KR101318273B1 - 콘덴싱 보일러용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘덴싱 보일러용 열교환기에 관한 것으로, 케이싱내에서 나선상으로 복수회 권회되어 배열되고 단면이 오벌(oval) 형상을 갖는 열교환수파이프들을 구비하여 연소부에서 방출되는 열에 의해 상기 열교환수파이프내에서 유동하는 열교환수를 가열하도록 된 콘덴싱 보일러용 열교환기에 있어서, 상기 열교환수파이프(1)는 열교환 효율의 향상을 위해 전열면적을 증대시키도록 원주 방향으로 마루부분(2)과 골부분(3)이 일정 간격 반복된 웨이브가 형성된 구조를 갖고, 상기 열교환수파이프(1)는 상기 권회된 열교환수파이프의 가상의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부를 향하여 웨이브를 경사지게 형성하되, 연소부에서 방사되는 복사열이 상하로 배열된 열교환수파이프(1)들 사이의 틈새를 통해 손실되지 않도록 상기 열교환수파이프(1)에 형성되는 웨이브는 인접한 마루부분(2)과 골부분(3)의 단부가 가상의 중심에서 볼 때 적어도 일부분이 중첩되게 형성된 구성으로, 전열 면적이 증대되고 열교환수의 체류시간을 연장하여 열교환 효율을 향상시키며 연소부로 부터 상하의 열교환수 파이프들 사이를 통해 손실되는 복사열을 최소화하여 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

콘덴싱 보일러용 열교환기{A HEAT EXCHANGER FOR CONDENSING BOILERS}

본 발명은 콘덴싱 보일러의 열교환기에 관한 것으로, 특히 열교환기의 오벌(oval) 형태로 된 현열 열교환부의 열교환수관에 웨이브 형상을 구현시켜 열교환수관의 전열면적의 증가 및 복사효율을 향상시켜 열교환 효율을 개선한 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 시중에 유통되고 있는 가스보일러는 크게 일반형 보일러와 콘덴싱 보일러의 2가지 종류로 나뉘어 판매되고 있는데, 상기 콘덴싱 보일러는 예를들어 도 1에 도시된 본원 출원인의 실용신안등록 제20-0280095호(2002.06.17 등록)의 "콘덴싱 보일러의 열교환기"에서 개시된 바와같이 몸체를 이루는 케이싱(31)의 내부공간을 현열 열교환공간(31c)과 잠열 열교환공간(31d)으로 구분되고, 잠열 열교환공간(31d)에 배치되어 난방수를 예열하기 위한 잠열 열교환파이프(33)와, 현열 열교환공간(31c)에 배치되며 버너(20)에 의해 직접 가열되는 현열 열교환파이프(34)를 구비하여 보일러의 배기가스 중에 포함된 수증기의 응축잠열을 회수하여 열효율을 높인 방식의 보일러이다.

다른 콘덴싱 보일러의 열교환기 구조에 대한 예로는 특허등록 제10-0813807호(2008.03.07)에 개시된 콘덴싱 보일러의 열교환기 구조에서는, 열교환기 내부로 형성되는 열교환파이프 구성을 버너부의 중심방향을 향하도록 일정한 경사각을 갖도록 형성하여 균일한 열분포에 따른 열효율 향상 및 응축수의 드레인을 촉진시킬 수 있도록 되어 있다.

그러나, 보일러에서 사용하는 가스와 같은 화석 연료의 소비를 감소시킴과 함께 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있도록 지속적인 구조 개선이 요구되어 왔다.

실용신안등록 제20-0280095호(2002.06.17 등록) 특허등록 제10-0813807호(2008.03.07 등록)

본 발명의 목적은 상기한 종래 콘덴싱 보일러에서의 열교환 효율의 개선 및 열복사 효율을 개선하기 위하여 나선형으로 권회된 오벌 형상의 현열 열교환파이프를 웨이브를 갖는 형태로 구성하여 전열 면적을 향상시켜 열효환 효율을 개선하고 버너로 부터의 복사열의 손실을 최소화하도록 개선된 콘덴싱 보일러용 열교환기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 콘덴싱 보일러의 열교환기는 케이싱내에서 나선상으로 복수회 권회되어 배열되고 단면이 오벌(oval) 형상을 갖는 열교환수파이프들을 구비하여 연소부에서 방출되는 열에 의해 상기 열교환수파이프내에서 유동하는 열교환수를 가열하도록 된 콘덴싱 보일러용 열교환기에 있어서, 상기 열교환수파이프는 열교환 효율의 향상을 위해 전열면적을 증대시키도록 원주 방향으로 마루부분과 골부분이 일정 간격 반복된 웨이브가 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하여 구성된다.

