KR200456140Y1 - 열교환기의 정유량 정유속 운전장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 열교환기의 정유량 정유속 운전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기를 거쳐 유체가 배출되는 유체배출관측에 순환배관을 연결시켜 열교환기 내부를 유동하는 유량의 감소량 만큼을 열교환기의 내부로 재순환시킬 수 있도록 하며, 이로 인하여 열교환기의 내부에서 일정한 수준의 유량 및 유속이 유지될 수 있도록 함으로서, 열교환기의 내부에서 저속운전이 발생하여 유체 내부의 오염물질이 전열면에 점착되는 현상 및 이로 인한 열교환기의 전열효율 저하와 유체통로의 막힘 현상을 방지토록 함은 물론, 전열면의 부식에 따른 열교환기의 운전성능 저하 및 사용수명의 단축 또한 방지할 수 있도록 한 열교환기의 정유량 정유속 운전장치에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 고안은 열교환기(1)의 입구(1a)측에는 유체펌프(2)로부터 연장되는 유체공급관(3)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(1)의 출구(1b)측에는 유체배출관(4)이 연결 설치된 열교환기(1)의 운전장치에 있어서, 상기 유체배출관(4)에는 삼방향(3-way) 컨트롤밸브(5)가 설치되며, 상기 컨트롤밸브(5)로부터 순환배관(7)이 분기되고, 상기 순환배관(7)이 유체공급관(3)과 연결 설치되며, 상기 순환배관(7)에는 유체공급관(3)으로부터 유체배출관(4) 방향으로의 유체흐름을 차단하는 체크밸브(6)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기의 정유량 정유속 운전장치{Device for driving heat-exchanger with constant flow rate}

본 고안은 열교환기를 거쳐 유체가 배출되는 유체배출관측에 순환배관을 연결시켜 열교환기 내부를 유동하는 유량의 감소량 만큼을 열교환기의 내부로 재순환시킬 수 있도록 하며, 이로 인하여 열교환기의 내부에서 일정한 수준의 유량 및 유속이 유지될 수 있도록 함으로서, 열교환기의 전열효율 저하와 유체통로의 막힘 현상 및 열교환기의 사용수명 단축을 방지할 수 있도록 한 열교환기의 정유량 정유속 운전장치에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 전열판이나 전열관 등이 제공하는 전열면을 사이에 두고 고온유체와 저온유체를 교호(交互)로 유동시킴에 따라, 고온유체의 에너지는 감소시키고 저온유체의 에너지는 증가시키는 방식으로 각 유체간의 열교환을 수행하는 장치로서, 각종 산업분야에 매우 널리 사용될 뿐만 아니라 그 사용목적에 따라 매우 다양한 종류로 세분되어진다.

상기와 같은 열교환기의 운전을 위하여 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 열교환기(1)의 입구(1a)측에는 유체펌프(2)로부터 연장되는 유체공급관(3)이 연결 설치되도록 하는 한편, 상기 열교환기(1)의 출구(1b)측에는 유체배출관(4)이 연결 설치되도록 함으로서, 열교환기(1)의 내부를 통하여 유체가 유동될 수 있도록 하게 된다.

도 1에서는 유체펌프(2)를 사용하여 저온유체(피전열유체)를 열교환기(1)의 내부로 유동시킴으로서, 고온유체(전열유체)와의 열교환을 수행토록 한 것을 대표적인 예로 도시하였는 바, 고온유체가 열교환기(1)를 통하여 유동될 수 있도록 미도시된 유입덕트 및 배출덕트와 같은 고온유체의 통로 또한 열교환기(1)에 설치되어야 함은 물론이다.

상기와 같은 열교환기(1)의 운전 측면에 있어서, 열교환기(1)의 내부를 유동하는 유체의 유량과 유속이 열교환 성능에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있으며, 스파이럴형 열교환기나 판형 열교환기와 같이 내부의 전열구조가 복잡하게 되는 경우는 열교환기(1)의 내부를 유동하는 유체의 유량과 유속이 열교환기(1)의 성능과 수명에 중요한 요소를 차지하게 된다.

