KR101224770B1 - 분사식 보일러, - Google Patents

Abstract

본 발명은 대류난방용 히터와 온수기능을 겸비한 보일러 및 열교환기에 대한 것으로써,계절에 따라서 연소실에서 발생한 연소열을 효율적으로 사용하기 위하여 현열교환기를 온수용(4)과 난방용(3)으로 각각 한 개씩 별도로 운영하고, 난방이 필요한 겨울과 같은 시기에는 온수나 난방용 현열교환기에서 회수하지 못한 폐열 및 잠열을 대류난방이 가능한 히터용 열교환기(13)로 보내어 대류난방을 가능도록 하며, 히터용 열교환기(13)에서 회수하지 못한 폐열 및 잠열은 잠열교환기(26)로 보내어 저수조(23)에서 공급되어진 물을 분사시켜 액체가 기체로 바뀔 때 주변의 열을 흡수하는 기화열을 이용하여 잠열회수 과정을 진행한다.

한편,난방이 필요하지 않은 여름철과 같은 시기에는 온수용 현열교환기(4)를 통과한 배기가스가 온수전용 배기 덕트(9)로 보내져 여름철 난방효과가 발생하지 않도록 하는 보일러 및 열교환기에 대한 것이다.

콘덴싱보일러, 기화열, 열교환기, 분사, 노즐, 히터, 저수조, 뎀퍼

Description

분사식 보일러, {Boiler based on Water Jet Method}

본 발명은 열효율을 향상시킨 열교환기 및 보일러에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 현열교환기(3,4)와 잠열교환기(26)의 사이에 대류난방이 가능한 히터용 열교환기(13)를 두고,연소실에서 발생한 열을 난방이 필요할 시와 그렇치 않은 경우에 따라서, 현열 교환기의 열교환 과정을 다르게 운영하는 방식의 보일러에 대한 것이다. 즉, 난방이 필요할 시에는 난방용 현열교환기(3)나 온수용 현열교환기(4)에서 발생된 폐열 및 잠열을 대류난방이 가능한 히터용 열교환기(13)로 보내게 되고, 히터용 열교환기(13)에서 회수하지 못한 나머지 잠열은 잠열교환기(26)에서 회수하게 하도록 하는 방식이다. 이때, 잠열교환기(26)에서 잠열을 회수하는 방법으로 난방수를 이용하여 잠열교환기 내부에서 노즐(17)을 통하여 물을 분사함으로서 액체가 분사될 때 기체로 바뀌면서 주변의 열을 흡수하는 방법을 통해서, 배기가스와 난방수가 직접 접촉하는 방식으로 잠열을 흡수하는 방법을 사용하고, 난방이 필요하지 않은 여름철에는 온수용 현열교환기(4)에서 발생된 열이 난방에 이용되지 않도록, 온수 전용 배기덕트(9)로 배출시키는 것을 특징으로 하는 난방용 보일러이다.

일반적으로 보일러는 물을 사용하는데, 물은 비열이 가장 큰 물질이다. 또한 열교환기 내에서의 열의 흐름은 물질의 열 전도도가 높은 물질일수록, 열을 교환하는 두 물질의 온도차가 클수록,열을 교환하는 전열 면적이 클수록 더 많은 열의 교환이 이루어진다. 한편, 보일러에서 물의 특성을 고려한 열의 이동은 물이 기체상태에서 액체로 바뀔 때에 539 cal/g의 열량을 필요로 하게되는데, 물의 이러한 자연적 특성은 가역반응이 성립하기 때문에, 100℃ 이상의 수증기를 포함한 기체가 액체로 바뀔 때에도 539 cal/g의 열량을 발생시키게 된다. 이를 이용한 것이 콘덴싱 방식의 보일러이다.

본 발명에서, 잠열의 회수과정은 이 같은 열의 이동 원리와, 물의 특성을 이용한 것으로 잠열을 회수하기 위해서, 난방수의 물을 분사하고, 이때 물이 액체에서 기체로 바뀌면서 주변의 열을 흡수하는 물의 특성을 이용하여 잠열을 회수하게 된다. 또한, 전열 면적을 크게 하기 위해서 수개의 격막으로 열교환기를 구성하게 되며, 격막과 격막 사에에서 수개의 노즐을 사용하여 난방수를 분사함으로서 배기가스의 체적보다 큰 열교환 면적을 형성하게 하여 잠열을 회수하게 된다.그리고 온도차를 발생시키기 위해서,온도가 낮은 난방수를 잠열을 포함하고 있는 배기가스와 직접 접촉시킴으로서 잠열을 회수하게 된다.

잠열을 회수하기 위해서는 배기가스를 100℃ 이하의 상태로 만들어야 하는데,잠열교환기 내에서 분사되어지는 난방수의 온도는 배기가스의 온도보다 충분히 낮기 때문에 효율적으로 잠열을 회수 할 수 있다. 또한 이 같은 방법은 배기가스의 배출온도가 난방수의 온도에 근접하여 배출되기 때문에, 열효율이 높고, 연료의 소비를 줄일 수 있는 장점이 있다.

