KR100918552B1 - Heat exchanger and boiler comprising the heat exchanger - Google Patents
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Abstract
제1 매체 및 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기는, 복수의 실질적으로 평행한 튜브(24)를 둘러싸는 격실과 제1 매체가 튜브에 실질적으로 평행한 유동 방향(R)으로 입구로부터 출구로 유동하도록 배치된 입구 및 출구를 구비한 케이싱과, 각각의 튜브에 부착된, 제1 단부를 각각 구비하고 제2 미부착 단부까지 유동 방향에 대해 경사지게 그리고 대체로 횡방향으로 연장하는 향상된 열의 교환을 위한 복수의 긴 표면 확대 요소(28)를 포함하며, 제2 미부착 단부는 유동 방향에 대하여 상기 제1 단부의 상류에 위치된다.
열교환기, 튜브, 케이싱, 표면 확대 요소, 격실
The heat exchanger for exchanging heat between the first medium and the second medium includes a compartment surrounding a plurality of substantially parallel tubes 24 and an inlet in a flow direction R in which the first medium is substantially parallel to the tube. A casing having an inlet and an outlet arranged to flow to the outlet, and an enhanced heat exchange having a first end, each attached to each tube, inclined relative to the flow direction and extending generally transversely to the second unattached end; A plurality of elongate surface magnification elements 28, the second unattached end being located upstream of the first end with respect to the flow direction.
Heat exchanger, tube, casing, surface enlargement element, compartment
Description
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 특히 보일러 및 배기 가스 보일러에 채택된 열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to heat exchangers, and more particularly to heat exchangers employed in boilers and exhaust gas boilers.
핀(pin) 튜브 보일러의 작동 중 임의의 상태에서 불필요하고 용인하기 어려운 높은 소음 레벨이 발생할 수도 있다는 것이 인식되었다. 보일러에 사용된 핀과 같은 표면 확대 요소를 갖는 튜브는 미국 특허 제5,626,187호, 국제특허 제WO 03/005467 A1호, 제WO 03/033969 A1호, 제WO 90/02916 A1호와 같은 선특허 출원에서 기술되었으며, 이들 모두는 본 명세서에서 참조한다.It has been recognized that undesired and unacceptable high noise levels may occur in any state during operation of a pin tube boiler. Tubes with surface magnification elements such as fins used in boilers have prior patent applications such as US Pat. No. 5,626,187, WO 03/005467 A1, WO 03/033969 A1, and WO 90/02916 A1. All of which are incorporated herein by reference.
본 발명은 열의 교환을 위하여 다수의 튜브를 포함하는 대류 챔버를 갖는 보일러에 관한 것으로, 특히 향상된 열의 교환을 위하여 다수의 핀과 같은 표면 확대 요소로 끼워 맞춰진 튜브를 포함하는 보일러에 관한 것이다. The present invention relates to a boiler having a convection chamber comprising a plurality of tubes for the exchange of heat, and more particularly to a boiler comprising a tube fitted with a surface expanding element such as a plurality of fins for improved heat exchange.
이 형태의 임의의 보일러는 용인할 수 없는 높은 수준의 소음을 발생시켜서, 소음을 억제하거나 제거할 필요가 있었다. 이 소음은 300-700 Hz 범위의 단일 진동수 톤(tone)으로 형성됨을 알 수 있었다. 소음 발생 메카니즘의 연구를 통해 톤 의 발생의 원인이 분석되었고, 톤이 보일러의 대류 챔버에서 발생된다는 것을 알 수 있었다. Any boiler of this type produced an unacceptable high level of noise, which required to suppress or eliminate the noise. It can be seen that this noise is formed by a single frequency tone in the 300-700 Hz range. The study of the noise generation mechanism has analyzed the source of tones and found that the tones are generated in the convection chamber of the boiler.
해결책은 4개의 카테고리로 구분된다. 첫 번째이자 가장 단순한 것은 소스(source), 예를 들어 보일러의 배기부에 덕트 소음기를 설치함으로써 소음을 감소시키는 것이다.The solution is divided into four categories. The first and simplest is to reduce the noise by installing a duct silencer at the source, eg the exhaust of the boiler.
다른 카테고리들은 피드백 메카니즘을 포인스톨링(forestalling) 또는 중단(disrupting)하는 것으로 구성된다. 객관적인 테스트(cold test)의 결과는 피드백 메카니즘이 포인스톨링 또는 억제되는 경우에 60 dB 까지 감소될 수 있음을 보여주었다.The other categories consist of forestalling or disrupting the feedback mechanism. The results of the cold test showed that the feedback mechanism can be reduced by 60 dB when the feedback mechanism is pointed in or suppressed.
두 번째 방법은, 음파 반응이 비정상 유동 구조에 상당히 영향을 미치기 시작하는 수준에 도달하는 것을 방지하기 위해서, 대류 챔버에서 댐핑(damping)을 도입하는 것이며, 따라서 피드백을 미리 배제한다.The second method is to introduce damping in the convection chamber in order to prevent the sonic response from reaching a level that starts to significantly affect the abnormal flow structure, thus precluding feedback in advance.
세 번째 방법은 여기(excitaton) 진동수의 범위 밖으로 피드백하기 쉬운 모드의 진동수로 이동하도록 분리 플레이트를 도입하는 것이다.The third method is to introduce a separation plate to move to a frequency in a mode that is easy to feed back out of the range of excitation frequencies.
네 번째 방법은 피드백이 결코 일어나지 않거나 보통의 유동으로부터 변동이 심한 유동 및 음파 영역으로의 에너지의 이동의 원인이 되는 상호작용 메카니즘을 중단시키도록 분리된 여기를 충분히 감소시키기 위해서 핀을 변형시키는 것이다.The fourth method is to modify the pins to sufficiently reduce the separated excitation to stop the interaction mechanism that causes no feedback or causes the transfer of energy from the normal flow to the fluctuating flow and sound regions.
이들 일반적인 카테고리는 서로 배제되지 않으며 하나의 최종 해결 방법은 4가지 모두의 요소들을 포함할 수도 있다. These general categories are not excluded from each other and one final solution may include all four elements.
