WO2019098711A1 - 열 교환기 - Google Patents

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WO2019098711A1
WO2019098711A1 PCT/KR2018/014009 KR2018014009W WO2019098711A1 WO 2019098711 A1 WO2019098711 A1 WO 2019098711A1 KR 2018014009 W KR2018014009 W KR 2018014009W WO 2019098711 A1 WO2019098711 A1 WO 2019098711A1
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shell
flow path
fluid
flow
ring members
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PCT/KR2018/014009
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김선영
박종혁
임예훈
원정혁
최준원
강민수
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LG Chem Ltd
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0265—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box
    • F28F9/0268—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box in the form of multiple deflectors for channeling the heat exchange medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/226—Transversal partitions

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger in which a fluid flow in front of a fluid inlet of a main body of a heat exchanger in order to efficiently perform heat exchange while uniformly passing a fluid flowing into a main body, To a heat exchanger in which a distributor is disposed to increase the uniformity of the fluid flowing into the main body.
  • Shell and tube heat exchanger (STHX) is currently the most widely used heat exchanger and it is operated at -250 °C ⁇ 800 temperature and 6000PSI pressure due to its durability. It is used in power plants, refineries and other large industrial fields .
  • Embodiments of the present invention include a fluid flow distributor that is capable of uniformly distributing the flow of fluid supplied to a tube of a body portion where heat exchange occurs in a heat exchanger to improve performance of the heat exchanger, And a heat exchanger capable of preventing the generation of heat.
  • a heat exchanger includes an inlet formed with a first flow path through which a fluid flows, a shell having a plurality of through holes formed therein and having a first surface having a cross- And a tubular member through which the fluid flowing through the first flow path can flow.
  • the tubular member has a body portion including a plurality of tubes located in an inner space of the shell and one end communicating with the through hole, And a second flow path formed in the second flow path and having a cross-sectional area widened along a direction toward the one surface of the shell, and an apparatus for distributing the flow of the fluid introduced through the first flow path to the plurality of tubes, And a plurality of ring members spaced apart from one surface of the shell adjacent to the inlet in a direction adjacent to the inlet and concentric with each other, Ipbu between the plurality of the ring member is to, start the heat exchanger so as not to place the other members.
  • the cross section of the ring member may be circular.
  • the shape of one surface of the shell and each cross section of the first flow path and the second flow path, which are cut parallel to one surface of the shell may be circular.
  • the distance between one side of the ring member facing one side of the shell and one side of the shell may be the same for each ring member.
  • the concentric circles of the plurality of ring members may be located on a virtual center line passing through the center of one surface of the shell perpendicular to one surface of the shell.
  • the distance between one side face of the ring member facing one side of the shell and the other side face of the ring member facing the inlet portion may be the same for each ring member.
  • the thickness between the inner side portion and the outer side portion of the ring member may be the same for each ring member.
  • the inner side portion and the outer side portion of the ring member may be formed to be inclined so as to be directed to the inner side surface of the second flow path along the direction adjacent to one surface of the shell.
  • the diameter of at least one of the plurality of ring members may be larger than the diameter of the first flow path.
  • the heat exchanger according to the embodiments of the present invention improves the efficiency of heat exchange by uniformly distributing the flow of the fluid flowing into the heat exchanger to the tube of the main body portion through which the heat exchange takes place through the fluid flow distributor, It is possible to prevent the occurrence of a shortage of life of the heat exchanger.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an overall perspective view of the fluid flow distributor shown in Fig.
  • Fig. 3 is a side cross-sectional view showing the interior of the expansion portion including the fluid flow distributor shown in Fig. 2 and its periphery.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C are cross sectional views of a heat exchanger including a fluid flow distributor according to an embodiment of the present invention and the inside of the expansion portion of each heat exchanger including the fluid flow distributor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, It is a perspective view showing the periphery.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the pressure distribution measured on one side of the shell of each of the heat exchanger including the fluid flow distributor according to one embodiment of the present invention and the heat exchanger including the fluid flow distributor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 Fig.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of measurements at a tube inlet disposed on one side of a shell of a heat exchanger including a fluid flow distributor according to one embodiment of the present invention and a heat exchanger comprising a fluid flow distributor according to Comparative Example 1,
  • FIG. 5 is a graph showing the results of the velocity distribution experiment of the fluid.
  • FIG. 7 is a schematic view showing the flow rate of a fluid measured inside a heat exchanger including a fluid flow distributor according to an embodiment of the present invention and a heat exchanger including a fluid flow distributor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, Fig.
  • Shell 131a One side of the shell
  • first connecting member 142b second connecting member
  • FIG. 1 The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is an overall perspective view of the fluid flow distributor shown in Fig.
  • Fig. 3 is a side cross-sectional view showing the interior of the expansion portion including the fluid flow distributor shown in Fig. 2 and its periphery.
  • an embodiment of the present invention relates to a heat exchanger.
  • the present invention relates to a heat exchanger (100) capable of increasing the uniformity of a fluid flowing into a main body (130) by disposing a fluid flow distributor (140) in front of a fluid inlet of the main body (130).
  • the heat exchanger 100 can be used in a pyrolysis process of hydrocarbons.
  • the pyrolysis process of hydrocarbons may be a large scale process for the production of light olefins such as ethylene and propylene, which are commonly used in the petrochemical industry. Feedstocks such as naphtha, methane, ethane, propane or butane can be cracked to produce light hydrocarbons. The gas produced in the process is not stable at a high temperature and needs to be cooled.
  • the heat exchanger 100 according to an embodiment of the present invention can be used.
  • the fluid used in the heat exchanger 100 hydrocarbons are mentioned but not limited thereto, and any kind of fluid may be used as long as it is a fluid requiring heat exchange.
  • the heat exchanger 100 includes an inlet 110 through which the fluid flows, a body 130 through which the fluid introduced through the inlet 110 passes, , An expanded portion 120 connecting the inlet 110 and the main body 130 to each other and a fluid flow distributor 140 disposed in the expanded portion 120 and distributing the flow of the fluid.
  • the inlet 110 may be formed with a first flow path 111 through which fluid flows.
  • the fluid may be a high-temperature gas, and the high-temperature gas may flow in a direction adjacent to the main body 130 through the first flow path 111.
  • the body portion 130 may include a shell 131 and a plurality of tubes 132.
  • the shell 131 may have a cylindrical shape extending in the longitudinal direction so that an internal space can be formed.
  • the one surface 131a of the shell is a surface facing the end surface of the first flow path 111 and has a cross sectional area wider than that of the first flow path 111 and a plurality of through holes 133 can be formed.
  • the other surface 131b of the shell is a surface located opposite to the one surface 131a of the shell with the inner space therebetween. Like the one surface 131a of the shell, the surface 131b has a cross- (133) may be formed.
  • the plurality of tubes 132 is a tubular member that can serve as a flow path through which the fluid introduced through the first flow path 111 can flow in the inner space of the shell 131, can do.
  • Each of the tubes 132 may be a circular tube 132 extending along the longitudinal direction of the shell 131.
  • One end of the tube 132 is disposed to communicate with the through hole 133 formed in the one surface 131a of the shell, And the end portion may be disposed so as to communicate with the through hole 133 formed in the other surface 131b of the shell.
  • the plurality of tubes 132 may be arranged at equal intervals from each other.
  • the fluid flowing through the first flow path 111 flows into the tube 132 through the one end of the tube 132 as an inlet and flows out of the tube 132 with the other end of the tube 132 as an outlet.
  • a heat exchange medium that can cool the tube 132 can be accommodated in the outer region of the tube 132 in the inner space of the shell 131.
  • the fluid flowing into the tube 132 can be heat-exchanged with the heat exchange medium through the tube 132 as a medium. That is, the high-temperature gas, which is an example of the fluid flowing into the tube 132, can be cooled by heat exchange with the heat exchange medium.
  • a second flow path 121 connecting the inlet 110 and one surface 131a of the shell 131 and having a larger cross-sectional area along the direction toward the one surface 131a of the shell 131 .
