KR20070084167A - 튜브 번들 장치 - Google Patents

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KR20070084167A
KR20070084167A KR1020077010664A KR20077010664A KR20070084167A KR 20070084167 A KR20070084167 A KR 20070084167A KR 1020077010664 A KR1020077010664 A KR 1020077010664A KR 20077010664 A KR20077010664 A KR 20077010664A KR 20070084167 A KR20070084167 A KR 20070084167A
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coil
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KR1020077010664A
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애마 에스 완니
토마스 엠 루디
마르키아노 엠 카라노그
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엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
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Abstract

열 교환기 또는 응축기와 같은 튜브 번들 장치는 6개의 주위 튜브와 인접하고 그로부터 이격된 삼각형 구성의 평행 튜브를 갖는다. 튜브 번들 내의 튜브는 각각의 튜브 길이의 적어도 일부분을 둘러싸는 나선형으로 감긴 재료를 포함하는 와이어 스페이서/지지 요소를 구비하며, 스페이서/지지 코일을 구비하는 각각의 튜브는 스페이서/지지 코일을 구비하지 않는 튜브에만 접촉하며, 스페이서/지지 코일을 구비하지 않는 각각의 튜브는 스페이서/지지 코일을 구비하는 튜브에만 접촉한다.

Description

튜브 번들 장치{SUPPORT SYSTEM FOR TUBE BUNDLE DEVICES}
본 발명은 예컨대 원자로 노심, 전기 히터 또는 위로 유체 유동이 지나가는 평행한 임의의 원통형 형상의 집합체와 같은 장치 내의 열 교환기, 응축기 또는 다른 튜브 집합체와 같은 튜브 번들 장치(tube bundle device)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열 교환기 장치 내의 열 교환기 튜브용 지지 구조체에 관한 것이다.
열 교환기는 수십 년 전에 개발되었고, 열 전달을 필요로 하는 많은 적용예에서 매우 유용하게 지속되었다. 기본 설계에 대한 많은 개선이 있었지만, 공업적 공정 내의 열 교환기의 포함과 관련된 교환 및 설계 문제점이 여전히 존재한다.
열 교환기의 사용과 관련된 문제점 중 하나는 파울링(fouling)에 대한 경향이다. 파울링은 공정 유체 유동 및 열 전달의 결과로서 열 교환기의 표면상에 다수의 부착물 및 피막이 형성되는 것을 지칭한다. 부식(corrosion), 광물질 부착, 중합(polymerization), 결정화, 코킹(coking), 침전 및 생물학적 약제를 포함하는 다수의 방식의 파울링이 존재한다. 부식의 경우에, 열 교환기의 표면은 열 교환기의 구성에 사용되는 재료와 공정 유체 사이의 상호 작용의 결과로서 부식될 수 있 다. 이러한 상황은 다수의 파울링 방식이 더 심각한 파울링을 야기하도록 서로 상호 작용할 수 있는 사실로 인해 더 악화된다. 파울링은 열 전달에 대한 추가적인 저항을 야기하여, 열 전달 성능을 감소시킬 수 있다. 또한, 파울링은 열 교환기의 내측에서 유동하는 유체와 관련된 압력 강하를 증가시킬 수 있다.
공업 설비에서 통상 사용되는 하나의 열 교환기 방식은 하나의 유체가 튜브의 내부 상에서 유동하는 한편, 다른 유체가 쉘을 통해 및 튜브의 외부 위에서 유동하는 쉘-튜브(shell-and-tube) 교환기이다. 일반적으로, 소정의 방식으로 튜브를 지지하고 튜브 번들을 가로질러 유체를 유동시키기 위해 배플(baffle)이 위치된다.
보다 높은 유체 속도를 사용하면 파울링을 감소시킬 수 있다. 실제로, 하나의 연구는, 유체 속도를 배가(doubling)시키면 파울링을 50% 이상 감소시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 보다 높은 유체 속도의 사용이 파울링 문제를 실질적으로 감소시키거나 심지어 제거할 수도 있지만, 불행하게도, 배플에 의해 시스템 내에 발생되는 과도한 압력 강하 때문에 종래의 쉘-튜브 열 교환기의 쉘 측부에는 보통 고속의 유체가 도달하지 않는다. 열 교환기의 사용과 관련하여 종종 발생되는 다른 문제점은 튜브 진동 손상이다. 튜브 진동은 대부분 격렬하며, 높은 유체 속도를 갖는 비 교차 유동(non-crossflow)(즉, 축방향) 이행에서도 튜브 진동 손상이 발생할 수 있지만, 손상은 유체 유동이 튜브에 수직하는 교차 유동 이행에서 주로 발생된다.
