KR20220006676A - 열교환용 연관 및 연관형 열교환기 - Google Patents

열교환용 연관 및 연관형 열교환기 Download PDF

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heat exchange
baffle
coupled
heat exchanger
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류현욱
여창훈
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대성쎌틱에너시스 주식회사
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Abstract

열교환용 연관 및 연관형 열교환기가 개시된다. 내부에 연소가스가 공급되어 열교환시키는 상기 열교환용 연관은, 내부에 상기 연소가스가 통과되도록 중공부를 가지고 양단부가 개구되어 있으며, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 관 형상을 가지는 튜브관 및 상기 튜브관의 내부의 중공부에 결합되고, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 판 형상을 가지는 배플을 구비하고, 상기 배플은 상기 튜브관의 나선형과 동일한 형상의 나선형으로 굴곡진 형상을 가질 수 있다.

Description

열교환용 연관 및 연관형 열교환기{heat exchange tube and heat exchanger having the same}
본 발명은 열교환용 연관 및 연관형 열교환기에 관한 것으로, 특히 나선형 구조의 튜브관에 동일한 나선형 구조의 판형 배플을 삽입하여 연소 부하를 낮추고 전열면적 및 난류유동을 증가시켜 열교환 효율을 높인 열교환용 연관 및 연관형 열교환기에 관한 것이다.
종래의 열교환기는 크게 수관형 열교환기와 연관형 열교환기로 구분할 수 있다. 수관형 열교환기는 다수의 수관을 형성하고 수관 속의 물을 물 밖에서 가열하는 방식으로, 핀튜브(fin-tube) 타입 또는 튜브를 수관코일로 구성하여 코일 가운데 버너가 배치된 시스템이 대표적으로 사용되어 왔다. 또한 연관형 열교환기는 가느다란 관을 다수 배관하고 그 속으로 열가스를 통하게 하여 관의 바깥쪽에 있는 물을 가열하는 방식이다. 예를 들어, 연관형 열교환기의 경우 대한민국 등록실용신안 제0132787호(1998.01.01. 공개) 등에 개시되어 있다. 이러한 연관형 열교환기는 자체의 부피를 줄여 동일 전열면적 대비 관수용량을 증대시키거나 또는 동일한 부피의 열교환기에 저장되는 축열량을 증대시켜야 한다. 그러나 종래에는 상기 연관이 단순한 원통형으로 형성됨으로써 많은 양의 물을 단시간에 가열 하는데 문제점이 있고, 원통형의 상기 연관은 연소가스가 단시간에 연관 내부를 빠져나가기 때문에 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나선형 구조의 튜브관에 동일한 나선형 구조의 판형 배플을 삽입하여 연소 부하를 낮추고 전열면적 및 난류유동을 증가시켜 열교환 효율을 높인 열교환용 연관을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 열교환용 연관을 포함하는 연관형 열교환기를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 내부에 연소가스가 공급되어 열교환시키는 열교환용 연관은, 내부에 상기 연소가스가 통과되도록 중공부를 가지고 양단부가 개구되어 있으며, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 관 형상을 가지는 튜브관 및 상기 튜브관의 내부의 중공부에 결합되고, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 판 형상을 가지는 배플을 구비하고, 상기 배플은 상기 튜브관의 나선형과 동일한 형상의 나선형으로 굴곡진 형상을 가질 수 있다.
상기 튜브관과 상기 배플은 열전도성 재질로 이루어져 있고, 상기 배플은 판 형상의 양측 가장자리면이 상기 튜브관의 내측면에 접하면서 상기 튜브관에 결합될 수 있다.
상기 배플은, 상기 중공부의 공간이 독립적으로 나누어지도록 상기 튜브관의 중공부의 중앙에 삽입되어 상기 튜브관에 결합될 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연관형 열교환기는, 유체가 유입 및 배출되는 외부 자켓, 상기 외부 자켓의 내측에 결합되고 버너의 연소가 이루어지는 연소실, 상기 연소실에서 발생된 연소가스가 내부로 공급되어 유동하면서 상기 유체와 열교환되도록 하는 복수의 열교환용 연관들 및 상기 유체의 이동경로가 변경되도록 상기 열교환용 연관들 사이에 결합되는 복수의 유동가이드들을 구비하고, 상기 열교환용 연관은 내부에 상기 연소가스가 통과되도록 중공부를 가지고 양단부가 개구되어 있으며, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 관 형상을 가지는 튜브관 및 상기 튜브관의 내부의 중공부에 결합되고, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 판 형상을 가지는 배플을 구비하고, 상기 배플은 상기 튜브관의 나선형과 동일한 나선형으로 굴곡진 형상을 가질 수 있다.