예를 들어, 스파이럴형 열교환기는 두 개의 긴 전열판을 원통형으로 감아서 한 쌍의 스파이럴(Spiral) 유로를 형성시킨 다음, 원통형으로 감아 놓은 전열판의 상,하 끝단에 두 개의 커버를 덮어 밀폐시킴으로서, 고온유체측(Hot side) 통로와 저온유체측(Cold side) 통로가 각각 한 개씩의 나선형 유로를 가지도록 한 것이며, 운전온도나 압력이 높은 경우 또는 유체의 점도가 높거나 유체에 슬러지가 포함된 경우에 주로 사용되는 공지의 열교환기이다.

상기와 같은 스파이럴형 열교환기를 도 1에서와 같이 수평하게 눕힌 상태로 사용할 경우, 열교환기(1)의 내부에 제공되는 나선형의 스파이럴 유로 또한 수평 방향으로 뉘어지게 되는 바, 이러한 상태에서 열교환기(1)의 내부를 유동하는 유체의 유량 및 유속이 감소하게 되면, 유체중에 포함된 이물질 중에서 비중이 큰 이물질이 스파이럴 유로를 형성하는 전열판의 바닥부측으로 가라앉게 된다.

상기와 같은 현상이 발생하게 되면, 스파이럴 유로 중 바닥측 통로 부분이 이물질에 의하여 막히게 됨으로서, 스파이럴 유로를 통한 유체의 흐름이 원활하게 이루어질 수 없게 되며, 이로 인하여 열교환기(1)의 운전성능이 저하됨은 물론이고, 유체펌프(2)용 모터의 과부하 및 잦은 고장을 유발시켜 열교환기(1)의 지속적인 운전에 많은 지장을 초래하게 된다.

다른 한편으로, 전열판의 바닥부로 가라앉은 이물질이 전열판의 표면에 점착됨에 따라, 해당 이물질이 전열판을 통한 유체간의 열교환을 차단시키게 됨으로서 열교환기(1)의 전열성능이 저하됨은 물론이고, 전열판에 점착된 이물질이 전열판의 표면을 갉아먹는 부식(Erosion) 현상을 유발시킴으로서, 열교환기(1)의 사용수명 또한 급격하게 단축되는 문제점이 발생하게 된다.

위에서 설명되어진 것은 스파이럴형 열교환기를 수평 방향으로 설치하여 사용하는 경우를 일례로 들어서 열교환기(1)의 저속운전에 따른 문제점을 제시한 것이지만, 스파이럴형 열교환기 이외의 판형 열교환기나 쉘엔튜브(Shell & Tube)형 열교환기 등에 있어서도, 비록 그 정도의 차이는 있으나 열교환기(1)의 저속운전에 따른 위와 같은 문제점이 여전히 존재하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서는, 유체펌프(2)로부터 공급되어 열교환기(1)의 내부를 유동하는 유체가 유체펌프(2)측에서 발생하는 유량감소에도 불구하고 열교환기(1)의 내부에서는 일정한 수준의 유량 및 유속을 유지토록 하여야 하는 바, 본 고안은 이와 같은 요구에 부합되도록 안출된 것이다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 고안에 의한 열교환기의 정유량 정유속 운전장치는, 열교환기를 거쳐 유체가 배출되는 유체배출관측에 순환배관을 연결시켜 열교환기 내부를 유동하는 유량의 감소량 만큼을 열교환기의 내부로 재순환시킬 수 있도록 하며, 이로 인하여 열교환기의 내부에서 일정한 수준의 유량 및 유속이 유지될 수 있도록 함으로서, 열교환기의 내부에서 저속운전이 발생하여 유체 내부의 오염물질이 전열면에 점착되는 현상 및 이로 인한 열교환기의 전열효율 저하와 유체통로의 막힘 현상을 방지토록 함은 물론, 전열면의 부식에 따른 열교환기의 운전성능 저하 및 사용수명의 단축 또한 방지할 수 있도록 하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 본 고안은, 열교환기의 입구측에는 유체펌프로부터 연장되는 유체공급관이 연결 설치되고, 상기 열교환기의 출구측에는 유체배출관이 연결 설치된 열교환기의 운전장치에 있어서, 상기 유체배출관에는 삼방향(3-way) 컨트롤밸브가 설치되며, 상기 컨트롤밸브로부터 순환배관이 분기되고, 상기 순환배관이 유체공급관과 연결 설치되며, 상기 순환배관에는 유체공급관으로부터 유체배출관 방향으로의 유체흐름을 차단하는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 고안에 따르면, 열교환기의 내부를 유동하는 유체의 유량과 유속을 일정한 수준으로 유지시킬 수 있게 됨으로서, 유체중에 포함된 이물질 중에서 비중이 큰 이물질이 전열판이나 전열관 등의 바닥부측으로 가라앉는 시간적인 여유를 주지 않고 해당 이물질이 유체와 함께 열교환기 내부를 안정적으로 유동하여 유체배출관으로 배출되도록 하는 효과가 있다.

