KR100338794B1 - Falling film-type heat and mass exchanger using capillary force - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모세관력을 이용한 유하액막식 열 및 물질교환기에 관한 것으로서, 복수의 유동구(11a∼11f)를 지니는 이동 머리판(11) 및 이동 머리판(11)의 일면에 부착되는 고정 머리판(18) 사이에 형성되는 몸체 상에서 작동유체인 액체, 기체 및 2차 유체가 독립적이고 병렬적인 경로로 유동하는 유하액막식 열 및 물질교환기에 있어서: 상기 몸체의 내부에서 교번하도록 설치되고 각각의 일면에 가스켓(12a)(16a)과 돌기(12b)(16b)를 지니는 전방판(12) 및 후방판(16); 상기 전방판(12) 및 후방판(16) 중에서 전방판(12)의 후면과 후방판(16)의 전면이 이루는 공간상에 일정한 간격을 유지하며 대향하도록 설치되고, 상기 액체의 유동에 모세관력이 작용하도록 하는 철망군(13)(15); 그리고 상기 복수의 철망군(13)(15)에서 중앙부에 개재되고 상기 작동유체 중 기체의 유동만 허용하는 공간격자(14)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 액체는 돌기에 의해 횡방향으로 분배되고 철망에 의해 판표면상에 유하액막으로 형성되며 하향 유동 중 액체의 내부 혼합 및 교란이 물리적으로 자연히 발생되도록 함으로써 외형을 소형화하면서도 전열효율을 최대로 향상하는 효과가 있다.The present invention relates to a falling film type heat and mass exchanger using capillary force, and includes a moving head plate (11) having a plurality of flow ports (11a to 11f) and a fixed head plate (18) attached to one surface of the moving head plate (11). In liquid film type heat and mass exchanger, in which liquid, gas, and secondary fluid, which are working fluids, flow in an independent and parallel path on a body formed in the body, the gasket 12a is installed on each side of the body and is alternately installed. A front plate 12 and a rear plate 16 having 16a and protrusions 12b and 16b; The front plate 12 and the rear plate 16 of the front plate 12 and the front surface of the rear plate 16 is installed so as to face at regular intervals to face, capillary force to the flow of the liquid Wire mesh groups 13 and 15 to act; And a space lattice 14 interposed in the central portion of the plurality of wire mesh groups 13 and 15 and allowing only the flow of gas in the working fluid. It is distributed and formed into a falling film on the plate surface by a wire mesh, and internal mixing and disturbance of the liquid occurs naturally in the down flow, thereby minimizing the appearance while improving the heat transfer efficiency to the maximum.
Description
본 발명은 모세관력을 이용한 유하액막식 열 및 물질교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유하액막이 전열판 상에 고르고 완전하게 형성되어 유동 중 액체의 내부 혼합 및 교란이 물리적으로 자연히 발생되도록 함으로써 외형을 소형화하면서도 전열효율을 최대로 향상하는 모세관력을 이용한 유하액막식 열 및 물질교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a dripping film type heat and mass exchanger using capillary force. More specifically, the dripping film is evenly and completely formed on a heat exchanger plate, thereby miniaturizing the appearance by physically occurring internal mixing and disturbance of the liquid during flow. Yet it relates to a falling film type heat and mass exchanger using capillary force to maximize the heat transfer efficiency.
일반적으로 유하액막식 열 및 물질교환기는 일정한 표면 상에서 자중에 의해 흘러내리는 액체가 유하액막을 형성하고 그 주위를 기체가 유동하도록 하여 액체-기체의 계면에서 흡수, 증발, 정류등의 열 및 물질전달 과정이 발생하도록 하는 장치로서 전열면의 기하학적 형상은 산업공정의 응용 분야에 따라 수직 혹은 경사진 평판의 표면, 수직 원형관의 내부 및 외부 표면, 수평 혹은 코일형의 원형관의 외부 표면, 혹은 나선형 평판(spiral plate) 표면 등 다양한 형식이 사용되고 있다.Generally, the dripping film type heat and mass exchanger allows the liquid flowing down by its own weight to form a dripping film and flows the gas around the surface to transfer heat and mass such as absorption, evaporation and rectification at the liquid-gas interface. The geometry of the heat-transfer surface is a device that allows the process to take place, depending on the application of the industrial process. Various formats are used, such as the surface of a spiral plate.
냉각탑의 경우 가열된 냉각수는 냉각탑의 상부에 공급되어 충전재 표면을 타고 유하액막으로 흘러내릴 때 그 주위를 상향유동하는 공기에 대하여 냉각수와 공기의 온도차에 의한 현열전달과 유하액막의 표면에서 냉각수가 증발되는 물질전달 과정의 잠열전달에 의해 냉각된다.In the case of the cooling tower, the heated cooling water is supplied to the upper part of the cooling tower and flows through the filler surface and flows down to the dripping film. The cooling water evaporates from the surface of the dripping film and the sensible heat transfer by the temperature difference between the cooling water and the air. It is cooled by latent heat transfer of the material transfer process.
