KR0153177B1 - 열전달 튜브 - Google Patents

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엘. 에스포미스 잭
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스티븐 이. 리바이스
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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Abstract

본 발명은 튜브의 열전달 성능을 향상시키는 내부 표면을 갖는 열전달 튜브에 관한 것이다. 나선 리브는 튜브의 내부 표면으로부터 돌출한다. 리브는 길이 방향 축에 대해 작은 경사각으로 리브와 교차하여 리브들 내로 각인된 평행한 노치의 패턴을 갖는다. 리브 및 노치의 패턴은 튜브의 총 내부 표면적을 증가시키고, 열전달 성능을 증가시키는 튜브 내의 냉매 유동에 대한 조건을 증진시킨다. 튜브는 냉매 증발기 및 응축기 모두에서 사용하기 적합하다.

Description

열전달 튜브
제1도는 본 발명의 열전달 튜브의 사시도.
제2도는 본 발명의 열전달 튜브의 절결 후의 정면도.
제3도는 본 발명의 열전달 튜브의 벽의 일부분의 사시도.
제4도는 본 발명의 열전달 튜브의 벽의 일부분의 평면도.
제5도는 제4도의 선 V-V을 따라 취한 본 발명의 열전달 튜브의 벽의 단면도.
제6도는 제4도의 선 VI-VI을 따라 취한 본 발명의 열전달 튜브의 벽의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
50 : 튜브 51 : 튜브 벽
52 : 내부 표면 개선 수단 53 : 리브
54 : 노치 55 : 돌기
본 발명은 튜브 내부의 유체와 튜브 외부의 유체 사이에 열을 전달하는 열교환기에 사용되는 튜브에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 튜브의 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 내부 표면을 갖는 열전달 튜브에 관한 것이다. 공기 조화 및 냉동(ACR)등의 시스템의 열교환기들은 이러한 튜브를 포함한다.
열전달 튜브의 설계자들은 표면 개선 수단(surface enhancement)을 갖는 튜브의 열전달 성능은 매끄러운 벽을 갖는 튜브에 비해 우수하다는 것을 오랫동안 알고 있었다. 제조자들은 리브, 핀, 코팅 및 삽입체 등을 포함하는 여러 종류의 표면 개선 수단들을 튜브 내부 표면 및 튜브 외부 표면에 적용하였다. 거의 모든 표면 개선 수단 설계에서의 공통점은 튜브은 열전달 면적을 증가시키려는 시도이다. 또한, 대부분의 설계는 유체 혼합을 증진시키고 튜브 표면에서의 경계층을 파괴하기 위해서 튜브를 통해 또는 튜브 상부로 유동하는 유체에서 난류를 증가시키려고 시도한다.
엔진 냉각뿐만 아니라 ACR의 열교환기 중 상당수는 판핀-튜브 형태(plate fin and tube type)의 것이다. 이러한 열교환기에서, 튜브의 외부에 부착된 판핀은 튜브 외부 개선 수단이다. 또한, 열전달 튜브는 종종 튜브의 내부에서 내부 열전달 개선 수단을 갖는다.
금속제 열전달 튜브에 있어서 많은 종래 기술의 내부 표면 개선 수단은 튜브벽을 몇몇 방법으로 가공함으로써 형성된 리브들이다. 이러한 리브들은 종종 튜브표면 둘레에서 나선 패턴으로 연장된다. 이러한 패턴이 유력한 형태인데, 왜냐하면 통상적으로 나선 리브 패턴이 다른 형태의 리브 패턴에 비해 비교적 용이하게 형성되기 때문이다. 완전히 혼합하는 나류 유동과 최대 가능 내부 열전달 표면적은 열전달 유효성을 증진시키는 데 바람직하다. 그러나, 높은 리브 높이 및 리브 나선 각도는 유동 압력 손실이 용인되지 않을 정도로 매우 큰 유동 저항을 야기할 수 있다. 과도한 압력 손실은 과도한 펌핑력을 요구하며 시스템 효율을 전체적으로 하락시킨다. 또한, 튜브 벽 강도 및 일체성은 내부 표면 개선 수단을 어떻게 구성하는가에 있어서의 고려 사항이다.