현재 사용되는 다수의 열 교환기는 배플을 포함한다. 배플은 튜브에 대해 지지를 제공하고, 튜브 외부 상의 유체가 튜브에 대해 소정의 방향으로 유동하는 것을 보장하기 위해, 유체 경로 내에 삽입된다. 그러나 불행하게도, 배플은 유동이 최소로 존재하거나 심지어 존재하지 않는 열 교환기의 쉘 측부 상에서 발생되는 사각 지대(dead zone) 때문에 파울링을 증가시킬 수 있다. 배플이 결합된 열 교환기의 다른 문제점은 교차 유동이 유체 유도 진동(flow-induced vibration)의 결과로서 튜브에 잠재적 손상을 야기할 수도 있다는 것이다. 이러한 손상의 경우에, 장치를 수리하기 위해 종종 공정을 중단하거나 작업 정지해야 한다.
여러가지 유형의 배플이 종래에 사용되었다. 하나의 유형인, 분할형 배플은 유속이 낮거나 심지어는 유동이 전혀 없는 다수의 구역을 생성하여 파울링의 가능성을 증가시키기 때문에, 본 출원인에 의해 출원된 특허출원에 기술된 저-파울링 열 교환기에는 수용할 수 없다. 다른 유형[로드(rod), 스트립, 비틀린 튜브를 비롯한 여러가지 스타일이 있음]은 열 교환기의 중심 영역 내에 종방향 유동을 발생시킬 수도 있지만, 이러한 기술은 열 교환기의 쉘 측부 상에 높은 속도를 허용하는 코일형 튜브 지지체를 구비하는 열 교환기 구성을 기술하는 "튜브 지지체를 통한 열 교환기 유동"이라는 명칭으로 2002년 7월 31일에 출원된 미국 특허 출원 제 10/209,126 호(미국 특허 공보 제 20030178187 A1 호; 유럽 특허 제 1347258 호에 대응함)에 기술된 코일형 튜브 지지체의 구성의 고유 강도 및 융통성을 갖고 있지 않다. 본 발명은 삼각형 튜브 구성에 직접 적용 가능하고, 또한 보다 소형이며 적은 비용의 열 교환기 설계를 가능하게 하는 코일형 튜브 지지 시스템을 개발하는 것이다.
미국 특허 출원 제 10/209,126 호에 기술된 코일형 튜브 지지체를 구비하는 튜브 지지 시스템은 상기 출원에서 기술된 바와 같이 삼각형 튜브 구성에 사용될 수도 있지만, 직렬(inline) 튜브 배열에 대해 가장 적합할 수 있다. 미국 특허 출원 제 10/209,126 호에서, 지지 구조체는 스페이서(spacer) 코일을 사용하며, 상기 스페이서 코일은 번들 내의 각각의 튜브를 둘러싼다. 예컨대, 삼각형 튜브 구성에 있어서, 코일은 번들 내의 모든 튜브를 둘러싸는데, 인접한 튜브 상의 코일은 반대 방향(시계 방향 및 반시계 방향)으로 감겨서, 튜브 사이 구역에서 서로 겹쳐지며, 함께 용접됨으로써 일체화된 단일 구조체를 형성할 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 쉘-튜브 열 교환기는 열 교환기 쉘 내에 삼각형 구성으로 배열된 튜브를 위한 이격(spacing)/ 지지 구조체를 형성하기 위해 나선형으로 권취된 와이어를 사용한다. 번들 내의 교호적 튜브 둘레에 권취된 코일의 와이어는, 열 교환기 튜브 사이의 간격과 실질적으로 동일한 반경방향 두께(원형 와이어에 대한 직경)를 갖는다. 코일 인케이스형 튜브(coil-encased tube : 코일로 둘러싸인 튜브) 이외에도, 열 교환기는 소정의 유동 패턴을 성취하기 위한 특정 구성의 밀봉 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 구성의 열 교환기라면, 사각 지대의 가능성이 감소되며, 야기되는 높은 속도의 축방향 유동이 파울링 문제를 실질적으로 제거하며, 튜브 손상을 야기할 수 있는 유동 유도 튜브 진동(flow-induced tube vibration)을 현저하게 감소시킨다.
