WO2016047859A1 - 고효율 판형 열교환기 - Google Patents

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WO2016047859A1
WO2016047859A1 PCT/KR2014/011591 KR2014011591W WO2016047859A1 WO 2016047859 A1 WO2016047859 A1 WO 2016047859A1 KR 2014011591 W KR2014011591 W KR 2014011591W WO 2016047859 A1 WO2016047859 A1 WO 2016047859A1
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WO
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heat exchanger
circulating water
plate
heat exchange
exhaust gas
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PCT/KR2014/011591
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French (fr)
Inventor
최성환
신연철
김태영
정해영
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(주)귀뚜라미
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Publication date
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Priority to US15/316,351 priority patent/US10288354B2/en
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
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    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/02—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the heat-exchange media travelling at an angle to one another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • the present invention relates to a high efficiency plate heat exchanger which increases the heat exchange rate with the exhaust gas by connecting the unit fluidized beds formed by the stacked heat exchanger plates to each other in the vertical direction to lengthen the flow path of the circulating water by more than 2-paths (2-PASS). It is about.
  • the present invention relates to a high efficiency plate heat exchanger that efficiently recovers heat of exhaust gas by increasing the flow amount of the circulating water near the burner while increasing the circulation path as described above.
  • the present invention relates to a high efficiency plate heat exchanger which improves heat exchanger efficiency by inserting a baffle plate having a distribution hole formed between unit fluidized beds, absorbing heat source of exhaust gas, and effectively using heat transfer area.
  • the heat exchanger is a heat exchanger that intersects heating fluids and heated fluids having different temperatures, and is widely used for heating, air conditioning, power generation, cooling, and waste heat recovery in various other heating and cooling devices including boilers and air conditioners. Used.
  • a representative product to which a heat exchanger is applied is a condensing boiler, and the condensing boiler includes a sensible heat exchanger that performs first heat exchange with burner combustion and a latent heat exchanger that performs second heat exchange with exhaust gas in combustion heat.
  • Plate heat exchangers have been applied to heat exchangers of various technical fields including condensing boilers.
  • Plate heat exchanger has the advantage of reducing the size and easy to manufacture and high heat exchange rate because it is assembled by stacking a plurality of heat exchanger plates.
  • the plate-type latent heat exchanger of Korean Patent No. 10-1389465 as shown in FIG. 1 alternately stacks the upwardly bent plate 110 and the downwardly bent plate 120, and the water inlet pipe 150 and the water outlet pipe ( 160) were installed respectively.
  • a plurality of exhaust gas through holes 112 and 122 are formed in the up bending plate 110 and the down bending plate 120, respectively, and the peripheries of the through holes 112 and 122 are bent and joined to each other. .
  • the exhaust gas is discharged through the exhaust gas through holes 112 and 122, and the circulating water is a passage between the up bending plate 110 and the down bending plate 120 (that is, the 'circulating water flow path'). Heat exchanged with the exhaust gas while flowing along).
  • the circulating water supplied from the water inlet pipe 150 is commonly supplied to the circulating water flow path of each layer, and the supplied circulating water is linearly moved (ie, 1-PASS) to the other side for each layer. After that is collected by the outlet pipe 160.
  • the circulation water flow paths of the respective layers are not connected to each other in the vertical direction and provide independent flow paths, so that the flow path of the circulation water is short, and thus there is a problem that sufficient heat exchange with the exhaust gas cannot be achieved.
  • the high-pressure jet circulated water from the inlet pipe 150 by the pump is supplied with the largest amount of circulating water first to the lowest layer farthest from the burner (based on the drawing), and then a relatively small amount of circulation to the uppermost layer close to the burner. Water is supplied.
  • a plurality of exhaust gas through holes 112 and 122 are distributed and disposed in the upward bending plate 110 and the downward bending plate 120 to exhaust the exhaust gas.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and increases the flow rate of the circulating water near the burner while increasing the flow path of the circulating water to more than two paths, thereby efficiently recovering the heat of the exhaust gas. To provide.
  • the present invention is to provide a high-efficiency plate heat exchanger that absorbs the heat source of the exhaust gas to the baffle plate, and effectively improve the heat exchanger efficiency by effectively using the heat transfer area of the circulating water and exhaust gas.
  • the high-efficiency plate heat exchanger according to the present invention, the upper and lower portions respectively open to exhaust the high-temperature exhaust gas generated from the burner, one side is provided with an inlet through which the circulating water is introduced, and the other side is provided with an outlet through which the circulating water is discharged.
  • Heat exchanger body And a heat exchange plate formed of a plurality of unit fluidized layers having a plurality of stacked inside the heat exchanger body and having passages for circulating water therein, in which a plurality of exhaust holes are formed so that exhaust gas passes through the unit fluidized beds.
  • the inlet is connected to the lowermost layer of the multi-layered fluidized bed
  • the outlet is connected to the top layer of the multi-layered unit fluidized bed
  • the connection between the united fluidized bed is a first path through which the circulating water flows from one side to the other side and Characterized in that it is configured to be more than two-path (2-PASS) including the second path flowing from one side to the other side.
  • some of the unit fluidized beds arranged in the order of being close to the burners among the united fluidized beds of the multilayer structure have respective circulation water inlets connected to the inlet by the fluid guide in common.
