KR20190118598A - 다중 단면 유로 응축기 - Google Patents

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KR20190118598A
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고든 스트라우더
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에밥코 인코포레이티드
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Abstract

세그먼트화된 헤더에서 종료하는 다수 섹션의 직선 튜브를 갖는 냉매 응축기가 제공되며, 각각의 후속 섹션은 초기 섹션보다 작은 전체 단면적을 가지며, 초기 섹션의 전체 단면은 증기 속도를 실질적으로 감소시켜 냉매 압력 강하를 감소시키기에 충분히 크고; 총 단면적은 입구 증기 속도가, 목표로 하는 열 방출에 대한 내부 압력 강하를 제한하면서, 외부 열전달 계수보다 큰 내부 경막 열전달 계수를 설정하기에 충분해지도록 치수화된다.

Description

다중 단면 유로 응축기
본 발명은 냉동 시스템의 공랭식 응축기에 관한 것이다.
일반적인 냉동 시스템의 응축기는 다수의 구불구불한 열전달 유체 통로(또는 회로(circuit))로 구성되어, 각각의 회로(통로)로 진입하는 과열된 열전달 증기가 열교환 장치를 떠나기 전에 완전이 응축되도록 한다. 도 3은 종래 기술의 응축기 튜브 번들(tube bundle)의 예를 도시하고 있다. 응축기는 약 50 개의 구불구불한 튜브로 구성되며, 하나의 유입 헤더와 하나의 배출 헤더를 갖는다. 증기는 상부 헤더(유입구)로 진입하고 모두 동일한 직경을 갖는 50 개의 튜브 모두로 분산된다. 전체 유로에 대해, 튜브의 수는 일정하게 유지되고, 각각은 튜브의 단면적은 일정하게 유지된다. 튜브 번들의 하단에서, 응축된 냉매는 배출 헤더에서 수집된다.
전체 열전달 계수는 주로 외부 열전달 계수에 의해 그리고 다른 때에는 내부 경막(internal film) 열전달 계수에 의해 제어된다. 각각의 회로 입구(또는 통로)에서, 전체 부피는 기체(또는 증기) 상태로 존재한다. 각각의 회로 입구에서의 초기 증기 속도는 상당히 커서 각각의 증가하는 유체 회로 길이에 대해 높은 내부 압력 강하를 초래하고, 이는 다시 상당히 큰 내부 경막 열전달 계수를 제공한다. 외부 열전달 계수는 각각의 회로의 이 부분에서 열 제거를 지배한다. 각각의 회로 길이를 따라 냉매와 공기 사이에서 열전달이 계속되고 (여전히 증기 상태인) 열전달 유체가 포화 상태에 도달하면, 증기는 응축되기 시작한다. 그 결과, 그리고 각각의 회로 길이를 따라 계속 진행하면, 증기 부피와 속도는 감소한다. 각각의 회로에서의 증기 배출 속도는 사실상 0이고, 액체 형태의 열전달 유체는 응축기를 빠져나간다. 각각의 고정된 단면적의 회로 길이를 따른 증기 속도의 계속적인 감소는 내부 경막 열전달 계수를 감소시킨다. 또한, 각각의 회로의 출구 영역에 접근하기 전의 내부 경막 열전달 계수는 응축기의 잠재적인 또는 전체적인 열전달 능력을 제한한다.
본 출원인은 증기의 부피와 속도가 첫 번째 패스의 입구에서는 최대인 반면, 마지막 패스에서는 증기 속도가 거의 없거나 전혀 없는 것을 포함하여, 종래 기술의 특정 결함을 관찰하였다. 상당히 큰 유입 증기 부피는 높은 증기 속도로 인해 첫 번째 패스에서 높은 냉매 압력 강하를 유발한다. 이는 다시 튜브(또는 회로/통로)당 냉매 질량 유량을 제한한다. 반대로, 마지막 패스에서의 매우 낮은 증기 속도는 내부 경막 열전달 계수에 악영향을 미치고, 따라서 응축기의 전체 열전달 능력을 감소시킨다.
