KR102526848B1 - 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기 - Google Patents

가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 히터식 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 히터식 열교환기의 전기 발열체에서 외부 튜브에 크랙 발생 시 쉘부에서의 가스 누출이 터미널 박스측으로 배출되지 않고 용이하게 차단할 수 있고, 더 나아가 가스 누출을 검출할 수도 있는 전기 히터식 열교환기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 유입되는 BOG(Boil Off Gas)와 열교환을 하는 것으로, 외부 튜브 및 내부 튜브의 이중 튜브 구조인 전기 발열체(electric heat element assembly); 선단에 구비되는 플랜지(flange), BOG가 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 포함하고, 내부에 복수 개의 상기 전기 발열체가 구비되는 쉘(shell) 부;쉘부 선단에 연결되는 터미널 박스(terminal box); 및 쉘부와 터미널 박스 사이에 구비되는 것으로, 전기 발열체의 선단과 연결되는 선단 튜브시트(front tubesheet)와, 쉘부 내부가 밀폐되도록 플랜지와 연결되는 후단 튜브시트(rear tubesheet)를 포함하는 튜브시트부(tubesheet space);를 포함하고, 전기 발열체에서 외부 튜브의 단부가 후단 튜브시트까지 연장 형성되어, 외부 및 내부 튜브 사이가 튜브시트부와 상호 연통되고, 외부 튜브에 크랙(crack) 발생 시, 튜브시트부에 BOG가 포집되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기{ELECTRIC HEATER TYPE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 전기 히터식 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 히터식 열교환기의 전기 발열체에서 외부 튜브에 크랙 발생 시 쉘부에서의 가스 누출이 터미널 박스 측으로 배출되지 않고 용이하게 차단할 수 있고, 더 나아가 가스 누출을 검출할 수도 있는 전기 히터식 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 쉘앤튜브 타입 열교환기(shell and tube type heat exchanger)는 액체의 열교환에 널리 사용되고 있다.
열교환기의 대표적인 타입인 쉘앤튜브 타입 열교환기는 쉘(shell) 내부에 구리합금 등으로 이루어지는 금속제의 튜브 다수 개가 쉘에 평행하게 배치된다. 쉘의 내부, 즉 튜브의 외측에는 고온의 유체가 흐르고, 튜브 내부에는 극저온의 유체가 흐르며, 튜브를 통해 흐르는 극저온의 유체의 열 교환이 이루어지도록 구성된다.
쉘앤튜브 타입 열교환기로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1512224호, 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0084401호 등이 개시되어 있다.
LNG선 및 LNG 연료 추진 선박의 FGSS(Fuel Gas Supply System)에서 LNG 및 BOG 등을 연료로 사용하기 위해 LNG를 기화시키기 전에 적정 요구 온도로 히팅시켜야 한다. 쉘앤튜브 타입 열교환기는 이러한 LNG 및 BOG의 히팅을 위한 간접 가열기 역할과 이를 적정 요구 온도에 맞게 올려 직접 기화하여 공급하는 역할을 한다.
한편, 이러한 쉘앤튜브 타입 열교환기에서 쉘 내부에 전기 히터가 구비되어, 극저온의 BOG(Boil Off Gas)를 유입시켜 열교환이 이루어지도록 하기도 한다.
전기 히터식 열교환기로서, 대한민국 공개실용신안공보 제20-2011-0010696호 등이 개시되어 있다.
