KR100918552B1 - 열교환기 및 열교환기를 포함하는 보일러 - Google Patents

Abstract

제1 매체 및 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기는, 복수의 실질적으로 평행한 튜브(24)를 둘러싸는 격실과 제1 매체가 튜브에 실질적으로 평행한 유동 방향(R)으로 입구로부터 출구로 유동하도록 배치된 입구 및 출구를 구비한 케이싱과, 각각의 튜브에 부착된, 제1 단부를 각각 구비하고 제2 미부착 단부까지 유동 방향에 대해 경사지게 그리고 대체로 횡방향으로 연장하는 향상된 열의 교환을 위한 복수의 긴 표면 확대 요소(28)를 포함하며, 제2 미부착 단부는 유동 방향에 대하여 상기 제1 단부의 상류에 위치된다.

열교환기, 튜브, 케이싱, 표면 확대 요소, 격실

Description

열교환기 및 열교환기를 포함하는 보일러 {HEAT EXCHANGER AND BOILER COMPRISING THE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 특히 보일러 및 배기 가스 보일러에 채택된 열교환기에 관한 것이다.

핀(pin) 튜브 보일러의 작동 중 임의의 상태에서 불필요하고 용인하기 어려운 높은 소음 레벨이 발생할 수도 있다는 것이 인식되었다. 보일러에 사용된 핀과 같은 표면 확대 요소를 갖는 튜브는 미국 특허 제5,626,187호, 국제특허 제WO 03/005467 A1호, 제WO 03/033969 A1호, 제WO 90/02916 A1호와 같은 선특허 출원에서 기술되었으며, 이들 모두는 본 명세서에서 참조한다.

본 발명은 열의 교환을 위하여 다수의 튜브를 포함하는 대류 챔버를 갖는 보일러에 관한 것으로, 특히 향상된 열의 교환을 위하여 다수의 핀과 같은 표면 확대 요소로 끼워 맞춰진 튜브를 포함하는 보일러에 관한 것이다.

이 형태의 임의의 보일러는 용인할 수 없는 높은 수준의 소음을 발생시켜서, 소음을 억제하거나 제거할 필요가 있었다. 이 소음은 300-700 Hz 범위의 단일 진동수 톤(tone)으로 형성됨을 알 수 있었다. 소음 발생 메카니즘의 연구를 통해 톤 의 발생의 원인이 분석되었고, 톤이 보일러의 대류 챔버에서 발생된다는 것을 알 수 있었다.

해결책은 4개의 카테고리로 구분된다. 첫 번째이자 가장 단순한 것은 소스(source), 예를 들어 보일러의 배기부에 덕트 소음기를 설치함으로써 소음을 감소시키는 것이다.

다른 카테고리들은 피드백 메카니즘을 포인스톨링(forestalling) 또는 중단(disrupting)하는 것으로 구성된다. 객관적인 테스트(cold test)의 결과는 피드백 메카니즘이 포인스톨링 또는 억제되는 경우에 60 dB 까지 감소될 수 있음을 보여주었다.

두 번째 방법은, 음파 반응이 비정상 유동 구조에 상당히 영향을 미치기 시작하는 수준에 도달하는 것을 방지하기 위해서, 대류 챔버에서 댐핑(damping)을 도입하는 것이며, 따라서 피드백을 미리 배제한다.

세 번째 방법은 여기(excitaton) 진동수의 범위 밖으로 피드백하기 쉬운 모드의 진동수로 이동하도록 분리 플레이트를 도입하는 것이다.

네 번째 방법은 피드백이 결코 일어나지 않거나 보통의 유동으로부터 변동이 심한 유동 및 음파 영역으로의 에너지의 이동의 원인이 되는 상호작용 메카니즘을 중단시키도록 분리된 여기를 충분히 감소시키기 위해서 핀을 변형시키는 것이다.

이들 일반적인 카테고리는 서로 배제되지 않으며 하나의 최종 해결 방법은 4가지 모두의 요소들을 포함할 수도 있다.

음향 또는 소음 억제 수단은 유럽 특허 제0 876 539호와 같은 특허 공보에서 기술되었고, 본 명세서에 참조한다.

본 발명에 따른 제1 매체 및 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기의 바람직한 본 실시예의 아래 상세한 설명으로부터 명확해질 수 있는 다수의 목적, 장점 및 특징과 함께 위의 필요성이 제1 매체 및 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기에 의한 본 발명의 교시에 따라 얻어지며, 열교환기는, 복수의 실질적으로 평행한 튜브를 둘러싸는 격실을 구비한 케이싱과, 각각의 튜브에 부착된, 제1 단부를 각각 구비하고 제2 미부착 단부까지 유동 방향에 대해 경사지게 그리고 일반적으로 횡으로 연장하는 향상된 열의 교환을 위한 복수의 길다란 표면 확대 요소를 포함하고, 격실은 제1 매체가 튜브에 실질적으로 평행한 유동 방향으로 입구로부터 출구로 유동하도록 배치된 입구 및 출구를 포함한다.

