WO2023219471A1 - 유체 가열 장치 - Google Patents

유체 가열 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2023219471A1
WO2023219471A1 PCT/KR2023/006506 KR2023006506W WO2023219471A1 WO 2023219471 A1 WO2023219471 A1 WO 2023219471A1 KR 2023006506 W KR2023006506 W KR 2023006506W WO 2023219471 A1 WO2023219471 A1 WO 2023219471A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
current
fluid flow
flow line
heating device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2023/006506
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
강무성
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
Priority to JP2024560914A priority Critical patent/JP2025512550A/ja
Priority to US18/859,814 priority patent/US20250287470A1/en
Priority to EP23803894.7A priority patent/EP4524489A4/en
Priority to CN202380035903.0A priority patent/CN119072603A/zh
Publication of WO2023219471A1 publication Critical patent/WO2023219471A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/128—Preventing overheating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/102—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance
    • F24H1/105—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance formed by the tube through which the fluid flows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/106—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/121—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium using electric energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/14—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
    • F24H1/142—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form using electric energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/20—Control of fluid heaters characterised by control inputs
    • F24H15/212—Temperature of the water
    • F24H15/219—Temperature of the water after heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/18—Arrangement or mounting of grates or heating means
    • F24H9/1809—Arrangement or mounting of grates or heating means for water heaters
    • F24H9/1818—Arrangement or mounting of electric heating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24H9/2007—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters
    • F24H9/2014—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters using electrical energy supply
    • F24H9/2028—Continuous-flow heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00389—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00132—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2219/00135—Electric resistance heaters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G35/00—Reforming naphtha
    • C10G35/02—Thermal reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G35/00—Reforming naphtha
    • C10G35/16—Reforming naphtha with electric, electromagnetic, or mechanical vibrations; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/24—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by heating with electrical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/40—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by indirect contact with preheated fluid other than hot combustion gases
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material

