KR101292300B1 - 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기 - Google Patents

3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1유체와 제2유체의 대향 유동 통로인 3차원 채널의 일측면을 형성하도록 제1파형의 요철이 반복형성된 제1주표면부를 포함한 제1호일; 제1주표면부의 일측면과 맞닿아 3차원 채널의 타측면을 형성하도록 제1파형과 위상차를 갖는 제2파형의 요철이 반복형성되는 제2주표면부를 포함한 제2호일; 3차원 채널을 구성하는 제1주표면부의 일측면 및 제1주표면부의 일측면과 마주하는 제2주표면부의 일측면 사이로 제2유체를 공급하는 제2유입부; 제2유체와 대향 유동하도록 3차원 채널을 구성하는 제1주표면부의 타측면으로 제1유체를 공급하는 제1유입부; 제1유체가 유출되는 제1유출부; 및 제2유체가 유출되는 제2유출부;를 포함하는 열교환 셀이 하나 이상 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구현하여 열교환 효율이 개선되는 효과가 있다.

Description

3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기{Primary surface heat exchanger with three-dimensional heat exchanging channel}
본 발명은 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 대향 유동하는 유체의 와류를 용이하게 형성하는 3차원 열교환 채널을 구비하여 열교환 효율이 향상되고 제작이 간편한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기에 관한 것이다.
가스터빈은 브레이튼 사이클의 원리를 이용한 회전동력기관으로 건설, 플랜트, 조선, 발전, 바이오매스(예를 들어, 식물바이오매스, 동물바이오매스, 도시쓰레기 바이오매스 등) 등의 분야에 적용되며 예를 들어 항공기, 기차, 선박, 발전기, 전차 등의 구동에 사용된다. 또한 소형화된 가스터빈으로써 1kW 미만에서 수백 kW의 출력을 갖는 마이크로터빈도 여러 기술적 장점 및 친환경적 특성으로 인해 기술개발이 활발히 진행되어 왔으며 보급이 확대되는 추세이다.
도 1은 종래의 가스터빈의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 가스터빈은 대략 압축기(10), 열교환기(20), 연소기(30), 및 가스터빈(40)을 포함하여 구성된다. 압축기(10)는 대기에서 흡입된 공기를 가압한다.
열교환기(20)는 압축기(10)에서 가압한 상대적으로 저온의 압축공기(1)와 가스터빈(40)에서 배출된 상대적으로 고온의 배출가스(2) 사이의 열교환을 통해 가스터빈(40)의 열효율을 높인다. 이때 압축공기(1)는 상대적으로 고온인 배출가스(2)와 서로 대향 유동하면서 열전달을 받는다.
열교환 후의 고온의 압축공기는 연소기(30)에서 연료와 혼합되어 연소하여 더 고온의 배출가스가 발생한다. 이러한 배출가스가 가스터빈(40)을 구동하게 되며 가스터빈(40)을 구동하고 난 고온의 배출가스(2)는 폐열 회수를 위해 열교환기(20)로 이송된다. 그리고 열교환기(20)를 통과한 상대적으로 저온의 배출가스는 외부로 배출된다.
이러한 방식으로 열교환기(20)를 통해 고온의 배출가스(2)의 잔존하는 열에너지를 회수함으로써 가스터빈(40) 또는 마이크로 터빈의 발전 효율이 향상된다. 또한 도시되지 않았으나 열교환 후 약 200℃정도 되는 저온의 배출가스를 다시 2차 열교환기로 이송하여 온수를 만들기도 한다.
도 2는 한국등록특허 제789037호의 터빈용 열교환기를 도시한 사시도이다. 터빈용 열교환기(60)는 대략 복수의 오목부(63)가 형성된 시트(61) 및 플레이트(62)로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 복수의 플레이트(62) 사이에 주름진 시트(61)가 구비되며 시트(61) 표면에는 플레이트(62) 사이를 흐르는 배출가스(2) 또는 압축공기(1)가 와류패턴을 형성하도록 오목부(63)가 다수개 형성된다.
이러한 형태의 터빈용 열교환기(60)는 마이크로터빈과 같은 장치 내에서 사용하기에는 부피대비 전열면적(㎡/㎥)이 낮아 소형화가 어려운 문제점이 있었다.
