KR101004833B1 - 열전달 튜브, 및 이의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

열전달 튜브, 및 이의 제조 및 사용 방법 Download PDF

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토미 타일러
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울버린 튜브, 인크.
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Abstract

본 발명은 개선된 열전달 튜브와 이러한 열전달 튜브의 개선된 형성 방법 및 개선된 사용법을 개시한다. 본 발명은 적어도 하나의 이중의 핵 보일링 공동(55)을 제공하는 냉각 증발기용 보일링 튜브(10)를 개시한다. 본 발명은 적어도 하나의 보일링 튜브를 갖는 개선된 냉각 증발기와, 이러한 보일링 튜브의 제조 방법을 더 개시한다.
냉각 증발기, 열전달 튜브, 핀, 노치, 채널, 냉각제, 쉘

Description

열전달 튜브, 및 이의 제조 및 사용 방법 {HEAT TRANSFER TUBES, INCLUDING METHODS OF FABRICATION AND USE THEREOF}
본 발명은 2002년 4월 19일자로 출원된 가출원 일련번호 제60/374,171호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 일반적으로 열전달 튜브, 및 이의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개선된 보일링 튜브(boiling tube) 및, 개선된 냉각 증발기 또는 칠러(chiller)에서 보일링 튜브를 제조 및 사용하는 방법에 관한 것이다.
산업용 공조 및 냉각 시스템의 구성 장치는 냉각 증발기 또는 칠러이다. 간단하게, 구조물, 장치 또는 주어진 영역을 냉각시키기 위해 냉각 장치는 유닛으로 유입되는 냉각 매체로부터 열을 제거하고, 이러한 회복된(refreshed) 냉각 매체를 공조 또는 냉각 시스템으로 이송한다. 칠러 상의 냉각 증발기는 이러한 과제를 달성하기 위해 액체 냉각제 또는 다른 작동 유체를 사용한다. 냉각제의 냉각 증발기는 물(또는 몇몇 다른 액체)과 같은 냉각 매체의 온도를 공조 또는 냉각 시스템에 사용하기 위해 주변 조건으로부터 얻어지는 것보다 낮게 하강시킨다.
칠러의 하나의 유형은 만액식(flooded) 칠러이다. 만액식 칠러의 적용에서, 복수의 열전달 튜브는 2상(two-phase) 보일링 냉각제의 풀(pool)에 완전히 침지된 다. 냉각제는 대부분 특정 보일링 온도를 갖는 염화불화탄화수소(chlorinated-fluorinated hydrocarbon)(즉, "프레온")이다. 대부분이 물인 냉각 매체는 칠러에 의해 처리된다. 냉각 매체는 증발기로 유입하여 보일링 액체 냉각제에 침지되는 복수의 튜브로 이송되다. 결국, 이러한 튜브는 통상적으로 "보일링 튜브"로서 공지된다. 복수의 튜브를 통과하는 냉각 매체는 그 열이 보일링 냉각제로 전달될 때까지 냉각된다. 보일링 냉각제로부터의 증기는 이 증기를 고압 및 고온으로 압축하는 압축기로 이송된다. 이후, 고압 및 고온 증기는 압력 및 온도를 하강시키기 위해 팽창 장치를 통해 최종적으로 증발기로의 복귀를 위해 응축되는 응축기로 이송된다. 본 기술 분야의 숙련자는 상술한 점이 주지된 냉각 사이클에서 발생한다는 점을 알 수 있다.
냉각제에 침지된 보일링 튜브의 열전달 성능은 튜브의 외부면에 핀을 형성함으로써 개선될 수 있다. 또한, 냉각 매체와 접촉하는 내부 튜브면을 변경함으로써 보일링 튜브의 열전달 능력을 향상시킬 수 있다는 점을 알 수 있다. 내부 튜브면의 이러한 변형의 일예는 튜브의 내부면에 릿지(ridge)를 형성하는 것을 개시한 위더, 주니어(Wither, Jr.) 등에게 허여된 미국 특허 제3,847,212호에 개시되어 있다.
이 핀은 열전달 성능을 더 향상시키기 위해 변경될 수 있다는 점이 공지되어 있다. 예로써, 몇몇 보일링 튜브는 핵 보일링 튜브(nucleate boiling tube)로서 언급되어 있다. 핵 보일링 튜브의 외부면은 그 내부에 작은 냉각 증기 버블이 형성되게 하는 개구를 제공하는 다중의 공동 또는 구멍(종종 보일링 또는 핵형성 위치로서 언급됨)에 형성된다. 증기 버블은 외부 튜브면으로부터 분리 때까지 핵형성 위치 및 성장의 기부 또는 루트에 형성된다. 분리 중에, 부가적인 액체 냉각제는 빈 공간으로 취해지고, 공정은 다른 증기 버블을 형성하도록 반복된다. 이러한 방식으로, 액체 냉각제는 금속 튜브의 외부면에 제공된 복수의 핵 보일링 공동에서 끓거나 또는 증발한다.
