KR20200009609A

KR20200009609A - 열교환판

Info

Publication number: KR20200009609A
Application number: KR1020180084200A
Authority: KR
Inventors: 강덕홍
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-01-30
Also published as: KR102181348B1

Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 열교환판은, 복수의 유로를 구획하는 미세주름핀이 입구측에서 출구측을 향해 길이방향으로 연장된 구조를 갖는 열교환판에 있어서, 상기 미세주름핀은 복수의 산과 복수의 골이 복수의 측벽에 의해 폭방향으로 상호 교호적으로 연결되어 이루어지고, 상기 미세주름핀의 복수의 측벽은 상기 입구측에서 상기 복수의 산과 상기 복수의 골에 대해 수직한 구조를 갖고 상기 출구측에서 상기 복수의 산과 상기 복수의 골에 대해 비스듬히 경사진 구조를 가지며, 상기 수직한 구조에서 경사진 구조로 상기 길이방향을 따라서 연속적으로 변화하는 구조를 가질 수 있다.

Description

열교환판{HEAT EXCHANGER PLATE}

본 발명은 열교환판에 관한 것이다.

주전열면방식의 열교환기는 미세주름핀(corrugated fin) 구조를 사용한 대향유동(counter-flow) 방식으로 제작되는 열교환기로 모든 전열면이 주전열면으로 구성되어 열을 즉각적으로 전달하기 때문에 일반적으로 보조전열면을 지닌 열교환기보다 성능과 운전이 효율적이다.

주전열면방식은 수력직경이 수 mm를 갖는 유동채널과 모든 전열면이 주전열면으로 구성되는 특징 때문에 최소 부피 내에서 큰 열전달 면적을 갖는 열교환기이다.

그러나, 종래의 주전열면 열교환기에 사용되는 미세주름핀을 갖는 전열판의 형상은 대부분 주름이 직각 형성으로 되어 있으며, 유로의 단면적이 입구측과 출구측에서 동일한 구조를 가지며, 수력직경이 매우 작기때문에 압력손실이 일반 벌크형 열교환기보다 크다는 문제가 발생한다.

본 발명은 미세주름핀 구조를 갖는 주전열면 열교환기에서 압력손실이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 열교환판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.

상기 미세주름핀은 상부에서 보았을 때 상기 입구측에서의 폭이 상기 출구측에서의 폭보다 작은 역사다리꼴 형상의 구조를 가지며, 상기 출구측의 폭방향으로 확장된 구조를 가질 수 있다.

상기 미세주름핀은 상기 산의 상기 골에 대한 수직 높이가 상기 입구측에서 상기 출구측으로 갈수록 작아지는 구조를 가질 수 있다.

상기 미세주름핀은 다음의 조건1, 조건2를 만족할 수 있다.

조건1: Ai = b×h

조건2: Ae = (b+hsinθ)×(hcosθ)

여기서, 상기 미세주름핀의 최외곽 양 사이드에 각각 배치되는 상기 측벽에서 연장된 가상의 연장선이 수렴하는 수렴점을 'O'로 하고, 상기 수렴점 'O'를 기준으로 상기 연장선 사이의 확장각도를 'θ'로 할 경우, 'Ai'는 단일의 입구측 유로의 단면적, 'Ae'는 단일의 출구측 유로의 단면적, 'b'는 산의 폭, 'h'는 측벽의 길이임.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면,미세주름핀 구조를 갖는 주전열면 열교환기에서 압력손실이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 열교환판이 제공될 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 열교환판을 개략적으로 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 열교환판을 개략적으로 나타내는 평면도.
도 3은 미세주름핀을 확대한 도면.
도 4는 본 실시예에 따른 확장각도에 대한 출구측 유로의 단면적 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 실시예에 따른 확장각도에 대한 실직적인 압력강하량을 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 열교환판을 설명한다.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 열교환판을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 열교환판을 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 3은 미세주름핀을 확대한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 열교환판(10)은 복수의 유로(24)를 구획하는 미세주름핀(20)이 입구측(i)에서 출구측(e)을 향해 길이방향(X축 방향)으로 연장된 구조를 가질 수 있다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 미세주름핀(20)은, 상부에서 보았을 때, 입구측(i)에서의 폭(Wi)이 출구측(e)에서의 폭(We)보다 작게 형성됨에 따라 전체적으로 역사다리꼴 형상의 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 출구측(e)의 폭방향(Y축 방향)으로 좌우 확장된 구조를 구성할 수 있다. 따라서, 입구측 채널유로 단면적(A_si)은 출구측 채널유로 단면적(A_se)보다 작은 구조를 가질 수 있다(도 2 참조).

