KR20180108694A

KR20180108694A - 열 교환 장치를 구비하는 응축 열 교환기

Info

Publication number: KR20180108694A
Application number: KR1020187024248A
Authority: KR
Inventors: 메르 조셉 르
Original assignee: 세르메타
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108474588A; WO2017125361A1; FR3047063B1; CA3011196A1; EP3405723B1; US20190024942A1; US11079137B2; FR3047063A1; CA3011196C; RU2018130211A; CN108474588B; EP3405723A1; RU2717732C2; RU2018130211A3

Abstract

본 발명은, - 양호한 열 전도성 재료로 제조되는 튜브들로 된 적어도 2개의 동축 번들(5, 5')로, 튜브의 내부에는 열-전달 유체가 순환하도록 의도되고, 각각의 튜브 번들(5, 5')은 원호로 형성되는 일련의 튜브(50, 50')들을 포함하고, 각 번들(5, 5')의 튜브들은 2개의 인접한 튜브(50, 50') 사이의 간극(53, 53')을 갖는 평행한 평면들에 배치되는, 적어도 2개의 동축 번들(5, 5'), 그리고 - 양호한 열 전도성 재료로 제조되는 단일 컬렉터(6)로, 다양한 번들(5, 5')의 각 튜브(50, 50')의 두 단부(51, 51', 52, 52')가 상기 컬렉터(6)에 연결되고, 이 컬렉터(6)는 유입 커플링(61) 및 배출 커플링(62)을 구비하는, 단일 컬렉터(6)를 포함하는 응축 열 교환기에 관한 것이다. 이 교환기는 컬렉터(6)가 다양한 채널을 획정하는 여러 개의 칸막이를 포함하되, 상기 칸막이들은 가열될 유체가 최외측 번들로부터 최내측 번들로 다양한 연속적인 번들에서 순환할 수 있도록 한다는 점에서, 주목할 만하다.

Description

열 교환 장치를 구비하는 응축 열 교환기

본 발명은 열 교환 장치를 구비하는 응축 열 교환기에 관한 것이다.

이러한 교환기는, 예를 들어 중앙 난방 회로 또는 위생 수도 회로를 공급하는 목적으로, 산업적 또는 3차적인 용도의 가스 또는 연료유 가열기를 구비하도록 설계된다.

연료 에너지가 가열될 유체로 전달될 수 있도록 하는 다양한 교환기가 종래 기술에서 이미 공지되어 있다.

두 가지 원칙에 따라 작동하는 스테인리스 강 튜브들이 제공되는 열 교환기가 대부분의 난방 및 위생 온수 생산 시장을 차지하고 있다. 이들은 연관 교환기(fire tube exchangers) 및 수관 교환기(water tube exchangers)로, 상기 튜브 내에서 순환하는 유체에 따라 다르게 불린다.

"연관"으로 불리는 교환기들은 일반적으로 물의 용량이 크다. 따라서, 크기가 크고 매우 무겁다. 게다가, 사용이 고려되는 용도에 따라 요구되는 온도 및 출력(pwoer)이 급격하게 변동되어야 하는 것과 관련하여 강한 관성(strong inertia)을 부여하도록 설계된다.

"수관"으로 불리는 교환기들은 일반적으로 물의 용량이 작다. 이들은 크기가 덜 크고, 덜 무거우며, 보다 신속한 온도 및 출력 변동을 가능하게 한다. 마지막으로, 일반적으로 동일한 정격 출력을 획득하는 데, 연관 교환기보다 제조 비용이 더 적게 든다.

하지만, 여전히, 시장에 있는 기존의 수관 응축 열 교환기를 더 개선하는 것이 바람직하다.

열 교환 장치와 가스 버너를 포함하는 열 교환기가 특허문헌 US 6,644,393호에 공지되어 있다.

열 교환 장치는 컬렉터 및 2개의 방사 방향으로 동축인 튜브 번들을 포함하며, 각각의 튜브 번들은 일련의 원호 형상의 튜브를 포함하며, 튜브들은 사이에 간극이 있는 평행한 평면들에 배치된다. 각각의 원호 튜브의 두 단부는 컬렉터의 내측으로 이어진다. 가스 버너는 내측 번들의 중심에 배치되고, 생성되는 고온 가스는 튜브들이, 그리고 결과적으로는 튜브들 내에서 순환하는 물이 가열될 수 있도록 한다.

게다가, 컬렉터에는 탈착 가능한 커버와, 컬렉터 내부에 탈착 가능한 배리어(barrier)가 제공되는데, 이러한 커버와 배리어는 떼어내고 나면, 상기 컬렉터로 이어지는 튜브의 단부에 용이하게 접근할 수 있도록 하여, 상기 튜브들을 세척하는 기술적인 어려움을 해결한다.

본 명세서의 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 배리어는, 유입되는 물의 유동(들어가는 화살표)이 내측 번들의 튜브들 중 절반과 외측 번들의 튜브들 중 절반에 동시에 공급되도록 구성된다. 이들 튜브의 출구에서, 두 유동은 혼합되어, 번들들의 남은 절반을 향하고, 내측 번들의 튜브들과 외측 번들의 튜브들에 동시에 공급된다.

하지만, 이러한 장치는 중요한 단점을 갖는다.

물이 내측과 외측의 두 번들에 동일한 온도로 유입되면(들어가는 화살표), 내측 번들의 튜브에서 순환하는 물이 외측 번들의 튜브에서 순환하는 물보다 더 높은 온도로 가열된다(첫 번째 통과). 두 유동은 혼합되고, 두 유동의 온도는 평균화되며, 이 유동은 내측 번들과 외측 번들의 나머지 절반으로 동시에 진입한다(두 번째 통과).

컬렉터의 배출구에서, 두 유동은 혼합되며(나가는 화살표), 떠나는 유동의 온도는 각각 내측 번들과 외측 번들에서 유래된 두 개의 물 유동의 평균에 대응한다.

결과적으로, 예를 들어 이러한 장치로 30℃의 물로부터 50℃의 물을 생성하기를 희망할 때, 두 유동이 혼합된 후에 평균 50℃를 획득하려면, 두 번째 통과 이후에 내측 번들의 튜브들로부터 나오는 물은 대략 55℃이고, 외측 번들의 튜브로부터 나오는 물은 약 45℃여야 할 것이다. 따라서, 내측 번들에서 순환하는 물이 필요 이상으로 과열될 것이다. 게다가, 중앙 버너에 의해 생성되는 대략 1000℃의 고온 가스는 55℃의 물이 순환하는 내측 번들의 튜브와 접촉하여 덜 냉각될 것이다. 고온 가스는 80℃ 정도로 예측될 수 있는, 비교적 상승된 온도로 장치에서 배출될 것이다. 따라서, 이렇게 냉각된 가스는 이슬점(55℃)보다 높은 온도일 것이므로, 응축되지 않을 것이다. 그러므로 이러한 열 교환기는 낮은 열효율을 제공하고, 오염물질 배출량(NO_x, CO 및 CO₂)이 높아질 것이다.

유사하게, 예를 들어 이러한 장치를 가지고 80℃의 물로부터 95℃의 물을 생성하기를 희망하는 경우, 두 유동이 혼합되어 평균 95℃를 획득하려면, 내측 번들의 튜브로부터 나오는 물은 대략 105℃이고, 외측 번들의 튜브로부터 나오는 물은 대략 85℃이어야 할 것이다. 이 경우, 내측 번들의 튜브들 중 적어도 일부에서 끓는 현상(boiling phenomenon)이 관찰될 수 있는데, 이는 튜브들의 내부 표면의 열 부하가 정상 작동 조건을 넘어서게 하여, 적어도 소음, 래틀링(rattling) 및 파열될 때까지 튜브의 노후화를 야기하기 때문에, 가열 용도에서는 금지된다.

