KR100640301B1 - 다관식 열교환기 - Google Patents

Abstract

다관식 열교환기의 관의 지지와 유체흐름의 정류 및 열전달율의 확보를 위해 이용되는 배플판 구조의 개량을 도모하는 것을 그 과제로 한다.

이를 해결하기 위한 수단으로 제 1열교환유체의 유로가 되는 관속(6)과, 관속(6)을 덮고 제 2열교환 유체의 유로가 되는 외각(外殼)과, 외각(1)내에 있어 관속(6)의 축방향과 교차하는 방향을 따라 배치되어 상기 관속의 개개의 관이 관통하는 다수의 관통구멍(8)을 갖는 배플판(7)을 구비하며, 관통구멍(8)은 그 내주면의 일부(8a)에 상기 관(6)의 외주면의 일부가 접촉함과 동시에 상기 내주면의 다른 부(8b)와 상기 관(6)의 외주면 사이에 제 2열교환 유체가 통과하는 간극(9)을 갖는다. 관(6)을 높은 치수정밀도로 지지할 수 있으며 또한 유체의 저항을 작게하여 열교환율을 향상시킬 수 있고 관통구멍의 핏치를 작게하여 장치를 콤팩트화할 수도 있게 된다.

Description

다관식 열교환기{MULTI-TUBE HEAT EXCHANGER}

도 1은 본 발명의 일실시예의 열교환기 전체를 도시하는 단면도.

도 2는 동 배플판의 일부 확대도이며, 도 2(a)는 관통구멍의 배열상태를 도시하는 정면도. 도 2(b)는 관의 삽통상태를 도시하는 사시도.

도 3은 배경기술에서의 배플판의 일예를 도시하는 도면으로 도 3(a)는 관통구멍의 정열상태를 도시하는 정면도, (b)는 관의 삽통상태를 도시하는 평면도.

도 4는 배경기술에서의 격자상의 금속판의 일예를 도시하는 도면으로 도 4(a)는 격자 및 관의 정열상태를 도시하는 정면도, 도 4(b)는 관의 삽통상태를 도시하는 평면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1: 외각 1a: 몸통부

1b: 헤드부 1c: 헤드부

2c: 격벽 2b: 격벽

3b: 헤드유체구 3c: 헤드유체구

4a: 몸통유체구 5a: 몸통유체구

6: 관 7: 배플판

8: 관통구멍 8a: 대향각부

8b: 대향각부 9: 간극

본 발명은 각종 플랜트, 건축 등의 에너지절약이나 반응조작을 행하기 위한 다관식 열교환기에 관한 것으로 특히 이 다관식 열교환기에 이용되는 배플판의 구조에 관한 것이다.

열교환기 구조의 1종류로서 다관식 열교환기가 알려져 있다. 이 열교환기는 외각의 내부에 다수의 관을 다발로 하여 관속을 배치하고 다관의 내부와 외각 내부에 각각 온도가 다른 열교환 유체를 흐르게 하여 다관벽을 통하여 열교환 유체 끼리 열교환을 행하는 것이다. 또 이 열교환기에서는 관속을 지지함과 동시에 외각내부를 흐르는 열교환 유체의 편류를 방지하고, 흐름 상태를 바꾸어 열교환효율을 높이기 위해 관의 축방향에 직각으로 배플판을 배치함과 동시에 배플판에 관의 외형에 맞춘 관통공을 마련하여 상기 다관을 관통시키는 것이 알려져 있다.(일본국 특개평 05-106993호 공보, 일본국 특개평 06-185891호 공보).

또한 열교환 유체가 이동할 때의 유체저항을 작게하기 위해 배플판에 유체통과용의 통과구멍을 형성하는 것이 제안되고 있다. 도 3은 배플판(30)에 다수의 관통구멍(31)을 형성하여 이 관통구멍(31)에 관(40)을 삽통시킴과 동시에 관통구멍(31)의 주위에 작은 구멍의 통과구멍(32)을 형성한 것이다.

