KR100217265B1 - 가열 보일러용 열교환기 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정 형상의 알루미늄 삽입체(2)가 삽입되는 원통형의 매끈한 벽으로된 강 외부 튜브(1)를 포함하는 열교환기 튜브에 관한 것이다. 소정 형상의 삽입체는 홈형 리세스(7)와 리브형 돌출부(8)에 의해 그 종방향 모서리에서 서로 결합하는 2개의 반부 쉘(3,4)들에 의해 구성된다. 반부 쉘(3,4)들은 모두 각 반부 쉘이 한쪽에서 열린 형상을 구성하는 그 리브를 갖도록 정렬된 내부면상의 종방향 연장리브(5)들을 갖는다.

Description

가열 보일러용 열교환기 튜브

본 발명은 가열 보일러용, 자세하게는 청구범위 제1항의 전제부에 의한 가스 응축 보일러의 열교환기 튜브에 관한 것이다.

주로 가스 연소 가열 보일러인 응축 보일러에서, 연소 가스는 배출 가스 수분의 응축열을 이용하기 위해 응축될 때까지 냉각된다. 이의 전제 조건은 가열 보일러를 통과하는 연소 가스 통로의 단부에서의 온도가 연소 가스의 이슬점 온도보다 낮은 보일러수 온도로 가열 보일러가 작동한다는 것이다. 현대의 가스 버너에서 약 섭씨 850도일 수 있는 고온 유입 온도로부터 가열수 귀환시에 통상적인 예를 들어 섭씨 30도의 최저 보일러수 온도와 이슬점 온도 사이의 온도로, 가열 보일러의 수냉 열교환기 튜브를 통과하는 가능한 짧은 연소 가스 통로에 걸쳐서 연소 가스를 냉각하려는 시도가 있다. 이 목적을 위한 공지된 열교환기 튜브는 배기 가스 응축물에 의한 산부식에 저항하는 강으로 된 원통형, 활면(smooth walled) 외부 튜브와, 이 외부 튜브내로 밀어넣어지는 성형(star-shaped) 단면을 갖는 알루미늄 단면형(profiled) 삽입체를 갖는다. 가장 흔한 구성의 가열 보일러에서, 외부 튜브는 열교환기 튜브를 둘러싸는 보일러수 공간을 한편으로는 연소 챔버로부터, 다른 한편으로는 가열 보일러의 배출 가스 다기관으로부터 분리시키는 튜브 기부 또는 튜브 플레이트안으로 그 단부들이 용접될 수 있도록 하기 위하여 강을 포함하여야 한다. 강 외부 튜브와 알루미늄 단면형 삽입체로 구성되는 복합 튜브는 고온의 유입 가스에 노출될 수 있는데, 이는 알루미늄이 강보다 큰 팽창 계수를 가짐으로써 단면형 삽입체가 온도 증가에 따라 실제로 증가하는 압력을 갖고 외부 튜브와의 접촉 지점에서 외부 튜브와 열전도 접촉 상태로 유지되기 때문이다. 공지된 복합 튜브에서, 성형 알루미늄 단면형 삽입체로부터 강 외부 튜브로의 열전달은 외부 튜브에 연소 가스의 유동을 위한 충분한 자유 면적을 남기기 위해 단면이 비교적 얇은 벽을 갖는 단면형 삽입체의 방사상 아암들의 돌출면에서만 단면형 삽입체가 외부 튜브와 접촉한다는 사실에 의해 결정되고 제한된다. 또한, 강 외부 튜브의 튜브 플레이트안으로의 용접에 있어서는 알루미늄 단면형 삽입체의 방사상 아암들이 외부 튜브 단부에서 발생되는 용접 열에 의해 파괴되지 않도록 하기 위해서 외부 튜브의 단부에서 성형 알루미늄 단면형 삽입체의 단부들이 충분히 후방에 설정되어야 할 필요가 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 목적은 연소 가스로부터 보일러수로의 열전달 용량을 훨씬 더 크게 얻을 수 있고 간단하게 제조될 수 있으며 가열 보일러에 장착될 때 후가공될 수 있는 전술한 형태의 열교환기 튜브를 제공하는 것이다. 이 목적을 위해, 본 발명은 청구범위 제1항의 특징부를 갖는 알루미늄 단면형 삽입체와 강 외부 튜브로 이루어진 복합 튜브로 구성된 열교환기 튜브 구조를 제공한다.