Definitions

  • This application relates to fluid heating devices and their applications.
  • Devices for heating fluids can be used for a variety of purposes.
  • the device may be used in a process for producing basic petrochemical raw materials (e.g., olefins such as ethylene, propylene, and butadiene).
  • basic petrochemical raw materials e.g., olefins such as ethylene, propylene, and butadiene.
  • a so-called cracking process is performed in which raw materials such as naphtha, ethane, propane, waste plastic, and biodiesel obtained by refining crude oil are thermally decomposed in a high temperature cracking furnace.
  • a fluid heating device may be used in this process.
  • the decomposition furnace that performs the thermal decomposition generally includes a radiation section, a convection section, and a steam generator.
  • Fluid which is the raw material for thermal decomposition, may be thermally decomposed by high-temperature heat while being transported through a flow line such as a pipe.
  • thermal decomposition is performed by transferring large thermal energy to the fluid transferred from the radiation unit.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2021-0042969
  • the purpose of this application is to provide a fluid heating device and its use that can solve the problems of the prior art as described above.
  • This specification describes a fluid heating device.
  • the fluid heating device includes: a fluid flow line comprising an internal passageway formed through which a fluid flows and a conductive surface surrounding the internal passageway; and a heating source.
  • the heating source may include a current inlet including a first conductor electrically connected to the fluid flow line; a current receiving portion that includes a second conductor electrically connected to the fluid flow line and is separate from the current inlet portion; and a voltage source.
  • the heating source is installed to form a potential difference between the current inlet and the current receiver to allow current to flow through the current inlet, the current receiver, and the fluid flow line, and the fluid heating device may be installed to generate heat in the surface portion by the current and transfer the heat to the fluid in the internal passage.
  • the voltage source may be configured to form one or more selected from the group consisting of direct current, alternating current, pulse current, and bipolar current.
  • the fluid heating device may further include a cooling unit in contact with one or more conductors selected from the group consisting of the first and second conductors to enable heat exchange.
  • the cooling portion of the fluid heating device may not be in contact with the fluid flow line.
  • the cooling portion of the fluid heating device includes a refrigerant and a circulation line, wherein the refrigerant exchanges heat with one of the first and second conductors and then exchanges heat with the other one of the first and second conductors. It may be formed to circulate while doing so.
  • a conductor in contact with the cooling part may be insulated.
  • the fluid flow line in the fluid heating device may be insulated.
  • the fluid flow line may include an inlet through which fluid flows into the fluid flow line, and an outlet through which fluid flowing into the fluid flow line flows out.
  • the fluid flow line may be installed so that the angle between an imaginary line connecting the inlet and the outlet and the direction of gravity is in the range of 80 degrees to 90 degrees.
  • the ratio SA/SB of the area SA of the inlet and the area SB of the outlet may be in the range of 0.8 to 1.2.
  • the fluid heating device may include first and second fluid flow lines as the fluid flow lines, and a current inflow portion and a current receiving portion of the heating source may be formed in each of the first and second fluid flow lines. there is.
  • the current receiving portion of the first fluid flow line may be formed to be the current inlet portion of the second fluid flow line, or the current inlet portion of the first fluid flow line may be formed to be the current receiving portion of the second fluid flow line.
  • the fluid heating device includes a plurality of fluid flow lines as the fluid flow lines, and a current inflow portion and a current receiving portion are formed in each of the plurality of fluid flow lines, and one of the plurality of fluid flow lines
  • the current receiving portion of a fluid flow line may be a current inlet of another fluid flow line, or the current inlet of one fluid flow line among the plurality of fluid flow lines may be formed to be a current receiving portion of another fluid flow line.
  • the plurality of fluid flow lines and the heating source may form a series connection network.
  • A may be the total number of current inlets and current receivers in the series connection network
  • B may be the number of fluid heating devices in the series connection network
  • each of the current inflow units and current receivers is one.
  • it may include a plurality of conductors.
  • internal passages of each of the plurality of fluid flow lines may not be in communication with each other.
  • This specification also describes a method of heating a fluid using the fluid heating device.
  • the method creates a potential difference between the current inlet and the current receiving portion of the heating source, so that a current flows through the current inlet, the current receiving portion, and the fluid flow line, and the fluid flow line is caused by the flow of the current. It may include transferring heat generated from the surface portion to the fluid flowing through the internal passage of the fluid flow line.
  • the present application can provide a fluid heating device and its use that can solve the problems of the prior art.
  • Figure 2 is a non-limiting example of a cross-section of a fluid flow line described herein.
  • Figure 3 is a non-limiting example of the shape and arrangement of fluid flow lines.
  • FIG. 7 is a non-limiting example of a fluid heating device described herein.
  • Figure 8 is a non-limiting example of a current pattern supplied to a fluid heating device described herein.
  • the physical properties in which the measurement temperature affects the measured value are properties measured at room temperature, unless otherwise specified.
  • room temperature used in this specification is a natural temperature that is not artificially heated or cooled, and may be, for example, any temperature within the range of 10°C to 30°C.
  • room temperature may mean a temperature in the range of about 15°C or higher, about 18°C or higher, about 20°C or higher, or about 23°C or higher and about 27°C or lower, or a temperature of about 25°C.
  • the physical properties in which the measurement pressure affects the measured value are properties measured at normal pressure, unless specifically specified otherwise.
  • normal pressure is a natural pressure that is not artificially pressurized or depressurized, and can usually mean a temperature within the range of about 730 mmHg to 790 mmHg.
  • fluid refers to a substance that can flow.
  • gas, liquid, and plasma are treated as fluids.
  • Non-limiting examples of the fluid to be heated in the fluid heating device described herein may be one or more selected from the group consisting of water, steam, air, and hydrocarbon compounds.
  • the fluid may be a material that is cracked by receiving heat energy as an object to be heated, and non-limiting examples of such fluids include hydrocarbon compounds.
  • hydrocarbon compounds may include one or more selected from the group consisting of naphtha, ethane, propane, methane, waste plastic, and biodiesel, and in addition, applicable substances according to general knowledge in the art. This may be included.
  • the fluid is an object to be heated and may be a material used to perform the cracking.
  • Non-limiting examples of such fluid may be one or more selected from the group consisting of water, steam, and catalyst.
  • the fluid may mean either a material before reaction or a material after reaction, or both.
  • the fluid heating devices described herein may be part of other equipment.
  • the other equipment may include one or more selected from the group consisting of steam crackers, reformers, and alkane dehydrogenators.
  • the fluid heating device described herein may be configured to perform at least one process in the other facility.
  • the fluid heating device may be part of a steam cracker.
  • the steam cracker is a device that performs steam cracking and may be a facility that applies heat energy to hydrocarbon compounds with long carbon chains to convert them into hydrocarbon compounds with short carbon chains.
  • Non-limiting examples of the long carbon chain hydrocarbon compounds described above may include one or more selected from the group consisting of naphtha, propane, butane, and ethane.
  • the steam cracking one or more substances selected from the group consisting of hydrogen, methane, ethane, ethylene, propylene, and butadiene can be produced.
  • the fluid heating device may be part of a reformer.
  • the reformer may refer to a facility that produces one or more substances selected from the group consisting of steam and carbon oxide from one or more materials selected from the group consisting of natural gas, light gasoline, methanol, biogas, and biomass.
  • This reformer may also be a facility for producing hydrogen from one or more selected from the group consisting of methane and carbon dioxide.
  • the fluid heating device may be part of an alkane dehydrogenator.
  • the alkane dehydrogenator may be a facility that produces alkenes from alkanes through a dehydrogenation process.
  • Figure 1 shows one example of the fluid heating device 10.
  • the fluid heating device 10 may include a heating unit 100.
  • the heating unit 100 may be an area where the fluid that is to be heated is heated.
  • the heating unit 100 may include a fluid flow line 110.
  • the fluid flow line 100 may include an internal passage and a surface portion surrounding the internal passage.
  • the internal passage may be formed by the surface portion.
  • the internal passage may be formed to allow fluid to flow through it.
  • the heating unit 100 of the fluid heating device 10 may include one or more fluid flow lines 110.
  • the fluid flow line 110 may include at least an internal passage and a surface portion.
  • Figure 2 is an example of the cross-sectional shape of a fluid flow line having such a surface portion 111 and an internal passage 112.
  • the surface portion may exist in a form surrounding the internal passage, and the internal passage may be formed by the surface portion.
  • the internal passage may be formed to allow fluid to flow.
  • the fluid may be an object heated by the fluid heating device.
  • the surface portion may be conductive. That is, the surface portion may be formed of a conductive material.
  • the term conductivity refers to the property of allowing heat and/or electricity to flow.
  • the surface portion of the fluid flow line may be a material that has conductivity through which current can flow and generates heat by the flow of current. This phenomenon of heat generation due to the flow of current is also called the Joule effect of current.
  • the surface portion of this fluid flow line may in another example be referred to as a resistively heated surface portion.
  • the fluid flow line may be a surface portion that generates heat when an electric current flows, and may be configured to heat the fluid flowing through the internal passage due to the heat generation of the surface portion.
  • the fluid flow line when the fluid experiences a chemical reaction by the heating, the fluid flow line may be referred to as a reactor, and the heating section may be referred to as a reaction section.
  • the fluid flow line In the case where the fluid flow line is referred to as a reactor above, the fluid flow line may be an apparatus, machine or equipment in which a chemical reaction is performed.
  • the chemical reaction may refer to a case where a bond between molecules or between elements is broken, or a new bond is formed between molecules or between elements.
  • the fluid flow line 110 includes the physicochemical properties and mixing ratio of components contained in the fluid to be heated, the flow rate or time required for the fluid, the operating cycle of the device, and/or the device. Alternatively, it can be configured in the most appropriate form by comprehensively considering the type and size of the equipment included in the device.
  • the type of material constituting the surface portion there is no particular limitation on the type of material constituting the surface portion, and materials known to be capable of generating heat by the flow of current through the Joule effect of current can be used.
  • a material with an appropriate level of thermal conductivity that can produce the above effect and excellent durability against heat can be used.
  • Non-limiting examples of such materials include nickel; chrome; and one or more selected from the group consisting of alloys containing nickel and chromium, but are not limited thereto.
  • the fluid flow line may be a pipe made of the material.
  • the fluid flow line 110 may include the surface portion 111 and the internal passage 112.
  • the internal passage 112 may be an empty space formed to allow fluid to flow.
  • the internal passage 112 may be configured so that the flow of the fluid continues, or the flow of the fluid is maintained, but stagnation occurs for a certain period of time in at least a portion of the line.
  • the speed of the fluid flow may be configured to remain constant or may be configured to change according to the flow.
  • the form of this fluid flow can be controlled to produce the most appropriate results, taking into account the purpose of heating the fluid. For example, if the fluid flow line is the reactor described above, the fluid may experience a chemical reaction while flowing through the internal passage, and/or may experience the chemical reaction stagnant in a certain area after being introduced into the internal passage. It may be released after experiencing it. Fluids can flow in a continuous flow, or in some cases, can flow in a stream that enters for a chemical reaction, stagnates, and then flows out after experiencing a chemical reaction.