  • the cross-sectional area of the second flow path 121 gradually increases along the direction from the inlet 110 toward the first surface 131a of the shell, and gradually increases from a predetermined point.
  • the first flow path 111 and the second flow path 121 are formed in the inlet 110 and the expansion part 120.
  • a refractory such as a ceramic material may be introduced into the interior of the furnace, solidified and molded.
  • Each of the shapes of the one surface 131a of the shell and the first and second flow paths 111 and 121 cut in parallel to the one surface 131a of the shell may be circular.
  • the one surface 131a of the shell may be a plane formed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the body portion 130.
  • the flow rate of the fluid flowing into the second flow path 121 through the first flow path 111 Is more concentrated in the central region corresponding to the first flow path 111, and the flow rate may also be faster than the peripheral region in the central region. For this reason, the fluid may not flow uniformly into the inlet of each of the plurality of tubes 132 disposed on the one surface 131a of the shell.
  • the fluid flow distributor 140 may be disposed in the second flow path 121 to uniformly distribute the flow of fluid to the through holes 133 communicating with the respective tubes 132. [ The fluid flow distributor 140 may be disposed closer to the first flow path 111 than the one surface 131a of the shell.
  • the fluid flow distributor 140 may be made of a material having excellent heat resistance and corrosion resistance so as not to react with a fluid at a high temperature.
  • the fluid flow distributor 140 may include a plurality of ring members 141 spaced apart from one side 131a of the shell adjacent to the bellows tube 120 and adjacent to the inlet 110, have.
  • the ring member 141 is a member having a hollow through which the fluid can pass, and its cross-sectional shape can be circular.
  • the cross section formed by cutting the ring member 141 in parallel with the one surface 131a of the shell may be in the form of a donut-shaped ring in consideration of the thickness between the inside portion 141a and the outside portion 141b.
  • the concentric circles of the plurality of ring members 141 may be located on a virtual plane spaced from one side 131a of the shell in the direction adjacent to the inlet 110 and parallel to one side 131a of the shell. Since the plurality of ring members 141 are arranged at the positions on the imaginary coplanar surface, each having a different diameter but concentric with each other, the flow of the fluid can be distributed and guided to the space between the two adjacent ring members 141 have.
  • the distance delta d1 between one side face of the ring member 141 opposed to the one face 131a of the shell and one face 131a of the shell may be substantially the same for each ring member 141.
  • the distance d1 between the one side face of the ring member 141 opposed to the one face 131a of the shell and the one face 131a of the shell is assumed to be the same for each ring member 141, As the precision in the manufacturing process is decreased, an error may be generated which may vary the distance, which means that the error can be ignored.
  • One side of the ring member 141 facing the one side 131a of the shell is spaced apart from the one side 131a of the shell in the direction adjacent to the inflow part 110, It is preferable to be located on a plane.
  • the fluid flow distributor 140 includes a plurality of ring members 141 and each of the ring members 141 is spaced apart from one another along the flow direction of the fluid so that one surface 131a of the shell and the other ring member 141, The distance between one side surface of the ring member 141 and the one side surface of the ring member 141 are different from each other, any one of the ring members 141 can obstruct the flow distribution of the fluid to the ring member 141 disposed downstream.
  • the concentric circles of the plurality of ring members 141 can be positioned on an imaginary center line C passing through the center of one surface 131a of the shell perpendicular to the one surface 131a of the shell.
  • Sectional center of the first flow path 111 cut in parallel with the one surface 131a of the shell may be located on the center line C.
  • Sectional center of the second flow path 121 cut in parallel with the one surface 131a of the shell may be located on the center line C.
  • the center of the cross section of the first flow path 111, the center of the cross section of the second flow path 121, the concentric circles of the plurality of ring members 141 and the center of the main body one face 131a are located on the center line C Can be located.
  • the distance delta d2 between one side face of the ring member 141 facing the one face 131a of the shell and the other side face of the ring member 141 facing the inlet portion 110 is the same for each ring member 141 can do.
  • the inner side 141a and the outer side 141b of the ring member 141 may be inclined so as to be directed to the inner side surface of the second flow path 121 along the direction adjacent to the one surface 131a of the shell.
  • the inner side portion 141a and the outer side portion 141b of at least one of the plurality of ring members 141 may be formed to be inclined so as to be directed to the inner side surface of the second flow path 121 along the direction adjacent to the one surface 131a of the shell have.
  • the degree of inclination indicating the degree of inclination of the inner side portion 141a and the outer side portion 141b of the ring member 141 may be different or the same for each of the ring members 141 in which the inner side portion 141a and the outer side portion 141b are inclined .
  • the inclination degree of the ring member 141 disposed on the relatively outer side is larger.
  • the ring member 141 disposed on the outer side of the angle? 1 formed by the inner ring member 141 with the imaginary center line C ' has a virtual line C 2 formed with the imaginary line C '' parallel to the imaginary center line C and the angle?
  • Sectional area of the second flow path 121 is enlarged along a direction adjacent to the first surface 131a of the shell so that the inner surface of the second flow path 121 may be inclined with respect to the first surface 131a of the shell.
  • the inclination of the inner side portion 141a and the outer side portion 141b on the ring member 141 can serve as a guide for distributing the flow distribution of the fluid concentrated in the central region on the second flow path 121 to the peripheral region.
  • the thicknesses delta d3, delta d4 and delta d5 between the inner portion 141a and the outer portion 141b of the ring member 141 may be the same for each ring member 141.
  • the thickness may mean the shortest distance between the inner portion 141a and the outer portion 141b of the ring member 141.
  • the distances? D6 and? D7 between the adjacent two ring members 141 may be different or the same.
  • the diameter dd8 of the ring members 141 having the smallest diameter among the plurality of ring members 141 may be the same or different from the distances d6 and d7 between the respective ring members 141.
  • At least one of the plurality of ring members 141 may have a diameter larger than the diameter? T1 of the first flow path 111. That is, the diameter? D9 of the ring member located at the outermost one of the plurality of ring members 141 can be larger than the diameter? T1 of the first flow path 111.
  • the diameter may mean the outer diameter in consideration of the thickness of the ring member 141.
  • the diameter may mean the outer diameter of a circle formed by one side closest to the one surface 131a of the shell on the ring member 141.
  • No other member may be disposed between the inflow section 110 and the plurality of ring members 141.
  • the other member may be a member disposed between the inflow portion 110 and the plurality of ring members 141 to obstruct the flow of the fluid.
  • a plate, a conical member, or the like may be a member formed with a volume against the flow of the fluid.
  • No other member may be disposed between the one face 131a of the shell and the plurality of ring members 141.
  • the fluid flow distributor 140 may include a first connecting member 142a and a second connecting member 142b.
  • the first connecting member 142a may be a member connecting the plurality of ring members 141 to each other.
  • the second linking member 142b is configured such that at least the inner surfaces of the outermost ring member 141 and the second flow path 121 are connected to each other so that the plurality of ring members 141 can maintain a predetermined position on the second flow path 121 Or the like.
  • the second connection member 142b may be fixed to the second flow path 121 by forming a groove on the inner surface of the second flow path 121 and inserting the second connection member 142b into the groove.
  • one end of the second linking member 142b may be positioned on the outer side of the second flow path 121 through the inner surface of the second flow path 121.
  • the size of the groove and the size of one end of the second connection member 142b match, the inner surface of the second flow path 121 is damaged due to the thermal expansion of the second connection member 142b receiving heat from the high- . Therefore, it is preferable that the size of the groove is formed to be larger than the size of one end of the second linking member 142b so that a clearance is formed between the second linking member 142b and the groove.
  • Both ends of the first linking member 142a are fixed to the outer surface of the ring member 141 having a small diameter and the inner surface of the ring member 141 having a large diameter, and can connect the respective ring members.
  • the longitudinal axis of the first connecting member 142a and the longitudinal axis of the second connecting member 142b may coincide with each other.
