KR101064630B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 내부가 양방으로 관통되어 열기가 흐르도록 하는 하우징(10); 상기 하우징(10)의 내부에 배치되어 그 양단부가 하우징(10) 외부로 관통 노출되는 복수의 수류관(20); 상기 하우징(10) 외부로 노출되어 있는 수류관(20)의 양단부를 밀봉되게 덮어씌우되 수류가 지그재그 형상으로 흐르도록 하는 구획벽(31)이 마련된 한 쌍의 수류안내덮개(30); 상기 수류안내덮개(30) 상에 수류관(20)으로 연결되어 물을 공급하는 물유입구(40); 및 상기 수류관(20)을 경유하여 열교환이 이루어진 물을 배출시키는 물배출구(50)를 포함하여 구성되는 열교환기에 있어서, 상기 수류관(20)은 관체 표면에서 열기류가 난류를 일으켜 수류관(20)과 열기류 간에 열접촉 면적이 최대가 되도록 외형이 불규칙 곡면 형상으로 된 것을 특징으로 한다. 따라서, 열기류와 접촉되는 전열면적이 최대가 되도록 하여 열교환율을 극대화시킬 수 있는 동시에 곡면 형상의 수류관 외주면을 따라 흐르는 열기류가 난류를 일으키면서 이 열기류가 수류관 외주면에 머무는 시간이 길어지도록 하여 이 또한 열교환율을 극대화시킬 수 있게 되면서 결과적으로 열효율이 대폭 상승하게 되는 등의 효과를 얻는다.

열교환기, 수류관, 돌출부, 오목부, 난류, 층류

Description

열교환기{Heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수류관의 외주면을 열기류가 흐르는 방향을 따라 돌출부와 오목부가 연속해서 형성되는 불규칙 곡면 구조로 형성함으로써, 열기류와 접촉되는 전열면적이 최대가 되도록 하여 열교환율을 극대화시킬 수 있는 동시에 곡면 형상의 수류관 외주면을 따라 흐르는 열기류가 난류를 일으키면서 이 열기류가 수류관 외주면에 머무는 시간이 길어지도록 하여 이 또한 열교환율을 극대화시킬 수 있게 되면서 결과적으로 열효율이 대폭 상승하게 되는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 고온의 유체가 가진 열에너지를 저온유체로 보내는 장치를 말하며, 가열기, 냉각기, 증발기 등에 사용된다. 유체로는 기체나 액체가 사용되며 고체와 유체를 함께 사용하는 경우도 있다. 열교환 형식으로는 두 유체 사이에 격판이 있는 격판식, 축열기를 장착하여 열을 전달하는 축열식(재생식) 및 두 유체가 직접 접촉하는 열전달이 이루어지는 직접접촉식 등이 있다.

격판식은 두 유체가 완전히 분리되어 있기 때문에 화학공업, 식품공업 등에서와 같이 유체의 혼합을 피해야 하는 경우나 연소가스로 가열하는 보일러 등에 쓰 이고, 여기서 사용되는 전열면은 대체로 금속관이 쓰이며, 이중관식, 다관식 등이 보급되어 있다. 또한, 금속관의 한쪽면 또는 양면에 핀을 설치하는 경우도 있고, 물결모양의 판을 겹쳐서 격판으로 사용할 때도 많다. 격판식은 단위면적당 전열량에 한계가 있고 전열량에 비해 대형 구조를 갖는다.

축열식의 가장 일반적인 형식은 다공성 재질이나 물결모양의 금속판을 겹친 회전축열체를 두 유체속으로 교대로 통과시켜 열을 교환하는 방식이다. 장치의 규모에 비하여 전열량은 크지만 두 유체가 혼합되는 결점이 있다.

직접접촉식은 가장 효과적으로 열교환이 되지만 두 유체가 혼합되기 때문에 기체와 액체처럼 분리 가능한 유체 사이에서만 사용된다.

한편, 일례로 종래 기술의 열교환기에 대해 개략적으로 살펴보면, 도 1 내지 도 3에서 나타낸 것과 같이, 내부가 양방으로 관통되어 열기가 흐르도록 하는 하우징(1)과, 이 하우징(1)의 내부 전체에 대해 기류와 직교되는 방향으로 연속 배치되어 그 양단부가 하우징(1) 외부로 관통 노출되고 각각 일정간격 이격되어 있는 복수의 수류관(2)과, 상기 하우징(1) 외부로 노출되어 있는 전체 수류관(2)의 양단부를 밀봉되게 덮어씌우되 그 내부에 서로 인접하는 수류관(2)끼리는 서로 연결되도록 하고 맞은편과는 서로 엇갈리게 하여 수류가 지그재그 형상으로 흐르도록 하는 구획벽(3a)이 마련된 한 쌍의 수류안내덮개(3)와, 이 수류안내덮개(3)의 어느 일단부에 연통되어 수류관(2)으로 연결되는 물유입구(4) 및 이 물유입구(4)의 반대편인 수류안내덮개(3)의 어느 타단부에 연통되어 전체 수류관(2)을 경유하여 열교환이 이루어진 물을 배출시키는 물배출구(5)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

그리고, 상기 수류관(2)은 외주면이 원형상인 원관 구조로서, 서로 인접하는 다른 수류관(2)들과 일정간격 이격되어 그 사이로 열기류가 층류를 이루면서 흐르도록 되어 있다.