튜브는 정사각형 또는 직사각형 형상과 닮은 전체적인 외형으로 나란히 위치되는 바와 같이 다수의 기하학적 구성으로 열교환기 내에 배열될 수도 있으며, 바람직하게 튜브는 벌집 모양과 같은(honeycomb-like) 구조로 구성된다.

표면 확대 요소는 자유 단부를 갖는 많은 요소를 포함하는 기부 및 일부를 포함하는 시트로 형성될 수도 있다. 대안적으로 표면 확대 요소는 개별적으로 형성될 수도 있으며, 예를 들어 표면 확대 요소는 별도의 공정으로 형성될 수도 있고 튜브에 계속해서 부착될 수도 있다. 대안적으로 표면 확대 요소는 튜브에 일체적으로 형성될 수도 있다.

본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 제2 미부착 단부는 유동 방향에 대해 제1 단부의 상류에 위치된다. 당업계에 알려진 표면 확대 요소는 표면 확대 요소의 자유 단부가 유동 방향에 대해 제1 단부의 하류에 위치되도록 지향되었으며 결과적으로 표면 확대 요소와 튜브의 연결부 내에 그리고 표면에 축적하는 응축수에 관한 문제가 나타나게 되었다. 이전에 표면 확대 요소는 이러한 지향이 최대 또는 거의 최대 열 이동을 얻으면서 최저 압력 강하를 발생시킨다는 추정 때문에 이 방식으로 지향되었지만, 놀랍게도 이 방식을 지향하는 표면 확대 요소는 압력 강하가 동일하게 유지되는 한편, 증대된 소음 레벨을 갖는다는 것이 인식되었다.

본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 열교환기는 격실이 2개 이상의 부(副) 격실로 나누어지도록 적어도 2개의 튜브들 사이에 장착된 적어도 하나의 음향 억제 플레이트를 더 포함한다. 놀랍게도 플레이트는 압력의 추가 손실을 야기하지 않고 보일러 내에 발생된 소음을 감쇠시킨다. 표면 확대 요소를 갖는 튜브는 영역당 가장 높은 수가 달성되어 표면 확대 요소들 사이의 공간을 최소화시키도록 위치될 수도 있다. 플레이트는 단일 구조로 조립된 여러 조각의 재료를 포함할 수도 있다. 대안적으로 플레이트는 단일편의 재료이고 플레이트가 튜브들 사이의, 예를 들어 표면 확대 요소들 사이의 공간에 꼭 맞게 끼워지도록 휘어지거나 형상화될 수도 있다.

본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 표면 확대 요소는 실질적으로 관형 형상일 수도 있다. 표면 확대 요소는 바람직하게 관형 형상, 즉 핀 형상이다. 표면 확대 요소의 단면은 사다리꼴, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 이들의 임의의 조합 및/또는 변형과 같은 다른 형상을 취할 수도 있다.

표면 확대 요소는 제1 단부 및 제2 단부 사이의 길이를 10 내지 60 mm, 바람직하게 20 내지 55 mm, 바람직하게 40 내지 50 mm, 바람직하게 41 내지 50mm의 범위로 하거나, 바람직하게 43 mm로 한정할 수도 있다. 표면 확대 요소의 길이는 모든 표면 확대 요소가 동일하거나 길이를 변화시킬 수도 있고, 예를 들어 표면 확대 요소는 두 개의 다른 길이를 가질 수도 있다. 또한 대안적으로 표면 확대 요소의 길이는 임의적이거나 의사난수(pseudorandom)하게 선택될 수도 있다. 또한 다른 대안적으로 표면 확대 요소의 길이는 튜브의 특정한 지점으로부터, 예를 들어 제1 표면 확대 요소로부터의 거리의 함수로서 변화될 수도 있다.

바람직하게 표면 확대 요소는 강철, 바람직하게 스테인레스강, 또는 대안적으로 알루미늄 또는 구리로 이루어진다. 표면 확대 요소는 바람직하게 고온에서 융해점을 갖고 높은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어진다.

대안적으로 표면 확대 요소는 하나의 만곡을 한정할 수도 있다. 표면 확대 요소는 미분 가능한 만곡 또는 대안적으로 굴곡부 또는 중단부(break)를 포함하는 만곡을 한정할 수도 있고, 표면 확대 요소는 또한 대안적으로 많은 굴곡부 또는 중단부를 포함할 수도 있다.