KR789037 10
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 서로 대향 유동하는 유체의 와류를 용이하게 형성하는 3차원 열교환 채널을 구비하여 열교환 효율이 향상되고 제작이 간편한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 제1유체와 제2유체의 대향 유동 통로인 3차원 채널의 일측면을 형성하도록 제1파형의 요철이 반복형성된 제1주표면부를 포함한 제1호일; 제1주표면부의 일측면과 맞닿아 3차원 채널의 타측면을 형성하도록 제1파형과 위상차를 갖는 제2파형의 요철이 반복형성되는 제2주표면부를 포함한 제2호일; 3차원 채널을 구성하는 제1주표면부의 일측면 및 제1주표면부의 일측면과 마주하는 제2주표면부의 일측면 사이로 제2유체를 공급하는 제2유입부; 제2유체와 대향 유동하도록 3차원 채널을 구성하는 제1주표면부의 타측면으로 제1유체를 공급하는 제1유입부; 제1유체가 유출되는 제1유출부; 및 제2유체가 유출되는 제2유출부;를 포함하는 열교환 셀이 하나 이상 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기에 의해 달성될 수 있다.
그리고 제1파형은 제1주표면부의 평면상에 특정 진폭 및 특정 주기로 연장되어 형성되고, 제2파형은 제2주표면부의 평면상에 제1파형과 동일한 진폭 및 주기를 갖고 위상차는 반주기가 되도록 연장되어 형성된다.
그리고 제1,2파형은 제1,2호일의 횡 방향으로 연장된다.
그리고 제1,2주표면부는 제1,2호일의 중앙에 위치한다.
그리고 제1,2주표면부 각각의 외곽은 사다리꼴 형상이다.
또한 제1호일의 윗변은 제1주표면부의 윗변과 나란하고 제1호일의 아랫변은 제1주표면부의 아랫변과 나란하며, 제2호일의 윗변은 제2주표면부의 윗변과 나란하고 제2호일의 아랫변은 제2주표면부의 아랫변과 나란하다.
또한 제1유입부는 제1주표면부의 일측 빗변에 접하고 제1유출부는 상기 제1주표면부의 타측 빗변에 접하고 제2유입부는 제1유출부와 대응되는 제2주표면부의 일측 빗변에 접하고 제2유출부는 제2주표면부의 타측 빗변에 접한다.
그리고 제1,2유입부는 유입되는 제1,2유체의 유동이 균일하게 분배되도록 요철이 형성된 제1,2유입 분배판;을 포함하고, 제1,2유출부는 유출되는 상기 제1,2유체의 유동을 균일하게 분배하도록 요철이 형성된 제1,2유출 분배판;을 포함한다.
또한 제2유입 분배판 및 제2유출 분배판에 형성된 요철은 제1호일 또는 제2호일의 일측변의 적어도 일부분과 평행하도록 연장되어 형성된다.
그리고 제2유입부로 제2유체가 공급되는 유입구와 제2유출부에서 제2유체가 배출되는 배출구는 제2유입부와 제2유출부의 차압이 감소하도록 폭이 상이하게 형성된다.
그리고 제1호일 및 제2호일은 유체의 유동분배가 균일하도록 양 빗변이 만곡되어 형성된 사다리꼴 형상이다.
그리고 열교환 셀의 일측 모서리가 원통면의 원주를 이루도록 열교환 셀의 평면이 만곡되어 적층된다.
본 발명에 따르면, 3차원 열교환 채널의 유동통로를 대향 유동하는 저온의 압축공기와 고온의 배출가스가 3차원 채널에 의해 2차 와류를 형성하여 열교환 효율이 개선되는 효과가 있다.
