KR101277079B1 - 연관식 겸용 수관식 스팀 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연관식 및 수관식 겸용 스팀 보일러에 관한 것으로서, 연관식 보일러의 장점인 경량 소형화 구조를 갖추면서도 수관식 보일러와 같은 열효율을 발휘할 수 있으며, 고온 가스가 보일러 부근에 체류하는 시간을 증가시키기 위한 업다운 (up-down) 방식의 연소 방식을 취함으로써, 배출가스의 폐열로 연소용 공기를 예열 시켜 열효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 연소용 공기와 배출가스 간의 열교환 구조를 보일러 외부 벽면에 설치함으로써, 기존 보일러에 필수적으로 사용되었던 석면등을 이용한 보온자재를 별도로 설치하지 않아도 되는 스팀 보일러이다.

Description

연관식 겸용 수관식 스팀 보일러 {Steam Boiler}

본 발명은 연관식 보일러와 수관식 보일러 구조를 혼용한 이중 보일러 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 두 가지 보일러의 장점을 모두 이용하여 연소 효율은 극대화하면서도 보일러 중량과 크기를 대폭 줄일 수 있는 친환경 스팀 보일러에 관한 것이다.

본 발명에서는 시간당 증발량 50 내지 200 킬로그램 범위에 있는 석유 또는 경유를 사용한 연소식 스팀 보일러 구조를 제안하며, 본 발명은 산업용 스팀 청소기, 스팀세척기, 스팀세차기 등 스팀을 이용한 각종 제품에 모두 적용될 수 있는 획기적인 발명이다.

보일러는 크게 연관식과 수관식으로 나뉜다. 종래 가정용이나 소형 연소식 보일러에 주로 사용되던 연관식은 보일러 파이프 내부에는 고온의 연소가스가 흐르고 그 파이프 외부로 물이 감싸고 있는 형태를 취한다. 이러한 연관식 보일러는 경량이므로 취급이 간편하다는 장점은 있으나, 파이프의 외부 면적의 한계로 인해서 열전달(heat transfer)량이 적은 단점이 있어 열 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

한편, 수관식 보일러는 선박이나 산업용 대용량 보일러에 주로 적용되는 것으로서 보일러 파이프 내부로는 물이 존재하며, 그 파이프 외부에 연소가스가 접촉되어 열전달이 이루어지는 구조를 취하기 때문에 열전달량이 상기 연관식 보일러 보다 열효율이 높다는 장점은 있지만, 중량과 크기가 커서 일반적인 스팀세차기 혹은 스팀 세차기 등에 적용하기에는 부적절하다는 것이 단점으로 지적되고 있다.

그리고 통상적인 스팀 보일러에서는 연소실 내부로 주입되는 공기(산소)는 차가운 상태로 주입되는 것이 통상적인데 이 경우 연소효율이 매우 낮고, 특히 추운지방이나 겨울철에는 낮은 대기온도 때문에 연기와 그을음을 발생시키는 불완전 연소가 지속적으로 발생되므로, 자원의 효율성 제고를 통한 지구 온난화 방지 측면에서도 문제점의 심각성은 매우 크다고 할 수 있다.

종래의 연관식 및 수관식 보일러의 공통적인 단점으로는, 보일러 몸통 외통에 단열(insulation)을 위하여 반드시 보온자재를 추가 설치, 부착해야 한다는 점이다. 이러한 보온 자재는 석면, 석고 혹은 유리섬유 등이 사용되고 있는데 이 자재들은 제조시 작업자의 건강을 위협하는 요소가 되며 게다가 제조비용 상승, 보일러 부피와 중량 증가 등의 많은 문제점을 가지고 있었다.

본 발명에서는 상기 연관식 및 수관식 보일러의 장점을 모두 취한 새로운 형태의 스팀 보일러을 제시하며, 보일러 몸통에 설치되던 보온 자재인 인슐레이션 래깅이 필요 없음은 물론, 배출 가스가 함유한 폐열을 연소용 공기의 예열에 사용함으로써 한층 열효율을 향상시킬 수 있는 연관식 수관식 겸용 스팀 보일러 구조를 주요 내용으로 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 과제는 다음과 같이 요약될 수 있다.

