KR101842402B1 - 열 교환기 - Google Patents

열 교환기 Download PDF

Info

Publication number
KR101842402B1
KR101842402B1 KR1020170104531A KR20170104531A KR101842402B1 KR 101842402 B1 KR101842402 B1 KR 101842402B1 KR 1020170104531 A KR1020170104531 A KR 1020170104531A KR 20170104531 A KR20170104531 A KR 20170104531A KR 101842402 B1 KR101842402 B1 KR 101842402B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chamber
temperature fluid
heat exchange
low
low temperature
Prior art date
Application number
KR1020170104531A
Other languages
English (en)
Inventor
김정일
Original Assignee
김정일
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김정일 filed Critical 김정일
Priority to KR1020170104531A priority Critical patent/KR101842402B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101842402B1 publication Critical patent/KR101842402B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1607—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/226—Transversal partitions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

열 교환기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기는, 저온유체 유입관과 저온유체 유출관을 가지며 중공부에 저온유체 유입챔버와 저온유체 유출챔버로 구획하는 격벽이 마련된 유출입 챔버; 고온유체 유출입구를 가지는 열 교환 챔버; 상기 유출입 챔버와 연통되어 저온유체의 유출입 경로를 제공하도록 상기 열 교환 챔버의 중공부에 수직 방향으로 이격되어 마련된 복수의 핀 튜브; 및 상기 핀 튜브와 연통하도록 배치되어, 상기 저온유체가 통합되어 유동되는 순환 챔버;를 포함하고, 상기 유출입 챔버와 상기 열 교환 챔버, 상기 순환 챔버는 수직 방향으로 순차 적층된 구조일 수 있다.

Description

열 교환기{Heat Exchanger}
본 발명은 열 교환기에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 단일 저온유체를 이용하여 간단하게 구조로 열 교환효율을 높인 열 교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열 교환기란 공정의 흐름을 구성하는 고정 장치물의 일종으로서, 기/액체 상의 원재료가 포함하고 있는 열을 전열면을 통해 유체 상호간에 열 전달을 일으켜 가열, 냉각 그리고 응결 등의 기능을 수행하는 설비이다.
이러한 열 교환기는 고온유체와 저온유체가 상호 열을 교환할 수 있도록 한 장치로서, 저온유체와 고온유체 간의 높은 온도차는 피로하중을 높여 열 교환기의 내구성을 악화시키는 문제점이 있었다.
열 교환기는 본체 내부에 순환되는 고온유체가 외부 환경에 의하여 고온 상태를 유지하지 못하게 되어 열 교환 효율의 저하를 가져오고, 일정 온도 이상의 고온을 유지하기 위해 많은 에너지 소모가 필요하다는 문제점이 있었다.
특허공개공보 제10-2013-0016523호(2013.02.18)
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 열 교환에 사용된 저온유체를 다시 재 유입시킴으로써 저온유체의 재 열 교환 방식에 의한 열효율을 향상시킨 열 교환기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 열전도율이 서로 다른 저온유체와 고온유체 간의 열 교환 시 저온유체의 초기 체류시간을 늘려 고온유체와의 열 교환 시 열 저항에 따른 부하를 최소화시킬 수 있는 구조의 열 교환기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 단일 종류의 저온유체를 사용하면서도 안전하게 작동시킬 수 있는 열 교환기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 열 교환기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기는, 저온유체 유입관과 저온유체 유출관을 가지며 중공부에 저온유체 유입챔버와 저온유체 유출챔버로 구획하는 격벽이 마련된 유출입 챔버; 고온유체 유출입구를 가지는 열 교환 챔버; 상기 유출입 챔버와 연통되어 저온유체의 유출입 경로를 제공하도록 상기 열 교환 챔버의 중공부에 수직 방향으로 이격되어 마련된 복수의 핀 튜브; 및 상기 핀 튜브와 연통하도록 배치되어, 상기 저온유체가 통합되어 유동되는 순환 챔버;를 포함하고, 상기 유출입 챔버와 상기 열 교환 챔버, 상기 순환 챔버는 수직 방향으로 순차 적층된 구조일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열 교환 챔버의 중공부에 고온유체의 이동 방향에 수직하게 교차 배열된 복수의 판상형 가이드 부재;를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀 튜브는, 상기 유출입 챔버에서 상기 순환 챔버 방향으로 유로를 제공하는 제1 핀 튜브; 및 상기 순환 챔버에서 상기 유출입 챔버 방향으로 