KR101529110B1 - 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 보일러, 온수 보일러, 폐열 보일러 및 배기가스 보일러를 포함하는 각종 보일러에 관한 것이다. 상부 헤더와 하부 헤더 사이를 접속시키는 전열관에는 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 전열관의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 돌출부가 형성된다. 또한, 돌출부는 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 전열관의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록, 인접하는 상하의 돌출부간의 설치 피치, 및/또는 전열관으로의 돌출 길이를 변경하여 설치되는 것이 바람직하다.

Description

보일러{BOILER}

본 발명은 증기 보일러, 온수 보일러, 폐열 보일러 및 배기가스 보일러를 포함하는 각종 보일러에 관한 것이다. 본 출원은 2008년 6월 13일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 2008-155088호에 의거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 인용한다.

다관식의 보일러로서 하기 특허문헌 1에 개시되는 것이 알려져 있다. 이러한 종류의 보일러는 환상으로 형성한 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 다수의 수관이 동심 원통 형상으로 배열되어 구성되는 용기체를 구비한다. 이러한 용기체에서는 내측 수관열보다 내측이 연소실로 되고, 그보다 외측이 연소 가스로가 된다.

따라서, 용기체 상부에 설치한 버너로부터 연소실 내를 향해 연료의 연소를 행하면 연소 가스는 연소실의 하부에서 반전되어 내측 수관열과 외측 수관열 사이를 통과해 배기가스로서 용기체 상부로부터 연도(煙道)에 배출된다. 이 동안에 연소 가스는 각 수관 내의 물과 열교환되어 각 수관 내의 물의 가열이 도모된다. 수관 내의 물로의 전열을 효과적으로 행하기 위해 각 외측 수관에는 상하에 등간격으로 핀(fin)(11)이 설치되어 있어서 전열 면적의 증가가 도모되고 있다.

일본 특허 제 3373127호 공보

그러나, 연소 가스 온도는 하류로 감에 따라서 저하되는 것이다. 예를 들면, 상기 특허문헌 1의 도 1에 나타내어지는 용기체의 경우, 내측 수관열보다 내측의 연소실로부터 내측 수관열과 외측 수관열 사이의 연소 가스로를 상방으로 흐르는 연소 가스는 그 연소 가스로를 상방으로 감에 따라서 연소 가스 온도가 저하되어 버린다. 즉, 연소 가스로는 상방에 비해 하방이 고온부가 된다.

따라서, 이러한 사정을 고려하지 않고 각 수관에 단지 상하 등간격으로 핀을 설치하는 것만으로는 연소실에 가까운 측에 부착한 핀에 발생하는 열응력이 커져 버린다. 특히, 수관 내에 스케일이 부착된 경우에는 핀으로부터 수관 내의 물로의 전열이 저해되므로 핀에 과대한 열응력이 발생할 우려가 있다. 그 경우, 핀은 과열되어 탈락 또는 소손될 우려도 있다. 한편, 연소 가스가 연소실로부터 연소 가스로에 들어갈 때의 압력 손실을 고려할 필요도 있다. 이들 점을 고려하여, 상기 특허문헌 1에 개시되는 발명과 같이, 고온부에는 핀을 설치하지 않는 것도 고려되지만 고온부를 이용하지 않는 것은 효율적인 열회수를 행하는 점에서 바람직하지 못하다.

