KR101247620B1 - 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러 - Google Patents

저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료가 연소되는 과정에서 발생되는 질소산화물의 발생량을 최소화할 수 있으며, 연소후 외부로 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 재사용할 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 분할화염방식과 내부재순환방식을 동시에 적용하여 보다 향상된 질소산화물의 저감효과를 얻을 수 있음은 물론, 배기가스로부터 폐열을 회수하는 과정에서 발생되는 응축수로 인하여 보일러의 구조물이나 장치에 부식이 발생하는 것을 미연에 방지하고, 음압형 증기식 온수보일러의 수명을 보다 더 향상시킬 수 있다.
따라서, 보일러 분야, 특히 가정용 및 상업용 등에서 사용되는 저압용 가스를 이용하는 음압형 증기식 온수보일러 분야, 에너지 효율 분야 및 친환경 분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 제품의 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Description

저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러{Hot water boiler of negative pressure and steam type with Low pressure low NOx burner}
본 발명은 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료가 연소되는 과정에서 발생되는 질소산화물의 발생량을 최소화할 수 있으며, 연소후 외부로 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 재사용할 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 분할화염방식과 내부재순환방식을 동시에 적용하여 보다 향상된 질소산화물의 저감효과를 얻을 수 있음은 물론, 배기가스로부터 폐열을 회수하는 과정에서 발생되는 응축수로 인하여 보일러의 구조물이나 장치에 부식이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있도록 한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러에 관한 것이다.
온수보일러는 연료의 연소에 의해 발생되는 연소열을 이용하여 난방을 하거나 온수를 공급하기 위한 것으로, 최근에는 안전성을 보장할 수 있는 음압(진공)방식의 온수보일러가 주로 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 음압형 증기식 온수보일러의 구조를 설명하는 구성도이다.
도 1을 참조하면 음압형 증기식 온수보일러는, 송풍기(13)를 통해 공급되는 외부공기를 이용하여 연료를 연소시키는 버너(14)가 진공드럼(11)의 연소실(12)에 구성되고, 진공드럼(11)의 감압증기실(15)에는 연소열에 의해 기화된 감압증기와 간접열교환이 이루어지는 열교환기(16)가 구성된다.
다시 말해, 음압형 증기식 온수보일러(10)는 송풍기(13)에서 공급된 외부공기와 연료공급관(14a)을 통해 공급되는 연료가 버너(14)에서 혼합 및 연소되고, 연료의 연소에 의해 발생된 연소열은 하부수실(18)과 연결되는 수관(18a)으로 공급되어 감압증기를 발생시키며, 연소에 의해 발생된 배기가스는 배기구(17)를 통해 외부와 연결된 배기덕트(D)로 배출되고, 열교환기(16)의 유입구(16a)로 공급된 물은 감압증기실(15) 내부의 열교환코일(16b)에서 간접열교환되어 가열된 후 배출구(16c)를 통해 필요로 하는 곳으로 공급된다.
한편, 배기덕트(D)를 통해 외부로 배출되는 배기가스는 많은 양의 연소열을 포함하고 있으며, 이러한 고온의 배기가스가 그대로 배출됨에 따라 열손실이 많을 뿐만 아니라, 고온의 배기가스로 인해 배기라인에서 화재가 발생하거나 사용자의 부주의에 의한 안전상의 문제가 있었다.
이를 해결하기 위하여, 최근에는 배기가스의 폐열을 회수하여 실내를 난방하거나 온수를 공급하기 위하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0117713호 "배기가스 폐열회수 시스템"(이하, 선행기술1이라 함) 등과 같이, 배기가스의 폐열을 재사용하는 방법들이 제시되고 있다.
선행기술1을 간단히 살펴보면, 보일러의 배기가스가 배출되는 연통몸체의 외주면에 폐열회수를 위한 유도관로를 나선형으로 감아서 밀착시키고, 저온의 실내공기가 유도관로를 통과하면서 배기가스와 열교환이 이루어지도록 함으로써, 공기의 온도를 상승시킨후 다시 실내로 공급하는 방식이다.
이외에도, 배기가스의 폐열을 재활용하는 시스템들은 그 구성이나 폐열회수방법에는 다소 차이가 있을 수 있으나, 외기나 실내공기, 난방수 또는 온수 등과 같은 유체와 배기가스 간의 열교환을 이용한다는 점에서는 유사하다.
한편, 연소후 발생되는 배기가스의 온도는 보통 180℃ 내지 200℃이고, 이러한 배기가스가 열교환이 이루어지면 그 온도가 150℃이하로 낮아지면서, 응축수가 발생되며, 이러한 응축수는 강산성이기 때문에 관련된 구조물 및 장치를 부식시키는 문제점이 있다.
선행기술1에서도, 배기가스의 열교환에 의해 연통에서 발생된 강산성의 응축수가 보일러로 유입될 수 있어, 강산성 응축수에 의한 부식문제를 해결하지 못하였다.
한편, 질소산화물은 NO와 NO2를 뜻하며 통상 NOx라고 표기하는데, 화석 연료를 연소시킬 때 다량 발생된다. 질소산화물(NOx)의 생성은 연소시 화염온도, 산소농도 및 연료에 포함된 질소성분 등에 의해 영향을 받는다.
