KR830001333B1 - 열 교환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열 교환기

제 1 도는 플레이트의 단면도(端面圖).

제 2 도는 제 1 도의 플레이트로 구성된 열 교환기의 단면도.

제 3 도는 환상 플레이트로 구성되고 증기가열 오일 예비가열기에 적당한 본 발명의 열 교환기의 개조된 실시예의 단면도.

제 4 도는 2개의 동심으로 배치된 환상 플레이트를 포함하는 본 발명의 열 교환기의 단면도.

제 5 도는 제 4 도에 따른 실시예의 일 개조예의 단면도.

제 6 도는 3 개의 동심 환상 플레이트를 포함하는 열 교환기의 일부의 단면도(端面圖).

제 7 도는 제 4 도의 열 교환기의 일부의 수직단면도.

제 8 도 및 제 9 도는 중첩된 플레이트가 셀(shell)에 봉함되어 제 2 유동체를 위한 유통로를 형성하는, 2개의 개조된 실시예의 단면도이다.

본 발명은 다수의 평행하고 간격을 가지고 떨어져 있는 천공된 플레이트(plate)로 구성된 열 교환기에 관한 것이다.

두 유동체들간의 열 교환시 다른 타입의 장치가 사용될 수 있다. 그러한 교환기의 한 타입은 다수의 상호 연결되고 천공된 플레이트를 가지고 있다. 하나의 유동체가 그 플레이트의 구멍을 통과하고 다른 유동체는 그 플레이트가 부착된 튜브를 통과한다. 제 1 유동체를 위한 유통로를 형성하도록 셀에 의해 플레이트들을 외측에서 둘러싸는 것이 필요하다.

그러한 장치는 비경제적이고 열 전도성에 대해 매우 바람직하지 못하다.

따라서, 본 발명의 목적은 다수의 평행하고 천공된 플레이트들을 가지며, 제 1 유동체가 플레이트의 평면에 수직으로 플레이트들을 통하여 흐르는 간단화된 타입의 열교환기를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 열 교환기는 플레이트들을 통과하는 유동체를 위한 스택(stack)형 용기의 외측벽을 형성하도록 외주를 따라 플레이트들이 유동체 밀폐식으로 상호 연결되고, 상기 유동체를 위한 배출 및 수집헤더가 상기 스택의 최외측 플레이트와 직접 연통하도록 배치됨을 특징으로 한다.

그러한 열 교환기는 제 2 유동체를 위한 유통로를 형성하는 셀에 봉함될 수 있다.

본 발명에 따라 플레이트는 환상(環狀)이며 그의 내주는 물론 그의 외주를 따라 상호 연결되어 있고 플레이트의 스택내 형성된 통로에 제 2 유동체의 흐름을 향하게 하는 부재가 또한 제공된다.

환상 플레이트로 구성된 열 교환기는 2개 이상의 동심적으로 배치된 플레이트 스택으로 구성될 수 있다. 외측 플레이트의 방사상 연장은 내측 플레이트에서 상응하는 크기의 약 1/3이 바람직하다. 열 교환기가 최소한 3개의 동심 플레이트로 구성될 때, 최외측 스택의 플레이트들은 증가된 직경에 기인하여 확대된 지역에 의해 야기된 증가된 전체 압력을 참작하기 위해 내측 스택의 플레이트들보다 두꺼운 물질로 제조된다.

본 발명에 따른 열 교환기는 증기가 플레이트들의 내측의 통로로 공급되고, 가열된 유통체는 플레이트들을 통해 흐르는 방식으로 설계될 수 있다. 또한, 증기가열을 증가시키기 위해 전기 가열부재가 상기 통로에 설치될 수 있다. 대락 동일한 열전도 계수를 갖는 두 유동체들간의 열교환시 환상 플레이트 스택이 플레이트의 중심 스택외측에 설치될 수 있고 그 두 타입의 플레이트들의 가열 지역은 대략 동일하다.

외측 플레이트의 내경은 내측 플레이트의 외경을 약간만 초과하도록 선택되고, 두 스택은 열전도물질 예를 들면, 용응된 경납 땜(brazing solder)을 스택들 사이 간격에 주입하여 서로 영구적으로 접합된다.

