KR101956378B1

KR101956378B1 - 열교환기 튜브, 그리고 상기 열교환기 튜브를 포함하는 난방 보일러

Info

Publication number: KR101956378B1
Application number: KR1020180042959A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠스 발터 텔리안
Original assignee: 호발 아크티엔게젤샤프트
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-03-08
Also published as: AU2016204398B2; PL3301378T3; SI3040638T1; RU2018105848A; CN106370042A; AU2017245359A1; RU2647012C2; HUE052530T2; ES2672244T3; EP3040638A1; RU2016130039A; EP3301378B1; CA2899479A1; KR20180039613A; KR101882928B1; TW201704712A; TWI618909B; CN108426478B; KR20170012149A; CN106370042B

Abstract

난방 보일러(2)의 열교환기 튜브(5)는, 보일러 화로의 배기가스에 의해 관류될 수 있으면서 외면에서는 난방수에 의해 에워싸일 수 있는 외부 튜브(10)와, 상기 외부 튜브(10)의 내부 표면의 증대를 위해 외부 튜브의 길이방향(12)으로 연장되는 리브들(14)을 구비하여 외부 튜브 내로 삽입되고 외부 튜브(10)와 열 전도 방식으로 접촉하는 프로파일 인서트(11)를 포함하고, 난방 보일러에서 연소 가스로부터 보일러로의 훨씬 큰 열전달 용량이 가능해지는 것이 달성되도록 한다. 이것은 외부 튜브(10)의 제 1 길이방향 섹션(22)은 원통형의 매끄러운 벽으로 설계되고, 외부 튜브(10)의 제 2 길이방향 섹션(23)은 유동 횡단면을 수축시키는 적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)를 가지고, 프로파일 인서트(11)는 단지 외부 튜브(10)의 제 1 길이방향 섹션(22)에 걸쳐서만 연장되고, 적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)는, 외부 튜브의 제 2 길이방향 섹션(23)에서 외부 튜브(10) 안으로 미끄러지는 덕트 유형의 노즐 형상 인서트로서 설계됨으로써 달성된다.

Description

열교환기 튜브, 그리고 상기 열교환기 튜브를 포함하는 난방 보일러{HEAT EXCHANGER TUBE AND HEATING BOILER HAVING SUCH A HEAT EXCHANGER TUBE}

본 발명은 난방 보일러, 특히 콘덴싱 보일러의 열교환기 튜브에 관한 것이며, 상기 열교환기 튜브는, 보일러 화로의 배기가스에 의해 관류될 수 있으면서 외면에서는 난방수(heating water)에 의해 에워싸일 수 있는 외부 튜브와, 상기 외부 튜브 안으로 삽입된 프로파일 인서트(frofiled insert)를 가지고, 프로파일 인서트는 외부 튜브의 내부 표면의 증대를 위하여 프로파일 인서트의 길이 방향으로 연장되는 리브들을 구비하고 외부 튜브와 열 전도 방식으로 접촉하고, 외부 튜브의 제 1 길이방향 섹션은 원통형의 매끄러운 벽으로 설계되고, 외부 튜브의 제 2 길이방향 섹션은 유동 횡단면을 수축시키는 적어도 하나의 횡단면 수축 요소를 가지고, 프로파일 인서트는 단지 외부 튜브의 제 1 길이방향 섹션에 걸쳐서만 연장된다. 즉, 프로파일 인서트는 제 1 길이 방향 섹션에만 위치된다.

마찬가지로, 본 발명은 가열 회로의 난방수 가열을 위한 난방 보일러, 특히 콘덴싱 보일러에 관한 것으로서, 이것은 난방수 챔버를 한정하는 하우징을 가지고, 난방수 챔버의 상류에 배치된 연소실을 가진다.

청구항 제 1 항의 전제부에 따른 열교환기 튜브는 공지되어 있으며, 예를 들어 미국 출원 US 2004/0104015 A1에 개시되어 있다.

본 출원인에 의해서 판매되도록 제공되는, 서두에 개시된 종래 기술의 상기 난방 보일러는 가스 또는 액체(연료 오일, 등유와 같은 것)를 연소시킴으로써 콘덴싱 보일러로서 작동될 수 있다. 그러한 콘덴싱 보일러에서, 연소 가스는 응축열을 이용하기 위하여 배기 가스의 습기가 응축될 때까지 냉각된다. 난방 보일러 또는 콘덴싱 보일러는, 난방 보일러를 가로지르는 연소 가스 경로의 끝에서, 연소 가스의 이슬점 온도보다 낮은 난방수 온도로 작동되는 것이 필수적이다. 난방 보일러의 수냉 열교환기 튜브를 통하여, 연소 기체의 가능한 한 짧은 경로에 걸쳐, 높은 유입 온도로부터 이슬점 온도와 가장 낮은 난방수 온도 사이의 온도로 연소 가스를 냉각시키려는 노력이 있다. 이러한 목적을 위하여, 열교환기 튜브들이 공지되어 있으며, 서두에서 설명된 기술의 열교환기 튜브는 예를 들어 유럽 출원 EP 0 752 088 A1 에 개시되어 있다.

본 발명의 과제는 연소 가스로부터 난방수로의 훨씬 큰 열전달 용량을 가능하게 하는 구조적으로 단순하고 비용 효과적으로 열교환 튜브 및 난방 보일러를 제공하는 것이다.

서두에서 참조된 기술의 열교환기 튜브에서, 상기 과제는 적어도 하나의 횡단면 수축 요소가 노즐 형상의 인서트로서 설계되는 본 발명에 따라서 달성되는데, 상기 횡단면 수축 요소는 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션에서 외부 튜브 안으로 미끄러지는 덕트의 유형으로 이루어진다.

