KR101886560B1 - 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 관한 것으로서, 보일러에서 연료가 연소되면서 고온의 연소가스가 연통을 통하여 배출될 때 연소가스의 열을 이용하여 설치가 용이하면서도 효율적으로 온수를 생성하기 위하여 개발된 것으로;
보일러의 측면에 체결되어 수평으로 연통되는 수평부와 수직부와 연소가스가 배출되는 방향으로 5~7°의 각도로 상향 경사지게 연장되는 경사부가 순차적으로 연결되며 외주면을 감싸는 보온재 및 상기 수평부와 수직부가 연결되는 하단에 연소가스가 냉각되면서 발생하는 결로수를 배출하는 U트랩을 구비하는 연통과, 상기 연통의 수직부와 경사부를 감싸며 연통과 열교환이 이루어지도록 하는 열교환부와, 상기 열교환부의 하부로 펌프에 의하여 물을 공급하는 공급배관이 하부에 연결되고 상기 열교환부의 상부에서 열교환된 온수가 배출되는 온수배관이 상부에 연결되는 온수탱크를 포함하여 구성되는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 있어서;
상기 열교환부는 공급배관이 연결되고 내주면이 상기 연통의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 공급 매니폴드와, 온수배관이 연결되고 내주면이 상기 연통의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 배출 매니폴드와, 양측 끝단이 상기 공급 매니폴드와 배출 매니폴드와 연결되고 외면 일측이 상기 연통을 따라 밀착되는 복수 개의 열교환관으로 구성됨을 특징으로 하는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 관한 것이다.

Description

연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치{The heat exchanger using a chimney's exhaust gas}

본 발명은 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 보일러에서 연료가 연소되면서 고온의 연소가스가 연통을 통하여 배출될 때 연소가스의 열을 이용하여 설치가 용이하면서도 효율적으로 온수를 생성하기 위하여 개발된 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 관한 것이다.

보일러 또는 난로의 경우 연료를 연소시켜 난방을 하거나 온수를 생성시키기 위한 용도로 사용하는 것으로 기본적으로 연료가 연소되는 몸체와 연소와 함께 발생하는 연소가스를 배출하기 위한 연통을 구비하고 있다.

이러한 구조에서 기본적으로 외부에서 산소를 포함하는 신선한 공기가 원활하게 유입되고 연소가스가 원활하게 배출되어야 효율적인 연료의 연소가 이루어지는 것이나 연통을 통하여 배출되는 뜨거운 연소가스의 열을 열효율 측면에서 포기하기 아쉬운 부분이라고 할 수 있다.

이에 연통에서의 폐열을 회수하기 이한 다양한 선행기술이 개발되어 일부 적용되고 있으며 온수를 얻기 위하여 연통을 나선형으로 감싸면서 열교환을 위한 관이 장착되어 물이 관을 지나면서 가열하도록 하는 것이 대표적이다.

하지만 이러한 구조는 나선형 관을 통하여 공급되고 배출되는 유량이 적으며 가열하는 과정에서 생성되는 에어가 긴 경로를 통하여 빠져나가야 하기에 에어의 발생량이 많아지기에 그 길이를 충분히 길게 형성할 수 없어 열교환 효율이 떨어지고 충분한 용량의 온수를 생성시킬 수 없는 문제점이 있다.

또 다른 구조로는 연통을 이중으로 감싸는 통의 하부에서 냉수가 공급되고 상부에서 온수가 배출되는 구조를 가진 것이 있으나 물의 흐름이 공급에서 배출로 이어지는 최단 경로의 흐름이 가장 빠르며 여기서 멀어질수록 점차 느려지게 되어 균일한 온수의 가열이 이루어지지 않고 특히 모서리와 같이 유속이 느린 부분에서는 과열에 의하여 많은 에어가 발생하는 문제점이 있었다.