  • the opening area of the circulating water supply passage formed in the fluid guide is adjusted so that the circulating water supplied from the inlet is supplied to the unit fluidized bed disposed closer to the burner than the unit fluidized bed disposed far from the burner. desirable.
  • baffle plate inserted into any one or more of the unit fluidized beds, each of which has a plurality of distribution holes smaller in size than the exhaust hole in each portion overlapping the exhaust hole of the heat exchange plate.
  • a plurality of heat exchange fins smaller in size than the exhaust holes are formed in each of the portions of the baffle plate overlapping the exhaust holes of the heat exchange plate, and the heat exchange fins protrude in a direction facing the exhaust holes.
  • the present invention as described above connects the unit fluidized beds formed by the stacked heat exchanger plates in the vertical direction so that the flow path of the circulating water is more than two-path (2-PASS). Therefore, the flow path of the circulating water is long, and the heat exchange rate with the exhaust gas is high.
  • the present invention adjusts the opening ratio of the fluid guide connecting the unit fluidized beds in common to relatively increase the flow amount of the circulating water in the portion close to the burner. Therefore, heat of exhaust gas is efficiently recovered.
  • the present invention improves heat exchanger efficiency by inserting a baffle plate in which distribution holes are formed between unit fluidized beds, absorbing heat sources of exhaust gas through heat exchange fins of the baffle plate, and effectively using the heat transfer area.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a latent heat exchanger using a plate according to the prior art.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a coupling state between the plates of FIG.
  • FIG. 3 is a flow chart of circulating water and exhaust gas in the latent heat exchanger of FIG. 1.
  • Figure 4 is a perspective view showing a high efficiency plate heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a heat exchange plate of the high efficiency plate heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a buff plate of the high efficiency plate heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a high efficiency plate heat exchanger according to the present invention.
  • 8A to 8C are enlarged views of portions A, B, and C of FIG. 7, respectively.
  • FIG. 9 is a schematic view showing the 2-PASS circulating water flow path of the highly efficient plate heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing various circulating water flow paths applicable to the highly efficient plate heat exchanger according to the present invention.
  • the direction in which the burner is installed is set as the lower side and the opposite side is set as the upper side, it will be apparent that the top and bottom may be changed according to the installation position of the burner.
  • the high-efficiency plate heat exchanger 200 includes a heat exchanger body 210 and a heat exchanger plate stacked in the heat exchanger body 210 to form a 'unit fluidized bed' having a multilayer structure ( 220 and a baffle plate 230 inserted between the unit fluidized beds.
  • the unit fluidized bed is formed by two heat exchange plates 220 including an upper heat exchange plate 220_T and a lower heat exchange plate 220_B which are continuously arranged up and down, and are closed between the sealed upper heat exchange plate 220_T and the lower heat exchange plate 220_B.
  • a passage formed in the inner space of the corresponds to a unit fluidized bed through which the circulating water flows.
  • the present invention prepares a heat exchanger body 210 consisting of an upper body 210_T and a lower body 210_B as an example, and a plurality of heat exchange plates 220 are stacked between the upper body 210_T and the lower body 210_B. And, by inserting the baffle plate 230 for each predetermined number of heat exchange plates 220.
  • the present invention having the configuration as described above is typically used as a sensible heat exchanger of an upward combustion boiler in which a burner (not shown) providing combustion heat (for example, flame and exhaust gas) is installed below the heat exchanger body 210.
  • a burner not shown
  • combustion heat for example, flame and exhaust gas
  • the circulating water (eg, low temperature direct water) is supplied through the inlet 211 provided in the lower part of the heat exchanger body 210, and the introduced circulating water circulates the unit fluidized beds more than 2-paths (2-PASS). After being discharged to the outlet 212.
  • One-path means that the circulating water moves from one end to the other end of the unit fluidized bed (see FIG. 10), and the two-path moves from one side to the other side and then again from the other side to the other side in the opposite direction. I mean.
  • the hot exhaust gas generated in the burner while the circulating water flows along a long path of two or more paths passes through the lowermost heat exchange plate 220 and sequentially passes through the uppermost heat exchange plate 220 to be exhausted. It passes through the baffle plate 230.
  • the hot exhaust gas rises across the multilayer unit fluidized bed, and heat exchange is performed by thermal contact between the circulating water and the exhaust gas in the process.
  • the circulating water heated by the heat exchange is provided as hot water or heating water.
  • the heat exchanger body 210 has upper and lower openings, respectively, to exhaust the high temperature exhaust gas generated from the burner.
  • the burner is disposed below the heat exchanger body 210 (based on the drawing)
  • the exhaust gas introduced from the bottom passes through the heat exchanger body 210 and is exhausted upward.
  • one side of the heat exchanger body 210 is provided with an inlet 211 through which the circulating water is introduced, and an outlet 212 through which the circulating water is discharged.
  • the inlet 211 and the outlet 212 are connected to each other with a multi-layered unit fluidized bed interposed therebetween.