환상 플레이트로 구성된 열 교환기는 간격을 가지고 플레이트 스택을 둘러싸는 셀과 제 2 유동체의 평행한 또는 일련의 흐름을 위한 중앙 통로와 상기 간격을 연통하는 수집 및 배출 헤더를 가질 수 있다.

플레이트는 외주를 따라 낮은 칼러(collar)를 가지는 주발형이고 내주를 따라 낮은 칼러를 갖는 환상 플레이트인 것이 바람직하다. 또한 그 플레이트는 상기 칼러들을 따라 용접에 의해 상호 연결되어 있다.

또한, 플레이트들은 평편한 원형으로 형성될 수 있고 그 평편한 원판은 2개의 동심 튜브들 사이에 부착되어 있어 열적 및 또는 기계적 작업에 의해 그에 연결되어 있어 제 1 유동체의 통로를 위한 용기를 형성한다.

스택을 통한 유동체를 위한 역흐름 통로를 제공하기 위해 각 플레이트들의 구멍은 2열로 배치되며 서로로부터 방사상으로 분리되어 있고, 환상 스페이서(spacer)가 구멍의 2열들 사이 방사상 간격에서 인접플레이트들간에 부착된다.

제 1 도에 도시된 플레이트 1은 원형이며, 대칭으로 배치된 다수의 방사상 연장 슬로트 2를 가지고 있다. 그 플레이트는 그의 외주를 따라 낮은 칼러 3을 가지고 있고, 단면에서 보여지는 바와같이 주발형태이다. 슬로트의 형태와 위치는 정해진 것이 아니다. 개구를 형성하는 어떤 타입의 통로가 사용될 수 있고 여기서 "구멍"이라 칭한다.

열 교환기의 중심부를 제조할 때, 플레이트들은 서로의 상부에 설치되고 원주 칼러 3을 따라 상호 연결되어 있다. 납땜에 어떤 경우 허용될 수 있을지라도 그 연결은 접합, 예를 들면 버트(butt) 접합 또는 TIG 접합에 의해 행해지는 것이 바람직하다.

플레이트들은 서로 부착할 때 후속 플레이트는 앞의 것에 대해 다소 회전되며 그리하여 인접 플레이트의 슬로트 2가 서로에 대해 정반대로 배치되지 않으나 플레이트를 통하여야 하는 유동체가 꼬불꼬불한 통로를 따라 흐르도록 강압된다.

반구형 단부 플레이트 4 및 5는 스택의 최외측 플레이트에 각각 부착된다. 그러한 방식에서 제 1 유동체를 위한 통로 6a-6b가 얻어지며 상기 유동체는 스택을 통해 축방향으로 통과한다.

스택은 셀(shell) 7에 둘러 싸여 있다. 그 셀내에 스택 주위를 나선식으로 감겨 있는 와이어 8이 9a에서 들어가고 9b에서 셀로부터 나오는 제 2 유동체를 위한 긴 유통로를 형성한다.

제 1 유동체를 냉각할 것인가 가열할 것인가에 따라 칼러 3과 접합 연결부에 의해 형성된 외측벽으로 또는 그 으벽으로부터 플레이트를 통하여열이 흐른다는 것은 명백하다. 그 열전도는 다른 유동체는 플레이트를 통과하는 튜브를 통해 흐르는 실시예에서 보다 양호하다.

제 3 도에 도시된 열 교환기는 가열 유동체로 증기를 사용하는 오일 예비가열기로 사용된다. 그 열교환은 현저히 다른 열전도 계수를 갖는 두 유동체들간에 일어나고 그 현저히 다른 열전도 계수란 두 유동체에 의해 접촉된 표면이 크기에서 상당히 다를 수 있다는 것을 의미한다.

열 교환기의 주요 부분은 다수의 플레이트 10으로 구성되고, 그 플레이트의 중앙부는 개구 11로 형성된다. 형태가 제 4 도에 나타내어진 플레이트는 균일한 간격으로 배치된 다수의 방사상 연장 슬로트 12를 가지고 있다. 그 슬로트 12는 중앙개구 11로부터 플레이트의 외주로 연장하여 있다.