쿤닝엄(Cunningham) 등에게 허여된 미국 특허 제4,660,630호에는 튜브의 외부면 상에 노치 형성(notching) 또는 홈 형성(grooving) 핀에 의해 형성된 핵 보일링 공동 또는 구멍이 형성되는 것이 개시되어 있다. 노치는 핀의 평면에 필수적으로 수직한 방향으로 형성된다. 내부 튜브면은 나선형 릿지를 포함한다. 이 특허는 또한 핵 보일링 공동(또는 채널)이 형성되도록 표면 개구보다 넓은 폭을 갖는 핀 팁을 변형시키는 교차-홈 형성(cross grooving) 작동이 개시되어 있다. 이러한 구성은 증기 버블이 열전달 성능을 더 향상시키는 공동을 통해 그리고 좁은 표면 개구를 통해 외향으로 이동하게 한다. 쿤닝엄 등의 특허에 따라 제작된 다양한 튜브는 상표명 TURBO-B(등록 상표)로 월브린 튜브, 인크.(Wolverine Tube, Inc.)에 의해 판매되고 있다. 상표명 TURBO-BⅡ(등록 상표)로 판매되고 있는 다른 핵 보일링 튜브에서, 노치는 핀의 평면과 예각으로 형성된다.
몇몇 열전달 튜브에서, 핀은 핀의 루트 및 인접 쌍의 핀의 측면으로 한정된 보다 큰 개구 또는 채널 위에 놓이는 협소한 간극을 생성하도록 형성된 후 감기고(rolled over) 및/또는 평평하게 된다. 예로는 쿤닝엄 등의 미국 특허 제4,660,630호, 죌러(Zohler)의 미국 특허 제4,765,058호, 죌러의 미국 특허 제 5,054,548호, 니시자와(Nishizawa) 등의 미국 특허 제5,186,252호 및 치앙(Chiang) 등의 미국 특허 제5,333,682호의 미국 특허의 튜브를 포함한다.
핵 보일링 공동의 밀도 및 크기의 제어는 종래 기술에서 알 수 있다. 또한, 공동의 크기 및 냉각제 유형 사이의 상호 관련성도 종래 기술에서 알 수 있다. 예로써, 뵐러(Bohler)의 미국 특허 제5,146,979호는 0.001419 ㎠(0.000220 제곱인치)로부터 0.002838 ㎠(0.000440 제곱인치)까지의 크기의 범위(퍼드(pod)의 총 영역은 총 외부면 영역의 14% 내지 28%임)인 핵 보일링 공동을 갖는 튜브를 채용함으로써 높은 압력 냉각제를 사용하여 성능을 증가시키는 것이 개시되어 있다. 다른 예로써, 소르스(Thors) 등의 미국 특허 제5,697,430호에는 복수의 반경방향으로 외향 연장 나선형 핀을 갖는 열전달 튜브가 개시되어 있다. 튜브 내부면은 복수의 나선형 릿지를 갖는다. 외부면의 핀은 공동을 갖는 핵 보일링 공동을 제공하기 위해 노치된다. 핀 및 노치는 0.00058 ㎠(0.00009 제곱인치)보다 적은 평균 영역 및 튜브의 외부면의 제곱인치당 적어도 2000의 구멍 밀도를 갖는 구멍을 제공하도록 이격된다. 내부면의 나선형 릿지는 소정의 릿지 높이 및 피치를 갖고 소정의 나선각으로 위치된다. 이러한 특허 발명에 따라 제작된 튜브는 상표명 TURBO BⅢ(등록 상표) 주문되고 판매된다.
이러한 산업은 열전달 및 칠러 성능을 개선하기 위해 신규하고 개선된 설계가 계속해서 연구되고 있다. 예로써, 미국 특허 제5,333,682호는 핵 보일링을 증진시키기 위해 핵형성 위치에서 재진입 구멍을 제공하고 튜브의 외부면의 확대된 영역을 제공하도록 구성된 외부면을 갖는 열전달 튜브가 개시되어 있다. 이와 유 사하게, 미국 특허 제6,167,950호에는 핀으로부터의 냉각제의 배출을 증진시키도록 구성된 노치 및 핀 형성면과 함께 응축기에서 사용하기 위한 열전달 튜브가 개시된다. 본 기술 분야에서 이러한 개선점으로 설명된 바와 같이, 최소의 수준에서 제조 비용 및 냉각 시스템 작동 비용을 유지하면서 핵 보일링 튜브의 열전달 성능을 증가시키기 위한 목표가 남아 있다. 이러한 목표는 보다 효율적인 튜브 및 칠러의 설계 및 이러한 튜브 제조 방법을 포함한다. 이러한 목표에 일치하게, 본 발명은 일반적으로 열교환 튜브의 성능을 개선시키고 특히, 만액식 칠러 또는 강하 필름(falling film) 적용에 사용되는 열교환 튜브의 성능을 개선시키는 것에 관한 것이다.
본 발명은 튜브의 열교환 능력을 개선시키기 위해 개선된 핵 보일링 공동을 형성 및 제공하여 종래의 열교환 튜브 및 냉각제 증발기를 개선시켜 하나 이상의 이러한 튜브를 포함하는 칠러의 성능을 개선시킨다. 본 발명의 양호한 실시예는 이중의 보일링 공동 또는 구멍을 하나 이상 갖는 튜브를 포함하는 것임을 알 수 있다. 본 명세서에 개시된 튜브는 고압 냉각제를 사용하는 보일링 적용에 사용시 특히 효과적이며, 저압 냉각제와도 사용될 수 있다.
