KR100976032B1 - 콘덴싱 가스 보일러 - Google Patents

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최성환
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(주)귀뚜라미
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Abstract

본 발명은 콘덴싱 가스 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료공급시에는 공기와 가스의 혼합율을 높일 수 있도록 하고, 혼합연료의 연소시에는 질소 산화물의 배출량을 감소시킴과 동시에 연소특성을 향상시키며, 열교환시에는 열교환율을 높임과 동시에 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있는 콘덴싱 가스 보일러에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러는, 연료공급기와, 버너 및 콘덴싱 열교환기를 구비한 콘덴싱 가스 보일러에 있어서, 연료공급기는 가스공급노즐과, 공기공급노즐 및 가스와 공기를 혼합하여 버너로 송풍시키는 송풍기를 포함하고; 버너는 혼합연료를 분사하는 연료분사부와, 염공이 형성되어 있는 슬릿판 및 상기 슬릿판의 상부에 설치된 메타 화이버를 포함하며; 콘덴싱 열교환기는 버너의 상부에 인접 설치된 보조 현열 열교환기와, 상기 보조 현열 열교환기의 상부에 설치된 주 현열 열교환기 및 주 현열 열교환기의 상부에 설치된 잠열 열교환기를 포함;하는 것을 특징으로 한다.
연료공급기, 메탈 화이버, 버너, 콘덴싱, 열교환기, 보일러

Description

콘덴싱 가스 보일러{Condensing gas boiler}
본 발명은 콘덴싱 가스 보일러에 관한 것으로, 특히 연료공급시에는 공기와 가스의 혼합율을 높일 수 있도록 하고, 혼합연료의 연소시에는 질소 산화물의 배출량을 감소시킴과 동시에 연소특성을 향상시키며, 열교환시에는 열교환율을 높임과 동시에 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있는 콘덴싱 가스 보일러에 관한 것이다.
일반적으로, 보일러는 가정이나 사무실 혹은 그 외 공장 등과 같은 다양한 건축물에 설치되어, 공기와 가스가 혼합된 혼합연료를 연소시킴으로써 발생하는 열원과의 열교환을 통해 온수나 난방수를 공급할 수 있도록 한다.
이를 위해, 보일러는 공기와 가스를 각각 외부로부터 공급받아 혼합한 다음 그 혼합된 혼합연료를 버너에 공급하는 연료공급기와, 상기 연료공급기로부터 혼합연료를 공급받아 점화장치에 의해 연소시킴으로써 화염(즉, 열원)을 발생시키는 버너 및 공급된 직수나 난방환수와 버너로부터 공급된 열원과의 열교환을 통해 온수나 난방수를 공급할 수 있도록 하는 열교환기를 포함한다.
특히, 최근에는 열교환기로서 버너에서 발생된 현열과 1차로 열교환을 하는 현열 열교환기 및 상기 현열 열교환기에서 열교환을 마친 연소가스와 2차로 열교환 을 하는 잠열 열교환기를 구비한 콘덴싱 열교환기가 많이 사용되고 있으며, 이러한 콘덴싱 열교환기를 구비한 보일러를 콘덴싱 보일러라 하고 있다.
그러나, 이상과 같은 종래의 콘덴싱 보일러는 공기와 가스의 혼합이 연료공급기의 송풍기에 의해 1차적으로만 이루어짐에 따라, 그 혼합이 충분하지 않았고 이와 같이 불충분한 혼합은 낮은 연료효율의 원인은 됨은 물론, 질소산화물(NOx) 등의 배출량 증가의 원인이 된다는 문제점이 있었다.
또한, 버너는 염공이 형성되어 있는 슬릿판 만을 구비하고 있어서, 혼합연료의 불완전 연소가 발생하고 질소산화물의 배출량 증가의 원인이 되었으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 슬릿판의 상부에 메탈 화이버(metal fiber)를 설치한 메탈 화이버 너버를 채택하고 있으나, 종래의 메탈 화이버 버너는 질소산화물의 배출량을 감소시키기는 하지만 고부하의 높은 온도의 화염을 발생시킬 수 없었다는 문제점이 있었다.
