KR20030010505A - 액매용 내면홈이 있는 전열관과 그 전열관을 이용한열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내면홈이 있는 전열관의 전열효율을 압력손실의 증대를 초래하지 않고 향상시키는 것을 그 과제로 하며, 이를 해결하기 위한 수단으로 전열관 내에 관축에 대해 45~90°의 각도를 갖는 방향을 따른 환상홈을 길이방향에 간격을 두고 연속하여 형성하며, 이 환상홈은 깊이 0.20mm이상, 홈 핏치를 홈 깊이의 2~5배로 하는 것이 바람직하다. 또한 홈 볼록부에서의 바닥 폭과 홈 핏치와의 비 W/P를 0.1~0.9로 하는 것이 바람직하다.

Description

액매용 내면홈이 있는 전열관과 그 전열관을 이용한 열교환기{HEAT TRANSFER PIPE FOR LIQUID MEDIUM HAVING GROOVED INNER SURFACE AND HEAT EXCHANGER EMPLOYING THE SAME}

본 발명은 관내에 액매를 흐르게 하고, 그 액매와 관 외의 기체, 액체, 고체와 열교환하는 내면홈이 있는 전열관 및 이 전열관을 이용한 열교환기에 관한 것이다.

관내에 액매를 흐르게 하고, 그 액매와 관 외의 기체, 액체, 고체와 열교환하며, 전열관은 열교환기의 일부로서 조립되어 열교환율이 양호하게 되는 재료의 선정이나 형상설계가 행해지고 있다. 그 하나로서 전열관의 내면에 리드홈을 형성하거나, 리브(rib)를 형성하거나 하여 액매에 교반작용을 주어 관과 액매와의 열전달효율을 높이는 연구가 제안되고 있다.

예를들면 통상 사용되고 있는 홈이 있는 관의 경우는 홈의 리드각이 수십도 정도인 홈을 형성하고 있다.

또 일본국 특개소 59-84093호에서는 관의 내면에 형성하는 리브의 형상을 사다리 모양으로 하고 액매의 흐름에 대항하는 면을 관 축에 대해 직각으로 기립시켜 흐름방향측을 경사지게 하여 난류를 일으키며, 액매의 교반성을 양호하게 하여 열전달을 향상시키는 것을 의도한 전열관이 제안되고 있다.

그러나 상기 홈이 있는 관에서는 예를들면 홈핏치 1.5mm, 리드각 15도의 홈이 형성된 관내면에 액매를 흐르게 한 경우의 열전달율은 도 10과 같이 평활관과 비교해도 큰 성능의 향상은 얻을 수 없고, 열교환율의 향상효과는 충분하지 않다. 또 전열관은 플레이트 핀(fin)에 삽입하고, 관을 확장(확관 : 확관(擴管)하여 사용되는 경우가 구상돌기가 있는 맨드릴에 의한 확관시에 관홈의 리드각이 커지는 만큼 맨드릴에 눌리는 볼록부의 가닥 수가 줄어들므로 볼록부가 찌그러지기 쉽다는 문제점이 있다.

또한 관의 내면에 사다리모양의 리브를 형성하는 전열관에서는 리브의 단면형상이 복잡하여 직각기립면의 성형정밀도를 구하는 것이 용이하지 않으며, 제조원가를 상승시킨다. 즉 난류(亂流)형성에 필요한 높이를 충분히 확보하면서 기립면의 각도를 90°로 유지하는 것은 어렵고, 또 리브의 선단부까지 충분히 성형하는 것이 곤란하며, 모서리부가 매끄러운 곡면이 될 가능성도 있어 성능을 확실하게 유지하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로 열교환성능을 비약적으로 향상시키고, 또한 압력손실이 비교적 작고, 확관시에도 홈의 찌그러짐이 작은 액매용 홈이 있는 전열관 및 이 전열관을 이용한 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서의 전열관의 정면 단면도.

도 2는 동 단면사시도.

도 3은 동 본 발명의 전열관을 핀(fin)에 고정한 상태를 나타내는 열교환기의 일부 사시도.

도 4는 다른 실시예에서의 전열관의 정면 단면도.

도 5는 또 다른 실시예에서의 전열관의 정면 단면도.

도 6a 및 도 6b는 은 본 발명의 홈사이 볼록부에서의 바닥 폭을 설명하는 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에서의 전열성능과 압력손실과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 8은 동 다른 실시예에서의 매체유속과 교환열량과의 관계를 나타내는 그래프.

도 9는 동 열교환율과 파이프 압력손실과의 관계를 나타내는 그래프.

