KR100645734B1

KR100645734B1 - 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기

Info

Publication number: KR100645734B1
Application number: KR1020050123054A
Authority: KR
Inventors: 김용범
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-11-15
Also published as: JP5043859B2; CN101321994B; EP1960716A1; US8220529B2; JP2009519431A; EP1960716A4; WO2007083862A1; US20090133861A1; CN101321994A

Abstract

본 발명은 난방 및 온수 겸용의 콘덴싱 보일러용 열교환기에서 온수 가열을 위한 간접 열교환기를 사용하지 않고 현열부 열교환기를 이중관으로 사용할 있도록 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 현열부 열교환기와 잠열부 열교환기로 이루어진 콘덴싱 보일러의 열교환기에 있어서, 상기 잠열부 열교환기는 전열면적을 증대시키기 위한 요철 형상을 가진 3장의 플레이트를 적층하여 적층된 플레이트 간에 난방수유로와 온수유로를 각각 형성한 단위 열교환부를 형성함과 아울러 상기 단위 열교환부를 다수 연결하여 단위 열교환부 사이에 배기가스 유로를 형성한 것을 특징으로 하는 발명임.

콘덴싱 보일러, 온수, 온수 열교환기, 잠열부 열교환기

Description

난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기{heat exchanger of condensing boiler for heating and hot-water supply}

도 1은 일반적인 콘덴싱 보일러의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 기본 원리도를 설명하기 위한 잠열부 열교환기의 구성도,

도 3a ~ 도 3c는 본 발명에 따른 온수열교환기가 구비된 잠열부 열교환기의 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 온수열교환기와 난방수열교환기가 일체로 형성된 잠열부 열교환기를 사용한 콘덴싱 보일러의 구성예를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 -- 버너, 11,200 -- 현열부 열교환기,

12,100 -- 잠열부 열교환기, 13 -- 난방공급구,

14 -- 난방환수구, 15 -- 직수관,

16 -- 온수관, 17 -- 간접 열교환기,

18 -- 팽창탱크, 19 -- 송풍기,

20 -- 삼방변, 21 -- 순환펌프,

22 -- 응축수 드레인, 23 -- 배기구,

30 -- 난방수 열교환기, 33 -- 난방 열교환관,

40 -- 온수 열교환관, 43 -- 온수 열교환관,

50 -- 단위 열교환부, 51,52,53 -- 플레이트,

54 -- 난방수유로, 55 -- 온수유로.

56 -- 배기가스 유로.

본 발명은 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘덴싱 보일러에서 온수 가열을 위한 간접 열교환기를 사용하지 않고 현열부 열교환기를 이중관으로 사용할 있도록 하여 구조가 간단해지면서 열효율을 높일 수 있도록 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기에 관한 것이다.

일반 가정에서 난방 및 온수공급을 위해 주로 사용하는 보일러는 난방수를 가열하는 연소열의 회수방법에 따라 일반 보일러와 콘덴싱 보일러로 나뉘어진다.

상기 콘덴싱 보일러는 배기가스 중에 포함된 수증기의 응축 잠열(Latent energy)을 회수하는 보일러로서, 잠열을 회수하기 위한 별도의 열교환기(잠열부 교환기)를 구비한다.

이러한 잠열부 열교환기는 버너의 연소열을 1차적으로 흡수하여 내부관수와 열교환하는 현열부 열교환기와의 접촉으로 온도가 낮아진 배기가스와 2차적으로 접촉하게 됨으로써 비교적 낮은 온도의 배기가스와 접촉하게 됨에 따라 접촉시 응축수가 발생하므로 응축수(배기가스 중의 질소산화물 등에 의해 산성을 나타낸다)에 의한 부식에 견딜 수 있도록 적절한 재질(예컨대, 스테인레스, 알루미늄 등)을 사용하고 있다.

도 1은 일반적인 콘덴싱 보일러, 특히 하향식 콘덴싱 보일러의 구성도를 나타내는 도면으로써, 첨부도면에 도시된 바와 같이 난방/온수 겸용의 콘덴싱 보일러를 제작하기 위해서는 버너(10)의 연소열을 흡수하여 내부관수와 열교환하는 현열부 열교환기(11) 및 잠열부 열교환기(12)를 단일관으로 구성하여 그 양단을 난방배관의 난방공급구(13)측과 난방환수구(14)측에 각각 연결하도록 하고, 상기 난방공급구(13)측으로부터 공급되는 난방수에 의해서 흡수된 열에너지를 직수관(15)으로 유입되는 직수에 전달하여 온수관(16)측으로 출수되는 온수를 공급할 수 있도록 하는 별도의 간접 열교환기(17)를 상기 난방공급구(13)측과 난방환수구(14)측 사이에 설치하여야 한다.

