KR102100960B1 - 보일러 - Google Patents

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KR102100960B1
KR102100960B1 KR1020190010138A KR20190010138A KR102100960B1 KR 102100960 B1 KR102100960 B1 KR 102100960B1 KR 1020190010138 A KR1020190010138 A KR 1020190010138A KR 20190010138 A KR20190010138 A KR 20190010138A KR 102100960 B1 KR102100960 B1 KR 102100960B1
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김대현
어승희
김민준
정인선
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강원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 보일러에 관한 것으로서, 보일러 본체; 및 외부의 공기가 내부를 통과하도록 마련된 에어 파이프와, 상기 에어 파이프를 통과하는 상기 공기와 접하도록 상기 에어 파이프의 내부에 설치되며, 상기 공기에 포함된 수분을 흡수하는 리튬브로마이드 수용액으로 적셔진 제습 패드를 구비하고, 상기 리튬브로마이드 수용액에 의해 제습된 상기 공기를 상기 보일러 본체에 전달하는 제습 유닛을 포함한다.

Description

보일러{BOILER}
본 발명은 보일러에 관한 것이다.
유엔기후변화협약(United Nations Climate Change Conference, UNCCC) 당사국총회에서 결정된 온실가스감축과 관련하여 감축의무 대상국인 대한민국은 2015년 06월 29일 제출되었던 '국가 자발적 감축목표(Intended Nationally Determined Contribution, INDC)'를 통해, 2030년 온실가스 배출량 전망치(Business as Usual, BAU)인 85,060만 tCO2 equivalent (tCO2 eq.)를 기준으로, 2010년 대비 21% 감축된 약 67,197 tCO2 eq. 또는 2015년 대비 37% 감축된 약 53,587 tCO2 eq.를 목표로 수립한 바 있다. 이는 경제협력개발기구(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)의 34개 회원국 중 에너지효율 대비 최고수준(Bloomberg New Energy Finance (BNEF), 2015)으로, 목표달성을 위한 다양한 방안의 수립·시행이 요구된다.
목질계 바이오매스 연료의 일종인 목재 펠릿의 연소 시 발생되는 이산화탄소(CO2)는 나무의 광합성에 의해 산소(O2)로 생성되므로 탄소중립(Carbon Neutral)에너지원으로써 온실가스감축의무에 대응가능한 연료로 활용할 수 있다. 고체연료인 목재 펠릿은 함수율(moisture content), 겉보기 밀도(apparent density) 등의 물리적 성질(physical properties)과 휘발분(volatile matter), 고정탄소분(fixed carbon), 등의 화학적 조성(chemical composition) 등 연료자체의 불균일성 등과 더불어, 화격자 내 적층된 목재 펠릿의 내부로의 공기공급은 배제되고, 외부 표면만이 유입된 공기와 접촉되어 연소되므로 불규칙한 연소조건이 조성된다. 이는 온실가스의 배출증가 및 연소생성물(타르, 그을음, 재, 클링커 등)의 발생증가에 기여할 뿐만 아니라 궁극적으로는 연소효율 및 열효율이 저하되는 요인으로 작용된다. 현재 목질계 바이오매스 이용 시스템을 이용한 효율 향상을 위한 선행된 연구는 연소조건 및 연소특성, 연소시스템 제어, 연소시스템 성능 및 열전달 특성, 연소생성물 생성·억제·제거, 배기가스 조성 및 순환, 공기비 및 공기유동, 경제성·환경성 등에 관한 연구가 수행된 바 있으나 고체연료와 공기의 접촉면적을 개선하기 위한 연구는 미미한 실정이다.
한편, 보일러 본체에 열악한 질의 공기가 공급되면, 연료의 연소 시 연료로부터 생성된 휘발분(volatile matter)과 공기가 원활하게 혼합되지 않거나 공기에 다량의 수분이 포함된 상태로 연료가 연소됨으로써, 연료가 불완전 연소가 될 수 있다. 이처럼 연료가 불완전 연소가 되면, 연소생성물(타르, 그을음, 재, 클링커 등)의 발생량이 증가하고, 배기가스 중 유해 배기가스(CO, NOx, Sox 등)의 농도가 증가할 수 있다. 그런데, 기존의 보일러에 대한 연구 및 개발은 보일러 본체 또는 연료의 질 향상 등에 초점을 두고 이루어져 왔고, 보일러 본체에 공급되는 공기의 질 향상을 위한 연구는 미미한 실정이다.