마지막으로, 이 장치는 다른 단점도 있다. 커버와 탈착 가능한 배리어가 장착될 때, 밀봉이 완벽하지 않으면, 기생 난류(parasitic turbulence) 현상, 수두 손실(head loss), 그리고 장치의 내부에 다른 물 유동의 혼합물이 발생하여, 튜브 내 물 유동 비율에 차이가 발생하고, 이들 튜브에서 끓는 현상이 나타나게 된다.

본 발명은,

- 물리 법칙과 관련하여 응축 열 효율이 최대가 되도록 하고,

- 물 회로 내에서 수두 손실이 매우 제한되도록 하며,

- 요구되는 대로 출력이 적용되는 단일 버너를 사용하면서도, 수십 킬로와트에서 수천 킬로와트에 이르는 출력 범위를 획득할 수 있도록 하는, 극도의 모듈식 설계를 가지며,

- 출력/크기/무게 비율이 감소되어, 다른 개념에 따라 작동하는 열 교환기보다 비용이 저렴하고,

- 브레이징(brazing) 이외의 수단으로 튜브를 조립할 수 있어, 교환기 수명을 연장하는 데 기여할 수 있는, 응축 열 교환기를 제시하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해서, 본 발명은,

- 연소 챔버를 획정하고, 가스 배출 커플링을 구비하는 기밀 셸(shell),

- 가열될 예컨대 물과 같은 열-전달 유체가 순환하도록 설계되는 열 교환 장치로, 상기 셸의 연소 챔버의 내측에 고정되도록 장착되는 열 교환 장치,

- 고온 가스를 운송하는 수단 또는 상기 셸의 연소 챔버에서 고온 가스를 생성하는 수단을 포함하는 응축 열 교환기에 관련되며,

상기 열 교환 장치는,

- "내측"으로 불리는 제1 튜브 번들과 상기 제1 튜브 번들 주위에 동축으로 배치되는 적어도 하나의 다른 튜브 번들로, 이들 서로 다른 튜브들은 열 전도율이 양호한 재료로 제조되고, 상기 열-전달 유체가 이들 튜브 내에서 순환하도록 설계되며, 각각의 튜브 번들은 일련의 튜브를 포함하고, 각각의 튜브는 원호 형상으로, 제1 단부와 제2 단부를 가지며, 각 번들의 튜브들은 두 개의 인접한 튜브 사이에 간극, 바람직하게는 일정한 폭의 간극을 갖도록 평행한 평면들에 배치되는, 제1 튜브 번들과 적어도 하나의 다른 튜브 번들,

- 벽들에 의해 구획되는, 열전도율이 양호한 재료로 제조되는 단일 컬렉터로, 서로 다른 번들의 각 튜브의 제1 단부 및 제2 단부가 이 컬렉터에 연결되어 상기 컬렉터의 내측으로 이어지는, 단일의 컬렉터를 포함하며,

- 이러한 컬렉터에는 유입 커넥터와 배출 커넥터가 제공되며, 유입 커넥터는 커넥터에 가열될 열-전달 유체가 공급될 수 있도록 하고, 배출 커넥터는 가열된 상기 유체가 배출될 수 있도록 하며,

- 상기 운송 수단 또는 상기 고온 가스 생성 수단(3)은 상기 열 교환 장치의 부근에 배치되어, 이 고온 가스가 상기 배출 커플링을 통해 교환기의 외부로 배출되기 전에, 상기 튜브들 사이에 제공되는 간극을 통과함으로써, 서로 다른 동축의 튜브 번들들을 내측에서 외측으로, 방사 방향으로 통과하도록 한다.

본 발명에 따르면, 상기 컬렉터는 서로 용접되거나 및/또는 컬렉터의 벽들에 용접되는 여러 개의 내측 칸막이를 포함하며, 이들 칸막이는,

- 상기 유입 커넥터가, 독점적으로 최외측 번들의 적어도 두 개의 튜브로 된 적어도 하나의 군의 제1 또는 제2 단부와 연통되도록 하는, 적어도 하나의 채널,

- 독점적으로 최내측 번들의 적어도 2개의 튜브로 된 적어도 하나의 군의 제1 또는 제2 단부가 상기 배출 커넥터와 연통되도록 하는 적어도 하나의 채널을 포함한, 여러 채널을 획정한다.

다양한 채널들은, 가열될 유체가 상기 유입 커넥터로부터, 일련의 튜브 또는 각 연속적인 번들의 적어도 2개의 튜브 중 서로 다른 군을 통해, 번들에서 번들로 순차적으로, 최외측 번들로부터 내측 번들로 순환하고, 상기 유체가 가열되면 상기 배출 커넥터(62)를 통해 배출되도록 배치된다.

본 발명의 이러한 특징들에 의해, 특히 컴팩트한 장치를 가지고, 강력한 가스 냉각과 함께, 강력한 열-전달 유체의 가열을 획득할 수 있고, 이로 인해 최대 에너지 효율을 획득할 수 있다. 더불어, 동일한 튜브 군의 모든 튜브에서 유체가 평행하게 순환하도록 함으로써, 수두 손실이 제한될 수 있다.

마지막으로, 컬렉터가 열 전도율이 양호한 재료로 제조됨으로써, 열 교환이 더욱 향상된다.

본 발명의 다른 유리하고 비-제한적인 특징들을 단독으로 또는 조합하여 취한 것에 따르면,

- 컬렉터는 바닥부, 외측 벽, 후방 벽, 전방 벽 및 두 측벽을 구비하며, 두 측벽을 통해 다양한 번들의 튜브들의 제1 및 제2 단부가 컬렉터 내측으로 이어지며, 이들 측벽은 원통의 방사상 평면에서 연장하고, 원통의 종축은 다양한 원호-형 튜브들의 원의 중심을 통과하며,

- 다양한 채널들을 구성하는 칸막이들은 컬렉터에서 종방향으로, 횡방향으로 및/또는 대각선으로 연장하고,

다양한 채널들을 구성하는 칸막이들은 컬렉터의 일부 또는 전체 높이, 너비 및 길이에 걸쳐 연장하고, 다양한 채널들을 구성하는 칸막이들은 만곡되어 있으며,

- 다양한 번들의 두 인접한 튜브들 사이의 간극은 스페이서에 의해 조정되고,

- 바람직하게는, 상기 스페이서는 동일한 번들의 인접한 튜브의 벽을 향하는 튜브의 벽에 형성되는, 보스(bosses) 또는 주름(corrugations)이며,

- 교환기는 상기 열-교환 유체가 튜브에서 순환하도록 하는 수단을 포함하고,

- 고온 가스를 생성하는 수단은 가스 또는 연료유 버너이다.

