KR20140123271A - 열혼합 인라인 히터 - Google Patents

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KR20140123271A
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Abstract

본 발명은 열혼합 인라인 히터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열혼합 인라인 히터는 일 단으로부터 작동유체가 유입되어 타 단으로 배출되는 배관형 바디; 상기 배관형 바디의 내부를 다수 개의 채널로 구획하는 채널격벽; 및, 상기 배관형 바디의 외측면에 감겨지거나, 상기 배관형 바디의 중심부에 설치되는 히터;를 포함하며, 상기 채널과 대면하는 적어도 어느 하나의 면에는 상기 배관형 바디의 길이방향과 일정각도를 이루는 다수 개의 회전유도패턴이 길이방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 작동유체가 입출되는 배관 내부에 구획된 채널에서, 채널과 대면하는 면 중 적어도 어느 하나의 면에 사선형태의 회전유도패턴을 형성하여 상기 채널을 통과하는 작동유체에 회전유동이 발생되게 하여, 상기 회전유동에 따라 채널 내부의 작동유체의 열 혼합(thermal mixing)이 향상되어, 채널 내부에서 균일한 열분포를 형성하게 할 수 있는 열혼합 인라인 히터가 제공된다.

Description

열혼합 인라인 히터{THERMAL MIXING INLINE HEATER}
본 발명은 열혼합 인라인 히터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동유체가 출입가능한 배관 내부에 구획된 채널과 대면하는 면 중 적어도 어느 하나의 면에 사선형태의 회전유도패턴을 통해 상기 채널을 통과하는 작동유체에 회전유동을 발생시켜 채널 내부에서의 열혼합(thermal mixing)을 향상시킬 수 있는 열혼합 인라인 히터에 관한 것이다.
일반적으로, 석유화학 플랜트의 가열 단위공정, 원자력 발전소 계통 내부 단위공정의 경우에는, 공정을 거쳐 유동하는 작동유체는 다양한 상변화를 동반하게 된다. 이때, 각 단위공정에서부터 다음의 단위공정으로 이송되는 중 작동유체의 온도를 제어하기 위한 목적으로 배관형 열혼합 인라인 히터가 많이 이용된다.
이러한 히터는 각 단위공정을 연결하는 배관형태의 유동로에 히터를 장착하고, 히터로부터 발생하는 열을 통하여 유동하는 작동유체를 가열시키는 방식을 이용하고 있다.
도 1은 종래의 열혼합 인라인 히터의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 열혼합 인라인 히터(100)는 배관(110) 내에 코일형태의 금속 발열체(120)를 장착하여 작동유체를 직접적으로 가열하는 방식이다.
그러나, 종래의 열혼합 인라인 히터(100)의 경우, 삽입되는 코일형 금속 발열체(120)는 작동유체에 직접적으로 노출되어 물리적인 손상에 취약하고, 수명이 짧은 문제가 있었다. 특히, 이러한 코일형 금속발열체(120) 중 일부라도 단선되는 경우에는 이를 교체 또는 보수하는데 많은 시간이 소모되어 전체 공정의 수율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 금속 발열체(120)가 장착되어 있는 영역과 그렇지 않은 영역 간 제공되는 열량이 상이하고, 배관 내 가열되는 작동유체 온도 분포의 균일성이 보장되지 않는다는 문제가 있었다.