  • the cross-sectional shape of the fluid flow line 110 is not limited. This form can be appropriately designed considering the purpose of heating and the types and mixing ratios of components contained in the fluid to be heated.
  • Figure 2 is an example of a non-limiting cross-sectional shape of the fluid flow line 110.
  • the fluid flow line 110 may have various cross-sectional shapes not shown in FIG. 2, such as one or more selected from the group consisting of a triangle, a diamond, a parallelogram, and an oval.
  • the shape and arrangement of the fluid flow line 110 of the heating unit 100 of the fluid heating device 10 are not particularly limited.
  • the shape and arrangement may be designed in consideration of the purpose of heating and the components and/or mixing ratio of the fluid to be heated.
  • the fluid flow line 110 may be in the form of a pipe or a batch.
  • Figures 3 (a) to (d) are non-limiting examples of the shape and arrangement of the pipe-shaped fluid flow line 110.
  • Figure 3 (a) shows the shape of the U-shaped repeating fluid flow line 110
  • Figure 3 (b) shows an example in which the U-shaped repeating fluid flow lines 110 are arranged misaligned without overlapping each other. represents.
  • Figure 3(c) is an example of a U-shaped fluid flow line 110
  • Figure 3(d) is an example of a straight fluid flow line 110.
  • the dimensions of the fluid flow line 110 there is no particular limitation on the dimensions of the fluid flow line 110.
  • the dimensions can be appropriately designed considering the purpose of heating and the components and mixing ratio of the fluid to be heated.
  • the dimensions of the fluid flow line 110 may be the length along the fluid flow direction of the line 110 in the form of a pipe and/or the volume of the internal space of the line 110 in the form of an arrangement.
  • the fluid flow line 110 of the heating unit 100 of the fluid heating device 10 may be insulated.
  • the line 110 may be surrounded by an insulating material.
  • an insulating material known materials can be used without particular restrictions.
  • one or more materials selected from the group consisting of asbestos, glass, phenol foam, and airgel may be used as the insulating material.
  • insulation materials are required in the heating part, for example, the radiating part of the cracking furnace, etc., due to the inflow of air and the discharge of exhaust gas required for combustion of fossil fuels. It was not available.
  • the fluid heating device 10 described in this specification is capable of heating a fluid without introducing air and discharging exhaust gas, it is possible to surround the fluid flow line 110 with an insulating material.
  • an insulating material is present, loss of heat energy transmitted to the fluid flow line 110 can be prevented and heat can be transmitted to the fluid more effectively.
  • the cooling unit which will be described later, effectively recovers the heat generated from the first conductor and/or the second conductor without lowering the heat of the heating unit, enabling more efficient heat management.
  • the distance from the ground between the position (inlet) formed to allow fluid to flow in from the fluid flow line 110 and the position (outlet) formed to allow fluid to flow out of the fluid flow line 110 is substantially different from each other. may be the same.
  • the meaning of substantially the same includes not only cases where they are completely identical, but also cases where they are almost similar even if there is a certain amount of error.
  • the ratio (H1/H2) of the distance (H1) between the inlet of the fluid flow line 110 of the fluid heating device 10 and the ground (H2) ) may be an appropriate range.
  • the lower limit of the ratio may be 0.8, 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 0.98, or 1
  • the upper limit may be 1.2, 1.15, 1.1, It may be around 1.05, 1.04, 1.03, 1.02, 1.01 or 1.
  • the ratio is above or above any one of the above-described lower limits, below or below any one of the above-described upper limits, or above or exceeding any one of the above-described lower limits. However, it may be within a range that is below or below any one of the upper limits described above.
  • the distance H1 or H2 between the inlet or outlet and the ground may mean the shortest distance among the distances between the inlet or outlet and the ground.
  • the fluid flow line 110 has an inlet through which fluid flows in and an outlet through which fluid flows out, and the distance between the inlet and the ground (G) can be referred to as H1, and the distance between the outlet and the ground (G) The distance can be called H2.
  • the arrangement of the fluid flow line as described above means that an imaginary line connecting the inlet and the outlet is approximately perpendicular to the direction of gravity. Accordingly, the lower limit of the angle between the virtual line and the direction of gravity may be about 80 degrees, 82 degrees, 84 degrees, 86 degrees, 88 degrees, or 90 degrees, and the upper limit may be about 90 degrees or 88 degrees.
  • the angle is the smaller angle between the virtual line and the direction of gravity. The angle is above or above any one of the above-described lower limits, below or below any one of the above-described upper limits, or above or exceeding any one of the above-described lower limits. However, it may be within a range that is below or below any one of the upper limits described above.
  • the imaginary line connecting the inlet and the outlet is an imaginary line connecting the positions of the inlet and the outlet, which serves as a standard for checking the distances H1 and H2 with the ground, or each of the inlet and the outlet. It may be an imaginary line connecting the centers of gravity. That is, the imaginary line may be an imaginary line connecting the center of gravity (GA) of the cross-section, which is confirmed when the inlet is cut into cross-sections, and the center of gravity (GB), which is confirmed when the outlet is cut into cross-sections. there is.
  • GA center of gravity
  • GB center of gravity
  • the area (SA) of the inlet and the area (SB) of the outlet of the fluid flow line 110 may be substantially the same. That is, the areas SA and SB may be completely identical to each other, or may be approximately similar even if they are not completely identical.
  • the lower limit of the ratio SA/SB of the areas SA and SB may be about 0.8, 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 0.98, or 1
  • the upper limit may be about 1.2, 1.15. , 1.1, 1.05, 1.04, 1.03, 1.02, 1.01, or 1.
  • the ratio is above or above any one of the above-described lower limits, below or below any one of the above-described upper limits, or above or exceeding any one of the above-described lower limits. However, it may be within a range that is below or below any one of the upper limits described above.
  • the fluid flow line 110 of the heating unit 100 is connected to the surface of the line 110 by conducting electricity due to the Joule effect of the current. It is designed to generate heat and transfer this heat to the fluid flowing in the internal passage. If necessary, the fluid may experience a chemical reaction (e.g., cracking) due to the transferred heat, thereby producing olefins (e.g., ethylene or propylene) or hydrogen.
  • olefins e.g., ethylene or propylene
  • hydrogen hydrogen
  • heating refers to transferring heat to an object (eg, a fluid). The temperature of the object to which heat has been transferred generally increases, but in cases where an isothermal reaction or phase transition is experienced, heat can be transferred without an increase in temperature.
  • Heating of the heating element i.e. supply of current to the fluid flow line
  • the heating source may be configured to induce resistance heat in the fluid flow line.
  • the heating source 200 may supply current to the fluid flow line 110 of the heating unit 100.
  • the heating source 200 may include a current inlet 220, a current receiver 230, and a voltage source 210.
  • the current inflow part 220 and the current receiving part 230 exist separately from each other.
  • the current inlet 220 may be disposed closer to the inlet of a fluid flow line (for example, the portion indicated by R in FIG. 1) compared to the current receiver 230.
  • the current inlet 220 may be disposed closer to the outlet of a fluid flow line (for example, the portion indicated by P in FIG. 1), which will be described later, than the current receiver 230.
  • one of the current inlet 220 and the current receiver 230 may be disposed adjacent to the outlet, and the other may be disposed adjacent to the inlet.
  • the current inflow part 220 and the current receiving part 230 may enable more effective heating in this arrangement depending on the purpose of heating and the state of the fluid.
  • the heating source 200 has a line including the voltage source 210, the current inlet 220, the current receiver 230, and the fluid flow line 110 in the form of an electric circuit, so that the fluid It is designed to allow current to flow directly through the flow line 110. That is, the fluid flow line may be energized by the heating source 200.
  • the heating source 200 creates a potential difference that allows current to flow through the current inlet 220, the current receiver 230, and the fluid flow line 110. It is installed so that it can be formed between them.
  • the fluid heating device may be installed to generate heat (resistance heat) on the surface by the current and transfer the heat to the fluid flowing through the internal passage.
  • the current inflow portion 220 includes at least one first conductor 240a, and the current receiving portion 230 includes at least one second conductor 240b.
  • the first and second conductors 240a and 240b are electrically connected to the fluid flow line 110.
  • the first and second conductors 240a and 240b may be electrically connected by directly contacting the surface portion of the fluid flow line 110.
  • the voltage source 210 of the heating source 200 of the fluid heating device 10 described in this specification generates a current by forming a potential difference between the first and second conductors 240a and 240b, and this current generates heat while flowing through the fluid flow line 110.
  • the voltage source 210 may be a direct current voltage source capable of supplying direct current or an alternating current voltage source capable of supplying alternating current.
  • the voltage source may be designed to generate a current of an appropriate size considering the purpose of heating and the fluid to be heated.
  • the current flowing in the fluid flow line 110 may be direct current or alternating current.
  • Direct current refers to a current that flows in a constant direction without depending on time
  • alternating current may refer to a current whose size and phase periodically changes depending on time.
  • the voltage source may be configured to form one or more selected from the group consisting of pulse-type current and bipolar-type current.
  • the heating source 200 can provide current with a pattern.
  • the temperature of the fluid flow line can be controlled precisely and quickly depending on the purpose.
  • the temperature of the fluid flow line 110 can be uniformly raised within a short period of time by the heating source 200 providing a patterned current.
  • the current having the pattern may be, for example, the above-described pulse-type current or bipolar-type current.
  • the pulse-type current may be a pattern that forms a direct current of a certain intensity for a predetermined time (t1) and then blocks the current for a predetermined time (t2).
  • the bipolar current forms a direct current (A1) of a constant intensity for a predetermined time (t3) and then has an opposite phase of the direct current (A1) for a predetermined time (t4) and a direct current (A1) of a constant intensity ( It may be a pattern forming A2).
  • Opposite phase is when the phase difference is about 180 degrees.
  • the magnitudes of the direct current (A1) and the direct current (A2) may be different from each other.
  • Figure 8 is a non-limiting example of the pulse-type current and bipolar-type current.
  • the pattern of current provided by the voltage source of this specification is not limited to FIG. 8.
  • the time when the current flows and the time when the current does not flow may be controlled inconsistently, and the intensity of the current may be controlled differently for each cycle, and this is also the case for the bipolar type.
  • a mixed type of pulse-type and bipolar-type current may also be formed.
  • the specific value of the current intensity (A1, A2) and/or the time for providing and blocking the current (t1, t2, t3, t4) is determined by the purpose of heating, the state of the fluid to be heated, and/or the fluid. It may be determined by considering the shape of the flow line 110, etc.
  • the voltage source By forming the voltage source to provide the pulse-type or bipolar-type current as described above, the formation of a magnetic field caused by the current can be suppressed, minimizing the influence on surrounding devices, while efficiently and stably controlling the heat generation of the fluid flow line 110. there is. For example, by providing the current, the temperature can be quickly raised and uniformity can be secured.
  • the current inflow portion 220 of the heating source 200 of the fluid heating device 10 described herein directly introduces current into the fluid flow line 110 through the first conductor 240a, and the current receiving portion 230 receives current directly from fluid flow line 110 through the second conductor 240b. That is, the first and second conductors 240a and 240b may be directly electrically connected to the fluid flow line 110.
  • the first conductor 240a and the second conductor 240b may be configured to introduce electricity into the fluid flow line 110 or receive the electricity.
  • a material having appropriate electrical conductivity may be used to perform the above functions.
  • the first conductor 240a and the second conductor 240b are each independently made of iron; chrome; aluminum; and alloys (for example, alloys containing iron, chromium, and aluminum) or may include one or more selected from the group consisting of them. These materials, while exhibiting appropriate electrical conductivity, can effectively respond to a decrease in electrical conductivity and durability due to heat of the fluid flow line 110 that generates heat for heating the fluid.
