KR100568780B1 - 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러 - Google Patents

일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 관한 것으로, 현열부열교환기와 잠열부열교환기가 일체로 형성되어 보일러의 크기나 설치공간을 줄인 것이다.
이를 위한 본 발명은, 버너가 구비되는 연소실과, 상기 연소실에서 버너를 통한 연료의 연소로 발생되는 배기가스의 현열을 흡수하는 현열부열교환기 및, 상기 현열부열교환기에서 이송된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열부열교환기로 이루어지는 열교환부를 포함하여 이루어지는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 있어서, 상기 열교환부는, 그 중심에 하단으로 버너가 구비된 연소실이 설치되고, 상기 연소실의 상부로 이격된 위치에 상부격막이 설치되고, 상기 상부격막의 양 측면에 연결되어 연직하방향으로 측면격막이 설치되어, 상부격막 및 측면격막의 내측으로 배기가스가 연직하방향으로 이송되면서 열교환이 이루어지는 현열부열교환기와, 상부격막 및 측면격막의 외측으로 상기 배기가스가 연직상방향으로 이송되면서 열교환이 이루어지는 잠열부열교환기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
보일러, 콘덴싱, 현열, 잠열, 연소실, 열교환기, 응축수, 중화장치

Description

일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러 { Condensing oil boiler with a single body type heatexchanger }
도 1은 종래 기술에 의한 콘덴싱 기름보일러의 단면 형상을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 사용되는 열교환부의 단면 형상을 도시한 도면,
도 3은 본 발명 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러의 사용상태도이다.
♧도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♧
100 : 열교환부 101 : 현열부열교환기
102 : 잠열부열교환기 111 : 연소실
111a: 버너 112 : 상부격막
112a: 내화재 113 : 측면격막
114 : 배출소켓 115 : 수관
120 : 연도 130 : 중화장치
140 : 순환펌프 150 : 팽창탱크
160 : 삼방밸브 170 : 급탕열교환기
본 발명은 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료의 연소로 발생되는 배기가스의 현열을 흡수하는 현열부열교환기와 상기 현열부열교환기에서 이송된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열부열교환기가 일체로 형성되어, 보일러의 크기가 감소되고 제품 생산을 위한 공정이 단순화될 수 있는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 관한 것이다.
보일러는 연료를 연소시켜 발생되는 연소열로 물을 가열한 후, 상기 가열된 물을 난방 등 필요한 곳에 공급하기 위한 장치로, 특히, 일반 가정의 기본적인 난방 및 급탕 설비로 널리 보급되어 사용되고 있다. 보일러는 난방수를 가열하는 열원, 사용연료 등 기준에 따라서 여러가지 방식으로 분류되는데, 가령, 사용연료에 따라서는, 액화석유가스(LPG)나 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 가스보일러와 등유를 연료로 사용하는 기름보일러로 분류된다.
한편 보일러는 일반형 보일러와 콘덴싱 보일러로 분류될 수 있으며, 콘덴싱 보일러는 일반형 보일러에서 사용되지 않고 버려지는 에너지를 활용할 수 있도록 개발된 것으로, 그 작동 원리는 다음과 같다.
보일러의 연료에는 수소(H2)가 포함되는데, 상기 수소는 연료의 연소시 산소(O2)와 결합하여 물(H2O)로 변함과 동시에 열을 발산하게 되며, 이 때 만들어진 물은 자체열에 의하여 수증기로 변하여 배기가스 형태로 배출되기 때문에, 배기가스중에 섞여있는 수증기의 온도를 100℃이하로 낮추게 되면 다시 물로 변하게 된다. 그런데, 물질의 상태가 변화하는 경우에는 항상 잠열(latent heat)이 방출되거나 흡수되므로, 상기 배기가스에 포함된 수증기가 물로 액화되는 순간에도 잠열이 방출되고, 이를 별도의 잠열부열교환기를 설치하여 난방수를 가열하는데 이용하는 것이 콘덴싱 방식이다. 콘덴싱 방식은 배기가스중에 함유되어 있는 현열과 수증기의 잠열을 동시에 회수함으로서 보일러의 열효율을 최대한(95~105%)으로 증대시킬 수 있다. 따라서, 에너지 자원이 빈약한 국내 여건을 감안한다면, 고효율의 콘덴싱 보일러가 보다 널리 보급됨이 바람직하나, LPG, LNG 를 사용하는 가스보일러의 경우에는 콘덴싱 방식으로 많은 제품이 실용화되어 연료비 절감에 기여하고 있는데 반해, 기름보일러는 제품화, 상용화가 활발하게 이루어지지 못하고 있는 실정인데, 이에 대해서는 도면을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 1은 종래 기술에 의한 콘덴싱 기름보일러의 단면 형상을 도시한 도면이다.
