KR101645316B1

KR101645316B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101645316B1
Application number: KR1020147028933A
Authority: KR
Inventors: 셴안 장; 젠량 왕; 싱먀오 후; 리장 류; 쥔제 리
Original assignee: 전하이 페트로캐미칼 지아난 엔지니어링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2016-08-03
Also published as: CN102589324B; KR20140137436A; WO2013139172A1; CN102589324A; IN2014MN02072A; US20150198373A1; US9841240B2

Abstract

본 발명은 쉘, 코어 및 쉘 상에 설치된 쉘측 매질 입출구를 포함하고, 쉘은 또 통체와 볼록형 헤드를 포함하고 있다. 또한 통체와 볼록형 헤드 사이에 두 포트의 구경이 다른 이경관체가 더 설치되어 있으며, 상기 이경관체의 대구경 포트는 볼록형 헤드와 맞이음 고정되고, 상기 이경관체의 소구경 포트는 통체와 맞이음 고정되며, 또한 쉘측 매질 입출구는 볼록형 헤드 상에 설치된 열교환기에 관한 것이다. 본 발명은 열교환기의 단부이 작업 인원을 수용할 수 있는 충분한 공간을 갖게 하여 양면 용접, 점검 및 추후 유지 보수를 위한 조건을 마련하여, 제조 원가를 줄이고 재료 선택 범위를 넓힐 수 있으며, 동시에 쉘측 매질의 유동에 완충 영역을 제공하여, 열교환이 더욱 균일하고, 충분하게 이뤄지게 한다. 또한 디플렉터 등 보조 장치를 설치하기도 편리하여, 열교환기의 열교환 효율을 향상시키고, 운전 비용을 줄일 수 있다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 구체적으로 고온고압의 수소 접촉 장치, 수소 첨가 분해와 수소 첨가 정제 장치, 개질 및 아렌 등의 석유 정제 및 화공 장치 등에 응용되는 쉘(shell)과 코어(core)가 분리되지 않는 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 일반적인 열교환 장치이며, 도 6에 도시한 바와 같이 코어(6')와 쉘을 포함하고 있으며, 쉘과 코어는 분리 가능하게 연결될 수도 있고, 필요에 따라 분리되지 않는 구조로 설계될 수도 있다. 분리 불가형 열교환기의 쉘 단부(端部)의 구조는 일반적으로 통체(筒體, 1')와 통체 양단에 위치하는 볼록형 헤드(구형 헤드 또는 타원형 헤드)(2')를 포함하며, 또한 상기 볼록형 헤드의 큰 포트(端口)의 직경은 통체 개구부 직경과 동일한 구조로 설계된다. 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 볼록형 헤드의 작은 포트에 코어(6')의 단부을 지지하는 튜브 플레이트(5')가 설치되어 있고, 튜브 플레이트의 외측에는 튜브 박스(7')가 튜브측 출입구(8')로서 용접된다. 단부의 구조가 이러한 열교환기도 열교환 기능을 실현할 수 있으나, 다음과 같은 단점이 있다. (1) 볼록형(凸형) 헤드의 작은 포트에 튜브 플레이트가 장착되어야 하므로, 작은 포트의 구경(口徑)이 너무 작아서는 안 된다. 즉, 볼록형 헤드의 작은 포트의 구경은 큰 포트의 구경과 거의 비슷해야 하므로, 상기 볼록형 헤드의 축방향 사이즈(L)가 너무 클 수 없다. 이 경우, 쉘측 매질 입출구(3')는 통체(1') 상에 설치될 수밖에 없으며, 이로 인해 쉘측 매질이 쉘에 유입될 때 볼록형 헤드에서 데드 존(dead area)이 쉽게 형성되고, 다른 한편으론 쉘의 유효 열교한 영역 내에서 쉘측 매질의 편류, 및 유동 저항 불균형, 유속 불일치 현상이 쉽게 발생한다. 결과적으로 열교환의 불균형, 열교환기의 효율 저하, 압력 강하 증대를 직접적으로 초래한다. 따라서, 후속 공정에서 유체 온도에 대한 요구를 만족시키기 위하여, 일반적으로 열교환기의 하류에 가열로 등 보조장치를 증설하여, 유체의 온도를 향상시킨다. 분명한 것은, 이러한 열교환기를 사용하면 전체 시스템이 방대해지고, 또한 초기의 투자 비용과 운전 비용을 향상시킨다. (2) 열교환기의 단부 공간이 제한적이며, 또한 단부 공간 내에 디플렉터(flow guide plates), 배플링(check rings) 등 보조 장치를 증설할 수 없으므로, 다시 말해 쉘 측 매질의 유동 형태를 개선할 수 없으므로, 열교환기의 열교환 효율을 효과적으로 향상시킬 수 없다. (3) 특히, 단부의 구조가 이러한 열교환기를 사용하면 쉘의 포트에는 작업 인원을 수용할 충분한 공간이 없으므로, 통체와 볼록형 헤드는 일면 용접으로 용접될 수 밖에 없으며, 이는 열교환기의 재료 선택에 영향을 준다. 예를 들면, 쉘이 복합 강판 재료, 오버레이 용접 구조이거나 또는 쉘의 재료가 일면 용접에 부적합한 크롬몰리브덴강(chrome-molybdenum steel) 등의 경우, 이러한 종래의 구조는 열교환기를 제조할 수 없게 하여, 열교환기의 설계, 개발 및 확장 응용에 심각한 영향을 미치게 된다. (4) 용접 후, 검사 인원이 쉘 단부에 들어가 점검 및 비파괴 검사를 진행할 수도 없다. 용접 후, 용접 부위에 대해 열처리가 필요할 경우, 외측 가열 모드를 사용할 수밖에 없고, 또한 스테인리스강 코어의 열처리 과정에서의 예민화에 대해 보호조치를 취하기 어렵다. 마찬가지로, 추후 설비를 유지 보수할 때에도, 쉘 내에 진입하여 작업을 진행할 수 없으므로, 추후 유지보수가 매우 불편하다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 작업, 유지보수가 쉽고, 쉘측 매질 유동 상태를 개선하고 열교환기에 사용되는 재료 범위를 넓힐 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.