또한, 상기 과제는, 동일한 방식으로, 최초에 명시한 열교환기 튜브의 경우, 본 발명에 따라서, 하우징의 내부에 청구항 제1항에 따르는 적어도 하나의 열교환기 튜브가 배치되고, 이 열교환기 튜브는 연소실로부터 출발하여 난방수 챔버를 통과하여 이어지는 방식으로 연장되는 것을 통해 해결된다. 이 경우, 적어도 하나의 열교환기 튜브는 약 10kW의 매우 낮은 용량을 위한 용도로 생각해볼 수 있으며, 그에 반해 다수의 적용 사례에서는 복수의 열교환기 튜브도 제공된다. 적어도 하나의 열교환기 튜브는 예컨대 수직으로, 또는 수평으로도 난방수 챔버를 통과하여 연장될 수 있으며, 이때 90°(수직)와 0°(수평) 사이에서 각각 또 다른 각도 역시도 생각해볼 수 있다.

본 발명의 바람직하고 적합한 구현예들 및 개선예들은 종속 청구항들에서 제시된다.

본 발명을 통해, 각각 기능적인 구조를 특징으로 하면서 단순하고 경제적인 구성을 보유하는 열교환기 튜브뿐만 아니라, 이런 열교환기 튜브를 복수 개 포함하는 난방 보일러도 제공된다. 종래 기술에서 공지된 열교환기 튜브들의 경우, 고온의 연소 가스가 열교환기 튜브의 유입구로부터 그 유출구까지 열교환기 튜브를 관류하고 이와 동시에 냉각된다는 문제가 있었다. 이에 수반되어 발생하는 연소 가스의 체적의 유의적인 감소로 인해, 열교환기 튜브의 유출구까지 유동 속도 및 난류는 강하게 감소되었으며, 이는 열전달의 효율성에 불리하게 작용하였다. 그에 대해, 본 발명의 경우, 외부 튜브의 관류 횡단면을 수축시키는 적어도 하나의 횡단면 수축 요소를 통해 횡단면 수축 요소의 상류에서, 다시 말하면 연소실과 횡단면 수축 요소 사이에서 압력 강하가 증가되며, 그럼으로써 본 발명에 따라서 분명하게 연소실 내에서, 그리고 횡단면 수축 요소 상류의 열교환기 튜브의 제2 길이방향 섹션 내에서 더 많은 에너지가 전달될 수 있다. 횡방향 수축 요소 상류의 길이방향 섹션 내에서, 수축된 관류 횡단면을 통해 배기가스의 유동 속도는 강력하게 상승되고, 그럼으로써 추가로 열전달 및 그에 따른 배기가스의 에너지 활용이 증가된다. 관류 횡단면의 수축부의 하류, 다시 말하면 횡단면 수축 요소의 하류의 길이방향 섹션 내에서 배기가스는 다시 팽창되어, 프로파일 인서트를 포함하는 외부 튜브의 길이방향 섹션 내로 안내된다. 열교환기 튜브의 길이방향으로 연장되는 프로파일 인서트의 리브들로 인한 매우 큰 표면에 의해, 외부 튜브의 제1 길이방향 섹션 내에서 배기가스는 이슬점 미만으로까지 냉각되며, 이는 콘덴싱 기술에, 그리고 그에 따라 난방 보일러의 효율에 바람직하게 작용한다. 열교환기 튜브와 이 열교환기 튜브를 구비한 난방 보일러를 통한 본 발명의 장점들은 하기와 같이 기재된다. 수축부를 포함하지 않은 열교환기 튜브들에 비해, 수축부의 상류에서 압력 강하의 증가는 연소실 내에서, 그리고 열교환기 튜브의 유입구에서 향상된 열전달을 실현한다. 또한, 수축부의 영역에서, 그리고 특히 수축부의 하류에서 유동 속도의 상승은 상대적으로 더 향상된 열전달을 달성하는데, 그 이유는 횡단면 수축 요소를 통해 수축부의 상류에서 층류인 유동이 수축부의 하류에서 난류 유동으로 갑자기 변하기 때문이다. 마지막으로 열교환기 튜브의 제1 길이방향 섹션 내에서 프로파일 인서트를 통한 열전달 표면의 확대는 수축부의 하류에서 낮은 유동 속도를 실현하면서 저온의 배기가스 온도를 달성하며, 이는 추가로 난방수로 열전달의 향상에 기여한다. 더욱이, 본 발명에 따른 열교환기 튜브의 제조를 위한 간단하고 경제적인 가능성은, 적어도 하나의 횡단면 수축 요소가 노즐의 유형에 따라서 형성되는 노즐 형상 인서트로서 형성되고 이 노즐 형상 인서트는 외부 튜브의 제2 길이방향 섹션에서 외부 튜브 내로 삽입되는 본 발명의 구현예에 있다. 이런 방식으로, 외부 튜브는 횡단면 수축부를 위한 압입부들 또는 만곡부들의 고려를 통해 재가공되지 않아도 된다. 오히려, 외부 튜브의 내경에 매칭되는 지름을 갖는 별도의 횡단면 수축 요소를 제조하여 열교환기 튜브의 조립 또는 납품 시 프로파일 인서트와 함께 외부 튜브로 삽입할 수 있게 하는 것만으로도 충분하다.

