KR102266226B1 - 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기 - Google Patents

Abstract

사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기에 관한 것으로,
연속된 피치 간격으로 꼬이고, 각 피치 간격마다에 사각 컷이 마련된 꼬임 박판이 관의 내부에 삽입 설치된 기술 구성을 통하여
열교환 성능을 크게 향상시킬 수 있게 됨은 물론 꼬임 박판을 관 내부에서 취출하여 세정하는 것으로 열교환기의 유지보수를 완성할 수 있게 되므로 매우 효과적으로 사용할 수 있고, 동일한 열교환 성능 대비 관형 열교환기의 관 수를 줄이거나 관 구경을 크게 할 수 있으므로 운전경비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작비를 크게 줄일 수 있게 된다.

Description

사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기 {PERFORMANCE IMPROVEMENT OF A TUBULAR HEAT EXCHANGER WITH RECTANGULAR CUT TWIST THIN PLATE}

본 발명은 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기에 관한 것으로, 더 자세하게는 관 내부에 삽입 설치되는 꼬임 박판에 단일 컷 또는 이중 컷 형태의 사각 컷(Rectangular Cut)을 마련하여 열교환기의 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

최근 여러 화학공업, 공기조화, 냉동, 태양열 시스템 등의 다양한 공정에서는 열교환기의 성능개선이 매우 중요한 기술적 과제로 부각되어 있다.

이러한 열교환기의 산업적 응용에서는 종래의 열교환 성능으로 시스템의 운용에 한계가 있어 보다 적극적인 방법으로 열교환 성능을 개선하여야 하는 문제점을 가지고 있다.

열교환기의 열전달 성능 개선를 위한 종래의 기술적 방법은 주로 두 가지로 분류할 수 있다.

즉, 유체가진(Exitation 또는 Vibration), 주입(Injection 또는 Blowing), 흡입(Suction) 등을 이용한 능동적 방법(Active method)과 관(Tubulator), 홈(Groove), 파형(Wave), 꼬임(Twist) 등의 표면을 이용하는 피동적 방법(Passive method)이 있다.

이들 방법 중에서 능동적 방법은 구동에너지를 필요로 하는 관계로 효율면에서 불리하기 때문에 지금까지의 많은 응용에서는 대체적으로 피동적 방법을 적용해왔다.

도 1은 관형 열교환기의 성능을 개선하기 위한 피동적 방법을 예시한 것으로, (a)는 관벽에 와류 발생기를 적용한 것, (b)는 홈(Groove)를 적용한 것, (c)는 파형 관벽을 적용한 것을 나타낸다.

도 1의 (a) 내지 (c)에 예시된 피동적 방법은 모두 관의 벽면 형상을 변화시킨 것이다.

그러나 이러한 방법은 개선되는 열전달 성능에 비하여 실제적으로 이러한 관벽을 제작하기가 매우 곤란할 뿐만 아니라 제작경비 등의 문제점으로 인하여 효과적이지 못하다.

다른 피동적 방법으로는 도 2에 예시한 바와 같이 꼬임 박판(Twist Thin Plate)을 관 내부에 삽입하여 열교환 성능을 개선할 수 있다.

이러한 꼬임 박판은 대구경 뿐만 아니라 어느 정도의 소구경 관에도 쉽게 삽입할 수 있어서 기존의 관형 열교환기의 성능을 개선하는 데에도 사용할 수 있는 장점이 있다.

위와 같은 꼬임 박판을 관에 삽입한 경우, 열교환 성능이 크게 개선된다는 점에서 추가적 기술개발 및 응용에 대하여 최근 들어 더 많은 관심이 집중되고 있는 실정이다.

도 2에는 종래 개발되어 온 여러 형태의 꼬임 박판이 예시되어 있는데, (a)는 하나의 꼬임 박판을 삽입한 것이고, (b)는 꼬임 박판을 가늘게 제작하여 여러 박판을 실타래처럼 꼬이게 만든 것이고, (c)는 꼬임 박판의 외연부분을 주름지게 하거나 돌기부를 형성하여 난류운동을 촉진하도록 한 것이다.

도 2의 (d)는 꼬임 박판의 중간 부분을 절개하는 형태이나 이러한 꼬임 박판의 경우 제작이 어렵게 될 분 아니라 관형 열교환기를 장기간 사용하는 데에 따른 내구성의 문제가 있다.

일반적으로 꼬임 박판은 관 내부의 열유동에 선회운동(Swirl motion)과 유체혼합(Fluid mixing)을 조장하여 대류열전달(Convective heat transfer)을 촉진시키게 되지만 관 내부에 꼬임 박판의 존재로 인한 압력손실, 즉 마찰계수(Friction factor) 값의 증가가 불가피하다.