본 발명이 해결하려고 하는 과제는 핀에 발생하는 열응력을 완화시킴과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모하는 것에 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, 청구항 1에 기재된 발명은, 상부 헤더와 하부 헤더 사이를 접속시키는 전열관에는 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 상기 전열관의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 보일러이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 전열관의 둘레 측면에 설치되는 돌출부에 의한 전열 면적의 확대는 연소 가스의 하류 영역(저온 영역)보다 상류 영역(고온 영역)에 있어서 작아지도록 설정된다. 이로 인해, 돌출부의 설치부에 발생하는 열응력의 완화가 도모됨과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 상기 돌출부는 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 상기 전열관의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 인접하는 상하의 상기 돌출부간의 설치 피치, 및/또는 상기 전열관으로부터의 돌출 길이를 변경하여 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소 가스의 하류 영역(저온 영역)보다 상류 영역(고온 영역)에 있어서 돌출부의 설치 피치를 크게 하거나, 및/또는 돌출부의 돌출 길이를 작게 하거나 함으로써 돌출부에 발생하는 열응력을 완화시킴과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 상기 전열관의 단위 길이당 수열량(受熱量)에 대해 상기 전열관의 상하 방향의 위치에 따른 차이를 경감하도록 상기 돌출부는 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 상기 전열관으로부터의 돌출 길이가 작게 설정됨과 아울러, 동일한 돌출 길이이면 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 설치 피치가 커지도록 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소 가스의 하류 영역(저온 영역)보다 상류 영역(고온 영역)에 있어서 돌출부의 설치 피치를 크게 하거나, 및/또는 돌출부의 돌출 길이를 작게 하거나 함으로써 전열관의 단위 길이당 수열량이 전열관의 상하 위치에 따라 변화되는 것을 경감한다. 이로 인해, 돌출부에 발생하는 열응력을 완화시킴과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 상기 돌출부는 상기 전열관에 상하로 이격되어 설치되는 핀으로 되고, 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통 형상으로 배열되어 내측 전열관열을 구성하는 복수의 내측 전열관과, 상기 내측 전열관열을 둘러싸도록 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 원통 형상으로 배열되어 외측 전열관열을 구성하는 복수의 외측 전열관과, 상기 내측 전열관열의 하단부를 남기고, 인접하는 상기 내측 전열관 사이의 간극을 폐쇄하도록 형성되는 복수의 내측 폐쇄부와, 상기 외측 전열관열의 상단부를 남기고, 인접하는 상기 외측 전열관 사이의 간극을 폐쇄하도록 형성되는 복수의 외측 폐쇄부와, 상기 내측 전열관열의 외주면을 구성하는 면에 있어서 상기 각 내측 전열관으로부터 바깥쪽으로 연장되어 설치되고, 상기 내측 전열관열의 둘레 방향 한쪽으로 감에 따라서 상방으로 경사지는 내측 핀과, 상기 외측 전열관열의 내주면을 구성하는 면에 있어서 상기 각 외측 전열관으로부터 바깥쪽으로 연장되어 설치되고, 상기 외측 전열관열의 둘레 방향 한쪽으로 감에 따라서 상방으로 경사지는 외측 핀을 구비하고, 상기 내측 핀 및 상기 외측 핀이 상기 각 전열관의 상방 영역보다 하방 영역에 있어서 상기 각 전열관으로부터의 돌출 길이가 작게 설정됨과 아울러, 동일한 돌출 길이이면 상기 각 전열관의 상방 영역보다 하방 영역에 있어서 설치 피치가 커지도록 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 간이한 구성으로 핀에 발생하는 열응력을 완화시킴과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예는, 상기 내측 전열관에 있어서의 상기 내측 핀의 설치 영역, 및 상기 외측 전열관에 있어서의 상기 외측 핀의 설치 영역은 각각 하방으로부터 상방으로 감에 따라서 제 1 영역, 제 2 영역, 제 3 영역 및 제 4 영역으로 나뉘고, 상기 내측 핀 및 상기 외측 핀은 각각 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 있어서의 돌출 길이가 상기 제 3 영역과 상기 제 4 영역에 있어서의 돌출 길이보다 작게 설정되며, 상기 내측 핀 및 상기 외측 핀은 각각 상기 제 1 영역과 상기 제 3 영역에 있어서의 설치 피치가 상기 제 2 영역과 상기 제 4 영역에 있어서의 설치 피치보다 크게 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 비교적 짧은 핀이 큰 피치로 형성된 제 1 영역, 그 핀이 작은 피치로 형성된 제 2 영역, 비교적 긴 핀이 큰 피치로 형성된 제 3 영역, 그 핀이 작은 피치로 형성된 제 4 영역으로 구성됨으로써 각 핀에 발생하는 열응력을 완화시킴과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모할 수 있다.

(발명의 효과)

본 발명의 보일러에 의하면 핀에 발생하는 열응력을 완화시킴과 아울러, 연소 가스의 압력 손실을 경감하면서 효과적인 열회수를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 보일러의 일 실시예를 나타내는 개략 종단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 3은 도 1의 보일러의 내측 수관을 나타내는 도면이고, (a)는 내측 수관열의 외주측으로부터 본 도면, (b)는 그 측면도이다.
도 4는 도 1의 보일러의 외측 수관을 나타내는 도면이고, (a)는 외측 수관열의 내주측으로부터 본 도면, (b)는 그 측면도이다.