또한 제1주표면부 및 제2주표면부의 외곽을 사다리꼴로 형성하여 저온의 압축공기가 3차원 열교환 채널로 균일하게 유동분배되는 효과가 있다. 또한 제1주표면부의 외곽형상인 사다리꼴의 양 빗변과 마주하는 제1호일의 양 측변을 만곡시켜 제1호일의 양 측변이 직선형태인 경우에 비해 저온의 압축공기의 유동분배가 향상되는 효과가 있다. 마찬가지로 제2호일의 양 측변을 만곡시켜 저온 압축공기의 유동분배가 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명의 제2실시예에 따른 제2호일은 저온의 압축공기가 유입되는 유입구의 폭보다 열교환 후의 고온의 압축공기가 유출되는 유출구의 폭이 더 크므로 유입부 및 유출부 사이의 압력 차이가 감소하는 효과가 있다. 그리고 유입구와 유출구의 폭이 상이하므로 제1호일과 제2호일의 조립과정에서 반대로 조립되는 등 오조립되는 것을 방지하여 불량률을 낮출 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 가스터빈의 구성을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 한국등록특허 제10-789037호의 터빈용 열교환기를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 열교환 셀의 분해사시도,
도 4는 도 3에 도시된 열교환 셀이 용접된 상태의 제1호일측 평면도,
도 5는 도4에 도시된 열교환 셀의 제2호일측 평면도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 3차원 열교환 채널을 세로로 절개한 부분 측단면도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널의 부분 확대 사시도,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널의 부분 확대 평면도,
도 9는 도 8의 A-A선을 따라 절개한 측단면도,
도 10은 도 8의 B-B선을 따라 절개한 측단면도,
도 11은 도 8의 C-C선을 따라 절개한 측단면도,
도 12는 도 8의 D-D선을 따라 절개한 측단면도,
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 열교환 셀의 제2호일측 평면도,
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기의 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
<열교환 셀의 구성 및 기능>
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 열교환 셀의 분해사시도이다. 도 4는 도 3에 도시된 열교환 셀이 용접된 상태의 제1호일측 평면도이고 도 5는 도4에 도시된 열교환 셀의 제2호일측 평면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하여 열교환 셀(100)의 각 구성요소를 상세하게 설명한다. 이하에서 언급되는 '좌측' 및 '우측'은 도면상의 좌측 및 우측을 의미한다. 또한 이하에서는 제1유체를 고온의 배출가스(2)로, 제2유체를 저온의 압축공기(1)로 예시하여 설명하도록 한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 열교환 셀(100)은 대략 제1호일(110), 제2호일(120), 제1,2유입부(130A, 130B), 및 제1,2유출부(140A, 140B)를 포함한다.
제1호일(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 전체적으로 양 측변(114)이 완만하게 만곡된 사다리꼴 형상의 금속 시트이다. 제1호일(110)은 양 측변(114)으로부터 내측으로 소정간격 이격되어 제1호일(110)의 중앙에 형성된 제1주표면부(111)를 포함한다. 제1주표면부(111)는 외곽이 사다리꼴 형상이며 사다리꼴의 윗변(또는 길이가 짧은 변) 및 아랫변(또는 길이가 긴 변)이 제1호일(110)의 대응하는 윗변(113) 및 아랫변(115)과 각각 평행하게 인접하도록 배치된다. 제1호일(110)의 양 측변(114)과 제1주표면부(111) 사이에는 평면부가 형성된다.
제1주표면부(111)에는 도 3에 도시된 바와 같이 파형의 요철이 형성된다. 구체적으로 제1주표면부(111)는 도 4에 도시된 바와 같이 특정 주기(T1)와 진폭을 갖고 제1주표면부(111)의 횡 방향으로 연장되는 제1파형(112)의 형태로 요철형성된다. 또한 제1파형(112)의 요철은 제1주표면부(111)의 종방향으로 반복되어 형성된다. 이러한 제1파형(112)의 요철은 돌출부의 폭과 함몰부의 폭이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어 제1주표면부(111)의 함몰부의 폭이 돌출부의 폭보다 넓게 형성된다.
제2호일(120)은 제1호일(110)의 외곽 형상과 동일하게 양 빗변이 완만하게 만곡된 사다리꼴 형상의 금속 시트이다. 제2호일(120)은 양 빗변으로부터 내측으로 소정간격 이격되어 제2호일(120)의 중앙에 형성된 제2주표면부(121)를 포함한다. 제2주표면부(121)는 제1주표면부(111)와 겹쳐져 열교환용 3차원 채널을 형성하도록 제1주표면부(111)의 외곽과 동일한 사다리꼴 형상의 외곽을 갖고 제1주표면부(111)와 동일한 위치에 배치된다.
