KR101089622B1

KR101089622B1 - 하향 연소식 고체 연료 보일러

Info

Publication number: KR101089622B1
Application number: KR1020110004151A
Authority: KR
Inventors: 염동섭
Original assignee: 염동섭
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-12-07

Abstract

고체 연료를 상부에서 하부로 연소시키는 하향 연소식 고체 연료 보일러가 개시된다. 연소실 상부의 내벽 둘레에 노즐부를 설치하여 공기를 내벽과 수직한 방향과 내벽 하부 방향 사이의 공간으로 분사시켜 불완전 연소가스를 연소실 내부에 체류시켜 재연소를 유도함으로써 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 연소실 상부에 열교환기를 설치하거나, 연소가스가 배출되는 거리를 연장시키는 배기 가스 통로를 구비하여 연소열을 최대한 회수할 수 있으며, 고체 연료 이외에 별도의 열원공급수단을 부가 설치할 수 있어 사용이 편리하다.

Description

하향 연소식 고체 연료 보일러{Downward burning boiler for solid fuel}

본 발명은 나무, 생활쓰레기, 펠렛 등과 같은 고체 연료를 상부에서 하부로 거꾸로 연소시키는 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 농어촌의 주택 난방은 설치가 간편하고 보일러의 관리와 사용이 편리한 기름 보일러나 가스 보일러가 이용된다. 기름 보일러 또는 가스 보일러는 실내에 부착된 자동 온도조절기의 설정온도에 따라 버너가 자동으로 점화되어 실내온도를 설정온도로 유지하게 된다. 그러나 기름 또는 가스를 연료로 사용하는 보일러는 설정온도에 따라 버너가 자동으로 점화되어 실내온도를 유지시켜 주므로 사용이 편리하나, 최근 국제 유가가 급등하고 있어 농어촌의 서민들에게 난방비 부담이 크게 증가하고 있는 실정이다.

이러한 실정을 감안하여 농어촌이나 도심 변두리의 주택에서 겨울철 난방비를 절감하고자 나무 또는 폐목재를 주연료로 사용하는 나무 보일러의 보급율이 최근 증가 추세에 있다.

종래의 나무 보일러는 도 1과 같이, 연소실에 나무를 투입한 후 하부에서 착화시켜 상부로 연소시키며 연소가스를 배출하기 위한 연돌을 연소실 상부에 설치하였다. 이러한 나무 보일러는 농어촌에서 쉽게 구할 수 있는 나무와 폐목재 등을 연료로 사용하므로 기름 또는 가스를 연료로 하는 보일러나 전기 보일러에 비하여 연료비가 저렴할 뿐만 아니라 설비 및 유지관리비 또한 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 이러한 종래의 나무 보일러는 다음과 같은 문제가 있었다.

첫째, 연소실에 공급된 나무가 하부에서 균일하게 착화되지 않은 경우 측면부에 적재된 나무는 연소되지 않은 상태로 버려질 수 있었다. 또한 연소실 내부로 한꺼번에 많은 양의 나무를 투입할 경우 불완전 연소되면서 불완전 연소가스가 그대로 배출되어 많은 양의 그을음이나 연기 등이 발생함은 물론 연소 효율이 낮을 수밖에 없었다.

둘째, 연소가스가 상부의 연돌로 직접 배출하게 됨에 따라 분진이나 불씨 등이 외부로 배출되어 화재의 위험이 있었으며, 배출되는 연소가스는 고온이므로 연소효율이 상당히 낮았다.

셋째, 초기 연소열은 작은 반면 연소가 활발하게 진행되는 시점에서는 과도한 연소열이 발생되고, 연료의 종류 및 상태에 따라 연소 시간 및 발열량이 달라지므로 예측 관리가 힘들어 사용상 불편함이 따랐다.

