KR20150098451A - 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오일 쿨링에 적합하도록 쉘 앤드 튜브 타입의 열교환기의 구조를 변경하고, 또한 열교환 효율이 증대되도록 전열관 즉 튜브의 외측으로 다수의 열교환판을 구비하도록 한 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기는,
양측이 커버로 밀폐된 관체 형태로서, 일측과 타측에 각각 오일 유입구 및 오일 유출구가 형성되는 쉘; 상기 쉘 내부에 삽입되고, 외부로부터 유입되는 냉각매에 의해 쉘 내부로 유입되는 오일을 냉각시켜 유출시키는 열교환부;로 구성되며,
상기 열교환부는 나란히 설치되어 외부로부터 유입되는 냉각매를 유동시키는 복수의 튜브; 상기 복수의 튜브 양측에 위치하여 튜브들의 양단부를 관통시켜 노출시키면서 튜브들을 지지하는 전방 및 후방 튜브시트; 판체로 되고, 상기 복수의 튜브들을 관통시켜 수용하기 위한 튜브 삽입공이 형성되며, 간격을 두고 복수개가 설치되는 열교환판; 상기 오일 유입구를 통해 쉘 내부로 유입되는 오일이 하강과 승강을 반복하면서 오일 유출구 쪽으로 이동할 수 있도록 상기 열교환판의 중간중간에 설치되는 배플;로 구성된다.

Description

쉘 앤드 튜브 타입 열교환기{Shell and tube type heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 특히 쉘 앤드 튜브 타입(Shell & Tube Type) 열교환기에 관한 것이다.

쉘 앤드 튜브 타입 열교환기는 주로 산업용으로 많이 사용되는데, 각종 유체(예를들면, 가스, 오일 등)를 가열하거나 냉각시는 구조를 가지게 된다.

이러한 쉘 앤드 튜브 타입의 열교환기는 대표적으로 등록실용 제20-0349474호(이하, 종래기술이라 함)에 기재되어 있다.

종래기술의 구조로서, 도1에 도시한 바와같이, 하부에 작동유체가 채워진 쉘(10)과, 상기한 작동유체가 채워진 쉘(10)에 설치되며, 내부에 고온 유체가 유동되는 하부 전열관(88)과, 상기한 하부 전열관(88)의 상부에 설치되며, 내부에 저온의 유체가 유동되는 상부 전열관(99)과, 상기한 쉘(10)의 측부에 형성되며, 고온 유체의 유입을 위한 고온수입구와 저온 유체의 유입을 위한 저온수입구를 갖는 본넷(4), 상기한 쉘(10)의 측부에 일체로 형성되어 상기한 본넷(4)과 결합되는 고정관판(40)을 포함하여 이루어진다.

따라서, 고온수가 유입되면 하부 전열관(88)을 통하여 쉘(10) 내부에 충진되어 있는 작동유체(프레온 가스, 메탄올, 알콜)로 열이 전달되어 작동유체가 비등하게 된다.

이와 동시에 상부 전열관(99)에는 저온수가 유입되므로, 비등한 작동유체가 상부 전열관(99)에 접촉하면 저온수와 열교환을 수행하여 응축되어 중력에 의해 하부쪽으로 흘러 쉘(10) 내부에서 비등과 응축을 반복하면서 열을 전달하게 되는 것이다.

그런데, 이러한 종래기술의 쉘 앤드 튜브 타입의 열교환기의 구조는 작동유체가 응축과 증발이 가능한 경우에 적합한 구조이지만, 각종 유압기계에서 유압을 발생하는 오일을 냉각시키기에는 적합하지 않는 구조이다.

즉, 종래기술은 작동유체인 프레온 가스가 비등과 응축을 반복하면서 열을 전달함으로써 열교환하게 되지만, 유압기계에서 고압에 의해 뜨거워진 오일의 경우에는 냉각시스템만을 가져야 하므로 이러한 종래기술의 구조는 오일 쿨러용으로 사용하기에는 적합하지 않다.

