KR100494185B1 - 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학공정에서 요구하는 기본 조건인 내압성, 내식성 및 열전도도가 우수할 뿐만 아니라, 성능대비 가격이 저렴한 실리콘 카바이드를 튜브로 제조하여 열교환을 수행함으로써 최적의 반응물 또는 추출물을 얻을 수 있고, 또한 쉘의 양측 커버 공간을 소정부분으로 구획하되, 상기 다수의 구획공간을 통해 열(냉)매체가 튜브 다발측으로 유,출입되도록 하여 쉘내부로 유입되는 반응물의 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기에 관한 것이다.

본 발명은, 상기 반응유체가 이동할 수 있는 내부공간을 가지되, 외주면 양측에 반응유체가 출입되기 위한 적어도 하나의 유입 노즐과 배출 노즐이 구비된 쉘; 상기 쉘의 양측단면에 구비되며, 대향하는 다수의 지지홀이 축방향으로 형성된 튜브시트; 상기 양측 튜브시트의 대향하는 다수의 지지홀에 각각 끼워져 지지되어 상기 쉘내에 흐르는 반응유체와 열교환을 수행하기 위한 열교환매체를 출입하며, 각각이 실리콘 카바이드 재질로 이루어진 튜브다발; 상기 튜브시트 외부의 쉘 양단부에 설치되며, 내부공간을 확보할 수 있도록 돔형상으로 형성된 쉘 커버; 및 상기 쉘커버의 내부공간을 소정공간으로 구획하여 열교환매체의 공급량 및 흐름방향을 제어하는 열교환매체 분배수단을 포함하는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기를 제공한다.

Description

실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기{A heat exchanger of shell - tube type having silicon carbide tube}

본 발명은 화학공정 플랜트등에 사용되는 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기의 주요 성능을 나타내는 기존의 튜브에 비해 내압성, 내식성 및 열전도도등과 같은 기계적 성질이 우수할 뿐만 아니라, 가격이 저렴한 실리콘 카바이드 재질의 튜브가 채용된 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환장치는 그 내부에서 작동유체의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 교환하는 장치로서, 산업현장에서의 폐열 회수, 자동차 및 중장비의 엔진 냉각, 에어컨, 냉장고 또는 난방을 위한 히터, 동력발생, 냉동, 공기정화, 식품제조공정, 화학공정, 기름정제 및 운송수단 등에 다양하게 사용된다. 또한, 열교환 유체로는 기체 또는 액체를 사용하는 것이 일반적이며, 고체와 유체를 함께 사용하는 특수한 경우도 있다.

상기와 같이 다양한 산업분야에 사용되고 있는 열교환기 구조중에서 가장 일반적인 구조는 쉘 - 튜브 열교환기이다. 이러한, 쉘 - 튜브 열교환기는 출구 헤드와 유체의 유동을 소통시키는 입구헤드를 갖는 튜브 다발로 구성되며, 상기 튜브 다발은 쉘에 둘러싸여져 있다. 상기 쉘은 공정을 수행하는 반응유체가 튜브 외부표면과 접촉하면서 흐르게 하고, 상기 튜브 다발 내에 흐르는 다른 열(냉)매체와 열교환하도록 한다.

상기 쉘 및 튜브 열교환기는 응축, 냉각, 기화, 증발 및 두가지 상이한 유체간의 단순한 열교환에 사용되고 있는데, 각종 화학공정을 수행하는 공정유체에 따라 튜브 다발에 부식, 침식, 스케일링 및 막힘등과 같은 심각한 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 화학공정에서의 열교환기는 열매체가 이동하는 튜브의 구조에 의해 그 효율이 크게 좌우하기 때문에, 최근에는 이에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

열교환기에서의 튜브재질로는 열전도도가 양호한 알루미늄, 구리 등의 금속관이 주로 사용되고 있다. 열교환을 하기 위해서는 열전도도 및 열전달계수가 높아야 하는데 주로 열전도도가 상온에서 100 W/mㆍK 이상인 금속을 사용한다.

