본적으로, 핀부착부의 길이는 제2영역에서 더욱 효과적인 핵형성 비등이 일어날 수 있도록 액체를 포화온도까지 완전히 예열하는데 충분한 길이를 가지고 있어야 한다. 극저온 리보일러-응축기에 있어서, 핀부착부 길이는 리보일러-응축기 전길이의 약10% 내지 약 60%의 범위이며, 최적으로는 전길이의 약 20% 및 40% 사이의 범위가 양호하다.
제2열전달 영역은 2차 핀표면에 의한 열전달방해가 근소하며 계량된 핵형성 비등 열전달 표면과 낮은 압력 강하 특성을 가지는 개방 채널로 구성되어 있다. 이 영역은 비등 회로의 상부 비등영역에 위치되어 있다. 계량된 표면은 어떠한 형태로 되어 있어도 좋으며, 본 발명은 개량된 비등 표면을 형성하는 어떠한 방법도 이용할 수 있다. 그렇지만, 보통의 평면판보다 3배이상 큰 열전달 계수를 갖는 접합된 높은 다공성의 금속표면, 미소기계가공된 표면 또는 기계가공된 표면같은 고성능의 개량표면을 이용하는 것이 유리하다.
액체를 비등시키는 제안된 방법을 수행하기 위하여, 본 발명은 또한 열교환기에 의해 액화가스를 비등시키기 위한 이중-영역의 열교환기를 제공한다. 열사이펀같이 유동 액체를 비등시키는 이러한 이중-영역의 방법은 수직한 외각 및 튜브형 및 평판과 핀으로 납땜된 알루미늄형 열교환기의 양방에 사용될 수도 있지만, 열교환기의 단위부피당 보다 큰 표면적을 제공하며, 따라서, 작은 온도 차이가 경제적으로 얻어질 수 있으므로 극저온 공정방법에 대해 바람직한 형태는 후자의 열교환기이다.
본 발명의 하나의 형태는 제2도에 도시한 바와 같이 외각 및 튜브형 리보일러에 대하여 2중-영역의 비등면을 가진 관상의 비등 채널이다. 관의 이중 영역 비등면에 대하여, 그 하부의 내측에 핀이 부착되어 있는 반면, 그 상부에는 핀이 없거나 약간 부착되어 있으며, 개량된 핵형성 비등표면을 가지고 있다. 본 발명의 외각 및 튜브형 리보일러에서 그 열교환기는 외각케이싱(shell casing)내에 이들 관의 다발로 구성되어있다.
이러한 형태에 있어서, 비등하는 흐름이 관내부에서 일어나며, 비등을 위한 열능력은 열교환기의 외각측에서의 응축 또는 그외의 열교환매체에 의하여 공급된다. 비등될 유체는 도면의 방향과 같이 관의 저부에서 유입되어, 관을 통하여 상부방향으로 흐르는데, 먼저 내측에 핀이 부착된 부분을 통하고, 그후 계량된 핵형성 비등면 부분을 통하여 관의 정상부로부터 배출된다. 그 비등 유체는 액체로서 비등 통로로 유입되어 두 부분의 계면 근처에서 비등이 시작된 다음, 가스-액체 혼합물로서 비등통로로부터 배출된다.
본 발명의 또다른 형태는 제3도에서 도시된 바와 같이, 납땜된 알루미늄 비등 채널이다. 상술된 바와 같이 채널 정면의 분리판은 그 채널의 내부면을 나타내기 위해 짧게 나타내었다.
그 분리판은 후방의 분리판과 같은 크기이며, 후방의 분리판과 동일한 계량된 핵형성 비등면을 가지고 있다. 제2도의 관상 비등채널과 같이 비등 통로의 하부는 높은 효율을 갖는 2차 핀면을 포함하고, 이 2차 핀면은 높은 열전달계수를 촉진함과 동시에 높은 압력 구배를 가지고 있다. 다양한 형태의 2차 핀면, 예를 들면 톱니형상의 핀을 사용할 수 있는데, 게다가 이 톱니형상의 핀은 임의의 국부적인 방해가 생기는 경우에 액체의 흐름을 재분배하는 높은 횡방향 개방유동영역을 제공한다. 이것은 특히 공기분리에서 산소를 비등시키는 위험한 상태를 방지하는 경우에 유용하다. 비등 통로의 상부는 핀이 없이 개방되어 있으며, 비등통로와 응축통로 사이의 분리판에서 개량된 핵형성 비등면을 가지고 있다.