유로를 제공하는 제2 핀 튜브;를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열 교환 챔버는, 상기 제1 핀 튜브가 마련된 제1 열 교환영역; 및 상기 제2 핀튜브가 마련된 제2 열 교환영역;을 포함하며, 상기 저온유체와 상기 고온유체는 상기 제1 열 교환영역과 상기 제2 열 교환영역에서 2회에 걸쳐 열 교환이 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 열 교환영역 및 제2 열 교환영역에서의 상기 저온유체와 상기 고온유체의 온도 차이는, 상기 유출입 챔버를 통하여 유입된 상기 저온유체와, 상기 열 교환 챔버를 통하여 유입된 상기 고온유체의 온도 차이보다 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 격벽은, 상기 저온유체 유입챔버를 상기 저온유체 유출챔버 보다 큰 체적을 가지도록 형성시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 격벽은, 상기 핀 튜브의 열전도율보다 낮은 열전도율을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 저온유체 유출관은, 상기 저온유체 유출챔버로부터 상부를 향하며 소정의 길이로 연장 형성된 저온유체 유출유로;를 더 포함하며, 상기 저온유체 유출유로의 적어도 일부는 상기 유출입 챔버보다 높게 위치할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 유출입 챔버가 상기 열 교환 챔버의 하부에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 유출입 챔버와 열 교환 챔버, 순환 챔버를 포함하는 단순한 구조의 열 교환기로 열효율을 향상시키면서도 제조단가를 절감, 설치 운용의 편의성을 도모시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 저온유체 유입챔버가 저온유체 유출챔버보다 큰 체적을 가짐으로써, 초기 열 교환 당시 저온유체의 유동속도의 지연으로 열 교환 챔버 내에서의 열 교환 속도를 제어함으로써 열 교환 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 열 교환영역과 제2 열 교환영역으로 이루어진 열 교환 챔버는 2회에 걸쳐 열 교환이 이루어짐으로써 단일의 저온유체를 이용하면서도 열 교환 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 열 교환영역보다 제2 열 교환영역의 열 저항을 낮춤으로써 열 교환 부하를 최대한 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 핀 튜브와 제2 핀 튜브에서 저온유체의 경로가 달리하고 열 교환 챔버를 유동하는 고온유체의 열 교환 횟수를 늘려 열 교환 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 열 교환 챔버 내 판상 가이드 부재를 구비함으로써 열 교환 챔버 내 고온유체의 흐름을 가이드하여 저온유체와 고온유체의 열 교환 면적을 높여 열 교환을 향상시킨 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 저온유체 유출유로의 단차를 주어 유출입 챔버 내 보조히터의 공기 중 노출을 막아 열 교환이기의 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기에서 유출입 챔버를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환 챔버에 대한 평단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기에서 각각의 접촉 면적을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기 내 저온유체의 흐름을 보인 동작상태도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기 내 고온유체의 흐름을 보인 동작상태도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기(10)를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기(10)의 정면도이고, 도 3은 도 2에서 유출입 챔버(100)에 대한 확대 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환 챔버(200)에 대한 단면 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기(10) 내 저온유체의 흐름을 보인 동작상태도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기(10) 내 고온유체의 흐름을 보인 동작상태도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환기(10)은, 유출입 챔버(100)와 열 교환 챔버(200), 순환 챔버(300), 복수의 핀 튜브(241, 242)를 포함할 수 있다.
이 경우 열 교환기(10)는, 유출입 챔버(100)와 열 교환 챔버(200), 순환 챔버(300)가 수직 방향으로 순차 적층된 구조일 수 있다. 즉 열 교환기(10)는, 열 교환 챔버(200)와, 열 교환 챔버(200)의 일 단에 마련된 유출입 챔버(100)와, 열 교환 챔버(200)의 타 단에 마련된 순환 챔버(300)를 포함할 수 있다. 수직 방향에 대해서 유출입 챔버(100)가 열 교환기(10)의 가장 하부에 위치하고, 그 상면에 열 교환 챔버(200)와 순환 챔버(300) 순으로 적층되는 구조인 것으로 도 1에서는 도시하였으나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 역으로 유출입 챔버(100)가 가장 상부에 위치하는 구조로 결합될 수도 있다.
