KR20200074010A - 전도성 핀을 갖는 튜브 - Google Patents

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KR20200074010A KR1020190161076A KR20190161076A KR20200074010A KR 20200074010 A KR20200074010 A KR 20200074010A KR 1020190161076 A KR1020190161076 A KR 1020190161076A KR 20190161076 A KR20190161076 A KR 20190161076A KR 20200074010 A KR20200074010 A KR 20200074010A
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윌리엄 헤르만 스콧
윌리엄 베얼리 도날드
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

열 회수 증기 발생기(HRSG)(10)는 적어도 하나의 튜브(22)를 포함한다. 튜브(22)는 강철 재료를 포함하는 중심 튜브(52) - 중심 튜브(52)는 유체의 유동이 중심 튜브(52)를 통해 유동하는 것을 허용하도록 구성됨 -; 및 중심 튜브(52) 둘레에 배치되고, 열 전도성 재료를 포함하고, 외부 열원에 노출되는 적어도 하나의 디스크(50)를 포함한다. 적어도 하나의 디스크(50)는 외부 열원으로부터 중심 튜브(52) 내로 열을 전도하기 위해 핀 세그먼트를 포함한다. 중심 튜브(52)는 열을 외부 열원으로부터 유체의 유동 내로 전달한다. 적어도 하나의 디스크(50)의 열 전도성은 중심 튜브(52)의 열 전도성보다 높다.

Description

전도성 핀을 갖는 튜브{TUBE WITH CONDUCTIVE FINS}
본 발명의 주제는 대체적으로 보일러 및/또는 증기 발생기 튜브에 관한 것으로, 더 구체적으로는 열 전도성 핀(fin)을 갖는 튜브에 관한 것이다.
열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG) 및 보일러는 더 대체적으로는 배관, 튜브, 오리피스, 배플(baffle), 유동 도관, 및 다른 구성요소의 다양한 배열을 포함하는 몇몇 가능한 구성을 포함한다. 발전소에 설치된 열 회수 증기 발생기는 가스 터빈 엔진으로부터의 배기 가스를 사용하여, 전력 생성 증기 터빈 발전기에서 사용하기 위해 그리고 (예를 들어, 열병합발전(co-gen) 설비에서) 다른 공정 및/또는 목적을 위해 다양한 압력, 온도, 및 유량으로 증기를 생성한다.
열 회수 증기 발생기는 드럼을 포함할 수 있는 고압, 중압, 및 저압 시스템(증기의 압력을 지칭함)을 포함할 수 있다. 열 회수 증기 발생기(HRSG)는 튜브를 포함할 수 있고, 튜브의 외부 부분은 가스 터빈으로부터의 고온 배기 가스에 노출되고, 튜브의 내부는 그를 통해 유동하는 물 및/또는 증기와 같은 유체를 포함한다. 튜브가 열을 배기 가스로부터 유체(즉, 물, 증기, 및/또는 암모니아와 같은 다른 유체)로 전달하는 유효성은 HRSG의 유효성, 및 이어서 HRSG가 설치되는 발전소 및/또는 다른 설비의 전체 효율에 직접 영향을 미친다.
HRSG 및 튜브 유효성은 튜브의 표면적, 튜브의 내부 유동 면적, 및 튜브 재료의 열 전도성을 포함하는 다수의 인자에 좌우된다. 더욱이, 다른 설계 제약은 최소 튜브 강도를 보장하는 것, 튜브 내의 유체의 압력 손실을 고려하는 것, 초기 구성 비용, 진행 중인 유지보수 비용뿐만 아니라, 튜브의 일반적인 내구성, 및 분해에 대한 튜브의 민감성을 포함하는, HRSG의 설계를 감안한다.
본 실시예의 태양이 하기에 요약되어 있다. 이들 실시예는 본 발명의 청구된 실시예의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니라, 오히려 이들 실시예는 단지 실시예의 가능한 형태의 간략한 개요를 제공하고자 하는 것이다. 추가로, 실시예는 청구범위의 범주에 상응하는, 하기에 제시된 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
일 태양에서, 튜브는 강철 재료를 포함하는 중심 튜브 - 중심 튜브를 통해 유체가 유동함 -; 및 중심 튜브 둘레에 배치되고, 열 전도성 재료를 포함하고, 외부 열원에 노출되는 적어도 하나의 디스크를 포함한다. 디스크는 열을 외부 열원으로부터 중심 튜브 내로 전도한다. 중심 튜브는 열을 외부 열원으로부터 유체 내로 전달한다. 적어도 하나의 디스크의 열 전도성은 중심 튜브의 열 전도성보다 높다.
