KR102082742B1 - 고효율을 갖는 복합 연관 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난류를 발생시킴과 동시에 연소가스를 유도할 수 있도록 하는 고효율 복합 연관 시스템에 관한 것으로, 연관 내부의 내주연 길이방향을 따라 압축스프링 형상으로 형성되는 제 1 터뷸레이터 및 제 1 터뷸레이터의 내부 길이 방향을 따라 형성되는 제 2 터뷸레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율을 갖는 복합 연관 시스템{Composite Pipe System for High Efficiency}

본 발명은 고효율을 갖는 복합 연관 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소가스에 저항이 최소로 가해지도록 하고, 열교환 능력을 극대화 할 수 있도록 하는 고효율 복합 연관 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 가스보일러는 연료를 가스로 하고 열매체를 물로 하여 난방에 사용하고, 온수겸용 보일러의 경우 난방순환수를 보일러 내부에서 순환시키고 간접 열교환 형태로 급수를 가열하여 온수도 사용 가능하게 한 연소기이다. 가스보일러는 가정이나 사무실 혹은 공장 등과 같은 다양한 건축물에 설치되어, 온수나 난방수를 공급하도록 구성되며, 응축수 생성여부에 따라 일반보일러 및 콘덴싱보일러로 구분할 수 있고, 온수공급방식에 따라 순간식보일러 및 저탕식보일러로 구분할 수 있다. 이러한 가스보일러의 기본 구조를 보면, 하우징 내부에 연소장치와 열교환기가 구비된다. 연소장치는 연료 즉, 가스에 의한 화염이 적정한 길이를 갖는 자유화염의 형태로 연소되는 공간이며, 이후에 연소장치에서 나오는 연소가스는 열교환기에서 열매체와 열교환을 한 후에 연통을 통하여 배출되는 구조로 구성된다.

도 1은 종래 보일러를 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래 보일러(10)는 본체(12) 내부에 복수의 연관(15)을 갖는 열교환수단(14)과, 열교환수단(14)의 연관(15)으로 화염을 분출하는 버너부(16)와, 버너부(16)로 공기를 공급하는 흡기부와, 버너부(16)에서 발생되는 연소가스를 외부로 배출시키는 배기부(19)를 포함한다. 그리고 본체(12) 일측의 유입부(12a)를 통하여 외부의 직수가 본체(12) 내부로 공급되면, 상기 직수는 본체(12) 내부에 구비되는 복수의 연관(15)과 맞닿게 되면서 온수로 열교환이 진행되고, 이렇게 형성된 온수는 순환펌프(미도시) 등에 의하여 본체(12) 타측의 유출부(12b)를 통하여 본체 외부의 온수파이프(미도시)로 공급된다.

한편, 연관 내부에는 터뷸레이터가 구비되어, 연관을 통과하는 고온의 연소가스에 강제로 난류를 발생시켜 열교환 효율을 증가시킬 수 있다. 터뷸레이터는 그 형상에 따라 열교환 효율 및 압력 강하가 다양하게 나타날 수 있으며, 통상적으로는 연관을 통과하는 연소가스에 많은 저항을 주는 구조일수록 높은 열교환 효율을 보이는 반면, 필연적으로 발생하는 압력강하는 보일러의 송풍기 요구동력을 높여 전력 소모 및 소음을 야기하는 문제점이 있다.

도 2는 종래 터뷸레이터의 다양한 예시를 도시한 도면이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 제 1 터뷸레이터(T1)는 연관의 길이방향을 따라 압축스프링 형태로 형성된다.

도 2의 (b)를 참조하면, 제 2 터뷸레이터(T2)는 연관의 길이방향을 따라 길게 형성되되 그 길이방향을 따라 나선형으로 꼬여지도록 형성된다.

도 2의 (c)를 참조하면, 제 3 터뷸레이터(T3)는 연관의 길이방향을 따라 길게 형성되되 그 길이방향을 따라 복수 개의 경사부가 지그 재그 패턴으로 돌출 형성된다.

도 3은 종래 터뷸레이터의 압력편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이고, 도 4는 종래 터뷸레이터의 온도편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.