음향 억제 플레이트는 0.01 mm 내지 2 mm, 바람직하게 0.5 내지 1.5 mm, 바람직하게 0.75 mm 내지 1.25 mm의 범위, 바람직하게 실질적으로 1 mm와 같은 크기를 갖는 복수의 개구를 포함한다. 음향 억제 플레이트의 개구는 다른 크기를 갖거나, 모든 개구가 실질적으로 동일한 크기일 수도 있다. 개구의 위치 또는 분포는 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등할 수도 있거나 개구가 다수의 특정한 영역에 위치될 수도 있다.

개구는 실질적으로 타원형, 원형, 정사각형, 직사각형 또는 그의 임의의 조합일 수도 있다. 바람직하게 개구는 모두 실질적으로 타원형이다. 대안적으로 복수의 제1 개구는 하나의 기하학적 형태를 가질 수도 있고 복수의 제2 개구는 다른 기하학적 형태를 가질 수도 있으며, 또한 대안적으로 다수의 복수가 하나의 특정한 기하학적 형태를 각각 가질 수도 있으므로, 위에서 언급된 모든 기하학적 형태를 결합시킬 수도 있다.

바람직하게 음향 억제 플레이트는 강철, 스테인레스강, 알루미늄, 아연도금 강 또는 대안적으로 세라믹 재료로 이루어진다.

음향 억제 플레이트는 두께가 0.508mm(0.02") 내지 5.080mm(0.2"), 바람직하게 1.016mm(0.04"), 바람직하게 2.032mm(0.08"), 바람직하게 3.048mm(0.12"), 바람직하게 1mm일 수도 있다.

본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 제1 매체는 염관(flue, 焰管) 가스 또는 공기이고 제2 매체는 주로 물 및/또는 증기이다. 제1 매체는 바람직하게 튜브들 사이에 위치되고 노 또는 그와 같은 것으로부터 열교환기 챔버로 열을 운반한다. 그러나 다른 유체를 이용하는 다른 실시예가 고려될 수도 있다. 열은 제1 매체로부터 표면 확대 요소를 통해 제2 매체로 흡수되고, 제2 매체는 물이 되며, 물은 튜브 내의 압력에 따라 물이 증기로 증발되는 지점에 결과적으로 도달할 수도 있다.

본 발명의 교시에 따라서 보일러, 특히 외양 항행용 배에 설치되기 위한 보 일러가 위에 언급된 태양 중 임의를 포함하는 열교환기를 포함할 수도 있다. 본 발명의 교시에 따른 보일러는 외양 항행용 배, 수송선, 화물선, 화물용 배, 일반선, 유조선 등등에 설치될 수도 있다.

이하에서, 본 발명은 첨부하는 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.

본 발명은 소음을 감소시키고, 음파 반응이 비정상 유동 구조에 상당히 영향을 미치기 시작하는 수준에 도달하는 것을 방지합니다.

도1은 본 발명에 따른 열교환기를 포함하는 보일러의 수평 단면도이고, 전체로서 보일러는 도면부호 10으로 표시된다. 보일러(10)는 보일러(10)의 상부에 장착된 버너 출구(12)를 포함한다. 버너 출구(12)는 보일러(10) 내부에 위치된 노 챔버(14)와 유체 연통한다. 버너 출구(12)는 노 챔버(14) 내로 플레임(16)을 방출한다. 뜨거운 가스는 측벽(20) 내의 개구(18)를 통해 노 챔버(14)를 빠져나간다. 뜨거운 염관 가스는 다수의 튜브(24)를 따라 대류 챔버(22)의 저부로부터 지나간다. 튜브(24)는 적어도 2개의 다른 길이를 갖는 다수의 핀과 끼워진다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 튜브(24)의 하부는 34 mm의 길이를 갖는 15 열의 핀들과 끼워진다. 이들 짧은 핀들은 노 챔버(14)로부터 직접 염관 가스를 수용하기 위하여 튜브에 끼워지고 이것을 대략 150℃로 냉각시킨다. 이 단면에서 긴 핀들이 튜브에 끼워지는 것은 긴 핀이 융해되는 것을 야기한다. 짧은 핀(26)을 포함하는 구역 위의 구역에서, 긴 핀들을 포함하는 적어도 하나의 구역이 포함될 수도 있다. 현재의 바람직한 실시예에서 긴 핀은 약 43 mm의 길이를 갖는다.

