KR101300964B1

KR101300964B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101300964B1
Application number: KR1020117010673A
Authority: KR
Inventors: 마틴 홀름; 롤프 에켈룬트; 제니 라스무센; 프레드릭 블롬그렌
Original assignee: 알파 라발 코포레이트 에이비
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2013-08-27
Also published as: ES2573485T3; US20110247790A1; KR20110069861A; BRPI0921060A2; US9400142B2; SE0802382A1; EP2344826A2; PL2344826T3; BRPI0921060B1; CN102239378A; WO2010056183A3; RU2011123885A; EP2344826B1; SI2344826T1; DK2344826T3; JP5553836B2; PT2344826E; CN102239378B; WO2010056183A2; JP2012508863A

Abstract

주름진 패턴을 구비하는 열전달면을 갖고, 사선 개방 각각 개방측 및 폐쇄측 홈과 열전달면 사이에 위치하는 사선 개방 및 폐쇄측 분포 지지 섹션과, 각각 개방 및 폐쇄 사선 홈과 포트 홀 사이에 위치하는 사선 개방 및 폐쇄측 단열 지지 섹션을 포함하는 열교환기 플레이트이고, 상기 열교환기 플레이트는 사선 개방측 분포 지지 섹션과 열전달면 사이의 전달 경로와, 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션과 열전달면 사이의 우회 경로를 더 포함한다. 또한 복수의 열교환기 플레이트를 포함하는 열교환기가 개시된다. 이러한 열교환기 플레이트의 장점은 향상된 효율을 갖는 열교환기를 가능하게 한다는 것이다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 사용되는 경우 향상된 유동 분포를 가능하게 하는 열교환기 플레이트에 관한 것이다. 또한 본 발명은 복수의 열교환기 플레이트를 포함하는 열교환기에 관한 것이다.

종래 유형의 판형 열교환기는 각각의 채널을 다음 채널로부터 실링하는 개스킷을 구비하는 열전달 플레이트를 사용하고, 유체를 교대로 놓이는 채널로 안내한다. 이러한 유형의 판형 열교환기는 효율적인 가열, 냉각, 열 회수, 응축, 증발을 위한 표준 설비로서 산업 전반에서 사용된다.

이러한 판형 열교환기는 개스킷을 구비하는 일련의 얇은 주름진 열교환기 플레이트로 구성된다. 그 후 플레이트들은 평행한 유동 채널의 배치를 생성하기 위해 프레임 플레이트와 압착 플레이트 사이에서 서로 압착된다. 두 유체는 하나의 유체로부터 다른 유체로 열 에너지 전달이 발생할 수 있는 넓은 표면적을 제공하는 교대로 놓이는 채널을 흐른다. 상기 채널은 열전달이 가능한 한 효율적이 되도록 두 유체 유동 모두에서 최대의 난류를 유도하기 위해 설계된 서로 다른 주름진 패턴을 갖는다. 서로 다른 두 유체는 일반적으로 열교환기의 상단 및 하단 각각으로 유입 및 유출된다. 이것은 대향류-유동 원리(counter-current flow principle)로 알려져 있다.

납땜된 열교환기에 비해 개스킷을 구비하는 열교환기가 갖는 하나의 장점은 열교환기 플레이트를 분리하기 쉽다는 것이다. 이는 예를 들어, 세정이 필요하거나 열교환기의 용량을 조정해야 하는 경우 유리하다. 이는 필요한 경우 단순히 열교환기 플레이트를 추가하거나 제거함으로써 이루어질 수 있다.

판형 열교환기의 일유형에서, 열교환기는 냉각 매질을 위한 하나의 채널과 냉각될 생성물을 위한 하나의 채널을 구비하는 서로 다른 두 유체 채널을 형성하기 위해 하나 걸러서 180도 회전된 플레이트에 장착되는 한 종류의 플레이트를 포함한다. 각각의 플레이트 사이에는 실링이 제공된다. 이러한 배치는 비용면에서 효과적이고 많은 응용분야에 적합하다. 각각의 플레이트는 한편으로는 기계적 강성을 제공하고 다른 한편으로는 액체로의 열전달을 향상시킬 수 있도록 마루와 골을 갖는다. 플레이트는 플레이트의 패턴이 서로 만나는 지점에서 서로에 의해 지지되고, 이는 플레이트 패키지의 기계적 강성을 향상시킬 것이다. 이는 특히 유체들이 서로 다른 압력을 갖는 경우 중요하다. 이러한 유형의 열교환기에서, 유입 및 유출 개구 영역은 두 채널 모두를 위해 작동하도록 구성되어야만 한다.

열교환기 채널에서, 채널 폭에 걸쳐 온도 분포가 가능한 한 균일한 것이 유리하다. 불균일한 온도 분포는 열교환기의 효율에 부정적인 방향으로 영향을 줄 것이다. 이는 예를 들어, 유체가 가열되어야 하는 경우이다. 불균일한 온도 분포에서는 유체의 일부가 필요한 것보다 더 가열되는 반면 유체의 일부는 필요한 것보다 덜 가열될 것이다. 유출 포트에서, 유체는 혼합되고 이는 가열된 유체의 일부가 유체의 다른 일부에 의해 냉각될 것임을 의미한다.