종래의 콘덴싱 기름보일러는, 연료의 연소로 발생되는 현열을 흡수하는 현열부열교환기(12)외에도, 상기 현열부열교환기(12)에서 이송된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 회수하는 잠열부열교환기(16)가 상기 현열부열교환기(12)와 횡으로 일정간격 이격되어 설치된다. 상기 현열부열교환기(12)는, 하측에 버너(10)에 의해 연료가 연소되는 연소실(11)이 설치되고, 그 내부에는 상기 연소실(11)의 상측과 소통되어 연소실(11)에서 발생된 배기가스가 이송되는 다수개의 연관(14)이 구비된다. 한편 상기 연소실(11)의 둘레와 연관(14)의 사이사이에는 난방수가 순환되는 수조(13)가 구비되어, 연소를 통하여 발생되는 배기가스의 현열이 수조(13)에서 순환하는 난방수에 전달된다.
도 1에서 화살표로 도시된 것은 배기가스의 진행방향을 나타낸 것으로 현열부열교환기(12)의 연소실(11)에서 연관(14)을 따라 상측으로 이동된 배기가스는 현열부열교환기(12)와 잠열부열교환기(16)의 상측을 연결하여 설치되는 소음통(15)으로 이송되어 잠열부열교환기(16)측으로 유도된다. 상기 잠열부열교환기(16)는 원통형상으로 그 내부에는, 상측은 소음통(15)과 소통되며 하측은 응축수받이(19)와 소통되는 다수개의 연관(18)이 구비된다. 한편 상기 연관(18)의 사이사이에는 난방수가 순환되는 수조(17)가 구비되어, 잠열부열교환기(16)를 통과하는 배기가스의 잠열이 난방수에 전달된다.
그런데, 일반적으로 액체화석연료를 사용하는 기름보일러에 있어서는, 콘덴싱의 효과에 따르는 효율을 증가시키기 위하여 배기가스의 온도가 산의 노점 온도 보다 낮은 경우가 발생되고, 이 때 수증기와 연료중의 황성분이 반응하여 황산이 생성되므로, 수증기가 응축된 응축수는 콘덴싱 가스보일러의 응축수 보다 강산성을 나타내게 된다. 통상 콘덴싱 가스보일러 응축수는 pH4 정도인데 비해, 콘덴싱 기름보일러의 응축수는 pH2 정도이고, 이는 환경오염에 심각한 원인이 될 수 있으므로 별도로 중화시킬 수 있는 수단이 필요하다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 응축수를 수집하기 위한 응축수받이(19) 및 수집된 응축수를 중화시키기 위한 중화장치(21)가 상기 연관(18)의 하측에 구비된다. 한편 상기 응축수받이(19)는 일측으로 잠열부열교환기(16)의 연관(18)과 소통됨과 동시에 타측으로는 연도(20)와 결합되어, 상기 연관(18)을 통과한 배기가스가 외부로 배출된다.
그러나, 위와 같은 콘덴싱 기름보일러는, 배기가스에서 잠열을 회수하는 잠열부열교환기가 현열부열교환기와 횡으로 이격되어 부가적으로 설치되므로, 제품의 크기 및 중량이 커질 수 밖에 없고 그에 따라 보일러 설치 공간이 증대되고 제작 공정도 복잡해지는 문제가 있다. 아울러 콘덴싱 가스보일러와 달리 액체화석연료를 이용하는 기름보일러의 특성상 응축수받이나 중화장치와 같은 추가적인 장치가 필수적으로 구비되어야 하므로, 위와 같은 문제가 더욱 증폭되어 콘덴싱 기름보일러를 상용화하는데 큰 장애가 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 발명된 것으로, 연료의 연소로 발생되는 배기가스의 현열을 흡수하는 현열부열교환기와 상기 현열부열교환기에서 이송 된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열부열교환기가 일체로 형성되는 구조로 이루어져, 보일러의 크기가 감소되고 제품 생산을 위한 공정이 단순화될 수 있는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러는, 버너가 구비되는 연소실과, 상기 연소실에서 버너를 통한 연료의 연소로 발생되는 배기가스의 현열을 흡수하는 현열부열교환기 및, 상기 현열부열교환기에서 이송된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열부열교환기로 이루어지는 열교환부를 포함하여 이루어지는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 있어서, 상기 열교환부는, 그 중심에 하단으로 버너가 구비된 연소실이 설치되고, 상기 연소실의 상부로 이격된 위치에 상부격막이 설치되고, 상기 상부격막의 양 측면에 연결되어 연직하방향으로 측면격막이 설치되어, 상부격막 및 측면격막의 내측으로 배기가스가 연직하방향으로 이송되면서 열교환이 이루어지는 현열부열교환기와, 상부격막 및 측면격막의 외측으로 상기 배기가스가 연직상방향으로 이송되면서 열교환이 이루어지는 잠열부열교환기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 구성 및 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 사용되는 열교환부의 단면 형상을 도시한 도면으로, 도 2를 참조하면, 본 발명에 사용되는 열교환부(100)는, 연소실(111), 현열부열교환기(101), 잠열부열교환기(102)로 이루어지며, 특히 상기 현열부열교환기(101)와 잠열부열교환기(102)는 일체로 형성되는 구조이다.