암모니아-물 혹은 물-리튬브로마이드 흡수식 냉동기나 열펌프의 핵심요소인흡수기의 경우 수평관이나 코일형으로 가공된 관의 외부 표면상에 흡수제 용액을 산포하여 자중에 의해 흘러내리면서 유하액막을 구성하고 그 주위를 지나는 냉매증기가 유하액막의 표면에서 흡수되도록 하며 이 때 발생하는 열은 관 내측을 유동하는 냉각매체인 물등에 의하여 회수된다.In the case of ammonia-water or water-lithium bromide absorption refrigerator or absorber, which is a key element of the heat pump, the absorbent solution is scattered on the outer surface of the horizontal tube or coiled tube and flows down by its own weight to form a falling film. The refrigerant vapor passing through the absorption is absorbed at the surface of the falling film, and the heat generated at this time is recovered by water, which is a cooling medium flowing inside the tube.
공냉형 물-리튬브로마이드 흡수식 냉·난방기의 경우 수직관의 내측에 흡수제 용액을 산포하여 자중에 의해 관 내면을 따라 흘러내리면서 유하액막을 구성하고 관 중심을 따라 유동하는 냉매증기가 유하액막의 표면에서 흡수되도록 하며 이 때 발생하는 흡수열은 관 외측을 유동하는 냉각매체인 공기등에 의하여 회수된다.In the case of air-cooled water-lithium bromide-absorbing air conditioner, the absorber solution is scattered inside the vertical pipe and flows down the inner surface of the vertical tube to form a falling film and the refrigerant vapor flowing along the center of the falling film surface. Absorption heat generated at this time is recovered by air, which is a cooling medium flowing outside the tube.
유하액막식 증발기의 경우 평판, 수직관, 수평관등의 다양한 구조를 채택하여 전열면의 한 측으로 액체의 유하액막을 형성하고 그 반대측을 수증기나 고온수등의 가열매체가 유동하며 가열매체로부터 전열면 벽을 통하여 유하액막으로 열전달이 발생하고 유하액막의 계면에서 액체의 증발이 발생하도록 운전하고 있다.In the case of the falling film type evaporator, it adopts various structures such as flat plate, vertical pipe, horizontal pipe, etc. to form a falling film of liquid on one side of the heating surface, and heating medium such as steam or hot water flows on the other side, and the heating surface from the heating medium. Heat transfer is generated through the wall to the falling film and the liquid is evaporated at the interface of the falling film.
유하액막을 이용하는 상기한 모든 열 및 물질교환기의 효율은 액막의 열 및 물질전달 저항에 의해 결정되며 내부교란이 왕성한 얇은 유하액막이 전열면 전체에 대하여 고르고 완전하게 형성될 때 최대가 된다.The efficiency of all the heat and mass exchangers described above using the falling film is determined by the heat and mass transfer resistance of the liquid film and is maximized when a thin falling film with strong internal disturbances is formed evenly and completely over the entire heat transfer surface.
그러나 유하액막형 열 및 물질교환기의 최대 문제점은 전열면의 전 표면에 대하여 고르고 완전하게 유하액막을 형성하는 것이 용이하지 않다는 것이다. 다수의 수평관이 수직으로 배열된 수평관군의 경우 관길이 방향으로 고르게 액체를 공급하기 위하여 별도의 분배기(distributer)를 사용하여야 하며 일정 수준이하의 유량으로 공급된 액체는 액막이 아닌 세류(rivulet)로 유동하여 전열면의 대부분은유하액막에 의해 적셔지지 않고 기체에 노출되어 액체와 기체사이의 열 및 물질전달 면적은 수평관 표면적의 극히 일부이며 액체 유량을 크게 증가할 경우에도 상부에 위치한 수개의 관은 유하액막에 의해 적셔지나 유하액막이 수평관 외면을 따라 하향 유동하면서 다시 세류로 분리되어 액체의 표면적이 축소되므로 하부에 위치한 수평관 표면은 부분적으로만 액체에 의해 적셔지며 액체 유량이 클 경우 유하액막의 두께는 증가하여 전달저항이 증가하므로 열 및 물질전달 효율은 감소한다. 수직 평판을 이용하는 판형흡수기나 증발기의 경우 유하액막의 형성은 기하학적으로 더욱 어려우므로 그 적용 예는 찾아보기 어렵다.However, the biggest problem of the falling film type heat and mass exchanger is that it is not easy to form the falling film evenly and completely over the entire surface of the heat transfer surface. In the case of a horizontal tube group in which a plurality of horizontal tubes are arranged vertically, a separate distributor should be used to supply liquid evenly in the direction of the tube length, and the liquid supplied at a flow rate of a certain level or less is not a liquid membrane but a rivulet. Most of the heat transfer surface is exposed to the gas without being wetted by the falling film, so that the heat and mass transfer area between the liquid and the gas is only a fraction of the surface area of the horizontal pipe, and even though the liquid flow rate is greatly increased, Is soaked by the dripping film, but the dripping film flows downward along the outer surface of the horizontal pipe and is separated into trickle again, so that the surface area of the liquid is reduced. As the thickness increases, the transfer resistance increases, thereby reducing the heat and mass transfer efficiency. In the case of a plate absorber or an evaporator using a vertical plate, it is difficult to find an application example because the formation of the falling film is more difficult geometrically.
