KR20200088611A - 초저온 액화가스용 판형 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화천연가스(LNG), 액화질소(LN2), 액화산소 등과 같은 초저온의 액화가스를 디스크 번들타입의 밀폐형 판형 열교환장치를 통해 안정적으로 기화시킬 수 있게 되는 고효율의 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 액화가스를 기화하게 되는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 있어서, 상부와 하부에 가열매체 유입구 및 유출구가 형성되고 타 측면에는 피가열매체 유입구 및 유출구가 형성되며 일 측면의 개구부가 커버로 개폐 가능하도록 된 원통형의 셀하우징; 상기 셀하우징의 내측에 투입되며, 상기 가열매체 유입구를 통해 셀하우징의 내부로 유입되는 가열매체와 상기 피가열매체 유입구를 통하는 제1 포트홀로 유입되는 피가열매체가 전열판 사이에 마련된 각 채널의 가열 또는 피가열 전열유로로 흐르면서 상호 열교환하게 되는 판형 열교환부; 상기 셀하우징의 저부에 내측 챔버와 연통하는 가열부가 형성되며 상기 가열부의 일측에 형성된 히터 결합부에 결합하여 챔버로 공급되는 가열매체를 가열하기 위한 전기히터; 상기 가열매체 유입구 및 유출구을 연결하는 가열매체 순환라인, 및 상기 가열매체 순환라인에 구비되는 순환펌프; 로 구성된다.

Description

초저온 액화가스용 판형 열교환장치{Plate type Heat Exchanger for Cryogenic Liquefied Gas}

본 발명은 액화천연가스(LNG), 액화질소(LN2), 액화산소 등과 같은 초저온의 액화가스를 디스크 번들타입의 밀폐형 판형 열교환장치를 통해 안정적으로 기화시킬 수 있게 되는 고효율의 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 관한 것이다.

액화천연가스(LNG), 액화질소(LN2), 액화산소 등과 같은 초저온의 액화가스(이하 '액화가스'라 통칭함)는 초저온의 온도(약-163℃이하)로 액화(液化)시켜 액체상태로 저장 및 운반되고 소정의 기화과정을 거쳐 기화(氣化)한 후 기체상태의 가스(연료 등)로 공급하게 된다.

일반적으로 알려진 종래의 LNG기화기(Vapourizer)에 관하여 도 1을 참조하여 살펴보면, LNG저장탱크(1)의 액화가스가 배관을 통해 기화기(2, Vapourizer)로 보내지면 대기중의 공기와 열접촉하면서 기화하여 사용처로 보내진다. 이러한 대류식 기화기는 길게 연장된 핀튜브(파이프 및 방열핀)을 통해 액화가스가 순환하면서 공기와 열접촉하여 기화하게 된다. 그런데 대류식 기화기는 기화하는 과정에서 초저온의 액화가스로 인해 신축하면서 소음이나 진동이 발생하게 되며 파이프 및 배관의 연합부위(융접, 용접 등)가 손상 및 누설이 발생하는 등의 안전성이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 대기중으로 열(초저온)에너지가 소실되어 에너지의 손실이 크며, 설치 지역(한랭지) 및 대기 온도, 기후 변화에 따라 기화효율이 불균일하고 생산량이 저하되는 문제점이 있었다. LN2, LNG와 같은 유체가 기화시에는 600~800배 정도의 부피증가로 인해 신뢰성에 많은 문제가 있으며, 폭발의 위험성이 높고 안전성이 불량한 문제점이 있었다. 또 기화(열교환)효율을 높이기 위해서는 파이프의 길이를 연장하거나 방열핀을 통한 대기와의 열접촉면적을 확장하는 등, 상대적으로 부피(가로 및 세로)가 비대해짐은 물론 기화기의 처리능력에 따라 상대적으로 부피 및 설치면적이 배가되고 공간 이용효율이 불량하며 제작 및 시설비용이 과다하게 소요되는 등의 여러가지 문제점들이 있었다.

여기서 상기한 액화가스 기화기와 관련한 종래의 선행기술(특허문헌)을 살펴보면, (특허문헌 001) 국내 등록특허공보 제10-1506946(등록일자 2015년03월24일)호의 '고압용 대기식 초저온가스 기화기'가 공지된 바에 있다. 이는 LNG 및 산업용 가스 등의 액체 상태 초저온 가스를 기화 상태로 변화시켜서 공급하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기에 있어서, 기화기틀; 기화기틀에 설치되고 고압의 초저온 액체 가스가 통과되며 오스테나이트계 스테인레스강 재질로 이루어지는 심레스관; 기화기틀에 설치되고 심레스관에 연결되는 메니폴드; 심레스관의 둘레에 결합되고 심레스관과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하며 알루미늄합금 또는 오스테이이트계 스테인레스강 재질로 이루어진 핀튜브;로 구성되어 있다. 그런데 상기와 같은 선행기술(특허문헌 001)은 내구성이 뛰어난 반면에 그 구성이 복잡다단하고 제작이 난해하며 누설의 위험성이 높고 제조원가 및 시설비용이 현저히 상승하는 등 비효율적이고 비경제적인 문제점이 있다. 또 앞서 언급한 것과같이 핀튜브를 통한 자연 대류식 기화시스템으로 길게 연장된 핀튜브를 통해 기화함으로 기화 시간이 오래 걸리고 핀튜브의 가스 유입측에서 온도차이로 인해 성에 및 결빙현상을 유발하여 기화능력 및 열교환효율, 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

