KR100932677B1

KR100932677B1 - 열전달 장치

Info

Publication number: KR100932677B1
Application number: KR1020047002056A
Authority: KR
Inventors: 도리이가호루
Original assignee: 요코하마 티엘오 가부시키가이샤
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2009-12-22
Also published as: JP4115390B2; US7337831B2; US20040194936A1; WO2003014649A1; JPWO2003014649A1; KR20040036905A

Abstract

열교환기 등의 열전달 장치에서의 열전달관 배후의 박리 후류 영역을 감축하고, 이것에 의해, 열전달 장치의 열전달 작용을 촉진하는 동시에, 열전달 장치의 압력 손실을 저감한다. 열교환기의 열전달 장치는, 열반송 유체(A)와 열전달 접촉하는 선형 또는 관형상의 열전달체(T)와, 열전달체에 대하여 열전달 가능하게 일체화한 열전달핀(F)을 갖는다. 열전달핀은 열전달체의 근방에 배치된 안내핀(10)을 구비하고, 안내핀은 열반송 유체를 열전달체의 배후에 안내하여, 열전달체 배후의 박리 후류 영역(C)을 축소한다. 열반송 유체의 박리점 위치(B)는, 안내핀의 영입각(α), 형상, 위치 및 치수비의 설정에 의해, 열전달체의 정체점(E)으로부터 90° 이상의 각도 위치(β)에 설정된다.

박리 후류, 안내핀, 레이놀즈수, 열교환기, 데드 워터, 열전달관, 선회류

Description

열전달 장치{HEAT TRANSFER DEVICE}

본 발명은, 열전달 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열반송 유체의 박리 위치 제어 수단으로서 기능하는 안내핀을 구비한 열전달 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 유체를 냉각 또는 가열하는 열교환기는, 냉각 또는 가열해야 할 열매체 유체를 유통하는 열전달관을 구비하고, 열전달관의 주위에 공기 등의 열반송 유체를 강제 유동시키도록 구성된다. 열전달관내의 열매체 유체는, 열전달관의 관벽을 통하여 행해지는 열반송 유체와의 열교환에 의해, 냉각 또는 가열된다. 이와 같은 기체를 열반송 유체로 하는 열교환기에서는, 열반송 유체(공기 등)의 열저항이 열전달 성능을 지배하므로, 열반송 유체와 열전달관과의 열전달 접촉 면적을 증대시키는 동시에, 열전달 촉진을 의도한 다종 다양한 형태의 열전달핀이, 열전달관에 부착된다.

예를 들면, 스파이럴 형태의 금속핀을 금속관에 부착하고, 금속관을 지그재그 배치 또는 바둑판 배치로 배열한 구성을 갖는 하이핀 튜브형 열교환기나, 컴팩트형 열교환기의 일종으로서 알려진 핀 튜브형 또는 플레이트 핀·앤드·튜브형의 열교환기가, 각종 발전 시설의 열매체 순환회로, 공기 조화 설비의 열매체 순환회로, 각종 내연기관의 냉각수 순환회로 등에 포함되어 있다.

핀 튜브형 열교환기는, 열전달관내를 유통하는 열매체 유체와, 관외 영역을 유동하는 기류와의 열교환에 의해, 관내의 열매체 유체를 냉각한다. 핀은, 열전달관의 열전달 면적을 증대하고, 관외 기류와 관내 유체와의 열교환 효율을 향상하도록 기능한다. 이와 같은 핀 튜브형 열교환기에 있어서, 열교환기의 성능 향상을 도모하는 수단으로서, 다수의 딤플(dimple) 또는 슬릿을 핀에 형성한 구조의 열교환기가 알려져 있다(일본 특개평8-291988호 공보 등).

그렇지만, 종래의 기술에서는, 핀 형상의 개량에 의해 열전달 촉진 효과를 배증하도록 설계할 수 있었다고 해도, 그 반면, 열교환기의 압력 손실이 그 이상으로 증대하여 버린다는 문제를 회피하기 어렵다. 이 때문에, 핀 형상의 개량에 의해 열전달 작용을 촉진하고, 동시에, 열반송 유체의 압력 손실을 저감하는 것은, 현실에서는 곤란하다고 생각되어 왔다.

도 10은, 종래 구조의 플레이트 핀·앤드·튜브형 공냉식 열교환기를 도시하는 열교환기의 부분 단면도이다.

핀(F)을 관통하는 열전달관(T)에 대하여, 공기류(A)가, 열전달관(T)과 직교하는 방향으로 강제 통풍되어, 핀(F)의 사이에 형성된 유로(P)를 유통한다. 공기류(A)는, 핀(F) 사이의 유로(P)를 열전달관(T)의 외면을 따라 후방으로 유동할 때, 박리점(B)에서 열전달관(T)의 경계면으로부터 박리한다. 박리점(B)의 위치는, 정체점(E)으로부터 각도 β = 약 80°만큼 후방에 위치한다고 생각되고 있다. 공기류(A)는, 이와 같은 박리 현상의 결과, 열전달관(T)의 배후에 충분하게는 돌아 들어 가지 않아, 이 결과, 「데드 워터 영역(dead water zone)」이라고 불리는 박리 후류 영역(C)이, 열전달관(T)의 배후에 형성된다. 박리 후류 영역(C)은, 열교환기의 열전달 작용을 열화시킬 뿐만 아니라, 열교환기의 압력 손실을 증대시킨다.

