KR102044482B1 - 진공식 스팀과 온수 복합 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공식 스팀과 온수 복합 보일러에 관한 것으로, 진공에 의한 스팀과 온수의 순환 방식을 채택하여 빠른 난방(난방과 급탕)과 균일한 난방이 가능하고 아울러 진공 펌프의 오프 시 잔여 진공압으로 인한 순환장애 및 불필요한 물보충을 유발하지 않고 정상적인 운전이 가능한 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 진공식 스팀과 온수 복합 보일러는, 열원에 의해 저장된 물로부터 온수와 스팀을 생산하는 열원 탱크(10)와; 상기 열원 탱크에 저장되는 물의 수위를 감지하는 수위 센서(20)와; 실내에 배관되며 상기 열원 탱크에서 생산되는 스팀과 온수를 함께 공급받아 난방하는 난방 배관(30)과; 상기 난방 배관을 통과한 응축수를 저장 및 상기 열원 탱크에 공급하는 응축수 탱크(40)와; 상기 응축수 탱크에 저장 중인 응축수를 상기 열원 탱크에 공급하는 순환 펌프(50)와; 상기 응축수 탱크에 연결되며 상기 열원 탱크에서부터 난방 배관을 경유하고 상기 응축수 탱크에 걸쳐 진공을 조성하여 스팀과 온수를 순환시키는 진공 펌프(60)와; 상기 진공 펌프에 의한 진공을 풀어주는 진공해제수단(70)과; 상기 수위 센서의 감지 값을 근거로 하여 순환 펌프를 제어하여 상기 열원 탱크에 일정량의 물이 저장되도록 하는 한편, 진공 펌프의 오프 시 상기 진공해제수단을 제어하여 잔여 진공압에 의한 물 보충이 이루어지지 않도록 하는 컨트롤러(80)를 포함한다.

Description

진공식 스팀과 온수 복합 보일러{VACUUM TYPE MIXED BOLIER USING STEAM AND HOT WATER}

본 발명은 스팀과 온수 복합 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스팀과 함께 온수를 동시에 난방 배관에 공급하여 열원 탱크의 먼 곳에서도 적정 온도를 유지하여 난방 효율을 향상하고 진공 펌프와 순환 펌프를 이용하여 스팀과 온수를 순환시켜 대형 시설에서도 효율적인 난방이 가능하며 난방 가동 중에 진공 펌프의 오프 시 잦은 수위 레벨 에러로 인한 순환장애를 유발하지 않는 진공식 스팀과 온수 복합 보일러에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

통상적으로 내부를 진공상태로 유지시켜 작동되는 진공온수보일러는 설비비가 적게 들고 안전할 뿐 아니라 운전효율이 높고 에너지 절감에 유리하다. 그리고 기존 보일러에 비해 끓는점이 낮고 부식이 적어 3배 이상 수명이 길다. 다만 장시간 난방 중에 진공이 깨지는 현상이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

본 발명의 배경기술을 확인할 수 있는 특허문헌으로 등록특허 제10-1106106호는 본체와 난방기에 연결되고, 진공펌프의 진공압으로 작동되는 보일러로서, 상기 본체와 난방기에 열매체 순환 경로를 형성하도록 연결되고, 내부의 온도, 압력, 수위 감지용 센서를 지니는 응축기; 상기 응축기와 진공펌프 사이에 전열기를 개재하여 연결되고, 내부의 냉각수 온도와 수위 감지용 센서를 지니는 냉각기; 및 상기 냉각기의 냉각수를 순환하며 방열하도록 설치되는 방열수단으로 구성되는 것이다.

온수 보일러는 난방을 위한 온수로 가열하는데 오랜 시간이 소요되기 때문에 보일러의 효율성과 신뢰성이 낮으며, 이에 반해 스팀 보일러는 빠른 시간 내에 난방이 가능한 이점이 있지만 스팀의 특성 상 외부 온도에 의한 상변화가 쉬어 보일러 본체의 출구쪽 온도는 난방을 위한 충분한 온도이지만 출구로부터 멀어지면서 응축되어 온도가 낮아지게 되면서 난방 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 펌프에 습기가 침투하게 되어 펌프의 잦은 수리와 교체가 발생하여 많은 유지비용을 낭비하는 문제점도 있다.