미세주름핀(20)은 복수의 산(21)과 복수의 골(22)이 미세주름핀(20)의 폭방향을 따라 일정 간격으로 연속하여 이어져 구성되고, 복수의 산(21)과 복수의 골(22)은 복수의 측벽(23)에 의해 폭방향으로 상호 교호적으로 연결될 수 있다. 복수의 측벽(23)은 복수의 유로(24)를 구획할 수 있다.

일 실시예에서, 미세주름핀(20)의 복수의 측벽(23)은 입구측(i)에서 복수의 산(21)과 복수의 골(22)에 대해 수직한 구조를 가질 수 있다. 그리고, 복수의 측벽(23)은 출구측(e)에서 복수의 산(21)과 복수의 골(22)에 대해 비스듬히 경사진 구조를 가질 수 있다.

즉, 복수의 측벽(23)은 입구측(i)에서 복수의 산(21)과 복수의 골(22)을 수직하게 직각으로 연결하고, 출구측(e)에서는 소정 기울기로 비스듬히 경사지게 연결할 수 있다. 그리고, 입구측(i)에서의 수직한 구조에서 출구측(e)에서의 경사진 구조로 미세주름핀(20)의 길이방향을 따라서 연속적으로 변화하는 구조를 가질 수 있다. 따라서, 유로(24)의 단면 형상이 입구측(i)과 출구측(e)에서 서로 상이한 구조를 가질 수 있다.

도면을 참조하면, 미세주름핀(20)은 단면 형상과 관련하여 다음의 조건1, 조건2를 만족할 수 있다.

조건1: Ai = b×h

조건2: Ae = (b+hsinθ)×(hcosθ)

여기서, 미세주름핀의 최외곽 양 사이드에 각각 배치되는 측벽에서 연장된 가상의 연장선이 수렴하는 수렴점을 'O'로 하고, 수렴점 'O'를 기준으로 연장선 사이의 확장각도를 'θ'로 할 경우, 'Ai'는 단일의 입구측 유로의 단면적, 'Ae'는 단일의 출구측 유로의 단면적, 'b'는 산의 폭, 'h'는 측벽의 길이를 의미한다.

예를 들어, 미세주름핀(20)은 입구측(i)에서 서로 마주하는 측벽(23)이 대칭적으로 수직하게 형성됨에 따라서 직사각형의 단면구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 출구측(e)에서는 서로 마주하는 측벽(23)이 대칭적으로 경사지게 형성됨에 따라 사다리꼴의 단면구조를 가질 수 있다. 이 경우, 미세주름핀(20)은 산(21)의 골(22)에 대한 수직 높이가 입구측(i)에서 출구측(e)으로 갈수록 작아지는 구조를 구성할 수 있다.

한편, 유로의 압력손실(△P) 식은 다음과 같다.

여기서, 'L'은 유로의 길이(즉, 미세주름핀의 길이), 'μ'는 점성계수, 'Q'는 유로를 흐르는 유량, 'D_h'는 유로의 수력직경을 의미한다. 따라서, 유로(24)의 길이와 유량(Q)이 일정한 경우 압력손실(△P)은 수력직경에 영향을 받게 되며, 유로(24)의 단면적 변화를 통해서 수력직경의 크기를 변화시킬 수 있다.

