KR19990017566A - 톱니형 핀 부착 핀튜브 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 톱니형 핀 부착 핀튜브에 관한 것으로, 배열회수 증기발생기나 보일러 등의 산업용 열교환기에 사용되는 고성능 절연관에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

핀튜브 주위의 전열특성이 유동영역에 따라 상이한 양상을 나타냄에도 불구하고 튜브 측면에 부착된 톱니형 핀의 형상이 전부 동일하기 때문에 유속이 빠른 측류영역에 비해 상후류 영역에서 전열성능이 낮아지는 문제점이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

상류 및 후류영역에는 비틀린 톱니형 핀을, 측류영역에서는 평판 톱니형 핀을 복합적으로 부착가공하여 구성되는 본 발명에 의해 해결됨.

4. 발명의 중요한 용도

핀튜브를 중심으로 형성되는 상류와 후류의 유동영역에서의 난류강도를 크게하여 전체 전열관의 전열성능을 높일 수 있는 탁월한 효과가 있음.

Description

톱니형 핀 부착 핀튜브

본 발명은 톱니형 핀 부착 핀튜브에 관한 것이며, 특히 산업용 열교환기(Heat Exchanger)에 사용되는 핀튜브(Finned Tube)에 관한 것으로서, 핀튜브 주위의 유동특성을 고려하여 영역별로 다른 형상으로 가공된 핀을 부착한 핀튜브에 관한 것이다.

열병합발전소의 배열회수 증기발생기(Heat Recovery Steam Generator)나 보일러 등에 사용되는 열교환기는 온도가 다른 2개의 유체를 직접 또는 간접으로 접촉시켜 열을 교환시키는 장치로써 이러한 산업용 열교환기는 고성능의 전열관(Highly Efficient Finned Tube)이 필요하게 된다.

상기 전열관은 유체의 접촉면적을 크게 하기 위해 표면에 핀(fin)을 붙인 관으로 구성되는데 이러한 관을 핀튜브라고 한다.

기존의 핀튜브에는 같은 형상의 톱니형 핀(Serrated Fin)이 튜브 외부에 나선형으로 감기면서 고주파 용접(High Frequency Welding)에 의해 튜브와 결합된다.

제1도는 종래의 톱니형 핀튜브의 측면도를 나타낸 것이고, 제2도는 종래의 핀의 형상을 나타낸 핀튜브의 단면도이다.

전열관의 기능은 연소배가스와 같은 버려지는 열을 회수하는 것이므로 연료를 절감을 할 수 있을 정도로 충분히 열을 회수할 수 있어야 하므로 제1도와 같은 핀튜브가 이용된다. 이러한 종래의 핀튜브는 그 효율을 증가시키기 위하여 핀간격을 줄이거나, 핀높이를 증가시키는 등의 개선이 이루어져 왔다.

그런데, 상기 핀튜브 주위에 형성되는 유동장은 다른 열전달조건을 가지는 세가지의 유동영역을 가진다.

즉, 처음으로 핀튜브가 유체에 노출되어 유체가 핀튜브의 반경방향 안쪽(Inward radial direction)으로 흘러들어 오면서 형성되며 상대적으로 높은 압력을 가지는 상류영역(Upstream zone)과, 유체가 상기 튜브와 충돌한 후 두갈래로 갈라져 튜브 주위를 돌아서 튜브 양측의 접선방향으로 유동하여 형성되며 상류영역보다는 낮는 압력을 가지는 측류영역(Sidestream Zone)과, 마지막으로 핀의 꼬리부에 형성하며 일반적으로 유체가 반경방향 바깥쪽(Outward radial direction)으로 흐르면서 와류(Swirling Vortex)를 형성하여 상대적으로 낮은 압력을 가지는 후류영역(Downstream Zone)으로 구분되는데, 상기 유동역에 따라 유체의 유동특성과 전열작용(Heat Transfer Mechanism)은 큰 차이가 있다.

즉, 첫 번째인 상기 상류영역에서는 외부 유체의 흐름이 유동정체점(Flow Stagnation Point)에 충돌된 후 층류흐름이 형성되고, 두 번째 영역인 상기 측류영역을 따라 순방향 압력구배(Favorable Pressure Gradient)에 의해 핀튜브의 곡면을 따라 후류로 진행함에 따라 유속이 증가하는 난류유동양상을 보이고, 세 번째인 후류영역에서는 역방향 압력구배(Adverse Pressure Gradient)에 의해 유속이 점차로 감소되다가 경계층이 박리(Separation)되어 후류를 형성한다.

