KR20160081914A - 적어도 부분적으로 변하는 단면을 갖는 열교환기용 관 및 이러한 관을 갖는 열교환기 - Google Patents

적어도 부분적으로 변하는 단면을 갖는 열교환기용 관 및 이러한 관을 갖는 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열교환기용 관에 관한 것으로, 관의 적어도 일 부분은 길이 방향으로 변하는 단면을 가지며, 단면적은 관의 외측 단부 가까이에서의 최대 값에서부터 관의 반대쪽 외측 단부 가까이에서의 최소 값까지 감소한다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 그러한 관을 갖는 열교환기 및 이러한 열교환기를 포함하는 중앙 가열 장치 및 수돗물 시스템에 관한 것이다..

Description

적어도 부분적으로 변하는 단면을 갖는 열교환기용 관 및 이러한 관을 갖는 열교환기{TUBE FOR A HEAT EXCHANGER WITH AN AT LEAST PARTIALLY VARIABLE CROSS-SECTION, AND HEAT EXCHANGER EQUIPPED THEREWITH}
본 발명은 열교환기용 관에 관한 것으로, 그 관의 적어도 일 부분은 길이 방향으로 가변적인 단면을 갖는다.
이러한 열교환기 관이 예컨대 EP 1 429 085 에 알려져 있다. 이 문헌 EP 1 429 085 에는, 다수의 병렬 관을 갖는 열교환기가 기재되어 있다. 각 관의 단면은 장착판에 부착되어 있는 제 1 외측 단부 가까이에서 둥글게 되어 있다가 중심에서 타원형으로 변하게 된다. 거기서부터 단면은 다시 제 2 외측 단부에서 둥근 형상으로 변하고, 그 외측 단부도 장착판에 부착된다. 여기서 상기 단부에서의 둥근 단면 형상은 판에 있는 둥근 개구에의 간단한 장착을 위해 선택된다.
본 발명의 목적은, 관을 통해 흐르는 매체로부터 그 관 주위의 매체로 최적의 열전달이 가능하도록 단면이 관의 길이 방향으로 변하는 열교환기용 관을 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 단면적은 관의 외측 단부 가까이에서의 최대 값에서부터 관의 반대쪽 외측 단부 가까이에서의 최소 값까지 감소하는 관의 경우에 달성된다. 관의 면적이 감소함으로써, 그 관을 관류하는 매체의 속도가 증가하여 열전달이 최적화된다.
단면적과 둘레의 비는 관의 길이를 따라 변한다. 따라서, 매체를 위한 최적의 유동 조건이 관에서 설정될 수 있다.
여기서, 상기 단면의 둘레와 면적의 비는 관의 외측 단부 가까이에서의 최소 값에서부터 관의 반대쪽 외측 단부 가까이에서의 최대 값까지 유리하게 증가할 수 있다. 이 비는 관 내의 매체와 관 주위의 매체 사이의 열교환 접촉을 위해 단위 관 당 이용가능한 벽 면적을 결정한다.
관의 바람직한 실시 형태에서, 상기 단면의 둘레와 면적의 비는 상기 단면적이 감소하는 관의 방향으로 증가한다. 따라서, 매체의 속도와 난류가 증가하여, 열전달이 개선된다.
관의 단면은 일 외측 단부 가까이에서 실질적으로 둥글고 다른 외측 단부 가까이에서는 평평한 형상을 가질 수 있지만, 일 외측 단부 가까이에서의 둘레 형상은 실질적으로 둥글고 다른 외측 단부 가까이에서는 실질적으로 별 형상인 다른 유리한 실시 형태가 얻어진다. 둥근 단면의 경우에 둘레와 면적의 비는 최소이고, 반면 별 형상의 경우에는 상기 비는 반대로 비교적 크다. 별은 3개 이상의 꼭지를 가질 수 있다. 원은 둘레에 대한 최대 단면적을 가지며, 그래서, 관이 바람직하지 않게 높은 온도로 가열되는 것을 방지하기 위해, 관이 둥근 단면을 갖는 외측 단부에서의 열전달이 의도적으로 제한될 수 있다. 반대로, 관이 별 형상을 둘레를 갖는 외측 단부 가까이에서는 높은 열전달이 얻어진다.
상기 단면의 면적 및/또는 둘레 형상의 변화는 상기 관의 벽의 적어도 일 부분을 변형시켜 얻어질 때, 구조적으로 간단한 방안이 얻어진다.
