KR20010023338A - 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저 - Google Patents

단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저 Download PDF

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KR20010023338A
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Abstract

유로를 정의하는 적층판이나 튜브(12)를 가지며 그러한 유로 내부에 위치한 터어뷸라이저(18,30,45,50,55,60)를 가진 열교환기(10)가 발표되었다. 터어뷸라이저(18,30,45,50,55,60)는 회선열(32,34)을 가진 인장금속형태로 되어 있다.
중첩(32,34)은 주기적으로 단속되어서 회선(32,34)사이나 또는 하류에 위치한 비회선(非回旋)의 압력회복영역(40)을 형성한다. 또한 선회(32,34)열은 서로 떨어져서 선회열간에 종방향의 중립영역(56,61)을 제공할 수 있다.
압력회복영역(40,56,61)과 종방향의 중립채널(62)은 현저히 열전달을 감소시키지 않고도 열교환기(10)내의 압력강하를 감소시켜준다.

Description

단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저{HEAT EXCHANGER TURBULIZERS WITH INTERRUPTED CONVOLUTIONS}
그 안의 유로(flow passages)를 규정(define)하는 다중(multiple) 적층(積層)(stacked) 튜브 나 판 대우(對偶)(plate pairs)로 제작된 열교환기에 있어서는 튜브내 또는 판대우내 판간에 위치한 터어뷸라이저를 사용하여, 특히 오일과 같은 액체가 이러한 유로를 통과하는 곳에서, 열전달을 제고시켜주는 것이 보통이다.
이러한 터어뷸라이저는 보통 인장(expanded)금속삽입물형태로 되어 있으며 그 내부가 파형 또는 선회형으로 되어 있어서 유체내에 난류를 형성시켜 열교환기내의 열 전달을 증가시켜준다.
재래식 터어뷸라이저는 열 전달을 증가시켜주지만, 이러한 터어뷸라이저에서 곤란한 점은, 이들은 또한 열교환기내에서 유로저항 또는 압력강하를 증대시킨다는 것이다. 사실상, 유로저항은, 터어뷸라이저가 일으킨 증가한 난류의 일부만이 열 전달을 촉진시키는 데 유효함으로, 터어뷸라이저가 발생시킨 열전달의 득(得) 이상으로 증가한다. 그 차이는 비효율적인 와류(eddies)나 소용돌이(vortices)로 소모된다.
본 발명은 터어뷸라이저내의 선회(convolution)를 주기적으로 단속시켜서 선회들간에 위치한 비선회압력회복영역을 형성시킨다. 의외로 이것은 사실상 현저하게 열 전달을 감소시키지 않고도 터어뷸라이저에 의하여 야기된 압력강하를 감소시켜준다.
본 발명은 열교환기 특히 열교환기에 사용된 터어뷸라이저에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 이제 첨부도면을 참조하여 예를 들어 설명하면 다음과 같다:
도 1은 본 발명에 따르는 판형열교환기의 바람직한 실시형태의 분해사시도.
도 2는 도 1의 열교환기에 사용된 터어뷸라이저 일부의 확대사시도.
도 3은 도2의 화살표 3의 방향으로 취한 도2의 터어뷸라이저 일부의 정면도.
도 4는 도 2와 3의 터어뷸라이저의 평면도.
도 5는 본 발명에 따르는 터어뷸라이저의 다른 실시형태의 사시도.
도 6은 도 5의 화살표 6의 방향에 따라 취한 도 5의 터어뷸라이저 일부의 입면도.
도 7은 도 5와 6에 도시되어 있는 터어뷸라이저의 평면도.
도 8은 본 발명에 따르는 터어뷸라이저의 또 다른 실시형태의 사시도.
도 9는 도 8의 화살표 9의 방향으로 취한 도 8의 터어뷸라이저의 일부 입 면도.
도 10은 도 8과 9에 도시되어 있는 터어뷸라이저의 평면도.
도 11은 본 발명에 따르는 터어뷸라이저의 또 다른 실시형태의 사시도.