상기와 같이 다양한 산업분야에 사용되고 있는 열교환기중에서, 석유정제공정과 같은 화학공정에 있어서, 부식성이 있는 공정에는 내식성, 내압성이 요구되는 열교환기를 사용하고 있으며, 여기에 설치되는 튜브로는 글라스 튜브(Glass tube), 글라스 라인 튜브(Glass-lined tube), 티타늄 튜브(Titanium tube), 탄타리움 튜브(Tantalium tube), 스테인레스 튜브(Stainless tube), 카본 그라파이트 튜브(Carbon graphite tube)등이 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 튜브들은 화학공정에서 요구하고 있는 내압성, 내식성 및 열전도도가 우수해야 하는 조건을 적어도 하나 이상 충족시키지 못하고 있다. 즉, 상기 글라스 튜브의 경우는 내식성이 우수한 반면에 내압성과 열전도도가 낮으며, 글라스 라인 튜브는 내식성 및 내압성이 높은 반면에, 열전도도가 낮으며, 티타늄 튜브의 경우는 내압성이 높은 반면에 내식성과 열전도도는 보통수준이다. 그리고, 상기에서 제시된 튜브재질들은 제조가격이 비싼 문제점이 있을 뿐만 아니라, 상기 요구조건에 충족하지 못하므로, 반응물의 반응과 결과물의 추출에 있어서도 그 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 화학공정에서 요구하는 기본 조건인 내압성, 내식성 및 열전도도가 우수할 뿐만 아니라, 성능대비 가격이 저렴한 실리콘 카바이드를 튜브로 제조하여 열교환을 수행함으로써 최적의 반응물 또는 추출물을 얻을 수 있는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 쉘의 양측 커버 공간을 등간격으로 구획하여 상기 다수의 구획공간을 통해 열(냉)매체가 튜브 다발측으로 유,출입되도록 하되, 열매체의 유량 및 유속을 균일하게 하여 쉘 내부로 유입되는 반응물의 열교환 효율을 극대화시킬 수 있는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반응유체가 이동할 수 있는 내부공간을 가지되, 외주면 양측에 반응유체가 출입되기 위한 적어도 하나의 유입 노즐과 배출 노즐이 구비된 쉘; 상기 쉘의 양측단면에 구비되며, 대향하는 다수의 지지홀이 축방향으로 형성된 튜브시트;상기 양측 튜브시트의 대향하는 다수의 지지홀에 각각 끼워져 상기 쉘내에 흐르는 반응유체와 열교환을 수행하기 위한 열교환매체를 출입하며, 각각이 실리콘 카바이드 재질로 이루어진 튜브다발; 상기 튜브시트 외부의 쉘 양단부에 설치되며, 내부공간을 확보할 수 있도록 돔형상으로 형성된 쉘 커버; 상기 쉘 커버의 유입구측 및 배출구측 각각의 내면과 튜브시트에 걸쳐 설치되어 내부공간을 소정 공간으로 분할한 분할판으로 이루어지되, 상기 열교환매체의 유입구측의 쉘커버의 내부 공간을 구획하는 분할판은 "역Y"자 형상으로 배열되며, 출구측 내부공간을 구획하는 분할판은 "Y"자 형상으로 배열되어 열교환매체의 공급량 및 흐름방향을 균일하게 제어하는 열교환매체 분배수단; 및상기 튜브 다발을 끼워 지지하기 위한 다공판으로 이루어지며, 반응유체와 튜브와의 접촉시간을 증가시키기 위하여, 상기 쉘의 내부공간에 지그재그로 설치된 배플을 포함하는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기를 제공한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 쉘과 실리콘 카바이드 재질로 이루어진 튜브다발로 구성된 열교환기의 전체 구성을 나타낸 정단면도이고, 도2는 도1의 A-A선단면도로서 쉘내부에 튜브다발이 장착된 구조를 보여주고 있다. 또한, 도3은 도1의 "B"부분의 상세도로서, 튜브시트에 튜브가 연결된 상태를 보여주고 있다.

