KR100738807B1

KR100738807B1 - 잠열 회수형 열교환기

Info

Publication number: KR100738807B1
Application number: KR1020060070850A
Authority: KR
Inventors: 히데카츠 나루세; 신이치 고토; 미츠토시 난야; 미네유키 나스; 요시유키 시바야마
Original assignee: 린나이코리아 주식회사; 린나이가부시기가이샤
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2007-07-12
Also published as: KR20070066837A; CN1987326A; CN100582631C; JP2007170733A

Abstract

(과제) 연소배기가 흐르는 동체부(40) 내에, 연소배기의 흐름방향(X축방향)으로 동일한 피치로 배치되는 복수개의 직관부(41a)와 X축방향에서 인접하는 직관부끼리를 연결하는 유턴부(4b)를 가지는 사행형상의 흡열관(41)이 복수개 수납된 잠열 회수형 열교환기로서, 복수개의 흡열관이 X축에 직교하는 Z축방향으로 적층됨과 아울러, Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리가 X축방향으로 위치를 어긋나게 하여 배치되는 것에 있어서, 잠열의 회수효율을 향상시킨다.

(해결수단) Z축방향에서 인접하는 흡열관(41,41)끼리의 X축방향의 어긋남량(△P)을 각 흡열관(41)의 직관부(41a)의 X축방향의 배치피치(P)의 1/2 이외의 값으로 설정하여, Z축방향에서 인접하는 흡열관(41,41)의 직관부(41a,41a)끼리의 X축방향의 간격이 넓어지게 되는 부분과 좁아지게 되는 부분이 X축방향으로 번갈아 형성되도록 한다.

Description

잠열 회수형 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR LATENT HEAT RECOVERY}

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 잠열 회수형 열교환기로 이루어지는 서브 열교환기를 구비하는 급탕기의 정면도

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 절단 측면도

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 절단 평면도

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

4 - 서브 열교환기(잠열 회수형 열교환기) 40 - 동체부

41 - 흡열관 41a - 직관부

41b - 유턴부 42₁- 유입측 헤더

42₂- 유출측 헤더

특허문헌 1 : 일본국 공개특허 2004-232922호

본 발명은 연소배기 중의 수증기를 응축시켜서 잠열을 회수하도록 한 잠열 회수형 열교환기에 관한 것이다.

종래에는 이러한 종류의 잠열 회수형 열교환기로서, 연소배기가 흐르는 동체부 내에 사행형상의 흡열관을 복수개 배치하고, 이들 흡열관의 일단부와 타단부를 각각 유입측 헤더와 유출측 헤더에 접속하고, 유입측 헤더에서 유출측 헤더로 이들 흡열관을 통해서 피가열유체를 흐르게 하여 연소배기 중의 수증기를 흡열관의 외면에서 응축시켜서 잠열을 회수하도록 한 것이 공지되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

이것을 상세하게 설명하면, 흡열관은, 연소배기의 흐름에 평행한 방향을 X축방향, X축에 직교하는 동체부의 폭방향을 Y축방향, X축 및 Y축에 직교하는 방향을 Z축방향이라 하였을 때, X축방향으로 동일한 피치로 배치되는 Y축방향으로 곧은 복수개의 직관부와 X축방향에서 인접하는 직관부끼리를 연결하는 유턴부를 가지는 사행형상으로 형성되어 있다. 그리고, 복수개의 흡열관이 Z축방향으로 적층됨과 아울러, Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리가 X축방향으로 위치를 어긋나게 하여 배치되어 있다. 여기서, Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리가 X축방향으로 어긋나는 양{이하, '어긋남량'이라 한다}은 각 흡열관의 직관부의 X축방향의 배치피치의 1/2로 설정되며, Z축방향에서 인접하는 흡열관의 각 직관부가 X축방향으로 동일한 간격으로 갈지자형으로 정렬되게 배치된다.