모든 핀은 저항 용접, 저항 맞댄 용접(butt-welding), 저항 플래시 용접(flash-welding), 저항 충격 용접(percussive-welding), 저항 시임 용접(seam-welding), 저항 스폿 용접(spot-welding), 대안적으로 다른 용접 기술, 다른 대안적으로 그의 조합에 의해 튜브 상에 용접될 수도 있다. 핀은 튜브 또는 튜브의 일부를 형성하는 동안 튜브(24)와 일체로 형성될 수도 있다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서 튜브(24) 상의 핀은 다수의 핀이 끼워진 튜브(24)의 단면보다 더 작은 단면을 갖는 매트릭스를 통해 당겨지거나 밀어짐으로써, 긴 핀이 튜브(24)의 표면에 대하여 소정의 각도로 휘어지게 된다. 바람직하게 짧은 핀(26)은 휘어지지 않지만, 더 작은 핀이 또한 휘어지는 실시예가 고려될 수도 있다. 인장 및 다른 물리적 현상 때문에, 긴 핀이 튜브(24)의 표면으로부터 대략 5 mm로 휘어진다. 핀이 튜브(24)로부터 다른 거리로 휘어지게 된다면 핀은 특정한 위치에서 약해질 수도 있다.

본 발명의 현재 바람직한 실시예에서 핀은 실질적인 기재 사항으로 위치되지만 제1 핀이 제1 핀 위 또는 아래에 위치된 제2 핀에 대하여 이동되어 위치되는 구성이 고려될 수도 있다. 튜브 부근의 레벨 범위에서 핀을 위치시키는 대안으로서, 핀은 계단과 같은 구조를 형성하도록 위치될 수도 있고, 이 형태는 연속적인 표면을 갖는 표면 확대 요소를 채택하는 열교환기에서 흔히 보여진다. 미국 특허공보 제3,752,228호, 제4,258,782호, 제4,227,572호, 제4,648,441호, 제5,046,556호, 제3,621,178호 및 제5,617,916호가 참조되고, 이 모든 참조들은 모든 목적을 위하여 전체로서 참조하여 본 명세서에 병합된다.

핀 튜브를 포함하는 보일러, 및 열교환기는 용인할 수 없는 높은 수준의 소음을 발생시킨다고 알려져 있다. 이 소음은 주로 범위가 300-700 Hz로 단일 진동수 톤으로서 인식되었다. 소음 발생 매커니즘의 연구를 통해 톤의 발생의 원인이 분석되었고 톤이 보일러의 대류에서 기원한다는 것을 알 수 있었다.

튜브(24) 상의 핀 뒤의 공기 유동에서의 주기적인 변동은 자체적으로 핀 상의 비정상적인 압력 변동을 일으킬 수도 있고, 이것은 내부적으로 음향 소스(source)로서 작용한다. 피드백이 없다고 가정하면, 이들 소스는 미소한 스트로할 수(Strouhal number)로부터 도출될 수 있는 진동수 부근의 최고점에 달한 진동수 분포를 갖는 지점 쌍극자(point dipoles)로서 합리적으로 근접될 수 있으며, 여기서 스트로할 수는 핀의 직경에 곱해진 압력 변동의 최고점 주파수로서 한정되고 자유 흐름 평균 유동 속도로 분리된다.

피드백 없이, 대류 챔버(22) 내에 가해진 음향의 진동수 반응은 챔버의 구조에 의존되고 댐핑(damping)이 거의 없거나 없다고 가정하면, 주어진 강제에 대응하여 최대로 주어지는 진동수는 대류 챔버(22)의 고유 진동수와 동일하다. 그러나, 댐핑이 상당히 있을 때, 최대 대응으로 주어지는 진동수는 그 모드의 복잡한 고유 진동수의 실제 일부로부터 도출한다. 이 수학적 세밀한 구별은 관찰된 진동수의 예보를 위한 중요한 결과를 갖는다.

공기 유동 쪽으로 휘어진 굴곡 핀이 압력의 추가 손실 없이 핀 뒤의 공기 유동에서의 주기적인 변동에 의해 발생된 소음을 감소시키도록 튜브(24)를 구성하는 것이 실험에 의해 결정된다. 핀 또는 휜(fin)과 같은 표면 확대 요소를 갖는 튜브를 포함하는 보일러의 모든 이전 실시예에서, 표면 확대 요소는 공기 유동의 방향을 따르는 방향, 즉 하류로 휘어진다.

소음은 대류 챔버(22)의 측면 벽 상에, 대안적으로 벽(36, 44, 40, 42)의 외측면들 사이에 음향 흡수 재료, 예를 들어 록크울(Rockwoll)을 도입함으로써 감소시킬수도 있고, 또한 대안적으로 음향 흡수 재료는 보일러의 바깥쪽에, 예를 들어 보일러로부터 바깥으로 이끄는 배기 덕트 상에 또는 대안적으로 내에 인가되거나 부착될 수도 있다.

염관 가스가 짧은 핀(24)을 포함하는 구역과 긴 핀(26, 28)을 포함하는 구역을 지나간 후에, 염관 가스는 보일러(10)로부터 배기 출구(30)를 통해 배기된다.

