KR20180097562A - 탱크 안에 포함된 유체의 열교환 및 열적 성층 시스템 및 상기 시스템을 포함하는 온수 탱크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상부 부분 및 하부 부분을 가진, 보일러의 탱크(2) 안에 포함된 제 2 유체의 열교환 및 열적 성층 시스템(1)에 관한 것으로서, 상기 상기 시스템(1)은 제 2 유체의 유동을 위한 제 2 회로(11)를 포함하고, 상기 제 2 회로(11)는 상기 탱크(2)의 상부 부분 및 하부 부분과 유체 연결되도록 되어 있고,상기 시스템(1)은, 상기 제 2 회로(11)를 통하여 상기 탱크(2)의 하부 부분으로부터 상부 부분으로의 상기 제 2 유체의 순환을 위하여 상기 제 2 회로(11)상에 작용하도록 되어 있는 순환 펌프(19), 상기 탱크(2)의 상부 부분으로의 도입 이전에 상기 제 2 유체를 가열하기 위하여 상기 제 2 회로(11)의 일부(18)에 작용하도록 되어 있는 열교환기(7) 및, 상기 제 2 회로(11)상에 작용하도록 되어 있는 써모스태틱 밸브(thermostatic valve, 5)를 더 포함함으로써, 사용하는 동안, 상기 탱크(2) 안의 제 2 유체의 열적 성층을 유지하도록, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 열교환기(7)와의 열교환에 따라서 상기 제 2 회로(11)를 통한 상기 제 2 유체의 유량 및 온도를 조절하고, 사용하는 동안, 써모스태틱 밸브(5)에 대응하는 제 2 유체의 온도(Tc)가 미리 설정된 제 1 온도(T1)와 같거나 또는 제 1 온도보다 낮을 때, 상기 제 1 유체의 가열을 위하여 잔류하는 제 2 유체가 상기 제 2 회로(11)에서 순환할 수 있도록 상기 써모스태틱 밸브(5)는 탱크(2)의 하부 부분으로부터의 제 2 유체의 유동 또는 유량을 억제하고, 상기 써모스태틱 밸브(5)에 대응하는 제 2 유체의 온도(Tc)가 상기 미리 설정된 제 1 온도(T1) 보다 높을 때, 상기 탱크(2) 안의 상기 제 2 유체의 열적 성층을 보존하도록 상기 탱크(2)의 상부 부분에서 상기 제 2 유체의 도입을 위하여 제 2 유체의 온도(Tc)와 미리 설정된 온도(T1) 사이의 차이에 비례하는 방식으로, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 써모스태틱 밸브를 통하여 상기 제 2 유체의 유량을 변화시키도록 상기 써모스태틱 밸브(5)가 구성된다. 또한, 본 발명은 상기 시스템을 포함하는 보일러에 관한 것이다.
Description
본 발명은 저장 탱크 안에 있는, 특히 위생수(sanitary water)인, 가열되어야 하는 유체를 위한 열교환 및 열적 성층 시스템(thermal exchange and thermal stratification system)에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 상기 시스템을 포함하는 보일러에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 상기 탱크 외부에서 제 1 유체와의 열교환 이후에 가열된 제 2 유체를 탱크 내부로 도입할 수 있는 열적 성층 시스템(thermal stratification system)에 관한 것이다. 그러한 유입은 탱크 내부에서 제 2 유체의 열적 성층을 보존하고 혼합을 발생시키지 않는 온도 및 유량으로 발생된다.
열적 성층이 의미하는 것은 탱크와 같은 콘테이너 안에서 유체가 "성층(stratify)"을 이루는 자연적인 경향을 의미하며, 그것의 온도는 저부로부터 상부로 증가하고 상부의 따뜻한 부분과 하부의 차가운 부분 사이에서 높은 온도 그래디언트(high temperature gradient)를 이룬다.
열적 성층을 보존하기 위하여, 탱크 안으로 도입된 유체가 상이한 온도를 가지는 것이 억제되고, 따라서 탱크 자체 내부에서의 혼합 및 난류(turbulance)의 발생이 억제되고, 효율의 손상이 억제되도록 시도된다.
본 발명은 폐쇄 용기 가열 시스템 분야에 포함되며, 여기에서 가열되어야 하는 유체를 포함하는 탱크는 항상 압력하에 있다.
현재의 기술 상태에서, 탱크 안에서의 혼합 및 난류(turbulance)를 회피하도록, 탱크 안에 이미 포함된 유체의 동일한 온도를 나타내기 위하여 탱크의 상이한 높이들에서 가열된 유체를 주입하게끔 구성되고 그러한 목적을 가진 열교환기 및 파이프를 채용하는, 폐쇄 용기 탱크 안에 포함된 유체의 열적 성층 시스템이 있다.