유리한 실시예에서, 본 발명은 프로파일 인서트가 적어도 2 개의 셸 부재에 의해 형성되는 튜브 몸체를 포함하고, 셸 부재들은 원의 부채꼴 형상인 하나의 단면을 각각 가지는 것을 제공한다. 이러한 실시예는 단순한 제조 방법을 이용하여 열교환 튜브들을 용이하게 제조할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 열교환 튜브의 실시예에서, 튜브 몸체가 2 개의 셸 부재들을 포함하고, 그들의 접촉하는 길이 방향 테두리에 그루브 형상의 함몰부들 및 리브와 유사한 돌출부들 가지도록 형성됨으로써 실링 방식으로 서로 맞물리고, 2 개의 셸 부재들은 그들의 내부측에서 리브들을 가지고 구성되고, 리브들은 튜브 몸체의 비어 있는 횡단면으로 돌출하며, 리브들을 가진 각각의 셸 부재가 일측에서 개방된 프로파일을 구성하는 방식으로 외부 튜브의 길이 방향으로 연장될 때 특히 유리하다. 일측에서 개방된 프로파일을 구성하는 리브들을 가진 2 개의 절반 셸로서의 셸 부재들의 실시예는 예를 들어 압출에 의하여 용이하고 비용 효과적으로 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기 튜브의 일 실시예는 2 개의 셸 부재들이 각각 하나의 길이 방향 테두리에 밀봉 그루브를 가지고 다른 길이 방향 테두리에 상기 밀봉 그루브(sealing groove)의 형상과 맞춰지는 밀봉 리브(sealing rib)를 가지도록 설계된다. 이러한 라비린스 실링(labyrinth sealing) 방식의 실시예는 외부 튜브의 제 1 길이 방향 섹션에서 간극(gap)의 형성을 방지하는데, 상기 간극을 통해 배기 가스 또는 응축수이 프로파일 인서트와 외부 튜브 사이에 침투하여 부식을 초래할 수 있다.

본 발명에 따라서, 추가 구현예에서, 외부 튜브는 금속 합금, 바람직하게는 스틸(steel)로 형성되고, 프로파일 인서트는 알루미늄으로 형성된다. 재료의 선택에 의하여, 외부 튜브는 배기가스 응축수에 대항하는 재료 선택을 기반으로 내산성이면서 알칼리액에 대해 내부식성이며, 그리고 다른 한편으로 자체의 단부들에서는, 한편으로 연소실로부터, 그리고 다른 한편으로는 난방수 챔버의 하부에 배치되는 난방 보일러의 배기가스 포집기로부터 열교환기 튜브들을 에워싸는 난방수 챔버를 분리하는 튜브 바닥부들 또는 튜브 판들에서 용접된다.

마지막으로, 본 발명에 따라서, 열전달의 효율의 증대를 위해, 적어도 하나의 횡단면 수축 요소를 포함하는 외부 튜브의 제2 길이방향 섹션은 연소실과 외부 튜브의 제1 길이방향 섹션 사이에 배치된다. 이런 방식으로 열교환기 튜브의 횡단면 수축 요소는 자체의 유입구의 영역에서 연소 가스의 유동에 영향을 미치며, 그리고 열교환기 튜브 내에서 유동 속도 및 난류를 증가시킨다.

자명한 사실로서, 상기에서 언급하고 하기에서 여전히 설명할 특징들은 각각 명시한 조합으로뿐만 아니라, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 또 다른 조합으로, 또는 독자적으로 이용될 수 있다. 본 발명의 범위는 특허청구범위를 통해서만 정의된다.

본 발명의 대상의 추가 상세내용들, 특징들 및 장점들은 예시로서 본 발명의 한 바람직한 실시예가 도시되어 있는 도면과 관련한 하기 기재내용에서 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 난방 보일러를 도시한 사시도이다.
도 2는 부분적으로 절단된 하우징과 함께 난방 보일러를 도시한 추가 사시도이다.
도 3은 난방 보일러의 본 발명에 따른 열교환기 튜브의 구성부분을 도시한 상세 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 사시도이다.
도 6은 일측 튜브 평면을 따라서 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 측면 단면도이다.
도 7은 타측 튜브 평면을 따라서 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 추가 측면 단면도이다.
도 8은 도 6의 열교환기 튜브의 길이방향 섹션을 도시한 한 확대도이다.
도 9는 도 7의 열교환기 튜브의 길이방향 섹션을 도시한 또 다른 확대도이다.
도 10은 일측의 축 방향 위치를 위한 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 횡단면도이다.
도 11은 타측의 축 방향 위치를 위한 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 추가 횡단면도이다.
도 12는 관류 횡단면이 용이하게 식별되도록 한 상태로, 도 10에 도시된 위치에 상응하는 열교환기 튜브를 도시한 횡단면도이다.
도 13은 횡단면 수축 요소의 영역이 단면도로서 도시된 상태로, 본 발명에 따른 열교환기 튜브를 도시한 사시도이다.

도 1에는, 난방 보일러(2)의 하우징(1)이 사시도로 도시되어 있으며, 도 2에는, 하우징(1)의 내부를 더욱 충분히 볼 수 있도록 하기 위해, 하우징(1)이 부분적으로 제거되어 있다. 난방 보일러(2)는 별도로 도시되지 않은 가열 회로의 난방수의 가열을 위해 이용되고 콘덴싱 보일러로서 실현될 수 있다. 하우징(1)은 난방수 챔버(3)를 에워싸고, 화분 형태로, 또는 원추형으로 형성되는 연소실(4)을 포함하며, 이 연소실은 난방수 챔버(3)의 상부에 배치되고, 상기 연소실에는 도시되지 않은 버너가 할당된다. 연소실(4)의 바닥부 상에는, 난방수 챔버(3)를 관통하여 미도시한 배기가스 포집 챔버 내로 통해 있는 복수의 열교환기 튜브(5)를 포함하는 열교환기가 배치된다. 결과적으로, 열교환기 튜브들(5)은 연소실(4)의 바닥부에서 출발하여 도시된 실시예의 경우 실질적으로 수직으로 난방수 챔버(3)를 통과하여 연장되며, 그 대안으로 난방수 챔버 내에서 열교환기 튜브들(5)의 수평 연장을 위한 0°와 그 수직 연장을 위한 90° 사이의 임의의 각도 역시도 생각해볼 수 있다. 이 경우, 난방수가 에워싸면서 흐르는 열교환기 튜브들(5)의 외부 표면들은 자체의 열을 난방수 챔버(3) 내의 난방수로 방출하며, 열교환기 튜브들(5) 내에서는 상부 영역의 온도가 하부 영역의 온도를 실질적으로 초과하는 방식으로 온도 강하가 존재한다. 난방수 챔버 내로는 상이한 가열 회로들의 냉각된 회수수(return water)를 난방수 챔버(3)로 다시 공급하는 회수 포트들(6 또는 7)이 통해 있다. 회수 포트(6)와 연결된 가열 회로는 예컨대 가정용수 가열(domestic water heating)을 위해 이용되며, 다시 말하면 비교적 높은 회수 온도를 가지며, 그에 반해 하부 회수 포트(7)는 예컨대 바닥 가열을 위한, 다시 말하면 상대적으로 낮은 회수 온도를 갖는 가열 회로와 연결된다. 가열 회로들을 위한 가열된 난방수는 상부 공급 포트(8)를 통해 추출된다.

