KR100442986B1

KR100442986B1 - 카본 열매체를 이용한 보일러 및 이의 제어방법

Info

Publication number: KR100442986B1
Application number: KR10-2002-0048387A
Authority: KR
Inventors: 김정옥; 고재완
Original assignee: 김정옥
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-08-04
Also published as: KR20020070941A

Abstract

본 발명은 카본 열매체를 이용한 보일러 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 카본 열매체를 가열할 때 내부에 매설된 열교환기를 통해 순환되는 유체를 차단하여 신속하게 열 저장한 후, 유체 순환을 통한 열 교환이 이루어지도록 함과 동시에, 열교환기의 내부에 와류 형성 부재를 구비하여 유체가 흐를 때 전열면의 접촉을 고르게 함으로써, 신속한 열 저장과 전달 및 열 손실 방지를 위한 것이다.

이에 본 발명에서는 밀폐된 1차 진공용기(12) 내에 다수의 소정크기를 갖는 입자상으로 발열되어 고온의 열을 생성하는 카본 열매체(11)를 채우고, 그 외부에 단열재(13) 및 2차 진공용기(14)를 구비하여 이루어지되, 상기 카본 열매체(11) 내부에는 히터(15) 또는 전극단자(25), 온도 센서(20), 내부 와류 형성 부재(17)를 구비한 열교환기(16)를 내장하고, 상기 열교환기(16)의 유입구(16') 측에는 개폐밸브(21)가 구비되어 순환펌프(23)와 연결되며 타측 배출구(16") 측에는 열교환기(16) 내부의 수위 확인이 용이한 수위표시관(19) 및 드레인밸브(22)를 구비하여 구성하는 것이며, 상기 열교환기(16)는 직선관(16a)과 곡선관(16b)이 용접되어 이루어진 'ㄹ'자 형태의 관이 수평 방향으로 연속적으로 배열되고, 이와 동일한 형상이 층을 이루어 전체적으로 연통되게 구성되며, 그 내부에는 긴 사각판재에 일정 간격으로 사각홈부(17a) 및 돌출된 익편(17b)을 형성하되, 양편이 서로 어긋나게 교대로 반복 형성된 와류 형성 부재(17)가 그 양단부의 돌출 형성된 회전축봉(17c)을 중심으로 자유롭게 회전 가능케 고정 구비된다. 또한, 상기의 본발명은 전원이 공급되면 히터(15) 또는 전극단자(25)가 가열되면서 카본 열매체(11)를 발열시키고, 온도 센서(20)가 카본 열매체(11)의 온도가 500℃ 이상의 고온에 도달됨을 감지하면 히터(15) 또는 전극단자(25)의 가열을 중단하고 순환펌프(23)를 동작시킴과 동시에 개폐밸브(21)를 개방하고 드레인밸브(22)를 폐쇄하여 열교환기(16)로 물을 유입시켜 순환하도록 하며, 상기 순환 과정에서 카본 열매체(11)의 온도가 점차 떨어져 50℃이하로 내려가면 순환펌프(23)의 동작을 정지하고 개폐밸브(21)를 폐쇄하고 드레인밸브(22)를 개방하여 유입되어 순환한 열교환기(16)의 물을 모두 배출된 다음에, 히터(15) 또는 전극단자(25)를 재가열하여 카본 발열체(11)를 재발열시키는 동작을 반복하여 제어되는 것이다.

이를 통해, 본 발명은 매우 신속한 열 저장 효과를 가지며, 상기 열교환기를 구성하는 직선관 내에 와류 형성 부재를 구비하여 유입된 물에 와류 현상을 발생시켜 전열면과의 접촉을 고르게 하여 열 전달 효과를 높이는 효과가 있을 뿐 아니라, 카본 열매체를 발열시킬 동안에는 열교환기 내에 유입된 물을 다 배출시키고 더이상의 물이 유입되지 않도록 하여 비워둔 상태에서 히터 또는 전극단자를 통해 가열함으로써, 계속적인 물 순환에 따른 열 손실을 방지하고, 카본 열매체의 가열시간을 대폭 단축시켜 전력소모를 최소화하여 경제성을 극대화하는 효과가 있다.

