KR101550176B1

KR101550176B1 - 쉘앤튜브 열교환기

Info

Publication number: KR101550176B1
Application number: KR1020150047765A
Authority: KR
Inventors: 유용현; 이강준; 박신규; 주정철; 지영식; 배등섭
Original assignee: 세원셀론텍(주)
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: EP3279601A1; CN106052427A; US20160288232A1; JP2016197004A; EP3279601A4; WO2016159450A1

Abstract

본 발명은 원통 형상의 동체로 된 쉘과, 상기 쉘의 내부를 구획하도록 설치되고, 서로 마주보도록 복수의 튜브삽입홀이 각각 관통 형성된 한 쌍의 튜브시트와, 상기 튜브시트 사이를 연결하도록 서로 마주보는 상기 튜브삽입홀 각각에 용접 결합되는 복수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브 열교환기에 있어서, 상기 튜브와 동일한 직경으로 형성되고, 상기 튜브시트 각각의 튜브삽입홀 내부로 각각 삽입되는 원통 형상으로 된 복수의 튜브접합부재와, 장형의 용접와이어를 일정한 길이로 절단한 후 링형상으로 제작되고, 상기 튜브 각각의 양단 외주에 각각 삽입되는 복수의 링와이어를 더 포함하고, 상기 튜브시트 각각은, 서로 마주보는 면에 상기 튜브삽입홀로부터 외주방향을 향해 접합부가 형성되도록 소정의 거리만큼 이격된 환형의 튜브시트홈이 함몰 형성되고, 상기 튜브 각각은, 양단이 상기 튜브접합부재의 마주보는 각각의 일단에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈의 함몰된 간격 범위 내에 각각 위치하도록 상기 튜브시트의 마주보는 각각의 튜브삽입홀에 삽입되고, 상기 튜브접합부재의 내부로 삽입된 용접토치를 이용하여 상기 튜브시트 각각에 상기 링와이어를 용가재로 하여 상기 튜브접합부재와 용접결합되는 것을 특징으로 하는 쉘앤튜브 열교환기이다.

Description

쉘앤튜브 열교환기{SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 튜브측(Tube Side)과 쉘측(Shell Side)에 각각 다른 유체가 유입·유출되면서, 상호 간에 열교환이 이루어지는 쉘앤튜브 열교환기에 관한 것이다.

쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기는 두 개의 튜브시트(Tube Sheet)와 상기 튜브시트를 연결한 복수의 튜브(Tube)으로 구성되며, 그 바깥은 원통 형상의 동체인 쉘(Shell)로 밀폐되는 구성이다. 쉘앤튜브(Shell and Tube) 열교환기는 가열 및 냉각·응축·기화 등 다양한 열교환에 사용된다.

일반적인 쉘앤튜브 열교환기의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 튜브측(Tube Side)과 쉘측(Shell Side)에 각각 다른 유체가 유입·유출되면서, 상호 간에 열교환이 이루어진다. 상기 쉘측 유체의 이동경로를 살펴보면 쉘측유입구(S-S-I, Shell Side Inlet)에 유입되고 쉘(Shell) 내에 형성된 복수의 배플판(30)에 의해 유체는 지그재그로 통과되어 쉘측유출구(S-S-O, Shell Side Outlet)를 통해 유출된다. 튜브(10)는 양측의 튜브시트(20)에 의해 용접결합되어 상기 튜브(10) 내의 유체와 상기 쉘(Shell) 내의 유체가 혼합되는 것을 방지한다. 튜브측 유체의 이동경로를 살펴보면 튜브측유입구(T-S-I, Tube Side Inlet)에 유입되고 쉘(Shell) 내부를 통과하는 상기 튜브(10)에 유체가 유입되어 상기 쉘 내부의 유체의 열과 상호 열교환을 한 후 튜브측유출구(T-S-O, Tube Side Outlet)를 통해 유출된다.

이때, 상기 쉘측과 튜브측의 각기 다른 유체의 혼합을 방지하기 위하여 상기 쉘측의 내부를 통과하는 상기 튜브(10)가 상기 쉘측 내부와 완전히 차단되어야 하므로, 상기 튜브(10)는 상기 쉘의 양측에 두 개가 서로 마주보며 대칭되게 형성된 상기 튜브시트(20)에 용접 결합된다.

