KR101260929B1 - 판형 열교환기용 유입통로 배치물 - Google Patents

Abstract

판형 열교환기용 유입통로 배치물이 개시된다. 배치물은 판형 교환기의 유입통로에 배치될 분산개구부를 갖는 구성요소를 포함한다. 유입통로 배치물(1)은 유입통로(5)에 삽입될 때 대부분 들어맞는 실린더 벽을 형성하도록 배치된다. 실린더 벽은 부분적으로 또는 전체적으로 유입통로의 길이방향과 나란하게 연장되고, 판형 열교환기의 유입통로를 향해 밀접하게 배치되는 적어도 하나의 개구부(6)를 포함한다. 나아가 개구부(6)는 수직에 대하여 일정각도로 일 측방향으로 향하게 된다. 이와 같은 유입통로 배치물(1)의 용도 또한 개시된다.

실린더 벽, 판, 개구부, 슬롯, 유입통로

Description

판형 열교환기용 유입통로 배치물{Inlet arrangement for a plate heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것이며, 더욱 정확하게는 판형 열교환기용 유입통로 배치물에 관한 것이다.

다양한 디자인의 판형 열교환기가 오랫동안 냉방 및 난방 설비에 사용되어 왔으며, 다양한 이유에 따라 장점을 갖는다. 예를 들어, 판형 열교환기는 콤팩트(compact)하고, 부피와 설치에 필요한 공간에 비해 큰 열교환 표면을 갖는다.

흡수식 설비(absorption installations)에서 강하 경막 흡수기(falling film absorbers) 및/또는 강하 경막 재생기(falling film desorbers)로 열교환기가 사용될 때, 교환기에서 열교환 매체의 우수한 분배(distribution)를 달성해야할 과제가 있음이 입증되었다. 이는 매체가 기체 상(phase) 및 액체 상으로 교환기에 들어간다는 사실 때문이다. 기체는 유입통로(inlet channel)의 상부에 집중되는 경향을 갖는다. 결과적으로, 유입통로(inlet)에 가장 근접한 덕트는 먼저 액체로 채워질 것이고, 따라서 유입통로의 끝 부분에 위치하는 덕트들에는 주로 기체가 흐를 것이다. 게다가, 액체는 주로 열교환기에서 수직 하방으로 흐를 것이고, 이는 판의 폭 방향으로 열교환 매체의 분배가 양호하지 못하도록 할 것이다. 열전도와 질량흐름(mass flow)이 다르기 때문에, 열교환기의 열교환 영역은 그러므로 최적으로 활용되지 못한다. 이와 같은 액체와 기체의 고르지 못한 분배는 효율저하의 원인이 된다. 이는 종종 더 넓은 열교환 표면을 갖는 더 큰 열교환기, 또는 예를 들어 미국특허 제4,747,915호에 설명된 바와 같은 개선된 효율을 위한 공지의 분배 시스템과 배치물(arrangement)들을 구비하는 튜브 보일러 교환기(tube boiler exchanger)의 사용에 의해 보상된다. 이는 이론적으로 가능하고 바람직한 것보다 설치를 위해 증가된 공간적 수요와 더 높은 비용을 유발하게 된다.

미국특허 제6,702,006호는, 유입통로(channel)의 개구부(opening)들이 판 위에서의 매체 분포를 개선하기 위하여 변화하는 디자인을 갖는, 판형 열교환기용 유입통로 배치물을 제안한다. 이와 같은 배치물을 구비함에 따라, 매체의 유동방향을 부분적으로 변화시키고, 유입통로의 개구부들을 향해 매체를 밀어냄으로써, 코팅된(coated) 판 상에서 분배가 개선된다. 이와 같은 배치물은 액체표면을 형성하지 못하거나, 본 발명에 의해 제안되는 바와 같이 중력을 이용하지 못한다. 이와 같은 배치물은 액체 또는 기체의 비율이 매우 작은 재생기(desorber) 또는 흡수기(absorber)에서 기능을 다하지 못할 것이다.

