KR101972854B1

KR101972854B1 - 관류 보일러

Info

Publication number: KR101972854B1
Application number: KR1020180136559A
Authority: KR
Inventors: 황승하
Original assignee: 황승하
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-09-02

Abstract

본 발명은 보일러용 열교환기 및 그것이 적용된 관류 보일러에 관한 것이다. 이 열교환기는 양측에는 각 제1 및 제2 관통공이 형성되며 별도의 순환관을 통하여 상기 보일러의 고온·고압 공급실과 연결되도록 설계된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 열교환실 및 압력실을 소통 가능하게 형성하는 격벽을 포함하며, 제1 관통공으로는 급수관이 삽입되고 그 단부가 상기 격벽의 중앙 부분에 고정되어 상기 열교환실을 지나 압력실과 연통하며, 제2 관통공으로는 상기 압력실과 연통하는 공급관이 고정되어 상기 수실로 연결되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 보일러 수(水)의 가열속도 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

관류 보일러 {Once-through boiler}

본 발명은 보일러용 관류 보일러에 관한 것으로 특히, 에너지 효율이 우수하도록 설계된 관류 보일러에 관한 것이다.

보일러는 수실 내부에 공급된 물을 가열하여 고온 고압의 증기나 온수를 발생시키는 장치를 통칭한다. 특히 관류 보일러는, 관으로 구성되어 있으며 이 관의 한쪽 끝에 열 매체로 물을 밀어 넣으면 다른 쪽 끝으로부터 증기 혹은 온수를 얻을 수 있는 수관 보일러를 말한다.

상기 관류 보일러의 대부분은 증기의 생산에 이용되며, 강제유동식 수관 보일러이면서 보일러 수의 순환은 이루어지지 않는다. 한편, 이 관류 보일러는 구조상 단관식과 다관식으로 구분되며 단관식은 일부 특수분야에서 이용될 뿐이므로 일반적으로는 다관식을 의미하는 것으로 본다. 다만, 기수분리기를 가진 보일러의 경우 분리된 포화수가 급수측으로 연결되기는 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전형적인 다관식 관류 보일러(100)는 다수의 상승식 수관(101)이 1열 또는 2열의 환상 또는 동심원상으로 배열되고 각 수관(101)의 양단이 상·하부 헤더(102,103)에 고정되어 상측 증기실(104) 및 하측 수실(水室)(105)에 연통되도록 구성된다. 또한, 버너(106)가 상부에 구비되며, 내열 수관(101a) 또는 그 내부에 설치된 열전달 촉진판(107)에 의하여 형성된 중앙 연소실(108)을 포함하여 이루어진다.

상기 구조에서, 상기 중앙 연소실(108)에서 연료가 연소되면 연소된 가스는 내·외열 수관(101a,101b) 및 그 사이를 지나면서 수축된 후 연도(배기구)(109)를 통하여 대기에 방출된다. 즉, 연소실(108)에서 연소된 고온의 연소가스는 그 화염에 의한 방사열이 수관(101) 군에 전열되면서 보일러 수와 열교환 되어 대기 중으로 방출되는 것이다.

한편, 이 연소가스의 방사열에 의하여 각 수관(101) 내에서 물이 가열되어 수증기가 발생하며 이는 증기실(104)에 수집되고 배출관(110)을 통하여 필요한 곳으로 공급된다. 이때 발생한 수증기를 기수분리기(111)로 분류하여 건조도가 높은 양질의 증기를 얻을 수 있으며, 여기에서 분리된 물은 강수관(112)에 의하여 수실(105)로 보내진다.

상기한 구조의 종래 관류 보일러(100)가 일반적으로 사용되고 있기는 하지만, 그 개선을 위한 많은 제안이 있어왔다. 예컨대 수직 수관들 사이에 특별한 전열용 부재 등을 개입시키는 구조, 전열 수관 면의 외부청소를 용이하게 하는 구조, 기수분리를 양호하게 하고 증기의 건도를 양호하게 유지할 수 있도록 하는 구조, 불순물 등을 포함한 관수의 배출을 양호하게 하는 구조 등이 그것이다.

