KR101446635B1 - 보일러 - Google Patents

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KR101446635B1
KR101446635B1 KR1020080035176A KR20080035176A KR101446635B1 KR 101446635 B1 KR101446635 B1 KR 101446635B1 KR 1020080035176 A KR1020080035176 A KR 1020080035176A KR 20080035176 A KR20080035176 A KR 20080035176A KR 101446635 B1 KR101446635 B1 KR 101446635B1
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도모히로 오쿠보
교스케 오쿠보
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미우라고교 가부시키카이샤
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Abstract

본 발명에 따른 보일러는, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 전열관 열을 구성하는 복수개의 전열관, 상기 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 설치되는 원통형의 하우징 커버, 및 상기 전열관 열과 상기 하우징 커버 사이의 틈새의 소정의 영역에 설치된 단열재를 구비한다.
보일러, 상부 헤더, 하부 헤더, 전열관 열, 전열관, 하우징 커버, 단열재.

Description

보일러{BOILER}
본 발명은, 증기 보일러, 온수 보일러, 열 매체 보일러, 폐열 보일러 또는 배기 가스 보일러를 포함하는 각종 보일러에 관한 것이다. 특히, 원통형으로 배열되고, 상부 헤더와 하부 헤더 사이를 연결하는 복수개의 수직 전열관, 및 원통형으로 배열된 복수개의 수직 전열관의 원주 방향 중 적어도 일부에 있어서, 인접하는 수직 전열관 사이의 틈새에 설치된 세로 핀을 가지는 하우징을 구비하는 다관식의 보일러에 관한 것이다.
본원은, 2007년 4월 20일에 출원된 일본국 특허 출원 제2007-112229호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
다관식 보일러로서, 일본국 특개평 2-75805호 공보(제1도~제3도)에 개시되어 있는 것이 알려져 있다. 이러한 종류의 보일러의 하우징에는, 환형으로 형성된 상부 헤더와 하부 헤더 사이에, 다수의 수관이 설치된다. 이들 다수의 수관은, 상부 헤더 및 하부 헤더의 원주 방향으로, 1열 또는 2열을 이루도록 배치된다. 이와 같은 수관 열을 구비하는 하우징에서는, 내측의 수관 열보다 내측이 연소실로 되어, 내측의 수관 열의 외측이 연소 가스 유로로 된다.
하우징 상부에 설치된 버너로부터 연소실 내를 향하여 화염을 발생시키도록 연료를 연소시키면, 연소 가스는 연소실의 하부에서 반전되어, 내측의 수관 열과 외측의 수관 열 사이, 또는 외측의 수관 열과 하우징 커버 사이를 통하여, 배기 가스로서 하우징 상부로부터 연기 통로로 배출된다. 이 사이, 연소 가스는, 각 수관 내의 물과 열교환되어, 각 수관 내의 물이 가열된다.
보일러는, 통상적으로, 하우징 내의 압력에 따라 제어된다. 따라서, 하우징 내의 물이나 증기의 온도는, 제어압력에 있어서의 포화 온도로 되고, 수관의 온도도 그 포화 온도에 가깝게 된다. 한편, 하우징 커버는, 고온의 연소 가스 또는 배기 가스와 접촉되므로, 수관 온도보다 고온으로 된다. 따라서, 수관과 하우징 커버가 동일 재질인 경우에는, 온도차에 기인하여 수관의 열팽창량과 하우징 커버의 열팽창량에 차이가 생겨 하우징 커버에 열응력이 작용한다. 즉, 하우징 커버에는, 수관과의 온도차에 기인하여 열응력이 작용한다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 수관의 열팽창과 하우징 커버의 열팽창을 균형시켜, 하우징 커버에 작용하는 열응력을 완화하는 것이다.
본 발명의 보일러의 제1 태양은, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 전열관 열을 구성하는 복수개의 전열관, 상기 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 설치되는 원통형 하우징 커버, 및 상기 전열관 열과 상기 하우징 커버 사이의 틈새의 소정의 영역에 설치된 단열재를 구비한다.
본 발명의 보일러의 제1 태양에 의하면, 하우징 커버의 단열재가 설치되지 않는 영역의 온도는, 연소 가스 또는 배기 가스에 의해, 전열관 온도(캔 내압 힘에 있어서의 열 매체의 포화 온도이며, 연소 가스 온도보다 저온이다)보다 높아지지만, 하우징 커버의 단열재가 설치된 영역의 온도는, 연소 가스 또는 배기 가스와는 접촉하지 않고, 또한 전열관으로부터의 열전달이 억제되므로, 전열관 온도보다 낮아진다. 따라서, 하우징 커버의 단열재가 설치되지 않는 영역(즉 고온부)은, 전열관보다 열팽창량이 크지만, 하우징 커버의 단열재가 설치된 영역(즉 저온부)은, 전열관보다 열팽창량이 작다. 따라서, 틈새에 충전되는 단열재의 두께와 높이를 조정하여 둠으로써, 상기 저온부에 있어서의 하우징 커버의 신장을 억제하고, 하우징 커버 전체의 신장을 전열관의 신장과 같은 정도로 할 수 있다. 그 결과, 하우징 커버에 작용하는 열응력을 완화할 수 있다.