본 발명 형태의 납땜된 리보일러에서, 열교환기는 비등 및 응축작용을 위해 교대로 사용되는 일련의 채널로 구성되어 있다. 이러한 형태에 있어서, 비등하는 흐름은 비등채널의 내측에서 일어나며, 비등을 위한 열능력은 열교환기의 인접한 채널내의 응축하는 또는 그외의 열교환매체에 의하여 공급된다. 비등될 유체는 비등 채널의 저부에서 유입되어 채널을 통해 상부로 흐르는데, 먼저 채널내의 핀부착부를 통하고 개량된 비등표면부를 통하여 정상부로부터 배출된다. 비등유체는 액체로서 비등 통로로 유입되어, 두부분의 계면 근처에서 비등을 시작하고, 가스-액체 혼합물로서 비등 통로로부터 배출된다. 본 발명에서 응축 채널은 종래와 같이 설계될 수 있으나, 열전달 효율을 최대로 하도록 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하여 제안된 비등방법은 그 잇점을 설명하기 위해 특수하게 구성된 프레온-11 열사이펀 리보일러-응축기 시험장치에 대하여 연구되었다. 본 연구의 목적은 본 발명의 개량된 판-핀으로 납땜된 알루미늄 리보일러-응축기와 종래의 판-핀 리보일러-응축기를 직접 비교하는 것이다.
이 연구를 위해 실형용 온도 프로파일이 종래의 리보일러-응축기 및 개량된 리보일러-응축기에 대하여 동등한 작용상태에서 측정된다. 양리보일러-응축기는 동일한 열전달 효율과 동일한 외측 액체욕의 깊이에서 작동된다. 종래 및 개량된 리보일러 응축기에 대해 얻어진 결과는 제4(a)도 및 제4(b)도에 각각 비교되어 있다. 제4(a)도 및 제4(b)는 본 발명에서 제안된 비등방법의 잇점을 명백히 나타낸다.
처음의 비교는 리보일러-응축기 정상부에서 비등 및 응축유체 사이의 전체 온도차이를 조사하여 얻어졌다. 제4(b)도의 계량된 리보일러-응축기는 제4(a)도의 종래의 리보일러-응축기보다 낮은 온도차이(개량된 응축기에서 9.8℉)이며, 종래의 응축기에서 14.2℉)를 나타내고 있다.
이 온도 차이의 차이는 중요한 잇점을 나타내지만, 각 열교환기에 대한 개개의 성능차이를 조사하는 것이 중요하다. 이들 양쪽 실험용 열교환기는 특히, 그들의 수직 높이에 따라 여러점에서 국부온도 및 열유량을 정확히 측정할 수 있게끔 제작되었다. 비등통로와 응축통로를 분리하기 위해 매우 두꺼운 분리판이 사용되어 표면온도를 측정할 수 있으며, 또한 금속의 열전도율 및 유체통로에 수직한 방향의 열유량을 결정하기 위한 일반적인 열전도방정식의 콤퓨터해법과 함께 사용될 수 있다. 비등 벽온도 및 응축 벽온도사이의 차이는 제4a(도) 및 제4(b)도에 도시되어 있으며, 이러한 차이는 직접적으로 열유량을 나타낸다.
마찬가지로, 비등 유체 또는 응축 유체중의 하나의 유체와 그 벽사이의 온도 차이는 유체 열전달 계수에 반비례한다. 그러므로, 같은 열유량을 가지는 위치에서, 내부 유체와 그 벽사이의 온도차이가 작으므로 비등 열전달 계수는 제4(a)도의 종래의 리보일러-응축기보다 제4(b)도의 개량된 리보일러-응축기가 더 크다.
제4(a)도의 종래의 리보일러-응축기에 대한 비등 유체 온도 프로파일을 조사하면 동일한 위치에서의 온도와 압력 측정으로부터 결정된 액체 포화 온도 사이의 온도를 알 수 있다.
열교환기 하측영역에서의 액체의 포화온도와 측정된 온도의 차이는 액체 과열 영역을 명확히 나타내며, 제4(b)도의 개량된 리보일러-응축기에서는 일어나지 않는다.
