KR100667630B1 - 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비콘덴싱 보일러의 효율개선 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 안정적인 버너의 연소를 위하여 적정한 과잉공기량을 공급하면서도 결로가 되어 열교환기를 손상시키는 것을 피하며 간단한 풍량 조절 알고리즘을 적용하여 효과적으로 열효율을 높이는 운전방법에 관한 것이다.

본 발명은, 비콘덴싱 보일러에 있어서, 열교환기로부터 유출되는 공급수 온도 또는 열교환기로 유입되는 환수 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와; 상기 온도 센서를 통해 검출된 온도와 버너의 특성 및 연료의 종류에 따라 결정되는 노점온도에 여유온도를 더한 것을 비교하는 단계와; 상기 온도 센서를 통해 검출된 온도가 노점온도+여유온도보다 높으면 최대효율 운전모드로, 검출된 온도가 노점온도+여유온도보다 낮으면 응축방지 운전모드로 설정하는 단계와; 버너의 특성 및 연료의 종류에 따라 연료소비량에 대한 최대효율 운전모드와 응축방지 운전모드를 위해 요구되는 각각의 과잉공기비를 산출하는 단계와; 설정된 모드에 따라, 최대효율 운전모드에서는 산출된 최대효율 운전모드에 요구되는 과잉공기비 이하가 되도록 송풍기의 풍량을 감소시키고, 응축방지 운전모드에서는 산출된 응축방지 운전모드에 요구되는 과잉공기비 이상이 되도록 송풍기의 풍량을 증가시켜 보일러를 가동시키는 단계를 포함하는 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법을 제공한다.

본 발명은 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 응축이 일어나지 않고 제작비용이 적게 들며 간단한 풍량 조절 알고리즘을 적용하여 보일러의 비응축 조건에서 효과적으로 높은 열효율을 얻을 수 있다.

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Description

비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법{Method for Improving Efficiency of Noncodensing Boiler}

도 1은 각 운전 모드에서의 과잉 공기비이며,

도 2는 과잉 공기비와 노점온도의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명은 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 안정적인 버너의 연소를 위하여 적정한 과잉공기량을 공급하면서도 연료가 연소되어 형성된 수증기가 보일러의 열교환기에 결로가 되어 열교환기를 손상시키는 것을 피하며 간단한 풍량 조절 알고리즘을 적용하여 효과적으로 열효율을 높이는 운전방법에 관한 것이다.

일반 가정에서 난방 및 온수공급을 위해 주로 사용하는 보일러는 연료의 종류에 따라 가스보일러와 기름보일러가 있으며 가스보일러는 액화석유가스(LPG)를 원료로 사용하는 경우도 있으나, 기름보일러에 쓰이는 경유나 등유에 비해 황(S)성분을 거의 함유하고 있지 않기 때문에 대기오염을 최소화할 수 있는 청정연료인 LNG를 대부분 사용하고 있다.

보일러는 열교환기의 종류에 따라서는 콘덴싱 보일러와 비콘덴싱 보일러로 나눌 수 있다. 일반적으로 가스 또는 Oil을 연료로 사용하는 보일러에 있어서 열효율(Heat Efficiency)을 높이기 위한 연구가 다각도로 진행되어 왔으며, 그 결과로서 근래에는 배기가스 속에 포함된 연소생성물인 수증기(H2O)의 응축 잠열을 이용하는 Condensing Boiler가 개발되었다.

콘덴싱 열교환기는 응축잠열의 회수원리를 이용하여 방열손실을 줄일 수 있도록 하는 것으로, 버너에 의해 연소된 열을 이용하여 직접적으로 난방수를 가열하는 현열부 열교환기와 함께, 현열부 열교환기를 통과한 배기가스에 포함된 수증기의 잠열을 이용하여 난방수를 가열하는 잠열부 열교환기를 지니고 있고, 배기가스의 온도를 노점온도 이하로 낮추어 배기가스 중에 응축잠열을 흡수하여 열효율을 향상시킬 수 있도록 되어 있다.