  • the inlet 211 is connected to the lowermost layer of the multi-layered fluidized bed to supply circulating water toward the united fluidized beds
  • the outlet 212 is connected to the uppermost layer of the multi-layered fluidized beds and passes through the united fluidized beds. Drain the circulated water after finishing
  • the heat exchanger body 210 is composed of the upper body 210_T and the lower body 210_B, the inlet 211 is fixedly installed on the lower body 210_B, the outlet 212 is fixedly installed on the upper body 210_T do. Water pipes are connected to the outer ends of the inlet 211 and the outlet 212, respectively.
  • the heat exchange plate 220 is stacked in plural inside the heat exchanger body 210 to form a multi-layered unit fluidized bed through which the circulating water flows.
  • a plurality of exhaust holes 221 are formed in the heat exchange plate 220 so that the exhaust gas passes through them.
  • the heat exchange plate 220 is formed in a substantially rectangular plate shape, and includes, for example, an installation latch extending downward by a predetermined length along an edge of the square plate.
  • the exhaust hole 221 of the heat exchange plate 220 has a long long hole shape (or elliptical shape) and a plurality of exhaust holes 221 are arranged.
  • a bent portion 222 having a predetermined height is formed at an edge of each exhaust hole 221.
  • a junction portion 222a is provided at the end of the bent portion 222.
  • a unit fluidized bed is formed in an inner space between the two upper and lower sealed upper heat exchange plates 220_T and the lower heat exchange plates 220_B, and the exhaust gas passes through the exhaust holes 221 separately.
  • the baffle plate 230 is inserted into at least one of 'between unit fluidized beds', and the distribution smaller in size than the exhaust hole 221 in each portion overlapping with the exhaust hole 221 of the heat exchange plate 220 as shown in FIG. 6.
  • a plurality of balls 231 are each formed.
  • Dispensing hole 231 is used to cut the baffle plate 230 in a 'c' pattern as an example.
  • the distribution hole 231 redisperses the exhaust gas that has passed through the exhaust hole 221, and slows down the exhaust speed of the exhaust gas to prevent a decrease in heat exchange rate due to exhausting too fast.
  • a plurality of heat exchange fins 232 having a smaller size than the exhaust hole 221 are formed in each of the baffle plate 230 and overlapping with the exhaust hole 221 of the heat exchange plate 220.
  • Each heat exchange fin 232 protrudes in a direction facing the exhaust hole 221.
  • a small plate heat exchange fin 232 protruding downward from the bottom of the baffle plate 230 is illustrated as an example.
  • the heat exchange fin 232 serves to improve the heat exchanger efficiency by effectively using the heat transfer area with the exhaust gas.
  • Figure 7 shows that the heat exchanger is configured by stacking 10 heat exchange plates 220 as an example. Since the upper and lower heat exchange plates 220_T and 220_B form one unit fluidized bed, when the heat exchange plates 220 are 10, five unit fluidized beds are stacked.
  • one unit fluidized bed is formed in the first and second heat exchange plates 220, and one unit fluidized bed is formed in the third and fourth heat exchange plates 220. In the same way three unit fluidized beds are formed thereon.
  • the inlet 211 is connected to the unit fluidized bed of the lowermost layer of the unit fluidized bed of the multi-layer structure
  • the outlet 212 is connected to the five-bed unit fluidized bed of the uppermost of the multi-layered unit fluidized beds.
  • connection between the unit fluidized beds allows the circulating water to be more than two-path (2-PASS) including a first path that flows from one side to the other and a second path that flows from the other side to one side. 7 corresponds to a two-path.
  • the flow path of the circulating water is made of independent 1-paths (1-PASS) instead of the conventional one, so that all the paths are connected to be more than 2-paths, so that the flow length is long and heat exchange is performed for a sufficient time. Let it go.
  • the portion 'A' of FIG. 7 shows an exhaust hole 221 portion and is enlarged in FIG. 8A
  • the portion 'B' of FIG. 7 is a portion of the unit fluidized bed and is enlarged in FIG. 8B
  • 'C' portion of the baffle plate 230 is shown in enlarged in Figure 8c.
  • the present invention connects a plurality of unit fluidized beds to each other by a fluid guide Via in a close order with a burner among the united fluidized beds of a multilayer structure.
  • each circulating water inlet is connected to the inlet 211 in common.
  • FIG. 7 as an example, two unit fluidized beds disposed at the bottom are connected by a fluid guide Via. That is, the circulating water inlets of the unit fluidized beds disposed in the first and second layers are all provided at one end portion close to the inlet 211, and the first and second layers are connected to the fluid guide Via.
  • the fluid guide (Via) is formed by processing the circulating water inlet provided in the upper heat exchange plate 220_T of the unit fluidized bed formed in the first layer and the lower heat exchange plate 220_B of the unit fluidized bed formed in the second layer.
  • the circulating water flows to the other side at the same time in the unit fluidized bed of the first and second layers arranged in parallel as they are commonly connected by the fluid guide Via, and then supplied to the united fluidized bed of the third to fifth layers stacked on the upper side. do.
  • the opening area of the fluid guide Via is adjusted to supply more circulating water to the unit fluidized bed disposed closer to the burner than to the unit fluidized bed disposed far from the burner.
  • the other inlet hole (IN) or outlet hole (OUT) formed in the heat exchange plate 220 is also shown in the cross-sectional shape in the small circle of Figure 7, through which the total opening area of the fluid guide (Via) is the inlet hole (IN) Or smaller than the outlet hole OUT.