(특허문헌002) 국내 공개특허공보 제10-1787466(등록일자 2017년10월12일)호의 '초저온가스 기화기용 제상히터'가 공지된 바에 있다. 이는 제상히터, 앤드 플레이트, 지지플레이트, 배플, 다수의 냉매관, 하우징 등을 구성으로 되며, 냉매관을 통과하는 액체상태의 초저온 가스(냉매)와 하우징 내부의 열매체가 상호 열교환하면서 냉매를 기화하도록 구성되어 있다. 그런데 선행기술(특허문헌 002)은 냉매가 길게 연장된 다수의 냉매관을 통해 열접촉 및 기화하게 됨으로 열교환효율 및 기화효율이 떨어지고 생산성이 저하되며 장치의 구성이 복잡다단하여 제작이 어렵고 생산성이 저하되고 비용이 많이 소요되며 부피가 크고 비대하여 설치공간을 많이 차지하고 공간효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한 기존 LNG, LN2의 기화기는 대류식(공랭식)으로 기화된 후에 유체의 비체적이 큰 제품을 공랭식으로 사용될 때에는 열전달계수가 낮아 많은 체적의 공간이 필요하다. 또 상황에 따라 이송이 불가하고, 1,000N㎥/hr이상의 용량을 사용할 시에는 유체의 종류에 따라 안전상 30m이상의 이격거리가 필요하다. 특히, 겨울철에 사용할 시에는 주변온도가 낮아서 충분한 용량을 사용하기에는 부적합한 문제점이 있었다. 더욱이 현재 LNG선박, LNG벙커링 등에 적용되는 기화기의 경우 가스 공급업체에 의해 임의대로 적용되고 있어 국제적인 표준화에 부합되지 않을 뿐만 아니라 국내 관련 기술의 표준화 및 정량화가 시급한 실정이다.

국내 등록특허공보 제10-1506946(등록일자 2015년03월24일) 국내 공개특허공보 제10-1787466(등록일자 2017년10월12일)

본 발명의 목적은 셀하우징 내에 판형 열교환부가 내장된 열저장 공간에서 고온의 가열매체와 피가열매체(초저온 액화가스)를 열교환(기화)시켜 기체상태의 가스를 안정적으로 공급할 수 있게 되는 콤팩트한 구조의 초저온 액화가스용 판형 열교환장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 셀하우징 내에 디스크타입의 판형 열교환번들을 구비하여 가변성 및 확장성이 뛰어날 뿐만 아니라 생산성 및 작업성이 탁월한 초저온 액화가스용 판형 열교환장치를 제공하는 데 있다.

더불어, 본 발명은 LNG연료추진선박, LNG벙커링의 경우 2017년 기준 119척의 LNG연료추진선박이 운영되고 있고, 2018년에는 114척 운항 예정이며, 2026년 총244척의 LNG연료추진선 운항 예측되며, 2025년까지 전 세계선박의 7%가 LNG연료추진선으로 업그레이드할 것으로 예측된다.(출처:DNV-GL LNGi status) 이에 국내 LNG 연관선박 5.5조원 규모 공공발주, LNG 연료선 관공선의 시범 발주, KOGAS(Korea Gas Corporation) 한국 내항용 LNG수송선 겸 벙커링선 발주, 척 신조 및 용선 계획, 해수부 LNG Bunkering Barge 500㎥ 국가 과제 검토, 국내연안 해역의 ECA(Emission Contorl Areas) 지정 검토로 인한 LNG 연료선으로 교체 확대 등과 함께 국내 대우조선해양, 현대중공업, 삼성중공업, 현대삼호중공업 등에서도 LNG선의 건조에 주력하고 있다. 특히 본 발명은 산업부의 '조선산업 경쟁력강화방안' 및 'LNG 연료추진선박 육성' 정책인 'LNG연료추진선박 및 LNG벙커링 관련기술개발' 정책에 부합하여 LNG벙커링, LNG연료추진선박 혹은 육상산업용 LNG, LN2가스의 핵심 기자재 중 하나인 'LNG Vaporizing & Reliqufied System'의 구성요소인 'LNG Vapourizer'의 관련 기술의 발전과 국산화를 앞당길 수 있게 되는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하고자 본 발명은, 액화가스를 기화하게 되는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 있어서, 상부와 하부에 가열매체 유입구 및 유출구가 형성되고 타 측면에는 피가열매체 유입구 및 유출구가 형성되며 일 측면의 개구부가 커버로 개폐 가능하도록 된 원통형의 셀하우징; 상기 셀하우징의 내측에 투입되며, 상기 가열매체 유입구를 통해 셀하우징의 내부로 유입되는 가열매체와 상기 피가열매체 유입구를 통하는 제1 포트홀로 유입되는 피가열매체가 전열판 사이에 마련된 각 채널의 가열 또는 피가열 전열유로로 흐르면서 상호 열교환하게 되는 판형 열교환부; 상기 셀하우징의 저부에 내측 챔버와 연통하는 가열부가 형성되며 상기 가열부의 일측에 형성된 히터 결합부에 결합하여 챔버로 공급되는 가열매체를 가열하기 위한 전기히터; 상기 가열매체 유입구 및 유출구을 연결하는 가열매체 순환라인, 및 상기 가열매체 순환라인에 구비되는 순환펌프; 로 구성된 것을 특징으로 하는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치를 제안한다.

