KR100868521B1 - 보일러시스템용 열증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러시스템에서 사용될 수 있는 열증폭기에 관한 것이다. 특히 우수한 열효율 및 에너지 효율을 얻을 수 있도록 된 열증폭기, 유효하게 제작 및 설치할 수 있는 열증폭기를 제공하고자 한다. 본 발명의 열증폭기는 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 전열관과 유로 가이드를 포함한다. 상기 전열관은, 바람직하게, 동축으로 배열된 내·외관 사이에 아스콘이 충진된 것을 이용한다. 상기 하우징의 내부에는 전열관의 설치 및 환수를 위한 격판이 대향 배치되며, 덮개와 베이스가 하우징의 상·하에 제공된다. 본 발명의 증폭기는, 하우징의 내부에 유입된 저온수가 본 발명의 열증폭기의 전열관을 순환하면서 지나면서 중온수로 되어 보일러에 환수되는 순환 사이클을 갖는다.

보일러, 열증폭기, 가이드, 내관, 외관, 아스콘, 덮개, 베이스

Description

보일러시스템용 열증폭기 {Heat amplifier for boiler system}

본 발명은 난방용의 보일러시스템에서 일반적으로 사용되는 열교환기(heat exchanger)를 대체하여 유효하게 적용될 수 있는 열증폭기에 관한 것이다.

통상의 난방용 보일러시스템은 연소열을 제공하는 보일러와, 상기 보일러에 의해 가열된 유체가 통과하는 열교환기와, 상기 열교환기를 경유하도록 연결된 난방용 배관으로 이루어진다.

도 1을 참조하면, 통상의 보일러시스템에서 일반적으로 사용되는 열교환기가 부호 100으로 표시되어 있다. 상기 열교환기(100)는 필요로 하는 전열량(傳熱量)을 고려하여 코일형, 지그재그형, 기타 형태로 특별하게 설계되는 내부 전열(傳熱)관(101)을 포함한다.

상기 열교환용 전열관(101)은 보일러에 의하여 가열된 유체가 순환 통과하면 서 고온으로 되고, 이 때 난방 배관에서 저온으로 환수된 물이 상기 열교환기(100) 전열관(101) 부분을 지나면서 열전도가 발생되어 고온 난방용으로 급수되는 것이다. 상기 난방 배관 상의 환수 및 급수는 순환펌프에 의하여 가능하게 된다.

다른 시스템에서는, 순환펌프의 작동으로 환수된 저온의 물이 열교환기의 내부 전열관 및 보일러를 계속 경유하고 다시 보일러 및 열교환기를 경유하여 고온 난방용으로 공급되기도 한다. 이 경우에 열교환기의 내부 전열관에 근접하지 못한 채 열교환기를 통과하는 저온수의 양이 많이 발생하게 된다. 따라서 만족할 수준의 전열 및 고온수를 얻을 수가 없게 된다.

한편, 상기한 열교환용 전열관(101)으로서 전열을 위하여 당연히 금속관이 사용되며, 용도에 따라서는 단관식, 이중관식, 다중관식 파이프가 사용된다. 형태면에서 보면, 지금까지의 보일러시스템에서는 상기한 형태의 열교환기(100) 및 열교환용 전열관(101)이 일반적으로 사용되고 있다.

그러나 이러한 유형의 열교환기들은, 금속 파이프가 열축적에 취약한 관계로, 기본적으로 열손실 및 에너지 손실이 많은 문제가 있다. 이에, 전열관(101)의 한쪽 또는 양쪽에 핀(fin)을 다량으로 설치하기도 하고, 물결모양의 판을 겹쳐서 격판으로 사용하기도 하여, 열교환기의 문제를 해결하고자 하는 시도들이 있어왔다.

어떠한 형태이든 필요한 정도의 전열량을 얻기 위하여는 구조적으로 매우 복잡하게 설계된다. 그럼에도 단위 면적당 전열량에 한계가 있고, 발휘되는 전열량에 비해 장치는 대형화될 수밖에 없다. 이것은 에너지 효율이 떨어지는 문제, 이를 극복하기 위하여 장치가 복잡해지고 대형화되는 문제를 야기하게 된다.

한편으로, 열교환기에 작동 장애가 발생할 경우에는 그 전체를 대상으로 수리보수 및 교체를 하여야 하므로, 그 보수 작업이 쉽지 않으며 또한 경제적으로도 불리한 문제들이 있다.