본 발명은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하고자, 연소실 내부에서 발생되는 불완전 연소가스가 그대로 배출되는 것을 방지하기 위하여 연소실 상부에서 공기를 하향 분사시켜 불완전 연소가스의 재연소를 유도하는 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 연소가스가 직접 외부로 배기되지 않도록 하며, 연소실 상부에서 고온의 연소가스로부터 열을 회수할 수 있는 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 연소실에 투입되는 나무와 같은 연료의 연소 지속 시간을 고려하여, 추가적인 열원 제공수단을 구비한 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 하향 연소식 고체 연료 보일러는, 고체 연료를 상부에서 하부로 연소시켜 온수를 공급하는 하향 연소식 고체 연료 보일러에 있어서, 상기 고체 연료가 연소되는 연소실; 상기 연소실 주위에 물이 충진되는 물탱크; 연소가스를 외부로 배출하는 연돌; 상기 연소실 내벽 상부 둘레에 설치되어 상기 내벽과 수직한 방향과 상기 내벽 하부 방향 사이의 공간으로 공기를 분사시키는 제1노즐부와, 상기 제1노즐부와 각각이 연통되며 상기 연소실 내벽에 인접한 상태로 기립 설치되어 공기를 상기 연소실 내부 중심선을 향하여 편심되게 분사시켜 와류를 형성시키는 상호 연결된 복수개의 제2노즐부를 포함하는 제1노즐체; 및 상기 제1노즐체로 공기를 공급하는 제1송풍기를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제2노즐부 각각에 연통되며, 상기 연소실 내벽 하부 둘레에 설치되어 공기를 상기 연소실 내부로 분사시키는 제3노즐부를 더 포함한다.

삭제

바람직하게는, 상기 물탱크와 내부가 연결되며 상기 연소실 상부에 수평 방향으로 설치되는 원판 형태의 제1열교환부를 더 포함한다.

또한 본 발명은, 상기 연소실 상부에 평행하게 상기 물탱크와 내부가 연결되는 원판 형태의 제1열교환부를 더 포함한다.

또한 본 발명은, 상기 연소실 내벽과 상부가 연통되며 상기 연소실 일측부와 인접하여 형성된 배기 가스 통로를 더 구비하고,
상기 연돌은 상기 배기 가스 통로의 내벽과 이격된 상태로 하부까지 연장 형성되어, 연소가스가 상기 연소실 상부에서 상기 배기 가스 통로를 회류하여 상기 연돌 하부를 통하여 외부로 배출되며, 상기 물탱크는 상기 연소실 및 상기 배기 가스 통로 주위에 확장 형성된다.

또한 본 발명은, 상기 연료 투입구에 기름 버너가 착탈되는 버너 장착구 또는 상기 연소실 하부의 물탱크 내부로 전기 히터가 삽입되는 히터 삽입구를 더 포함한다.

본 발명의 하향 연소식 고체 연료 보일러에 의하면, 연소실 내부의 제1노즐체 또는 제2노즐체에 의한 공기 분사에 의하여 고체 연료의 불완전 연소가스가 재연소를 반복함에 따라 완전연소에 근접하게 되어 연돌을 통하여 배출되는 연기가 거의 발생되지 않으며 연소효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 연소실 상부의 열교환기에 의하여 연소가스로부터 열을 회수함으로써 배기 가스의 온도를 낮춤과 동시에 열효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 연소가스가 배기 가스 통로를 회류하면서 물탱크에 열을 공급하므로 열효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 고체 연료의 연소 상태에 따라 기름 버너 또는 전기 히터를 보조적으로 작동시킬 수 있으므로 사용 및 관리가 편리하다.

도 1은 종래 나무 보일러의 단면도.
도 2, 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보일러의 사시도, 측단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보일러의 측단면도.
도 5는 본 발명을 구성하는 제1노즐체의 사시도.
도 6은 본 발명을 구성하는 제2노즐체의 사시도.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명하되, 먼저 본 발명에 따른 보일러의 기본 구조를 살펴본 후, 본 발명의 핵심 구조에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 보일러는 도 2, 3과 같이, 연돌(6)이 설치된 대략 원통형의 연소실(1)과 그 외부에 물탱크(2), 단열재(3), 케이스(4)가 순차적으로 형성되어 있다. 그리고 전면에는 연소가 완료된 후 잔재를 제거하기 위한 소제구를 개폐하는 소제구 도어(13, 19), 고체 연료 공급을 위한 연료 투입구(5)를 개폐하는 연료 투입구 도어(17), 기름 버너를 장착하기 위한 버너 장착 도어(18), 송풍기와 제어장치 등이 내부에 설치되며 전면에 도어(15)와 투시창(16)을 구비하고, 측면에 공기가 유입될 수 있도록 공기구를 형성한 전면 박스(14)를 구비한다.

물탱크(2)의 하부에는 난방 또는 온수 사용을 위한 냉수 공급구(9)와, 보충수 공급구(10)가 각각 연결 설치되며, 상부에는 연소열에 의하여 승온된 온수를 배출하기 위한 온수 배출구(11)와 물탱크(2) 내부의 공기를 제거하기 위한 안전 밸브(12)를 구비한다.