나아가, 콘덴싱 열교환기는 현열 열교환기를 1개만 구비하고 있거나, 연소가스가 충분한 시간 동안 열교환 될 수 있도록 구성되어 있지 않아서, 열교환이 충분히 이루어지지 않았고 그에 따라 에너지 효율이 낮음은 물론, 산성도가 높은 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있는 구성을 포함하고 있지 않아서 자연환경에 악영향을 미칠 우려가 크다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연료공급시에는 공기와 가스의 혼합율을 높일 수 있도록 하고, 혼합연료의 연소시에는 질소 산화물의 배출량을 감소시킴과 동시에 연소특성을 향상시키며, 열교환시에는 열교환율을 높임과 동시에 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있는 콘덴싱 가스 보일러를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러는, 공기와 가스를 혼합하여 공급하는 연료공급기와, 상기 연료공급기로부터 혼합연료를 공급받아 연소시키는 버너 및 상기 버너로부터 공급된 열원과 열교환을 하는 콘덴싱 열교환기를 구비한 콘덴싱 가스 보일러에 있어서, 상기 연료공급기는 가스를 공급하는 가스공급노즐과, 공기를 공급하는 공기공급노즐 및 상기 가스와 공기를 혼합하여 상기 버너로 송풍시키는 송풍기를 포함하고; 상기 버너는 상기 연료공급기로부터 혼합연료를 공급받아 분사하는 연료분사부와, 상기 연료분사부에 연통하여 설치되며, 복수개의 염공이 형성되어 있는 슬릿판 및 상기 슬릿판의 상부에 설치된 메타 화이버를 포함한 메탈 화이버 버너이며; 상기 콘덴싱 열교환기는 상기 메탈 화이버 버너의 상부에 인접 설치된 보조 현열 열교환기와, 상기 보조 현열 열교환기의 상부에 설치된 주 현열 열교환기 및 상기 주 현열 열교환기의 상부에 설치된 잠열 열교환기를 포함;하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연료공급기는, 일측은 상기 가스공급노즐 및 공기공급노즐의 출력단과 각각 결합되어 있고, 타측은 상기 송풍기와 입력단과 연결되어 있으며, 내부에는 혼합공간을 구비한 예혼합기를 더 포함하여, 상기 가스와 공기를 예혼합한 다음 상기 송풍기로 공급될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 메탈 화이버 버너의 메탈 화이버는, 복수개의 구획 부분들 중 어느 한 구획 부분 이상은 다른 구획 부분과 다른 조밀도를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 메탈 화이버 버너의 메탈 화이버에는, 상기 슬릿판의 상부에 탈착 또는 부착이 가능하도록 하는 탈부착 장치가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬릿판의 염공은, 주염공과 보조염공을 포함하며, 상기 주염공과 보조염공은 서로 다른 형상 또는 크기로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 메탈 화이버 버너의 메탈 화이버는, 상기 슬릿판의 주염공과 보조염공의 위치에 대응하여 구획되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬릿판은, 상기 연료분사부를 통해 분출되는 혼합가스를 각각 공급받도록 복수개의 서브 슬릿판으로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬릿판의 하부에는, 복수개의 혼합공이 형성되어 있는 혼합공 플레이트를 포함하여, 상기 혼합연료가 상기 혼합공을 통과하는 동안 상기 혼합연료의 혼합율이 증가되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 메탈 화이버 버너의 연료분사부는, 내측의 양측 벽면으로부터 내측 중심부를 향해 각각 돌출되되, 상기 내측 중심부에서 서로 접하지는 않도록 설치된 혼합 가이드 플레이트를 포함하여, 상기 혼합연료가 상기 혼합 가이드 플레이 트에 의해 안내되는 동안 상기 혼합연료의 혼합율이 증가되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 주 현열 열교환기는, 상기 버너에서 발생된 연소가스와 열교환이 이루어지도록, 현열 열교환 챔버 및 상기 현열 열교환 챔버 내부에 설치된 현열 열교환관을 구비하고; 상기 잠열 열교환기는, 상기 주 현열 열교환기에서 열교환을 마친 다음 유입된 연소가스와 열교환이 이루어지도록, 잠열 열교환 챔버 및 상기 잠열 열교한 챔버 내부에 설치된 잠열 열교환관을 구비하며; 상기 주 현열 열교환관의 하부에 설치되며, 일단은 상기 현열 열교환 챔버의 일측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 현열 열교환 챔버의 타측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로를 형성하며, 상기 현열 열교환관을 향해 돌출된 엠보스 홀이 형성되어 있는 제1가이드 플레이트;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 엠보스 홀은, 상기 엠보스 홀의 하단 개방부가 상기 엠보스 홀의 상단 개방부보다 더 큰 직경으로 이루어져, 분화구 형상으로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 엠보스 홀은, 상기 현열 열교환관의 직하부로부터 어긋난 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 주 현열 열교환관은, 제1현열 열교환관과 제2현열 열교환관을 구비하고, 상기 제1현열 열교환관과 제2현열 열교환관은 2층으로 적층되어 있으며, 상기 제1가이드 플레이트는 하층에 위치한 상기 제1현열 열교환기의 하부에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1현열 열교환관과 제2현열 열교환기 사이에 제2가이드 플레이트가 설치되며, 상기 제2가이드 플레이트는, 상기 제1가이드 플레이트와 대향되도록, 일단은 상기 현열 열교환 챔버의 상기 타측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 현열 열교환 챔버의 상기 일측 벽면을 향해 연장되되, 상기 일측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 