KR100218829B1 - 열 파이프 냉동 보호용 유연성 삽입체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 열파이프 열교환기 부분을 형성하는 경사진 열파이프의 고온 측(증발기) 내에 삽입하기 위한 유연성이 있는 압축된 삽입체이다. 이 삽입체는 열파이프 내에 함유된 작업 유체가 냉동되는 경우 파열로부터 열파이프를 보호하기 위하여 사용된다. 이삽입체는 변형(압축)이 가능한 박판으로 구성된 유연성 재료로 이루어짐으로써 작업 유체가 냉동되거나 또는 냉동 온도에 노출됨으로써 미치는 팽창 압력을 흡수한다. 이런 흡수에 의해, 외부 열파이프 자체는 파열되지 않도록 초과압축되지 않는다. 상기 작업 유체의 해동시, 상기 압축된 삽입체(작업 유체의 냉동되지 않은 상태에서 작업유체보다 더 큰 압력에서)는 다시 본래의 모양으로 돌아온다.

Description

열파이프 냉동 보호용 유연성 삽입체
본 발명은 일반적으로 열파이프 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열파이프에서 작업 유체의 냉동의 경우 일어나는 파열로부터 열파이프를 보호하는 방법에 관한 것이다.
열파이프 열교환기는 잘 알려져 있고, 통상 가스와 액체 모두를 가열 및 냉각하기 위하여 사용된다. 이들은 작업 유체를 함유하는 열파이프의 배열을 통해 고온 유체를 통과시키는 것으로 작동된다. 이 작업 유체는 열교환기의 고온부로부터 열을 흡수하고, 이러한 열을 냉각시키는 냉각부로 전달하는 열전달 매체로 작용한다. 이러한 냉각하, 작업 유체는 열교환기의 고온부로부터 열을 흡수하기 위하여 다시 유용하게 된다. 이어서 이 사이클을 자체 반복한다.
열파이프 열교환기와 관련된 큰 문제점의 하나는 열교환기가 작동되지 않을 경우 작업 유체의 냉동이다. 이러한 냉동은 상기 작업 유체(일반적으로 물)가 열파이프를 잠재적으로 파열시켜, 열교환기 또는 적어도 그 일부에 격렬한 파손을 일으키게 한다.
종래에 이 문제를 해결하기 위해 3가지 방법이 있었다. 첫번째, 열파이프의 벽 두께를 냉동된 물에 의해 부과되는 힘을 견디도록 증가시켰다. 그러나, 예측할 수 있는 바와 같이, 이것은 열교환기의 비용을 매우 증가시킨다.
두번째, 예상되는 최저 작동 온도 이하로 작업 유체의 냉동 온도를 낮추기 위하여 작업 유체에 화학 첨가제를 첨가하였다. 불행하게도 이러한 화학 첨가제는 종종 위험하고, 이들은 노출 또는 주위 온도가 조절된 냉동점보다 상당히 아래인 일부 적용을 위해서는 냉동점을 충분하게 억제할 수 없다. 또한 시간이 지나면, 이런 화학품은 분해되고 그로 인하여 요구되는 냉동점의 저하 능력을 감소시킨다(이러한 화학품의 분해는 열파이프 파열이 되어야만 비로서 조작자가 알 수 있다). 또한, 작업 유체 내에서 화학품의 사용은 열파이프의 내벽면에 코팅을 일으킴으로써 열파이프를 피복하여 그것의 성능을 감소시킨다. 화학 첨가제는 또한 열파이프의 벽면에 부식을 일으킬 수 있고, 열파이프에 담겨진 작업 유체 또는 가스와 불리하게 반응을 일으킬 수 있다.
세번째 방법은 열파이프 내의 작업 유체를 냉동 온도 이상으로 유지하기 위하여, 전기 히터와 같은 조절 열원을 사용하는 것이다. 이러한 외부 히터는 그들을 복잡하게 하고, 노출된 열 파이프에 열을 공급할 수 있는 동안에 기재로부터 보호되어야 하기 때문에 열교환기 비용을 크게 증가시킨다. 또한, 이러한 히터는 전원을 사용하지 못하는 경우의 운송 또는 전원 실패의 동안(통상 차갑고 얼음 온도의 갑작스런 기습의 결과로 일어난다) 보호를 제공하지 못한다.
