KR100665894B1 - 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 a-w열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 냉동식 드라이어 A-W 열교환기(5)의 타공망 형태의 가이드 베인(8)이 확대관으로 형성된 열교환기 유입구(1)와 튜브(3)측 입구 부분에 장착한 고효율 열교환기(5)에 관한 것으로, 상기 가이드 베인(8)이 열교환기 내부의 플랜지(7)에 용접되어 설치되고, 열교환기내에서 발생하는 에너지 손실을 저감하고 유동박리를 최소화하고자, 전체 열교환기내에 유동 균등분배를 할 수 있도록 가이드 베인(8)에 크기가 일정한 구멍으로 이루어진 타공망(A)을 설치한 것을 특징으로 하는 냉동식 드라이어 A-W 열교환기이다.

셀, 튜브, 열교환기, 데드존, 채널유동, 타공망, 가이드 베인, 확대관

Description

가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기{Air to Water Heat Exchanger of High Efficiency Refrigerated Air Dryer with Guide Vane}

도 1은 일반적인 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기 장치를 나타내는 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기의 실시예를 나타내는 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기의 부분확대도.

도 4는 본 발명에 따른 고효율 냉동식 드라이어 A-W 열교환기의 유입측에 설치된 가이드 베인의 부분확대도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 유입구 2 : 유출구 3 : 튜브(tube)

4 : 데드존(dead zone) 5 : 열교환기 6 : 셀(shell)

7 : 플랜지 8 : 가이드 베인 9 : 고정 볼트

10 : 확대관

Q₁ : 저온 유체 Q₂ : 고온 유체

D : 열교환기 직경 L : 열교환기 튜브 길이

A : 가이드 베인의 타공망 크기

본 발명은 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기(Air to Water Heat Exchanger)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기 유입구 형상을 확대관과 튜브측 입구 부분에 구멍크기가 일정한 타공망 형태의 가이드 베인을 설치함으로써 박리유동 억제 및 유동분배의 불균일성을 최소화 시킬 수 있다. 즉 열교환기 내부의 유동을 균일하게 함으로써 냉동식 드라이어의 열교환 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있도록 한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기 장치이다.

