KR20220086254A - 불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 유용가스가 유동하는 튜브; 상기 유용가스가 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하며 상기 튜브의 외부에서 유동하는 배가스와 열교환을 수행하는 열교환부; 및 상기 튜브 내부에 상기 튜브의 종축을 따라 나선 형태의 시트가 연속적으로 배치되는 삽입물;을 포함하며, 상기 삽입물은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하는 형태로 배치될 수 있다. 이를 통해 기체의 압력손실을 최소화시켜 튜브 끝까지 기체의 유동을 교란시키고 전체 열전달효율을 향상시킬 수 있다.

Description

불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기{GAS-GAS TUBE HEAT EXCHANGER INCLUDING INSERT WITH IRREGULAR PITCH}

본 발명은 불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기에 관한 것이다.

기존의 가스-가스 튜브열교환기는 폐가스의 배열회수를 통해 유용가스(useful gas)를 가열하여 에너지 절감 및 반응 효율을 상승시켰다. 튜브 외부로 흐르는 배가스(flue gas)는 연료에 포함된 분진이나 금속 부식을 일으키는 황성분 등을 포함하여 열전달 효율이 떨어지는 바, 열전달을 향상시켜야 하는 문제점이 존재 하였으며, 이를 해결하고 튜브 내부의 열전달을 촉진하기 위해 튜브 내부에 핀이나 삽입물을 장착하였다.

종래 발명은 균일한 이중 나선 형태로서 튜브 입구부터 출구까지 동일한 간격으로 이격된 나선 형태의 삽입물을 튜브열교환기 내에 설치하였다. 그러나, 종래 삽입물을 튜브 내부에 설치할 경우, 난류 강도가 증가되며 전열 성능은 증가하지만 튜브 내부에 흐르는 유용가스의 압력손실이 커져 요구되는 펌핑파워가 증가하게 되었다.

특히, 유체는 유체가 유입되는 튜브 입구에서는 입구효과로 충분한 열전달 계수를 가지지만, 유체가 튜브 내부를 지나면서 열전달이 수행되면 열경계층 성장하여 튜브 출구에서는 열전달계수는 감소하는 경향이 나타나게 되는 바, 유용가스의 압력손실이 커지면서 튜브 출구 쪽에서의 기체 유동 및 튜브 열전달에 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 열을 전달시키는 전열 성능을 향상시키면서 튜브 입구부터 출구까지 유용가스가 유동할 수 있도록 압력손실을 최소화하는 삽입물의 형상 변화가 필요하게 되었다.

(특허문헌 1) US4823865 A

본 발명은 튜브 내에 설치되어 튜브 입구부터 출구로 갈수록 피치가 점차 감소하는 삽입물을 삽입하여 가스- 가스 열교환기의 전열성능을 향상시킴과 동시에 유용가스의 압력손실을 최소화시키는, 불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기는 내부에 유용가스가 유동하는 튜브; 상기 유용가스가 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하며 상기 튜브의 외부에서 유동하는 배가스와 열교환을 수행하는 열교환부; 및 상기 튜브 내부에 상기 튜브의 종축을 따라 나선 형태의 시트가 연속적으로 배치되는 삽입물;을 포함하며, 상기 삽입물은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하는 형태로 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 삽입물은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 상기 삽입물 간의 밀도가 높아지는 형태로 배치될 수 있다.

더하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 삽입물은, 균일한 제1 피치와 제1 밀도를 가진 제1 구간과, 균일한 제2 피치와 제2 밀도를 가진 제2 구간을 포함하며, 상기 제2 피치는 제1 피치보다 작고, 상기 제2 밀도는 제1 밀도보다 높으며, 상기 삽입물에서 상기 제1 구간에서 상기 제2 구간으로 변경되는 구간의 시트는, 상기 제1 구간 시트와 상기 제2 구간 시트 사이의 시트 간 나사 각도의 차이(θ)가 있도록 배치될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 삽입물은 표면에 일정한 간격으로 형성된 복수의 딤플 또는 천공을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열교환부는, 상기 열교환부 외부에 결합된 복수의 열교환핀을 더 포함하며, 상기 튜브는, 상기 튜브의 외부에서 유동하는 배가스와 반복하여 크로스되도록 구불구불하게 배치되고, 내부에서 유동하는 유용가스가 상기 배가스의 반대방향으로 유동하는 대향류를 형성하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 삽입물은, 상기 유용가스가 유동하는 방향을 따라서 상기 삽입물을 감싸는 스프링 링을 더 포함하며, 상기 스프링 링은 상기 삽입물을 통해 상기 튜브 내벽에 타이트하게 접촉되도록 구성될 수 있고, 상기 스프링 링은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기체가 접촉되는 전열 면적을 넓히고 전열성능을 증가시켜 열전달 효율을 향상시킴과 동시에, 튜브 입구에서 출구로 흐르는 기체의 압력손실을 최소화시켜 튜브 끝까지 기체의 유동을 교란시키고 열전달계수의 레버리지 효과를 극대화하여 전체 열전달효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태가 적용되는 가스-가스 튜브열교환기의 구성 개략도를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일 피치(irregular pitch)를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기의 횡단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 타입 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기의 횡단면도이다.
도 2c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 타입 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 불균일 피치(irregular pitch)를 구비한 삽입물의 표면에 패턴을 적용한 삽입물의 사시도를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 도면부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태가 적용되는 가스-가스 튜브열교환기의 구성 개략도를 도시한 것이며, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일 피치(irregular pitch)를 구비한 삽입물(insert)이 포함된 가스-가스 튜브열교환기의 횡단면도이다.