일본공개특허 제2009-145027호 미국공개특허 제2004-0089650호
본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작동유체가 입출되는 배관 내부에 구획된 채널에서, 채널과 대면하는 면 중 적어도 어느 하나의 면에 사선형태의 회전유도패턴을 형성하여 상기 채널을 통과하는 작동유체에 회전유동이 발생되게 할 수 있는 열혼합 인라인 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 회전유도패턴에 의해 발생되는 회전유동에 따라 채널 내부의 작동유체의 열 혼합(thermal mixing)이 향상될 수 있는 열혼합 인라인 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 열 혼합이 향상됨에 따라 각 채널 내부에서 열분포가 균일해질 수 있는 열혼합 인라인 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제는, 본 발명에 따라, 열혼합 인라인 히터에 있어서, 일 단으로부터 작동유체가 유입되어 타 단으로 배출되는 배관형 바디; 상기 배관형 바디의 내부를 다수 개의 채널로 구획하는 채널격벽; 및, 상기 배관형 바디의 외측면에 감겨지거나, 상기 배관형 바디의 중심부에 설치되는 히터;를 포함하며, 상기 채널과 대면하는 적어도 어느 하나의 면에는 상기 배관형 바디의 길이방향과 일정각도를 이루는 다수 개의 회전유도패턴이 길이방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 채널격벽은 상기 바디의 중심부와 상기 바디의 내측면을 연결하도록 형성되며, 상기 중심부를 기준으로 방사형으로 다수 개가 배열되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 채널과 대면하는 면 중 이웃하는 면에 형성되는 회전유도패턴은 상기 배관형 바디의 길이방향을 중심으로 동일 각도를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 채널과 대면하는 면 중 이웃하는 면에 형성되는 회전유도패턴은 상기 배관형 바디의 길이방향을 중심으로 서로 다른 각도로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 배관형 바디의 중심축을 따라 설치되는 환형지지대를 더 포함하며, 상기 환형지지대의 내측으로 상기 히터는 삽입설치되고, 상기 채널격벽은 상기 환형지지대의 외측면에 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 채널격벽은 상기 배관형 바디의 길이방향을 따라 평행하게 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 작동유체가 입출되는 배관 내부에 구획된 채널에서, 채널과 대면하는 면 중 적어도 어느 하나의 면에 사선형태의 회전유도패턴을 형성하여 상기 채널을 통과하는 작동유체에 회전유동이 발생되게 할 수 있는 열혼합 인라인 히터가 제공된다.
또한, 상기 회전유도패턴에 의해 발생되는 회전유동에 따라 채널 내부의 작동유체의 열 혼합(thermal mixing)이 향상될 수 있는 열혼합 인라인 히터가 제공된다.
또한, 열 혼합이 향상됨에 따라 각 채널 내부에서 열분포가 균일해질 수 있는 열혼합 인라인 히터가 제공된다.
도 1은 종래의 열혼합 인라인 히터의 개략도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 사시도,
도 3은 도 2의 분해사시도,
도 4는 도 3의 채널격벽부의 확대도,
도 5는 도 3의 배관형 바디의 전개도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 작동상태도,
도 7은 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 열혼합 인라인 히터의 개략도
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 개략도,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 작동상태도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열혼합 인라인 히터에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 열혼합 인라인 히터(1)는 배관형 바디(10)와 채널격벽부 및 히터(40)를 포함하여 구성된다.
상기 배관형 바디(10)는 스틸 재질로 마련되며, 일 방향으로 길게 형성된 배관으로서 양단이 개방되어 일 단으로부터 작동유체가 유입되고, 타 단으로 작동유체가 배출되도록 형성된다.
상기 배관형 바디(10)의 중심부에는 환형지지대(20)가 위치하며, 상기 환형지지대(20)의 내부로 히터(40)가 우측 단부로부터 길이방향으로 삽입설치된다. 그리고, 좌측 단부에는 마감부재(30)가 히터(40)와 결합되어 히터(40)가 환형지지대(20)로부터 이탈되지 않도록 설치된다.
여기서, 히터(40)는 길게 형성되는 전열튜브의 내부에 전열선이 삽입되어 열을 발생시키는 형태의 카트리지형 히터로 마련된다.
구체적으로, 히터(40)는 환형지지대(20)를 통해 발생하는 열이 배관형 바디(10)의 내부를 통과하는 작동유체에 열전달 될 수 있도록 실린더형으로 구성되며, 특히 그 직경이 전달되는 열전달 면적을 극대화를 위해 환형지지대(20)의 내면에 밀착되도록 형성된다.
상기 채널격벽부는 배관형 바디(10)의 길이방향과 평행하게 형성되며, 제1채널격벽(11), 제2채널격벽(12), 제3채널격벽(13), 제4채널격벽(14)으로 구성된다.
각 채널격벽은 일 측은 환형지지대(20)에 결합되고, 타 측은 배관형 바디(10)의 내측면과 결합되며, 배관형 바디(10)의 중심부를 기준으로 방사형으로 배열되어, 배관형 바디(10)의 내부는 제1채널(50), 제2채널(51), 제3채널(52), 제4채널(53)로 구획된다.