본 발명은 개선된 열전달 튜브를 포함한다. 본 발명의 개선된 열전달 튜브는 튜브의 외부면이 보일링 액체 냉각제와 접촉하는 보일링 또는 하강 필름 증발 적용에 적절하다. 양호한 실시예에서, 복수의 반경방향 외향으로 연장하는 나선형 핀은 튜브의 외부면에 형성된다. 이 핀은 핵 보일링 공동을 형성하도록 노치되고 팁은 상향 만곡된다. 핀의 루트는 핵 보일링 공동의 체적 또는 크기를 증가시키기 위해 노치될 수 있다. 핀의 상부면은 제2 핵 보일링 공동을 형성하도록 상향 만곡되어 회전된다. 최종 구성은 증발 버블의 개선된 생성을 위한 이중의 공동 또는 채널을 형성한다. 튜브의 내부면은 튜브를 통해 유동하는 냉각 매체와 튜브가 침지되는 냉각제 사이의 열전달을 용이하게 하기 위해 내부면을 따라 나선형 릿지를 제공함으로써 향상될 수도 있다. 물론, 본 발명은 임의의 특정 내부면을 향상시키는 것에 제한되지는 않는다.
본 발명은 개선된 열전달 튜브를 형성하는 방법을 더 포함한다. 본 발명의 방법의 양호한 실시예는 튜브의 외부면에 복수의 반경방향 외향으로 연장하는 핀을 형성하는 단계와, 튜브의 외부면 상의 핀을 만곡시키는 단계와, 튜브를 통해 유동하는 냉각 매체와 튜브가 침지되는 보일링 냉각제 사이의 열전달을 향상시키는 이중의 핵 보일링 공동을 형성하도록 재료 위의 나머지 부분 (노치들 사이의 잔여부)을 노치 형성 및 만곡시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 개선된 냉각제 증발기를 더 포함한다. 개선된 증발기 또는 칠러는 보일링 또는 하강 필름 증발 적용에 적절한 본 발명에 따라 제조된 적어도 하나의 튜브를 포함한다. 양호한 실시예에서, 튜브의 외부는 복수의 반경방향 외향으로 연장하는 핀을 포함한다. 핀은 노치된다. 핀은 열전달이 발생하는 유용한 표면 영역을 증가시키고, 이중의 핵 보일링 공동을 형성하여 열전달 성능을 향상시키도록 만곡된다.
본 발명의 목적은 개선된 열전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 만액식 그리고 하강 필름 증발 적용 양자 모두에 적절한 개선된 열전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이중의 핵 보일링 공동을 하나 이상 형성하는 개선된 열전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보일링 및 하강 필름 적용을 위한 열전달 튜브를 제고하는 방법을 제공하는 것으로, 하나 이상의 이중의 핵 보일링 공동은 튜브의 열전달 성능을 향상시키기 위해 외부 튜브면에 위치된다.
본 발명의 다른 목적은 튜브의 열전달 성능을 향상시키기 위해 대류 증발을 위한 부가적인 표면 영역을 제공하도록 만곡된 외부 튜브면에 핀이 형성되는 적용을 위한 개선된 핵 보일링 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 핀을 설치함으로써 단일 통로로 제작될 수 있는 외부 튜브면에의 표면 광화를 포함하는 열전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 튜브 내측에서의 액체 유동을 용이하게 하고, 내부면 영역을 증가시키고 튜브의 열전달 성능을 향상시키도록 액체와 내부면 영역 사이의 접촉을 용이하게 하는 내부 튜브 면에 대한 표면 향상을 포함하는 열전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이중의 핵 보일링 공동을 하나 이상 형성하는 개선된 열전달 튜브를 제작하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 냉각 증발기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이중의 핵 보일링 공동을 하나 이상 갖는 적어도 하나의 열전달 튜브를 갖는 개선된 냉각 증발기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 열전달 튜브를 갖는 개선된 냉각 증발기를 제공하는 것으로, 튜브들 각각은 복수의 이중의 핵 보일링 공동을 형성한다.
본 발명의 다른 목적은 이중의 핵 보일링 공동에 제공된 적어도 하나의 열전달 튜브를 갖는 개선된 냉각 증발기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다중의 핵 보일링 공동을 형성하도록 핀을 만곡시킴으로써 열전달 튜브를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 특성 및 이점 그리고 다른 특성 및 이점은 첨부하는 도면을 포함하는 본 명세서를 읽음으로써 설명되고 이해할 수 있다.
도1은 본 발명에 따라 제작된 냉각 증발기를 도시한 도면이다.
도2는 본 발명에 따라 제작된 열전달 튜브의 확대된 부분 절단 축단면도이다.
도3은 본 발명에 따라 제작된 열전달 튜브의 양호한 실시예의 확대된 부분 절단 축단면도이다.
도4는 핀-만곡을 수반하는 도2의 튜브의 외부면의 현미경 사진이다.
도5는 도4의 라인 5-5을 따라 취한 단면도이다.
도6은 도4의 라인 6-6를 따라 취한 단면도이다.
도7은 도3의 튜브의 외부면의 사시도이다.
도8는 본 발명의 튜브용 효율과 미국 특허 제5,697,430호에 개시된 발명에 따라 제작된 열교환 튜브의 효율과의 비교 그래프이다.
도9은 본 발명의 튜브의 내부 열전달 성능과 미국 특허 제5,697,430호에 개시된 발명에 따라 제작된 열교환 튜브의 비교 그래프이다.