  • the connecting member 142 may be provided in plural.
  • Figs. 4A, 4B and 4C are respectively a schematic view of a heat exchanger including a fluid flow distributor according to an embodiment of the present invention, and the inside of the expansion portion of each of the heat exchangers including the fluid flow distributor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, It is a perspective view showing its periphery.
  • FIG. 4 (a) is a sectional view of the second flow path 121 of the heat exchanger 100 in which the fluid flow distributor 140 according to the embodiment of the present invention is disposed
  • FIG. 4 (b) The second flow path 121 of the heat exchanger in which the fluid flow distributor according to the first comparative example is disposed and the second flow path 121 of the heat exchanger in which the fluid flow distributor according to the second comparative example is disposed, Show inside.
  • the diameter of the first flow path 111 is 247 mm
  • the length of the second flow path 121 is 150 mm
  • the cross-sectional diameter of the shell 131 is 723 mm in the first and second embodiments.
  • the simulations for Experimental Examples 1, 2 and 3 below were performed using ANSYS Fluent v18 and the information relating to the fluid entering the heat exchanger was 0.778 kg / s flow rate, 1110 K temperature and ideal gas Respectively.
  • three ring members 141 having different diameters are arranged in a concentric manner in the second flow path 121. Both side surfaces of the ring member 141 are connected to the first flow path 111 and the shell And the distance between the both side surfaces may be the same.
  • the inner side portion 141a and the outer side portion 141b of the ring member 141 are inclined so as to be directed to the inner side surface of the second flow path 121 along the adjacent direction on the one surface 131a of the shell, And the connecting members 142 connecting the ring members cross each other (see Fig. 4A)).
  • the conical member A_a is positioned inside the second flow path 121 and adjacent to the first flow path 111, and the vertex of the conical member A_a faces the first flow path 111 .
  • a circular ring A_b is located apart from the conical member A_a downstream thereof. The diameter of the circular ring A_b is smaller than the diameter of the first flow path 111.
  • the conical member A_a and the circular ring A-b are connected and fixed to the inner surface of the second flow path 121 through support members extending in the longitudinal direction. In general, the support member has a small influence on the flow of the fluid, which can be neglected in the analysis of the experiment and the result (see FIG. 4B).
  • a plurality of ring members B whose diameters gradually become smaller in the direction adjacent to the first flow path 111 from one surface 131a of the shell are arranged with a constant separation distance to form a generally conical shape , And four connecting members for connecting the plurality of ring members extend from one surface 131a of the shell toward the inner surface of the second flow path 121 and extend.
  • the sectional area of one side face of the plurality of ring members B facing the first flow path 111 is adjusted so that the condition of the ring member B disclosed in the US registered patent application (US5029637) Sectional area of the first flow path 111 is equal to that of the first flow path 111.
  • These plurality of ring members B all have diameters smaller than or equal to the diameters of the first flow paths (see Fig. 4C).
  • the fluid is caused to flow through the first flow path 111 and the second flow path 121 and then flows into the tube 132 of the main body part 130,
  • the flow of the fluid in the second flow path 121 of the heat exchanger 100 was simulated.
  • the standard deviation / average of the simulated results is the coefficient of variation, which can mean the degree of distribution of a particular variable.
  • the distribution of the pressure, velocity, and flow rate at each measurement point is shown through the experimental examples. The smaller the standard deviation / mean value is, the more uniform the measured values are.
  • FIG 5 is a graph showing the relationship between the pressure distribution measured on one side of the shell of each of the heat exchanger including the fluid flow distributor according to one embodiment of the present invention and the heat exchanger including the fluid flow distributor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 Fig.
  • the experimental results of the pressure distribution measured on one side of the shell are derived from the static pressure analysis.
  • Example Comparative Example 1 Comparative Example 2 Minimum pressure (kg / cm2) 0.006 0.001 0.004 Maximum pressure (kg / cm2) 0.025 0.032 0.024 Standard Deviation / Average 0.520 0.680 0.467
  • the standard deviation / average value on the main body part 131a is larger than 2 in the comparative example, and the comparative example 2 is more uniform in pressure distribution .
  • the uniformity of the flow distribution of the fluid is more important than the distribution of the pressure of the fluid on one side 131a of the shell, that is, the velocity distribution or the distribution of the fluid flowing into the tube 132 in which the heat exchange occurs directly Therefore, the velocity distribution and the wired distribution of the fluid will be described below.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of measurements at a tube inlet disposed on one side of a shell of a heat exchanger including a fluid flow distributor according to one embodiment of the present invention and a heat exchanger comprising a fluid flow distributor according to Comparative Example 1,
  • FIG. 5 is a graph showing the results of the velocity distribution experiment of the fluid.
  • Comparative Example 1 On one side 131a of the shell of an embodiment of the present invention (see FIG. 6A), Comparative Example 1 (see FIG. 6B) and Comparative Example 2 (see FIG. 6C)
  • the maximum speed (115.70 m / s) and the standard deviation / average (0.212) of the embodiment are the same as the maximum speed of the comparative example 1 (140.25 m / s) and the standard deviation / mean (0.358), the maximum speed of Comparative Example 2 (120.90 m / s) and the standard deviation / mean (0.244).
  • the fact that the maximum velocity and standard deviation / average of the embodiment is small means that the flow velocity at the inlet of the tube 132 at which the fluid is most rapidly introduced into the plurality of tube 132 inlets disposed on one side 131a of the shell
  • the velocity distribution of the fluid flowing into the plurality of tubes 132 of the embodiment is slower than that of the comparative example 2 and is more uniform than the velocity distribution of the comparative example 1 and the comparative example 2.
  • the minimum speed (-4.60) becomes negative, which indicates that the reverse flow occurs on one side 131a of the shell. In the case of the embodiment, it can be seen that the reverse flow does not occur because the minimum speed is zero.
  • FIG. 7 is a schematic view showing the flow rate of a fluid measured inside a heat exchanger including a fluid flow distributor according to an embodiment of the present invention and a heat exchanger including a fluid flow distributor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, Fig.
  • Example Comparative Example 1 Comparative Example 2 Minimum flow (kg / s) 0.034 0.032 0.034 Maximum flow rate (kg / s) 0.049 0.058 0.053 Standard Deviation / Average 0.117 0.240 0.164
  • the second flow path 121 of an embodiment of the present invention (see FIG. 7A), the first flow path 121 of Comparative Example 1 (see FIG. 7B), the second flow path 121 of Comparative Example 2 (see FIG. (0.034 kg / s) is similar to the minimum flow rate of Comparative Example 1 (0.032 kg / s) and the minimum flow rate of Comparative Example 2 (0.034 kg / s) And the maximum flow rate (0.049 kg / s) of the embodiment is smaller than the maximum flow rate (0.058 kg / s) of Comparative Example 1 and the maximum flow rate (0.053 kg / Which is smaller than the measured value (0.240) of Comparative Example 1 and the measured value (0.164) of Comparative Example 2.
  • the difference between the maximum flow rate and the minimum flow rate is smaller and the standard deviation / average is smaller than that of the comparative example 1 and the comparative example 2, so that the streamline distribution is uniform.
  • a vortex is generated around the conical distributor.
  • a vortex is generated in the outermost portion of the second flow path 121 and inside the tube 132.
  • the vortex in the second flow path 121 increases the possibility of precipitation of foreign matter (such as carbon compound sludge) in the second flow path 121 and the vortex in the tube 132 may deteriorate the heat exchange performance have. It can be confirmed that the vortex as in Comparative Examples 1 and 2 does not occur in the case of the embodiment.
  • An exemplary operation of the heat exchanger 100 according to an embodiment of the present invention is as follows.
  • the fluid can be introduced into the second flow path 121 of the expansion portion 120 and the plurality of tubes 132 of the main body portion 130 through the first flow path 111 formed in the inflow portion 110.
