KR0173017B1 - 열 전달 튜브 - Google Patents

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KR0173017B1
KR0173017B1 KR1019950041616A KR19950041616A KR0173017B1 KR 0173017 B1 KR0173017 B1 KR 0173017B1 KR 1019950041616 A KR1019950041616 A KR 1019950041616A KR 19950041616 A KR19950041616 A KR 19950041616A KR 0173017 B1 KR0173017 B1 KR 0173017B1
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Abstract

본 발명은 튜브를 통해 유동하는 유체와 튜브의 외부 주위로 유동하는 유체 사이에 열이 전달되며 열 교환 프로세스중 튜브 외부의 유체가 비등하는 열 교환기에서 사용하기 위한 열 전달 튜브(10)에 관한 것이다. 튜브는 외부 면(13) 주위로 나선형으로 연장된 적어도 하나의 핀 회선(20)을 갖는다. 노치(30)의 패턴은 튜브의 원주에 대해 소정 간격으로 핀 회선에 대해 경사각(α)으로 연장된다. 각 쌍의 인접 노치 사이에는 스파이크(22)가 있다. 말단 팁(23)은 편평화된다. 스파이크의 최대 폭(WT)은 축 회선의 인접부의 폭(WR) 보다 크며 인접 핀 회선 내의 스파이크의 말단 팁과 중첩되어 인접 핀 회선 사이에 그리고 중첩된 팁 아래에 리엔터런트 공동을 형성하기에 충분한 폭이다. 핀 회선, 노치 및 스파이크는 맨드릴과, 첫째 피닝 디스크(63)의 갱, 둘째, 노칭 휠(66), 셋째, 매끄러운 휠(67) 사이에서 튜브 벽을 롤링함으로써 튜브에 형성된다. 튜브의 제조중, 회전하며 진행하는 튜브, 노칭 휠 및 매끄러운 휠의 상호작용에 의해, 스파이크의 팁의 경사각의 각도(β)는 노치 각에 대해 경사진다.

Description

열 전달 튜브
제1도는 본 발명의 튜브의 사시도.
제2도는 본 발명의 튜브가 제조되는 방법을 도시하는 도면.
제3도는 본 발명의 튜브의 외부 면 부분의 평면도.
제4도는 본 발명의 튜브의 단일 핀 회선 부분의 평면도.
제5도는 본 발명의 튜브의 단일 핀 회선의 일반적인 단면도.
제5(a)도, 제5(b)도, 제5(c)도 및 제5(d)도는 각각 제4도의 선 5A-5A, 5B-5B, 5C-5C 및 5D-5D를 따른 본 발명의 튜브의 단일 핀 회선의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 튜브 11 : 벽
20 : 회선 21 : 인접부
23 : 팁 30 : 노치
본 발명은 일반적으로 열 전달 튜브에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 튜브가 침지되는 액체의 기화를 위해 사용되는 열 교환 튜브의 외부 면 형상에 관한 것이다.
많은 종류의 공기 조화 및 냉장 시스템은 쉘 및 튜브 형태의 기화기를 포함한다. 쉘 및 튜브 기화기는 다수의 튜브가 단일 쉘에 내장된 열 교환기이다. 튜브는 냉각될 액체용 열교환기를 통해 다수의 평행한 유동 통로를 제공하도록 통상 배치된다. 튜브는 열 교환기 쉘을 통해 유동하는 냉매 내에 침지된다. 유체는 튜브의 벽을 통한 열 전달에 의해 냉각된다. 전달된 열은 튜브의 외부 면과 접한 냉매를 기화시킨다. 이러한 기화기의 열 전달 능력은 개별 튜브의 열 전달 특성에 의해 대부분 결정된다. 전체 열 전달 특성을 결정하는 데 있어서 개별 튜브의 외부 형상은 중요하다.
열 전달 튜브의 열 전달 성능을 개선하기 위한 여러 가지 방법이 공지되어 있다. 그러한 방법 중에는, (1) 튜브 면의 열 전달 면적을 증가시키는 방법과, (2) 비등 액체와 접하는 튜브의 면 상의 핵 비등(nucleate boiling)을 개선시키는 방법이 있다. 핵 비등 프로세스에서는, 가열된 면으로부터의 열전달은 면과 접하는 액체를 기화시키며 증기는 기포를 형성한다. 표면으로부터의 열은 기포(bubble) 내의 증기를 과열시키며 기포는 크기가 증가한다. 기포 크기가 충분할 경우, 표면 장력이 극복되어 기포는 포면으로부터 자유롭게 된다. 기포가 표면을 벗어나면서, 기포에 의해 비워진 공간 내로 액체가 들어오며, 공간 내에 남아있는 증기는 기화하여 다른 기포를 형성하기 위한 액체 공급원을 갖는다. 표면에서의 연속적인 기포의 형성과, 표면으로부터의 기포의 방출과, 액체를 상승시켜 혼합시키는 증기 기포의 대류 효과와 함께 표면의 액체와의 재접촉(rewetting)에 의해, 열 전달 면에 대한 열 전달율이 개선된다.