도 3의 (a)를 참조하면, 제 1 터뷸레이터(T1)는 입구와 출구 사이의 압력 편차가 11Pa로 압력편차는 크지 않다. 그러나 도 4의 (a)을 참조하면 제 1 터뷸레이터(T1)는 온도편차가 325℃로 다른 유형의 터뷸레이터보다 온도 편차가 낮다는 것을 알 수 있으며, 이는 열교환량이 적다는 것을 의미한다. 이러한 제 1 터뷸레이터(T1)는 길이방향 중앙에서 유동하는 연소가스에 난류를 발생시킬 수 있는 형상의 부재로 인해 압력 강하 및 열교환 효율이 가장 낮다.

도 3의 (b)를 참조하면, 제 2 터뷸레이터(T2)는 입구와 출구 사이의 압력 편차가 18Pa로, 제 1 터뷸레이터(T1) 보다는 높으나 압력편차가 크지는 않다. 도 4의 (b)를 참조하면, 제 2 터뷸레이터(T2)는 온도편차가 358℃로서 열교환량은 제 1 터뷸레이터(T1)보다 8.9% 증가되었다.

도 3의 (c)를 참조하면, 제 3 터뷸레이터(T3)는 경사부로 인하여 입구와 출구 사이의 압력 편차가 95Pa로, 제 1, 2 터뷸레이터(T1, T2) 보다 월등히 높다는 것을 알 수 있다. 도 4의 (c)를 참조하면, 온도편차가 372℃로서, 열교환량은 제 1 터뷸레이터(T1)보다 12.2% 증가되었다.

즉, 제 1 터뷸레이터(T1)는 스프링 형태의 중앙 부분에 난류를 발생시킬 수 있는 별도의 형상이 없어, 전력 소모 및 소음을 야기하는 압력강하 현상은 낮게 나타났으나, 열교환 효율 또한 가장 낮게 나타나는 문제점이 있었다.

제 3 터뷸레이터(T3)는 길이방항 중앙에 구비되는 경사부로 인하여, 강한 난류가 발생되어, 열교환 효율이 가장 높게 나타났으나, 전력 소모 및 소음을 야기하는 압력강하 현상 또한 높게 나타나는 문제점이 있었다.

이에 따라, 제 1 터뷸레이터(T1) 내부에 제 2 터뷸레이터(T2) 또는 제 3 터뷸레이터(T3)와 같이 난류를 발생시킬 수 있는 별도의 터뷸레이터가 적용되면, 별도의 터뷸레이터가 난류를 발생시킴과 동시에 제 1 터뷸레이터(T1)가 연소가스를 자연스럽게 유도할 수 있도록 하여, 압력강하 현상을 낮추면서 열교환 능력을 높일 수 있을 것으로 보이나, 현재까지 이러한 복합 터뷸레이터는 개발된 바 없어, 복합 터뷸레이터의 개발이 시급한 실정이다.

국내공개특허공보 제10-2004-0049056호

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연소가스에 저항이 최소로 가해지도록 하고, 열교환 능력을 극대화 할 수 있도록 하는 고효율 복합 연관 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보일러에 적용되는 연관에 있어서, 연소가스가 유입되도록 내부에 빈 공간이 구비되는 연관; 상기 연관 내부의 내주연 길이방향을 따라 압축스프링 형상으로 형성되는 제 1 터뷸레이터; 및 상기 제 1 터뷸레이터의 내부 길이 방향을 따라 형성되는 제 2 터뷸레이터를 포함하고, 상기 연관 내부의 내주연 방향으로 유입되는 연소가스는 상기 제 1 터뷸레이터를 따라 이동되면서 1차 난류 흐름을 형성하고, 상기 연관 내부의 중앙 방향으로 유입되는 연소가스는 상기 제 2 터뷸레이터에 부딪히면서 2차 난류 흐름을 형성하고, 상기 연관 내부의 내주연과 마주보는 상기 제 1 터뷸레이터의 길이방향 양측은 상기 연관의 내주연과 맞닿도록 위치되고, 상기 연관은 상하 방향으로 긴 형상으로 형성되고, 상기 연관의 상부에 상기 제 1 터뷸레이터를 상하 이동시키는 상하이동수단을 더 포함하고, 상기 상하이동수단은, 상기 연관의 상부에 이격 위치되는 회전축과, 상기 회전축을 따라 회전되는 회전부와, 일측은 상기 회전부에 연결되고 타측은 상기 연관의 상방으로 연장되는 상기 제 1 터뷸레이터의 상측에 연결되는 연결부를 포함하고, 상기 회전축이 번갈아가면서 정회전 및 역회전되면, 상기 연관의 내주연과 맞닿은 상기 제 1 터뷸레이터가 상하로 이동되면서, 상기 제 1 터뷸레이터가 상기 연관의 내주연에 쌓인 스케일을 긁어서 청소하는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템을 제공한다.

