KR101046497B1 - 질소산화물 발생을 저감시키기 위한 2단 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기를 2단 구조로 하는 동시에 연소가스를 냉각시킬 수 있는 공간을 형성함으로써 질소산화물의 발생을 저감시킬 수 있는 2단 열교환기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

이를 구현하기 위한 본 발명은, 연료를 연소시켜 화염을 형성시키는 버너; 외주면에 전열핀이 결합된 다수의 난방수배관으로 이루어져 상기 버너로부터 발생한 고온의 연소가스와 1차로 열교환이 이루어지는 제1열교환부; 외주면에 전열핀이 결합된 다수의 난방수배관으로 이루어져 상기 제1열교환부에서 열교환을 마친 연소가스와 2차로 열교환이 이루어지는 제2열교환부; 상기 제1열교환부와 제2열교환부 사이에 연소실을 형성하며 제1열교환부를 통과한 연소가스의 온도를 하강시키는 공간부;로 이루어진다.

열교환기, 2단, 공간, 전열핀

Description

질소산화물 발생을 저감시키기 위한 2단 열교환기{Two-stage heat exchanger for reducing NOx}

본 발명은 2단 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버너의 연소에 의해 발생된 연소가스의 온도를 낮추어 NOx의 발생량을 저감시키기 위한 2단 열교환기에 관한 것이다.

산업발전 및 이에 따른 화석연료의 사용이 증가함에 따라 효율이 높고 배기가스의 배출이 적은 가스보일러의 개발이 요구되고 있다.

일반적으로 가스보일러에는 연료의 연소에 의한 연소가스와 난방수와의 열교환이 이루어지는 열교환기를 구비함으로써 가열된 난방수를 이용하여 난방을 수행하거나 온수를 공급하게 된다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구조를 보여주는 개략도이다.

하부에는 연료의 연소에 의해 화염을 발생시키는 버너(10)가 구비된다. 상기 버너(10)의 상부에는 연소가 이루어지는 연소실(20)이 형성된다. 상기 연소실(20)의 상부에 난방수와 연소가스와의 열교환이 이루어지는 열교환부(30)가 구비된다. 상기 열교환부(30)의 상부에는 열교환을 마친 연소가스가 배출되는 연도(40)가 구 비된다.

상기 열교환부(30)는 내부에 난방수가 흐르는 다수의 난방수배관(31)으로 이루어지고, 상기 난방수배관(21)의 외주면에는 전열면적을 확대하기 위해 전열핀(도면에 미도시)이 촘촘히 결합되어 있다.

상기 열교환부(30)에서 열교환을 마친 연소가스는 연도(40)를 통해 배기가스로 배출되는데, 이러한 배기가스에는 공해를 유발시키는 질소산화물(NOx) 함유되어 있다.

질소산화물 발생은 연소온도에 좌우되며 연소온도의 상승과 함께 급격히 증가하며 반대로 연소온도를 낮추면 발생량이 급격히 저하된다.

종래의 열교환기에 의하면 연소가스의 온도를 낮출 수 있는 구조가 구비되어 있지 않아 질소산화물(NOx)이 다량 배출되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 열교환기를 2단 구조로 하는 동시에 연소가스를 냉각시킬 수 있는 공간을 형성함으로써 질소산화물의 발생을 저감시킬 수 있는 2단 열교환기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료를 연소시켜 화염을 형성시키는 버너; 외주면에 전열핀이 결합된 다수의 난방수배관으로 이루어져 상기 버너로부터 발생한 연소가스와 1차로 열교환이 이루어지는 제1열교환부; 외주면에 전열핀이 결합된 다수의 난방수배관으로 이루어져 상기 제1열교환부에서 열교환을 마친 연소가스와 2차로 열교환이 이루어지는 제2열교환부; 상기 제1열교환부와 제2열교환부 사이에 연소실을 형성하며 제1열교환부를 통과한 연소가스의 온도를 하강시키는 공간부;를 포함하되, 상기 제1열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치와 상기 제2열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치는 5:1 ~ 10:1인 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 버너의 염공면과 제1열교환부의 전열핀 사이의 거리는 30㎜ ∼ 50㎜인 것으로 구성될 수 있다.