본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고체연료와 공기의 접촉면적을 넓힐 수 있도록 개선한 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다
나아가, 본 발명은, 연료의 연소 시 연료로부터 생성된 휘발불과 공기가 원활하게 혼합될 수 있도록 개선한 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 제습된 공기를 보일러 본체에 공급할 수 있도록 개선한 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러는, 보일러 본체; 및 외부의 공기가 내부를 통과하도록 마련된 에어 파이프와, 상기 에어 파이프를 통과하는 상기 공기와 접하도록 상기 에어 파이프의 내부에 설치되며, 상기 공기에 포함된 수분을 흡수하는 리튬브로마이드 수용액으로 적셔진 제습 패드를 구비하고, 상기 리튬브로마이드 수용액에 의해 제습된 상기 공기를 상기 보일러 본체에 전달하는 제습 유닛을 포함한다.
바람직하게, 상기 제습 패드는, 상기 공기가 통과 가능한 다공성 구조를 갖는다.
바람직하게, 상기 제습 유닛에서 흡수된 상기 수분을 상기 리튬브로마이드 수용액으로부터 제거하는 재생 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 재생 유닛은, 상기 보일러 본체로부터 배출된 연소가스 및 상기 리튬브로마이드 수용액을 열교환시켜, 상기 수분을 증발시키는 제1 열교환기를 구비한다.
바람직하게, 상기 재생 유닛은, 외부의 전원으로부터 공급된 전기 에너지를 이용해 상기 리튬브로마이드 수용액을 가열하여, 상기 수분을 증발시키는 보조 히터를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 재생 유닛에서 상기 수분이 제거된 상기 리튬브로마이드 수용액을 냉각하는 냉각 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 냉각 유닛은, 외부의 용수원으로부터 공급된 물 및 상기 리튬브로마이드 수용액을 열교환시켜, 상기 리튬브로마이드 수용액을 냉각하는 제2 열교환기를 구비한다.
바람직하게, 상기 물은 상기 보일러 본체에 공급하기 위한 난방수이다.
바람직하게, 상기 냉각 유닛에서 냉각된 상기 리튬브로마이드 수용액으로부터 오염 물질을 제거하는 필터 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 필터 유닛은 상기 오염 물질이 제거된 상기 리튬브로마이드 수용액을 상기 제습 유닛에 재전달한다.
본 발명은, 보일러에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 리튬브로마이드 수용액에 의해 제습 및 예열된 공기를 보일러 본체에 공급하여, 보일러의 연소 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있고, 연료 소비량을 절감시킬 수 있다.
둘째, 본 발명은, 공기의 유입 경로 상에 설치된 와류 형성기에 의해 와류가 형성된 공기를 연료가 점화되어 형성된 화염으로 안내 가능한 바, 연료의 연소 시 생성된 휘발분과 공기를 원활하게 혼합시켜 연료의 연소조건을 완전연소조건에 근접시킬 수 있고, 공기의 대류 시간을 증가시킬 수 있다. 이를 통해 본 발명은, 연료의 불완전 연소 시 발생하는 연소생성물 및 유해 배기가스의 농도를 저감시킴으로써, 보일러의 연소 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있고, 온실가스의 배출량을 감소시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은, 공기를 펠릿 더미의 내부까지 안내 가능한 버너핀을 화격자의 통공들에 설치하여 펠릿 더미의 내부를 완전연소조건에 근접시킴으로써, 보일러의 열 효율을 향상시킬 수 있고, 연소생성물 및 온소 가스 배출을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 제습 유닛을 이용해 공기의 수분을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1의 Ⅰ 영역에 대한 부분 확대도.
도 4는 도 3의 공기 공급 유닛 및 연소 유닛에 대한 부분 확대도.
도 5는 제1 공기가 펠릿 더미에 공급되는 양상을 나타내는 도면.
도 6은 버너핀들의 사시도.
도 7은 일 형태에 따른 와류 형성기의 전면도.