종래의 보일러(도 2)는 온수 및 바닥난방을 위한 열교환기만(31,34)을 가지고 있어서,현열교환기(31) 및 잠열 교환기(34)에서 회수된 열을 물을 데우는데 사용하고, 데워진 물을 실내의 바닥에 설치되어진 보일러 배관을 따라 흐르게 함으로써 보일러 배관의 주위를 감싸고 있는 축열체에게 열을 전도하게 되고, 축열체가 다시 공기를 데우는 간접대류난방 방식을 사용하고 있다.

이 같은 간접대류난방 방식은 최근 수요가 증가하는 직접적인 대류난방에 대한 방법을 제시하지 못하고 있고, 이로인해서 보일러가 있는 가정에서 다시 실내 공기를 데우는데 필요한 히터를 사용하는 문제점이 있었다. 이 같은 간접 대류 난방 방식은 장시간 외출 후 귀가시나 실내의 바닥온도 및 실내의 공기 온도가 낮은 상태에서, 보일러를 가동한 후 수시간이 지나야 집안의 공기가 데워지는(Time-Lag 발생) 단점이 있다.

또한, 종래의 보일러는 현열 교환기(31)에서 온수용 열교환기와 난방용 열교환기를 함께 사용함으로서 온수를 사용하지 않고 난방만을 할 때에도 온수배관(32,33)을 가열하여서 열손실이 발생하는 단점이 있었고, 여름철에는 난방을 하지 않는데도 불구하고 난방수(37,38)를 데워서 여름철 난방효과를 발생시키는 문제를 가지고 있었다.

또한, 종래의 보일러는 현열 교환기를 통해서 회수하지 못한 폐열 및 잠열을 잠열 교환기를 통해서 회수하게 되는데, 이 과정에서 잠열을 회수할 때 필연적으로 발생되어지는 응축수는 중산성을 띠게 된다.중산성을 띤 응축수의 영향으로, 열전도도가 높은 구리관(37,33,32) 또는 구리핀튜브(34)등의 부식을 가져오게 되고, 응축수가 버너의 불꽃이나 버너 노즐에 떨어져서 불완전 연소가 발생하는 등 버너의 노후화 및 불완전 연소문제가 있었다.또한 중산성을 띠는 응축수는 밀집주거형태를 띠는 도시지역 및 아파트단지등에서, 밤시간 동안 희석되지 않은 채로 하수구를 통해서 내보내지게 됨으로서 환경오염문제를 가지고 있었다.

응축수가 중산성을 띰으로 인해서 산성에 약한 구리관이나 구리핀튜브의 부식시키는 문제를 해결하고자, 종래의 보일러는 잠열 회수용 열교환기의 소재를 알루미늄, 스테인레스 등과 같이 부식에 대한 내구성이 있는 소재(재질)로 바뀌어 가고 있는 것이 최근의 추세이다. 하지만, 이 같은 소재들은 구리에 비해서 부식에 대한 내성은 강하지만, 열교환기의 본연의 기능인 열효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

열전도도면에서 보면,구리는 알루미늄으로된 열교환기 보다 60%의 열 전달 효율이 좋으며, 구리와 스테인레스의 관계에서는 2500%의 향상된 열 전달 효율을 보이게 된다. (참고 : 상온에서 열전도도는 구리:401 W/m℃, 알루미늄:250 W/m℃, 스테인레스:16 W/m℃ W=watt, m = meter, ℃ = Temprature )

아울러, 종래의 보일러 중 응축수의 폐해(응축수가 중산성을 띰으로 인해서 산성에 약한 구리관(37,32,33)이나 구리핀튜브(34)의 부식등과 같은 문제,응축수가 연소버너의 불꽃이나 연소노즐로 떨어져서 불완전 연소가 발생하는 문제)를 피하기 위한 또다른 방식은 상향식 연소버너를 사용하지 않고, 하향 연소 방식 버너를 사용하여 연소에 따른 열의 전달 과정을 하향으로 바꿈으로서 이 문제를 해결하려 했는데, 이때 상향 연소식에서 주로 사용되어지는 Bunsen방식의 버너를 사용하지 못하고, Pre-Mixed 방식의 예혼합 버너를 사용하게 된다.

Pre-Mixed 방식의 버너는 Bunsen 방식의 버너보다 제어과정이 복잡하고, 가격도 비싸다는 문제를 가지고 있다. (연료가 연소되어 질 때 연소과정에서 공기를 공급받는 버너가 Bunsen방식의 버너이고, 연소 전에 미리 공기와 혼합된 과정을 거친 후 연소되는 버너가 Pre-Mixed 방식의 버너이다.)

Bunsen방식의 버너는 연소를 할 때 2차 공기를 요구하게 되는데, 응축수가 버너의 분사노즐을 막거나, 2차 공기를 공급받기 전에 불꽃으로 떨어지게 되면 불완전 연소되는 현상이 발생된다.