도10은 종래의 홈이 없는 관 및 홈이 있는 관에서의 매체유속과 교환열량과의 관계를 도시하는 그래프.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1: 전열관2: 환상홈

2a: 홈바닥부3: 볼록부

5: 관통공6: 플레이트 핀

10: 전열관11: 용접부

12: 환상홈13: 볼록부

20: 전열관21: 용접부

22: 나선홈23: 볼록부

(1)상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 제1구성특징에 의한 전열관은 액매의 이동으로 열교환을 행하는 전열관으로서, 상기 전열관은 이 전열관의 내면에 형성되어 이 전열관의 관축방향으로 일정 간격으로 연속적으로 형성되는 환형 또는 나선형 홈을 구비하고, 상기 홈들이 뻗는 방향은 상기 전열관의 관축에 대해 45~90°의 각도로 경사진 것을 특징으로 한다.

(2) 제2구성특징에 따르면, 상기 제1구성특징(1)에 있어서, 상기 환형 또는 나선형 홈의 홈 깊이가 0.20mm이상이고 또한 홈핏치가 이 홈깊이의 2~5배 이다.

(3) 제3구성특징에 따르면, 상기 제1구성특징(1) 또는 제2구성특징(2)에서, 상기 환형 또는 나선형 홈들 사이에는 볼록부가 형성되고, 이 볼록부에서의 바닥폭(W)과 홈 핏치(P)와의 비 W/P가 0.1~0.9 이다.

(4) 제4구성특징에 따르면, 상기 제1구성특징(1)에서, 상기 전열관은 용접부를 갖는 용접관이다.

(5) 제5구성특징에 따르면, 제 1 내지 제4 구성특징(1)-(4)에 따른 전열관을 포함하는 열교환기를 구성할 수 있다..

(6) 제6구성특징에 따르면, 상기 제5구성특징에서, 상기 전열관은 평행한 여러개의 플레이트 핀에 삽입되어 확관되는 동시에 이 플레이트 핀에 밀착되는 것을 특징으로 하는 열교환기이다.

(7) 제7구성특징에 따르면, 상기 제 6구성특징에서, 액매가 흐르는 측으로 액매의 흐름방향에 대해 경사진 경사면을 갖는 볼록부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 이다.

(8) 제8구성특징에 따르면, 제 7구성특징에서 상기 볼록부는 산모양의 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기 이다.

상기 제1구성특징의 전열관에 의하면 관축에 대해 적절한 정도로 각도차를 갖는 환상 또는 나선홈에 의해 관내를 흐르는 액매가 적절하게 교반되어 관과의 열전달을 효과적으로 향상시킨다. 이 때의 압력손실은 작고 전체적으로 효율이 현저하게 향상한다. 또한 관축에 대한 각도차가 40°미만이면 홈에 가해진 흐름이 발생되기 쉽고 액매의 교반작용이 충분하지 않기 때문에 열전달의 향상효과가 충분히 얻어지지 않는다. 또한 특정의 회전방향에서 상기 각도차가 90°를 넘어도 역의 회전방향에서는 90°미만으로 간주한다. 따라서 관축에 대한 홈의 방향은 45~90°로 한정한다.

또 상기 환형 또는 나선형 홈은 제2구성특징(2)에 기재한 것과 같이 홈 깊이를 0.20mm이상, 홈 핏치를 이 홈 깊이의 2~5배로 하는 것이 바람직하다. 일반적으로 열교환기의 전열관은 지름이 7mm에서 20mm정도이며, 액매의 효과적인 교반작용을 얻기 위해서는 홈의 깊이는 0,20mm이상으로 하는 것이 바람직하다. 0.20mm미만의 깊이에서는 액매의 교반작용은 충분히 얻을 수 없다. 또 홈의 깊이는 1mm이하가 바람직하다. 이것은 홈의 깊이가 너무 커지면 난류가 심해지게 되어 압력손실이 커지기 때문이다. 또한 홈핏치는 상기 홈깊이에 대해 2~5배로 함으로써 액매의 교반작용이 효과적이게 된다. 홈핏치가 홈깊이의 2배 미만이 되도록 홈이 형성되어 있으면 액매의 흐름이 층류에 가깝게 되어 액매의 교반효과가 오히려 작아진다. 한편 홈핏치가 홈깊이의 5배를 넘으면 난류발생효과가 작아 액매의 충분한 교반작용을 얻을 수 없다. 따라서 홈핏치는 홈깊이의 2~5배가 바람직하다.

또한 상기 환형 또는 나선형 홈에서는 제3구성특징(3)에 기재한 것과 같이 환상 또는 나선홈의 저부 사이의 볼록부에서의 바닥 폭(W)과 홈핏치(P)와의 비 W/P를 0.1~0.9로 하는 것이 바람직하다. 이 비 W/P의 값을 상기 범위내로 함으로써 확관시의 볼록부의 찌그러짐을 더욱 효과적으로 경감할 수 있다. 이 비가 0.1미만이면 홈 돌부의 폭이 상대적으로 작고, 홈 돌부가 찌그러지기 쉬워지게 된다. 한편 이 비가 0.9를 넘으면 홈의 폭이 상대적으로 작아지고, 난류의 발생이 충분하지 않아 액매의 교반작용이 불충분하게 된다.

