KR100676163B1 - 수관보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수관 보일러에 있어서, 가스통로를 향하는 전열면을 전체적으로 개선하여, 즉 전열면구조를 3단계로 하고, 이와 함께 전주핀을 마련한 수관의 전열면전체를 유효하게 활용하고, 보일러효율을 더욱 향상시키는 것을 꾀함과 함께 통체 전체의 슬림화를 꾀하기 위한 것으로서, 복수의 수관(3)에 의해 구성되며, 제 1개구부(5)를 구비한 환상의 제 1수관열(4)과, 복수의 수관(3)에 의해 구성되며, 제 2개구부(10)를 구비한 환상의 제 2수관열(9)로 이루어지며, 상기 제 1수관열(4)의 외측에 상기 제 2수관열(9)을 배치함과 동시에, 상기 제 1수관열(4)의 내측에 연소실(7)을 마련하고, 상기 양 수관열(4, 9)의 사이에 상기 제 1개구부(5)로부터 상기 제 2개구부(10)에 이르는 가스통로(12)를 형성하고, 이 가스통로(12)로 향하는 전열면을 가스의 흐름에 따라서 상류측으로부터 고온역전열면구조, 중온역전열면구조 및 저온역전열면구조로 한 것이다.

수관, 보일러, 고온역, 중온역, 저온역, 전열면, 전열량, 전열핀

Description

수관보일러{Water-Tube Boiler}

도 1은 본 발명에 있어서의 제 1실시예의 종단면설명도.

도 2는 도 1의 II-II선에 따른 횡단면설명도.

도 3은 본 발명에 있어서의 제 2실시예의 횡단면설명도.

도 4는 본 발명에 있어서의 제 3실시예의 횡단면설명도.

도 5는 본 발명에 있어서의 제 4실시예의 횡단면설명도.

도 6은 가이드부재의 제 1변형예를 확대하여 나타내는 횡단면설명도.

도 7은 가이드부재의 제 2변형예를 확대하여 나타내는 횡단면설명도.

도 8은 가이드부재의 제 3변형예를 확대하여 나타내는 횡단면설명도.

도 9는 가이드부재의 제 4변형예를 확대하여 나타내는 횡단면설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 상부관입구 2 하부관입구

3 수관 4 제1수관열

5 제 1개구부 6 제 1종지느러미부재

7 연소실 8 버너

9 제 2수관열 10 제 2개구부

11 제 2종지느러미부재 12 가스통로

13 연도 14 제 1전열핀

15 제 2전열핀 16 가이드부재

17 가스안내용 수관 18 단열재

19 통체커버 20 제 3전열핀

21 제 4전열핀 22 돌부

23 돌기 A 무핀 수관

B 일측핀부착 수관 C 전주핀부착 수관
D 고온역 전열면구조 E 중온역 전열면구조
F 저온역 전열면구조

본 발명은 관류(貫流)보일러, 자연순환식 수관보일러, 강제순환식 수관보일러 등의 수관보일러의 통체구조에 관한 것이다.

수관보일러의 통체구조에는, 복수개의 수관을 환상으로 배열하여 내측수관열을 형성하고, 이 내측수관열의 내측을 연소실로 하고, 상기 내측수관열의 외측에 추가로 복수개의 수관을 환상으로 배치하여 외측수관열을 형성하고, 양 수관의 사이에 가스통로를 형성한 것이 있다. 상기 연소실내에서는 주로 복사에 의한 전열(傳熱)이 이루어지며, 상기 가스통로에서는 주로 대류에 의한 전열이 이루어진다.