본 발명에 의한 열교환기의 튜브형 몸체 형상의 단면형 삽입체는 한편으로 연소 가스로부터의 열을 수용하는 아주 큰 내부 표면적, 바람직하게는 2개의 반부쉘(half shell)들의 내부면상에 빗과 같은 형태로 배치된 리브들은 갖도록 구성되고, 무엇보다도 공지된 성형 단면부(proflle)에 비해 현저히 큰 외부 표면적으로 수냉 강 외부 튜브의 내부면과 결합함으로써, 연소 가스로부터 보일러수로의 열전달 용량이 현저히 증가한다. 귀환된 가열수가 가열 보일러로의 유입시 약 섭씨 30도의 수온을 갖는 응축 보일러에서의 실험에서, 단지 50cm의 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 튜브 길이에 의해 약 섭씨 850도의 온도로 열교환기 튜브로 유입하는 연소 가스가 본 발명에 의한 열교환기 튜브에서 약 섭씨 48도의 귀환수 온도보다 단지 약간 높은 출구 온도로 냉각될 수 있음을 알았다. 이러한 우수한 결과는 보일러용으로 적합한 공지된 어떤 열교환기 튜브에서도 얻을 수 없었다. 열교환기 튜브를 짧게 하는 것은 전체적으로 열교환기 튜브의 수직 배열이 더 낮아지거나 열교환기 튜브의 수평 배열이 더 짧아지도록 하여, 더 많은 공간을 절약할 수 있는 방식으로 응축 보일러가 구성될 수 있다는 현저한 장점을 또한 갖는다. 외부 튜브와의 큰 접촉 면적과 내부에서의 큰 가열 표면 밀도를 갖는 단면형 삽입체 구성에도 불구하고, 튜브형 몸체 형상의 단면형 삽입체는 2개의 반부 쉘로의 분할과 한쪽에서 개방된 단면부로서 리브들을 갖는 각 반부 쉘의 구성에 기인하여 간단하고 경제적으로 제조될 수 있다. 압출에 의한 제조이므로 이른바 플라잉 코어(flying core)가 인발 다이에 필요치 않고, 그러므로 상기 다이는 염가이고 또한 긴 사용 수명을 갖는다. 본 발명의 열교환기 튜브의 후가공 또는 가열 보일러에의 장착에서의 특별한 장점은, 외부 튜브를 튜브 플레이트안으로 용접할 때 알루미늄 단면형 삽입체의 단부가 튜브 플레이트안으로 용접되는 외부 튜브의 단부와 동일면상에 있도록 연장할 경우, 상기 단면형 삽입체의 아주 큰 열전달 접촉 면적과 열 소산 능력 덕분에 상기 알루미늄 단면형 삽입체가 파괴되지 않는다는 것이다. 그러므로, 열교환기 튜브는 단면형 삽입체의 단부가 외부 튜브의 단부에 대해 후방에 설정되게 제조될 필요가 없으며, 대신에 길다랗게 생산된 제품으로부터 필요한 길이로의 단순 직선 절단 작업이 가열 보일러에의 장착에 사용될 수 있다. 홈형 리세스와 리브형 돌기를 포함하는 한가지 유형의 미로형 밀봉부(labyrinth seal)를 갖는 2개의 반부 쉘들의 접촉 종방향 모서리의 구성은 배출 가스 또는 응축물이 알루미늄 단면형 삽입체와 강 외부 튜브 사이로 침투하여 틈의 부식을 일으킬 수 있는 틈의 형성을 방지한다. 단면형 삽입체가 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 가장 단순한 실시예에서 튜브형 몸체의 전체 주연면에 걸쳐 외부 튜브와 직접 결합하면, 튜브형 몸체가 외부 투브의 내경에 사실상 대응하고 외부 튜브안으로 힘안들이고 미끄러질 수 있도록 단지 약간 더 작은 외경을 갖고, 외부 튜브가 그후 예를 들어 압연 또는 인발 공정에 의한 외부 튜브의 주연 전체의 영구 압축 변형에 의해 반경방향으로 압축되어 알루미늄 단면형 삽입체에 대해 가압되도록 간단한 방식으로 열교환기 튜브를 제조할 수 있다. 이에 따라, 2개의 반부 쉘들의 접촉 종방향 모서리들과 또한 튜브형 몸체 및 외부 튜브는 틈이 전혀 존재하지 않도록 서로 밀접하게 가압된다. 또한, 알루미늄 단면형 삽입체의 튜브형 몸체와 강 외부 튜브 사이에 배출 가스 또는 응축물이 침투할 수 없도록 열교환기 튜브의 단부의 단부면들이 튜브 플레이트들을 통과하여 연장되는 것이 중요하다.

본 발명에 의한 열교환기 튜브의 다른 유리한 특징들이 종속항들에 기재되어 있다.

