KR19990066488A - 산업용 열교환기의 핀튜브용 고효율 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 열교환기에 사용되는 핀튜브용 고효율핀에 관한 것으로, 종래의 핀튜브용 핀의 표면은 평활하고 매끄러운 표면으로 형성되어 있어 핀튜브 주위에서 형성되는 유체의 유동장을 층류로 만들고,속도경계층 및 열경계층의 성장을 촉진시켜 핀으로의 열전달을 방해함에 따라 전체 핀튜브의 효율이 저하되었던 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 핀튜브용 핀의 표면에 널(Knurl)가공을 함으로써, 핀의 표면적 증대와 핀 주위의 유동특성이 층류에서 난류로 변화함에 따른 속도 경계층 및 열 경계층의 두께 감소를 통해 열교환기의 전열성능이 향상되어 에너지 절감에 탁월한 효과가 있을 뿐만 아니라, 별도의 장치와 고정요소 없이 핀의 표면가공만으로도 열전달 효율을 증대시키는 점에서 매우 경제적인 효과도 있다.

Description

산업용 열교환기의 핀튜브용 고효율 핀

본 발명은 산업용 열교환기에 사용되는 핀튜브용 고효율핀에 관한 것으로, 구체적으로는 핀튜브 주위의 유동특성을 고려하여 핀의 표면에 앞뒤로 널(KNURL)가공함으로써, 핀의 표면적을 넓힐 수 있을 뿐만 아니라 핀주위의 유동을 층류에서 난류로 전환시켜 고온유체에서 저온유체로의 열전달을 향상시킬 수 있는 핀튜브용 고효율핀에 관한 것이다.

일반적으로 서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 두 유체 사이의 열교환 현상은 많은 공업 응용 분야에서 찾아볼 수 있으며, 이러한 열교환을 수행하는 장치를 열교환기라 하며, 공간가열, 공기 조화, 동력발생, 폐열회수화학공정 등에서 응용된다.

특히, 산업용 열교환기의 핀튜브용 핀은, 튜브로의 전열표면적을 늘리는 역할을 하며 이처럼 고온유체에 포함된 열량의 튜브로의 전달을 극대화시키기 위해 튜브의 표면에 용접 등을 통해 부착하게 되는 것이다.

그리고, 핀튜브용 핀은 고온유체의 특성, 핀튜브 주위의 유체의 유동특성, 열전달율, 그리고 제작비용 등을 고려하여 사용 용도에 적합한 최적의 형상을 지닌 핀을 제작함이 바람직하다.

도 3은 종래의 연속형 핀튜브의 횡단면도이고, 도 4는 도 3의 A-A 방향 종단면도이다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 핀튜브는 연속형핀(SOLID FIN)이 튜브 외부에 나선형으로 감기면서 고주파 용접(High Frequency Welding) 등에 의해 튜브와 결합된 구조를 하고 있다.

그러나, 상기와 같은 구조 즉, 상기 핀의 표면에 아무런 가공이 가해지지않고 단지 매끄러운 표면만으로 이루어져 있으면, 상기 핀 주위를 흐르는 유체의 유동특성을 층류로 만들고, 속도 경계층 및 열 경계층의 성장을 촉진시켜 핀으로의 열전달을 방해함에 따라 전체 핀튜브의 효율을 저하시키는 문제점이 발생된다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 종래의 핀의 표면형상을 고온유체로부터 유리한 전열작용이 일어날 수 있도록 개선함으로서 핀의 표면적을 넓히고 또한, 핀의 표면을 거칠게 하여 핀주위의 유동을 층류에서 난류로 변화시키고 속도경계층 및 열경계층의 두께를 감소시켜 고온유체에서 저온유체로의 열전달을 최대화할 수 있는 핀튜브용 고효율핀을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적은 상기 핀의 전후 양 표면에 널(Knurl)가공처리가 된 본 발명에 의해 달성될 수 있는 바,이하 첨부한 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예를 통해 고효율핀을 부착한 핀튜브의

종단면도.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따라 고효율핀을 부착한 핀튜브의 종단면도.