도10은 본 발명의 튜브의 압력 하강과 미국 특허 제5,697,430호에 개시된 발명에 따라 제작된 열교환 튜브의 비교 그래프이다.
도11는 다양한 열 플럭스(Q/Ao)에서 냉각제(HFC-134a)의 전체 열전달 계수(Uo)를 비교한 그래프이다.
동일한 부분을 동일한 도면 부호로 표시한 도면을 참조할 때, 도1에서 본 발명에 따라 제작된 복수의 열전달 튜브는 일반적으로 도면부호 10으로 표시한다. 튜브(10)는 냉각 증발기(14)에 포함된다. 본 기술 분야의 숙련자들은 알 수 있듯이, 각각의 튜브(10a, 10b, 10c)는 칠러의 증발기(14)에 통상적으로 포함되는 잠재적으로 100개인 튜브(10)를 대표한다. 튜브(10)는 본 명세서에서 설명한 바와 같이 본 발명을 달성하기 위한 적절한 방식으로 고정될 수 있다. 증발기(14)는 보일링 냉각제(15)를 포함한다. 냉각제(15)는 개구(20)에 의해 응축기로부터 쉘(18)로 이송된다. 쉘(18)에서의 보일링 냉각제(15)는 두 개의 상, 액체 및 증기이다. 냉각제 증기는 증기 출구(21)를 통해 증발기 쉘(18)을 떠난다. 본 기술 분야의 숙련 자들은 냉각 증기가 공지된 냉각 사이클에서 사용하기 위해 고온 및 고압 증기로 압축되는 압축기로 이송된다는 점을 알 수 있다.
본 명세서에서 상세히 설명하는 복수의 열전달 튜브(10a 내지 10c)는 임의의 적절한 방식으로 쉘(18) 내에 위치되어 현수된다. 예로써, 튜브(10a 내지 10c)는 배플(baffle) 등에 의해 지지될 수 있다. 이러한 구성의 냉각 증발기는 본 기술 분야에 공지되어 있다. 때때로 물인 냉각 매체는 입구(25)를 통해 입구 저장조(24)로 증발기(14)로 유입한다. 비교적 가열된 상태인 증발기(14)로 유입하는 냉각 매체는 저장조(24)로부터 복수의 열교환 튜브(10a 내지 10c)로 이송되며, 냉각 매체는 보일링 냉각제(15)로 그 열을 전달하다. 차가운 냉각 매체는 튜브(10a 내지 10c)를 통과하고 출구 저장조(27)로 튜브를 나온다. 회복된 냉각 매체는 출구(28)를 통해 증발기(14)를 빠져 나온다. 본 기술 분야의 숙련자들은 이 예의 만액식 증발기(14)는 단지 냉각 증발기의 일예라는 점을 알 수 있다. 흡수 칠러 상의 증발기를 포함하는 증발기의 몇몇 상이한 유형은 본 기술 분야에 공지되어 사용되고 있으며 하강 필름 적용에 채용되고 있다. 본 기술 분야의 숙련자들은 본 발명이 일반적으로 칠러 및 증발기에 적용가능하며, 본 발명이 이러한 종류 또는 유형으로 제한되는 것은 아니다라는 점을 알 수 있다.
도2는 대표적인 튜브(10)의 확대된 절단 평면도이다. 양호한 튜브(10)의 확대 단면도인 도3은 도2와 관련지어 고려되는 것이 용이하다. 우선 도2에서, 튜브(10)는 일반적으로 도면부호 30으로 표시한 외부면과 도면부호 35로 표시한 내부면을 형성한다. 내부면에는 복수의 릿지(38)가 구비되는 것이 바람직하다. 본 기술 분야의 숙련자들은 내부 튜브면이 연성이거나 또는 릿지 및 홈을 가질 수 있거나 또는 이와 달리 향상될 수 있다는 점을 알 수 있다. 따라서, 현재 개시한 실시예에서는 복수의 릿지를 개시하였지만, 이에 제한되지 않는다는 점을 알 수 있다.
예시적인 일 실시예를 살펴보면, 내부 튜브면(35) 상의 릿지(38)는 도3에 도시된 바와 같이 각각 피치("P"), 폭("b") 및 높이("e")를 갖는다. 피치("P")는 릿지(38)들 사이의 거리로 정의한다. 높이("e")는 릿지(38)의 최내측과 릿지(38)의 실링(ceiling; 39) 사이의 거리로 정의한다. 폭("b")은 실링(39)과 접촉을 이루는 릿지(38)의 최상 최외측에서 측정된다. 나선각("θ")은 도3에 도시된 바와 같이 튜브의 축으로부터 측정된다. 따라서, (예시적인 실시예의) 튜브(10)의 내면(35)에는 나선형 릿지(38)가 구비되고, 이러한 릿지는 소정의 릿지 높이와 피치를 갖고 소정의 나선각으로 경사진다. 이러한 소정의 치수들은 특정 적용예에 따라 필요하다면 변경될 수 있다. 예로써, 위더, 주니어(Wither, Jr.) 등의 미국 특허 제3,847,212호에서는 비교적 큰 피치(0.846 ㎝(0.333 인치)) 및 비교적 큰 나선각(51°)의 비교적 적은 수의 릿지가 개시되어 있다. 이러한 인자들은 튜브의 열전달 성능을 향상시키기 위해 선택되는 것이 바람직하다. 내부면을 향상시키는 구성은 본 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있고 본 명세서에서 별도로 자세한 설명은 생략한다. 일예로, 위더, 주니어 등에게 허여된 미국 특허 제3,847,212호에는 내부면을 향상시키는 구성 방법 및 구성이 개시되어 있다.