본 발명에 따르면, 상기 판형 열교환부는 상기 셀하우징의 챔버와 연통하는 제1 채널의 가열 전열유로, 양측 가장자리에 형성된 제1, 제2 포트홀, 상기 제1, 제2 포트홀과 연통하는 제2 채널의 피가열 전열유로, 양측 테두리에 가이드부, 가 형성된 원형의 전열판들을 다단으로 적층한 상태에서 브레이징 접합방식으로 일체화된 디스크타입의 판형 열교환번들로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 셀하우징의 일측에 구비되며 가열매체가 담기는 가열매체 저장탱크; 상기 가열매체 저장탱크의 내부 가열매체를 가열하기 위한 제2 전기히터; 상기 가열매체 유출구와 가열매체 저장탱크를 연결하는 가열매체 회수라인, 및 상기 가열매체 유입구와 가열매체 저장탱크를 연결하는 가열매체 공급라인; 상기 가열매체 회수라인과 가열매체 공급라인에 결합되며 상기 가열매체 유출구를 빠져나온 가열매체가 가열매체 저장탱크를 거쳐 가열매체 유입구로 공급하도록 가열매체의 흐름을 조절하게 되는 제1 내지 제3 밸브; 로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 가열매체 유입구에 결합하여 제1 포트홀을 통한 피가열매체의 유입 온도를 감지하기 위한 제1 온도센서; 상기 가열매체 유출구에 결합하여 제2 포트홀을 통한 피가열매체의 유출 온도를 감지하기 위한 제2 온도센서; 상기 피가열매체 유입구를 통한 피가열매체의 유입 온도를 감지하기 위한 제3 온도센서; 상기 피가열매체 유출구를 통한 가열매체의 유출 온도를 감지하기 위한 제4 온도센서; 상기 제1 내지 제4 온도센서로부터 감지된 온도값 데이터를 처리하고 상기 전기히터의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러; 로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 셀하우징의 외측에 가열부가 별도로 구비되며 상기 가열부의 일측에 전기히터가 결합되는 히터 결합부가 형성되고 저부에 형성된 가열매체 유입구로 가열매체가 유입되고 전기히터로 데워진 가열매체가 상부에 형성된 연결부를 통해 셀하우징의 챔버로 공급하게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 의해 밀폐된 공간에서 가열매체와 피가열매체를 집중적으로 열교환하게 되므로 초저온의 피가열매체(액화가스)를 단시간에 기체상태로 변환시키는 등 액화가스의 기화효율이 매우 뛰어나고 생산성의 향상은 물론 대용량의 가스 공급을 안정화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 판형 열교환부가 열매체로 채워지는 셀하우징에 내장된 구조로 외부와 차단된 열저장 공간에서 안정적으로 열교환하게 되므로 외부로의 열손실이 없고 열교환효율 및 운용효율이 매우 우수하며, 초저온 액화가스의 온도차이로 인한 성에가 발생하지 않는다. 그리고 운전 중 소음이나 진동, 맥동현상 등이 발생하지 않고 운전성, 정숙성, 안정성이 보장되며, 압력용기 형태의 셀하우징에 내장된 판형 열교환부를 통해 강제 열교환되므로 폭발 위험성이 없고 안전성 및 신뢰성이 보장된다. 또 액화가스의 종류나 기화설비, 배관라인 등, 어떤 위치에도 설치 가능하여 범용성이 뛰어나며 LNG선박의 사양(규격, 규모, 용량 등)에 따라 쉽게 제작이 가능하며 사용자의 선택에 따라 기화량을 자유롭게 조절이 가능한 장점이 있다. 그리고 저온 및 초저온 열교환장치의 구성을 간소하면서 소형화 및 경량화된 콤팩트한 구조를 가지며, 설치공간을 적게 차지하여 열교환장치의 공간효율성이 탁월하고 열교환장치를 비롯한 주변장치의 연결 배관이 간결해지므로 주변공간 이용효율이 우수하고 비용절감 등의 효과가 있다. 이는 선행기술에 의한 튜브타입(파이프 및 방열핀)의 대류식 기화기에 비해 설치면적이 체적대비 80%정도 감소하게 되는 효과를 제공한다.

본 발명은 브레이징 접합된 디스크타입의 판형 열교환번들과 셀하우징을 조립식으로 구성하여 피가열매체의 처리용량에 따라 가변성 및 확장성이 뛰어나며, 전기적 발열수단(전기히터) 등의 구성요소들이 분리 가능한 조립식이어서 제작이 쉽고 생산성 향상 및 작업성이 뛰어나며, 수리 및 교체, 유지관리 등이 편리하고, 생산비용 및 제품가격을 낮추고 유지, 관리 비용을 경감하는 등 매우 경제적인 효과를 제공한다.

본 발명은 셀하우징의 일측에 별도의 가열매체 저장탱크 및 제2 전기히터를 구비하여 가열매체를 예열 및 고온 상태로 공급이 가능하며 신속한 열교환이 가능한 장점이 있다.

본 발명은 가열매체 또는 피가열매체의 온도를 감지하는 제1 내지 제4 온도센서 그리고 컨트롤러를 구비하여 전기히터의 온도를 자동으로 제어 가능하며 열교환장치의 동작상태에 따라 불필요한 전기에너지의 소비를 줄이고 운영효율이 향상되는 등의 경제적인 효과가 수반된다.

본 발명은 저온 또는 초저온의 피가열매체(액화가스)가 밀폐형 셀하우징 및 판형 열교환부를 통해 외부와 단열된 상태에서 안정적으로 열교환이 이루어지게 되므로 열손실이 없고 전열효과가 뛰어나며 열교환효율 및 안전성이 매우 우수하다. 특히 본 발명에 따른 초저온 액화가스용 판형 열교환장치를 통해 초저온의 액화가스(LNG, LN2 등)를 단시간에 기화시켜 기체상태의 가스로 신속히 공급 가능하여 생산성을 극대화하고 에너지 이용효율이 한층더 향상되는 효과를 제공한다. 또 초저온 액화가스의 기화기(Vapourizer)를 비롯하여 냉수로 온수를 발생시키는 급탕기, 보일러와 같은 고성능 열교환기로도 적합하다.

