KR100726760B1

KR100726760B1 - 냉각수분사형 열교환기

Info

Publication number: KR100726760B1
Application number: KR1020000065516A
Authority: KR
Inventors: 황영수
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2007-06-11
Also published as: KR20020035282A

Abstract

냉각수분사형 열교환기에 관한 본 발명은, 압축공기 유출입구와 냉각수압입구와 배수구가 형성되어 있는 케이싱과; 상기 케이싱의 내부에 설치되며 상기 냉각수압입구와 연통하고 다수의 노즐이 형성되어 냉각수를 분사하는 하나 이상의 튜브와; 상기 압축공기의 유입구와 유출구 사이에 설치되어 케이싱내를 유동하여 빠져나가는 압축공기내의 이물질을 제거하는 필터 및 습기분리패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 냉각수분사형 열교환기는, 압축공기의 유로에 냉각수를 직접 분사함으로써 유동하고 있는 고온의 압축공기와 냉각수를 직접접촉시켜 고효율의 열교환이 가능하다. 또한 장치의 전체적인 구조가 간단하여 제작이 용이하고, 특히 냉각수의 공급량을 조절함으로서 압축공기의 온도를 실시간으로 제어할 수 있어 압축공기의 온도조절이 용이하고 응답성이 빠르다는 효과가 있다.

Description

냉각수분사형 열교환기{Collant spray heat exchanger}

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉각수분사형 열교환기를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉각수분사형 열교환기를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,40:케이싱 12:압축공기유입구

14:압축공기유출구 16:냉각수압입구

18,19,42:배수구 20,44:튜브

22:노즐 24,48:스크린

26:습기분리패드 28:보조플레이트

30:지지플레이트 32:유동구

34:공기구멍 40:케이싱

46:지지플레이트 50:유동구

52:냉각수공급탱크 54:배수펌프

56:탱크 58:공간부

60:냉각수분사영역 62:이물질제거영역

본 발명은 고온의 압축공기를 냉각하는 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이싱내에 압축공기를 유동하도록 하고 유동하는 압축공기에 냉각수를 직접 분사하여, 냉각수와 압축공기를 직접 접촉시켜 냉각을 수행하도록 구성된 냉각수분사형 열교환기에 관한 것이다.

통상의 인터쿨러(intercooler)나 애프터쿨러(aftercooler)시스템에서는 고온의 압축공기를 식혀 압축공기의 체적을 줄이도록 열교환기가 사용되고 있다.

상기 열교환기는 대부분 냉매와 압축공기간의 전열면을 통해 냉각을 수행하는 구조를 가지고 있는데, 이러한 열교환기는 간접접촉방식으로서 열교환율이 낮다. 따라서, 열교환성능을 높이고자 하면 전열면적을 넓이던가 또는 냉각수를 보다 많이 순환시켜야 한다.

그러나 상기와 같이 전열면적을 넓이고 난류를 촉진하며 열전달율을 향상시키기 위하여는 냉매가 순환하는 파이프의 주위에 핀(fin)을 고정하여야 하므로 내부구조가 복잡하고 제작공정이 까다롭다. 또한 냉각수의 순환속도를 높이면 압력손실이나 유동저항등에 의한 손실이 발생하여, 결과적으로 열교환기의 효율이 낮다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 안출한 것으로서, 압축공기의 유로에 냉각수를 직접 분사함으로써 유동하고 있는 고온의 압축공기와 냉각수를 직접접촉 시켜 고효율의 열교환이 가능하며, 또한 장치의 전체적인 구조가 간단하여 제작이 용이하고 특히 냉각수의 공급량을 조절함으로서 압축공기의 온도를 운전중 실시간으로 제어할 수 있어 압축공기의 온도조절이 용이하고 응답성이 빠른 냉각수분사형 열교환기를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 압축공기 유출입구와 냉각수압입구와 배수구가 형성되어 있는 케이싱과; 상기 케이싱의 내부에 설치되며 상기 냉각수압입구와 연통하고 다수의 노즐이 형성되어 냉각수를 분사하는 하나 이상의 튜브와; 상기 압축공기의 유입구와 유출구 사이에 설치되어 케이싱내를 유동하여 빠져나가는 압축공기내의 이물질을 제거하는 필터 및 습기분리패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 케이싱의 내부에는 튜브를 지지하는 플레이트가 구비되되, 상기 플레이트는 케이싱내에서 냉각수분사영역과 이물질제거영역을 나누고 또한 압축공기를 통과시키기 위한 유동구가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플레이트는 압축공기유입구와 압축공기유출구사이에 설치되고, 상기 필터 및 습기분리패드는 이물질제거영역내에 설치되어, 상기 냉각수분사영역을 거쳐 유동구를 통과한 압축공기의 이물질을 제거하여 유출하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 튜브는 케이싱내에서 수직으로 위치되고 상단부가 냉각수압입구와 연통하여 냉각수를 그 내부로 유입받고, 습기분리패드는 각 튜브에 의해 관통되어 설치된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 필터는 망사형의 스크린인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