음향 또는 소음 억제 수단은 유럽 특허 제0 876 539호와 같은 특허 공보에서 기술되었고, 본 명세서에 참조한다.Acoustic or noise suppression means have been described in patent publications, such as
본 발명에 따른 제1 매체 및 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기의 바람직한 본 실시예의 아래 상세한 설명으로부터 명확해질 수 있는 다수의 목적, 장점 및 특징과 함께 위의 필요성이 제1 매체 및 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기에 의한 본 발명의 교시에 따라 얻어지며, 열교환기는, 복수의 실질적으로 평행한 튜브를 둘러싸는 격실을 구비한 케이싱과, 각각의 튜브에 부착된, 제1 단부를 각각 구비하고 제2 미부착 단부까지 유동 방향에 대해 경사지게 그리고 일반적으로 횡으로 연장하는 향상된 열의 교환을 위한 복수의 길다란 표면 확대 요소를 포함하고, 격실은 제1 매체가 튜브에 실질적으로 평행한 유동 방향으로 입구로부터 출구로 유동하도록 배치된 입구 및 출구를 포함한다. The above necessity, together with a number of objects, advantages and features, which will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiment of the heat exchanger for exchanging heat between the first and second media according to the invention, Obtained in accordance with the teachings of the present invention by a heat exchanger for exchanging heat between second media, the heat exchanger comprises a casing having a compartment surrounding a plurality of substantially parallel tubes, and attached to each tube; A plurality of elongated surface magnification elements each having one end and for enhanced heat exchange that extends obliquely and generally transversely to the flow direction to the second unattached end, the compartment having a first medium substantially parallel to the tube; An inlet and an outlet arranged to flow from the inlet to the outlet in the flow direction.
튜브는 정사각형 또는 직사각형 형상과 닮은 전체적인 외형으로 나란히 위치되는 바와 같이 다수의 기하학적 구성으로 열교환기 내에 배열될 수도 있으며, 바람직하게 튜브는 벌집 모양과 같은(honeycomb-like) 구조로 구성된다.The tubes may be arranged in the heat exchanger in a number of geometrical configurations, such that they are placed side by side in an overall contour resembling a square or rectangular shape, preferably the tubes are composed of a honeycomb-like structure.
표면 확대 요소는 자유 단부를 갖는 많은 요소를 포함하는 기부 및 일부를 포함하는 시트로 형성될 수도 있다. 대안적으로 표면 확대 요소는 개별적으로 형성될 수도 있으며, 예를 들어 표면 확대 요소는 별도의 공정으로 형성될 수도 있고 튜브에 계속해서 부착될 수도 있다. 대안적으로 표면 확대 요소는 튜브에 일체적으로 형성될 수도 있다.The surface magnification element may be formed from a sheet comprising a base and a portion comprising a number of elements with free ends. Alternatively, the surface magnification element may be formed separately, for example, the surface magnification element may be formed by a separate process and may be continuously attached to the tube. Alternatively, the surface magnification element may be integrally formed in the tube.
본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 제2 미부착 단부는 유동 방향에 대해 제1 단부의 상류에 위치된다. 당업계에 알려진 표면 확대 요소는 표면 확대 요소의 자유 단부가 유동 방향에 대해 제1 단부의 하류에 위치되도록 지향되었으며 결과적으로 표면 확대 요소와 튜브의 연결부 내에 그리고 표면에 축적하는 응축수에 관한 문제가 나타나게 되었다. 이전에 표면 확대 요소는 이러한 지향이 최대 또는 거의 최대 열 이동을 얻으면서 최저 압력 강하를 발생시킨다는 추정 때문에 이 방식으로 지향되었지만, 놀랍게도 이 방식을 지향하는 표면 확대 요소는 압력 강하가 동일하게 유지되는 한편, 증대된 소음 레벨을 갖는다는 것이 인식되었다.In a presently preferred embodiment of the invention, the second unattached end is located upstream of the first end with respect to the flow direction. Surface magnification elements known in the art have been directed such that the free end of the surface magnification element is located downstream of the first end with respect to the flow direction, resulting in problems with condensate that accumulates in and on the connection of the surface magnification element and tube. It became. Previously, the surface magnification element was directed this way because of the presumption that this orientation would result in the lowest pressure drop with maximum or near maximum heat transfer, but surprisingly the surface magnification element directed this way remains the same in pressure drop. As a result, it has been recognized that it has an increased noise level.
본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 열교환기는 격실이 2개 이상의 부(副) 격실로 나누어지도록 적어도 2개의 튜브들 사이에 장착된 적어도 하나의 음향 억제 플레이트를 더 포함한다. 놀랍게도 플레이트는 압력의 추가 손실을 야기하지 않고 보일러 내에 발생된 소음을 감쇠시킨다. 표면 확대 요소를 갖는 튜브는 영역당 가장 높은 수가 달성되어 표면 확대 요소들 사이의 공간을 최소화시키도록 위치될 수도 있다. 플레이트는 단일 구조로 조립된 여러 조각의 재료를 포함할 수도 있다. 대안적으로 플레이트는 단일편의 재료이고 플레이트가 튜브들 사이의, 예를 들어 표면 확대 요소들 사이의 공간에 꼭 맞게 끼워지도록 휘어지거나 형상화될 수도 있다.In a presently preferred embodiment of the invention, the heat exchanger further comprises at least one sound suppression plate mounted between at least two tubes such that the compartment is divided into two or more secondary compartments. Surprisingly the plate attenuates the noise generated in the boiler without causing further loss of pressure. Tubes with surface magnification elements may be positioned so that the highest number per area is achieved to minimize the space between the surface magnification elements. The plate may comprise several pieces of material assembled into a single structure. Alternatively, the plate is a single piece of material and may be bent or shaped such that the plate fits snugly into the space between the tubes, for example between the surface expanding elements.