이하, 본 발명의 구체적 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 보일러의 일 실시예를 나타내는 개략 종단면도이다. 또한, 도 2는 그 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다. 본 실시예의 보일러(1)는 원통 형상의 용기체(2)를 구비한 다관식 관류 보일러이다. 용기체(2)는 상부 헤더(3)와 하부 헤더(4) 사이를 원통 형상으로 배열된 다수의 수관(전열관)(5, 5, …, 6, 6, …)에 의해 접속되어 구성된다.

상부 헤더(3)와 하부 헤더(4)는 상하로 이격되어 평행하게 배치되고, 각각 중공의 원환상으로 된다. 또한, 상부 헤더(3)와 하부 헤더(4)는 각각 수평하게 배치됨과 아울러, 동일 축선 상에 배치된다.

각 수관(5, 6)은 수직으로 배치되고, 상단부가 상부 헤더(3)에 접속되는 한편, 하단부가 하부 헤더(4)에 접속된다. 각 수관(5, 6)은 상부 헤더(3)와 하부 헤더(4)의 둘레 방향으로 순차 배열됨으로써 원통 형상의 수관열(7, 8)을 구성한다. 본 실시예에서는 내측 수관열(7)과 외측 수관열(8)이 동심 원통 형상으로 배열된다. 내측 수관열(7)은 원통 형상으로 배열된 내측 수관(5, 5, …)에 의해 구성된다. 한편, 외측 수관열(8)은 내측 수관열(7)을 둘러싸도록 원통 형상으로 배열된 외측 수관(6, 6, …)에 의해 구성된다.

내측 수관(5)과 외측 수관(6)은 용기체(2)의 둘레 방향으로 감에 따라서 상이하게 배치된다. 즉, 용기체(2)를 평면으로 보았을 때(도 2), 동심원에 배치되는 양 수관열(7, 8)의 공통 중심과, 인접하는 내측 수관(5, 5)의 각 중심을 연결하는 선에 의해 형성되는 각을 이등분하는 선 상에 외측 수관(6)이 배치된다.

내측 수관열(7)에는 하단부의 설정 영역을 남기고 인접하는 내측 수관(5, 5) 사이의 간극을 폐쇄하도록 내측 폐쇄부(9)가 형성된다. 즉, 내측 수관(5, 5) 사이의 간극은 하단부의 설정 영역을 남기고 내측 폐쇄부(9)에 의해 폐쇄된다. 내측 수관열(7)은 내측 폐쇄부(9)가 형성되지 않는 하단부에 있어서 인접하는 내측 수관(5, 5) 사이에 간극이 형성된다. 이 간극으로 구성되는 내열 연통부(10)를 통해 내측 수관열(7)의 내측과 외측은 연통된다.

외측 수관열(8)에는 상단부의 설정 영역을 남기고 인접하는 외측 수관(6, 6) 사이의 간극을 폐쇄하도록 외측 폐쇄부(11)가 형성된다. 즉, 외측 수관(6, 6) 사이의 간극은 상단부의 설정 영역을 남기고 외측 폐쇄부(11)에 의해 폐쇄된다. 외측 수관열(8)은 외측 폐쇄부(11)가 형성되지 않는 상단부에 있어서 인접하는 외측 수관(6, 6) 사이에 간극이 형성된다. 이 간극으로 구성되는 외열 연통부(12)를 통해 외측 수관열(8)의 내측과 외측은 연통된다.

도시예에서는 각 내측 수관(5)은 내열 연통부(10)와 대응한 위치가 소경부(13)로 형성되어 있다. 즉, 각 내측 수관(5)의 하단부는 그것보다 상부보다 소경부(13)로 형성되어 있다. 이것은 연소 가스가 내열 연통부(10)를 통해 내외의 수관열(7, 8) 사이의 연소 가스로(19)에 들어갈 때의 압력 손실을 감소시키기 위해서이다. 한편, 도시예에서는 각 외측 수관(6)의 상단부에는 소경부(13)는 형성되어 있지 않지만, 각 내측 수관(5)과 마찬가지로 소경부를 형성해도 된다.

도 3은 내측 수관(5)을 나타내는 도면이고, (a)는 내측 수관열(7)의 외주측으로부터 본 도면, (b)는 그 측면도이다. 또한, 도 4는 외측 수관(6)을 나타내는 도면이고, (a)는 외측 수관열(8)의 내주측으로부터 본 도면, (b)는 그 측면도이다.

