KR20240082926A - 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기 - Google Patents

하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기 Download PDF

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김명배
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Abstract

본 명세서에 개시된 기술은 열교환기의 전열면에 배치된 복수의 돌출부의 표면에 생성된 기포를 수직 토출시킴으로써 전열면의 증기막의 생성을 억제하도록 구성된 열교환기에 관한 것으로, 제 1 유체가 유동하도록 구성된 제 1 유로, 제 2 유체가 제 1 유체와 반대 방향으로 유동하도록 구성된 제 2 유로 및 제 1 유체에 제 2 유체로부터 발생된 열을 전달하여 비등이 발생하도록 구성된 전열면을 포함하고, 전열면은 제 1 유체의 유동 방향에 대해 일정 거리 횡단하여 제 1 유로 내로 돌출된 복수의 돌출부가 배열되는 것을 특징으로 하는 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기를 제공하는 것이다.

Description

하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기{Heat exchanger using hypervapotron}
본 명세서에 개시된 기술은 하이퍼베이퍼트론(hypervapotron)을 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 열교환기의 전열면에 배치된 복수의 돌출부의 표면에 생성된 기포를 수직 토출시킴으로써 전열면의 증기막의 생성을 억제하도록 구성된 열교환기에 관한 것이다.
유체 사이에 전열면을 개재하여 가열하는 경우, 유체의 온도가 높아져 포화온도에 달하면 전열면에서 증기포가 발생하는 것을 핵비등(Nucleate boiling)이라고 하는데, 이러한 핵비등 영역에서는 전열면의 온도가 증가할수록 열유속도가 증가하여 열전달 효율이 증가하게 된다. 다만, 핵비등 상태에서 열부하가 점차적으로 증가됨에 따라 기포가 토출되지 못하는 핵비등 한계에 이르고, 이 후 증기막(vapor film)이 생성되는 막비등(film boiling) 상태가 되면, 핵비등 상태에 비해 전열의 특성이 미미해지게 된다.
이러한 원리는 유체의 냉각 또는 유체의 온도를 높이는 난방의 목적으로 서로 다른 유체의 열을 교환할 수 있도록 사용되는 열교환기에서도 마찬가지로 적용되는 바, 열교환기의 전열면이 높은 온도에 이르는 경우 증기막의 생성과 같은 문제점이 발생되므로, 이러한 문제점을 해결하고자 본 출원인은 하이퍼베이퍼트론의 원리를 열교환기에 접목시켜 열 교환 시 높은 표면 온도에서도 열전달 효율을 증대시킬 수 있는 연구를 도모하고자 하였다.
본 발명은 전술한 문제 및 이와 연관된 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 예시적 목적은, 하이퍼베이퍼트론의 원리를 이용한 열교환기를 제공하는 것이다.
본 명세서의 일 예시적 목적은, 전열면의 증기막의 생성을 억제하여 열전달 효율을 증대시킨 열교환기를 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기는 제 1 유체가 유동하도록 구성된 제 1 유로, 제 2 유체가 제 1 유체와 상반된 방향으로 유동하도록 구성된 제 2 유로 및 제 1 유체에 제 2 유체로부터 발생된 열을 전달하여 비등이 발생하도록 구성된 전열면을 포함하고, 전열면은 제 1 유체의 유동 방향에 대해 일정 거리 횡단하여 제 1 유로 내로 돌출된 복수의 돌출부가 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 제 1, 2 유로는 각각 1 이상의 평판형 유로인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 제 1, 2 유로는 각각 1 이상의 원판형 유로인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 전열면은 세라믹 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 전열면은 제 1 유로 내 적어도 일부의 표면에서 기포가 발생되는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 전열면은 적어도 돌출부 사이의 홈부에서 기포가 발생되는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 돌출부는 기포가 전열면에 수직 방향으로 토출되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 돌출부 및 홈부는 제 1 유체의 유동 방향에 대해 일렬로 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 돌출부는 제 1 유체의 유동 방향에 직교하도록 구성된 횡형핀(transverse fin)인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 돌출부는 나선형 핀 또는 톱니형 핀인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 일정 거리는 제 1 유로의 단면적의 길이에 상응하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기는 제 1, 2 유체의 온도를 제어하도록 구성된 제어부를 더 포함한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기의 제어부는 제 1 유체의 핵비등(Nucleate boiling) 상태를 유지하도록 제1, 2 유체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기는 아래와 같은 효과를 가진다.
