KR102229433B1 - 열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법 - Google Patents

열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법 Download PDF

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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 열교환기에 있어서는, 라디언트 튜브에 내포되는 중공(hollow) 형상의 열교환기 본체와, 열교환기 본체의 외주면에 형성된 열전도체를 구비하고 있고, 라디언트 튜브와 열교환기 본체의 사이를 흐르는 제1 기체와, 열교환기 본체의 중공 내부를 흐르는 제2 기체의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기에 있어서, 라디언트 튜브와 열교환기 본체의 사이를 흐르는 제1 기체에 대하여, 난류의 발생을 촉진시키는 난류 발생 촉진 수단을, 열교환기 본체의 외주면에 용접을 하지 않고 형성했다.

Description

열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법{HEAT EXCHANGER, RADIANT TUBE TYPE HEATING DEVICE, AND METHOD OF MANUFACTURING HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 열교환기, 라디언트 튜브식(radiant tube type) 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 금속 재료 등의 열처리를 행하는 열처리로에 이용되는 가열 수단으로서, 라디언트 튜브 내에 버너와 열교환기가 형성된 라디언트 튜브식 가열 장치가 알려져 있다.
특허문헌 1에 기재된 라디언트 튜브식 가열 장치에 있어서는, 버너에 연료 가스와 연소 공기를 공급하여 연료 가스를 연소시킴으로써, 라디언트 튜브 내에서 연소 가스를 생성하고, 그 생성한 연소 가스에 의해 라디언트 튜브를 가열한다. 또한, 열교환기 본체의 외주면에는, 나선 형상의 열전도체가 형성되어 있고, 라디언트 튜브를 가열한 후의 연소 가스인 배기 가스가, 열전도체에 가이드되면서 열교환기 본체의 외주면을 따라, 열교환기 본체의 외주면과 라디언트 튜브의 내주면의 사이를 통과한다. 이때, 배기 가스의 열이 열교환기 본체의 외주면에서 흡열되어 열교환기 본체가 가열됨과 함께, 배기 가스의 열이 열전도체에서도 흡열되고, 열전도체로부터의 열전도에 의해서도 열교환기 본체가 가열된다. 그리고, 이와 같이 가열된 열교환기 본체에 의해, 열교환기 본체의 중공(hollow) 내부를 흐르는, 버너에 공급되기 전의 연소 공기가 예열되고, 이 예열된 연소 공기를 버너에 공급함으로써, 버너에 있어서의 연료 가스의 연소 효율을 높이고 있다.
일본공개특허공보 2014-92329호
그러나, 열교환기 본체와 열전도체의 온도차가 지나치게 커지면, 서로 접촉하고 있는 열교환기 본체와 열전도체의 열팽창 차이에 의해 발생하는 열응력에 의해, 열전도체가 파손되어 버린다는 문제가 생긴다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 열교환기 본체와 열전도체의 온도차를 작게 하여, 열전도체의 파손을 억제할 수 있는 열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열교환기는, 라디언트 튜브에 내포되는 중공 형상의 열교환기 본체와, 상기 열교환기 본체의 외주면에 형성된 열전도체를 구비하고 있고, 상기 라디언트 튜브와 상기 열교환기 본체의 사이를 흐르는 제1 기체와, 상기 열교환기 본체의 중공 내부를 흐르는 제2 기체의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기에 있어서, 상기 라디언트 튜브와 상기 열교환기 본체의 사이를 흐르는 상기 제1 기체에 대하여, 난류(turbulence flow)의 발생을 촉진시키는 난류 발생 촉진 수단을, 상기 열교환기 본체의 외주면에 용접을 하지 않고 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 상기 열전도체는 환상(circular)으로서, 열교환기 본체 축선 방향으로 소정 간격을 두고 복수 배치되어 있고, 상기 열전도체를 상기 난류 발생 촉진 수단으로서 겸용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 상기 열전도체는 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 상기 열전도체의 열교환기 본체 축선 방향과 평행한 단면이, 기둥 형상, 평판 형상 또는 반원 형상인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 