그러나, 그러한 공지된 시스템들은 열적 성층을 보존하기 위하여 상기 탱크 내부에 상기 유체의 유입을 조절하는 시스템을 필요로 하는데, 왜냐하면 상기 열교환의 결과로서 상기 유체는 상이한 조건들과 유량 및 온도의 변화하에 있을 수 있기 때문이며, 만약 조절이 이루어지지 않으면, 열적 성층을 유지할 수 없다. 따라서 현재 기술에서는 이러한 공지된 시스템은 탱크의 외부 또는 내부에 적절하게 설계된 열교환 시스템 및 배관과 회로를 필요로 한다.
유럽 출원 EP 2873933 A1는 본 발명의 해법과 관련하여 가장 연관성 있는 문헌으로 간주되며, 본 특허 출원의 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 해법을 개시한다.
또한 유럽 출원 EP 2848875 A1 은 본 출원의 청구항 제 1 항의 상기 전제부에 따른 해법을 개시한다.
본 발명의 목적은 보일러 탱크 또는 현존의 열교환 시스템에 용이하게 적용될 수 있는 열교환 및 성층(stratification) 시스템을 얻기 위하여 공지된 기술의 문제점을 해결함으로써, 탱크 안에 포함된 유체의 최적의 열적 성층을 보장하는 것이다.
본 발명의 목적은 보일러의 탱크 안에 포함된 제 2 유체를 위한 열교환 및 열적 성층 시스템을 제공하는 것으로서, 상기 탱크는 상부 부분 및 하부 부분을 가지고, 상기 시스템은 제 2 유체의 유동을 위한 제 2 회로를 포함하고, 상기 제 2 회로는 상기 탱크의 상부 부분 및 하부 부분과 유체 연결되고, 상기 시스템은, 상기 제 2 회로를 통하여 상기 탱크의 하부 부분으로부터 상부 부분으로 상기 제 2 유체의 순환을 위하여 상기 제 2 회로상에 작용하도록 되어 있는 순환 펌프, 상기 탱크의 상부 부분으로의 도입 이전에 상기 제 2 유체를 가열하도록 상기 제 2 회로의 일부에 작용하게끔 되어 있는 열교환기 및, 상기 제 2 회로상에 작용하도록 되어 있는 써모스태틱 밸브를 더 포함함으로써, 사용하는 동안, 상기 써모스태틱 밸브는, 상기 탱크 안에서 제 2 유체의 열적 성층을 유지하도록 상기 열교환기와의 열교환에 따라서 상기 제 2 회로를 통한 상기 제 2 유체의 유량 및 온도를 조절하고, 사용하는 동안, 상기 써모스태틱 밸브에 대응하는 제 2 유체의 온도가 미리 설정된 제 1 온도와 같거나 제 1 온도보다 낮을 때, 상기 제 2 유체를 가열하도록 잔류하는 제 2 유체를 상기 제 2 회로에서 순환시키기 위하여, 상기 써모스태틱 밸브는 상기 탱크의 하부 부분으로부터의 상기 제 2 유체의 유동 또는 유량을 억제하고, 상기 써모스태틱 밸브에 대응하는 제 2 유체의 온도가 미리 설정된 상기 제 1 온도보다 높을 때, 상기 탱크 안의 상기 제 2 유체의 열적 성층을 보존하도록 상기 탱크의 상부 부분에서의 상기 제 2 유체의 도입을 위하여, 상기 써모스태틱 밸브는 그것을 통한 상기 제 2 유체의 유량을 제 2 유체의 온도와 미리 설정된 온도 사이의 차이에 비례하는 방식으로 변화시키도록, 상기 써모스태틱 밸브가 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 써모스태틱 밸브는 제 1 유입 개구 또는 온난 유입 개구(warm inlet opening), 제 2 유입 개구 또는 냉 유입 개구(cold inlet opening) 및 유출 개구(outlet opening)를 가지고, 상기 제 2 회로는 상기 탱크로부터의 제 2 유체의 흡입을 위하여 탱크의 하부 부분과 유체 연결된 제 1 개구 또는 하부 개구 및, 탱크 안의 제 2 유체의 도입을 위하여 탱크의 상부 부분과 유체 연결된 제 2 개구 또는 상부 개구를 가지고, 상기 제 2 회로는, 상기 제 2 유체를 가열하도록 상기 열교환기에 대응하는 제 1 부분 또는 열적 교환 부분, 상기 써모스태틱 밸브의 상기 제 2 흡기 개구와 상기 하부 개구를 유체 연결시킬 수 있는 제 2 부분, 제 2 도관의 상기 제 1 부분과 상기 써모스태틱 밸브의 상기 유출 개구를 유체 연결시킬 수 있는 제 3 부분 및, 상기 상부 개구와 상기 써모스태틱 밸브의 상기 온난 유입 개구 양쪽 모두를 상기 제 1 부분과 유체 연결시킬 수 있는 제 4 부분을 더 포함하고, 상기 시스템은, 사용하는 동안, 상기 탱크 안에서 제 2 유체의 열적 성층을 보존하도록 상기 제 1 유입 개구에 대응하는 상기 제 2 유체의 온도에 따라서 