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또한, 상기 제 2 터뷸레이터는, 직렬로 배열되는 복수 개의 유도부가 상호 일체로 연결되되 상호 연결되는 한 쌍의 유도부는 각지거나 라운드진 상태로 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템을 제공한다.

또한, 상기 제 2 터뷸레이터는, 판형으로 형성되는 복수 개의 상기 유도부가 상기 연관의 길이방향을 따라 지그재그 형상으로 연속적으로 배열되고, 상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 오목하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 타 유도부의 일면에 부딪히면서 2차 난류 흐름을 형성하고, 상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 볼록하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 1차 난류 흐름 방향으로 유도되는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템을 제공한다.

또한, 상기 제 2 터뷸레이터는, 파형으로 형성되는 복수 개의 상기 유도부가 상기 연관의 길이방향을 따라 나선 형상으로 연속적으로 배열되어, 각각의 상기 유도부는 평판을 중심축을 기준으로 나선형으로 비틀어서 형성한 비틀림판으로 형성되고, 상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 오목하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 타 유도부의 일면에 부딪히면서 2차 난류 흐름을 형성하고, 상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 볼록하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 1차 난류 흐름 방향으로 유도되는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템을 제공한다.

본 발명은 연관 내부에 1차 난류 흐름을 형성하는 제 1 터뷸레이터 및 2차 난류 흐름을 형성하는 제 2 터뷸레이터가 구비되므로, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 유도함과 동시에 연관의 열교환 효율이 향상되도록 하는 효과가 있다.

또한, 제 1 터뷸레이터는 연관의 내주연과 마주보도록 위치되고, 연관의 상부에는 제 1 터뷸레이터를 상하 이동시키는 상하이동수단이 구비되어, 연관의 내주연에 쌓인 스케일을 제 1 터뷸레이터가 용이하게 청소할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 보일러를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 종래 터뷸레이터의 다양한 예시를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 터뷸레이터의 압력편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 터뷸레이터의 온도편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템이 적용되는 보일러를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템이 적용되는 보일러 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 1 터뷸레이터를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 2 터뷸레이터를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 1 터뷸레이터 내부에 제 2 터뷸레이터가 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 내부를 따라 이동되는 연소가스의 흐름을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 압력편차 및 온도편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템에 구비되는 상하이동수단을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 2 터뷸레이터를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 1 터뷸레이터 내부에 제 2 터뷸레이터가 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 내부를 따라 이동되는 연소가스의 흐름을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 압력편차 및 온도편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템을 더욱 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템이 적용되는 보일러를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템이 적용되는 보일러 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 보일러(50)는 본체(52), 버너부(54) 및 배기유도부(56)를 포함하고, 버너부(54)와 배기유도부(56) 사이에 본 발명의 고효율을 갖는 복합 연관 시스템(100)이 구비된다. 본체(52)는 배부에 공간이 형성되고, 예를 들면 원 기둥 형상 등으로 형성될 수 있다. 본체(52)의 하부 일측에는 유입부(52a)가 형성되고, 본체(52)의 상부 일측에는 유출부(52b)가 형성되어, 외부의 물이 유입부(52a)를 통하여 본체(52) 내부로 유입되고, 본체(52) 내부로 유입되는 물은 후술하는 연관(110)과 열교환된 후 유출부(52b)로 유출된다.