여기서, 각각의 채널과 대면하는 면 중 적어도 어느 하나에는 배관형 바디(10)의 길이방향과 일정각도를 이루는 홈 형태의 다수의 회전유도패턴이 길이방향을 따라 각각 배열형성된다.
도 4는 도 3의 채널격벽부의 확대도이다. 도 4를 참조하여 상기 채널과 대면하는 면에 형성되는 회전유도패턴에 대해 제1채널(50)을 예로 들어 구체적으로 설명한다.
제1채널격벽(11) 중 제1채널(50)과 대면하는 면에는 배관형 바디(10)의 길이방향과 일정각도를 이루는 홈 형태의 제1회전유도패턴(11A)이 길이방향을 따라 배열형성된다.
그리고, 제2채널격벽(12) 중 제1채널(50)과 대면하는 면에는 상기 제1회전유도패턴(11A)과 같은 형태의 제2회전유도패턴(12A)이 길이방향을 따라 배열형성된다.
이때, 제1회전유도패턴(11A)의 각도(θ1)는 제2회전유도패턴(12A)의 각도(θ2)와 동일하도록 형성된다. 즉, 제1회전유도패턴(11A)과 제2회전유도패턴(12A)은 각 채널격벽이 서로 맞닿는 가상선을 기준으로 대칭인 형태로 형성된다.
한편, 배관형 바디(10) 중 각 채널과 대면하는 면인 각 채널의 내측면에도 후술할 제1회전유도패턴(11A) 및 제2회전유도패턴(12A)과 동일한 형태의 제3회전유도패턴(10A)이 형성된다. 이때, 제3회전유도패턴(10A)의 각도(θ3)도 제1회전유도패턴(11A)의 각도(θ1) 및 제2회전유도패턴(12A)의 각도(θ2)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 5는 도 3의 배관형 바디의 전개도이다. 도 5를 참조하면, 각 채널과 대면하는 면에 형성되는 제3회전유도패턴(10A)은 각 채널과 대면하는 각 채널격벽의 면에 형성되는 회전유도패턴과 동일한 형태로 형성될 수도 있고, 배관형 바디(10)의 길이방향을 기준으로 서로 다른 각을 가지도록 형성될 수도 있다.
또한, 환형지지대(20) 중 각 채널과 대면하는 면에도 도시하지 않았으나 상술한 바와 같은 회전유도패턴이 형성될 수 있다.
상술한 바는 대표적으로 제1채널(50)에 대해 설명하였으며, 제2채널(51), 제3채널(52) 및 제4채널(53)과 대면하는 면에도 각각 회전유도패턴이 형성된다.
상술한 제1실시예에서는 4개의 채널로 구획된 것에 대해 설명하고 있으나, 필요에 따라 배관형 바디(10)의 내부를 2채널 또는 3채널 또는 다중채널을 가지도록 구획할 수도 있다.
다음으로, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 작동상태에 대해 설명한다. 도 6은 도 2의 작동상태도이다. 도 6을 참조하면, 배관형 바디(10)의 내측으로 작동유체가 유입되면, 제1채널(50)에서 제1회전유도패턴(11A), 제2회전유도패턴(12A), 제3회전유도패턴(10A)을 통해서 통과하는 작동유체에 와류가 형성되어 회전유동은 2개가 발생하게 된다.
즉, 히터(40)로부터 발생된 열이 환형지지대(20)를 통해 제1채널(50)로 방출되면서 각각의 회전유도패턴에 의한 회전유동이 발생되어 열 혼합(thermal mixing)이 활발하게 이루어진다. 이를 통해, 각 채널에서의 열은 히터와 인접한 영역에 집중되지 않고 균일하게 분포될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 열혼합 인라인 히터에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 열혼합 인라인 히터의 개략도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 열혼합 인라인 히터(1')는 히터(40)가 배관형 바디(10)의 외측면에 코일형태로 감겨져 설치된다.