본 발명은 또한 응축 열 교환기용 열 교환 장치에 관련되며,

열 교환 장치는,

- 열 전도율이 양호한 재료로 제조되는 적어도 2개의 튜브 번들로, 상기 튜브 번들은 예컨대 물과 같은 열-교환 유체가 내부에서 순환하도록 설계되며, 각각의 튜브 번들은 일련의 튜브를 포함하고, 각각의 튜브는 원호 형으로, 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 각 번들의 튜브들은 인접한 2개의 튜브 사이에 간극, 바람직하게는 일정한 폭의 간극이 있도록 평행한 평면들에 배치되고, 다양한 튜브 번들들은 동축으로 배치되는, 적어도 2개의 튜브 번들,

- 열 전도율이 양호한 재료로 제조되는 단일 컬렉터로, 다양한 번들의 각 튜브의 제1 단부 및 제2 단부가 컬렉터에 연결되어, 이들 다양한 단부가 상기 컬렉터의 내측으로 이어지는, 단일 컬렉터를 포함하고,

- 이 컬렉터에는 가열될 열-교환 유체가 컬렉터에 제공될 수 있도록 하는 유입 커넥터와, 가열된 상기 유체의 배출을 가능하게 하는 배출 커넥터가 제공되고, 상기 컬렉터는 다양한 채널들을 획정하는 여러 개의 내측 칸막이를 포함하며, 각각의 채널은, 적어도 하나의 번들의 튜브들 중 적어도 2개의 튜브로 된 적어도 하나의 군의 제1 또는 제2 단부가 상기 유입 커넥터, 또는 상기 배출 커넥터, 또는 동일한 번들이나 또 다른 번들의 튜브들 중 적어도 2개의 튜브로 된 적어도 하나의 군의 제1 또는 제2 단부와 연통하도록 하며, 채널들은 튜브 조립체에서, 유입 커넥터로부터 배출 커넥터로 가열될 유체의 통과를 가능하게 하도록 배열된다.

본 발명은 또한, 고온 가스의 운송 수단 또는 생성 수단과 연관된 응축 열 교환기에 관련되며, 이 교환기는 전술한 것과 같은 적어도 하나의 열 교환 장치를 포함하고, 예컨대 물과 같은 열-교환 유체가 순환하도록 설계되며, 상기 열 교환 장치는 상기 고온 가스 운송 수단 또는 상기 고온 가스 생성 수단의 부근에 배치되고, 이러한 위치에서 상기 고온 가스는 상기 열 교환 장치의 튜브들을 분리하는 간극을 통과한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은, 표시를 위한 것으로 제한 없이 본 발명의 여러 가능한 실시예들을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여, 이하에 주어지는 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은, 도 12의 단면선 I-I를 따라 취해진, 본 발명의 제1 실시예에 따른 응축 열 교환기의 종방향 단면도이다.
도 2 및 도 3은 두 개의 반대되는 관찰 각도에서 바라본, 본 발명에 따른 열 교환 장치의 사시도이며, 도 3에서 컬렉터의 후방 단부는 잘려있다.
도 4는 도 2의 선 IV-IV에 의해 구현되는 단면 평면을 따라 취해진, 도 2의 열 교환 장치의 단면도이다.
도 5는 단면 평면(P5)을 따라 취해진 도 2의 열 교환 장치의 종방향 단면도이다.
도 6은 선(VI-VI)에 의해 구현되는 단면 평면을 따라 취해진, 도 2의 열 교환 장치의 단면도이다.
도 7은 도 2의 열 교환 장치의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 열 교환 장치의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 9, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 응축 열 교환기의 다양한 실시예들의 종방향 단면도이다.
도 15는, 본 발명에 따른 열 교환기의 단면 개략도로, 열 교환기는 2개의 튜브 번들을 포함한다.
도 16은 도 15와 유사하지만, 3개의 튜브 번들을 구비하는 열 교환 장치에 대한 도면이다.

첨부된 도 1을 참조하면, 응축 열 교환기(1)가 도시되어 있다. 응축 열 교환기는, 고온 가스 생산 또는 고온 가스 운반 수단(3)과 본 발명에 따른 열 교환 장치(4)가 내부에 장착되어 있는 인클로저를 획정하는 밀봉된 기밀 셸(2)을 포함한다.

셸(2)은 대략적으로, 종축(X-X')을 갖는 일반적인 원통 형상이다.

이 셸(2)은 커버에 의해 양단부 또는 전방이 차단된다. 도 1의 좌측에 위치되는 전방(AV) 쪽으로 배향되는 면(21)은 "전방 면"으로 지칭되고, 교환기(1)의 후방(AR)에 위치되는 반대쪽 면(22)은 "후방 면"으로 지칭된다.

셸(2)은, 응축물을 배출하기 위한 오리피스(24)가 제공되는 바닥(23)을 구비한다.

셸(2)은 또한, 고온 가스를 배출하기 위한 커플링(슬리브)(25)를 포함한다.

도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 이러한 커플링(25)은 후방 면(22)에 연결된다. 하지만, 이러한 배치는 의무적인 것이 아니며, 도 9의 실시예에서는, 커플링(25)이 셸(2)의 상측 벽(27)에 연결될 수 있다.

전방 면(21)은, 버너(3)를 지지하는 단열 도어(26)를 구용할 수 있는 개구(210)를 구비한다. 버너(3)는, 예를 들어 가스 또는 연료유 버너이다. 이는, 종축(X-X')을 따라 연장하는 원통형 버너인 것이 바람직하다. 이러한 버너는, 고온 가스를 생성하는 직접적인 수단을 구성한다.

도면에는 도시되지 않았지만, 버너는 고온 가스를 운송하기 위한 수단으로 대체될 수 있다. 이들 수단은, 도어(26)를 통해 셸에 의해 획정되는 인클로저의 내측으로 고온 가스가 도입될 수 있도록 하며, 이들 고온 가스는 셸(2)의 외부에서 생성된다.

후속적으로 보다 자세하게 설명될 열 교환 장치(4)도 종축(X1-X'1)을 갖는 일반적으로 원통인 형상을 갖는다. 이 열 교환 장치는, 장치의 축(X1-X'1)이 셸의 종축(X-X')과 동축이 되도록 셸(2) 내부에 장착된다.

마지막으로, 도 12 내지 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 셸(2)은 지지대(7)에 놓여지는 것이 유리하다.

이하에서는, 도 2 내지 도 7과 관련하여 본 발명에 따른 열 교환 장치(4)의 제1 실시예가 설명된다.

이 실시예에서, 열 교환 장치(4)는, "모노-컬렉터"로 불리는 단일 컬렉터(6)를 사용하여 함께 조립되는 2개의 튜브 번들(5, 5')을 포함한다.

각각의 튜브 번들(5, 5')은, 양호한 열 전도율을 갖는 재료, 바람직하게는 금속, 예를 들어 스테인리스 강 또는 알루미늄으로 제조되는 일련의 튜브(각각 50, 51)들을 포함한다.

열-전달 유체, 예를 들어 물이 튜브(50, 50')들 내부를 순환하도록 설계된다.

각각의 튜브(50, 50')는 원호 형상이며, 원의 중심에는 종축(X1-X'1)이 위치된다. 이들 튜브는, 예를 들어 구부림으로써 획득된다.

각각의 튜브(50)는 제1 단부(51)와 반대쪽의 제2 단부(52)를 구비한다. 마찬가지로, 각각의 튜브(50')는 제1 단부(51')와 제2 단부(52')를 구비한다.

2개의 튜브 번들(5, 5')은 종축(X1-X'1) 주위에 동축으로 배치되며, "제1 번들"로 불리는 번들(5)은 "제2 번들"로 불리는 번들(5')의 내부에 배치된다. 다르게 말하면, 내측에 위치되는 제1 번들(5)의 외경은 제2 번들(5')의 내경보다 작다.

따라서, 2개의 번들(5, 5')은 간격(E)만큼 서로로부터 이격되어 있다.

이렇게 동축 배치함으로써, 버너(3)가 내부에 하우징되는 중앙 공간이 획득(retian)될 수 있다.

각각의 번들(5, 5')에서, 원호형 튜브(각각 50, 50')들은 평행한 평면들에 배치되며, 이들 다양한 평면들은 축(X1-X'1)과 직각을 이루고, 2개의 인접한 튜브(각각 50, 50')는 각각 도면부호 53, 53'으로 표기되는 간극만큼 서로로부터 이격되어 있다. 이들 간극은, 예를 들어 도 1에 보다 잘 나타나 있다.

이러한 간극(53, 53')들은 일정한 폭을 갖는 것이 바람직하다.