불균일한 유체 분포를 갖는 문제는 대부분의 열교환기에 존재한다. 이는 유입 및 유출 포트가 열교환기의 열전달면에 대하여 비대칭 방식으로 배치된다는 점에 기인한다. 종래의 열교환기에서, 유입 및 유출 포트는 열교환기 플레이트의 코너에 배치된다. 이러한 방법으로, 열전달면은 가능한 한 넓게 유지된다. 이러한 배치의 단점은 유체가 이동해야 하는 거리가 플레이트 폭에 걸쳐 다르다는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 여러가지 시도가 알려져 있다. 유동 채널 내에 여러가지 유형의 패턴을 사용함으로써 유동 분포를 개선하는 것이 일반적이다. 보다 큰 열교환기에서, 열교환기의 분포 영역에는 특정한 패턴이 사용되고, 열교환기의 열전달 영역에는 또 다른 패턴이 사용된다. 서로 다른 패턴의 목적은 유체를 보다 균일하게 분포할 수 있도록 열전달 채널에 걸쳐 압력 저하를 증가시키기 위함이다. 그러나 압력 저하를 대폭 향상시키는 것은 불가능하다. 보다 작은 열교환기에서는 열교환기 플레이트의 크기 때문에 특정한 분포 영역을 갖는 것이 불가능하다. 여러가지 열교환기 플레이트를 포함하는 열교환기에서, 여러가지 유동 채널을 위한 여러가지 분포 패턴을 구비하는 것을 가능하다. 이는 한 종류의 열교환기 플레이트만을 포함하는 열교환기의 경우가 아니다.

JP09152127 출원에서, 평면 영역을 갖는 열교환기 플레이트를 구비하는 열교환기가 제시된다. 각각의 열교환기 플레이트는 셰브런 형상의 패턴을 갖는 세 개의 영역과 그 사이에 패턴이 전혀 없는 두 개의 평면 영역을 갖는다. 이러한 설계의 목적은 평면 영역에서 물 유동이 섞일 수 있도록 하여, 열교환기 내의 온도 분포를 균일하게 하는 것이다. 이러한 해결방법은 크기가 문제되지 않는 보다 큰 열교환기에는 적합할 수 있으나, 반대로 공간을 소모하는 것으로 보인다. 평면 표면은 효율적인 열전달면을 감소시키고, 이는 열교환기가 반대로 커지도록 한다. 또한 상기 패턴은 길이방향으로 비대칭이고, 이는 열교환기의 두 개의 플레이트 디자인을 필요로 한다.

이러한 해결방법은 몇몇의 응용분야에서 적합할 수 있으나, 그럼에도 몇몇의 단점을 나타낸다. 따라서 개선의 여지가 남아있다.

본 발명의 목적은 개선된 유동 분포를 갖는 열교환기가 가능하게 하는 열교환기 플레이트를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 개선된 유동 분포를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 상기 문제점의 해결 방법은 청구항 1의 특징부에 기재된다. 청구항 2 내지 6은 열교환기 플레이트의 유리한 실시예를 포함한다. 청구항 7은 유리한 열교환기를 포함하고 청구항 8 내지 12는 열교환기의 유리한 실시예를 포함한다.

복수 개의 마루 및 골을 갖는 주름진 패턴을 구비하는 열전달면을 갖고, 포트 홀과 상기 열전달면 사이에 위치하는 개방 단열 분포 영역과, 포트 홀과 상기 열전달면 사이에 위치하는 폐쇄 단열 영역을 포함하고, 상기 개방 단열 분포 영역은 사선 개방 홈과 상기 열전달면 사이에 위치하는 사선 개방측 분포 지지 섹션과, 상기 개방 사선 홈과 상기 포트 홀 사이에 위치하는 사선 개방측 단열 지지 섹션을 포함하고, 상기 폐쇄 단열 영역은 사선 폐쇄 홈과 상기 열전달면 사이에 위치하는 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션과, 상기 폐쇄 사선 홈과 상기 포트 홀 사이에 위치하는 사선 폐쇄측 단열 지지 섹션을 포함하는 열교환기 플레이트를 구비하며, 상기 열교환기 플레이트가 상기 사선 개방측 분포 지지 섹션과 상기 열전달면 사이의 전달 경로와 상기 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션과 상기 열전달 통로 사이의 우회 경로를 더 포함한다는 점에서 본 발명의 목적은 달성된다.

이러한 열교환기 플레이트의 제1 실시예에 의해, 열교환기 내의 개선된 유동 분포를 가능하게 하는 열교환기 플레이트가 얻어진다. 이러한 방법으로, 열교환기의 효율이 향상될 수 있다. 특히, 본 발명은 판형 열교환기 내의 열전달 통로의 전체 폭에 걸쳐 균일한 유동 분포가 가능하게 한다. 이는 열교환기의 유동 채널 내에 우회 통로가 생성되고, 유체가 열교환기의 전체 폭에 걸쳐 열전달 통로로 유입되도록 하는 점에서 달성된다. 따라서 유체가 흐를 수 없거나 유동 속도가 낮은 영역을 피할 수 있다.

본 발명의 열교환기 플레이트의 유리한 개선에서, 우회 경로는 전달 경로보다 넓다. 이것의 장점은 비교적 낮은 압력 저하를 갖는 우회 통로로부터 열전달 통로로의 개구가 생성된다는 것이다. 이는 유체가 우회 통로로부터 열전달 통로로 균일한 방식으로 흐를 수 있도록 할 것이다.

본 발명의 열교환기 플레이트의 유리한 개선에서, 전달 경로와 우회 경로는 주름진 패턴의 압착 깊이의 절반의 높이를 갖는다. 이것의 장점은 우회 통로로부터 열전달 통로로의 개구가 최적화될 수 있어서, 열교환기 내의 유동 분포를 더 향상시킬 수 있다는 것이다.

