KR102098182B1

KR102098182B1 - 질소산화물의 배출량 저감 및 소형화가 가능한 가정용 보일러

Info

Publication number: KR102098182B1
Application number: KR1020180109738A
Authority: KR
Inventors: 이영재; 양원; 안형준; 김동희
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-04-08
Also published as: KR20200030915A

Abstract

가정용 보일러가 개시된다. 구체적으로, 잠열 회수부(100); 상기 잠열 회수부(100)의 일측에 위치하는 예열부(200); 상기 예열부(200)의 일측에 위치하는 연소부(300); 및 상기 잠열 회수부(100), 상기 예열부(200) 및 상기 연소부(300)의 내측에서 연속적으로 연결되어 있는 열 교환 유로부(400)를 포함하는 가정용 보일러(10)로서, 상기 예열부(200)의 내측이며 상기 열 교환 유로부(400)의 외측에는, 가압된 연소 물질이 유입되는 연소 물질 유로(210)가 구비되고, 상기 연소 물질 유로(210)의 일 측에는 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 연결되는 연소 물질 유입부(220)가 구비되며, 상기 잠열 회수부(100)에 위치하며 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성된 유체 유입부(410)가 구비되고, 상기 연소부(300)에 위치하며 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성된 유체 배출부(420)가 구비되며, 상기 예열부(200)의 내측에는, 복수 개의 열 교환 입자(500)가 구비되는 가정용 보일러가 개시된다.

Description

질소산화물의 배출량 저감 및 소형화가 가능한 가정용 보일러{Household boiler capable of reducing NOx emissions and downsizing}

본 발명은 가정용 보일러에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 가압 연소, 저온 연소 및 예열 를 통해 질소산화물의 배출량을 저감할 수 있고, 크기의 소형화가 가능한 가정용 보일러에 관한 것이다.

최근 미세먼지로 인해 발생하는 여러 문제들이 이슈화되며, 주요 원인 중 하나로 지적되는 노후화된 석탄 화력 발전소의 가동을 중단하는 등 미세먼지 발생을 억제하기 위한 조치가 활발히 진행되고 있다.

그 중에서도 순산소 연소 기술은 공기 중의 질소를 미리 분리하여 산화제로 사용, 연료를 연소시키는 기술로서, 석탄화력발전 등에 적용될 경우 이산화탄소의 격리가 가능하여 온실가스 배출이 없게 하는 친환경 발전 방식으로 많은 연구개발이 진행되고 있다.

그러나, 순산소 연소는 산소 생산에 많은 전력을 소모하여 전체적으로는 약 10% 의 발전효율 손실을 가져오고, 기존 연소 시스템 개념을 그대로 사용하기 때문에 배가스 재순환을 통해 분리된 질소만큼의 이산화탄소를 보충해줘야 하는 단점이 있어, 이를 최소화하기 위해 연소 시스템 및 배가스가 지나가는 전체 흐름을 미리 가압하는 가압 순산소 연소 기술이 최근 들어 많은 주목을 받고 있다.

또한, 미세먼지의 전구물질에 해당하는 질소산화물은 또한 난방 등을 위해 보일러를 사용하는 가정에서도 발생하며, 정부에서는 법안 마련 등의 규제를 통해 질소산화물의 배출량을 저감하기 위한 시도를 하고 있다.

그런데, 가정용 보일러의 경우 상술한 가압 순산소 연소 기술을 적용함에 있어, 발전용이나 산업용 등 대규모 설비와는 달리 순산소의 추출 및 가압을 위한 별도의 장비가 구비되기 어렵기 때문에 적용이 어렵다는 한계가 있다.

한국등록특허문헌 제10-1586646호는 버너의 점화, 연소로 인해 발생하는 연소가스를 이용하여 난방환수를 가열함으로써 난방환수 또는 직수가 연소가스와 열교환되는 전열면적이 커지게 하고, 전열효율이 향상되게 할 수 있는 온수난방 잠열열교환기 및 이를 포함하는 콘덴싱 가스보일러를 개시한다.

