KR20200097242A - 아우터 핀 열교환 튜브 및 그 사용방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아우터 핀 열교환 튜브 및 그 사용방법을 공개하였다. 상기 아우터 핀 열교환 튜브는 열전달 튜브(1); 열전달 튜브(1) 외측의 열교환 표면을 확장하고, 마이크로 채널을 형성하여 튜브 외부의 유체가 열전달 튜브의 축방향을 따라 역류하는 것을 제한하면서 흐름을 간섭하는 역할을 하는 아우터 핀 그룹(2); 및 열전달 튜브(1)의 외부 유체가 가로방향으로 흐르는 것을 줄이는 아우터 핀 그룹 프레임(3)을 포함하고, 열전달 튜브(1)의 외벽과 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 서로 연결되고, 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)의 축방향으로 배열되고, 아우터 핀 그룹(2)에 홀이 형성되어 있고, 복수의 아우터 핀 그룹(2)의 홀은 열전달 튜브(1)의 축 방향과 평행을 이루는 마이크로 채널을 형성하고 아우터 핀 그룹(2)의 바깥 테두리는 아우터 핀 그룹 프레임(3)과 서로 연결되어 있다.

Description

아우터 핀 열교환 튜브 및 그 사용방법
본 개시는 아우터 핀 열교환 튜브 및 그 사용방법에 관한 것으로, 효율적이고 콤팩트한 열교환기 기술분야에 속한다.
열교환기는 전력, 화공, 차량, 냉동 등 각종 공업생산에 사용되는 핵심 장치로서 그 재료 및 가공 제조원가는 전반 공정 투자에서 중요한 비중을 차지한다. 예를 들어 화력발전공장에서 보일러 및 기타 보조 열교환기는 발전소 총 투자의 약 70％정도 차지하며, 석유화공공장에서 열교환기는 총 투자의 40％ 이상을 차지한다.
최근 들어 에너지를 중심으로 하는 사회문제가 날로 돌출해지고 있으며 에너지를 절약하고, 에너지 효율을 높이고 에너지 전환 효율을 높이는 기술 등이 주목받고 있다. 특히 새로운 에너지 발전, 에너지 축적, 열병합 발전, 분포식 에너지 등 분야가 급속도로 발전하고 있다. 이러한 기술을 응용하는 과정에 효율적이고 콤팩트한 신형 열교환기가 절실하게 요구되고 있다. 종래 열교환기의 디자인 기술에 기초하여, 지속적으로 발전하는 제조 공정의 수준 및 새로운 제조기술에 따라 신형 열교환기의 발전 공간은 매우 넓다.
4세대 핵 발전, 태양열 발전, 선박 등 새로운 응용분야에서, 새로운 브레이톤 사이클 발전 방식이 사용되어 사이클 회로 중의 작동 유체가 항상 기체 또는 초 임계상태에 있으므로 기체와 기체, 기체와 초임계 유체 사이에 높은 효율의 열교환기가 요구되고 있다. 동시에 원가를 컨트롤하고 부피를 감소하기 위하여 콤팩트한 열교환기를 사용해야 한다. 그리고 작동 유체의 열전달 시스템이 액체 상태보다 훨씬 작고 사이클 효율을 보장하기 위하여 열교환기의 효능에 대한 요구가 매우 높다. 기존의 콤팩트한 열교환기, 예를 들어 확산 용접 인쇄기판형 열교환기의 원가가 매우 높은 편이다.
