KR101199708B1 - 열교환 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환 튜브에 관한 것으로, 내부에 유체가 흐를수 있도록 관형상으로 형성되는 튜브번들(11)과, 상기 튜브번들(11)의 내부에 길이방향으로 배치되어 유체의 흐름을 난류로 형성하는 난류형성부재(13)와, 상기 난류형성부재(13)와 튜브번들(11)의 내면 사이에 길이방향으로 삽입되어 고정되고, 응축수가 상기 튜브번들(11)의 내면과 접하는 부분에 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로(17)를 형성하는 응축수 배출부재(15)를 포함한다.
본 발명은 난류 형성에 의해 열교환 효율을 증대시키면서도 응축수 배출이 용이하고, 간단한 구조로 열교환 튜브의 수명도 획기적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

열교환 튜브{Heat exchanging tube}

본 발명은 열교환 튜브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기의 내부에 설치되어 주변의 열을 흡열하거나 주변으로 열이 방열되도록 하는 열교환 튜브에 관한 것이다.

열교환기는 유체가 포함하고 있는 열을 튜브(tube) 또는 판(plate) 형태를 지닌 전열면을 통해 유체 상호간에 열전달을 일으켜 가열, 냉각, 응축 등의 기능을 수행하는 설비로, 난방, 환기, 공조, 냉방 등 다양한 영역에 적용된다.

열교환기는 크게 유체가 흘러가는 관로의 구조에 따라 판형 열교환기와 튜브형 열교환기로 구분되며, 튜브형 열교환기는 대형?중?저압 유체를 제공하거나 부식성이 적은 고압의 유체를 제공하는데 주로 적용된다.

그리고, 튜브형 열교환기의 내부에 설치되는 열교환 튜브는 내부에 유체가 내부로 흐를수 있도록 형성되는 튜브번들을 포함하고, 튜브번들의 내부에는 열교환 효율이 증대되도록 요철면 또는 돌출부를 두는 것이 일반적이다.

그러나, 튜브번들의 내부에 요철면 또는 돌출부를 두는 경우에는 열교환 효율은 증대되나, 열교환 과정에서 발생되는 응축수가 요철면이나 돌출부 사이에 고여 열교환 튜브의 부식을 가속화시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 열교환 효율을 증대시키면서도, 열교환 과정에서 발생되는 응축수에 의한 튜브번들의 부식이 방지되도록 응축수 배출이 용이한 열교환 튜브를 제공하는 것이다.

상기한 언더바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 유체가 흐를수 있도록 관형상으로 형성되는 튜브번들과; 상기 튜브번들의 내부에 길이방향으로 배치되어 유체의 흐름을 난류로 형성하는 난류형성부재와; 상기 난류형성부재와 튜브번들의 내면 사이에 길이방향으로 삽입되어 고정되고, 응축수가 상기 튜브번들의 내면과 접하는 부분에 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로를 형성하는 응축수 배출부재를 포함한다.

상기 난류형성부재는 상기 튜브번들 내경의 90~98%에 해당하는 직경을 갖는 코일스프링이고, 상기 응축수 배출부재는 상기 튜브번들 내경의 2~10% 두께를 갖는 언더바이다.

상기 난류형성부재와 상기 응축수 배출부재 중 적어도 하나 이상은 희생양극 기능을 하는 재질을 적용한다.

상기 희생양극 기능을 하는 재질은 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 중 선택된 1종 이상이다.

상기 알루미늄 합금은 상기 알루미늄의 표면에 부동태 피막 형성을 방해하는 수은, 인듐 중 선택된 1종 이상을 포함한다.

상기 마그네슘 합금은 알루미늄을 포함한다.

상기 튜브번들의 재질은 탄소강 또는 구리 재질이다.

상기 탄소강은 알루미늄 용융 도금이 적용된다.

본 발명은 열교환 튜브에 난류형성부재인 코일스프링을 설치하여 난류 형성 효과를 얻을 수 있도록 함으로써 열교환 효율을 증가시킨다.

또한, 본 발명은 코일스프링과 튜브번들 내면 사이에 응축수 배출부재인 언더바를 설치하여 응축수 배출통로를 형성함으로써 응축수 배출을 용이하게 한다.

또한, 본 발명은 코일스프링과 언더바에 희생양극 기능을 하는 재질을 적용하여 응축수 접촉에 의한 튜브번들의 부식을 방지한다.