도 8은 일 형태에 따른 와류 형성기의 전면 사시도.
도 9는 일 형태에 따른 와류 형성기의 후면 사시도.
도 10은 일 형태에 따른 와류 형성기의 측면도.
도 11은 다른 형태에 따른 와류 형성기의 개념도.
도 12는 또 다른 형태에 따른 와류 형성기의 개념도.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 제습 유닛을 이용해 공기의 수분을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러(1)는, 리튬브로마이드 수용액(L)을 이용해 외부의 공기(A)를 제습하는 제습 유닛(10)과, 리튬브로마이드 수용액(L)을 가열하여, 제습 유닛(10)에서 흡수된 수분을 리튬브루마이드 수용액(L)으로부터 제거하는 재생 유닛(20)과, 재생 유닛(20)에서 수분이 제거된 리튬브루마이드 수용액(L)을 냉각하는 냉각 유닛(30)과, 냉각 유닛(30)에서 냉각된 리튬브루마이드 수용액(L)으로부터 오염 물질을 제거하는 필터 유닛(40)과, 고체 연료의 연소 및 난방수(W)의 가열이 진행되는 보일러 본체(50)와, 제습 유닛(10)에서 수분이 제거된 공기(A)를 보일러 본체(50)에 공급하는 공기 공급 유닛(60)과, 공기 공급 유닛(60)으로부터 공급된 공기(A)를 이용해 고체 연료를 연소하는 연소 유닛(70)과, 공기 공급 유닛(60)으로부터 공급된 공기(A)를 고체 연료의 내부까지 안내하는 적어도 하나의 버너핀들(80)과, 공기 공급 유닛(60)으로부터 공급된 공기(A)에 와류를 형성하는 와류 형성기(90) 등을 포함할 수 있다.
보일러(1)에서 사용 가능한 고체 연료의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 고체 연료는 목재 펠릿(P)일 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하에서는, 목재 펠릿(P)을 고체 연료로서 사용하는 경우를 예로 본 발명을 설명하기로 한다.
먼저, 제습 유닛(10)은 보일러 본체(50)에 공급하기 위한 외부의 공기(A)에 포함된 수분을 제거하기 위한 장치이다.
리튬브로마이드(Lithium-bromide) 수용액(L)은, 식염과 유사한 안정적인 인체 무해 특성을 갖는 물질로서, 상온에서 공기(A)에 포함된 수분을 60% 이상을 흡수하여 제거 가능한 제습 성질을 갖는다. 제습 유닛(10)은 이러한 리튬브로마이드 수용액(L)을 이용해 외부의 공기(A)에 포함된 수분을 제거하도록 마련된다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제습 유닛(10)은, 외부의 공기(A)가 내부를 통과하도록 마련된 에어 파이프(12)와, 에어 파이프(12)를 통과하는 공기(A)와 접하도록 에어 파이프(12)의 내부에 설치되며, 리튬브로마이드 수용액(L)이 적셔진 제습 패드(14) 등을 구비할 수 있다.
에어 파이프(12)의 일측 개구부는 외부와 연통될 수 있고, 일측 개구부와 반대되는 에어 파이프(12)의 타측 개구부는 후술할 공기 공급 유닛(60)의 송풍기(62)와 연결될 수 있다. 그러면, 송풍기(62)의 가동 시 송풍기(62)로부터 제공되는 흡입력에 의해, 외부의 공기(A)는 에어 파이프(12)의 일측 개구부를 통해 에어 파이프(12)의 내부로 유입될 수 있다. 이처럼 유입된 공기(A)는 에어 파이프(12)를 따라 송풍기(62)를 향해 이송될 수 있다.
제습 패드(14)는 에어 파이프(12)의 내경과 대응하는 외경을 갖게 형성된다. 이를 통해, 도 2에 도시된 바와 같이, 제습 패드(14)는 에어 파이프(12)를 통과하는 공기(A)와 접하도록 에어 파이프(12)의 내부에 삽입될 수 있다.