더욱이 본 발명은 LNG, LN2 등과 같이 대형 LNG선박 및 LNG를 추진연료로 사용하는 선박, LNG벙커링, 광범위한 산업분야에서 확대 적용되고 있는 친환경 LNG 및 LN2 연관 산업분야의 국내 기술개발 및 국산화, 표준화를 앞당기고 LNG산업분야의 국제표준에 맞는 국산화 개발 및 성능시험인증으로 표준화가 기대되며 세계시장에서 조선강국으로서 위상을 앙양(昻揚)하고 지속적 산업발전에 이바지할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 액화가스 기화기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초저온 액화가스용 판형 열교환장치의 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 상기 도 2의 "C"-"C"선 단면으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디스크타입의 판형 열교환번들(20)의 구성을 좀더 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전기히터(30)의 다른 결합구조를 단면으로 나타낸 측면도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 액화가스를 기화하게 되는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 있어서, 상부와 하부에 가열매체 유입구(14) 및 유출구(15)가 형성되고 타 측면에는 피가열매체 유입구(16) 및 유출구(17)가 형성되며 일 측면의 개구부가 커버로 개폐 가능하도록 된 원통형의 셀하우징(10); 상기 셀하우징(10)의 내측에 투입되며, 상기 가열매체 유입구(14)를 통해 셀하우징(10)의 내부로 유입되는 가열매체와 상기 피가열매체 유입구(16)를 통하는 제1 포트홀(24)로 유입되는 피가열매체가 전열판(21) 사이에 마련된 각 채널의 가열 또는 피가열 전열유로(22,23)로 흐르면서 상호 열교환하게 되는 판형 열교환부(20); 상기 셀하우징(10)의 저부에 내측 챔버(11)와 연통하는 가열부(12)가 형성되며 상기 가열부(12)의 일측에 형성된 히터 결합부(13)에 결합하여 챔버(11)로 공급되는 가열매체를 가열하기 위한 전기히터(30); 상기 가열매체 유입구(14) 및 유출구(15)을 연결하는 가열매체 순환라인(42), 및 상기 가열매체 순환라인(42)에 구비되는 순환펌프(44); 로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초저온 액화가스용 판형 열교환장치의 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 상기 도 2의 "C"-"C"선 단면으로 나타낸 측면도이다.

상기와 같은 특징을 가지는 본 발명의 초저온 액화가스용 판형 열교환장치는 셀하우징(10), 판형 열교환부(20), 전기히터(30), 가열매체 저장탱크(40), 컨트롤러(50) 등으로 구성된다.

셀하우징(10)은 내측에 챔버(11)를 가지는 둥근 원통형 또는 사각형, 다각형 등으로 형성되며, 일 측면의 개구부에 커버가 결합하여 개폐 가능하도록 구성되며, 커버는 플랜지 및 블라인더가 볼트 및 너트와 같은 체결구로 고정된다. 그리고 상부와 하부에 가열매체 유입구(14) 및 가열매체 유출구(15)를 형성하여 가열매체가 유입 또는 유출하게 되며, 타 측면에는 피가열매체 유입구(16) 및 피가열매체 유출구(17)를 형성하여 피가열매체 공급라인(18) 및 배출라인(19)이 연결되고 피가열매체가 유입 또는 유출하게 된다. 셀하우징(10)은 저부에 하나 또는 복수개로 가열부(12)를 형성하고 처리용량에 따라 전기히터(30)가 각각 구비된다. 가열부(12)는 하프파이프의 개방부위가 확장된 형태로써, 셀하우징(10)의 저면에 부분적으로 절개부를 형성하고 이 절개부에 결합하여 챔버(11)와 연통하게 되며, 일 측면에 히터 결합부(13)가 형성된다. 가열부(12)는 도 2에서처럼, 가열매체 유입구(14)에 간섭을 방지하고자 일측 또는 양측에 각각 형성되며, 히터 결합부(13)에 전기히터(30)가 결합하게 된다. 가열부(12)는 셀하우징의 외측으로 부분적으로 돌출하여 전기히터(30)가 판형 열교환부(20)에 간섭되지 않도록 구성된다.

가열매체는 열을 저장하는 열매유 및 열유체 또는 얼지 않는 유체(부동액, Brine, 에틸렌글리콜 등)이 바람직하다. 브라인(Brine)은 상태변화를 하지 않고 열의 흡수 전달을 행하여 간접적인 냉동 작용을 하는 중간 물질로, 염화 칼슘, 염화 나트륨, 염화 마그네슘 등의 수용액 포함한다.

판형 열교환부(20)는 셀하우징(10)의 내측에 투입되며, 가열매체 유입구(14)로 투입되는 가열매체와 피가열매체 유입구(16)로 투입되는 피가열매체를 상호 열교환하게 되며, 열교환된 가열매체와 피가열매체는 가열매체 유출구(15) 또는 피가열매체 유출구(17)를 통해 각각 빠져나간다. 피가열매체 유입구(16)에는 피가열매체 공급라인(18)이 결합하여 피가열매체(액화가스)가 투입되고 또 피가열매체 유출구(17)에는 피가열매체 배출라인(19)이 결합하여 피가열매체(기체가스)를 사용처로 보내게 된다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 판형 열교환부(20)의 구성을 좀더 구체적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 따르면, 상기 판형 열교환부(20)는 상기 셀하우징(10)의 챔버(11)와 연통하는 제1 채널의 가열 전열유로(22), 양측 가장자리에 형성된 제1, 제2 포트홀(24,25), 상기 제1, 제2 포트홀(24,25)과 연통하는 제2 채널의 피가열 전열유로(23), 양측 테두리에 가이드부(28), 가 형성된 원형의 전열판(21)들을 다단으로 적층한 상태에서 브레이징 접합방식으로 일체화된 디스크타입의 판형 열교환번들로 구성된 것을 특징으로 한다.

판형 열교환부(20)는 도 4에서처럼, 일정한 두께를 가지는 디스크타입의 판형 열교환번들로 구성되며 판형 셀하우징(10)의 내측 챔버(11)에 열교환번들이 하나 또는 복수개가 투입된다. 이는 열교환장치의 적용분야나 용도, 피가열매체의 처리용량, 설계사양 등에 따라 그 갯수 및 셀하우징의 길이가 상대적으로 가감 가능함은 물론 가변성 및 확장성이 매우 우수하도록 구성된다. 판형 열교환부(20)는 챔버(11)의 형상에 대응하는 형태(둥근 원형 등)로 형성되며, 얇은 금속판으로 된 전열판(21)들을 최소 2장에서 15장 정도를 겹쳐서 다단으로 적층하고 맨 바깥면에는 보강판(29)을 밀착한 상태에서 브레이징방식으로 접합하여 단위 규격의 모듈형태로 일체화된 디스크타입의 판형 열교환번들로 구성된다. 전열판(21)은 가열 전열유로(22) 또는 피가열 전열유로(23)가 각각 형성되어 있어서, 가열 전열판과 피가열 전열판이 번갈아가며 겹쳐지면 제1 채널의 가열 전열유로(22) 또는 제2 채널의 피가열 전열유로(23)가 마련된다. 전열판(21)의 상부 및 하부의 가장자리에 제1 포트홀(24) 및 제2 포트홀(25)이 형성하여 제2 채널의 피가열 전열유로(23)와 연통된다. 제1 포트홀(24)은 도 2에서처럼, 피가열매체 유입구(16)에 연결되고 제2 포트홀(25)은 피가열매체 유출구(17)에 연결되며 피가열매체 공급라인(18)을 통해 유입되는 피가열매체가 피가열 전열유로(23)로 흐르게 된다.