열교환 튜브는 각종 우수한 열교환기 디자인에 일반적으로 사용하는 열교환 부품이며, 쉘&튜브 열교환기(shell and tube heat exchanger), 튜브 플레이트 열교환기(tube plate heat exchanger), 튜브 핀 열교환기(tube fin heat exchanger), 보일러, 튜브형 가열기 등 장치에 광범위하게 응용되고 있다. 그러나, 일반적인 열교환 튜브는 효율적이고 콤팩트한 열교환기를 제조하기 적합하지 않기 때문에 디자인을 개선할 필요가 있다. 열교환 튜브의 외표면에 핀을 증가하는 것을 통해 열교환 표면을 확장하여 열전달 표면을 증가시키고 열전달 계수를 높여 열교환 성능을 높일 수 있다. 핀은 기체의 측표면에서 열전달을 강화하기 위해 일반적으로 사용하는 방법이며 외부 핀과 내부 핀을 포함한다. 가공 제조기술 및 응용측면을 고려했기 때문에, 아우터 핀 열교환 튜브는 응용하기 편리하고 원가가 낮은 편이다. 일반적인 외부 핀 튜브의 핀 평면과 튜브는 축방향에서 수직을 이루고 튜브 내부의 매질의 흐름 방향은 튜브 외부의 매질의 흐름 방향과 수직을 이룬다. 즉, 직교류 열교환이다. 온도 차(<10℃)가 작은 열교환 환경에서, 특히 기체와 기체의 작은 온도차에서의 열교환, 예를 들어 브레이톤 사이클에서의 축열기는 풀(full) 역류 열교환을 사용해야만 구현가능하다. 이를 경우, 상기 외부 핀 튜브를 사용하기 적합하지 않으므로 신형 역류 열교환하는 아우터 핀 열교환 튜브를 개발해야 한다.
현재, 풀 역류 열교환에 사용되는 아우터 핀 열교환 튜브는 아직 해당 업계에 보도된 바가 없다.
본 개시가 해결하고자 하는 기술 문제는 열교환 튜브의 열전달을 강화시켜 튜브 내부와 외부 양측 매질의 풀 역류 열교환을 구현함으로써 작은 온도차 조건에서 열교환하는 요구사항을 만족하고 가공 원가를 효과적으로 컨트롤하는 것이다.
상기 기술문제를 해결하기 위하여, 본 개시의 기술방안은 아우터 핀 열교환 튜브를 제공한다. 상기 아우터 핀 열교환 튜브는,
튜브 내부와 외부의 유체를 분리하고 대류 및 전도 방식을 통해 튜브 내부 유체와 외부의 유체 사이에 열전달이 이루어지도록 하는 열전달 튜브;
열전달 튜브의 외측의 열교환 표면을 확장하고, 마이크로 채널을 형성하여 튜브 외부의 유체가 열전달 튜브의 축방향을 따라 역류하는 것을 제한하면서 흐름을 간섭하는 역할을 하는 아우터 핀 그룹; 및
열전달 튜브의 외부 유체가 가로방향으로 흐르는 것을 줄이는 아우터 핀 그룹 프레임을 포함하고
상기 열전달 튜브의 외벽과 복수의 아우터 핀 그룹은 서로 연결되고, 복수의 아우터 핀 그룹은 열전달 튜브의 축방향으로 배열되고, 아우터 핀 그룹에 홀이 형성되어 있고, 복수의 아우터 핀 그룹의 홀은 상기 열전달 튜브의 축 방향과 평행을 이루는 마이크로 채널을 형성하고, 아우터 핀 그룹의 바깥 테두리는 아우터 핀 그룹 프레임과 서로 연결된다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹 사이는 간격을 두고 열전달 튜브의 축방향을 따라 배열된다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹 사이는 간격을 두지 않고 열전달 튜브의 축방향을 따라 배열된다.
바람직하게는, 인접한 상기 아우터 핀 그룹 사이의 거리는 5mm보다 작다.
바람직하게는, 상기 열전달 튜브는 일정한 온도 및 압력을 감당할 수 있는 금속 튜브를 사용하되, 둥근 단면 및 기타 단면의 튜브 또는 이형관(shape tube)을 포함한다.
