KR101408055B1 - 난방용 히터 배기열 회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 절약기술에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 배기가스를 열원으로 하는 배기열 회수장치에 있어서, 관 형태로 마련되며, 내측면에 단열층이 마련되는 케이스; 상기 관 형태의 케이스 내부에 설치되고, 단면이 타원형 내지 날개형으로 형성되며, 다수로 마련되는 방열파이프, 리턴챔버, 흡기매니폴드(mamifold) 및 배기매니폴드로 구성되는 열교환기; 상기 케이스의 일측면에 설치되고, 외부 공기가 상기 케이스 내부에 설치되는 상기 열교환기 상의 방열파이프 사이를 통과하는 기류를 형성하도록 마련되는 흡기팬을 포함하는 난방용 히터 배기열 회수장치가 제공된다.
이와 같은 본 발명에 따른 난방용 히터 배기열 회수장치에 따르면, 방열파이프가 타원형 또는 날개형의 단면으로 형성됨으로써, 제작에 소요되는 비용과 기술을 최소화하면서도 난방용 히터에서 공급되는 배기가스의 열을 흡수하는 면적이 최대화되도록 할 수 있다.
또한 케이스의 내부를 단열처리함으로써 방열파이프에서 발생하는 복사열이 손실되지 않도록 함으로써 난방효율을 높힐 수 있다.

Description

난방용 히터 배기열 회수장치{Equipment to recover the exhaust heat of heater}

본 발명은 에너지 절약기술에 관한 것으로, 좀더 자세하게는 난방용 히터의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 활용하기 위한 폐열회수장치에 관한 것이다.

일반적으로 사계절 작황을 위한 비닐하우스 시설은 겨울철 하우스 내부의 온도 유지를 위해 농업용 보일러 또는 열풍기 등의 난방원을 사용하고 있다. 이러한 난방원은 버너를 이용하여 연료를 연소시키고, 고온의 연소가스로 보일러를 가열하여 온풍을 생성하는 방식으로 제공된다.

그러나 상기와 같은 농업용 보일러 또는 열풍기 등의 열기기는 보일러를 통해 미처 회수되지 못한 열기가 배기가스로 빠져나감으로써 열손실이 발생한다. 이러한 배기가스의 온도는 약 300℃를 전후한 것으로, 난방을 위한 이차적인 열원으로 사용이 가능하다.

대한민국 등록특허 제10-1147609호(발명자 : 주식회사 동성에코테크)는 폐열회수장치의 외형을 이루는 케이싱(1), 상기 케이싱(1)의 하면에 부착되어 공기를 흡입하는 팬(2), 그리고 케이싱(1)의 내부에 장착되는 열교환기(3)로 구성된다. 상기와 같이 구성된 폐열회수장치는 방열파이프(31)의 내부로는 연소가스가 지나가고 외부로는 팬(2)에 의하여 유입된 냉풍이 지나간다. 이때 방열파이프(31)의 외부로 흐르는 냉풍은 고온의 연소가스에 의하여 가열된 방열파이프(31)의 열을 흡수함으로써 연소가스 중의 폐열을 회수하여 온풍이 되어 후드(12)로 유출된다.

상기 기술은 비교적 간단한 구성 및 구조로 난방히터의 배기가스로부터 폐열을 수집함으로써 난방효율을 높힐 수 있다는 장점이 있다. 본 발명은 상기 기술로부터 방열파이프의 구조를 개선함으로써 추가적인 재료 및 기술적 비용 없이 폐열 회수의 효율성을 높힐 수 있는 배기열 회수 장치를 제공한다.

상기 기술에 있어서, 가열된 방열파이프 사이를 흐르는 냉풍은 방열파이프에 직접 닿는 부분과 그렇지 않은 부분 사이의 상대적인 온도 차이에 의한 공기층이 형성되고 기류를 형성함으로써 냉풍의 온도 상승을 저해하는 요인이 된다. 또한 상기 기술은 배기가스가 S자 형태로 다수의 층을 이루고 있는 방열파이프를 순차적으로 통과하면서 열을 방출하는 구조인 바, 마지막 층의 방열파이프를 통과하는 배기가스는 이미 열교환에 필요한 열량을 소모한 상태로 이동하기 때문에 열교환 효율이 낮다.

