WO2023096040A1 - 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기 - Google Patents

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channel heat
catalyst
hydrogen liquefaction
cryogenic hydrogen
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류진우
정융
윤석호
김영
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한국기계연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a multi-channel heat exchanger for liquefying hydrogen at a cryogenic temperature, and more particularly, to a multi-channel heat exchanger for liquefying hydrogen at a cryogenic temperature loaded with a catalyst for ortho-para hydrogen conversion.
  • Hydrogen can be easily converted into other forms of energy and is emerging as a sustainable clean fuel because its main by-products are heat and water with no emissions of carbon dioxide.
  • a system for storing and transporting hydrogen is required.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction loaded with a catalyst for ortho-para hydrogen conversion so that stable ortho-para hydrogen conversion can be achieved.
  • another problem to be solved by the present invention is to provide a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction in which uniform catalyst loading is performed between each channel in a multi-channel heat exchanger.
  • a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction for solving the above problems includes a housing having a plurality of channels partitioned by a plurality of channel partition walls; an upper header coupled to an upper end of the housing and having an inlet through which hydrogen and catalyst particles are introduced; and a catalyst particle guide member disposed at the inlet or between the inlet and the plurality of channel partition walls, and dispersing the catalyst particles injected into the inlet and inserting them into the plurality of channels.
  • the catalyst particle guide member may be a mesh member having a plurality of through holes through which the catalyst particles pass.
  • a plurality of the mesh members may be provided, and the plurality of mesh members may be disposed to be spaced apart from each other along the longitudinal direction of the housing.
  • the number of through holes per unit area of the mesh member may be reduced as it is closer to the central portion.
  • the housing may vibrate to vibrate the mesh member.
  • a vibrating member installed on the mesh member to vibrate the mesh member may be further included.
  • the vibration member may be an inverse piezoelectric element that vibrates when power is applied.
  • the catalyst particle guide member may have a plurality of catalyst guide holes through which the catalyst particles pass, and may be installed to be relatively movable with respect to the plurality of channel partition walls.
  • the catalyst particle guide member may restrict or allow the catalyst particles to fall into the plurality of channels according to relative positions with respect to walls of the plurality of channels.
  • a magnet is installed on the catalyst particle guide member, and the catalyst particle guide member may move by magnetic force.
  • the catalyst particle guide member may be a barrier rib for guiding the catalyst particles from the inlet to at least one of the plurality of channels.
  • the barrier ribs may be provided in the same number as the plurality of channel partition walls, and the plurality of barrier ribs may guide the catalyst particles from the inlet to each of the plurality of channels.
  • the catalyst particle guide member may be a rotation guide member that imparts rotational motion to the catalyst particle.
  • the rotation guide member may include a heli-coil type rotation guide that applies rotational motion to the catalyst particles.
  • the rotation guide member may include a rotation guide for imparting rotational motion to the catalyst particles, and a tubular insertion portion having the rotation guide therein.
  • the insertion part may be installed at an inlet of the upper header.
  • a protruding portion and a relatively recessed portion compared to the protruding portion may be provided at an end portion of the housing side of the insertion portion.
  • a plurality of the protrusions and the plurality of depressions may be provided, and the plurality of protrusions and the plurality of depressions may be alternately arranged along the circumferential direction of the insertion part.
  • the upper header may widen from the inlet toward the housing.
  • a mesh support member installed in the housing to support the catalyst particles filled in the plurality of channels may be further included.
  • ortho-para hydrogen conversion can be stably performed along with hydrogen cooling.
  • catalyst particles may be uniformly loaded into a plurality of channels by disposing a catalyst particle guide member for guiding the inflow of catalyst on the channel partition walls of the multi-channel heat exchanger.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 and 3 are cross-sectional views showing a process of loading a catalyst into the heat exchanger of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for liquefying cryogenic hydrogen according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a plan view of a catalyst particle guide member of the heat exchanger of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the catalyst particle guide member is moved in the heat exchanger of FIG. 4;
  • FIG. 7 is a plan view of a catalyst particle guide member of the heat exchanger of FIG. 6;
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for liquefying cryogenic hydrogen according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the heat exchanger according to an embodiment of the present invention can be used as a cryogenic heat exchanger of a plant for liquefying hydrogen, and is configured to perform heat exchange for cooling hydrogen and ortho-para hydrogen conversion through a catalyst for liquefying hydrogen.
  • the multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction according to an embodiment of the present invention corresponds to a heat exchanger and a catalytic converter integrally configured.
  • the multi-channel heat exchanger for liquefying hydrogen according to the first embodiment of the present invention includes a housing 11, and an upper header 13 and a lower header 15 coupled to upper and lower ends of the housing 11, respectively. ).
  • the housing 11 has a plurality of channels 17 therein, and the plurality of channels 17 are each partitioned by a plurality of channel partition walls 19 disposed within the housing 11 .
  • the upper header 13 is coupled to the top of the housing 11 and has an inlet 21 through which hydrogen and catalyst particles 25 are introduced.