쉘앤튜브 열교환기의 상기 튜브시트(20)와 튜브(10)의 용접결합방법의 종래 기술(특허문헌 1)로는 도 1에 확대 도시된 바와 같이 상기 튜브시트(20)에는 복수의 튜브삽입홀(H)이 형성되고, 상기 튜브(10)를 상기 튜브시트(20)의 튜브삽입홀(H)에 각각 삽입한 상태에서 상기 튜브(10)를 확관시켜 상기 튜브시트(20)에 밀착고정시킨다. 그 후, 상기 튜브(10)와 상기 튜브시트(20) 사이에 튜브측 용접(웰딩, Welding)을 실시하여 상기 튜브(10)와 튜브시트(20)를 결합시킨다. 여기서, 튜브측 용접(웰딩)이란 튜브측으로 유출·유입되는 유체가 상기 튜브(10)와 상기 튜브시트(20) 사이로 침투하는 것을 막는 용접으로, 상기 튜브(10)와 상기 튜브시트(20)의 결합시의 바깥쪽 부분(즉, 튜브측으로 유출·유입되는 유체와 접하는 부분)에 대한 용접이다.

상기 튜브(10)의 확관를 거쳐 튜브측을 용접하더라도 쉘측의 상기 튜브시트(20)와 튜브(10)가 완전밀착이 되지 않고, 미세한 틈새가 발생하고 이로 인하여 틈새부식에 의하여 상기 튜브(10)에 파공이 발생하였다. 이를 해결하고자 상기 튜브시트(20) 상에 튜브홈(12)과 튜브시트홈(22)을 각각 형성한다. 상기 튜브홈(12)은 상기 튜브(10)의 확관시 상기 튜브(10)의 일정부분이 상기 튜브홈(12)에 삽입되어 결합력이 높아지도록 하기 위한 것이며, 상기 튜브시트 홈(22)은 쉘측 용접시 작업을 용이하게 하기 위함이다.

상기 튜브홈(12)은 상기 튜브시트(20)의 튜브삽입홀(H)의 내면에 형성하고, 상기 튜브삽입홀(H)에 상기 튜브(10)를 삽입한 후 확관시키면 상기 튜브시트(20)에 상기 튜브(10)가 더욱 밀착되어 결합된다. 그 후, 쉘측 용접(웰딩, Welding)을 실시하는데, 쉘측 용접이란 쉘측으로 유입되는 유체에 의해서 상기 튜브(10)의 파공과 부식을 방지하기 위하여 상기 튜브(10)와 상기 튜브시트(20) 사이로 침투하는 것을 막는 용접으로, 상기 튜브(10)와 튜브시트(20)의 결합 안쪽부분(즉, 쉘측으로 유입·유출되는 유체와 접하는 부분)에 대한 용접이다. 쉘측 용접은 상기 튜브시트(20)의 안쪽 측면에 튜브시트 홈(22)을 형성하고, 용접토치(T)를 이용하여 용접이 이루어진다. 상기 용접토치(T)에 의해 모재인 상기 튜브(10)는 상기 튜브시트홈(22)에 의해 형성된 튜브시트하단접합부(23)와 함께 상기 튜브시트(20)의 외측에서 직접 용접이 이루어진다.

여기서, 상기 튜브시트(20)의 측면에 튜브시트홈(22)을 형성하는 이유는 쉘측 용접시 상기 튜브시트(20) 전체를 가열할 필요가 없이 상기 튜브시트홈(22)에 의해 형성된 상기 튜브시트하단접합부(23)에 대해서만 가열하면 용접이 가능하도록 한 것이다. 상기 튜브(10)의 두께는 대략 1.5 내지 2mm 정도이므로, 상기 튜브시트홈(22)에 의해 형성된 상기 튜브시트하단접합부(23)의 두께도 상기 튜브(10)의 두께와 동일하게 형성하면 상기 튜브시트(20) 전체를 가열할 필요 없이 상기 튜브시트하단접합부(23)에만 국부적으로 가열하더라도 용접이 이루어지므로 용접시 필요한 열의 소모량을 줄이고 이에 따라 용접 효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 튜브시트홈(22)은 상기 튜브시트(20)의 측면에 형성되는데, 상기 튜브(10)가 삽입되는 튜브삽입홀(H)에서 미리 정해진 거리만큼 이격된 형태로 상기 튜브삽입홀(H) 주위에 원호 형상으로 형성된다.

상기 튜브시트(20)와 튜브(10)의 내외측에 대한 용접 즉, 상기 튜브시트(20)와 상기 튜브(10)와의 용접결합인 튜브측(외측) 용접과 쉘측(내측) 용접이 각각 이루어지는데, 용접순서는 튜브측(외측) 용접과 쉘측(내측) 용접 중 어느 곳을 먼저 용접하더라도 상관없다.