이러한 질소산화물(NOx)은, 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소 성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 Fuel NOx와, 연소용 공기중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소분자를 산화시켜 생성하는 Thermal NOx, 탄화수소계열의 화석 연료가 고농도 상태로 고온 영역에 노출되었을 때 급속히 생성되는 Prompt NOx 등으로 구분될 수 있다.
이러한 질소 산화물 중에서 Fuel NOx는 연소기술에 의해 제어될 수 없기 때문에, 저녹스형 버너는 Thermal NOx와 Prompt NOx의 두 가지 질소산화물의 생성을 저감하기 위한 것을 목적으로 개발되고 있다.
종래의 저녹스형 버너는, 1차 연소된 배기가스를 연도와 연결한 공급관을 통해 회수하여 화염에 혼입하는 장치가 고안된 배기가스 재순환방식(Flue Gas Recirculation)의 저녹스형 버너, 화염을 분할하여 화염의 표면적을 극대화시켜 복사전열의 증대를 노린 분할화염버너, 화염의 표면적을 증가시키기 위한 방법으로 화염을 막 형태로 만든 박막화염버너 등이 있다.
이와 같은 저녹스형 버너 중, 대한민국 등록특허공보 제10-1048008호 "질소산화물과 일산화탄소 저감 가스버너"(이하, 선행기술2라 함)는, 화염을 분할하여 화염 표면적을 극대화시키는 방식을 적용한 기술로, 공급되는 연료(가스)의 압력이 높은 경우에서 효율적으로 사용할 수 있었다. 주로, 공장 등에서 이용할 수 있는 산업용의 경우가 고압형이다.
선행기술2를 살펴보면, 연소실의 내부로 노출되는 연료공급관의 종단부가 막힌 상태에서, 종단부 측면에 다수의 연료분출공이 형성되어 있으며, 디퓨저(Diffuser)에 의해 어느 정도 가압된 공기가 연료분출공으로 확산되어 공급되면서 연소가 이루어지게 된다.
그러나, 산업용과는 달리, 가정이나 상가 등에서 이용되는 민간용은 대부분 연료의 공급압이 낮기 때문에, 버너에서 발생되는 화염이 충분한 지향성을 가지지 못하므로, 화염과 공기의 접촉면적이 적어지게 되어, 선행기술을 포함하는 종래의 저녹스형 버너를 낮은 가스공급압 조건에서 사용하게 되면, 연소시 발생되는 질소산화물을 충분히 저감시키지 못하는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0117713호 "배기가스 폐열회수 시스템" 대한민국 등록특허공보 제10-1048008호 "질소산화물과 일산화탄소 저감 가스버너"
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 연료가 낮은 압력으로 공급되더라도 충분한 연소과정이 이루어지도록 하여, 질소산화물의 발생량을 현저하게 낮출 수 있는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 온수보일러에 탈부착가능하도록 구성된 별도의 폐열회수장치를 통해, 배기가스와 유체 간의 열교환이 이루어지도록 함으로써, 열교환 과정에서 발생되는 강산성의 응축수가 온수보일러 측으로 유입되는 것을 미연에 방지할 수 있는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러는, 나란히 이어져 구성되는 복수 개의 수관에 의해 연소실이 형성되며, 상기 연소실의 하부에 하부수실이 형성되고, 상기 연소실의 일측으로 버너설치구가 형성되며, 상기 연소실의 다른 일측으로 배기구가 형성되는 보일러본체; 상기 버너설치구에 설치되며, 외부공기가 상기 연소실로 유입되도록 적어도 하나의 공기공급공이 관통형성되고, 상기 공급공급공의 가장자리 중 적어도 일부로부터 상기 연소실의 내측방향으로 분산가이드구가 형성되는 디퓨저를 포함하는 저압용 저녹스 버너; 및 상기 보일러본체의 다른 일측에 탈부착가능하도록 구성되며, 상기 배기구에서 배출되는 배기가스와 상기 하부수실로부터 공급되는 유체간의 열교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치를 포함한다.
또한, 상기 수관은, 복수 개의 내측수관 및 외측수관이 나란히 배치되도록 2중구조로 구성되며, 상기 내측수관의 내측에는 서로 이웃하는 내측수관들을 연결하도록 내측멤브레인이 형성되고, 상기 외측수관의 외측에는 서로 이웃하는 외측수관들을 연결하도록 외측멤브레인이 형성될 수 있다.
또한, 상기 내측멤브레인은 상부가 개방되도록 형성되고, 상기 외측멤브레인은 하부가 개방되도록 형성되며, 상기 외측멤브레인의 외측하부에는, 개방된 외측멤브레인의 하부가 외부와 차단되도록 연실판이 구성될 수 있다.
또한, 상기 연실판의 다른 일측이 상기 배기구와 공간적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 디퓨저의 공기공급공 및 분산가이드구는, 연료가 공급되는 연료공급관에 형성된 연료분출공의 분출방향과 엇갈리는 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 공기공급공은 다각형으로 형성되고, 상기 분산가이드구는, 상기 공기공급공의 적어도 하나의 선분으로부터 연장형성될 수 있다.
또한, 상기 디퓨저는, 상기 공기공급공의 주위에 인접되도록 적어도 하나의 보조공급공을 형성할 수 있다.
