KR102625188B1 - 응축식 열교환기용 디플렉터 및 이러한 디플렉터를 구비하는 교환기 - Google Patents

응축식 열교환기용 디플렉터 및 이러한 디플렉터를 구비하는 교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 응축식 열교환기용 디플렉터에 그리고 이러한 디플렉터를 구비하는 교환기에 관한 것이다. 상기 디플렉터(2)는 전방 컵(3) 및 후방 컵(4)을 포함하고, 이 두 개의 컵의 바닥부의 내부면(311, 411)이 적어도 하나의 순환홈(34, 44)을 구비하도록 요철로 설계되고, 두 개의 컵은, 각각의 홈이 상기 격벽과 함께 열전달 유체가 순환하도록 의도되는 채널을 형성하도록, 중앙 격벽(5)의 양 측면에 조립되고, 전방 컵과 후방 컵의 채널들은 상기 중앙 격벽(5)에 천공되는 개구(50)를 통해 연결되고, 이에 따라 상기 열 전달 유체는 상기 중앙 격벽의 양 측면에서 유동하는 것에 의해 상기 채널들을 통해 디플렉터의 내부 커플링(40)으로부터 외부 커플링(30)까지 순환할 수 있다.

Description

응축식 열교환기용 디플렉터 및 이러한 디플렉터를 구비하는 교환기
본 발명은 수관 응축식 열교환기 분야에 속한다.
정확하게는 본 발명은 이러한 유형의 열교환기의 디플렉터 및 이러한 디플렉터를 구비하는 교환기에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 응축식 열교환기의 하나의 예시적인 실시예가 도 1에 종단면도로 도시되어 있다.
이 교환기(1)는 인클로저를 획정하는 기밀 쉘(10)을 포함하며, 인클로저 내부에 열교환 관의 두 다발(12a, 12b), 및 교환기의 전면을 막는 커버(110)에 부착된 (특히 가스 또는 연료 오일을 사용하는) 버너와 같은 고온 가스를 발생시키거나 혹은 고온 가스를 운반하기 위한 수단(11)이 장착된다.
쉘(10)은 대략, 종축선(X-X')을 갖는 대체로 원통 형상을 갖는다.
두 다발(12a, 12b)은 한 줄로 이어지는, 축선(X-X')을 갖는 동축의 나선형 튜브 다발들이며, 제1 다발(12a)은 주 교환기의 역할을 하고 제2 다발(12b)은 부 교환기의 역할을 한다. 이 튜브들은 금속과 같이 열전도성이 양호한 소재로 만들어진다. 도면에 도시되지 않은 수단이 물과 같은, 가열될 열전달 유체의 순환을 상기 튜브 내부에 발생시키도록 제공된다.
교환기의 쉘(10)은 또한 연소 가스 배출 슬리브(13)를 포함한다.
디플렉터(14)가 두 튜브 다발들(12a, 12b) 사이에 개재된다.
디플렉터(14)는 직경이 더 큰 얇은 플레이트의 형태로 된 디스크 형상의 피팅(141)에 의해 지지되는, 예를 들어 실리카 섬유에 기초한, 소재 가열에 대응하여 단열 내화물로 만들어지는 디스크(140)를 포함한다. 피팅(141)의 주변 환형 가장자리가 다발들(12a, 12b)의 두 단부 사이에 기밀하게 삽입되어 부착된다.
따라서 디플렉터(14)는 쉘(10)에 의해 획정되는 인클로저를 버너(11)를 포함하는, "연소" 챔버라고 하는 챔버(15)와, 디플렉터(14)로부터 슬리브(13)까지 연장하는 "응축" 챔버라고 하는 챔버(16)로 분할한다.
디플렉터(14)는 두 가지 역할, 즉 버너(11)에 의해 발생되는 고온 가스의 궤적을 수정하는 역할 및 응축 챔버(16)를 단열시키는 역할을 한다.
따라서 버너(11)에 의해 발생되는 고온 가스는 주 다발(12a)의 튜브 권선들 사이에 위치된 틈새들을 통해 내부로부터 외부로 (화살표 j1), 그런 다음 부 다발(12b)의 튜브 권선들 사이에 위치된 틈새들을 통해 외부로부터 내부로 (화살표 j2) 강제 이동된다.
또한, 연소 챔버(15) 측에서 디플렉터(14)의 온도는 대략 900℃ 내지 1000℃인 반면, 응축 챔버(16) 측에서는 단지 대략 100℃ 내지 150℃이다.
그러나 이 온도는 교환기(1)의 전체 효율을 향상시키기 위해서는 더 낮아야 한다.
또한 디스크(140)의 내화물은 버너(11)의 작업 단계들 중에 연소 챔버(15)로 발산하는 경향이 있고, 이는 질소 산화물(NOx) 및 일산화탄소(CO)와 같은 오염물질을 생성하는 데 일조하는데, 이러한 오염물질은 교환기를 빠져나가는 연기에서 배출된다.