제1 변형예에 따르면, 튜브 번들(5, 5')들은, 도 1 및 도9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 하나의 번들 내부에 다른 하나의 번들이 동축으로 배치되되, 각각의 간극(53, 53')들이 동일한 평면에서 정렬되도록 배치된다.

도면에는 도시되어 있지 않은 또 다른 변형예에 따르면, 동축의 튜브 번들(5, 5')들을 배치하되, 서로에 대해 반 피치만큼 오프셋되도록 배치하여, 번들(5)의 튜브(50)들이 번들(5')의 튜브(50')들 사이에 제공되는 간극(53')과 마주하도록 배치하는 것도 가능하다.

유리하게는, 각각의 튜브(50, 50')는 가운데가 평평한 타원형의 직선 단면(flattened oval straight section)을 가져, 이들 원호형 튜브의 종축(X1-X'1)에 직각인 평면에서 연장하는 2개의 상호 평행한 평평한 측부 면을 구비한다.

후방(AR) 쪽으로 배향되는, 상기 튜브(50, 50')들의 평평한 측부 면은 각각 도면부호 55, 55'를 갖는다. 이들은 도 3에서 볼 수 있다. 전방(AV) 쪽을 향하는 튜브(50, 50')들의 반대쪽 평평한 측부 면은 각각 도면부호 56, 56'을 갖는다. 이들은 도 2에서 볼 수 있다.

간극(53, 53')은, 예를 들어 보스(54, 54')에 의해 구성되는 스페이서에 의해, 또는 튜브(50, 50')들의 평평한 측부면들 중 하나에만, 예를 들어 후면(55, 55')에만, 또는 양면(55, 56, 55', 56') 모두에 형성되는 주름에 의해 정의된다.

또한, 유리하게는, 이들 보스(54, 54')는 방사 방향으로, 즉 각각의 원호-형 튜브(50, 50')의 원의 반경을 따라 연장한다.

바람직하게는, 보스(54, 54')들은 원호의 원주 전체에 걸쳐 균등하게 분포된다. 보스들은, 예를 들어 하이드로포밍 공법에 의해 형성된다.

마지막으로, 각각의 튜브 번들(5, 5') 내에서, 내부에서 열-교환 유체가 평행하게 그리고 동일한 방향으로 순환하는 적어도 2개의 인접한 튜브의 그룹(group)은 "튜브 군"으로 지칭된다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 튜브 번들(5)은 2개의 튜브 군(50a, 50b)을 구비하고, 제2 번들(5')은 도면 부호 50'a 및 50'b를 갖는 2개의 튜브 군을 구비한다.

도 2, 도 12 및 도 13에 나타나 있는 바와 같이, 단일의 컬렉터(6)(또는 모노-컬렉터)는, 바람직하게는 실질적으로 평행 육면체(parallelepiped) 형상을 갖는 요소이며, 이는, 축(X1-X'1)쪽으로 배향되는 바닥부(600), 평평한 것이 바람직한 2개의 측벽(601, 602), 외측 벽(603) 및 2개의 단부벽을 포함하며, 단부벽들은 장치(4)가 이 셸 내에 있을 때 셸(2)의 전방 및 후방에 대한 배향때문에, 각각 후방 벽(604)과 전방 벽(605)으로 지칭된다.

컬렉터(6)의 내부를 관찰할 수 있도록, 외측 벽(603)은 도 2에는 도시되지 않지만, 도 4, 도 15 및 도 16에서는 도시되어 있으며, 전방 벽(605)은 점선으로만 나타나 있다.

유리하게는, 컬렉터(6)도 양호한 열 전도율을 갖는 재료, 예를 들어 스테인리스 강 또는 알루미늄과 같은 금속으로 제조된다. 컬렉터(6)는 셸(2)에 하우징되는데, 이는 고온 가스와의 열 교환을 촉진한다.

유리하게는, 두 측벽(601, 602)은 바닥부(600)로부터 나팔모양으로 펼쳐져(flared), 종축(X1-X'1)을 갖는 원통의 방사상 평면(P601, P602)에서 연장한다. 그러면, 후방 벽(604) 및 전방 벽(605)은 실질적으로 이등변 삼각형 형상으로서, 컬렉터의 단면에 맞춰진다(adapt).

측벽(601, 602)들은, 튜브(50, 50')들의 제1 단부(51, 51') 및 튜브(50, 50')들의 제2 단부(52, 52')가 각각 연결되는 복수의 개구(6010, 6020)로 천공된다. 따라서, 튜브(50, 50')들은 컬렉터(6) 내로 이어져, 컬렉터와 유체 연통한다.

튜브들을 컬렉터의 벽(601, 602)들에 부착하는 것은, 벽의 두께에 따라, 용접, 크림핑(crimping) 또는 튜브 연장에 의해 발생하는 것이 바람직하다.

축(X1-X'1)을 갖는 원통의 방사상의 평면에서 연장하는 측벽(601, 602)들을 구비함으로써, 단부(51, 52, 51', 52')들의 단면이 직선 단부인 (즉, 튜브의 준선(directrix)에 직각인) 튜브(50, 50')들이 사용될 수 있도록 한다. 이는, 벽(601, 602)들을 튜브들에 조립하는 단계를 단순화한다.

하지만, 측벽(601, 602)들은 다른 배향을 가져, 예를 들어 바닥부(600)에 직각일 수도 있다. 단부(51, 52, 51', 52')들의 단면 평면은 요구되는 대로 맞춰질 것이다.

컬렉터(6)에는 가열될 열-교환 유체(물)가 제공될 수 있도록 하는 유입(inlet) 커넥터(61)와, 상기 유체가 가열되고 나면 배출시킬 수 있도록 하는 배출(outlet) 커넥터(62)가 제공된다.

도 2 및 도 12에 도시된 예시적인 실시예에서, 유입 커넥터(61) 및 배출 커넥터(62)는 커넥터(6)의 후방 단부에 배치되어, 커넥터(61)는 벽(601)을 통해 컬렉터 내로 이어지고, 커넥터(62)는 벽(602)을 통해 컬렉터 내로 이어진다.

하지만, 다른 배치도 가능하다. 따라서, 유입 커넥터(61) 및 배출 커넥터(602)는 측벽(601 또는 602)의 후방 또는 전방 단부, 전면(605) 또는 후면(604) 또는 외측 면(603) 상에 배치될 수 있다.

더불어, 컬렉터(6)에서, 커넥터(61, 62)들 중 적어도 하나가 이어지는 부분은 셸(2)의 밖으로 돌출되거나(도 12 및 도 13 참조), 그렇지 않을 수 있다(도 14 참조).

또한, 복수의 칸막이가 컬렉터(6)의 내측에 배치되어, 컬렉터의 내측에서 복수의 채널을 정의한다.

이들 칸막이는 수두 손실을 줄이면서 열-전달 유체의 유동을 안내하는 역할을 한다는 점에서, 변류기(deflector) 역할을 한다.

이들 칸막이는 컬렉터(6)의 나머지 부분과 동일한 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 이들은, 함께 및/또는 컬렉터의 벽에 용접되는 금속 박판으로 제조되는 것이 유리하다. 따라서, 다양한 채널은 서로로부터 밀봉된다.

이하에서는, 도 2 내지 도 7에 도시된 예시적인 실시예가 설명된다. 이 경우, 컬렉터(6)는, 내측(5)과 외측(5')의 두 튜브 번들 사이에서 연장하기 때문에 "중간"으로 지칭되는, 종방향 수평 칸막이(63)를 포함한다. 이 칸막이(63)는 컬렉터(6)의 길이의 전체에 걸쳐 연장하지만, 측벽(601)으로부터 그 폭의 일부분(여기서는, 대략적으로 2/3만큼)에 걸쳐서만 연장한다.