그런데, 잠열의 회수효율을 향상시키기 위해서는 연소배기의 흐름을 난류화하여 흡열관의 외표면에 연소배기의 체류층이 발생하지 않도록 하고, 또한 수증기의 응축이 진행된 연소배기의 부분{건배기(乾排氣)부분}과 수증기의 응축이 지연되고 있는 연소배기의 부분{습배기(濕排氣)부분}의 혼합을 촉진시켜서 연소배기의 흐름방향의 하류측에 위치하는 흡열관의 부분에서도 수증기가 효과적으로 응축되도록 할 필요가 있다. 여기서, 흡열관의 직관부가 갈지자형으로 배치되어 있으면, 연소배기의 흐름이 어느 정도 난류화되지만, 흡열관의 직관부가 갈지자형이라 하더라도 X축방향으로 동일한 간격으로 정렬되게 배치되면, 연소배기의 흐름이 그런대로 안정하게 됨으로써 건배기부분과 습배기부분의 혼합이 불충분하게 되기 쉬우며, 따라서 잠열의 회수효율을 향상시키는데에는 한도가 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 건배기부분과 습배기부분의 혼합을 촉진시켜서 잠열의 회수효율을 향상시킬 수 있도록 한 잠열 회수형 열교환기를 제공하는 것을 그 과제로 하고 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 연소배기가 흐르는 동체부 내에, 연소배기의 흐름에 평행한 방향을 X축방향, X축에 직교하는 동체부의 폭방향을 Y축방향, X축 및 Y축에 직교하는 방향을 Z축방향이라 하였을 때, X축방향으로 동일 한 피치로 배치되는 Y축방향으로 곧은 복수개의 직관부와 X축방향에서 인접하는 직관부끼리를 연결하는 유턴부를 가지는 사행형상의 흡열관이 복수개 수납되고, 이들 흡열관의 일단부와 타단부를 각각 유입측 헤더와 유출측 헤더에 접속하고, 유입측 헤더에서 유출측 헤더로 이들 흡열관을 통해서 피가열유체를 흐르게 하여 연소배기 중의 수증기를 흡열관의 외면에서 응축시켜서 잠열을 회수하도록 한 잠열 회수형 열교환기로서, 복수개의 흡열관이 Z축방향으로 적층됨과 아울러 Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리가 X축방향으로 위치를 어긋나게 하여 배치되는 것에 있어서, Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리의 X축방향의 어긋남량이 각 흡열관의 직관부의 X축방향의 배치피치보다 작은 범위에서 상기 배치피치의 1/2 이외의 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, Z축방향에서 인접하는 흡열관의 직관부끼리의 X축방향의 간격이 좁아지게 되는 부분(협역간격부분)과 넓어지게 되는 부분(광역간격부분)이 X축방향으로 번갈아 형성되게 된다. 그리고, 연소배기의 유속이 협역간격부분에서는 빠르고 광역간격부분에서는 완만하게 되며, 이 유속변화에 의해서 광역간격부분에서 연소배기가 확산됨으로써 건배기부분과 습배기부분의 혼합이 촉진된다. 이 결과, 연소배기의 흐름방향의 하류측에 위치하는 흡열관의 부분에서도 수증기가 효과적으로 응축됨으로써 잠열의 회수효율이 향상된다.

그런데, 복수개의 흡열관의 일단부와 타단부의 각 단부는 동체부의 측판에 형성된 각 투공을 통해서 유입측과 유출측의 각 헤더에 접속된다. 그리고, 이들 흡열관의 각 단부간의 간격이 좁아지게 되면, 측판에 형성하는 투공간의 간격도 좁아 지게 됨으로써 측판의 강도가 부족하게 된다. 이 경우, 투공의 지름을 작게 하여 투공간의 간격을 넓게 하면 되지만, 이와 같이 하면, 흡열관의 각 단부의 지름을 투공의 지름에 맞도록 축소시키는 스웨이징 가공을 할 필요가 있게 됨으로써 제조비용이 비싸지게 된다.

이것을 고려하면, Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리의 X축방향의 어긋남량은 각 흡열관의 직관부의 X축방향의 배치피치의 1/2보다 큰 값으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이것에 의하면, 복수개의 흡열관의 일단부와 타단부의 각 단부간의 간격이 넓어지게 되며, 이 결과 동체부의 측판에 형성하는 투공의 지름을 작게 하지 않고서도 투공간의 간격을 측판의 강도부족이 발생하지 않을 정도로 넓게 확보할 수 있다. 따라서, 흡열관의 각 단부의 지름을 축소시키는 스웨이징 가공이 불필요하게 됨으로써 비용적으로 유리하게 된다.

(발명의 실시형태)

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1에 있어서, 도면부호 1은 급탕기의 외장 케이스를 나타내며, 이 외장 케이스(1) 내에는 버너(도시생략)를 내장하는 연소실(2)과, 상기 연소실(2)의 상측에 위치하는 메인 열교환기(3)와, 상기 메인 열교환기(3)의 상측에 위치하는 서브 열교환기(4)를 배치하고 있다. 또, 연소실(2)의 하측에는 상기 연소실(2) 내로 연소용 공기를 공급하는 연소팬(5)이 배치되어 있다.

