KR20010035543A - 열교환기에서 열전달효율을 높이는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환장치에서 열전달효율을 높이는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 높은 열전달 특성을 보유한 재료로 형성된 열전달관을 준비하는 단계; 동결 또는 냉각해야 할 액체를 상기 열전달관의 내부에 도입하는 단계; 상기 도입된 액체를 열전달관의 내측 표면에 열교환 관계로 접촉시키도록 하면서 상기 열전달관내를 통하여 아래로 흐르게 하게 하는 단계; 상기 액체를 상기 열전달관을 통하여 아래로 흐르게 하게 하는 것에 병행하여, 상기 열전달관의 바깥쪽 표면을 냉각시키는 것에 의하여 상기 액체로부터 열전달관의 관벽을 통하여 열을 유출시키는 단계; 상기 열전달관의 내측 표면으로의 동결 또는 냉각 액체의 축적을 제어하기 위해, 진동에 의해 흔들리는 진동부를 상기 열전달관 내에 배설하여, 상기 진동부를 상기 열전달관의 내측 표면의 주위로 그리고 상하로 이동시키는 단계를 포함하는 방법으로 되어 있고,

상기 진동부는 상기 열전달관(1)내에 전장에 걸쳐 배치되어 상기 열전달관(1) 하단 밖으로 돌출한 스프링 부재(24)이며, 상기 스프링 부재(24)는 상기 열전달관(1)의 내측 표면의 주위로 그리고 상하로 적극적으로 이동되도록 진동 수단과 연결되어 있으며; 상기 진동 수단은 모터 베이스(14)상에 장착되어 진동원을 발생시키는 진동모터(13)와 그리고 상기 진동모터(13)의 진동원을 상기 스프링 부재(24)에 연결하고, 상기 진동원의 출력을 상기 열전달관의 내측 표면의 주위를 그리고 상하를 따르는 상기 스프링 부재(24)의 진동운동으로 변환하기 위한 기계적 연결 수단을 포함하고, 이에 의해, 진동운동하는 상기 스프링 부재가 프로세스 유체(Ⅱ)와 물리적으로 상호 작용하여, 상기 프로세스 유체로부터 열전달관(1)의 내측 표면으로의 고형물의 축적을 제어하는 열교환기로 되어 있다.

Description

열교환기에서 열전달효율을 높이는 방법 및 장치{method and apparatus for increasing a heat transfer efficiency in a heat exchanger}

본 발명은 열교환장치에서 열전달효율을 높이는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관／셸형 열교환기(열교환관과 그것들을 에워싸는 셸로 이루어지는 열교환기)와 연관하여 사용되는 진동부 위한 진동구동기에 관한 것이다.

유체를 처리하는 경우, 예를 들면 금속판제의 열교환 표면의 한쪽의 면을 따라서 피처리액체를 통과시키고, 열교환 표면의 반대측의 다른 방향의 면을 따라서 피처리액체(제１의 프로세스 유체)와는 다른 온도의 제２의 프로세스 유체를 통과시키는 것에 의하여 피처리액체에 열을 주거나 열을 빼앗거나 하는 것이 필요로 되는 경우가 많다.

유체 간의 이와 같은 열전달, 열교환기는 빌딩의 공조 시스템에 일반적으로 사용된 글리콜식 칠러 냉각기에서와 같이, 프로세스 유체를 가열 또는 냉각하는 작용을 보유하고, 또한 해수를 비등시키는 것에 의해 진수(fresh water)를 생성하는 프로세스, 또는 물 또는 수용액을 부분 동결시키는 것에 의해 얼음 슬러리를 생성하는 프로세스에서와 같이, 유체의 상을 변화시키는 작용을 하는 경우도 있다.

얼음 슬러리는, 여러 가지 용도를 가지고 있지만, 빌딩의 공조 시스템에 있어 피크 부하시의 전력 수요를 감소시키기 위한「콜드」(빙수나 찬물 등이 차가운 것)저장을 위해서나, 가공 공장에 우송하기 위해 낙농 농장에 저장되어 있는 우유나, 어선에 저장되어 있는 어획 등의 음식을 냉동하는데도 특히 유용하다.

