KR102421514B1 - 직수의 열교환 방법, 열교환기 및 물 가열기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환기를 이용한 직수의 열교환 방법으로서, 상기 직수는 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상이며, 상기 열교환기는 페라이트계 스테인리스강을 포함하는 복수개의 열판 및 상기 열판 사이를 결합하는 구리 브레이징을 포함하고, 상기 페라이트계 스테인리스강은 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는 직수의 열교환 방법, 및 열교환기에 관한 것이다.

Description

직수의 열교환 방법, 열교환기 및 물 가열기{HEAT EXCHANGE METHOD OF TAP WATER, HEAT EXCHANGER AND WATER HEATING DEVICE}
본 발명은 불소 및 잔류 염소 함량이 높은 직수에 대한 내식성이 우수한 열교환기, 이를 이용한 직수의 열교환 방법 및 물 가열기에 관한 것이다.
스테인리스강은 통상적으로 크롬(Cr)의 함량이 12중량% 이상인 철(Fe) 합금을 말하는데, 첨가 원소의 종류와 양에 따라 페라이트계, 오스테나이트계, 마르텐사이트계, 석출경화계 등으로 나뉘어진다. 스테인리스강은 열교환기, 고온 및 저온용 소재, 식기, 배기관 등 산업 전반에 걸쳐 구조부품이나 기계부품의 소재로 사용되고 있다.
스테인리스강의 접합법으로서의 브레이징은 대량 생산이 가능하고, 접합이 용이하며, 접합 후 가공이 필요 없는 장점이 있어 널리 사용되고 있다. 브레이징 합금은 모재 사이에 접합을 위해 충전되거나 도포되는 것으로, 모재와 젖음성(wettability)이 좋아야 하며, 적당한 용융점(melting point)을 가져야 한다. 또한, 브레이징 합금은 브레이징시 모재와 친화력이 있어야 하고, 적절한 물리적/기계적 성질을 가져야 한다. 브레이징 합금 선택시 고려사항으로는 모재의 종류, 브레이징 방법, 합금의 가격, 모재의 형상, 합금의 융점 및 용융 온도 범위, 브레이징 강도 등이 있다.
한편, 열교환기는 일반 가정이나 공공건물 등에서 난방용이나 온수용으로 사용되고 있다. 통상적인 열교환기는 기름 또는 가스를 연료로 사용하여 버너를 통해 연소시킨 다음, 연소과정에서 발생한 연소열을 이용하여 물을 가열하고, 가열된 물을 실내로 순환시켜 난방을 하거나 필요에 따라 온수로 사용한다.
구체적으로, 한국 공개특허 제2011-0072237호(특허문헌 1)에는 철, 구소, 망간, 구리, 지르코늄 및/또는 붕소, 알루미늄 및 불순물을 포함하는, 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금이 개시되어 있다. 그러나, 각 나라별로 수돗물에 포함된 불소, 잔류염소 등의 성분이 상이하여 동일한 열교환기를 사용하여도 내식성에 차이가 발생하고, 이로 인해 특정 나라에서는 과도한 누수가 발생하는 문제를 유발할 수도 있다. 상술한 바와 같은 과도한 누수는 열교환기 전체의 품질 및 신뢰성을 떨어뜨리고, 이로 인해, 여러 형태의 안전 사고가 발생할 수 있다.
따라서, 불소 및 잔류 염소 함량이 높은 직수를 열교환하는 방법, 및 상기 직수에 대한 내식성이 우수한 열교환기에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
한국 공개특허 제2011-0072237호 (공개일: 2011.6.29.)
이에, 본 발명은 불소 및 잔류 염소 함량이 높은 직수에 대한 내식성이 우수한 열교환기, 이를 이용한 직수의 열교환 방법 및 물 가열기를 제공하고자 한다.