상기 복수의 분할 부재의 둘레 방향 단부를 연결하는 연결 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리보다도, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이가 작은 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리를 P[㎜]로 하고, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이를 H[㎜]로 하고, 상기 열교환기 본체 및 각 열전도체의 전체 전열 면적을 A[㎟]로 하고, 상기 열전도체의 전열 면적을 Af[㎟]로 했을 때, 0.10≤(H/P)0.8·{(A－Af)/A}≤0.20의 관계를 충족하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 열교환기 본체 축선 방향으로 상기 열전도체가 일정한 높이로 요철을 반복하고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 상기 열전도체는 일단부가 개방된 환상 부재로서, 열교환기 본체 축선 방향으로 소정 간격을 두고 복수 배치되어 있고, 상기 열전도체를 상기 난류 발생 촉진 수단으로서 겸용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재, 또는, 일단부가 개방된 환상 부재에 의해 구성된 상기 열전도체를 추가로 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기는, 상기의 발명에 있어서, 상기 열교환기 본체보다도 내열성이 높은 재료로 상기 열전도체를 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 라디언트 튜브식 가열 장치는, 라디언트 튜브 내에 삽입된, 당해 라디언트 튜브 내를 흐르는 연소 가스와 당해 라디언트 튜브를 가열하기 위해 이용되는 연소 공기의 사이에서 열교환을 행하는 열교환 수단을 구비하는 라디언트 튜브식 가열 장치에 있어서, 상기 열교환 수단으로서, 상기의 발명의 열교환기를 이용한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기의 제조 방법은, 라디언트 튜브에 부착된 버너의 배기 가스를 이용하여 연소 공기와 열교환을 행하는 열교환기의 제조 방법에 있어서, 열교환을 촉진하는 열전도체가 설치되어 있지 않은 중공 형상의 열교환기 본체의 외주면에, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재, 또는, 일단부가 개방된 환상 부재에 의해 구성된 상기 열전도체를 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기의 제조 방법은, 상기의 발명에 있어서, 열교환기 본체 축선 방향으로 상기 열전도체가 일정한 높이로 요철을 반복하고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기의 제조 방법은, 라디언트 튜브에 부착된 버너의 배기 가스를 이용하여 연소 공기와 열교환을 행하는 열교환기의 제조 방법에 있어서, 열교환을 촉진하는 열전도체가 설치된 열교환기 본체에, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재, 또는, 일단부가 개방된 환상 부재에 의해 구성된 상기 열전도체를 추가하여 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기의 제조 방법은, 상기의 발명에 있어서, 열교환기 본체 축선 방향으로 상기 열전도체가 일정한 높이로 요철을 반복하고 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법에 있어서는, 열교환기 본체와 열전도체의 온도차를 작게 하여, 열전도체의 파손을 억제할 수 있다는 효과를 가져온다.
도 1은, 실시 형태에 따른 라디언트 튜브식 가열 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 라디언트 튜브식 가열 장치에 있어서의 열교환기 근방의 확대도이다.
도 3은, 열교환기에 있어서 열전도체가 설치되어 있지 않은 열교환기 본체를 나타낸 도면이다.
도 4는, 종래예에 따른 열교환기의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는, 실시 형태에 따른 열교환기에 형성되는 핀의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 6은, 상부 핀 및 하부 핀의 둘레 방향 양단부를 연결한 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은, 실시 형태에 따른 열교환기에 형성되는 열전도체의 예를 나타내는 개략도이다.
도 8은, 실시 형태에 따른 열교환기에 있어서의 핀의 피치 및 높이에 대한 설명도이다.