그런데, 이러한 유형의 가스보일러는 직수와 난방환수의 두 가지 유체 간의 열교환 과정을 추가하기 위한 별도의 구성이 더 필요하며, 상술한 가압 연소의 이점을 활용할 수는 없다는 한계가 있다.

한국등록특허문헌 제10-1647590호는 보일러의 열효율을 향상시키기 위해 다공성 응축수 순환 폐열회수장치를 구비한 보일러를 개시한다.

그런데, 이러한 유형의 보일러는 흡기 및 배기 간의 열교환시 일부 부수적인 열교환이 수행될 수는 있으나, 이에 의한 열교환 효율의 높은 향상을 기대하기 어렵고, 질소산화물 배출량 저감과 관련된 고찰이 없다는 한계가 있다.

한국등록특허문헌 제10-1588646호 (2016.01.19.) 한국등록특허문헌 제10-1647590호 (2016.08.10.)

본 발명의 목적은, 가정에 구비되는 소형 보일러를 사용할 경우에도 질소산화물의 배출량 저감이 가능하고, 동시에 가정에서 계속 사용할 수 있도록 그 크기를 소형화할 수 있는 가정용 보일러를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 잠열 회수부(100); 상기 잠열 회수부(100)의 일측에 위치하는 예열부(200); 상기 예열부(200)의 일측에 위치하는 연소부(300); 및 상기 잠열 회수부(100), 상기 예열부(200) 및 상기 연소부(300)의 내측에서 연속적으로 연결되어 있는 열 교환 유로부(400)를 포함하는 가정용 보일러(10)로서, 상기 예열부(200)의 내측이며 상기 열 교환 유로부(400)의 외측에는, 가압된 연소 물질이 유입되는 연소 물질 유로(210)가 구비되고, 상기 연소 물질 유로(210)의 일 측에는 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 연결되는 연소 물질 유입부(220)가 구비되며, 상기 잠열 회수부(100)에 위치하며 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성된 유체 유입부(410)가 구비되고, 상기 연소부(300)에 위치하며 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성된 유체 배출부(420)가 구비되며, 상기 예열부(200)의 내측에는, 복수 개의 열 교환 입자(500)가 구비되는 가정용 보일러를 제공한다.

또한, 상기 복수 개의 열 교환 입자(500)는 인접한 다른 열 교환 입자 사이에 공극(510)이 형성되도록 배열될 수 있다.

또한, 상기 복수 개의 열 교환 입자(500)는 세라믹 소재로 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수 개의 열 교환 입자(500)는 구형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 예열부(200)와 상기 연소부(300) 사이에는 버너(310)가 구비되고, 상기 버너(310)의 상측에는 열교환기(320)가 위치될 수 있다.

또한, 상기 열교환기(320)는 원통형 또는 사각기둥 형상일 수 있다.

또한, 상기 잠열 회수부(100), 상기 예열부(200) 및 상기 연소부(300)는 일측으로부터 수평 또는 수직으로 순차로 위치할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가압 운전을 통해 기존의 가정용 보일러에 비해 연소실 부피를 30% 가량 축소할 수 있으므로 가정용 보일러의 크기의 소형화가 가능하며, 배가스 내 수분 응축 온도를 증가시킬 수 있어 고온에서도 수분 응축이 가능하여 잠열 회수 효율을 제고할 수 있다.

가압 연소를 통한 배가스 내의 복사열전달 계수의 증가로 인한 열교환 효율의 증가 역시 가능하다.

또한, 가정용 보일러에 열 교환 입자를 포함하는 예열부를 구비함으로써 열교환 효율이 증대될 수 있다.

더 나아가, 가정용 보일러 내부에서 배가스가 순환하는 방식으로 추가 열교환이 가능하므로, 연소 최대 온도가 하강되어 질소산화물의 생성량이 감소되고, 응축수에의 용해도가 증가하므로 질소산화물의 배출량 저감이 가능하다.

또한, 유입된 연소 물질이 예열부에서 예열된 후 연소되므로 연소효율이 증가되고, 이에 따라 소모 연료량이 감소하므로 경비 절감 효과 또한 기대할 수 있다.