본 발명은 리턴 벤드(return bend) 대신에 세그먼트화된 헤더와 결합된 응축용 다중 단면 유체 통로(회로)를 제공함으로써 첫 번째 패스에서의 높은 초기 냉매 압력 강하뿐만 아니라 종래 기술의 열전달 결함을 개선한다. 따라서, 증기 부피가 상당히 클 때 각각의 회로의 입구에는, 각각의 회로에 대해 더 큰 단면적이 제공된다. 더 큰 총 초기 단면적은 내부 경막 열전달 계수를 외부 열전달 계수보다 높게 유지하면서 내부 압력 강하와 증기 속도를 감소시킨다. 응축의 결과로 각각의 회로 길이를 따라 증기 부피가 감소함에 따라, 총 단면적이 감소되어 외부 열전달 계수와 같거나 큰 한계 내부 경막 열전달 계수를 유지한다. 전체 단면적의 이러한 감소는 이후의 패스에 비해 초기 유체 통로에 대해 더 큰 총 단면적과 관련된 다중 패스 회로 선택을 통합함으로써 달성될 수 있다. 이러한 배열은 첫 번째 패스에서의 최소 열전달 희생에 의해 각각의 증가하는 회로 길이에 대해 초기 열전달 유체 압력 강하를 낮춘다. 또한, 이는 종래의 단일 단면적 회로 장치에 비해 이후의 패스에서 내부 경막 열전달 계수를 증가시킴으로써 응축기의 열전달 결함을 상당히 개선한다. 전체적으로, 본 발명의 다중 단면 응축기는 더 낮은 열전달 유체 압력 강하에서 더 큰 열 방출을 제공한다. 본 발명의 다중 단면 유로 응축기는 첫 번째 패스에서 더 큰 튜브를 사용하고 후속 패스에서 더 작은 튜브를 사용하거나, 첫 번째 패스에서 더 많은 튜브를 사용하고 후속 패스에서 더 적은 튜브를 사용하거나, 또는 각각의 후속 패스에서 튜브의 수와 튜브의 단면적 모두를 감소시키는 두 가지의 일부 조합에 의해 구현될 수 있다.
본 발명은 제 1 총 단면적을 갖는 제 1 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 1 응축기 섹션과; 제 2 총 단면적을 갖는 제 2 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 2 응축기 섹션과; 유입 헤더와; 제 1 중간 헤더를 포함하는 냉매 응축기용 열교환 번들로서, 상기 제 1 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 2 총 단면적은 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들을 제공한다.
상기 냉매 응축기용 열교환 번들은 배출 헤더를 더 포함하고; 상기 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결된다.
또한, 제 3 총 단면적을 갖는 제 3 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 3 응축기 섹션과; 제 2 중간 헤더를 더 포함하고; 상기 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 3 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 3 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 배출 헤더를 더 포함하고; 상기 제 3 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결된다.
또한, 제 4 총 단면적을 갖는 제 4 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 4 응축기 섹션과; 제 3 중간 헤더를 더 포함하고; 상기 제 3 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 4 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 4 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 배출 헤더를 더 포함하고; 상기 제 4 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션은 동일한 수의 냉매 통로를 작고, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션 내의 냉매 통로의 수는 동일하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 2 응축기 섹션은 상기 제 1 응축기 섹션보다 적은 냉매 통로를 갖는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 플레넘 섹션 위에 위치하는 간접 열교환 섹션을 정의하는 하우징과; 상기 하우징의 상부에 위치하는 팬으로서, 상기 팬은 상기 하우징의 바닥에 있는 개구를 통해, 코일 섹션을 통해, 그리고 상기 팬을 통해 상기 하우징의 상부를 통해 상기 플레넘 섹션으로 주위 공기를 유입시키도록 구성된 팬과; 상기 코일 섹션 위로 선택으로 물을 분배하기 위해 상기 하우징 내에 그리고 상기 코일 섹션 위에 배치되는 물 분배 조립체와; 상기 물 분배 조립체에 의해 분배되는 물을 수집하기 위해 상기 하우징의 바닥에 배치되는 물 수집 섹션과; 상기 물 수집 섹션으로부터 상기 물 분배 조립체로 물을 펌핑하기 위한 물 펌프와; 상기 간접 열교환 섹션 내에 배치되는 열교환 조립체로서, 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 열교환 번들을 포함하는 열교환 조립체를 포함하는 증발식 냉매 응축기를 제공한다.