본 발명에 의한 열교환기 튜브의 여러 예시적인 실시예들이 도면에 도시되어 있다.

제1도는 알루미늄 단면형 삽입체가 강 외부 튜브와 직접 결합되는 열교환기 튜브의 실시예를 도시한다.

제2도는 내부 표면적을 증가시키기 위한 간단한 추가 특징을 갖는 제1도에 도시된 형태의 실시예를 도시한다.

제3도는 제1도에 도시된 형태의 단면형 삽입체가 중간 단면부를 거쳐 외부 튜브와 간접적으로 결합하는 실시예를 도시한다.

제1도에 도시된 열교환기 튜브는 내식성 크롬강으로 된 원통형 활면 외부 튜브(1)와 알루미늄으로 된 단면형 삽입체(2)를 포함한다. 단면형 삽입체(2)는 외부 튜브의 종축을 통해 연장되는 접합 평면에서 2개의 반부 쉘(3,4)들로 분할되는 환형 몸체로 구성된다. 2개의 반부 쉘(3,4)들의 내부 쉘면에는 외부 튜브(1)의 종방향으로 연장되고 튜브형 몸체의 자유 단면으로 돌출하는 리브(5)들이 형성됨으로써, 리브(5)들을 갖는 각 반부 쉘(3,4)이 한 쪽에서 개방된 단면부를 이루게 되어 상기 반부 쉘들이 이른바 플라잉 코어를 갖지 않는 압출기 또는 인발 다이에 의해 상기 리브들과 함께 간단하고 염가로 제조될 수 있다. 특히 바람직하게는 제1도의 실시예에 의해 도시된 바와 같이, 리브(5)들이 2개의 반부 쉘(3,4)의 내부면상에서 접합 평면에 수직으로 연장되는 빗 형태로 배열됨으로써, 2개의 반부 쉘(3,4)들의 리브(5)들은 서로 쌍으로 대향하고 접합 평면까지 또는 적어도 그 근처까지 연장된다. 특히 리브(5)들의 이러한 빗모양 배열에 의해, 리브들에는 외부 튜브(1)또는 반부 쉘(3,4)의 종방향으로 연장되고 연소 가스가 작용하는 단면형 삽입체(2)의 열 수용 내부 표면적을 아주 효과적으로 증가시키는 돌기형 표면 단면부가 반부 쉘의 압축 제조 중에 제공될 수 있다. 접합 평면에서 서로 접촉하는 종방향 모서리(6)에서, 2개의 반부 쉘(3,4)에는 접합 평면에 수직으로 서로 삽입될 수 있고, 그에 의해 종방향 모서리들이 미로형 밀봉 방식으로 서로 결합할 수 있는 홈형 리세스(7)와 리브형 돌기(8)가 제공된다. 반부 쉘의 종방향 모서리들 사이의 2개의 접촉 지점들의 밀봉은 중요하며, 단면형 삽입체(2)의 튜브형 몸체와 외부 튜브(1)사이로 배출 가스 또는 응축물이 침투하여 틈 부식을 일으키는 틈이 형성되지 않게 한다. 제1도에 도시된 바와 같이, 2개의 반부 쉘이 한 종방향 모서리에서 홈형 리세스를 갖고 다른 종방향 모서리에서 리브형 돌기를 갖도록 구성되면, 2개의 반부 쉘은 압출 생산된 동일 단면의 웨브로부터 필요한 길이로 절단될 수 있으며, 하나의 반부 쉘은 종축에 대해 180도 회전된 다른 반부 쉘에 끼워진다. 명확한 도시를 위해, 제1도는 아직 완전히 완성되지 않은 상태의 열교환기 튜브를 도시한다. 그 전체 주연면에 걸쳐 외부 튜브(1)와 직접 결합하는 함께 접합된 2개의 반부 쉘(3,4)들을 포함하는 튜브형 몸체가 외부 튜브의 내경보다 약간 작은 외경을 갖도록 제조되므로, 튜브형 몸체 또는 단면형 삽입체(2)는 힘들이지 않고 외부 튜브안으로 밀어넣어질수 있다. 그후, 외부 튜브와 단면형 삽입체를 서로에 대해 가압하기 위하여 외부 튜브는 그 전체 주연에 걸쳐 압연 또는 인발 공정에 의한 반경방향의 영구 압축 변형을 받아서, 열전달에 중요한 외부 튜브의 전체 내부면과 단면형 삽입체의 전체 외부면의 강한 접촉이 발생한다. 그러므로써 2개의 반부 쉘들에서 리세스및 돌기에 의해 서로 결합하는 종방향 모서리들은 또한 완성된 열교환기 튜브의 단면의 미세 절편에서도 반부 쉘들의 종방향 모서리들 사이에 이음부가 발견되지 않도록 하는 방식으로 틈이 없도록 함께 가압되고 배출 가스 또는 응축물에 대해 완전히 밀봉된다. 접촉 주연면에서의 외부 튜브와 단면형 삽입체의 틈없는 압축은 또한 가열 보일러에 장착된 열교환기 튜브의 단부면에서 외부 튜브와 단면형 삽입체 사이로 배출 가스 또는 응축물이 침투할 가능성을 방지한다. 단면형 삽입체와 외부 튜브 사이의 열교환기 튜브의 극히 높은 열전달 용량은 또한 열교환기 튜브의 단부를 가열 보일러의 튜브 플레이트 또는 튜브 기부안에 용접할 때의 열 역류에 대해 놀랄만큼 유리한 효과를 갖는다. 용접 실험에서, 알루미늄 단면형 삽입체의 단부면이 크롬강 외부 튜브와 동일면상에 있는때에도, 비록 크롬강 외부 튜브가 액체 용융 용접 재료에 의해 가열 보일러의 튜브 플레이트에 연결되어야 하지만 알루미늄은 놀랍게도 손상되지 않거나 녹아버리지 않는다는 것을 알 수 있었다.