열 전달 면이 증기를 포획하는 위치를 제공하고 증기 기포의 형성을 향상시키는 핵 사이트(nucleation site)들을 갖도록 열 전달 면을 성형함으로써 핵 비등 프로세스가 개선될 수 있다. 예를 들어, 단순히 열 전달 면을 거칠게 함으로써, 유사한 매끄러운 면에 비해 표면의 열 전달 특성을 개선시키는 핵 사이트를 제공할 수 있다.
비등하는 액체 냉매에서, 예를 들어 공기 조화 또는 냉장 시스템의 기화기에서, 리엔터런트형(re-entrant type) 핵 사이트는 안정된 기포 컬럼 및 양호한 표면 열 전달 특성을 나타낸다. 리엔터런트형 핵 사이트는 공동의 개구가 공동의 부표면(subsurface volume) 보다 작은 표면 공동(surface cavity)이다. 주위의 액체의 과도한 유입은 리엔터런트형 핵 사이트를 범람시켜(flood) 비활성화시킬(deactivate) 수도 있다. 열 전달 면이 작은 표면에 대해 비교적 작은 개구를 갖는 비교적 큰 연결 부표면 채널을 갖도록 열 전달 면을 성형함으로써, 증기 포획 또는 핵 사이트의 범람이 감소되거나 또는 방지될 수 있으며 표면의 열 전달 성능이 개선될 수 있다.
본 발명은 외부 면 상에 형성된 하나 이상의 핀 회선(fin convolution)을 갖는 열 전달 튜브에 관한 것이다. 튜브의 둘레에 대해 소정 간격으로 핀 회선에 대해 경사진 각도로 노치가 연장된다. 핀 회선에서 각 인접 쌍의 노치 사이에는 핀 스파이크(fin spike)가 있다. 핀 스파이크의 말단부는 편평하게 되어 있으며 핀 루트(fin root) 보다 넓다. 팁의 폭은 인접 핀 회선에서의 핀 스파이크의 팁 사이가 중첩되며 그에 의해 핀 회선 사이의 리엔터런트 공동이 형성되도록 되어 있다.
핀에서의 노치는 종래의 핀형 튜브에 비해 튜브의 외부 면의 면적을 증가시킨다. 또한, 편평한 핀 스파이크의 형상 및 그에 의해 형성되는 공동은 튜브의 외부면 상의 핵 비등을 개선한다.
내부 맨드릴과 외부 피닝(finning) 디스크 사이에서 튜브 벽을 롤링함으로써 튜브의 외부 면 상에 핀을 형성하는 종류의 피닝기(finning machine)의 툴 갱(tool gang)에 추가의 노칭 디스크를 추가함으로써, 용이하고 경제적으로 노치가 형성된 핀 튜브가 제조될 수 있다.
도면에서는 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 표시한다.
제1도는 열 전달 튜브(10)의 사시도이다. 튜브(10)는 튜브 벽(11), 튜브 내부 면(12) 및 튜브 외부 면(13)으로 구성된다. 외부 핀(22)은 튜브 벽(11)의 외부 면으로부터 연장된다. 튜브(10)는 핀(22)의 높이를 포함한 외경(Do)을 갖는다.
본 발명의 튜브는 롤링 프로세스에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 제2도는 그러한 프로세스를 도시한다. 제2도에서, 피닝기(60)는 튜브 상의 내부 리브 및 외부 핀 모두를 제조하기 위해 동(copper)과 같은 전성이 있는 금속(malleable metal)으로 제조된 튜브(10) 상에서 작동된다. 피닝기(60)는 다수의 피닝 디스크(63), 노칭 휠(66) 및 매끄러운 휠(67)로 구성된 툴 갱(62, tool gang)을 각각 포함하는 하나 이상의 툴 아버(61, tool arbor)를 갖는다. 맨드릴(64)이 부착된 맨드릴 축(65)은 튜브 내로 연장된다.
튜브(10)가 회전되면서 벽(11)이 맨드릴(64)과 피닝 디스크(63) 사이에서 압박된다. 압력을 받으면서, 금속이 피닝 디스크 사이의 홈 내로 유동되며 튜브 외부 면상의 리지(ridge) 또는 핀을 형성한다. 튜브가 회전되면서, 튜브(10)는 맨드릴(64)과 툴 갱(62) 사이로 (제2도에서 볼 때 좌에서 우로) 진행되어 다수의 나선형 핀 회선이 튜브 상에 형성되며, 나선형 핀 회선의 수(number)는 피닝기(60)에서 사용되는 툴 아버(61)의 수의 함수이다. 동일한 경로에서 툴 갱(62)이 튜브(10) 상에 핀을 형성한 후, 노칭 휠(66)은 핀 내로 경사진 노치를 압입하며, 그 후, 매끄러운 휠(67)은 핀의 말단 팁을 편평하게 확장시킨다.