그런데, 이러한 쉘앤튜브 타입의 전기히터식 열교환기인 경우, 전기 발열체의 외부 튜브에 크랙(crack) 발생 시, BOG가 터미널 박스 측으로 유입되는 문제점이 있다. 쉘부에서 유동되는 BOG가 터미널 박스측의 튜브부와 접촉되는 경우, 치명적인 문제점이 발생되는 경우도 있다. 전기 발열체의 크랙으로 인한 BOG의 누출은 결국, 열교환기의 성능을 떨어트리는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1512224호 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0084401호 대한민국 공개실용신안공보 제20-2011-0010696호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전기 발열체의 외부 튜브에 크랙 발생하여 가스가 누출될 시, 터미널 박스 측으로 가스가 유입되지 않는 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 누출된 가스의 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 열교환기의 성능이 떨어지는 문제가 해결될 수 있는 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유입되는 BOG(Boil Off Gas)와 열교환을 하는 것으로, 외부 튜브 및 내부 튜브의 이중 튜브 구조인 전기 발열체(electric heat element assembly); 선단에 구비되는 플랜지(flange), BOG가 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 포함하고, 내부에 복수 개의 상기 전기 발열체가 구비되는 쉘(shell) 부; 상기 쉘부 선단에 연결되는 터미널 박스(terminal box); 및 상기 쉘부와 터미널 박스 사이에 구비되는 것으로, 상기 전기 발열체의 선단과 연결되는 선단 튜브시트(front tubesheet)와, 상기 쉘부 내부가 밀폐되도록 상기 플랜지와 연결되는 후단 튜브시트(rear tubesheet)를 포함하는 튜브시트부(tubesheet space);를 포함하고, 상기 전기 발열체에서 외부 튜브의 단부가 상기 후단 튜브시트까지 연장 형성되어, 상기 외부 및 내부 튜브 사이가 상기 튜브시트부와 상호 연통되고, 상기 외부 튜브에 크랙(crack) 발생 시, 상기 튜브시트부에 BOG가 포집되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전기 발열체는, 상기 내부 튜브 내부에 구비되고, 상기 내부 튜브의 선단에서 상기 외부 튜브의 단부를 지나 구비되는 엘리멘트 바(element bar); 상기 내부 튜브 내부에서 상기 엘리멘트 바의 단부와 닿도록 구비되는 엘리멘트 코일(element coil); 및 상기 내부 튜브 내부, 및 상기 외부 튜브와 내부 튜브 사이에 구비되는 마그네시아(magnesia);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 튜브시트부는, 상기 누출되어 포집된 BOG를 배출시키는 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 배출구에 구비되는 가스 누출 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
전기 발열체의 외부 튜브에 크랙 발생하여 가스가 누출될 시, 터미널 박스측으로 가스가 유입되지 않고, 가스를 차단시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 누출되는 가스를 튜브시트부에 포집함으로써, 가스가 터미널 박스측으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 튜브시트부에 가스 누출 검출기를 더 구비하여, 누출된 가스의 검출이 용이해질 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환기는 크랙 등의 발생으로 가스가 누출되어 성능이 떨어지는 문제가 해결될 수 있는 효과가 있다.
이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 나타낸 평면도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기의 전기 발열체를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 튜브 타입의 원통 다관식 열교환기를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기를 나타낸 평면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기(100)는 쉘부(10), 전기 발열체(electric heat element assembly; 20), 터미널 박스(terminal box; 30), 및 튜브시트부(tubesheet space; 40)를 포함한다.
쉘부(10)는 BOG(Boil Off Gas)가 유동되는 부분이다. 쉘부(10) 내부에는 하기되는 전기 발열체(20)가 구비되어, BOG와 열교환이 이루어진다. 쉘부(10)는 유입구(11), 유출구(12), 플랜지(flange; 15), 및 배플(baffle; 17)을 포함한다.
도 2에 화살표로 표시된 바와 같이, 유입구(11)는 BOG가 유입되는 부분이고, 유출구(12)는 BOG가 유출되는 부분이다. 유입구(11)로 유입된 BOG는 극저온이고, 전기 발열체(20)에 의해 열교환이 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 유입구(11)가 후방 일측 하부에 구비되고, 유출구(12)가 전방 일측 상부에 구비되는 것을 예로 들어 도시하였지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.
플랜지(15)는 셀부(10)의 선단에 구비된다. 플렌지(15)는 하기되는 튜브시트부(40)의 후단 튜브시트(42)와 나사 결합된다.
배플(17)은 쉘부(10) 내부에서 교번적으로 복수 개가 설치된다. 배플(17)은 셀부(10) 내부로 유동되는 BOG의 흐름을 바꾸어준다. 즉, 배플(17)은 BOG의 흐름을 쉘부(10)의 길이 방향에 대하여 사행되도록 안내하기 위하여 쉘부(10)의 횡방향에 대하여 서로 일정 간격을 가지고 이격되게 배치된다. 배플(17)의 개수와 그 이격거리는 쉘부(10)의 용량 및 형상에 따르 다양하게 변경될 수 있다.
배플(17)은 교번적으로, 즉 쉘부(10) 내부에서 상부와 하부에 지그재그 형식으로 교대로 배치되므로, 쉘부(10)의 유입구(11)로 유입된 BOG의 흐름은 곡선을 이루면서 유동하고, 쉘부(10)의 유출구(12)로 유출된다. 이와 같이, 배플에 의해 곡선을 이루면서 유동되는 BOG는 전기 발열체(20)와 많은 접촉이 이루어질 수 있어 열교환 성능이 향상된다.