보일러(10)는 튜브 연결부(24)와 유체 연통하여 물 저장소(32)가 또한 장비된다. 뜨거운 염관 가스는 튜브(24)의 표면과 표면 확대 요소, 예를 들어 튜브 상의 핀을 통해 튜브(24)로 열을 전달함으로써, 물 저장소(32)로부터 수집된 튜브(24) 내부의 물 또는 증기에 열을 전달한다. 물은 가열되고 튜브(24) 내부에서 증발되며 증기는 증기 룸(34) 내로 상승한다. 증기 룸(34)에서는 증기가 다시 물로 응축될 수도 있고 노 챔버(14)의 측면 벽에서 튜브를 경유하여 물 저장소(32)로 복귀될 수도 있다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서, 증기는 증기가 버너(12) 내에서 사용된 오일을 가열시키고 펌프 시스템을 구동하는 것과 같은 다른 목적을 위하여 이용되는 설명되지 않은 시스템 내로 방출되며, 또한 본 명세서에서 설명되지 않는다. 보일러(10) 내부의 물은 물의 외부 소스로부터 보충될 수도 있다.

도2는 선 A-A를 따른 도1의 보일러의 단면도이다. 도2는 4개의 열의 튜브(36, 38, 40, 42)로 구성된 대류 챔버(22)에서 튜브(24)의 위치를 도시한다. 튜브는 이웃하는 튜브들 사이에 용접된 금속 바아(bar)와 상호 연결됨으로써, 벽을 생성시킨다. 노 챔버(14)는 패널 벽(44)에 의해 구성된다. 벽(42)을 구성하는 튜브의 상부에서 튜브의 일부는 배기 출구(30)를 달성하기 위하여 바깥쪽으로 휘어지고, 또한 이 영역 내에 튜브에 용접되는 금속 바아는 없다.

도2는 노 챔버(14) 내의 버너 출구(12)인 경우의 위치를 또한 도시한다. 다수의 스테이(stay)(46)는 증기 챔버(34)의 상부 및 저부를 지지하도록 채택된다.

대류 챔버(22)에서, 두 개의 음향 흡수 요소(50, 52)는 튜브(24)들 사이에 위치되어 도시된다. 음향 흡수 요소(50, 52)는 부분적으로 대류 챔버(22)를 나누도록 돕고 이에 의해 대류 챔버(22)의 음향 특성을 변경시킨다. 음향 흡수 요소50, 52)는 바람직하게 압력의 손실을 야기하지 않는 것을 특징으로 하는 형태이다. 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 음향 흡수 요소(50, 52)는 유럽 특허 제0 876 539 B1호에서 기술된 재료의 플레이트이다. 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서 채택된 음향 흡수 요소는 제품명이 아큐스티메트(AcustiMet)로서 스웨덴 회사 손테크 노이즈컨트롤(Sontech Noisecontrol)에 의해 시판된다.

도3은 도1 및 도2의 보일러의 다수의 튜브(24)와 음향 흡수 요소(52)를 도시한다. 튜브(24)는 핀 및 튜브의 가장 높은 밀도를 달성하기 위한 벌집형 형태로 위치되지만 정사각형, 원형 또는 다른 기하학적 형태 또는 그의 조합과 같은 다른 형태들이 고려될 수도 있다. 음향 흡수 요소(52)는 적어도 2개의 인접한 핀(28)들 사이에 좁은 공간에 위치될 수 있도록 휘어진다. 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에서, 핀들 사이의 공간은 3 내지 5 mm 사이로 변동한다. 핀들 사이의 이론적 간격은 6 mm이다.

도4는 화살표 R에 의해 도시된, 뜨거운 가스의 유동에 대한 핀(28)의 공간적 분포와, 음향 흡수 요소(52)의 위치를 도시하는 도3의 선 C-C를 따른 단면도이다.

일단 소음이 보일러에서 발생되면, 먼저 배기 덕팅(ducting)을 통해 배로 전파한다. 보일러 구조를 통해 기계실에 전달되는 임의의 소음은, 예를 들어 환기 시스템으로부터의 훨씬 더 높은 내부 배경 소음 수준에 대하여 아주 작은 편이다.

일상의 덕트 소음기는 배플(baffle) 내에 배치된 관통된 금속 시트 뒤의 음향 흡수 재료와 함께 음향 감소를 제공한다. 보일러의 배기 덕트 내의 소음기의 설치는 소음의 소스를 제거하지 않지만, 대신에 소음이 발생된 후에 소음을 흡수한다. 1m 소음기는 수용될 수 있는 압력 강하에 따라 대략 15-30 dB(A)의 범위에서 감쇠를 제공할 수 있다.

소음기의 설치는 단순하고 효과적이고 융통성 있는 해결책이다.

소음기 자체를 통한 유동에 의해 야기된 소음의 수반하는 증가 없이, 용인할 수 있는 압력 손실을 위해 요구된 음향 감쇠를 주는 적절한 소음기의 선택은 비교적 간단한 공학적 과정이다.