마지막으로, 디스크(140)의 수명이 튜브 다발들(12a, 12b)보다 짧으며, 이는 교환기의 유지보수 중에, 수년 후에 디스크를 교체해야 한다는 것을 의미하고, 이는 작업 비용을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상술한 단점들을 해소하고, 특히
- 정해진 출력에 대해 열교환기의 효율을 개선시키고,
- 질소산화물(NOx)과 같은 오염물질의 배출을 감소시키고,
- 디플렉터의 세라믹 디스크를 제거하여 이를 교체할 필요성을 없애고,
- 작업 비용을 감소시키는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 응축식 열교환기용 디플렉터에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 이 디플렉터는 "전방" 컵 및 "후방" 컵이라고 하는 두 개의 컵, 중앙 격벽, 입구 커넥터 및 출구 커넥터를 포함하며, 각각의 컵이 주변 림에 의해 둘러싸이는 바닥부를 포함하며, 각각의 컵의 바닥부의 내부면은 상기 바닥부의 적어도 일부분에 걸쳐 연장하는, "순환" 홈이라고 하는, 적어도 하나의 홈을 구비하도록 요철로 구성되고, 두 개의 컵은 이들의 각각의 오목한 부분들이 서로를 향하도록 상기 중앙 격벽의 양 측면에 서로 액밀하게 조립되고, 각각의 순환 홈이 상기 중앙 격벽과 함께 "순환" 채널이라고 하며 물과 같은 열전달 유체가 순환하도록 설계되는 적어도 하나의 채널을 형성하며, 두 개의 컵과 중앙 격벽이 열전도성이 양호한 소재로 만들어지고, 전방 컵의 및 후방 컵의 각각의 순환 채널의 두 단부들 중 제1 단부가 상기 디플렉터의 출구 커넥터 및 입구 커넥터와 각각 유체 연통하고, 전방 컵의 각각의 순환 채널의 제2 단부가 후방 컵의 채널의 제2 단부와 상기 중앙 격벽에 드릴링되는 개구를 통해 연결되고, 이에 따라 상기 열전달 유체가 상기 중앙 격벽의 양 측면들에서 유동하는 동안 순환 채널들의 세트를 통해 입구 커넥터로부터 출구 커넥터까지 순환할 수 있다.
본 발명의 이러한 피처들로 인해, 후벽과 중앙 격벽 사이를 순환하는 열전달 유체가 상기 후벽을 냉각시키고, 이는 교환기를 빠져나가기 전에 이 후벽에 스치는(접촉되는) 연기의 온도를 감소시키는데 크게 도움이 된다. 교환기의 전체 효율이 증가될 수 있다.
또한, 내화물 디스크를 제거함으로써, 한편으로는 방열 효과를 제거할 수 있고 이에 따라 오염 입자들의 배출을 감소시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 내화물 디스크를 교체할 필요가 없기 때문에 교환기의 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 유리하고 비한정적인 피처들은 아래와 같은데, 단독으로 실시되거나 혹은 조합하여 실시될 수 있다.
- 전방 컵의 순환 채널 또는 채널들 및 후방 컵의 순환 채널 또는 채널들이 상기 중앙 격벽을 관통하는 대칭 평면에 대해 대칭이고, 이에 따라 전방 컵을 마주보게 위치된 후방 컵의 순환 채널 또는 채널들에서 순환하는 열전달 유체의 방향에 역류하는 방향으로 열전달 유체가 전방 컵의 순환 채널 또는 채널들에서 순환한다.
- 전방 컵의 바닥부 및 후방 컵의 바닥부가 상기 환형 홈 둘레로 연장하는, "수집" 홈 및 "분배" 홈이라고 각각 하는, 주변 환형 홈을 형성하도록 요철로 구성되고, 두 개의 컵은 수집 홈 및 분배 홈이 상기 중앙 격벽과 함께 수집 채널 및 분배 채널을 각각 형성하도록 중앙 격벽의 양 측면에 조립되고, 입구 커넥터는 상기 분배 채널로 이어지고, 출구 커넥터는 상기 수집 채널로 이어지며, 상기 분배 채널 및 수집 채널이 열전달 유체가 분배 채널로부터 후방 컵의 순환 채널들로 그리고 전방 컵의 순환 채널들로부터 수집 채널로 각각 안내되게 하는 편향 격벽을 또한 구비한다.
- 순환 채널 또는 채널들이 나선 형태이다.
- 순환 채널 또는 채널들이 코일 형태이다.
- 순환 채널 또는 채널들이 직선 형태이다.
- 전방 컵 및 후방 컵이 나선형으로 나란하게 감기고 그 내부에서 열전달 유체가 평행하게 순환하는 적어도 두 개의 순환 채널을 포함하고, 전방 컵의 상기 순환 채널들의 제1 단부들이 수집 채널로 이어지며, 후방 컵의 상기 순환 채널들의 제1 단부들은 분배 채널로 이어진다.
본 발명은 또한, 응축식 열교환기로, 나선형으로 감기고 한 줄로 배치되는 튜브 또는 튜브 그룹으로 이루어진 적어도 하나의 다발 및 적어도 하나의, 물과 같은, 가열될 열전달 유체를 상기 튜브 다발 내부에서 순환시키도록 구비되는 수단을 포함하되, 튜브는 열 전도성이 양호한 소재로 만들어지고, 다발(들)은 기밀 쉘 내부에 고정적으로 장착되며, 쉘은 가스 배출 슬리브를 구비하며, 상기 교환기가 적어도 하나의 튜브의 상기 다발의 단부에 배치되거나 혹은 인접한 다발들 중 두 개의 다발 사이에 끼워지는 디플렉터, 및 고온 가스를 운반하거나 혹은 고온 가스를 발생시키기 위한 수단을 또한 포함하는 응축식 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 디플렉터가 앞에서 언급한 바와 같고, 디플렉터 및 고온 가스를 운반하거나 혹은 고온 가스를 발생시키기 위한 상기 수단이, 상기 고온 가스가 디플렉터의 전방 컵의 외부면에 스치고 나서, 상기 디플렉터의 상류에 위치된 튜브들 또는 튜브 그룹들의 다발을, 그 턴들을 이격시키는 틈새들을 통해 내부로부터 외부로 통과하는 것에 의해, 반경 방향 또는 대략 반경 방향으로 관통하고, 그리고 마지막으로, 상기 가스 배출 슬리브를 통해 배출되기 전에, 상기 디플렉터의 후방 컵의 외부면에 스치도록 배치된다.