기본적으로 본 발명에 따른 냉각수분사형 열교환기는, 케이싱의 내부에 고온의 압축공기를 유동시키며 유동하는 압축공기에 냉각수를 직접 분사하여 냉각을 수행하도록 구성된다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉각수분사형 열교환기를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 냉각수분사형 열교환기는, 내부에 공간을 갖는 케이싱(10)과, 상기 케이싱(10)의 내부에 상호 평행하도록 설치되며 노즐(22)이 형성되어 있는 다수의 튜브(20)와, 상기 케이싱(10)내를 유동하며 냉각된 압축공기내의 수분 및 불순물을 제거하는 습기분리패드(26) 및 스크린(24)을 포함한다.

상기 케이싱(10)은 상부에 압축공기유입구(12)와 압축공기유출구(14)가 형성되고 하부에는 두 개의 배수구(18,19)가 마련되어 있고, 일측부에는 냉각수압입구(16)가 구비되어 있으며, 상기 파이프형태의 튜브(20)을 설치할 수 있도록 길이방향의 내부공간을 제공한다.

상기 튜브(20)를 케이싱(10)내에 수평으로 또한 상호 평행하게 설치할 수 있도록 케이싱(10)의 내부에는 보조플레이트(28) 및 지지플레이트(30)가 구비된다. 즉, 상기 보조플레이트(28) 및 지지플레이트(30)는 다수의 튜브(20)를 지지하는 지 지판으로서, 보조플레이트(28)는 냉각수압입구(16)와 압축공기유입구(12)사이에 설치되고, 지지플레이트(30)는 압축공기유입구(12)와 압축공기유출구(14)사이에 설치된다. 따라서, 상기 보조플레이트(28)와 케이싱(10)의 내측면 사이에는 공간부(58)가 형성되어 후술하는 바와같이 냉각수압입구(16)를 통해 유입한 냉각수는 상기 공간부(58)내에 머물며 각 튜브(20)내로 동시에 유동할 수 있는 것이다.

상기 보조플레이트(28)에는 다수의 설치구가 형성되어 상기 설치구의 내부로 튜브(20)의 일단부를 통과시켜 지지한다. 따라서 상기 튜브(20)의 일단부는 공간부(58)내부로 돌출되어 냉각수압입구(16)와 연통되어 압입된 냉각수는 각 튜브(20)로 동시에 유입할 수 있는 것이다.

또한, 튜브(20)의 타단부는 지지플레이트(30)에 의해 지지되는데, 이 때 상기 튜브(20)의 타단부는 지지플레이트(30)를 관통하지 않고 밀폐된다. 아울러 본 실시예에서는 튜브(20)의 타단부가 밀폐되어 있는 형태를 취하지만, 실시예에 따라 개방된 튜브를 제 2지지프레이트(30)에 대해 용접하여 밀봉을 이룰 수 도 있다.