유출입 챔버(100)
본 발명의 일 실시 예에 따른 유출입 챔버(100)는, 내부 중공부를 구획하기 위한 격벽(110)과 저온유체 유입챔버(120), 저온유체 유출챔버(130), 저온유체 유입관(121), 저온유체 유출관(131)를 포함할 수 있고, 나아가 저온유체 유출유로(132)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
격벽(110), 저온유체 유입챔버(120), 저온유체 유출챔버(130)
도 2를 참조하면 격벽(110)은, 장방형의 유출입 챔버(100)의 내부 공간을 저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130)로 구획할 수 있다. 격벽(110)은, 유출입 챔버(100)의 중공부에 수직 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 격벽(110)은, 저온유체가 각 챔버를 순차적으로 통과할 수 있도록 내구 공간을 구획하기 위함이다. 다른 관점에서, 저온유체 유입챔버(120)의 유체와 저온유체 유출챔버(130)의 유체는 격벽(110)에 의하여 혼입이 차단될 수 있다. 이러한 격벽(110)은, 유출입 챔버(100)의 저온유체 내압에 대한 강성을 확보할 수 있다.
격벽(110)은, 다양한 방식으로 저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130)의 내부 공간을 구획할 수 있다. 예를 들어, 격벽(110)은, 저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130)의 내부 공간이 서로 동일하도록 구획할 수 있다. 이와 달리 격벽(110)은, 저온유체 유입챔버(120)가 저온유체 유출챔버(130)보다 큰 체적을 가지도록 유출입 챔버(100)의 내부 공간을 구획할 수 있다.
또한 저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130) 간에는 유출입 챔버(100)의 중심부를 기준으로 서로 차지하는 면적이 비대칭되도록 유출입 챔버(100)의 내부공간을 구획시킬 수 있고, 더 나아가 저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130) 간 장방향에서 서로 다른 폭을 가지도록 유출입 챔버(100)의 내부공간을 구획시킬 수도 있다.
저온유체 유입챔버(120)는 저온유체 유출챔버(130)보다 크게 형성됨으로써 저온유체 유입챔버(120)가 저온유체 유출챔버(130)에 체류하는 저온유체보다 일정량 이상의 저온유체를 저류할 수 있고, 이는 저온유체 유입챔버(120)의 저온유체 유동속도를 저온유체 유출챔버(130)에서보다 지연시키게 되는바, 결과적으로 열 교환 챔버(200) 내에서의 저온유체와 고온유체 간의 열 교환 속도 지연에 의하여 열 교환 용량을 높임으로써 열 교환이기(10)의 열 교환 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130)를 비대칭 구조로 조절함으로써 저온유체의 저류량을 조절하고, 유출입챔버(100)의 용량을 극대화함은 물론 열 교환기(10)의 열 교환 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 격벽(110)은, 핀 튜브(241, 242)의 열전도율보다 낮은 열전도율의 재질일 수 있다. 열전도율이 낮은 격벽(110)을 사용함으로써, 저온유체 유입챔버(120)로 유입된 저온유체가 저온유체 유출챔버(130)의 저온유체와 열 교환하지 않고, 저온 상태를 유지한 채 열 교환 챔버(200)와 순환 챔버(300)를 거치면서 효과적으로 고온유체의 열을 낮추도록 있도록 하기 위함이다.
저온유체 유입관(121), 저온유체 유출관(131)
저온유체 유입관(121)은, 열 교환기(10)로 낮은 온도의 저온유체를 공급하기 위해 저온유체 유입챔버(120)의 일 단부에 구비될 수 있다.
저온유체 유출관(131)은, 열 교환기(10)의 고온유체와 열 교환된 저온유체를 회수하기 위해 저온유체 유출챔버(130)의 일 단부에 구비될 수 있다.
저온유체는 저온유체 유입관(121)을 통해 저온유체 유입챔버(120)로 유입될 수 있다. 열 교환이 이루어지고 난 후 저온유체는 저온유체 유출챔버(131)로부터 저온유체 유출관(131)으로 유출될 수 있다.
이 경우 저온유체 유입관(121)은, 저온유체 유출관(131)과 이격되어 유출입 챔버(100) 내 서로 다른 방향에 마련될 수 있고, 더 나아가 저온유체 유입관(121)과 저온유체 유출관(131)은 서로 직교하도록 배치 마련될 수 있다.
저온유체 유입관(121)과 저온유체 유출관(131)의 이러한 배치 구조에 의해서, 유동속도의 지연으로 저온유체의 저류량을 조절하고, 유출입챔버(100) 내 저온유체 유동속도를 제어해 열 교환기(10)의 열 교환 성능을 향상 시킬 수 있다.