  • the fluid flows through the fluid flow distributor 140 disposed in the second flow path 121 and is distributed to the tube 132 through the through hole 133 formed in the one surface 131a of the large- Lt; / RTI >
  • the fluid can flow smoothly through the tube 132 and the heat exchange medium accommodated in the shell 131 of the body part 130 while passing through the plurality of tubes 132 of the body part.
  • the fluid flow distributor 140 distributes the fluid flow to uniformly flow the fluid into the plurality of tubes 132 of the main body 130, thereby efficiently performing the heat exchange.
  • the fluid entering the heat exchanger 100 may include hydrocarbons. Hydrocarbons can be deposited inside the heat exchanger 100. Hydrocarbons may be deposited inside the second flow path 121 and the tube 132 if the flow of the fluid becomes uneven due to the generation of vortex in the second flow path 121 and the tube 132, Or the inner wall of the second flow path 121 becomes thicker, resulting in a vicious circle in which the flow of the fluid becomes more uneven.
  • the fluid flow distributor 140 prevents vortices from occurring within the second flow path 121 and the tube 132, thereby preventing internal deposition of the hydrocarbon.
  • the distance delta d1 between one side face of the ring member 141 facing the one face 131a of the shell and one face 131a of the shell may be the same for each ring member 141, May not be spaced apart from one another along the flow direction of the fluid. Therefore, the flow of the fluid flowing between the ring members 141 can be prevented.
  • Another member may not be disposed between the inflow section 110 and the plurality of ring members 141, so that the flow of the fluid may not be disturbed.

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Abstract

발명의 실시예들은 유체가 유입되는 제1유로가 형성된 유입부, 복수의 관통공이 형성되며 제1유로의 단면적보다 넓은 단면적을 가지는 일면을 구비하면서 내부 공간이 형성되어 있는 쉘과, 제1유로를 통해 유입되는 유체가 유동할 수 있는 관형 부재로서, 쉘의 내부 공간에 위치하되 일단부는 관통공과 연통되는 복수의 튜브를 포함하는 본체부, 유입부와 쉘의 일면 사이를 연결하며 쉘의 일면을 향하는 방향을 따라 단면적이 넓어지는 제2유로가 형성된 확관부 및 제2유로에 배치되어 제1유로를 통해 유입되는 유체의 흐름을 복수의 튜브에 분배하는 장치로서, 확관부와 인접한 쉘의 일면으로부터 유입부에 인접하는 방향을 따라 이격되어 배치되며 서로 동심을 갖는 복수의 링부재를 포함하는 유체 흐름 분배기를 포함하며, 유입부와 복수의 링부재 사이에는 다른 부재가 배치되지 않도록 하는 열교환기를 개시한다.

Description

열 교환기
본 발명의 실시예들은 열교환기에 관한 것으로, 구체적으로는 열교환기의 열교환이 일어나는 본체부에 유입되는 유체가 균일하게 통과하면서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여 열교환기 본체부의 유체 입구 전방에 유체 흐름 분배기를 배치하여 본체부로 유입되는 유체의 균일도를 높일 수 있는 열교환기에 관한 것이다.
쉘 및 튜브 열교환기(STHX: Shell and tube heat exchanger)는 현재 가장 널리 이용되는 열교환기로서 내구성이 강하기 때문에 -250℃ 내지 800 온도 및 6000PSI의 압력에서 운용되며, 발전소, 정유공장 및 기타 대형 산업분야에서 널리 이용된다.
일반적으로 열교환기의 열교환이 일어나는 본체부로 흐르는 유체는 균일하게 분포한다는 가정에서 대부분의 열교환기 설계가 시작된다. 그러나 실제 열교환기에서는 기하학적 형상이나 작동시 운영 조건 등에 의해 실제 열교환이 수행되는 튜브로 들어가는 유량은 큰 차이를 가지게 되고, 이는 열교환기의 성능저하에 커다란 영향을 준다.
또한 열교환이 수행되는 튜브로 유입되는 유량에 차이가 있으면, 열교환기 내부에 침적된 이물(탄소화합물 찌꺼기, 부유물질 등)을 제거하기 위한 탈탄소(decoking) 처리 공정시 튜브의 유체 유입구 주변과 튜브의 내부 등의 열교환기 내부에서의 부식 발생이 활성화될 수 있다.
따라서 유체흐름의 균일도를 높여 열교환 효율 향상 및 열교환기 내부에서의 부식 발생을 방지하기 위하여 열교환기 본체부의 입구 측에 유체 흐름을 분배할 수 있는 물체를 배치하여, 열교환기의 성능을 높이기 위한 기술이 제시되고 있다.
본 발명의 실시예들은, 열교환기에서 열교환이 일어나는 본체부의 튜브에 공급되는 유체의 흐름을 균일하게 분배할 수 있는 유체 흐름 분배기가 구비되며, 이를 통해 열교환기의 성능 향상 및 열교환기 내부에서의 부식 발생을 방지할 수 있는 열교환기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는, 유체가 유입되는 제1유로가 형성된 유입부, 복수의 관통공이 형성되며 제1유로의 단면적보다 넓은 단면적을 가지는 일면을 구비하면서 내부 공간이 형성되어 있는 쉘과, 제1유로를 통해 유입되는 유체가 유동할 수 있는 관형 부재로서, 쉘의 내부 공간에 위치하되 일단부는 관통공과 연통되는 복수의 튜브를 포함하는 본체부, 유입부와 상기 쉘의 일면 사이를 연결하며 쉘의 일면을 향하는 방향을 따라 단면적이 넓어지는 제2유로가 형성된 확관부 및 제2유로에 배치되어 제1유로를 통해 유입되는 유체의 흐름을 복수의 튜브에 분배하는 장치로서, 확관부와 인접한 쉘의 일면으로부터 유입부에 인접하는 방향을 따라 이격되어 배치되며 서로 동심을 갖는 복수의 링부재를 포함하는 유체 흐름 분배기를 포함하며, 유입부와 복수의 링부재 사이에는 다른 부재가 배치되지 않도록 하는, 열교환기를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 링부재의 단면은 원형일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 쉘의 일면의 형상과, 쉘의 일면과 평행하게 자른 제1유로 및 제2유로의 각 단면은 원형일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 쉘의 일면에 대향되는 링부재의 일측면과, 쉘의 일면 사이의 거리는 각 링부재마다 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복수의 링부재의 동심은 쉘의 일면과 수직하면서 쉘의 일면의 중심을 지나는 가상의 중심선 상에 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 쉘의 일면에 대향되는 링부재의 일측면과, 유입부에 대향되는 링부재의 타측면 사이의 거리는 각 링부재마다 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 링부재의 내측부와 외측부 사이의 두께는 각 링부재마다 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 링부재의 내측부 및 외측부는 쉘의 일면에 인접하는 방향을 따라 제2유로의 내측면을 향할 수 있도록 경사지게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복수의 링부재 중 적어도 하나의 직경은 제1유로의 직경보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 열교환기는, 열교환기 내부로 유입되는 유체의 흐름을 유체 흐름 분배기를 통해 열교환이 일어나는 본체부의 튜브로 균일하게 분배하여 열교환의 효율을 향상시키고, 열교환기 내부에서의 부식 발생을 방지하여 열교환기의 수명 단축을 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 보여주는 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 유체 흐름 분배기의 전체 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유체 흐름 분배기를 포함하는 확관부 내부 및 그 주변부를 보여주는 측단면도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 확관부 내부 및 그 주변부를 보여주는 투시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 쉘의 일면에서 측정되는 유체의 압력분포 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 쉘의 일면 상에 배치되는 튜브 유입구에서 측정되는 유체의 속력분포 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 내부에서 측정되는 유체의 유량을 해석한 유선분포 실험결과를 나타낸 도면이다.