때문에 현재 운전되는 흡수식 냉·난방기에서 유하액막식 흡수기의 경우 표면장력을 저하시켜 유하액막의 형성을 촉진하고 액막내부에서 액체의 혼합 및 교란을 유도하여 열 및 물질전달 특성을 향상시키기 위하여 계면활성제 (surfactant 혹은 첨가제, additives)를 흡수용액에 첨가하여 운전하기도 한다. 그러나 계면활성제는 리튬브로마이드-물 흡수식 시스템의 경우 주기적인 비흡수성가스의 추가 과정중 배출되거나 고온에서 분해되므로 지속적이고 영구적인 방법이 될 수 없다.In order to improve the heat and mass transfer properties of the drip-type absorbers in the currently operating absorption type air conditioners, the surface tension is reduced to promote the formation of the dripping film and to induce the mixing and disturbance of the liquid in the liquid film. It can also be operated by adding surfactants or additives to the absorbent solution. However, in the case of lithium bromide-water absorption systems, the surfactant is not released during the additional process of periodic non-absorbable gas or decomposes at high temperature and thus cannot be a permanent and permanent method.
또 다른 방법으로서, 전열면에 대하여 적심특성을 향상시킬 수 있는 화학적인 코팅(예 : 친수 코팅)을 하거나 전열면을 고온 분위기에서 산화, 부식시켜 접촉각을 감소시키는 표면처리 기법을 도입하기도 하나 운전과정중 표면의 노화로 그 적심특성이 감소하므로 근본적인 해결책이 되지 못한다.As another method, a chemical treatment (eg, hydrophilic coating) can be applied to the heat transfer surface, or a surface treatment technique can be used to reduce the contact angle by oxidizing and eroding the heat transfer surface in a high temperature atmosphere. Due to the aging of the heavy surface, its wettability is reduced, so it is not a fundamental solution.
그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전열면상에 고르고 완전하게 유하액막이 형성되도록 하고 유하액막의 유동 중 액체의 내부 혼합 및 교란이 물리적으로 자연히 발생되도록 함으로써 외형을 소형화하면서도 전열효율을 최대로 향상하는 모세관력을 이용한 유하액막식 열 및 물질교환기를 제공한다.Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, evenly and completely formed on the heat transfer surface and the falling liquid film and the internal mixing and disturbance of the liquid physically occurs during the flow of the falling liquid film to minimize the appearance and heat transfer efficiency It provides a falling film heat and mass exchanger using capillary force to maximize the.
도 1은 본 발명에 따른 유하액막식 열 및 물질교환기의 내부구조를 나타내는 분해 사시도,1 is an exploded perspective view showing the internal structure of the falling film type heat and mass exchanger according to the present invention;
도 2는 도 1에서 전후방판 사이의 조립 상태를 평면에서 부분적으로 나타내는 구성도,FIG. 2 is a configuration diagram partially showing the assembled state between the front and rear plates in FIG. 1;
도 3은 도 1에서 전후방판 사이를 종단하여 작동유체의 흐름을 부분적으로 나타내는 구성도,3 is a configuration diagram partially showing the flow of the working fluid by terminating between the front and rear plates in FIG.
도 4는 본 발명의 다른 적용예에 따른 유하액막식 열 및 물질교환기의 내부구조를 나타내는 분해 사시도.Figure 4 is an exploded perspective view showing the internal structure of the falling film heat and mass exchanger according to another application of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11 : 이동 머리판(movable head plate) 11a∼11f : 유동구11: movable head plate 11a to 11f: flow opening
12, 22 : 전방판 12a, 16a : 가스켓12, 22: front plate 12a, 16a: gasket
12b, 16b : 음각돌기, 양각돌기 13, 15 : 철망군12b, 16b: intaglio and embossed projections 13, 15: wire mesh group
13a, 15a : 사각공 14 : 공간격자13a, 15a: square hole 14: space grid
16, 26 : 후방판16, 26: back plate
18 : 고정 머리판(fixed head plate)18: fixed head plate
27 : 지지판 27a : 사각공27: support plate 27a: square hole
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 복수의 유동구(11a∼11f)를 지니는 이동 머리판(11) 및 이동 머리판(11)의 일면에 부착되는 고정머리판(18) 사이에 형성되는 몸체 상에서 작동유체인 액체, 기체 및 2차 유체가 독립적이고 병렬적인 경로로 유동하는 유하액막식 열 및 물질교환기에 있어서: 상기 몸체의 내부에서 교번하도록 설치되고 각각의 일면에 가스켓(12a)(16a)과 돌기(12b)(16b)를 지니는 전방판(12) 및 후방판(16); 상기 전방판(12) 및 후방판(16) 중에서 전방판(12)의 후면과 후방판(16)의 전면이 이루는 공간상에 일정한 간격을 유지하며 대향하도록 설치되고, 상기 액체의 유동에 모세관력이 작용하도록 하는 철망군(13)(15); 그리고 상기 복수의 철망군(13)(15)에서 중앙부에 개재되고 상기 작동유체 중 기체의 유동만 허용하는 공간격자(14)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a liquid that is a working fluid on a body formed between a moving head plate 11 having a plurality of flow ports 11a to 11f and a fixed head plate 18 attached to one surface of the moving head plate 11. In a liquid film type heat and mass exchanger in which gas and secondary fluid flow in independent and parallel paths: installed alternately inside the body and having gaskets 12a, 16a and protrusions 12b on each side thereof ( A front plate 12 and a back plate 16 having 16b); The front plate 12 and the rear plate 16 of the front plate 12 and the front surface of the rear plate 16 is installed so as to face at regular intervals to face, capillary force to the flow of the liquid Wire mesh groups 13 and 15 to act; And it is characterized in that it comprises a space grid 14 which is interposed in the central portion in the plurality of wire mesh group (13, 15) to allow only the flow of gas in the working fluid.