본 발명의 보일러의 제2 태양은, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 내측 전열관 열을 구성하는 복수개의 내측 전열관, 상기 내측 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 외측 전열관 열을 구성하는 복수개의 외측 전열관, 상기 내측 전열관 열의 상하 방향의 일단부를 제외하고, 인접하는 상기 내측 전열관끼리의 틈새를 폐쇄하는 복수개의 내측 세로 핀, 상기 외측 전열관 열의 상하 방향의 타단부를 제외하고, 인접하는 상기 외측 전열관끼리의 틈새를 폐쇄하는 복수개의 외측 세로 핀, 상기 외측 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 설치되는 원통형의 하우징 커버, 및 상기 외측 전열관 열과 상기 하우징 커버 사이의 틈새의 소정의 영역에 설치된 단열재를 구비한다.
본 발명의 보일러의 제2 태양에 의하면, 하우징 커버의 단열재가 설치되지 않는 영역의 온도는, 연소 가스 또는 배기 가스에 의해, 전열관 온도(캔 내압 힘에 있어서의 열 매체의 포화 온도이며, 연소 가스 온도보다 저온이다)보다 높아지지만, 하우징 커버의 단열재가 설치된 영역의 온도는, 연소 가스 또는 배기 가스와는 접촉하지 않고, 또한 전열관으로부터의 열전달이 억제되므로, 전열관 온도보다 낮아진다. 따라서, 하우징 커버의 단열재가 설치되지 않는 영역(즉 고온부)은, 전열관보다 열팽창량이 크지만, 하우징 커버의 단열재가 설치된 영역(즉 저온부)은, 전열관보다 열팽창량이 작다. 따라서, 틈새에 충전되는 단열재의 두께와 높이를 조정하여 둠으로써, 상기 저온부에 있어서의 하우징 커버의 신장을 억제하고, 하우징 커버 전체의 신장을 전열관의 신장과 같은 정도로 할 수 있다. 그 결과, 하우징 커버에 작용하는 열응력을 완화할 수 있다.
본 발명의 보일러 제2 태양에 있어서, 상기 단열재는, 상기 전열관 열의 상하 방향의 일단부 측에 충전되어도 된다.
본 발명의 보일러의 제2 태양에 있어서, 상기 하우징 커버는, 상기 전열관 열의 상하 방향의 타단부에 대직경부를 가지고, 상기 하우징 커버를 둘러싸도록, 케이싱이 설치되어도 된다. 이때, 연소용 공기는, 상기 하우징 커버와 상기 케이싱 사이의 공간을 통하여, 상기 내측 전열관보다 내측의 연소실에 이송되는 것이 바람직하다.
본 발명의 보일러의 제2 태양에 의하면, 하우징 커버와 케이싱 사이의 공간을 통하여 연소실에 이송되는 연소용 공기를 사용하여, 하우징 커버를 적극적으로 냉각할 수 있다. 따라서, 단열재의 두께를 경감하고, 보일러를 소형화할 수 있다. 또한, 연소용 공기를 예열함으로써, 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 보일러의 제1 태양에 있어서, 하우징 커버에는, 상하 방향으로 신축 가능한 신축부가 설치되어도 된다. 본 발명의 보일러의 제2 태양에 있어서도 마찬가지이다.
본 발명의 보일러의 제1 태양 및 제2 태양에 의하면, 하우징 커버에 설치된 신축부가 신축함으로써, 더욱 확실하게, 하우징 커버에 작용하는 열응력을 완화할 수 있다.
본 발명의 보일러에 의하면, 전열관의 열팽창과 하우징 커버의 열팽창을 균 형시켜, 하우징 커버에 작용하는 열응력을 완화할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 보일러는, 그 종류에 상관없이, 예를 들면, 증기 보일러, 온수 보일러, 열 매체 보일러, 폐열 보일러 또는 배기 가스 보일러이다. 어느 경우에도, 보일러는 다관식 보일러로서 전형적으로는 다관식 소형 관류 보일러이다.
구체적으로는, 보일러는, 상부 헤더, 하부 헤더, 및 상부 헤더와 하부 헤더 사이를 연결하는 복수개의 전열관을 가지는 하우징을 구비한다. 상부 헤더와 하부 헤더는 상하로 이격되어 평행으로 배치되고, 각각 중공의 원환형을 이룬다. 복수개의 전열관은, 모두 수직으로 배치되고, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 설치된다. 즉, 각 전열관의 상단부가 상부 헤더에 연결되는 동시에, 하단부가 하부 헤더에 연결된다. 각 전열관은, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 이들 원주 방향을 따라 배열됨으로써, 원통형의 전열관 열을 구성한다.
전열관 열은, 1열로 한정되지 않고, 2열, 3열 또는 그 이상이라도 된다. 예를 들면, 하우징은 내측 전열관 열과 외측 전열관 열을 구비한다. 이 경우, 내측 전열관 열은, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열된 복수개의 내측 전열관으로 구성된다. 또한, 외측 전열관 열은, 내측 전열관 열을 둘러싸도록, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열된 복수개의 외측 전열관으로 구성된다. 이와 같이 전열관 열을 복수개로 하는 경우, 각 전열관 열은 동심 원통형으로 배열된다.