본 발명은 높은 속도에서 쉘 측부를 작동시키는데 필요한 튼튼한 설계 구조 뿐만 아니라 보다 용이한 제작을 제공한다. 이러한 설계 구조는 삼각형 튜브 배치를 사용해야 한다. 이러한 튜브 배치는 소정의 쉘 직경 내에 최대 튜브 개수를 제공하기 때문에 가장 적합하다. 이러한 열 교환기는 번들의 기계적 통합을 성취하기 위해 필요한 것보다 많은 수의 타이 로드(tie rod)로 구성될 수 있으며, 또한 유동 바이패싱(bypassing)을 최소화함으로써 소정의 쉘 측부 속도를 이루는 데 있어서 융통성(flexibility)을 제공한다.
도 1은 밀봉 장치 및 타이 로드 구성과 함께 코일 인케이스형 튜브를 포함하는 가상의 열 교환기의 단순화된 단면도,
도 2는 튜브 번들을 강화시키기 위해 2개의 변형적인 배열을 갖는 코일 인케이스형 튜브를 포함하는 가상의 열 교환기의 단순화된 단면도.
도 1에는, 튜브 번들 구성을 나타내기 위해서 열 교환기의 쉘 부분을 도시한다. 도 1은 바람직한 단일 통로 형태의 쉘-튜브 교환기를 도시하지만, 원칙적으로는, 예컨대, 2개 이상의 통로, U자형 튜브, 제거가능한 튜브 번들 구조 및 다(多)-튜브 2-파이프(multi-tube double pipes)로 알려져 있는 교환기와 같은 다른 형태의 쉘-튜브 교환기에도 본 발명을 적용할 수 있으며, 이러한 다른 구성의 추가적인 보이드 공간을 채우기 위해서 보다 복잡한 배열이 필요할 수도 있다.
도 1의 열 교환기(10)는 쉘(11) 및 쉘 내의 튜브 번들(12)을 포함한다. 튜브 번들(12)은 다수의 평행 튜브를 삼각형 구성으로 포함한다. 튜브는, 상기 튜브를 튜브 시트 내로 용접 및/또는 확장시킴으로써 튜브 시트 내의 개구에 고정시키는 종래의 방식으로 튜브 번들의 각각의 단부에 위치된 튜브 시트(도시되지 않음) 내에 유지된다. 교호적 튜브는 번들 내의 튜브를 둘러싸는 이격/지지 코일(15)로 구성된다. 코일은, 완전 및 부분 튜브 코일 지지체의 기술을 위해 참조되는 미국 특허 출원 제 10/209,126에 기술 및 도시된 바와 동일한 방식으로 선택된 튜브 상에 나선형으로 권취된다. 그러나, 본 발명의 시스템에 있어서, 코일은 선택된 교호적 튜브에만 적용되며, 이 코일은 후술하는 바와 같이, 코일이 튜브의 전체 길이에 적용될 수도 있고 일부분에만 적용될 수도 있다.
튜브가 삼각형 방식으로 배열된다면, 정중앙 튜브(16)는 전체 길이 또는 그 길이의 일부에 대해 상기 정중앙 튜브를 둘러싸는 코일을 구비한다. 코일 재료의 반경방향 두께는 2개의 인접 튜브 사이의 간격과 매우 근사하다. 상기 코일 재료의 반경방향 두께는 코일이 둘레에 권취된 튜브에 대해 반경방향으로 측정되며, 물론 이것은 보통의 원형 와이어의 직경이다. 그러나, 코일의 와이어가 반드시 원형 단면을 가질 필요는 없으며, 정사각형, 타원형, 직사각형, 다각형 또는 다른 적합한 기하학적 형상과 같은 다양한 변형적인 단면을 가질 수 있어서, 로드, 스트립, 튜브 또는 바아(bar) 형태인 와이어일 수 있다. 이러한 경우에, 반경방향 두께는 그 길이에 대해 수직인 코일의 횡방향 치수로서 측정된다. 경우에 따라서, 코일은 중공형일 수도 있다. 코일용 와이어 재료는 바람직하게 스테인리스 스틸, 티타늄 또는 유사한 야금 특성을 갖는 다른 재료와 같은 침식/부식 방지 재료로 구성된다.
