KR100790306B1 - 전기 가열 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 히터를 이용하여 열매체(heat medium)를 가열하고 물을 상기 열매체와 열교환하여 가열하도록 구성된 전기 가열 보일러에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전기 가열 보일러는, 열매체가 수용되는 용기 및 상기 용기 내에 구비되어 상기 열매체를 가열하는 히터를 포함하는 가열부; 상기 히터에 의해 가열되어 증발한 열매체가 통과하는 다수의 튜브를 가지며 상기 가열부 위에 배치된 튜브형 열교환기; 상기 튜브형 열교환기의 상부에 연결되고, 상기 튜브형 열교환기를 통과한 비점 이상의 열매체가 유입되는 코일형 열교환기; 상기 코일형 열교환기를 둘러싸도록 배치되고, 일측에 형성된 유입구를 통해 냉수를 도입하여 상기 코일형 열교환기와 열교환시키는 제1 열교환부; 및 상기 튜브형 열교환기를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제1 열교환부를 통과한 물을 도입하여 상기 튜브형 열교환기와 열교환시킨 후 일측에 마련된 배출구로 배출하는 제2 열교환부를 포함하여 이루어진다.

가열부, 열교환기, 열교환부, 열매체, 물, 반사판, 공기층

Description

전기 가열 보일러{Electric heating apparatus}

본 발명은 전기 히터를 이용하여 열매체(heat medium)를 가열하고 물을 상기 열매체와 열교환하여 가열하도록 구성된 전기 가열 보일러에 관한 것이다.

보일러는 난방이나 온수 공급 등을 목적으로 물을 가열하는 기기를 말한다. 이러한 보일러는 일반적으로 탱크 내에 저장된 물을 직접 가열하는 직접 가열식 보일러와, 히터로 열매체를 가열한 후 열매체를 물과 열교환하여 물을 가열하는 간접 가열식 보일러로 나뉠 수 있다.

후자, 즉 간접 가열식 보일러는, 예를 들어, 열매체를 가열하는 히터 및 열매체와 물이 열교환하는 열교환기를 포함하여 이루어진다. 상기 히터에 의해 가열된 열매체는 상기 열교환기를 거치면서 냉각된 후 다시 회수되어 상기 히터에 의해 재가열되고, 상기 열교환기를 지나 가열된 물은 난방 또는 온수 공급을 목적으로 사용된다.

위와 같이 구성된 일반적인 간접 가열식 보일러는, 그러나, 상기 열매체와 물의 열교환 효율이 떨어지므로 많은 열에너지가 상기 물에 전달되지 못하여 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 일반적인 보일러는 가열부에서 발열하는 히터의 열이 외부로 전도되어 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 일 형태에서는, 열매체가 수용되는 용기 및 상기 용기 내에 구비되어 상기 열매체를 가열하는 히터를 포함하는 가열부; 상기 히터에 의해 가열되어 증발한 열매체가 통과하는 다수의 튜브를 가지며 상기 가열부 위에 배치된 튜브형 열교환기; 상기 튜브형 열교환기의 상부에 연결되고, 상기 튜브형 열교환기를 통과한 비점 이상의 열매체가 유입되는 코일형 열교환기; 상기 코일형 열교환기를 둘러싸도록 배치되고, 일측에 형성된 유입구를 통해 냉수를 도입하여 상기 코일형 열교환기와 열교환시키는 제1 열교환부; 및 상기 튜브형 열교환기를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제1 열교환부를 통과한 물을 도입하여 상기 튜브형 열교환기와 열교환시킨 후 일측에 마련된 배출구로 배출하는 제2 열교환부를 포함하여 이루어진 전기 가열 보일러를 제공한다.

