KR100391259B1 - 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스보일러의 잠열부열교환기의 열교환파이프의 재질을 외부는 알루미늄 전조, 내부는 열전달율이 좋은 동관을 이용하여 직접 응축수가 동관에 접촉되는 것을 방지하기 위한 이중구조의 열교환부를 채택하고, 잠열부 내에 상부가이드와 하부가이드 및 잠열부열교환기를 적절히 배치하여 연소실과 수직 방향으로 동일한 면적 내에 잠열부열교환기가 배속되도록 하고, 열교환부의 효율을 극대화하면서 보일러를 소형화하고 경량화시키는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기를 제공한다.

Description

가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기{Uptrend Combustion Condensing Type Heat Exchanger of Gas Boiler}

본 발명은 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 버너부와 현열부와 잠열부가 수직으로 일체로 형성되고, 상기 잠열부에는 배기가스의 유동을 극대화하기 위하여 하부가이드와 상부가이드를 형성하고, 배기가스에 내포된 응축잠열의 흡수를 극대화하기 위해 잠열부열교환기가 상기 상부가이드와 하부가이드 사이에 설치되어, 전열 면적을 최대화하고 열교환 효율을 향상시키며, 장치의 경량화, 소형화 및 내식성을 확보할 수 있도록 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 가정에서 사용되고 있는 난방 및 온수 보일러는 사용 연료에 따라 기름보일러와 가스보일러로 나뉘어진다. 이 중에서 최근에는 대기오염이 적고 사용이 편리한 가스보일러를 주로 사용하고 있으며, 그 연료로는 액화천연가스(LNG)를 주로 사용한다. 가스 보일러는 제어방식이나 밀폐상태에 따라 여러가지 형식으로 나눌 수 있으며, 그밖에도 난방수를 가열하는 열원에 따라 콘덴싱과 비콘덴싱 형식으로 구분할 수 있다.

가스 연료 중에 있는 수소는 연소될 때 산소와 결합하여 물이 만들어짐과 동시에 열을 발산하게 되는데, 이 과정에서 만들어진 물은 자체 열에 의해서 수증기로 변하게 된다. 물은 수증기로 변할 때 열을 빼앗아 날아가는데 배기가스 중에 섞여 있는 수증기의 온도를 일정온도 이하로 낮추게 되면 다시 물로 변하면서 빼앗은 열을 다시 방출하게 되며, 이 때 방출된 열을 보일러로 흡수시키도록 만들어진 보일러가 콘덴싱 방식 보일러이다.

도 1은 하향 연소방식의 종래 콘덴싱 보일러를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이, 송풍팬(12)에 의해 소정량의 공기와 가스가 버너(13)에 공급됨으로써 화염(14)이 발생하고, 상기 화염(14)의 열이 열교환기(15)에 전달되어 열교환을 일으킴으로써 내부관로를 흐르는 저온수를 고온수로 바꾸어 준다.

또한, 열에 직접 노출되지 않는 하부의 열교환기(15)들은 고온의 배기가스와 접촉함으로써 열교환이 이루어지는데, 상기 배기가스의 열방출에 의해 발생되는 응축수는 배수관(16)을 통해 외부로 배출되고, 열교환을 통해 노점온도 이하로 낮아진 배기가스는 배기덕트(17)를 통해 외부로 배출된다.

그러나, 상기한 하향 연소식 콘덴싱 보일러는 배기덕트(17)가 보일러 내부 체적을 과도하게 차지함으로써 경량화 및 콤팩트화가 어렵고, 배기 부하가 과중하여 송풍팬(12)의 부하가 커지는 단점이 있다.

도 2는 상향 연소방식의 종래 콘덴싱 보일러를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이, 송풍팬(12)에 의해 소정량의 공기와 가스가 버너(13)에 공급됨으로써 화염(14)이 발생하고, 상기 화염(14)의 열이 주열교환기(22)에 전달되어 주열교환기(22)의 내부관로를 흐르는 난방수를 고온으로 만들어 준다.

또한, 배기가스가 배기덕트(17)의 유로상에 설치된 보조열교환기(23)와 접촉하여 열교환됨으로써, 보조열교환기(23)의 내부를 흐르는 난방수를 일차적으로 덥혀주게된다.

