KR101196913B1 - 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러에 관한 것으로, 특히 외부에 구비된 별도의 팽창탱크를 사용하여 온수를 제공함으로써 풍부한 온수 공급량을 보장함은 물론, 상기 팽창 탱크를 저장 탱크로 사용할 수 있도록 함으로써 팽창 탱크와 저장 탱크를 각각 구비할 필요가 없게 하는 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러는, 연료를 공급받아 연소시켜 화염을 발생시키는 버너와, 난방수가 흐르는 난방수관이 내부를 관통하여 설치되어 있으며, 상기 버너에서 발생된 화염과 상기 난방수가 서로 콘덴싱 방식으로 열교환이 이루어지는 주 열교환기와, 내부에 공간부를 구비한 팽창탱크와, 상기 팽창탱크의 내부를 관통하여 설치되며, 입력측에는 직수관이 연결되고 배출측에는 온수 공급관이 연결된 온수 코일과, 공통 입력 포트는 상기 난방수관의 배출측에 연결되고, 제1 출력 포트는 상기 팽창탱크의 입력측에 연결되어 상기 주 열교환기에서 가열된 난방수를 상기 팽창탱크 내부로 공급하는 3방향 밸브와, 입력측은 상기 팽창탱크의 배출측에 연결되고, 배출측은 상기 난방수관의 입력측에 연결되어, 상기 팽창탱크에서 상기 온수 코일과 열교환을 마친 난방수를 순환시키는 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러{Hot water storage type PID control condensing boiler}

본 발명은 저장 탱크 내에서 직수와의 열교환이 이루어지도록 하여 저탕식으로 온수를 제공하는 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부에 구비된 별도의 팽창탱크를 사용하여 온수를 제공함으로써 풍부한 온수 공급량을 보장함은 물론, 상기 팽창 탱크를 온수 저장 탱크로 사용할 수 있도록 함으로써 팽창 탱크와 온수 저장 탱크를 각각 구비할 필요가 없게 하는 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 가정, 사무실, 공장 및 각종 공공 건물 등에서 사용되는 보일러는 온수를 가열하는 방식에 따라 저탕식 보일러와 순간식 보일러로 구분된다.

순간식 보일러는 직수관을 통해 공급된 직수(즉, 냉수)가 열교환기로 공급되어 버너에 의해 순간적으로 가열된 후 사용자에게 공급되는 것으로, 가열 속도가 빠른 편이기는 하지만 한번에 가열될 수 있는 직수량이 적어 온수를 충분히 공급하지 못한다는 문제점이 있다.

반면, 저탕식 보일러는 직수관을 통해 유입된 냉수가 온수탱크내에 설치된 열교환코일에 의해 항상 적정 고온으로 가열되어 있으므로, 사용자가 온수를 바로 사용할 수 있고, 순간식보다는 온수 공급량이 많다는 장점이 있다.

그러나, 종래의 저탕식 보일러는 온수탱크 내에 열교환 코일을 단순 배치한 형태로 되어 있어서, 온수탱크 내에 저장된 물이 항상 적정 온도를 유지하면서도 충분한 양을 제공할 수 있도록 구성되어 있지 않다는 문제점이 있었다.

또한, 이상과 같은 온수탱크 이외에 수격 발생 등에 의한 소음 및 장치의 손상을 방지하기 위해 별도의 팽창 탱크를 더 구비해야 하므로, 장치의 크기가 커지고 제작 비용이 증가한다는 문제점이 있었으며, 팽창탱크에 의해 온수탱크의 크기가 제약을 받아 충분한 온수를 공급하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 순간식의 경우 관수용량이 1~2L 정도로 온도에 대한 순간 응답 속도가 빨라 맞춤온수 및 비례제어 운전이 가능하나, 저탕식의 경우 순간식보다 관수용량이 훨씬 많고 저탕식 열교환기와 온수코일이 일체형으로 적용하는 방식으로 연소열량에 대한 응답속도가 늦어 맞춤온도 및 비례제어(PID: Proportional Integral Differential) 운전을 못한다는 문제점이 있어 단순 ON/OFF 가스밸브를 사용하여 제어하였다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 저장 탱크 내에서 직수와의 열교환이 이루어지도록 하여 저탕식으로 온수를 제공함에 있어서, 외부에 구비된 별도의 팽창탱크를 사용하여 온수를 제공함으로써 풍부한 온수 공급량을 보장할 수 있는 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 상기 팽창 탱크를 저장 탱크로 사용할 수 있도록 함으로써 팽창 탱크와 저장 탱크를 각각 구비할 필요가 없게 하는 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 종래에는 저탕식 열교환기에 온수코일을 일체로 적용한 방식과는 달리 별개의 온수용 열교환기 코일+팽창탱크를 적용한 일체형 팽창탱크에서의 온수 열교환 하는 방식을 사용하여, 난방수가 버너에 의해 가열된 후 항시 순환펌프 가동 및 3방향 밸브를 통한 유동으로 풍부한 온수 공급량을 보장함은 물론 동일한 온수 열교환 면적이라도 순간식보다 최대 온수온도를 높일 수 있는 장점과, 비례제어 가스밸브를 적용하여 feedback+feedforward 제어를 통한 일체형 팽창탱크 내의 온도를 항시 감시 및 유지하여 갑작스런 운전 시작에도 충분한 양의 온수를 항시 적정한 온도로 제공할 수 있게 한다.