제습 패드(14)는, 리튬브로마이드 수용액(L)으로 적셔지되 공기(A)가 통과 가능한 다공성 구조를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제습 패드(14)는, 스폰지, 골판지 등으로 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 제습 패드(14)에는 필터 유닛(40)에서 오염 물질이 제거된 리튬브로마이드 수용액(L)이 에어 파이프(12)와 필터 유닛(40)을 연결하는 관로(미도시)를 통해 공급될 수 있다. 이처럼 공급된 리튬브로마이드 수용액(L)으로 제습 패드(14)가 적셔진 상태에서 에어 파이프(12)로 공기(A)가 유입되면, 공기(A)는 리튬브로마이드 수용액(L)과 접촉되면서 제습 패드(14)를 통과하게 된다. 이를 통해, 리튬브로마이드 수용액(L)은 공기(A)에 포함된 수분을 제거할 수 있다. 또한, 리튬브로마이드 수용액(L)은 후술할 재생 유닛(20)에 의해 가열됨에 따라 상온의 공기(A)에 비해 높은 온도를 유지하게 된다. 이에, 공기(A)의 수분이 리튬브로마이드 수용액(L)에 흡수될 때, 공기(A)와 리튬브로마이드 수용액(L) 간에 열교환이 이루어지는 바, 공기(A)는 리튬브로마이드 수용액(L)에 의해 예열될 수 있다.
이처럼 리튬브로마이드 수용액(L)에 의해 제습 및 예열된 공기(A)는 송풍기(62)에 의해 연소 유닛(70)으로 공급되어 목재 펠릿(P)의 연소를 위해 사용될 수 있다. 이를 통해, 보일러(1)의 연소 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있고, 연료 소비량을 절감시킬 수 있다.
한편, 공기(A)를 제습 및 예열한 리튬브로마이드 수용액(L)은 에어 파이프(12)와 재생 유닛(20)을 연결하는 관로(미도시)를 통해 재생 유닛(20)으로 전달될 수 있다.
다음으로, 재생 유닛(20)은 제습 유닛(10)으로부터 전달된 리튬브로마이드 수용액(L)을 가열하여, 제습 유닛(10)에서 흡수된 수분을 리튬브로마이드 수용액(L)으로부터 제거하기 위한 장치이다.
리튬브로마이드 수용액(L)이 제습 유닛(10)에서 공기(A)에 포함된 수분을 흡수하면, 리튬브로마이드 수용액(L)의 농도가 낮아짐에 따라 리튬브로마이드 수용액(L)을 제습재로서 사용할 수 없게 된다. 이에, 리튬브로마이드 수용액(L)을 제습재로서 재사용 가능하도록, 제습 유닛(10)으로부터 전달된 리튬브로마이드 희용액으로부터 수분을 증발시켜 리튬브로마이드 수용액(L)의 농도를 높이는 재생 유닛(20)이 마련되는 것이다.
이러한 재생 유닛(20)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 재생 유닛(20)은, 보일러 본체(50)로부터 배출된 연소가스(G) 및 리튬브로마이드 수용액(L)을 열교환시켜 리튬브로마이드 수용액(L)을 가열하여, 수분을 증발시키는 제1 열교환기(22)와, 외부의 전원으로부터 공급된 전기 에너지를 이용해 리튬브로마이드 수용액(L)을 가열하여, 수분을 증발시키는 보조 히터(24) 등을 구비할 수 있다.
제1 열교환기(22)는, 후술할 배풍기 하우징(57)에 의해 보일러 본체(50)로부터 배출되어 연통(58)을 따라 유동하는 연소가스(G)와 제습 유닛(10)으로부터 전달된 리튬브로마이드 수용액(L)을 열교환시킬 수 있도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(22)는 리튬브로마이드 수용액(L)이 연통(58) 내부를 통과하도록 마련될 수 있다. 그러면, 리튬브로마이드 수용액(L)에 비해 끓는점이 낮은 수분은 증발되어 리튬브로마이드 수용액(L)으로부터 제거될 수 있다. 이러한 제1 열교환기(22)는, 연소가스(G)와 함께 보일러 본체(50)로부터 배출된 폐열을 이용해 리튬브로마이드 수용액(L)을 재생하므로, 보일러(1)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
보조 히터(24)는, 제1 열교환기(22)로부터 전달된 리튬브로마이드 수용액(L)을 재가열하여, 제1 열교환기(22)에서 제거되지 않은 잔여 수분을 증발시킬 수 있다. 그러면, 리튬브로마이드 수용액(L)은, 제습재로서 사용 가능한 리튬브로마이드 농용액으로 재생될 수 있다. 이러한 보조 히터(24)는, 외부의 전원으로부터 공급된 전기 에너지를 이용해 리튬브로마이드 수용액(L)을 가열 가능한 전기 히터로서 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 냉각 유닛(30)은 재생 유닛(20)에서 재생된 리튬브로마이드 수용액(L)을 미리 정해진 기준 온도로 냉각하기 위한 장치이다.
