KR100581700B1 - 전조 핀튜브용 포밍 디스크 및 이를 이용한 고성능 고효율핀튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 핀튜브를 전조 가공하는데 사용되는 포밍 디스크 및 포밍 디스크를 이용한 고성능 고효율 핀튜브에 관한 것으로, 본 발명의 포밍디스크는, 원판형으로서 중앙에 전조가공기의 축에 연결시키기 위한 관통된 축연결구멍을 갖고, 양측면에 원주상으로 일정 각도마다 반경방향으로 소정의 길이를 갖고 돌출 형성된 돌기들이 포함되어, 성형핀에 축방향의 일정 피치마다 방사상에 일정한 주기로 둥근 굴곡을 형성시키는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 따른 핀튜브는, 튜브의 외주면에 성형핀을 형성하되, 성형핀은 대략 원판형으로서 양측면에 원주상으로 일정 주기마다 연속된 굴곡을 갖도록 산과 골이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

전조, 핀튜브, 굴곡, 핀, 관, 열전달, 보일러, 열교환기, 송풍기, 속도계, 산, 골

Description

전조 핀튜브용 포밍 디스크 및 이를 이용한 고성능 고효율 핀튜브{Form rolling forming disk and high capability high efficiency fin tube}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명에 따른 핀튜브를 제작하기 위한 나관과 알루미늄관의 결합상태도.

도 2는 본 발명에 따른 핀튜브의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 핀튜브의 정면도.

도 4는 본 발명에 따른 핀튜브를 제작하기 위한 포밍디스크의 정면도.

도 5는 도 4의 A-A선 단면도.

도 6a는 본 발명에 따른 핀튜브의 성능을 실험하기 위한 배치도.

도 6b는 도 6a의 일측면도.

도 7은 본 발명에 따른 핀튜브의 압력강하를 나타내기 위한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 핀튜브의 열교환효율을 나타내기 위한 그래프.

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<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 튜브

3 : 핀튜브

4 : 성형핀

6 : 골

7 : 산

10 : 포밍디스크

12,12' : 돌기

본 발명은 열교환기의 핀튜브를 전조 가공하는데 사용되는 포밍 디스크 및 포밍 디스크를 이용한 고성능 고효율 핀튜브에 관한 것이다.

고성능 고효율을 갖는 열교환기를 만들기 위하여 엔지니어들은 끊임없이 노력하여 왔다. 관 내부에 액체가 흐르고 관 외부에는 기체가 흐를 경우 관외부의 열 전달계수는 관 내부의 것에 비해 매우 작아서 그 값이 20분의 1보다 작다. 이것은 기체가 흐르는 관 외부의 열전달 저항이 20배 이상 됨을 의미한다.

외부의 열전달 저항을 작게 하기 위하여 관 외부에 핀(Fin)을 부착시켜 전열면적을 크게 함으로 열전달 저항을 적게 한다.

본 발명에서는 핀의 형상을 변화시켜서 열전달 계수를 증가시키는 것에 관한 것이다. 본 발명은 평평한 전조핀의 표면을 굴곡으로 만들어 열전달 계수를 높이는 방법에 관한 것이다. 기본 개념에 관한 것은 대한민국 등록실용신안공보 등록 제20-0314025호(등록일: 2003.5.9)에 이미 기재되어 있다. 그러나 그 구조와 열전달을 높이기 위한 최적 조건의 핀튜브 및 이를 전조 제작하기 위한 포밍 디스크에 관한 것을 본 발명에서 밝히고자 한다. 그러므로 개념적인 것을 다룬 위 등록 고안을 구체화하고 그 개념을 더욱 발전시킨 제2세대 기술에 관한 것이다.

본 발명에서는 압력 손실은 많이 증가하지 않으면서도 열전달계수는 높아지는 구조에 관한 것을 내용으로 한 것이며 실험으로 이것을 확인하고 최적조건에 관한 것도 설명한다. 또 데이터(data)도 밝힌다. 또한 그 제조 방법에 관한 것도 설명한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 포밍디스크는,

원판형으로서 중앙에 전조가공기의 축에 연결시키기 위한 관통된 축연결구멍을 갖고, 양측면에 원주상으로 일정 각도마다 반경방향으로 소정의 길이를 갖고 돌출 형성된 돌기들이 포함되어, 성형핀에 축방향의 일정 피치마다 방사상에 일정한 주기로 둥근 굴곡을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

또한 포밍디스크의 돌기는 포밍디스크의 최외각에서 높이가 가장 낮고 안쪽으로 가면서 그 높이가 증대된 것을 특징으로 한다.

또한 양측면의 돌기는 서로 어긋난 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 포밍 디스크는 2분할로 각기 제작되어 한쌍으로 결합되어져 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 핀튜브는,

튜브의 외주면에 성형핀을 형성하되, 성형핀은 대략 원판형으로서 양측면에 원주상으로 일정 주기마다 연속된 굴곡을 갖도록 산과 골이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 핀튜브는 산과 골의 높이와 깊이가 대칭적으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 핀튜브는 산과 골은 튜브의 외주면에서 일정 거리 떨어진 곳에서부터 형성되어, 그 높이와 깊이는 최외곽에서 최대가 되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 핀튜브는 산과 골이 완만한 호형으로 구성된 것을 특징으로 한다.