또한, 본 발명은 플레넘 섹션 위에 위치하는 간접 열교환 섹션을 정의하는 하우징과; 상기 하우징의 상부에 위치하는 팬으로서, 상기 팬은 상기 하우징의 바닥에 있는 개구를 통해, 코일 섹션을 통해, 그리고 상기 팬을 통해 상기 하우징의 상부를 통해 상기 플레넘 섹션으로 주위 공기를 유입시키도록 구성된 팬과; 상기 코일 섹션 위로 선택으로 물을 분배하기 위해 상기 하우징 내에 그리고 상기 코일 섹션 위에 배치되는 물 분배 조립체와; 상기 물 분배 조립체에 의해 분배되는 물을 수집하기 위해 상기 하우징의 바닥에 배치되는 물 수집 섹션과; 상기 물 수집 섹션으로부터 상기 물 분배 조립체로 물을 펌핑하기 위한 물 펌프와; 상기 간접 열교환 섹션 내에 배치되는 제 1 코일 조립체로서, 서로 인접하여 밀접하게 들어찬 다수의 각각의 구불구불한 열교환 튜브를 포함하는 제 1 코일 조립체를 갖는 증발식 냉매 응축기에 대한 열교환 효율을 향상시키는 방법으로서, 각각의 구불구불한 열교환 튜브는 제 1 단부에서 하나의 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 배출 헤더에 연결되고; 상기 방법은 제 1 코일 조립체를 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 열교환 번들로 교체하는 단계를 포함하는, 증발식 냉매 응축기에 대한 열교환 효율을 향상시키는 방법을 제공한다.
또한, 외부 열전달 계수보다 큰 내부 경막 열전달 계수를 설정하기에 충분하도록, 제 1 응축기 섹션에 비해 제 2 응축기 섹션의 총 단면적을 감소시키는 단계를 포함하는, 증발식 냉매 응축기에 대한 열교환 효율을 향상시키는 방법을 제공한다.
이때, 외부 열전달 계수보다 큰 내부 경막 열전달 계수를 유지하기에 충분하도록, 연속적인 응축기 섹션의 총 단면적을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 냉매 응축기용 열교환 번들은 상기 직선 냉매 통로는 계란형 튜브, 원형 튜브, 타원형 튜브 및 마이크로채널 플레이트로 이루어진 군에서 선택된다.
한편, 본 발명은 제 1 총 단면적을 갖고 제 1 응축기 섹션 세트의 U-벤드에 의해 일단에서 연결되는 제 1 및 제 2 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 1 응축기 섹션과; 제 2 총 단면적을 갖고 제 2 응축기 섹션 세트의 U-벤드에 의해 일단에서 연결되는 제 3 및 제 4 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 2 응축기 섹션과; 유입 헤더와; 제 1 중간 헤더를 포함하는 냉매 응축기용 열교환 번들로서, 상기 제 1 및 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 3 및 제 4 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 배출 헤더에 연결되고; 상기 제 2 총 단면적은 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들을 제공한다.
또한, 제 1 총 단면적을 갖는 제 1 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 1 응축기 섹션과; 제 2 총 단면적을 갖는 제 2 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 2 응축기 섹션과; 유입 헤더와; 제 1 중간 헤더를 포함하는 냉매 응축기용 열교환 번들로서, 상기 제 1 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 2 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 2 총 단면적은 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들을 제공한다.
이때, 배출 헤더를 더 포함하고; 상기 제 2 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결될 수 있다.
또한, 제 3 총 단면적을 갖는 제 3 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 3 응축기 섹션과; 제 2 중간 헤더를 더 포함하고; 상기 제 2 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 3 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 3 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 작도록 구성될 수 있다.
또한, 배출 헤더를 더 포함하고; 상기 제 3 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결될 수 있다.
또한, 제 4 총 단면적을 갖는 제 4 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 4 응축기 섹션과; 제 3 중간 헤더를 더 포함하고; 상기 제 3 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 4 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고; 상기 제 4 총 단면적은 상기 제 3 총 단면적보다 작도록 구성될 수 있다.
또한, 배출 헤더를 더 포함하고; 상기 제 4 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션은 동일한 수의 냉매 통로를 작고, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션 내의 냉매 통로의 수는 동일하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 2 응축기 섹션은 상기 제 1 응축기 섹션보다 적은 냉매 통로를 갖도록 구성될 수 있다.
도 1은 증발식 냉매 응축기(evaporative refrigerant condenser)의 절개 사시도이다.
도 2는 증발식 냉매 응축기의 작동 원리를 도시한다.
도 3은 종래 기술의 증발식 냉매 응축기 튜브 번들을 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다중 단면적 튜브 번들(본원에서 "열교환 번들"이라고도 함)의 모형의 평면도 사진이다.
도 4b는 도 4a의 사진에 대응하는 공식 도면이다.
도 5a는 도 4a에 도시된 모형의 사시도 사진이다.
도 5b는 도 5a의 사진에 대응하는 공식 도면이다.
도 6a는 도 5a의 평면도 사진으로, 화살표는 냉매 유로를 나타낸다.
