KR20150073732A - 열교환 효율이 향상된 마이크로 가스터빈을 위한 주전열면을 구비한 열교환판, 및 이를 이용한 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 열교환기의 주전열면(primary surface)을 이루는 평면상에서 파형으로 연장되며 요철이 형성되는 웨이비핀(wavy fin) 구조의 열교환판에 있어서, 열교환 경로의 비대칭에서 오는 구조적인 문제로 인해 발생되는 유량분배의 불균형을 조절하고, 스티프너와 웰드캡에서 전도에 의해 발생하는 열손실을 조절하여 열교환 효율이 향상된 열교환판, 및 이를 이용한 열교환기에 관한 것이다. 이를 위하여 판상의 금속시트로 구성되는 본체; 본체에 제1유체가 유입되는 유입부; 평면상에서 파형으로 연장되는 요철부를 구비하며, 유입된 제1유체가 요철부의 오목한 부분을 통과하도록 구성되는 주전열면; 본체에서 제1유체가 토출되는 토출부; 제1유체가 유입부에서 주전열면을 지나 토출부로 토출되도록 구성되는 제1유로; 및 주전열면에 제1유체의 유량이 분배되도록 복수개의 요철부가 구비되는 제1분배판;을 포함하고, 제1유체의 유량이 상대적으로 많은 채널이 제1유체의 유량이 상대적으로 적은 채널보다 유로의 단면적이 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판을 제공할 수 있다. 이에 따르면 열교환 경로가 짧은 부분의 유량을 조절하여 열교환기의 열교환 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

열교환 효율이 향상된 마이크로 가스터빈을 위한 주전열면을 구비한 열교환판, 및 이를 이용한 열교환기{Improved Primary Surface Heat Exchanger for Micro Gas Turbine}

본 발명은 열교환 효율이 향상된 마이크로 가스터빈을 위한 주전열면을 구비한 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기의 주전열면(primary surface)을 이루는 평면상에서 파형으로 연장되며 요철이 형성되는 웨이비핀(wavy fin) 구조의 열교환판에 있어서, 열교환 경로의 비대칭에서 오는 구조적인 문제로 인해 발생되는 유량분배의 불균형을 조절하고, 스티프너와 웰드캡에서 전도에 의해 발생하는 열손실을 조절하여 열교환 효율이 향상된 열교환판, 및 이를 이용한 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 저온유체와 고온유체 간의 열교환을 위한 장치로서 다양한 분야에 사용되고 있다. 예를 들어, 발전소, 가스터빈, 가열장치, 공기조절기, 냉동장치, 촉매반응기 등의 화학산업 등에서 가열기, 예열기, 과열기, 재가열기, 냉각기, 응축기 및 증발기 등으로 사용된다.

이러한 열교환기에는 열교환 방식에 따라 격벽식, 축열식으로 나눠질 수 있으며, 격벽식 열교환기는 벽에 의해 분리된 공간에 서로 온도가 다른 유체가 흐르고, 벽을 통한 열전도 및 벽 표면에서의 유체 대류에 의해 열 교환이 이루어지는 형식의 열교환기이다. 이러한 격벽식 열교환기에는 관열형, 핀튜브형, 플레이트핀형으로 구분될 수 있다. 본 발명은 격벽식 열교환기에 이용되는 웨이비핀 구조의 열교환판에 관한 것이다.

도 1은 웨이비핀 구조의 열교환판을 도시한 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환판은 평면상으로 파형이 연장되는 요철이 형성된 금속시트에 양측을 프레스 가공하여 구성할 수 있다. 이는 유체의 대류를 발생시키고, 접촉면적과 접촉시간을 향상시키기 위한 구성이다. 주전열면의 일측에서 저온 유체가 유입되면 주전열면에서 열을 전달받은 후 타측으로 토출되게 된다.

이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환 경로의 비대칭에서 오는 구조적인 문제로 인해, 열교환판에서의 유로가 짧은 부분은 열교환이 상대적으로 부족하게 이루어지는 유량 불균형의 문제가 발생한다. 게다가, 종래의 열교환판의 구조에 의하면, 주전열면의 프레임을 형성하는 상단의 스티프너와 하단의 웰드캡에서 열전도에 의해 빠져나가는 에너지의 손실이 상당하게 된다.