  • the cross-sectional width of the inlet 21 is formed smaller than the cross-sectional width of the housing 11, and the upper header 13 is directed from the inlet 21 toward the housing 11, that is, It has a shape in which the cross-sectional width widens as it goes down.
  • the lower header 15 is coupled to the lower end of the housing 11 and has an outlet 23 through which hydrogen is discharged.
  • the cross-sectional width of the outlet 23 is formed smaller than the cross-sectional width of the housing 11, and the lower header 15 is directed from the housing 11 toward the outlet 23, that is, It has a shape in which the cross-sectional width becomes narrower as it goes down.
  • the inlet 21 of the upper header and the outlet 23 of the lower header are preferably arranged to be located in the center of the housing 11 .
  • the upper header 13 and the lower header 15 may be integrally formed with the housing 11 .
  • each channel 17 is filled with catalyst particles 25 for ortho-para hydrogen conversion.
  • a catalyst having a magnetic material such as chromium oxide or iron oxide may be used as a catalyst for promoting ortho-para hydrogen conversion.
  • a mesh support member 27 such as a porous mesh member is provided at the lower end of the channel 17 to support the catalyst particles 25 filled in the channel 17 .
  • the mesh support member 27 is installed in the housing 11 and may be disposed immediately below the plurality of channel partition walls 19, that is, at the upper entrance side of the lower header 15. Accordingly, it is possible to prevent catalyst particles 25 from flowing into the lower header 15, thereby preventing unnecessary pressure loss.
  • an inlet 21 is provided at the inlet 21 or between the inlet 21 and the plurality of channel partition walls 19 so that the catalyst particles 25 can be uniformly loaded into the plurality of channels 17.
  • a catalyst particle guide member for dispersing the catalyst particles 25 injected into the channel 17 and inserting them into the plurality of channels 17 is disposed.
  • a catalyst particle guide member for guiding the movement of the catalyst flowing into the plurality of channels 17 is provided.
  • the catalyst particle guide member is provided from the inlet 21 to the plurality of channels 17 ) is made of a barrier rib 29 for guiding the catalyst particles 25 with at least one of them.
  • One or more barrier ribs 29 are provided, and catalyst particles 25 injected into the inlet 21 may be divided by the one or more barrier ribs 29 and introduced into other channels 17 .
  • the barrier ribs 29 are provided in the same number as the plurality of channel partition walls 19 , so that independent catalyst passages are created for each channel 17 .
  • the plurality of partition walls 29 may guide the catalyst particles 25 from the inlet 21 to each of the plurality of channels 17 .
  • the present invention is not limited thereto, and a catalyst movement passage commonly connected to two or more channels 17 may be formed by providing fewer partition walls 29 than the number of the plurality of channel partition walls 19 .
  • FIG. 2 and 3 are cross-sectional views showing a process of loading a catalyst into the heat exchanger of FIG. 1 .
  • the catalyst particles 25 injected into the inlet 21 are divided by a plurality of barrier ribs 29 and guided to move to a plurality of channels 17, and accordingly, as shown in FIG.
  • a substantially uniform amount of catalyst particles 25 can be loaded into each channel 17 .
  • stable and efficient ortho-para hydrogen conversion can be achieved together with heat exchange.
  • FIGS. 4 to 7 a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing a multi-channel heat exchanger for cryogenic hydrogen liquefaction according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a plan view of a catalyst particle guide member of the heat exchanger of Figure 4
  • Figure 6 is the heat exchanger of Figure 4 7 is a plan view of the catalyst particle guide member of the heat exchanger of FIG. 6 .
  • the catalyst particle guide member 31 is disposed above the plurality of channel partition walls 19 and has a plurality of catalyst guide holes 32 through which the catalyst particles 25 can pass.
  • the catalyst particle guide member 31 is installed to be relatively movable with respect to the plurality of channel partition walls 19 .
  • the catalyst particle guide member 31 may limit or allow the catalyst particles 25 to fall into the plurality of channels 17 according to their relative positions with respect to the plurality of channel partition walls 19 .
  • the catalyst particle guide member 31 has a position to block the fall of the catalyst particles 25 (position shown in FIGS. 4 and 5) and a position to permit the fall of the catalyst particles 25 (Figs. 6 and 5). position shown in 7).
  • the catalyst particle guide member 25 When catalyst particles 25 are introduced through the inlet 21 of the upper head 13 in a state where the catalyst particle guide member 31 is positioned as shown in FIG. 4, the catalyst particle guide member 25 is (31) Stacks in the space above. In this state, when the catalyst particle guide member 31 is moved to the position shown in FIG. 6, the catalyst particles 25 pass through the plurality of catalyst guide holes 32 of the catalyst particle guide member 31 to the plurality of channels 17. ) fall to As a result, the catalyst particles 25 can be uniformly loaded into each channel 17 .
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for liquefying cryogenic hydrogen according to a third embodiment of the present invention.
  • the catalyst particle guide member is disposed above the plurality of channel partition walls 19 and is composed of a mesh member 41 having a plurality of through holes through which the catalyst particles 25 can pass.