각 수관(5, 6)에는 확대 전열면으로서의 돌출부가 더 형성된다. 이 돌출부는 본 실시예에서는 핀(14, 15, 16, 17)으로 된다. 이 핀(14~17)은 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 각 수관(5, 6)의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 설치된다. 본 실시예에서는 내측 수관열(7)의 내측 연소실(18)로부터의 연소 가스는 내열 연통부(10)를 통해 내측 수관열(7)과 외측 수관열(8) 사이의 연소 가스로(19)에 도출되어 상방으로 진행되므로, 각 수관(5, 6)은 상방 영역이 연소 가스의 하류 영역으로 되고, 하방 영역이 연소 가스의 상류 영역으로 된다. 따라서, 본 실시예에서는 핀(14~17)은 각 수관(5, 6)의 상방 영역보다 하방 영역에 있어서 각 수관(5, 6)의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 설치된다.

구체적으로는, 핀(14~17)은 인접하는 상하의 핀간의 설치 피치, 및/또는 각 수관(5, 6)으로부터의 돌출 길이를 변경하여 설치된다. 전형적으로는 각 수관(5, 6)의 단위 길이당 수열량에 대해 각 수관(5, 6)의 상하 방향의 위치에 따른 차이를 경감하도록 핀(14~17)은 각 수관(5, 6)의 상방 영역보다 하방 영역에 있어서 각 수관(5, 6)으로부터의 돌출 길이가 작게 설정됨과 아울러, 동일한 돌출 길이이면 각 수관(5, 6)의 상방 영역보다 하방 영역에 있어서 설치 피치가 커지도록 설치된다.

더욱 구체적으로 설명하면, 각 내측 수관(5)에는 내측 수관열(7)의 외주면을 구성하는 면에 내측 핀(14, 15)이 설치된다. 각 내측 핀(14, 15)은 내측 수관(5)의 지름 방향 외측으로 플랜지 형상으로 연장되어 설치된다. 이때, 각 내측 수관(5)에는 하단부의 소경부(13)를 제외한 영역에 상하로 간격을 두고 내측 핀(14, 15)이 설치된다. 각 내측 수관(5)에는 상방 영역에 상방 내측 핀(14, 14, …)이 설치되고, 하방 영역에 하방 내측 핀(15, 15, …)이 설치된다. 하방 내측 핀(15)은 상방 내측 핀(14)보다 내측 수관(5)으로부터의 돌출 길이가 짧다. 또한, 상방 내측 핀(14)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 연장 선단부에 노치(20, 20)가 형성되지만, 하방 내측 핀(15)에는 그러한 노치는 형성되지 않는다.

한편, 각 외측 수관(6)에는 외측 수관열(8)의 내주면을 구성하는 면에 외측 핀(16, 17)이 설치된다. 각 외측 핀(16, 17)은 외측 수관(6)의 지름 방향 외측으로 플랜지 형상으로 연장되어 설치된다. 이때, 각 외측 수관(6)에는 상하 방향의 대략 전역에 상하로 간격을 두고 외측 핀(16, 17)이 설치된다. 각 외측 수관(6)에는 상방 영역에 상방 외측 핀(16, 16, …)이 설치되고, 하방 영역에 하방 외측 핀(17, 17, …)이 설치된다. 하방 외측 핀(17)은 상방 외측 핀(16)보다 외측 수관(6)으로부터의 돌출 길이가 짧다. 또한, 상방 외측 핀(16)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 연장 선단부에 노치(21, 21)가 형성되지만, 하방 외측 핀(17)에는 그러한 노치는 형성되지 않는다.

상술한 바와 같이, 내측 수관(5)과 외측 수관(6)은 용기체(2)의 둘레 방향으로 감에 따라서 상이하게 배치된다. 그리고, 내측 핀(14, 15) 및 외측 핀(16, 17)은 용기체(2)를 평면으로 보았을 때 겹치지 않도록 크기, 형상 및 배치가 조정된다. 또한, 내측 핀(14, 15) 및 외측 핀(16, 17)은 모두 수평 상태로 설치해도 되지만, 용기체(2)의 둘레 방향 한쪽으로 감에 따라서 상방으로 경사지게 설치하는 것이 좋다. 본 실시예에서는 내측 핀(14, 15) 및 외측 핀(16, 17)은 각 수관(5, 6)의 축 방향(수직 방향)에 대하여 동일한 설정 각도만큼 경사져서 설치된다. 이 경사 각도는 예를 들면 80°로 설정된다. 이렇게 하여, 각 핀(14~17)을 수평 상태로부터 경사지게 하는 경우에는 내측 수관열(7)과 외측 수관열(8) 사이의 연소 가스로(19)를 상방으로 흐르는 연소 가스를 교반시켜 연소 가스로부터 각 수관(5, 6)으로의 전열을 높일 수 있다.