따라서 본 발명은 열교환 효율을 증대시키면서도 응축수 배출이 용이하고, 희생양극 기능을 하는 코일스프링과 언더바에 의해 튜브번들의 부식이 방지되며, 특히, 코일스프링과 언더바의 주기적인 교체만으로 열교환 튜브의 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 열교환 튜브의 바람직한 실시예를 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 실시예를 보인 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 열교환 튜브에서 응축수 배출부재의 다른 실시예를 보인 단면도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 열교환 튜브는, 내부에 유체가 흐를수 있도록 형성되는 튜브번들(11)과, 튜브번들(11)의 내부에 길이방향으로 배치되어 유체의 흐름을 난류로 형성하는 난류형성부재(13)와, 난류형성부재(13)와 튜브번들(11)의 내면 사이에 길이방향으로 삽입되어 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로(17)를 형성하는 응축수 배출부재(15)를 포함한다.

도 1과 도 2에 도시된 바에 의하면, 튜브번들(11)은 열교환이 이루어지는 유체가 흐르는 곳으로써 내부에 유체가 흐를 수 있도록 유로가 형성된 직선관 형상으로 형성된다. 본 실시예에서 튜브번들(11)의 단면은 원형으로 형성된다. 그러나, 튜브번들(11)의 단면은 반드시 원형일 필요는 없고 사각형, 타원형 등 다양한 형태가 채용가능하다.

튜브번들(11)의 재질은 열전달 효율의 증대를 위해 전도율이 높은 탄소강 또는 구리 재질이 사용된다. 그리고, 튜브번들의 재질 중 탄소강은 알루미늄 용융 도금이 적용될 수 있다. 튜브번들(11)의 재질에 알루미늄 용융 도금이 적용되면 아래에서 설명될 코일스프링 자체의 부식을 방지하는 역할을 하여 열교환 튜브의 수명을 향상시키는데 기여한다.

난류형성부재(13)로 코일스프링이 사용된다. 튜브번들(11)의 내부에 배치되는 코일스프링은 유체의 흐름을 난류로 형성하여 열교환을 촉진한다. 난류 형성이 많으면 열전달계수가 높아져 열교환량이 많아지고 열교환 효율이 향상된다. 코일스프링은 튜브번들(11) 내경의 90~98%에 해당하는 직경을 가진 코일스프링이 사용된다.

코일스프링은 튜브번들(11) 내경의 90% 미만이면 튜브번들 내부의 중앙부와 가장자리에 층이 형성되어 열교환이 되지 않은 유체가 빠져나가게 되므로 난류 형성 효과가 미비하고 튜브번들(11)의 내부에 고정되기 어려울 수 있다. 그리고, 코일스프링은 튜브번들(11) 내경의 98%를 초과하면 튜브번들(11) 내면과 밀착되어 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로(17)의 확보가 어려울 수 있다. 코일스프링으로 인해 응축수 배출이 어려우면 정체된 응축수에 의한 튜브번들(11)의 부식을 오히려 가속화시킬 수 있다.

난류형성부재(13)의 재질은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 이들을 주성분으로 하는 합금중 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 이들을 주성분으로 하는 합금은 알루미늄 합금, 마그네슘 합금이 해당된다. 알루미늄, 마그네슘은 탄소강이나 구리보다 전기화학적으로 낮은 전위를 갖는다.

난류형성부재(13)의 재질을 알루미늄, 마그네슘, 및 이들을 주성분으로 하는 합금중에서 선택하는 것은 난류형성부재(13)을 튜브번들(11)의 부식을 방지하기 위한 희생양극으로 적용하기 위함이다.

희생양극이란, 보호하고자 하는 튜브번들(11)의 재질(탄소강 또는 구리)보다 전기화학적으로 낮은 전위를 갖는 상술한 금속(알루미늄, 마그네슘)을 의미한다.

이러한 희생양극은 튜브번들(11)의 재질보다 전위가 낮아 튜브번들(11)과 전기적으로 연결된 상태에서 응축수와 같은 전해질에 노출되면 튜브번들(11) 대신 부식되어 튜브번들(11)을 보호하는 역할을 한다.

모든 금속은 부식환경과 접하게 되면 표면에 전기적 이중층을 형성하고 고유한 전위값을 갖게 된다. 금속의 전위는 금속의 이온화경향에 의해 결정되며 이온화경향이 큰 금속의 전위는 작은 금속의 전위에 비해 낮은 값을 갖게 된다. 그리고, 부식은 양극반응이므로 전위가 낮은 금속이 부식하게 되는 것이다.