그리고, 각 구성의 배치 변경을 통하여 보일러의 전체 형태를 자유로이 조정 가능함으로써, 설치의 간편함 및 보일러의 소형화가 가능하고, 따라서, 설치공간의 형태나 넓이에 따른 제약이 없이 설치가 가능하며, 1인 가구와 같이 비교적 작은 주거에서 공간의 확보가 용이하다는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가정용 보일러를 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 1의 가정용 보일러의 잠열 회수부를 도시하는 개략도이다.
도 4는 도 1의 가정용 보일러의 예열부를 도시하는 개략도이다.
도 5는 도 1의 가정용 보일러의 연소부를 도시하는 개략도이다.
도 6은 도 1의 가정용 보일러 내부에서의 배가스의 유동을 예시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러 사용에 따른 연소실 내부 온도 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러의 연소부에서의 이산화질소와 일산화질소의 비율 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러의 연소부에서의 질소산화물의 농도를 도시하는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러를 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서 사용되는 "질소산화물"이라는 용어는 산소와 질소가 결합한 화합물을 통칭하는 것으로, 일산화질소, 이산화질소 등을 포함한다.

이하의 설명에서 사용되는 "열 교환 유체"라는 용어는 후술될 열 교환 유로부(400) 내부를 유동하며 배가스와의 열 교환을 통해 가열될 수 있는 모든 유체를 통칭하는 것으로, 물, 기름 등을 포함한다.

이하의 설명에서 사용되는 "연소 물질"이라는 용어는 연소를 위해 필요한 물질을 통칭하는 것으로, 산화제로서의 산소, 순산소, 공기 및 연료를 포함하는 개념이다.

이하에서 사용되는 산화제는 가정용 보일러(10)에 공급되기 전, 바람직하게는 2 내지 3 bar 정도로 가압되어 공급되는 것을 전제하며, 공기를 가압하기 위한 압축기(C)는 잘 알려진 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)가 아파트 등의 각 가정에 구비되는 것을 전제할 때, 압축기(C)는 각 가정에 개별적으로 구비될 수 있고, 바람직하게는 별도로 구비되어 각 가정에 압축된 산화제를 공급할 수 있다.

2. 가정용 보일러(10)의 구성의 설명

도 1을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)는 잠열 회수부(100), 예열부(200), 연소부(300), 열 교환 유로부(400) 및 열 교환 입자(500)를 포함한다.

도시된 실시 예에서, 가정용 보일러(10)는 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300)가 하측으로부터 상측으로 순차적으로 적층되어 구성된다.

다시 말해, 잠열 회수부(100)의 일측에 예열부(200)가 위치하며, 예열부(200)의 일측에 연소부(300)가 순차로 적층되어 위치한다.그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 순서 및 배치 방식은 변경될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300)가 수평 방향으로 결합되어 구성될 수도 있으며, 이 경우 연소부(300)의 하부와 예열부(200)의 하부를 연통시킴으로써, 연소부(200)에서의 연소에 의해 발생하는 열의 예열부(200)로의 유동이 용이하도록 하는 열 통로부(600)가 추가로 구비될 수도 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, 연소부의 하측에 예열부가 위치하고, 예열부의 측면에 잠열 회수부가 위치하도록 “ㄴ” 자 형태로 구성될 수 도 있다.

즉, 잠열 회수부, 예열부 및 연소부가 순차로 위치한다면, 각 구성이 배치됨으로써 이루는 가정용 보일러(10) 전체의 형태는 변경이 가능하다.

이와 같이, 상기한 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300)가 배치되어 이루는 가정용 보일러(10)의 전체 형태를 자유로이 조정 가능함으로써, 설치의 간편함 및 보일러의 소형화가 가능하고, 따라서, 설치공간의 형태나 넓이에 따른 제약이 없이 설치가 가능하며, 1인 가구와 같이 비교적 작은 주거에서 공간의 확보가 용이하다는 장점을 갖는다.

후술될 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300)는 서로 유체 소통 가능하게 연결되어, 연소부(300)에서 발생한 배가스가 예열부(200)를 거쳐 잠열 회수부(100)로 유입될 수 있다.