본 발명의 특징은 크게 1) 하향 연소를 위한 노즐체의 구성, 2) 효율적인 연소열의 회수를 위한 열교환기의 구성, 3) 배기되는 연소가스의 체류 시간을 연장시켜 열을 회수하기 위한 배기 가스 통로 구조 및 4) 고체 연료를 대체하는 열공급수단을 장착할 수 있는 구성에 있다. 이하에서는 각각의 특징적인 구성에 대하여 순서대로 설명한다.

1) 노즐체의 구성

연소실(1) 내부로 투입한 고체 연료를 거꾸로 즉, 상부에서 하부로 연소시키기 위하여 연소실(1) 내벽 상부 둘레에 제1송풍기(30)와 연결된 제1노즐부(21)를 구비한다. 제1노즐부(21)는 연소실(1) 내벽과 수직한 방향과 내벽 하부 방향 사이의 공간으로 공기를 분사시켜, 상부에서 착화된 고체연료의 불완전 연소가스가 상부로 그대로 배출되지 않도록 연소실(1) 내부로 유도함으로써 재연소를 통한 완전연소를 도모한다.

이때 제1노즐부(21)는 단면이 사각인 환형의 관체로 구성할 수 있으며, 관체의 내측면, 하부면에 복수개의 분사공(24)을 형성하거나, 관체의 내측면과 하부면 경계의 모서리에 복수개의 분사공(24)을 형성할 수 있다. 따라서 이들 분사공(24)에서 분사되는 공기에 의하여 불완전 가스가 상부로 배기되는 것을 억제함으로써 불완전 연소 가스의 재연소가 이루어지게 된다.

한편, 연소실(1) 내벽에 기립하도록 설치되어 상기 연소실(1) 내부로 공기를 분사시키도록 상호 연결되며 일정 간격을 두고 설치된 복수개의 제2노즐부(22)를 더 구비할 수 있다. 복수의 제2노즐부(22)는 별도의 송풍기(미도시됨)와 연결할 수도 있으나, 앞서 설명한 제1노즐부(21)와 연통되도록 구성하여 제1송풍기(30)를 공유할 수 있다. 제2노즐부(22)는 연소실(1)의 내부 중심선을 향하여 편심되게 공기를 분사시킴으로써 연소실(1) 내부에 와류를 형성시킴으로써 고체 연료에 충분한 공기를 공급할 수 있음은 물론 불완전 연소 가스가 연소실(1) 내에 체류하는 시간을 연장시킴으로써 완전 연소를 유도하게 된다.

이때 제2노즐부(22)는 각각의 단면이 사각인 관체로 구성할 수 있고, 연소실(1)을 내부를 바라보는 관체의 정면, 일측면(예컨대, 연소실 내부 중심선을 기준으로 하여 각각의 관체 우측면)에 복수개의 분사공(24)을 형성할 수 있으며, 관체의 정면과 일측면 경계의 모서리에도 분사공(24)을 형성할 수 있다.

또 한편, 복수개의 제2노즐부(22) 각각에 연통되며, 연소실(1) 내벽 하부 둘레에 설치되어 공기를 상기 연소실 내부로 분사시키는 제3노즐부(23)를 더 구성할 수 있다. 제3노즐부(23)는 단면이 4각인 관체로 구성할 수 있으며, 관체의 내측면, 상부면, 하부면에 각각 복수개의 분사공(24)을 형성할 수 있으며, 관체의 정면과 상부면 경계의 모서리 중 적어도 1개소에 복수개의 분사공(24)을 더 형성할 수도 있다.

삭제

도 5는 앞서 설명한 제1 내지 제3노즐부(21 내지 23)를 상호 연통시켜 일체로 구성한 제1노즐체(20)를 연결관(25)을 이용하여 하나의 제1송풍기(30)에 연결할 수 있도록 구성한 실시예로서, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 내지 제3노즐부(21 내지 23) 각각에 대하여 별도의 송풍기를 연결하여 설치할 수 있음은 물론이다.

상술한 제1노즐체(20)와는 별개로 연소실(1) 내벽 하부 둘레에 제2노즐체(40) 설치하여 공기를 연소실(1) 내부로 분사시킬 수 있으며, 제2노즐체(40)에 공기를 공급하는 별도의 제2송풍기(50)를 구비할 수 있다. 이때 제2노즐체(40)는 도 6과 같이, 그 단면 형상이 원형인 관체로 구성할 수 있으며, 관체는 연소실(1) 내벽에 수직한 방향 또는 상, 하부로 경사진 방향으로 공기가 분사될 수 있도록 분사공(41)을 형성할 수 있다.