잠열 열교환관의 하부에는 제3가이드 플레이트가 설치되며, 상기 제3가이드 플레이트는, 상기 제2가이드 플레이트와 대향되도록, 일단은 상기 잠열 열교환 챔버의 일측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 잠열 열교환 챔버의 타측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3가이드 플레이트는, 상기 잠열 열교환기에서의 열방출을 방지하도록, 단열재질로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 잠열 열교환기의 상부에는 제4가이드 플레이트가 설치되며, 상기 제4가이드 플레이트는, 상기 제3가이드 플레이트와 대향되도록, 일단은 상기 잠열 열교환 챔버의 타측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 잠열 열교환 챔버의 일측 벽면을 향해 연장되되, 상기 일측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러는, 연료공급시에는 공기와 가스의 혼합율을 높일 수 있도록 하고, 혼합연료의 연소시에는 질소 산화물의 배출 량을 감소시킴과 동시에 연소특성을 향상시키며, 열교환시에는 열교환율을 높임과 동시에 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘덴싱 가스 보일러에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버 버너를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버 버너를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버를 나타낸 일 예이고, 도 5는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버를 나타낸 다른 예이고, 도 6의 (a)는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 슬릿판을 나타낸 평면도이고, 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버를 나타낸 평면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 콘덴싱 열교환기를 나타낸 부분 절개도이고, 도 8은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 가이드 플레이트를 나타낸 사시도이며, 도 9는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 현열 열교환관을 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러는, 가스를 공급하는 가스공급노즐(111)과, 공기를 공급하는 공기공급노즐(112)과, 공기와 가스를 공급받아 예혼합하는 예혼합기(Pre-Mixer, 110) 및 상기 예혼합기(110)로부터 혼합연료를 공급받아 혼합과 동시에 메탈 화이버 버너(200)로 송풍시키는 송풍기(120)를 구비한 연료공급기(100)와; 외장을 구성하는 버너 하우징(도 2의 210 참조)과, 연료공급기(100)로부터 혼합연료를 공급받아 분사하는 연료분사부(도 2의 220 참조)와, 상기 연료분사부(220)에 연통하여 설치되며, 복수개의 염공이 형성되어 있는 슬릿판(도 2의 230 참조) 및 상기 슬릿판(230)의 상부에 설치된 메탈 화이버(metal fiber, 도 2의 240 참조)를 구비한 메탈 화이버 버너(200); 및 상기 메탈 화이버 버너(200)의 상부에 인접 설치된 보조 현열 열교환기(310)와, 상기 보조 현열 열교환기(310)의 상부에 설치된 주 현열 열교환기(320) 및 상기 주 현열 열교환기(320)의 상부에 설치된 잠열 열교환기(330) 등을 구비한 콘덴싱 열교환기(300);를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러는 연료공급기(100)에서 메탈 화이버 버너(200)로 혼합 연료를 공급하고, 메탈 화이버 버너(200)는 공급된 혼합연료를 점화시켜 열원을 발생시키며, 콘덴싱 열교환기(300)는 메탈 화이버 버너(200)에서 발생된 열원과 직수 혹은 난방환수의 열교환이 이루어지도록 함에 따라 온수 또는 난방수를 공급할 수 있게 한다.
특히, 본 발명은 연료공급기(100)에 예혼합기(110)를 구비하고 있어서, 연료공급시 당해 예혼합기(110)에서 공기와 가스가 1차로 혼합된 다음, 송풍기(120)에서 추가로 2차 혼합이 이루어짐에 따라 연료 혼합율을 높일 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 메탈 화이버(240)를 구비한 메탈 화이버 버너(200)를 채택하고 있어서, 혼합연료의 연소시에는 질소 산화물(NOx)의 배출량을 감소시킴과 동시에 연소특성을 향상시킬 수 있게 한다.
나아가, 본 발명은 콘덴싱 열교환기(300)의 보조 현열 열교환기(310)와, 주 현열 열교환기(320) 및 잠열 열교환기(330)를 통해 3차에 걸쳐 열교환이 이루어지도록 하는 등 열교환시 열교환율을 높일 수 있게 함은 물론, 후술할 엠보스 홀(351a)에 의해 산성도가 높은 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있게도 한다.
좀더 구체적으로, 연료공급기(100)는 가스와 공기를 각각 공급받아 혼합하고, 그 혼합된 혼합연료를 메탈 화이버 버너(200)에 제공할 수 있도록 하는 것으로, 가스공급노즐(111)과, 공기공급노즐(112)과, 예혼합기(110) 및 송풍기(120)를 구비한다.
여기서, 예혼합기(110)는 그 일측이 각각 가스공급노즐(111) 및 공기공급노즐(112)과 연결되어 있고, 그 타측은 송풍기(120)의 입력단과 연결되어 있으며, 그 내부에는 예혼합 공간을 구비하고 있다. 그리고, 송풍기(120)의 출력단은 메탈 화이버 버너(200)의 입력단과 연결되어 있다.
따라서, 송풍기(120)가 동작하면, 가스공급노즐(111)과 공기공급노즐(112)을 통해 공급된 가스와 공기가 예혼합기(110)에서 1차로 혼합된 다음, 그 혼합된 혼합연료가 송풍기(120)에 의해 2차로 혼합됨과 동시에 메탈 화이버 버너(200)로 공급되므로, 해당 메탈 화이버 버너(200)는 충분히 높은 혼합율을 갖는 혼합연료를 공급받을 수 있게 된다.