본 발명은 열교환기를 이용한 직수의 열교환 방법으로서,
상기 직수는 잔류 염소 함량이 2ppm 이상이며,
상기 열교환기는 페라이트계 스테인리스강을 포함하는 복수개의 열판 및 상기 열판 사이를 결합하는 구리 브레이징을 포함하고,
상기 페라이트계 스테인리스강은 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는, 직수의 열교환 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 잔류 염소 함량이 2ppm 이상인 직수를 열교환하기 위한 열교환기로서,
복수개의 열판 및 상기 열판 사이를 결합하는 구리 브레이징을 포함하며,
상기 열판은 페라이트계 스테인리스강을 포함하고,
상기 페라이트계 스테인리스강은 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는, 열교환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 직수를 가열해서 온수를 생성하는 물 가열기에 채용되기 위한 판형 열교환기로서,
판형의 본체부와, 상기 본체부의 일측 단부에서 외측으로 연장된 연장부를 구비하되, 인접한 2개의 연장부들이 서로 겹쳐지게 소정 방향으로 적층되는 복수개의 열판들, 및
상기 인접한 2개의 연장부들 사이에 마련되어, 인접한 2개의 열판들을 접합하는 접합부를 포함하고,
상기 열판은, 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는 페라이트계 스테인리스강으로 형성되고,
상기 접합부는, 구리 용가재의 브레이징에 의해 형성되는, 판형 열교환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 직수를 가열해서 온수를 생성하는 물 가열기로서,
열원부, 및
상기 열원부에서 발생된 열에 의해, 또는 상기 열원부에서 발생된 열에 의해 가열된 난방수에 의해, 상기 직수를 가열하기 위한 판형 열교환기를 포함하고,
상기 판형 열교환기는,
판형의 본체부와, 상기 본체부의 일측 단부에서 외측으로 연장된 연장부를 구비하되, 인접한 2개의 연장부들이 서로 겹쳐지게 소정 방향으로 적층되는 복수개의 열판들, 및
상기 인접한 2개의 연장부들 사이에 마련되어, 인접한 2개의 열판들을 접합하는 복수개의 접합부들을 포함하고,
상기 열판은, 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는 페라이트계 스테인리스강으로 형성되고,
상기 접합부들은, 구리 용가재의 브레이징에 의해 형성되는, 물 가열기를 제공한다.
본 발명의 열교환기는 부식성 물질, 예를 들어, 황산 이온, 염소 이온, 잔류 염소 등의 함량이 높은 직수에 대한 내식성이 높고, 입수가 용이하고 저렴한 구리 브레이징을 사용하여 경제성도 우수하다. 특히, 상기 열교환기는 브레이징시 사용하는 구리와 갈바닉 전위차가 거의 없는 페라이트계 스테인리스강을 열판으로 사용하여 갈바닉 부식이 방지되고, 구리를 포함하는 스테인리스강을 열판으로 사용하여 액상 금속 취화(liquid metal embrittlement, LME) 현상 및 이상 조직에 의한 내식성 저하가 현저히 적다. 또한, 상기 열교환기는 탄소 함량이 낮은 스테인리스강을 열판으로 사용하여 크롬탄화물에 의한 내식성 저하가 방지되어 우수한 내식성을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 판형 열교환기를 도시하고 있는 단면도이다.
도 2는 종래의 판형 열교환기를 도시하고 있는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 판형 열교환기를 도시하고 있는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 물 가열기를 도시하고 있는 개념도이다.
도 5 내지 도 7은 실시예 및 비교예에서 제조한 시편의 단면 및 에칭 후 단면 사진이다.
도 8은 실시예 및 비교예에서 제조한 시편의 내식성 평가 결과이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
열교환기
본 발명에 따른 열교환기는 잔류 염소 함량이 2ppm 이상인 직수를 열교환하기 위한 것이며, 복수개의 열판 및 상기 열판 사이를 결합하는 구리 브레이징을 포함한다. 이때, 상기 열교환기의 구조는 통상적으로 직수 및 난방수를 이용한 열교환기의 구조일 수 있다.
열판
열판은 페라이트계 스테인리스강을 포함한다. 전도도가 높은 직수, 즉 부식성 물질의 함량이 높은 직수를 열교환하는 경우, 스테인리스강과 구리 브레이징 간의 전위차에 의해 갈바닉 부식이 발생할 수 있다. 상술한 바와 같은 갈바닉 부식으로 인해 브레이징된 구리가 유실되어 열교환기의 내식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 열판이 페라이트계 스테인리스강을 포함할 경우, 전도도가 높은 직수를 사용하여도 상술한 바와 같은 갈바닉 부식이 방지되어 열교환기의 내식성 저하가 방지될 수 있다.
이때, 상기 페라이트계 스테인리스강은 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함한다. 구체적으로, 상기 페라이트계 스테인리스강은 0.3 내지 2 중량%, 또는 0.3 내지 1 중량%의 구리, 0.03 중량% 이하, 또는 0.02 내지 0.03 중량%의 탄소 및 16 내지 23 중량%의 크롬을 포함하고, 니켈을 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 상기 각 성분들의 함량은 페라이트계 스테인리스강 총 중량을 기준으로 한 함량이다.