예를 들면, 어떤 꼬임 박판을 관 내부에 부착하였을 때에 열전달은 170% 가량 증가하게 되지만 마찰계수의 값은 5% 이상 증가하였다.

또 대구경의 관에 다수의 꼬임 박판을 적용한 경우 열전달은 3.5배 증가하였으나 마찰계수의 값은 11배정도 증가하여 이들에 대한 보다 체계적인 기술개발이 필요하다는 것을 알 수 있다.

하기의 특허문헌 1엔 열교환기의 전열관 내부에 삽입되는 꼬임 박판의 제조방법이 개시되어 있고, 하기의 특허문헌 2에는 폐열 회수용 열교환기의 각 튜우브속에 소정의 핏치 간격으로 꼬임이 형성된 스파이럴 쉬이트를 설치하여 튜우브 공간 내부로 열전도를 증대시키고 튜우브에 흐르는 공기의 유속을 증대시키어 폐열 회수의 능력을 높이는 동시에 튜우브의 표면 온도를 적어도 600℃이하로 유지시키어 튜우브의 고온 부식을 방지할 수 있게 한 스파이럴 쉬이트가 내장된 폐열 회수용 열교환기가 개시되어 있다

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0089669호 (2015년 08월 05일 공개) 대한민국 공개실용신안공보 제20-1996-0024153호 (1996년 07월 22일 공개)

전술한 바와 같이 종래 기술에 따른 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 경우 열전달 효율을 높일 수 있지만 꼬임 박판을 제작하기 어렵거나 마찰계수로 인하여 압력손실이 많게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 종래 기술에 따른 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 관의 내부에 삽입 설치되는 꼬임 박판에 사각 컷(Rectangular Cut)을 마련하는 것에 의해 열교환기의 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있도록 하는 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 그 다른 목적이 꼬임 박판의 제작을 보다 용이하게 할 수 있도록 하고, 마찰계수의 증가로 인한 압력손실을 최소화할 수 있도록 하는 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 연속된 피치 간격으로 꼬이고, 각 피치 간격마다에 사각 컷이 마련된 꼬임 박판이 관의 내부에 삽입 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 꼬임 박판은 사각 컷이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(Single Cut), 또는 사각 컷이 양쪽에 적용된 이중 컷(Double Cut)의 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 꼬임 박판의 사각 컷이 각 피치의 중간에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 꼬임 박판의 사각 컷이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(Single Cut)이고, 사각 컷의 개방단이 교호로 마련된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 꼬임 박판의 사각 컷이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(Single Cut)이고, 꼬임 박판의 폭 d, 사각 컷의 높이 h, 사각 컷의 폭 w으로 정의할 때에 h/d=0.25 ~ 0.75, w/d=0.25 ~ 1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 꼬임 박판의 사각 컷이 양쪽에 적용된 이중 컷(Double Cut)이고, 꼬임 박판의 폭 d, 사각 컷의 높이 h, 사각 컷의 폭 w으로 정의할 때에 h/d=0.25 ~ 0.75, w/d=0.5 ~ 1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기에 의하면, 관의 내부에 삽입 설치되는 꼬임 박판에 사각 컷(Rectangular Cut)을 마련함으로써 열교환기의 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기에 의하면, 사각 컷을 가지는 꼬임 박판을 제작하기 용이할 뿐 아니라 꼬임 박판을 관 내부에서 취출하여 세정하는 것으로 열교환기의 유지보수를 완성할 수 있게 되므로 매우 효과적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

더욱이 본 발명에 따른 꼬임 박판을 적용하면 동일한 열교환 성능 대비 관형 열교환기의 관 수를 줄이거나 관 구경을 크게 할 수 있으므로 운전경비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작비를 크게 줄일 수 있으므로 활용도가 매우 클 것으로 기대된다.

도 1은 관형 열교환기의 성능을 개선하기 위한 피동적 방법의 예시도,
도 2는 종래 기술에 따른 관형 열교환기의 꼬임 박판의 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 사각 컷을 가지는 꼬임 박판의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 사각 컷을 가지는 꼬임 박판 유동 상태도,
도 5는 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 관 출구 단면에서 유동의 접선방향의 속도(tangential velocity) 성분의 비교도,
도 6은 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 관 출구 단면에서 난류운동에너지(turbulent kinetic energy) 성분의 비교도,
도 7은 도 5 및 도 6에 제시한 사각 컷의 효과를 정량적으로 비교한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 여러 형태의 단일 컷 및 이중 컷 꼬임 박판의 열교환 성능을 나타낸 그래프.

이하 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.

또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.

그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

본 발명은 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 장기적 기술개발 과정에서 얻어진 사각 컷(Rectangular Cut)을 가지는 꼬임 박판이 열교환기의 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있다는 점을 착안하여 여러 범위의 유형(레이놀즈수)에 대하여 사각 컷의 형상과 꼬임 박판의 형상을 제안한다.