그 외에도 연통의 형상적인 변화나 내부에 열기가 머물 수 있는 구조물을 형성하는 다양한 선행 기술이 있으나 이러한 기술은 근본적으로 연소가스가 원활하게 배출되는 것을 방해하여 연통에서의 폐열을 회수하는 효과는 높일 수 있으나 보일러 자체의 효율이 더 큰 폭으로 떨어지는 원인이 되는 것이 대부분이었다.

따라서 기존 연통에 용이하게 장착하면서 에어의 발생을 최소화할 수 있으면서 효율적으로 충분한 양의 온수를 생성할 수 있는 열교환장치의 개발은 폐열로 버려지는 에너지를 절약하기 위한 수단으로 지속적인 연구와 개발이 필요한 상황이다.

대한민국실용신안등록 제20-0242246-0000호 (2001년07월31일) 대한민국실용신안등록 제20-0286538-0000호 (2002년08월08일) 대한민국실용신안등록 제20-0389885-0000호 (2005년07월06일) 대한민국공개특허 제10-2006-0054700호 (2006년05월23일)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 그 목적은 보일러 연통의 기본 구조를 손상시키지 않도록 하여 보일러의 효율이 떨어지는 것을 방지하도록 하고 공급되는 물이 전체적으로 일정한 유속으로 흐르면서 연통과 열교환이 이루어지도록 하여 에어의 발생을 방지하며 충분한 유량이 공급되고 배출될 수 있도록 하여 효율을 높일 수 있는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치를 개발하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보일러의 측면에 체결되어 수평으로 연통되는 수평부와 수직부와 연소가스가 배출되는 방향으로 5~7°의 각도로 상향 경사지게 연장되는 경사부가 순차적으로 연결되며 외주면을 감싸는 보온재 및 상기 수평부와 수직부가 연결되는 하단에 연소가스가 냉각되면서 발생하는 결로수를 배출하는 U트랩을 구비하는 연통과, 상기 연통의 수직부와 경사부를 감싸며 연통과 열교환이 이루어지도록 하는 열교환부와, 상기 열교환부의 하부로 펌프에 의하여 물을 공급하는 공급배관이 하부에 연결되고 상기 열교환부의 상부에서 열교환된 온수가 배출되는 온수배관이 상부에 연결되는 온수탱크를 포함하여 구성되는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 있어서;

상기 열교환부는 공급배관이 연결되고 내주면이 상기 연통의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 공급 매니폴드와, 온수배관이 연결되고 내주면이 상기 연통의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 배출 매니폴드와, 양측 끝단이 상기 공급 매니폴드와 배출 매니폴드와 연결되고 외면 일측이 상기 연통을 따라 밀착되는 복수 개의 열교환관과, 원통형으로 형성되어 상기 연통을 감싸고 상기 열교환관이 삽입 안착되는 삽입홈이 방사형으로 일정간격 형성되어 길이 방향으로 길게 연장되는 하나 이상의 열전달부재로 구성되고;
상기 공급 매니폴드와 배출 매니폴드는 반원형 링의 형성을 가진 두 개의 제1 및 제2 공급 매니폴드와 제1 및 제2 배출 매니폴드의 결합으로 이루어지며;

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상기 공급배관은 각각 제1 및 제2 펌프를 구비하고 제1 및 제2 공급 매니폴드와 연결되는 제1 및 제2 공급배관으로 구성되고, 상기 온수배관은 각각 제1 및 제2 배출 매니폴드와 연결되는 제1 및 제2 온수배관으로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환부에는 원통형으로 상기 연통을 감싸고 내주면에는 상기 열교환관이 삽입 안착되는 제1 삽입홈이 방사형으로 일정간격 형성되어 길이 방향으로 길게 연장되는 하나 이상의 제1 열전달부재를 구비함을 특징으로 한다.