본 발명에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기는 전열면의 증기막의 생성을 억제시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명은 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기는 극저온 유체뿐 아니라 모든 액체의 열교환에 활용이 가능하다.
다만, 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1는 종래 기술에 따른 증기막이 생성된 열교환기를 간략하게 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 비등곡선을 간략하게 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 하이퍼베이퍼트론의 원리를 간략하게 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 평판형의 열교환기를 간략하게 나타낸 것이다.
도 5a, 5b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 원통형의 열교환기를 간략하게 나타낸 것이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 돌출부를 간략하게 나타낸 것이다.
본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
이하, 바람직한 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기를 상세히 설명하도록 한다.
도 1는 종래 기술에 따른 증기막이 생성된 열교환기를 간략하게 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 비등곡선을 간략하게 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 열교환기는 유체의 유동방향과 나란한 구조를 갖는 복수의 핀(fin)이 배열된 전열면 또는 평탄한 구조의 전열면으로 구성된다. 이와 같은 경우, 전열면의 온도가 매우 높아 액체의 온도와의 차가 커질 때 기포가 액체 중으로 토출되지 못하고 기포로 덮어진 상태인 증기막이 형성되게 된다. 즉, 도 2의 그래프 상 기포가 발생하는 지점부터 핵비등 상태이며, 핵비등 상태에서는 온도가 높아질수록 열전달 계수도 커지게 되나, 온도가 높아질수록 기포의 발생 속도도 커지며, 결국 도 1과 같은 종래기술의 경우, 핵비등 한계 지점을 지나면서 급격하게 열전달 계수가 작아지게 되는 문제점이 발생한다.
전열면에서의 기포 발생 위치 및 수는 전열면의 거칠음 정도 및 열유속도에 따라 다르며, 전열면이 거칠수록 많은 기포가 발생하게 된다. 이에 전열면이 보다 거칠도록 구성하여 기포가 액체 중으로 토출될 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 일 실시예에 의한 하이포베이퍼트론의 원리를 나타낸 도 3을 참조하여 설명한다.
cold-side의 과냉 유체 쪽으로 돌출된 전열면이 hot-side로부터 열을 받은 후(a), 비등점에 이르러 돌출된 전열면의 표면에 기포가 병합되고(b), 지속적으로 가해진 열에 의해 온도가 높아진 후 기포의 크기가 증대되어 유동중인 과냉 유체와 맞닿게 되면서(c), 온도 차에 의해 역류(counter flow)가 발생된다(d). 이로 인해, 전열면에 수직 방향으로 기포가 토출 및 응축과정이 발생하여(e) 도 1에 도시된 종래기술과 같이 전열면에 증기막이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로써 높은 표면온도에서도 열전달 계수를 증가시켜 열전달 효율을 증대시킬 수 있는 효과를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 하이퍼베이퍼트론 원리를 이용한 열교환기로서, 극저온 유체와 같은 제 1 유체가 유동하도록 구성된 제 1 유로와 고온의 제 2 유체가 유동하도록 구성된 제 2 유로를 포함하고, 제 1 유체에 제 2 유체로부터 발생된 열을 전달하도록 구성된 전열면을 포함할 수 있다.
제 1 유체는 제 2 유체로부터 전달되는 열에 의해 비등 상태가 될 수 있는 상변화가 가능한 액체에 해당하며, 극저온 유체일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
전열면은 복수의 돌출부 및 홈부를 포함할 수 있으며, 돌출부는 제 1 유체의 유동 방향에 대하여 가로지르는 형태로 구성될 수 있으며, 돌출부 내지 그에 따른 홈부가 제 1 유체의 비등을 위해 제 1 유로 내에 전열면 상에 제 1 유체의 유동 방향에 대하여 일렬로 배열될 수 있다.