한편 종래의 보일러는 순간 온수 보일러와 저탕식 보일러로 나뉘어져 제품화 되기도 하는데, 이것은 기존 보일러가 현열 교환기를 구성함에 있어서, 연소로 발생된 열이 현열교환기 내에서 온수와 난방수를 함께 가열 하도록 되어 있기 때문에, 온수를 데우는데 필요한 충분한 열량을 확보하지 못하는 문제를 해결하기 위해서 고안된 제품들이다.

종래의 보일러 중 저탕식 보일러는 이 같은 단점을 해결하고자 따로 충분한 온수전용 탱크를 설치하여, 온수 확보의 문제를 해결하려 시도했지만, 이에 대한 단점으로 온수의 예열시간이 길어지고, 필요량보다 많은 물을 데우기 때문에 쓰고 남은 온수로 인해서 열손실을 발생시키게 되고, 여름철에는 난방수와의 열교환으로 인해서, 바닥난방을 하게 되는 부작용이 있었다(여름철 난방효과).

또한, 종래의 보일러 중 순간온수 보일러는 저탕식 보일러 보다 열손실이 적고, 예열 시간이 짧아서 효율적인 방법이지만, 현열 교환기에서 온수와 난방수를 동시에 가열하기 때문에 온수 가열에 필요한 열량이 부족하여,온수의 수요가 높은 겨울철에 직수(수도관의 물)의 온도가 낮은 상태에서, 많은 양의 물을 사용할 경우 충분한 온수를 공급하지 못하는 단점이 있다.

또한, 종래의 보일러의 경우, 대부분의 제품이 온수 사용시에는 응축잠열을 회수하지 않고 있는데, 이것은 응축잠열이 여름철에 바닥난방을 하게되는 부작용을 가지고 있기 때문이다.

본 발명은 이 같은 문제를 해결하고자, 온수의 사용시에는 연소열을 온수전용 현열교환기(4)로만 보내고, 여름철에는 온수전용 배기덕트(9)를 통해서 배기가스를 배출시키며, 겨울철에는 온수전용 배기덕트(9)를 막고, 대류난방이 가능한 히터용 열교환기(13) 및 잠열 교환기(26)로 보냄으로서 온수 사용시에도 대류난방과 바닥난방을 위한 폐열 및 잠열을 회수함으로써 열효율을 높히고, 충분한 온수를 공급하여 상기의 문제들을 해결하였다.

본 발명은 상기에 기술한 문제들을 해결하고자, 가스버너에서 발생한 열소열을 난방이 필요한 시기와 그렇지 않을 시기에 따라서 배기덕트의 운영을 달리하고, 열교환 과정을 변화시킴으로써 열손실을 줄여 열효율은 높이고 여름철 난방 효과와 같은 부작용은 줄이도록 하는 제안을 담고 있다.

좀 더 자세히 기술하자면, 난방이 필요할 시기에는 온수 사용량이 늘어나고 잠열을 회수하지 않을 경우, 열 손실이 크다는 점을 고려하여, 난방이 필요하지 않을 시기에는 온수 사용시에 발생되는 잠열을 회수하지 않지만, 난방이 필요할 시기에는 대류용 열교환기(13)와 잠열교환기(26)를 통해서 폐열 및 잠열을 회수하도록 하여 열효율을 향상 시킬 수 있다. 보일러의 사용 시간은 여름철 에어컨의 사용 시간보다 훨씬 길고, 여름철의 경우 온수만 사용하지만, 겨울철에는 온수 및 난방과 히터를 사용하는 특성을 감안하여 보일러의 열효율을 겨울철에 맞게 효율적으로 운영하기 위한 제안을 담고있다.

종래의 콘덴싱 보일러의 경우 잠열 및 폐열의 회수과정에서 필연적으로 발생되는 응축수로 인한 보일러의 노후화 문제가 있었고, 응축수가 버너 및 버너의 불꽃에 떨어져서 불완전 연소되는 문제도 있었다. 이 같은 문제를 해결하기 위한 종래의 하향연소방식의 보일러의 경우, Pre-Mixed 방식의 예혼합버너를 사용하여, 버너의 비용증가 및 제어의 복잡성을 가지고 있고, 콘덴싱 보일러의 경우 응축수에 대한 내구성은 강하지만 열전도도가 구리보다 떨어지는 재질로 잠열 교환기를 제조함으로 인해서, 열손실이 발생하는 문제를 가지고 있었다.

또한, 종래의 가스보일러는 현열교환기(31)에서 온수와 난방수를 동시에 가열하여 사용하여 왔는데, 겨울철에는 온수의 열량부족 문제가 발생하고, 여름철에는 사용하고 남은 온수가 난방수를 다시 가열함으로서 여름철 난방효과가 발생하는 등의 부작용이 있었다. 그리고 여름철과 겨울철의 열교환 흐름이 다르지 않아서 온수를 사용할 때 콘덴싱 기능을 사용하지 못하는 문제가 있었으며, 겨울철에는 온수 사용시 난방이 되지 않는 문제도 가지고 있었다.