공개특허 제10-2016-0133219호는 본 발명의 출원인에 의해 출원된 것으로, 스팀과 온수를 함께 이용하는 방식으로 온수 보일러에 비해 빠른 난방(급탕 포함)이 가능 함과 아울러 보일러의 출구로부터 먼 곳에서도 적정 온도를 유지할 수 있지만, 순환펌프만을 이용한 순환 방식이기 때문에 순환 장애를 일으키는 단점이 있고, 특히 대형의 경우 순환 장애가 큰 단점이 있다.

공개특허 제10-2016-0133219호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진공 펌프와 순환 펌프에 의한 스팀과 온수의 순환 방식을 채택하여 빠른 난방(난방과 급탕)과 균일한 난방이 가능하고 아울러 진공 펌프의 오프 시 잔여 진공압으로 인한 잦은(빈번한) 저수위 레벨 에러로 인한 순환장애 및 불필요한 물보충을 유발하지 않는 진공식 스팀과 온수 복합 보일러를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 진공식 스팀과 온수 복합 보일러는, 열원에 의해 저장된 물로부터 온수와 스팀을 생산하는 열원 탱크와; 상기 열원 탱크에 저장되는 물의 수위를 감지하는 수위 센서와; 실내에 배관되며 상기 열원 탱크에서 생산되는 스팀과 온수를 함께 공급받아 난방하는 난방 배관과; 상기 난방 배관을 통과한 응축수를 저장 및 상기 열원 탱크에 공급하는 응축수 탱크와; 상기 응축수 탱크에 저장 중인 응축수를 상기 열원 탱크에 공급하는 순환 펌프와; 상기 응축수 탱크에 연결되며 상기 열원 탱크에서부터 난방 배관을 경유하고 상기 응축수 탱크에 걸쳐 진공을 조성하여 스팀과 온수를 순환시키는 진공 펌프와; 상기 진공 펌프에 의한 진공을 풀어주는 진공해제수단과; 상기 수위 센서의 감지 값을 근거로 하여 순환 펌프를 제어하여 상기 열원 탱크에 일정량의 물이 저장되도록 하는 한편, 진공 펌프의 오프 시 상기 진공해제수단을 제어하여 잔여 진공압에 의한 물 보충이 이루어지지 않도록 하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 진공식 스팀과 온수 복합 보일러에 의하면, 스팀을 이용하여 빠른 시간 내에 적정 온도의 난방이 가능하고 온수 특성을 이용하여 난방 배관을 균일한 온도로 유지함으로써 보일러의 신뢰성을 향상하고, 진공식으로 스팀과 온수를 동시에 순환시켜 소형과 대형 시설 모두 효율적인 난방이 가능하면서도 진공 펌프의 오프 시 저수위 레벨 에러(물부족)의 불량현상도 해결하여 신뢰성을 더욱 향상하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 진공식 스팀과 온수 복합 보일러의 계통도.
도 2는 본 발명에 의한 진공식 스팀과 온수 복합 보일러의 다른 구성을 보인 계통도.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 진공식 스팀과 온수 복합 보일러는, 난방을 위한 스팀과 온수를 생산하는 열원 탱크(10), 열원 탱크(10)에 저장되는 물의 수위를 감지하는 수위 센서(20), 열원 탱크(10)에서 생산된 스팀과 온수를 공급받아 실내(하우스, 건조실, 주거 공간 등)를 난방하는 난방 배관(30), 난방 배관(40)을 통과한 응축수를 저장 및 열원 탱크(10)에 공급하는 응축수 탱크(40), 응축수 탱크(40)에 저장 중인 응축수를 열원 탱크(10)에 공급하는 순환 펌프(50), 진공을 통해 스팀과 온수를 순환시키는 진공 펌프(60), 스팀과 온수의 순환 경로를 진공 상태를 풀어주는 진공해제수단(70), 순환 펌프(50)와 진공 펌프(60) 및 진공해제수단(70)을 제어하는 컨트롤러(80)를 포함하고, 열원 탱크(10) 내부의 스팀과 온수를 난방 배관(30)에 함께 공급하여 실내를 난방하며 진공 펌프(60)의 오프 시 스팀과 온수의 순환 경로에 잔여 진공압에 의해 열원 탱크(10) 안의 온수가 열원 탱크(10)에서 난방 배관(30)으로 배출되는 것을 막아 물 보충으로 인한 보일러의 오동작과 고장을 막는데 특징이 있다.