도 6b는 도 6a의 사진에 대응하는 공식 도면이다.
도 7a는 도 5a의 사진의 표지를 붙인 버전이다.
도 7b는 도 7a의 사진에 대응하는 공식 도면이다.
도 8은 네 개의 응축기 섹션을 갖는 본 발명의 일 실시형태의 개요이다.
도 9는 유입 헤더, 배출 헤더 및 중간 헤더 모두가 장치의 동일한 측면에 있도록 배열된 세 개의 응축기 섹션을 갖는 본 발명의 일 실시형태의 사시도이다.
본 발명은 특히 냉매 응축기에서 사용되는 응축기 코일 번들에 관한 것으로, 특히 (배타적이지 않지만) 과열된 냉매와 주위 공기 사이에서 간접적으로 열을 전달하도록 구성되고, 온도, 습도 및 압력과 같은 주위 대기 조건에 따라 아래 기술되는 습식 모드 또는 건식 모드에서 작동하는, 도 1 및 도 2에 도시된 유형의 증발식 냉매 응축기(10)에서 사용되는 응축기 코일 번들에 관한 것이다.
장치(10)는 장치를 통해 공기를 유동시키기 위한 팬(100)을 포함하며, 이 팬(100)은 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 하우징(15) 위에 놓인다. 냉각액, 일반적으로 물의 동결이 우려되지 않는 정상적인 주위 대기 환경 조건에서, 공기는 장치의 바닥에 있는 공기 통로를 통해 장치의 플레넘(plenum, 18)으로 유입되고, 펌프(96)에 의해 구동되는 물 분배 조립체(90)로부터의 물의 분배를 포함하는 열전달이 일어나는 증발식 열전달 섹션(12)으로 진입한다. 주위 온도 및 냉각액의 온도가 떨어져서 냉각액의 동결 우려를 나타낼 때, 냉각액의 물 분배 조립체는 꺼진다.
종래 기술의 냉매 코일 조립체(20)는 프레임(21) 내에 유지되는 여섯 개 면의 대체로 평행육면체인 전체 형상을 갖고 주축/종축(23)을 가지며, 각각의 면은 직사각형의 형태이다. 코일 조립체(20)는 냉매가 유동하는 다수의 회로를 형성하기 위해 단부에 연결된 다수의 수평으로 밀접하게 이격된 평행하고 구불구불한 튜브로 제조된다. 코일 조립체 내의 각각의 개별 회로는 하나의 연속적인 길이의 코일 배관이고, 이는 벤딩 작업을 거쳐 서로에 대해 대체로 수직이고 동일하게 이격된 관계에 있는 여러 개의 U자형 열을 형성하며, 따라서 각각의 회로는 결과적으로 구불구불한 모양을 갖는다.
코일 조립체(20)는 코일 조립체의 구불구불한 튜브의 유입 단부에 유체적으로 연결되는 유입 매니폴드 또는 헤더(24)에 연결되는 유입구(22) 및 코일 조립체의 구불구불한 튜브의 배출 단부에 유체적으로 연결되는 배출 매니폴드 또는 헤더(28)에 연결되는 배출구(26)를 갖는다. 조립된 코일 조립체(20)는 단일 구조로서 이동되거나 이송될 수 있고, 원하는 경우, 구성요소가 강철로 제조되는 경우, 아연 도금 용액에 침지되어 전체 코일 조립체를 도금할 수 있다.
냉매 가스는 압축기로부터 장치의 유입 연결부로 배출된다. 냉매로부터의 열은 코일 튜브를 통해, 튜브 위로 흘러내리는 물에서 소멸된다. 동시에, 응축기 바닥의 공기 유입 루버(louver)를 통해 공기가 유입되고 물 흐름의 맞은편에 있는 코일 위에서 위로 이동한다. 소량의 물이 증발하여 시스템에서 열을 제거한다. 팬에 의해 따뜻하고 습한 공기가 증발식 응축기의 상단으로 유입되고 대기로 배출된다. 남은 물은 응축기 바닥의 웅덩이로 떨어져, 물 분배 시스템을 통해 재순환되고 다시 코일 위로 내려간다.
본 발명은, 코일을 통한 전체 냉매 유로에 걸쳐 단일 단면적을 포함하는 튜브 번들 대신에, 간접 열교환 섹션이, 냉매가 열교환 섹션을 통해 이동함에 따라 감소하는 다양한 단면적을 각각 갖는 다수의 섹션을 갖는, 종래 기술에 대한 변경 및 개선을 구성한다.