도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기는 내부에 유용가스가 유동하는 튜브(10), 상기 유용가스가 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하며 상기 튜브(10)의 외부에서 유동하는 배가스와 열교환을 수행 열교환부(100) 및 상기 튜브(10) 내부에 상기 튜브의 종축을 따라 나선 형태의 시트가 연속적으로 배치되는 삽입물(200)을 포함하며, 상기 삽입물(200)은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하는 형태로 배치될 수 있다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 고온의 배가스(flue gas)가 열교환부(100)가 설치된 튜브(10) 외부에서 흐르며, 저온의 유용가스(process gas)가 튜브(10) 내부에서 흐른다. 즉, 유용가스가 흐르는 튜브(10)와, 배가스가 흐르는 별도의 외부 튜브가 존재하고, 상기 튜브(10)와 외부 튜브(20) 사이에 설치된 열교환기(100)를 통해서 열교환을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열교환부(100)는, 상기 열교환부(100) 외부에 결합된 복수의 열교환핀(110)을 더 포함하며, 상기 튜브(10)는, 상기 튜브(10)의 외부에서 유동하는 배가스와 반복하여 크로스되도록 구불구불하게 배치되고, 내부에서 유동하는 유용가스가 상기 배가스의 반대방향으로 유동하는 대향류를 형성하도록 구성될 수 있다.

배가스가 외부 튜브(20)의 입구(flue gas inlet)에서 출구(flue gas outlet)로 흐르며, 유용가스가 열교환부(100)가 설치된 튜브(10)의 입구(Process gas inlet)에서 출구(Process gas outlet)로 흐른다.

이때, 열교환부(100)는 튜브(10) 내에 흐르는 유용가스와 외부 튜브(20) 내에 흐르는 배가스와 열교환을 수행할 수 있도록 상기 튜브(10)와 외부 튜브(20)가 크로스되게 배치되는 구간에 배치될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 배가스와 유용가스가 열교환을 수행할 수 있는 전열 면적을 증가시키기 위해 열교환부(100)와 여러 번 크로스되도록 구불구불한 형태로 배치할 수 있다.

또한, 배가스는 튜브(10)의 좌측에서 우측으로 유동할 때, 유용가스는 우측에서 좌측으로 유동시켜 서로 반대방향으로 유동되도록 하는 대향류를 형성할 수 있다. 이를 통해 열교환 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 열교환부(100)의 외부에 복수의 열교환핀을 더 배치하여, 열교환핀(110) 사이를 통과하는 공기와 열교환 면적이 넓혀져 튜브(10)에 흐르는 배가스와의 열전달성능을 더 향상시킬 수 있다.

더하여, 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 튜브(10) 내부에 연속적으로 형성된 나선 형태의 삽입물(twisted tape insert)(200)을 배치할 수 있고, 튜브(10) 내부에서 유동하는 유용가스가 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하면, 상기 삽입물(200)은 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하는 형태로 배치될 수 있다.

삽입물(200)은 튜브(10)에 내장되어 튜브(10)에 유통되는 가스를 와류시키거나 열교환율을 증대시키도록 가스의 유통 진행상태를 일정하게 안내하는 것이다.

우선, 나선 형태인 삽입물(200)의 피치는 나선을 따라 한 점이 축 주위를 한 바퀴 돌 때의 축 방향 이동 거리이며, 본 발명의 일 예시로서, 상기 삽입물(200)은 별도의 구간 없이 제1 방향에서 제2 방향으로 갈수록 삽입물(200)의 피치를 감소시킬 수 있다.

또는, 도 2a 에 도시된 바와 같이, 삽입물(200)은 제 1 구간(Lc), 제2 구간(Lm), 제3 구간(Ld)을 포함하고, 제1 구간은 제1 피치(Pc), 제2 구간은 제2 피치(Pm), 제3 구간은 제3 피치(Pd)의 삽입물(200)이 배치될 수 있으며, Pc＞Pm＞Pd 일 수 있다.

