KR102305875B1

KR102305875B1 - 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템

Info

Publication number: KR102305875B1
Application number: KR1020210070060A
Authority: KR
Inventors: 김재민
Original assignee: 디에이치케이 주식회사
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-09-29

Abstract

본 발명은 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환이 이루어지는 기본적인 두 유체의 밀폐성을 안정적으로 유지한 상태에서, 폐열이 포함된 유체를 추가로 공급하여 열교환이 이루어지도록 함으로써, 폐열의 회수를 통한 열에너지의 낭비를 최소화할 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 브레이징(Brazing)방식의 판형열교환기를 기본으로 하여, 폐열을 갖는 유체의 혼입이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 판형열교환기의 구조적 안정성을 향상시키고 제품의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 폐열회수용 판형열교환기를 이용하여 난방배관에서 나오는 폐열을 급탕에 추가로 공급함으로써, 판형열교환기에서의 열효율을 향상시키고 보일러의 연료소모를 최소화 할 수 있으며, 필요시 바이패스를 통해 폐열의 온도를 조절함으로써, 산술평균온도차를 기반으로 효율적인 열에너지의 전달이 이루어 질 수 있도록 할 수 있다.
따라서, 열교환기 분야, 특히 판형열교환기 분야, 브레이징 방식의 판형열교환기 분야, 폐열회수형 열교환기 분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Description

폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템{Plate heat exchanger for waste heat recovery and fluid heat exchange system using the same}

본 발명은 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환이 이루어지는 기본적인 두 유체의 밀폐성을 안정적으로 유지한 상태에서, 폐열이 포함된 유체를 추가로 공급하여 열교환이 이루어지도록 함으로써, 폐열의 회수를 통한 열에너지의 낭비를 최소화할 수 있도록 한 것이다.

특히, 본 발명은 브레이징(Brazing)방식의 판형열교환기를 기본으로 하여, 폐열을 갖는 유체의 혼입이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 판형열교환기의 구조적 안정성을 향상시키고 제품의 수명을 향상시킬 수 있도록 한 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템에 관한 것이다.

열교환기는 온도가 높은 물체에서 낮은 물체에 효율적으로 열에너지를 전달하기 위한 것으로, 액체 또는 기체 등의 유체가 직접 혼합되는 것이 아니라 서로 분리된 상태에서 열에너지만을 전달하여 특정 유체를 가열하거나 냉각하는데 사용한다.

특히, 판형열교환기는 급속판을 사용하여 두 유체간의 열교환을 하는 방식으로, 유체가 넓은 면적의 플레이트를 따라 확산되므로 다른 방식의 열교환기에 비하여 열교환효율이 좋으며 설치면적도 작다는 장점이 있으며, 크게 가스켓 방식과 용접 방식이 있다.

이러한 판형열교환기는 주로 고온의 유체와 저온의 유체 간의 열교환을 통해, 고온의 유체를 냉각하거나 저온의 유체를 가열하는 데 사용되어 왔으며, 최근에는 서로 다른 온도를 가지는 셋 이상의 유체간 열교환을 수행하는 방식도 개발되고 있다.

이러한 방식 중 하나로, 하기의 선행기술문헌인 대한민국 등록특허공보 제10-0954439호 '다중효용 판형 열교환기'(이하 '선행기술'이라 한다)는, 다수 개의 전열판들을 가스켓으로 실링하여, 온수가 흐르는 영역과 냉수가 흐르는 영역을 각각 밀폐한 후, 전열판을 통해 유체간 열에너지를 전달하는 방식으로, 특히 다중방식의 열교환을 위하여 밀폐된 유동공과 개방된 형태의 보조유입구가 더 형성되어 있다.

이에 개방된 보조유입구를 통해 3번째 및 4번째 유체를 공급하여 혼합함으로써, 3가지 이상의 유체 간 열에너지의 전달을 수행할 수 있다.

다시 말해, 선행기술은 기본적인 두 유체는 섞이지 않도록 밀폐한 상태에서, 추가적인 유체를 밀폐된 유체에 혼합하는 방식이 적용되어 있다.

한편, 가스켓 방식의 판형열교환기는, 선행기술에도 나타난 바와 같이 전열판과 가스켓을 교대로 배치한 후, 양측에서 가압하여 유체가 이동하는 채널을 밀폐시키는 방식으로, 선행기술과 같이 유동공 및 보조유입구를 더 형성하는 경우 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 선행기술의 유동공과 보조유입구는 동일 선상에서 번갈아 배치되는데, 유동공에는 가스켓으로 실링되어 밀폐되는 구조이고, 보조유입구는 가스켓이 없는 구조이기 때문에, 판형열교환기를 최종 조립하기 위해 압력을 가하게 되면 유동공에 배치된 가스켓의 탄성력에 의한 반발력이 발생하여 인접한 전열판을 가압하는 현상이 발생하며, 이때 유동공과 인접한 보조유입구에는 가스켓이 없으므로, 전열판은 가스켓이 없는 보조유입구 방향으로 휘는 현상이 발생하며, 이로 인해 구조적인 안정성이 저하된다는 문제점이 있다.