또한, 상기 열판 내의 구리는 액상 금속 취화(liquid metal embrittlement, LME) 현상 및 이상 조직에 의한 열교환기의 내식성 저하를 방지하는 역할을 한다. 구리의 함량이 상기 범위 내인 경우, 구리 브레이징에 의한 열교환기의 내식성 변화가 없는 장점이 있다.
나아가, 상기 열판 내의 탄소는 구리 브레이징시 크롬과 결합하여 크롬탄화물을 생성하며 이에 따라 주변에 크롬 결핍층이 형성되어 열교환기의 내식성이 저하될 수 있다. 이에, 탄소의 함량이 상기 범위 내인 경우, 구리 브레이징에 의한 크롬탄화물 생성이 억제되어 열교환기의 내식성 저하가 방지될 수 있다.
더불어, 상기 열판 내의 크롬은 표면에 매우 얇은 층의 산화크롬(Cr2O3)층을 형성시켜 금속기재 내로 침입하는 산소를 차단하는 부동태 피막(Passivity Layer)으로 작용하여 부식을 방지하여 내식성을 향상시키는 역할을 한다. 크롬의 함량이 상기 범위 내인 경우, 구리 브레이징시 크롬탄화물(Cr3C2)이 일부 생성된다 하더라도 남아있는 크롬으로 산화크롬막이 유지하여 열판의 내식성을 유지할 수 있다.
또한, 통상적으로 페라이트계 스테인리스강보다 니켈을 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강이 우수한 내식성을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 두 개 이상의 스테인리스 강판이 구리로 브레이징되는 경우에는, 브레이징 부위 즉, 스테인리스강과 구리가 결합되는 위치에서의 내식성이 모재 자체의 내식성보다 낮은 특성을 갖기 때문에 브레이징 부위의 내식성이 모재 자체의 내식성보다 중요하다. 특히, 판형 열교환기와 같이, 염소이온, 황산이온, 잔류염소 등과 같은 부식성 물질을 포함하는 직수에 지속적으로 접촉되면서 상온보다 높은 약 40 ~ 80℃ 정도의 온도에 노출되는 환경에서는 액상 금속 취화(liquid metal embrittlement, LME) 현상, 이상 조직에 의한 내식성 저하, 갈바닉 부식 발생 가능성 등의 측면에서 볼 때, 페라이트계 스테인리스강의 구리 브레이징부가 오스테나이트계 스테인리스강의 구리 브레이징부보다 내식성이 우수할 수 있다.
구리 브레이징
구리 브레이징은 상기 열판 사이를 결합하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 열교환기가 구리 브레이징을 포함하는 경우, 니켈과 같은 다른 금속 브레이징을 사용하는 경우보다 경제성이 우수하다.
이때, 상기 구리 브레이징은 구리의 융점 저하를 목적으로 주석(Sn), 아연(Zn) 등을 포함하거나, 강도 또는 젖음성 개선을 목적으로 니켈(Ni), 은(Ag) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 구리 브레이징은 은과 구리를 20 내지 35 : 65 내지 80의 중량비로 포함하는 브레이징 합금일 수 있다.
직수
본 발명에 따른 열교환기에 사용되는 직수는 잔류 염소 함량이 2ppm 이상으로 농도가 높을 수 있다. 구체적으로, 상기 직수는 2 내지 5 ppm의 잔류 염소, 0.5 내지 2 ppm의 불소 및 250 내지 500 ppm의 황산 이온을 포함할 수 있다.
상기 열교환에 의해서 상기 직수가 가열되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 열교환기는 보일러의 주열교환기에서 가열된 난방수와 직수의 열교환을 통해 직수를 온수로 공급하기 위한 급탕 열교환기일 수 있다.
예를 들어, 상기 열교환에 의해서 0 내지 20 ℃의 직수가 40 내지 60 ℃의 온수로 가열되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 열교환기에서는 0 내지 20 ℃의 직수가 50 내지 80 ℃의 난방수와 열교환하여 40 내지 60 ℃의 온수로 가열될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 열교환기는 부식성 물질, 예를 들어, 황산 이온, 염소 이온, 잔류 염소 등의 함량이 높은 직수에 대한 내식성이 높고, 경제성도 우수하다.
