KR102324879B1 - 열교환기 및 열 회수 장치 - Google Patents

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양권옥
윤 식 변
윤 식 변
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양권옥
변윤식
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Abstract

본 발명의 열교환기는 유체가 흐르는 복수의 파이프가 열과 단을 형성하며 배열된 관부; 서로 인접한 복수의 파이프를 연결하는 제1 연결부; 상기 제1 연결부에 의해 연결된 복수의 파이프를 바디(body)로 정의할 때, 복수의 상기 바디를 연결하는 제2 연결부;를 포함할 수 있다.

Description

열교환기 및 열 회수 장치{Heat exchanger and heat recovery system}
본 발명은 열교환기 및 열을 회수하는 시스템에 관한 것이다.
일반적인 코일 순환형 열회수 시스템에 사용하는 열교환기는 냉각 코일과 동일한 배열 방식의 구조를 취할 수 있다. 열교환 성능을 높이기 위해서는 코일의 열수(No. of Rows)를 늘려야 하며 이런 방식으로 코일의 열수를 늘리면 코일의 크기가 커지고 가격이 상승하게 된다. 또한, 이에 맞춰 주변 관련 기기의 크기도 커져서 총 장비 가격이 기하급수적으로 높아질 수밖에 없다.
한국등록특허공보 제1053172호에는 각 열이 지그재그 형태로 형성된 형성된 열교환기가 나타나 있다.
한국등록특허공보 제1053172호
본 발명은 코일 순환형 열 회수 장치에 적용되는 열교환기 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 열교환기는 유체가 흐르는 복수의 파이프가 열과 단을 형성하며 배열된 관부; 서로 인접한 복수의 파이프를 연결하는 제1 연결부; 상기 제1 연결부에 의해 연결된 복수의 파이프를 바디(body)로 정의할 때, 복수의 상기 바디를 연결하는 제2 연결부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 열 회수 장치는 서로 다른 기체 유로에 배치되는 복수의 열교환기; 복수의 상기 열교환기를 연결하고 특정 유체가 흐르는 순환부;를 포함하고, 상기 순환부에 의해 상기 특정 유체가 복수의 상기 열교환기를 순환하고, 상기 기체 유로를 따라 흐르는 기체와 상기 특정 유체 간의 열교환이 이루어질 수 있다.
본 발명은 코일 순환형 열 회수 장치에 적용되는 고성능 열교환기를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 열 회수 성능을 높일 수 있는 열교환기 구조 및 적용 시스템이 제공될 수 있다.
기존의 냉각 코일 방식의 열교환기로는 낮은 열 회수 성능을 얻을 수밖에 없으나 본 발명의 열교환기 및 시스템을 적용하면 열회수 성능을 높일 수 있을 뿐 아니라 적용 범위도 확대할 수 있다.
본 발명과 같이 코일 루프를 형성하면 기존 냉각 코일과 동일한 규격의 열교환기와 비교하여 패스(PASS) 수를 배증시킬 수 있어 열교환기를 통과하는 공기 온도에 근접한 순환수를 얻을 수 있다. 예를 들면, 기존 6열 풀 서킷 냉각 코일(Full Circuit Cooling Coil)의 경우, 6열, 6패스(6 rows, 6 pass)이지만 본 발명과 같이 루프를 형성하면 6열, 12패스가 되므로 열교환기를 통과하는 공기와 순환수의 온도차를 줄일 수 있어 열교환 성능이 높게 유지될 수 있다. 열교환기 코일의 열수 및 핀 핏치(Fin Pitch)는 필요 성능 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
또한, 본 발명의 코일 순환형 열 회수 장치를 적용하여 열을 회수하면, 타 일체형 열 회수용 시스템과 달리 급기측과 배기측에 열교환기가 각각 별도로 분리 설치되므로 급기와 배기간에 교차 오염이 전혀 없다. 따라서, 코로나19 등 각종 전염병이 유행하는 시기에, 다중이용시설, 병원, 바이오 및 제약 산업, 각종 연구 시설 및 일반 공기조화설비 등에서 에너지를 추가로 소비하지 않으면서 적은 설비 투자로 환기량을 충분히 확보할 수 있는 공기 조화 설비, 열 회수 장치가 제공될 수 있으며 에너지 절약으로 탄소세가 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 열교환기를 나타낸 개략도이다.
도 2는 제1 연결부 및 제2 연결부에 의해 연결되는 파이프의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 열교환기를 나타낸 개략도이다.
도 4는 비교 실시예의 열교환기를 나타낸 개략도이다.
도 5는 제1 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
도 6은 제2 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
도 7은 제3 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
도 8은 제4 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
도 9는 제5 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 열교환기(100)를 나타낸 개략도이다.
도 1의 (a)에 도시된 열교환기(100)는 관부(109), 제1 연결부(130), 제2 연결부(150)를 포함할 수 있다.