  • the material that can be used as a conductor is not limited to the above.
  • the current inlet 220 may include at least one first conductor 240a, and the current receiver 230 may also include at least one second conductor 240b.
  • the fluid heating device 10 described herein may further include a cooling unit 300.
  • This cooling unit 300 may exist to recover heat that may be generated in the process of supplying current to the first and/or second conductor. That is, resistance heat may be generated in the first and/or second conductors due to the Joule effect described above, and the heating efficiency of the line may decrease due to an increase in resistance due to such resistance heat. Therefore, it is possible to drive while recovering heat through the cooling unit 300.
  • This cooling unit may be included in the fluid heating device in a state in contact with one or more conductors selected from the group consisting of the first conductor and the second conductor to enable heat exchange.
  • the cooling unit 300 can recover heat that may be generated from one or more conductors selected from the group consisting of the first conductor 240a and the second conductor 240b.
  • the cooling unit 300 may not contact the fluid flow line 110 of the heating unit 100.
  • no contact means that the cooling unit 300 and the fluid flow line 110 are arranged so that heat exchange does not substantially occur between them.
  • the cooling unit 300 may be provided so as not to contact any point of the fluid flow line 110. Through this, it is possible to prevent the problem of the temperature of the heated fluid flow line 110 being lowered due to the influence of the cooling unit.
  • the cooling unit 300 may be in contact with one or more selected from the group consisting of the first conductor 240a and the second conductor 240b. Contact at this time means that the cooling unit 300 exists in a state in which heat exchange is possible with the first conductor 240a and/or the second conductor 240b. Accordingly, a state in which heat conduction or heat exchange is possible even without direct contact may be included as well as a case in which the cooling unit is in direct contact with the conductor.
  • the components included in the cooling unit 300 are arranged to conduct heat conduction or exchange heat even when they are in direct contact with at least a portion or all of the first conductor 240a and/or the second conductor 240b or a separate layer is interposed. It can be. Through this, the cooling unit 300 can directly recover heat generated from the first conductor 240a and/or the second conductor 240b.
  • the cooling unit 300 of the fluid heating device 10 described herein is configured to recover the heat generated in the first conductor 240a and/or the second conductor 240b, it can be used in the industry without particular limitations. It can be formed in a known manner.
  • the cooling unit 300 may include a refrigerant 310 and a circulation line. Through this, the refrigerant 310 circulates and the heat generated in the first conductor 240a and/or the second conductor 240b can be recovered.
  • the refrigerant 310 of the cooling unit 300 is in contact with the first conductor 240a and/or the second conductor 240b and is discharged from the first conductor 240a and/or the second conductor 240b. The generated heat can be recovered.
  • Figure 1 is a non-limiting example in which the cooling unit 300 recovers heat generated from the first conductor 240a and the second conductor 240b through the refrigerant 310.
  • the cooling unit 300 may have an appropriate shape in consideration of the shape and material of the first conductor 240a and/or the second conductor 240b.
  • Figure 4 is a non-limiting example of the cooling unit 300.
  • the cooling unit 300 is a refrigerant storage space (a refrigerant storage space ( 330) may be included.
  • the example of FIG. 4 is an exemplary form of the cooling unit 300, and the first conductor 240a and/or the second conductor 240b and the refrigerant 310 are in contact with the first conductor 240a and/or As long as it is configured to recover heat generated in the second conductor 240b, its form is not particularly limited.
  • the cooling unit 300 includes a refrigerant 310 as described above, and while the refrigerant 310 circulates through a circulation line, the first conductor 240a ) and/or heat generated from the second conductor 240b can be recovered.
  • the refrigerant 310 can recover heat by directly contacting one or more selected from the group consisting of the first conductor 240a and the second conductor 240b.
  • Figure 5 is a non-limiting example of the refrigerant 310 circulation system of the cooling unit 300. As illustrated in FIG. 5, the refrigerant that has once recovered heat from the first conductor (240a) is cooled by circulating and exchanging heat with a separate cooler 320 and/or air, and then is cooled again from the first conductor (240a). Heat can be recovered.
  • Figure 5 shows only the first conductor 240a, but a similar system can be applied to the second conductor 240b.
  • the circulation line of the cooling unit including the refrigerant and the circulation line circulates while the refrigerant exchanges heat with one of the first and second conductors and then exchanges heat with the other one of the first and second conductors. It may be formed to do so.
  • Figure 6 is one non-limiting example of such a circulatory system.
  • the refrigerant 310 can circulate while recovering the heat generated in the first conductor 240a through heat exchange and then recovering the heat generated in the second conductor 240b through heat exchange.
  • the refrigerant that recovers the heat generated in the first conductor (240a) is cooled through a separate cooler (not shown) and/or heat exchange with air before heat exchange with the second conductor (240b).
  • the refrigerant that recovers the heat generated in the second conductor (240b) may circulate continuously while being cooled by heat exchange with a separate cooler (not shown) and/or air before heat exchange with the first conductor (240a).
  • At least one selected from the group consisting of the first conductor 240a and the second conductor 240b from which heat is recovered by the cooling unit 300 may include insulation treatment. That is, the conductor in contact with the cooling unit to enable the heat exchange may be insulated and, for example, may be surrounded by an insulating material. Since the first conductor 240a and/or the second conductor 240b are connected to the voltage source 210 and current flows, a short phenomenon, etc. may occur due to external factors. Insulation treatment may be performed to prevent such short circuit phenomenon. For example, when the cooling unit 300 uses the refrigerant 310, the refrigerant 310 may contact the first conductor 240a and/or the second conductor 240b, causing a short circuit. Therefore, for example, at least the portion of the first conductor 240a and/or the second conductor 240b that is in contact with the refrigerant 310 may be insulated, such as coated with an insulating material.
  • the fluid heating device 10 described herein may satisfy Equation 1 below. This allows heat to be transferred more effectively.
  • Equation 1 is the straight line distance between the first conductor 240a and the second conductor 240b.
  • d may mean the straight line distance between the center of gravity of the first conductor 240a and the center of gravity of the second conductor 240b.
  • L in Equation 1 means the distance through which fluid flows in the fluid flow line 110.
  • L may mean the length in the direction in which fluid flows in the fluid flow line 110.
  • the fluid heating device 20 described herein includes, in one example, a heating unit 100 including the fluid flow line 110; and a heating source 200 that supplies current to the fluid flow line 110 of the heating unit 100, where the heating unit 100 may include a plurality of fluid flow lines 110.
  • the description of the individual fluid flow lines 110 and the heating source 200 of the heating unit 100 may be applied with appropriate modification if necessary.
  • each of the plurality of fluid flow lines includes a current inlet and a current receiving portion of the heating source described above. Wealth may be formed.
  • the current receiving portion of one fluid flow line may be connected to another fluid flow line and configured to function as a current inlet portion of the other fluid flow line.
  • the current inflow portion of one fluid flow line may be connected to another fluid flow line and may be configured to function as a current receiving portion of the other fluid flow line.
  • the heating unit when the heating unit includes first and second fluid flow lines as fluid flow lines, the current inlet portion and current receiving portion of the heating source are formed in each of the first and second fluid flow lines,
  • the current receiving portion of the first fluid flow line may be a current inlet portion of the second fluid flow line, or the current inlet portion of the first fluid flow line may be formed to be a current receiving portion of the second fluid flow line.
  • a network in which the plurality of fluid flow lines 110 are electrically connected to each other in series can be formed.
  • the control of electrical heating can be precisely controlled in a desired manner for a plurality of fluid flow lines.
  • the same heating effect can be obtained with high predictability in multiple fluid flow lines through the formation of the same current.
  • the plurality of fluid flow lines must correspond to one of the three cases below.
  • Case 1 The current inlet part of the first fluid flow line is connected to a voltage source, and the current receiving part is connected to the second fluid flow line (the current receiving part is a current receiving part of the first fluid flow line and the current receiving part of the second fluid flow line Functions as an inlet)
  • Case 2 The current inlet of the first fluid flow line is electrically connected to the second fluid flow line, and the current receiving portion is electrically connected to the third fluid flow line (the current inlet is the current inlet of the first fluid flow line, and Functioning as a current receiving portion of the second fluid flow line, said current receiving portion being a current receiving portion of the first fluid flow line and functioning as a current inlet of the third fluid flow line)
  • Case 3 The current inlet of the first fluid flow line is connected to the second fluid flow line, and the current receiving portion is connected to a voltage source (the current inlet is the current inlet of the first fluid flow line and the current inlet of the second fluid flow line functions as a receptor)
  • the fluid heating device satisfies Equation 2 below.
  • Equation 2 A is the total number of current inflow parts and current receiving parts in the series connection network, and B is the number of fluid heating devices in the series connection network.
  • each of the current inlet and current receiver may include one or more conductors.
  • Figure 9 is a non-limiting example of such a fluid heating device 20.
  • the plurality of fluid flow lines 110 may be electrically connected through a current inflow portion 220 and a current receiving portion 230 including a conductor 240a.
  • the detailed description of the conductor is as described above, and one or more of these conductors may be present in each current inflow portion and current receiving portion.
  • the above-described cooling unit may be provided at each conductor or current inlet and current receiving unit.
  • each fluid flow line 110 in the pipe shape may be arranged substantially in parallel. This arrangement allows large volumes of fluid to be processed more efficiently.
  • the fluid heating device includes a plurality of fluid flow lines as described above, internal passages of each of the plurality of fluid flow lines may not be in communication with each other.
  • the fluid flowing into the internal passage of one fluid flow line is designed so that it does not flow into the internal passage of the other fluid flow line.
  • the fluid flowing into each fluid flow line 110 may be configured not to flow into other fluid flow lines 110 . Accordingly, when fluid flows into one fluid flow line 110, it may not flow out through the other fluid flow line 110.
  • This structure is effective in uniformly transferring heat energy to the fluid flowing in each fluid flow line 110. In this case, fluid may flow in and out of the plurality of fluid flow lines 110 in parallel.
  • the fluid heating device 20 described herein may further include an insulating portion 400. That is, as described above, the heating unit or fluid flow line may be insulated. As described above, since the fluid heating device 10 described in this specification is capable of heating fluid without inflow of air and discharge of exhaust gas, it is possible to surround the fluid flow line 110 with an insulating material. When an insulating material is present, loss of heat energy transmitted to the fluid flow line 110 can be prevented and heat can be transmitted to the fluid more effectively. In addition, through the insulating material, the cooling unit effectively recovers heat generated from the first conductor and/or the second conductor without lowering the heat of the heating unit, enabling more efficient heat management.
  • This specification also describes a method of heating a fluid using the above fluid heating device.
  • This fluid heating method includes the steps of forming a potential difference between the current inlet and the current receiving portion of the heating source to allow a current to flow in the current inlet, the current receiving portion, and the fluid flow line; It may include transferring heat generated on the surface of the fluid flow line by the flow to the fluid flowing through the internal passage of the fluid flow line.
  • the current flowing in the above step may be any one of the above-described direct current, alternating current, pulse current, or bipolar current, or a combination of two or more.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Instantaneous Water Boilers, Portable Hot-Water Supply Apparatuses, And Control Of Portable Hot-Water Supply Apparatuses (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Abstract