버너부(54)는 본체(52)의 내부 하측에 구비되는 것으로, 가스 등의 연료와 흡기부(54a)를 통한 외부 공기를 혼합시킨 후 이를 연소시켜서 화염을 생성한다. 버너부(54)가 화염을 생성하면 버너부(54)에는 화염으로 인한 고온의 연소가스가 생성된다.

본 발명의 고효율을 갖는 복합 연관 시스템(100)은 버너부(54)와 배기유도부(56) 사이에 위치되는 것으로, 상하 방향으로 긴 관 형상으로 형성되는 복수 개의 연관(110)과, 각각의 연관(110) 내부에 위치되는 제 1 터뷸레이터(120) 및 제 2 터뷸레이터(130)를 포함한다. 그리고 버너부(54)가 배출하는 연소가스는 연관(110)으로 전달되며, 이때, 연소가스와 물이 상호 열교환된다. 그리고 열교환을 마친 연소가스는 배기유도부(56)로 유도된 후 배기부(56a)를 통하여 외부로 배기된다.

한편, 연관(110) 내부로 이동되는 연소가스가 천천히 이동될수록 연소가스의 열이 연관(110)으로 더욱 많이 전달되어 연관(110)의 열 교환 효율이 향상된다. 이를 위하여 연관(110) 내부에는 제 1 터뷸레이터(120) 및 제 2 터뷸레이터(130)가 구비된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 1 터뷸레이터를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 2 터뷸레이터를 도시한 도면이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 1 터뷸레이터 내부에 제 2 터뷸레이터가 삽입된 상태를 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 제 1 터뷸레이터(120)는 연관(110) 내부의 내주연 길이방향을 따라 압축스프링 형상으로 형성된다. 그리고 제 1 터뷸레이터(120)의 길이방향 외측은 연관(110)의 내주연과 마주도록 위치된다. 이를 상세하게 설명하면, 제 1 터뷸레이터(120)의 길이방향 외측 즉, 제 1 터뷸레이터(120)의 외주연부는 연관(110)의 내주연과 가까이 위치되되, 연관(110)의 내주연과 완전하게 밀착되지 않고, 약간 이격되어, 최소 틈새를 유지하도록 구성된다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 제 2 터뷸레이터(130)는 제 1 터뷸레이터(120)의 내부 길이 방향을 따라 형성되는 것으로, 연소가스의 흐름에 저항을 주도록 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면 제 2 터뷸레이터(130)는 직렬로 배열되는 복수 개의 제 1, 2 유도부(132, 134)가 상호 일체로 연결되되 상호 연결되는 한 쌍의 제 1, 2 유도부(132, 134)는 각진 상태로 연결된다. 이러한 제 2 터뷸레이터(130)는, 판형으로 형성되는 복수 개의 제 1, 2 유도부(132, 134)가 연관(110)의 길이방향을 따라 지그재그 형상으로 연속적으로 배열된다.

도 10은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 내부를 따라 이동되는 연소가스의 흐름을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 7 내지 도 10을 참조하면, 연관(110) 내부의 내주연 방향으로 유입되는 연소가스는 제 1 터뷸레이터(120)를 따라 이동되면서 1차 난류 흐름(turbulent flow, tf-1)을 형성하여, 제 1 터뷸레이터(120)는 연소가스에 많은 저항을 주지 않게 되어, 전력 소모 및 소음을 야기하는 압력강하 현상이 낮게 나타나도록 유도한다. 이처럼 제 1 터뷸레이터(120)는 열교환 능력은 미흡한 반면, 연소가스에 많은 저항을 주지 않게 되어, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 하는 효과가 있다.

