KR20020089736A - High Efficiency Heat Exchanger using Helical Inner-Tubes - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산업용 요.로에서 배출되는 고온의 폐열을 회수하는 세라믹 관형 열교환기 및 금속제 관형 열교환기의 효율을 향상시키기 위한 나선형 인너-튜브를 이용한 고효율 열교환기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 열교환기의 세라믹 전열관 및 금속 전열관 내부에 세라믹재료(SiC,Al2O3,Sialon,뮬라이트,Si3N4등) 또는 금속재료(주철,동,철,알루미늄 등)로 된 상,하부 인너-튜브(Inner-Tube)를 삽입시켜 열교환기의 효율을 향상시킬 수 있게한 것이다.The present invention relates to a ceramic tubular heat exchanger for recovering high temperature waste heat discharged from an industrial furnace and a high efficiency heat exchanger using a spiral inner tube for improving the efficiency of a metal tubular heat exchanger. Upper and lower inner-tubes (Inner-) made of ceramic materials (SiC, Al 2 O 3 , Sialon, Mullite, Si 3 N 4, etc.) or metal materials (cast iron, copper, iron, aluminum, etc.) By inserting a tube, it is possible to improve the efficiency of the heat exchanger.
종래에 산업용 요.로에서 사용되는 열교환기는 전열관 내부에 어떤 매개물도 설치되지 않은 단일 전열관을 사용하여 예열된 공기가 전열관을 통하여 버너로 직접 들어가는 구조로 형성되어 있다.The heat exchanger conventionally used in an industrial furnace has a structure in which preheated air enters a burner directly through a heat pipe using a single heat pipe without any medium installed inside the heat pipe.
상기와 같은 종래의 전열관은 예열된 공기의 흐름 유동성에 대한 저항하는 매개물이 없어 재활용 가능한 고온의 폐열인 배기가스의 체류시간을 단축시키고 또한 열량을 회수하지 못하고 배출시키는 등의 문제점이 있었다.Conventional heat transfer tubes as described above do not have a medium that resists the flowability of preheated air, and thus shortens the residence time of the exhaust gas, which is high-temperature waste heat, which is recyclable, and also has problems such as discharging without recovering heat.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된것으로 전열관 내부에 인너-튜브를 설치하여 전열관을 통하여 온 열량을 축열하고 있으면서 전열관 내부를 흐르는 공기를 예열하므로 고온의 폐열을 회수하여 재활용하는 효과가 있고 또한 열교환기의 효율을 극대화 시켜 열교환기에 사용되는 세라믹 전열관 및 금속제 전열관의 수를 절감시킬 수 있는 열교환기를 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention has been created for the purpose of solving the above-mentioned problems in the prior art by installing an inner tube inside the heat pipe to heat the heat amount through the heat pipe while preheating the air flowing through the heat pipe to recover the waste heat of high temperature It is to provide a heat exchanger that can reduce the number of ceramic heat pipes and metal heat pipes used in the heat exchanger by having an effect of recycling and maximizing the efficiency of the heat exchanger.
상기한 열교환기를 제공하기 위하여 내열,내식성,고온강도 등이 우수한 SiC,Al2O3,Sialon,Cordierite,뮬라이트,Si3N4등의 세라믹소재를 사용하는 세라믹 인너-튜브를 형성함에 있어 튜브를 상,하부로 분리시켜 조립결합시킬 수 있게하고 외주연부는 나선형으로 형성하여 전열관의 내부에 삽입시켜 전열관의 내측에서 인너-튜브의 내,외부를 공기가 동시에 흐를 수 있게하여 열교환기의 예열효과를 향상시키는 것이며 주철,동,철,알루미늄등의 소재를 사용하는 금속제 인너-튜브도 상기한 세라믹 인너-튜브와 같이 상,하부 튜브로 형성하고 외주연부에 나선형을 형성하여 전열관에 삽입시켜서 세라믹 관형 열교환기 및 금속제 관형 열교환기의 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공할 수 있는 것이다.In order to provide the heat exchanger, the tube is used to form a ceramic inner tube using ceramic materials such as SiC, Al 2 O 3 , Silon, Cordierite, Mullite, and Si 3 N 4 having excellent heat resistance, corrosion resistance, and high temperature strength. The upper and lower parts can be separated and assembled, and the outer periphery is formed in a spiral shape and inserted into the inside of the heat pipe to allow air to flow in and out of the inner tube at the inside of the heat pipe, thereby preheating the heat exchanger. Metal inner-tubes made of cast iron, copper, iron, aluminum, etc. are also formed of upper and lower tubes like the ceramic inner tube, and spirally formed on the outer periphery to be inserted into the heat exchanger tube. It is possible to provide a heat exchanger capable of improving the efficiency of the gas and metal tubular heat exchanger.
