KR100452739B1 - 굴절식 고효율 가스보일러 - Google Patents

굴절식 고효율 가스보일러 Download PDF

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KR100452739B1 KR10-2002-0013127A KR20020013127A KR100452739B1 KR 100452739 B1 KR100452739 B1 KR 100452739B1 KR 20020013127 A KR20020013127 A KR 20020013127A KR 100452739 B1 KR100452739 B1 KR 100452739B1
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Abstract

본 발명은 가스보일러에 대한 것으로, 보일러의 효율을 높이기 위하여 연소가스(11)에 포함되어 있는 수증기의 잠열을 회수하고 수증기를 응축시킬 경우에 발생하는 응축수를 쉽게 분리할 수 있도록 하는 굴절식 고효율 가스보일러를 제공하는데 있다. 이에 따라 난방수의 가열에 사용되는 1차 열교환기(2) 및 2차 열교환기(3); 온수 사용시에 외부에서 유입된 온수(7a)를 1차 가열하는 3차 열교환기(4); 1차 가열된 상기 온수(7b)를 2차 가열하는 플레이트 열교환기(14); 응축수를 배수하는 응축수 배수관(5); 난방수(12a)의 흐름을 전환할 수 있는 3웨이밸브(13); 를 포함하며, 상기 1차 열교환기(2)는 상기 연소가스(11)의 진행방향에 위치하고 상기 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)는 연소불꽃(1)방향과 소정각도로 절곡된 영역에 위치시킨 것을 특징으로 하는 굴절식 고효율 가스보일러가 제공된다.

Description

굴절식 고효율 가스보일러{Bended High Performance Gas Boiler}
본 발명은 가스보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보일러의 효율을 높이기 위하여 연소가스에 포함되어 있는 수증기의 잠열을 회수하고, 수증기를 응축시킬 경우에 발생하는 응축수를 쉽게 배수하기 위한 구성을 가지는 고효율 가스보일러에 관한 것이다.
많은 경우 현재 상용되는 물 가열식 가스보일러에서 연통을 통하여 배기되는 가스의 온도는 약 200℃ 정도이다. 천연가스를 연료로 사용할 경우에 이 가스에는 약 14% 정도의 수증기가 포함되어 있다. 이 수증기를 응축시키면 이 때 얻어지는 현열은 물론 많은 양의 잠열을 회수할 수 있어 보일러의 효율을 극대화 할 수 있다.
도 5는 열교환기(18)의 위치를 나타내는 종래 보일러의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 종래 가스보일러는 일직선식으로 된 상자모양으로 되어 있으며 연소가스 (29,30)가 아래에서 위로 유동하도록 되어있다. 따라서 보일러의 효율을 높이기 위하여 상기 연소가스(29,30)에 포함되어 있는 수증기를 응축시킬 경우 물은 아래로 흘러내리게 되어 버너 아래에 있는 송풍기(35)에 모이게 되고 그 밖의 제어장치에도 좋지 않은 영향을 준다.
도 6은 종래 보일러의 열교환기(18)의 배관도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 온수를 사용할 때는 보일러에서 최대의 열교환이 이루어지도록 요구되는데, 도 6과 같은 종래 보일러에서는 2개의 열교환기(51,52)를 사용하여 난방수(22)를 가열하고 상기 난방수(25)를 이용하여 온수(7b)를 가열하는 방식이었다. 따라서 유입되는 상기 온수(7b)의 온도가 낮을때에는 더 많은 연료를 사용하여 보일러의 출력을향상시켜야 했고, 그 결과 배기되는 연소가스(30)의 온도가 상승하여 보일러의 효율은 더욱 감소하게 되었다.