  • a plurality (three) of mesh members 41 are arranged to be spaced apart from each other along the longitudinal direction of the housing 11, that is, in the vertical direction, but the number and location of the mesh members 41 are limited thereto. and can be varied in various ways.
  • the catalyst particles 25 may be evenly loaded into the plurality of channels 17 while being evenly spread by the mesh member 41 having a plurality of through holes.
  • the housing 11 may be configured to vibrate in order to vibrate the mesh member 41 . Accordingly, since the housing 11 vibrates in a state where the catalyst particles 25 are placed on the mesh member 41, the spread of the catalyst particles 25 and penetration through the mesh member 41 can be promoted.
  • the mesh member 41 has through holes per unit area closer to the center It is preferable that the number of is small. That is, through-holes may be more densely formed in a peripheral portion located outside the radial direction than the center portion of the mesh member 41 . Accordingly, when the catalyst is injected at once through the inlet 21, piled on the mesh member 41, and vibrates so that the catalyst flows into each channel 17, the center of the mesh member 41 with more catalysts accumulated thereon. By the structure in which the number of through holes is smaller than the number of through holes in the periphery, the catalyst can more uniformly pass through the mesh member 41 through the center and the periphery of the mesh member 41 .
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel heat exchanger for liquefying cryogenic hydrogen according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the catalyst particle guide member is disposed above the plurality of channel partition walls 19 and is composed of a mesh member 61 having a plurality of through holes through which the catalyst particles 25 can pass.
  • a vibrating member 63 for vibrating the mesh member 61 is installed on the mesh member 61 .
  • the vibrating member 63 is attached to the upper surface of the mesh member 61, but the installation position is not limited thereto.
  • the vibration member 63 is a member capable of vibrating in an arbitrary manner, and may be, for example, an inverse piezoelectric element capable of piezoelectric vibration by application of power.
  • the vibrating member 63 vibrates, thereby causing the mesh member 61 to vibrate together. Accordingly, the catalyst particles 25 on the mesh member 61 pass through the mesh member 61 while spreading evenly on the mesh member 61 and fall, and as a result, the catalyst particles 25 are distributed in the plurality of channels 17. It can be loaded more evenly.
  • the catalyst particle guide member is disposed at the inlet 21 of the upper header 13 and is composed of a rotation guide member 51 for imparting rotational motion to the catalyst particles 25 .
  • the rotation guide member 51 generates rotational energy in the catalyst particles 25 so that the catalyst particles 25 are uniformly distributed in each channel 17 .
  • the rotation guide member 51 is configured to impart a rotational motion to the falling catalyst particles 25 through a heli-coil-shaped rotation guide 54 .
  • the rotation guide member 51 includes an inlet portion 52 into which the catalyst particles 25 are injected, and a tubular insertion portion 53 extending from the inlet portion 52 and having a rotation guide 54 therein. ) may be included.
  • the insertion part 53 is inserted into the inlet 21 of the upper header 13.
  • the rotation guide 54 may be a helicoil-shaped protrusion formed on the inner circumferential surface of the insertion part 53 . Accordingly, while the catalyst particles 25 injected into the inlet 52 of the rotation guide member 51 fall through the inside of the insertion unit 53, they are given rotational motion by the helicoil-shaped rotation guide 54. do.
  • a protrusion 56 and a recessed portion 57 relatively recessed compared to the protrusion 56 may be provided at an end of the insertion portion 53 on the housing 11 side, that is, a lower end.
  • the protrusion 56 extends downward relatively long, and the depression 57 extends downward relatively shorter than the protrusion 56 .
  • the protruding portion 56 and the recessed portion 57 are exposed to the inner space of the upper header 13 .
  • a plurality of protrusions 56 and depressions 57 are provided, respectively, and the plurality of protrusions 56 and the plurality of depressions 57 may be alternately arranged along the circumferential direction of the insertion portion 53 .
  • the catalyst particles 25 discharged to the protrusion 56 are discharged relatively further, and the catalyst particles 25 discharged to the recessed portion 57 are discharged relatively short. Accordingly, the catalyst particles 25 are discharged at different discharge distances by the alternately arranged protrusions 56 and depressions 57, and the catalyst particles 25 are more uniformly distributed to form a plurality of channels 17. can be evenly charged.
  • the present invention relates to a multi-channel heat exchanger for liquefying hydrogen at a cryogenic temperature, and more particularly, to a multi-channel heat exchanger for liquefying hydrogen at a cryogenic temperature loaded with a catalyst for ortho-para hydrogen conversion.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기는, 복수의 채널 구획 벽에 의해 구획되는 복수의 채널을 갖는 하우징; 상기 하우징의 상단에 결합되며, 수소와 촉매 입자가 투입되는 입구를 갖는 상부 헤더; 및 상기 입구에 또는 상기 입구와 상기 복수의 채널 구획 벽 사이에 배치되며, 상기 입구로 투입된 촉매 입자를 분산하여 상기 복수의 채널로 장입시키는 촉매 입자 가이드 부재;를 포함한다.