도 2에는, 자체의 상부 영역에 본 발명에 따라서 만곡부들을 구비하여, 또는 각각 외주를 따라 연장되는 압입부(9)를 구비하여 형성되는 열교환기 튜브들(5)이 도시되어 있다. 본 발명에 따르는 개별 열교환기 튜브(5)는 도 3에는 상세 사시도로 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있는 것처럼, 열교환기 튜브(5)는, 난방 보일러(2)의 작동 중에 보일러 화로의 배기가스에 의해 관류되고 외면에서는 난방수에 의해 에워싸이는 외부 튜브(10)와, 조립된 상태에서 외부 튜브(10) 내로 삽입되는 프로파일 인서트(11)를 포함한다. 도시된 실시예의 경우, 외부 튜브(10)는 금속 합금, 바람직하게는 강재로 형성된다. 프로파일 인서트(11)는 외부 튜브(10)의 내부 표면의 확대를 위해 외부 튜브의 길이방향(12)으로 연장되는 리브들(14)을 포함하고 외부 튜브(10)와 열 전도 방식으로 접촉하며, 열전달의 향상을 위해 프로파일 인서트(11)는 알루미늄으로 형성된다.

도시된 실시예에서, 프로파일 인서트(11)는, 2개의 셸 부재(15, 16)로 형성되는 튜브 몸체를 포함한다. 2개의 셸 부재(15, 16)는 각각 반원형 횡단면을 보유한다. 자연히 단일 부재형인 프로파일 인서트(11) 역시도 생각해볼 수 있지만, 그러나 이런 프로파일 인서트는 경제적으로 제조되지 않을 수도 있다. 그러므로 오히려 자체의 셸 부재들이 폐쇄된 프로파일 인서트(11)를 달성하기 위해 부채꼴 형태로 형성되는 적어도 2개 부재형의 프로파일 인서트(11)를 얻고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 그에 따라, 실시예에 따라서, 튜브 몸체는 2개의 셸 부재(15, 16)를 포함하고, 이들 셸 부재는 자체의 접촉하는 길이방향 테두리들(17) 상에 그루브 형태의 함몰부들(18) 및 리브 유형의 돌출부들(19)을 구비하여 형성되고 그에 따라 도 4에 상세 확대도로 도시되어 있는 것처럼 실링 유형으로 서로 맞물린다. 2개의 셸 부재(15, 16)는, 자체의 내면 상에, 튜브 몸체의 안쪽 횡단면 안쪽으로 돌출되고 외부 튜브(10)의 길이방향(12)으로 연장되는 리브들(14)을 구비하여 형성되며, 각각의 셸 부재(15, 16)는 자체의 리브들(14)로 일측이 개방된 프로파일을 형성한다. 특히 2개의 셸 부재(15, 16)는 각각 일측 길이방향 테두리(12) 상에 밀봉 그루브로서 기능하는 함몰부(18)를 구비하고 타측 길이방향 테두리(12) 상에는 밀봉 그루브의 형태에 매칭되면서 돌출부(19)이기도 한 밀봉 리브를 구비하여 형성된다. 두 셸 부재(15, 16)로 결합되는 프로파일 인서트(11)는 자체의 전체 외주면 상에서 직접 외부 튜브(10) 상에 안착되며, 그리고 프로파일 인서트(11)가 완벽하게 외부 튜브(10) 내로 삽입되도록 하기 위해 외부 튜브(10)의 내경보다 극미하게 더 작은 외경을 갖도록 제조된다.

이미 도 3에서 알 수 있었던 것처럼, 외부 튜브(10) 및 프로파일 인서트(11)는 서로 상이한 축 방향 길이를 보유하며, 이는 본 발명에 따른 열교환기 튜브(5)의 상이한 측면도를 도시하고 있는 도 6 및 도 7에 도시되어 있으며, 그에 반해 도 5에는 프로파일 인서트(11)가 외부 튜브(10) 내로 삽입되어 외부로부터는 식별되지 않는 단일의 열교환기 튜브(5)가 도시되어 있다.