맨드릴(64)은 제2도에 도시되어 있는 바와 같이 통과되는 튜브 벽의 내부 면 내로 임의의 종류의 패턴 자국을 형성하도록 성형될 수 있다. 통상의 패턴은 하나 이상의 나선형 리브 회선이다. 그러한 패턴에 의해 튜브를 통한 유체 유동과 튜브 벽 사이의 열 전달 효율이 개선될 수 있다.
제3도는 위에서 본 튜브의 외부 면의 일부를 도시한다. 다수의 핀 회선(20)이 튜브(10)의 외부 면(13)으로부터 연장된다. 노치(30) 패턴이 소정 간격으로 각 핀 회선에 대해 경사지게 연장된다. 소정 핀 회선 내의 각 쌍의 인접 노치 사이에 말단 팁(23)을 갖는 핀 스파이크(22)가 있다. 인접 핀 회선 사이의 거리 또는 핀 피치는 Pf이다.
제4도는 본 발명의 튜브의 단일 핀 회선 부분의 평면도이다. 튜브의 종방향 축(AT)으로부터 노치 기부(31)의 경사각은 각도(α)이다. 튜브의 종방향 축(AT)으로부터 핀 말단 팁(23)의 경사각은 각도(β)이다. 튜브의 제조중 (제2도 참조) 회전하며 진행하는 튜브(10), 노칭 휠(66) 및 매끄러운 휠(67) 사이의 상호 작용에 의해, 스파이크(22)의 축이 노칭 휠의 치와 핀 회선 사이의 소정 각도로부터 약간 회전되어 팁 축 각도(β)가 각도(α)에 대해 경사지기 때문이다. 즉, β≠α.
제5도는 본 발명의 튜브의 단일 핀 회선의 가(pseudo) 단면도이다. 핀 회선의 어떠한 부분을 통과하는 단면도 제5도에서 도시된 단면과 정확히 일치하지 않기 때문에 '가(pseudo)'라는 용어를 사용하였다. 그러나 제5도는 튜브의 많은 특징을 도시하는 기능을 한다. 핀 회선(20)은 튜브 벽(11)으로부터 외향 연장된다. 핀 회선(20)은 인접부(21)와, 노치 기부(32)를 갖는 노치에서 도시된 가 단면에서 핀을 통해 연장되는 스파이크(32)를 갖는다. 핀 회선(20)의 전체 높이는(Hf)이다. 인접부(21)의 폭은 WR이며, 가장 많은 곳에서의 스파이크(22)의 폭은 WT이다. 스파이크(22)의 외부 끝단은 말단 팁(23)이다. 노치가 핀 회선 내로 관통된 거리 또는 노치 깊이는 DN이다. 노칭 휠(66, 제2도)은 제조 프로세스중 핀 회선의 노치를 절단하는 것이 아니라 핀 회선 내로 노치 자국을 낸다. 핀 회선의 노칭된 부분으로부터의 잉여 재질은 핀 회선의 측면 상의 튜브 벽(11)을 향해서 뿐만 아니라 인접 노치들 사이의 구역 내로 그리고 핀 회선의 측면으로부터 외향으로 이동된다. 따라서, WT는 WR보다 매우 크며, 인접 핀 회선 내의 스파이크의 말단부 팁이 서로 중첩되어 리엔터런트 공동이 인접 핀 회선들 사이에 그리고 중첩된 단부 팁 아래에 형성되기에 충분하다.
제5(a)도, 제5(b)도, 제5(c)도 및 제5(d)도는 각각 제4도의 선 5A-5A, 5B-5B, 5C-5C 및 5D-5D를 따른 핀 회선(20)의 단면도이다. 도면은 제5도의 가 단면도에 비해 여러 지점에서 노칭된 핀 회선(20)의 보다 정확한 형상을 도시한다. 제5도와 관련하여 상술된 노칭된 핀 회선의 특징은 제5(a)도, 제5(b)도, 제5(c)도 및 제5(d)도에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 튜브 원형을 시험하였다. 튜브는 1.9cm(3/4in)의 공칭 외경과, 0.61mm(0.0241in)의 핀 높이와, cm 튜브 길이 당 22 회선의 (in 튜브 길이당 56 회선의) 튜브 밀도와, 원주방향 핀 회선 당 122 노치와, 0.02mm(0.008 in)의 노치 깊이를 가지며, 노치의 축은 튜브 종방향 축(AT)에 대해 45°각도의 경사각(α)을 갖는다. 시험된 튜브는 세 개의 핀 회선, 본 기술 분야의 용어로서 세 개의 스타(stars)를 갖는다.