본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 표면 확대 요소는 실질적으로 관형 형상일 수도 있다. 표면 확대 요소는 바람직하게 관형 형상, 즉 핀 형상이다. 표면 확대 요소의 단면은 사다리꼴, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 이들의 임의의 조합 및/또는 변형과 같은 다른 형상을 취할 수도 있다.In a presently preferred embodiment of the invention, the surface magnifying element may be substantially tubular in shape. The surface magnification element is preferably tubular, ie pin-shaped. The cross section of the surface magnification element may take other shapes such as trapezoidal, square, rectangular, oval or any combination and / or modification thereof.
표면 확대 요소는 제1 단부 및 제2 단부 사이의 길이를 10 내지 60 mm, 바람직하게 20 내지 55 mm, 바람직하게 40 내지 50 mm, 바람직하게 41 내지 50mm의 범위로 하거나, 바람직하게 43 mm로 한정할 수도 있다. 표면 확대 요소의 길이는 모든 표면 확대 요소가 동일하거나 길이를 변화시킬 수도 있고, 예를 들어 표면 확대 요소는 두 개의 다른 길이를 가질 수도 있다. 또한 대안적으로 표면 확대 요소의 길이는 임의적이거나 의사난수(pseudorandom)하게 선택될 수도 있다. 또한 다른 대안적으로 표면 확대 요소의 길이는 튜브의 특정한 지점으로부터, 예를 들어 제1 표면 확대 요소로부터의 거리의 함수로서 변화될 수도 있다.The surface expanding element has a length between the first end and the second end in the range of 10 to 60 mm, preferably 20 to 55 mm, preferably 40 to 50 mm, preferably 41 to 50 mm, or preferably 43 mm. You may. The length of the surface magnification element may be the same or vary in length for all surface magnification elements, for example the surface magnification element may have two different lengths. Alternatively, the length of the surface magnification element may be chosen arbitrarily or pseudorandomly. Alternatively, the length of the surface magnification element may also be varied as a function of distance from a particular point of the tube, for example from the first surface magnification element.
바람직하게 표면 확대 요소는 강철, 바람직하게 스테인레스강, 또는 대안적으로 알루미늄 또는 구리로 이루어진다. 표면 확대 요소는 바람직하게 고온에서 융해점을 갖고 높은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어진다.Preferably the surface magnification element consists of steel, preferably stainless steel, or alternatively aluminum or copper. The surface magnification element is preferably made of a material having a melting point at high temperature and high thermal conductivity.
대안적으로 표면 확대 요소는 하나의 만곡을 한정할 수도 있다. 표면 확대 요소는 미분 가능한 만곡 또는 대안적으로 굴곡부 또는 중단부(break)를 포함하는 만곡을 한정할 수도 있고, 표면 확대 요소는 또한 대안적으로 많은 굴곡부 또는 중단부를 포함할 수도 있다.Alternatively, the surface magnification element may define one curvature. The surface magnification element may define differentiable curvatures or alternatively curvatures including bends or breaks, and the surface magnification elements may also alternatively comprise many bends or breaks.
음향 억제 플레이트는 0.01 mm 내지 2 mm, 바람직하게 0.5 내지 1.5 mm, 바람직하게 0.75 mm 내지 1.25 mm의 범위, 바람직하게 실질적으로 1 mm와 같은 크기를 갖는 복수의 개구를 포함한다. 음향 억제 플레이트의 개구는 다른 크기를 갖거나, 모든 개구가 실질적으로 동일한 크기일 수도 있다. 개구의 위치 또는 분포는 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등할 수도 있거나 개구가 다수의 특정한 영역에 위치될 수도 있다.The sound suppression plate comprises a plurality of openings having a size in the range of 0.01 mm to 2 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm, preferably 0.75 mm to 1.25 mm, preferably substantially 1 mm. The openings of the sound suppression plate may have different sizes, or all the openings may be substantially the same size. The location or distribution of the openings may be substantially even across the plate or the openings may be located in a number of specific areas.
개구는 실질적으로 타원형, 원형, 정사각형, 직사각형 또는 그의 임의의 조합일 수도 있다. 바람직하게 개구는 모두 실질적으로 타원형이다. 대안적으로 복수의 제1 개구는 하나의 기하학적 형태를 가질 수도 있고 복수의 제2 개구는 다른 기하학적 형태를 가질 수도 있으며, 또한 대안적으로 다수의 복수가 하나의 특정한 기하학적 형태를 각각 가질 수도 있으므로, 위에서 언급된 모든 기하학적 형태를 결합시킬 수도 있다.The openings may be substantially oval, circular, square, rectangular or any combination thereof. Preferably the openings are all substantially elliptical. Alternatively, since the plurality of first openings may have one geometry and the plurality of second openings may have another geometry, and alternatively the plurality of plurality may each have one particular geometry, It is also possible to combine all the geometric shapes mentioned above.
바람직하게 음향 억제 플레이트는 강철, 스테인레스강, 알루미늄, 아연도금 강 또는 대안적으로 세라믹 재료로 이루어진다.Preferably the sound suppression plate consists of steel, stainless steel, aluminum, galvanized steel or alternatively a ceramic material.
음향 억제 플레이트는 두께가 0.508mm(0.02") 내지 5.080mm(0.2"), 바람직하게 1.016mm(0.04"), 바람직하게 2.032mm(0.08"), 바람직하게 3.048mm(0.12"), 바람직하게 1mm일 수도 있다.The acoustic suppression plate has a thickness of 0.508 mm (0.02 ") to 5.080 mm (0.2"), preferably 1.016 mm (0.04 "), preferably 2.032 mm (0.08"), preferably 3.048 mm (0.12 "), preferably 1 mm It may be.
본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 제1 매체는 염관(flue, 焰管) 가스 또는 공기이고 제2 매체는 주로 물 및/또는 증기이다. 제1 매체는 바람직하게 튜브들 사이에 위치되고 노 또는 그와 같은 것으로부터 열교환기 챔버로 열을 운반한다. 그러나 다른 유체를 이용하는 다른 실시예가 고려될 수도 있다. 열은 제1 매체로부터 표면 확대 요소를 통해 제2 매체로 흡수되고, 제2 매체는 물이 되며, 물은 튜브 내의 압력에 따라 물이 증기로 증발되는 지점에 결과적으로 도달할 수도 있다. In a presently preferred embodiment of the invention, the first medium is a flue gas or air and the second medium is mainly water and / or steam. The first medium is preferably located between the tubes and carries heat from the furnace or the like to the heat exchanger chamber. However, other embodiments using other fluids may be contemplated. Heat is absorbed from the first medium through the surface magnification element into the second medium, the second medium becomes water, and the water may eventually reach the point where the water evaporates to steam, depending on the pressure in the tube.