Description

카본 열매체를 이용한 보일러 및 이의 제어방법{The boiler using of carbon heat medium and the control method}

종래에는 카본 발열체를 이용한 보일러에 있어서, 전기보일러 내에 삽입되어 있는 절연지지 부재에 발열선을 나선상으로 권회하도록 만든 발열체, 열 안정제, 흑연 분말, 폴리에스테르를 혼합하여 만든 케이블상 발열체, 절연동체의 외주로 지그재그로 형성시킨 요입홈 내에 전열선을 매설한 발열체를 사용하였으나, 현재에는 축열식 전기보일러의 경우 금속관 속에 철-크롬 전열선을 넣고 산화마그네슘을 채우는 시즈형 발열체를 사용하고 있는 실정이다.

이런 종래의 발열체를 사용하여 축열식 전기보일러를 동작시킬 경우 이들 발열체의 낮은 열 효율로 인한 많은 열 에너지의 낭비와 발열체 내부에 있는 발열선의 산화에 의한 발열체의 파손을 발생시킬 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 전선의 발열체가 축열체 내에 삽입되어 상기 축열체에 대량의 열을 비축함으로써 사용하게 되는데, 이때, 축열체 속에 매설된 열교환기를 통해 유체가 계속적으로 순환하면서 열을 과도하게 소모하게 되어 축열체는 요구하는 온도까지 상승되지 않을 뿐만 아니라 지속적인 발열에 의하여 과도한 열 손실이 발생하는 등의 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 카본 열매체를 이용한 보일러 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 카본 열매체를 가열할 때 내부에 매설된 열교환기를 통해 순환되는 유체를 차단하여 신속하게 열 저장한 후, 유체 순환을 통한 열 교환이 이루어지도록 함과 동시에, 열교환기의 내부에 와류 형성 부재를 구비하여 유체가 흐를 때 전열면의 접촉을 고르게 함으로써, 신속한 열 저장과 전달 및 열 손실 방지를 통해 에너지 효율을 극대화함을 그 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 카본 열매체를 발열시킴에 있어서, 열교환기의 유체 순환을 차단하고 빈 상태에서 카본 열매체를 단시간에 고온으로 발열시킴으로써, 열 저장 속도가 매우 빠를 뿐 아니라, 종래에 카본 열매체를 발열시키는 동안 계속적인 유체 순환으로 인해 열교환기로 빼앗기는 열의 손실을 방지하고, 카본 열매체의 최고 발열온도를 높임으로써, 에너지 효율을 증대시키는 것이다.

도1은 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 평단면도

도2은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 평단면도

도3는 본 발명을 설명하기 위한 종단면도

도4은 본 발명에 따른 보일러의 대략적인 전체 사시도

도5는 본 발명에 따른 열교환기의 분해 사시도

도6는 본 발명에 따른 와류 형성 부재 및 보조캡의 분해 사시도

도7는 본 발명을 설명하기 위한 제어 블럭도

도8은 본 발명의 동작을 설명하기 위한 순서도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

11 : 카본 열매체 12 : 진공용기 13 : 단열재

14 : 케이스 15 : 히터 16 : 열교환기

17 : 와류 형성 부재 18 : 보조캡 19 : 수위표시관

20 : 온도 센서 21 : 개폐밸브 22 : 드레인밸브

23 : 순환펌프 24 : 물탱크 25 : 전열단자

도1은 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 평단면도, 도2은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 평단면도, 도3는 본 발명을 설명하기 위한 종단면도, 도4은 본 발명에 따른 보일러의 대략적인 전체 사시도, 도5는 본 발명에 따른 열교환기의 분해 사시도, 도6는 본 발명에 따른 와류 형성 부재 및 보조캡의 분해 사시도, 도7는 본 발명을 설명하기 위한 제어 블럭도, 도8은 본 발명의 동작을 설명하기 위한 순서도이며, 이하 자세한 구성을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 카본 열매체(11)는 다수의 소정크기를 갖는 입자상으로 전류가 흐름에 따라 발열되어 고온의 열을 생성하며, 그 가열온도는 500 ∼ 1200 ℃ 의 범위로 열교환기(16)의 파이프 재질에 따라 그 발열 온도를 조정하여 사용할 수 있으며, 이하 설명에서는 700℃ 로 가열할 때를 기준으로 설명한다.