전열판(21)은 도 4에서처럼, 상부 및 하부의 테두리에 절곡부(27)가 형성되고 좌측 및 우측 테두리에 가이드부(28)가 돌출 형성하여 셀하우징 내측의 챔버(11) 공간을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하게 된다. 절곡부(27)는 부분적으로 돌출 및 오목하게 절곡된 파형(波形)으로 형성되어져 전열판이 서로 겹쳐지면서 벌집형태의 전열통로(26)가 형성된다. 전열통로(26)를 통해 가열 전열유로(22)가 상방향 및 하방향으로 개방되고 도 2 및 도 3에서와 같이 챔버(11)와 연통하게 되며, 전열판의 나머지 둘레면(피가열 전열유로)은 밀폐된 상태이다. 가이드부(28)는 조 2에서처럼, 외측면이 벌집 형태로 형성되고 셀하우징(10)의 내 측면 양측에 밀착한 상태로 도 3에서와 같이 챔버(11)를 상부 챔버와 하부 챔버로 구분하게 되며, 가열매체 유입구(14)로 투입되는 가열매체가 판형 열교환부(20)를 완전히 통과하도록 가열매체의 흐름을 안내하게 된다. 판형 열교환부(20)는 포트홀(24,25)의 연결부위 및 셀하우징(10)의 내면에 접촉하는 가이드부(28)의 바깥면에 패킹과 같은 누설방지구(36)를 구비하여 접촉부위의 누설을 방지한다.

판형 열교환부(20)는 도 3에서처럼, 하부 챔버(11)로 유입된 가열매체가 제1 채널의 가열 전열유로(22)로 흐름과 함께 제1 포트홀(24)로 유입되는 액화가스(피가열매체)가 제2 채널의 피가열 전열유로(23)로 흐르면서 신속히 상호 열교환하게 되며, 액화가스(피가열매체)가 기화(氣化)하여 기체상태의 가스로 상향 배출하게 되는 것이다. 한편 제1 채널의 가열 전열유로(22) 또는 제2 채널의 피가열 전열유로(23)에는 가열매체 또는 피가열매체를 원하는대로 공급할 수 있음은 자명하며, 열교환장치의 적용분야나 용도, 설계사양 등 필요에 따라 선택적으로 적용 가능하다.

본 발명에 따른 초저온 액화가스용 판형 열교환장치는 도 3에서처럼 가열매체와 피가열매체가 한방향으로 흐르면서 열교환하는 평행류방식 또는 반대방향으로 흐르면서 열교환이 이루어지는 대향류방식으로 열교환이 가능하다. 대향류방식은 도면으로 별도 표시하지는 않았지만, 판형 열교환부(20)를 통해 가열매체와 피가열매체가 반대방향으로 흐르면서 열교환하도록 구성되는 것이다. 이는 순환펌프(44)에 송출되는 가열매체가 가열부(12)로 투입되고 가열부(12)에서 데워진 후, 셀하우징(10) 상부의 가열매체 유출구(15)를 통해 투입하고 하부의 가열매체 유입구(14)를 통해 배출되는 역순환 방식으로 구성이 가능함은 자명하다.

한편, 본 발명에 따른 셀하우징(10) 및 판형 열교환부(20)의 구성은 앞서, 본 발명의 발명자에 의해 선 제안된 바에 있는 국내 등록특허공보 제10-1729411(2017.04.17.)호의 '디스크 열교환 번들타입의 패키지형 열교환기' 또는 국내 등록특허공보 제10-1733934(2017.04.28.)호의 '디스크 번들타입의 판형 열교환기'를 참조하면 보다 용이하게 이해가 될 것이다.

다음, 전기히터(30)는 전기에너지에 의해 열을 발생하기 위한 발열수단으로 도 2에서처럼, 히터 결합부(13)를 통해 가열부(12) 내측에 투입되어 발열하게 되며, 히터 결합부(13)에 볼트 및 너트와 같은 체결구에 의해 조립식으로 고정된다. 전기히터(30)는 컨트롤러(50) 및 전원공급부와 전기적으로 접속되어져 전원이 인가되고 발열 온도를 제어하도록 구성된다. 전기히터(30)는 전기에너지에 의해 발열하는 히팅코일, 탄소발열봉 등으로 구성된다. 히팅코일은 전열선이 내장된 스테인리스 파이프로 구성되어 내구성 및 안전성이 뛰어나고 수명이 길다. 탄소발열봉은 탄소(C)로 이루어진 탄소발열체 및 보호관체로 구성되며 발열온도(1000도씨 이상)가 매우 높고 가온성 및 에너지효율이 매우 우수하며 반영구적으로 사용이 가능하다. 히팅코일 및 탄소발열봉은 파이프 형태의 긴 봉체로 형성되고 일측 단부에 전원 접속단자가 구비되며 가열매체 유입구(14)와 플랜지 및 볼트-너트, 또는 소켓 및 플러그, 나사 등의 결합수단으로 분리 가능하게 고정된다.