또한, 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러로 비례제어 연소가 가능하므로 일반 저탕식 ON/OFF 보일러와는 달리 최소열량 운전이 가능함과 동시 관수용량이 풍부하여 실사용 조건(부분부하)에서 콘덴싱 효과를 활용한 응축효율을 극대화 할 수 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러는, 연료를 공급받아 연소시켜 화염을 발생시키는 버너와; 난방수가 흐르는 난방수관이 내부를 관통하여 설치되어 있으며, 상기 버너에서 발생된 화염과 상기 난방수가 서로 콘덴싱 방식으로 열교환이 이루어지는 주 열교환기와; 내부에 공간부를 구비한 팽창탱크와; 상기 팽창탱크의 내부를 관통하여 설치되며, 입력측에는 직수관이 연결되고 배출측에는 온수 공급관이 연결된 온수 코일과; 공통 입력 포트는 상기 난방수관의 배출측에 연결되고, 제1 출력 포트는 상기 팽창탱크의 입력측에 연결되어 상기 주 열교환기에서 가열된 난방수를 상기 팽창탱크 내부로 공급하는 3방향 밸브; 및 입력측은 상기 팽창탱크의 배출측에 연결되고, 배출측은 상기 난방수관의 입력측에 연결되어, 상기 팽창탱크에서 상기 온수 코일과 열교환을 마친 난방수를 순환시키는 순환펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 난방수에 포함된 공기를 제거하는 기수 분리기를 더 포함하되, 상기 기수 분리기는, 몸체와, 상기 몸체의 일측에 설치된 유체 입력부와, 상기 몸체의 타측에 설치된 유체 배출부 및 상기 난방수를 분출시키는 과정에서 공기를 분리하여 배출하는 공기 분리부를 포함하고, 상기 유체 입력부는 상기 3방향 밸브의 제2 출력 포트에 연결되고, 상기 유체 출력구는 상기 순환펌프의 입력측에 연결되며, 상기 공기 분리부는 상기 팽창탱크에 연결되어 있는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러에 의하면, 외부에 구비된 별도의 팽창탱크를 사용하여 온수를 제공함으로써 풍부한 온수 공급량을 보장할 수 있어서 사용 편리성을 향상시킨다.

또한, 팽창 탱크와 저장 탱크를 일체화함으로써 팽창 탱크와 저장 탱크를 각각 구비할 필요가 없게 하여 설비 크기 및 비용을 감소시킬 수 있게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러의 온수 공급 동작 상태도이다.
도 3은 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러의 기수 분리 동작 상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러에 대해 상세히 설명한다.

도 1과 같이, 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러(100)는, 연료를 공급받아 연소시켜 화염을 발생시키는 버너(110)와, 난방수관(미도시)이 내부를 관통하여 설치되어 있으며, 버너(110)에서 발생된 화염과 난방수가 서로 열교환이 이루어지는 주 열교환기(120)와, 내부에 공간부를 구비한 팽창탱크(140)와, 상기 팽창탱크(140)의 내부를 관통하여 설치되며, 입력측에는 직수관(151)이 연결되고 배출측에는 온수 공급관(152)이 연결된 온수 코일(150)과, 공통 입력 포트(Wc)는 난방수관의 배출측(123a)에 연결되고, 제1 출력 포트(W1)는 팽창탱크(140)의 입력측에 연결되어 있는 3방향 밸브(130) 및 입력측은 팽창탱크(140)의 배출측에 연결되고, 배출측은 난방수관의 입력측(123b)에 연결되어 있는 순환펌프(M)를 포함한다.