따라서 본 발명의 목적은 열파이프 열교환기내 작업 유체의 냉동에 기인하는 열파이프의 손상을 방지하기 위한 다른 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 열교환기의 운송 및 건설, 전원의 정전(열교환기가 수리 또는 보수되는 경우와 같은 조작이 일어나는 경우)동안 조차, 냉동 보호가 항상 유용하도록 전원 또는 외부 연결의 필요성 없이 냉동 보호를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은 열파이프에서 일어나는 열교환의 작동에 방해가 없이 냉동 보호를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 시간이 경과하여도 그것의 보호 성능이 감소되지 않아 파열되지 않도록 냉동에 대한 보호를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 단지 최소로 증가된 제조 및 재료비용의 저 비용만으로 냉동 보호를 제공하는 것이다. 본 발명의 이들 및 다른 목적과 장점은 다음의 설명으로 더욱 명백해진다.
제1도는 본 발명에 의한 열파이프 열교환기의 전형적인 열파이프의 도면이다.
제2도는 열파이프 내에 본 발명의 위치 및 작동을 나타내는 제1도의 2-2라인을 따라 절취한 단면도이다.
제3a도 내지 제3c도는 제2도와 유사한 단면도이지만, 본 발명의 다른 구현예 또는 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명은 열파이프 열교환기에서 작업 유체의 사고로 통상 나타나는 냉동사고의 파열로부터 경사진 열파이프를 보호하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 통상 작업 유체가 직접되는 곳인 파이프의 고온부 내에서 중심에 삽입체를 위치시키는 것으로 구성된다. 이 삽입체는 이 작업 유체내로 담겨지고, 열파이프 내 작업 유체의 움직이지 않는(at-rest) 수위까지 또는 약간 위로 내민다. 가스/액체의 혼합물이 삽입체 내에 포함되고, 상기 혼합물은 냉동되지 않는 작업 유체의 압력(열파이프 중 통상 나타나는 압력)보다 큰 압력에서 있다. 상기 삽입체는 통상 결점없이 구부리고 변형될 수 있는 박판 재료 또는 호일 필로우(foil pillow)로 이루어진다. 결과적으로, 작업 유체가 냉동동안 팽창하는 경우, 작업 유체에 함유된 삽입체는 냉동된 작업 유체에 의해 뻗치는 커다란 힘에 의해 압축된다. 따라서 상기 삽입체의 이러한 압축은 작업 유체의 팽창에 기인하는 열파이프의 어떤 초과압력 또는 고장을 피한다. 상기 삽입체의 이러한 압축은 삽입체 내에 함유된 가스/액체 혼합물의 추가 압력에 의해 성취된다. 작업 유체의 해동시에, 압축된 삽입체는 현재 냉동되지 않는 작업 유체의 압력보다 삽입체에서의 현재 더 커진 압력에 기인하여 삽입체의 보통 모양으로 되돌아 간다.
[바람직한 구현예의 상세한 설명]
제1도에 관하여, 열파이프 열교환기(12)내에 통상적으로 발견되는 열파이프(10)의 도면이다. 이러한 열교환기(12)는 고온 또는 열 흡수부(16)로부터 냉각 또는 가열 반송 측(18)을 분리하는 분할 플레이트(14)를 통상 병합한다. 나타낸 바와 같이, 열 파이프(10)는 약간 경사지게 (16) 및 (18)을 가로질러 길게 뻗어나가고, 이 경사는 고온 측(16)으로부터 냉각 측(18)을 향하여 올라간다. 열파이프(10)가 상기와 같이 경사진 목적은 작업 유체(20)(통상 물이지만, 이것은 또한 메탄올, 암모니아, 또는그 유사물일 수 있다)가 열교환기(12)의 고온 측(16)에서 자연적으로 고이거나 또는 집적되도록 하는 것이다. 결과적으로, 열교환기(12)가 작동되지 않아야만 하는 경우(수리, 유지 또는 조립되는 경우 등), 고온 측(16)에 집적된 작업 유체(20)는 냉동 온도에 노출되어 냉동된다.
이와 같은 냉동으로서 열파이프의 손상을 방지하기 위하여, 유연성 삽입체(22)를 열파이프(10)의 고온 측(16)에 위치시킨다. 이 삽입체(22)는 열파이프(10)내의 중심에 이상적으로 위치하고, 나타낸 바와 같이 경사진 열파이프(10)내에 집적되는 작업 유체(20)의 적셔진 길이에 따라 뻗어나간다. 삽입체(22)는 또한 나타낸 바와 같이 작업 유체(20)의 움직이지 않는 수위(24) 또는 약간 위로 내미는 것이 바람직하다.
