KR101321708B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러의 내부에 설치되는 열교환기에 관한 것으로, 전열관(1)이 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통형상을 이루고, 상기 전열관(1)의 상하면에는 각각 복수 개의 원형돌기(10)와 복수 개의 타원형돌기(20)가 형성되며, 상기 원형돌기(10)는 상기 전열관(1)의 상하면의 중앙에 형성되고, 상기 타원형돌기(20)는 상기 원형돌기(10)를 기준으로 상기 전열관(1)의 외측에 일정 간격을 두고 각각 교대로 형성되고, 상기 원형돌기(10)는 상기 전열관(1)이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관(1)의 하면에 형성된 원형돌기(10)와 하부쪽의 전열관(1)의 상면에 형성된 원형돌기(10)가 서로 맞닿도록 동일한 위치에 형성되며, 상기 타원형돌기(20)는 배기가스의 유동방향에 수직이 되도록 호 형상으로 형성되면서 상기 전열관(1)이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관(1)의 하면에 형성된 타원형돌기(20)와 하부쪽의 전열관(1)의 상면에 형성된 타원형돌기(10)가 상기 열교환기의 중심을 기준으로 동심원을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단면의 형상이 타원형(oval)으로 이루어진 열교환기에 있어서, 전열면적을 증가시키는 동시에 대류열전달을 증대시키고, 화염으로부터 발생되는 복사열을 효과적으로 차단할 수 있도록 함으로써 열교환 효율이 개선된 열교환기에 관한 것이다.

동절기를 위한 가정용 난방장치로 보일러가 주로 사용되고 있으며, 도시가스의 공급이 확대됨에 따라 가스보일러가 광범위하게 사용되고 있다.

최근, 에너지 비용의 증가됨에 따라 좀 더 효율이 높은 가스보일러에 대한 요구가 증대되고 있으며, 그 일환으로서 컨덴싱 보일러에 대한 관심과 수요가 증대되고 있다.

컨덴싱(condensing) 보일러란 연소 후 방출되는 배기가스가 열교환기를 다시 거치도록 함으로써 고온의 배기가스에 포함된 수증기의 잠열을 회수하는 방식의 보일러로서 상대적으로 고온의 연소가스를 배기가스로 대기 중에 방출하는 일반보일러에 비해 열에너지 이용 효율이 높다.

이러한 컨덴싱 보일러에 있어서도 보일러의 효율은 열교환기의 열효율에 좌우되는데, 이에 따라 열교환기의 열효율을 높이고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 그 하나의 예로서 유럽 특허공보 제0678186호 등에 개시된 열교환기를 들 수 있다.

상기 특허문헌에 개시된 열교환기는 도 1a에 도시된 바와 같이 단면의 형상이 타원형(oval)인 전열관을 나선형으로 권취하고, 전열관의 표면에는 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같은 간격 유지돌기를 복수 개 성형함으로써 이들에 의해 상하로 적층된 전열관 사이의 간극이 일정하게 유지되도록 한 것이다.

또 다른 보일러의 열교환기에 대한 예로서 등록특허공보 제10-0813807호에 개시된 콘덴싱 보일러의 열교환기를 들 수 있는데, 이 문헌에 개시된 열교환기는, 열교환기 내부로 형성되는 열교환파이프 구성을 버너부의 중심방향을 향하도록 일정한 경사각을 갖도록 형성하여 균일한 열분포에 따른 열효율을 향상시키고 아울러 응축수의 드레인을 촉진시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 특허문헌 이외에도 실용신안등록공보 제20-0280095호, 등록특허공보 제10-0813807호 등에도 열전달 효율이 개선하기 위해 구조가 개선된 열교환기가 개시되어 있다.

한편, 열교환기의 효율은 열전달률에 의해 좌우되고, 열교환기의 열전달률(

)은 아래의 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 총합열전달계수(U), 열전달면적(A), 대수평균온도차(△T_m)에 따라 결정되며, 따라서 같은 온도 조건 하에서 열교환기 효율을 높이기 위해서는 열전달 면적(A)을 증가시키거나 또는 총합열전달계수(U)를 높여야 한다.

[수학식 1]

여기서,

는 열전달률, U는 총합열전달계수, A는 열전달면적, △T_m은 대수평균온도차이다.

