KR20030075914A

KR20030075914A - 직교류식 열교환기

Info

Publication number: KR20030075914A
Application number: KR1020020015395A
Authority: KR
Inventors: 정규진
Original assignee: 정규진
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-09-26
Also published as: KR100469069B1

Abstract

본 발명은 건축설비 및 생산설비 등에서 사용한 후 배출되는 각종 급탕드레인(hot- water drain), 증기드레인(steam drain), 오버플로수(overflow water), 냉각수 등이 보유하고 있는 배에너지원을 회수하여 급수예열 및 예냉원으로 재사용하므로써 가열 및 냉각에 소비되는 에너지를 절약하여 생산원가를 낮춤과 동시에 환경공해물질의 배출량을 획기적으로 줄이기 위한 배에너지 회수를 목적으로 하는 전열시스템인 직교류식 열교환기에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 열교환기는 방열과 수열이 직각향류 형태로 흐르면서 열교환시키는 장치로서 사각체 외부전열관판 내부에 일정한 유로 간격을 두고 유도 분할판을 내외장한 사각형상의 전열관 다수를 나란히 적층하여 이중자켓형으로 구성한 직교류식 열교환부와, 상기 직교류식 열교환부 일측 또는 양측에 일정길이 만큼 돌출되게 설치한 유도분할판에 의해 전열관 내부로 유체의 공급통로 역할을 하도록 설치한 열흡수채널부로 구분 구성하여 상기 열교환부내에서 방열원측 유체와 수열원측 유체가 전열관 내외면을 따라 직각향류형으로 회류(回流)되면서 열교환되게 구성함을 특징으로 하는 직교류식 열교환기에 관한 것이다.

Description

직교류식 열교환기{Cross flow type heat exchanger}

이러한 배에너지원을 적절한 방법으로 회수하여 유효화게 재활용하므로써 에너지를 절감시킬 수 있는 방법에 대하여 현재에도 많은 연구가 진행되고 있으며, 배에너지 회수방법에 있어서 가장 중요한 것은 전열시스템의 배에너지회수효율을 향상시켜 외부로 배출되는 에너지원을 최대한 효과적으로 회수하는데 있는 것이다.

일반적으로 배에너지회수기로 가장 널리 사용하고 있는 열교환기는 다관원통형 열교환기로 그 구성은 양측의 고정관판이 전열관 외면을 따라 유동하는 유체가 통과하는 외관인 동체에 고정되고, 상기 고정관판에 직경이 작고 길이가 긴 다수의 관이 고정된다.

이때 동체내부는 청소를 할 수 없으므로 오염이 심한 유체, 침전물 또는 부식성이 있는 유체를 통과시킬 수 없어 전열관 내부로 보내는 한편, 전열관 외부 즉동체 내부로는 깨끗한 유체를 보내어 배에너지원을 회수하게 된다.

그러나 상기와 같은 구조의 전열관은 오염이 심한 유체,침전물 또는부식성이 있는 유체가 통과하므로 관내부가 막히거나 스케일화 되어 온도효율 및 열전달계수가 작아져 전열효율을 급격히 저하시키는 문제점이 있는 것이었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 본 발명 출원인의 선출원 발명인 특허출원 제2002-7521호 명칭 직교류식 열교환기에 의한 폐열회수 시스템이 제시되고 있는 것이었다.

여기에서 선출원 발명의 직교류식 열교환기를 살펴보면 도 10과 같이 몸체(1) 내로 유입된 폐열원이 전열관(2)의 외면을 따라 직교류로 흐르도록 유도하기 의해 설치한 직교류유도부재(3)에 에어포켓(Air pocket)이 형성되는 것이었다. 따라서 상기 에어포켓에 에어가 정체되어 전열효율이 저하되는 문제점이 발생되는 것이었다.

또한 전열관(2) 내외부를 통과하는 유체간의 유량비 또는 단면적비가 서로 달라 전열관(2) 외부를 통과하는 유체의 유속이 급격히 떨어져 양 유체가 직교류시 전열효율이 저하되는 문제점이 야기되는 것이었다.

즉 도 10과 같이 전열관(2)의 외부단면적(A)을 통과하는 유량비가 전열관(2)의 내부단면적(B)을 통과하는 유량비에 비해 너무 크게 되어 전열관(2)의 외부를 통과하는 유체의 유속이 급격하게 떨어져 양 유체간의 전열효율이 저하되는 것이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 적극적으로 해결하기 위해 안출된 것으로, 우선적으로 직교류유도부재에 의해 생성되는 에어포켓을 제거하여 에어가 정체됨을 방지하여 전열효율을 극대화 시킨다.