본 발명에 따라 플레이트들은 그의 외주를 따라 낮은 칼러 13은 가지고 있고 유동체 밀폐식으로 상호 연결되어 있다. 또한 중앙개구 주위에도 상응하는 낮은 칼러 15가 설치되어 있고 플레이트들이 내부 칼러를 따라 서로 접합되어 있어 중앙통로 14가 형성되어 있다.

두 개의 칼러에 의해 플레이트 10의 주발형태를 이루고, 제 1 유동체 흐름을 안내하기 위한 어떤 외부셀을 사용할 필요없이 중앙통로를 통한 제 2 유동체를 위해 그리고 칼러 13 및 15와 해당 접합 연결부에 의해 형성된 플레이트 스택내 제 1 유동체의 흐름을 가능하게 한다.

환상 플레이트의 스택은 반구형 뚜껑 16에 의해 상부에서 중앙통로 14를 폐쇄하고 주발형 부재 17에 의해 하부에서 그 통로 14를 폐쇄하여 열교환기내에 설치된다. 증기 공급 파이프 18을 이 부재 17을 통해연장하고 통로 14를 중심에서 통과하고 스택의 최상 플레이트 수준쯤에 도달하여 있다. 응축수를 제거하기 위해서는 물론 가끔의 필요에 대한 스팀의 공급을 지배하기 위한 부재는 공지기술에 속하고 따라서 여기에서는 설명하지 않는다.

반구형 단부 판 20은 플레이트 스택의 상단부에 접합되어 있고 또다른 단부판 21은 주발형 부재 17에는 물론 스택의 저부에 접합되어 있다. 오일을 위해 공급 도관 22는 하부단부판 21에 부착되고 가열된 오일을 위한 출구도관 23은 상부 단부 판 20에 부착되어 있다.

열 교환기는 열절연 커버(도시 안됨)에 내장되는 것이 바람직하고, 중앙통로 에공급되는 유동체에 관한 약간의 개조를 행한 본 열 교환기는 냉각 오일 또는 일반적인 열 교환을 위해 사용될 수 있으며 거기서 두 유동체를 위한 열 전도 계수는 현저히 다르다.

제 4 도는 제 3 도에 따른 것보다 높은 성능을 가지는 열 교환기의 단면을 나타낸다. 그 열교환기는 제 3 도에 도시된 바와같은 타입의 플레이트 10의 스택과 제 1 스택 주위에 동심적으로 배치된 제 2 플레이트 스택 30을 포함하고 있다. 이 제 2 스택의 플레이트들은 방사상으로 배치된 슬로트 32를 가지고 있다.

그 제 4 도는 슬로트 12 및 32의 바람직한 위치를 나타내며, 각 플레이트는 그의 앞 플레이트에 대해 슬로트 피치의 1/2회전되며, 그 플레이트들은 서로 접합되어 유동체가 지그재그 통로에서 이동한다. 외측 플레이트내 슬로트 32는 그들이 중앙 플레이트내 2개의 슬로트 12 사이에 배치되도록 선택된다. 이리하여 공급된 열의 분배를 위한 양호한 상태가 얻어진다.

플레이트 30은 내측 플레이트의 13 및 15에 상응하는 림(rim) 칼러를 가지고 있고 그들은 동일한 방식으로 서로 접합되어 유동체 통로가 이 스택을 통해 얻어진다.

플레이트 30의 내경은 플레이트 10의 외경보다 커서, 통로 34가 플레이트의 2스택 사이에 형성된다. 스택을 통한 유동체 통로는 물론 통로 14 및 34는 제 6 도및 제 7 도와 관련하여 기술된 방식으로 산호 연결되어 있다.

도시된 실시예에서, 열 전도는 중앙통로 14 및 환상통로 34를 지나 유동체로부터(또는 유동체로) 일어난다. 그리하여, 중심 스택의 플레이트들 10은 두 측부로부터 가열되고 외측스택의 플레이트들 30은 오직 통로 34로부터 가열된다. 따라서, 플레이트 30의 방사상 연장은 내측 플레이트 10의 방사상 크기의 약 절반이다.