일반적으로 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기의 경우 열교환기 입구를 지나는 유동은 급격한 단면적 증가로 인하여 상·하부에서 매우 큰 박리유동을 발생시키며, 이 박리유동은 열교환기내 상·하부로 흐르지 못하고 중심부분에만 흐르는 채널유동(Channel Flow)이 형성된다. 이 냉동식 드라이어의 열교환기 내부에서 발생하는 유동의 박리 및 유동 분배의 불균일성에 의하여 에너지 손실이 크게 발생하게 되며, 열교환기 효율이 많이 저하하게 된다. 일반적으로 열교환기는 기하학적 형상이 간단하고, 액체, 기체 어느 것에도 두 유체들 사이에 열교환 적용이 가능하며, 대부분 산업 현장에서 가장 널리 사용되고 있다. 또한 적용범위 또한 매우 넓고, 신뢰성이 높으며, 설치 또는 제작이 쉽기 때문에 오래 전부터 산업용 열교환기로서 광범위하게 사용할 수 있는 특징을 가지고 있지만, 열교환기 내부의 유동이 흐르지 않는 데드존(Dead Zone)이 발생함으로써 냉동식 드라이어의 열교환 성능이 크게 저하하는 문제가 되고 있기 때문에 현재 냉동식 드라이이의 열교환기는 한계점에 이르렀다고 볼 수 있다. 따라서 본 발명된 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기를 사용하는 경우, 기존의 냉동식 드라이어 A-W 열교환기의 열교환 효율 성능에 비하여 열교환 효율을 2배 가까이 향상시켜 최적의 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기 조건이 되도록 하였다. 열교환기내 큰 문제가 되고 있는 박리 유동영역을 크게 감소시키는데 가능하며, 기존의 열교환기 유입구와 내부를 개선시켜 유동이 균일한 흐름으로 매끄럽게 진행될 수 있도록 열교환기 유입구 형상을 확대관과 열교환기 내부의 튜브측 입구 부분에 구멍크기가 일정한 타공망 형태의 가이드 베인을 구성하였고, 그 내부에서의 열교환 성능은 현저하게 향상된다. 이로 인하여 열손실을 최소화하고 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기의 효율을 높이고자 한 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉동식 에어드라이어(Refrigerated Air Dryer)는 압축공기가 이용되는 곳에서 수분의 발생방지를 위해 사용된다. 보통 공기는 습도가 높으면 수분을 다량 포함하게 되고, 습도가 낮으면 기체로서 존재할 수 있는 수분량이 작아지는 성질을 갖고 있다. 이 성질을 이용하여 공기를 냉각함으로써 공기 중에 포함되어 있는 수증기를 응축하여 수분을 냉각시키는 장치이며, 주로 반도체 제조 공정·전자·의료·제약·식품·화학 반응 산업 등에 사용된다. 그리고 냉동식 드라이어의 냉동효율을 높이기 위해서 열교환기 방식이 이용되며, 이 열교환기는 예열 교환기(Air to Air Heat Exchanger), 본열 교환기(Air to Water Heat Exchanger)로 나뉘어진다. 여기서 고온다습한 압축공기가 제일 먼저 예열 교환기(Air to Air Heat Exchanger)를 통하여 드라이어로 들어오면, 이 공기는 배출되는 건조된 차가운 공기와의 열 교환으로 예냉 되어서 응축수가 되어 드레인 된다. 이러한 예냉효과는 흡입공기를 미리 제습하여 다음 단계인 본열 교환기(Air to Water Heat Exchanger)에서 이루어지는 제습효과를 증폭시키므로써 드라이어가 높은 효율로 지속적으로 작동한다. 즉 예열 교환기(Air to Air Heat Exchanger)는 셀(Shell)과 튜브(Tube) 방식으로서 입구를 통하여 튜브 안으로 고온다습한 압축공기가 들어와서 특수 설계된 튜브를 통과한 후 튜브 외측의 셀을 통하여 냉각 건조된 압축공기가 출구로 나가도록 설계된다.

일반적으로 열교환기(Heat Exchanger)는 고온의 유체(流體)가 가진 열에너지를 저온유체로 보내는 장치이며, 가열기·냉각기·증발기·응축기 등에 사용된다. 유체로는 기체나 액체가 사용되며 고체와 유체를 함께 사용하는 특수한 경우도 있다. 형식에는 두 유체 사이에 격판(隔板)이 있는 격판식, 축열기를 장치하여 열을 전하는 축열식(재생식), 두 유체가 직접접촉하는 직접 접촉식 등 3종류가 있다. 격판식은 두 유체가 완전히 분리되어 있기 때문에, 화학공업·식품공업 등에서와 같이 유체의 혼합을 피해야 하는 경우나 연소 가스로 가열하는 보일러 등에 쓰인다. 전열면(傳熱面)은 대체로 금속관이 쓰이며, 이중관식(二重管式)·다관식(또는 shell and tube type) 등이 보급되어 있다. 금속관의 한쪽면 또는 양면에 핀(fin)을 설치하는 경우도 있다. 또한 물결모양의 판을 겹쳐서 격판으로 사용할 때도 많다. 격판식은 단위면적당 전열량에 한계가 있고 전열량에 비해 대형이 된다. 축열식의 가장 일반적인 형식은 다공성 재질이나 물결모양의 금속판을 겹친 회전축열체를 두 유체 속으로 교대로 통과시켜 열을 교환하는 방식이다. 장치의 규모에 비하여 전열량은 크지만 두 유체가 혼합되는 결점이 있다. 직접접촉식은 가장 효과적으로 열교환이 되지만 두 유체가 혼합되기 때문에 기체와 액체처럼 분리 가능한 유체 사이에서만 사용된다.

상기와 같은 산업용 열교환기는 기하학적 형상이 간단하고, 액체, 기체 어느것에도 두 유체들 사이에 열교환 적용이 가능하며, 대부분 산업 현장에서 가장 널리 사용되고 있다. 또한 적용범위 또한 매우 넓고, 신뢰성이 높으며, 설치 또는 제작이 쉽기 때문에 오래 전부터 산업용 열교환기로서 광범위하게 사용할 수 있는 특징을 가지고 있다.