상기한 상향연소식 콘덴싱 보일러는 주열교환기(22)와 보조 열교환기(23) 사이에 배기가스가 특별한 작용 없이 열을 방출하는 영역인, 데드 존(Dead Zone)을 형성함으로써 열효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 배기덕트(17)의 유로를 측면으로 배치하여 연소실을 돌아나가는 구조로서 배기 저항을 많이 받게 되며, 제한된 공간에서 배기 연도로 인한 공간의 제약을 많이 받게 된다.

그리고, 현열 및 잠열을 흡수하도록 구성된 콘덴싱 보일러의 경우 내부에서 응축과정이 이루어지므로 잠열부(300)는 습한 환경에 있게 되며, 이러한 습한 환경은 연소배기 가스 중의 수증기가 응축되면서 기체에서 액체로 변하게 되기 때문이다.

이렇게 액체로 변하는 것을 응축수라고 하며 이 응축수는 산성 액체로 내식성을 갖추지 못한 금속을 부식시키게 된다. 따라서, 보일러의 내구성에 가장 큰 문제점이 되었다. 또한, 현열만을 흡수하는 열교환기에 대부분 사용되는 동 재질의경우에도 열전도도는 우수하나 응축조건 상태인 경우 상기와 같은 부식이 발생하여 열교환기의 내구성능이 저하되었다.

또한, 현열 및 잠열을 흡수할 수 있으면서 내식력을 갖춘 알루미늄 재질로 열교환기를 구성하게 되었는데, 여기에는 동 재질에 비해 열 전도도가 낮기 때문에 동으로 형성하는 보일러와 동일 내지 유사한 열량을 얻기 위해서는 동으로 형성하는 열교환기에 비해 크기가 커지고 무게가 무거워지는 문제점이 있었다.

따라서, 크기가 커지고 무게가 무거워지는 단점을 보완하기 위하여 열교환기에서 현열을 흡수하는 열교환부인 현열부(200)는 열전도도가 좋은 동 재질로 형성하고, 부식현상이 우려되는 응축잠열을 흡수하는 열교환부인 응축 잠열부(300)는 내식성 재질의 알루미늄 또는 스테인레스 재질로 형성하여 이중 구조의 형태로 구성하기도 하였으나, 동으로 형성된 열교환부가 응축조건에 놓여지지 않도록 하기 위하여 설계상 부식방지에 대한 제한이 있으며, 동 재질로 형성한 현열부(200)와 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어진 응축잠열 열교환부가 접하는 부분의 온도도 응축조건에 놓이지 않도록 노점온도 이상을 유지하도록 설계가 이루어져야 하므로 설계가 까다롭고 많은 제한이 있게 되는 문제점이 발생하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 가스보일러의 잠열부열교환기의 열교환파이프의 재질을 외부는 알루미늄 전조, 내부는 열전달율이 좋은 동관을 이용하여 직접 응축수가 동관에 접촉되는 것을 방지하기 위한 이중구조의 열교환부를 채택하고, 잠열부 내에 상부가이드와 하부가이드 및 잠열부열교환기를 적절히 배치하여 연소실과 수직 방향으로 동일한 면적 내에 잠열부열교환기가 배속되도록 하고, 열교환부의 효율을 극대화하면서 보일러를 소형화하고 경량화시키는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 하향 연소방식의 콘덴싱 보일러를 개략적으로 도시한 구성도.

도 2는 종래 상향 연소방식의 콘덴싱 보일러를 개략적으로 도시한 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 콘덴싱 보일러의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 잠열부의 상세 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