본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 열전달관 배후의 박리 후류 영역을 감축하고, 이것에 의해, 열교환기 등의 열전달 장치의 열전달 작용을 촉진하는 동시에, 열전달 장치의 압력 손실을 저감할 수 있는 열전달 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 또, 열반송 유체를 강제 송풍하는 송풍기의 부하를 저하하고, 공냉식 열교환기에서의 송풍기 운전시의 소음을 저감하는 공냉식 열교환기를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 더욱이, 열반송 유체의 박리점 위치를 제어하는 간단한 구성의 박리 위치 제어 수단에 의해 박리점 위치를 제어하고, 이것에 의해, 열전달관 배후의 박리 후류 영역을 감축하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해, 예의 연구를 거듭한 결과, 상기 박리점(B)의 위치를 각도 β > 90°의 범위로 이행시킴으로써, 열전달관(T)의 배후에 공기류(A)를 도입하고, 박리 후류 영역(C)을 대폭 축소 또는 해소할 수 있는 것을 확인하고, 이러한 지견에 기초하여, 본 발명을 달성한 것이다.

즉, 본 발명은, 열반송 유체와 열전달 접촉하는 선형 또는 관형상의 열전달체와, 이 열전달체에 대하여 열전달 가능하게 일체화한 열전달핀을 갖는 열전달 장 치에 있어서,

상기 열전달핀은, 상기 열전달체의 근방에 배치된 안내핀을 구비하고, 이 안내핀은, 상기 열반송 유체를 상기 열전달체의 배후에 안내하고, 열전달체 배후의 박리 후류 영역을 축소하도록, 상기 열반송 유체에 대하여 소정의 영입각을 이루는 방향에 배치되는 것을 특징으로 하는 열전달 장치를 제공한다.

본 발명의 상기 구성에 의하면, 열반송 유체(A)는, 안내핀(10)과 열전달체(T) 사이에 형성되는 유로를 열전달체, 안내핀 및 열전달핀과 열전달 접촉하면서 유동한다. 안내핀은, 열반송 유체에 대하여 소정의 영입각(α)을 이루는 방향에 배치되어, 열반송 유체를 열전달체의 배후에 안내한다. 안내핀의 작용에 의해, 열전달관 배후의 박리 후류 영역(C)은 축소되고, 이것에 의해, 열전달 장치의 열전달 작용은 향상되어, 열전달 장치의 압력 손실은 저하된다. 열반송 유체의 일부는, 안내핀을 타고 넘어서 안내핀의 배후로 돌아 들어가, 종방향 와류를 발생시킨다. 이 종방향 와류 효과에 의해, 안내핀의 경사(영입각(α))에 상응해서 편향하는 선회류가, 안내핀의 후방에 발생한다. 선회류는, 과대한 압력 손실을 열전달 장치에 가져오지 않고, 열전달 장치의 열전달 작용을 더욱 향상시킨다.

본 발명은 또, 열반송 유체를 강제 송풍하는 송풍기와, 상기 열전달 장치를 구비하고, 이 열전달 장치의 압력 손실의 저하에 의해 송풍기 운전시의 소음을 저하한 것을 특징으로 하는 공냉식 열교환기를 제공한다. 열전달 장치의 열전달 작용 향상 및 압력 손실 저하에 의해, 소정의 열전달 작용을 확보하기 위해 필요한 열반송 유체의 송풍량이 저하하므로, 강제 송풍하는 송풍기의 부하는 경감된다. 이것에 의해, 송풍기의 전력소비량을 저하할 수 있을 뿐만 아니라, 공냉식 열교환기에서의 송풍기 운전시의 소음을 저하할 수 있다.

본 발명은 더욱이, 선형 또는 관형상의 열전달체와, 이 열전달체에 열전달 가능하게 일체화한 열전달핀을 갖고, 이 열전달핀 사이에 형성된 유로에 열반송 유체를 유통시키는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법으로서,

상기 열전달체의 근방에 안내핀을 배치하고, 이 안내핀의 영입각, 형상, 위치 및 치수비의 설정에 의해, 열전달체에 대한 상기 열반송 유체의 박리점 위치를 이 열전달체의 정체점(E)으로부터 90°이상의 각도 위치로 제어하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 상기 구성에 의하면, 박리점 위치는, 안내핀의 영입각, 형상, 위치 및 치수비의 설정에 의해 설정된다. 박리점 위치는, 열전달체 배후의 박리 후류 영역의 형성 태양을 지배하는 주요 원인이며, 박리 후류 영역의 상태는, 열전달 장치 또는 열교환기의 열전달 성능 및 압력 손실을 결정하는 주요 원인의 하나이다. 따라서, 본 발명의 박리 위치 제어 방법에 의하면, 안내핀의 설정에 의해, 박리점 위치를 제어하여 열전달체 배후의 박리 후류 영역을 감축하고, 열전달 장치 또는 열교환기의 열전달 성능 및 압력 손실을 개선할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 안내핀은, 그 최고부 높이(h)가, 열전달핀의 간격(Pf)의 1/4이상의 치수로 설정되고, 밑변 길이(L)/최고부 높이(h)의 비가 2∼7의 범위내에 설정된다. 바람직하게는, 안내핀의 후류측 단부가 80°∼ 176°의 범위내의 각도 위치(θ₂)(정체점(E)으로부터의 각도 간격(θ₂))에 설정되는 동시에, 후류측 단부와 열전달체 중심 사이의 거리(R')가, 열전달체의 반경(R)에 대하여, R'/R=1.05∼2.6의 범위내의 값으로 설정된다.