* 부호의 설명
100: 열교환기 110: 유입부
111: 제1유로 120: 확관부
121: 제2유로 130: 본체부
131: 쉘 131a: 쉘의 일면
131b: 쉘의 타면 132: 튜브
133: 관통공 140: 유체 흐름 분배기
141: 링부재 141a: 내측부
141b: 외측부 142: 연결부재
142a: 제1연결부재 142b: 제2연결부재
C: 가상의 중심선
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 보여주는 모식도이다. 도 2는 도 1에 도시된 유체 흐름 분배기의 전체 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 유체 흐름 분배기를 포함하는 확관부 내부 및 그 주변부를 보여주는 측단면도이다.
도 1내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 열교환기에 관한 것으로서, 열교환이 일어나는 본체부(130)에 유입되는 유체가 균일하게 통과하면서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여 본체부(130)의 유체 입구 전방에 유체 흐름 분배기(140)를 배치하여 본체부(130)로 유입되는 유체의 균일도를 높일 수 있는 열교환기(100)에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)는 탄화수소의 열분해 공정에서 사용될 수 있다. 탄화수소의 열분해 공정은 석유 화학 산업에서 주로 이용되는 에틸렌 및 프로필렌과 같은 경질 올레핀의 생산을 위한 대규모 공정일 수 있다. 나프타, 메탄, 에탄, 프로판 또는 부탄과 같은 공급 원료는 열분해되어 경질 탄화수소를 생성할 수 있다. 공정에서 생산되는 가스는 고온에서 안정하지 못하여 냉각이 필요한데, 이 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)가 사용될 수 있다. 열교환기(100)에 이용되는 유체의 일 예로 탄화수소를 언급하였지만 이에 한정되지 아니하며, 열교환이 필요한 유체라면 어떠한 종류라도 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)는 유체가 유입되는 유입부(110), 유입부(110)를 통해 유입된 유체를 통과시키며 다른 열교환매체와 열교환될 수 있도록 하는 본체부(130), 유입부(110)와 본체부(130)를 서로 연결하는 확관부(120) 및 확관부(120)내에 배치되며 유체의 흐름을 분배하는 유체 흐름 분배기(140)를 포함할 수 있다.
유입부(110)에는 유체가 유입되는 제1유로(111)가 형성될 수 있다. 여기서, 유체는 고온의 가스일 수 있으며, 고온의 가스는 제1유로(111)를 통해 본체부(130)와 인접하는 방향으로 유입될 수 있다.
본체부(130)는 쉘(shell, 131) 및 복수의 튜브(132)을 포함할 수 있다.
쉘(131)은 내부 공간이 형성될 수 있도록 길이방향으로 연장된 원통 형상일 수 있다. 쉘의 일면(131a)은 제1유로(111)의 단면과 마주보는 측의 면으로서, 제1유로(111)의 단면적보다 넓은 단면적을 가지며 복수의 관통공(133)이 형성될 수 있다. 쉘의 타면(131b)은 쉘의 일면(131a)과는 내부 공간을 사이에 두고 반대 측에 위치한 면으로서, 쉘의 일면(131a)과 마찬가지로 제1유로의 단면적보다 넓은 단면적을 가지며 복수의 관통공(133)이 형성될 수 있다.
복수의 튜브(132)는 제1유로(111)를 통해 유입되는 유체가 쉘(131)의 내부 공간에서 유동할 수 있는 유로 역할을 할 수 있는 관형 부재로서, 쉘(131)의 내부 공간에 위치할 수 있다. 상세히 각 튜브(132)는 쉘(131)의 길이방향을 따라 연장된 원형의 튜브(132)일 수 있으며, 일단부는 쉘의 일면(131a)에 형성된 관통공(133)에 연통되도록 배치되며, 타단부는 쉘의 타면(131b)에 형성된 관통공(133)에 연통되도록 배치될 수 있다. 복수의 튜브(132)는 각각 서로 동일한 간격으로 이격되어 배열될 수 있다. 제1유로(111)를 통해 유입되는 유체는 튜브(132)의 일단부를 유입구로 하여 튜브(132) 내에 유입되며 튜브(132)의 타단부를 유출구로 하여 튜브(132) 밖으로 유출될 수 있다.
쉘(131)의 내부 공간 중 튜브(132)의 외측 영역에는, 튜브(132)를 냉각시킬 수 있는 열교환매체가 수용될 수 있다. 튜브(132)의 내부로 유입되는 유체는 튜브(132)를 매개체로 하여 열교환매체와 열교환을 할 수 있다. 즉, 튜브(132)의 내부로 유입되는 유체의 일 예인 고온가스는 열교환매체와 열교환됨으로써 냉각될 수 있다.
확관부(120)에는 유입부(110)와 쉘(131)의 일면(131a) 사이를 연결하며 쉘(131)의 일면(131a)을 향하는 방향을 따라 단면적이 넓어지는 제2유로(121)가 형성될 수 있다. 제2유로(121)는 유입부(110)로부터 쉘의 일면(131a)을 향하는 방향을 따라 그 단면적의 확대되는 비율이 점진적으로 증가하다가 소정의 지점부터는 점진적으로 완화될 수 있다.
제1유로(111), 제2유로(121) 및 튜브(132)의 소재로는 우수한 열교환 성능 및 내구성을 고려해야 하는 동시에 유체가 흐를 수 있는 유로를 용이하게 형성할 수 있어야 하므로, 열전도성과 기계가공성이 좋은 알루미늄이나 구리, 또는 우수한 내열성 및 내식성을 가지는 스테인리스강이나 니켈, 코발트 계열의 합금(인코넬, 모넬 등) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1유로(111) 및 제2유로(121)는 각각 유입부(110)와 확관부(120)의 내부에 형성되는 유로로서, 그 형성방법을 살펴보면 유입부(110)와 확관부(120)의 내부에 세라믹 소재 등의 내화물질(refractory)을 유입시키고 이를 고체화시켜 성형하는 과정을 통하여 형성될 수 있다.
쉘의 일면(131a)의 형상과, 쉘의 일면(131a)과 평행하게 자른 제1유로(111) 및 제2유로(121)의 각 단면은 원형일 수 있다. 쉘의 일면(131a)은 본체부(130)의 길이방향에 수직한 방향으로 형성된 평면일 수 있다.
한편, 제1유로(111)를 통해 제2유로(121)로 유입되는 유체는, 제2유로(121)의 단면적이 제1유로(111)보다 더 넓기 때문에 제2유로(121) 내의 유량 분포는 제1유로(111)와 대응되는 중앙 영역에 더 집중되며, 유속 또한 중앙 영역이 그 주변 영역보다 더 빠를 수 있다. 이러한 이유로 쉘의 일면(131a) 상에 배치된 복수의 튜브(132) 각각의 유입구에는 유체가 균일하게 유입되지 않을 수 있다.
상술한 문제의 해결을 위해, 유체 흐름 분배기(140)는 각 튜브(132)에 연통된 관통공(133)에 유체의 흐름을 균일하게 분배하기 위해 제2유로(121)에 배치될 수 있다. 유체 흐름 분배기(140)는 쉘의 일면(131a)보다 제1유로(111)에 더 가깝게 배치될 수 있다. 유체 흐름 분배기(140) 고온의 유체에 반응하지 않도록, 내열성 및 내식성이 우수한 소재가 사용될 수 있다.
유체 흐름 분배기(140)는 확관부(120)와 인접한 쉘의 일면(131a)으로부터 유입부(110)에 인접하는 방향으로 이격되어 배치되며 서로 동심을 갖는 복수의 링부재(141)를 포함할 수 있다. 링부재(141)는 유체가 통과될 수 있는 중공을 구비한 부재로서, 그 단면의 형상은 원형일 수 있다. 상세히, 링부재(141)를 쉘의 일면(131a)과 평행하게 잘라서 형성된 단면은, 내측부(141a) 및 외측부(141b) 사이의 두께를 고려한다면 도넛 형태의 원형 링 형상일 수 있다. 복수의 링부재(141)의 동심은 쉘의 일면(131a)으로부터 유입부(110)에 인접하는 방향으로 이격되어 있으며 쉘의 일면(131a)과 평행한 가상의 평면 상에 위치할 수 있다. 복수의 링부재(141)는 각각 직경이 다르지만 서로 동심을 형성하며 가상의 동일 평면 상의 위치에 배치되므로, 유체의 흐름을 서로 인접하는 2개의 링부재(141) 사이의 공간으로 분배 및 가이드할 수 있다.