도 3은 종래의 연속형핀을 장착한 핀튜브의 횡단면도.

도 4는 도 3의 A-A선에 대한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1.튜브 2.핀

3.널

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예를 통해 고효율핀을 부착한 핀튜브의 종단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따라 고효율핀을 부착한 핀튜브의 종단면도를 나타낸 것이다.

본 발명은, 산업용 열교환기의 핀튜브용 핀에 있어서, 상기 핀(2)의 표면에 널(3)을 가공한 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명은 배열회수증기발생기(Heat Recovery Steam Generator)나 보일러 등의 산업용 열교환기에 사용되는 고효율 전열관에 있어서, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 튜브(1)에 용접 등의 고정수단으로 결합되는 핀(2)의 전후 양 표면 각각을 울퉁불퉁한 평면형상의 널(3)가공처리를 한 것이다.

도 1에 도시된 제1실시예는 상기 널(3)가공된 부분의 단면 형상이 삼각형 모양으로 된 것이고, 도 2에 도시된 제2실시예는 상기 단면 형상이 사다리꼴 모양으로 된 것이다.

그리고, 본 발명에서는 열전달의 증진을 위해 핀(2)의 그 밖의 표면도 거칠게 가공한다.

따라서, 본 발명의 핀튜브용 핀(2)의 표면에 울퉁불퉁한 모양으로 널(3)가공처리된 형상은 제1 및 제2 실시예만으로 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 본 발명의 기술적 사상내에 포함되며, 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 실시가능함은 명백하다.

이하, 본 발명의 작용에 관해 상세히 설명한다.

본 발명에서는 핀튜브용 핀(2)의 표면에 널(3)가공을 함으로써, 핀 주위의 유체의 유동특성을 핀의 표면에 널가공하지 않은 경우와는 판이하게 변화시킬 수 있다.

그 대표적인 예로서, 상기 핀(2)의 표면에 가공된 널(3)로 인하여 상기 핀 주위의 유체의 유동저항을 증대시키고 발산효과를 야기시켜 상기 핀(2) 표면을 지나는 유체의 경계층의 분리 이탈을 촉진시킴에 따라 난류를 유발하게 되고 따라서 상기 핀(2)의 대류열전달계수가 증가하게 된다.

다시 말하면, 상기 널(3)가공된 핀(2) 주위의 유체의 유동은 층류보다는 난류를 더욱 발달시켜 상기 널(3)가공된 핀(2) 주위에 형성되는 속도 경계층 및 열경계층의 두께를 종래의 널(3)가공되지 않은 핀보다 감소시킬 수 있음에 따라, 상기 두께가 감소된 속도 경계층과 열경계층은 고온유체로부터 저온유체로의 열전달을 더욱 쉽게 만들어 줌으로써, 열교환기의 전열특성을 향상시킬 수 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 상기 널(3)가공된 핀(2) 주위의 유체의 운동은 매우 불규칙하고, 속도 요동이 있는 난류로 되는데, 상기 요동은 운동량 및 에너지 전달을 증가시키므로, 표면마찰 뿐만 아니라, 대류열전달률을 증가시키는 한편, 요동에 기인하는 유체의 혼합에 의하여 속도와 온도의 경계층 형상은 층류에서보다 현저히 두께를 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 핀(2)의 표면에 상기 널(3)가공을 함으로써, 핀(2)의 표면에 널(3)가공을 하지 않은 경우보다 핀(2)의 단위 체적당 열전달 표면적을 증대시켜 고온유체와의 접촉면적을 크게 할 수 있으므로 열전달율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 상기 도 1과 도 2의 두 실시예의 작용을 비교함에 있어 각각 장단점이 있는 바, 그점에 대해 살펴보기로 한다.