본 발명의 열교환기에서, 열교환기는 단열 통로와 열전달 통로 사이의 전달 통로와, 채널 실링 개스킷과 열전달면 사이의 우회 통로를 포함한다. 이는 향상된 효율을 갖는 개선된 열교환기가 가능하게 한다.

이러한 열교환기의 제1 실시예에 의해, 개선된 유동 분포가 가능하게 하는 열교환기가 얻어진다. 이는 우회 통로가 유체가 열교환기의 전체 폭에 걸쳐 열전달 통로로 유입되도록 하는 점에서 달성된다. 따라서 유체가 흐를 수 없거나 유동 속도가 낮은 영역을 피할 수 있다.

본 발명의 열교환기의 유리한 또 다른 개선에서, 하나의 열교환기 플레이트의 열전달면의 단부 영역은 또 다른 열교환기 플레이트의 우회 경로에 걸쳐 연장된다. 이는 우회 통로 내에 비교적 넓은 개구가 생성되고, 우회 통로 내에서 유동하는 유체가 낮은 압력 저하와 함께 열전달 통로로 유입될 수 있도록 한다는 점에서 유리하다. 향상된 유동 특성은 열전달 통로 내에서 유동 영역이 낮은 유동 속도를 갖게 되는 것을 방지한다. 따라서 열교환기의 전체 열전달 통로는 열교환기의 두 유동 채널 사이에서의 열전달을 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 아래에서, 첨부된 도면에서 도시되는 실시예들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기 플레이트의 제1 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기 플레이트의 제2 실시예를 도시한다.
도 3은 도 2에 따른 열교환기 플레이트를 자세하게 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 일부를 도시한다.

아래에서 설명되는 또 다른 개선을 구비하는 본 발명의 실시예는 예시로서만 고려되고 결코 특허 청구범위에 의해 제공되는 보호의 범위를 제한하지 않는다.

아래에서, 본 발명의 열교환기 플레이트와 본 발명의 열교환기가 설명될 것이다. 도 1 내지 3에서 열교환기 플레이트가 도시되고 도 4에서 열교환기의 일부가 도시된다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기 플레이트의 제1 실시예를 도시한다. 열교환기 플레이트는 산업계의 여러가지 액체의 일반적인 가열 및 냉각 기능을 위한 열교환기에 사용되는 것을 목적으로 한다. 열교환기 플레이트(1)는 열교환기에서 유입 포트 또는 유출 포트를 구성할 네 개의 포트 홀(2, 3, 4, 5)을 포함한다. 도시된 열교환기 플레이트는 열교환기를 조립하기 위해 하나의 플레이트 유형으로도 충분한 방법으로 설계된다. 따라서 열교환기가 조립되는 경우 여러가지 유동 채널을 얻을 수 있도록 열교환기 플레이트는 하나 걸러서 수평 축(10)에 대해 아래위가 거꾸로 돌려진다. 이러한 방법으로, 복수의 중간 접촉점을 생성하면서 패턴이 상호작용하여 하나의 플레이트의 패턴이 다른 플레이트의 패턴에 의해 지지될 것이다.

열교환기 플레이트는 마루(7) 및 골(8)을 포함하는 주름진 패턴을 갖는 주름진 열전달면(6)을 더 포함한다. 주름진 패턴은 여러가지 디자인을 가질 수 있다. 하나의 일반적인 패턴 디자인은 셰브런(chevron) 또는 생선가시(fish-bone) 패턴으로 불리고, 여기서 주름은 하나 또는 여러 방향 변화를 나타낸다. 셰브런 형상의 패턴의 단순한 형태는 V-형이다. 도시된 예에서, 주름진 패턴은 직선의 길이방향 주름을 포함한다. 주름진 면의 패턴, 즉 마루(7) 및 골(8)은 열교환기 플레이트의 길이방향 축(9)에 대하여 기울어져 있다. 본 예에서, 주름진 패턴은 열교환기 플레이트의 수평 축(10)에서 방향을 바꿔서, 패턴은 수평 축(10)에 대하여 거울-반전된다. 사용되는 패턴에 따라 패턴은 축(10)에 대하여 거울-반전되거나 되지 않을 수 있다. 열전달면 외부의 플레이트의 영역, 즉 유입 및 유출 포트 영역은 도시된 예에서 항상 거울-반전된다.

주름진 패턴이 길이방향 축(9)에 대하여 기울어진 각도(α)는 열교환기가 의도하는 용도에 따라 선택될 수 있다. 20°에서 70° 사이의 범위의 각도가 바람직하다. 보다 큰 각도(α)는 유동 채널에서 높은 압력 저하를 제공하는 반면, 보다 작은 각도(α)는 유동 채널에서 낮은 압력 저하를 제공할 것이다. 도 1에 도시된 열교환기 플레이트에서 각도(α)는 30°이다. 도 2에 도시된 열교환기 플레이트에서 각도(α)는 60°이다.

각각의 포트 홀 가까이에, 포트 홀과 열전달면 사이에는 단열 전달 영역이 위치한다. 전달 영역은 사선 홈, 사선 단열 지지 섹션 및 사선 분포 지지 섹션을 포함한다. 포트 홀(2)과 열전달면 사이의 전달 영역은 유체가 활성 유동 채널을 통해 이러한 영역으로 흐르게 될 것이므로 본 예에서 개방측 영역으로 불린다. 포트 홀(5)과 열전달면 사이의 전달 영역은 이러한 영역이 활성 유동 채널의 실링 개스킷에 의해 경계 지어질 것이므로 본 예에서 폐쇄측 영역으로 불린다.