메인 열교환기(3)는 버너의 연소배기가 흐르는 동체부(30) 내에 전후방향(도 1에서의 전후방향)으로 간격을 두고서 적층한 다수의 흡열핀(도시생략)과, 이들 흡열핀을 관통하는 전후방향으로 긴 복수개의 흡열관(31)을 구비하고 있다. 그리고, 동체부(30)의 전ㆍ후판의 외면에서, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 메인 열교환기(3)의 흡열관(31)을 U자형 곡관(32)을 통해서 2개씩 접속하여 상류단의 흡열관(31-S)에서 하류단의 흡열관(31-E)에 이르는 일련의 열교환 수로를 구성하고 있다. 메인 열교환기(3)의 상류단의 흡열관(31-S)에는 서브 열교환기(4)를 통해서 급수관(K1)이 접속되고, 하류단의 흡열관(31-E)에는 출탕관(K2)이 접속되어 있다. 그리고, 출탕관(K2)의 하류단의 출탕밸브(도시생략)가 개방되어 서브 열교환기(4) 및 메인 열교환기(3)에 물이 공급되었을 때에 버너가 점화되고, 서브 열교환기(4) 및 메인 열교환기(3)에 의해서 가열된 온수가 출탕밸브에서 출탕되도록 하고 있다.

서브 열교환기(4)는 잠열 회수형 열교환기로서, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 동체부(40) 내에 배치한 사행형상의 복수개(본 실시형태에서는 6개)의 흡열관(41)을 구비하고 있다. 동체부(40)는 저판부(401)를 가지고 있으며, 저판부(401)의 후부에 배기 도입구(402)가 형성되어 있다. 그리고, 메인 열교환기(3)를 통과한 버너의 연소배기가 메인 열교환기(3)의 배기 후드(33)를 통해서 배기 도입구(402)에서 동체부(40) 내로 유입되도록 하고 있다. 또, 동체부(40)의 전면에는 배기 배출구(403)가 형성되어 있으며, 동체부(40) 내에서는 연소배기가 배기 배출구(403)를 향해서 흐른다. 또한, 저판부(401)와 동체부(40)의 상면은 전방 하측으로 경사져 있으며, 연소배기는 전방 하측으로 경사진 도 2의 X축에 평행한 방향으로 흐른다.

동체부(40)의 횡방향에 있어서의 일측 측판(404)의 외면에는 X축방향의 전방에 위치하는 유입측 헤더(42₁)와 X축방향의 후방에 위치하는 유출측 헤더(42₂)가 부착되어 있다. 그리고, 측판(404)의 각 헤더(42₁,42₂)의 배치부에 복수개의 흡열관(41)용의 복수개의 투공을 형성하고, 각 흡열관(41)의 일단부와 타단부를 각 투공을 통해서 유입측과 유출측의 각 헤더(42₁,42₂)에 접속하고 있다. 또, 유입측 헤더(42₁)에 급수관(K1)을 접속함과 아울러 유출측 헤더(42₂)에 메인 열교환기(3)의 상류단의 흡열관(31-S)에 연속해 있는 접속관(K3)을 접속하고 있다. 출탕밸브를 개방하면, 유입 헤드(42₁)에서 유출 헤드(42₂)로 복수개의 흡열관(41)을 통해서 피가열유체인 물이 흐르게 되며, 연소배기 중의 수증기가 흡열관(41)의 외면에서 응축되어 잠열이 회수된다. 이와 같이 하면, 잠열에 의해서 예열된 물이 서브 열교환기(4)에서 메인 열교환기(3)로 공급된다.

흡열관(41)은 내식성 금속, 예를 들면 스테인리스제의 파형관을 사행형상으로 굽힘 가공하여 형성된다. 이 사행형상은, 상기 X축에 직교하는 동체부(40)의 폭방향인 횡방향을 Y축방향이라 하였을 때, X축방향으로 동일한 피치로 배치되는 Y축방향에 수평한 4개의 직관부(41a)와, X축방향에서 인접하는 직관부(41a,41a)끼리를 연결하는 총 3개의 유턴부(41b)를 가지는 사행형상이다. 그리고, 6개의 흡열관(41)을 X축 및 Y축에 직교하는 Z축방향으로 적층함과 아울러, Z축방향에서 인접하는 흡열관(41,41)끼리를 X축방향으로 위치를 어긋나게 하여 배치하고 있다.