관부(109)에는 유체가 흐르는 복수의 파이프(110)가 마련될 수 있다. 복수의 파이프(110)는 '열'과 '단'을 형성하며 배열될 수 있다. 유체는 물 등의 순환수를 포함할 수 있다. 유체는 파이프(110)의 외부에 흐르는 공기와 열교환될 수 있다.
공기가 흐르는 방향에 해당하는 제1 방향, 제1 방향에 수직한 제2 방향, 제1 방향에 수직하고 제2 방향에 수직한 제3 방향이 정의될 수 있다.
'열'은 관부(109)로 유입된 유체가 제1 방향(공기가 흐르는 방향) 상으로 흐르는 방향(도면에서는 x축의 음의 방향)을 따라 각 파이프(110)를 구분하는 단위에 해당될 수 있다. 공기에 최대한 많은 외부 면적이 노출되도록, 관부(109)를 형성하는 복수의 파이프(110)는 제1 방향에 수직한 제2 방향(도면에서는 y축의 양의 방향)을 따라 연장되도록 형성될 수 있다. 이때, '단'은 제1 방향에도 수직하고 파이프(110)의 연장 방향에 해당하는 제2 방향에도 수직한 제3 방향을 따라 각 파이프(110)를 구분하는 단위에 해당될 수 있다. 도면에서는 제3 방향을 z축의 양의 방향으로 나타내었으나, z축의 음의 방향으로 나타내어도 무방하다.
제1 연결부(130)는 서로 인접한 복수의 파이프(110)를 연결할 수 있다.
제1 연결부(130)는 파이프 연결구 등에 의해 파이프(110)에 연결되는 별개의 부재를 포함할 수 있다. 또는, 제1 연결부(130)는 도 1의 (b)와 같이 파이프(110)와 일체로 형성될 수 있다.
도 1의 (a)에서 제1 연결부(130)는 실선으로 표시되거나 점선으로 표시되고 있다. 실선으로 표시된 제1 연결부(130)와 점선으로 표시된 제1 연결부(130)는 제2 방향 상으로 서로 다른 위치에 배치된 것을 나타낼 수 있다.
일 예로, 도 1의 (b)와 같은 구도에서 제1 연결부(130)는 파이프(110)의 앞쪽 단에 연결되거나 파이프(110)의 뒷쪽 단에 연결될 수 있다. 도 1의 (a)에는 파이프(110)의 앞쪽 단에 연결된 앞쪽 제1 연결부(131)를 실선으로 나타내었으며, 파이프(110)의 뒷쪽 단에 연결된 뒷쪽 제1 연결부(132)를 점선으로 나타내었다.
제1 연결부(130)에 의해 연결된 복수의 파이프(110)를 바디(body)로 정의할 때, 제2 연결부(150)는 복수의 바디 h를 서로 연결할 수 있다.
경우에 따라, 제2 연결부(150)는 외형적으로 제1 연결부(130)와 동일하게 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 연결부(130) 또는 제2 연결부(150)는 특정 파이프(110)의 단부에 연결된 원호 형상의 관을 포함할 수 있다. 제2 연결부(150)는 제1 연결부(130)와 동일한 길이를 갖거나 제1 연결부(130)보다 긴 길이를 가질 수 있다.
도 2는 제1 연결부(130) 및 제2 연결부(150)에 의해 연결되는 파이프(110)의 배치 구조를 나타낸 개략도이다.
제1 연결부(130)는 열과 단을 기준으로 설정 개수의 파이프(110)를 지그재그로 직렬 연결할 수 있다.
제2 연결부(150)는 열과 단을 기준으로 특정 바디에 대해 다른 바디를 계단 형상으로 연결시킬 수 있다.
일 예로, 제1 열에 배치된 제1 파이프 p1은 뒷쪽 제1 연결부(132)에 의해 제2 열에 배치된 제2 파이프 p2에 연결될 수 있다.
제2 파이프 p2는 앞쪽 제1 연결부(131)에 의해 제1 열에 배치된 제3 파이프 p3에 연결될 수 있다.
제3 파이프 p3는 뒷쪽 제1 연결부(132)에 의해 제2 열에 배치된 제4 파이프 p4에 연결될 수 있다.
이때, 제2 방향을 따라 각 파이프(110)를 바라보면, 각 파이프(110)가 복수의 제1 연결부(130)에 의해 지그재그 형상으로 연결된 형태가 될 수 있다.
제4 파이프 p4는 제2 연결부(150)에 의해 제3 열에 배치된 제5 파이프 p5에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 열 및 제1 단에 배치된 제1 파이프는 제2 열 및 제1 단에 배치된 제2 파이프에 연결될 수 있다. 제2 파이프는 제1 열 및 제2 단에 배치된 제3 파이프에 연결될 수 있다. 제3 파이프는 제2 열 및 제2 단에 배치된 제4 파이프에 연결될 수 있다. 제5 파이프는 제3 열 및 제3 단에 배치되거나, 제3 단보다 높은 단에 배치될 수 있다.