미설명 부호 18은 난방배관 중에 생긴 에어를 제거하고 난방수의 온도상승에 따른 난방수 팽창으로 생긴 배관 중의 압력을 제거하며 보일러의 보유 물량을 일정하게 유지시키는 기능을 하는 팽창탱크, 19는 버너(10)의 연소열을 현열부 열교환기(11) 및 잠열부 열교환기(12)로 송풍하는 송풍기, 20은 삼방변, 21은 순환펌프, 22는 응축수 드레인, 23은 배기구를 각각 나타낸다.

이러한 보일러는 온수 사용시 난방공급구(13)측에서 난방배관으로 공급되던 난방수를 간접 열교환기(17)로 순환하도록 전환시켜 난방수 폐회로를 구성하도록 하여야 하므로 삼방변(20)을 필수적으로 설치하여야 하기 때문에 보일러의 구조가 매우 복잡해지는 문제점이 있었다.

또한 기존의 잠열부 열교환기는 단일관으로 구성되어 있으므로 콘덴싱 보일러에는 난방/온수 겸용의 이중관 열교환기를 현열부 교환기에 사용할 수 없는 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 개선하기 위하여 발명한 것으로, 난방/온수 겸용의 콘덴싱 보일러에서 온수를 가열하기 위한 별도의 간접 열교환기를 사용하지 않고 잠열부 열교환기에서 직수를 1차로 예열한 후 현열부 열교환기로 공급하도록 하는 잠열부 열교환기를 구비함으로써 현열부 열교환기에 이중관 열교환기를 사용할 수 있게 되어 구조가 간단하고 부피도 줄일 수 있도록 된 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기를 제공하고자 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 일실시예는, 현열부 열교환기와 잠열부 열교환기로 이루어진 콘덴싱 보일러의 열교환기에 있어서, 상기 잠열부 열교환기는 내부관수가 일입다출되는 입구부와 다입일출되는 출구부 및 상기 입구부와 출구부의 각 입출구에 각각 연결되어 병렬로 설치되는 다열의 난방열교환관으로 이루어지는 난방수 열교환기 그리고 상기 난방수 열교환기의 각 난방열교환관과 각각 인접설치되는 다열의 온수열교환관과 상기 온수열교환관의 온수입구측과 온수출구측에 각각 연결되는 일입다출의 입구부와 다입일출의 출구부로 이루어진 온수열교환기로 구성되어, 난방수 열교환기의 출구부가 현열부 열교환기의 난방입구에 연결되고 온수열교환기의 출구부가 현열부 열교환기의 온수입구에 연결된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기는, 현열부 열교환기와 잠열부 열교환기로 이루어진 콘덴싱 보일러의 열교환기에 있어서, 상기 잠열부 열교환기는 전열면적을 증대시키기 위한 요철 형상을 가진 3장의 플레이트를 적층하여 적층된 플레이트 간에 난방수유로와 온수유로를 각각 형성한 단위 열교환부를 형성함과 아울러 상기 단위 열교환부를 다수 연결하여 단위 열교환부 사이에 배기가스 유로를 형성한 것을 특징으로 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기.

상기에 있어서, 상기 현열부 열교환기는 온수 열교환관내에 난방수 열교환관이 설치되거나 난방수 열교환관내에 온수열교환관이 설치된 이중관 열교환관으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 기본 원리도를 설명하기 위한 잠열부 열교환기의 구성도이다.

첨부도면에 도시된 바와 같이 난방수 열교환기(30)(굵은 선으로 표현된 배관부)는 난방배관(도시되지 않음)으로부터 환수되는 난방수가 입력되는 난방환수구(31)와 연결되는 입구부(32)와, 버너의 배기가스와 열교환이 이루어지는 난방열교환관(33) 및 상기 난방열교환관(33)에서 배기가스의 잠열을 흡수한 난방수가 현열부 열교환기(200)로 공급되는 출구부(34)로 이루어져 있다.

상기 난방수 열교환기(30)의 입구부(32)는 하나의 배관으로 입력되어 다수의 배관(난방열교환관(33))으로 분지되어 출력되는 일입다출 구조로 이루어져 있으며, 이와 대응되는 난방수 열교환기(30)의 출구부(34)는 다수의 배관(난방열교환관(33))에서 입력되어 하나의 배관으로 출력되는 다입일출 구조로 이루어져 있다. 그리고 상기 다출 구조의 입구부(32) 출구와 다입 구조의 출구부(34) 입구사이에는 다열의 난방열교환관(33)이 연결되어 있다.