바람직하게는, 상기 열전달 튜브 내부에 열교환을 강화하기 위한 삽입물이 설치되어 있다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹은 금속 박편 또는 금속 띠로 상기 열전달 튜브를 둘러싸여 배치된 대칭 구조이며, 상기 금속 박편 또는 금속 띠의 표면은 상기 열전달 튜브와 축 방향에서 평행을 이룬다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹의 금속 박편 또는 금속 띠의 너비는 3mm-20mm이고, 두께는 0.2mm-1mm이다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹의 구조내부는 확장된 열교환 표면 및 마이크로 채널이 형성되어 있고, 상기 아우터 핀 그룹은 상기 열전달 튜브의 축방향에서 서로 다른 핀 구조로 구획 설계되어 열교환 표면과 마이크로 채널의 사이즈를 확장한다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹 프레임은 금속 박편 또는 금속 띠로 상기 아우터 핀 그룹을 둘러싸여 배치된 완전 감싸는 구조이며, 상기 금속 박편 또는 금속 띠의 표면은 상기 열전달 튜브와 축방향에서 평행을 이룬다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹 프레임의 금속 박편 또는 금속 띠의 너비는 3mm-20mm이고, 두께는 0.5mm-1.5mm이다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 그룹 프레임의 형상은 주기적으로 배열가능한 대칭 구조이다.
본 개시는 상기 아우터 핀 열교환 튜브의 사용방법을 더 제공한다. 상기 사용방법에서 상기 아우터 핀 열교환 튜브를 소정의 규격으로 가공하여 부재로서 열교환기 내에 장착하고 튜브 내부의 유체는 열교환 튜브의 유입단으로부터 유입되어 열교환 튜브의 내측을 따라 열교환 튜브의 유출단으로 흐르되, 흐르는 과정에 열교환 튜브 내부의 유체와 열교환 튜브 내측 표면 사이에 열전달이 진행되고, 튜브 외부의 유체는 열교환기의 튜브 외부의 유체 유입단으로부터 유입되어 열교환 튜브 외측을 따라 튜브 내부의 유체와 동일한 방향으로 흐르며 열교환기의 튜브 외부의 유체 유출단으로 흐르되, 흐르는 과정에 열교환 튜브의 외부 유체와 열교환 튜브의 외측 표면, 아우터 핀 그룹 및 아우터 핀 그룹 프레임 사이에 열전달이 진행되므로 열교환 튜브, 아우터 핀 그룹 및 아우터 핀 그룹 프레임 사이에 열전도 과정이 이루어진다.
바람직하게는, 상기 아우터 핀 열교환 튜브는 유체의 유입부와 유출부에서 아우터 핀 그룹을 가공하지 않고, 상기 아우터 핀 열교환 튜브의 아우터 핀 그룹과 아우터 핀 그룹의 프레임은 열교환기의 하우징 내벽면에서 열교환기의 하우징 내벽면의 기하학적 모양에 따라 결합하는 구조로 가공된다.
바람직하게는, 상기 열교환 튜브의 튜브 내부의 유체와 튜브 외부의 유체는 역류 열교환을 진행하고, 상기 아우터 핀 그룹은 열전달 튜브의 외측 열교환 표면을 확장시키고 흐름을 간섭하며, 마이크로 채널을 형성하여 튜브 외부의 유체가 마이크로 채널을 통해 열전달 튜브의 축방향을 따라 역류하는 것을 제한한다.
종래기술에 비해, 본 개시에 따른 아우터 핀 열교환 튜브는 다음의 유익한 효과가 있다.
1. 튜브 내부와 외부의 유체 사이에 풀 역류 열교환이 이루어져 작은 온도차에서의 열전달이 가능한다.
2. 튜브 외부의 유체가 아우터 핀 그룹의 마이크로 채널구조를 흘러지날 때, 핀은 흐름을 충분히 간섭하는 역할을 하므로 대류 열전달 계수를 높인다.