각 내측 수관(5)에 있어서의 내측 핀(14, 15)의 설치 영역은 내측 수관(5)의 하방으로부터 상방으로 감에 따라서 제 1 영역(I1), 제 2 영역(I2), 제 3 영역(I3) 및 제 4 영역(I4)으로 나뉜다. 제 1 영역(I1)과 제 2 영역(I2)에는 각각 하방 내측 핀(15)이 설치되고, 제 3 영역(I3)과 제 4 영역(I4)에는 각각 상방 내측 핀(14)이 설치된다.

제 1 영역(I1)과 제 2 영역(I2)의 차이는 상하로 인접하는 하방 내측 핀(15, 15)간의 설치 피치에 있다. 제 1 영역(I1)에 있어서의 피치(i1)는 제 2 영역(I2)에 있어서의 피치(i2)보다 넓다. 마찬가지로, 제 3 영역(I3)과 제 4 영역(I4)의 차이는 상하로 인접하는 상방 내측 핀(14, 14)간의 설치 피치에 있다. 제 3 영역(I3)에 있어서의 피치(i3)는 제 4 영역(I4)에 있어서의 피치(i4)보다 넓다. 또한, 본 실시예에서는 제 1 영역(I1)과 제 3 영역(I3)에 있어서의 핀(15, 14)의 설치 피치(i1, i3)는 동일하고, 제 2 영역(I2)과 제 4 영역(I4)에 있어서의 핀(15, 14)의 설치 피치(i2, i4)는 동일하다.

외측 수관(6)에 대해서도 마찬가지이고, 각 외측 수관(6)에 있어서의 외측 핀(16, 17)의 설치 영역은 외측 수관(6)의 하방으로부터 상방으로 감에 따라서 제 1 영역(O1), 제 2 영역(O2), 제 3 영역(O3) 및 제 4 영역(O4)으로 나뉜다. 제 1 영역(O1)과 제 2 영역(O2)에는 각각 하방 외측 핀(17)이 설치되고, 제 3 영역(O3)과 제 4 영역(O4)에는 각각 상방 외측 핀(16)이 설치된다.

제 1 영역(O1)과 제 2 영역(O2)의 차이는 상하로 인접하는 하방 외측 핀(17, 17)간의 설치 피치에 있다. 제 1 영역(O1)에 있어서의 피치(o1)는 제 2 영역(O2)에 있어서의 피치(o2)보다 넓다. 마찬가지로, 제 3 영역(O3)과 제 4 영역(O4)의 차이는 상하로 인접하는 상방 외측 핀(16, 16)간의 설치 피치에 있다. 제 3 영역(O3)에 있어서의 피치(o3)는 제 4 영역(O4)에 있어서의 피치(o4)보다 넓다. 또한, 본 실시예에서는 제 1 영역(O1)과 제 3 영역(O3)에 있어서의 핀(17, 16)의 설치 피치(o1, o3)는 동일하고, 제 2 영역(O2)과 제 4 영역(O4)에 있어서의 핀(17, 16)의 설치 피치(o2, o4)는 동일하다.