메탈 화이버 버너(200)는 연료공급기(100)로부터 공급된 혼합연료를 점화시켜 화염 및 연소가스(즉, 열원)을 발생시키는 것으로, 도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 버너 하우징(210)과, 연료분사부(220)와, 슬릿판(230) 및 메탈 화이버(240) 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 연료분사부(220)는 버너 하우징(210)의 일측에서 슬릿판(230)과 연통하여 장치되어 있어서, 송풍기(120)의 송풍력에 의해 공급된 혼합연료가 당해 연료분사부(220)를 통해 슬릿판(230)으로 분사될 수 있게 한다.
단, 연료분사부(220)의 내측에는, 도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 양측 벽면으로부터 내측 중심부를 향해 각각 돌출되되, 상기 내측 중심부에서 서로 접하지는 않도록 설치된 혼합 가이드 플레이트(221)를 포함하여, 혼합연료가 혼합 가이드 플레이트(221)에 의해 안내되는 동안 혼합연료의 혼합율을 더욱 높일 수 있게 한다.
또한, 슬릿판(230)의 하부에는, 복수개의 혼합공(222a)이 형성되어 있는 혼합공 플레이트(222)를 포함하고 있어서, 혼합연료가 혼합공(222a)을 통과하는 동안 혼합연료의 혼합율을 더욱더 높일 수 있게 한다.
슬릿판(230)은 연료분사부(220)을 통해 분출된 혼합가스를 통과시킬 수 있도록 복수개의 염공(233)들이 형성되어 있다.
이때, 염공(233)은 주염공(233a)과 상기 주염공(233a)의 외측에 인접하여 형성된 보조염공(233b)을 포함하여, 그 크기가 큰 주염공(233a)을 통해서는 담 연소(Lean-Burn)가 일어날 수 있도록 하고, 주염공(233a)보다 그 크기가 상대적으로 작은 보조염공(233b)을 통해서는 농 연소(Rich-Burn)이 일어날 수 있도록 함에 따라, 슬릿판(230) 만으로도 농담 연소(Lean-Rich Burn)를 가능하게 한다.
단, 슬릿판(230)은 분기형 연료분사부(220)을 통해 분출되는 혼합가스를 각각 공급받도록 복수개의 서브 슬릿판(231)들로 이루어져 있는 것이 바람직하나, 하나의 슬릿판(230)을 복수개의 구역으로 구획하여 각 구역에 염공(233)들을 형성시킬 수도 있음은 자명할 것이다.
메탈 화이버(240)는 스테인레스 등과 같은 금속재질로 이루어져 있으며, 슬릿판(230)의 상부에 적층 결합되어, 슬릿판(230)의 염공(233)을 통해 일어난 큰 화염을 여러 개의 작은 화염으로 분리함에 따라 염의 온도를 낮추고 질소산화물의 발생량을 감소시킨다.
이러한 메탈 화이버(240)는 용접 등에 의해 슬릿판(230)의 상부에 고정될 수도 있으나, 나사(241) 및 나사공(242)들을 이용해 그 탈부착이 가능하도록 함으로써 유지 및 보수를 용이하게 하는 것이 바람직할 것이다. 단, 본 발명에 있어서의 탈부착 장치는 나사(241) 및 나사공(242)에 한정하는 것이 아니고, 그 외 다양한 타입의 탈부착 장치도 사용 가능함은 자명할 것이다.
또한, 메탈 화이버(240)는 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 하나의 메탈 화이버(240)를 이용해 슬릿판(230) 전체를 커버할 수 있도록 하거나, 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 서브 슬릿판(230)의 상측에 각각 장치되는 복수개로 나뉘어 구성될 수도 있음은 자명할 것이다.
한편, 본 발명의 메탈 화이버(240)는 복수개의 부분으로 구획되어 있으며, 이들 중 어느 한 구획 부분 이상은 다른 구획 부분과 다른 조밀도를 갖는다. 예컨대, 도 4 및 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 메탈 화이버(240)는 제1구획부(A1)와 제2구획부(A2)를 포함하여, 제1구획부(A1)는 그 짜임새가 상대적으로 낮은 조밀도를 갖도록 하고, 제2구획부(A2)는 그 짜임새가 상대적으로 높은 조밀도를 갖도록 한다.
따라서, 상술한 바와 같이 큰 화염을 여러개의 작은 화염으로 분리함과 동시에 제1구획부(A1)에 의해서는 담 연소가 가능하도록 하고, 제2구획부(A2)에 의해서는 농 연소가 가능하도록 하여, 질소산화물의 발생량을 감소시키면서도 고부하의 안정적인 염을 발생시킬 수 있도록 한다. 즉, 메탈 화이버(240) 자체만으로도 농담연소가 가능하게 한다.
나아가, 주염공(233a)의 상부에는 조밀도가 낮은 제1구획부(A1)가 위치하도록 하고, 보조염공(233b)의 상부에는 조밀도가 높은 제2구획부(A2)가 위치하도록 하여 슬릿판(230)의 염공(233) 위치에 대응되도록 구획하면 슬릿판(230)과 더불어 농담연소가 가능하도록 할 수도 있다.