본 발명의 교시에 따라서 보일러, 특히 외양 항행용 배에 설치되기 위한 보 일러가 위에 언급된 태양 중 임의를 포함하는 열교환기를 포함할 수도 있다. 본 발명의 교시에 따른 보일러는 외양 항행용 배, 수송선, 화물선, 화물용 배, 일반선, 유조선 등등에 설치될 수도 있다.In accordance with the teachings of the present invention, boilers for installation in boilers, in particular marine vessels, may comprise a heat exchanger comprising any of the aspects mentioned above. Boilers according to the teachings of the present invention may be installed in marine navigation ships, transport ships, cargo ships, cargo ships, general ships, tankers and the like.
이하에서, 본 발명은 첨부하는 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 소음을 감소시키고, 음파 반응이 비정상 유동 구조에 상당히 영향을 미치기 시작하는 수준에 도달하는 것을 방지합니다.The present invention reduces noise and prevents the sonic response from reaching levels that begin to significantly affect the abnormal flow structure.
도1은 본 발명에 따른 열교환기를 포함하는 보일러의 수평 단면도이고, 전체로서 보일러는 도면부호 10으로 표시된다. 보일러(10)는 보일러(10)의 상부에 장착된 버너 출구(12)를 포함한다. 버너 출구(12)는 보일러(10) 내부에 위치된 노 챔버(14)와 유체 연통한다. 버너 출구(12)는 노 챔버(14) 내로 플레임(16)을 방출한다. 뜨거운 가스는 측벽(20) 내의 개구(18)를 통해 노 챔버(14)를 빠져나간다. 뜨거운 염관 가스는 다수의 튜브(24)를 따라 대류 챔버(22)의 저부로부터 지나간다. 튜브(24)는 적어도 2개의 다른 길이를 갖는 다수의 핀과 끼워진다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 튜브(24)의 하부는 34 mm의 길이를 갖는 15 열의 핀들과 끼워진다. 이들 짧은 핀들은 노 챔버(14)로부터 직접 염관 가스를 수용하기 위하여 튜브에 끼워지고 이것을 대략 150℃로 냉각시킨다. 이 단면에서 긴 핀들이 튜브에 끼워지는 것은 긴 핀이 융해되는 것을 야기한다. 짧은 핀(26)을 포함하는 구역 위의 구역에서, 긴 핀들을 포함하는 적어도 하나의 구역이 포함될 수도 있다. 현재의 바람직한 실시예에서 긴 핀은 약 43 mm의 길이를 갖는다. 1 is a horizontal sectional view of a boiler comprising a heat exchanger according to the invention, the boiler as a whole being indicated by
모든 핀은 저항 용접, 저항 맞댄 용접(butt-welding), 저항 플래시 용접(flash-welding), 저항 충격 용접(percussive-welding), 저항 시임 용접(seam-welding), 저항 스폿 용접(spot-welding), 대안적으로 다른 용접 기술, 다른 대안적으로 그의 조합에 의해 튜브 상에 용접될 수도 있다. 핀은 튜브 또는 튜브의 일부를 형성하는 동안 튜브(24)와 일체로 형성될 수도 있다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서 튜브(24) 상의 핀은 다수의 핀이 끼워진 튜브(24)의 단면보다 더 작은 단면을 갖는 매트릭스를 통해 당겨지거나 밀어짐으로써, 긴 핀이 튜브(24)의 표면에 대하여 소정의 각도로 휘어지게 된다. 바람직하게 짧은 핀(26)은 휘어지지 않지만, 더 작은 핀이 또한 휘어지는 실시예가 고려될 수도 있다. 인장 및 다른 물리적 현상 때문에, 긴 핀이 튜브(24)의 표면으로부터 대략 5 mm로 휘어진다. 핀이 튜브(24)로부터 다른 거리로 휘어지게 된다면 핀은 특정한 위치에서 약해질 수도 있다.All pins are resistive welded, butt-welding, resistive flash-welding, resistive-welding, resistive seam welding, and spot-welding. Or, alternatively, welding on the tube by another welding technique, or alternatively a combination thereof. The pin may be integrally formed with the
본 발명의 현재 바람직한 실시예에서 핀은 실질적인 기재 사항으로 위치되지만 제1 핀이 제1 핀 위 또는 아래에 위치된 제2 핀에 대하여 이동되어 위치되는 구성이 고려될 수도 있다. 튜브 부근의 레벨 범위에서 핀을 위치시키는 대안으로서, 핀은 계단과 같은 구조를 형성하도록 위치될 수도 있고, 이 형태는 연속적인 표면을 갖는 표면 확대 요소를 채택하는 열교환기에서 흔히 보여진다. 미국 특허공보 제3,752,228호, 제4,258,782호, 제4,227,572호, 제4,648,441호, 제5,046,556호, 제3,621,178호 및 제5,617,916호가 참조되고, 이 모든 참조들은 모든 목적을 위하여 전체로서 참조하여 본 명세서에 병합된다.In a presently preferred embodiment of the invention the pin is positioned in substantial detail, but a configuration in which the first pin is moved relative to the second pin located above or below the first pin may also be considered. As an alternative to positioning fins in the level range near the tube, the fins may be positioned to form a step-like structure, which is commonly seen in heat exchangers employing surface magnification elements with continuous surfaces. See U.S. Pat. .