또한 온수 사용시에는 보일러 출력을 급격히 증가시켜야 하고 이에 따라 연료량 및 연소공기량을 제어해야 하는데 보일러의 연료량 및 연소공기량의 제어에 사용되는 제어기는 실제적으로 고가의 고성능의 제어기를 사용할 수 없고 따라서 연료량의 제어에 상당한 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연소가스(11)가 외부로 배출되기 전에 3차 열교환기(4)를 거쳐서 폐열을 회수함으로써 보일러의 열효율을 높이고, 3차 열교환기(4)에서 연소가스(11)에 포함되어 있는 수증기를 응축시킬 경우에 발생하는 응축수를 쉽게 분리할 수 있도록 보일러 몸체(6) 내부의 형상을 굴곡시킨 굴절식 고효율 가스보일러를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 내부가 연소가스(11)의 진행방향에 대해 소정각도로 절곡된 보일러 몸체(6); 보일러 몸체(6) 내부에서 발생하는 연소불꽃(1)의 위쪽에 위치하는 1차 열교환기(2); 1차 열교환기(2)의 위쪽으로 연소불꽃(1)방향과 소정각도로 절곡된 영역에 위치하며, 난방수(9)가 유입되고 1차 열교환기(2)와 연결된 2차 열교환기(3); 연소가스(11)의 진행방향으로 2차 열교환기(3)의 후방에 위치하며, 외부의 수도(33)와 연결되어 온수(7a)를 1차 가열하는 3차 열교환기(4); 보일러 몸체(6)에서 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)의 하부에 위치하여 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)에서 응결된 응축수를 배수하는 응축수 배수관(5); 일측으로 난방수(12b)가 유동하고, 타측으로 온수(7b)가 유동함으로써 상호 열교환에 의해 온수(7b)를 2차 가열하는 플레이트 열교환기(14); 및 1차 열교환기(2)에서 나오는 난방수(12a)배관, 플레이트 열교환기(14)로 유입하는 난방수(12b)배관 및 난방실(16b)로 유입하는 난방수(16a)배관에 각각 연결되며, 난방수(12a)의 흐름을 플레이트 열교환기(14) 또는 난방실(16b)로 전환할 수 있는 3웨이밸브(13); 를 포함하는 굴절식 고효율 가스보일러에 의해서 달성된다.
또한, 1차 열교환기(2), 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)는 전조성형에 의해서 둘레에 다수의 핀(32)을 돌출 형성한 것이 바람직하다.
또한, 보일러 몸체(6)는 연소가스(11)의 배출과 응축수의 배수를 용이하게 하기 위해서 내부의 절곡각을 80°내지 150°범위인 것으로 하는 것이 바람직하다.
3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)는 2차 열교환기(3)의 열교환 파이프(31)의 갯수, 내경, 길이보다 각각 큰 것으로 설치하는 것이 바람직하다.
응축수 배수관(5)은 연소가스(11)가 새어 나가는 것을 방지하기 위해서 "S"자 굴곡관(34)이 형성되어 있는 것을 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 굴절식 고효율 가스보일러의 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 굴절식 고효율 가스보일러의 배관도,
도 3은 플레이트 열교환기(14)의 정면도,
도 4는 도1 및 도2에 도시된 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프(31)의 단면도,
도 5는 종래 보일러의 단면도,
도 6은 종래 보일러 열교환기(18)의 배관도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
2 : 1차 열교환기 3 : 2차 열교환기
4 : 3차 열교환기 5 : 응축수 배수관
6 : 보일러 몸체 13 : 3웨이밸브
14 : 플레이트 열교환기 31 : 열교환 파이프
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 굴절식 고효율 가스보일러의 구성에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 1차 열교환기(2), 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)의 위치를 나타내는 굴절식 고효율 가스보일러의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러 몸체(6)의 내부중 중간영역은 연소가스(11)의 진행 방향에 대해 90°로 절곡되어 있다. 1차 열교환기(2)는 보일러 몸체(6) 내부중 수직영역으로서 연소불꽃(1) 위의 약 20~30cm 지점에 위치하며, 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)는 보일러 몸체(6) 내부중 수평영역에 각각 순서대로 위치한다.
보일러 몸체(6)의 내부는 절곡각이 80°내지 150°범위내에서 형성될 수 있다. 절곡각이 80°이내의 경우는 응축수가 흐르는 보일러 몸체(6) 내부의 경사가 급하여 응축수가 응축수 배수관(5)으로 모두 배수되지 않고 보일러 하부로 흘러 내릴 가능성이 크고, 150°이상의 경우는 연소가스(11)의 진행방향이 자연대류의 방향과 반대방향으로 너무 치우치게 되어 연소가스(11)의 배출이 원활하지 못하게 되는 문제가 있다.