또한 상기 바닥폭(W)은 도 6 a, 도 6b와 같이 볼록부의 바닥부가 곡면인 경우, 볼록부의 실질적인 벽면과 실질적인 저면의 면 방향이 교차하는 위치를 기준으로 하여 나타낸다.

상기한 본 발명의 내면홈이 있는 전열관은 열교환기 내부에 설치하여 열교환기 내부(전열관 외부)의 액체, 기체, 고체와의 사이에서 열교환할 수 있고, 열교환기의 일부로서 조립할 수 있다. 이 전열관에서는 열교환율을 높이기 위해 외면에 핀을 부착하는 경우가 있고 그 부착시에 있어서는 일반적으로 평행한 여러개의 플레이트 핀에 전열관을 삽입하여 맨드릴 등에 의해 확관하여 이 플레이트 핀에 밀착한다.

다음에 본 발명의 일 실시예를 도 1~도 3을 기초로 설명한다.

도 1, 도 2와 같이 원통형상의 전열관(1)의 내부에는 관축방향에 대해 45~90°의 각도방향을 따라 환상홈(2)이 형성되고, 이 환상홈(2)은 편평한 바닥(2a)을 갖고 있으며, 환상홈(2) 들 사이에는 산형상의 볼록부(3)로 되어있다. 즉, 볼록부는 액매가 흐르는 측에서 액매의 흐름에 대해 경사진 경사면을 가지고 있다.

상기 환상홈(2)은 깊이(d)가 0.2~1mm이며, 홈핏치 P는 홈깊이의 2~5배가 된다. 또 볼록부(3)의 바닥폭을 w로 하면 상기 홈 핏치와의 비(w/P)는 0.1~0.9가 된다.

이 전열관(1)에 액매를 흐르게 하면 흐름에 적정한 난류가 일어나고, 액매의 교반작용에 의해 액매와 전열관 사이에서 열전달이 효율적으로 행해진다.

도 3은 상기 전열관(1)을 플레이트 핀(6)의 관통공(5)에 삽입, 관통시키고, 맨드릴(도시하지 않음)에 의해 확관하여 전열관(1…1)을 플레이트 핀(6)에 밀착고정한 것이다. 이 전열관(1…1) 및 플레이트 핀(6…6)은 열교환기의 일부로서 열교환기 본체(도시하지 않음)에 수용된다. 또한 전열관(1)을 플레이트 핀(6)에 밀착고정할 때 볼록부(3)의 찌그러짐은 거의 없어 전열관(1)의 전열성을 손상시키지 않는다. 이 열교환기에서는 전열관에서의 양호한 전열성에 의해 양호한 열교환 효율을 갖고 있다.

도 4는 다른 실시예에서의 전열관(10)을 나타내는 것이다. 이 전열관(10)은 상기 실시예와 마찬가지로 환상홈(12), 볼록부(13)를 갖고 있다. 상기 실시예와 다른 점은 이 전열관(10)이 용접부(11)를 갖는 용접관이라는 것이다. 즉 본 발명의 전열관의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니고 예를들면 심없는 관(seamless pipe)이나 용접관이라도 상관없다.

도 5는 또 다른 실시예에서의 전열관(20)을 나타내는 것으로, 이 전열관(20)도 상기 실시예와 마찬가지로 용접부(21)를 갖는 용접관으로 이루어진다. 그리고 본 실시예의 전열관(20)은 관축과 60°의 각도차를 갖는 나선홈(22)을 가지며, 이 나선홈(22)은 관축방향으로 연속하고, 홈과 홈 사이에 볼록부(23)를 갖는다. 즉 본 발명에서는 홈은 환상홈, 나선홈 중 어느 하나라도 좋다.

(실시예)

다음에 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하면서 설명한다.

(실시예 1)

우선 내경이 10.4mm이고, 내면에 홈 깊이가 0.4mm, 홈핏치 1mm 또는 1.5mm로 관축방향에 대해 90°로 경사진 환상홈을 형성한 본 발명 전열관을 준비하고, 또 비교를 위해 동 내경으로 환상홈이 없는 전열관을 준비했다. 이들 전열관에 있어서, 열교환량과 압력손실의 관계를 조사하여 도 7에 도시했다.

여기서, 액매로서 수성메탄올용액을 전열관에 도입하였다(즉정 온도 -10℃, 측정 유속 : 1, 1.5, 2m/s). 전열관 외측의 액매는 물이다(측정 온도 20℃, 측정 유속 : 1,35,m/s). 전열관 내외측의 액매는 상호 반대로 흐른다.

