KR100466784B1 - 콘덴싱 기름 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기름보일러에 있어서 콘덴싱 방식을 구현하기 위한 콘덴싱 기름보일러에 관한 것으로, 일반적으로 현열부열교환기(2) 외에 잠열부열교환기(5)를 포함하는 콘덴싱 방식의 보일러에 있어서, 수관식으로 구성된 잠열부열교환기(5)를 현열부열교환기(2)의 상단에 설치되도록 하여 설치공간을 줄여 열교환기의 경제성을 향상시키고, 고내식성 금속재질을 사용하여 응축수에 의한 부식을 억제토록 하며, 응축수배출구(7)에 응축수 중화장치(6)를 설치하여 산성의 응축수를 중화시키도록 함으로써 환경오염을 방지할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

콘덴싱 기름보일러 { Condensing oil Boiler }

본 발명은 열교환기를 통과한 배기가스의 잠열을 이용하여 난방수를 가열하는 콘덴싱 기름보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수관식 튜브형태의 잠열부열교환기가 현열부열교환기의 상단에 설치되며, 상기 잠열부열교환기는 고내식성 금속재질로 이루어지며, 잠열부열교환기에서 응축된 응축수를 중화시킬 수 있는 중화장치를 포함하여 기름보일러에 콘덴싱 방식을 구현할 수 있도록 하는 콘덴싱 기름보일러에 관한 것이다.

보일러는 일반가정의 기본적인 난방 및 급탕설비로 가장 널리 사용되고 있으며, 난방수를 가열하는 열원, 사용연료등에 따라서 여러가지 종류가 있다. 일반 가정에서 난방 및 온수공급을 위해 주로 사용하는 보일러는 사용연료에 따라서, 가스보일러와 기름보일러로 나눌 수 있다. 가스보일러의 경우에는 액화석유가스(LPG)를 원료로 사용하는 경우도 있으나, LPG에 비해 황분을 거의 함유하고 있지 않기 때문에 대기오염을 최소화 할 수 있는 액화천연가스(LNG)를 대부분 사용하며, 기름보일러의 경우에는 등유를 사용하고 있다.

한편 보일러의 연료에 포함되어 있는 수소(H₂)는 연소시 산소(O₂)와 결합하여 물(H₂O)로 변함과 동시에 열을 발산하게되며, 이 때 만들어진 물은 자체열에 의하여 수증기로 변하여 배기가스 형태로 나가기 때문에 배기가스중에 섞여있는 수증기의 온도를 100℃이하로 낮추게되면 다시 물(H₂O)로 변하면서 열을 방출하게 된다. 이때 방출되는 열을 보일러로 흡수시키도록 만들어진 보일러를 콘덴싱보일러라고 한다.

콘덴싱 방식은 비콘덴싱 방식과 달리 배기가스의 잠열을 이용하여 난방수를 가열하는 잠열부열교환기를 지니고 있으며, 배기가스중에 함유되어 있는 현열과 수증기의 잠열을 동시에 회수함으로서 보일러의 열효율을 최대한(95~105%)으로 증대시킬 수 있다.

에너지 자원의 빈국인 우리나라는 1,2차 석유위기 및 경제위기에 따라 에너지의 경제적인 비중에 대하여 심각하게 인식하고 있으나, LPG, LNG 를 사용하는 가스보일러의 경우에는 콘덴싱 방식으로 많은 제품이 실용화되어 연료비 절감에 기여하고 있는데 반해, 고효율 유류연료 보일러는 다음과 같은 문제로 콘덴싱 방식의 보일러의 제품화, 상용화가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

첫째, 액체 화석연료를 사용하는 기름 보일러기기에서, 콘덴싱의 효과로 효율을 올리기위하여 배기가스의 온도가 산의 노점온도보다 낮을 경우 콘덴싱에 따라 생성된 수증기와 연료중의 황(난방유:0.073%)성분이 반응하여 황산을 생성하며, 황산은 보일러기기의 부식을 유발시키는 커다란 요인이 된다.

S + O₂= SO₂

SO₂+ (1/2)O₂= SO₃(무수황산)

SO₃+ H₂O = H₂SO₄(황산)

둘째, 콘덴싱 보일러에서는 작고 효율적인 잠열부열교환기가 필수적인데 연관식 열교환기의 경우에는 배기가스의 단면적을 확보하기 위한 제약으로 열교환기의 크기가 커져서 경제성이 떨어지게 된다.

세째, 콘덴싱 기름보일러의 응축수는 황산의 증가에 따라 pH4인 콘덴싱 가스보일러의 응축수에 비해 강산성인 pH2 이다. 이는 환경오염에 심각한 원인이 되므로 이를 중화시킬 수 있는 적절한 방법이 필요하다.

이하 도면에 의거하여 콘덴싱 기름보일러의 문제점을 검토한다.

