KR102010156B1 - 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 및 이를 구비한 쉘앤플레이트 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘에 관한 것으로, 바람직하게는 복수개의 플레이트를 포함하는 쉘에 있어서, 상기 복수개의 플레이트가 계단형으로 적층되어 유체가 균일하기 분배되는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함함으로써, 유체 분배가 촉진되어 효율적인 열교환이 이루어지는 쉘앤플레이트 열교환기를 제공할 수 있다.

Description

쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 및 이를 구비한 쉘앤플레이트 열교환기{shell in a shell and plate heat exchanger, and shell and plate heat exchanger having the same}

본 발명은 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 및 이를 구비한 쉘앤플레이트 열교환기에 관한 것으로, 바람직하게는 복수개의 플레이트가 계단형으로 적층되어 있는 쉘을 포함함으로써 유체를 균일하게 분배될 수 있도록 하여, 열 교환효율을 향상시킨 쉘앤플레이트 열교환기에 관한 것이다.

열교환기(heat exchanger)는 고온의 유체에서 저온의 유체로 열을 전달하여 두 유체가 열적 평행상태에 도달되도록 하는 장치이며, 가스터빈, 공기조화장치, 냉동장치 등 다방면의 분야에 광범위하게 사용된다.

열교환기는 그 내부에 설치되는 전열 구조를 사이에 두고 교호로 유동하는 고온 유체와 저온 유체 사이에 열교환을 행하여 한 쪽의 유체는 가열되도록 함과 동시에 다른 한 쪽의 유체는 냉각되도록 하는 장치이며, 열교환을 위한 전열 매체로 액체와 액체간, 기체와 기체간 또는 기체와 액체간에 사용된다.

통상적으로 많이 사용되는 열교환기는 쉘앤튜브 방식과 쉘앤플레이트(또는 플레이트앤쉘)방식의 열교환기가 있다.

쉘앤플레이트 방식의 열교환기는 원통형 쉘 구조물의 내부에 유동로가 형성된 플레이트를 적층시킨 플레이트 조립체가 형성되고, 상기 플레이트 조립체의 유동로를 통해 저온 또는 고온의 유체가 유동하며, 원통형 쉘의 길이 방향에 직각방향으로 형성된 유출입구를 통해 고온 또는 저온의 유체가 흐르면서 상호 열전달이 이루어진다.

다수의 플레이트 표면을 통해 열전달이 이루어지는 쉘앤플레이트 방식의 열교환기는 튜브 표면을 통해 열전달이 이루어지는 쉘앤튜브 방식에 비해 단위 체적당 전열 표면적이 넓어, 열전달 효율이 높은 편이다.

종래의 쉘앤플레이트 방식의 열교환기의 유로 구성을 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, 쉘앤플레이트 열교환기의 경우 플레이트 가장자리 부분과 포트 부분의 용접이 번갈아 가면서 존재하며, 플레이트 가장자리 부분이 용접된 부분으로 1차 유체가 흐르게 되며, 포트가 용접된 부분에서는 2차 유체가 통과하며 열교환을 하게 된다.

이때, 쉘앤플레이트 방식의 열교환기는 플레이트의 면적을 변경하거나 플레이트 개수 변경을 통해 열전달 성능을 증가시킬 수 있다.

그러나, 쉘앤플레이트 방식의 열교환기는 플레이트 면적의 변경이나 플레이트 개수의 변경이 쉘 내부 공간에 의해 제한된다.

또한, 플레이트 개수가 증가함에도 불구하고 실제 열전달 성능이 불 균일한 유체 분배로 의해 이상적인 열전달 성능에 미치지 못하였다.

따라서 쉘앤플레이트 방식의 열교환기의 불균일한 유체 분배를 해결하기 위한 방법으로 열교환기 내부에 분배기를 설치하여 해결하려는 시도가 있었다.

한국등록특허공보 제10-1094469호에서는 배관을 통해 외부로부터 유입되는 가열 또는 피가열 열매체가 각층의 전열유로를 통해 전반적으로 균일하게 분배되도록 함과 더불어 플로우홀에 삽입된 분배구 및 배관을 플레어타입의 배관수단으로 조립한 열교환기가 개시되어 있지만, 분배기가 많은 공간을 차지하며, 유체 분배에 대한 문제가 여전히 남아있다.

한국등록특허공보 제 10-1094469호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 별도의 분배장치를 추가하지 않고도 유체분배 능력이 향상된 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 제공하는 것을 목적으로 한다.

바람직하게는, 본 발명의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함함으로써, 열교환율이 향상된 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수개의 플레이트가 계단형으로 적층되어 있는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 개시한다.

본 발명의 상기 복수개의 플레이트는 일부 또는 모든 선단에 경사면이 형성될 수 있고, 상기 복수개의 플레이트는 일부 또는 모든 선단에 팁이 부착될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 복수개의 플레이트는 2차 유체 유입구로부터 계단형으로 적층될 수 있다.