우선, 도 1의 삼각형의 단면을 가진 제1실시예에서는 핀(2)의 표면거칠기가 매우 큼에 따라 난류로의 전환이 매우 용이해지는 반면에, 단위체적당 열전달 표면적은 도 2의 제2실시예보다 작으며 핀(2)의 청소도 용이하지 않게 됨에 따라 유체의 불순물,녹의 생성 등으로 열전달에 대한 저항이 커질 수 있다.

반면에, 도 2의 제2실시예는 핀(2)의 표면거칠기가 도 1의 제1실시예에 비해서 작으므로 난류로의 전환이 저하되지만, 단위체적당 열전달 표면적은 매우 크게 되어 대류 열전달에 대한 열저항을 감소시키게 되고, 핀(2)의 청소가 도 1의 실시예에 비해 용이하므로 오염인자로 인한 열저항의 증가를 감소시킬 수 있다.

따라서, 상기 널(3)가공 부분의 형상은 고온유체의 특성, 핀튜브 주위의 유체의 유동특성, 열전달율, 오염인자, 적절한 기하학적 매개 변수, 그리고 제작비용 등을 고려하여 사용 용도에 적합한 최적의 형상을 지니도록 가공함이 바람직하다.

예를 들면, 핀 튜브 주위의 유동장은 유동방향에 직각인 반경을 기준으로 전반부 영역과 후반부 영역 및 양측면부 영역으로 구분될 수 있는데, 전열성능이 전후반부 영역에 비해 상대적으로 저조한 핀의 양측면부 영역에만 상기 전열성능을 강화시키기 위해 상기 널(3)가공처리를 할 수 있다.

또한, 상기 핀(2)의 반경 방향에 따른 열전달율의 불균일성을 해소시키기 위해 각각의 열전달 상황에 대응하여 상기 널(3)가공이 된 부분의 단면적을 상기 핀(2)의 반지름 방향을 기준으로 내향에서 외향으로 갈수록 감소하도록 처리할 수도 있고 그 반대로 즉, 내향에서 외향으로 갈수록 단면적이 증가하도록 처리할 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기 연속형 핀(Solid Fin) 뿐만 아니라, 톱니형 핀(Serrated Fin)에도 전열특성을 향상시키기 위해 적용되어 상기 연속형 핀에서와 같은 작용을 함은 자명하다.

본 발명은, 핀튜브용 핀의 표면에 널(Knurl)가공을 함으로써, 핀의 단위 체적당 열전달 표면적의 증대와 핀 주위의 유동을 층류에서 난류로 변화함에 따른 속도 경계층 및 열 경계층의 두께 감소를 통해 열교환기의 전열성능을 향상시킴으로써, 에너지 절감에 탁월한 효과가 있다.

또한 별도의 장치와 고정요소 없이, 핀의 표면가공만으로도 열전달 효율을 증대시키는 점에서 매우 경제적인 효과도 있다.

Claims (4)

1. 산업용 열교환기의 튜브부재에 용접 등의 결합수단으로 고정되는 핀에 있어서, 상기 핀(2)의 표면에 널(3)이 가공이 된 것을 특징으로 하는 산업용 열교환기의 핀튜브용 핀.
2. 제1항에 있어서, 상기 핀(2)의 전열성능이 저하되는 양 측면부 표면에만 상기 널(3)가공이 된 것을 특징으로 하는 산업용 열교환기의 핀튜브용 핀.
3. 제1항에 있어서, 상기 핀(2)이 톱니형 핀이고, 상기 톱니형 핀의 표면에 널(3)가공이 된 것을 특징으로 하는 산업용 열교환기의 핀튜브용 핀.
4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 널(3)이 가공이 된 부분의 단면적이 상기 핀(2)의 반지름 방향을 기준으로 내향에서 외향으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 산업용 열교환기의 핀튜브용 핀.