또 상기 배플판으로 바꾸어 도 4와 같이 단책상의 금속판(35)을 서로 형성한 슬릿을 번갈아 끼어넣거나 용접고정하거나 하여 격자상으로 조합하고, 그 격자내에 각각 관(40)을 삽통시켜 지지함과 동시에 관(40) 주위의 간극(41)을 통해 열교환 유체를 통과시키는 것이 제안되고 있다. 또 이 기술을 개량하여 관 외형에 맞추어 금속판에 웨이브를 형성한 것이 제안되고 있다.

그러나 상기와 같이 배플판 주위에 작은 구멍의 통과구멍을 형성하는 것에서는 개구율이 충분하지 않고 유체의 통과가 양호하게 행해지지 않으며 유체저항을 저하시키고자 하는 요구에 충분히 응할 수 없다는 문제가 있다.

또 금속판을 격자상으로 조합시키는 것에서는 유체의 통과는 비교적 양호하게 되나 관의 지지강도가 충분하지 않기 때문에 판폭(관의 폭방향)을 크게할 필요가 있고 그 결과 열교환 유체와 관외벽과의 전열면적이 감소한다는 문제가 있다. 또 강도적 및 치수적인 안정성이 불충분하기 때문에 구멍의 위치 고정이 어려우며 그 결과 관의 배열이 흐트러지기 쉽다는 문제가 있다. 즉 종래 구조에서는 관배열의 콤팩트화, 치수안정성, 개구율 확보의 전부를 만족시킬 수 없었다.

본 발명은 상기 사정을 배경으로 하여 개발된 것으로 강도적 및 치수적인 안정성이 충분하여 관을 안정적으로 고정할 수 있음과 동시에 열교환 유체의 통과를 양호하게 행하여 열교환 효율을 저하시킴없이 유체저항을 저하시킬 수 있는 다관식 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 실현하기 위한 본발명의 다관식 열교환기는

제 1열교환 유체의 제1유로가 되는 다수의 관속과,

이 관속을 덮고 제 2열교환 유체의 제2유로를 형성하는 외각과,

상기 외각내에 있어 상기 관속의 축방향과 교차하는 방향에 따라 배치되며 상기 관속의 개개의 관이 관통하는 다수의 관통구멍을 갖는 배플판을

구비하고,

상기 관통구멍의 일부 또는 전부는 그 내주면의 일부에 상기 관 외주면의 일부가 접촉함과 동시에 상기 내주면의 다른 부와 상기 관의 외주면사이에 상기 제 2열교환 유체가 통과하는 간극을 갖는 것에 있어서,

상기 관통구멍은 마름모꼴 형상을 갖고 한쌍의 대향각부가 상기 관의 외주면이 내접하는 호(弧)상의 형상을 가지며, 다른 한쌍의 대향각부는 상기 관의 외주면과 이격하는 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 관통구멍은 점대칭 형상으로 이루어지는 것이 바람직하고 이에 따라 관의 지지와 열교환 유체의 통과가 균형을 이루어 행해지게 된다. 상기와 같이 한쌍의 대향각부에 각각 관의 외주면이 내접함으로써 관이 안정되게 지지된다. 또 다른 한쌍의 대향각부가 상기 관의 외주면과 이격하는 형상을 갖는 것에 의해 열교환 유체의 통과를 확실한 것으로 한다. 그리고 이 외의 한쌍의 대향각부는 각형상이나 만곡형상이라도 좋으며 만곡형상으로 하는 경우에는 관의 곡율보다도 작은 곡율로 함으로써 상기 간극이 확실하게 얻어진다.

삭제

상기 관통구멍은 관의 배열에 따라 예를들어 규칙적으로 배열한다. 또 상기 배플판은 관의 축방향으로 간격을 두고 다수를 배치하는 것이라도 된다. 관통구멍은 레이저가공이나 기계가공에 의해 배플판을 천공함으로써 형성할 수 있지만 본 발명으로서는 관통구멍의 형성방법은 특별히 한정되는 것은 아니며 공지의 적절한 방법에 의해 관통구멍을 마련할 수 있다.

또한 관의 수나 배열방법 등은 특별히 한정되는 것은 아니고 직관, U자관, 파관등 적절히 선택할 수 있다. 또 외각의 형상도 특별히 한정되는 것은 아니며 그 기본적인 기능을 이루는 한에서는 필요에 따라 적절한 형상으로 할 수 있다.