미 설명 부호 3c는 하우징(1)과 수류안내덮개(3)의 테두리 전체 및 각 구획벽(3a) 간을 서로 방수시킬 수 있도록 이들 사이에 밀봉 개재되는 실링부재를 나타낸 것이다.

이러한 구성을 갖는 종래 기술의 열교환기는 물유입구(4)를 통해 물이 유입되면 수류안내덮개(3) 내의 구획벽(3a)에 의해 구획되는 수류안내덮개(3) 자체의 공간부(3b)하고만 연통되는 수류관(2)들을 통해서 물이 흐르게 되고 다시 반대편의 수류안내덮개(3)의 구획벽(3a)에 의해 구획된 공간부(3b)를 거쳐 이 공간부(3b)와 연통되어 있는 인접 수류관(2)들을 통해 또 다시 반대편의 수류안내덮개(3)로 흐르는 과정을 되풀이하면서 결과적으로 수류가 지그재그 형상으로 수류관(2) 전체를 경유하여 열교환 과정을 거친 후 최종적으로 물배출구(5)로 배출되도록 하는 것이다.

그러나, 이러한 종래 기술의 열교환기는 수류관의 외주면이 원형상으로 되고 서로 인접하는 수류관들과 각각 일정간격 이격된 상태로 배치되는 구조로 되어 있기 때문에, 열기류와 접촉되는 수류관 외주면의 전열면적이 극히 적어 열교환율이 매우 낮아지게 되고, 또한, 원형상의 수류관 외주면을 따라 흐르는 열기류가 난류 발생없이 대부분 층류를 형성하기 때문에 열기류가 수류관 외주면에 머무는 시간이 거의 없어 이 역시 열교환율을 극소화시키게 되면서 결과적으로 열효율이 대폭 하락하게 되는 등의 문제점을 발생시켰다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 수류관의 외주면을 열기류가 흐르는 방향을 따라 돌출부와 오목부가 연속해서 형성되는 불규칙 곡면 구조로 형성함으로써, 열기류와 접촉되는 전열면적이 최대가 되도록 하여 열교환율을 극대화시킬 수 있는 동시에 곡면 형상의 수류관 외주면을 따라 흐르는 열기류가 난류를 일으키면서 이 열기류가 수류관 외주면에 머무는 시간이 길어지도록 하여 이 또한 열교환율을 극대화시킬 수 있게 되면서 결과적으로 열효율이 대폭 상승하게 되는 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는 내부가 양방으로 관통되어 열기가 흐르도록 하는 하우징; 상기 하우징의 내부 전체에 대해 열기류와 직교되는 방향으로 연속 배치되어 그 양단부가 하우징 외부로 관통 노출되고 각각 일정간격 이격되어 있는 복수의 수류관; 상기 하우징 외부로 노출되어 있는 전체 수류관의 양단부를 밀봉되게 덮어씌우되 그 내부에 서로 인접하는 수류관끼리는 서로 연결되도록 하고 맞은편과는 서로 엇갈리게 하여 수류가 지그재그 형상으로 흐르도록 하는 구획벽이 마련된 한 쌍의 수류안내덮개; 상기 수류안내덮개 상에 수류관으로 연결되어 물을 공급하는 물유입구; 및 상기 수류관을 경유하여 열교환이 이루어진 물을 배출시키는 물배출구를 포함하여 구성되는 열교환기에 있어서, 상기 수류관은 관체 표면에서 열기류가 난류를 일으켜 수류관과 열기류 간에 열접촉 면적이 최대가 되도록 수류관 외형이 불규칙 곡면 형상으로 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기에 있어서, 상기 수류관의 불규칙 곡면 형상은 열기류의 진행방향에 대해 직각방향으로 돌출되는 돌출부와 오목부가 연속해서 형성되는 구조로 된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기에 있어서, 상기 수류관의 불규칙 곡면 형상은 돌출부와 오목부 및 돌출부가 반복되는 8자 형상으로 된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기에 있어서, 상기 수류관들은 서로 인접하는 수류관들 끼리 각각의 돌출부는 인접하는 수류관의 오목부와 나란히 배치되고, 또한, 오목부는 인접하는 수류관의 돌출부와 나란히 배치되어 열기류가 지그재그 형상이 되도록 한 것이 바람직하다.