또한, 작동유체가 단순히 하부 전열관(88)과 상부 전열관(99)의 표면과 직접 접촉하므로 그 접촉면적이 매우 작아 열교환 효율이 매우 낮아지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 오일 쿨링에 적합하도록 쉘 앤드 튜브 타입의 열교환기의 구조를 변경하고, 또한 열교환 효율이 증대되도록 전열관 즉 튜브의 외측으로 다수의 열교환판을 구비하도록 한 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기는,

양측이 커버로 밀폐된 관체 형태로서, 일측과 타측에 각각 오일 유입구 및 오일 유출구가 형성되는 쉘;

상기 쉘 내부에 삽입되고, 외부로부터 유입되는 냉각매에 의해 쉘 내부로 유입되는 오일을 냉각시켜 유출시키는 열교환부;로 구성되며,

상기 열교환부는

나란히 설치되어 외부로부터 유입되는 냉각매를 유동시키는 복수의 튜브;

상기 복수의 튜브 양측에 위치하여 튜브들의 양단부를 관통시켜 노출시키면서 튜브들을 지지하는 전방 및 후방 튜브시트;

판체로 되고, 상기 복수의 튜브들을 관통시켜 수용하기 위한 튜브 삽입공이 형성되며, 간격을 두고 복수개가 설치되는 열교환판;

상기 오일 유입구를 통해 쉘 내부로 유입되는 오일이 하강과 승강을 반복하면서 오일 유출구 쪽으로 이동할 수 있도록 상기 열교환판의 중간중간에 설치되는 배플;로 구성된다.

이러한 본 발명의 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기는 냉각매가 유동하는 튜브의 냉각열이 열교환판으로 전달됨으로써 열교환판 사이로 유입되는 오일의 냉각 효율을 극대화하여 빠르게 오일이 냉각되는 효과를 갖는다.

도1은 종래기술에 따른 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기의 구조를 보인 도.
도2는 본 발명의 분해 사시도.
도3은 본 발명의 단면 구조도.
도4는 열교환판의 구조를 보인 도.
도5는 복수의 열교환판이 서로 연접한 구조를 보인 도.
도6은 복수의 튜브들이 열교환판을 관통하여 쉘 내부에 장착된 구조를 보인 도.

본 발명을 첨부한 도면 2부터 도면 6까지를 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 의한 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기의 분해 구조를 보인 도로서, 양측이 개방된 원통형태의 쉘(100) 양측에는 전단커버(110)와 후단커버(120)를 체결하기 위한 플랜지(101,102)가 형성되어 있으며, 또한 내부에 열교환부(200)를 내삽시켜 장착하기 위한 장착공간(103)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 쉘(100)의 일측에는 외부로부터 뜨거워진 오일을 유입받기 위한 오일 유입구(104)가 장착공간(103)과 연통되게 형성되고, 타측에도 장착공간(103)의 내부를 이동하면서 냉각된 오일이 외부로 유출되기 위한 오일 유출구(105)가 장착공간(103)과 연통되게 형성되어 있다.

상기 쉘(100)의 후단에는 후단커버(120)가 플랜지(102)와 체결되어 밀폐시키게 되고, 전단에는 전단커버(110)가 플랜지(101)에 체결되는 구조를 갖는다.

열교환부(200)는 쉘(100)의 장착공간(103)으로 삽입되는 구조를 가지게 되는데, 도2 및 도3에서와 같이 복수의 튜브들(250)의 양단부가 전단 튜브시트(210)와 후단 튜브시트(240)를 관통함으로써 서로 간격을 가지고 지지된다.

이때, 튜브들(250)은 열전달을 빠르게 하기 위해 동파이프로 형성될 수 있으며, 이러한 튜브들(250)은 도4에 도시한 바와같은 복수의 열교환판(220)의 튜브삽입공(222)을 밀착한 상태에서 관통하게 된다.

또한, 튜브들(250)에는 등간격으로 복수의 배플(230)이 설치되며, 후단 튜브시트(240)는 쉘(100)의 내경과 비슷한 크기를 가지게 되고, 전단 튜브시트(210)는 전단커버(110)의 외경과 비슷한 크기를 가짐으로써 전단커버(110)와 플랜지(101)의 사이에 전단 튜브시트(240)가 위치하여 볼트 등에 의해 체결됨으로써 열교환부(200)가 쉘(100) 내부에서 안정적으로 고정된다.