열교환기의 사이즈, 이에 따른 제조 코스트는 열전달계수의 크기에 의해 정해진다. 열전달계수는, 「핫」(고온) 유체의 층, 「핫」 유체와 「콜드」(저온)유체를 분리하는 열교환벽, 「콜드」유체의 층 및 열교환벽의 콜드면 또는 핫면에 부착되는 축적물을 통과하는 열흐름에 대한 저항의 정도에 의해 좌우되다. 이러한 열흐름 저항체를 통한 열전달을 진행하기 위해서는, 경제적인 이유에서, 상당히 큰 온도구배가 필요하게 된다. 그런데, 이 높은 온도 구배는, 증발기 또는 냉동기의 단수(스테이지의 수)를 제한하거나 또는 증기압축기에 높은 양정조건을 부과하기 때문에 증발기 또는 냉동기의 에너지효율을 저하시킨다는 문제를 가지고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열교환기에서 개방한 얇은 수직열교환관 내로 해서 아래로 흐르는 유체를, 전력을 적게 소모하면서, 궤도 운동 또는 동요운동을 하도록 구동하여 열전달효율을 높이는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 １은 본 발명에 의한 진동운동 구동식 진동부재 부착 개방 관형 열교환기의 단면도.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 열교환기에서 열전달효율을 높이는 방법에 있어서, 높은 열전달 특성을 보유한 재료로 형성된 열전달관을 준비하는 단계; 동결 또는 냉각해야 할 액체를 상기 열전달관의 내부에 도입하는 단계; 상기 도입된 액체를 열전달관의 내측 표면에 열교환 관계로 접촉시키도록 하면서 상기 열전달관내를 통하여 아래로 흐르게 하게 하는 단계; 상기 액체를 상기 열전달관을 통하여 아래로 흐르게 하게 하는 것에 병행하여, 상기 열전달관의 바깥쪽 표면을 냉각시키는 것에 의하여 상기 액체로부터 열전달관의 관벽을 통하여 열을 유출시키는 단계; 상기 열전달관의 내측 표면으로의 동결 또는 냉각 액체의 축적을 제어하기 위해, 진동에 의해 흔들리는 진동부를 상기 열전달관 내에 배설하여, 상기 진동부를 상기 열전달관의 내측 표면의 주위로 그리고 상하로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법으로 되어 있고,

고온 유체와 콜드 유체 사이에서 열전달관의 관벽을 반경방향으로 관통하여 열을 교환하는 적어도１개의 열전달관을 보유하고, 고온 유체와 콜드 유체들중 하나가 상기 열절달관 내를 아래로 흐르는 프로세스 유체이고, 상기 열전달관 내에 진동부를 배설하여 이루어지는 열교환기에 있어서, 상기 진동부는 상기 열전달관내에 전장에 걸쳐 배치되어 상기 열전달관 하단 밖으로 돌출한 스프링 부재이며, 상기 스프링 부재는 상기 열전달관의 내측 표면의 주위로 그리고 상하로 적극적으로 이동되도록 진동 수단과 연결되어 있으며; 상기 진동 수단은 모터 베이스 상에 장착되어 진동원을 발생시키는 진동모터와 그리고 상기 진동모터의 진동원을 상기 스프링 부재에 연결하고, 상기 진동원의 출력을 상기 열전달관의 내측 표면의 주위를 그리고 상하를 따르는 상기 스프링 부재의 진동운동으로 변환하기 위한 기계적 연결 수단을 포함하고, 이에 의해, 진동운동하는 상기 스프링 부재가 프로세스 유체와 물리적으로 상호 작용하여, 상기 프로세스 유체로부터 열전달관의 내측 표면으로의 고형물의 축적을 제어하는 열교환기로 되어 있다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적은 이하에 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 １은 진동부재의 진동운동 구동기구를 사용한 본 발명에 의한 진동부재 부착 열전달장치 또는 열교환기(100)를 도시하고 있다. 상기 열전달장치(100)는 기본적으로는, 복수의 열전달관 또는 열교환관(1)과 그것들을 포위한 용기 또는 쉘(2)로 이루어진다. 도 1에는 설명을 용이하게 하기 위해 열전달관(1)이 단지 하나만이 도시되어 있는 데, 실질적으로는 복수의 열전달관(1)이 일정 배열을 가지고서 정부관판(3) 및 하부관판(4)에 고정되어 배치될 수 있다. 상기 복수의 열전달관(1)은 예를 들면 157개가 상기 정부관판(3) 및 상기 하부관판(4)에 고정되어 배치될 수 있다.

상기 정부관판(3)이 아크릴재의 쉘(2a) 및 상판(3a)과 협동하여 상부 챔버(5)를 구획형성하고 있고, 상기 하부관판(4)과 플랜지를 통하여 결합된 상판(3b)와 쉘(2b)은 테이퍼부(6a)와 협동하여 하부 챔버(6)을 구획형성하고 있고, 그리고 상기 정부관판(3)과 상기 하부관판(4)이 쉘(2) 및 관(1)과 협동하여 용기(2)의 내부 공간을 획실 또는 챔버(8)를 구획형성하고 있다. 획실(8)은 열전달관(1)의 외측 즉 셸측 공간이다. 내측, 즉 관(1)과 연통하는 공간은 모든 관(1)내의 내부 공간과 정부관판(3)보다 위의 상부 챔버(5)와, 그리고 하부관판(4)보다 아래의 하부 챔버(6)를 포함한다.