그리고 연관(110) 내부의 중앙 방향으로 유입되는 연소가스는 제 2 터뷸레이터(130)에 부딪히면서 2차 난류 흐름(tf-2)을 형성하여, 열 교환 효율이 향상되도록 한다. 이를 세부적으로 설명하면, 제 2 터뷸레이터(130)는 복수 개의 제 1, 2 유도부(132, 134)가 지그재그 형상으로 형성되므로, 상호 일체로 연결되는 제 1, 2 유도부(132, 134)의 일면 사이의 제 1 경계부(136a)는 오목하게 형성되고, 제 1, 2 유도부(132, 134)의 일면의 반대쪽인 제 1, 2 유도부(132, 134)의 타면 사이의 제 2 경계부(136b)는 볼록하게 형성된다. 그리고 제 2 터뷸레이터(130)로 유도되는 연소가스 중 제 1 유도부(132)의 일면에서 제 1 경계부(136a) 방향으로 안내되는 연소가스는 제 2 유도부(134)의 일면에 부딪히면서 2차 난류 흐름(tf-2)을 형성하게 된다. 이처럼 제 2 터뷸레이터(130)는 연소가스에 저항을 주게 되어, 연소가스가 연관(110) 내부에 오랫동안 머무르도록 유도하므로, 연관(110)의 열 교환 효율이 향상되는 효과가 있다.

한편, 제 2 터뷸레이터(130)로 유도되는 연소가스 중 제 1 유도부(132) 타면에서 제 2 경계부(136b) 방향으로 안내되는 연소가스는 1차 난류 흐름(tf-1) 방향으로 유도된다. 즉, 제 2 경계부(136b)는 1차 난류 흐름(tf-1)과 마주보도록 구성되므로, 제 2 경계부(136b)로 안내되는 연소가스의 일부는 1차 난류 흐름(tf-1) 방향으로 유도되어, 연소가스가 제 2 터뷸레이터(130)로 인하여 필요 이상으로 많은 저항을 받지 않도록 하여, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 하는 효과가 있다.

도 11은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 압력편차 및 온도편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.

도 11의 (a)을 참조하면, 제 1, 2 터뷸레이터(120, 130)가 삽입된 연관(110)은 입구와 출구 사이의 압력 편차가 85Pa로, 이는 도 3에 도시된 종래기술의 제 3 터뷸레이터(T3: 도 3의 (c) 도시)보다 10 Pa 낮아진 것을 알 수 있다.

또한, 도 11의 (b)를 참조하면, 제 1, 2 터뷸레이터(120, 130)가 삽입된 연관(110)의 온도편차는 429℃로, 열교환량은 종래와 비교하여 13% 높아진 것을 알 수 있다.

이처럼 본 발명은 연관(110) 내부에 1차 난류 흐름(tf-1)을 형성하는 제 1 터뷸레이터(120) 및 2차 난류 흐름(tf-2)을 형성하는 제 2 터뷸레이터(130)가 구비되므로, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 유도함과 동시에 연관(110)의 열교환 효율이 향상되도록 하는 효과가 있다.

도 12는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템에 구비되는 상하이동수단을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템(100)은 상하이동수단(150)을 더 포함할 수 있다.

상하이동수단(150)은 연관(110)의 상부에 구비되어 제 1 터뷸레이터(120)를 상하 이동시키는 것으로, 연관(110)의 상부에 이격 위치되는 회전축(152)과, 회전축(152)을 회전시키는 구동모터(미도시)와, 회전축(152)을 따라 회전되는 회전부(154)와, 일측은 회전부(154)에 연결되고 타측은 연관(110)의 상방으로 연장되는 제 1 터뷸레이터(120)의 상측에 연결되는 연결부(156)를 포함한다. 회전부(154)는 회전축(152)을 감싸도록 형성될 수 있다.

그리고 회전축(152)이 번갈아가면서 정회전 및 역회전되면, 연관(110)의 내주연과 맞닿은 제 1 터뷸레이터(120)가 상하로 이동되면서 연관(110)의 내주연에 쌓인 스케일(S)을 긁어서 청소할 수 있다. 예를 들어 목재 팰릿 등을 연소하는 보일러(50)의 경우, 연관(110)의 내주연에 목재 팰릿으로 인한 스케일이 쌓이게 되는데, 본 발명은 회전축(152)을 회전시키는 간단한 방법 만으로, 제 1 터뷸레이터(120)가 상하 이동되면서 연관(110)의 내주연에 쌓인 스케일(S)을 용이하게 청소할 수 있는 효과가 있다.