다른 태양에서, 핀형성 튜브(finned tube)를 형성하는 방법은 강철 튜브에 인접하게 전도성 시트 재료를 배치하는 단계; 강철 튜브 둘레에 전도성 시트 재료를 권취하는 단계; 및 고주파 용접 공정을 사용하여 전도성 시트 재료를 강철 튜브에 용접하는 단계를 포함한다. 고주파 용접 공정의 주파수는 약 450 ㎑ 내지 1200 ㎑이다.
다른 태양에서, HRSG는 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 전도성 핀을 갖는 튜브를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징부, 태양 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이며, 첨부 도면에서 유사한 문자는 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 열 회수 증기 발생기(HRSG)의 측면 개략도이다.
도 2는 열 전도성 핀을 갖는 튜브의 사시도이다.
도 3은 열 전도성 핀을 갖는 튜브의 일부분의 확대 사시도이다.
도 4는 핀형성 튜브를 형성하는 방법이다.
도 5는 열 전도성 핀을 갖는 튜브의 사시도이다.
도 6은 본 실시예의 태양에 따른 열 전도성 핀을 갖는 튜브의 사시도이다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서에 제공된 도면은 본 발명의 실시예의 특징부를 예시하고자 하는 것이다. 이들 특징부는 본 발명의 하나 이상의 실시예를 포함하는 매우 다양한 시스템에서 적용가능할 것으로 여겨진다. 이와 같이, 도면은 본 명세서에 개시된 실시예의 실시에 필요한 것으로 당업자에게 알려진 모든 종래의 특징부를 포함하고자 하는 것은 아니다.
하기의 상세한 설명 및 청구범위에서, 하기의 의미를 갖는 것으로 정의될 다수의 용어가 참조될 것이다.
단수 형태("a", "an", 및 "the")는 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 언급 대상을 포함한다.
"선택적인" 또는 "선택적으로"는 후속적으로 서술되는 사건 또는 상황이 발생하거나 발생하지 않을 수 있다는 것을, 그리고 설명이 사건이 발생하는 경우 및 그렇지 않은 경우를 포함한다는 것을 의미한다.
발명의 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐 본 명세서에 사용되는 바와 같은 근사화 표현은 그가 관련된 기본적인 기능의 변화를 초래하지 않고서 허용가능하게 변할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하는 데 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 경우에, 근사화 표현은 값을 측정하기 위한 기구의 정밀도에 대응할 수 있다. 여기서 그리고 발명의 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐서, 범위 한계들은 조합 및/또는 상호교환될 수 있고, 그러한 범위들은 식별되고, 문맥이나 표현이 달리 나타내지 않는 한 그 안에 포함된 모든 하위 범위들을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "축방향"은 발전기 및/또는 터빈의 중심축 또는 샤프트와 정렬되고/되거나 HRSG 튜브의 중심축과 정렬되는 방향을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "종방향"은 용어 "축방향"과 동의어로 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "원주방향"은 발전기, 터빈, 및/또는 HRSG 튜브의 외부 원주, 또는 예를 들어 발전기 및/또는 터빈의 회전자의 스윕된 영역(swept area)에 의해 한정되는 원 둘레의 (그리고 그에 접선인) 방향 또는 방향들을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "원주방향" 및 "접선방향"은 동의어일 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "반경방향"은 발전기, 터빈 및/또는 HRSG 튜브의 중심축으로부터 외향으로 멀어지게 이동하는 방향을 지칭한다. "반경방향 내향" 방향은 중심축을 향해 정렬되며 감소하는 반경을 향해 이동한다. "반경방향 외향" 방향은 중심축으로부터 멀리 정렬되며 증가하는 반경을 향해 이동한다.