제2주표면부(121)에는 도 4에 도시된 바와 같이 제1파형(112)과 위상차를 갖는 파형의 요철이 형성된다. 예를 들어 제2주표면부(121)에는 제1파형(112)과 진폭 크기가 동일하고 주기(T2)도 동일한 제2파형(122)이 제1파형(112)과 반주기(T1/2)의 위상차를 갖도록 배치된다. 다만, 위상차는 제1파형(112) 및 제2파형(122)의 진폭, 요철의 함몰부 및 돌출부의 폭 등 파형 요철의 형상에 맞추어 3차원 채널을 통과하여 흐르는 유체의 와류 형성이 활발히 일어나기 적합하도록 1/3주기(T1/3), 1/4주기(T1/4) 등 다양하게 결정될 수 있다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이 제2주표면부(121)상에는 제2파형(122)의 요철이 종방향으로 반복되어 형성된다. 이러한 제2파형(122)의 요철은 돌출부의 폭과 함몰부의 폭이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어 제2주표면부(121)의 함몰부의 폭이 돌출부의 폭보다 좁게 형성된다.
상술한 구성의 제1호일(110) 및 제2호일(120)은 스테인리스 강, 철, 니켈계 합금 등과 같은 금속재질로 이루어진다. 또한 제1호일(110) 및 제2호일(120)은 열전달이 용이하고 힘을 주면 휘어질 정도의 두께를 갖는다. 제1호일(110)은 제1파형(112)의 요철이 횡 방향으로 반복형성된 금속시트를 양 측변이 만곡된 사다리꼴 형상으로 절단한 후 제1주표면부(111)를 제외한 나머지를 프레스로 평평하게 압착하여 형성된다. 제2호일(120)은 제2파형(122)의 요철이 횡 방향으로 반복형성된 금속시트를 제1호일(110)과 동일한 방식으로 절단 및 압착하여 형성한다.
제1유입부(130A)는 상대적으로 고온인 배출가스(2)의 유입통로이다. 제1유입부(130A)는 고온의 배출가스(2)의 균일한 유동분배를 위해 제1유입 분배판(131A)을 포함한다. 제1유입 분배판(131A)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 횡 방향으로 연장되는 직선형의 요철이 종 방향으로 반복형성된 금속재질의 판이다. 제1유입 분배판(131A)은 좌측변이 제1주표면부(111)의 우측 빗변에 평행하고 우측변이 제1호일(110)의 우측 만곡변(114)과 평행하게 형성된다. 제1유입 분배판(131A)의 가로폭은 제1주표면부(111)의 우측변부터 제1호일(110)의 우측변까지의 폭에 비례하되 좀 더 짧을 수 있고 세로폭은 제1호일(110)의 아랫변부터 제1호일(110)의 우측 만곡변(114)까지의 폭과 동일하거나 좀 더 짧을 수 있다.
제1유출부(140A)는 열교환 후의 배출가스(2')의 유출통로이다. 제1유출부(140A)는 배출가스(2')의 균일한 유동분배를 위해 제1유출 분배판(141A)을 포함한다. 제1유출 분배판(141A)은 도 3 및 도4 에 도시된 바와 같이 제1유입 분배판(131A)의 좌우가 뒤바뀐 형상과 동일하다.
제2유입부(130B)는 상대적으로 저온인 압축공기(1)의 유입통로이다. 제2유입부(130B)는 저온 압축공기(1)의 균일한 유동분배를 위해 제2유입 분배판(131B)을 포함한다. 제2유입 분배판(131B)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 제2호일(120)의 좌측변을 따라 곡선형으로 연장되는 요철이 제2호일(120)의 내측 하방으로 서로 평행하게 반복형성된 금속재질의 판이다. 제2유입 분배판(131B)은 우측변이 제2주표면부(121)의 좌측 빗변에 평행하고 좌측변이 제2호일(120)의 좌측 만곡변과 평행하게 형성된다. 제2유입 분배판(131B)의 가로폭은 제2주표면부(121)의 좌측변부터 제2호일(120)의 좌측변까지의 폭에 비례하되 좀 더 짧을 수 있고 세로폭은 제2호일(120)의 아랫변부터 제2호일(120)의 좌측 만곡변까지의 폭과 동일하거나 좀 더 짧을 수 있다.