배플(230)은 판 형태로 열교환판(220)의 중간중간에서 상측과 하측으로 교번하여 돌출됨으로써 오일 유입구(104)로 유입된 오일이 하강과 승강을 반복하면서 오일 유출구(105)쪽으로 이동할 수 있게 한다.

즉, 배플(230)의 상단과 하단이 교번하면서 돌출됨으로써 쉘(100) 내부의 장착공간(103)에서 지그재그 형태로 이동할 수 있도록 장착공간(103)의 내부를 개방 또는 차단시키게 된다.

배플(230)의 구조는 도4에 도시된 열교환판(220)의 구조와 유사하며, 다만 열교환판(220)의 상측 또는 하측이 쉘(100)의 내경에 밀착하도록 곡선부위를 가지는 구조를 갖는다.

따라서, 그 곡선부위가 상측으로 돌출된 경우에는 하측으로 오일이 이동하게 되고, 하측으로 돌출된 경우에는 상측으로 오일이 이동하게 되는 것이다.

열교환판(220)은 도4에 도시한 바와같이, 판 형태의 몸체(221)를 가지게 되는데, 이러한 몸체(221)는 열전달효율이 높은 스테인레스로 구성될 수 있으며, 복수의 튜브삽입공(2220이 형성되어 있다.

따라서, 튜브들(250)이 튜브삽입공(222)에 외측부위가 밀착되도록 관통되어 삽입되어 냉각열이 몸체(221)로 전달되는 것이다.

상기 튜브삽입공(222)의 둘레로는 한쪽 방향으로 돌출된 돌출벽(223)이 형성되어 있는데, 이러한 돌출벽(223)은 도5 및 도6에서와 같이 이웃하는 열교환판(220)과의 간격을 유지시킴으로써 열교환판(220) 사이에 공간이 형성되어 그 공간으로 오일이 유입되는 것이다.

또한, 돌출벽(223)은 도6에서와 같이 튜브들(250)을 안정적으로 지지하는 역할을 하게 된다.

몸체(221)의 상측과 하측은 쉘(100)의 장착공간(130)과의 간격을 형성하기 위한 서로 수평하게 직선 형태로 되어 있으며, 좌우측에는 장착공간(130)의 내면과 밀착될 수 있도록 내경 형태를 따라 곡선 형태를 가진다.

이러한 열교환판(220)은 도5에서와 같이 다수개가 서로 동일한 방향으로 적층된 상태에서 튜브삽입공(222)으로 튜브가 삽입되어 장착되며, 쉘(100)의 장착공간(103)으로 내삽되었을 때는 도6에서와 같이 곡선을 갖는 좌우측 부위가 장착공간(103)의 내면에 밀착되고, 상하측은 이격된 상태로 장착된다.

또한, 열교환판(220)이 이격된 부위에 해당하는 방향 즉 쉘(100)의 상측방향에 오일 유입구(104)와 오일 유출구(105)가 형성된다.

따라서, 열교환판(220)의 상측과 하측이 장착공간(103)의 내면과 이격되어 있으므로, 그 이격된 공간을 통해 오일 유출구(105)쪽으로 이동하고, 배플(230)에 의해 승하강을 반복하면서 이동하므로 열교환시간이 늘어나는 것이다.

한편, 전단커버(110)에는 수평방향으로 그 가운데 부위에 격벽(113)이 형성되고, 그 격벽(113)을 중심으로 상측에는 외부로부터 냉각매를 유입받기 위한 냉각매 유입구(111)가 형성되며, 하측에는 쉘(100) 내부를 순환한 냉각매가 유출되기 위한 냉각매 유출구(112)가 형성되어 있다.

그러므로, 냉각매 유입구(111)를 통해 유입된 냉각매는 도4의 열교환판(220)의 중심선(CL)의 상측에 삽입된 튜브(250) 내부를 유동하여 후단으로 흐른 다음 후단커버(120)의 내측에서 U턴하여 열교환판(220)의 중심선(CL)의 하측에 삽입된 튜브(250) 내부를 흘러 냉각매 유출구(120)를 통해 외부로 배출된다.

