KR101725717B1 - 이중 원통 다관형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 원통 구조와 다관형으로 구성되어 서로 다른 4종류의 A,B,C,D유체가 서로 A-B, B-C, C-D 와 같이 3중으로 열교환이 이루어지도록 한 것이며, 유체의 종류에 따라 따라 축열물질을 이용하여 열에너지 저장하거나 산업 폐열의 열에너지를 재활용하여 에너지 효율을 높이는 이중 원통 다관형 열교환기에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 제A유체, 제B유체, 제C유체, 제D유체가 각각 투입되어 서로 열교환이 이루어지되, 상기 제B유체가 투입되는 제1원통부와, 상기 제1원통부 내측에 배치되어 제C유체가 유입되는 제2원통부와, 상기 제2원통부 외측 주변에 배치되어 제A유체가 유입되는 제1관로와, 상기 제2원통부 내측에 배치되어 제D유체가 유입되는 제2관로;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 원통 다관형 열교환기{multi-tube exchanger with double shell}

본 발명은 이중 원통 구조와 다관형으로 구성되어 서로 다른 4종류의 A,B,C,D유체가 서로 A-B, B-C, C-D 와 같이 3중으로 열교환이 이루어지도록 한 것이며, 사용되는 유체 중 일부에 축열 물질을 이용할 경우 산업 폐열과 같이 간헐적으로 폐기되는 열에너지를 회수, 저장하는 축열 기능을 동시에 수행함으로써 에너지 이용 효율을 높이는 이중 원통 다관형 열교환기에 관한 것이다.

지구온난화 억제와 직접 관련된 화석연료이용 에너지변환기기의 고효율화와 함께 폐기열에 대한 관심이 높아지고 있다. 대표적인 폐기열로서 국내 총 에너지의 약 45%를 점유하는 산업에너지의 소비로부터 배출되는 이른 바 산업폐열이 있다.

산업에너지는 농업, 공업, 수산업, 임업, 광업 등 다양한 분야에서 사용되므로 배출되는 폐열의 양이 상당하다. 하지만 산업폐열은 산업 공정상에서 발생하고 에너지의 시간적 변동을 가지기 때문에 폐열의 유용성이 저하한다.

에너지 발생의 시간 변동성을 완화시키기 위해서는 별도의 축열 장치가 필요하다. 이에 산업폐열의 시간 변동성을 고려하여 열교환기에 축열기능의 탑재가 필요한 실정이다.

일반적인 다관형 또는 판형 열교환기는 고온의 유체와 저온의 유체가 서로 열 교환이 되도록 되어 있다. 이 때문에 2종류 이상의 유체끼리의 열교환이 이루어지려면 열교환기를 추가적으로 더 설치해야 하고, 연결 설치하는 구조이기 때문에 크기의 증대로 인하여 설치가 용이하지 못하고 에너지손실에 따른 효율 저하의 문제점이 있다.

다음은 열교환기와 관련된 선행 특허기술이다.

① 등록특허 제10-0683001호(원통형 다관식 열교환기)는 열교환기 배치형상과 관련된 기술로서, 내용에는 원통부의 양단에 상부 헤드부와 하부 헤드부와 각각 배치되고, 상기 원통부와 상부 헤드부 사이에 제 1 격막이 배치되고, 상기 원통부와 하부 헤드부 사이에 제 2 격막이 배치되므로서, 원통부의 내부공간과 상부 및 하부 헤드부의 내부공간이 구분되며, 상기 원통부에 배치되는 다수개의 튜브가 배치되는 구성이 제시되어 있다.

그러나 상기 선행기술은 2 종류의 열 매체가 서로 열교환이 이루어지는 방식으로서 2 종류 이상의 유체끼리 열교환이 이루어지기 위해서는 열교환기를 추가적으로 더 설치해야 하는 문제점이 있고, 원통부에 가깝게 위치한 열 매체는 열손실이 큰 문제점이 있다.

② 등록특허 제10-1183546호(다관형 열교환기)에는 물공급과 배출이 이루어지는 몸체와, 상기 몸체 하부에 설치되는 연소부와, 함몰홈과 돌출홈이 형성되어 있는 전열부와, 상기 몸체 상단에 설치되고 상기 전열부에서 배출된 연소가스를 상기 몸체 외부로 유도하는 연소가스배출부;를 포함하는 구성이 제시되어 있다.