상기 수관보일러에서는, 보일러효율의 향상을 꾀하기 위하여, 상기 수관에 전열핀(fin)을 마련하여 전열면적을 증대시키는 대책이 실시되고 있다. 구체적으로는, 상기 외측수관열에 마련한 개구부 근방의 소정 갯수의 외측수관에 전주(全周)핀(fin)을 마련하여(원주 전체에 대하여 핀을 마련하여) 보일러효율의 향상을 꾀하는 것이 있다(예를 들어, 일본국 특개평 9-133301호공보 참조). 그러나, 상기 가스통로로 향하고 있는 전열면 중에 상기 외측수관열의 일부의 전열면구조 밖에 개선되지 않는다. 즉, 상기 전열면의 구조가 상기 외측수관열의 개구부근방과 그보다 상류측의 2단계로 설정된 것에 지나지 않는다. 게다가 상기 전체주위에 핀을 설치한 수관은, 상기 전주핀의 소손을 방지하기 위하여, 가스온도가 소정온도이하로 저하한 영역에 설치되지만, 이 영역은 상기 가스통로전체로부터 보면 하류측의 극히 제한된 영역이다. 따라서, 전열량의 증가를 충분하게 꾀한 것은 아니다. 게다가, 상기 전체 주위에 핀을 마련함으로써, 어느 정도의 전열량의 증가는 달성할 수 있지만, 상기 전체 주위에 핀을 마련한 수관의 전열면전체를 유효하게 활용하는데는 더욱 연구가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가스통로로 향하는 전열면을 전체적으로 개선하여, 즉 전열면구조를 3단계로 하고, 이와 함께 전체 주위에 핀을 마련한 수관의 전열면전체를 유효하게 활용하고, 보일러효율의 향상을 더욱 꾀함과 함께, 통체전체의 슬림화를 꾀하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 청구항 1에 기재된 발명은, 복수의 수관에 의해 구성되며, 제 1개구부를 구비한 환상의 제 1수관열과, 복수의 수관에 의해 구성되며, 제 2개구부를 구비한 환상의 제 2수관열로 이루어지며, 상기 제 1수관열의 외측에 상기 제 2수관열을 배치함과 동시에, 상기 제 1수관열의 내측에 연소실을 마련하고, 상기 양 수관열의 사이에 상기 제 1개구부로부터 상기 제 2개구부에 이르는 가스통로를 형성하고, 이 가스통로로 향하는 전열면(傳熱面)을 가스의 흐름에 따라서, 즉 제1개구부로부터 제2개구부에 따라서 고온역전열면구조(高溫域傳熱面構造), 중온역전열면구조 및 저온역전열면구조로 한 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 발명은, 상기 고온역전열면구조는 상기 양 수관열이 무핀( 無fin)수관에 의한 수관벽구조이며, 상기 중온역전열면구조는 적어도 상기 제 2수관열이 일측핀부착 수관에 의한 수관벽구조이며, 상기 저온역전열면구조는 상기 제 1수관열이 무핀 수관에 의한 수관벽구조이며, 상기 제 2수관열이 전주(全周)핀부착 수관(원주 전체에 핀을 부착한 수관)을 서로 소정의 간격을 두고 배치한 구조인 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 발명은 상기 고온역전열면구조는 상기 양 수관열이 무핀수관에 의한 수관벽구조이며, 상기 중온역전열면구조는 적어도 상기 제 2수관열이 일측핀부착 수관에 의한 수관벽구조이며, 상기 저온역전열면구조는 상기 제 1수관열이 일측핀부착 수관에 의한 수관벽구조이며, 상기 제 2수관열이 전주핀부착 수관을 서로 소정의 간격을 두고 배치한 구조인 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 발명은, 상기 저온역전열면구조를 구성하는 부분의 상기 제 2수관열이 복수의 전주핀부착 수관을 서로 소정의 간격을 두고 배치한 구조이며, 이들 각 전주핀부착 수관의 외측에 가이드부재를 마련한 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 기재된 발명은, 상기 가이드부재를 상기 각 전주핀부착 수관을 따라서 요철상으로 형성한 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 기재된 발명은, 상기 가이드부재의 내측에 다수의 돌기를 마련한 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 기재된 발명은, 상기 저온역전열면구조를 구성하는 상기 일측핀부착 수관이 그 축방향을 따라서 연장된 상태로 마련된 제 3전열핀으로써 구성되어 있고, 상기 제 3전열핀이 상기 각 전주핀부착 수관의 사이로 돌출하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 8에 기재된 발명은, 상기 저온역전열면구조를 구성하는 상기 일측핀부착 수관이, 그 축방향으로 다단형상이며 그리고 거의 수평하게 마련된 평판상의 제 4전열핀으로써 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 본 발명은, 다관식의 수관보일러로서 실시되며, 증기보일러와 온수보일러 외에 열매체를 가열하는 열매체보일러 등에 적용된다.

복수의 수관에 의해 환상의 제 1수관열이 형성되며, 이 제 1수관열의 내측에 연소실이 마련되어 있다. 상기 제 1수관열의 외측에, 복수의 수관에 의해 환상의 제 2수관열이 형성되며, 이 제 2수관열과 상기 제 1수관열의 사이에 가스통로가 마련되어 있다. 상기 제 1수관열에는 제 1개구부가 마련되며, 이 제 1개구부에 의해 상기 연소실과 상기 가스통로가 연통되어 있다. 상기 제 2수관열에는 제 2개구부가 마련되며, 이 제 2개구부에 의해 상기 가스통로와 연도가 연통되어 있다.

상기 가스통로는, 가스의 흐름을 따라서 상류측으로부터 순서대로, 가스온도에 따라서 고온역, 중온역 및 저온역으로 구분되며, 상기 가스통로를 향하는 전열 면은, 상기 각 온도역에 대응하여 고온역전열면구조, 중온역전열면구조 및 저온역전열면구조가 각각 설정되어 있다. 이들의 각 전열면구조는, 가스온도에 따라서, 상기 각 수관의 열부하, 상기 가스통로의 유통저항, 상기 각 수관에 마련한 전열핀의 소손 등을 고려한 후에 최대의 전열량을 얻을 수 있도록 최적의 전열면구조가 각각 설정되어 있다. 즉, 상기 고온역전열면구조는, 상기 양 수관열이 복수의 핀이 없는 수관에 의한 수관벽구조로 설정되며, 상기 중온역전열면구조는, 적어도 상기 제 2수관열이 복수의 일측에 핀이 부착된 수관에 의한 수관벽구조로 설정되며, 상기 저온역전열면구조는, 상기 제 1수관열이 복수의 무핀 수관에 의한 수관벽구조로 설정되며, 상기 제 2수관열이 복수의 전주핀부착 수관을 서로 소정의 간격을 두어 배치한 구조로 설정되어 있다.

먼저, 상기 고온역전열면구조에 대하여 설명한다. 상기 고온역을 흐르는 가스는 비교적 고온이기 때문에, 상기 고온역전열면구조는, 상기 양 수관열 모두 전열핀을 마련하지 않은 무핀 수관으로 하고, 수관의 열부하가 너무 높아지지 않도록 한다. 수관의 열부하가 너무 높아지지 않기 때문에, 스케일이 부착하기 어렵고, 상기 수관의 소손이 확실하게 방지된다.

다음으로 상기 중온역전열면구조에 대하여 설명한다. 상기 중온역은, 상기 고온역에서의 전열에 의해 가스온도가 저하하고, 그에 따른 체적의 감소에 의해 가스유속이 저하하고, 그 만큼 전열량이 감소한다. 그래서, 상기 중온역전열면적구조는, 상기 수관의 일측(상기 가스통로측)에 전열핀을 마련하여 수관 1개당의 전열면적을 증대시키고, 전열량을 증가시킨다. 상기 중온역전열면구조는 적어도 상기 제 2수관열이 상기 일측핀부착 수관으로 구성되지만, 상기 양 수관열을 상기 일측핀부착 수관으로 구성하면, 상기 중온역에서의 전열량이 보다 증가한다.