하우징은, 통상적으로, 상하 방향의 한쪽이 폐쇄되고, 상하 방향의 다른 쪽에 버너가 설치된다. 이와 같이 하여, 가장 내측에 배열되는 전열관 열보다 내측이 연소실을 이루어, 버너로부터 이러한 연소실 내를 향하여 화염을 발생시키도록 연료를 연소시킬 수 있다. 단, 폐열 보일러나 배기 가스 보일러의 경우에는, 하우징은 상하 방향의 한쪽이 폐쇄되고, 상하 방향의 다른 쪽에는 개구부가 설치되고, 이 개구부로부터 보일러 내로 배기 가스가 도입된다. 즉, 폐열 보일러나 배기 가스 보일러의 경우에는, 가장 내측에 배열되는 전열관보다 내측의 공간에 배기 가스가 도입된다. 어느 경우에도, 하우징의 외주부는 하우징 커버에 의해 덮인다.
하우징 커버는, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에, 각 전열관 열을 둘러싸도록 설치되는 원통형의 부재이다. 하우징 커버의 상단부와 상부 헤더 사이는, 틈새 없이 밀봉되고, 하우징 커버의 하단부와 하부 헤더 사이도, 틈새 없이 밀봉된다. 하우징 커버에는, 연기 통로가 연결된다. 연소실로부터의 연소 가스(폐열 보일러나 배기 가스 보일러의 경우에는 배기 가스)는, 각 전열관에 흐르는 열 매체(물 등)와 열교환 한 후, 배기 가스로서 연기 통로로부터 배출된다.
연소 가스는, 전열관에 흐르는 열 매체와의 열교환이 유효하게 행해지도록, 외측 전열관 열과 내측 전열관 열 사이의 공간, 및 전열관 열과 하우징 커버 사이의 공간을, 소정의 경로를 통해 유통한다. 또는, 외측 전열관 열과 내측 전열관 열 사이의 공간, 또는 전열관 열과 하우징 커버 사이의 공간 중 어느 한쪽을, 소정의 경로를 통해 유통시킨다. 이 경로를 형성하기 위하여, 전열관 열 일부 또는 전부에, 그 상하 방향의 일단부 또는 상하 방향의 타단부를 제외하고, 인접하는 전열 관끼리의 틈새를 폐쇄하기 위한 세로 핀을 설치해도 된다. 이 경우, 연소 가스는, 세로 핀이 설치되지 않는 부분에 형성된 인접 전열관끼리의 틈새를 유통한다.
예를 들면, 하우징이 내측 전열관 열과 외측 전열관 열을 구비하는 경우, 내측 전열관 열에, 그 상하 방향의 일단부를 제외하고, 인접하는 내측 전열관끼리의 틈새를 폐쇄하도록, 내측 세로 핀이 설치된다. 또한, 외측 전열관 열에는, 그 상하 방향의 타단부를 제외하고, 인접하는 외측 전열관끼리의 틈새를 폐쇄하도록, 외측 세로 핀이 설치된다. 그리고, 내측 전열관보다 내측이 연소실을 이룬다.
이 경우, 연소실로부터의 연소 가스는, 내측 전열관 열의 상하 방향의 일단부에서 내측 세로 핀이 설치되지 않는 부분에 형성된 내측 전열관끼리의 틈새를 통하여, 내측 전열관 열과 외측 전열관 열 사이의 틈새에 도입된다. 또한, 외측 전열관 열의 상하 방향의 타단부에서 외측 세로 핀이 설치되지 않는 부분에 형성된 외측 전열간끼리의 틈새를 통하여, 외측 전열관 열과 하우징 커버 사이의 틈새에 도입된다. 그리고, 그 배기 가스는, 하우징 커버에 연결된 연기 통로를 통하여 외부로 배출된다.
가장 외측에 배열되는 외측 전열관 열의 상하 방향의 일단부 또는 상하 방향의 타단부의 원주 전체로부터 연소 가스가 배출되도록 구성된 하우징의 경우, 외측 전열관 열의 외측 원주 전체에 하우징 커버를 설치할 필요가 있다. 그 경우, 배기 가스는, 하우징 커버를 통하여 연기 통로로 유통되어 외부로 배출된다.
이와 같이 구성된 하우징의 경우, 각 전열관의 온도는, 그 내부의 압력에서의 매체(물이나 증기 등)의 포화 온도에 가깝다. 그러나, 하우징 커버는, 전열관 의 온도보다 예를 들면 50~150oC 정도 높은 연소 가스와 접촉하므로, 하우징 커버의 온도는 각 전열관보다 높다. 따라서, 하우징 커버에, 전열관과의 온도차에 기인하여, 열응력이 작용한다는 문제가 있다.