도 1은 예시적인 열 회수 증기 발생기(HRSG)(10)를 도시한다. HRSG(10)는 가스 터빈(도시되지 않음)으로부터 배기 가스를 수용하기 위한 가스 터빈 배기 부분(12)을 포함할 수 있다. HRSG(10)는 또한 과열기 섹션(16), 증발기 섹션(18), 및 이코노마이저(economizer) 섹션(20)을 포함할 수 있다. 과열기, 증발기, 및 이코노마이저 섹션(16, 18, 20)의 각각은 복수의 튜브(22)뿐만 아니라 다른 배관, 배플, 및 배기 가스로부터 증기를 발생시키는 데 사용되는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. HRSG(10)는 또한 스택(stack)(14)을 포함할 수 있는데, 배기 가스가 HRSG(10)를 통해 유동한 후에 스택(14)을 통해 배출될 수 있다. 도 1의 HRSG(10)는 종래의 HRSG 및/또는 관류형(once-through) HRSG 일 수 있고, 이와 같이, HRSG(10)는 고압 드럼(24) 및/또는 다른 드럼(즉, 중압 드럼 및/또는 저압 드럼)을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
여전히 도 1을 참조하면, HRSG(10)는 이코노마이저 섹션(20)에 공급수를 제공하기 위한 공급수 공급원(26), 및 하나 이상의 증기 터빈(도시되지 않음) 및/또는 다른 하류 산업 공정으로 증기를 전달하기 위한 제1 및 제2 증기 라인(28, 30)을 포함할 수 있다. 과열기 섹션(16)은 제1 스테이지(32), 및 하나 이상의 제1 상호연결 라인(36)을 통해 제1 스테이지(32)에 유체 결합된 제2 스테이지(34)를 포함할 수 있다. 제1 스테이지(32)는 제1 증기 헤더(38)를 포함할 수 있는 한편, 제2 스테이지(34)는 제2 증기 헤더(40)를 포함할 수 있다. HRSG(10)는 또한 과열기 섹션(16)의 상류에서 배기 가스의 온도를 상승시키기 위한 복수의 버너(44)를 포함하는 덕트 버너(42)를 포함할 수 있다. HRSG(10)는 또한 과열기 섹션(16)을 드럼(24)을 통해 증발기 섹션(18)에 유체 결합시키는 제2 상호연결 라인(46)을 포함할 수 있다. HRSG(10)는 또한 이코노마이저 섹션(20)을 드럼(24)을 통해 증발기 섹션(18)에 유체 결합시키는 제3 상호연결 라인(48)을 포함할 수 있다. 과열기, 증발기 및 이코노마이저 섹션(16, 18, 20)의 각각 내의 각각의 튜브(22)는, 내부 유체(증기, 물, 암모니아, 및/또는 다른 유체)를 하나 이상의 드럼(24), 헤더(38, 40), 및/또는 다른 도관 또는 플리넘(plenum)으로 전달하는 것을 용이하게 하면서 또한 수직 방향으로(즉, 다가오는 배기 가스가 유동하여 그에 의해 열 전달을 향상시키는 방향에 수직으로) 정렬된 각각의 튜브의 일부분을 최대화시키기 위한 경사 부분(60)을 포함할 수 있다
도 2는 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 핀형성 튜브(22)를 도시한다. 핀형성 튜브(22)는 종방향(72)으로 정렬된 중심 튜브(52) 둘레에 배치된 복수의 디스크(50)를 포함한다. 각각의 디스크는 디스크 중심 부분(74)으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 복수의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 디스크 중심 부분(74)은 중심 튜브(52)의 외부 원주 둘레에서 원주방향으로 연장된다. 각각의 핀 세그먼트(58)는 세레이션(serration)(76)에 의해 인접한 핀 세그먼트(58)로부터 분리된다. 중심 튜브(52)는, 종방향(72)으로 연장되고 중심 튜브(52)의 기하학적 중심을 한정하는 중심선(54)을 포함할 수 있으며, 실질적으로 원통형일 수 있다. 중심 튜브(52)는 또한 중공 내부(56)를 포함할 수 있고, 이를 통해 증기, 물 및/또는 암모니아(뿐만 아니라 다른 유체)와 같은 유체가 유동할 수 있다. 각각의 디스크(50)는 실질적으로 평면일 수 있고, 적어도 하나의 인접한 디스크(50) 위에 그리고/또는 아래에 종방향으로 배치되도록 적층될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 디스크(50)의 각각의 핀 세그먼트(58)는 인접한 디스크(50)의 적어도 하나의 핀 세그먼트(58)와 원주방향으로 그리고/또는 종방향으로 정렬된다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)의 각각의 핀 세그먼트(58)는 인접한 디스크(50)의 적어도 하나의 핀 세그먼트(58)로부터 원주방향으로 그리고/또는 종방향으로 오프셋된다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)의 각각의 핀 세그먼트(58)는 인접한 디스크(50)의 적어도 하나의 핀 세그먼트(58)로부터 원주방향으로 그리고/또는 종방향으로 오프셋되거나 적어도 하나의 핀 세그먼트(58)와 원주방향으로 그리고/또는 종방향으로 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 핀 세그먼트(58)들은 그의 종방향 위 및/또는 아래에 핀 세그먼트(58)들에 대해 나선형 구성, 교호 패턴, 및/또는 랜덤 구성으로 배열될 수 있다.