또한, 본 발명은 난방수에 포함된 공기를 제거하는 기수 분리기(160)를 더 포함하는데, 기수 분리기(160)는, 몸체(161)와, 몸체(161)의 일측에 설치된 유체 입력부(162)와, 몸체(161)의 타측에 설치된 유체 배출부(163) 및 난방수를 분출시키는 과정에서 공기를 분리하여 배출하는 공기 분리부(164)를 포함하고, 유체 입력부(162)는 3방향 밸브(130)의 제2 출력 포트(W2)에 연결되고, 유체 출력부(163)는 순환펌프(M)의 입력측에 연결되며, 공기 분리부(164)는 상기 팽창탱크(140)에 연결되어 있다.

이때, 상기 버너(110)는 송풍팬(111)과 연료 흡입구(112) 등을 포함하여 이루어지며, 공급된 연료와 공기를 적절한 비율로 예혼합함으로써 연소 특성을 향상시키고, 그에 따라 질소산화물(NOx)의 발생을 감소시키는 저 질소산화물 발생 버너(110)인 것이 바람직하며, 이러한 버너(110)는 연소시 발생된 화염 및 고온의 연소가스를 주 열교환기(120)에 제공하도록 주 열교환기(120)와 연결되어 있다.

주 열교환기(120)는 그 내부에 연관(121)이 지그재그 방식으로 설치되어 있고, 그 연관(121)은 배기관(122)과 연결되어 있어서, 고온의 연소가스가 당해 주 열교환기(120) 내부를 순환한 다음 배기관(122)을 통해 외부로 배출된다.

또한, 주 열교환기(120) 내부에는 연관(121)을 통해 유동하는 고온의 연소가스는 물론 버너(110)에서 발생된 화염과 열교환하는 난방수관(미도시)이 지그재그 방식으로 관통 형성되어 있어서 당해 난방수관 내부에 흐르는 난방수를 콘덴싱 방식으로 가열한다.

또한, 난방수관의 배출측(123a)은 제1연결관(P1)을 통해 3방향 밸브(130)의 공통 입력 포트(Wc)와 연결되고, 난방수관의 입력측(123b)은 제3연결관(P3)을 통해 순환펌프(M)의 배출측과 연결되어 있다. 따라서, 고온의 난방수를 팽창탱크(140)로 공급함은 물론 순환펌프(M)를 통해 배출된 저온의 난방수를 공급받아 난방수의 순환이 이루어지게 한다.

상기 팽창탱크(140)는 갑작스런 운전 시작이나 정지 등에 의해 수격(즉, 수충격)이 발생하는 경우 소음 발생이나 장치 손상을 방지하는 당해 팽창탱크(140) 고유의 기능은 물론 가열된 온수를 일시 저장하는 종래 온수저장탱크의 역할을 모두 수행하는 것으로, 이러한 팽창탱크(140)는 제2연결관(P2)을 통해 3방향 밸브(130)의 제1 출력 포트(W1)와 연결되어 있어서 고온의 난방수를 공급받는다.

또한, 그 내부 중심측에는 격벽(141)이 설치되어 있어서, 격벽(141)을 사이에 두고 양측에 온수 코일(150)이 배치될 수 있게 한다. 따라서, 온수 코일(150)의 길이를 길게 하여 그 표면적을 늘림은 물론 온수 순환 경로를 늘려 팽창탱크(140) 내부에 공급된 고온의 난방수와의 열교환이 충분히 이루어지도록 한다. 따라서, 충분한 양의 온수를 항시 적정한 온도로 제공할 수 있게 한다.

또한, 팽창탱크(140)의 일측에는 공기 배출구(142)가 형성되어 있어서, 아래에서 좀더 상세히 설명하는 바와 같이, 기수 분리기(160)에 의해 분리가 공기가 외부로 배출되도록 하고, 물 배출관(143a)과 연결되는 물 배출구(143)를 포함하여 수격 발생시에는 일부의 물을 외부로 배출하여 그에 의한 충격을 완화할 수 있게 한다.