상기 기술 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열교환기는 쉘, 쉘 내에 위치하고 양단이 튜브 플레이트에 의해 지지되는 코어, 및 쉘 상에 설치된 쉘측 매질 입출구를 포함하고 있으며, 쉘은 또한 통체 및 통체 양단에 위치한 볼록형 헤드를 포함하고 있으며, 상기 통체와 볼록형 헤드 사이에 두 포트의 구경이 다른 이경관체(異徑管體)가 더 설치되어 있다. 상기 이경관체의 대구경 포트는 상기 볼록형 헤드와 맞이음 고정되고, 상기 이경관체의 소구경 포트는 상기 통체와 맞이음 고정되고, 상기 쉘측 매질 입출구는 상기 볼록형 헤드 상에 설치되어 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 이경관체는 환형 본체를 포함하고, 상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 축방향을 따라 서로 반대로 연신되어 상기 소구경 포트와 대구경 포트를 형성하고, 상기 환형 본체의 두께는 상기 이경관체의 두 포트의 두께보다 크다. 이렇게 하면, 환형체의 내경과 외경을 합리적으로 설계할 수 있어, 필요한 소구경 포트와 대구경 포트를 얻을 수 있으며, 가공이 편리하고, 동시에 상기 환형 본체는 또한 작업 인원이 서서 작업할 수 있는 플랫폼을 제공한다.