아울러, 상기 열교환부에는 원통형으로 상기 연통을 감싸고 외주면에는 상기 열교환관이 삽입 안착되는 반원형 단면의 제2 삽입홈이 방사형으로 일정간격 형성되어 길이 방향으로 길게 연장되는 하나 이상의 제2 열전달부재를 구비함을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 보일러 연통의 기본 구조를 손상시키지 않도록 하여 연소가스의 원활한 배출로 보일러의 효율이 떨어지는 것을 방지하도록 하고 공급 매니폴드로 공급되는 물이 연통의 외면에 밀착하여 연장되는 복수 개의 열교환관으로 분기되어 전체적으로 일정한 유속으로 흐르도록 하여 연통과 열교환이 이루어지도록 하여 에어의 발생을 줄이고 충분한 양의 온수를 생산하도록 하여 보일러의 열효율을 극대화하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환부를 나타낸 부분확대도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환부를 나타낸 사시도
도 4는 본 발명의 제1 확대 실시 예에 따른 열교환부를 나타낸 사시도
도 5는 본 발명의 제1 확대 실시 예에 따른 공급 및 배출 매니폴드의 작동을 나타낸 개념도
도 6은 본 발명의 제2 확대 실시 예에 따른 제1 열전달부재를 나타낸 사시도
도 7은 본 발명의 제3 확대 실시 예에 따른 제2 열전달부재를 나타낸 사시도

이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환부를 나타낸 부분확대도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환부를 나타낸 사시도로서, 보일러(1)의 측면에 체결되어 수평으로 연통되는 수평부(21)와 수직부(22)와 연소가스가 배출되는 방향으로 5~7°의 각도로 상향 경사지게 연장되는 경사부(23)가 순차적으로 연결되며 외주면을 감싸는 보온재(24) 및 상기 수평부(21)와 수직부(22)가 연결되는 하단에 연소가스가 냉각되면서 발생하는 결로수를 배출하는 U트랩(25)을 구비하는 연통(2)과, 상기 연통(2)의 수직부(22)와 경사부(23)를 감싸며 연통(2)과 열교환이 이루어지도록 하는 열교환부(3)와, 상기 열교환부(3)의 하부로 펌프(41)에 의하여 물을 공급하는 공급배관(42)이 하부에 연결되고 상기 열교환부(3)의 상부에서 열교환된 온수가 배출되는 온수배관(43)이 상부에 연결되는 온수탱크(4)를 포함하여 구성되는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치의 개념은 이미 공지된 기술이다.

하지만 전술한 바와 같이 연통(2)의 외주면을 따라 나선형으로 감는 형상의 경우 온수 생산량이 적어 폐열 회수율이 떨어지며, 연통(2)이 삽입되고 그 사이 공간에서 온수가 생성되는 방식은 에어의 발생이 많고 연통(2)의 수밀성이 요구되는 문제점을 가지고 있었다.

이에 본원은 상기 열교환부(3)는 공급배관(42)이 연결되고 내주면이 상기 연통(2)의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 공급 매니폴드(31)와, 온수배관(43)이 연결되고 내주면이 상기 연통(2)의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 배출 매니폴드(32)와, 양측 끝단이 상기 공급 매니폴드(31)와 배출 매니폴드(32)와 연결되고 외면 일측이 상기 연통(2)을 따라 밀착되는 복수 개의 열교환관(33)으로 구성됨을 특징으로 하는 실시 예를 제시하였다.

즉 온수 생산량이 적은 문제점을 복수 개의 열교환관(33)이 연통(2)과 밀착하여 연장되는 구성을 제시하여 많은 양의 물이 동시에 통과하도록 하여 열교환 효율을 높이면서 많은 양의 온수를 생산할 수 있도록 하는 것이며, 열교환관(33)의 양측 끝단은 각각 공급 매니폴드(31)와 배출 매니폴드(32)에 의하여 공급배관(42)과 온수배관(43)이 연결되도록 하였다.

이때 상기 공급배관(42)이 공급 매니폴드(31)에 장착된 위치에 따라 각각의 열교환관(33)의 유속은 차이가 발생할 수 있으나 정체되지 않고 지속적으로 흐르도록 하여 부분적으로 심한 가열로 인하여 에어 즉 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있는 형상을 가지는 것이다.