<선행기술문헌>

등록특허공보 제10-1614363호

등록특허공보 제10-1292015호

등록특허공보 제10-1256031호

공개특허공보 제10-2010-0077386호

본 발명은 종래의 관류 보일러를 개선하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 열 에너지를 효과적으로 이용하도록 설계함으로써 열 효율을 향상시킬 수 있는 관류 보일러를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 관류 보일러는:

삭제

다수의 상승식 수관이 1열 또는 2열의 환상 또는 동심원상으로 배열되고 각 수관의 양단이 케이싱 내부의 상·하부 헤더에 고정되어 상측 공급실 및 하측 수실에 연통되도록 구성되며, 버너가 상부에 구비되고 내열 수관 또는 그 내부에 설치된 열전달 촉진판에 의하여 형성된 중앙 연소실을 포함하는 종래의 관류 보일러를 기반으로 하며,

삭제

상기 관류 보일러는:

삭제

개방된 하단이 상기 하부 헤더에 고정되어 수실에 연통하고, 상단이 폐쇄된 형태의 수직형 기포 유도관을 설치하여;

상기 유도관의 하단 부분에서 발생한 고온고압의 기포가 수실에서 이동하여 상기 수관의 하단 측으로 유도되도록 하는 것;

을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 관류 보일러는 열교환기를 포함하며,
상기 열교환기는:
상기 급수관의 길이방향으로 형성된 중공형 통으로서 양측에는 각 제1 및 제2 관통공이 형성되며, 별도의 순환관을 통하여 상기 보일러의 고온·고압 공급실과 연결되도록 설계된 하우징;
상기 하우징의 내부에 형성되어 그 내부공간을, 열교환실 및 압력실을 포함한 2 이상의 격실로 구성하는 판 형태의 수단으로서, 인접한 양 격실을 소통시킬 수 있는 복수의 세공이 형성된 격벽;
을 포함하며,
상기 제1 관통공으로는 상기 급수관이 삽입되고 그 단부가 상기 격벽의 중앙 부분에 고정되어, 상기 열교환실을 지나 압력실과 연통하며;
상기 제2 관통공으로는 상기 압력실과 연통하는 공급관이 고정되어 상기 수실로 연결되는 것;
을 특징으로 한다.

상기 열교환실은 압력실에 비하여 길이가 길게 형성된다.

바람직하게, 상기 유도관의 상단 부분은 상기 상부 헤더에 고정된다.

또한, 상기 관류 보일러는:

상기 수실을 포함하는 하부 헤더를 상기 케이싱의 측벽 및 저면과 이격되도록 함으로써, 상기 하부 헤더와 케이싱 사이에 연소가스 이동을 위한 'U'형 통로를 형성하고;

상기 중앙 연소실이 상기 통로에 연통하도록 설계되는 것;

을 특징으로 하며,

이때 상기 통로는 케이싱의 상·하부 헤더 사이에 형성된 연소가스 배기용 연도와 연결된다.

본 발명의 관류 보일러는 통상의 가열 수관 이외에, 상기 수관에 열에너지를 공급하여 열전달 특성을 증폭시킬 수 있는 폐쇄형 기포 유도관을 포함함으로써 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 효과가 있다. 한편, 상기 관류 보일러가 상기 통로를 구비하는 경우, 연소열은 상기 중앙 연소실의 중심에서 수관 및 유도관을 가열하는 동시에 수관 및 유도관 주변을 회전하면서 수관 및 유도관을 가열하게 되므로, 동일한 연소조건에서 열효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 열교환기에 의하면, 보일러에서 발생한 고온·고압의 증기나 온수의 일부가 급수관을 지나는 물과 열 교환하면서 다시 수실로 보내지도록 되어 있다. 이에 일정 이상의 온도로 예열된 물이 보일러의 수실에 공급됨으로써 가열속도 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

삭제

도 1은 종래 관류 보일러의 개략도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 관류 보일러의 단면도.
도 4는 도 2에 적용된 열교환기의 단면도.
도 5는 도 3의 B-B선 단면도.
도 6은 도 3의 작용을 설명하기 위한 도면

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 '보일러용 열교환기'(이하 '열교환기') 및 '관류 보일러'(이하 '보일러')의 특징과 작용효과들은, 이하에서 첨부 도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 3 이하의 도면에서, 본 발명에 따른 열교환기가 부호 30으로, 보일러가 부호 10으로 표시되어 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 열교환기(30)는 급수관(37)으로부터 수실(水室)(16) 내부에 공급된 물을 가열하여 증기나 온수를 발생 및 공급하는 보일러(10) 장치에 적용되는 것이다. 여기에서 상기 보일러(10)는 관류 보일러를 예시하지만, 본 발명의 열교환기(30)는 적용되는 보일러가 공급된 물을 가열하여 증기나 온수를 발생 및 공급하는 것인 한 그 유형에 국한되지 않는다.

