KR20200085283A

KR20200085283A - 공냉식 응축기를 위한 3단계 열교환기

Info

Publication number: KR20200085283A
Application number: KR1020207014100A
Authority: KR
Inventors: 미셸 부쉬; 크리스토프 델레플랑크
Original assignee: 에스피쥐 드라이 쿨링 벨지엄
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2038-11-02
Also published as: CA3081776C; SG11202003929VA; KR102662738B1; IL274364B; WO2019091869A1; CN111373219B; CL2020001159A1; CN111373219A; EP3480548B1; BR112020008619A2; US20210041176A1; CO2020006078A2; EP3480548A1; JP7221292B2; JP2021501868A; US11378339B2; ES2812153T3; AU2018363617B2; CA3081776A1; IL274364A

Abstract

본 발명은 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 V-형상의 열교환기에 관한 것이다. 상기 V-형상의 열교환기는 V-형상의 기하구조로 배치된 일차, 이차 및 삼차 단일-열(single-low) 응축 튜브들을 포함한다. 증기 공급 매니폴드는 배기 증기를 일차 튜브들의 하단부들로 공급하고, 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 증기는 일차 튜브들의 상단부들에 모이며 상부 연결 매니폴드들을 사용하여 이차 튜브들로 이송된다. 이차 튜브들 내에서 응축되지 않은 증기는 하부 연결 매니폴드를 사용하여 삼차 튜브들로 추가 이송된다. 삼차 튜브들은 그들의 단부들에서 비응축성 가스들(non-condensable gases)을 배출시키기 위한 배기(evacuation) 매니폴드와 연결된다.

Description

공냉식 응축기를 위한 3단계 열교환기

본 발명은 예를 들어 발전소의 증기 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 열교환기(heat exchanger)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 V-형상의 열교환기와, 두 개의 V-형상의 열교환기들을 가진 W-형상의 열교환기에 관한 것이다.

본 발명은 또한 V-형상의 열교환기 또는 W-형상의 열교환기를 포함하는 공냉식 응축기(ACC: air-cooled condenser)에 관한 것이다.

본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 공냉식 응축기를 사용하여 증기 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 방법이 제공된다.

본 기술 분야에는 발전소로부터의 증기를 응축시키기 위한 다양한 공냉식 응축기(ACC) 유형들이 알려져 있다. 이러한 공냉식 응축기들은 병렬로 배열된 다수의 핀 부착 응축 튜브들로 형성된 열교환기들을 이용한다. 핀 부착 응축 튜브들은 주변 공기와 접촉하며, 증기가 튜브들을 통과할 때 증기는 열을 발산하고 결국 응축된다. 일반적으로, 병렬로 배치된 다수의 응축 튜브들은 튜브 묶음(tube bundle)을 형성하도록 그룹화된다. 열교환기는 다수의 튜브 묶음들을 포함할 수 있다.

튜브 묶음들 아래에 또는 위에 배치된 전동 팬들(motorized fans)은, 각각, 응축 튜브들을 통해 강제 통풍(forced air draft) 또는 유도 통풍(induced air draft)을 발생시킨다. 충분한 공기 체적이 순환하도록 하기 위해, 팬들과 열교환기는 바닥 레벨에 대해 높은 높이에 배치된다. 공냉식 응축기의 상세한 설계에 따라, 예를 들어 4 내지 20m의 높이가 요구된다.

응축 튜브들은 수평 레벨에 대해 수직 자세 또는 경사진 자세로 배치된다. 이런 방식으로, 응축 튜브들 내에 응축수가 형성된 때, 그 응축수는 중력에 의해 튜브 하단부로 유동하며, 그 하단부에서 응축수는 응축수 수집 탱크와 결합된 배출구(drain) 내에 모인다.

열교환기를 위한 일반적으로 잘 알려진 기하구조(geometry)는 응축 튜브들이 델타-형상(delta-shape)의 기하구조로 배치된 것이며, 여기서 응축 튜브들은 응축 튜브들의 튜브 상단부들에 연결된 상부 증기 공급 매니폴드로부터 배기 증기를 받아 들인다. 이러한 기하구조에서, 작동할 때, 응축 튜브들 내의 증기와 응축수는, 소위 병류(co-current) 모드로(소위 병렬 모드), 동일한 방향으로 유동한다. 응축 튜브들의 하단부에 응축수를 모으기 위한 배출 덕트(drain duct)가 결합된다. 이러한 열교환기들의 응축 튜브들은 예를 들어 10 내지 12미터의 길이를 가질 수 있다.

열교환기를 위한 대체 가능한 기하구조는 소위 V-형상의 기하구조이며, 여기서 응축 튜브들은 V-형상의 기하구조로 배치된다. 이러한 V-형상의 열교환기는 제1 세트와 제2 세트의 응축 튜브들을 포함하며, 이들은 수직 평면에 대하여 경사져 있다. 제1 세트의 튜브들과 제2 세트의 튜브들 사이에 개방 각도(opening angle)(δ)가 형성되며, 여기서 개방 각도(δ)는 40° 내지 80° 사이의 전형적인 값을 가진다.

V-형상 기반의 ACC의 예는 US 특허 US3707185호에 기술되어 있다. 이 예에서, 다열(multi-row) 응축 튜브들은 V-형상의 기하구조로 배치되고, 열교환기는 대향류(counter-current) 모드(소위 대향류(counter-flow) 모드)로 작동하며, 증기와 응축수는 반대 방향으로 유동한다. 증기 공급 매니폴드는 V-형상의 열교환기의 응축 튜브들 각각으로부터 오는 응축수를 배출하기 위해 배출 섹션(drain section)을 포함한다. 응축 튜브들의 튜브 상단부들은 비응축성 가스들(non-condensable gases)을 추출하기 위한 벤트 밸브들(vent valves)과 연결된다. 이러한 열교환기는 증기가 단일의 응축 튜브를 한 번 통과하는 응축되기 때문에 단일 단계(single stage) 열교환기로 불린다. 이러한 V-형상의 열교환기에서, 증기 공급 매니폴드는 배기 증기를 응축 튜브들의 튜브 하단부들로 공급하며, 증기와 응축수는 반대 방향으로, 즉, 대향류 모드로 유동한다.

US3707185호에 기술된 단일 단계 V-형상 열교환기가 가진 문제점들 중 하나는, 다열 튜브들 내에서의 가변적인 응축 속도에 기인하여 튜브들 내에 비응축성 가스들에 의해 채워진 데드 존들(dead zones)이 발생할 수 있다는 것이다. 이는 열교환기의 효율을 감소시킨다. 추가적으로, 이러한 비응축성 가스들의 비효율적인 배출에 기인하여, 겨울에는 튜브 묶음들 내에서 응축수의 동결이 일어날 수 있으며, 이는 응축 튜브들에 심각한 손상을 초래한다.

특허 공보 US7096666호에는, V-형상 열교환기를 가진 ACC가 기술되어 있으며, 여기서 V-형상 열교환기는 10미터의 튜브 길이를 가진 단일-열(single-row) 응축 튜브들을 포함한다. 작동할 때, 이러한 열교환기는 2단계(two-stage) 응축 구성을 사용한다. 제1단계 응축기의 응축 튜브들은 V-형상의 기하구조로 배치되며 제1 응축 튜브를 통해 증기가 통과한 후에 모든 증기가 응축되지 않도록 설계된다. US7096666호에서, 제1 응축 튜브를 통과하는 중에 응축되지 않은 증기는 튜브 상단부에 모여 이송 배관을 통해 대향류 모드로 작동하는 제2단계 응축기로 이송된다. 제2단계 응축기는 상기한 수직 평면에 직교하는 평면 내에 배치되며, 제2단계 응축기는 제2단계 응축기를 통과하는 공기 흐름을 발생시키기 위한 전용 팬들(fans)을 사용한다. 제2단계 응축기는 비응축성 가스들을 추출하도록 구성된다.