이로 인하여, 전열판이나 전열관 등이 제공하는 통로 중 바닥측 통로 부분이 이물질에 의하여 막히게 되는 현상을 방지하게 됨으로서, 열교환기 내부에서의 원활한 유체흐름을 보장하여 열교환기의 운전성능을 향상시킬 수 있음은 물론이고, 유체펌프용 모터의 과부하 및 잦은 고장을 방지하여 열교환기의 지속적인 운전 또한 가능토록 하는 효과가 있다.

다른 한편으로, 전열판이나 전열관의 바닥부로 가라앉은 이물질이 전열면의 표면에 점착됨에 따른 전열성능의 저하 및 해당 이물질이 전열판이나 전열관의 표면을 갉아먹는 부식 현상 또한 방지할 수 있게 됨으로서, 열교환기의 성능향상에 한층 더 기여할 수 있음은 물론이고, 열교환기의 사용수명을 연장시키는 측면에도 기여하는 효과가 있다.

특히, 열교환기의 저속운전시에서 열교환기의 정상운전시로 복귀되는 도중에 열교환기의 내부에서 발생하는 순간적인 유속의 증대로 말미암아 열교환기의 세척효과가 수반되도록 할 수 있으며, 이로 인하여 스케일 제거와 같은 열교환기의 청소주기 또한 연장시킬 수 있도록 함으로서, 열교환기의 운전에 따른 효율성과 경제성을 극대화시킬 수 있는 등의 매우 유용한 효과를 가지는 것이다.

도 1은 종래의 열교환기 운전장치를 나타내는 배관도이고,
도 2는 본 고안에 따른 열교환기의 정유량 정유속 운전장치를 나타내는 배관도이며,
도 3은 본 고안의 정상운전시의 제어상태를 나타내는 순환배관도이고,
도 4는 본 고안의 저속운전시의 제어상태를 나타내는 순환배관도이다.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 고안에 따른 열교환기의 정유량 정유속 운전장치는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 열교환기(1)의 입구(1a)측에는 유체펌프(2)로부터 연장되는 유체공급관(3)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(1)의 출구(1b)측에는 유체배출관(4)이 연결 설치된 기존의 시스템을 그 기초로 하게 된다.

종래의 기술내용에서도 언급되어진 바와 같이, 도 2에 도시된 것은 저온유체(피전열유체)를 열교환기(1)의 내부로 유동시켜 고온유체(전열유체)와의 열교환을 수행토록 한 것을 대표적인 예로 도시한 것이며, 상기 고온유체가 열교환기(1)를 통하여 유동될 수 있도록 미도시된 유입덕트 및 배출덕트와 같은 고온유체의 통로 또한 열교환기(1)에 설치됨은 물론이다.