상기와 같은 기존의 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기(5) 장치의 가장 일반적인 구조는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 열교환기 유입구(1), 두 유체들 사이의 열교환 작용이 일어나는 셀(6)과 튜브(3)측, 그리고 유출구(2) 부분으로 이루어져 있다. 저온 유체(Q₁)가 열교환기(5)의 유입구(1)로 들어와 열교환기 내의 튜브(3)로 흐르게 되며, 이 저온 유체(Q₁)는 셀(6)에서의 다른 유체와 열교환 작용을 하여 셀(6)측의 유체온도를 감소시키게 된다. 그리고 이 저온 유체(Q₁)는 열교환 작용을 한 후 열교환기 유출구(2)를 향하여 고온 유체(Q₂)로 흐르게 된다.

상기의 열교환기 장치의 가장 주된 목적은 셀(6)과 튜브(3)측 유체들간의 열교환 작용으로 인하여 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있도록 한 것이다. 하지만 열교환기 유입구(1)에서 튜브(3)를 지나는 유동은 급격한 단면적 증가로 인하여 상·하부에서 박리유동이 발생하여 에너지 손실이 크게 발생되는 현상이 생기는 중요한 원인으로 된다. 또한 상·하부에 발생한 이 박리유동에 의하여 유동은 열교환기내 상·하부로 흐르지 못하고 중심부분에만 흐르게 되며, 상·하부에는 유동이 흐르지 않게 되는 데드존(Dead Zone)이 발생하는 현상이 일어나기 때문에 냉동식 드라이어의 열교환기 성능이 떨어지는 문제가 제시되고 있고, 전체 시스템상의 효율을 크게 감소시키는 문제가 야기된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 본 발명에 의한 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기는 유입구 형상을 확대관과 열교환기 튜브(3)측 입구 부분에 구멍크기가 일정한 타공망 형태의 가이드 베인을 설치함으로써 유동분배의 불균일성과 박리유동을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 튜브(3)내의 데드존(Dead Zone) 부분을 감소시키고, 열교환기 내부 유동을 균일하게 흐르게 하여 냉동식 드라이어 A-W 열교환기에 있어서 최적의 에너지 효율을 얻을 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기 장치의 실시예를 나타내는 개념도 이며, 도 3은 본 발명에 따른 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기 장치의 부분 확대도이다. 도 4는 본 발명에 따른 고효율 냉동식 드라이어 A-W 열교환기의 유입측에 설치된 가이드 베인의 부분확대도이다.

본 발명에 의한 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기의 실시예는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 열교환기 유입구(1), 두 유체들 사이의 열교환 작용이 일어나는 셀(6)과 튜브(3)측, 그리고 유출구(2) 부분으로 구성된다. 이 열교환기(5) 유입구(1) 형상을 확대관(10)과 튜브(3)측 입구 부분에 구멍크기가 일정한 타공망 형태의 가이드 베인이 설치된다. 이 확대관(10)은 상류측 열교환기(5) 본체와 연결되어 있으며, 가이드 베인(8)은 플랜지(7)에 접속될 수 있도록 하였으며, 열교환기 유입구(1)와 튜브(3)사이에 삽입된다. 그리고 저온유체(Q₁)가 열교환기(5)의 유입구(1)로 들어와 가이드 베인(8)을 통해서 열교환기 내의 전체 튜브(3)로 유동이 균일하게 흐르게 되며, 이 저온 유체(Q₁)는 셀(6)측에서의 다른 유체와 열교환 작용을 하여 셀(6)측의 유체온도를 감소시키게 된다. 또한 이 저온 유체(Q₁)는 열교환 작용을 한 후 열교환기 유출구(2)를 향하여 고온 유체(Q₂)가 흐르게 된다.