이 열응력을 완화하기 위해서, 각 전열관의 열팽창과 하우징 커버의 열팽창을 밸런스 시키면 된다. 따라서, 외측 전열관 열과 하우징 커버 사이의 틈새의 소정의 영역에 단열재가 충전된다. 단열재가 설치되지 않는 영역(즉 고온부)에 인접하는 하우징 커버의 온도는, 연소 가스 또는 배기 가스에 의해 하우징 커버가 가열되기 때문에, 전열관 온도( 하우징 내부 압력에서의 열 매체의 포화 온도와 대략 동등하고, 연소 가스 온도보다 저온이다)보다 높아진다. 그러나, 단열재가 설치된 영역(즉 저온부)에 인접하는 하우징 커버의 온도는, 하우징 커버가 연소 가스 또는 배기 가스와 직접적으로 접촉하지 않고, 또한 전열관으로부터의 열전달이 억제되므로, 전열관 온도보다 낮아진다. 따라서, 틈새에 충전되는 단열재의 두께와 높이를 조정하여 둠으로써, 상기 저온부의 신장을 억제하고, 하우징 커버의 신장을 전열관의 신장과 같은 정도로 할 수 있다. 그 결과, 하우징 커버에 생기는 열응력을 완화할 수 있다.
외측 전열관 열의 상방 외주부로부터 연소 가스가 배출되는 경우에는, 외측 전열관 열과 하우징 커버 사이의 틈새의 하부 영역에 단열재를 충전하면 된다. 한편, 외측 전열관 열의 하방 외주부로부터 연소 가스가 배출되는 경우에는, 외측 전열관 열과 하우징 커버 사이의 틈새의 상부 영역에 단열재를 충전하면 된다.
하우징 커버에 생기는 열응력의 완화를 더욱 확실하게 하기 위해서는, 하우징 커버와 케이싱 사이의 공간을 통하여 연소실로 이송되는 연소용 공기를 사용하여 하우징 커버를 적극적으로 냉각시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 하우징 커버에, 상기 고온부로 되는 부분에 대직경부를 설치하고, 이 하우징 커버를 둘러싸도록, 케이싱을 설치하면 된다. 이 경우, 연소용 공기는, 상기 하우징 커버와 상기 케이싱 사이의 공간을 통하여, 상기 내측 전열관보다 내측의 연소실로 이송된다. 이와 같이 하여, 송풍기로의 흡입 공기, 또는 송풍기로부터의 토출 공기에 의해, 하우징 커버를 냉각할 수 있다.
또한, 하우징 커버의 일부에, 신축 가능한 신축부, 예를 들면, 벨로우즈형 신축부를 설치하면, 하우징 커버에 작용하는 열응력을 더욱 확실하게 완화할 수 있다.
(실시예 1)
이하, 본 발명의 구체적 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 보일러의 실시예 1을 나타내는 개략 종단면도이다. 본 실시예의 보일러(1)는, 원통형의 하우징(2)을 구비하는 다관식 소형 관류 보일러이다. 하우징(2)은, 상부 헤더(3), 하부 헤더(4), 및 원통형으로 배열되고, 상부 헤더(3)와 하부 헤더(4)를 연결하는 다수의 수관(전열관)(5, 6)을 구비한다.
상부 헤더(3)와 하부 헤더(4)는, 상하로 이격되어 평행으로 배치되고, 각각 중공의 원환형을 이룬다. 또한, 상부 헤더(3)와 하부 헤더(4)는, 각각 수평으로 배치되고, 동일 축선 상에 배치된다.
다수의 수관(5)은 수직으로 배치되고, 각 수관(5)의 상단부가 상부 헤더(3)에 연결되며, 하단부가 하부 헤더(4)에 연결된다. 각 수관(5)은, 상부 헤더(3) 및 하부 헤더(4)의 원주 방향으로 차례로 배열됨으로써, 원통형을 이루는 수관 열을 구성한다. 한편, 다수의 수관(6)도 수직으로 배치되고, 각 수관(6)의 상단부가 상부 헤더(3)에 연결되며, 하단부가 하부 헤더(4)에 연결된다. 각 수관(6)은, 원통형으로 배열된 각 수관(5)의 외측에 있어서, 상부 헤더(3) 및 하부 헤더(4)의 원주 방향으로 차례로 배열됨으로써, 원통형을 이루는 수관 열을 구성한다. 본 실시예에서는, 다수의 수관(5)으로 이루어지는 내측 수관 열(7), 및 다수의 수관(6)으로 이루어지는 외측 수관 열(8)이 동심원형으로 배치된다. 즉, 외측 수관 열(8)은 내측 수관 열(7)을 둘러싸도록 배치된다. 이하에서는, 수관(5)을 내측 수관이라고 하며, 수관(6)을 외측 수관이라 한다.
내측 수관 열(7)에는, 하단부의 소정 영역을 제외하고, 인접하는 내측 수관(5)끼리의 틈새를 폐쇄하도록, 내측 세로 핀(9)이 설치된다. 즉, 인접하는 내측 수관(5)끼리의 틈새는, 하단부의 소정 영역을 제외하고, 내측 세로 핀(9)에 의해 폐쇄된다. 내측 수관 열(7)의, 내측 세로 핀(9)이 설치되지 않는 부분에는, 인접하는 내측 수관(5)끼리의 틈새가 남는다. 이 틈새는, 내측 수관 열(7)의 내측 공간과 외측 공간을 연통시키기 위한 연통부(이하에서, 내부 열 연통부라고 함)(10)를 이룬다.