그러므로, 열교환기 튜브는 완성된 표준 길이의 열교환기 튜브로부터 단순 직선 절단 또는 톱 절단 등에 의해 가열 보일러에 필요한 길이로 절단될 수 있다.

제2도는 빗모양으로 배열된 리브(5)들의 선단들이 그 사이에 알루미늄으로 된 판형 평면 단면부(9)가 삽입될 수 있는 간격을 서로 유지하는, 제1도와 유사한 실시예를 도시한다. 리브의 길이는 튜브형 단면형 삽입체를 형성하도록 반부 쉘(3,4)들을 함께 연결할 때 평면 단면부와 리브들 사이에 신뢰성 있는 열전도성 접촉을 이루도록 하기 위하여, 빗모양 선단들이 리브 단면에 대응하는 단부면을 갖고 평면 단면부(9)에 대하여 꼭 맞게 그리고 틈이 없게 가압되어지는 그러한 치수를 갖는다. 또한 2개의 반부 쉘들의 접촉 종방향 모서리들은 평면 단면부의 종방향 모서리들을 포획하고 이를 그 사이에 완성된 열교환기 튜브상에서 양호한 열전도 방식으로 클램핑하도록 구성될 수 있다. 반부 쉘들 사이에 삽입된 평면 단면부 덕분에, 단면형 삽입체(2)의 열 수용 내부 표면적은 10%정도 이상의 상당한 양만큼 간단하고 저렴한 방식으로 다시 증가될 수 있다.

제3도는 제1도에 도시된 형태의 알루미늄 단면형 삽입체(2)가 그 외부면에서 외부 튜브(1)의 내부면과 직접 접촉하지 않고 외부 튜브(1)의 내경보다 현저히 작은 외경을 갖는 실시예를 도시한다. 외부 튜브(1)와 단면형 삽입체(2)사이에 한정된 환형 공간에는 알루미늄으로 된 환형 원통형 중간 단면부(10)가 배치된다. 이 중간 단면부(10)는 그 전체 외주연면이 열전도 방식으로 외부 튜브(1)의 전체 내부면과 결합하는 튜브형 벽과, 튜브형 몸체의 내부면상에 방사상으로 배치되고 단면형 삽입체(2)의 외부면으로 연장되며 단면형 삽입체의 외부면과 평탄하게 그리고 열전도 방식으로 접촉하는 복수의 리브(11)들을 포함한다. 중간 단면부(10)는 내부 단면형 삽입체(2)와 유사한 방식으로 외부 튜브의 종축을 통과하여 연장되는 접합 평면에서 2개의 중간 단면 반부들로 분할된다. 그리고, 상기 중간 단면 반부들은 한쪽에서 개방됨으로써 또한 플라잉 코어 없이 단순 인발 다이를 가지고 압출에 의해 알루미늄으로부터 제조될 수 있다. 중간 단면부(10)는 제1도를 참조하여 설명한 단면형 삽입체(2)와 유사한 방식으로, 밀봉식으로 서로 접촉 또는 결합하는 2개의 중간 단면 반부들의 종방향 모서리들을 갖도록 구성된다. 제1도의 실시예와 비교하면, 연소 가스에 의해 접촉가능한 열교환기 튜브의 총 열 수용 내부 표면적은 제3도의 실시예에 의해 용이하게 100%만큼 증가될 수 있다. 따라서, 응축 보일러의 연소 가스를 예를 들어 섭씨 850도의 유입 온도로부터 연소 가스의 이슬점 임계 온도보다 현저히 낮은 예를 들어 섭씨 48도의 유출 온도로 냉각시키기 위해서는 열교환기 튜브의 길이가 더욱 현저히 짧아질 수 있다.