상기한 종래 보일러시스템에서 사용되는 열교환기의 문제점을 해결하고자, 본 발명자는 특허출원 제10-2008-0031780호로 "보일러시스템용 열증폭기"를 제안하였다. 제안된 열증폭기는 종래 열교환기를 대체하며, 비교적 간단한 구조로 구현이 가능한 동시에 규모가 크지 않아도 우수한 전열효과와 고온수를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그리고 장애가 발생할 경우의 수리 및 교체를 위한 작업이 쉽고 경제적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다.

다만, 상기 제안된 열증폭기는 열증폭의 원리를 설명하기 위하여 필요한 구성만을 개시하고 있다. 이에, 본 발명에서는 상기한 선출원 발명에 따른 열증폭기를 구체적으로 구현 가능하도록 설계된 즉, 제작 및 설치 가능한 장비로서의 열증폭기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 열증폭기는:

마주보는 대향 단에 배관측 환수포트와 보일러측 환수포트, 보일러측 공급포트와 배관측 공급포트가 형성된 한 쌍의 내측 격판을 갖는 하우징;

상기 격판의 양측 공급포트 간에 연장되어 보일러에서 가열된 고온의 물이 통과하여 배관을 순환하도록 되는 전열관;

상기 격판의 배관측 환수포트 상에 형성되어, 상기 배관측 환수포트를 통하여 환수된 물이 상기 전열관의 표면을 순환하여 보일러측 환수포트로 이동하도록 유도하는 가이드;

상기 하우징의 상부와 하부에 제공되는 덮개와 베이스;

를 포함한다. 바람직하게, 상기 하우징의 상부와 하부에 제공되는 덮개와 베이스는 상기 하우징의 상부와 하부 실링을 수행한다.

바람직하게, 상기 전열관은 분리 가능하게 장착되며:

고온 또는 저온의 물이 통과하는 유로용 금속 내관과;

상기 내관의 외부에 동축적으로 배치되는 금속 외관과;

상기 내관과 외관 사이에 충진되는 아스콘과;

상기 아스콘을 실링하기 위하여 상기 외관의 상·하부에 제공되는 실링부재;

를 포함한다. 바람직하게, 상기 열증폭관은 상기 내관과 외관 사이에 배치되는 열전도체를 더 포함한다.

본 발명의 열증폭기에 따르면, 배관을 통해 유입된 저온수는 가이드 장치에 의해 전열관을 강제 순환하게 되어 있다. 따라서 열교환기의 내부 전열관에 근접하지 못한 채 열교환기를 통과하는 저온수의 양이 극히 줄어든다. 결국 만족할 수준의 전열량 및 고온수를 얻을 수가 있게 되며, 우수한 열효율 및 에너지 효율을 얻 을 수 있는 효과가 있다.

또한 전열관은 분리 가능하게 장착된다. 따라서 장애가 발생할 경우의 수리 및 교체를 위한 작업이 쉽고 경제적인 효과가 있다. 한편 상기 전열관으로서 아스콘의 축발열 특성을 이용함에 따라, 간단한 구조로 경제적인 구현이 가능한 동시에 규모가 크지 않아도 우수한 열효율, 에너지 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

나아가, 본 발명은 하우징 내측에 이격 배치되는 격판과, 상·하부에 배치되는 덮개 및 베이스를 포함한다. 따라서 외부의 충격에 견고하게 유지될 수 있으며, 그리고 안전한 상태로 설치 내지 배치될 수 있는 효과가 있다.

위에 기재한 또는 기재하지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 보다 명확해질 것이다. 도 2는 본 발명에 따른 열증폭기를, 도 3은 상기 열증폭기에 적용된 전열관을 예시한다. 그리고 도 4는 본 발명에 따른 열증폭기를 이용한 물(온수)의 흐름을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 열증폭기는 부호 10으로 표시된다. 상기 열증폭기(10)는 하우징(11)과, 상기 하우징(11)의 내부에 장착되는 전열관(20)을 포함하여 이루어진다.

상기 하우징(11)은 마주보는 대향 단에 배관측 환수포트(13a)와 보일러측 환수포트(13b), 보일러측 공급포트(14a)와 배관측 공급포트(14b)가 형성된 상·하 한 쌍의 내측 격판(12a,12b)을 포함한다. 이 격판(12a,12b)에서, 두 개의 환수포트(13a,13b)가 서로 대향되고, 두 개의 공급포트(14b)가 서로 대향되어 있다. 바람직하게, 상기 격판(12a,12b)은 원형 또는 타원형 판이며 당연하게 상기 하우징(11)의 단면 형상 역시 상기 격판(12a,12b)과 같은 원형 또는 타원형이다.

