KR20220099652A

KR20220099652A - 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관, 현열과 응축열 분리형 열교환기, 및 열교환방법

Info

Publication number: KR20220099652A
Application number: KR1020210001812A
Authority: KR
Inventors: 강새별; 오정석; 이현희
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2022-07-14
Also published as: KR102515852B1

Abstract

본 발명은 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관, 현열과 응축열 분리형 열교환기, 및 열교환방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 응축열을 흡수하는 응축열교환관에 있어서, 상기 응축열교환관 표면 일측에 형성되어, 상기 응축열교환관 표면에 응축된 응축수를 흡수제거하는 친수성 패턴;을 포함하여, 응축된 물이 친수성 패턴으로 신속하게 흡수되어 표면에서 제거됨으로써, 응축효율과 열교환효율을 증대시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관에 관한 것이다.

Description

표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관, 현열과 응축열 분리형 열교환기, 및 열교환방법{Heat exchange pipe with hydrophilic pattern and Sensible heat and Latent Heat Separate type Heat exchanger}

본 발명은 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관, 현열과 응축열 분리형 열교환기, 및 열교환방법에 관한 것이다.

보일러는 밀폐된 용기 내의 열매체를 열원에 의해 가열시켜 원하는 지역을 난방하는 장치로, 연료를 연소시키는 버너와 연소된 고온의 연소가스에서 난방수로 열을 전달하는 열교환기로 구성된다.

보일러의 열교환기는 버너의 연소시 발생하는 현열만을 이용하고 고온의 연소가스는 배기덕트를 통해 그대로 배출시켜, 보일러의 열효율이 매우 낮았으며 고온의 난방수를 얻는데 오랜 시간이 소요되었다.

때문에 근래에 생산되는 보일러는 열효율을 증대시키기 위해 연소실에서 발생되는 배기가스의 현열을 흡수하고, 열교환을 마친 배기가스에 포함되어 있는 수증기의 잠열(응축열)을 흡수하여 급수를 가열하게 된다.

도 1은 종래 일반적인 보일러 열교환방식을 나타낸 열교환기(1)의 구성도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 120 ~ 150℃의 배기가스가 열교환기로 유입되고, 20℃의 급수가 열교환 튜브를 통해 유입되면 열교환기 내에서 급수가 가열되며, 하나의 열교환기 내에서 배기가스 온도가 낮아지는 현열과, 응축이 일어나는 응축 열교환이 동시에 이루어지게 된다.

그러나 이러한 방식은 하나의 열교환기 내에서 배기가스의 현열과 잠열이 동시에 이루어지게 됨으로써, 열교환 효율이 감소하게 되는 문제점이 존재하게 된다.

따라서, 현열 열교환기와 응축열 열교환기를 분리하고, 열교환이 완료된 배기가스의 출구온도를 기반으로 현열 열교환기로 공급되는 급수량과 응축열 열교환기로 공급되는 급수량의 유량 비율을 제어할 수 있는 현열, 응축열 분리형 열교환기, 열교환방법이 요구되었다.

또한 기존 응축 열교환기 내의 열교환파이프 표면에 열교환을 통해 응축된 응축수가 잔류하게 되어, 잔열(응축열)을 통한 열교환량이 감소하게 되는 문제점이 존재한다.

따라서 열교환파이프 표면에 생성된 응축수를 신속하게 탈착, 제거할 수 있는 새로운 열교환파이프의 개발이 요구되었다.

대한민국 공개특허 10-2016-0024062 대한민국 등록특허 10-1871791 대한민국 등록특허 10-1878203 대한민국 등록특허 10-1964267 대한민국 등록특허 10-1831805