도 9는, 핀의 치수 파라미터와, 열교환 효율 및 배기 가스 압손 여유율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 열교환기에 있어서 열교환기 본체의 외주면에 열전도체를 열교환기 본체 축선 방향으로 일정한 높이로 요철시켜 설치한 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하에, 본 발명을 적용한 열교환기 및 그 열교환기를 구비한 라디언트 튜브식 가열 장치의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해, 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 도 1은, 실시 형태에 따른 라디언트 튜브식 가열 장치(1)의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 2는, 라디언트 튜브식 가열 장치(1)에 있어서의 열교환기(13) 근방의 확대도이다. 라디언트 튜브식 가열 장치(1)는, 통 형상의 라디언트 튜브(11)를 구비하고, 라디언트 튜브(11)를 내부로부터 가열하고, 라디언트 튜브(11)의 외주면으로부터의 방사열에 의해 강판이나 강재를 가열하는 것이다.
라디언트 튜브(11)의 한쪽의 단부에는, 버너(12)가 삽입되어 있다. 버너(12)는, 연소 공기를 이용하여 연료 가스를 연소시킴으로써 연소 가스를 생성하고, 라디언트 튜브(11) 내를 유통하는 연소 가스를 이용하여 라디언트 튜브(11)를 내부로부터 가열한다. 라디언트 튜브(11)의 다른 한쪽의 단부에는, 열교환기(13)가 삽입되어 있다. 열교환기(13)는, 라디언트 튜브(11)를 가열한 연소 가스(이하, 배기 가스라고도 함)와, 외부로부터 공급된 연소 공기의 사이에서 열교환을 행하고, 가열된 연소 공기를 버너(12)측에 공급한다.
중공 형상의 열교환기 본체(13a)의 외주면에는, 열교환기 본체(13a)를 내포하는 환상의 열전도체인 핀(fin; 14)이, 열교환기 본체 축선 방향으로 소정 간격을 두고 복수 나란히 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 핀(14)의 지름 방향이 열교환기 본체 축선 방향과 직교하도록, 열교환기 본체(13a)에 대하여 핀(14)을 형성하고 있지만, 핀(14)의 지름 방향이 열교환기 본체 축선 방향과 사교(oblique)하도록, 열교환기 본체(13a)에 대하여 핀(14)을 기울여 형성해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 따른 열교환기(13)에 있어서는, 도 3에 나타내는 바와 같은 열전도체가 설치되어 있지 않은 열교환기 본체(13a)의 외주면에, 핀(14)을 용접하지 않고 설치하고 있다. 이에 따라, 열교환기 본체(13a)와 핀(14)의 온도차에 기초하는 파손을 억제할 수 있어, 핀(14)의 전열 기능(heat transmission function)을 길게 유지할 수 있다.
열교환기 본체(13a)의 외주면과 라디언트 튜브(11)의 내주면의 사이를 배기 가스가 통과할 때, 배기 가스의 열이 열교환기 본체(13a)의 외주면에서 흡열되어 열교환기 본체(13a)가 가열된다. 또한, 핀(14)은, 배기 가스가 갖는 열을 흡열하고, 그 흡수한 열을 열전도에 의해 열교환기(13)로 전열하여 열교환기(13)를 가열한다. 이에 따라, 열교환기(13)의 외주면에 핀(14)을 형성하지 않는 경우보다도, 배기 가스로부터 열교환기(13)로의 전열을 촉진시킬 수 있고, 열교환기(13)로의 전열량을 증가시킬 수 있다. 그리고, 이와 같이 가열된 열교환기 본체(13a)에 의해, 열교환기 본체(13a)의 중공 내부를 흐르는, 버너(12)에 공급되기 전의 연소 공기가 예열되고, 이 예열된 연소 공기를 버너(12)에 공급함으로써, 버너(12)에 있어서의 연료 가스의 연소 효율을 높이고 있다. 그 결과, 버너(12)에서의 연료 가스의 사용 비율을 삭감할 수 있다. 이와 같이, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에 있어서는, 핀(14)이 배기 가스로부터 열교환기 본체(13a)로의 전열을 촉진시키는 전열 촉진체로서 기능하고 있다.
열교환기 본체(13a)의 외주면과 라디언트 튜브(11)의 내주면의 사이를 통과하고, 열교환기 본체(13a)나 핀(14)에 흡열된 배기 가스는, 라디언트 튜브(11)에 형성된 배기구(6)로부터 배출된다.