본 발명의 다른 유리하고 비한정적인 피처들은 아래와 같은데, 단독으로 실시되거나 혹은 조합하여 실시될 수 있다.
- 상기 디플렉터의 출구 커넥터가 튜브 다발들 중 적어도 하나의 튜브 다발과 유체 연통하며, 이에 따라 디플렉터에서 그리고 튜브 다발(들)에서 순환하는 것이 동일한 열전달 유체이다.
- 디플렉터(2)의 외경이 튜브 다발(들)의 외경과 동일하거나 혹은 실질적으로 동일하고, 디플렉터의 입구 커넥터의 양 단부 사이 및 출구 커넥터의 양 단부들 사이의 길이가 각 튜브 다발의 튜브의 오리피스들의 양 단부들 사이의 길이와 동일하거나 혹은 실질적으로 동일하다.
- 디플렉터가 튜브들 또는 튜브 그룹들의 두 개의 다발 사이에 끼워지고, 고온 가스의 유동 방향에 대해 디플렉터의 상류에 위치되는 다발이 주 교환기의 역할을 하며 그리고 디플렉터의 하류에 위치되는 다발은 부 교환기의 역할을 하며, 이에 따라 고온 가스가 디플렉터의 전방 컵의 외부면에 스치고 나서, 주 교환기의 튜브들 또는 튜브 그룹들의 다발을, 그 턴들을 이격시키는 틈새들을 통해 내부로부터 외부로 통과하는 것에 의해, 반경 방향으로 또는 대략 반경 방향으로 관통하고 난 다음, 부 교환기의 튜브들 또는 튜브 그룹들의 다발을, 그 턴들을 이격시키는 틈새들을 통해 외부로부터 내부로 통과하는 것에 의해, 반경 방향으로 또는 대략 반경 방향으로 관통하고, 그리고 마지막으로, 상기 가스 배출 슬리브를 통해 배출되기 전에, 상기 디플렉터의 후방 컵의 외부면에 스친다.
- 튜브 다발의 튜브(들)의 벽이, 장변들이 나선의 축선과 직교하거나 혹은 실질적으로 직교하는 납작하고 타원형인 직선 영역을 구비하는 반면, 인접한 턴들을 이격시키는 틈새의 폭은 일정하고 상기 직선 영역의 두께보다 작다.
본 발명의 다른 피처들 및 장점들은 이제, 첨부 도면을 참조하여 이루어지는, 본 발명의 가능한 실시예를 예시적이지만 비한정적으로 나타내는 상세한 설명으로부터 명백하게 알 수 있을 것이다.
위에서 설명한 도 1은 제외한다.
- 도 2는 본 발명에 따른 디플렉터를 도시하는 사시도이다.
- 도 3은 도 2의 디플렉터를 구성하는 상이한 요소를 도시하는 분해 사시도이다.
- 도 4는 도 2의 IV-IV선을 통과하는 절단 평면을 따라 취한, 본 발명에 따른 디플렉터를 도시하는 부분 단면도이다.
- 도 4a는 도 4의 상세도이다.
- 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 디플렉터를 형성하는 두 개의 컵의 내부를 도시하는 전면도이다.
- 도 6은 본 발명에 따른 디플렉터를 구비하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기를 구성하는 상이한 요소를 도시하는 분해 사시도이다.
- 도 7 및 도 8은 도 6의 VII-VII선 및 VIII-VIII선을 각각 통과하는 평면들에서 취한, 도 6의 열교환기를 도시하는 종단면도이다.
- 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열교환기를 도시하는 종단면도이다.
- 도 10, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 디플렉터의 세 개의 다른 실시예들을 개략적으로 도시하는 전면도들이다.
이제 본 발명에 따른 디플렉터(2)의 제1 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 디플렉터(2)가 두 개의 컵, 즉 "전방" 컵(3) 및 "후방" 컵(4), 중앙 격벽(5) 및 두 개의 커넥터, 즉 입구 커넥터(40) 및 출구 커넥터(30)를 포함하는 것을 볼 수 있다.
전방 컵은 디플렉터(2)가 열교환기에 배치될 때 버너를 향하는 방향으로 배치되도록 설계되었기 때문에 전방 컵이라 한다.
디플렉터(2)를 구성하는 다른 요소는 열 전도성이 양호한 소재, 예를 들어 금속, 바람직하게는 스테인리스강으로 만들어진다. 이들은 또한 예를 들어 알루미늄으로 만들어질 수도 있다.
후방 컵(4)은 주변 림(42)으로 둘러싸인 바닥부(41)를 포함하며, 주변 림은 바닥부에 직교하거나 혹은 실질적으로 직교한다.