그러나, 상기 종래 기술(특허문헌 1)은 쉘측 용접시 상기 용접토치(T)에 의해 모재인 상기 튜브(10)가 상기 튜브시트홈(22)에 의해 형성된 튜브시트하단접합부(23)와 함께 상기 튜브시트(20)의 외측에서 직접 용접되는 방식인데, 상기 튜브시트(20)의 쉘측에 하나의 튜브(10)만 용접되는 것이 아니라 수십 내지 백 개 이상의 튜브(10)가 용접된다. 따라서, 상기 튜브시트(20)의 쉘측의 외측에서 직접 용접하는 방법은 바람직하긴 하지만, 현실적으로 다수의 튜브(10)를 상기 튜브시트(20)에 용접 결합해야 하므로 공간이 협소하여 용접토치(T)를 접근시킬 만한 공간확보가 어렵고 이로 인한 용접이 불가능한 부분이 발생된다. 즉, 상기 튜브시트(20)의 쉘측에 용접되는 상기 튜브(10)의 외측에 상기 용접토치(T)로 직접 용접하고자 할 때 상기 튜브시트(20) 바깥쪽에 있는 튜브(10)는 용접 가능할지라도 인접하는 다른 튜브(10)나 안쪽에 결합해야 하는 또 다른 튜브(10)의 용접시에 상기 튜브(10)와 튜브(10) 상호 간에 간섭이 발생하여 용접이 어렵고 작업효율이 현저히 떨어지며 완전한 용접 작업의 수행이 힘들다는 문제점이 있다.

또 다른 종래 기술(특허문헌 2)로는 도 2에 도시된 바와 같이 쉘측의 유체가 상기 튜브(10)와 튜브시트(20) 사이로 침투하여 상기 튜브(10)에 발생하는 파공과 부식을 방지하기 위한 것으로 쉘측에 대한 용접시 상기 튜브(10)의 내부로 용접토치(T)를 삽입하여 용접(W)을 실시하는 방법이다. 상기 용접토치(T)가 상기 튜브(10)의 내부에 삽입되어 모재인 상기 튜브(10)에 먼저 용접 열이 가해지고, 상기 튜브(10)를 거쳐 상기 시트홈(22)에 의해 형성된 상기 튜브시트하단접합부(23)에 용접 열이 간접적으로 전달되어 용해되면서 상기 튜브(10)와 상기 튜브시트(20)의 튜브시트하단접합부(23)가 용접 결합되는 방식이다.

여기서, 상기 튜브(10)의 내부로 상기 용접토치(T)를 삽입하여 용접하는 이유는, 상기 튜브시트(20)에 삽입되는 다수개의 상기 튜브(10)를 쉘측의 외측에서 용접토치(T)로 직접 용접할 경우 상기 튜브(10)와 튜브(10) 사이의 협소한 공간에 용접토치(T)를 접근시켜 용접하기가 어렵고 용접을 하더라도 불량이 발생하므로 상기 튜브(10)의 내부로 상기 용접토치(T)를 삽입하여 용접하게 된다.

또한, 상기 튜브시트(20)와 튜브(10)의 내외측에 대한 용접, 즉 상기 튜브시트(20)와 상기 튜브(10)와의 용접결합인 튜브측(외측) 용접과 쉘측(내측) 용접이 각각 이루어지는데, 용접순서는 어디를 먼저 하는지 상관없다.

상기 도 2의 종래 기술(특허문헌 2)은 쉘측의 용접시 상기 튜브시트(20)에 복수의 상기 튜브(10)를 삽입한 상태에서 상기 튜브(10)의 내부로 용접토치(T)를 삽입하여 용접하는 방식이다. 그러나, 상기 튜브(10)의 외주에 용접 결합되는 상기 튜브시트(20)의 튜브시트하단접합부(23)에 상기 용접토치(T)의 용접 열이 직접 전달되어 방식이 아니라 상기 튜브(10)를 거친 용접 열이 간접적으로 전달되는 방식으로 정확한 용접 열이 상기 튜브시트하단접합부(23)에 전달되지 않음으로써 용접시 상기 튜브(10)에 파공이 발생하고 용접불량이 발생하여 생산성이 저하된다는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래 기술들은 상기 튜브시트(20) 상에 튜브홈(12)을 형성하여 상기 튜브(10)의 확관 시에 상기 튜브(10)의 일정부분이 상기 튜브홈(12)에 삽입되어 결합력을 높이는 것으로, 상기 튜브시트(20)에 튜브홈(12)을 별도로 설치해야 하고 확관 공정이 필요하므로 제작비용이 상승한다는 문제점도 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 출원인이 출원 및 등록한 특허문헌 3의 "쉘앤튜브 용접방법"이 있다. 그러나, 상술한 종래 기술뿐만 아니라 특허문헌 3의 기술 역시 여전한 문제점을 가지고 있는데, 협소한 공간적 제약 때문에 모재 간의 용접만이 가능할 뿐 용접봉을 사용할 수 없어, 최상의 용접품질을 얻을 수 없고, 산화나 질화 및 오랜 사용에 의한 부식 등의 문제가 여전히 남아있다.