아울러, 상기 플레이트(30)는 냉각수분사영역(60)과 이물질제거영역(62)를 구획한다. 상기 냉각수분사영역(60)내에는 튜브(20)가 설치되어 있으며, 유입한 압축공기에 냉각수를 분사하여 열교환이 이루어지는 영역이다. 또한 상기 이물질제거영역(62)의 내부에는 습기분리패드(26) 및 스크린(24)이 설치되어 열교환된 압축공기내의 습기나 불순물등의 이물질을 제거한다.

상기 튜브(20)에는 다수의 노즐(22)이 형성되어 있다. 상기 노즐(22)은 튜브(20)의 외주를 관통하는 구멍이다. 따라서 튜브(20)의 일단부로 냉각수를 압입 하면 냉각수는 각 노즐(22)을 통해 분사될 수 있다. 상기 튜브(20)의 지름은 1인치 내지 2인치의 구경을 갖도록 함이 바람직하다.

상기 플레이트(30)의 하측부에는 유동구(32)가 형성되어 있다. 상기 유동구(32)는 열교환된 압축공기가 통과하도록 마련한 구멍으로서 냉각수분사영역(60)과 이물질제거영역(62)을 연결한다. 따라서 케이싱(10)내로 유입한 압축공기는 케이싱(10)내에서 하부로 유동하여 각 튜브(20)사이를 지나치게 된다.

한편, 상기 플레이트(30)의 우측편인 이물질제거영역(62)에는 습기분리패드(26)와 스크린(24)이 구비되어 있다. 상기 습기분리패드(26)는 냉각수에 의해 냉각된 압축공기분자내에 섞여있는 물분자를 압축공기로부터 분리하는 기능을 가진다. 상기 각 습기분리패드(26)에는 압축공기가 상부유동하여 압축공기유출구(14)로 빠져나갈 수 있도록 공기구멍(34)이 형성되어 있고, 상기 공기구멍(34)에는 스크린(24)이 설치된다. 이와같은 습기분리패드의 재질은 공지의 요소로 공기중의 습기를 분리하여 건공기를 만든다.

상기 스크린(24)은 열교환을 마친 압축공기를 필터링하여 불순물을 걸러내는 필터로서 통상의 스크린에서와 같이 망상의 구조를 갖는다. 상기 습기분리패드(26) 및 스크린(24)을 본 실시예에서는 두 개를 설치하였지만 실시예에 따라서 개수를 달리할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 냉각수분사영역(60) 및 이물질제거영역(62)의 하측부에는 배수구(18,19)가 각각 마련되어 있다. 상기 배수구(18,19)는 각각 튜브(20)로부터 분사되어 압축공기를 냉각한 냉각수가 빠져나가는 구멍이고 특히 우측의 배수구(19)는 습기분리패드(26)에 의해 분리된 수분도 함께 빠져나가는 구멍이다.

상기 배수구(18,19)는 배수펌프(54) 및 탱크(56)와 연결되어 있다. 따라서 케이싱(10)의 바닥부에 모이는 냉각수는 배수펌프(54)의 작동에 의해 탱크(56)로 귀환한다. 아울러 상기 탱크(56)와 냉각수압입구(16)사이에는 압입펌프(미도시)가 설치되어 탱크(56)내에 저장되어 있는 냉각수를 케이싱(10)내부로 순환시켜 압입한다.

상기와 같이 이루어지는 냉각수분사형 열교환기에 있어서, 압입펌프를 가동하여 냉각수압입구(16)로 냉각수를 압입하면 냉각수는 공간부(58)를 거쳐 각 튜브(20)로 공급되어 노즐(22)을 통해 분사된다. 이와동시에 압축공기유입구(12)를 통해 냉각수분사영역(60)내에 고온의 압축공기를 유입시키면 압축공기는 각 튜브(20)사이를 통과하며 분사된 냉각수에 의해 냉각되고 유동로(32)를 통해 이물질제거영역(62)으로 이동한다.