이상에서와 같이, 본 발명의 열교환기는 수류관의 외주면을 열기류가 흐르는 방향을 따라 돌출부와 오목부가 연속해서 형성되는 불규칙 곡면 구조로 형성함으로써, 열기류와 접촉되는 전열면적이 최대가 되도록 하여 열교환율을 극대화시킬 수 있는 동시에 곡면 형상의 수류관 외주면을 따라 흐르는 열기류가 난류를 일으키면서 이 열기류가 수류관 외주면에 머무는 시간이 길어지도록 하여 이 또한 열교환율을 극대화시킬 수 있게 되면서 결과적으로 열효율이 대폭 상승하게 되는 등의 효과를 얻는다.

이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 도 6에서 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 양방이 관통된 하우징(10)과, 이 하우징(10)의 내부 전체에 배치되는 복수의 수류관(20)과, 상기 하우징(10) 외부로 노출되어 있는 수류관(20)의 양단부를 밀봉되게 덮어씌우는 한 쌍의 수류안내덮개(30)와, 이 수류안내덮개(30)에 설치된 물유입구(40) 및 물배출구(50)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 하우징(10)은 내부가 양방으로 관통되어 열기가 흐르도록 하는 관체 형상으로 되어 있다.

상기 수류관(20)은 하우징(10)의 내부 전체에 대해 열기류와 직교되는 방향으로 촘촘하게 연속 배치되는 관체 형상으로, 그 양단부가 하우징(10) 외측면과 동일 평면에 놓이도록 하여 외부로 관통 노출되고 각각 일정간격 이격되어 있는 복수개로 이루어져 있다.

그리고, 상기 수류관(20)은 관체 표면에서 열기류가 난류를 일으켜 수류 관(20)과 열기류 간에 열접촉 면적이 최대가 되도록 수류관(20) 외형이 불규칙 곡면 형상으로 형성되어 있다.

여기서, 상기 수류관(20)의 불규칙 곡면 형상은 열기류의 진행방향에 대해 직각방향으로 돌출되는 돌출부(21)와 오목부(22)가 연속해서 형성되는 구조로 되되, 특히, 돌출부(21)와 오목부(22) 및 돌출부(21)가 반복되는 8자 형상으로 형성되어 있다.

그리고, 상기 수류관(20)들은 서로 인접하는 수류관(20)들 끼리 각각의 돌출부(21)는 인접하는 수류관(20)의 오목부(22)와 나란히 배치되고, 또한, 오목부(22)는 인접하는 수류관(20)의 돌출부(21)와 나란히 배치되어 열기류가 지그재그 형상이 되도록 인접되어 있다.

상기 수류안내덮개(30)는 하우징(10) 외부로 노출되어 있는 전체 수류관(20)의 양단부를 밀봉되게 덮어씌우되 그 내부에 서로 인접하는 수류관(20)끼리는 서로 연결되도록 하고 맞은편과는 서로 엇갈리게 하여 수류가 지그재그 형상으로 흐르도록 하는 복수의 구획벽(31)과 이 구획벽(31)에 의해 구획된 각각의 공간부(32)가 마련된 덮개 형상으로 되어 있다.

예를 들어, 상기 하우징(10)의 외측벽면으로 노출되어 있는 수류관(20)은 열기류가 흐르는 길이 방향을 따라 4열이라고 가정하면, 이에 대응되는 한 쌍의 수류안내덮개(30) 중 일측의 수류안내덮개(30)는 1열과 2,3열 사이 및 2,3열과 4열 사이를 각각 구획하여 밀봉되게 덮어씌울 수 있도록 구획벽(31)들이 마련되고, 그 타측의 수류안내덮개(30)는 1,2열과 3,4열 사이를 각각 구획하여 밀봉되게 덮어씌울 수 있도록 구획벽(31)을 마련함으로써, 전체적인 수류의 흐름이 1열에서부터 4열까지 지그재그 형상을 하여 순차적으로 진행될 수 있게 되는 것이다.

즉, 수류의 흐름을 개략적으로 살펴보면, 물유입구(40)에서 제1열의 수류관(20)을 거쳐온 물은 그 반대편의 수류안내덮개(30)의 공간부(32)를 거쳐 제2열의 수류관(20)으로 안내되고, 다시 수류관(20)을 경유하며 그 건너편의 수류안내덮개(30)의 공간부(32)를 통해 제3열의 수류관(20)으로 안내되는 과정을 지그재그로 반복하면서 4열의 수류관(20)까지 안내되는 동안 물과 열기류 간의 열교환이 이루어지게 된다.