따라서, 열교환이 상대적으로 부족하게 이루어지는 부분을 통과하는 유량을 조절하고, 스티프너와 웰드캡에서 열전도에 의해 빠져나가는 에너지 손실을 조절하여 열교환 효율을 극대화하기 위한 열교환판 및 열교환기가 필요한 실정이다.

특히 마이크로 가스터빈, 고체 산화물 연료전지, 차세대 원자로 등의 발전 시스템이나 폐열 회수 시스템, 가스 플랜트 등에는 기존의 열교환기 사용이 어려워 미세채널의 설계로 열교환기의 크기를 종래 열교환기에 비해 6분의 1수준으로 축소한 콤팩트 열교환기가 활용이 되고 있다. 따라서, 콤팩트 열교환기에 있어서는 열교환 효율이 중요한 요소가 되며, 유량 불균형 및 열전도에 의해 빠져나가는 에너지 손실의 해소가 요구되는 실정이다.

등록특허 10-0918607 등록특허 10-1177359 등록실용 20-0324980

따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.

본 발명의 목적은, 열교환기의 주전열면(primary surface)을 이루는 평면상에서 파형으로 연장되며 요철이 형성되는 웨이비핀(wavy fin) 구조의 열교환판에 있어서, 열교환 경로의 비대칭에서 오는 구조적인 문제로 인해 발생되는 유량분배의 불균형을 조절하고, 스티프너와 웰드캡에서 전도에 의해 발생하는 열손실을 조절하여 열교환 효율이 향상된 열교환판, 및 이를 이용한 열교환기을 제공하는데에 있다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.

본 발명의 제1목적은, 열교환기에 복수개가 사용되고, 열에너지를 제공받는 제1유체와 열에너지를 제공하는 제2유체의 열에너지가 교환되도록 구성되는 열교환판에 있어서, 판상의 금속시트로 구성되는 본체; 상기 본체의 일측에 구비되어 상기 본체에 제1유체가 유입되는 유입부; 상기 본체의 중단에 구비되고, 평면상에서 파형으로 연장되는 요철부를 구비하며, 상기 유입된 제1유체가 상기 요철부의 오목한 부분을 통과하도록 구성되는 주전열면; 상기 본체의 타측에 구비되어 상기 본체에서 제1유체가 토출되는 토출부; 상기 유입부, 상기 주전열면 및 상기 토출부를 포함하고, 상기 제1유체가 상기 유입부에서 상기 주전열면을 지나 상기 토출부로 토출되도록 구성되는 제1유로; 및 상기 유입부 및 상기 토출부 중 적어도 하나에 삽입되고, 상기 주전열면에 상기 제1유체의 유량이 분배되도록 복수개의 요철부가 구비되는 제1분배판;을 포함하고, 상기 제1분배판의 요철부는, 복수개의 채널을 포함하며, 복수개의 상기 채널은, 요철의 높이 및 간격 중 적어도 하나가 서로 다르게 구성되고, 상기 제1유체의 유량이 상대적으로 많은 채널이 상기 제1유체의 유량이 상대적으로 적은 채널보다 유로의 단면적이 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판을 제공하여 달성될 수 있다.