도 13은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 2 터뷸레이터를 도시한 도면이고, 도 14는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 제 1 터뷸레이터 내부에 제 2 터뷸레이터가 삽입된 상태를 도시한 도면이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 제 2 터뷸레이터(140)는 상기 제 1 터뷸레이터(120)의 내부 길이 방향을 따라 형성되는 것으로, 직렬로 배열되는 복수 개의 제 1, 2 유도부(142, 144)가 상호 일체로 연결되되 상호 연결되는 한 쌍의 제 1, 2 유도부(142, 144)는 라운드진 상태로 연결된다. 보다 상세하게 제 2 터뷸레이터(140)는, 파형으로 형성되는 복수 개의 제 1, 2 유도부(142, 144)가 연관(110)의 길이방향을 따라 나선 형상으로 연속적으로 배열된다.

도 15는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 내부를 따라 이동되는 연소가스의 흐름을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 13 내지 도 15를 참조하면, 연관(110) 내부의 내주연 방향으로 유입되는 연소가스는 제 1 터뷸레이터(120)를 따라 이동되면서 1차 난류 흐름(tf-1)을 형성하되 낮은 난류 강도를 가짐으로써, 제 1 터뷸레이터(120)는 연소가스에 많은 저항을 주지 않게 되어, 전력 소모 및 소음을 야기하는 압력강하 현상이 낮게 나타나도록 유도한다. 이처럼 제 1 터뷸레이터(120)는 열교환 능력은 미흡한 반면, 연소가스에 많은 저항을 주지 않게 되어, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 하는 효과가 있다.

그리고 연관(110) 내부의 중앙 방향으로 유입되는 연소가스는 제 2 터뷸레이터(140)에 부딪히면서 2차 난류 흐름(tf-2)을 형성하여, 열 교환 효율이 향상되도록 한다. 이를 세부적으로 설명하면, 제 2 터뷸레이터(140)는 복수 개의 제 1, 2 유도부(142, 144)가 나선 형상으로 형성되므로, 상호 일체로 연결되는 제 1, 2 유도부(142, 144)의 일면 사이의 제 1 경계부(146a)는 오목하게 형성되고, 제 1, 2 유도부(142, 144)의 일면의 반대쪽인 제 1, 2 유도부(142, 144)의 타면 사이의 제 2 경계부(146a, 146b)는 볼록하게 형성된다. 그리고 제 2 터뷸레이터(140)로 유도되는 연소가스 중 제 1 유도부(142)의 일면에서 제 1 경계부(146a) 방향으로 안내되는 연소가스는 제 2 유도부(144)의 일면에 부딪히면서 2차 난류 흐름(tf-2)을 형성하게 된다. 이처럼 제 2 터뷸레이터(140)는 연소가스에 저항을 주게 되어, 연소가스가 연관(110) 내부에 오랫동안 머무르도록 유도하므로, 연관(110)의 열 교환 효율이 향상되는 효과가 있다.

한편, 제 2 터뷸레이터(140)로 유도되는 연소가스 중 제 1 유도부(142) 타면에서 제 2 경계부(146a, 146b) 방향으로 안내되는 연소가스는 1차 난류 흐름(tf-1) 방향으로 유도된다. 즉, 제 2 경계부(146a, 146b)는 1차 난류 흐름(tf-1)과 마주보도록 구성되므로, 제 2 경계부(146a, 146b)로 안내되는 연소가스의 일부는 1차 난류 흐름(tf-1) 방향으로 유도되어, 연소가스가 제 2 터뷸레이터(140)로 인하여 필요 이상으로 많은 저항을 받지 않도록 하여, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 하는 효과가 있다.

도 16은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고효율을 갖는 복합 연관 시스템의 압력편차 및 온도편차를 알아보기 위한 전산 유체 역학(CFD) 해석 결과를 도시한 도면이다.

도 16의 (a)를 참조하면, 제 1, 2 터뷸레이터(120, 140)가 삽입된 연관(110)은 입구와 출구 사이의 압력 편차가 43Pa로 나타났다. 이는 도 3에 도시된 종래기술의 제 3 터뷸레이터(T3: 도 3의 (c) 도시)보다 50% 수준의 압력 편차를 보이고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 16의 (b)를 참조하면, 제 1, 2 터뷸레이터(120, 140)가 삽입된 연관(110)의 온도편차는 372℃로, 열교환량은 종래와 대등한 수준임을 알 수 있다.