따라서 상부 개방측 단열 전달 영역(11)은 포트 홀(2)과 열전달면(6) 사이에 위치하고 상부 폐쇄측 단열 영역(12)은 포트 홀(5)과 열전달면(6) 사이에 위치한다. 상부 개방측 단열 영역(11)은 사선 개방측 홈(13), 사선 개방측 분포 지지 섹션(14) 및 사선 개방측 단열 지지 섹션(15)을 포함한다. 상부 폐쇄측 단열 영역(12)은 사선 폐쇄측 홈(16), 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션(17) 및 사선 폐쇄측 단열 지지 섹션(18)을 포함한다. 지지 섹션은 돌출하는 지지 혹(knobs)을 포함한다.

사선 홈은 유동 채널을 형성하고 경계 짓기 위해 사용되는 실링 개스킷을 수용하도록 구성된다. 사선 홈은 열교환기 플레이트들 사이에 생성된 유동 채널에 따라 실링 개스킷을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 도 3에서, 열교환기 플레이트의 상부 단부 및 하부 단부가 도시된다. 상부 단부 및 하부 단부는 상대적인 용어일 뿐이고 열교환기 플레이트가 사용될 수 있는 하나의 위치를 나타낸다. 그들은 본 설명에서 두 단부 사이를 구분하기 위해 사용된다.

도 3에서, 채널 실링 개스킷(20)은 제2 열교환기 플레이트가 제1 열교환기 플레이트에 조립되는 경우 제1 유동 채널이 얻어질 수 있도록 열전달면 주위의 개스킷 홈에 위치된다. 도 4에서, 제1 및 제2 유동 채널 모두가 도시된다. 개스킷 홈은 열교환기 플레이트 내에서 압착되는 지지 섹션에 의해 지지된다. 하나의 섹션의 지지 혹은 열교환기 내에서 열교환기 플레이트가 조립되는 경우 또 다른 섹션의 지지 혹 사이의 영역에 의해 지지된다. 포트 실링 개스킷(23)은 수동 포트 홀(4)을 경계 짓는다.

상부 개방측 단열 영역(11)에서, 사선 분포 지지 섹션(14)은 열전달면(6)과 사선 홈(13) 사이에 위치하고, 사선 단열 지지 섹션(15)은 사선 홈(13)과 포트 홀(2) 사이에 위치한다. 사선 단열 지지 섹션(15)은 상부 단열 영역(11)과 사선 홈(13) 모두를 안정화하는 데에 필수적이다. 사선 분포 지지 섹션(14)은 사선 홈(13)을 안정화하는 데에 필수적이다. 지지 혹은 여러가지 모양, 예를 들어, 정방형, 직사각형 또는 원형을 가질 수 있으나, 유동 채널 내의 유체가 포트로부터 최소 유동 제한을 갖는, 즉 단열 전달 통로를 통한 압력 저하가 가능한 한 낮아야 하는 반면 동시에 사선 홈에 충분한 지지를 제공할 수 있는 열전달 통로로 흐를 수 있도록 설계된다.

유사한 하부 개방측 단열 전달 영역(30)은 열교환기 플레이트의 하부 부분, 포트 홀(3)과 열전달면 사이에 위치한다. 하부 단열 전달 영역은 하부 전달 경로(31), 사선 개방측 분포 지지 섹션(34), 사선 홈(33) 및 사선 개방측 단열 지지 섹션(35)을 포함한다.

상부 폐쇄측 단열 전달 영역(12)에서, 사선 분포 지지 섹션(17)은 열전달면과 사선 홈(16) 사이에 위치하고, 사선 단열 지지 섹션(18)은 사선 홈(16)과 포트 홀(5) 사이에 위치한다. 사선 단열 지지 섹션(18)은 단열 전달 영역(12)과 사선 홈(16) 모두를 안정화하는 데에 필수적이다. 사선 분포 지지 섹션(17)은 사선 홈을 안정화하는 데에 필수적이다. 지지 혹은 여러가지 모양을 가질 수 있으나 유동 채널 내의 유체가 포트로부터 최소 유동 제한을 갖는, 즉 단열 전달 통로를 통한 압력 저하가 가능한 한 낮아야 하는 열전달 통로로 흐를 수 있도록 설계된다. 유사한 하부 폐쇄측 단열 전달 영역은 열교환기 플레이트의 하부 부분, 포트 홀(4)과 열전달면 사이에 위치한다.

열교환기 플레이트의 패턴의 압착 깊이는 플레이트의 여러가지 섹션 사이에서 달라질 수 있다. 도시된 예에서, 사선 홈(13)을 포함하는 상부 개방측 단열 전달 영역(11)은 최대 압착 깊이로 압착된다. 따라서 단열 전달 영역은 제1 베이스 높이 수준을 갖는 사선 분포 지지 섹션(14)의 돌출 지지 혹과 최대 압착 깊이의 높이를 갖는 사선 단열 지지 섹션(15)을 포함할 것이다.

사선 홈(16)을 포함하는 상부 폐쇄측 단열 전달 영역(12)은 비슷하게 최대 압착 깊이로 압착된다. 지지 혹은 최대 압착 깊이의 높이를 갖는다. 도시된 예에서, 단열 전달 영역(12)의 지지 혹들 사이의 영역은 지지 섹션(17, 18)의 강성을 증가시키도록 절반 높이로 압착된 모서리를 갖는다. 몇몇의 지지 혹은 비슷하게 절반-높이의 강화 양각무늬(embossment)를 갖는다. 이러한 절반-높이의 압착은 단열 전달 영역의 이러한 측이 유동 채널의 일부분이 되지 않을 것이므로 상부 폐쇄측 단열 전달 영역을 강화하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 모서리는 둘 모두의 유동 채널에서 유체 유동을 간섭하지 않을 것이다.