열원 탱크(10)는 내부에 물이 저장되는 공간을 갖는 구조이며, 응축수 탱크(40)에 저장되는 응축수(또는 별도의 물보충수단에 의해 급수되는 물)를 공급받아 일정양의 물을 유지한다.

열원 탱크(10)는 물을 스팀으로 상변화시키기 위한 열원을 포함한다. 상기 열원은 전기 히터, 기름 버너, 가스 버너 등이 사용 가능하다.

열원 탱크(10)는 난방 배관(30), 응축수 공급관(51)이 각각 연결되는 포트가 구성된다. 또한, 열원 탱크(10)는 내부의 물을 배출하는 드레인부가 구성될 수 있다.

열원 탱크(10) 안에 있는 온수와 스팀을 함께 난방 배관(30)에 공급하는 것이며, 스팀은 열원 탱크(10)의 천정부에 있으므로 난방 배관(30)과 연결되는 토출 포트는 열원 탱크(10)의 천정부에 가깝게 배치된다.

상기 토출 포트는 스팀과 온수가 함께 토출되어야 하므로 열원 탱크(10)의 수위에 따라 위치가 결정될 수 있다.

열원 탱크(10)는 물의 온도를 측정하는 온도계가 갖추어진다. 상기 온도계는 물의 온도를 측정하여 컨트롤러(80)에 송신하고, 컨트롤러(80)는 온도계를 통해 측정되는 온도를 근거로 하여 열원을 제어한다.

수위 센서(20)는 열원 탱크(10) 내에 저장 중인 물의 수위를 측정하여 측정 데이터를 컨트롤러(80)에 송신한다. 수위 센서(20)에 의해 측정되는 수위 데이터는 순환 펌프(50)(또는 별도의 물보충수단)의 가동 제어를 위한 데이터이다.

수위 센서(20)는 만수위 센서로서 열원 탱크(10) 안에 항상 일정량의 물이 유지되도록 사용되면서 물이 스팀과 동시에 공급되는 위치 즉 난방 배관(30)의 유입단과 동일 내지 근접한 높이에 배치된다.

또한, 수위 센서(20)는 상위레벨 센서와 하위레벨 센서가 함께 적용되는 것도 가능하다.

난방 배관(30)은 유입단을 열원 탱크(10)에 토출단을 응축수 탱크(40)에 연결하고 실내의 난방을 위한 다양한 형태로 배관되어 스팀과 온수를 순환시킴으로써 실내를 난방한다.

응축수 탱크(40)는 난방 배관(30)을 순환하면서 스팀에서 응축수로 상변화된 응축수를 저장[상변화지 않은 스팀도 포함될 수 있음]하고 열원 탱크(10)에 응축수를 공급한다.

응축수 탱크(40)는 난방 배관(30)을 통해 회수되는 응축수를 안정화(스팀의 상변화)하고 열원 탱크(10)에 물을 보충하는 이점이 있으며, 그러나, 필수적으로 적용되는 것은 아니다. 단, 응축수 탱크(40)가 적용되지 않는 경우 열원 탱크(10)에 물을 공급하기 위한 물 보충수단이 적용되어야 한다.