더 바람직하게는, 상기 관의 각 단면에 대해, 단면을 둘러싸는 선이 규정되며, 포락선은 관의 길이를 따라 실질적으로 동일하다. 따라서, 관의 외부 치수는 그의 길이를 따라 일정하게 유지되고, 그래서 다수의 관을 열교환기 안에 서로 인접하게 배치하는 것이 용이하게 된다.
이 경우, 상기 가변적인 둘레 형상은 관 벽의 적어도 하나의 내향 접힘 부분에 의해 형성될 수 있다. 벽을 내측으로 접음으로써, 단면은 일정한 포락선의 내부에 유지된다.
관 내부 매체의 유동의 분열을 방지하기 위해, 단면의 면적 및/또는 둘레 형상의 변화는 실질적으로 점진적인 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, 관은 일정한 단면의 일 부분을 가질 수 있다. 그러나 변화가 있는 경우, 이 변화는 바람직하게는 점진적인 진행을 갖는다.
본 발명은 또한 제 1 매체를 위한 적어도 하나의 관을 갖는 열교환기에 관한 것으로, 적어도 하나의 관은 관을 따라 흐르는 제 2 매체와 열교환 접촉을 한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 관은 전술한 종류의 관이다.
제어되는 열전달을 위해, 상기 적어도 하나의 관은 바람직하게는 상기 제 2 매체가 흐르는 하우징 안에 수용된다.
전술한 바와 같이, 단면의 변화로 인해, 이 변화를 관 내부 매체의 온도 구배에 적합하게 할 수 있다. 이는, 상기 제 1 매체가 가열 매체이고 상기 적어도 하나의 관은 열원에 연결되어 있으며 상기 제 2 매체는 열흡수 매체인 경우에 특히 유리하다. 결국 가열 매체의 온도는 열원에 의해 적절히 제어될 수 있다.
상기 단면적이 최대이고/최대이거나 단면의 둘레와 면적의 비가 최소 값을 갖는 상기 적어도 하나의 관의 외측 단부는 바람직하게 상기 열원에 연결된다. 이리하여, 가열 매체는 먼저 관의 넓은 부분을 비교적 느리게 관류하게 되고 그래서 가열 매체에 있는 다량의 열을 관 주위의 물흡수 매체에 전달하기에 충분한 시간을 확보할 수 있다. 일단 더 많은 양의 열이 전달되면, 가열 매체의 유동은 관의 좁아짐으로 인해 가속될 수 있다.
상기 하우징이 제 1 측면에 또는 제 1 측면 가까이에 형성되어 있는 제 2 매체용 유입 개구 및 제 2 측면에 또는 제 2 측면 가까이에 형성되어 있는 제 2 매체용 유출 개구를 가질 때, 다수의 관이 상기 하우징 안에서 실질적으로 병렬로 배치되고 상기 유입 개구와 유출 개구를 서로 연결하는 선에 대해 각도를 형성한다. 따라서, 구조적으로 간단하고 컴팩트하며 효율적인 교차 흐름 또는 교차 유동 열교환기가 형성된다.
상기 유입 개구와 유출 개구를 갖는 하우징은 중앙 가열 장치 내 회로의 일부분을 형성하고, 상기 관은 가열 버너의 연도관의 일 부분을 형성할 수 있다. 그래서, 상기 열교환기는 중앙 가열 장치에 적용될 수 있다.
상기 유입 개구와 유출 개구를 갖는 하우징은 수돗물 관의 일 부분을 형성하고, 상기 관은 가열 버너의 연도관의 일 부분을 형성한다. 따라서, 상기 열교환기는 수돗물 시스템에 사용되는 데에 적합하다.
마지막으로, 본 발명은 전술한 종류의 열교환기가 적용되는 중앙 가열 장치 및 수돗물 시스템에 관한 것이다. 중앙 가열 장치는, 가열 버너, 하나 이상의 공간을 따라 연장되어 있고 매체가 순환하는 회로, 및 상기 버너와 회로를 서로 연결하는 본 발명에 따른 열교환기를 포함한다. 유사하게, 수돗물 시스템은, 가열 버너, 물 공급원에서부터 인출점까지 연장되어 있는 물 도관, 및 상기 버너와 물 도관을 서로 연결하는 열교환기를 포함한다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 2개의 실시 형태에 기초하여 설명할 것이며, 도면에서 대응하는 부분은 동일한 참조 번호로 나타나 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 관을 갖는 열교환기를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 열교환기에 사용되는 관의 사시도로, 관 내부 매체의 유동 속도가 나타나 있다.