또한, 상기 연료공급관의 종단부에 구성되는 재순환유도구를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수장치는, 상기 배기구에 연결되어 상부로 이어지도록 구성되고, 내부에 수평방향으로 적어도 하나의 폐열회수관이 구성되며, 상기 배기구를 통해 유입된 고온의 배기가스와 상기 폐열회수관을 통과하는 유체간의 열교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수장치는, 상기 폐열회수부의 적어도 일측에 구성되어 상기 폐열회수관과 공간적으로 연결되는 열교환수실을 더 포함하고, 상기 열교환수실은 상부연결관 및 하부연결관 중 적어도 하나를 통해 상기 온수보일러의 상부감압증기실 및 하부수실 중 적어도 하나와 공간적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 폐열회수장치는, 상기 배기구에 연결되고 내부에 중공의 유체실이 형성되며, 내측하부에 상기 유체실과 차단되어 상기 배기구에 연결되어 고온의 배기가스가 공급되는 배기가스유입실이 형성되고, 내측상부에 상기 유체실과 차단되는 배기가스배출실이 형성되며, 상기 배기가스유입실과 배기가스배출실을 공간적으로 연결하도록 적어도 하나의 폐열회수관이 설치되는 폐열회수부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수관의 내부에는, 상기 폐열회수관의 내부를 이동하는 배기가스의 흐름을 방해하는 유동지연구가 구성될 수 있다.
또한, 상기 유동지연구는, 상기 폐열회수관의 길이방향으로 형성되는 판형의 플랭크(Plank); 및 상기 플랭크의 적어도 일측면에 형성되는 적어도 하나의 배플(Baffle)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 배기가스의 폐열을 회수하는 폐열회수장치를 온수보일러에 탈부착가능하도록 구성함으로써, 이미 설치하여 운용중인 온수보일러에도 용이하게 설치할 수 있는 장점이 있다.
또한, 폐열회수장치에 부식이 발생하더라도 이를 용이하게 교체할 수 있도록 함으로써, 음압형 증기식 온수보일러의 수명을 보다 더 향상시켜 반영구적으로 사용이 가능하도록 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 배기가스와 유체 간의 열교환이 별도로 구성된 폐열회수장치에서 이루어지도록 함으로써, 열교환 과정에서 발생되는 강산성의 응축수가 보일러로 유입되는 것을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 폐열회수장치 내부에서 발생되는 강산성의 응측수를 용이하게 제거할 수 있도록 함으로써, 제품의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 폐열회수장치를 수관식 및 연관식으로 제공할 수 있도록 함으로써, 다양한 방식의 보일러에 용이하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 가정용 및 상업용으로 제작되는 저압용 보일러 등에 설치되어, 연소시 발생되는 질소산화물을 포함하는 환경오염물질의 발생량을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 단일방식이 적용되는 종래의 버너와는 달리, 분할화염방식과 연소가스 내부재순환방식을 동시에 적용함으로써, 환경오염물질의 발생량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 음압형 증기식 온수보일러뿐만 아니라, 다양한 방식의 저압형 보일러에 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 보일러 분야, 특히 가정용 및 상업용 등에서 사용되는 저압용 가스를 이용하는 음압형 증기식 온수보일러 분야, 에너지 효율 분야 및 친환경 분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 제품의 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 음압형 증기식 온수보일러의 구조를 설명하는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 부분절개 좌측면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너에 대한 실시예를 설명하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 평면도이다.
도 6은 도 4의 디퓨저(Diffuser)를 설명하는 사시도이다.
도 7은 도 4의 재순환유도구를 설명하는 사시도이다.
도 8은 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너의 효과를 설명하는 도면이다.
도 9는 도 4의 공기공급공의 형상별 공기 흐름을 설명하는 도면이다.
도 10은 도 2의 우측면도이다.
도 11은 도 2의 폐열회수관에 대한 실시예들을 설명하는 사시도이다.
도 12는 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러의 다른 일 실시예를 설명하는 우측면도이다.
도 13은 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러의 또 다른 일 실시예를 설명하는 설치상태도이다.
도 14는 도 13의 폐열회수관에 유동지연구가 결합된 상태를 설명하는 도면이다.
도 15는 도 14의 유동지연구에 대한 사시도이다.
본 발명에 따른 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러의 일 실시예를 설명하는 도면이고, 도 3은 도 2의 부분절개 좌측면도이다.
도 2를 참조하면, 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러는 보일러본체(100), 저압용 저녹스 버너(200) 및 폐열회수장치(300)를 포함한다.
보일러본체(100)는 나란히 이어져 구성되는 복수 개의 수관(120)에 의해 연소실(110)이 형성된다. 다시 말해, 연소실(110)의 벽면을 수관(120)으로 형성하는 구조이다.
또한, 수관(120)은 도 3에 나타난 바와 같이, 복수 개의 내측수관(121) 및 외측수관(122)이 나란히 배치되도록 2중구조로 구성되며, 내측수관(121) 및 외측수관(122)은 각각 내측멤브레인(Membrane)(131) 및 외측멤브레인(132)에 의해 내외부가 차단되도록 격벽을 형성한다.
다시 말해, 내측수관(121)의 내측에는 서로 이웃하는 내측수관(121)들을 연결하도록 내측멤브레인(131)이 형성되고, 외측수관(122)의 외측에는 서로 이웃하는 외측수관(122)들을 연결하도록 외측멤브레인(132)이 형성된다.