또한, 도시된 실시 예에서, 후술될 열 교환 유로부(400)는 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300) 모두의 내부에 위치되어, 가정용 보일러(10)의 외측으로부터 유입된 차가운 열 교환 유체는 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300) 모두에서의 열 교환이 수행될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

그리고, 이후의 설명에서는 가정용 보일러(10)가 잠열 회수부(100), 예열부(200)가 연소부(300)가 하측으로부터 상측으로 순차적으로 적층된 구조의 실시예를 상정하여 설명하나, 당업자라면 후술하는 설명으로부터 상기한 수평 또는 'ㄴ'자 구조의 가정용 보일러(10)의 구조 및 동작에 대하여도 이해할 수 있을 것이다.

(1) 잠열 회수부(100)의 설명

잠열 회수부(100)는 후술될 연소부(300)에서 발생한 배가스 내의 잠열이 응축을 통해 회수되는 공간이다. 이를 위해 잠열 회수부(100)의 내부에는 후술될 열 교환 유로부(400)가 구비되어, 외측으로부터 유입된 차가운 열 교환 유체와의 열 교환이 수행될 수 있다.

도 3을 참조하면, 잠열 회수부(100)는 응축수 저장부(110) 및 응축수 배출부(120)를 포함한다.

응축수 저장부(110)는 배가스와 열 교환 유체 간의 열 교환의 진행에 따라 응축되는 배가스 내의 수분을 저장한다.

응축수 저장부(110)의 하측에는 응축수 배출부(120)가 구비되어 응축수 저장부(110)에 저장된 응축수의 양이 소정의 양을 초과할 경우 외부로 배출할 수 있다. 응축수 저장부(110)의 위치가 변경될 수 있음은 당연하다.

(2) 예열부(200)의 설명

예열부(200)는 후술될 연소부(300)에 공급될 연소 물질을 예열한다. 연소 물질은 예열부(200)를 거쳐 예열된 후 연소부(300)의 버너(310)에 공급된다(도 1 참조).

예열부(200)는 연소 물질 유로(210) 및 연소 물질 유입부(220)를 포함한다.

연소 물질 유로(210)는 유입된 연소 물질이 예열부(200)와의 열 교환하며 후술될 연소부(300)의 버너(310)로 공급되기 위한 통로를 제공한다. 열 교환 효율의 상승을 위해, 연소 물질 유로(210)는 열 전달 계수가 높은 물질로 형성될 수 있다.

연소 물질 유입부(220)는 연소 물질 유로(210)에서 유동하는 연소 물질이 유입되는 입구를 제공한다. 연소 물질 유입부(220)는 개폐 가능한 구조로 구비될 수 있다.

도 4를 참조하면, 예열부(200)의 내측에는 열 교환 입자(500)가 충진된다. 열 교환 입자(500)는 후술될 연소부(300)에서 발생한 배가스와 열 교환함으로써 열 에너지를 전달받고, 연소 물질 유로(210)에서 유동하는 연소 물질에 전달함으로써 연소 물질을 예열한다.

열 교환 입자(500) 및 그 배치 방식 등에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

(3) 연소부(300)의 설명

연소부(300)는 예열부(200)의 연소 물질 유로(210)를 통해 유입된 연소 물질이 연소되어 열 에너지가 실질적으로 발생하는 부분이다.

도 5를 참조하면, 연소부(300)는 버너(310) 및 열 교환기(320)를 포함한다.

버너(310)는 유입된 연소 물질을 이용하여 연소가 수행되는 부분이다. 도시된 실시 예에서, 버너(310)는 연소부(300)의 하측에 위치되나, 그 위치는 변경 가능하다.

다만, 버너(310)의 위치는 발생한 화염이 연소부(300)의 중앙부에 위치될 수 있도록 결정되는 것이 바람직하다.

열 교환기(320)는 버너(310)의 화염에 의해 발생한 열 에너지를 이용하여 연소기(300) 내부의 공기를 가열하고, 후술될 열 교환 유로부(400) 내측을 유동하는 열 교환 유체와의 열 교환이 진행된다.

도시된 실시 예에서, 열 교환기(320)는 원통형으로 구비되어, 버너(310)에서 발생한 화염에 의한 연소기(300) 내벽의 손상을 방지하도록 버너(310)의 상측에 위치되나, 그 형상 및 위치는 변경될 수 있다.