그러나 콘덴싱 열교환기 구조에서는 응축 시에 발생되는 수분과 배기가스중의 황산화물(기름의 경우)이나 질소산화물(가스의 경우)과 반응하여 생성된 PH2~4 정도의 산성액체와 연소열에 의한 열교환기의 부식발생을 억제시키는 것이 항상 문제로 대두되어 왔고, 이러한 문제를 해결하기 위한 대부분의 콘덴싱 열교환기에서는, 열교환기를 구성하는 열교환핀과 열교환핀 튜브 등을 특수한 재질의 Stainless Steel, 알루미늄합금주물 등으로 사용하여 왔으나, 이러한 형태의 콘덴싱 열교환기들은 제품의 제작가공도 어렵고 제품크기가 커질 뿐만 아니라 무게도 무거워 제작비용이 많이 들고 제품의 단순 조립화를 실현하는 데에 상당한 제약요인으로 작용되어 왔다.

콘덴싱 보일러에 비하여 비콘덴싱 보일러의 열교환기 구성은 현열부 열교환기만 구비하고 있어 상대적으로 제작비용이 적게 들며 조립이 용이하고 크기가 소형화될 수 있는 구조이나 결로가 생성이 되지 않도록 정밀한 조절이 절대적으로 필요한 것이다.

배기가스 속 수증기의 응축을 전제로 하는 콘덴싱 보일러와 달리 일반적인 보일러의 열교환기는 통상 동(Cu) 또는 일반적인 Stainless Steel 등의 재질을 사용한다. 만일 이러한 재질의 열교환기에 응축수가 접촉된다면 심각한 부식 현상이 발생함으로써 열교환 효율이 저하되고 궁극적으로 열교환기로서의 기능을 상실하게 된다.

또한 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 CO2 측정기와 온도측정기, 마이크로프로세서, 풍량센서 등을 사용하여 복잡한 컨트롤 알고리즘을 적용한 보일러들이 많았으나, 정확한 컨트롤에 의하여 효율을 향상시키는 것이 매우 어려운 것이었다.

따라서 비콘덴싱 보일러를 운전하기 위하여 응축이 되지 않으며 간단한 풍량 조절 알고리즘을 적용하여 효과적으로 열효율을 높이는 운전방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로서, 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 안정적인 버너의 연소를 위하여 적정한 과잉공기량을 공급하면서도 연료가 연소되어 형성된 수증기가 보일러의 열교환기에 결로가 되어 열교환기를 손 상시키는 것을 피하며 간단한 알고리즘을 적용하여 효과적으로 열효율을 높이는 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 비콘덴싱 보일러의 효율개선 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 안정적인 버너의 연소를 위하여 적정한 과잉공기량을 공급하면서도 결로가 되어 열교환기를 손상시키는 것을 피하며 간단한 알고리즘을 적용하여 효과적으로 열효율을 높이는 운전방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 비콘덴싱 보일러의 효율개선 운전방법은, 비콘덴싱 보일러에 있어서, 열교환기로부터 유출되는 공급수 온도 또는 열교환기로 유입되는 환수 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와; 상기 온도 센서를 통해 검출된 온도와 버너의 특성 및 연료의 종류에 따라 결정되는 노점온도에 여유온도를 더한 것을 비교하는 단계와; 상기 온도 센서를 통해 검출된 온도가 노점온도+여유온도보다 높으면 최대효율 운전모드로, 검출된 온도가 노점온도+여유온도보다 낮으면 응축방지 운전모드로 설정하는 단계와; 버너의 특성 및 연료의 종류에 따라 연료소비량에 대한 최대효율 운전모드와 응축방지 운전모드를 위해 요구되는 각각의 과잉공기비를 산출하는 단계와; 설정된 모드에 따라, 최대효율 운전모드에서는 산출된 최대효율 운전모드에 요구되는 과잉공기비 이하가 되도록 송풍기의 풍량을 감소시키고, 응축방지 운전모드에서는 산출된 응축방지 운전모드에 요구되는 과잉공기비 이상이 되도록 송풍기의 풍량을 증가시켜 보일러를 가동시키는 단계를 포함한다.