도 6으로부터 알 수 있는 점에서, 외부 튜브(10)의 축 방향 길이(20)는 이상적인 방식으로 프로파일 인서트(11)의 축 방향 길이(21)의 1.5배에 상응하지만, 그러나 외부 튜브의 축 방향 길이(20)가 프로파일 인서트(11)의 축 방향 길이(21)의 1.3배 또는 1.7배에 상응하는 점도 생각해볼 수 있다. 외부 튜브(10) 및 프로파일 인서트(11)의 서로 상이한 축 방향 길이들(20, 21)로 인해, 외부 튜브(10)는 2개의 길이방향 섹션으로 분할될 수 있다. 이 경우, 외부 튜브(10)의 제1 길이방향 섹션(22)은 원통형이면서 벽면이 매끄럽게 형성된다. 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23)은 관류 횡단면을 수축시키는 적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)를 포함한다. 이 경우, 프로파일 인서트(11)는 단지 외부 튜브(10)의 제1 길이방향 섹션(22)에 걸쳐서만 연장된다. 그 결과로, 도시된 실시예의 경우, 제1 길이방향 섹션(22)의 축 방향 길이(25)는 제2 길이방향 섹션(23)의 축 방향 길이(26)의 적어도 2배에 상응하게 된다. 또한, 매우 특별한 이용 사례들의 경우에서도, 대안의 길이 비율로서, 제2 길이방향 섹션(23)의 축 방향 길이(26)가 제1 길이방향 섹션(22)의 축 방향 길이(25)보다 더 길 수도 있다.

도 6과 관련하여서는, 프로파일 인서트(11)가 외부 튜브(10)와 동일 평면에서 종결되는 것이 아니라, 조금씩 외부 튜브(10) 내로 삽입됨으로써 프로파일 인서트(11)가 외부 튜브(10)에 의해, 그리고 특히 제1 길이방향 섹션(22)에 의해 완전히 수용되어 있는 점이 도시되어 있다. 또한, 도 2와 함께, 도 6으로부터 알 수 있는 점에서, 횡단면 수축 요소(24)를 포함하는 각각의 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션들(23)은 연소실(4)과 상응하는 외부 튜브(10)의 각각의 제1 길이방향 섹션들(22) 사이에 배치된다. 그 결과로, 각각의 횡단면 수축 요소(24)는 연소실(4)의 하류에서 바로 그 뒤에 배치된다.

이 경우, 본 발명에 따라서, 횡단면 수축 요소(24)는 노즐의 유형에 따라서 형성되어 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23) 내로 삽입되는 노즐 형상 인서트로서 형성될 수 있다. 이런 경우, 그에 따라, 외부 튜브(10)는 제1 길이방향 섹션(22)에서뿐만 아니라 제2 길이방향 섹션(23)에서도 벽면이 매끄럽게 형성될 수도 있다. 한편, 도시된 실시예에서 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23)은 압입부들 또는 만곡부들(9)을 포함한다. 그러나, 당업자는 만곡부(9)가 노즐 형상 인서트에 구성됨을 인식할 것이다.

도 6 ~ 도 13의 개관에서, 하기에서는 횡단면 수축 요소(24)의 형태가 더욱 구체적으로 기재된다. 이를 목적으로, 도 6, 도 7 및 도 10에 따르는 외부 튜브(10)의 횡단면은 제1 튜브 평면(27) 및 이 제1 튜브 평면(27)에 대해 수직으로 연장되는 제2 튜브 평면(28)에 따라서 분할된다. 이 경우, 도 6에는, 제1 튜브 평면(27)에 따르는 단면도가 도시되어 있고, 그와 반대로 도 7에는 제2 튜브 평면(28)에 따르는 단면도가 도시되어 있다. 도 6 ~ 도 13으로부터 확인할 수 있는 것처럼, 횡단면 수축 요소(24)는, 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23)의 벽부 내에 형성되는 2개의 제1 만곡부들(29,30) 또는 압입부들을 포함한다. 특히 제1 만곡부들(29, 30)은 제2 길이방향 섹션(23)의 벽부 내로 압입되며, 그럼으로써 제1 만곡부들(29, 30)은, 오목하게 형성되거나, 또는 안쪽을 향해 만곡되는 압입부들을 나타낸다. 2개의 제1 만곡부들(29, 30)은 직경 방향으로 서로 대향하여 배치되고 제1 튜브 평면(27)과 관련해서는 반사 대칭으로 형성된다. 2개의 제1 만곡부(29, 30) 사이에는, 도 6의 한 절단 부분(A)에 대한 도 8에 도시된 확대도에 도시된 것처럼 외부 튜브(10)의 지름(32)(도 6 참조)의 2%와 3% 사이인 제1 관류 간극(31)(도 8 참조)이 형성된다. 제1 만곡부들(29, 30)의 형성을 위해, 외부 튜브(10)의 벽부는 튜브의 양쪽 측면으로부터 점 형태로 압입되며, 그럼으로써 안쪽을 향해 만곡되어 자체의 최소의 이격 거리의 지점에서 제1 관류 간극(31)을 형성하는 압입부들이 생성된다. 이 경우, 제 1 만곡부들(29, 30)을 위한 벽부는, 제2 길이방향 섹션(23)의 축 방향 길이(26)의 0.4배에 상응하는 축 방향 길이(33)(도 9 참조)에 걸쳐서 변형되지만, 그러나 축 방향 길이(26)의 0.3배 내지 0.5배에 상응하는 축 방향 길이(33) 역시도 가능하다. 이 경우, 변형되는 상기 축 방향 길이(33)에서의 벽부는 전체적으로 축 방향 길이(33)에 걸친 벽부가 제1 만곡부들(29, 30)을 위해 벽면이 매끄러운 외부 튜브(10)의 지름(32)의 0.6배에 상응하는 최대 지름을 보유하는 방식으로 제1 만곡부들(29, 30)을 위해 압입되기는 하지만, 그러나 상기 최대 지름(34)은 벽면이 매끄러운 외부 튜브(10)의 지름(32)의 0.5배 내지 0.7배에 상응한 것일 수도 있다.