지지 혹은 여러가지 모양을 가질 수 있다. 이들의 주된 목적은 열교환기의 단열 전달 영역과 사선 홈을 안정화하는 것이다. 열전달면의 주름진 패턴으로부터 분리된 지지 혹을 사용함으로써 사선 홈의 균일하고 향상된 강성이 얻어진다. 단열 전달 영역은 단열 전달 영역이 이러한 영역에서 두 유체 흐름 사이의 열전달의 일부분이 되지 않을 것이므로 열교환기 플레이트가 열교환기에 장착되는 경우 단열면을 구성한다.

상부 단열 전달 영역(11)의 사선 개방측 분포 지지 섹션(14)과 열전달면(6) 사이에 두 열교환기 플레이트에 의해 생성되는 유동 채널 내의 전달 통로를 형성할 길이방향의 상부 전달 경로(21)가 존재한다. 상부 전달 경로(21)는 단열 전달 영역(11)의 패턴과 열전달면의 패턴 사이의 전환 영역으로 작용한다. 본 예에서 전달 경로는 압착 깊이의 절반의 높이를 갖는다. 전달 경로가 최대 압착 깊이의 높이를 갖도록 하는 것도 가능하다. 어느 경우든 두 열교환기 플레이트 사이에 생성되는 전달 통로가 최대 압착 깊이의 높이를 갖는 것이 중요하다.

하나의 열교환기 플레이트의 전면과 또 다른 열교환기 플레이트의 후면은 유동 채널을 형성하기 위해 사용되고, 따라서 전달 경로(21)와 또 다른 열교환기 플레이트의 후면 사이에 전달 통로가 생성된다. 최대 압착 깊이의 높이를 갖는 전달 통로를 얻기 위해, 두 개의 상응하는 열교환기 플레이트 면이 적절한 높이를 갖는 것이 중요하다.

상부 전달 경로는 유동 채널에서 전달 통로를 형성하고 유동 채널 내의 유체가 열전달 통로의 교차-주름진 패턴으로 균일한 방법으로 유입되는 반면 사선 분포 지지 섹션(14)으로부터의 방해를 최소화할 것이다. 이러한 방법으로 사선 홈(13)은 균일한 방법으로 지지 되는 동시에 열전달 통로로의 균일한 유동이 얻어진다. 열전달면의 마루 및 골이 사선 개스킷 홈까지 연장되는 알려진 열교환기에서 사선 개스킷 홈의 지지가 비대칭적일 것이므로 사선 개스킷 홈은 덜 견고할 것이다. 따라서 전달 경로의 사용은 개스킷 지지 혹이 사용되는 경우 유동 분포를 개선할 것이다.

열교환기 플레이트의 유입 및 유출 포트 영역이 수평 축에 대하여 거울-반전되므로 하부 전달 경로(31)는 유출 포트 개구(3)를 위해서도 제공된다. 이러한 하부 전달 경로는 전달 통로가 하부 단열 전달 통로로 유입되기 전에 압력을 안정하게 할 것이므로 열전달 통로로부터의 유체가 출구로 균일한 방법으로 흐를 수 있도록 하는 하부 전달 통로를 형성할 것이다.

또한 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션(17)과 열전달면(6) 사이에는 길이방향 상부 우회 경로(22)가 제공된다. 본 예에서 상부 우회 경로는 상부 전달 경로와 비슷하게 압착 깊이 절반의 높이를 갖는다. 이는 우회 통로가 열교환기 플레이트의 양면 모두, 즉 최대 압착 깊이의 총 높이를 갖는 두 유동 채널 모두에 생성될 수 있도록 한다. 전달 경로에 관하여, 얻어진 우회 통로가 최대 압착 깊이의 높이를 갖는 것은 중요하다. 따라서 우회 경로의 실제 높이는 우회 통로가 생성되는 경우 다른 열교환기 플레이트 면의 대응하는 면과 협조할 것이다. 상부 우회 경로는 두 열교환기 플레이트에 의해 생성되는 유동 채널 내의 상부 우회 통로를 생성할 것이다. 상부 우회 통로는 유입구로부터의 유체가 열전달 통로의 전체 교차-주름진 패턴으로 유입될 수 있도록 할 것이다. 유체는 우회 통로로 흐를 것이고, 이는 낮은 압력 저하를 나타낼 것이다. 우회 통로로부터 유체는 열전달 통로의 교차-주름진 패턴으로 유입될 것이다. 이러한 방법으로 유동 채널의 열전달 통로의 전체 영역이 열전달을 위해 사용될 것이다.

따라서 우회 통로의 사용은 유체가 열전달 통로로 균일한 방법으로 유입될 수 있도록 할 것이다. 열전달 통로 내의 유동 저항이 우회 통로 내에서보다 훨씬 크므로, 열교환기의 유동 분포가 개선될 것이다. 이는 포트 홀(5)에 가장 가까운 교차-주름진 패턴의 섹션, 즉 유입 포트로부터 가장 멀리 떨어진 열전달 통로의 유입 섹션이 효율적인 방법으로 사용될 수 있도록 할 것이다.