상기 써모스태틱 밸브가 상기 제 2 유입 개구를 개방/부분적으로 또는 완전히 폐쇄시킴으로써 상기 제 2 유체의 유량 및 온도를 조절하도록 구성된다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 써모스태틱 밸브는, 사용하는 동안에, 상기 써모스태틱 밸브의 온난 유입 개구에 대응하여 제 2 유체의 온도가 미리 설정된 제 1 온도와 같거나 또는 제 1 온도 보다 낮을 때, 상기 제 2 회로내의 상기 제 2 유체를 가열하도록 제 2 회로의 제 3 부분과 제 1 부분과 제 4 부분 사이에서 제 2 유체가 유동하는 것을 허용하기 위하여, 상기 써모스태틱 밸브는 상기 제 2 유입 개구를 폐쇄하거나 또는 폐쇄되게 유지함으로써 하부 개구로부터의 상기 제 2 유체의 유량 또는 유동을 억제하고, 상기 써모스태틱 밸브의 온난 유입 개구에 대응하는 제 2 유체의 온도가 상기 미리 설정된 온도보다 높을 때, 상기 탱크 안의 열적 성층을 위하여 상기 제 2 개구 안에 상기 가열된 제 2 유체를 도입하도록, 상기 써모스태틱 밸브는 상기 제 2 유입 개구를 개방하거나 또는 부분적으로 또는 전체적으로 개방되게 유지함으로써, 미리 설정된 온도와 온난 유입 개구에 대응하는 제 2 유체의 온도 간의 차이에 비례하는 방식으로 상기 제 2 유입 개구를 통한 상기 제 2 유체의 유동을 변화시키도록, 상기 써모스태틱 밸브가 구성된다.
항상 본 발명에 따르면, 상기 열교환기는 예를 들어 히트 펌프(heat pump)와 같은 외부 가열 수단에 의하여, 가열된 제 1 열 운반 유체의 유동을 위한 제 1 회로를 포함하고, 상기 제 1 회로는 상기 제 2 유체를 가열하기 위한 상기 열교환기에 대응하여 상기 제 2 회로의 상기 열교환 부분과 직접 또는 간접적인 열 접촉을 이룬다.
바람직스럽게는, 본 발명에 따라서, 제 2 회로의 제 4 부분으로부터 및/또는 제 2 부분으로부터 제 2 유체를 흡입하기 위하여 상기 순환 펌프는 제 2 회로의 제 3 부분에 대응하여 배치된다.
본 발명에 따르면, 상기 시스템은 상기 탱크의 하나 이상의 가장 높은 레벨에서 검출된 온도에 따라서 제 2 회로의 제 2 유체의 온도를 조절하는 시스템을 포함하며, 이는 상기 탱크의 정해진 레벨에서 미리 설정된 제 2 온도에 도달했을 때 상기 열교환기에 대응하여 상기 제 2 회로의 가열을 중단시키기 위한 것이다.
특히 본 발명에 따르면, 상기 조절 시스템은 예를 들어 프로브와 같은 검출 수단을 포함하며, 검출 수단은 탱크의 하나 이상의 레벨에 배치되어, 상기 탱크의 개별적인 레벨에서 상기 제 2 유체의 온도를 검출할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 제 2 회로의 상기 제 2 부분은 상기 탱크 안에 삽입되거나 또는 상기 탱크 외부에 배치되도록 되어 있다.
바람직스럽게는, 본 발명에 따라서, 상기 써모스태틱 밸브는 상기 순환 펌프에 직접 연결된다.
또한 본 발명의 목적은 전기한 청구항들중 어느 한 항에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템과, 상부 부분 및 하부 부분을 가진 탱크를 포함하는 포일러를 제공하는 것이다.
마지막으로, 본 발명에 따라서, 상기 탱크는 폐쇄 용기 유형이다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 예시적이지만 제한적이지 않은 목적을 가지고 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따라서 탱크의 열교환 및 열적 성층 시스템의 유압적인 개략도를 도시한다.
도 2 는 보일러에 적용된 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템의 제 1 실시예에 대한 사시도를 도시한다.
도 3 은 도 2 의 열교환 시스템의 평면도를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템의 제 2 실시예에 대한 사시도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f 는 종래 기술에 따른 열교환 시스템에 의한 가열에 따라서 탱크 안의 유체 유입에 대한 상이한 시간에서의 양상을 연속하여 써모그래픽 비젼(thermographic vision)으로 도시한 정면도를 나타낸다.