셀하우징(10)의 가열매체 유입구(14)와 가열매체 유출구(15)에는 가열매체 순환라인(42)이 결합하여 가열매체가 순환하게 되며, 가열매체 순환라인(42)에 구비되는 순환펌프(44)에 의해 가열매체가 강제 순환하게 된다. 순환펌프(44)는 가열매체를 강제 순환시키기 위한 유체펌프로써, 원심펌프, 베인펌프, 로터리펌프가 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 셀하우징(10)의 일측에 구비되며 가열매체가 담기는 가열매체 저장탱크(40); 상기 가열매체 저장탱크(40)의 내부 가열매체를 가열하기 위한 제2 전기히터(32); 상기 가열매체 유출구(15)와 가열매체 저장탱크(40)를 연결하는 가열매체 회수라인(45), 및 상기 가열매체 유입구(14)와 가열매체 저장탱크(40)를 연결하는 가열매체 공급라인(46); 상기 가열매체 회수라인(45)과 가열매체 공급라인(46)에 결합되며 상기 가열매체 유출구(15)를 빠져나온 가열매체가 가열매체 저장탱크(40)를 거쳐 가열매체 유입구(14)로 공급하도록 가열매체의 흐름을 조절하게 되는 제1 내지 제3 밸브(43,47,48); 로 구성됨을 특징으로 한다.

가열매체 저장탱크(40)는 도 2에서처럼, 가열매체가 일정량 담기고 가열매체의 온도 및 압력 변화에 따른 팽창작용을 하여 안정적이 동작이 보장되며, 셀하우징(10)의 일측에 구비되고 가열매체 회수라인(45)과 가열매체 공급라인(46)이 연결된다. 가열매체 회수라인(45)은 가열매체 유출구(15)에 연결되고 가열매체 공급라인(46)은 가열매체 유입구(14)에 연결하여 저장탱크의 가열매체가 순환 공급된다. 그리고 가열매체 회수라인(45)과 가열매체 공급라인(46)은 가열매체 순환라인(42)에서 분기하여 가열매체 저장탱크(40)와 연결되고 제1 밸브(43) 그리고 제2 밸브(47), 제3 밸브(48)에 의해 가열매체가 가열매체 순환라인(42)을 거치지 않고 가열매체 저장탱크(40)를 거치도록 흐름이 조절된다. 이때 가열매체 순환라인(42)은 가열매체 회수라인(45)과 가열매체 공급라인(46)의 중간지점을 직접 연결하는 배관라인을 형성하고 순환펌프(44)와 가열매체 유입구(14)의 사이에 연결하면 된다. 이로써 가열매체 저장탱크(40)로 가열매체가 순환할 때는 제1 밸브(43)를 차단하고 제2, 제3 밸브(47,48)를 개방해서 가열매체 회수라인 및 공급라인(45,46)을 통해 가열매체가 순환하게 된다. 가열매체 순환라인(42)에는 제4 밸브(49)를 구비하여 순환펌프(44) 및 가열매체 유입구(14)를 통한 가열매체의 공급을 개폐하게 된다.

제2 전기히터(32)는 가열매체 저장탱크(40)의 가열매체를 가열하여 일정온도로 유지함에 따라 고온 상태의 가열매체가 필요시 가열매체 공급라인(46)을 통해 공급되므로 셀하우징(10) 내부로 투입되는 가열매체의 온도를 높이고 신속한 열교환이 가능하고 전기히터(30)의 과부하를 방지하고 안정성 및 열교환효율이 한층더 향상된다.

본 발명의 초저온 액화가스용 판형 열교환장치는 셀하우징(10) 및 열교환부(20)를 통해 열교환하게 되는 가열매체 및 피가열매체의 상태(온도, 유량, 유속, 압력 등)를 아래에서 설명되어질 측정수단(센서 및 컨트롤러)으로 감지하여 일정 수준으로 유지하게 된다. 가열매체 및 피가열매체(액체가스)의 배출상태(기체가스의 온도, 유량, 유속 등)를 검출하고 또 가열매체의 온도를 조절함에 따라, 피가열매체가 충분히 열교환(기화)하도록 되며, 피가열매체 유출구(17)로 배출되는 피가열매체(기체가스)를 적정 수준으로 유지하게 된다.

예컨대, 판형 열교환장치를 통한 피가열매체(액화가스) 및 가열매체의 유입 또는 배출 상태가 미리 설정된 적정온도 이상을 유지하고 있는 경우, 제1 밸브(43)를 개방하고 제2 및 제3 밸브(47,48)가 차단하므로써 가열매체가 가열매체 저장탱크(40)를 거치지 않고 바로 가열부(12)에서 재가열하여 가열매체 유입구(14)를 통해 셀하우징(10) 내부로 투입된다. 또는 피가열매체(액화가스)의 배기상태 또는 가열매체의 온도가 일정온도 이하로 낮아서 가열부(12)의 가열 온도가 부족한 경우, 제1 밸브(43)를 닫고 제2 및 제3 밸브(47,48)를 개방하여 가열매체가 가열매체 저장탱크(40)를 거쳐 순환되게 함으로써 가열매체 저장탱크(40)에서 가열된 고온의 가열매체가 가열부(12)를 통해 재순환하게 되는 급탕방식이 가능하게 되는 것이다.

본 발명에 의하면, 상기 가열매체 유입구(14)에 결합하여 제1 포트홀(24)을 통한 피가열매체의 유입 온도를 감지하기 위한 제1 온도센서(52); 상기 가열매체 유출구(15)에 결합하여 제2 포트홀(25)을 통한 피가열매체의 유출 온도를 감지하기 위한 제2 온도센서(53); 상기 피가열매체 유입구(16)를 통한 피가열매체의 유입 온도를 감지하기 위한 제3 온도센서(54); 상기 피가열매체 유출구(17)를 통한 가열매체의 유출 온도를 감지하기 위한 제4 온도센서(55); 상기 제1 내지 제4 온도센서(52,53,54,55)로부터 감지된 온도값 데이터를 처리하고 상기 전기히터(30)의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러(50); 로 구성됨을 특징으로 한다.