그리고, 연소실(110)에서 발생되는 배기가스를 배기구(170)로 이동시키기 위하여, 도 3에 나타난 바와 같이 내측멤브레인(131)은 상부가 개방되도록 형성하고, 외측멤브레인(132)은 하부가 개방되도록 형성하며, 외측멤브레인(132)의 외측하부에는, 개방된 외측멤브레인(132)의 하부가 외부와 차단되도록 연실판(140)이 구성될 수 있다.
또한, 연실판(140)의 다른 일측(도 2에서 우측방향)이 배기구(170)와 공간적으로 연결되도록 형성한다.
결과적으로, 연소실(110)에서 발생되는 배기가스는 도 3에 나타난 바와 같이 내측멤브레인(131)의 상부를 통과하여 외측멤브레인(132)의 하부로 이동하며, 외측멤브레인(132)을 통과하여 연실판(140) 사이의 공간으로 이동한 배기가스는 후방으로 이동하면서 배기구(170)를 통해 폐열회수장치(300)로 유입될 수 있다.
또한, 보일러본체(100)는 연소실(110)의 일측(도 2에서 좌측방향)으로 저압용 저녹스 버너(200)가 결합되어 설치되는 버너설치구(150)가 형성되며, 연소실(110)의 하부에 하부수실(180)이 형성된다.
저압용 저녹스 버너(200)는 버너설치구(150)에 고정설치되며, 이하에서 저압용 저녹스 버너(200)의 구체적인 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
폐열회수장치(300)는 보일러본체(100)의 배기구(170)에 연결되어 탈부착가능하도록 설치되며, 배기구(170)에서 배출되는 배기가스와 하부수실(180)로부터 공급되는 유체간의 열교환을 통해 폐열을 회수 및 재사용한다.
도 4는 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너에 대한 실시예를 설명하는 사시도이고, 도 5는 도 4의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 저압용 저녹스 버너(200)는 공기공급관(210), 연료공급관(220), 디퓨저(Diffuser)(230) 및 재순환유도구(240)를 포함할 수 있다. 여기서, 도 4는 저압용 저녹스 버너(200)를 수직방향으로 나타내었으나, 도 2에 나타난 보일러본체(100)의 연소실(150)에 수평방향으로 설치될 수 있다.
공기공급관(210)은, 외부공기를 유입하여 저압용 저녹스 버너(200)의 종단부(연소실에 노출되는 부분)로 공급하기 위한 것으로, 외부공기를 유입하는 송풍기(도시하지 않음)와 연결되도록 구성될 수 있다.
연료공급관(220)은, 공기공급관(210)의 중심축을 따라 공기공급관(210)의 내측에 구성되고, 종단부에 적어도 하나의 연료분출공(221)이 형성된다.
디퓨저(230)는, 연료분출공(221)이 연소실 내부로 노출되도록 하기 위하여, 연료분출공(221)의 후방(도 4에서 하부방향)에 설치된다.
이때, 디퓨저(230)의 상부면과 연료분출공(221)의 후방 사분점(도 4에서 하부방향에 위치한 사분점)의 이격거리(d)가 1mm 이하가 되도록 설치함으로써, 화염의 분할효과를 극대화할 수 있다. 다시 말해, 연료분출공(221)과 디퓨저(230)가 1mm 이내로 근접되도록 구성할 수 있다. 여기서, 사분점은 원형의 중심을 원점으로 하는 평면좌표계에서 각 축과 만나는 4점을 말하며, 도 4에서는 상하좌우의 가장 끝부분에 해당하는 점을 말한다.
또한, 디퓨저(230)는, 공기공급관(210)을 따라 이동한 공기가 종단부에서 어느 정도 가압되도록 하기 위하여, 공기공급관(210)의 종단부를 막도록 연료공급관(220)의 외측면과 공기공급관(210)의 내측면 사이에 설치된다.
따라서, 디퓨저(230)에 의해 어느 정도 가압된 공기는 공기공급공(231)을 통해 보다 빠른 속도로 배출되며, 이러한 공기배출방식은 연료가 저압으로 공급되는 것을 일정부분 보상해줄 수 있는 효과가 있다.
또한, 디퓨저(230)는 관통하여 형성된 적어도 하나의 공기공급공(231)과, 상부면(연소실 내측방향을 향하는 면)에 형성된 분산가이드구(232)를 포함한다.
공기공급공(231)은 디퓨저(230)에 의해 어느 정도 가압된 공기가 연소실 내부로 빠르게 유입되도록 하기 위한 것으로, 가상의 원주(원의 둘레)를 따라 일정간격으로 복수개가 형성될 수 있다.
분산가이드구(232)는 공기공급공(231)을 통해 연소실로 공급되는 공기의 공급방향을 가이드함과 동시에, 각 연료분출공(221)에서 분출되는 연료의 연소에 의해 발생되는 화염이 분할될 수 있도록 하기 위한 것으로, 공기공급공(231)의 가장자리에서 연소실의 내측방향(도 4에서 상부방향)으로 연장형성된다. 여기서, 분산가이드구(232)는 디퓨저(230)와 별도의 구성으로 형성되어 디퓨저(130)에 고정설치될 수 있으나, 디퓨저(230)와 일체로 형성됨이 바람직하다.
또한, 각 연료분출공(221)에서 발생되는 화염이 용이하게 분할될 수 있도록 하기 위하여, 공기공급공(231) 및 분산가이드구(232)는 도 5에 나타난 바와 같이 연료공급관(220)에 형성된 연료분출공(221)의 분출방향과 엇갈리는 위치에 형성할 수 있다.