입증되어야 할 가장 중요한 결과는 비등영역의 높이에 대한 온도 기울기의 차이다. 제4(b)도의 개량된 리보일러-응축기에서 비등온도 기울기는 0.97℉/ft이며, 반면 제4(a)도의 종래의 리보일러-응축기에서 그 기울기는 2.0℉/ft이다.
이러한 결과는 높이에 대한 비등온도의 변화를 감소시켜 본 발명의 제안된 비등방법의 독특한 잇점을 나타낸다. 제4(b)도의 향상된 리보일러-응축기의 상부영역에서 나타난 높이에 대한 감소된 온도기울기는 이영역의 압력기울기가 낮고 하측영역에서 톱니모양의 핀의 압력 기울기가 증가한 결과이다. 이러한 이중영역을 가지는 구조의 또다른 잇점은 열교환기내의 보다 낮은 높이에서 비등을 개시할 수 있는 능력이며, 이러한 잇점은 제4(b)도에 도시되어 있다.
어떤 특정이론에 한정되는 것을 바라지 않지만 2중영역공정에 의하여 단일영역을 갖는 열사이펀 리보일러에서 얻어진 성능보다 더 높은 성능을 얻는 기구에 대해서는 다음과 같이 설명될 수 있다.
종래의 단일 영역을 가지는 열사이펀 리보일러에서 순환하는 비등액체의 흐름은 외측의 액체욕의 수두와 비등 통로내의 증기-액체 혼합물의 수두사이의 수두차이에 의해 일어난다. 이러한 차이에 의하여 비등통로내에서 상향흐름이 야기되며, 거기서 순환액체의 양은 발생된 증기의 양, 비등회로의 흐름에 대한 저항 및 외측욕내의 액체 수두에 의해 결정된다.
종래의 리보일러에서는 단일형태의 열전달면만이 존재한다. 압력기울기의 2개 성분이 서로 상쇄되므로 비등회로를 통하는 압력기울기는 비교적 균일하다. 마찰압력기울기는 입구의 단일상의 비등하지 않는 영역에서는, 작아지며, 증기의 비율이 증가될 때 높이에 따라 증가한다. 반면에 정적수두는 입구영역에서 높이가 증가함에 따라 급격히 감소되고, 그후 비등이 시작되고 유체중의 증기성분이 높게 됨에 따라 천천히 감소된다.
본 발명은 비등회로내에서 높이에 대한 압력의 관계를 변환시켜 리보일러-응축기의 효율을 향상시키는 작용을 한다. 그러므로 비등 회로 하측의 비등이 생기지 않는 영역은 높은 마찰 압력강하 및 높은 대류열전달 계수를 가진 2차 핀부착 표면을 포함한다. 그 결과 종래의 리보일러보다 비등 회로 압력을 더욱 급격히 낮추며, 열교환기내에서 비등이 보다 낮은 온도 및 보다 낮은 위치에서 시작되게 한다.
비등통로의 상부영역은 낮은 마찰 압력강하 및 고성능 핵형성 비등면을 가진 개방 채널이다. 그러므로 입구영역으로부터 생긴 보다 낮은 압력이 수용될 수 있으며, 액체순환속도의 현저한 변화없이 외측의 액체로부터 얻어진 액체의 총합수두를 여전히 이용한다. 개량된 비등표면은 비등 핵형성이 지연되지 않고, 높은 열전달계수를 유지하게 한다.
단일 열전달영역으로서 단독으로 사용되는 표면은 제5도에 개시된 바와 같이 이중-영역 공정방법의 높이에 대한 유리한 압력의 관계를 얻을 수 없다.
본 발명은 우선적인 구체적 실시예를 참고로하여 기재하였다. 그러나, 이들 구체적 실시예는 특허청구의 범위에 기재한 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안된다.