첫째, 연관식 보일러의 장점인 경량 소형화 구조를 갖추면서도 수관식 보일러와 같은 열효율을 발휘할 수 있는 연관식 및 수관식 겸용 스팀 보일러를 제시하는 것이다.

둘째, 고온 가스가 보일러 부근에 체류하는 시간을 증가시키기 위한 업다운 (up-down) 방식의 연소 방식을 취함으로써, 배출가스의 폐열로 연소용 공기를 예열 시켜 열효율을 대폭 향상시킬 수 있는 스팀 보일러를 제시하는 것이다.

세째, 연소용 공기와 배출가스 간의 열교환 구조를 보일러 외부 벽면에 설치함으로써, 기존 보일러에 필수적으로 사용되었던 석면등을 이용한 보온자재를 별도로 설치하지 않아도 되는 스팀 보일러를 제시하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 구성을 취한다.

즉, 내부에 물과 수증기를 함유하고 중앙이 관통된 보일러 바디(400);

상기 보일러 바디의 중앙 관통부 내측쪽으로 화염을 방사하는 버너(305);

상기 보일러 바디의 중앙 관통부 내측을 가로질러 형성되어 버너의 화염에 의해 직접 가열되는 수관(水管)(450);

상기 보일러 바디 외부를 감싸며 형성되고, 그 내부로 연소된 배출가스가 하측에서 상측으로 흐르는 실린더 내통(210);

상기 실린더 내통 외부를 감싸며 형성되고, 실린더 내통(210) 외벽과의 사이 공간으로 연소용 공기가 흐르면서 상기 배출가스와 열교환이 되도록 형성되는 실린더 외통(200);

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연관식 겸용 수관식 스팀 보일러가 제시된다.

또한 상기 수관(450)은 복수개의 층으로 구성되되, 버너로부터의 화염에 효율적으로 노출되기 위하여, 각 층에 설치된 수관의 배열 방향이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보일러 바디의 하측에는 하부배출가스통로(505)를 형성하도록, 소정의 간격만큼 이격 형성되고 상기 보일러 바디 중앙 관통부 상부 일측에는 배출가스 차단덮개(307)가 형성되어, 배출가스(B)가 하부배출가스통로를 통해서 유출된 후, 실린더 내통과 보일러 바디 외부면 사이의 공간을 통해 상부로 배출됨으로써, 배출가스의 보일러 내 체류시간을 지연시키면서 연소용 공기가 미리 예열되도록 함을 특징으로 한다.

추가적인 상세한 설명은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명키로 한다.

본 발명을 통하여 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 연관식과 수관식의 장점을 모두 적용하여, 연관식 보일러의 장점인 경량 소형화 구조를 갖추면서도 동시에 수관식 보일러에 상당하는 열효율을 발휘할 수 있다.

둘째, 고온 가스가 보일러 부근에 체류하는 시간을 증가시키기 위한 업다운 (up-down) 방식의 연소 방식을 취함으로써, 배출가스의 폐열로 연소용 공기를 예열 시켜 열효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

세째, 연소용 공기와 배출가스 간의 열교환 구조를 보일러 외부 벽면에 설치함으로써, 기존 보일러에 필수적으로 사용되었던 석면등을 이용한 보온자재를 별도로 설치하지 않아도 되어 작업자의 작업환경 개선, 제조원가 개선 및 보일러 중량감소 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 사시 단면도로서, 각 구성요소와 배출가스, 공기의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에서 제시된 보일러의 주요 구성의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 각각 보일러 바디 상측과 하측으로 부터 바라 본 촬영 사진이다.
도 6은 보일러 바디 내부의 수증기와 물의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.