여기서, 상기 중온역전열면적구조에서의 상기 전열핀은, 상기 수관의 주벽(周壁)으로부터 상기 가스통로로 향하여 돌출하는 횡지느러미형상으로 하고, 평판상의 핀부재를 거의 수평하게 그리고 상기 수관의 축방향으로 다단형상으로 마련한 구성으로 한다. 상기 전열핀을 횡지느러미형상으로 하면, 가스의 유통저항이 증대되지 않고, 압력손실이 적은 통체구조로 할 수 있다. 또한, 상기 전열핀은 상기 수관의 축방향에 걸쳐서 연장하는 종지느러미형상으로 할 수 있으며, 예를 들어 평판상, 봉상 혹은 단면이 대략 L자형상 등인 핀부재를 상기 수관의 축방향을 따라서 마련한 구성으로 할 수도 있다.

따라서, 상기 중온역전열면구조가 상기 일측핀부착 수관으로 구성되므로, 상기 중온역에서의 가스온도의 저하정도가 크게 된다. 이에 따라서, 상기 중온역의 하류측에서의 가스온도가 상기 저온역에서의 상기 전주핀부착 수관의 전열핀이 소손하지 않은 온도까지 확실히 저하한다. 또한, 가스온도가 보다 상류위치에서 상기 저온역의 설정가스온도까지 저하하므로, 상기 중온역에서의 수관의 수를 줄여서 상기 중온역에서의 상기 가스통로의 길이를 짧게 할 수 있다.

또한, 상기 저온역전열면구조에 대하여 설명한다. 상기 저온역은, 상기 중온역보다 더 가스온도가 저하하기 때문에, 상기 저온역전열면구조는, 상기 제 2수관열을 상기 전주핀부착 수관으로 하여 수관 1개 당의 전열면적을 더욱 증대시킨다. 또한, 상기 저온역에서는 상기 제 2수관열이 상기 가스통로내에 삽입된 구성 이 되며, 가스가 상기 제 2수관열의 내외 양측을 흐르며, 수관의 주벽전체에 가스가 접촉하여 전열이 이루어짐으로써, 전열량이 대폭 증가한다.

여기서 상기 전주핀부착 수관의 전열핀은, 띠상의 핀부재를 상기 수관의 주벽에 나선형상으로 감은 구조로 한다. 또한, 이 전주핀은 복수의 원판상의 핀부재를 각각 분리시켜 상기 수관의 축방향으로 다단형상으로 마련한 구성으로 할 수도 있다. 또한, 상기 전주핀은 원주방향으로 복수개 분할한 핀부재를 상기 수관의 축방향으로 다단상으로 마련한 구성으로 할 수도 있다.

또한, 상기 저온역전열면구조를 구성하는 상기 제 1수관열은, 상기 무핀 수관에 의한 수관벽구조를 대신하여 일측핀부착 수관에 의한 수관벽구조로 할 수도 있다. 이 일측핀부착 수관의 전열핀은 상기 종지느러미형상으로 하고, 예를 들어 평판상, 봉상 혹은 단면이 대략 L자형상 등인 핀부재를 상기 수관의 축방향을 따라서 연장한 상태로 설치한 구조로 한다. 상기 전열핀은 상기 제 2수관열의 상기 각 전부핀부착 수관사이로 향하여 돌출하여 마련되며, 상기 각 전주핀부착 수관사이에 가스가 체류하는 것을 방지하는 난류촉진부재로서도 작용한다. 또한, 상기 전열핀은, 상기 횡지느러미형상으로 할 수도 있으며, 편판상의 핀부재를 거의 수평하게 그리고 상기 수관의 축방향으로 다단형상으로 마련한 구성으로 할 수도 있다.

이상과 같이, 상기 3단계의 전열면구조에 의하면, 상기 가스통로로 향하는 전열면구조를 전체적으로 연구한 것이며, 상기 가스통로로 향하는 전열면을 가스온도에 따라서 최적의 전열면구조로 할 수 있으며, 보일러효율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 중온역전열면구조를 마련함으로써, 가스온도를 보다 상류위 치에서 저하시킬 수 있으며, 전열량의 증가에 대하여 효과가 큰 상기 저온역전열면구조를 보다 상류위치를 시점으로서 마련할 수 있다. 또한, 동일 증발량의 통체와 비교하여 수관의 수를 줄일 수 있으므로, 통체의 외경을 보다 작게 하여 슬림한 통체로 할 수 있다.

그리고, 상기 각 전주핀부착 수관의 외측, 즉 상기 각 전주핀부착 수관으로 구성되는 제 2수관열의 반경방향 외측에는, 가스통로벽으로서 기능하는 가이드부재가 마련되어 있다. 이 가이드부재는 가스를 상기 각 전주핀부착 수관의 외주, 구체적으로는 상기 각 전주핀부착 수관에서의 상기 반경방향외측의 전열면을 따라서 흐르게 하는 형상으로 형성되며, 예를 들어 상기 각 전주핀부착 수관의 외주를 따라서 요철상으로 형성되어 있다. 또한, 상기 가이드부재는, 상기 각 전주핀부착 수관에 거의 밀착하여 배치되며, 상기 가이드부재와 상기 전주핀부착 수관을 구성하는 수관의 사이에는 상기 전주핀의 돌출높이에 상당하는 폭의 상기 가스통로가 형성되어 있다.

여기서, 상기 가이드부재의 내측, 즉 상기 각 전주핀부착 수관측에 다수의 돌기를 마련할 수도 있다. 이 돌기를 마련함으로써, 가스가 상기 가이드부재와 상기 각 전주핀부착 수관의 사이를 흐를 때, 가스의 흐름이 혼란되어 난류가 촉진되며, 전열량이 증대한다.