한편, 본 발명의 메탈 화이버 버너의 다른 실시예가 도 6의 (a) 및 (b)에 도시되어 있는데, 도 6의 (a)는 슬릿판(230)을 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 메탈 화이버(240)를 나타낸 것이다.
먼저, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 슬릿판(230)은 복수개의 서브 슬릿판(231)들 각각에 염공(233)들이 각각 형성되어 있는 것이 아닌 하나의 슬릿판(230)에 염공(233)들이 형성되어 있다.
이때, 슬릿판(230)의 중심부에는 주염공(233a)들이 형성되어 있으며, 주염공(233a)이 형성된 중심부로부터 상하 양측 단부에 보조염공(233b)들이 형성되어 있다. 따라서, 중심부의 주염공(233a)과 양단부의 보조염공(233b)에 의해 농담 연소가 가능하게 된다.
그리고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 메탈 화이버(240)는 슬릿판(230)의 주염공(233a)과 보조염공(233b)의 위치에 대응하여 제1구획부(A1)와 제2구획부(A2)로 구획되어 있으며, 제1구획부(A1)는 낮은 조밀도로 이루어져 있고 제2구획부(A2)는 높은 조밀도로 이루어져 있다. 따라서, 슬릿판(230)과 함께 또는 단독으로 농담연소를 가능하게 한다.
따라서, 질소산화물의 발생량을 감소시키면서도 고부하의 안정적인 염을 발생시킬 수 있도록 한다.
한편, 콘덴싱 열교환기(300)는 메탈 화이버 버너(200)에서 발생환 열원과 직수 혹은 난방환수와의 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이, 보조 현열 열교환기(310)와, 주 현열 열교환기(320)와, 잠열 열교환기(330)와, 배기구(340)와, 응축수 배출구(324, 333) 및 복수개의 가이드 플레이트(351 내지 354)를 포함하여 구성된다.
여기서, 보조 현열 열교환기(310)는 메탈 화이버 버너(200)의 상측에 인접하여 설치되며, 아래에서 좀더 상세히 설명할 주 현열 열교환기(320)와 유사하게 보조 열교환 챔버(미도시) 및 상기 보조 현열 열교환 챔버 내부에 설치된 보조 현열 열교환관(미도시)을 구비하여, 주 현열 열교환기(320)에서 현열 열교환이 이루어지기 이전에 보조 현열 열교환관 내부를 순환하는 직수 혹은 난방환수와 메탈 화이버 버너(200)에서 발생된 열원과의 열교환이 보조적으로 열교환이 이루어질 수 있게 한다.
주 현열 열교환기(320)는 보조 현열 열교환기(310)의 상측 방향에 인접 설치되며, 내부에는 연소가스가 유동할 수 있는 공간부가 형성된 현열 열교환 챔버(321) 및 상기 현열 열교환 챔버(321) 내부에 설치된 현열 열교환관(322, 323)을 포함한다.
그리고, 현열 열교환관(322, 323)은 공지된 바와 같이 'U'자관(미도시)에 의해 서로 연결되어 지그재그 방향으로 고정 설치되며, 이때 현열 열교환관(322, 323)은 하측의 제1현열 열교환관(322)과 상측의 제2현열 열교환관(323)을 포함하며, 이들은 서로 적층되어 있다.
따라서, 고온의 연소가스가 현열 열교환관(322, 323) 내부를 순환하는 저온의 유체와 열교환을 하고, 그에 따라 고온의 연소가스가 저온의 유체에 열을 빼앗기는 과정에서 상기 유체를 가열할 수 있도록 한다.
잠열 열교환기(330)는, 주 현열 열교환기(320)의 상측에 인접 설치되며, 내부에는 연소가스가 유동할 수 있는 공간부가 형성된 잠열 열교환 챔버(331) 및 상기 잠열 열교환 챔버(331) 내부에 설치된 잠열 열교환관(332)을 포함한다.
그리고, 잠열 열교환관(332) 역시 현열 열교환관(322, 323)과 마찬가지로 'U'자관에 의해 서로 연결되어 잠열 열교환 챔버(331) 내에 지그재그 방향으로 고정 설치된다.
따라서, 주 현열 열교환기(320)에서 열교환을 마치고 잠열 열교환기(330)로 유동된 연소가스가 잠열 열교환관(332) 내부를 순환하는 유체와 열교환을 하고, 그에 따라 유체를 가열할 수 있도록 한다.
배기구(340)는, 잠열 열교환 챔버(331)의 상단에 형성된 개구부(미도시)에 연결 설치되며, 양단이 개방된 관 형상의 배기구(340) 중 일단이 잠열 열교환 챔버(331)의 상단에 형성된 개구부와 연통하도록 결합됨으로써, 열교환을 마친 저온의 연소가스가 당해 배기구(340)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 안내한다.