또한, 종래의 보일러의 경우 직접적인 대류 난방기능을 제공하지 않음으로 인해서 보일러를 가동 후, 실제 온기를 느끼는 시간까지 시간의 지연(Time-lag)이 발생하는 문제를 가지고 있다. 이 같은 문제로 인해서 상당수의 보일러 사용자는 보일러가 설치되어 있음에도 불구하고, 보일러의 대류 난방을 보완하기 위해 대류 방식으로 열을 전달하는 히터를 사용하고 있는 것이 현실이다.

대류 난방기 중, 전기히터의 경우 전기세의 누진문제로 사용상 제약을 받고 있으며, 연소식 히터의 경우 연료의 연소가 밀폐된 실내에서 이루어지기 때문에 산소의 부족문제나, 이산화탄소 및 배기가스로 인한 실내 공기 오염 문제가 발생하게 되고, 아울러 실내의 습도가 낮아지는 문제와 악화된 실내공기를 환기시키려 할 때 가열되어진 실내공기가 외부로 빠져나감으로 인해서 발생되는 열손실의 문제를 발생시키게 된다.

또한, 보조 난방기기의 구입으로 인한 비용 증가와, 보조 난방기기의 사용에 따른 유지비용이 추가로 소요된다는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 종래의 보일러 중 콘덴싱 보일러의 경우 잠열의 회수과정에서 필연적으로 응축수가 발생되게 되는데, 응축수를 희석시키지 않고 하수도로 배출함으로써, 밀집 주거지역에서 밤시간 동안 배출된 응축수는 겨울철 강수량이 적은 상태에서 하구수에서 합쳐서 하천으로 흐름으로서 환경오염을 가져오는 문제도 있었다.

본 발명은 상기에 기술한 문제들을 해결하고자, 단열재로 된 격막(11)을 사이에 두고 난방과 온수용으로 구분되어지는 난방용 현열교환기(3)와 온수용 현열교환기(4)를 따로 설치하고, 현열 교환기용 연소버너(1)와 온수용 연소버너(2)를 따로 설치하게 한다. 그리고, 열교환기의 구성에 있어서 온수용 현열교환기(4), 난방용 현열교환기(3), 대류난방에 사용 되어지는 히터용 열교환기(13), 잠열회수용 잠열교환기(26)로 구성하고, 연소가스 배출을 위해서 난방이 필요할 시와 그렇지 않을 시로 운영되는 두 개의 배기덕트(19,9)와 두개의 배기덕트로 배기가스를 유도하는 두 개의 뎀퍼로 구성된다.

온수용 현열교환기(4)와 난방용 현열교환기(3)는 독립적으로 운영되어지며, 각각의 교환기는 독립된 연소용 버너(1,2)를 갖게 된다.이 같은 방법은 온수 사용시 충분한 연소열을 공급함으로서 충분한 온수의 공급을 가능하게 하고, 온수시 난방이 안되었던 기존의 보일러의 문제를 해결하기 위함이다. 또한, 난방시 온수를 가열하는 문제나, 온수 사용시 난방수를 데워서 온수의 열량이 부족했던 문제와 여름철 온수 사용시 발생되는 여름철 난방효과 문제를 해결 하고자 함이다.

잠열교환기(26)는 교환기의 내부를 배기가스가 잘 흐를 수 있는 구조를 감안하여, 배기가스를 배기 덕트로 유도 할 수 있는 내구성이 강하고 불연소재로 된 여러 개의 격막(16)으로 만든다. 이때, 잠열을 회수하기 위해서 격막과 격막 사이에서 배기가스의 흐름과 같은 방향으로 노즐(17)을 사용하여 난방수를 분사하게 된다. 노즐을 통해서 분사되어진 난방수는 격막의 온도를 낮추고, 온도가 높은 배기가스와 직접 접촉함으로서 효율적인 열교환을 이룰 수 있고, 잠열교환기를 세척시킴으로서 잠열교환기의 노후화를 방지하고, 종래의 보일러에서 잠열교환기에 사용되었던 구리관이나 구리 핀튜브, 알루미늄관, 스테인레스 주름관 같은 열교환기를 사용하지 않음으로써 열효율이 좋고, 제작이 용이하며, 응축수가 연소용 버너의 불완전 연소를 일으키는 문제를 해결함으로서 가격면에서 경쟁력이 있고 제어가 편한 상향 연소가 가능한 분젠 방식의 버너를 사용 할 수 있는 등의 장점을 가진다.