열 교환기(320)의 하측에는 기체가 유동할 수 있도록 다수의 관통공(미도시)이 형성되어, 배가스 및 가열된 기체는 연소기(300) 내부를 순환 유동할 수 있다(도 5 참조). 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

(4) 열 교환 유로부(400)의 설명

열 교환 유로부(400)의 내부에는 열 교환 유체가 유동하여, 가정에 난방 등을 수행하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)에서 발생한 열 에너지를 열 교환 유체가 전달받을 수 있는 통로를 제공한다.

열 교환 유로부(400)는 열 교환 효율의 상승을 위해 열 전달 계수가 높은 물질로 형성되는 것이 바람직하다.

다시 도 1을 참조하면, 열 교환 유로부(400)는 유체 유입부(410) 및 유체 배출부(420)를 포함한다.

유체 유입부(410)는 가정용 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성되어, 열 교환 유체가 가정용 보일러(10)의 내측으로 유입되는 통로를 제공한다. 도시된 실시 예에서, 유체 유입부(410)는 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)의 가장 하측에 위치되는 잠열 회수부(100)의 일 측에 형성된다.

유체 배출부(420)는 가정용 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성되어, 열 교환 유체가 가정용 보일러(10)의 외측으로 배출되는 통로를 제공한다. 도시된 실시 예에서, 유체 배출부(420)는 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)의 가장 상측에 위치되는 연소부(300)의 일 측에 형성된다.

유체 유입부(410)의 위치 및 유체 배출부(420)의 위치는 본 발명의 열 교환 과정에 기인한다. 구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)가 연소가 실제로 일어나는 연소부(300) 뿐만 아니라 예열부(200) 및 잠열 회수부(100)에서도 열 교환 유체와 연소로 인해 발생한 열 에너지 간에 열 교환이 수행되도록 구성되기 때문인데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

(5) 열 교환 입자(500)의 설명

열 교환 입자(500)는 예열부(200)의 내측에 복수 개로 구비되어, 연소부(300)에서 발생한 배가스 내의 열 에너지를 전달받고, 전달받은 열 에너지를 이용하여 공급된 연소 물질을 예열하기 위한 수단으로서 기능한다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 열 교환 입자(500)는 미세한 크기의 구 형태의 물질이 복수 개로 구비되어, 예열부(200)에 충진된다. 열 교환 입자(500)의 크기 및 형상은 변경될 수 있다.

다만, 어떠한 경우라도 열 교환 입자(500)는 단일 구조체가 아니라 복수 개의 작은 구조체로서 구비되는 것이 용이한 제작 및 유지 보수를 위해 바람직하다.

열 교환 입자(500)는 열 에너지를 전달받고 이를 다시 전달하기에 적합한 소재로 형성될 수 있으며, 일 실시 예에서, 열 교환 입자(500)는 세라믹 소재 등으로 형성될 수 있다.

열 교환 입자(500) 사이에는 공극(510)이 형성된다.

공극(510)은 열 교환 입자(500)의 형상에 의해 발생하는 일종의 공간으로서, 연소기(300)에서 유입된 배가스가 유동할 수 있는 공간을 형성하여, 배가스와 열 교환 입자(500) 간의 열 교환을 가능하게 한다.

공극(510)의 크기는 열 교환 입자(500)의 형상 및 크기에 기인하여 변경될 수 있으며, 도시된 실시 예에서는 열 교환 입자(500)가 규칙적으로 배열됨에 기인하여 공극(510)의 형상 및 배치 또한 규칙적이나, 그 형상 및 배치는 서로 다르게 형성될 수 있다.

3. 가정용 보일러(10)의 작동 과정의 설명

본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)는 연소를 위한 산화제로서 가압된 공기를 제공받아 연소를 수행함으로써 연소 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 연소부(300)에서의 열 교환뿐만 아니라, 예열부(200)에서의 연소 물질의 예열, 잠열 회수부(100)에서의 추가 열 교환을 수행하여 연소 효율 및 열 교환 효율을 증가시킬 수 있다.