이후의 설명 및 청구항에서, "수평" 및 "수직"이라는 용어는 도 2의 장치(4)의 배향에 대한 것으로 고려되어야 한다.

더불어, 컬렉터(6)는 상측 종방향 수직 칸막이(64)도 포함하며, 이는 컬렉터(6)의 전체 길이를 걸쳐 연장하고, 컬렉터의 높이의 일부에 걸쳐서만 연장한다. 즉, 칸막이(63)로부터 외측을 향해(상측 벽(603)을 향해) 상측 부분에 걸쳐서만 연장한다.

컬렉터는, 2개의 하측 종방향 수직 칸막이(65, 66)도 포함한다. 칸막이(65)는 후방(AR)으로부터 컬렉터(6)의 반만큼, 컨넥터(6)의 길이의 일부에 걸쳐서만 연장하고, 컬렉터의 폭의 약 1/3에 배치된다. 종방향 칸막이(66)는 컬렉터의 전체 길이에 걸쳐 연장하고, 컬렉터 폭의 두 번째 약 1/3에 배치된다. 칸막이(65, 66)들은 바닥부(600)와 칸막이(63) 사이에서 칸막이(63)에 직각으로 연장한다.

마지막으로, 컬렉터(6)는, 실질적으로 컬렉터(6) 길이의 중간에서, 바닥부(600)로부터 상측 벽(604)까지 컬렉터의 전체 높이에 걸쳐 연장하고, 컬렉터의 폭의 일부에 걸쳐(측벽(602)으로부터 칸막이(64, 66)들까지) 연장하는, 횡방향 수직 칸막이(67)를 포함한다.

컬렉터(6)는 또한, 바닥부(600)와 중간 칸막이(63)사이에서 컬렉터 길이의 중간까지 연장하는, 제2의 하측 횡방향 수직 칸막이(68)를 포함한다. 이 칸막이(68)는 칸막이(65)와 연결된다.

칸막이(65, 63, 68)들은, 바닥부(600)와 측벽(601)과 함께, 도면부호 71로 표시되는 제1 채널을 형성한다. 이 채널(71)은, 제1 번들(5)의 튜브들(50) 중 제2 그룹(50b)의 제1 단부(51)들과 유입 커넥터(61)가 유체 연통될 수 있도록 한다.

칸막이(64, 67, 66)들과 칸막이(63)의 일부는, 바닥부(600)상측 벽(604) 및 측벽(602)과 함께, 컬렉터(6)의 후방에 제2 채널(72)을 획정한다. 이 제2 채널(72)은 제1 번들(5)의 튜브(50)들 중 제2 그룹(50b)의 제2 단부(52)가 제2 번들(5')의 튜브(50')들 중 제2 그룹(50'b)의 제2 단부(52')와 연통되도록 한다.

칸막이(63, 64)들은, 상측 벽(604) 및 측벽(601)과 함께, 컬렉터(6)의 전체 길이에 걸쳐 연장하는 제3 채널(73)을 획정한다. 이 제3 채널(73)은, 제2 번들(5')의 튜브(50')들 중 제2 그룹(50'b)의 제1 단부(51')들이 동일한 번들의 튜브(50')들 중 제1 그룹(50'a)의 제1 단부(51')와 연결될 수 있도록 한다.

칸막이(64, 66, 67)들과 칸막이(63)의 일부는, 상측벽(604), 바닥부(600) 및 측벽(602)과 함께, 컬렉터(6)의 전방(AV) 쪽에 제4 채널(74)을 획정한다. 이 제4 채널(74)은, (외측의) 제2 번들(5')의 튜브(50')들 중 제1 그룹(50'a)의 제2 단부(52')가, 제1 내측 번들(5)의 튜브(50)들 중 제1 그룹(50a)의 제2 단부(52)가 연통되도록 한다.

마지막으로, 칸막이(63, 66, 65, 68)들은, 바닥부(600) 및 측벽(601)의 전방 부분과 함께, 컬렉터(6)의 일 단부로부터 타 단부로 연장하되, 전방 쪽에서는 폭이 더 크고, 후방(AR) 쪽에서 더 좁아지는, 제5 채널(75)을 획정한다. 이 제5 채널(75)은, 제1 내측 번들(5)의 튜브(50)들 중 제1 그룹(50a)의 제1 단부(51)들이, 출력 커넥터(62)와 연통될 수 있도록 한다.

이하에서는, 도 1과 관련하여 가스의 경로가 설명될 것이다.

도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 단열 디스크(30)가 열 교환 장치(4)의 내부에, 장치의 축(X-X'1)에 직각으로 장착되어, 제1 번들(5)의 중앙을 차단한다.

디스크는 버너(3)를 향해 연장한다. 디스크는, 디스크 주변부에 방사상 변류 링(31)을 포함하며, 이 링은, 제1 튜브 번들(5)의 간극(53)들 중 하나, 그리고 제2 번들(5')의 간극(53')들 중 하나에 기밀 방식으로 삽입되되, 제2 번들(5')의 외측과 셸(2) 사이에는 자유 환형 공간(28)을 유지하여, 상기 공간(28)을 통해 연기가 통과되도록 한다.

이로 인해, 이 단열 디스크(30)와 변류기(31)는, 교환기(1)의 셸(2)을, 고온 가스를 운송 또는 생성하는 수단(3)이 내측에 위치되어 있는 연소 챔버(11)와, 이 단열 디스크(30)와 가스 배출 커플링(25) 사이에서 연장하는 응축 챔버(12)로 분리할 수 있으며, 작업 조건(operation regime)에 따라서는, 연소 챔버에서도 응축이 발생될 수 있음을 이해해야 한다.

하지만, 이러한 배치는 필수적인 것이 아니다. 따라서, 단열 디스크(30)가 후면(22)에 근접하게 배치되고, 가스 배출 커플링(25)이 셸(2)의 상측 벽(27)에 제공될 수 있는, 도 9에 도시된 또 다른 실시예를 볼 수 있다. 이때, 이러한 열 교환기는, 연소 챔버(11)의 역할을 하는 단일의 챔버만을 포함한다.

버너(4)로부터 빠져나오는 고온 가스는 방사 방향으로 내부로부터 외부로 통과하되, 먼저 제1 번들(5)의 튜브(50)들 사이에 있는 간극(53)들을 통과(화살표 i1)하고, 그 다음 제2 번들(5')의 튜브(50')들 사이에 있는 간극(53')들을 통과(화살표 i2)한다. 단열 디스크(30)와 변류기(31)가 있기 때문에, 고온 가스가 이러한 방식으로 안내된다.

따라서, 매우 고온의 가스의 유동이 튜브들의 벽 중 상대적으로 연장된 표면과 접촉하게 되고, 상대적으로 연장된 표면을 "훑음(licking)"으로써(접촉함으로써), 튜브들 내에서 순환하는 가열될 유체로의 매우 효과적인 열 전달을 가능하게 한다. 고온 가스가 외부를 향해 방사상으로 더 멀리 이동할수록, 더 많이 냉각되지만, 이는 가스가 통과하는 각각의 튜브 번들과의 열 교환에 기여한다.

고온 가스가 공간(28)에서 셸(2)의 벽에 부딪힐 때, 고온 가스는 후방으로 안내되고(화살표 i3), 응축 챔버(12) 내로 이동하여, 가스 배출 커플링(25)을 통해 빠져나가기 전에(화살표 i6), 이번에는 외측에서 내측으로 방사 방향으로, 제2 번들(5')의 튜브(50')들 사이의 간극(53')들을 통과하고(화살표 i4), 그 다음 제1 번들(5)의 튜브(50)들 사이의 간극(53)을 통과한다(화살표 i5).