안내핀은, 한쪽으로부터 다른쪽으로 연장되도록 한쪽의 열전달핀에만 배열 설치해도, 양쪽의 열전달핀에 쌍을 이뤄 설치해도 좋다. 다른쪽의 열전달핀에만 안내핀을 설치하는 경우, 안내핀의 최고부의 높이(h)는, 바람직하게는, 열전달핀 간격(Pf)의 1/2 이상의 치수로 설정된다. 안내핀은, 예를 들면, 밑변이 열전달핀의 평면에 위치하는 삼각형의 형태를 갖고, 삼각형의 경사변은, 간극의 위치로부터 열반송 유체의 상류측을 향해서 경사진 상방 가장자리를 형성한다. 안내핀을 사다리꼴, 사각형 또는 원호 등의 윤곽으로 형성해도 좋다. 바람직하게는, 안내핀은, 열전달핀을 잘라 세움으로써, 열전달핀에 일체적으로 형성된다.

본 발명의 또 하나의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 열전달체는, 냉각 또는 가열해야 할 열매체 유체를 유통할 수 있는 열전달관(T)으로 이루어지고, 상기 열전달핀은, 열전달관의 관 길이방향으로 소정 간격을 두고 배치된다. 열전달관 및 열전달핀의 표층 부근을 유동하는 열반송 유체와, 열전달관내의 열매체 유체와의 열교환에 의해, 열매체 유체는 냉각 또는 가열된다. 안내핀은, 열전달관의 양측에 대칭으로 배치되고, 열반송 유체의 상류측을 향해서 벌어지고 또한 열전달관의 하류측의 영역을 향해서 수렴하는 열반송 유체의 유로를 안내핀 및 열전달관의 사이에 구획 형성된다. 열반송 유체의 흐름 방향에 대한 안내핀의 영입각은, 5°∼ 60°의 각도 범위내의 소정 각도로 설정되고, 안내핀의 하류단은, 열반송 유체를 상기 열전달관의 배후로 분류(噴流)하는 협소 간극을 형성하도록 열전달관의 관벽으로부터 이간한다. 이와 같은 열전달 장치에 의하면, 열반송 유체는, 안내핀과 열전달관 사이에 형성되는 유로를 열전달관 및 열전달핀과 열전달 접촉하면서 유동한다. 안내핀과 열전달관에 의해, 열반송 유체의 유동 방향으로 서서히 접근하고, 이것에 의해, 열반송 유체의 박리점은, 각도 β > 90°의 위치로 이행하는 동시에, 열반송 유체의 유속은 가속되어, 비교적 고속의 분류가, 상기 간극으로부터 열전달관의 배후로 향한다. 열전달관의 배후로 유입하는 열반송 유체는, 열전달관의 배후에 소위 「데드 워터 영역」이 형성되는 것을 방지하고, 박리 후류 영역을 대폭 축소하고 또는 실질적으로 해소한다. 박리 후류 영역의 축소 또는 해소는, 열전달관과 열반송 유체와의 열전달 작용을 촉진할 뿐만 아니라, 열반송 유체의 압력 손실을 저감한다. 일반적으로는, 압력 손실은, 낮은 레이놀즈수의 열반송 유체를 사용한 경우에 현저하게 증대하는 경향이 있으므로, 본 발명은, 이와 같은 열반송 유체를 사용하는 열교환기에 적용한 경우에, 특히 현저한 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과를 발휘한다.

상기 박리 위치 제어 방법에 있어서, 바람직하게는, 안내핀은, 열전달체의 스팬 방향에 대칭으로 배치되고, 열반송 유체의 흐름 방향에 대한 안내핀의 영입각(α)은, 5°∼ 60°, 바람직하게는, 10°∼ 45°, 더욱 바람직하게는, 10°∼ 30°범위내의 소정 각도로 설정된다. 안내핀의 영입각, 형상, 위치 및 치수비는, 바람직하게는, 안내핀의 후방에 선회류를 생기게 하도록 설정된다. 바람직하 게는, 박리점 위치(β)는, 정체점(E)으로부터 100°이상의 각도 위치로 제어된다.

도 1은, 본 발명에 의한 안내핀을 구비한 플레이트 핀·앤드·튜브형 열교환기의 실시예를 도시하는 단면도,

도 2는, 도 1에 도시하는 열교환기의 확대 단면도,

도 3은, 공기류의 특성을 수류로 모의하여 촬상한 열교환기의 부분 확대 단면도로서, 안내핀을 구비하고 있지 않은 종래의 열교환기의 공기류 특성이, 도 3(A)에 도시되고, 안내핀을 구비한 열교환기의 공기류 특성이, 도 3(B)에 도시되어 있는 도면,

도 4는, 안내핀을 구비한 열교환기의 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과에 관한 실험 결과를 도시하는 선도,

도 5는, 안내핀을 구비한 열교환기의 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과에 관한 다른 실험 결과를 도시하는 선도, 배치도 및 치수비 표,

도 6은, 안내핀을 구비한 열교환기의 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과에 관한 또 다른 실험 결과를 도시하는 선도, 배치도 및 치수비 표로서, 현시점에서 얻어진 최량의 시험 결과의 일예가 표시되어 있는 도면,

도 7은, 안내핀을 구비한 열교환기의 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과에 관한 다른 실험 결과를 도시하는 선도, 배치도 및 치수비 표,

도 8은, 안내핀의 변형예를 도시하는 열교환기의 부분 단면도,

도 9는, 안내핀의 형태 및 배치에 관한 각종 변형예를 도시하는 열교환기의 부분 단면도, 그리고

도 10은, 종래의 플레이트 핀·앤드·튜브형 공냉식 열교환기의 구조 및 공기류의 특성을 도시하는 열교환기의 부분 단면도.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 열교환기의 바람직한 실시예에 대하여, 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는, 플레이트 핀·앤드·튜브형 열교환기의 실시예를 도시하는 단면도이다.

