KR850000765Y1 - 투관형(透管型) 고온 열교환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

투관형(透管型) 고온 열교환기

제1도는 본 고안에 따른 열교환기의 수직단면도.

제2도는 관과 관판 사이 접속부의 단면도.

제3도는 본 고안에 따른 열교환기를 이용한 시스템의 일부의 개략도.

본 고안은 투관형(透管型 : shell and tube type) 열교환기에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고온 유체매체를 이송하는 세라믹 성분 구조의 고온 열교환기에 관한 것이다.

석탄가스화 설비가 결합된 가스 터어빈 발전설비에 있어서, 정류되지 아니한 연료가스는 터어빈에서 연소되기 전에, H₂S, COS, CS₂, HCN, HCl, KCl, KOH 및 Fe(OH)₂와 같은 화합불순물 및 입자물질을 매우 낮은 수준으로 제거하기 위해 충분히 정류되어야 하는데, 이는 불순한 연료가스가 터어빈 수명에 유해한 영향을 끼치기 때문이다. 가스 터어빈용 연료가스를 정류하기 위한 여러가지 수단이 이용되고 있거나, 또는 현재 고려되고 있다.

예를 들어, 연유가스를 직접 물을 분무시킴에 의해 작동 압력에서 물의 비등점 이하의 온도로 냉각시키고 계속 입자물질 및 화학불순물을 현재 이용되고 있는 소위 "습식" 공정에 의해 제거할 수 있다.

또한, 연유가스를 수냉에 의해, 또는 수냉시키지 않고 패열 보일러 내에서 냉각시킨 다음, 직접물을 분무시킴에 의해 더욱 냉각시키고 계속하여 입자물질 및 화학불순물들을 현재 이용되고 있는 습식공정에 의해 제거할 수 있다. 비록 이들 공정들이 현재 이용되고 있을지라도, 그 공정들에서는, 시스템내의 가스의 냉각으로 큰 온도차를 가져오게 되어 시스템의 능률이 매우 낮게 된다. 따라서, 고온 연료가스로 부터 직접 입자물질 및 화학 불순물들을 제거할 수 있는 공정들이 연구되고 있다. 그러나, 고온가스 정류를 위한 실용적인 기술은 현재까지 제시되지 않은 실정이다.

또 다른 수단은, 정류된 연료가스와의 열교환에 의해 연료가스를 냉각시키고, 직접 물을 분무시키는 방법과 같은 것에 의해 더욱 냉각을 시킨 다음, 현재 이용되는 공정들에 의해 입자물질 및 화학 불순물들을 제거하는 것이다. 그 후자의 공정은 석탄가스화 설비가 결합된 가스 터어빈 발전설비에 널리 사용 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 그러나, 그러한 고온 열교환기의 사용에 있어서, 현재 사용되는 합금에의 연료 가스내의 화학 불순물에 의한 부식영향 등 많은 문제가 발생되고 있다. 또한, 고온 열교환기는 연료가스흐름 내의 입자물질에 의해 열전달 표면이 부식되기 쉬우며, 그 열전달 표면은 또한 콜타르 침전 및 균열에 의해 더러워지거나 막히게 되기 쉽다.

부식문제는 주로 관에 특이한 금속이나 금속합금을 사용함에 의해 어느 정도 경감될 수 있다. 화학물질의 공격에 견딜 수 있는 금속이나 합금은 가스내의 입자물질에 의한 부식에는 또한 견디지 못한다. 한편, 세라믹 물질은 화학불순물 및 입자물질에 의한 부식에 효과적이며, 따라서 가장 유용한 물질인 것으로 알려져 있다. 그러나, 고온 열교환기에서의 세라믹 물질의 실제적인 응용면에서는 세라믹관의 비교적 낮은 강도나 낮은 연성 때문에 또한 긴 세라믹관의 조립상 어려움이 있으며, 따라서 복잡하게 된다. 또한, 그 응용은 예를 들어 세라믹관과 열교환기 압력통에 사용되는 금속과의 사이의 열팽창 계수의 차이 때문에 더욱 곤란하게 된다. 이러한 문제들에 대한 적당한 해결책은 아직 제시되지 않고 있다.

