KR101483878B1 - 다공판이 구비되는 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공판이 구비되는 열교환기에 관한 것으로, 구체적으로는 열교환기 관측(tube side)으로 유입되는 유체가 균일하게 통과되면서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여 관측 전방에 결합되는 다공판을 곡면으로 형성하고, 그 곡면의 다공판에 통공의 크기 및 배치를 다양하게 형성하여 열교환기로 유입되는 유체의 균일도를 높일 수 있는 다공판이 구비되는 열교환기에 관한 것이다.
본 발명은 유체가 유입되는 유입부와, 상기 유입부를 통하여 유입되는 유체가 복수의 튜브를 통과하면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기 본체 및 상기 열교환기 본체를 통과한 유체가 배출되는 배출부로 구성되는 열교환기에 있어서, 상기 유입부와 열교환기 본체 사이에 구비되되, 일측으로 돌출형성되는 만곡부가 형성되고, 표면에 복수의 통공이 형성되는 다공판을 포함한다.

Description

다공판이 구비되는 열교환기{Heat exchanger having perforated plate}

본 발명은 다공판이 구비되는 열교환기에 관한 것으로, 구체적으로는 열교환기 관측(tube side)으로 유입되는 유체가 균일하게 통과되면서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여 관측 전방에 결합되는 다공판을 곡면으로 형성하고, 그 곡면의 다공판에 통공의 크기 및 배치를 다양하게 형성하여 열교환기로 유입되는 유체의 균일도를 높일 수 있는 다공판이 구비되는 열교환기에 관한 것이다.

쉘 및 튜브 열교환기(STHX : Shell and tube heat exchanger)는 현재 가장 널리 이용되는 열교환기로서 내구성이 강하기 때문에 -250℃ 내지 800 온도 및 6000PSI의 압력에서 운용되며, 발전소, 정유공장 및 기타 대형 산업분야에서 널리 이용된다.

일반적으로 열교환기의 전열부로 흐르는 유체는 균일하게 분포한다는 가정에서 대부분의 열교환기 설계가 시작된다. 그러나 실제 열교환기에서는 기하학적 형상이나 작동시 운영 조건등에 의해 실제 전열면으로 들어가는 유체의 량은 큰 차이를 가지게 되고 이는 열교환기의 성능저하에 커다란 영향을 준다.

이러한 유체흐름의 균일도를 높여 열교환기의 성능을 향상시키기 위하여 열교환기의 입구측에 복수의 통공이 형성되는 다공판을 결합하고, 상기 다공판에 형성되는 통공의 크기 및 배치를 다양하게 접근하면서 열교환기를 통한 유체의 열교환 효율을 높이기 위한 기술이 제시되고 있다.

그러나 상기 다공판의 통공의 크기 및 배치를 다양하게 형성함에도 불구하고 유체흐름의 균일도를 높이는 데는 구체적인 방법이 제시되지 않고 았다.

International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 1667~1678

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 열교환기 관측(tube side)으로 유입되는 유체가 균일하게 통과되면서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여 관측 전방에 결합되는 다공판을 곡면으로 형성하고, 그 곡면의 다공판에 통공의 크기 및 배치를 다양하게 형성하여 열교환기로 유입되는 유체의 균일도를 높일 수 있는 다공판이 구비되는 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 유체가 유입되는 유입부와, 상기 유입부를 통하여 유입되는 유체가 복수의 튜브를 통과하면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기 본체 및 상기 열교환기 본체를 통과한 유체가 배출되는 배출부로 구성되는 열교환기에 있어서, 상기 유입부와 열교환기 본체 사이에 구비되되, 일측으로 돌출형성되는 만곡부가 형성되고, 표면에 복수의 통공이 형성되는 다공판을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 만곡부는, 상기 유입부 또는 튜브 측으로 만곡형성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 만곡부의 곡률반경(r)은,

와 같은 식에 의해 계산되고, 상기 통공의 배치는,

와 같은 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하되, 여기서

는 이론적인 균일 분배값의 오차평균, i는 샘플 포인트, Q_{N , i} 는 i포인트에서의 유량의 수치 시뮬레이션 값, Q_{T , i} 는 i포인트의 유량이론 값, x는 설계 변수이다.