대한민국 등록특허 제10-1298703호 (2013.08.14) 대한민국 특허출원 제10-2012-0002419호 (2012.01.09) 대한민국 등록특허 제10-1359778호 (2014.01.29)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 종래 매우 협소한 공간의 제약 때문에 용접봉을 사용할 수 없던 것과 달리 획기적으로 용접봉을 사용할 수 있는 새로운 방식을 도입하여 최상의 용접품질을 얻을 수 있으며, 그에 따라 산화나 질화 및 오랜 사용에 의한 부식 등의 문제를 해결할 수 있는 쉘앤튜브 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기는, 원통 형상의 동체로 된 쉘과, 상기 쉘의 내부를 구획하도록 설치되고, 서로 마주보도록 복수의 튜브삽입홀이 각각 관통 형성된 한 쌍의 튜브시트와, 상기 튜브시트 사이를 연결하도록 서로 마주보는 상기 튜브삽입홀 각각에 용접 결합되는 복수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브 열교환기에 있어서, 상기 튜브와 동일한 직경으로 형성되고, 상기 튜브시트 각각의 튜브삽입홀 내부로 각각 삽입되는 원통 형상으로 된 복수의 튜브접합부재와, 장형의 용접와이어를 일정한 길이로 절단한 후 링형상으로 제작되고, 상기 튜브 각각의 양단 외주에 각각 삽입되는 복수의 링와이어를 더 포함하고, 상기 튜브시트 각각은, 서로 마주보는 면에 상기 튜브삽입홀로부터 외주방향을 향해 접합부가 형성되도록 소정의 거리만큼 이격된 환형의 튜브시트홈이 함몰 형성되고, 상기 튜브 각각은, 양단이 상기 튜브접합부재의 마주보는 각각의 일단에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈의 함몰된 간격 범위 내에 각각 위치하도록 상기 튜브시트의 마주보는 각각의 튜브삽입홀에 삽입되고, 상기 튜브접합부재의 내부로 삽입된 용접토치를 이용하여 상기 튜브시트 각각에 상기 링와이어를 용가재로 하여 상기 튜브접합부재와 용접결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜브접합부재의 길이는 상기 튜브삽입홀의 길이보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜브접합부재 각각은, 일단이 상기 튜브에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈의 함몰된 간격 범위 내에 위치하고, 타단은 상기 튜브삽입홀의 끝단과 일치하도록 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기는, 튜브시트에 관통 형성된 튜브삽입홀에 동일한 직경의 튜브접합부재와 튜브를 함께 삽입하여 접촉시킨 상태에서 튜브접합부재의 내부로 용접토치를 삽입하여 용접하는 것으로, 용접대상에 용접토치를 용이하게 접근시킬 수 있고, 특히 용접토치의 용접 열이 용접대상인 튜브시트, 튜브접합부재 및 튜브에 동시에 직접 가열되면서 링형상의 와이어링을 용가재로 하여 용접됨에 따라 정밀한 용접이 이루어짐은 물론, 최상의 용접품질을 얻을 수 있으므로 산화나 질화 및 오랜 사용에 의한 부식 등의 문제를 해결할 수 있어 내구성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 쉘앤튜브 열교환기에 대한 단면도이고,
도 2는 또 다른 종래 기술에 따른 쉘앤튜브 열교환기의 쉘앤튜브 용접구조에 대한 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 제작하는 과정 중 튜브시트홈 형성단계 및 튜브접합부재 삽입단계를 도시한 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 제작하는 과정 중 링와이어 제작단계를 도시한 도면이고,
도 6은 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 제작하는 과정 중 링와이어 삽입단계를 도시한 단면도이며,
도 7은 도 6의 실시예의 실제 사진을 촬영한 사시도이고,
도 8은 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 제작하는 과정 중 튜브 삽입단계를 도시한 단면도이며,
도 9는 도 8의 실시예의 실제 사진을 촬영한 사시도이고,
도 10은 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 제작하는 과정 중 튜브접합부재 내부로 용접토치가 삽입된 상태를 도시한 단면도이며,
도 11은 도 10의 실시예의 용접토치에 의해 튜브측 및 쉘측이 용접된 상태를 도시한 단면도이며,
도 12는 도 11의 실시예의 쉘측이 용접된 실제 사진을 촬영한 사시도이고,
도 13 내지 15는 도 3의 실시예의 반대편 튜브측 및 쉘측의 용접과정을 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기에 관한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기는, 도 3에 도시된 바와 같이 원통 형상의 동체로 된 쉘(1)과, 상기 쉘(1)의 내부를 구획하도록 설치되고, 서로 마주보도록 복수의 튜브삽입홀(110)이 각각 관통 형성된 한 쌍의 튜브시트(100)와, 상기 튜브시트(100) 사이를 연결하도록 서로 마주보는 상기 튜브삽입홀(110) 각각에 용접 결합되는 복수의 튜브(300)를 포함하여 이루어지고, 튜브접합부재(200) 및 와이어링(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 튜브시트(100)는 튜브삽입홀(110), 튜브시트홈(120) 및 접합부(130)로 형성되고, 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 튜브접합부재(200)와 튜브(300)가 삽입되어 용접결합된다.