바닥부(41)는 원형 또는 대략적으로 원형인 형상을 갖는다. 주변 림(42)은 바닥부(41)의 윤곽을 따른다.
입구 커넥터(40)는 튜브이다. 유리하게는 입구 커넥터는 슬리브가 형성되어 있으며 림(42)에 만들어진 개구(420)를 통해 용접된다.
바닥부(41)는 내부면(411) 및 외부면(412)을 구비한다.
내부면(411)은 "순환" 홈이라고 하는 적어도 하나의 홈(44)(예를 들어 5개, 도 2 및 도 3에서는 나선형으로 감김)을 구비하도록 요철로 구성되고, 순환 홈은 후방 컵(4)의 오목한 측면까지 이어진다. 이 홈(44)들의 수와 구성 형태는 아래에서 설명하는 바와 같이 변할 수 있다. 유리하게는, 순환 홈(44)의 횡단면은, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 반원형이거나 혹은 실질적으로 반원형이다.
또한, 유리하게는, 내부면(411)은 또한 주변 립(42)을 따라 "분배" 홈이라고 하는 환형 홈(45)을 구비하도록 요철로 구성되고, 분배 홈 역시 후방 컵(4)의 오목한 측면까지 이어지되, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 순환 홈(44)(들)보다 그 치수가 크다.
전방 컵(3)은 나중에 설명할 편향 격벽을 제외하면 후방 컵(4)에 대해 대칭이다. 따라서 상세하게 설명하지 않는다. 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 지시하되, 첫 번째 번호 4를 3으로 치환한다. 따라서 전방 컵(3)은 바닥부(31), 림(32), 출구 커넥터를 장착하기 위한 개구(320), 내부면(311), 외부면(312), 적어도 하나의 순환 홈(34) 및 "수집" 홈(35)이라 하는 주변 환형 홈을 포함하며, 이 홈들은 도 4에서 볼 수 있다.
바람직하게는, 컵들(3, 4)이 판금으로부터 스탬핑에 의해 제조된다. 따라서 바닥부(31, 41)는 변형되고, 내부면(311, 411)에 형성되는 홈들은 외부면(312, 412) 상의 돌기처럼 보인다.
중앙 격벽(5)은 바람직하게는 얇은 판금으로 제조된다. 중앙 격벽은 컵들(3, 4)의 바닥부(31, 41)의 윤곽을 따르는 윤곽을 갖는다. 중앙 격벽에는 다수의 개구(50)가 드릴링되며, 그 역할은 나중에 설명한다.
격벽(5)은 전면(53)과 후면(54)을 구비한다.
전방 컵(3)과 후방 컵(4)은 이들의 오목한 부분들이 서로를 향하도록 중앙 격벽(5)의 양 측면에 서로 액밀하게 조립된다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 두 컵(3, 4)의 측방향 주변 림들(32, 42)의 단부들은 용접 비드(51)에 의해 중앙부(5)의 원주에 용접된다.
또한, 순환 홈들(34, 44) 각각의 두 가장자리(윤곽)가 편평한 중앙 격벽(5)의 전면(53) 및 후면(54)에 각각 접촉되어 점들에 의해 또는 용접 비드(52)에 의해 용접되도록 조립이 수행된다. 두 개의 홈(35, 45)의 경우도 마찬가지이다.
컵들(3, 4)이 중앙 격벽(5)의 평면의 양 측면에서 대칭인 도 2 내지 도 5b에 도시된 예시적인 실시예에서, 용접(52)이 두 개의 컵 및 격벽(5)을 좌우로 연결하며 이는 제조 방법을 단순화시킨다는 것을 알 수 있다.
두 개의 컵(3, 4) 및 중앙 격벽(5)이 조립되고, 순환 홈들(34, 44)은 상기 격벽(5)과 함께 순환 채널들(36, 46)을 각각 규정(획정)하며, 분배 홈(45)들은 동일한 격벽(5)과 함께 수집 채널(37) 및 분배 채널(47)을 규정한다(도 4 및 도 4a 참조).
디플렉터의 하나의 특정한 실시예를 이제 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한다.
도 5a에서, 컵(4)이 주변 분배 홈으로부터 컵의 중앙을 향해 함께 나선형으로 감긴 5개의 인접한 순환 홈을 포함하는 것을 볼 수 있다. 이들은 도면에 도시되지 않은 격벽(5)과 함께, 5개의 순환 채널(46a, 46b, 46c, 46d, 46e)을 형성하며, 채널(46a)이 가장 외측에 배치된다.
이 5개의 순환 채널(46a, 46b, 46c, 46d, 46e)은 두 개의 단부들 중 "제1 단부"라고 하는 하나의 단부에서 분배 채널(47)로 이어지고, 제1 단부들은 각각 도면 부호 461a, 461b, 461c, 461d 및 461e로 지시된다. 각각의 반대편 단부들은 462a, 462b, 462c, 462d 및 462e로 지시된다.
편향 격벽(48)이 또한 최외측 채널(46a)의 단부(461a)의 외측 지점을 림(42)에 연결한다.
편향 격벽은 입구 커넥터(40)를 통해 들어가는 유동을 분배 채널(47)을 돌고 채널들(46a 내지 46e)로 분배되어야 하는 유동으로부터 분리하도록 배치된다.