외측 수관 열(8)에는, 상단부의 소정 영역을 제외하고, 인접하는 외측 수관(6)끼리의 틈새를 폐쇄하도록, 외측 세로 핀(11)이 설치된다. 즉, 외측 수관(6) 끼리의 틈새는, 상단부의 소정 영역을 제외하고, 외측 세로 핀(11)에 의해 폐쇄된다. 외측 수관 열(8)의, 외측 세로 핀(11)이 설치되지 않는 부분에는, 인접하는 외측 수관(6)끼리의 틈새가 남는다. 이 틈새는, 외측 수관 열(8)의 내측 공간과 외측 공간을 연통시키기 위한 연통부(이하에서, 외부 열 연통부라고 함)(12)를 이룬다.
그런데, 각 내측 수관(5)에는, 원하는 바에 따라, 그 외주면으로부터 돌출하는 내측 횡방향 핀(도시하지 않음)을 추가로 설치해도 된다. 각 내측 횡방향 핀은 상하로 이격되어 각 내측 수관(5)에 복수개 설치될 수 있다. 또한, 각 내측 횡방향 핀은, 통상적으로, 각 내측 수관(5)의 직경 방향의 외측에 칼라 모양으로 연장되어 설치된다. 마찬가지로, 각 외측 수관(6)에는, 원하는 바에 따라, 그 외주면으로부터 돌출하는 외측 횡방향 핀(도시하지 않음)을 추가로 설치해도 된다. 각 외측 횡방향 핀은, 상하로 이격되어 각 외측 수관(6)에 복수개 설치될 수 있다. 또한, 각 외측 횡방향 핀은, 통상적으로, 각 외측 수관(6)의 직경 방향의 외측에 칼라 모양으로 연장되어 설치된다. 이때, 각 횡방향 핀을 수평 방향에 대하여 원하는 각도만큼 경사지게 하여 둠으로써, 연소 가스에 선회류를 생기게 할 수 있다. 횡방향 핀의 설치의 유무, 설치 영역 및 설치 위치, 설치 매수, 형상 또는 크기 등은 적절히 설정된다.
또한, 상부 헤더(3)와 하부 헤더(4) 사이에는, 외측 수관 열(8)을 둘러싸도록 원통형의 하우징 커버(13)가 설치된다. 하우징 커버(13)의 상단부와 상부 헤더(3)의 사이는 틈새 없이 밀봉되고, 하우징 커버(13)의 하단부와 하부 헤더(4) 사 이도 틈새 없이 밀봉된다. 하우징 커버(13)의 원주 측벽의 상부에는, 연기 통로(14)가 연결된다.
상부 헤더(3)의 하면에는, 상부 헤더(3)와 각 내측 수관(5)의 연결부 및 상부 헤더(3)와 각 외측 수관(6)의 연결부를 덮도록, 내화재(15)가 설치된다. 하부 헤더(4)의 상면에도, 각 내측 수관(5)과의 연결부, 및 상부 헤더(3)와 각 외측 수관(6)의 연결부를 덮도록, 내화재(15)가 설치된다. 하부 헤더(4) 측의 내화재(15)는, 하부 헤더(4)의 중앙부도 폐쇄하도록 설치된다. 하부 헤더(4) 측의 내화재(15)의 중앙부에는, 원기둥형 또는 원추대형의 오목부가 형성된다.
그런데, 도시한 예에서는, 각 내측 수관(5)의 하단부에는, 그 외의 부분보다 직경이 작은 소직경부(16)가 형성된다. 소직경부(16)는, 내부 열 연통부(10)를 통과하는 연소 가스를, 원하는 유량만큼 확보하기 위해 설치된다. 따라서, 소직경부(16)를 형성하지 않아도, 내부 열 연통부(10)를 통과하는 연소 가스를 원하는 유량만큼 확보할 수 있는 경우에는, 소직경부(16)는 필수적인 것은 아니다. 내부 열 연통부(10)의 크기는, 인접하는 내측 수관(5)끼리의 틈새, 및 내측 세로 핀(9)의 하단부의 높이 방향의 위치에도 의존한다. 따라서, 소직경부(16)을 설치하는 대신 이들 치수를 조정해도 된다. 도시된 예에서는, 각 외측 수관(6)의 상단부에는 소직경부(16)는 형성되지 않지만, 각 내측 수관(5)과 마찬가지로, 소직경부(16)를 형성해도 된다.
상부 헤더(3)의 중앙부에는, 아래쪽을 향하여 화염을 발생시키는 버너(17)가 설치된다. 이 버너(17)에는, 연료가 공급되는 동시에 연소용 공기가 공급된다. 버너(17)를 작동시킴으로써, 하우징(2) 내에 있어서 연료의 연소가 행해진다. 이때, 내측 수관 열(7)의 내측은 연소실(18)로서 작용한다.
연소실(18)에서 연료의 연소에 의해 발생한 연소 가스는, 내부 열 연통부(10)를 통하여, 내측 수관 열(7)과 외측 수관 열(8) 사이의 연소 가스 유로(19)로 도출된다. 그 연소 가스는, 외부 열 연통부(12)를 통하여, 외측 수관 열(8)과 하우징 커버(13) 사이의 틈새(20)로 도출된 뒤, 배기 가스로서, 하우징 커버(13)에 연결된 연기 통로(14)를 통하여 외부로 배출된다. 이 사이에, 연소 가스는 각 내측 수관(5) 내의 물 및 각 외측 수관(6) 내의 물과 열교환되어, 각 수관 내의 물이 가열된다. 가열된 물은 증기로 되어 상부 헤더(3)로부터 인출될 수 있다. 인출된 증기는, 공기 물 분리기(도시하지 않음) 등을 통하여 증기 사용 설비(도시하지 않음)로 보내진다.