또한 상기 열교환판과 적층되어 인접하는 열교환판과의 사이에 구비되고, 제2유체가 일측에서 타측으로 유동되도록 구성되는 제2유로; 및 상기 제2유로의 유입부 및 상기 제2유로의 토출부 중 적어도 하나에 삽입되고, 상기 주전열면에 상기 제2유체의 유량이 분배되도록 복수개의 요철부가 구비되는 제2분배판;를 더 포함하고, 상기 제2분배판의 요철부는, 복수개의 채널을 포함하며, 복수개의 상기 채널은, 요철의 높이 및 간격 중 적어도 하나가 서로 다르게 구성되고, 상기 제2유체의 유량이 상대적으로 많은 채널이 상기 제2유체의 유량이 상대적으로 적은 채널보다 유로의 단면적이 좁게 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 주전열면은, 상기 유입부와 상기 토출부의 최단거리를 포함하는 제1유로의 적어도 일부의 단면적이 나머지의 단면적 보다 상대적으로 좁게 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 주전열면은 평면상에서 직사각형으로 구성되고, 상기 유입부 및 상기 토출부가 각각 일측 상부 및 타측 상부에 구비되며, 상기 주전열면의 상부 모서리는, 유로의 단면적을 감소시키기 위해 사선으로 압착되는 사선 압착부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 본체의 프레임을 형성하기 위해, 상기 본체의 일단을 감싸도록 구성되는 바 형태의 스티프너;를 더 포함하고, 상기 스티프너의 중단에 횡단면적을 감소시키기 위한 적어도 하나의 홈이 구성되거나, 상기 스티프너의 중단에 횡방향으로 적어도 하나의 절단부가 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 열교환기의 케이스와의 마찰에 따른 용접부의 손상을 방지하기 위해, 상기 본체의 일단을 감싸도록 구성되는 바 형태의 웰드캡;을 더 포함하고, 상기 웰드캡의 중단에 횡단면적을 감소시키기 위한 적어도 하나의 홈이 구성되거나, 상기 웰드캡의 중단에 횡방향으로 적어도 하나의 절단부가 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 제1유체와 제2유체의 열을 교환하기 위해, 내부에 제1항에 따른 열교환판을 복수개 구비하도록 구성되는 열교환기 본체; 상기 제1유체가 외부에서 상기 열교환기 본체로 유입되도록 구성되는 제1유체 유입부; 상기 제1유체가 상기 열교환기 본체에서 외부로 토출되도록 구성되는 제1유체 토출부; 상기 제2유체가 외부에서 상기 열교환기 본체로 유입되도록 구성되는 제2유체 유입부; 및 상기 제2유체가 상기 열교환기 본체에서 외부로 토출되도록 구성되는 제2유체 토출부;를 포함하고, 제1유체와 제2유체가 상기 열교환판의 일구성인 주전열면을 사이에 두고 열교환을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 제공하여 달성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에 따르면 열교환 경로의 비대칭에서 오는 구조적인 문제로 인해 발생되는 유량분배의 불균형을 조절하여 열교환기의 열교환 효율을 향상시키는 효과가 있다.

둘째, 본 발명에 따르면 스티프너와 웰드캡에서 발생하는 열전도에 의한 에너지 손실을 조절시켜 열교환기의 열교환 효율을 향상시키는 효과가 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 웨이비핀 구조의 열교환판을 도시한 평면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환판을 도시한 평면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스티프너 및 사선 압착부를 도시한 확대도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 사선 압착부를 도시한 확대사진,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1유체와 제2유체의 유량에 대한 그래프,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환판을 도시한 평면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환판 뭉치를 도시한 사시도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 내부에 구성되는 열교환판 조립체를 도시한 사시도,
도 9는 종래기술에 따른 열교환판을 이용한 시험예를 도시한 모식도,
도 10은 본 발명의 제1시험예에 따른 제1분배판을 도시한 단면도,
도 11은 본 발명의 제2시험예에 이용된 열교환판을 도시한 모식도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

< 열교환판 >

본 발명의 제1실시예에 따른 열교환판과 관련하여, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환판을 도시한 평면도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스티프너 및 사선 압착부를 도시한 확대도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 사선 압착부를 도시한 확대사진이다. 도 2, 3, 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환판(1)은 역사다리꼴의 금속시트로 구성될 수 있고, 사다리꼴의 넓은 일면에서 유체가 유입 및 토출되게 된다. 즉, 도 1에 도시된 열교환판과 같이, 좌측 상단에 유체의 유입부가 구비되고, 우측 상단에 유체의 토출부가 구비된다. 이는 열교환기 또는 열교환판의 구성에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 열교환판(1)은 제1분배판(3), 제2분배판(5), 주전열면(10), 스티프너(12), 웰드캡(14), 압착부(16), 사선 압착부(20), 홈(22)을 포함할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 열교환판(1)은 복수개가 적층되어 이용될 수 있다. 이러한 열교환판(1)에는 2개의 유로가 형성될 수 있는데, 제1유로, 제2유로라 칭한다. 제1유로는 열교환판(1)의 내부를 통과하는 경로이다. 제1유로는 열교환판(1)의 일측 상단에서 주전열면을 지나 타측 상단으로 유체가 흐르는 경로를 의미하고, 제2유로는 열교환판(1)과 다른 열교환판(1)의 사이에 구비되는 경로를 의미한다. 제1유로에는 열에너지를 전달받는 제1유체(Recipient)가 흐르고, 제2유로에는 열에너지를 제공하는 제2유체(Donor)가 흐르게 된다.