제2유출부(140B)는 열교환 후의 압축공기(1')의 유출통로이다. 제2유출부(140B)는 압축공기(1')의 균일한 유동분배를 위해 제2유출 분배판(141B)을 포함한다. 제2유출 분배판(141B)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 제2유입 분배판(131B)의 좌우가 뒤바뀐 형상과 동일하다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 3차원 열교환 채널을 세로로 절개한 부분 측단면도이다. 도 3 내지 6을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 열교환 셀(100)의 각 구성요소간 연결관계를 설명한다.
먼저 제2호일(120)의 좌측 평면부상에 제2유입부(130B)가 형성되고 제2호일(120)의 우측 평면부상에 제2유출부(140B)가 형성된다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2호일의 좌측 평면부상에 제2유입 분배판(131B)의 우측 빗변이 제2주표면부(121)의 대응하는 좌측 빗변에 접하도록 제2유입 분배판(131B)이 고정된다. 이와 대응하여 제2호일(120)의 우측 평면부상에는 제2유출 분배판(141B)이 고정된다. 이렇게 도 5에 도시된 바와 같이 저온 압축공기(1)가 제2유입부(130B)로 유입되어 제2주표면부(121)상의 요철을 따라 유동하고 제2유출부(140B)로 유출될 수 있도록 제2유입 분배판(131B) 및 제2유출 분배판(141B)이 고정된다.
다음으로 제1호일(110)이 제2호일(120) 위에 형상맞춤되도록 중첩된다. 구체적으로 제1파형(112) 요철의 함몰부가 제2파형(122) 요철의 돌출부와 맞닿도록 제1주표면부(111)와 제2주표면부(121)의 대응면이 서로 중첩된다. 즉 도 6에 도시된 바와 같이 서로 폭이 동일한 제1주표면부(111)의 함몰부와 제2주표면부(121)의 돌출부가 맞닿아 유동통로를 형성하게 된다. 동시에 중첩된 제1호일(110)과 제2호일(120)의 외곽 형상이 제1호일(110) 또는 제2호일(120)의 외곽 형상과 동일하도록 제1호일(110)과 제2호일(120)이 중첩된다. 이렇게 중첩되면 제1호일(110)의 좌측 평면부는 제2유입 분배판(131B)과 맞닿아 제2유입부(130B)를 구성하고 제1호일(110)의 우측 평면부는 제2유출 분배판(141B)과 맞닿아 제2유출부(140B)를 구성하게 된다.
마지막으로 제1호일(110)의 좌측 평면부상에는 제1유출부(140A)가 형성되고 제1호일(110)의 우측 평면부상에는 제1유입부(130A)가 형성된다. 구체적으로 제1호일(110)의 좌측 평면부상에 제1유출 분배판(141A)의 우측 빗변이 제1주표면부(111)의 대응하는 좌측 빗변에 접하도록 제1유출 분배판(141A)이 고정되고, 이와 대응하여 제1호일(110)의 우측 평면부상에는 제1유입 분배판(131A)이 고정된다. 이렇게 도 4에 도시된 바와 같이 고온 배출가스(2)가 제1유입부(130A)로 유입되어 제1주표면부(111)상의 요철을 따라 유동하고 제1유출부(140A)로 유출될 수 있도록 제1유입 분배판(131A) 및 제1유출 분배판(141A)이 고정된다.
상술한 바와 같이 각 구성요소가 배치된 열교환 셀(100)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 용접부(150)를 따라 용접된다. 구체적으로 저온 압축공기(2)가 제2호일(120) 좌측 하부의 유입구(133B)를 통해 유입되고 제2호일(120) 우측 하부의 유출구(143B)를 통해 유출되도록 제1호일(110) 및 제2호일(120)의 양 측변 및 윗변이 용접되고, 제1주표면부(111)와 제2주표면부(121)의 아랫변에 대응되는 너비로 제1호일(110) 및 제2호일(120)의 아랫변이 용접된다. 미도시되었으나 제1호일(110) 및 제2호일(120)의 외곽에는 용접부(150) 내측을 따라 특정 폭으로 플랜지가 형성되는 것이 바람직하다.
