KR102247109B1 - 플레이트형 열교환기, 특히 콘덴싱 보일러를 위한 플레이트형 열교환기 - Google Patents

Abstract

보일러(100), 특히 콘덴싱 보일러를 위한 열교환기(1). 상기 열교환기(1)는, 가열될 물이 그 내부에서 흐르고, 또한 그 외부에서는 버너(4)로부터 들어오는 연소물(3)이 통과하는 일 세트의 열 교환 플레이트들(2, 2^*)을 포함한다. 상기 열교환기(1)는 플레이트들(2, 2^*) 상에 존재하는 개구들(28, 29, 30, 31)을 폐쇄하기 위한 다수의 격판들(50)에 연결된 다수의 플레이트들(2, 2^*)을 포함하되, 그 각각의 플레이트(2, 2^*)는 가열될 물의 흐름을 위한 적어도 두 개의 레벨((Ⅰ),(Ⅱ),(Ⅲ))의 각각의 채널들(23, 24, 25)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 채널들(25) 사이에 배치된 직렬구성의 수압식 연결장치가 버너(4)에 가장 근접한 레벨(Ⅲ)에 제공될 수 있다.

Description

플레이트형 열교환기, 특히 콘덴싱 보일러를 위한 플레이트형 열교환기{PLATE HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR FOR CONDENSING BOILERS}

본 발명은 혁신적인 플레이트형 열교환기(plate heat exchanger)에 관한 것이다.

특히, 본 발명은, 반드시 그렇지는 않지만, 콘덴싱 보일러(condensing boiler) 분야에 있어 유용한 응용성을 가지며, 하기의 설명은 그것에 대해 범용성을 잃지 않으면서 명확한 참고자료가 될 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 여러 유형의 콘덴싱 보일러용 열교환기들이 시장에서 입수 가능하다. 이들은 상이한 수율, 형상, 크기, 재료, 구성 기술 및 제조 비용을 갖는 것을 특징으로 한다. 모든 기존의 열교환기들 중에서 소위 "플레이트(plate)형" 열교환기는 그의 높은 조밀성(compactness), 열교환 효율성 및 간단한 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

공개문헌 DE 100 43 283 A1(BOSCH)은 콘덴싱 보일러용으로 사용되는 전형적인 플레이트형 열교환기를 예시하고 있다. 연소가스의 흡입 및 배출용 수집기들(collectors)은 각각 물의 흡입 및 배출용 수집기들에 근접하게 마주하고 있으며, 그렇게 함으로써 "역류(counter-current)"라 불리는 매우 효율적인 열 교환을 달성하게 된다. 연소가스 흡입용 수집기는 버너를 수용하기에 적합한 크기를 가지며, 따라서 그것과 함께 보일러의 실제의 연소실을 형성하게 된다.

공개 문헌 SE 49 764949 A1(Riello)은 전술한 공개공보와 여러모로 유사성을 갖는 하나의 해결책을 예시하고 있다.

전술한 양자의 해결책은 모두 몇몇 결점들을 가지고 있다.

상기한 두 경우 모두에 있어, 플레이트들에 형성되는 더 큰 구멍들은 연소가스의 흡입 및 배출용 수집기(collector)들을 형성하도록 의도되는데, 그 둘 중 더 큰 것은 버너를 수용하기에 적합한 크기로 구성되며, 따라서 그것은 보일러의 연소실이 된다.

따라서, 두 경우 모두에 있어, 열교환기의 제조는 그 플레이트들을 형성하는 금속 판재의 상당한 양이 스크랩으로 발생하게 되므로, 후속적으로 비용 증가를 초래하게 된다.

상기한 두 경우 모두, 물과 연소가스는 병렬로 된 채널들을 따라서 흐른다. 따라서, 같은 유속으로, 각각의 단일한 물 채널 내를 통과하는 물의 유동은 열교환기의 플레이트들의 수에 전적으로 의존하게 된다.

그러나 연소실에 마주하는 덕트들의 일부를 통과해 지나가는 물이 비등(boiling)하는 것을 방지하는 것은 현저하게 어렵다는 것은 잘 알려져 있다.

약 1000℃에서 연소가스에 의해 덕트들의 해당 부분으로 전달되는 단위 면적당 열 부하가 너무 높아서 물은 즉시 끓게 된다.

이러한 문제점을 피하기 위하여, 물은 매우 높은 속도와 대량으로 유동하여야만 하며, 이러한 결과는 물이 단일 채널로 병렬 방식으로 공급된다면 달성될 수가 없다. 연소가스 수집기에 의해 야기되는 금속판재의 낭비를 적어도 부분적으로는 제한하기 위하여, 또한 플레이트들에서 주변을 용접하는 양을 감소시키기 위하여, 물이 통과하는 플레이트들만이 그것의 외주를 따라서 폐쇄되는 반면에, 연소가스 채널들은 그것의 외주를 따라서 개방되고 또한 전체의 연소가스 회로는 케이스에 의해 외부와 구분되도록 하는 해결책들이 알려졌다.

그러나 이러한 해결책들조차도 여전히 어떤 결점들을 제공한다. 공개공보 WO-A2-03/1069909(WORGAS)에 예시된 해결책은, 플레이트들에 제공되는 원형의 형상은 그 플레이트들을 형성하는 금속 판재의 다량의 낭비를 내포하고 있기 때문에 경제성이 없다.