이물질제거영역(62)로 이동한 압축공기는 스크린(24)을 통과하여 압축공기유출구(14)측으로 유동하여 빠져나간다. 이 때 압축공기의 분자에 섞여있는 냉각수의 물분자는 습기분리패드(26)에 의해 분리되어 하부로 낙하하고, 또한 압축공기에 섞여있는 불순물은 스크린(24)에 의해 필터링되어 결국 건조하고 불순물이 섞여있지 않는 저온의 압축공기가 빠져나간다.

한편, 상기 케이싱(10)내에 유입되는 압축공기에 제공되어야 하는 냉각열은 압축공기의 질량유량과 온도차를 체크하여 알 수 있다. 따라서 운전의 상태에 따라 그때 그때 필요한 냉각열 만큼만 제공하도록 필요한 만큼만의 냉각수를 공급한다.

즉, 기본적으로 열량은 그 물질의 비열과 질량과 온도차의 곱으로 구해질 수 있으므로, 냉각수가 제공할 수 있는 열량과 압축공기가 제공받아야 하는 열량을 같다고 놓고 수학적 계산을 통해 냉각수의 필요유량을 구할 수 있는 것이다.

이를 위하여 냉각수의 입출구에서의 온도차이를 센싱하고, 또한 압축공기의 질량유량과 냉각온도를 센싱한다. 이와같은 센싱은 공지의 여려 센서를 통해서 수행할 수 있다.

즉, 압축공기의 입구와 출구간의 온도차이를 센싱하고 또한 압축공기의 비열 및 질량유량을 파악하여 압축공기의 필요냉각열을 구하고, 이 값을 냉각수의 질량유량(미지의값)과 비열과 온도차의 곱의 값과 같다고 놓으면, 간단한 수학적 과정을 통하여 냉각수의 질량유량을 계산할 수 있다.

상기 압축공기의 질량유량과 비열 및 온도차, 냉각수의 비열 및 온도차는 센서에 의해 충분히 센싱되므로 필요한 냉각수의 유량을 얻을 수 있는 것이다. 아울러 상기와 같은 계산은 운전중 계속되는 센싱에 의한 정보로부터 실시간으로 산출되므로, 상기 압축공기의 필요냉각열이 달라질 경우 그 때 그 때 냉각수의 질량유량을 조절함으로서 열부하에 대응할 수 있어, 필요한 열부하에 적정량의 냉각수만을 공급할 수 있어 냉각수의 불필요한 순환이 필요치 않다.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉각수분사형 열교환기를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.

상기한 도면부호와 동일한 도면부호는 동일한 기능의 동일한 부재를 가리킨 다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기는 상기 제 1실시예에 비하여 수직으로 설치되어 있다. 즉 튜브(44)가 수직으로 설치되어 있으며, 외부로부터 압입되는 냉각수는 튜브(44)의 상단부로 유입하여 하부로 유동하면서 각 노즐(22)을 통하여 분사되어 상부로 유동하는 압축공기를 냉각하고 하측의 배수구(42)를 통해 탱크(56)로 귀환한다.

상기 케이싱(40)의 상부에는 압축공기유출구(14)가 형성되고 하측부에는 배수구(42)가 마련되어 있다. 또한 케이싱(40)의 외주면 하측부에는 압축공기유입구(12)가 구비되고, 케이싱(40)의 외주 상측부에는 냉각수압입구(16)가 마련되어 있다.

따라서 압축공기유입구(12)를 통해 유입한 고온의 압축공기는 분사되는 냉각수에 의해 냉각되며 상부로 유동하여 압축공기유출구(14)로 빠져나간다.

상기 튜브(44)의 하단부는 지지플레이트(46)에 의해 지지되며 밀폐된다. 상기 지지플레이트(46)는 튜브(44)를 케이싱(40)내에서 견고히 위치하도록 지지력을 제공한다. 상기 지지플레이트(46)의 외주는 케이싱(40)의 내주면에 대해 밀폐되지 않아 냉각수가 지지플레이트(46)에 방해받지 않고 중력에 의해 배수구(42)로 유동할 수 있다.