또한 전열관의 사이사이에 일정한 유로간격을 두고 유도분할판을 설치하므로써 전열관의 외부를 통과하는 유체의 회류수를 많게하여 유속을 증가시키는 동시에 단면적을 적게하여 전열관 내부를 통과하는 유체와의 유량비차를 없애 전열효율이 향상될 수 있도록 한다.

이로 인해 오염이 심하고 침전물 등이 포함된 방열원측 유체에 의해 발생되기 쉬운 관로막힘이나 스케일생성 등을 방지하여 전열효율이 급격히 저하되는 문제점을 해결하고, 전열관 내외면에서 방열과 수열이 직각향류 형태로 이루어져 방열원측 유체가 보유한 배에너지원을 신속하게 회수하여 에너지원으로 재사용하므로써 에너지 사용량 절감과 동시에 연소 공해물질의 배출을 감소시킬 수 있는 직교류식 열교환기를 제공하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

도 1은 본 발명 직교류식 열교환기의 일실시예인 3way형의 분해사시도

도 2는 본 발명 직교류식 열교환부의 분해사시도

도 3은 본 발명 직교류식 열교환기의 정단면도

도 4는 본 발명 직교류식 열교환기의 측단면도

도 5는 본 발명 전열관과 직교류유도부재의 분리사시도

도 6은 본 발명 전열관과 유도분할판의 결합상태 측단면도로서,

(가)(나)는 용접에 의한 접합상태도

(다)(라)는 결합부재에 의한 결합상태도

도 7은 본 발명 직교류식 열교환기의 다른실시예인 2way형의 분해사시도

도 8은 본 발명 2way형 직교류 열교환기의 정단면도

도 9는 본 발명 2way형 직교류 열교환기의 측단면도

도 10은 종래 직교류식 열교환기의 측단면도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

2,20: 전열관 3,40: 직교류유도부재 10:직교류식 열교환부

13: 외부전열관판 14,52: 유입구 15,53: 유출구

22,32: 유도분할가이드 23,33: 가이드홈 30: 제1 유도분할판

31,61: 통수로 50: 열흡수채널부 60:제2 유도분할판

이하 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

도 1내지 도 3은 본 발명의 직교류식 열교환기의 3way방식을 나타낸 것으로, 사각체의 직교류식 열교환부(10)는 수직의 길이방향으로 다수의 전열관삽입홈(11)이 형성된 한쌍의 고정관판(12)이 일정간격을 두고 입설되고 이 고정관판(12) 사이에는 수열원측 유체와 전열관(20)을 흐르는 유체 사이에 열교환이 이루어질 수 있도록 상하부 및 전후면에 외부전열관판(13)이 연설되어 내부에 열교환공간이 형성된 이중자켓의 구조를 갖는다.

여기에서 외부전열관판(13)의 상부에는 방열원측 유체가 유입되는 유입구(14)가 설치되고 하부에는 전열관(20) 외부를 통과한 방열원측 유체가 유출되는 유출구(15)가 설치되며 상기 방열원측 유체중에 용입된 공기는 도면상 도시되지 않았지만 에어밴트를 통하여 외부로 배출시키는 한편 전열관삽입홈(11)에는 일측이 교대로 개방되게 다수의 전열관(20)이 삽입고정 된다.

한편 상기 고정관판(12) 사이에 적층된 전열관(20)의 사이사이에는 외부전열관판(13)에 일측이 고정되고 선단에 통수로(31)가 형성된 다수의 제1 유도분할판(30)이 등분되게 설치되며, 전열관(20)의 일측에는 본 발명의 궁극적인 목적인 에어포켓의 생성을 차단하기 위해 전열관(20)의 상,하 연장선상을 막아주게 ㄷ형의 직교류유도부재(40)가 설치되어 직교류식 열교환부(10) 내부로 유입되는 방열원측 유체가 전열관(20)의 외면을 따라 지그재그 형태로 흐르면서 전열관(20) 내부의 수열원측 유체와 직각 향류형태로 회류하면서 열교환이 이루어진다.

상기 제1 유도분할판(30)은 전열관(20) 내부를 흐르는 수열원측 유체가 직교류식 열교환부(10) 내에서 방열원측 유체로부터 충분한 열을 흡수하게 하는 역할을 하는 것으로 전열관삽입홈(11) 사이사이에 설치된 한쌍의 유도분할가이드(32)의 가이드홈(33)에 삽입설치 되어 전열관(20) 외면을 따라 흐르는 방열원측 유체가 충분이 열교환되도록 유도하므로써 방열과 수열이 연속적으로 회류될 수 있게 된다.