대류난방에 사용되는 히터용 열교환기(13)는 온수용 현열교환기(4)나 난방용 현열교환기(3)에서 나온 잠열을 포함한 배기 가스가 잠열교환기(26)로 가기전에 위치시켜서, 실내에서 유입된 공기가, 히터용 열교환기(13)를 거쳐 데워진 후, 다시 실내로 흐를 수 있는 역할을 하게 된다. 히터용 열교환기는 실내에서 난방시 발생되었던 공기오염 문제나, 연소로 인한 산소 부족를 해결 할 수 있으며, 오염된 공기를 환기시킬 때 발생하는 열손실도 줄일 수 있다. 또한, 히터용 열교환기(13)는 난방 후 몇 시간 뒤에 실내의 온도가 상승 하게되는 Time-Lag 발생을 줄이고, 보조난방기의 구입및 유지 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 보일러를 사용함에 있어서 난방이 필요한 시기와 그렇지 않은 시기로 구분하고, 열교환 과정을 다르게 운영하여서 보일러의 열효율성은 증가하고, 연소열의 낭비를 줄일 수 있는 방법으로 운영되는데, 난방이 필요한 시기는 온수전용 배기 뎀퍼(8,수평)를 닫고, 온수에서 사용되고 난 후의 폐열 및 잠열이 대류용 열교환기(13)로 흐를 수 있도록 잠열 교환용 뎀퍼(10,수평)를 열어서 대류난방기능을 하는 열교환기(13)로 보내고, 다시 대류난방용 열교환기(13)를 지나 온 배기 가스내 잠열을 회수하기 위해서, 잠열교환기(26)에서 노즐을 통해 분사된 난방수를 통해 잠열교환기(26)의 세척과 함께 잠열을 회수하는 과정을 갖는다.

또한, 여름철에는 온수용 연소기(4)에서 발생 되어진 열이 (온수용 현열교환기에서 온수를 데운 후,) 난방수를 가열하지 못하도록, 온수전용 배기뎀퍼(8)를 열고(수직), 잠열 교환용 배기 뎀퍼(10)를 닫음(수직)으로서 여름철 난방효과를 방지 할 수 있는 장점이 있다.

기름 보일러, 펠릿 보일러, 화목 보일러의 경우, 배기가스의 온도가 200℃ 이상이고, 열손실이 크다는 문제가 있었다. 종래의 보일러의 경우 상기 보일러에서 콘덴싱 기능을 사용하지 않고 있는데, 이것은 상기 보일러가 배기가스 내에 미 연소 물질 및 재를 포함하고 있기 때문이다. 본 발명은 상기 보일러의 잠열을 회수하기 위한 방법으로, 난방수를 수 개의 격막으로 구성된 배기덕트를 지나게 하고, 수 개의 노즐(17,27)을 통해서 분사 시켜서 오염물질을 포함한 배기가스와 직접 접촉하도록 하여 잠열의 회수하는 방법을 제시한다. 이때, 회수된 응축수 및 오염물질(그으름,연소시 발생된 재)은 응축수 회수용 유입구 (20,42)를 통해서 저수조로 유입되게 된다. 응축수에 포함된 오염물질이 분사용 노즐을 막을 수 있으므로, 응축수내 오염 물질을 걸러낼 수 있도록 저수조 내에 숯이나 활성탄으로 이루어진 필터층을 두게 된다. 필터층의 상단부와 하단부 격막은 물을 잘 통과 시킬 수 있도록 다수의 작은 구멍이 뚫려져 있다. 또한, 필터층은 저수조 상부의 뚜껑을 열어서 꺼낼 수 있게 하여, 청소하거나 교환 할 수 있도록 한다.

또한, 난방용 현열 교환부와 온수용 현열 교환부로 운영되어지는 보일러 중 용량이 작은 보일러에서, 한 개의 버너를 사용해서 선택적으로 난방부와 온수부에 열을 나누어 공급하는 기능을 하기 위해서, 연소열 분배용 뎀퍼(51,52)를 사용하게 된다. 도면 4에서 연소열 분배용 뎀퍼 51과 52는 동일한 뎀퍼이고, 온수 사용시에는 난방부로 열이 흐르는 것을 차단하는 역할을 하며(도면 4의 상단 참조), 난방 사용시에는 온수부로 열이 흐르는 것을 차단하는 역할(도면 4의 하단 참조)을 하게 된다. 온수와 난방이 동시에 선택되어 지면, 온수를 우선시 하는 운영을 하기 위해서, 난방부로 흐르는 열을 차단하고, 버너의 열을 온수부로 보내는 역할을 하게 된다.

본 발명은 보일러가 구입후 최소 5년 이상 사용되는 내구재인 점을 감안하고, 1년 중 냉방기의 사용시간보다 난방기의 사용시간이 길며, 난방에 필요한 연소용 연료가 수입에 의존하고 가격이 비싸다는 점을 고려하여, 연소실에서 발생한 열소열을 난방이 필요한 시기와 그렇지 않은 시기로 구분하여 운영함으로서 열손실은 줄이고, 열효율과 내구성은 높히는 장점을 가진 보일러에 대한 것이다.