도 12는 도 11의 화살표 12방향으로 취한 도 11의 터어뷸라이저 일부의 입 면도.
도 13은 도 11 및 도 12에 도시되어 있는 터어뷸라이저의 평면도.
도 14는 본 발명에 따르는 터어뷸라이저의 또 다른 실시형태의 사시도.
도 15는 도 14에 도시되어 있는 터어뷸라이저의 측면입면도.
도 16은 도 14와 15에 도시되어 있는 터어뷸라이저의 평면도이다.
본 발명의 한가지 양상은, 그 내부에 형성된 복수개의 병렬선회(parallel rows of convolutions)를 가지는 평면부재(planar member)를 포함하는 열 교환기의 터어뷸라이저가 구비되어 있는 것이다. 본 선회는 주기적으로 단속되어 선회들간에 위치한 비선회압력회복영역(non-convoluted pressure recovery zones)을 형성한다.
본 발명의 다른 양상은, 그 사이에 유로를 규정하는 연결된 주위의 모서리와 돌출중심부를 가지는 뒤를 맞대는 판 대우를 포함하는 열 교환기가 구비되어 있는 것이다. 중심부분들은 떨어져 있는 유출입구를 규정한다. 상기에서 다음에 설명한 터어뷸라이저는 유입구와 유출구 사이의 유로내에 위치한다.
본 발명에 의한 열교환기의 바람직한 실시형태는 일반적으로 참조번호 10으로 표시되어 있다. 열교환기(10)는 복수개의 떨어져 있는 튜브부재나 또는 판 대우로 구성되어 있으며 각각은 상판(14), 하판(16)을 가지고 있으며 터어뷸라이저(18)가 그사이에 들어 있다. 판(14,16)은 뒤를 맞대어 배열되어 있으며 주위의 모서리(20)들을 연결시킨다. 판(14,16)은 또한 올라온 중앙부분(22)을 가지고 있어서 터어뷸라이저(18)가 위치한 그 사이에 유로를 정해준다. 올라온 중앙부(24,26) 역시 판대우를 통하여 오일과 같은 유액의 흐름을 위한 공간적으로 떨어진 유입구와 출입구(24,26)를 규정한다. 열교환기가 조립될 때 모든 유입구(24)가 배열되고 연이어 유입헤더(inlet header)를 형성하며 연이어 출구헤더(outlet header)를 형성한다. 인장금속핀(expanded metal fins)(28)이 판 대우를 횡방향으로 공기와 같은 또 다른 유체가 흐르도록 판대우 사이에 위치한다. 핀(28)과 접촉한 판(14,16)은 돌출한 단부 보스(boss)(29)에 의하여 공간으로 떨어져 있어서 판 중앙부(22)사이에 핀(28)을 위한 공간을 만들어 준다.
판(14,16)과 핀(28)은 임의의 형상과 원하는 형태로 할 수 있으며 본질적으로 본 발명의 일부로 간주되지 아니한다. 사실상 판(14,16)은 핀(28)을 사용하지 않는 경우 인접판 대우와 결합하는 외향배열의 요부(dimple)형상으로 할 수 있다.
다음 도 2, 3 및 4를 참조하여보면 터어뷸라이저(30)의 바람직한 실시형태가 도시되어 있으며 이것은 도 1의 터어뷸라이저로 사용이 가능하다. 도 5, 8, 11 및 14는 터어뷸라이저의 다른 바람직한 실시형태를 제시하고 있다. 이들 중에 어느 것이던지 도 1에 도시되어 있는 열교환기(10)의 터어뷸라이저(18)로 사용할 수 있다.