열교환기는, 소정의 상호 간격을 두고 정렬 배치된 복수의 열전달관(T)과, 열전달관(T)과 직교하는 방향으로 정렬 배치된 복수의 플레이트 핀(F)을 구비한다. 열전달관(T) 및 핀(F)은, 동종 금속의 성형품으로 이루어진다. 열전달관(T)은 원형 단면의 열매체 유로를 형성하고, 열전달관(T)에 부착된 핀(F)은, 열전달관(T)과 열전달 가능하게 일체화하고, 광범한 열전달 평면을 열교환기내에 형성한다. 핀(F) 사이에는, 냉각용 공기류(A)를 유통할 수 있는 유로(P)가 구획 형성된다.

비교적 고온의 열매체 유체가 열전달관(T)내를 유통하고, 열매체 유체를 냉각하는 냉각용 공기류(A)가, 열전달관(T)과 직교하는 방향으로 강제 통풍된다. 열교환기를 지나가는 공기류(A)는, 열반송 유체로서 핀(F) 및 열전달관(T)의 경계층을 유동하고, 핀(F) 및 열전달관(T)에 열전달 접촉하여 열을 받고, 열교환기의 하류측 배기구로부터 배기된다.

본 실시예의 열교환기는, 공기류(A)의 박리를 억제하는 박리 억제 수단으로 서, 핀(F)으로부터 융기하는 안내핀(10)을 구비한다. 안내핀(10)은, 삼각형의 윤곽으로 핀(F)을 국소적으로 잘라 세움으로써 형성한 것이며, 핀(F)에는, 안내핀(10)과 상응하는 형태의 개구부(11)가 형성된다. 안내핀(10)은, 각 열전달관(T)의 양측에 쌍을 이루어서 배열 설치되고, 열전달관(T)의 중심축선에 관하여 대칭 형태 및 위치를 갖는다.

도 2에는, 안내핀(10)의 구조 및 위치가 더욱 구체적으로 도시되어 있다.

각 안내핀(10)은, 공기류(A)의 흐름 방향에 대하여, 영입각(α)을 이루고 경사진 방향으로 배향된다. 안내핀(10)에 의해 유로 면적이 규제된 협소 간극(13)이, 안내핀(10)의 후류측 단부(12)와 열전달관(T)의 외주면 사이에 형성된다. 공기류(A)와 직교하는 방향(스팬 방향)에서 단부(12)와 대향하는 열전달관(T)의 근접점(14)이, 단부(12)로부터 거리(S)를 두고 이간된다. 근접점(14)은, 열전달관(T)의 정체점(E)으로부터 각도(θ₁)로 이격된 위치에 위치결정된다. 후류측 단부(12)는, 도 2의 원통좌표계에서, 각도(θ₂)(정체점(E)으로부터의 각도(θ₂)) 및 거리(R')의 위치에 위치결정된다. 바람직하게는, 각도(θ₂)는, 80°∼ 176°의 범위내로 설정되고, 거리(R')(후류측 단부(12)와 열전달관 중심 사이의 거리) : 열전달관 반경(R)의 비가, 1.05∼2.6의 범위내의 값으로 설정된다.

안내핀(10)은, 밑변 길이(L) 및 높이(h)를 갖는 직각 삼각형의 형태를 갖는다. 안내핀(10)과 동일 형태의 개구부(11)는, 안내핀(10)의 밑변에 인접하고, 안내핀(10)에 대하여, 열전달관(T)의 반대측에 위치한다. 안내핀(10)의 높이(정점의 높이)(h)는, 핀(F)의 간격(핀 피치)(Pf) 보다도 약간 작게 설정된다. 바람직하게는, 높이(h)는, 핀 피치(Pf)의 1/4 이상, 더욱 바람직하게는, 1/2 이상의 치수로 설정된다.

이하, 상기 안내핀(10)의 작용에 대하여 설명한다.

공기류(A)는, 열전달관(T) 및 안내핀(10) 사이에 유입한다. 공기류(A)는, 안내핀(10)과 열전달관(T) 사이의 유로폭이 안내핀(10)의 경사를 따라서 서서히 축소함에 따라, 방향을 변화시키면서 가속하고, 간극(13)으로부터 유속 Vc로 후방으로 분류한다. 간극(13)의 분류(속도(Vc))는, 대략, 근접점(14)의 접선방향으로 향한다.