또한, 제 4 도는 중앙통로 14 및 환상통로 34에 전기 가열부재 35를 설치함에 의해 제 3 도에 따른 실시예에 도시된 증기가열을 증가시키기 위한 개조를 나타낸다.

많은 경우, 시동시 즉, 가열 목적을 위해 증기가 필요되기 전 보일러의 버어너를 위한 연료오일을 가열하는 것이 요구된 수 있다. 그리하여 전기 부재로 임시적으로 예비 가열하는 것이 가능하나, 이 열교환기는 전기부재가 주열원(主熱源)이도록 쉽게 설계될 수 있음이 명백하다.

때때로, 대략 동일한 열 전도계수를 갖는 두 유동체, 예를들면 물물간의 열교환을 준비하는 것이 요구될 수 있다. 제 3 도 또는 제 4 도에 따른 설계는 유동체의 하나를 위한 너무 작은 접촉표면을 제공한다. 그리하여 제 5 도에 도시된 바와같이, 다른 스택을 통하여 유동체가 흐르도록 두 유동체를 안내하고 플레이트의 2 이상의 동심 스택을 준비하는 것이 바람직할 수 있다.

중심 스택은 타입 1 또는 타입 10의 플레이트들을 포함하도록 선택될 수 있고, 배출 및 수집 헤더가 이 스택의 단부들에 배치된다. 외측 스택의 플레이트 30a는 그의 내경이 플레이트 1의 외경보다 오직 약간 크도록 형성된다. 두 스택이 서로 부착될 때, 외측 스택은 중심 스택 외측에 부착되고 두 스택 사이에 좁은 통로 34a는 용융 경납땜 또는 어떤 다른 열전도 성분으로 충전되어 두 스택간의 양호한 열전도가 얻어진다. 적당한 배출 및 수집 헤더는 플레이트의 외측 스택의 단부들에 부착된다. 이것은 제 3 도 또는 제 4 도에 따른 실시예에서 얻어질 수 있는 것보다 더 양호한 다른 유동체를 위한 접촉 표면을 제공한다. 플레이트 30의 외경은 플레이트 1 또는 30a의 열교환 표면들간의 소망의 관계가 얻어지도록 선택되어야 한다.

제 6 및 7 또는 플레이트의 3개의 동심 스택을 가지는 고성능 열교환기의 세부를 나타낸다.

중심 스택은 제 3 도 및 제 4 도에 따른 실시예에서와 같은 방식으로 플레이트 10으로 구성된다. 그 중심스택 외측에, 제 4 도의 플레이트 30과 동일한 타입의 플레이트 30b의 제 2 스택이 설치되어 있고 그 스택은 외측으로부터 가열될 때 매방사상 연장부를 가지고 있다.

좌의측에는 플레이트 40의 스택이 설치되어 있다. 이 플레이트들이 그의 내측으로부터만 가열될 때 그의 방사상 연장은 내측 플레이트의 것보다 작다. 플레이트 40은 다른 플레이트들보다 두꺼운 물질로 제조되어 가열기 구조의 증가를 부여하며, 그것은 가열기가 방사상 방향으로의 상당한 연장을 가질 때 중요하다.

슬로트 12, 32, 42가 플레이트에 설치되어 유동체의 하나를 위한 통로를 형성한다. 다른 유동체는 중앙통로 14와 환상통로 34 및 44를 통과한다.

플레이트 10, 30b 및 40을 통과하는 제 1 유동체를 위해, 수집체임버 41이 스택의 단부들에 형성되어 있다. 이 체임버는 최외측 스택의 외측벼의 연장부를 형성하는 원통형벼 43에 의해 외측에 형성되어 있고, 뚜껑 43a에 의해 덮혀 있다. 제 1 도의 출구 23에 상응하는 제 1 유동체를 위한 출구가 이 뚜껑에 설치되어 있다.