도 4는 본 실시예에 따른 확장각도에 대한 출구측 유로의 단면적 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 확장각도에 따라서 출구측 유로의 단면적은 증가하다가 특정 확장각도를 지나면서 단면적이 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 확장각도가 40°일때 출구측 유로의 단면적이 최대가 되는 것으로 확인하였다. 그리고, 이는 유로의 압력손실이 최소가 되는 것을 나타낸다.

도 5는 본 실시예에 따른 확장각도에 대한 실직적인 압력강하량을 나타내는 그래프이다.

도 4에서와 같이 확장각도가 40°일때 압력강하가 최소값을 보였다. 즉, 출구측 유로가 확장되기 이전 압력손실이 0.004 이상에서 40°로 확장되었을 때 압력손실이 0.001 이하로 감소함을 확인할 수 있다.

결론적으로, 기존 미세주름핀의 형상은 직각, 웨이브(wave) 등의 다양한 형태를 가지지만, 본 발명에서와 같이 어떠한 형상이라도 출구측으로 갈수록 확장되는 구조를 갖도록 함으로써 압력손실을 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는 미세주름핀(20)의 구조를 종래의 대칭이 아닌 역마름모꼴 형상과 같이 입구측에서 출구측으로 폭이 좌우 확장되는 구조를 갖도록 하고, 유로(24)를 구획하는 측벽(23)의 구조가 직각에서 경사진 구조로 변화하도록 함으로써 유로(24)의 단면 형상을 입구측에서는 직사각형으로 하고 출구측에서는 사다리꼴로 변화하는 구조를 구현하여 종래의 핀 구조가 직각 형상을 가짐에 따라서 큰 압력손실이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10... 열교환판
20... 미세주름핀
21... 산
22... 골
23... 측벽
24... 유로

Claims

복수의 유로를 구획하는 미세주름핀이 입구측에서 출구측을 향해 길이방향으로 연장된 구조를 갖는 열교환판에 있어서,
상기 미세주름핀은 복수의 산과 복수의 골이 복수의 측벽에 의해 폭방향으로 상호 교호적으로 연결되어 이루어지고,
상기 미세주름핀의 복수의 측벽은 상기 입구측에서 상기 복수의 산과 상기 복수의 골에 대해 수직한 구조를 갖고 상기 출구측에서 상기 복수의 산과 상기 복수의 골에 대해 비스듬히 경사진 구조를 가지며, 상기 수직한 구조에서 경사진 구조로 상기 길이방향을 따라서 연속적으로 변화하는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 열교환판.
제1항에 있어서,
상기 미세주름핀은 상부에서 보았을 때 상기 입구측에서의 폭이 상기 출구측에서의 폭보다 작은 역사다리꼴 형상의 구조를 가지며, 상기 출구측의 폭방향으로 확장된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 열교환판.
제1항에 있어서,
상기 미세주름핀은 상기 산의 상기 골에 대한 수직 높이가 상기 입구측에서 상기 출구측으로 갈수록 작아지는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 열교환판.
제1항에 있어서,
상기 미세주름핀은 다음의 조건1, 조건2를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환판.
조건1: Ai = b×h
조건2: Ae = (b+hsinθ)×(hcosθ)
여기서, 상기 미세주름핀의 최외곽 양 사이드에 각각 배치되는 상기 측벽에서 연장된 가상의 연장선이 수렴하는 수렴점을 'O'로 하고, 상기 수렴점 'O'를 기준으로 상기 연장선 사이의 확장각도를 'θ'로 할 경우,
'Ai'는 단일의 입구측 유로의 단면적, 'Ae'는 단일의 출구측 유로의 단면적, 'b'는 산의 폭, 'h'는 측벽의 길이임.