이렇게 구성되는 열교환 셀(100)이 도 3에 도시된 방식과 같이 다수개 중첩되고 원통형상으로 만곡되어 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기가 완성된다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널의 부분 확대 사시도이다. 도 7을 참조하여 3차원 열교환 채널의 구조를 더 자세히 설명한다. 3차원 열교환 채널은 상술한 바와 같이 제1주표면부(111)와 제2주표면부(121)가 유체 유동통로를 이루도록 서로 맞닿아 형성된다. 저온 압축공기(1)는 좁은 통로를 따라 흐르고 고온 배출가스(2)는 넓은 통로를 흐르며, 도시된 바와 같이 제1주표면(111) 및 제2주표면(121)를 사이에 두고 서로 대향하여 흐른다. 제1파형(112) 요철과 제2파형(122) 요철은 도시된 바와 같이 서로 교차하게 되므로 좁은 통로와 넓은 통로의 단면적은 요철이 횡방향으로 연장되면서 계속 변하게 된다. 이러한 3차원 열교환 채널의 구조로 인하여 통로를 따라 흐르는 저온 압축공기(1)와 고온 배출가스(2)는 와류를 활발히 형성하여 열교환 효율이 향상된다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널의 부분 평면도이다. 도 9는 도 8의 A-A선을 따라 절개한 측단면도, 도 10은 도 8의 B-B선을 따라 절개한 측단면도, 도 11은 도 8의 C-C선을 따라 절개한 측단면도, 도 12는 도 8의 D-D선을 따라 절개한 측단면도이다. 도 8 내지 도 12를 참조하여 3차원 열교환 채널의 구조의 횡단면적 변화를 상세히 설명한다.
도 8은 각 파형(112, 122) 요철의 한 주기에 해당하는 3차원 열교환 채널의 부분을 도시한 것으로, 상술한 바와 같이 제1주표면부(111)의 제1파형(112) 요철과 제2주표면부(121)의 제2파형(122) 요철은 도시된 바와 같이 서로 반주기의 위상차(T1/2)를 갖는다.
도 8에 도시된 3차원 채널의 좌측을 각 파형(112, 122) 요철의 한 주기의 시작점으로 정의할 때, A-A선은 1/8주기, B-B선은 1/4주기, C-C선은 3/8주기, D-D선은 1/2주기를 표시한 선이다. 상술한 바와 같이, 제1파형(112) 요철과 제2파형(122) 요철은 서로 교차하면서 횡방향으로 연장되므로 각 주기에서의 3차원 열교환 채널의 단면적이 변화하게 된다. 예를 들어, 도 9에 도시된 1/8주기에는 제1파형(112) 요철의 좁은 통로와 제2파형(122) 요철의 좁은 통로가 서로 어긋나 좁은 통로의 단면적이 최소가 된다. 도 10에 도시된 1/4주기에서는 각 파형(112, 122)의 요철이 서로 만나 좁은 통로의 단면적이 최대가 된다. 마찬가지로, 도 11에 도시된 3/8주기에서는 다시 좁은 통로의 단면적이 최소가 되며, 도 12에 도시된 1/2주기에서는 좁은 통로의 단면적이 최대가 된다. 또한 도시되지 않았으나 이러한 방식으로 넓은 통로도 단면적이 변하게 된다.
상술한 구성을 갖는 열교환 셀(100)은 제1파형(112)과 제2파형(122)의 위상차가 반주기일 때를 예로 들어 설명하였으나, 위상차는 반주기에 한정되지 않으며 제1파형(112) 및 제2파형(122)의 진폭, 요철의 함몰부 및 돌출부의 폭 등 파형 요철의 형상에 맞추어 3차원 채널을 통과하여 흐르는 유체의 와류 형성이 활발히 일어나기 적합하도록 설계변경될 수 있다. 예를 들어, 위상차는 1/3주기(T1/3), 1/4주기(T1/4) 등 다양하게 결정될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기를 구성하는 열교환 셀의 제2호일측 평면도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환 셀은 제2유입부(130B) 및 제2유출부(140B)를 흐르는 제2유체(2)에 의해 발생하는 차압을 감소시켜 열교환 효율을 향상시키기 위한 것이다. 구체적으로 제1호일(110) 및 제2호일(120)의 좌측 하부에 구비된 제2유체(2)의 유입구(133B')의 폭(L1)보다 제1호일(110) 및 제2호일(120)의 우측 하부에 구비된 유출구(143B')의 폭(L2)을 더 크게 형성하여 부피차이가 나도록 한다. 이렇게 제2유입부(130B)의 부피보다 제2유출부(140B)의 부피를 더 크게 형성하면 상대적으로 저온의 압축공기(1)가 유동하는 제2유입부(130B)의 압력과 3차원 열교환 채널을 통과하여 상대적으로 고온이 된 압축공기(1'), 즉 부피가 팽창한 압축공기(1')가 유동하는 제2유출부(140B)의 압력이 근사해지므로 압력손실이 감소한다.