US7096666호에 기술된 ACC가 가진 문제점들 중 하나는, V-형상의 응축기인 제1단계 응축기가 복잡하고 배기 증기를 응축 튜브들의 상단부와 하단부 내부로 주입하기 위한 수단을 요구한다는 것이다. 상부 연결 매니폴드는 증기를 추출 및 주입하도록 구성되며, 이송 배관은 잔류 증기를 제2 응축기로 이송하기 위해 필요하다. 제2 응축기의 튜브들은 수직으로 배치되며 ACC의 단부 벽들 내에 통합된다. 이러한 ACC는 또한 제2 응축기와 제2 응축기의 전용 팬들을 지지하기 위한 전용 지지 구조물을 필요로 한다. US7096666호에서, 제1단계 및 제2단계 응축기의 응축 튜브들은 상이하다. 제1단계 응축기의 응축 튜브들은 특정 측면 증기 추출 개구들을 요구한다. US7096666호의 ACC가 위에서 언급된 데드 존들을 감소시키기 위한 해법을 제공하고 비응축성 가스들을 추출하기 위한 시스템을 제공한다고 할지라도, 그 ACC는 복잡하여 비용의 증가를 초래한다는 단점을 가진다.

US2017/0234168A1에는, 병류(co-current) 모드로 작동하는 V-형상 열교환기들을 포함하는 공냉식 응축기가 개시되어 있다. V-기하구조로 배치된 튜브 묶음들은 그들의 상단부들이 증기 공급 라인들에 연결되며, 응축수 수집기는 튜브 묶음들의 하단부에 연결된다. 이 문헌에 개시된 V-형상의 열교환기의 단점은, 예를 들어 US2017/0234168A1의 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 튜브 묶음들, 증기 공급 라인 및 응축수 수집기들을 지지하기 위해 전용 지지 구조물들이 필요하다는 것이다. 실제로, 이러한 V-형상의 열교환기는 증기 공급 라인에 평행한 길이 방향으로 연장된 지지 브라켓에 장착되며, 튜브 묶음들은 측방 스트럿들(lateral struts) 및/또는 2차 삼각형 격자 지지 구조물에 의해 추가적으로 지지된다. 지지 브라켓은 팬을 지지하고 있는 중앙 지지 기둥에 부착된다. 이러한 v-형상의 열교환기의 추가적인 단점은, 증기가 상부로부터 튜브 묶음들로 공급되기 때문에 배기 증기가 더 높은 고도에서 공급되어야 한다는 것이며, 이런 이유로 시스템은 배기 증기를 필요한 고도로 가져오기 위해 추가적인 증기 공급 배관을 요구한다. V-형상의 열교환기를 지지하기 위한 이러한 복잡한 지지 구조물은 공냉식 응축기의 비용 증가를 초래하며, 또한 공냉식 응축기의 조립 시간의 증가를 초래한다.

본 발명의 목적은, 응축 튜브들 내의 응축수가 동결되는 잠재적인 위험을 감소시키며 동시에 감소된 제조 및 설치 시간을 가지는 비용 효과적인 공냉식 응축기를 구성할 수 있도록 하는 새롭고 개선된 강건한 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명은 첨부된 독립항에서 정의된다. 바람직한 실시예들은 종속항들에서 정의된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 V-형상의 열교환기(V-shaped heat exchanger)가 제공된다. 이러한 V-형상의 열교환기는 제1 세트의 일차 튜브들(primary tubes)과 제2 세트의 일차 튜브들을 포함한다. 상기 제1 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 여기서 15°<δ1<80°이고, 바람직하게는 20°<δ1<40°이다. 상기 제2 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 여기서 15°<δ2<80°이고, 바람직하게는 20°<δ2<40°이며, 상기 제1 세트의 일차 튜브들과 상기 제2 세트의 일차 튜브들 사이에 개방 각도(opening angle)(δ=δ1+δ2)가 형성된다.

상기 V-형상의 열교환기는, 상기 제1 세트의 일차 튜브들의 튜브 하단부들과 연결되고 상기 제2 세트의 일차 튜브들의 튜브 하단부들과 연결되는 증기 공급 매니폴드를 포함한다. 상기 증기 공급 매니폴드는, 상기 제1 세트의 일차 튜브들과 상기 제2 세트의 일차 튜브들의 튜브 하단부들로 배기 증기를 이송하기 위한 증기 공급 섹션, 및 상기 제1 세트의 일차 튜브들과 상기 제2 세트의 일차 튜브들로부터의 응축수를 배출시키도록 구성된 응축수 배출 섹션(condensate drain section)을 포함한다.

본 발명에 따른 상기 V-형상의 열교환기는 제1 세트의 이차 튜브들(secondary tubes)과 제2 세트의 이차 튜브들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 세트의 이차 튜브들은, 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이다. 상기 제2 세트의 이차 튜브들은, 병렬로 배치되고 상기 제1 세트의 이차 튜브들과 상기 제2 세트의 이차 튜브들 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성되도록 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이다.

상기 V-형상의 열교환기는 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(tertiary tubes)을 포함하며, 상기 제1 세트의 삼차 튜브들은 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사지며, 바람직하게는 상기 삼차 튜브들은 단일-열 응축 튜브들이다.

본 발명에 따른 V-형상의 열교환기는 제1 상부 연결 매니폴드, 제2 상부 연결 매니폴드, 하부 연결 매니폴드 및 적어도 비응축성 가스들(non-condensable gases)을 배기시키기 위한 제1 배기 매니폴드를 더 포함한다.

상기 제1 상부 연결 매니폴드는 상기 제1 세트의 일차 튜브들의 튜브 상단부들을 상기 제1 세트의 이차 튜브들의 튜브 상단부들과 연결한다.

상기 제2 상부 연결 매니폴드는 상기 제2 세트의 일차 튜브들의 튜브 상단부들을 상기 제2 세트의 이차 튜브들의 튜브 상단부들과 연결한다.

상기 하부 연결 매니폴드는 상기 제1 세트의 이차 튜브들의 튜브 하단부들과 연결되고, 상기 제2 세트의 이차 튜브들의 튜브 하단부들과 연결되며, 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들의 튜브 하단부들과 연결된다.

비응축성 가스들을 배기시키기 위한 상기 적어도 제1 배기 매니폴드는 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들의 튜브 상단부들과 연결된다.

상기 하부 연결 매니폴드는, 상기 제1 세트의 이차 튜브들과 상기 제2 세트의 이차 튜브들로부터의 응축수를 배출시키며 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들로부터의 응축수를 배출시키도록 구성된 배출 수단(draining means)을 포함한다.

유리하게는, 청구항들과 같이 응축 튜브들을 연결함으로써, 3단계 열교환기가 형성되며, 증기는 세 개의 연속적인 응축 튜브들을 내부를 유동할 수 있고, 비응축성 갓들은 효율적으로 배기된다. 작동할 때, 제1 단계에서, 제1 세트의 일차 튜브들과 제2 세트의 일차 튜브들은 증기와 응축수가 반대 방향으로 유동하는 대향류(counter-current) 모드로 작동한다. 제2 단계에서, 제1 단계에서 응축되지 않은 잔류 증기는 제1 세트의 이차 튜브들과 제2 세트의 이차 튜브들 내에서 병류(co-current) 모드로 추가 응축된다. 최종적으로, 제3 단계에서, 삼차 튜브들은 제1 및 제2 단계에서 응축되지 않은 잔류 증기를 더 응축시키기 위해 대향류 모드로 작동한다. 제3 단계 응축 스킴(scheme)은 삼차 튜브들의 튜브 상단부에 연결된 배기 매니폴드를 통한 비응축성 가스들의 효과적인 배기를 허용한다. 실제로, 비응축성 가스들은 일차, 이차, 및 삼차튜브들의 시퀀스를 통해 증기와 함께 구동된다. 비응축성 가스들은 결국 삼차 튜브들의 상부에서 배기된다. 이렇게 하면, 응축 튜브들 내에 데드 존들이 생성되지 않으며, 이에 의해 겨울에 응축수가 동결되는 위험이 매우 감소한다.