  • the present invention includes a baffle plate 230 as described above, and the baffle plate 230 slows down the exhaust speed while dispersing the exhaust gas.
  • the baffle plate 230 serves to effectively use the heat transfer area.
  • the baffle plate 230 also serves to control the flow of the exhaust gas.
  • the buff plate 230 is inserted into the two-layer unit fluidized bed as an embodiment.
  • the baffle plate 230 is inserted into each of the three to five unit fluidized bed.
  • the number of insertion and insertion positions of the baffle plate 230 depends on the number of stacked heat exchange plates 220 and the number of unit fluidized beds, or the number of unit fluidized beds commonly connected by the fluid guide Via. Freely adjust to the optimum state.
  • FIG. 9 which has not been described above, illustrates that a circulating water flow of 2-path (2-PASS) is generated by stacking 10 heat exchange plates 220 having the same structure as that of FIG. 7, and FIG. 9 is a schematic representation of the circulating water flow of FIGS. 9 and 7.
  • FIG. 10 shows a circulating water flow of 2-path (2-PASS) formed by stacking 12 heat exchange plates 220, and stacking of heat exchange plates 220 to increase the capacity of the heat exchanger. Increasing the number increased the unit fluidized bed.

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Abstract

본 발명은 적층된 열교환판에 의해 형성된 단위 유동층들을 상하 방향으로 서로 연결하여 순환수의 유동 경로가 2-경로(2-PASS) 이상으로 길어지게 함으로써 배기가스와의 열교환율을 높인 고효율 판형 열교환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이상과 같이 순환 경로를 늘리면서도 버너에 가까운 부분의 순환수의 유동량을 증가시켜 배기가스의 열을 효율적으로 회수하는 고효율 판형 열교환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 단위 유동층들 사이에 분배공이 형성된 버플 플레이트를 삽입하여 배기가스의 배기 속도를 늦추면서 흐름을 제어하고, 버플 플레이트의 열교환핀으로 배기가스 열원을 흡수하고 전열면적을 효과적으로 이용함으로써 열교환기 효율을 향상시킨다.

Description

고효율 판형 열교환기
본 발명은 적층된 열교환판에 의해 형성된 단위 유동층들을 상하 방향으로 서로 연결하여 순환수의 유동 경로가 2-경로(2-PASS) 이상으로 길어지게 함으로써 배기가스와의 열교환율을 높인 고효율 판형 열교환기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이상과 같이 순환 경로를 늘리면서도 버너에 가까운 부분의 순환수의 유동량을 증가시켜 배기가스의 열을 효율적으로 회수하는 고효율 판형 열교환기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 단위 유동층들 사이에 분배공이 형성된 버플 플레이트를 삽입하여, 배기가스의 열원을 흡수하고 전열면적을 효과적으로 이용함으로써 열교환기 효율을 향상시킨 고효율 판형 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 온도가 서로 다른 가열 유체와 피가열 유체를 교차시켜 열전달이 이루어지게 하는 것으로, 보일러 및 공기 조화기를 포함한 그 외 다양한 냉난방 장치에서 난방, 공기조화, 동력발생, 냉각 및 폐열회수용 등으로 널리 사용된다.
열교환기가 적용되는 대표적인 제품으로써 콘덴싱 보일러가 있으며, 콘덴싱 보일러는 버너의 연소열과 1차 열교환을 하는 현열 열교환기 및 연소열 중 배기가스와 2차 열교환을 하는 잠열 열교환기를 포함한다.
한편, 최근에는 콘덴싱 보일러를 비롯한 다양한 기술분야의 열교환기에 판형 열교환기가 적용되고 있다. 판형 열교환기는 복수개의 열교환판을 적층하여 조립하기 때문에 사이즈를 줄이면서도 제작이 쉽고 열교환율이 높은 장점이 있다.
일 예로, 도 1과 같은 한국등록특허 제10-1389465호의 판형 잠열 열교환기는 상향 절곡 플레이트(110)과 하향 절곡 플레이트(120)를 번갈아가며 적층하고, 양측부에 입수관(150)과 출수관(160)을 각각 설치하였다.
또한, 도 2와 같이 상향 절곡 플레이트(110) 및 하향 절곡 플레이트(120)에 각각 복수개의 배기가스 통공(112, 122)를 형성하고, 각 통공(112, 122)의 주변을 절곡하여 서로 접합하였다.
따라서, 도 3과 같이 배기가스는 배기가스 통공(112, 122)을 통과하여 배출되고, 순환수는 상향 절곡 플레이트(110) 및 하향 절곡 플레이트(120) 사이의 통로(즉, '순환수 유로')를 따라 유동하면서 배기가스와 열교환을 하였다.
그러나, 이상과 같은 종래 기술은 입수관(150)에서 공급된 순환수가 각 층의 순환수 유로에 공통으로 공급되고, 공급된 순환수는 각 층별로 타측으로 직선 이동(즉, 1-PASS)한 후 출수관(160)으로 수집된다.
따라서, 각 층의 순환수 유로가 상하 방향으로 서로 연결되어 있지 않고 독립된 유로를 제공하므로 순환수의 유동 경로가 짧고, 그에 따라 배기가스와의 충분한 열교환이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
또한, 펌프에 의해 입수관(150)에서 고압 분출된 순환수는 버너에서 가장 먼 최하층(도면 기준임)에 가장 먼저 많은 양의 순환수를 공급한 후 버너에서 가까운 최상층에는 상대적으로 적은 양의 순환수가 공급된다.