일 실시예에 있어서, 상기 통공은, 방사형으로 배치되되, 중심에서부터 가장자리 영역으로 갈수록 그 직경이 점차 커지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기에 의하면, 유체 유입부 측으로 소정 곡률의 만곡형 다공판이 유입부 및 튜브 사이에 개재됨에 따라 유체가 열교환기 본체에 균일하게 공급되므로 열교환기의 열교환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 다공판의 통공 및 곡률을 열교환기의 용량 및 크기에 따라 다양하게 적용할 수 있으므로 유체의 열교환시 손실되는 열을 막을 수 있어 경제성이 높아지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 다공판의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기의 이상적인 구현을 위한 실험 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 및 4b는 다공판의 유무에 따른 실험결과를 열교환기 본체 측면에서 관찰한 종단면도이다.
도 5a 및 5b는 다공판의 유무에 따른 실험결과를 열교환기 본체 상부에서 관찰한 횡단면도이다.
도 6a 및 6b는, 도 4a 내지 5b의 유량의 속력을 측정한 그래프이다.
도 7a 및 7b는, 도 4a 내지 5b의 유량의 양을 측정한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기에 만곡형 다공판이 설치되었을 때의 실험결과를 나타낸 도면으로, 도 8a는 종단면도, 도 8b는 횡단면도이다.
도 9는 도 2의 다공판 통공의 배치상태를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 통공의 직경 및 각 통공의 중심간의 거리를 표로 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10의 값을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 12는 도 2의 다공판의 곡률을 수치상으로 나타낸 표이다.
도 13은 도 12의 표의 값을 그래프로 나타낸 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기를 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 2는 도 1의 다공판의 모습을 나타낸 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기는, 유체가 유입되는 유입부(20)와, 상기 유입부(20)를 통하여 유입되는 유체가 복수의 튜브(11)를 통과하면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기 본체(10) 및 상기 열교환기 본체(10)를 통과한 유체가 배출되는 배출부(30)로 구성되는 열교환기에 다공판(100)이 구비된다.

구체적으로는 상기 다공판(100)은, 상기 유입부(20)와 열교환기 본체(10) 사이에 구비되되, 일측으로 돌출형성되는 만곡부(101)가 형성되고, 표면에 복수의 통공(102)이 형성된다. 또한, 상기 만곡부(101)는, 상기 유입부(20) 또는 튜브(11) 측으로 만곡 형성될 수 있지만, 가장 이상적으로는 유입부(20)으로 만곡 형성되어야 열교환기로 유입되는 유체의 균일도를 높일 수 있게 된다.

한편, 상기 만곡부(101)의 곡률반경(r)은,

와 같은 식에 의해 계산되고, 상기 통공(102)의 배치는,

와 같은 식에 의해 계산될 수 있다.

여기서

는 이론적인 균일 분배값의 오차평균, i는 샘플 포인트, Q _{N , i} 는 i포인트에서의 유량의 수치 시뮬레이션 값, Q _{T , i} 는 i포인트의 유량이론 값, x는 설계 변수이다. 여기서 i 및 n은 1, 2, 3……n의 상수 값이다.

또한, 상기 통공(102)은, 방사형으로 배치되되, 중심에서부터 가장자리 영역으로 갈수록 그 직경이 점차 커지는 것이 바람직하다. 이는 유입부(20) 중심부의 유속이 제일 빠르기 때문에 중심부의 통공은 가장자리에 비해 작게 형성되어야 유체가 균일하게 분포될 수 있기 때문이다.
구체적으로는 도 9에 도시된 바와 같이 상기 통공(102)은, 일정한 구간별로 구획되어 각 구간의 직경은 서로 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이는 가장 이상적으로 유체가 균일하게 분포되도록 하기 위한 것이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기를 실험예를 통하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기의 이상적인 구현을 위한 실험 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3의 실험 장치는, 상기한 구성과 동일하게 구성되며, 유입부(20)와 튜브(11) 사이에 다양한 형상의 다공판(100)을 설치한다. 이후 유체를 유입부(20) 및 다공판(100)의 통공(102)을 통과하게 한 후 열교환기 본체(10)의 튜브(11)에 유입되도록 하여 상기 다공판(100) 및 튜브(11) 전단부 사이에서 유체의 흐름을 살펴보기로 한다.

도 4a 및 4b는 다공판의 유무에 따른 실험결과를 열교환기 본체 측면에서 관찰한 종단면도로, 도 4a에 도시된 바와 같이 다공판이 튜브의 전단부에 없을 경우 유입부(20)를 통과한 유체의 속도에 의해 최상단 및 최하단의 튜브(11)(하단부 미도시)에서 와류현상이 발생된다.

이에 비해 도 4b에 도시된 바와 같이 평판형의 다공판(110)이 설치된 경우 유입부를 통과한 유체가 다공판(110)을 통과하게 되면, 상기한 도 4a의 실험예와 달리 다공판을 통과한 유체는 상하단부에 와류는 심하게 발생되지만, 유체의 흐름은 도 4a에 실시예보다 원활한 것을 알 수 있다.

한편, 도 5a 및 5b는 다공판의 유무에 따른 실험결과를 열교환기 본체 상부에서 관찰한 횡단면도로, 도 5a에 도시된 바와 같이 다공판이 튜브의 전단부에 없을 경우 유입부(20)를 통과한 유체의 속도에 의해 최전방 및 최후방의 튜브(11)(전방부 미도시)에서 와류현상이 발생된다.

이에 비해 도 5b에 도시된 바와 같이 평판형의 다공판(110)이 설치된 경우 유입부를 통과한 유체가 다공판(110)을 통과하게 되면, 상기한 도 5a의 실험예와 달리 다공판을 통과한 유체는 전후방부에서 와류는 심하게 발생되지만, 유체의 흐름은 도 5a에 실시예보다 원활한 것임을 알 수 있다.