기준 온도는 특별히 한정되지 않으며, 제습 유닛(10)에서 공기(A)를 제습 및 예열하는데 적절한 수준의 온도가 기준 온도로 정해질 수 있다.
냉각 유닛(30)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 냉각 유닛(30)은, 외부의 용수원으로부터 공급된 물과 보조 히터(24)로부터 전달된 리튬브로마이드 수용액(L)을 열교환시켜, 리튬브로마이드 수용액(L)을 기준 온도로 냉각하는 제2 열교환기(32)를 구비할 수 있다. 특히, 리튬브로마이드 수용액(L)과 열교환되는 물은, 후술할 보일러 본체(50)의 난방수실(53)에 공급하기 위한 난방수(W)일 수 있다. 그러면, 난방수(W)는 제2 열교환기(32)에 의해 예열된 상태로 보일러 본체(50)에 공급되므로, 이를 통해 보일러(1)의 열 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 필터 유닛(40)은 냉각 유닛(30)에서 냉각된 리튬브로마이드 수용액(L)으로부터 오염 물질을 제거하기 위한 장치이다.
리튬브로마이드 수용액(L)에는, 리튬브로마이드 수용액(L)이 전술한 제습 유닛(10), 재생 유닛(20) 및 냉각 유닛(30) 등을 따라 순환하는 과정에서 침투된 오염 물질이 포함될 수 있다. 이러한 오염 물질 특히, 공기(A) 중에서 부유될 수 있는 공기부유 오염 물질이 리튬브로마이드 수용액(L)에 포함되면, 제습 유닛(10)에서 공기(A)가 리튬브로마이드 수용액(L)에 의해 제습 및 예열될 때, 공기부유 오염 물질이 공기(A)를 따라 보일러 본체(50)로 침투될 수 있다. 그러면, 이러한 공기부유 오염 물질에 의해 보일러 본체(50) 내부가 오염됨으로써, 보일러(1)의 열 효율 및 내구성이 저하될 우려가 있다. 이러한 오염 물질을 리튬브로마이드 수용액(L)으로부터 제거할 수 있도록 필터 유닛(40)이 마련되는 것이다.
필터 유닛(40)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 필터 유닛(40)은 리튬브로마이드 수용액(L)에 분산된 오염 물질을 필터링할 수 있는 여과 필터(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 필터 유닛(40)은 여과 필터에 의해 오염 물질이 제거된 리튬브로마이드 수용액(L)을 제습 패드(14)에 재전달할 수 있다. 이러한 필터 유닛(40)에 의하면, 리튬브로마이드 수용액(L)은 오염 물질의 반복적인 여과를 통해 반영구적으로 사용할 수 있다.
도 3은 도 1의 Ⅰ 영역에 대한 부분 확대도이다.
다음으로, 보일러 본체(50)는, 목재 펠릿(P)을 연소시키기 위한 보일러(1)의 전반적인 구성 요소들의 설치 공간을 제공하기 위한 장치이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 보일러 본체(50)는, 본체 케이싱(51)과, 목재 펠릿(P)의 연소를 위한 공간을 제공하는 연소실(52)과, 목재 펠릿(P)의 연소열을 이용해 가열하기 위한 난방수(W)가 충전되는 난방수실(53)과, 연소가스(G)의 폐열을 회수하기 위한 폐열 회수기(54)와, 연소가스(G)를 외부로 배기하는 배풍기(55) 등을 구비할 수 있다.
본체 케이싱(51)은, 전술한 보일러 본체(50)의 다른 구성 요소들을 내부에 설치할 수 있도록 미리 정해진 용적을 갖는다.