이때 상기 전방판(12)의 음각돌기(12b)는 전방판(12)의 후면으로, 후방판(16)의 양각돌기(16b)는 후방판(16)의 전면으로 동일한 높이로 돌출된 상태로 상기 각 대향하는 철망군(13)(15)을 관통하고 상기 돌기들의 끝단은 공간격자(14) 의 중앙 위치에서 만나 전방판과 후방판을 잇는 다리(bridge)를 구성하므로 중력에 의해 하향유동하는 액체를 전열면의 횡방향으로 분배시켜 전열면 전체 표면에 대한 유하액막의 형성을 유도한다.At this time, the intaglio protrusion 12b of the front plate 12 is the rear surface of the front plate 12, the embossed projection 16b of the rear plate 16 in the state protruding at the same height toward the front of the rear plate 16. It penetrates through the opposing wire mesh groups 13 and 15 and the ends of the protrusions meet at the central position of the space grid 14 to form a bridge connecting the front plate and the rear plate so that they flow down by gravity. The liquid is distributed in the transverse direction of the heat transfer surface to induce the formation of a falling film on the entire surface of the heat transfer surface.
전방판(12)이나 후방판에 대향하는 철망군(13)(15)은 액체가 흘러내릴 때 판과 철망사이의 공간으로 액체가 모세관력으로 침투하여 유하액막이 판상에 형성되도록 하며 유하액막의 하향 유동중 내부 혼합 및 교란을 물리적으로 자연히 발생시킨다.The wire mesh groups 13 and 15 facing the front plate 12 or the rear plate allow the liquid to penetrate into the space between the plate and the wire mesh when the liquid flows, so that the falling liquid film is formed on the plate, and the falling liquid film is downward. Internal mixing and disturbances occur physically in flow.
또한 상기 공간격자(14)는 기체의 통과가 가능한 다공질 소재로 성형되고, 상기 대향하는 각각의 철망군(13)(15)이 모세관력을 형성하도록 일정한 간격으로 지지한다.In addition, the space grid 14 is formed of a porous material that can pass through the gas, and support each of the opposing wire mesh groups 13, 15 at regular intervals to form a capillary force.
한편 상기 전방판(12) 및 후방판(16)의 돌기(12b)(16b)를 생략하는 대신 판사이의 간격에 해당하는 높이의 휜(또는 사각 요철)(27a)과 모세관력이 작용하는 공간을 제공하는 사각공(27b)을 지니는 지지판(27)을 개재시키는 구성도 가능하다.On the other hand, instead of omitting the projections 12b and 16b of the front plate 12 and the rear plate 16, the space where the height (or square unevenness) 27a corresponding to the gap between the plates and the capillary force acts is provided. The structure which interposes the support plate 27 which has the square hole 27b to provide is also possible.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 유하액막식 열 및 물질교환기의 내부구조를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에서 전후방판 사이의 조립 상태를 평면에서 부분적으로 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 1에서 전후방판 사이를 종단하여 작동유체의 흐름을 부분적으로 나타내는 구성도이다.1 is an exploded perspective view showing the internal structure of the dripping film type heat and mass exchanger according to the present invention, Figure 2 is a schematic view showing a partially assembled state between the front and rear plates in Figure 1, Figure 3 is Figure 1 Is a configuration diagram partially showing the flow of working fluid by terminating between front and rear plates.
본 발명은 복수의 유동구(11a∼11f)를 지니는 이동 머리판(11) 및 이동 머리판(11)의 일면에 부착되는 고정 머리판(18) 사이에 형성되는 몸체 상에서 작동유체인 액체, 기체 및 2차 유체가 독립적이고 병렬적인 경로로 유동하는 유하액막식 열 및 물질교환기에 관련된다. 부호 11a는 액체의 유입구이고, 부호 11b는 2차유체의 유입구이고, 부호 11c는 기체의 유입구이고, 부호 11d는 액체의 유출구이고, 부호 11e는 2차유체의 유출구이고, 부호 11f는 기체의 유출구이다.In the present invention, liquid, gas, and secondary fluid, which are working fluids, are formed on a body formed between a moving head plate 11 having a plurality of flow ports 11a to 11f and a fixed head plate 18 attached to one surface of the moving head plate 11. It relates to falling film heat and mass exchangers flowing in independent and parallel paths. 11a is the inlet of the liquid, 11b is the inlet of the secondary fluid, 11c is the inlet of the gas, 11d is the outlet of the liquid, 11e is the outlet of the secondary fluid, 11f is the outlet of the gas to be.