즉, 삽입물(200)을 튜브(10) 내부에 배치할 때, 균일한 피치를 가진 일정 구간을 배치하고, 상기 구간보다 짧은 피치를 균일하게 배치한 다음 구간을 배치할 수 있다.

이는, 연소용공기, 기체연료, 공정 가스 등을 포함하는 유용가스의 높은 열저항때문에 튜브(10) 내부에 삽입물(200)을 설치하여 튜브(10) 내부의 난류 강도를 높여 전열 성능을 향상시키고, 튜브(10)의 출구에 가까워질수록 상기 삽입물(200)에 의해 압력손실이 증가하여 열전달계수가 감소하는 것을 보완하기 위해 삽입물(200)의 피치를 감소시켜 튜브(10)와 열교환부(100) 내부의 기체 유동을 교란시켜 열전달 효율이 끝가지 유지되도록 하는 것이다.

따라서, 유용가스가 유동하는 방향대로 삽입물(200)의 피치를 감소시켜 배치할 수 있다. 다만, 상기 구간의 개수는 예시적인 실시예일뿐이며 상기 실시예로 청구범위가 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 삽입물(200)은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 상기 삽입물(200) 간의 밀도가 높아지는 형태로 배치될 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 삽입물(200)은 제 1 구간(Lc), 제2 구간(Lm), 제3 구간(Ld)을 포함하고, 제1 구간은 제1 피치(Pc), 제2 구간은 제2 피치(Pm), 제3 구간은 제3 피치(Pd)의 삽입물(200)이 배치될 수 있으며, Pc＞Pm＞Pd 이며, 제1 구간(Lc), 제2 구간(Lm), 제3 구간(Ld)에 배치된 삽입물의 개수는 모두 동일하다.

따라서, 제1 구간의 밀도(Dc), 제2 구간의 밀도(Dm), 제 3 구간의 밀도(Dd)는, Dd＞Dm＞Dc로 피치의 길이와 반비례한다.

즉, 유용가스 흐름방향인 제1 방향에서 제2 방향으로 동일한 피치를 가진 삽입물의 구간의 길이도 감소하게끔 배치하여, 가스의 흐름방향으로 조밀한 피치를 형성하며, 이를 통해 열전달계수의 레버리지 효과를 극대화하여 열전달효율을 향상시킬 수 있다.

더하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 삽입물(200)의 피치의 변화가 발생하는 제1 구간(Lc)와 제2 구간(Lm) 사이, 또는 제2 구간(Lm)과 제3 구간(Ld)의 사이에 위치한 삽입물(200a, 200b)은 제1 구간(Lc)의 피치(Pc)와 제2 구간(Lm)의 피치(Pm) 또는 제2 구간(Lm)의 피치(Pm)와 제3 구간(Ld)의 피치(Pd)를 모두 구비하게 된다.

이때, 상기 삽입물(200a, 200b)의 나선형 시트간의 각도(θ')의 차이(θ)를 조절할 수 있다. 나선 형태인 삽입물의 시트 간 나사 각도는 나선의 접선과 상기 나선이 놓인 가상의 원통 축에 직각인 평면 사이의 예각을 의미한다.

예를 들어, 상기 삽입물(200a)은 제1 피치(Pc)와 제2 피치(Pm)를 가진 나선형 시트가 반씩 설치되어 있는 바, 제1 피치(Pc)를 가진 부분이 이루는 나사 각도와 제2 피치(Pm)를 가진 부분이 이루는 나사 각도의 차이를 시트 간 나사 각도를 조절할 수 있는 것이다. 즉, 제1 피치(Pc)를 가진 시트와 제2 피치(Pm)를 가진 시트의 만나는 지점에서의 나사 각도(θ')를 조절할 수 있으며, 상기 제1 피치(Pc)를 가진 시트와 제2 피치(Pm)를 가진 시트의 나사 각도의 차이(θ)를 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 θ=0°일 때, 제1 피치(Pc)와 제2 피치(Pm)를 가진 나선형 시트는 연속적으로 붙어져 있고, θ＞0°일 때, 피치가 동일하지 않은 나선형 시트는 한 점에서 만난다. 상기 각도를 조절하여 피치가 상이한 나선형 시트 사이의 간격이 조절되며 이를 이용하여 열전달 효율을 극대화할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 삽입물은, 균일한 제1 피치와 제1 밀도를 가진 제1 구간과, 균일한 제2 피치와 제2 밀도를 가진 제2 구간을 포함하며, 상기 제2 피치는 제1 피치보다 작고, 상기 제2 밀도는 제1 밀도보다 높으며, 상기 삽입물에서 상기 제1 구간에서 상기 제2 구간으로 변경되는 구간의 시트는, 상기 제1 구간 시트와 상기 제2 구간 시트 사이의 시트 간 나사 각도의 차이(θ)가 있도록 배치될 수 있다.