실시 형태에 따른 열교환기(13)에 있어서는, 라디언트 튜브(11)의 내주면과 열교환기 본체(13a)의 외주면의 사이에서, 라디언트 튜브(11) 내를 열교환기 본체 축선 방향과 평행하게 흐르는 배기 가스가, 핀(14)과 부딪침으로써 난류가 발생한다. 이와 같이, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에서는, 핀(14)이, 라디언트 튜브(11)의 내주면과 열교환기 본체(13a)의 외주면의 사이를 흐르는 배기 가스에 대하여, 난류의 발생을 촉진시키는 난류 발생 촉진체로서도 기능하고 있다.
도 4는, 종래예에 따른 열교환기(113)의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 종래예에 따른 열교환기(113)에 있어서는, 열교환기 본체(113a)의 외주면에 열교환기 본체 축선 방향에 걸쳐 나선 형상 핀(114)이 형성되어 있고, 나선 형상 핀(114)에 가이드되면서 열교환기 본체(113a)의 외주면을 따라, 열교환기 본체(113a)의 외주면과 라디언트 튜브(11)의 내주면의 사이를 배기 가스가 통과한다. 그 때문에, 열교환기 본체(113a)의 외주면과 라디언트 튜브(11)의 내주면의 사이를 흐르는 배기 가스에 대하여, 나선 형상 핀(114)에 의해 난류는 발생하기는 하지만, 열교환기 본체(113a)의 외주면 근방에서의 난류의 발생 효과는 작고, 열교환기 본체(113a)의 외주면 근방을 흐르는 열교환기 본체(113a)에 흡열된 온도가 낮은 배기 가스와, 라디언트 튜브(11)의 내주면 근방을 흐르는 온도가 높은 배기 가스의 교체가 왕성하게 행해지지 않는다.
이에 비해, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에 있어서는, 전술한 바와 같이 배기 가스에 대하여 핀(14)에 의해 난류를 적극적으로 발생시킴으로써, 라디언트 튜브(11)의 내주면과 열교환기 본체(13a)의 외주면의 사이에서, 열교환기 본체(13a)의 외주면 근방을 흐르는 열교환기 본체(13a)에 흡열된 온도가 낮은 배기 가스와, 라디언트 튜브(11)의 내주면 근방을 흐르는 온도가 높은 배기 가스의 교체가 왕성하게 행해진다. 이에 따라, 라디언트 튜브(11)의 내주면과 열교환기 본체(13a)의 외주면의 사이에서, 핀(14)에 의해, 배기 가스에 대하여 열교환기 본체(113a)의 외주면 근방에서의 난류의 발생 효과가 작은 경우보다도, 배기 가스로부터 열교환기(13)로 전열되는 열량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 그만큼, 열교환기 본체(13a)와 핀(14)의 온도차를 작게 할 수 있고, 열교환기 본체(13a)와 핀(14)의 열팽창 차이에 의한 핀(14)의 파손을 억제할 수 있다. 또한, 이와 같이 핀(14)의 파손을 억제할 수 있음으로써, 핀(14)의 수명을 연장할 수 있고, 핀(14)이 파손되는 것에 의한, 배기 가스로부터 열교환기 본체(13a)로의 전열 효율 개선 효과의 악화가 억제된다.
도 5는, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에 형성되는 핀(14)의 일 예를 나타내는 개략도이다. 도 5에 나타내는 핀(14)은, 둘레 방향으로 절반씩으로 분할된 2개의 분할 부재인 상부 핀(14a)과 하부 핀(14b)으로 구성되어 있다. 또한, 핀(14)을 둘레 방향으로 3개 이상으로 분할하여 구성해도 좋다. 이와 같이 핀(14)이, 둘레 방향으로 복수로 분할되어 있음으로써, 열교환기 본체(13a)에 대하여 핀(14)을 부착하거나 떼어내거나 하는 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 핀(14)이 둘레 방향으로 복수로 분할되어 있음으로써, 열팽창에 의한 열응력의 발생이 억제되어, 핀(14)의 장기 수명화를 도모할 수 있다.