상기 연소실(111)은, 열교환부(100)의 내부 중심에 위치하며, 하단에 구비된 버너(111a)를 통하여 연료의 연소가 이루어진다. 또한 연소실(111)의 상단에는 배출구(111b)가 형성되어 연료의 연소로 발생되는 배기가스가 현열부열교환기(101)로 이송된다. 상기 연소실(111) 상부로 일정 간격 이격된 위치에는 상부격막(112)이 설치되고, 상기 상부격막(112)의 양측면으로는 측면격막(113)이 연결되어 연직하방향으로 설치되어, 상기 격막(112,113)은 그 단면이 'ㄷ'자를 시계방향으로 90°회전시킨 형상이 된다. 따라서 상기 열교환부(100)내부는, 연소실(111)의 외부면 및 상부격막(112)과 측면격막(113)의 내측으로 이루어지는 제1구역(101a)과, 열교환부(100)의 내부면 및 상부격막(112)과 측면격막(113)의 외측으로 이루어지는 제2구역(102a)이 형성되는데, 각 구역을 따라서 연료의 연소로 발생되는 배기가스가 이송되어, 상기 제1, 제2구역(101a,102a)은 배기가스 이송을 위한 경로를 형성하게 된다.
상기 측면격막(113)의 내외측을 따라서는 코일형으로 가공된 파이프 형태의 수관(115)이 권회되어 설치되고, 상기 수관(115)의 내부로는 난방수가 순환된다. 따라서 상기 경로로 이송되는 배기가스는 상기 수관(115)의 외부면을 따라 이동하면서 난방수로 열을 공급한다. 위와 같이, 본 발명에 사용되는 열교환부(100)는 난방수가 관 속을 흐르는 수관식 구조로 이루어지는데, 이는 수관식 구조와 반대로 관 속으로 배기가스가 이동하는 연관식 구조에 있어서는, 장기간 사용하는 경우 연관의 상/하부를 용접한 부위에서 부식 등으로 인한 누수를 유발할 수 있다는 점을 고려한 것이다.
한편, 상기 연소실(111)과 직접 소통되어 고온의 배기가스가 이송되는 제1구역(101a)에서는 배기가스의 현열에 대한 열교환이 이루어지는 반면, 제2구역(102a)에서는 이미 열을 공급하여 온도가 떨어진 배기가스의 잔열과 배기가스에 포함된 수증기가 응축되면서 발생되는 잠열에 대한 열교환이 이루어진다. 따라서 상기 제1, 제2구역(101a,102a)은, 각 구역에 설치된 수관(115)을 포함하여 현열부열교환기(101)와 잠열부열교환기(102)를 구성하게 되므로, 본 발명에 사용되는 열교환부(100)는, 그 내부에 현열부열교환기(101)와 잠열부열교환기(102)가 일체로 형성되는 구조를 갖게 되어, 도 1에 도시된 종래 콘덴싱 기름보일러에 비해 보일러의 크기나 설치 공간이 크게 감소된다.
상기 상부격막(112)의 내측으로 내화재(112a)가 부착되는데, 상기 내화재(112a)는 상부격막(112)을 통한 열손실을 억제하는 역할을 한다. 한편 통상 연료의 연소 및 배기가스의 이송시에는 커다란 소음이 발생되는데, 이와 같은 소음 을 감소시키기 위하여, 도 1에 도시된 것과 같이 종래의 콘덴싱 기름보일러에는 별도의 소음통이 구비된다. 그러나 본 발명에 의하면, 상기 상부격막(112)의 내화재(112a)가 소음을 흡수하고, 또한 배기가스가 연직하방향, 상방향으로 이송되도록 그 배출경로를 증가시킴으로써 음파의 전달에너지를 저하시켜 소음이 감소된다. 따라서 별도의 소음통 없이도, 연료의 연소 및 배기가스의 이송에 따르는 소음을 방지할 수 있다.