저온유체 유출유로(132)
도 3을 참조하면 저온유체 유출관(131)은, 저온유체 유출유로(132)를 더 포함할 수 있다.
저온유체 유출유로(132)는 저온유체 유출챔버(130)로부터 상부를 향하여 소정의 길이로 연장 형성될 수 있다. 이 경우 저온유체 유출유로(132)의 적어도 어느 일부는 유출입 챔버(100)의 상단보다 높은 위치에 위치할 수 있다.
저온유체 유출유로(132)는, 다음의 식을 만족할 수 있다.
H1 > H2
즉, 저온유체 유출유로(132)의 임의 위치에서의 높이는, 유출입 챔버(100)의 높이보다 높을 수 있다.
저온유체 유출챔버(130)는, 열 교환 챔버(200)로 유입되는 고온유체와의 열 저항을 낮추기 위하여 그 중공부에 하나 이상의 보조히터(미도시)를 구비할 수 있다. 이때 보조히터(미도시)는 저온유체 유출챔버(130)의 저온유체에 담겨 있어야 하고 과열된 상태에서 공기 중에 노출 시 파손 위험을 예방하기 위함이다.
보조히터(미도시)는, 저온유체 유출챔버(130) 내 유동되어온 저온유체가 충분한 온도범위까지 가온되지 않았을 때를 대비하여, 저온유체를 일정 온도 이상으로 가온시키기 위함이다.
이러한 보조히터(미도시)는, 저온유체가 저온유체 유출챔버(130)로 유동되었음에도 불구하고, 충분히 가온되지 않았을 때를 대비하기 위해 저온유체 유출챔버(130)의 내부 공간에 마련될 수 있다. 보조히터(미도시)는, 그 내부 공간에서 항시 저온유체에 담겨 있을 수 있도록 저온유체 유출유로(132)의 적어도 일부는 저온유체 유출챔버(130)보다 높게 형성될 수 있다.
따라서 저온유체 유출유로(132)의 적어도 어느 일부의 상단 높이가 유출입 챔버(100)보다 높은 위치에 위치해 있어, 저온유체 유출챔버(130) 내 저온유체가 일정 높이 이하로 줄어들지 않도록 하여 보조히터(미도시)의 파손을 막을 수 있다.
열 교환 챔버(200)
도 1 및 도 4를 참조하면 열 교환 챔버(200)는, 고온유체 유입구(210)와 고온유체 유출구(220), 복수의 핀 튜브(241, 242)를 포함할 수 있고, 더 나아가 복수의 판상형 가이드 부재(250)를 더 포함할 수 있다.
이러한 열 교환 챔버(200)는, 간접 과열방식으로 저온유체와 고온유체 간에 열 유동이 일어날 수 있다.
이 경우 고온유체 유입구(210)와 고온유체 유출구(220)는 열 교환 챔버(200) 상에 대향되게 배치되고, 더 나아가 서로 수평방향에 대향하도록 하여, 고온유체의 흡입과 토출이 용이하도록 할 수 있다.
제1 열 교환 영역(231), 제2 열 교환 영역(232)
열 교환 챔버(200)는, 제1 열 교환영역(231)과 제2 열 교환영역(232)를 포함할 수 있다. 제1 열 교환영역(231)의 내부에는 일정 간격으로 배열된 복수개의 제1 핀 튜브(241)가 마련되고, 제2 열 교환영역(232)에는 제2 핀 튜브(242)가 마련될 수 있다.
이 경우 제1 열 교환영역(231)은, 고온유체 유출구(220) 측에 위치하는 반면 제2 열 교환영역(232)은 고온유체 유입구(210) 측에 위치할 수 있다.
저온유체와 고온유체는, 제1 열 교환영역(231)과 제2 열 교환영역(232)에서 2회에 걸쳐 교차하면서 열 교환이 이루어질 수 있다. 이때 제2 열 교환영역(232)은, 제1 열 교환영역(231)에 비하여 열 저항이 감소된 채 열 교환이 이뤄질 수 있다.
더욱 자세하게 저온유체는 제1 핀 튜브(241) 내 상승하면서 고온유체와 제1 열 교환영역(231)에서 열 교환을 할 수 있다. 이때 제1 핀 튜브(241)의 내측을 통하여 상승한 저온유체는 고온유체 유출구(220)의 방면으로 유출되는 부근의 제1 열 교환영역(231)에서 고온유체와 열 교환하되, 이 경우 고온유체는 제2 핀 튜브(242)를 통하여 하강한 저온유체와 제2 열 교환영역(232)에서 이미 1회 열 교환을 거쳤기 때문에, 보다 열 저항이 적어진 상태로 열 교환이 이루어지는 효과를 가져올 수 있다.