상기 선행기술은 다관형으로 이루어지고 함몰홈과 돌출홈으로 열교환 효율을 높이고자 했으나, 열교환 유체는 통상적으로 보일러에 적용되는 물과 연소가스 간의 열교환방식으로 되어 있기 때문에 이외에 또 다른 유체끼리의 열교환은 불가능한 문제점이 있다.

③ 등록특허 제10-0954439호(다중효용 판형 열교환기)에는 제 1열교환 매체가 일단에서 유입되어 길이방향으로 이동 후 타단으로 배출될 수 있도록 하는 제 1유입구와 제 1유출구 및 제 1열교환 매체와 혼합되는 제 1보충수를 유입시키는 제 1보조유입구를 천공형성하는 다수의 제 1전열판과; 제 1열교환 매체와 유입/출 방향이 반대인 제 2열교환 매체가, 일단에서 유입되어 길이방향으로 이동 후 타단으로 배출될 수 있도록 하는 제 2유입구와 제 2유출구 및 제 2열교환 매체와 혼합되는 제 2보충수를 유입시키는 제 2보조유입구를 천공형성하는 다수의 제 2전열판;으로 이루어지며, 상기 다수개의 제 1전열판과 제 2전열판이 상호간 교번을 이루며, 밀착배치되어 겹쳐지거나 또는 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중효용 판형 열교환기.

상기 선행기술은 제1열교환 매체와 제1보충수는 서로 온도만 다를 뿐 같은 종류의 물로 이루어진 구성이 때문에 3종류의 열교환 매체가 열교환이 이루어지는 구성으로 볼 수 없다. 또한 상기 선행기술은 원통형 열교환기가 아닌 판형 열교환기로서, 한층 마다 1종류의 유체가 흐르는 구조로서 유체의 종류가 많아 질 수록 구조는 복잡해지고 열교환이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서,

하나의 열교환기에서 4종류의 유체가 서로 열교환이 이루어질 수 있도록 하고 열교환기의 용도에 따라 유체를 효율적으로 배치함에 따라 축열물질 또는 산업에서 발생하는 폐열을 활용하여 에너지 절감 및 효율적으로 사용할 수 있는 이중 원통 다관형 열교환기를 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 제A유체, 제B유체, 제C유체, 제D유체가 각각 투입되어 서로 열교환이 이루어지되, 상기 제B유체가 투입되는 제1원통부와, 상기 제1원통부 내측에 배치되어 제C유체가 유입되는 제2원통부와, 상기 제2원통부 외측 주변에 배치되어 제A유체가 유입되는 제1관로와, 상기 제2원통부 내측에 배치되어 제D유체가 유입되는 제2관로;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제A유체와 제B유체, 제B유체와 제C유체, 제C유체와 제D유체는 직접적으로 열교환이 이루어지고, 제A유체와 제C유체, 제A유체와 제D유체, 제B유체와 제D유체는 간접적으로 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제A유체는 고온수, 제B유체는 축열물질(PCM), 제C유체는 산업폐열, 제D유체는 냉매로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제A유체는 냉매, 제B유체는 냉각수, 제C유체는 축열물질(PCM), 제D유체는 온수로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하나의 열교환기에서 4종류의 유체가 서로 열교환이 이루어질 수 있도록 하고 열교환기의 용도에 따라 유체를 효율적으로 배치함에 따라 축열물질 또는 산업에서 발생하는 폐열을 활용하여 에너지 절감 및 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 이중 원통 다관형 열교환기를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 이중 원통 다관형 열교환기를 나타낸 측단면도
도 3은 본 발명의 용도에 따른 각 A,B,C,D 유체의 종류와, 종류에 따른 배치 구성의 제1실시예를 나타낸 측단면도
도 4는 도 3의 제1실시예를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 용도에 따른 각 A,B,C,D 유체의 종류와, 종류에 따른 배치 구성의 제2실시예를 나타낸 측단면도
도 6은 본 발명의 제1원통부에 제2원통부가 복수로 구성되는 또 다른 실시예를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 이중 원통 다관형 열교환기의 전체적인 외형 구조를 나타낸 도면