각각의 코일은 튜브 둘레에 2회 이상 완전히 감기며, 튜브에 고정(예컨대, 생성되는 경향이 있는 임의의 날카로운 에지를, 바람직하게 생성하지 않거나 남기지 않는 용접 또는 이에 대등한 공정)된다. 유사한 코일은 유사한 방식으로 형성되어 다른 튜브에 부착된다. 코일은 튜브 번들 내의 교호적 튜브 상에 위치되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 이것은 소정의 튜브 이격을 제공하며, 코일이 튜브의 외측 표면과 접촉함으로써 튜브에 상호 버팀대(bracing) 및 지지를 제공하기 때문에, 코일은 튜브의 진동을 감소시킬 수 있다. 번들 내의 교호적 튜브가 인케이스형 이격/지지 코일을 갖는다는 것은, 코일로 둘러싸여 있는 각각의 튜브가 지지 코일로 둘러싸이지 않은 튜브에만 접촉하며, 반대로, 코일로 둘러싸여 있지 않은 각각의 튜브가 코일로 둘러싸인 튜브에만 접촉하는 것을 의미한다. 튜브 번들의 외측 에지에서는 몇몇의 튜브가 모든 측면 상에서 튜브를 둘러싸는 다른 튜브(또는 타이 로드)를 갖지 않을 것이지만, 튜브 번들의 본체에서는 교호적 관계가 잘 유지된다.
코일은 튜브를 따라 연속적으로 배치될 수도 있지만, 보통은 미국 특허 출원 제 10/209,126 호(미국 특허 공보 제 20030178187 A1 호; 유럽 특허 제 1347258 호에 대응함)의 도 1에 도시된 바와 동일한 방식으로 튜브의 축방향 길이를 따라 이격된 간격으로 코일 지지체를 위치시키는 것이 바람직하다. 일반적으로, 지지 코일은 대략 100cm 내지 150cm의 간격으로 이격된 위치인 각각의 위치에서 약 50cm 내지 80cm의 길이로 권취될 것이다. 이러한 배열이 사용된다면, 바람직하게, 제 1 위치에서는 코일을 수용하지 않는 튜브 상에 제 2 축방향 위치의 코일이 제공될 수 있는데, 이러한 시퀀스가 튜브 길이 전체를 통하여 교대로(교호적으로) 일어난다. 이러한 교호적 배열이 필수적이지 않더라도, 장래에 튜브가 교체될 수 없는 단점이 있지만 쉘 측부 유동에 약간의 균형을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이 선택된 튜브 상에만 코일이 제공된다면, 나머지 튜브는 교체될 수 있다.
상이한 축방향 위치뿐만 아니라 동일한 축방향 위치에 좌측 및 우측 코일을 교대로 배치함으로써, 쉘 측부 유동에 대한 추가적인 혼합이 제공될 수도 있다.
튜브 번들의 외주부 쪽으로의 몇몇의 튜브는 도 1의 타이 로드(20)와 같은 타이 로드로 교체될 수도 있다. 이러한 경우에서, 간략함을 위해 단 하나의 로드가 도시되며, 코일 지지된 튜브를 구비하여 바람직하게 사용된 교환기 구성에서의 다른 특징이 도면에 도시된다. 필요에 따라서는 실제적인 교환기에서, 튜브 번들을 강화시키기 위해서, 튜브 번들 둘레에 타이 로드가 대칭적으로 위치된다. 바람직하게, 이러한 타이 로드는 튜브 외측 직경보다 작은 직경을 가지며, 튜브와 동일한 방식으로 와이어 코일(21)을 구비할 것이다. 타이 로드의 직경 및 둘러싼 코일의 두께는, 도시된 바와 같이 코일 인케이스형 로드가 적어도 2개의 인접 튜브에 지지를 제공하도록 선택되어야 한다. 교환기의 구성 시에, 타이 로드는 쉘 측부로부터 제 1 튜브 시트 내로 나사 고정된다. 상기 타이 로드는 미끄럼 확장 연결부를 수용하기 위해 제 2 튜브 시트 내로 일부 삽입되도록 설계될 수 있으며, 변형적으로, 종래의 열 교환기 구성에서 종종 사용되는 구성과 유사하게, 제 2 튜브 시트에 도달하기 전에 보강재(stiffener)에서 종결될 수 있다.