판형 열교환기
본 발명에 따른 판형 열교환기는 직수를 가열해서 온수를 생성하는 물 가열기에 채용되기 위한 판형 열교환기일 수 있다. 본 발명에 따른 판형 열교환기(10)는 도 1에 도시되어 있듯이, 복수개의 열판들(100)과 접합부(130)를 포함할 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 판형 열교환기를 도시하고 있는 단면도이다. 본 발명에 따른 판형 열교환기에 공급되는 직수의 잔류 염소 함량은 2 ppm 이상일 수 있다.
열판(100)
열판(100)은 판형의 본체부(110)와 연장부(120)를 구비한다. 본체부(110)는 도 1에 도시되어 있듯이 판형 부분일 수 있다. 본체부(110)에는 소정 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 본체부(110)에는 골(111)과 산(112)의 헤링본 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 이와 같은 소정 패턴을 통해 열교환 면적을 극대화 시킬 수 있다. 소정 패턴들은 인접하는 열판들(100)에서 서로 반대 방향으로 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 후술할 도 3에 도시되어 있듯이 어느 열판에는 우측 방향으로 개구되는 V-자 형상의 패턴이 형성되어 있을 수 있고, 이에 인접하는 다른 열판에는 좌측 방향으로 개구되는 V-자 형상의 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 판형 열교환기 분야에서 골과 산의 헤링본 패턴이 형성되어 있는 플레이트는 일반적인 것이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 연장부(120)는 본체부(110)의 일측 단부에서 외측으로 연장되는 부분일 수 있다. 연장부(120)는 본체부(110)의 일측 단부에서 외측으로 경사지게 연장될 수 있다. 인접한 2개의 연장부들(120) 사이에는 후술하는 접합부(130)가 마련된다.
열판(100)이, 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는 페라이트계 스테인리스강으로 형성되는 점은 앞서 설명한 바와 같다.
판형 열교환기(10)에는 복수개의 열판들(100)이 소정 방향으로 적층되어 있다. 도 1에는 연직방향으로 적층되어 있는 열판들(100)이 예시되어 있다. 복수개의 열판들(100)은 인접한 2개의 연장부들(120)이 서로 겹쳐지게 적층된다.
접합부(130)
접합부(130)는 인접한 2개의 열판들(100)을 서로 접합하기 위한 것으로서, 인접한 2개의 연장부들(120) 사이에 마련된다. 접합부(130)는 연장부들(120) 사이마다 구비될 수 있기 때문에 복수개로 마련될 수 있다. 접합부(130)가 구리 용가재의 브레이징에 의해 형성되는 점은 앞서 설명한 바와 같다.
판형 열교환기가 급탕 열교환기일 경우, 도 2에 도시되어 있듯이 직수가 유동하기 위한 유로(T)와 난방수가 유동하기 위한 유로(H)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 열판들(100) 중 차례대로 배치되는 3개의 열판들을 각각 제1, 제2, 제3 열판이라 할 때, 제1 열판과 제2 열판의 사이에 직수가 유동하기 위한 직수 유로(T)가 형성될 수 있고, 제2 열판과 제3 열판의 사이에 난방수가 유동하기 위한 난방수 유로(H)가 형성될 수 있다. 이와 같이 직수와 난방수의 사이에서 간접적으로 열교환이 이루어질 수 있다. 도 2는 종래의 판형 열교환기를 도시하고 있는 단면도이다. 그런데 본 발명의 발명자들은 계속적인 연구를 통해, 종래의 열교환기의 경우 접합부들(13, 13a) 중 직수와 접촉되는 접합부들(13a)에서 크랙 형태의 틈(C)이 형성되는 것을 발견했다. 이와 같은 틈(C)은 직수의 누수를 유발한다. 그러나 본 발명에 따른 판형 열교환기(10)는 이와 같은 틈의 발생 가능성이 매우 낮다.
한편, 본 발명에 따른 판형 열교환기(10)는 도 3에 도시되어 있듯이, 직수가 유입되는 직수 입구(141), 난방수에 의해 간접적으로 가열된 직수, 즉 온수가 배출되는 직수 출구(142), 난방수가 유입되는 난방수 입구(143), 및 열교환 후의 난방수가 배출되는 난방수 출구(144)를 포함할 수 있다. 직수 입구(141)로 유입된 직수는 복수 개의 직수 유로들(T, 도 2 참조)로 나눠져서 직수 유로들(T)을 따라 각각 유동한 후 직수 출구(142)에서 하나의 흐름으로 합쳐져서 배출될 수 있다. 이는 난방수의 경우에도 동일하다. 도 3에 도시되어 있는 예에서는 직수와 난방수가 서로 반대방향으로 유동하게 열교환기가 마련되어 있다.