다만, 본 발명의 권리 범위는 실시예에서 제시되는 특정 구조에 국한됨은 아니고 당업자 수준에서 변경 가능한 모든 균등 범위의 발명은 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것임을 미리 밝혀 둔다.

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 도면이고 도 2는 본 발명의 사시 단면도로서, 각 구성요소와 배출가스, 공기의 흐름을 설명하기 위한 도면이며 도 3은 도 2에서 제시된 보일러의 주요 구성의 분해 사시도이고 도 4 및 도 5는 각각 보일러 바디 상측과 하측으로 부터 바라 본 촬영 사진이며 도 6은 보일러 바디 내부의 수증기와 물의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 스팀 보일러의 주요 구성은 도 3과 같이, 보일러 덮개(300)와 최외곽의 외부실린더(200), 외부실린더와 내부에 형성되는 내부실린더(210), 내부 실린더 안쪽에 형성되는 보일러 바디(400) 및 보일러 하부를 받치는 내화벽돌(500) 등을 포함한다.

본 발명이 연관식과 수관식 보일러로 명명된 이유는 다음과 같다.

즉, 화염에 의한 배출가스가 보일러 바디(400) 중앙의 관통된 부위를 흘러 간다는 측면에서 연관식으로 볼 수 있으며, 또한 보일러 바디(400) 중앙의 관통된 부위를 가로질러 수관(450, 도 2 참조)을 가로질러 배치하여 그 내부의 물을 가열한다는 측면에서는 수관식으로 볼 수 있기 때문이다.

먼저 도 1을 참조하여 본 발명의 원리와 구조를 설명한다.

내부에 물과 수증기를 함유하고 중앙이 관통된 보일러 바디(400)가 보일러 중심부에 위치하고 있다. 도 3과 같이 보일러 바디(400)는 중앙부가 관통된 원통형을 취한다. 다만 필요에 따라 원통형 이외에도 다소 형상의 변경이 가능함은 물론이다.

물이 보일러 바디 일측으로부터 공급되어 보일러 바디 내부의 하부측에 위치하게 되면, 화염에 의해 가열되고 이로써 발생된 수증기는 보일러 바디(400) 내부의 상측에 위치한 후 외부로 배출되어, 각종 세차기, 청소기 등의 목적으로 사용되어진다.

상기 보일러 바디(400)의 중앙 관통부 내측쪽으로 화염을 방사하는 버너(305)가 보일러 바디 직상부 중앙에 위치하고 있으며, 연소에 의해 생성된 배출가스(B)가 보일러 바디(400) 직상부로 배출되는 배출되는 것을 차단하기 위하여 배출가스 차단덮개(307)가 보일러 바디 중앙 관통부 상측을 막으면서 형성되어져 있다.

이에 따라, 배출가스는 하부통로 배출가스(505)로 빠져나가도록 유도된다.

도 2를 참조하면, 수관(450)은 여러개가 형성되는 것이 신속한 열전달을 위하여 바람직하므로, 다수개의 수관이 복수개의 층을 이루며 형성되어져 있다. 수관의 갯수는 보일러 내부의 배출가스의 원활한 배출 및 신속한 증기 발생을 위해 다수개를 적절히 설치하는 것이 보일러 효율을 위하여 바람직할 것이다. 한편, 도 4는 상부측으로부터, 도 5는 하부측으로부터 보일러바디(400)를 촬영한 것이다.

복수개의 층은 도 1과 같이 4개의 층, 도 2와 같이 3개의 층 등 보일러 용량에 따라서 적절히 변경가능함은 물론이다.

또한, 화염을 직접 효과적으로 받기 위해서 복수개의 층을 이루며 마련된 수관(450)은 그 배치 방향을 달리하여 형성되어 있는 것(도 4, 도 5 참조)이 바람직하다.