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 열교환중 잠열(응축열)을 이용하여 열교환량을 크게 증대시키면서 동시에 열교환관 표면에 응축된 응축수를 신속하게 제거하여 열교환효율을 급증할 수 있는, 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 일반 재질의 열교환관 표면 또는 소수성층을 갖는 열교환관 표면에 친수성 패턴을 제작하여 응축된 물이 친수성 패턴으로 신속하게 흡수되어 표면에서 제거됨으로써, 응축효율과 열교환효율을 증대시킬 수 있는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스의 현열에 의해 가열되는 현열 열교환기와, 배기가스의 응축이 일어나는 응축 열교환기를 분리하고, 열교환이 완료된 배기가스의 출구온도를 기반으로 현열 열교환기로 공급되는 급수량과 응축열 열교환기로 공급되는 급수량의 유량 비율을 제어할 수 있으며, 현열 열교환기에는 핀-튜브 열교환관을 적용하고, 응축열 열교환기는 플랫 타입의 열교환관을 적용하여 열교환효율을 증대시킬 수 있는 현열, 응축열 분리형 열교환기, 열교환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 응축열을 흡수하는 응축열교환관에 있어서, 상기 응축열교환관 표면 일측에 형성되어, 상기 응축열교환관 표면에 응축된 응축수를 흡수제거하는 친수성 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관으로사 달성될 수 있다.