구체적으로, 희생양극 기능을 하는 재질은 알루미늄, 마그네슘 중 선택된 1종이 사용될 수도 있고, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금 중 선택된 1종을 사용할 수 있다.

예를 들어, 알루미늄 98 중량%, 마그네슘 2 중량% 합금일 수 있다.

알루미늄을 주성분으로 하는 합금은 알루미늄의 표면에 부동태 피막 형성을 방해하는 수은(Hg), 인듐(In) 중 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다. 부동태 피막은 금속을 부식으로부터 보호하는 기능을 하므로 희생양극으로써의 기능을 수행하기 위해서는 부동태 피막이 형성되지 않아야 한다.

마그네슘을 주성분으로 하는 합금은 마그네슘의 수명을 연장시키는 금속으로 알루미늄이 포함될 수 있다. 마그네슘은 반응성이 좋아 희생양극 재질 중에서도 손상이 가장 잘 발생한다. 따라서 마그네슘의 수명을 연장시키기 위해 알루미늄이 더 포함될 수 있다.

상술한 부동태 피막 형성을 방해하는 금속은 상기 희생양극 기능을 하는 재질 총 중량에 대하여 1~5중량% 범위로 포함될 수 있다.

참고로, 희생양극 기능을 하는 재질로 아연 및 아연 합금이 있으나, 아연의 경우 고온에서 강도 유지가 어려워 재기능을 수행하기 어려우므로 아연 및 아연 합금은 제외하기로 한다.

응축수 배출부재(15)는 열교환 과정에서 발생되는 응축수의 배출을 용이하게 하는 응축수 배출 통로(17)를 제공하기 위한 것이다. 응축수 배출부재(15)는 응축수가 모이는 튜브번들(11)의 하단부에 해당되는 튜브번들(11)의 내면과 난류형성부재(13)인 코일스프링 사이에 삽입된다. 응축수 배출부재(15)는 튜브번들(11)의 내면과 코일스프링 사이에 삽입되면 코일스프링의 탄성력에 의해 삽입된 상태가 고정된다.

본 실시예에서 응축수 배출부재(15)는 튜브번들 내경의 2~10% 두께를 갖는 원형 또는 사각바 형태의 언더바(bar)를 채용한다.

언더바는 도면상 6시 방향에 해당되는 튜브번들(11)의 내면과 코일스프링의 사이에 튜브번들(11)의 길이방향으로 삽입된다. 도면상 6시 방향의 튜브번들(11)의 내면과 코일스프링 사이에 언더바를 삽입하는 것은 응축수가 튜브번들(11)의 하부로 모이기 때문이다.

응축수 배출부재(15)는 튜브번들(11)과 일체로 형성하지 않고 별도로 형성하여 교환이 가능하도록 한다. 이는 응축수 배출부재(15)도 난류형성부재(13)인 코일스프링과 마찬가지로 튜브번들(11)의 부식을 방지하기 위한 희생양극으로 적용하기 위함이다.

응축수 배출부재(15)의 재질은 코일스프링과 마찬가지로 튜브번들(11)의 재질(탄소강 또는 구리)보다 전기화학적으로 낮은 전위를 갖는 알루미늄, 마그네슘, 및 이들을 주성분으로 하는 합금중 선택된 1종 이상에서 채용할 수 있다.

물론, 난류형성부재(13)와 응축수 배출부재(15) 중 하나만 희생양극 기능을 하는 재질을 적용할 수도 있다.

응축수 배출부재(15)의 두께는 응축수 배출부재(15)의 교체주기 및 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로(17) 확보 그리고 난류형성부재(13)인 코일스프링의 직경 등의 요소를 고려한 것이다.

응축수 배출부재(15)의 두께가 튜브번들(11) 내경의 2% 미만이면, 응축수 배출부재(15)는 코일스프링과 튜브번들(11)의 내면 사이에 삽입된 상태에서 고정이 어렵고, 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로(17) 확보도 어려울 수 있으며, 10%를 초과하면 교체주기는 연장되나 코일스프링과 튜브번들(11)의 내면 사이에 삽입이 어려울 수 있다. 또한, 응축수 배출부재(15)의 두께가 20%를 초과하면 응축수 배출 통로(17)가 자체공간을 만들어 열교환이 되지 않은 유체가 빠져나가게 되는 통로가 되므로 오히려 열교환이 방해된다.