마찬가지로, 공개공보 DE-A1-10 2005 033 050(VAILLANT)에 예시된 해결책도 또한 경제성이 없는데, 그 이유는, 플레이트들에 제공된 C 형상은 그 플레이트들을 형성하는 금속 판재의 다량의 낭비를 내포하기 때문이다.

연소실을 에워싸는 채널들을 통해 흐르는 물의 양과 속도가 불충분하여 야기되는 물의 비등의 문제를 적어도 부분적으로는 제한하기 위하여, 해당 영역에서 순환하는 물의 속도를 증가시키는 해결책들이 개발되었다.

그것의 첫 번째 단계는, 물이 통과하는 요소들에서, 제한된 통과 부위를 갖는 연소실 주변에서의 어떤 고정된 경로들의 형성인데, 그럼으로써 물의 속도의 후속적인 증가를 일으키게 된다.

공개공보 DE-A1-10 2005 033 050(VAILLANT) 및 WO-A2-2008/107760(GAS POINT)은 이러한 해결책들을 예시하고 있다.

그러나 이 방법은, 난방 시스템의 물에 다소간에 적절한 양으로 항상 존재하는, 석회석(limestone, 즉 calcium bicarbonate and magnesium)의 침전물로부터 초래하는 석회석(calcium carbonate and magnesium)의 침적이 배관을 급속하게 막히게 하는 것을 예방하기 위하여 너무 작은 통로 부위들을 갖지 않도록 할 필요성과 상충할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 전술한 결점들 해소하기 위함과 동시에, 제작하기에 용이하고 비용이 저렴한, 플레이트형 열교환기, 특히 콘덴싱 보일러를 위한 플레이트형 열교환기를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 특허청구범위 제1항, 또는 그 청구항에 직간접적으로 종속하는 청구항들 중의 어느 것에 기재된 플레이트형 열교환기가 제공된다.

이하, 본 발명에 대한 더 나은 이해를 위하여, 첨부한 도면들을 참조하여, 비-한정적인 예를 드는 방식으로 여러 개의 바람직한 실시예들이 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플레이트형 열교환기의 3차원적인 전체적 사시도를 도시한다;
도 2는 도 1의 열교환기가 평면 A-A를 따라서 절단된 형태의 콘덴싱 보일러를 도시한다;
도 3은 도 1의 열교환기가 평면 B-B를 따라서 절단된 형태의 도 1과 동일한 콘덴싱 보일러를 도시한다;
도 4는 도 1, 2, 3의 플레이트형 열교환기를 제공하기에 적절하게 전단 성형 된 금속판의 제1면을 도시한다;
도 5는 도 4의 전단 성형 된 금속판의 제2면을 도시한다;
도 6은 열교환기의 플레이트를 제조하기 위한, 도 4 및 5에 예시된 판재의 폴딩(folding) 동작을 도시한다;
도 7은 도 1, 2, 3에 도시된 플레이트형 열교환기의 제1 실시예의 제1면을 도시한다;
도 8은 도 7의 플레이트의 제2면을 도시한다;
도 9는 도 1, 2, 3에 도시된 플레이트형 열교환기의 제2 실시예의 제1면을 도시한다;
도 10은 도 9의 플레이트의 제2면을 도시한다;
도 11은 본 발명에 따른 열교환기의 제1 실시예의 전개도를 도시한다;
도 12는 또 다른 관점에서 본 도 11과 동일한 전개도를 도시한다;
도 13은 도 11 및 12의 열교환기에서의 물 흐름도를 도시한다;
도 14는 본 발명에 따른 열교환기의 제2 실시예의 전개도를 도시한다;
도 15는 또 다른 관점에서 본 도 14와 동일한 전개도를 도시한다;
도 16은 도 14 및 15의 열교환기에서의 물 흐름도를 도시한다; 그리고
도 17은 본 발명의 교시에 따라서 또한 제조되는 열교환기(미도시)에서의 물 흐름도를 도시한다.

도 1에서, 도면 참조기호 1은 본 발명의 주 목적인 플레이트형 열교환기를 전체적으로 나타내고 있다.

상기 열교환기(1)는 실질적으로 직사각형의 형상을 갖는 플레이트들(2)이라 지칭되는 일 세트의 열 교환 요소들을 포함한다. 그 각각의 플레이트(2)는 단일형의 접힌 판재(folded sheet)(2A)로부터 출발하는 단일 금속판을 사용해 제조된다(도 4 및 5 참조).

실제의 사용시, 가열될 유체(예를 들어, 물, 투열성(diathermal) 오일 등)는 각각의 플레이트(2) 내부를 통과하고, 또한 연소실(4A)에 존재하는 버너(4)로부터 나오는 연소물(연소가스)(3)은 외부로, 특히 하나의 플레이트(2)와 다른 플레이트 사이에 형성된 다수의 간격들에서 흐르게 된다.

열교환기(1)는 바람직하게는, 가스 콘덴싱 보일러(100)(도 2 및 3 참조)에서 사용되는 것으로 의도되며, 여기서 가열된 유체는 물이고, 연료는 천연가스이며, 그리고 연소물(3)은 그것에 함유된 수증기와 습기의 응결점까지 냉각된다.