안내핀(10)은, 공기류(A)를 가속하고, 흐름을 안정시킬 뿐만 아니라, 열전달관(T)의 관벽 표면을 따르는 방향으로 공기류(A)를 안내하고, 간극(13)의 분류 방향을 규제한다. 공기류(A)를 유도하는 안내핀(10)의 작용에 의해, 열전달관(T)으로부터의 공기류(A)의 박리 현상이 억제되어, 박리 발생은, 지연된다. 이 결과, 박리점(B)의 위치는, 안내핀(F)을 설치하지 않는 경우와 대비하면, 상당히 후방으로 이동한다. 정체점(E)을 기준으로 한 박리점(B)의 각도 위치(β)는, 안내핀(10)을 설치하지 않는 종래 구조의 것에서는, 80°전후이었던 것에 반해, 본 예의 열교환기에서는, 90°이상의 값, 예를 들면, 100°∼ 135°의 위치에 나타난다. 박리점(B)이 후방으로 이행하는 결과, 공기류(A)는, 열전달관(T)의 배후로 원활하게 돌아 들어가, 공기류(A)의 압력 손실은 저감된다. 이렇게 하여, 안내핀(10)은 박리점(B)의 위치를 제어하는 박리 위치 제어 수단으로서 작용하고, 박리점(B)은 안내 핀(10)의 형상 및 위치에 의해 제어된다.

또, 안내핀(10)의 높이(h)는, 핀 피치(Pf) 보다도 작게 설정되므로, 안내핀(10)의 상방 가장자리(15)와, 핀(F) 사이에는, 간극(G)이 형성된다. 공기류(A)의 일부는, 안내핀(10)을 타고 넘어서 간극(G)으로부터 안내핀(10)의 배후에 돌아 들어가서, 선회 운동을 일으키고, 안내핀(10)의 배후에 종방향 와류를 발생시킨다. 안내핀(10)은 공기류(A)에 대하여 영입각(α)을 이루고 배향되고, 간극(G)은 공기류(A)에 대하여 각도(α) 방향으로 연장되므로, 종방향 와류는 안내핀(10)에 의해 열전달관(T)에 약간 접근하게 편향된다. 이와 같은 종방향 와류의 발생에 의해, 과대한 압력 손실의 증가를 수반하지 않고, 효과적인 열전달 촉진 작용, 예를 들면, 15∼50%의 열전달 촉진 효과가 얻어진다.

도 3은, 공기류(A)의 흐름 특성을 수류로서 모의하여 촬상한 것이다. 안내핀(10)을 구비하고 있지 않은 열교환기에서의 공기류 특성이, 도 3(A)에 도시되는 있고, 안내핀(10)을 구비한 열교환기에서의 공기류 특성이, 도 3(B)에 도시되어 있다.

도 3에 도시하는 각 벡터의 사이즈는, 공기 유속의 크기를 나타낸다. 도 3(A)와 도 3(B)의 대비로부터 명확한 바와 같이, 열전달관 배후의 데드 워터 영역은 안내핀(10)을 설치한 경우, 크게 감축된다.

이렇게 하여, 간극(13)은 열전달관(T)의 안쪽으로 편향한 비교적 고속의 공기 분류를 열전달관(T)의 배후로 돌리고, 공기 분류는, 열전달관(T)의 데드 워터 영역의 대부분을 날려 버리므로, 박리 후류 영역(C)은 축소된다. 이것에 의해, 상 술의 종방향 와류 발생 효과와 더불어, 열교환기의 열전달 성능은 향상되고, 공기류(A)의 압력 손실은 저하된다.

도 4는, 상기 구성의 열교환기에 관한 것으로서, 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과의 실험 결과를 도시하는 선도이다.

실험에 사용된 열교환기는, 지그재그 배열로 배치된 열전달관(T)을 구비하고 있고, 각 부의 치수는, 이하와 같이 설정되었다.

열전달관(T)의 직경 D=30mm

열전달관(T)의 간격 W=75mm

플레이트 핀 피치 H=5.6mm

안내핀 높이 h=5mm

간극(13)의 치수 S=9mm

안내핀(10)의 영입각 α=15°

근접점(14)의 각도 위치 θ₁=110°

본 발명자는, 도 4(A)에 도시하는 바와 같이 최상류측의 관열에만 안내핀(10)을 형성한 제 1 열교환기와, 도 4(B)에 도시하는 바와 같이 최상류 열 및 제 2 관열에 안내핀을 형성한 제 2 열교환기를 사용하고, 광범한 유량범위(레이놀즈수=300∼2000)의 공기류(A)에 관하여, 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과의 실증 시험을 행했다. 열전달 촉진 효과의 시험 결과가, 도 4(C)에 도시되고, 압력 손실 저감 효과의 시험 결과가, 도 4(D)에 도시되어 있다. 또한, 도 4(C)에 서, j/j_GO는, 안내핀(10)을 설치한 경우의 열전달량(j)과, 안내핀을 설치하지 않은 경우의 열전달량(j_GO)의 비율(열전달 효과비)이며, 도 4(D)에서, f/f_GO는, 안내핀(10)을 설치한 경우의 압력 손실값(f)과, 안내핀을 설치하지 않은 경우의 압력 손실값(f_GO)과의 비율(압력 손실비)이다.

도 4(C) 및 도 4(D)에 도시하는 바와 같이, 안내핀(10)을 설치한 본 실시예의 열교환기는, 광역의 유량 범위에서 전체적으로 양호한 열전달 효과 및 압력 손실 저감 효과를 발휘했는데, 특히, 낮은 레이놀즈수의 조건에서는, 현저한 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과가 관측되었다. 레이놀즈수=300∼400 정도의 조건에서는, 열전달 효과비(j/j_GO)는, 약 1.3배에 달하고, 압력 손실비(f/f_GO)는, 약 0.45배로 저하되는 것이 판명되었다.