3. 열교환 튜브의 축방향에 따라 상이한 아우터 핀 그룹 구조를 구획 배치하여 확장 표면적 및 마이크로 채널의 사이즈를 변경할 수 있으므로 횡단면 설계가 가변적이고 열교환기의 성능 및 제조 원가를 최적화할 수 있다.
4. 효율적이고 콤팩트한 열교환기를 제조할 수 있고 특히, 기체-기체 열교환 작업환경에 사용하기 적합하다.
아래 첨부한 도면을 참조하면 본 개시의 예시적인 실시방식을 더욱 잘 이해할 수 있다.
도 1은 실시예1에 따른 아우터 핀 열교환 튜브의 메인 개략도이다.
도 2는 실시예1에 따른 아우터 핀 열교환 튜브의 측면도이다.
도 3은 실시예2에 따른 아우터 핀 열교환 튜브의 측면도이다.
도 4는 실시예3에 따른 아우터 핀 열교환 튜브의 측면도이다.
아래 구체적인 실시예를 결합하여 본 개시를 추가 설명한다.
실시예1
도 1은 본 실시예에 따른 아우터 핀 열교환 튜브의 메인 개략도이다. 상기 아우터 핀 열교환 튜브는 아래 부재로 이루어진다.
튜브 내부와 외부의 유체를 분리하고 대류 및 전도 방식을 통해 열전달을 구현하는 열전달 튜브(1);
열전달 튜브(1)의 외측 열교환 표면을 확장하고, 마이크로 채널을 형성하여 튜브 외부의 유체가 열전달 튜브(1)의 축방향을 따라 역류하는 것을 제한하면서 흐름을 간섭하는 역할을 하는 아우터 핀 그룹(2); 및
열전달 튜브(1)의 외부 유체가 가로방향으로 흐르는 것을 줄이는 아우터 핀 그룹 프레임(3)을 포함한다.
열전달 튜브(1)의 외벽과 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 서로 연결되고, 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)의 축방향으로 배열되고， 아우터 핀 그룹(2)에 홀이 형성되어 있고, 복수의 아우터 핀 그룹(2)의 홀은 상기 열전달 튜브(1)의 축방향과 평행을 이루는 마이크로 채널을 형성하고， 아우터 핀 그룹(2)의 바깥 테두리는 아우터 핀 그룹 프레임(3)과 서로 연결되어 있다.
도 2를 결합하면, 아우터 핀 그룹(2)은 금속 박편 또는 금속 띠로 형성된 중공의 타원형 또는 타원형과 유사한 프레임 구조이다. 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)를 둘러싸여 배치되고, 아우터 핀 그룹(2)의 표면은 상기 열전달 튜브와 축방향에서 수직을 이루며, 단면은 대칭을 이루는 꽃잎 모양의 구조를 형성한다.
상기 아우터 핀 열교환 튜브의 작동 방법은 다음과 같다.
열교환기의 전체 설계에 따라 아우터 핀 열교환 튜브를 원하는 규격으로 가공하고, 상기 규격은 열전달 튜브(1)의 규격, 아우터 핀 그룹(2)이 상이한 구간에서의 규격, 아우터 핀 그룹 프레임(3)이 상이한 구간에서의 규격을 포함하고, 부재로서 열교환기(예를 들면 쉘&튜브 열교환기를 제조하기 위한 튜브 조립체)내에 장착하고, 부피가 더욱 작고 더욱 콤팩트한 열교환기를 원할 때, 상기 열전달 튜브(1), 아우터 핀 그룹(2), 아우터 핀 그룹 프레임(3)으로 이루어진 튜브 조립체 및 기타 부재로 이루어진 열교환기는 적층가공(3D프린팅)기술에 의해 직접 제조될 수 있다.