도 7 및 도 9에는, 제2 만곡부들(35, 36)에 대한 추가 도면들이 도시되어 있으며, 제1 만곡부들(29, 30) 및 제2 만곡부들(35, 36)을 위해 변형되는 축 방향 길이(33)는 이상적인 방식으로 서로 동일하고 그로 인해 도 9에만 도시되어 있다. 그러나 변형되는 축 방향 길이는 제1 및 제2 만곡부들에 대해 서로 상이할 수도 있다. 또한, 도 7에는, 프로파일 인서트(11)와 함께, 도 11에 도시되어 있는 것이면서 외부 튜브(10)뿐만 아니라, 프로파일 인서트(11)를 형성하는 두 셸 부재(15, 16)도 나타내는 축 방향 단면(F-F)도 도시되어 있다. 2개의 제2 만곡부(35, 36)는 2개의 제1 만곡부들(29, 30)과 함께 횡단면 수축 요소(24)를 형성하며, 제1 만곡부들(29, 30)은 제2 만곡부들(35, 36)과 상이하게 형성된다. 2개의 제2 만곡부(35, 36) 역시도 직경 방향으로 서로 대향하여 배치되며, 제2 튜브 평면(28)과 관련하여서는 반사 대칭으로 형성된다. 제2 만곡부들(35, 36) 역시도 제2 길이방향 섹션(23)의 벽부 내로 압입되며, 그럼으로써 제2 만곡부들은, 오목하게 형성되거나, 또는 안쪽을 향해 만곡된 압입부들을 나타낸다. 2개의 제2 만곡부들(35, 36) 사이에는, 도 7의 한 절단 부분(B)에 대해 도 9에 도시된 확대도에 도시되어 있는 것처럼, 제1 관류 간극(31)보다 더 크면서 외부 튜브(10)의 지름(32)(도 6 참조)의 18%와 22% 사이인 제2 관류 간극(37)이 형성된다. 여기서도, 제2 만곡부들(35, 36)의 형성을 위해, 외부 튜브(10)의 벽부가 튜브의 양쪽 측면으로부터 점 형태로 압입되며, 그럼으로써 안쪽을 향해 만곡되어 자체의 최소의 이격 거리의 지점에서 제1 관류 간극(31)을 형성하는 압입부들이 생성된다. 벽부는 제 2 만곡부들(35, 36)을 위해 마찬가지로 제2 길이방향 섹션(23)의 축 방향 길이(26)의 0.4배에 상응하는 축 방향 길이(33)(도 9 참조)에 걸쳐서 변형되지만, 그러나 축 방향 길이(26)의 0.3배 내지 0.5배에 상응하는 축 방향 길이(33) 역시도 가능하다. 벽부는 상기 축 방향 길이(33) 상에서 제2 압입부들 또는 제 2 만곡부들(35, 36)의 제조를 위해 전체적으로 축 방향 길이(33)에 걸쳐 벽부가 제2 만곡부들(35, 36)에 대해 벽면이 매끄러운 외부 튜브(10)의 지름(32)의 0.55배에 상응하는 최대 지름(38)을 보유하는 방식으로 압입되기는 하지만, 그러나 상기 최대 지름(38)은 벽면이 매끄러운 외부 튜브(10)의 지름(32)의 0.45배 내지 0.65배에 상응한 것일 수도 있다.

제1 만곡부들(29, 30) 및 제2 만곡부들(35, 36)의 전술한 형성에 의해, 일반적으로, 도 10에서 셸 부재들(15, 16)로 형성되는 프로파일 인서트(11)를 특징짓는 빗금 표시된 표면에 따라, 그리고 도 12에서는 검은색으로 표시된 영역에 따라 도시되어 있는 관류 횡단면(39)을 얻게 된다. 제1 및 제2 만곡부들(29, 30, 35, 36)은 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23)의 동일한 축 방향 위치에서 형성되기 때문에, 다시 말하면 제1 및 제2 만곡부들(29, 30, 35,36) 양자 모두가 동일한 축 방향 길이(33)에 걸쳐 연장되기 때문에, 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23)의 관류 횡단면(39)이면서 제1 및 제2 만곡부들(29, 30, 35, 36)에 의해 형성되는 상기 관류 횡단면(39)은 H자 형태의 횡단면을 보유한다. 도 13에는, H자 형태의 횡단면에서 시작되는 튜브 섹션이 제거됨으로써 H자 형태로 형성된 관류 횡단면(39)을 잘 알 수 있는 외부 튜브(10)가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 열교환기 튜브(5)의 경우, 외부 튜브(10)의 횡단면 수축 요소(24)는 2배 대칭으로 형성된 수축부를 나타내며, 이 수축부를 통해 종래 기술로부터 알려진 단점들이 방지된다. 그 이유는, 종래 기술의 열교환기 튜브들의 경우, 고온의 연소 가스가 열교환기 튜브의 유입구로부터 그 유출구까지 상기 열교환기 튜브를 관류하고 이와 동시에 냉각된다는 점이 문제이기 때문이다. 또한, 이에 수반되어 발생하는 연소 가스의 체적의 유의적인 감소로 인해, 열교환기 튜브의 유출구까지 유동 속도 및 난류는 강하게 감소되며, 이는 열전달의 효율성에 불리하게 작용한다. 그러나 본 발명을 통해, 열전달은 향상되는데, 그 이유는 본 발명에 따른 열교환기 튜브(5) 내에서 유동 속도 및 난류는 횡단면 수축 요소(24)의 결과로서 증가되기 때문이다. 압입부들 또는 제 1 및 제 2 만곡부들(29, 30, 35, 36)은, 이 압입부들 또는 제 1 및 제 2 만곡부들(29, 30, 35, 36)의 상류에 위치하는 영역에서 압력 강하를 증가시킨다. 그에 따라, 연소실(4) 내에서, 그리고 제 1 및 제 2 만곡부들(29, 30, 35, 36) 상류의 열교환기 튜브(5)의 튜브 섹션 내에서 분명히 더 많은 에너지가 전달될 수 있다. 제 1 및 제 2 만곡부들(29, 30, 35, 36)의 영역에서는 수축부를 통해 유동 속도가 강력하게 상승되며, 그에 따라 마찬가지로 열전달과 그에 따른 에너지 활용은 증가된다. 제 1 및 제 2 만곡부들(29, 30, 35, 36)의 하류 영역에서, 다시 말하면 수축부의 하류에서, 배기가스는 다시 팽창되어 프로파일 인서트(11)를 포함하는 섹션 내로 안내된다. 여기서 프로파일 인서트(11)의 리브들(14)의 매우 큰 표면에 의해, 배기가스는 이슬점 미만으로까지 냉각되며, 그에 따라 콘덴싱 기술에서의 장점이 증진된다.