본 발명의 일 형태에 따른 전기 가열 보일러에서, 상기 가열부는, 상기 용기의 내부에 상기 히터를 둘러싸도록 배치되어 상기 히터의 복사열을 반사하는 반사 판; 및 상기 반사판과 상기 용기 사이에 형성된 공기층을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 형태에 따른 전기 가열 보일러에서, 상기 코일형 열교환기의 상단에는 에어 벤트 또는 열매체 주입구가 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면, 난방 또는 온수 공급 등을 목적으로 사용되는 물이 히터에 의해 비점 이상으로 가열된 열매체와 두 번 열교환하면서 가열된다. 그리고, 가열부에는 히터의 열을 반사시키는 반사판과 단열 기능을 하는 공기층이 용기 안쪽에 마련되므로 가열부에서의 열 손실을 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전기 가열 보일러는 에너지 효율이 매우 높은 효과가 있다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 가열 보일러의 가열부와 제1 열교환부를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 제1 열교환부 위에 열교환 코일이 연결된 모습을 나타낸 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전기 가열 보일러를 나타낸 개략도이다.

본 발명에 따른 전기 가열 보일러는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 가열부(100), 튜브형 열교환기(200), 코일형 열교환기(300), 제1 열교환부(400), 그리고 제2 열교환부(600)를 포함하여 이루어진다.

상기 가열부(100)는 내부에 열매체가 수용되는 용기(110)와 상기 용기(110)의 내부에 열매체를 가열하도록 설치되는 히터(120)를 포함하여 이루어진다. 상기 열매체는 예를 들어 물 또는 물보다 비점이 높은 액체로 이루어질 수 있으며 상기 용기(110) 내에 충진된다.

상기 가열부(100)의 용기(110) 내에는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 반사판(130)이 더 구비될 수 있다. 상기 반사판(130)은 상기 용기(110)의 내벽에서 소정 간격 떨어지게 배치되며, 상기 반사판(130)과 상기 용기(110)의 내벽 사이에는 공기층(140)이 형성된다. 상기 반사판(130)은, 예를 들어 상기 히터(120)를 둘러싸도록 배치되며, 복사율이 높은 재질, 예를 들어 STS 304(e=0.95 이상) 재질로 이루어질 수 있다.

위와 같이, 상기 용기(110) 내에 복사율이 높은 반사판(130)과 단열 기능을 하는 공기층(140)이 마련되면, 상기 용기(110) 외부로 열이 전도되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 히터(120)에 가해지는 열에너지는 에너지 손실이 최소화되어 상기 용기(110) 내에 수용된 열매체를 가열하는데 사용된다.

상기 튜브형 열교환기(200)는 상기 히터(120)의 위에 설치된다. 상기 튜브형 열교환기(200)에는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 가열부(100)의 용기(110)와 연통된 다수의 튜브(210)가 구비되며, 상기 다수의 튜브(210) 상단에는 이들을 연결하는 열교환기 헤드(220)가 구비된다.

상기 가열부(100)의 용기(110) 내에서 상기 히터(120)에 의해 가열된 열매체는 비점 이상으로 가열되어 기화한 후 상기 튜브형 열교환기(200)의 각 튜브(210) 내로 유입되고, 각 튜브(210)를 따라 위쪽으로 상승한다.

상기 코일형 열교환기(300)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 튜브형 열교환기(200)의 상부에 마련된다. 상기 코일형 열교환기(300)의 하단부는 상기 튜브형 열교환기(200)의 헤드(220)와 연결되고, 상기 코일형 열교환기(300)의 중간 부분은 도 2에 도시된 바와 같이 여러 번 권취되며, 그 내부로는 상기 튜브형 열교환기(200)를 통과한 비점 이상의 열매체가 유입된다.

상기 코일형 열교환기(300)의 상단에 도시된 부호(310)은 열매체 주입구로 이루어질 수 있다. 상기 열매체 주입구(310)는 상기 열매체를 상기 코일형 열교환기(300) 내에 주입할 수 있도록 해준다. 상기 코일형 열교환기(300)에 주입된 열매체는 상기 튜브형 열교환기(200)를 거쳐 상기 가열부(100)의 용기(110) 내로 유입된다.