도 1은 연관식 열교환기를 사용한 콘덴싱 기름보일러의 내부 구성도이다.

기름보일러는, 연소가스를 고온으로 가열하는 버너(1), 연소가스와 난방수간에 열교환이 이루어지는 현열부열교환기(2), 상기 현열부열교환기(2)와 나란히 설치되어 배기가스의 응축열을 이용하여 난방수를 가열하는 잠열부열교환기(5), 상기 잠열부열교환기(5)에서 응축된 응축수를 모아서 외부로 배출할 수 있도록 하는 응축수수집조(13)로 이루어진다.

고온의 연소가스는 현열부열교환기(2)를 지나며 열을 전달하고, 잠열부열교환기(12)에서 응축에 의한 잠열을 통해 열전달을 이루고 연도(4)로 배출된다. 이때 배기가스중 수증기 성분은 응축되어 강한 산성의 응축수가 되고, 그대로 외부에 배출될 경우 환경오염의 원인이 된다.

콘덴싱보일러에서는 작고 고효율의 잠열부열교환기가 필수적인데, 연관식 잠열부열교환기(12)의 경우 배기가스의 단면적을 확보하기 위하여 크기가 커지게된다. 또한 도면에 도시한 바와 같이 현열부열교환기(2)와 나란히 병렬로 설치되어있어 보일러의 공간활용도가 떨어지는 문제점이 있다. 또한 응축수는 강한 산성을 띠어 통상의 재질로 이루어진 보일러의 경우 잠열부열교환기(12) 내부가 부식하게 된다.

한편 보일러의 난방용 난방수는 현열부 또는 잠열부열교환기(2,12)의 난방수입구(H1,H3)로 유입되어 각 열교환기(2,12) 상부의 난방수출구(H2,H4)로 유출되며 난방수출구(H4)를 통하여 난방부하로 이동한다. 급탕사용시에는 급수는 현열부 또는 잠열부열교환기(2,12)의 급탕입구(G1,G3)로 유입되어, 각열교환기를 통해 가열된 후, 급탕출구(G2,G4)를 통해 유출된다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 발명된 것으로서, 수관식으로 구성된 잠열부열교환기를 현열부열교환기의 상단에 설치되도록 하여 설치공간을 줄여 열교환기의 경제성을 확보하고, 고내식성 금속재질을 사용하여 응축수에 의한 부식을 억제토록 하며, 응축수배출구에 응축수 중화장치를 설치하여 산성의 응축수를 중화시키도록 함으로써, 상기 문제점을 해소하여 기름보일러에 있어서도 콘덴싱 방식을 구현할 수 있는 콘덴싱 기름보일러를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

도 1은 연관식 열교환기를 사용한 콘덴싱 기름보일러의 내부 구성도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴싱 기름보일러의 내부 구성도

〈 도면의 주요부분에 대한 설명 〉

2 : 현열부열교환기 5 : 잠열부열교환기

6 : 중화장치 11: 흐름감지기

P : 순환펌프 V : 삼방밸브

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 의한 콘덴싱 기름보일러는, 수관식으로 구성되어 현열부열교환기의 상단에 설치되며 고내식성 금속재질로 이루어진 잠열부열교환기와, 상기 잠열부열교환기에서 응축된 응축수를 환경에 무해한 응축수로 중화시킬 수 있는 응축수중화장치를 포함하고 있다.

따라서 상기와 같은 구성에 따라 도 1에서 표시된 현열부열교환기와 나란히 설치된 연관식의 잠열부열교환기로 이루어진 보일러에 비해 공간활용도와 비용상의 경제성을 높일 수 있고, 중화장치를 통해 환경오염을 방지할 수 있도록 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 일실시예에 따라 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 콘덴싱 기름보일러의 내부 구성도이다.

도시된 바와 같이, 연관식 현열부열교환기(2)의 상부에 잠열부열교환기(5)를 직렬로 설치하여 설치공간을 줄였으며, 잠열부열교환기(5)는 콤팩트한 수관식 튜브형태(나관형 튜브 또는 Pinned 튜브, Spirial 튜브등)를 이루고 있으며, 내부에 배플(10)을 장착하여 열교환이 서서히 이루어지도록 하여 열효율을 높일 수 있다.

현열부열교환기(2)의 재질은 기존의 보일러와 동일하게 청, 동, 스테인레스로 이루어지나, 잠열부열교환기(5)는 강산성의 응축수와 접하여 부식될 수 있으므로 응축수와 접할 수 있는 부분에는 고내식성의 금속재질을 사용한다.

상기 내부 구성도에 따른 보일러의 작동과정은 다음과 같다.

버너(1)에서 가열된 고온의 연소가스는 현열부열교환기(2)를 지나며 열전달을 이루고, 상부의 잠열부열교환기(5)를 통과한 후 연도(4)를 통해 배출된다.

