KR940004982B1 - 물결판형핀의 흡입향상 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

물결판형핀의 흡입향상 장치

제1도는 본 발명에 의한 향상된 평판핀이 결합된 평판핀 열교환기의 사시도.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 의한 다중열 평판핀의 사시도.

제3도는 본 발명의 제2실시예에 의한 다중열 평판핀의 사시도.

제4도는 종래 기술에 의한 물결판형 핀의 횡단면도.

제5도는 제3도의 5-5선을 따른 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 핀형 튜브 열교환기(Finned tube heat exchanger)

2 : 평판 핀

16 : 구멍 20: 열교환 튜브

24 : 향상된 열교환부 32: 제 1표면

34 : 제2표면 36: 마루

38 : 골 40: 개구

본 발명은 일반적으로 열교환기에 관한 것이며, 특히 흡입향상용 sine 파형 열교환면을 구비하는 평판핀을 갖는 평판핀 열교환기 코일에 관한 것이다.

공기조화 및 냉동산업에서 널리 사용되는 평판핀은 통상적으로 평판핀의 코일을 점진적으로 스탬핑 가공하고, 이 가공된 핀을 소정의 길이로 절단하여 제조되는 것이다. 그리고 제조된 핀을 코일을 성형하기 위한 준비로서 적합한 방향 및 수로 모으게 된다. 사전 성형된 머리핀형 튜브(열교환튜브)를 핀 내부의 개구속에 삽입하고 확장시켜서 핀과 튜브 사이에 기계적이고 열적인 접속상태가 달성되도록 한다. 그리고 나서 머리핀형 튜브의 개방단부를 U자형 귀환 밴드(return bend)로 서로 유동이 가능하게 접속시키고, 최종적으로 u자형 귀환 밴드를 소정의 위치에 용접 또는 납땜한다. 전형적으로 평판핀은 그 핀 형상과 판의 면 협상 및 핀을 통해 튜브가 끼워질 수 있는 구멍을 형성시키기 위해 드로우잉 다이나 무드로우잉(drawless)다이에서 제조되고 있다.

통상적으로, HVAC산업 분야에서는 최근 단일 평판 핀으로부터 동시에 다중열로 된 핑을 형성하고 있다. 이 다중 열의 핀은 코일에 알맞는 수의 열로 절단된 후, 적재봉에 또는 박스나 소정의 수단내에 모아져서 코일을 형성하기 위해 머리핀형 튜브와 짜 맞추어질 채비를 갖춘 핀 더미를 형성하게 된다.

당업자들이라면 국부적인 대류열 전달의 제한에 기여하는 근본적인 인자는 열교환기의 평판핀 상에서의 두꺼운 수력학적 경계층의 생성 및 지속이라는 점을 익히 알고 있다. 이 때문에 종래의 핀은 상기 경계층을 분쇄하거나 재개(restart)시키기 위해 다양한 형태의 표면 또는 개선점을 구비하여, 튜브부재를 통과하는 유체와 판형핀의 표면위를 통과하는 유체사이의 열에너지 전달을 증진시켰었다. 이러한 향상된 핀은 통상적으로 향상된 평판핀 또는 물결판형 핀으로 되어있다. 이때 평판핀은 일반적으로 돌출부(raised lances)를 제조함으로서 향상되며, 돌출부는 2개의 평행홈에 의해 형성된 핀의 가늘고 긴 부위로 한정된다. 따라서 2개의 평행홈 사이의 스톡(stock)은 핀스톡의 표면으로부터 융기하게 된다. 상기 돌출부를 갖는 것 말고도 향상핀은 루버로된 개선체를 구비할 수도 있다. 상기 루버(louver)는 하나 혹은 두 개의 가늘고 긴 홈을 갖는 핀스톡의 부위로 형성되고, 이에 따라 핀스톡의 표면에서 이동된 스톡은 핀스톡의 표면위에 잔류하는 적어도 하나의 지점을 갖게 된다. 상기 돌출부와 루버는 수력학적 경계층을 재개시키거나 또는 그 두께를 얇게하여 국지적인 열전달계수를 상승시킨다. 그러나 열전달을 개선하기 위해 여러개의 돌출부, 혹은 루버를 핀의 표면에 부가시키게 되면 코일에서의 기압강하를 증가시키는 심각하게 부적합한 문제점이 수반된다. 또한 상기와 같은 돌출부, 혹은 루버를 구비하는 핀에서는 홈을 형성하는 작업을 실시해야 하므로 구조적으로 취약하고, 제조단가가 높아지는 문제점도 따른다.