도 4a, 도 5a, 도 6a 및 도 7a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다중 단면적 냉매 응축기의 모형 사진이다. 도 4b, 도 5b, 도 6b 및 도 7b는 각각 도 4a, 도 5a, 도 6a 및 도 7a에 대응하는 공식 도면이다. 제 1 응축기 섹션(103)은 제 1 총 단면적을 갖는 다수의 직선 튜브(105)를 포함한다. 원형 튜브가 모형 내에 도시되어 있지만, 임의의 형상, 크기 및 특징의 튜브가 본 발명에 따라 사용될 수 있으며, 실제로 도면에 도시된 튜브를 대신해서 마이크로채널 플레이트(microchannel plate) 및 다른 도관 구조를 포함하는, 냉매 흐름 및 열교환을 허용할 수 있는 임의의 통로가 본 발명과 함께 사용하기 위해 구성될 수 있다. 도 4a, 도 5a, 도 6a 및 도 7a에 도시된 모형을 참조하여 본 발명의 설명을 돕기 위해, "튜브"라는 용어가 사용되지만, 냉매를 운반할 수 있고 내부의 냉매와 외부의 공기 사이에서 열교환을 허용할 수 있다면, 어떠한 구조이든지 간에, "통로" 또는 "도관"이라는 단어가 본원의 설명에서 "튜브"라는 단어로 대체될 수 있다는 것을 알아야 한다.
본원에서 사용된 "총 단면적"이란 용어는 응축기 섹션 내의 개별 튜브의 단면적의 합을 의미한다. 본원에서 사용된 "총 단면적"이란 용어는 응축기 섹션 내의 튜브 사이의 면적을 포함하도록 계산되지는 않는다. 제 1 응축기 섹션(103) 내의 각각의 직선 튜브(105)의 단면적은 서로 동일하거나 상이할 수 있지만, 제 1 응축기 섹션(103) 내의 모든 직선 튜브(105)의 단면적의 합은 제 1 총 단면적과 동일하다. 제 1 응축기 섹션(103) 내의 튜브는 바람직하게 핀형(finned)이다. 제 1 응축기 섹션(103) 내의 각각의 직선 튜브(105)는 유입 헤더 또는 매니폴드(107)에 있는 일단에서 종료하고 중간 헤더 또는 매니폴드(109)에 있는 제 2 단부에서 종료한다.
제 2 응축기 섹션(111)은 제 2 총 단면적을 갖는 다수의 제 2 직선 튜브(113)를 포함한다. 제 2 응축기 섹션(111) 내의 각각의 직선 튜브(113)의 단면적은 서로 동일하거나 상이할 수 있지만, 제 2 응축기 섹션(111) 내의 모든 직선 튜브(113)의 단면적의 합은 제 2 총 단면적과 동일하다. 제 2 총 단면적은 제 1 총 단면적보다 작다. 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 직선 튜브(113)의 단면적은 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 직선 튜브(105)의 단면적과 동일하거나 상이할 수 있지만, 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 직선 튜브(113)의 단면적은 바람직하게 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 직선 튜브(105)의 단면적보다 작다. 제 2 응축기 섹션 내의 튜브의 수는 제 1 응축기 섹션 내의 튜브의 수와 동일하거나 상이할 수 있지만, 바람직하게는 적다. 제 2 응축기 섹션 내의 튜브의 길이는 (예를 들어 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이) 제 1 응축기 섹션 내의 튜브의 길이보다 짧을 수 있다. 제 2 응축기 섹션(111) 내의 튜브는 바람직하게 핀형이다.
제 2 응축기 섹션은 중간 헤더 또는 매니폴드(109)를 통해 제 1 응축기 섹션으로부터 냉매를 수용한다. 예를 들어 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 직선 튜브(113)는 중간 헤더 또는 매니폴드(109)에 있는 일단에서 종료하고 배출 헤더 또는 매니폴드(미도시)에 있는 제 2 단부에서 종료한다.
대안으로, 제 3, 제 4 및 제 5이상의 응축기 섹션이 존재할 수 있다. 도 8은 네 개의 응축기 섹션을 갖는 본 발명의 실시형태를 도시하고 있다. 이들 실시형태에 따르면, 제 2 중간 헤더 또는 매니폴드(115)는 냉매를 제 3 응축기 섹션(117)으로 보내고, 상기 제 3 응축기 섹션(117), 제 4 응축기 섹션(119), 및 제 5 이상의 응축기 섹션은 각각 다수의 직선 튜브로 구성되고, 상기 제 3, 제 4, 및 제 5 이상의 응축기 섹션 각각은 바로 위쪽의 응축기 섹션의 단면적보다 작은 총 단면적을 각각 갖는다.