도 5b에서, 컵(4)에 대해 유사-대칭이고 이에 따라 상세하게 설명하지 않는 컵(3)을 볼 수 있다. 5개의 순환 채널(36a, 36b, 36c, 36d, 36e)의 제1 단부 및 제2 단부는 각각 도면 부호 361a, 361b, 361c, 361d, 361e 및 362a, 362b, 362c, 362d, 362e를 가지며, 편향 격벽은 도면 부호 38을 갖는다.
이 격벽(38)은 격벽(48)과 약간 다른 형상을 갖는다. 격벽은 림(32)을 최외측 채널(36a)의 제1 단부(361)의 외측 지점에 연결하지만,
각기 다른 순환 채널들(36a 내지 36e)을 빠져나가는 유동을, 출구 커넥터(30)를 향해 이 유동을 안내하도록, 수집 채널을 돌고 난 후에 수집 채널(37)에 수집되는 유동으로부터 분리하도록 배치된다.
5개의 개구(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)가 또한 각기 다른 채널들의 각각의 제2 단부들(462a, 462b, 462c, 462d, 462e 및 362a, 362b, 362c, 362d, 362e)을 마주보는 중앙 격벽(5)에 드릴링된다(도 3 참조).
디플렉터(2) 내부에서의 물과 같은 열전달 유체의 순환을 설명한다.
유체는 입구 커넥터(40)에 의해 디플렉터로 침투하고(화살표 i1), 분배 채널(47)의 전체를 순환하고(화살표 i2) 나서, 5개의 순환 채널(46a, 46b, 46c, 46d, 46e)로 분배되는데 순환 채널들 내부에서 순환은 병렬로 일어난다(화살표 i3). 이는 수두 손실을 감소시키는데 도움이 된다. 이에 따라 유체는 곡선 편형 격벽(48) 때문에 안내된다.
유체가 제2 단부들(462a, 462b, 462c, 462d, 462e)에 도달하면, 유체는 각각의 개구(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)를 통해 격벽(5)을 관통하여, 5개의 순환 채널(36a, 36b, 36c, 36d, 36e)로 침투하고(화살표 i4 및 도 5b) 각각의 제1 단부(361a, 361b, 361c, 361d, 361e)에서 순환 채널들을 빠져나간다. 그런 다음 열전달 유체는 수집 채널(37)에서 수집되고(화살표 i5), 편향 격벽(48)을 타격하며, 편향 격벽으로부터 유체가 출구 커넥터(30)로 후방 구동되고(화살표 i6), 출구 커넥터로부터 유체가 빠져나간다(화살표 i7).
컵들(3, 4)의 대칭적인 형상 때문에, 중앙 격벽(5)의 양 측면에 위치된 각각의 쌍의 채널들(36a, 46a 내지 36e, 46e)(또한 도 4 참조a)에서 유체가 역류(화살표 i3, i4)하면서 순환하는 것을 알 수 있다.
방금 설명한 실시예는 비제한적이며, 따라서 5개보다 많거나 적은 수의 순환 채널이 있을 수 있다. 도 10에는, 예를 들어, 컵(4)이 그 자신에 대해 나선형으로 감긴 단 하나의 순환 채널(46a)을 포함한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 컵들의 바닥부 상에서의 순환 채널들의 경로가 나선 형상에 한정되지 않고, 임의의 다른 형상, 예를 들어 코일(도 11) 또는 직선 형상(예를 들어 eh 12에 도시된 6개의 평행한 채널들(46a 내지 46f))이 가능함을 또한 알 수 있다.
순환 채널들의 형상에 무관하게, 순환 채널들은 바닥부들(31, 41)의 적어도 일부분에 걸쳐 그리고 바람직하게는 수집 및 분배 채널들의 내부에 있는 표면 전체에 걸쳐 연장하도록 형성된다.
마지막으로, 격벽(5)의 양 측면에서 채널들의 대칭적인 분배가 용접을 단순화하는 데 유리하지만, 필수적인 것은 아니다. 따라서 전방 컵(3)에 형성되는 순환 채널(들)은 후방 컵(4)에 형성되는 순환 채널(들)과 다른 특정 형상을 가질 수 있다.
앞에서 설명한 디플렉터는 응축식 열교환기에 설치되도록 설계된다.
이러한 교환기의 제1 실시예를 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 1을 참조한 종래 기술의 교환기(1)에 대해 설명한 것과 동일한 구성 요소는 다시 상세하게 설명하지 않으며 동일한 도면 부호를 붙인다. 본 발명에 따른 교환기는 간단하게 도면 부호 1'를 붙인다. 쉘(10)의 두 부분(10a, 10b)은 도 6에서 이격된 위치에 도시되어 있다.
도 6 내지 도 8에 도시된 교환기는 한 줄로 이어지는 두 개의 동축 튜브 다발을 포함하는데, 그 중 하나(12a)는 주 교환기의 역할을 하고 나머지 하나(12b)는 부 교환기의 역할을 한다. 다발(12a)은 축선(X-X') 둘레로 나선형 권선을 형성하는 인접한 두 개의 튜브를 포함한다. 다발(12b)은 축선(X-X') 둘레로 나선형으로 감긴 단일의 튜브를 포함한다.
튜브들은 열전도성이 양호한 소재로 만들어진다.
유리하게는, 튜브들은 장변들이 축선(X-X')과 직교하는 납작하고 타원형인 직선 영역을 구비한다.
