KR102163029B1 - 관체형 열교환기 - Google Patents

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KR102163029B1
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임현묵
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Abstract

본 발명은 하향식 관체형 열교환기의 연소실 주변 유동균일화를 통해 비등문제를 개선한 관체형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명의 관체형 열교환기는, 버너의 연소가 이루어지는 연소실과, 상기 연소실에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브, 상기 연소실과 상기 복수의 튜브를 감싸도록 구비되며 상기 열매체가 배출되는 열매체 출구가 형성된 외부 자켓, 상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 상기 열매체의 유로를 적어도 일부 차단하도록 구비되는 유동 분배용 격막을 포함하여 구성된다.

Description

관체형 열교환기{Tube frame type heat exchanger}
본 발명은 관체형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하향식 관체형 열교환기의 연소실 주변 유동균일화를 통해 비등문제를 개선한 비등개선형 관체형 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 난방장치는 연료의 연소에 의한 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 열교환기를 구비함으로써 가열된 열매체를 이용하여 난방을 수행하거나 온수를 공급하게 된다.
열교환기 중 관체형 열교환기는, 버너의 연소에 의해 발생된 연소가스가 내부를 유동하는 복수의 튜브를 구비하고, 튜브의 외측에는 열매체를 유동시켜 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 구조로 이루어져 있다.
도 1에 나타난 종래 기술의 관체형 열교환기는, 외부 자켓(9)의 형태가 상부 덮개(10)를 기준으로 아래 방향으로 원추 형상을 가지며, 외부 자켓(9)의 내부에 연소실(4), 상판(2), 상판 하부에 다수의 연관, 그 아래 하판(3)으로 구성된다.
상판(2)과 하판(3) 사이에는 3종류의 격막(5,6,7)이 설치되어 있으며, 상부 격막(5)은 원뿔 형상으로(각도 90˚<β<180˚)되어 있으며 중앙부에 개구부를 가진다.
중간 격막(6)은 외통의 직경보다 작거나 비슷한 평판이며, 하부 격막(7)은 외통과 비슷한 직경을 가지며 중앙에 개구부를 가진 구조로 되어 있다.
상기의 격막에는 규칙적인 분배 구멍이 추가되어 있으며, 이는 단일 원 또는 동심원의 수로 배열된 구조이다.
상부 덮개(10)에 체결되는 버너의 연소를 통해 발생되는 연소가스가 연소실(4)에서 1차 열교환 되며, 연소가스의 현열 및 잠열은 다수의 연관을 통해 열교환기 내부의 유체로 전달된다.
열교환기 내부의 유체는 유체 입구(11)를 통해 유입되어 하부 격막(7)의 중앙 개구부를 거쳐 중간 격막(6)의 직경 외부로 흘러들어 가고, 상부 격막(5)의 중앙 개구부로 흐르게 되며, 외부 자켓(9)과 상기 연소실(4) 사이 공간으로 유동하여 유체 출구(12)로 배출된다.
일반적으로 상기 유체 출구(12)는 상기 열교환기 상단 일측에 형성되므로, 상기 외부 자켓(9)과 상기 연소실(4) 사이 공간으로 유동하는 상기 유체가 상기 유체 출구(12) 방향으로 몰리게 되는 유동 편향 현상이 발생한다.
즉, 상기 유체 출구(12)측 공간은 상기 유체의 유량이 많고 유속이 빠르며, 상기 유체 출구(12)에 대향되는 측 공간은 상기 유체의 유량이 적고 유속이 느리며 유동 정체영역이 형성되는 불균일한 유체 분포가 이루어진다.
이때, 상기 외부 자켓(9)과 상기 연소실(4) 사이 공간은 상기 연소실(4)로부터 균일한 온도를 전달받으므로, 상대적으로 상기 유체의 유량이 적고 유속이 느린 상기 유체 출구(12)에 대향되는 측 공간에 비등(boiling)현상이 발생하는 문제가 있었다.
상기한 종래 기술은 유럽 공개특허공보 EP 2508834호에 나타나 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연소실 주변의 유동 균일화를 통해 비등문제를 개선한 관체형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 관체형 열교환기는, 버너의 연소가 이루어지는 연소실; 상기 연소실에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브; 상기 연소실과 상기 복수의 튜브를 감싸도록 구비되며 상기 열매체가 배출되는 열매체 출구가 형성된 외부 자켓; 상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 상기 열매체의 유로를 적어도 일부 차단하도록 구비되는 유동 분배용 격막;을 포함하되, 상기 유동 분배용 격막은 비대칭형으로 구비되어, 상기 열매체 출구 측에 위치하는 상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 유로로 유동하는 상기 열매체의 유량과 유속을 상기 열매체 출구에 대향되는 측에 위치하는 상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 유로로 유동하는 상기 열매체의 유량과 유속보다 적어지도록 제한하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 유동 분배용 격막은 상기 연소실 하단과 상기 열매체 출구 사이에 구비될 수 있다.