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

종래의 열교환기는 2종류의 유체가 서로 열교환이 이루어지는 구조여서 2종류 이상의 유체끼리의 열교환이 이루어지려면 열교환기를 추가적으로 더 설치해야 하야는 문제점과 구조적으로 발생하는 에너지손실이 컸던 바, 본 발명의 이중 원통 다관형 열교환기를 통해서 4종류의 유체가 서로 열교환이 가능함은 물론이고 열손실을 최소화하면서 유체활용도를 높일 수 있게 되는 것이다. 또한 사용되는 유체 중 일부에 축열 물질을 이용할 경우 열에너지를 저장하는 축열조 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 이중 원통 다관형 열교환기는 도면에 도시한 바와 같이, 제A유체, 제B유체, 제C유체, 제D유체가 각각 투입되어 서로 열교환이 이루어지되, 상기 제B유체가 투입되는 제1원통부(10)와, 상기 제1원통부(10) 내측에 배치되어 제C유체가 유입되는 제2원통부(20)와, 상기 제2원통부(20) 외측 주변에 배치되어 제A유체가 유입되는 제1관로(11)와 상기 제2원통부(20) 내측에 배치되어 제D유체가 유입되는 제2관로(21);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 제1원통부(10)가 열교환기의 본체를 구성하고, 상기 제1원통부(10) 보다 작은 크기의 제2원통부(20)가 일측에 삽입 돌출된 형태로 이루어져 있다. 상기 제1원통부(10)와 제2원통부(20) 사이에는 제1관로(11)가 제2원통부(20)를 중심으로 방사상으로 배치되어 있고, 제2원통부(20) 내측에는 제2관로(21)가 배치되어 있다. 또한 제1원통부(10)와 제2원통부(20)는 일측에 각각 2종류씩 유체가 유입되도록 유입구(30)가 형성되어 있고, 반대쪽에도 유입구(30)와 동일한 구조로 배출구(미도시)가 형성되어 있으며, 각각의 원통부(10)(20)는 관로의 유체와 서로 섞이지 않도록 격벽(40)이 형성되어 있다.

상기 제2원통부(20)는 단일로 구성될 수 있으나, 도 6에 도시한 바와 같이 복수로 구성되어 배열된 형태로 이루어지고 제1관로(11)와 제2관로(21) 역시 이와 대응되도록 제2원통부(20) 주변과 내측에 배치하여 큰 규모의 열교환기로 사용될 수 있다.

본 발명은 상기 제A유체와 제B유체, 제B유체와 제C유체, 제C유체와 제D유체는 직접적으로 열교환이 이루어지고, 제A유체와 제C유체, 제A유체와 제D유체, 제B유체와 제D유체는 간접적으로 열교환이 이루어진다. 상기와 같이 각각의 모든 유체들이 직접 동시다발적으로 열교환이 이루어지지 않고 순차적으로 열교환이 이루어지도록 한 이유는 후술하는 제1실시예의 예를 들어서 상세히 설명하고자 한다.

<제1실시예>

본 발명의 도면 3 내지 4는 제1실시예의 각 A,B,C,D 유체의 종류와 종류에 따른 배치 구성을 나타낸 것으로서, 고온형 히트펌프의 증발기로 사용될 경우의 예를 나타낸 것이다. 상기 제1실시예의 제A유체는 고온수, 제B유체는 축열물질(PCM), 제C유체는 산업폐열, 제D유체는 냉매로 이루어져 있다.

상기 제1실시예의 각 유체를 더 설명하자면, 제A유체는 90~120℃의 온도를 가진 고온수가 사용되고, 제B유체는 축열물질로서 일반적으로 알려진 상변화물질(PCM: Phase Change Materia)이 사용되고, 제C유체는 산업폐열로서 버려진 산업에너지를 전체적으로 의미하는 것으로 그 형태는 기체 또는 액체 등 다양하게 이루어질 수 있다. 그리고 제D유체는 냉매(Refrigerant)가 사용된다.

상기 제B유체에 사용되는 축열물질(PCM)은 열 전달뿐만 아니라 열을 저장하였다가 활용하는 용도이기 때문에, 다른 유체와 다르게 최초에 투입하고 내부에 채워진 상태로 교체하기 전까지 지속적으로 사용하는 것이다.

상기 제1실시예에서 각 유체들의 온도는 대략 제A유체(90~120℃), 제B유체(70~80℃), 제C유체(65~70℃), 제D유체(60℃)로 예를 들 수 있다. 상기 제A유체(고온수)는 제B유체(PCM)로 열이 전달되고 상기 제B유체(PCM)는 제C유체(산업폐열)로 열이 전달되고, 상기 제C유체(산업폐열)는 제D유체(냉매)로 열전달이 순차적으로 이루어져 최종적으로 전달된 열에 의해 제D유체(냉매)가 증발과정을 거치게 되는 것이다.