도 2를 여전히 참조하면, 디스크(50)는 적어도 부분적으로는 알루미늄 및/또는 다른 열 전도성 재료, 예컨대 베릴륨, 구리, 금, 마그네슘, 이리듐, 몰리브덴, 로듐, 은, 텅스텐, 및/또는 다른 적합한 재료뿐만 아니라, 이들의 합금으로 구성될 수 있다. 중심 튜브(52)는 적어도 부분적으로는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 및/또는 충분히 열 전도성이고, 내응력성이고, 온도 저항성인 다른 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, HRSG는 더 높은 온도(예를 들어 1100℉)에 대해 저항성인 재료로 구성된 과열기 및/또는 증발기 섹션(16, 18) 내에 중심 튜브(52)를 포함할 수 있다. HRSG는 또한, 더 낮은 온도 저항성 및 더 높은 열 전도성을 갖는 재료로 구성된 이코노마이저 및/또는 증발기 섹션(20, 18) 내에 중심 튜브(52)를 포함할 수 있다.
도 3은 중심선(54) 주위에 배치된 중심 튜브(52) 및 중심 튜브(52) 둘레에 배치된 복수의 디스크(50)를 포함하는 핀형성 튜브(22)의 일부분을 도시한다. 도 3은 또한 튜브 외부 반경(68), 내부 원 외부 반경(78), 및 디스크 외부 반경(70)을 도시한다. 튜브 외부 반경(68)은 중심 튜브(52)의 외부 표면으로부터 중심선(54)까지의 거리로서 정의될 수 있다. 내부 원 외부 반경(78)은 내부 원(74)의 반경방향 외부 부분으로부터 중심선(54)까지의 거리로서 정의될 수 있다. 디스크 외부 반경(70)은 디스크(50)의 반경방향 외부 부분으로부터 중심선(54)까지의 거리로서 정의될 수 있다. 핀 높이(80)는 디스크 외부 반경(70)과 튜브 외부 반경(78) 사이의 차이로서 정의될 수 있다. 일 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 튜브 외부 반경(68)의 약 1.25 내지 약 5.0배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 튜브 외부 반경(68)의 약 1.5 내지 약 4.0배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 튜브 외부 반경(68)의 약 2.0 내지 약 3.0배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 튜브 외부 반경(68)의 약 2.25 내지 약 2.75배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 튜브 외부 반경(68)의 약 2.5배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 내부 원 외부 반경(78)의 약 1.1 내지 약 3.5배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 내부 원 외부 반경(78)의 약 1.25 내지 약 3.0배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 내부 원 외부 반경(78)의 약 1.5 내지 약 2.5배일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 외부 반경(70)은 내부 원 외부 반경(78)의 약 1.75배일 수 있다.
도 3을 여전히 참조하면, 핀형성 튜브(22)의 각각의 디스크(50)는 각각의 핀 세그먼트(58)와 인접한 핀 세그먼트(58) 사이의 각도 오프셋을 한정하는 세레이션 각도(66)를 포함할 수 있다. 세레이션 각도(66)는 약 4도 내지 약 30도일 수 있다. 다른 실시예에서, 세레이션 각도(66)는 약 7도 내지 약 25도일 수 있다. 다른 실시예에서, 세레이션 각도(66)는 약 10도 내지 약 20도일 수 있다. 다른 실시예에서, 세레이션 각도(66)는 약 12도 내지 약 18도일 수 있다. 다른 실시예에서, 세레이션 각도(66)는 약 15도일 수 있다. 각각의 디스크(50)는 약 12 내지 약 100개의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)는 약 15 내지 약 80개의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)는 약 18 내지 약 60개의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)는 약 20 내지 약 40개의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)는 약 22 내지 약 30개의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)는 약 24개의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 주어진 핀형성 튜브(22) 상에 배치된 각각의 디스크(50)는 동일한 개수의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 디스크(50)는 동일한 핀형성 튜브(22) 상에 배치된 다른 디스크(50)와는 상이한 개수의 핀 세그먼트(58)를 포함할 수 있다.