그러므로, 열전달과 압력손실 사이에 바람직한 균형을 가져올 수 있는 향상된 면을 갖는 평판핀을 제공하는 것이 무엇보다 필요하다.

따라서, 본 발명의 제1목적은 평판핀의 열교환기 코일에서 개선된 향상핀을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2목적은 단면이 sine파형으로 되고 물결형 핀의 마루(최대)와 골(최고)에 개구를 형성하고 더욱 효율적인 역교환기를 제공할 수 있는 향상평판형식의 핀을 제공하는 것이다.

본 발명의 제3목적은 sine 파형 핀의 마루에서 경계층의 분리현상을 지연 혹은 완전히 제거하여 열교환기의 2개의 인접한 물결형핀 사이를 흐르는 유체의 점성손실을 감소시키고, 이에따라 골에서의 유체 재순화을 감소 내지는 완전히 제거하는 것이다.

본 발명의 제4목적은 소정의 면속도에서 기압손실을 유지 또는 저하시키면서 동시에 열 전달을 증진시킬수 있는 열교환기 코일의 향상된 물결형 핀을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 단면이 sine 파형이고, 종방향을 따라 sine 파의 마루와 골에 여러개의 개구를 갖는 개선된 평판 핀을 제공하여 달성하게 되며, 이러한 평판핀은 코일 전체에서 과다한 압력손실을 초래하지 않는 동시에 열 전달을 증가시킬 수 있는 경계층이 매카니즘을 이용하는 것이다.

본 발명을 특징짓는 다양한 고유의 특성은 본 명세서에 첨부되어 본 명세서의 일부를 구성하는 청구범위에서 특히 지적된다. 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 적절한 실시예에 대해 좀더 구체적으로 설명하고 한다.

도면에 도시된 실시예는 가열, 환기, 그리고 공기 조화 시스템등에 사용되는 응축, 또는 증발용 열교환기에 적용할 수 있는 형식에 대한 것이나, 본 발명의 적용범위가 여기에만 국한되는 것이 아니다. 평판형 핀열교환기는 통상적인 직접 팽창식 증기압축 냉동시스템에 적용되는 되는 것이며, 이러한 시스템에서 압축기는 R-22와 같은 기상 냉매를 압출하게 되고, 냉매는 냉각 및 액화되는 응축기를 순환하게 되며 이 냉매는 팽창제어장치를 통과하여 시스템의 저압측으로 이동한다. 여기서 냉매는 또다른 열 교환기에서 증발되며, 냉각될 유체로부터 열을 흡수하여 부분액상과 기상의 상태에서 과열증기로 상변태하게 된다. 이 과열 증기는 압축기로 돌아와서 1회의 사이클을 완성한다.

보통, 평판형핀 열교환기는 여러개의 평행핀을 적재하고, 핀에 다수의 머리핀형 튜브를 삽입한 다음, 튜브를 기계적으로 팽창시켜 각 핀과 물리적인 접촉상태를 유지하도록 만든다. 열교환기의 열전달 특성은 각 평판형핀의 열전달 특성에 의해 주로 결정된다.