상기 플레이트 선단에 부착된 팁의 개수가 2차 유체 유입구로부터 멀어질수록 줄어 들 수 있으며, 상기 팁의 형태는 다각형, 인벌류트(involute) 및 나선형 구조 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 열교환기는 복수개의 플레이트, 상기 복수개의 플레이트가 계단형으로 적층되어 있는 쉘을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘은 복수개의 플레이트가 계단형으로 적층된 형태로 인해 별도의 분배기 없이도 유체가 균일하기 분배된다.

또한, 본 발명에 따른 쉘앤플레이트 열교환기는 본 발명의 쉘앤플레이트용 쉘을 포함함으로써, 유체 분배가 촉진되어 효율적인 열교환이 이루어진다.

도 1은 종래의 쉘앤플레이트 방식의 열교환기의 유로 구성을 나타내었다.
도 2는 본 발명의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘의 구성도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘의 내부에 적층된 플레이트의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예 2에 따른 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘의 내부에 적층된 플레이트의 단면도이다.
도 4(a)는 본 발명의 실시예 2에 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘의 내부에 적층된 플레이트의 단면도이다.
도 4(b)는 본 발명의 비교예 1에 따른 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘의 내부에 적층된 플레이트의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 2의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 내부의 유체 속도분배 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 내부의 유체 속도분배 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 유체 유동률을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 유체의 흐름도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

여기에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특성 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함된다.

본 발명에서 쉘앤플레이트 열교환기라 함은, 특별한 언급이 없는 한, 일반적인 쉘앤플레이트 열교환기뿐만 아니라　플레이트(또는 판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우의 열교환기를 모두 포괄적으로 지칭한다.

쉘앤플레이트 열교환기는 원통형 쉘 구조물의 내부에 유동로가 형성된 플레이트를 적층시킨 플레이트 조립체가 형성되고, 상기 플레이트의 유로를 통해 저온 또는 고온의 유체가 유동하며, 원통형 쉘의 길이 방향에 직각방향으로 형성된 유체 유입구를 통해 고온 또는 저온의 유체가 흐르면서 상호 열전달이 이루어진다.

본 발명의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘(100)의 구성도인 도 2를 참조하면, 쉘 내부에 계단형으로 적층되며 적층방향을 따라 유로(500)가 연결되는 복수개의 플레이트(200), 상기 복수개의 플레이트(200)에 형성된 유로와 연통되는 1차 유체 유입구(400)가 구비된다. 다만, 1차 유체가 선단에만 유입되는 사례가 제한되는 것은 아니다.

또한, 쉘(100) 표면에는 쉘 단면을 관통하는 2차 유체 유입구(300)가 구비되며, 이를 통해 저온 또는 고온의 유체가 쉘(100) 내부에 유입된다. 다만, 2차 유체가 반드시 선단에서 유입되어야 하는 것은 아니다.

본 발명에서 적층이라함은, 상기 복수개의 플레이트(200)가 경사면을 형성하며 다단으로 적층되는 것을 말하며, 1차 유체 유입구(400)와 수직하도록 길이가 같거나 다른 플레이트가 순차적으로 적층될 수 있다.

본 발명의 상기 복수개의 플레이트(200)는 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 복수개의 플레이트 일부 또는 모든 선단(210)에 경사면을 형성할 수 있고, 상기 복수개의 플레이트 일부 또는 모든 선단에 팁(220)을 부착할 수 있다.

상기 복수개의 플레이트(200)는 선단(210)에 형성된 경사면 또는 상기 복수개의 플레이트 선단에 부착된 팁(220)은, 상기 2차 유체 유입구(300)로부터 유입된 2차 유체가 셀 중심부에서 끝 단까지 균일하게 유체를 분배할 수 있도록 유도하는 일종의 유체 분배기로 사용된다.

상기 플레이트(200)의 선단에 형성된 경사면 또는 선단에 부착된 팁은 액상 또는 기상의 유체를 분배하며, 유체 유입구로부터 유입된 유체를 다수개의 분배관을 통해 분배시키며, 고르고 효율적인 분배성능 향상 시킨다.

상기 팁(220)은 통상적으로 사용하고 있는 원형, 오블롱, 직사각형 등의 다각형 형태뿐만 아니라, 유체학적으로 압력강하를 최소화 할 수 형태면 한정되지 않으며, 바람직하게는 다각형, 인벌류트 및 나선형 구조 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 플레이트(200) 선단에 부착된 팁(220)은 2차 유체 유입구(300) 의 중심으로부터 끝으로 향할수록 각도를 크게 할 수 있으며, 바람직하게는 2차 유체 유입구(300)로부터 멀어질수록 플레이트(200) 선단에 부착된 팁(220)의 개수가 줄어들 수 있다.

또한, 상기 플레이트(200)는 2차 유체 유입구(300)으로부터 멀어질수록 플레이트(200) 간격이 멀어질 수 있다.

