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KR20090080808A - 판형 열교환기 - Google Patents

판형 열교환기 Download PDF

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KR20090080808A
KR20090080808A KR1020080006779A KR20080006779A KR20090080808A KR 20090080808 A KR20090080808 A KR 20090080808A KR 1020080006779 A KR1020080006779 A KR 1020080006779A KR 20080006779 A KR20080006779 A KR 20080006779A KR 20090080808 A KR20090080808 A KR 20090080808A
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heat exchanger
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강용태
조형석
안성국
정진희
남상철
박중하
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 판형 열교환기는, 서로 포개어진 상태에서 접합되고 그들 사이의 공간에는 작동유체의 유동경로가 형성되는 복수의 전열판(1)을 구비한다. 각 전열판(1)은 그의 표면에 소정 간격을 두고 반복하여 형성되는 쉐브론(Chevron) 또는 타원형(elliptic)의 다수의 돌출부(2)와 함몰부(3)를 구비한다. 전열판(1)들은 외측 둘레가 용접됨으로써 접합된다. 이러한 판형 열교환기는, 작용유체의 유동 저항을 줄임으로써 낮은 압력강하 특성을 가지게 되며, 작동유체의 온도에 의한 열변형으로 인하여 전열판이 손상되는 것을 최소화 할 수 있다.
흡수식 냉동기, 열교환기, 판형, 엠보싱