본 발명의 실질적인 장점들은 하기와 같이 요약된다.

● 압력 강하의 상승은, 연소실(4) 내에서, 그리고 열교환기 튜브(5)의 유입구에서 상대적으로 더 충분한 열전달을 달성한다.

● 횡단면 수축 요소(24) 또는 제 1 및 제 2 만곡부들(29, 30, 35, 36)의 영역에서 유동 속도의 상승은 더 충분한 열전달(층류 유동 대 난류 유동)을 달성한다.

● 횡단면 수축 요소(24)의 후방 또는 하류에서 열교환기 튜브(5)의 제1 길이방향 섹션(22) 내 낮은 유동 속도 및 저온의 배기가스 온도를 위한 프로파일 인서트(11)의 리브들(14)을 이용한 열전달 표면의 확대는 열전달을 향상시킨다.

난방 보일러(2) 내에서 본 발명에 따른 열교환기 튜브들(5)에 의해, 종래 공지된 기술들을 이용한 경우보다 85 ~ 90% 더 많은 에너지가 전달될 수 있다.

앞에서 기재한 본 발명은 자명한 사실로서 기재하고 도시한 실시형태로만 국한되지 않는다. 명백하게는, 도면에 도시된 실시형태에서 의도하는 적용에 상응하게 통상의 기술자라면 자명하게 생각할 수 있는 수많은 변경이 결과적으로 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 실행될 수 있다. 예컨대 횡단면 수축 요소(24)는 (4개의 압입부 대신) 외부 튜브(10)의 제2 길이방향 섹션(23)의 벽부 내에 단지 하나의 만곡부(9)로서만 형성될 수 있거나, 또는 복수의 횡단면 수축부가 상응하는 만곡부들(9)을 통해 축 방향(12)으로 연이어 위치하는 방식으로 배치되거나 또는 상이한 축 방향 튜브 위치들에 배치될 수 있다. 또한 당업자는 만곡부들 또는 제 1 및 제 2 만입부들이 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션에서 외부 튜브 안으로 미끄러지는 덕트(duct)의 유형인 노즐 형상 인서트로 구성될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 또한, 구체적인 실시예들과 다르게 통상의 기술자에게 자명한 것으로 생각되는 사항을 포함하여, 명세서에 포함되고, 그리고/또는 도면에 도시되는 모든 사항 역시도 본 발명에 속한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예들은 다음에 주어진다.

본 발명의 다른 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 적어도 하나의 횡단면 수축 요소는 노즐 형상 인서트 및/또는 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션의 벽에 있는 적어도 하나의 함몰부로서 설계된다. 이러한 방식으로, 유리한 작용 모드가 결과되기 위하여 추가적인 구성 요소가 설치되거나 제조될 필요가 없다.

본 발명의 다른 바람직한 제 2 실시예의 제 1 양상에 따르면, 적어도 하나의 횡단면 수축 요소가 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션의 벽 및/또는 노즐 형상 인서트에 형성된 적어도 2 개의 제 1 함몰부들을 구비하고, 2 개의 제 1 함몰부들이 직경 방향으로 서로 대향하여 위치되고, 제 1 튜브 영역에 대하여 대칭적인 미러 이미지(mirror image)로서 설계될 때 특히 효과적인 것으로 증명되었다.

함몰부의 하류측의 유동 속도를 증가시키기 위하여, 본 발명의 다른 바람직한 제 2 실시예의 제 2 양상에 따르면, 적어도 2 개의 제 1 함몰부들 사이에 적어도 하나의 제 1 유동 간극이 형성되고 유동 간극이 외부 튜브 직경의 2 % 내지 3 % 사이로 측정되는 것이 제공된다.

본 발명에 의해 제공되는 횡단면 수축 요소의 효율을 더욱 증가시키기 위하여, 본 발명의 다른 바람직한 제 2 실시예의 제 3 양상은, 횡단면 수축 요소가, 적어도 2 개의 제 1 함몰부에 더하여, 적어도 2 개의 제 2 함몰부들을 구비하는 것을 제공하며, 상기 제 2 함몰부는 노즐 형상 인서트에 의하여 그리고/또는 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션의 벽에 의하여 형성되고, 2 개의 제 2 함몰부들은 서로 직경 방향으로 대향되게 위치되고 제 1 튜브 영역에 직각으로 연장되는 제 2 튜브 영역에 대하여 대칭적인 미러 이미지로서 설계된다.

더욱이, 본 발명의 다른 바람직한 제 2 실시예의 제 4 양상은, 횡단면 수축 요소의 제 2 함몰부들의 실시예에서, 적어도 2 개의 제 2 함몰부들 사이에 적어도 하나의 제 2 유동 간극이 형성되고, 상기 유동 간극은 외부 튜브의 직경의 18 % 내지 22 % 사이로 측정되는 것을 제공한다.