물 가열기
본 발명에 따른 물 가열기는 직수를 가열해서 온수를 생성하는 물 가열기일 수 있다. 본 발명에 따른 물 가열기(1)는 도 4에 도시되어 있듯이 판형 열교환기(10) 및 열원부(20)를 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 물 가열기를 도시하고 있는 개념도이다.
열원부(20)는 열을 생성하기 위한 구성요소이다. 열원부(20)는 연료가스나 오일을 제공받아 연소반응을 통해 열을 생성하는 버너일 수 있다. 또는 열원부는 전기를 공급받아 발열하는 발열체일 수도 있다.
판형 열교환기(10)는 앞서 설명한 열판들(100)과 접합부들(130)을 포함한다. 판형 열교환기(10)는 열교환을 통해 직수를 가열한다. 이때 직수를 가열하기 위한 열은 열원부(20)에서 발생된 열로부터 전달받을 수도 있고, 열원부(20)에서 발생된 열에 의해 가열된 난방수로부터 전달받을 수도 있다. 도 4에는 난방수에 의해 직수를 가열하는 타입의 물 가열기가 예시되어 있다. 난방수는 난방대상에 공급되어 난방대상에 난방을 제공한다. 이후 난방수는 환수되어 열교환기에 의해 가열된다. 이때 열교환기는 앞서 설명한 주열교환기일 수 있고, 잠열 열교환기(H1)와 현열 연교환기(H2)를 포함할 수 있다. 도 4의 예에서 열교환기에 제공되는 열은 열원부(20)에서 제공될 수 있다. 열교환기에서 가열된 난방수는 판형 열교환기(10)로 공급되어 직수를 가열할 수 있다.
다만, 물 가열기는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 물 가열기는 난방을 제공하기 위한 보일러, 온수를 제공하기 위한 온수기(별도의 온수탱크를 구비하지 않는 직수식의 온수기나, 별도의 온수탱크를 구비하는 탱크식의 온수기), 또는 온수기 겸용 보일러 등일 수 있다.
물 가열기에 공급되는 직수는 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상인 직수일 수 있다. 열판(100)은 앞서 살펴본 바와 같이 0.5 중량% 미만의 니켈, 0.1 내지 2 중량%의 구리, 및 0.03 중량% 이하의 탄소를 포함하는 페라이트계 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 접합부(130)는 구리 용가재의 브레이징에 의해 형성될 수 있다. 접합부들(130) 중의 적어도 일부는 판형 열교환기(10)로 유입된 직수와 접촉되게 마련될 수 있다(도 2 참조).
직수의 열교환 방법
본 발명에 따른 직수의 열교환 방법은 페라이트계 스테인리스를 포함하는 열판 및 구리 브레이징을 포함하는 열교환기를 이용하여 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상인 직수를 열교환하는 방법이다.
열교환은 냉매 또는 열교환 매체를 통하여 이루어지는데, 상기 열교환 매체는 열교환 장소가 되는 튜브의 일측에 흐르면서 튜브 타측의 다른 매체와 열교환을 하게 된다. 상기 상기 열교환에 의해서 상기 직수가 가열되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 열교환은 보일러의 주열교환기에서 가열된 난방수와 직수의 열교환을 통해 직수를 온수로 공급하기 위한 급탕 열교환일 수 있다.
예를 들어, 상기 열교환에 의해서 0 내지 20 ℃의 직수가 40 내지 60 ℃의 온수로 가열되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 열교환 방법에 의해서 0 내지 20 ℃의 직수가 50 내지 80 ℃의 난방수와 열교환하여 40 내지 60 ℃의 온수로 가열될 수 있다.
상기 직수는 0.5 내지 2 ppm의 불소 및 250 내지 500 ppm의 황산 이온을 포함할 수 있다.
또한, 상기 페라이트계 스테인리스강은 0.3 내지 2 중량%의 구리, 0.03 중량% 이하의 탄소 및 16 내지 23 중량%의 크롬을 포함하고, 니켈을 실질적으로 포함하지 않을 수 있다.