본 발명의 중요한 목적은, 특히 압축 또는 흡수 과정에 강하 경막 흡수기 및/또는 강하 경막 재생기의 적용에 의해, 열교환기의 열교환 표면의 전체적인 성능과 효율을 증가시키는 것이다.

나아가, 본 발명은 열교환기의 표면 영역이 개선된 방법으로 활용되는 액체 상 및 기체 상의 혼합물을 포함하는 열교환 매체용 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 기존의 판형 열교환기에 쉽게 이용될 수 있으며, 이미 조립된 열교환기에 쉽게 장착될 수 있는 단순한 구성을 포함하는 배치물을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 첨부된 청구범위에 나타난 바와 같은 배치물에 의해 달성된다.

도 1은, 측면에서 바라본, 본 발명에 따른 유입통로 배치물을 갖는 판형 열교환기의 상부를 도시한 단면도,

도 2는, 유입구 측에서 바라본, 유입통로 배치물을 갖는 도 1의 판형 교환기의 상부를 도시한 도면,

도 3은 액체의 수위 표시를 나타낸, 작동 중의 유입통로 배치물을 도시한 단면도,

도 4는, 측면에서 바라본, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유입통로 배치물을 갖는 판형 교환기의 상부를 도시한 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 조절가능한 유입통로 배치물을 도시한 단면도,

도 6은 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 유입통로 배치물을 갖는 판형 열교환기의 하부를 도시한 단면도.

지금부터 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 설명될 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같이 판형 열교환기(2)에 사용할 유입통로 배치물(1)에 관한 것이다. 배치물의 목적은 교환기 내부의 유입통로(inlet channel)의 하부에 액체표면을 형성하여, 기체와 액체가 교환기의 모든 덕트에 걸쳐 더욱 균일하게 분배되도록 하는 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 유입통로 배치물(1)이 장착된 판형 열교환기(2)의 일부분을 도시한 단면도이다.

판형 열교환기(2)는 판(3)과 판 사이에 다수의 덕트(4)를 형성하도록 디자인된 판(3)들을 포함한다. 덕트(4)는 둘 이상의 그룹으로 배열되어 서로 다른 매체들이 판형 열교환기(2)를 가로질러 구분된 흐름으로 흐르게 할 수 있다. 다수의 판(3)은 실질적인 열교환 표면을 형성하고, 열교환기를 위한 어떠한 큰 공간적 요구도 없이 서로 다른 매체 사이에서의 좋은 열교환이 이루어질 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 배치물(1)은, 길이방향 개구부 또는 슬롯(6)을 갖는 실린더 벽을 형성하기 위하여 준비되는, 판형 교환기의 유입통로(5) 속으로 삽입되는 유연한 강판(flexible steel plate) 또는 강성 파이프(rigid pipe)를 포함한다. 판은 유입통로 깊이의 전체를 커버할 수 있도록 충분히 긴 것이 바람직하다. 그러나, 판의 폭은 길이방향 개구부 또는 슬롯이 유입통로(5)의 길이방향으로 형성되도록 조절된다. 슬롯의 크기 및 그에 따른 판의 크기는 각각의 경우에 따라, 그리고 판형 열교환기의 다양한 디자인과 크기에 적합하게 조절될 수 있다.

도 5에 도시한 두 번째 실시예에서, 유입통로 배치물(1)은 슬롯(6)의 크기를 변화시키기 위하여 상대적으로 이동할 수 있는 두 개의 중첩되는 배치물(1)(7)을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 슬롯(6)의 폭과 방향은, 예를 들어 판들 사이에서 측정되는 온도분포에 따라 제어되는, 모터와 같은 적당한 구동장치에 의해 유입통로 배치물을 회전시킴에 의해 자동적으로 조정될 수 있다.