핀 튜브를 포함하는 보일러, 및 열교환기는 용인할 수 없는 높은 수준의 소음을 발생시킨다고 알려져 있다. 이 소음은 주로 범위가 300-700 Hz로 단일 진동수 톤으로서 인식되었다. 소음 발생 매커니즘의 연구를 통해 톤의 발생의 원인이 분석되었고 톤이 보일러의 대류에서 기원한다는 것을 알 수 있었다.Boilers, including fin tubes, and heat exchangers are known to produce unacceptably high levels of noise. This noise was mainly perceived as a single frequency tone in the 300-700 Hz range. The study of the noise generation mechanism has analyzed the source of the tones and found that the tones originated from the convection of the boiler.
튜브(24) 상의 핀 뒤의 공기 유동에서의 주기적인 변동은 자체적으로 핀 상의 비정상적인 압력 변동을 일으킬 수도 있고, 이것은 내부적으로 음향 소스(source)로서 작용한다. 피드백이 없다고 가정하면, 이들 소스는 미소한 스트로할 수(Strouhal number)로부터 도출될 수 있는 진동수 부근의 최고점에 달한 진동수 분포를 갖는 지점 쌍극자(point dipoles)로서 합리적으로 근접될 수 있으며, 여기서 스트로할 수는 핀의 직경에 곱해진 압력 변동의 최고점 주파수로서 한정되고 자유 흐름 평균 유동 속도로 분리된다.Periodic fluctuations in the air flow behind the fins on the
피드백 없이, 대류 챔버(22) 내에 가해진 음향의 진동수 반응은 챔버의 구조에 의존되고 댐핑(damping)이 거의 없거나 없다고 가정하면, 주어진 강제에 대응하여 최대로 주어지는 진동수는 대류 챔버(22)의 고유 진동수와 동일하다. 그러나, 댐핑이 상당히 있을 때, 최대 대응으로 주어지는 진동수는 그 모드의 복잡한 고유 진동수의 실제 일부로부터 도출한다. 이 수학적 세밀한 구별은 관찰된 진동수의 예보를 위한 중요한 결과를 갖는다.Without feedback, assuming that the frequency response of the sound applied in the
공기 유동 쪽으로 휘어진 굴곡 핀이 압력의 추가 손실 없이 핀 뒤의 공기 유동에서의 주기적인 변동에 의해 발생된 소음을 감소시키도록 튜브(24)를 구성하는 것이 실험에 의해 결정된다. 핀 또는 휜(fin)과 같은 표면 확대 요소를 갖는 튜브를 포함하는 보일러의 모든 이전 실시예에서, 표면 확대 요소는 공기 유동의 방향을 따르는 방향, 즉 하류로 휘어진다.It is experimentally determined that the flexure pin bent toward the air flow configures the
소음은 대류 챔버(22)의 측면 벽 상에, 대안적으로 벽(36, 44, 40, 42)의 외측면들 사이에 음향 흡수 재료, 예를 들어 록크울(Rockwoll)을 도입함으로써 감소시킬수도 있고, 또한 대안적으로 음향 흡수 재료는 보일러의 바깥쪽에, 예를 들어 보일러로부터 바깥으로 이끄는 배기 덕트 상에 또는 대안적으로 내에 인가되거나 부착될 수도 있다.Noise may be reduced on the side wall of the
염관 가스가 짧은 핀(24)을 포함하는 구역과 긴 핀(26, 28)을 포함하는 구역을 지나간 후에, 염관 가스는 보일러(10)로부터 배기 출구(30)를 통해 배기된다.After the salt pipe gas passes through the region containing the
보일러(10)는 튜브 연결부(24)와 유체 연통하여 물 저장소(32)가 또한 장비된다. 뜨거운 염관 가스는 튜브(24)의 표면과 표면 확대 요소, 예를 들어 튜브 상의 핀을 통해 튜브(24)로 열을 전달함으로써, 물 저장소(32)로부터 수집된 튜브(24) 내부의 물 또는 증기에 열을 전달한다. 물은 가열되고 튜브(24) 내부에서 증발되며 증기는 증기 룸(34) 내로 상승한다. 증기 룸(34)에서는 증기가 다시 물로 응축될 수도 있고 노 챔버(14)의 측면 벽에서 튜브를 경유하여 물 저장소(32)로 복귀될 수도 있다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 증기는 증기가 버너(12) 내에서 사용된 오일을 가열시키고 펌프 시스템을 구동하는 것과 같은 다른 목적을 위하여 이용되는 설명되지 않은 시스템 내로 방출되며, 또한 본 명세서에서 설명되지 않는다. 보일러(10) 내부의 물은 물의 외부 소스로부터 보충될 수도 있다.The
도2는 선 A-A를 따른 도1의 보일러의 단면도이다. 도2는 4개의 열의 튜브(36, 38, 40, 42)로 구성된 대류 챔버(22)에서 튜브(24)의 위치를 도시한다. 튜브는 이웃하는 튜브들 사이에 용접된 금속 바아(bar)와 상호 연결됨으로써, 벽을 생성시킨다. 노 챔버(14)는 패널 벽(44)에 의해 구성된다. 벽(42)을 구성하는 튜브의 상부에서 튜브의 일부는 배기 출구(30)를 달성하기 위하여 바깥쪽으로 휘어지고, 또한 이 영역 내에 튜브에 용접되는 금속 바아는 없다.2 is a sectional view of the boiler of FIG. 1 along line A-A. 2 shows the position of the
도2는 노 챔버(14) 내의 버너 출구(12)인 경우의 위치를 또한 도시한다. 다수의 스테이(stay)(46)는 증기 챔버(34)의 상부 및 저부를 지지하도록 채택된다.2 also shows the position in the case of
대류 챔버(22)에서, 두 개의 음향 흡수 요소(50, 52)는 튜브(24)들 사이에 위치되어 도시된다. 음향 흡수 요소(50, 52)는 부분적으로 대류 챔버(22)를 나누도록 돕고 이에 의해 대류 챔버(22)의 음향 특성을 변경시킨다. 음향 흡수 요소50, 52)는 바람직하게 압력의 손실을 야기하지 않는 것을 특징으로 하는 형태이다. 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 음향 흡수 요소(50, 52)는 유럽 특허 제0 876 539 B1호에서 기술된 재료의 플레이트이다. 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서 채택된 음향 흡수 요소는 제품명이 아큐스티메트(AcustiMet)로서 스웨덴 회사 손테크 노이즈컨트롤(Sontech Noisecontrol)에 의해 시판된다.In the
도3은 도1 및 도2의 보일러의 다수의 튜브(24)와 음향 흡수 요소(52)를 도시한다. 튜브(24)는 핀 및 튜브의 가장 높은 밀도를 달성하기 위한 벌집형 형태로 위치되지만 정사각형, 원형 또는 다른 기하학적 형태 또는 그의 조합과 같은 다른 형태들이 고려될 수도 있다. 음향 흡수 요소(52)는 적어도 2개의 인접한 핀(28)들 사이에 좁은 공간에 위치될 수 있도록 휘어진다. 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 핀들 사이의 공간은 3 내지 5 mm 사이로 변동한다. 핀들 사이의 이론적 간격은 6 mm이다.3 shows a number of
도4는 화살표 R에 의해 도시된, 뜨거운 가스의 유동에 대한 핀(28)의 공간적 분포와, 음향 흡수 요소(52)의 위치를 도시하는 도3의 선 C-C를 따른 단면도이다.FIG. 4 is a cross sectional view along line C-C of FIG. 3 showing the spatial distribution of the
일단 소음이 보일러에서 발생되면, 먼저 배기 덕팅(ducting)을 통해 배로 전파한다. 보일러 구조를 통해 기계실에 전달되는 임의의 소음은, 예를 들어 환기 시스템으로부터의 훨씬 더 높은 내부 배경 소음 수준에 대하여 아주 작은 편이다.Once the noise is generated in the boiler, it first propagates through the ship through exhaust ducting. Any noise transmitted to the machine room through the boiler structure is very small, for example, against a much higher internal background noise level from the ventilation system.