온수 코일(150)은 상술한 바와 같이 팽창탱크(140) 내에 설치되되, 팽창탱크(140)에 구비된 격벽(141)을 그 사이에 두고 양측에 배치되도록 'U'자 형상으로 절곡되어 있고, 온수 코일(150) 입력측은 직수관(151)과 연결되고, 배출측은 온수 공급관(152)과 연결된다.

따라서, 직수관(151)을 통해 공급된 직수가 온수 코일(150)을 순환한 다음 배출되는 과정에서 팽창탱크(140)에 저장된 고온의 난방수에 의해 가열되어 온수로서 공급되며, 이때 온수 코일(150)의 길이가 충분히 길어 항상 충분한 양의 물이 팽창 탱크 내의 난방수에 의해 가열된 상태를 유지할 수 있게 한다.

기수 분리기(160)는 난방수에 포함된 공기를 분리하여 배출되도록 하는 것으로, 몸체(161)와, 상기 몸체(161)의 일측에 경사지도록 설치된 유체 입력부(162)와, 상기 몸체(161)의 타측에 수평하게 설치된 유체 배출부(163) 및 몸체(161)의 상측에 설치된 공기 분리부(164)를 포함한다. 물론, 필요에 따라서는 몸체(161) 내부에 필터(165)를 포함하여 난방수에 포함된 각종 이물질을 제거할 수 있게 한다.

이때, 유체 입력부(162)는 제4연결관(P4)을 통해 3방향 밸브(130)의 제2 출력 포트(W2)와 연결되고, 유체 배출부(163)는 순환펌프(M)의 입력측과 연결되며, 공기 분리부(164)는 그 상단이 팽창탱크(140)와 연결되어 있다.

따라서, 유체 입력부(162)를 통해 유입된 난방수가 공기 분리부(164)를 통해 팽창탱크(140) 내부로 분출되는 과정에서 수압이 낮아지면서 공기(A)가 분리되게 하고, 그 분리된 공기(A)는 공기 배출구(142)를 통해 외부로 배출되게 한다. 그리고, 공기가 분리된 순수한 난방수는 유체 배출부(163)를 통해 순환펌프(M)로 공급되게 한다.

이하, 이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러의 제1동작 상태에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러의 온수 공급 동작 상태도이다.

도 2와 같이, 저탕식으로 온수를 공급하기 위해 운전이 시작되면, 버너(110)가 연료를 공급받아 연소시켜 고온의 화염 및 연소가스를 발생시키고, 연소가스는 연관(121) 및 배기관(122)을 통해 외부로 배출된다.

이 과정에서 주 열교환기(120) 내부의 난방수관을 따라 흐르는 난방수가 가열되고, 가열된 난방수는 난방수관의 배출측(123a)과, 제1연결관(P1)과, 3방향 밸브(130)의 공통 입력 포트(Wc) 및 제2연결관(P2)을 통해 팽창탱크(140)에 공급된다. 이를 위해, 3방향 밸브(130)의 공통 입력 포트(Wc)와 제1 출력 포트(W1)는 열리고, 반면 제2 출력 포트(W2)는 닫히도록 제어된다.

팽창탱크(140)에 공급된 고온의 난방수는 온수 코일(150)을 따라 흐르는 직수와 열교환을 마친 다음 기수 분리기(160)와, 순환펌프(M) 및 제3연결관(P3)을 통해 다시 주 열교환기(120) 내부로 순환된다.

이러한 열교환 과정을 통해 고온의 난방수는 저온의 난방수로 되고, 반대로 직수는 온수로 됨으로써, 팽창탱크(140) 내의 격벽(141)을 사이에 두고 배치된 긴 길이의 온수 코일(150)에 의해 충분한 양의 온수를 항시 적정 온도로 제공할 수 있게 한다.

물론, 팽창탱크(140)가 온수저장탱크로서의 역할도 수행하므로 설비 사이즈를 줄임은 물론, 설비 비용을 저감시킬 수 있게 한다.

이하, 이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러의 제2동작 상태에 대해 설명한다.

본 발명의 제2동작 상태는 난방수가 온수 코일을 따라 흐르는 직수를 가열하여 온수를 제공함과 동시에 난방수에 포함된 공기를 제거할 수 있는 운전방식을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러의 기수 분리 동작 상태도이다.