상기 복수의 열교환용 연관들은 수직방향으로 배치되고, 상기 복수의 유동가이드들은 상기 열교환용 연관들이 삽입되는 복수의 관통홀들을 가지는 판 형상이고 수직방향으로 이격되어 상기 열교환용 연관들과 결합될 수 있다.
상기 유동가이드들은, 중앙에 상기 유체의 유동을 위한 개구부가 형성되고, 판 형상의 가장자리면이 상기 외부 자켓의 내측면에 접하면서 결합되는 제 1 유동가이드 및 중앙이 막혀있고, 판 형상의 가장자리면이 상기 외부 자켓의 내측면과 이격되어 결합되는 제 2 유동가이드를 포함하고, 상기 제 1 유동가이드와 상기 제 2 유동가이드가 번갈아가면서 이격되어 상기 열교환용 연관들과 결합될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 열교환용 연관 및 연관형 열교환기는 나선형 구조의 튜브관에 동일한 나선형 구조의 판형 배플을 삽입하여 열전달 면적을 최대화하면서 연소가스의 유동에 의하여 열전달 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의할 경우 연소가스와 유체가 접촉하는 면적이 커지고 연소가스의 유동성을 높일 수 있으므로 작은 팬으로 연소가스를 이동시켜도 높은 열교환 효율을 얻을 수 있어 연소 부하를 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 열교환용 연관 및 연관형 열교환기는 나선형 구조의 튜브관과 나선형 구조의 판형 배플이 서로 접하고 있으므로 튜브관과 배플 사이에 직접 접촉에 의한 열전달이 일어나게 되어 튜브관과 상기 유체 사이의 열전달 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 열교환용 연관을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 열교관용 연관에 삽입되는 배플을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 열교환용 연관의 단면 및 연소가스의 흐름을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 일 실시예에 따른 연관형 열교환기의 도면이다.
도 5는 도 4의 연관형 열교환기에서 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 열교환용 연관(100)을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 열교관용 연관(100)에 삽입되는 배플(130)을 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 열교환용 연관(100)의 단면 및 연소가스의 흐름을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 열교환용 연관(100)은 연관형 열교환기에 사용되는 것으로, 내부에 연소가스가 공급되고 외부면이 유체와 접촉하여 열교환이 일어나도록 할 수 있다. 열교환용 연관(100)은 튜브관(110) 및 배플(130)을 구비할 수 있다. 튜브관(110)은 내부에 상기 연소가스가 통과되도록 중공부를 가지고 양단부가 개구되어 있으며, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 관 형상을 가질 수 있다. 즉, 튜브관(110)은 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이, 길이방향의 면이 나선형으로 굴곡진 형상을 가지고 있으며, 나선형 관 또는 트위스트(twist)형 관의 형상을 가지고 있다. 이하에서 길이방향은 관의 양단의 개구된 부분 사이의 방향을 의미하며, 도 1 및 도 3의 경우 상하방향 또는 수직방향을 의미한다. 튜브관(110)은 내주면과 외주면이 모두 굴곡진 형상을 가지고 있으며, 외주면이 굴곡진 형상을 가짐으로써 유체와의 접촉면적을 높여 상기 연소가스와 상기 유체 간의 열교환 효율을 높일 수 있다. 또한, 튜브관(110)의 내주면도 굴곡진 형상을 가짐으로써 상기 연소가스가 직선방향으로 빠르게 이동하지 않고 상기 굴곡진 면에 부딪히면서 유동적으로 이동하게 되므로 열교환 효율을 높일 수 있다. 튜브관(110)은 열전달이 가능한 열전도성 물질로 이루어져 있으며, 예를 들어 스텐레스 등의 재질일 수 있다.
배플(130)은 튜브관(110)의 내부의 중공부에 결합되고, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 판 형상을 가질 수 있다. 배플(130)은 튜브관(110)의 길이 방향과 동일한 길이 방향으로 나선형으로 굴곡이 형성되어 있고, 일자형 판이 나선형으로 뒤틀려있는 구조를 가질 수 있다. 또한, 배플(130)은 튜브관(110)의 나선형과 동일한 형상의 나선형으로 굴곡져 있을 수 있다. 즉, 배플(130)은 튜브관(110)과 동일한 피치의 나선형 굴곡이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 배플(130)을 튜브관(110)의 개부된 일 단부를 통해 돌리면서 삽입하는 경우, 배플(130)과 튜브관(110)은 동일한 나선형으로 굴곡져 있으므로 튜브관(110)의 내부의 중공부에 배플(130)이 삽입되어 결합될 수 있다. 배플(130)이 튜브관(110)의 중공부에 결합되는 경우, 배플(130)은 상기 중공부의 중앙에 삽입되어 결합될 수 있다. 이와 같이, 배플(130)이 튜브관(110)의 중공부에 삽입됨으로써 튜브관(110)의 내부를 이동하는 연소가스는 튜브관(110)의 굴곡진 면 뿐 아니라 배플(130)에도 부딪히면서 더욱 유동적으로 이동하게 되므로 열교환 효율을 더욱 높일 수 있다. 배플(130)은 튜브관(110)과 마찬가지로 열전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 스텐레스 재질 등일 수 있다.