일상의 덕트 소음기는 배플(baffle) 내에 배치된 관통된 금속 시트 뒤의 음향 흡수 재료와 함께 음향 감소를 제공한다. 보일러의 배기 덕트 내의 소음기의 설치는 소음의 소스를 제거하지 않지만, 대신에 소음이 발생된 후에 소음을 흡수한다. 1m 소음기는 수용될 수 있는 압력 강하에 따라 대략 15-30 dB(A)의 범위에서 감쇠를 제공할 수 있다.The everyday duct muffler provides sound reduction with the sound absorbing material behind the perforated metal sheet disposed in the baffle. The installation of a muffler in the boiler's exhaust duct does not remove the source of noise, but instead absorbs the noise after it is generated. The 1 m silencer can provide attenuation in the range of approximately 15-30 dB (A), depending on the acceptable pressure drop.
소음기의 설치는 단순하고 효과적이고 융통성 있는 해결책이다. The installation of a silencer is a simple, effective and flexible solution.
소음기 자체를 통한 유동에 의해 야기된 소음의 수반하는 증가 없이, 용인할 수 있는 압력 손실을 위해 요구된 음향 감쇠를 주는 적절한 소음기의 선택은 비교적 간단한 공학적 과정이다.It is a relatively simple engineering process to select a suitable silencer that gives the required acoustic attenuation for an acceptable pressure loss without the accompanying increase in noise caused by the flow through the silencer itself.
배기 덕팅을 통하는 것 이외에 소음 전파 경로가 있는 경우에, 관찰될 톤의 가능성이 소스에서의 소음 문제를 다루는데 실패하게 함을 또한 주지해야 한다.It should also be noted that in the presence of noise propagation paths other than through exhaust ducting, the likelihood of the tones to be observed will fail to address the noise problem at the source.
대류 챔버 내로의 음향 흡수의 도입은 챔버의 초기 음향 반응이 피드백 공정 을 촉진하기에 충분한 레벨을 얻는 것을 방지하도록 설계된다. 객관적인 시험으로부터의 결과는 상호 작용 매커니즘을 제거하는 매우 성공적인 방식이며 이에 따라 음향 수준을 극적으로 감소시킬 수 있다는 것을 지시한다.The introduction of acoustic absorption into the convection chamber is designed to prevent the chamber's initial acoustic response from achieving a level sufficient to facilitate the feedback process. The results from the objective test indicate a very successful way of eliminating the interaction mechanism and thus dramatically reducing the acoustic level.
대류 챔버 내의 음향 흡수는 고체 플레이트 또는 관통 플레이트와 같은 플레이트일 수 있다.The acoustic absorption in the convection chamber may be a plate such as a solid plate or a through plate.
관통 플레이트는 플레이트 내의 작은 구멍을 통해 유동을 허용하는 동안 이것을 가로지르는 압력 차이를 지지하는 작용을 한다. 압력 낙차는 관성력 및 점성력의 조합에 의해 야기되어 플레이트의 2개의 측면 상의 압력에 의해 행해진 작업에서의 차이에 대응하는 음향 에너지의 손실을 초래한다. 물리적으로, 이 에너지는 플레이트를 통한 유동에서의 점성 작용에 의해 가열되도록 전환된다. 챔버 내에서 전략적으로 플레이트를 위치시킴으로써, 매우 높은 흡수가 임의의 모드를 위해 달성될 수 있다.The through plate acts to support the pressure differential across it while allowing flow through the small holes in the plate. The pressure drop is caused by a combination of inertial and viscous forces resulting in a loss of acoustic energy corresponding to the difference in work done by the pressure on the two sides of the plate. Physically, this energy is converted to heat by viscous action in the flow through the plate. By strategically placing the plate within the chamber, very high absorption can be achieved for any mode.
객관적인 시험으로부터의 결과는 상당한 감쇠가 관통된 플레이트를 이용하여 달성될 수 있는 것을 보여준다. 하나의 시험에서, 모든 톤은 완벽하게 제거되어, 대략 50 dB의 감쇠를 이끈다.The results from the objective test show that significant attenuation can be achieved using perforated plates. In one test, all the tones are completely removed, leading to approximately 50 dB of attenuation.