이하, 도 1 및 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)의 작동 과정을 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 가정용 보일러(10)의 작동 과정에서 사용되는 산화제는 압축기(C)에 의해 압축된 가압 공기 또는 가압 산소이다.

1) 연소부(300)에서의 연소 과정의 설명

연소부(300)의 버너(310)는 예열부(200)의 연소 물질 유입구(220)를 통해 유입되어 연소 물질 유로(210)를 유동하여 공급된 연소 물질을 연소시켜 화염 및 이에 따른 열 에너지를 발생시킨다.

이 때, 유입된 연소 물질은 후술될 바와 같이 예열부(200)에서 예열 과정을 거친 연소 물질이다.

버너(310)에 의해 발생된 화염은 열 교환기(320)에 의해 연소부(300)의 내벽을 손상시키지 않고, 연소부(300)의 중앙부를 따라 연소부(300)의 상측으로 확산된다.

연소부(300) 내부에 존재하는 공기 및 배가스(이하 "배가스"라 한다.)는 화염에 의해 발생한 열 에너지를 전달받으며 연소부(300) 내부를 순환 유동한다. 이 때, 상술한 바와 같이 열 교환기(320) 하측에 형성된 복수 개의 관통공(미도시)으로 인해, 배가스는 다시 열 교환기(320) 내부로 유입되어 가열될 수 있다.

이 때, 열 교환 유로(400)는 열 교환기(320)와 연소부(300)의 내벽 사이에 위치될 수 있다(도 6의 (b) 참조).

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)의 잠열 회수부(100), 예열부(200) 및 연소부(300)는 서로 배가스가 유동할 수 있도록 연결되므로, 배가스의 일부는 연소부(300) 내부에서 유동을 계속하되, 나머지 배가스는 예열부(200)로 이동된다.

2) 예열부(200)에서의 예열 과정의 설명

예열부(200)에 유입된 배가스는 연소부(300)에서 발생한 화염으로부터 열 에너지를 전달받아 가열된 상태이다.

먼저, 배가스 내의 열 에너지는 연소 물질 유로(210) 및 열 교환 입자(500)와 열 교환하여, 연소 물질을 예열한다.

즉, 배가스 내의 열 에너지는 연소 물질 유로(210) 내부를 유동하는 연소 물질과 직접적으로 열 교환되고, 더 나아가 열 교환 입자(500)를 매개로 하여 연소 물질과 간접적으로 열 교환된다.

이 때, 연소 물질 유입구(220)를 통해 유입된 연소 물질, 구체적으로 산화제는 압축기(c)에 의해 가압된 가압 공기 또는 가압 산소이다.

또한, 배가스 내의 열 에너지는 열 교환 유로부(400) 및 열 교환 입자(500)와 열 교환하여, 열 교환 유로부(400) 내부를 유동하는 열 교환 유체에 열을 전달한다.

구체적으로, 배가스 내의 열 에너지는 열 교환 유로부(400) 내부를 유동하는 열 교환 유체와 직접적으로 열 교환되고, 더 나아가 열 교환 입자(500)를 매개로 하여 열 교환 유체와 간접적으로 열 교환된다.

즉, 배가스 내의 열 에너지는 연소 물질 및 열 교환 유체에 직접적으로 전달될 뿐만 아니라, 예열부(200) 내부에 충진된 열 교환 입자(500)로 인해 추가적으로 열 교환이 더 수행되는 것이다.

따라서, 연소 물질의 예열로 인한 연소 효율이 증가될 뿐만 아니라, 열 교환 유체에 추가 열 교환 수행이 가능하므로, 열 교환 효율이 증가될 수 있다.

예열부(200)에 유입된 배가스는 복수 개의 열 교환 입자(500) 사이의 공극(510)을 통해 유동하며 하측으로 이동하여 잠열 회수부(100)로 유입된다.

3) 잠열 회수부(100)에서의 잠열 회수 과정의 설명

잠열 회수부(100)에 유입된 배가스는 대부분의 열 에너지를 예열부(200)에서의 열 교환을 통해 상실한 상태로서, 소량의 잠열이 존재하는 상태이다.

배가스 내의 잠열은 열 교환 유로부(400)와의 추가 열 교환을 통해 회수된다.