바디 h의 공간 활용도를 개선하기 위해, 바디 h의 크기는 가능한 작을수록 좋다. 바디 h의 크기를 줄이기 위해 바디 h를 형성하는 복수의 파이프(110)는 서로 인접한 것이 좋다. '열' 뿐만 아니라 '단'의 개념도 추가하여 바디의 크기를 최소화하는 방안이 마련될 수 있다.
일 예로, 제1 열 및 제7 단에 배치된 제1 파이프 p1은 제1 연결부(130)에 의해 제2 열 및 제7 단에 배치된 제2 파이프 p2에 연결될 수 있다.
제2 파이프 p2는 제1 연결부(130)에 의해 제1 열 및 제8 단에 배치된 제3 파이프 p3에 연결될 수 있다.
제3 파이프 p3는 제1 연결부(130)에 의해 제2 열 및 제8 단에 배치된 제4 파이프 p4에 연결될 수 있다.
제4 파이프 p4는 제2 연결부(150)에 의해 제5 파이프 p5에 연결될 수 있다.
제5 파이프 p5는 제3 열 및 제8단보다 높은 단에 배치되거나, 제1 단에 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 1과 같이 제1 열에 배치된 파이프(110)에 대해 제2 열에 배치된 파이프(110)는 제3 방향 상으로 단과 단 사이의 거리의 절반(반단)만큼 위 또는 아래로 쉬프트된 상태로 배치될 수 있다. 해당 쉬프트 배치에 따르면, 각 '열' 간 파이프(110)의 간격이 줄어들고, 공기가 사방을 막고 있는 파이프(110)에 쉽게 통과하게 되므로 공기의 난류화가 보다 쉽게 발생될 수 있다. 난류화로 인해 파이프(110) 내부를 흐르는 유체와 외부 공기 간의 열교환이 수월하게 진행될 수 있다.
제2 열의 첫번째 파이프(제1 파이프)는 제1 열 및 제1 단보다 반단만큼 높게 유지될 수 있다. 경우에 따라, 제2 열의 파이프(110)가 제1 열보다 반단만큼 높게 형성되면, 제5 파이프 p5의 선정이 곤란한 경우가 발생될 수 있다.
제2 연결부(150)는 제2 열에 배치된 제4 파이프 p4를 다음 열에 해당하는 제3 열의 제5 파이프 p5에 연결할 수 있다. 이때, 제5 파이프 p5는 지그재그 룰에 따라 제4 파이프 p4보다 높은 단에 배치될 수 있다.
그런데, 특정 제4 파이프 p4가 관부(109)의 상측 말단에 배치되면, 현실적으로 관부(109)의 상측 말단에 해당하는 제4 파이프 p4보다 높은 위치의 파이프(110)는 더이상 없다. 이 경우, 제2 연결부(150)는 제3 열에서 관부(109)의 하측 말단에 배치된 파이프(110)를 제5 파이프 p5로서 제4 파이프 p4에 연결시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 열교환기(100)를 나타낸 개략도이다.
도 3의 열교환기(100)에서 제2 연결부(150)는 파이프(110)에 수직하고 제1 연결부(130)에 수직하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 파이프(110)가 제2 방향(y축)을 따라 연장되고, 제2 연결부(150)가 제3 방향(z축)을 따라 연장되는 경우, 제2 연결부(150)는 공기의 유동 방향에 해당하는 제1 방향(x축)을 따라 연장될 수 있다.
이 경우, 관부(109), 제1 연결부(130), 제2 연결부(150)는 다음과 같이 형성될 수 있다.
먼저, 제3 방향(z축)을 따라 연장되는 중공을 갖는 제1 일측 관 헤더(11), 제1 타측 관 헤더(12), 제2 일측 관 헤더(21), 제2 타측 관 헤더(22), 제3 일측 관 헤더(31), 제3 타측 관 헤더(32)가 마련될 수 있다.
제1 방향 상으로 유체가 흐르는 방향을 따라 순서대로 제1 일측 관 헤더(11), 제2 일측 관 헤더(21), 제3 일측 관 헤더(31)가 배열될 수 있다. 제2 방향 상으로 설정 거리만큼 제1 일측 관 헤더(11)로부터 이격된 위치에서 제1 방향 상으로 유체가 흐르는 방향을 따라 순서대로 제1 타측 관 헤더(12), 제2 타측 관 헤더(22), 제3 타측 관 헤더(32)가 배열될 수 있다.
제2 방향을 따라 연장되는 복수의 파이프(110)가 마련될 수 있다,
제1 일측 관 헤더(11)와 상기 제1 타측 관 헤더(12)를 연결하는 파이프(110)가 상기 제1 방향 상으로 제1 열 및 제2 열을 형성할 수 있다. 일 예로, 제1 일측 관 헤더(11)와 제1 타측 관 헤더(12)를 연결하는 2개의 파이프(110)가 마련될 때, 2개의 파이프(110)는 서로 평행하게 제2 방향을 따라 연장될 수 있다. 제1 방향 상으로 2개의 파이프(110)는 서로 다른 위치에 배치되고, 제3 방향 상으로 2개의 파이프(110)는 서로 동일 위치에 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1 일측 관 헤더(11)와 제1 타측 관 헤더(12)를 연결하는 복수의 파이프(110)는 더블 서킷(double circuit)의 수로 방식으로 제1 열 및 제2 열을 형성할 수 있다.