따라서 상기 제C유체(산업폐열)의 열에너지로 제D유체(냉매)를 증발시키는데 있어서 충분하지 못하였을 때(산업폐열의 온도가 열교환기 입구에서 60℃ 이하로 내려갔을 경우) 제C유체(산업폐열)는 제B유체(PCM)에서 열을 전달받아 제D유체(냉매)를 증발시키기 위한 온도로 조절이 가능하다. 아울러 제C유체(산업폐열)의 공급온도가 제D유체(냉매)를 충분히 증발시키고도 남을 정도라면 남은 열은 제B유체(PCM)에 전달하여 저장할 수 있다.

이와 같이 원통부와 관로를 구성하고 4종류의 유체를 적절한 위치에 배치함으로써, (산업폐열)의 열에너지를 회수하여 활용할 수 있고 고온수의 열은 축열물질(PCM)에서 열손실을 최소화하면서 열을 저장하고 냉매가 증발될 수 있도록 한 적절한 온도를 전달할 수 있는 것이다.

<제2실시예>

본 발명의 도면 5는 제2실시예의 각 A,B,C,D 유체의 종류와, 종류에 따른 배치 구성을 나타낸 것으로서, 고온형 히트펌프의 응축기로 사용될 경우의 예를 나타낸 것이다. 즉, 제A유체는 냉매, 제B유체는 냉각수, 제C유체는 축열물질(PCM), 제D유체는 온수로 이루어져 있다.

상기 제2실시예는 제B유체(냉각수)가 고온의 제A유체(냉매)에서 열을 빼앗아 제A유체(냉매)가 응축될 수 있도록 하는 것으로, 이때 제C유체(PCM)는 온도가 올라간 상태의 제B유체(냉각수)로부터 전달받은 열을 제D유체(온수)로 전달하여 따듯한 물을 사용할 때 유용하게 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 각 유체의 종류 및 배치에 따른 설명을 하였지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 용도에 따라 각 유체의 종류 및 배치는 얼마든지 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

10 : 제1원통부
11 : 제1관로
20 : 제2원통부
21 : 제2관로
30 : 통로
40 : 격벽

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 제A유체, 제B유체, 제C유체, 제D유체가 각각 투입되어 서로 열교환이 이루어지되,
   상기 제B유체가 투입되는 제1원통부(10)와,
   상기 제1원통부 내측에 배치되어 제C유체가 유입되는 제2원통부(20)와,
   상기 제2원통부 외측 주변에 배치되어 제A유체가 유입되는 제1관로(11)와,
   상기 제2원통부 내측에 배치되어 제D유체가 유입되는 제2관로(21);를 포함하고,
   상기 제1관로(11)는 제2원통부(20)를 중심으로 방사상으로 배치되며, 각각의 원통부(10)(20)는 관로의 유체와 서로 섞이지 않도록 격벽(40)이 형성되고,
   상기 제A유체와 제B유체, 제B유체와 제C유체, 제C유체와 제D유체는 직접적으로 열교환이 이루어지고, 제A유체와 제C유체, 제A유체와 제D유체, 제B유체와 제D유체는 간접적으로 열교환이 이루어지도록 하고,
   상기 제A유체는 고온수, 제B유체는 축열물질(PCM), 제C유체는 산업폐열, 제D유체는 냉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 원통 다관형 열교환기
   
   
   
4. 제A유체, 제B유체, 제C유체, 제D유체가 각각 투입되어 서로 열교환이 이루어지되,
   상기 제B유체가 투입되는 제1원통부(10)와,
   상기 제1원통부 내측에 배치되어 제C유체가 유입되는 제2원통부(20)와,
   상기 제2원통부 외측 주변에 배치되어 제A유체가 유입되는 제1관로(11)와,
   상기 제2원통부 내측에 배치되어 제D유체가 유입되는 제2관로(21);를 포함하고,
   상기 제1관로(11)는 제2원통부(20)를 중심으로 방사상으로 배치되며, 각각의 원통부(10)(20)는 관로의 유체와 서로 섞이지 않도록 격벽(40)이 형성되고,
   상기 제A유체와 제B유체, 제B유체와 제C유체, 제C유체와 제D유체는 직접적으로 열교환이 이루어지고, 제A유체와 제C유체, 제A유체와 제D유체, 제B유체와 제D유체는 간접적으로 열교환이 이루어지도록 하고,
   상기 제A유체는 냉매, 제B유체는 냉각수, 제C유체는 축열물질(PCM), 제D유체는 온수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 원통 다관형 열교환기

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