난방이 필요한 시기와 그렇지 않은 시기에 따라서 배기덕트의 운영을 달리하고 열교환 과정을 변화시킴으로써 열손실은 줄이고, 열효율은 높힘으로서 여름철 난방 효과와 같은 부작용을 줄이는 장점이 있다.또한, 잠열 및 폐열의 회수과정에서 발생되는 응축수로 인한 보일러의 노후화 문제를 해결하여 보일러의 내구성을 향상시키는 장점이 있으며, 잠열 및 폐열의 회수시 난방수와 배기가스가 직접 접촉하여 잠열을 회수 함으로서 난방수의 온도와 근접한 상태로 배기가스를 배출시킬 수 있기 때문에 열효율이 좋고,연료의 낭비를 줄일 수 있으며,이로 인해서 이산화탄소의 배출을 감소시키는 결과를 가져오게 된다.

또한, 종래의 보일러와 달리 현열교환기를 온수용(3)과 난방용(4)으로 나누어 운영함으로써, 충분한 온수 공급이 가능하게 하고, 저탕식 보일러와 같이 필요량보다 많은 물을 가열하면서 발생 되어지는 열손실을 줄일 수 있으며 그로 인한 연료의 낭비를 줄이고, 여름철 난방효과와 같은 부작용을 방지하는 장점이 있다.

현열 교환 과정을 수행한 후 폐열 및 잠열을 이용해 대류 난방을 가능하게 함으로써, 난방 지연 효과(Time-lag)를 줄여서 보조 난방기의 구입비용 및 유지 비용을 절약할 수 있고, 대류난방용 열교환기(13)의 위치를 적절히 바꿈으로서, 대류난방을 주로 사용하는 해외의 시장에서 경쟁력을 확보 할 수 있을 것으로 기대한다. (참고적으로 영국의 경우 콘덴싱 보일러로 교체할 경우 국가에서 지원금이 지급되고 있으며 (출처: 한국기술거래소,가정용보일러,2006), 유럽의 다른나라들도 콘덴싱 보일러의 사용을 권장하고 있는 추세이다.)

한편, 잠열의 회수 방법으로 노즐을 통해서 난방수를 분사하는 방법을 사용함으로서 기존의 보일러보다 효율적인 열교환을 이룰 수 있고, 부가적으로 보일러의 내구성을 증대시킬수 있으며, 잠열교환기의 단가를 낮추고,제조과정을 단순화 할수 있으며, 잠열의 회수시 발생된 중산성의 응축수를 물을 분사하여 희석된 상태로 배기가스와 함께 배출시킴으로서 환경오염을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면 1을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이해를 돕기 위해서, 보일러의 구성을 먼저 설명하고, 보일러의 계절에 따른 사용법으로 구분하여 난방이 필요한 시기와 그렇지 않은 시기로 나누어 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 보일러의 구성은 난방에 사용 되어지는 부분과 온수에 사용되는 부분으로 나뉘어져 있다. 난방에 사용되는 지는 부분은 도1의 좌측면에 속하는 부분으로 난방용 연소버너(1)와, 난방용 현열교환기(3), 대류난방을 위한 히터용 열교환기(13),잠열 회수를 위한 분무식 잠열교환기(26),난방용 배기덕트로(19) 구성된다. 또한 온수에 사용되어 지는 부분은 도1의 우측면에 속하는 부분으로 온수용 연소버너(2)와, 온수용 현열교환기(4), 잠열 회수용 뎀퍼(10), 온수전용 배기가스 뎀퍼(8), 온수전용 배기덕트(9)로 구성되어진다.

먼저 난방이 필요하지 않은 여름철과 같은 시기의 보일러의 작동 과정에 따른 일 실시 예는 다음과 같다. 난방이 필요하지 않은 시기에는 잠열 회수용 뎀퍼(10)를 닫고(수직), 온수 전용 배기가스 뎀퍼(8)를 열어(수직)둔다. 뎀퍼의 재질은 내구성 및 단열성능이 우수한 불연재의 소재로 만들어 진다. 온수용 연소버너(2)에 착화가 이루어지면, 온수용 현열교환기(4)에서 열교환이 이루어지고, 온수 전용 배기덕트(9)로 빠져나가게 된다. 온수용 현열교환기(4)와 난방용 현열교환기(3)는 단열재로 이루어진 격막(11)으로 나뉘어 있어서, 온수 사용시에 발생된 열이 난방수에 미치지 않고, 온수전용 배기덕트로 빠져나간다. 온수의 열교환기에 사용되어지는 온수의 유입은 온수유입배관(7)을 통해서 직수(상수도의 물)가 들어오게 되고, 온수용 현열교환기(4)를 통해서 가열되어진 온수는 온수배출배관(6)을 통해서 이루어진다.