한편, 공기공급공(231)을 원형으로 형성한 경우, 공기공급공(231)을 통과한 공기는 도 9의 (a)에 나타난 바와 같이, 분산가이드구(232)가 없는 부분을 통해 방사형으로 배출되기 때문에, 연료분출공(221)에서 발생되는 화염의 방향에 대응하여 공기를 원할하게 공급할 수 있으나, 중심부분(도 9에서 하부방향)에서는 다소 비효율적인 공기배출이 발생할 수 있다.
본 발명에서는, 공기공급공(231)을 통과하는 공기가 최적의 효율로 화염에 공급되도록 하기 위하여, 공기공급공(231)을 다각형으로 형성하고, 분산가이드구(232)는 공기공급공(231)의 적어도 하나의 선분으로부터 연장되도록 형성할 수 있다.
이와 같이, 공기공급공(231)이 다각형으로 형성된 경우, 각 선분이 만나는 모서리 부분을 통과하는 공기는, 공기공급공(231)을 통과하는 직후에 선분이 형성되는 방향으로 유도되어 배출될 수 있다.
특히, 도 9의 (b)와 같이, 공기공급공(231)을 사각형으로 형성한 경우, 화염이 발생되는 부분을 따라 형성된 두 선분(도 9에서 하부 모서리와 연결되는 두 개의 선분) 사이를 통해 연소실로 공급되는 공기는, 양측 선분을 따라 분리되어 각각의 화염으로 공급되므로, 연소효율을 보다 더 향상시킬 수 있다.
이때, 분산가이드구(232)는 도 9의 (b)에 나타난 바와 같이, 공기공급공(231)의 선분들 중 연료분출공(221) 측으로 형성된 선분(도 9에서 상부방향의 두 선분)으로부터 연장형성함으로써, 연료분출공(221)에서 발생되는 화염이 서로 겹쳐지지 않고 원활하게 분할될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 디퓨저(230)에는 공기공급공(231)의 주위에 다수 개의 보조공급공(233)이 관통되도록 형성될 수 있다. 이러한 보조공급공(233)은 분산가이드구(232)에 의해 분할되어진 화염의 충돌로 발생될 수 있는 소음(화염분할소음)을 저감하는 효과를 얻기 위하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 저압용 저녹스 버너(200)는 도 4에 나타난 바와 같이, 파이로트 화염용(씨불용) 가스관(250) 및 이그니션(Ignition, 점화플러그)(251)을 더 포함할 수 있다.
파이로트 화염용(씨불용) 가스관(250) 및 이그니션(251)은, 저압용 저녹스 버너(200)의 최초 착화시 다수 개의 화염이 순차적으로 형성되도록 하기 위한 것으로, 착화소음을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
이러한 파이로트 화염용(씨불용) 가스관(250) 및 이그니션(251)은, 최초 착화시에 동작된 후, 연료분출공(221)에서 화염이 발생되면 동작이 중단될 수 있다.
도 6은 도 4의 디퓨저(Diffuser)를 설명하는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 도 9의 (b)에서도 나타난 바와 같이, 공기공급공(231)을 사각형, 보다 바람직하게는 어느 하나의 대각선이 연료공급관(220)의 외측면에서 공기공급관(210)의 내측면을 향하도록 마름모형으로 형성하고, 분산가이드구(232)는 공기공급공(231)을 형성하는 마름모의 선분들 중 연료공급관(220) 측으로 형성된 두 선분을 잇도록 절곡된 형태로 연장형성될 수 있다.
도 7은 도 4의 재순환유도구를 설명하는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 연료공급관(220)의 종단부에는 재순환유도구(240)가 형성될 수 있다.
특히, 재순환유도구(240)는 연로공급관(220)의 지름보다 큰 지름을 갖도록 형성함으로써, 도 8에 나타난 바와 같이, 연료분출공(221)에서 발생되는 화염이 측면방향을 향하도록 할 수 있다. 이와 같이, 화염을 측면방향으로 향하도록 하는 이유에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
또한, 재순환유도구(240)는 공기공급공(231)을 통해 공급되는 공기가, 화염으로 원활하게 공급되도록 하기 위하여, 도 5에 나타난 바와 같이 연소실의 내측방향에서 바라본 상태에서 공기공급공(231)의 적어도 일부가 가려지도록 형성할 수 있다.
따라서, 공기공급공(231)을 통과한 공기는 재순환유도구(240)에 의해 화염을 따라 연소실의 가장자리 방향으로 공급되도록 유도될 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너의 효과를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 재순환유도구(240)에 의해 연료분출공(221)에서 발생되는 화염이 측면방향으로 향하게 되면, 1차 연소된 배기가스는 연소실(110)의 측면부를 따라 연소실(110)의 내부(도 8에서 상부)로 이동하게 된다.
이후, 1차 연소된 배기가스가 연소실(110)의 중심부를 따라 연소실(110)의 끝부분에서 다시 저압용 저녹스 버너(200) 측으로 이동하게 되고, 이동된 배기가스는 재순환유도구(240)에 의해 화염측으로 유도되어, 도 8의 A부분에서 재연소될 수 있다.