이와 같이, 상기 가이드부재를 마련한 구성에 의하면, 상기 각 전주핀부착 수관의 전열면전체를 유효하게 활용하여, 보일러효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 각 전주핀부착 수관의 외측에 상기 가이드부재를 마련하고 있으므로, 가 스가 상기 각 전주핀부착 수관의 외주를 따라서 흐름과 함께, 가스유속이 증가하고, 이에 의해 상기 각 전주핀부착 수관의 전열면전체를 유효하게 작용시켜 전열을 할 수 있으며, 전열량이 대폭적으로 증대한다.

[실시예]

이하 본 발명을 다관식의 관류보일러에 적용한 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2에 나타내는 제 1실시예에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1실시예에서의 종단면설명도이며, 도 2는 도 1의 II-II선에 따른 횡단면설명도이다.

최초에 보일러의 통체구성에 대하여 설명하면, 보일러의 통체는 소정의 거리를 두어 배치된 상부관입구(1) 및 하부관입구(2)의 사이에는, 복수의 수관(3, 3, …)이 환상으로 배치되어 있다. 이들의 각 수관(3)은, 수관벽구조를 한 환상의 제 1수관열(4)을 형성하고, 상기 각 수관(3)의 상하단부는 상기 상부관입구(1) 및 상기 하부관입구(2)에 각각 접속되어 있다. 상기 제 1수관열(4)은 그 일부에 제 1개구부(5)를 구비하고 있다. 상기 각 수관(3)은 상기 제 1개구부(5)를 제외하고 밀접한 상태 또는 제 1종지느러미부재(6, 6, …)에 의해 각각 연결되어 있다.

상기 제 1수관열(4)의 내측에는 연소실(7)이 마련되어 있다. 이 연소실(7)의 상방에는 버너(8)가 설치되어 있다. 이 버너(8)는 상기 상부관입구(1)의 내방중앙부로부터 상기 연소실(7)로 향하여 삽입되어 있다. 또한, 상기 버너(8)는 송 풍기(도시생략)를 구비하고 있다.

상기 제 1수관열(4)의 외측에는 복수의 수관(3, 3, …)이 환상으로 배치되어 있다. 이들의 각 수관(3)은 환상의 제 2수관열(9)을 형성하고, 상기 각 수관(3)의 상하단부는 상기 상부관입구(1) 및 상기 하부관입구(2)에 각각 접속되어 있다. 상기 제 2수관열(9)은 그 일부에 제 2개구부(10)를 구비하고 있다. 이 제 2개구부(10)는 상기 제 1수관열(4)의 상기 제 1개구부(5)에 대하여 약 180도 반대측에 마련되어 있다. 상기 각 수관(3)의 사이에는, 상기 제 2개구부(10) 및 상기 제 2개구부(10)로부터 소정거리 상류측의 범위를 제외하고 제 2종지느러미부재(11, 11, …)가 마련되며, 상기 각 수관(3)은 상기 각 제 2종지느러미부재(11)로 각각 연결되어 있다. 상기 제 1수관열(4)의 각 수관(3)과 상기 제 2수관열(9)의 각 수관(3)은 원주방향으로 거의 반 피치씩 어긋난 상태로 배치되어 있다.

상기 제 1수관열(4)과 상기 제 2수관열(9)의 사이에는, 상기 제 1개구부(5)로부터 상기 제 2개구부(10)에 이르는 통로(12, 12)가 마련되어 있다. 이 양 가스통로(12)는 상기 제 1개구부(5)를 통하여 상기 연소실(7)과 연통하며, 상기 제 2개구부(10)를 통하여 연도(13)와 연통되어 있다. 따라서, 상기 연소실(7)을 나온 가스는 상기 제 1개구부(5)에서 분기하여 상기 양 가스통로(12)로 각각 유입하며, 상기 제 2개구부(10)에서 합류하여 상기 연도(13)로 유입하도록 되어 있다.

그런데, 상기 통체구조에 있어서, 상기 가스통로(12)를 흐르는 가스의 온도는 상기 양 수관열(4, 9)로의 전열에 의해 하류측으로 향함에 따라서 저하하게 된다. 그래서, 이 제 1실시예에 있어서는, 가스온도의 저하의 정도에 따라서 상기 가스통로(12)로 향하는 상기 양 수관열(4, 9)에 의해 구성되는 전열면구조를 고온역전열면구조, 중온역전열면구조 및 저온역전열면구조의 3단계로 하고, 다음과 같이 설정한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 상기 양 가스통로(12)는 상기 제 1개구부(5)로부터 상기 제 2개구부(10)에 이르는 통로로서 거의 대칭으로 되어 있으므로, 한쪽의 상기 가스통로(12)에 대하여 설명한다.

먼저, 고온역전열면구조(D)에 대하여 설명한다. 고온역 전열면구조는 도2에서 점선으로 표시된 (D)구역이다. 상기 제 1개구부(5)로부터 상기 가스통로(12)로 유입한 가스의 온도는 약 1300℃이다. 가스온도가 약 900℃∼1300℃의 고온역에서는 상기 양 수관열(4, 9)은 복수의 무핀 수관(A, A, …)에 의한 수관벽구조로 되어 있다. 상기 각 무핀 수관(A)은 전열핀을 마련하지 않은 구성으로 되어 있으며, 상기 수관(3)의 열부하가 너무 높아지지 않도록 되어 있다. 또한, 전열핀을 마련하지 않는 대신에 상기 가스통로(12)의 폭을 약각 좁혀 유로단면적을 작게 함으로써 가스의 유속을 증가시키고, 상기 수관(3)의 과열이 생기지 않는 열부하의 범위내에서 전열량의 증가를 꾀하는 구성으로 할 수 있다.