응축수 배출구(324, 333)는, 연소가스가 주 현열 열교환기(320)와 잠열 열교환기(330)에서 저온의 유체에 열을 빼앗기고, 그에 따라 노점(露點, 즉 이슬점) 온도 이하로 내려감으로써 발생한 응축수를 외부로 배출할 수 있도록 하기 위한 것이다.
이를 위해, 현열 열교환 챔버(321)의 일측 하단에 설치된 현열 응축수 배출구(324)는 후술할 제1가이드 플레이트(guide plate, 351)의 일단에 연결되고, 잠열 열교환 챔버(331)의 일측 하단에 설치된 잠열 응축수 배출구(324, 333)는 후술할 제3가이드 플레이트(353)와 연결된다.
따라서, 주 현열 열교환기(320) 내의 제1가이드 플레이트(351) 및 제2가이드 플레이트(352)를 따라 흘러내린 응축수는 현열 응축수 배출구(324)를 통해 외부로 배출되고, 제3가이드 플레이트(353)를 따라 흘러내린 응축수는 잠열 응축수 배출구(333)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 함으로써, 응축수의 배출이 원활히 이루어질 수 있도록 한다.
가이드 플레이트(351 내지 354)는 연소가스의 유동 경로 길이를 늘임으로써, 연소가스가 주 현열 열교환기(320) 및 잠열 열교환기(330)와 충분한 시간 동안 열교환 할 수 있도록 하는 것으로, 제1가이드 플레이트(351) 내지 제4가이드 플레이트(354)로 이루어져 있어, 연소가스가 이들을 따라 지그재그 방향으로 상승할 수 있게 한다.
또한, 응축수가 가열된 상측의 제4가이드 플레이트(354)로부터 하측의 제1가이드 플레이트(351)를 따라 낙하하는 동안, 겹겹이 배치된 상기 제4가이드 플레이트(354) 내지 제1가이드 플레이트(351)에 의해 증발될 수 있게 하기도 한다.
이를 위해, 제1가이드 플레이트(351)는, 현열 열교환관(322, 323)의 하부, 좀더 정확히는 제1현열 열교환관(322)의 하부에 설치되며, 일단은 현열 열교환 챔 버(321)의 일측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 현열 열교환 챔버(321)의 타측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로를 형성한다.
그리고, 제1가이드 플레이트(351)는 상술한 바와 같이 현열 열교환 챔버(321)의 일측 벽면으로부터 타측 벽면으로 연장시, 타측 벽면을 향해 상승하는 형상을 갖도록 소정 각도로 기울어져 있어서, 유체의 이동 경로 길이를 더욱 늘일 수 있도록 한다.
제1가이드 플레이트(351)에는 그 상측 방향을 향해 돌출된 엠보스 홀(emboss hole, 351a)이 형성되어 있는데, 본 발명에 있어서의 엠보스 홀(351a)이란 당해 제1가이드 플레이트(351)의 상면으로부터 소정 높이 돌출된 돌출부(즉, 엠보스)에 관통공이 형성되어 있어서, 당해 엠보스 홀(351a)을 통해 연소가스가 유동할 수 있도록 하는 것을 의미한다.
따라서, 고온의 연소가스의 일부는 엠보스 홀(351a)을 통해 직접(즉, 바이패스 경로를 통해) 주 현열 열교환기(320)의 제1현열 열교환관(322)측으로 유동 및 공급될 수 있게 되어, 상기 주 현열 열교환기(320)에서의 열교환율을 높일 수 있게 하고, 그와 동시에 제1가이드 플레이트(351)를 따라 지그재그 방향으로 우회하여 유동 및 공급된 다른 일부의 고온의 연소가스와도 열교환이 이루어질 수 있게 한다.
또한, 이상과 같이 바이패스(bypass) 경로 및 우회 경로를 포함한 2가지의 연소가스 배기 경로를 구비함에 따라, 전열면적의 증가시 배기 부하가 발생하여 연소가스의 배기가 원활히 이루어지지 않는 것을 방지할 수 있게도 한다.
나아가, 연소가스가 엠보스 홀(351a)을 통해 제1현열 열교환관(322)이 설치된 공간으로 직접 유입되면, 그 유입된 연소가스가 제1현열 열교환관(322)의 내부를 순환하는 유체에 열을 빼앗긴 연소가스와 혼합되고, 상기 열을 빼앗긴 연소가스의 온도를 다시 상승시켜 노점 온도 이하로 내려가는 것을 방지함으로써, 결국 산성도가 높아 자연 환경을 파괴할 수 있는 응축수의 발생을 감소시킬 수 있게 한다.
특히, 이러한 엠보스 홀(351a)은, 도 8과 같이 제1현열 열교환관(322)의 직하부로부터 어긋난 위치에 형성되어 있는 것이 바람직한데, 이는 발생된 응축수의 대부분은 제1현열 열교환관(322)에 맺히게 되고, 이와 같이 맺힌 응축수는, 도 9와 같이 그 하단부에 집중되므로, 중력에 의해 응축수가 낙하시 엠보스 홀(351a)로 떨어져, 버너 등까지 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.