열교환기(1)의 전형적인(반드시 그렇지는 않지만) 배열구성은 도 2 및 3에 도시된 것과 같다.

이러한 특정한 실시예에 있어서, 버너(4)는 보일러(100)의 상부에 그리고 열교환기(1) 위쪽에 배치된다. 버너(4)의 불꽃은 아래쪽으로 향하고, 또한 제1 연장 구간 상에서 연소물(3)은 수직 하방으로 흐름으로써 열교환기(1)의 플레이트들(2) 사이에 위치한 간격들(gaps)(40)을 통과하게 된다.

연소물(3)은 열교환기(1) 아래쪽의 하부(lower part)에서 수집되어 최종적으로는 수직형 배기 덕트(5)를 통해 배출된다.

상기한 배기 덕트(5)를 통한 연소물(3)의 수직 흐름은 위로 향한다는 것이 명백하다.

열교환기의 하부 전면부는 시스템 복귀 흐름(도 3의 화살표 F1)에 연결하기 위한 연결부(fitting)(6)를 포함하는 한편, 그의 상부 전면부는 시스템 공급 흐름(도 3의 화살표 F2)에 연결하기 위한 연결부(7)를 포함한다.

따라서, 이하의 설명에서, 열교환기(1)에 관련된 공간적인 언급(즉, 상부, 하부, 수직, 수평, 전면, 후면)은, 그 열교환기(1)가 상이한 공간적인 배열 구성을 가질 수 있다는 사실에도 불구하고, 이러한 구성을 주로 지칭할 것이다.

상기한 플레이트(2)들은, 예를 들어, 열교환기(1)의 두 개의 전면 및 후면 플레이트들(2)의 외벽들과 접촉하는 알루미늄으로 이루어진 한 쌍의 격납 플레이트들(containment plate)(8, 9) 및 연소물의 수집을 위한 케이스(10)를 포함하는 하나의 용기(컨테이너) 내부에 배열되어 있다.

더욱이, 상기 케이스(10)는 생성된 응축물을 위한 배기 덕트(11)를 포함한다(도 2 참조).

도 2에 예시된 것과 같이, 격납 플레이트(9)에는 연소물(3)을 위한 배기 덕트(5)에 그것을 연결하는 구멍(hole)(9A)이 제공된다.

다른 격납 플레이트(8)에는 케이스(10)에 대한 접근 구멍(13)이 유용하게 제공될 수 있으며, 이것을 통해 조작자는 때때로 그 바닥에 불가피하게 생성되어 수집되는 부식물에 대한 주기적인 정비와 청소를 수행할 수가 있다.

이하, 열교환기(1)의 특징을 이루는 측면들에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 열교환기(1)는 다수의 열 교환 플레이트들(2)을 필수적으로 구비하고 있다.

각각의 플레이트(2)는, 실질적으로는, 스테인리스 스틸로 제조되는(이것이 바람직하기는 하지만, 필수적인 것은 아님) 적절한 두께의 금속판의 외각으로 이루어지며, 그 내부에는 보일러의 물이 순환하는 한편, 바깥으로는 연소물(3)(도 2 및 3 참조)이 두 플레이트들(2)의 인접한 벽들에 의해 형성되는 간격(40)에서 통과하도록 구성된다.

각각의 플레이트(2)는 성형 된 금속판(2A)(도 4 참조)으로부터 시작하여, 후속적으로 드로잉(drawing) 및 전단(sheared)에 의해 가소성 변형(plastically deform)으로 제작되며, 이로써 외곽 모서리가 위치한 수평 기준면(19) 보다 낮은(lowered) 위치에 두 개의 중앙 영역들(18A, 18B)을 얻게 된다.

중앙 영역들, 즉, 중앙 영역(18A) 및 측면 및 낮아진 영역들(18B), 이외에는, 내측 스트립들(20)이 동일 수평 기준면(19) 상에 제공된다(도 4 참조).

그리고 나서, 상기와 같이 획득된 성형 된 금속판(2A)에서, 구멍들(관통구들)(14)(금속판 2A를 전단하여 획득됨)이 하기에 기술된 동작에 필요한 수량과 위치들에서 형성된다.

상기와 같이 성형 된 구멍이 뚫린 금속판(2A)에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 중간선(MZ)(도 4 참조)을 따라 절곡(벤딩)(bending) 작업이 수행된다.

상기 중간선(MZ)에 따른 금속판(2A)의 접힘(folding) 과정은 특별한 굽힘 도구(17)를 이용하여 달성된다(도 6 참조).

상기 금속판(2A)은 적절한 굴곡 반경으로 접혀지고, 그 다음에는 상기 굽힘 도구(17)를 추출하여 제거되도록 함으로써 거의 완전한 폐쇄(closure)를 달성한다. 다음에, 상기 중간선(MZ)을 따라서 접혀진 금속판(2A)은, 가깝게 당겨진 세 측면의 금속판의 플랩(안쪽으로 접어 넣은 부분)들과 접촉 상태에 놓이도록, 직사각형의 외측 모서리(19A)를 쭈그러뜨림으로써 완전히 폐쇄된다.