통상적으로, 전열유체가 되는 고온유체는 외부로 버려지는 폐가스나 배기가스 또는 스팀 등을 사용하게 되며, 이러한 고온유체는 엔진이나 보일러 등으로부터 발생하는 연소압력에 의하여 유입덕트로부터 열교환기(1)를 통과하여 배출덕트로 배출되기 때문에, 고온유체의 공급을 위한 펌프는 별도로 설치되지 아니하며, 이러한 이유로 도 2에서는 저온유체측 배관라인만을 도시한 것이다.

그러나, 가스 또는 스팀 형태의 고온유체가 아닌 액체 형태의 고온유체를 사용하는 경우에는, 고온유체측에도 상기 유체펌프(2)와 유체공급관(3) 및 유체배출관(4)이 설치될 수 있는 바, 본 고안의 요부에 대한 이후의 설명에서 유체의 유량 및 유속이라고 하는 것은 저온유체 뿐만 아니라 액체 형태의 고온유체를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.

본 고안의 요부에 해당하는 구성요소로서는, 상기 유체배출관(4)에 삼방향(3-way) 컨트롤밸브(5)를 설치하는 한편, 상기 컨트롤밸브(5)로부터 순환배관(7)이 분기되도록 하여, 상기 순환배관(7)이 유체공급관(3)과 연결 설치되도록 하며, 상기 순환배관(7)에는 유체공급관(3)으로부터 유체배출관(4) 방향으로의 유체흐름을 차단하는 체크밸브(6)가 설치되도록 한 것이다.

상기와 같이 본 고안의 요부를 이루는 정유량 정유속 운전장치, 즉 삼방향 컨트롤밸브(5) 및 체크밸브(6)를 구비하는 순환배관(7)은 저온유체측 배관라인에 주로 설치되어 사용되는 것이지만, 위에서 설명되어진 바와 같이 고온유체가 액체 형태를 가짐에 따라 고온유체측에도 유체펌프(2)와 유체공급관(3) 및 유체배출관(4)이 설치된 경우에 한하여, 필요시 삼방향 컨트롤밸브(5) 및 체크밸브(6)를 구비하는 순환배관(7)을 고온유체측 배관라인에도 설치하여 사용할 수 있음을 밝혀두는 바이다.

상기 삼방향 컨트롤밸브(5)는 열교환기(1)로부터 유체배출관(4)을 통하여 배출되는 유체의 흐름을 필요시 유체배출관(4)으로부터 순환배관(7)측으로 유도하는 기능을 담당하는 것으로서, 통상적인 온(On)/오프(Off)식 컨트롤밸브(5)가 사용될 수도 있고, 유체배출관(4)의 유량 및 유속을 감지하여 순환배관(7)측으로 유입되는 유체의 유량을 비례 제어할 수 있는 유량조정식 컨트롤밸브(5)가 사용될 수도 있다.

전자에 해당하는 온(On)/오프(Off)식 컨트롤밸브(5)는, 유체배출관(4)을 따라 배출되는 유체의 유량 및 유속 저하시 유체배출관(4)측 출구통로를 폐쇄시키는 한편 순환배관(7)측 출구통로를 즉각 개방시킴으로서, 열교환기(1)로부터 유체배출관(4)을 따라 배출된 유체의 전량(全量)을 순환배관(7)측으로 유도시킴에 따라, 유체의 유량 및 유속 저하에 따른 신속한 반응 및 대처가 가능한 장점이 있다.

이에 반하여, 후자에 해당하는 유량조정식 컨트롤밸브(5)는 유체배출관(4)을 따라 배출되는 유체의 유량 및 유속 저하시 기입력된 설정값을 기준으로 하여 그 감소량 만큼이 순환배관(7)측으로 유도되도록 하고, 나머지의 유체는 유체배출관(4)을 따라 미도시된 사용처로 공급되도록 함으로서, 사용처로의 유체공급을 안정적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같은 삼방향 컨트롤밸브(5)는 유체의 유량 및 유속을 감지하는 미도시된 센서와 접속됨으로서, 센서로부터 입력된 유량 및 유속 신호에 의하여 작동되는 것이며, 상기 센서는 열교환기(1)의 내부에 설치될 수도 있고, 컨트롤밸브(5)의 입구측에 해당하는 유체배출관(4)에 설치될 수도 있으며, 컨트롤밸브(5) 자체에 센서가 내장된 제품을 사용하는 것 또한 가능하다.