이때, 상기 열판, 구리 브레이징 및 직수는 상기 열교환기에서 설명한 바와 같다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
열판으로는 KS STS 430J1L(조성: 18중량%의 Cr-0.5중량%의 Cu-0.025중량%의 C, Ni 미포함, 페라이트계)로 구성된 평균 두께 0.3 mm의 스테인리스강을 사용하였고, 구리 브레이징(제조사: POUDMET 제품명: BCu-1A)으로 상기 열판 2개를 결합하여 구리 브레이징된 열교환기 시편을 제조하였다.
비교예 1
열판으로는 KS STS 316L(조성: 17중량%의 Cr-13중량%의 Ni-2.5중량%의 Mo-0.03중량%의 C, Cu 미포함, 오스테나이트계)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 2
열판으로는 KS STS 304(조성: 19중량%의 Cr-9중량%의 Ni-2중량%의 Mn-0.08중량%의 C, Cu 미포함, 오스테나이트계)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 3
열판으로는 KS STS 304L(조성: 19중량%의 Cr-11중량%의 Ni-2중량%의 Mn-0.03중량%의 C, Cu 미포함, 오스테나이트계)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
실험예 1. 단면 관찰
실시예 및 비교예에서 제조한 열교환기의 시편의 단면을 광학현미경으로 관찰하고, 단면을 옥살산에 1분 동안 침지하여 전기 에칭법으로 1차 에칭한 후 단면을 관찰하고, 상술한 바와 동일한 방법으로 2차 에칭한 후 단면을 관찰하였다. 관찰한 단면은 도 5 내지 7에 나타냈고, 도 5는 실시예 1의 시편의 단면 사진이고, 도 6은 비교예 1의 시편의 단면 사진이며, 도 7은 비교예 2의 시편의 단면 사진이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 시편은 구리 브레이징과 열판의 경계선이 매끄럽고, 페라이트계 스테인리스강 쪽으로 구리의 확산 흔적이 없었다. 또한, 단면 에칭시, 페라이트계 스테인리스강의 입계 예민화 현상이 관찰되지 않았다.
도 6에서 보는 바와 같이, 비교예 1의 시편은 페라이트계 스테인리스강 쪽으로 구리의 확산 흔적이 있고, 단면 에칭시, 페라이트계 스테인리스 결정 계면에서 구리가 관찰되었다. 반면, 단면 에칭시 페라이트계 스테인리스 결정립계에서 예민화 현상은 관찰되지 않았다.
도 7에서 보는 바와 같이, 비교예 2의 시편은 페라이트계 스테인리스강 쪽으로 구리의 확산 흔적이 있고, 단면 에칭시, 페라이트계 스테인리스 결정 계면에서 구리가 관찰되었다. 또한, 단면 에칭시 페라이트계 스테인리스 결정립계에서 예민화 현상은 관찰되었다.
실험예 2. 내식성 평가
실시예 및 비교예에서 제조한 열교환기 시편의 단면을 시험수에 침지하여 168 시간 동안 처리한 후 단면을 실험예 1과 동일한 방법으로 관찰하였다. 이때, 상기 시험수는 5ppm의 잔류 염소, 1,200ppm의 MgSO4, 및 5중량%의 NaCl을 포함하고, 80℃로 유지된다. 관찰한 단면은 도 8에 나타냈다.
도 8에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 시편은 부식이 발생하지 않았다. 반면, 비교예 1 내지 비교예 3의 시편은 잔류 염소 함량이 높은 시험수에 대한 내식성이 부족하여 구리 브레이징과 열판과의 사이에 경계면 부식이 발생했다.
상술한 바와 같은 내식성 평가 결과로부터, 실시예 1의 열판 및 구리 브레이징을 포함하는 열교환기는 잔류 염소 및 황산 이온의 함량이 높은 직수에 대한 내식성이 우수하여 구리 브레이징과 열판 사이의 경계면 부식이 발생하지 않을 것은 자명하다. 이로 인해, 상술한 바와 같은 본 발명의 열교환기를 잔류 염소 및 황산 이온의 함량이 높은 직수의 열교환용으로 사용하여도 부식으로 인한 열교환기의 교체주기가 짧아지는 문제는 발생하지 않을 것이다.
