KR101352777B1 - 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러에 관한 것으로, 펠릿목재를 연료원으로 하는 보일러에서, 화염을 나선형 구조를 따라 이동시켜 열전달 시간과 접촉면을 오래도록 유지시킬 수 있고, 연소재를 포함하는 화염을 연소재 처리실까지 이동시킨 후 연소재는 낙하시키고 잔류가스만 배출되도록 할 수 있다.

Description

화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러{Boiler having increased heating efficiency by spiral flame path}

본 발명은 보일러에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 목재펠릿을 연료원으로 하는 펠릿 보일러의 가열 효율을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

목재펠릿(wood pellet)은 나무 부산물을 잘게 분쇄하여 열과 압력으로 압축한 뒤 담배필터 크기로 만든 목질계 바이오 연료로서, 아황산가스 등 유독가스가 배출되지 않고 이산화탄소도 감축되는 신재생 에너지원이며, 이러한 목재펠릿을 이용한 펠릿보일러의 보급도 늘고 있는 상황이다.

그러나 펠릿보일러에서는 목재펠릿을 연소시킬 시 필연적으로 연소재가 발생하기 때문에 기존의 가스보일러에서 가열 효율을 향상시키는 방식을 그대로 사용할 수가 없다.

즉 가열 효율을 향상시키기 위해서는 화염이 지나가는 통로를 길고 복잡하게 구성하여 물과의 접촉면적을 최대한 넓히면 되는데, 목재펠릿을 연료원으로 할 경우 화염에 연소재가 섞여 있기 때문에 길고 복잡한 화염 통로에서는 연소재가 잔류하여 통로를 막을 가능성이 있기 때문에, 무작정 물과의 접촉면적을 넓힐 수가 없다.

따라서 화염이 이동하는 통로가 물과 접촉하는 면적을 넓힘으로써 가열 효율을 향상시킬 수 있으면서도, 동시에 화염에 포함된 연소재를 수월하게 분리시켜 수거할 수 있도록 하는 기술 개발이 요구된다.

한편 목재펠릿을 연료원으로 하는 펠릿보일러에 관한 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1149359호 등이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 화염을 나선형으로 하강시키도록 함으로써 연소재가 화염의 이동 통로 상에 잔류할 가능성을 없애주면서도, 동시에 물과의 접촉면적을 넓게 하여 가열 효율을 향상시키도록 하는 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러는, 물이 채워지는 가열공간을 갖는 본체; 및 상기 본체의 상기 가열공간 내에 위치하며 내측으로 화염을 통과시켜 상기 가열공간에 채워진 물을 가열시키는 연소실;을 포함하되, 상기 연소실은, 화염이 유입되는 화염입구; 내측에 나선형의 화염유도판이 구비되어 상기 화염입구로 유입된 화염을 나선형으로 하강시키는 화염이동실; 상기 화염이동실을 따라 나선형으로 하강 이동된 상기 화염에 섞인 연소재가 낙하하여 쌓이는 연소재 처리실; 및 상기 화염이동실과 상기 연소재 처리실을 통과하면서 상기 화염에서 연소재가 분리된 후의 잔류가스를 실외측으로 유도하는 가스유도관;을 포함한다.

여기서, 상기 가스유도관은 상기 연소재 처리실의 상부면과 연통되어 있으며, 상기 가스유도관의 둘레를 감싸도록 상기 화염이동실이 위치한다.

또한, 상기 화염이동실 내측에 구비된 상기 화염유도판의 일측은 상기 화염이동실 일측벽체에 고정되고 타측은 상기 화염이동실의 타측벽체으로부터 소정거리 이격되어 틈이 형성되어 있다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

나선형의 화염이동실 구조를 통해 화염의 이동경로를 길게하여 최대한 가열공간에 급수된 물에 열을 오랫동안 전달할 수가 있어서 가열 효율을 향상시킬 수 있고, 이렇게 경로가 길고 복잡한 구조라 하더라도 연소재는 화염의 운동에너지를 타고 바닥의 연소재 처리실까지 이동할 수 있으며, 연소재는 연소재 처리실에 낙하되고 잔류가스만 가스유도관을 타고 수직으로 상승하게 되며, 화염유도판의 한쪽에 틈을 형성시켜 화염의 압력 변화에 따른 공기 저항의 발생을 막아주어 유연한 흐름이 가능케 할 수가 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러를 설명하기 위한 사시도.
도2는 도1에 도시된 보일러를 설명하기 위한 개략적인 단면도.
도3은 도1에 도시된 보일러에서 나선형의 화염유도판을 설명하기 위한 화염이동실의 개략적인 단면도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러(이하 '보일러'라고 함)를 설명하기 위한 사시도이고, 도2는 도1에 도시된 보일러의 내부 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도3은 도1에 도시된 보일러에서 나선형의 화염유도판(32c)을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 보일러는 본체(10), 상부케이스(20), 연소실(30) 및 보조온수관(40)을 포함한다.