도 6a 내지 조 6f 는 본 발명에 따른 열교환 시스템에 의한 가열에 따라서 탱크 안의 유체 유입에 대한 상이한 시간에서의 양상을 연속하여 써모그래픽 비젼(thermo graphic vision)으로 도시한 정면도를 나타낸다.
도 7 은 종래 기술에 따른 상기 열교환 시스템에 의하여 가열된 제 2 유체의 온도 변화를 시간의 함수로서 나타낸 제 1 그래프를 도시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 열적 성층 시스템 및 상기 열교환 시스템에 의한 탱크 안으로의 유입 및 공지된 기술에 따른 상기 열교환 시스템의 동일한 조건들하에서 열교환에 의해 가열된 제 2 유체의 온도 변화를 시간의 함수로서 나타내는 제 2 그래프를 나타낸다.
도 1 은 본 발명에 따라서 탱크의 열교환 및 열적 성층 시스템의 유압적인 개략도를 도시한다.
도 2 는 보일러에 적용된 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템의 제 1 실시예에 대한 사시도를 도시한다.
도 3 은 도 2 의 열교환 시스템의 평면도를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템의 제 2 실시예에 대한 사시도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f 는 종래 기술에 따른 열교환 시스템에 의한 가열에 따라서 탱크 안의 유체 유입에 대한 상이한 시간에서의 양상을 연속하여 써모그래픽 비젼(thermographic vision)으로 도시한 정면도를 나타낸다.
도 6a 내지 조 6f 는 본 발명에 따른 열교환 시스템에 의한 가열에 따라서 탱크 안의 유체 유입에 대한 상이한 시간에서의 양상을 연속하여 써모그래픽 비젼(thermo graphic vision)으로 도시한 정면도를 나타낸다.
도 7 은 종래 기술에 따른 상기 열교환 시스템에 의하여 가열된 제 2 유체의 온도 변화를 시간의 함수로서 나타낸 제 1 그래프를 도시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 열적 성층 시스템 및 상기 열교환 시스템에 의한 탱크 안으로의 유입 및 공지된 기술에 따른 상기 열교환 시스템의 동일한 조건들하에서 열교환에 의해 가열된 제 2 유체의 온도 변화를 시간의 함수로서 나타내는 제 2 그래프를 나타낸다.
도 1 내지 도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 열교환 및 성층 시스템(thermal exchange and stratification system)은 도면 번호 1 로 표시된 것이 도시되어 있다. 상기 시스템(1)은 예를 들어 위생수(sanitary water)와 같이 가열될 유체를 포함하는 폐쇄 용기 보일러(closed vessel boiler)에서 저장 탱크(2)에 적용되도록 적합화된다. 특정의 실시예에서, 가열될 유체는 다른 열전달 유체, 즉, 제 1 유체로서 알려진 유체와 열교환을 통해 가열될 제 2 유체이다.
본 발명에 따른 열교환 및 성층 시스템(1)은 제 1 회로(10)를 포함하는 열교환기(7)를 제공하며, 제 1 회로를 통하여 예를 들어 가열 펌프 또는 다른 가열 시스템에 의하여 가열된 제 1 열전달 매체가 유동한다. 상기 제 1 유체는 물이고 예를 들어 집을 난방할 목적을 가진다. 다른 실시예에서, 상기 열교환기(7)는 제 2 유체를 위한 다른 가열 시스템들을 제공할 수 있다. 더욱이, 시스템(1)은 가열되어야 하는 유체 또는 제 2 유체의 유동을 위한 제 2 회로(11)를 제공하는데, 이것은 상기 제 2 유체의 가열을 위하여, 상기 열교환기(7)에 대응하여 상기 제 1 회로(10)에 직접 접촉 또는 간접 접촉하는 제 1 부분(18)을 가진다. 상기 제 2 회로(11)는 상기 탱크(2)의 하부 부분에 연결된 하부 개구(14) 및, 상기 탱크(2)의 상부 부분에 연결된 상부 개구(15)와 유체 소통되도록 구성된다. 상기 제 2 회로(11)에 대응하여, 상기 제 2 회로(11)에서 제 2 유체를 순환시킬 수 있는 순환 펌프(19)가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따른 시스템(1)은 상기 제 2 회로(11)상에 작용하기에 적절한 써모스태틱 혼합 밸브(thermostatic mixing valve, 5)를 제공함으로써, 사용하는 동안, 상기 탱크(2) 안의 제 2 유체의 열적 성층(thermal stratification)을 유지하도록 상기 열교환기(7)와의 열교환의 함수로서 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 제 2 회로 (11)를 통한 상기 유체의 유량 및 온도를 조절한다.
특정의 실시예에서, 써모스태틱 밸브(5)는 제 1 전달 개구(3) 또는 온난 개구(warm opening, 3), 제 2 전달 개구(4) 또는 냉류 개구(cold opening) 및, 유출 개구(6)를 가진다.