제1도는 보 발명의 적절한 실시예를 적용한 핀형튜브 열교환기 코일(10)을 도시하고 있다. 상기 코일(10)은 여러개의 이격된 평판형핀(12)을 구비하며, 상기 핀(12)에는 여러개의 구멍(16)이 형성된다. 핀(12)은 예를 들면 알루미늄 같은 열전도성재료로 만든다. 상기 핀(12)에는 여러개의 구멍(16)과 축방향으로 일치하고 있는 구멍(도시생략)을 갖는 2개의 양단 튜브판(18)에 의해 그 적재형상을 유지하고 있다. 도면에 도시된 것처럼, 상기 구멍(16)에는 여러개의 머리핀 튜브(20)가 삽입된다. 이 튜브(20)의 개방된 양단은 귀환 밴드(22)로 서로 연결되며, 상기 밴드(22)는 용접등의 방법으로 튜브(20)에 접속된다. 머리핀 튜브(20)는 구리와 같은 열전도성 재료로 만든다.

작동에 있어서는, 머리핀 튜브(20)속을 유도하면서 냉각 또는 가열도리 제2유체가 튜브(20)속을 유동하고 핀(12)과 튜브(20)의 외부 사이에는 냉각 또는 가열 유체가 화살표 A 방향으로 유도하게 된다. 열에너지는 튜브(20)속의 제2유체나 핀(12)과 튜브(20)사이를 유동하는 제 1유체사이에서 상호 전달된다. 상기 유체는 서로 다른 것을 쓰며, 예를 들면, 튜브(20)속의 것을 냉매로 하고, 핀(12)과 튜브(20)사이의 것을 공기로 한다.

제1도에 도시된 것처럼 각 평판핀(12)은 머리핀 튜브(20)를 수용하기 위해 2열의 엇갈린 구멍을 가지므로 열교환기 코일(10)은 역시 2개의 열로된 교역배치 코일이 된다. 본 발명은 하나 이상의 열을 갖는 튜브형식의 열교환 코일에 적당하다. 그리고 1열의 구멍(16)은 인접하는 다른 열의 구멍(16)과 교열배치되든지 일열배치될 수 있다. 아울러 열교환기는 여러개의 단일열을 갖는 열교환기를 합하여 만들 수 있다.

제2도와 제3도를 참조한다. 여기에 도시된 다중열 형식의 평판핀은 본 발명의 각기 다른 실시예에 대한 것이다. 이 실시예에서 인접하는 튜브구멍의 열(16)사이에 향상된 열교환부(24)를 갖는 튜브구멍(16)의 열이 있다. 핀(12)에는 또한 핀 가장자리에 강성을 증가시키기 위해 부가된 여러개의 세레이션을 구비할 수 있는 선두연부(26)와 선미연부(28)가 마련된다. 칼라(14)는 튜브(20)를 수용하기 위한 구멍(16)주위에 편의제작단계에서 만들어진다. 제2도와 3도에서는 핀(12)만이 도시되어 있으나 칼라(14)를 통과하는 튜브는 도시의 편의를 위해서 생략하였음을 밝힌다.

제4도에서는 종래 실시예의 일례를 도시하는 것이다. 열교환기(10)는 물결판형핀을 갖고 있으며, 이에 따라 칼라(14)를 통해 튜브(20)로부터 핀(12)으로 전달되는 열 전달은 보통의 평탄평판형핀보다 우수하다. 화살표 A방향으로 흐르는 유체, 예를 들면 공기는 팬(fan)등을 이용해 공급되어 핀(12)을 따라 흐르며, 이공기의 온도와 다른 온도를 갖는 핀(12)의 표면으로부터, 혹은 표면쪽으로 열전달이 발생하고, 이에따라 핀위를 유동하는 제 1유체와 튜브를 통해 유동하는 제2유체사이에서 연속적으로 열교환이 실시된다.

제4도에서 도시된 것처럼 종래의 기술에서는 2개의 인접핀(12)사이에 유동챈널(30)이 형성되며, 이 챈널(30)을 흐르는 유체는 핀(12)의 상부면(32)과 바닥면(34)을 따라 수력학적 경계층을 형성시키게 된다. 상기 경계측은 상부면(32)에서는 마루(36)와 하부면(34)의 마루(38)의 하류쪽에서 분리되어 재순환하고 다음의 인접하는 골에서 에디(인접하는 핀사이에 화살유동선으로 표시되고 있다)를 형성하게 된다.