본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기의 구성은 도 3에 도시된 바와 같이 튜브측(Tube Side)과 쉘측(Shell Side)에 각각 다른 유체가 유입·유출되면서, 상호 간에 열교환이 이루어지는 것으로, 상기 쉘측의 내부를 통과하는 상기 튜브(300)가 상기 쉘측 내부와 완전히 차단되어야 상기 쉘측과 튜브측의 각기 다른 유체의 혼합이 방지되므로 상기 튜브(300)는 쉘측에 대하여 튜브측이 밀폐되도록 한 쌍이 서로 마주보며 대칭되게 형성된 상기 튜브시트(100)에 용접 결합된다.

튜브시트(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 튜브삽입홀(110)이 관통 형성되고, 서로 마주보는 면에 상기 튜브삽입홀(110)로부터 외주방향을 향해 접합부(130)가 형성되도록 소정의 거리만큼 이격된 환형의 튜브시트홈(120)이 함몰 형성된다. 즉, 상기 튜브시트홈(120)이 상기 튜브삽입홀(110)로부터 이격된 사이는 접합부(130)가 되고, 상기 접합부(130)는 후술할 튜브접합부재(200)의 일단에 접촉된 튜브(300)의 일단과 함께 용접 결합된다.

상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)로부터 외주방향을 향해 소정의 거리만큼 이격된 환형의 튜브시트홈(120)을 함몰 형성하는 이유는, 쉘측 용접시 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110) 전체를 가열할 필요가 없이 상기 튜브시트홈(120)에 의해 형성된 상기 접합부(130)에 대해서만 국부적으로 가열하면 용접이 가능하므로 용접시 필요한 열의 소모량을 줄일 수 있어 용접 효율이 높아진다. 또한, 상기 튜브(300)의 두께는 대략 1.6mm 정도이므로 상기 튜브삽입홀(110)과 이격된 상기 튜브시트홈(120) 사이에 형성된 상기 접합부(130)의 두께도 상기 튜브(300)의 두께와 동일하게 형성하면 용접효율이 한층 더 높아진다.

여기서, 상기 튜브삽입홀(110)은 상기 튜브시트(100)의 일측면과 타측면을 관통하여 튜브삽입홀(110)이 형성되는데, 상기 일측면은 한 쌍의 상기 튜브시트(100)가 서로 바라보는 안쪽을 지칭하는 것으로 쉘측이고, 타측면은 상기 튜브시트(100)가 서로 바라보는 안쪽의 반대편인 바깥쪽을 지칭하는 것으로 튜브측이다. 따라서, 상기 튜브시트(100)에 형성되는 상기 튜브시트홈(120)과 접합부(130)는 쉘측에 형성된다.

튜브접합부재(200)는 도 3, 4 및 6에 도시된 바와 같이 상기 튜브(300)와 동일한 직경으로 형성된 원통 형상으로 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 삽입된다. 상기 튜브삽입홀(110)에 삽입된 상기 튜브접합부재(200)의 일단은 한 쌍의 상기 튜브시트(100)가 서로 바라보는 안쪽인 쉘측(일측)에 위치되고, 상기 튜브접합부재(200)의 타단은 한 쌍의 상기 튜브시트(100)가 서로 바라보는 반대편인 바깥쪽의 튜브측(타측)에 위치된다.

이때, 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)과 이격되어 함몰 형성된 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 거리인 상기 접합부(130)의 길이 내에 상기 튜브접합부재(200)의 일단과 상기 튜브(300)의 일단이 접촉되어야 용접시 후술할 용접토치(T)에 의해 상기 접합부(130)와 함께 용접 결합된다. 따라서, 상기 튜브접합부재(200)의 길이는 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)의 길이보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 튜브접합부재(200)는, 타단이 상기 튜브삽입홀(110)의 타단과 일치하도록 위치하고 일단은 상기 튜브(300)의 일단에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 간격 범위 내에 위치하도록 한다.

튜브(300)는 도 3, 4 및 6 내지 15에 도시된 바와 같이 한 쌍이 서로 마주보며 대칭되게 형성된 상기 튜브시트(100) 사이에 용접 결합되어 열교환기의 쉘측 내부를 통과하되 상기 쉘측 내부와 완전히 차단되도록 밀폐되어 상기 쉘측과 튜브측의 각기 다른 유체의 혼합을 방지한다. 상기 튜브(300)의 일단은 상기 튜브접합부재(200)의 일단에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 간격 범위 내에 위치되도록 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 삽입되고, 후술할 용접토치(T)에 의해 상기 튜브접합부재(200)의 일단 및 상기 튜브시트(100)의 접합부(130)와 함께 용접 결합된다.