본 발명의 실시예에서는 도면에 도시된 바와 같이, 상기 반응유체가 이동할 수 있는 내부공간을 가지되, 외주면 양측에 반응유체가 출입되기 위한 적어도 하나의 유입노즐(1a) 및 배출노즐(1b)과 반응유체의 기화열을 응축시켜 회수하기 위한 응축기 연결노즐(1c)이 구비된 쉘(1)과; 상기 쉘(1)의 양측단면에 구비되며, 대향하는 다수의 지지홀(2a)이 축방향으로 형성된 디스크 형태의 튜브시트(2)와; 상기 양측 튜브시트(2)의 대향하는 다수의 지지홀(2a)에 각각 끼워져 지지되어 상기 쉘(1)내에 흐르는 반응유체와 열교환을 수행하기 위한 열교환매체가 출입하기 위한 경로를 제공하는 U자 형태의 튜브(3a) 묶음으로 이루어진 튜브 다발(3)과; 상기 튜브 다발(3)을 끼워 지지하기 위한 다공판으로 이루어지며, 반응유체와 튜브와의 접촉면적을 증가시키기 위하여 상기 쉘(1)의 내부공간에 소정간격으로 지그재그되게 설치된 배플(baffle)(4)과; 상기 배플(4)이 유동되지 않도록 그의 단부를 튜브다발(3)에 파지하는 홀더(5)와; 상기 튜브시트(2) 외부의 쉘(1) 양단부에 설치되며, 내부공간을 확보할 수 있도록 돔형상으로 형성된 쉘 커버(6)와; 상기 일측 쉘 커버(6)의 외면에 돌출되게 구비되며, 그의 내부공간과 연통하는 열(냉)매체 유입구(7)와; 상기 타측 쉘 커버(6)의 외면에 돌출되게 구비되며, 그의 내부공간과 연통하는 열(냉)매체 배출구(8); 및 상기 일측 쉘커버(6)의 내부공간을 소정공간으로 구획하여 열교환매체의 공급량 및 흐름방향을 제어하는 열교환매체 분배판(9)으로 구성된다.

미설명부호 10은 쉘(1)간을 연결하기 위한 채널 플랜지이며, 11는 지지대를 나타낸다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 튜브시트(2)는 그의 각 지지홀(2a)에서 내측을 향하여 소정 길이만큼 길게 돌출되고, 내면에 암나사산이 형성된 슬리브(12)와; 상기 슬리브(12)의 암나사와 체결되도록 외주면에 수나사산이 형성되며, 내부에 튜브(3a)를 끼워 고정하기 위한 튜브고정체(13)와; 상기 슬리브(12)와 튜브고정체(13) 사이의 기밀을 유지하기 위한 가스켓(14)을 구비한다.

여기서, 상기 쉘(1)은 글라스, 글라스 라인 스틸 및 스테인레스 스틸중 어느 하나의 재질로 이루어진다. 또한, 상기 쉘(1)의 반응유체 유입노즐(1a)은 정면으로 돌출되게 위치되고, 상기 배출노즐(1b)은 하부측으로 향하여 돌출되며, 응축기 연결노즐(1c)은 상부측을 향하여 돌출된다. 상기 배출노즐(1b)과 응축기 연결노즐(1c)은 수직축선상에 위치됨으로써, 상기 쉘(1)내의 반응유체가 기화되는 것을 응축기(도시하지 않음)를 통해 응축시켜 쉘(1)내부로 자중에 의해 회수될 수 있도록 되어 있다.

상기 튜브 다발(3)을 이루는 재질은 기존의 글라스, 글라스 라인(Glass-lined), 티타늄(Titanium), 탄타리움(Tantalium), 스테인레스(Stainless), 카본 그라파이트(Carbon graphite)등과 같은 재질들이 충족하지 못하는 적어도 하나의 물성인 내압성, 내식성 및 열전도도를 모두 우수하게 충족할 수 있고, 성능대비 가격이 매우 저렴한 실리콘 카바이드(SiC) 재질로 이루어진 구조로 되어 있다. 이러한 재질 특성에 의하여 본 발명에서는 반응유체의 양호한 추출결과물을 얻을 수 있는 것이다.

상기 디스크 형태의 튜브 시트(2)는 쉘(1)의 양단부에 설치되어 유입 튜브시트(2')와 배출 튜브시트(2'')를 구성하는데, 이때 상기 유입 튜브시트(2')와 배출 튜브시트(2'')의 각 대향하는 지지홀(2a)은 서로 일치하는 축선상에 위치한다. 따라서, 튜브다발(3)의 각 튜브(3a)가 유입 튜브시트(2')의 지지홀을 통하여 배출 튜브시트(2'')의 지지홀을 관통할 수 있게 되는 것이다.

마찬가지로, 상기 배플(4)도 유입 및 배출 튜브시트(2', 2'')의 지지홀(2a)과 동일선상에 홀들을 형성함으로써 튜브를 지지할 수 있는 것이며, 상기 쉘(1) 내부공간에서 재그재그로 설치된 상기 배플(4)에 의해 반응유체의 흐름방향을 지그재그로 유도함으로써 반응유체가 좀더 오랜 시간동안 튜브들과 열교환될 수 있도록 한다.