또한 상기 제1열교환부의 난방수배관 중심에서부터 제2열교환부의 난방수배관 중심까지의 거리는 85∼145㎜인 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 열교환기의 구조를 2단으로 하여 연소실의 온도를 낮춤으로써 질소산화물의 생성을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 열교환기의 구조를 보여주는 개략도, 도 3은 본 발명에 의한 열교환기에서 버너와 제1,2열교환부의 위치관계를 보여주는 개략도이다.

본 발명의 열교환기는, 연료를 연소시켜 화염을 형성시키는 버너(100), 상기 버너(100)의 상부에 형성된 연소실을 구성하는 공간부(200), 상기 공간부(200)의 하부에 설치된 제1열교환부(310)와 공간부(200)의 상부에 설치된 제2열교환부(320), 상기 제2열교환부(320)에서 열교환을 마친 배기가스가 배출되는 연도(400)로 이루어진다.

상기 제1열교환부(310)는 내부에 난방수가 흐르는 다수의 난방수배관(311)으로 이루어진다.

상기 난방수배관(311)의 외주면에는 전열면적을 확대하기 위해 다수의 전열핀(312)이 일정한 간격 이격되어 결합된다.

또한 상기 제1열교환부(310)는 연소가스의 온도를 낮추기 위해 버너(100)에 가까운 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 버너(100)의 연소에 의해 발생된 연소가스가 가까운 곳에 위치한 제1열교환부(310)에서 냉각되므로 연소온도를 낮추어 질소산화물을 발생을 감소시키게 된다.

다만 제1열교환부(310)가 버너(100)와 지나치게 가까운 경우 화염이 닿게 되므로 난방수배관(311) 및 전열핀(312)의 소손 염려가 있어 내구성이 저하되는 문제가 있다.

따라서 버너(100)의 염공면에서부터 제1열교환부(310)의 전열핀(312) 까지의 거리(L1)는 30㎜ ∼ 50㎜의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

상기 제1열교환부(310)의 상부에는 연소실을 이루는 공간부(200)가 형성되어 있다. 이 공간부(200)는 제1열교환부(310)에서 1차로 열교환을 마친 연소가스의 온도를 낮추는 역할을 하게 된다.

공간부(200)의 길이가 너무 작으면 연소가스 온도 하락의 효과가 줄어들고, 지나치게 크면 열교환기 전체 부피가 커지는 문제점이 있다.

이를 고려하여, 상기 공간부(200)의 길이(L2 : 제1열교환부의 난방수배관 중심 ∼ 제2열교환부의 난방수배관 중심)는 85㎜ ∼ 145㎜의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

상기 공간부(200)의 상측에는 제2열교환부(320)가 구비된다.

상기 제2열교환부(320)는 내부에 난방수가 흐르는 다수의 난방수배관(321)으로 이루어진다.

상기 난방수배관(321)의 외주면에는 전열면적을 확대하기 위해 다수의 전열핀(322)이 일정한 간격 이격되어 결합된다.

제2열교환부(320)의 전열핀(322)은 제1열교환부(310)의 전열핀(312)에 비하여 훨씬 촘촘하게 배치된다.

즉, 제2열교환부(320)의 전열핀(322) 간의 피치(picth)는 종래의 1단으로 이루어진 열교환기의 전열핀 간 피치와 유사하게 1.5㎜ 내외로 이루어지는데 반해, 제1열교환부(310)의 전열핀(312) 간의 피치(pitch)는 대략 12㎜ 내외가 되는 것이 바람직하다.