따라서, 디퓨저(230)의 공기공급공(231) 및 분산가이드구(232)에 의해 화염과 공기의 접촉면적을 향상시킴과 동시에, 재순환유도구(240)를 통해 배기가스를 재순환함으로써, 질소산화물 등의 오염물질의 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 재순환유도구(240)에 의해 도 8의 B부분에서 발생되는 와류에 의한 재순환에 의해서도 A부분과 동일 내지 유사한 효과를 더 얻을 수 있다.
이하에서 폐열회수장치(300)를 설명함에 있어, 폐열회수장치(300)의 기본적 개념을 수관식(도 10 내지 도 12)과 연관식(도 13 내지 도 15)으로 적용하여 설명하며, 수관식 폐열회수장치(300) 및 연관식 폐열회수장치(300)를 설명함에 있어, 해당 구성의 구조적 형상 및 위치관계 등이 다소 상이하다 하더라도 기술적 개념과 그에 따른 사용목적 및 작용효과가 동일하면, 동일한 명칭 및 도면부호를 부여하여 설명하기로 한다.
도 10은 도 2의 우측면도이다.
도 10을 참조하면, 수관식 폐열회수장치(300)는 배기연결부(310), 폐열회수부(320) 및 배기부(330)를 포함할 수 있다.
배기연결부(310)는 보일러본체(100)의 배기구(170)에 연결되어, 보일러본체(100)에서 배출되는 배기가스가 유입되며, 유입된 배기가스를 폐열회수부(320)에 공급하도록 유도하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 배기연결부(310)는 배기구(170)와 플랜지(Flange)(미부호)로 연결되도록 구성함으로써, 당업자의 요구에 따라 폐열회수장치(300)를 보일러본체(100)에 설치 및 제거할 수 있도록 구성될 수 있다.
폐열회수부(320)는 배기연결부(310)의 상부로 이어져 구성되어 배기가스가 하부에서 상부로 이동될 수 있도록 하며, 내부에 수평방향으로 적어도 하나의 폐열회수관(321)이 구성될 수 있다.
따라서, 배기연결부(310)를 통해 유입된 고온의 배기가스는, 폐열회수관(321)을 통과하면서 상부로 이동하게 되며, 열교환을 통해 폐열회수관(321) 내부를 이동하는 유체가 배기가스의 폐열을 흡수하도록 할 수 있다. 여기서, 폐열회수관(321)은 별도의 온수라인과 연결되거나 실내공기를 순환시키는 공기순환라인과 연결되어, 해당 유체와 배기가스 간의 열교환이 이루어지도록 구성할 수 있으며, 이하에서는 보일러본체(100)의 하부수실(180)과 연결되어 보일러(100) 자체의 열효율을 향상시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.
배기부(330)는 폐열회수부(320)에서 열교환된 저온의 배기가스를 외부로 배출시키기 위한 것으로, 외부로 이어져 설치된 배기덕트(410)와 탈부착가능하도록 결합될 수 있다.
한편, 도 2에 나타난 보일러본체(100)는, 연소실에서 발생된 연소열이 수관(120)으로 공급되어 상부로 이동하고, 이러한 연소열을 이용하여 감압증기실에서 증기를 발생시키게 되는 바, 수관을 중심으로 하부의 물 온도가 상부의 물 온도에 비해 상대적으로 낮은 상태이다.
따라서, 폐열회수부(320)에서 회수된 폐열의 일부는 하부수실(180)로 공급하고, 폐열의 다른 일부는 폐열회수관(321) 내부의 유체(열매수)를 증발시켜 상부감압증기실로 공급함으로써, 회수된 폐열을 하부수실(180)로 공급함으로써, 연소에 필요한 연료량을 절감할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명은 도 10에 나타난 바와 같이 폐열회수부의 적어도 일측(바람직하게는 양측)에 열교환수실(340)을 구성하고, 열교환수실(340)과 폐열회수관(321)의 내부가 공간적으로 연결되도록 하며, 열교환수실(340)은 하부연결관(350)을 통해 보일러본체(100)의 하부수실(180)과 공간적으로 연결되도록 한다.
또한, 열교환수실(340)의 상부는 상부연결관(360)을 통해 온수보일러(100)의 상부감압증기실과 공간적으로 연결되도록 한다.
결과적으로, 폐열회수부(320)의 폐열회수관(321)으로 흡수된 폐열은, 잠열의 형태로 하부연결관(350)을 거쳐 하부수실(180)로 공급되거나, 증기의 형태로 상부연결관(360)을 거쳐 상부감압증기실로 공급될 수 있다. 이때, 열교환수실(340)의 열교환수 수위는 보일러본체(100)의 감압증기실 수위에 대응하게 된다. 따라서, 폐열회수관(321)은 보일러본체(100)의 감압증기실 하부에 해당하는 높이까지 위치하도록 구성함이 바람직하다.
또한, 상부연결관(360) 및 하부연결관(350)은 플랜지에 의해 온수보일러(100)에 결합되도록 함으로써, 폐열회수장치(300)가 온수보일러(100)에 안정적으로 설치 및 유지되도록 함은 물론, 필요시 폐열회수장치(300)를 온수보일러(100)로부터 용이하게 제거할 수 있도록 할 수 있다.
한편, 폐열회수관(321)에 의해 열교환이 이루어지면, 배기가스의 온도저하에 따라 응축수가 발생될 수 있고, 이러한 응축수는 폐열회수부(320)의 하부에 모이게 된다.