난방기능에 비해 온수기능 사용시에 최대의 열교환을 할 수 있도록, 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)는 핀(32)의 높이를 포함해서 직경 36~40mm, 길이 200~250mm인 것을 5~6개 설치하며, 2차 열교환기(3) 및 1차 열교환기의 열교환 파이프(31)는 직경 30~35mm, 길이 200~250mm인 것을 4~5개 설치한다. 각각의 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프(31)는 연소가스(11)의 진행방향에 수직하게 나란히 배열되며, 각각의 열교환 파이프(31)는 인접하는 열교환 파이프(31)와 5~15mm의 간격으로 배치되어 있다. 각각의 2차 열교환기(3)의 열교환 파이프(31)는 2차열교환기(3)의 열교환 파이프(31)사이의 간격과 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)의 중심이 서로 마주보는 위치에 엇갈려 배치되어 있다.
응축수 배수관(5)은 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)에서 발생하는 응축수가 자연낙하하여 용이하게 배수될 수 있도록 2차 열교환기(3)의 하부에 위치하며, 응축구 배수관(5)을 통해서 연소가스(11)가 새나가는 것을 방지하기 위해서 "S"자형 굴곡관(34)이 형성되어 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기(2,3,4)의 배관도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 3차 열교환기(4)는 일측으로 외부의 수도(33)에 연결되고, 타측으로는 플레이트 열교환기(14)를 통과하여 외부의 온수 배출관(8)과 연결된다.
2차 열교환기(3)는 일측으로 난방실(16b) 및 플레이트 열교환기(14)와 연결되어 있고, 타측으로 1차 열교환기(2)와 연결된다. 1차 열교환기(2)는 일측으로 2차 열교환기(3)와 연결되며, 타측으로 3웨이밸브(13)와 연결된다. 3웨이밸브(13)는 1차 열교환기(2), 플레이트 열교환기(14) 및 난방실(16b)에 각각 연결되어 있다.
따라서, 온수(7a)를 가열하기 위한 구성으로 2차 열교환기(3), 1차 열교환기(2), 3웨이밸브(13), 플레이트 열교환기(14)가 각각 순서대로 폐경로를 이루며 배치되어 있다.
난방실(16b)은 일측으로 2차 열교환기(3)와 연결되고 타측으로 3웨이밸브(13)와 연결되어 있다.
따라서, 난방을 하기 위한 구성으로 3웨이밸브(13), 난방실(16b), 2차 열교환기(3), 1차 열교환기(2)가 각각 순서대로 폐경로를 이루며 배치되어 있다.
도 3은 플레이트 열교환기(14)의 정면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환을 위해 플레이트(40)의 일측으로 난방수배관(12b)이 부착되며, 타측으로 온수(7b)배관이 부착되어 있다
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프 (31)의 단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프(31)는 전조성형에 의해 둘레에 다수의 핀(32)이 돌출 형성되어 있다. 또한, 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프(31)는 동을 재질로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 굴절식 고효율 가스보일러의 동작방법에 대해 설명하기로 한다.
난방기능만을 사용할 경우에는 3차 열교환기(4)는 기능을 하지 않고 대기상태에 있으며, 1차 열교환기(2) 및 2차 열교환기(3)만 사용된다. 난방실(16b)을 통과한 후 냉각된 난방수(9)가 2차 열교환기(3)에서 1차 가열되고 연속하여 1차 열교환기(2)를 통과하면서 2차 가열된다. 가열된 난방수(12a)는 3웨이밸브(13)에 의하여 난방실(16b)로 유입되어 난방을 수행한다. 도 2에 의하면 결국 난방기능만을 사용할 때는 난방수(9)는 "9-10-12a-16a-16b-9" 의 경로를 순환한다.
또한, 온수기능 사용시에는 1차 열교환기(2), 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4) 모두가 사용된다. 외부의 수도관(33)으로부터 온수(7a)가 3차 열교환기(4)로 유입되어 1차 가열되고, 1차 가열된 온수(7b)는 플레이트 열교환기(14)로 유입된다. 2차 열교환기(3) 및 1차 열교환기(2)를 각각 순서대로 통과하며 가열된 난방수(12a)는 플레이트 열교환기(14)를 지나면서 열교환에 의해 온수(7b)를 2차 가열하며, 가열돤 온수(8)는 외부로 배수된다. 온수를 사용할 경우에 3웨이밸브(13)는 난방실(16b)로 유입하는 경로를 폐쇄하며 플레이트 열교환기(14)로 난방수(12a)의 경로를 전환시킨다. 따라서, 온수(7b)를 가열하는데 사용되는 난방수(12a)는 "12a-12b-14-15-10-12a" 의 경로를 순환한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)의 갯수, 외경을 2차 열교환기(3)의 열교환 파이프(31)의 갯수, 외경보다 크게 하였으나, 보일러 몸체(6) 내부가 연소가스(11)의 진행방향으로 좁아지는 형상인 경우에는 반대로 상기 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)의 갯수, 외경을 2차 열교환기(3)의 열교환 파이프(31)의 갯수, 외경보다 작게 하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프(31)의 재질로 동을 사용하였으나, 본 발명은 이에 국한되지 않으며 유입하는 연소가스(11)의 온도가 낮은 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31) 둘레에 있는 핀(32)의 재질로는 알루미늄을 사용하는 것도 가능하다.
