KR20110017309A

KR20110017309A - 냉동 장치용 열교환기

Info

Publication number: KR20110017309A
Application number: KR1020090074907A
Authority: KR
Inventors: 백현정
Original assignee: 백현정
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-21

Abstract

본 발명은 열교환기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히 기술하면 냉동장치의 증발기 및 응축기 열교환기에 관한 것으로, 특히 히트펌프를 구성하는 증발기 및 응축기의 열교환기로 폐열원이나 해수등의 오염성이 있는 열원 유체의 열을 회수하는 장치로서 열교환기의 세척을 쉽게 하여서 높은 성능을 유지 할 수 있게 하며, 증발기 및 응축기 겸용으로 사용함으로서 쉘 앤 튜브 열교환기(shell and tube)및 판형 열교환기(Plate heat exchanger)의 단점을 보완 하여, 제작비용을 절감 하고, 열교환기의 중량을 경량화 하고, 고효율 반 밀 폐식 판형 열교환기 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 열교환기 시스템에는 셀(shell)(5)의 내부에 원형 롤(Roll) 형태의 판형 열교환기(1)로 이루어진 열교환기 부(100)가 있고, 물용 패킹(10, 11, 12, 15), 냉매 입, 출구(6, 7), 수 측 입, 출구(8, 9) 및 수 측 관판(2)로 구성 되고, 수 측 관판(2)과 쉘(5, shell)이 볼트(60)로 결합된 형태로서, 하천수, 해수 또는 하수 등의 자연열원과 효과 적으로 열 교환 하도록 하며, 열교환기의 세척 및 유지 보수 시에는 볼트(60)를 제거 함으로서 열교환기를 외부로 개방 되도록 하여서 오염 물질의 제거가 용이하도록 구성 되어 있으므로, 기존의 목욕탕 및 생활하수 등의 미활용 에너지의 효과 적인 열 회수뿐만 아니라 각종 산업 프로세스의 오염 물질의 열 회수에 적용 하 여 대폭 적인 에너지 절감을 할 수 있는 특징이 있다

열교환기 , 판형 열교환기, 수 측 관판, 오염 계수, 스폿 용접

Description

냉동 장치용 열교환기{Heat Exchanger Of Refrigerator}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세히 기술하면 냉동장치의 기기의 열교환기, 폐열 회수 열교환기, 하천 수 열교환기, 생활하수 열교환기 및 해수 열교환기 등의 유체(물, 해수 및 하수 등을 총칭 하는 유체 역학 상의 의미로서 이하 “유체”로 표기함) 열교환기의 증발기 및 응축기 열교환기에 관한 것으로, 특히 열펌프를 구성하는 증발기 및 응축기의 열교환기로 폐열원이나 해수용등의 오염성이 있는 열원 유체의 열을 회수하는 장치로서 열교환기의 가공, 세척 및 유지 보수를 쉽게 하여서 높은 성능을 유지 할 수 있게 하며, 간편한 분해 조립이 가능함으로서 기존의 용접형 판형열교환기의 단점을 보완 하는 장치에 관한 것이다.

종래의 열교환기 시스템으로는 다음과 같은 것 들이 있다.

<실례 1>

도12는 종래의 쉘앤튜브(shell and tube)열교환기로 현재 널리 사용되는 열교환기의 형태로서 도12, 13, 14와 같이 구성된 형태로서, 쉘(shell)(200) 내부에는 평행하게 다수의 전 열관(203)설치되어 한 유체가 전 열관(203) 내를 흐르는 동 안 다른 유체는 전 열관(204)의 외측을 흐르는 과정에서 열전달이 일어나는 것이다. 상기 쉘(shell)(200) 안에는 유체가 쉘(shell)(200)을 지그재그로 흐르게 하여 열전달을 촉진 시키는 동시에 전 열관(204) 사이의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 격벽(baffle)(205)이 설치된다.

그렇지만, 상기 종래의 열교환기 시스템은 광범위한 사용에도 불구하고 전 열관(204)이 쉘(200)의 내부에 설치되어 있으므로 하천수, 해수 및 하수 등의 미활용 에너지의 높은 오염성으로 전 열관(204)의 스케일 생성되거나 기타 이물질이 눌어붙게 될 경우 이를 제거를 위해 쉘(200)을 분해하여서 전열관의 세척을 할 수 없으므로 세척 방법은 화학 약품에 의한 세정 작업이므로, 세정 약품에 의한 환경오염 및 전문 기술력을 요구 하는 작업으로 고가의 유지비용을 초래 하고, 종래의 쉘앤튜브(shell and tube) 열교환기의 응축기 및 증발기 겸용이 불가능 한 형태로서 하천수, 해수 및 하수의 미활용 에너지의 열펌프 보급에 많은 어려움이 있는 실정이고, 관판(201)에 전 열관(204)을 취부 하기 위한 구멍을 정밀 가공 해야 하고, 냉매 커버(206, 207)를 정밀 가공 해야 하고, 냉매의 압력에 따라 관판(201, 202) 및 냉매 커버(206, 207)의 철판 구조물의 두께가 일반적으로 20mm ～30 mm 이므로 지나치게 중량물이어서 재료비가 증가하며, 운반 및 작업이 불편한 실정이다.

<실례 2>

도15는 종래의 열교환기 시스템으로 대한민국 실용 공개 번호 특20-1993-0026186로 공개된 것이다.

종래의 판형 열교환기는 다수의 전열 판(11, 12)을 개스킷 및 관판(2, 2‘)를 볼트(4, 4‘)로 고정 하고, 사용 유체를(6-6’, 7-7‘)로 인입 하여 사용 하는 가장 일반적인 판형열교환기 형태로서, 열교환기의 세척 및 보수 유지를 위해서 볼트(4, 4’)를 탈착 하는 구조로서 가장 널리 사용 되어지는 형태이다.

그렇지만, 상기 종래의 열교환기 시스템은 광범위한 사용에도 불구하고 전열 판 내부로 냉매의 인입을 할 수가 없으므로, 냉동 시스템에 사용 시에는 브라인을 사용해야 하므로 냉동 시스템의 성능 저하 및 원가 상승의 요인이 되는 실정이다.

또한, 상기 판형열교환기가 용접형인 경우에는 냉동 시스템에서 직접 냉매를 열교환기 내부로 인입 가능 하므로 현재 가장 많이 사용되지만, 열교환기 내부로 하천수, 해수 및 하수 등의 오염 물질이 인입 시에는 급격한 스케일 성장으로 열교환기의 성능이 저하되고, 스케일 제거 수단은 화학 약품에 의한 세정이 유일 하므로 환경오염을 유발 하는 원인이 되고 있는 실정이다.

본 발명은 열교환기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히 기술하면 냉동장치의 증발기 및 응축기 열교환기에 관한 것으로, 특히 히트펌프를 구성하는 증발기 및 응축기의 열교환기로 폐열원이나 해수등의 오염성이 있는 열원 유체의 열을 회수하는 장치로서 열교환기의 세척을 쉽게 하여서 높은 성능을 유지 할 수 있게 하며, 증발기 및 응축기 겸용으로 사용함으로서 쉘 앤 튜브 열교환기(shell and tube) 및 판형 열교환기(Plate heat exchanger)의 단점을 보완 하여, 제작비용을 절감 하고, 열교환기의 중량을 경량화 하고, 고효율 반 밀 폐식 판형 열교환기 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제를 해결하기 위하여 다음과 같이 기술을 강구 하게 된다.

열교환기 시스템은 셀(shell)(5)의 내부에 원형 롤(Roll) 형태의 판형 열교환기(1)로 이루어진 열교환기 부(100)가 있고, 물용 패킹(10, 11, 12, 15), 냉매 입, 출구(6, 7), 수 측 입, 출구(8, 9) 및 수측 관판(2)로 구성 되고, 수실 관판(2)과 쉘(5)이 볼트(60)로 결합된 형태로서, 판형 열교환기(1)는 전 열판(80, 81)을 겹친 형태에서 일정 형태로 스폿 용접(Spot welding) 및 심 용접(Seam welding)을 한 후 내부로 고압의 유체를 인입 하여 전 열판(80, 81)을 소성 변형 가공을 하여 전 열판(80, 81)의 내부로 냉매 가스를 유입 시키고, 쉘(Shell) 측으로는 유체를 인입 시켜 열 교환을 하는 형태로서, 쉘(shell)을 분해 조립 가능 하도록 하는 반 밀폐 구조의 형태로서, 판형 열 교환기부(100)의 세정시 쉘(shell)을 분해 또는 자동 세정 장치를 부착하여서 부착된 스케일이나 기타의 이물질을 간단하게 제거하여 자연열원을 이용한 냉동 장치 또는 열펌프용 열교환기의 보급에 가장 큰 문제점인 열교환기의 오염문제를 해결 한다.

첫째, 쉘(shell)을 분해 조립 가능 하도록 하는 반밀폐 구조의 형태로서, 판형 열교환기의 세정시 쉘(shell)을 분해 또는 자동 세정 장치를 부착하여서 부착된 스케일이나 기타의 이물질을 간단하게 제거하여 자연열원을 이용한 냉동 장치 또는 열펌프용 열교환기의 보급에 가장 큰 문제점인 열교환기의 오염문제를 해결 할 수 있다.

둘째, 열교환기를 증발기 및 응축기의 겸용으로 제작함으로서 하천수, 해수 및 하수 등의 미활용 에너지를 이용한 열펌프의 보급에 가장 큰 문제점을 해결 할 수 있다.

셋째, 전 열판을 원형 롤(Roll) 형태로 제작 하므로 전 열판의 열팽창을 흡수하므로 전 열판의 파손을 방지 하고, 냉매 및 수 측에 회전력을 야기 하므로 높은 열전달 성능을 발휘 하여 냉동 시스템의 성능을 향상 시키고, 열교환기 시스템을 소형으로 제작 가능 하게 한다.

넷째, 판형 열교환기(Plate heat exchanger)의 장점인 높은 열전달 효과와 개방형 열교환기의 장점인 세정(열교환기의 청소) 작업의 편리성을 겸비 하여, 소형 구조로 개방형 열교환기의 낮은 열전달 율에 의한 대형구조의 제작비용이 많이 소요되는 단점을 해결할 수 있도록 한다.

다섯째, 기존의 쉘앤튜브(Shell and tube) 열교환기에 비해 관판에 전 열관을 취부 하기 위한 구멍을 정밀 가공 공정 및 냉매 커버를 정밀 가공 해야 하는 공정이 없고, 냉매의 압력에 따라 관판 및 냉매 커버를 두꺼운 철판 구조물 제작 하지 않아도 되므로 경량화 및 제작비용을 절약 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 열교환기 시스템은, 원형 롤(Roll) 형태로 쉘(Shell) 내부에 위치하고, 두 개의 전 열판 사이로 냉매 가스를 유입 시키는 판형 열교환기, 열교환기 시스템의 외부 케이싱으로 수실 관판과 볼트로 결합 되고, 내부로 물을 유입 시키는 쉘(Shell), 쉘(Shell)과 볼트로 결합 되고, 냉매 배관 및 수배 관을 부착 하는 수실 관판을 포함하여 이루어지는 열교환기 시스템에 있어서,

상기 열 유체(물)를 인입 하여서 열교환후 방출하는 쉘(5, shell), 쉘 플랜지(25, shell flange), 열 유체 출구(9)로 구성된 쉘 부(shell part);

상기 냉매를 인입 하여서 열교환후 방출하는 판형 열교환기, 냉매 인입(6), 냉매 출구(7) 및 패킹(10, 11. 12, 15, 16)로 구성된 열 교환기부(100, Plate heat exchanger part);

상기 쉘 플랜지(25, Shell flange)와 볼트(60)로 결합되어지고, 냉매 배관 연결 커플링(30, 31) 및 열 유체 입구(8)로 구성된 수실 관 판부(Water sheet part)를 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거하여 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명에 의한 열교환기 시스템의 실시예을 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

<실시예 1>

도1은 본 발명에 따른 열교환기 시스템의 구성을 나타내는 종단면도이다.

도 1에 있어서, 쉘(5, Shell)은 원형 또는 다각형 등의 형태로서 한쪽 끝은 막힌 구조 이고, 다른 쪽 끝은 플랜지(25)가 부착된 형태에서, 유체 출구 헤더(20) 및 유체 출구(9)로 구성 되어 있고, 물 출구 헤더(20)는 도3에서와 같이 사각형 또는 원형 또는 다각형 등의 다양한 형태로 제작 되어 열교환기 시스템내부의 유체를 균등한 유속으로 헤더(20)로 유입 한 후 수 출구(9)로 방출 하도록 구성 되어 진다.

판형 열교환기(1)는 도1, 3과 같이 원형 롤(Roll) 형태로 쉘(5, shell) 내부에 위치하고, 도8의 판형 열교환기(1)의 전개도면 및 도9 종 단면도를 기준으로 설명 하면, 판형 열교환기(1)는 두 개의 전 열판(80, 81)을 겹친 형태에서, 판형 열교환기(1)의 가장 자리는 외부 심 용접(70, Seam welding) 또는 기타 용접으로 내부의 냉매가 외부로 누설되지 않도록 기밀 용접을 하고, 배플 심 용접(71, baffle seam welding)은 냉매의 흐름 방향을 변경 하여 성능 향상을 목적으로 하는 형태로서 배플 심 용접((71, baffle seam welding)의 간격 및 길이는 열교환기의 특성에 여러 가지 형태로서 제작 되어 진다.

또한, 상기 판형 열교환기(1)의 외부 심 용접(70, Seam welding)의 내부 전열 면은 일정 형태(삼각형 또는 원형 또는 다각형등 또는 이들의 혼합 형태) 및 일정 간격으로 스폿 용접(75, Spot welding) 후 내부로 고압의 유체를 인입 하여 전열판(80, 81)을 소성 변형 가공을 하여 도9에서와 같이 타원형의 냉매 유로(85)를 형성 하고, 전열판(80, 81)의 내부의 타원형의 냉매 유로(85) 내부로는 로 냉매 가스를 유입 시키는 구조로서, 도9에서와 같이 스폿 용접(75, spot welding) 부위를 기준으로 삼차원 돌출 타원형 구조(도8에서 가로 방향의 종단면도 역시 동일한 형상을 가짐)를 형성 하므로 냉매 가스의 증발과 응축 효율이 향상 되는 효과와 내부 냉매의 압력에 대응하는 구조적 강도를 제공 하게 되고, 도1에서 패킹(11, 12)은 판형 열교환기(1)의 롤(Roll)형상의 간격을 일정 하게 유지 및 열교환기(1)의 가장자리로의 유체의 바이 패스를 막아 주는 역할을 하고, 패킹(15)은 유체 출구 헤더(21)로 유체가 유출 되도록 하여 주는 역할을 하고, 냉매 입구(6)는 냉판으로 냉매를 공급 하는 역할을 하는 공급 관으로서, 열교환기의 성능 향상을 위하여 판형 열교환기(1)의 인 입부(90, 91, 92)로 인입 되도록 구성 되어 지고, 인 입부(90, 91, 92)는 열교환기의 형태 또는 유체의 종류 등에 따라서 인입부의 개수 및 구멍의 크기가 결정 되어 지면 인입 배관(6)에서 분기된 가지 배관으로 연결되어지고, 냉매 출구(7)는 냉판에서 냉매를 유출 하는 역할을 하는 배출 관으로서, 열교환기의 성능 향상을 위하여 판형 열교환기(1)의 배출부(95, 96, 96)로 배출 되도록 구성 되어 지고, 배출부(95, 96, 96)는 열교환기의 형태 또는 유체의 종류 등에 따라서 배출부의 개수 및 구멍의 크기가 결정 되어 지면 배출 배관(7)에서 분기된 가지 배관으로 연결되어지는 구조 이다.

그리고, 수실 관판(2)은 도1, 2와 같이 플랜지 구조로서 쉘 플랜지(25)와 사이에 패킹(10)을 삽입후 볼트(60)로 체결하여서 유체의 누수를 방지하는 구조로서, 열교환기의 청소 및 유지 보수 작업 시에는 분해가 가능한 반 밀폐 열교환기 시스템을 구성 하고, 수실 관판(2)을 관통 하는 냉매 인입 배관(6) 및 배출 배관(7)의 누수 방지 커플링(30, 31)을 부착 또는 커플링(30, 31)을 생략 하고 수실 관판(2)에 직접 용접 등의 형태로 구성되어지고, 유체의 유입 배관인 수 측 입구(8)가 부착 되어진 형태에서, 상기 누수 방지 커플링(30, 31)은 도19와 같이 암나사부(32, 35), 숫나사부(33, 36) 및 패캥(34, 37)로 구성 되어진 형태로서 통상적인 배관 연결 커플링 구조로서, 수 측 관판(2)과의 연결은 나사형태 또는 용접 형태 등이 사용 될 수 있다.

그리고 상기 쉘(5, shell)은 도4와 같이 쉘 플랜지(26), 패킹(14) 및 수실 관판(3)으로 변경 가능 하고, 수실 관판(3)에는 수실 관판(2)의 냉매 입, 출구(6, 7) 및 수 측 입구(8)의 일부 또는 전부를 선택적으로 구성 할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 열교환기 시스템의 작동을 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

먼저, 냉매는 냉매 인입구(6)를 통하여 판형 열교환기(1)의 인 입부(90, 91, 92)에서 도9의 냉매 유로(85)의 내부에서 증발 또는 응축 작용 완료후 배출부(95, 96, 97)로 통하여 냉매 배출 배관(7)을 통하여 배출 되고, 내부 유로(85)에서의 냉매의 흐름은 배플 심 용접(71, baffle seam welding)으로 흐름 방향이 변경함으로서 내부의 유로(85)의 단면적을 변경함으로서 열전달 율을 향상 시키므로 전열 면적은 최적으로 감소 및 냉동기 시스템의 성능 향상 시킬 수 있다.

다음으로, 유체(물)는 수 측 입구(8)로 인입하여 도1, 3과 같이 열교환기(1)의 중심에서 롤(Roll)의 형상을 따라 바깥 방향으로 회전 하면서 판형 열교환기(1)의 전 열판(80, 81)과 열 교환을 한 후 가열(응축기) 또는 냉각(증발기) 된 후 헤더(20)를 거처 수출구(9)를 통하여 외부로 유출 되는 구조이다.

이때, 유체의 흐름 방향은 냉매의 흐름 방향과 반대 흐름(대향류)으로 구성함으로서 높은 전열 효과를 얻을 수 있으며, 냉매 입구(30) 및 유체 입구(8)는 변경 가능 하며, 이의 일예로 냉매출구(7)가 냉매 입구로 변경 된다면 냉매 입구(6)는 출구가 되고, 유체 입, 출구(8, 9)는 자유로이 변경 가능 하다.

<실시예 2>

도5는 본 발명에 따른 열교환기 시스템의 또 다른 실시예의 구성을 나타내는 종단면도이다.

도 5에 있어서, 쉘(5, Shell)은 원형 또는 다각형 등의 형태로서 한쪽 끝은 막힌 구조 이고, 다른 쪽 끝은 플랜지(25)가 부착된 형태에서, 유체 입구 헤더(21), 출구 헤더(20), 유체 입구(8) 및 유체 출구(9)로 구성 되어 있고, 유체 출구 헤더(20) 및 유체 입구 헤더(21)는 도6에서와 같이 사각형 또는 원형 또는 다각형 등의 다양한 형태로 제작 되어 열교환기 시스템내부의 유체를 균등한 유속으로 헤더(20)로 유입 후 수 출구(9)로 방출 및 수 측 입구(8)로 유입 되어진 유체를 헤더(21)에서 균등 유속으로 열교환기 시스템 내부로 유입 되도록 구성 되어 진다.

판형 열교환기(1)는 도5, 6과 같이 원형 롤(Roll) 형태로 쉘(5, shell) 내부에 위치하고, 도10의 판형 열교환기(1)의 전개도면 및 도11 종 단면도를 기준으로 설명 하면, 판형 열교환기(1)는 두 개의 전 열판(80, 81)을 겹친 형태에서, 판형 열교환기(1)의 가장 자리는 외부 심 용접(70, Seam welding) 또는 기타 용접으로 내부의 냉매가 외부로 누설되지 않도록 기밀 용접을 하고, 배플 심 용접(71, 73, baffle seam welding)은 냉매의 흐름 방향을 변경 하여 성능 향상을 목적으로 하는 형태로서 배플 심 용접((71, 73, baffle seam welding)의 간격 및 길이는 열교환기의 특성에 여러 가지 형태로서 제작 되어 지며, 가로 방향 배플 심 용접((73, baffle seam welding)은 유체의 흐름 방향 및 냉매의 롤(Roll) 회전 방향의 냉매 흐름의 변경을 하여 주는 역할이고, 세로 방향 배플 심 용접((71, baffle seam welding)은 냉매의 흐름을 세로 방향으로 변경 시키는 구조 이다.

또한, 상기 판형 열교환기(1)의 외부 심 용접(70, Seam welding)의 내부 전 열 면은 일정 형태(삼각형 또는 원형 또는 다각형등 또는 이들의 혼합 형태) 및 일정 간격으로 스폿 용접(75, Spot welding) 후 내부로 고압의 유체를 인입 하여 전 열판(80, 81)을 소성 변형 가공을 하여 도9에서와 같이 타원형의 냉매 유로(85)를 형성 하고, 전 열판(80, 81)의 내부의 타원형의 냉매 유로(85) 내부로는 로 냉매 가스를 유입 시키는 구조로서, 도11에서와 같이 스폿 용접(75, spot welding) 부위를 기준으로 삼차원 돌출 타원형 구조(도10에서 가로 방향의 종단면도 역시 동일한 형상을 가짐)를 형성 하므로 냉매 가스의 증발과 응축 효율이 향상 되는 효과와 내부 냉매의 압력에 대응하는 구조적 강도를 제공 하게 되고, 도5에서 패킹(11, 12)은 판형 열교환기(1)의 롤(Roll)형상의 간격을 일정 하게 유지 및 열교환기(1)의 가장자리로의 유체의 바이 패스를 막아 주는 역할을 하고, 패킹(15)은 유체 출구 헤더(21)로 유체가 유출 되도록 하여 주는 역할을 하고, 패킹(16)은 판형 열교환기(1)의 롤(Roll)형상의 간격을 일정 하게 유지 및 쉘(Shell)의 입, 출구 헤더(20, 21) 사이의 유체의 바이 패스를 막아 주는 역할을 하고, 냉매 입구(6)는 냉판으로 냉매를 공급 하는 역할을 하는 공급 관으로서, 열교환기의 성능 향상을 위하여 판형 열교환기(1)의 인 입부(90, 91)로 인입 되도록 구성 되어 지고, 인 입부(90, 91)는 열교환기의 형태 또는 유체의 종류 등에 따라서 인입부의 개수 및 구멍의 크기가 결정 되어 지면 인입 배관에서 분기된 가지 배관으로 연결되어지고, 냉매 출구(7)는 냉판에서 냉매를 유출 하는 역할을 하는 배출 관으로서, 열교환기의 성능 향상을 위하여 판형 열교환기(1)의 배출부(95, 96)로 배출 되도록 구성 되어 지고, 배출부(95, 96)는 열교환기의 형태 또는 유체의 종류 등에 따라서 배출부 의 개수 및 구멍의 크기가 결정 되어 지면 인입 배관에서 분기된 가지 배관으로 연결되어지는 구조 이다.

그리고 수실 관판(2)은 도5와 같이 플랜지 구조로서 쉘 플랜지(25)와 사이에 패킹(10)을 삽입후 볼트(60)로 체결하여서 유체의 누수를 방지하는 구조로서, 열교환기의 청소 및 유지 보수 작업 시에는 분해가 가능한 반 밀폐 열교환기 시스템을 구성 하고, 수실 관판(2)을 관통 하는 냉매 인입 배관(6) 및 배출 배관(7)의 누수 방지 커플링(30, 31)을 부착 또는 커플링(30, 31)을 생략 하고 수실 관판(2)에 직접 용접 등의 형태로 구성되어지고, 누수 방지 커플링(30, 31)은 도19와 같이 암나사부(32, 35), 숫나사부(33, 36) 및 패캥(34, 37)로 구성 되어진 형태로서 통상적인 배관 연결 커플링 구조로서, 수 측 관판(2)과의 연결은 나사형태 또는 용접 형태 등이 사용 될 수 있다.

그리고, 상기 쉘(5, shell)은 도7과 같이 쉘 플랜지(26), 패킹(14) 및 수실 관판(3)으로 변경 가능 하고, 수실 관판(3)에는 수실 관판(2)의 냉매 입, 출구(6, 7)의 일부 또는 전부를 선택적으로 구성 할 수 있다.

먼저, 냉매는 냉매 인입구(6)를 통하여 판형 열교환기(1)의 인 입부(90, 91)에서 도11의 냉매 유로(85)의 내부에서 증발 또는 응축 작용 완료 후 배출부(95, 961)로 통하여 냉매 배출 배관(7)을 통하여 배출 되고, 내부 유로(85)에서의 냉매의 흐름은 가로 배플 심 용접(73, baffle seam welding)으로 가로 방향의 냉매의 흐름을 변경 하고, 세로 배플 심 용접(71, baffle seam welding)으로 세로 방향의 냉매의 흐름 방향이 변경함으로서 내부의 유로(81)의 단면적을 변경함으로서 열전달 향상 시키므로 전열 면적은 최적으로 감소 및 냉동기 시스템의 성능 향상 시킬 수 있으며, 가로 방향 배플 심 용접(73, baffle seam welding)은 도12의 기존 쉘 앤드 튜브(shell and tube)열교환기의 냉매 패스의 구조인 냉매 커버(206, 207) 및 냉매 패스 막음판(208)의 역할을 하는 것으로 열교환기 형태에 따라서 1, 2, 3, 4, 5, 6.. 패스 등의 다 패스 구조를 손쉽게 구현 할 수 있고, 냉매의 입구(6) 및 출구(7)는 도5, 6과 같이 패스 수에 따라서 열교환기(1)의 중심부에 위치 할 수 있다.

다음으로, 유체(물)는 수 측 입구(8) 및 헤더(21)를 통하여 쉘(5, shell)의 가장 자리에 인입 후 도6과 같이 전 열판(80, 81)을 롤(Roll) 형상을 따라 중심부로 이 동 하며, 열교환기 중심부에 도달한 유체는 중심부의 통로를 따라 좌측으로 이동하여 도3과 같은 방향으로 셀(5, Shell)의 가장 자리로 회전 하면서 이동후 헤더(20) 및 수 측 출구(9)를 통하여 외부로 유출 되고, 도6 및 도3의 물의 흐름 변경을 위하여 판형 열교환기(1)의 중앙부에는 격막이 패킹(16)이 물의 이동을 제어 하여, 냉매의 흐름 방향과 물의 흐름 방향이 항상 반대 방향(대향류)흐름이 될 수 있게 구성 되어 지고, 열교환기(1)의 내부의 유체는 회전 하면서 판형 열교환기(1)의 전 열판(80, 81)과 열 교환 후 가열(응축기) 또는 냉각(증발기) 후 헤더(20)를 거처 수 출구(9)를 통하여 외부로 유출 되는 구조이다.

이때, 유체의 흐름 방향은 냉매의 흐름 방향과 반대 흐름(대향류)으로 구성 함으로서 높은 전열 효과를 얻을 수 있으며, 냉매 입구(30) 및 유체 입구(8)는 변경 가능 하며, 이의 일예로 냉매출구(7)가 냉매 입구로 변경 된다면 냉매 입구(6)는 출구가 되고, 유체 입, 출구(8, 9)는 자유로이 변경 가능 하다.

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 판형 열교환기(1)의 롤(Roll) 형상의 유체(물) 통로의 간격은 다양한 형태로 변형이 가능함으로서, 자동 세척기를 열교환기 시스템에 부착 시에는 세척 볼 또는 세척 브러시 등의 크기에 따라서 간격을 조정함으로서 기존 판형 열교환기의 단점을 보안 할 수 있어서 오염 열원의 열 회수 등에 사용 가능 하므로 미활용 에너지의 응용 분야에 적용 가능 하다.

그리고 냉매 입, 출구 배관(6, 7)는 쉘(shell)에 부착 가능 하며, 기밀 연결 조인트(30, 31)은 쉘(5)에 부착 되게 되고, 이는 도6의 경우는 패킹(15) 근방의 판형 열교환기(1)에서 분기 하게 되어 진다.

또한, 도12, 13, 14에서와 같이 관판(201, 202) 및 냉매 커버(206, 207)를 냉매의 압력에 견딜 수 있게 하기위하여 철판(Steel plate)의 두께를 약 20mm ～30mm의 중량물을 사용 하지 않아도 되고, 관판(201, 202)상에 도14의 전열 관을 기밀 고정 하기위한 정밀 구멍 작업을 하지 않아도 되므로 제작비용을 절약 할 수 있다.

도 16은 본 발명에 따른 열교환기 시스템을 냉동 시스템의 증발기와 응축기에 부착 하는 경우와 부착 하지 않는 종래의 열교환기의 경우의 냉동 공조 시스템의 사이클을 나타낸 선도(P-i)로서, 초기 상태의 증발기와 응축기는 전열관은 오염되지 않는 상태로서 고효율의 사이클(i1, i2, i3)로 운전 되어 지나, 열교 환기(증발기 및 응축기를 총칭함)의 전열관의 오염으로 냉동 공조 사이클(i1', i2', i3)의 변화로 고압(P2‘) 및 저압(P1’)으로 작동하고, 본 발명의 열교환기 시스템을 부착한 냉동 공조 사이클은 전열관의 오염이 없는 초기 상태의 운전을 지속함으로서, 고효율의 사이클(i1, i2, i3)로 운전함으로 고압(P2) 및 저압(P1)으로 작동한다.

그러므로, 효율의 사이클(i1, i2, i3)의 고압(P2) 및 저압(P1)과 냉동 공조 사이클(i1', i2', i3)의 고압(P2‘) 및 저압(P1’)을 비교 하여 보면, 토출 온도는 i2'가 i2보다 크므로 i2'가 고온 이 되고, 일량 (i2'-i1')이 일량(i2-i1)보다 크므로 종래의 냉동 공조 시스템이 더 많은 일 량과 높은 토출온도로 압축기의 과부하로 인한 소손의 원인이 되며, 단위 냉각 능력(i1-i3)이 (i1'-i3')보다 커서 증발기의 냉각 능력이 크다.

도 17, 18은 상기 도16의 냉동 공조 사이클의 시간 - 압력선도 및 압력 - 동력 선도로서 종래의 냉동 공조 사이클(A-B-C')은 고압(P1 -> P2)으로 작동하고, 본 발명의 사이클(A-B-C)은 고압(P1)으로서, 이때의 동력 소비는 P1에서 W1을, P2에서 W2를 소비 하므로 W2 > W1 이므로 본 발명의 열교환기 시스템을 부착한 냉동 공조 시스템이 종래의 열교환기 시스템 보다 저에너지 소비의 고효율 사이클이다.

도 1 은 본 발명에 따른 열교환기 구성을 나타내는 종단면도.

도 2 는 본 발명에 따른 도1의 좌측 평면도.

도 3 은 본 발명에 따른 열교환기 구성을 나타내는 도 1의 “A-A'" 단면도

도 4 는 본 발명에 관한 또 다른 형태의 열교환기 구성을 나타내는 종단면도

도 5 은 본 발명에 관한 또 다른 형태의 열교환기 구성을 나타내는 종단면도

도 6 는 본 발명에 따른 열교환기 구성을 나타내는 도 5의 “B-B'" 단면도

도 7 은 본 발명에 관한 또 다른 형태의 열교환기 구성을 나타내는 종단면도

도 8 은 도 1의 판형 열교환기의 전개 평면도면

도 9 은 본 발명에 따른 열교환기 구성을 나타내는 도 8의 “C-C'" 단면도

도 10 은 도 5의 판형 열교환기의 전개 평면도면

도 11 은 본 발명에 따른 열교환기 구성을 나타내는 도 10의 “D-D'" 단면도

도 12 은 종래의 쉘 앤 튜브식 열교환기의 종단면도.

도 13은 도12의 좌측 평면도.

도 14 은 도12의 “E-E'" 단면도

도 15는 종래의 판형 열교환기의 도면

도 16은 본 발명의 적용시의 냉동 사이클을 나타낸 도면

도 17은 본 발명에 따른 도16의 시간-압력 선도를 나타낸 도면

도 18은 본 발명에 따른 도16의 압력-소비 동력을 나타낸 도면

도 19는 누수 방지 커플링의 종단면도

Claims

원형 롤(Roll) 형태로 쉘(Shell) 내부에 위치하고, 두 개의 전 열판 사이로 냉매 가스를 유입 시키는 판형 열교환기, 열교환기 시스템의 외부 케이싱으로 수실 관판과 볼트로 결합 되고, 내부로 유체를 유입 시키는 쉘(Shell), 쉘(Shell)과 볼트로 결합 되고, 냉매 배관 및 수배 관을 부착 하는 수실 관판을 포함하여 이루어지는 열교환기 시스템에 있어서,

상기 열 유체(물)를 인입 하여서 열교환후 방출하는 쉘(shell), 쉘 플랜지(shell flange), 열 유체 출구로 구성된 쉘 부(shell part);

상기 냉매를 인입 하여서 열교환후 방출하는 판형 열교환기, 냉매 입구, 냉매 출구 및 패킹으로 구성된 열 교환부(Plate heat exchanger part);

상기 쉘 플랜지(Shell flange)와 볼트로 결합되어지고, 냉매 배관 연결 커플링 및 열 유체 입구로 구성된 수실 관 판부(Water sheet part)를 특징으로 하는 열교환기 시스템.
제 1항에 있어서, 쉘(shell)에 유체 유입 및 유출 헤더를 하나 또는 둘 다 포함하여 구성 되어진 형태 이고, 쉘 플랜지(shell flange )는 쉘(shell)의 한쪽 또는 양쪽에 선택적으로 부착 된 형태로서 볼트로 수실 관판에 기밀 연결한 형태를 특징으로 하는 열교환기 시스템.
제 1항에 있어서, 수실 관판은 쉘 플랜지(shell flange)수량에 대응 하여 하나 또는 두 개로 구성되어지고, 수실 관판에는 냉매 입/출구 배관을 포함 하고, 유체 입/출구 배관은 선택적으로 포함 또는 불(不) 포함 할 수 있고, 수실 관판을 관통 하는 냉매 인입 배관 및 배출 배관의 누수 방지 커플링을 부착 또는 커플링 생략 형태로 구성 되어진 것을 특징으로 하는 열교환기 시스템.
제 1항에 있어서, 판형 열교환기는 두 개의 전 열판을 겹친 형태에서, 가장 자리는 외부 심 용접(Seam welding) 또는 기타 용접으로 내부의 냉매가 외부로 누설되지 않도록 기밀 용접을 하고, 가로 및 세로 배플 심 용접(baffle seam welding)은 냉매의 흐름 방향을 변경 하여 성능 향상을 목적으로 하는 형태 이고, 외부 심 용접(Seam welding)의 내부 전열 면은 일정 형태 및 일정 간격으로 스폿 용접(Spot welding) 후 내부로 고압의 유체를 인입 하여 전 열판을 소성 변형 가공을 하여 타원형의 냉매 유로를 형성 하고, 타원형의 냉매 유로 내부로는 냉매 가스를 유입 시키는 구조를 특징으로 하는 열교환기 시스템.
제 4항에 있어서, 냉판으로 냉매를 공급 하는 역할을 하는 인 입부는 열교환기의 형태 또는 유체의 종류 등에 따라서 인입부의 개수 및 구멍의 크기가 결정 되 고, 냉판에서 냉매를 유출 하는 역할을 하는 배출 부는 열교환기의 형태 또는 유체의 종류 등에 따라서 배출부의 개수 및 구멍의 크기가 결정 되어 지는 것을 특징으로 하는 열교환기 시스템.
제 1항에 있어서, 판형 열교환기의 전 열판의 좌우에는 판형 열교환기의 롤(Roll)형상의 간격을 일정 하게 유지 및 열교환기의 가장자리로의 유체의 바이 패스를 막아 주는 역할을 하는 패킹이 있고, 수실 관판과 쉘 플랜지(shell flange) 사이에는 기밀 유지 패킹이 있으며, 쉘(Shell)에 입, 출구 헤더가 둘 다 부착된 형태에서는 판형 열교환기의 롤(Roll)형상의 간격을 일정 하게 유지 및 쉘(Shell)의 입, 출구 헤더 사이의 유체의 바이 패스를 막아 주는 역할을 하는 패킹이 잇으로 구성 되어진 열교환기 시스템.
제 1항에 있어서, 냉매 입, 출구 배관은 쉘(shell)에 하나 또는 둘 다 선택 적으로 부착 가능 한 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.