상기 제 2 회로(11)는 상기 혼합 밸브(5)의 상기 제 2 전달 개구(4)로써 상기 탱크(2)의 하부 부분에 연결된 상기 하부 개구(14)와 유체 연결될 수 있는 제 2 부분(12)을 가진다. 더욱이, 상기 제 2 회로(11)는, 제 1 부분(18) 및 상기 혼합 밸브(5)의 상기 유출 유동(6)과 유체 소통될 수 있는 제 3 부분(16) 및, 상기 혼합 밸브(3)의 상기 고온 유동의 상기 제 1 부분(18)과 유체 소통되고 상기 탱크(2)의 상부 부분에 연결된 상기 상부 개구(15)와 유체 소통될 수 있는 제 4 부분(17)을 가진다.
특히, 순환 펌프(19)가 바람직스럽게는 제 2 회로(11)의 제 3 부분(16)에 대응하여 위치되어 제 2 회로(11)의 제 4 부분(17) 및/또는 제 1 개구(14)로부터의 가열되어야 하는 유체를 흡입한다.
본 발명에 따른 열교환 시스템(1)은, 상기 혼합 밸브(5)의 온난 유출부(warm outlet, 3)에서의 제 2 유체의 온도(TC)가 상기 써모스태틱 혼합 밸브(5)의 유출 개구(6)에 대응하는 유체 온도(TU)에 대한 제 1 세트 온도(T1)와 같거나 또는 그보다 낮을 때, 상기 혼합 밸브(5)가 상기 제 2 전달 개구(4)를 폐쇄시키거나 또는 폐쇄되게 유지함으로써, 탱크(2)의 하부 부분에 연결된 하부 개구(14) 및 탱크(2)의 상부 부분에 연결된 상부 개구(15)를 통한, 제 2 유체의 유량인, 저온의 유동을 억제한다. 이러한 조건에서 제 2 유체는 열교환기(7)와 써모스태틱 혼합 밸브(5) 사이에서만 순환하여 온난 유출부(3)에 의해서 전적으로 유출 개구(6)로 지나감으로써, 상기 탱크(2)로의 유량 또는 탱크로부터의 유량은 없다.
열교환의 결과로서, 온난 개구(3)의 온도(TC)가 상기 제 1 온도(T1)를 초과했을 때, 상기 써모스태틱 혼합 밸브(5)는 온난 개구(warm opening, 3)의 온도(TC)와 유출 개구(6)에서의 유체의 온도(TU)에 대한 설정 온도(T1) 사이의 차이에 비례하는 방식으로 유동의 유량을 변화시킴으로써 냉류 개구 유동(cold opening flow, 4)을 부분적으로 또는 전적으로 개방한다.
상기의 결과로서, 상기 탱크(2)에서 상부 개구(15)를 통하여 온난 개구(3)의 온도(TC)로 상기 제 2 유체가 유입되는 것을 포함하는, 상부 개구(15) 및 하부 개구(14)를 통한 유동 또는 유량이 있게 되는데, 이것은 상기에 설명된 작동에 기초하여 써모스태틱 혼합 밸브(5)의 유출부(6) 온도(TU) 에 대하여 설정 온도(T1) 보다 높거나 또는 같고, 상기 온도(TC)와 상기 설정 온도(T1) 간의 차이에 비례하고 상기 제 2 유체의 상기 제 1 유체와의 열교환을 얻도록 이용된, 개구(6)에서의 전체 유동에 대하여 부분적인, 유동 또는 유량으로써 이루어진다.
따라서, 본 발명에 따르면, 써모스태틱 혼합 밸브(5)의 유출부(6) 온도(TU) 로서 적절한 온도(T1)를 설정함으로써, 상기 제 2 유체 및 제 1 열교환의 조건, 유동 또는 유량 및 온도에 관계 없이, 즉, 제 1 유체 및 제 2 유체의 유량 및/또는 온도의 변화와 같은 상기 열교환이 발생하는 조건에 무관하게, 탱크의 열적 성층(thermal stratification)에 영향을 미치지 않는 방식으로, 설정 온도(T1)보다 높거나 또는 설정 온도와 같은 희망 온도에서, 그리고 써모스태틱 혼합 밸브(5)에 의해 자동적으로 그리고 동시에 설정되는 유량 또는 유동을 가지고, 상기 탱크(2)의 상부 부분에서 상기 제 2 유체를 도입하는 것이 얻어진다.
따라서, 가변적인 조건들 및 제어되지 않은 유량 및 온도하에 있는 제 1 유체를 가진 임의의 일반적인 열교환 시스템에 의해 가열되는 제 2 유체가 탱크로 진입할 때, 본 발명에 따른 시스템은 유리하게는 유동 및 온도를 조절하는 시스템의 제공을 허용하며, 따라서 상기 유입(input)은 상기 탱크 안에 열적 성층(thermal stratification)을 보존한다.