상기 각 격판(12a,12b)의 외측에는 수직하는 격벽에 의하여 좌·우로 구분되며 각각 외부 통로를 가지는 챔버(C1/C2, C3/C4)가 형성되는데: 챔버 C1은 배관측 환수포트(13a)에, 챔버 C2는 배관측 공급포트(14b)에, 챔버 C3는 보일러측 환수포트(13b)에, 챔버 C4는 보일러측 공급포트(14a)에 연통되어 있다. 챔버(C1/C2, C3/C4)의 각 통로에는 온도계(미도시)가 설치될 수 있다.

상기 전열관(20)은 상기 하우징(11)의 양측 공급포트(14a,14b) 간에 연장되어 장착된다. 상기 전열관(20)의 내부로 보일러에서 가열된 고온수가 통과하면서 표면의 외부로 열전달을 하게 되는 것이다.

도 3을 참조하면, 상기 전열관(20)은 고온의 물이 통과하는 유로용 금속 내관(15)과, 상기 내관(15)의 외부에 동축적으로 배치되는 금속 외관(16)과, 상기 내 관(15)과 외관(16) 사이에 충진되는 아스콘(17)을 포함한다. 바람직하게, 상기 전열관(12)은 상기 내관(15)과 외관(16) 사이에 배치되는 열전도체(19)를 더 포함한다. 상기 열전도체(19)는 금속 코일형이다.

도시된 바와 같이, 상기 외관(16)의 길이는 내관(15)에 비하여 짧다. 따라서 배치된 상태에서 상기 내관(15)의 상·하 단부는 외관(16)으로부터 돌출된다. 돌출된 단부는 대향하는 공급포트(14a,14b)에 분리 가능하게 결합된다.

또한 도시된 바와 같이, 내관(15)과 외관(16)이 단순 직선형일 수 있는 것은 양관(15,16) 사이에 증폭 전열을 위한 아스콘(17) 및 열전도체(19)가 충진되기 때문이다. 부호 18a, 18b는 상기 아스콘(17)의 실링을 위하여 상기 외관(16)의 양측단에 제공되는 캡이다.

이러한 구성에서, 전열은 상기 내관(15) 및 외관(16) 사이에 배치되는 아스콘(17)의 축발열 특성 및 열전도체(19)의 전도 특성을 이용하여 효율적으로 이루어진다. 본 실시예에서 내관(15)과 외관(16), 열전도체(19) 등은 열전도율이 좋은 스텐인레스를 사용한다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 하우징(11)의 내부에는 양측 환수포트(13a,13b) 사이에 형성되어, 배관측 환수포트(13)를 통하여 환수된 물이 상기 전열관(20)을 순환하여 보일러측 환수포트(13b)로 이동하도록 유도하는 가이드(21)가 형성된다. 도시된 바, 상기 가이드(21)는 하우징의 일측 내벽에서 상기 전열관(20) 측을 향하여 돌출 형성되어 있다.

상기 하우징(11)의 상부와 하부에는 덮개(23)와 베이스(24)가 제공된다. 즉, 본 발명의 열증폭기(10)는 하우징(11) 내부에 이격 배치되는 격판(12a,12b)과, 하우징(11)의 상·하부에 배치되는 덮개(23) 및 베이스(24)를 포함한다. 따라서 외부의 충격에 견고하게 유지될 수 있으며, 그리고 안전한 상태로 설치 내지 배치될 수 있다. 본 발명에서, 상기 덮개(23)는 챔버 C3와 C4를, 그리고 상기 베이스(24)는 챔버 C1와 C2를 실링한다. 도면부호 25는 에어 밴트(air-vent)이다.

도 4를 참조하여 설명한다. 보일러 시스템에서, 저온수의 환수는 순환펌프에 의하여 이루어진다. 우선, 배관측 환수포트(13a)를 통하여 상기 하우징(11) 내부로 환수된 저온수는 가이드(21)에 의하여 전열관(20) 측으로 유도되고, 상기 전열관(20)의 표면을 순환하여 이동하다가, 상기 보일러측 환수포트(13b)를 통하여 보일러로 보내진다(검은색 화살표 참조).