현열부열교환기(2)를 통과한 약 200℃의 배기가스는 잠열부열교환기(5)를 통과하면서 약 30~80℃로 낮아지며 배기가스중의 수증기가 응축되어 수관식 잠열부열교환기(5)의 벽면이나 관을 타고 흘러내린다.

잠열부열교환기(5)에서 발생된 응축수는 잠열부열교환기(5)에서 가장 하단인 응축수수집조에 모여 응축수출구로 배출된 후, 중화장치(6)로 유입된다. 상기 중화장치(6)는 내부에 중화제가 수납된 중화조를 갖추고 있어, 강산성의 응축수를 중성으로 중화시킨 후, 환경에 무해한 상태로 외부에 배출시킨다.

한편 난방부하(바닥난방, 라지에이터 등)를 지나면서 냉각된 난방수는 보일러의 잠열부열교환기(5)의 난방수입구(H1)로 유입되어 잠열부열교환기(5) 상부의 난방수출구(H2)로 유출되어 1차 가열된 후, 현열부열교환기(2) 난방수입구(H3)로 유입된다. 현열부열교환기(2)에서 2차 가열된 난방수는 현열부열교환기(2) 상부의난방수출구(H4)를 통하여 난방부하로 이동한다. 이때 삼방변의 방향은 B이다.

급탕을 사용하는 경우, 급수(냉수)는 현열부열교환기(2)의 급탕입구(G1)로 유입되어 급탕열교환기(3)에서 가열된 후 현열부열교환기(2)의 상단 급탕출구(G2)로 유출된다.

도 2에 표시된 바와 같이 잠열부열교환기(5) 내부에는 별도의 급탕열교환기가 설치되어 있지않고, 급탕입구(G1) 또는 급탕출구(G2)에 흐름감지기(11)가 설치되어, 상기 흐름감지기(11)에서 급탕사용을 인식하면 상기 펌프(P)의 동작에 따라 삼방변의 방향을 변환시키는 삼방밸브(V)가 작용하여 삼방변의 방향을 A로 변환시킨다. 따라서 현열부열교환기(2)와 잠열부열교환기(5)의 관수가 서로 순환하여 잠열부열교환기(5)의 과열이 없도록하고, 급탕 열효율을 향상시킨다.

보일러의 이상운전에 대한 방지장치로 연도(4)에 과열방지기(9)를 설치하여, 보일러의 이상운전에 의한 배기가스의 온도상승시(80 ~ 100℃) 보일러의 운전을 정지시키도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 콘덴싱 기름보일러에 따르면, 수관식 튜브형태로 구성되어 현열부열교환기(2)의 상단에 설치되며 고내식성 금속재질로 이루어진 잠열부열교환기(5)와, 상기 잠열부열교환기(5)에서 응축된 응축수를 환경에 무해한 응축수로 중화시킬 수 있는 응축수중화장치(6)를 이용함으로써, 기름보일러에 있어서도 공간활용도를 향상시키고, 경제적이며 높은 효율을 가지며, 강산성의 응축수를 중화시킬 수 있는 콘덴싱 방식을 구현할 수 있다.

따라서 가정용 유류연료를 사용하는 기름보일러에 있어서, 콘덴싱 기법을 적용함으로 인해 연료를 5 ~ 20% 절감하여 석유를 전량 수입에 의존하고 있는 우리나라에서 에너지에 대한 원천적인 절약을 할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 현열부열교환기(2) 및 잠열부열교환기(5)를 포함하는 콘덴싱 방식의 보일러에 있어서, 수관식 튜브형태로 구성되어 상기 현열부열교환기(2)의 상단에 설치되며 고내식성 금속재질로 이루어진 잠열부열교환기(5)와, 상기 잠열부열교환기(5)에서 응축된 응축수를 환경에 무해한 응축수로 중화시킬 수 있는 응축수중화장치(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 기름보일러
2. 제 1항에 있어서, 상기 현열부열교환기(2)의 급탕입구(G1)나 급탕출구(G2)에 설치되어 급수의 흐름을 감지할 수 있는 흐름감지기(11), 상기 현열부열교환기(2)의 난방수출구(H4)와 난방부하 사이의 난방수가 이동하는 통로상에 설치되어 상기 흐름감지기(11)의 감지신호에 따라 동작하는 펌프(P), 상기 펌프(P)의 동작에 따라 삼방변의 방향을 변환시키는 삼방밸브(V)를 포함하여, 상기 잠열부열교환기(5)에 별도의 급탕열교환기를 설치하지 않고도 삼방변의 변환에 의해 잠열부의 과열을 막고 고효율의 급탕사용이 가능한 구조를 가진 것을 특징으로 하는 콘덴싱 기름보일러