51: 버너 52: 연소실

53: 현열부외부동관 54: 난방수출구

55: 현열부열교환기 56: 제1하부가이드

57: 제1응축수배출구 58: 제2하부가이드

59: 제2응축수배출구 60: 배기구

61: 제1잠열부열교환기 62: 제2잠열부열교환기

63: 상부가이드 64: 제1잠열부커버

65: 제2잠열부커버 66: 난방수입구

67: 응축수출구 68: 제1유로부

69: 제2유로부 81: 제1열교환파이프

82: 제2열교환파이프 83: 제3열교환파이프

91: 제4열교환파이프 92: 제5열교환파이프

93: 제6열교환파이프 100: 버너부

200: 현열부 300: 잠열부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 버너의 연소를 통해 열을 발생시키는 버너부와, 상기 버너부에서 발생된 열을 현열부열교환기를 통해 직접 열교환하는 현열부와, 상기 현열부를 지난 배기가스를 이용하여 제1잠열부커버와 제2잠열부커버 사이에 구비된 열교환기를 통해 난방수를 예열하는 잠열부와, 상기 배기가스를 외부로 배출하는 배기구로 구성된 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기에 있어서, 상기 잠열부는 배기가스를 유도하면서 응축수를 집수할 수 있도록 일측은 상기 제1,제2잠열부커버 하단에 연결되고 타측은 상기 잠열부 중심을 향해 일정각도로 상향 경사를 이루어 대칭되게 형성된 제1,제2하부가이드와, 상기 제1,제2하부가이드의 상측에 구비되어 상기 제1,제2하부가이드와 함께 배기가스를 유도할 수 있도록 그 양단이 상기 제1,제2하부가이드와 각각 일정간격을 이루도록 대향하여 절곡 형성된 상부가이드와, 상기 제1,제2하부가이드와 상부가이드의 사이에 구비되어 배기가스의 열을 흡수하기 위하여 열교환파이프를 배치한 제1,제2잠열부열교환기와, 상기 하부가이드에 집수되는 응축수를 응축수출구로 유도하기 위하여 형성된 제1,제2응축수배출구로 구성된 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기를 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기에 대하여 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 콘덴싱 보일러의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 잠열부의 상세 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 콘덴싱 방식 보일러는 크게 버너(51)의 연소를 통해 열을 발생시키는 버너부(100)와, 상기 버너부(100)에서 발생된 열을 현열부열교환기(55)를 통해 직접 열교환하는 현열부(200)와, 상기 현열부(200)를 지난 배기가스를 이용하여 제1잠열부커버(64)와 제2잠열부커버(65) 사이에 구비된 제1,제2잠열부열교환기(61,62)를 통해 난방수를 예열하는 잠열부(300)와, 상기 배기가스를 외부로 배출하는 배기구(60)로 구성되며, 상기 버너부(100)와 현열부 (200) 및 잠열부(300)는 동일면적 내에 적층되어 형성된다.

이중, 상기 잠열부(300)는 배기가스를 유도하면서 응축수를 집수할 수 있도록 일측은 상기 제1,제2잠열부커버(64,65) 하단에 연결되고 타측은 상기 잠열부 (300) 중심을 향해 일정각도로 상향 경사를 이루어 대칭되게 제1,제2하부가이드 (56,58)가 형성되어 있고, 상기 제1,제2하부가이드(56,58)의 상측에 구비되어 상기 제1,제2하부가이드(56,58)와 함께 배기가스를 유도할 수 있도록 그 양단이 상기 제1,제2하부가이드(56,58)와 각각 일정간격을 이루도록 대향하여 절곡 형성된 상부가이드(63)가 구비된다.

그리고, 상기 제1,제2하부가이드(56,58)와 상부가이드(63)의 사이에는 배기가스의 열을 흡수하기 위하여 열교환파이프를 배치한 제1,제2잠열부열교환기 (61,62)가 구비되고, 상기 제1,제2하부가이드(56,58)에 집수되는 응축수를 응축수출구(67)로 유도하기 위하여 제1,제2응축수배출구(57,59)가 형성되는데, 상기 제1,제2잠열부열교환기(61,62)는 다중배열로 구성될 수 있다.

상기와 같은 상부가이드(63)와 제1,제2하부가이드(56,58)의 설치구조에 의하여 배기가스는 잠열부(300) 중앙으로 상승한 후 제1잠열부커버(64)와 제2잠열부커버(65)의 하측으로 각각 분기하여 하향 유동하면서 제1,제2잠열부열교환기(61,62)에서 응축잠열을 방출한 후, 제1잠열부커버(64)와 상부가이드(63)의 상면이 형성하는 제1유로부(68)와, 제2잠열부커버(65)와 상부가이드(63)의 상면이 형성하는 제2유로부(69)로 각각 상향 유동하여 배기구(60)로 토출된다.

즉, 상기와 같은 상부가이드(63)와 제1,제2하부가이드(56,58)의 배치로 인하여 전열면적을 넓힐 수 있어 열교환 효율을 높일 수 있으며, 응축수가 자연스럽게 제1,제2하부가이드(56,58)의 저면으로 집수되어 제1,제2응축수배출구(57,59)를 통해 응축수출구(67)로 유도할 수 있다.