본 실시예에 따른 쉘부(10)는 종단면이 원형인 원통 형상인 것을 예로 들어 도시하였지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니고, 다른 형상일 수도 있다.
전기 발열체(20)는 쉘부(10) 내부에 복수 개가 구비된다. 전기 발열체(20)는 유입되는 BOG와 열교환을 한다. 전기 발열체(20)는 후단이 U 형상으로 굽어있는 형상이다. 전기 발열체(20)의 상세도면이 도 3a와 도 3b에 도시된다. 도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 가스 누출의 차단 및 검출이 용이한 전기 히터식 열교환기의 전기 발열체를 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 전기 발열체(20)는 외부 튜브(external tube; 21)와 내부 튜브(inner tube; 22)로 이루어지는 이중 튜브(double tube) 구조이다. 전기 발열체(20)는 외부 튜브(21), 내부 튜브(22), 엘리멘트 바(element bar; 23), 엘리멘트 코일(element coil; 24), 및 마그네시아(magnesia; 25)를 포함한다. 외부 튜브(21)는 그 단부가 하기되는 후단 튜브시트(42)까지 연장 형성된다. 내부 튜브(22)는 후단 튜브시트(42)를 통과하여 연장되어 형성되므로, 외부 및 내부 튜브 사이(21, 22)는 튜브시트부(40)와 상호 연통되게 된다.
이러한 외부 튜브(21)의 형상으로, 외부 튜브(21)에 크랙(crack) 발생 시, 튜브시트부(40)에 BOG가 포집될 수 있다. 이에 대하여는 하기한다.
내부 튜브(22)는 외부 튜브(21) 내부에 구비된다. 엘리멘트 바(23)는 내부 튜브(22) 내부에 구비되고, 내부 튜브(22)의 선단에서 외부 튜브(21)의 단부를 지나 구비된다. 엘리멘트 코일(24)은 내부 튜브(22) 내부에서 엘리멘트 바(23)의 단부와 닿도록 구비된다.
마그네시아(25)는 내부 튜브(22) 내부, 외부 및 내부 튜브(21, 22) 사이에 구비된다. 마그네시아(25)는 전기 발열체(20)에서 발생되는 열을 골고루 분산하여 전달될 수 있도록 함으로써, 열교환기(100)의 과열 및 고장을 방지하는 역할을 한다. 마그네시아(25)는 산화마그네슘(MgO)으로서, 열전도성이 우수하다. 본 실시예에서는 마그네시아(25)로 한정하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 외부의 물리적인 충격에도 견고하고, 열전도성이 우수한 분말, 예컨대 세라믹 분말이면 어느 것을 사용하여도 무방하며, 산화알루미늄(AI2O3; 알루미나), 석영유리의 분말, 모래 등이 사용될 수도 있다.
터미널 박스(30)는 쉘부(10) 선단에 연결된다. 터미널 박스(30) 내부에는 전기 발열체(20)의 선단이 구비되고, 전기 발열체(20)로 전기를 공급하는 전원 공급부가 된다.
튜브시트부(40)는 쉘부(10)와 터미널 박스(30) 사이에 구비된다. 튜브 시트부(40)는 선단 튜브시트(front tubesheet; 41)와 후단 튜브시트(rear tubesheet; 42)를 포함한다. 선단 튜브시트(41)는 튜브시트부(40)의 선단에 구비되어, 터미널 박스(30)와 연결된다. 선단 튜브시트(41)는 전기 발열체(20)의 선단과 연결되고, 전기 발열체(20)의 선단은 연장 돌출되어 터미널 박스(30) 내부에 구비된다.
후단 튜브시트(42)는 튜브시트부(40)의 후단에 구비되어, 쉘부(10) 내부가 밀폐되도록 플랜지(15)와 연결된다. 후단 튜브시트(42)와 플랜지(15)는 나사 등으로 고정될 수 있고, 후단 튜브시트(42)와 플랜지(15) 사이에는 충진부가 구비될 수 있다. 후단 튜브시트(42)는 전술한 바와 같이, 전기 발열체(20)의 외부 튜브(21)의 단부가 연장 형성된다. 이로 인해, 튜브시트부(40)는 외부 및 내부 튜브(21, 22) 사이와 상호 연통된다.