각 관(1)은 동 또는 스틸과 같은 고열전달 특성을 보유한 재료로 형성된 얇은 관이고, 내측열전달 표면과 외측 열전달 표면을 보유하다. 관의 내표면 또는 외표면에 열전달 특성을 높이기 위한 홈 등을 형성한 어떠한 표면처리를 시도해도 좋다.

제１ 프로세스 매체(Ｉ)는 도관 또는 노즐(9) 통하여 챔버(8)내에 도입되어 도관 또는 노즐(10)을 통하여 배출되고, 도관(11)을 통하여 위쪽 챔버(5) 및 하부 챔버(6)내에 및 관(1)내에 도입되어 도관(12)을 통하여 배출되는 것이 가능한 제２ 프로세스 매체(II)와 각 열전달관(１)의 벽을 통하여 열교환시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 해수의 탈염에 적용된 경우는, 매체(II)는 해수이고, 매체(Ｉ)는 스팀과 같은 가열된 증기이다.

얼음 슬러리를 생성한 경우는, 매체(II)는, 물속에 큰 얼음의 결정을 생성하는 것을 촉진하는 첨가제를 함유한 물이고, 매체(Ｉ)는 바람직하게, 관의 외표면에서 비등하여 ２개의 상의 증기흐름／거품흐름을 생성하는 가압된 냉매이다. 이 경우, 물에 첨가하기 위한 매우 적합한 첨가제는, 에틸렌 글리콜（자동차용 부동액）, 프로필렌 글리콜, 밀크, 해수, 초산 칼슘 마그네슘, 무수 결정을 생성한 탄산수소 나트륨 등의 어떤 종류의 무기물염 종류 등이 있다.

각 관(1)내에는 관내에서의 진동운동의 상태로 진동하도록 구동되는 진동부(24)가 마련되어 있다. 이 진동운동은, 각 진동부(24)를 그 축선이 대응하는 관(1)의 축선에 정렬한 상태에서 관(1)의 내표면의 주위로 그리고 상하로 진동시켜서 상기 관(1)의 내표면을 누르는 작용을 한다.

진동부(24)의 질량 및 진동수는, 용도, 작동 모드, 관의 조건 및 사이즈 및 그 밖의 요소에 따라서 당업자에게는 분명한 상태로 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, 얼음 슬러리를 생성한 경우는, 열의 흐름 방향이 관의 내측에서 외측으로 향하도록 하여, 액체가 관내를 아래로 흐르면서 냉각되는 사이에 얼음의 결정이 생성되도록 한다. 이 응용예에 있어서는, 진동부 기능은, 관(1)의 내표면에 부착되어 성장한 결빙정을 그 초기 생성 단계에서 파쇄하여 떼어내는 것이다.

도１의 구성에 있어서는, 진동부(24)는 관(1)내에 그 자체로 세어져 자립하는 스프링 부재로 하는 것이 바람직하며, 상기 스프링 부재(24)는 상부 및 하부가 조밀한 권수를 가지고 있고, 중앙부가 상부 및 하부 보다 작은 수의 권수를 가지고 있다.

범람(flood)모드를 위한 바람직한 실시 형태에 있어서는, 스프링 부재(24)의 진동 운동은, 모터 베이스(14)에 일체로 장착되어 있는 진동모터(13)에 의해서 야기된다.

상기 모터 베이스(14)는 좌우 양측에 두개의 진동전달 바아(15)의 일단이 고정되어 있다. 상기 진동전달바아(15)는 상기 모터 베이스(14)와 쉘(2a)의 상판(3a) 사이에 가요성 고무 자바라(30)를 개재하여서 물이 새어나오는 것이 방지되고, 쉘(3)의 상판(3a)를 관통하여 진동플레이트(16)에 타단이 고정되어 있다. 상기 진동플레이트(16)와 상기 정부관판(3) 사이에는 방사상 소정 위치에 있는 6개소에 방진스프링(17)이 개재되어 있고, 이 방진스프링(17)은 상기 진동 플레이트(16)의 진동을 용기(2)에 전달되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이 방진스프링(17)을 제위치에 유지하기 위해, 상기 진동플레이트(16)의 밑면과 상기 정부관판(3)의 상면 각각에는 이 상기 방진스프링(17)과 상응하는 위치에 방진스프링 이탈 방지 부재(40)가 일체로 형성되어 있다.