또한, 상기 튜브(300)는 한 쌍이 서로 마주보며 대칭되게 형성된 상기 튜브시트(100) 사이에 용접 결합되므로, 도 3, 4 및 5 내지 12에 도시된 바와 같이 한쪽의 튜브시트(100)에 튜브(300)를 먼저 용접 결합한 후 도 13 내지 15에 도시된 바와 같이 반대쪽도 동일한 방법으로 용접 결합한다.

이때, 상기 튜브접합부재(200), 튜브시트(100)의 접합부(130) 및 튜브(300)가 용접결합될 때 모재만이 용접결합될 경우 최상의 용접품질을 얻을 수 없고, 산화나 질화 및 오랜 사용에 의한 부식 등의 문제가 될 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기에서는 협소한 공간에서도 쉘앤튜브 용접시 용가재를 사용할 수 있는 새롭고 획기적인 방법을 제공할 수 있다. 즉, 도 5 내지 12에 도시된 바와 같이 링와이어(400)를 이용하는 것이다.

링와이어(400)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수가 구비되고, 장형의 용접와이어(400')를 일정한 길이로 절단한 후 링형상으로 제작한다. 용접와이어(400')는 도 7에 도시된 바와 같이 비피복 용접봉(bare electrode)이고, 릴(미도시)에 감긴 용접와이어(400')를 풀어 일정한 길이로 절단하여 미리 다량의 링와이어(400)를 제작해 둔다. 이렇게 제작된 링와이어(400)를 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 삽입하기 전에 튜브(300)의 일단 외주에 삽입하여 끼워둔다. 이후, 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 튜브(300)를 삽입하면 접합부(130)에 링와이어(400)가 접촉된 상태가 되는 것이다.

그에 따라, 도 10 및 11에 도시된 바와 같이 상기 튜브(300)의 일단은 상기 튜브접합부재(200)의 일단에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 간격 범위 내에 위치되도록 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 삽입되고, 용접토치(T)에 의해 상기 튜브접합부재(200)의 일단 및 상기 튜브시트(100)의 접합부(130)와 함께 링와이어(400)를 용가재로 하여 용접 결합된다.

또한, 상기 튜브(300)는 한 쌍이 서로 마주보며 대칭되게 형성된 상기 튜브시트(100) 사이에 용접 결합되므로, 도 3, 4 및 5 내지 12에 도시된 바와 같이 한쪽의 튜브시트(100)에 튜브(300)를 먼저 용접 결합한 후 도 13 내지 15에 도시된 바와 같이 반대쪽도 동일한 방법으로 링와이어(400)를 용가재로 하여 용접 결합한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기는, 튜브시트(100)에 관통 형성된 튜브삽입홀(110)에 동일한 직경의 튜브접합부재(200)와 튜브(300)를 함께 삽입하여 접촉시킨 상태에서 튜브접합부재(200)의 내부로 용접토치(T)를 삽입하여 용접하는 것으로, 용접대상에 용접토치(T)를 용이하게 접근시킬 수 있고, 특히 용접토치(T)의 용접 열이 용접대상인 튜브시트(100), 튜브접합부재(200) 및 튜브(300)에 동시에 직접 가열되면서 링형상의 와이어링(400)을 용가재로 하여 용접됨에 따라 정밀한 용접이 가능함은 물론, 최상의 용접품질을 얻을 수 있으므로 산화나 질화 및 오랜 사용에 의한 부식 등의 문제를 해결할 수 있어 내구성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

여기서, 상기 튜브시트홈(120)의 간격 범위 내로 상기 튜브접합부재(200)의 일단과 상기 튜브(300)의 일단이 접촉된 상태에서 상기 튜브접합부재(200)의 내부로 용접토치(T)를 삽입하여 용접 열을 가하면 상기 튜브접합부재(200)의 일단과 상기 튜브(300)의 일단이 접촉된 부위는 물론 접촉된 틈새를 통해 상기 튜브시트홈(120)에 의해 형성된 상기 튜브시트(100)의 접합부(130)에도 용접 열이 직접 전달되고, 상기 튜브시트(100)의 접합부(130)에 상기 튜브접합부재(200)의 일단 및 상기 튜브(300)의 일단이 함께 용접 결합됨과 동시에 와이어링(400)이 용융되면서 도 12에 도시된 바와 같이 용접 후 용착금속을 이루게 되는 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기를 제작하는 과정을 보다 구체적으로 도면을 참조하여 살펴본다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 튜브시트(100)에 튜브삽입홀(110)이 먼저 관통 형성되고, 그 후 상기 튜브시트(100)의 일측면에 상기 튜브삽입홀(110)로부터 외주방향을 향해 소정의 거리만큼 이격된 환형의 튜브시트홈(120)을 함몰 형성하는 튜브시트홈 형성단계이다.