이들의 명칭에 내포되어 있듯이, 응축기를 통해 유동하는 유체는 기체로부터 액체의 상 변화(phase change)를 겪으며, 증발기를 통해 유동하는 유체는 액체로부터 기체로의 상 변화를 겪는다. 증기 압축 ACR 시스템에서는 두 종류의 열교환기가 요구된다. 입수 및 저장을 간단화하고 제조 비용을 감소시키기 위하여, 시스템의 모든 열교환기에서 동종의 튜빙이 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 하나의 적용에서 사용하기에 최적인 열전달 튜빙은 종종 다른 적용에 사용될 때 마찬가지의 성능을 나타내지 못한다. 이러한 상황 하에 소정의 시스템에서 최대 성능을 얻기 위하여, 두 종류의 튜빙, 즉 각각의 기능적 적용을 위한 하나씩의 튜빙을 사용할 것이 필요하다. 그러나, 소정의 열교환기가 2가지 기능을 수행하여야 하는 적어도 한 종류의 ACR 시스템, 즉 가역 증기 압축 또는 열펌프식 공기 조화 시스템이 있다. 이러한 시스템에서 단일 기능용의 소정의 열교환기를 최적화 하는 것은 불가능하며, 선택된 열전달 튜브는 2 가지 기능 모두에서 양호하게 성능을 발휘할 수 있어야만 한다.
통상의 판핀-튜브는 ACR 열교환기에서의 튜빙의 총 길이의 상당 부분에 있어서, 냉매 유동은 혼합되는데, 즉 냉매는 액체 및 증기 상태로 존재한다, 밀도 차이로 인해, 액체 냉매는 튜브의 바닥을 따라 유동하고 증기 냉매는 튜브의 상부를 따라 유동한다. 두 상태의 유체들 사이에서의 상호 혼합이 예컨대 응축 적용에 있어서 튜브의 상부 구역으로부터의 액체의 배출을 증진시키거나 증발 적용에 있어서 액체를 모세관 작용에 의해 튜브내부벽으로 상방으로 유동하게 함으로써 증진된다면, 튜브의 열전달 성능은 향상된다.
향상된 열전달 성능을 얻을 뿐만 아니라 제조를 간단화하고 비용을 감소시키기 위하여 필요한 것은, 생산이 간단한 열전달 개선 내부 표면을 가지고, 유체 유동에 대한 저항이 적어도 용인 가능하게 작으며, 응축 및 증발 적용 모두에서 성능을 잘 발휘할 수 있는 열전달 튜브이다. 내부 열전달 표면은 용이하고 저렴하게 제조되어야만 한다.
본 발명의 열전달 튜브는 튜브의 열적 성능을 개선시키는 형태로 된 내부 표면을 갖는다. 내부 개선 수단은 튜브의 길이 방향 축에 대하여 어떤 각도로 연장되는 나선 리브를 갖는 리브 형성 내부 표면이다. 상기 리브는 리브 내로 각인된 평행 노치의 팬턴을 갖는다. 노치의 패턴은 튜브의 길이 방향 축에 대해 작은 각도를 이루어 연장된다. 내부 표면의 형태는 표면적을 증가시켜서 튜브의 열전달 성능을 증가시킨다. 게다가, 노치 형성 리브는 튜브를 통한 유동 손실이 과도하지 않을 정도로 열전달을 증진시키는 튜브 내에서의 유동 조건을 증진시킨다. 개선 수단의 형태는 응축 및 증발 적용 모두에서 열전달 성능을 향상시킨다. 유체 유동이 혼합 상태이고 증기 함량이 튜브로 구성된 판핀-튜브 열교환기의 구역에서, 상기 형태는 튜브의 내부 표면에서 난류를 증진시켜서 열전달 성능을 향상시키는 역할을 한다. 증기 함량이 낮은 열교환기의 구역에서, 상기 형태는 응축 상황에서의 응축수 배출과, 증발 상황에서의 튜브 벽 상방으로의 액체의 모세관 이동을 모두 증진시킨다.