제1분배판(3)은 제1유로와 관련하여, 제1유체가 주전열면(10)에 분배되게 하기 위해 복수개의 요철부 즉, 핀(fin)을 구비하고, 직각삼각형의 형태로 구비되는 구성이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1분배판(3)에서 열교환 유로가 상대적으로 짧은 부분은 핀의 폭과 간격을 좁게 구성하고, 제1분배판(3)에서 열교환 유로가 상대적으로 긴 부분은 핀의 폭과 간격을 넓게 구성할 수 있다. 핀의 폭과 간격은 점진적으로 넓어지거나 좁아지도록 구성할 수도 있고, 서로 다른 폭과 간격을 가진 복수개의 핀 그룹으로 구성할 수도 있으나, 제작상의 복잡성과 제작비의 상승 등 여러 문제점들 때문에 서로 다른 폭과 간격을 가진 2개의 핀 그룹으로 구성하는 것이 바람직하다.

제2분배판(5)은 제2유로와 관련하여, 제2유체가 열교환판(1)의 사이에서 분배되게 하기 위해 복수개의 핀을 구비하고, 직각삼각형의 형태로 구비되는 구성이다. 열교환기의 특성상 사다리꼴의 열교환판(1)에서 짧은 모서리에 가장 많은 양의 제2유체가 흐르게 되고, 열교환판(1)에서 긴 모서리에 가장 적은 양의 제2유체가 흐르게 된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 제2분배판(5)은 열교환판(1)의 짧은 모서리와 대응되는 부분은 핀의 폭과 간격을 좁게 구성하고, 열교환판(1)의 긴 모서리와 대응되는 부분은 핀의 폭과 간격을 넓게 구성할 수 있다. 핀의 폭과 간격은 점진적으로 넓어지거나 좁아지도록 구성할 수도 있고, 서로 다른 폭과 간격을 가진 복수개의 핀 그룹으로 구성할 수도 있으나, 제작상의 복잡성과 제작비의 상승 등 여러 문제점들 때문에 서로 다른 폭과 간격을 가진 2개의 핀 그룹으로 구성하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1유체와 제2유체의 유량에 대한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 종래에는 제1유체에 적은 열에너지가 필요한 곳에서는 제2유체가 과다하게 공급되고 있었고, 제1유체에 많은 열에너지가 필요한 곳에서는 제2유체가 과소하게 공급되고 있었음을 확인할 수 있다. 이러한 저온측 채널의 유동분배 불균형으로 저온 측 출구의 위치에 따른 온도편차가 상당히 크게 발생하고 있었으며, 이는 결과적으로 열교환기의 전체 유용도를 떨어뜨리는 주 원인이 되고 있었다.

본 발명은, 이러한 문제점을 물리적인 유동분배의 조정으로 해결하려는 목적이 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 이러한 온도편차를 조절하기 위해서 고온 측의 유량을 변화시키거나, 저온 측의 유량을 변화시키는 방법을 제안한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따라 유량이 적절하게 분배되게 됨으로써 저온측 유용도가 증가하게 되는 효과가 발생하게 되었다.

주전열면(10)은 평면상에서 파형으로 연장되는 요철부를 지니도록 구성될 수 있다. 열교환판(1)의 일측에서 유입되는 유체가 주전열면(10)의 요철부의 오목한 부분을 지나가면서 열교환을 하게 된다. 유체가 지나가게 되는 유로를 증가시키기 위해 요철부가 파형으로 연장되는 것이다.

스티프너(12)는 주전열면의 프레임을 형성하게 되는 구성으로, 열교환판(1)의 일측을 감싸도록 바 형태로 구성될 수 있다. 이러한 각 열교환판(1)의 스티프너(12)는 열교환기의 중심을 바라보도록 구비되게 된다.

웰드캡(14)은 열교환기의 케이스와 열교환판(1)이 마찰되는 부위에서 용접부가 손상되는 것을 방지하기 위한 구성으로, 열교환판(1)의 일측을 감싸도록 바 형태로 구성될 수 있다.

압착부(16)는 주전열면(10)의 양측을 압착하여 유체가 주전열면(10)에 골고루 분배될 수 있도록 하는 구성이다. 즉, 먼저 평면상에서 파형으로 연장되는 요철부가 형성되는 금속시트를 제작한 뒤, 금속시트의 양측을 압착하여 압착부(16) 및 주전열면(10)을 구분하는 방법으로 열교환판(1)을 제작할 수 있다.