구체적으로, 잠열 회수부(100)의 일 측에 형성된 유체 유입부(410)를 통해 유입되는 열 교환 유체는 저온 상태인 바, 배가스는 유입된 저온의 열 교환 유체와의 열 교환을 통해 잠열을 모두 전달한다.

잠열을 모두 잃은 배가스는 응축되어 잠열 회수부(100)의 하측에 위치하는 응축수 저장부(110)에 저장된다. 이 때, 배가스 내부에 존재하는 질소산화물은 응축수에 용해되어 제거된다.

응축수 저장부(110)에 저장된 응축수의 양이 소정의 양을 초과하거나, 질소산화물의 지속적인 용해에 의해 pH 농도가 소정의 농도 미만으로 감소될 경우 응축수는 응축수 배출부(120)를 통해 배출될 수 있다.

이를 위해 응축수 저장부(110)에는 pH 농도 감지를 위한 pH 센서(미도시)가 구비될 수 있으며, pH 농도의 제어를 위해 응축수 배출부(120)로 응축수가 유입될 수도 있다.

즉, 연소부(300)에서의 연소를 위해 공급되는 연소 물질은 연소부(300)에서 발생한 배가스 내의 열 에너지를 이용하여 예열된 상태로 공급되므로 연소 효율이 향상될 수 있다.

또한, 연소부(300)에서 발생한 배가스 내의 열 에너지는 예열부(200)에서 연소 물질 유로(210), 열 교환 유로(400) 및 열 교환 입자(500)와의 열 교환을 통해 연소 물질의 예열 및 열 교환 유체의 가열에 활용된다.

더 나아가, 배가스 내의 잠열은 잠열 회수부(100)에서 열 교환 유로(400)와의 열 교환에 활용되고, 응축수에 용해되므로 열 교환 효율이 상승됨은 물론, 배가스 내의 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다.

4. 가정용 보일러(10)의 실험 예의 설명

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가정용 보일러(10)의 실험 예를 상세하게 설명한다.

도 7을 참조하면, 내부 재순환이 가능한 연소기에서의 압력 변화에 따른 연소실 내부 연소 온도의 변화가 연소기 내부의 하측으로부터 상측으로의 높이별로 도시된다(도 6에서 색상 별로 구분됨).

이 때, 투입되는 연소 물질 중 연료량은 동일하되, 산화제로 사용되는 기체의 압력만이 변경된다.

연소 압력이 증가함에 따라, 동일한 양의 연료를 투입하였을 때, 연소실 내부의 온도가 감소하는 경향을 확인할 수 있다(도 6에서 대부분의 그래프가 우하향됨).

즉, 연소 압력을 증가시킴으로써, 연소실 내부의 최대 연소 온도를 낮출 수 있으므로, 연소 결과 발생하는 배가스 내의 질소산화물의 생성량을 감소시킬 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 압력 변화에 따른 배가스 내 일산화질소 및 이산화질소 비율(도 8) 및 질소산화물의 총량(도 9)의 변화가 도시된다.

도 8을 참조하면, 연소부(300) 내부의 압력이 증가할수록 이산화질소와 일산화질소의 비율이 증가함을 확인할 수 있다, 즉, 이산화질소의 양이 일산화질소의 양에 비해 상대적으로 증가한다.

일산화질소가 물에 대하여 불용성임에 비해, 이산화질소는 수용성이므로, 생성된 질소산화물의 양이 동일할 때 이산화질소의 양이 증가될수록 응축 과정을 통한 질소산화물의 제거 효율이 더욱 상승될 수 있다.

도 9를 참조하면, 연소부(300) 내부의 압력이 증가할수록 질소산화물의 전체 총량이 감소함을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같이, 연소실 내부의 최대 연소 온도 하강에 따라 발생하는 효과로 이해될 것이다.

본 발명에 따르면, 약 2 내지 3 bar 정도의 가압 운전을 통해 산화제를 공급함으로써, 기존의 가정용 보일러 시스템보다 연소실 부피를 약 30% 가량 축소할 수 있으므로, 이를 통한 가정용 보일러 시스템 전체의 소형화가 가능하며, 가압에 의한 배가스 내의 복사 열전달 계수의 증가로 인해 열교환 효율이 증가된다.