배기 덕팅을 통하는 것 이외에 소음 전파 경로가 있는 경우에, 관찰될 톤의 가능성이 소스에서의 소음 문제를 다루는데 실패하게 함을 또한 주지해야 한다.

대류 챔버 내로의 음향 흡수의 도입은 챔버의 초기 음향 반응이 피드백 공정 을 촉진하기에 충분한 레벨을 얻는 것을 방지하도록 설계된다. 객관적인 시험으로부터의 결과는 상호 작용 매커니즘을 제거하는 매우 성공적인 방식이며 이에 따라 음향 수준을 극적으로 감소시킬 수 있다는 것을 지시한다.

대류 챔버 내의 음향 흡수는 고체 플레이트 또는 관통 플레이트와 같은 플레이트일 수 있다.

관통 플레이트는 플레이트 내의 작은 구멍을 통해 유동을 허용하는 동안 이것을 가로지르는 압력 차이를 지지하는 작용을 한다. 압력 낙차는 관성력 및 점성력의 조합에 의해 야기되어 플레이트의 2개의 측면 상의 압력에 의해 행해진 작업에서의 차이에 대응하는 음향 에너지의 손실을 초래한다. 물리적으로, 이 에너지는 플레이트를 통한 유동에서의 점성 작용에 의해 가열되도록 전환된다. 챔버 내에서 전략적으로 플레이트를 위치시킴으로써, 매우 높은 흡수가 임의의 모드를 위해 달성될 수 있다.

객관적인 시험으로부터의 결과는 상당한 감쇠가 관통된 플레이트를 이용하여 달성될 수 있는 것을 보여준다. 하나의 시험에서, 모든 톤은 완벽하게 제거되어, 대략 50 dB의 감쇠를 이끈다.

음향 해결책으로서 관통 플레이트를 설치하는 경우에 역점을 두어 다룰 필요가 있는 제1 문제는 최대의 댐핑을 주는 플레이트의 배치와 피드백 매커니즘을 앞지르는 것이 필요한 댐핑의 양에 관한 것이다. 불행하게도, 객관적인 시험으로부터의 결과는, 보일러 챔버의 형태 구조가 객관적인 시험 챔버의 것과 아주 다른 것으로서, 보일러에 직접 적용될 수 없다. 이것은 부분적으로 다른 기하학적 구조로 인하여 그리고 부분적으로 보일러에서의 큰 수직 온도 기울기 때문이다.

제1 단계는 처리되지 않은 보일러의 고유 모드의 진동수와 관찰된 진동수 사이의 일치를 확인하는 것이다. 이것은 처리되지 않은 보일러부터의 음색의 진동수의 측정뿐만 아니라, 보일러의 대류 챔버의 고유 진동수의 계산을 요구한다. 일단 피드백하기 쉬운 모드가 확인되면, 플레이트의 최적의 배치가 다른 배치를 위한 각각의 모드에서의 댐핑을 계산함으로써 결정될 수 있다. 객관적인 시험으로부터 적절하게 크기 조절된 결과에 의해, 댐핑의 적절한 양의 숙련된 평가를 행하여 선택된 배치가 피드백 매커니즘을 앞지르기에 충분한 댐핑을 제공하는지를 평가하는 것이 가능하다.

대류 챔버 내의 플레이트의 가장 좋은 배치를 결정하기 위한 과정은 각각의 보일러 크기에 대해 유사하다.

플레이트의 음향 특성은 그 저항성에 의해 기술되고, 이것은 플레이트를 가로지르는 압력 강하와 그를 통한 유동 속도 사이의 관계를 기술한다. 저항성은 음향 임피던스로서 동일한 유닛을 갖고 플레이트의 최적 저항성은 위치되는 공기의 임피던스에 동등하다. 이것은, 온도가 챔버의 축을 따라 상당히 변화되는, 뜨거운 보일러에서의 해결 방법으로서 관통 플레이트를 접근시킬 때 중점을 두어 다루어야만 하는 중대한 문제이다. 적절한 저항성의 문제는 최적의 플레이트 배치를 결정하도록 계산에서 중점을 두어 다루어야만 한다. 주어진 온도에서 최적의 저항성을 주는 구멍의 크기의 문제가 또한 중점적으로 다루어져야 한다.

관통 플레이트에 대한 대안은 챔버의 벽들 상에 위치된 흡수 재료이다. 하 나의 가장 중요한 실제적인 문제는 피드백 매커니즘을 앞지르기에 충분한 음향 흡수를 제공하면서 보일러 내의 높은 온도를 견딜 수 있는 이러한 재료를 확인하는 것이다.

벽 상에 위치된 절연 재료는, 균일하게 적절히 세정되지 않으면, 시간에 따라 재료의 음향적 특성의 어떤 저하를 경험한다.