사선 압착부(20)는 유입부와 토출부 사이의 최단거리를 구성하는 주전열면(10)의 적어도 일측에 구성될 수 있다. 이는 유입부와 토출부의 최단거리를 구성하는 유로의 단면적을 감소시키거나 유로를 폐쇄하도록 구성되는 것이다. 이하 수학식 1은 유량에 관한 공식이다.

수학식 1에서, Q는 유량(m³/hr), A는 단면적(m²), V는 유속(m/hr)이다. 수학식 1과 도 4에 도시된 바와 같이, 사선으로 압착하면 유로의 단면적이 감소되어 유량이 감소하게 된다.

사선 압착부(20)를 구성하는 방법 이외의 방법으로 유로의 단면적을 감소시킬 수도 있다. 그러나 사선 압착부(20)를 구성하는 경우에는 간단하게 구성할 수 있고, 단면적이 적당하게 감소되며, 공정시간이 많이 추가되지 않고, 금형제작을 통해 하나의 공정으로 압착부(16)와 함께 제작가능하게 되는 효과가 있다.

사선 압착부(20)에 의하여 유입부와 토출부의 최단거리를 구성하는 유로의 단면적이 감소하게 된다. 그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 유입부와 토출부의 최단거리를 구성하는 유로에서는 열교환이 상대적으로 덜 일어나게 된다. 따라서, 사선 압착부(20)에 의하면, 열교환이 상대적으로 덜 일어나게 되는 유로에 대해서는 유량이 감소되어, 열교환기 전체적인 열교환 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

홈(22)은 스티프너(12)나 웰드캡(14)에 적용될 수 있다. 이때, 홈(22)은 스티프너(12)나 웰드캡(14)의 역할을 방해하지 않을 정도의 크기로 적용될 수 있다.

홈(22)의 개수, 형태, 크기, 이격거리는 열교환판(1)의 형태, 크기, 적용온도 등에 따라 적절히 적용될 수 있다.

이러한 홈(22)의 효과에 관하여, 특정 매질 내에서 열전도에 의한 단위 시간당 전달된 에너지의 양을 계산하려면 이하의 수학식 2, 3과 같은 푸리에 법칙을 적용할 수 있다. 온도분포가 T(x)인 1차원 평면 벽에 대한 열전달률 방정식은 다음과 같다.

수학식 2에서, q''_x는 전달방향인 x 방향에 대해 수직인 단위 면적당 열전달률이며, k는 상수이고, 단위 면적당 열전달률은 이 방향으로의 온도구배인 dT/dx에 비례한다.

그리고 열전도 방향의 수직이고 면적이 A인 평면 벽을 통한 열전달률 q_x(x)는 전달방향인 x 방향에 대해 수직인 단위 면적당 열전달률과 면적을 곱한 것으로, 이하의 수학식 3과 같다.

즉, 수학식 2, 3에 기재된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 스티프너(12)와 웰드캡(14)에서 개선되는 홈(22)으로의 효과는 길이방향으로 단면적의 감소에 의한 영향으로 계산이 가능하다.

스티프너(12) 및 웰드캡(14) 중 적어도 하나 이상에 홈(22)을 제작함으로써 길이방향의 단면적을 스티프너(12) 또는 웰드캡(14)의 중간중간에서 절반 정도로 감축하였다고 볼 수 있다. 단면적이 감축됨으로써 수학식 3에 의해 열전도 방향의 수직이고 평면 벽을 통한 열전달률이 감소하게 되는 효과가 나타나게 된다. 즉, 홈을 구비한 스티프너(12) 또는 웰드캡(14)에서 열전도로 빠져나가는 열에너지의 양이 감소하게 되어 궁극적으로 열교환기의 열교환 효율이 증대되는 현저한 효과가 발생하게 된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 열교환판(1)과 관련하여, 도 6는 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환판의 평면도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환판(1)은 스티프너(12) 및 웰드캡(14) 중 적어도 하나 이상에 절단부를 포함할 수 있다. 도 6에서는 웰드캡(14)에 절단부를 구성하였다.