상기 잠열부열교환기(102)의 하단에는 배기가스에 포함된 응축수를 배출하기 위한 배출소켓(114)이 설치된다. 앞서 살펴 본 바와 같이, 콘덴싱 기름보일러의 응축수는 강산성이므로, 이를 수집하여 중화하여 배출해야 하며, 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 응축수받이와 중화장치가 필요하다. 그러나 본 발명에 의하면, 잠열부열교환기(102)의 하단에 중화장치와 연결되도록 설치되는 배출소켓(114)을 통하여 응축수를 수집하여 중화장치로 이송하므로, 별도의 응축수받이가 필요없게 된다.
도 3은 본 발명 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러의 사용상태도이다.
도 3에서, 상기 열교환부(100) 내부에 도시된 화살표는 배기가스의 흐름을 표시한 것이다. 즉, 연소실(111)에서 연료의 연소로 발생되는 배기가스는, 현열부열교환기(101)와 잠열부열교환기(102)를 순차적으로 거쳐서, 연도(120)를 통하여 외부로 배출된다. 또한 배기가스에 포함된 수증기가 잠열부열교환기(102)에서 응축되어 발생되는 응축수는, 배출소켓(114)을 통하여 중화장치(130)로 이송되어 중화된 후, 외부로 배출된다.
한편, 도 3에서, 열교환부(100) 외부에 도시된 화살표는 난방수의 흐름을 표시한 것이다. 보일러가 난방용으로 작동되는 경우, 상기 열교환부(100)에서 배출된 난방수는 3방밸브(160)를 거쳐서 난방부하(바닥난방, 라지에이터 등)로 전달되어 사용된 후, 팽창탱크(150)와 순환펌프(140)을 경유하여 다시 열교환부(100)로 유입된다. 상기 팽창탱크(150)는, 난방수의 온도상승에 따른 팽창으로 발생되는 난방용배관 중의 압력을 제거하는 기능을, 상기 순환펌프(140)는 난방수를 순환시키는 기능을 담당한다. 보일러가 급탕용으로 작동되는 경우에는, 상기 열교환부(100)에서 배출된 난방수는 3방밸브(160)의 작동으로 급탕열교환기(170)로 이송되어, 상기 급탕열교환기로 유입되는 온수를 가열한 후, 순환펌프(140)를 통하여 다시 열교환부(100)로 유입된다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 의하면, 다음과 같은 효과가 발생된다.
첫째, 콘덴싱 방식을 적용하여, 연소 배기가스 중에 포함된 수증기가 응축되 면서 발생되는 잠열을 회수함으로써, 현열부열교환기를 통과한 고온의 배기가스가 그대로 대기 중에 방출됨으로써 발생되는 방열 손실을 최소화함과 동시에,
둘째, 콘덴싱 방식의 기름보일러를 사용하는 경우에 현열부열교환기와 잠열부열교환기가 별도로 설치됨으로써 보일러의 크기가 커지는 문제를 감안하여, 상기 현열부열교환기와 잠열부열교환기가 일체로 형성되도록 하여, 보일러의 크기를 줄이고 제품 생산을 위한 공정이 단순화될 수 있으며, 아울러 별도의 응축수받이나 소음통이 없이도 응축수를 수집하거나 연료의 연소 및 배기가스의 이송에 따르는 소음을 방지할 수 있고,
셋째, 수관의 내부로 난방수가 흐르는 수관식 구조로 이루어져, 용접부 부식을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 버너가 구비되는 연소실과, 상기 연소실에서 버너를 통한 연료의 연소로 발생되는 배기가스의 현열을 흡수하는 현열부열교환기 및, 상기 현열부열교환기에서 이송된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열부열교환기로 이루어지는 열교환부를 포함하여 이루어지는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러에 있어서,
    상기 열교환부는,
    그 중심에 하단으로 버너가 구비된 연소실이 설치되고, 상기 연소실의 상부로 이격된 위치에 상부격막이 설치되고, 상기 상부격막의 양 측면에 연결되어 연직하방향으로 측면격막이 설치되어,
    상부격막 및 측면격막의 내측으로 배기가스가 연직하방향으로 이송되면서 열교환이 이루어지는 현열부열교환기와, 상부격막 및 측면격막의 외측으로 상기 배기가스가 연직상방향으로 이송되면서 열교환이 이루어지는 잠열부열교환기가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열교환부는, 상기 측면격막의 내외측을 따라 수관이 권회되어 설치되며, 상기 수관의 내부로는 난방수가 순환되고, 상기 수관의 외부면으로는 배기가스가 이송되면서 상기 난방수로 열을 공급하는 수관식 구조로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 상부격막의 내측으로 내화재가 부착된 것을 특징으로 하는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 잠열부열교환기의 하단에는 배기가스에 포함된 응축수를 배출하기 위한 배출소켓이 설치되는 것을 특징으로 하는 일체형 열교환부를 구비한 콘덴싱 기름보일러.
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