상기와 같이 이루어진 구성요소는 최종적으로 세 개의 측면들 상에서, 또한 이전의 드로잉(drawing) 과정 중 주변 모서리의 동일한 평면상에 놓인 내측 영역들에서, 당해 기술분야에서 널리 공지된 자열 용접(autogeneous welding) 또는 브레이징(brazing) 접합기술을 이용하여 용접된다.

열교환기(1)를 제조하기 위하여, 플레이트들(2)은 물의 통로를 위한 구멍들(14)에 상응하게 토로이드(toroidal)형의 가스켓들(21)(도 3 참조)을 끼워넣음으로써 조립된다.

플레이트들(2)은 열교환기(1)의 모든 플레이트들(2)의 격납 플레이트들(8, 9)과 결합봉(tie rods)(22)을 사용하여 제 위치에 고정된다(도 1 참조).

대안적으로는, 플레이트들(2)은 물의 통로를 위한 구멍들(14)을 둘러싸는 환상의 링들(32) 상에 자열 용접(autogenous welding) 또는 브레이징 접합기술에 의해 제 위치에 조립되고 고정된다(도 7 참조).

전술한 드로잉 과정 덕분에, 각각의 열 교환 요소에서, 세 개의 수평 및 상호 평행한 채널들(23, 24, 25)이 형성되는데, 그 안에서 물은 수직 방향(하향)의 연소가스에 대해 직각인 수평 방향으로 흐른다(도 2, 3 참조). 도 7에 도시된 플레이트(2)의 제1 실시예에 있어서는, 하부 채널(23) 및 중간 채널(24)은 통로(26)에 의하여 플레이트(2)의 우측 측면(right side)을 통해서 수압상으로 연결된다.

따라서, 물은 하부 채널들(23)이 배열되어 있는 제1의 하위 레벨(I)로부터 중간 채널들(24)이 배열되어 있는 제2의 중간 레벨(II)로 상승할 수가 있다(도 7 참조).

그렇지만, 도 7의 제1 실시예에 있어서, 상기 제2 레벨(II)에 배열되어 있는 중간 채널(24)과 제3 레벨(III)에 배열되어 있는 상부 채널(25)은 수압상으로는 연통하지 않게 되어있다.

도 9 및 10에 도시된 제2 실시예의 플레이트(2^*)에 있어서, 중간 채널(24)과 상부 채널(25)은, 다른 한편으로는, 가열된 물이 제2 레벨(II)로부터 제3 레벨(III)로 상승하도록 하는 통로(27)를 통해서 수압상으로 연통하는 관계에 있게 된다(도 9 참조). 상기 통로(27)는 플레이트(2^*)의 좌측 측면 상에 배열된다.

상기 하부 레벨의 채널들(23)에 상응하는 각각의 플레이트(2)의 하부는, 전술한 바와 같이, 금속판(2A) 상에 만들어진(도 4 참조) 두 개의 구멍들(14)을 중첩(overlap)함으로써 형성되는 제1 개구(28)를 포함한다. 상기한 제1 개구(28)를 만들기 위한 두 개의 구멍들(14)은, 도 4 및 도 5를 참조하여 이해할 수 있는 바와 같이, 금속판(2A)을 절곡함으로써 서로 포개진다는 것은 명백하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 개구(28), 다수의 플레이트들(2, 2^*) 및 연결부(6)는 함께 다수의 하부 채널들(23)에 실질적으로 수직인 축(X1)을 갖는 제 1 수평 덕트(horizontal duct)(230)를 형성한다.

실제의 사용 시, 가열 시스템으로부터 나오는 냉수는 연결부(6)를 통해 들어가서, 제1 수평 덕트(230)을 통해 흐르고, 또한 빽빽이 찬 플레이트들(2, 2^*)의 하부 채널들(23)에서 점진적으로 종횡 방향으로 분산된다.

전술한 바와 같이, 상기 플레이트들(2, 2^*)과 다른 것 사이의 제1 개구(28)에 상응하는 토로이드형 가스켓들(21)의 존재로 인하여, 냉수는 상기 제1 개구(28)를 통해 플레이트들(2, 2^*)을 벗어나서 상기 간격들(40)에서 흐르도록 할 수는 없다(여기서, 반대로, 연소가스는 흘러야만 한다).

같은 동작이 제2 레벨(II)에 배열된 중간 채널들(24)에도 적용된다.

이 경우, 상기 다수의 플레이트들(2, 2^*)의 다수의 제2 개구들(29)은 다수의 중간 채널들(24)에 실질적으로 수직인 축(X2)을 갖는 제2 수평 덕트(240)를 형성한다(도 3 참조).

도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 상기 제3 레벨(III)의 상부 채널들(25)에 상당하는 각 플레이트(2, 2^*)의 상부 좌우 부분에서, 제3 개구(30) 및 제4 개구(31)가 형성되어, 아래 설명된 것에 따라서 열 교환기(1)를 형성하는 플레이트들(2, 2^*)의 세트에서 직렬 또는 병렬로 물의 순환을 제공하게 된다.