미 설명 부호 35는 하우징(10)과 수류안내덮개(30)의 테두리 전체 및 각 구획벽(31) 간을 서로 방수시킬 수 있도록 이들 사이에 밀봉 개재되는 실링부재를 나타낸 것이다.

상기 물유입구(40)는 수류안내덮개(30) 상에 수류관(20)으로 연결되어 물을 공급하는 관체 형상으로 되어 있다.

상기 물배출구(50)는 수류관(20)을 경유하여 열교환이 이루어진 물을 배출시키는 관체 형상으로 되어 있다.

이러한 구성을 갖는 종래 기술의 열교환기는 물유입구(40)를 통해 물이 유입되면 수류안내덮개(30) 내의 구획벽(31)에 의해 구획되는 수류안내덮개(30) 자체의 공간부(32)하고만 연통되는 수류관(20)들을 통해서 물이 흐르게 되고 다시 반대편의 수류안내덮개(30)의 구획벽(31)에 의해 구획된 공간부(32)를 거쳐 이 공간부(32)와 연통되어 있는 인접 수류관(20)들을 통해 또 다시 반대편의 수류안내덮 개(30)로 흐르는 과정을 되풀이하면서 결과적으로 수류가 지그재그 형상으로 수류관(20) 전체를 경유하여 열교환 과정을 수행한 후 최종적으로 물배출구(50)로 배출되도록 하는 것이다.

그리고, 수류관의 외주면은 열기류가 흐르는 방향을 따라 돌출부와 오목부가 연속해서 형성되는 불규칙 곡면 구조로 되어 있기 때문에 열기류와 접촉되는 전열면적이 최대가 되어 열교환율을 극대화시킬 수 있는 동시에 곡면 형상의 수류관 외주면을 따라 흐르는 열기류가 난류를 일으키면서 이 열기류가 수류관 외주면에 머무는 시간이 길어지면서 이 또한 열교환율을 극대화시킬 수 있게 되는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 열교환기를 나타낸 사시도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 열교환기를 나타낸 분해사시도이다.

도 3은 종래 기술에 따른 열교환기의 수류관 사이를 흐르는 열기류의 층류 흐름을 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 수류안내덮개가 분리된 상태를 나타낸 분해사시도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 수류관을 나타낸 사시도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 수류관 사이를 흐르는 열기류의 난류 흐름을 나타낸 개략도이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1 : 하우징 2 : 수류관

3 : 수류안내덮개 3a : 구획벽

3b : 공간부 3c : 실링부재

4 : 물유입구 5 : 물배출구

10 : 하우징 20 : 수류관

21 : 돌출부 22 : 오목부

30 : 수류안내덮개 31 : 구획벽

32 : 공간부 35 : 실링부재

40 : 물유입구 50 : 물배출구

Claims (4)

1. 내부가 양방으로 관통되어 열기가 흐르도록 하는 하우징(10);과

   상기 하우징(10)의 내부 전체에 대해 열기류와 직교되는 방향으로 연속 배치되어 그 양단부가 하우징(10) 외부로 관통 노출되고 각각 일정간격 이격되어 있는 복수의 수류관(20);

   상기 하우징(10) 외부로 노출되어 있는 전체 수류관(20)의 양단부를 밀봉되게 덮어씌우되 그 내부에 서로 인접하는 수류관(20)끼리는 서로 연결되도록 하고 맞은편과는 서로 엇갈리게 하여 수류가 지그재그 형상으로 흐르도록 하는 구획벽(31)이 마련된 한 쌍의 수류안내덮개(30);

   상기 수류안내덮개(30) 상에 수류관(20)으로 연결되어 물을 공급하는 물유입구(40); 및

   상기 수류관(20)을 경유하여 열교환이 이루어진 물을 배출시키는 물배출구(50);

   를 포함하여 구성되는 열교환기에 있어서,

   상기 수류관(20)은 관체 표면에서 열기류가 난류를 일으켜 수류관(20)과 열기류 간에 열접촉 면적이 최대가 되도록 수류관(20) 외형이 불규칙 곡면 형상으로 되고, 상기 수류관(20)의 불규칙 곡면 형상은 열기류의 진행방향에 대해 직각방향으로 돌출되는 돌출부(21)와 오목부(22)가 연속해서 형성되는 구조이며, 상기 돌출부(21)와 오목부(22) 및 돌출부(21)가 반복되는 8자 형상으로 된 것이고, 상기 수류관(20)들은 서로 인접하는 수류관(20)들 끼리 각각의 돌출부(21)는 인접하는 수류관(20)의 오목부(22)와 나란히 배치되고, 또한, 오목부(22)는 인접하는 수류관(20)의 돌출부(21)와 나란히 배치되어 열기류가 지그재그 형상이 되도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기를 특징으로 하는 열교환기.
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