이와 같이 전열핀(312,322)의 피치(pitch)를 상이하게 하는 이유는, 버너(100)에서 가까운 제1열교환부(310)의 전열핀(312) 피치가 작을 경우 연소가스의 압력강하량이 커지기 때문에 연소가스의 유동 유속이 나빠져 불완전연소가 발생할 가능성이 커지기 때문이다.

이러한 점을 고려하여, 제1열교환부(310)의 전열핀(312) 간의 피치와 제2열교환부(320)의 전열핀(322) 간의 피치의 비율은 대략 5:1 ∼ 10:1 범위 내인 것이 바람직하다.

상기 제1열교환부(310)의 난방수배관(311)과 제2열교환부(320)의 난방수배관(321)은 연결배관(330)에 의해 연결되어 난방수가 연통하도록 되어 있다.

상기 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명한다.

버너(100)에서 연소가 이루어져 화염이 형성되면 먼저, 제1열교환부(310)에서 열교환이 이루어진다.

제1열교환부(310)에서 연소가스의 냉각이 이루어지므로 버너(100)의 화염을 냉각시키는 효과가 발생한다. 이로 인해 질소산화물(NOx)의 발생을 저감시킨다.

1차로 열교환이 이루어진 연소가스는 공간부(200)를 통과하면서 온도가 저하되고, 제2열교환부(320)를 통과하면서 2차로 열교환이 이루어져 온도가 급격히 하락된 연소가스가 연도(400)를 통해 배출된다.

이와 같이 2단계의 열교환과 공간부(200)를 통과하면서 냉각된 연소가스는 질소산화물(NOx)의 발생이 종래 1단 열교환기에 비해 크게 저감된 상태에서 연도(400)를 통해 배출된다.

도 4는 본 발명에 의한 열교환기에서 연소가스의 온도분포를 보여주는 시뮬레이션 결과 화면이다.

하부의 제1열교환부(310)에서 1차로 열교환이 이루어져 연소가스는 고온인 빨강색으로 나타나고 있다. 그 후 연소가스는 공간부(200)를 통과하면서 온도가 하락하여 중간 온도인 연두색으로 나타나고 있다. 상부의 제2열교환부(320)를 거치면서 열교환이 이루어져 연소가스는 저온인 파란색으로 나타나고 있다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구조를 보여주는 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 열교환기의 구조를 보여주는 개략도,

도 3은 본 발명에 의한 열교환기에서 버너와 제1,2열교환부의 위치관계를 보여주는 개략도,

도 4는 본 발명에 의한 열교환기에서 연소가스의 온도분포를 보여주는 시뮬레이션 결과 화면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 버너 200 : 공간부

310 : 제1열교환부 320 : 제2열교환부

311,321 : 난방수배관 312,322 : 전열핀

400 : 연도

Claims (4)

1. 연료를 연소시켜 화염을 형성시키는 버너;

   외주면에 전열핀이 결합된 다수의 난방수배관으로 이루어져 상기 버너로부터 발생한 연소가스와 1차로 열교환이 이루어지는 제1열교환부;

   외주면에 전열핀이 결합된 다수의 난방수배관으로 이루어져 상기 제1열교환부에서 열교환을 마친 연소가스와 2차로 열교환이 이루어지는 제2열교환부;

   상기 제1열교환부와 제2열교환부 사이에 연소실을 형성하며 제1열교환부를 통과한 연소가스의 온도를 하강시키는 공간부;

   를 포함하되,

   상기 제1열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치와 상기 제2열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치는 5:1 ~ 10:1인 것을 특징으로 하는 2단 열교환기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 버너의 염공면과 제1열교환부의 전열핀 사이의 거리는 30㎜ ∼ 50㎜인 것을 특징으로 하는 2단 열교환기.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1열교환부의 난방수배관 중심에서부터 제2열교환부의 난방수배관 중심까지의 거리는 85∼145㎜인 것을 특징으로 하는 2단 열교환기.

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