또한, 상기 카본 열매체(11)가 수용되는 1차 진공용기(12)는 장방형체의 밀폐된 용기로 내열성이 강한 재질로 구성되며, 진공 상태의 유지를 위해 보일러 제작시 공기배출밸브(12a)를 통해 1차 진공용기(12)의 내외벽체 사이 공간부에 유입된 공기를 강제 배출하여 진공 상태를 유지하고 외기와의 접촉을 차단하여 낭비되는 열 손실을 최소화하도록 할 뿐만 아니라, 카본 열매체(11)의 산화를 방지하는 역할도 하는 것이다.

상기 카본 열매체(11) 내부에는 그 가열원으로서, 상, 하 대각선 위치에 금속 코일 형태의 히터(15)를 삽입 내장하고, 이에 전원이 공급되도록 하여 히터(15)의 가열에 의해 상기 카본 열매체(11)를 발열시키게 된다.

그리고, 상기 가열원의 또 다른 방법으로는, 상기의 금속 코일 히터(15) 대신 양측단 나사가공된 순동의 전극단자(25)를 구비하고, 상기 전극단자(25)의 중앙 걸림턱을 중심으로 양편에 너트를 체결하여 고정한 후 전원이 공급되면 상, 하 각각의 전극단자(25)가 (+)극 및 (-)극이 되도록 하여 카본 열매체(11)가 자체 저항으로서 발열하게 됨으로써 고온으로 발열되는 것이다.

그런 다음, 상기 진공용기(12) 외측에는 표면에 단열코팅처리된 단열재(13)를 일정 두께만큼 구비하여 단열효과를 극대화하여 열 손실을 줄이고 보온성을 최대로 유지하도록 한다.

상기의 단열재(13) 외측으로는 외부 케이스로 2차 진공용기(14)를 구비하여상기 1차 진공용기(12)와 동일하게 내외벽체의 사이 공간부가 진공상태가 유지되도록 하고, 이를 통해 열전도 방지와 단열의 기능을 보다 확실하게 달성하게 되는 것이다.

또한, 상기의 카본 열매체(11) 내부에는 외부에서 저온의 물이 유입구(16')를 통해 유입되었다가 고온으로 상승되어 배출구(16")로 유출되도록 구성된 열교환기(16)가 매설되는데, 상기 열교환기(16)는 직선관(16a)과 곡선관(16b)이 용접되어 이루어진 'ㄹ'자 형태의 관이 수평 방향으로 연속적으로 배열되고, 이와 동일한 형상이 층을 이루어 전체적으로 연통됨으로써, 일측 유입구(16')를 통해 유입된 유체가 타측 배출구(16")로 유출되기까지 관내로 이송되는 동안 카본 열매체(11)의 열이 전달되어 가열되는 것이다.

한편, 상기 열교환기(16)의 재질에 있어서는, 동파이프의 경우 그 용융점인 1000℃이하로 사용가능하며, 1000℃이상일 경우 스텐레스 파이프를 사용하면 용융점 1700℃까지 사용가능하므로, 주로 사용하고자 온도범위에 따라 맞는 파이프 재질을 사용함이 바람직하다.

상기 열교환기(16)의 직선관(16a) 내부에는 긴 사각판재에 일정 간격으로 사각홈부(17a) 및 돌출된 익편(17b)을 형성하되, 양편이 서로 어긋나게 교대로 반복 형성되고, 그 양단부에 회전축봉(17c)이 돌출 형성된 와류 형성 부재(17)가 구비되며, 그 양단에는 상기 회전축봉(17c)이 중앙으로 삽입된 상태에서 열교환기(16)의 직선관(16a) 단부 내경부에서 고정된 채로 회전 가능케 하는 보조캡(18)이 구비되는데, 상기 보조캡(18)은 직선관(16a)의 양단부 내주연에 강제 끼움 되어 고정되는 날개편(18a)을 형성하고, 회전축봉(17c)이 삽입되는 중앙 통공(18b)을 중심으로 해서 물이 통과할 수 있도록 둥근 삼각형상의 개방홈(18c)을 형성함으로써, 와류 형성 부재(17)를 직선관(16a) 내에 회전 가능케 고정함과 동시에 유입된 물의 원활한 순환이 이루어지도록 한다.