그리고 상기 응축열교환관 표면에 소수성층인 형성되고, 상기 친수성 패턴은 상기 소수성층 상에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 소수성층은 응축열교환관의 표면처리를 통해 형성되며, 상기 표면처리는, 응축열교환관 표면에 소수성물질의 증착, 소수성물질의 코팅, 실라나이징 처리 및 플라즈마 처리 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 친수성 패턴은 상기 응축열교환관의 길이방향으로 서로 특정간격 이격된 복수의 원주방향 패턴으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 친수성패턴은 상기 복수의 원주방향 패턴 사이에 연결되는 복수의 절곡패턴을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 친수성패턴은 복수의 벌집모양이 연결된 허니컴 구조로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 배기가스와 열교환되어 급수를 가열하기 위한 열교환기에 있어서, 배기가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환기 상기 현열 열교환기를 통과한 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기; 상기 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 상기 응축열을 흡수하는 앞서 언급한 제1목적에 따른 응축 열교환관; 및 상기 현열 열교환기 내에 구비되며 상기 응축열교환관을 통과한 급수가 유입, 유동되어 상기 현열을 흡수하는 현열 열교환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 현열 교환기와 상기 응축열 열교환기 사이에 구비되어 상기 현열 열교환기에서 온도가 낮아진 배기가스가 상기 응축열 열교환기로 유입되는 배기가스 연결단; 및 상기 응축 열교환관에서 응축열을 흡수한 급수가 상기 현열 열교환관으로 유입되는 연결관;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 응축열 열교환기에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 열교환 방법에 있어서, 응축열 열교환기 내에 구비된 앞서 언급한 제1목적에 따른 응축 열교환관으로 급수가 유입, 유동되며, 배기가스가 응축되며 발생되는 응축열을 흡수하여 가열되는 단계; 상기 응축 열교환관에서 가열된 급수가 현열 열교환관으로 유입되는 단계; 및 현열 열교환기 내에 구비된 현열 열교환관을 유동하며, 배기가스의 현열을 흡수하여 가열되는 단계;를 포함하고, 상기 응축열을 흡수하여 가열되는 단계에서, 응축된 응축수는 친수성 패턴 내로 흡수되어 제거되는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기를 이용한 열교환방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 배기가스와 열교환되어 급수를 가열하기 위한 열교환기에 있어서, 배기가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환기; 상기 현열 열교환기를 통과한 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기; 상기 현열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 상기 현열을 흡수하는 현열 열교환관; 상기 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 상기 응축열을 흡수하는 앞서 언급한 제1목적에 따른 응축열교환관; 및 상기 현열 열교환관 측으로 급수를 유입시키는 급수유입단과, 상기 응축 열교환관으로 급수를 유입시키는 급수 유입부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 응축열 열교환기에서 가열된 급수와, 상기 현열 열교환기에서 가열된 급수가 보일러 입구 측으로 유입되며, 상기 응축열 열교환기에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서; 상기 급수 유입부 측에 구비되어 응축 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제1유량조절부; 상기 급수 유입단 측에 구비되어 현열 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제2유량조절부; 및 상기 제1온도센서에서 측정된 값을 기반으로, 상기 제1유량조절부와 상기 제2유량조절부를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수와 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제1유량계와, 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제2유량계와, 상기 응축열 열교환기에서 가열되어 토출되는 급수의 온도를 측정하는 제2온도센서와, 상기 현열 열교환기에서 가열되어 토출되는 급수의 온도를 측정하는 제3온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서와 상기 제3온도센서와 상기 제1유량계와 상기 제2유량계에서 측정된 값을 기반으로, 상기 제1유량조절부와 상기 제2유량조절부를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수와 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제5목적은 열교환 방법에 있어서, 배기가스가 현열 열교환기 내로 유입되어 통과하면서 온도가 낮아지고, 현열 열교환기 내부에 구비된 현열 열교환관을 유동하는 급수를 가열하는 제1단계; 및 현열 열교환기에서 온도가 낮아진 배기가스가 응축열 열교환기 내로 유입되어 응축되면서 응축열을 발생시키고, 상기 응축열에 의해 응축열 열교환기 내부에 구비된 앞서 언급한 제1목적에 따른 응축열교환관을 유동하는 급수를 가열하는 제2단계;를 포함하고, 상기 제1단계에서, 급수 유입단을 통해 급수가 현열 열교환관으로 유입, 유동하며, 배기가스의 현열을 흡수, 가열되어 보일러 입구 측으로 토출되고, 상기 제2단계에서, 급수 유입부를 통해 급수가 응축 열교환관으로 유입, 유동하며, 배기가스의 응축열을 흡수, 가열되어 보일러 입구 측으로 토출되고, 응축된 응축수는 친수성 패턴 내로 흡수되어 제거되며, 상기 응축열 열교환기에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 상기 급수 유입부 측에 구비되어 응축 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제1유량조절부와, 상기 급수 유입단 측에 구비되어 현열 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제2유량조절부와, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제1유량계와, 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제2유량계를 포함하고, 제어부가 제1온도센서, 제1유량계 및 제2유량계에서 측정된 값을 기반으로, 제1유량조절부와 제2유량조절부를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수와 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기를 이용한 열교환방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관에 따르면, 열교환중 잠열(응축열)을 이용하여 열교환량을 크게 증대시키면서 동시에 열교환관 표면에 응축된 응축수를 신속하게 제거하여 열교환효율을 급증시킬 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관에 따르면, 일반 재질의 열교환관 표면 또는 소수성층을 갖는 열교환관 표면에 친수성 패턴을 제작하여 응축된 물이 친수성 패턴으로 신속하게 흡수되어 표면에서 제거됨으로써, 응축효율과 열교환효율을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한,본 발명의 실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기, 열교환방법에 따르면, 배기가스의 현열에 의해 가열되는 현열 열교환기와, 배기가스의 응축이 일어나는 응축 열교환기를 분리하고, 열교환이 완료된 배기가스의 출구온도를 기반으로 현열 열교환기로 공급되는 급수량과 응축열 열교환기로 공급되는 급수량의 유량 비율을 제어할 수 있으며, 현열 열교환기에는 핀-튜브 열교환관을 적용하고, 응축열 열교환기는 플랫 타입의 열교환관을 적용하여 열교환효율을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 보일러 열교환방식을 나타낸 열교환기 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성도,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 현열 열교환기에 적용되는 핀-튜브 열교환관의 사시도,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 응축열 열교환기에 적용되는 플랫 타입 열교환관의 사시도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 소수성층을 갖는 응축열교환관의 사시도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 소수성층을 갖는 응축열교환관의 단면도,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관의 사시도,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관의 정면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 원주형과 절곡형 친수형 패턴을 갖는 응축열교환관의 정면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 친수성 패턴을 갖는 응축 열교환관의 정면도,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성도,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 온도센서와, 유량제어부를 갖는 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성, 기능 및 열교환방법에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기(100)는 현열 열교환기(10)와 응축열 열교환기(40)가 분리된 형태를 가지며, 현열 열교환기(10) 내로 배기가스가 유입되어 배기가스의 온도가 낮아지게 되고, 현열 열교환기(10)를 통과한 배기가스는 응축열 열교환기(40)로 유입되어 응축이 일어나게 된다.