둘째, 이러한 전열판의 휨 현상으로 인해 유동공에 배치된 가스켓과 전열판에 틈이 발생하게 되며, 이러한 틈을 통해 유체가 누수되어 섞이는 현상이 발생된다는 문제점이 있다.

결과적으로, 선행기술은 그 목적을 달성하기 이전에, 기본이 되는 두 유체들이 서로 혼합되지 않으면서 열에너지만 전달하도록 한다는 기본적인 기능마저 상실하게 되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0954439호 '다중효용 판형 열교환기'

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 열교환이 이루어지는 기본적인 두 유체의 밀폐성을 안정적으로 유지한 상태에서, 폐열이 포함된 유체를 추가로 공급하여 열교환이 이루어지도록 함으로써, 폐열의 회수를 통한 열에너지의 낭비를 최소화할 수 있도록 할 수 있는 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

한편, 앞서 설명한 선행기술에서 가스켓이 전혀 없는 보조유입구의 가장자리에 부분적으로 지지를 위한 가스켓(이하 '지지가스켓'이라 한다)을 구성하여 전열판을 지지함으로써, 전열판의 휨 현상을 방지할 수도 있다.

그러나, 이 경우 유동공에 배치된 가스켓의 탄성력을 견디기 위한 충분한 크기의 지지가스켓이 구성(예를 들어, 보조유입구의 가장지리 원 중 4/5이상)되어야 하며, 이로 인해 보조유입구를 통해 유입되어야 할 유체는 지지가스켓 사이에 형성된 좁은 통로를 통해 유입되므로, 이 통로를 이동하는 유체에 과도한 압력이 지지가스켓에 가해질 수 있다.

이러한 유체의 압력은 지지가스켓에 지속적으로 가해지게 되므로, 판형열교환기를 사용하는 과정에서 보조유입구의 가장자리를 지지하는 지지가스켓이 유체의 압력에 의해 변형되거나 파손 및 이탈되는 현상이 발생할 수 있다.

이에, 본 발명은 브레이징(Brazing)방식의 판형열교환기를 기본으로 하여, 혼합될 유체가 유입되는 혼합홀(선행기술에서 보조유입구)의 가장자리에 브레이징 방식으로 도트 형태의 용접부를 형성함으로써, 혼합홀을 통해 유입되는 유체의 이동 통로를 최대화할 수 있다.

이를 통해, 본 발명은 폐열을 갖는 유체의 혼입이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 혼합홀 주위의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 더하여 제품의 수명을 향상시킬 수 있는 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

특히, 본 발명은 폐열회수용 판형열교환기를 이용하여 난방배관에서 나오는 폐열을 급탕에 추가로 공급함으로써, 판형열교환기에서의 열효율을 향상시키고 보일러의 연료소모를 최소화 할 수 있으며, 필요시 바이패스를 통해 폐열의 온도를 조절함으로써, 산술평균온도차를 기반으로 효율적인 열에너지의 전달이 이루어 질 수 있도록 하는 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 폐열회수용 판형열교환기는, 제1 유입홀, 제2 유입홀, 제1 배출홀, 제2 배출홀, 제1 혼합홀이 형성된 다수의 전열판이, 각 전열판 사이에 공간이 형성되도록 브레이징(Brazing) 방식으로 접합되고, 각 전열판 사이의 공간은, 제1 유입홀로 유입되어 제1 배출홀로 배출되는 제1 열교환유체가 이동하는 독립채널과, 제2 유입홀로 유입되어 제2 배출홀로 배출되는 제2 열교환유체가 이동하는 혼합채널이 반복 형성되며, 상기 제1 혼합홀은, 상기 독립채널과는 공간적으로 차단되고 상기 혼합채널과는 공간적으로 연결되어 폐열잔류유체가 혼합구역으로 유입되도록 구성된다.

또한, 상기 독립채널을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판은, 상기 제1 혼합홀의 가장자리 전체가 밀폐되도록 접합되고, 상기 혼합채널을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판은, 상기 제1 혼합홀의 가장자리 중 적어도 일부가 개방되도록 접합될 수 있다.

또한, 상기 혼합채널을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판은, 상기 제1 혼합홀의 가장자리 중 적어도 한 곳에서 브레이징 방식으로 도트접합 될 수 있다.