제2실시예에 따른 열교환 셀은 제2유입부(130B)와 제2유출부(140B)의 부피가 다르므로 이와 대응하여 제1유입부(130A)와 제1유출부(140B)의 부피도 달라지게 된다. 즉, 제1유입부(130A)의 평단면 넓이는 제2유출부(140B)의 평단면 넓이와 동일하며, 제1유출부(140A)의 평단면 넓이는 제2유입부(130B)의 평단면 넓이와 동일하게 된다. 이에 대응하는 제1,2유입 분배판(131A, 131B), 및 제1,2유출 분배판(141A, 141B)도 각각 비례하여 형상이 결정되며 제1실시예에서 상술한 바와 달리 제1,2유입 분배판(131A, 131B), 및 제1,2유출 분배판(141A, 141B) 각각은 서로 형상이 대칭되지 않는다.
제1,2유입부(130A, 130B), 제1,2 유출부(140A, 140B), 제1,2유입 분배판(131A, 131B), 및 제1,2유출 분배판(141A, 141B)의 형상 및 이와 대응되는 각 호일의 부분의 형상을 제외하고는 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주표면 열교환기는 구성요소 및 결합관계가 상술한 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주표면 열교환기와 구성요소 및 결합관계와 동일하다.
<열교환 셀을 구비한 주 표면 열교환기의 구성 및 작용>
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기의 사시도이다. 상술한 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 채널을 구성하는 열교환 셀(100)은 도 14에 도시된 바와 같이 만곡되어 다수개 적층됨으로써 원통형상을 이룬다. 이때 도 4 및 도 5에 도시된 열교환 셀(100)의 아랫변이 내경을 이루며 열교환 셀(100)의 윗변이 외경을 이루도록 적층된다. 적층된 다수의 열교환 셀(100)은 유격이 발생하지 않도록 금속재의 벨트(미도시)와 같은 고정수단으로 단단히 고정된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기에 의해 가스터빈에서 일어나는 열교환 과정을 도 14를 참조하여 설명한다. 저온 압축공기(1)는 열교환기의 내경 상부에 구비된 유입구(133B)로 유입된다. 터빈에서 배출된 고온 배출가스(2)는 열교환기의 하부면에 구비된 제1유입부(130A)로 유입된다. 압축공기(1) 및 배출가스(2)는 열교환기 내부에 구비된 3차원 열교환 채널에서 대향 유동하여 열 교환이 이루어진다. 3차원 열교환 채널을 통과한 압축공기(1')는 내경 하부에 구비된 유출구(143B)로 유출되며 배출가스(2')는 열교환기의 상부면에 구비된 제1유출부(140A)로 유출된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 고온의 배출가스 1': 열교환 후의 배출가스
2 : 저온의 압축공기 2' : 열교환 후의 압축공기
10 : 압축기 20 : 열교환기
30 : 연소기 40 : 터빈
60 : 터빈용 열교환기 61 : 주름진 시트
62 : 플레이트 63 : 오목부
100 : 열교환 셀 110 : 제1호일
111 : 제1주표면부 112 : 제1파형
113 : 제1호일의 윗변 114 : 제1호일의 만곡된 좌,우 측변
115 : 제1호일의 아랫변 120 : 제2호일
121 : 제2주표면부 122 : 제2파형
123 : 제2호일의 윗변 125 : 제2호일의 아랫변
130A, 130B : 제1,2유입부 131A, 131B : 제1,2 유입 분배판
133B, 133B' : 유입구 140A, 140B : 제1,2유출부
141A, 141B : 제1,2유출 분배판 143B, 143B' : 유출구
150 : 용접부

Claims (12)

  1. 제1유체와 제2유체의 대향 유동 통로인 3차원 채널의 일측면을 형성하도록 제1파형(112)의 요철이 반복형성된 제1주표면부(111)를 포함한 제1호일(110);
    상기 제1주표면부(111)의 일측면과 맞닿아 상기 3차원 채널의 타측면을 형성하도록 상기 제1파형(112)과 위상차를 갖는 제2파형(122)의 요철이 반복형성되는 제2주표면부(121)를 포함한 제2호일(120);