외측 수관 열(8)과 하우징 커버(13) 사이에는, 원통형을 이루도록 틈새(20)가 형성된다. 틈새(20)에, 외측 수관 열(8)을 이루는 복수개의 외측 수관(6)의 배열 방향을 따르도록, 또한 하부 헤더(4) 측의 내화재(15)의 상면으로부터 소정의 높이에 이르는 영역에 단열재(21)가 충전된다. 단열재(21)는, 그 종류에 상관없지만, 예를 들면, 세라믹 섬유 또는 록 울이다. 이와 같은 단열재(21)를 설치하는 이유는 다음과 같다.
도 2는, 도 1의 하우징(2)에 단열재(21)를 충전하고 있지 않은 상태를 나타낸 도면이다. 만일 도 2의 상태로 보일러(1)를 사용하면, 연소 가스는, 연소 가스 유로(19)를 통하여 연소실(18)로부터 틈새(20)로, 전체 원주에 걸쳐 치우치지 않고 대략 균일하게 도입된다. 이 경우, 수관(5, 6)은, 그 내부의 압력에 있어서의 물 또는 증기의 포화 온도(예를 들면, 150~180oC)에 가깝지만, 하우징 커버(13)는, 수관(5, 6)보다 고온의 연소 가스와 접촉되므로, 하우징 커버(13)의 온도는 배기 가스 온도(예를 들면, 350oC)에 가깝게 된다. 따라서, 하우징 커버(13)에는, 하우징 커버(13)와 각 수관(5, 6)의 온도차에 기인하여 열팽창량에 차이가 생겨, 열응력이 작용한다.
이 열응력을 완화하기 위하여, 본 실시예에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 외측 수관 열(8)과 하우징 커버(13) 사이 틈새(20)에, 상기와 같이 단열재(21)가 충전된다. 따라서, 단열재(21)가 충전되지 않는 영역(즉 고온부)에 인접하는 온도는, 연소 가스에 의해 하우징 커버(13)가 가열되므로, 전열관 온도(캔 내부 압력에서의 열 매체의 포화 온도와 대략 동등하고, 연소 가스 온도보다 저온이다)보다 높아진다. 그러나, 단열재(21)가 설치된 영역(즉, 저온부)에 인접하는 하우징 커버(13)의 온도는, 하우징 커버(13)가 연소 가스와 직접적으로 접촉하지 않고, 또한 전열관으로부터의 열전도가 억제되므로, 전열관 온도보다 낮아진다. 따라서, 상기 고온부와 상기 저온부를 합친 하우징 커버(13) 전체의 열팽창량이 각 수관(5, 6)의 열팽창량과 같은 정도로 되도록, 단열재(21)의 두께와 높이를 조정하여 둔다. 따라서, 하우징 커버(13)에 생기는 열응력을 완화할 수 있다.
본 실시예의 보일러(1)에서는, 배기 가스를 밀봉하기 위한 하우징 커버(13) 내측의 틈새(20)에, 외측 수관 열(8)을 이루는 복수개의 외측 수관(6)의 배열 방향 을 따르도록, 하부 헤더(4) 측의 내화재(15)의 상면으로부터 소정의 높이에 이르는 영역에 단열재(21)가 충전된다. 따라서, 단열재(21)가 충전된 영역에는, 배기 가스가 흐르지 않는다. 따라서, 하우징 커버(13)의 상부와 하부 사이에 온도차가 생겨, 하우징 커버(13) 상부의 온도가 각 수관(5, 6)보다 높아지는 한편, 하우징 커버(13) 하부의 온도가 각 수관(5, 6)보다 낮게 되므로, 하우징 커버(13)의 신장은 각 수관(5, 6)의 신장과 같은 정도로 된다. 그 결과, 하우징 커버(13)에 생기는 열응력을 완화할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 단열재(21)는, 외측 수관 열(8)과 하우징 커버(13) 사이의 틈새(20)를 완전하게 메우도록 충전된다. 따라서, 하우징 커버(13)의 저온부는, 연소 가스보다 저온인 외측 수관 열(8)보다 더 저온으로 유지된다. 따라서, 단열재(21)의 두께를 작게 할 수 있다.
본 실시예에서는, 내측 수관 열(7)에, 인접하는 내측 수관(5)끼리의 틈새를 폐쇄하도록, 내측 세로 핀(9)이 설치된다. 외측 수관 열(8)에, 인접하는 외측 수관(6)끼리의 틈새를 폐쇄하도록, 외측 세로 핀(11)이 설치된다. 따라서, 내측 수관(5)끼리의 틈새 및 외측 수관(6)끼리의 틈새로의 연소 가스의 유입을 가능하게 하여, 그 틈새가 쓸모없는 공간(dead space)이 되는 것을 방지한다. 또한, 내측 세로 핀(9) 및 외측 세로 핀(11)에 의해, 연소 가스로부터 내측 수관(5) 및 외측 수관(6)로의 열전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 외측 수관 열(8)의 전체 원주로부터 방사상으로 연소 가스를 배출한 후, 외측 수관 열(8)과 하우징 커버(13) 사이의 틈새(20)를 통하여 연기 통로(14)로 배기 가스를 안내하므로, 외측 수관 열(8) 의 원주 방향 전역에서 균등한 배기 가스의 흐름을 실현할 수 있다.