튜브(10)의 외부면(30)은 전형적으로 초기에 연성이다. 따라서, 본 명세서에서 상세히 설명하는 바와 같이 다수개의 이중의 핵 보일링 공동(55)을 순서대로 제공하는 복수의 핀(50)을 제공하도록 변형되거나 또는 향상될 수 있다는 점을 알 수 있다. 본 발명에서는 이중의 핵 보일링 공동과 관련하여 설명하였지만, 두 개의 공동보다 많은 공동으로 이루어진 핵 보일링 공동(55)을 갖는 열전달 튜브(10)를 포함한다는 점을 알 수 있다. 전형적으로 공동 또는 구멍으로 언급되는 이러한 핵 보일링 공동(55)들은 일반적으로 튜브의 외부면(30) 상에 또는 그 위로 튜브(10)의 구조물에 구비된 개구(56)를 포함한다. 개구(56)는 루프 또는 채널로 액체 냉각제를 지향시키는 작은 순환 시스템으로서 기능을 하여 냉각제가 핵형성 위치와 접촉하게 한다. 이러한 유형의 개구는 전형적으로 튜브를 피닝(finning)하고, 핀의 팁에 일반적으로 종방향 홈 또는 노치를 형성한 뒤 튜브면에 평평한 영역을 제공하고 핀 루트 영역에 채널을 갖도록 외부면을 변형시킴으로써 제조된다.
도2 및 도3에서, 튜브(10)의 외부면(30)은 그 위에 구비된 복수의 핀(50)을 갖도록 형성된다. 핀(50)은 예로써, 쿤닝엄 등의 미국 특허 제4,729,155호를 참조할 때 알 수 있는 방식으로 종래의 피닝 기계를 사용하여 형성될 수 있다. 복수의 굴대(arbor)는 튜브 크기, 처리 속도 등과 같은 제조 요소에 따라 사용된다. 굴대는 튜브 주위의 적절한 각도 증분으로 장착되고, 각각은 튜브축에 대해 경사지게 장착되는 것이 가능하다.
도4 및 도7에 대하여 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 피닝 디스크는 핀(50) 및 비교적 깊은 홈 또는 채널(52)을 형성하기 위하여, 튜브의 외부면(30) 상의 금속을 가압하거나 변형시킨다. 도시한 바와 같이, 채널(52)은 핀(50)들 사이에 형성되며, 양자 모두는 일반적으로 튜브(10)를 중심으로 한 주변부이다. 도3에 도시한 바와 같이, 핀(50)은 채널(52) (또는 홈)의 최내측면(57) 및 핀의 최외측면(58)으로부터 측정될 수 있는 높이를 갖는다. 또한, 핀(50)의 개수는 적용예에 따라 변경될 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 바람직한 핀 높이의 범위는 0.038 ㎝ 내지 0.152 ㎝(0.015 내지 0.060 인치) 사이이며, 바람직한 인치당 핀의 수는 40 내지 70 사이이다. 피닝 작업은 도4 및 도7에 도시된 바와 같이 복수의 제1 채널(52)을 제조한다는 점을 알 수 있다.
핀이 형성된 후, 각각의 핀(50)의 최외측면(58)은 복수의 제2 채널(62)을 제공하도록 노치된다. 이러한 노치 형성은 노치 형성 디스크를 사용하여 수행될 수 있다.(예로써, 쿤닝엄의 미국 특허 제4,729,155호 참조) 제1 채널(52)에 대해 경사지게 위치된 제2 채널(62)은 도4 및 도7에 도시된 바와 같이 서로 상호 연결된다. 미국 특허 제5,697,430호에 개시된 노치 형성 작업은 제2 채널(62)을 형성하고, 복수의 노치(64)를 형성하도록 이러한 노치 형성 작업을 수행하기 위한 하나의 적절한 방법이다. 도3 및 도6에 도시된 바와 같이, 노치(64)는 제1 핵 보일링 공동(72)을 형성하기 위해 제1 채널(52) 위로 적어도 부분적으로 연장한다.
노치가 형성된 후, 핀(50)의 최외측면(58)은 압축 디스크에 의해 평평해지거나 또는 상향 만곡된다.(예로써, 쿤닝엄의 미국 특허 제4,729,155호 참조) 이러한 단계는 예로써 도4 및 도7에 도시된 바와 같이 외형을 생성하도록 각각의 핀의 상부 또는 헤드 위로 평평해지거나 만곡된다. 이러한 작업들은 채널(52, 62)들의 교차점에서 복수의 공동(55)을 생성한다는 점을 알 수 있다. 이러한 공동(55)은 핵 보일링 공동을 형성하고 각각 공동의 크기만큼 형성된다.