본 발명의 튜브는 여러 제조 공정에 의해 제조될 수 있지만, 구리 또는 구리 합금 스트립을 튜빙으로 압연 형성 및 시임(seam) 용접하기 전에, 스트립의 일 표면 상에 개선 수단 패턴을 압연 양각(roll embossing) 함으로써 스트립으로부터 제조하는 것이 특히 적합하다. 이러한 제조 공정은 내부적으로 개선된 열전달 튜빙을 신속하고 경제적으로 생산할 수 있다.
첨부 도면은 본 명세서의 일부를 형성한다. 도면을 통해 동일 참조 부호는 동일 요소를 나타낸다.
제1도는 본 발명의 열전달 튜브를 전체 사시도로 도시한다. 튜브(50)는 내부 표면 개선 수단(52)이 있는 튜브 벽(51)을 갖는다.
제2도는 열전달 튜브(50)를 절결 후의 정면도로 도시한다. 명료히 하기 위해 제2도에는 표면 개선 수단(52)(제1도)의 단일 리브(53) 및 단일 노치(54)가 도시되어 있지만, 본 발명의 튜브에서는 복수 개의 리브(53)가 튜브(50)의 벽(51)으로부터 외측으로 연장된다. 리브(53)는 길이 방향 축(aT)으로부터 나선 각도(α)로 경사진다. 노치 축(aN)은 리브(53)로부터 각도(θ)로 경사진다. 튜브(50)는 리브들 사이의 튜브의 내부 표면으로부터 측정된 내경(D2)를 갖는다.
제3도는 표면 개선 수단(52)의 상세부를 도시하는 열전달 튜브(50)의 벽(51)의 일부분의 사시도이다. 복수 개의 나선 리브(53)는 벽(51)으로부터 외측으로 연장된다. 일련의 노치(54)가 리브를 따라 간격을 두고 마련되어 있다. 후술하는 바와 같이, 노치(54)는 압연 공정에 의해 리브(53) 내에 형성된다. 노치가 형성됨에 따라 변위된 재료는 리브 내의 각각의 노치(54) 둘레에서 소정의 리브(53)의 각각의 측면으로부터 외측으로 돌출한 돌기(55)로서 남게 된다. 돌기는 튜브를 통해 유동하는 유체에 노출된 튜브의 표면적을 증가시키고 튜브 내부 표면 부근에 유체 유동에서 난류를 증진시키므로, 튜브의 열전달 성능에 유리한 효과를 갖는다.
제4도는 튜브(50)의 벽(51)의 일부분의 평면도이다. 제4도는 리브 피치 또는 리브 간격(Sr)으로 벽에 배치된 리브(53)들을 도시한다. 노치(54)들은 노치 피치 또는 노치 간격(Sn)으로 리브 내로 각인된다. 노치와 리브 사이의 경사각 또는 영각(angel of incidence)은 각도(θ)이다.
제5도는 제4도의 선 V-V을 따라 취한 벽(51)의 단면도이다. 제5도는 리브(53)가 높이(Hr) 및 리브 간격(Sr)을 갖는 것을 도시한다.
제6도는 제4도의 선 VI-VI을 따라 절취한 벽(51)의 단면도이다. 제6도는 노치(54)가 대향 노치면(56)들 사이에서 각도(γ)를 가지며 깊이(Dn)까지 리브(54) 내로 각인된 것을 도시한다. 인접 노치들 사이의 간격은 Sn이다.