본 명세서는, 유체 가열 장치 및 그 용도를 기술한다. 상기 유체 가열 장치는, 종래의 유체 가열 장치의 문제점을 해결할 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 가열 장치는, 탄소 중립에 효율적으로 대응할 수 있다. 상기 유체 가열 장치는, 예를 들면, 대량의 유체를 가열하는 경우에도 단 시간 내에 정밀하게 제어된 열을 상기 유체에 전달할 수 있다. 본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용한 유체 가열 방법을 기술한다.

Description

유체 가열 장치
본 출원은 2022년 5월 12일자 대한민국 특허 출원 제10-2022-0058137호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 유체 가열 장치와 그의 응용에 관한 것이다.
유체를 가열하는 장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다.
예를 들어서, 상기 장치는, 석유 화학의 기초 원료(예를 들면, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등과 같은 올레핀)를 생산하는 공정에서 상기 장치는 사용될 수 있다.
상기 올레핀 등을 생성하기 위해서는 원유를 정제하여 얻은 납사(naphtha), 에탄, 프로판, 폐플라스틱 및 바이오디젤 등과 같은 원료를 고온의 분해로(furnace)에서 열 분해시키는 소위 크래킹(cracking) 공정이 수행되는데, 이 과정에서 유체 가열 장치가 사용될 수 있다.
상기 열분해를 수행하는 분해로는, 일반적으로 복사부, 대류부 및 스팀 발생 장치 등을 포함한다. 열 분해의 대상 원료인 유체는, 배관과 같은 흐름 라인을 통해 이송되면서 고온의 열에 의해 열 분해될 수 있다. 통상 상기 복사부에서 이송되는 유체에 큰 열 에너지가 전달됨으로써 열 분해가 수행된다.
이러한 분해로(furnace)와 같은 종래의 유체 가열 장치는, 통상 대형 장치이고, 장치의 특성상 많은 양의 유체를 처리하기 위해 유체가 흐르는 라인인 배관 전체를 기준으로 열을 전달하였다. 또한, 상기 열 전달은 화석 연료를 태워 발생하는 화력을 통해서 이루어졌다.
그렇지만, 이러한 종래의 방식에 의해서는 유체가 흐르는 라인 전체에 열을 균일하게 전달하거나, 상기 라인의 부위별로 인가되는 열의 양상을 제어하거나, 라인의 가열을 빠르게 수행하는 것이 불가능하였다.
또한, 화석 연료를 태우는 방식은 대류를 이용한 가열이 필요하기 때문에, 장치의 구성이 제한되는 문제가 있다.
또한, 상기 종래의 방식에서는, 화석 연료의 사용으로 인해서 장치의 운전 과정에서 이산화탄소 등의 온실 가스가 다량 배출된다. 이러한 점은, 기후변화에 대응하기 위한 탄소중립(carbon neutral) 달성을 어렵게 한다.
또한, 종래 유체 가열 장치의 경우, 가열 영역을 평형 상태(steady state)에 이르도록 하기 위해서 긴 시간이 소요되기 때문에, 화력의 사용이 비효율적이 되며, 그 과정에서 온실 가스 등 유해 가스가 추가적으로 배출되게 된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 특허공개번호 10-2021-0042969호
본 출원은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 유체 가열 장치 및 그 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 유체 가열 장치를 기술한다.
상기 유체 가열 장치는, 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인; 및 가열원을 포함한다.
상기 가열원은, 상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 1 전도체를 포함하는 전류 유입부; 상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 2 전도체를 포함하고, 상기 전류 유입부와는 별도로 존재하는 전류 수용부; 및 전압원을 포함할 수 있다.
상기 가열원은, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인을 통하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 전위차를 상기 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 형성할 수 있도록 설치되어 있으며, 상기 유체 가열 장치는, 상기 전류에 의해서 상기 표면부에서 열이 발생하여 상기 내부 통로의 유체에 열을 전달하도록 설치되어 있을 수 있다.
상기 전압원은, 직류 전류, 교류 전류, 펄스형 전류 및 바이폴라형 전류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 형성하도록 구성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 제 1 및 제 2 전도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체와 열교환이 가능하도록 접촉하고 있는 냉각부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치의 냉각부는, 유체 흐름 라인과는 접촉하고 있지 않을 수 있다.
상기 유체 가열 장치의 냉각부는, 냉매 및 순환 라인을 포함하고, 상기 순환 라인은, 상기 냉매가 제 1 및 제 2 전도체 중 어느 하나와 열교환하고, 이어서 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 다른 하나와 열교환하면서 순환하도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 냉각부와 접촉하는 전도체는 절연 처리되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 유체 흐름 라인은 단열 처리되어 있을 수 있다.
상기 유체 흐름 라인은, 상기 유체 흐름 라인으로 유체가 유입될 수 있도록 형성된 유입구와 상기 유체 흐름 라인으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 유출구를 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인은, 상기 유입구와 유출구를 연결하는 가상의 선과 중력 방향이 이루는 각도가 80도 내지 90도의 범위 내가 되도록 설치되어 있을 수 있다.
상기 유입구의 면적 SA와 상기 유출구의 면적 SB의 비율 SA/SB은, 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 유체 흐름 라인으로서 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인을 포함하고, 상기 가열원의 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인 각각에 형성되어 있을 수 있다.
상기에서 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 유체 흐름 라인으로서 복수의 유체 흐름 라인을 포함하고, 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각에 형성되어 있으며, 상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 또는 상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 복수의 유체 흐름 라인과 가열원은 직렬 연결 네트워크를 형성하고 있을 수 있다.
이러한 직렬 연결 네트워크는 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
A - B = 1
식 2에서 A는, 상기 직렬 연결 네트워크의 전류 유입부와 전류 수용부의 합계 수일 수 있고, B는, 상기 직렬 연결 네트워크의 유체 가열 장치의 수일 수 있으며, 상기 전류 유입부와 전류 수용부 각각은 하나 또는 복수의 전도체를 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각의 내부 통로는 서로 연통되어 있지 않을 수 있다.
본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용하여 유체를 가열하는 방법을 기술한다.
상기 방법은, 상기 가열원의 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 전위차를 형성하여, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인에 전류를 흘리고, 상기 전류의 흐름에 의해서 상기 유체 흐름 라인의 표면부에서 발생한 열을 상기 유체 흐름 라인의 내부 통로를 흐르는 유체에 전달하는 것을 포함할 수 있다.
본 출원은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 유체 가열 장치 및 그 용도를 제공할 수 있다.
도 1 및 9는 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 비제한적인 예시이다.
도 2는 본 명세서에서 기술하는 유체 흐름 라인의 단면의 비제한적인 예시이다.
도 3은, 유체 흐름 라인의 형태와 배열의 비제한적인 예시이다.
도 4 내지 6은 냉각부의 비제한적인 예시이다.
도 7은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 비제한적인 예시이다.
도 8은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치에 공급되는 전류 패턴의 비제한적인 예시이다.
[부호의 설명]
10, 20: 유체 가열 장치
P, R: 유체의 흐름
100: 가열부
200: 가열원
300: 냉각부
본 명세서에서 기술하는 물성 중 측정 온도가 측정치에 영향을 주는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상온에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 사용하는 용어 상온은, 인위적으로 가열 및 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도일 수 있다. 다른 예시에서 상온은, 약 15℃ 이상, 약 18℃ 이상, 약 20℃ 이상 또는 약 23℃ 이상이면서 약 27℃ 이하의 범위 내의 온도 또는 대략 25℃ 수준의 온도를 의미할 수 있다.
특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 기술하는 온도의 단위는 섭씨(℃)이다.
본 명세서에서 기술하는 물성 중 측정 압력이 측정치에 영향을 주는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상압에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 사용하는 용어 상압은, 인위적으로 가압 및 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 약 730 mmHg 내지 790 mmHg의 범위 내의 온도를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 용어 유체(fluid)는, 흐를 수 있는 물질을 의미한다. 통상 기체(gas), 액체(liquid) 및 플라즈마(plasma)는, 유체로 취급된다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 가열 대상이 되는 유체의 비제한적인 예로는, 물, 스팀, 공기 및 탄화수소 화합물 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체는 가열되는 대상으로서 열 에너지를 전달 받아서 크래킹(cracking)되는 물질일 수 있고, 이러한 유체의 비제한적인 예에는 탄화수소 화합물이 있다. 상기 탄화수소 화합물의 비제한적인 예에는 납사(naphtha), 에탄, 프로판, 메탄, 폐플라스틱 및 바이오 디젤 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함될 수 있으며, 이 외에도 당업계의 일반 상식에 따라 적용 가능한 물질이 포함될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체는 가열되는 대상으로서, 상기 크래킹을 수행하기 위해서 사용되는 물질일 수 있고, 이러한 유체의 비제한적인 예에는 물, 스팀 및 촉매로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 유체 흐름 라인이 후술하는 반응기인 경우에 상기 유체는 반응 전의 물질 및 반응 후의 물질 중 어느 하나를 의미하거나, 양자를 모두 의미할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치는 다른 설비의 일부일 수 있다. 상기 다른 설비의 비제한적인 예에는 스팀 크래커, 개질기 및 알칸 탈수소화기 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치는 상기 다른 설비에서 적어도 하나의 공정을 수행하도록 구성될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 스팀 크래커의 일부일 수 있다. 상기 스팀 크래커는, 스팀 크래킹을 수행하는 장치이고, 긴 탄소 사슬의 탄화수소 화합물에 열 에너지를 인가하여 짧은 탄소 사슬의 탄화수소 화합물로 전환하는 설비일 수 있다. 상기에서 긴 탄소 사슬의 탄화수소 화합물의 비제한적인 예에는 납사, 프로판, 부탄 및 에탄 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 스팀 크래킹을 통해서, 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 생산될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 개질기의 일부일 수 있다. 상기 개질기는, 천연 가스, 경질 가솔린, 메탄올, 바이오 가스 및 바이오매스 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로부터 스팀 및 탄소 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 생산하는 설비를 의미할 수 있다. 이러한 개질기는 또한 메탄 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로부터 수소를 생산하는 설비일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 알칸 탈수소화기의 일부일 수 있다. 상기 알칸 탈수소화기는 탈수소화 공정을 통하여 알칸으로부터 알켄을 생산하는 설비일 수 있다.
이하, 실시예에 따른 도면 등을 참조하여 상기 유체 가열 장치를 더 자세하게 설명하지만, 이는 용이한 이해를 위한 것으로 상기 유체 가열 장치의 범주가 이에 의해 제한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서의 도면 등에 도시된 실시예들은 특정 구성에 대한 구체적인 설명을 위한 것일 수 있고, 이러한 도면에서 설명되는 구성들은 실제 비율과 다르게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 상기 유체 가열 장치(10)의 하나의 예시를 도시한 것이다.
도면과 같이 상기 유체 가열 장치(10)는, 가열부(100)를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 가열부(100)는, 가열되는 대상인 유체가 가열되는 영역일 수 있다.
상기 가열부(100)는, 유체 흐름 라인(110)을 포함할 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(100)은, 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 표면부를 포함할 수 있다. 상기 표면부에 의해서 상기 내부 통로가 형성될 수 있다. 상기 내부 통로는, 그를 통해서 유체가 흐를 수 있도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)의 상기 가열부(100)는, 상기 유체 흐름 라인(110)을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)은, 내부 통로와 표면부를 적어도 포함할 수 있다. 도 2는 이러한 표면부(111)와 내부 통로(112)를 가지는 유체 흐름 라인의 단면 형상의 예시이다. 상기 표면부는 상기 내부 통로를 둘러싸는 형태로 존재할 수 있으며, 표면부에 의해서 상기 내부 통로가 형성되어 있을 수 있다.
상기 내부 통로는, 유체가 흐를 수 있도록 형성되어 있을 수 있다. 상기 유체는, 상기 유체 가열 장치에 의해서 가열되는 대상일 수 있다.
상기 표면부는 전도성일 수 있다. 즉, 표면부는 전도성인 소재로 형성될 수 있다. 용어 전도성은, 열 및/또는 전기가 흐를 수 있는 성질을 의미한다. 하나의 예시에서 상기 유체 흐름 라인의 표면부는, 전류가 흐를 수 있는 전도성을 가지고, 이러한 전류의 흐름에 의해 발열하는 소재일 수 있다. 이와 같이 전류의 흐름에 의해 발열하는 현상은 소위 전류의 줄 효과(Joule effect of current)라고도 불린다. 이러한 유체 흐름 라인의 표면부는 다른 예시에서 저항 가열성 표면부로 불릴 수 있다. 상기 유체 흐름 라인은 상기 표면부가 전류가 흐르는 것에 의해 발열하는 표면부이고, 이러한 표면부의 발열에 의해서 상기 내부 통로를 흐르는 유체가 가열되도록 구성되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체가 상기 가열에 의해서 화학 반응을 경험하는 경우에 상기 유체 흐름 라인은, 반응기로 불릴 수 있고, 상기 가열부는 반응부로 불릴 수 있다. 상기에서 유체 흐름 라인이 반응기로 불리는 경우에, 유체 흐름 라인은, 화학 반응이 수행되는 기구, 기계 또는 설비일 수 있다. 상기 화학 반응은, 분자와 분자간 또는 원소와 원소간의 결합이 끊어지거나, 혹은 분자와 분자간 또는 원소와 원소간에 새로운 결합이 형성되는 경우를 의미할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)은, 가열의 목적을 고려하여, 가열의 대상인 유체에 포함되는 성분의 물리화학적 성질과 혼합 비율, 유체에 요구되는 유속 내지 시간, 장치의 운전 주기 및/또는 장치를 포함하거나, 장치에 포함되는 설비의 종류나 크기 등을 종합적으로 고려하여 가장 적절한 형태로 구성될 수 있다.