이처럼 본 발명은 연관(110) 내부에 1차 난류 흐름(tf-1)을 형성하는 제 1 터뷸레이터(120) 및 2차 난류 흐름(tf-2)을 형성하는 제 2 터뷸레이터(140)가 구비되므로, 전력 소모 및 소음이 줄어들도록 유도함과 동시에 연관(110)의 열교환 효율이 향상되도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 상기 실시예에서 상세히 설명되었지만, 본 발명을 이로 한정하지 않음은 당연하고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

100: 고효율을 갖는 복합 연관 시스템
110: 연관 120: 제 1 터뷸레이터
130: 제 2 터뷸레이터 132: 제 1 유도부
134: 제 2 유도부 136a: 제 1 경계부
136b: 제 2 경계부 140: 제 2 터뷸레이터
142: 제 1 유도부 144: 제 2 유도부
146a: 제 1 경계부 146b: 제 2 경계부
150: 상하이동수단 152: 회전축
154: 회전부 156: 연결부

Claims (7)

1. 보일러에 적용되는 연관에 있어서,
   연소가스가 유입되도록 내부에 빈 공간이 구비되는 연관;
   상기 연관 내부의 내주연 길이방향을 따라 압축스프링 형상으로 형성되는 제 1 터뷸레이터; 및
   상기 제 1 터뷸레이터의 내부 길이 방향을 따라 형성되는 제 2 터뷸레이터를 포함하고,
   상기 연관 내부의 내주연 방향으로 유입되는 연소가스는 상기 제 1 터뷸레이터를 따라 이동되면서 1차 난류 흐름을 형성하고,
   상기 연관 내부의 중앙 방향으로 유입되는 연소가스는 상기 제 2 터뷸레이터에 부딪히면서 2차 난류 흐름을 형성하고,
   상기 연관 내부의 내주연과 마주보는 상기 제 1 터뷸레이터의 길이방향 양측은 상기 연관의 내주연과 맞닿도록 위치되고,
   상기 연관은 상하 방향으로 긴 형상으로 형성되고,
   상기 연관의 상부에 상기 제 1 터뷸레이터를 상하 이동시키는 상하이동수단을 더 포함하고,
   상기 상하이동수단은, 상기 연관의 상부에 이격 위치되는 회전축과, 상기 회전축을 따라 회전되는 회전부와, 일측은 상기 회전부에 연결되고 타측은 상기 연관의 상방으로 연장되는 상기 제 1 터뷸레이터의 상측에 연결되는 연결부를 포함하고,
   상기 회전축이 번갈아가면서 정회전 및 역회전되면, 상기 연관의 내주연과 맞닿은 상기 제 1 터뷸레이터가 상하로 이동되면서, 상기 제 1 터뷸레이터가 상기 연관의 내주연에 쌓인 스케일을 긁어서 청소하는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 터뷸레이터는, 직렬로 배열되는 복수 개의 유도부가 상호 일체로 연결되되 상호 연결되는 한 쌍의 유도부는 각지거나 라운드진 상태로 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 터뷸레이터는, 판형으로 형성되는 복수 개의 상기 유도부가 상기 연관의 길이방향을 따라 지그재그 형상으로 연속적으로 배열되고,
   상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 오목하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 타 유도부의 일면에 부딪히면서 2차 난류 흐름을 형성하고,
   상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 볼록하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 1차 난류 흐름 방향으로 유도되는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 터뷸레이터는, 파형으로 형성되는 복수 개의 상기 유도부가 상기 연관의 길이방향을 따라 나선 형상으로 연속적으로 배열되어, 각각의 상기 유도부는 평판을 중심축을 기준으로 나선형으로 비틀어서 형성한 비틀림판으로 형성되고,
   상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 오목하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 타 유도부의 일면에 부딪히면서 2차 난류 흐름을 형성하고,
   상호 연결되는 한 쌍의 유도부의 일면 사이의 경계부가 볼록하게 형성되면, 일 유도부의 일면을 따라 상기 경계부 방향으로 안내되는 연소가스는 1차 난류 흐름 방향으로 유도되는 것을 특징으로 하는 고효율을 갖는 복합 연관 시스템.

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