상기한 제1 레벨(I)과 제2 레벨(II)에 각각의 개구(28)(29)가 제공되지만, 제3 레벨(III)에는 두 개의 개구들(30, 31)이 제공되는데, 정확하게 그 이유는 단지 제3 레벨(III)만이 여러 플레이트들(2, 2^*) 사이에서 가능하면 직렬의 구성이 제공될 필요가 있기 때문이다.

일반적으로 설명하면, 상기한 개구들(28, 29, 30, 31)의 수는 상기 레벨들((I), (II), (III)의 수에 1을 더한 것과 동일해야만 한다. 따라서, 본 실시예의 경우에 있어서는 세 개의 레벨에 대하여 네 개의 개구들이 존재한다.

축(X3)를 따라 정렬된 제3 개구들(30)과 연결부(7)는 함께 제3 레벨(III)에 배열된 제3 수평 덕트(250)를 형성하며, 그러한 제3 수평 덕트(250)는 모든 상부 채널(25)들에 수직으로 배열된다.

축(X4)을 따라 또한 정렬된 제4 개구(31)들은 제3 레벨(III)에서 플레이트들(2, 2^*) 사이에 직렬로 수압상의 연결(hydraulic connections)을 달성하도록 사용된다.

상기한 네 개의 축들 (X1), (X2), (X3) 및 (X4)는 서로 평행하다(도 11 참조).

또한, 상기한 개구들(29, 30, 31)에 대하여, 토로이드 형상의 밀폐용 가스켓들(21)이 사용되어 상기 간격들(40)로 물이 누출하는 것을 방지하도록 한다.

플레이트들(2, 2^*)의 전개도를 도시하는 도 11로부터 명백하듯이, 연관되는 개구들(28, 29, 30)을 갖는 플레이트들의 세트는 몇몇의 수집기들(collectors)을 형성한다.

특히, 플레이트들(2)의 좌측 하부에 배치된 개구들(28)은 시스템 복귀수(return water)(화살표 F1)의 수집기로서 역할을 하는 상기한 제1 수평 덕트(230)를 형성한다.

제1 수평 덕트(230)로부터 물은 각각의 플레이트들(2, 2^*)을 가로질러 균일하게 분배된다.

단일한 구성요소에 부합하게 조정된(calibrated) 구멍들이 제공된 파이프(도면들에는 미도시)가 플레이트들(2, 2^*) 내부에서의 물의 균일한 분배를 달성하기 위해 사용될 수 있다.

모든 단일한 플레이트(2, 2^*)에 일단 들어가면, 물은 타 단부에 이르기까지 제1 레벨(I)의 채널들(23)에서 수평으로 진행하며, 이어서 제2 레벨(II)의 채널들(24) 안으로 상승하며, 이로써 통로들(26)에서 흐르게 된다.

그 다음에, 제2 레벨(II)에서, 물은 그것이 제2 수평 덕트(240)에 도달할 때까지 제1 레벨(I)에서의 방향에 반대인 방향을 따르면서 수평으로 진행하고, 플레이트들(2, 2^*)에 대해서는 횡으로 흐른다.

도 8에 도시된 바와 같이, 처음 여섯 개의 플레이트들(2) 모두에서는 제2 레벨(II)의 덕트들과 제3 레벨(III)의 덕트들 사이에는 물리적인 분리가 존재한다. 제2 레벨(II)과 제3 레벨(III) 사이의 상기한 물리적인 분리는 두 개의 중첩하는 측면 내측 스트립들(20)에 의해 제공된다.

그러나 마지막 두 개의 후면 플레이트들(2^*)에 있어서, 제2 레벨(II)은 통로들(27)을 통해 제3 레벨(III)과 연통한다.

따라서, 각각의 플레이트(2, 2^*)의 제2 레벨(II)로부터 나오는 물은 수집기에서 수집되어 마지막 두 개의 플레이트들(2^*)의 통로들(27)을 이용하여 제3 레벨(III)로 안내된다.

상기한 제3 레벨(III)은 버너(4)의 불꽃(flame)에 직접적으로 노출된 영역이다.

제3 레벨(III)에서, 플레이트들(2, 2^*)에 형성된 채널들(25)은 그들의 단부들에 구멍이 형성된 벽들을 가지며, 이것들은 후술하는 필요성에 따라 인접 플레이트(2)의 채널(25)과 병렬로 또는 직렬로 각 플레이트(2)의 제3 레벨(III)의 수평 채널(25)을 통해서 물이 흐르는 것을 보장하기 위해 개방되거나 폐쇄된다.

도 11 및 도 12에 예시된 실시예에 있어서, 물은 병렬로 두 개씩 구성된 제3 레벨(III)의 채널들(25)을 따라서 흐르며, 그 각각의 쌍은 동일 레벨(III)의 다른 채널들(25)에 대하여 직렬로 순환을 유지하게 된다(도 13 참조).

채널들(23, 24, 25)에서, 바깥쪽을 향하는 자국들(imprints)(23A, 24A, 25A)이 드로잉(drawing) 성형에 의해 획득되었는데, 그것의 형상과 깊이는:

- 그것들 안에 있는 물의 압력을 상호 상쇄하도록 하기 위해 인접 플레이트들 상의 자국들과 접촉하게 되도록; 그리고

- 통과하는 연소가스와 가열될 물 사이의 열 교환을, 채널들(23)과는 더 많이, 또한 채널들(25)과는 더 적게, 촉진하도록 형성된다.