상기 제1 열교환부(400)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 코일형 열교환기(300)를 둘러싸도록 배치된다. 상기 제1 열교환부(400)는 상기 코일형 열교환기(300)를 둘러싸는 일종의 케이싱으로, 그 일측에는 냉수를 안쪽으로 도입하는 유입구(410)가 형성된다. 상기 유입구(410)를 통해 상기 제1 열교환부(400)의 내부 공간으로 유입된 냉수는 상기 코일형 열교환기(300)와 열교환하면서 가열되며, 상기 코일형 열교환기(300) 내의 열매체는 상기 제1 열교환부(400) 내의 냉수와 열교환하면서 냉각되어 응축된다. 상기 코일형 열교환기(300) 내에서 응축된 열매체는 상기 튜브형 열교환기(200)를 거쳐 최종적으로 상기 가열부(100)의 용기(110) 내로 유입된 후 상기 히터(120)에 의해 다시 가열된다.

상기 제1 열교환부(400)의 상부에는 도 3에 도시된 바와 같이 에어 벤트(430)가 구비될 수 있다. 상기 에어 벤트(430)는 물이 과열되었을 때 증기를 배출함으로써 본 발명에 따른 전기 가열 보일러의 고장이나 사고 발생을 방지해 준다.

상기 제1 열교환부(400)의 타측, 예를 들어 상부에는 출구(420)가 마련되는데, 상기 제1 열교환부(400) 내에서 상기 코일형 열교환기(300) 내의 열매체와 열교환하여 가열된 물은 상기 출구(420)를 통해 상기 제1 열교환부(400)의 외부로 배출된다. 상기 출구(420)에는 도 3에 도시된 바와 같이 연결관(500)이 연결되며, 상기 연결관(500)은 상기 제2 열교환부(600)와 연결된다. 따라서, 상기 제1 열교환부(400)를 통과한 물은 상기 연결관(500)을 거쳐 상기 제2 열교환부(600)로 유입된다.

상기 제2 열교환부(600)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 튜브형 열교환기(200)를 둘러싸도록 설치된다. 상기 제2 열교환부(600)의 하부에는 상기 연결관(500)이 연결되는 입구(610)가 구비되므로, 상기 입구(610)를 통해 상기 제1 열교환부(400)에서 1차로 가열된 물이 상기 제2 열교환부(600) 내로 도입된다.

상기 제2 열교환부(600)의 내부에는 상기 튜브형 열교환기(200)가 위치해 있다. 따라서, 연결관(500)을 통해 유입된 물은 상기 제2 열교환부(600)의 내부에서 상기 튜브형 열교환기(200)와 열교환하면서 가열된다. 이때, 상기 튜브형 열교환기(200)의 튜브(210)를 지나는 열매체의 일부는 상기 제2 열교환부(600) 내의 물과 열교환하면서 냉각되어 응축된 후 상기 가열부(100)의 용기(110) 내로 떨어진다. 그러나, 응축되지 않은 열매체는 상승하여 상기 코일형 열교환기(300)로 유입된다.

상기 제2 열교환부(600)의 일측, 즉 상부에는 도 3에 도시된 바와 같이 배출구(620)가 구비된다. 따라서, 상기 제2 열교환부(600) 내에서 가열된 물은 상기 제2 열교환부(600) 내에서 자연 대류에 의해 상승한 후 상기 배출구(620)를 통해 외부로 배출된다. 한편, 상기 배출구(620)는 온수 또는 난방 시설과 연결되므로 상기 제2 열교환부(600)에서 가열된 물은 온수 또는 난방 용도로 사용된다.

위와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기 가열 보일러는 다음과 같이 작동한다.

먼저, 상기 히터(120)에 전원이 공급되면, 상기 히터(120)가 발열하면서 복사열이 상기 가열부(100)의 상기 용기(110) 내에 수용된 열매체를 가열한다. 이때, 상기 용기(110)의 내부에 배치된 상기 반사판(130)이 상기 히터(120)의 복사열을 반사하므로 상기 열매체의 가열이 촉진되며, 상기 반사판(130) 및 상기 공기층(140)이 상기 용기(110) 외부로의 열 누출을 효과적으로 방지해 준다.