도 5 내지 도 7은, 상기 구성의 열교환기의 열전달 촉진 효과 및 압력 손실 저감 효과에 관한 다른 시험 결과를 도시하는 선도, 배치도 및 치수비 표이다.

도 5의 시험 결과에 관한 열교환기는, 바둑판 배열로 배치한 열전달관(T)에 대하여 가장 앞열(최상류측)의 관 열에만 안내핀(10)을 배열설치한 구성을 갖고(도 5(B)), 도 6에 도시하는 시험 결과에 관한 열교환기는, 지그재그 배열로 배치한 열전달관(T)에 대하여, 가장 앞열(최상류측)의 관 열에만 안내핀(10)을 구비한 구성을 갖는다(도 6(B)). 또, 도 7에 도시하는 시험 결과에 관한 열교환기는, 바둑판 배열로 배치한 열전달관(T)에 관한 것이고, 각 열의 열전달관(T)에 안내핀(10)을 구비한 구성의 것이다(도 7(B)). 또한, 도 6에는, 현시점에서 얻어진 가장 양호한 시험 결과의 일예가 예시되어 있다.

도 5(A), 도 6(A) 및 도 7(A)에는, 도 5(C), (D), 도 6(C), (D) 및 도 7(C), (D)에 도시하는 열교환기의 각 부의 치수비가 표시되어 있다.

도 5(A) 및 도 6(A)의 선도에 도시하는 바와 같이, 가장 앞열의 열전달관(T)에 안내핀(10)을 설치한 경우, 안내핀(10)을 설치하지 않는 경우와 대비하면, 열전달 효과비(j/j_GO)는 약 1.1∼1.3배의 범위의 값을 나타내고, 압력 손실비(f/f_GO)는 약 0.45∼0.9(f/f_GO)의 값을 나타내었다.

이에 대하여, 열전달 효과비(j/j_GO) 및 압력 손실비(f/f_GO)는, 반드시, 보다 많은 열전달관(T)에 안내핀(10)을 배열설치한 경우에 유리한 결과를 나타낸다고는 할 수 없고, 예를 들면, 도 7(A)의 선도에 도시하는 바와 같이, 반대로, 열전달 효과비(j/j_GO) 및 압력 손실비(f/f_GO)가 불리한 결과를 나타내는 경우가 있다. 이 때문에, 안내핀(10)은, 소망에 따라, 가장 앞열의 열전달관(T)에만 배열설치되고, 또는, 격열 또는 몇열 간격으로 배치된다.

도 8 및 도 9는, 안내핀(10)의 변형예를 도시하는 단면도이다.

안내핀(10)은, 도 8(A)에 도시하는 바와 같이, 핀(F)의 한쪽면에 잘라 세워질 뿐만 아니라, 도 8(B)에 도시하는 바와 같이, 핀(F)의 양쪽면에 잘라 세워도 좋다.

또, 각 안내핀(10)의 형태는, 상술한 직각 삼각형에 한정되는 것은 아니고, 도 9(A)∼도 9(E)에 도시하는 바와 같이, 공기류(A) 방향으로 높이가 서서히 점증 하는 직선적 또는 곡선적인 상방 가장자리(15)를 구비한 임의의 형태(사다리꼴, 사각형, 삼각형 또는 원호 등)로 형성할 수 있다.

게다가, 도 9(F)에 도시하는 바와 같이, 쌍을 이루는 안내핀(10)을 상하의 핀(F)에 대향 배치해도 좋다.

또, 안내핀(10)은, 도 9(G)∼도 9(I)에 도시하는 바와 같이, 핀(F)으로부터 수직으로 융기해도, 또는, 소정의 각도를 이루는 방향으로 측방 경사해도 좋다.

상기 안내핀(10)을 구비한 열교환기의 소음 저감 효과에 대하여서 더욱 설명한다.

일반적으로, 핀 튜브형 열교환기는, 공기를 핀(F) 사이의 유로(P)에 강제 통풍하는 송풍기를 구비하고 있고, 송풍기의 용량은, 송풍량 및 압력 손실에 의해 실질적으로 결정된다.

송풍기의 비소음 레벨(최고효율점)(L_SA)은, 일반적으로 하기식으로 표시된다.

L_SA[dB(A)]=L_A-10×logQPr²

L_SA: 비소음 레벨[dB(A)](Specific Noise Level)

LA: 소음 레벨[dB(A)]

Q: 송풍량[m³/min]

Pr: 압력 손실(전체압)[mmAq]

도 4에 도시하는 시험 결과에 기초하여, 열교환기의 소음 저감 효과를 검토하면, 레이놀즈수 Re=350인 경우, 열전달 성능(j/j_GO)는, 약 1.3배이며(도 4(C)), 압력 손실 저감율은, f/f_GO=0.45 이다(도 4(D)). 열전달 성능의 향상을 고려하면, 동일한 열전달 성능에 대하여 상대적으로 풍량이 저하하므로, 풍량 저하에 따르는 소음 저감 효과가 얻어진다.