절단부가 구비된 스티프너(12) 또는 웰드캡(14)은 기존에 하나의 부재로 구성되던 것을 복수개로 절단 및 분할하여 서로 기설정된 이격거리를 갖도록 구성하게 된다. 본 발명의 제2실시예에서는 웰드캡(14)을 3개의 부재로 절단 및 분할하여 2개의 절단부를 형성하였다.

절단부의 개수, 형태, 크기, 이격거리는 열교환판(1)의 형태, 크기, 적용온도 등에 따라 적절히 적용될 수 있다.

절단부의 효과와 관련하여, 스티프너(12) 또는 웰드캡(14) 자체가 중간중간 절단되어 있기 때문에, 전도에 의한 영향이 차단되게 된다. 따라서 이러한 경우에는 내부의 유동 즉, 대류에 의한 열전도계수에만 영향을 받게 된다. 이때 대류에 의한 열전도계수는 전도에 의한 열전도계수의 수만분의 일 수준으로 매우 낮으므로, 간단한 구성으로 전도에 의한 열에너지 손실을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 즉, 절단부를 구비한 스티프너(12) 또는 웰드캡(14)에서 열전도로 빠져나가는 열에너지의 양이 감소하게 되어 궁극적으로 열교환기의 열교환 효율이 증대되는 현저한 효과가 발생하게 된다.

<열교환기>

본 발명의 일실시예에 따른 열교환기에 관하여, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환판 뭉치를 도시한 사시도, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 내부에 구성되는 열교환판 조립체를 도시한 사시도이다. 도 7, 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기는 본 발명의 제1, 2실시예에 따른 열교환판(1)이 삽입되어 구성되게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 열교환판(1)의 상부에서 열을 전달받기 위한 제1유체(A)가 유입 및 토출되고, 열교환판(1)의 측부에서 제1유체로 열을 전달하기 위한 제2유체(B)가 유입 및 토출된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 열교환기 내부에 구성되는 열교환판 조립체(100)는 복수개의 열교환판(1)이 포개지도록 구성될 수 있다. 스티프너(12)는 내측에 구비되고, 웰드캡(14)이 외측을 향하도록 열교환판(1)이 배치된다.

< 제1시험예 >

본 발명의 제1시험예에서는, 제1분배판(3)만을 포함하여 온도 편차 시험을 실시하였다. 본 시험에서는 종래기술에 따른 열교환판을 이용하여 대조군을 형성하였다. 도 9는 종래기술에 따른 열교환판을 이용한 시험예의 모식도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 유입되는 제1유체(A)의 온도는 190℃로 설정하였고, 제1유체(A)가 토출되는 부분에 3개의 온도센서를 장착하였다. 제1유로를 3개의 채널로 구분하였고, 가장 긴 유로는 1번 채널, 중간 유로는 2번 채널, 가장 짧은 유로는 3번 채널로 지정하였다. 1번 채널의 출구는 1번 센서, 2번 채널의 출구는 2번 센서, 3번 채널의 출구는 3번 센서로 지정하였다. 제2유체(B)는 열교환판(1)의 사이의 제2유로에 흐르면서 제1유체(A)에 열에너지를 전달하게 된다.

	1번	2번	3번	최대온도차
평균 출구온도[℃]	661	580	510	151
입구대비 온도편차[℃]	471	390	320	-
비율	1	0.828	0.679	-

표 1에 기재된 바와 같이, 제1유로의 출구의 위치에 따라 온도편차가 평균적으로 최대 151℃까지 차이가 나며, 이는 결과적으로 열교환기의 전체 유용도를 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 물리적 유동분배의 조정을 제안한다.

제1유로의 채널들을 크게 3등분으로 나누어, 제2유로에서 제공하는 열량이 일정하다고 가정하고, 열교환기의 열손실율은 무시한다면, 아래와 같이 표현될 수 있다.

상기 수식에서, Q_{h1 , h2 , h3}는 각각 1번, 2번, 3번 채널에 있어서 제2유로에서 제공되는 열량,

_c1,_c2,_c3는 각각 1번, 2번, 3번 채널에서의 유량, C_p는 제1유체(A)의 비열, T_c1,_c2,_c3은 각각 1번, 2번, 3번 채널에서의 온도를 의미한다.