Description

극저온 수소 액화용 다채널 열교환기
본 발명은 극저온 상태에서 수소의 액화를 위한 다채널 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오르소-파라 수소 변환을 위한 촉매가 장입되는 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기에 관한 것이다.
수소는 다른 형태의 에너지로 쉽게 전환될 수 있으며, 주요 부산물이 열과 물로 이산화탄소의 배출이 없기 때문에 지속 가능한 청정연료로 각광받고 있다. 수소의 활용을 위해서는 수소의 저장 및 운송 체계가 필요하다.
수소는 기체, 액체, 고체, 물질 변환 형태로 저장될 수 있으며, 이 중 액체 형태로 저장하는 방식이 에너지 밀도가 가장 높고 수소의 부피를 1/800 수준으로 감소시킬 수 있어 대용량의 수소 저장을 가능하게 한다. 수소 액화 플랜트는 극저온 팽창기, 극저온 열교환기, 수소 액화용 콜드박스, 극저온 밸브 등 장비를 필요로 하며, 이중 수소 액화용 극저온 열교환기는 극저온에 이용하는 기존 열교환기에 비해 고려해야 할 사항들이 많다.
두 개의 원자로 이루어지는 수소는 각 원자핵의 회전(spin) 방향에 따라 두 원자핵의 회전 방향이 같은 오르소(ortho)-수소와 회전 방향이 다른 파라(para)-수소로 존재하고, 온도에 따라 오르소-수소와 파라-수소의 비율이 달라진다. 상온 및 고온 영역에서는 오르소-수소와 파라-수소가 3:1로 존재하고, 수소 액화 온도인 20K 부근에서는 파라-수소의 비율이 99% 이상으로 증가한다.
오르소-파라 변환 반응은 자연적으로는 매우 느린 반응이기 때문에, 단순히 열교환을 통해 온도만 빨리 낮추면 파라-수소의 비율이 거의 변하지 않는다. 극저온 평형상태에서는 오르소-수소가 파라-수소로 변환되나 변환 과정에서 방출되는 변환열이 증발 잠열보다 커서 액화된 수소가 증발되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 수소 온도를 낮추는 과정 중 촉매를 사용한 오르소-파라 변환의 과정이 필요하다. 오르소-파라 변환을 위한 변환기와 열교환을 위한 열교환기를 각각 설치하여 변환과 냉각 과정이 수차례 반복적으로 이루어져야 하기 때문에, 냉각을 위한 저온 열원을 효율적으로 이용하면서 안정적인 오르소-파라 변환이 이루어질 수 있는 시스템이 요구된다. 특히 가루 형태의 촉매를 다채널 구조를 갖는 열교환기에 장입할 시 채널 간 불균일한 촉매 장입 분포가 생길 수 있으며, 이에 의해 안정적인 오르소-파라 변환이 이루어지지 않는 문제가 생긴다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 안정적인 오르소-파라 수소 변환이 이루어질 수 있도록 오르소-파라 수소 변환을 위한 촉매가 장입된 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 다채널 구조의 열교환기에서 각 채널 간 균일한 촉매 장입이 이루어지는 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기는, 복수의 채널 구획 벽에 의해 구획되는 복수의 채널을 갖는 하우징; 상기 하우징의 상단에 결합되며, 수소와 촉매 입자가 투입되는 입구를 갖는 상부 헤더; 및 상기 입구에 또는 상기 입구와 상기 복수의 채널 구획 벽 사이에 배치되며, 상기 입구로 투입된 촉매 입자를 분산하여 상기 복수의 채널로 장입시키는 촉매 입자 가이드 부재;를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 촉매 입자가 통과할 수 있는 다수의 통공을 갖는 메쉬 부재일 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 메쉬 부재는 복수로 구비되고, 상기 복수의 메쉬 부재는 상기 하우징의 길이방향을 따라 서로에 대해 이격되도록 배치될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 메쉬 부재는 중심부에 가까울수록 단위 면적당 통공의 개수가 적을 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 메쉬 부재를 진동시키기 위해 상기 하우징은 진동할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 메쉬 부재에 설치되어 상기 메쉬 부재를 진동시키는 진동 부재;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 진동 부재는 전원 인가에 의해 진동하는 역압전 소자일 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 촉매 입자가 통과할 수 있는 복수의 촉매 가이드 홀을 가지며, 상기 복수의 채널 구획 벽에 대해 상대적으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 복수의 채널 구획 벽에 대한 상대적인 위치에 따라 상기 촉매 입자가 상기 복수의 채널로 낙하하는 것을 제한하거나 허용할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 촉매 입자 가이드 부재에는 자석이 설치되며, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 자력에 의해 이동할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 입구로부터 상기 복수의 채널 중 적어도 하나로 상기 촉매 입자를 안내하기 위한 격벽일 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 격벽은 상기 복수의 채널 구획 벽과 동일한 개수로 구비되며, 상기 복수의 격벽은 상기 입구로부터 상기 복수의 채널 각각으로 상기 촉매 입자를 안내할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 촉매 입자에 회전 운동을 부여하는 회전 가이드 부재일 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 회전 가이드 부재는 상기 촉매 입자에 회전 운동을 부여하는 헬리코일(heli-coil) 형태의 회전 가이드를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 회전 가이드 부재는, 상기 촉매 입자에 회전 운동을 부여하는 회전 가이드와, 상기 회전 가이드가 내부에 구비되는 관 형상의 삽입부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 삽입부는 상기 상부 헤더의 입구에 설치될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 삽입부의 상기 하우징 측 단부에는 돌출부와, 상기 돌출부에 비해 상대적으로 함몰된 함몰부가 구비될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 돌출부와 상기 함몰부는 각각 복수로 구비되고, 상기 복수의 돌출부와 상기 복수의 함몰부는 상기 삽입부의 원주방향을 따라 교대로 배열될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 상부 헤더는 상기 입구로부터 상기 하우징을 향해 폭이 넓어질 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 하우징에 설치되어 상기 복수의 채널에 채워진 상기 촉매 입자를 지지하는 메쉬 지지 부재;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 오르소-파라 수소 변환을 위한 촉매가 열교환기에 장입됨에 따라 수소의 냉각과 함께 오르소-파라 수소 변환이 안정적으로 이루어질 수 있다.