유리하게는, 튜브들의 넓은 면들에 구비되는 보스(boss)들(미도시)이 스페이서의 역할을 하는데, 이들은 권선의 각각의 턴(turn) 사이에 획정되는, 실질적으로 일정하고 튜브들의 직선 영역의 두께(E)(도 7 및 도 8 참조)보다 작은 교정된 값의 틈새(121)을 허용한다.
각각의 튜브는 직선 축선을 갖는 직선 단부 부분들을 포함하며, 또한 직선 단부 부분은 배출 단부 부분(오리피스)이 원형인 계속해서 변하는 영역을 갖는다.
서로 다른 다발들(12a, 12b)을 형성하는 세 개의 튜브는 동일하며, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 동일한 길이, 동일한 튜브 직경 및 동일한 나선형 권선 직경을 갖는다. 튜브들은 각각의 오리피스(120)의 종축선이 동일한 평면(P)로 연장하도록 외피(envelope)(10a, 10b) 내에 위치된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 디플렉터(2)는 그 외부 직경(D1)이 다발들(12a, 12b)의 외부 직경(D2)과 동일하거나 실질적으로 동일하도록 그 치수가 정해진다. 마찬가지로, 또한 유리하게는, 출구 커넥터(30) 및 입구 커넥터(40)의 외부 직경들(D3, D4)(도 2 참조)은 튜브 다발들(12a, 12b)의 오리피스(120)의 출구 직경(D5, D6)과 동일하다. 마지막으로, 입구 커넥터(40) 및 출구 커넥터(30)의 두 단부들 사이의 길이(L1)(도 2 참조)는 유리하게는 다발들(12a, 12b)의 각각의 튜브 권선의 두 오리피스(120)의 두 단부들 사이의 거리(L2)(도 6 참조)와 동일하다.
또한 바람직하게는, 디플렉터(2)의 가장 두꺼운 부분에서의(수집 채널(37) 및 분배 채널(47)에서의) 두께(E1)는 나선형 튜브의 하나의 권선의 두께(E2)(도 7 및 도 8 참조)와 동일하거나 혹은 실질적으로 동일하다.
따라서 디플렉터(2)의 기하학적 형상으로 인해 디플렉터가 튜브 대신 교환기(1')에 배치될 수 있게 되고, 이는 종래 기술의 디플렉터(14) 및 그 단열 내화물을 동시에 유리하게 치환한다.
열전달 유체가 순환하게 하는 수단에 대한 튜브 다발들(12a, 12b) 및 디플렉터(2)의 연결은 도 6 및 도 8을 참조하여 아래에서 설명하는 바와 같이 수행된다.
튜브들의 입구 오리피스 및 출구 오리피스는 쉘(10)에 구비되는 적절한 개구들에 밀폐식으로 크림핑되어, 수집기들(17, 18)의 내부로 이어진다.
입구-출구 수집기(17)는 가열될 유체를 운반하기 위한 파이프 및 가열된 유체를 배출하기 위한 파이프에 각각 연결될 수 있는 입구 챔버(171)와 출구 챔버(172)를 포함한다.
입구 챔버(171)는 튜브 다발(12b)의 입구 오리피스(120)에 그리고 입구 커넥터(40)에 연결되며, 입구 커넥터로 가열될 유체가 들어간다. 출구 챔버(172)는 튜브 다발(12a)의 출구 오리피스(12)에 연결되고, 출구 오리피스를 통해 가열된 유체가 빠져 나간다.
반대편 수집기(18)는 단일의 전달 챔버(180)를 구비하며, 이 단일 전달 챔버는 다발들(12a, 12b)의 오리피스(120)들에 그리고 출구 커넥터(30)에 다 연결된다. 따라서 커넥터(30)는 다발(12a)과 유체 연통된다.
챔버(17)에 들어가는 유체(화살표 k1)는 두 개의 유동으로 분할되고, 각각의 유동은 다발(12b) 및 디플렉터(2)를 통과하여, 챔버(180)에서 다시 합쳐져서 다발(12a)의 튜브들로 전달(화살표 k2)되어 챔버(172)로 안내된 다음 빠져나간다.
상술한 실시예에서, 디플렉터(2)에서 그리고 튜브 다발들(12a, 12b)에서 순환하는 것은 동일한 열전달 유체이지만, 두 개의 상이한 열전달 유체 공급이 있을 수 있는데 하나는 디플렉터(2)에 대한 것이고 다른 하나는 튜브 다발들(12a, 12b)에 대한 것이다.
고온 가스는 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일한 경로를 따른다. 고온 가스는 열전달 유체에 대해 역류하면서 순환한다(도 8의 화살표 j1, j2).
도면 부호 1"를 갖는 교환기의 다른 실시예를 도 9를 참조하여 설명한다. 이 교환기는 (고온 가스의 순환 방향에 대해) 디플렉터(2)의 하류에서 부 열교환기의 역할을 하는 튜브 다발(12b)을 포함하지 않는 점에서 교환기(1')와 다르다. 나머지는 동일하며, 동일한 요소들은 동일한 도면 부호를 갖는다.
이 경우, 고온 가스는, 전방 컵(3)의 외부면(312)에 스치고 주 다발(12a)의 턴들 사이의 틈새(121)들을 통과한 후에, 슬리브(13)를 통해 빠져나가기 전에 후방 컵(4)의 외부면(412)에 스치고 접촉되어 냉각되는 동안 바로 빠져나간다.