유입통로 배치물이 열교환기 판을 향해 가압되도록 하기 위한 적합하고 충분한 탄성 이외에, 유입통로 배치물을 위한 부가적인 유지수단(holding means)을 필요로 하지 않는다. 유입통로 배치물은 탄성재료(resilient material)로 만들어지는 것이 바람직하다. 구조물에서의 압력강하(pressure drop)는 열교환기 판(3)을 향해 재료를 가압하는데 기여하고, 슬롯(6)에 개선된 죔(tightening)을 제공하며, 액체의 유입을 방지하도록 막는다.

슬롯(6)을 통과하는 높은 기체속도는 액체를 나란하게 끌고 동시에 열교환기(2) 내의 각 판(3) 위에서 우수한 혼합과 분배를 제공할 것이다. 슬롯(6)의 방향각(angular orientation)(바람직하게 대략 20° 내지 45°사이의) 및 슬롯(6)의 폭은 용량(capacity) 및/또는 양(quantity)과 판(3)의 디자인에 따라 적합하게 조절 될 수 있다. 몇몇의 다른 판형 열교환기용 덕트패턴들이 상업적으로 이용가능하고, 그러므로 폭 및 방향(orientation)은 그에 대응하여 조절되어야만 한다.

수직면에 대한 판형 교환기(2)의 방향은 또한 교환기의 덕트를 통과하는 기체와 액체의 분배에 영향을 미칠 것이다. 그러므로 개선된 용량(productive capacity)을 위하여 방향을 조절하는 것이 유익할 수 있다. 실험을 통해, 각도가 수평면에 대하여 88° 내지 92° 사이이어야 바람직하다는 것이 확인되었다. 최적의 각도는 판들 사이의 온도분포를 측정함에 의해 확인될 수 있다. 실제 각도는 형상과 기체/액체의 속도에 의해 정해질 것이다. 거의 동일한 효과를 얻기 위하여, 유입통로 배치물의 슬롯(6)은 수평면에 대하여 경사를 갖도록 하는 방향으로 놓이게 될 수 있다.

판형 교환기의 각도는 또한 교환기 상의 온도분포에 따라, 예를 들어 결합된 모터 작동기를 갖는 적당한 제어 유닛에 의해, 자동적으로 조정될 수 있음이 분명하다.

상기한 바와 같은 교환기의 경사진 자세(declined position)에 따른 것과 동일한 효과는 대체로, 유입통로(5)의 단부에 액체가 축적되고 압력이 가해지는 것을 보상하기 위하여, 열교환기의 유입통로(5)로부터 내측을 향해 슬롯(6)이 좁아지도록 함에 의해 달성될 수 있다.

유입통로 배치물에서의 액체의 분산(dispersion)은 매체의 속도에 따라 변할 것이다. 그러므로 유입통로 배치물의 가능한 최상의 형상(geometry)은 또한 변경될 수 있다. 이는, 주변의 작동조건, 용량 조정, 시스템의 활용 등에 의존하는 다른 것들 사이에 있다. 유입통로 배치물이 상기한 바와 같이 두 개의 구성요소를 포함할 때, 예를 들어 제어루프(control loop)의 부분을 형성하는 동력구동장치에 의해, 형상이 변경될 수 있다. 또한 열 교환기의 각도를 변경하기 위하여 사용된 것과 동등한 배치물을 사용하는 것이 가능하다.

유입통로 배치물은 슬롯과 나란한 뾰족한 가장자리(sharp edge)(9)를 갖는다. 이 가장자리는 난류(turbulence)를 발생시킬 것이고, 기체와 액체를 효과적으로 혼합할 것이며, 따라서 분배를 개선할 것이다.