최소 유동 저항과 부합하는 최적 열전달을 위해, 20㎜(3/4 in)이하의 공칭 외경을 가지고 본 발명을 실시한 튜브는, 전술한 특징 및 이하의 매개 변수를 갖는 내부 개선 수단을 구비하여야 한다.
a. 리브 나선 각도는 5° 내지 45°, 또는 5° ≤ α ≤ 45° 이어야 한다.
b. 튜브의 내경에 대한 리브 높이의 비율은 0.015 내지 0.03 또는 0.015 ≤ Hr/D2≤ 0.03이어야 한다.
c. 튜브 내경의 단위 길이당 리브의 개수는 ㎝당 10 내지 24(in당 26 내지 60)이어야 한다.
d. 노치 축과 리브 축 사이의 영각은 15° 미만, 또는 θ ＜ 15°이고, 양호하게는 8° 미만이어야 한다.
e. 리브 내에서의 노치들 사이의 간격과 튜브 내경 사이의 비율은 0.025 내지 0.1, 또는 0.025 ≤ Sn/D2≤ 0.1이어야 한다.
f. 노치들 대향면들 사이의 각도는 90° 미만, 또는 γ ＜ 90° 이어야 한다.
g. 노치 깊이는 리브 높이의 적어도 40%, 또는 Dn/Hr≥ 0.4 이어야 한다.
개선 수단(52)은 어떠한 적당한 공정에 의해서도 튜브 벽(51)의 내부 상에 형성될 수 있다. 현대의 자동 고속 공정을 사용하여 시임 용접된 금속제 튜빙을 제조하는 경우에, 효과적인 방법은 금속 스트립이 원형 횡단면으로 압연 형성되어 튜브로 시임 용접되기 전에 금속 스트립의 일 표면 상에서 압연 양각함으로써 개선 수단의 패턴을 인가하는 것이다. 튜브가 압연 양각, 압연 형성 및 시임 용접에 의해 제조된다면, 제조 공정의 고유 특성으로 인해 튜브 내부 원주의 나머지 둘레에 있는 것과 같은 개선 수단이 결여되어 있거나 상이한 개선 수단 형태를 갖는 구역이 완성 튜브의 용접선을 따라 존재하기 쉽다. 상이한 형태를 갖는 상기 구역은 어떠한 상당한 방식으로도 튜브의 열적 성능 또는 유체 유동 성능에 악영향을 끼치지는 않을 것이다.

Claims (7)

  1. 내부 표면을 갖는 벽(51), 길이 방향 축(aT) 및 상기 내부 표면 상에 형성된 복수 개의 나선 리브(53)를 구비한 개량형 열전달 튜브(50)에 있어서, 상기 리브로부터 15° 이하의 경사각(θ)으로 상기 리브 내로 각인되고, 90° 미만의 대향면(56)들 사이의 각도 및 0.5㎜ 내지 2.0㎜(0.02 in 내지 0.08 in)의 피치(Sn)를 갖는 평행한 노치들의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 개량형 열전달 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리브로부터의 상기 경사각은 8° 미만인 것을 특징으로 하는 개량형 열전달 튜브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 리브의 높이(HR)와 상기 튜브의 내경(D2) 사이의 비율(HR/D2)은 0.015 내지 0.03인 것을 특징으로 하는 개량형 열전달 튜브.
  4. 제1항에 있어서, 리브 나선 각도(α)는 5° 내지 45° 인 것을 특징으로 하는 개량형 열전달 튜브.
  5. 제1항에 있어서, 내부 튜브 원주(πD2)의 단위 길이당 리브의 개수는 ㎝당 10 내지 24(in당 26 내지 60)인 것을 특징으로 하는 개량형 열전달 튜브.
  6. 제1항에 있어서, 리브 높이(Hr)에 대한 노치 깊이(Dn)의 비율(Dn/Hr)은 적어도 0.4인 것을 특징으로 하는 개량형 열전달 튜브.
  7. 제1항에 있어서, 노치가 상기 리브 내에 형성됨에 따라 리브로부터 변위된 재료로 구성된 돌기(55)는 상기 리브 내의 각각의 노치 부근에서 상기 리브의 대향측면들로부터 외측으로 연장된 것을 특징으로하는 개량형 열전달 튜브.
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