각 열전달 튜브(1)의 내부 유체는 열전달 튜브(1)의 유입단(예를 들면 쉘&튜브 열교환기의 케이스 유입부)으로부터 유입되어 열전달 튜브(1)의 내측을 따라 열전달 튜브(1)의 유출단으로 흐르되, 흐르는 과정에 열교환 튜브(1)의 내부 유체와 열교환 튜브(1) 내측 표면 사이에 대류 열전달이 진행되고, 열전달 튜브(1)의 외부 유체는 열교환기의 튜브 외부의 유체 유입단(예를 들면 쉘&튜브 열교환기의 하우징 유입부)으로부터 유입되어 열전달 튜브(1)의 외측을 따라 열전달 튜브(1)의 내부 유체와 동일한 방향으로 흐르며, 열교환기의 튜브 외부의 유체 유출단으로 흐르되, 튜브 외부의 유체는 아우터 핀 그룹(2)의 마이크로 채널을 통과하고, 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)의 외측 열교환 표면을 확장하고 흐름을 간섭하여 튜브 외부의 유체가 마이크로 채널을 통과하여 열전달 튜브를 따라 축방향으로 역류하고, 흐르는 과정에 튜브 외부의 유체와 열전달 튜브(1) 외측표면, 아우터 핀 그룹(2), 아우터 핀 그룹 프레임(3) 사이에 열전달이 진행되므로 열교환 튜브(1), 아우터 핀 그룹(2) 및 아우터 핀 그룹 프레임(3) 사이에 열전도 과정이 이루어진다.
실시예2
본 실시예는 실시예1과 대체로 동일하다. 구별된 점이라면 아우터 핀 그룹(2)이 금속 박편 또는 금속 띠로 형성된 중공의 직사각형 프레임 구조라는 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)를 둘러싸여 배치되고, 아우터 핀 그룹(2)의 표면은 상기 열전달 튜브와 축방향에서 수직을 이루어 대칭되는 구조를 형성한다.
실시예3
본 실시예는 실시예1과 대체로 동일하다. 구별된 점이라면 아우터 핀 그룹(2)이 금속 박편 또는 금속 띠로 제조되어 복수의 중공의 둥근 링이 순차적으로 연결된 막대형상의 구조라는 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)를 둘러싸여 배치되어, 아우터 핀 그룹(2)의 표면이 상기 열전달 튜브와 축방향에서 수직을 이루어 대칭 구조를 형성한다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 본 개시에 대해 형식적으로나 실질적으로 한정하지 않는다. 여기서 명시해야 할 것은, 그 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 본 개시 방법의 기초하에 여러 가지 개진 및 수정을 진행할 수 있으며 이러한 개진 및 수정 또한 본 개시의 보호범위에 속하는 것으로 간주한다. 본 기술분야에 대해 잘 아는 사람이 본 개시의 정신 및 범위 내에서 위에 개시된 기술내용을 이용하여 실시한 부분 변동, 수식 및 변경과 동등한 변화는 모두 본 개시와 동등한 실시예에 속한다. 동시에, 본 개시의 실질적인 기술을 이용하여 상기 실시예에 대해 진행한 임의의 동등한 변화에 해당되는 변동, 수식 및 변경은 모두 본 개시의 기술방안의 보호범위에 속한다.