또한, 상기 전열판에는, 제2 혼합홀이 더 형성되고, 상기 제2 혼합홀은, 상기 독립채널 및 혼합채널 중 어느 하나와는 공간적으로 차단되고, 다른 하나와는 공간적으로 연결되도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 폐열회수용 판형열교환기를 이용한 유체 열교환 시스템은, 제2 열교환유체와 폐열잔류유체를 공급받아 제1 열교환유체와 열교환하는 판형열교환기; 상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 유량을 측정하는 유량센서; 및 상기 온도센서와 유량센서의 측정값을 비교하여, 설정된 온도의 제1 열교환유체를 공급하기 위한 제2 열교환유체와 폐열잔류유체의 혼합비를 산출하여 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체 중 적어도 하나의 공급량을 제어하는 유량제어부;를 포함한다.

또한, 상기 제2 열교환유체는, 보일러에 의해 가열되어 공급되는 고온의 출탕온수를 포함하고, 상기 폐열잔류유체는, 상기 보일러로부터 제2 열교환유체를 공급받아 실내난방을 하는 난방배관의 폐열배출수를 포함하며, 상기 제1 열교환유체는, 저온의 급수가 열교환으로 가열되어 공급되는 급탕온수를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 열교환유체를 판형열교환기에 공급하는 제2 공급관; 상기 판형열교환기에서 열교환된 제2 열교환유체를 회수하는 제2 회수관; 상기 폐열잔류유체가 배출되는 배출관; 및 상기 배출관에서 배출되는 폐열잔류유체를 상기 판형열교환기 또는 제2 회수관으로 공급하는 3방변;을 포함하며, 상기 유량제어부는, 상기 3방변을 제어하여 판형열교환기로 공급되는 폐열잔류유체의 공급량을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제2 공급관과 배출관을 연결하는 제1 바이패스관;을 더 포함하고, 상기 유량제어부는, 상기 폐열잔류유체의 온도가 설정온도와 다른 경우, 상기 제1 바이패스관을 이용하여 상기 제2 공급관을 통해 공급되는 제2 열교환유체를 배출관으로 공급할 수 있다.

또한, 상기 제2 회수관과 배출관을 연결하는 제2 바이패스관;을 더 포함하고, 상기 유량제어부는, 상기 폐열잔류유체의 온도가 설정온도와 다른 경우, 상기 제2 바이패스관을 이용하여 상기 제2 회수관을 통해 회수되는 제2 열교환유체를 배출관으로 공급할 수 있다.

또한, 제2 공급관 및 제2 회수관과 연결되며, 제1 회수관의 외측면에 밀착되도록 구성된 열교환코일;을 더 포함하고, 상기 유량제어부는, 열교환된 제1 열교환유체의 회수온도가 설정온도와 다른 경우, 상기 열교환코일을 이용하여 제1 열교환유체와 제2 열교환유체 간의 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.

상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 열교환이 이루어지는 기본적인 두 유체의 밀폐성을 안정적으로 유지한 상태에서, 폐열이 포함된 유체를 추가로 공급하여 열교환이 이루어지도록 할 수 있는 장점이 있다.

이를 통해, 본 발명은 폐열의 회수를 통한 열에너지의 낭비를 최소화할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 브레이징(Brazing)방식의 판형열교환기를 기본으로 하여, 혼합될 유체가 유입되는 혼합홀(선행기술에서 보조유입구)의 가장자리에 브레이징 방식으로 도트 형태의 용접부를 형성함으로써, 혼합홀을 통해 유입되는 유체의 이동 통로를 최대화할 수 있는 장점이 있다.

이를 통해, 본 발명은 폐열을 갖는 유체의 혼입이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 혼합홀 주위의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 더하여 제품의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 폐열회수용 판형열교환기를 이용하여 난방배관에서 나오는 폐열을 급탕에 추가로 공급함으로써, 판형열교환기에서의 열효율을 향상시키고 보일러의 연료소모를 최소화 할 수 있으며, 필요시 바이패스를 통해 폐열의 온도를 조절함으로써, 산술평균온도차를 기반으로 효율적인 열에너지의 전달이 이루어 질 수 있도록 하는 장점이 있다.

특히, 본 발명은 난방을 통해 배출되는 유체의 폐열을 상승시키는 것뿐만 아니라, 폐열을 하강시킬 수 있도록 함으로써, 다앙한 방식의 열교환시스템에 효율적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 산술평균온도차를 기반으로 폐열의 온도를 제어함으로써, 폐열의 온도 제어를 위한 데이터 및 연산을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 실시간으로 폐열의 온도를 조절할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 열교환기 분야, 특히 판형열교환기 분야, 브레이징 방식의 판형열교환기 분야, 폐열회수형 열교환기 분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 폐열회수용 판형열교환기의 일 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타난 각 채널별 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 폐열회수용 판형열교환기를 이용한 유체 열교환 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 동작을 제어하는 방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 동작을 제어하는 방법의 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5의 동작을 제어하는 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5의 동작을 제어하는 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 5 내지 도 7에서의 열교환 상태를 설명하는 도면이다.