도 9에 도시된 변형 실시예에서, 고온 가스는 단일 방향으로만 빠져나간다. 즉, 방사 방향으로, 내부로부터 외부를 향해, 셸의 방향으로, 그리고 가스 배출 커플링(25)의 방향으로 빠져나간다.

이하에서는, 도 2 내지 도 7과 관련하여, 예컨대 물과 같은, 가열될 유체의 순환이 설명될 것이다. 물은, 예컨대 펌프(도시되지 않음)와 같은 수단을 사용하여 순환하게 된다.

냉수가 유입 커넥터(61) 내로 침투하고, 제1 채널(71)을 통과하고(화살표 j1), 제1 교환기(5)의 튜브들 중 제2 군(50b)의 튜브들에서 순환하여, 상기 튜브들의 타 단부에 있는 채널(72)에 놓아진다(화살표 j2). 거기서부터, 물은 제2 번들(5')의 튜브들 중 제2 군(50'b)으로 되돌아가(화살표 j3), 제3 채널(73)에서 상기 튜브들의 제1 단부(51')로 나온다. 이로 인해, 물은 간극(53, 53')들에서 순환하는 냉각된 가스를 가로지름으로써 예열된다.

물은 외측 번들(5')의 전방 쪽에 위치되는 제1 군(50'a)의 튜브들을 통해 출발하여, 이들 튜브들을 통해 유동하고, 제4 채널(74)에서 튜브들로부터 나온다(화살표 j4). 제4 채널에서는, 물이 내측 번들(5)의 튜브(50)들 중 제1 군(50a)과 만나(화살표 j5), 채널(75)의 전방 부분에서 채널(75) 내로 들어온다. 마지막으로, 물은 이 채널의 후방 부분 쪽으로, 배출 커넥터(62)까지 유도된다.

따라서, 가열될 유체는 유입 커넥터(61)와 배출 커넥터(62) 사이에서, 장치(4)를 이루는 다양한 번들의 모든 튜브를 통과하여, 순환할 수 있는 것으로 이해된다.

고온 가스는 가열될 유체의 순환에 역류하여 순환하여, 응축 작용을 가능하게 한다.

다르게 말하면, 제1 (내측) 번들(5)의 튜브(50)들 중 제2 군(50b)과 제2 (외측) 번들(5')의 튜브(50')들 중 제2 군(50'b)은 응축 챔버(12)를 향해 위치되고, 제1 번들(5)의 튜브(50)들 중 제1 군(50a)과 제2 번들(5')의 튜브(50')들 중 제2 군(50'a)은 연소 챔버(11)를 향해 위치된다.

따라서, 연소 챔버(11)를 향해 위치되는 외측 번들(5')의 튜브 조립체에는, 내측 번들(5)의 모든 튜브보다 먼저 열-전달 유체가 공급된다.

다양한 수의 칸막이들을 사용함으로써, 그리고 컬렉터(6)의 길이, 높이 및 폭의 전체 또는 일부에 걸쳐 상기 칸막이들을 배치함으로써, 튜브 번들의 내측에서 가열된 유체가 희망하는 경로를 따라 이동할 수 있도록 하며, 이러한 경로는 최소 수두 손실을 가지며, 과열의 위험을 피하는 열 교환 장치(4)를 제공하기 위해 희망하는 출력 및 효율에 따라 조절 및 적응된다.

연소 챔버(11)와 응축 챔버(12)가 있는 경우, 이러한 단열 디스크(30)는 2개의 인접한 군의 튜브들 사이에 위치되는 영역을 향해 위치되거나, 반대로 주어진 군의 튜브들을 향하도록, 이 군의 2개의 인접한 튜브 사이에 위치되되, 두 번째 경우, 유체의 순환이 내측 번들의 튜브들보다 외측 번들의 튜브들에서 먼저 일어나도록 위치될 수 있다.

이하에서는, 도 8과 관련하여 본 발명의 제2 실시예가 설명된다.

이 도면에서는, 열 교환 장치(4')로, 각 번들에서 2개가 아니라 3개의 군의 튜브들을 포함한다는 점에서, 도 2 내지 도 7과 관련하여 전술한 장치(4)와는 다른, 열 교환 장치(4')를 볼 수 있다.

전술된 것들과 동일한 요소들은 동일한 도면부호를 갖는다. 3개의 군의 튜브들은 제1의 내측 번들(5)에 대해서는 도면부호 50a, 50b, 50c를 갖고, 제2의 외측 번들(5')에 대해서는 각각 50'a, 50'b, 50'b를 갖는다.

이 도면에는, 단지 2개의 대각선 칸막이(69, 69')가 점선으로 개략적으로 도시되어 있으며, 컬렉터(6) 내부에 있는 다른 칸막이들은 단순화를 위해 도시되지 않았다. 하지만, 이 컬렉터 내부에서의 가열될 유체의 경로가 이하에서 설명될 것이다.

가열될 유체는 유입 커넥터(61) 내로 침투하여, 상기 커넥터를 떠날 때 2개의 유동으로 분리되며(화살표 k1 및 k6), 이는 각각, 내측 번들(5)의 제3 군의 튜브(50c)들의 제1 단부(51)와 제2의 외측 번들의 제3 군의 튜브(50'c)들의 제1 단부(51')로 공급된다.

화살표 k1 및 k6로 표시된 유동은 각각, 튜브들의 제3 군(50c)의 제2 단부(52)와 튜브들의 제3 군(50'c)의 제2 단부(52')에서 튜브(50)들을 떠나며, 이들 유동은 혼합되고, 각각 제2의 외측 번들(5')의 제2군의 튜브(50'b)들과 제1 군의 튜브(50'a)들의 제1 단부(51')를 향해 대각선으로 유도되어(화살표 k2, k7), 상기 튜브들의 제2 단부(52')로 빠져나온다.

빠져나온 유동은 모두, 내측 번들(5)의 튜브들 중 제2 군(50b)의 제2 단부(52) 내로 침투한다(화살표 k3 및 k8). 액체 유동은 튜브(50)들의 내측을 순환하고, 튜브들의 제1 단부(51)로 빠져나온다.

이들 제1 단부(51)로 빠져나온 유동은 제1 번들(5)의 튜브들 중 제1 군(50a)의 제2 단부(52)를 향해 대각선으로 유도된다(화살표 k4). 튜브(50)들의 내부를 순환한 다음, 유체는 제1 단부(51)로 빠져나와, 배출 커넥터(62)를 향해 유도된다(화살표 k5).

도 14에 도시된 변형 실시예에 따르면, 유입 커넥터(61)는 컬렉터와 교환기의 상부에 후방을 향해 위치되고, 배출 커넥터(62)는 상부에 전방을 향해 위치된다. 이 경우, 유동(k1, k6)들은 컬렉터의 상부로부터 비롯되며, 유동(k5)은 상부를 향해, 그리고 컬렉터의 전방을 향해 배출된다.

따라서, 이 경우, 예를 들어 그 목적이, 주어진 군의 튜브들, 예를 들어 제1 군의 튜브의 제1 단부들과 제2 또는 제3 군의 튜브들의 제2 단부와 연결하는 것일 때, 특정 칸막이들이 대각선일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 대각선 칸막이(69, 69')는 종축(X1-X'1)에 평행하지도, 직각이지도 않다. 대각선 칸막이들은 컬렉터에서 수두 손실을 현저하게 감소시키는 이점을 갖는다.

더불어, 번들 중 하나의 일 군의 튜브들의 제1 단부를 또 다른 번들의 일 군의 튜브들의 제2 단ㄷ부와 연결할 수 있음이 관찰된다. 이를 달성하기 위해서는, 경사진 칸막이, 즉 바닥부(600)에 평행하지 않은 칸막이를 사용할 필요가 있다.