상술한 실시예를 통해 튜브(10)와 열교환부(100)가 입구에서 출구까지 열전달 효율을 높게 유지할 수 있으며, 전열성능이 증가될 수 있다.

또한, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 타입 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기의 횡단면도로서, 도 2b와 2c에 도시된 바와 같이, 하이브리드 타입 삽입물(insert)는 튜브(10)에 장착된 나선 형태의 삽입물(twisted tape insert)(200)을 스프링 링(spring ring)(210)이 감싸고 있는 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 나선 형태의 삽입물(200)은 튜브(10) 내벽과 스프링 링(210)을 사이에 두고 타이트하게 배치될 수 있으며, 추가로 설치된 스프링 링(210)이 튜브 벽에서 성장하는 열경계층을 억제할 수 있다.

또한, 스프링 링(210)은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 나선 형태의 삽입물(200)과 같이 유용 가스가 흐르는 제1 방향에서 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하도록, 즉, 밀도가 더 조밀하게 배치될 수 있다.

또는, 스프링 링(210)은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 비균일 피치를 구비한 나선 형태의 삽입물(200)과 달리, 피치 또는 밀도가 균일하게 배치될 수도 있다. 상술한 내용과 동일한 내용은 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다.

이와 같은 하이브리드 타입 삽입물을 통해 나선 형태의 삽입물(200)이 난류의 강도를 증가시켜 열전달을 증가시키고, 추가로 설치된 스프링 링(210)이 튜브 벽에서 성장하는 열경계층을 억제하여 열전달성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 스프링 링의 피치(또는 밀도)와 두께 등을 고려하여 열수력 선능을 더욱 강화할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 삽입물(200)은 표면에 일정한 간격으로 형성된 복수의 딤플(201) 또는 천공(202)을 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 불균일 피치(irregular insert)를 구비한 삽입물(200)의 표면에 패턴을 적용한 것을 도시한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 나선 형태의 삽입물(200) 표면에 흠이 패인 딤플(201)을 형성할 수 있으며, 또는 관통 형의 홀인 천공(202)을 형성할 수도 있다.

딤플(201) 또는 천공(202)을 통해 유용가스가 유동하며 삽입물(200)과 부딪혀 발생하는 압력손실이 증가하더라도 딤플(201) 또는 천공(202)이 압력강하를 줄여 유용가스의 난류강도를 증가시키고 열효율을 향상시킬 수 있다. 이를 통해 가스-가스 튜브 열교환기의 열수력성능을 상향시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

10: 튜브
20: 외부 튜브
100: 열교환부
200: 삽입물
210: 스프링 링
200a, 200b: 피치 또는 밀도가 변경되는 구간의 삽입물
201: 딤플
202: 천공

Claims (7)

1. 내부에 유용가스가 유동하는 튜브;
   상기 유용가스가 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하며 상기 튜브의 외부에서 유동하는 배가스와 열교환을 수행하는 열교환부; 및
   상기 튜브 내부에 상기 튜브의 종축을 따라 나선 형태의 시트가 연속적으로 배치되는 삽입물;을 포함하며,
   상기 삽입물은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하는 형태로 배치되는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 삽입물은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 상기 삽입물 간의 밀도가 높아지는 형태로 배치되는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 삽입물은, 균일한 제1 피치와 제1 밀도를 가진 제1 구간과, 균일한 제2 피치와 제2 밀도를 가진 제2 구간을 포함하며, 상기 제2 피치는 제1 피치보다 작고, 상기 제2 밀도는 제1 밀도보다 높으며,
   상기 삽입물에서 상기 제1 구간에서 상기 제2 구간으로 변경되는 구간의 시트는, 상기 제1 구간 시트와 상기 제2 구간 시트 사이의 시트 간 나사 각도의 차이(θ)가 있도록 배치되는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 삽입물은 표면에 일정한 간격으로 형성된 복수의 딤플 또는 천공을 포함하는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열교환부는,
   상기 열교환부 외부에 결합된 복수의 열교환핀을 더 포함하며,
   상기 튜브는, 상기 튜브의 외부에서 유동하는 배가스와 반복하여 크로스되도록 구불구불하게 배치되고, 내부에서 유동하는 유용가스가 상기 배가스의 반대방향으로 유동하는 대향류를 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 삽입물은, 상기 유용가스가 유동하는 방향을 따라서 상기 삽입물을 감싸는 스프링 링을 더 포함하며,
   상기 스프링 링은 상기 삽입물을 통해 상기 튜브 내벽에 타이트하게 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
7. 제6 항에 있어서,
   상기 스프링 링은, 상기 제1 방향에서 상기 제2 방향으로 갈수록 피치가 감소하도록 배치되는,
   불균일 피치를 구비한 삽입물이 포함된 가스-가스 튜브열교환기.
   
   

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