본 발명의 제1 열 교환영역(231)과 제2 열 교환영역(232)으로 이루어진 열 교환 챔버(200)는 2회 교차하면서 열 교환이 이루어짐으로써, 단일의 저온유체를 이용하면서도 열 교환 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
제1 핀 튜브(241), 제2 핀 튜브(242)
핀 튜브(241, 242)는, 유출입 챔버(100) 및 순환 챔버(300)와 연통되어 저온유체의 유출입 경로를 제공하도록 열 교환 챔버(200)와 동일 높이로 그 중공부에 수직 방향으로 이격되어 각각 일체로 탑재될 수 있다. 즉, 핀 튜브(241, 242) 내부의 저온유체와 열 교환 챔버(200) 중공부 내 고온유체간 열효율을 높이기 위해 열 교환 챔버(200) 내부에 일정 간격으로 다수의 핀 튜브(241, 242)가 배치 마련될 수 있다. 이러한 핀 튜브(241, 242)는 열전도율이 우수하고 저온유체 내지 고온유체에 대한 내부식성이 좋은 재질일 수 있다.
바람직하게 핀 튜브(241, 242)는, 일정 간격으로 일체로 형성될 수 있고, 열 전달 효율을 향상시키기 위한 단면 형상을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면 핀 튜브(241, 242)는, 그 기능에 따라 제1 핀 튜브(241)와 제2 핀 튜브(242)로 분류될 수 있다.
제1 핀 튜브(241)는, 유출입 챔버(100)에서 순환 챔버(300) 방향으로, 즉 상승 유로를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로 유출입 챔버(100) 중, 격벽(110)에 의하여 구획된 저온유체 유입챔버(120)에서 순환 챔버(300) 방향으로 상승 유로를 제공할 수 있다.
제2 핀 튜브(242)는, 순환 챔버(300)에서 유출입 챔버(100) 방향으로, 즉 하강 유로를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로 순환 챔버(300)에서 유출입 챔버(100) 중, 격벽(110)에 의하여 구획된 저온유체 유출챔버(120) 방향으로 하강 유로를 제공할 수 있다.
즉, 제1 핀 튜브(241)와 제2 핀 튜브(242) 내부의 저온유체는 각 위치에 따라 상승 유로와 하강 유로로 이루어져, 서로 반대방향으로 유동할 수 있다.
제1 핀 튜브(241)와 제2 핀 튜브(242)는 복수 개로 저온유체 분배를 효율적으로 할 수 있기 때문에 열 교환 효율을 높일 수 있다. 열 저항이 다른 저온유체를 제각각 공급할 수 있기 때문에 열 교환 챔프(200)의 높이를 높게 하더라도 저온유체를 해당 높이까지 수월하게 유동시킬 수 있어 열 교환의 신뢰성을 높일 수 있다.
제1 핀 튜브(241)은, 저온유체 유입챔버(120)에서 순환 챔버(300)로 향하는 저온유체의 내부 흐름 경로로서, 제1 열 교환영역(231) 내 상하로 배열되면서, 저온유체 유입챔버(120)와 순환 챔버(300) 간에 상호 연통 가능하게 연결하고, 제1 열 교환영역(231)의 내부를 흐르는 고온유체의 유동 시 열 교환하여 열을 빼앗는 기능을 할 수 있다. 이 경우 제1 핀 튜브(241)의 열 저항은 제2 핀 튜브(242)의 그것보다 클 수 있다.
제2 핀 튜브(242)은, 순환 챔버(300)에서 저온유체 유입챔버(120)로 향하는 저온유체의 내부 흐름 경로로서, 제2 열 교환영역(232) 내 상하로 배열되면서, 순환 챔버(300)와 저온유체 유출챔버(130) 간에 상호 연통 가능하게 연결하고, 제2 열 교환영역(232)의 내부를 흐르는 고온유체의 유동 시 열 교환하여 열을 빼앗는 기능을 할 수 있다. 이 경우 제2 핀 튜브(242)의 열 저항은 제1 핀 튜브(241)의 그것보다 작을 수 있다.