그리고, 상기 체크밸브(6)는 유체펌프(2)로부터 유체공급관(3)을 거쳐 공급되는 유체가 순환배관(7)을 따라 유체배출관(4)측으로 역류하지 않도록 할 수 있는 것이라면 어떠한 종류의 것을 사용하더라도 무방하나, 본 고안에 따른 정유량 정유속 운전장치를 고온유체측에도 설치할 경우, 고온조건하에서도 일방향 유동을 보장할 수 있는 제품을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 고안의 작용관계를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유체펌프(2)로부터 유체공급관(3)을 거쳐 열교환기(1)의 내부로 유체가 유입되면, 열교환기(1)의 내부에서 저온유체와 고온유체간의 열교환이 이루어지게 되며, 이와 같이 열교환이 이루어진 유체는 유체배출관(4)을 따라 배출된 다음 미도시된 사용처로 공급된다.

상기와 같은 방식으로 열교환기(1)를 운전하는 과정에서, 유체배출관(4)을 따라 배출되는 유체의 유량 및 유속이 기입력된 설정값 수준 또는 그 이상으로 유지되는 정상운전시에 있어서는, 도 3에 도시된 바와 같이 삼방향 컨트롤밸브(5)가 순환배관(7)측으로의 유체흐름을 차단시키게 된다.

이와는 달리, 열교환기(1)의 운전 과정에서 유체배출관(4)을 따라 배출되는 유체의 유량 및 유속이 기입력된 설정값보다 낮게 되는 저속운전시에 있어서는, 도 4에 도시된 바와 같이 삼방향 컨트롤밸브(5)가 순환배관(7)측 출구통로를 개방시켜 유체의 전량(全量) 또는 일부를 순환배관(7)측으로 유도시키게 된다.

상기와 같은 상태가 되면, 유체펌프(2)로부터 유체공급관(3)을 거쳐 열교환기(1)로 공급되는 유체 및 열교환기(1)로부터 유체배출관(4)과 컨트롤밸브(5) 및 순환배관(7)을 거쳐 유체공급관(3)으로 재순환되는 유체가 서로 혼합됨으로서, 열교환기(1)의 내부로 유입되는 전체 유량 및 이에 따른 유속을 상대적으로 증가시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 방식으로 하여 열교환기(1)의 내부를 유동하는 유체의 유량과 유속을 일정한 수준으로 유지시킬 수 있게 됨으로서, 유체중에 포함된 이물질 중에서 비중이 큰 이물질이 전열판이나 전열관 등의 바닥부측으로 가라앉는 시간적인 여유를 주지 않고 해당 이물질이 유체와 함께 열교환기(1) 내부를 안정적으로 유동하여 유체배출관(4)으로 배출되도록 하게 된다.

이로 인하여, 전열판이나 전열관 등이 제공하는 통로 중 바닥측 통로 부분이 이물질에 의하여 막히게 되는 현상을 방지하게 됨으로서, 열교환기(1) 내부에서의 원활한 유체흐름을 보장하여 열교환기(1)의 운전성능을 향상시킬 수 있음은 물론이고, 유체펌프(2)용 모터의 과부하 및 잦은 고장을 방지하여 열교환기(1)의 지속적인 운전 또한 가능하게 된다.

다른 한편으로, 전열판이나 전열관의 바닥부로 가라앉은 이물질이 전열면의 표면에 점착됨에 따른 전열성능의 저하 및 해당 이물질이 전열판이나 전열관의 표면을 갉아먹는 부식(Erosion) 현상 또한 방지할 수 있게 됨으로서, 열교환기(1)의 성능향상에 한층 더 기여할 수 있음은 물론이고, 열교환기(1)의 사용수명을 연장시키는 측면에도 기여할 수 있게 되는 것이다.