따라서 본 고안의 목적은, 세라믹 물질을 효과적으로 이용하여 전술한 문제점들 및 세라믹 물질의 낮은 강도, 낮은 연성, 진직도 문제 열팽창 계수의 상이점 문제등을 해결한 고온 열교환기를 제공하는데 있다.

그러한 목적의 견지에서, 본 고안은, 관판을 횡으로 설치하여 도입구실, 제2실, 배출구실을 형성한 동체와, 그 관판들에 의해 동체 내에 지지된 다수의 관과, 제1유체를 도입구실내에 주입하여 그 도입구실로부터 상기 관을 통하여 배출구실을 통과하게 하는 입출구노즐 및 제2실을 통하여 제2유체를 주입하여 제1유체와 열교환시킨 후 배출시키는 입출구 노즐로 구성된 투관형 열교환기에 있어서, 반 구형개구가 상부관판에 형성되고 상기 관들의 일단부에는 상부 관판에 형성된 반구형 개구내에 결합된 채 선회 가능하게 지지되는 구형 플렌지(flange)가 형성된 것을 특징으로 하는 투관형 고온 열교환기를 제공한다.

바람직한 형태의 열교환기는 수직으로 배치되는 투관형이다. 동체는 금속이고, 관은 세라믹으로 되어있고 그의 길이를 따라 측방에서 다수의 관판에 의해 지지되어 있으며, 그 관판들은 동체내부를 3개의 실로 분할한다. 관판에 세라막관을 삽입설치시키는 원통형 삽입체는 다공이고 가요성을 지닌다. 그 삽입체의 가요성으로 인하여 과도한 응력을 발생시키는 일이 없도록 관이 축방향으로 팽창하거나 수축하는 것이 가능하며, 그 삽입체의 다공형태로 인하여 실들 사이에서 유체가 어느 정도 통과할 수 있다.

정류되지 아니한 연료가스와 같은 오염된 뜨거운 유체매체는 도입구실에 유입된 후 관들의 내부를 통과하게 되는데, 이때 깨끗한 연료가스와 같은 제2의 차거운 유체매체가 제2실로 유입되어 관들을 가로질러 그 제2실을 통과하게 되어 정류되지 아니한 연료가스와 같은 오염된 뜨거운 유체 매체로부터 열을 흡수한다. 중간실은 도입구실과 제2실 사이에 배치되어 있고, 깨끗한 기체상 매체(이는 제2실내의 매체와 동일하여도 좋다)가 다른 2개의 실의 압력보다 높은 압력으로 중간실내로 유입된다. 이 중간매체는 그위 높은 압력에 의해 다른 2개의 실내로 다공의 원통형 삽입체를 통과하여 들어가게 되어 제2실과 도입구실 사이에 동적 유체시일(seal)을 형성한다.

그 세라믹 관들에는 그의 상단부에 구형의 플렌지가 일체로 형성되어 있고, 그 플렌지들은 볼 조인트(ball joint) 형태의 연결부를 제공하도록 상부 관판에 형성된 반구형 개구내에 결합된다. 따라서, 그 세라믹 관들은, 특히 구형 플렌제에서 과도한 응력을 발생시키는 일이 없이 그 관의 축방향 팽창 및 굴곡을 제공할 수 있다. 바람직한 관의 재료는 밀도가 높은 실리콘 카바이드(SiC)이고, 다공의 원통형 삽입체는 밀도가 높은 강모(鋼毛)와 유사한 밀도가 높은 고합금 와이어 매트(mat)로 형성되는 것이 바람직하다.

본 고안은 첨부도면에 예시된 양호한 실시예에 대한 아래의 상세한 설명으로 부터 더욱 명백해진다.