따라서 전열관(20) 사이사이를 등분함에 따라 전열관(20) 외부를 통과하는 유체의 회류수가 늘어나 유속이 증가됨은 물론 단면적이 줄어들어 전열관(20) 내부를 통과하는 유체의 유량비와 같거나 조금 커서 전열효율이 극대화될 수 있게 된다.

또한 직교류유도부재(40)는 전열관(20)의 일측에 설치되므로써 직교류식 열교환부(10) 내부로 유입된 방열원측 유체가 전열관(20) 외부 사이사이에 설치된 제1 유도분할판(30)에 의해 직각으로 회류될 수 있도록 안내하는 역할을 한다.

상기 직교류식 열교환부(10)의 양측에는 수열원이 통과하는 공간(51)이 형성되게 열흡수채널부(50)가 일체로 설치되고 열흡수채널부(50)의 상하부에는 수열원이 유입 또는 배출되는 유입구(52)와 유출구(53)가 형성된다.

이러한 열흡수채널부(50)의 외부판(54)에는 제2 유도분할판(60)의 일측이 고정되는 것으로, 제2 유도분할판(60)은 전열관(20) 내부를 상하로 등분되게 설치되고 선단에는 전열관(20) 일측의 폐쇄면에서 유체가 회류할 수 있도록 통수로(61)가 형성되므로써 열흡수채널부(50)가 상기 제2 유도분할판(60)을 경계로 하여 서로 연통되어 유입구(52)로 유입된 수열원 측 유체가 직교류식 열교환부(10) 내부를 통과하는 방열원측 유체의 열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있게 된다

즉 수열원측 유체는 제2 유도분할판(60)에 의해 직접 유출구(53)로 유출되지 않고 제2 유도분할판(60)을 따라 전열관(20) 내부와 열흡수채널부(50)를 반복적으로 유동하면서 전열관(20) 외부의 방열원측 유체와 서로 직각향류형으로 효과적인 열교환이 이루어지는 것이다.

따라서 제2 유도분할판(60)은 전열관(20)의 내면에 충분히 접촉되게 흐르도록 수열원측 유체의 흐름을 유도하는 역할을 하며, 방열원측 유체가 직교류식 열교환부(10) 내부를 회류하는 횟수에 따른 가장 경제적인 유속을 결정하여 전열효율을 최대한 증가시키는 역할을 수행하게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 수열원측 유입구(52)를 통해 유입되는 유체는 제2 유도분할판(60)을 따라 전열관(20) 내부와 열흡수열흡수채널부(50)를 반복적으로 유동하는 한편, 방열원측 유입구(14)로 유입되는 유체는 종래와 달리 직교류유도부재(40)가 전열관(20)의 연장선상에 설치됨에 따라 직교류형태로 회류되도록 안내되더라도 에어가 생성될 수 있는 공간(에어포켓)이 마련되지 않아 전열효과가 증대될 수 있게 된다.

또한 상기 제1 유도분할판(30)은 전열관(20)의 사이사이를 등분하여 유체의 회류수를 증가시키므로써 유속이 증가됨은 물론 단면적이 줄어들어 전열관(20) 내부를 흐르는 유체와의 유량비 차이가 거의 없어 훨씬 진보된 전열효율을 얻을 수 있게 된다.

한편 도 5내지 도 6은 본 발명 전열관(20)에 관한 것으로, 도면 (가)(나)의 경우 ㄷ형으로 절곡된 한쌍의 전열관(20)이 서로 마주보게 배치된 후 그 사이에 일정크기의 제2 유도분할판(60)이 용착되는 한편, 일측면에 유체가 연속적으로 회류될 수 있게 하는 직교류유도부재(40)가 설치되는 것이다.

도면 (다)(라)의 경우는 전열관(20)의 길이방향 내면에 가이드홈(23)이 형성된 유도분할가이드(22)가 설치되어 상기 가이드홈(23)에 제2 유도분할판(60)이 삽입설치될 수 있는 것이다.

여기에서 도면(가)(다)는 전열관(20)의 일측이 직사각으로 형성된 것이고,도면(나)(라)는 전열관(20)의 일측이 라운드처리된 것으로 구별되며, 방열원측 유체의 온도 및 오염성, 침전물의 상태 등에 따라 선택적으로 전열관(20)의 내외부에 전열핀(fin)을 설치할 수 있게 된다.