도 3과 같이, 사용자가 수동으로 직접 조작하거나 혹은 제어부(미도시)에 설정된 예약 시간이 되면, 3방향 밸브(130)의 공통 입력 포트(Wc)와 제2 출력 포트(W2)는 열리고, 제1 출력 포트(W1)는 닫히도록 제어된다. 즉, 고온의 난방수가 직접 팽창탱크(140)로 공급되는 것이 아닌 기수 분리기(160)를 먼저 통과한 후 팽창탱크(140)로 공급되도록 한다.

이때, 버너(110)가 연료를 공급받아 연소시켜 고온의 화염 및 연소가스를 발생함으로써, 주 열교환기(120) 내부의 난방수관을 따라 흐르는 난방수가 가열되고, 가열된 난방수는 난방수관의 배출측(123a)과, 제1연결관(P1)과, 3방향 밸브(130)의 공통 입력 포트(Wc) 및 제4연결관(P4)을 통해 기수 분리기(160)의 유체 입력부(162)를 통해 유입된다.

그리고, 유체 입력부(162)로 유입된 고온의 난방수는 공기 분리부(164)를 통해 팽창탱크(140)로 내부로 분출되는 과정에서 수압이 낮아져 공기(A)가 분리되고, 그 분리된 공기(A)는 상승한 다음 공기 배출구(142)를 통해 배출되고, 공기(A)가 분리된 순수한 난방수는 팽창탱크(140) 내부의 온수 코일(150)과 열교환을 마친 다음 다시 배출된다.

배출된 저온의 난방수는 유체 배출부(163)를 통해 순환펌프(M)로 공급되고, 그 공급된 난방수는 순환펌프(M)를 통해 다시 주 열교환기(120)로 제공되어 이상과 같은 순환과정이 반복될 수 있게 한다.

즉, 본 발명의 제2동작 상태에서는 온수 공급은 물론 난방수에 포함된 공기(A)를 제거하여 공기(A)가 난방수관의 내벽에 부착되는 등의 이유로 열교환율이 저하되거나 설비가 부식되는 것을 방지할 수 있게 한다.

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.

110: 버너 120: 주 열교환기
130: 3방향 밸브 140: 팽창탱크
141: 격벽 150: 온수 코일
151: 직수관 152: 온수 공급관
160: 기수 분리기 M: 순환펌프
A: 공기

Claims (2)

1. 연료를 공급받아 연소시켜 화염을 발생시키는 버너(110)와;
   난방수가 흐르는 난방수관이 내부를 관통하여 설치되어 있으며, 상기 버너(110)에서 발생된 화염과 상기 난방수가 서로 콘덴싱 방식으로 열교환이 이루어지는 주 열교환기(120)와;
   내부에 공간부를 구비한 팽창탱크(140)와;
   상기 팽창탱크(140)의 내부를 관통하여 설치되며, 입력측에는 직수관(151)이 연결되고 배출측에는 온수 공급관(152)이 연결된 온수 코일(150)과;
   공통 입력 포트(Wc)는 상기 난방수관의 배출측(123a)에 연결되고, 제1 출력 포트(W1)는 상기 팽창탱크(140)의 입력측에 연결되어 상기 주 열교환기(120)에서 가열된 난방수를 상기 팽창탱크(140) 내부로 공급하는 3방향 밸브(130)와;
   입력측은 상기 팽창탱크(140)의 배출측에 연결되고, 배출측은 상기 난방수관의 입력측(123b)에 연결되어, 상기 팽창탱크(140)에서 상기 온수 코일(150)과 열교환을 마친 난방수를 순환시키는 순환펌프(M); 및
   상기 난방수에 포함된 공기를 제거하는 기수 분리기(160)를 포함하되,
   상기 기수 분리기(160)는 몸체(161)와, 상기 몸체(161)의 일측에 설치된 유체 입력부(162)와, 상기 몸체(161)의 타측에 설치된 유체 배출부(163) 및 상기 난방수를 분출시키는 과정에서 공기를 분리하여 배출하는 공기 분리부(164)를 포함하고, 상기 유체 입력부(162)는 상기 3방향 밸브(130)의 제2 출력 포트(W2)에 연결되고, 상기 유체 배출부(163)는 상기 순환펌프(M)의 입력측에 연결되며, 상기 공기 분리부(164)는 상기 팽창탱크(140)에 연결되어 있으며,
   상기 온수 코일(150)은 상기 팽창탱크(140) 내에 설치된 격벽(141)을 사이에 두고 양측에 배치되도록 'U'자 형상으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 저탕식 비례제어 콘덴싱 보일러.
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