제2도는 열파이프(10)내에 중심 위치의 삽입체(22)를 나타낸다. 또한 상기 도면은 삽입체가 모래시계형을 갖는 호일 필로우 등의 박판 튜브인 것을 나타낸다. 또한 삽입체(22)는 모든 측면과 끝이 완전하게 밀봉된다. 삽입체(22)의 다른 가능한 구조를 제3도에 나타내었다. 물론, 삽입체(22)를 원하는 어떠한 모양으로 할 수 있고, 여기에 서술된 이들 모양만으로 제한될 필요는 없다. 삽입체(22)의 중요한 특징은 그것이 밀봉되고, 박판으로 되어 있으며, 불침투성이고, 쉽게 변형되는 재료인 금속 호일 또는 그 유사물 등으로 이루어져야 한다는 것이다.
삽입체의 구조가 어떻든지 간에, 삽입체(22)는 일반적으로 작업 유체(20)와 동일한 소량의 액체(26)로 채워진다. 압축 불활성 가스(28)로 삽입체(22)의 나머지 더 큰 부피를 채우고 그로 인하여 삽입체(22)를 열파이프(10)의 나머지 부분보다 더 많이 압축한다(양압차가 삽입부(2)에 걸쳐 존재한다). 즉, 삽입체(22)의 내부 압력은 작업 유체(20)가 냉동되지 않는 경우에 삽입체 위에 작용하는 외력보다 크다. 그러나, 작업 유체(20)가 냉동되는 경우, 상기 유체(20)가 팽창할 것이고 그로 인하여 삽입체(22)의 내부 압력보다 큰 냉동 압력을 일으킨다. 결과적으로, 작업유체(20)의 냉동/팽창 압력이 열파이프의 파열을 일으키는 것보다 오히려 삽입체(22)의 압축으로 쉽게 조절된다.
작업 유체(20)가 냉동되지 않는 경우 삽입체(22)내에 이러한 양압의 목적은 삽입체(22)에 작용하는 냉동 압력이 더 이상 존재하지 않거나 감소되지 않으면 본래 모양으로 '갑자기 돌아올 것이다(spring back)'라는 것이다. 삽입체(22)과 초과 압력되지 않았을 경우, 삽입체(22)는 대부분 일차 냉동 사이클 후 삽입체의 변형 상태와 유사하게 보존되고, 따라서 계속되는 냉동 사이클을 위해 요구되는 필요 보호(또는 탄력성)을 제공하지 못한다.
삽입체(22)의 단면은 작업 유체(20)의 냉동 및 팽창동안 삽입체에 미치는 외부 냉동 압력하에 삽입체(220의 유연성을 허락하는 모양으로 된다. 이러한 모양은 결점 또는 파열없이 소조성 및/또는 탄성 변형 또는 유연함을 허용하는 구조로 된다. 결과적으로, 삽입체(22)는 작업 유체(20)의 냉동(팽창)동안 휘어지고 압축되며 그 결과 외부 열파이프(100는 이러한 힘에 좌우되지 않을 것이고, 따라서 상기 외부 열파이프에 영향을 미치지 못할 것이다. 대안으로, 삽입체(10)는 어떤 남아있는 압력이 외부 열파이프(10)에 손상을 일으킬만큼 충분하지 않도록, 생성된 냉동 압력의 충분한 양을 흡수할 것이다. 삽입체(22)를 영향을 미치는 어떤 외부 얼음 압력과 조화를 이루도록 하기 위하여 모래시계 구조의 삽입체는 '허리' 단면에서 수축되도록 설계한다. 또한 이러한 모래시계 모양은 제3a도에 나타난 바와 같은 타원형 삽입체의 일차 냉동 사이클 후에 소조성 변형으로부터 기인될 수 있다.
상기한 바와 같이, 삽입체(22)는 작업 유체(20)내에 담겨지도록, 고온 단부(16)의 열파이프(10)내에서만 길게 뻗어나갈 것이다. 이것은 냉동 보호는 단지 작업 유체(20)가 집적되는 곳에서 요구되기 때문에, 삽입체(22)를 열파이프(10)의 전체 길이를 따라 길게 뻗어나가기 위한 어떠한 목적도 제공되지 않는다. 어떤 작업 유체(20)의 냉동동안, 이러한 작업 유체(20)의 팽창은 삽입부(22)를 압축시키게 된다. 이것은 열파이프(20)의 벽면에 대한 어떠한 냉동 압력의 증가를 방지하고, 그로 인하여 작업 유체(20)의 냉각에 기인하는 상기 열파이프(10) 파열의 어떤 가능성도 제거한다. 대신에, 이러한 냉동 압력은 삽입체(22)와 조화를 이룰 것이다. 그러나, 작업 유체(20)가 일단 해동하면, 삽입체(22)의 초과압력은 다음의 냉동 압력 습격에 대비하여 삽입체(22)를 본래의 모양으로 되돌린다.