본 발명에 따른 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 폐열회수용 판형열교환기의 일 실시예를 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 폐열회수용 판형열교환기(A)는 전면커버(210)와 후면커버(220) 사이에 다수 개의 전열판(100)이 배치된다.

전열판(100)은 제1 유입홀(111), 제2 유입홀(121), 제1 배출홀(112), 제2 배출홀(122), 제1 혼합홀(131)이 형성것으로, 각 전열판 사이에 공간이 형성되도록 브레이징(Brazing) 방식으로 접합된다.

이때, 전열판(100)은 이웃하는 다른 전열판(100)과 제1 채널용접패턴(101)으로 접합(용접)되어 독립채널(C1)을 형성하는 것과, 이웃하는 다른 전열판(100)과 제2 채널용접패턴(102)으로 접합되어 혼합채널(C2)을 형성하는 것이 서로 반복되어 배치된다. 여기서 제1 채널용접패턴(101) 및 제2 채널용접패턴(102)은 모재인 전열판(100) 사이에 구성되어 용융에 의해 이웃하는 모재를 접합하는 용가재를 말하는 것으로, 재질 등은 당업자의 요구에 따라 다양하게 변경될 수 있으므로 특정한 것에 한정하지는 않는다.

다시 말해, 각 전열판(100) 사이의 공간은, 제1 유입홀(111)로 유입되어 제1 배출홀(112)로 배출되는 제1 열교환유체가 이동하는 독립채널(C1)과, 제2 유입홀(121)로 유입되어 제2 배출홀(122)로 배출되는 제2 열교환유체가 이동하는 혼합채널(C2)이 반복 형성된다.

그리고, 제1 혼합홀(131)은 독립채널(C1)과는 공간적으로 차단되도록 가장자리 전체에 밀폐용접부(103)가 구성되고, 혼합채널(C2)과는 공간적으로 연결되어 폐열잔류유체가 혼합구역(C2)으로 유입되도록 가장자리의 일부에 개방용접부(104)가 구성된다. 여기서, 밀폐용접부(103) 및 개방용접부(104)는 앞서 설명한 제1 채널용접패턴(101) 및 제2 채널용접패턴(102)과 동일 내지 유사한 재질로 구성되어 이웃하는 두 전열판(100)을 용접하는 역할을 한다.

결과적으로, 본 발명의 폐열회수용 판형열교환기(A)는 기본적으로 제1 열교환유체 및 제2 열교환유체는 각각 독립채널(C1) 및 혼합채널(C2)에서 독립적으로 이동하게 되며, 폐열을 회수하고자 하는 폐열잔류유체만이 혼합채널(C2)에서 제2 열교환유체와 혼합될 수 있다.

도 2는 도 1에 나타난 각 채널별 구성을 나타내는 도면이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 독립채널(C1)을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판(100)은, 밀폐용접부(103)에 의해 제1 혼합홀(131)의 가장자리 전체가 밀폐되도록 접합될 수 있다.

그리고, 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이 혼합채널(C2)을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판(100)은, 제1 혼합홀(131)의 가장자리 중 적어도 일부가 개방용접부(104)에 의해 개방되도록 접합될 수 있다.

이때, 선행기술과 같은 가스켓 방식을 적용할 경우, 독립채널(C1)의 밀폐용접부(103)에 대응하도록 배치된 밀폐가스켓에 의해 혼합채널(C2)을 형성하도록 배치된 전열판(100)의 제1 혼합홀(131) 부분에 휨 현상이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 지지가스켓을 혼합채널(C2)의 제1 혼합홀(131)에 구성하게 된다.

이때, 밀폐가스켓의 탄성력에 충분하게 대항하기 위해서는, 지지가스켓의 크기가 충분해야 하는데, 그 크기는 원형 링의 형태인 밀폐용접부(103)를 기준으로 3/4 ~ 4/5에 해당하는 부분을 형성해야 한다.

이와 같이, 혼합채널(C2)의 제2 혼합홀(131)에 구성되는 지지가스켓이 제1 혼합홀(131)의 3/4 ~ 4/5에 해당하는 부분을 형성하게 되면, 폐열잔류유체는 밀폐용접부(130)의 크기 중 1/5 ~ 1/4의 크기로 형성된 지지가스켓들 사이의 홀을 통해 제1 혼합홀(131)에서 혼합채널(C2)로 유입되어야 한다.

결과적으로, 많은 양의 폐열잔류유체가 좁은 홀을 통해 유입되게 되므로, 앞서 설명한 바와 같이 지지가스켓들 사이에 과도한 유체압력이 발생하게 되며, 유체가 원활하게 유입되지 못하게 된다.

이에, 강제적으로 유체를 유입시키기 위해서는 유체를 공급하는 펌프 등에 과부하게 발생하게 되며, 지지가스켓에도 과도한 유체압력이 가해지게 된다.