돌출부 및 홈부의 표면에는 고온에서의 산화, 마모 등을 방지하기 위하여 내식성, 내열성, 내마모성이 좋은 세라믹으로 피복하는 세라믹 코팅층을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 평판형의 열교환기이며, 도 5a, 5b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 하이퍼베이퍼트론을 이용한 원통형의 열교환기를 간략하게 나타낸 것이다.
도 4, 5에 따르면, 유로 및 전열판은 평탄형 또는 원통형으로 구성될 수 있다. 평탄형의 경우 제 1 유로와 제 2 유로가 평행하도록 배치되며, 원통형의 경우 열을 전달하도록 구성된 제 2 유로가 과냉유체인 제 1 유체가 유동하는 제 1 유로를 감싸도록 구성될 수 있다. 또한, 과냉유체인 제 1 유체가 유동하는 제 1 유로가 열을 전달하도록 구성된 제 2 유로를 감싸도록 구성될 수 있따.
본 발명은 상술한 하이퍼베이퍼트론 원리를 이용한 열교환기는 상술한 유로의 형상 내지 모양에 한정되지 않으며, 원통 다관식 열교환기, 이중관식 열교관기, 스파이럴 열교환기, 판형 열교환기 중 하나일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
돌출부는 전열면 상에 횡형핀(transverse fin)으로 구성될 수 있다. 유로가 평판형인 경우 유로의 단면적의 길이만큼 유체의 유동 방향에 직교하도록 구성될 수 있으며, 유로가 원통형인 경우 또한, 유로의 반경 방향으로 유체의 유동 방향에 직교하도록 형성될 수 있다.
돌출부는 하이퍼베이퍼트론을 이용할 수 있도록 홈부 또는 돌출부에 생성된 기포를 전열면에 수직 방향으로 토출시키기 위하여 전열면에 수직인 각도로 형성될 수 있다.
또한, 돌출부는 유로 상에 스파이럴 구조를 갖는 나선형 핀으로 구성될 수 있으며, 하이퍼베이퍼트론의 원리가 적용될 수 있는 일정 간격을 유지하도록 배열된 톱니형 핀으로 구성될 수 있으며, 이러한 형상에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 하이퍼베이퍼트론 원리를 이용한 열교환기는 제 1, 2 유체의 온도를 측정하고 온도를 제어하도록 구성된 제어부를 더 포함할 수 있다. 이러한 제어부는 제 1 유체가 막비등 상태에 이르지 않고 핵비등 상태를 유지할 수 있도록 하기 위하여 제 1, 2 유체의 온도를 제어하도록 구성될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 하이퍼베이퍼트론(Hypervapotron)을 이용한 열교환기로서,
    제 1 유체가 유동하도록 구성된 제 1 유로;
    제 2 유체가 유동하도록 구성된 제 2 유로; 및
    제 2 유체로부터 발생된 열을 제 1 유체에 전달하여 비등이 발생하도록 구성된 전열면을 포함하고,
    전열면은 제 1 유체의 유동 방향에 대해 일정 거리 횡단하여 제 1 유로 내로 돌출된 복수의 돌출부와 돌출부 사이에 형성된 홈부가 배열된 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1, 2 유로는 각각 1 이상의 평판형 유로인 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1, 2 유로는 각각 1 이상의 원판형 유로인 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전열면은 세라믹 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    전열면은 적어도 돌출부 사이의 홈부에서 기포가 발생되는 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    돌출부는 기포가 전열면에 수직 방향으로 토출되도록 구성된 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    돌출부 및 홈부는 제 1 유체의 유동 방향에 대해 일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    돌출부는 제 1 유체의 유동 방향에 직교하도록 구성된 횡형핀(transverse fin)인 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    돌출부는 나선형 핀 또는 톱니형 핀인 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    일정 거리는 제 1 유로의 단면적의 길이에 상응하는 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 1, 2 유체의 온도를 제어하도록 구성된 제어부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제어부는 제 1 유체의 핵비등(Nucleate boiling) 상태를 유지하도록 제1, 2 유체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기.
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KR1020220167075A KR20240082926A (ko) 2022-12-02 2022-12-02 하이퍼베이퍼트론을 이용한 열교환기

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