1: 열전달 튜브
2: 아우터 핀 그룹
3: 아우터 핀 그룹 프레임

Claims (10)

  1. 튜브 내부와 외부의 유체를 분리하고 대류 및 전도 방식을 통해 튜브 내부 유체와 외부 유체 사이에 열전달이 이루어지도록 하는 열전달 튜브(1);
    열전달 튜브(1)의 외측 열교환 표면을 확장하고, 마이크로 채널을 형성하여 튜브 외부의 유체가 열전달 튜브(1)의 축방향을 따라 역류하는 것을 제한하되, 흐름을 간섭하는 역할을 하는 아우터 핀 그룹(2); 및
    열전달 튜브(1)의 외부 유체가 가로방향으로 흐르는 것을 줄이는 아우터 핀 그룹 프레임(3)을 포함하고;
    상기 열전달 튜브(1)의 외벽과 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 서로 연결되고, 복수의 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)의 축방향으로 배열되고, 아우터 핀 그룹(2)에 홀이 형성되어 있고, 복수의 아우터 핀 그룹(2)의 홀은 상기 열전달 튜브(1)의 축 방향과 평행을 이루는 마이크로 채널을 형성하고, 아우터 핀 그룹(2)의 바깥 테두리는 아우터 핀 그룹 프레임(3)과 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 튜브(1)는 금속 튜브인 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 튜브(1) 내부에 열교환을 강화하기 위한 삽입물이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 핀 그룹(2)은 금속 박편 또는 금속 띠로 상기 열전달 튜브(1)를 둘러싸여 배치된 대칭 구조이며, 상기 금속 박편 또는 금속 띠의 표면은 상기 열전달 튜브(1)와 축 방향에서 평행을 이루는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  5. 제1항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 상기 아우터 핀 그룹(2) 사이의 거리는 5mm보다 작으며, 상기 아우터 핀 그룹(2)은 상기 열전달 튜브(1)의 축방향을 따라 서로 다른 핀 구조로 구획 설계되어 열교환 표면과 마이크로 채널의 사이즈를 확장하는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 핀 그룹 프레임(3)은 금속 박편 또는 금속 띠로 상기 아우터 핀 그룹(2)을 둘러싸여 배치된 완전 감싸는 구조이며, 상기 금속 박편 또는 금속 띠의 표면은 상기 열전달 튜브(1)와 축방향에서 평행을 이루는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 아우터 핀 그룹 프레임(3)의 형상은 주기적으로 배열 가능한 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 아우터 핀 열교환 튜브의 사용방법에 있어서,
    상기 아우터 핀 열교환 튜브를 소정의 규격으로 가공하여 부재로서 열교환기 내에 장착하고; 튜브 내부의 유체는 열교환 튜브(1)의 유입단으로부터 유입되어 열교환 튜브(1)의 내측을 따라 열교환 튜브(1)의 유출단으로 흐르되, 흐르는 과정에 열교환 튜브(1) 내부의 유체와 열교환 튜브(1) 내측 표면 사이에 열전달이 진행되고; 튜브 외부의 유체는 열교환기의 튜브 외부의 유체 유입단으로부터 유입되어 열교환 튜브(1) 외측을 따라 튜브 내부의 유체와 동일한 방향으로 흐르며, 열교환기의 튜브 외부의 유체 유출단으로 흐르되, 흐르는 과정에 열교환 튜브(1)의 외부 유체와 열교환 튜브(1)의 외측표면, 아우터 핀 그룹(2) 및 아우터 핀 그룹 프레임(3) 사이에 열전달이 진행되므로 열교환 튜브(1), 아우터 핀 그룹(2) 및 아우터 핀 그룹 프레임(3) 사이에 열전도 과정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브의 사용방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 아우터 핀 열교환 튜브는 유체의 유입부와 유출부에서 아우터 핀 그룹(2)을 가공하지 않고, 상기 아우터 핀 열교환 튜브의 아우터 핀 그룹(2)과 아우터 핀 그룹 프레임(3)은 열교환기의 하우징 내벽면에서 열교환기의 하우징 내벽면의 기하학적 모양에 따라 결합하는 구조로 가공되는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브의 사용방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열교환 튜브(1)의 튜브 내부의 유체와 튜브 외부의 유체는 역류 열교환을 진행하고, 상기 아우터 핀 그룹(2)은 열전달 튜브(1)의 외측 열교환 표면을 확장시키고 흐름을 간섭하며, 마이크로 채널을 형성하여 튜브 외부의 유체가 마이크로 채널을 통해 열전달 튜브(1)의 축방향을 따라 역류하는 것을 제한하는 것을 특징으로 하는 아우터 핀 열교환 튜브의 사용방법.
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