Claims (22)

  1. 단일 열교환기속에서 유동액체를 가열하여 상기 액체를 증발시키도록 하여 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법에 있어서, (a) 높은 대류 열 전달 특성과 높은 압력강하 특성을 갖는 표면으로 이루어진 상기 열교환기의 제1열전달 영역을 통하여 상기 비등하는 유동액체를 통과시키는 단계와, (b) 2차핀 표면에 의한 방해를 적게 받으며, 개량된 핵형성 비등열전달 표면과 작은 압력강하 특성을 갖는 개방채널로 이루어진 상기 열교환기의 제2열전달 영역을 통하여 상기 비등하는 유동액체를 통과시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 열교환기가 열사이펀 열교환기인 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기의 열교환기가 외각과 튜브로 이루어진 열교환기인 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기의 열교환기가 판과 핀으로 납땜된 열교환기인 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기의 제1열전달 영역의 길이가 상기 열교환기의 전체 길이의 10% 내지 60% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기의 제1열전달 영역의 길이가 열교환기의 전체길이의 20% 내지 40% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기의 개량된 핵형성 비등 열전달면은 높은 다공성 금속인 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기의 개량된 핵형성 비등 열전달면은 기계적인 가공으로 형성된 표면인 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기의 개량된 핵형성 비등 열전달면은 동일한 평판보다 크거나 또는 3배로 큰 열전달계수를 가진 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1열전달 영역의 길이는 비등하는 액체를 그 포화 온도까지 완전히 예열하는데 필요한 것을 특징으로 하는 열교환기속의 유동액체를 비등시키는 방법.
  11. 유동액체를 비등시키는 열교환기에 있어서, 상기 열교환기는 단일 열교환기에서 서로 다른 특성을 2개의 연속적인 열전달 영역을 조합한 것으로서, (a) 높은 대류 열전달 특성과 높은 압력강하 특성을 갖는 표면으로 이루어진 제1열전달 영역과, (b) 2차 핀표면에 의한 방해가 거의 없으며, 개량된 핵형성 비등열전달표면과 작은 압력강하 특성을 갖는 개방채널로 이루어진 제2열전달영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  12. 제11항에 있어서, 상기의 열교환기는 열사이펀 교환기인 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  13. 제11항에 있어서, 상기의 열교환기는 외각과 튜브로 이루어진 열교환기인 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  14. 제11항에 있어서, 상기의 열교환기는 판과 핀으로 납땜된 열교환기인 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  15. 제11항에 있어서, 상기의 제1열전달영역의 길이는 열교환기의 전체길이의 10% 내지 60%범위내에 있는 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  16. 제11항에 있어서, 상기의 제1열전달영역의 길이는 열교환기의 전체길이의 20% 내지 40%범위내에 있는 것을 특징으로 하는 유동 액체를 비등시키는 열교환기.
  17. 제11항에 있어서, 상기의 개량된 핵형성 비등 열전달면은 높은 다공성 금속인 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  18. 제11항에 있어서, 상기의 개량된 핵형성 비등 열전달면은 기계적으로 가공되어형성된 표면인 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  19. 제11항에 있어서, 상기의 개량된 핵형성 비등 열전달면은 동일한 평판보다 크거나 또는 3배로 큰 열전달계수를 가진 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  20. 제11항에 있어서, 상기의 제1열전달영역의 길이는 비등하는 액체를 그 포화온도까지 완전히 예열하는 데 필요한 것을 특징으로 하는 유동액체를 비등시키는 열교환기.
  21. 단일열교환기를 이용하여 질소가 풍부한 액체 또는 산소가 풍부한 액체릍 가열하여 상기 질소가 풍부한 액체 또는 산소가 풍부한 액체를 증발시키도록 하여 공기를 그 구성성분인 산소와 질소로 분리하는 방법에 있어서, (a) 높은 대류 열전달특성과 높은 압력강하 특성을 갖는 표면으로 이루어진 상기 열교환기의 제1열전달영역을 통하여 상기 질소가 풍부한 액체 또는 산소가 풍부한 액체를 통과시키는 단계와, (b) 2차 핀표면에 의한 방해가 거의 없이 개량된 핵형성 비등열전달표면과 낮은 압력강하 특성을 갖는 개방채널로 이루어진 상기 열교환기의 제2열전달영역을 통하여 상기 질소가 풍부한 액체 또는 산소가 풍부한 액체를 통과시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기를 그 구성성분인 산소와 질소로 분리하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기의 열교환기는 열사이펀 열교환기인 것을 특징으로 하는 공기를 그 구성성분인 산소와 질소로 분리하는 방법.
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