도 2, 5, 6, 11 및 14에 도시되어 있는 터어뷸라이저들은 터어뷸라이저의 단면 또는 일부의 설명에 불과하다. 이러한 터어뷸라이저들은 제작방법에 따라서 원하는 여하한 길이나 또는 폭으로도 제작 가능하다. 터어뷸라이저는 일반적으로 약 0.01인치(0.25mm)두께의 알루미늄으로 스탬핑(stamping)하거나 롤성형으로 이루어진다. 그러나 기타 재료와 더 중량이거나 경량인 재료도 터어뷸라이저용으로 사용 가능하다. 터어뷸라이저(30)는 그 안에 형성되어 있는 복수개의 회선들(32,34)을 가지는 평면부재이다. 회선(32,34)은 병렬로 배열되어 있다. 터어뷸라이저(30)가 형상에서 신장되는 곳에서 회선(32,34)은 병렬의 종렬(36)과 병렬의 횡렬(38)로 배열된다.
회선(32,34)은 주기적으로 단속되어서 각 선회(36)열의 선회(32,34)사이 또는 하류에 위치한 비회선압력회복영역(non-convoluted pressure recovery zones) (40)을 형성한다. 환언하면 각 열의 회선(32,34)은 재래식 터어뷸라이저의 경우처럼 서로 인접하여 위치하여 있는 것보다는 압력회복영역(pressure recovery zones) (40)에 의하여 공간적으로 떨어져 있다.
터어뷸라이저(30)는 도 3의 화살표(41)로 표시된 바와 같이 압력회복영역 (40)을 포함하고 있는 중앙 면을 가지고 있으며 회선(32,34)은 교대로 중앙 면의 상(회선 32), 하(회선 34)로 뻗는다.
회선(32,34)D는 브리지 형상으로 되어 있으며 터어뷸라이저(30)는 브리지 방향에 따라서 큰 압력강하경향을 가지고 있으며 브리지 아래를 지나는 방향 또는 횡측방향에 따라서는 저압강하경향을 가지고 있다. 도 2에 도시되어 있는 실시형태에서 선회(32,34)는 선회 사이나 또는 하류에 위치한 압력회복영역(40)에 의하여 큰 압력강하방향에서 단속(斷續)(interrption)이 생긴다. 도 4에서 잘 보이듯이 압력회복영역(40)은 횡렬 또는 중립채널(41)자체 내에 위치한다.
터어뷸라이저(30)가 도 1의 열교환기의 터어뷸라이저로 사용될 경우 액체는 큰 압력강하방향이나 또는 유입구(24)로부터 유출구(26)에 이르는 종열(36)과 평행한 방향으로 흐른다. 액체는 회선(32,34)주위와 아래 또는 이를 통하여 흐른다.
이로 인하여 난류가 발생하고 열전달계수를 증가시키는 경계층성장을 감소시켜 준다. 그러나 압력회복영역(40)은 압력회복을 허용하여 유입구(24)로부터 유출구(26)를 지나는 유체의 유저항이나 또는 압력강하를 감소시켜준다.
터어뷸라이저(20)에서 회선(32,34)들은 저압강하 또는 횡방향으로 배열되어 있다. 또한 압력회복영역(40)은 저압강하나 횡방향으로 배열되어서 연속 중립채널(41)을 형성한다. 이러한 중립채널(41)은 또한 터어뷸라이저를 제작하기 위하여 사용되는 다이(die)로부터 터어뷸라이저를 사출하기 위하여 사용할 수 있는 영역을 제공한다.
회선형의 종방향 열(36)의 폭은 금형 설계와 정비목적을 위하여 실용적이 되도록 될수록 좁은 것이 바람직하다. 자동냉각목적으로 적당한 최소폭은 약 0.02인치(0.5mm)일 것이다. 최대폭은 최소폭의 10배를 상회하면 안 된다. 일반적으로 최대폭은 약 0.2인치(5mm)가 될 것이다. 압력회복영역(40)의 종방향길이는 종방향의 회선(32,34)사이의 중심선간의 약 5%로부터 임의의 2개의 연속 회선(32,34)간의 간격의 약 75%에 이른다. 바람직한 범위는 0.02인치(0.5mm)내지 약 0.5인치 (1.25cm) 또는 종방향의 연속 회선(32,34)사이의 중심선간 거리의 약 40% 내지 50%일 것이다.