도 3을 여전히 참조하면, 각각의 핀 세그먼트(58)는 핀의 반경방향 외부 부분에 한정되는 핀 세그먼트 폭(82)을 포함할 수 있다. 각각의 핀 세그먼트(58)는 또한, 인접한 핀 세그먼트(58)로부터 (즉, 각각의 세레이션(76)의 가장 넓은(즉, 반경방향 외부) 부분에서 한정되는 세레이션(76)의 폭과 대략 동일한) 핀 세그먼트 간격(64)에 의해 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 핀 세그먼트 폭(82)은 핀 세그먼트 간격(64)의 약 0.5 내지 약 1.5배이다. 다른 실시예에서, 핀 세그먼트 폭(82)은 핀 세그먼트 간격(64)의 약 0.75 내지 약 1.25배이다. 다른 실시예에서, 핀 세그먼트 폭(82)은 핀 세그먼트 간격(64)의 약 0.85 내지 약 1.15배이다. 다른 실시예에서, 핀 세그먼트 폭(82)은 핀 세그먼트 간격(64)과 대략 동일하다. 핀형성 튜브(22)는 각각의 디스크(50)와 인접한 디스크(50) 사이에 종방향 갭을 한정하는 디스크 간격(62)을 포함할 수 있다. 디스크 간격(62) 대 핀 두께의 비는 약 1 내지 약 10일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 간격(62) 대 핀 두께의 비는 약 1.5 내지 약 9일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 간격(62) 대 핀 두께의 비는 약 2 내지 약 8일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 간격(62) 대 핀 두께의 비는 약 3 내지 약 7일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 간격(62) 대 핀 두께의 비는 약 4 내지 약 6일 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크 간격(62) 대 핀 두께의 비는 약 5일 수 있다.
도 3을 여전히 참조하면, 일부 실시예에서, 핀 두께는 약 0.5mm 내지 약 1.5mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀 두께는 약 0.8mm 내지 약 1.2mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀 두께는 약 1.0mm일 수 있다. 핀 높이(80)는 약 4mm 내지 약 25mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀 높이(80)는 약 6mm 내지 약 19mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀 높이(80)는 약 8mm 내지 약 16mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 핀 높이(80)는 약 10mm 내지 약 14mm일 수 있다. 중심 튜브(52)의 외경은 약 1.0인치 내지 약 2.5인치일 수 있다. 다른 실시예에서, 중심 튜브(52)의 외경은 약 1.25인치 내지 약 2.0인치일 수 있다. 다른 실시예에서, 중심 튜브(52)의 외경은 1.0인치 미만 또는 2.5인치 초과일 수 있다. 핀형성 튜브(22)는 튜브(52)의 미터당 (즉, 종방향(72)으로) 약 80 내지 약 450개의 디스크(50)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 핀형성 튜브(22)는 튜브(52)의 미터당 약 100 내지 약 400개의 디스크(50)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 핀형성 튜브(22)는 튜브(52)의 미터당 약 120 내지 약 330개의 디스크(50)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 핀형성 튜브(22)는 튜브(52)의 미터당 약 150 내지 약 300개의 디스크(50)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 중심 튜브(52)의 단부는 다른 구성요소에 대한 중심 튜브(52)의 연결을 허용하기 위해 핀형성되지 않을 수 있다. 예를 들어, 어느 일 단부 및/또는 양 단부에서 중심 튜브(52)의 약 50mm 내지 약 150mm가 핀형성되지 않을 수 있다.