수학식 4, 5, 6에 표 1의 실험결과를 대입하면 수학식 7이 도출된다. 상기 세 채널에서 같은 온도편차를 가지려면, 제2유로의 유량을 변화시켜 Q_{h1 , h2 , h3}를 조정하거나, 제1유로의 유량을 변화시켜 온도편차를 조절할 수 있다. 제2유로는 압력 저하에 매우 민감하므로, 상대적으로 압력에 여유가 많은 제1유로의 유량을 조정하는 방법이 더 바람직하다고 판단된다.

수학식 7에서 제2유로에서 제공하는 열량 Q_h가 제1유로의 모든 채널에서 동일하다고 가정할 때 모두 같은 온도 편차를 갖게 되려면, 각 채널에서의 유량비는 다음과 같아야 한다.

채널에서의 유량은 채널의 유로에 해당되는 총 단면적에 의해 결정되므로, 상기의 비율로 채널 단면적을 나누어주면 물리적으로 유량 조절이 가능해진다. 즉, 이하의 수학식을 만족하게 되면 온도편차가 조절될 수 있다.

수학식 9에서, A_c1,_c2,_c3는 각각 채널의 총 단면적이다. 이때, 내부 채널을 3등분으로 나누어 각각 제작하는 것은 제작상의 복잡성과 제작비의 상승 등 여러 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 온도편차가 많이 발생되는 3번 채널을 중심으로 2등분 제작하여 상기 유동분배를 적용하는 것이 바람직하다. 제1유로를 2개의 채널로 구성하는 것에 있어서, 이하 수학식과 같이 구성할 수 있다.

즉, 수학식 10과 같은 비율의 채널의 총 단면적을 갖도록 제1유로의 제1분배판(3)을 두 가지 사양의 핀(fin)을 사용하여 제작할 수 있다.

수학식 10에 가까운 비율로 제1유로를 제작한 실시예와 관련하여, 도 10은 본 발명의 제1시험예에 따른 제1분배판의 단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 1번 채널과 2번 및 3번을 포함한 채널의 총 단면적을 2.68:1로 맞춤으로서 제1유로 출구의 온도편차를 현저히 감소시킬 수 있다.

< 제2시험예 >

제2시험예와 관련하여, 도 11은 본 발명의 제2시험예에 이용된 열교환판을 도시한 모식도이다. 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2시험예에서는, 제1시험예와 달리 제1분배판(3), 제2분배판(5), 사선압착부(20)을 더 포함하고, 스티프너(12)에 홈(22)을 구성하며, 웰드캡(14)에 홈을 구성하여 온도편차를 조절하였다. 제1시험예와 마찬가지로, 제1유체(A)는 제1유로에 흐르면서 열에너지를 전달받게 되고, 제2유체(B)는 열교환판(1)의 사이의 제2유로에 흐르면서 제1유체(A)에 열에너지를 전달하게 된다.

	1번	2번	3번	최대 온도차
평균 출구온도[℃] (제2유체는 500℃, 상압조건)	473.85	469.65	458.8	15.05
평균 출구온도[℃] (제2유체는 680℃, 상압조건)	666.2	649.55	631.65	34.55
평균 출구온도[℃] (제2유체는 680℃, 2bar 조건)	654.35	647.85	638.9	15.45

표 3에 기재된 바와 같이, 제2분배판, 홈을 구성하면 온도편차가 현저하게 완화되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이하 수학식으로 유용도(effectiveness)의 향상을 확인할 수 있다.

상기 수학식 11에서, ε은 유용도, q는 실제 열전달률, q_max는 최대 가능 열전달률이다. 상기 수학식 11에 근거할 때, 종래 85% 내외에 불과했던 제2유로의 유용도는 전체적으로 90% 이상으로 유용도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.

열교환기를 마이크로 가스터빈 등에 이용하기 위해서는, 열교환기를 콤팩트하게 제작할 수밖에 없고, 열교환기를 콤팩트하게 제작하게 되면 열전달 면적이 감축되므로 열전달률의 저하가 문제된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면 열전달률의 저하를 현저히 방지할 수 있으므로, 콤팩트 열교환기의 제작이 현저하게 유리해지는 효과가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 열교환판
3: 제1분배판
5: 제2분배판
10: 주전열면
12: 스티프너
14: 웰드캡
16: 압착부
20: 사선압착부
22: 홈
100: 열교환판 조립체
A: 제1유체
B: 제2유체

Claims (7)