한편, 도 6a 및 6b는, 도 4a 내지 5b의 유량의 속력을 측정한 그래프이고, 도 7a 및 7b는, 도 4a 내지 5b의 유량의 양을 측정한 그래프이다.

도 6a 내지 6b를 참조하면, 다공판이 있을 경우(점선도시)에는 유체의 속력이 균일하게 분포하는 것을 알 수 있는 반면, 다공판이 없을 경우(실선 도시)에는 유체의 속력이 직경의 위치에 따라 불균일한 것을 알 수 있다.

또한, 도 7a 내지 7b를 참조하면, 다공판이 있을 경우(점선도시)에는 유체의 양이 균일하게 분포하는 것을 알 수 있는 반면, 다공판이 없을 경우(실선 도시)에는 유체의 양이 튜브의 가장자리로 갈수록 불균일한 것을 알 수 있다.

따라서 유입구(20) 및 튜브(11) 사이에 다공판(110)이 개재될 경우 유체의 흐름 및 그 양이 다공판(110)이 없을 때 보다 원활한 것을 알 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다공판이 구비되는 열교환기에 만곡형 다공판이 설치되었을 때의 실험결과를 나타낸 도면으로, 도 8a는 종단면도, 도 8b는 횡단면도이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 만곡형 다공판이 유입부(20) 및 튜브(11)사이에 개재되었을 시 유체가 균일하게 통공(102)을 통과하여 열교환기 본체(10)로 유입되는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 다공판(100)의 경우 도 9에 도시된 바와 같이 다공판(100)의 중심부의 통공(102)의 직경보다 가장자리 영역으로 갈수록 더 커져야 된다.

예를 들어 통공의 직경 및 각 통공의 중심간의 거리를 D _01, D ₀₂∈[3,5],D _03, D _04, D ₀₅∈[4,6], D _06, D _07, D ₀₈∈[6,10],D _09, D _10, D ₁₁∈[8,10],L _j ∈[L _j -1, L _j +1], j=01, 02, …, 10. 으로 하고, 이에 따른 각 수치를 도 10의 표에 나타내었으며, 도 10의 값을 도 11과 같이 그래프로 나타내었다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 다공판(100) 통공(102)의 직경 및 각 통공(102)의 직경은 No.30의 경우(청색 그래프)가 가장 이론에 근사한 것을 알 수 있다.

한편, 도 12는 도 2의 다공판의 곡률을 수치상으로 나타낸 표이고, 도 13은 도 12의 표의 값을 그래프로 나타낸 도면이다.

도 12 및 13을 참조하면, 다공판(100)의 곡률은 장치 Scheme 2와 같은 값에서 절대오차가 제일 작은 것을 알 수 있다. 여기서 반지름 R은 유입부(20) 측에서 측정한 반지름을 +반지름(R+)으로 하고, 튜브(11) 측에서 측정한 반지름을 -반지름(R-)으로 하여 그 값을 나타내었다.

따라서 상기한 No.30 및 Scheme 2의 값을 이용하여 다공판을 형성하게 되면, 이론과 가장 가까운 유체의 속도 및 유량을 구현할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 열교환기 본체 11 : 튜브
20 : 유입부 30 : 배출부
100 : 다공판 101 : 만곡부
102 : 통공

Claims (4)

1. 유체가 유입되는 유입부(20)와, 상기 유입부(20)를 통하여 유입되는 유체가 복수의 튜브(11)를 통과하면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기 본체(10) 및 상기 열교환기 본체(10)를 통과한 유체가 배출되는 배출부(30)로 구성되는 열교환기에 있어서,
   상기 유입부(20)와 열교환기 본체(10) 사이에 구비되어, 일측으로 돌출형성되는 만곡부(101)가 형성되고, 표면에 방사형으로 배치되어 중심에서부터 가장자리 영역으로 갈수록 그 직경이 점차 커지되, 일정한 구간별로 구획되어 각 구간의 직경은 서로 동일한 복수의 통공(102)이 형성되는 다공판(100)을 포함하고,
   상기 만곡부(101)의 곡률반경(r)은,
   

   

   와 같은 식에 의해 계산되고,
   상기 통공(102)의 배치는,
   

   

   와 같은 식에 의해 계산되
   는 것을 특징으로 하는 다공판이 구비되는 열교환기.
   여기서

   

   는 이론적인 균일 분배값의 오차평균, i는 샘플 포인트, Q_{N , i} 는 i포인트에서의 유량의 수치 시뮬레이션 값, Q_{T , i} 는 i포인트의 유량이론 값, x는 설계 변수이다.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 만곡부(101)는,
   상기 유입부(20) 또는 튜브(11) 측으로 만곡형성되는 것을 특징으로 하는 다공판이 구비되는 열교환기.
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