마찬가지로, 제2 일측 관 헤더(21)와 제2 타측 관 헤더(22)를 연결하는 파이프(110)가 제3 열 및 제4 열을 형성할 수 있다.
제3 일측 관 헤더(31)와 제3 타측 관 헤더(32)를 연결하는 파이프(110)가 제5 열 및 제6 열을 형성할 수 있다.
제1 일측 관 헤더(11)에는 내부 격벽(19)에 의해 유체가 입력되는 입력부(101), 복수의 제1 연결부(130)가 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 일측 관 헤더(11)에는 z축의 양의 방향을 따라 입력부(101), 하측 제1 연결부, 중앙 제1 연결부, 상측 제1 연결부가 순서대로 마련될 수 있다.
제1 타측 관 헤더(12), 제2 타측 관 헤더(22), 제3 타측 관 헤더(32)에는 내부 격벽(19)에 의해 복수의 제1 연결부(130)가 각각 형성될 수 있다.
제3 일측 관 헤더(31)에는 내부 격벽(19)에 의해 유체가 출력되는 출력부(103), 복수의 제1 연결부(130)가 형성될 수 있다. 일 예로, 제3 일측 관 헤더(31)에는 z축의 양의 방향을 따라 하측 제1 연결부, 중앙 제1 연결부, 상측 제1 연결부, 출력부(103)가 순서대로 마련될 수 있다.
복수의 파이프(110) 중 일부 파이프(110)는 제1 일측 관 헤더(11)에 형성된 입력부(101)와 제1 타측 관 헤더(12)의 하측 제1 연결부에 더블 서킷(double circuit)으로 연결되는 제1 패스 t1을 형성하고, 제1 패스 t1에서 유체는 y축의 음의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제1 패스 t1에 연결된 제1 타측 관 헤더(12)의 하측 제1 연결부와 제1 일측 관 헤더(11)의 중앙 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제2 패스 t2를 형성할 수 있다. 제2 패스 t2에서 유체는 y축의 양의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제2 패스 t2에 연결된 제1 일측 관 헤더(11)의 중앙 제1 연결부와 제1 타측 관 헤더(12)의 상측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제3 패스 t3를 형성할 수 있다. 제3 패스 t3에서 유체는 y축의 음의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제3 패스 t3에 연결된 제1 타측 관 헤더(12)의 상측 제1 연결부와 제1 일측 관 헤더(11)의 상측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제4 패스 t4를 형성할 수 있다. 제4 패스 t4에서 유체는 y축의 양의 방향으로 흐를 수 있다.
제4 패스 t4에 연결된 제1 일측 관 헤더(11)의 상측 제1 연결부와 제2 일측 관 헤더(21)의 상측 제1 연결부를 연결하는 상측 제2 연결부(151)가 마련될 수 있다.
일부 파이프(110)는 상측 제2 연결부(151)에 연결된 제2 일측 관 헤더(21)의 상측 제1 연결부와 제2 타측 관 헤더(22)의 상측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제5 패스 t5를 형성할 수 있다. 제5 패스 t5에서 유체는 y축의 음의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제5 패스 t5에 연결된 제2 타측 관 헤더(22)의 상측 제1 연결부와 제2 일측 관 헤더(21)의 중앙 제1 연결부(130)에 더블 서킷으로 연결되는 제6 패스 t6를 형성할 수 있다. 제6 패스 t6에서 유체는 y축의 양의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제6 패스 t6에 연결된 제2 일측 관 헤더(21)의 중앙 제1 연결부(130)와 제2 타측 관 헤더(22)의 하측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제7 패스 t7을 형성할 수 있다. 제7 패스 t7에서 파이프(110) 내부를 순환하는 유체는 y축의 음의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제7 패스 t7에 연결된 제2 타측 관 헤더(22)의 하측 제1 연결부와 제2 일측 관 헤더(21)의 하측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제8 패스 t8을 형성할 수 있다. 제8 패스 t8에서 유체는 y축의 양의 방향으로 흐를 수 있다.
제8 패스 t8에 연결된 제2 일측 관 헤더(21)의 하측 제1 연결부와 제3 일측 관 헤더(31)의 하측 제1 연결부를 연결하는 하측 제2 연결부(152)가 마련될 수 있다.
일부 파이프(110)는 하측 제2 연결부(152)에 연결된 제3 일측 관 헤더(31)의 하측 제1 연결부와 제3 타측 관 헤더(32)의 하측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제9 패스 t9를 형성할 수 있다. 제9 패스 t9에서 유체는 y축의 음의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제9 패스 t9에 연결된 제3 타측 관 헤더(32)의 하측 제1 연결부와 제3 일측 관 헤더(31)의 중앙 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제10 패스 t10을 형성할 수 있다. 제10 패스 t10에서 유체는 y축의 양의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제10 패스 t10에 연결된 제3 일측 관 헤더(31)의 중앙 제1 연결부와 제3 타측 관 헤더(32)의 상측 제1 연결부에 더블 서킷으로 연결되는 제11 패스 t11을 형성할 수 있다. 제11 패스 t11에서 유체는 y축의 음의 방향으로 흐를 수 있다.