상기 가열부(100) 내의 열매체가 비점 이상으로 가열되어 증발하면, 기화된 열매체는 상기 튜브형 열교환기(200)의 각 튜브(210)로 인입되어 상승한다. 이때, 상기 제2 열교환부(600) 내에 수용된 물이 상기 튜브형 열교환기(200)와 열교환하면서 가열되고, 상기 튜브(210)를 지나는 열매체의 일부는 응축되어 아래로 떨어진다. 상기 제2 열교환부(600)의 내에는 위에서 설명한 바와 같이 상기 제1 열교환부(400)에서 1차로 데워진 물이 유입되므로, 상기 튜브형 열교환기(200)와 열교환하면서 상당한 온도로 가열된다.

상기 튜브(210)를 지나는 기상의 열매체는 상기 열교환기 헤드(220)로 모인 후 상승하여 상기 코일형 열교환기(300)로 유입된다. 그리고, 상기 코일형 열교환기(300)를 지나는 열매체는 상기 제1 열교환부(400) 내에 유입된 냉수와 열교환하면서 응축된 후 아래로 떨어진다. 상기 제1 열교환부(400)에는 냉수가 유입되므로, 상기 코일형 열교환기(300) 내의 열매체는 응축되어 아래로 떨어진다.

한편, 냉수는 상기 제1 열교환부(400) 내에서 상기 코일형 열교환기(300)에 의해 1차적으로 데워지고, 상기 연결관(500)을 통해 상기 제2 열교환부(600)로 유입된다. 그리고, 상기 제2 열교환부(600)로 유입된 물은 상기 튜브형 열교환기(200)와 열교환하면서 높은 온도로 가열된 후 상기 배출구(620)를 통해 온수 시설이나 난방 시설로 공급된다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 온수 또는 난방 등의 목적으로 사용되기 위한 물이 히터에 의해 가열된 열매체와 두 번 열교환한다. 따라서, 열매체의 열이 상기 물에 충분히 전달되므로 에너지 효율이 높다. 이에 더해, 가열부에 반사판과 공기층이 구비되는데, 상기 반사판과 공기층은 열이 용기 밖으로 누출되는 것을 효과적으로 방지하고 열매체로 전달될 수 있게 해준다. 따라서, 본 발명에 따른 전기 가열 보일러는 높은 에너지 효율을 제공해준다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 다른 여러 형태로 구체화될 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하 며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 가열 보일러의 가열부와 제1 열교환부를 나타낸 개략도;

도 2는 도 1의 제1 열교환부 위에 열교환 코일이 연결된 모습을 나타낸 개략도; 및

도 3은 본 발명에 따른 전기 가열 보일러를 나타낸 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100: 가열부 110: 용기

120: 히터 130: 반사판

140: 공기층 200: 튜브형 열교환기

210: 튜브 300: 코일형 열교환기

400: 제1 열교환부 410: 유입구

500: 연결관 600: 제2 열교환부

Claims (4)

1. 열매체가 수용되는 용기 및 상기 용기 내에 구비되어 상기 열매체를 가열하는 히터를 포함하는 가열부;

   상기 히터에 의해 가열되어 증발한 열매체가 통과하는 다수의 튜브를 가지며 상기 가열부 위에 배치된 튜브형 열교환기;

   상기 튜브형 열교환기의 상부에 연결되고, 상기 튜브형 열교환기를 통과한 비점 이상의 열매체가 유입되는 코일형 열교환기;

   상기 코일형 열교환기를 둘러싸도록 배치되고, 일측에 형성된 유입구를 통해 냉수를 도입하여 상기 코일형 열교환기와 열교환시키는 제1 열교환부; 및

   상기 튜브형 열교환기를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제1 열교환부를 통과한 물을 도입하여 상기 튜브형 열교환기와 열교환시킨 후 일측에 마련된 배출구로 배출하는 제2 열교환부를 포함하여 이루어진 전기 가열 보일러.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열부는,

   상기 용기의 내부에 상기 히터를 둘러싸도록 배치되어 상기 히터의 복사열을 반사하는 반사판; 및

   상기 반사판과 상기 용기 사이에 형성된 공기층을 더 포함하여 이루어진 전기 가열 보일러.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 코일형 열교환기의 상단에는 에어 벤트가 구비된 것을 특징으로 하는 전기 가열 보일러.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 코일형 열교환기의 상단에는 열매체 주입구가 구비된 것을 특징으로 하는 전기 가열 보일러.

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