본 발명에서는, 배기가스의 온도저하로 인해 발생된 응축수를 외부로 배출시키기 위하여, 폐열회수부(320)의 하부에 개폐가능하도록 구성된 응축수배출구(325)를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 폐열회수장치(300)가 안정적으로 설치 및 유지될 수 있도록, 적어도 하나의 고정부(360)를 이용하여 보일러본체(100)에 설치할 수 있다.
도 11은 도 2의 폐열회수관에 대한 실시예들을 설명하는 사시도이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 폐열회수관(321)은 외부면에 나선형의 열교환스크류(321a)가 형성될 수 있다.
또한, 도 11의 (b)를 참조하면, 폐열회수관(321)의 외부면에는 적어도 하나의 열교환편(321b)이 형성될 수 있다.
이러한 열교환스크류(321a) 및 열교환편(321b)은, 폐열회수관(321) 내부를 이동하는 유체와 배기가스 간의 열교환이 보다 효율적으로 이루어지도록 하기 위한 것이다.
특히, 열교환스크류(321a)의 경우, 도 10에 나타난 바와 같이 배기가스가 폐열회수부(320) 내에서 효율적으로 분산 및 이동되도록 함으로써, 전열면적의 증가효과와 더불어 난류형성을 통해 보다 향상된 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.
물론, 도 11의 (b)에 나타난 열교환편(321b)의 경우에도, 폐열회수관(321)에 대하여 경사지게 형성함으로써, 열교환스크류(321a)와 유사한 효과를 얻도록 할 수 있다.
도 12는 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러의 다른 일 실시예를 설명하는 우측면도이다.
도 12를 참조하면, 폐열회수관(321)은 실내에 온기를 공급하기 위한 공기가 이동하는 공기유입덕트(321) 및 공기공급덕트(322)와 공간적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 보일러본체(100)의 하부수실(180)과 연결되는 하부연결관(350)은 제거함이 바람직하다.
결과적으로, 실내의 저온공기는 공기유입덕트(321)로 유입되어 폐열회수관(321)에서 열교환이 이루어지며, 열교환된 고온의 공기는 공기공급덕트(322)를 통해 실내로 공급될 수 있다.
도 13은 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러의 또 다른 일 실시예를 설명하는 설치상태도이다.
도 13을 참조하면, 연관식 폐열회수장치(300)는 온수보일러의 배기구에 연결되는 배기연결부(310), 폐열회수부(320) 및 폐열회수부(320)에서 열교환된 저온의 배기가스를 외부로 배출시키는 배기부(330)를 포함할 수 있다.
폐열회수부(320)는 내부에 중공의 유체실(324)이 형성되며, 배기가스유입실(322), 폐열회수관(321) 및 배기가스배출실(323)이 공간적으로 연결되도록 하부에서 상부방향으로 순차적으로 구성될 수 있다.
또한, 폐열회수부(320)는 배기가스유입실(322), 폐열회수관(321) 및 배기가스배출실(323)의 내부 공간영역과, 유체실(324)의 공간영역이 서로 차단되도록 구성되며, 배기가스배출실(323)은 배기부(330)와 연결될 수 있다.
결과적으로, 보일러본체(100)의 배기부(170)를 통해 배기연결부(310)로 유입된 배기가스는 배기가스유입실(322)를 거쳐 폐열회수관(321)에서 열교환이 이루어진 후, 배기가스배출실(323)을 통해 배기부(330)로 배출될 수 있다.
그리고, 보일러본체(100)의 하부수실(180)은 하부연결관(350)을 통해 폐열회수부(320)의 유체실(324)로 연결되며, 유체실(324)에 채워지는 열교환수의 수위는 폐열회수관(321)의 상부보다 높게 형성됨이 바람직하다.
또한, 폐열회수관(321) 내부를 이동하는 배기가스의 온도저하로 인해 발생된 응축수를 외부로 배출시키기 위하여, 배기가스유입실(322)의 하부에 응축수배출구(325)가 개폐가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 연관식 폐열회수장치(300)의 경우에도, 도 12에 나타난 바와 같이 하부연결관(350)에 제거된 상태에서, 실내에 온기를 공급하기 위한 공기가 이동하는 공기유입덕트 및 공기공급덕트와 유체실(324)이 공간적으로 연결되도록 구성할 수 있다.
한편, 도 13에 나타난 바와 같은 연관식 폐열회수장치(300)의 경우, 배기가스가 폐열회수관(321)을 통과하여 배출되는 과정에서 충분한 열교환이 이루어지기 위해서는, 폐열회수관(321) 내부에서 배기가스의 유속을 증가시키고 난류를 형성시켜 열흡수량을 높여야 한다.
이를 위하여, 본 발명은 도 14 및 도 15에 나타난 바와 같은 유동지연구(370)를 폐열회수관(321) 내부에 구성할 수 있다.
도 14는 도 13의 폐열회수관에 유동지연구가 결합된 상태를 설명하는 도면이고, 도 15는 도 14의 유동지연구에 대한 사시도이다.
도 14 및 도 15을 참조하면, 폐열회수관(321)의 내부에는 유동지연구(370)가 삽입되어 구성될 수 있으며, 유동지연구(370)는 플랭크(Plank)(371), 배플(Baffle)(372) 및 폐열회수관(321)에 고정설치되는 결합구(373)를 포함할 수 있다.
플랭크(371)는 폐열회수관(321)의 길이방향을 따라 판형으로 형성되며, 도 15에 나타난 바와 같이, 상부는 결합구(373)에 연결될 수 있다.