이러한 과부하 및 과압력은 가스켓 방식의 판형열교환기에 손상이나 파손 등을 유발시킬 수 있으며, 제품의 수명을 단축시키고 유지보수에 상당한 비용이 요구되는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 이러한 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각 전열판(100) 들이 브레이징 방식으로 접합되므로, 가스켓 방식과 같이 접합부에 탄성력에 의한 반발력이 발생하지 않으므로, 혼합채널(C2)의 제1 혼합홀(131) 가장자리는 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이 브레이징 방식으로 도트접합되는 것 만으로도 충분한 지지력을 갖을 수 있다.

이와 같이 개방용접부(104)가 도트접합되면 해당 제1 혼합홀(131)에서 혼합채널(C2)로 유입되는 공간이 크게 확장될 수 있으므로, 선행기술과 같이 각 구성들에 과도한 압력이 가해지는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 제품의 수명을 반영구적으로 향상시키고 안정적인 운용이 가능하도록 할 수 있다.

도 3은 도 1의 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 각 전열판(100)에는 제2 혼합홀(141)이 더 형성될 수 있다.

이러한 제2 혼합홀(141)은 제1 혼합홀(131)로 유입되는 폐열잔류유체와 다른 유체가 공급되는 통로로서, 도 3에 나타난 바와 같이 독립채널(C1)과 공간적으로 연결되면서 혼합채널(C2)과 공간적으로 차단되거나, 독립채널(C1)과 공간적으로 차단되면서 혼합채널(C2)과 공간적으로 연결되도록 구성될 수 있다.

이는 추가되는 유체가 제1 열교환유체 및 제2 열교환유체 중 어느 유체와 혼합될 것인지에 따라 달라지는 것으로, 혼합될 유체의 선택은 페열회수용 판형열교환기(A)가 구성되는 열교환 시스템의 종류 및 당업자의 요구 등에 따라 달라질 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 폐열회수용 판형열교환기를 이용한 유체 열교환 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 열교환 시스템은 페열잔류유체에 포함된 폐열을 본 발명에 의한 폐열회수용 판형열교환기(A)로 회수함으로써, 폐열의 회수 자체에 의한 에너지절약효과 더불어, 회수되는 폐열의 양만큼 고온의 유체를 공급하는 양을 줄일 수 있고 그 만큼의 연료를 절감할 수 있으므로, 시스템 전체의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

이를 위하여, 도 4에 나타난 바와 같이 제2 열교환유체와 폐열잔류유체를 공급받아 제1 열교환유체와 열교환하도록 폐열회수용 판형열교환기(A)를 구성하고, 시스템으로 공급 및 회수되는 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 온도를 측정하는 온도센서(도시하지 않음)와, 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 유량을 측정하는 유량센서(도시하지 않음)를 구성할 수 있다.

그리고, 온도센서와 유량센서의 측정값을 비교하여, 설정된 온도의 제1 열교환유체를 공급하기 위한 제2 열교환유체와 폐열잔류유체의 혼합비를 산출하여 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체 중 적어도 하나의 공급량을 제어하는 유량제어부(도시하지 않음)를 구성할 수 있다.

더불어, 폐열회수용 판형열교환기(A)에 제1 열교환유체를 공급하는 제1 공급관(311), 폐열을 흡수한 제1 열교환유체를 회수하는 제1 회수관(312), 제2 열교환유체를 판형열교환기(A)에 공급하는 제2 공급관(321), 판형열교환기(A)에서 열교환된 제2 열교환유체를 회수하는 제2 회수관(322)을 구성할 수 있다.

또한, 제2 공급관으로 공급되는 제2 열교환유체를 이용하는 별도의 설비(B)로부터 폐열잔류유체가 배출되는 배출관(332)이 폐열회수용 판형열교환기(A)와 연결되도로 구성될 수 있으며, 배출관(332)에서 배출되는 폐열잔류유체를 판형열교환기(A) 또는 제2 회수관(322)으로 공급하는 3방변(343)이 구성될 수 있다.

이에, 유량제어부는 3방변(343)을 제어하여 판형열교환기(A)로 공급되는 폐열잔류유체의 공급량을 제어할 수 있다.

도 4에서, 미설명부호 '341'는 밸브로서, 별도의 설비(B)에 제2 열교환유체를 공급하거나 차단하는 역할을 할 수 있다.

이러한 유체 열교환 시스템은 대상 유체를 가열하거나 냉각하는데 사용될 수 있으며, 이하에서는 본 발명의 유체 열교환 시스템을 이용하여 급탕수와 난방을 공급하는 보일러 시스템에 적용하여 살펴보기로 한다.

도 5는 도 4의 동작을 제어하는 방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1 열교환유체는 급탕을 위해 공급되는 저온을 급수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환유체인 15℃의 원수(급수)는 판형열교환기(A)에서 열교환으로 가열되어 45℃인 급탕온수로 회수될 수 있다.