즉, 배관형 바디(10)의 내측면에 설치되는 제1채널격벽(11), 제2채널격벽(12), 제3채널격벽(13) 및 제4채널격벽(14)은 배관형 바디(10)의 중심에서 서로 맞닿도록 설치된다. 이외, 구성은 상술한 제1실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기된 바와 같은 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터를 이용하면, 동일 직경을 가지는 배관형 바디(10)를 이용시에, 제1실시예와 비교하여 채널면적을 더 크게 하여 열전달면적을 더 크게 할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터에 대해 설명한다. 제2실시예에서는 제1실시예에서와 달리 각 채널과 대면하는 면에 형성되는 회전유도패턴이 서로 다른 각도로 형성된다. 대표적으로 제1회전유도패턴(11A)과 제2회전유도패턴(12A)이 보각(補角)관계로 형성된 것에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 개략도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터(1'')는 제1채널(50)에서 제1회전유도패턴(11A)의 각도(θ1)와 제2회전유도패턴(12A)의 각도(θ2)가 두 각의 합이 180°인 보각(補角)이 되도록 형성된다.
상기 배관형 바디(10)의 내측면에 형성되는 제3회전유도패턴(10A)은 도시된 바는 제1실시예와 동일한 각도로 형성된 것이 도시되어 있으며, 제1회전유도패턴(11A) 또는 제2회전유도패턴(12A)과 서로 보각관계가 되도록 형성된다.
상기된 구성 외의 나머지 구성은 제1실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상술한 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 작동상태에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 열혼합 인라인 히터의 작동상태도이다.
도 9를 참조하면, 각 채널을 통과하는 작동유체는 제1회전유도패턴(11A)과 제2회전유도패턴(12A)이 보각관계로 형성되어 있으므로 각 채널에서는 전체적으로 하나의 회전유동이 발생하게 된다.
즉, 어느 하나의 채널에서 보각관계의 회전유도패턴이 각각 형성되면, 채널 내부를 통과하는 작동유체가 채널 내부 전체를 회전하는 회전유동이 발생되어 작동유체의 열 혼합도가 향상된다.
상기와 같은 회전유동의 발생에 의해 채널 내부의 열 분포는 중심부에 집중되지 않고 균일하게 분포될 수 있다.
상술한 바는 채널에서의 각각의 회전유도패턴이 보각관계에 대해 설명하였으며, 이외의 서로 다른 각도로 형성되는 경우에도 각 채널에서 적어도 하나의 회전유동이 발생하게 되어 작동유체의 열 혼합도가 더 향상될 수도 있다.
한편, 제2실시예에서도 제1실시예의 변형예에서와 같이 필요에 따라 히터는 배관형 바디의 외측면에 감겨지도록 설치될 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 배관형 바디 10A : 제3회전유도패턴
11 : 제1채널격벽 11A : 제1회전유도패턴
12 : 제2채널격벽 12A : 제2회전유도패턴
13 : 제3채널격벽 14 : 제4채널격벽
20 : 환형지지대 30 : 마감부재
40 : 히터 50 : 제1채널
51 : 제2채널 52 : 제3채널
53 : 제4채널

Claims (6)

  1. 열혼합 인라인 히터에 있어서,
    일 단으로부터 작동유체가 유입되어 타 단으로 배출되는 배관형 바디;
    상기 배관형 바디의 내부를 다수 개의 채널로 구획하는 채널격벽; 및,
    상기 배관형 바디의 외측면에 감겨지거나, 상기 배관형 바디의 중심부에 설치되는 히터;를 포함하며,
    상기 채널과 대면하는 적어도 어느 하나의 면에는 상기 배관형 바디의 길이방향과 일정각도를 이루는 다수 개의 회전유도패턴이 길이방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 채널격벽은 상기 바디의 중심부와 상기 바디의 내측면을 연결하도록 형성되며, 상기 중심부를 기준으로 방사형으로 다수 개가 배열되는 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 채널과 대면하는 면 중 이웃하는 면에 형성되는 회전유도패턴은 상기 배관형 바디의 길이방향을 중심으로 동일 각도를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 채널과 대면하는 면 중 이웃하는 면에 형성되는 회전유도패턴은 상기 배관형 바디의 길이방향을 중심으로 서로 다른 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배관형 바디의 중심축을 따라 설치되는 환형지지대를 더 포함하며,
    상기 환형지지대의 내측으로 상기 히터는 삽입설치되고, 상기 채널격벽은 상기 환형지지대의 외측면에 결합되는 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 채널격벽은 상기 배관형 바디의 길이방향을 따라 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 열혼합 인라인 히터.
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