    상기 3차원 채널을 구성하는 상기 제1주표면부(111)의 일측면 및 상기 제1주표면부(111)의 일측면과 마주하는 상기 제2주표면부(121)의 일측면 사이로 제2유체를 공급하는 제2유입부(130B);
    상기 제2유체와 대향 유동하도록 상기 3차원 채널을 구성하는 상기 제1주표면부(111)의 타측면으로 제1유체를 공급하는 제1유입부(130A);
    상기 제1유체가 유출되는 제1유출부(140A); 및
    상기 제2유체가 유출되는 제2유출부(140B);를 포함하는 열교환 셀(100)이 하나 이상 적층되어 형성되고,
    상기 제2유입부(130B)로 상기 제2유체가 공급되는 유입구(133B')와 상기 제2유출부(140B)에서 상기 제2유체가 배출되는 배출구(143B')는 상기 제2유입부(130B)와 상기 제2유출부(140B)의 차압이 감소하도록 폭이 상이하게 형성되는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1파형(112)은 상기 제1주표면부(111)의 평면상에 특정 진폭 및 특정 주기로 연장되어 형성되고,
    상기 제2파형(122)은 상기 제2주표면부(121)의 평면상에 상기 제1파형(112)과 동일한 진폭 및 주기를 갖고 위상차를 갖도록 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1,2파형(112, 122)은 상기 제1,2호일(110, 120)의 횡 방향으로 연장되는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1,2주표면부(111, 121)는 상기 제1,2호일(110, 120)의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1,2주표면부(111,121)의 외곽은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1호일(110)의 윗변은 상기 제1주표면부(111)의 윗변과 나란하고 상기 제1호일(110)의 아랫변은 상기 제1주표면부(111)의 아랫변과 나란하며,
    상기 제2호일(120)의 윗변은 상기 제2주표면부(121)의 윗변과 나란하고 상기 제2호일(120)의 아랫변은 상기 제2주표면부(121)의 아랫변과 나란한 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1유입부(130A)는 상기 제1주표면부(111)의 일측 빗변에 접하고,
    상기 제1유출부(140A)는 상기 제1주표면부(111)의 타측 빗변에 접하고,
    상기 제2유입부(130B)는 상기 제1유출부(140A)와 대응되는 상기 제2주표면부(121)의 일측 빗변에 접하고,
    상기 제2유출부(140B)는 상기 제2주표면부(121)의 타측 빗변에 접하는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1,2유입부(130A, 130B)는 유입되는 상기 제1,2유체의 유동을 균일하게 분배하도록 요철이 형성된 제1,2유입 분배판(131A, 131B);을 포함하고,
    상기 제1,2유출부(140A, 140B)는 유출되는 상기 제1,2유체(1,2)의 유동을 균일하게 분배하도록 요철이 형성된 제1,2유출 분배판(141A, 141B);을 포함하는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2유입 분배판(131B)에 형성된 요철 및 상기 제2유출 분배판(141B)에 형성된 요철은 상기 제1호일(110) 또는 상기 제2호일(120)의 일측변의 적어도 일부분과 평행하도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1호일(110) 및 상기 제2호일(120)은 상기 제1,2유체의 유동분배가 개선되도록 양 빗변이 만곡되어 형성된 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 셀(100)의 일측 모서리가 원통면의 원주를 이루도록 상기 열교환 셀(100)의 평면이 만곡되어 적층되는 것을 특징으로 한 3차원 열교환 채널을 구비한 주 표면 열교환기.
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