상기 제 3, 제 4, 및 제 5 이상의 응축기 섹션 내의 각각의 직선 튜브는 일단에서 중간 헤더 또는 매니폴드에 의해 바로 위쪽의 응축기 섹션에 연결되고, 제 2 단부에서 (후속 응축기 섹션이 있는 경우) 또 다른 중간 헤더 또는 매니폴드(121)에 연결되거나 배출 헤더 또는 매니폴드(123)에 연결된다.
도 9는 유입 헤더, 배출 헤더 및 중간 헤더가 모두 장치의 동일한 측면에 배열되고, 각각의 응축기 섹션은 U-벤드에 의해 헤더 단부의 맞은편에 있는 단부에 연결된 두 세트의 직선 길이의 튜브를 포함하는 본 발명의 대안적인 실시형태를 도시하고 있다. 따라서, 유입 헤더(201)는 과열된 냉매 증기를 수용하고 이를 제 1 응축기 섹션(205) 내의 제 1 세트의 직선 튜브(203)에 분배한다. 제 1 세트의 직선 튜브(203)는 맞은편 단부에서 U-벤드(209)에 의해 상기 제 1 응축기 섹션 내의 제 2 세트의 직선 튜브(207)에 연결된다. 제 1 응축기 섹션 내의 제 1 및 제 2 세트의 튜브는 동일한 수의 튜브를 갖고 튜브는 동일한 직경을 갖는다. U-벤드(209)는 상기 제 1 응축기 섹션 내의 제 1 및 제 2 세트의 튜브와 대략 동일한 단면 크기/직경을 갖는다. 제 1 응축기 섹션 내의 제 2 세트의 튜브의 측면은 U-벤드 단부의 맞은편에 있는 단부에서 제 1 중간 헤더(211)에 연결된다. 이후, 제 1 중간 헤더는 제 2 응축기 섹션(213)에 냉매를 전달하고, 이 제 2 응축기 섹션(213)은 제 2 응축기의 제 1 세트의 튜브(215) 및 맞은편 단부에 또 다른 세트의 U-벤드(219)에 의해 상기 중간 헤더에 연결된 제 2 응축기의 제 2 세트의 튜브(217)를 갖는다. 상기 제 2 응축기 섹션 내의 제 1 및 제 2 세트의 튜브는 동일한 단면 치수를 갖고 개수가 동일하다. 제 2 응축기 섹션 내의 제 1 및 제 2 세트의 튜브를 연결하는 U-벤드(219)는 마찬가지로 이들이 연결하는 제 1 및 제 2 세트의 튜브와 대략 동일한 단면 치수를 갖는다. 제 2 응축기 섹션의 제 2 세트의 튜브(217)는 제 2 중간 헤더(221)에서 종료한다. 제 2 중간 헤더(221)는 제 2 응축기 섹션의 튜브(217) 세트로부터 냉매를 수용하고 이를 제 3 응축기 섹션(223)으로 보낸다. 제 3 응축기 섹션의 제 1 세트의 튜브(225)는 제 1 단부에서 제 2 중간 헤더에 연결되고, 제 3 응축기 섹션의 제 2 세트의 튜브(227)의 제 1 단부에 차례로 연결되는 또 다른 세트의 U-벤드(미도시)에 맞은편 단부에서 연결된다. 제 3 응축기 섹션의 제 2 세트의 튜브(227)는 헤더 단부에서 배출 헤더(229)에 연결된다. 각각의 응축기 섹션의 튜브는 점진적으로 작아지지만, (도 9에 도시된 실시형태에 따르면) 각각의 응축기 섹션 내의 튜브 수는 동일하다. 그러나, 상기한 실시형태에서와 같이, 튜브의 크기는 동일하게 유지될 수 있고, 튜브의 수는 감소될 수 있으며, 따라서 각각의 응축기 섹션의 총 단면적은 제 1 섹션보다 작고, 바람직하게 각각의 상류 섹션보다 작다.