도 5a 내지 도 5f 를 도 6a 내지 도 6f 와 비교하면, 주목되어야 하는 바로서, 본 발명에 따른 열적 성층 시스템(thermal stratification system)의 부재시에는, 본 발명에 따른 시스템(1)의 써모스태틱 혼합 밸브(5)들에 의해 조절되지 않고 상기 열교환으로부터 유도되는 유량 또는 유동 및 온도를 가지고 개구(15)를 통해 탱크(2)의 상부 부분에 도입되며, 상기 제 1 유체와의 상기 열교환으로부터 직접 오는 제 2 유체는, 탱크 안에서 혼합을 발생시키고 열적 성층을 허용하지 않는다.
도 7 및 도 8 의 그래프의 비교로부터 관찰될 수 있는 바로서, 본 발명에 따른 열교환 및 성층 교환 시스템(thermal exchange and stratification exchange system)에서, 온난 개구(warm opening, 3)의 온도(TC)는 종래 기술(도 7)에 따른 동일한 열교환 시스템에서의 동일한 온도(TC)와 비교하여 훨씬 신속하게(도 8) 상승하며, 이는 탱크 안에 배치된 유체의 가열이 신속함을 나타낸다.
더욱이, 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템에서, 상기 온도(TC)(도 8)는 항상 제 1 유체의 전달 온도와 복귀 온도 사이에서 각각 T1 FL1 과 T2 FL1 사이에 포함되는데 반하여, 동일한 조건하에서 종래 기술에 따른 열교환 시스템에서, 상기 열적 성층 시스템이 없으면(도 7), 상기 온도(TC)는 제 1 유체의 복귀 온도(T2 FL1)와 거의 일치하며, 이는 본 발명에 따른 열 및 성층 교환 시스템에서 (도 8) 상기 제 2 유체가 동일한 조건하에 더 높은 온도에 도달함을 나타내며, 즉 열 교환이 보다 효율적이다.
더욱이, 도 7 및 도 8 의 그래프들의 비교로부터 주목될 바로서, 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템에서 (도 8), 탱크의 하부 부분에서 검출된 온도(Tsb)는, 탱크의 상부 부분에서 검출된 온도(Tsa) 이후에 상당한 기간 동안 증가되어, TSB 가 증가를 시작하지 않을 때까지 전체적인 제 1 기간 동안 탱크의 하부 부분과 상부 부분 사이에 높은 온도 그래디언트를 유지하며, 이는 완전한 열적 성층이 있음을 나타낸다. 역으로, 상기 열적 성층 시스템이 없는 종래 기술에 따른 열교환 시스템(도 7)에서, 상기 온도(Tsa, Tsb)는 동시에 증가되어, 탱크의 상부 부분과 하부 부분 사이에 낮은 온도 그래디언트(gradient)를 유지하는데, 이는 우수한 열적 성층이 아닌 것을 의미하여, 도 5a 내지 도 5f 와 도 6a 내지 도 6f 의 비교에 의해 입증되는 상기의 내용을 확인한다.
바람직스럽게는, 본 발명에 따른 열 및 층 교환 시스템은, 상기 탱크의 복수의 위치들에 제공된 프로브(probe)와 같은 검출 수단에 의해 검출되는 온도의 함수로서, 상기 제 2 유체의 상기 제 1 유체와의 열적 교환을 조절 및 제어하는 시스템을 더 포함할 수 있는데, 이는 특정한 프로브의 위치에 대응하는, 상기 탱크의 주어진 레벨(level)에서의 희망 온도에 도달하도록 상기 열교환을 정지시키기 위한 것으로서, 상기 탱크 안의 열적 성층(thermal stratification)에 의하여, 상기 프로브의 상기 레벨 미만에서도 상기 유체를 가열할 필요가 없게 할 수 있다.
특히, 제 2 설정 온도(T2)가 상기 탱크의 하나 이상의 설정 레벨들에 대응하여 도달되었을 때, 전자 액튜에이터, 전자-기계 액튜에이터 또는 열 기계 액튜에이터(thermo mechanical actuator)에 의하여 상기 조절 및 제어 시스템은 상기 열교환을 정지시킬 수 있다.
도 4 의 본 발명에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템(1)의 실시예는, 용이한 제조를 위하여 탱크의 외부 보다는 탱크(2)의 내부에 제 2 회로(11)의 제 2 부분(12)이 삽입된다는 점에서 이전에 설명된 시스템과 상이한데, 하부 개구(14)를 혼합 밸브(5)의 전달 개구(4)와 연결하는 상기 제 2 부분(12)을 구현하도록, 파이프가 탱크 밖으로 지나가도록 파이프를 적절하게 정렬할 필요가 없다. 탱크(2)를 통해 지나가는 상기 제 2 부분(12)은 전체 제품의 최대 치수 이내에 유지되면서 삽입 및 교체를 위하여 그 어떤 경우에도 접근될 수 있다.
