KR20220020526A - 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기 - Google Patents

유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 튜브 형상의 본체하우징 유입구에 유체 흐름 분배기를 배치하여 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 하여 효율적인 열교환이 이루어질 수 있으며, 상기 유체 흐름 분배기의 위치를 고정해주는 복수의 연결부재를 중력방향과 수직이거나 수평인 방향으로 설치함으로써, 열교환기의 작동 시 열응력에 따른 균열 발생을 최소화할 수 있도록 한 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기에 관한 것이다.

Description

유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기{HEAT EXCHANGER EQUIPPED WITH FLUID FLOW DISTRIBUTOR}
본 발명은 튜브 형상의 본체하우징 내부로 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 하여 효율적인 열교환이 이루어질 수 있으며, 열응력에 따른 균열 발생을 최소화할 수 있는 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로, 쉘 및 튜브 열교환기(STHX: Shell and tube heat exchanger)는 현재 가장 널리 이용되는 열교환기이다. 이러한 열교환기는 내구성이 강하기 때문에 -250℃ 내지 800℃의 온도 및 6000PSI의 압력에서 운용되며, 발전소, 정유공장 및 기타 대형 산업분야에서 널리 이용되고 있다.
열교환기는 열교환이 일어나게 되는 본체하우징 내부로 흐르는 유체가 균일하게 분포한다는 가정하에 설계가 이루어지게 된다. 그러나 실제 열교환기에서는 기하학적 형상이나 작동 시 운영 조건 등에 의해 실제 열교환이 수행되는 튜브로 들어가는 유량에 큰 차이가 발생할 수 있다. 이에 따라 열교환기의 성능이 저하될 수 있다.
또한 열교환이 수행되는 본체하우징 내부로 유입되는 유량에 차이가 있는 경우, 열교환기 내부에 침적된 이물(탄소화합물 찌꺼기, 부유 물질 등)을 제거하기 위한 탈탄소(decoking) 처리 공정을 실시하게 되는데, 이때 튜브의 유체 유입구 주변과 튜브의 내부 등의 열교환기 내부에 부식이 발생할 수 있다.
이러한 부식을 방지함과 아울러 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 종래 열교환기의 유입구에 분배기가 설치된 바 있다. 분배기는 열교환기 내 유로로 유입되는 유체 흐름을 분배하여 균일도를 높여줄 수 있다.
구체적으로, 종래의 열교환기는 본체하우징 내 유입구에 바(Bar) 형상의 연결부재를 매개로 중심축선 상에 상기 분배기가 설치된다. 이 경우 연결부재는 분배기의 위치를 고정해줄 수 있도록 적어도 세 개의 연결부재가 분배기의 중심축선을 기준으로 소정각도 이격되게 배치된다. 그리고 연결부재는 본체하우징의 내주면에 대응되게 고정된 앵커의 슬라이드공에 결합되어 분배기의 위치를 고정해줄 수 있다.
그러나 상기 분배기는 본체하우징의 중심축선 상에 세 개의 연결부재를 매개로 설치된 경우가 대부분이다. 이 경우 열교환기의 작동에 따른 열팽창 시 발생하는 열응력에 의해 분배기와 연결되는 연결부재의 용접부위에 균열이 발생하게 되는 문제점이 있다. 즉 상기 연결부재는 중력 방향(하방)에 대해 경사지게 설치됨에 따라, 분배기와 연결되는 연결부재의 용접부에 균열이 자주 발생하였다.
미국 등록특허공보 제6845813호(2005.01.25.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 튜브 형상의 본체하우징 유입구에 유체 흐름 분배기를 배치하여 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 하여 효율적인 열교환이 이루어질 수 있으며, 상기 유체 흐름 분배기의 위치를 고정해주는 복수의 연결부재를 중력방향과 수직이거나 수평인 방향으로 설치함으로써, 열교환기의 작동 시 열응력에 따른 균열 발생을 최소화할 수 있도록 한 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기는, 내부 길이방향을 따라 유로가 형성되며, 상기 유로의 일측에 유입구가 구비되고 상기 유로의 타측에 배출구가 구비되는 본체하우징; 상기 유입구의 중심축선에 서로 다른 직경의 링부재가 동심으로 조합 배치되어, 상기 유입구를 통해 상기 유로 내부로 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 형성해주는 유체 흐름 분배기; 상기 유체 흐름 분배기의 외주면에 상기 중심축선을 중심으로 방사상으로 배치되도록 일단이 고정 설치되되, 수직이나 수평 방향으로 배치되는 복수의 연결부재; 및 상기 유입구의 내주면에 고정 설치되며, 상기 연결부재의 타단이 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있도록 길이방향을 따라 결합공이 구비되는 복수의 앵커부재;를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 링부재는, 복수 개가 동일 수직선상에 배치되도록 수직이나 수평으로 배치되는 고정부재를 매개로 일체로 형성될 수 있다.