열교환기 플레이트의 유입 및 유출 포트 영역이 수평 축에 대하여 거울-반전되므로 유출 포트 개구에서 하부 우회 경로(32) 또한 얻어진다. 이러한 우회 경로는 포트 홀(4)에 가장 가까운 교차-주름진 패턴의 섹션, 즉 유출 포트(3)로부터 가장 멀리 떨어진 열전달 통로의 유출 섹션으로부터의 유체가 효율적인 방법으로 사용될 수 있도록 하는 하부 우회 통로를 생성할 것이다.

전달 경로의 폭은 바람직하게는 열전달면 내의 마루의 폭과 오더(order)가 동일하다. 상부 전달 경로는 사선 분포 지지 섹션(14)으로부터 열전달면으로의 전환을 형성한다. 전달 경로의 폭은 유체가 열전달 통로로 유입되기 전에 유체의 압력이 전달 통로 전체에서 안정될 수 있도록 선택된다. 만약 전달 경로의 폭이 너무 좁다면, 전달 통로의 길이를 따르는 유동이 제한될 것이다. 충분히 넓은 전달 경로에서, 사선 분포 지지 섹션을 통한 유동 차이는 안정될 것이다.

전달 경로 또는 우회 경로의 폭은 사선 분포 지지 섹션의 패턴과 열전달면 사이의 거리가 최소인 지점에서 측정된다. 경로의 가장 좁은 섹션이 각각의 통로에서의 압력 저하를 결정할 것이다.

우회 경로의 폭은 유체가 비교적 낮은 압력 저하와 함께 우회 통로로부터 열전달 통로로 유입될 수 있도록 바람직하게는 전달 경로의 폭 보다 넓다. 이는 특히 길이방향 축에 대하여 우회 경로의 각도와 동일한 오더를 갖는 각도를 갖는 열전달면의 주름진 패턴을 구비하는 열교환기 플레이트에 있어서 중요하다. 이러한 예는 도 2 및 3에서 볼 수 있다. 여기서 주름진 열전달 패턴의 마루(24)는 상부 우회 경로(22)와 평행하게 뻗어있다. 두 개의 열교환기 플레이트가 유동 채널의 형성하기 위해 조립되는 경우 상부 우회 경로(22)와 하부 전달 경로(31)의 후방 플레이트면 사이에 상부 우회 통로(122)가 생성된다. 따라서 우회 통로로부터 열전달 통로로 유입되는 유체는 주름진 패턴의 마루(24)와 단부 영역(25) 사이에 생성되는 개구를 통해 열전달 통로로 유입되어야만 한다. 따라서 하나의 열교환기 플레이트의 주름진 패턴의 단부 영역이 우회 경로에 걸쳐 연장되는 것은 중요하다. 도시된 예에서, 우회 경로는 압착 깊이의 절반의 높이를 갖는다. 우회 경로로 그리고 우회 경로에 걸쳐 연장하는 단부 영역(25)의 마루를 이용하여, 열전달 통로로의 충분히 넓은 개구가 얻어진다. 이러한 방법으로 마루(24)와 단부 영역(25) 사이에 생성되는 개구는 유체가 압력 저하의 감소와 함께 개구를 통해 열전달 통로로 유입될 수 있도록 한다. 우회 경로의 폭은 바람직하게는 전달 경로의 폭의 두 배의 오더를 갖고, 열교환기의 용도 및 열교환기 플레이트의 치수에 따라 치수가 결정된다.

우회 경로는 효율적인 방법으로 유체 유동을 전체 열전달 통로로 분포시키는 것을 도울 것이다. 알려진 열교환기 플레이트에서, 주름진 패턴은 사선 개스킷 홈에서 끝나고, 이는 교차-주름진 패턴이 실링 개스킷에서 바로 끝날 수 있음을 의미한다. 따라서 실링 개스킷에 근접한, 즉 유입 포트로부터 가장 멀리 떨어진 영역은 유체의 느린 유동 속도를 나타낼 것이고 결국 저조한 열전달을 나타낼 것이다. 우회 경로 및 사선 분포 지지 섹션 내의 개별적인 개스킷 지지 혹을 도입함으로써 열교환기의 유동 채널 내에서 개선된 유동 분포가 얻어진다. 이는 열전달 통로를 통한 압력 저하가 열교환기의 전체 폭에 걸쳐 실질적으로 동일할 것을 의미한다. 우회 통로를 통하여, 특히 열전달 통로를 통하는 압력 저하와 비교하여 비교적 낮은 압력 저하가 발생한다.

동일한 방법으로, 유출 포트(3)에 근접한 영역 내에 하부 우회 경로(32)가 존재한다. 이러한 우회 경로는 플레이트의 전체 열전달면이 효율적인 방법으로 사용될 수 있도록 하는 유출 우회 통로를 생성하는 것을 도울 것이다. 알려진 열교환기에서, 유출 포트로부터 가장 멀리 떨어진 영역은 뒤이어 이러한 영역에 저조한 열전달을 제공하는 느린 유동 속도를 나타낼 것이다.

도 4에서, 네 개의 열교환기 플레이트를 포함하는 열교환기의 일부가 도시된다. 열교환기 플레이트들의 사이에는 유동 채널이 생성된다. 각각의 유동 채널을 제1 유체 또는 제2 유체를 운반할 것이다. 도시된 예에서, 유동 채널(101 및 301)은 제1 유체를 운반하고 유동 채널(201)은 제2 유체를 운반할 것이다. 도시된 예에서, 유동 채널(101 및 201)은 대향류(counter-flow) 배치에 사용된다, 즉 유동 채널(101)을 통하는 유동은 유동 채널(201)과 비교하여 반대의 방향으로 흐른다. 완성된 열교환기는 복수의 열교환기 플레이트, 전방 플레이트 및 후방 플레이트를 포함할 것이다. 전방 및 후방 플레이트는(도시되지 않음) 열교환기를 안정시키고 또한 열교환기의 연결을 위한 연결 수단을 제공할 것이다.