도 1 은 본 발명의 분리사시도1 is an exploded perspective view of the present invention
도 2 는 본 발명의 조립 측면구조도Figure 2 is an assembly side structure diagram of the present invention
도 3 은 본 발명 세라믹 인너-튜브의 설치방법을 도시한 사시도Figure 3 is a perspective view showing the installation method of the ceramic inner tube of the present invention
도 4 는 본 발명 세라믹 인너-튜브의 설치방법을 도시한 단면구조도Figure 4 is a cross-sectional structural view showing a method for installing the ceramic inner tube of the present invention
도 5 는 본 발명 금속제 인너-튜브가 전열관에 결합된 상태의 단면구조도5 is a cross-sectional structural view of a metal inner-tube of the present invention bonded to a heat pipe;
도 6 은 본 발명 금속제 인너-튜브의 설치방법을 도시한 단면구조도6 is a cross-sectional structural view showing a method for installing the metal inner-tube of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(11) 전열관 (20) 인너-튜브(11) Heat Pipe (20) Inner Tube
(21)(21') 상,하부튜브 (31)(31') 나선형(21) (21 ') upper and lower tubes (31) (31') spiral
(41)(41') 공기입구측 헤더블럭 (42)(42') 공기출구측 헤더블럭(41) (41 ') Air inlet side header block (42) (42') Air inlet side header block
(43) 전열관 고정프랜지 (44)(44')(53) 체결볼트(43) Heat Exchanger Tube Flange (44) (44 ') (53) Fastening Bolt
(51) 인너-튜브 보강대 (52) 인너-튜브 고정판(51) Inner-tube reinforcement (52) Inner-tube holder
(54) 열교환기 경판(54) heat exchanger hard plate
이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명의 분리사시도로서 상,하부 인너-튜브로 분리된 상태를 도시하였으며,도 2 는 본 발명의 조립 측면구조도로서 상,하부 인너-튜브가 조립된 상태의 측면을 나타내었으며,도 3,4 은 본 발명 세라믹 인너-튜브의 설치방법을 도시한 사시도 및 단면구조도로서 세라믹 인너-튜브가 전열관의 내부에 삽입되어 설치된 상태를 도시하였으며,도 5 는 본 발명 금속제 인너-튜브가 전열관에 결합된 상태의 단면구조도로서 전열관의 내측 인너-튜브의 내,외부로 공기가 동시에 흐르는 것을 설명한 것이고,도 6 은 본 발명 금속제 인너-튜브의 설치방법을 도시한 단면구조도로서 전열관 내부에 삽입되어 체결,결합된 상태를 도시한 것이다.1 is a separated perspective view of the present invention shows a state separated into the upper and lower inner-tube, Figure 2 is an assembly side structure diagram of the present invention, showing the side of the upper and lower inner-tube assembled state, Figure 3 and 4 are a perspective view and a cross-sectional structural view showing the installation method of the ceramic inner tube, the ceramic inner tube is inserted into the interior of the heat transfer tube is installed, Figure 5 is the inner metal tube of the present invention in the heating tube As the cross-sectional structure diagram of the coupled state, the air flows simultaneously into and out of the inner inner tube of the heat pipe. FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram showing the installation method of the inner metal tube of the present invention. , Shows the combined state.
세라믹 관형 열교환기 및 금속제 열교환기의 효율을 향상시키기 위한 전열관(11)에 있어서,In the heat exchanger tube 11 for improving the efficiency of a ceramic tubular heat exchanger and a metal heat exchanger,
내열,내식성,고온강도 등이 우수한 세라믹소재를 사용하여 상부튜브(21)와 하부튜브(21')로 분리,형성시키고 상,하부튜브(21)(21')의 각각 외주연부는 나선형(31)(31')으로 형성한 인너-튜브(20)를 전열관(11)의 내부에 삽입시켜 전열관(11)을 공기입구측 헤더블럭(41)(41') 및 공기출구측 헤더블럭(42)(42')에 설치하여 공기입구측에 전열관 고정프랜지(43)와 체결볼트(44)(44')에 의해 설치하여 전열관(11) 내측에서 인너-튜브(20)의 내,외부를 공기가 동시에 흐를 수 있게한 구조이다.Using a ceramic material having excellent heat resistance, corrosion resistance, and high temperature strength, the upper tube 21 and the lower tube 21 'are separated and formed. The outer periphery of each of the upper and lower tubes 21 and 21' is spiral (31). The inner tube 20 formed of the " 31 '" is inserted into the heat transfer tube 11 to insert the heat transfer tube 11 into the air inlet side header blocks 41 and 41' and the air outlet side header block 42. (42 ') is installed on the air inlet side by the heat pipe fixing flange (43) and the fastening bolts (44) (44') and inside and outside the inner tube (20) inside the heat pipe (11). It is a structure that can flow at the same time.