일부 파이프(110)는 제11 패스 t11에 연결된 제3 타측 관 헤더(32)의 상측 제1 연결부와 제3 일측 관 헤더(31)에 형성된 출력부(103)에 더블 서킷으로 연결되는 제12 패스 t12를 형성할 수 있다. 제12 패스 t12에서 유체는 y축의 양의 방향으로 흐를 수 있다.
본 발명과 같이 코일의 루프를 형성하면, 동일 냉각 코일의 패스수(No. of Pass)를 배증시킬 수 있으므로 높은 효율로 열을 회수할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 비교 실시예의 6열 풀 서킷 냉각 코일(Full Circuit Cooling Coil)의 경우, 6열 6패스(6 rows 6 pass) t1, t2, t3, t4, t5, t6를 갖지만, 본 발명과 같이 루프를 형성하면 6열 12패스 t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8, t9, t10, t11, t12를 가질 수 있다. 따라서, 열교환기(100) 통과 공기와 순환수의 온도차를 줄일 수 있어 열교환 성능이 높게 유지될 수 있다. 열교환기(100) 코일의 열수, 단수 및 핀 핏치(Fin Pitch)는 필요 성능 및 조건에 따라 조절될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 열교환기(100)를 활용하면 배기나 환기에서 효율적으로 열을 회수하는 열 회수 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 열 회수 장치는 서로 다른 기체 유로 s에 배치되는 복수의 열교환기(100)를 연결하고 특정 유체가 흐르는 순환부(200)를 포함할 수 있다.
순환부(200)는 복수의 열교환기(100)를 연결하는 배관(210), 배관(210)의 가운데에 연결된 팽창 탱크(250), 특정 유체를 순환시키는 동력을 제공하는 순환 펌프(230)를 포함할 수 있다.
순환부(200)에 의해 특정 유체가 복수의 열교환기(100)를 순환하고, 기체 유로 s를 따라 흐르는 기체와 특정 유체 간의 열교환이 이루어질 수 있다.
도 5는 제1 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
제1 실시예의 열 회수 장치는 폐열에 해당하는 배기열을 회수하여 급기를 예열시키거나 예냉시킬 수 있다.
환기와 배기 사이의 기체 유로 s에 배치되는 제1 열교환기 k1, 외기와 급기 사이의 기체 유로 s에 배치되는 제2 열교환기 k2가 마련될 수 있다.
환기는 팬 등에 의해 외부로 나가려고 이동하는 공기에 해당될 수 있다. 또는, 환기는 내부의 공기를 의미할 수도 있다.
배기는 외부로 나간 환기에 해당될 수 있다. 또는, 배기는 외부로 배출될 실내 공기를 의미할 수도 있다.
외기는 실내와 구분되는 외부의 공기 또는 가스를 포함할 수 있다.
급기는 실내로 공급되는 공기 또는 가스에 해당될 수 있다.
환기, 배기, 외기, 급기로 표현된 기체는 공기 또는 특정 공정의 가스일 수 있다.
순환부(200)에 의해 제1 열교환기 k1과 제2 열교환기 k2 간의 열전달이 이루어질 수 있다.
일 예로, 순환부(200)에 의해 순환되는 특정 유체는 물일 수 있다. 공기의 온도가 물의 동결점 이하인 경우에는 부동액이 첨가될 수 있다. 제1 실시예는 자동 제어가 용이할 수 있다.
배기 온도가 급기 온도보다 높은 경우, 배기측에 설치된 제1 열교환기 k1을 통과하는 순환수(특정 유체)는 배기측을 통과하는 공기나 가스에서 열을 빼앗아 온도가 상승할 수 있다. 이때, 제1 열교환기를 통과하는 배기 가스나 공기는 순환수에 열을 빼앗겨 온도가 하강할 수 있다. 온도가 상승된 순환수는 제2 열교환기 k2를 통과하는 낮은 온도의 공기 또는 가스에 열을 전달하면서 온도가 하강할 수 있다. 제2 열교환기 k2를 통과하는 공기 또는 가스는 순환수로부터 열을 빼앗아 온도가 상승할 수 있다.
이 싸이클이 연속적으로 이루어지면, 온도 조절 코일(300) 전단의 공기 온도가 상승되고 온도 조절 코일(300)의 가열 부하가 경감되고 소비 에너지가 절감될 수 있다. 온도 조절 코일(300)은 냉각 코일 또는 가열 코일을 포함할 수 있다. 온도 조절 코일(300)은 제2 열교환기 (k2) 후단에 설치되는 코일을 칭할 수 있다.