한편, 보일러 바디의 중앙 관통부 내측을 가로질러 동일한 높이에 형성된 수관(水管)(450)들의 배치 간격은, 도 2에서는 간격이 동일하게 도시되어 있지만, 화염에 보다 효과적으로 노출되기 위해서는 화염이 있는 중앙부에서는 보다 조밀한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 즉 도 7은 직상부에서 수관을 바라본 도면으로서, 화염이 직접 가해지는 중앙부는 간격(a)이 조밀하고 바깥쪽에 위치한 수관끼리의 간격(b)은 a 간격 보다는 다소 크거나 같게 형성함이 바람직하지만, 그 외에도 수관의 형성 방법은 다양하게 수정 응용되어 설치될 수 있다.

도 6에서는 보일러 바디(400) 내부의 물과 수증기의 이동을 보다 상세히 도시하고 있는데, 화염에 의해서 가열된 수관(450) 내부의 물(430)은 수증기가 되어 물 표면에서 증발하여, 수증기 (420)가 되고 증기배출관(425)을 통해서 배출되어져 세차기 혹은 청소기의 역할을 하게 된다.

상술된 바와 같이, 보일러 바디 외부에는 실린더 내통(도 3, 210)이 형성되는데, 보일러 바디(400)와 실린더 내통(210) 사이 공간으로로는, 연소된 배출가스(B)가 하측에서 상측으로 흐르게 된다.(도 1, 화살표 방향 참조)

즉, 하부배출가스통로(505)가 보일러 바디(400)의 하측과 내화벽돌(500) 상부면 사이 공간에 형성되어 있으며, 이러한 통로(505)를 통하여 배출가스(B)가 빠져나가게 된다.

실린더 내통(210)과 실린더 외통의 사이공간을 통해 상부로 배출됨으로써, 배출가스(B)의 보일러 내 체류시간을 지연되고, 배출가스의 열은 실린더내통(210)을 사이에 두고 연소용 공기(A)에 전달되어져 연소되기 직전 공기는 미리 예열되어진다.

이러한 연소용 공기 예열을 위한 구조는 통상의 보일러에서는 연소된 배출가스가 곧바로 보일러에서 빠져 나가는 구조를 취하는 점과 비교해 볼 때 본 발명의 큰 특징 중의 하나이며, 배출가스와 연소용 공기를 실린더 내통(210)과 실린더외통(200)으로써 보일러 몸체 외곽을 감싸고 있기 때문에 종래와 같은, 보온자재를 보일러 몸체 외곽에 별도로 마련할 필요가 없다는 점도 본 발명의 매우 현저한 이점이라 할 수 있다.

즉 연소용 공기(A)는 실린더 외통(200)과 실린더 내통(210) 사이로 공급되는데, 만약 차가운 상태로 공기가 연소실에 주입될 경우 불완전연소를 유발하게 되어 연소효율이 매우 낮아지는 종래 기술을 개선하기 위한 구조이다.

요약하면, 연소를 위해 공급되는 공기(A)가 배출가스(B)와 열교환이 이루어짐으로써 온도 상승이 된 상태로 연소에 사용되기 때문에 배기가스의 폐열을 이용한다는 큰 효과를 달성함은 물론, 상기 열교환이 보일러 몸체 외곽을 감싼 위치에서 이루어지므로, 석면이나 유리섬유로 된 보온자재를 별도로 설치하지 않아도 되는 막대한 장점이 본 발명의 특징이다.

상기 설명된 본 발명의 스팀 보일러의 전체 구조와 공기 및 배출가스의 흐름에 대해 보다 상세한 그림은 도 2에 도시되어 있다.

우측 하단부에서 연소용 공기가 유입되어 최외곽 공간을 따라 보일러 상측으로 연소실에 투입되어 버너(305) 연소에 사용되되, 연소용 공기(A)가 흘러 가면서 배출가스(B)로부터 열을 전달받아 온도가 상승된 상태로 연소에 사용된다.