이처럼 상류영역에서의 유동은 층류이고, 후류영역에서는 유속 및 난류 강도가 떨어져서, 난류유동을 가지는 측류영역보다 전열성능이 저하되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같이 핀튜브 주위의 전열특성이 유동영역에 따라 상이한 양상을 나타내기 때문에, 유속이 바른 측류영역에 비해 상후류 영역에서 전열이 작게 발생되어 전체 전열량의 값이 낮아지는 결점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 상기 핀튜브를 중심으로 형성되는 유체의 유동영역 중 상류와 후류에서의 난류강도를 크게하여 전체 전열관의 전열성능을 높일 수 있는 핀튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은, 상류 및 후류영역에서는 유체의 난류강도를 크게하고 전열성능을 높이는 비틀린 톱니형 핀(Twisted Serrated Fin)을, 측류영역에서는 평판 톱니형 핀(Flat Serrated Fin)을 복합적으로 가공하여 구성하는 본 발명에 의해 달성될 수 있는 바, 이하 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.

제1도는 종래의 톱니형 핀튜브의 측면도.

제2도는 종래의 톱니형 핀튜브의 정면도.

제3도는 본 발명의 튜브상의 핀이 유동방향을 기준으로 나열된 형상을 나타낸 사시도

제4도는 본 발명의 핀튜브의 평면도

제5도는 본 발명의 톱니부의 부분 확대도

제6도는 제3도의 A-A선에 대한 단면도

제7도는 제3도의 B-B선에 대한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 튜브 2, 2' : 평판 톱니형 핀

3, 3' : 비틀린 톱니형 핀 4 : 기저부

5 : 톱니부 6 : 절편

7 : 말단팁 8 : 간극

제3도는 본 발명의 튜브상의 핀이 유동방향을 기준으로 나열된 형상을 나타낸 사시도이고, 제4도는 본 발명의 핀튜브의 평면도를 나타낸 것이며, 제5도는 본 발명의 톱니부의 부분 확대도를 나타낸 것이고, 제6도는 제3도의 A-A선에 대한 단면도를 나타낸 것이며, 제7도는 제3도의 B-B선에 대한 단면도를 나타낸 것이다.

본 발명은, 간극(8)만큼 벌어져서 이웃한 다수의 절편(6) 및 기저부(4)로 이루어진 톱니부(5)를 튜브에 나선형으로 감겨서 용접하여 고효율 핀을 튜브의 반경방향으로 펼쳐지도록 하여 이루어진 핀튜브에 있어서, 유동중인 유체가 형성하는 상류영역(11) 및 후류영역(13) 즉, 상기 튜브(1)측면의 전방 및 후방에 용접결합되는 비틀린 톱니형 핀(3)(3')과, 유동중인 유체가 형성하는 측류영역(12) 즉, 상기 튜브(1)측면의 상방 및 하방에 용접결합되는 평판 톱니형 핀(2)(2')으로 구성된다.

그리고, 상기 비틀린 톱니형 핀(3)(3')의 비틀림각(θ)은 핀과 튜브의 접속선에 대하여 2도 내지 40도의 각도를 가지며 수평방향의 비틀린 톱니형 핀(3)(3')은 40도이고 주위로 갈수록 상기 비틀림각(θ)이 작아져서 상기 평판 톱니형 핀(2)(2')에 이웃한 지점에서의 비틀림각(θ)은 2도가 되도록 구성된다.

제5도에서 확대하여 나타낸 톱니부(Serrated Portion)(5)는, 튜브(Tube)(1)의 측면에 부착되며 거기에 부착되는 평탄 톱니형 핀(Flat Serrated Fin)(2) 또는 비틀린 톱니형 핀(Twisted Serrated Fin)(3)은, 기저부(Base Portion)(4), 절편(Segment)(6), 말단팁(Distal Tip)(7) 및 간극(Gaps)(6)으로 구성되어 있으며, 핀튜브에 접근하는 외부유체의 흐름방향에 대하여 상하 45도 총 90도의 영역인 상류영역(11)에서는 비틀린 톱니형 핀(Twisted Serrated Fin)(3)이, 그리고 튜브(1) 후부인 상하 45도 총 90도의 영역인 후류영역(13)에서는 다시 비틀린 톱니형 핀(Twisted Serrated Fin)(3)이 복합적으로 가공되어 부착된다.