도 3을 참조하면, 응축수 배출부재(15)는 본 실시예에서 제시한 언더바외에도 언더바 2개가 튜브번들의 길이방향으로 평행하게 설치되어 응축수 배출 통로를 형성하는 구조, 하부에 응축수 배출 통로를 형성하는 '∩'자형 등 응축수가 튜브번들의 내면과 접촉되는 곳이면 다양한 형태가 채용될 수 있다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만 응축수 배출부재(15)는 측면에 응축수 배출 통로를 형성하는 'ㄷ'자형을 채용할 수 도 있다.

응축수 배출부재(15)는 언더바가 원형 또는 사각형 바 형태면 그 기능을 충분히 수행한다. 하지만 이 외에도 다른 실시예가 가능함을 밝히기 위해 도 3의 다른 실시예가 제시된다.

이하에서는 본 발명의 작용을 설명하기로 한다.

본 발명은 열교환 튜브(1)를 구성하는 튜브번들(11)의 내부에 길이방향으로 난류형성부재(13)인 코일스프링을 설치하고, 코일스프링과 튜브번들 내면 사이에 응축수 배출부재(15)인 언더바를 설치한다.

또한, 튜브번들(11)은 탄소강 또는 구리 재질로 제조하고 추가로 알루미늄 용융 도금이 적용될 수 있으며, 코일스프링과 언더바는 알루미늄, 마그네슘 및 상기 성분을 주성분으로 하는 합금중 선택된 1종 이상으로 제조하여 희생양극 기능을 갖도록 한다.

이때, 코일스프링은 튜브번들 내경의 90~98%에 해당하는 직경을 갖도록 하고, 언더바는 튜브번들 내경의 2~10% 두께를 갖도록 하여 언더바가 코일스프링에 의해 튜브번들 내부에 고정될 수 있도록 한다.

또한, 언더바는 도면상 응축수가 모이는 튜브번들(11)의 하부에 배치한다.

이에 따라, 열교환 과정에서 발생되는 응축수가 코일스프링을 따라 튜브번들(11)의 하부로 모이고, 모인 응축수는 언더바에 의해 형성되는 응축수 배출 통로를 따라 배출된다.

이때, 열교환 튜브(1)의 사용시간이 경과하면서 응축수가 튜브번들(11)에 접촉되더라도 튜브번들(11)보다 전위가 낮은 코일스프링과 언더바가 부식되므로 튜브번들(11)의 부식이 방지된다.

또한, 튜브번들(11) 내부를 통과하는 유체는 코일스프링에 의해 난류로 형성되므로 열교환 효율도 증가하게 된다.

따라서, 주기적인 검사를 통해 코일스프링과 언더바만 교체해주면 튜브번들(11)의 수명 즉, 열교환 튜브(1)의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1:열교환 튜브 11:튜브번들
13:난류형성부재 15:응축수 배출부재
17:응축수 배출 통로

Claims (8)

1. 내부에 유체가 흐를수 있도록 관형상으로 형성되는 튜브번들과;
   상기 튜브번들의 내부에 길이방향으로 배치되어 유체의 흐름을 난류로 형성하는 난류형성부재와;
   상기 난류형성부재와 튜브번들의 내면 사이에 길이방향으로 삽입되어 고정되고, 응축수가 상기 튜브번들의 내면과 접하는 부분에 응축수 배출을 위한 응축수 배출 통로를 형성하는 응축수 배출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 난류형성부재는 상기 튜브번들 내경의 90~98%에 해당하는 직경을 갖는 코일스프링이고,
   상기 응축수 배출부재는 상기 튜브번들 내경의 2~10% 두께를 갖는 언더바인 것을 특징으로 하는 것을 열교환 튜브.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 난류형성부재와 상기 응축수 배출부재 중 적어도 하나 이상은 희생양극 기능을 하는 재질을 적용함을 특징으로 하는 열교환 튜브.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 희생양극 기능을 하는 재질은 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은 상기 알루미늄의 표면에 부동태 피막 형성을 방해하는 수은, 인듐 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 마그네슘 합금은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 튜브번들의 재질은 탄소강 또는 구리 재질인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 탄소강은 알루미늄 용융 도금이 적용된 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.

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