상기 물보충수단은 물탱크 또는 상수원의 급수원, 상기 급수원과 열원 탱크(10)를 연결하는 급수관, 컨트롤러(80)의 제어를 통해 상기 급수관의 개도를 조절 또는 개폐하는 급수밸브로 구성된다.

응축수 탱크(40)는 만수위는 진공 펌프(60)의 고장 등을 유발하며, 이를 해결하기 위하여 응축수 탱크(40) 내부에 저장되는 응축수의 수위를 감지하는 응축수 수위 센서(41)가 갖추어진다.

응축수 수위 센서(41)에 의한 감지 시 컨트롤러(80)는 진공 펌프(60)의 가동을 정지 제어하고 순환 펌프(50)를 가동시킨다.

응축수 수위 센서(41)는 응축수가 진공 펌프(60)로 넘어가지 않을 정도를 유지하도록 작동한다.

순환 펌프(50)는 컨트롤러(80)의 제어를 통해 응축수 탱크(40)에 저장 중인 응축수를 열원 탱크(10)에 공급하며, 예를 들어 응축수 탱크(40)와 열원 탱크(10)를 연결하는 응축수 공급관(51)에 설치된다.

순환 펌프(50)는 진공 펌프(60)와 동시에 가동하는 것, 진공 펌프(60)의 정지 제어 상태에서 가동하는 것 모두가 가능하다.

응축수 공급관(51)은 유입단을 응축수 탱크(40)의 바닥부에 배치하고 토출단을 열원 탱크(10)의 바닥부에 배치할 수 있으며, 물론, 이에 한정되지 아니하고 토출단을 열원 탱크(10)의 난방 배관(30)의 반대쪽에 난방 배관(30)측의 토출 포트와 동일한 높이로서 스팀과 온수를 함께 펌핑하는 위치에 배치하는 것도 가능하다.

또한, 열원 탱크(10) 내부의 물이 응축수 공급관(51)을 통해 역류하지 못하도록 응축수 공급관(51)에는 체크밸브(52)가 구성된다.

진공 펌프(60)는 열원 탱크(10)에서 생산되는 스팀과 온수를 난방 배관(30)에 순환시키는 것이며, 진공 방식에 의해 실내 난방 면적이 넓어 난방 배관(30)의 길이가 긴 경우에도 스팀과 온수를 원활하게 순환시킬 수 있는 이점이 있다.

진공 펌프(60)는 일측이 응축수 탱크(40)에 연결되어 응축수 탱크(40) - 난방 배관(30) - 열원 탱크(10)를 경로로 하여 진공을 조성한다.

열원 탱크(10)는 진공 펌프(60)에 의한 진공이 가능하도록 외부의 공기가 유입되는 외기 유입부(11)가 구성된다. 외기 유입부(11)는 스팀이 생성되는 공간에 배치되는 것이 바람직하다.

진공해제수단(70)은 응축수 탱크(40) 안에 외부의 공기를 유입하는 공기 유입관(71), 컨트롤러(80)의 제어를 통해 공기 유입관(71)을 개폐하는 밸브(72)(솔레노이드 밸브 등)로 구성되며, 보일러 가동 시에는 스팀과 온수의 순환 경로를 진공으로 유지하기 위하여 밸브(72)의 폐쇄를 통해 외부의 공기를 유입하지 아니하고 진공 펌프(60)의 오프 시에는 밸브(72)의 개방을 통해 외부의 공기를 유입한다.

밸브(72)의 개방과 폐쇄는 컨트롤러(80)의 제어를 통해 이루어지며, 개방에서 폐쇄의 전환은 예를 들어 30초에서 1분일 수 있다.