본 발명의 상기 열교환기(30)는 통형 하우징(31)과 그 하우징(31) 내부에 형성된 격벽(35)을 포함하여 이루어진다.

구체적으로, 상기 하우징(31)은 상기 급수관(37)의 길이방향으로 형성된 중공형 통으로서 양측에는 각 제1 및 제2 관통공(32,33)이 형성되며, 별도의 순환관(34)을 통하여 상기 보일러(10)의 고온·고압 공급실(15)과 연결되도록 설계되어 있다. 또한, 상기 격벽(35)은 하우징(31)의 내부에 형성되어 그 내부공간을, 열교환실(S1) 및 압력실(S2)을 포함한 2 이상의 격실로 구성하는 판 형태의 수단으로서, 인접한 양 격실(S1,S2)을 소통시킬 수 있는 복수의 세공(36)이 형성된 것이다.

당연하게 상기 순환관(34)은 하우징(31)의 열교환실(S1) 부분에 연결되며, 도시된 바와 같이 상기 열교환실(S1)은 압력실(S2)에 비하여 길이가 길게 형성된다. 이는 상기 열교환실(S1)에서의 충분한 열교환 및 상기 압력실(S2)에서의 충분한 압력강하가 이루어질 수 있도록 한 설계이다. 보다 충분한 열교환을 위하여, 예컨대 상기 압력실(S2)은 복수의 격벽(35)에 의하여 복수로 구성될 수도 있을 것이다. 도면부호 39는 상기 순환관(34)을 개폐하는 전자밸브이다.

이 열교환기(30) 구조에서, 상기 제1 관통공(32)으로는 급수관(37)이 삽입되고 그 단부가 상기 격벽(35)의 중앙 부분에 고정되어, 상기 열교환실(S1)을 지나 압력실(S2)과 연통하며, 제2 관통공(33)으로는 압력실(S2)과 연통하여 보일러(10) 수실(16)로 연결되는 물 공급관(38)이 고정되는 것이다.

이상의 구조에서, 급수펌프가 동작하면 급수관(37)으로 급수가 이루어지며, 열교환기(30)의 압력실(S2) 및 공급관(38)을 통하여 보일러 수실(16)로 공급된다. 이 과정에서 상기 압력실(S2)에는 빠른 속도로 유입되고 배출되는 공급수에 의하여 압력강하가 발생하게 된다. 동시에, 상기 전자밸브(39)가 개방되면서 보일러(10) 공급실(15)에 생성된 고온·고압의 포화수가 상기 순환관(34)을 통하여 열교환기(30)의 내부로 공급된다.

이때 상기 포화수는 상기 열교환실(S1)에 내장 배치된 급수관(37)과 충분한 열교환을 수행한 후, 상기 격벽(35)의 세공(36)을 통하여 압력강하가 이루어진 압력실(S2)로 유입되면서, 상기 급수된 물과 함께 공급관(38)을 통하여 보일러 수실(16)로 공급된다. 이와 같이 상기 열교환기(30)를 통한 물은 초기 약 20℃에서 열교환을 통해 예열되어 130-140℃의 상태로 공급될 수 있다. 따라서 보일러(10)에서 물을 가열하는데 필요한 시간이나 에너지를 절약할 수가 있는 것이다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 보일러(10)는, 다수의 상승식 수관(12)이 1열 또는 2열의 환상 또는 동심원상으로 배열되고 각 수관(12)의 양단이 케이싱(11) 내부의 상·하부 헤더(13,14)에 고정되어 상측 공급실(15) 및 하측 수실(16)에 연통되도록 구성되며, 버너(17)가 상부에 구비되고 내열 수관(12a) 또는 그 내부에 설치된 열전달 촉진판(18)에 의하여 형성된 중앙 연소실(19)을 포함하는 관류 보일러를 기반으로 한다.

그리고 상기 열교환기(30)가 공급실(15) 및 하측 수실(16)에 유기적으로 설치되는 것이다. 다만, 이 열교환기(30)에 대하여는 위에 상세히 설명하였으므로 이하에서 중복하여 설명하지 않기로 한다.