그리고 보일러용 열교환기에서의 총합열전달계수(U)는 열교환기를 구성하는 전열관의 열전도계수(k)와 두께(t), 전열관과 열전달 매체(물) 간의 대류열전달계수(h_i), 전열관과 연소가스 간의 대류열전달계수(h_o)에 따라 달라지며, 이때 열저항(R)은 총합열전달계수(U)의 역수로서 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서, R은 열교환기의 열저항, U는 총합열전달계수, k는 열전도계수, t는 전열관의 두께, h_i는 전열관과 열전달 매체 간의 대류열전달계수, h_o는 전열관과 연소가스 간의 대류열전달계수이다.

상기 수학식 2에서, 일반적으로 전열관과 물 사이의 대류열전달계수(h_i)는 매우 크고, 전열관의 두께(t)는 비교적 얇기 때문에 열교환기의 열저항(R)의 크기는 주로 전열관과 연소가스 사이의 대류열저항(1/h_o)에 의해 좌우되며, 따라서 전열관과 연소가스 사이의 대류열전달계수(h_o)를 높이게 되면 전체 열저항이 감소되고, 그 결과 열교환기의 효율이 향상된다.

그러나 위에서 언급된 특허문헌들에 개시된 열교환기를 포함하여 지금까지 개발된 대부분의 열교환기는 전열면적을 늘림으로써 열교환 효율을 높이는 데에 중점을 두고 있을 뿐, 전열면적을 늘리는 동시에 대류열전달과 복사열전달 성능도 아울러 높임으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기의 개발은 아직 미미한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 보일러용 열교환기가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 열전달 면적을 증대시키는 것과 동시에 대류열전달과 복사열전달을 증대시킴으로써 열전달 효율이 대폭 개선된 열교환기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 열교환기를, 전열관이 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통형상을 이루고, 상기 전열관의 상하면에는 각각 복수 개의 원형돌기와 복수 개의 타원형돌기가 형성되며, 상기 원형돌기는 상기 전열관의 상하면의 중앙에 형성되고, 상기 타원형돌기는 상기 원형돌기를 기준으로 상기 전열관의 외측에 일정 간격을 두고 각각 교대로 형성되고, 상기 원형돌기는 상기 전열관이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관의 하면에 형성된 원형돌기와 하부쪽의 전열관의 상면에 형성된 원형돌기가 서로 맞닿도록 동일한 위치에 형성되며, 상기 타원형돌기는 배기가스의 유동방향에 수직이 되도록 호 형상으로 형성되면서 상기 전열관이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관의 하면에 형성된 타원형돌기와 하부쪽의 전열관의 상면에 형성된 타원형돌기가 상기 열교환기의 중심을 기준으로 동심원을 이루도록 형성하는 것에 의해 달성된다.

이때 원형돌기의 높이는 원형돌기가 간극 유지돌기로서 기능할 수 있도록 상하로 적층된 전열관 사이의 간극 크기의 1/2로 형성되고, 타원형돌기의 높이는 복사파를 차단하면서 대류열전달을 촉진할 수 있도록 상기 간극 크기의 1/4 보다는 크고 3/4 보다는 작도록 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 원형돌기의 배기가스 유동방향으로의 단면 형상은 상면이 평평한 접시 모양으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 원형돌기는 전열관의 상하면을 내측부, 중앙부 및 외측부로 3등분하였을 때 중앙부의 중앙에 형성되고, 타원형돌기는 내측부의 중앙과 외측부의 중앙에 일정 간격을 두고 교대로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 열교환기를 구성하는 전열관의 상하면에 각각 복수 개의 원형돌기와 복수 개의 타원형돌기가 형성됨으로써 열전달 면적이 증대되어 열교환 효율이 향상된다.

또한 본 발명은 전열관의 표면에 타원형돌기가 형성됨으로써 이들 타원형 돌기가 열경계층을 단절시켜 대류열전달이 촉진되고, 또한 이들 타원형돌기가 전열관 3등분된 지점에 위치되기 때문에 대류열전달의 촉진이 균일하게 일어난다.

그리고 본 발명은 배기가스가 통과하는 경로 중에 타원형돌기가 형성됨으로써 화염으로부터의 복사파의 투과를 최소화시키며, 이에 의해 열교환 효율이 향상되고, 또한 열교환기의 외측에 설치되는 열교환기 하우징으로의 복사열전달양이 최소화되어 하우징의 과열이 방지된다.