따라서, 버너에서 가깝기 때문에 배기가스의 온도가 가장 높은 최상층에서는 오히려 풍부한 수량을 이용하여 배기가스와 열교환이 이루어지지 못하므로, 배기가스의 열을 효율적으로 회수하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래에는 상향 절곡 플레이트(110) 및 하향 절곡 플레이트(120)에 각각 복수개의 배기가스 통공(112, 122)를 분산 배치하고 이를 통해 배기가스를 배기시켰다.
따라서, 크기가 큰 배기가스 통공(112, 122)을 통해 배기가스가 별다른 저항없이 빠르게 배기되므로 순환수와의 열교환이 충분한 시간 동안 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 순환수의 유동 경로를 2-경로 이상으로 늘리면서도 버너에 가까운 부분의 순환수의 유동량을 증가시켜 배기가스의 열을 효율적으로 회수하는 고효율 판형 열교환기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 버플 플레이트로 배기가스의 열원을 흡수하고, 순환수와 배기가스의 전열면적을 효과적으로 이용함으로써 열교환기 효율을 향상시킨 고효율 판형 열교환기를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기는 상하부가 각각 개방되어 버너에서 발생한 고온의 배기가스를 배기시키며, 일측에는 순환수가 유입되는 입수구가 구비되어 있고, 타측에는 순환수가 출수되는 출수구가 구비되어 있는 열교환기 몸체; 및 상기 열교환기 몸체 내부에 복수개 적층되어 순환수가 유동하는 통로가 내부에 구비된 단위 유동층을 다층으로 형성하며, 배기가스가 상기 단위 유동층들을 가로질러 통과하도록 각각 복수개의 배기공이 형성된 열교환판;을 포함하되, 상기 입수구는 상기 다층의 단위 유동층들 중 최하층에 연결되고, 상기 출수구는 상기 다층의 단위 유동층들 중 최상층에 연결되며, 상기 단위 유동층 간의 연결은 순환수가 일측에서 타측으로 유동하는 제1 경로 및 타측에서 일측으로 유동하는 제2 경로를 포함한 2-경로(2-PASS) 이상이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 다층 구조의 단위 유동층들 중 버너와 가까운 순서로 배치된 일부 개수의 단위 유동층들은 각각의 순환수 유입부가 유체 가이드에 의해 상기 입수구에 공통으로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유체 가이드에 형성된 순환수 공급 통로의 개구 면적은 상기 입수구에서 공급되는 순환수가 상기 버너에서 먼 곳에 배치된 단위 유동층보다 상기 버너에서 가까운 곳에 배치된 단위 유동층으로 더 많이 공급되도록 조절되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단위 유동층들 사이 중 어느 하나 이상에 삽입되며, 상기 열교환판의 배기공과 겹치는 각 부분에 상기 배기공보다 크기가 작은 분배공이 각각 복수개 형성되어 있는 버플 플레이트를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 버플 플레이트에는 상기 열교환판의 배기공과 겹치는 각 부분에 상기 배기공보다 크기가 작은 열교환핀이 각각 복수개 돌출 형성되되, 상기 각 열교환핀은 상기 배기공을 바라보는 방향으로 돌출되어 있는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 적층된 열교환판에 의해 형성된 단위 유동층들을 상하 방향으로 서로 연결하여 순환수의 유동 경로가 2-경로(2-PASS) 이상이 되게 한다. 따라서, 순환수의 유동경로가 길어져서 배기가스와의 열교환율이 높아진다.
또한, 본 발명은 단위 유동층들을 공통으로 연결하는 유체 가이드의 개도율을 조절하여 버너에 가까운 부분의 순환수의 유동량을 상대적으로 증가시킨다. 따라서, 배기가스의 열을 효율적으로 회수한다.
또한, 본 발명은 단위 유동층들 사이에 분배공이 형성된 버플 플레이트를 삽입하여, 버플 플레이트의 열교환핀으로 배기가스의 열원을 흡수하고 전열면적을 효과적으로 이용함으로써 열교환기 효율을 향상시킨다.
도 1은 종래 기술에 따른 플레이트를 이용한 잠열 열교환기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 위 도 1의 플레이트들 간의 결합 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 위 도 1의 잠열 교환기에서의 순환수 및 배기가스 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기의 열교환판을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기의 버플 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기를 나타낸 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 위 도 7의 A, B, C 부분을 각각 확대한 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기의 2-PASS 순환수 유동경로를 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기에 적용 가능한 다양한 순환수 유동경로를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고효율 판형 열교환기에 대해 상세히 설명한다.
다만, 이하에서는 본 발명이 보일러의 현열 열교환기에 적용되는 것을 예로 들어 설명하나 본 발명은 그 외 기술분야에도 적용됨은 자명할 것이다.
또한, 이하에서는 버너가 설치된 방향을 하측으로 정하고 그 반대측을 상측으로 정하나, 버너의 설치 위치에 따라 상하가 바뀔 수 있음은 자명할 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 판형 열교환기(200)는 열교환기 몸체(210)와, 열교환기 몸체(210) 내부에 적층되어 다층 구조의 '단위 유동층'을 형성하는 열교환판(220) 및 단위 유동층 사이에 삽입되는 버플 플레이트(230)를 포함한다.