그리고, 상기 열교환기(16)의 배출구(16") 측에서는 외기와 접촉되는 개방면을 가진 수위조절용 수위표시관(19)을 별도로 구비하여, 열교환기(16) 내의 수위를 용이하게 확인할 수 있고, 카본 열매체(11)에 의한 열 교환 후, 유입구(16') 측의 개폐밸브(21) 차단시 열교환기(16) 내에 잔류하는 물을 자연유하 방식으로 드레인밸브(22)를 통해 배출되어 물탱크(24)로 흘러 들어가도록 함으로써 상기 열교환기(16) 내의 잔류 물을 완전 배출하는 기능을 하는 것이며, 또한, 상기 열교환기(16)의 유입구(16')측 개폐밸브(21) 및 배출구(16")측 드레인밸브(22)는 전자변으로서 제어부의 신호에 따라 자동 개폐되는 것이다.

한편, 이상에서와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 보일러의 동작 과정을 살펴 보면 다음과 같다.

우선, 전원 플러그를 꽂게 되면, 교류전원부에 110/220V의 교류전원이 인가되고 이는 정류부에서 직류전원으로 정류된 후 직류출력제어부로 출력되며, 상기 직류전원출력제어부에서는 제어부의 신호에 따라 카본 열매체(11) 내에 매설된 히터(15)에 직류전원을 공급하여 히터(15)를 가열한다.

상기 히터(15)의 가열에 의해 카본 열매체(11)가 발열되어 미리 설정된 700℃에 도달할 때까지 가열되며, 카본 열매체(11)가 700℃에 달해 내부 온도 센서(20)가 이를 감지하여 제어부에 신호를 보내면 다시 제어부에서는 순환펌프(23)를 동작시키고 동시에 열교환기(16)의 유입구(16')측 개폐밸브(21)를 열어 이를 통해 물을 공급한다.

상기 열교환기(16)에 유입된 물은 전체적으로 연통되어 구성된 직선관(16a)과 곡선관(16b)을 따라 흐르면서 카본 열매체(11)에 의해 열이 전달되어 가열됨으로써 짧은 시간 내에 신속하게 열 저장이 가능한 것이고, 이때, 상기 열교환기(16)의 직선관(16a) 내부에는 와류 형성 부재(17)가 구비되어 물살에 따라 자유롭게 회전하면서 물에 와류현상을 발생시키고, 와류현상이 일어난 물은 전열면과 고르게 접촉함에 따라 열 전달이 보다 신속하고 효과적이며 물의 온도가 고르게 분포되어 일정하게 유지하도록 한다.

또한, 상기에서와 같이 열교환기(16)의 물 순환으로 700℃로 가열된 카본 열매체(11)의 온도가 점차 낮아져 50℃에 달하게 되면 다시 온도 센서(20)가 이를 감지하여 제어부로 신호를 보내게 되고, 이에 제어부에서는 순환펌프(23)의 동작을 중단시키고 열교환기(16)의 유입구(16')측 개폐밸브(21)를 폐쇄하여 물의 유입을 막은 후, 열교환기(16) 내에 이미 유입된 물이 배출구(16")를 통해 다 배출되어 개방된 드레인밸브(22)를 통해 흐르도록 하며, 수위표시관(19)을 통해 열교환기(16)가 완전히 비워진 상태가 되면, 다시 히터(15)를 가열하여 카본 열매체(11)를 발열시키게 된다.

한편, 상기의 보일러 동작은 가열원을 히터(15)가 아닌 전극단자(25)를 삽입 내장하여 카본 열매체(11) 자체 저항으로 발열시킬 경우에도 마찬가지로 동작된다.