본 발명의 제1실시예에 따른 현열 열교환기(10)에서는 급수가 배기가스의 현열을 흡수하여 가열되게 된다. 즉, 현열 열교환기(10) 내에 현열 열교환관(20)이 구비되며 응축 열교환관(50)을 통과한 급수가 유입되어 유동되면서 배기가스의 현열을 흡수하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 현열 열교환관(20)은 튜브(22)에 핀(21)이 부착되어 있는 핀-튜브 타입의 열교환관이 적용된다. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 현열 열교환기에 적용되는 핀-튜브 열교환관의 사시도를 도시한 것이다. 따라서 핀-튜브 열교환관을 적용하여 배기가스와 열교환관이 열교환되는 열교환면적을 넓혀 열교환효율을 증대시킬 수 있다.

또한 현열 열교환기(10)와 응축열 열교환기(40) 사이에 배기가스 연결단이 구비되어 현열 열교환기(10)에서 온도가 낮아진 배기가스가 응축열 열교환기(40)로 유입되게 된다.

그리고 응축열 열교환기(40)는 현열 열교환기(10)를 통과한 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 급수가 흡수하도록 구성된다. 즉, 응축열 열교환기(40) 내에 응축 열교환관(50)이 구비되며 급수가 유입되어, 유동되면서 이러한 응축열을 흡수하게 된다.

또한, 응축 열교환관(50)은 플랫(flat) 타입 열교환관으로 구성되게 된다. 잠열인 응축열을 흡수하기에 적합한 플랫 타입으로 형성된 열교환관을 통해 열교환효율을 증대시킬 수 있게 된다. 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 응축열 열교환기에 적용되는 플랫 타입 열교환관의 사시도를 도시한 것이다.

그리고 응축 열교환관(50)에서 응축열을 흡수한 급수가 현열 열교환관(20)으로 유입되는 연결관(30)을 포함한다.

따라서, 급수유입부(51)를 통해 급수가 응축열 열교환기(40) 내에 구비된 응축 열교환관(50)으로 유입되게 되고, 이러한 응축 열교환관(50)을 급수가 유동하면서, 배기가스가 응축되며 발생되는 응축열을 흡수하여 가열되게 된다.

그리고 응축 열교환관(50)에서 가열된 급수는 연결관(30)을 통해 현열 열교환관(20)으로 유입되게 되고, 현열 열교환기(10) 내에 구비된 현열 열교환관(20)을 유동하며, 배기가스의 현열을 흡수하여 가열되어 보일러 입구측으로 공급되게 된다.

또한, 본 발명의 제1실시예에서 응축열 열교환기(40)의 배기가스 배출단(41) 일측에 제1온도센서(42)가 구비되어, 응축열 열교환기(40)에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고 제어부(60)는 이러한 제1온도센서(42)에서 측정된 값을 기반으로 응축 열교환관(50)의 급수유입부(51)를 통해 유입되는 급수의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 응축열 열교환기(40)를 구성하는, 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관(50)의 구성에 대해 설명하도록 한다. 종래 응축 열교환기(40) 내의 열교환관 표면에 열교환을 통해 응축된 응축수가 잔류하게 되어, 잔열(응축열)을 통한 열교환량이 감소하게 되는 문제점이 존재하였다.

본 발명의 실시예에 따른 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 열교환관(50)에 따르면, 열교환중 잠열(응축열)을 이용하여 열교환량을 크게 증대시키면서 동시에 열교환관 표면에 응축된 응축수를 신속하게 제거하여 열교환효율을 급증시킬 수 있다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 소수성층을 갖는 응축열교환관의 사시도를 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 소수성층을 갖는 응축열교환관의 단면도를 도시한 것이다.

먼저, 응축열교환관(50)의 표면에 소수성층(56)을 형성하여 응축된 물(응축수)이 표면에서 퍼지지않고 몽글, 또는 연꽃 모양과 같이 뭉치게 하여 표면에서의 탈착이 용이하도록 구성되어 응축수를 신속하게 제거되도록 구성될 수 있다.

이러한 소수성층(56)은, 응축열교환관의 표면처리를 통해 형성될 수 있다. 이러한 표면처리는, 응축열교환관(50) 표면에 소수성물질의 증착, 소수성물질의 코팅, 실라나이징 처리 및 플라즈마 처리 중 어느 하나의 방법에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 플루오린(fluorind)이 포함된 물질(CF, CF2, CF3)의 코팅, 소수성을 가지는 금속의 증착(water repelling metadeposition), 나노기공을 가지는 박막의 증착(nano-porous film deposition), 초발수 코팅(superhydrophobiccoating) 등에 의해 소수성 표면처리가 가능하게 된다.