일반적인 농업용 난방히터의 배기가스 측정 온도는 250℃ 정도이며, 상기 기술에 의해 제공되는 배기열 회수장치를 통과한 배기가스의 온도는 70℃ 정도이다. 즉 배기가스를 배출하는 압력이 일정할 때 배기가스는 상기 방열파이프 내를 이동하는 과정에서 180℃ 정도의 온도가 손실된다. 보일-샤를의 법칙에 따라 상기 배기가스를 이상기체로 가정할 경우 65% 정도의 부피 감소가 발생하는 바, 이는 상기 방열파이프 내를 이동하는 배기가스의 유속이 느려지는 요인이 되며, 상기 열교환기의 마지막 단계에서는 열교환이 역전되는 문제점이 발생할 소지가 있다. 즉 전 단계의 방열파이프에서 열을 흡수한 냉풍이 마지막 단계의 방열파이프를 통과하면서 열을 빼앗길 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 열교환기 내의 방열파이프의 단면 형태가 타원형 내지 유선형으로 마련되는 배기열 회수장치가 제공된다.

또한 열교환기 내벽을 단열처리함으로써 방열파이프에서 발생하는 복사열의 손실을 차단하는 배기열 회수장치가 제공된다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 배기가스를 열원으로 하는 배기열 회수장치(100)에 있어서, 난방용 히터(미도시)에 부착되거나 독립적으로 설치되고, 외부 공기가 유입되어 통과하는 관 형태로 마련되며, 내측면에 단열층이 마련되는 케이스(110); 상기 관 형태의 케이스(110) 내부에 설치되는 열교환기(120)에 있어서, 단면이 타원형 내지 날개형으로 형성되며, 다수로 마련되는 방열파이프(121); 상기 방열파이프(121)의 일측단에 결합되고, 외부에서 유입되는 배기가스가 상기 다수의 방열파이프(121)로 이동하도록 마련되는 흡기 매니폴드(mamifold)(122); 상기 방열파이프의 타측단에 결합되도록 마련되는 리턴챔버(124); 상기 리턴챔버(124)에 의해 복수의 층으로 상기 방열파이프(121)가 배열되고, 상기 다수의 방열파이프층(121)을 모두 통과한 배기가스가 취합되어 외부로 유출되도록 상기 다수의 방열파이프(121)의 출구 쪽에 결합되는 배기 메니폴드(123); 및 상기 케이스(110)의 일측면에 설치되고, 외부 공기가 상기 케이스(110) 내부에 설치되는 상기 열교환기(120) 상의 방열파이프(121) 사이를 통과하는 기류를 형성하도록 마련되는 흡기팬(130)을 포함하는 난방용 히터 배기열 회수장치가 제공된다.

상기 방열파이프는, 단면이 날개형인 방열파이프에 있어서 그 첨단이 흡기팬 쪽을 향하도록 배열되도록 하는 것을 특징으로 하는 난방용 히터 배기열 회수장치가 제공된다.

본 발명에 따른 난방용 히터 배기열 회수장치에 따르면, 방열파이프가 타원형 또는 날개형의 단면을 갖도록 형성됨으로써, 제작에 소요되는 비용과 기술을 최소화하면서도 난방용 히터에서 공급되는 배기가스의 열을 흡수하는 면적이 최대화되도록 할 수 있다. 또한 방열파이프 사이의 슬릿이 날개형으로 형성됨으로써 배기가스가 통과하는 과정에서 자연스럽게 단열수축이 유도됨으로써 배기가스의 열량이 좀더 효율적으로 방열파이프로 전달될 수 있다.

또한 케이스의 내부를 단열처리함으로써 방열파이프에서 발생하는 복사열이 손실되지 않도록 함으로써 난방효율을 높힐 수 있다.

도 1은 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 열교환기의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 열교환기의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 배가스 이동경로를 도시한 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 열교환기의 일 실시예를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 열교환기의 다른 실시예를 도시한 단면도이며,도 3은 본 발명인 난방용 히터 배기열 회수장치의 배가스 이동경로를 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 난방용 히터 배기열 회수장치는 케이스(110), 열교환기(120), 흡기팬(130)으로 구성될 수 있다.

도 1과 도 4을 참조하면, 케이스(110)는 본 발명에 따른 난방용 히터 배기열 회수장치(100)의 주요한 구성부인 열교환기(120)가 내장되는 외장 하우징이다. 케이스는 히터(미도시)에 부착되는 타입으로 제공되거나, 독립적으로 설치되는 타입으로 제공될 수 있다. 히터와 일체형으로 설치되는 타입은 히터의 배기열이 유입되는 연통을 별도로 설치할 필요 없이 히터로부터 직접 배기가스가 하기될 열교환기(120)로 유입되도록 설치할 수 있다. 독립적으로 설치되는 타입은 히터가 기 설치된 상태에서 추가적으로 본 발명에 따른 장치를 설치하고자 할 때 적용될 수 있을 것이다.