한편, 상기 튜브(44)의 상단부에는 냉각수공급탱크(52)가 구비된다. 상기 냉각수공급탱크(52)는 제 1실시예에서의 공간부(도 1의 58)와 같은 기능을 하는 것으로 냉각수압입구(16)와 연통되어 있다. 또한 상기 튜브(44)의 상단부는 냉각수공급 탱크(52)의 내부로 돌출되어 연통되어 있다. 따라서 냉각수압입구(16)로 압입된 냉각수는 냉각수공급탱크(52)를 통해 각 튜브(44)내로 유입되어 분사된다. 상기 냉각수공급탱크(52)는 케이싱(40)의 내측면과 접하지 않으며 별도의 지지프레임(미도시)에 의해 수평으로 견고히 지지된다.

상기 냉각수공급탱크(52)의 외주에는 스크린(48)이 설치된다. 상기 스크린(48)은 냉각수공급탱크(52)와 케이싱(40)의 내주면 사이에 설치되어 압축공기유출구(14)로 유동하는 압축공기내의 불순물을 필터링한다.

한편, 케이싱(40)내에서 상부로 유동하는 압축공기내의 습기를 분리하기 위한 습기분리패드(26)는 튜브(44)에 의해 관통되며 케이싱(40)내에서 수평으로 설치된다. 따라서 상기 튜브(44)간의 간격은 습기분리패드(26)에 의해 유지될 수 있다. 아울러, 상기 습기분리패드(26)에는 압축공기가 흐를 수 있도록 유동구(50)가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 제 2실시예에 따른 냉각수분사형 열교환기에 있어서, 압축공기유입구(12)를 통하여 고온의 압축공기를 케이싱(40)내에 유입시키면, 압축공기는 각 유동구(50)를 통과하며 상부로 유동한다. 그동안 냉각수압입구(16)를 통해 냉각수를 압입하면 각 튜브(44)의 노즐(22)로부터 냉각수가 분사되어 고온의 압축공기는 냉각된다. 냉각된 압축공기내의 수분은 습기분리패드(26)에 의해 분리되고 또한 불순물은 스크린(48)에 걸러져 건조하고 불순물이 없는 저온의 압축공기가 빠져나가게 된다. 압축공기를 냉각한 냉각수는 배수구(42)를 빠져나가 배수펌프(54)에 의해 탱크(56)로 보내어진다.

한편, 제 1실시예에서와 같이 다수의 센서 및 수학적 계산을 통하여 케이싱(40)내에 공급되는 압축공기에 필요한 냉각열량을 구하여 필요한 만큼만의 냉각수를 공급할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

압축공기 유출입구와 냉각수압입구와 배수구가 형성되어 있는 케이싱과;

상기 케이싱의 내부에 설치되며 상기 냉각수압입구와 연통하고 다수의 노즐이 형성되어 냉각수를 분사하는 하나 이상의 튜브와;

상기 압축공기의 유입구와 유출구 사이에 설치되어 케이싱내를 유동하여 빠져나가는 압축공기내의 이물질을 제거하는 필터 및 습기분리패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수분사형 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 케이싱의 내부에는 튜브를 지지하는 플레이트가 구비되되, 상기 플레이트는 케이싱내에서 냉각수분사영역과 이물질제거영역을 나누고 또한 압축공기를 통과시키기 위한 유동구가 형성된 것을 특징으로 하는 냉각수분사형 열교환기.
제 2항에 있어서,

상기 플레이트는 압축공기유입구와 압축공기유출구사이에 설치되고, 상기 필터 및 습기분리패드는 이물질제거영역내에 설치되어, 상기 냉각수분사영역을 거쳐 유동구를 통과한 압축공기의 이물질을 제거하여 유출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉각수분사형 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 튜브는 케이싱내에서 수직으로 위치되고 상단부가 냉각수압입구와 연통하여 냉각수를 그 내부로 유입받고, 습기분리패드는 각 튜브에 의해 관통되어 설치된 것을 특징으로 하는 냉각수분사형 열교환기.