음향 해결책으로서 관통 플레이트를 설치하는 경우에 역점을 두어 다룰 필요가 있는 제1 문제는 최대의 댐핑을 주는 플레이트의 배치와 피드백 매커니즘을 앞지르는 것이 필요한 댐핑의 양에 관한 것이다. 불행하게도, 객관적인 시험으로부터의 결과는, 보일러 챔버의 형태 구조가 객관적인 시험 챔버의 것과 아주 다른 것으로서, 보일러에 직접 적용될 수 없다. 이것은 부분적으로 다른 기하학적 구조로 인하여 그리고 부분적으로 보일러에서의 큰 수직 온도 기울기 때문이다.The first problem that needs to be addressed when installing the through plate as an acoustic solution is the placement of the plate that gives the maximum damping and the amount of damping that is required to overtake the feedback mechanism. Unfortunately, the result from the objective test is that the shape of the boiler chamber is very different from that of the objective test chamber and cannot be applied directly to the boiler. This is partly due to the different geometries and partly due to the large vertical temperature gradient in the boiler.
제1 단계는 처리되지 않은 보일러의 고유 모드의 진동수와 관찰된 진동수 사이의 일치를 확인하는 것이다. 이것은 처리되지 않은 보일러부터의 음색의 진동수의 측정뿐만 아니라, 보일러의 대류 챔버의 고유 진동수의 계산을 요구한다. 일단 피드백하기 쉬운 모드가 확인되면, 플레이트의 최적의 배치가 다른 배치를 위한 각각의 모드에서의 댐핑을 계산함으로써 결정될 수 있다. 객관적인 시험으로부터 적절하게 크기 조절된 결과에 의해, 댐핑의 적절한 양의 숙련된 평가를 행하여 선택된 배치가 피드백 매커니즘을 앞지르기에 충분한 댐핑을 제공하는지를 평가하는 것이 가능하다.The first step is to confirm the correspondence between the frequencies in the natural mode of the unprocessed boiler and the observed frequencies. This requires not only the measurement of the frequency of the tone from the untreated boiler, but also the calculation of the natural frequency of the boiler's convection chamber. Once the modes that are easy to feed back are identified, the optimal placement of the plate can be determined by calculating the damping in each mode for the other placement. By appropriately sized results from the objective test, it is possible to make an expert assessment of the appropriate amount of damping to assess whether the selected arrangement provides sufficient damping to outperform the feedback mechanism.
대류 챔버 내의 플레이트의 가장 좋은 배치를 결정하기 위한 과정은 각각의 보일러 크기에 대해 유사하다.The procedure for determining the best placement of the plates in the convection chamber is similar for each boiler size.
플레이트의 음향 특성은 그 저항성에 의해 기술되고, 이것은 플레이트를 가로지르는 압력 강하와 그를 통한 유동 속도 사이의 관계를 기술한다. 저항성은 음향 임피던스로서 동일한 유닛을 갖고 플레이트의 최적 저항성은 위치되는 공기의 임피던스에 동등하다. 이것은, 온도가 챔버의 축을 따라 상당히 변화되는, 뜨거운 보일러에서의 해결 방법으로서 관통 플레이트를 접근시킬 때 중점을 두어 다루어야만 하는 중대한 문제이다. 적절한 저항성의 문제는 최적의 플레이트 배치를 결정하도록 계산에서 중점을 두어 다루어야만 한다. 주어진 온도에서 최적의 저항성을 주는 구멍의 크기의 문제가 또한 중점적으로 다루어져야 한다.The acoustic properties of the plate are described by their resistance, which describes the relationship between the pressure drop across the plate and the flow rate through it. The resistivity has the same unit as the acoustic impedance and the optimum resistivity of the plate is equivalent to the impedance of the air in which it is located. This is a significant problem that must be addressed when approaching through plates as a solution in hot boilers, where the temperature varies considerably along the axis of the chamber. The issue of adequate resistance must be addressed in the calculations to determine the optimal plate placement. The problem of hole size giving optimum resistance at a given temperature should also be addressed.
관통 플레이트에 대한 대안은 챔버의 벽들 상에 위치된 흡수 재료이다. 하 나의 가장 중요한 실제적인 문제는 피드백 매커니즘을 앞지르기에 충분한 음향 흡수를 제공하면서 보일러 내의 높은 온도를 견딜 수 있는 이러한 재료를 확인하는 것이다.An alternative to the through plate is absorbent material located on the walls of the chamber. One of the most important practical problems is to identify these materials that can withstand the high temperatures in the boiler while providing sufficient acoustic absorption to outperform the feedback mechanism.
벽 상에 위치된 절연 재료는, 균일하게 적절히 세정되지 않으면, 시간에 따라 재료의 음향적 특성의 어떤 저하를 경험한다.Insulating material located on the wall experiences some degradation of the acoustical properties of the material over time if not uniformly and properly cleaned.
적절하게 설치시키기 위하여 발견될 수 있는 적합한 재료를 제공하는 것은 관통 플레이트를 위한 것과 대체로 유사하다. 그러나, 이 경우에, 얼마나 많은 댐핑이 피드백 매커니즘을 앞지를 필요가 있는 가의 문제가 가장 중요하며, 주요 문제는 흡수 재료가 위치될 필요가 있는 벽들의 수와 양, 특히 요구된 댐핑을 달성할 필요가 있는 재료의 깊이에 관한 것이다.Providing suitable materials that can be found for proper installation is generally similar to that for through plates. In this case, however, the question of how much damping needs to outperform the feedback mechanism is of primary importance, the main problem being the number and amount of walls where the absorbent material needs to be placed, in particular the need to achieve the required damping. It is about the depth of the material that is present.
객관적인 시험으로부터의 결과의 크기 조정은, 각 모드에서의 댐핑의 계산과 함께, 충분한 댐핑으로 구성되는지, 주어진 배치가 피드백 매커니즘을 앞지르기에 충분한 댐핑을 제공하는지의 숙련된 평가를 허용한다.Scaling the results from the objective test, along with the calculation of the damping in each mode, allows a skilled assessment of whether it consists of sufficient damping or whether a given arrangement provides enough damping to outperform the feedback mechanism.