배플(130)은 판 형상의 양측 가장자리면이 튜브관(110)의 내측면에 접하면서 튜브관(110)에 결합될 수 있다. 즉, 배플(130)과 튜브관(110)은 동일한 나선형으로 굴곡져 있으므로, 배플(130)의 폭과 튜브관(110)의 중공부의 폭을 동일하게 함으로써 배플(130)의 양측 가장자리면이 튜브관(110)의 내측면에 접할 수 있다. 이 경우, 연소가스가 이동하면서 열을 전달받은 배플(130)이 튜브관(110)과 접촉된 부분을 통해 튜브관(110)으로 직접 열을 전달해 줌으로써, 튜브관(110)의 열전달 능력을 더 높일 수 있어 상기 유체와의 열교환 효율을 더 높일 수 있다. 또한, 배플(130)은 튜브관(110)의 중공부의 공간이 독립적으로 나누어지도록 튜브관(110)의 중공부의 중앙에 삽입되어 튜브관(110)에 결합될 수 있다. 이 경우, 튜브관(110)의 중공부는 배플(130)에 의하여 독립된 공간으로 구분되고 각각의 공간에서 연소가스가 이동하면서 열교환이 일어나기 때문에, 열교환 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 일 실시예에 따른 연관형 열교환기(400)의 도면이고, 도 5는 도 4의 연관형 열교환기(400)에서 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 연관형 열교환기(400)는 외부 자켓(410), 연소실(420), 복수의 열교환용 연관(100)들, 복수의 유동가이드들(430_1, 430_2, 430_3), 상부 튜브시트(440), 하부 튜브시트(450) 및 지지대(460)를 구비할 수 있다.
외부 자켓(410)은 연관형 열교환기의 외부 프레임에 해당하는 것으로, 상기 유체가 유입 및 배출되는 공간이다. 외부 자켓(410)의 내측에는 버너의 연소가 이루어지는 연소실(420)이 결합될 수 있다. 도 4의 경우 하향 연소방식이므로 연소실(420)의 하부의 상부 튜브시트(440)와 하부 튜브시트(450) 사이에 복수의 열교환용 연관(100)들이 수직방향으로 결합될 수 있다. 열교환용 연관(100)은 연소실(420)에서 발생된 연소가스가 내부로 공급되어 유동하면서 상기 유체와 열교환되도록 하는 것으로, 앞서 도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 같이 튜브관(110) 및 배플(130)이 결합된 형상을 가지고 있다. 열교환용 연관(100)의 구조 및 형상에 대하여는 도 1 내지 도 3과 관련하여 상세하게 설명하였으므로, 이하 중복되는 설명은 도 1 내지 도 3의 설명으로 대체한다.