판상형 가이드 부재(250)
도 4를 참조하면 판상형 가이드 부재(250)는, 열 교환 챔버(200)의 중공부에 핀 튜브(241, 242)와 간섭이 일어나지 않으면서 고온유체의 이동 방향에 수직하도록 복수개가 교차 배열될 수 있다.
판상형 가이드 부재(250)는, 다음의 식을 만족할 수 있다.
L1 > L2
즉, 판상형 가이드 부재(250)의 길이(L2)는, 열 교환 챔버(200)의 길이(L1)보다 적을 수 있다. 판상형 가이드 부재(250)는, 장방형인 열 교환 챔버(200)의 길이에 대응되도록 적절한 수로 일방 측벽에 접합 결합한 채 서로 어긋나도록 교차 배치할 수 있다.
이러한 판상형 가이드 부재(250)는, 열 교환 챔버(200)의 내부를 흐르는 고온유체의 흐름에 있어서, 그 흐름을 제어함으로써 고온유체가 열 교환 챔버(200) 내부에서 핀 튜브(241, 242) 사이를 지그재그 방향으로 유동하면서 핀 튜브(241, 242) 내부의 저온유체와 열 교환하는 시간을 연장하는 효과를 가져올 수 있다.
순환 챔버(300)
다시 도 1 및 도 2를 참조하면 순환 챔버(300)는, 핀 튜브(241, 242)와 연통되도록 배치되며, 유출입 챔버(100)와 열 교환 챔버(200)를 거친 저온유체가 통합되어 유동될 수 있도록 내부가 중공형일 수 있다. 더 나아가 순환 챔버(300)는, 제1 핀 튜브(241)에서 유입된 저온유체를 제2 핀 튜브(242)로 중개하여, 저온유체를 순환 재분배하는 기능을 수행할 수 있다.
이 경우 저온유체의 밀도 차이에 의하여 열교환 챔버(200) 내의 유동 흐름에 따라 유입되는 제1 핀 튜브(241) 측에서 유입된 저온유체는 순환 챔버(300)를 거쳐 제2 핀 튜브(242) 측으로 유출될 것이다.
이와 같이 구성된 열 교환기(10)의 작동순서를 설명하면 다음과 같다.
도 6을 참조하면 열 교환기(10)에서 저온유체의 유동경로를 확인할 수 있다. 저온유체는, 저온유체 유입관(121)을 통해 저온유체 유입챔버(120)로 유입된 후, 제1 핀 튜브(241)를 통하여 상측으로 이동하며 제1 열 교환영역(231)에서 고온유체와 제1 열 교환이 일어날 수 있다. 각 제1 핀 튜브(241) 내 저온유체가 순환 챔버(300)에서 통합 유동한 뒤 제2 핀 튜브(242)를 통해 제2 열 교환영역(232)의 고온유체와 제2 열 교환이 일어날 수 있다. 이후 저온유체 유출챔버(130)에 모인 저온유체는 저온유체 유출관(131)와 저온유체 유출유로(132)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이 경우 저온유체 유출챔버(130) 내의 보조히터(미도시)가 그 내부 저온유체에 잠겨 있을 수 있도록, 저온유체 유출유로(132)의 임의 구간을 저온유체 유출챔버(130)의 높이보다 높게 마련함으로써, 저온유체 유출관(131)을 통해 흘러 나가는 저온유체의 양을 조절할 수 있다. 즉 저온유체 유출챔버(130) 내 저온유체의 수위를 보조히터(미도시)가 잠길 수 있도록 할 수 있다.
도 7을 참조하면 열 교환기(10)에서 고온유체의 유동경로를 확인할 수 있다. 고온유체는, 고온유체 유입구(210)을 통해 제2 열 교환영역(232)로 유입되어 판상형 가이드 부재(250)와 제2 핀 튜브(242) 사이 내부 공간을 통해 이동하면서 제2 핀 튜브(242) 내부의 저온유체와 제2 열 교환이 일어날 수 있다. 고온유체는 판상형 가이드 부재(250)에 의해 가이드 되면서 제1 열 교환영역(231)으로 유입되고 제1 핀 튜브(241)의 저온유체와 제1 열 교환이 일어난 뒤, 고온유체 유출구(220)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
한편, 일 실시 예에 따르면, 저온유체와 고온유체의 열 교환율을 향상시키기 위하여, 열 교환챔버(200)와 저온유체 유출챔버(130) 사이의 접촉면(F3)은 열 전달률이 낮은 재질의 것일 수 있다.