제3a도 내지 제3c도에는 삽입체(22)의 추가적인 구조(제3a도는 타원형, 제3b도는 십자형 및 제3c도는 물방울형)가 기재되어 있지만, 또한 다른 유사한 구조가 있을 수 있다. 모든 모양의 삽입체(22)의 중요한 특징은 다음과 같다.
(a) 호일 필로우 또는 그 유사한 것 등의 밀봉되고, 불투과성이며, 유연하고, 박판 재료로 된 삽입체의 구조, (b) 작업 유체(20)의 냉동되지 않은 상태에서 작업 유체(20)의 압력(즉, 열파이프(10)의 내부재)에 관한 삽입체의 초과압력, (c) 작업 유체(20)가 냉동되는 경우, 휘어지고 탄성되는 삽입체(22)의 능력, 그 위에 냉동의 증후가 더 이상 존재하지 않으면 삽입체 본래 모양으로 돌아오는 삽입체의 능력, (d) 삽입체(22)내에 소량의 액체(26)를 포함하면서 삽입체(22)의 나머지 부분의 압축 불활성 기체의 포함 및 (e) 열파이프(10)의 고온 측(16)의 작업 유체(20)영역 내에서만 삽입체(22) 길게 뻗어나감.
이와 같은 삽입체(22)는 열파이프의 길이를 따라 삽입체(22)를 지지하는 고리 또는 지지체(도시하지 않음)의 사용에 의해 통상 열파이프(10)내에서 중심 위치에 보유된다. 바람직하게, 이러한 고리 또는 지지체는 연속되지 않고 대신에 열파이프(10) 내에 작업 유체(20)의 흐름 또는 이동에 간섭받지 않도록 삽입체(22)의 길이를 따라 불연속적으로 또는 간격을 두고 배치된다. 삽입체(22)의 실제 구조는 얇은 탄소강 또는 스테인레스 스틸일 수 있으나, 다른 물질도 냉동 압력의 반복된 적용(반복되는 변형)을 충분히 지탱하고, 이들이 작업 유체(20) 또는 열파이프(10)와 반응하지 않는 강하고 유연한 것이라면 사용될 수 있다.
상기에는 열파이프 열교환기(12)에 관한 것이 기재되어 있으나, 삽입체(22)가 냉동 온도에 노출되는 경우 냉동 및/또는 파열될 수 있는 어떤 액체를 함유하는 파이프 또는 도관에도 동등하게 적용되는 것이 쉽게 이해될 수 있다.
따라서, 본 발명은 열파이프 열교환기내 작업 유체의 냉동의 결과로 인한 열파이프의 손상을 방지하고, 열교환기의 운송 및 건설, 전원의 정전(열교환기가 수리 또는 보수되는 경우와 같은 조작이 일어나는 경우)동안조차, 냉동 보호가 항상 유용하도록 전원 또는 외부 연결의 필요성 없이 냉동 보호를 제공하고, 또 열파이프에서 일어나는 열교환의 작동에 방해가 없이 냉동 보호를 제공하고, 본 발명은 시간을 경과하여도 그것의 보호 성능이 감소되지 않아 파열되지 않도록 냉동에 대한 보호를 제공한다.

Claims (24)

  1. 작업 유체를 함유하는 길다란 파아프의 냉동 보호를 위하여, 냉동되지 않은 상태의 작업 유체에서는 작업 유체의 내부 압력보다 더 큰 내부 압력을 갖고, 작업유체의 냉동시에는 압축되고 그로 인하여 파이프의 초과압력 없이 파이프내에서 작업 유체의 팽창과 조화되며, 작업 유체에 의해 생성된 냉동력이 감소하는 경우에는 부피가 팽창되는 것인, 파이프의 작업 유체내에서 길게 뻗어나가고 액체/가스 혼합물을 함유하는 길다랗고 밀봉되어 있으며 박판으로 된 유연성 삽입체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 삽입체 내의 액체/가스 혼합물의 액체 부분은 작업유체와 동일하고, 상기 삽입체내의 가스 부분은 불활성 기체인 삽입체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 삽입체는 일반적으로 파이프 내의 중심에 위치하고, 파이프의 작업 유체의 수위에서 또는 약간 위에서 한계를 이루는 삽입체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 삽입체의 길이 방향축은 일반적으로 상기 파이프의 길이 방향축과 평행한 삽입체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 삽입체의 길이 방향축은 파이프의 길이 방향축과 동축인 삽입체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 삽입체는 금속 호일로 구성된 삽입체.