유리하게는, 모든 튜브들을 V-형상의 기하구조로 배치함으로써, 현장에서 조립 작업과 설치 작업이 용이하게 된다. 예를 들어, 응축 튜브들, 상부 매니폴드들 및 하부 증기 공급 매니폴드를 가진 V-형상의 열교환기는 먼저 미리 조립될 수 있고 그 다음에 하나의 독립체로서 리프팅되어 지지 하부구조물 상에 배치될 수 있다.

유리하게는, 일차 튜브들의 튜브 하단부들에 증기를 공급하는 증기 공급 매니폴드를 사용함으로써, 증기 공급 매니폴드는 V-형상의 열교환기의 꼭지점 영역 내에 배치된다. 이렇게 하면, 증기 공급 매니폴드는 열교환기를 위한 강화 요소 및 지지 요소로서 작용한다. 예를 들어, 응축 튜브들과 상부 매니폴드를 지지하기 위해 추가적인 지지 구조물이 필요하지 않게 된다.

추가적으로, 팬 데크(fan deck)가 상부 매니폴드의 상부에 배치될 수 있으며, 이에 의해 팬의 무게는 증기 공급 매니폴드에 의해 지지될 수 있다. 일차, 이차, 및 삼차 튜브들을 V-형상의 기하구조로 배치하는 추가적인 이점은 다양한 튜브들을 냉각시키기 위해 동일한 팬들이 사용될 수 있다는 것이다.

유리하게는, 동일한 유형의 단일-열(single-low) 응축 튜브들이 일차, 이차 및 삼차 응축 튜브들을 위해 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 W-형상의 열교환기에 관한 것이며, 상기 W-형상의 열교환기는 제1 V-형상의 열교환기와 상기 제1 V-형상의 열교환기에 인접하여 배치된 제2 V-형상의 열교환기를 포함하고, 상기 제1 V-형상의 열교환기의 증기 공급 매니폴드는 상기 제2 V-형상의 열교환기의 증기 공급 매니폴드와 평행하게 배치된다.

W-형상의 열교환기를 사용하는 이점은 예를 들어 증기 공급 매니폴드의 방향으로 연장된 단일 열의 팬들이 열교환기의 상부에 배치될 수 있다는 것이다. 이러한 팬들은 두 개의 V-형상의 열교환기들 각각의 내부로 공기를 불어주도록 구성될 수 있다. 이렇게 하면, 필요한 팬들의 수가 감소될 수 있다.

또한, 본 발명은 W-형상의 열교환기를 포함하는 공냉식 응축기(air-cooled condenser)에 관한 것이다. 이러한 공냉식 응축기는 상기 W-형상의 열교환기로 냉각 공기를 공급하도록 구성된 팬(fan)을 포함한다. 본 발명에 따른 공냉식 응축기는 상기 W-형상의 열교환기를 지면 바닥(ground floor)에 대하여 올리도록 구성된 지지 하부구조물을 더 포함한다. 유리하게는, 상기 증기 공급 매니폴드를 상승시킴으로써, 전체 W-형상의 열교환기가 상승되며, 이에 의해 증기 공급 매니폴드 자체가 길이 방향 지지 구조물로서 역할을 하기 때문에 상기 지지 하부구조물은 증기 공급 매니폴드의 방향으로 지지 브라켓을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 공냉식 응축기(air-cooled condenser)를 사용하여 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키는 방법이 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같이 제공된다.

본 발명의 이러한 측면들과 추가적인 측면들은 예를 들어 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 V-형상의 열교환기의 부분 측면도를 개략적으로 도시하며;
도 2는 평면 A를 통해 취해진 도 1의 V-형상의 열교환기의 단면도를 보여주며;
도 3은 평면 B를 통해 취해진 도 1의 V-형상의 열교환기의 단면도를 보여주며;
도 4는 평면 C를 통해 취해진 도 1의 V-형상의 열교환기의 단면도의 부분을 보여주며;
도 5는 본 발명에 따른 V-형상의 열교환기의 대체 가능한 실시예의 부분 단면도를 보여주며;
도 6a는 본 발명에 따른 V-형상의 열교환기의 추가적인 예의 부분의 제1 측면도를 개략적으로 도시하며;
도 6b는 도 6a의 V-형상의 열교환기의 제1 측면도를 개략적으로 도시하며;
도 7은 W-형상의 열교환기의 부분의 단면도를 보여주며;
도 8은 W-형상의 열교환기의 예시적인 실시예의 부분의 단면도를 보여주며;
도 9는 본 발명에 따른 공냉식 응축기의 예의 정면도를 보여주며;
도 10은 본 발명에 따른 공냉식 응축기의 하부 구조물의 측면도를 보여주며;
도 11은 본 발명에 따른 공냉식 응축기의 추가적인 예의 정면도를 보여준다.
상기 도면들은 축척에 맞게 그려지지 않았다. 일반적으로, 도면들에서 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호들로 표시된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 V-형상의 열교환기가 제공된다.

터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 이러한 V-형상의 열교환기는 제1 세트의 일차 튜브들(primary tubes)(91)과 제2 세트의 일차 튜브들(94)을 포함한다. 상기 제1 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사진 단일-열 응축 튜브들(single-row condensing tubes)이며, 여기서 15°<δ1<80°이다. 상기 제2 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면에 대하여 각도(δ2)로 경사진 단일-열 응축 튜브들이며, 여기서 15°<δ2<80°이고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94) 사이에 개방 각도(opening angle)(δ=δ1+δ2)가 형성된다. 바람직한 실시예들에서, 20°<δ1<40°이고, 20°<δ2<40°이다.

상기 단일-열 응축 튜브들은 상업적으로 이용할 수 있는 최근 기술의 응축 튜브들이다. 각각의 단일-열 응축 튜브는 원형, 타원형, 직사각형 또는 반원형 단부들을 가진 직사각형의 단면 형상을 가진 코어 튜브(core tube)를 포함한다. 상기 단일-열 응축 튜브들은 상기 코어 튜브의 측면에 부착된 핀들(fins)을 더 포함한다. 전형적으로, 단일-열 튜브의 단면적은 대략 10㎠ 내지 60㎠이다. 예를 들어, 직사각형 형상의 튜브는 전형적으로 2cm x 20cm의 단면을 가진다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 V-형상의 열교환기는 증기 공급 매니폴드(21)는 터빈으로부터 배기 증기를 받아들이도록 구성된다. 상기 증기 공급 매니폴드(21)는 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)의 일차 튜브들의 튜브 하단부들과 결합되며 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 일차 튜브들의 튜브 하단부들과 결합되도록 구성된다.

도 2는 평면 A를 통해 취해진, 도 1에 도시된 V-형상의 열교환기의 단면도를 보여준다. 이 도면은 일차 단일-열 응축 튜브들의 V-형상의 자세를 도시하며, 수직 평면(V)에 대한 각도들(δ1, δ2)을 보여준다.

본 발명에 따른 V-형상의 열교환기는 또한 제1 세트의 이차 튜브들(secondary tubes)(92)과 제2 세트의 이차 튜브들(95)을 포함한다. 상기 제1 세트의 이차 튜브들(secondary tubes)(92)은 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사지며, 제2 세트의 이차 튜브들(94)은 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ2)로 경사지며, 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)과 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95) 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성된다. 상기 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들은 단일-열 응축 튜브들이다.

도 3은 평면 B를 통해 취해진, 도 1의 V-형상의 열교환기의 단면도를 보여주며, 이차 응축 튜브들의 V-형상의 자세를 도시한다.