다음으로 난방을 필요로 하는 겨울철과 같은 시기의 보일러 작동 과정따른 일 실시 예는 다음과 같다. 난방을 필요로 하는 시기에는 잠열 회수용 뎀퍼(10)를 열고(수평), 온수 전용 배기가스 뎀퍼(8)를 닫아 두며(수평), 잠열 회수를 위한 잠열교환기(26)의 상부에서 노즐(17,27)을 통해서 난방수를 분사하게 된다. 난방수의 분사로 인하여 격막내에서 배기덕트 방향으로 기류가 형성 된다. 난방용 연소버너(1)에 착화가 이루어지면, 연소열은 난방용 현열교환기(3)를 통해서 열교환을 이룬다. 현열교환기의 난방수 유입은 저수조(23)을 통해서 현열교환기 난방수 유입관(24)으로 이루어지며, 유출은 난방용 현열교환기 유출관(25)를 통해서 이루어지며 난방을 시작한다. 이때 바닥 난방용 배관(12)을 돌아서 바닥난방을 시작하며, 바닥 난방을 마친 난방수는 저수조 내의 난방수 유입관(22)을 통해서 저수조로 회수되어 진다.

한편, 현열 교환을 마친 폐열 및 배기가스는 격막으로 이루어진 배기덕트를 따라서 대류난방을 위한 히터용 열교환기(13)로 보내지게 된다. 히터용 열교환기는 실내공기를 유입관(14)으로 받아들여, 공기를 데운 후 유출관 (15)를 통해서 내보내게 된다. 히터용 열교환기(13)는 밀폐된 구조이므로, 외부의 연소가스나 이산화 탄소등이 실내공기와 섞이지 않기 때문에 실내공기를 오염시키지 않는다. 히터용 열교환기(13)를 지난 폐열 및 배기가스는 잠열을 회수하기 위해서 잠열교환기(26)으로 보내어진다.

(난방용 보일러 내에서의 히터용 열교환기의 위치는 다양하게 바뀔수 있는데, 히터를 사용하여 직접난방을 중요시하는 다른 나라의 사용자의 수요를 충족시키기 위해서, 잠열교환기의 일부로서 사용되기 보다, 현열교환기의 일부까지도 교환기의 공간이 늘어 날 수 있고, 화목 보일러나 펠릿 보일러와 같이 발열량이 큰 보일러의 경우, 히터용 열교환기의 위치는 배기덕트 출구에 설치하여 실내에 직접 대류 난방을 할 수 있다.)

잠열교환기는 불열성 재질의 산성에 내구성이 강한 수개의 격막으로 이루어져 있고, 상단에 저수조(23)의 난방수를 분사하기 위한 수개의 노즐(17)로 이루어져 있다. 배기가스는 격막을 따라서 이동하면서, 노즐(17)을 통해서 분사된 난방용 저수조(23)의 물과 직접 접촉하게 된다. 이때, 노즐(17)에서 분사 되어지는 수증기 및 액체상태의 물은 기화열로 인해서, 주변의 열을 흡수하여 배기가스 중에 내포된 수증기의 잠열을 회수하고, 응축수로 바뀌어 격막 하단의 응축수 유입구(20,42)를 통해서, 저수조(23)로 유입되게 된다. 응축수를 제외한 나머지 배기가스는 난방용 배기 덕트(19)를 통해서 밖으로 유출되게 된다. 이때, 희석되어진 수증기 및 작은 물방울들도 함께 회수된 응축수의 양보다 많이 배출되게 되는데, 이로써 저수조 내의 물은 증가되지 않고 약간 모자라게 된다. 모자란 양만큼의 저수조의 물은 보충수 탱크(21)를 통해서 직수를 공급받고, 이로인해 산성화된 응축수는 계속해서 희석 되어진다.

이 과정을 좀 더 설명하자면, 배기가스에 포함된 잠열은 난방수가 노즐로(17) 분사되어질 당시에 분사된 기체와 섞여서 액체가 되고, 이것 중 일부는 격막(16)의 벽체를 따라서 응축수 유입구(20,42)로 떨어지게 되며, 배기 가스내에 남아 있는 이산화탄소등의 가스들은 물에 쉽게 녹지 않으므로, 격막사이에서 발생된 기류를 따라서 기체상태로 난방용 배기덕트(19)를 통하여 빠져나간다. 격막의 벽면 온도는 난방수용 저수조의 물 온도에 근접해야 하는데, 난방용 버너와 온수용 버너에서 유입된 잠열이 노즐(17)에서 충분히 회수되지 못 할 경우, 노즐(27)을 지나면서 대부분 회수하게 된다. 추가적으로 설치된 노즐(27)의 역할은 남아있는 잠열의 회수와 응축수를 희석시켜서 밖으로 배출시키는 역할을 담당하게 된다.