Description

판형 열교환기{Plate Heat Exchanger}
본 발명은 판형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡수식 냉동기에서의 용액 열교환에 특히 적합한 판형 열교환기에 관한 것이다.
흡수식냉동기에서의 열교환기는 저온의 묽은 용액과 고온의 진한용액을 열교환하여 재생기로 가는 묽은 용액을 가열하여 재생기에서 용액의 가열에 필요한 가열량을 줄여주고, 흡수기로 들어가는 고온의 진한 용액의 온도를 낮게 하여 흡수기에서의 냉각열량을 줄여줌으로써 연료소비율을 절감하고 열효율을 향상시켜준다. 한편, 이중효용 흡수식냉동기의 경우 재생기가 고온재생기와 저온재생기로 구분되어 있으므로 열교환기도 두 개를 구비한다. 고온재생기로 가는 묽은 용액과 고온재생기에서 나오는 진한 용액이 열교환 되는 것을 고온용액 열교환기, 저온재생기로 가는 묽은 용액과 저온재생기에서 나오는 진한용액이 열교환 되는 것을 저온용액 열교환기라 한다. 고온용액 열교환기의 경우 작동유체의 온도가 150℃ 이상으로 작동온도가 상당히 높다.
종래에는 흡수식 냉동기용 열교환기로서 주로 쉘&튜브(shell and tube)방식을 사용하였다. 그러나 쉘&튜브 방식의 열교환기는 흡수식 냉동기의 특성 상 열교 환 효율이 떨어지므로, 최근에는 판형 열교환기를 채용하는 경우가 늘고 있다.
이러한 판형 열교환기의 일례로서, PCT 국제공개 WO 2006/024340호에 개시된 브레이징 판형 열교환기를 들 수 있다. 상기 공보에 개시된 브레이징 판형 열교환기는 연속적인 요철의 헤링본 패턴(Herringbone pattern)이 형성된 한 쌍의 전열판들이 서로 적층된 상태에서, 전열판들의 외측 둘레가 용접에 의하여 접합되고, 전열판들의 내측의 헤링본 패턴들이 서로 교차하면서 생성되는 접촉면들이 브레이징 접합됨으로써 제조된다. 고온의 작동유체와 저온의 작동유체는 전열판들 사이에 형성되는 공간을 통하여 유동하면서 열교환 된다.
그러나, 이러한 브레이징 판형 열교환기의 경우, 전열판 전체에 연속적인 요철의 헤링본 패턴이 형성되어 있어 전열판들의 접촉 면적이 크고, 그에 따라 전열판들 사이의 틈새가 작으므로, 전열판들 사이를 유동하는 작동유체의 압력강하가 크다는 문제가 있다. 또한, 작동유체의 온도가 높을 경우 열변형에 의하여 전열판에 크랙(crack)이 발생하기 쉽다는 문제점이 있다. 특히, 고온 및 저온의 작동유체들 사이의 온도차로 인하여 전열판 내부의 브레이징 접합부에서 크랙(crack)이 자주 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 브레이징 판형 열교환기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 낮은 압력강하 특성을 가지며, 작동유체의 온도에 의한 열변형으로 인하여 전열판이 손상되는 것을 최소화 할 수 있는 판형 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 서로 포개어진 상태에서 접합되고 그들 사이의 공간에는 작동유체의 유동경로가 형성되는 복수의 전열판을 구비하는 판형 열교환기로서, 상기 각 전열판은 그의 표면에 소정 간격을 두고 반복하여 형성되는 다수의 돌출부와 함몰부를 구비하는 판형 열교환기를 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전열판들은 외측 둘레에서 서로 접합됨으로써 판형 열교환기를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 돌출부와 상기 함몰부는 종방향으로 나란히 배열되어 한 쌍을 이루며, 상기 한 쌍의 돌출부와 함몰부가 종방향 및 횡방향으로 반복하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 돌출부와 함몰부의 쌍들은 종방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 돌출부와 상기 함몰부는 쉐브론(Chevron) 형상일 수 있으며, 상기 돌출부와 상기 함몰부들은 하나의 행과 그에 인접한 다른 행에서 180도로 회전된 대칭 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 돌출부와 상기 함몰부는 타원형(Elliptic) 형상일 수 있다.
본 발명에 따른 판형 열교환기는, 돌출부들 및 함몰부들 사이가 이격되어 있고 전열판들의 접촉 면적도 상대적으로 작으므로, 종래의 브레이징 판형 열교환기에 비하여 작동유체들의 유동 시 저항이 작으며, 그에 따라 낮은 압력강하 특성을 가지게 된다.
또한, 본 발명에 따른 판형 열교환기에서는, 작동유체들과 직접 접촉하는 전열판의 내측에는 용접이 이루어지지 않으므로, 작동유체의 온도에 의한 열변형으로 인하여 전열판이 손상되는 것을 최소화 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기의 전열판(1)의 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전열판(1)은 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열된 다수의 돌출부(2)와 함몰부(3)들을 구비한다. 본 실시예에서, 돌출부(2)와 함몰부(3)는 소정 크기의 쉐브론(Chevron) 형상을 가진다. 구체적으로, 돌출부(2)와 함몰부(3)는 종방향으로 나란히 배열되어 한 쌍을 이루며, 이러한 한 쌍의 돌출부(2)와 함몰부(3)가 종방향 및 횡방향으로 반복하여 형성됨으로써 전열판(1)의 형 태가 완성된다. 또한, 하나의 행과 그에 인접한 다른 행에서 돌출부(2)와 함몰부(3) 쌍들은 180도로 회전된 대칭 형상을 이루며, 종방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열된다.
판형 열교환기는 이러한 전열판(1)들이 서로 뒤집어 포개어짐으로써 형성된다. 도 2는 도 1에 따른 2개의 전열판(1)들이 서로 겹쳐진 상태에서 돌출부(2)와 함몰부(3)들이 교차되는 상태를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 전열판(1)들은 함몰부(3)들이 교차하는 부분(도 2에서 해칭(hatching) 된 부분)에서만 서로 접촉된다. 따라서, 본 실시예에 따른 판형 열교환기에서는 전열판(1)들 사이의 접촉 면적이 종래의 브레이징 판형 열교환기에 비하여 매우 작다.
본 실시예에 따른 판형 열교환기는, 평평한 판재에 다수의 돌출부(2)와 함몰부(3)가 엠보싱 가공된 후, 전열판(1)들 사이의 내측 접촉면(즉, 함몰부(1)들의 교차점)에는 용접이 이루어지지 않고, 전열판(1)들의 외측 둘레만 용접됨으로써 제조된다.
도 3은 도 1에 따른 3개의 전열판(1)들이 겹쳐진 상태에서 도 2의 A-A선을 따라 절단한 단면도를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전열판(1)들 사이 공간에는 고온 및 저온의 작동유체들이 유동할 수 있는 경로가 형성된다. 고온 및 저온의 작동유체들은 전열판(1)들 사이의 유동경로들을 따라 반대방향으로 유동하면서 서로 열교환 된다(도 3의 화살표 참조).