도 3 및 4 는 도 2 의 Ⅲ - Ⅲ 선 및 Ⅳ - Ⅳ 선을 따른 단면을 각각 나타낸다.
도 5 는 열교환기의 제 2 실시 형태의 개략도이다.
도 6 은 관의 제 2 변형예의 도 2 에 대응하는 도이다.
도 7 및 8 은 도 6 의 Ⅶ - Ⅶ 선 및 Ⅷ - Ⅷ 선을 따른 단면을 각각 나타낸다.
중앙 가열(CH) 장치(1)(도 1)는 가열 버너(2) 및 매체(M2)를 위한 회로(미도시)를 포함하고, 그 매체는 하나 이상의 공간을 따라 안내되고 거기서 방열기를 관류한다. 매체(M2)는 버너(2)에 의해 직접 가열된다. 이러한 목적으로, 회로와 가열 버너(2) 사이에는, 매체(M1)가 흐르는 열교환기(3)가 배치되어 있다.
나타나 있는 실시 형태에서, 매체(M1)는, 가연성 혼합물(C)이 버너(2)에서 연소될 때 발생되는 연도 가스로 형성된다. 이 가연성 혼합물(C)은 도관(4)을 통해 버너(2)에 공급되고, 버너(2)를 떠나는 연도 가스는 먼저 출구 매니폴드(5)에서 모이게 된다. 거기서부터 연도 가스는 열교환기(3)의 하우징(7)에 배치되어 있는 다수의 병렬 관(6)에 분산된다. 하우징(7)의 반대쪽에는, 관(6)은 축적 챔버(8) 안으로 진입해 있고, 그 챔버로부터 연도 가스는 출구(9)를 통해 배출된다.
하우징(7)에는, 측면(11)에 있는 유입 개구(10) 및 반대 측면(13)에 있는 유출 개구(12)가 제공되어 있다. 유입 개구(10)는 여기서 CH 장치(1)의 회로의 복귀 도관(14)에 연결되어 있고, 유출 개구(12)는 회로의 공급 도관(15)에 연결되어 있다. 회로를 통과한 후에, 매체(M2)는 그의 열을 가열용 공간에 주고 나면, 열교환기(3)를 관류할 수 있고 거기서 관(6)을 관류하는 열교환 매체(M1)(연도 가스)와 열교환 접촉을 하게 된다. 그런 다음, 가열된 매체(M2)는 회로를 다시 통과할 수 있다.
나타나 있는 실시 형태에서 관(6)은 유입 개구(10)와 유출 개구(12)를 서로 연결하는 선에 대해 실질적으로 직각으로 있으므로, 나타나 있는 실시 형태에 있는 열교환기는 교차 흐름 또는 교차 유동 열교환기이다.
본 발명에 따르면, 관(6)은 어떤 경우에도 그의 길이를 따라 가변 단면을 갖는다. 나타나 있는 실시 형태에서, 변화는 매체(M1)의 유동 방향에서 볼 때 관(6)의 최종 부분에 한정된다. 관(6)은 그의 길이(L)의 제 1 절반부를 따라 일정한 단면을 갖지만, 그런 다음 단면의 면적(A)과 둘레 형상(P)은 변한다.
여기서 면적(A)은 유동 방향으로 볼 때 감소하는데, 그래서 유출 면적은 유입 면적 보다 작다(Aout ＜ Ain). 면적 감소의 결과로, 일정한 질량 유동이 유지되도록 관(6) 내의 매체(M1)의 유동 속도가 증가한다(Vout ＞ Ⅴin). 버너(2)에 가까운 관(6)의 제 1 부분에서의 낮은 유동 속도 때문에, 관(6)의 이 부분에서의 매체(M1)의 주재 시긴은 상대적으로 길게 되고, 그리하여, 여전히 매우 뜨거운 매체(M1)가 다량의 열을 매체(M2)에 전달할 수 있다. 관(6)이 좁아짐으로 인해 유동 속도가 증가함에 따라 주재 시간은 감소하고, 그래서 더 적은 열이 전달될 것이다.
이러한 효과는, 나타나 있는 실시 형태에서 관(6)의 둘레 형상이 변함으로써 보상되고, 그래서 단면의 둘레(P)와 면적(A)의 비가 증가한다. 관(6)의 점점 더 커지는 벽 부분(16)이 벽(16)의 양측에 있는 두 매체(M1, M2) 사이의 열교환 접촉을 위해 관(6)의 단위 면적(A) 당 이용가능하다.