또한, 다채널 열교환기의 채널 구획 벽 위에 촉매의 유입을 가이드하는 촉매 입자 가이드 부재가 배치됨으로써, 촉매 입자가 복수의 채널로 균일하게 장입될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2 및 도 3은 도 1의 열교환기에 촉매를 장입하는 과정을 보여주는 단면도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도,
도 5는 도 4의 열교환기의 촉매 입자 가이드 부재의 평면도,
도 6은 도 4의 열교환기에서 촉매 입자 가이드 부재가 이동된 상태를 도시한 단면도,
도 7은 도 6의 열교환기의 촉매 입자 가이드 부재의 평면도,
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도,
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도,
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 열교환기는 수소 액화를 위한 플랜트의 극저온 열교환기로 사용될 수 있으며, 수소 액화를 위해 수소 냉각을 위한 열교환 및 촉매를 통한 오르소-파라 수소 변환을 수행할 수 있도록 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기는 열교환기와 촉매변환기가 일체로 구성된 것에 해당한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화용 다채널 열교환기는 하우징(11), 그리고 하우징(11)의 상단 및 하단에 각각 결합되는 상부 헤더(13)와 하부 헤더(15)를 포함한다.
하우징(11)은 내부에 복수의 채널(17)을 가지며, 복수의 채널(17)은 하우징(11) 내에 배치되는 복수의 채널 구획 벽(19)에 의해 각각 구획된다.
상부 헤더(13)는 하우징(11)의 상단에 결합되며, 수소와 촉매 입자(25)가 유입되는 입구(21)를 가진다. 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 입구(21)의 단면 폭은 하우징(11)의 단면 폭보다 작게 형성되며, 상부 헤더(13)는 입구(21)로부터 하우징(11)을 향해, 즉 아래로 갈수록 단면 폭이 넓어지는 형상을 가진다.
하부 헤더(15)는 하우징(11)의 하단에 결합되며, 수소가 배출되는 출구(23)를 가진다. 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 출구(23)의 단면 폭은 하우징(11)의 단면 폭보다 작게 형성되며, 하부 헤더(15)는 하우징(11)으로부터 출구(23)를 향해, 즉 아래로 갈수록 단면 폭이 좁아지는 형상을 가진다. 이때, 상부 헤더의 입구(21)와 하부 헤더의 출구(23)는 하우징(11)의 중심부에 위치되도록 배열되는 것이 바람직하다. 또한, 상부 헤더(13)와 하부 헤더(15)는 하우징(11)과 일체로 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 채널(17)에는 오르소-파라 수소 변환을 위한 촉매 입자(25)가 채워진다. 예를 들어, 오르소-파라 수소 변환을 촉진하는 촉매로는 산화크롬, 산화철 등의 자성체를 갖는 촉매가 사용될 수 있다. 이때, 채널(17)에 채워진 촉매 입자(25)를 지지하기 위해 다공성 메쉬 부재와 같은 메쉬 지지 부재(27)가 채널(17)의 하단에 구비된다. 도면에 도시된 바와 같이, 메쉬 지지 부재(27)는 하우징(11)에 설치되되 복수의 채널 구획 벽(19)의 바로 아래에, 즉 하부 헤더(15)의 상단 입구 측에 배치될 수 있다. 이에 의해 촉매 입자(25)가 하부 헤더(15)로 유입되는 것을 방지하여 불필요한 압력 손실을 막을 수 있다.
본 발명에 있어서, 촉매 입자(25)가 복수의 채널(17)로 균일하게 장입될 수 있도록, 입구(21)에 또는 입구(21)와 복수의 채널 구획 벽(19) 사이에는 입구(21)로 투입된 촉매 입자(25)를 분산하여 복수의 채널(17)로 장입시키는 촉매 입자 가이드 부재가 배치된다.