본체(10)의 내측에는 물이 채워지는 가열공간(11)이 마련되어 있으며, 본체(10)의 상부에는 외부로부터 물을 급수하기 위한 급수구(12)가 마련되고, 하부에는 가열된 온수를 배수하기 위한 배수구(13)가 마련된다. 급수구(12)는 일반적으로 상수원과 연결되며, 배수구(13)는 난방을 위한 파이프나 별도의 온수를 필요로 하는 파이프와 연결된다. 물론 난방을 위해 배출된 온수가 다시 본체(10)의 가열공간(11)으로 회수되어 가열된 후 배출되는 순환구조를 이루도록 별도의 순환파이프(미도시)가 본체(10)에 마련될 수도 있다.

여기서 주방용 또는 샤워용 온수는 난방용 온수만큼의 고온을 필요로 하지는 않기 때문에 반드시 본체(10)의 가열공간(11)에서 가열된 온수로 공급될 필요는 없으며 이하 설명하게 되는 잔류가스에서 발생하는 열로 가열된 보조온수관(40)을 통해 공급될 수도 있다. 이에 대한 설명은 이하에서 다시 하도록 한다.

본체(10)의 내부, 즉 가열공간(11)에는 화염이 통과하는 연소실(30)이 위치한다. 연소실(30)은 화염이 통과하여 연소재가 분리되고 잔류가스가 배출되도록 일체형으로 제작되는데 크게 화염이동실(32), 연소재 처리실(33) 및 가스유도관(35)으로 구분된다.

화염이동실(32)은 연소재 처리실(33)의 상부에 위치하며, 대략 내부가 비어 있는 이중 구조의 원통 형상이다. 즉, 평단면 상에서 직경이 서로 다른 동심원을 그리도록 내측벽체(32a)와 외측벽체(32b)가 세워지고, 내측벽체(32a)와 외측벽체(32b) 사이의 상부가 밀폐되도록 덮혀진 구조이다(하부는 연소재 처리실(33)과 연통됨). 이러한 화염이동실(32)의 상부 측면, 즉 외측벽체(32b)에는 본체(10)의 외부와 연결되는 화염입구(31)가 마련되어 있으며, 화염이동실(32) 내측, 즉 외측벽체(32b)와 내측벽체(32a) 사이에는 나선형으로 연결되는 화염유도판(32c)이 설치되어 있다. 따라서 화염입구(31)를 통해 목재펠릿을 연료원으로 하여 연소하고 있는 화염이 진입하면 화염이동실(32) 내측의 화염유도판(32c)을 따라 화염이 나선형을 그리며 하강하게 된다.

화염이동실(32)의 하부는 연소재 처리실(33)과 연통되어 있다. 화염은 목재펠릿이 연소되고 있는 상태에서 진입되는 것이기 때문에 화염에는 목재펠릿이 연소되고 남은 부유물인 연소재가 반드시 포함되어 있다. 따라서 화염이동실(32)을 통해 나선형으로 하강된 화염은 연소재와 잔류가스로 구분된다. 이때 대기보다 무거운 연소재는 연소재 처리실(33)의 바닥으로 낙하하게 되고, 대기보다 가벼운 잔류가스는 상승해야만 한다.

연소재 처리실(33)의 중앙 상부는 가스유도관(35)이 연결되어 있다. 따라서 연소재 처리실(33)에서 연소재가 분리되어 낙하하면, 잔류가스는 가스유도관(35)을 타고 상승할 수가 있는 것이다.

본 실시예에서는 가스유도관(35)이 3개 구비되어 있으며, 3개의 가스유도관(35)은 연소재 처리실(33)의 상부, 즉 화염이동실(32)의 내측벽체(32a)가 둘러싸고 있는 중앙에서부터 본체(10)의 상부까지 연결되어 있다. 또한 본체(10) 상부를 지나 배출대기실(36)에서 3개의 가스유도관(35)이 모여지고, 배출대기실(36)의 상부와 연결된 연돌(37)을 통해 모여진 잔류가스가 실외로 배출될 수가 있다.