상기 열교환수파이프는 상기 권회된 열교환수파이프의 가상의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부를 향하여 웨이브가 경사지게 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 연소부에서 방사되는 복사열이 상하로 배열된 열교환수파이프들 사이의 틈새를 통해 손실되지 않게 연소부가 배치되는 가상의 중심에서 반경방향 외측으로 직선상으로 볼 때 외관상 개방된 틈새가 없도록 상기 열교환수파이프에 형성되는 웨이브들은 인접한 마루부분과 골부분의 단부를 포함한 적어도 일부분이 중첩되게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라, 콘덴싱 보일러의 열교환기의 오벌 형상의 열교환수 파이프에 웨이브 형상, 특히 사선방향의 웨이브를 갖도록 하여 전열 면적이 증대되고 열교환수의 체류시간을 연장하여 열교환 효율을 향상시키며 연소부로 부터 상하의 열교환수 파이프들 사이를 통해 손실되는 복사열을 최소화하여 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 콘덴싱 보일러의 구조를 보여주는 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 열교환수 파이프가 웨이브 형상을 갖도록 한 콘덴싱 보일러의 열교환기의 개략적인 사시도.
도 3과 4는 각각 도 2의 선a-a 및 선b-b를 따라 취한 마루부분과 골부분의 단면을 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 웨이브를 사선으로 경사지게 형성한 열교환수파이프의 일부분의 평면도.
도 6은 도 5의 열교환기에서 선c-c에 의해 절단한 단면도.
도 7은 도 5의 열교환기에서 선d-d에 의해 절단한 단면도.
도 8은 도 5의 열교환기에서 선e-e에 의해 절단한 단면도.
도 9는 도 5의 열교환기에서 선f-f에 의해 절단한 단면도.
도 10은 도 5에서 웨이브를 형성한 구성을 보여주는 구성도.

이하에서는 본 발명에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기의 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2에 사시도로 도시된 콘덴싱 보일러의 열교환수파이프(1)는 단면이 오벌(oval) 형상으로 되어 나선형으로 복수회 권회되어 있으며, 본 발명에 따라 원주 방향으로 마루부분(2)과 골부분(3)이 일정 간격 반복된 웨이브가 형성된 구조를 갖는다. 도 3과 도 4는 각각 상기 마루부분(2)과 골부분(3)에서의 단면이 오벌 형태로 이루어져 있다.

이에 따라, 웨이브진 열교환수파이프(1)는 웨이브지지 않은 동일 권회수를 갖는 통상의 열교환수 파이프와 비교하여 단면적은 동일하면서도 길이가 실질적으로 증대되므로, 결국 그 속을 유동하는 열교환수가 열교환되는 전열면적이 증대되어 열교환 효율이 향상된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예의 열교환수 파이프는 도 5에 도시된 바와같이 웨이브가 사선으로 형성되어 있다.

상기 마루부분(2)과 골부분(3)은 그 길이방향으로 절단한 단면은 도 3과 4에 도시한 실시예와 같은 오벌 형상을 갖지만 가로방향의 길이가 증대되어 나타나게 된다. 그러나, 환형의 열교환수 파이프(1)에서 가상의 중심에서 동일 각도 간격으로 절단한 단면도들은 도 6 내지 9에 표시한 바와 같이 서로 다른 만곡된 형상을 갖게 되며, 따라서 본 실시예에서도 열교환수가 열교환되는 전열면적이 훨씬 크게 된다.

예를들어 도 10에 도시한 바와같이, 내경이 φ185이고, 외경이 φ233.20인 열교환파이프(1)에 웨이브를 형성하되, 가상의 중심에서 반경방향으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부를 향하여 웨이브가 경사지게 하고, 이때 마루부분(2)과 골부분(3)이 가상의 중심에서 18°의 각도상의 피치를 갖도록 하면 20개의 마루부분(2)과 골부분(3)이 형성되고, 상기 마루부분의 내측단과 인접한 골부분의 외측단이 9°만큼 중첩되도록 하는 경우 상기 웨이브는 약 63°, 정확하게는 62.96°로 경사지게 형성되는 것으로 나타났다.

이와 같이 웨이브를 62.96°로 경사지게 형성한 열교환수파이프의 경우 연소가스가 유동하는 거리가 종래 열교환수파이프가 단순히 오벌 형상의 갖는 경우에서 보다 68%의 증대되는 것으로 나타났고, 동일한 방식으로 웨이브를 39°로 경사지게 한 경우에는 연소가스가 유동하는 거리가 20.7% 증대되는 것으로 나타났다.

상기와 같이 웨이브를 경사지게 형성함에 따라 연소가스의 유동거리가 증대되는 것은 결과적으로 연소가스가 열교환수파이프와 접촉하면서 열교환이 이루어지는 전열면적이 증대되어 결국 열교환기의 열교환 효율이 향상되는 효과가 있음을 의미한다.

종래의 열교환기에서 상하로 인접되게 나선형으로 배열된 열교환수파이프들은 통상 1.1mm의 틈새 간격을 갖도록 이격되어 설치되며, 버너 또는 연소부에 의해 가열된 공기 또는 연소가스가 상기 틈새를 통해 유동하면서 열교환파이프내의 열교환수와 열교환이 이루어져 열교환수를 가열시키지만, 연소부에서의 복사열이 상기 틈새를 통과하게 되어 열교환파이프의 열교환수에 전달되지 않게 되므로 사실상 복사열 손실이 초래된다.