도 5를 참조하면 열 교환챔버(200)는, 저온유체 유입챔버(120)와 저온유체 유출챔버(130), 그리고 순환 챔버(300)와 각각 맞닿아 적층된 구조이다.
온도차 관점에서 볼 경우, 열 교환챔버(200)와 저온유체 유입챔버(120)의 접합면(F1)과 열 교환챔버(200)와 순환 챔버(300)의 접합면(F2), 이어서 열 교환챔버(200)와 저온유체 유출챔버(130)의 접합면(F3) 순서로 온도차가 적어질 수 있다. 즉, 다음과 같은 온도 관계가 성립될 수 있다.
TF1 > TF2 > TF3
저온유체 유출챔버(130)의 경우 그 내부에는 보조히터(미도시)가 구비되어 있어서, 저온유체 유출챔버(130) 내부의 저온유체를 고온 상태로 가온시킬 수 있다. 경우에 따라 보조히터(미도시)에 의해 저온유체 유출챔버(130) 내의 저온유체의 온도가 제2 열교환영역(231) 내부의 고온유체보다 높아질 경우, 저온유체 유출챔버(130) 내의 가열된 저온유체의 열이 제2 열교환영역(231) 내 고온유체에 열 전달이 이루어질 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여, 열교환챔버(200)와 저온유체 유출챔버(130)의 접합면(F3)은, 열전도율이 낮은 재질로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로 열교환챔버(200)와 저온유체 유출챔버(130)의 접합면(F3)은, 열 교환챔버(200)와 저온유체 유입챔버(120)의 접합면(F1)과 열 교환챔버(200)와 순환 챔버(300)의 접합면(F2)과 달리, 열전도율이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이로써, 만약 저온유체 유출챔버(130) 내의 저온유체가 보조히터(미도시)에 의하여 열 교환챔버(200)로 유입되는 고온유체보다 온도가 높은 경우라 하더라도, 저온유체 유출챔버(130)에서 열 교환챔버(200)로 열이 손실되는 것을 최소화할 수 있다.
반면, 접합면(F1)와 접합면(F2)은, 상대적으로 높은 열 전도율을 가지는 소재로 이루어질 수 있으므로, 더 많은 열 교환이 유도될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 열 교환기
100 : 유출입 챔버 110 : 격벽
120 : 저온유체 유입챔버 121 : 저온유체 유입관
130 : 저온유체 유출챔버 131 : 저온유체 유출관
132 : 저온유체 유출유로
200 : 열 교환 챔버 210 : 고온유체 유입구
220 : 고온유체 유출구
231 : 제1 열 교환영역 232 : 제2 열 교환영역
241 : 제1 핀 튜브 242 : 제2 핀 튜브
250 : 판상형 가이드 부재
300 : 순환 챔버
H1 : 유출입 챔버의 높이
H2 : 저온유체 유출유로의 임의 위치에서의 높이
L1 : 열 교환 챔버의 길이
L2 : 판상형 가이드 부재의 길이
F1 : 열 교환챔버와 저온유체 유입챔버의 접합면
F2 : 열 교환챔버와 순환 챔버의 접합면
F3 : 열 교환챔버와 저온유체 유출챔버의 접합면
TF1 : F1 온도 TF2 : F2 온도
TF3 : F3 온도

Claims (9)

  1. 저온유체 유입관과 저온유체 유출관을 가지며 중공부에 저온유체 유입챔버와 저온유체 유출챔버로 구획하는 격벽이 마련된 유출입 챔버;
    고온유체 유출입구를 가지는 열 교환 챔버;
    상기 유출입 챔버와 연통되어 저온유체의 유출입 경로를 제공하도록 상기 열 교환 챔버의 중공부에 수직 방향으로 이격되어 마련된 복수의 핀 튜브; 및
    상기 핀 튜브와 연통하도록 배치되어, 상기 저온유체가 통합되어 유동되는 순환 챔버;를 포함하고,
    상기 유출입 챔버와 상기 열 교환 챔버, 상기 순환 챔버는 수직 방향으로 순차 적층된 구조이고
    상기 저온유체 유출챔버 내에는 보조적인 열을 제공하는 보조히터가 마련되고,
    상기 저온유체 유출관은,
    상기 저온유체 유출챔버로부터 상부를 향하며 소정의 길이로 연장 형성된 저온유체 유출유로를 더 포함하며,
    상기 저온유체 유출유로의 적어도 일부는 상기 저온유체 유출챔버 보다 높게 위치하고, 상기 순환 챔버 보다 낮게 위치하며,
    상기 열 교환 챔버와 상기 저온유체 유출챔버의 접합면의 열 전도율은 상기 열 교환 챔버와 상기 저온유체 유입챔버 및 상기 순환 챔버 접합면들의 열 전도율보다 낮고
    상기 저온유체 유입챔버에 마련된 저온유체 유입관과 상기 저온유체 유출챔버에 마련된 저온유체 유출관은 서로 직교하는 방향으로 틀어지도록 마련되고,
    상기 유출입 챔버가 상기 열 교환 챔버의 하부에 배치되고, 상기 순환 챔버는 상기 열 교환 챔버의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환 챔버의 중공부에 고온유체의 이동 방향에 수직하게 교차 배열된 복수의 판상형 가이드 부재;를 더 포함하는, 열 교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀 튜브는,
    상기 유출입 챔버에서 상기 순환 챔버 방향으로 유로를 제공하는 제1 핀 튜브; 및
    상기 순환 챔버에서 상기 유출입 챔버 방향으로 유로를 제공하는 제2 핀 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열 교환 챔버는,