배기 온도가 급기 온도보다 낮을 경우, 배기측에 설치된 제1 열교환기 k1을 통과하는 순환수는 배기측을 통과하는 공기나 가스에 열을 빼앗겨 온도가 하강할 수 있다. 제1 열교환기 k1을 통과하는 배기 가스나 공기는 순환수의 열을 빼앗아 온도가 상승할 수 있다. 온도가 하강된 순환수는 제2 열교환기 k2를 통과하는 높은 온도의 공기에서 열을 빼앗아 온도가 상승할 수 있다. 반대로, 제2 열교환기 k2를 통과하는 공기는 온도가 하강할 수 있다. 이 싸이클이 연속적으로 이루어지면 온도 조절 코일(300) 전단의 공기 온도가 하강되고 냉각 부하가 경감되고 소비 에너지가 절감될 수 있다.
도 6은 제2 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
제2 실시예의 열 회수 장치는 환기열을 회수하여 냉각 코일 전단의 공기를 예냉시킴과 동시에 온도 조절 코일(300) 후단의 저온고습한 공기를 재열시켜 상대 습도를 조절할 수 있는 시스템이다. 습도를 조절하는데 별도 열원을 사용하지 않으므로 에너지 절약 효과가 크다.
환기와 급기 사이의 기체 유로 s에 순서대로 배치되는 제4 열교환기 k4, 온도 조절 코일(300), 제5 열교환기 k5가 마련될 수 있다.
온도 조절 코일(300)이 기체를 냉각시킬 때, 순환부(200)에 의해 제4 열교환기 k4와 제5 열교환기 k5 간의 열전달이 이루어질 수 있다.
시스템을 가동하면, 제4 열교환기 k4를 통과하는 순환수는 제4 열교환기 k4를 통과하는 환기(Return Air)에서 열을 빼앗아 온도가 상승하게 되고, 제4 열교환기 k4를 통과한 공기는 냉각되어 온도가 하강하게 되므로 냉각 코일의 냉각 부하가 경감될 수 있다. 제4 열교환기 k4를 통과하면서 온도가 상승된 순환수는 냉각 코일(300)에서 냉각되어 제5 열교환기 k5를 통과하는 저온, 고습의 공기를 가열시킬 수 있다. 따라서, 제5 열교환기 k5를 통과하는 공기는 온도가 상승하고, 상대 습도가 떨어지게 되어 공조 공간의 습도가 별도의 열원 없이 조절될 수 있다. 기존의 항온항습공조시스템이나 항온제습장치에서는 별도의 열원으로 냉각 코일 후단의 공기를 재열하여 습도 조절을 하므로 하절기에 에너지 소비가 큰 실정이다. 본 시스템을 활용하면 별도의 열원 없이 환기되는 공기의 열을 이용해서 냉각 코일 전단의 공기가 예냉될 수 있어 냉각 코일(300)의 냉각 부하를 경감할 수 있으며, 따라서 냉각 코일(300)의 제습량을 증대시킬 수 있다. 따라서, 냉각 코일의 냉각 부하가 경감됨과 아울러 제습량을 증대시킬 수 있다. 본 실시예에 따르면, 환기(Return)되는 공기의 열을 회수하여 예냉과 재열을 동시에 수행되므로, 많은 에너지가 절감될 수 있다.
도 7은 제3 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
제3 실시예는 환기나 배기열을 회수하여 동절기에는 외기를 예열하고, 하절기에는 외기를 예냉시키며 냉각 코일 후단의 저온고습한 공기를 재열하여 습도를 조절할 수 있다.
환기와 배기 사이의 기체 유로 s에 배치되는 제1 열교환기 k1, 외기와 급기 사이의 기체 유로에 배치되는 제2 열교환기 k2, 온도 조절 코일(300), 제3 열교환기 k3가 마련될 수 있다.
외기로부터 급기를 향하는 방향 상으로 제2 열교환기 k2, 온도 조절 코일(300), 제3 열교환기가 순서대로 배치될 수 있다.
순환부(200)는 제1 모드 (mode1)와 제2 모드 (mode2) 중 하나의 동작 모드로 선택적으로 동작할 수 있다.
제1 모드 (mode1)는 제3 열교환기 k3를 배제하고 제1 열교환기 k1과 제2 열교환기 k2의 제1 순환 루프를 형성하는 동작 모드일 수 있다.
제2 모드 (mode2)는 제1 열교환기 k1, 제3 열교환기 k3, 제2 열교환기 k2의 순서대로 제2 순환 루프를 형성하는 동작 모드일 수 있다.
일 예로, 제1 열교환기 k1의 출력단은 제3 열교환기 k3의 입력단에 연결될 수 있다.
제1 열교환기 k1의 출력단은 제1 밸브(271)를 거쳐 제2 열교환기 k2의 입력단에 연결될 수 있다.
제3 열교환기 k3의 출력단은 제2 밸브(272)를 거쳐 제2 열교환기 k2의 입력단에 연결될 수 있다.
제2 열교환기 k2의 출력단은 제1 열교환기 k1의 입력단에 연결될 수 있다.