그러나 이러한 소수성층(56)은 내구성과, 지속력이 약하다는 단점을 갖는다.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관의 사시도를 도시한 것이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관의 정면도를 도시한 것이다.

따라서 본 발명의 실시예에서는, 일반 스테인리스 스틸로 제작된 응축열교환관(50) 표면에 친수성 패턴(57)을 형성하거나, 앞서 언급한 소수성층(56)을 갖는 응축열교환관(50)에 친수성 패턴(57)을 형성하여, 응축된 물이 친수성 패턴(57)으로 신속하게 흡수되어 표면에서 제거됨으로써, 응축효율과 열교환효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이러한 친수성 패턴(57)은 일반 스테인리스 스틸로 제작된 응축열교환관(50) 표면 또는 소수성층(56)을 갖는 응축열교환관(50) 표면에 레이저를 조사하여 친수성 패턴(57)을 형성시킬 수 있다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 친수성 패턴(57)은 원주방향 패턴이 열교환관(50)의 길이방향으로 소정간격 이격된 형태로 형성되어질 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 친수성 패턴(57)은, 서로 특정간격 이격된 복수의 원주방향 패턴 사이에 복수의 절곡 패턴(∧, ∨)이 연결되도록 형성될 수 있음을 알 수 있다.

그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 친수성패턴(57)은 복수의 벌집모양이 연결된 허니컴 형상을 갖도록 형성될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 친수성 패턴(57)을 응축열교환관(50) 표면에 형성하게 됨으로써, 물과의 친수성에 의해 응축수가 쫙펴지면서 빨리 흡수되어 응축수가 신속하게 제거됨으로써, 응축이 더 많이 일어나게 되어 열교환효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기의 기능, 구성 및 열교환방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 온도센서와, 유량제어부를 갖는 현열, 응축열 분리형 열교환기의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

본 발명의 제2실시예는 앞서 언급한 제1실시예와 같이, 현열 열교환기(10)와 응축열 열교환기(40)가 별도로 구비됨에 있어서 동일하나, 급수공급수단에 의해 공급되는 급수 전체가 응축열 열교환관(50)으로 유입되는 것이 아니고, 일부는 급수 유입부(51)를 통해 응축열 열교환관(50)으로 나머지는 급수 유입단(23)을 통해 현열 열교환관(20)으로 유입되도록 구성된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 현열 열교환기(10)는 배기가스의 현열을 흡수하게 되고, 현열 열교환기(10) 내에 현열 열교환관(20)이 구비되며 급수가 급수 유입단(23)을 통해 유입, 유동되어 현열을 흡수하게 된다. 그리고 현열 교환기(10)와 응축열 열교환기(40) 사이에 배기가스 연결단이 구비되어 현열 열교환기(10)에서 온도가 낮아진 배기가스가 응축열 열교환기(40)로 유입되도록 구성된다.

또한, 응축열 열교환기(40)는 현열 열교환기(10)를 통과한 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하도록 구성되며, 응축열 열교환기(40) 내에 응축 열교환관(50)이 구비되어 급수유입부(51)를 통해 급수가 유입, 유동되어 응축열을 흡수하게 된다.

따라서 응축열 열교환기(40)에서 가열된 급수와, 현열 열교환기(10)에서 가열된 급수가 보일러 입구 측으로 공급되게 된다.

본 발명의 제2실시예에서, 응축열 열교환기(40)의 배기가스 배출단(41)에 제1온도센서(42)가 구비되어, 배출된 배기가스의 온도를 측정하도록 구성된다.

또한, 응축 열교환관(50)의 급수 유입부(51) 측에 제1유량조절부(53)가 구비되어 응축 열교환관(50)으로 유입되는 급수 유량을 조절하도록 구성된다. 그리고 현열 열교환관(20)의 급수 유입단(23) 측에 제2유량조절부(25)가 구비되어 현열 열교환관(20)으로 유입되는 급수 유량을 조절하도록 구성된다.