특히, 도 4에 도시된 저속운전 상태에서 컨트롤밸브(5)의 작동에 따른 유로조정에 의하여 유체의 유량과 유속이 기입력된 설정값으로 회복되면, 그 즉시 컨트롤밸브(5)가 순환배관(7)측 출구통로를 폐쇄시킴과 동시에 유체배출관(4)측 출구통로를 개방시킴으로서, 열교환기(1)의 내부에 존재하는 유체가 직선통로를 이루는 유체배출관(4)을 따라 순간적으로 빠르게 유동할 수 있게 된다.

다시 말해서, 컨트롤밸브(5)에 의하여 유체배출관(4)측 출구통로가 막혀 있다가 해당 통로가 갑자기 개방되면, 유체배출관(4)으로부터 순환배관(7)측으로의 90도 각도를 이루던 유체통로가 유동저항이 상대적으로 적은 직선형 통로를 이루게 되며, 이로 인하여 열교환기(1)의 내부에서 유체배출관(4) 통로의 개방정도에 비례하는 순간적인 유속의 증대가 발생한다는 것이다.

상기와 같이 열교환기(1)의 내부에서 순간적인 유속의 증대가 발생하게 되면, 열교환기(1)의 내부에 설치된 전열판이나 전열관 등의 전열면에 부착된 각종 이물질이나 스케일(Scale)이 빠른 유속에 의하여 전열면으로부터 제거되는 세척효과 또한 수반될 수 있다.

상기와 같은 세척효과는 본 고안에 따른 정유속 정유량 운전장치를 나선형 유로를 가지는 스파이럴형 열교환기에 설치한 경우에 있어 더욱 더 두드러지는 잇점을 제공할 수 있는 바, 그 이유는 스파이럴형 열교환기를 수평 방향으로 눕혀서 사용할 경우, 나선형 유로의 바닥측에 모이게 되는 이물질이 유체의 신속한 소용돌이식 흐름에 편승하여 쉽게 제거될 수 있기 때문이다.

상기와 같이 도 4에 도시된 저속운전시에서 도 3에 도시된 정상운전시로 복귀되는 도중에 열교환기(1)의 내부에서 발생하는 순간적인 유속의 증대 및 이에 따른 세척효과로 인하여 스케일 제거와 같은 열교환기(1)의 청소주기 또한 연장시킬 수 있으므로, 열교환기(1)의 운전에 따른 효율성과 경제성을 극대화시킬 수 있는 것이다.

위에서 설명되어진 내용은 본 고안에 대한 이해의 편의를 돕기 위하여 최적 실시예만이 상세하게 설명되어진 것에 불과하며, 본 고안이 추구하고자 하는 기술적 사상의 범주를 벗어남이 없이 예시된 구조를 기초로 하여 다양한 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백한 사항이며, 본 고안은 첨부된 청구항에 기재된 기술적 내용을 기초로 평가되어져야 함은 물론이다.

1 : 열교환기 1a : 입구 1b : 출구
2 : 유체펌프 3 : 유체공급관 4 : 유체배출관
5 : 컨트롤밸브 6 : 체크밸브 7 : 순환배관

Claims (1)

1. 열교환기(1)의 입구(1a)측에는 유체펌프(2)로부터 연장되는 유체공급관(3)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(1)의 출구(1b)측에는 유체배출관(4)이 연결 설치된 열교환기(1)의 운전장치에 있어서,
   상기 유체배출관(4)에는 삼방향(3-way) 컨트롤밸브(5)가 설치되며,
   상기 컨트롤밸브(5)로부터 순환배관(7)이 분기되고, 상기 순환배관(7)이 유체공급관(3)과 연결 설치되며,
   상기 순환배관(7)에는 유체공급관(3)으로부터 유체배출관(4) 방향으로의 유체흐름을 차단하는 체크밸브(6)가 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 정유량 정유속 운전장치.

Images