본 발명에 따른 V-형상의 열교환기는 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)을 더 포함하며, 상기 제1 세트의 삼차 튜브들은 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사진다. 바람직하게는, 상기 삼차 튜브들도 단일-열 응축 튜브들이다.

본 발명에 따른 V-형상의 열교환기(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 상부 연결 매니폴드(31)와 제2 상부 연결 매니폴드(32)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 상부 연결 매니폴드(31)는 상기 제1 세트의 일차 튜브들(92)의 튜브 상단부들을 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 튜브 상단부들과 연결한다. 상기 제2 상부 연결 매니폴드(32)는 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 튜브 상단부들을 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 튜브 상단부들과 연결한다. 상기 제1 및 제2 연결 매니폴드들의 연결에 의해, 일차 및 이차 응축 튜브들은 직렬로 연결된다. 이렇게 하면, 제1 세트의 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 증기는 비응축성 가스들과 함께 제1 세트의 이차 튜브들로 흐를 수 있으며, 제2 세트의 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 증기는 비응축성 가스들과 함께 제2 세트의 이차 튜브들로 흐를 수 있다.

본 발명에 따른 V-형상의 열교환기(1)는, 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 튜브 하단부들과 연결되고 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 튜브 하단부들과 연결되며 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 튜브 하단부들과 연결되는 하부 연결 매니폴드(22)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 하면, 작동할 때, 일차 또는 이차 튜브들 내에서 응축되지 않은 잔류 증기가 상기 하부 연결 매니폴드(22)를 통해 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들로 이송될 수 있다. 그러면, 이러한 잔류 증기는 삼차 튜브들 내에서 응축될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 V-형상의 열교환기(1)는, 비응축성 가스들을 배기시키기 위한 적어도 제1 배기 매니폴드(41)를 포함한다. 상기 제1 배기 매니폴드(41)는 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 튜브 상단부들과 연결된다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 증기 공급 매니폴드(21)는 증기 공급 섹션(65)과 응축수 배출 섹션(condensate drain section)(61)을 포함한다. 상기 증기 공급 섹션(65)은 제1 및 제2 세트의 일차 튜브들(91, 94)의 튜브 하단부들로 배기 증기의 이송을 허용한다. 상기 응축수 배출 섹션(61)은 상기 제1 및 제2 세트의 일차 튜브들(91, 94)로부터 응축수의 배출을 허용한다. 일반적으로, 상기 증기 공급 매니폴드(21)는, 응축수 배출 섹션(61) 내의 응축수가 중력하에서 증기 유입 방향과 반대 방향으로 유동하도록 약간 기울어진다.

일반적으로, 상기 응축수 배출 섹션(61)은 응축수 수집 탱크에 연결하기 위한 제1 응축수 배출구를 포함한다. 전형적으로, 제1 응축수 배출구와 응축수 수집 탱크 사이의 연결을 위해 파이프라인이 사용된다.

실시예들에서, 상기 응축수 배출 섹션(61)은 응축수 배출 섹션(61)으로부터 증기 공급 섹션(65)을 분리하는 배플(baffle)(25)을 포함한다. 이렇게 하면, 배기 증기의 유동과 응축수의 유동이 서로 방해받지 않는다. 도 1과 도 2에 점선으로 도시된 상기 배플(25)은 주된 증기 공급 매니폴드(21)의 바닥 부분에 배치된다. 전형적으로, 상기 배플(25)은 응축수가 증기 공급 섹션(65)으로부터 응축수 배출 섹션(61) 내부로 떨어질 수 있도록 개구들을 가진 플레이트를 포함한다.

도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하부 연결 매니폴드(62)는, 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들(92, 95)로부터의 응축수를 배출시키며 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)로부터의 응축수를 배출시키도록 구성된 배출 수단(draining means)(62)을 포함한다.

일반적으로, 상기 배출 수단(62)은 응축수 수집 탱크에 연결하기 위한 제2 응축수 배출구를 포함한다. 전형적으로, 제2 응축수 배출구와 응축수 수집 탱크 사이의 연결을 위해 추가적인 파이프라인이 사용된다. 이렇게 하면, 모든 응축수가 공통 응축수 수집 탱크 내에 수집된다.

바람직한 실시예들에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 V-형상의 열교환기는 제2 세트의 삼차 튜브들(96)을 포함하며, 상기 제2 세트의 삼차 튜브들은 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ2)로 경사진다. 이러한 기하구조에서, 제1 세트의 삼차 튜브들(93)과 제2 세트의 삼차 튜브들(96) 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성된다.

이러한 바람직한 실시예들에서, 상기 하부 연결 매니폴드(12)는 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 튜브 하단부들과도 연결된다. 바람직하게는, 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 삼차 튜브들은 단일-열 응축 튜브들이다. 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 비응축성 가스들을 배기시키기 위한 제2 배기 매니폴드(42)가 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 튜브 상단부들과 연결된다. 이러한 바람직한 실시예들에서, 상기 배출 수단(62)은 추가적으로 제2 세트의 삼차 튜브들(96)로부터의 응축수를 배출시키도록 구성된다.

본 발명에 따른 열교환기의 작동이 추가적으로 논의된다. 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 열교환기는 39℃ 내지 69℃ 사이의 범위 내의 증기 온도에 대응되는 70mbar 내지 300mbar 사이의 범위 내의 압력에서 작동한다. 도 1의 흑색 화살표들은 V-형상의 열교환기를 통한 증기 및/또는 비응축성 가스들의 유동을 나타낸다. 작동할 때, 터빈으로부터의 배기 증기는 주된 증기 공급 매니폴드(21)로 들어가고, 주된 증기 공급 매니폴드(21)는 증기를 제1 및 제2 세트의 일차 튜브들로 재분배한다. 일차 튜브들 내의 증기와 응축수는 반대 방향으로 유동한다. 실제로, 일차 튜브들 내에서 형성된 응축수는 중력에 의해 주된 증기 공급 매니폴드(21)로 유동할 것이고, 여기서 응축수 배출 섹션(61)은 응축수를 수집하여 배출한다. 이러한 작동 모드는 대향류 모드(counter-flow mode)로 불린다. 상기 일차 튜브들은 응축 공정의 제1 단계를 수행한다.

제1 세트의 일차 튜브들을 통한 단일 통과(single passage) 후에 응축되지 않은 잔류 증기는 제1 상부 연결 매니폴드(31) 내에 수집된다. 유사하게, 제2 세트의 일차 튜브들의 일차 응축 튜브들을 통한 단일 통과(single passage) 후에 응축되지 않은 잔류 증기는 제2 상부 연결 매니폴드(32)에 의해 수집된다. 상기 제1 상부 연결 매니폴드(31)와 제2 상부 연결 매니폴드(32)는 잔류 증기를 상기 제1 및 제2 세트의 이차 튜브들 각각의 이차 튜브들로 공급한다. 이차 응축 튜브들은 증기와 형성된 응축수가 동일한 방향으로 유동하는 소위 병류(co-current) 모드로 작동한다. 상기 이차 튜브들은 응축공정의 제2 단계를 수행한다.

상기 하부 연결 매니폴드(22)는 일차 튜브들 내에서 응축되지 않고 이차 튜브들 내에서도 응축되지 않은 잔류 증기를 수집하며 이 잔류 증기를 삼차 튜브들로 이송한다.

상기 삼차 튜브들은 대향류 모드로 작동한다. 상기 삼차 튜브들은 응축 공정의 제3 최종 단계를 수행한다. 상기 세 개의 응축 단계들 중에, 비응축성 가스들도 일련의 응축 튜브들을 통해 유동하며 비응축성 가스들을 위한 배기 매니폴드에 의해 수집되어 배기된다.