그렇지만, 안내핀(10)에 의한 종방향 와류 발생 효과를 고려하면, 종방향 와류의 소음 증대 작용의 영향도 동시에 상정할 수 있다. 이 때문에, 열전달 성능의 향상에 의한 풍량의 저하를 고려하지 않고, 압력 손실만이 저하한 것이라고 가정하면, 이 경우, 단순하게 압력 손실이 45%로 저감한 것으로 간주할 수 있으므로(f/f_GO=0.45), 송풍량(Q)=일정하다고 한 경우, 송풍 압력 저감율(Pr/Pr_GO)=f/f_GO=0.45이기 때문에, 소음 레벨의 저감 효과(△L_A)는, 비소음 레벨을 부여하는 식에 기초하여, 이들의 조건으로부터, 하기식으로 구해진다.

△L_A= 10×logPr²=20×logPr

= 20×log(f/f_GO)= -20×log(f_GO/f)

= -20×log(1/0.45)= -7dB

동일하게, 도 4에 도시하는 시험 결과에서는, 레이놀즈수(Re)=2000인 경우, 압력 손실 저감율은, f/f_GO=0.66 이다. 레이놀즈수(Re)=2000에서의 소음 레벨의 저 감 효과(△L_A)는, 동일하게 하기식으로부터 구해진다.

△L_A = -20×log(1/0.66) = -3.6dB

따라서, 상기 구성의 안내핀(10)을 구비한 강제 대류형의 열교환기에 의하면, 광역의 풍량 범위(Re=300∼2000)에 걸쳐서, 열전달 성능을 손상하지 않고, 소음 레벨을 약 4dB∼7dB 저감할 수 있다. 일반적으로, 핀 튜브형 열교환기는 공조기기 등의 공냉식 냉각 장치로서 사용되고, 많은 경우, 송풍기의 소음이 문제시 되지만, 상기 구성의 열교환기에 의하면, 송풍기의 송풍 부하를 저하하고, 송풍기 운전시의 소음을 크게 저감하는 것이 가능하게 된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명했는데, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위내에서 여러가지 변형 또는 변경이 가능하고, 이 변형예 또는 변경예도 또, 본 발명의 범위내에 포함되는 것은, 말할 필요도 없다.

예를 들면, 상기 실시예의 열교환기는, 비교적 고온의 열매체 유체를 열전달관(T)에 유통시켜, 냉각용 공기류를 유로(P)에 통풍하는 구성의 것이지만, 열매체 유체 및 열반송 유체의 종류 및 상대 온도는 임의로 설정할 수 있고, 예를 들면, 저온의 열매체 유체를 열전달관(T)에 유통시키고, 고온 공기류를 유로(P)에 통풍하는 구성의 열교환기에 본 발명을 적용해도 좋다.

또, 열전달관(T)내를 유통하는 열매체 유체나, 유로(P)를 유통하는 열반송 유체로서, 임의의 유체를 사용할 수 있다.

더욱이, 열전달관(T)의 단면 형상은, 원형 단면에 한정되는 것은 아니고, 각형 단면, 타원형 단면 또는 타원형 단면 등이라도 좋다.

또, 본 발명의 구성은, 열반송 유체와 열전달 접촉하는 선형의 열전달 부재와, 선형 부재에 열전달 가능하게 일체화한 평면적 열전달핀을 구비한 임의의 형식의 열전달 장치에 적용할 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 열전달관 배후의 박리 후류 영역을 감축하고, 이것에 의해, 열교환기 등의 열전달 장치의 열전달 작용을 촉진하는 동시에, 열전달 장치의 압력 손실을 저감할 수 있는 열전달 장치가 제공된다.

또, 본 발명에 의하면, 열반송 유체를 강제 송풍하는 송풍기의 부하를 저하하고, 공냉식 열교환기에서의 송풍기 운전시의 소음을 저감하는 공냉식 열교환기를 제공할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 박리점 제어 방법에 의하면, 열반송 유체의 박리점 위치를 제어하는 간단한 구성의 박리 위치 제어 수단에 의해 박리점 위치를 제어하고, 이것에 의해, 열전달관 배후의 박리 후류 영역을 감축할 수 있다.

Claims

열반송 유체와 열전달 접촉하는 선형 또는 관형상의 열전달체와, 이 열전달체에 대해 열전달 가능하게 일체화한 열전달핀을 갖는 열전달 장치에 있어서,

상기 열전달핀을 상기 열전달체에 직교하는 방향으로 정렬 배치시키고,

상기 열전달핀에 상기 열반송 유체를 상기 열전달체 배후로 안내하기 위한 안내핀을 형성하고,

상기 안내핀은, 상기 안내핀과 상기 열전달체 사이에서 상기 열반송 유체를 가속시키고 열전달체 배후로 안내하여 박리 후류 영역을 축소시키기 위해, 열반송 유체의 상류측을 향해서 벌어지고 열반송 유체의 하류측을 향해서 수렴하도록 경사져 상기 열전달체의 양측에 배치되고,

상기 안내핀의 상류측 단부는 상기 열전달체의 중심보다 상류측에 배치되고, 상기 안내핀의 후류측 단부는 상기 열전달체의 중심보다 하류측에 배치되고,