한편, 앞서 설명한 제1노즐체(20)와 제2노즐체(40)는 동시에 작동시킬 수도 있으나, 고체 연료의 연소 시간에 따라 초기에는 제1노즐체(20)만 가동하고, 연소가 어느 정도 진행되면 제1노즐체(20)의 작동을 중지하고 제2노즐체(40)만 가동하도록 제1, 제2송풍기(30, 50)를 제어하는 제어기를 설치함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 보일러의 크기 등을 고려하여 필요에 따라 제2노즐체(40)를 생략하고, 제2송풍기(50)만을 설치하여 연소실(1) 하부에 직접 공기를 공급할 수도 있다.

2) 열교환기의 구성

본 발명의 보일러는 하향 연소식이므로 통상의 상향 연소식 보일러 비하여 연소실(1) 상부의 온도가 상대적으로 낮지만, 열대류의 특성상 연소실 상부의 온도는 상당히 높을 수밖에 없으므로 연소열의 회수를 위하여, 연소실(1)의 상부에 물탱크(2)와 연결되는 열교환기(60)를 설치할 수 있다. 이때 효율적인 열 회수를 위하여 도 2, 3과 같이 열교환기(60)의 구조를 2중 구조로 할 수 있다. 구체적으로, 연소실(1) 상부 중앙에 화염 또는 연소가스가 통과할 수 있는 관통구(64)가 형성된 원판 형태의 제1열교환부(61)와, 이와 연결관(63)에 의하여 연결되며 그 상부에 평행하게 제2열교환부(62)로 구성할 수 있다. 이로부터 연소가스가 연돌(6)을 통하여 배출되기 전, 제1열교환부(61)와 제2열교환부(62)와 접촉하면서 연소열을 최대한 회수할 수 있게 된다.

한편, 열교환기(60)를 2중으로 설치함에 따라 하부의 제1열교환부(61) 상부면에 쌓이는 잔재를 청소하기 위한 소제구(8)를 연소실(1) 측벽에 설치할 수 있다.

3) 배기 가스 통로 구조

보일러 내부의 연소가스는 상당량의 열을 지니고 있으므로, 연소가스가 연돌을 통하여 배출되는 시간을 연장시킬 필요가 있다. 이를 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 연소실(1) 내벽 상부와 연통되며 연소실 일측부와 인접하게 배기 가스 통로(90)를 구성하고, 물탱크(2)를 연소실(1)과 배기 가스 통로(90) 주위에 확장 형성시킨다.

그리고 연돌(92)은 배기 가스 통로(90)의 내벽과 이격된 상태로 하부까지 연장 형성함으로써, 배기 가스의 일부는 연돌(92)을 통하여 외부로 배출되고, 나머지 일부는 배기 가스 통로(90) 내벽과 연돌(92) 외주면 사이의 공간을 따라 상승하는 과정에서 주위의 물탱크(2)에 열을 공급하게 됨으로써 열을 효율적으로 회수할 수 있게 된다. 이때 연돌(92)은 배기 가스 통로(90)에 삽입된 상태에서 상, 하부로 출몰할 수 있도록 함으로써 사용상 필요에 따라 연돌(92)의 높이를 조절할 수 있다.

한편, 배기 가스 통로(90) 하부에는 잔재를 청소할 소제구(91)를 설치할 수 있으며, 이 소제구(91)는 필요에 따라 연소 과정에서 연돌로서 사용이 가능하다.

4) 추가적인 열공급수단

고체 연료로서 나무, 생활 쓰레기, 톱밥 등을 사용하는 경우 그 연소 시간을 정확히 예측하기 힘드므로 계획적인 난방이 어려울 수 있다. 이를 개선하기 위하여 연료 투입구 도어(17)에 버너 장착구(70)를 추가적으로 설치할 수 있다. 즉, 필요에 따라 고체 연료 대신 기름 버너를 설치하고, 제1노즐체(20) 및/또는 제2노즐체(40)를 함께 사용함으로써 고체 연료와 마찬가지로 하향 연소가 가능함에 따라, 열 회수 효율을 향상시킬 수 있다. 이때 상기 버너 장착구(70)는 기름 버너를 설치하지 않은 상태에서는 연소 상태를 감시할 수 있는 감시구로서 역할을 할 수 있다.

또한, 물탱크(2)의 하부에 전기 히터(미도시됨)가 삽입되도록 히터 삽입구(80)를 설치하여, 필요에 따라 전기를 이용하여 보일러를 사용할 수도 있다.