시험 데이터의 외삽(extrapolation)에 의해 본 발명의 튜브의 외부 면 형상이 12.5mm(1/2in) 내지 25mm(1in)의 공칭 외경을 갖는 이하의 튜브에 적합하다는 것을 알 수 있다:
a) cm 튜브 길이 당 13 내지 28 핀 회선(in 튜브 길이 당 33 내지 62 핀 회선)이 있다. 즉, 핀 피치는 0.036mm 내지 0.84mm(0.014in 내지 0.033in)이다.
0.036mm ≤ Pf≤ 0.84mm (0.014in ≤ Pf≤ 0.033in)
b) 튜브 외경에 대한 핀 높이의 비율은 0.02 내지 0.05 사이이다.
0.02 ≤ Hf/ Do≤ 0.05
c) 핀 회선에서의 노치 밀도는 cm당 17 내지 32 노치(in당 42 내지 81 노치)이다.
d) 노치 축과 튜브 종방향 축 사이의 각도는 40도 내지 70도 사이이다.
40°≤ α ≤ 70°
e) 노치 깊이는 핀 높이의 0.2 내지 0.8 사이이다.
0.2 ≤ DN/ Hf≤ 0.8
핀 회선 또는 핀 스타의 최적의 수는 열 전달 성능 상의 수의 효과(the number of effect) 보다는 제조의 용이성을 보다 많이 고려하였다. 보다 많은 스타는 핀 회선이 튜브 면 상에 형성될 수 있는 속도(rate)를 증가시키나 피닝 툴 상의 스트레스를 증가시킨다.

Claims (3)

  1. 튜브에 대해 나선형으로 배치된 적어도 하나의 외부 핀 회선(20)과, 상기 튜브의 종방향 축(AT)에 대해 경사진 각도(α)의 기부 축을 각각 가지며 상기 튜브의 원주에 대해 소정 간격으로 상기 핀 회선 내로 방사상으로 연장된 노치(30)들을 포함하며; 상기 노치는 상기 핀 회선을 인접부(21)와 단일 편평 말단 팁(23)을 갖는 스파이크부(22)로 분할하며; 상기 스파이크부는 한 쌍의 인접한 상기 노치 사이에 있으며, 상기 인접부의 최대 폭(WR) 보다 크고 상기 스파이크부가 두 인접 핀 회선들 내의 스파이크와 중첩되기에 충분한 최대 폭(WT)과 상기 노치 기부 축에 경사진 말단 팁 축(β)을 갖는 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
  2. 제1항에 있어서, cm 튜브 당 13 내지 28 핀 회선(in 튜브 당 33 내지 70 핀 회선)이 있으며, 상기 튜브의 외경(Do)에 대한 상기 핀 회선의 높이(Hf)의 비율(Hf/Do)은 0.02 내지 0.05 사이이며, 상기 핀 회선 내의 상기 노치 밀도는 cm 당 17 내지 32 노치(in 당 42 내지 81 노치)이며, 상기 노치 기부 축과 상기 튜브 종방향 축 사이의 각도는 40도 내지 70도 사이이며, 상기 노치의 깊이는 상기 핀 회선 높이의 0.2 내지 0.8 사이인 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
  3. 외부 면(13)을 갖는 튜브 벽(11)과, 상기 튜브 외부 면으로부터 연장되며 피닝 디스크(63) 및 맨드릴(64)의 상호작용에 의해 형성된 적어도 하나의 핀 회선(20)과, 노칭 휠(66)에 의해 형성되며 상기 튜브의 원주에 대해 소정 간격으로 상기 핀 회선 내로 방사상으로 연장되며 상기 핀 회선을 인접부 및 스파이크부(22)로 분할하며 상기 튜브의 종방향 축(AT)에 대해 경사진 각도(α)의 기부 축을 각각 갖는 노치(30)를 포함하며; 상기 스파이크부(22)는 두 인접 핀 회선 내의 유사한 말단 팁을 중첩하며 상기 노칭 휠 및 매끄러운 휠(67)에 의해 형성된 한 쌍의 인접한 상기 노치 사이의 편평화된 말단 팁(23)을 가지며; 상기 말단 팁은 한 쌍의 인접한 상기 노치 사이에 있으며, 상기 인접부의 최대 폭(WR) 보다 큰 최대 폭(WT) 및 상기 노치 기부 축에 대해 경사진 말단 팁 축(β)을 갖는 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
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