또한, 플랭크(371)의 하부는 상부에 비하여 상대적으로 좁은 폭으로 형성함으로써, 플랭크(371)에 의해 배기가스의 흐름이 완전히 차단되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
배플(372)은 플랭크(371)의 적어도 일측면에 형성될 수 있으며, 배기가스의 흐름을 적절히 지연시키기 위하여, 폐열회수관(321)의 형상에 대응하여 형성될 수 있다.
또한, 배플(372)은 도 14에 나타난 바와 같이, 배기가스가 지그재그로 이동하도록 하기 위하여, 플랭크(371)의 양측면에 일정거리마다 엇갈려 형성됨이 바람직하다.
따라서, 폐열회수관(321)의 내부를 이동하는 배기가스는, 도 14에 나타난 바와 같이, 유동지연구(370)에 의해 이동이 적절히 지연됨으로써, 폐열회수관(321)에서의 열교환이 충분히 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명에 의한 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 보일러본체 110 : 연소실
120 : 수관
121 : 내측수관 122 : 외측수관
131 : 내측멤브레인 132 : 외측멤브레인
140 : 연실판 150 : 버너설치부
170 : 배기구 180 : 하부수실
200 : 저압용 저녹스 버너
230 : 디퓨저
231 : 공기공급공 232 : 분산가이드구
240 : 재순환유도구
300 : 폐열회수장치 310 : 배기연결부
320 : 폐열회수부 321 : 폐열회수관
322 : 배기가스유입실 323 : 배기가스배출실
324 : 유체실
330 : 배기부 340 : 열교환수실
370 : 유동지연구
371 : 플랭크(Plank) 372 : 배플(Baffle)

Claims (13)

  1. 나란히 이어져 구성되는 복수 개의 수관에 의해 연소실이 형성되며, 상기 연소실의 하부에 하부수실이 형성되고, 상기 연소실의 일측으로 버너설치구가 형성되며, 상기 연소실의 다른 일측으로 배기구가 형성되는 보일러본체;
    상기 버너설치구에 설치되며, 외부공기가 상기 연소실로 유입되도록 적어도 하나의 공기공급공이 관통형성되고, 상기 공급공급공의 가장자리 중 적어도 일부로부터 상기 연소실의 내측방향으로 분산가이드구가 형성되는 디퓨저를 포함하는 저압용 저녹스 버너; 및
    상기 보일러본체의 다른 일측에 탈부착가능하도록 구성되며, 상기 배기구에서 배출되는 배기가스와 상기 하부수실로부터 공급되는 유체간의 열교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치를 포함하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수관은,
    복수 개의 내측수관 및 외측수관이 나란히 배치되도록 2중구조로 구성되며,
    상기 내측수관의 내측에는 서로 이웃하는 내측수관들을 연결하도록 내측멤브레인이 형성되고,
    상기 외측수관의 외측에는 서로 이웃하는 외측수관들을 연결하도록 외측멤브레인이 형성되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 내측멤브레인은 상부가 개방되도록 형성되고,
    상기 외측멤브레인은 하부가 개방되도록 형성되며,
    상기 외측멤브레인의 외측하부에는,
    개방된 외측멤브레인의 하부가 외부와 차단되도록 연실판이 구성되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연실판의 다른 일측이 상기 배기구와 공간적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디퓨저의 공기공급공 및 분산가이드구는,
    연료가 공급되는 연료공급관에 형성된 연료분출공의 분출방향과 엇갈리는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 공기공급공은 다각형으로 형성되고,
    상기 분산가이드구는,
    상기 공기공급공의 적어도 하나의 선분으로부터 연장형성되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 디퓨저는,
    상기 공기공급공의 주위에 인접되도록 적어도 하나의 보조공급공을 형성하는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 연료공급관의 종단부에 구성되는 재순환유도구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 배기구에 연결되어 상부로 이어지도록 구성되고, 내부에 수평방향으로 적어도 하나의 폐열회수관이 구성되며, 상기 배기구를 통해 유입된 고온의 배기가스와 상기 폐열회수관을 통과하는 유체간의 열교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 폐열회수부의 적어도 일측에 구성되어 상기 폐열회수관과 공간적으로 연결되는 열교환수실을 더 포함하고,
    상기 열교환수실은 상부연결관 및 하부연결관 중 적어도 하나를 통해 상기 온수보일러의 상부감압증기실 및 하부수실 중 적어도 하나와 공간적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  11. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 배기구에 연결되고 내부에 중공의 유체실이 형성되며, 내측하부에 상기 유체실과 차단되어 상기 배기구에 연결되어 고온의 배기가스가 공급되는 배기가스유입실이 형성되고, 내측상부에 상기 유체실과 차단되는 배기가스배출실이 형성되며, 상기 배기가스유입실과 배기가스배출실을 공간적으로 연결하도록 적어도 하나의 폐열회수관이 설치되는 폐열회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 폐열회수관의 내부에는,
    상기 폐열회수관의 내부를 이동하는 배기가스의 흐름을 방해하는 유동지연구가 구성되는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 유동지연구는,
    상기 폐열회수관의 길이방향으로 형성되는 판형의 플랭크(Plank); 및
    상기 플랭크의 적어도 일측면에 형성되는 적어도 하나의 배플(Baffle)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압용 저녹스 버너가 구성된 음압형 증기식 온수보일러.
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