제 1 응축기 섹션 내의 회로(튜브)의 수를 증가시키고 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 튜브의 단면적을 증가시킴으로써, 본 발명은 유입 증기 속도를 50% 이상 감소시킬 수 있고 따라서 냉매 압력 강하를 원래 값의 25% 이하 감소시킬 수 있다. 또한, 회로당 입구 증기 속도는, 목표로 하는 열 방출에 대한 내부 압력 강하를 제한하면서, 외부 열전달 계수보다 큰 내부 경막 열전달 계수를 설정하기에 충분하다. 전체 단면적의 후속적인 감소는 작동 조건에 따라 제 1 통로 이후 또는 열전달 유체 통로에서 이후에 발생할 것이다. 제 2 응축기 섹션 내의 튜브의 수는 증기 속도를 추가로 낮추고 다시 냉매 압력 강하를 감소시키도록 조절될 수 있다. 제 2 그룹은 또한 이 예시에서 제 1 그룹에 비해 감소된 총 단면적을 나타내고, 따라서 단면적의 마지막 감소로 들어가기 전에 증기 속도를 유지한다. 제 3 응축기 섹션은 응축기를 빠져나가기 전에 증기 속도를 재설정하기 위해 더욱 감소된 단면적을 가질 수 있다. 각각의 응축기 섹션은 초기 회로에 비해 더 작거나 동일한 단면적 통로를 포함하는 것이 가장 바람직하다. 이렇게 해서, 관련된 내부 경막 열전달 계수가 초기 회로 수와 관련된 초기 총 단면적을 떠나는 것보다 커지도록 유체(증기) 속도가 재설정된다. 다중 단면 인터페이스는 바람직하게, 열전달 유체(증기) 속도가 (평균적으로) 유지되어 최종 패스로 이어질 수 있도록, 세그먼트화된 헤더(예를 들어, 도 4a, 도 4b 및 도 9 참조)를 통해 필요에 따라 응축기 전체에 걸쳐 이용된다. 성능을 최적화하기 위해 본 발명과 함께 사용될 수 있는 섹션당 통로의 수와 관련된 통로 단면적에 관한 변수는 많다. 작동 조건, 냉매 및 열 방출 요건에 따라 반복 계산이 수행될 수 있다. 본 발명은 감소된 냉매 압력 강하로 인한 개선된 응축기 효율뿐만 아니라 낮은 냉매 재고를 포함하는 다른 장점을 갖는다.

Claims (24)

  1. 제 1 총 단면적을 갖는 제 1 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 1 응축기 섹션과;
    제 2 총 단면적을 갖는 제 2 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 2 응축기 섹션과;
    유입 헤더와;
    제 1 중간 헤더를 포함하는 냉매 응축기용 열교환 번들로서,
    상기 제 1 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 2 총 단면적은 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  2. 제 1 항에 있어서,
    배출 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 3 총 단면적을 갖는 제 3 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 3 응축기 섹션과;
    제 2 중간 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 3 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 3 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  4. 제 3 항에 있어서,
    배출 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 3 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제 4 총 단면적을 갖는 제 4 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 4 응축기 섹션과;
    제 3 중간 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 3 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 4 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 4 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  6. 제 5 항에 있어서,
    배출 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 4 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션은 동일한 수의 냉매 통로를 작고, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션 내의 냉매 통로의 수는 동일한, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 2 응축기 섹션은 상기 제 1 응축기 섹션보다 적은 냉매 통로를 갖는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  10. 플레넘 섹션 위에 위치하는 간접 열교환 섹션을 정의하는 하우징과;
    상기 하우징의 상부에 위치하는 팬으로서, 상기 팬은 상기 하우징의 바닥에 있는 개구를 통해, 코일 섹션을 통해, 그리고 상기 팬을 통해 상기 하우징의 상부를 통해 상기 플레넘 섹션으로 주위 공기를 유입시키도록 구성된 팬과;
    상기 코일 섹션 위로 선택으로 물을 분배하기 위해 상기 하우징 내에 그리고 상기 코일 섹션 위에 배치되는 물 분배 조립체와;
    상기 물 분배 조립체에 의해 분배되는 물을 수집하기 위해 상기 하우징의 바닥에 배치되는 물 수집 섹션과;
    상기 물 수집 섹션으로부터 상기 물 분배 조립체로 물을 펌핑하기 위한 물 펌프와;
    상기 간접 열교환 섹션 내에 배치되는 열교환 조립체로서, 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 열교환 번들을 포함하는 열교환 조립체를 포함하는 증발식 냉매 응축기.