보다 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, Z축방향의 하측에서부터 세었을 때의 홀수 번째, 즉 1번째(#1)와 3번째(#3)와 5번째(#5)의 흡열관(41,41,41)의 X축 방향 위치를 서로 동일하게 함과 아울러, Z축방향의 하측에서부터 세었을 때의 짝수 번째, 즉 2번째(#2)와 4번째(#4)와 6번째(#6)의 흡열관(41,41,41)의 X축방향 위치를 서로 동일하게 하고, 홀수 번째의 흡열관(41)의 위치에 대해서 짝수 번째의 흡열관(41)의 위치를 X축방향의 후방으로 어긋나게 하고 있다. 이와 같이 하면, 홀수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)와 짝수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)가 갈지자형으로 배치되게 된다.

또한, 홀수 번째의 흡열관(41)과 짝수 번째의 흡열관(41)이 교차하는 양자의 유턴부(41b,41b)는 Z축방향의 두께가 직관부(41a)의 직경보다도 작게 되도록 눌려 찌부러져 있다. 그리고, 홀수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)와 짝수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)가 X축방향에서 보았을 때에 Z축방향으로 서로 겹쳐지도록 하고 있다.

또, 홀수 번째의 흡열관(41)과 짝수 번째의 흡열관(41)의 X축방향의 어긋남량(△P)은, 각 흡열관(41)의 직관부(41a)의 X축방향의 배치피치를 P라 하였을 때, 0.5P<△P<P로 설정되어 있다. 따라서, 홀수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)와 짝수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)와의 사이의 X축방향의 간격이 넓어지게 되는 부분(광역간격부분)과 좁아지게 되는 부분(협역간격부분)이 X축방향으로 번갈아 형성되게 된다.

이것에 의하면, 연소배기의 유속이 협역간격부분에서는 빠르고 광역간격부분에서는 완만하게 된다. 그리고, 이 유속변화에 의해서 광역간격부분에서 연소배기가 확산됨으로써 수증기의 응축이 진행된 연소배기의 부분(건배기부분)과 수증기의 응축이 지연되고 있는 연소배기의 부분(습배기부분)의 혼합이 촉진된다. 이 결과, 연소배기의 흐름방향의 하류측, 즉 X축방향의 전방에 위치하는 흡열관(41)의 부분에서도 수증기가 효과적으로 응축됨으로써 잠열의 회수효율이 향상된다.

또한, 협역간격부분에 있어서의 홀수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)의 외면과 짝수 번째의 흡열관(41)의 직관부(41a)의 외면과의 사이의 간격(∂)이 3㎜ 미만이 되면, 각 직관부(41a)의 외면에서의 수증기의 응축에 의해서 발생되는 응축수끼리가 연결되어 직관부(41a,41a)간의 간격이 폐색될 가능성이 있다. 따라서, 상기 어긋남량(△P)은 간격(∂)이 3㎜ 이상이 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 후술하는 실시예의 발명품에서는 간격(∂)이 3.209㎜로 되어 있다.

또, 어긋남량(△P)을 0<△P<0.5P로 설정하는 것도 가능하다. 다만, 이 경우에는 홀수 번째의 흡열관(41)의 일단부와 타단부의 각 단부와 짝수 번째의 흡열관(41)의 일단부와 타단부의 각 단부와의 사이의 간격이 좁아지게 된다. 따라서, 동체부(40)의 측판(404)에 형성되는 흡열관용 투공간의 간격도 좁아지게 되며, 이러한 상태에서는 측판(404)의 강도가 부족하게 된다. 이 경우, 투공의 지름을 작게 하여 투공간의 간격을 넓게 하면 되지만, 이와 같이 하면, 흡열관(41)의 각 단부의 지름을 투공의 지름에 맞도록 축소시키는 스웨이징 가공을 할 필요가 있게 됨으로써 제조비용이 비싸지게 된다.

이것에 대해서, 어긋남량(△P)을 본 실시형태와 같이 0.5<△P<P로 설정하면, 홀수 번째의 흡열관(41)의 각 단부와 짝수 번째의 흡열관(41)의 각 단부와의 사이의 간격이 넓어지게 된다. 이 결과, 투공의 지름을 작게 하지 않고서도 투공간의 간격을 측판(404)의 강도부족이 발생하지 않을 정도로 넓게 확보할 수 있다. 따라서, 흡열관(41)의 각 단부의 지름을 축소시키는 스웨이징 가공이 불필요하게 됨으로써 비용적으로 유리하게 된다.