도 6은, 상부 핀(14a) 및 하부 핀(14b)의 둘레 방향 양단부를 연결한 상태를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 상부 핀(14a) 및 하부 핀(14b)의 둘레 방향 양단부는, 각각 볼트(20A, 20B)와 너트(21A, 21B)에 의해 체결되어 연결하고 있다. 이에 따라, 열교환기(13) 및 핀(14)이 열팽창함으로써 서로가 미는 것에 의해 발생하는 응력이 지나치게 커지지 않도록, 볼트(20A, 20B)의 조임량에 의해, 핀(14)과 열교환기 본체(13a)의 접촉에 의해 발생하는 응력을 사전에 조정하는 것이 가능해진다. 따라서, 열교환기(13) 및 핀(14)이 열팽창했을 때에, 서로가 미는 것에 의해 발생하는 응력이 지나치게 커져, 핀(14)이 파손되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상부 핀(14a) 및 하부 핀(14b)의 둘레 방향 단부를 연결하는 연결 수단으로서는, 볼트(20A, 20B) 및 너트(21A, 21B) 등의 체결 부재를 이용한 것에 한정하지 않고, 예를 들면, 클립 등의 협지 부재(sandwiching member)에 의해 상부 핀(14a) 및 하부 핀(14b)의 둘레 방향 단부를 사이에 끼워 고정하여 연결하도록 해도 좋다.
또한, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 열교환기 본체 축선 방향과 평행한, 단면이 기둥 형상의 핀(14)을 이용하고 있지만, 상기 단면의 형상이, 상기 기둥 형상보다도 두께가 얇은 평판 형상이나, 반원 형상 등의 핀(14)을 이용해도 좋다.
도 7은, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에 형성되는 열전도체의 예를 나타내는 개략도이다. 열교환기(13)에 형성되는 열전도체로서는, 도 7에 나타내는 바와 같은 일단부(14A1)가 개방된 환상 부재(C형 형상 부재)에 의해 구성된 핀(14A)을 이용해도 좋다. 핀(14A)에 있어서는, 일단부(14A1)가 개방되어 있음으로써, 도 3에 나타내는 바와 같은 열전도체가 설치되어 있지 않은 열교환기 본체(13a)에 대한, 핀(14A)의 부착이나 떼어냄을 행하는 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 핀(14A)의 일단부(14A1)가 개방되어 있음으로써, 열팽창에 의한 열응력의 발생이 억제되어, 핀(14A)의 장기 수명화를 도모할 수 있다.
또한, 핀(14, 14A)에 이용하는 재료로서는, 열교환기 본체(13a)에 이용하는 재료보다도 내열성이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 열교환기 본체(13a)에 내열 주강(heat-resistant cast steel)을 이용하고 있지만, 열교환기 본체(13a)에 이용되는 내열 주강보다도 Ni 비율이 높고 내열 특성이 높은 내열 재료를 핀(14, 14A)에 이용한다. 이에 따라, 열교환기 본체(13a)보다도 고온이 되는 핀(14, 14A)의 수명을 연장할 수 있고, 핀(14, 14A)이 파손되는 것에 의한 전열 효율의 악화를, 추가로 억제할 수 있다.
도 8은, 실시 형태에 따른 열교환기(13)에 있어서의 핀(14)의 피치(pitch) 및 높이에 대한 설명도이다. 도 9는, 핀(14)의 치수 파라미터와, 열교환 효율 및 배기 가스 압손 여유율(exhaust gas pressure drop percentage of allowance)의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 표 1에, 핀(14)의 치수 파라미터와, 열교환 효율 및 배기 가스 압손 여유율의 관계를 나타낸다.