상기 여유온도는 출탕 측 온도센서에 의해 측정하는 경우에는 섭씨15~20도 내외인 것을 특징으로 하며, 상기 과잉공기비는 도2(과잉공기비와 노점온도의 관계 그라프)에 따라 결정되어 응축방지운전을 위한 도1의 상부 직선을 나타내는 것을 특징으로 하고, 상기 최대 효율 운전모드는 도1의 하부 직선을 나타내는 것을 특징으로 하고, 상기 운전 방법은 가스보일러와 기름보일러에 적용하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이하 첨부한 도면의 간단한 설명으로, 도 1은 각 운전 모드에서의 과잉 공기비이며, 도 2는 과잉 공기비와 노점온도의 관계를 나타내는 도면이다.

이하 첨부한 각 각의 도면을 바탕으로 상세한 운전 방법을 설명한다.

도 1은 각 운전 모드에서의 과잉 공기비를 나타내는 도면이다.

일반적인 비콘덴싱 보일러에 있어서 열효율을 개선하기 위해서는 배기가스에 의한 열손실을 최소화하여야 하므로 송풍기의 풍량을 연소 안정범위 내에서 가능한 한 작게 제어할 필요가 있으나, 풍량이 일정 이하가 되면 노점온도가 높아져서 열교환기 부에서 배기가스 중의 수증기 응축 현상이 발생되어 열교환기의 내구성이 저하되는 문제가 있다.

보다 상세히 설명하면 콘덴싱이 아닌 일반적인 보일러에 있어서 열효율을 높이기 위해서는 배기가스에 의한 열손실을 최소화 하여야 하는 것이고, 이러한 목적을 달성하기 위해서는 버너에 공급되는 공기량을 가능한 한 적게 하여야 한다. 이는 필요 이상의 많은 공기량을 공급하는 경우에는 배기가스에 의한 열손실이 증가하게 되므로 필요이상의 공기를 공급하는 것은 열효율을 높이기 위함에는 마이너스 요인이나, 버너의 안정적인 연소를 위해서는 버너에 따라 특정한 과잉공기 이상이 공급되어야 하므로 일정 수준 이하의 공기를 공급하는 것은 제한된다. 이는 이상적으로 연료가 연소되기 위하여 정확한 공기량 즉 공기에 포함되어 있는 산소량 만 있으면 충분한 것이나 이는 이상적인 연소 조건에서 가능한 것이므로 실질적으로는 필요한 공기량 보다는 많은 공기를 공급하여 연소를 시키게 된다.

그러나 최소한의 과잉공기를 공급하여 버너의 안정적 연소를 가능하게 한다고 해도 열교환기 측면에서 또 다른 제한 요인이 존재한다. 즉 배기가스에 의한 열손실을 최소화하고 열효율을 증가시키기 위하여 과잉공기를 특정 수준 이하로 공급하는 경우 배기가스 속의 연소생성물 중 H2O의 비율(%)이 증가함으로써, 상당히 높은 온도에서의 배기가스의 수증기압이 그 온도에서의 포화수증기압보다 높아지게 됨으로써 응축 현상이 쉽게 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 보일러 순환수의 온도가 노점 온도 이상인 경우에는 송풍기의 풍량을 감소시켜 최대 효율을 실현하고, 노점온도 이하에서는 송풍기의 풍량을 상대적으로 증가시킴으로써 응축을 방지하기 위한 것이다.

도 2는 과잉 공기비와 노점온도의 관계를 나타내는 것으로, 복잡한 풍량 조절을 위한 그래프를 간단하게 풍량을 조절하기 위하여 정리한 것으로 버너의 종류나 연료의 종류에 따라 차이가 있는 것을 통상적인 경우를 나타내는 것이다. 노점온도는Burner의 연소 특성 등에 따라 다르지만 통상적인 연소 조건에서 가스보일러의 경우에는 섭씨55도 내외, 기름보일러의 경우에는 섭씨45도 내외가 된다.