작동 시에, 비응축성 가스들은 삼차 튜브들의 상부 영역 내부로 쓸려 들어가며 여기서 제거될 수 있다. 상기 배기 매니폴드는 비응축성 가스들을 추출하기 위한 배출기(ejector)를 포함한다. 전형적으로, 진공 펌프가 비응축성 가스들을 펌핑하여 대기로 날려 보내기 위해 제1 배기 매니폴드(41) 및/또는 제2 배기 매니폴드(42)에 연결된다. 비응축성 가스들을 추출하기 위한 이러한 유형의 배기 매니폴드는 본 기술 분야에 알려져 있으며 예를 들어 고전적 델타-유형의 열교환기의, 대향류 모드로 작동하는, 분류기 단계(환류로도 지칭됨)를 위해 사용된다.

본 발명에 따른 실시예들에서, 응축 튜브들은, 배기 증기의 대부분(일반적으로 60% 내지 80%)이 일차 튜브들 내에서 응축되고 추가적인 부분(일반적으로 10% 내지 30%)은 이차 튜브들 내에서 응축되도록 구성된다. 삼차 튜브들 내에서는, 전체 배기 증기 중 오직 작은 부분만이 응축된다(일반적으로 10% 이하). 세 개의 응축 단계들에서 응축되는 증기의 양은 일차, 이차 및 삼차 튜브들의 수에 의해 결정된다.

일반적으로, 본 발명에 따른 열교환기의 일차 및 이차 튜브들은 4m 내지 7m의 범위 내의 튜브 길이(TL)를 가진다. 바람직한 실시예들에서, 튜브 길이는 4.5 내지 5.5m 사이이다. 몇몇 실시예들에서, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 삼차 튜브들의 응축 튜브들의 길이는 일차 튜브들과 이차 튜브들의 길이보다 더 짧다. 이 실시예에서, 더 짧은 길이는 예를 들어 배기 매니폴드를 도 1에 도시된 바와 같이 설치할 수 있도록 허용한다. 다른 실시예들에서, 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이, 삼차 튜브들의 튜브 길이는 일차 및 이차 튜브들의 튜브 길이와 동일하다.

열교환기를 대향류 모드로 사용할 때 알려진 형상은 소위 범람(flooding) 현상이며, 이는 튜브들을 통한 증기의 흐름을 차단하거나 부분적으로 차단할 수 있다. 이는 큰 압력 강하를 초래한다. 범람은 응축 튜브들로 들어간 증기가 높은 속도를 가지고 그 결과로서 응축수를 위쪽 방향으로 방향을 바꾸도록 강제할 때 발생한다. 이러한 범람의 문제점을 다루기 위해, 열교환기는 범람이 일어나는 임계 속도(critical velocity)에 도달하지 않도록 설계된다.

위에서 논의된 바와 같이, 예를 들어 병류 모드로 작동하는 델타-유형의 열교환기들과 같은 종래 기술의 열교환기들은 전형적으로 10 내지 12 미터 사이의 튜브 길이를 가진 응축 튜브들을 사용한다. 이러한 델타-유형의 열교환기들의 응축 튜브들로 들어가는 증기의 전형적인 속도는 대략 100m/s이다. 본 발명에 따른 열교환기를 위한 일차 튜브들로서 이러한 10 미터의 긴 튜브 길이를 사용하는 것은 범람의 문제점에 관한 한 중요할 수 있다.

응축 튜브들의 길이가 예를 들어 두 배로 감소될 경우에, 동일한 열교환 표면을 유지하고 이에 의해 동일한 열교환 능력을 유지하기 위해서는 응축 튜브들의 수가 두 배가 되어야 할 필요가 있다. 이렇게 하는 이점은 응축 튜브들로 들어오는 증기의 속도도 대략 두 배로 감소된다는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에서, 일차 튜브들의 튜브 길이(TL)는 4미터≤TL≤7미터의 범위 내이다. 이렇게 하면, 고전적인 델타-유형의 열교환기들의 10 내지 12미터의 긴 튜브들과 비교할 때 튜브들로 들어오는 증기의 속도가 감소되며 범람에 관련된 문제점들이 방지될 수 있다.

증기의 속도 감소의 추가적인 이점은 열교환기 내의 압력 강하가 감소되고 이에 의해 열교환기의 성능이 향상된다는 것이다. 실제로, 응축 튜브 내에서의 압력 강하는 증기의 유입 속도의 제곱에 비례한다. 따라서, 응축 튜브로 들어오는 증기의 속도를 두 배로 감소시킬 경우에, 응축 튜브 내에서의 압력 강하는 네 배로 감소된다.

그러므로, 본 발명에 따른 열교환기가 일차, 이차 및 삼차 튜브들에 의해 세 개의 응축 단계들을 사용하더라도, 예를 들어 두 개의 응축 단계들(병류 모드의 제1단계 열교환기와 대향류 모드의 제2단계 분류기)이 사용되는 고전적인 델타-유형의 열교환기에서의 전체 압력 강하와 비교할 때, 전체 압력 강하는 여전히 낮다.

실제로, 많은 평행한 단일-열 응축 튜브들이 튜브 묶음을 형성하기 위해 그룹화된다. 제1 튜브 플레이트와 제2 튜브 플레이트는 각각 튜브 묶음의 튜브들의 하단부와 상단부에 용접된다. 상기 튜브 플레이트들은 구멍들을 가진 두꺼운-벽의 금속 시트들이다. 상기 제1 튜브 플레이트는 그 다음에 증기 공급 매니폴드에 용접되고, 상기 제2 튜브 플레이트는 상부 매니폴드에 용접된다. 이렇게 하면, 매니폴드들과 응축 튜브들 사이의 결합이 확립된다. 튜브들과 매니폴드들 사이의 이러한 결합은 열교환기 내의 누설이 최소화되도록 유밀 결합(fluid-tight coupling)으로서 이해되어야 한다.

튜브 묶음의 폭(W)은 묶음 내의 응축 튜브들의 수에 의해 결정된다. 몇몇 실시예들에서, 튜브 묶음들은 예를 들어 2.5m의 동일한 표준 폭(W)을 가지며, 이는 다양한 튜브 묶음들의 제조 공정을 용이하게 한다.

일차, 이차 및 삼차 튜브들의 세트들은 상이한 수의 튜브 묶음들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 실시예에서, 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)은 폭(W)을 가진 6 개의 튜브 묶음들을 포함하며, 이들은 참조번호 91a, 91b, 91c, 91d, 91e 및 91f로 표시되어 있다. 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)은 폭(W)을 가진 2 개의 튜브 묶음들을 포함하며, 이들은 참조번호 92a와 92b로 표시되어 있다. 상기 제1 세트의 삼차 튜브들(93)은 하나의 튜브 묶음(93a)을 포함하며, 이는 이 예에서 동일한 폭(W)을 가진다. 이 예에서, 도 6b에 추가 도시된 바와 같이, 제2 세트의 일차 튜브들(94)은 참조번호 94a, 94b, 94c, 94d, 94e 및 94f로 표시된 6 개의 튜브 묶음들을 포함하고, 제2 세트의 이차 튜브들(95)은 2 개의 튜브 묶음들(95a, 95b)을 포함하며, 제2 세트의 삼차 튜브들(96)은 하나의 튜브 묶음(96a)을 포함한다.

도 2와 도 6a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 튜브 묶음들의 길이는 단일-열 응축 튜브들의 길이(TL)에 의해 결정된다.

도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 상부 연결 매니폴드(31)와 제2 상부 연결 매니폴드는 다양한 서브-매니폴드들(sub-manifolds)을 포함할 수 있다. 도 6a에 도시된 예에서, 제1 상부 매니폴드(31)는 두 개의 서브-매니폴드들(31a, 31b)을 포함하며, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제2 상부 연결 매니폴드(32)는 두 개의 서브-매니폴드들(32a, 32b)을 포함한다.