Figure 112019029716751-pct00001
실시 형태에 따른 열교환기(13)에 있어서는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 핀(14) 간의 거리인 핀 피치를 P로 하고, 열교환기 본체(13a)의 외주면으로부터의 핀 높이를 H로 하고, 열교환기 본체(13a) 및 각 핀(14)의 배기 가스와 접촉할 수 있는 표면적의 합계인 전체 전열 면적을 A로 하고, 각 핀(14)의 배기 가스와 접촉할 수 있는 표면적의 합계인 핀 전열 면적을 Af로 했을 때, 도 9 및 표 1로부터 후술하는 바와 같이 열교환 효율 및 배기 가스 압손 여유율을 고려하여, 핀(14)의 치수 파라미터 (H/P)0.8·{(A－Af)/A}가, 하기 수식 (1)을 만족하도록 구성하고 있다.
0.10≤(H/P)0.8·{(A－Af)/A}≤0.20…(1)
또한, 표 1로부터, 핀 피치 P가 동일한 경우에는, 핀 높이 H가 높을수록 열교환 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 한편, 핀 높이 H가 동일한 경우에는, 핀 피치 P가 짧을수록 열교환 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 핀 피치 P의 길이에 의하지 않고, 핀 높이 H가 높아질수록 배기 가스 압손 여유율이 작아지는 것을 알 수 있다. 배기 가스 압손 여유율이 지나치게 작아지면, 환언하면, 배기 가스의 압손이 지나치게 커지면, 핀(14)이 외주면에 형성된 열교환기 본체(13a)와 라디언트 튜브(11)의 사이에서 배기 가스가 흐르기 어려워진다. 그 때문에, 배기 가스 압손 여유율로서는 100[％] 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이때, 열교환 효율이 1.0[％] 이상이 되도록 하는 핀 높이 H나 핀 피치 P로 하는 것이 바람직하다.
핀(14)의 치수 파라미터가, 상기 수식 (1)의 관계를 충족함으로써, 충분한 열교환 효율이나 배기 가스 압손 여유율을 확보하면서, 핀(14)과 열교환기 본체(13a)의 열팽창 차이를 작게 하여, 핀(14)의 파손을 억제할 수 있다.
표 2에, 핀(14)의 치수 파라미터가 상기 수식 (1)의 관계를 충족하는 실시예 1∼3과, 핀(14)의 치수 파라미터가 상기 수식 (1)의 관계를 충족하지 않는 비교예에 있어서의, 열교환기 본체(13a) 및 핀(14)의 표면 온도와 발생 열응력비(production heat stress ratio)의 관계를 나타낸다. 또한, 실시예 1은 표 1의 「No.2」의 조건을, 실시예 2는 표 1의 「No.5」의 조건을, 실시예 3은 표 1의 「No.3」의 조건을, 비교예는 표 1의 「No.1」의 조건을 적용한 것이다. 또한, 「발생 열응력비」란, 열교환기 본체(13a)와 핀(14)의 사이에서 발생하는 열응력에 관한 것으로서, 실시예 1∼3 및 비교예에 있어서, 핀(14)과 열교환기 본체(13a)의 표면 온도의 차이를 구하고, 비교예에 있어서의 상기 표면 온도의 차이를 기준(1.0)으로 했을 때의 비율로서 산출한 것이다.