물론, 제1현열 열교환관(322)의 외주면에 열교환핀(322a)이 설치되어 있다면, 이러한 현상은 그 열교환핀(322a)의 하단부에서 집중하여 발생될 것이다.
나아가, 본 발명의 엠보스 홀(351a)은 그 하단의 개방부의 직경이 상단의 개방부의 직경보다 더욱 커서, 마치 분화구(crater)와 유사한 형상을 갖도록 하는 것이 바람직한데, 이는 상단보다 하단의 개방부를 더욱 크게 함으로써 하부로부터의 연소가스 유입이 좀더 원활히 일어날 수 있도록 하기 위한 것이다.
한편, 이러한 엠보스 홀(351a)은 제1가이드 플레이트(351)를 프레스(press)가공하여 당해 제1가이드 플레이트(351)에 일체로 형성시킬 수도 있지만, 제1가이 드 플레이트(351)에 관통공을 형성한 다음, 별도의 엠보스 관을 상기 관통공과 연통하도록 결합하여 형성시킬 수도 있다.
제2가이드 플레이트(352)는 제1현열 열교환관(322)과 제2현열 열교환관(323) 사이에 설치되되, 상기 제1가이드 플레이트(351)와 대향하도록 설치된다. 즉, 일단은 현열 열교환 챔버(321)의 타측 벽면에 고정되고, 타단은 현열 열교환 챔버(321)의 일측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로를 형성한다.
그리고, 상술한 바와 같이 현열 열교환 챔버(321)의 타측 벽면으로부터 일측 벽면으로 연장시, 타측 벽면을 향해 상승하는 형상을 갖도록 소정 각도로 기울어져, 제1가이드 플레이트(351)와 평행하게 배치될 수 있도록 한다.
제3가이드 플레이트(353)는 잠열 열교환관(332)의 하부에 설치되며, 상기 제2가이드 플레이트(352)와 대향되도록, 일단은 잠열 열교환 챔버(331)의 일측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 잠열 열교환 챔버(331)의 타측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 한다.
그리고, 소정 각도의 기울기를 갖도록 하되, 상술한 바와 유사하게 제2가이드 플레이트(352)와 평행하게 배치될 수 있도록 한다.
또한, 그 재질은 단열 재질로 이루어져 있어서, 잠열 열교환기(330) 내부를 유동하는 연소가스의 열이 그 외 다른 부분으로 방출되는 것을 감소할 수 있게 하 고, 그에 따라 당해 잠열 열교환기(330)에서의 열교환율이 낮아지는 것을 방지할 수 있게 한다.
그리고, 제4가이드 플레이트(354)는 잠열 열교환기(330)의 상부, 좀더 정확히는 잠열 열교환관(332)의 상부에 설치되며, 제3가이드 플레이트(353)와 대향되도록, 일단은 잠열 열교환 챔버(331)의 타측 벽면에 고정되고, 타단은 잠열 열교환 챔버(331)의 일측 벽면을 향해 연장되되, 상기 일측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 한다.
또한, 상술한 바와 유사하게 제3가이드 플레이트(353)에 대해 평행하게 배치되도록, 소정의 기울기를 갖는다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 콘덴싱 가스 보일러는, 연료공급시에는 공기와 가스의 혼합율을 높일 수 있도록 하고, 혼합연료의 연소시에는 질소 산화물의 배출량을 감소시킴과 동시에 연소특성을 향상시키며, 열교환시에는 열교환율을 높임과 동시에 응축수의 배출량을 감소시킬 수 있게 함에 따라, 보일러 산업 분야의 발전을 이룰 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버 버너를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버 버너를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버를 나타낸 일 예이다.
도 5는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버를 나타낸 다른 예이다.
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 슬릿판을 나타낸 평면도이다.
도 6의 (b)는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 메탈 화이버를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 콘덴싱 열교환기를 나타낸 부분 절개도이다.