또한 상기 링부재는, 상기 유입구에서 상기 배출구 측으로 갈수록 소정구간 확관되는 상기 유로의 내경에 대응되도록 상기 유입구 측 내경에 비해 상기 배출구 측 내경이 크게 형성될 수 있다.
또한 상기 연결부재의 일단은, 상기 링부재의 배출구 측 테두리에서 중심축선을 따라 돌출 형성된 고정편에 고정될 수 있다.
또한 상기 연결부재는, 단면이 원형인 바(bar) 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 연결부재는, 상기 유체 흐름 분배기의 상하, 좌우 측에 각각 한 개씩 배치될 수 있다.
또한 상기 유체 흐름 분배기, 연결부재 및 앵커부재는, 니켈-철-크롬 합금 재질로 형성될 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기는, 튜브 형상의 본체하우징 유입구에 유체 흐름 분배기를 배치하여 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 하여 효율적인 열교환이 이루어질 수 있으며, 상기 유체 흐름 분배기의 위치를 고정해주는 복수의 연결부재를 중력방향과 수직이거나 수평인 방향으로 설치함으로써, 열교환기의 작동 시 열응력에 따른 균열 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기의 부분 절개 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기의 사시도,
도 3은 도 1의 내부 구성을 보여주는 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기의 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 연결부재와 앵커부재의 결합구조를 보여주는 부분 상세도,
도 6은 종래 유체 흐름 분배기의 연결부재 구조에 가해지는 열응력을 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기의 연결부재 구조에 가해지는 열응력을 보여주는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기의 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 내부 구성을 보여주는 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열교환기(100)는, 본체하우징(110), 유체 흐름 분배기(120), 연결부재(130), 앵커부재(140)를 포함할 수 있다.
참고로, 본 발명에 따른 열교환기(100)는 탄화수소의 열분해 공정에서 사용될 수 있다. 탄화수소의 열분해 공정은 석유 화학 산업에서 주로 이용되는 에틸렌 및 프로필렌과 같은 경질 올레핀의 생산을 위한 대규모 공정일 수 있다. 나프타, 메탄, 에탄, 프로판 또는 부탄과 같은 공급 원료는 열 분해되어 경질 탄화수소를 생성할 수 있다. 공정에서 생산되는 가스는 고온에서 안정되지 못하여 냉각이 필요하며, 이 경우 본 발명의 열교환기(100)가 사용될 수 있다. 이 경우 열교환기(100)에 이용되는 유체의 일례로 탄화수소를 언급하였으나 이에 한정되지 않으며, 열교환이 필요한 유체라면 다양하게 변경 적용될 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본체하우징(110)은 열교환기(100)의 주된 몸체를 이룬다. 본체하우징(110)은 내부 길이방향을 따라 유로(115)가 형성되며, 열교환 대상 유체가 유로(115)를 통해 유입 및 배출될 수 있도록 본체하우징(110)의 일측에 유입구(111)가 구비되고 타측에 배출구(113)가 구비될 수 있다.
이 경우 상기 유로(115)는 본체하우징(110)의 유입구(111)에서 배출구(113) 측으로 갈수록 직경이 소정구간 확관되고, 배출구(113) 측의 소정구간에서 직경이 다시 축소되는 구조일 수 있다.
아울러 상기 본체하우징(110)의 유입구(111)와 배출구(113) 사이 공간에는 내부에 복수의 튜브(119)가 구비된 쉘(shell)(117)이 구비될 수 있다. 쉘(117)의 내부 공간에는 튜브(119)를 냉각시켜주는 열교환매체가 수납된다. 이에 따라 유입구(111)를 통해 유입된 유체는 튜브(119)를 통과하면서 열교환이 이루어질 수 있다. 즉 튜브(119)를 통과하는 유체는 열교환 매체와 열교환됨으로써 냉각될 수 있다.
유체 흐름 분배기(120)는 유입구(111) 내에 설치되는 것으로, 유입구(111)를 통해 유로(115) 내부로 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 형성해줄 수 있다. 이러한 유체 흐름 분배기(120)는 유입구(111)의 중심축선에 서로 다른 직경으로 형성된 복수의 링부재(121)가 동심으로 조합 배치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 유체 흐름 분배기(120)를 구성하는 링부재(121)는 복수 개가 동일 수직선상에 배치되되, 수직이나 수평으로 배치되는 복수의 고정부재(123)를 매개로 일체로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 링부재(121)는 유입구(111)에서 배출구(113) 측으로 갈수록 소정구간에서 점차 확관되는 유로(115)의 내경에 대응되도록 유입구(111) 측 내경에 비해 배출구(113) 측 내경이 크게 형성될 수 있다. 링부재(121)는 원형으로 형성될 수 있으며, 유입구(111)의 확관 형상에 대응되게 링부재(121)의 내, 외주면이 동일한 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