도 3은 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 사각 컷을 가지는 꼬임 박판의 형태를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 관(10)의 내부에 연속된 피치(p) 간격으로 꼬이고, 각 피치(p) 간격마다에 사각 컷(21)이 마련된 꼬임 박판(20)이 삽입 설치된 형태이다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 사각 컷을 가지는 꼬임 박판(20)은 사각 컷(21)이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(SC; Single Cut)과 사각 컷(21)이 양쪽에 적용된 이중 컷(DC; Double Cut)의 형태를 가진다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기에서 꼬임 박판(20)의 폭을 d, 사각 컷(21)의 높이를 h, 그리고 사각 컷의 폭을 w, 꼬임 박판의 피치를 p, 그리고 관의 직졍을 D로 정의한다.

본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 사각 컷을 가지는 꼬임 박판(20)에서 사각 컷(21)은 각 피치(p)의 중간에 형성되고, 단일 컷인 경우 개방단이 교호로 마련된다.

즉, 꼬임 박판(20)의 사각 컷(21)이 단일 컷인 경우 한 피치(p)의 사각 컷(21)의 개방단이 하부에 마련되면 다음 피치(p)의 사각 컷(21)의 개방단이 상부에 마련되고, 그 다음 피치(p)의 사각 컷(21)의 개방단이 하부에 마련된다.

도 4는 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 사각 컷을 가지는 꼬임 박판의 여러 형태의 사각 컷(h/d = 0.25, 0.5, 0.75 그리고 w/d = 1.0, 0.5)을 적용한 경우의 유동형태를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기는 사각 컷을 가지는 꼬임 박판의 존재로 인하여 관 내부 유동에 강한 선회운동이 발생하는 것을 알 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기의 관 출구 단면에서 유동의 접선방향의 속도(tangential velocity) 성분과 난류운동에너지(turbulent kinetic energy) 성분을 비교한 것으로, 사각 컷의 상세 형상에 따라 유동과 난류에너지 성분이 달라지는 것을 알 수 있다.

도 7은 도 5 및 도 6에 제시한 사각 컷의 효과를 정량적으로 비교한 것으로, w/d=0.5로 일정한 경우 단일 컷의 h/d=0.75 그리고 이중 컷의 h/d=0.25가 사각 컷을 가지지 않는 경우에 비하여 레이놀수 수(Re)에 관계없이 전체적으로 열교환 성능이 우수하다는 것을 알 수 있고, 레이놀수 수(Re)가 증가할수록 열교환 성능이 중가하는 것으로 알수 있다.

또한 도 7에 도시된 바와 같이 h/d=0.25로 일정한 경우 단일 컷의 w/d=1.0 그리고 이중 컷의 w/d=1.0인 경우가 사각 컷을 가지지 않은 경우에 비하여 열교환 성능이 월등히 우수하다.

도 7에서 종축의 Nu는 Musselt Number로 열전달율을 나타내는 지표이다.

도 8은 여러 형태의 단일 컷 및 이중 컷 꼬임 박판의 열교환 성능을 요약한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이 광범위한 유형(레이놀즈수)에 대하여 단일 컷의 h/d=0.75, w/d=0.5인 경우와 이중 컷의 h/d=0.25, w/d=1.0인 경우가 사각 컷을 가지지 않는 경우에 비하여 열교환 성능이 월등하다는 것을 알 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 관
20 : 꼬임 박판
21 : 사각 컷

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 연속된 피치(p) 간격으로 꼬이고, 각 피치(p) 간격마다에 사각 컷(21)이 마련된 꼬임 박판(20)이 관(10)의 내부에 삽입 설치되며,
   꼬임 박판(20)은 사각 컷(21)이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(Single Cut), 또는 사각 컷(21)이 양쪽에 적용된 이중 컷(Double Cut)의 형태이고,
   꼬임 박판(20)의 사각 컷(21)은 각 피치(p)의 중간에 형성되며,
   사각 컷(21)이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(Single Cut)은, 사각 컷(21)의 개방단이 교호로 마련되며,
   사각 컷(21)이 한 쪽에만 적용된 단일 컷(Single Cut)은, 꼬임 박판(20)의 폭 d, 사각 컷(21)의 높이 h, 사각 컷의 폭 w으로 정의할 때에 h/d=0.25 ~ 0.75, w/d=0.5 ~ 1 이고,
   사각 컷(21)이 양쪽에 적용된 이중 컷(Double Cut)은, 꼬임 박판(20)의 폭 d, 사각 컷(21)의 높이 h, 사각 컷의 폭 w으로 정의할 때에 h/d=0.25 ~ 0.75, w/d=0.5 ~ 1인 것을 특징으로 하는 사각 컷 꼬임 박판을 가지는 관형 열교환기.

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