상기 바람직한 실시예에서는, 고압 동작 조건에 적용하도록, 상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리에 각각 직각 에지를 형성하여, 내부 가장자리, 외부 가장자리가 비교적 좋은 강도를 갖게 할 수 있다. 물론, 저압 동작 조건에 적용되고, 강도를 만족시킴과 동시에 쉘측 매질이 순조롭게 유동되도록, 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리를 각각 원활한 전이 구조로 설계할 수 있다.

통체의 직경이 비교적 작을 경우, 본 발명의 다른 바람직한 실시예로서, 상기 이경관체는 튜브체와 구관체(球冠體)가 연결되어 이루어질 수도 있으며, 튜브체와 구관체의 연결 부위의 두께를 상기 이경관체의 두 포트의 두께보다 크게 하여, 직경이 비교적 작은 통체도 마찬가지로 압력이 비교적 높은 동작 조건에 적용될 수 있게 한다.

상기 다른 바람직한 실시예에서, 상기 구관체 내에는 상기 튜브체에 근접하고 코어를 둘러싸는 보조 플랫폼이 더 설치될 수 있으며, 상기 보조 플랫폼을 통해, 편리하게 작업할 수 있을 뿐만 아니라, 구관체 바닥부에 열교환 데드 존이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

상기 각 실시예에서, 상기 이경관체의 대구경 포트의 외주면을 상기 볼록형 헤드 외주면과 매끄럽게 맞물리는 호형면으로 설계하여, 쉘측 매질의 유동이 더욱 순조롭게 할 수 있는 것이 바람직하다.

종래 기술과 비교하면, 본 발명은 이경관체를 교묘하게 증설하였으므로, 볼록형 헤드의 큰 포트의 구경을 필요에 따라 증가시킬 수 있어, 동등한 조건에서 상기 볼록형 헤드의 축방향 사이즈를 크게 할 수 있다. 이렇게 하면, 열교환기 쉘의 단부 공간을 확장할 수 있어, 열교환기의 단부가 작업 인원, 검사 인원을 수용할 수 있는 충분한 공간을 갖게 되어, 내부에서 용접, 점검 등 작업을 할 수 있다. 이러한 개선은 양면 용접의 조건을 마련하여, 쉘이 복합 강판 또는 오버레이 용접 구조를 이용할 수 있게 되었고, 쉘 재료로서 일면 용접에 적합하지 않은 크롬몰리브덴강 등을 사용할 수 있게 되었다. 즉, 열교환기의 쉘 재료 선택 범위가 더욱 확대되고, 장치의 설계 및 제조가 더욱 신뢰성이 있게 되어, 열교환기의 응용 영역을 크게 넓힐 수 있다. 동시에, 개선 후의 단부은 비교적 큰 공간과 축방향 거리를 가지므로, 쉘측 매질 입출구를 볼록형 헤드 상에 설치할 수 있다. 이렇게 하면, 쉘측 매질의 유동에 완충 영역을 제공하여, 쉘측 매질의 유동을 더욱 순조롭게 하여, 쉘 단면을 따른 다중상 매질 분포, 및 압력장(pressure field)과 속도장(velocity field) 등을 더욱 균일하게 하고, 열교환기의 열전달 효율을 뚜렷이 향상시키고, 쉘측 매질의 압력 강하를 줄일 수 있다. 다른 한편으로, 필요에 따라 볼록형 헤드 내부에 배플판(baffles)과 배플링(check ring)을 설치하여 쉘측 매질의 입구에서의 충돌력을 감소시키고, 동시에 디플렉터, 분포링 등 보조 장치를 배치하여, 쉘 내부의 열교환 영역에서의 충분한 열교환을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면, 유체가 흘러나갈 때의 온도를 원하는 온도에 가까워지게 하여, 가열로 등 후속 가열 장치를 생략할 수 있어, 운전 비용을 줄일 수 있으므로, 종래의 고온-고압의 수소 접촉 장치(high-temperature high-pressure hydrogenation devices), 수소 첨가 분해와 수소 첨가 정체 장치(hydrocracking and hydrofining devices), 개질(reforming) 및 아렌(aromatic) 등 석유 정제 및 화공 장치에 보급 응용할 만한 가치가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 구조 개략도이다.
도 2는 도 1의 단부 구조를 나타낸 개략도이다(중심관이 제거됨)
도 3은 도 2의 이경관체(connector)를 나타낸 구조 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예의 구조 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 구조 개략도이다.
도 6은 종래의 열교환기를 나타낸 구조 개략도이다.