쉘의 일면(131a)에 대향되는 링부재(141)의 일측면과, 쉘의 일면(131a) 사이의 거리(δd1)는 각 링부재(141)마다 실질적으로 동일할 수 있다. 실질적으로 동일하다 함은, 쉘의 일면(131a)에 대향되는 링부재(141)의 일측면과 쉘의 일면(131a) 사이의 거리(δd1)를 각 링부재(141)마다 동일하게 의도하였지만, 제조공정 상의 정밀도가 떨어짐에 따라 그 거리가 달라질 수 있는 오차가 발생할 수 있는데, 이러한 오차는 무시할 수 있음을 의미한다. 쉘의 일면(131a)에 대향되는 링부재(141)의 일측면은 쉘의 일면(131a)으로부터 유입부(110)에 인접하는 방향으로 이격되어 있으며, 쉘의 일면(131a)과 평행한 가상의 평면 상에 위치하는 것이 바람직하다. 만약, 유체 흐름 분배기(140)가 복수의 링부재(141)를 포함하고, 각각의 링부재(141)가 유체의 흐름 방향을 따라 서로 이격 나열되어 쉘의 일면(131a)과 그에 대향되는 링부재(141)의 일측면 사이의 거리가 각각 다르다면, 어느 하나의 링부재(141)는 그보다 하류에 배치되는 링부재(141) 측으로의 유체의 흐름 분배를 방해할 수 있기 때문이다.
복수의 링부재(141)의 동심은 쉘의 일면(131a)과 수직하게 쉘의 일면(131a)의 중심을 지나는 가상의 중심선(C) 상에 위치할 수 있다. 쉘의 일면(131a)과 평행하게 자른 제1유로(111)의 단면 중심은 상기 중심선(C) 상에 위치할 수 있다. 쉘의 일면(131a)과 평행하게 자른 제2유로(121)의 단면 중심은 상기 중심선(C) 상에 위치할 수 있다. 즉, 제1유로(111)의 단면의 중심, 제2유로(121)의 단면의 중심, 복수의 링부재(141)의 동심 및 본체부 일면(131a)의 중심은 상기 중심선(C) 상에 위치할 수 있다.
쉘의 일면(131a)에 대향되는 링부재(141)의 일측면과, 유입부(110)에 대향되는 링부재(141)의 타측면 사이의 거리(δd2)는 각 링부재(141)마다 동일할 수 있다.
링부재(141)의 내측부(141a) 및 외측부(141b)는 쉘의 일면(131a)에 인접하는 방향을 따라 제2유로(121)의 내측면을 향할 수 있도록 경사지게 형성될 수 있다. 복수의 링부재(141) 중 적어도 하나의 내측부(141a) 및 외측부(141b)는 쉘의 일면(131a)에 인접하는 방향을 따라 제2유로(121)의 내측면을 향할 수 있도록 경사지게 형성될 수 있다. 링부재(141)의 내측부(141a) 및 외측부(141b)가 경사진 정도를 나타내는 경사도는 내측부(141a) 및 외측부(141b)가 경사지게 형성되어 있는 각 링부재(141)마다 상이 또는 동일할 수 있다. 링부재(141)마다 경사도가 상이한 경우, 상대적으로 외측에 배치된 링부재(141)일수록 경사도가 더 큰 것이 바람직하다. 즉 내측에 배치된 링부재(141)가 가상의 중심선(C')와 형성하는 각도(θ1)보다 외측에 배치된 링부재(141)가 가상의 중심선(C)과 평행한 가상의 선(C'')과 형성하는 각도(θ2)가 더 클 수 있고, 이보다 더 외측에 배치된 링부재(141)가 가상의 중심선(C)과 평행한 가상의 선(C''')과 형성하는 각도(θ3)가 더 클 수 있다. 제2유로(121)의 단면적은 쉘의 일면(131a)으로 인접하는 방향을 따라 확대되며, 이에 따라 제2유로(121)의 내측면 또한 쉘의 일면(131a)에 대하여 경사지게 형성될 수 있다. 링부재(141) 상 내측부(141a) 및 외측부(141b)의 경사는 제2유로(121) 상에서 중앙 영역에 집중되는 유체의 흐름 분포를 주변 영역으로 분산시킬 수 있는 가이드 역할을 할 수 있다.
링부재(141)의 내측부(141a)와 외측부(141b) 사이의 두께(δd3, δd4, δd5)는 각 링부재(141)마다 동일할 수 있다. 여기서, 두께는 링부재(141)의 내측부(141a)와 외측부(141b) 사이의 최단거리를 의미할 수 있다.
인접한 2개의 링부재(141) 사이의 간격(δd6, δd7)은 상이 또는 동일할 수 있다. 인접한 2개의 링부재(141) 사이의 간격(δd6, δd7)이 상이한 경우, 비교적 외측에 배치된 인접한 2개의 링부재(141) 사이의 간격(δd6)이 내측에 배치된 인접한 2개의 링부재(141) 사이의 간격(δd7)보다 넓을 수 있다. 복수의 링부재(141) 중 직경이 가장 작은 링부재(141)의 직경(δd8)은 각각의 링부재(141) 사이의 간격(δd6, δd7)과 상이 또는 동일할 수 있다.
복수의 링부재(141) 중 적어도 하나의 직경은 제1유로(111)의 직경(δt1)보다 클 수 있다. 즉, 복수의 링부재(141) 중 최외각에 위치하는 링부재의 직경(δd9)은 제1유로(111)의 직경(δt1)보다 클 수 있다. 여기서, 직경은 링부재(141)의 두께를 고려하여 외경을 의미할 수 있다. 상술한 바와 같이, 링부재(141)가 경사를 형성하는 경우에 있어, 직경은 링부재(141) 상 쉘의 일면(131a)에 가장 인접한 일측면이 형성하는 원의 외경을 의미할 수 있다. 이로써, 단면적이 작은 제1유로(111)에서 유입되는 유체가 단면적이 큰 쉘의 일면(131a)의 외각부분에 배열된 튜브(132)의 유입구로도 균일하게 유입될 수 있는 효과가 있을 수 있다.
유입부(110)와 복수의 링부재(141) 사이에는 다른 부재가 배치되지 않을 수 있다. 여기서, 다른 부재라 함은 유입부(110)와 복수의 링부재(141) 사이에 배치되어 유체의 흐름을 방해할 수 있는 부재일 수 있다. 예를 들어, 플레이트, 원뿔형 부재 등, 유체의 흐름에 대항하는 체적이 형성된 부재일 수 있다. 쉘의 일면(131a)과 복수의 링부재(141) 사이에도 다른 부재가 배치되지 않을 수 있다.
한편, 유체 흐름 분배기(140)는 제1연결부재(142a) 및 제2연결부재(142b)를 포함할 수 있다. 제1연결부재(142a)는 복수의 링부재(141)를 서로 연결하는 부재일 수 있다. 제2연결부재(142b)는 제2유로(121) 상에서 복수의 링부재(141)가 소정의 위치를 유지할 수 있도록 최외각의 링부재(141)와 제2유로(121)의 적어도 내면을 서로 연결시키는 부재일 수 있다. 제2연결부재(142b)는 제2유로(121)에 내면에 홈을 형성하고, 그 홈에 제2연결부재(142b)를 삽입하는 방법으로 제2유로(121)에 고정될 수 있다. 이 때, 제2연결부재(142b)의 일단부는 제2유로(121)의 내면을 관통하여 제2유로(121)의 외측에 위치할 수 있다. 한편, 홈의 크기와 제2연결부재(142b) 일단부의 크기가 일치하면, 고온의 유체에서 열을 전달받는 제2연결부재(142b)의 열팽창으로 인하여, 제2유로(121)의 내면이 손상될 수 있다. 따라서, 홈의 크기는 제2연결부재(142b)의 일단부의 크기보다 크게 형성되어 제2연결부재(142b)와 홈 사이에 유격이 형성되는 것이 바람직하다. 제1연결부재(142a)의 양 끝단은 서로 인접한 직경이 작은 링부재(141)의 외측면과 직경이 큰 링부재(141)의 내측면에 고정되어 각각의 링부재를 연결할 수 있다. 제1연결부재(142a)와 제2연결부재(142b)의 길이방향으로 연장된 중심축은 일치할 수 있다. 연결부재(142)는 복수로 구비될 수 있다.