제1도에 투관형 고온 열교환기(10)가 도시되어 있다. 동체(12)는 몸체(14), 상부 헤드(16) 및 하부 헤드(18)로 구성된다. 그 상·하부헤드(16)(18)는 연결부(20)에서 몸체(14)에 결합되어 압력용기를 형성한다.

상부 관판(22)과 하부관판(24)은 연결부(20) 사이에 끼워져 있는 것이 바람직하다. 물론 그 관판들은 동체(12)를 구성하는 3개의 구성 부분들중 어느 하나에 지지될 수도 있다. 중간의 관판(26)은 상부 관판(22)에 보다는 하부관판(24)에 가까이 동체내에 지지되어 있다.

밀도가 높은 실리콘 카바이드(SiC)로 된 다수의 세라믹관(28)(하나만 도시됨)은 동체(12) 내에 수직으로 설치되어 있다. 그 관은 베릴륨 옥사이드, 밀도가 높은 알루미나, 또는 지르코니아, 서멧트(cermet)(소결된 산화물과 금속의 혼합물)와 같은 다른 세라믹으로 형성되어도 좋다.

각 관의 상단부에는 구형 플렌지(30)가 일체로 형성되어 있고, 그 플렌지(30)는 제2도에 상세히 도시된 바와 같이 상부 관판(22)의 반구형 개구(32) 내에 착좌(着座)한다. 이러한 구조에 의해, 관의 하부 부분의 가요성 측방 지지체인 다공성 원통형 삽입체 결합되어 유해한 응력을 경감시키도록 세라믹관(28)이 어느정도 비직선적으로 되는 것이 가능한 볼 조인트 형태가 제공된다. 볼트(23)에 의해 관판(22)에 부착되는 지지판(34)가 반구형 개구(32) 내에 플랜지(30)를 보유시키도록 관(28)의 상부에 설치되어 있다.

관(28)은 중간 및 하부 관판(26) 및 (24)를 관통하여 하방으로 설치한다.

관판들은 동체(12)의 내부를 다수의 실로 분할한다. 입자물질을 함유하는 연료가스와 같은 뜨거운 유체 매체는 입구 노즐(38)을 통해 도입구실(40)을 통해 도입구실(36)에 들어가고 관(28)의 내부를 통하여 상방으로 흘러 배출구 실(39)로 부터 출구노즐(40)을 통해 배출된다. 깨끗한 연료가스와 같은 가열될 유체 매체는 입구노즐(44)를 통하여 제2실(42)로 들어가고, 다수의 흐름 차폐관(46)에 의해 S자형으로 제어되면서 관의 주위를 흘러 그 관내의 연료 가스로 부터 열에너지를 흡수하고, 출구노즐(51)을 통하여 배출된다. 통상의 응용예에서, 예를들어 석탄가스화 설비인 반응기로 부터의 연료가스는 대략 516℃(960℉)의 온도 및 15-40기압의 압력으로 관내로 도입되고 대략 174℃(345℉)의 온도로 가스 터어빈으로 배출된다.

하부 및 중간 관판(24),(26)에 의해 형성된 중간실(48)이 도입구실(36) 및 제2실(42) 사이에 형성되어 있다. 깨끗한 중간유체 매체가 입구노즐(50)을 통하여 중간실(48) 내로, 도입구실(36) 또는 제2실(42)의 압력보다 높은(바람직하게는 0.15-0.7atm) 정도 더 높은) 압력으로 주입된다. 그 중간 매체는, 예를 들어 제2실(42)을 통하여 흐르는 연료가스 보다 높은 압력의 깨끗한 연료 가스이며, 그 연료가스는 예를 들어 제3도에 도시된 바와 같이 압축기(52)로 부터 입구노즐(50)을 통해 주입되는 약 43℃(110℉)의 깨끗한 냉연료 가스이다.