한편 도 7내지 도 9는 본 발명 2way형 직교류식 열교환기를 나타낸 것으로, 열흡수채널부(50)가 일측에만 설치되고 타측 고정관판(12)에는 직교류식 열교환부(10) 내부에 설치된 전열관(20)을 세관할 수 있도록 외부판(54)이 체결되며 이때 기밀을 유지하기 위해 도면상 도시되지 않았지만 고정관판(12)과 외부판(54) 사이에는 가스켓을 끼우고 볼팅결합으로 체결시키게 된다.

상기 2way형은 도 9와 같이 제2 유도분할판(60)이 전열관(20) 내부에 등분되게 설치된 것은 동일하나, 열흡수채널부(50)가 일측에만 설치됨에 따라 도 8과 같이 제1 유도분할판(30)이 3way형과 달리 일측 열흡수채널부(50)에만 설치되어 수열원측의 유체가 한쪽으로만 유동될 수 있는 구조이다.

본 발명은 건축설비 및 생산설비 등에서 사용한 후 배출되는 각종 급탕드레인(hot- water drain), 증기드레인(steam drain), 오버플로수(overflow water), 냉각수 등이 보유하고 있는 배에너지원을 직교류식 열교환기에 의해 상온의 유입수와 직교류 방식으로 회수하여 급수예열 및 예냉원으로 재사용하므로써 가열 및 냉각에 소비되는 에너지를 절약하여 생산원가를 낮춤과 동시에 환경 공해물질의 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 세부적인 효과로써 수열원측 유체가 흐르는 과정에서 에어가 정체되는일이 없어 전열효율이 극대화 될 수 있으며, 전열관과 전열관 사이를 등분하여 전열관의 외부를 통과하는 유체의 유속증가 및 단면적 감소를 인해 전열관 내부를 흐르는 유체와 유량비차가 없어 전열효과가 증진될 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims

다수의 전열관삽입홈(11)이 형성된 한쌍의 고정관판(12)이 일정간격을 두고 입설되고 고정관판(12) 사이 상하부 및 전후면에 외부전열관판(13)이 연설되며 외부전열관판(13) 상하부에 유체가 유입 또는 유출되는 유입구(14) 및 유출구(15)가 설치된 이중재킷형의 직교류식 열교환부(10)와,

상기 전열관삽입홈(11)에 일측이 교대로 개방되게 삽입고정 되는 다수의 전열관(20)과,

상기 후면측 외부전열관판(13) 에 일측이 고정되고 전열관(20) 사이사이를 등분되게 설치되며 선단에 통수로(31)가 형성된 다수의 제1 유도분할판(30)과,

상기 전열관(20)의 연장선상 일측을 막아주어 전열관(20) 외면을 따라 흐르는 유체가 제1 유도분할판(30)에 의해 직각형태로 회류되게 안내하는 직교류유도부재(40)와,

상기 직교류식 열교환부(10) 양측에 수열원이 통과하는 공간(51)이 형성되게 일체로 설치되고 상하부에 유입구(52) 및 유출구(53)가 형성된 열흡수채널부(50)와,

상기 열흡수채널부(50) 외부판(54)에 고정되고 전열관(20) 내부를 상하로 등분되게 관통되며 선단에 통수로(61)가 형성되어 수열원측 유체의 유동방향과 유속을 결정하여 가장 우수한 전열효율을 얻기 위해 설치되는 제2 유도분할판(60)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직교류식 열교환기.
청구항 1에 있어서,

제1 유도분할판(30)은 전열관삽입홈(11) 사이사이에 설치된 유도분할가이드(32)의 가이드홈(33)에 삽입설치된 것을 특징으로 하는 직교류식 열교환기.
청구항 1에 있어서,

제2 유도분할판(60)은 상,하로 등분된 전열관(20) 사이에 끼워진 후 용착된 것을 특징으로 하는 직교류식 열교환기.
청구항 1에 있어서,

제2 유도분할판(60)은 전열관(20)의 길이방향 내면에 설치된 유도분할가이드(22)의 가이드홈(23)에 삽입설치된 것을 특징으로 하는 직교류식 열교환기.
청구항 1에 있어서,

열흡수채널부(50)는 직교류식 열교환부(10)의 일측에만 설치된 2way형으로 구성된 것을 특징으로 하는 직교류식 열교환기.