도 2(편의상 대부분의 참조 부호의 반복을 생략함)에 도시된 바와 같이, 보강 부재(30, 31)는 바람직하게 매 100cm 내지 150cm 정도마다 튜브 번들 둘레에 제공되어서, 번들이 충분하게 서로 유지되는 것을 보장한다. 이러한 보강 부재에는 타이 로드가 튜브 시트에 단단하게 부착된 단부에 근방으로부터 시작해서 추가되어야 한다. 이러한 보강 부재는 만곡된 단편(31)(파이프의 외부 절결된 단편) 또는 편평한 바아(30)로 제조될 수 있다. 각각의 유형 중 하나가 도 2에 절취된 방식으로 도시되며, 실제적인 구성에서, 보강 부재는 튜브 번들을 함께 견고하게 유지하기 위해 튜브 번들을 둘러싸야 한다. 보강 부재(30)가 도 2의 편평한 플레이트인 경우에, 튜브 번들은 6각형 또는 12각형 형상으로 구속되지만, 만곡된 보강 부재(31)가 사용되는 경우 튜브 번들은 보다 원형의 단면에 부합될 수 있다. 다른 경우, 보강 부재가 튜브 또는 타이 로드 또는 양자 모두에 고정될 수 있다. 편평한 플레이트 보강 부재(30)는 튜브 번들의 외부를 형성하는 6각형의 꼭지점 중 2개의 꼭지점에서 튜브 번들 상의 최외측의 2개의 튜브(35, 36) 둘레에 감싸진 코일(33, 34)에 용접된다. 유사한 방식으로, 만곡된 보강 부재(31)는 튜브(36, 37) 상에 코일(34, 39)에 용접된다. 선택적으로, 타이 로드(20) 또는, 타이 로드(20)를 둘러싸는 코일(21)에 용접될 수도 있다.
(튜브의 축에 평행한) 보강 부재의 깊이는 일반적으로 2cm 내지 4cm 사이에서 변경될 수 있으며, 상술된 바와 같이, 튜브 번들의 길이를 따라 일반적으로 100cm 내지 150cm의 간격으로 제공된다. 보강 부재는 타이 로드 또는, 튜브 또는 타이 로드 둘레에 감싸진 와이어에 용접된다.
내주부 내의 튜브를 둘러싸는 코일은 튜브 번들 내의 튜브에 이격 및 지지를 제공하는 역할을 한다. 이격/지지 코일은 구조적 강도에서 대응하는 이득을 제공하면서 튜브 시트 사이에서 튜브 전체를 따라 연장될 수도 있지만, 대부분의 경우, 튜브의 길이를 따라 2개 이상의 위치에서 튜브를 따라 짧은 길이만큼만 연장되는 보다 짧은 코일, 예컨대 약 50cm 내지 150cm의 간격, 바람직하게는 60cm 내지 100cm의 간격으로 약 20cm 내지 50cm 길이의 코일을 갖는 것으로 충분하다. 예컨대, 하나의 코일 구조체가 하나의 튜브 시트로부터 약 30cm 지점에서 시작해서 대략 20cm 연장될 수도 있다. 튜브를 따라서 그 다음에는 대략 60cm의 간극이 있고, 그 이후에는 다른 길이의 코일 지지체가 있다. 튜브 전체를 따라 감기던지 간헐적으로 위치되던지에 상관없이, 충분한 지지 및 적절한 튜브 간격을 위해 제공하려면, 코일이 튜브의 길이 둘레에 적어도 2회 완전히 감기는 것이 바람직하다.