상기 에디의 형성은 역압기울기에 의해서 생겨나는 것이며, 상기 역압 기울기는 유동선의 분할과 이에따른 상부면(32)의 마루(36)중 하류부(46) 및 하부면(34)의 마루(38)중 하류부(48)근처에서 길이방향의 자유유동이 감속하는 현상에 의해 발생한다. 상기 자유유동의 감속은 챈널(30)의 상부 및 하부면의 골에서 정압의 국부적인 증가를 초래하게 된다.

또한 챈널(30)의 파동형상은 원심효과에 의해 유동챈널을 따라 임의의 어느점에서든 볼록면(마루)와 오목면(골)방향에서 정압기울기를 증가시키게 된다. 따라서 종래의 파형핀 열교환기는 하부 및 상부면의 마루(C로 표시)에서는 저압상태인 반면, 상부 및 하부면의 골(B로 표시)에서는 고압상태가 된다. 이에따라 길이 방향의 유체유동에서 핀의 면근처에 있는 경계층의 모우멘트는 B점에서의 고압을 극복할 정도가 되지 못하며, 이에 따라 경계층의 분리가 발생하게 된다.

제5도에서는 본 발명의 일실시예를 측면도로 나타내고 있다. 여기서 구멍(16)에 튜브(20)를 구비하는 여러개의 이격된 핀(12)이 도시되고 있다. 물결평판형핀(12)은 상부면(32)과 하부면(34)위를 유동하는 유체의 유동하는 유체의 유동길이방향을 따른 단면으로 볼 때 sine 파형의 형상을 하고 있다. 여러개의 오리피스형개구(40)가 핀(12)의 마루와 골에 펀칭작업등에 의해 형성된다. 이 개구(40)는 상기 마루와 골에서 45sine 파각도의 범위내에 위치하며, 그 형상은 유체 유동방향의 직각방향에서 길다란 형상이거나 원형으로 형성된다.

제 5도에서, 화살표 A는 핀 (12)위를 흐르는 유동방향, 즉 공기등의 유동방향을 나타낸다. 핀 (12)사이에 챈널(30)에 유체가 유동하면, 핀(12)을 사이에둔 2개의 인접 챈널 사이에 압력차가 발생해서 유체가 개구(40)를 통해 흐르도록 유도된다. 이렇게 개구(40)를 통해서 유체가 흐르게 되면, 상부밀 하부골 근처에서 발생하는 재순환류의 생성을 해소할 수 있고, 이에따라 하부와 상부면 마루의 하루에서 경계층의 분리현상을 막을 수 있다. 그러므로 유체가 핀의 마루와 골에서 인접하는 챈널(30)사이의 차압에 의해 지점 B로부터 지점 C로 이동하게 된다. 상기 sine 파의 마루에서 골까지의 진폭은 인접하는 핀사이의 거리에 비해 0.5-1.5배의 크기를 갖는다.

상기 개구(40)의 크기는 챈널(30)내에서 유동하는 유체의 길이방향 유선을 거꾸로 변화시키지 않으면서 동시에 상기 유체의 재순환을 감소 내지는 완전히 제거할 수 있을 정도로 유체가 드나들 수 있는 크기면 된다. 또한 상기 개구(40)를 유도하는 유체의 놓은 모우멘트는 핀의 저압측에서 경계층의 생성을 억제하며, 이로부터 개구(40)에 의해 열전달면이 감소함에도 불구하고 열전달율의 증가를 도모할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 적절한 실시예에 대해 설명한 것이므로 본 발명이 상기 실시예에 의해서만 국한된다고 할수 없고, 본 발명의 사상에서 이탈하지 않는한 다양한 수정이나 변경이 가능하다는 점을 부언한다.