상기 표면부를 구성하는 소재의 종류에는 특별한 제한은 없으며, 상기 전류의 줄 효과(Joule effect of current)를 통해서 전류의 흐름에 의해 발열할 수 있는 것으로 알려진 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 효과를 나타낼 수 있는 적정 수준의 열전도도를 가지고, 열에 대한 내구성이 우수한 소재가 사용될 수 있다. 이러한 소재의 비제한적인 예에는, 니켈; 크롬; 및 니켈과 크롬을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유체 흐름 라인은, 하나의 예시에서 상기 소재로 제작된 배관일 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 유체 흐름 라인(110)은 상기 표면부(111) 및 상기 내부 통로(112)를 포함할 수 있다. 상기 내부 통로(112)는 유체가 흐를 수 있도록 형성된 빈 공간일 수 있다. 상기 내부 통로(112)는, 상기 유체의 흐름이 연속적으로 이루어지거나, 유체의 흐름이 유지되되, 상기 라인의 적어도 일부의 영역에서 일정 시간 정체가 발생하도록 구성될 수 있다. 유체의 흐름의 속도도 일정하게 유지되도록 구성되거나, 흐름의 따라서 변화되도록 구성될 수 있다. 이러한 유체의 흐름의 형태는, 유체의 가열 목적을 고려하여 가장 적합한 결과가 나타나도록 제어될 수 있다. 예를 들어서, 상기 유체 흐름 라인이 전술한 반응기인 경우에 상기 유체는, 상기 내부 통로를 통해 흐르면서 화학 반응을 경험할 수도 있고, 및/또는 내부 통로로 도입된 후에 일정 영역에서 정체된 상기 화학 반응을 경험한 후에 배출될 수도 있다. 유체는 연속적인 흐름으로 흐를 수 있고, 경우에 따라서는 화학 반응을 위해 유입되었다가 정체되어 화학 반응을 경험한 후에 유출되는 흐름으로 흐를 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 단면 형태는 제한되는 것은 아니다. 이러한 형태는, 가열의 목적과 가열되는 유체에 포함된 성분의 종류 내지 혼합 비율 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 도 2는 상기 유체 흐름 라인(110)의 비제한적 단면 형태에 대한 예시이다. 물론 유체 흐름 라인(110)은 도 2에 도시되지 않은 단면 형태, 예를 들면, 삼각형, 마름모형, 평행사변형 및 타원형 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과 같은 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)의 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)의 형태 및 배열은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 형태 및 배열은 가열의 목적 및 가열되는 유체의 성분 및/또는 혼합 비율 등을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 흐름 라인(110)은 파이프 형태 또는 배치(batch) 형태일 수 있다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 파이프 형태의 유체 흐름 라인(110)의 형태 및 배열에 대한 비제한적인 예시이다. 도 3의 (a)는 U자형이 반복되는 유체 흐름 라인(110)의 형태를 나타내고, 도 3의 (b)는 U자형이 반복되는 유체 흐름 라인(110)이 서로 겹치지 않으면서 어긋나게 배열된 예시를 나타낸다. 도 3의 (c)는 U자형 형태의 유체 흐름 라인(110)의 예시이고, 도 3의 (d)는, 일자형 형태의 유체 흐름 라인(110)의 예시이다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 치수에도 특별한 제한은 없다. 상기 치수는, 가열의 목적과 가열되는 유체의 성분 및 혼합 비율을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(110)의 치수는, 파이프 형태의 상기 라인(110)의 유체 흐름 방향을 따른 길이 및/또는 배치 형태의 상기 라인(110)의 내부 공간의 부피 등일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치(10)의 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)은 단열 처리되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 라인(110)은, 단열재로 둘러싸여 있을 수 있다. 단열재로는 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 석면, 유리, 페놀폼 및 에어로젤 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 상기 단열재로 사용될 수 있다. 종래 고온의 분해로(furnace) 등의 유체 가열 장치의 경우, 화석 연료의 연소에 필요한 공기의 유입 및 배기 가스의 배출 등으로 인해서 가열부, 예를 들면, 상기 분해로의 복사부 등에는 단열재를 구비할 수 없었다. 그렇지만, 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 공기의 유입 및 배기 가스의 배출 없이 유체의 가열이 가능하기 때문에, 유체 흐름 라인(110)을 단열재로 둘러싸는 것이 가능하다. 단열재가 존재하는 경우에 유체 흐름 라인(110)에 전달되는 열 에너지의 손실(loss)을 방지할 수 있고, 더욱 효과적으로 유체에 열을 전달할 수 있다. 또한, 상기 단열재를 통해서 후술하는 냉각부가 가열부의 열을 낮추지 않으면서도 제 1 전도체 및/또는 제 2 전도체에서 발생하는 열을 효과적으로 회수하여 더 효율적인 열관리가 가능하다.
상기 유체 흐름 라인(110)에서 유체가 유입될 수 있도록 형성된 위치(유입구)와 상기 유체 흐름 라인(110)으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 위치(유출구) 각각의 지면과의 거리는 서로 실질적으로 동일할 수 있다. 여기서 실질적으로 동일하다는 것의 의미에는 완전히 동일한 경우는 물론 일정 부분 오차가 있다고 해도 거의 유사한 경우도 포함된다. 상기 유체 가열 장치(10)의 유체 흐름 라인(110)의 상기 유입구와 지면 사이의 거리(H1) 및 상기 유체 흐름 라인(110)의 상기 유출구와 지면 사이의 거리(H2)의 비율(H1/H2)은 적정 범위일 수 있다. 예를 들면, 상기 비율(H1/H2)의 하한은, 0.8, 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 0.98 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05, 1.04, 1.03, 1.02, 1.01 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 상기에서 유입구 또는 유출구와 지면과의 거리 H1 또는 H2는, 상기 유입구 및 유출구와 지면과의 거리 중 가장 짧은 거리를 의미할 수 있다.
도 7은 유체 가열 장치(10)의 비제한적 예시이다. 도 7과 같이 유체 흐름 라인(110)은 유체가 유입되는 유입구와 유체가 유출되는 유출구를 가지고, 상기 유입구와 지면(G) 사이의 거리를 H1이라 할 수 있으며, 상기 유출구와 지면(G) 사이의 거리를 H2라 할 수 있다.
상기와 같은 유체 흐름 라인의 배치는, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 가상의 선이 중력 방향과 대략 수직을 이루는 것을 의미한다. 따라서, 상기 가상의 선과 상기 중력 방향이 이루는 각도의 하한은, 80도, 82도, 84도, 86도, 88도 또는 90도 정도일 수 있고, 그 상한은, 90도 또는 88도 정도일 수 있다. 상기 각도는, 상기 가상의 선과 상기 중력 방향이 이루는 각도 중 작은 각도이다. 상기 각도는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다.
상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 가상의 선은, 상기 지면과의 거리 H1 및 H2를 확인하는 것의 기준이 되는 상기 유입구와 유출구의 위치를 연결하는 가상의 선이거나, 혹은 상기 유입구와 상기 유출구 각각의 무게 중심을 연결하는 가상의 선일 수 있다. 즉, 상기 가상의 선은, 상기 유입구를 단면으로 잘랐을 때 확인되는 상기 단면의 무게 중심(GA)과 상기 유출구를 단면으로 잘랐을 때 확인되는 상기 단면의 무게 중심(GB)을 연결하는 가상의 선일 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 유입구의 면적(SA)과 상기 유출구의 면적(SB)은 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 상기 면적 SA 및 SB는, 서로 완전하게 동일하거나, 완전하게 동일하지는 않아도 대략 유사할 수 있다. 예를 들면, 상기 면적 SA 및 SB의 비율 SA/SB의 하한은, 0.8, 0.82, 0.84, 0.86, 0.88, 0.9, 0.92, 0.94, 0.96, 0.98 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05, 1.04, 1.03, 1.02, 1.01 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다.
종래 고온의 분해로(furnace)와 같이 화석 연료를 이용하는 유체 가열 장치의 경우, 유체의 가열에 대류 현상을 이용하여야 하였기 때문에, 유체 흐름 라인의 수직 배열이 필요하였다. 또한, 수직 배열 시에 하부에 가해지는 하중과 고온에 대한 대응을 위해서 라인의 하부로 갈수록 더욱 큰 단면을 가지도록 설계되었다. 이러한 설계는, 유체로의 열을 전달하는 효율을 저하시킨다. 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 경우, 대류 현상을 이용하지 않고서도 효율적인 가열 및 열의 전달이 가능하다. 따라서, 라인의 설계의 자유도가 높아진다. 위와 같은 라인의 유출구와 유입구의 배치 및 면적의 제어를 통해서 유체에 효과적인 가열 및 유체로의 효율적인 열의 전달이 가능하게 된다.
전술한 바와 같이 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)이 상기 라인(110)의 표면부가 전류의 줄 효과에 의해서 통전(通電)에 의해 열을 발생시키고, 이러한 열이 내부 통로에 흐르는 유체에 전달될 수 있도록 설계되어 있다. 필요한 경우에 상기 유체는 상기 전달된 열에 의해 화학 반응(예를 들면, cracking)을 경험할 수 있고, 이에 의해서 올레핀(에틸렌이나 프로필렌 등)이나 수소 등이 생산될 수 있다. 본 명세서에서 용어 가열은 어떤 대상(예를 들면, 유체)에 열을 전달하는 것을 의미한다. 열을 전달받은 대상의 온도는 일반적으로 상승하게 되지만, 등온 반응 등을 경험하거나, 상전이를 경험하는 경우에 온도의 상승이 없이도 열이 전달될 수 있다.
가열부의 가열(즉, 유체 흐름 라인으로의 전류의 공급)은, 가열원에 의해서 수행될 수 있다. 상기 가열원은, 상기 유체 흐름 라인에 저항열을 유도할 수 있도록 구성되어 있을 수 있다.
도 1에 예시적으로 표시된 바와 같이, 상기 가열원(200)은 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)에 전류를 공급할 수 있다. 상기 가열원(200)은, 전류 유입부(220), 전류 수용부(230) 및 전압원(210)을 포함할 수 있다. 상기 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230)는 서로 별도로 존재한다. 하나의 예시에서 상기 전류 유입부(220)는, 상기 전류 수용부(230)에 비해서 후술하는 유체 흐름 라인의 유입구(예를 들면, 도 1에서 R로 표시된 부분)에 더 가깝게 배치되어 있을 수 있다. 다른 예시에서 상기 전류 유입부(220)는, 상기 전류 수용부(230)에 비해서 후술하는 유체 흐름 라인의 유출구(예를 들면, 도 1에서 P로 표시된 부분)에 더 가깝게 배치되어 있을 수 있다. 다른 예시에서 상기 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230) 중 어느 하나는, 상기 유출구와 인접하여 배치되고, 다른 하나는 상기 유입부과 인접하여 배치될 수 있다. 상기 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230)는 가열의 목적과 유체의 상태 등에 따라서 이러한 배치에서 보다 효과적인 가열이 가능할 수 있다. 상기 가열원(200)은, 상기 전압원(210), 전류 유입부(220), 전류 수용부(230) 및 상기 유체 흐름 라인(110)을 포함하는 라인이 마치 전기 회로와 같은 형태가 되어서 상기 유체 흐름 라인(110)에 직접 전류가 흐를 수 있도록 설계되어 있다. 즉, 상기 가열원(200)에 의해서 상기 유체 흐름 라인은 통전될 수 있다.
따라서, 상기 가열원(200)은, 상기 전류 유입부(220), 상기 전류 수용부(230) 및 유체 흐름 라인(110)을 통하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 전위차를 상기 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 형성할 수 있도록 설치되어 있다. 상기 유체 가열 장치는, 전술한 바와 같이 상기 전류에 의해서 상기 표면부에 열(저항열)이 발생하여 상기 내부 통로를 흐르는 유체에 열을 전달하도록 설치되어 있을 수 있다.
상기 전류 유입부(220)는, 적어도 하나 이상의 제 1 전도체(240a)를 포함하고, 상기 전류 수용부(230)는, 적어도 하나 이상의 제 2 전도체(240b)를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)는, 유체 흐름 라인(110)과 전기적으로 연결되어 있다. 일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)는, 상기 유체 흐름 라인(110)의 표면부와 직접 접촉하여 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 가열원(200)의 전압원(210)은, 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)의 사이에서 전위차를 형성하여 전류를 발생시키고, 이러한 전류는, 유체 흐름 라인(110)을 흐르면서 열을 발생시킨다. 상기 전압원(210)은, 직류를 공급할 수 있는 직류 전압원 또는 교류를 공급할 수 있는 교류 전압원일 수 있다. 상기 전압원은, 가열의 목적과 가열되는 유체를 고려하여 적정한 크기의 전류를 형성할 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 전류는 직류 또는 교류 전류일 수 있다. 직류는 시간에 의존하지 않고 일정한 방향으로 흐르는 전류를 의미하고, 교류는 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전류를 의미할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 전압원은, 펄스형 전류 및 바이폴라형 전류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 형성하도록 구성되어 있을 수 있다. 이에 의해서 상기 가열원(200)는 패턴을 가진 전류를 제공할 수 있다. 이를 통해서 목적에 따라서 유체 흐름 라인의 온도를 정밀하고, 신속하게 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 가열원(200)이 패턴을 가진 전류를 제공하는 것에 의해서 유체 흐름 라인(110)의 온도를 단 시간 내에 균일하게 승온할 수 있다.
상기 패턴을 가지는 전류는, 예를 들면, 전술한 펄스형 전류 또는 바이폴라형 전류일 수 있다. 상기 펄스형 전류는, 예를 들면, 정해진 시간(t1) 동안 일정한 세기의 직류 전류를 형성한 후에 정해진 시간(t2) 동안 전류를 차단하는 패턴일 수 있다. 또한, 상기 바이폴라형 전류는, 정해진 시간(t3)동안 일정한 세기의 직류 전류(A1)를 형성한 후에 정해진 시간(t4)동안 상기 직류 전류(A1)의 반대 위상을 가지면서 일정한 세기의 직류 전류(A2)를 형성하는 패턴일 수 있다. 반대 위상이란 위상차가 약 180도 정도인 경우이다. 또한, 상기 직류 전류(A1)와 직류 전류(A2)의 크기는 서로 상이할 수 있다.
도 8은 상기 펄스형 전류와 바이폴라형 전류의 비제한적인 예시이다. 그렇지만, 본 명세서의 전압원이 제공하는 전류의 패턴은 도 8에 제한되지 않는다. 예를 들면, 펄스형 전류에서 전류가 흐르는 시간 및 전류가 흐르지 않은 시간이 일정하지 않게 제어될 수도 있고, 주기별로 전류의 세기도 다르게 제어될 수 있으며, 이는 바이폴라형의 경우도 같다. 또한, 펄스형과 바이폴라형이 혼재된 형태의 전류도 형성될 수 있다.
상기 패턴 전류에서 전류의 세기(A1, A2) 및/또는 상기 전류의 제공 및 차단의 시간(t1, t2, t3, t4)의 구체적인 값은, 가열의 목적, 가열되는 유체의 상태 및/또는 유체 흐름 라인(110)의 형태 등을 고려하여 정해질 수 있다.
전압원이 상기와 같은 펄스형 또는 바이폴라형 전류를 제공하도록 형성되는 것에 의해서 전류에 의한 자기장 형성을 억제하여 주변 장치로의 영향을 최소화하면서도 효율적으로 유체 흐름 라인(110)의 발열을 안정적으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 전류의 제공을 통해서 온도를 빠르게 승온하면서도 균일성(uniformity)을 확보할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 가열원(200)의 전류 유입부(220)는 상기 제 1 전도체(240a)를 통해서 직접 전류를 유체 흐름 라인(110)으로 유입시키고, 전류 수용부(230)는 상기 제 2 전도체(240b)를 통해서 전류를 유체 흐름 라인(110)으로부터 전류를 직접 수용한다. 즉, 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)는, 유체 흐름 라인(110)과 전기적으로 직접 연결된 상태일 수 있다.
상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)는 유체 흐름 라인(110)으로 전기를 유입하거나, 상기 전기를 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로는 상기 기능을 수행할 수 있도록 적절한 전기 전도성을 가지는 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)는 각각 독립적으로 철; 크롬; 알루미늄; 및 합금(예를 들면, 철, 크롬 및 알루미늄을 포함하는 합금)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 되거나, 그를 포함할 수 있다. 이러한 재료들은, 적절한 전기 전도성을 나타내면서 유체 가열을 위해 발열하는 유체 흐름 라인(110)의 열 등에 의한 전기 전도성 및 내구성의 감소에 효율적으로 대응할 수 있다. 다만, 상기 기능을 나타낸다면, 전도체로 사용 가능한 소재가 상기에 제한되는 것은 아니다.