적절하게 설치시키기 위하여 발견될 수 있는 적합한 재료를 제공하는 것은 관통 플레이트를 위한 것과 대체로 유사하다. 그러나, 이 경우에, 얼마나 많은 댐핑이 피드백 매커니즘을 앞지를 필요가 있는 가의 문제가 가장 중요하며, 주요 문제는 흡수 재료가 위치될 필요가 있는 벽들의 수와 양, 특히 요구된 댐핑을 달성할 필요가 있는 재료의 깊이에 관한 것이다.

객관적인 시험으로부터의 결과의 크기 조정은, 각 모드에서의 댐핑의 계산과 함께, 충분한 댐핑으로 구성되는지, 주어진 배치가 피드백 매커니즘을 앞지르기에 충분한 댐핑을 제공하는지의 숙련된 평가를 허용한다.

챔버에 흡수를 도입하는 대안적인 해결책은 단면 모드가 보일러에서 관찰된 최대 유동 속도의 최고점 여기 진동수보다 더 큰 진동수를 갖는 다수의 작은 챔버를 생성하는 시도로 챔버를 고체 플레이트로 나누는 것이다.

주어진 단면 모드가 존재할 수 있는 최저의 진동수를 결정하는 것은 챔버의 상부에서의 온도이다. 보일러의 상부에서의 온도는 대략 300℃이다. 최저 단면의 고유 모드의 진동수가 300℃의 온도에서 700 Hz보다 더 커지게 하기 위해서, 서브 챔버의 가장 긴 길이가 단지 대략 30 cm이어야 한다. 이것은 챔버를 2개의 핀 튜 브를 각각 둘러싸는 삼각형 서브 챔버 내로 나누는 것에 대응한다.

최종 해결 전략은 유동과 상당히 상호 작용할 수 있는 음향적 반응으로 이끌어지지 않는 여기를 발생시키는 시도로 비정상 유동에 중점을 두는 것이다. 이것에 접근하는 2개의 방식이 있다. 첫 번째로, 스트로할 수가 최고점 여기 진동수가 단면 모드의 최저 진동수 아래에 유지되도록 감소될 수 있다면, 피드백이 회피되거나 더 높은 유동 속도로 지연될 수도 있다. 두 번째로, 음향 대응의 영향에 덜 통일성 있고, 덜 상관 있으며, 덜 민감한 여기를 생성하도록 유동에서 3차원 효과를 이용할 수도 있다.

시험은, 43 mm 핀들이, 반대 방향이 아니라, 유동에 대해 핀들의 미부착 단부가 부착된 단부의 상류에 위치하도록 경사져 지향되도록, 표준 방식으로 휘어질 때 아주 상당한 향상이 나타난다는 것을 보여준다. 이 구성은 소음 레벨에서의 향상과 더 높은 속도로 톤의 개시(onset)에서의 하나의 지연을 초래한다.

250 Hz 부근의 톤의 개시는 표준 43 mm 핀 구성과 비교하여 8.7 ms-l로부터 9.3 ms-l로(7%) 지연되었으나, 감쇠 소음 레벨은 개시에서 더 높은 7 dB이었고 최대에서 3 dB이었다. 420 Hz 부근의 톤은 개시에서의 소음 레벨에서 7 dB과 최대에서 5 dB의 감소와 함께 13.9 ms-l로부터 15.8 ms-l로(14%) 지연되었다. 마지막으로, 690 Hz 톤은 개시에서의 소음 레벨에서 16 dB과 함께 21.1 ms-l로부터 23.6 ms-l로(12%) 지연되었다.

이들은 톤의 개시에서 대략 10%의 지연을 나타내는 것처럼 보인다. 보일러에 적용하면 이것은 70% 로드에서 보여진 톤이 약 75%로 지연됨을 의미한다. 변형 후에, 93%에서 보여진 톤은 96%로 지연된다.

도1은 본 발명에 따른 열 교환기를 포함하는 보일러의 개략적인 단면도이다.

도2는 도1의 개략적인 수직 단면도이다.

도3은 도1의 보일러의 대류 챔버의 개략적인 단면 부분의 포괄도이다.