10: 판형 열교환기
100: 열판
110: 본체부
111: 골
112: 산
120: 연장부
130: 접합부
141: 직수 입구
142: 직수 출구
143: 난방수 입구
144: 난방수 출구
T: 직수 유로
H: 난방수 유로

Claims (17)

  1. 열교환기를 이용한 직수의 열교환 방법으로서,
    상기 직수는 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상이며,
    상기 열교환기는 페라이트계 스테인리스강을 포함하는 복수개의 열판 및 상기 열판 사이를 결합하는 구리 브레이징을 포함하고,
    상기 페라이트계 스테인리스강은 0.3 내지 1 중량%의 구리, 0.02 내지 0.03 중량%의 탄소 및 16 내지 23 중량%의 크롬을 포함하고, 니켈을 포함하지 않는, 직수의 열교환 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 직수는 0.5 내지 2 ppm의 불소 및 250 내지 500 ppm의 황산 이온을 포함하는, 직수의 열교환 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환에 의해서 상기 직수가 가열되는 것인, 직수의 열교환 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열교환에 의해서 0 내지 20 ℃의 직수가 40 내지 60 ℃의 온수로 가열되는 것인, 직수의 열교환 방법.
  6. 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상인 직수를 열교환하기 위한 열교환기로서,
    복수개의 열판 및 상기 열판 사이를 결합하는 구리 브레이징을 포함하며,
    상기 열판은 페라이트계 스테인리스강을 포함하고,
    상기 페라이트계 스테인리스강은 0.3 내지 1 중량%의 구리, 0.02 내지 0.03 중량%의 탄소 및 16 내지 23 중량%의 크롬을 포함하고, 니켈을 포함하지 않는, 열교환기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 직수는 0.5 내지 2 ppm의 불소 및 250 내지 500 ppm의 황산 이온을 포함하는, 열교환기.
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 열교환에 의해서 상기 직수가 가열되는 것인, 열교환기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열교환에 의해서 0 내지 20 ℃의 직수가 40 내지 60 ℃의 온수로 가열되는 것인, 열교환기.
  11. 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상인 직수를 가열해서 온수를 생성하는 물 가열기에 채용되기 위한 판형 열교환기로서,
    판형의 본체부와, 상기 본체부의 일측 단부에서 외측으로 연장된 연장부를 구비하되, 인접한 2개의 연장부들이 서로 겹쳐지게 소정 방향으로 적층되는 복수개의 열판들; 및
    상기 인접한 2개의 연장부들 사이에 마련되어, 인접한 2개의 열판들을 접합하는 접합부를 포함하고,
    상기 열판은, 0.3 내지 1 중량%의 구리, 0.02 내지 0.03 중량%의 탄소 및 16 내지 23 중량%의 크롬을 포함하고, 니켈을 포함하지 않는, 페라이트계 스테인리스강으로 형성되고,
    상기 접합부는, 구리 용가재의 브레이징에 의해 형성되는, 판형 열교환기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 본체부에는 골과 산의 헤링본 패턴이 형성되는, 판형 열교환기.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 연장부는, 상기 본체부의 일측 단부에서 경사지게 외측으로 연장되는, 판형 열교환기.
  14. 삭제
  15. 잔류 염소 함량이 2 ppm 이상인 직수를 가열해서 온수를 생성하는 물 가열기로서,
    열원부; 및
    상기 열원부에서 발생된 열에 의해, 또는 상기 열원부에서 발생된 열에 의해 가열된 난방수에 의해, 상기 직수를 가열하기 위한 판형 열교환기를 포함하고,
    상기 판형 열교환기는,
    판형의 본체부와, 상기 본체부의 일측 단부에서 외측으로 연장된 연장부를 구비하되, 인접한 2개의 연장부들이 서로 겹쳐지게 소정 방향으로 적층되는 복수개의 열판들; 및
    상기 인접한 2개의 연장부들 사이에 마련되어, 인접한 2개의 열판들을 접합하는 복수개의 접합부들을 포함하고,
    상기 열판은, 0.3 내지 1 중량%의 구리, 0.02 내지 0.03 중량%의 탄소 및 16 내지 23 중량%의 크롬을 포함하고, 니켈을 포함하지 않는, 페라이트계 스테인리스강으로 형성되고,
    상기 접합부들은, 구리 용가재의 브레이징에 의해 형성되는, 물 가열기.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 연장부는, 상기 본체부의 일측 단부에서 경사지게 외측으로 연장되는, 물 가열기.
  17. 삭제
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