일 군의 튜브를 여러 개의 군의 튜브와 연결하는 것 또한 가능하다.

선행하는 실시예에서 설명한 바와 같이, 고온 가스는 가열될 유체의 순환에 역류하도록 순환한다. 다르게 말하면, 내측 번들(5)의 제3 군의 튜브(50c)들과 외측 번들(5')의 제3군의 튜브(50'c)들(도 8 참조)은 응축 챔버(12)를 향해 배치되고, 제2 군의 튜브(50b, 50'b) 및 제1군의 튜브(50a, 50'a)들은 연소 챔버(11)를 향해 배치된다.

따라서, 연소 챔버(11)를 향해 위치되는 외측 번들(5')의 모든 튜브들(제1 군(50'a) 및 제2 군(50'b))에는, 내측 번들(5)의 모든 튜브(제2 군(50b) 다음 제1 군(50a))보다 먼저, 열-전달 유체가 공급된다.

이하에서는, 도 15와 관련하여, 장치(4, 4')에서의 열-전달 유체의 연소 챔버(11)에서의 순환에서, 채널 배열의 기술적인 효과가 설명될 것이다.

열-전달 유체는 온도 T1에서 외측 번들(5')로 진입하고, T1보다 큰 온도 T2에서 상기 번들을 빠져나오며, T2에서 내측 번들(5)로 들어가, T2보다 더 높은 온도 T3으로 상기 번들을 빠져나온다. 동시에, 온도 Tg1에서 버너(3)를 빠져나오는 고온 가스는 Tg1보다 낮은 온도 Tg2로 냉각되고, 두 번들(5, 5')의 튜브들의 간극을 통과하고 난 다음 Tg2보다 낮은 Tg3으로 냉각된다.

따라서, 예를 들어, 30℃와 동일한 온도(T1)에 있는 물로부터 50℃ 정도(T3)인 물을 생성하기 위해서는, 온도 T2는 35℃ 정도가 되어야 할 것이다. 동시에, 버너(3)에서 생성되는 고온 가스는 약 1000℃의 온도(Tg1)에서 약 130℃의 온도(Tg2)로, 그리고 약 35℃의 온도로 변할 것이다. 본 발명의 특징에 의해, 다양한 튜브 번들을 통한 고온 가스의 순수 냉각이 관찰된다. 냉수가 먼저 외측 튜브 번들(5')에 들어가기 때문에, 온도 Tg3는 종래의 장치를 사용한 경우와 비교하여, 상당히 낮아진다.

유사하게, 예를 들어, 80℃의 온도(T1)의 물로부터 95℃와 동일한 온도(T3)의 물을 생성하려면, 온도 T2는 대략적으로 84℃에 가까워야 할 것이다. 이 경우, 온도들 Tg1, Tg2 및 Tg3은 대략적으로, 각각 1000℃, 180℃ 및 85℃일 것이다. 따라서, 이러한 장치는, 열 교환 장치(4)의 어느 영역에서도 물이 끓지 않도록 하면서, 95℃의 물이 생성될 수 있도록 한다.

이하에서는, 도 9를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예가 설명될 것이다.

이 실시예는, 열 교환 장치(4'')가 튜브(50'')들의 제3 번들(5'')로, 다른 두 개와 동축이고 제2 번들(5')의 외측에 배치되는 제3 번들을 포함한다는 점에서, 전술된 두 실시예와는 다르다. 제2 및 제3 번들(5', 5'')은 간격(E1)만큼 이격되어 있으며, 이는 제1 및 제2 번들 사이에 존재하는 간격(E)과 동일하거나 다를 수 있다. 튜브(50'')들 간의 간극에는 도면부호 53''가 주어진다. 튜브(50'')들의 단부는 도 9에서 보이지 않는다.

3개의 동축 튜브 번들을 갖는 이러한 배열의 기술적 효과가 도 16에 개략적으로 도시되어 있다. 온도 Tg1로 버너(3)를 빠져나오는 고온 가스는, 3개의 번들(5, 5', 5'')의 간극들을 통과하면, Tg1보다 낮은 온도 Tg2로, 그 다음에는 Tg2보다 낮은 Tg3로, 마지막으로는 Tg3보다 낮은 Tg4로 냉각된다.

열-전달 유체는 최외측 번들(5'')의 튜브들에서 가장 독점적으로 순환한다. 유체는 온도 T1로 최외측 번들에 들어가, T1보다 큰 온도 T2에서 최외측 번들로부터 빠져나온다. 그 다음, 유체는 온도 T2에서 중간 번들(5')로 들어가, T2보다 높은 온도 T3에서 중간 번들을 빠져나오며, 마지막으로 유체는 온도 T3에서 내측 번들(5)로 진입하여, T3보다 높은 온도 T4에서 내측 번들을 빠져나온다.

따라서, 예를 들어, 30℃인 온도(T1)에서 진입하는 물로부터, 50℃인 온도 (T4)로 빠져나오는 물을 생성하기 위해서는, 온도(T2, T3)들이 각각, 약 34℃ 및 38℃정도임에 주목해야 한다. 동시에, Tg1(약 1000℃)에서 생성된 고온 가스는 Tg2(약 140℃), Tg3(약 60℃), 그리고 마지막으로 Tg4(약 32℃)의 온도들로 냉각된다. 다시 한번 말하면, 출발하는 가스들은 이슬점 미만의 온도에서 응축될 수 있어, 열-전달 유체를 가열하기 위해 최대한으로 열이 회수될 수 있도록 하며, 이는 모두 열 교환기의 매우 양호한 열 효율을 가능하게 한다.

마찬가지로, 80℃의 온도(T1)에 있는 물로부터 95℃의 온도(T4)에 있는 물을 생성하기 위해서는, 온도 T2 및 T3은 각각 약 81℃ 및 88℃임에 주목해야 한다. Tg1(1000℃)에서 생성되는 고온 가스는 각각, Tg2(약 190℃), Tg3(약 105℃), 마지막으로 Tg4(약 82℃)로 넘어간다.

다시 한 번 말하면, 특히 내측 튜브 번들(5)에서 마이크로-보일링(micro-boiling)이 관찰되지 않는다.

마지막으로, 도 15 및 도 16에서는, 다양한 채널들을 획정하는 칸막이들은 만곡될 수 있다. 즉, (X1-X'1에 직각인 평면에서 취했을 때) 굽은 형상의 단부면을 가질 수 있다.

마지막으로, 도 10 및 도 11에 도시된 두 실시예는, 모든 튜브 번들이 동일한 길이가 아니라는 점에서, 도 9의 실시예와 다르다. 따라서, 도 10의 실시예에서, 제3의 튜브 번들(5'')은 다른 2개의 번들(5, 5')보다 짧아, 3개의 번들이 연소 챔버(11)를 향하는 반면, 2개의 번들만이 응축 챔버(12)를 향한다.

반대로, 도 11에 도시된 실시예에서, 다른 번들(5', 5'')보다 짧은 것은 제1 번들(5)이다.

번들의 수(적어도 2개여야 함)를 변경함으로써, 그리고 서로 다른 또는 동일한 길이의 번들을 사용함으로써, 다른 실시예들이 고려될 수 있음을 용이하게 이해할 수 있다.

마찬가지로, 컬렉터(6)의 내측에 위치되는 다양한 칸막이들의 형상, 길이, 높이, 너비, 배치 및 경사를 변경함으로써, 더 많은 또는 더 적은 튜브를 갖는 튜브 그룹들을 형성하거나, 유입 커넥터와 배출 커넥터 사이에 다양한 경로를 생성하거나, 이로 인해 출력, 길이 또는 직경에서의 소형화, 효율 또는 수두 손실(압력 손실)에서 차이가 나는 열 교환 장치를 획득하는 것이 가능하다.