이렇게 화염이 연소실(30)의 화염입구(31)를 통해 진입하면, 화염이동실(32)을 통과하게 됨으로써 화염이동실(32)의 내측벽체(32a)와 외측벽체(32b)에 열이 전도되어 가열공간(11)에 급수된 물을 가열시켜 온수를 생산하게 된다. 여기서 가열공간(11)에 급수된 물은 연소실(30)의 복잡한 구조, 즉 화염이동실(32)의 내측벽체(32a) 안쪽면, 외측벽체(32b) 바깥쪽면, 연소재 처리실(33)의 둘레면, 가스유도관(35)의 둘레면 등 복잡하고 넓은 접촉면을 통해 효율적으로 가열될 수가 있다.

한편 본 실시예에서는 목재펠릿을 공급하여 연소시키는 구성들을 도시하지 않았으며, 목재펠릿을 연료원으로 하여 연소된 화염이 본체(10) 내측의 연소실(30)로 진입하여 이동하는 부분에 특징이 있기 때문에 이 부분에 대해서만 도시하고 설명하였다.

연소재 처리실(33)의 하부 일측에는 본체(10)의 외부와 연결되는 연소재 배출구(34)가 마련되어 있다. 연소재 배출구(34)는 연소가 이루어지는 동안에는 별도의 덮개를 통해 막혀 있으며, 연소재가 연소재 처리실(33)에 일정량 누적되면 연소재 배출구(34)를 통해 연소재를 수거할 수가 있다. 물론 연소재를 수거할 시에는 보일러에서의 연소가 중단되는 상황이어야 한다.

가열공간(11)에 급수된 물은 연소실(30)과의 접촉면을 통해 고온으로 가열되며, 특히 이렇게 고온으로 가열된 온수는 주로 난방용으로 사용될 수가 있다. 하지만 온수는 난방용 외에도 주방 또는 욕실에서 사용될 수가 있는데, 이때에는 상대적으로 고온의 온수가 필요치가 않다.

이를 위해 본체(10) 상부의 가스유도관(35)이 모이는 배출대기실(36) 둘레에 보조온수관(40)이 코일 형태로 감겨져 있다. 즉 보조온수관(40)은 일측의 보조급수구(41)를 통해 상수원으로부터 물이 급수되고, 보조온수관(40)은 배출대기실(36) 둘레에 소정 횟수 감겨져 있으며 타측의 보조배수구(42)를 통해 물이 배출될 수 있다. 따라서 보조온수관(40)이 배출대기실(36)을 코일 형태로 감싸고 있는 부분에서 잔류가스에 남아 있는 열을 통해 급속하게 가열될 수 있으며, 이렇게 가열된 온수를 주방 또는 욕실로 공급하여 식기세척이나 샤워용으로 사용할 수가 있는 것이다.

본체(10) 상부에 마련되어 있는 배출대기실(36)과 보조온수관(40)은 미관을 위해 상부케이스(20)에 의해 가려진다. 또한 보조온수관(40)에서 가열된 온수의 온도를 측정하기 위한 온도센서(50)가 구비되어 있으며, 도면에는 도시되지 않았지만 가열공간(11)에도 별도의 온도센서(미도시)가 구비될 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 보일러에서는 외부로부터 진입되는 화염이 화염이동실(32) 내에서 화염유도판(32c)을 따라 나선형으로 하강하게 된다. 따라서 나선형이라는 이동 경로의 특성상 화염의 이동 길이가 길어진다. 따라서 화염이 연소실(30) 내부에 머무르는 시간이 길어지기 때문에 열을 전달하는 시간이 증가하여 더 많은 열을 가열공간(11) 내에 급수된 물에 전해주어 가열 효율이 증가한다.

또한 화염이 화염이동실(32) 내의 나선형 구조를 따라 유연하게 이동함으로써, 화염이 벽체(32a,32b)와 충돌하는 충격이 최소화된다. 따라서 화염의 운동에너지 손실이 줄어들게 되며, 화염의 운동에너지가 유지되면 나선형의 이동 경로 중간에서 연소재가 중간 바닥에(즉 화염유도판(32c) 상에) 쌓이지 않고 하단의 연소재 처리실(33)까지 쓸려내려갈 수가 있다. 더불어 나선형의 이동 경로 상에서는 바닥면(화염유도판(32c))이 항상 하강 경사면을 형성하고 있기 때문에, 경사면을 타고 연소재가 더 잘 미끄러질 수가 있어서, 거의 대부분의 연소재가 연소재 처리실(33)까지 도달할 수가 있는 것이며, 화염의 이동 경로 상에서는 연소재가 쌓일 우려가 없게 되는 것이다.