또한 본원의 열교환관(33)은 연통(2)에 밀착되어 연장되도록 하는 것으로 설치작업에서 간단히 철사나 기타 밴딩할 수 있는 수단으로 감아 간단하게 고정 및 밀착된다.

또한, 기존의 연통(2)에 본원의 열교환부(3)를 장착하고 공급배관(42)과 온수배관(43)을 연결한 후 보온재(24)를 감아 마무리하는 작업은 비교적 난이도가 높지 않은 것으로 용량이 큰 곳에 설치되는 스팀보일러에 적용할 경우 연료비를 줄이고 초기 설정온도에 도달하는 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 제1 확대 실시 예에 따른 열교환부를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1 확대 실시 예에 따른 공급 및 배출 매니폴드의 작동을 나타낸 개념도로서, 상기 공급 매니폴드(31)와 배출 매니폴드(32)는 반원형 링의 형성을 가진 두 개의 제1 및 제2 공급 매니폴드(31a, 31b)와 제1 및 제2 배출 매니폴드(32a, 32b)의 결합으로 이루어지며;

상기 공급배관(42)은 각각 제1 및 제2 펌프(41a, 41b)를 구비하고 제1 및 제2 공급 매니폴드(31a, 31b)와 연결되는 제1 및 제2 공급배관(42a, 42b)으로 구성되고, 상기 온수배관(43)은 각각 제1 및 제2 배출 매니폴드(32a, 32b)와 연결되는 제1 및 제2 온수배관(43a, 43b)으로 구성됨을 특징으로 하는 실시 예를 나타내었다.

상기 실시 예는 하나의 공급배관에서 물이 공급될 경우 복수 개의 열교환관(33)으로 분기되어 흐를 때 공급배관과 가까운 부분과 멀리 떨어진 부분의 유속이 상이하게 나타나는 경우가 발생하게 되며 이때 유속이 느린 곳에서는 가열로 인하여 에어가 발생할 가능성이 높아지게 되며 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이다.

즉 제1 및 제2 공급 매니폴드(31a, 31b)는 각각 제1 및 제2 공급배관(42a, 42b)으로 부터 독립적으로 물이 공급되도록 하여 열교환관(33)에서 발생할 수 있는 유속의 차이를 줄여 부분적으로 정체되어 에어가 발생하는 것을 줄일 수 있는 것이다.

이때 도 5에 도시된 것과 같이 제1 및 제2 공급 매니폴드(31a, 31b)와 제1 및 제2 배출 매니폴드(32a, 32b)는 상하로 배치되는 것이 아니라 좌우로 배치되도록 하여 서로 동일한 조건에서 물이 이동하면서 열교환이 이루어지도록 하였다.

도 6은 본 발명의 제2 확대 실시 예에 따른 열전달부재를 나타낸 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제3 확대 실시 예에 따른 열전달부재를 나타낸 사시도로서, 상기 열교환부(3)에는 원통형으로 상기 연통(2)을 감싸고 내주면에는 상기 열교환관(33)이 삽입 안착되는 삽입홈(34)이 방사형으로 일정간격 형성되어 길이 방향으로 길게 연장되는 하나 이상의 열전달부재(35)를 구비함을 특징으로 하는 실시 예와;

상기 열교환부(3)에는 원통형으로 상기 연통(2)을 감싸고 외주면에는 상기 열교환관(33)이 삽입 안착되는 반원형 단면의 삽입홈(34)이 방사형으로 일정간격 형성되어 길이 방향으로 길게 연장되는 하나 이상의 열전달부재(35)를 구비함을 특징으로 하는 실시 예를 도시하였다.

열전달은 직접적인 접촉에 의하여 이루어지는 것이 가장 효율적이며 접촉면적이 넓을수록 열전달이 원활하게 이루어지는 특징을 가지고 있는 것으로, 본원에서 연통(2)과 열교환관(33)은 각각 원형 단면을 가진 것으로 동일한 방향으로 밀착하여 연장되더라도 선접촉이 이루어지게 된다.