간단한 알고리즘으로 보일러의 효율을 개선하기 위한 운전 방법은 버너의 종류나 연료의 종류에 따라 차이가 나는 노점온도에 따라 도2의 과잉공기비와 노점온도의 관계 그라프에서 과잉공기비를 책정하고 도1의 운전 모드에 따른 과잉공기비의 그라프에서 응측방지운전 상태를 나타내는 것은 상부 직선을 의미하는 것이다.

이 상부직선은 연료 소비량이 증가함에 따라 과잉공기비는 다소 줄어드는 것 을 의미하고 있으며 응축방지 운전선인 이 상부직선의 윗부분은 결로가 형성되지 않는 구간을 의미하고 있으며, 아래 부분은 결로가 형성되는 구간을 의미하고 있다. 따라서 열교환기의 출탕 측에 부착되어 있는 온도센서가 '노점온도 + 여유온도' 이상이 되면 응축 결로 현상이 발생하지 않을 것이므로 안심하고 최대 효율 운전 모드로 보일러를 가동시키고, 그 이하에서는 응축 방지 운전 모드로 보일러를 가동시키게 되는 것이다.

노점온도는 열교환기 순환수의 평균온도 개념으로 접근해야 할 것이므로, 출탕 측 온도센서에 의해 측정하는 경우의 여유온도는 반복된 실험에 따라 섭씨 15~20도 내외가 적절하였다.

이상으로, 본 발명에 따른 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 응축이 일어나지 않고 제작비용이 적게 들며 조립이 용이하고 크기가 소형화되며, 간단한 풍량 조절 알고리즘을 적용하여 보일러의 비응축 조건에서 효과적으로 높은 열효율을 얻는 운전방법에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 여기에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 사항과 균등한 범위의 모든 기술적 사상에 대하여 미친다고 할 것이다.

상기와 같은 방법으로 비콘덴싱 보일러를 운전함에 있어 응축이 일어나지 않고 제작비용이 적게 들며 조립이 용이하고 크기가 소형화되며, 간단한 풍량 조절 알고리즘을 적용하여 보일러의 비응축 조건에서 효과적으로 높은 열효율을 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 비콘덴싱 보일러에 있어서,

   열교환기로부터 유출되는 공급수 온도 또는 열교환기로 유입되는 환수 온도를 온도 센서로 검출하는 단계와;

   상기 온도 센서를 통해 검출된 온도와 버너의 특성 및 연료의 종류에 따라 결정되는 노점온도에 여유온도를 더한 것을 비교하는 단계와;

   상기 온도 센서를 통해 검출된 온도가 노점온도+여유온도보다 높으면 최대효율 운전모드로, 검출된 온도가 노점온도+여유온도보다 낮으면 응축방지 운전모드로 설정하는 단계와;

   버너의 특성 및 연료의 종류에 따라 연료소비량에 대한 최대효율 운전모드와 응축방지 운전모드를 위해 요구되는 각각의 과잉공기비를 산출하는 단계와;

   설정된 모드에 따라, 최대효율 운전모드에서는 산출된 최대효율 운전모드에 요구되는 과잉공기비 이하가 되도록 송풍기의 풍량을 감소시키고, 응축방지 운전모드에서는 산출된 응축방지 운전모드에 요구되는 과잉공기비 이상이 되도록 송풍기의 풍량을 증가시켜 보일러를 가동시키는 단계를 포함하는 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 여유온도는 출탕 측 온도센서에 의해 측정하는 경우에는 섭씨15~20도 내외인 것을 특징으로 하는 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 과잉공기비는 버너의 특성 및 연료의 종류에 따른 과잉공기비와 노점온도의 관계 그라프에 의해 결정되는 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 운전 방법은 가스보일러와 기름보일러에 적용하는 것을 특징으로 하는 비콘덴싱 보일러의 효율 개선 운전방법.

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