상기 유동 분배용 격막은, 격막의 둘레를 따라 링의 가장자리가 절개된 절개부가 형성된 링 형상일 수 있다.
상기 열매체 출구에 대향되는 측의 상기 절개부는, 상기 열매체 출구측의 상기 절개부보다 크게 형성될 수 있다.
상기 절개부는 열매체 출구측 격막 부분에서 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분으로 갈수록 적어도 일부 구간에서 점차 크게 형성될 수 있다.
상기 유동 분배용 격막은, 격막의 둘레를 따라 복수의 유로 홀이 형성된 링 형상일 수 있다.
상기 열매체 출구에 대향되는 측의 상기 유로 홀은 상기 열매체 출구측의 상기 유로 홀보다 크게 형성될 수 있다.
상기 유로 홀은 열매체 출구측 격막 부분에서 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분으로 갈수록 적어도 일부 구간에서 점차 크게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 관체형 열교환기에 의하면, 연소실 주변에 유동 분배 조정이 가능한 격막을 설치하여 유동 균일화를 이루고 비등문제를 개선할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 관체형 열교환기의 일실시예를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 유동 분배용 격막을 구비한 관체형 열교환기의 구성도.
도 3는 본 발명에 따른 절개부가 형성된 유동 분배용 격막의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 절개부가 형성된 유동 분배용 격막의 다른 실시예를 나타낸 평면도.
도 5은 본 발명에 따른 유로 홀이 형성된 유동 분배용 격막의 평면도.
도 6은 유동 분배용 격막이 구비되지 않은 종래 기술의 관체형 열교환기 상부의 열매체 분포를 나타내는 상태도.
도 7은 본 발명에 따른 유동 분배용 격막이 구비된 관체형 열교환기 상부의 열매체 분포를 나타내는 상태도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 관체형 열교환기(100)는, 버너의 연소가 이루어지는 연소실(120)과, 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브(140), 상기 연소실(120)과 상기 복수의 튜브(140)를 감싸도록 구비되며 상기 열매체가 배출되는 열매체 출구(112)가 형성된 외부 자켓(110), 상기 연소실(120)과 상기 외부 자켓(110) 사이에 형성된 상기 열매체의 유로(S4)를 적어도 일부 차단하도록 구비되는 유동 분배용 격막(200)을 포함하여 구성된다.
상기 연소실(120)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140) 상단부가 삽입되는 상부 튜브시트(130)가 결합되고, 상기 튜브(140)의 외측면에는 열매체의 유동 방향이 반경방향 내측과 외측으로 교대로 전환되도록 열매체의 유동을 안내하기 위한 다단의 격막(160,170,180)이 상하로 이격되어 구비되며, 상기 외부 자켓(110)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 하단부가 삽입되는 하부 튜브시트(190)가 결합된다.
상기 복수의 튜브(140)는 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 하방향으로 유동하도록 수직 방향으로 설치되되, 원주방향으로 이격되며 방사상으로 배치되고, 상기 방사상으로 배치된 복수의 튜브(140) 사이의 중앙부에는 복수의 튜브(140)가 추가로 배치될 수 있다.
상기 연소실(120)은 상부와 하부가 개방된 원통형의 연소실 몸체(121)와, 상기 연소실 몸체(121)의 상단에 형성되어 상기 외부 자켓(110)의 상단에 안착되는 플랜지부(122)로 구성된다. 상기 연소실 몸체(121)는 상기 외부 자켓(110)의 내측면에서 내측으로 이격되도록 배치되어, 상기 연소실 몸체(121)와 상기 외부 자켓(110) 사이에는 열매체가 유동하는 유로(S4)가 마련된다.
상기 상부 튜브시트(130)는 상기 연소실(120)의 하부를 밀폐하며 상기 복수의 튜브(140) 상단부가 삽입되는 튜브 삽입구(미도시)가 형성되고, 상기 하부 튜브시트(190)는 상기 외부 자켓(110) 하부를 밀폐하며 상기 복수의 튜브(140) 하단부가 삽입되는 튜브 삽입구(미도시)가 형성된다.
상기 다단의 격막(160,170,180)은, 플레이트 형상의 상부 격막(160)과 중간부 격막(170) 및 하부 격막(180)으로 구성될 수 있으며, 튜브(140)의 외측면에 상하로 이격되어 결합됨으로써 열매체의 유로를 전환시키고 상기 튜브(140)를 지지하는 역할을 한다.