하부관판(24) 및 중간관판(26)의 대부분은 접촉하는 유체매체에 대해 불투과성이고, 세라믹관(28) 주위의 부분만 중간실(48) 내로 주입되는 고압매체에 대해 투과성인 것이 바람직하다. 그 투과성 부분들은 하부관판(24) 및 중간관판(26)의 구멍(56)을 관통하여 설치되는 대개 원통형의 삽입체(54) 형태로 되어 있는 것이 바람직하다. 그 삽입체(54)는 예를 들어 스텔라이트(Stellite) 6B 또는 헤인즈(Haynes) 188(카봇트 코오포레이숀에서 시판), 또는 서멀로이(Thermalloy) 63WC(아벡스 코오포레이숀에서 시판)와 같은 합금의 와이어로 형성된 원통형 부재일 수 있고, 그 위 크기는 관(28)에 과도한 응력을 발생시키는 일이 없이 관판구멍(56)에 대해 편심으로 세라믹관(28)을 가요적으로 수용할 수 있는 크기로 되어 있다. 따라서, 그 삽입체(54)는 동체(12) 및 그 부속부재에 대한 세라믹관(28)의 축방향 팽창 및 수축을 억제시키지 아니할 뿐만 아니라 각 실(42),(36) 사이의 직접적인 유통을 방지하는 동적시일을 형성한다. 하부 관판(24)은 관(28)의 하부 부분에 대한 반경방향으로의 움직임을 억제시킨다.

조립시 관(28)을 구멍(56)을 통해 삽입시킨 다음, 다공의 가요성 삽입 물질을 그 관 주위에 부착하여도 좋다. 또한, 그 삽입체는 관이 삽입되기 전에 배치될 수도 있다. 고온 유체를 이용하여 삽입물질의 외측 부분들은 작동시 금속 관판구멍에 자동접합되게 할 수도 있다. 그러나, 그러한 유사한 접합 반응이 금속 삽입체와 세라믹관 사이에서는 일어나지 않으며, 따라서, 가요성을 지니게 된다.

탄소강으로 된 동체(12)를 허용 가능한 작동 온도에서 유지시키기 위해, Al₂O₂,MgO 및 SiO₂의 혼합물과 같은 내화물질의 절연층(58)이 제공되어 있다. 내화물질 절연층(58)의 분쇄에 의하여 깨끗한 연료가스가 오염되는 것을 방지하기 위해, 그 절연층(58)은 예를들어 IN-657(헌팅톤 알로이스 코오포레이숀에서 시판) 또는 310 스테인리스 스틸과 같은 고온합금의 쟈켓트(jacket)(60)로 상부 관판(22)와 중간관판(26) 사이에서 라이닝(lining)되는 것이 바람직하다.

또한, 동체(12)의 다른 내부부분들, 예를들어 중간 관판(26)과 하부관판(24) 사이의 중간실을 라이닝하여도 좋다. 또한, 고온 매체들에 노출되는 관판들은 물론 유사한 고온 합금으로 만들어져야 한다.

전술한 구조는 각종 유체매체에 적용될 수도 있다.

예를 들어, 산과 같은 부식 액체들 사이에 열교환을 포함한 각종 공정에서 세라믹관 또는 금속관과 함께 동적 유체 시일이 이용될 수 있다.

Claims (1)

1. 관판(22,24)이 횡으로 설치되어 도입구실(36), 제2실(42) 및 배출구실(39)이 형성된 동체(12)와, 관판에 의해 동체내에 지지된 다수의 세라믹관(28)과, 제1유체가 도입구실(36) 내에로 주입되어 그 도입구실(36)로 부터 상기관(28)을 통하여 배출구실(39)을 통과하게 되는 입·출구노즐(38,40)과 제2실(42)에서 제1유체와 열교환되게 제2유체가 유출입하는 입·출구노즐(44,51)로 구성된 투관형 고온 열교환기에 있어서, 관(28)을 설치하기 위해 상부 관판(22)에 반구형 개구가 형성되고, 그 반구형 개구에 결합되어 지지되는 구형플랜지(30)가 관(28)의 상단부에 형성되고, 그 구형 플랜지(30) 위에 착좌되도록 개구가 형성된 지지판(34)이 상부 관판(22)에 설치된 것을 특징으로 하는 투관형고온 열교환기.