제1 모드는 온도 조절 코일(300)이 공기를 가열할 때, 제1 밸브(271)가 개방되고, 제2 밸브(272)가 폐쇄되는 동작 모드일 수 있다.
제2 모드는 온도 조절 코일(300)이 기체를 냉각시킬 때, 제1 밸브(271)가 폐쇄되고, 제2 밸브(272)가 개방되는 동작 모드일 수 있다.
다른 관점에서 설명하면, 동절기에는 제1 밸브(271)가 개방(open)되고, 제2 밸브(272)가 폐쇄(closed)될 수 있다. 반대로 하절기에는 제1 밸브(271)이 폐쇄되고, 제2 밸브(272)가 개방될 수 있다.
동절기에는 제1 열교환기 k1을 통과하는 순환수는 배기되는 공기에서 열을 빼앗아 온도가 상승하고, 배기되는 공기는 열을 빼앗겨 온도가 떨어질 수 있다.
온도가 상승된 순환수는 온도가 낮은 외기측 제2 열교환기 k2를 통과하는 공기에 열을 빼앗겨 온도가 하강하게 되고, 제2 열교환기 k2를 통과하는 공기의 온도는 상승하게 되어 가열 코일(온도 조절 코일(300))의 가열 부하를 경감하게 된다. 배기열을 회수하여 가열 코일 전단의 공기를 예열하게 되므로 에너지가 절감될 수 있다.
하절기에는 제1 밸브(271)가 폐쇄되고, 제2 밸브(272)가 개방될 수 있다.
제1 열교환기 k1을 통과하는 순환수는 배기되는 공기에 열을 빼앗겨 온도가 하강하고, 배기되는 공기는 온도가 상승할 수 있다.
제1 열교환기 k1을 통과한 순환수는 제3 열교환기 k3를 통과하는 동안 냉각 코일(온도 조절 코일(300))에서 냉각된 공기를 재열시켜 상대습도를 떨어뜨릴 수 있다. 제3 열교환기 k3를 통과하면서 온도가 하강된 순환수는 제2 열교환기 k2를 통과하면서 도입 외기를 예냉시키고 온도가 상승할 수 있다. 순환수는 다시 제1 열교환기 k1을 통과하면서 환기에 의해 냉각되고 다시 제3 열교환기를 통과하면서 냉각 코일에서 냉각된 공기를 재열하여 상대 습도를 떨어뜨릴 수 있다. 이 싸이클로 운영되면, 냉각 코일 전단으로 유입되는 외기를 예냉시켜 냉각 부하가 경감되는 동시에 냉각 코일의 제습량이 증대될 수 있다. 또한, 냉각코일 후의 저온 고습의 공기가 재열되어 상대 습도가 낮아질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 별도의 열원 없이 예냉과 재열이 동시에 수행될 수 있어 에너지 절감 효과가 크다.
도 8은 제4 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
제4 실시예는 도입 외기의 예열, 예냉 시스템과 냉각 공기 재열 시스템을 별도로 구성하여 에너지 회수율을 개선할 수 있다.
환기 배기 사이의 기체 유로에 배치되는 복수의 제1 열교환기 k1이 마련될 수 있다. 복수의 제1 열교환기 k1은 기체 유로 s 내에서 유체의 흐름 방향 상으로 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
외기와 급기 사이의 기체 유로에 순서대로 배치되는 제2 열교환기 k2, 온도 조절 코일(300), 제3 열교환기 k3가 마련될 수 있다.
복수의 제1 열교환기 k1 중 특정 제1 열교환기 k1-2는 제2 열교환기 k2와 순환 루프를 형성하고, 복수의 제1 열교환기 k1 중 다른 제1 열교환기 k1-1은 제3 열교환기 k3와 순환 루프를 형성할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 유체의 입장에서 서로 독립적인 순환 루프가 2개 형성될 수 있다.
동절기에는 감습을 하여 습도를 조절할 필요가 없으므로 환기측의 제1 열교환기 k1-1과 제3 열교환기 k3 사이에 형성된 순환 펌프(230)는 가동되지 않아도 무방하다. 배기측의 제1 열교환기 k1-2를 통과하는 배기 공기는 순환수의 온도를 높이고, 반대로 배기되는 공기의 온도는 떨어진다. 제1 열교환기 k1-2에서 온도가 높아진 순환수는 제2 열교환기 k2로 유입되고 제2 열교환기 k2를 통과하는 온도가 낮은 외기를 예열시키고 온도가 다시 하강할 수 있다. 반대로 제2 열교환기 k2를 통과하는 공기는 온도가 상승하게 된다. 배기에서 열을 회수하여 도입 외기를 예열하게 되므로 에너지가 절약될 수 있다.
하절기에는 2개의 순환 루프가 동시에 가동될 수 있다.
환기측 제1 열교환기 k1-1을 통과하는 순환수는 배기되는 공기에서 열을 빼앗아 온도가 상승할 수 있다. 반대로 제1 열교환기 k1-1을 통과한 공기는 냉각되어 온도가 하강한다.