이때 뜨거워진 오일이 오일 유입구(104)를 통해 도5 및 도6에서와 같이 열교환판(220) 사이로 유입됨으로써 냉각매에 의해 냉각된 열교환판(220)과 열교환하여 냉각되며, 배플(230)에 의해 상승과 하강을 교번하면서 오일 유출구(105) 쪽으로 이동하고, 이동하는 과정 중에 열교환판(220)과 반복적인 열교환에 의해 냉각 효율이 높아지게 되는 것이다.

한편, 열교환판(220)의 좌우 양측 곡선 부위가 쉘(100)의 내경 즉 장착공간(103)의 내면에 밀착되어야만 열교환판(220) 사이로 오일을 유도시켜 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있는데, 통상적으로 가공공차 등에 의해 유격이 발생하게 된다.

즉, 열교환판(220)의 좌우측이 장착공간(103)의 벽면에 밀착되지 않고 유격이 발생하면, 그 유격을 통해 오일이 열교환판(220)의 외측으로 빠져나가게 되므로, 충분한 열교환이 이루어질 수 없게 된다.

따라서, 오일이 유입되고 유출되는 열교환판(220)의 상측과 하측은 제외하고, 좌우 양측에는 돌출벽(223)과 동일한 방향으로 돌출된 컬링부(224,225)가 형성되어 있다.

이러한 컬링부(224,225)의 높이는 돌출벽(223)의 높이와 동일하거나 또는 그 이상이 되는 것이 바람직하다.

그러므로, 도5 및 도6에서와 같이 이웃하는 열교환판들(220)과 좌우측이 컬링부(224,225)에 의해 밀폐된 벽이 형성되고, 또한 그 컬링부(224,255)가 도6에서와 같이 장착공간(103)의 내측면에 밀착됨으로써 오일이 측방향으로 누설되는 것을 방지하게 되는 것이다.

이로 인해, 열교환 효율 즉, 냉각 효율이 극대화되는 것이다.

100 : 쉘 101,102 : 플랜지
103 : 장착공간 104 : 오일 유입구
105 : 오일 유출구 110 : 전단커버
111 : 냉각매 유입구 112 : 냉각매 유출구
113 : 격벽 120 : 후단커버
200 : 열교환부 210 : 전단 튜브시트
220 : 열교환판 221 : 몸체
222 : 튜브 삽입공 223 : 돌출벽
224 : 컬링부 230 : 배플
240 : 후단 튜브시트 250 : 튜브

Claims (4)

1. 양측이 커버로 밀폐된 관체 형태로서, 일측과 타측에 각각 오일 유입구 및 오일 유출구가 형성되는 쉘;
   상기 쉘 내부에 삽입되고, 외부로부터 유입되는 냉각매에 의해 쉘 내부로 유입되는 오일을 냉각시켜 유출시키는 열교환부;로 구성되며,
   상기 열교환부는
   나란히 설치되어 외부로부터 유입되는 냉각매를 유동시키는 복수의 튜브;
   상기 복수의 튜브 양측에 위치하여 튜브들의 양단부를 관통시켜 노출시키면서 튜브들을 지지하는 전방 및 후방 튜브시트;
   판체로 되고, 상기 복수의 튜브들을 관통시켜 수용하기 위한 튜브 삽입공이 형성되며, 간격을 두고 복수개가 설치되는 열교환판;
   상기 오일 유입구를 통해 쉘 내부로 유입되는 오일이 하강과 승강을 반복하면서 오일 유출구 쪽으로 이동할 수 있도록 상기 열교환판의 중간중간에 설치되는 배플;로 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 열교환판은
   상측 및 하측은 서로 수평하며, 좌우 양측은 쉘의 내경 형태를 따라 곡선으로 형성되고, 튜브 삽입공의 둘레를 따라서는 한쪽방향을 향해 돌출된 돌출벽이 형성된 것을 특징으로 하는 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 열교환판의 좌우 양측 곡선부위에는 한쪽 방향으로 접혀진 컬링부가 형성된 것을 특징으로 하는 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 컬링부의 높이는 돌출벽의 높이와 같거나 또는 높게 형성된 것을 특징으로 하는 쉘 앤드 튜브 타입 열교환기.

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