이상에서는 본 발명을 실시예를 중심으로 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

20 : 제1노즐체 21 내지 23 : 제1 내지 제3노즐부
30 : 제1송풍기 40 : 제2노즐체
50 : 제2송풍기 60 : 열교환기
61, 62 : 제1, 제2열교환부 63 : 연결관
64 : 관통구 70 : 버너 장착구
80 : 히터 삽입구 90 : 배기 가스 통로

Claims

고체 연료를 상부에서 하부로 연소시켜 온수를 공급하는 하향 연소식 고체 연료 보일러에 있어서,
상기 고체 연료가 연소되는 연소실;
상기 연소실 주위에 물이 충진되는 물탱크;
연소가스를 외부로 배출하는 연돌;
상기 연소실 내벽 상부 둘레에 설치되어 상기 내벽과 수직한 방향과 상기 내벽 하부 방향 사이의 공간으로 공기를 분사시키는 제1노즐부와, 상기 제1노즐부와 각각이 연통되며 상기 연소실 내벽에 인접한 상태로 기립 설치되어 공기를 상기 연소실 내부 중심선을 향하여 편심되게 분사시켜 와류를 형성시키는 상호 연결된 복수개의 제2노즐부를 포함하는 제1노즐체; 및
상기 제1노즐체로 공기를 공급하는 제1송풍기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 1에 있어서,
상기 제1노즐부는 단면이 사각인 환형의 관체로 이루어지고, 상기 관체의 내측면, 하부면, 상기 내측면과 상기 하부면 경계의 모서리 중 적어도 1개소에 복수개의 분사공이 형성되는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제2노즐부는 각각의 단면이 사각인 관체로 이루어지고, 상기 연소실을 바라보는 상기 관체의 정면, 상기 정면의 일측면, 상기 정면과 상기 일측면 경계의 모서리 중 적어도 1개소에 복수개의 분사공이 형성되는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 1에 있어서,
상기 제2노즐부 각각에 연통되며, 상기 연소실 내벽 하부 둘레에 설치되어 공기를 상기 연소실 내부로 분사시키는 제3노즐부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 7에 있어서,
상기 제3노즐부는 단면이 4각인 관체로 이루어지고, 상기 관체의 내측면, 상부면, 하부면, 상기 내측면과 상기 상부면 경계의 모서리 중 적어도 1개소에 복수개의 분사공이 형성되는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
제1항에 있어서,
상기 연소실 내벽 하부 둘레에 설치되어 공기를 상기 연소실 내부로 분사시키는 제2노즐체;
상기 제2노즐체에 공기를 단독으로 공급하는 제2송풍기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 9에 있어서,
상기 제2노즐체는 단면이 원형이 관체로 이루어지고, 상기 관체는 상기 연소실 내벽에 수직한 방향과 상기 방향과 상부 또는 하부로 경사진 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 공기를 분사시키는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 9에 있어서,
상기 제1노즐체에 연결된 상기 제1송풍기와, 상기 제2노즐체에 연결된 상기 제2송풍기를 연소 시간에 상응하여 순차적으로 작동을 제어하는 제어기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 1에 있어서,
상기 물탱크와 내부가 연결되며 상기 연소실 상부에 수평 방향으로 설치되는 원판 형태의 제1열교환부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 12에 있어서,
상기 제1열교환부 중앙에 연소가스가 통과하는 관통구가 형성되고,
상기 제1열교환부와 상기 물탱크와 내부가 연결되며, 상기 제1열교환부 상부에 이격하여 평행하게 설치된 원판 형상의 제2열교환부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 1에 있어서,
상기 연소실 내벽과 상부가 연통되며 상기 연소실 일측부와 인접하여 형성된 배기 가스 통로를 더 구비하고,
상기 연돌은 상기 배기 가스 통로의 내벽과 이격된 상태로 하부까지 연장 형성되어, 배기 가스가 상기 연소실 상부에서 상기 배기 가스 통로를 거쳐 상기 연돌 하부를 통하여 외부로 배출되며, 상기 물탱크는 상기 연소실 및 상기 배기 가스 통로 주위에 확장 형성되는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 14에 있어서,
상기 연돌은, 상기 배기 가스 통로 내부에 삽입되어 상, 하로 출몰되는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 1에 있어서,
상기 연료 투입구에 기름 버너가 착탈되는 버너 장착구;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.
청구항 1에 있어서,
상기 연소실 하부의 물탱크 내부로 전기 히터가 삽입되는 히터 삽입구;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 고체 연료 보일러.