도4는 도3의 부분의 개략적인 상승된 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 보일러

12 : 버너 출구

14 : 노 챔버

16 : 플레임

18 : 개구

20 : 측벽

22 : 대류 챔버

24, 48 : 튜브

30 : 배기 출구

32 : 물 저장소

34 : 증기 챔버

36, 38, 40, 42, 44 : 벽

Claims (14)

1. 격실을 구비하는 케이싱과,

   상기 격실의 상부에 물 및 증기를 수용하는 증기 챔버(34)와,

   상기 격실에 대해 종방향으로 형성된 벽(36, 38, 40, 42, 44)과,

   플레임(16)을 생성하기 위해서 상기 격실의 상부에 설치된 출구(12)를 갖는 버너와,

   상기 버너로부터 생성된 플레임(16)에 의해 고온 염관 가스를 생성하고, 상기 격실의 내부에 형성되고 상기 버너 출구(12)와 연결된 노 챔버(14)와,

   상기 격실의 측면 영역에 형성된 노 챔버(14)에 인접한 대류 챔버(22)와,

   노 챔버(14)로부터 대류 챔버(22)를 분리하기 위해서 상기 격실의 중앙으로부터 상기 대류 챔버(22)를 향해 편심되어 상기 격실을 가로지르는 벽(38)과,

   상기 벽(38)의 저부에 형성되어, 상기 노 챔버 내에 생성된 고온 염관 가스를 상기 대류 챔버(22)로 이송하는 개구(18)와,

   상기 대류 챔버(22) 내에 수용되고 상기 증기 챔버(34)와 연결되어, 상기 노 챔버(14) 내에 생성된 염관 가스에 의해 수용된 물로부터 증기 챔버(34)를 향해 증기를 안내하는 증기 안내 튜브(24)와,

   노 챔버(14)의 측벽 내에 위치되어, 수용된 물을 증기 챔버(34)로부터 물 저장소로 이송하는 튜브(48)와,

   상기 대류 챔버(22)의 상단부에 형성되고 상기 대류 챔버와 연결되어, 대류 챔버(22)를 통과한 염관 가스를 배출하는 배기 출구(30)를 구비하는 제1 매체와 제2 매체 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기이며,

   상기 벽들(36, 38, 40, 42, 44)은 바아의 일측을 하나의 튜브형 부재와 용접하고 상기 바아의 타측을 인접한 다른 튜브형 부재와 용접함으로써 튜브형 부재들 사이에 벽을 형성하는 복수의 튜브형 부재 및 바아로 구성되고,

   증기 챔버(34)를 향해 증기를 안내하는 상기 증기 안내 튜브(24)는 상기 대류 챔버(22) 내부에 분포되고, 상기 증기 안내 튜브(24)는 열을 염관 가스로부터 증기 안내 튜브(24)로 전달하기 위해서 다수의 핀(28)이 증기 안내 튜브(24)의 외부에서 바깥쪽 방향으로 연장하며,

   상기 배기 출구(30)는 상기 대류 챔버(22)의 상부 부분에 형성되고, 상기 튜브형 부재들 사이의 바아를 제거함으로써 형성된 구멍으로 구성되는 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 격실은 복수의 평행한 증기 안내 튜브(24)를 둘러싸고, 상기 격실은 상기 제1 매체가 상기 증기 안내 튜브(24)에 평행한 유동 방향으로 입구로부터 출구로 유동하도록 배치된 상기 입구 및 상기 출구를 포함하고,

   향상된 열 교환을 위한 복수의 길다란 표면 확대 요소를 포함하고, 상기 표면 확대 요소는 각각 상기 증기 안내 튜브(24) 각각에 부착된 제1 단부를 구비하고 제2 미부착 단부까지 상기 유동 방향에 대해 경사지게 그리고 횡방향으로 연장하는 열교환기.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 미부착 단부는 상기 유동 방향에 대하여 상기 제1 단부의 상류에 위치되는 열교환기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기는 상기 격실이 2개 이상의 부 격실로 나누어지도록 적어도 2개의 상기 증기 안내 튜브(24)들 사이에 장착된 적어도 하나의 음향 억제 플레이트를 더 포함하는 열교환기.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 표면 확대 요소는 관형 형상인 열교환기.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 표면 확대 요소는 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 길이를 10 내지 60 mm의 범위로 한정하는 열교환기.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 표면 확대 요소는 강철, 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 열교환기.
8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 표면 확대 요소는 만곡부를 형성하는 열교환기.
9. 제4항에 있어서, 상기 음향 억제 플레이트는 0.01 mm 내지 2 mm 범위의 크기를 갖는 복수의 원형 개구를 포함하는 열교환기.
10. 제4항에 있어서, 상기 음향 억제 플레이트는 복수의 개구를 포함하고, 상기 개구는 타원형, 원형, 정사각형, 직사각형 또는 타원형, 원형, 정사각형 및 직사각형의 임의의 조합인 열교환기.
11. 제4항에 있어서, 상기 음향 억제 플레이트는 강철, 스테인레스강, 알루미늄, 아연도금 강 또는 세라믹 재료로 이루어지는 열교환기.
12. 제4항에 있어서, 상기 음향 억제 플레이트는 두께가 0.508mm(0.02") 내지 5.080mm(0.2")인 열교환기.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 매체는 가스이고, 상기 제2 매체는 주로 물, 증기 또는 물 및 증기인 열교환기.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 포함하는 보일러.

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