다시 도 1을 참조하면, 복수의 채널(17)로 유입되는 촉매의 이동을 가이드하기 위한 촉매 입자 가이드 부재가 구비되되, 본 실시 예에서 촉매 입자 가이드 부재는 입구(21)로부터 복수의 채널(17) 중 적어도 하나로 촉매 입자(25)를 안내하기 위한 격벽(29)으로 이루어진다. 격벽(29)은 하나 이상 구비되며, 입구(21)로 투입되는 촉매 입자(25)가 하나 이상의 격벽(29)에 의해 나누어져 다른 채널(17)로 유입될 수 있다. 도 1에서는 격벽(29)이 복수의 채널 구획 벽(19)과 동일한 개수로 구비됨으로써, 각 채널(17) 별로 독립된 촉매 이동 통로가 만들어지고 있다. 이에 따라, 복수의 격벽(29)은 입구(21)로부터 복수의 채널(17) 각각으로 촉매 입자(25)를 안내할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 격벽(29)이 복수의 채널 구획 벽(19)의 개수보다 적게 구비됨으로써, 2개 이상의 채널(17)에 공통적으로 연결되는 촉매 이동 통로가 만들어질 수도 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 열교환기에 촉매를 장입하는 과정을 보여주는 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입구(21)로 투입된 촉매 입자(25)는 복수의 격벽(29)에 의해 나뉘어져 복수의 채널(17)로 이동하도록 가이드되고, 그에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 균일한 양의 촉매 입자(25)가 각 채널(17)에 장입될 수 있다. 이에 의해 열교환과 함께 안정적이고 효율적인 오르소-파라 수소 변환이 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도, 도 5는 도 4의 열교환기의 촉매 입자 가이드 부재의 평면도, 도 6은 도 4의 열교환기에서 촉매 입자 가이드 부재가 이동된 상태를 도시한 단면도, 도 7은 도 6의 열교환기의 촉매 입자 가이드 부재의 평면도이다.
본 실시 예에서 촉매 입자 가이드 부재(31)는 복수의 채널 구획 벽(19)의 상부에 배치되며, 촉매 입자(25)가 통과할 수 있는 복수의 촉매 가이드 홀(32)을 가진다. 한편, 촉매 입자 가이드 부재(31)는 복수의 채널 구획 벽(19)에 대해 상대적으로 위치 이동 가능하도록 설치된다. 촉매 입자 가이드 부재(31)는 복수의 채널 구획 벽(19)에 대한 상대적인 위치에 따라 촉매 입자(25)가 복수의 채널(17)로 낙하하는 것을 제한하거나 허용할 수 있다. 구체적으로, 촉매 입자 가이드 부재(31)는 촉매 입자(25)의 낙하를 차단하는 위치(도 4 및 도 5에 도시된 위치)와 촉매 입자(25)의 낙하를 허용하는 위치(도 6 및 도 7에 도시된 위치) 사이에서 이동할 수 있다.
촉매 입자 가이드 부재(31)는 외력에 의해 하우징(11) 내에서 상기한 두 가지 위치 사이를 이동할 수 있는데, 본 실시 예에서는 촉매 입자 가이드 부재(31)에 자석(33)이 설치됨에 따라 촉매 입자 가이드 부재(31)는 자력에 의해 이동한다. 구체적으로, 촉매 입자 가이드 부재(31)의 단부에 자석(33)을 고정하고, 하우징(11) 외부에서 다른 자석(34)을 촉매 입자 가이드 부재(31)에 고정된 자석(33)에 근접시킴에 따라 자석들(33, 34) 사이에서 인력 또는 척력이 작용하도록 할 수 있다. 도 4 및 도 5에는 외부의 자석(34)과 촉매 입자 가이드 부재(31)에 설치된 자석(33) 사이에 인력이 작용하도록 하여, 촉매 입자 가이드 부재(31)가 도면 상 우측으로 이동한 상태가 도시되어 있다. 반면, 도 6 및 도 7에는 외부의 자석(34)과 촉매 입자 가이드 부재(31)에 설치된 자석(33) 사이에 척력이 작용하도록 하여, 촉매 입자 가이드 부재(31)가 도면 상 좌측으로 이동한 상태가 도시되어 있다. 촉매 입자 가이드 부재(31)가 도 4 및 도 5에 도시된 위치에 있는 경우, 촉매 입자 가이드 부재(31)의 복수의 촉매 가이드 홀(32)이 복수의 채널 구획 벽(19) 상에 위치하므로, 촉매 입자(25)가 통과할 수 있는 공간의 크기가 줄어들어 촉매 입자(25)의 낙하가 차단되거나 제한된다. 반면, 촉매 입자 가이드 부재(31)가 도 6 및 도 7에 도시된 위치에 있는 경우, 촉매 입자 가이드 부재(31)의 복수의 촉매 가이드 홀(32)이 복수의 채널 구획 벽(19) 사이에, 즉 복수의 채널(17) 상에 위치하므로, 촉매 입자(25)의 낙하가 이루어진다.