한편, 잠열교환기 내의 잠열 교환 과정을 분석 해본다면, 노즐(17)을 통해서 분사된 난방수가 배기가스량 보다 많은 체적을 갖는 기체로 바뀌면서 배기가스와 직접 접촉하게 되고, 이때 격막사이에서 노즐로부터 분사된 기체의 압력으로 배기덕트(19)의 방향으로 기류가 형성 되게 된다. 격막의 온도는 난방이 가동되는 동안 계속 분사되는 난방수의 영향으로 잠열을 회수하는데 필요한 온도인 100℃ 보다 훨씬 낮은 상태로 유지되어 진다. 배기가스 중 일부는 격막에 부딪치는 순간 잠열을 빼앗기게 되며, 배기가스중 다른 일부는 격막사이에 생성된 기류로 인해서 격막 하단의 격막벽(28)에 부딪쳐서 다음 노즐(27)에 도달 할 때 까지 대부분의 잠열을 빼앗기게 된다. 노즐(27)이 하는 역할은 격막사이에서 생성된 기류에 더 강한 추가 기류를 형성하고, 노즐(27) 분사시 생성된 작은 물방울을 격막사이에서 형성된 기류에 실어서 밖으로 내보내는 역할을 하게 된다. 격막 사이에 설치된 노즐의 배열은 상기의 목적을 이루기에 충분하도록 설치되어야 한다.

기름 보일러를 포함한 화목 보일러나 펠릿 보일러등과 같이 가스보일러를 제외한 연소식 난방용 보일러의 경우(도면 3), 응축수에는 미연소된 불순물이 포함되어 있어서,난방수 노즐(17,27)을 막는 문제가 발생되어 질 수 있는데, 이것을 해결하기 위해서 활성탄,숯, 스폰지,섬유 등과 같은 필터층(40)을 두어서, 걸러진 난방수(46)를 노즐에 공급함으로서 문제를 해결 할 수 있다. 이때, 난방수 공급관(18,44)은 필터층 아래에서 난방수를 공급받음으로서 난방수에 섞인 오염물질이 노즐을 막는 문제를 방지 할 수 있다.

또한, 현열교환기의 유입수(41)와 보충수(43)도 필터층 아래에서 유입과 유출이 일어나게 함으로서, 응축수에 섞인 불순물이 일으키는 문제를 해결 할 수 있다. 필터층을 사용해야 하는 기름보일러를 포함한 화목보일러나 펠릿 보일러등과 같은 연소식 난방 보일러의 경우, 노즐이 막히는 것을 방지하고, 오염 물질이 보일러 배관에 누적되는 것을 방지하기 위해서 주기적인 청소나 교체가 필요하다.

도 1 : 본 발명에 따른 히터기능을 내장한 분사식 콘덴싱 방식의 보일러 (부호번호 : 1 ~ 26)

도 2 : 종래의 콘덴싱 방식의 가스 보일러(부호번호 : 30 ~ 39)

도 3 : 본 발명에 따른 필터층을 갖는 기름보일러의 저수조 구조도(부호번호 : 40 ~ 46)

도 4 : 본 발명에 따른 하나의 버너로 연소열을 공급하기 위한 버너 구조도(부호번호 : 50 ~ 55)

[도면의 주요 부분에 대한 부호 설명]

난방용버너 (1), 온수용버너 (2), 난방용 현열교환기 (3,54)

온수용 현열교환기 (4,53), 온수전용 배기덕트(9)

온수전용 배기가스 뎀퍼(8),잠열 회수용 뎀퍼 (10)

대류난방을 위한 히터용 열교환기 (13), 난방수 분사 노즐 (17)

난방수 공급관 (18), 난방용 배기덕트 ( 19)

응축수 회수용 유입구 (20,42), 보충수 탱크 (21)

난방용 저수조 (23), 실내 바닥난방 배관(12)

필터층 : (40), 난방 온수 공용 버너 (30,50)

난방,온수 분리용 단열 격막 : (11,55)

현열교환기 선택 버너용뎀퍼 : (51,52)

Claims (6)

1. 난방용 현열교환기(3,54)와; 온수용 현열교환기(4,53)와; 격막으로 이루어진 분사식 잠열교환기(26)와; 필터층을 갖는 난방용 저수조(23)와; 난방용 배기덕트(19)와; 온수용 배기덕트(9)와; 배기가스의 흐름을 조절하는 뎀퍼(8,10)로 이루어진 보일러에서,

   난방이 필요하지 않은 시기에는 뎀퍼 조작을 통해서 온수용 현열교환기에서 열교환을 마친 배기가스가 온수용 배기덕트로 배출하는 단계와;

   난방이 필요한 시기에는,뎀퍼조작을 통해서 난방 또는 온수용 현열교환기에서 열교환을 마친 배기가스를 격막으로 구성된 잠열교환기로 흐르게 한 후, 격막내에 설치된 노즐을 통해서 난방용 저수조 내의 난방수를 분사하여, 배기가스와 직접 접촉시킴으로써 가열된 난방수를 저수조에 모으는 단계와;

   저수조 내에 필터층을 두어서 배기가스 내에 포함된 오염물질이 격막 내에 설치된 노즐 막힘을 방지할 수 있도록, 난방수 이외의 오염물질을 걸러내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분사식 보일러.
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6. 제 1항에 있어서, 실내에서 유입된 공기가 난방용 현열교환기(3,54)와 잠열교환기(26) 사이에 위치한 히터용 열교환기(13)를 거쳐서 데워진 후 대류 난방으로 사용되어지는 것을 특징으로 하는 분사식 보일러.

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