Claims (7)

1. 가열 보일러수에 의해 외부에서 둘러싸이고 가열 보일러 연소 설비로부터의 배출 가스가 그것을 통해 유동하는 강으로 된 원통형, 활면 외부 튜브(1)와, 상기 외부 튜브안으로 밀어넣어지고 외부 튜브의 내부 표면적을 증가시키도록 종방향으로 연장되는 리브(5)들을 가지며 상기 외부 튜브와 열전도 접촉하는 알루미늄으로된 단면형 삽입체(2)를 구비하는 가열 보일러용, 특히 가스 응축 보일러용 열교환기 튜브에 있어서, 단면형 삽입체(2)는 외부 튜브의 종축을 통과하여 연장되는 접합 평면에서 2개의 반부 쉘(3,4)들로 분할되는 튜브형 몸체를 포함하고, 2개의 반부 쉘들은 그 접촉 종방향 모서리(6)들에서 홈형 리세스(7)와 리브형 돌기(8)를 갖도록 구성되어 밀봉식으로 상기 접합 평면에 수직하게 서로 결합하고, 상기 2개의 반부 쉘(3,4)들은 또한 그 내부면상에 리브(5)들을 가지도록 구성되고, 상기 리브들은 이 리브들을 가지는 각 반부 쉘들이 한 쪽에서 개방된 단면부를 형성하는 바와 같은 방식으로 상기 외부 튜브의 종방향으로 연장되고 상기 튜브형 몸체의 자유 단면으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
2. 제1항에 있어서, 상기 2개의 반부 쉘(3,4)들은 내부적으로 그 리브(5)들이 상기 접합 평면에 수직으로 연장되고 서로 쌍으로 대향되게 이 접합 평면으로 연장되는 빗모양으로 배열되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 반부 쉘들은 각각 한 종방향 모서리에 밀봉 홈(7)을 갖고 다른 종방향 모서리(6)에 상기 홈의 형상에 대응하는 밀봉 리브(8)를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리브(5)들에는 반부 쉘 또는 외부 튜브의 종방향으로 연장되는 리브형 표면 단면이 제공되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
5. 제1항에 있어서, 함께 접합되는 2개의 반부 쉘(3,4)들을 구비하는 단면형 삽입체(2)는 외부 튜브(1)의 내경에 사실상 대응하는 외경을 갖고 상기 외부 튜브와 그 전체 주연면에 걸쳐 직접 결합하며, 또한 상기 외부 튜브(1)와 함께 이 외부 튜브의 전체 주연의 반경방향 영구 압축 변형에 의해 압축되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
6. 제2항에 있어서, 알루미늄으로 만들어진 판형 평면 단면부(9)가 상기 2개의 반부 쉘(3,4)들의 빗모양 리브(5)들의 선단들 사이에 삽입되고, 상기 리브들의 길이는 단면형 삽입체(2)를 형성하도록 반부 쉘들을 함께 연결할때 상기 빗모양 선단들이 상기 평면 단면부에 대해 열전도식으로 가압되도록 하는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
7. 제2항에 있어서, 빗모양 리브(5)들을 갖는 반부 쉘(3,4)들을 포함하는 상기 단면형 삽입체(3)는 상기 외부 튜브(1)의 내경보다 현저히 작은 외경을 갖고, 상기 단면형 삽입체(2)와 외부 튜브(1) 사이의 환형 공간에는 상기 외부 튜브(1)와 결합하는 튜브형 벽과 이 튜브형 벽으로부터 단면형 삽입체(2)로 방사상으로 연장되는 복수의 리브(11)들을 포함하는 알루미늄으로 된 중간 단면부(10)가 배치되고, 이 중간 단면부(10)는 또한 상기 외부 튜브의 종축을 통해 연장되는 접합 평면에서 한쪽에서 개방되고 그 튜브형 벽의 종방향 모서리에서 밀봉식으로 구성되며 서로 결합하는 2개의 중간 단면 반부들로 분할됨으로써, 상기 중간 단면부(10)가 외부 튜브의 반경방향 영구 압축 변형에 의해 이 외부 튜브및 내부의 단면형 삽입체(2)와 함께 열전도식으로 압축되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.