  7. 제4항에 있어서, 상기 작업 유체는 물인 삽입체.
  8. (a) 작업 유체를 함유하고, 초기 압력에서 존재하는 길다랗고 밀폐된 열파이프; 및 (b) 상기 초기 압력보다는 더 높은 압력으로 있고, 작업 유체의 냉동시에는 압축되고 그로 인하여 파이프의 초과압력 없이 파이프내에서 작업 유체의 팽창과 조화되며, 작업 유체의 해동시에는 일반적으로 본래의 모양으로 되돌아가는 것인 상기 작업 유체 내에서 길게 뻗어나가고 액체/가스 혼합물을 함유하는 길다랗고 밀봉되어 있으며 박판으로 된 유연성 삽입체로 이루어진 냉동 보호된 열파이프.
  9. 제8항에 있어서, 상기 삽입체 내의 액체는 작업 유체와 동일하고 상기 삽입체 내의 가스는 불활성 기체인 열파이프.
  10. 제9항에 있어서, 상기 삽입체는 일반적으로 파이프 내의 중심에 위치하고 열파이프의 작업 유체의 수위에서 또는 약간 위에서 한계를 이루는 열파이프.
  11. 제10항에 있어서, 상기 삽입체의 길이 방향 축은 일반적으로 파이프의 길이 방향 축과 평행한 파이프.
  12. 제11항에 있어서, 상기 삽입체의 길이 방향축은 파이프의 길이 방향축과 동축인 열파이프.
  13. 제11항에 있어서, 상기 삽입체는 금속 호일로 구성된 열파이프.
  14. 제11항에 있어서, 상기 작업 유체는 물인 파이프.
  15. (a) 열교환기의 하부 고온측으로부터 상부 냉각측으로 길게 뻗어 나가고, 초기 압력에서 상기 고온 측에서 작업 유체를 함유하는 경사진 길다란 복수개의 열파이프; 및 (b) 상기 초기 압력보다 더 큰 압력의 가스와 액체를 함유하고, 작업 유체의 냉동시에는 압축되고 그로 인하여 파이프의 초과압력없이 파이프 내에서 작업 유체의 팽창과 조화되며, 작업 유체의 해동시에는 일반적으로 본래의 모양으로 되돌아가는 것인, 상기 열파이프의 고온측 유체 내에 담그어져 있는 길다랗고 밀봉되어 있으며 얇은 벽으로 구서된 유연성 삽입체로 이루어진 냉장 보호된 열파이프 열교환기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 삽입체 내의 유체는 작업 유체와 동일하고 상기 삽입체 내의 가스는 불활성 가스인 열파이프 열교환기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 삽입체는 일반적으로 열파이프 내의 중심에 위치하고 상기 경사진 열파이프의 작업 유체의 수위에서 또는 약간 위로 한계를 이루는 열파이프 열교환기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 삽입체의 길이 방향축은 일반적으로 파이프의 길이 방향축에 평행한 열파이프 열교환기.
  19. 제19항에 있어서, 상기 삽입체의 길이 방향축은 파이프의 길이 방향축과 동축인 열파이프 열교환기.
  20. 제18항에 있어서, 상기 삽입체는 금속 호일로 구성된 열파이프 열교환기.
  21. 제18항에 있어서, 상기 작업 유체는 물인 열파이프 열교환기.
  22. 제4항에 있어서, 상기 작업 유체는 메탄올 또는 암모니아인 삽입체.
  23. 제11항에 있어서, 상기 작업 유체는 메탄올 또는 암모니아인 열파이프.
  24. 제18항에 있어서, 상기 작업 유체는 메탄올 또는 암모니아인 열교환기.
KR1019960073566A 1996-01-16 1996-12-27 열 파이프 냉동 보호용 유연성 삽입체 KR100218829B1 (ko)

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