본 발명은 카본 열매체를 히터 또는 전극단자로 가열하여 고온으로 발열시키고, 상기 카본 열매체를 통과하는 열교환기로 물을 순환시켜 동작되는 보일러로서, 매우 신속한 열 저장 효과를 가지며, 상기 열교환기를 구성하는 직선관 내에 와류 형성 부재를 구비하여 유입된 물에 와류를 형성함으로써 전열면과의 접촉을 활발하게 하여 열 전달 효과를 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 카본 열매체를 발열시킬 동안에는 열교환기 내에 유입된 물을 다 배출시키고 더이상의 물이 유입되지 않도록 하여 비워둔 상태에서 히터 또는 전극단자를 통해 가열함으로써, 계속적인 물 순환에 따른 열 손실을 방지하고, 카본 열매체의 가열시간을 대폭 단축시켜 전력소모를 최소화하여 경제성을 극대화하는 효과가 있다.

Claims

밀폐된 1차 진공용기(12) 내에 다수의 소정크기를 갖는 입자상으로 발열되어 고온의 열을 생성하는 카본 열매체(11)를 채우고, 그 외부에 단열재(13) 및 2차 진공용기(14)를 구비하여 이루어지되, 상기 카본 열매체(11) 내부에는 가열원 및 온도 센서(20), 내부 와류 형성 부재(17)를 구비한 열교환기(16)를 내장하고, 상기 열교환기(16)의 유입구(16') 측에는 개폐밸브(21)가 구비되어 순환펌프(23)와 연결되며 타측 배출구(16") 측에는 열교환기(16) 내부의 수위 확인이 용이한 수위표시관(19) 및 드레인밸브(22)를 구비하여 구성함으로써, 신속한 열 저장 및 전달과 전력손실 방지를 통한 에너지 효율 증대를 특징으로 하는 카본 열매체를 이용한 보일러.
1항에 있어서, 상기 열교환기(16)는 직선관(16a)과 곡선관(16b)이 용접되어 이루어진 'ㄹ'자 형태의 관이 수평 방향으로 연속적으로 배열되고, 이와 동일한 형상이 층을 이루어 전체적으로 연통되게 구성되며, 그 내부에는 긴 사각판재에 일정 간격으로 사각홈부(17a) 및 돌출된 익편(17b)을 형성하되, 양편이 서로 어긋나게 교대로 반복 형성된 와류 형성 부재(17)가 그 양단부의 돌출 형성된 회전축봉(17c)을 중심으로 자유롭게 회전 가능케 고정 구비되어 구성됨으로써, 열교환기 내부를 순환하는 물의 열 접촉을 증대시켜 열 전달 효과를 높임을 특징으로 하는 카본 열매체를 이용한 보일러.
1항 또는 2항에 있어서, 상기 가열원은 금속 코일 형태의 히터(15)를 삽입 내장하여 상기 카본 열매체(11)를 가열함으로써 발열하게 함을 특징으로 하는 카본 열매체를 이용한 보일러.
1항 또는 2항에 있어서, 상기 가열원은 전극단자(25)를 구비하여 카본 열매체(11) 자체 저항으로 발열시킴을 특징으로 하는 카본 열매체를 이용한 보일러.
전원이 공급되면 히터(15) 또는 전극단자(25)가 가열되면서 카본 열매체(11)를 발열시키고, 온도 센서(20)가 카본 열매체(11)의 온도가 500℃이상의 지정온도에 도달됨을 감지하면 히터(15) 또는 전극단자(25)의 가열을 중단하고 순환펌프(23)를 동작시킴과 동시에 개폐밸브(21)를 개방하고 드레인밸브(22)를 폐쇄하여 열교환기(16)로 물을 유입시켜 순환하도록 하며, 상기 카본 열매체(11)의 온도가 50℃이하로 내려가면 순환펌프(23)의 동작을 정지하고 개폐밸브(21)를 폐쇄하고 드레인밸브(22)를 개방하여 유입되어 순환한 열교환기(16)의 물을 모두 배출시킨 다음, 히터(15) 또는 전극단자(25)를 재가열하여 카본 발열체(11)를 재발열시키는 동작을 반복함으로써, 신속한 열 저장과 효과적인 전달 및 전력소모를 최소화함을 특징으로 하는 카본 열매체를 이용한 보일러의 제어방법.