평평화된 후, 핀(50)은 롤링 공구에 의해 일단 다시 감기거나 만곡된다. 롤링 작업은 핀(50)을 가로질러 그 위로 힘을 인가한다. 핀(50)은 적어도 부분적으로 핀 노치(64)를 덮어 만곡 핀(50)과 핀 노치(64) 사이에 제2 보일링 공동(74)을 형성하도록 공구에 의해 만곡되거나 감기게 된다. 이러한 제2 핵 보일링 공동(74)은 대류 및 핵형성 보일링을 증진시키기 위해 제1 핵 보일링 공동(72) 위로 여분의 핀 영역을 제공한다. 따라서, 공동(55)은 채널(52, 62)의 교차점에서 형성된다. 각각의 공동(55)은 증기가 빠져나가는 공동 개구(56)를 갖는다. 본 발명의 양호한 실시예에서는 튜브의 성능을 향상시키는 두 개의 핵 보일링 공동 즉, 제1 핵 보일링 공동(72) 및 제2 핵 보일링 공동(74)을 형성한다.
튜브(10)에 형성되는 노치들은 바람직하게는 제1 채널(52) 내에서 핀들 사이("핀 루트 영역")에 형성된다. 이로써 루트면에 루트 노치가 형성된다. 노치 형성은 루트 노치 형성 디스크를 사용하여 달성된다. 다양한 형상 및 크기의 루트 노치가 핀 루트 영역에 노치될 수 있지만, 일반적으로 사다리꼴 형상을 갖는 루트 노치를 형성하는 것이 바람직하다. 임의의 개수의 루트 노치가 각각의 제1 채널(52)의 주위에 형성될 수 있지만, 주변부 당 적어도 20 내지 100, 바람직하게는 47개의 루트 노치가 권장된다. 또한, 루트 노치는 0.0013 내지 0.013 ㎝(0.0005 인치 내지 0.005인치) 사이 그리고 더 바람직하게는 0.0071 ㎝(0.0028 인치)의 루트 노치 깊이를 갖는다.
튜브(10)의 내부면(35) 및 외부면(30) 양자 모두에 대해 향상시키기 위한 것은 외부 열전달 계수(ho) 및 내부 열전달 계수(hi)를 증가시켜 전체 열전달 계수(Uo)를 증가시키고 튜브의 한 측면으로부터 다른 측면으로의 열전달에 대한 총저항(RT)을 감소시킴으로써 튜브의 전체적인 효율을 증가시킨다. 튜브(10)의 내부면(35)의 인자들은 액체가 접촉하게 되는 증가된 표면 영역을 제공하고 액체 내측 튜브(10)를 튜브(10)의 길이에 횡방향으로 소용돌이치게 함으로써 내측 열전달 계수(hi)를 향상시킨다. 소용돌이 유동은 액체가 내부면과 양호한 열전달로 접촉하는 것을 유지시키며, 압력 하강시 바람직하지 못한 증가를 제공하는 초과 난류를 피하게 한다.
또한, 튜브의 외부면(30)을 루트 노치 형성하는 것과 핀(50)의 (전통적으로 평평화에 반대인) 만곡하는 것은 튜브의 외부에서의 열전달을 용이하게 하여 외부 열전달 계수(ho)를 증가시킨다. 루트 노치는 핵 보일링 공동의 개수와 핵 보일링 공동의 크기 및 표면 영역을 증가시켜 습윤된 표면을 유지시키고 표면 장력은 필요로 한 곳에 얇은 필름 보일링을 증가시키는 데 조력한다. 핀 만곡은 튜브의 외부면 위로의 열 플럭스 및 액체/증기 이동에 따라 대류 및/또는 핵 보일링에 의해 제2 핵 보일링 공동(74)으로부터 빠져나가는 상승 증기 버블의 액체 증기 내부-상을 통해 그리고 부가적인 열을 냉각제로 이송하는 기능을 할 수 있는 각각의 제1 핵 보일링 공동(72) 위로 위치된 [제2 핵 보일링 공동(74)과 같은] 부가적인 공동을 형성하게 한다. 본 기술 분야의 숙련자들이 알 수 있는 바와 같이, 외부 보일링 계수는 핵 보일링 항 및 대류 성분 모두의 함수이다. 핵 보일링 항이 통상적으로 대부분 열전달에 기여하지만, 대류항 또한 만액식 냉각 칠러에서 중요하며 가치있는 것이다.
본 발명의 튜브(10)는 널리 상용화된 튜브들 가운데 증발 성능의 선도적인 제품(leading performer)으로 간주되는 [이후 설명하는 표 및 그래프에서 "T-BⅢ(등록 상표) 튜브"로 표시한] 미국 특허 제5,697,430호에 개시된 튜브를 능가한다. [이후에 설명하는 표 및 그래프에서 "신규 튜브"로써 표시하는] 본 발명의 개선된 튜브(10)를 T-BⅢ(등록 상표) 튜브와 비교하기 위해서, 표1은 신규 튜브와 T-BⅢ(등록 상표) 튜브의 수치적 특성을 설명하기 위해 제공된다.