도 8은 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 가이드 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 콘덴싱 가스 보일러의 현열 열교환관을 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 연료공급기 110: 예혼합기
111: 가스공급노즐 112: 공기공급
120: 송풍기 200: 메탈 화이버 버너
300: 콘덴싱 열교환기 310: 보조 현열 열교환기
320: 주 현열 열교환기 330: 잠열 열교환기
340: 배기구

Claims (17)

  1. 공기와 가스를 혼합하여 공급하는 연료공급기와, 상기 연료공급기로부터 혼합연료를 공급받아 연소시키는 버너 및 상기 버너로부터 공급된 열원과 열교환을 하는 콘덴싱 열교환기를 구비한 콘덴싱 가스 보일러에 있어서,
    상기 연료공급기는 가스를 공급하는 가스공급노즐과, 공기를 공급하는 공기공급노즐 및 상기 가스와 공기를 혼합하여 상기 버너로 송풍시키는 송풍기를 포함하고;
    상기 버너는 상기 연료공급기로부터 혼합연료를 공급받아 분사하는 연료분사부와, 상기 연료분사부에 연통하여 설치되며, 복수개의 염공이 형성되어 있는 슬릿판 및 상기 슬릿판의 상부에 설치된 메타 화이버(metal fiber)를 포함한 메탈 화이버 버너이며;
    상기 콘덴싱 열교환기는 상기 메탈 화이버 버너의 상부에 인접 설치된 보조 현열 열교환기와, 상기 보조 현열 열교환기의 상부에 설치된 주 현열 열교환기 및 상기 주 현열 열교환기의 상부에 설치된 잠열 열교환기를 포함;하되,
    상기 메탈 화이버 버너의 메탈 화이버는,
    복수개의 구획 부분들 중 어느 한 구획 부분 이상은 다른 구획 부분과 다른 조밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급기는,
    일측은 상기 가스공급노즐 및 공기공급노즐의 출력단과 각각 결합되어 있고, 타측은 상기 송풍기와 입력단과 연결되어 있으며, 내부에는 혼합공간을 구비한 예혼합기(Pre-mixer)를 더 포함하여,
    상기 가스와 공기를 예혼합한 다음 상기 송풍기로 공급될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 화이버 버너의 메탈 화이버에는,
    상기 슬릿판의 상부에 탈착 또는 부착이 가능하도록 하는 탈부착 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿판의 염공은,
    주염공과 보조염공을 포함하며, 상기 주염공과 보조염공은 서로 다른 형상 또는 크기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메탈 화이버 버너의 메탈 화이버는,
    상기 슬릿판의 주염공과 보조염공의 위치에 대응하여 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿판은,
    상기 연료분사부를 통해 분출되는 혼합가스를 각각 공급받도록 복수개의 서브 슬릿판으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 슬릿판의 하부에는,
    복수개의 혼합공이 형성되어 있는 혼합공 플레이트를 포함하여, 상기 혼합연료가 상기 혼합공을 통과하는 동안 상기 혼합연료의 혼합율이 증가되도록 하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  9. 제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 메탈 화이버 버너의 연료분사부는,
    내측의 양측 벽면으로부터 내측 중심부를 향해 각각 돌출되되, 상기 내측 중심부에서 서로 접하지는 않도록 설치된 혼합 가이드 플레이트를 포함하여, 상기 혼합연료가 상기 혼합 가이드 플레이트에 의해 안내되는 동안 상기 혼합연료의 혼합율이 증가되도록 하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 주 현열 열교환기는, 상기 버너에서 발생된 연소가스와 열교환이 이루어지도록, 현열 열교환 챔버 및 상기 현열 열교환 챔버 내부에 설치된 현열 열교환관을 구비하고;
    상기 잠열 열교환기는, 상기 주 현열 열교환기에서 열교환을 마친 다음 유입된 연소가스와 열교환이 이루어지도록, 잠열 열교환 챔버 및 상기 잠열 열교한 챔버 내부에 설치된 잠열 열교환관을 구비하며;
    상기 주 현열 열교환관의 하부에 설치되며, 일단은 상기 현열 열교환 챔버의 일측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 현열 열교환 챔버의 타측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로를 형성하며, 상기 현열 열교환관을 향해 돌출된 엠보스 홀(emboss hole)이 형성되어 있는 제1가이드 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엠보스 홀은, 상기 엠보스 홀의 하단 개방부가 상기 엠보스 홀의 상단 개방부보다 더 큰 직경으로 이루어져, 분화구(crater) 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 엠보스 홀은, 상기 현열 열교환관의 직하부로부터 어긋난 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 주 현열 열교환관은, 제1현열 열교환관과 제2현열 열교환관을 구비하고, 상기 제1현열 열교환관과 제2현열 열교환관은 2층으로 적층되어 있으며, 상기 제1가이드 플레이트는 하층에 위치한 상기 제1현열 열교환기의 하부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1현열 열교환관과 제2현열 열교환기 사이에 제2가이드 플레이트가 설치되며, 상기 제2가이드 플레이트는, 상기 제1가이드 플레이트와 대향되도록, 일단은 상기 현열 열교환 챔버의 상기 타측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 현열 열교환 챔버의 상기 일측 벽면을 향해 연장되되, 상기 일측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 잠열 열교환관의 하부에는 제3가이드 플레이트가 설치되며, 상기 제3가 이드 플레이트는, 상기 제2가이드 플레이트와 대향되도록, 일단은 상기 잠열 열교환 챔버의 일측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 잠열 열교환 챔버의 타측 벽면을 향해 연장되되, 상기 타측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제3가이드 플레이트는, 상기 잠열 열교환기에서의 열방출을 방지하도록, 단열재질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 가스 보일러.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 잠열 열교환기의 상부에는 제4가이드 플레이트가 설치되며, 상기 제4가이드 플레이트는, 상기 제3가이드 플레이트와 대향되도록, 일단은 상기 잠열 열교환 챔버의 타측 벽면에 고정되고, 타단은 상기 잠열 열교환 챔버의 일측 벽면을 향해 연장되되, 상기 일측 벽면에 접하지는 않도록 하여 연소가스 통로가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 엠보스 홀 가이드를 구비한 콘덴싱 가스 보일러.
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