여기서, 상기 제1잠열부열교환기(61)를 이루는 제1,제2,제3열교환파이프 (81,82,83)는 상기 제1하부가이드(56)와 동일한 각도로 배치되고, 제2잠열부열교환기(62)를 이루는 제4,제5,제6열교환파이프(91,92,93)는 상기 제2하부가이드(58)와 동일한 각도로 배치된다.

그리고, 부식방지를 위하여 상기 제1,제2,제3,제4,제5,제6열교환파이프(81,82,83,91,92,93)는 내부는 동(銅) 재질의 파이프를 사용하고, 외부는 알루미늄을 전조가공한 것을 사용하며, 상기 현열부열교환기(55)의 열교환파이프는 동 또는 알루미늄 파이프를 전조가공하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 제1,제2,제3,제4,제5,제6열교환파이프(81,82,83,91,92,93) 중 임의의 하나는 난방수입구(66)와 연결되고, 또 다른 하나는 현열부(200)에 연결되도록 구성된다.

상기 제1,제2하부가이드(56,58)와 상부가이드(63)는 열손실을 방지하기 위해 중공부를 형성하거나 단열재가 내삽된다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기의 작용 및 효과를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

버너부(100)의 버너(51)가 가동되면 연소실(52)에서 연소를 하여 열을 발생시켜 상기 연소실(52)을 휘감고 있는 현열부열교환기(55)에 직접적으로 열을 전달하고, 연소과정에서 발생하는 배기가스는 잠열부(300)로 토출되는데, 상기 배기가스는 제1하부가이드(56)와 제2하부가이드(58)에 의하여 중앙으로 운집하여 상승하다가 상부가이드(63)에 의하여 양측으로 분기하여 하향유동하면서 각각 제1잠열부열교환기(61)와 제2잠열부열교환기(62)를 통과하여 열을 전달한 후, 각각 제1유로부(68)와 제2유로부(69)를 따라 상부로 이동하여 배기구(60)로 토출된다.

이 과정에서의 난방수의 순환을 살펴보면, 난방을 수행하고 식혀진 난방수가 난방수 입구를 통해 제1잠열부열교환기(61) 또는 제2잠열부열교환기(62) 중 임의의열교환파이프에 유입되어 각각의 열교환파이프를 순차적으로 이동하면서 배기가스의 열을 흡수한다.

상기 과정을 거쳐 열을 흡수한 난방수는 상기 제1잠열부열교환기(61) 또는 제2잠열부열교환기(62) 중 임의의 열교환파이프에서 토출되어 현열부(200)로 흘러 들어가고, 난방수는 연소실(52)을 휘감아 도는 현열부외부동관(53)을 거쳐 현열부열교환기(55)로 유입되어 연소열을 직접적으로 받아들인 후 난방수출구(54)로 배출되어 난방하고자 하는 영역을 난방시키고 다시 난방수입구(66)로 유입된다.

그리고, 고온 연소가스의 통로를 형성하기 위하여 상부가이드(63)와 제1,제2하부가이드(56,58)를 설치하여 배기가스를 잠열부(300) 전체로 유동시켜 고온의 연소가스의 유동을 극대화하기 위해 제1,제2잠열부열교환기(61,62)에서 열교환을 할 수 있도록 설치하는 구조이며, 배기가스가 상부가이드(63)와 제1,제2하부가이드 (56,58)의 사이에 경사지게 설치되어 있는 제1,제2,제3열교환파이프(81,82,83) 및 제4,제5,제6열교환파이프(91,92,93)를 통과함으로써 난방수는 응축잠열을 재흡수하게 된다.

이는 순차적으로 고온의 배기가스의 응축잠열을 차례로 흡수하게 되어 많은 양의 열교환을 할 수 있다.

이때 발생하는 응축수는 제1,제2하부가이드(56,58)에 의해 받아져 제1,제2응축수배출구(57,59)를 통해 외부로 배출되고, 잠열부(300)에서 열교환된 낮은 온도의 배기가스는 상기 잠열부(300)의 상부에 형성된 배기구(60)에 의해 토출된다.