단위 유동층은 상하 연속 배치된 상부 열교환판(220_T)과 하부 열교환판(220_B)을 포함한 2개의 열교환판(220)에 의해 형성되며, 밀폐된 상부 열교환판(220_T)과 하부 열교환판(220_B) 사이의 내부 공간에 형성된 통로가 순환수가 유동되는 단위 유동층에 해당한다.
이러한 본 발명은 일 예로 상부 몸체(210_T)와 하부 몸체(210_B)로 이루어진 열교환기 몸체(210)를 준비하고, 상부 몸체(210_T)와 하부 몸체(210_B) 사이에 열교환판(220)을 복수개 적층하며, 일정 개수의 열교환판(220) 마다 버플 플레이트(230)를 삽입하여 조립된다.
위와 같은 구성으로 이루어진 본 발명은 대표적으로 연소열(예: 화염 및 배기가스)을 제공하는 버너(미도시)가 열교환기 몸체(210)의 하부에 설치되는 상향 연소식 보일러의 현열 열교환기로 사용된다.
이 경우 순환수(예: 저온의 직수)는 열교환기 몸체(210)의 하부에 구비된 입수구(211)를 통해 공급되고, 유입된 순환수는 단위 유동층들을 2-경로(2-PASS) 이상 순환한 후 출수구(212)로 출수된다.
1-경로(1-PASS)는 순환수가 단위 유동층의 일측 단부에서 타측 단부까지 이동하는 것을 의미(도 10 참조)하며, 2-경로는 일측에서 타측으로 이동 후 다시 반대 방향인 타측에서 일측으로 이동하는 것을 의미한다.
위와 같이 순환수가 2-경로 이상의 긴 경로를 따라 유동하는 동안 버너에서 발생한 고온의 배기가스는 최하층의 열교환판(220)부터 시작하여 최상층의 열교환판(220)까지 순차로 통과하여 상승 배기되며, 배기 도중 버플 플레이트(230)를 통과한다.
따라서, 저온의 순환수가 단위 유동층들을 따라 순환하는 동안 고온의 배기가스는 다층의 단위 유동층을 가로질러 상승하고, 이 과정에서 순환수와 배기가스 사이의 열접촉에 의해 열교환이 이루어진다. 열교환을 통해 가열된 순환수는 온수나 난방수로 제공된다.
이를 위해 열교환기 몸체(210)는 상하부가 각각 개방되어 버너에서 발생한 고온의 배기가스를 배기시킨다. 버너가 열교환기 몸체(210)의 하부에 배치(도면 기준)되면 하부에서 유입된 배기가스는 열교환기 몸체(210) 내부를 통과하여 상부로 배기된다.
또한, 열교환기 몸체(210)의 일측에는 순환수가 유입되는 입수구(211)가 구비되어 있고, 타측에는 순환수가 출수되는 출수구(212)가 구비되어 있다. 이러한 입수구(211)와 출수구(212)는 다층의 단위 유동층들을 사이에 두고 서로 연결된다.
즉, 입수구(211)는 다층의 단위 유동층들 중 최하층에 연결되어 단위 유동층들을 향해 순환수를 공급하고, 출수구(212)는 다층의 단위 유동층들 중 최상층에 연결되어 단위 유동층들을 통과하는 과정에서 열교환을 마친 순환수를 배출시킨다.
열교환기 몸체(210)가 상부 몸체(210_T)와 하부 몸체(210_B)로 이루어진 경우라면 입수구(211)는 하부 몸체(210_B)에 고정 설치되고, 출수구(212)는 상부 몸체(210_T)에 고정 설치된다. 입수구(211)와 출수구(212)의 외측 단부에는 각각 수배관이 연결된다.
열교환판(220)은 열교환기 몸체(210) 내부에 복수개 적층되어 순환수가 유동하는 단위 유동층을 다층 구조로 형성한다. 이 열교환판(220)에는 배기가스가 가로질러 통과하도록 각각 복수개의 배기공(221)이 형성되어 있다.
도 5와 같이 열교환판(220)은 대략 직사각형의 판 형상으로 이루어져 있고 일 예로 사각 판의 테두리부를 따라서는 일정 길이 하향 연장된 설치용 걸림구가 구비된다.
또한, 열교환판(220)의 배기공(221)은 길이가 긴 장공 형상(혹은 타원형)을 가지며 복수개가 분산 배치된다. 각 배기공(221)의 테두리에는 일정 높이의 절곡부(222)가 형성되어 있다. 절곡부(222)의 연단부에는 접합부(222a)가 구비된다.
이때, 상하 연속 배치된 상부 열교환판(220_T)과 하부 열교환판(220_B)의 절곡부(222)가 서로 마주보도록 적층시키면 상부 열교환판(220_T)과 하부 열교환판(220_B)의 접합부(222a)들이 서로 밀착되어 누수가 방지된다.
따라서, 밀폐된 상하 2개의 상부 열교환판(220_T)과 하부 열교환판(220_B) 사이의 내부 공간에 단위 유동층이 형성되며, 그와 별개로 배기공(221)을 통해서는 배기가스가 통과하게 된다.