실시예들에서, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 증기 공급 매니폴드(21)는 하부 연결 매니폴드(22)를 형성하는 분리된 격실(compartment)을 포함한다. 다시 말해서, 하부 연결 매니폴드(22)는 증기 공급 매니폴드(21) 내부에 통합된다. 예를 들어, 하나 이상의 금속 플레이트를 증기 공급 매니폴드(21) 내부에 용접함으로써 상기 분리된 격실이 얻어질 수 있다. 증기 공급 매니폴드는 전형적으로 1 내지 3미터 사이의 직경을 가지기 때문에, 하부 연결 매니폴드(22)를 형성하기 위해 증기 공급 매니폴드의 내부에 플레이트들을 용접하는 것은 설치 장소에서 이러한 활동을 수행하기 위한 비용-효과적인 방식이다.

위에서 언급한 바와 같이, 하부 연결 매니폴드(22)는 이차 및 삼차 튜브들로부터의 응축수를 배출하도록 구성된 배출 수단(draining means)(62)을 포함한다. 상기 배출 수단(62)은 응축수를 배출시키기 위한 채널 또는 트렌치(trench)로서 이해하여야 한다. 전형적으로, 하부 연결 매니폴드(22)는 상부 섹션과 하부 섹션을 포함한다. 상기 하부 섹션은 상기 배출 수단(62)을 형성한다. 몇몇 실시예들에서, 하부 섹션을 상부 섹션으로부터 분리하기 위해 추가적인 배플이 사용될 수 있다. 이렇게 하면, 상부 섹션 내에서 이차 튜브들로부터 삼차 튜브들로 유동하는 증기가 하부 섹션 내에서 유동하는 응축수로부터 분리된다. 상기 배출 수단(62)에 의해 배출되는 응축수는 추가 덕트를 통해 응축수 수집 탱크로 추가 이송된다(도면들에 미도시됨).

도 3과 도 4에 도시된 실시예들에서, 하부 연결 매니폴드(22)는 제1 및 제2 세트의 이차 튜브들로부터 잔류 증기를 수용하기 위한 단일의 캐비티(cavity)에 의해 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 제1 및 제2 세트의 삼차 튜브들의 튜브 하단부들은 제1 및 제2 세트의 이차 튜브들로부터 오는 잔류 증기와 비응축성 가스들을 수용하기 위해 상기 단일의 캐비티에 연결된다.

도 5에 도시된 대체 가능한 실시예들에서, 하부 연결 매니폴드(22)는 두 개의 분리된 캐비티들에 의해 형성된다. 이 실시예에서, 하부 연결 매니폴드(22)는 두 개의 캐비티들에 대응되는 제1 연결부(22a)와 제2 연결부(22b)를 포함한다. 상기 제1 연결부(22a)는 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 튜브 하단부들을 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 튜브 하단부들과 연결한다. 상기 제2 연결부(22a)는 제2 세트의 이차 튜브들(94)의 튜브 하단부들을 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 튜브 하단부들과 연결한다. 상기 제1 및 제2 연결부는 예를 들어 제1 및 제2 튜브 요소를 주된 증기 공급 매니폴드의 내부에 용접함으로써 형성될 수 있다.

도 5에 도시된, 이러한 대체 가능한 실시예들에서, 상기 제1 연결부(22a)와 제2 연결부(22b)는 제1 배출 격실(drain compartment)(62a)과 제2 배출 격실(62b)을 각각 포함한다. 상기 제1 및 제2 배출 격실(62a, 62b)은 하부 연결 매니폴드(22)의 배출 수단(62)을 형성하고 있다.

일반적으로, 열교환기 내에서의 압력 강하로 인해, 하부 연결 매니폴드(22) 내의 압력은 증기 공급 매니폴드 내의 압력보다 낮다. 그 결과로서, 하부 연결 매니폴드 내의 응축수의 온도는 증기 공급 매니폴드 내의 응축수의 온도보다 낮다. 따라서, 하부 연결 매니폴드를 증기 공급 매니폴드 내부에 통합하는 것은 하부 연결 매니폴드 내의 응축수가 하부 연결 매니폴드의 벽들을 통해 증기 공급 매니폴드 내의 배기 증기와 접촉하게 되는 이점을 준다. 이는 하부 연결 매니폴드 내의 응축수의 온도가 상승하는 유리한 효과를 가진다. 이러하게 하면, 응축수의 과냉각(subcooling)이 최소화된다.

그러나, 하부 연결 매니폴드(22)는 반드시 증기 공급 매니폴드(21) 내부에 통합될 필요는 없다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 증기 공급 매니폴드(21)는, 이차 및 삼차 튜브들에 연결되되 증기 공급 매니폴드(21)로부터 분리되는 하부 연결 매니폴드(22)의 설치를 허용하기 위해, 이차 및 삼차 튜브들의 위치에서 직경이 감소한다.

본 발명은 또한 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 소위 W-형상의 열교환기(2)에 관한 것이다. 이러한 W-형상의 열교환기(2)는, 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 V-형상 열교환기(1a)와, 상기 제1 V-형상 열교환기(1a)에 인접하여 배치된 제2 V-형상 열교환기(1b)를 포함한다. 상기 제1 V-형상 열교환기(1a)d의 증기 공급 매니폴드는 상기 제2 V-형상 열교환기(1b)의 증기 공급 매니폴드와 평행하다.

W-형상 열교환기(2)의 바람직한 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 V-형상 열교환기(1a)의 제2 상부 연결 매니폴드와 상기 제2 V-형상 열교환기(1b)의 제1 상부 연결 매니폴드는 제1 및 제2 V-형상 열교환기(1a, 1b)를 위한 단일의 공통 상부 연결 매니폴드(33)를 형성한다. 공통 상부 연결 매니폴드(33)를 사용하는 것은 열교환기의 강도를 증가시킨다.

본 발명은 또한 위에서 논의된 바와 같은 V-형상 열교환기를 포함하는 공냉식 응축기(10)에 관련되며, 여기서 응축수 수집 탱크는 증기 공급 매니폴드(21)의 응축수 배출 섹션(61)에 연결되고 하부 연결 매니폴드(22)의 배출 수단(62)에 연결된다. 이렇게 하면, 열교환기 내에서 형성된 모든 응축수가 공통 수집 탱크 내에 수집된다.

도 9와 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명은 또한 W-형상의 열교환기(2)와, 상기 W-형상의 열교환기(2)를 지면 바닥(85)에 대하여 올리도록 구성된 지지 하부구조물(support substructure)(80)을 포함하는 공냉식 응축기(10)에 관한 것이다. 상기 W-형상의 공냉식 응축기(10)는 팬(fan)(71)을 지지하는 팬 지지 조립체를 포함한다. 상기 팬(71)은 W-형상의 열교환기를 통한 통풍(air draft)을 유도하도록 구성된다. 상기 팬 지지 조립체는 W-형상의 열교환기(2)의 상부 연결 매니폴드들에 결합된 팬 데크(deck)(70)를 포함한다.

전형적으로, 상기 공냉식 응축기(10)의 지지 하부구조물(80)은 증기 공급 매니폴드들(21) 각각을 지면 바닥(85)에 대하여 높이 H>4m로 올리도록 구성된다.