챔버에 흡수를 도입하는 대안적인 해결책은 단면 모드가 보일러에서 관찰된 최대 유동 속도의 최고점 여기 진동수보다 더 큰 진동수를 갖는 다수의 작은 챔버를 생성하는 시도로 챔버를 고체 플레이트로 나누는 것이다.An alternative solution to introduce absorption into the chamber is to divide the chamber into solid plates in an attempt to create a number of small chambers whose cross-sectional mode has a frequency greater than the peak excitation frequency of the maximum flow rate observed in the boiler.
주어진 단면 모드가 존재할 수 있는 최저의 진동수를 결정하는 것은 챔버의 상부에서의 온도이다. 보일러의 상부에서의 온도는 대략 300℃이다. 최저 단면의 고유 모드의 진동수가 300℃의 온도에서 700 Hz보다 더 커지게 하기 위해서, 서브 챔버의 가장 긴 길이가 단지 대략 30 cm이어야 한다. 이것은 챔버를 2개의 핀 튜 브를 각각 둘러싸는 삼각형 서브 챔버 내로 나누는 것에 대응한다.It is the temperature at the top of the chamber that determines the lowest frequency at which a given cross-sectional mode can exist. The temperature at the top of the boiler is approximately 300 ° C. In order for the frequency of the natural mode of the lowest cross section to be greater than 700 Hz at a temperature of 300 ° C., the longest length of the subchamber should be only approximately 30 cm. This corresponds to dividing the chamber into triangular subchambers each surrounding two fin tubes.
최종 해결 전략은 유동과 상당히 상호 작용할 수 있는 음향적 반응으로 이끌어지지 않는 여기를 발생시키는 시도로 비정상 유동에 중점을 두는 것이다. 이것에 접근하는 2개의 방식이 있다. 첫 번째로, 스트로할 수가 최고점 여기 진동수가 단면 모드의 최저 진동수 아래에 유지되도록 감소될 수 있다면, 피드백이 회피되거나 더 높은 유동 속도로 지연될 수도 있다. 두 번째로, 음향 대응의 영향에 덜 통일성 있고, 덜 상관 있으며, 덜 민감한 여기를 생성하도록 유동에서 3차원 효과를 이용할 수도 있다.The final solution strategy is to focus on abnormal flow in an attempt to generate excitation that does not lead to an acoustic response that can interact significantly with the flow. There are two ways to approach this. First, if the number of straws can be reduced to keep the peak excitation frequency below the lowest frequency in the cross-sectional mode, feedback may be avoided or delayed at higher flow rates. Secondly, three-dimensional effects may be used in the flow to produce less uniform, less correlated, and less sensitive excitation to the effects of the acoustic response.
시험은, 43 mm 핀들이, 반대 방향이 아니라, 유동에 대해 핀들의 미부착 단부가 부착된 단부의 상류에 위치하도록 경사져 지향되도록, 표준 방식으로 휘어질 때 아주 상당한 향상이 나타난다는 것을 보여준다. 이 구성은 소음 레벨에서의 향상과 더 높은 속도로 톤의 개시(onset)에서의 하나의 지연을 초래한다.The test shows that a significant improvement is seen when the 43 mm pins are bent in a standard manner such that the unattached end of the pins is tilted upstream of the attached end, not in the opposite direction, to the flow. This configuration results in an improvement in noise level and one delay at the onset of the tone at higher speeds.
250 Hz 부근의 톤의 개시는 표준 43 mm 핀 구성과 비교하여 8.7 ms-l로부터 9.3 ms-l로(7%) 지연되었으나, 감쇠 소음 레벨은 개시에서 더 높은 7 dB이었고 최대에서 3 dB이었다. 420 Hz 부근의 톤은 개시에서의 소음 레벨에서 7 dB과 최대에서 5 dB의 감소와 함께 13.9 ms-l로부터 15.8 ms-l로(14%) 지연되었다. 마지막으로, 690 Hz 톤은 개시에서의 소음 레벨에서 16 dB과 함께 21.1 ms-l로부터 23.6 ms-l로(12%) 지연되었다. The onset of the tone near 250 Hz was delayed from 8.7 ms-1 to 9.3 ms-1 (7%) compared to the standard 43 mm pin configuration, but the attenuation noise level was 7 dB higher at initiation and 3 dB at maximum. The tone near 420 Hz was delayed from 13.9 ms-1 to 15.8 ms-1 (14%) with a decrease of 7 dB at the noise level at the start and 5 dB at the maximum. Finally, the 690 Hz tone was delayed from 21.1 ms-1 to 23.6 ms-1 (12%) with 16 dB at the noise level at initiation.
이들은 톤의 개시에서 대략 10%의 지연을 나타내는 것처럼 보인다. 보일러에 적용하면 이것은 70% 로드에서 보여진 톤이 약 75%로 지연됨을 의미한다. 변형 후에, 93%에서 보여진 톤은 96%로 지연된다.These appear to exhibit a delay of approximately 10% at the onset of the tone. When applied to a boiler, this means that the tones seen at 70% load are delayed by about 75%. After deformation, the tone seen at 93% is delayed to 96%.
도1은 본 발명에 따른 열 교환기를 포함하는 보일러의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a boiler including a heat exchanger according to the present invention.
도2는 도1의 개략적인 수직 단면도이다.2 is a schematic vertical cross-sectional view of FIG.
도3은 도1의 보일러의 대류 챔버의 개략적인 단면 부분의 포괄도이다.FIG. 3 is a comprehensive view of a schematic cross section of the convection chamber of the boiler of FIG.
도4는 도3의 부분의 개략적인 상승된 도면이다.4 is a schematic elevated view of the portion of FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 보일러10: boiler
12 : 버너 출구12: burner exit
14 : 노 챔버14: furnace chamber
16 : 플레임16: flame
18 : 개구18: opening
20 : 측벽20: sidewall
22 : 대류 챔버22: convection chamber
24, 48 : 튜브24, 48: tube
30 : 배기 출구30: exhaust outlet
32 : 물 저장소32: water reservoir
34 : 증기 챔버34: steam chamber
36, 38, 40, 42, 44 : 벽36, 38, 40, 42, 44: wall
Claims (14)
Applications Claiming Priority (2)
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