유입통로 배치물에 관하여 최적 각도에 대한 의존성을 줄이기 위하여, 뾰족한 가장자리에는, 액체의 수위가 최소값 이상으로 상승할 때, 각 덕트(4)에서 액체의 최소 수위를 확고하게 유지하는 V자 형상의 넘침(overflow) 가장자리를 형성하기 위하여 삼각형 홈(recess: V형 홈(V-groove)과 같은)(10)이 제공될 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같은 일 실시예에서, 유입통로 배치물은 관 형상(tubular)의 디자인을 가지며, 유입통로의 하나 또는 두 단부에 부착된다. 이 실시예에 따른 유입통로 배치물은 유입통로의 지름보다 작은 지름을 가지고, 그러므로 유입통로를 완전하게 밀폐시키지 않을 것이다. 그러나 유입통로 배치물의 개구부는 유입통로에 접할 것이다. 유입통로 배치물의 일 단부는 뒷벽을 향하도록 위치하거나 판에 의해 밀폐될 것이다. 이 실시예는 판형 교환기가 거품 흡수기(bubble absorber)일 때 적합하다. 기체는 유입통로 배치물에 들어가고, 액체는 유입통로 배치물에 근접하게 들어간다.

원칙적으로, 액체와 기체를 모두 유입통로 배치물 속으로 보내는 것이 가능 하여, 슬롯을 관통하여 통과할 때 거품이 액체를 동반하도록 할 수 있을 것이다. 액체가 유입통로 배치물에 남아있는 것을 방지하기 위하여, 기체와 액체가 연속적으로 공급된다.

본 발명에 따른 유입통로 배치물(1)은 경우에 따라 흡수기 또는 재생기로 사용되는 판형 열교환기의 난방 또는 냉방 출력을 3배가 되도록 한다는 것이 확인된 바 있다.

Claims (15)

1. 유입통로 배치물(1)이 유입통로(5)에 삽입될 때 대부분 들어맞는 실린더 벽을 형성하도록 배치되고, 유입통로 배치물(1)이, 판형 열교환기의 유입통로(5)에 배치되고 적어도 하나의 분산 개구부(6)를 갖는, 관 형상 구성요소(tubular element)를 포함하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물에 있어서,

   상기 관 형상 구성요소의 상기 실린더 벽은, 유입통로(5)의 길이방향과 나란하게 연장되고, 판형 열교환기의 유입통로를 향해 밀접하게 배치되며, 그리고 판형 열교환기의 덕트가 연장되는 수직방향에 대하여 일정각도로 일측방향으로 향하게 되는, 적어도 하나의 개구부(6)를 포함하고,

   상기 개구부(6)는 유입통로(5)의 바닥으로부터 20 ~ 45도의 각도로 경사지고 개구부(6)의 길이방향을 따라 뾰족한 가장자리를 갖는 길이방향 슬롯이고, 이로 인해 유입통로의 하부에 액체표면을 형성하여 기체와 액체가 판형 열교환기의 모든 덕트를 통해 균일하게 분배되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 유입통로 배치물은 적어도 하나의 개구부(6)를 갖는 적어도 하나의 실린더 벽 또는 적어도 하나의 판 형상의 탄성재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 유입통로 배치물(1)의 지름은 유입통로(5)의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
6. 제 1항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유입통로 배치물은 동심으로 배열되는 판들 또는 실린더 벽들(1)(7)을 포함하여, 이들의 상대적인 방향이 개구부(6)의 크기를 변경하기 위하여 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 판들 또는 상기 실린더 벽들(1)(7)은 제어유닛에 의해 작동되는 제어장치에 의해 서로에 대하여 제어되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,

   상기 슬롯(6)의 가장자리는 삼각형 홈(10)을 갖도록 제공되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 슬롯(6)은 열교환기의 유입통로(5)로부터 내측으로 좁아지는 통로(passage)를 형성하는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기용 유입통로 배치물.
11. 제 1항의 유입통로 배치물을 재생기 또는 흡수기로 사용하는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 유입통로 배치물(1)은 열교환기의 조립 이후, 판형 열교환기의 유입통로(5)에 배치되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
13. 지면과 수직한 면에 대하여 기울어진 제 1항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 따른 유입통로 배치물(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
14. 삭제
15. 제 13항에 있어서,

    상기 판형 열교환기(2)의 방향은 결합되는 서보모터를 갖는 조정장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.

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