이하 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 하기 실험예는 단지 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 확관부 내부 및 그 주변부를 보여주는 투시도이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 본발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기(140)가 배치된 열교환기(100)의 제2유로(121) 내부, 도 4의 (b)는 비교예 1에 따른 유체 흐름 분배기가 배치된 열교환기의 제2유로(121) 내부 및 도 4의 (c)는 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기가 배치된 열교환기의 제2유로(121) 내부를 보여준다. 여기서, 일 실시예, 비교예 1 및 2에서의 제1유로(111)의 직경은 247 mm, 제2유로(121)의 길이는 150 mm, 쉘(131)의 단면적 직경은 723 mm 로 하였다. 하기의 실험예 1, 2 및 3 을 위한 시뮬레이션은 ANSYS Fluent v18 을 이용하였으며, 열교환기 내로 투입되는 유체와 관련된 정보는 0.778kg/s 의 유량, 1110 K의 온도 및 이상기체(Ideal Gas)인 것으로 설정하였다.
일 실시예는 제2유로(121) 내부에 직경이 다른 3개의 링부재(141)가 동심을 형성하며 배열되어 있으며, 링부재(141)의 양 측면이 각각 제1유로(111) 및 쉘의 일면(131a)과 대향하고 있고, 양 측면 사이의 거리가 모두 동일할 수 있다. 또한, 링부재(141)의 내측부(141a) 및 외측부(141b)는 쉘의 일면(131a)으로 인접하는 방향을 따라 제2유로(121)의 내측면을 향할 수 있도록 경사지게 형성되어 있으며, 각각의 링부재를 연결하는 연결부재(142)가 서로 교차하고 있다(도 4a의 (a) 참조)).
비교예 1은 제2유로(121) 내부에 제1유로(111)와 인접하게 원뿔형상의 부재(A_a)가 위치하며, 원뿔형상의 부재(A_a)의 꼭지점이 제1유로(111)와 대향하고 있다. 또한, 원뿔형상 부재(A_a)의 하류에는 원형 링(A_b)이 이격되어 위치하고 있다. 원형 링(A_b)의 직경은 제1유로(111)의 직경보다 작게 형성되어 있다. 원뿔형상 부재(A_a)와 원형 링(A-b)은 길이방향으로 연장된 지지부재를 통해서 각각 제2유로(121)의 내면에 연결되어 위치 고정된다. 일반적으로 지지부재는 유체의 유동에 미치는 영향이 작으므로 실험 및 결과 해석시에 무시할 수 있다(도 4b의 (b) 참조).
비교예 2는 쉘의 일면(131a)에서 제1유로(111)에 인접하는 방향으로 점진적으로 직경이 작아지는 복수의 링부재(B)가 일정한 이격거리를 형성하며 배열되어 전체적으로 원뿔형상을 이루고 있고, 복수의 링부재를 연결하는 4개의 연결부재가 쉘의 일면(131a) 가까이에서 제2유로(121)의 내면을 향하여 굴곡을 형성하며 연장되어 있다. 한편, 비교예 2는 미국등록공개특허(US5029637)에 개시된 링부재(B)의 조건이 반영될 수 있도록 하여 복수의 링부재(B)의 제1유로(111)와 대면하고 있는 일측면의 단면적 합을 제1유로(111)의 단면적과 동일하게 구성하였다. 이러한 복수의 링부재(B)는 모두 제1유로의 직경보다 작거나 같은 직경을 가진다(도 4c의 (c) 참조).
유체를 제1유로(111) 및 제2유로(121)를 통과하게 한 후 본체부(130)의 튜브(132)에 유입되도록 하여 본 발명의 일 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 열교환기(100)의 제2유로(121)에서의 유체의 흐름을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션한 결과에 대한 표준편차/평균은 변동계수로서, 특정 변수의 분포 정도를 의미할 수 있다. 본 실험예들을 통해 각각 유체의 압력, 속력 및 유량의 측정 위치에서의 분포 정도를 나타냈으며, 표준편차/평균의 값이 작을수록 측정 값이 더 균일하게 분포된 것이라고 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 쉘의 일면에서 측정되는 유체의 압력분포 실험결과를 나타낸 도면이다. 여기서, 쉘의 일면에 측정되는 압력분포 실험결과는 정압해석을 통하여 도출된 것이다.
실험예 1 - 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 쉘의 일면(131a)에서의 유체의 압력분포 측정결과(도 5 및 표 1 참조)
실시예 비교예1 비교예2
최소 압력 (kg/cm²) 0.006 0.001 0.004
최대 압력(kg/cm²) 0.025 0.032 0.024
표준편차/평균 0.520 0.680 0.467
본 발명의 일 실시예(도 5의 (a) 참조), 비교예 1(도 5의 (b) 참조), 비교예 2(도 5의 (c) 참조)의 본체부 일면(131a)에서의 압력분포를 살펴보면, 실시예의 최소 압력(0.006kg/cm²)이 비교예 1의 최소 압력(0.001kg/cm²)보다 크고, 실시예의 최대 압력(0.025kg/cm²)은 비교예 1의 최대 압력(0.032g/cm²)보다 작고, 실시예의 표준편차/평균(0.520)는 비교예 1의 표준편차/평균(0.680)에 비해 작은 것을 알 수 있다. 이로서, 실시예의 경우가 비교예 1의 경우에 비해서 쉘의 일면(131a)의 압력분포가 더 균일함을 확인할 수 있다. 한편, 실시예와 비교예 2를 비교하면 본체부 일면(131a)에서의 표준편차/평균 값이 실시예가 비교에 2보다 더 크게 나타나, 압력분포 면에서는 비교예 2가 실시예보다 더 균일한 것으로 보여졌다. 다만, 유체의 흐름분포의 균일도는 쉘의 일면(131a)에서의 유체의 압력분포보다, 직접적으로 열교환이 일어나는 튜브(132)의 내부로 유입되는 유체의 속력분포나 유선분포가 더 실질적으로 유의미할 수 있으므로, 이하에서는 유체의 속력분포, 유선분포를 살펴보기로 한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 쉘의 일면 상에 배치되는 튜브 유입구에서 측정되는 유체의 속력분포 실험결과를 나타낸 도면이다.