그리고 금속소재를 사용하여 상,하부튜브(21)(21')로 분리,형성하여 외주연부를 나선형(31)(31')으로 형성된 금속제 인너-튜브(20)를 전열관(11)에 삽입시켜인너-튜브 보강대(51)와 인너-튜브 고정판(52)을 인너-튜브(20)에 용접시키고 인너-튜브 고정판(52)을 열교환기 경판(54)에 용접 또는 체결볼트(53)로 고정시키는 구조이다.In addition, the upper and lower tubes 21 and 21 'are separated and formed by using a metal material, and the inner inner tube 20 formed of the spiral 31 and 31' is inserted into the heat transfer tube 11. Welding the inner tube reinforcing plate 51 and the inner tube fixing plate 52 to the inner tube 20 and fixing the inner tube fixing plate 52 to the heat exchanger plate 54 by welding or fastening bolts 53. Structure.
이와같이된 본 발명은 세라믹 관형 열교환기 및 금속제 열교환기의 효율을 향상시키기 위하여 세라믹 인너-튜브 또는 금속제 인너-튜브를 삽입하여 열교환기의 효율을 향상시키기 위한 것으로 열교환기의 세라믹 및 금속 전열관(11) 내부에 내열,내식성,고온강도 등이 우수한 SiC,Al2O3,Sialon,Cordierite,뮬라이트,Si3N4등의 세라믹소재를 사용하는 인너-튜브(20)를 적용할 경우에는 상부튜브(21)와 하부튜브(21')로 분리시켜 조립결합시킬 수 있게하고 상,하부 튜브(21)(21')의 외주연부는 나선형(31)(31')으로 형성하여 여러개의 인너-튜브(20)로서 전열관(11)의 내부에 끼워서 삽입시키거나 또는 하나의 전열관(11) 길이와 같은 인너-튜브(20)를 삽입시켜서 사용한다.The present invention as described above is to improve the efficiency of the heat exchanger by inserting a ceramic inner tube or a metal inner tube in order to improve the efficiency of the ceramic tubular heat exchanger and the metal heat exchanger. Inner tube (20) using ceramic materials such as SiC, Al 2 O 3 , Silon, Cordierite, Mullite, Si 3 N 4 with excellent heat resistance, corrosion resistance, high temperature strength, etc. ) And the lower tube 21 'to be assembled and assembled, and the outer periphery of the upper and lower tubes 21 and 21' is formed in a spiral 31 and 31 'to form a plurality of inner tubes 20 The inner tube 20 is inserted into the heat transfer tube 11 or the inner tube 20 having the length of one heat transfer tube 11 is used.
상기와 같이 인너-튜브(20)가 삽입된 전열관(11)은 열교환기의 공기입구측 헤더블럭(41)(41') 및 공기출구측 헤더블럭(42)(42')에 설치하여 공기입구측에서 전열관 고정프랜지(43)와 체결볼트(44)(44')로 설치하여 전열관(11)과 인너-튜브(20)가 공기의 압력에 의하여 밀려나가지 않는 구조로 설치되어 전열관(11)의 내측에서 인너-튜브(20)의 내,외부를 공기가 동시에 흐를 수 있게하여 전열관(11)을 통하여 온 열량을 축열하고 있으면서 열교환기의 예열효과를 향상시키는 것이다.The heat transfer pipe 11 into which the inner tube 20 is inserted is installed at the air inlet side header blocks 41 and 41 'and the air outlet side header blocks 42 and 42'. The heat exchanger tube fixing flange 43 and the fastening bolts 44 and 44 'are installed on the side thereof so that the heat transfer tube 11 and the inner tube 20 are not pushed out by the pressure of air. It is to improve the preheating effect of the heat exchanger while allowing the air to flow inside and outside of the inner tube 20 at the inner side, thereby accumulating the amount of heat generated through the heat transfer tube 11.