특히, 상기 열교환매체의 공급량과 흐름방향을 제어하여 열교환효율을 향상시키기 위해 설치된 분배판(9)은 도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 열교환매체의 유입구측의 쉘커버(6)의 내부 공간을 "역Y"자 형상으로 3등분으로 구획하고, 출구측 내부공간은 "Y"자 형상으로 3등분하여 기존의 단층 분배판보다 효율적인 분배구조를 가질 수 있도록 하였다. 즉, 상기 유입구측 분배판은 쉘 커버(6)의 중심점에서 상측을 향하여 수직으로 설치된 제1 분할판(21)과, 상기 제1 분할판(21)의 중심 단부에서 양측으로 소정각도만큼 분기되게 연장하여 120°의 분할공간으로 구획하는 제2 및 제3 분할판(22, 23)으로 구성된다.

또한, 상기 출구측 분배판은 쉘 커버(6)의 중심점에서 하측을 향하여 수직으로 설치된 제4 분할판(24)과, 상기 제4 분할판(24)의 중심 단부에서 양측으로 소정각도만큼 분기되게 연장하여 120°의 분할공간으로 구획하는 제5 및 제6 분할판(25, 26)으로 구성된다.

이들 제1 내지 제6 분할판(21 내지 26)은 튜브시트(2)와 쉘커버(6)에 각각 용접 또는 주조에 의해 설치된다.

따라서, 상기 쉘 커버(6)는 입구측과 출구측에 각각 3개로 분할된 제1 내지 제3 챔버(31 내지 36)를 갖게 되며, 이들 3개의 챔버(31 내지 36)는 양측 튜브시트(2)에 3개의 구역별로 제1 내지 제3 튜브통로(41, 42, 43)를 형성하게 된다. 이때, 상기 쉘커버(6)의 유입구측의 3개의 챔버(31, 32, 33)중 어느 하나에는 열(냉)매체 유입구(7)와 연통되어 있다.또한, 반대 쉘커버(6')의 출구측 3개의 제4 내지 제6 챔버(34, 35, 36)중 하나에는 열교환이 수행된 열(냉)매체를 축적하여 배출시키기 위한 열(냉)매체 배출구(8)가 연통되어 있다.

본 실시예에서는 열(냉)매체 유입구(7)가 제1 챔버(31)에 연통되고, 열(냉)매체 출구(8)가 제6 챔버(36)에 연통된 구조를 보여주고 있다.

또한, 본 실시예에서의 상기 분할판 구조가 "Y"자 형상으로 등간격 분할된 구조를 보여주고 있으나, 이밖에, 분배효율에 따라 4개, 6개, 8개 등으로 분할할 수 있음은 주지의 사실이다.

상기와 같이 본 발명은 쉘커버(6)의 유입구 및 출구의 공간을 3개의 분할 공간으로 구획하되, 상호 반대형상으로 배열함으로써 열(냉)매체는 쉘(1) 전체의 길이를 통하여 3번을 왕복 이동하게 되고, 이에 따라 열교환 능력이 향상될 수 있는 것이다.특히, 본 발명은 열매체 유입구(7)를 통해 유입된 열(냉)매체는 제1 챔버(31)로부터 횡방향으로 흐르다가 열매체 유출구(8)측의 "Y"자 분할판에 의해 구획된 제4 및 제5 챔버(34, 35)("역Y"자 분할판에 의해 구획된 제2 및 제3 챔버(32, 33)와의 공통영역을 거친 후, 제6 챔버(36)에 축적되었다가 배출되는 분배구조이다. 이러한 구조에 의해 본 발명은 유량과 속도가 균일한 상태로 흐르게 할 수 있으므로 일정한 열전달 효과를 가져오게 되는 것이며, 상기 분배구조는 열(냉)매체를 하부측(제1 챔버 영역)에서 상부측(제4 및 제5 챔버영역)으로 밀어내어 흐르도록 함으로써 튜브내에 에어가 차지 않아, 열교환능력을 향상시키게 된다. 상기와 같이 구성된 본 발명의 열교환기를 통한 유체의 흐름 및 그 작동을 도6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

삭제

먼저, 반응유체가 쉘(1)의 일측 정면에 형성된 유입노즐(1a)을 통하여 유입되면, 상기 반응유체는 배플(4)에 의해 지그재그의 흐름방향으로 흐르게 된다. 이때, 상기 쉘커버(6)의 일측 열(냉)매체 유입구(7)를 통해 기화될 또는 액화될 열교환매체가 유입되면, 먼저 상기 열교환매체는 제1 챔버(31)내에서 축적된 다음, 제1 튜브통로(41)로 구성되는 튜브시트(2)내에 포함된 일부 튜브(3a)들을 통해 이송된다.