상기 튜브시트홈 형성단계에서, 상기 튜브시트홈(120)이 상기 튜브삽입홀(110)로부터 이격된 사이의 거리가 상기 접합부(130)의 두께가 되고 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 거리가 상기 접합부(130)의 길이가 된다. 상기 튜브시트(100)의 접합부(130)는 상기 용접토치(T)에 의해 상기 튜브접합부재(200)의 일단 및 후술할 튜브(300)의 일단과 함께 와이어링(400)을 용가재로 하여 용접 결합된다.

다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입(110)홀 내부로 상기 튜브(300)와 동일한 직경으로 형성된 원통 형상의 튜브접합부재(200)를 삽입하는 튜브접합부재 삽입단계이다.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이 장형의 용접와이어(400')를 일정한 길이로 절단하고, 상기 튜브(300)의 외주에 삽입되도록 링형상의 링와이어(400)로 제작하는 링와이어 제작단계이다. 상기 링와이어 제작단계의 경우에는 공정상 튜브접합부재 삽입단계 이후로 기재되어 있으나, 다른 공정과 달리 선후가 없고 미리 다량의 링와이어(400)를 제작해둘 수 있다.

이렇게 제작된 링와이어(400)를 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 상기 튜브(300)의 일단 외주에 삽입하는 링와이어 삽입단계를 수행하게 된다.

다음으로, 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 링와이어(400)가 삽입된 상기 튜브(300)의 일단이 상기 튜브접합부재(200)의 마주보는 일단에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 간격 범위 내에 위치하도록 상기 튜브(300)의 일단을 상기 튜브시트(100)의 일측방향으로 삽입하는 튜브 삽입단계이다. 이때, 상기 링와이어(400)는 튜브시트(100)의 접합부(130)에 접촉된 상태가 된다.

상기 튜브접합부재 삽입단계와 튜브 삽입단계에서, 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 간격 범위가 상기 용접토치(T)에 의해 용접되는 범위이므로, 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)과 이격되어 함몰 형성된 상기 튜브시트홈(120)의 함몰된 간격 범위 내로 상기 튜브접합부재(200)의 일단과 상기 튜브(300)의 일단이 삽입되어 접촉되면 상기 튜브접합부재(200)의 내부로 삽입되는 상기 용접토치(T)의 용접 열에 의해 상기 튜브시트홈(120)에 의해 형성된 상기 접합부(130), 상기 튜브접합부재(200)의 일단 및 상기 튜브(300)의 일단이 링와이어(400)를 용가재로 하여 함께 용접 결합된다.

다음으로, 도 10 및 11에 도시된 바와 같이 상기 튜브시트(100)의 타측면에 상기 튜브접합부재(200)의 타단을 용접결합하는 튜브측 용접단계와, 용접토치(T)가 상기 튜브접합부재(200)의 내부로 삽입되어 상기 튜브시트(100)의 일측면에 상기 링와이어(400)를 용가재로 하여 상기 튜브접합부재(200)의 일단과 상기 튜브(300)의 일단을 용접결합하는 쉘측 용접단계를 수행하게 된다. 여기서, 상기 튜브측 용접단계 및 상기 쉘측 용접단계의 용접순서는 어느 단계를 먼저 실시하더라도 무방하다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 쉘측 용접단계에서 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 삽입된 상기 튜브접합부재(200)의 타단 내부로 상기 용접토치(T)를 삽입한다. 다만, 상기 튜브접합부재(200)의 일단과 접촉되는 상기 튜브(300)의 타단 방향으로 상기 용접토치(T)를 삽입할 수도 있으나, 이는 상기 튜브(300)의 길이만큼 상기 용접토치(T)가 삽입되어야 하므로 삽입길이가 너무 길어지기 때문에 상기 튜브접합부재(200)의 타단 내부로 상기 용접토치(T)를 삽입하는 것이 바람직하다.

상기 도 4 내지 11의 설명은 쉘앤튜브 열교환기에 설치되는 한 쌍의 상기 튜브시트(100)와 튜브(300)의 쉘앤튜브 용접방법 중 한쪽에 대한 설명이고, 도 13 내지 15에 도시된 바와 같이 나머지 반대쪽도 동일한 방법으로 용접한다.