이하, 도면과 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 추가적으로 상세히 설명한다.

실시예 1

도 1~도 3에 도시한 바와 같이, 상기 열교환기는 쉘, 쉘 내에 위치하고 양단이 튜브 플레이트(5)(tube plate)에 의해 지지되는 코어(6)(core), 코어 중심에 위치한 중심관(9), 및 쉘 상에 설치된 쉘측 매질 입출구(3)를 포함하고 있으며, 쉘은 또한 통체(1), 및 통체(1) 양단에 위치한 볼록형 헤드(2)를 포함하고 있으며, 그 중 튜브 플레이트, 코어 및 중심관(9)은 모두 일반적인 구조이며, 상기 열교환기의 주요 개선점은 통체(1)와 볼록형 헤드 사이에 두 포트의 구경이 다른 이경관체(4)가 증설되어 있는 것이다.

본 실시예에서, 이경관체(4)는 다음과 같은 구조로 설계된다. 이경관체는 환형 본체(41)(annular body)를 포함하고 있으며, 상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 축방향을 따라 서로 반대로 연신되어 소구경 포트(42)와 대구경 포트(43)를 형성하고, 대구경 포트(43)는 볼록형 헤드(2)의 큰 포트와 서로 맞이음 고정되고, 소구경 포트(42)는 통체(1)와 맞이음 고정되고, 상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 직각 가장자리(44)(rectangular corner)를 형성하고, 상기 환형 본체의 두께는 상기 이경관체(4)의 두 포트의 두께보다 크다. 이러한 구조는 고온의 동작 조건에 적용된다.

여기서, 볼록형 헤드(2)는 반구형 구조로 설계되고, 쉘측 매질 입출구(3)는 볼록형 헤드 상에 설치되고, 이경관체(4)의 대구경 포트의 외주면은 볼록형 헤드(2)의 외주면과 매끄럽게 맞물리도록 호형면으로 설계되어, 쉘측 매질의 유동이 더욱 원활하게 한다.

조립 시, 이경관체(4)의 소구경 포트와 통체(1) 사이, 이경관체(4)의 대구경 포트와 볼록형 헤드(2) 사이를 차례대로 양면 용접으로 맞이음 고정한 후, 튜브 플레이트(5)를 볼록형 헤드(2)의 작은 포트에 맞이음 용접한 다음, 튜브 플레이트의 외측에 튜브 박스(7)를 용접하여 튜브측 입출구(8)로 한다.

본 실시예는 이경관체(4)를 이용하여 쉘 단부의 공간을 확장할 수 있으므로, 양면 용접, 추후 유지 보수 등을 위해 비교적 좋은 작업 환경을 마련하였고, 또한 열교환기의 쉘 재료 선택 범위를 더욱 넓혔고, 동시에 상기 열교환기의 열교환 과정에서, 상기 단부의 비교적 큰 공간을 쉘측 매질의 완충 영역으로 이용할 수 있어, 쉘측 매질의 유동 상태를 최적화하여, 열 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 단부 구조는 또한 필요에 따라 디플렉터, 배플링 등 보조 장치를 증설할 수 있어, 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 쉘 단부가 충분한 공간을 가지므로, 용접 부위를 열처리할 필요가 있을 경우, 쉘 단부의 내벽, 외벽에 가열 모듈을 배치하여 양측 가열을 진행할 수도 있고, 코어 단부에서 단열 조치를 취하여, 스테인리스강 열교환 튜브의 예민화(sensitization)를 방지할 수 있다.