본 실시예에 따른 튜브시트부(40)와 전기 발열체(20)의 형상으로 인해, 가스 누출의 차단 및 검출이 용이하다. 이에 대하여 설명한다. 도 4는 도 2의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, "A"로 표시한 것과 같이, 전기 발열체(20)의 외부 튜브(21)에 크랙(crack) 발생 시, 크랙이 발생된 부분으로 BOG가 유입된다. BOG는 쉘부(10) 내부를 유동하고 있으므로, 전기 발열체(20)의 외부로 유동되고 있던 BOG는 외부 튜브(21)의 크랙 부분으로 유입될 수 있다. 유입된 BOG는 화살표와 같이, 외부 튜브(21)와 내부 튜브(22) 사이를 통과하여 외부 튜브(21)의 단부로 빠져나가게 된다. 이로 인해, 유입된 BOG는 튜브시트부(40)에 포집되게 된다. 따라서, 본 실시예에 따른 전기 히터식 열교환기(100)는 가스가 누출되는 것이 차단될 수 있다. BOG가 누출되더라도 터미널 박스(30) 쪽으로의 유입이 완벽히 차단될 수 있는 효과가 있다.
튜브시트부(40)는 배출구(45)와 가스 누출 검출기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 배출구(45)는 튜브시트부(40)의 상부에 구비된다. 배출구(45)는 누출되어 포집된 BOG를 배출시킨다. 가스 누출 검출기는 배출구(45)에 구비될 수 있다. 가스 누출 검출기는 BOG가 누출되는 것을 검출한다. 가스 누출 검출기는 BOG가 검출되면, 소리로 알릴 수 있고, 작업자에게 무선 통신 등을 통하여 알릴 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전기 히터식 열교환기(100)는 BOG의 열교환을 예로 들어 설명하였지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 즉, vapor, liquid 등의 매체를 열교환시키는 데 적용될 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 그리고 상술한 바와 같이 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전기 히터식 열교환기
10: 쉘(shell)부
11; 유입구
12; 유출구
15; 플랜지
17; 배플
20: 전기 발열체
21; 외부 튜브
22; 내부 튜브
23; 엘리멘트 바
24; 엘리멘트 코일
25; 마그네시아
30; 터미널 박스
40; 튜브시트부
41, 42; 튜브시트
45; 배출구

Claims (4)

  1. 유입되는 BOG(Boil Off Gas)와 열교환을 하는 것으로, 외부 튜브 및 내부 튜브의 이중 튜브 구조이고, 상기 내부 튜브 내부에 구비되고 상기 내부 튜브의 선단에서 상기 외부 튜브의 단부를 지나 구비되는 엘리멘트 바(element bar), 상기 내부 튜브 내부에서 상기 엘리멘트 바의 단부와 닿도록 구비되는 엘리멘트 코일(element coil), 및 상기 내부 튜브 내부 및 상기 외부 튜브와 내부 튜브 사이에 구비되는 마그네시아(magnesia)를 포함하는 전기 발열체(electric heat element assembly);
    선단에 구비되는 플랜지(flange), BOG가 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 포함하고, 내부에 복수 개의 상기 전기 발열체가 구비되는 쉘(shell) 부;
    상기 쉘부 선단에 연결되는 터미널 박스(terminal box); 및
    상기 쉘부와 터미널 박스 사이에 구비되는 것으로, 상기 전기 발열체의 선단과 연결되는 선단 튜브시트(front tubesheet)와, 상기 쉘부 내부가 밀폐되도록 상기 플랜지와 연결되는 후단 튜브시트(rear tubesheet)를 포함하는 튜브시트부(tubesheet space);를 포함하고,
    상기 전기 발열체에서 외부 튜브의 단부가 상기 후단 튜브시트까지 연장 형성되어, 상기 외부 및 내부 튜브 사이가 상기 튜브시트부와 상호 연통되고,
    상기 외부 튜브에 크랙(crack) 발생 시, 상기 쉘 부 내부를 유동하고 있던 BOG가 상기 크랙 부분으로 유입되어, 상기 외부 튜브와 내부 튜브 사이를 통과하여 상기 외부 튜브의 단부로 빠져나가게 되어 상기 튜브시트부에 BOG가 포집되는 것을 특징으로 하는 전기 히터식 열교환기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 튜브시트부는,
    상기 누출되어 포집된 BOG를 배출시키는 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 히터식 열교환기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 배출구에 구비되는 가스 누출 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 히터식 열교환기.
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