그리하여 난방수 열교환기(30)에서 난방환수구(31)를 통해 유입되는 난방수는 입구부(32)에서 다수의 난방열교환관(33)으로 분지되어 각각의 난방열교환관(33)에서 배기가스의 잠열을 흡수한 후 출구부(34)로 합쳐져서 후술되는 바와 같이 현열부 열교환기(200)로 공급된다.

한편, 상기 다열의 난방열교환관(33)들 사이에는 통과되는 배기가스와 많은 부분에서 접촉하여 열교환 될 수 있는 형태로 배기가스 통로(50)가 형성되어 있다.

상기의 난방열교환관(33)은 다열로 병렬 구성되어 입구부(32)에서 출구부 (34) 사이에 직선으로 평행하게 연결된 구조로 도시되어있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 통상 난방열교환관(33)의 교환면적을 늘리면서 부피를 축소할 수 있는 구조의 열교환기를 제작하기 위해 한 다발을 이루는 다열의 배관을 U자형 절곡부를 양측에서 연결시켜 지그재그 형태로 반복연결함으로써 외형이 육면체를 이루도록 연결된 구조로 제작할 수도 있으며, 상기 U자형 절곡부대신 열교환관간의 연결유로가 형성된 커버를 사용하여 제작할 수도 있는 것이다.

이와 더불어 상기 난방수 열교환기(30)의 각 난방열교환관(33)에는 온수열교환관(43)이 인접설치되는 온수열교환기(40)(가는 실선으로 표현된 배관부)가 설치된다. 상기 온수열교환관(43)도 열교환면적을 늘리기 위해 다열로 구성됨이 바람직하다. 상기 다열의 온수열교환관(43)도 난방열교환관(33)과 마찬가지로 온수입구측과 온수출구측에는 일입다출의 입구부(42)와 다입일출의 출구부(44)가 구비된다.

그리하여 직수입구(41)로 유입되는 직수는 온수열교환기(40)의 입구부(42)에서 다수의 온수열교환관(43)으로 분지되어 각각의 온수열교환관(43)에서 배기가스의 잠열을 흡수한 후 출구부(44)로 합쳐져서 후술되는 바와 같이 현열부 열교환기(200)로 공급된다.

이와 같이 본 발명에 따른 잠열부 열교환기(100)는 난방수 열교환기(30)와 온수 열교환기(40)가 일체로 구비되어 배기가스의 잠열을 흡수하도록 이루어짐으로써, 난방환수구(31)와 직수입구(41)에서 유입되는 비교적 저온의 난방수와 직수는 난방수 열교환기(30)와 온수열교환기(40)에서 1차로 가열된 후 현열부 열교환기(200)로 공급된다.

상기의 예에서 잠열부 열교환기(100)는 다열의 열교환관을 기본구조로 하는 열교환기를 예로 들어 설명하였으나, 도 3에 의거 후술되는 바와 같이 기본적으로 적절한 요철 형상을 가진 3장의 플레이트(51)(52)(53)를 적층하여 적층된 플레이트(51)(52)(53) 간에 난방수유로(54)와 온수유로(55)를 각각 형성한 단위 열교환부(50)를 형성함과 아울러 상기 단위 열교환부(50)를 다수 연결하여 단위 열교환부(50) 사이에 배기가스 유로(56)를 형성한 구조의 열교환기에도 적용가능한 것이다.

도 3a ~ 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온수열교환기와 난방수열교환기가 구비된 잠열부 열교환기의 구성도를 나타낸다.

도 3a~도 3c에 도시된 실시예는, 잠열부 열교환기(100)가 기본적으로 3장의 플레이트(51)(52)(53)를 적층시켜 중앙의 플레이트(52)를 중심으로 양측에 배치되는 플레이트(51)(53)에 의거 난방수유로(54)와 온수유로(55)가 병렬로 형성되는 단위 열교환부(50)를 구성하고, 상기 단위 열교환부(50)를 복수 적층하여 인접된 단위 열교환부(50)들 사이에 배기가스 유로(56)를 형성하여, 난방수유로(54)와 온수유로(55)를 교번으로 다수 배치한 구조이다.

즉, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 단위 열교환부(50)는 기본적으로 적절한 요철 형상을 가진 스테인리스 재질의 플레이트(51)(52)(53)를 적층하여 브레이징 함으로써 구성된다. 이러한 요철 형상은 일정한 체적 내에서 전열 면적을 증가시킴으로써 전열 효율을 증가시키고 또한 내부관수의 가열시 팽창에 의한 플레이트(51)(52)(53)의 변형 또는 손상을 방지하는 역할을 하게 된다.