도 1에서, 본 발명에 따르면 각각의 일면에 가스켓(12a)(16a)과 돌기(12b)(16b)를 지니는 전방판(12) 및 후방판(16)이 상기 몸체의 내부에 교번하도록 설치된다. 도시한 바와 같이 이동 머리판(11) 부근에 전방판(12)이 오고 그 다음으로 후방판(16)이 오고, 그 다음으로 다시 전방판(12)이 교번 된다. 일반적인 가스켓 체결형 판형열교환기의 경우에는 전방판(12) 및 후방판(16)을 가스켓(12a)(16a)을 이용하여 밀봉한 후 전후에서 이동 머리판(11) 및 고정 머리판(18)를 볼트로 체결하여 교환기 몸체를 완성한다. 가스켓(12a)(16a)은 충분한 높이(예컨대 3㎜)의 것을 사용하여 후술하는 철망군(13)(15) 및 공간격자(14)를 수용할 수 있는 공간을 형성한다.In Fig. 1, according to the present invention, the front plate 12 and the rear plate 16 having the gaskets 12a, 16a and the projections 12b, 16b on each side thereof are installed to be alternated inside the body. . As shown, the front plate 12 comes near the moving headboard 11, followed by the rear plate 16, and then the front plate 12 is alternated again. In the case of a general gasket fastening plate heat exchanger, the front plate 12 and the rear plate 16 are sealed using the gaskets 12a and 16a, and then the moving head plate 11 and the fixed head plate 18 are bolted before and after. To complete the exchanger body. The gaskets 12a and 16a use a sufficient height (for example, 3 mm) to form a space that can accommodate the wire mesh groups 13 and 15 and the space grid 14 described later.
필요할 경우 작동유체의 유로는 전방판(12) 및 후방판(16)이 아닌 교환기의 상부 및 하부단에 가공될 수 있다. 브레이징 용접형의 판형열교환기의 경우에는 유로 주위와 판의 둘레에 용접을 위한 요철형 구조가 성형되어야 한다If necessary, the flow path of the working fluid may be processed at the upper and lower ends of the exchanger rather than the front plate 12 and the rear plate 16. In the case of a brazed welded plate heat exchanger, an uneven structure for welding is to be formed around the channel and around the plate.
이러한 전방판(12)의 및 후방판(16)의 돌기는 장방형으로 성형되며 돌기(12b)(16b)의 가로·세로 크기와 횡방향 및 종방향 피치는 액체의 밀도와 점도 그리고 판의 기하학적 크기에 의해 결정된다. 전방판(12)의 음각돌기(12b)는 작동유체의 흐름 방향으로 보아 전방판(12)의 후면으로 돌출된 음각이고 후방판(16)의양각돌기(16b)는 후방판(16)의 전면으로 돌출된 양각이다.The protrusions of the front plate 12 and the rear plate 16 are formed in a rectangular shape, and the horizontal and vertical sizes, the transverse and longitudinal pitches of the protrusions 12b and 16b are determined by the density and viscosity of the liquid and the geometric size of the plate. Determined by The intaglio protrusion 12b of the front plate 12 is an intaglio projecting to the rear side of the front plate 12 in the flow direction of the working fluid, and the embossed protrusion 16b of the back plate 16 is the front of the rear plate 16. It is an embossed protrusion.
또, 본 발명에 따르면 상기 액체의 유동에 모세관력이 작용하도록 하는 철망군(13)(15)이 상기 전방판(12) 및 후방판(16) 중에서 전방판(12)의 후면과 후방판(16)의 전면이 이루는 공간상에 각 판에 인접하여 일정한 간격을 유지하며 대향하도록 설치된다. 철망군(13)(15)은 전방판(12) 및 후방판(16)의 돌기(12b)(16b)가 관통할 수 있는 크기의 사각공(13a)(15a)이 가공된 단순한 구조의 철망으로 그 기하학적 크기(철선의 직경, 매쉬(mesh) 번호) 및 수량은 판과 철망 사이의 공간에 액체가 침투하도록 충분한 모세관력을 유도하기 위한 유하액막의 유량, 판과 판사이의 유로의 단면적, 액체의 온도와 압력에 의하여 결정되는 용액의 표면장력, 밀도, 점도, 그리고 액체와 판 및 철망사이의 접촉각에 의하여 결정된다. 이때 철망군(13)(15)은 눈의 크기가 지나치게 세밀한 것(매쉬번호가 큰 것)을 사용하는 것은 도리어 역효과를 유발할 수도 있다.In addition, according to the present invention, the wire mesh group 13, 15 for capillary force acting on the flow of the liquid is the rear plate and the rear plate of the front plate 12 of the front plate 12 and the back plate 16 ( On the space formed by the front surface of 16), they are installed so as to face each other at a constant interval adjacent to each plate. The wire mesh groups 13 and 15 are wire meshes of a simple structure in which square holes 13a and 15a of a size that can be penetrated by the protrusions 12b and 16b of the front plate 12 and the rear plate 16 are processed. Its geometric size (diameter of wire, mesh number) and quantity are the flow rate of the falling film to induce sufficient capillary force to allow liquid to penetrate the space between the plate and the wire mesh, the cross-sectional area of the flow path between the plate and the plate, and It is determined by the surface tension, density, viscosity of the solution, and the contact angle between the liquid and the plate and wire mesh, which are determined by the temperature and pressure of the solution. At this time, the wire mesh group 13 and 15 may use an insignificant eye size (a large mesh number) may cause adverse effects.