제1 열교환기 k1-1을 통과하면서 온도가 상승된 순환수는 냉각 코일(300)에서 냉각되어 제3 열교환기 k3를 통과하는 저온 고습한 공기를 별도의 열원없이 재열시킬 수 있다. 재열로 인해 저온 고습한 공기의 상대습도가 낮아질 수 있다.
배기측 제1 열교환기 k1-2를 통과하는 순환수는 환기측 제1 열교환기 k1-1을 통과하여 유입되는 1차 냉각된 공기에 열을 빼앗겨 온도가 떨어질 수 있다. 반대로, 배기측 제1 열교환기 k1-2를 통과한 공기의 온도는 상승할 수 있다.
배기측 제1 열교환기 k1-2를 통과하면서 온도가 떨어진 순환수는 제2 열교환기 k2를 통과하는 도입 외기에 열을 빼앗겨 온도가 상승할 수 있다. 반대로, 제2 열교환기 k2를 통과하는 공기는 온도가 하강되어 냉각 코일의 냉각 부하를 경감시킬 수 있다. 이 시스템의 특징은 환기측 제1 열교환기 k1-1을 통과하면서 환기가 1차 냉각되고 배기측 제1 열교환기 k1-2를 통과하므로, 배기되는 공기의 온도가 환기되는 공기의 온도보다 더 낮아 제2 열교환기 k2에서의 예냉 효과가 더 커질 수 있다.
도 9는 제5 실시예의 열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
제5 실시예는 제4 실시예를 개량한 것으로, 배기되는 공기의 일부를 환기시켜 도입 외기와 혼합하여 에너지 절감 효과를 증대시킬 수 있다.
구체적으로, 서로 구분되는 제1 열교환기 k1-1과 제1 열교환기 k1-2의 사이의 기체 유로 s를 제2 열교환기 k2와 온도 조절 코일(300) 사이의 기체 유로에 연결시키는 연결 유로 sm이 마련될 수 있다.
작동 방법은 제4 실시예와 동일할 수 있다. 다만, 배기의 오염 정도가 설정값 이하인 경우, 배기의 일부가 연결 유로 sm을 통해 환기(return)되어 외기와 혼합될 수 있다. 그러므로, 냉각 및 가열 부하를 제4 실시예보다 경감시켜 에너지를 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
11...제1 일측 관 헤더 12...제1 타측 관 헤더
19...격벽 21...제2 일측 관 헤더
22...제2 타측 관 헤더 31...제3 일측 관 헤더
32...제3 타측 관 헤더 100...열교환기
101...입력부(순환수) 103...출력부(순환수)
109...관부 110...파이프
130...제1 연결부 131...앞쪽 제1 연결부
132...뒷쪽 제1 연결부 150...제2 연결부
151...상측 제2 연결부 152...하측 제2 연결부
200...순환부 210...배관
230...순환 펌프 250...팽창 탱크
271...제1 밸브 272...제2 밸브
300...온도 조절 코일

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 서로 다른 기체 유로에 배치되는 복수의 열교환기;
    복수의 상기 열교환기를 연결하고 특정 유체가 흐르는 순환부;를 포함하고,
    상기 순환부에 의해 상기 특정 유체가 복수의 상기 열교환기를 순환하고, 상기 기체 유로를 따라 흐르는 기체와 상기 특정 유체 간의 열교환이 이루어지며,
    환기와 배기 사이의 기체 유로에 배치되는 제1 열교환기, 외기와 급기 사이의 기체 유로에 배치되는 제2 열교환기, 온도 조절 코일, 제3 열교환기가 마련되고,
    상기 외기로부터 상기 급기를 향하는 방향 상으로 상기 제2 열교환기, 상기 온도 조절 코일, 상기 제3 열교환기가 순서대로 배치되며,
    상기 순환부는 상기 제3 열교환기를 배제하고 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기의 제1 순환 루프를 형성하는 제1 모드, 상기 제1 열교환기, 상기 제3 열교환기, 상기 제2 열교환기의 순서대로 제2 순환 루프를 형성하는 제2 모드 중 하나의 동작 모드로 선택적으로 동작하는 열 회수 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 열교환기의 출력단은 상기 제3 열교환기의 입력단에 연결되고,
    상기 제1 열교환기의 출력단은 제1 밸브를 거쳐 상기 제2 열교환기의 입력단에 연결되며,
    상기 제3 열교환기의 출력단은 제2 밸브를 거쳐 상기 제2 열교환기의 입력단에 연결되고,
    상기 제2 열교환기의 출력단은 상기 제1 열교환기의 입력단에 연결되며,
    상기 제1 모드는 상기 온도 조절 코일이 상기 기체를 가열할 때, 상기 제1 밸브가 개방되고, 상기 제2 밸브가 폐쇄되는 동작 모드이고,
    상기 제2 모드는 상기 온도 조절 코일이 상기 기체를 냉각시킬 때, 상기 제1 밸브가 폐쇄되고, 상기 제2 밸브가 개방되는 동작 모드인 열 회수 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
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