다음으로, 중온역전열면구조(E)에 대하여 설명한다. 중온역 전열면구조는 도2에서 점선으로 표시된 (E)구역이다. 가스온도가 약 500℃∼900℃의 중온역에서는, 상기 양 수관열(4, 9)은 복수의 일측핀부착 수관(B, B, …)에 의한 수관벽구조로 되어 있다. 상기 각 일측핀부착 수관(B)은 각각 상기 각 수관(3)의 일측(상기 가스통로(12)측)에 횡지느러미형상의 다수의 제 1전열핀(14, 14, …)이 다단상으로 마련되어 있다. 가스온도가 저하하면, 체적이 감소하여 가스유속도 저하하지만, 상기 일측핀부착 수관(B)으로 함으로써, 수관 1개 당의 전열면적이 증대하여 전열량이 증가한다.

여기서, 상기 각 제 1전열핀(14)은 각각 상기 수관(3)의 주벽으로부터 상기 가스통로(12)로 향하여 돌출하는 횡지느러미형상으로 그리고 거의 수평하게 마련되어 있으므로, 가스의 유통저항의 증가가 억제된다. 아울러 상기 중온역은 가스온도가 약 900℃이하가 되어 있으므로, 상기 각 제 1전열핀(14)이 소손하는 일이 없고, 또한 상기 각 일측핀부착 수관(B)의 열부하가 너무 높아지는 일도 없다.

또한, 상기 각 제 1전열핀(14)의 설치 피치는, 상류측의 수관(3)일수록 크고 하류측의 수관(3)일수록 작게 하여, 즉 하류측일수록 그 설치갯수를 많게 하여 가스의 흐름을 따라서 전열면적이 순차 증가하도록 설정하고, 상기 각 수관(3)의 열부하의 균등화를 꾀할 수 있다. 상기 전열면적을 순차 증가시키는 구성은, 상기 각 제 1전열핀(14)에서의 상기 수관(3)의 주벽으로부터의 돌출높이를 하류측일수록 높게 한 구성에 의해 실시할 수도 있다. 게다가 상기 설치피치의 조절 및 상기 돌출높이의 조절은 양자의 조합으로 실시할 수도 있다.

또한, 저온역전열면구조(F)에 대하여 설명한다. 저온역 전열면구조는 도2에서 점선으로 표시된 (F)구역이다. 가스온도가 약 500℃이하의 저온역에서는, 상기 제 1수관열(4)은 복수의 무핀 수관(A, A, …)에 의한 수관벽구조로 되어 있으며, 상기 제 2수관열(9)은 복수의 전주핀부착 수관(C, C, …)을 서로 소정의 간격을 두어 배치한 구조로 되어 있다. 상기 각 전주핀부착 수관(C)은, 제 2전열핀(15)으로서, 띠상의 핀부재가 상기 수관(3)의 주벽에 나선형상으로 감아져 있다. 상기 제 2수관열(9)의 내외 양측을 가스가 흐르고, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 외주전체에 가스가 각각 접촉하여 전열이 이루어지도록 되어 있다.

여기서, 상기 각 전주핀부착수관(C)은, 그 내측이 되는 상기 제 1수관열(4) 측이 상기 제 1수관열(4)의 상기 각 무핀 수관(A)에 거의 접촉한 상태로 각각 배치되어 있으며, 또한 상기 제 1수관열(4)과 반대측이 되는 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 외측에는 가스통로벽으로서 기능하는 원호상의 가이드부재(16, 16)가 거의 밀착한 상태로, 그리고 상기 제 2개구부(10)를 사이에 두고 대칭이 되도록 각각 배치되어 있다. 이 양 가이드부재(16)는 상기 저온역전열면구조를 구성하는 부분의 격벽으로서 각각 배치되는 것으로서, 그 각 상류측단부는 상기 중온역전열면구조를 구성하는 상기 제 2수관열(9)의 최하류측에 위치하는 수관에 각각 연결되어 있으며, 또한 그 각 하류측단부는 상기 제 2개구부(10)의 일측을 각각 구획하는 단부로 되어 있다. 또한 상기 양 가이드부재(16)는 가스를 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 따르도록 흐르게 함과 함께, 상기 각 전주핀부착 수관(C)과의 간격을 좁혀서 가스유속을 높임에 의해 전열량을 증가시키는 작용을 이룬다.

상기 저온역에 있어서는, 가스가 상기 제 2수관열(9)의 내외 양측을 흐르므로, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 전열면을 유효하게 작용시킬 수 있음과 동시에, 가스의 유통저항을 낮게 억제할 수 있다. 아울러 상기 저온역은 가스온도가 약 500℃로 되어 있으므로, 상기 각 제 2전열핀(15)과 상기 양 가이드부재(16)의 소손이 방지된다. 즉 상기 제 2전열핀(15)은 상기 중온역의 상기 각 제 1전열핀(14)보다 두께가 얇게 형성되어 있고, 또한 상기 양 가이드부재(16)는 상기 각 수관(3)처럼 냉각매체가 되는 물과의 접촉이 없기 때문에, 가스온도가 높으면 소손하기 쉽지만, 상기 저온역의 가스온도는 상기 중온역에서의 전열에 의해 약 500℃이하로 저하하므로, 소손이 확실하게 방지된다. 또한 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 열부하 가 너무 높아지는 일도 없다.

또한, 상기 각 제 2전열핀(15)의 각각의 권취 피치는, 상기 각 수관(3)과도 같게 할 수도 있으며, 하류측의 수관(3)일수록 작게 하여 전열면적을 순차 증가시킨 구성으로 할 수도 있다. 전열면적을 순차 증가시키면, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 열부하의 균등화를 꾀할 수 있다.