이는 도 2의 종래기술과 마찬가지이며, 도 2를 참조하여 이미 설명한 바와 같이 배기공(221)의 주변은 접합부(222a)에 의해 막혀 있으므로 순환수와 배기가스가 직접 접촉하여 혼합되지 않고 각각 독립된 유로를 따라 유동한다.
버플 플레이트(230)는 '단위 유동층 사이' 중 어느 하나 이상에 삽입되는 것으로, 도 6과 같이 열교환판(220)의 배기공(221)과 겹치는 각 부분 이내에 배기공(221)보다 크기가 작은 분배공(231)들이 각각 복수개 형성되어 있다.
분배공(231)은 일 예로 버플 플레이트(230)를 'ㄷ'자 패턴으로 절개한 것이 사용된다. 분배공(231)은 배기공(221)을 통과한 배기가스를 재분산시키고, 배기가스의 배기속도를 늦추어 너무 빠른 배기에 의한 열교환율 저하를 방지한다.
나아가, 버플 플레이트(230)에는 열교환판(220)의 배기공(221)과 겹치는 각 부분 이내에 배기공(221)보다 크기가 작은 열교환핀(232)이 각각 복수개 돌출 형성되어 있다. 각 열교환핀(232)은 배기공(221)을 바라보는 방향으로 돌출된다.
도 6에서는 일 예로 버플 플레이트(230)의 저면에서 하측으로 돌출된 작은 판 형상의 열교환핀(232)을 일 예로 도시하였다. 이러한 열교환핀(232)은 배기가스와의 전열면적을 효과적으로 이용함으로써 열교환기 효율을 향상시키는 역할을 한다.
한편, 도 7에는 일 실예로서 열교환판(220)을 10개 적층하여 열교환기를 구성한 것이 도시되어 있다. 상하부 열교환판(220_T, 220_B) 2개가 1개의 단위 유동층을 형성하므로 열교환판(220)이 10개인 경우에는 5개의 단위 유동층이 적층 형성된다.
즉, 첫 번째와 두 번째 열교환판(220)의 내부에 1개의 단위 유동층을 형성하고, 세 번째와 네 번째 열교환판(220)의 내부에 1개의 단위 유동층을 형성한다. 같은 방식으로 그 위에 3개의 단위 유동층을 형성한다.
또한, 입수구(211)는 다층 구조의 단위 유동층들 중 최하층인 1층의 단위 유동층에 연결되고, 출수구(212)는 다층의 단위 유동층들 중 최상층인 5층의 단위 유동층에 연결된다.
특히, 단위 유동층 간의 연결은 순환수가 일측에서 타측으로 유동하는 제1 경로 및 타측에서 일측으로 유동하는 제2 경로를 포함한 2-경로(2-PASS) 이상이 되게 한다. 도 7은 2-경로에 해당한다.
따라서, 본 발명은 종래처럼 순환수의 유동 경로가 독립된 1-경로(1-PASS)들로 이루어진 대신, 모든 경로를 연결하여 2-경로 이상이 되게 하므로 유동길이를 길게 하고 충분한 시간 동안 열교환이 이루어지게 한다.
도 7의 'A'부분은 배기공(221) 부분을 나타낸 것으로 도 8a에 확대 도시되어 있고, 도 7의 'B'부분은 단위 유동층의 일부를 나타낸 것으로 도 8b에 확대 도시되어 있으며, 도 7의 'C'부분은 버플 플레이트(230)의 적층 부분을 나타낸 것으로 도 8c에 확대 도시되어 있다.
나아가, 본 발명은 다층 구조의 단위 유동층들 중 버너와 가까운 순서로 일부 개수의 단위 유동층들을 유체 가이드(Via)에 의해 서로 연결한다. 따라서, 각각의 순환수 유입부가 입수구(211)에 공통으로 연결되게 한다.
도 7에서는 일 실시예로서 최하부에 배치된 2개의 단위 유동층을 유체 가이드(Via)에 의해 연결하였다. 즉, 1층과 2층에 배치된 단위 유동층의 순환수 유입부를 모두 입수구(211)에 가까운 일측 단부에 구비하고, 1층과 2층을 유체 가이드(Via)로 연결한다.
구체적으로 1층에 형성된 단위 유동층의 상부 열교환판(220_T)과 2층에 형성된 단위 유동층의 하부 열교환판(220_B)에 각각 구비된 순환수 유입부를 가공하여 유체 가이드(Via)를 형성한다.
따라서, 순환수가 유체 가이드(Via)를 통해 1층과 2층으로 동시에 공급되면, 버너에 가깝기 때문에 상대적으로 고온인 배기가스로부터 많은 양의 열을 많은 양의 순환수(2개 층의 단위 유동층에 흐르는 양)를 이용하여 효율적으로 회수한다.
이와 같이 유체 가이드(Via)에 의해 공통으로 연결됨에 따라 병렬 배치된 1층과 2층의 단위 유동층에서는 동시에 타측으로 순환수가 유동하고, 그 후 상부에 적층된 3층 내지 5층의 단위 유동층으로 공급된다.