즉 본 발명에 의하면 배플판에 형성한 관통구멍의 내주면의 일부에서 관이 지지되므로 관이 안정되게 고정되고, 위치정밀도도 높아진다. 또 상기 관통구멍과 관의 외주면 사이에는 열교환 유체가 통과할 수 있는 간극이 확보되고 있으며 열교환 유체를 원활하게 통과시킬 수 있다. 또 열교환 유체와 관과의 접촉은 상기 관통구멍으로 저해되지 않을 뿐만 아니라 상기 간극을 통과할 때 직접관과 열교환 유체가 접촉하므로 열교환 효율을 더욱 높이는 작용이 얻어진다.

이하 본 발명의 일 실시예를 도 1, 2를 기초로 설명한다.

원통형상의 몸통부(1a)와 이 몸통부(1a)의 양단에 이어지는 반구각 형상의 헤드부(1b)(1c)를 주구조로서 외각(1)이 구성되고 있다. 이 외각(1)내에는 상기 몸통부(1a)내 공간과 헤드부(1b)(1c)내 공간을 떨어지게 하는 격벽(2b)(2c)이 설치되고 있으며 헤드부(1b)(1c)에는 상기 격벽(2b)(2c)으로 둘러싸인 공간에 연통하여 외부에 개구하는 헤드유체구(3b)(3c)가 각각 마련되고 있다. 또 상기 몸통부(1a)에는 격벽(2b)(2c)으로 둘러싸인 공간에 연통하여 외부로 개구하는 몸통유체구(4a)(5a)가 마련되고 있다.

또한 상기 격벽(2b)(2c)사이에는 다수의 관(6)이 관속이 되어 가설되어 있고, 각 관의 양단부는 각각 격벽(2b)(2c)으로 둘러싸인 헤드부(1b)(1c)내 공간에 연통하고 있다.

또한 몸통부(1a)내 공간에는 관(6)의 축방향으로 간격을 두고 유체의 흐름을 규칙적으로 흐트리는 다수의 배플판(7)이 배치되고 있고, 일부에 마련한 개구부(도시하지 않음)를 거쳐 배플판(7)을 넘어 유체의 이동이 가능하게 된다. 또한 배플판(7)에는 상기 관(6)이 관통하는 관통구멍(8)이 정렬하여 형성되어 있다. 이 관통구멍(8)은 레이저가공 등에 의해 배플판(7)을 천공하는 방법 등에 의해 형성되어 있으며 도 2와 같이 점대칭으로 대략 마름모꼴의 형상을 갖고 있다. 그리고 개방각도가 큰 한쌍의 대향각부(8a)의 내면은 관(6)의 외주형상의 곡율보다도 큰 곡율의 만곡형상으로 되어 있다. 한편 다른 대향각부(8b)는 개방각도가 작고, 관(6)의 외주형상의 곡율보다도 작은 곡율의 만곡형상으로 되어 있다. 또 개방각도가 큰 한쌍의 대향각부(8a)(8a)사이의 간격은 최대개소에서 관(6)의 외경과 대략 같으며 관(6)보다도 약간 크게 되어 있다. 또한 대향각부(8a)(8a)사이의 최대간격을 관(6)의 외경에 너무 가깝게 하면 삽통이 어려워지지만 그 차이를 크게하면 관(6)의 지지성능이 손상되므로 이들을 감안하여 상기 간격을 정하면 된다.

상기 관통구멍(8)에 각각 관(6)이 삽통된 상태에서는 상기 대향각부(8a)(8a)에 관(6)의 외벽이 접하는 것으로 관(6)이 지지된다. 이 때 대향각부(8a)(8a)의 간격이 관(6)의 외경과 대략 동일하며 관통구멍(8)의 간격이 대향각부의 양측에서 마름모꼴의 형상을 따라 점차 좁아지는 것으로 관(6)은 안정된 위치에서 지지되게 된다. 한편 대향각부(8a)(8a)의 양측에서는 절곡모서리를 향해 점차 관(6)의 외벽 과의 사이의 간극이 커지고 모서리부인 대향각부(8b)(8b)에서 더욱 커지는 간극(9)이 확보된다. 상기 구성에 의해 본 발명의 일 실시예의 다관식 열교환기가 구성되어 있다.