상기 외부 자켓(110)은 상부와 하부가 개방된 원통형으로 이루어지며, 하부 일측에는 열매체 입구(111)가 연결되고, 상부 일측에는 상기 열매체 출구(112)가 연결된다.
상기 열매체는, 상기 열매체 입구(111)를 통해 외부 자켓(110)의 내부의 제1유로(S1)로 유입되며, 상기 복수의 튜브(140) 사이를 경유한 후, 상기 하부 격막(180)에 형성된 개구부(182)를 통과하여 그 상측에 마련된 제2유로(S2)의 중앙부로 유동한다.
상기 제2유로(S2)에서 외측방향으로 유동한 상기 열매체는 상기 중간부 격막(170)과 상기 외부 자켓(110) 사이의 이격된 공간(G)을 통과하여 그 상측에 마련된 제3유로(S3)로 유동한다.
상기 제3유로(S3)에서 내측방향으로 유동한 상기 열매체는 상기 상부 격막(160)의 중앙에 형성된 개구부(162)를 통과한 후, 상기 연소실 몸체(121)와 외부 자켓(110) 사이에 마련된 상기 제4유로(S4)로 유동한다.
상기 제4유로(S4)로 유동하는 상기 열매체는 상기 열매체 출구(112)로 배출되게 되며, 이 과정에서 상기 열매체가 열매체 출구측 제4유로(S4a)로 몰리게 되는 유동 편향 현상이 발생한다.
상기 유동 분배용 격막(200)은 상기 연소실(120) 하단과 상기 열매체 출구(112) 사이에 구비되며, 상기 열매체 출구측 제4유로(S4a)의 유로를 일부 차단하여 상기 유동 편향 현상을 방지하는 역할을 한다.
도 3을 참조하여 상기 유동 분배용 격막(200)의 일실예에 대해 설명하면, 상기 유동 분배용 격막(200)은, 가장자리가 절개된 복수의 절개부(201)가 형성된 링 형상일 수 있다.
이때, 상기 유동 분배용 격막(200)의 상기 열매체 출구측 격막 부분(200a)에 형성되는 상기 절개부(201)는 상기 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분(200b)에 형성되는 상기 절개부(201)보다 작은 크기로 형성되어, 상기 열매체 출구측 제4유로(S4a)에 유입되는 상기 열매체의 유량과 유속을 제한하도록 할 수 있다.
다른 실시예로, 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 절개부가 형성된 링 형상의 유동 분배용 격막(200)에서 상기 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분(200b)에 복수의 절개부(201)가 이어진 넓은 면적의 절개부(201-1)가 형성되어 상기 열매체 출구에 대향되는 측 제4유로(S4b)를 따라 유동하는 상기 열매체의 유량과 유속을 조절할 수 있다.
또 다른 실시예로, 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 유동 분배용 격막(200)은 둘레를 따라 복수의 유로 홀(202)이 형성된 링 형상일 수 있다.
상기 복수의 유로 홀(202), 상기 복수의 절개부(201)와 같이, 상기 유동 분배용 격막(200)의 열매체 출구측 격막 부분(200a)에 형성되는 상기 유로 홀(202)이 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분(200b)에 형성되는 상기 유로 홀(202)보다 작은 크기로 형성될 수 있다.
즉, 상기 도 3 내지 도 5의 상기 복수의 절개부(201) 또는 상기 복수의 유로 홀(202)은 상기 열매체 출구측 격막 부분(200a)에서 상기 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분(200b)으로 갈수록 적어도 일부 구간에서 점차 크게 형성되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 복수의 절개부(201) 또는 상기 복수의 유로 홀(202)의 크기와 개수를 조절하여 상기 제4유로(S4)에 유입되는 상기 열매체의 유량과 유속을 조절함으로써 상기 관체형 열교환기(100)의 연소실(120) 주변의 열매체의 유동을 균일화하고 비등문제를 개선할 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하여 상기 관체형 열교환기(100)에 구비되는 상기 유동 분배용 격막(200)의 효과에 대해 서술한다.
도 6은 유동 분배용 격막(200)이 구비되지 않은 종래 기술의 관체형 열교환기에서 상기 제4유로(S4)를 따라 상기 열매체 출구(112)를 향해 유동하는 상기 열매체의 상태도이다.
도 6(a)과 도 6(b)는 각각 상기 제4유로(S4)를 따라 상기 연소실(120) 하측으로 5mm 떨어진 위치를 유동하는 열매체의 온도 분포와 속도 분포를 나타낸다.