그런데, 내측 수관(5)의 각 영역(I1~I4)과, 외측 수관(6)의 각 영역(O1~O4)은 상하 방향으로 어긋나 있다. 이것은 내측 수관열(7)의 내주면은 연소실(18)이 되는 것에 대해, 외측 수관열(8)의 외주면은 후술하는 바와 같이 전열면으로서 기능하지 않는 것에 기인한다. 또한, 내측 수관(5)에 소경부(13)가 있는 것에 의해서도 내측 수관(5)의 각 영역(I1~I4)과, 외측 수관(6)의 각 영역(O1~O4)이 상하로 어긋나게 된다. 본 실시예에서는 외측 수관(6)의 제 1 영역(O1), 제 2 영역(O2), 제 3 영역(O3) 및 제 4 영역(O4)과, 내측 수관(5)의 제 2 영역(I2), 제 3 영역(I3) 및 제 4 영역(I4)이 상이하게 배치된다. 구체적으로는, 용기체(2)의 하방으로부터 상방을 향해 외측 수관(6)의 제 1 영역(O1), 내측 수관(5)의 제 1 영역(I1), 내측 수관(5)의 제 2 영역(I2), 외측 수관(6)의 제 2 영역(O2), 내측 수관(5)의 제 3 영역(I3), 외측 수관(6)의 제 3 영역(O3), 내측 수관(5)의 제 4 영역(I4), 및 외측 수관(6)의 제 4 영역(O4)이 순서대로 출현하도록 배치된다.

내측 수관(5)의 각 영역(I1~I4)과, 외측 수관(6)의 각 영역(O1~O4)을 각각 어떤 범위로 할지는 적절히 설정된다. 단, 이때 상술한 바와 같이, 각 수관(5, 6)의 단위 길이당 수열량에 대해 각 수관(5, 6)의 상하 방향의 위치에 따른 차이를 경감하도록 설정된다. 그리고, 바람직하게는 더욱 영역을 세분화(더욱 다단계로 영역 분할)하거나 하여 각 수관(5, 6)의 단위 길이당 수열량이 장소에 따라 일정해지도록 설정된다. 이것은 바꿔 말하면, 각 핀(14~17)의 열류속(熱流束)(단위 전열 면적당 수열량)을 균일화하는 것이라고 할 수 있다.

상부 헤더(3)와 하부 헤더(4) 사이에는 또한 외측 수관열(8)을 둘러싸도록 단차가 형성된 원통 형상의 용기체 커버(22)가 설치된다. 용기체 커버(22)는 내통(23)과, 그보다 대경의 외통(24)으로 구성된다. 내통(23)은 하단부가 하부 헤더(4)에 고정되고, 상단부가 외열 연통부(12)의 하단부와 대응하는 높이에 배치된다. 한편, 외통(24)은 상단부가 상부 헤더(3)에 고정되고, 하단부가 내통(23)의 상하 방향 중도부와 대응하는 높이에 배치된다. 이렇게 하여, 용기체 커버(22)는 내통(23)의 하단부가 하부 헤더(4)와의 간극을 밀봉되게 하고, 외통(24)의 상단부가 상부 헤더(3)와의 간극을 밀봉되게 한다. 또한, 외통(24)의 하단부에 있어서 내통(23)과 외통(24)의 간극이 밀봉된다. 또한, 용기체 커버(22)의 내통(23)과 외측 수관열(8) 사이의 원통 형상 간극에는 단열재(25)가 충전된다.

용기체 커버(22)의 외통(24)에는 둘레 방향 일부에 있어서 대략 직사각형 형상의 개구부(26)가 형성되어 있다. 이 개구부(26)를 피복하도록 용기체 커버(22)의 외통(24)에는 팽창 덕트(27)가 설치된다. 팽창 덕트(27)는 대략 직사각형의 중공 박스 형상으로 되고, 외통(24)으로부터 지름 방향 외측으로 팽창됨과 아울러 상하 방향으로 연장되어 설치된다. 팽창 덕트(27)의 하단부에는 연도(28)가 접속된다. 또한, 용기체 커버(22)를 둘러싸도록 원통 형상의 케이싱(29)이 설치된다. 팽창 덕트(27) 및 연도(28)는 케이싱(29)을 관통하여 설치된다. 용기체 커버(22)와 케이싱(29)의 간극에는 단열재(도시 생략)를 충전해도 된다.

상부 헤더(3)의 하면 및 하부 헤더(4)의 상면에는 각 헤더(3, 4)와 각 수관(5, 6)의 접속부를 피복하도록 내화재(30, 31)가 설치된다. 이때, 하부 헤더(4)측의 내화재(31)는 하부 헤더(4)의 중앙부도 폐쇄하도록 설치된다. 하부 헤더(4)측의 내화재(31)의 중앙부에는 원기둥 형상 또는 원추대 형상의 오목부(32)가 형성된다.