특히, 자국들(23A) 및 자국들(24B)은 자국들(25A)보다는 현저하게 적은 수이고 더 복잡한 형상을 가지는데, 그 이유는 버너(4)의 불꽃에 더 근접한 영역들(도 2 및 3의 제3 레벨(III))에서 물은 끓지 말아야 하는 반면에, 열 교환은 도착하는 연소가스가 훨씬 더 차가운 다른 두 개의 레벨들((I) 및 (II))에서 가능한 한 많이 촉진되어야 하기 때문이다.

더욱이, 제3 레벨(III)의 채널들(25)은 제1 레벨(I)의 채널들(23)과 제2 레벨(II)의 채널들(24)보다 더 작은 드로잉 깊이를 가지며, 이로써 인접 플레이트들 간의 연소가스 통로의 단면적을 증가시킴과 동시에, 채널들(25) 내부에서의 물의 속도를 증가시키게 됨으로써, 물이 비등하는(boiling) 것의 위험성을 항상 회피하도록 한다.

달리 설명하면, 첫 번째 경우에서, 각 쌍의 플레이트들(2, 2^*)의 제3 레벨(III)의 채널들(25)은 선행하거나 후속하는 쌍의 플레이트들(2, 2^*)에 대하여 직렬로 배열된다(도 13 참조).

일단 물이 전면 플레이트에 도착하면, 그 물은 전면 플레이트(2)의 전면 벽에 형성된 개구(30)를 통해 열교환기(1)를 벗어나서 연결부(7)를 통해 시스템의 공급 덕트로 전달된다.

상기한 제3 레벨(III)의 채널들(25)에서 병렬로 연결된 플레이트들(2, 2^*)의 수에 따라서, 열교환기(1)를 상기 시스템 공급 덕트로 연결하는 개구(30)는 상기한 전면 플레이트(2)의 좌측 단부(도면에서의 예와 같이) 또는 우측 단부에 배열될 수 있다.

이러한 회로는:

- 플레이트들(2)의 외부를 휘감는 연소가스의 온도가 낮고, 그것들에서 순환하는 물을 비등하게 할 위험이 없도록, 플레이트들(2, 2^*)을 통해 병렬로, 또한 저속 및 저부하 손실로써 제1 레벨(I)과 제2 레벨(II)의 채널들(23, 24)에서 물이 흐르도록; 그리고

- 연소가스의 온도가 매우 높고, 또한 물을 비등하게 할 위험성이 높으며, 동시에 열교환기(1) 전체에 대해 너무 높지 않은 전체적인 부하 손실을 획득하도록 하면서, 플레이트들(2, 2^*)을 통해 부분적으로는 병렬로 또는 직렬만으로도, 그리고 따라서 고속으로, 제3 레벨(III)의 채널들(25)에서 물이 흐르도록, 구성된다.

도 11, 12 및 13에 예시된 예에서, 기술된 결과는 유형 2의 여섯 개의 플레이트들과 유형 2^*의 두 개의 플레이트들 전체를 사용함으로써 달성된다(도 7, 8 및 도 9, 10 각각 참조).

다음에, 예를 들어, 용접에 의해(도 11, 12의 예에서와 같이) 또는 부가적인 토로이드형 가스켓들을 삽입함으로써, 수압 회로를 생성하기 위해 플레이트들(2, 2^*)에 형성된 개구들(28, 29, 30, 30)을 폐쇄하기 위한 다수의 격판들(50)이 이용 가능해야만 한다.

전술한 것으로부터 자명하듯이, 플레이트들(2, 2^*)과 격판들(50)의 상이한 조합을 사용함으로써,

- 열교환기(1)의 덕트들(24, 25)의 제2 레벨(II)로부터 제3 레벨(III)로의 통로를 가능하게 하는 플레이트들(2*)의 수를 변하게 하는 것과; 그리고

- 제3 레벨(III)과의 직렬 및 병렬 구성의 경로들의 수를 변하게 하는 것을

가능하게 하는 한편,

그렇게 함으로써, 물의 비등을 회피할 필요성에 부합되는 제3 레벨(III)의 채널들(25)에서의 물의 속도 및 시스템 요구사양과 부합 가능한 부하 손실을 획득하게 된다.

도 1, 2 및 3에 예시된 예는 연소가스(가스 채널들)에 의해 교차 되는 7개의 간격들(gaps) 및 8개의 구성 요소들에 의해 형성되는 24.5kW급 열교환기(1)를 지칭하고 있다.

도 11 및 12에 예시된 예에 있어서, 물은 열교환기의 구성요소들 내부에서, 특히 제3 레벨(III)의 채널들에서, 도 13에 도시된 물 흐름도에 따라 병렬로 구성된 일련의 쌍들의 채널들에서 흐르게 된다.

열교환기 전체의 열 부하의 손실 및 본 실시예에서 획득된 제3 레벨의 단일 채널들에서의 물 속도의 손실은 이러한 용량을 갖는 가스 보일러에서 적용하기에 최적이다.