상기 케이스(110)는 외부 공기가 유입되어 통과하는 관 형태로 마련된다. 즉 상기 케이스(110)의 일측면은 흡기덕트(114)가 마련되어 외부 공기가 유입되고, 하기될 열교환기(120)를 관통하여 상기 외부 공기 가열되며, 타측면의 배기덕트(113)로 가열된 상기 외부 공기가 배출되는 구조로 마련된다. 상기 흡기덕트 내에는 외부 공기가 상기 케이스(110) 내부를 통과하는 기류를 형성하도록 흡기팬(130)이 설치된다. 상기 흡기팬(130)은 축류팬 내지는 시로코팬이 사용될 수 있다. 상기 케이스(110)는 내측면에 단열층(115)이 마련되고, 외측면은 아연도금 강판 등의 금속판으로 제작될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 열교환기(120)는 방열파이프(121), 흡기매니폴드(122), 배기매니폴드(123) 및 리턴챔버(124)로 구성될 수 있다. 방열파이프(121)는 상기 케이스(110) 내부에 설치되고, 단면이 타원형 내지 날개형으로 형성되며, 다수가 병렬로 배열되어 한 층을 구성하며, 복수의 층으로 마련된다. 흡기매니폴드(122)는 상기 복수의 층으로 구성된 방열파이프(121)의 일측단에 결합되고, 외부에서 유입되는 배기가스가 상기 다수의 방열파이프(121)로 이동하도록 마련된다. 배기가스는 상기 흡기매니폴드(122)를 통해 상기 다수의 방열파이프(121)로 분배되어 유입된 후, 상기 방열파이프(121)의 타측단에 결합되는 리턴챔버(124)에 의해 방향전환되어 상층의 방열파이프(121)로 이동한다. 상기 방열파이프(121)와 상기 리턴챔버(124)가 다수로 결합되어 마련되는 S형 경로의 끝에는 배기매니폴드(123)가 설치되어 상기 다수의 방열파이프(121)에서 유출되는 배기가스가 취합되어 배가스배출구(112)로 배출되도록 한다.

상기 흡기매니폴드(122)는 횡단면이 넓은 부채꼴 형태로 마련되어 상기 배가스유입구(111)를 통과한 배기가스가 넓게 확산되어 상기 다수의 방열파이프(121)로 골고루 분산되도록 하고, 상기 배기매니폴드(123) 역시 같은 단면 형태를 가짐으로써 상기 방열파이프(121)를 통과한 배기가스가 원활하게 취합되어 상기 배가스배출구(112)로 배출되도록 마련된다.

상기 방열파이프(121)는 동관으로 마련됨으로써 열전도 효율을 높힐 수 있으며, 상기 리턴챔버(124)는 스테인레스스틸 소재로 제작되어 상기 열교환기(120)의 구조적 강성을 확보할 수 있다. 상기 방열파이프(121)와 상기 리턴챔버(124)의 접합방식은 공지된 등록특허 제10-1147609호(발명자 : 조철환)에 개시된 바와 같이 버링플레이트와 스테인레스스틸 소재의 연결링을 경납땜하는 방식이 적용될 수 있다.

상기 방열파이프(121)의 단면 형상은 날개형으로 마련될 수 있다. 상기 방열파이프(121)는 다수의 층으로 이루어지고, 각 층에서 방열파이프(121) 사이로 기류가 이동하는 공간은 삼각형의 단면을 갖도록 이루어진다. 이에 따라 방열파이프(121) 사이를 통과하는 기류는 상기 방열파이프(121) 사이의 틈을 빠르게 통과한 후 만곡부의 표면을 따라 확산됨으로써 더욱 효과적으로 열을 흡수할 수 있다. 일반적으로 기체는 보일-샤를의 법칙에 따라 부피가 커지면 온도가 내려간다. 즉 상기 방열파이프(121) 사이를 통과하는 기류는 상대적으로 부피가 늘어나고, 약간의 온도강하가 일어남으로써 다음 단계의 방열파이프(121)로부터 열을 더 흡수할 수 있는 상태가 된다.

도 3을 참조하면, 날개형 단면을 갖는 방열파이프(121)가 도시되어 있다. 상기 날개형 단면은 그 첨단이 방열핀 역할을 하며, 외기가 상기 방열파이프(121) 사이에 형성되는 슬릿을 더 잘 통과하도록 하는 정류작용을 할 수 있다. 상기 슬릿을 통과한 기류는 상기 방열파이프(121)의 만곡부에서 와류를 형성하며 이동속도가 느려지는 동시에 부피가 팽창함으로써, 다음 단계의 방열파이프(121)의 첨단부에서 더욱 많은 열을 전달받을 수 있게 된다.