Figure 112019029716751-pct00002
표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼3에 있어서는, 비교예보다도 핀(14)과 열교환기 본체(13a)의 표면 온도의 차이가 작아져 있고, 발생 열응력비가 비교예보다도 작아지기 때문에, 열교환기 본체(13a)와 핀(14)의 사이에서 발생하는 열응력을 저감시켜, 핀(14)의 파손을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 순서로, 열교환기 본체(13a) 및 핀(14)의 표면 온도는 높아지고 있지만, 이는 핀(14)에 의한 난류 촉진 효과가, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 순서로 커지고 있고, 배기 가스로부터 열교환기 본체(13a)나 핀(14)으로의 전열 효율이 높아지기 때문이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 열교환기 본체(13a)의 외주면에 열전도체를 열교환기 본체 축선 방향으로 일정한 높이로 요철시켜 설치해도 좋다. 예를 들면, 열교환기 본체(13a)의 외주면으로부터의 핀 높이(H1)가 10[㎜]인 핀(14H)과, 열교환기 본체(13a)의 외주면으로부터의 핀 높이(H2)가 5[㎜]인 핀(14L)을, 열교환기 본체 축선 방향으로 소정 간격을 두고 교대로 배치한다. 핀(14H, 14L)으로서는, 예를 들면, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재, 또는, 일단부가 개방된 환상 부재에 의해 구성된 열전도체를 이용할 수 있다. 이에 따라, 핀(14H, 14L)에 의한 난류 촉진 효과가 커져, 배기 가스로부터 열교환기 본체(13a)나 핀(14H, 14L)으로의 전열 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 도 2에 나타내는 바와 같은 열교환기 본체(13a)의 외주면에 핀(14)이 설치된 열교환기(13)에 대하여, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재(예를 들면 핀(14)), 또는, 일단부가 개방된 환상 부재(예를 들면 핀(14A))에 의해 구성된 열전도체를 추가로 설치해도 좋다. 이에 따라, 열교환기 본체(13a)에 대하여 열전도체를 추가로 부착하거나 떼어내거나 하는 것을 용이하게 행할 수 있다. 그 때문에, 라디언트 튜브식 가열 장치(1)에 열교환기(13)를 설치한 후에도, 용이하게 열교환 효율의 개선을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 열교환기(13)는, 도 3에 나타내는 바와 같은 열전도체가 설치되어 있지 않은 열교환기 본체(13a)의 외주면에, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재, 또는, 일단부가 개방된 환상 부재에 의해 구성된 핀(14, 14A) 등의 열전도체를 형성함으로써 제조할 수 있다. 이에 따라, 열교환기 본체(13a)로의 열전도체의 설치에 따른 작업성을 대폭으로 개선하고, 열전도체가 설치되어 있지 않은 열교환기 본체(13a)로부터 전열 효율이 높은 열교환기(13)를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 열교환기(13)는, 이미 열전도체가 설치된 열교환기 본체(13a)에 대하여, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재, 또는, 일단부가 개방된 환상 부재에 의해 구성된 핀(14, 14A) 등의 열전도체를 형성함으로써 제조할 수 있다. 이에 따라, 열교환기 본체(13a)에 대하여 열전도체의 추가 설치가 용이해져, 보다 전열 효율이 높은 열교환기(13)로 변경하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 따른 열교환기(13)를, 열전도체가 설치되어 있지 않은 열교환기 본체(13a)의 외주면이나, 이미 열전도체가 설치된 열교환기 본체(13a)의 외주면에, 핀(14, 14A) 등의 열전도체를 형성하여 제조함에 있어서는, 전술한 바와 같이 열전도체를 열교환기 본체 축선 방향으로 일정한 높이로 요철시켜 설치해도 좋다. 이와 같이, 열전도체의 높이를 열교환기 본체 축선 방향으로 요철시킴으로써, 난류 촉진 효과가 더욱 커져 전열 효율이 높아져, 열교환기(13)의 열교환 효율을 높일 수 있다.