또한, 상기 진동플레이트(16)의 중앙에 형성된 관통구멍(19)에는 스프링 부재(24)의 일단을 체결하고 있는 볼트(18)가 슬리브(20)를 개재하여 삽입되어 있다. 상기 볼트(18)는 중앙부에 관통된 구멍(21)을 가지고 있어서, 상기 챔버(5)에 있는 유체를 관(1)내로 유입시킨다. 상기 스프링 부재(24)는 도 1에 도시된 바와 같이, 길다란 스프링으로서 상기 관(1)의 전장에 걸쳐 내장되어 있고, 그 하단이 상기 관(1)에서 돌출되어 챔버(6) 상단 부근까지 뻗어 있다.

상기 챔버(6) 내에는 도 1에서 볼때 우측에서 좌측으로 경사진 테이퍼부(6a)가 형성되어 있으며, 이 테이퍼부(6a)는 상기 관(1)내에서 형성되어 배출되는 얼음 슬러리를 용이하게 도관(12) 밖으로 배출되도록 하는 작용을 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성 및 방법에 의해 상기 진동부가 진동모터에서 발생된 진동에 종동하여 진동하여 관내로 아래로 흐르는 유체를, 전력을 적게 소모하면서, 진동 운동 또는 동요운동 하도록 구동하여 열전달효율을 향상시킬 수 있었다.

Claims (4)

1. 열교환기에서 열전달효율을 높이는 방법에 있어서,

   높은 열전달 특성을 보유한 재료로 형성된 열전달관을 준비하는 단계,

   동결 또는 냉각해야 할 액체를 상기 열전달관의 내부에 도입하는 단계,

   상기 도입된 액체를 열전달관의 내측 표면에 열교환 관계로 접촉시키도록 하면서 상기 열전달관내를 통하여 아래로 흐르게 하게 하는 단계,

   상기 액체를 상기 열전달관를 통하여 아래로 흐르게 하게 하는 것에 병행하여, 상기 열전달관의 바깥쪽 표면을 냉각시키는 것에 의하여 상기 액체로부터 열전달관의 관벽을 통하여 열을 유출시키는 단계,

   상기 열전달관의 내측 표면으로의 동결 또는 냉각 액체의 축적을 제어하기 위해, 진동에 의해 흔들리는 진동부를 상기 열전달관 내에 배설하여, 상기 진동부를 상기 열전달관의 내측 표면의 주위로 그리고 상하로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기에서 열전달효율을 높이는 방법.
2. 고온 유체와 콜드 유체 사이에서 열전달관의 관벽을 반경방향으로 관통하여 열을 교환하는 적어도１개의 열전달관을 보유하고, 고온 유체와 콜드 유체들중 하나가 상기 열절달관 내를 아래로 흐르는 프로세스 유체이고, 상기 열전달관 내에 진동부를 배설하여 이루어지는 열교환기에 있어서,

   상기 진동부는 상기 열전달관(1)내에 전장에 걸쳐 배치되어 상기 열전달관(1) 하단 밖으로 돌출한 스프링 부재(24)이며, 상기 스프링 부재(24)는 상기 열전달관(1)의 내측 표면의 주위로 그리고 상하로 적극적으로 이동되도록 진동 수단과 연결되어 있으며,

   상기 진동 수단은 모터 베이스(14)상에 장착되어 진동원을 발생시키는 진동모터(13)와 그리고 상기 진동모터(13)의 진동원을 상기 스프링 부재(24)에 연결하고, 상기 진동원의 출력을 상기 열전달관의 내측 표면의 주위를 그리고 상하를 따르는 상기 스프링 부재(24)의 진동운동으로 변환하기 위한 기계적 연결 수단을 포함하고, 이에 의해, 진동운동하는 상기 스프링 부재가 프로세스 유체(Ⅱ)와 물리적으로 상호 작용하여, 상기 프로세스 유체로부터 열전달관(1)의 내측 표면으로의 고형물의 축적을 제어하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 기계적 연결 수단은 상기 스프링 부재(24)에 대하여 거의 직교하는 방향으로 설치되어 있는 진동 플레이트(16), 슬리브(20)를 개재하여 상기 진동 플레이트(16)와 상기 스프링 부재(24)를 진동가능하게 체결시키는 중공 볼트(18), 모터 베이스(14)의 진동을 상기 진동 플레이트(16)에 전달하기 위해 상기 진동 플레이트(16)를 상기 모터 베이스(14)에 기계적 작동관계로 연결시키는 진동전달 바아(15), 그리고 상기 진동 플레이트(16)의 진동을 용기(2)에 전달되는 것을 방지하기 위해, 상기 진동 플레이트(16)와 상기 용기(2)의 정부관판(3) 사이에 개재되어 있는 방진스프링(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 2항에 있어서, 상기 스프링 부재(24)는 상부 및 하부가 조밀한 권수를 가지고 있고, 중앙부가 상부 및 하부 보다 작은 수의 권수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.