상부 헤더(3)의 중앙부에는 하방을 향해 버너(33)가 설치된다. 이 버너(33)에는 연료가 공급됨과 아울러, 연소용 공기가 공급된다. 버너(33)를 작동시킴으로써 용기체(2) 내에 있어서 연료의 연소가 행해진다. 이때, 내측 수관열(7)의 내측은 연소실(18)로서 기능한다.

연소실(18)에서의 연료의 연소에 의한 연소 가스는 내열 연통부(10)를 통해 내측 수관열(7)과 외측 수관열(8) 사이의 연소 가스로(19)에 도출된다. 그리고, 그 연소 가스는 연소 가스로(19)를 상방으로 진행하고, 외열 연통부(12)를 통해 외측 수관열(8)의 상부로부터 방사상으로 도출되어 용기체 커버(22)에 수용된다. 그 후, 용기체 커버(22)에 설치한 팽창 덕트(27) 및 연도(28)를 통해 배기가스로서 외부로 배출된다. 이 동안에 연소 가스는 각 수관(5, 6) 내의 물과 열교환되어 각 수관(5, 6) 내의 물의 가열을 도모한다. 이로 인해, 상부 헤더(3)로부터 증기를 인출할 수 있고, 그 증기는 기수 분리기(도시 생략) 등을 통해 증기 이용 기기(도시 생략)에 보내진다.

본 실시예의 보일러(1)에 의하면 연소 가스의 하류 영역(저온 영역)보다 상류 영역(고온 영역)에 있어서 핀의 설치 피치를 크게 하거나, 핀의 돌출 길이를 작게 하거나 함으로써 각 수관(5, 6)의 단위 길이당 수열량이 각 수관(5, 6)의 상하 위치에 따라 변화되는 것을 경감한다. 이로 인해, 핀(14~17)에 발생하는 열응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 연소 가스가 연소실(18)로부터 연소 가스로(19)에 들어갈 때의 압력 손실을 경감할 수 있다. 또한, 내측 수관열(7)과 외측 수관열(8) 사이의 연소 가스로(19)의 하부에도 핀(15, 17)을 설치할 수 있으므로 고온부에서의 열회수를 도모하여 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 보일러는 상기 실시예의 구성에 한정되지 않고, 적절히 변경 가능하다. 특히, 용기체(2)의 구성은 적절히 변경 가능하다. 또한, 상기 실시예에서는 증기 보일러에 적용한 예에 대해 설명했지만, 온수 보일러나 열매 보일러에도 마찬가지로 적용 가능하다. 또한, 상기 실시예에 있어서, 버너(33)를 설치하는 대신 내측 수관열(7)의 내측에 배기가스를 도입하면 폐열 보일러나 배기가스 보일러로 할 수 있다.

또한, 각 수관(5, 6)의 상하 위치에 있어서의 수열량의 차이를 경감하는 구성이면 핀의 형상, 크기, 설치 피치 등은 적절히 변경 가능하다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 각 수관(5, 6)을 4개의 영역(I1~I4, O1~O4)으로 나누고 핀(14~17)의 돌출 길이와 설치 피치를 변경했지만, 2개 또는 3개의 영역으로 나누어도 되고, 반대로 5개 이상의 영역으로 나누어도 된다. 또한, 핀(14~17)의 돌출 길이 및/또는 설치 피치를 수관(5, 6)의 길이 방향에서 서서히, 즉 연속적으로 변화시켜도 된다.

또한, 상기 실시예에서는 각 수관(5, 6)에 형성하는 돌출부는 핀(14~17)으로 했지만, 스터드여도 된다. 스터드는 원기둥 형상, 원추 형상, 원추대 형상, 또는 반구 형상으로 형성되고, 각 수관의 외주면에 고정된다.

1 : 보일러 2 : 용기체
3 : 상부 헤더 4 : 하부 헤더
5 : 내측 수관(내측 전열관) 6 : 외측 수관(외측 전열관)
7 : 내측 수관열(내측 전열관열) 8 : 외측 수관열(외측 전열관열)
9 : 내측 폐쇄부 10 : 내열 연통부
11 : 외측 폐쇄부 12 : 외열 연통부
14 : 상방 내측 핀(돌출부) 15 : 하방 내측 핀(돌출부)
16 : 상방 외측 핀(돌출부) 17 : 하방 외측 핀(돌출부)
18 : 연소실 19 : 연소 가스로
I1~I4 : (내측 수관의)제 1 영역~제 4 영역
i1~i4 : (내측 수관의)핀의 설치 피치
O1~O4 : (외측 수관의)제 1 영역~제 4 영역
o1~o4 : (외측 수관의)핀의 설치 피치