다중-개시 내부 릿지를 구비한 구리 튜브의 수치적 특성
튜브 명칭 T-BⅢ(등록상표) 튜브 신규 튜브
제품명 Turbo-BⅢ(등록상표) Turbo-EDE(등록 상표)
FPI-인치 당 핀(fpi) 60 48
핀의 형태 맹글드(mangled) 맹글드(mangled)
FH = 핀의 높이(인치) .0215 .021
Ao = 실제 외부 영역(ft2/ft) 알수없음 알수없음
di = 내경(인치) .654 .652
e = 릿지 높이(인치) .016 .014
p = 릿지의 축방향 피치(인치) .0516 .0457
NRS = 릿지 시작 개수 34 44
I = 리드 (인치) 1.76 2.01
θ= 축으로부터 릿지의 리드각(°) 49 45
b = 축을 따르는 릿지의 폭(인치) .0265 .0184
표2는 신규 튜브 및 T-BⅢ 튜브의 내부 성능을 비교한다. 튜브들 모두는 5 GPM의 일정한 튜브 내부 유량 및 50 ℉의 일정한 평균 수온에서 비교된다. 표2에서의 비교는 1.905 ㎝(3/4 인치)의 공칭 외측 직경 튜브를 기초로 수행되었다.
다중-개시 내부 릿지를 구비한 실험용 구리 튜브의 튜브측 성능 특성
T-BⅢ 튜브 신규 튜브
u = 내측 튜브 물속도(ft/s) 4.89 4.78
Ci = 내측 열전달 계수 상수(실험 결과로부터) .075 0.077
fD = 마찰 인자[다시(Darcy)] 0.0624 0.0623
Δpe/ft = 피트당 압력 하강 0.187 0.177
Ste/Sts = (향상된/연성) 스탠톤(Stanton) 수의 비율 2.52 2.59
Δpe/Δps = (향상된/연성) 압력 하강비 3.34 3.16
η= (Ste/Sts )/(Δpe/Δps) = 효율 인덱스 0.78 0.82
데이터는 압력 하강의 감소와 신규 튜브로 열전달 효율이 증가하는 것을 보여준다. 표2에 도시되고 도10에서 그래프로 도시한 바와 같이, 5 GPM 일정 유량에서 신규 튜브용 연성 보어 튜브에 대한 압력 하강비(△pe/△ps)는 T-BⅢ 튜브에 대해서 보다 약 5% 적다. 또한, 표2 및 도9에 그래프로 도시된 바와 같이, 신규 튜브의 스탠톤 수 비율(Ste/Sts)은 T-BⅢ 튜브(등록 상표)에서보다 약 2% 높다. 압력 하강 및 스탠톤 수 비율은 압력 하강에 대한 열전달의 총 비로 연합될 수 있고, 연성 보어 튜브와 비교된 압력 하강으로의 열전달의 총 측정치인 "효율(η)"로서 정의된다. 5 GPM에서, 신규 튜브에 대한 효율(η)은 .82이고, T-BⅢ(등록 상표) 튜브에 대한 효율은 .78이므로 도8에서 그래프로 도시한 바와 같이 이러한 GPM에서 신규 튜브는 약 5% 개선된다. 7 GPM에서(일반적인 작동 조건), 보다 높은 퍼센트로 개선될 수 있다.
표3에서는 신규 튜브와 T-BⅢ(등록 상표) 튜브의 외부 성능을 비교한다. 튜브들은 243.84 ㎝(8 피트)의 길이이고, 각각 파치 58.3도의 냉각 온도의 풀에 침지된다. 물 유량은 5.3 ft/s에서 일정하게 유지되고, 입구 물 온도는 모든 튜브에 대한 평균 열 플럭스가 7000 Btu/hr ft2로 일정하게 유지된다. 튜브들은 구리 재료로 제조되고, 1.905 ㎝(3/4 인치) 공칭 외경을 갖고 동일한 벽두께를 갖는다. 모든 실험은 냉각제에 오일을 존재시키지 않으면서 수행되었다.
다중-개시 내부 릿지를 구비한 실험용 구리 튜브의 외측 및 전체 성능 특성
T-BⅢ 튜브 신규 튜브
ho = HFC-134A 냉각제에서 공칭 외측 영역에 근거한 평균 보일링 계수(Btu/hr ft2F) 10,000 13,000
Uo = HFC-134a 냉각제에서 공칭 외측 영역에 근거한 전체 열전달 계수(Btu/hr ft2F) 1,960 2,250
도11은 신규 튜브와 T-BⅢ(등록 상표) 튜브에 대한 변경식 열 플럭스(Q/Ao)들에서의 HFC-134a의 전체 열전달 계수(Uo)를 비교한 그래프이다. 7,000(Btu/hr ft2)에서, T-BⅢ(등록 상표) 튜브를 상회하는 신규 튜브의 향상률은 5GPM(표3 참조)의 물 유량에서 15%이다.
지금까지 설명한 것은 본 발명의 실시예를 도시하고, 설명하고 묘사하는 것을 목적으로 한 것이다. 이러한 실시예의 변경 및 응용이 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 또는 첨부하는 청구범위 내에서 가능하다는 것을 본 기술 분야의 숙련자들은 알 수 있다. 또한, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명이 이중의 핵 보일링 공동과 같은 다중의 공동을 갖는 핵 보일링 공동을 생성하는 독특한 프로파일을 갖는 핀을 제공한다는 점도 알 수 있다. 본 발명은 공동을 생성하고 개선된 열전달 튜브를 형성하는 개선된 제조 방법을 제공하기 위해 임의의 금속을 깎지 않으면서 이러한 독특한 프로파일을 제공한다. 또한, 만액식 칠러에 하나 이상의 튜브들을 사용함으로써 열전달 면에서 개선된 성능을 이룰 수 있다. 따라서, 일예로 양호한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 첨부되는 청구범위 내에서 이루어진다.