  11. 플레넘 섹션 위에 위치하는 간접 열교환 섹션을 정의하는 하우징과;
    상기 하우징의 상부에 위치하는 팬으로서, 상기 팬은 상기 하우징의 바닥에 있는 개구를 통해, 코일 섹션을 통해, 그리고 상기 팬을 통해 상기 하우징의 상부를 통해 상기 플레넘 섹션으로 주위 공기를 유입시키도록 구성된 팬과;
    상기 코일 섹션 위로 선택으로 물을 분배하기 위해 상기 하우징 내에 그리고 상기 코일 섹션 위에 배치되는 물 분배 조립체와;
    상기 물 분배 조립체에 의해 분배되는 물을 수집하기 위해 상기 하우징의 바닥에 배치되는 물 수집 섹션과;
    상기 물 수집 섹션으로부터 상기 물 분배 조립체로 물을 펌핑하기 위한 물 펌프와;
    상기 간접 열교환 섹션 내에 배치되는 제 1 코일 조립체로서, 서로 인접하여 밀접하게 들어찬 다수의 각각의 구불구불한 열교환 튜브를 포함하는 제 1 코일 조립체를 갖는 증발식 냉매 응축기에 대한 열교환 효율을 향상시키는 방법으로서,
    각각의 구불구불한 열교환 튜브는 제 1 단부에서 하나의 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 배출 헤더에 연결되고;
    상기 방법은 제 1 코일 조립체를 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 열교환 번들로 교체하는 단계를 포함하는, 증발식 냉매 응축기에 대한 열교환 효율을 향상시키는 방법.
  12. 외부 열전달 계수보다 큰 내부 경막 열전달 계수를 설정하기에 충분하도록, 제 1 응축기 섹션에 비해 제 2 응축기 섹션의 총 단면적을 감소시키는 단계를 포함하는, 증발식 냉매 응축기에 대한 열교환 효율을 향상시키는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    외부 열전달 계수보다 큰 내부 경막 열전달 계수를 유지하기에 충분하도록, 연속적인 응축기 섹션의 총 단면적을 감소시키는 단계를 포함하는, 증발식 냉매 응축기의 열교환 효율을 향상시키는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직선 냉매 통로는 계란형 튜브, 원형 튜브, 타원형 튜브 및 마이크로채널 플레이트로 이루어진 군에서 선택되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  15. 제 1 총 단면적을 갖고 제 1 응축기 섹션 세트의 U-벤드에 의해 일단에서 연결되는 제 1 및 제 2 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 1 응축기 섹션과;
    제 2 총 단면적을 갖고 제 2 응축기 섹션 세트의 U-벤드에 의해 일단에서 연결되는 제 3 및 제 4 세트의 직선 냉매 통로를 포함하는 제 2 응축기 섹션과;
    유입 헤더와;
    제 1 중간 헤더를 포함하는 냉매 응축기용 열교환 번들로서,
    상기 제 1 및 제 2 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 3 및 제 4 세트의 직선 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 배출 헤더에 연결되고;
    상기 제 2 총 단면적은 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  16. 제 1 총 단면적을 갖는 제 1 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 1 응축기 섹션과;
    제 2 총 단면적을 갖는 제 2 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 2 응축기 섹션과;
    유입 헤더와;
    제 1 중간 헤더를 포함하는 냉매 응축기용 열교환 번들로서,
    상기 제 1 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 유입 헤더에 연결되고 제 2 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 2 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 2 총 단면적은 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  17. 제 16 항에 있어서,
    배출 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 2 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  18. 제 16 항에 있어서,
    제 3 총 단면적을 갖는 제 3 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 3 응축기 섹션과;
    제 2 중간 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 2 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 3 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 2 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 3 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  19. 제 18 항에 있어서,
    배출 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 3 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  20. 제 18 항에 있어서,
    제 4 총 단면적을 갖는 제 4 세트의 냉매 통로를 포함하는 제 4 응축기 섹션과;
    제 3 중간 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 3 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 4 세트의 냉매 통로는 각각 제 1 단부에서 상기 제 3 중간 헤더에 연결되고;
    상기 제 4 총 단면적은 상기 제 3 총 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  21. 제 20 항에 있어서,
    배출 헤더를 더 포함하고;
    상기 제 4 세트의 냉매 통로는 각각 제 2 단부에서 상기 배출 헤더에 연결되는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션은 동일한 수의 냉매 통로를 작고, 상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작은, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  23. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 1 응축기 섹션과 상기 제 2 응축기 섹션 내의 냉매 통로의 수는 동일한, 냉매 응축기용 열교환 번들.
  24. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적은 상기 제 1 응축기 섹션 내의 각각의 냉매 통로의 단면적보다 작고, 상기 제 2 응축기 섹션은 상기 제 1 응축기 섹션보다 적은 냉매 통로를 갖는, 냉매 응축기용 열교환 번들.
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