스택의 하단부의 설비는 응축수를 제거하기 위한 도관을 포함하는 제 6 도에 도시된 바와 같이 근본적으로 동일한 성질을 갖는다.

제 2 유동체는 상부가 상부 도움(dome) 16a까지 달하여 있는 중앙통로 14내로 아래로부터 들어간다. 그중앙 통로로부터 다수의(여기서는 4개)지류(支流)파이프 45가 방사상으로 연장하여 환상통로 34 및 44 제 2 유동체를 분배한다. 이 통로의 각각의 상부에 환상 체임버 41 및 47이 각각 설치되어 있고 그 각 체임버는 환상 플레이트 48 및 49에 의해 형성되고 뚜껑 50, 51에 의해 덮혀 있다. 지류 파이프 45는 도움 16a로부터 환상 체임버 46를 거쳐 환상체임버 47로 통하여 있다. 또한 이 유동체와 함께 통로의 하단부의 설비는 근본적으로 상술한 것과 동일하다.

제 8 도는 제 3 도에 도시된 것과 근본적으로 동일한 형태인 플레이트 10의 스택으로 구성된 열 교환기를 나타내고 있으며, 그 플레이트들은 중앙개구 11, 슬로트 12, 내외측 칼러 15 및 13을 가지고 있고, 그 칼러들은 제 1 유동체를 위한 용기를 형성하도록 서로 접합되어 있다.

그 스택은 간격 61을 가지고 셀(shell) 60에 봉함되어 있다. 그 셀은 상부 및 하부 단부판 62 및 63까지 달하여 있다.

플레이트 10의 스택은 하부단부판 63에 인접하여 셀 60에 접합되어 제 2 유동체를 위한 수집체임버가 얻어진다. 이 유동체는 하부단부판 63을 통과하는 도관 64에 의해 중앙통로 14로 도입되고, 하단부에서 지류도관 65에 의해 간격 61을 가지고 배치된다. 제 2 유동체는 내외측으로 스택을 지나 평행히 흐른다.

그 두 흐름은 상부 단부판 62 아래 상부 체임버 66에 수집되고 도관 67을 통해 제거된다.

제 1 유동체는 상부단부판 62를 통과하는 도관 68에 의해 수용된다. 제 7 도에 도시된 것과 거의 동일한 지류파이프 69를 가지는 설비가 제 1 유동체를 플레이트 수택으로 분배한다. 제 1 유동체는 하부 단부판 63과 접합연결부 71 사이의 체임버 70에 수집된다. 그 접합 연결부는 셀 61에 스택의 하단부를 연결한다.

제 1 유동체를 위한 인입도관 68은 단부판 62에 부착되어 있지 않으나 그 단부판을 통과하여 있다. 포장케이싱 73이 단부판 62에 부착되어 도관 68의 외측을 봉함하고 중심스택과 봉함셀간의 열운동을 허용한다.

제 9 도에 따른 실시예에서 평판 80이 사용된다. 그 평판은 방사상으로 간격을 가지고 떨어진 2열로 배치된 구멍 81 및 82를 가지고 있다. 이 방식에서 각 평판은 제 5 도의 열적으로 접합된 2개의 플레이트 1 및 30a에 의해 얻어지는 것과 실제로 같은 양식을 갖는다. 그러나 여기서, 그 플레이트들은 중앙 통로를 형성하도록 환상이다. 제 5 도에 사용된 용융경납 대신 링(sing) 83이 플레이트들간에 부착되어 스택을 통한 제 1 유동체를 위한 부유통로를 형성한다.

그 스택의 형태는 플레이트가 서로 직접 접합되는 것이 아니고 내측 튜브 84와 외측 튜브 85 사이에 부착되는 한 상기 도면들에 도시된 것과 다소 다르다.

이 연결은 튜브들을 플레이트들에 크림핑(crimping)하거나 또는 플레이트의 연부에 튜브를 압압하기 위한 압연 또는 다른 기계적 작업에 의해 성취될 수 있다. 이 작동시 링 83은 플레이트가 적절한 상호 간격으로 유지되는 것을 확실히 한다.