연결부재(130)는 유체 흐름 분배기(120)를 후술할 앵커부재(140)에 연결 고정해주는 것으로, 단면이 원형인 바(bar) 형태로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 연결부재(130)는 유체 흐름 분배기(120)의 외주면에 중심축선을 중심으로 방사상으로 복수 개가 배치되되, 중력방향과 수직이거나 수평인 방향으로 설치될 수 있다.
구체적으로, 상기 연결부재(130)는 유체 흐름 분배기의 상하, 좌우 측에 각각 한 개씩 배치될 수 있다. 이에 따라 열교환기(100)의 작동 시 중력 방향으로 가해지는 열응력에 의해 연결부재(130)의 연결부위에 균열이 발생하는 것을 최소화할 수 있다. 이에 대한 상세한 작용 설명은 앵커부재(140)와 함께 후술하기로 한다.
아울러 상기 유체 흐름 분배기(120)를 구성하는 복수의 링부재(121) 중에서 맨 외측의 링부재(121)에는 고정편(125)(도 2 참조)이 일체로 형성될 수 있다. 그리고 고정편(125)에는 연결부재(130)의 일단(130a)이 너트 등의 체결부재나 용접 등을 매개로 고정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 고정편(125)은 링부재(121)의 배출구 측 테두리에서 중심축선을 따라 돌출 형성됨에 따라, 유입구(111)를 통해 유로(115)를 따라 이동하는 유체의 흐름에 영향을 최소화할 수 있다.
앵커부재(140)는 연결부재(130)의 타측이 슬라이딩 가능하게 결합되는 것으로, 이러한 앵커부재(140)는 일단이 유체 흐름 분배기(120)에 고정된 연결부재(130)를 유입구(111) 내부의 소정 지점에 고정해줄 수 있다(도 3 참조).
구체적으로, 상기 앵커부재(140)는 유입구(111)의 내주면에 일측이 고정 설치되고, 타측에는 상기 연결부재(130)의 타단(130b)이 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있도록 몸체 길이방향을 따라 결합공(141)이 구비될 수 있다.
이 경우 상기 연결부재(130)의 타단(130b)은 앵커부재(140)의 결합공(141) 내에 영구적으로 고정되는 것이 아닌, 소정의 유격을 두고 슬라이딩 가능하게 결합된다.
즉 열교환기(100)는 작동 시 유로(115) 내부의 온도가 800℃ 전후로 반복됨에 따라, 이러한 환경에서 연결부재(130)는 열팽창에 따른 변형이 발생할 수 있다. 따라서 연결부재(130)의 타단(130b)이 앵커부재(140)의 결합공(141) 내에 용접이나 나사결합 등의 방식으로 고정되는 경우, 고정 부위가 파손될 수 있는 우려가 있다. 따라서, 연결부재(130)의 타단(130b)은 앵커부재(140)의 결합공(141) 내에 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 것이 바람직하다.
이 경우 상기 연결부재(130)의 타단이 앵커부재(140)에 슬라이딩 이동 가능하게 결합된다 하더라도, 상기 연결부재(130)와 앵커부재(140)가 유체 흐름 분배기(120) 외둘레의 사분점(수직 및 수평)에 방사상으로 배치됨에 따라 결국 유체 흐름 분배기(120)의 위치가 중심축선 상에 배치되도록 할 수 있다.
한편, 상기 유체 흐름 분배기(120)와 이를 유입구(111) 내에 고정해주는 연결부재(130) 및 앵커부재(140)는 니켈-철-크롬 합금 재질(Inconel 800H)로 형성될 수 있다. 이에 따라 고온 강도 및 산화, 침탄 및 기타 고온 부식에 대한 내성이 우수하도록 할 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기(100)는, 튜브 형상의 본체하우징(110) 유입구(111)에 유체 흐름 분배기(120)를 배치해줌으로써 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 하여 효율적인 열교환이 이루어질 수 있다(도 3 참조).
아울러 상기 유체 흐름 분배기(120)의 위치를 고정해주는 복수의 연결부재(130)를 중력방향과 수직이거나 수평인 방향으로 설치해줌으로써(도 4 참조), 열교환기(100)의 작동 시 열응력에 따른 균열 발생을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유체 흐름 분배기(120)를 고정해주는 연결부재(130)와 앵커부재(140)가 종래와 같이 중심축선을 기준으로 세 개가 방사상으로 일정 간격 이격되게 배치되는 경우, 앵커부재(140)의 결합공(141)내에 결합된 연결부재(130)의 상, 하 접촉면(대각선 방향)에 집중적으로 열응력이 가해지게 된다. 이에 따라 관심 영역의 박스에 표시된 바와 같이 연결부재(130)의 일단 고정부위에 인장력이 집중적으로 작용하여 균열이 발생할 수 있다.
이에 반해, 유체 흐름 분배기(120)의 상하, 좌우 측에 연결부재(130) 네 개가 수직 및 수평으로 배치되는 본 발명의 경우, 도 7에서와 같이 연결부재(130)에 열응력이 균일하게 가해지게 된다. 이 경우 연결부재(130)의 일단(130a) 고정부위에 도 6에서와 같이 인장력이 집중적으로 작용하지 않음에 따라 균열이 발생하는 것을 방지해줄 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.
100 : 열교환기 110 : 본체하우징
111 : 유입구 113 : 배출구
115 : 유로 117 : 쉘
119 : 튜브 120 : 유체 흐름 분배기
121 : 링부재 123 : 고정부재
125 : 고정편 130 : 연결부재
140 : 앵커부재 141 : 결합공