도 14, 15 및 16은, 제3 레벨(III)에서 병렬 구성의 일련의 3개의 채널들과, 후속하여 추가적인 3개의 병렬 구성의 채널들과, 그리고 추가적인 2개의 병렬 구성의 채널들을 가지는, 8개의 플레이트들에 의해 형성되는 구성의 제2 실시예의 열교환기를 도시하고 있다.

같은 유동율(flow rate)에서도, 본 열교환기는 이전의 것보다는 20% 더 낮은 부하 손실과 30% 더 낮은 제3레벨의 3개의 병렬 채널들 내부에서의 물의 속도를 갖는다.

도 17의 흐름도는 훨씬 더 작은 부하 손실을 가지는 동일한 출력(power)을 열교환하도록 의도되는 동일한 수의 플레이트들의 추가로 가능한 조합을 도시하고 있다.

도 13 및 16의 흐름도에서는 단지 하나의 물 흡입구(IN)와 하나의 물 배출구(OUT)가 존재하는 반면에, 도 17의 흐름도는 2개의 물 흡입구들(IN1, IN2)과 2개의 물 배출구들(OUT1, OUT2)을 갖는 구성의 경우를 예시하고 있다.

이 경우에는, 8개의 플레이트들은 두 개의 그룹으로 분할되는데, 그 각각의 그룹은 직렬로 연결된 제3 레벨(III)의 덕트들을 구비하는 4개의 인접한 플레이트들로 이루어진다.

상기한 각각의 그룹은 시스템 복귀 흐름과 시스템 공급 흐름에 대해 그 자신의 접속을 가지는 반면에, 버너는 열교환기 전체에 대하여 단지 하나만 유지된다.

같은 유동율(flow rate)을 가지고도, 이러한 열교환기는 동일 값에서 제3 레벨(III)에서의 물의 속도는 유지하면서, 맨 처음의 실시예에 비교하면, 50% 더 낮은 부하 손실을 가진다.

동일한 전체 개수의 플레이트들을 갖지만, 연통 관계에 있는 제2 레벨(II)과 제3 레벨(III)의 덕트들을 갖는 유형 2^*의 플레이트들의 수를 변경하고, 또한 제3 레벨(III)에서 직렬 및 병렬 순환이 이루어지는 플레이트들의 수를 변경함으로써, 같은 출력을 가지고도 높은 유량으로 동작하는 보일러에 더욱 적합하고, 따라서 열교환기에 있어 더 작은 부하 손실을 요구하는 열교환기를 구현하는 것이 가능하며, 또는 낮은 유동율로 동작하는 보일러들에는 더욱 적합하고, 따라서 플레이트에서의 비등하는 물 때문에 파손되지 않고 고출력 레벨에 견디는 것을 요구하는 열교환기를 구현하는 것이 또한 가능하다.

도시되지 않은 다른 애플리케이션들에 있어서는, 플레이트들의 구멍들(holes) 중의 어떤 것은 처음부터 폐쇄될 수도 있는데, 즉, 플레이트들 중의 어떤 것들을 만들기 위해 사용되는 금속판은, 그 대신에, 후속해서 격판들에 의해 폐쇄되는 구멍들이 존재하여야만 하는 영역들에서는 절단되지 않는다. 이러한 방식으로, 한편으로는, 폐쇄될 구멍들이 없기 때문에 소정의 절약이 이루어지기는 하지만, 다른 한편으로는, 더 많은 유형의 플레이트들이 존재하기 때문에, 창고의 관리에 더 높은 비용을 수반하게 된다.

따라서, 제조업자들은, 격판들에 의해 다음에 다시 폐쇄되어야만 하는 플레이트들 상의 몇몇 개구들을 개방하는 것을 가능하면 회피하겠지만, 가능한 한 가장 적은 수의 플레이트 유형들을 갖도록 하는 가장 양호한 해결책을 선택할 필요가 있다.

상기한 플레이트형 열교환기의 주요한 이점들은 다음과 같을 것이다:

- 다수의 격판들과 단지 두 가지 유형의 플레이트들만을 사용함으로써 불꽃에 노출되는 플레이트들의 일부에서 직렬로, 또는 부분적으로 직렬로, 따라서 고속으로, 물의 순환을 가능하게 하며,

버너와 배기가스 덕트를 외부에 구비하는 직사각형의 플레이트들을 사용함으로써 불필요한 자재의 낭비를 회피하고,

역류에서의 열교환기의 고효율 덕분에 최소화가 가능한 열교환 면을 이용하게 되며, 그리고

불꽃에 노출된 플레이트들의 일부에 대해 용접을 피함으로써 그의 완전무결성을 위태롭게 하는 것을 회피할 수가 있게 된다.