(실시예 2)
도 3은, 본 발명의 보일러의 실시예 2를 나타내는 개략 종단면도이다. 본 실시예 2의 보일러도, 기본적으로는 상기 실시예 1의 보일러(1)와 같다. 따라서, 이하에서, 양자의 상이한 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 부분에 동일한 부호를 부여하여 설명한다.
상기 실시예 1에서는, 하우징 커버(13)는 단순한 원통형이지만, 본 실시예 2에서는, 하우징 커버(13)는, 하우징 커버(13)의 축방향으로 신축 가능한 벨로우즈형의 신축부(22)를 구비한다. 이 신축부(22)는, 단열재(21)가 충전되지 않는 상기 고온부에 설치된다. 하우징 커버(13)가 신축부(22)를 구비함으로써, 하우징 커버(13)의 열팽창량과 각 수관(5, 6)의 열팽창량에 차이가 생겨도, 신축부(22)가 신장되거나 수축되어 그 차이를 흡수한다. 따라서, 하우징 커버(13)에 생기는 열응력을 더욱 확실하게 완화할 수 있다. 그 외의 구성은, 상기 실시예 1과 같기 때문에, 설명을 생략한다.
(실시예 3)
도 4는, 본 발명의 보일러의 실시예 3을 나타내는 개략 종단면도이다. 본 실시예 3의 보일러도, 기본적으로는 상기 실시예 1의 보일러(1)와 같다. 따라서, 이하에서, 양자의 상이한 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 부분에 동일한 부호를 부여하여 설명한다.
상기 실시예 1에서는, 하우징 커버(13)는 단순한 원통형이지만, 본 실시예 3 에서는, 하우징 커버(13)는 대직경부(23)를 구비한다. 이 대직경부(23)는, 단열재(21)가 충전되지 않는 상기 고온부의 측에 설치된다. 이 대직경부(23)는, 외측 수관 열(8)의 상부로부터 방사상으로 배출되는 배기 가스를 받아들여, 원주 방향 전역에서 균등한 배기 가스의 흐름을 확보한다. 또한, 대직경부(23)는, 외부 열 연통부(12)로부터의 배기 가스가 연기 통로(14)로 배출되기까지의 압력 손실을 저감한다. 본 실시예 3의 보일러(1)에는, 하우징 커버(13)를 둘러싸도록, 원통형의 케이싱(24)이 설치된다. 하우징 커버(13)와 케이싱(24) 사이의 원통형의 공간은 그 상단부가 개구되고 하단부는 폐쇄된다. 케이싱(24)의 원주 측벽 하부에는, 연결 통로(25)를 통하여 송풍기(26)의 흡입구가 연결된다. 이 송풍기(26)는 버너(17)로 연소용 공기를 보내는 것이다.
따라서, 외기는, 상부 헤더(3) 상면의 버너(17)를 둘러싸는 위치로부터, 하우징 커버(13)와 케이싱(24) 사이의 공간을 통하여, 연소용 공기로서 연소실(18)로 이송된다. 송풍기(26)로의 흡입 공기에 의해, 하우징 커버(13)(특히 그 고온부로 되는 대직경부(23))를 냉각할 수 있다. 단, 송풍기(26)로의 흡입 공기가 아니고, 송풍기(26)로부터의 토출 공기에 의해, 하우징 커버(13)를 냉각시켜도 된다. 구체적으로는, 송풍기(26)로부터의 토출 공기를, 하우징 커버(13)와 케이싱(24)의 공간을 통하여, 연소용 공기로서 연소실(18)로 보내도 된다.
본 실시예 3의 보일러(1)의 경우, 보일러(1)의 공기 공급을 사용하여, 하우징 커버(13)를 적극적으로 냉각할 수 있다. 따라서, 단열재(21)의 두께를 최소한으로 억제할 수 있다.
(실시예 4)
도 5는, 본 발명의 보일러의 실시예 4를 나타내는 개략 종단면도이다. 본 실시예 4의 보일러도, 기본적으로는 상기 실시예 1의 보일러(1)와 같다. 따라서, 이하에 있어서는, 양자의 상이한 점을 중심으로 설명하고, 대응하는 부분에 동일한 부호를 부여하여 설명한다.
상기 실시예 1의 보일러(1)에서는, 내측 수관 열(7)의 하단부에 내부 열 연통부(10)가 설치되고, 외측 수관 열(8)의 상단부에 외부 열 연통부(12)가 설치된다. 따라서, 하우징(2) 상부의 버너(17)로부터의 연소 가스는, 내측 수관 열(7)의 하단부의 내부 열 연통부(10)로부터 연소 가스 유로(19)로 들어가, 외측 수관 열(8)의 상단부의 외부 열 연통부(12)로부터 하우징 커버(13)로 배출된다. 한편, 본 실시예 4의 보일러(1)에서는, 내측 수관 열(7)의 상단부에 내부 열 연통부(10)가 설치되고, 외측 수관 열(8)의 하단부에 외부 열 연통부(12)가 설치된다. 따라서, 하우징(2) 상부의 버너(17)로부터의 연소 가스는, 내측 수관 열(7)의 상단부 내부 열연통부(10)로부터 연소 가스 유로(19)로 들어가, 외측 수관 열(8)의 하단부의 외부 열 연통부(12)로부터 하우징 커버(13)로 배출된다.