도 13은 상기 튜브시트(100)에 튜브삽입홀(110) 및 튜브시트홈(120)이 형성되는 튜브시트홈 형성되는 형성단계 및 상기 튜브삽입홀(110)에 튜브접합부재(200)가 삽입되는 튜브접합부재 삽입단계를 도시하였다. 도 14는 상기 튜브접합부재(200) 내부로 상기 용접토치(T)가 삽입된 상태를 도시하였는데, 상기 쉘측 용접단계에서 상기 튜브시트(100)의 튜브삽입홀(110)에 삽입된 상기 튜브접합부재(200)의 타단 내부 즉, 삽입거리가 짧은 쪽으로 상기 용접토치(T)를 삽입하는 것이 바람직하다. 도 15는 상기 용접토치(T)에 의해 튜브측 용접단계 및 쉘측 용접단계를 도시하였는데, 상기 튜브측 용접단계 및 상기 쉘측 용접단계의 용접순서는 어느 단계를 먼저 실시하더라도 무방하다.

본 발명에 따른 쉘앤튜브 열교환기에서의 용접된 상태는 용접부위(W)로 도시된 부위이고, 실제 용접된 상태는 도 12에 도시된 바와 같다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이 종래 협소한 공간의 제약 때문에 모재 간의 용접만이 이루어지던 것과 달리, 새롭고 획기적인 링와이어(400)를 이용한 용가재로 모재를 함께 용접함으로써 최상의 용접품질을 얻을 수 있으므로 산화나 질화 및 오랜 사용에 의한 부식 등의 문제를 해결할 수 있어 내구성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

100 : 튜브시트 110 : 튜브삽입홀
120 : 튜브시트홈 130 : 접합부
200 : 튜브접합부재
300 : 튜브
400 : 링와이어
T : 용접토치
W : 용접부위

Claims

튜브측과 쉘측에 각각 다른 유체가 유입 및 유출되면서 상호 간에 열교환이 이루어지도록 원통 형상의 동체로 된 쉘과, 상기 쉘의 내부를 구획하도록 설치되고, 서로 마주보도록 복수의 튜브삽입홀이 각각 관통 형성된 한 쌍의 튜브시트와, 상기 튜브시트 사이를 연결하도록 서로 마주보는 상기 튜브삽입홀 각각에 용접 결합되는 복수의 튜브를 포함하는 쉘앤튜브 열교환기에 있어서,
상기 튜브시트의 튜브삽입홀의 길이보다 작은 길이를 가진 원통 형상이고, 상기 튜브와 동일한 직경으로 형성되며, 상기 튜브시트 각각의 튜브삽입홀 내부로 각각 삽입되는 복수의 튜브접합부재와,
비피복 용접봉인 장형의 용접와이어를 일정한 길이로 절단한 후 링형상으로 제작되고, 상기 튜브 각각의 양단 외주에 각각 삽입되도록 상기 튜브의 직경보다 큰 직경을 가진 복수의 링와이어를 더 포함하고,
상기 튜브시트 각각은,
서로 마주보는 면에 상기 튜브삽입홀로부터 외주방향을 향해 소정의 거리만큼 이격된 환형의 튜브시트홈을 함몰 형성하여 상기 튜브시트홈과 상기 튜브삽입홀 사이에 접합부가 형성되고,
상기 튜브 각각은,
양단이 상기 튜브접합부재의 마주보는 각각의 일단에 접촉되고, 상기 접합부에 상기 링와이어가 접촉됨과 동시에 상기 튜브시트홈의 함몰된 간격 범위 내에 각각 위치하도록 상기 튜브시트의 마주보는 각각의 튜브삽입홀에 삽입되며, 상기 튜브접합부재의 내부로 삽입된 용접토치를 이용하여 상기 튜브시트 각각에 상기 링와이어를 용가재로 하여 상기 튜브접합부재 및 상기 접합부와 함께 용접결합되고,
상기 튜브접합부재 각각은,
일단이 상기 튜브시트의 마주보는 각각의 튜브삽입홀에 삽입된 상기 튜브에 접촉함과 동시에 상기 튜브시트홈의 함몰된 간격 범위 내에 위치하고, 타단은 상기 튜브삽입홀의 끝단과 일치하도록 상기 튜브시트 각각의 튜브삽입홀 내부로 삽입되고,
상기 튜브시트의 튜브시트홈 간격 범위 내로 상기 튜브접합부재 각각의 일단과 상기 튜브의 양단이 각각 접촉된 상태에서 상기 튜브접합부재의 내부로 용접토치를 삽입하여 용접을 실시할 경우 상기 튜브접합부재 각각의 일단과 상기 튜브의 양단이 각각 접촉된 부위와 함께 접촉된 틈새를 통해 상기 튜브시트의 접합부까지 용접열이 직접 전달되고, 상기 튜브시트의 접합부에 접촉된 상기 링와이어가 용융되면서 상기 링와이어를 용가재로 하여 상기 튜브접합부재 각각의 일단과 상기 튜브의 양단이 함께 용접결합되는 것을 특징으로 하는 쉘앤튜브 열교환기.
삭제
삭제