본 발명에 의하면, 열교환 튜브의 성능이 개선된 열전달 튜브가 제공된다.

Claims (20)

  1. 열전달 튜브이며,
    외부면을 포함하고,
    상기 외부면은
    a. 복수의 핀 및 내부에 노치가 형성되는 핀들 사이에서 연장하는 복수의 채널과,
    b. 노치와 채널의 교차점에 형성된 하나 이상의 이중의 핵 보일링 공동을 포함하며,
    상기 핵 보일링 공동은 제1 핵 보일링 공동 및 제2 핵 보일링 공동을 포함하고, 상기 제1 핵 보일링 공동은, 상기 채널 위로 연장하는 상기 노치의 적어도 일부분에 의해 형성되고, 상기 제2 핵 보일링 공동은, 상기 노치 위로 연장하는 노치 형성된 핀의 적어도 일부분에 의해 형성되는 열전달 튜브.
  2. 내부면 및 외부면을 가지는 열전달 튜브를 제조하는 방법이며,
    (a) 튜브의 외부면 상에 복수의 핀을 형성하여, 인접하는 핀들 사이에서 연장하는 복수의 채널을 형성하는 단계와,
    (b) 복수의 노치를 형성하도록 상기 핀들 중 적어도 일부에 노치를 형성하여, 제1 핵 보일링 공동을 적어도 부분적으로 상기 채널 및 상기 노치에 의해 형성하는 단계와,
    (c) 제1 핵 보일링 공동과 연통하는 제2 핵 보일링 공동을 형성하도록 노치 형성된 핀의 적어도 일부분을 만곡하거나 평평하게 하는 단계를 포함하는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  3. 개선된 냉각 증발기이며,
    a. 쉘과,
    b. 상기 쉘 내부의 냉각제와,
    c. 상기 쉘 내부에 위치하고 냉각제와 접촉하는 하나 이상의 열전달 튜브를 포함하고,
    상기 열전달 튜브는
    i. 인접하는 핀 사이에서 연장하는 채널을 구비하고 내부에 노치가 형성되는 복수의 핀을 포함하는 외부면과,
    ii. 노치와 채널의 교차점에 형성된 이중의 핵 보일링 공동을 하나 이상 포함하며,
    상기 핵 보일링 공동은 제1 핵 보일링 공동 및 제2 핵 보일링 공동을 포함하고, 상기 제1 핵 보일링 공동은, 채널 위로 연장하는 노치의 적어도 일부분에 의해 형성되고, 상기 제2 핵 보일링 공동은, 노치 위로 연장하는 노치 형성된 핀의 적어도 일부분에 의해 형성되는 냉각 증발기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전달 튜브는 인치 당 40 내지 70개의 핀을 포함하는 열전달 튜브.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 루트 노치는 복수의 채널 내에 형성되는 열전달 튜브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 루트 노치는 전체적으로 사다리꼴 형상을 가지는 열전달 튜브.
  7. 제5항에 있어서, 상기 열전달 튜브는 튜브 주연부 당 20 내지 100개의 루트 노치를 포함하는 열전달 튜브.
  8. 제5항에 있어서, 상기 루트 노치는 0.0013 내지 0.013 ㎝(0.0005 인치 내지 0.005인치)의 깊이를 가지는 열전달 튜브.
  9. 제2항에 있어서, 튜브 내부면 상에 나선형 릿지를 형성하는 단계를 더 포함하는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  10. 제2항에 있어서, 튜브 외부면 상에 복수의 핀을 형성하는 단계는 0.038 ㎝ 내지 0.152 ㎝(0.015 내지 0.060 인치)의 높이를 가지는 핀을 형성하는 단계를 포함하는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  11. 제2항에 있어서, 복수의 채널 중 적어도 몇몇 채널 내에 복수의 루트 노치를 형성하는 단계를 더 포함하는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 루트 노치는 전체적으로 사다리꼴 형상을 가지는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  13. 제3항에 있어서, 상기 열전달 튜브는 인치 당 40 내지 70개의 핀을 포함하는 냉각 증발기.
  14. 제3항에 있어서, 복수의 루트 노치는 복수의 채널 내에 형성되는 냉각 증발기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 루트 노치는 전체적으로 사다리꼴 형상을 가지는 냉각 증발기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 내부면을 포함하고, 상기 내부면은 나선형 릿지를 포함하는 열전달 튜브.
  17. 제11항에 있어서, 복수의 루트 노치를 형성하는 단계는 튜브 주연부 당 20 내지 100개의 루트 노치를 형성하는 단계를 포함하는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 루트 노치는 0.0013 내지 0.013 ㎝(0.0005 인치 내지 0.005인치)의 깊이를 가지는 열전달 튜브를 제조하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 루트 노치는 0.0013 내지 0.013 ㎝(0.0005 인치 내지 0.005인치)의 깊이를 가지는 냉각 증발기.
  20. 제3항에 있어서, 상기 튜브는 내부면을 더 포함하고 상기 내부면은 나선형 릿지를 포함하는 냉각 증발기.
KR1020047016722A 2002-04-19 2003-04-21 열전달 튜브, 및 이의 제조 및 사용 방법 KR101004833B1 (ko)

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