각각의 유동 채널은 열교환기 플레이트 사이의 유동 채널을 경계 짓는 실링 개스킷(120, 220, 320)에 의해 형성된다. 실링 개스킷은 일반적으로 실링 개스킷 사이의 상호 연결 부재를 구비하는 하나의 조각으로 제조된다. 실링 개스킷(123, 124, 223, 224, 323, 324)은 각각의 유동 채널에서 활성화되지 않는 포트 홀을 밀봉한다. 유동 채널(101)에서, 포트(102)는 활성 유입 포트이고 포트(103)는 활성 유출 포트이다. 유동 채널(201)에서, 포트(204)는 활성 유입 포트이고 포트(205)는 활성 유출 포트이다. 유동 채널(301)에서, 포트(302)는 활성 유입 포트이고 포트(303)는 활성 유출 포트이다.

제1 유체는 유입 포트(102)를 통해 유동 채널(101)에 유입된다. 유체는 상부 단열 통로(111)를 지나가고 유체의 일부는 상부 전달 통로(121)를 통해 열전달 통로(106)로 분포된다. 유체의 일부는 상부 우회 통로(122)를 통해 열전달 통로(106)로 흐를 것이다. 상부 전달 통로(121)의 사용은 상부 단열 통로로부터 열전달 통로로 직접 흐르는 유체의 유동 분포를 개선할 것이다. 상부 우회 통로의 사용은 전체 열전달 통로에 걸쳐 유동 분포를 개선할 것이다. 유체가 전체 열전달 통로를 지나간 후, 유체는 유출 포트(103)를 통해 유동 채널을 빠져나간다. 유체의 일부는 하부 전달 통로(131)와 하부 단열 통로(130)를 지나 유출 포트(103)로 흐른다. 유체의 다른 일부는 하부 우회 통로(132)를 지나고 하부 단열 통로(130)를 통해 유출 포트(103)로 흐른다. 하부 우회 통로의 사용은 유체의 일부가 우회 통로를 통해 통과할 수 있도록 한다. 이는 열교환기의 열전달 통로 폭에 걸쳐 개선된 유동 분포를 가능하게 하고, 이어서 열교환기의 열전달 효율을 향상시킬 것이다.

제2 유체는 대향류 배치에 의해 유입 포트(204)를 통해 유동 채널(201)로 유입된다. 유체는 하부 단열 통로(230)를 지나고 유체의 일부는 하부 전달 통로(232)를 통해 분포되어 열전달 통로(206)로 흐른다. 유체의 일부는 하부 우회 통로(233)를 통해 열전달 통로(206)로 흐를 것이다. 전달 통로(232)의 사용은 단열 통로로부터 열전달 통로로 직접 흐르는 유체의 유동 분포를 개선할 것이다. 우회 통로(233)의 사용은 전체 열전달 통로에 걸쳐 유동 분포를 개선할 것이다. 유체가 전체 열전달 통로를 지나간 후, 유체는 유출 포트(205)를 통해 유동 채널을 빠져나간다. 유체의 일부는 상부 전달 통로(221)와 상부 단열 통로(211)를 지나고 유출 포트(205)로 흐른다. 유체의 다른 일부는 상부 우회 통로(227)와 상부 단열 통로(211)를 지나고 유출 포트(205)로 흐른다. 우회 통로의 사용은 유체의 일부가 우회 통로를 통해 통과할 수 있도록 한다. 이는 열교환기의 열전달 통로 폭에 걸쳐 보다 균일한 유동 분포를 가능하게 하고, 이어서 열교환기의 열전달 효율을 향상시킬 것이다.

유동 채널(301)을 통한 유동은 유동 채널(101)에서와 동일하다. 이는 열교환기 내의 모든 유동 채널에서 반복된다. 열교환기 내의 유동 채널의 수, 즉 열교환기 플레이트의 수는 열교환기의 요구되는 열전달 용량에 의해 결정된다.

본 발명에 따른 열교환기 플레이트는 특정한 분포 영역을 포함하지 않고, 일정한 패턴을 갖는 열전달면만을 포함한다. 열전달면은 단열 영역에까지 뻗쳐있고, 이는 특정한 분포 영역를 위한 공간 또는 가능성이 없는 보다 작은 판형 열교환기에게 이익이 된다.

본 발명은 위에서 설명된 실시예에 제한되는 것으로 간주되지 않고, 이어지는 청구항의 범위 내에서 다수의 추가적인 변형 및 변경이 가능하다. 하나의 예에서 열교환기 카세트를 위해 사선 분포 지지 섹션의 여러가지 패턴이 사용될 수 있다.