본 실시예에 따른 판형 열교환기는, 돌출부(2)들 및 함몰부(3)들 사이가 이격되어 있어 그들 사이의 공간으로도 작동유체가 유동할 수 있으며, 전열판(1)들 사이의 접촉 면적도 상대적으로 작으므로, 종래의 브레이징 판형 열교환기에 비하여 작동유체들의 유동 시 저항이 작으며, 그에 따라 낮은 압력강하 특성을 가지게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 판형 열교환기에서는, 작동유체들과 직접 접촉하는 전열판(1)의 내측에는 용접이 이루어지지 않으므로, 작동유체의 온도에 의한 열변형으로 인하여 전열판(1)이 손상되는 것을 최소화 할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 판형 열교환기와 종래의 브레이징 판형 열교환기의 압력강하 특성을 비교한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 판형 열교환기와 종래의 브레이징 판형 열교환기를 동일한 작동유체의 유량 및 온도 조건에서 차압특성을 비교하여 실험한 결과, 본 실시예에 따른 판형 열교환기가 종래의 브레이징 판형 열교환기에 비하여 작동유체의 유량이 증가할수록 2∼3배의 낮은 압력강하 특성을 보임을 알 수 있었다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기의 전열판(10)의 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전열판(10)은 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열된 다수의 돌출부(11)와 함몰부(12)들을 구비한다. 본 실시예에서, 돌출부(11)와 함몰부(12)는 소정 크기의 타원형(Elliptic) 형상을 가진다. 구체적으로, 돌출부(11)와 함몰부(12)는 종방향으로 나란히 배열되어 한 쌍을 이루며, 이러한 한 쌍의 돌출부(11)와 함몰부(12)가 종방향 및 횡방향으로 반복하여 형성됨으로써 전열 판(10)의 형태가 완성된다. 또한, 돌출부(11)와 함몰부(12)의 쌍들은 종방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열된다.
도 6은 도 5에 따른 2개의 전열판(10)들이 서로 겹쳐진 상태에서 돌출부(11)와 함몰부(12)들이 교차되는 상태를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 전열판(10)들은 함몰부(12)들이 겹쳐진 부분(도 6에서 해칭 된 부분)에서만 서로 접촉된다. 따라서, 본 실시예에 따른 판형 열교환기에서는 전열판(10)들 사이의 접촉 면적이, 도 1의 실시예보다는 크지만, 종래의 브레이징 판형 열교환기에 비해서는 작다.
도 7은 도 5에 따른 3개의 전열판(10)들이 겹쳐진 상태에서 도 6의 B-B선을 따라 절단한 단면도를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전열판(10)들 사이 공간에는 고온 및 저온의 작동유체들이 유동할 수 있는 경로가 형성된다. 고온 및 저온의 작동유체들은 전열판(10)들 사이의 유동경로들을 따라 반대방향으로 유동하면서 서로 열교환 된다(도 6의 화살표 참조).
본 실시예에 따른 판형 열교환기도, 평평한 판재에 다수의 돌출부(11)와 함몰부(12)가 엠보싱 가공된 후, 전열판(10)들 사이의 내측 접촉면(즉, 함몰부(12)들이 겹쳐지는 부분)에는 용접이 이루어지지 않고, 전열판(10)들의 외측 둘레만 용접됨으로써 제조된다.
또한, 본 실시예에 따른 판형 열교환기도, 돌출부(11)들 및 함몰부(12)들 사이의 이격된 공간으로도 작동유체가 유동할 수 있으며, 전열판(10)들 사이의 접촉 면적도 상대적으로 작으므로, 종래의 브레이징 판형 열교환기에 비하여 작동유체들 의 유동 시 저항이 작으며, 그에 따라 낮은 압력강하 특성을 가지게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 판형 열교환기도, 작동유체들과 직접 접촉하는 전열판(10)의 내측에는 용접이 이루어지지 않으므로, 작동유체의 온도에 의한 열변형으로 인하여 전열판(10)이 손상되는 것을 최소화 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
특히, 이상의 실시예들에서는 돌출부 및 함몰부의 형상으로서 쉐브론(Chevron) 형상과 타원형(Elliptic) 형상을 예로 들었으나, 돌출부 및 함몰부의 형상은 이에 한정되지 아니하며, 예를 들어 직사각형이나 원형 등의 다양한 형상이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기의 전열판의 평면도.
도 2는 도 1에 따른 2개의 전열판들이 서로 겹쳐진 상태에서 돌출부와 함몰부들이 교차되는 상태를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 따른 3개의 전열판들이 겹쳐진 상태에서 도 2의 A-A선을 따라 절단한 단면도.
도 4는 도 1에 따른 판형 열교환기와 종래의 브레이징 판형 열교환기의 압력강하 특성을 비교한 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기의 전열판의 평면도.
도 6은 도 5에 따른 2개의 전열판들이 서로 겹쳐진 상태에서 돌출부와 함몰부들이 교차되는 상태를 나타낸 도면.
도 7은 도 5에 따른 3개의 전열판들이 겹쳐진 상태에서 도 6의 B-B선을 따라 절단한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 10 : 전열판 2, 11 : 돌출부
3, 12 : 함몰부

Claims (7)

  1. 서로 포개어진 상태에서 접합되고 그들 사이의 공간에는 작동유체의 유동경로가 형성되는 복수의 전열판을 구비하는 판형 열교환기로서,
    상기 각 전열판은 그의 표면에 소정 간격을 두고 반복하여 형성되는 다수의 돌출부와 함몰부를 구비하는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전열판들은 외측 둘레에서 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부는 종방향으로 나란히 배열되어 한 쌍을 이루며, 상기 한 쌍의 돌출부와 함몰부가 종방향 및 횡방향으로 반복하여 형성된 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 돌출부와 함몰부의 쌍들은 종방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부는 쉐브론(Chevron) 형상인 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부들은 하나의 행과 그에 인접한 다른 행에서 180도로 회전된 대칭 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부는 타원형(Elliptic) 형상인 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
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