그런데, 이 제 1실시예에 있어서는, 상기 제 2개구부(10)의 거의 중앙부에 가스안내용 수관(17)을 마련한다. 이 가스안내용 수관(17)은 가스를 최하류위치, 즉 상기 제 2개구부(10)의 양측에 위치하는 2개의 상기 전주핀부착 수관(C, C)을 따라서 안내하면서 상기 연도(13)로 인도하는 작용을 한다. 상기 가스안내용 수관(17)을 마련함으로써, 최하류위치에 위치하는 상기 양 전주핀부착 수관(C, C)에서의 전열을 효과적으로 행할 수 있음과 동시에, 상기 가스안내용 수관(17)자체도 열을 회수하는 작용을 하며, 전열량이 증가한다. 이 제 1실시예에 있어서는, 상기 가스안내용 수관(17)에 상기 제 2전열핀(15)이 마련되어 있다.

상기 제 2수관열(9)의 외측에는 단열재(18)가 마련되며, 또한 그 외측에 통체커버(19)가 마련되어 있다.

이상의 구성의 관류보일러에 있어서, 그 작용을 설명한다. 상기 버너(8)를 작동시키면, 상기 연소실(7)내에서 연소반응이 행하여지며, 연소반응이 거의 완료한 고온의 가스가 상기 제 1개구부(5)를 지나서 상기 가스통로(12)로 유입한다. 상기 가스통로(12)에 유입한 가스는 2방향으로 나뉘어져 상기 가스통로(12)를 각각 흐른다. 가스가 상기 양 가스통로(12)를 흐를 때, 가스의 열이 상기 각 수관(3)내 의 피가열유체에 전달되며, 가스의 온도는 하류측으로 갈수록 저하한다. 상기 제 2개구부(10)에서 합류한 가스는 상기 연도(13)를 통해 배가스로서 외부로 배출된다. 그리고, 상기 각 수관(3)내의 피가열유체는 가열되면서 상승하고, 상기 상부관입구(1)로부터 증기로서 취출된다.

상기 양 가스통로(12)로 각각 향하는 상기 양 수관열(4, 9)의 전열면구조를 상기 3단계의 전열면구조로 함으로써, 전열량이 증가하고, 보일러효율이 현저히 향상한다. 특히, 상기 중온역 및 상기 저온역의 전열량이 대폭으로 증가한다. 게다가 전체적으로 가스의 유통저항을 증대시키는 일없이 그리고 상기 수관의 열부하가 너무 높아지지 않도록 하면서 보일러효율을 향상시킬 수 있다. 가스의 유통저항이 증대하지 않기 때문에, 능력이 비교적 작은 송풍기를 사용할 수 있으며, 또한 수관의 열부하가 너무 높아지지 않기 때문에, 스케일이 부착하기 어렵고 상기 수관의 소손을 확실하게 방지할 수 있다.

여기서, 상기 중온역전열면구조(E)를 마련함에 의한 효과에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 상기 중온역전열면구조(E)를 마련함으로써, 가스온도를 보다 상류위치에서 약 50℃까지 저하시킬 수 있으며, 전열량의 증가에 대하여 효과가 큰 상기 저온역전열면구조(F)를 보다 상류위치를 시점으로 하여 마련할 수 있다. 이는, 상기 중온역전열면구조에 의한 전열량의 증가와 함께 더욱 전열량의 증가에 대단히 효과적이다.

그리고, 상기 중온역전열면구조를 마련함으로써, 상기 중온역에서의 상기 양 가스통로(12)의 길이를 각각 짧게 할 수 있으며, 그 만큼 상기 수관(3)의 개수를 줄일 수 있다. 따라서, 통체의 외경을 작게 하여 슬림한 통체로 할 수 있으며, 공간의 감소화를 꾀할 수 있다.

그런데, 상기 전열면구조에 의하면, 통체의 외벽의 온도를 낮게 억제할 수도 있다. 즉, 가스온도가 상대적으로 높은 상기 고온역 및 상기 중온역에서는, 상기 제 2수관열(9)을 수관벽구조로 하고 있기 때문에, 상기 제 2수관열(9)의 외측은 비교적 저온으로 되어 있다. 또한 상기 저온역에서는 가스온도가 저하하고 있기 때문에, 상기 양 가이드부재(16)의 각각의 외측은 비교적 저온으로 되어 있다. 따라서, 상기 전열면구조에 의하면, 상기 양 가이드부재(16) 및 상기 단열재(18)로서 비교적 내열성이 낮은 것을 이용할 수 있음과 동시에, 상기 단열재(18)를 두껍게 할 필요가 없고, 통체의 외경을 작게 할 수 있다. 도2에서 "→"는 가스의 흐름방향을 나타낸다.

다음으로, 도 3에 나타내는 제 2실시예에 대하여 설명한다. 여기서, 상기 제 1실시예와 동일한 구성부재에는 동일한 참조부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 그런데, 이 제 2실시예에 있어서는, 상기 양 가이드부재(16)는 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 외주, 즉 상기 각 전주핀부착 수관(C)으로 구성되는 제 2수관열(9)의 반경방향 외측의 전열면을 따라서 각각 요철상으로 형성되어 있고, 상기 양 가이드부재(16)와 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 구성하는 수관(3)의 사이에는 원호상의 가스통로(12, 12)가 각각 형성되어 있다. 이 양 가스통로(12)의 폭은 상기 제 2전열핀(15)의 돌출높이에 각각 상당한다. 상기 양 가이드부재(16)는 가스를 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 따라서 흐르도록 함과 동시에 상기 각 전주핀부착 수관(C)과의 간격을 각각 좁혀서 가스유속을 높임으로써, 전열량을 증가시키는 작용을 한다.