또 모세관력을 발생시키는 철망은 사용하는 액체의 종류에 따라 탄소강이나 스테인레스 강으로 제작된 망(mesh)을 사용하지 않고 화학 복합재, 예컨대 PVC 등이나 직물류등으로 제작된 망도 적용할 수 있으며 이 때 망의 기하학적 크기는 액체와 망사이의 접촉각등에 의해 결정된다.In addition, the wire mesh generating capillary force may be applied to a mesh made of a chemical composite material such as PVC or fabrics without using a mesh made of carbon steel or stainless steel, depending on the type of liquid used. The geometric size of the net is determined by the contact angle between the fluid and the net.
이때 도 2에 나타내는 바와 같이, 상기 전방판(12) 및 후방판(16)의 돌기(12b)(16b)는 각각의 일면에 전방판(12)과 후방판(16)사이의 간격의 1/2에 해당하는 동일한 높이로 돌출된 상태로 상기 각 대향하는 철망군(13)(15)을 관통한 후 공간격자(14) 사이에 도달하며, 각 철망군(13)(15) 사이에서 모세관력으로 유동되는 액체가 중력가속도 방향으로만 유동하는 것을 방해하여 판의 횡방향으로 고르게 분배시킨다.At this time, as shown in Fig. 2, the projections 12b and 16b of the front plate 12 and the rear plate 16 are each one of the intervals between the front plate 12 and the rear plate 16 on one surface thereof. It penetrates through the opposing wire mesh groups 13 and 15 in a state of protruding at the same height corresponding to 2, and reaches between the space grids 14, and the capillary force between each of the wire mesh groups 13 and 15. This prevents the flow of liquid from flowing only in the direction of gravity acceleration and distributes it evenly in the transverse direction of the plate.
각각 음각 및 양각된 요철형 돌기(12b)(16b)는 전방판(12) 및 후방판(16)을 체결할 경우 판사이의 유로의 중앙, 즉 공간격자(14)의 중앙위치에서 그 끝단이 접촉하여 전방판(12)와 후방판(16)을 잇는 다리를 형성하여 유하액막의 수직방향유동을 방해하고 횡방향 유동을 유도하는 분배판의 역할을 한다. 이러한 돌기(12b)(16b)의 접촉면을 브레이징 용접하므로서 유로의 압력과 외부의 압력차에 의해 발생할 수도 있는 전후방판(12)(16)의 변형 및 유로의 변형을 방지할 수 있다.Recessed and embossed projections 12b and 16b respectively contact the ends of the flow path between the plates, that is, at the center of the space grid 14 when the front plate 12 and the rear plate 16 are fastened. By forming a bridge between the front plate 12 and the rear plate 16 to prevent the vertical flow of the falling film and serves as a distribution plate to induce transverse flow. By brazing the contact surfaces of the protrusions 12b and 16b, it is possible to prevent deformation of the front and rear plates 12 and 16 and deformation of the flow path, which may be caused by the pressure difference between the flow path and the external pressure.
또, 본 발명에 따르면 상기 작동유체 중 기체의 유동만 허용하는 공간격자(14)가 상기 복수의 철망군(13)(15)에서 중앙부에 개재된다. 철망군(13)(15) 사이에 설치되는 공간격자(14)에는 철망군(13)(15)의 사각공(13a)(15a)과 동일한 형태의 홈이 가공되어 전방판(12) 및 후방판(16)에 가공된 돌기(12b)(16b)가 관통하며 전방판(12) 및 후방판(16)에 위치한 철망군(13)(15)이 판상에서 이탈되지 않도록 지지한다.In addition, according to the present invention, a space grid 14 allowing only the flow of gas in the working fluid is interposed in the central portion of the plurality of wire mesh groups 13 and 15. In the space grid 14 installed between the wire mesh groups 13 and 15, grooves having the same shape as that of the square holes 13a and 15a of the wire mesh groups 13 and 15 are processed so that the front plate 12 and the rear side are processed. The protrusions 12b and 16b processed in the barrier plate 16 pass through and support the wire mesh groups 13 and 15 located in the front plate 12 and the rear plate 16 so as not to be separated from the plate.
이때 상기 공간격자(14)는 기체가 통과 가능한 다공질 소재로서 상기 대향하는 각각의 철망군(13)(15)이 모세관력을 형성하도록 일정한 간격으로 지지한다. 이러한 공간격자(14)에는 철망이나 철선으로 가공된 매트리스 혹은 단순한 판 스프링(plate spring)형의 격자가 사용될 수도 있으며 기체의 상향 혹은 하향유동이 유하액막의 유동을 방해하여 유하액막의 형성을 저하시키거나 유하액막의 하향유동을저해하지 않도록 기체의 유동 공간을 확보하는 역할을 한다.At this time, the space grating 14 is a porous material through which gas can pass and is supported at regular intervals so that the opposing wire mesh groups 13 and 15 form capillary forces. The space grating 14 may be a wire mesh or a wire mesh mattress or a simple plate spring type lattice, and the upward or downward flow of gas interferes with the flow of the dripping film, thereby reducing the formation of the dripping film. Or to secure the flow space of the gas so as not to hinder the downward flow of the falling film.