Claims (7)

1. 양쪽에서 마주하는 제1, 제2표면(32,34)을 갖는 벽수단을 구비하여 벽수단과 제1,제2표면(32,34)위를 흐르는 유체사이에 열을 전달하며; 상기 벽수단은 한 방향으로 제1, 제2표면(32,34)을 따라 소정 높이의 sine 파형을 갖는 물결형으로 형성되어 유체는 제1,제2표면(32,34)위를 유도하게 되고, 상기 sine파형은 sine 파의 최고치에서 마루 마루(36)를 그리고 최저치에서 골(38)을 구비하여 마루(36)와 골(38)은 제1,제2표면(32,34)위를 흐름은 유체의 흐름방향과 교차하게끔 상기 물결형 벽수단을 따라 연장하는 평판형 핀(12)에 있어서, 상기 핀(12)은 상기 물결형 벽수단에 개구(40)로 구성되는 향상된 열전달 수단을 구비하며, 상기 개구(40)는 상기 마루(36)의 최고치와 상기 골(38)의 최고치의 45sine파 각도 이내에서 마루(36)와 골(38)을 따라 배치됨으로서 마루(36)와 골(38)을 따라 향상된 열전달부(24)를 형성하게 되고, 상기 제1,제2표면(32,34)의 잔여부는 개구가 없게 되어 표면(32,34)위를 흐르는 유체는 오직 상기 마루(36)에서만 제1표면(34)으로부터 제2표면(32)으로 개구(40)를 통해 흐르게 되고 표면(32,34)위를 흐르는 유체는 오직 상기 골(36)에서만 제2표면(32)으로부터 제1표면(34)으로 개구(40)를 통해 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 평판형 판.
2. 제1항에 있어서, 상기 개구(40)는 유체흐름방향과 직각인 가늘고 긴 구멍인 것을 특징으로 하는 평판형 판.
3. 제1항에 있어서, 상기 개구(40)는 원형구멍인 것을 특징으로 하는 평판형 판.
4. 내부에 여러개의 구멍(16)을 구비하며, 소정 간격을 두고 서로 평행하게 배치되어 그 사이의 표면(32,34)위를 제1유체가 흐르게 되는 다수의 열전도성 평판형 핀(12)과, 상기 여러개의 구멍(16)중 소정의 구멍에 각지 설치되어 상기 평판형 핀(12)과 열전달 관계에 있고, 그속을 제 2 유체가 흐르도록 되어 상기 제1유체와 열이 전달되도록 되는 다수의 열전달 튜브(20)를 구비하며, 상기 평판형 핀(12) 각각은 상기 제1유체의 유동과 평행한 평면에서 sine파 형상을 가지며, 상기 sine 파형의 평판형 핀(12)은 마루에서 골까지 소저의 진폭을 갖는 평판형 핀을 사용한 판형 튜브식 열교환기(10)에 있어서 상시 물결형 평판 핀(12) 각각은 인접한 상기 구멍(16)사이에 배치되는 향상된 열전단부(24)를 구비하며, 상기 표면(32,34)위를 흐르는 상기 제1유체는 상기표면(32,34)사이의 차압에 의해 상기 곡선형 마루(36)와 상기 곡선형 골(38)에서 상기 개구(40)를 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 제1항의 평판형 핀을 사용한 판형, 튜브식 열교환기.
5. 제4항에 있어서, 상기 마루(36)에서 상기 골(38)까지의 진폭이 인접하는 2개의 핀(12)사이의 거리의 0.5-1.5배인 것을 특징으로 하는 평판형 핀을 사용한 핀형 튜브식 열교환기
6. 제4항에 있어서, 상기 개구(40)는 유체의 흐름방향과 직각인 가늘고 긴 구멍인 것을 특징으로 하는 평판형 핀을 사용한 핀형 튜브식 열교환기
7. 제4항에 있어서, 상기 개구(40)는 원형구멍인 것을 특징으로 하는 평판형 핀을 사용한 튜브식 열교환기.

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