압력회복영역(40)을 포함하고 있는 중앙면(41)위 또는 아래의 회선(32,34)의 높이는 터어뷸라이저(30)에 사용되는 재료의 두께에 따른다. 이 높이는 재료 두께 보다 작아서는 안되며 일반적으로 알미늄이 터어뷸라이저(30)로 사용될 경우 그의 범위는 이러한 최소치수로부터 소재두께의 약 10배에 달한다. 적정한 범위는 0.01인치(0.25mm)로부터 0.5인치(1.25cm)이다.
회선(32,34)의 종방향길이는 보통 회선높이의 약 2배이다. 높이는 보통 재료 두께의 약 2배내지 약 20배이다. 적정한 범위는 0.02인치(0.5mm)내지 약 1.0인치 (2.5cm)이다.
다음은 도 5, 6 및 7을 참조하여 보자. 터어뷸라이저(45)는 일반적으로 다음을 제외하고는 터어뷸라이저(30)와 유사하다. 터어뷸라이저(45)에서 회선(32, 34)은 저압강하방향 또는 횡측방향에 따라서 서로 교차되어 있다. 환언하면 중앙면위에 뻗어 있는 회선(32)은 중앙면밑에 뻗어 있는 회선(34)과 횡방향에 따라서 한 줄로 배열되어 있지 않다. 회선의 기타 각 열은 한 줄로 배열되어 있으나 필요시에는 교차배열도 가능하다. 재료두께와 회선(32,34)의 크기 및 압력회복영역(40)은 도 2의 터어뷸라이저(30)의 그것들과 유사하다.
다음은 도 8, 9 및 10을 참조하여 보자. 터어뷸라이저(50)의 또 다른 실시형태가 도시되어 있으며 회선들이 저압강하 또는 횡방향에 따라서 교차 배열되어 있다. 터어뷸라이저(50)에서 모든 압력회복영역(40)은 공동 기준면(52)내에 포함되어 있으며(도 9참조) 모든 회선들(54)은 본 기준면(52)에 대하여 동일한 방향으로 뻗어 있다. 기타의 모든 점에 있어서 터어뷸라이저(50)는 터어뷸라이저(30)및 (45)와 유사하다.
다음 도 11, 12 및 13을 참조하여 보자. 터어뷸라이저(55)가 도시되어 있는 데 이것은 선회(32,34)가 또한 저압강하방향으로 단속되어 회선(36)의 일부 열사이에 위치한 추가 압력회복영역(56)을 형성하는 외는 도 2의 터어뷸라이저(30)와 거의 유사하다. 실제로 압력회복영역(56)은 종방향에 따라서 터어뷸라이저(55)전장에 걸쳐 뻗어 있어서 터어뷸라이저(55)의 고압강하 또는 종방향에 따라서 종방향 중립채널(58)을 형성하고 있다. 제작 목적으로 바람직한 중립채널(58)폭은 회선(36)의 열 폭과 대략 같다. 터어뷸라이저(55)에 있어서 회선(32,34)은 저압강하 또는 횡방향에 따라서 배열되어 있으나, 이들을 교차적으로 배열시킬 수도 있다. 회선(32, 34)들이 저압강하 또는 횡방향에 따라서 배열되어 있는 경우에는 압력회복영역(40)이 저압강하방향에 따라서 횡방향 중립채널(59)을 제공하도록 배열되어 있으며 압력회복영역(56)은 고압강하방향에 따라서 종측(longitudinal)중립채널(58)을 제공하도록 배열되어 있다. 회선(32,34)들이 교차되어 있는 경우에는 종측중립채널(58)만이 형성될 것이다. 기타 모든 점에서 터어뷸라이저(55)는 터어뷸라이저(30,45 및 50)와 유사하다.