Claims (7)

  1. 내부 길이방향을 따라 유로가 형성되며, 상기 유로의 일측에 유입구가 구비되고 상기 유로의 타측에 배출구가 구비되는 본체하우징;
    상기 유입구의 중심축선에 서로 다른 직경의 링부재가 동심으로 조합 배치되어, 상기 유입구를 통해 상기 유로 내부로 유입되는 유체의 흐름을 균일하게 형성해주는 유체 흐름 분배기;
    상기 유체 흐름 분배기의 외주면에 상기 중심축선을 중심으로 방사상으로 배치되도록 일단이 고정 설치되되, 수직이나 수평 방향으로 배치되는 복수의 연결부재; 및
    상기 유입구의 내주면에 고정 설치되며, 상기 연결부재의 타단이 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있도록 길이방향을 따라 결합공이 구비되는 복수의 앵커부재;를 포함하는 열교환기.
  2. 제1항 있어서,
    상기 링부재는,
    복수 개가 동일 수직선상에 배치되도록 수직이나 수평으로 배치되는 고정부재를 매개로 일체로 형성되는 것인 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링부재는,
    상기 유입구에서 상기 배출구 측으로 갈수록 소정구간 확관되는 상기 유로의 내경에 대응되도록 상기 유입구 측 내경에 비해 상기 배출구 측 내경이 크게 형성되는 것인 열교환기.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연결부재의 일단은,
    상기 링부재의 배출구 측 테두리에서 중심축선을 따라 돌출 형성된 고정편에 고정되는 것을 포함하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    단면이 원형인 바(bar) 형태로 형성되는 것인 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    상기 유체 흐름 분배기의 상하, 좌우 측에 각각 한 개씩 배치되는 것인 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체 흐름 분배기, 연결부재 및 앵커부재는,
    니켈-철-크롬 합금 재질로 형성되는 것인 열교환기.
KR1020200100917A 2020-08-12 2020-08-12 유체 흐름 분배기가 구비된 열교환기 KR20220020526A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6845813B2 (ja) 2015-06-26 2021-03-24 フェリング ベスローテン フェンノートシャップ 精製および／またはウイルス不活性化の方法

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JP6845813B2 (ja) 2015-06-26 2021-03-24 フェリング ベスローテン フェンノートシャップ 精製および／またはウイルス不活性化の方法

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