그렇게 형성된 스택은 셀 86에 봉합된다. 외측 스택튜브 85는 관형부 재87에 의해 연속되며, 그 관형부재는 지지플렌지(flange) 88과 제 1 유동체를 위한 인입도관 89를 가지고 있다.

구형 연장부 재87내 관형 격벼 90은 2열의 구멍 81 및 82 사이 간격의 스택의 하단부에 연결되고 제 1 유동체를 외측열의 구멍 81을 통해 상향적으로 안내한다. 환상 커버 91은 스택의 상단부에 부착되고 내측열의 구멍 82쪽으로 제 1 유동체의 흐름을 안내한다.

제 1 유동체가 스택을 통과했을 때, 그것은 내측튜브 84의 연장부 93과 격벽 90 사이 체임버 92에 수집되고 연결부 94에 의해 배출된다.

셀 86은 단부 플렌지 95를 가지고 있고, 지지플렌지 88를 봉함적으로 계합한다. 제 2유동체는 중앙튜브 93, 84를 통해 상부체임버 96으로 도입된다. 여기서 유동체는 스택과 셀 사이에 설치된 간격 98로 분배되고 최종적으로 연결부 99를 통해 배출된다.

스택과 셀은 2개의 플렌지 88 및 99에 의해서만 연결되어 있고 열적 운동을 위한 만족한 가능성을 가진다. 그 두 플렌지를 이탈시킴에 의해 청소와 점검을 위해 셀을 제거하는 것이 가능하다.

상기에서 사용된 "상부" 및 "하부"라는 표면은 도면에 도시된 위치를 말한 것이고 열 교환기의 실제 장착에 관해서 어떤 제한의 의미로 해석되어서는 안 된다. 스택내 역흐름의 배치는 제 9 도의 링 83에 상융하는 간격링이 설치될 때, 내외측 칼러 15 및 13을 가지는 타입 10의 플레이트내 구멍의 적당한 위치에 의해 얻어질 수 있음을 물론이다.

도시되고 기술된 구체예들은 오직 실시예들이며 많은 개조가 첨부 청구범위의 범위내에서 이행될 수 있음은 명백하다. 그러나 개조는 본 발명이 1차 유동체를 가열하는 것이거나 냉각하는 것인가의 요구되는 성능에 의해 그들의 열전도 계수에서 유동체의 성질에 의해 상당한 정도로 결정된다.

플레이트들은 작은 열 전도성을 가지는 물질로 제조되고 도시된 형태와의 많은 방식으로 형성될 수 있다. 플레이트는 접시형이 바람직하나 평면 플레이트로 시작하고 제 9 도의 것에 상응하고 플레이트와 동일한 외경을 갖는 얇은 링 형태의 간격 부재를 부착하는 것이 가능하다. 그 플레이트 및 링은 서로 접합된다. 또한, 평면 플레이트는 부착구로 간격을 가지고 장착될 수 있고 주변 간격은 접합물질에 의해 연결된다. 가열기 또는 냉각기 외에 상기 언급한 타입의 열교환기가 보일러의 구성요소로 사용될 수 있다. 연소가스는 플레이트를 통과하고 물은 스택(들)의 외측으로 가능하게는 중앙통로로 흐른다.

가스로부터 물로의 신속하고 효율적인 열전도가 성취되고, 보일러에 서용될 때 자연수 순환이 즉시 시작된다.

Claims (1)

1. 플레이트의 면에 거의 수직으로 제 1 유동체를 흐르게 하는데 적합하게 된 다수의 평행하고 천공된 플레이트들을 포함하는 형태의 열교환기에 있어서, 상기 플레이트(1, 10, 30, 40, 80)가 그의 외측 주변(3, 13, 85)을 따라 유동체 밀폐식으로 서로 연결되어 그 플레이트를 통과하는 유동체를 위한 스택(stack)형 용기의 외측벽을 형성하도록 하고, 상기 유동체를 위한 분배 및 수집 헤더(4, 5;20,21; 40, 70, 92)가 상기 스택의 최외측 플레이트와 직접 연통하도록 배치됨을 특징으로 하는 열 교환기.

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