다음은 도 14, 15 및 16을 참조하여 보자. 터어뷸라이저(60)가 도시되어 있어서 회선(32,34)들은 저압강하 또는 횡측방향과 선회(36)열의 일부 사이에서만이 단속(interruption)되어 있다. 이러한 단속은 압력회복영역(61)을 종방향중립채널 (62)형태로 만들어 준다. 기타 모든 점에 있어서 터어뷸라이저(60)는 터어뷸라이저 (30,45,50 및 55)와 유사하다. 도 14내지 16에서 터어뷸라이저(60)는 회선(32,34)의 중간 길이로 절단되어 도시되어 있다. 이것은 설명할 목적으로 그리한 것이다. 실제로는 터어뷸라이저는 보통 도 1내지 13의 경우처럼 회선사이의 길이로 절단될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 설명을 보건대, 상기 구조로부터 다양한 수정이 이루어 질 수 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대 터어뷸라이저(18)를 포함하는 유로를 규정하는 튜브부재로 판 대우(12)를 사용하는 대신에 연속평튜브나 또는 타원형튜브를 사용할 수 있을 것이다. 이러한 경우 터어뷸라이저(18)는 길이방향에 따라서 튜브의 한 단부에 삽입할 수 있을 것이다. 터어뷸라이저(18)에 있어서 회선(32,34)은 다양한 곡률로 둥그렇게 되어 있다. 이러한 회선들은 반원, 파형, 제형 또는 필요시에 V형과 같은 형상으로도 할 수 있다. 도 1에 도시된 열교환기(10)에 있어서 터어뷸라이저(18)는 흐름이 고압강하 또는 종방향에 따르도록 방향설정이 되어 있도록 도시되어 있다. 그러나 터어뷸라이저를 90도 돌려서 유입구(24)로부터 유출구(26)의 흐름이 필요시에는 저압강하쪽으로 향하도록 할 수도 있을 것이다. 또한 동일한 터어뷸라이저에 다양한 터어뷸라이저(30,45,50,55 및 60)들의 제 특징을 혼합 매칭(matching) 또는 이러한 제 특징의 절충도 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한 주어진 열교환기는 상기 제 터어뷸라이저의 어느 하나 또는 결합이 될 수도 있을 것이다. 상기 구조에 대한 기타 수정은 당업자에게 자명하게 될 것이다.
본 발표에 비추어볼 때, 이들 당업자가 명백히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시에 있어서, 허다한 변경 및 수정이 본 발명의 정신이나 범위를 이탈함이 없이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 다음의 제 청구 항에 의하여 정의된 요지와 일치하는 것으로 간주함이 마땅하다.

Claims (23)

  1. 열교환기의 터어뷸라이저로서,
    그 안에 형성되어 있는 복수개의 병렬회선을 가진 평면부재로 형성되어있으며, 상기 회선은 상기 회선사이에 위치한 비회선압력회복영역을 형성하기 위한 주기적으로 단속(斷續)되는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  2. 제1항에 있어서, 회선들은 브리지 형태로 되어 있으며, 본 터어뷸라이저는 브리지(bridge)방향의 고압강하지향과 브리지 밑을 통과하는 방향의 저압강하지향을 가진 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  3. 제2항에 있어서, 회선들은 고압강하방향에 따라 단속되어 회선사이에 위치한 압력회복영역을 형성하는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  4. 제2항에 있어서, 회선은 저압강하방향에 따라서 단속되어 회선열사이에 위치한 압력회복영역을 형성하는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  5. 제3항에 있어서, 회선들은 저압강하방향에 따라 배열되어 있으며, 압력회복영역 역시 저압강하방향에 따라서 중립채널을 형성하도록 배열되어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  6. 제3항에 있어서, 회선들은 저압강하방향에 따라서 교차되어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  7. 제4항에 있어서, 회선들은 저압강하방향에 따라서 배열되고, 압력회복영역 또한 고압강하방향에 따라서 중립채널을 형성하도록 배열되어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  8. 