이상에서, 상기 제1,제2잠열부열교환기(61,62)는 3개의 파이프로 1열을 이루어 배치되는 것으로 예시 및 도시하였으나, 본 발명의 목적은 제1,제2하부가이드 (56,58)와 상부가이드(63)의 사이에 열교환파이프를 배치하여 열교환 효율을 높이는 것에 있는 것으로, 상기와 같은 구성에 한정하지 않고 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 당업자라면 인지할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기에 의하면, 배기가스의 유동을 최대한 활용하기 위하여 상부가이드와 하부가이드 및 다열의 파이프로 배열된 잠열부열교환기에 의해 배기가스의 응축잠열을 재흡수하게 되므로 에너지의 낭비를 막을 수 있고, 응축수받이를 별도로 설치하지 않고 하부가이드가 배기가스의 흐름과 응축수받이의 역할을 겸하게 되므로 제품원가는 낮추면서 제품크기를 줄여 공간활용도를 높여 경량 및 소형화를 실현시킬 수가 있고, 배기가스의 열교환 면적이 넓어지게 되어 열교환 효율이 향상시키는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

Claims (9)

1. 버너(51)의 연소를 통해 열을 발생시키는 버너부(100)와, 상기 버너부(100)에서 발생된 열을 현열부열교환기(55)를 통해 직접 열교환하는 현열부(200)와, 상기 현열부(200)를 지난 배기가스를 이용하여 제1잠열부커버(64)와 제2잠열부커버 (65) 사이에 구비된 열교환기를 통해 난방수를 예열하는 잠열부(300)와, 상기 배기가스를 외부로 배출하는 배기구(60)로 구성된 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기에 있어서,

   상기 잠열부(300)는 배기가스를 유도하면서 응축수를 집수할 수 있도록 일측은 상기 제1,제2잠열부커버(64,65) 하단에 연결되고 타측은 상기 잠열부(300) 중심을 향해 일정각도로 상향 경사를 이루어 대칭되게 형성된 제1,제2하부가이드 (56,58)와;

   상기 제1,제2하부가이드(56,58)의 상측에 구비되어 상기 제1,제2하부가이드 (56,58)와 함께 배기가스를 유도할 수 있도록 그 양단이 상기 제1,제2하부가이드 (56,58)와 각각 일정간격을 이루도록 대향하여 절곡 형성된 상부가이드(63)와;

   상기 제1,제2하부가이드(56,58)와 상부가이드(63)의 사이에 구비되어 배기가스의 열을 흡수하기 위하여 열교환파이프를 배치한 제1,제2잠열부열교환기(61,62)와;

   상기 하부가이드에 집수되는 응축수를 응축수출구(67)로 유도하기 위하여 형성된 제1,제2응축수배출구(57,59)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1잠열부열교환기(61)를 이루는 제1,제2,제3열교환파이프(81,82,83)는 상기 제1하부가이드(56)와 동일한 각도로 배치되고, 제2잠열부열교환기(62)를 이루는 제4,제5,제6열교환파이프(91,92,93)는 상기 제2하부가이드 (58)와 동일한 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제1,제2,제3,제4,제5,제6열교환파이프(81,82,83,91, 92,93)는 부식 방지를 위해 내부는 동(銅) 재질의 파이프를 사용하고, 외부는 알루미늄을 전조가공한 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 현열부열교환기(55)의 열교환파이프는 동 파이프를 전조가공하여 사용하는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 현열부열교환기(55)의 열교환파이프는 알루미늄 파이프를 전조가공하여 사용하는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
6. 제 2항에 있어서, 상기 제1,제2,제3,제4,제5,제6열교환파이프(81,82,83,91, 92,93) 중 임의의 하나는 난방수입구(66)와 연결되고, 또 다른 하나는 현열부(200)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 제1,제2하부가이드(56,58)와 상부가이드(63)는 열손실을 방지하기 위해 중공부를 형성하거나 단열재가 내삽되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
8. 제 1항에 있어서, 상기 현열부(200)의 상부에 형성되어 배기가스의 열을 흡수하는 잠열부(300)가 수직방향으로 적층되어 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.
9. 제 1항에 있어서, 상기 제1,제2잠열부열교환기(61,62)는 다중배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 상향 연소식 콘덴싱 방식 열교환기.