본 실시예 4의 경우, 단열재(21)는, 외측 수관 열(8)과 하우징 커버(13) 사이의 틈새(20)의 상부 영역에 충전된다. 그 외의 구성은, 상기 실시예 1과 같기 때문에, 설명은 생략한다.
본 발명의 보일러(1)는, 상기 각 실시예의 구성에 한정되지 않고 적절히 변경 가능하다. 예를 들면, 상기 각 실시예에서는, 내측 수관 열(7)과 외측 수관 열(8)을 설치하지만, 수관 열의 수를 적절히 증감할 수 있다. 또한, 상기 각 실시예에서, 하우징(2)의 하부를 폐쇄하고, 버너(17)를 하우징(2)의 상부에 설치하지만, 이와는 역으로, 하우징(2)의 상부를 폐쇄하고, 버너(17)를 하우징(2)의 하부에 설치해도 된다.
또한, 상기 각 실시예에서, 본 발명의 보일러를 증기 보일러에 적용한 예에 대하여 설명하였으나, 온수 보일러나 열 매체 보일러에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 또한, 상기 각 실시예에 있어서, 버너(17)를 설치하는 대신에, 내측 수관 열(7)의 내측에 배기 가스를 도입하도록 하여, 본 발명의 보일러를 폐열 보일러 또는 배기 가스 보일러에 적용할 수도 있다.
또한, 상기 각 실시예의 구성은 서로 조합시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 실시예 2의 신축부(22)를, 실시예 3의 대직경부(23) 등에 설치해도 된다. 또한, 실시예 4의 보일러(1)에, 실시예 2의 신축부(22) 또는 실시예 3에 기재된 보일러(1)의 공기 공급을 사용한 하우징 커버(13)의 냉각 구성을 부가해도 된다.
도 1은, 본 발명의 보일러의 실시예 1을 나타내는 개략 종단면도이다.
도 2는, 도 1의 하우징에 단열재를 충전하고 있지 않은 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명의 보일러의 실시예 2를 나타내는 개략 종단면도이다.
도 4는, 본 발명의 보일러의 실시예 3을 나타내는 개략 종단면도이다.
도 5는, 본 발명의 보일러의 실시예 4를 나타내는 개략 종단면도이다.

Claims (6)

  1. 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 전열관 열을 구성하는 복수개의 전열관,
    상기 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 설치된 원통형 하우징 커버, 및
    상기 전열관 열과 상기 하우징 커버 사이의 틈새의 소정의 영역에 설치된 단열재
    를 구비하고,
    상기 단열재가 설치되지 않은 영역에서의 상기 하우징 커버의 열 팽창량과, 상기 단열재가 설치된 영역에서의 상기 하우징 커버의 열 팽창량을 합친 상기 하우징 커버 전체의 열 팽창량이, 상기 전열관의 열 팽창량과 같은 정도인,
    보일러.
  2. 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 내측 전열관 열을 구성하는 복수개의 내측 전열관,
    상기 내측 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 원통형으로 배열되어 외측 전열관 열을 구성하는 복수개의 외측 전열관,
    상기 내측 전열관 열의 상하 방향의 일단부를 제외하고, 인접하는 상기 내측 전열관끼리의 틈새를 폐쇄하는 복수개의 내측 세로 핀,
    상기 외측 전열관 열의 상하 방향의 타단부를 제외하고, 인접하는 상기 외측 전열관끼리의 틈새를 폐쇄하는 복수개의 외측 세로 핀,
    상기 외측 전열관 열을 둘러싸도록, 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 설치된 원통형 하우징 커버, 및
    상기 외측 전열관 열과 상기 하우징 커버 사이의 틈새의 소정의 영역에 설치된 단열재
    를 구비하고,
    상기 단열재가 설치되지 않은 영역에서의 상기 하우징 커버의 열 팽창량과, 상기 단열재가 설치된 영역에서의 상기 하우징 커버의 열 팽창량을 합친 상기 하우징 커버 전체의 열 팽창량이, 상기 전열관의 열 팽창량과 같은 정도인,
    보일러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단열재는 상기 전열관 열의 상하 방향의 일단부 측에 충전된, 보일러.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 하우징 커버는, 상기 전열관 열의 상하 방향의 타단부에 대직경부를 가지고,
    상기 하우징 커버를 둘러싸도록, 케이싱이 설치되며,
    상기 하우징 커버와 상기 케이싱 사이의 공간을 통하여, 연소용 공기가 상기 내측 전열관보다 내측의 연소실로 이송되는, 보일러.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 커버에, 상하 방향으로 신축 가능한 신축부가 설치되어 있는, 보일러.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 커버에, 상하 방향으로 신축 가능한 신축부가 설치되어 있는, 보일러.
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