이 구조에서, 상기 중앙 연소실(19)에서 연료가 연소되면 연소된 가스는 내·외열 수관(12a,12b) 및 그 사이를 지나면서 수축된 후 상기 케이싱(11)의 측벽 연도(20)를 통하여 대기에 방출된다. 즉, 중앙 연소실(19)에서 연소된 고온의 연소가스는 그 화염에 의한 방사열이 수관(5)에 전열되면서 보일러 수와 열교환 되면서 대기 중으로 방출되는 것이다.

한편, 이 연소가스의 방사열에 의하여 수실(16) 및 각 수관(12) 내에서 물이 가열되어 액체-기포-핵비등(증발)에 의한 증기가 발생하며 이는 공급실(15)에 수집되고 배출관을 통하여 필요한 곳으로 제공된다. 잘 알려진 바와 같이, 이때 발생한 수증기를 기수분리기로 분류하여 건조도가 높은 양질의 증기를 얻을 수 있으며, 설계에 따라서는 여기에서 분리된 물을 급수 입구측으로 되돌릴 수도 있다.

이상 기재된 보일러(10)의 구성과 작용은 통상의 관류 보일러와 다르지 않으며, 본 발명에서 특별한 것은 아니다.

본 발명의 보일러(10)는, 특징적으로, 다수의 기포 유도관(22)을 포함하는 것이다. 상기 유도관(22)은 개방된 하단이 하부 헤더(14)에 고정되어 수실(16)에 연통하고, 상단은 폐쇄된 형태의 수직형 관이다. 구체적으로 상기 유도관(22)은 외열 수관(12b)의 외측에 일정 간격으로 설치되며, 상단 부분은 상부 헤더(13)에 안정적으로 고정된다.

상기 유도관(22)의 상단은 엔드-캡(22a)에 의하여 폐쇄되도록 함으로써, 필요에 따라서 상기 유도관(22)이 수관(12)으로 전용될 수 있다.

도 6을 참조하면, 연소가스의 방사열에 의하여 수실(16), 유도관(22) 및 각 수관(12) 내에서 물이 가열되어 액체-기포-핵비등(증발)에 의한 증기가 발생하는데, 이는 액체로부터 발생한 증기포의 발생 및 존재함을 전제로 하여 각 수관(12)을 통하여 상측으로 열전달이 발생하면서 증기실(15)에 증기를 공급하게 되는 것이다. 그러나 상기 유도관(22)은 수관(12)과는 달리 상단이 폐쇄된 관이다.

따라서 상기 유도관(22) 측에서 핵비등으로 발전하지 못하고 존재하는 기포는 열 에너지를 포함하여 유도관(22)의 내부 공기압의 저항에 의하여 상승하지 못하고 반대로 수실(16) 내에서 핵비등 가능한 위치로 이동하게 되며, 그러면 자연스럽게 상기 수관(12) 측으로 에너지 이동하게 된다. 즉, 상기 유도관(22)의 하단 부분에서 발생 및 존재하는 고온·고압의 기포가 수실(16)에서 대류 및 이동하여 상기 수관(12)의 하단 측으로 유도됨으로써, 상기 수관(12) 측으로 핵비등 현상에 의한 열전달이 더욱 활발해지는 것이다.

이와 같이 본 발명의 보일러(10)는 상기 유도관(22)을 적정 설계함으로써 열 에너지를 효과적으로 이용하고 있으며, 따라서 종래의 보일러와 동일한 연소조건에서 가열속도 및 열전달 및 효율을 특별히 향상시킬 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 바람직하게 상기 보일러(10)는 케이싱(11) 하부에 형성된 'U'형 통로(23)를 포함한다. 즉, 상기 수실(16)을 포함하는 하부 헤더(14)를 상기 케이싱(11)의 측벽 및 저면과 이격되도록 함으로써, 상기 하부 헤더(14)와 케이싱(11) 사이에 연소가스 이동을 위한 'U'형 통로(23)를 형성하는 것이다. 그리고 상기 중앙 연소실(19)이 하단부에서 상기 통로(23)에 연통하도록 설계되는 것이다.