그리고 제어부(60)는 이러한 제1온도센서(42)에서 측정된 값을 기반으로, 제1유량조절부(53)와 제2유량조절부(25)를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 응축 열교환관(50)으로 유입되는 급수와 현열 열교환관(20)으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하도록 구성된다.

즉, 제1온도센서(42)에서 측정된 온도값을 기반으로 배기가스 온도가 가장 낮아지도록 응축 열교환관(50)으로 유입되는 급수와 현열 열교환관(20)으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하게 된다.

보다 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 응축 열교환관(50)으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제1유량계(54)와, 현열 열교환관(20)으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제2유량계(26)를 포함하여 구성될 수 있고, 또한 응축열 열교환기(40)에서 가열되어 토출되는 급수의 온도를 측정하는 제2온도센서(55)와, 현열 열교환기(10)에서 가열되어 토출되는 급수의 온도를 측정하는 제3온도센서(27)를 포함하여 구성될 수 있다.

따라서 제어부(60)는, 제1온도센서(42)와 제2온도센서(55)와 제3온도센서(27)와 제1유량계(54)와 제2유량계(26)에서 측정된 값을 기반으로, 제1유량조절부(53)와 제2유량조절부(25)를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 응축 열교환관(50)으로 유입되는 급수와 현열 열교환관(20)으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하게 된다.

그리고 제2실시예에 따른 현열 열교환관(20)은 앞서 언급한 제1실시예에서와 같이, 핀-튜브 열교환관으로 구성되고, 응축 열교환관(50)은 플랫(flat) 타입 열교환관으로 구성된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:종래 열교환기
10:현열 열교환기
20:현열 열교환관
21:핀
22:튜브
23:급수유입단
24:급수토출단
25:제2유량조절부
26:제2유량계
27:제3온도센서
30:연결관
40:응축열 열교환기
41:배기가스 배출단
42:제1온도센서
50:응축 열교환관
51:급수유입부
52:급수토출부
53:제1유량조절부
54:제1유량계
55:제2온도센서
56:소수성층
57:친수성 패턴
60:제어부
100:현열, 응축열 분리형 열교환기