컨트롤러(80)는 수위 센서(20)가 감지한 수위 데이터를 근거로 하여 순환 펌프(50)의 가동을 제어하여 열원 탱크(10)에 응축수 탱크(40)에 저장된 응축수를 공급하여 열원 탱크(10) 안에 항상 일정량의 물이 유지되도록 제어하고, 진공 펌프(60)의 오프 시(오프는 사용자의 조작에 의한 오프, 알고리즘에 의한 오프 등을 말함) 오프 동작임에도 불구하고 난방 배관(30)의 잔여 진공압에 의해 열원 탱크(10) 안의 물이 난방 배관(30)으로 토출되어 열원 탱크(10) 안에 보충수 공급되는 현상이 발생되지 않도록 한다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 진공 펌프(60)를 사용하기 때문에 열원 탱크(10) - 난방 배관(30) - 응축수 탱크(40) - 진공 펌프(60)의 순환 경로에는 진공이 조성된다.

따라서, 진공 펌프(60)의 오프 시 순환 경로는 잔여 진공압이 발생하게 되고 잔여 진공압에 의해 열원 탱크(10) 내부의 일부 온수가 난방 배관(30)으로 배출되며 이와 같은 온수의 배출로 인해 수위 센서(20)의 감지 값이 변하여 물 부족으로 판단하는 저수위 에러 현상이 발생하여 물을 보충하게 되고 이러한 물 보충 현상이 반복되면서 열원 탱크(10)의 손상이 발생하며, 본 발명은 이러한 문제점을 해결한다.

본 발명의 작용을 설명하면, 보일러의 가동이 개시되면 열원에 의해 열원 탱크(10) 내부에 저장된 물이 가열된다.

열원 탱크(10) 내부의 물이 열원에 의해 가열됨으로써 스팀으로 상 변화되며, 따라서, 열원 탱크(10)의 천정부에는 스팀이 존재하고 스팀 저부에 온수가 존재한다.

진공 펌프(60)에 의해 열원 탱크(10) - 난방 배관(30) - 응축수 탱크(40)에는 진공 분위기가 조성되며, 따라서, 열원 탱크(10) 안의 스팀과 온수가 난방 배관(30)에 유입되어 난방 배관(30)을 순환함으로써 실내를 난방한다. 이 과정에서 스팀은 열을 빼앗겨 응축수로 상변화된 후 응축수 탱크(40)에 저장되고 이 때 온도가 낮아지게 되지만 온수는 초기 온도를 거의 유지하기 때문에 스팀에 의한 열손실이 발생하더라도 난방 배관(30)을 적정 온도로 유지한다.

응축수 탱크(40)에 회수된 응축수는 열원 탱크(10)의 물 부족 시 순환 펌프(50)의 펌핑을 통해 열원 탱크(10)에 공급된다.

이와 같은 작용을 통해 스팀과 온수를 함께 이용하여 실내를 적정 온도로 난방(급탕도 포함)한다.

진공 펌프의 오프 시, 동시에 진공해제수단(70)의 밸브(72)가 개방되어 공기 유입관(71)을 통해 외부 공기가 응축수 탱크(40)에 유입되며, 따라서, 응축수 탱크(40), 난방 배관(30), 열원 탱크(10)에는 진공 분위기가 파괴 즉 기압차가 없어 열원 탱크(10) 안의 온수는 난방 배관(30)으로 배출되지 않는다. 결과적으로 진공 펌프(60)의 오프 시 열원 탱크(10)는 잔여 진공압으로 인한 물 부족 상태로 변하지 않고 정상 상태를 유지한다.

밸브(72)의 개방에 의해 기압차가 해소되면 열원 탱크(10) 안의 온수가 난방 배관(30)에 공급되지 않고 저장 상태를 유지하며, 따라서, 밸브(72)는 기압차를 해소한 후 오프 상태로 전환(예를 들어 30초 ~ 1분 후 폐쇄 전환)되어 보일러의 가동을 준비한다.

도 2는 본 발명의 변형 예로서, 스팀과 온수의 토출 경로를 달리하여 스팀과 온수의 혼합비율을 조절하는 것이 가능하다.