도 1a는 종래의 열교환기의 예를 보인 사시도,
도 1b, 도 1c는 각각 도 1a의 열교환기에 있어서의 간극 유지돌기의 예를 보인 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도,
도 3은 도 2의 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 전열관의 예를 보인 부분 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 전열관의 원형돌기와 타원돌기가 배치되는 예를 보인 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 전열관의 원형돌기와 타원돌기가 상하로 접촉되는 예를 보인 부분 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 타원형돌기의 열경계층 단절에 의한 대류열전달 촉진 전산해석 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 열교환 효율이 개선된 열교환기를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명의 열교환기는 도 2에 도시된 바와 같이 단면의 형상이 타원형(oval)인 전열관(1)이 나선방향으로 권취(coil)되어 상하로 적층됨으로써 원통형상을 이루고, 이때 전열관(1)은 스테인리스나 알루미늄 또는 동(copper)과 같은 열전달 성능이 우수한 금속으로 제작되며, 평면을 이루는 상하 표면에는 각각 원형돌기(10)와 타원형돌기(20)가 혼재되어 형성된다.

전열관(1)의 상하 표면은 도 5에 도시된 바와 같이 전열관(1)의 내측면 끝단과 외측면 끝단을 잇는 선을 기준으로 3등분(내측부, 중앙부 및 외측부)될 수 있는데, 이렇게 3등분된 표면 중 중앙부의 중앙에는 원형돌기(10)가 형성되고, 내측부와 외측부의 중앙에는 각각 타원형 돌기(20)가 형성된다.

전열관(1)의 상하부 표면의 중앙에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 복수 개 형성되는 원형돌기(10)는 도 6에 도시된 바와 같이 단면의 형상이 상부쪽에 평면이 형성된 원형 접시 모양으로서, 이러한 원형돌기(10)는 전열관(1)의 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 복수 개 형성되며, 이때 원형돌기(10)의 높이는 나선형으로 권취됨으로써 상하로 적층되는 전열관(1) 사이의 간극이 일정하게 유지될 수 있도록 간극 크기의 1/2이 되도록 형성된다.

전열관(1)의 상하 표면에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 내측부의 중심과 외측부의 중심에 각각 교대로 형성되는 복수 개의 타원형돌기(20)는 도 4에 도시된 바와 같이 전체적으로 타원형을 가지면서 전열관(1)의 원주 방향과 동일한 방향으로 호(弧) 형상으로 형성되며, 이에 의해 타원형돌기(20)는 배기가스의 유동방향에 대해 수직으로 위치되게 되고, 또한 상기한 바와 같이 전열관(1)을 3등분하여 내측부의 중심과 외측부의 중심에 위치됨으로써 대류열전달의 촉진이 균일하게 일어난다.

그리고 타원형돌기(20)의 유동방향으로의 단면의 형상은 배기가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 아크(arc) 형상을 가진다.

이때 타원형돌기(20)의 높이는 열교환기의 중앙부에서의 연소에 의해 생성되는 화염에 의한 복사파를 차단하면서 대류열전달을 촉진할 수 있도록 간극 크기의 1/4 보다는 크고 3/4 보다는 작도록 형성되는데, 이는 타원형돌기(20)의 높이가 간극 높이의 1/4 보다 작은 경우에는 복사파 차단 효과와 대류열전달 촉진 효과가 미미하고, 3/4 보다 큰 경우에는 배기가스의 유동저항이 너무 커지는데 따른 것이다.

그리고 후술하는 바와 같이 전열관(1)을 상하로 적층하였을 때 상부쪽 전열관(1)의 하면에 형성된 타원형돌기(20)와 하부쪽 전열관(1)의 하면에 형성된 타원형돌기(20)는 열교환기의 중심을 기준으로 동심원을 이루게 된다.