도 4는 핀형성 튜브(22)를 형성하는 방법(400)을 예시한다. 단계(402)에서, 방법(400)은 세레이션을 전도성 시트 재료 내에 배치하는 단계를 포함한다. 전도성 시트 재료는 알루미늄, 베릴륨, 구리, 금, 마그네슘, 이리듐, 몰리브덴, 로듐, 은, 텅스텐, 및/또는 다른 재료, 및 이들의 합금을 포함하는 시트 금속을 포함할 수 있다. 회전 세레이터(serrator)가 세레이션을 전도성 시트 재료에 배치하는 데 사용될 수 있다. 세레이션들 사이의 간격은 원하는 핀 세그먼트 폭(82)과 대략 동일할 수 있다. 각각의 세레이션의 길이는 원하는 핀 세그먼트 높이(84)와 대략 동일할 수 있다. 단계(404)에서, 방법(400)은 강철 튜브(52)에 인접하게 전도성 시트 재료를 배치하는 단계를 포함한다. 강철 튜브(52)는 적어도 부분적으로는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 및/또는 충분히 열 전도성이고, 내응력성이고, 온도 저항성인 다른 재료로 구성될 수 있다. 단계(406)에서, 방법(400)은 고주파 용접 공정을 통해 (예를 들어, 고주파 나선형 핀 용접을 사용하여) 전도성 시트 금속을 강철 튜브(52)에 용접하는 단계를 포함한다. 고주파 용접 공정의 주파수는 약 450 ㎑ 내지 약 1200 ㎑일 수 있다. 다른 실시예에서, 고주파 용접 공정의 주파수는 약 500 ㎑ 내지 약 1100 ㎑일 수 있다. 다른 실시예에서, 고주파 용접 공정의 주파수는 약 600 ㎑ 내지 약 1000 ㎑일 수 있다. 다른 실시예에서, 고주파 용접 공정의 주파수는 약 700 ㎑ 내지 약 900 ㎑일 수 있다. 다른 실시예에서, 고주파 용접 공정의 주파수는 약 800 ㎑일 수 있다.
도 4를 여전히 참조하면, 단계(408)에서, 방법(400)은 강철 튜브(52) 둘레에 전도성 시트 재료(즉, 알루미늄 스트립)를 권취하는 단계를 포함할 수 있다. 알루미늄 스트립이 강철 튜브(52)와 접촉함에 따라, 고주파 용접이 전도성 금속 시트(즉, 알루미늄 스트립)와 강철 튜브(52) 사이의 계면에서 수행되어, 그에 의해 알루미늄 스트립을 강철 튜브(52)에 영구적으로 용접한다. 단계(410)에서, 방법(400)은 알루미늄 스트립이 강철 튜브(52) 둘레에 권취됨에 따라 세레이션(76)을 개방하여, 그에 의해 핀 세그먼트(58)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 세레이션(76)의 개방은 권취 공정의 자연적인 결과로서 자동적으로 일어날 수 있다. 단계(412)에서, 방법은, 일단 알루미늄 스트립이 강철 튜브(52) 둘레로 완전히 권취되었으면, 알루미늄 스트립의 단부들을 함께 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. 전도성 시트 재료(예컨대, 알루미늄 스트립)의 단부들은 용접, 브레이징(brazing), 고온 에폭시, 및/또는 다른 적합한 접합 공정을 통해 함께 접합되어, 그에 의해 디스크(50)를 형성할 수 있다. 단계(414)에서, 방법(400)은 펌프 및/또는 스프레이 노즐을 통해 강철 튜브(52)를 녹(rust) 억제제로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(416)에서, 방법(400)은 강철 튜브(52) 및 디스크(50)를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(402 내지 414)는 단계(416) 전에 반복되어, 그에 의해 단계(416)에서 열처리 공정을 수행하기 전에 강철 튜브(52) 상에 더 많은 디스크(50)를 배치할 수 있다. 다른 실시예에서, 단계들은 다른 순서로 그리고/또는 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 단계들(406, 408, 410)은 모두 사실상 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 도 4에 도시되지 않은 다른 단계가 수행될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 도 4에 예시된 단계들 모두가 수행될 수 있는 것은 아니다. 방법(400)은 또한 다른 고전도성 재료 및 구성요소를 다른 강철 재료 및 구성요소에 결합하는 데 사용될 수 있다.
도 5는 각각의 디스크(50)가 종방향(72)에 대해 그 위 및/또는 아래에서 디스크로부터 회전되는 핀형성 튜브(22)(핀 세그먼트, 및 중심선(54) 주위에 배치된 중심 튜브(52)를 포함함)의 일 실시예를 도시한다. 도 5에 따른 핀형성 튜브(22)의 실시예는 HRSG(10) 내의 배기 가스의 유동의 경로에 있는 그리고/또는 그에 근접하게 있는, 복수의 핀 세그먼트(58) 상의 증가된 크기의 표면적으로 인해 향상된 열 전달을 제공할 수 있다.