도 4를 참조하면, 상기 리턴챔버(124)는 상기 복수의 방열파이프(121)층과 결합되어 상기 배기가스가 이동하는 s자형 경로를 제공하기 위해, 내부 공간에 격벽(124a)이 마련된다. 상기 방열파이프(121)를 통과한 배기가스는 상기 리턴챔버(124)를 통과하여 격벽(124a)을 따라 다음 층의 방열파이프(121)로 이동하여 열교환이 준비된다.

상기 리턴챔버(124)와 상기 흡기매니폴드(122) 내지 상기 배기매니폴드(123)는 일체형으로 형성되고 내부공간이 격벽(124a)에 의해 분리될 수 있으며, 독립된 부분으로 제공될 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 난방용 히터 배기열 회수장치의 작용을 설명하기로 한다.

사용자는 난방용 히터(200)의 배가스 배출구를 상기 난방용 히터 배기열 회수장치(100)(이하 회수장치)의 배가스유입구(111)에 연결한다. 또는 상기 회수장치(100)가 부착형으로 마련되어, 상기 회수장치(100)를 난방용 히터(200)에 부착시킴으로써 장치를 준비할 수 있다.

이후 사용자는 난방용 히터(200)를 작동시키고, 동시에 상기 회수장치(100)의 흡기팬(130)을 작동시킨다. 상기 난방용 히터(200)에서 배출되는 배기가스는 상기 배가스유입구(111)를 통해 열교환기(120)로 이동한다. 열교환기 내에서 상기 배기가스는 흡기매니폴드(122)를 통해 방열파이프(121)로 이동하여 열을 방출하고, 리턴챔버(124)를 거쳐 다음 층의 방열파이프(121)로 이동한다.

이때 상기 흡기팬(130)을 통해 상기 열교환기 사이로 외부 공기가 공급된다. 외부 공기는 기류를 형성하며 상기 열교환기를 통과하여 배기덕트(113)로 빠져나가면서 상기 배기가스의 열을 회수하여 온풍을 공급한다. 이때 상기 방열파이프(121) 사이에서 형성되는 기류는, 상기 방열파이프(121)를 통과하기 전 가속되고 압축되며, 상기 방열파이프(121)를 통과한 직후에 감속되고 압력이 낮아지면서 온도가 낮아짐으로서 다음 층의 방열파이프(121)로부터 열을 더 흡수할 수 있는 상태가 되면서 이동한다.

이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 본체 110 : 케이스
111 : 배가스유입구 112 : 배가스배출구
113 : 배기덕트 114 : 흡기덕트
115 : 단열층 120 : 열교환기
121 : 방열파이프 122 : 흡기매니폴드
123 : 배기매니폴드 124 : 리턴관
124a : 격벽 130 : 흡기팬

Claims (2)

1. 배기가스를 열원으로 하는 배기열 회수장치(100)에 있어서,
   난방용 히터(미도시)에 부착되거나 독립적으로 설치되고, 외부 공기가 유입되어 통과하는 관 형태로 마련되며, 내측면에 단열층이 마련되는 케이스(110);
   상기 관 형태의 케이스(110) 내부에 설치되는 열교환기(120)에 있어서,
   단면이 날개형으로 형성되며, 다수가 평행하게 층을 이루도록 배열되는 방열파이프(121);
   상기 방열파이프(121)의 일측단에 결합되고, 외부에서 유입되는 배기가스가 상기 다수의 방열파이프(121)로 이동하도록 마련되는 흡기 매니폴드(mamifold)(122);
   상기 방열파이프의 타측단에 결합되도록 마련되는 리턴챔버(124);
   상기 방열파이프(121)의 출구 쪽에 결합되는 배기 메니폴드(123); 및
   상기 케이스(110)의 일측면에 설치되고, 외부 공기가 상기 케이스(110) 내부에 설치되는 상기 열교환기(120) 상의 방열파이프(121) 사이를 통과하는 기류를 형성하도록 마련되는 흡기팬(130)을 포함하고,
   상기 방열파이프(121)는,
   날개형의 단면에 있어서 그 첨단 측이 상기 흡기팬(130)을 향하도록 배열되고,
   상기 방열파이프(121)는,
   인접하게 배치되는 방열파이프 간에 삼각형 형상의 단면을 가지는 공간이 형성되고,
   상기 흡기 매니폴드(122) 내지는 상기 배기 매니폴드(123)는,
   횡단면이 부채꼴 형상을 갖도록 형성되고, 상기 부채꼴 형상의 호 측에 배가스유입구(111) 내지 배가스배출구(112)가 구비되는 것을 특징으로 하는 난방용 히터 배기열 회수장치.
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