한편, 전열관(1)의 상면과 하면에 각각 형성되는 원형돌기(10)는 상하면에 서로 동일한 위치에 형성되지만, 타원형돌기(20)의 형성위치는 상하면에 있어서 서로 다른데, 전열관(1)의 상면에서는 타원형돌기(20)가 도 5에 도시된 바와 같이 내측부와 외측부의 표면에 각각 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 교대로 형성됨으로써 전체적으로 물결모양의 돌기가 형성되는 반면, 전열관(1)의 하면에도 내측부와 외측부의 표면에 각각 일정 간격을 두고 교대로 형성됨으로써 전체적으로 물결모양의 돌기가 형성되기는 하지만 전열관(1)의 상면에 형성된 물결모양과 반대, 즉 상면의 물결모양의 골부분은 하면의 물결모양의 마루부분이 되고, 이와 반대로 상면의 마루부분은 하면의 골부분이 되도록 형성된다.

이하에서는 상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 열교환기의 구성에 따른 작용을 설명한다.

상하면에 각각 복수 개의 원형돌기(10)와 복수 개의 타원형돌기(20)가 형성된 본 발명에 따른 전열관(1)을 일정 직경을 가지도록 나선형으로 권취하게 되면, 권취된 열교환기의 형상은 도 5에 도시된 바와 같이, 상부쪽에 위치하는 전열관(1)의 하면에 형성된 원형돌기(10)와 하부쪽에 위치하는 전열관(1)의 상면에 형성된 원형돌기(10)는 그 형성 위치가 동일하게 때문에 원형돌기(10)의 상부에 형성된 평면이 서로 맞닿아 접촉되게 되며, 그 결과 원형돌기(10)가 상하로 적층된 전열관(1) 사이의 간극을 일정하게 유지하는 기능을 함으로써 간극을 통해 균일한 양의 연소가스가 전열관(1)의 외측으로 흐르게 된다.

또한 원형돌기(10)가 상기와 같이 연소가스의 유동 경로 중에 존재하게 되면 원형돌기(10)의 후방에서 와류가 발생되기 때문에 이에 의해 대류열전달이 촉진되어 열교환 효율이 향상된다.

타원형돌기(20)는 원형돌기(10)와 달리 전열관(1)의 상하면에 서로 반대로 형성되기 때문에 전열관(10)이 원형으로 권취되면, 상부쪽에 위치하는 전열관(1)의 하면에 형성된 타원형돌기(20)와 하부쪽에 위치하는 전열관(1)의 상면에 형성된 타원형돌기(20)에 의해 열교환기의 중심을 기준으로 동심원상에 타원형돌기(20)가 한 쌍 존재하게 되는데, 이러한 한 쌍의 타원형돌기(20)는 연소가스가 전열관(1) 사이의 간극을 통해 흐를 때 열경계층(thermal boundary layer)을 단절시키는 역할을 하게 되고, 그 결과 대류열전달이 촉진되어 열교환 효율이 향상된다.

이를 더욱 상세히 설명하면, 도 7은 전열관(1)의 표면에 타원형돌기(20)가 형성되었을 때와 형성되지 않았을 때의 대류열전달 계수의 변화를 전산해석한 결과를 나타낸 그래프로서, 전열관(1)의 표면에 타원형돌기(20)가 형성되지 않은 경우에는 연소가스의 이동거리가 길어질수록 대류열전달 계수가 점점 작아지는 반면, 전열관(1)의 표면에 타원형돌기(20)가 형성된 경우에는 타원형돌기(20)가 형성된 지점(대략 전열관 표면의 1/3 및 2/3 지점)에서 대류열전달 계수가 다시 상승하고 있음을 알 수 있는데, 이는 연소가스가 전열관(1)의 표면을 타고 흐를 때 연소가스의 이동거리가 길어질수록 점점 열경계층의 크기가 점점 커지게 되고 이에 의해 대류열전달 계수가 점점 감소하다가, 타원형돌기(20)를 만나면서 열경계층이 단절되어 대류열전달 계수가 다시 증가하게 된데 따른 것이다. 도 7의 그래프를 기초로 열교환기 전체 표면에서의 평균 대류열전달 계수를 계산한 결과, 타원형돌기(20)가 형성됨으로써 평균 대류열전달 계수가 30% 이상 증가한 것으로 산출되었다.

그리고 본 발명은 상기한 바와 같이 전열관(1)의 상하면에 각각 복수 개의 원형돌기(10)와 복수 개의 타원형돌기(20)가 형성되기 때문에 이들에 의해 열전달 면적이 증대되어 열교환 효율이 향상된다.