또한, 본 실시형태에서는 동체부(40)의 측판(404)의 외면에 각 헤더(42₁,42₂)를 배치하였으나, 측판(404)의 내면에 각 헤더(42₁,42₂)를 배치하고, 흡열관(41)의 각 단부를 각 헤더(42₁,42₂)의 횡방향의 내면측에 형성되는 각 접속구멍에 삽입하여 접속하도록 하여도 된다. 이 경우에도 어긋남량(△P)을 0.5<△P<P로 설정하면, 접속구멍의 지름을 작게 하지 않고서도 접속구멍간의 간격을 넓게 하여 각 헤더(42₁,42₂)의 강도를 확보할 수 있으며, 또한 흡열관(41)의 스웨이징 가공이 불필요하게 된다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 흡열관(41)의 개수는 상기한 실시형태(6개)보다도 많게 하여도 되고 적게 하여도 된다. 또, 상기한 실시형태에서는 급탕기의 서브 열교환기(4)로 이루어지는 잠열 회수형 열교환기에 본 발명을 적용하고 있으나, 급탕기 이외에서 사용하는 잠열 회수형 열교환기에도 상기한 바와 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

(실시예)

상기 실시형태의 서브 열교환기(4)에 있어서, 흡열관(41)을 구성하는 파형관의 큰 지름부의 직경을 16㎜, 도 2 및 도 3의 각부의 치수(Ll,L2,L3,L4,L5,P,△P)를 각각 L1=108㎜, L2=60㎜, L3=91㎜, L4=215.5㎜, L5=234.2㎜, P=36㎜, △P=21㎜ 로 한 발명품과, △P를 P의 1/2인 18㎜로 하고 다른 치수를 상기 발명품과 동일하게 한 비교품에 대해서, 열유체 해석 소프트웨어「FLUENT」를 사용하여 배기 도입구(402)에서 1㎏당 84.1g의 수증기를 포함하는 공기를 온도 443.15K, 유량 0.08095㎏/s으로 유입시키고, 유입측 헤더(42₁)에서 15℃의 물을 매분 16리터의 유량으로 유입시킨 경우의 응축수의 발생량과 흡열량을 산출하였다. 비교품에서는 응축수의 발생량이 0.0039202253㎏/s, 흡열량이 7049.607W로 되었고, 발명품에서는 응축수의 발생량이 0.0039780749㎏/s, 흡열량이 7296.226W로 되었다. 이와 같이 흡열량이 발명품에서는 비교품보다 3.5%정도 많아지게 된다. 이것은 동체부(40) 내의 기류의 난류화가 촉진됨과 아울러 광역간격부분에서 건배기부분과 습배기부분의 혼합이 촉진되어 잠열의 회수효율이 향상되었기 때문이라 생각된다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 건배기부분과 습배기부분의 혼합을 촉진시켜서 잠열의 회수효율을 향상시킬 수 있도록 한 잠열 회수형 열교환기를 제공할 수 있다.

Claims

연소배기가 흐르는 동체부 내에, 연소배기의 흐름에 평행한 방향을 X축방향, X축에 직교하는 동체부의 폭방향을 Y축방향, X축 및 Y축에 직교하는 방향을 Z축방향이라 하였을 때, X축방향으로 동일한 피치로 배치되는 Y축방향으로 곧은 복수개의 직관부와 X축방향에서 인접하는 직관부끼리를 연결하는 유턴부를 가지는 사행형상의 흡열관이 복수개 수납되고, 이들 흡열관의 일단부와 타단부를 각각 유입측 헤더와 유출측 헤더에 접속하고, 유입측 헤더에서 유출측 헤더로 이들 흡열관을 통해서 피가열유체를 흐르게 하여 연소배기 중의 수증기를 흡열관의 외면에서 응축시켜서 잠열을 회수하도록 한 잠열 회수형 열교환기로서,

복수개의 흡열관이 Z축방향으로 적층됨과 아울러, Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리가 X축방향으로 위치를 어긋나게 하여 배치되는 것에 있어서,

Z축방향에서 인접하는 흡열관끼리의 X축방향의 어긋남량이 각 흡열관의 직관부의 X축방향의 배치피치보다 작은 범위에서 상기 배치피치의 1/2 이외의 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 잠열 회수형 열교환기.
청구항 1에 있어서,

Z축방향에서 인접하는 상기 흡열관끼리의 X축방향의 어긋남량은 상기 배치피치의 1/2보다 큰 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 잠열 회수형 열교환기.