또한 3장의 단위 열교환부(50)를 구성하는 플레이트(51)(52)(53)에는 각각 난방수 입구부(32)와 출구부(34) 그리고 온수 입구부(42)와 출구부(44)가 형성되어 있으나, 난방수유로(54)가 형성되는 중간 플레이트(52)와 플레이트(53) 사이의 온수 입구부(42)와 출구부(44)의 외연부는 상호 용접되고 마찬가지로 온수유로(55)가 형성되는 중간 플레이트(52)와 플레이트(51) 사이의 난방수 입구부(32)와 출구부(34)의 외연부는 상호 용접되어 있다. 따라서 복수개의 단위 열교환부(50)를 적층시켰을 때 각 단위 열교환부(50)의 난방수유로(54)들간에는 상호 연통되고 마찬가지로 단위 열교환부(50)의 온수유로(55)들간에는 상호 연통됨으로써 일입다출의 입구부와 다입일출의 출구부를 갖는 열교환기를 형성하게 되는 것이다.

그리고 이와 같은 결합을 위한 브레이징은 물론 통상적인 스테인리스 브레이징 로에서 이루어진다. 세 장의 플레이트(51)(52)(53)를 브레이징 함으로써 중앙 플레이트(52) 양측으로 설치되는 두 장의 플레이트(51)(53)에 의해 인접된 두 개의 유로가 형성되는 데, 하나는 난방수가 통과되는 난방수유로(54)로 사용되며 다른 하나는 온수가 통과되는 온수유로(55)로 사용된다.

이렇게 브레이징된 기본 단위 열교환부(50)를 필요 출력에 따라 여러 장 다시 적층하여 브레이징한다. 다수의 단위 열교환부(50)를 적층하는 경우에는 도 3c에 도시된 바와 같이 인접된 단위 열교환부(50)들 사이에서 서로 인접된 플레이트(51)(53)간의 요철형상에 의해 배기가스 유로(56)가 형성되어 연소에 의해 생성된 배기가스가 지나는 이동통로(굵은 화살표로 표시됨)가 된다. 물론 상기와 같이 다수의 단위 열교환부(50)가 적층된 열교환기를 한번의 브레이징으로 형성하는 것도 가능하다.

도 3a에 도시된 바와 같이 난방수 입구부(32)로 입수되는 난방수는 각 단위 열교환부(50)의 난방수유로(54)를 통해 난방수 출구부(34)로 출수되고, 온수 입구부(42)로 입수되는 직수는 각 단위 열교환부(50)의 온수유로(55)를 통해 온수 출구부(34)로 출수된다. 이때 단위 열교환부(50)들 사이의 배기가스 유로(56)로 배기가스가 지나가면 이 때 양측에 있는 난방수유로(54)와 온수유로(55) 내에 있는 난방수 및 온수에 열에너지를 전달하게 된다.

만일 이때 난방 사용 중이라면, 난방수의 흡열 능력이 상승하므로 온수유로(55)에서 흡수된 열에너지는 가운데 플레이트(52)를 통해 난방수유로(54) 측으로 전달된다. 반대로 이때 온수 사용 중이라면, 온수의 흡열 능력이 상승하므로 난방수유로(54)에서 흡수된 열에너지는 가운데 플레이트(52)를 통해 온수유로(55) 측으로 전달된다.

상기와 같은 과정을 통해 본 발명의 잠열부 열교환기(100)는 난방 및 온수 사용 시 모두 최대의 잠열 흡수 능력을 발휘하게 되는 것이다. 따라서 별도의 온수 간접 열교환기의 사용이 불필요하다.

첨부도면에 도시된 바와 같이, 하향 연소식 열교환기로 구성된 콘덴싱 보일러는 송풍기(19)가 상단에 설치되고 그 하방으로 버너(10), 현열부 열교환기(200), 그리고 잠열부 열교환기(100)가 차례로 배치된다.

특히 현열부 열교환기(200)는 온수 유로(210)가 외측, 난방 유로(220)가 내측에 배치된 이중관 열교환기를 사용한 콘덴싱 보일러를 나타낸다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 현열부 열교환기(200)는 난방 유로가 외측, 온수 유로가 내측에 구성될 수도 있으며, 온수 사용 시 삼방변을 사용하여 난방수를 실내의 난방배관으로 순환시키지 않고 보일러 자체의 난방 회로를 순환시키는 이중관 열교환기의 경우에도 역시 적용 가능함은 물론이다.

이와 같이 이루어진 본 발명의 콘덴싱 보일러는 버너(10)에서 발생된 연소열이 현열부 열교환기(200)에서 온수와 직접적으로 접촉되어 열교환 되는 과정에서 온수를 가열하게 되고 가열된 온수에 의하여 난방수를 간접 가열하게 된다.