이에 따라, 상기 2차 유체 유입구(300)로부터 유입되는 유체의 흐름을 분배하여 상기 플레이트(200)의 중심부에 가해지는 압력을 최소화하고 복수개의 플레이트 사이를 유동하는 과정에서 압력 강하를 최소화 할 수 있다.

이하에서는 상술한 복수개의 플레이트를 포함하는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 실시예로서 비교한다.

{실시예}

실시예 1

도 3a를 참조하면, 쉘 내부에 계단형으로 적층된 복수개의 플레이트(200)의 상부와 하부에는 플레이트 면에 대해 수직으로 유동 통로를 제공하는 유로(500)가 형성되며, 이를 통해 고온 또는 저온의 유체가 유동한다.

또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 플레이트(200) 선단(210)에 경사면이 형성될 수 있으며, 상기 복수개의 플레이트는(200) 2차 유체 유입구(300)으로부터 계단형으로 적층된다.

실시예 2

도 3b를 참조하면, 실시예 1과 동일하게 쉘 내부에 계단형으로 적층된 복수개의 플레이트 상부와 하부에 유로(500)가 형성된다.

또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(200) 선단에 팁(220)이 부착될 수 있으며, 상기 플레이트는 2차 유체 유입구(300)로부터 계단형으로 적층된다.

{비교예}

비교예 1

쉘앤플레이트 열교환기의 쉘 내부에 쉘의 길이방향으로 적층된 복수개의 플레이트가 구비된다.

또한, 상기 복수개의 플레이트 상부와 하부에는 플레이트 면에 대해 수직으로 유동 통로를 제공하는 유로가 형성된다.

도 4 (a)는 본 발명의 실시예 2에 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 내부에 적층된 플레이트의 단면도이며, 도 4(b)는 본 발명의 비교예 1에 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘 내부에 적층된 플레이트의 단면도 이다.

도 4 (b)에 나타낸 바와 같이, 비교예 1은 플레이트의 선단에 팁이 부착되어 있지 않다.

이러한 차이점에 따른 유체 분배 능력을 비교하기 위하여 FLUENT 18.0 software를 이용하여 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따른 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 유체 분배 분포 및 유동률을 측정하고, 그 결과를 도 5 내지 8에 나타내었다.

{결과}

1. 유체의 속도분배 분포

본 발명의 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 유체 분배 분포를 측정하여, 도 5 내지 도 6에 나타내었다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 2의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 쉘 내부에 유입된 유체가 셀 중심부에서만 중첩되지 않고, 계단형으로 적층된 각각의 플레이트에서 적절한 유체의 분배가 발생되는 것을 알 수 있다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 비교예 1의 의 쉘앤플레이트 열교환기의 쉘 내부에 유입된 유체가 쉘 중심부에만 편재되어 있는 것을 알 수 있다.

2. 유체 유동률

본 발명의 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 유체 유동률 측정하며 도 7에 나타내었다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 2의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 경우, 쉘 전체에 유체의 분배가 잘 이루어져, 효율적인 열교환이 이루어지는 것을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 비교예 1의 열교환기용 쉘을 포함하는 쉘앤플레이트 열교환기의 경우, 전체의 (64.3)%의 유량이 쉘의 중심부에 편재되어 있으며, 비효율적인 열교환이 이루어지는 것을 알 수 있다.

3. 유체의 속도벡터장

본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 2의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기의 유체의 흐름을 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 2의 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘을 포함하는 열교환기는 유체의 유동에 난류발생을 유도하여 열교환 효율을 향상시키는 동시에 유체의 압력강하를 최소화 시킬 수 있다.

100: 쉘
200: 플레이트
300: 2차 유체 유입구
400: 1차 유체 유입구
500: 유로
210: 선단
220: 팁
230: 가장자리 용접부

Claims (7)

1. 복수개의 플레이트를 포함하는 쉘에 있어서,
   상기 복수개의 플레이트는 계단형으로 적층되어 있고,
   상기 복수개의 플레이트의 일부 또는 모든 선단에 팁이 부착되어 있으며,
   상기 팁은 2차 유체 유입구로부터 멀어질수록 개수가 줄어들고 경사각이 커지는 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 복수개의 플레이트의 일부 또는 모든 선단에 경사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 팁의 형태는,
   다각형, 인벌류트(involute) 및 나선형 구조 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 플레이트는 2차 유체 유입구로부터 계단형으로 적층되는 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기용 쉘.
   
6. 삭제
7. 복수개의 플레이트;
   상기 복수개의 플레이트가 계단형으로 적층되어 있는 쉘; 및
   상기 쉘;을 포함하고,
   상기 복수개의 플레이트의 일부 또는 모든 선단에 팁이 부착되어 있으며,
   상기 팁은 2차 유체 유입구로부터 멀어질수록 개수가 줄어들고 경사각이 커지는 것을 특징으로 하는 쉘앤플레이트 열교환기.
   

Images