나타나 있는 실시 형태에서, 관(6)의 외부 치수는 변하지 않는다. 면적(A)은 관(6)의 어느 점에서도 동일한 포락선(17)의 내부에 끼워진다. 이렇게 해서 관(6)은 일정한 간격을 두고 서로 인접하여 간단하게 하우징(7) 안에 수용될 수 있다. 여기서 관(6)의 둘레 형상(P) 및 면적(A)의 변화는 이 일정한 포락선(17)의 내부에서 발견된다. 관(6)의 벽(16)은 이러한 목적으로 국부적으로 변형된다. 나타나 있는 실시 형태에서, 벽(16)은 세 지점에서 내측으로 접혀 있고, 그래서 3개의 오목부(18)가 형성된다. 이들 오목부(18)는 유동 방향에서 볼 때 깊이와 폭이 증가하며, 그래서 면적(A)의 요구되는 감소 및 둘레(P)의 원하는 증가가 얻어진다. 이렇게 해서 관(6)의 단면은 둥근 선단을 갖는 3-꼭지 별 모양을 갖게 된다(도 4).
원은 둘레와 내부 면적의 최소 비를 갖는다. 도 3 과 도 4 를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, "별 형상"의 둘레(Pout)는 원의 둘레(Pin) 보다 상당히 더 크다. 동시에 별 형상으로 둘러싸인 면적(Aout)은 원으로 둘러싸인 면적(Ain) 보다 상당히 더 작은데, 차는 오목부(18)의 면적으로 형성된다. 이는 물론 별 형상이 원과 동일한 포락선(17)의 내부에 있다는 사실과 관련된 것이다.
그렇지 않은 경우, 관(6)의 면적(A)과 둘레 형상(P)의 변화는 점진적이고, 그래서 유동 방출 및 관(6) 내의 난류의 위험이 없다. 벽(16)은 점진적으로 원통에서 접힌 형상으로 되고, 그 후에 점힘부의 크기는 일정하게 증가한다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 관(6)은 4개의 오목부(18)를 가지며 4-꼭지 별로 끝난다(도 8). 이렇게 해서, 벽(16)이 원형과 더 많이 다르기 때문에, 둘레(P)와 면적(A)의 비는 더 크게 된다. 오목부(18)의 수가 많을 수록 둘레(P)는 상대적으로 더 커지게 되고, 그래서 더 큰 열교환 벽(16)이 얻어진다.
관(6)의 이 실시 형태는 수돗물 시스템(20)을 위한 열교환기(3)와 함께 나타나 있다. 하우징(7)의 유입 개구(10)는 도관(21)에 연결되어 있고, 이 도관은 물 공급원(미도시), 예컨대 급수 본관으로부터 냉수를 공급한다. 이 차가운 수돗물은 열흡수 매체(M2)로서 열교환기(3)를 통과하고 관(6)(이중의 몇개만 도시되어 있음) 내에 있는 매체(M1)(연도 가스)와의 접촉을 통해 원하는 온도로 된다. 가열된 수돗물은 유출 개구(12)를 통해 열교환기를 떠나고 도관(22)를 관류하여 인출점(미도시), 예컨대 음용수 탭(tap)으로 가게 된다. 이 실시 형태에서, 관(6)은 또한 매체(M2)가 유입 개구(10)로부터 유출 개구(12)까지 하우징(7)을 관류하는 방향을 대략 가로질러 있다.
이 실시 형태에는, 축적 챔버(8)의 바닥에 있는 연도 가스의 응축물을 위한 배출 개구(23)가 더 나타나 있다. 연도 가스가 그의 열을 수돗물에 주어 냉각되면, 연도 가스에 존재하는 수증기가 응축될 것이고 응축물은 열교환기(3)의 최저 지점에 축적될 것이며, 그래서 나타나 있는 실시 형태에서는 축적 챔버(8)의 바닥에 축적될 것이다. 나타나 있지는 않지만, 그러한 응축물 배출은 제 1 실시 형태에서도 존재할 수 있다.