Claims (5)

1. 상부 헤더와 하부 헤더 사이에 원통 형상으로 배열되어 내측 전열관열을 구성하는 복수의 내측 전열관과,
   상기 내측 전열관열을 둘러싸도록 상기 상부 헤더와 상기 하부 헤더 사이에 원통 형상으로 배열되어 외측 전열관열을 구성하는 복수의 외측 전열관과,
   상기 내측 전열관열의 하단부를 남기고 인접하는 상기 내측 전열관 사이의 간극을 폐쇄하도록 형성되는 복수의 내측 폐쇄부와,
   상기 외측 전열관열의 상단부를 남기고 인접하는 상기 외측 전열관 사이의 간극을 폐쇄하도록 형성되는 복수의 외측 폐쇄부와,
   상기 내측 전열관열의 외주면을 구성하는 면에 있어서 상기 각 내측 전열관으로부터 바깥쪽으로 연장되는 내측 핀과,
   상기 외측 전열관열의 내주면을 구성하는 면에 있어서 상기 각 외측 전열관으로부터 바깥쪽으로 연장되어 설치되는 외측 핀을 구비하고,
   상기 내측 전열관열에는 상기 내측 폐쇄부가 설치되지 않은 하단부에 있어서, 인접하는 내측 전열관 사이에 간극이 생겨, 상기 내측 전열관열의 내측과 외측을 연통하는 내열 연통부가 형성되고,
   상기 외측 전열관에는 상기 외측 폐쇄부가 설치되지 않은 상단부에 있어서, 인접하는 외측 전열관 사이에 간극이 생겨, 상기 외측 전열관열의 내측과 외측을 연통하는 외열 연통부가 형성되고,
   상기 내측 전열관열로 둘러 싸인 연소실에서의 연료의 연소에 의한 연소 가스는 상기 내열 연통부를 통해 상기 내측 전열관열과 상기 외측 전열관열 사이의 연소 가스로로 도출되어, 그 연소 가스로를 상방으로 진행하여 상기 외열 연통부로부터 도출되고,
   상기 내측 핀은 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 상기 내측 전열관의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 인접하는 상하의 상기 내측 핀간의 설치 피치 및 상기 내측 전열관으로부터의 돌출 길이 중 적어도 어느 하나를 변경하여 설치되고,
   상기 외측 핀은 연소 가스의 하류 영역보다 상류 영역에 있어서 상기 외측 전열관의 단위 길이당 전열 면적이 작아지도록 인접하는 상하의 상기 외측 핀간의 설치 피치 및 상기 외측 전열관으로부터의 돌출 길이 중 적어도 상기 외측 전열관으로부터의 돌출 길이를 변경하여 설치되고,
   상기 외측 핀이 설치된 모든 상기 외측 전열관은 상기 내열 연통부와 대응한 높이로도 상기 외측 핀이 설치되고,
   상기 내열 연통부와 대응한 높이를 포함한 영역에 설치되는 상기 외측 핀은 상기 외측 전열관에 설치되는 상기 외측 핀 중 상기 외측 전열관으로부터의 돌출 길이가 가장 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 보일러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내측 핀은 상기 내측 전열관열의 둘레 방향 한쪽으로 감에 따라서 상방으로 경사져서 설치되고,
   상기 외측 핀은 상기 외측 전열관열의 둘레 방향 한쪽으로 감에 따라서 상방으로 경사져서 설치되는 것을 특징으로 하는 보일러.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 내측 전열관에 있어서의 상기 내측 핀의 설치 영역, 및 상기 외측 전열관에 있어서의 상기 외측 핀의 설치 영역은 각각 하방으로부터 상방으로 감에 따라서 제 1 영역, 제 2 영역, 제 3 영역 및 제 4 영역으로 나뉘고,
   상기 내측 핀 및 상기 외측 핀은 각각 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에 있어서의 돌출 길이가 상기 제 3 영역과 상기 제 4 영역에 있어서의 돌출 길이보다 작게 설정되며,
   상기 내측 핀 및 상기 외측 핀은 각각 상기 제 1 영역과 상기 제 3 영역에 있어서의 설치 피치가 상기 제 2 영역과 상기 제 4 영역에 있어서의 설치 피치보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 보일러.
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