제2 열교환유체는 보일러(도시하지 않음)에 의해 가열되어 공급되는 고온의 출탕온수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 열교환유체인 60℃의 출탕온수는 보일러에서 가열되어 판형열교환기(A)로 공급되는 것으로, 판형열교환기(A)에서 열교환된 저온의 제2 열교환유체(예를 들어, 30℃)는 다시 보일러로 회수될 수 있다.

한편, 보일러에서 가열되어 공급되는 고온의 제2 열교환유체는 실내 난방을 위한 난방배관(B)으로도 공급되는데, 난방에 사용되고 배출되는 유체(폐열잔류유체)인 폐열배출수는 45℃의 온도를 갖을 수 있다.

이러한 폐열배출수는 바로 보일러로 회수할 수는 있으나, 보일러로 회수되는 유체의 온도가 30℃이므로, 두 유체의 온도차(15℃)에 해당하는 열에너지가 낭비될 수 있다.

이에, 유량제어부는 3방변(343)을 제어하여 난방배관(B)에서 배출되는 폐열배출수를 판형열교환기(A)로 공급할 수 있다.

한편, 유량제어부는 여름철 난방을 하지 않을 경우, 밸브(341)를 닫아서 고온의 제2 열교환유체가 난방배관(B)으로 공급되는 것을 차단할 수 있다.

유량제어부는 앞서 설명한 바와 같이 각 유체들의 온도 및 유량을 확인할 수 있으며, 유체의 종류 및 유량이 동일 할 경우, 도 5에 나타난 바와 같이 판형열교환기(A)는 60℃의 제2 열교환유체가 30℃로 낮아지도록 배출되는 열에너지를 제1 열교환유체에 공급할 경우, 제1 열교환유체는 제2 열교환유체가 낮아지는 온도(30℃)큼 상승(15℃에서 45℃)할 수 있다.

이러한 방식은 통계학적 평균 계산법 중 하나인 산술평균온도차(AMTD; Arithmetic Mean Temperature Difference)를 이용한 것이다.

이와 같이 열을 뺏기는 유체와 열을 흡수하는 유체가 동일하게 온도변화할 경우, 도 9의 (a)에 나타난 바와 같이 두 유체가 열교환하는 위치에서 효율적인 열에너지의 전달이 이루어질 수 있다.

한편, 난방배관(B)에서 배출되는 폐열잔류유체인 폐열배출수는, 도 1에 나타난 바와 같이 제2 유입홀(121)과 제2 배출홀(122)의 중간위치에 형성된 제1 혼합홀(131)을 통해 판형열교환기(A)에 공급되는데, 폐열배출수의 온도가 45℃인 경우, 제1 열교환유체가 열교환되는 온도의 중간온도와 동일하므로 그대로 공급하더라도 산술평균온도차에 의한 열교환이 이루어질 수 있다.

만약, 폐열배출수의 온도가 45℃보다 높거나 낮은 경우에는 도 9의 (b) 및 (c)에 나타난 바와 같이 열교환이 원활하게 이루어지지 않을 수 있으므로, 이를 조절할 필요가 있으며, 이하에서 이를 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 6은 도 5의 동작을 제어하는 방법의 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 유체 열교환 시스템은 제2 공급관(321)과 배출관(332)을 연결하는 제1 바이패스관(351)을 더 포함할 수 있다.

이에, 유량제어부는 배출관(332)에서 배출되는 폐열잔류유체의 온도(40℃)가 설정온도(45℃)보다 낮은 경우, 제1 바이패스관(351)을 이용하여 제2 공급관(321)을 통해 공급되는 고온의 제2 열교환유체를 배출관(332)으로 공급함으로써, 폐열잔류유체의 온도를 설정온도(45℃)로 상승시킬 수 있다.

도 7은 도 5의 동작을 제어하는 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 유체 열교환 시스템은 제2 회수관(322)과 배출관(332)을 연결하는 제2 바이패스관(352)을 더 포함할 수 있다.

이에, 유량제어부는 배출관(332)에서 배출되는 폐열잔류유체의 온도(50℃)가 설정온도(45℃)보다 높은 경우, 제2 바이패스관(352)을 이용하여 제2 회수관(322)을 통해 회수되는 저온의 제2 열교환유체를 배출관(332)으로 공급함으로써, 폐열잔류유체의 온도를 설정온도(45℃)로 하강시킬 수 있다.

도 8은 도 5의 동작을 제어하는 방법의 또 다른 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 유체 열교환 시스템은 제2 공급관(321) 및 제2 회수관(322)과 연결되며, 제1 회수관(312)의 외측면에 밀착되도록 감겨져 구성된 열교환코일353)을 더 포함할 수 있다.