상기한 구성의 본 발명에 따른 굴절식 고효율 가스보일러에 의하면, 온수 사용시에 연소가스의 폐열을 회수하여 온수를 1차로 데워주고 난방수를 사용해서 온수를 2차로 데워주기 때문에, 난방수만을 사용하여 온수를 데워주는 기존 보일러에 비해 큰 효율증대를 얻게된다.
또한, 연소가스의 폐열회수시에 연소가스내의 수증기가 응축하여 응축수가 발생하는데, 기존 보일러는 일직선식 상자형상으로 되어 있어 응축수가 보일러 아래로 흘러내려 송풍기 및 제어장치에 문제를 일으키게 되는데, 본 발명에 의하면 수증기가 응축하는 열교환기를 원래 연소가스 진행방향에 90°절곡된 영역에 위치시켜서 응축수가 보일러 아래로 흐르기 전에 배수시키므로 송풍기 및 제어장치에 발생하는 문제점을 해결하였다.
또한, 종래 보일러는 온수 사용시에 연료사용량을 30%까지 증가시켜서 원하는 온도의 온수를 얻기 때문에 연료량과 연소 공기량의 급격한 증가를 적절히 제어하는데 어려움이 있었는데, 본 발명에 의하면 폐열을 회수하여 이용하므로 연료사용량의 변화가 매우 적어서 제어가 안정적인 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (5)

  1. 내부가 연소가스(11)의 진행방향에 대해 소정각도로 절곡된 보일러 몸체(6);
    상기 보일러 몸체(6) 내부에서 발생하는 연소불꽃(1)의 위쪽에 위치하는 1차 열교환기(2);
    상기 1차 열교환기(2)의 위쪽으로 상기 연소불꽃(1)방향과 소정각도로 절곡된 영역에 위치하며, 난방수(9)가 유입되고 상기 1차 열교환기(2)와 연결된 2차 열교환기(3);
    상기 연소가스(11)의 진행방향으로 상기 2차 열교환기(3)의 후방에 위치하며, 외부의 수도(33)와 연결되어 온수(7a)를 1차 가열하는 3차 열교환기(4);
    상기 보일러 몸체(6)에서 상기 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)의 하부에 위치하여 상기 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기(4)에서 응결된 응축수를 배수하는 응축수 배수관(5);
    일측으로 상기 난방수(12b)가 유동하고, 타측으로 상기 온수(7b)가 유동함으로써 상호 열교환에 의해 상기 온수(7b)를 2차 가열하는 플레이트 열교환기(14); 및
    상기 1차 열교환기(2)에서 나오는 난방수(12a)배관, 상기 플레이트 열교환기(14)로 유입하는 난방수(12b)배관 및 난방실(16b)로 유입하는 난방수(16a)배관에 각각 연결되며, 상기 난방수(12a)의 흐름을 상기 플레이트 열교환기(14) 또는 난방실(16b)로 전환할 수 있는 3웨이밸브(13); 를 포함하는 것을 특징으로 하는굴절식 고효율 가스보일러.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 열교환기(2), 2차 열교환기(3) 및 3차 열교환기 (4)중 적어도 어느 한 열교환기(2,3,4)의 열교환 파이프(31)에는 전조성형에 의해서 둘레에 다수의 핀(32)이 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 굴절식 고효율 가스보일러.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 보일러 몸체(6)는 내부의 절곡각이 80°내지 150°범위인 것을 특징으로 하는 굴절식 고효율 가스보일러.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 3차 열교환기(4)의 열교환 파이프(31)는 상기 2차 열교환기(3)의 열교환 파이프(31)의 갯수, 내경, 길이보다 각각 큰 것을 특징으로 하는 굴절식 고효율 가스보일러.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 응축수 배수관(5)은 연소가스(11)가 새어 나가는 것을 방지하기 위해서 "S"자 굴곡관(34)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 굴절식 고효율 가스보일러.
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