한편, 2개의 평판(물체) 사이의 복사열전달률(

)은 아래의 수학식 3과 같이 표현되고, 만약 이들 2개의 평판 사이에 N개의 차폐체가 존재하는 경우에는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, 수학식 4에서 모든 표면의 방사율(emissivity)이 동일한 경우의 복사열전달률(

)은 수학식 5와 같다.

[수학식 3]

[수학식 4]

여기서,

는 2개의 평판(1, 2) 사이의 복사열전달률,

는 단면적,

는 스테판 볼츠만 상수,

는 표면 방사율,

는 절대온도이다.

[수학식 5]

위 수학식 3 내지 수학식 5로부터 확인할 수 있는 바와 같이 2개의 물체 사이에 차폐체가 존재하는 경우에는 2개의 물체 간의 복사열전달률(

)은 차폐체의 개수(

)와 방사율(

)에 따라 달라지는데, 본 발명에는 복사열이 방사되는 경로 중에 원형돌기(10)와 타원형돌기(20)가 형성되어 있기 때문에 이들이 하나의 차폐체로 작용하며, 그 결과 전열관(1)의 표면에 돌기가 형성되지 않은 경우에 비해 전열관(1)의 외측쪽으로 전달되는 복사열전달률(

)이 대략 반(1/2)로 줄어들게 된다.

따라서 전열관(1)의 표면에 본 발명에서와 같이 타원형돌기(20)가 형성되는 경우 이들이 화염 복사파의 투과를 최소화시키고, 그 결과 전열관(1) 내부를 순환하는 열매체로 전달되는 복사열전달을 증대시켜 열교환 효율을 향상시키며, 또한 이와 같이 화염 복사파의 투과가 최소화되기 때문에 열교환기의 외측에 설치되는 열교환기 하우징으로의 복사열전달이 최소화되어 하우징의 과열이 방지된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 열교환기의 전열관의 상하면에 각각 원형돌기와 타원형돌기를 형성함으로써 열전달 면적을 증대시키는 것과 동시에 대류열전달과 복사열전달을 증대시켜 열전달 효율이 향상된다.

1: 전열관 10: 원형돌기
20: 타원형돌기

Claims (4)

1. 보일러의 내부에 설치되어 화염에 의해 내부를 순환하는 열매체를 가열하는 열교환기에 있어서,
   상기 열교환기는 전열관(1)이 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통형상을 이루고,
   상기 전열관(1)의 상하면에는 각각 복수 개의 원형돌기(10)와 복수 개의 타원형돌기(20)가 형성되며,
   상기 원형돌기(10)는 상기 전열관(1)의 상하면의 중앙에 형성되고, 상기 타원형돌기(20)는 상기 원형돌기(10)를 기준으로 상기 전열관(1)의 외측에 일정 간격을 두고 각각 교대로 형성되고,
   상기 원형돌기(10)는 상기 전열관(1)이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관(1)의 하면에 형성된 원형돌기(10)와 하부쪽의 전열관(1)의 상면에 형성된 원형돌기(10)가 서로 맞닿도록 동일한 위치에 형성되며, 상기 타원형돌기(20)는 배기가스의 유동방향에 수직이 되도록 호 형상으로 형성되면서 상기 전열관(1)이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관(1)의 하면에 형성된 타원형돌기(20)와 하부쪽의 전열관(1)의 상면에 형성된 타원형돌기(10)가 상기 열교환기의 중심을 기준으로 동심원을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 원형돌기(10)의 높이는 상기 원형돌기(10)가 간극 유지돌기로서 기능할 수 있도록 상하로 적층된 상기 전열관(1) 사이의 간극 크기의 1/2로 형성되고, 상기 타원형돌기(20)의 높이는 복사파를 차단하면서 대류열전달을 촉진할 수 있도록 상기 간극 크기의 1/4 보다는 크고 3/4 보다는 작도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 원형돌기(10)의 배기가스 유동방향으로의 단면 형상은 상면이 평평한 접시 모양으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 원형돌기(10)는 상기 전열관(1)의 상하면을 내측부, 중앙부 및 외측부로 3등분하였을 때 상기 중앙부의 중앙에 형성되고, 상기 타원형돌기(20)는 내측부의 중앙과 외측부의 중앙에 일정 간격을 두고 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
   

Images