상기 안내핀은, 열반송 유체의 일부가 안내핀을 타고 넘어서 안내핀의 배후로 돌아 들어가 선회 운동을 일으켜 종방향 와류를 발생시키고 이 종방향 와류에 의해 안내핀의 경사에 상응하여 편향하는 선회류를 안내핀의 배후에 발생시키기 위해, 높이가 열반송 유체의 상류측으로부터 하류측 방향으로 직선적 또는 곡선적으로 서서히 점증하도록 형성되어 있고, 최고부의 높이(h)는 인접한 열전달핀의 간격(Pf)의 1/4 이상이 되고, 밑변 길이(L)/최고부 높이(h)의 비가 2~7이 되도록 치수가 설정되고, 상기 열반송 유체의 흐름 방향에 대하여, 영입각(α) = 5°∼ 60°를 이루어 경사진 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 열전달 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 열반송 유체와 직교하는 방향에서 상기 안내핀의 후류측 단부(12)와 대향하는 상기 열전달체의 근접점(14)이 상기 단부로부터 거리(S)를 두고 이간하고, 상기 후류측 단부(12)는 상기 열반송 유체의 정체점(E)으로부터 80°∼ 176°의 범위내의 각도(θ₂)로 이격된 위치에 설정되는 것을 특징으로 하는 열전달 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 안내핀의 후류측 단부(12)와 상기 열전달체의 중심 사이의 거리(R')는, 이 열전달체의 반경(R)에 대하여, R'/R=1.05∼2.6의 범위내의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 열전달 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 열전달체는 냉각 또는 가열해야 할 열매체 유체를 유통할 수 있는 열전달관으로 이루어지고, 상기 열전달핀은 상기 열전달관의 관 길이방향으로 소정간격을 두고 배치되고,

상기 안내핀의 하류단은, 상기 열반송 유체를 상기 열전달관의 배후에 분류하는 협소 간극을 형성하도록 상기 열전달관의 관벽으로부터 이간하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치.
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열반송 유체가 열전달체의 외면에서 박리하게 되는 박리 위치를 상기 열전달체의 정체점(E)으로부터 90°이상 이격된 각도 위치로 제어하기 위한 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법에 있어서,

선형 또는 관형상의 열전달체를 준비하는 단계,

상기 열전달체로부터의 열전달이 가능하도록, 상기 열전달체에 직교하는 방향으로 열전달핀을 정렬 배치하는 단계, 및

상기 열전달핀에 상기 열반송 유체를 상기 열전달체 배후로 안내하기 위한 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계를 포함하고 있고,

상기 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계는:

상기 안내핀과 상기 열전달체 사이에서 상기 열반송 유체를 가속시키고 열전달체 배후로 안내하여 박리 후류 영역을 축소시키기 위해, 상기 안내핀을 열반송 유체의 상류측을 향해서 벌어지고 열반송 유체의 하류측을 향해서 수렴하도록 경사지게 하여 상기 열전달체의 양측에 배치하는 단계;

상기 안내핀의 상류측 단부를 상기 열전달체의 중심보다 상류측에 배치하고, 상기 안내핀의 후류측 단부를 상기 열전달체의 중심보다 하류측에 배치하는 단계; 및

열반송 유체의 일부가 안내핀을 타고 넘어서 안내핀의 배후로 돌아 들어가 선회 운동을 일으켜 종방향 와류를 발생시키고 이 종방향 와류에 의해 안내핀의 경사에 상응하여 편향하는 선회류를 안내핀의 배후에 발생시키기 위해, 상기 안내핀을, 높이가 열반송 유체의 상류측으로부터 하류측 방향으로 직선적 또는 곡선적으로 서서히 점증하도록 형성하고, 최고부의 높이(h)가 인접한 열전달핀의 간격(Pf)의 1/4 이상이 되고, 밑변 길이(L)/최고부 높이(h)의 비가 2~7이 되도록 상기 안내핀의 치수를 설정하고, 상기 열반송 유체의 흐름 방향에 대하여, 영입각(α) = 5°∼ 60°를 이루어 경사진 방향으로 배향하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계는 상기 안내핀을 상기 열전달체의 스팬 방향에 대칭으로 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법.
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제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계는 상기 열반송 유체와 직교하는 방향에서 상기 안내핀의 후류측 단부(12)와 대향하는 상기 열전달체의 근접점(14)을 상기 단부로부터 거리(S)을 두고 이간하고, 상기 후류측 단부(12)를 상기 열반송 유체의 정체점(E)으로부터 80°∼ 176°의 범위내의 각도(θ₂)로 이격된 위치에 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계는 상기 열반송 유체의 정체점(E)을 기준으로 한 박리점(B)의 각도 위치(β)를 100°∼ 135°의 위치에 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계는 상기 안내핀을 가장 앞열의 열전달체 열에만 배열설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 안내핀을 영입각, 형상, 위치 및 치수비를 설정하여 형성하는 단계는 상기 안내핀을 격열 또는 몇열 간격으로 열전달체 열에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치의 박리 위치 제어 방법.
제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안내핀의 형태는 상기 열반송 유체의 흐름 방향으로 높이가 서서히 점증하는 직선적 또는 곡선적인 상방 가장자리(15)를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전달 장치.
제 15 항에 있어서, 상기 안내핀은 밑변이 열전달핀의 평면에 위치하는 삼각형의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 열전달 장치.
열반송 유체를 강제 송풍하는 송풍기와, 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 열전달 장치를 구비하고, 이 열전달 장치의 압력 손실의 저하에 의해 송풍기 운전시의 소음을 저하한 것을 특징으로 하는 공냉식 열교환기.