판의 표면상에서 유하액막의 형성은 기본적으로 판과 액체사이의 적심특성(wetting characteristics)에 의해 결정되며 이는 판과 액체사이의 접촉각 (contact angle), 표면장력 (surface tension), 액체의 밀도, 그리고 액체의 점도등에 의하여 결정된다. 물이나 물이 함유된 수용액(예, 암모니아-물 혼합용액이나 물-리튬브로마이드 용액)의 경우와 같이 접촉각이 클수록, 표면장력이 클수록 액체는 완전한 유하액막을 형성하지 못하고 판 표면상을 부분적으로 적시며 세류로 유동하는 것이 일반적인 유동 형태이다. 결국 전후방판(12)(16)에 가공된 돌기(12b)(16b)는 중력에 의해 수직 하향 유동하는 액체를 횡방향으로 분배하며, 철망(13)(15)은 전후방판(12)(16)상에 모세관력으로 완전한 유하액막을 형성하고 유하액막의 내부 교란 및 혼합을 유도하는 역활을 하며, 공간격자(14)는 철망(13)(15)을 전후방판(12)(16)상에 지지하여 기체의 유동공간을 형성하는 기능을 수행하므로서 유하액막과 기체사이의 열 및 물질전달 효율을 최대로 향상시킨다.The formation of the dripping film on the surface of the plate is basically determined by the wetting characteristics between the plate and the liquid, which is the contact angle between the plate and the liquid, the surface tension, the density of the liquid, and It is determined by the viscosity of the liquid. As in the case of water or aqueous solutions containing water (e.g., ammonia-water mixtures or water-lithium bromide solutions), the greater the contact angle, the greater the surface tension, the liquid does not form a complete dripping film and partially overlaps the surface of the plate. The sour and trickle flow is a common form of flow. As a result, the projections 12b and 16b processed in the front and rear plates 12 and 16 distribute the liquid flowing vertically downward by gravity in the horizontal direction, and the wire meshes 13 and 15 are the front and rear plates 12 and 16. The capillary force forms a complete dripping film on the c) and induces internal perturbation and mixing of the dripping film, and the space grid 14 is placed on the front and rear plates 12 and 16 on the wire mesh 13 and 15. It supports to form a flow space of the gas to improve the heat and mass transfer efficiency between the falling film and the gas to the maximum.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 전방판(12) 및 후방판(16)의 돌기(12b)(16b)가 철망군(13)(15)의 사각공(13a)(15a)을 통과하는 상태로 전방판(12) 및 후방판(16)의 사이에 철망군(13)(15)을 수용하며, 전후의 철망군(13)(15) 사이에 설치하는 공간격자(14)에 의해 철망군(13)(15)이 보다 안정적으로 지지되도록 하는 구성을 특징으로 함에 따라, 유입구(11a)로부터 자중에 의하여 흘러내리는 액체는 판상의 돌기(12b)(16b)에 의하여 수직유동이 방해되고 좌우의 횡방향 유동이 유발되어 판 전면에 대하여 고르게 분배된 후 모세관력에 의하여 판과 철망군(13)(15) 사이의 공간에 액체가 침투하여 판상에 완전한 유하액막을 형성한다.2 and 3, in the present invention, the projections 12b and 16b of the front plate 12 and the rear plate 16 may be formed by the square holes 13a and 15a of the wire mesh group 13 and 15. In the space grid 14 to accommodate the wire mesh group 13, 15 between the front plate 12 and the rear plate 16 in the state of passing, and installed between the front and rear wire mesh group 13, 15. As the wire mesh groups 13 and 15 are more stably supported, the liquid flowing down from the inlet port 11a by its own weight is prevented from vertical flow by the plate-shaped protrusions 12b and 16b. After the horizontal flow of the left and right side is induced and distributed evenly with respect to the front surface of the plate, the liquid penetrates into the space between the plate and the wire mesh groups 13 and 15 by capillary force to form a complete falling film on the plate.
이와 동시에 기체는 공간격자(14)가 설치된 공간을 통하여 유하액막의 유동을 방해하지 않으면서 평행류나 대향류로 유하액막의 표면을 유동하며 열 및 물질전달 과정이 발생하며, 유하액막은 철망을 타고 흘러내리는 과정중 그 내부에서 액체의 교란 및 혼합이 자연적으로 발생하고 공간격자(14)를 통하여 유동하는 기체의 내부에도 내부교란이 발생하므로 유하액막 표면에서의 열 및 물질전달 계수는 아주 우수하며 또한 판상에서 유하액막내의 온도구배가 크므로 2차 유체 측과의 열전달 특성도 향상된다.At the same time, the gas flows through the surface of the falling film in parallel or counterflow without interfering with the flow of the falling film through the space in which the space grid 14 is installed, and heat and mass transfer processes occur. During the flow down process, the liquid disturbance and mixing occur naturally inside, and internal disturbance occurs inside the gas flowing through the space grid 14, so the heat and mass transfer coefficient on the surface of the falling film is excellent. Since the temperature gradient in the dripping film is large on the plate, the heat transfer characteristics with the secondary fluid side are also improved.