도 6은 각각의 디스크(50)가 종방향(72)에 대해 그 아래 또는 위에서 적어도 하나의 디스크(50)에 연결되는 핀형성 튜브(22)(핀 세그먼트, 및 중심선(54) 주위에 배치된 중심 튜브(52)를 포함함)의 일 실시예를 도시한다. 달리 말하면, 도 6의 핀형성 튜브(22)는 중심 튜브(50)의 일 단부로부터 다른 단부까지 나선형 구성으로 중심 튜브(50) 둘레를 권취하는 디스크(50)를 포함한다. 이와 같이, 핀형성 튜브(22)는 핀형성 튜브(22)의 각각의 단부에 배치된 핀 세그먼트 에지(86) 및 말단 핀 세그먼트(88) 모두를 포함할 수 있다. 도 6의 나선형 구성에 따른 디스크(50)는 방법(400)에 따른 고주파 나선형 핀 용접을 통해 중심 튜브(52) 둘레에 배치될 수 있다.
작동 시, 가스 터빈 배기로부터의 가스 스트림으로부터의 열은 열 전도성 핀 세그먼트(58)를 통해 중심 튜브(52) 내로, 그리고 결국에는 중심 튜브(52)를 통해 유동하는 유체 내로 전달된다. 본 실시예의 핀형성 튜브(22)를 채용하는 HRSG는 튜브의 최저 온도 30 내지 40%에 대해 핀형성 튜브(22)를 활용할 수 있다. 달리 말하면, 스택에 가장 가까운 HRSG 튜브의 40%는 본 실시예의 핀형성 튜브(22) 구성을 채용할 수 있는 한편, 가스 터빈 배기에 더 가까운 튜브는 종래의 설계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스택에 가장 가까운 HRSG 튜브의 30%는 본 실시예의 핀형성 튜브(22) 구성을 채용할 수 있다. 다른 실시예에서, 스택에 가장 가까운 HRSG 튜브의 20%는 본 실시예의 핀형성 튜브(22) 구성을 채용할 수 있다. 다른 실시예에서, 스택에 가장 가까운 HRSG 튜브의 10%는 본 실시예의 핀형성 튜브(22) 구성을 채용할 수 있다. 중심 튜브(22) 둘레에 열 전도성 재료로 구성된 디스크(50)를 포함함으로써, (발전 설비 또는 다른 응용예에 사용하기 위해) 열 에너지로의 열 전달의 유효성의 증가가 실현될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예는 세그먼트형 또는 세레이션형보다는 실질적으로 원형이고/이거나 링 형상인 디스크(50)(즉, 연속적인 비-세그먼트형 디스크)를 포함할 수 있다. 더욱이, 재료 특성들(열 전도성, 온도 저항성, 및 내응력성을 포함함)의 혼합을 갖는 재료들(예를 들어, 알루미늄, 베릴륨, 구리, 금, 마그네슘, 이리듐, 몰리브덴, 로듐, 은, 텅스텐, 및 또한 탄소강, 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 및/또는 오스테나이트계 스테인리스강)의 혼합물을 사용함으로써, 열 전달 시 강인하고 효과적인 HRSG 튜브가 실현될 수 있다. 이와 같이, 디스크(50)는 중심 튜브(52)의 열 전도성보다 높은 열 전도성을 갖는 재료로 구성될 수 있다.
본 실시예는 주로 열 회수 증기 발생기(HRSG) 내의 응용예에 관하여 설명되었다. 그러나, 몇몇 다른 응용예가 가능하다. 본 실시예의 예시적인 응용예는 증기 터빈 보일러, 관류형 HRSG, 증기 생성 보일러, 종래의 보일러, HVAC 시스템, 열 교환기, 라디에이터, 자동차, 응축기, 냉각기, 냉장 장비 및/또는 향상된 열 전달이 요구되는 다른 유형의 장비 내의 튜브를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예는 알루미늄 및/또는 구리와 같은 고도의 열 전도성 재료가 고주파수 나선형 핀 용접을 통해 다양한 유형의 강철과 같은 고강도 및 온도 저항성 재료에 용접되는 것을 가능하게 하는데, 이는 이어서 열 회수 증기 발생기(HRSG) 및/또는 발전기 응용예에서 증가된 열 전달 유효성 및 더 높은 전체 효율을 가능하게 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 특정 특징부가 일부 도면에 도시될 수 있고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리에 따르면, 도면의 임의의 특징부는 임의의 다른 도면의 임의의 특징부와 조합하여 참조되고/되거나 청구될 수 있다.