튜브 번들의 구성시, 코일은 특정 직경, 튜브 피치 및 코일 피치 요건에 따라 사전 제작될 수도 있다. 이러한 사전 제작된 코일은 통상적으로 코일 제작자로부터 구입 가능하다. 그 후에 개별적인 코일이 튜브 및 로드 둘레에 위치되어 부착된다(예컨대, 전기 아크 용접이 사용될 수도 있다).
효율적인 열 전달이 발생하도록 튜브 둘레의 구역 내로 유체 유동을 배향하기 위해, 직사각형 밀봉 스트립(22)이 코일 인케이스형 타이 로드[참조부호 (20)으로 표시되는 유형의 타이 로드]에 인접하여 튜브(및 축방향 유동 방향)에 대해 횡방향으로 위치된다. 또한, 소정의 정확한 방식으로 유체 유동을 배향시키고 유지하기 위해, 보다 큰 횡방향 밀봉 스트립(23)이 튜브 번들의 주변부의 다른 구역에 위치될 수도 있다. 이 밀봉 스트립은 타이 로드 또는 튜브 번들의 임의의 다른 적절한 부품에 종래의 방식으로 고정될 수도 있다. 모든 밀봉 스트립은 종래에 교환기 쉘의 측부 상에 위치되는 유체 입구 및 출구 쪽으로의 유동, 및 유체 입구 및 출구로부터의 유동을 중단시키지 않기 위해 스트립의 단부와 튜브 시트(들)의 사이에 적절한 간극을 두어야 한다.
또한, 튜브 둘레의 구역에 직접적으로 축방향 유체 유동을 유지하기 위해, 즉 열 교환이 비효율적인 튜브 번들의 주변부 외부의 구역 내로 유체가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 종방향 밀봉 스트립이 사용될 수도 있다. 튜브 번들이 6각형 또는 보다 큰 번들을 갖는 12각형인 다각형의 외형을 갖기 때문에, 이러한 구역은 통상적으로 교환기 쉘의 내부 및 튜브 번들의 직선 외주 경계 사이에 6개 또는 12개의 분할 구역으로서 분류될 수 있다. 도면에서 참조부호 (25)로 표시된 바와 같이, 내측으로 볼록하게 만곡된 형상의 밀봉 스트립이 본 발명에 사용될 수도 있다. 이러한 밀봉 스트립은 튜브 번들의 단부를 제외하고 튜브 번들의 길이를 따라 연장되어서, 이러한 단부 영역에서 유체 입구 및 출구로의 자유로운 유체 유동을 허용한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 만곡된 스트립(25)이 튜브 번들 둘레에 제공된 보강 부재에 의해서 타이 로드를 통해 튜브 번들에 고정될 수 있다. 또한, 이러한 종류의 스트립은, 적절한 섹션의 스트립이라면, 튜브에 지지를 제공해서 작동 상태에서 진동을 억제하는데 도움을 준다. 이를 위해서 바람직하게는 스트립이 분할 형태로 제조되는데, 스트립의 표면상에는 지지 코일이 튜브를 둘러싸고 있는 것과 동일한 방식으로 세그먼트의 면을 따라서 일체형 강화 와이어(26)가 나선형 경로를 따라 배치된다. 이러한 지지체는 하기의 방식으로 제조될 수 있다. 첫째, 예컨대 (예컨대, 5cm 직경의 튜브 또는 파이프와 같은, 밀봉 또는 지지 목적을 위해 효율적인 튜브 번들 내의 튜브 또는 다른 적합한 크기의 튜브 중 하나와 같은) 튜브 둘레에 와이어를 감는다. 둘째, 튜브 번들의 튜브 중 하나인 것처럼, 감긴 와이어를 저항 용접 등을 사용하여 튜브에 고정시킨다. 마지막으로, 튜브를 몇 개(예컨대, 4개)의 동일한 단편으로 종방향으로 분할시킨다. 이 와이어는 그의 전체 길이를 따라 스트립 상에 권취될 수도 있고, 또 변형적으로, 선택된 구역(튜브가 코일의 단부로부터 단부로 완전하게 둘러싸이지 않는다면 이격/지지 와이어를 구비한 튜브 상의 영역에 적절하게 대응하는 구역)에 감길 수 있다. 그 후에 와이어가 부착된 만곡된 세그먼트는 인접한 튜브(들)에 지지를 제공하고 효율적인 열 전달을 위해 유체 유동을 튜브(들) 둘레에 밀접하게 유지시키며, 동시에 진동을 억제하기 위해 튜브(들)에 지지를 제공하도록 효율적으로 기능할 수 있다. 분할 지지/밀봉 스트립은 튜브 번들 둘레에 제공된 보강재를 사용함으로써 통상적으로 제 위치에 고정될 수 있다. 변형예로서, 이격 와이어를 갖지 않는 유사한 스트립(27)이 사용될 수도 있다. (도 1에 하나만 도시되어 있지만, 실제적인 교환기에서, 쉘과 튜브 번들의 에지 사이에 6개 이상의 분할 구역에서 튜브 번들 둘레에 배치될 수도 있다.) 그러나, 이러한 선택은 와이어 표면 스트립보다 바람직하지 않은데, 그 이유는 스트립(27)이 튜브 근방에 사각 지대를 생성하는 경향이 있기 때문이다.