다만, 유체 가이드(Via)에 의해 공통 연결된 단위 유동층들 간에도 버너에 가까운 측에 형성된 단위 유동층을 통해서 상대적으로 많은 순환수가 유입되는 것이 바람직하다.
따라서, 버너에서 먼 곳에 배치된 단위 유동층보다 버너에서 가까운 곳에 배치된 단위 유동층으로 순환수가 더 많이 공급되도록 유체 가이드(Via)의 개구 면적을 조절한다.
예컨대, 2개의 단위 유동층을 유체 가이드(Via)로 연결한 경우에는 1층과 2층으로 공급되는 순환수의 비율이 약 6:4가 되도록 유체 가이드(Via) 중 일부분에 크기가 작은 2개의 개구를 형성함으로써, 공급된 순환수 중 일부는 반사되어 1층으로 되돌린다.
열교환판(220)에 형성된 기타 다른 유입공(IN) 또는 유출공(OUT) 역시 도 7의 작은 원안에 단면 형상이 표시되어 있으며, 이를 통해 유체 가이드(Via)의 전체 개구 면적이 유입공(IN) 또는 유출공(OUT)보다 작음을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같이 버플 플레이트(230)를 포함하며, 버플 플레이트(230)는 배기가스를 분산 배기시킴과 동시에 그 배기속도를 늦춘다. 아울러 버플 플레이트(230)는 전열면적을 효과적으로 이용하는 역할을 한다.
그러나, 상술한 바와 같이 버플 플레이트(230)는 배기가스의 흐름을 제어하는 역할도 하는데, 도 7에서는 일 실시예로서 2층 단위 유동층 위에 버플 플레이트(230)가 삽입된다. 또한, 3층 내지 5층의 단위 유동층 위에는 각각 버플 플레이트(230)가 삽입된다.
이와 같이 본 발명은 적층된 열교환판(220)의 개수 및 그에 따른 단위 유동층의 개수나, 혹은 유체 가이드(Via)에 의해 공통 연결된 단위 유동층의 개수 등에 따라 버플 플레이트(230)의 삽입 개수 및 삽입 위치를 자유롭게 조절함으로써 최적의 상태가 되게 한다.
위에서 설명을 생략한 도 9는 도 7과 동일한 구조인 10개의 열교환판(220)을 적층함에 따라 2-경로(2-PASS)의 순환수 유동이 생성된 것을 표현한 것이고, 도 10의 (a)는 도 9 및 도 7의 순환수 유동을 개략적으로 표현한 것이다.
또한, 도 10의 (b)는 12개의 열교환판(220)을 적층하여 형성된 2-경로(2-PASS)의 순환수 유동을 나타낸 것으로, 열교환기의 용량을 늘리고자 열교환판(220)의 적층 개수를 늘려 단위 유동층을 증가시킨 것이다.
물론, 도 10의 (c)와 같이 12개의 열교환판(220)을 적층하더라도 3-경로(3-PASS)의 순환수 유동을 형성할 수 있으며, 이러한 경우에는 입수구(211)와 출수구(212)가 서로 반대 방향에 배치될 것이다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

Claims (5)

  1. 상하부가 각각 개방되어 버너에서 발생한 고온의 배기가스를 배기시키며, 일측에는 순환수가 유입되는 입수구(211)가 구비되어 있고, 타측에는 순환수가 출수되는 출수구(212)가 구비되어 있는 열교환기 몸체(210); 및
    상기 열교환기 몸체(210) 내부에 복수개 적층되어 순환수가 유동하는 통로가 내부에 구비된 단위 유동층을 다층으로 형성하며, 배기가스가 상기 단위 유동층들을 가로질러 통과하도록 각각 복수개의 배기공(221)이 형성된 열교환판(220);을 포함하되,
    상기 입수구(211)는 상기 다층의 단위 유동층들 중 최하층에 연결되고, 상기 출수구(212)는 상기 다층의 단위 유동층들 중 최상층에 연결되며, 상기 단위 유동층 간의 연결은 순환수가 일측에서 타측으로 유동하는 제1 경로 및 타측에서 일측으로 유동하는 제2 경로를 포함한 2-경로(2-PASS) 이상이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 판형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다층 구조의 단위 유동층들 중 버너와 가까운 순서로 배치된 일부 개수의 단위 유동층들은 각각의 순환수 유입부가 유체 가이드(Via)에 의해 상기 입수구(211)에 공통으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 판형 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유체 가이드(Via)에 형성된 순환수 공급 통로의 개구 면적은 상기 입수구(211)에서 공급되는 순환수가 상기 버너에서 먼 곳에 배치된 단위 유동층보다 상기 버너에서 가까운 곳에 배치된 단위 유동층으로 더 많이 공급되도록 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 판형 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위 유동층들 사이 중 어느 하나 이상에 삽입되며, 상기 열교환판(220)의 배기공(221)과 겹치는 각 부분에 상기 배기공(221)보다 크기가 작은 분배공(231)이 각각 복수개 형성되어 있는 버플 플레이트(230)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 판형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버플 플레이트(230)에는 상기 열교환판(220)의 배기공(221)과 겹치는 각 부분에 상기 배기공(221)보다 크기가 작은 열교환핀(232)이 각각 복수개 돌출 형성되되, 상기 각 열교환핀(232)은 상기 배기공(221)을 바라보는 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 판형 열교환기.
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