잠열부 열교환기(100)는 현열부 열교환기(200)를 통과한 배기가스 중의 잠열을 이용하여 실내의 난방배관으로부터 환수된 난방수와 직수관(15)으로부터 유입되는 차가운 직수를 미리 가열시키는 작용을 한다.

그리고 잠열부 열교환기(100)를 통과한 배기가스는 배기구(23)를 통해서 외부로 방출되며, 열교환 과정에서 발생된 응축수는 드레인(22)에 모아진 다음 외부로 배출된다.

또한, 난방라인의 한 부분에는 순환펌프(21)가 배치되어 난방수를 순환시키도록 되어 있다. 순환펌프(21)가 작동되면, 실내의 난방을 마친 난방수는 난방환수구(14)를 통해서 유입된 후 팽창탱크(18)로 보내져 압력이 조절되고, 이어 잠열부 열교환기(100)와 현열부 열교환기(200)에서 열교환 되어 열에너지를 흡수한 후 실 내의 난방배관으로 공급됨으로써 실내를 난방시키는 작용이 반복적으로 이루어지게 된다.

이와 같이 본 발명은 난방수와 온수를 잠열부 열교환기(100)에서 배기가스의 잠열을 이용하여 미리 가열한 후 현열부 열교환기(200)에서 현열을 흡수하도록 함으로써 현열부 열교환기를 온수유로와 난방유로가 이중으로 배치된 이중관 열교환기를 사용할 수 있게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 콘덴싱 보일러에서 잠열을 이용하여 차가운 직수를 미리 예열할 수 있도록 함으로써 현열부 열교환기를 온수유로가 외측, 난방수유로가 내측에 배치 또는 그 반대로 배치되는 이중관 열교환기를 사용할 수 있고 또한, 온수가열을 위한 별도의 온수열교환기를 사용하지 않아도 되므로 간단하면서도 부피를 줄일 수 있는 보일러를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

현열부 열교환기와 잠열부 열교환기로 이루어진 콘덴싱 보일러의 열교환기에 있어서, 상기 잠열부 열교환기는 내부관수가 일입다출되는 입구부와 다입일출되는 출구부 및 상기 입구부와 출구부의 각 입출구에 각각 연결되어 병렬로 설치되는 다열의 난방열교환관으로 이루어지는 난방수 열교환기 그리고 상기 난방수 열교환기의 각 난방열교환관과 각각 인접설치되는 다열의 온수열교환관과 상기 온수열교환관의 온수입구측과 온수출구측에 각각 연결되는 일입다출의 입구부와 다입일출의 출구부로 이루어진 온수열교환기로 구성되어, 난방수 열교환기의 출구부가 현열부 열교환기의 난방입구에 연결되고 온수열교환기의 출구부가 현열부 열교환기의 온수입구에 연결된 것을 특징으로 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기.
현열부 열교환기와 잠열부 열교환기로 이루어진 콘덴싱 보일러의 열교환기에 있어서, 상기 잠열부 열교환기는 전열면적을 증대시키기 위한 요철 형상을 가진 3장의 플레이트를 적층하여 중앙의 플레이트 양측으로 적층된 플레이트 간에 난방수유로와 온수유로를 각각 인접되게 형성한 단위 열교환부를 형성함과 아울러 상기 단위 열교환부를 다수 연결하여 단위 열교환부 사이에 배기가스 유로를 형성한 것을 특징으로 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기.
제2항에 있어서, 상기 단위 열교환부를 구성하는 3장의 플레이트에는 각각 난방수 입구부와 출구부 그리고 온수 입구부와 출구부가 형성되고, 난방수유로가 형성되는 중간 플레이트와 외측 플레이트 사이의 온수 입구부와 출구부의 외연부는 상호 용접되고 마찬가지로 온수유로가 형성되는 중간 플레이트와 외측 플레이트 사이의 난방수 입구부와 출구부의 외연부는 상호 용접되어, 복수개의 단위 열교환부를 적층시켰을 때 각 단위 열교환부의 난방수유로들간에는 상호 연통되고 마찬가지로 단위 열교환부의 온수유로들간에는 상호 연통됨으로써 일입다출의 입구부와 다입일출의 출구부를 갖는 열교환기를 형성하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기.
제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 현열부 열교환기는 온수 열교환관 내에 난방수 열교환관이 설치되거나 난방수 열교환관내에 온수열교환관이 설치된 이중관 열교환관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 난방/온수 겸용 콘덴싱 보일러의 열교환기.