상기의 세라믹 인너-튜브(20)는 각각의 세라믹 재료를 혼합하거나 단독으로 첨가제를 첨가하여 프레스 또는 수타(手打)방법을 통하여 성형한 후 건조하여 소성로에서 소성하여 고밀도의 성형체를 만든 것으로 밀도가 높으므로 축열량이 많고 열전도도가 우수한 특성을 가진다.The ceramic inner tube 20 is mixed with each ceramic material or by adding additives alone, and then molded through a press or a manual method, and then dried and fired in a sintering furnace to make a high density molded body. Therefore, it has a large amount of heat storage and excellent thermal conductivity.
탄화실리카(SiC) 인너-튜브(20)의 제조방법은 설명하면 기본 물질인 탄화실리카에 소결조제인 B,C,Al2O3를 혼합하여 금형 혹은 목형내에 넣고 다져서 성형한 후 소성시키며 이때 소성온도는 1300-1500℃ 로서 로내분위기는 진공,H2,N2,Ar 분위기로 한다.The manufacturing method of the silica carbide (SiC) inner tube 20 is explained by mixing B, C, Al 2 O 3 , which is a sintering aid, into a mold or a wooden mold by sintering the silica carbide, which is a basic material, and then sintering and sintering. The temperature is 1300-1500 ℃ and the furnace atmosphere is vacuum, H 2 , N 2 , Ar atmosphere.
상기와 같이 소성된 인너-튜브(20)는 아래 표.1에서와 같이 밀도와 열전도도가 우수한 인너-튜브(20)가 되는 것이다.The inner tube 20 fired as described above becomes an inner tube 20 having excellent density and thermal conductivity as shown in Table 1 below.
표.1Table. 1
주철,동,철,알루미늄등의 소재를 사용하는 금속제 인너-튜브(20)를 적용할 경우에는 상기한 세라믹 인너-튜브(20)와 같이 상부튜브(21)와 하부튜브(21')로 분리,형성하고 외주연부를 나선형(31)(31')으로 형성하여 전열관(11)에 삽입시켜 인너-튜브(20)에 인너-튜브 보강대(51)와 인너-튜브 고정판(52)을 용접시켜서 인너-튜브 고정판(52)을 열교환기 경판(54)에 용접시키거나 체결볼트(53)로 고정설치하여서 전열관(11)의 내측에서 인너-튜브(20)의 내,외부를 공기가 동시에 흐를 수 있게하여 전열관(11)을 통하여 온 열량을 축열하고 있으면서 열교환기의 예열효과를 향상시키는 것이다.When applying the inner metal tube 20 made of cast iron, copper, iron, aluminum, etc., the upper tube 21 and the lower tube 21 'like the ceramic inner tube 20 described above are separated. , The outer periphery is formed into a spiral (31, 31 ') and inserted into the heat transfer pipe (11) to weld the inner tube reinforcing rod 51 and the inner tube fixing plate (52) to the inner tube (20). The tube fixing plate 52 is welded to the heat exchanger mirror plate 54 or fixedly installed with a fastening bolt 53 to allow air to flow in and out of the inner tube 20 at the inside of the heat exchanger tube 11 at the same time. This is to improve the preheating effect of the heat exchanger while accumulating the heat amount through the heat transfer pipe (11).
상기와 같이 산업용 요.로에 사용되는 세라믹 관형 열교환기 및 금속제 관형 열교환기의 열효율을 향상시키기 위하여 열교환기의 세라믹 전열관 및 금속전열관 내부에 세라믹재질 또는 금속재질의 인너-튜브를 삽입시켜 사용하므로 열교환기의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.In order to improve the thermal efficiency of the ceramic tubular heat exchanger and the metal tubular heat exchanger used in the industrial yoke furnace as described above, an inner tube of ceramic material or metal material is inserted into the ceramic heat exchanger tube and the metal heat exchanger tube of the heat exchanger. To improve the efficiency.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
그러므로 본 발명은 전열관 내측으로 인너-튜브를 설치하여 인너-튜브의 내,외부로 공기가 동시에 흐를 수 있게하여 전열관의 관내대류열전도율이 약 3배 정도 증가시키며 고온작동시에는 복사의 전열촉진효과가 1.9배 증가하여 총합적으로 5.7배의 전열효과증가를 가져올 수 있어 열교환기에 사용되는 세라믹 전열관 및 금속제 전열관의 수를 절감시킬 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.Therefore, in the present invention, by installing the inner tube inside the heat pipe, the air flows in and out of the inner tube at the same time, so that the convective heat conductivity of the heat pipe increases about 3 times, and the heat transfer effect of radiation is increased at high temperature operation. Increasing the heat transfer effect of 5.7 times, which is a 1.9 times increase, can reduce the number of ceramic heat pipes and metal heat pipes used in heat exchangers.
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