실시예 2

도 4에 도시한 바와 같이, 실시예 2와 상기 실시예 1의 다른 점은 다음과 같다. 실시예 2의 이경관체(4) 환형 본체를 더 포함하고 있으며, 상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 축방향을 따라 서로 반대로 연신되어 소구경 포트와 대구경 포트를 형성하고, 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 원활한 전이 구조(A)로 설계된다. 이러한 구조는 낮은 압력의 동작 조건에 적용되며, 서로 다른 동작 조건의 요구를 만족시킨다.

실시예 3

도 5에 도시한 바와 같이, 실시예 3과 상기 실시예 1의 다른 점은 다음과 같다. 실시예 3의 이경관체(4)는 튜브체(B)(tubular body)와 구관체(C)(spherical body)가 연결되어 이루어지며, 튜브체와 구관체의 연결 부위의 두께는 상기 이경관체(4)의 두 포트의 두께보다 크다. 이러한 구조는 통체 직경이 비교적 작은 열교환기에 사용되며, 압력이 비교적 높은 동작 조건에 적용된다.

구관체 내부의 바닥부에 데드존이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 구관체 내부에는 튜브체에 근접하고, 코어를 둘러싸는 보조 플랫폼(10)이 더 설치되어 있다. 동시에 작업 인원과 검사 인원이 상기 보조 플랫폼을 이용하여 편리하게 작업할 수 있게 한다.

1: 통체
2: 볼록형 헤드
3: 쉘측 매질 입출구
4: 이경관체
5: 튜브 플레이트
6: 코어
9: 중심관
10: 보조 플랫폼
42: 소구경 포트
43: 대구경 포트

Claims

쉘(shell); 상기 쉘의 내부에 위치하고, 양단(兩端)에 튜브 플레이트(5)에 의해 지지되는 코어(6)(core); 및 상기 쉘 상에 설치된 쉘측 매질 입출구(3)(shell side medium inlet/outlet)를 포함하고 있으며, 상기 쉘은 또한 통체(1)(cylinder) 및 상기 통체(1) 양단에 위치한 볼록형 헤드(2)를 포함하고 있는 열교환기에 있어서,
상기 통체(1)와 볼록형 헤드(2) 사이에 두 포트의 구경이 다른 이경관체(4)가 설치되어 있고, 상기 이경관체(4)의 대구경 포트(43)는 상기 볼록형 헤드(2)와 맞이음 고정되고, 상기 이경관체(4)의 소구경 포트(42)는 상기 통체(1)와 맞이음 고정되고, 상기 쉘측 매질 입출구(3)는 상기 볼록형 헤드(2) 상에 설치되고,
상기 이경관체(4)는, 상기 코어(6)를 둘러싸고, 또한 인원(人員)이 서서 작업하기에 적합한 보조 플랫폼(10)을 포함하는,
열교환기.
제1항에 있어서,
상기 이경관체(4)는 환형 본체(41)를 포함하고, 상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 축방향을 따라 서로 반대로 연신되어 상기 소구경 포트(42)와 대구경 포트(43)를 형성하고, 상기 환형 본체(41)의 두께는 상기 이경관체(4)의 두 포트의 두께보다 큰, 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 각각 직각 가장자리(44)(rectangular corner)를 형성하는, 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 환형 본체의 내부 가장자리, 외부 가장자리는 원활한 전이 구조(A)로 설계되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 이경관체는 튜브체(B)와 구관체(C)가 연결되어 이루어지고, 상기 튜브체와 상기 구관체의 연결 부위의 두께는 상기 이경관체의 두 포트의 두께보다 큰, 열교환기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이경관체(4)의 대구경 포트(43)의 외주면은 상기 볼록형 헤드(2)의 외주면과 매끄럽게 맞물리는 호형면(弧面)으로 설계된, 열교환기.
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