촉매 입자 가이드 부재(31)가 도 4에 도시된 바와 같이 위치된 상태에서 상부 헤드(13)의 입구(21)를 통해 촉매 입자(25)를 투입하면, 촉매 입자(25)가 촉매 입자 가이드 부재(31) 위의 공간에 쌓인다. 이 상태에서 촉매 입자 가이드 부재(31)를 도 6에 도시된 위치로 이동시키면, 촉매 입자(25)가 촉매 입자 가이드 부재(31)의 복수의 촉매 가이드 홀(32)을 통해 복수의 채널(17)로 낙하한다. 이에 의해 촉매 입자(25)가 각 채널(17)에 균일하게 장입될 수 있는 것이다.
다음으로는, 도 8을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시 예에서 촉매 입자 가이드 부재는 복수의 채널 구획 벽(19)의 상부에 배치되며, 촉매 입자(25)가 통과할 수 있는 다수의 통공을 갖는 메쉬 부재(41)로 이루어진다. 도 8에는 복수(3개)의 메쉬 부재(41)가 하우징(11)의 길이방향을 따라, 즉 상하방향으로 서로에 대해 이격되도록 배치되고 있으나, 메쉬 부재(41)의 개수 및 위치는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 다수의 통공을 갖는 메쉬 부재(41)에 의해 촉매 입자(25)가 골고루 퍼지면서 복수의 채널(17)로 골고루 장입될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 메쉬 부재(41)를 진동시키기 위해 하우징(11)은 진동 가능하게 구성될 수 있다. 이에 따라, 촉매 입자(25)가 메쉬 부재(41) 위에 놓인 상태에서 하우징(11)이 진동함으로써, 촉매 입자(25)의 퍼짐 및 메쉬 부재(41)의 투과가 촉진될 수 있다.
이때, 하우징(11)의 중심부에 배치되는 입구(21)로 투입된 촉매가 전체 영역에서 보다 균일하게 복수의 채널(17)로 장입되도록 하기 위해, 메쉬 부재(41)는 중심부에 가까울수록 단위 면적당 통공의 개수가 적은 것이 바람직하다. 즉, 메쉬 부재(41)의 중심부보다 반경방향 외측에 위치하는 주변부에서 통공들이 더 조밀하게 형성될 수 있다. 이에 의해, 입구(21)를 통해 한꺼번에 촉매를 투입하여 메쉬 부재(41) 위에 쌓은 후 진동을 일으켜 촉매가 각 채널(17)로 유입되도록 할 때, 보다 많은 촉매가 쌓인 메쉬 부재(41)의 중심부의 통공의 개수가 주변부의 통공의 개수보다 적은 구조에 의해, 촉매가 메쉬 부재(41)의 중심부와 주변부를 통해 보다 균일하게 메쉬 부재(41)를 통과할 수 있는 것이다.
다음으로는, 도 9를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다. 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시 예에서 촉매 입자 가이드 부재는 복수의 채널 구획 벽(19)의 상부에 배치되며, 촉매 입자(25)가 통과할 수 있는 다수의 통공을 갖는 메쉬 부재(61)로 이루어진다. 이때, 메쉬 부재(61)에는 메쉬 부재(61)를 진동시키기 위한 진동 부재(63)가 설치된다. 도 9에서 진동 부재(63)는 메쉬 부재(61)의 상면에 부착되고 있으나, 설치 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 진동 부재(63)는 임의의 방식으로 진동할 수 있는 부재이며, 예를 들어 전원의 인가에 의해 피에조 진동을 할 수 있는 역압전 소자로 일 수 있다. 역압전 소자의 전극에 전원이 인가되면 진동 부재(63)가 진동하고, 그에 의해 메쉬 부재(61)가 함께 진동하게 된다. 이에 따라, 메쉬 부재(61) 상의 촉매 입자(25)가 메쉬 부재(61) 상에서 골고루 퍼지면서 메쉬 부재(61)를 통과하여 낙하하고, 결과적으로 촉매 입자(25)가 복수의 채널(17)에 보다 균일하게 장입될 수 있다.
마지막으로, 도 10을 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다. 도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시 예에서 촉매 입자 가이드 부재는 상부 헤더(13)의 입구(21)에 배치되며, 촉매 입자(25)에 회전 운동을 부여하는 회전 가이드 부재(51)로 이루어진다. 회전 가이드 부재(51)는 촉매 입자(25)에 회전 에너지를 생성하여 각 채널(17)에 균일한 촉매 입자(25)의 분배가 이루어지도록 한다.