1: 열교환기 플레이트
2: 포트 홀
3: 포트 홀
4: 포트 홀
5: 포트 홀
6: 열전달면
7: 마루
8: 골
9: 길이방향 축
10: 수평 축
11: 상부 개방측 단열 영역
12: 상부 폐쇄측 단열 영역
13: 사선 개방측 홈
14: 사선 개방측 분포 지지 섹션
15: 사선 개방측 단열 지지 섹션
16: 사선 폐쇄측 홈
17: 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션
18: 사선 폐쇄측 단열 지지 섹션
19: 만입부
20: 채널 실링 개스킷
21: 상부 전달 경로
22: 상부 우회 경로
23: 포트 실링 개스킷
24: 마루
25: 단부 영역
30: 하부 개방측 단열 영역
31: 하부 전달 경로
32: 하부 우회 경로
33: 사선 개방측 홈
34: 사선 개방측 분포 지지 섹션
35: 사선 개방측 단열 지지 섹션
101: 유동 채널
102: 포트 홀
103: 포트 홀
104: 포트 홀
105: 포트 홀
106: 열전달 통로
111: 상부 단열 통로
120: 채널 실링 개스킷
121: 상부 전달 통로
122: 상부 우회 통로
123: 포트 실링 개스킷
124: 포트 실링 개스킷
130: 하부 단열 통로
131: 하부 전달 통로
132: 하부 우회 통로
201: 유동 채널
202: 포트 홀
203: 포트 홀
204: 포트 홀
205: 포트 홀
206: 열전달 통로
211: 상부 단열 영역
220: 채널 실링 개스킷
221: 상부 전달 통로
227: 상부 우회 통로
223: 포트 실링 개스킷
224: 포트 실링 개스킷
230: 하부 단열 영역
232: 하부 전달 통로
233: 하부 우회 통로
301: 유동 채널
302: 포트 홀
303: 포트 홀
320: 채널 실링 개스킷
323: 포트 실링 개스킷
324: 포트 실링 개스킷

Claims

열교환기 플레이트이며,
상기 열교환기 플레이트(1)는 복수 개의 마루(7) 및 골(8)을 갖는 주름진 패턴을 구비하는 열전달면(6)을 갖고, 포트 홀(2)과 상기 열전달면(6) 사이에 위치하는 개방 단열 분포 영역(11)과, 포트 홀(5)과 상기 열전달면(6) 사이에 위치하는 폐쇄 단열 영역(12)을 포함하고, 상기 개방 단열 분포 영역(11)은 사선 개방 홈(13)과 상기 열전달면(6) 사이에 위치하는 사선 개방측 분포 지지 섹션(14)과, 상기 개방 사선 홈(13)과 상기 포트 홀(2) 사이에 위치하는 사선 개방측 단열 지지 섹션(15)을 포함하고, 상기 폐쇄 단열 영역(12)은 사선 폐쇄 홈(16)과 상기 열전달면(6) 사이에 위치하는 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션(17)과, 상기 폐쇄 사선 홈(16)과 상기 포트 홀(5) 사이에 위치하는 사선 폐쇄측 단열 지지 섹션(18)을 포함하며,
상기 열교환기 플레이트는 상기 사선 개방측 분포 지지 섹션(14)과 상기 열전달면(6) 사이의 전달 경로(21)와 상기 사선 폐쇄측 분포 지지 섹션(17)과 상기 열전달면(6) 사이의 우회 경로(22)를 더 포함하며,
상기 우회 경로(22)는 상기 전달 경로(21)보다 넓은 열교환기 플레이트.
제1항에 있어서, 상기 전달 경로(21)는 상기 우회 경로(22)보다 상기 포트 홀(2)에 가까운 열교환기 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전달 경로(21)와 상기 우회 경로(22)는 상기 주름진 패턴의 압착 깊이의 절반의 높이를 갖는 열교환기 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전달면(6)의 상기 주름진 패턴은 직선의 길이방향 주름을 포함하는 열교환기 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전달면(6)의 상기 주름진 패턴의 각도는 길이방향 축(9)에 대하여 20°와 70° 사이의 각을 갖는 열교환기 플레이트.
제1항 또는 제2항에 따른 복수 개의 열교환기 플레이트(1)를 포함하는 열교환기.
제6항에 있어서, 상기 열교환기는 유입 포트(102, 204), 유출 포트(103, 205) 및 상기 유입 포트와 상기 유출 포트의 사이에서 교차-주름진 패턴을 구비하는 열전달 통로(106, 206)를 포함하고,
상기 열교환기는 단열 통로(111, 211)와 상기 열전달 통로(106, 206) 사이의 전달 통로(121, 221)와, 채널 실링 개스킷(120, 220)과 상기 열전달 통로(106, 206) 사이의 우회 통로(122, 227)를 더 포함하는 열교환기.
제7항에 있어서, 상기 우회 통로(122, 227)는 상기 전달 통로(121, 221)보다 넓은 열교환기.
제7항에 있어서, 열교환기의 2개의 인접한 열교환기 플레이트는 각각 상부 전달 경로(21)와 하부 우회 경로(32)를 갖고,
상기 전달 통로(121)는 상기 2개의 인접한 열교환기 플레이트 중 어느 하나의 열교환기 플레이트의 상부 전달 경로(21)와 상기 2개의 인접한 열교환기 플레이트 중 다른 하나의 회전된 열교환기 플레이트의 하부 우회 경로(32)의 후면 사이에서 얻어지는 열교환기.
제7항에 있어서, 열교환기의 2개의 인접한 열교환기 플레이트는 각각 상부 우회 경로(22)와 하부 전달 경로(31)를 갖고,
상기 우회 통로(122)는 상기 2개의 인접한 열교환기 플레이트 중 어느 하나의 열교환기 플레이트의 상부 우회 경로(22)와 상기 2개의 인접한 열교환기 플레이트 중 다른 하나의 회전된 열교환기 플레이트의 하부 전달 경로(31)의 후면 사이에서 얻어지는 열교환기.
제7항에 있어서, 상기 우회 통로(122) 내에서, 하나의 열교환기 플레이트의 상기 열전달면(6)의 단부 영역(25)은 또 다른 열교환기 플레이트의 상기 우회 경로(22)에 걸쳐 연장되는 열교환기.
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