유리하게는, 이러한 열교환기의 V-형상의 기하구조에 기인하여 그리고 V-형상의 열교환기들의 꼭지점 영역에 배치된 증기 공급 매니폴드의 사용에 기인하여, 상기 지지 하부구조물과 팬 지지 구조물은 둘 다 US2017/0234168A1호에 기술된 것과 같은 종래 기술의 공냉식 응축기와 비교할 때 단순화될 수 있다. 본 발명에 따른 V-형상 또는 W-형상의 열교환기에 의해, US2017/0234168A1의 경우에서처럼 증기 공급 라인들과 평행한 길이 방향으로 연장된 지지 브라켓을 필요로 하지 않는다. 실제로, 본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 증기 공급 매니폴드들은 길이 방향 지지 구조물로서 역할을 하며, 증기 공급 매니폴드를 지지하는 하부구조물의 측면도의 부분을 보여주는 도 10에 도시된 바와 같이 지지 하부구조물은 오직 증기 공급 매니폴드들에 대해 직각 방향으로 연장된다. 이러한 단순화된 하부구조물에 의해, 필요한 강재의 수가 매우 감소된다. 추가적으로, 위에서 논의된 바와 같이, 상기 판들(71)은 상부 연결 매니폴드들의 상부에 배치된 팬 데크를 통해 지지될 수 있으며, 팬을 지지하기 위해 US2017/0234168A1에서처럼 특정한 중앙 기둥이 필요하지 않게 된다.

다른 실시예들에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 공냉식 응축기(10)는 둘 이상의 W-형상의 열교환기들(2a 및 2b)을 포함한다. 둘 이상의 W-형상의 열교환기들(2a, 2b)은, 하나 이상의 W-형상의 열교환기 각각의 증기 공급 매니폴드들(21)이 평행하도록, 서로 인접하여 배치된다. 또한, 이러한 실시예들에서, 지지 하부구조물(80)은 둘 이상의 W-형상의 열교환기들(2)을 지면 바닥(85)에 대하여 올리도록 구성된다. 상기 둘 이상의 W-형상의 열교환기들(2)을 통한 통풍을 유도하도록 구성된 하나 이상의 팬들(71)이 제공되며, 지지 조립체(50)는 하나 이상의 팬들을 지지한다.

본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 공냉식 응축기를 사용하여 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은,

● 제1 세트의 일차 튜브들(primary tubes)(91)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 15°<δ1<80°이고, 바람직하게는 20°<δ1<40°인, 제1 세트의 일차 튜브들을 제공하는 단계,

● 제2 세트의 일차 튜브들(94)을 제공하는 단계로서, 상기 제2 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 15°<δ2<80°이고, 바람직하게는 20°<δ2<40°이며, 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94) 사이에 개방 각도(opening angle)(δ=δ1+δ2)가 형성되는, 제2 세트의 일차 튜브들을 제공하는 단계,

● 제1 세트의 이차 튜브들(secondary tubes)(92)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)은, 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들인, 제1 세트의 이차 튜브들을 제공하는 단계;

● 제2 세트의 이차 튜브들(95)을 제공하는 단계로서, 상기 제2 세트의 이차 튜브들은, 병렬로 배치되고 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)과 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95) 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성되도록 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들인, 제2 세트의 이차 튜브들을 제공하는 단계,

● 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(tertiary tubes)(93)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 세트의 삼차 튜브들은 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사지며, 바람직하게는 상기 삼차 튜브들은 단일-열 응축 튜브들인, 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들을 제공하는 단계,

● 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 하단부들로 배기 증기를 공급하는 단계,

● 상기 제1 세트의 일차 튜브들의 상단부들에서 상기 제1 세트의 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 제1 잔류 증기를 수집하고 상기 제1 잔류 증기를 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 상단부들로 공급하는 단계,

● 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 상단부들에서 상기 제2 세트의 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 제2 잔류 증기를 수집하고 상기 제2 잔류 증기를 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 상단부들로 공급하는 단계,

● 상기 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들의 하단부들에서 상기 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들 내에서 응축되지 않은 추가 잔류 증기를 수집하고 상기 추가 잔류 증기를 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 하단부들로 공급하는 단계,

● 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 상단부들에서 비응축성 가스들(non-condensable gases)을 배기시키는 단계, 및

● 상기 제1 및 제2 세트의 일차 튜브들로부터, 상기 제1 및 제2 세트의 이차 튜브들로부터, 그리고 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들로부터 응축수를 수집하고, 수집된 응축수를 응축수 수집 탱크를 향해 배출시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 특정 실시예들의 면에서 서술되었으며, 이는 본 발명을 보여주기 위한 것이지 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 더욱 일반적으로, 본 기술 분야의 기술자는, 본 발명은 위에서 특히 도시된 및/또는 서술된 것들에 의해 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 각각의 그리고 모든 신규한 특징과 각각의 그리고 모든 특징들의 조합에 있다. 청구항들 내의 참조번호들은 그들의 보호 범위를 제한하지 않는다.

"포함하는" 이라는 동사의 사용은 서술된 것 이외의 요소들의 존재를 배제하지 않는다.

요소에 앞서 부정관사 또는 정관사의 사용은 이러한 요소들의 다수의 존재를 배제하지 않는다.