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

먼저, 본 발명에서 고성능이라는 뜻은 열전달계수가 높다는 뜻이며, 고효율이라 함은 기체가 핀튜브(Fin Tube) 외면을 흐를 때 기존의 평면 핀튜브에 비해 열전달 계수는 많이 증가하지만 압력손실은 적게 증가하기 때문에 본 발명으로 열교환기를 만들면 송풍동력이 적게 든다는 것을 의미한다.

고성능 고효율의 전조 핀튜브(3)가 도 2에 도시되어 있다. 이 핀튜브(3)는 도 1에 도시된 금속재의 나관(Bare tube)(1)을 예로 열전도성이 우수한 알루미늄 관(2)에 삽입한 후 이미 잘 알려진 평면 전조 핀을 제작하는 방법으로 만든다.

그러나 핀을 성형시키는 디스크(Fin Forming Disk)는 평면디스크와 다르다.

평면 전조 핀튜브를 만드는 핀 성형(Fin Forming)디스크는 평면으로 되어 있지만 도 2에 도시된 고성능 고효율 핀튜브(3)를 만들기 위해서는 도4,5에 도시한 형상과 모양을 갖는 포밍 디스크(Forming Disk)(10)를 사용한다. “고성능 고효율 핀튜브”(3)가 되는 최적의 굴곡모양은 산(crest)(7)과 골(vally)(6)이 연속적으로 반복되는 대칭구조로 되어 있으며 그 굴곡 된 모양은 도 3에 도시된 것과 같이 둥근 호형이다. 여기서 산(7)이란 융기부를 의미하고, 골(6)이란 함몰부를 의미한다.

굴곡은 점선(8)으로 표시된 수평 대칭선 아래위로 둥근형의 굴곡으로 되어 있다. 골(6)과 산(7)사이의 수평거리(9)는 성형핀(4)의 끝에서 최대가 되고 튜브(3)표면을 향하여 안으로 갈수록 그 거리는 점차 작아지게 형성된다. 유체의 속도는 관(1) 외부 표면에서 약 0.1mm 되는 곳에서 최대가 되고 표면에서 2mm 정도까지 속도가 높이 유지되므로 이 영역에서는 성형핀(4)의 표면에 굴곡이 있으면 압력손실이 크게 증가하는 것에 비해 열전달 계수는 적게 증가한다.

이런 이유 때문에 고성능 고효율 핀튜브(3)의 조건은 이처럼 유체의 속도가 최대가 되는 곳에서는 평면핀이 되도록 하는 것이다.

고성능 고효율 핀튜브(3)가 되기 위한 조건이 산(7)과 골(6)의 모양이 가능한 한 둥글게 함이 바람직하다. 이는 유체가 성형핀(4)들의 사이사이 공간을 흐를 때 유체의 흐름이 산(7)을 향하여 흐를 때의 면(Windward face)에서는 부착흐름(attatched flow)이고 산(7)을 지나 골(6)쪽으로 내려가는 면(Leeward face)을 흐를 때에도 가능한 한 오래 부착흐름(attatched flow)을 유지되도록 하기 위해서다.

유체가 산(7)을 향하여 흐르는 동안 유체는 벽에 부딪치는 형태(impingement)가 되어 열전달 계수는 최대가 된다. 산(7)뒷면(Leeward face)에서는 유체의 경계층(Boundary layer)이 급격히 증가하며 속도는 더욱 감속된 후 박리 흐름(separated flow)이 되어 강한 소용돌이(Vortex)가 형성되며 열전달 계수는 감소한다. 그러나 유체의 속도가 커지면 유체의 흐름은 부착 흐름(attatched flow)이 될 수 있으므로 이때 전체적인 열전달 계수는 더욱 증가한다.

고성능 고효율 핀튜브(3)를 만드는데 필요한 포밍 디스크(Forming Disk)(10)가 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 포밍 디스크(10)의 정면도이며 도 5는 도 4의 A-A선 단면도이다.

도 4,5에서 나타난 바와같이 평면(11)위에 핀의 형상을 나타낼 수 있는 돌기(12)(12')가 주기적으로 형성되어 서로 어긋나게 배치되어 있다. 포밍 디스크(10)의 중앙은 원형의 구멍(13)이 있으며 그 구멍(13)을 통하여 주지된 전조 핀 가공용 기계의 축에 끼울 수 있도록 되어 있다. 이 돌기(12)(12')의 높이는 디스크(10)의 끝에서는 1mm에서 돌기(12)(12')가 끝나는 부분에서는 3.5mm까지 되게 한다. 핀 사이의 거리(ℓ)에 따라 이 값은 변한다. 또 돌기(12)(12')의 모양은 급격한 모가 나지 않게 한다. 본 양태는 포밍디스크(10)가 양분할된 것으로 하였으나 일체로 구성할 수 있음은 물론이다.