제1 온도센서(52)는 피가열매체의 유입 온도를 감지하는 것으로, 가열매체 유입구(14)에 결합하여 제1 포트홀(24)을 통한 피가열매체(액화가스)의 온도값을 검출한다. 제2 온도센서(53)는 피가열매체의 유출 온도를 감지하는 것으로, 가열매체 유출구(15)에 결합하여 제2 포트홀(25)을 통한 피가열매체(액화가스)의 온도값을 검출한다. 제3 온도센서(54)는 가열매체의 유입 온도를 감지하는 것으로, 피가열매체 유입구(16)에 결합하여 가열매체의 온도를 검출한다. 제4 온도센서(55)는 가열매체의 유출 온도를 감지하는 것으로, 피가열매체 유출구(17)에 결합하여 가열매체의 온도값을 검출한다. 제1 내지 제4 온도센서(52,53,54,55)에서 검출 및 생성된 온도값 데이터는 컨트롤러(50)로 전송된다. 제1 내지 제4 온도센서(52,53,54,55)에서 검출된 온도값 데이터는 컨트롤러(50)로 전송되며, 컨트롤러(50)는 제1 내지 제4 온도센서(52,53,54,55)로부터 전송된 온도값 데이터를 처리하고 전기히터(30)의 동작을 제어하도록 구성된다. 제1 내지 제8 밸브(43,47,48,49,70,72)는 수동밸브로 구성하여 수동 조작이 가능하거나, 또는 솔레노이드밸브(전자밸브)로 구성이 가능하며 컨트롤러(50)에 의해 자동으로 개폐 동작하도록 구성된다.

컨트롤러(50)는 데이터를 처리하는 제어부, 및 제어부의 처리결과를 저장하고 호술신호에 따라 저장데이터를 제공하는 데이터 저장부, 안정적인 전원 공급을 위한 전원공급부, 사용자에 의해 정보 및 신호 등을 입력하는 조작부가 구비되며, 제어부의 처리결과 및 온도변화, 압력변화 등의 동작상태를 시각 또는 청각적으로 나타내는 표시구(디스플레이, 스피커 등), 동작시간을 조절하는 타이머 및 릴레이 등을 포함하여 구성된다.

또한 가열매체 저장탱크(40)에는 제5 온도센서(56)를 구비하여 가열매체의 온도를 감지하고 온도값 데이터를 컨트롤러(50)로 전송함에 따라, 전기히터(30,32)의 동작을 제어하게 된다. 예컨데 열교환장치를 최초 가동시, 전기히터(30,32)를 동시에 가동시켜 가열매체를 신속히 가열하고 피가열매체와 열교환하게 되며, 이후 가열매체의 온도가 일정 온도 이상으로 유지되면 제2 전기히터(32)의 가동을 멈추고 전기히터(30)에 의해 열교환하도록 제어된다. 또는 열교환장치를 가동하기 이전에 가열매체 저장탱크(40)의 가열매체를 제2 전기히터(32)로 미리 예열하여 일정온도 이상으로 유지한 상태에서 필요시 적정온도의 가열매체를 공급하여 신속한 열교환이 가능하게 되며 성능 및 효율성이 한층더 향상된다.

더불어, 셀하우징(10)은 상부 일측에 제1 압력센서(60)를 구비하여 온도변화에 따른 내부의 압력을 감지하여 압력값 데이터를 생성하고 이 압력값 데이터를 컨트롤러(50)로 전송하며, 컨트롤러(50)는 셀하우징(10)의 내부 압력이 미리 설정된 적정압력 이상일 때 전기히터(30,32)의 가동을 멈추거나 비상정지 신호를 발생하여 동작을 제어하게 된다. 셀하우징(10)은 상부 일측에 제1 안전밸브(66)를 구비하여 과압력으로 인한 과부하 및 폭발사고를 사전에 방지한다. 가열매체 저장탱크(40)는 상부 일측에 제2 압력센서(62)를 구비하여 내부의 압력변화를 감지하여 컨트롤러(50)로 전송하여 제2 전기히터(32)의 동작을 제어하게 되며, 일 측면에는 레벨 게이지(64)를 구비하여 수위변화를 파악할 수 있으며, 상부에 제2 안전밸브(68)이 구비된다.

도 5는 본 발명에 따른 전기히터(30)의 다른 결합구조를 단면으로 나타낸 측면도이며, 도 5를 참조하면, 셀하우징(10)과 가열부(12)가 별도로 분리된 구성으로 제작 및 유지관리가 용이하도록 구성된다.

본 발명은, 상기 셀하우징(10)의 외측에 가열부(12)가 별도로 구비되며 상기 가열부(12)의 일측에 전기히터(30)가 결합되는 히터 결합부(13)가 형성되고 저부에 형성된 가열매체 유입구(14)로 가열매체가 유입되고 전기히터(30)로 데워진 가열매체가 상부에 형성된 연결부(34)를 통해 셀하우징(10)의 챔버(11)로 공급하게 되는 것을 특징으로 한다.

도 5를 참조하면, 전기히터(30)는 파이프 형태의 가열부(12)가 셀하우징(10)의 하부 또는 상부, 일측 또는 양측에 별도로 구비되며, 가열부(12)의 일측에 형성된 히터 결합부(13)에 전기히터(30)가 결합된다. 가열부(12)의 저부에 가열매체 유입구(14)가 형성되고 상부에는 셀하우징(10)의 챔버(11)와 연통하는 연결부(34)가 형성된다. 가열매체 유입구(14)를 통해 가열부(12)로 유입되는 가열매체가 전기히터(30)로 데워지고 연결부(34)를 통해 챔버(11)로 투입되어 열교환하게 되며, 이후 셀하우징(10)의 상단부에 형성된 열매체 유출구(15)를 통해 빠져나가 재순환하게 된다. 전기히터(30) 및 가열부(12)가 셀하우징(10)의 외측에 별도로 구비되어 제작이 쉽고 조립 및 분리가 편리하여 보수, 유지관리 등이 편리하다. 한편 가열부(12) 및 가열매체가 흐르는 배관라인을 보온재로 감싸서 열손실을 최소화하는 것이 바람직하다.