또한, 예열부(200) 내부에 구비된 복수 개의 열 교환 입자(500) 및 이에 의해 형성되는 공극(510)을 통해 연소 물질의 예열 및 열 교환 유체와의 열 교환이 수행되므로, 열 교환 효율이 증가된다.

또한, 산화제가 가압되어 공급됨에 따라 배가스 내의 수분의 응축 온도가 증가되어 기존의 가정용 보일러에 대비하여 고온에서도 수분 응축이 가능하게 되므로, 잠열 회수부(100)에서의 잠열 회수 효율을 증가시킬 수 있다(수분의 응축 온도는 대기압에서 100도, 약 2 bar에서 약 133도임).

또한, 도 6에서와 같이 배가스 재순환 방식을 통해 잠열을 흡수하는 과정을 통해 기존의 가정용 보일러에 비해 최대 연소 온도를 낮출 수 있으므로 질소산화물의 생성량 자체를 감소시킬 수 있고, 생성된 질소산화물의 총량 중 수용성인 이산화질소의 생성 비율이 증가되므로, 응축에 의한 질소산화물의 효과적인 저감이 가능하다.

더 나아가, 배가스의 열 에너지를 이용하여 연소 전 연소 물질을 예열한 후 연소를 수행하므로 연소 효율이 증가되며, 이에 따라 소비되는 연료량이 감소되어 가정용 보일러(10) 운용에 따른 경비 절감 효과 또한 기대할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 가정용 보일러
100 : 잠열 회수부
110 : 응축수 저장부
120 : 응축수 배출부
200 : 예열부
210 : 연소 물질 유로
220 : 연소 물질 유입부
300 : 연소부
310 : 버너
320 : 열 교환기
400 : 열 교환 유로부
410 : 유체 유입부
420 : 유체 배출부
500 : 열 교환 입자
510 : 공극
C : 압축기

Claims

잠열 회수부(100);
상기 잠열 회수부(100)의 일측에 위치하는 예열부(200);
상기 예열부(200)의 일측에 위치하는 연소부(300); 및
상기 잠열 회수부(100), 상기 예열부(200) 및 상기 연소부(300)의 내측에서 연속적으로 연결되어 있는 열 교환 유로부(400)를 포함하는 가정용 보일러(10)로서,
상기 잠열 회수부(100), 상기 예열부(200) 및 상기 연소부(300)는 서로 유체 소통 가능하게 연결되고,
상기 예열부(200)의 내측이며 상기 열 교환 유로부(400)의 외측에는, 가압된 연소 물질이 유입되어 상기 연소부(300)에 상기 가압된 연소 물질을 공급하기 위한 통로를 제공하는 연소 물질 유로(210)가 구비되고,
상기 연소 물질 유로(210)의 일 측에는 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 연결되는 연소 물질 유입부(220)가 구비되며,
상기 잠열 회수부(100)에 위치하며 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성된 유체 유입부(410)가 구비되고,
상기 연소부(300)에 위치하며 상기 보일러(10)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성된 유체 배출부(420)가 구비되며,
상기 예열부(200)의 내측에는, 복수 개의 열 교환 입자(500)가 구비되는,
가정용 보일러.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 열 교환 입자(500)는 인접한 다른 열 교환 입자 사이에 공극(510)이 형성되도록 배열되는,
가정용 보일러.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 열 교환 입자(500)는 세라믹 소재로 형성되는,
가정용 보일러.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 열 교환 입자(500)는 구형으로 형성되는,
가정용 보일러.
제1항에 있어서,
상기 예열부(200)와 상기 연소부(300) 사이에는 버너(310)가 구비되고,
상기 버너(310)의 상측에는 열교환기(320)가 위치되는,
가정용 보일러.
제5항에 있어서,
상기 열교환기(320)는 원통형 또는 사각기둥 형상인,
가정용 보일러.
제1항에 있어서,
상기 잠열 회수부(100), 상기 예열부(200) 및 상기 연소부(300)는 일측으로부터 수평 또는 수직으로 순차로 위치하는,
가정용 보일러.