회전 가이드 부재(51)는 헬리코일(heli-coil) 형상의 회전 가이드(54)를 통해 낙하하는 촉매 입자(25)에 회전 운동을 부여하도록 구성된다. 구체적으로, 회전 가이드 부재(51)는 촉매 입자(25)가 투입되는 입구부(52)와, 입구부(52)에서 연장되며 회전 가이드(54)가 내부에 구비되는 관 형상의 삽입부(53)를 포함할 수 있다. 이때, 삽입부(53)는 상부 헤더(13)의 입구(21)에 삽입 설치되고 있다. 또한, 회전 가이드(54)는 삽입부(53)의 내주면에 형성되는 헬리코일 형상의 돌기일 수 있다. 이에 따라, 회전 가이드 부재(51)의 입구부(52)로 투입된 촉매 입자(25)가 삽입부(53)의 내부를 통해 낙하하면서 헬리코일 형상의 회전 가이드(54)에 의해 회전 운동을 부여받게 된다.
더욱이, 삽입부(53)의 하우징(11) 측 단부, 즉 하단부에는 돌출부(56)와, 돌출부(56)에 비해 상대적으로 함몰된 함몰부(57)가 구비될 수 있다. 돌출부(56)는 하방으로 상대적으로 길게 연장되고, 함몰부(57)는 돌출부(56)보다 하방으로 상대적으로 짧게 연장된다. 돌출부(56)와 함몰부(57)는 상부 헤더(13)의 내부 공간에 노출된다. 돌출부(56)와 함몰부(57)는 각각 복수로 구비되고, 복수의 돌출부(56)와 복수의 함몰부(57)가 삽입부(53)의 원주방향을 따라 교대로 배열될 수 있다. 이때, 돌출부(56)로 토출되는 촉매 입자(25)는 상대적으로 더 멀리 토출되고, 함몰부(57)로 토출되는 촉매 입자(25)는 상대적으로 짧게 토출된다. 이에 따라, 교대로 배열되는 돌출부(56)와 함몰부(57)에 의해 촉매 입자(25)가 서로 다른 토출 거리로 토출되며, 촉매 입자(25)가 보다 균일하게 분배되어 복수의 채널(17)로 균일하게 장입될 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
본 발명은 극저온 상태에서 수소의 액화를 위한 다채널 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오르소-파라 수소 변환을 위한 촉매가 장입되는 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기에 관한 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 채널 구획 벽에 의해 구획되는 복수의 채널을 갖는 하우징;
    상기 하우징의 상단에 결합되며, 수소와 촉매 입자가 투입되는 입구를 갖는 상부 헤더; 및
    상기 입구에 또는 상기 입구와 상기 복수의 채널 구획 벽 사이에 배치되며, 상기 입구로 투입된 촉매 입자를 분산하여 상기 복수의 채널로 장입시키는 촉매 입자 가이드 부재;를 포함하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 촉매 입자가 통과할 수 있는 다수의 통공을 갖는 메쉬 부재인 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 부재는 복수로 구비되고,
    상기 복수의 메쉬 부재는 상기 하우징의 길이방향을 따라 서로에 대해 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 부재는 중심부에 가까울수록 단위 면적당 통공의 개수가 적은 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 부재를 진동시키기 위해 상기 하우징은 진동하는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 부재에 설치되어 상기 메쉬 부재를 진동시키는 진동 부재;를 더 포함하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 진동 부재는 전원 인가에 의해 진동하는 역압전 소자인 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 촉매 입자가 통과할 수 있는 복수의 촉매 가이드 홀을 가지며, 상기 복수의 채널 구획 벽에 대해 상대적으로 이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 복수의 채널 구획 벽에 대한 상대적인 위치에 따라 상기 촉매 입자가 상기 복수의 채널로 낙하하는 것을 제한하거나 허용하는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 촉매 입자 가이드 부재에는 자석이 설치되며, 상기 촉매 입자 가이드 부재는 자력에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 입구로부터 상기 복수의 채널 중 적어도 하나로 상기 촉매 입자를 안내하기 위한 격벽인 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 복수의 채널 구획 벽과 동일한 개수로 구비되며, 상기 복수의 격벽은 상기 입구로부터 상기 복수의 채널 각각으로 상기 촉매 입자를 안내하는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자 가이드 부재는 상기 촉매 입자에 회전 운동을 부여하는 회전 가이드 부재인 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 회전 가이드 부재는 상기 촉매 입자에 회전 운동을 부여하는 헬리코일(heli-coil) 형태의 회전 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 회전 가이드 부재는, 상기 촉매 입자에 회전 운동을 부여하는 회전 가이드와, 상기 회전 가이드가 내부에 구비되는 관 형상의 삽입부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 상부 헤더의 입구에 설치되는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 삽입부의 상기 하우징 측 단부에는 돌출부와, 상기 돌출부에 비해 상대적으로 함몰된 함몰부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부는 각각 복수로 구비되고, 상기 복수의 돌출부와 상기 복수의 함몰부는 상기 삽입부의 원주방향을 따라 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 상부 헤더는 상기 입구로부터 상기 하우징을 향해 폭이 넓어지는 것을 특징으로 하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 하우징에 설치되어 상기 복수의 채널에 채워진 상기 촉매 입자를 지지하는 메쉬 지지 부재;를 더 포함하는, 극저온 수소 액화용 다채널 열교환기.
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