난방 배관(30)은 유입측이 스팀 유입부(31)와 온수 유입부(32)로 분기되고, 온수 유입부(32)의 개도를 조절하는 온수 밸브(33)가 구성된다. 또는 스팀 유입부(31)에 밸브가 구성되거나 스팀 유입부(31)와 온수 유입부(32) 모두 밸브가 구성된다.

스팀 유입부(31)는 열원 탱크(10)의 천정쪽으로서 항상 스팀의 유입이 가능한 위치에 연결되고, 온수 유입부(32)는 항상 물의 유입이 가능한 위치에 연결된다.

온수 밸브(33)는 사용자의 수동 조작이나 컨트롤러(80)에 의한 자동 제어를 통해 온수 유입부(32)의 개도를 조절하여 스팀과 온수의 혼합비율을 조절한다(스팀과 온수의 혼합비율은 예를 들어 7 ~ 9 : 1 ~ 3이다. 상기 혼합비율은 전술한 예도 동일하게 적용된다).

본 발명은 응축수 탱크(40)와 진공 펌프(60)를 연결하는 관로의 사이에 설치되며 응축수 탱크(40)에서 진공 펌프(60)에 유입되는 액상 유체를 제거하는 기수분리기가 포함될 수 있다.

10 : 열원 탱크, 20 : 수위 센서
30 : 난방 배관, 40 : 응축수 탱크
50 : 순환 펌프, 51 : 응축수 공급관
60 : 진공 펌프, 70 : 진공해제수단
71 : 공기 유입관, 72 : 밸브
80 : 컨트롤러,

Claims (5)

1. 열원에 의해 저장된 물로부터 온수와 스팀을 생산하는 열원 탱크와;
   상기 열원 탱크에 저장되는 물의 수위를 감지하는 수위 센서와;
   실내에 배관되며 상기 열원 탱크에서 생산되는 스팀과 온수를 함께 공급받아 난방하는 난방 배관과;
   상기 난방 배관을 통과한 응축수를 저장 및 상기 열원 탱크에 공급하는 응축수 탱크와;
   상기 응축수 탱크에 저장 중인 응축수를 상기 열원 탱크에 공급하는 순환 펌프와;
   상기 응축수 탱크에 연결되며 상기 열원 탱크에서부터 난방 배관을 경유하고 상기 응축수 탱크에 걸쳐 진공을 조성하여 스팀과 온수를 순환시키는 진공 펌프와;
   상기 진공 펌프에 의한 진공을 풀어주는 진공해제수단과;
   상기 수위 센서의 감지 값을 근거로 하여 순환 펌프를 제어하여 상기 열원 탱크에 일정량의 물이 저장되도록 하는 한편, 진공 펌프의 오프 시 상기 진공해제수단을 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
   상기 난방 배관은 상기 열원 탱크에 저장된 물의 최고 레벨 아래쪽에 연결되어 항상 물을 유입하는 온수 유입부(32), 상기 열원 탱크의 천정쪽에 연결되어 항상 스팀을 유입하는 스팀 유입부(31) 및 상기 온수 유입부의 개도를 조절하는 온수 밸브(33)를 포함하여 상기 스팀 유입부와 온수 유입부를 통해 각각 유입되는 온수와 스팀을 혼합하여 순환시키고,
   상기 진공해제수단은 상기 스팀과 온수의 순환 경로에 분기되는 공기 유입관(71) 및 상기 공기 유입관을 개폐하는 밸브(72)를 포함하고, 상기 컨트롤러는 진공 펌프의 오프 시 상기 밸브(72)를 통해 상기 공기 유입관(71)을 개방하여 스팀과 온수의 순환 경로에 있는 잔여 진공압을 해제함으로써 상기 열원 탱크에 물 보충이 이루어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 진공식 스팀과 온수 복합 보일러.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서, 상기 응축수 탱크와 상기 진공 펌프를 연결하는 관로의 사이에 설치되며 상기 응축수 탱크에서 상기 진공 펌프에 유입되는 액상 유체를 제거하는 기수분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공식 스팀과 온수 복합 보일러.
   
   
   
   

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