도 4는 본 발명의 다른 적용예에 따른 유하액막식 열 및 물질교환기의 내부구조를 나타내는 분해 사시도가 도시된다.Figure 4 is an exploded perspective view showing the internal structure of the falling film heat and mass exchanger according to another application of the present invention.
도 1 내지 도 3의 구성과 달리 도 4는 상기 전방판(12) 및 후방판(16)의 돌기(12b)(16b)를 생략하는 대신 휜(27a)을 지니는 지지판(27)을 개재시키는 구성을 설명한다. 지지판(27)이 추가로 개재되면서 전방판(22) 및 후방판(26)에 돌기가 없는 형태를 사용하는 반면 전술한 이동 머리판(11), 철망군(13)(15), 공간격자(14), 고정 머리판(18) 등의 구성은 동일하다.Unlike the configuration of FIGS. 1 to 3, FIG. 4 is configured to interpose a support plate 27 having a rib 27a instead of omitting the projections 12b and 16b of the front plate 12 and the rear plate 16. Explain. While the support plate 27 is interposed further, the front plate 22 and the rear plate 26 use a form without protrusions, while the moving head plate 11, the wire mesh group 13, 15, and the space grid 14 described above. ) And the fixed headboard 18 are the same.
휜(27a)은 전방판(22) 및 후방판(26)사이의 간격에 해당하는 높이로 양각된 사각 요철 돌기가 장방형으로 성형된 것으로 휜(27a)의 가로·세로 길이, 횡방향 및 종방향의 배치 간격은 액체의 밀도와 점도 그리고 판의 기하학적 크기에 의해결정된다. 휜(27a)의 상단과 하단은 각각 유로를 구성하는 전방판(22) 및 후방판(26) 상에 접촉되어 유하액막의 수직방향 유동을 방해하고 횡방향 유동을 유도하는 분배판의 역할을 한다. 지지판(27)에 가공되는 사각공(27b)은 후방판(26)과의 접촉저항과 전열면의 두께증가에 따른 열저항을 근본적으로 제거하며 철망군(13)(15)이 그 위에 설치될 경우 모세관력이 작용하여 유하액막이 형성되는 유로를 구성하는 역할을 한다.27 (27a) is a rectangular embossed projection embossed at a height corresponding to the distance between the front plate 22 and the rear plate 26, the horizontal, vertical length, transverse direction and longitudinal direction of the 휜 (27a) The spacing of the is determined by the density and viscosity of the liquid and the geometric size of the plate. The upper and lower ends of the fin 27a are in contact with the front plate 22 and the rear plate 26 constituting the flow path, respectively, and serve as a distribution plate that prevents the vertical flow of the falling film and induces the transverse flow. . The square hole 27b processed in the support plate 27 essentially removes the contact resistance with the rear plate 26 and the heat resistance due to the increase in the thickness of the heat transfer surface, and the wire mesh groups 13 and 15 can be installed thereon. In this case, the capillary force acts to form a flow path in which the falling film is formed.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에서는 상대적으로 작은 액체의 유량에 대하여도 액체의 모세관력을 최대한 활용하여 완전한 액막의 형성을 유도하고 기하학적으로 유하액막의 유동과정 중 액체의 내부 혼합 및 교란이 자연적으로 발생하는 요소의 부품을 전열면상에 설치하여 운전하므로서 유하액막의 열 및 물질전달 효율을 최대화할 수 있을 뿐아니라 전체적으로 구조가 간단하고 제작이 용이하며 설치공간을 최소화 할 수 있다.As described above, the present invention induces the formation of a complete liquid film by maximizing the capillary force of the liquid even for a relatively small liquid flow rate, and geometrically internal mixing and disturbance of the liquid occurs naturally during the flow of the falling film. It is possible to maximize the efficiency of heat and mass transfer of the falling film by installing the parts of the element on the heat transfer surface, and the overall structure is simple, easy to manufacture, and the installation space can be minimized.
한편 본 발명은 전술한 방식 외의 다른 방식에 따른 열 및 물질교환기, 즉 2차유체없이 액체와 기체사이의 열교환이 발생하는 냉각탑에서의 충전재용으로나, 작동유체가 전방판(12)이나 후방판(16)에 가공되지 않고 교환기의 상부나 하부에서 유입, 유출되는 유하액막식 증발기등에도 적용이 가능하다.On the other hand, the present invention is a heat and mass exchanger according to a method other than the above-described method, that is, for filling in a cooling tower in which heat exchange between liquid and gas occurs without a secondary fluid, or the working fluid is the front plate 12 or the rear plate ( It is also applicable to falling film type evaporator which is not processed in 16) and flows in and out of the top or bottom of the exchanger.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명의 모세관력을 이용한 유하액막식 열 및 물질교환기는 전열판상에 유하액막이 고르고 완전하게 형성되고 유하액막의 유동 중 액체의 내부 혼합 및 교란이 물리적으로 자연히 발생되도록 함으로써 외형을소형화하면서도 전열효율을 최대로 향상하는 효과가 있다.The falling film type heat and mass exchanger using the capillary force of the present invention having the above-described configuration and function has an even shape and complete formation of the falling film on the heat transfer plate, and allows the internal mixing and disturbance of the liquid to occur naturally in the flow of the falling film. While miniaturizing, there is an effect of improving heat transfer efficiency to the maximum.
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