방금 설명한 디플렉터(2)는 FR 2 843 189에 개시된 바와 같이 두 개의 튜브 다발을 구비하며 하나는 버너 둘레에 그리고 나머지는 그 옆에 평행하게 배치되는 열교환기, 또는 FR 2 913 105에 개시된 바와 같이 세 개의 튜브 다발을 구비하며 두 개는 버너 둘레에 나머지는 그 옆에 처음의 두 다발과 평행하게 교환기에서 또한 사용될 수 있다.
설명한 모든 실시예들에서, 본 발명에 따른 디플렉터는 두 개의 외부 표면(312, 412)이 모든 순환 채널들(36a 내지 36e 및 46a 내지 46e)에서의 완전히 제어된 물 순환에 의해 냉각되는 장점을 갖는다. 이에 의해 어떠한 고온 지점도 없앨 수 있다.
또한, 빠져나가는 가스는 후방 컵(4)의 외부면(412)과 접촉하면서 그 온도가 감소한다. 가스(연기)의 출구 온도는 교환기에 들어가는 물의 온도(30℃ 근처)에 가깝거나 동일하다. 연소 챔버(15) 및 응축 챔버(16)에서의 응축률이 증대된다.
마지막으로, 질소 산화물(NOx) 배출물이 종래 기술의 내화물 디플렉터를 구비한 열교환기보다 대략 20% 정도 더 낮다.

Claims (12)

  1. 응축식 열교환기용 디플렉터(2)로,
    "전방" 컵(3) 및 "후방" 컵(4)이라고 하는 두 개의 컵, 편평한 중앙 격벽(5), 입구 커넥터(40) 및 출구 커넥터(30)를 포함하며, 각각의 컵(3, 4)이 주변 림(32, 42)에 의해 둘러싸이는 바닥부(31, 41)를 포함하며,
    각각의 컵의 바닥부의 내부면(311, 411)은 상기 바닥부의 적어도 일부분에 걸쳐 연장하는, "순환" 홈이라고 하는, 적어도 하나의 홈(34, 44)을 구비하도록 요철로 구성되고,
    두 개의 컵(3, 4)은 이들의 각각의 오목한 부분들이 서로를 향하도록 상기 중앙 격벽(5)의 양 측면에 서로 액밀하게 조립되고,
    각각의 순환 홈(34, 44)이 상기 중앙 격벽(5)과 함께 "순환" 채널(36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 46a, 46b, 46c, 46d, 46e)이라고 하며 물과 같은 열전달 유체가 순환하도록 설계되는 적어도 하나의 채널을 형성하며,
    두 개의 컵과 중앙 격벽이 열전도성이 양호한 소재로 만들어지고,
    전방 컵(3) 및 후방 컵(4)의 각각의 순환 채널(36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 46a, 46b, 46c, 46d, 46e)의 두 단부들 중 제1 단부(361a, 361b, 361c, 361d, 361e, 461a, 461b, 461c, 461d, 461e)가 상기 디플렉터의 출구 커넥터(30) 및 입구 커넥터(40)와 각각 유체 연통하고,
    전방 컵(3)의 각각의 순환 채널의 제2 단부(362a, 362b, 362c, 362d, 362e)가 후방 컵(4)의 채널의 제2 단부(462a, 462b, 462c, 462d, 462e)와 상기 중앙 격벽에 드릴링되는 개구(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)를 통해 연결되고, 이에 따라 상기 열전달 유체가 상기 중앙 격벽(5)의 양 측면들에서 유동하는 동안 순환 채널들의 세트를 통해 입구 커넥터(40)로부터 출구 커넥터(30)까지 순환할 수 있고,
    전방 컵(3)의 바닥부(31) 및 후방 컵(4)의 바닥부(41)가 상기 순환 홈(34, 44) 둘레로 연장하는, "수집" 홈(35) 및 "분배" 홈(45)이라고 각각 하는, 주변 환형 홈을 형성하도록 요철로 구성되고, 두 개의 컵(3, 4)은 수집 홈(35) 및 분배 홈(45)이 상기 중앙 격벽(5)과 함께 수집 채널(37) 및 분배 채널(47)을 각각 형성하도록 중앙 격벽(5)의 양 측면에 조립되고, 입구 커넥터(40)는 상기 분배 채널(47)로 이어지고, 출구 커넥터(30)는 상기 수집 채널(37)로 이어지며, 상기 분배 채널(47) 및 수집 채널(37)이 열전달 유체가 분배 채널(47)로부터 후방 컵(4)의 순환 채널들(46a, 46b, 46c, 46d, 46e)로 그리고 전방 컵(3)의 순환 채널들(36a, 36b, 36c, 36d, 36e)로부터 수집 채널(37)로 각각 안내되게 하는 편향 격벽(48, 38)을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 디플렉터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전방 컵(3)의 순환 채널 또는 채널들(36a, 36b, 36c, 36d, 36e) 및 후방 컵(4)의 순환 채널 또는 채널들(46a, 46b, 46c, 46d, 46e)이, 전방 컵을 마주보게 위치된 후방 컵(4)의 순환 채널 또는 채널들에서 순환하는 열전달 유체의 방향에 역류하는 방향으로 열전달 유체가 전방 컵(3)의 순환 채널 또는 채널들에서 순환하도록, 상기 중앙 격벽(5)을 관통하는 대칭 평면에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는 디플렉터.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    순환 채널 또는 채널들(36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 46a, 46b, 46c, 46d, 46e)이 나선 형태인 것을 특징으로 하는 디플렉터.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    순환 채널 또는 채널들(36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 46a, 46b, 46c, 46d, 46e)이 코일 형태인 것을 특징으로 하는 디플렉터.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    순환 채널 또는 채널들(36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 46a, 46b, 46c, 46d, 46e)이 직선 형태인 것을 특징으로 하는 디플렉터.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전방 컵(3) 및 후방 컵(4)이 나선형으로 나란하게 감기고 그 내부에서 열전달 유체가 평행하게 순환하는 적어도 두 개의 순환 채널(36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 46a, 46b, 46c, 46d, 46e)을 포함하고, 전방 컵(3)의 상기 순환 채널들(36a, 36b, 36c, 36d, 36e)의 제1 단부들(361a, 361b, 361c, 361d, 361e)이 수집 채널(37)로 이어지며, 후방 컵(4)의 상기 순환 채널들(46a, 46b, 46c, 46d, 46e)의 제1 단부들(461a, 461b, 461c, 461d, 461e)은 분배 채널(47)로 이어지는 것을 특징으로 하는 디플렉터.