보일러에 의해 가열된 고온수는 하우징(11)의 보일러측 공급포트(14a)를 통하여 전열관(20)의 내관(15)을 통과한 후, 배관측 공급포트(14b)를 통하여 난방 배관을 순환하게 된다(흰색 화살표 참조). 배관을 다 순환한 저온수는 다시 열증폭 기(10)의 하우징(11) 내로 환수되고, 가이드(21)에 의해 유도되어 상기 전열관(20)표면을 접촉 순환하면서 보일러에 보내지고, 고온수가 되어 다시 배관으로 공급 분배되는 것이다.

이 때 고온수가 전열관(20)의 내관(15)을 지남에 따라 고열이 발생하며, 상기 열전도체(19) 및 아스콘(17)을 경유하면서 축발열되고, 동시에 보다 고온으로 증폭되어 외관(16)에 전열된다. 예를 들어, 상기 고온수의 온도가 60℃인 경우에 아스콘(17)을 경유하면서 전열되는 온도는 약 73℃에 이르는 것으로 실험결과 확인되었다. 이것은 한 여름 대기의 온도가 34℃ 정도에서 아스콘 포장된 도로의 온도가 50~60℃에 이르게 되는 것과 같은 이치이다.

상기 열증폭기(10)에 사용된 전열관(20)의 갯수, 규모 등에 따라 조금씩 달라지겠지만, 가정용 보일러시스템에서 전열관(20)은 하나이어도 족할 수 있으며, 이 때, 전열관(20)으로 공급된 고온수의 온도가 60℃이고, 열증폭기로 환수된 저온수의 온도가 45~48℃인 경우, 보일러측 환수포트(13b)를 통하여 출력된 물의 온도는 55~58℃에 이르는 것으로 실험결과 확인되었다.

즉, 저온수가 본 발명의 열증폭기(10)에서 중온수로 증폭되어 보일러로 이동하므로, 필요한 온도에 이르기 위한 연료 및 시간이 상당히 절약될 수 있는 것이다. 실제로 20시간을 가동한 결과, 종래의 열교환기에 비하여 약 25%의 연료가 절 감되는 효과가 있었다.

도 1은 종래 열교환기를 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열증폭기의 구성을 보인 도면.

도 3은 도 2에 적용된 전열관의 구성을 보인 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열증폭기를 이용한 물의 흐름을 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 열증폭기 11. 하우징

12a,12b. 격판 13a,13b. 환수포트

14a,14b. 공급포트 15. 내관

16. 외관 17. 아스콘

20. 전열관 21. 가이드

23. 덮개 24. 베이스

C1,C2,C3,C4. 챔버

Claims (8)

1. 마주보는 대향 단에 배관측 환수포트와 보일러측 환수포트, 보일러측 공급포트와 배관측 공급포트가 형성된 한 쌍의 내측 격판을 갖는 하우징;

   상기 격판의 양측 공급포트 간에 연장되어 보일러에서 가열된 고온의 물이 통과하여 배관을 순환하도록 되는 전열관;

   상기 격판의 배관측 환수포트 상에 형성되어, 상기 배관측 환수포트를 통하여 환수된 물이 상기 전열관의 표면을 순환하여 보일러측 환수포트로 이동하도록 유도하는 가이드;

   상기 하우징의 상부와 하부에 제공되는 덮개와 베이스;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 격판은 원형 또는 타원형 판이며, 상기 하우징의 단면 형상도 상기 격판과 같은 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 각 격판의 외측에는 격벽에 의하여 좌·우로 구분되며 각각 외부 통로 를 가지는 챔버(C1/C2, C3/C4)가 형성되는데: 챔버 C1은 배관측 환수포트에, 챔버 C2는 배관측 공급포트에, 챔버 C3는 보일러측 환수포트에, 챔버 C4는 보일러측 공급포트에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 덮개는 챔버 C3와 C4를, 상기 베이스는 챔버 C1와 C2를 실링하는 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
5. 제1항에 있어서, 상기 전열관은:

   고온의 물이 통과하는 유로용 금속 내관과;

   상기 내관의 외부에 동축적으로 배치되는 금속 외관과;

   상기 내관과 외관 사이에 충진되는 아스콘과;

   상기 아스콘을 실링하기 위하여 상기 외관의 상·하부에 제공되는 실링부재;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전열관은 상기 내관과 외관 사이에 배치되는 열전도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
7. 제5항에 있어서,

   상기 전열관은 분리 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.
8. 제6항에 있어서,

   상기 열전도체는 코일형 금속인 것을 특징으로 하는 보일러시스템용 열증폭기.

Images