KR100367223B1 - 브라운가스 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스보일러의 연료를 LPG나 LNG가 아닌 브라운가스(물)를 연료로 사용하기 위한 브라운가스 보일러에 관한 것으로 브라운가스를 연소시키고 발열 시키기 위해 브라운가스만의 4대 특성을 적용한 발열부(20)와 순환연소실(30)을 갖추고 있는 것이 특징이다.

본 발명은 브라운가스를 연료로 사용하기 위하여 브라운가스 발생기(11)를 설치하고, 가스관로(12)를 통해 공급된 브라운가스를 버너(15)에서 착화 시킨 후 브라운가스의 불꽃에 의해 발열부(20)를 가열하고, 상기 발열부(20)에서 비산하는 고온의 물분자가 순환연소실(30)내에서 원적외선 방사체(31)로부터 방사하는 원적외선을 흡수하여 자기발열 현상에 의해 초고온으로 발진하면서 얻어지는 고열을 이용하여 보일러 수관(41)에서 열 교환할 수 있도록 구성하여 축열탱크에 저장된 온수를 난방과 급탕을 할 수 있도록 한 것으로 이것은 결과적으로 물을 연료로 사용하는 것이므로 연료비용이 파격적으로 저렴하다.

Description

브라운가스 보일러{Brown Gas Boiler}

본 발명은 가스 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기름이나 LPG, LNG가 아닌 브라운가스를 연료로 사용하는 가스보일러에 관한 것이다.

지구는 화석연료의 과다한 사용으로 심각한 환경공해를 입고 있으며 한정된 자원의 고갈로 하루가 멀다하고 유가가 치솟고 있다. 따라서 인류는 태양열, 바람, 조류 등의 무공해 에너지 개발에 전력하여 왔으나 경제성을 확보하지 못하여 이렇다할 성과를 얻지 못한 것도 사실이다.

물은 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 가장 좋은 에너지 자원이다. 물은 기름보다 약 3.8배 이상의 에너지가 있다고 한다. 따라서 물을 태울 수만 있다면 에너지 문제는 해결되는 것이다.

물을 연료로 사용하기 위해서는 먼저 브라운가스의 특성을 알아야 한다.

브라운가스란 물의 전기분해 방식에 의해 생산되는 수소와 산소가 2:1의 혼합비율로 혼합된 혼합가스를 말하며, 연소 후 수증기 상태로 환원되는 완전 무공해연료이다.

또한 브라운가스는 수소와 산소가 화학 당량비 2:1의 완전연소의 조건을 갖추고 있으므로 화석연료처럼 공기 공급을 하지 않아도 자체 산소에 의해 완전 연소되는 특성을 가지고 있다.

또한 브라운가스는 폭발(Explosion)과는 반대 개념인 임플로젼(Implosion)특성을 가지고 있어 불꽃이 파열되지 않고 직진하면서 핀 포인트 화염을 이룬다.

또한 브라운가스는 열핵반응 특성을 가지고 있어 수소와 산소에 의해 열핵반응하여 가열되는 물질은 공기 중에서 가스가 홀로 연소할 때보다 훨씬 뜨거운 불꽃에 의해 가열되는 결과를 가져온다.

이와 같이 브라운가스는 수소가스와 달리 브라운가스만의 독특한 특성을 가지고 있으므로 공기를 투입하여야 하는 종전의 연소방법과 달리 새로운 연소방법을 강구하지 않으면 안된다.

본 발명은 브라운가스의 4대 특성 즉, ①완전무공해 특성 ②완전연소 특성 ③임플로젼 특성 ④열핵반응 특성을 적용하는 새로운 연소방법에 의해 보일러의 열원으로 사용할 수 있도록 제안한다.

다시 말하면, 브라운가스의 4대 특성에 의해서 밀폐공간 연소가 가능하고 적은 연료로 연소실을 고온으로 유지할 수 있다.

고온이면서 반 밀폐된 연소실에서 물분자는 3㎛파장대의 적외선을 거의 100%흡수하여 자기 발열 현상에 의해 초고온으로 발진하면서 H와 O로 이온화 되고,이렇게 이온화된 H와 O가 다시 재결합하면서 열을 내게 되는데, 이러한 현상을 반복함으로써 물이 순환연소 하면서 열을 창출해 내는 결과를 얻을 수 있다.