  7. 응축식 열교환기(1', 1")로,
    나선형으로 감기고 한 줄로 배치되는 튜브 또는 튜브 그룹으로 이루어진 적어도 하나의 다발(12a, 12b) 및 적어도 하나의, 물과 같은, 가열될 열전달 유체를 상기 튜브 다발(12a, 12b) 내부에서 순환시키도록 구비되는 수단을 포함하되, 튜브는 열 전도성이 양호한 소재로 만들어지고, 다발(들)은 기밀 쉘(10) 내부에 고정적으로 장착되며, 쉘은 가스 배출 슬리브(13)를 구비하며, 상기 응축식 열교환기(1', 1")가 적어도 하나의 튜브의 상기 다발(12a)의 단부에 배치되거나 혹은 인접한 다발들(12a, 12b) 중 두 개의 다발 사이에 끼워지는 디플렉터, 및 고온 가스를 운반하거나 혹은 고온 가스를 발생시키기 위한 수단(11)을 또한 포함하는 응축식 열교환기에 있어서,
    상기 디플렉터(2)가 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 것이고,
    디플렉터(2) 및 고온 가스를 운반하거나 혹은 고온 가스를 발생시키기 위한 상기 수단(11)이, 상기 고온 가스가 디플렉터의 전방 컵(3)의 외부면(312)에 스치고 나서, 상기 디플렉터(2)의 상류에 위치된 튜브들 또는 튜브 그룹들의 다발(12a)을, 그 턴들을 이격시키는 틈새(121)들을 통해 내부로부터 외부로 통과하는 것에 의해, 반경 방향으로 관통하고, 그리고 마지막으로, 상기 가스 배출 슬리브(13)를 통해 배출되기 전에, 상기 디플렉터의 후방 컵(4)의 외부면(412)에 스치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 응축식 열교환기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 디플렉터(2)의 출구 커넥터(30)가 튜브 다발(12a)들 중 적어도 하나의 튜브 다발과 유체 연통하며, 이에 따라 디플렉터(2)에서 그리고 튜브 다발(12a)(들)에서 순환하는 것이 동일한 열전달 유체인 것을 특징으로 하는 응축식 열교환기.
  9. 청구항 7에 있어서,
    디플렉터(2)의 외경이 튜브 다발(들)(12a, 12b)의 외경과 동일하고, 디플렉터(2)의 입구 커넥터(40)의 양 단부 사이 및 출구 커넥터(30)의 양 단부들 사이의 길이(L1)가 각 튜브 다발(12a, 12b)의 튜브의 오리피스(120)들의 양 단부들 사이의 길이(L2)와 동일한 것을 특징으로 하는 응축식 열교환기.
  10. 청구항 7에 있어서,
    디플렉터(2)가 튜브들 또는 튜브 그룹들의 두 개의 다발(12a, 12b) 사이에 끼워지고, 고온 가스의 유동 방향에 대해 디플렉터(2)의 상류에 위치되는 다발(12a)이 주 교환기의 역할을 하며 그리고 디플렉터(2)의 하류에 위치되는 다발(12b)은 부 교환기의 역할을 하며, 이에 따라 고온 가스가 디플렉터의 전방 컵(3)의 외부면(312)에 스치고 나서, 주 교환기의 튜브들 또는 튜브 그룹들의 다발(12a)을, 그 턴들을 이격시키는 틈새(121)들을 통해 내부로부터 외부로 통과하는 것에 의해, 반경 방향으로 관통하고 난 다음, 부 교환기의 튜브들 또는 튜브 그룹들의 다발(12b)을, 그 턴들을 이격시키는 틈새(121)들을 통해 외부로부터 내부로 통과하는 것에 의해, 반경 방향으로 관통하고, 그리고 마지막으로, 상기 가스 배출 슬리브(13)를 통해 배출되기 전에, 상기 디플렉터의 후방 컵(4)의 외부면(412)에 스치는 것을 특징으로 하는 응축식 열교환기.
  11. 청구항 7에 있어서,
    튜브 다발(12a, 12b)의 튜브(들)의 벽이, 장변들이 나선의 축선(X-X')과 직교하는 납작하고 타원형인 직선 영역을 구비하는 반면, 인접한 턴들을 이격시키는 틈새의 폭은 일정하고 상기 직선 영역의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 응축식 열교환기.
  12. 삭제
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