여기서, 상기 양 가이드부재(16)를 마련함에 의한 효과에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 상기 양 가이드부재(16)를 마련함으로써, 전열량의 증가에 대하여 효과가 큰 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 전열면전체를 유효하게 활용할 수 있다. 즉, 가스가 상기 양 가이드부재(16)와 상기 각 전주핀부팍 수관(C)을 구성하는 수관(3)과의 사이를 흐름과 동시에 상기 제 1수관열(4)을 구성하는 수관(3)과 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 구성하는 수관(3)과의 사이를 흐르며, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 내외 양측을 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 따르도록 흐른다. 또한, 상기 양 가이드부재(16)를 마련함으로써, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 외측의 유로단면적이 좁아지며, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 외측을 흐르는 가스의 유속이 증가하고, 전열량이 증가한다. 그리고, 상기 양 가이드부재(16)의 돌부(22)(도 6∼도 9 참조)가 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 사이에 가스가 체류하는 것을 방지하여 전열량의 증가에 의해 효과적이다. 또한, 상기 양 가이드부재(16)는 요철상으로 형성되어 있으므로, 가열 및 냉각의 반복에 의한 팽창, 수축을 흡수하여 열응력을 완화할 수 있으며, 내구성에도 뛰어나다.

다음으로, 도 4에 나타내는 제 3실시예에 대하여 설명한다. 여기에서도 상기 각 실시예와 동일한 구성부재에는 동일한 참조부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 그런데, 이 제 3실시예에서는, 상기 제 2실시예의 요철상의 가이드부재(16, 16)외에도 상기 저온역전열면구조를 구성하는 상기 제 1수관열(4)을 복수의 일측핀부착 수관(B, B, …)에 의한 수관벽구조로 하고 있고, 이들의 각 일측핀부착 수관(B)의 전열핀으로서 제 3전열핀(20)이 각각 마련되어 있다. 이들의 각 제 3전열핀(20)은 평판상의 핀부재가 상기 제 1수관열(4)의 수관(3)의 주벽에 그 축방향을 따라서 연장한 상태로 각각 마련되며, 그 각 선단부가 상기 제 2수관열(9)의 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 사이를 향하여 돌출하고 있다.

상기 각 제 3전열핀(20)을 마련함으로써, 상기 양 가이드부재(16)의 돌부(22)에 의한 가스체류방지효과와 함께, 상기 전주핀부착 수관(C)의 사이에 가스가 체류하는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 각 제 3전열핀(20)은 가스통로(12)의 반경방향의 폭을 넓히지 않고 상기 제 1수관열(4)의 수관(3)에 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 접촉시킨 상태에서 마련할 수 있으며, 가스유속의 유지 및 통체의 슬림화의 점에서도 효과적이다.

또한, 도 5에 나타내는 제 4실시예에 대하여 설명한다. 여기에서도 상기 각 실시예와 동일한 구성부재에는 동일한 참조부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 그런데, 이 제 4실시예에 있어서는, 저온역의 제 1수관열(4)에 제 4전열핀(21, 21, …)이 마련되어 있다. 이 각 제 4전열핀(21)은 각각 상기 중온역에서의 상기 각 제 1전열핀(14)과 마찬가지로, 횡지느러미형상으로 하고, 평판상의 핀부재가 거의 수평하게 그리고 수관(3)의 축방향으로 다단형상으로 마련되어 있다. 상기 각 제 4전열핀(21)은 상기 각 제 1전열핀(14)으로부터 상기 수관(3)의 원주방향으로 넓어지며, 1장 당의 전열면적이 크게 되어 있다.

이상과 같이, 상기 각 실시예에 있어서는, 상기 중온역전열면구조(E)로서 상기 양 수관열(4, 9)을 상기 일측핀부착 수관(B)에 의한 수관벽구조로 하고 있지만, 한쪽의 수관열만 상기 일측핀부착 수관(B)에 의한 수관벽구조로 하고, 다른 쪽의 수관열을 상기 무핀 수관(A)에 의한 수관벽구조로 할 수 있다. 또한, 상기 양 수관열(4, 9)을 상기 무핀 수관(A)에 의한 수관벽구조로 할 수도 있다.

그런데, 이상의 상기 각 실시예는, 상기 가스통로(12)에 있어서, 상기 제 1개구부(5)로부터 유입한 가스가 2방향으로 나뉘어져 흘러서, 상기 제 2개구부(10)에서 합류하는 형식의 통체에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 예를 들어 일본국 실개평 7-12701호공보에 기재되어 있는 바와 같이, 상기 제 1개구부(5)로부터 유입한 가스가 일방향으로 상기 가스통로(12)를 거의 일주하도록 흐르는 형식의 통체에도 적용할 수 있다. 또한 본 발명은, 예를 들어 일본국 특개평 10-26303호공보에 기재되어 있는 바와 같이, 상기 제 1개구부(5)를 상기 제 1수관열(4)에 원주방향으로 거의 등분하여 복수개 마련하고, 이들 각 제 1개구부(5)에 대응시켜 상기 가스통로(12)를 복수의 블록으로 분할한 구성의 통체에도 적용할 수 있다.

다음으로, 상기 가이드부재(16)의 변형예에 대하여, 요부만을 확대하여 나타내는 도 6∼도 9에 의거하여 설명한다. 여기에서도 상기 각 실시예와 동일한 구성부재에는 동일한 참조부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저 도 6에 나타내는 제 1변형예에 대하여 설명한다. 이 제 1변형예에서는, 평판을 굴곡시켜서 상기 가이드부재(16)를 형성하고 있다. 상기 가이드부재(16)의 돌부(22)는 첨두(尖頭)형상을 나타내고 있으며, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 사이를 향하여 보다 깊게 돌출하고 있다. 이에 따라서, 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 사이에서의 가스의 체류를 방지하는데 효과적이다.

다음으로, 도 7에 나타내는 제 2변형예에 대하여 설명한다. 이 제 2변형예에서는, 상기 가이드부재(16)의 돌부(22)에서의 상기 가스통로(12)측에 다수의 돌기(23, 23, …)를 마련하고 있다. 이들의 각 돌기(23)는 평판을 사다리형으로 형성한 핀부재가 수평 또는 적절히 경사진 상태로 상기 수관(3)의 축방향에서 다단이 되도록 마련되어 있다. 상기 각 돌기(23)는 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 사이에서의 난류를 촉진하는데 효과적이다.