이하, 본 발명의 작용에 관해 상세히 설명한다.

본 발명은 배열회수증기발생기(Heat Recovery Steam Generator)나 보일러 등의 산업용 열교환기에 사용되는 고성능 전열관에 관한 것으로서, 먼저 제3도 및 제4도에 나타낸 바와 같이, 상류조건(Upstream Condition)의 상류영역(11)에서의 유동은 일반적으로 층류(Laminar Flow)인데, 측류영역(12)보다 상대적으로 높은 압력이며, 상기 비틀린 톱니형 핀(3)의 면적은 후류영역(13)상의 비틀린 톱니형 핀(3')의 면적보다 작도록 한다.

상기 측류영역(Sidestream Zone)(12)에서는 층류에서 난류로의 천이영역(Transition Zone)으로 이 영역에서의 핀은 가스유속을 향상시키기 위하여 평판 톱니형 핀(2)을 채용하는 것이 바람직하다.

상기 후류영역(Downstream Zone)(13)은 일반적으로 난류(Turbulent Flow) 영역이고, 상대적으로 상류영역(11) 및 측류영역(12)보다 압력이 낮으므로 톱니형 핀을 비틀린 톱니형 핀(3)으로 하는 것이 바람직하다.

제7도는 제3도에서의 B-B선에 대한 단면도인데 상기 비틀린 톱니형 핀(3)(3')의 비틀림각(θ)은 핀과 튜브의 접속선에 대하여 2도 내지 40도의 범위를 가지며, 수평방향의 비틀린 톱니형 핀(3)(3')은 40도이고 주위로 갈수록 상기 비틀림각(θ)이 작아져서 상기 평판 톱니형 핀(2)(2')에 이웃한 지점에서의 비틀림각(θ)은 2도가 되도록 한다.

그리고, 액체 및 고체연료의 고온 배가스(Flue Gas)에 포함되는 분진과 비산회 등의 미립자(Particle)가 유체 중에 섞여 있는데, 이러한 유동 중의 유체가 후류영역에서 이르러서는 운동량이 상당히 줄어 있는데 이로인해 핀튜브 표면에 상기 분진 또는 비산회 등의 불순물이 부착됨으로써 발생하는 파울링(fouling)의 양을 상당부분 줄일 수 있게 되는데 이것은 유체의 주흐름을 상기 후류영역(13)에 이르러 수직방향으로 전환시키는 비틀린 톱니형 핀(3')을 채용함으로써 절편(6) 사이의 간극(8)이 평판 톱니형 핀(2)보다 더욱 넓어져 이 사이를 통과하는 배가스의 흐름에 의해 튜브(1)의 후류영역(13)에서 난류(Turbulent Flow)가 더욱 촉진되어 전열이 한층 활발하게 일어나기 때문이다.

본 발명은 상기 핀튜브를 중심으로 형성되는 유체의 유동영역 중 상류와 후류에서의 난류강도를 크게하여 전체 전열관의 전열성능을 높일 수 있으며 구성이 간단하고 가공이 용이하여 경제적인 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 간극(8)만큼 벌어져서 이웃한 다수의 절편(6) 및 기저부(4)로 이루어진 톱니부(5)를 튜브에 나선형으로 감겨서 용접하여 고효율 핀을 튜브의 반경방향으로 펼쳐지도록하여 이루어진 핀튜브에 있어서, 유동중인 유체가 형성하는 상류영역(11) 및 후류영역(13) 즉, 상기 튜브(1)측면의 전방 및 후방에 용접결합되는 비틀린 톱니형 핀(3)(3')과, 유동중인 유체가 형성하는 측류영역(12) 즉, 상기 튜브(1)측면의 상방 및 하방에 용접결합되는 평판 톱니형 핀(2)(2')으로 구성되는 것을 특징으로 하는 톱니형 핀 부착 핀튜브.
2. 제1항에 있어서, 상기 비틀린 톱니형 핀(3)(3')의 비틀림각(θ)은 핀과 튜브의 접속선에 대하여 2도 내지 40도의 각도를 가지며 수평방향의 비틀린 톱니형 핀(3)(3')은 40도이고 주위에 갈수록 상기 비틀림각(θ)이 작아져서 상기 평판 톱니형 핀(2)(2')에 이웃한 지점에서의 비틀림각(θ)은 2도가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 톱니형 핀 부착 핀튜브.