열 교환기에 도달하기 전의 공정 라인의 임의의 지점에서 동일한 형태의 스트레이너(strainer)가 보통 사용되어야 한다. 이것은 튜브 내에서 또는 열 교환기의 쉘 측부 상에서 본 발명의 열 교환기 내에 포획되는 임의의 잔해(debris)를 회피하기 위해서 중요하다. 충분히 큰 크기 또는 충분히 많은 양의 잔해가 본 발명의 열 교환기(또는 임의의 현존하는 열 교환기)에 도입된다면, 유체 속도는 열 교환기가 비효율적이 되게 하는 속도까지 감소될 수 있다. 스트레이너의 바람직한 형태는 미국 특허 출원 제 10/643377 호에 개시된다.
본 발명의 튜브 번들은 열 교환기 및 다른 튜브 번들 장치(예를 들면, 응축기, 원자로 노심, 전기 히터 또는 위로 유체 유동이 지나가는 평행한 원통형 형상의 다른 집합체)에 바람직하게 사용된다. 본 발명의 튜브 번들이 사용될 수 있는 열 교환기의 바람직한 유형은 유럽 특허 제 1347261 호(파울링이 감소된 개선된 열 교환기)에 대응하는 미국 특허 출원 제 10/209082 호, 유럽 특허 제 1347258 호(튜브 지지체를 통한 열 교환기 유동)에 대응하는 미국 특허 출원 제 10/209126 호 및 유럽 특허 제 1357344 호(부유 헤드를 구비한 개선된 열 교환기)에 대응하는 미국 특허 출원 제 10/414731 호에 개시되어 있다.
사용시에는, 교환기 내의 쉘 측부 유체를 위해 축방향 유동 구성이 바람직하게 사용된다. 추가적으로, 비향류(non-countercurrent)[즉, 병류(cocurrent)] 유동 또는 병류 및 향류 유동의 조합도 수행될 수도 있지만, 2개의 상이한 유체 사이에 향류 유동 배열이 사용되는 것이 바람직하다.

Claims (16)

  1. 튜브 번들 장치(tube bundle device)에 있어서,
    6개의 주위 튜브와 인접하고 그로부터 이격된 삼각형 구성의 복수의 평행 튜브를 포함하며,
    상기 튜브 번들 내의 튜브는 나선형의 권취된 재료의 스페이서/지지 코일을 구비하는 와이어 스페이서(spacer)/지지 요소를 포함하며, 상기 스페이서/지지 요소를 구비하는 각각의 상기 튜브 길이의 적어도 일부분이 상기 스페이서/지지 코일의 내주부 내에 수용되며,
    상기 스페이서/지지 코일을 구비하는 각각의 튜브는 상기 스페이서/지지 코일을 구비하지 않는 튜브에만 접촉하며, 상기 스페이서/지지 코일을 구비하지 않는 각각의 튜브는 상기 스페이서/지지 코일을 구비하는 튜브에만 접촉하는
    튜브 번들 장치.