Claims

터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 V-형상의 열교환기(1)로서,
● 제1 세트의 일차 튜브들(primary tubes)(91)로서, 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 15°<δ1<80°이고, 바람직하게는 20°<δ1<40°인, 제1 세트의 일차 튜브들(91),
● 제2 세트의 일차 튜브들(94)로서, 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 15°<δ2<80°이고, 바람직하게는 20°<δ2<40°이며, 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94) 사이에 개방 각도(opening angle)(δ=δ1+δ2)가 형성되는, 제2 세트의 일차 튜브들(94),
● 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)의 튜브 하단부들과 연결되고 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 튜브 하단부들과 연결되는 증기 공급 매니폴드(21)로서, a) 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 튜브 하단부들로 배기 증기를 이송하기 위한 증기 공급 섹션(65), 및 b) 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)로부터의 응축수를 배출시키도록 구성된 응축수 배출 섹션(condensate drain section)(61)을 포함하는 증기 공급 매니폴드(21)를 포함하며,
상기 V-형상의 열교환기(1)는,
● 제1 세트의 이차 튜브들(secondary tubes)(92)로서, 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)은, 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들인, 제1 세트의 이차 튜브들(92),
● 제2 세트의 이차 튜브들(95)로서, 상기 제2 세트의 이차 튜브들은, 병렬로 배치되고 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)과 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95) 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성되도록 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들인, 제2 세트의 이차 튜브들(95),
● 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(tertiary tubes)(93)로서, 상기 제1 세트의 삼차 튜브들은 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사지며, 바람직하게는 상기 삼차 튜브들은 단일-열 응축 튜브들인, 제1 세트의 삼차 튜브들(93),
● 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)의 튜브 상단부들을 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 튜브 상단부들과 연결하는 제1 상부 연결 매니폴드(31),
● 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 튜브 상단부들을 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 튜브 상단부들과 연결하는 제2 상부 연결 매니폴드(32),
● 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 튜브 하단부들과 연결되고, 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 튜브 하단부들과 연결되며, 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 튜브 하단부들과 연결되는 하부 연결 매니폴드(22), 및
● 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 튜브 상단부들과 연결되어 비응축성 가스들(non-condensable gases)을 배기시키기 위한 적어도 제1 배기(evacuation) 매니폴드(41)를 포함하며,
상기 하부 연결 매니폴드(22)는, 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)과 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)로부터의 응축수를 배출시키며 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)로부터의 응축수를 배출시키도록 구성된 배출 수단(draining means)(62)을 포함하는 것을 특징으로 하는, V-형상의 열교환기.
제1항에 있어서,
● 제2 세트의 삼차 튜브들(tertiary tubes)(96), 및
● 비응축성 가스들을 배기시키기 위한 제2 배기 매니폴드(42)를 포함하며,
상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96)은 병렬로 배치되고 상기 제1 세트의 삼차 튜브들(93)과 상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96) 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성되도록 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ2)로 경사지며, 상기 하부 연결 매니폴드(22)는 상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 튜브 하단부들과 연결되고, 바람직하게는 상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96)은 단일-열 응축 튜브들이며,
상기 제2 배기 매니폴드(42)는 상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 튜브 상단부들과 연결되며, 상기 배출 수단(62)은 상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96)로부터의 응축수를 배출시키도록 더 구성되는, V-형상의 열교환기.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증기 공급 매니폴드(21)는 상기 응축수 배출 섹션(61)으로부터 상기 증기 공급 섹션(65)을 분리하는 배플(baffle)(25)을 포함하는, V-형상의 열교환기.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증기 공급 매니폴드(21)는 상기 하부 연결 매니폴드(22)를 형성하는 분리된 격실(compartment)을 포함하는, V-형상의 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 분리된 격실은 상기 증기 공급 매니폴드(21) 내부에 하나 이상의 금속 플레이트들을 용접함으로써 얻어지는, V-형상의 열교환기.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하부 연결 매니폴드(22)는 상기 배출 수단(62)을 형성하는 하부 격실을 포함하는, V-형상의 열교환기.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하부 연결 매니폴드(22)는 제1 연결부(22a)와 제2 연결부(22b)를 포함하며, 상기 제1 연결부(22a)는 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 튜브 하단부들을 상기 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 튜브 하단부들과 연결하고, 상기 제2 연결부(22a)는 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 튜브 하단부들을 상기 제2 세트의 삼차 튜브들(96)의 튜브 하단부들과 연결하는, V-형상의 열교환기.
제7항에 있어서,
상기 제1 연결부(22a)와 상기 제2 연결부(22b)는 제1 응축수 배출 수집기(drain collector)(62a)과 제2 응축수 배출 수집기(62b)를 각각 포함하며, 상기 제1 및 제2 응축수 배출 수집기(62a, 62b)는 상기 하부 연결 매니폴드(22)의 배출 수단(62)을 형성하는, V-형상의 열교환기.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 세트의 일차 튜브들은 하나 이상의 일차 튜브 묶음들(bundles)로 그룹화되고, 상기 제2 세트의 일차 튜브들은 하나 이상의 추가 일차 튜브 묶음들로 그룹화되며, 상기 제1 세트의 이차 튜브들은 하나 이상의 이차 튜브 묶음들로 그룹화되고, 상기 제2 세트의 이차 튜브들은 하나 이상의 추가 이차 튜브 묶음들로 그룹화되며, 상기 제1 세트의 삼차 튜브들은 하나 이상의 삼차 튜브 묶음들로 그룹화되고 및/또는 제2 세트의 삼차 튜브들은 하나 이상의 추가 삼차 튜브 묶음들로 그룹화되는, V-형상의 열교환기.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축수 배출 섹션(61)은 응축수 수집 탱크에 연결하기 위한 제1 응축수 배출구를 포함하며, 상기 배출 수단(62)은 상기 응축수 수집 탱크에 연결하기 위한 제2 응축수 배출구를 포함하는, V-형상의 열교환기.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 세트 및 제2 세트의 일차 튜브들(91, 94)과 상기 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들(92, 95)은 4미터 내지 7미터 사이의 범위 내의 튜브 길이를 가지는, V-형상의 열교환기.
터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키기 위한 W-형상의 열교환기(2)로서,
● 전기한 항들 중 어느 한 항에 따른 제1 V-형상의 열교환기(1a), 및
● 상기 제1 V-형상의 열교환기(1a)에 인접하여 배치된 전기한 항들 중 어느 한 항에 따른 제2 V-형상의 열교환기(1ba)를 포함하며,
상기 제1 V-형상의 열교환기의 증기 공급 매니폴드는 상기 제2 V-형상의 열교환기의 증기 공급 매니폴드와 평행하게 배치되는, W-형상의 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 제1 V-형상의 열교환기(1a)의 제2 상부 연결 매니폴드와 상기 제2 V-형상의 열교환기(1b)의 제1 상부 연결 매니폴드는 단일의 공통 상부 연결 매니폴드(33)는 상기 제1 및 제2 V-형상 열교환기들(1a, 1b)을 위한 단일의 공통 상부 연결 매니폴드(33)를 형성하는, W-형상의 열교환기.
공냉식 응축기(air-cooled condenser)(10)로서,
● 제12항 또는 제13항에 따른 W-형상의 열교환기(2),
● 상기 W-형상의 열교환기(2)를 지면 바닥(ground floor)(85)에 대하여 올리도록 구성된 지지 하부구조물(80), 및
● 상기 W-형상의 열교환기(2)로 공기를 공급하도록 구성된 팬(fan)(71)을 포함하는 공냉식 응축기.
공냉식 응축기(air-cooled condenser)(10)로서,
● 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 V-형상의 열교환기(1), 및
● 상기 증기 공급 매니폴드(21)의 응축수 배출 섹션(61)과 연결되고 상기 하부 연결 매니폴드(22)의 배출 수단(62)과 연결되는 응축수 수집 탱크를 포함하는 공냉식 응축기.
공냉식 응축기(air-cooled condenser)를 사용하여 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키는 방법으로서, 상기 방법은,
● 제1 세트의 일차 튜브들(primary tubes)(91)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 15°<δ1<80°이고, 바람직하게는 20°<δ1<40°인, 제1 세트의 일차 튜브들을 제공하는 단계,
● 제2 세트의 일차 튜브들(94)을 제공하는 단계로서, 상기 제2 세트의 일차 튜브들은, 병렬로 배치되고 수직 평면(V)에 대하여 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들이며, 15°<δ2<80°이고, 바람직하게는 20°<δ2<40°이며, 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94) 사이에 개방 각도(opening angle)(δ=δ1+δ2)가 형성되는, 제2 세트의 일차 튜브들을 제공하는 단계,
● 제1 세트의 이차 튜브들(secondary tubes)(92)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)은, 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들인, 제1 세트의 이차 튜브들을 제공하는 단계;
● 제2 세트의 이차 튜브들(95)을 제공하는 단계로서, 상기 제2 세트의 이차 튜브들은, 병렬로 배치되고 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)과 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95) 사이에 개방 각도(δ=δ1+δ2)가 형성되도록 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ2)로 경사진 단일-열(single-row) 응축 튜브들인, 제2 세트의 이차 튜브들을 제공하는 단계,
● 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(tertiary tubes)(93)을 제공하는 단계로서, 상기 제1 세트의 삼차 튜브들은 병렬로 배치되고 상기 수직 평면(V)에 대하여 상기 각도(δ1)로 경사지며, 바람직하게는 상기 삼차 튜브들은 단일-열 응축 튜브들인, 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들을 제공하는 단계,
● 상기 제1 세트의 일차 튜브들(91)과 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 하단부들로 배기 증기를 공급하는 단계,
● 상기 제1 세트의 일차 튜브들의 상단부들에서 상기 제1 세트의 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 제1 잔류 증기를 수집하고 상기 제1 잔류 증기를 상기 제1 세트의 이차 튜브들(92)의 상단부들로 공급하는 단계,
● 상기 제2 세트의 일차 튜브들(94)의 상단부들에서 상기 제2 세트의 일차 튜브들 내에서 응축되지 않은 제2 잔류 증기를 수집하고 상기 제2 잔류 증기를 상기 제2 세트의 이차 튜브들(95)의 상단부들로 공급하는 단계,
● 상기 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들의 하단부들에서 상기 제1 세트 및 제2 세트의 이차 튜브들 내에서 응축되지 않은 추가 잔류 증기를 수집하고 상기 추가 잔류 증기를 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 하단부들로 공급하는 단계,
● 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들(93)의 상단부들에서 비응축성 가스들(non-condensable gases)을 배기시키는 단계, 및
● 상기 제1 및 제2 세트의 일차 튜브들로부터, 상기 제1 및 제2 세트의 이차 튜브들로부터, 그리고 상기 적어도 제1 세트의 삼차 튜브들로부터 응축수를 수집하고, 수집된 응축수를 응축수 수집 탱크를 향해 배출시키는 단계를 포함하는, 터빈으로부터의 배기 증기를 응축시키는 방법.