더욱이, 도 4 의 실시예에서, 혼합 밸브(5)는 순환 펌프(19)에 직접적으로 연결됨으로써, 전체적인 치수를 감소시키고 피팅(fitting)을 최적화시킨다.
상기에서 본 발명의 변형예 및 바람직한 실시예들이 개시되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 정해지는 관련된 범위로부터 벗어남이 없이, 당업자는 변경 및 변화를 도입할 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
1. 열교환 및 열적 성층 시스템 2. 탱크
11. 제 2 회로 7. 열교환기
5. 써모스태틱 밸브 19. 순환 펌프
11. 제 2 회로 7. 열교환기
5. 써모스태틱 밸브 19. 순환 펌프
Claims (11)
- 상부 부분 및 하부 부분을 가진 보일러의 탱크(2) 안에 포함된 제 2 유체의 열교환(thermal exchange) 및 열적 성층(thermal stratification) 시스템(1)으로서,
상기 시스템(1)은 제 2 유체의 유동을 위한 제 2 회로(11)를 포함하고, 상기 제 2 회로(11)는 상기 탱크(2)의 상부 부분 및 하부 부분과 유체 연결되도록 되어 있고,
상기 시스템(1)은, 상기 제 2 회로(11)를 통하여 상기 탱크(2)의 하부 부분으로부터 상부 부분으로의 상기 제 2 유체의 순환을 위하여 상기 제 2 회로(11)상에 작용하도록 되어 있는 순환 펌프(19), 상기 탱크(2)의 상부 부분으로의 도입 이전에 상기 제 2 유체를 가열하기 위하여 상기 제 2 회로(11)의 일부(18)에 작용하도록 되어 있는 열교환기(7) 및, 상기 제 2 회로(11)상에 작용하도록 되어 있는 써모스태틱 밸브(thermostatic valve, 5)를 더 포함함으로써, 사용하는 동안, 상기 탱크(2) 안의 제 2 유체의 열적 성층을 유지하도록, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 열교환기(7)와의 열교환에 따라서 상기 제 2 회로(11)를 통한 상기 제 2 유체의 유량 및 온도를 조절하고,
사용하는 동안, 써모스태틱 밸브(5)에 대응하는 제 2 유체의 온도(Tc)가 미리 설정된 제 1 온도(T1)와 같거나 또는 제 1 온도보다 낮을 때, 제 2 유체의 가열을 위하여, 잔류하는 제 2 유체가 상기 제 2 회로(11)에서 순환할 수 있도록 상기 써모스태틱 밸브(5)는 탱크(2)의 하부 부분으로부터의 제 2 유체의 유동 또는 유량을 억제하고,
상기 써모스태틱 밸브(5)에 대응하는 제 2 유체의 온도(Tc)가 상기 미리 설정된 제 1 온도(T1) 보다 높을 때, 상기 탱크(2) 안의 상기 제 2 유체의 열적 성층을 보존하도록, 상기 탱크(2)의 상부 부분에서 상기 제 2 유체의 도입을 위하여 제 2 유체의 온도(Tc)와 미리 설정된 온도(T1) 사이의 차이에 비례하는 방식으로, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 써모스태틱 밸브를 통하여 상기 제 2 유체의 유량을 변화시키도록 상기 써모스태틱 밸브(5)가 구성되는 것을 특징으로 하는, 열교환 및 열적 성층 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 써모스태틱 밸브(5)는 제 1 유입 개구 또는 온난 유입 개구(warm inlet opening, 3), 제 2 유입 개구 또는 냉류 유입(cold inlet opening, 4) 및 유출 개구(6)를 가지고,
상기 제 2 회로(11)는 상기 탱크(2)로부터의 제 2 유체의 흡입을 위하여 탱크(2)의 하부 부분과 유체 접촉되어 있는 제 1 개구 또는 하부 개구(14) 및, 탱크(2) 안으로의 제 2 유체의 도입을 위하여 탱크(2)의 상부 부분과 유체 연결되어 있는 제 2 개구 또는 상부 개구(15)를 가지고,
상기 제 2 회로(11)는, 상기 제 2 유체를 가열하기 위하여 상기 열교환기(7)에 대응하는 제 1 부분 또는 열교환 부분(18), 상기 하부 개구(14)를 상기 써모스태틱 밸브(5)의 상기 제 2 흡입 개구(4)와 유체 유체 연결시킬 수 있는 제 2 부분(12), 상기 써모스태틱 밸브(5)의 상기 유출 개구(6)와 제 2 도관(11)의 상기 제 1 부분(18)을 유체 연결시킬 수 있는 제 3 부분(16) 및, 상기 제 1 부분(18)을 상기 써모스태틱 밸브(5)의 상기 온난 유입 개구(3) 및 상기 상부 개구(15)와 유체 연결시킬 수 있는 제 4 부분(17)을 더 포함하고,