물론 연통(2)의 열에 의하여 주변 공기가 가열되어 열교환관(33)으로 열이 전달되는 부분이 있으나 직접적인 접촉에는 미치지 못하므로 본원은 연통(2)과 열교환관(33)을 연결하는 열전달부재(35)에 의하여 직접적인 접촉면적을 늘여 보다 효율적인 열교환이 이루어질 수 있도록 하였다.

1 : 보일러
2 : 연통
21 : 수평부 22 : 수직부
23 : 경사부 24 : 보온재
25 : U트랩
3 : 열교환부
31 : 공급 매니폴드 31a : 제1 공급 매니폴드
31b : 제2 공급 매니폴드 32 : 배출 매니폴드
32a : 제1 배출 매니폴드 32b : 제2 배출 매니폴드
33 : 열교환관 34 : 삽입홈
35 : 열전달부재
4 : 온수탱크
41 : 펌프 41a : 제1 펌프
41b : 제2 펌프 42 : 공급배관
42a : 제1 공급배관 42b : 제2 공급배관
43 : 온수배관 43a : 제1 온수배관
43b : 제2 온수배관

Claims (4)

1. 보일러(1)의 측면에 체결되어 수평으로 연통되는 수평부(21)와 수직부(22)와 연소가스가 배출되는 방향으로 5~7°의 각도로 상향 경사지게 연장되는 경사부(23)가 순차적으로 연결되며 외주면을 감싸는 보온재(24) 및 상기 수평부(21)와 수직부(22)가 연결되는 하단에 연소가스가 냉각되면서 발생하는 결로수를 배출하는 U트랩(25)을 구비하는 연통(2)과, 상기 연통(2)의 수직부(22)와 경사부(23)를 감싸며 연통(2)과 열교환이 이루어지도록 하는 열교환부(3)와, 상기 열교환부(3)의 하부로 펌프(41)에 의하여 물을 공급하는 공급배관(42)이 하부에 연결되고 상기 열교환부(3)의 상부에서 열교환된 온수가 배출되는 온수배관(43)이 상부에 연결되는 온수탱크(4)를 포함하여 구성되는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치에 있어서;
   상기 열교환부(3)는 공급배관(42)이 연결되고 내주면이 상기 연통(2)의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 공급 매니폴드(31)와, 온수배관(43)이 연결되고 내주면이 상기 연통(2)의 외주면에 밀착되며 내부에 공간이 형성되어 있는 링 형상의 배출 매니폴드(32)와, 양측 끝단이 상기 공급 매니폴드(31)와 배출 매니폴드(32)와 연결되고 외면 일측이 상기 연통(2)을 따라 밀착되는 복수 개의 열교환관(33)과, 원통형으로 형성되어 상기 연통(2)을 감싸고 상기 열교환관(33)이 삽입 안착되는 삽입홈(34)이 방사형으로 일정간격 형성되어 길이 방향으로 길게 연장되는 하나 이상의 열전달부재(35)로 구성되고;
   상기 공급 매니폴드(31)와 배출 매니폴드(32)는 반원형 링의 형성을 가진 두 개의 제1 및 제2 공급 매니폴드(31a, 31b)와 제1 및 제2 배출 매니폴드(32a, 32b)의 결합으로 이루어지며;
   상기 공급배관(42)은 각각 제1 및 제2 펌프(41a, 41b)를 구비하고 제1 및 제2 공급 매니폴드(31a, 31b)와 연결되는 제1 및 제2 공급배관(42a, 42b)으로 구성되고, 상기 온수배관(43)은 각각 제1 및 제2 배출 매니폴드(32a, 32b)와 연결되는 제1 및 제2 온수배관(43a, 43b)으로 구성됨을 특징으로 하는 연통의 폐열을 회수하기 위한 열교환장치.
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