이러한 설명은, 최상의 모드를 포함한 본 발명의 실시예를 개시하기 위하여, 그리고 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 이용하는 것 및 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 포함한 본 발명을 어떠한 당업자도 실시하는 것을 가능하게 하기 위하여 예들을 사용한다. 본 명세서에 설명된 실시예의 특허가능 범주는 청구범위에 의해서 한정되고, 당업자에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들이 청구범위의 문헌적 표현과 상이하지 않은 구조적 요소를 갖는다면, 또는 그들이 청구범위의 문헌적 표현과 사소한 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함한다면, 그러한 다른 예들은 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (9)

  1. 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)(10)로서,
    적어도 하나의 튜브(22)를 포함하고,
    상기 튜브(22)는
    강철 재료를 포함하는 중심 튜브(52) - 상기 중심 튜브(52)는 그를 통한 유체의 유동을 허용하도록 구성됨 -; 및
    상기 중심 튜브(52) 둘레에 배치되고, 열 전도성 재료를 포함하고, 외부 열원에 노출되는 적어도 하나의 디스크(50)를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 디스크(50)는 열을 상기 외부 열원으로부터 상기 중심 튜브(52) 내로 전도하고;
    상기 중심 튜브(52)는 상기 열을 상기 외부 열원으로부터 상기 유체의 유동 내로 전달하고;
    상기 적어도 하나의 디스크(50)의 열 전도성은 상기 중심 튜브(52)의 열 전도성보다 높은, HRSG(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 상기 적어도 하나의 디스크(50)에 배치된 12개의 핀(fin) 세그먼트(58) 내지 100개의 핀 세그먼트(58)를 추가로 포함하고, 상기 핀 세그먼트(58)를 갖는 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 4mm 내지 25mm의 핀 높이를 포함하는, HRSG(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 고주파 용접 공정을 통해 상기 중심 튜브(52)에 접합된 연속 링 형상의 디스크를 추가로 포함하는, HRSG(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 적어도 부분적으로는 알루미늄, 베릴륨, 구리, 금, 마그네슘, 이리듐, 몰리브덴, 로듐, 은, 및 텅스텐 중 적어도 하나로 구성되고; 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 두께가 0.5mm 내지 1.5mm인, HRSG(10).
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 상기 중심 튜브(52) 둘레를 나선형 구성으로 둘러싸는, HRSG(10).
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디스크(50)는 다수의 디스크(50)를 포함하고, 상기 다수의 디스크(50) 중 제1 디스크(50)는 상기 다수의 디스크(50) 중 인접한 제2 디스크(50)와 종방향으로 정렬되고, 상기 중심 튜브(52)는 튜브 길이의 미터당 80 내지 450개의 디스크(50)를 포함하는, HRSG(10).
  7. 제1항에 있어서, 상기 중심 튜브(52)는 튜브 외경이 2.54cm 내지 6.35cm이고, 적어도 부분적으로는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 및 오스테나이트계 스테인리스강 중 적어도 하나로 구성되는, HRSG(10).
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 튜브(22)는 상기 HRSG(10)의 상기 튜브들의 적어도 10%를 포함하는, HRSG(10).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 디스크(50) 내에 배치된 12개의 핀 세그먼트(58) 내지 100개의 핀 세그먼트(58)를 추가로 포함하고,
    상기 핀 세그먼트(58)는 핀 높이가 4mm 내지 25mm이고;
    상기 적어도 하나의 디스크(50)는 상기 중심 튜브(52) 둘레를 나선형 구성으로 감싸고 고주파 용접 공정을 통해 상기 중심 튜브(52)에 접합되고;
    상기 적어도 하나의 디스크(50)는 적어도 부분적으로는 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나로 구성되고 0.5mm 내지 1.5mm의 두께를 포함하고;
    상기 중심 튜브(52)는 적어도 부분적으로는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 및 오스테나이트계 스테인리스강 중 적어도 하나로 구성되고,
    상기 중심 튜브(52)의 튜브 외경은 2.54cm 내지 6.35cm인, HRSG(10).
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