상기 시스템(1)은, 사용하는 동안, 상기 탱크(2) 안의 제 2 유체의 열적 성층을 보존하기 위하여 상기 제 1 유입 개구(3)에 대응하여 상기 제 2 유체의 온도(Tc)에 따라서 상기 제 2 유입 개구(4)를 개방/부분적으로 또는 완전히 폐쇄시킴으로써 상기 써모스태틱 밸브(5)가 상기 제 2 유체의 유량 및 온도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 열교환및 열적 성층 시스템. - 전기한 항에 있어서,
사용하는 동안, 상기 써모스태틱 밸브(5)의 온난 유입 개구(3)에 대응하여 제 2 유체의 온도(Tc)가 미리 설정된 제 1 온도(T1)와 같거나 또는 제 1 온도(T1) 보다 낮을 때, 상기 제 2 회로(11)내의 상기 제 2 유체를 가열하도록 제 2 회로(11)의 제 3 부분(16)과 제 1 부분(18)과 제 4 부분(17) 사이에서 제 2 유체가 유동하는 것을 허용하기 위하여, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 제 2 유입 개구(4)를 폐쇄하거나 또는 폐쇄되게 유지함으로써 하부 개구(14)로부터의 상기 제 2 유체의 유량 또는 유동을 억제하고,
상기 써모스태틱 밸브(5)의 온난 유입 개구(3)에 대응하는 제 2 유체의 온도(Tc)가 상기 미리 설정된 온도(T1)보다 높을 때, 상기 탱크(2) 안의 열적 성층을 위하여 상기 제 2 개구(15) 안에 상기 가열된 제 2 유체를 도입하도록, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 제 2 유입 개구(4)를 개방하거나 또는 부분적으로 또는 전체적으로 개방되게 유지함으로써, 미리 설정된 온도(T1)와 온난 유입 개구(3)에 대응하는 제 2 유체의 온도(Tc) 간의 차이에 비례하는 방식으로 상기 제 2 유입 개구(4)를 통하는 상기 제 2 유체의 유량을 변화시키도록, 상기 써모스태틱 밸브(5)가 구성되는 것을 특징으로 하는, 열교환및 열적 성층 시스템. - 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기(7)는, 히트 펌프와 같은 외부 가열 수단에 의하여, 가열된 제 1 열 운반 유체(thermal-carrier fluid)의 유동을 위한 제 1 회로(10)를 포함하고, 상기 제 1 회로(10)는 상기 제 2 유체의 가열을 위하여 상기 열교환기(7)에 대응하여 상기 제 2 회로(11)의 상기 열교환 부분(18)과 직접 또는 간접적으로 열 접촉하는 것을 특징으로 하는, 열교환및 열적 성층 시스템. - 제 3 항에 종속될 때의 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제 2 회로(11)의 제 2 부분(12) 및/또는 제 4 부분(17)으로부터 제 2 유체를 흡입하기 위하여, 상기 순환 펌프(19)는 제 2 회로(11)의 제 3 부분(16)에 대응하여 배치되는 것을 특징으로 하는, 열교환및 열적 성층 시스템.
- 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 탱크(2)의 정해진 레벨에서 미리 설정된 제 2 온도(T2)에 도달했을 때 상기 제 2 유체의 가열을 중단시키기 위하여, 상기 탱크(2)의 하나 이상의 높이 레벨들에서 검출된 온도에 따라서 상기 제 2 회로(11)내의 상기 제 2 유체의 온도를 조절하는 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환및 열적 성층 시스템.
- 전기한 항에 있어서, 상기 조절 시스템은 프로브(probe)와 같은 검출 수단을 포함하고, 상기 검출 수단은 상기 탱크(2)의 개별적인 레벨에서 상기 제 2 유체의 온도를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는, 열교환및 열적 성층 시스템.
- 제 2 항에 종속될 때의 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제 2 회로(11)의 상기 제 2 부분(12)은 상기 탱크(2) 안에 삽입되거나 또는 상기 탱크(2) 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 열교환 및 열적 성층 시스템.
- 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 써모스태틱 밸브(5)는 상기 순환 펌프(19)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는, 열교환 및 열적 성층 시스템.
- 전기한 항들중 어느 한 항에 따른 열교환 및 열적 성층 시스템(1) 및, 상부 부분과 하부 부분을 가진 탱크(2)를 포함하는 보일러.
- 전기한 항에 있어서, 상기 탱크(2)는 폐쇄 용기 유형(closed vessel type)인 것을 특징으로 하는, 보일러.
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