상기 제1 튜브통로(41)의 튜브(3a)들을 통해 이송된 열교환매체는 U자형 튜브구조에 의해 반대편 쉘커버(6')의 튜브시트(2)를 경유하되, 출구측 쉘커버(6)의 제4 분할판(24)에 의해 양 공간으로 구획된 제4 및 제5 챔버(34, 35)(제2 및 제3 챔버(32, 33)과의 공통영역)내에 축적된 다음, 둥굴게 돌아서 제2 튜브통로(42)로 구성되는 튜브들을 통해 열(냉)매체 유입구측의 제2 및 제3 챔버(32, 33)로 되돌아간다. 그리고, U-턴된 상기 열(냉)매체는 제2 및 제3 챔버(32, 33)에 축적된 다음, 제3 튜브통로(43)를 거쳐 제6 챔버(36)에 축적되었다가 열(냉)매체 배출구(8)을 경유하여 외부로 빠져나가게 된다.

상기와 같이 반응유체는 쉘(1)내에서 배플(4)에 의해 지그재그로 흐르게 되고, 또한 열교환매체의 공급량은 쉘커버(6)의 유입구측 및 출구측에 각각 구획된 3개의 챔버들을 통해 조절할 수 있으며, 또 열교환 매체의 흐름을 3번에 걸쳐 왕복 이동되도록 할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 열교환매체를 이송시키는 튜브가 내압성, 내식성 및 열전도도가 기존의 튜브재질에 비해 우수한 실리콘 카바이드 재질로이루어지고, 또한 쉘커버의 내부공간을 소정 공간으로 분할하여 챔버를 구성함으로써, 이들 분할된 챔버영역에 의해 열(냉)매체의 이동구간을 분할된 챔버영역만큼 왕복 이동시킬수 있으므로, 쉘내의 반응유체와 열교환매체의 접촉 시간이 증가됨으로써, 열교환능력을 향상시킬 수가 있는 것이다.

도1 은 본 발명에 의한 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기의 전체 구성을 나타낸 부분 절개 정단면도.

도2 는 도1의 A-A선 단면도.

도3은 도1의 "B"부분의 상세도.

도4는 본 발명의 요부인 실리콘 카바이드 튜브가 배플에 지지된 상태로 열교환기 몸체내에 설치된 것을 나타낸 개략도.

도5는 본 발명의 요부인 분배판 및 쉘 커버의 구성을 나타낸 단면도.

도6a 및 도6b는 열(냉)매체의 분배상태를 나타낸 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 쉘 2: 튜브시트

3: 튜브다발 4: 배플(baffle)

5: 홀더 6: 쉘 커버

7: 열(냉)매체 유입구 8: 열(냉)매체 배출구

9: 열교환매체 분배판 10: 채널 플랜지

11: 지지대 12: 슬리브

13: 튜브고정체 14: 가스켓

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 반응유체가 이동할 수 있는 내부공간을 가지되, 외주면 양측에 반응유체가 출입되기 위한 적어도 하나의 유입 노즐과 배출 노즐이 구비된 쉘;

   상기 쉘의 양측단면에 구비되며, 대향하는 다수의 지지홀이 축방향으로 형성된 튜브시트;

   상기 양측 튜브시트의 대향하는 다수의 지지홀에 각각 끼워져 상기 쉘내에 흐르는 반응유체와 열교환을 수행하기 위한 열교환매체를 출입하며, 각각이 실리콘 카바이드 재질로 이루어진 튜브다발;

   상기 튜브시트 외부의 쉘 양단부에 설치되며, 내부공간을 확보할 수 있도록 돔형상으로 형성된 쉘 커버;

   상기 쉘 커버의 유입구측 및 배출구측 각각의 내면과 튜브시트에 걸쳐 설치되어 내부공간을 소정 공간으로 분할한 분할판으로 이루어지되, 상기 열교환매체의 유입구측의 쉘커버의 내부 공간을 구획하는 분할판은 "역Y"자 형상으로 배열되며, 출구측 내부공간을 구획하는 분할판은 "Y"자 형상으로 배열되어 열교환매체의 공급량 및 흐름방향을 균일하게 제어하는 열교환매체 분배수단; 및

   상기 튜브 다발을 끼워 지지하기 위한 다공판으로 이루어지며, 반응유체와 튜브와의 접촉시간을 증가시키기 위하여, 상기 쉘의 내부공간에 지그재그로 설치된 배플

   을 포함하는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 쉘이 글라스, 글라스 라인 스틸 및 스테인레스 스틸중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 튜브가 구비된 열교환기.