일반적으로, 교환기(1)의 출력을 향상하고자 할 때에는, 선택적으로, 번들 당 튜브의 수, 튜브의 단면의 치수, 번들의 직경 및/또는 번들의 수를 증가시킬 수 있다.

효율을 높이기 위해, 즉 공급된 에너지의 양에 대한 생성된 에너지의 양의 비율을 높이기 위해, 주어진 출력에 대해서, 전술된 파라미터를 변경(operate)하거나, 및/또는 응축 부분에 있는 튜브의 수를 증가시키는 것이 가능하다.

더불어, 모노-컬렉터(6)는 나선형 튜브에서의 순환 대비 수두 손실이 감소될 수 있도록 하는데, 이는 동일한 그룹의 모든 튜브에서 열-전달 유체가 평행하게 순환될 수 있도록 하기 때문이다. 이는 또한, 수두 손실을 줄이고 과열을 피하기 위해, 열-전달 유체의 유동이 번들 사이로 유도되어 그 사이에서 공유될 수 있도록 한다.

Claims

응축 열 교환기(1)로,
상기 응축 열 교환기(1)는,
- 연소 챔버(11)를 획정하고 가스 배출 커플링(25)을 구비하는, 기밀 셸(2);
- 예컨대 물과 같은, 가열될 열-전달 유체가 순환하도록 설계되는 열 교환 장치(4, 4', 4'')로, 상기 셸(2)의 연소 챔버의 내측에 고정되게 장착되는 열 교환 장치(4, 4', 4'');
- 고온 가스를 운송하는 수단 또는 상기 셸(2)의 연소 챔버(11)에서 고온 가스를 생성하는 수단(3);을 포함하고,
상기 열 교환 장치(4, 4', 4'')는,
- "내측"으로 불리는 제1 튜브 번들(5)과 상기 제1 튜브 번들의 주변에 동축으로 배치되는 적어도 하나의 다른 튜브 번들(5', 5'')로, 이 다양한 튜브들은 열 전도율이 양호한 재료로 제조되고 상기 튜브들 안에서 상기 열-전달 유체가 순환하도록 설계되며, 각 튜브 번들(5, 5', 5'')은 일련의 튜브(50, 50', 50'')를 포함하고, 각각의 튜브는 원호 형상이고 제1 단부(51, 51') 및 제2 단부(52, 52')를 구비하며, 각 번들(5, 5', 5'')의 튜브(50, 50', 50'')들은 2개의 인접한 튜브(50, 50', 50'')들 사이에 간극(53, 53', 53''), 바람직하게는 일정한 폭의 간극이 있도록 평행한 평면들에 배치되는, 제1 튜브 번들(5) 및 적어도 하나의 다른 튜브 번들(5', 5'');
- 벽들에 의해 획정되는, 열 전도율이 양호한 재료로 제조되는 단일 컬렉터(6)로, 다양한 번들(5, 5', 5'')의 각 튜브(50, 50', 50'')의 제1 단부(51, 51') 및 제2 단부(52, 52')가 이 컬렉터에 연결되어, 이 단부들이 상기 컬렉터의 내측으로 이어지도록 하는, 단일 컬렉터(6);를 포함하고,
- 이 컬렉터(6)에는, 가열될 열-전달 유체가 이 컬렉터에 공급될 수 있도록 하는 유입 커넥터(61)와 상기 유체가 가열되면 배출할 수 있도록 하는 배출 커넥터(62)가 제공되며,
- 상기 고온 가스 운송 수단 또는 상기 고온 가스 생성 수단(3)은 상기 열 교환 장치(4, 4', 4'')의 부근에 배치되어, 이 고온 가스가 상기 배출 커플링(25)을 통해 교환기(1)의 밖으로 배출되기 전에, 상기 튜브(50, 50', 50'')들 사이에 제공되는 간극(53, 53', 53'')을 통과함으로써, 내측으로부터 외측으로, 방사 방향으로 다양한 동축 번들(5, 5', 5'')을 통과할 수 있는, 응축 열 교환기(1) 에 있어서,
- 상기 컬렉터(6)는 함께 용접되거나 및/또는 컬렉터의 벽들에 용접되는 여러 개의 내측 칸막이(63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 69')를 포함하고, 이들 칸막이(63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 69')는 다양한 채널들을 획정하되,
다양한 채널들은,
- 상기 유입 커넥터(61)가, 독점적으로 최외측 번들(5', 5'')의 적어도 2개의 튜브(50', 50'')로 된 적어도 하나의 군(50'a, 50'b, 50'c)의 제1 단부(51') 또는 제2 단부(52')와 연통하도록 하는, 적어도 하나의 채널과,
- 독점적으로 내측 번들(5)의 적어도 2개의 튜브(50)로 된 적어도 하나의 군(50a, 50b, 50c)의 제1 단부(51) 또는 제2 단부(52)가 상기 배출 커넥터(62)와 연통하도록 하는, 적어도 하나의 채널을 포함하며,
- 다양한 채널들은, 유체가 상기 유입 커넥터(61)로부터, 튜브들의 세트 또는 각각의 연속적인 번들의 적어도 2개의 튜브로 된 다양한 군을 통해, 최외측 번들(5'', 5')로부터 내측 번들(5)로, 번들에서 번들로 연속적으로 순환하여, 상기 유체가 가열되고 나면 상기 배출 커넥터(62)를 통해 배출되도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
제1항에 있어서,
컬렉터(6)는 바닥부(600), 외측 벽(603), 후방 벽(604), 전방 벽(605) 및 두 측벽(601, 602)을 포함하며, 다양한 번들(5, 5', 5'')들의 튜브들의 제1 및 제2 단부(51, 51', 52, 52')는 상기 두 측벽(601, 602)을 통해 컬렉터(6)의 내측으로 이어지고, 이들 측벽(601, 602)은 원통의 방사상 평면에서 연장하며, 상기 원통의 종축(X1-X'1)은 다양한 원호-형 튜브(50, 50', 50'')들의 원의 중심을 통과하는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 번들(5, 5', 5'')들의 튜브(50, 50', 50'')들은 평평한 타원형의 직선 단면(flattened oval straight section)을 가져, 상기 튜브들은 원호-형 튜브(50, 50', 50'')들의 원의 중심들을 연결하는 종축(X1-X'1)에 직각인, 2개의 상호 평행한 평평한 측부 면(55, 55', 56, 56')을 포함하는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
다양한 채널(71, 72, 73, 74, 75)들을 구성하는 이들 칸막이(63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 69')는 컬렉터(6)에서 종방향으로, 횡방향으로 및/또는 대각선으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
다양한 채널(71, 72, 73, 74, 75)들을 구성하는 칸막이(63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 69')들은 컬렉터(6)의 일부 또는 전체 높이, 폭 및 길이에 걸쳐 연장하는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
다양한 채널(71, 72, 73, 74, 75)들을 구성하는 칸막이(63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 69')들은 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
다양한 번들(5, 5', 5'')의 인접한 2개의 튜브(50, 50', 50'') 사이의 간극(53, 53', 53'')은 스페이서에 의해 교정(calibrated)되는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
제7항에 있어서,
상기 스페이서는, 튜브(50, 50', 50'')의 벽에 형성되되, 동일한 번들의 인접한 튜브(50, 50', 50'')를 향하는 벽에 형성되는 보스 또는 주름(54, 54')인 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열-전달 유체가 튜브들 내에서 순환하도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
고온 가스를 생성하는 수단은 가스 또는 연료유 버너인 것을 특징으로 하는, 응축 열 교환기.