그러나, 본 발명에 따라 열교환수파이프에 웨이브를 형성함으로써 연소가스의 유동거리를 증대시켜 열교환 효율이 향상됨과 함께, 웨이브들의 마루부분과 골부분이 각도상으로 중첩되게, 즉 열교환수 파이프에서 인접 형성되는 웨이브들에서 마루부분의 단부와 인접한 골부분의 단부를 포함한 적어도 일부분이 가상의 중심에서 볼 때 중복되고, 도 6 내지 9는 인접한 열교환수파이프의 단면들이 상하로 만곡된 구조로 인하여 인접한 열교환수파이프들 사이의 틈새 공간 역시 굴곡진 형태로 형성되어 연소부가 배치되는 가상의 중심에서 반경방향 외측으로 직선상으로 볼 때 외관상 개방된 틈새가 없게 되고, 따라서 연소부에서 방사된 복사열이 손실없이 열교환파이프에 전달된다.

이로써, 연소부에서 방사상으로 직선상으로 방출되는 복사열이 상하 인접한 열교환수파이프들 사이의 틈새를 통과하지 못하고 열교환수파이프로 전달될 것이므로, 종래 열교환수파이프들 사이의 연소가스 유동을 위한 틈새가 외관상 개방된 구조로 인한 복사열 손실이 발생되는 것과 비교하여 연소부에서 방사된 복사열에 의한 열복사 효율이 개선됨을 알 수 있고, 따라서 보일러 자체의 에너지 효율이 향상된다.

또한, 본 실시예에서는 도 2의 실시예 열교환수파이프 배열구조와 비교하여 단순히 상하로 웨이브 형상을 가져 상하로 인접 배열된 열교환수파이프들 사이의 틈새를 통한 복사열 손실이 없게 되므로 본 실시예의 열교환수파이프는 도 2의 실시예의 열교환수파이프의 경우 보다도 열복사 효율이 개선됨을 쉽게 알 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 실시예에서는, 상기 권회된 열교환수파이프의 연소부가 배치되는 가상의 중심에서 반경방향으로 외측으로 연장된 선으로 부터 내경부에서 외경부 방향으로 경사지게 웨이브를 형성한 것으로 설명되었으나, 상기한 실시예에서와 반대로 열교환수파이프의 웨이브를 외경부에서 내경부 방향으로 향하여 경사지게 형성할 수도 있고, 이러한 경우에도 연소가스의 유동거리가 증대되어 결과적으로 열교환 효율이 향상되고, 또한 열복사 효율의 향상 효과는 동일하게 얻어짐을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 열교환수파이프에 웨이브를 형성하여 연소가스의 유동거리의 증대로 실질적인 전열면적의 증대 효과를 갖게 되고, 나아가 상기 웨이브를 경사지게 형성하되 인접한 웨이브들에서 인접한 골부분과 마루부분의 단부들을 포함하여 적어도 일부분이 중첩되는 구조로 형성함으로써 연소부에 의한 열복사 효율의 증대 효과를 얻게 되어 궁극적으로 에너지 효율이 개선된다.

또한, 상기한 실시예들에서는 콘덴싱 보일러의 열교환수파이프에 대한 것으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 열교환수파이프에 대한 웨이브, 특히 경사지게 웨이브를 형성하는 기술적 사상은 다른 보일러의 열교환기용 열교환수파이프에도 적용할 수 있음은 물론이다.

본 발명은 보일러의 열교환기에 채용되는 열교환수파이프에 적용하여 전열면적을 증대시키고, 연소부에서 발생된 복사열에 의한 열복사 효과를 증대시켜 보일러의 에너지 효율을 증대시키도록 사용할 수 있다.

1 : 열교환수파이프 2 : 마루부분
3 : 골부

Claims (4)

1. 케이싱내에서 나선상으로 복수회 권회되어 배열되고 단면이 오벌(oval) 형상을 갖는 열교환수파이프들을 구비하여 연소부에서 방출되는 열에 의해 상기 열교환수파이프내에서 유동하는 열교환수를 가열하도록 된 콘덴싱 보일러용 열교환기에 있어서,
   상기 열교환수파이프(1)에는 열교환 효율의 향상을 위해 연소가스가 열교환 수파이프와 접촉하면서 유동하는 거리를 증대시키도록 원주 방향으로 마루부분(2)과 골부분(3)이 반복된 웨이브가 형성되고,
   상기 웨이브는 권회된 상기 열교환수파이프(1)가, 연소부가 배치되는 가상의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부 방향 또는 외경부에서 내경부 방향으로 경사지게 형성되어 가상의 중심에서 동일 각도 간격으로 절단한 단면들은 서로 다른 형상을 가지며,
   상기 열교환수파이프(1)에 형성되는 웨이브는 인접한 마루부분(2)과 골부분(3)의 단부를 포함한 적어도 일부분이 중첩되게 형성되고,
   상기 열교환수파이프(1)의 단면은 상하로 만곡된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images