<실시예>

본 실시예에서는 고성능 고효율 핀튜브(3)의 열전달계수가 평면의 기존 핀튜브의 것에 비해 얼마나 증가하는지를 알기 위한 실험을 실시하였다. 실험실 장치는 전기히터로 물을 데우는 보일러, 열교환기, 송풍기, 유량계, 공기속도를 측정하는 속도계, 그리고 12개의 써모커플(Thermocouple)로 이루어져 있다. 열교환기 상류와 송풍기 사이에는 하니콤이 설치되어 있다. 그 크기는 작지만 윈드 터널(Wind turnnel)의 형태를 갖는다. 핀튜브(3)의 성형핀 길이(성형핀이 있는 부분)(L)는 200mm, 관의 외경(d) 25.4mm, 관의 두께(T) 2.77mm, 유체의 흐름과 수직방향의 튜브중심간 거리는 63.mm, 핀튜브의 외경(D)은 57mm, 핀의 뿌리부분 두께는 0.8mm, 끝부분의 두께는 0.2mm로 되어있다. 핀 피치(P)는 길이 200mm에 8개로 되어 있다.

모형 열교환기는 고성능 고효율의 핀튜브(3)로 구성되어 있다. 유체와 수직으로 4개의 핀튜브가 한 개의 열을 구성하며 4개의 열로 되어 있어 총 16개의 핀튜브로 되어 있다. 구체적인 배열모양이 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 50℃의 물은 열교환기의 후단 두개의 열을 통하여 열교환기로 들어오고 전단 두개의 열을 통하여 흘러나간다. 써모커플(Thermocouple) 2개는 관 내부를 물의 입구와 출구 온도를 측정하였으며 유량계는 물의 유량을 측정하였다. 공기의 입구온도는 한 개의 써모커플로 측정하였으며 출구 공기 온도는 9개의 써모커플로 측정한 후 그 평균값을 취하여 공기의 출구 값을 얻었다. 공기의 유량은 풍량계(속도계)로 측정하였다.

관내부의 열전달 계수는 잘 알려진 상관(Correlation)분석을 이용하였다. 이상의 측정값을 이용하여 공기측의 열전달계수를 얻을 수 있다.

측정 결과를 도8에 도시하였다. 횡축(x-축)은 공기가 열교환기면에 들어가는 평균속도다. 이 값은 공기의 유량을 열교환기 평면의 면적으로 나눈 값이다. 종축(y-축)은 열전달 계수의 값이다. 도 8의 그래프에서 위쪽 선도의 값들은 고성능 고효율 핀튜브(3)의 열전달계수이며 그 아래 그래프 선도의 값들은 기존의 평면 핀튜브의 것이다. 아래 커브의 값은 측정값이 아니며 지금까지 잘 알려져 있으며 상업용 컴퓨터 프로그램에 널리 사용하는 상관(correlation)관계를 이용하여 얻은 값이다. 이 그래프에서 나타난 바와 같이 고성능 고효율 핀튜브(3)의 열전달 계수가 낮은 공기 속도에서는 약 10% 더 높고 속도가 증가하면 150% 까지 증가함을 알 수 있다.

열전달 계수는 공기의 속도가 1.7m/s에서 6m/s로 변할 때 10% 에서 150% 까지 증가하지만 압력손실은 5%에서 최대20% 까지 증가하였다. 압력손실의 측정값은 도 7에 도시하였다. 결론으로 열전달계수는 많이 증가 하지만 압력은 적게 증가함을 보여준다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고성능 고효율 핀튜브를 이용하여 열교환기를 제작하면 그 크기가 작아지고 송풍기의 동력은 증가하지 않으므로 초기 투 자 가격의 우위를 얻게 된다. 그 응용으로, 석유화학공장의 공랭식 열교환기, 정유공장의 공랭식 열교환기, 발전소의 공랭식 진공복수기(Air Cooled Vacuum Condenser), 소각로의 공랭식복수기, 그리고 냉동기의 실외기 열 교환기등 광범위하게 응용 할 수 있다.

Claims (8)

1. 열교환기에 적용되는 핀튜브의 성형핀(4)을 통상의 전조 가공기로 제작하는데 사용되는 포밍 디스크에 있어서, 상기 포밍 디스크(10)는

   원판형으로서 중앙에 상기 전조가공기의 축에 연결시키기 위한 관통된 축연결구멍(13)을 갖고, 양측면에 원주상으로 일정 각도마다 반경방향으로 소정의 길이를 갖고 돌출 형성된 돌기(12)(12')가 포함되어, 상기 성형핀(4)에 축방향의 일정 피치마다 방사상에 일정한 주기로 둥근 굴곡을 형성시키는 것을 특징으로 하는 전조 핀튜브용 포밍 디스크.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 돌기(12)(12')는 포밍디스크(10)의 최외각에서 높이가 가장 낮고 안쪽으로 가면서 그 높이가 증대된 것을 특징으로 하는 전조 핀튜브용 포밍 디스크.
3. 제 1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌기(12)(12')는 서로 어긋난 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전조 핀튜브용 포밍 디스크.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 포밍 디스크는 2분할로 각기 제작되어 한쌍으로 결합되어져 구성된 것 을 특징으로 하는 전조 핀튜브용 포밍 디스크.
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