상기 브라운가스의 연소방법은 본 출원인이 선 출원하여 등록한 "실용신안 등록번호 제0173736호(고안의 명칭:브라운가스 연소장치) 및 동 건에 대한 이중출원인 특허출원 제1999-0020205호"에서 뿐만 아니라 "브라운가스의 순환 연소에 의한 에너지 창출장치"(한국 특허출원 제2000-53399호 , 일본 특허출원 제2000-53399호, 미국 특허출원 제09/533,067호, 중국 특허출원 제00106900.4호)에서 구체적으로 상세히 설명되어 있다.

본 발명의 목적은 상기 브라운가스 연소기술을 보일러에 적용함으로써 물을 난방연료로 사용하기 위한 인류의 꿈을 실현하기 위한 것이다.

따라서, 본 발명은 상기 여러 가지 사정을 감안하여 안출한 것으로서, 수관식 온수 보일러의 내부에 수관과 내접하여 중공형의 원적외선 방사체를 설치하고, 원적외선 방사체로 형성된 반 밀폐형 연소실의 내부에 브라운가스 발열장치를 입설하고, 브라운가스에 의해 발열부를 직접 가열 함으로써 열핵반응 특성에 의한 발열을 일으켜 발열부가 벌겋게 달구어지게 한다.

발열부의 복사열에 의해 원적외선 방사체가 가열되고, 원적외선 방사체는 3㎛파장대의 중적외선과 6 ∼ 8㎛파장대를 포함하는 원적외선을 방사한다. 여기서는발열부와 원적외선 방사체에서 각각 방사하는 광범위한 파장내의 적외선중에 물분자에 가장 많이 흡수될 수 있는 3㎛ 및 6 ∼ 8㎛파장대의 적외선을 편리상 원적외선이라고 부르기로 한다.

브라운가스는 연소하여 수증기가 되고, 발열부를 지나면서 고온의 물분자가 되고, 이 물분자는 원적외선 방사체로 둘러싸인 순환연소실에서 원적외선을 흡수하여 자기 발열현상을 일으키며 2차, 3차 발진하면서 H와 O로 이온화되고 다시 재결합하여 물분자가 되면서 발열반응에 의해 열을 발산한다. 이러한 연소 사이클을 반복하면서 막대한 열을 내게 된다.

이와 같이 브라운가스가 타서 물이 되고 그 물은 다시 타면서 물이 되는 과정에서 실제로 열이 창출되므로 브라운가스 연소장치는 에너지 창출장치라고 말할 수 있다.

상기와 같은 브라운가스 연소장치의 외측에 수관을 설치하면 온수 보일러가 된다. 그러나 화석연료 또는 일반 가스용 보일러와 달리 고려하여야 할 점은 다음과 같다.

첫째, 브라운가스의 연소에 따라 소량이기는 하지만, 연소실에 계속적인 수증기가 증가되므로 그만큼 배출할 수 있도록 배기관을 설치한다.

둘째, 처음 착화시에는 결로현상이 생기게 되므로 상기 배기관과 별도로 배기공을 설치한다.

셋째, 상기 원적외선 방사체의 재료는 여러 가지를 쓸 수 있지만, 부피를 고려하여 얇은 철판에 알루미나(Aℓ₂O₃)를 프라즈마 용사 코팅하여 사용하는 것이 좋다.