이 구조에서, 상기 중앙 연소실(19)에서의 연소가스 방사열은 중앙 연소실(19)의 중심에서 수관(12) 및 유도관(22)을 직접 가열(화살표 ① 참조)하는 동시에 유도관(22) 및 수관(12) 주변을 회전하면서 유도관(22) 및 수관(12)을 가열(화살표 ② 참조)하게 된다. 따라서 동일한 연소조건에서 가열속도 및 열효율을 특별히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 당연하게, 상기 통로(26)은 케이싱(11)의 상·하부 헤더(13,14) 사이의 측벽에 형성된 연도(20)와 연결되어 있다.

10. 관류 보일러 11. 케이싱
12. 수관 12a. 내열 수관
12b. 외열 수관 13. 상부 헤더
14. 하부 헤더 15. 공급실
16. 수실 17. 버너
18. 열전달 촉진판
19. 중앙 연소실
20. 연도 21. 배출관
22. 유도관 23. 통로
30. 열교환기 31. 하우징
32. 제1 관통공 33. 제2 관통공
34. 순환관 35. 격벽
36. 세공 37. 급수관
38. 공급관
S1. 열교환실
S2. 압력실

Claims

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다수의 상승식 수관(12)이 1열 또는 2열의 환상 또는 동심원상으로 배열되고 각 수관(12)의 양단이 케이싱(11) 내부의 상·하부 헤더(13,14)에 고정되어 상측 공급실(15) 및 하측 수실(16)에 연통되도록 구성되며, 버너(17)가 상부에 구비되고 내열 수관(12a) 또는 그 내부에 설치된 열전달 촉진판(18)에 의하여 형성된 중앙 연소실(19)을 포함하는 보일러에 있어서,
개방된 하단이 상기 하부 헤더(14)에 고정되어 수실(16)에 연통하고, 상단이 폐쇄된 형태의 수직형 기포 유도관(22)을 다수 설치하여;
상기 유도관(22)의 하단 부분에서 발생한 고온고압의 기포가 수실(16)에서 이동하여 상기 수관(12)의 하단 측으로 유도되도록 하는 것;
을 특징으로 하는 관류 보일러.
제4항에 있어서,
상기 관류 보일러는 보일러용 열교환기를 구비하며;
상기 열교환기는:
급수관(37)의 길이방향으로 형성된 중공형 통으로서 양측에는 각 제1 및 제2 관통공(32,33)이 형성되며, 별도의 순환관(34)을 통하여 상기 보일러의 고온·고압 공급실(15)과 연결되도록 설계된 하우징(31);
상기 하우징(31)의 내부에 형성되어 그 내부공간을, 열교환실(S1) 및 압력실(32)을 포함한 2 이상의 격실로 구성하는 판 형태의 수단으로서, 인접한 양 격실을 소통시킬 수 있는 복수의 세공(36)이 형성된 격벽(35);
을 포함하며,
상기 제1 관통공(32)으로는 상기 급수관(37)이 삽입되고 단부가 격벽(35)의 중앙 부분에 고정되어, 상기 열교환실(S1)을 지나 압력실(S2)과 연통하며;
상기 제2 관통공(33)으로는 상기 압력실(S2)과 연통하는 공급관(38)이 고정되어 상기 수실(16)로 연결되는 것;
을 특징으로 하는 관류 보일러.
제4항에 있어서,
상기 유도관(22)의 상단 부분은 상기 상부 헤더(13)에 고정되는 것을 특징으로 하는 관류 보일러.
제4항 또는 제6항에 있어서,
상기 유도관(22)의 상단은 엔드-캡(22a)에 의하여 폐쇄되도록 함으로써, 필요에 따라서 상기 유도관(22)이 수관(12)으로 전용될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 관류 보일러.
제4항 또는 제6항에 있어서,
상기 관류 보일러는:
상기 수실(16)을 포함하는 하부 헤더(14)를 상기 케이싱(11)의 측벽 및 저면과 이격되도록 함으로써, 상기 하부 헤더(14)와 케이싱(11) 사이에 연소가스 이동을 위한 'U'형 통로(26)를 형성하고;
상기 중앙 연소실(19)이 상기 통로(26)에 연통하도록 설계되는 것;
을 특징으로 하는 관류 보일러.
제8항에 있어서,
상기 통로(26)는 케이싱(11)의 상·하부 헤더(13,14) 사이에 형성된 연소가스 배기용 연도(20)와 연결되는 것을 특징으로 하는 관류 보일러.
제5항에 있어서,
상기 열교환실(S1)은 압력실(S2)에 비하여 길이가 길게 형성된 것을 특징으로 하는 관류 보일러.