이를 통해 상기 열매체 출구(112)에 대향되는 측 유로(S4b)를 유동하는 열매체가 다른 부분의 유로를 유동하는 열매체에 비해 온도가 상대적으로 높고 속도가 상대적으로 느린 정체현상이 일어나는 유동 편향 현상을 확인할 수 있다.
도 6(c)과 도 6(d)는 각각 상기 상부 격막(160)의 상측으로 5mm 떨어진 위치를 유동하는 열매체의 온도 분포와 속도 분포를 나타내며, 상기 도 6(a)과 도 6(b)에서와 마찬가지로 유동 편향 현상을 확인할 수 있다.
또한, 상기 도 6(c)와 도 6(a), 상기 도 6(d)와 도 6(b)를 비교해볼 때, 상기 열매체는 상기 상부 격막(160)의 상측으로 5mm 떨어진 지점을 지나 상기 연소실(120) 하측으로 5mm 떨어진 지점을 경유하여 상기 열매체 출구(112)를 향해 유동하므로, 상기 열매체 출구(112)에 가까워질수록 유동 편향 현상이 점점 심해지는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 유동 분배용 격막(200)이 구비된 관체형 열교환기에서 상기 제4유로(S4)를 따라 상기 열매체 출구(112)를 향해 유동하는 상기 열매체의 상태도이다.
도 7(a)과 도 7(b)는 각각 상기 제4유로(S4)를 따라 상기 연소실(120) 하측으로 5mm 떨어진 위치를 유동하는 열매체의 온도 분포와 속도 분포를 나타내고, 도 7(c)과 도 7(d)는 각각 상기 상부 격막(160)의 상측으로 5mm 떨어진 지점을 유동하는 열매체의 온도 분포와 속도 분포를 나타낸다.
상기 도 6(a)와 도 7(a), 상기 도 6(b)와 도 7(b), 상기 도 6(c)와 도 7(c), 상기 도 6(d)와 도 7(d)를 비교해보면, 상기 유동 분배용 격막(200)이 구비됨으로써 같은 위치에서의 상기 열매체의 온도 분포와 속도 분포 편차가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉, 유동 편향 현상이 해소된 효과를 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100 : 열교환기 110 : 외부 자켓
111 : 열매체 입구 112 : 열매체 출구
120 : 연소실 121 : 연소실 몸체
122 : 플랜지부 130 : 상부 튜브시트
140 : 튜브 S1 : 제1유로
S2 : 제2유로 S3 : 제3유로
S4 : 제4유로 160 : 상부 격막
162 : 개구부 170 : 중간부 격막
180 : 하부 격막 182 : 개구부
190 : 하부 튜브시트 200 : 유동 분배용 격막
201 : 절개부 202 : 유로 홀
S4a : 열매체 출구측 제4유로
S4b : 열매체 출구에 대향되는 측 제4유로
200a : 열매체 출구측 격막부분
200b : 열매체 출구에 대향되는 측 격막부분

Claims (9)

  1. 버너의 연소가 이루어지는 연소실;
    상기 연소실에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브;
    상기 연소실과 상기 복수의 튜브를 감싸도록 구비되며 상기 열매체가 배출되는 열매체 출구가 형성된 외부 자켓;
    상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 상기 열매체의 유로를 적어도 일부 차단하도록 구비되는 유동 분배용 격막;을 포함하되,
    상기 유동 분배용 격막은 비대칭형으로 구비되어, 상기 열매체 출구 측에 위치하는 상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 유로로 유동하는 상기 열매체의 유량과 유속을 상기 열매체 출구에 대향되는 측에 위치하는 상기 연소실과 상기 외부 자켓 사이에 형성된 유로로 유동하는 상기 열매체의 유량과 유속보다 적어지도록 제한하는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유동 분배용 격막은 상기 연소실 하단과 상기 열매체 출구 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동 분배용 격막은, 격막의 둘레를 따라 링의 가장자리가 절개된 절개부가 형성된 링 형상인 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열매체 출구에 대향되는 측의 상기 절개부는, 상기 열매체 출구측의 상기 절개부보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절개부는 열매체 출구측 격막 부분에서 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분으로 갈수록 적어도 일부 구간에서 점차 크게 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유동 분배용 격막은, 격막의 둘레를 따라 복수의 유로 홀이 형성된 링 형상인 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열매체 출구에 대향되는 측의 상기 유로 홀은 상기 열매체 출구측의 상기 유로 홀보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유로 홀은 열매체 출구측 격막 부분에서 열매체 출구에 대향되는 측 격막 부분으로 갈수록 적어도 일부 구간에서 점차 크게 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
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