이상, 본 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 일은 없다. 즉, 본 실시 형태에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다. 예를 들면, 라디언트 튜브(11)의 내주면과 열교환기 본체(13a)의 외주면의 사이를 흐르는 배기 가스에 대하여, 난류의 발생을 촉진시키는 난류 발생 촉진체를, 핀(14)과는 별체(別體)로 상기 외주면에 형성해도 좋다. 또한, 금속 스트립(strip)의 가열을 행하는 어닐링로의 라디언트 튜브식 가열 장치에 이용하는 열교환기만이 아니라, 무기 재료(inorganic material) 등, 그 외의 열처리를 행하는 가열로의 라디언트 튜브식 가열 장치에 이용하는 열교환기에 대해서도, 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 열교환기 본체와 열전도체의 온도차를 작게 하여, 열전도체의 파손을 억제할 수 있는 열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1 : 라디언트 튜브식 가열 장치
11 : 라디언트 튜브
12 : 버너
13 : 열교환기
13a : 열교환기 본체
14 : 핀
14a : 상부 핀
14b : 하부 핀
14A : 핀
14A1 : 일단부
14H : 핀
14L : 핀
20A : 볼트
20B : 볼트
21A : 너트
21B : 너트
113 : 열교환기
113a : 열교환기 본체
114 : 나선 형상 핀

Claims (16)

  1. 라디언트 튜브에 내포되는 중공(hollow) 형상의 열교환기 본체와,
    상기 열교환기 본체의 외주면에 형성된 열전도체를 구비하고 있고,
    상기 라디언트 튜브와 상기 열교환기 본체의 사이를 흐르는 제1 기체와, 상기 열교환기 본체의 중공 내부를 흐르는 제2 기체의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기에 있어서,
    상기 라디언트 튜브와 상기 열교환기 본체의 사이를 흐르는 상기 제1 기체에 대하여, 난류의 발생을 촉진시키는 난류 발생 촉진 수단을, 상기 열교환기 본체의 외주면에 용접을 하지 않고 형성하고 있고,
    상기 열전도체는 환상(circular)으로서, 열교환기 본체 축선 방향으로 소정 간격을 두고 복수 배치되어 있고,
    상기 열전도체를 상기 난류 발생 촉진 수단으로서 겸용하고 있고,
    상기 열전도체는 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전도체의 열교환기 본체 축선 방향과 평행한 단면이, 기둥 형상, 평판 형상 또는 반원 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 분할 부재의 둘레 방향 단부를 연결하는 연결 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 분할 부재의 둘레 방향 단부를 연결하는 연결 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리보다도, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이가 작은 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제2항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리보다도, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이가 작은 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제3항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리보다도, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이가 작은 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제4항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리보다도, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이가 작은 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 서로 이웃하는 열전도체 간의 거리를 P[㎜]로 하고, 상기 열전도체의 상기 외주면으로부터의 높이를 H[㎜]로 하고, 상기 열교환기 본체 및 각 열전도체의 전체 전열 면적을 A[㎟]로 하고, 상기 열전도체의 전열 면적을 Af[㎟]로 했을 때, 0.10≤(H/P)0.8·{(A－Af)/A}≤0.20의 관계를 충족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 상기 열전도체가 일정한 높이로 요철을 반복하고 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 본체보다도 내열성이 높은 재료로 상기 열전도체를 구성한 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 라디언트 튜브 내에 삽입된, 당해 라디언트 튜브 내를 흐르는 연소 가스와 당해 라디언트 튜브를 가열하기 위해 이용되는 연소 공기의 사이에서 열교환을 행하는 열교환 수단을 구비하는 라디언트 튜브식 가열 장치에 있어서,
    상기 열교환 수단으로서, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 열교환기를 이용한 것을 특징으로 하는 라디언트 튜브식 가열 장치.
  13. 라디언트 튜브에 부착된 버너의 배기 가스를 이용하여 연소 공기와 열교환을 행하는 열교환기의 제조 방법에 있어서,
    열교환을 촉진하는 열전도체가 설치되어 있지 않은 중공 형상의 열교환기 본체의 외주면에, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재가 열교환기 본체의 축선 방향으로 소정 간격을 두고 복수 배치된 상기 열전도체를 형성한 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 상기 열전도체가 일정한 높이로 요철을 반복하고 있는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조 방법.
  15. 라디언트 튜브에 부착된 버너의 배기 가스를 이용하여 연소 공기와 열교환을 행하는 열교환기의 제조 방법에 있어서,
    열교환을 촉진하는 열전도체가 설치된 열교환기 본체에, 환상으로서 둘레 방향으로 분할된 복수의 분할 부재가 열교환기 본체의 축선 방향으로 소정 간격을 두고 복수 배치된 상기 열전도체를 추가하여 형성한 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    열교환기 본체 축선 방향으로 상기 열전도체가 일정한 높이로 요철을 반복하고 있는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조 방법.
KR1020197008397A 2016-09-29 2017-08-22 열교환기, 라디언트 튜브식 가열 장치 및 열교환기의 제조 방법 KR102229433B1 (ko)

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