넷째, 심야전기를 사용할 수 있도록 축열탱크를 설치하고 보일러 내부관수 용량이 많게 설계하여 온수온도를 40℃에서 90℃로 유지할 수 있도록 자동으로 온도를 콘트롤 한다. 이렇게 하여 40℃ 이상에서 운전시는 상기 결로현상이 생기지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 브라운가스 보일러의 종단면 구성도이고,

도 2은 본 발명에 따른 브라운가스 보일러의 발열부에 관한 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 브라운가스 보일러의 피프흘 파이프부의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 발열부의 발열체의 상세 구성도이고,

도 5는 본 발명에 따른 브라운가스 보일러의 수관의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 브라운가스 공급장치 11 : 브라운가스 발생기

12 : 가스공급관로 13 : 조절밸브

14 : 솔레노이드 밸브 15 : 브라운가스 버너

16 : 착화장치 17 : 기대

20 : 발열부 21 : 발열체

22 : 발열부 몸체 30 : 순환 연소실

31 : 원적외선 방사체 32 : 기류 통로

33 : 피프홀 파이프 34 : 캡

35 : 내열유리 36 : 배기관

40 : 보일러 본체 41 : 수관

42 : 축열탱크 43 : 보온재

90 : 브라운가스 화염

이하, 본 발명의 실시예에 따른 브라운가스 보일러에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브라운가스 보일러의 종단면을 절개한 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명에서의 브러운가스 보일러의 발열부에 대한 상세도이고, 도 3은 본 발명에 따른 브라운가스 보일러의 배기관의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 발열부의 발열체의 상세 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 브라운가스 보일러의 수관의 구성도이다.

본 발명의 구성은 크게 브라운가스 공급장치(10), 발열장치(20), 순환연소실(30)과 보일러 본체(40)로 구성되어 있으며, 브라운가스 발생기(11)에서발생한 브라운가스는 공급관로(12)를 따라 브라운가스 버너(15)에 이송되도록 구성되는데, 상기 가스공급관로(12)에는 가스공급 조절밸브(13)가 설치되어 가스량을 조절할 수 있도록 하며, 솔레노이드 밸브(14)을 설치함으로써 가스의 공급 차단이 자동으로 이루어지도록 할 수 있으며, 착화장치(도시되지 않음)에 의해 자동점화 및 소화가 가능하도록 구성된다.

도 2는 본 발명인 브라운가스 보일러의 발열부(20)에 대한 상세 단면도이다.

브라운가스 버너(15)에서 착화된 화염(90)이 제 1 발열체(21a) 및 제 2 발열체(21b)를 직간접적으로 가열하여 벌겋게 달구어지도록 구성된다. 이러한 구성에 의하여, 제 1 발열체 및 제 2 발열체는 브라운가스의 화염에 의하여 점점 가열되어 상기 발열부 몸체 전체가 1000℃ 이상으로 벌겋게 달구어지게 되면서 막대한 복사열을 발산하게 된다. 이 때, 상기 제1 발열체 및 제2 발열체의 상부 공간에는 상기 버너(15)에서 타고 있는 브라운가스 화염과는 별개의 불꽃(91)이 일어나게 된다.

상기 발열부(20)를 중공 원통형의 원적외선 방사체(31)의 내부에 설치되도록 하되, 적정한 연소공간을 갖는 순환연소실(30)이 형성될 수 있도록 구성한다. 이렇게 구성된 본 발명의 브라운가스 보일러는, 발열부(20)에서 브라운가스의 연소에 의해 생성되는 고온의 수증기가 순환연소실(30)에 비산되면서 고온의 물분자가 되고 원적외선 방사체(31)에서 방사되는 원적외선에 의해 초고온으로 2차 발진, 3차 발진하면서 막대한 열을 내뿜는다.

도 3은 본 발명의 가스보일러에서의 순환연소실(30) 상부에 구성되는 피프흘 파이프(33)의 상세 단면도이다. 상기 순환연소실(30)의 상부에는 피프홀(Peep Hole) 파이프(33)가 원적외선 방사체(31)와 축열탱크(42)를 관통하여 본체(40)의 상부에 설치되는데, 피프홀 파이프(33)는 처음 운전시 순환연소실(30) 내부와 기류통로(32) 내부에 생성되는 결로 현상을 방지하기 위해 배기관으로 사용되기도 하며, 배기관의 끝단에 설치된 캡(34)을 내열유리(35)로 구성함으로써 순환연소실(30)의 내부를 관찰하는 점검구로서의 기능도 수행할 수 있다.