1. 열교환기에 복수개가 사용되고, 열에너지를 제공받는 제1유체와 열에너지를 제공하는 제2유체의 열에너지가 교환되도록 구성되는 열교환판에 있어서,
   판상의 금속시트로 구성되는 본체;
   상기 본체의 일측에 구비되어 상기 본체에 제1유체가 유입되는 유입부;
   상기 본체의 중단에 구비되고, 평면상에서 파형으로 연장되는 요철부를 구비하며, 상기 유입된 제1유체가 상기 요철부의 오목한 부분을 통과하도록 구성되는 주전열면;
   상기 본체의 타측에 구비되어 상기 본체에서 제1유체가 토출되는 토출부;
   상기 유입부, 상기 주전열면 및 상기 토출부를 포함하고, 상기 제1유체가 상기 유입부에서 상기 주전열면을 지나 상기 토출부로 토출되도록 구성되는 제1유로; 및
   상기 유입부 및 상기 토출부 중 적어도 하나에 삽입되고, 상기 주전열면에 상기 제1유체의 유량이 분배되도록 복수개의 요철부가 구비되는 제1분배판;
   을 포함하고,
   상기 제1분배판의 요철부는, 복수개의 채널을 포함하며,
   복수개의 상기 채널은, 요철의 높이 및 간격 중 적어도 하나가 서로 다르게 구성되고, 상기 제1유체의 유량이 상대적으로 많은 채널이 상기 제1유체의 유량이 상대적으로 적은 채널보다 유로의 단면적이 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 열교환판과 적층되어 인접하는 열교환판과의 사이에 구비되고, 제2유체가 일측에서 타측으로 유동되도록 구성되는 제2유로; 및
   상기 제2유로의 유입부 및 상기 제2유로의 토출부 중 적어도 하나에 삽입되고, 상기 주전열면에 상기 제2유체의 유량이 분배되도록 복수개의 요철부가 구비되는 제2분배판;
   를 더 포함하고,
   상기 제2분배판의 요철부는, 복수개의 채널을 포함하며,
   복수개의 상기 채널은, 요철의 높이 및 간격 중 적어도 하나가 서로 다르게 구성되고, 상기 제2유체의 유량이 상대적으로 많은 채널이 상기 제2유체의 유량이 상대적으로 적은 채널보다 유로의 단면적이 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 주전열면은, 상기 유입부와 상기 토출부의 최단거리를 포함하는 제1유로의 적어도 일부의 단면적이 나머지의 단면적 보다 상대적으로 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 주전열면은 평면상에서 직사각형으로 구성되고,
   상기 유입부 및 상기 토출부가 각각 일측 상부 및 타측 상부에 구비되며,
   상기 주전열면의 상부 모서리는, 유로의 단면적을 감소시키기 위해 사선으로 압착되는 사선 압착부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환판.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 본체의 프레임을 형성하기 위해, 상기 본체의 일단을 감싸도록 구성되는 바 형태의 스티프너;
   를 더 포함하고,
   상기 스티프너의 중단에 횡단면적을 감소시키기 위한 적어도 하나의 홈이 구성되거나, 상기 스티프너의 중단에 횡방향으로 적어도 하나의 절단부가 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판.
   
6. 제1항에 있어서,
   열교환기의 케이스와의 마찰에 따른 용접부의 손상을 방지하기 위해, 상기 본체의 일단을 감싸도록 구성되는 바 형태의 웰드캡;
   을 더 포함하고,
   상기 웰드캡의 중단에 횡단면적을 감소시키기 위한 적어도 하나의 홈이 구성되거나, 상기 웰드캡의 중단에 횡방향으로 적어도 하나의 절단부가 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환판.
   
7. 제1유체와 제2유체의 열을 교환하기 위해, 내부에 제1항에 따른 열교환판을 복수개 구비하도록 구성되는 열교환기 본체;
   상기 제1유체가 외부에서 상기 열교환기 본체로 유입되도록 구성되는 제1유체 유입부;
   상기 제1유체가 상기 열교환기 본체에서 외부로 토출되도록 구성되는 제1유체 토출부;
   상기 제2유체가 외부에서 상기 열교환기 본체로 유입되도록 구성되는 제2유체 유입부; 및
   상기 제2유체가 상기 열교환기 본체에서 외부로 토출되도록 구성되는 제2유체 토출부;
   를 포함하고,
   제1유체와 제2유체가 상기 열교환판의 일구성인 주전열면을 사이에 두고 열교환을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   

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