여기서 화염이동실(32)을 통해 나선형으로 하강하여 연소재 처리실(33)까지 도달한 화염에서 연소재는 운동에너지를 대부분 잃고 낙하할 수 밖에 없으며, 가스유도관(35)은 연소재 처리실(33)의 상부에 수직으로 연결된 구조이기 때문에 상승하는 잔류가스에 휩쓸려 연소재가 가스유도관(35)을 타고 상승할 여력은 없다.

한편 화염이동실(32) 내에서 화염유도판(32c)을 따라 화염이 나선형으로 이동할 시, 공기 저항이 발생하여 화염의 이동을 저해할 수가 있는데, 이를 위해 본 실시예에서는 화염유도판(32c)을 화염이동실(32)의 내측벽체(32a)와 외측벽체(32b)를 완전히 막고 있는 형태를 취하지 아니하고, 한쪽에 틈(32d)을 형성시켰다.

즉 도3의 확대도를 참조하면, 화염유도판(32c)의 일측은 화염이동실(32) 내측에서 외측벽체(32b)에 고정되어 있고, 화염유도판(32c)의 타측은 화염이동실(32)의 내측벽체(32a)로부터 일정 부분 떨어짐으로써 틈(32d)이 형성된 것이다.

따라서 화염이 이동할 시 공기저항이 발생하지 아니하고 틈(32d)를 통해 유동적으로 압력 이동이 가능하기 때문에 화염의 압력 변화에 따른 유연한 이동이 가능하게 된다.

더불어 화염유도판(32c)과 벽체들(32a,32b)이 고정된 틈새에 연소재가 끼일 가능성도 있지만, 본 실시예에서는 화염유도판(32c)의 한쪽에 틈(32d)이 형성되어 있기 때문에 잔류 가능성이 있는 연소재가 틈(32d)을 통해 바닥으로 떨어질 수 있게 된다.

정리하면 본 실시예에서는 나선형의 화염이동실(32) 구조를 통해 화염의 이동경로를 길게하여 최대한 가열공간(11)에 급수된 물에 열을 오랫동안 전달할 수가 있어서 가열 효율을 향상시킬 수 있고, 이렇게 경로가 길고 복잡한 구조라 하더라도 연소재는 화염의 운동에너지를 타고 바닥의 연소재 처리실(33)까지 이동할 수 있으며, 연소재는 연소재 처리실에 낙하되고 잔류가스만 가스유도관(35)을 타고 수직으로 상승하게 되며, 화염유도판(32c)의 한쪽에 틈(32d)을 형성시켜 화염의 압력 변화에 따른 공기 저항의 발생을 막아주어 유연한 흐름이 가능케 할 수가 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10 : 본체
11 : 가열공간
12 : 급수구
13 : 배수구
20 : 상부케이스
30 : 연소실
31 : 화염입구
32 : 화염이동실
32a : 내측벽체
32b : 외측벽체
32c : 화염유도판
32d : 틈
33 : 연소재 처리실
34 : 연소재 배출구
35 : 가스유도관
36 : 배출대기실
37 : 연돌
40 : 보조온수관
41 : 보조급수구
42 : 보조배수구
50 : 온도센서

Claims (3)

1. 물이 채워지는 가열공간을 갖는 본체; 및
   상기 본체의 상기 가열공간 내에 위치하며 내측으로 화염을 통과시켜 상기 가열공간에 채워진 물을 가열시키는 연소실;을 포함하되,
   상기 연소실은,
   화염이 유입되는 화염입구;
   내측에 나선형의 화염유도판이 구비되어 상기 화염입구로 유입된 화염을 나선형으로 하강시키는 화염이동실;
   상기 화염이동실을 따라 나선형으로 하강 이동된 상기 화염에 섞인 연소재가 낙하하여 쌓이는 연소재 처리실; 및
   상기 화염이동실과 상기 연소재 처리실을 통과하면서 상기 화염에서 연소재가 분리된 후의 잔류가스를 실외측으로 유도하는 가스유도관을 포함하고,
   상기 가스유도관은 상기 연소재 처리실의 상부면과 연통되어 있으며, 상기 가스유도관의 둘레를 감싸도록 상기 화염이동실이 위치하며,
   상기 화염이동실 내측에 구비된 상기 화염유도판의 일측은 상기 화염이동실 일측벽체에 고정되고 타측은 상기 화염이동실의 타측벽체으로부터 소정거리 이격되어 틈이 형성되며, 상기 화염이 상기 화염이동실을 이동할 때에 상기 틈을 통해 압력 이동이 가능하게 되어 상기 화염의 이동을 저해하는 공기 저항의 발생이 방지되는 것을 특징으로 하는 화염의 나선형 이동을 통해 가열 효율이 향상된 보일러.
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