실험예 2 - 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 쉘의 일면(131a)에 형성된 튜브(132) 입구에서 쉘의 일면(131a)과 수직한 방향의 유체의 속력분포 측정결과(도 6 및 표 2 참조)
(m/s) 실시예 비교예1 비교예2
최소 속력(m/s) 0 -4.60 0
최대 속력(m/s) 115.70 140.25 120.90
표준편차/평균 0.212 0.358 0.244
본 발명의 일 실시예(도 6의 (a) 참조), 비교예 1(도 6의 (b) 참조), 비교예 2(도 6의 (c) 참조)의 쉘의 일면(131a) 상에 배치되는 튜브(132) 유입구에서 쉘의 일면(131a)과 수직한 방향의 유체의 속력분포를 살펴보면, 실시예의 최대 속력(115.70m/s) 및 표준편차/평균(0.212)가 비교예 1의 최대 속력(140.25m/s) 및 표준편차/평균(0.358), 비교예 2의 최대 속력(120.90m/s) 및 표준편차/평균(0.244) 와 비교해서 가장 낮은 것을 볼 수 있다. 실시예의 최대 속력 및 표준편차/평균가 작다는 것은, 쉘의 일면(131a) 상에 배치되는 복수의 튜브(132) 유입구 중에 유체가 가장 빠르게 유입되는 튜브(132) 유입구에서의 유속이 비교예 1 및 비교예 2의 유속과 비교해서 느리고, 실시예의 복수의 튜브(132)에 유입되는 유체의 속력분포가 비교예 1 및 비교예 2의 속력분포와 비교해서 더 균일하다고 볼 수 있다. 따라서 실시예의 경우 유체가 복수의 튜브(132)에 전체적으로 균일하게 공급된다고 볼 수 있고, 이는 유체의 흐름이 더 균일하다고도 할 수 있다. 또한, 비교예 1의 경우 최소 속력(-4.60)이 음수가 되는 것으로 보아 쉘의 일면(131a)에서 역류가 일어나는 것을 알 수 있다. 실시예의 경우에는 최소 속력이 0인 것으로 보아 역류가 일어나지 않는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 및 비교예 1, 비교예 2에 따른 유체 흐름 분배기를 포함하는 열교환기 각각의 내부에서 측정되는 유체의 유량을 해석한 유선분포 실험결과를 나타낸 도면이다.
실험예 3 - 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 제2유로(121) 및 그 주변에서 유체의 흐름 및 유선분포 측정결과 (도 7 및 표 3 참조)
실시예 비교예1 비교예2
최소 유량(kg/s) 0.034 0.032 0.034
최대 유량(kg/s) 0.049 0.058 0.053
표준편차/평균 0.117 0.240 0.164
본 발명의 일 실시예(도 7의 (a) 참조), 비교예 1(도 7의 (b) 참조), 비교예 2(도 7의 (c) 참조)의 제2유로(121) 및 그 주변에서 유체의 흐름 및 유선분포를 살펴보면, 실시예의 경우 최소 유량(0.034kg/s)은 비교예 1의 최소 유량(0.032kg/s) 및 비교예 2의 최소 유량(0.034kg/s)과 유사하고 실시예의 최대 유량(0.049kg/s)는 비교예 1의 최대 유량(0.058kg/s)및 비교예 2의 최대 유량(0.053kg/s)보다 작고, 실시예의 표준편차/평균(0.117)은 비교예 1의 측정값(0.240) 및 비교예 2의 측정값(0.164)보다 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예의 경우가 비교예 1 및 비교예 2의 경우 보다 최대 유량과 최소 유량의 차이가 작고, 표준편차/평균이 작으므로 유선분포가 균일하다고 볼 수 있다. 또한, 비교예 1의 경우 원뿔형상의 분배기 주위에서 와류가 발생하는 것을 볼 수 있다. 비교예 2의 경우 제2유로(121)의 최외각 부분과 튜브(132) 내부에서 와류가 발생하는 것을 볼 수 있다. 제2유로(121) 내부에서의 와류는 제2유로(121) 내부에서의 이물(탄소화합물 찌꺼기 등)등의 침전 발생 가능성을 높이고, 튜브(132) 내부에서의 와류는 열교환 성능을 저하시킬 수 있다. 실시예의 경우에는 비교예 1, 2와 같은 와류가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)의 작동일례는 다음과 같다.
유체는 유입부(110)에 형성된 제1유로(111)를 통해 확관부(120)의 제2유로(121) 및 본체부(130)의 복수의 튜브(132)에 유입될 수 있다. 유체는 제2유로(121)의 내부에 배치된 유체 흐름 분배기(140)를 통과하면서 흐름이 분배되어 면적이 넓은 쉘의 일면(131a)에 형성된 관통공(133)을 통하여 튜브(132)에 균일하게 유입될 수 있다. 유체는 본체부의 복수의 튜브(132)에 통과되면서 본체부(130)의 쉘(131) 내부에 수용된 열교환매체와 튜브(132)를 매개로 하여 원활하게 열교환이 일어날 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)의 효과는 다음과 같다.
유체 흐름 분배기(140)는 유체의 흐름을 분배하여 본체부(130)의 복수의 튜브(132)에 유체를 균일하게 유입되게 하여 열교환이 효율적으로 일어나게 할 수 있다.
열교환기(100)로 유입되는 유체는 탄화수소를 포함할 수 있다. 탄화수소는 열교환기(100) 내부에 퇴적될 수 있다. 제2유로(121) 및 튜브(132) 내부에서 와류의 발생 등으로 유체의 흐름이 불균일하게 되면 탄화수소가 제2유로(121) 및 튜브(132) 내부에 퇴적될 수 있고, 이로 인해 튜브(132)이 막히거나 제2유로(121) 내벽이 두꺼워져 유체의 흐름이 더 불균일해지는 악순환이 초래될 수 있다. 유체 흐름 분배기(140)는 제2유로(121) 및 튜브(132) 내부에서의 와류가 발생하지 않게 함으로써, 탄화수소의 내부 퇴적을 막을 수 있다.
쉘의 일면(131a)에 대향되는 링부재(141)의 일측면과, 쉘의 일면(131a) 사이의 거리(δd1)는 각 링부재(141)마다 동일할 수 있으므로, 복수의 링부재(141)는 유체가 유체의 흐름 방향을 따라 서로 이격 나열되지 않을 수 있다. 따라서, 각각의 링부재(141) 사이로 유입되는 유체의 흐름을 방해하지 않을 수 있다.
유입부(110)와 복수의 링부재(141) 사이에는 다른 부재가 배치되지 않을 수 있으므로, 유체의 흐름을 방해하지 않을 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (9)

  1. 유체가 유입되는 제1유로가 형성된 유입부;
    복수의 관통공이 형성되며 상기 제1유로의 단면적보다 넓은 단면적을 가지는 일면을 구비하면서 내부 공간이 형성되어 있는 쉘과, 상기 제1유로를 통해 유입되는 유체가 유동할 수 있는 관형 부재로서, 상기 쉘의 내부 공간에 위치하되 일단부는 상기 관통공과 연통되는 복수의 튜브를 포함하는 본체부;
    상기 유입부와 상기 쉘의 일면 사이를 연결하며 상기 쉘의 일면을 향하는 방향을 따라 단면적이 넓어지는 제2유로가 형성된 확관부; 및
    상기 제2유로에 배치되어 상기 제1유로를 통해 유입되는 유체의 흐름을 상기 복수의 튜브에 분배하는 장치로서, 상기 확관부와 인접한 상기 쉘의 일면으로부터 상기 유입부에 인접하는 방향을 따라 이격되어 배치되며 서로 동심을 갖는 복수의 링부재를 포함하는 유체 흐름 분배기;를 포함하며,
    상기 유입부와 상기 복수의 링부재 사이에는 다른 부재가 배치되지 않도록 하는, 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링부재의 단면은 원형인, 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쉘의 일면의 형상과, 상기 쉘의 일면과 평행하게 자른 상기 제1유로 및 상기 제2유로의 각 단면은 원형인, 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 쉘의 일면에 대향되는 상기 링부재의 일측면과, 상기 쉘의 일면 사이의 거리는 상기 각 링부재마다 동일한, 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 링부재의 동심은 상기 쉘의 일면과 수직하면서 상기 쉘의 일면의 중심을 지나는 가상의 중심선 상에 위치한, 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 쉘의 일면에 대향되는 상기 링부재의 일측면과, 상기 유입부에 대향되는 상기 링부재의 타측면 사이의 거리는 상기 각 링부재마다 동일한, 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 링부재의 내측부와 외측부 사이의 두께는 상기 각 링부재마다, 동일한, 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 링부재의 내측부 및 외측부는 상기 쉘의 일면에 인접하는 방향을 따라 상기 제2유로의 내측면을 향할 수 있도록 경사지게 형성되는, 열교환기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 링부재 중 적어도 하나의 직경은 상기 제1유로의 직경보다 큰, 열교환기.
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