본 발명을 2개의 실시 형태를 기반으로 설명했지만, 본 발명은 그에 한정되지 않고 많은 방식으로 변화될 수 있음이 명백하다. 따라서 상기 오목부는 나타나 있는 실시 형태에서 예컨대 관의 축방향으로 연장되어 있는데, 오목부는 축방향에 대해 각도를 가지고 연장되어 있을 수 있고, 그래서 관은 어느 정도 비틀린 외양을 갖게 된다. 나타나 있는 실시 형태에서, 오목부는 관의 둘레에 걸쳐 고르게 분산되어 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 다른 분산도 가능하다. 또한, 나타나 있는 원 형상과는 다른 관의 초기 형상을 선택할 수도 있다. 그러면, 관의 유입측은 타원형으로 될 것이고, 선택적으로 평평한 측면을 갖는다. 선택적으로 정다각형과 같은 비곡선형 둘레 형상도 생각할 수 있다. 관 및 이를 구비하는 열교환기는 CH 장치와 수돗물 시스템 외의 다른 용도로 사용될 수 있다. 관의 단면이 길이 방향으로 변함으로써, 산업 공정 설비에서 이점이 제공된다.
그러므로 본 발명의 범위는 다음의 청구 범위에 의해서만 정해진다.

Claims (19)

  1. 열교환기용 관으로서, 상기 관의 적어도 일 부분은 길이 방향으로 변하는 단면을 가지며, 단면적은 관의 외측 단부 가까이에서의 최대 값에서부터 관의 반대쪽 외측 단부 가까이에서의 최소 값까지 감소하는 열교환기용 관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단면의 둘레 형상은 관의 길이 방향으로 변하는 열교환기용 관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단면의 둘레와 면적의 비는 관의 외측 단부 가까이에서의 최소 값에서부터 관의 반대쪽 외측 단부 가까이에서의 최대 값까지 증가하는 열교환기용 관.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단면의 둘레와 면적의 비는 상기 단면적이 감소하는 관의 방향으로 증가하는 열교환기용 관.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    일 외측 단부 가까이에서의 둘레 형상은 실질적으로 둥글고 다른 외측 단부 가까이에서는 실질적으로 평평한 형태를 갖는 열교환기용 관.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일 외측 단부 가까이에서의 둘레 형상은 실질적으로 둥글고 다른 외측 단부 가까이에서는 실질적으로 별 형상으로 되어 있는 열교환기용 관.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단면의 면적 및/또는 둘레 형상의 변화는 상기 관의 벽의 적어도 일 부분을 변형시켜 얻어지는 열교환기용 관.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관의 각 단면에 대해, 단면을 둘러싸는 선이 규정되며, 포락선은 관의 길이를 따라 실질적으로 동일한 열교환기용 관.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 가변적인 둘레 형상은 관 벽의 적어도 하나의 내향 접힘 부분에 의해 형성되는 열교환기용 관.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단면의 면적 및/또는 둘레 형상의 변화는 실질적으로 점진적인 열교환기용 관.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른, 제 1 매체를 위한 적어도 하나의 관을 가지며, 적어도 하나의 관은 관을 따라 흐르는 제 2 매체와 열교환 접촉을 하는 열교환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 관은 상기 제 2 매체가 흐르는 하우징 안에 수용되는 열교환기.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 매체는 가열 매체이고, 상기 적어도 하나의 관은 열원에 연결되어 있으며, 상기 제 2 매체는 열흡수 매체인 열교환기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단면적이 최대이고/최대이거나 단면의 둘레와 면적의 비가 최소 값을 갖는 상기 적어도 하나의 관의 외측 단부는 상기 열원에 연결되어 있는 열교환기.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 제 1 측면에 또는 제 1 측면 가까이에 형성되어 있는 제 2 매체용 유입 개구 및 제 2 측면에 또는 제 2 측면 가까이에 형성되어 있는 제 2 매체용 유출 개구를 가지며, 다수의 관이 상기 하우징 안에서 실질적으로 병렬로 배치되어 있고 상기 유입 개구와 유출 개구를 서로 연결하는 선에 대해 각도를 형성하는 열교환기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유입 개구와 유출 개구를 갖는 하우징은 중앙 가열 장치 내 회로의 일부분을 형성하고, 상기 관은 가열 버너의 연도관의 일 부분을 형성하는 열교환기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 유입 개구와 유출 개구를 갖는 하우징은 수돗물 관의 일 부분을 형성하고, 상기 관은 가열 버너의 연도관의 일 부분을 형성하는 열교환기.
  18. 가열 버너, 하나 이상의 공간을 따라 연장되어 있고 매체가 순환하는 회로, 및 상기 버너와 회로를 서로 연결하는 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 포함하는 중앙 가열 장치.
  19. 가열 버너, 물 공급원에서부터 인출점까지 연장되어 있는 물 도관, 및 상기 버너와 물 도관을 서로 연결하는 제 12 항 내지 제 16 항 또는 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 포함하는 수돗물 시스템.
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