제4항에 있어서, 회선들은 저압강하방향에 따라서 교차되어 있으며, 압력회복영역은 고압강하방향에 따라서 배열되어 고압강하방향에 따라서 중립채널을 형성하는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  9. 제3항에 있어서, 회선들 또한 저압강하방향에 따라서 단속되어 저압강하방향에 따라서 회선들 사이에 위치한 추가 압력회복영역을 형성하는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  10. 제9항에 있어서, 회선들은 저압강하방향에 따라서 배열되어 있으며, 상기 압력회복영역 및 상기 추가 압력회복영역들 역시 저압강하와 고압강하 양 방향에 따라서 중립채널을 형성하도록 배열되어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  11. 제4항에 있어서, 회선들은 저압강하방향에 따라서 교차되어 있으며, 압력회복영역은 고압강하방향에 따라서 중립채널을 형성하도록 배열되어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  12. 제3항에 있어서, 터어뷸라이저는 압력회복영역을 포함하는 중앙평면을 가지며 회선 각 열의 회선들은 중앙평면의 상하로 교대로 뻗어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  13. 제3항에 있어서, 터어뷸라이저는 압력회복영역을 포함하는 기준면을 가지며 선회들 모두는 기준면에 대하여 같은 방향에 따라서 뻗어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  14. 제6항에 있어서, 터어뷸라이저는 압력회복영역을 포함하는 중앙평면을 가지며 회선의 각 열의 회선은 중앙평면 상하로 교대로 뻗어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  15. 제6항에 있어서, 터어뷸라이저는 압력회복영역을 포함하는 기준면을 가지며, 회선들 모두는 기준면에 대하여 같은 방향으로 뻗어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  16. 제9항에 있어서, 터어뷸라이저는 압력회복영역을 포함하는 중앙평면을 가지며, 회선들의 각 열의 회선들은 중앙평면 상하로 교대로 뻗어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  17. 제7항에 있어서, 터어뷸라이저는 압력회복영역을 포함하는 중앙평면을 가지며, 회선들의 각 열의 회선들은 중앙평면 상하로 교대로 뻗어 있는 것을 특징으로하는 단속선회형 열교환기의 터어뷸라이저.
  18. 열교환기를 구성함에 있어서, 튜브부재 사이에서 유로를 규정하는 복수개의 떨어져 있는 튜브부재를 포함하며, 상기 튜브부재는 떨어져 있는 유출입구를 규정하며; 또한 상기 열교환기는 제3항에 기재된 각각의 유출입구사이의 적어도 하나의 유로내에 위치한 터어뷸라이저를 포함하는 것을 특징으로하는 열교환기.
  19. 열교환기를 구성함에 있어서, 그 사이에 유로를 규정하는 떨어져 있는 복수개의 튜브부재를 포함하며, 상기 튜브부재들은 떨어져 있는 유출입구를 규정하며, 상기 열교환기는 또한 제7항에 기재된 각각의 유출입구사이에 적어도 하나의 유로내에 위치한 터어뷸라이저를 포함하는 것을 특징으로하는 열교환기.
  20. 열교환기를 구성함에 있어서,그 사이에 유로를 규정하는 떨어져 있는 복수개의 튜브부재를 포함하며, 상기 튜브부재는 떨어져 있는 유출입구를 규정하며, 상기 열교환기는 또한 각각의 유출입구사이에 적어도 하나의 유로내에 위치한 제 10항에 기재된 터어뷸라이저를 포함하는 것을 특징으로하는 열교환기.
  21. 제18항에 있어서, 튜브부재들은 연결된 주위의 모서리와 상기 유로를 규정하는 돌출 중앙부분을 가지는 맞대어 있는 판들로 형성되어 있는 것을 특징으로하는 열교환기.
  22. 제19항에 있어서, 튜브의 부재들은 연결된 주위의 모서리들과 상기 유로를 규정하는 돌출중앙부분을 가지는 맞대 있는 판들로 형성되어 있는 것을 특징으로하는 열교환기.
  23. 제20항에 있어서, 튜브부재들은 연결괸 주위의 모서리들과 상기 유로를 규정하는 돌출 중앙부분을 가지는 맞대 있는 판들로 형성되어 있는 것을 특징으로하는 열교환기.
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