이에, 유량제어부는 폐열회수용 판형열교환기(A)에서 열교환된 제1 열교환유체의 회수온도(40℃)가 설정온도(45℃)와 다른 경우, 열교환코일을 이용하여 제1 열교환유체와 제2 열교환유체 간의 열교환이 이루어지도록 함으로써, 급탕온수의 온도를 설정온도로 상승시키거나 그 이상으로도 상승시킬 수 있다.

이상에서 본 발명에 의한 폐열회수용 판형열교환기 및 이를 이용한 유체 열교환 시스템에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다.

A : 폐열회수용 판형열교환기 B : 난방배관
C1 : 독립채널 C2 : 혼합채널
100 : 전열판
101 : 제1 채널용접패턴 102 : 제2 채널용접패턴
103 : 밀폐용접부 104 : 개방용접부
111 : 제1 유입홀 112 : 제1 배출홀
121 : 제2 유입홀 122 : 제2 배출홀
131 : 제1 혼합홀 141 : 제2 혼합홀
210 : 전면커버 220 : 후면커버
311 : 제1 공급관 312 : 제1 회수관
321 : 제2 공급관 322 : 제2 회수관
331 : 유입관 332 : 배출관
341 : 밸브 343 : 3방변
351 : 제1 바이패스관 352 : 제2 바이패스관
353 : 열교환코일