다음으로, 도 8에 나타내는 제 3변형예에 대하여 설명한다. 이 제 3변형예에서는, 상기 가이드부재(16)의 내측, 즉 상기 각 전주핀부착 수관(C)측에 다수의 돌기(23, 23, …)를 마련하고 있다. 이들의 각 돌기(23)는 삼각형상의 핀부재가 상기 가이드부재(16)의 내측 전면에 마련되어 있다. 상기 각 돌기(23)를 마련함으로써, 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 구성하는 수관과 상기 가이드부재(16)의 사이에서 가스의 흐름이 혼란하게 되며, 난류가 촉진되어 전열량이 증대한다.

또한, 도 9에 도시하는 제 4변형예에 대하여 설명한다. 이 제 4변형예에서는, 상기 가이드부재(16)로서, 파형판을 이용하여 형성함으로써, 상기 가이드부재(16)의 내측, 즉 상기 각 전주핀부착 수관(C)측에 다수의 돌기(23, 23, …)를 형성하고 있다. 이들의 각 돌기(23)의 작용은 상기 제 3변형예와 동일하다.

본 발명에 의하면, 가스통로로 향하는 전열면구조를 전체적으로 연구하여 3단계의 전열면구조로 함으로써, 가스온도에 따라서 최적의 전열면구조로 할 수 있으며, 보일러효율을 현저히 향상시킬 수 있다. 또한 고온역전열면구조와 저온역전 열면구조의 사이에 중온역전열면구조를 마련함으로써, 가스온도를 보다 상류위치에서 저하시킬 수 있으며, 전열량의 증가에 대하여 효과가 큰 저온역전열면구조를 보다 상류위치를 시점으로 하여 마련할 수 있다. 또한, 동일 증발량의 통체와 비교하여 수관의 수를 줄일 수 있으므로, 통체의 외경을 보다 작게 하여 슬림한 통체로 할 수 있다.

그리고, 본 발명에 의하면, 전주핀부착 수관의 전열면전체를 유효하게 활용하여 보일러효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 전주핀부착 수관의 외측에 가이드부재를 마련하고 있으므로, 가스가 전주핀부착 수관의 외주를 따라서 흐름과 동시에 가스유속이 증대하고, 이에 따라서 전주핀부착 수관의 전열면전체를 유효하게 작용시켜 전열을 할 수 있으며, 전열량을 현저히 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 복수의 수관(3)에 의해 구성되며, 제 1개구부(5)를 구비한 환상의 제 1수관열(4)과, 복수의 수관(3)에 의해 구성되며, 제 2개구부(10)를 구비한 환상의 제 2수관열(9)로 이루어지며, 상기 제 1수관열(4)의 외측에 상기 제 2수관열(9)을 배치함과 동시에, 상기 제 1수관열(4)의 내측에 연소실(7)을 마련하고, 상기 양 수관열(4, 9)의 사이에 상기 제 1개구부(5)로부터 상기 제 2개구부(10)에 이르는 가스통로(12)를 형성하고, 이 가스통로(12)로 향하는 전열면(傳熱面)을 상기 제1개구부(5)로부터 상기 제2개구부(10)에따라 고온역전열면구조(D), 중온역전열면구조(E) 및 저온역전열면구조(F)로 구성한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고온역전열면구조(D)는 상기 양 수관열(4, 9)이 무핀 수관(A)에 의한 수관벽구조이며, 상기 중온역전열면구조(E)는 적어도 상기 제 2수관열(9)이 일측핀부착 수관(B)에 의한 수관벽구조이며, 상기 저온역전열면구조(F)는 상기 제 1수관열(4)이 무핀 수관(A)에 의한 수관벽구조이며, 상기 제 2수관열(9)이 전주(全周)핀부착 수관(C)을 서로 소정의 간격을 두고 배치한 구조인 것을 특징으로 하는 수관보일러.
3. 제 1항에 있어서, 상기 고온역전열면구조(D)는 상기 양 수관열(4, 9)이 무핀수관(A)에 의한 수관벽구조이며, 상기 중온역전열면구조(E)는 적어도 상기 제 2수관열(9)이 일측핀부착 수관(B)에 의한 수관벽구조이며, 상기 저온역전열면구조(F)는 상기 제 1수관열(4)이 일측핀부착 수관(B)에 의한 수관벽구조이며, 상기 제 2수관열(9)이 전주핀부착 수관(C)을 서로 소정의 간격을 두고 배치한 구조인 것을 특징으로 하는 수관보일러.
4. 제 1항에 있어서, 상기 저온역전열면구조(F)를 구성하는 부분의 상기 제 2수관열(9)이 복수의 전주핀부착 수관(C)을 서로 소정의 간격을 두고 배치한 구조이며, 이들 각 전주핀부착 수관(C)의 외측에 가이드부재(16)를 마련한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
5. 제 4항에 있어서, 상기 가이드부재(16)를 상기 각 전주핀부착 수관(C)을 따라서 요철상으로 형성한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
6. 제 4항에 있어서, 상기 가이드부재(16)의 내측에 다수의 돌기(23)를 마련한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
7. 제 3항에 있어서, 상기 저온역전열면구조(F)를 구성하는 상기 일측핀부착 수관(B)이 그 축방향을 따라서 연장된 상태로 마련된 제 3전열핀(20)으로써 구성되어 있고, 상기 제 3전열핀(20)이 상기 각 전주핀부착 수관(C)의 사이로 돌출하고 있는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
8. 제 3항에 있어서, 상기 저온역전열면구조(F)를 구성하는 상기 일측핀부착 수관(B)이, 그 축방향으로 다단형상이며 그리고 거의 수평하게 마련된 평판상의 제 4전열핀(21)으로써 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수관보일러.

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