온수를 만들기 위한 보일러 본체(40)는 중공형의 기대(17) 위에 설치되며, 그 내부에 열을 흡수하기 위해 전열 면적이 크게 되도록 제작된 수관(41)이 원적외선 방사체(31) 외곽에 설치되며, 상기 방사체(31)를 둘러싸고 있는 자켓 형태의 축열탱크(42)는 보온재(43)로 보온되도록 함으로써, 온수를 저장하는 역할을 하게 된다.

상기와 같은 구성은, 축열탱크(42)와 원적외건 방사체(31)사이에 자연스럽게 공간이 형성되는데, 이 공간은 순환연소실(30) 내부에 형성되는 고온의 기류가 자연순환되면서 수관(41)과 축열탱크(42)의 내측면에 열을 공급하는 기류통로(32) 역할을 할 수 있도록 구성된다.

원적외선 방사체(31)는 내측 즉, 순환연소실(30) 방향으로 원적외선을 방사할 뿐만 아니라 외측방향 즉, 기류통로(32) 방향으로도 원적외선을 방사하기 때문에. 수관(41)은 순환연소실(30) 내부에 형성된 기류의 이동에 의해 열을 교환할 뿐만 아니라 원적외선에 의해 가열되는 이중 가열효과를 얻는다.

상기 순환연소실(30) 내부에 형성된 기류는 기류통로(32)를 지나 상부로 흐르게 되면서 상기 수관(41)을 가열하게 되고, 온도가 낮아지게 된 기류는 조금씩 배기관(36)을 통하여 배출된다.

도 4에서는 본 발명에서의 발열부(20)에 구성되는 발열체(21)에 관한 설명도이다. 본 발명에서의 발열체(21)는 도 4c에 나타난 바와 같이, 올록볼록한 골과 산이 일정 간격으로 형성된 콜로게이티드 판(Plate)을 원통형으로 말아서 이루어진 형상으로 구성된다. 상기 발열체는 브라운가스의 화염(90)이 일차적으로 접촉되는 위치에 중공부를 갖도록 설치되는 제 1 발열체(21a)와 상기 제 1 발열체와 일정간격을 두고 그 상부에 설치되는 제 2 발열체(21b)로 이루어진다.

도 5에서는 본 발명에서의 수관(41)의 형상을 도시하는 설명도이다. 본 발명에서의 보일러는 원적외선 방사체(31)의 상부 또는 연소실(30)의 상부에서 그 온도가 가장 높게 나타나기 때문에 본 발명에서의 수관(41)의 구성에 있어서도 코일 형상으로 수관을 구성하되 이렇게 형성된 원통형상의 상부 면을 충분히 덮을 수 있도록 수관의 마무리부(41a)를 형성한다. 이렇게 구성함으로써 열교환 효율을 극대화할 수 있다.

본 발명에서의 원적외선 방사체(31)의 재료는 여러 가지를 쓸 수 있지만, 부피를 고려하여 얇은 철판에 알루미나(Aℓ₂O₃)를 프라즈마 용사 코팅하여 사용하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에서의 브라운가스 보일러는 심야전기를 사용할 수 있도록 축열탱크(42)를 설치하고, 보일러 내부관수 용량이 충분히 많도록 설계하여 온수온도를 40℃에서 90℃로 유지할 수 있도록 자동 콘트롤장치를 구비하는 것도 가능하다. 이렇게 하여 40℃ 이상에서 운전하는 경우에는 연소실(30) 내부와 기류통로(32) 내부에 생성되는 결로 현상을 방지할 수 있다.

보일러 축열탱크(42)에 저장된 온수는, 난방과 급탕을 위해 난방관로와 급탕관로를 따라 공급되고 특히 난방수가 배관라인을 통해 원활히 공급되도록 순환펌프가 설치되어 있고, 온수는 삼방밸브를 거쳐 난방용 코일에 공급되어 난방기능을 수행한다. 또한 난방수의 보충은 보일러 본체 위에 설치된 급수탱크의 수위 감지수단에 의해 마이컴 제어부에서 콘트롤 한다.

이러한 기능들은 일반적인 보일러의 구조에서와 동일한 방식이므로 이 부분에 대한 상세한 설명은 제외하기로 하며, 도 1에 있어서도 상기 수관(41)의 인입및 출구부분에 대한 설명은 생략하였다.