다음에 상기 다관식 열교환기의 작용에 대해 설명한다.

헤드부(1b)(1c) 한쪽의 유체구, 예를들어 헤드유체구(3b)로부터 열교환을 받는 제 1열교환 유체(예를들어 냉수)를 헤드부(1b)내에 도입한다. 그러면 제 1열교환 유체는 헤드부(1b)내 공간으로부터 각 관(6)내를 이동하여 다른 쪽 헤드부(1c)내로 이동하고, 헤드유체구(3c)로부터 외부로 배출된다. 한편 제 2열교환 유체(예를들어 온수)는 몸통유체구(4a)로부터 몸통부(1a)내 공간에 도입된다. 그러면 제 2열교환 유체는 배플판(7)의 표면 및 도시되지 않은 개구부에서 안내되면서 이동하여 상기 관(6)의 외벽과 접촉하여 관(6)내를 흐르는 제 1열교환 유체사이에서 열교환을 행한다. 또 제 2열교환 유체의 일부는 관(6)이 삽통되고 있는 관통구멍(8)의 간극(9)을 거쳐 배플판(7)을 통과한다. 이 때 관(6) 외벽을 따라 제 2유체가 이동하는 것으로 또한 관(6)과의 열교환이 행해진다.

상기와 같이 제 2유체가 상기 간극(9)을 통하여 배플판(7)을 통과하는 것으로 제 2열교환 유체의 유체저항을 작게하는 것이 가능하게 되며, 전체적으로 제 2열교환 유체의 유속의 저하를 방지할 수 있다. 이 결과 제 2열교환 유체에 의한 열교환 효율이 향상된다.

또 상기와 같이 관(6)은 관통구멍(8)에 의해 안정되게 높은 치수정밀도로 확실하게 지지할 수 있기 때문에 관통구멍의 핏치를 작게해도 관속 배열의 규칙성을 유지할 수 있으며 그 결과 열교환기의 소형화가 가능하게 된다.

이상 본 발명을 상기 실시예를 기초로 설명했지만 본 발명은 상기 실시예의 설명에 한정되는 것은 아니며 당연히 본 발명의 범위내에 있어서 적절히 변경이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 다관식 열교환기는 이하의 효과를 갖고 있다.

(1) 치수정밀도가 높으므로 관의 고정이 충분히 가능한 것과 배플판의 두께 를 충분히 취하는 것으로 강도가 보증가능하다.

(2) 개구면적의 증대와 유체저항의 감소에 의해 외각측의 열교환 유체의 유속의 저하를 방지할 수 있기 때문에 전열효율이 좋아진다.

(3) 관통구멍의 핏치를 작게 하여 관속의 배열을 콤팩트화할 수 있기 때문에 외각의 내경을 작게할 수 있고 용기의 제조원가의 저감이 가능하게 된다.

Claims (4)

1. 제 1열교환 유체의 제1유로가 되는 다수의 관속과,

   이 관속을 덮고 제 2열교환 유체의 제2유로를 형성하는 외각과,

   상기 외각내에 있어 상기 관속의 축방향과 교차하는 방향을 따라 배치되며 상기 관속의 개개의 관이 관통하는 다수의 관통구멍을 갖는 배플판을

   구비하고,

   상기 관통구멍의 일부 또는 전부는 그 내주면의 일부에 상기 관 외주면의 일부가 접촉함과 동시에 상기 내주면의 다른 부와 상기 관의 외주면사이에 상기 제 2열교환 유체가 통과하는 간극을 갖는 것에 있어서,

   상기 관통구멍은 마름모꼴 형상을 갖고 한쌍의 대향각부가 상기 관의 외주면이 내접하는 호(弧)상의 형상을 가지며, 다른 한쌍의 대향각부는 상기 관의 외주면과 이격하는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다관식 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 관통구멍은 점대칭 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다관식 열교환기.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 관통구멍은 다수가 규칙적으로 배열하고 있는 것을 특징으로 하는 다관식 열교환기.

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