Claims

제2 열교환유체와 폐열잔류유체를 공급받아 제1 열교환유체와 열교환하는 판형열교환기;
상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 온도를 측정하는 온도센서;
상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 유량을 측정하는 유량센서; 및
상기 온도센서와 유량센서의 측정값을 비교하여, 설정된 온도의 제1 열교환유체를 공급하기 위한 제2 열교환유체와 폐열잔류유체의 혼합비를 산출하여 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체 중 적어도 하나의 공급량을 제어하는 유량제어부;를 포함하며,
상기 판형열교환기는,
제1 유입홀, 제2 유입홀, 제1 배출홀, 제2 배출홀, 제1 혼합홀이 형성된 다수의 전열판이, 각 전열판 사이에 공간이 형성되도록 브레이징(Brazing) 방식으로 접합되고,
각 전열판 사이의 공간은,
제1 유입홀로 유입되어 제1 배출홀로 배출되는 제1 열교환유체가 이동하는 독립채널과, 제2 유입홀로 유입되어 제2 배출홀로 배출되는 제2 열교환유체가 이동하는 혼합채널이 반복 형성되며,
상기 제1 혼합홀은,
상기 독립채널과는 공간적으로 차단되고 상기 혼합채널과는 공간적으로 연결되어 폐열잔류유체가 혼합구역으로 유입되도록 구성되며,
상기 제2 열교환유체를 판형열교환기에 공급하는 제2 공급관;
상기 판형열교환기에서 열교환된 제2 열교환유체를 회수하는 제2 회수관;
상기 폐열잔류유체가 배출되는 배출관; 및
상기 배출관에서 배출되는 폐열잔류유체를 상기 판형열교환기 또는 제2 회수관으로 공급하는 3방변;을 포함하며,
상기 유량제어부는,
상기 3방변을 제어하여 판형열교환기로 공급되는 폐열잔류유체의 공급량을 제어하며,
상기 제2 공급관과 배출관을 연결하는 제1 바이패스관;을 더 포함하고,
상기 유량제어부는,
상기 폐열잔류유체의 온도가 설정온도와 다른 경우, 상기 제1 바이패스관을 이용하여 상기 제2 공급관을 통해 공급되는 제2 열교환유체를 배출관으로 공급하는 것을 특징으로 하는 유체 열교환 시스템.
제2 열교환유체와 폐열잔류유체를 공급받아 제1 열교환유체와 열교환하는 판형열교환기;
상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 온도를 측정하는 온도센서;
상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 유량을 측정하는 유량센서; 및
상기 온도센서와 유량센서의 측정값을 비교하여, 설정된 온도의 제1 열교환유체를 공급하기 위한 제2 열교환유체와 폐열잔류유체의 혼합비를 산출하여 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체 중 적어도 하나의 공급량을 제어하는 유량제어부;를 포함하며,
상기 판형열교환기는,
제1 유입홀, 제2 유입홀, 제1 배출홀, 제2 배출홀, 제1 혼합홀이 형성된 다수의 전열판이, 각 전열판 사이에 공간이 형성되도록 브레이징(Brazing) 방식으로 접합되고,
각 전열판 사이의 공간은,
제1 유입홀로 유입되어 제1 배출홀로 배출되는 제1 열교환유체가 이동하는 독립채널과, 제2 유입홀로 유입되어 제2 배출홀로 배출되는 제2 열교환유체가 이동하는 혼합채널이 반복 형성되며,
상기 제1 혼합홀은,
상기 독립채널과는 공간적으로 차단되고 상기 혼합채널과는 공간적으로 연결되어 폐열잔류유체가 혼합구역으로 유입되도록 구성되며,
상기 제2 열교환유체를 판형열교환기에 공급하는 제2 공급관;
상기 판형열교환기에서 열교환된 제2 열교환유체를 회수하는 제2 회수관;
상기 폐열잔류유체가 배출되는 배출관; 및
상기 배출관에서 배출되는 폐열잔류유체를 상기 판형열교환기 또는 제2 회수관으로 공급하는 3방변;을 포함하며,
상기 유량제어부는,
상기 3방변을 제어하여 판형열교환기로 공급되는 폐열잔류유체의 공급량을 제어하며,
상기 제2 회수관과 배출관을 연결하는 제2 바이패스관;을 더 포함하고,
상기 유량제어부는,
상기 폐열잔류유체의 온도가 설정온도와 다른 경우, 상기 제2 바이패스관을 이용하여 상기 제2 회수관을 통해 회수되는 제2 열교환유체를 배출관으로 공급하는 것을 특징으로 하는 유체 열교환 시스템.
제2 열교환유체와 폐열잔류유체를 공급받아 제1 열교환유체와 열교환하는 판형열교환기;
상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 온도를 측정하는 온도센서;
상기 제1 열교환유체, 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체의 유량을 측정하는 유량센서; 및
상기 온도센서와 유량센서의 측정값을 비교하여, 설정된 온도의 제1 열교환유체를 공급하기 위한 제2 열교환유체와 폐열잔류유체의 혼합비를 산출하여 제2 열교환유체 및 폐열잔류유체 중 적어도 하나의 공급량을 제어하는 유량제어부;를 포함하며,
상기 판형열교환기는,
제1 유입홀, 제2 유입홀, 제1 배출홀, 제2 배출홀, 제1 혼합홀이 형성된 다수의 전열판이, 각 전열판 사이에 공간이 형성되도록 브레이징(Brazing) 방식으로 접합되고,
각 전열판 사이의 공간은,
제1 유입홀로 유입되어 제1 배출홀로 배출되는 제1 열교환유체가 이동하는 독립채널과, 제2 유입홀로 유입되어 제2 배출홀로 배출되는 제2 열교환유체가 이동하는 혼합채널이 반복 형성되며,
상기 제1 혼합홀은,
상기 독립채널과는 공간적으로 차단되고 상기 혼합채널과는 공간적으로 연결되어 폐열잔류유체가 혼합구역으로 유입되도록 구성되며,
상기 제2 열교환유체를 판형열교환기에 공급하는 제2 공급관;
상기 판형열교환기에서 열교환된 제2 열교환유체를 회수하는 제2 회수관;
상기 폐열잔류유체가 배출되는 배출관; 및
상기 배출관에서 배출되는 폐열잔류유체를 상기 판형열교환기 또는 제2 회수관으로 공급하는 3방변;을 포함하며,
상기 유량제어부는,
상기 3방변을 제어하여 판형열교환기로 공급되는 폐열잔류유체의 공급량을 제어하며,
제2 공급관 및 제2 회수관과 연결되며, 제1 회수관의 외측면에 밀착되도록 구성된 열교환코일;을 더 포함하고,
상기 유량제어부는,
열교환된 제1 열교환유체의 회수온도가 설정온도와 다른 경우, 상기 열교환코일을 이용하여 제1 열교환유체와 제2 열교환유체 간의 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 유체 열교환 시스템
제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 독립채널을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판은,
상기 제1 혼합홀의 가장자리 전체가 밀폐되도록 접합되고,
상기 혼합채널을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판은,
상기 제1 혼합홀의 가장자리 중 적어도 일부가 개방되도록 접합된 것을 특징으로 하는 유체 열교환 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 혼합채널을 형성하도록 이웃하여 배치된 두 개의 전열판은,
상기 제1 혼합홀의 가장자리 중 적어도 한 곳에서 브레이징 방식으로 도트접합 되는 것을 특징으로 하는 유체 열교환 시스템.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전열판에는,
제2 혼합홀이 더 형성되고,
상기 제2 혼합홀은,
상기 독립채널 및 혼합채널 중 어느 하나와는 공간적으로 차단되고, 다른 하나와는 공간적으로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 유체 열교환 시스템.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 열교환유체는,
보일러에 의해 가열되어 공급되는 고온의 출탕온수를 포함하고,
상기 폐열잔류유체는,
상기 보일러로부터 제2 열교환유체를 공급받아 실내난방을 하는 난방배관의 폐열배출수를 포함하며,
상기 제1 열교환유체는,
저온의 급수가 열교환으로 가열되어 공급되는 급탕온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열회수용 판형열교환기를 이용한 유체 열교환 시스템.
삭제
삭제
삭제