그래프에서 알 수 있는 것과 같이 본 발명의 전열관은 베어(bear) 전열관에 비해 압력손실에 비해 높은 전열성능을 얻을 수 있는 것을 알았다.

(실시예 2)

다음에 전열관에 고정한 핀사이에 수소흡장 합금(hydrogen storage alloy)을 충전하고, 관내에는 메타놀 수용액을 흐르게 하여 수소흡장 합금의 수소방출에 따른 흡열반응에 의한 열교환성능을 조사했다. 또한 이 실시예에서는 내경이 10.4mm이고, 홈깊이가 0.4mm, 홈핏치가 1.5mm, 관축방향에 대한 방향이 90°인 환상홈이 형성된 전열관을 이용했다. 또 이 실시예에서도 비교용으로 동 내경의 베어관을 준비했다. 측정결과는 도 8, 도 9에 도시했다.

도 8에서 알 수 있는 것과 같이 본 발명의 전열관은 베어관과 비교하여 열통과율은 1.5배 이상의 성능을 나타내고 있다. 또한 도 9에서는 장치 전체의 압력손실과 열통과율의 관계를 나타내고 있지만 본 발명의 전열관을 사용함으로써 압력손실을 절반이하로 할 수 있어 펌프동력이 절반 가까이 내려간다.

(실시예 3)

다음에 본 발명의 전열관을 확관할 때 볼록부의 높이와 어떤식으로 변화할 지를 조사하여 그 결과를 표 1에 나타냈다. 또한 이 전열관에서의 환상홈의 홈 깊이는 0.4mm, 홈핏치(P)1.65mm, 관축과의 각도 90°, 볼록부의 바닥폭(w), 0.80mm이며, w/P는 0.49이다.

표에서 알 수 있는 것과 같이 확관의 진행에 의해서도 볼록부의 작고, 충분한 높이, 즉 홈 깊이가 확보되었다.

단위 : mm

	확관전	확관후
		① 11.16	②11.26	③11.36
외경	12.69	13.31	13.38	13.50
홈볼록부 높이	0.451	0.388	0.396	0.389
바닥 두께	0.743	0.704	0.698	0.681
확관율	-	1.049	1.054	1.063

이상 설명한 것과 같이 본 발명의 액매용 내면홈이 있는 전열관에 의하면 전열관내에 관축대 대해 45~90°의 각도를 갖는 방향을 따라 환상 또는 나선홈을 형성함과 동시에 이 환상 또는 나선홈을 관 길이방향으로 간격을 두고 연속하여 형성했기 때문에 전열관 축선에 대해 직각으로 기립면을 형성하는 것 없이 액매의 흐름에 있어 적절하게 난류가 발생하여 열전달성을 향상시켰다. 그 때의 압력손실도 작은 것으로 할 수 있고, 열교환기에 조립함으로써 열교환기의 열교환율을 향상시킨다. 상기 환상 또는 나선홈은 홈깊이를 0.20mm이상, 홈핏치를 홈깊이의 2~5배로 함으로써 상기 효과가 더욱 현저하게 된다.

또한 환상 또는 나선홈 바닥부 사이의 볼록부에서의 바닥폭(W)과 홈 핏치(P)와의 비 W/P를 0.1~0.9로 함으로서 전열관을 핀에 확관고정할 때 볼록부의 찌그러짐이 억제되어, 환상 또는 나선홈에 의한 상기 효과가 확관가공에 의해 손상되는것을 저지할 수 있다.

Claims (8)

1. 액매의 이동으로 열교환을 행하는 전열관으로서,

   상기 전열관은 이 전열관의 내면에 형성되어 이 전열관의 관축방향으로 일정 간격으로 연속적으로 형성되는 환형 또는 나선형 홈을 구비하고,

   상기 홈들이 뻗는 방향은 상기 전열관의 관축에 대해 45~90°의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 전열관.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 환형 또는 나선형 홈의 홈 깊이가 0.20mm이상이고 또한 홈핏치가 이 홈깊이의 2~5배인 것을 특징으로 하는 전열관.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 환형 또는 나선형 홈들 사이에는 볼록부가 형성되고, 이 볼록부에서의 바닥폭(W)과 홈 핏치(P)와의 비 W/P가 0.1~0.9인 것을 특징으로 하는 액매용 내면홈이 있는 전열관.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전열관은 용접부를 갖는 용접관인 것을 특징으로 하는 전열관.
5. 제 1항에 따른 전열관을 포함하는 열교환기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 전열관은 평행한 여러개의 플레이트 핀에 삽입되어 확관되는 동시에 이 플레이트 핀에 밀착되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제 6항에 있어서,

   액매가 흐르는 측으로 액매의 흐름방향에 대해 경사진 경사면을 갖는 볼록부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 볼록부는 산모양의 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.