  2. 쉘-튜브(shell-and-tube) 열 교환기와 조합된 제 1 항의 튜브 번들 장치에 있어서,
    상기 쉘-튜브 열 교환기는,
    쉘을 포함하며,
    상기 튜브 번들 장치는 상기 쉘 내에 수용되며,
    상기 복수의 평행 튜브는 제 1 튜브 시트로부터 제 2 튜브 시트까지 연장되 며,
    상기 코일 재료의 반경방향 두께는 인접한 튜브 사이의 간격과 근사해서, 상기 번들 내의 튜브를 대략 상기 코일 재료의 반경방향 두께만큼 이격시키는
    튜브 번들 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 재료의 반경방향 두께는 2개의 인접 튜브 사이의 간격과 근사해서, 상기 번들 내의 튜브를 대략 상기 코일 재료의 반경방향 두께만큼 이격시키는
    튜브 번들 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 코일이 둘러싸는 상기 튜브 둘레에 2회 이상 완전히 감기는
    튜브 번들 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 튜브의 길이를 따라 복수의 축방향으로 이격된 위치에서 상기 튜브 상에 배치되는
    튜브 번들 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스페이서/지지 코일은 하나의 축방향 위치에서 상기 튜브 상에 나선형으로 시계 방향으로 권취되며, 인접한 축방향 위치에서는 나선형으로 반시계 방향으로 권취되는
    튜브 번들 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    몇몇의 상기 튜브는 상기 튜브 상에 나선형으로 시계 방향으로 권취되는 스페이서/지지 코일을 구비하며, 상기 튜브 상에 권취된 상기 스페이서/지지 코일을 구비한 튜브의 잔여부는 나선형으로 반시계 방향으로 권취된 코일을 구비하는
    튜브 번들 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 튜브 시트로부터 제 2 튜브 시트까지 연장되는 상기 튜브 번들용 타이 로드(tie rod)를 더 포함하는
    튜브 번들 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이 로드는 상기 타이 로드의 길이의 적어도 일부를 둘러싸는 나선형으로 권취된 재료를 포함하는 와이어 표면 스페이서/지지 요소를 갖는 로드를 구비 하며,
    상기 로드를 둘러싸는 상기 코일 재료의 반경방향 두께는 각각의 타이 로드와 상기 튜브 번들의 적어도 하나의 튜브 사이의 간격과 근사해서, 상기 로드를 상기 튜브로부터 대략 상기 코일 재료의 반경방향 두께만큼 이격시키는
    튜브 번들 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이 로드는 상기 타이 로드에 인접한 상기 튜브와 접촉하는
    튜브 번들 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브 번들의 길이를 따라 분할 구역으로부터 이격된 상기 튜브 번들 내로의 유체의 유동을 유지하기 위해 상기 튜브 번들의 주변부 둘레의 분할 구역 내에 횡방향 밀봉 스트립을 더 포함하는
    튜브 번들 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브 번들의 길이를 따라 분할 구역으로부터 이격된 상기 튜브 번들 내로의 유체의 유동을 유지하기 위해 상기 튜브 번들의 주변부 둘레의 분할 구역 내에 종방향 밀봉 스트립을 더 포함하는
    튜브 번들 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 종방향 밀봉 스트립은 상기 밀봉 스트립의 길이의 적어도 일부분을 둘러싸는 나선형으로 권취된 재료를 갖는 스페이서/지지 요소를 구비하는 관형 세그먼트를 포함하는
    튜브 번들 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 종방향 스트립을 둘러싸는 나선형으로 권취된 재료의 반경방향 두께는 각각의 스트립과 상기 튜브 번들의 적어도 하나의 튜브 사이의 간격과 근사해서, 상기 스트립을 상기 튜브로부터 대략 상기 코일 재료의 반경방향 두께만큼 이격시키는
    튜브 번들 장치.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브 번들의 길이를 따라 분할 구역으로부터 이격된 상기 튜브 번들 내로의 유체의 유동을 유지하기 위해 상기 튜브 번들의 주변부와 상기 쉘 사이의 분할 구역 내에 횡방향 밀봉 스트립을 더 포함하는
    튜브 번들 장치.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브 번들의 길이를 따라 분할 구역으로부터 이격된 상기 튜브 번들 내로의 유체의 유동을 유지하기 위해 상기 튜브 번들의 주변부와 상기 쉘 사이의 분할 구역 내에 종방향 밀봉 스트립을 더 포함하는
    튜브 번들 장치.
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