전류 유입부(220)는, 적어도 하나의 제 1 전도체(240a)를 포함할 수 있고, 전류 수용부(230)도, 적어도 하나의 제 2 전도체(240b)를 포함할 수 있다. 유체 흐름 라인(110)을 통전시키기 위해서는, 상기 제 1 및 제 2 전도체(240a, 240b)가 각각 1개씩 존재하여도 무방하지만, 라인(110)의 운전 과정에서 전도체의 전기 전도성이 손상되는 경우에 운전에 문제가 발생할 수도 있기 때문에, 경우에 따라서는 전류 유입부(220) 및 전류 수용부(230) 각각에 복수의 전도체를 설치하고, 그 중 어느 하나의 전도체의 전기 전도성이 손상되는 경우에도 다른 전도체가 작동할 수 있도록 복수의 전도체의 배열을 제어할 수도 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 냉각부(300)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 냉각부(300)은, 상기 제 1 및/또는 제 2 전도체가 전류를 공급하는 과정에서 발생할 수 있는 열을 회수할 수 있도록 존재할 수 있다. 즉, 상기 제 1 및/또는 제 2 전도체에서도 전술한 줄 효과에 의해서 저항열이 발생할 수 있는데, 이러한 저항열에 의한 저항 상승 등으로 인해 라인의 가열 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 상기 냉각부(300)를 통해서 열을 회수하면서 운전을 할 수 있다. 이러한 냉각부는, 상기 제 1 전도체 및 제 2 전도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체와 열교환이 가능하도록 접촉된 상태로 유체 가열 장치에 포함될 수 있다.
이에 의해서 상기 냉각부(300)은, 상기 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체에서 발생할 수 있는 열을 회수할 수 있다.
상기 냉각부(300)는 상기 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)과는 접촉하지 않을 수 있다. 상기에서 접촉을 하지 않는다는 것은 상기 냉각부(300)와 상기 유체 흐름 라인(110)이 그들간의 열교환이 실질적으로 이루어지지 않도록 배치되어 있다는 것을 의미한다. 예를 들면, 냉각부(300)는, 유체 흐름 라인(110)의 임의의 지점과 서로 닿지 않게 마련될 수 있다. 이를 통해서 가열된 유체 흐름 라인(110)의 온도가 냉각부의 영향으로 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)에서, 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상과 접촉할 수 있다. 이 때의 접촉은 냉각부(300)가 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 열교환이 가능한 상태로 존재하는 것을 의미한다. 따라서, 냉각부과 상기 전도체와 직접 접촉하는 경우는 물론 직접 접촉하지 않더라도 열전도 내지 열교환이 가능한 상태도 포함될 수 있다. 냉각부(300)에 포함되는 구성은 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)의 적어도 일부분 또는 전부와 서로 직접 접촉하거나, 별도의 층을 사이에 두더라도 열전도 내지 열교환이 이루어지도록 마련될 수 있다. 이를 통해서 상기 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 직접 회수할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있도록 구성된다면, 특별한 제한 없이 업계에서 공지된 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각부(300)는 냉매(310) 및 순환 라인을 포함할 수 있다. 이를 통해서 냉매(310)가 순환되면서 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있다. 예를 들면, 냉각부(300)의 냉매(310)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 접촉하여 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있다. 도 1은, 냉각부(300)가 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 냉매(310)를 통해 회수하고 있는 비제한적인 예시이다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)에서, 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)의 형태와 재료 등을 고려하여 적절한 형태를 구비하고 있을 수 있다. 도 4는 냉각부(300)의 비제한적인 예시이다. 도 4를 참조하면, 냉각부(300)는 제 1 전도체(240a)의 적어도 일부와 냉매(310)가 접촉하되, 상기 냉매(310)과 외부로 유출되지 않도록 적절한 내부 공간을 가지는 냉매 저장 공간(330)을 포함할 수 있다. 도 4의 예시는, 냉각부(300)의 예시적인 형태이고, 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 냉매(310)가 접촉하여 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있도록 구성된다면, 그 형태는 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)에서, 냉각부(300)는 전술한 바와 같이 냉매(310)를 포함하고, 상기 냉매(310)가 순환 라인을 통해 순환하면서, 상기 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)에서 발생되는 열을 회수할 수 있다. 상기 냉매(310)는 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상과 직접 접촉함으로써 열을 회수할 수 있다.
도 5는 냉각부(300)의 냉매(310) 순환 시스템의 비제한적인 예시이다. 도 5에 예시된 바와 같이 제 1 전도체(240a)에서 열을 일단 회수한 냉매는, 순환하면서 별도의 냉각기(320) 및/또는 공기와 열 교환을 하여 냉각된 후 다시 제 1 전도체(240a)로부터 열을 회수할 수 있다. 도 5는 제 1 전도체(240a)에 대해서만 나타내었으나, 제 2 전도체(240b)에서도 유사한 시스템이 적용될 수 있다.
하나의 예시에서 냉매 및 순환 라인을 포함하는 냉각부의 상기 순환 라인은, 상기 냉매가 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 어느 하나와 열교환하고, 이어서 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 다른 하나와 열교환하면서 순환하도록 형성되어 있을 수 있다.
도 6은, 이러한 순환 시스템의 하나의 비제한적인 예시이다. 도 6에 예시된 바와 같이, 냉매(310)는 제 1 전도체(240a)에서 발생된 열을 열교환을 통해 회수한 후 제 2 전도체(240b)에서 발생된 열을 열교환을 통해서 회수하면서 순환할 수 있다. 이러한 순환 과정에서 예를 들면, 제 1 전도체(240a)에서 발생된 열을 회수한 냉매는, 제 2 전도체(240b)와의 열교환 전에 별도의 냉각기(미도시) 및/또는 공기와 열교환을 통해 냉각될 수 있으며, 제 2 전도체(240b)에서 발생된 열을 회수한 냉매는, 제 1 전도체(240a)와 열교환 전에 별도의 냉각기(미도시) 및/또는 공기와 열교환하여 냉각되면서 연속적으로 순환할 수 있다.
상기 냉각부(300)에 의해 열이 회수되는 제 1 전도체(240a) 및 제 2 전도체(240b)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상은 절연 처리를 포함할 수 있다. 즉, 상기 열교환이 가능하도록 냉각부와 접촉하는 전도체는, 절연 처리된 것일 수 있고, 예를 들면, 절연재로 둘러싸여 있을 수 있다. 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)는 전압원(210)과 연결되어서 전류가 흐르는 상태이기 때문에 외부 요인에 인하여 단락(short) 현상 등이 이 발생될 수 있다. 절연 처리는 이러한 단락 현상 등을 방지하기 위해서 수행될 수 있다. 예를 들어서, 상기 냉각부(300)가 냉매(310)를 이용하는 경우, 상기 냉매(310)가 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)와 접촉하면서 단락 현상을 유발할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제 1 전도체(240a) 및/또는 제 2 전도체(240b)의 적어도 냉매(310)와 접촉하는 부분에는 절연재 코팅 등의 절연 처리가 되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 하나의 예시에서, 하기 식 1을 만족할 수 있다. 이를 통해서 보다 효과적으로 열을 전달할 수 있다.
[식 1]
d ≥ L/2
식 1의 d는 상기 제 1 전도체(240a)와 제 2 전도체(240b) 사이의 직선 거리이다. 예를 들면, 상기 d는 제 1 전도체(240a)의 무게 중심과 제 2 전도체(240b)의 무게 중심 사이의 직선 거리를 의미할 수 있다.
식 1의 L은 상기 유체 흐름 라인(110)에서 유체가 흐르는 거리를 의미한다. 도 1의 경우, L은 유체 흐름 라인(110)에서 유체가 흐르는 방향으로의 길이를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(20)는, 하나의 예시에서 상기 유체 흐름 라인(110)를 포함하는 가열부(100); 및 상기 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)에 전류를 공급하는 가열원(200)을 포함하되, 상기 가열부(100)가 복수의 유체 흐름 라인(110)을 포함할 수 있다. 이러한 경우에 상기 가열부(100)의 개개의 유체 흐름 라인(110)과 가열원(200)에 대한 설명은 상기의 내용이 필요한 경우에 적절한 변형 하에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(20)가 가열부(100)에서 복수의 유체 흐름 라인(110)을 포함하는 경우, 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각에는 전술한 가열원의 전류 유입부와 전류 수용부가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 경우에 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 수용부는 다른 유체 흐름 라인에 연결되어서 상기 다른 유체 흐름 라인의 전류 유입부로 기능하도록 구성되어 있을 수 있다. 또는, 상기의 경우에 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 다른 유체 흐름 라인에 연결되어서 상기 다른 유체 흐름 라인의 전류 수용부로 기능하도록 구성되어 있을 수 있다. 예를 들어서, 가열부가 유체 흐름 라인으로서 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인을 포함하는 경우에 상기 가열원의 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인 각각에 형성되되, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있을 수 있다.
이러한 방식으로 상기 가열부의 복수의 유체 흐름 라인(110)을 모두 전기적으로 연결할 수 있다.
특히, 본 명세서에서 기술하는 방식에 의하면, 상기 복수의 유체 흐름 라인(110)을 서로 전기적으로 직렬로 연결한 네트워크를 형성할 수 있다. 이러한 방식에 의하면, 전기적 가열의 제어를 복수의 유체 흐름 라인에 대해서 원하는 방식으로 정밀하게 제어될 수 있다. 예를 들면, 동일한 전류의 형성을 통해서 복수의 유체 흐름 라인에 동일한 발열 효과를 예측성 높게 얻을 수 있다.
이러한 직렬 연결 네트워크가 형성되기 위해서는, 상기 복수의 유체 흐름 라인이 아래의 3가지 경우 중 어느 하나에 해당하여야 한다.
경우 1: 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 전압원과 연결되고, 전류 수용부는 제 2 유체 흐름 라인에 연결(상기 전류 수용부는, 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부이면서 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부로 기능)
경우 2: 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 제 2 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결되고, 전류 수용부는 제 3 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결(상기 전류 유입부는 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부이면서 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부로 기능하고, 상기 전류 수용부는, 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부이면서, 제 3 유체 흐름 라인의 전류 유입부로 기능)
경우 3: 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부는 제 2 유체 흐름 라인과 연결되고, 전류 수용부는 전압원에 연결(상기 전류 유입부는, 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부이면서 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부로 기능)
따라서, 상기 직렬 연결 네트워크가 형성된 경우에 유체 가열 장치는 하기 식 2를 만족한다.
[식 2]
A - B = 1
식 2에서 A는, 상기 직렬 연결 네트워크의 전류 유입부와 전류 수용부의 합계 수이고, B는, 상기 직렬 연결 네트워크의 유체 가열 장치의 수이다. 단, 이러한 경우에 상기 전류 유입부와 전류 수용부 각각은 하나 또는 복수의 전도체를 포함할 수 있다.
도 9는 이러한 유체 가열 장치(20)의 비제한적인 예시이다. 도 9와 같이 상기 복수의 유체 흐름 라인(110)은 전도체(240a)를 포함하는 전류 유입부(220)와 전류 수용부(230)를 통해서 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 상기 전도체에 대한 구체적인 설명은 상기한 바와 같고, 이러한 전도체는, 각 전류 유입부와 전류 수용부에 하나 또는 복수 존재할 수 있다.
도 9와 같은 구조에서도 각 전도체 또는 전류 유입부와 전류 수용부에는 전술한 냉각부가 구비되어 있을 수 있다.
도 9와 같이 복수 존재하는 유체 흐름 라인(110) 각각이 직선 형태인 파이프 형태인 경우에 이러한 파이프 형태의 각각의 유체 흐름 라인(110)는 실질적으로 평행하게 배열될 수 있다. 이러한 배열을 통해서 대량의 유체를 보다 효율적으로 처리할 수 있다.
상기와 같이 유체 가열 장치가 복수의 유체 흐름 라인을 포함하는 경우에 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각의 내부 통로는 서로 연통되어 있지 않을 수 있다. 이는, 하나의 유체 흐름 라인의 내부 통로로 흐르는 유체가 다른 유체 흐름 라인의 내부 통로로는 흐르지 않도록 설계된 것을 의미한다. 도 9와 같이 각각의 유체 흐름 라인(110)으로 유입된 유체는, 다른 유체 흐름 라인(110)으로는 흐르지 않도록 구성될 수 있다. 따라서, 유체는 하나의 유체 흐름 라인(110)에 유입되면 다른 유체 흐름 라인(110)를 통해서는 유출되지 않을 수 있다. 이러한 구조는, 열 에너지를 각 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 유체에 균일하게 전달하는 것에 효과적이다. 이러한 경우에 유체는 상기 복수의 유체 흐름 라인(110)에 대해서 병렬로 유입되어 병렬로 유출될 수 있다.
도 9에 예시된 바와 같이, 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(20)는 단열부(400)를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 상기 가열부 또는 유체 흐름 라인은 단열 처리되어 있을 수 있다. 전술한 바와 같이 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)는, 공기의 유입 및 배기 가스의 배출 없이 유체의 가열이 가능하기 때문에, 유체 흐름 라인(110)을 단열재로 둘러싸는 것이 가능하다. 단열재가 존재하는 경우에 유체 흐름 라인(110)에 전달되는 열 에너지의 손실(loss)을 방지할 수 있고, 더욱 효과적으로 유체에 열을 전달할 수 있다. 또한, 상기 단열재를 통해서 상기 냉각부가 가열부의 열을 낮추지 않으면서도 제 1 전도체 및/또는 제 2 전도체에서 발생하는 열을 효과적으로 회수하여 더 효율적인 열관리가 가능하다.
본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용한 유체 가열 방법에 대해서 기술한다.
이러한 유체 가열 방법은, 상기 가열원의 상기 전류 유입부와 상기 전류 수용부의 사이에서 전위차를 형성하여, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 상기 유체 흐름 라인에 전류가 흐르도록 하는 단계와 상기 전류의 흐름에 의해서 상기 유체 흐름 라인의 표면부에서 발생한 열을 상기 유체 흐름 라인의 내부 통로를 흐르는 유체에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 방식에서 적용되는 유체 가열 장치에 대한 구체적인 내용은 전술한 바와 같다. 예를 들면, 상기 단계에서 흐르는 전류는, 전술한 직류 전류, 교류 전류, 펄스형 전류 또는 바이폴라형 전류 중 어느 하나 또는 2개 이상의 조합일 수 있다.