전기분해 하면 전기가 많이 소모되므로 경제성이 없다고 생각하기 쉽다. 그러나 이것은 브라운가스의 연소방법이 없었던 옛날 이야기에 불과하다.

본 발명은 전기열을 난방에 이용하는 것이 아니고 브라운가스의 순환연소에 의해 열을 창출하여 난방에 이용하는 것이므로 기존난방의 연료비의 10 ∼ 20%이면 충분하다.

예를 들면, 20평 난방의 경우에 필요한 브라운가스 발생장치에 소요되는 전력은 최대 4.4KWH정도이므로 전력요금은 시간당 60원/KWH x 4.4KWH = 264원/시간에 불과하다.

더욱이, 본 발명의 브라운가스 보일러는 발명의 상세한 설명에서도 언급한 바와 같이 심야전기(오후10:00부터 다음날 아침8:00까지)용으로 설계할 수 있으므로 실제 전력요금은 25원/KWH x 4.4KW x 가동율40% x 10시간 x 30일 =13,200원/월에 불과하다.

본 발명의 브라운가스 보일러의 개발에 따라, 무공해 연료인 브라운가스(물을 전기분해하여 얻어진 가스)를 연료로 사용함으로써, 환경공해를 원천적으로 방지하고, 적은 연료비로 최대의 효율을 얻을 수 있게 되었다.

상기에서 기재된 본 발명의 상세한 설명에 있어서, 본 발명의 일 실시예를 예로 들어서 설명한 것일 뿐이므로 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위 내에서 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 있는 정도의 변형 또는 변경 실시는 본 발명의 개념에 포함되는 것은 물론이다.

Claims (4)

1. 보일러 수관(41)에서 열교환하여 축열탱크(42)에 온수를 저장한 후 순환펌프로 온수를 공급함으로써 난방과 급탕 기능을 수행하는 가스 보일러에 있어서, 종전의 LPG나 LNG가 아닌 브라운가스를 연료로 사용하기 위하여 브라운가스 발생기(11)를 설치하고, 가스관로(12)를 통해 공급된 브라운가스를 버너(15)에서 착화시킨 후 브라운가스의 불꽃에 의해 발열부(20)를 가열하고, 상기 발열부(20)에서 비산하는 고온의 물분자가 순환연소실(30)내에서 원적외선 방사체(31)로부터 방사하는 원적외선을 흡수하여 자기발열 현상에 의해 초고온으로 발진하면서 얻어지는 고열을 이용하여 보일러 수관(41)에서 열교환할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 브라운가스 보일러.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발열부(20)는 브라운가스의 열핵반응 특성을 응용한 것으로서, 올록볼록한 골과 산이 형성된 콜로게이티드 판(Plate)을 원통형으로 말아서 이루어진 형상으로 구성되며, 상기 발열체는 브라운가스의 화염(90)이 일차적으로 접촉되는 위치에 중공부를 갖도록 설치되는 제 1 발열체(21a)와 상기 제 1 발열체와 일정간격을 두고 그 상부에 설치되는 제 2 발열체(21b)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브라운가스 보일러.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 순환연소실(30)은 상기 발열부(20)의 외부와 상기 발열부(20)를 둘러싸며 설치된 중공 원통형의 원적외선 방사체(31)의 내부 사이에 형성되며, 그 상부에 피프홀 파이프(33)이 설치되어 내부상태를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 가동 초기에 캡(34)을 열어 결로현상을 방지할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 브라운가스 보일러.
4. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원적외선 방사체(31) 외주면에는 열 교환을 하기 위한 수관(31)이 설치되며, 상기 순환연소실(30)을 둘러싸며 설치된 축열탱크(42)는 자켓트 형태로 구성되며, 상기 축열탱크(42) 내측 벽면에서도 열을 흡수할 수 있도록 상기 상기 원적외선 방사체(31)와 상기 축열탱크 내측 벽면과의 사이에 공기의 흐름이 가능한 공간(32)이 구비되며, 상기 수관(41)은 코일 형상으로 구성하되 원통형상의 단면부를 덮을 수 있는 마무리부(41a)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 브라운가스 보일러.