횡단면 수축 요소의 하류측에서 유동 속도 및 난류를 증가시키는 것과 관련하여, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 제 5 양상은 다른 실시예를 제공하는데, 상기 다른 실시예에서는, 제 1 및 제 2 함몰부들이 노즐 형상 인서트 및/또는 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션의 동일한 축방향 위치에 형성되고, 제 1 및 제 2 함몰부들에 의해 형성되는 노즐 형상 인서트 및/또는 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션의 유동 횡단면이 H 형상 단면을 가진다. 물론, 노즐 형상 인서트 및/또는 외부 튜브의 제 2 길이 방향 섹션의 상이한 축방향 위치들에서 제 1 및 제 2 함몰부들이 축방향으로 오프셋되어 형성되는 것을 생각해볼 수도 있다.

본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 제 6 양상에 따르면, 제 1 길이 방향 섹션의 축방향 길이는 제 2 길이 방향 섹션의 축방향 길이의 적어도 2 배인 것이 본 발명에 따른 열교환기 튜브에 대하여 최적인 것으로 증명되었다. 대안의 실시예에서, 제 2 길이 방향 섹션의 축방향 길이는 제 1 길이 방향 섹션의 축방향 길이보다 길 수 있다.

Claims

보일러 화로의 배기가스에 의해 관류될 수 있으면서 외면에서는 난방수에 의해 에워싸일 수 있는 외부 튜브(10)와, 상기 외부 튜브(10)의 내부 표면의 증대를 위해 외부 튜브의 길이방향(12)으로 연장되는 리브들(14)을 구비하여 외부 튜브 내로 삽입되고 외부 튜브(10)와 열 전도 방식으로 접촉하는 프로파일 인서트(11)를 포함하는 난방 보일러(2)의 열교환기 튜브(5)로서,
외부 튜브(10)의 제 1 길이방향 섹션(22)은 원통형의 매끄러운 벽으로 설계되고, 외부 튜브(10)의 제 2 길이방향 섹션(23)은 유동 횡단면을 수축시키는 적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)를 가지고, 프로파일 인서트(11)는 단지 외부 튜브(10)의 제 1 길이방향 섹션(22)에 걸쳐서만 연장되고,
적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)는, 외부 튜브의 제 2 길이방향 섹션(23)에서 외부 튜브(10) 안으로 미끄러지는 덕트 유형의 노즐 형상 인서트로서 설계되고,
적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)는, 배기가스를 흡입하기 위한 유입부 및 배기가스를 배출하기 위한 유출부를 가진 외부 튜브(10)의 상기 유입부에 인접한 위치에 배치되고,
상기 적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)는, 적어도 2개의 제1 만곡부(29, 30)를 포함하며, 상기 2개의 제1 만곡부(29, 30)는 직경 방향으로 서로 대향하여 배치되고 제1 튜브 평면(27)과 관련하여서 반사 대칭으로 형성되고,
상기 횡단면 수축 요소(24)는 상기 적어도 2개의 제1 만곡부(29, 30)에 추가로 적어도 2개의 제2 만곡부(35, 36)를 포함하고, 상기 2개의 제2 만곡부(35, 36)는 직경 방향으로 서로 대향하여 배치되고 상기 제1 튜브 평면(27)에 대해 수직으로 연장되는 제2 튜브 평면(28)과 관련하여서 반사 대칭으로 형성되고,
프로파일 인서트(11)는 적어도 2 개의 셸 부재(15,16)들에 의해 형성된 튜브 몸체를 포함하고, 상기 셸 부재는 각각 원의 부채꼴 형상인 단면을 가지는, 난방 보일러의 열교환기 튜브(5).
삭제
제 1 항에 있어서,
튜브 몸체는 2 개의 셸 부재(15,16)를 포함하고, 상기 셸 부재들은 그들의 접촉하는 길이 방향 테두리들(17)상에 그루브 형태의 함몰부들(18) 및 리브 유형의 돌출부들(19)를 가짐으로써 서로 실링(sealing) 방식으로 맞물리고,
상기 2 개의 셸 부재(15,16)는 그들의 내부 측에 리브들(14)을 가지고 구성되고, 상기 리브들은 튜브 몸체의 빈 단면으로 돌출하고, 리브들(14)을 가진 각각의 셸 부재(15,16)가 일측에서 개방된 프로파일을 구성하는 방식으로, 외부 튜브(10)의 길이 방향(12)으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 난방 보일러의 열교환기 튜브(5).
제 3 항에 있어서,
2 개의 셸 부재(15,16)는 각각 하나의 길이 방향 테두리(17)에 있는 실링 그루브(sealing groove, 18) 및, 다른 길이 방향 테두리(17)에서 상기 실링 그루브(18)의 형상에 맞춰지는 실링 리브(sealing rib, 19)를 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 난방 보일러의 열교환기 튜브(5).
제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
외부 튜브(10)는 금속 합금으로 만들어지고, 프로파일 인서트(11)는 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 난방 보일러의 열교환기 튜브(5).
난방수 챔버(3)를 범위 한정하면서 이 난방수 챔버(3)의 상류에 배치된 연소실(4)을 구비한 하우징(1)을 포함하는, 가열 회로의 난방수의 가열을 위한 난방 보일러(2)로서,
연소실(4)로부터 분기되고 난방수 챔버(3)를 통해 연장되는, 제 1 항에 따른 적어도 하나의 열교환기 튜브(5)가 상기 하우징(1)내에 위치하는 것을 특징으로 하는, 난방 보일러(2).
제 6 항에 있어서,
적어도 하나의 횡단면 수축 요소(24)를 가지는 외부 튜브(10)의 제 2 길이방향 섹션(23)은 외부 튜브(10)의 제 1 길이 방향 섹션(22)과 연소실(4) 사이에 위치되는, 난방 보일러(2).