화염(510)은 수관(450) 상부면을 가열시키고 있으며, 배출가스(B)는 배출가스차단덮개(307)에 의해서 상부로는 유출이 안되고, 내화벽돌 상부면 가장자리의 하부배출가스통로(505)를 통해서만 배출되어, 종래의 보일러 배출가스 보다 보일러 내부에 체류하는 시간이 충분히 더 확보되어 폐열을 연소용 공기 가열용으로 사용한다는 이점이 있다. 도 2에서는 편의상 보일러 바디(400) 내부의 수증기와 물의 도시를 생략하고 있다(도 6 참조)

이하, 본 발명의 효과를 요약하면 다음과 같다.

즉 연관식과 수관식의 장점을 모두 적용하여, 연관식 보일러의 장점인 경량 소형화 구조를 갖추면서도 동시에 수관식 보일러에 상당하는 열효율을 발휘할 수 있다.

또한, 고온 가스가 보일러 부근에 체류하는 시간을 증가시키기 위한 업다운 (up-down) 방식의 연소 방식을 취함으로써, 배출가스의 폐열로 연소용 공기를 예열 시켜 열효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

또한, 연소용 공기와 배출가스 간의 열교환 구조를 보일러 외부 벽면에 설치함으로써, 기존 보일러에 필수적으로 사용되었던 석면 등을 이용한 보온자재를 별도로 설치하지 않아도 되어 작업자의 작업환경 개선, 제품의 경량화, 제조원가 개선 및 보일러 중량감소 등의 효과가 있다.

100:보일러
200:실린더외통
210:실린더내통
300:덮개
305:버너
307:배출가스 차단덮개
310:배출가스관
400:보일러 바디
420:수증기
422:증기배출구
425:증기배출관
430:물
432:물흡입구
450:수관(水管)
500:내화벽돌
505: 하부배출가스통로
510:화염
A:공기
B:배출가스

Claims (3)

1. 내부에 물과 수증기를 함유하고 중앙이 관통된 보일러 바디(400);
   상기 보일러 바디의 중앙 관통부 내측쪽으로 화염을 방사하는 버너(305);
   상기 보일러 바디의 중앙 관통부 내측을 가로질러 형성되어 버너의 화염에 의해 직접 가열되는 수관(水管)(450);
   상기 보일러 바디 외부를 감싸며 형성되고, 보일러 바디 외벽과의 이격된 공간 사이로, 연소된 배출가스가 하측에서 상측으로 흐르는 실린더 내통(210);
   상기 실린더 내통(210) 외부를 감싸며 형성되고, 실린더 내통(210) 외벽과의 사이 공간으로 연소용 공기가 흐르면서 상기 배출가스와 열교환이 되도록 형성되는 실린더 외통(200);
   을 포함하는 것을 특징으로 하며,
   상기 수관(450)은 복수개의 층으로 구성되되, 버너로부터의 화염에 효율적으로 노출되기 위하여, 각 층에 설치된 수관의 배열 방향이 서로 상이한 것을 특징으로 하며,
   상기 보일러 바디의 하측에는 하부배출가스통로(505)를 형성되고, 상기 보일러 바디 중앙 관통부 상부 일측에는 배출가스 차단덮개(307)가 형성됨으로써,
   배출가스(B)가 하부배출가스통로를 통해서만 유출되도록 하며,
   상기 하부배출가스통로를 나온 배출가스가 실린더 내통(210)과 보일러 바디(400) 외부면의 사이 공간을 지나도록 함으로써, 배출가스의 보일러 내 체류시간을 지연시키도록 하며,
   배출가스와 연소용 공기가, 실린더 내통(210)과 실린더외통(200)으로써 보일러 몸체 최외곽을 감싸는 구조를 취함으로써, 보온자재(단열재)를 보일러 몸체 외곽에 별도 마련할 필요가 없이,
   공기(A)층과, 연소가스(B)층 및 물 수증기가 함유된 보일러바디(400)를 측벽 구성으로 하여, 보일러 단열기능을 발휘하는 것을 특징으로 하는 연관식 겸용 수관식 스팀 보일러
   
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