    상기 제1 핀 튜브가 마련된 제1 열 교환영역; 및
    상기 제2 핀튜브가 마련된 제2 열 교환영역;을 포함하며,
    상기 저온유체와 상기 고온유체는 상기 제1 열 교환영역과 상기 제2 열 교환영역에서 2회에 걸쳐 열 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환영역 및 제2 열 교환영역에서의 상기 저온유체와 상기 고온유체의 온도 차이는, 상기 유출입 챔버를 통하여 유입된 상기 저온유체와, 상기 열 교환 챔버를 통하여 유입된 상기 고온유체의 온도 차이보다 작은 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020170104531A 2017-08-18 2017-08-18 열 교환기 KR101842402B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170104531A KR101842402B1 (ko) 2017-08-18 2017-08-18 열 교환기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170104531A KR101842402B1 (ko) 2017-08-18 2017-08-18 열 교환기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101842402B1 true KR101842402B1 (ko) 2018-03-26

Family

ID=61910814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170104531A KR101842402B1 (ko) 2017-08-18 2017-08-18 열 교환기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101842402B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111197936A (zh) * 2020-02-28 2020-05-26 北京京能燕开综合能源服务有限公司 一种热交换器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001263968A (ja) * 2000-03-21 2001-09-26 Sumitomo Precision Prod Co Ltd プレートフィン型熱交換器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001263968A (ja) * 2000-03-21 2001-09-26 Sumitomo Precision Prod Co Ltd プレートフィン型熱交換器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111197936A (zh) * 2020-02-28 2020-05-26 北京京能燕开综合能源服务有限公司 一种热交换器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2660549B1 (en) Heat exchanger
US10126014B2 (en) Heat exchanger for condensing gas boiler
RU2650458C1 (ru) Высокоэффективный теплообменник пластинчатого типа
US20150021003A1 (en) Heat exchanger
US20150338168A1 (en) Heat exchanger
JP5759068B2 (ja) 熱交換器及び冷凍サイクル装置
US10577989B2 (en) Vehicle oil warmer and heat exchange system
WO2008027041A1 (en) Multisection water storage tank with thermal stratification for thermal energy utilization systems
CN109520330A (zh) 换热器及换热系统
KR101842402B1 (ko) 열 교환기
US8347826B2 (en) Heat exchanger, water heater and water tube
US20160209130A1 (en) Heat exchanger
KR101163995B1 (ko) 오일쿨러
EP1998131B1 (en) Gas cooler for hot-water supply system
WO2011114616A1 (ja) 沸騰冷却装置
KR101511838B1 (ko) 유체­유체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 열교환 방법
KR200269038Y1 (ko) 열매체유를 이용한 전기 보일러
JP2016176615A (ja) パラレルフロー型熱交換器
KR102597633B1 (ko) 터뷸레이터 및 이를 이용한 물 가열기용 열교환기
KR101273440B1 (ko) 열교환기
KR102069804B1 (ko) 열교환기 및 이를 구비한 열교환장치
KR102114863B1 (ko) Pcm적용 판형 열교환기
JP2015152229A (ja) プレート式熱交換器
KR102076679B1 (ko) 열교환기 및 자연 냉매 순환식 공기 조화기
KR101543522B1 (ko) 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant