KR20140089528A - 결합식 가스관-수관 혼합형 열교환기 - Google Patents

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Abstract

상부 섹션, 하부 섹션, 상기 상부 섹션 및 하부 섹션을 둘러싸는 측부 워터 재킷, 상기 상부 섹션 위에 배치된 상부 워터 재킷 및 상기 하부 섹션 하부에 배치된 가스 배기구를 포함하는 원통형 몸체를 구비하는 열교환기. 물 공동은 실질적으로 하부 섹션에 배치되고, 버너를 구비하는 가스 공동은 실질적으로 가스 공동내의 중심에 배치된다. 링 형태로 배치된 복수의 수관들은 가스 공동을 통하여 물 공동을 상부 워터 재킷에 연결하고, 링 형태로 배치된 복수의 가스관들은 물 공동을 통하여 가스 공동을 가스 배기구에 연결한다. 가스관 링 중의 적어도 하나는 수관 링 중의 하나보다 더 큰 직경을 갖는다.

Description

결합식 가스관-수관 혼합형 열교환기{Combined gas-water tube hybrid heat exchanger}
우선권 주장 및 상호참조
본 출원은 2011년 10월 10일에 출원된 미국 가출원 USSN 61/545,385호의 우선권 이익을 주장한다. 상기 출원은 전체로 본원에 참조로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 열교환기에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 온수 가열기와 함께 사용되는 결합식 가스관 및 수관 열교환기에 관한 것이다.
종래 온수 시스템의 핀-관 열교환기들은 종종 코일관의 외면들 상에 배치된 핀들을 구비한 나선형 코일관을 포함한다. 세라믹 원판들이, 버너를 수용하는 열교환기의 배기구에 배치된 팬 송풍기 및 다른 구성요소들과 같은, 버너의 인접한 구성요소들로부터 버너의 직열을 차단하는데 사용될 수 있다. 통상적으로, 핀-관 열교환기는 일반적으로 원통형 하우징, 하우징 내에 동심으로 배치된 나선형 코일관, 나선형 코일의 일단부 상의 코일 루멘 내에 배치된 반경방향-연소 버너 및 나선형 코일의 반대편 단부 상의 나선형 코일 루멘 내에 배치된 세라믹 원판을 포함한다. 통상적으로 하우징의 상면 상에 단단히 고정된 상부 주물이 버너로 공기/연료 혼합물을 강제로 유동시키는 팬 송풍기와 버너 간의 경계부로서 역할을 한다. 세라믹 원판은 고온 연도 가스가 연도 가스의 경로의 구성요소들을 손상시키지 않도록 연도 가스를 차단하고, 연도 가스로부터 나선형 코일 내에 유동하는 물로의 열전달을 향상시키기 위하여 나선형 코일 외면들을 더 효과적으로 둘러싸도록 고온 연도 가스를 보내기 위한 차단벽으로서 역할을 한다.
그러나, 루멘 내에서 세라믹 원판을 사용하는 것은 귀중한 열교환기 공간을 차지하고, 가공 및 설치 비용을 증가시키고, 최대 에너지량을 이용하고 회복하는데 실패한다. 통상적으로, 이러한 설비에서는, 고온 연도 가스가 코일관 주위로 더 효과적으로 안내될 수 있도록, 유체 방해판들이 코일 권선(루프) 사이에서 사용되고 위치된다. 고온 연도 가스로부터 나선형 코일로의 열전달을 증가시키기에는 효과적이지만, 통과하여 배출될 고온 연도 가스의 경로 내에 간극들이 존재한다. 또한, 상부 주물을 통과하는 불량한 열 회수는 상부 주물을 불필요하게 가열시키며, 환경에 대해서 낭비이고, 불필요하게 주위 구성요소들을 가열시킨다. 핀-관의 제조는 코일관을 생성하기 위하여 관을 휘는 단계 및 열전달을 촉진하도록 코일관 위로 핀들의 양호한 접촉을 생성하기 위하여 코일관 위로 다수의 핀들을 슬라이딩 및 용접하는 단계를 포함하는 복수의 단계들을 수행하기 위한 특별한 공구들이 필요하다. 또한 상당한 열손실이 열교환기 하우징을 통하여 발생한다.
현재 열교환기 설계들은 열교환기로부터 열손실을 방지하기 위하여 주위로 손실되는 열을 수용하기 위한 열교환기의 외부 쉘의 단열을 요구한다.
그러므로, 버너로부터 손상되거나 손실되는 열을 이용할 수 있는 열교환기 및 가공하기 간단하고 비용 효과적인 열교환기에 대한 필요성이 제기된다. 또한, 부품 수를 감소시켜서 설계를 더 복잡하게 하지 않고 열교환기의 효율을 향상시킬 필요성이 있다.
종래의 가스-연소 수관 열교환기들에 비하여 더 간단하고 덜 비용이 드는 제조 기술들로 제조 가능한 열교환기를 제공하는 것이 본 발명의 주요한 목적이다.
온수를 온수 사용자에게 제공하는데 지연을 제거하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
열교환기의 주위로 열 손실을 최소화하고 열 회수를 최대화하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다. 측부 및 상부 워터 재킷들은 열교환기 주위가 아닌 상부 및 측부 재킷들 내의 물 유동에 열전달을 발생시킴으로써 주로 공기 및 열교환기 주위의 열교환기 구성요소들에 대한 대류로 인한 열 손실을 최소화한다.
종래에는, 세라믹 원판은 고온 연도 가스가 가스의 경로의 구성요소들을 손상시키지 않도록 고온 연도 가스를 차단하고 고온 연도 가스로부터 나선형 코일 내부에 유동하는 물로의 열전달을 향상시키기 위하여 나선형 코일 외면들을 더 효과적으로 둘러싸도록 고온 연도 가스를 보내는 차단벽으로서 역할을 한다. 존재하는 물 유동 경로들을 전략적으로 배치함으로써 세라믹 구성요소들의 사용을 제거하여 임의의 구성요소들에서 과도한 열 생성을 감소시키는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명은 결합식 수관 및 가스관들을 포함하는 열교환기에 관한 것이며, 열교환기는 종래의 가스-연소 수관 열교환기들에 비하여 더 간단하고 비용이 덜 드는 제조 기술들로 제조 가능하다. 본 열교환기는 상부 섹션, 하부 섹션, 물 배출구를 구비하고 상기 상부 섹션 및 하부 섹션을 둘러싸는 측부 워터 재킷, 상기 상부 섹션 위에 배치된 상부 워터 재킷 및 상기 하부 섹션 하부에 배치된 가스 배기구를 포함하는 원통형 몸체를 포함하되, 상기 물 배출구는 실질적으로 측부 워터 재킷의 하단부에 배치된다. 열교환기는 물을 수용하기 위한 물 유입구를 구비하는 물 공동을 포함하되, 물 유입구는 실질적으로 상기 하부 섹션의 하단부에 배치되고, 물 공동은 실질적으로 상기 하부 섹션에 배치되며, 버너를 구비하는 가스 공동은 그 가스 공동 내에서 실질적으로 중심에 배치되고, 복수의 수관들은 가스 공동을 통하여 상부 워터 재킷에 물 공동을 연결하고, 복수의 가스관들은 물 공동을 통하여 상기 가스 배기구에 상기 가스 공동을 연결한다. 다수의 복수의 가스관들은 복수의 수관들 각각과 버너 사이의 반경 거리보다 버너로부터 더 큰 반경 거리에 위치된다. 물 유동은 물 유입구로부터 물 공동, 수관들, 상부 워터 재킷 및 측부 워터 재킷을 통하여 물 배출구로 발생되도록 구성되고, 상기 버너는 직열 및 가스 공동으로부터 가스관들을 통하여 배기구까지 유동하는 연도 가스 유동을 생성하도록 구성되고, 열전달은 직열 및 연도 가스 유동으로부터 물 유동으로 발생된다. 일 구현예에서, 각 가스관들 및 수관들은 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 배치되는 난류발생장치를 더 포함한다.
본 발명의 많은 구현예들이 있을 수 있지만, 각 구현예는 임의의 조합의 전술한 목적들의 하나 이상을 충족시킬 수 있다. 각각의 구현예가 반드시 각각의 목적을 충족시키는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록, 그리고 본 기술분야에 대한 본 기여가 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 더 중요한 특징들을 광범위하게 개략화하는 본 발명의 부가적인 특징들이 있다. 물론, 본 발명의 부가적인 특징들은 본원에서 설명되고 본 상세한 설명의 대상의 일부를 형성할 수 있다.
본 발명의 전술된 그리고 다른 이점들 및 목적들을 얻기 위하여, 상기에 간략하게 설명된 본 발명의 더 구체적인 설명은 첨부되는 도면들에서 도시되는 본 발명의 구체적인 구현예들을 참조하여 이루어진다. 이러한 도면들은 단지 본 발명의 통상적인 구현예들만을 도시하는 것이며, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하면서, 본 발명은 이하에 첨부되는 도면들을 이용하여 부가적인 구체성 및 세부내용을 기술하고 설명한다.
도 1은 열교환기의 상면을 통하여 공기/연료 혼합물을 수용하기 위한 공동을 도시하는, 본 발명의 열교환기의 상부 사시도이다.
도 2는 유입되는 냉수를 가열시킬 수 있는 열교환기의 내부 구조를 도시하는, 도 1의 선(AA)을 따라 자른 상부 사시 단면도이다.
도 3은 열교환기의 내부 구조 내의 물 및 가스 유동을 도시하는, 도 1의 선(AA)을 따라 자른 정면 수직 단면도이다.
도 4는 난류발생장치들이 가스관 및 수관들 내에서 사용되는 것을 제외한, 도 3에서 도시된 바와 같은 정면 수직 단면도이다.
도 5는 본 열교환기의 다른 구현예의 정면 수직 단면도이다.
도 6은 본 열교환기의 또 다른 구현예의 정면 수직 단면도이다.
도 7은 가스관이 중앙 관 시트에 접근함에 따라서 계속해서 더 작아지는 가스 유입 슬롯들의 사용을 도시하는, 도 6의 가스 관의 부분 수직 단면도이다.
도 8 내지 10은 본 발명을 구현하기 위하여 가스관들 및 수관들과 협동으로 사용되는 다양한 관 시트들을 도시한다.
도 11은 본 열교환기가 사용될 수 있는 예시적인 물 가열 회로를 도시한다.
도 12는 본 발명의 대안적인 구현예를 도시한다.
도 13은 본 발명의 대안적인 구현예를 도시한다.
도 14는 도 13의 수관들 내의 부분적인 대안적인 유동 형태를 도시한다.
도 15는 본 발명의 대안적인 구현예를 도시한다.
도 16은 본 발명에 따른 비틈관(twisted tube)의 부분 정면 수직도를 도시한다.
용어 "약"은 본원에서 대략적으로 영역, 거의 영역, 영역 주위, 또는 영역 내를 의미하는데 사용된다. 용어 "약"이 숫자 범위와 연결되어 사용되는 경우, 그 숫자 범위는 표시된 숫자 값들 위 및 아래로 경계선들을 연장함으로써 그 범위를 수정한다. 일반적으로, 용어 "약"은 본원에서 20 퍼센트 위 또는 아래 (더 높거나 더 낮은)의 변량 만큼 표시된 값 위 및 아래로 숫자 값을 수정하는데 사용된다.
도 1은 열교환기(2)의 상면을 통하여 공기/연료 혼합물을 수용하기 위한 공동을 도시하는, 본 발명의 열교환기(2)의 상부 사시도다. 사용시에, 공기/연료 혼합물 유동이 송풍기(28)의 보조로 버너(8)의 방향(10)으로 제공된다(도 11 참조). 일반적으로 열교환기의 외면들은 측부 워터 재킷(4), 상부 워터 재킷(6) 및 상부 워터 재킷(6)의 개구(9)를 구비하는 길쭉한 원통 형상 몸체를 정의한다.
도 2는 유입되는 냉수를 가열시킬 수 있는 열교환기(2)의 내부 구조를 도시하는, 도 1의 선(AA)을 따라 자른 상부 사시 단면도이다. 도 3은 열교환기(2)의 내부 구조 내의 물 및 가스 유동을 도시하는, 도 1의 선(AA)을 따라 자른 정면 수직 단면도이다. 도 4는 난류발생장치(16)들이 가스관들 및 수관들 내에서 사용되는 것을 제외한, 도 3에서 도시된 바와 같은 정면 수직 단면도이다. 열교환기(2)는 상부 섹션, 하부 섹션, 물 배출구(24)를 구비하는 측부 워터 재킷(4), 상부 섹션(60) 위에 배치된 상부 워터 재킷(6), 및 하부 섹션(62) 밑에 배치된 연도 가스 배기구(26)를 포함하는 원통형 몸체를 포함한다. 측부 워터 재킷(4)은 상부 섹션(60) 및 하부 섹션(62)을 둘러싼다. 물 배출구(24)는 실질적으로 측부 워터 재킷(4)의 하단부에 배치된다. 물을 수용하기 위한 물 유입구(22)를 구비하는 물 공동(68)은 실질적으로 하부 섹션(62)의 하단부에 배치된다. 중심에 위치된 버너(8)를 구비하는 가스 공동(66)은 상부 섹션(60)에 배치된다. 복수의 수관들(18)이 물 공동(68)을 가스 공동(66)을 통하여 상부 워터 재킷(6)에 연결한다. 복수의 가스관들(20)이 가스 공동(66)을 물 공동(68)을 통하여 연도 가스 배기구(26)에 연결하되, 복수의 가스관들은 복수의 수관들(18)의 각각과 버너(8) 사이의 반경 거리보다 버너(8)로부터 더 큰 반경 거리에 배치되어 고온의 연도 가스가 연도 가스 배기구(26)로의 연도 가스의 경로 상의 수관들(18)을 강제로 둘러싸게 한다.
소형 저장소를 구비한 순수 요구형(on-demand) (탱크가 미구비된)시스템에 대하여, 총 물 용적, 즉, 유체 접속구들, 상부 및 측부 워터 재킷들(6, 4), 및 하부 섹션의 물 공동(68)의 물 용적은 2 갤론(7.6리터)보다 작다. 더 주기적인 부하에 대하여 또는 대량 요구를 충족시키기 위하여, 물 공동(68)은, 예를 들어, 20 갤론(76리터)의 증가된 용량을 구비할 수 있도록 확장될 수 있다. 일 구현예에서, 각 가스관 또는 수관은 약 4.8mm의 내경 및 약 6mm의 외경을 갖는다.
물 유동은 물 유입구(22)로부터 하부 섹션(62), 수관들(18), 상부 워터 재킷(6) 및 측부 워터 재킷(4)을 통하여 물 배출구(24)로 유동하도록 구성된다. 버너(8)는 대류 및 복사를 통한 직열 및 가스 공동(66)으로부터 가스관들(20)을 통하여 가스 배기구(26)로 유동하는 연도 가스 유동(12)을 생성하도록 구성되고, 열전달은 직열 및 연도 가스 유동(12)으로부터 물 유동(14)으로 발생된다. 일 구현예에서, 각 가스관 및 수관은 실질적으로 각 관의 전체 길이에 걸쳐 배치된 난류발생장치를 더 포함한다. 수관(18)에 배치되는 경우, 난류발생장치(16)는 물 유동(14) 내에 난류를 촉진시키고 물 유속을 증가시킴으로써, 수관(18)의 내면 상에서 발생될 수 있는 국부적인 비등을 제거한다. 국부적인 비등은 궁극적으로 수관(18)의 내면 상에 패임(pitting)을 발생시킨다. 유사한 효과가 가스관들(20) 내에 난류발생장치들(16)을 배치시킴으로써 달성된다. 가스 입자들이 가스관들의 내면 상에 충돌하는 속도가 난류발생장치들(16)의 존재와 함께 증가되므로, 단위 연도 가스 질량 유속 당 연도 가스로부터의 열전달이 증가된다.
도 5는 본 열교환기의 다른 구현예의 정면 수직 단면도이다. 본 구현예에서, 측부 워터 재킷(4)은 상부 워터 재킷(6)을 상부 관 시트(46) 주위에 연결하고, 중부 관 시트(48) 주위에서 종단된다. 물 공동(68)은 예열 처리된 유입수로 대부분 충진되기 때문에 하부 섹션의 외측부는 본질적으로 유입수로 충진되고, 또한 하부 섹션의 외측부를 통하여 잠재적인 열손실을 감소시키는, 물 공동(68)의 일부를 구성한다.
도 6은 본 열교환기의 또 다른 구현예의 정면 수직 단면도이다. 본 구현예에서, 가스관들(20)은 중부 관 시트(48)를 지나서 연장되고 버너(8)에 의하여 생성된 고온 가스들이 수관들(18) 둘레로 유동해야 하거나, 상부 및 측부 워터 재킷들(6, 4)의 내면들(94, 96) 상에 충돌해야만 하도록 버너(8)로부터 먼 방향에 배치된 가스 유입 슬롯들(74)을 구비한다. 도 7은 가스관(20)이 연도 가스 배기구(26)에 접근함에 따라서 계속해서 더 작아지는 가스 유입 슬롯들(74)의 사용을 도시하는, 도 6의 가스관(20)의 부분 수직 단면도이다. 고온 가스는 연도 가스 배기구(26)에 가장 근접한 위치의 가스관들(20)로 유입되는 경향이 있기 때문에, 계속해서 더 작아지는 가스 유입 슬롯들(74) 배열은 가스관(20)의 길이들을 따라서 연도 가스 유속의 균일성을 증가시킴으로써 버너(8)로부터 물 유동(14)으로의 열전달율의 균일성을 증가시킨다.
도 8 내지 10은 본 발명을 구현하기 위하여 가스관들 및 수관들(20, 18)과 협동하여 사용되는 다양한 관 시트들(46, 48 및 50)을 도시한다. 상부 관 시트(46), 중부 관 시트(48), 및 저부 관 시트(50)는 대체적으로 원형이다. 상부 관 시트(46) 상에, 개구들(58)의 링이 측부 및 상부 워터 재킷들(4, 6)을 연결하기 위한 상부 관 시트(46)의 주변부 주위에 배치된다. 대형 개구(52)는 버너(8)를 수용하기 위하여 중심에 배치된다. 수관들(18)을 수용하기 위한 개구들(54)의 다른 링은 대형 개구(52) 주위에 배치된다. 중부 관 시트(48) 상에서, 개구들(56)의 링이 주변부 근처에 배치되고, 개구들(56)의 다른 링이 중부 관 시트(48)의 중심 주위에 배치된다. 개구들(56)은 가스관들(20)을 수용하도록 구성된다. 개구들(54)의 또 다른 링이 개구들(56)의 두 개의 링들 사이에 배치된다. 저부 관 시트(50) 상에서, 개구들(56)의 링은 주변부 근처에 배치되고, 개구들(56)의 다른 링은 저부 관 시트(50)의 중심 주위에 배치된다. 조립 시에, 상부 관 시트(46)는 중부 관 시트(48) 위에 위치되고, 중부 관 시트(48)는 저부 관 시트(50) 위에 위치된다. 상부 관 시트(46)의 개구들(54)은 중부 관 시트(48)의 개구들(54)과 실질적으로 수직으로 정렬된다. 중부 관 시트(48)의 개구들(56)은 저부 관 시트(50)의 개구들(56)과 실질적으로 수직으로 정렬된다. 각 수관(18)의 일단부가 상부 관 시트(46)의 하나의 개구(54)와 결합하고, 타단부는 중부 관 시트(48)의 하나의 개구(54)와 결합하도록, 수관들(18)은 상부 관 시트(46)와 중부 관 시트(48) 사이에 배치된다. 각 가스관(20)의 일단부가 중부 관 시트(48)의 하나의 개구(56)와 결합하고, 타단부는 저부 관 시트(50)의 하나의 개구(56)와 결합하도록, 가스관들(20)은 중부 관 시트(48)와 저부 관 시트(50) 사이에 배치된다. 일 구현예에서, 가스관 또는 수관의 각 단부는 가스관(20) 또는 수관(18)과 각 관의 상응하는 개구 사이에 비누수(leakless) 결합을 생성하는, 개구 내로 확장되는 롤러(roller)이다. 다른 구현예에서, 가스관(20) 또는 수관(18)의 각 단부는 개구(54, 56) 상으로 브레이즈(braze) 용접된다. 이러한 구현예들에서, 결합부들이 부식되는 경향을 증가시키는 용접을 피할 수 있기 때문에, 열교환기 구조적 완전성은 향상되거나 유지된다. 도시되지 않은 일 구현예에서, 더 큰 수관들의 제2 또는 외측링이 수관들(18)의 현재 링 주위로 배치된다. 수관들의 제2 링은, 외측링의 각 수관이 수관들(18)의 내측링의 두 개의 연속적인 수관들(18) 사이 내에 배치되도록, 현재 수관들(18)에 대하여 각지게 표시될 수 있다. 그러한 구성은, 열전달을 위한 표면적이 증가됨으로써, 수관들(18) 내의 물 유동(14)으로의 열전달을 더 촉진시킨다.
종래의 보일러들의 연관들(물이 관들 내에서 유동하는 고온 가스들을 둘러싼다) 또는 수관들(고온 가스가 관들 내에서 유동하는 물을 둘러싼다)은 통상적으로 부식을 방지하기 위하여 고가의 스테인레스강으로 제조된다. 대조적으로, 본 발명의 열교환기의 가스관 및 수관은 설계상 간편함으로 인하여, 연강 및 코팅된 유리로 제조될 수 있다. 이러한 공정은 상당히 저렴한 비용으로 부식을 방지한다.
순수 연관 구성, 즉, 고온 가스가 연관들에 도달하기 전에 버너에 의하여 생성된 열의 일부를 제거하기 위한 수관들이 없는 구성은, 국부적인 비등이 버너에 노출된 관 시트 및 물 공동 내의 물 용적과 접촉하는 연관들의 외면 상에서 발생되는 경향이 있다. 국부적인 비등은 고온의 연도 가스가 연관들 및 관 시트 상에 충돌하는 경우에 연관들 및 관 시트 내에서 발생되는 높은 열속 및 높은 열응력의 신호이다.
도 11은 본 발명의 열교환기(2)가 사용될 수 있는 예시적인 물 가열 회로를 도시한다. 냉수가 냉수 유입구(30)를 통하여 물 가열 회로로 유입되고, 가열된 물 또는 온수로서 온수 배출구(32)를 통하여 배출된다. 상기 물 가열 회로는 온수 배출구(32)에서 사용자에게 온수를 제공함에 있어 지연을 감소시키는 것을 돕는 내부 순환 루프(64)를 포함하는 물 가열 회로를 도시한다. 물 배출구(32)에서 요구가 존재하는 경우, 메인 유동(42)이 메인 유선(36)에서 생성된다. 냉수가 열교환기(2)에 유입되어, 펌프(34)를 통하여 유동하고, 버너(8)에 의하여 생성되는 열을 흡수하고, 열교환기(2)에서 배출되어, 물 배출구(32)에 도달한다. 내부 재순환 유동(44)이 내부 재순환 유선(64) 내에서 필요하다면, 이러한 유선 내에 배치된 솔레노이드 밸브(38)가 개방되고 펌프(34)가 작동된다. 내부 재순환 중에 물 배출구(32)에서 요구가 없더라도, 유동(42)은 다시 메인 유선(36) 내에서 발생되되, 열교환기(2)에서 생성된 열은 다시 메인 유선(36) 내의 유동에 부가될 수 있다. 또한, 열교환기(2)는 내부 재순환 유선(64) 없는 물 가열 회로 또는 외부 재순환 유선(미도시)을 포함하는 물 가열 회로에서 사용될 수 있다.
도 12, 13, 14, 및 15는 본 발명의 대안적인 구현예들을 도시한다. 이러한 구현예들에서, 열교환기의 단지 구획된 부분들만 명확성을 위하여 도시된다. 도 12는 물 유동(14)을 가스 공동(66)을 통하여 한번 이상 재안내하기 위한 반원형 프로필의 내측 다기관들(70)의 사용 및 상부 워터 재킷을 통하여 열손실을 더 최소화하기 위하여 외측 및 내측 다기관들(72, 70)의 상호 교차의 사용을 도시한다. 이러한 구현예에서, 물 유동(14)은 물 공동(68)의 저부 근처의 물 유입구(22)로 유입되고, 외측 다기관(72)의 상면 상의 물 배출구(24)를 통하여 배출된다. 열교환기(2)에 유입되면, 물 유동(14)은 우선 중부 관 시트(48), 측부 워터 재킷(4)을 통하여 복수의 개구들에 의하여, 상방으로 안내되고, 이어서 가스 공동(66)을 통하여 상부 관 시트(46)의 제1 내측 다기관(70)을 사용하여 하방으로 재안내된다. 다음으로 물 유동(14)은 가스 공동(66)을 통하여 중부 관 시트(48)의 제2 내측 다기관(70)에 의하여 상방으로 재안내되고, 외측 다기관(72)을 통하여 배출된다. 일 구현예에서, 내측링 상에 배치된 수관들(80)의 개수 및 크기는 수관들 내의 물 유동(14)이 수관들(80)로부터 열을 적합하게 수용하기 위한 충분한 속도를 갖도록 구성된다. 예를 들면, 특히 관 시트들(48, 46)과 수관들(80) 사이의 결합부들에서 열응력을 발생시킬 수 있는 수관들(80)에서의 과도한 열 형성을 방지하기 위하여, 더 적은 개수의 수관들(80) 또는 더 작은 직경의 수관들(80)이 수관들(80) 내에서 (유속을 유지하면서) 더 높은 물 유동(14) 속도를 발생시키는데 사용될 수 있고, 따라서 수관들(80)로부터 더 높은 속도의 열 제거를 발생시킨다. 수관들(78)이 수관들(80)보다 버너(8)로부터 더 먼 거리에 배치되고 수관들(80)에 의하여 버너(8)로부터 부분적으로 열적 차단되고, 따라서 수관들(78)에 더 낮은 열전달율을 발생시키기 때문에, 열응력은 수관들(78)에 더 적은 부담을 제공한다. 따라서, 외측링 상에 배치된 수관들(78)은 수관들(78)에서의 과도한 열 형성을 방지하기 위한 요구사항이 더 적기 때문에 수관들(80)보다 더 많은 개수 및 더 큰 직경으로 구성될 수 있다. 도 13은 측부 액체 재킷을 형성하기 위한 복수의 외측 관들(82)의 사용을 제외하고, 본질적으로 도 12와 같은 동일한 구현예를 도시한다. 도 13에서, 측부 액체 재킷의 내벽(84)이 제거되었으나 대신에 버너(8) 주위에 링 형태로 배치된 복수의 외측 관들(82)의 사용으로 대체되었다. 외측 관들(82)의 사용은 더 두꺼운 내벽(84)의 필요성을 제거한다. 그러한 외측 관들(82)의 사용은 본원에서 개시된 모든 다른 구현예들에 대안적으로 적용될 수 있다. 도 14는 도 13의 수관들에서 부분적으로 대안적인 유동 형태를 도시한다. 이러한 구현예에서, 물 유동은 부품(90)으로 도시된 바와 같은 링(86 또는 88) 내에 배치된 수관들 및 부품(92)으로 도시된 바와 같은 두 개의 링(86, 88)를 가로질러 배치된 수관들 사이에서 발생하도록 구성된다. 통상의 기술자라면, 가스 공동(66) 내의 물 유동이 가스 공동(66)을 한번 이상 관통한다면 유동은 다른 동등한 방식들로 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 12를 다시 참조하면, 상부 워터 재킷(6)은 반원형 프로필, 즉, 상부 워터 재킷(6)이 가능한 가장 얇은 재료로 제조되고 여전히 충분한 구조 강도를 유지할 수 있도록 상부 워터 재킷의 외면 상에 어떠한 평평한 부분들도 없는, 반원형 프로필로 구성된다. 상부 워터 재킷(6)의 일부가 버너(8)로부터 그리고 상부 관 시트(46)로부터 상부 워터 재킷(6)으로의 열전달을 최소화하기 위하여 버너(8)를 수용하는 상부 워터 재킷(6)의 개구(9) 내로 가능한한 깊숙이 돌출되도록 구성된다는 것에 유의한다.
도 15는 가스 공동(66)을 통하여 한번 이상 물 유동(14)을 재안내하는 반원형 프로필의 내측 다기관들(70)을 사용하는, 그리고 상부 워터 재킷을 통하여 열손실을 더 최소화하기 위하여 외측 및 내측 다기관들(72, 70)의 상호 교차를 사용하는 다른 구현예를 도시한다. 이러한 구현예에서, 물 유동(14)은 물 공동(68)의 저면 근처의 물 유입구(22)로 유입되고, 가스 공동(66)의 저면 근처에 배치된 물 배출구(24)를 통하여 배출된다. 열교환기(2)에 유입되면, 물 유동(14)은 우선 중부 관 시트(48)의 수관들(18)을 통하여 상방으로 안내되고, 이어서 가스 공동(66)을 통하여 상부 관 시트(46)의 제1 내측 다기관(70)을 사용하여 하방으로 재안내된다. 또한, 물 유동(14)은 가스 공동(66)을 통하여 중부 관 시트(48)의 제2 내측 다기관(70)에 의하여 상방으로 재안내된다. 다음으로, 상부 관 시트(46)에서, 물 유동(14)은 측부 워터 재킷을 통하여 외측 및 내측 다기관들(72, 70)에 의하여 정의된 공간에 의하여 하방으로 재안내되고 물 배출구(24)를 통하여 배출된다.
도 16은 본 발명에 따른 비틈관의 부분적인 정면 수직도이다. 비틈관은 중심 종축을 구비한 직선관을 비틈으로써, 즉 우선 두 개의 단부 각각을 고정하고 이어서 중심 종축에 대하여 회전변형을 발생시킴으로써 형성될 수 있다. 결과적인 비틈관은 열전달을 증가시키기 위하여 관의 내부 또는 외부의 연도 가스 또는 물 유동 둘 중 하나의 난류를 증가시키도록 관의 내면 및 외면의 불균일성을 구비한다. 또 다른 구현예에서, 관 내의 유동 난류를 더 증가시키기 위하여 직선관-난류발생장치 조합을 비틀기 전에 우선 난류발생장치가 직선관 내에 배치된다.
본 발명의 열교환기가 물 가열기에서 사용되기 위하여 구성되지만, 이러한 열교환기가 또한 과도한 실험 없이 다른 유체들을 가열하는데 사용될 수 있다는 것은 명확하다.
본 발명이 특정한 구현예들과 연관되어 위에서 설명되었지만, 본 발명이 반드시 그렇게 제한될 필요는 없으며, 많은 다른 구현예들, 사용들, 및 구현예들 및 사용들로부터의 변형예들 및 발전들은 본 발명의 개념들로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 이해할 것이다.
산업상 이용가능성
두 부품들 간의 열전달은 두 부품들 간의 열구배(차이)에 비례한다. 이러한 구배가 더 높으면 높을수록, 더 따뜻한 부품으로부터 더 차가운 부품으로 열이 전달되는 더 높은 경향성이 존재한다. 본 발명은 열교환기 내의 대부분의 유동 경로 전체를 통하여 상대적으로 높은 열구배를 발생시키도록 이러한 원리를 사용한다. 종래의 핀 및 관 코일들은, 나선형 코일 관 내에 단지 하나의 물 유동 경로가 있기 때문에 고온 가스의 더 낮은 열전달 계수를 보상하기 위하여 표면적을 증가시키도록 고가의 핀-관들이 필요하다. 열 플럭스 또는 열적 플럭스는 주어진 표면을 통하여 열 에너지 전달율로서 정의된다. 본 발명에서, 버너로부터 물 유동으로의 열 플럭스는 버너 또는 버너의 연도 가스에 노출되는 다중 유동 경로들을 제공함으로써 높은 수준으로 유지된다. 또한, 열 플럭스는, 버너로부터 물 유동으로의 높은 열전달을 촉진하기 위하여 수관들 내 및 가스관들 내에서 난류를 생성함으로써 유지된다.
본 발명에서, 워터 재킷은 열교환기의 측면 상에서 및 상면 상에서 버너를 둘러싸는데 사용된다. 그렇게 함으로써, 세라믹 원판들의 사용이 제거될 수 있고, 따라서 버너에 의하여 생성된 열이 물 유동으로 전달되고 열교환기의 주변으로 분산되고 폐기되지 않기 때문에, 장비 조달 및 동작 비용 절감이 이루어지고, 환경 폐기물을 감소시킨다. 결과적으로, 유동을 가열하는데 필요한 전력이 더 낮아지므로 버너의 전력 소모량도 감소될 수 있어 열교환기의 전체적인 열효율은 증가된다. 본 발명의 열교환기의 가공 비용은 선행 기술 열교환기들에 비하여 감소된다. 본 발명의 열교환기의 기능적인 설계는 많은 구성요소들의 재사용을 가능하게 한다. 예를 들면, 가스관들 및 수관들은 동일한 설계를 공유하고, 설계가 간단한 요소적인 구성요소들, 즉 길이별로 절단되는 직선관들 또는 개구들로 스탬핑된(stamped with) 관 시트들을 수반하므로 몇몇 가공 단계들이 적용된다. 또한, 적합한 길이들로 형성된 난류발생장치들이 제조 중에 가스관들 또는 수관들의 루멘 내에 단순히 배치되므로, 난류발생장치들을 포함하는 것도 간단한 문제이다. 또한, 동일한 종류의 난류발생장치들이 가스관들 및 수관들 모두에서 사용될 수 있으므로, 난류발생장치들의 재사용도 가능하다. 또한, 가스관들 및 수관들의 폭들을 덮는 관 시트들은 천공된 개구들을 구비거나 가스관들 및 수관들을 수용하도록 형성된 시트로부터 간단히 형성된다. 종래의 핀-관 설계에서, 핀들은 버너로부터 관 내의 물 유동으로 열전달을 촉진시키기 위하여 나선형 코일관 상에 용접된다. 결과적인 용접 결합부의 전체 길이는 각 핀이 열전달을 촉진시키기 위하여 용접되어야 하므로 매우 길다. 용접 결합부들은 부식에 대한 높은 가능성들을 제공하고 따라서 코일 관을 약하게 한다. 대조적으로, 종래 보일러들에서 사용되는 바와 같은 선행기술 연관들은 관 시트들에 용접될 필요가 있는 고가의 타원형 관들을 포함한다. 다른 구현예에서, 비틈관들은 열전달을 증가시키도록 연도 가스 또는 물 유동 내에서 둘 중 하나의 난류를 증가시키기 위하여 직선 관들을 대체하도록 직선 관들을 비틈으로써 형성될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 난류발생장치들은 처음에는 직선 관들-난류발생장치들 조합을 비틀기 전에 직선 관들 내에 배치된다.
약 2 갤론 내지 20 갤론 또는 7.6 리터 내지 76 리터의 소형 저장소를 구비한 본 발명의 열교환기는, 화씨 70도(섭씨 21도) 상승으로 시간당 2.0 갤론(GPH) 또는 시간당 7.6 리터의 연속적인 수요를 충족시킬 수 있도록, 기존의 통상적인 1/2 인치(12.7mm) 가스관들에 의하여 지지될 수 있지만 높은 열전달율 및 효율을 가진, 탱크가 미구비된 물 가열기 내에서 활용되는 열교환기와 유사한, 더 낮은 BTU 버너(85,000 BTU/시간 또는 25kW 까지)를 이용할 수 있다.
과도한 열 형성은 특히 관 시트들 및 수관들 또는 워터 재킷들 간의 결합부들에서 열응력을 발생시켜 누수를 일으키는 유동 경로의 파괴를 초래할 수 있다. 본 열교환기의 몇몇 구현예들에서, 과도한 열 형성은 수관들, 특히 버너에 가장 근접하게 배치된 수관들을 통하여 유동 내에서 속도 및 난류를 증가시킴으로써 완화되고, 그에 따라 수관들로부터 유동으로의 더 높은 열전달율을 발생시킨다.
2 - 열교환기
4 - 측부 워터 재킷
6 - 상부 워터 재킷
8 - 버너
9 - 개구
10 - 공기/연료 혼합물의 유동 방향
12 - 연도 가스 유동
14 - 물 유동
16 - 난류발생장치
18 - 수관
20 - 가스관
22 - 물 유입구
24 - 물 배출구
26 - 연도 가스 배기구
28 - 송풍기
30 - 냉수 유입구
32 - 온수 배출구
34 - 펌프
36 - 메인 유선
38 - 솔레노이드 밸브
40 - 체크 밸브
42 - 메인 유동
44 - 재순환 유동
46 - 상부 관 시트
48 - 중부 관 시트
50 - 저부 관 시트
52 - 버너 수용 개구
54 - 수관들 수용 개구들
56 - 가스관들 수용 개구들
58 - 측부 및 상부 워터 재킷들 연결 개구들
60 - 상부 섹션
62 - 하부 섹션
64 - 내부 재순환 유동선
66 - 가스 공동
68 - 물 공동
70 - 내측 다기관
72 - 외측 다기관
74 - 가스관 슬롯
76 - 물 공동 및 측부 워터 재킷 연결 개구
78 - 내측링 상의 수관
80 - 외측링 상의 수관
82 - 외관
84 - 측부 액체 재킷의 내벽
86 - 내측링
88 - 외측링
90 - 링 내의 수관들 간의 유동
92 - 내측 및 외측링들의 수관들 간의 유동
94 - 상부 워터 재킷의 내면
96 - 측부 워터 재킷의 내면

Claims (19)

  1. 액체 유동(14)을 수용하기 위한 액체 유입구(22)를 구비하는 액체 공동(68);
    내부에 실질적으로 중심에 배치된 버너(8)를 수용하도록 구성된 가스 공동(66)으로서, 상기 가스 공동(66)은 상기 액체 공동(68) 위에 배치되는 가스 공동(66);
    상기 액체 공동(68)을 상기 가스 공동(66)을 통하여 연결하는 적어도 하나의 액체관(18); 및
    상기 가스 공동(66)을 상기 액체 공동(68)을 통하여 상기 액체 공동(68) 하부에 배치된 가스 배기구(26)에 연결하는 적어도 하나의 가스관(20)을 포함하되,
    상기 액체 유동(14)은 상기 액체 유입구(22)로부터 상기 액체 공동(68), 상기 적어도 하나의 액체관(18)을 통하여 액체 배출구(24)로 유동하도록 구성되고, 상기 버너(8)는 직열 및 상기 적어도 하나의 가스관(20)을 통하여 상기 가스 공동(66)으로부터 상기 가스 배기구(26)으로 유동하도록 구성된 연도 가스 유동(12)을 생성하도록 구성되고, 열전달은 상기 직열 및 상기 연도 가스 유동(12)으로부터 상기 액체 유동(14)으로 발생되는 열교환기(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 공동(66) 위에 배치된 상부 액체 재킷(6)을 더 포함하되, 상기 상부 액체 재킷(6)은 상기 유체 유동(14)을 상기 적어도 하나의 액체관(18)으로부터 상기 액체 배출구(24)에 연결하는 열교환기(2).
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스 공동(66)의 적어도 일부 둘레에 배치된 측부 액체 재킷(4)을 더 포함하되, 상기 측부 액체 재킷(4)은 상기 상부 액체 재킷(6)으로부터의 상기 액체 유동(14)을 상기 액체 배출구(24)에 연결하는 열교환기(2).
  4. 제3항에 있어서, 상기 측부 액체 재킷(4)은 적어도 하나의 외관(82)을 포함하는 열교환기(2).
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스 공동(66)의 적어도 일부 및 상기 액체 공동(68)의 적어도 일부 둘레에 배치된 측부 액체 재킷(4)을 더 포함하되, 상기 측부 액체 재킷(4)은 상기 상부 액체 재킷(6)으로부터의 상기 액체 유동(14)을 상기 액체 배출구(24)에 연결하는 열교환기(2).
  6. 제5항에 있어서, 상기 측부 액체 재킷(4)은 적어도 하나의 외관(82)을 포함하는 열교환기(2).
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체관(18) 및 상기 적어도 하나의 가스관(20) 중 하나 내에 배치된 적어도 하나의 난류발생장치(16)를 더 포함하는 열교환기(2).
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스관(20)은 상기 적어도 하나의 액체관(18)과 상기 버너(8) 사이의 반경 거리보다 상기 버너(8)로부터 더 먼 반경 거리에 배치되는 열교환기(2).
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스관(20)은 상기 가스 공동(66) 내로 연장되도록 구성되되, 상기 적어도 하나의 가스관(20)은 상기 버너(8)로부터 먼 방향을 향하는 적어도 하나의 슬롯(74)을 더 포함하는 열교환기(2).
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체관(18)은 상기 액체 유동(14)의 상기 열전달에 대한 노출을 증가시키기 위하여 한번 이상 상기 가스 공동(66)을 관통하도록 구성되는 열교환기(2).
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체관(18) 및 상기 적어도 하나의 가스관(20) 중 적어도 하나는 비틈관인 열교환기(2).
  12. 액체 유동(14)을 수용하기 위한 액체 유입구(22)를 구비하는 액체 공동(68);
    내부에 실질적으로 중심에 배치된 버너(8)를 수용하도록 구성된 가스 공동(66)으로서, 상기 가스 공동(66)은 상기 액체 공동(68) 위에 배치되는 가스 공동(66);
    상기 액체 공동(68)을 상기 가스 공동(66)을 통하여 상기 가스 공동(66) 위에 배치된 상부 액체 재킷(6)에 연결하는 적어도 하나의 액체관(18);
    상기 가스 공동(66)을 상기 액체 공동(68)을 통하여 상기 액체 공동(68) 하부에 배치된 가스 배기구(26)에 연결하는 적어도 하나의 가스관(20); 및
    상기 가스 공동(66)의 적어도 일부 및 상기 액체 공동(68)의 적어도 일부 둘레에 배치된 측부 액체 재킷(4)을 포함하되,
    상기 액체 유동(14)은 상기 액체 유입구(22)로부터 상기 액체 공동(68), 상기 적어도 하나의 액체관(18), 상기 상부 액체 재킷(6), 상기 측부 액체 재킷(4)을 통하여 액체 배출구(24)로 유동하도록 구성되고, 상기 버너(8)는 직열 및 상기 적어도 하나의 가스관(20)을 통하여 상기 가스 공동(66)으로부터 상기 가스 배기구(26)으로 유동하도록 구성된 연도 가스 유동(12)을 생성하도록 구성되고, 열전달은 상기 직열 및 상기 연도 가스 유동(12)으로부터 상기 액체 유동(14)으로 발생되는 열교환기(2).
  13. 제12항에 있어서, 상기 측부 액체 재킷(4)은 적어도 하나의 외관(82)을 포함하는 열교환기(2).
  14. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체관(18) 및 상기 적어도 하나의 가스관(20) 중 하나 내에 배치된 적어도 하나의 난류발생장치(16)를 더 포함하는 열교환기(2).
  15. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스관(20)은 상기 적어도 하나의 액체관(18)과 상기 버너(8) 간의 반경 거리보다 상기 버너(8)로부터 더 먼 반경 거리에 배치되는 열교환기(2).
  16. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스관(20)은 상기 가스 공동(66) 내로 연장되도록 구성되되, 상기 적어도 하나의 가스관(20)은 상기 버너(8)로부터 먼 방향을 향하는 적어도 하나의 슬롯(74)을 더 포함하는 열교환기(2).
  17. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체관(18)은 상기 액체 유동(14)의 상기 열전달에 대한 노출을 증가시키기 위하여 한번 이상 상기 가스 공동(66)을 관통하도록 구성되는 열교환기(2).
  18. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체관(18) 및 상기 적어도 하나의 가스관(20) 중 적어도 하나는 비틈관인 열교환기(2).
  19. 액체 유동(14)을 수용하기 위한 액체 유입구(22)를 구비하는 액체 공동(68);
    내부에 실질적으로 중심에 배치된 버너(8)를 수용하도록 구성된 가스 공동(66)으로서, 상기 가스 공동(66)은 상기 액체 공동(68) 위에 배치되는 가스 공동(66);
    상기 가스 공동(66)의 적어도 일부 둘레에 배치된 측부 액체 재킷(4);
    상기 측부 액체 재킷(4)을 상기 가스 공동(66)을 통하여 상기 가스 공동(66) 위에 배치된 상부 액체 재킷(6)에 연결하는 적어도 하나의 액체관(18)으로서, 상기 적어도 하나의 액체관(18)은 상기 액체 유동(14)의 상기 열전달에 대한 노출을 증가시키기 위하여 한번 이상 상기 가스 공동(66)을 관통하도록 구성되는 적어도 하나의 액체관(18); 및
    상기 가스 공동(66)을 상기 액체 공동(68)을 통하여 상기 액체 공동(68) 하부에 배치된 가스 배기구(26)에 연결하는 적어도 하나의 가스관(20)을 포함하되,
    상기 액체 유동(14)은 상기 액체 공동(68)으로부터 상기 측부 액체 재킷(4), 상기 적어도 하나의 액체관(18), 상기 상부 액체 재킷(6), 및 상기 상부 액체 재킷(6) 내에 배치된 액체 배출구(24)를 통하여 유동하도록 구성되고, 상기 버너(8)는 직열 및 상기 적어도 하나의 가스관(20)을 통하여 상기 가스 공동(66)으로부터 상기 가스 배기구(26)로 유동하도록 구성된 연도 가스 유동(12)을 생성하도록 구성되고, 열전달은 상기 직열 및 상기 연도 가스 유동(12)으로부터 상기 액체 유동(14)으로 발생되는 열교환기(2).
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