Claims

배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 응축열을 흡수하는 응축열교환관에 있어서,
상기 응축열교환관 표면 일측에 형성되어, 상기 응축열교환관 표면에 응축된 응축수를 흡수제거하는 친수성 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관.
제 1항에 있어서,
상기 응축열교환관 표면에 소수성층인 형성되고, 상기 친수성 패턴은 상기 소수성층 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관.
제 2항에 있어서,
상기 소수성층은 응축열교환관의 표면처리를 통해 형성되며,
상기 표면처리는, 응축열교환관 표면에 소수성물질의 증착, 소수성물질의 코팅, 실라나이징 처리 및 플라즈마 처리 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관.
제 3항에 있어서,
상기 친수성 패턴은 상기 응축열교환관의 길이방향으로 서로 특정간격 이격된 복수의 원주방향 패턴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관.
제 4항에 있어서,
상기 친수성패턴은 상기 복수의 원주방향 패턴 사이에 연결되는 복수의 절곡패턴을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관.
제 3항에 있어서
상기 친수성패턴은 복수의 벌집모양이 연결된 허니컴 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면응축수 제거용 친수성 패턴을 갖는 응축열교환관.
배기가스와 열교환되어 급수를 가열하기 위한 열교환기에 있어서,
배기가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환기; 및
상기 현열 열교환기를 통과한 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기;
상기 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 상기 응축열을 흡수하는 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 응축 열교환관; 및
상기 현열 열교환기 내에 구비되며 상기 응축열교환관을 통과한 급수가 유입, 유동되어 상기 현열을 흡수하는 현열 열교환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기.
제 7항에 있어서,
상기 현열 교환기와 상기 응축열 열교환기 사이에 구비되어 상기 현열 열교환기에서 온도가 낮아진 배기가스가 상기 응축열 열교환기로 유입되는 배기가스 연결단; 및
상기 응축 열교환관에서 응축열을 흡수한 급수가 상기 현열 열교환관으로 유입되는 연결관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기.
제 7항에 있어서,
상기 응축열 열교환기에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서; 및
상기 온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기.
열교환 방법에 있어서,
응축열 열교환기 내에 구비된 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 응축 열교환관으로 급수가 유입, 유동되며, 배기가스가 응축되며 발생되는 응축열을 흡수하여 가열되는 단계;
상기 응축 열교환관에서 가열된 급수가 현열 열교환관으로 유입되는 단계; 및
현열 열교환기 내에 구비된 현열 열교환관을 유동하며, 배기가스의 현열을 흡수하여 가열되는 단계;를 포함하고,
상기 응축열을 흡수하여 가열되는 단계에서, 응축된 응축수는 친수성 패턴 내로 흡수되어 제거되는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기를 이용한 열교환방법.
배기가스와 열교환되어 급수를 가열하기 위한 열교환기에 있어서,
배기가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환기;
상기 현열 열교환기를 통과한 배기가스가 응축되어 발생되는 응축열을 흡수하는 응축열 열교환기;
상기 현열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 상기 현열을 흡수하는 현열 열교환관;
상기 응축열 열교환기 내에 구비되며 급수가 유입, 유동되어 상기 응축열을 흡수하는 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 응축열교환관; 및
상기 현열 열교환관 측으로 급수를 유입시키는 급수유입단과, 상기 응축 열교환관으로 급수를 유입시키는 급수 유입부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기.
제 11항에 있어서,
상기 응축열 열교환기에서 가열된 급수와, 상기 현열 열교환기에서 가열된 급수가 보일러 입구 측으로 유입되며,
상기 응축열 열교환기에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서;
상기 급수 유입부 측에 구비되어 응축 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제1유량조절부;
상기 급수 유입단 측에 구비되어 현열 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제2유량조절부; 및
상기 제1온도센서에서 측정된 값을 기반으로, 상기 제1유량조절부와 상기 제2유량조절부를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수와 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기.
제 12항에 있어서,
상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제1유량계와, 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제2유량계와, 상기 응축열 열교환기에서 가열되어 토출되는 급수의 온도를 측정하는 제2온도센서와, 상기 현열 열교환기에서 가열되어 토출되는 급수의 온도를 측정하는 제3온도센서를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 제1온도센서와 상기 제2온도센서와 상기 제3온도센서와 상기 제1유량계와 상기 제2유량계에서 측정된 값을 기반으로, 상기 제1유량조절부와 상기 제2유량조절부를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수와 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기.
열교환 방법에 있어서,
배기가스가 현열 열교환기 내로 유입되어 통과하면서 온도가 낮아지고, 현열 열교환기 내부에 구비된 현열 열교환관을 유동하는 급수를 가열하는 제1단계; 및
현열 열교환기에서 온도가 낮아진 배기가스가 응축열 열교환기 내로 유입되어 응축되면서 응축열을 발생시키고, 상기 응축열에 의해 응축열 열교환기 내부에 구비된 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 응축열교환관을 유동하는 급수를 가열하는 제2단계;를 포함하고,
상기 제1단계에서, 급수 유입단을 통해 급수가 현열 열교환관으로 유입, 유동하며, 배기가스의 현열을 흡수, 가열되어 보일러 입구 측으로 토출되고,
상기 제2단계에서, 급수 유입부를 통해 급수가 응축 열교환관으로 유입, 유동하며, 배기가스의 응축열을 흡수, 가열되어 보일러 입구 측으로 토출되고, 응축된 응축수는 친수성 패턴 내로 흡수되어 제거되며,
상기 응축열 열교환기에서 배출된 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 상기 급수 유입부 측에 구비되어 응축 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제1유량조절부와, 상기 급수 유입단 측에 구비되어 현열 열교환관으로 유입되는 급수 유량을 조절하는 제2유량조절부와, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제1유량계와, 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량을 측정하는 제2유량계를 포함하고,
제어부가 제1온도센서, 제1유량계 및 제2유량계에서 측정된 값을 기반으로, 제1유량조절부와 제2유량조절부를 제어하여, 급수공급수단에서 공급되는 전체 급수 유량에서, 상기 응축 열교환관으로 유입되는 급수와 상기 현열 열교환관으로 유입되는 급수의 유량비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 현열, 응축열 분리형 열교환기를 이용한 열교환방법.