Claims (12)

1. 내부에서는 가열될 물이 흐르는 한편, 외부에서는 버너(4)로부터 나오는 연소물들(3)에 의해 둘러싸이도록 구성된, 일 세트의 열 교환 플레이트들(2, 2*)을 포함하는 보일러(100)를 위한 플레이트형 열교환기(1)에 있어서,
   상기 열교환기(1)는
   상기 플레이트들(2, 2*) 상에 제공된 개구들(28, 29, 30, 31)을 폐쇄하기 위해 다수의 폐쇄 요소들(50)에 결합되고, 상기 플레이트들(2, 2*)의 각각은 가열될 물의 흐름을 수용하는 각각의 채널들(23, 24, 25)에 의해 제공되는 적어도 2개의 레벨들((I), (II), (III))을 포함하며, 상기 레벨들((I), (II), (III))중 상기 레벨(III)은 가열장치(4)에 가장 근접하게 배치되어 있는, 다수의 플레이트들(2, 2*)을 포함하고;
   상기 다수의 플레이트들(2, 2*)과 상기 다수의 폐쇄 요소들(50)은, 레벨((I), (II)) 상에 병렬로 배열된 채널들(23, 24) 사이의 수압식 연결, 및 상기 가열장치(4)에 가장 가까운 상기 레벨(III) 상에서 적어도 부분적으로는 직렬로 배열된 채널들(25) 사이의 수압식 연결을 형성하도록 조합되어 있고, 상기 레벨((I), (II))중 상기 레벨(I)이 상기 가열장치(4)로부터 가장 멀리 이격 되어 있는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
2. 제1항에 있어서, 3개의 레벨들((I), (II), (III)) 사이의 수압식 연결을 위한 통로(26, 27)를 갖는 적어도 하나의 플레이트(2*)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
3. 제2항에 있어서,
   각각의 플레이트(2)에는, 제2레벨 및 제3레벨은 제외하고, 제1 통로(26)에 의하여 제1 측면과 연통하는 상이한 레벨들((I))에 배열된 덕트들이 제공되며, 그리고 다수의 개구들(28, 29, 30, 31)이 제공되는 제1세트의 플레이트들(2);
   각각의 플레이트(2*)에는, 제2 통로(27)에 의하여 제2 측면과 연통하는 상이한 레벨들((I), (II), (III))에 배열된 덕트들이 제공되며, 그리고 다수의 개구들(28, 29, 30, 31)이 제공되며, 상기 제2 측면은 상기 제1 측면의 반대편에 위치하도록 구성되는 제2세트의 플레이트들(2*); 및
   상기 개구들(28, 29, 30, 31)을 폐쇄하기 위한 다수의 폐쇄 요소들(50)을 포함하되, 상기 다수의 폐쇄 요소들(50)의 수와 위치는 상기 열교환기(1) 내부의 물이 흐르는 유동 경로에 따라서 선택되는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
4. 제3항에 있어서, 하부 레벨들((I), (II))은 각각 상부 레벨(III) 상에 제공된 자국들(imprints)(25A)의 수보다 더 많은 수의 자국들(23A, 24A)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제3 레벨(III)의 채널들(25)은 상기 제1 레벨(I)의 채널들(23) 및 상기 제2 레벨(II)의 채널들(24)의 드로잉 깊이(drawing depth)보다 더 작은 드로잉 깊이를 가짐으로써, 인접한 플레이트들(2, 2^*) 사이의 연소가스 통로 부위를 증가시키고, 또한 상기 채널들(25) 내부에서의 물의 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 개구들(28, 29, 30, 31)의 수는 상기 레벨들((I), (II), (III))의 수에 1을 더한 것과 같음을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트들(2, 2*)의 개구들(28)은 제1축(X1)을 따라 정렬되며, 상기 플레이트들(2, 2*)의 개구들(29)은 제2축(X2)을 따라 정렬되며, 상기 플레이트들(2, 2*)의 개구들(30)은 제3축(X3)을 따라 정렬되며, 그리고 상기 플레이트들(2, 2*)의 개구들(31)은 제4축(X4)을 따라 정렬되며, 또한 상기 축들(X1, X2, X3, X4)은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
8. 제7항에 있어서, 물 공급 시스템으로의 연결을 위한 연결부(6)와 상기 개구들(28)에 의해 형성되는 조립체는 다수의 하부 채널들(23)에 대해 직각인 축(X1)을 갖는 제1 수평 덕트(230)를 형성하며, 상기 개구들(29)에 의해 형성되는 조립체는 다수의 중간 채널들(24)에 대해 직각인 축(X2)을 갖는 제2 수평 덕트(240)를 형성하며, 그리고 물 공급 시스템으로의 연결을 위한 연결부(7)와 상기 개구들(30)에 의해 형성되는 조립체는 다수의 상부 채널들(25)에 대해 직각인 축(X3)을 갖는 제3 수평 덕트(250)를 형성하는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
9. 제1항에 있어서,
   각각의 플레이트(2, 2*)는 외부 모서리가 놓여 있는 수평 기준면(19)에 비교하여 하강 되어 있는 두 영역들(18A, 18B)을 딥드로잉(deep drawing) 가공법으로 성형하여 획득되는 금속판(2A)으로부터 출발하여 제조되는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 금속판(2A)은 구멍(14)을 형성하도록 전단가공되는(sheared) 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
    
11. 제9항에 있어서, 성형되고 전단가공된 상기 금속판(2A)은 그것의 중간선(MZ)을 따라서 접혀지고, 또한 여전히 자유 상태인 세 개의 모서리들은 용접되어 플레이트(2, 2^*)를 구성하도록 하는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.
    
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 금속판은 폐쇄 요소(50)가 배치될 부위들의 외측에, 구멍(14)을 형성하도록 전단가공되는 것을 특징으로 하는 플레이트형 열교환기.

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