복수의 유동가이드들(430_1, 430_2, 430_3)은 복수의 열교환용 연관(100)들 사이에 결합되어 상기 유체의 이동경로가 변경되도록 할 수 있다. 복수의 유동가이드들(430_1, 430_2, 430_3)은 열교환용 연관(100)들이 삽입되는 복수의 관통홀들을 가지는 판 형상이고 수직방향으로 이격되어 열교환용 연관(100)들과 결합될 수 있다. 즉, 복수의 유동가이드들(430_1, 430_2, 430_3)에 형성된 관통홀들에 열교환용 연관(100)이 삽입되어 결합 고정될 수 있다. 그리고 유동가이드들(430_1, 430_2, 430_3)은 지지대(460)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 유동가이드들은 형상에 따라 제 1 유동가이드 및 제 2 유동가이드로 구분될 수 있다. 상기 제 1 유동가이드는 중앙에 상기 유체의 유동을 위한 개구부가 형성되고, 판 형상의 가장자리면이 외부 자켓(410)의 내측면에 접하면서 결합될 수 있다. 상기 제 2 유동가이드는 중앙이 막혀있고, 판 형상의 가장자리면이 외부 자켓(410)의 내측면과 이격되어 결합될 수 있다. 상기 제 1 유동가이드와 상기 제 2 유동가이드는 하나씩 번갈아 가면서 이격되어 열교환용 연관(100)들과 결합됨으로써 유체의 이동 경로를 바꾸어줄 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5의 실시예는 430_1 및 430_2는 상기 제 1 유동가이드이고 430_2는 상기 제 2 유동가이드인 경우를 도시하고 있다. 이와 같이 상기 제 1 유동가이드와 상기 제 2 유동가이드를 번갈아 이격되어 위치하도록 함으로써, 도 5에 도시된 것과 같이 유체가 상기 제 1 유동가이드의 중앙을 통해 위로 이동하고 상기 제 2 유동가이드의 측면을 통해 위로 이동하도록 함으로써 유체가 경로를 인위적으로 변경시킬 수 있어 열교환 효율을 높일 수 있다. 다만, 상기 제 1 유동가이드 및 상기 제 2 유동가이드가 도 4 및 도 5의 실시예와 같은 순서로 결합되어야 하는 것은 아니며, 상기 제 1 유동가이드와 상기 제 2 유동가이드가 번갈아 가면서 이격되어 열교환용 연관(100)들과 결합된다면 다른 형상을 가지면서 결합될 수도 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 내부에 연소가스가 공급되어 열교환시키는 열교환용 연관에 있어서,
    내부에 상기 연소가스가 통과되도록 중공부를 가지고 양단부가 개구되어 있으며, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 관 형상을 가지는 튜브관; 및
    상기 튜브관의 내부의 중공부에 결합되고, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 판 형상을 가지는 배플을 구비하고,
    상기 배플은,
    상기 튜브관의 나선형과 동일한 형상의 나선형으로 굴곡진 것을 특징으로 하는 열교환용 연관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 튜브관과 상기 배플은,
    열전도성 재질로 이루어져 있고,
    상기 배플은,
    판 형상의 양측 가장자리면이 상기 튜브관의 내측면에 접하면서 상기 튜브관에 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환용 연관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배플은,
    상기 중공부의 공간이 독립적으로 나누어지도록 상기 튜브관의 중공부의 중앙에 삽입되어 상기 튜브관에 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환용 연관.
  4. 유체가 유입 및 배출되는 외부 자켓;
    상기 외부 자켓의 내측에 결합되고 버너의 연소가 이루어지는 연소실;
    상기 연소실에서 발생된 연소가스가 내부로 공급되어 유동하면서 상기 유체와 열교환되도록 하는 복수의 열교환용 연관들; 및
    상기 유체의 이동경로가 변경되도록 상기 열교환용 연관들 사이에 결합되는 복수의 유동가이드들을 구비하고,
    상기 열교환용 연관은,
    내부에 상기 연소가스가 통과되도록 중공부를 가지고 양단부가 개구되어 있으며, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 관 형상을 가지는 튜브관; 및
    상기 튜브관의 내부의 중공부에 결합되고, 길이 방향으로 나선형으로 굴곡진 판 형상을 가지는 배플을 구비하고,
    상기 배플은,
    상기 튜브관의 나선형과 동일한 나선형으로 굴곡진 것을 특징으로 하는 연관형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 튜브관과 상기 배플은,
    열전도성 물질로 이루어져 있고,
    상기 배플은,
    판 형상의 양측 가장자리면이 상기 튜브관의 내측면에 접하면서 상기 튜브관에 결합되는 것을 특징으로 하는 연관형 열교환기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 배플은,
    상기 중공부의 공간이 독립적으로 나누어지도록 상기 튜브관의 중공부의 중앙에 삽입되어 상기 튜브관에 결합되는 것을 특징으로 하는 연관형 열교환기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 복수의 열교환용 연관들은,
    수직방향으로 배치되고,
    상기 복수의 유동가이드들은,
    상기 열교환용 연관들이 삽입되는 복수의 관통홀들을 가지는 판 형상이고 수직방향으로 이격되어 상기 열교환용 연관들과 결합되는 것을 특징으로 하는 연관형 열교환기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유동가이드들은,
    중앙에 상기 유체의 유동을 위한 개구부가 형성되고, 판 형상의 가장자리면이 상기 외부 자켓의 내측면에 접하면서 결합되는 제 1 유동가이드; 및
    중앙이 막혀있고, 판 형상의 가장자리면이 상기 외부 자켓의 내측면과 이격되어 결합되는 제 2 유동가이드를 포함하고,
    상기 제 1 유동가이드와 상기 제 2 유동가이드가 번갈아가면서 이격되어 상기 열교환용 연관들과 결합되는 것을 특징으로 하는 연관형 열교환기.
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