Claims (15)

  1. 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인; 및
    가열원을 포함하며,
    상기 가열원은,
    상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 1 전도체를 포함하는 전류 유입부;
    상기 유체 흐름 라인과 전기적으로 연결된 제 2 전도체를 포함하고, 상기 전류 유입부와는 별도로 존재하는 전류 수용부; 및
    전압원을 포함하고,
    상기 가열원은, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인을 통하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 전위차를 상기 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 형성할 수 있도록 설치되어 있으며,
    상기 전류에 의해서 상기 표면부에서 열이 발생하여 상기 내부 통로의 유체에 열을 전달하도록 설치되어 있는 유체 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 전압원은, 직류 전류, 교류 전류, 펄스형 전류 및 바이폴라형 전류로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 형성하도록 구성되어 있는 유체 가열 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 전도체 및 제 2 전도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전도체와 열교환이 가능하도록 접촉하고 있는 냉각부를 추가로 포함하는 유체 가열 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 냉각부는, 유체 흐름 라인과는 접촉하지 않은 유체 가열 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 냉각부는, 냉매 및 순환 라인을 포함하고, 상기 순환 라인은, 상기 냉매가 제 1 및 제 2 전도체 중 어느 하나와 열교환하고, 이어서 상기 제 1 및 제 2 전도체 중 다른 하나와 열교환하면서 순환하도록 형성되어 있는 유체 가열 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 냉각부와 접촉하는 전도체는 절연 처리되어 있는 유체 가열 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 유체 흐름 라인은 단열 처리되어 있는 유체 가열 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 유체 흐름 라인은, 상기 유체 흐름 라인으로 유체가 유입될 수 있도록 형성된 유입구와 상기 유체 흐름 라인으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 유출구를 포함하고, 상기 유체 흐름 라인은, 유입구와 유출구를 연결하는 가상의 선과 중력 방향이 이루는 각도가 80도 내지 90도의 범위 내가 되도록 설치되어 있는 유체 가열 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 유체 흐름 라인은, 상기 유체 흐름 라인으로 유체가 유입될 수 있도록 형성된 유입구와 상기 유체 흐름 라인으로 유입된 유체가 유출될 수 있도록 형성된 유출구를 포함하고, 상기 유입구의 면적 SA와 상기 유출구의 면적 SB의 비율 SA/SB은, 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있는 유체 가열 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    유체 흐름 라인으로서 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인을 포함하고,
    가열원의 전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 제 1 및 제 2 유체 흐름 라인 각각에 형성되되,
    상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 상기 제 1 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 상기 제 2 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성되어 있는
    유체 가열 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    유체 흐름 라인으로서 복수의 유체 흐름 라인을 포함하고,
    전류 유입부 및 전류 수용부는, 상기 복수의 유체 흐름 라인 각각에 형성되어 있으며,
    상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 되거나, 또는 상기 복수의 유체 흐름 라인 중 어느 하나의 유체 흐름 라인의 전류 유입부가 다른 유체 흐름 라인의 전류 수용부가 되도록 형성된 유체 가열 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 복수의 유체 흐름 라인과 가열원은 직렬 연결 네트워크를 형성하고 있는 유체 가열 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 직렬 연결 네트워크는 하기 식 2를 만족하는 유체 가열 장치:
    [식 2]
    A - B = 1
    식 2에서 A는, 상기 직렬 연결 네트워크의 전류 유입부와 전류 수용부의 합계 수이고, B는, 상기 직렬 연결 네트워크의 유체 가열 장치의 수이며, 상기 전류 유입부와 전류 수용부 각각은 하나 또는 복수의 전도체를 포함한다.
  14. 제 11 항에 있어서, 복수의 유체 흐름 라인 각각의 내부 통로는 서로 연통되어 있지 않은 유체 가열 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 유체 가열 장치를 사용하여 유체를 가열하는 방법이고,
    가열원의 전류 유입부와 전류 수용부의 사이에서 전위차를 형성하여, 상기 전류 유입부, 상기 전류 수용부 및 유체 흐름 라인에 전류를 흘리고, 상기 전류의 흐름에 의해서 상기 유체 흐름 라인의 표면부에서 발생한 열을 상기 유체 흐름 라인의 내부 통로를 흐르는 유체에 전달하는 것을 포함하는 유체 가열 방법.
PCT/KR2023/006506 2022-05-12 2023-05-12 유체 가열 장치 Ceased WO2023219471A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024560914A JP2025512550A (ja) 2022-05-12 2023-05-12 流体加熱装置
US18/859,814 US20250287470A1 (en) 2022-05-12 2023-05-12 Fluid Heating Device
EP23803894.7A EP4524489A4 (en) 2022-05-12 2023-05-12 FLUID HEATING DEVICE
CN202380035903.0A CN119072603A (zh) 2022-05-12 2023-05-12 流体加热装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0058137 2022-05-12
KR20220058137 2022-05-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023219471A1 true WO2023219471A1 (ko) 2023-11-16

Family

ID=88730788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/006506 Ceased WO2023219471A1 (ko) 2022-05-12 2023-05-12 유체 가열 장치

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20250287470A1 (ko)
EP (1) EP4524489A4 (ko)
JP (1) JP2025512550A (ko)
KR (1) KR20230159307A (ko)
CN (1) CN119072603A (ko)
TW (1) TWI880213B (ko)
WO (1) WO2023219471A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20260047010A (ko) * 2024-09-30 2026-04-07 주식회사 엘지화학 전기 가열 반응기
CN119685051B (zh) * 2025-02-25 2025-05-16 临涣焦化股份有限公司 一种智能化均匀加热的焦炭塔预热装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001263814A (ja) * 2000-03-17 2001-09-26 Toto Ltd 筒状パイプ熱交換器及びそれを用いた局部洗浄装置
KR20140024823A (ko) * 2012-08-21 2014-03-03 토쿠덴 가부시기가이샤 유체가열장치
KR20150103193A (ko) * 2013-02-01 2015-09-09 아반스트레이트 가부시키가이샤 유리 기판의 제조 방법 및 유리 기판 제조 장치
US20190271487A1 (en) * 2016-11-07 2019-09-05 Heatworks Technologies, Inc. Devices For Ohmically Heating A Fluid
KR20200021601A (ko) * 2018-08-21 2020-03-02 신익승 파이프 직접 히팅 장치
KR20210042969A (ko) 2018-08-16 2021-04-20 바스프 에스이 직류 전류에 의해 파이프라인에서 유체를 가열하기 위한 디바이스 및 방법
KR20220058137A (ko) 2020-10-30 2022-05-09 한국조선해양 주식회사 선체 곡 외판 성형시스템 및 방법

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5216038A (en) * 1975-07-29 1977-02-07 Haruo Suzuki Heating process for fluid
FR2664784A1 (fr) * 1990-07-12 1992-01-17 Doat Robert Rechauffeur de fluide utilisant des tubes chauffes par effet joule qui transmettent leur energie simultanement par leurs faces interne et externe.
FR2708726B1 (fr) * 1993-08-03 1995-09-01 Electricite De France Dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux.
JPH0842776A (ja) * 1994-08-04 1996-02-16 Tetsuyoshi Nakamura 液体及び気体加熱パイプ
JP4056006B2 (ja) * 2001-08-13 2008-03-05 マイクロヒート テクノロジーズ ピーティーワイ リミテッド 流体を急速に加熱するシステムおよび方法
JP4332469B2 (ja) * 2004-05-24 2009-09-16 株式会社ミヤデン 加熱水蒸気発生装置
JP6162473B2 (ja) * 2012-08-21 2017-07-12 トクデン株式会社 流体加熱装置
JP6466641B2 (ja) * 2013-03-08 2019-02-06 トクデン株式会社 流体加熱装置
EP3878547A1 (de) * 2020-03-13 2021-09-15 Linde GmbH Reaktor und verfahren zur durchführung einer chemischen reaktion

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001263814A (ja) * 2000-03-17 2001-09-26 Toto Ltd 筒状パイプ熱交換器及びそれを用いた局部洗浄装置
KR20140024823A (ko) * 2012-08-21 2014-03-03 토쿠덴 가부시기가이샤 유체가열장치
KR20150103193A (ko) * 2013-02-01 2015-09-09 아반스트레이트 가부시키가이샤 유리 기판의 제조 방법 및 유리 기판 제조 장치
US20190271487A1 (en) * 2016-11-07 2019-09-05 Heatworks Technologies, Inc. Devices For Ohmically Heating A Fluid
KR20210042969A (ko) 2018-08-16 2021-04-20 바스프 에스이 직류 전류에 의해 파이프라인에서 유체를 가열하기 위한 디바이스 및 방법
KR20200021601A (ko) * 2018-08-21 2020-03-02 신익승 파이프 직접 히팅 장치
KR20220058137A (ko) 2020-10-30 2022-05-09 한국조선해양 주식회사 선체 곡 외판 성형시스템 및 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4524489A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP4524489A4 (en) 2025-08-20
CN119072603A (zh) 2024-12-03
EP4524489A1 (en) 2025-03-19
KR20230159307A (ko) 2023-11-21
JP2025512550A (ja) 2025-04-17
TW202407264A (zh) 2024-02-16
TWI880213B (zh) 2025-04-11
US20250287470A1 (en) 2025-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2023219471A1 (ko) 유체 가열 장치
CN112567886A (zh) 用于加热管道中的流体的装置和方法
CA3171015A1 (en) Apparatus and method for heating a fluid in a pipeline with single-phase alternating current
CN118020386A (zh) 多重筒
CN112533693B (zh) 用于在烃提质过程中使用熔融盐传递热量的系统和工艺
JP2025512768A (ja) オレフィン生成用電気加熱式蒸気分解炉
US12577900B2 (en) Recovery of energy
US11679367B2 (en) Systems and processes for improving hydrocarbon upgrading
WO2023219472A1 (ko) 유체 가열 장치
US20250382244A1 (en) Electrically heated furnaces utilizing conductive refractory materials
KR102324637B1 (ko) 균일한 유체를 공급하는 배관 장치
US11505751B2 (en) Systems and processes for improving hydrocarbon upgrading
BR112021001419B1 (pt) Sistema de reator para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos
KR20250156135A (ko) 공급원료를 가열하기 위한 디바이스
BR112021001421B1 (pt) Sistema de reator, e, processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos
JPS6393343A (ja) 冷却型燃料改質器
EA041693B1 (ru) Устройство и способ нагрева текучей среды в трубопроводе постоянным током
Foster et al. First single cluster corrosion test WANL hydrogen corrosion test facility

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23803894

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024560914

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202380035903.0

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18859814

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12024552583

Country of ref document: PH

Ref document number: 202417082176

Country of ref document: IN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023803894

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023803894

Country of ref document: EP

Effective date: 20241212

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 18859814

Country of ref document: US