피가열매체 공급라인(18) 및 배출라인(19)에는 제5 밸브(70) 및 제6 밸브(72)를 구비하여 피가열매체를 공급 또는 차단하도록 구성된다.

10: 셀하우징, 11: 챔버, 12: 가열부, 13: 히터 결합부, 14: 가열매체 유입구, 15: 가열매체 유출구, 16: 피가열매체 유입구, 17: 피가열매체 유출구, 18: 피가열매체 공급라인, 19: 피가열매체 배출라인, 20: 판형 열교환부, 21: 전열판, 22: 가열 전열유로, 23: 피가열 전열유로, 24: 제1 포트홀, 25: 제2 포트홀, 26: 전열통로, 27: 절곡부, 28: 가이드부, 29: 보강판, 30: 전기히터, 32: 제2 전기히터, 34: 연결부, 36: 누설방지구, 40: 가열매체 저장탱크, 42: 가열매체 순환라인, 43: 제1 밸브, 44: 순환펌프, 45: 가열매체 회수라인, 46: 가열매체 공급라인, 47: 제2 밸브, 48: 제3 밸브, 49: 제4 밸브, 50: 컨트롤러, 52: 제1 온도센서, 53: 제2 온도센서, 54: 제3 온도센서, 55: 제4 온도센서, 56: 제5 온도센서, 60: 제1 압력센서, 62: 제2 압력센서, 64: 레벨게이지, 66: 제1 안전밸브, 68: 제2 안전밸브, 70: 제5 밸브, 72: 제6 밸브

Claims (5)

1. 액화가스를 기화하게 되는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치에 있어서,
   상부와 하부에 가열매체 유입구(14) 및 유출구(15)가 형성되고 타 측면에는 피가열매체 유입구(16) 및 유출구(17)가 형성되며 일 측면의 개구부가 커버로 개폐 가능하도록 된 원통형의 셀하우징(10);
   상기 셀하우징(10)의 내측에 투입되며, 상기 가열매체 유입구(14)를 통해 셀하우징(10)의 내부로 유입되는 가열매체와 상기 피가열매체 유입구(16)를 통하는 제1 포트홀(24)로 유입되는 피가열매체가 전열판(21) 사이에 마련된 각 채널의 가열 또는 피가열 전열유로(22,23)로 흐르면서 상호 열교환하게 되는 판형 열교환부(20);
   상기 셀하우징(10)의 저부에 내측 챔버(11)와 연통하는 가열부(12)가 형성되며 상기 가열부(12)의 일측에 형성된 히터 결합부(13)에 결합하여 챔버(11)로 공급되는 가열매체를 가열하기 위한 전기히터(30);
   상기 가열매체 유입구(14) 및 유출구(15)를 연결하는 가열매체 순환라인(42), 및 상기 가열매체 순환라인(42)에 구비되는 순환펌프(44); 로 구성된 것을 특징으로 하는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 판형 열교환부(20)는 상기 셀하우징(10)의 챔버(11)와 연통하는 제1 채널의 가열 전열유로(22), 양측 가장자리에 형성된 제1, 제2 포트홀(24,25), 상기 제1, 제2 포트홀(24,25)과 연통하는 제2 채널의 피가열 전열유로(23), 양측 테두리에 가이드부(28), 가 형성된 원형의 전열판(21)들을 다단으로 적층한 상태에서 브레이징 접합방식으로 일체화된 디스크타입의 판형 열교환번들로 구성된 것을 특징으로 하는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 셀하우징(10)의 일측에 구비되며 가열매체가 담기는 가열매체 저장탱크(40);
   상기 가열매체 저장탱크(40)의 내부 가열매체를 가열하기 위한 제2 전기히터(32);
   상기 가열매체 유출구(15)와 가열매체 저장탱크(40)를 연결하는 가열매체 회수라인(45), 및 상기 가열매체 유입구(14)와 가열매체 저장탱크(40)를 연결하는 가열매체 공급라인(46);
   상기 가열매체 회수라인(45)과 가열매체 공급라인(46)에 결합되며 상기 가열매체 유출구(15)를 빠져나온 가열매체가 가열매체 저장탱크(40)를 거쳐 가열매체 유입구(14)로 공급하도록 가열매체의 흐름을 조절하게 되는 제1 내지 제3 밸브(43,47,48); 로 구성됨을 특징으로 하는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가열매체 유입구(14)에 결합하여 제1 포트홀(24)을 통한 피가열매체의 유입 온도를 감지하기 위한 제1 온도센서(52);
   상기 가열매체 유출구(15)에 결합하여 제2 포트홀(25)을 통한 피가열매체의 유출 온도를 감지하기 위한 제2 온도센서(53);
   상기 피가열매체 유입구(16)를 통한 피가열매체의 유입 온도를 감지하기 위한 제3 온도센서(54);
   상기 피가열매체 유출구(17)를 통한 가열매체의 유출 온도를 감지하기 위한 제4 온도센서(55);
   상기 제1 내지 제4 온도센서(52,53,54,55)로부터 감지된 온도값 데이터를 처리하고 상기 전기히터(30)의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러(50); 로 구성됨을 특징으로 하는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 셀하우징(10)의 외측에 가열부(12)가 별도로 구비되며 상기 가열부(12)의 일측에 전기히터(30)가 결합되는 히터 결합부(13)가 형성되고 저부에 형성된 가열매체 유입구(14)로 가열매체가 유입되고 전기히터(30)로 데워진 가열매체가 상부에 형성된 연결부(34)를 통해 셀하우징(10)의 챔버(11)로 공급하게 되는 것을 특징으로 하는 초저온 액화가스용 판형 열교환장치.

Images