상기의 열교환기 유입구(1) 형상을 확대관(10)과 튜브(3) 사이에 타공망 형태의 가이드 베인(8)을 형성시키는 이유는, 튜브(3)측 입구 상·하부에서 발생하는 박리유동을 해소하고, 열전달 효율을 최대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존 유동분배의 불균일한 흐름을 균일하게 하여 최적의 냉동식 드라이어 A-W 열교환기 효율을 얻을 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어 A-W 열교환기의 내부구조를 개략적으로 나타내었다. 그림에서 열교환기의 상류로부터 유체가 확대관(10)으로 유입되어 가이드 베인(8)을 지나 전체 튜브(3)내를 통과하게 되며, 이 확대관(10)과 가이드 베인(8)에 의하여 튜브(3)측 입구 상·하부에서 발생하는 박리유동의 규모를 크게 저감시키게 되고, 이 유동은 가이드 베인의 일정한 구멍으로 이루어진 타공망에 따라 유동이 분산되어 전체 튜브(3)내를 따라 유동분배가 균일하게 진행되어 열교환기 유출구(2)로 흐르게 된다. 여기서 유체(물)의 성질을 고려하여 열교환기 유입구 형상을 기존의 직관에서 확대관으로 하였으며, 가이드 베인의 타공망 크기 또한 튜브 직경비 조건을 고려하여 일정하게 하였다. 확대관에서 1차로 균일한 유동분배가 얻어진 후, 이 유동은 가이드 베인을 통과하면서 2차 균일한 유동이 얻어져 전체 튜브내로 확산된다.

도 4는 본 발명에 적용된 가이드 베인(8)을 개략적으로 나타내었다. 그림에서 가이드 베인의 타공망 크기가 모두 일정(A)하다는 것을 볼 수 있으며, 전체 균일한 유동 분포를 얻기 위함이다. 그리고 가이드 베인(8)은 열교환기 내부에 지지될 수 있도록 각각의 고정 볼트(9)로 이루어져 있다.

위 내용에서 알 수 있는 바와 같이, 열교환기 손실은 유입구(1) 부분의 확대관(10)과 가이드 베인(8) 장치에 의해 확실히 감소 될 수 있는데, 이것은 본 발명의 확대관(10)과 가이드 베인(8)에 의하여 튜브(3) 입구측 상·하부에서 발생하는 박리 유동이 감소되고, 유동이 튜브 전체로 균일하게 흐르게 되어 열교환기 효율을 크게 향상시켰기 때문이다. 위에서 언급되어진 바와 같이 기존의 열교환기 유입구(1)에 확대관과 내부에 가이드 베인(8)을 설치할 경우 냉동식 드라이어의 A-W 열교환기의 성능 향상이 크게 기여됨을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의한 가이드 베인을 장착한 고효율 냉동식 드라이어 A-W 열교환기는 열교환기 유입구 부분에 확대관과 튜브측 입구 부분에 구멍크기가 일정한 타공망 형태의 가이드 베인을 설치하여, 튜브입구측 상·하부에서 발생하는 주위 유동의 박리와 유동분배의 불균일성을 최소화 시키므로서, 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있다.

또 기존의 일반적인 냉동식 드라이어 A-W 열교환기 성능에 비하여 효율을 2배 가까이 향상시켜 최적의 열교환기 조건이 되도록 하므로서 유동의 손실을 크게 감소시키는데 가능하며, 열교환기내 전체 튜브에 균일한 유동이 흐를수 있게 하고, 이로 인하여 에너지 손실을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 열교환기 유동손실을 크게 줄여 열교환기내의 유동조건에 따른 최적의 냉동식 드라이어 A-W 열교환기의 효율을 보다 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 냉동식 드라이어 A-W 열교환기(5)의 타공망 형태의 가이드 베인(8)이 확대관으로 형성된 열교환기 유입구(1)와 튜브(3)측 입구 부분에 장착한 고효율 열교환기(5)에 관한 것으로, 상기 가이드 베인(8)이 열교환기 내부의 플랜지(7)에 용접되어 설치되고, 열교환기내에서 발생하는 에너지 손실을 저감하고 유동박리를 최소화하고자, 전체 열교환기내에 유동 균등분배를 할 수 있도록 가이드 베인(8)에 크기가 일정한 구멍으로 이루어진 타공망(A)을 설치한 것을 특징으로 하는 냉동식 드라이어 A-W 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images