연소실(52)은 연소실(52)의 벽체가 본체 케이싱(51)의 벽체로부터 미리 정해진 간격만큼 이격되도록 본체 케이싱(51)의 내부 공간에 설치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 연소실(52)에는, 공기 공급 유닛(60), 연소 유닛(70), 버너핀들(80), 와류 형성기(90) 등이 배치될 수 있다.
난방수실(53)은 연소실(52)의 벽체와 본체 케이싱(51)의 벽체 사이의 공간에 마련된다. 이러한 난방수실(53)에는 전술한 냉각 유닛(30)에 의해 예열된 난방수(W)가 충전될 수 있다. 이를 위하여, 본체 케이싱(51)에는 외부에서 난방수실(53)로 난방수(W)가 유입되는 난방 환수구(51a)와, 난방수실(53)에서 외부로 난방수(W)가 배출되는 난방 출수구(51b)가 형성될 수 있다. 이러한 난방 환수구(51a)와 난방 출수구(51b)는 각각, 난방수(W)가 연소실(52)로부터 전달되는 목재 펠릿(P)의 연소열에 의해 1차적으로 가열된 후 폐열 회수기(54)로부터 전달되는 연소가스(G)의 폐열에 의해 2차적으로 가열될 수 있도록, 미리 정해진 거리만큼 서로 이격되게 형성될 수 있다. 즉, 난방 환수구(51a)와 난방 출수구(51b)는 각각, 난방수(W)가 연소실(52) 쪽에서 폐열 회수기(54) 쪽으로 유동하도록 형성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 난방수관들(56)이 연소실(52)을 가로지르게 설치될 수 있다. 각각의 난방수관(56)의 양측 단부는 난방수실(53)과 연결될 수 있다. 그러면, 난방수실(53)에 충전된 난방수(W)가 각각의 난방수관(56)을 통과하면서 목재 펠릿(P)의 연소열에 의해 가열됨으로써, 보일러(1)이 열 효율이 향상될 수 있다.
폐열 회수기(54)는, 연소실(52)에서 목재 펠릿(P)의 연소에 의해 생성된 연소가스(G)가 유입되는 제1 폐열 회수관(54a)과, 연소가스(G)로부터 낙하된 재가 집진되는 집진실(54b)과, 집진실(54b)을 통과한 연소가스(G)가 유입되는 제2 폐열 회수관(54c), 제1 폐열 회수관(54a)과 제2 폐열 회수관(54c) 내부의 그을음을 제거하기 위한 그을음제거부재(54d) 등을 가질 수 있다.
제1 폐열 회수관(54a)은 적어도 일부가 난방수실(53)에 충전된 난방수(W)에 잠기도록 본체 케이싱(5)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 특히, 제1 폐열 회수관(54a)은 중력 방향으로 길게 연장되도록 배치될 수 있다. 이러한 제1 폐열 회수관(54a)의 상측 개구부는 연소실(52)과 연결될 수 있고, 제1 폐열 회수관(54a)의 하측 개구부는 집진실(54b)과 연결될 수 있다. 그러면, 목재 펠릿(P)이 연소되어 생성된 연소가스(G)는 상측 개구부를 통해 제1 폐열 회수관(54a)으로 유입된 후, 집진실(54b)을 향해 이동될 수 있다. 이 과정에서, 연소가스(G)와 난방수(W)가 열교환되어 난방수(W)가 가열됨으로써, 연소가스(G)의 폐열을 1차적으로 회수할 수 있다.
집진실(54b)에는, 연소가스(G)가 제1 폐열 회수관(54a) 및 제2 폐열 회수관(54c)을 통해 이동하는 과정에서 연소가스(G)로부터 낙하된 재가 집진될 수 있다. 이처럼 집진실(54b)에 집진된 재는, 집진실(54b)의 도어(미도시)를 통해 집진실(54b)로부터 제거될 수 있다.
제2 폐열 회수관(54c)은 적어도 일부가 난방수실(53)에 충전된 난방수(W)에 잠기도록 본체 케이싱(51)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 특히, 제2 폐열 회수관(54c)은 중력 방향으로 길게 연장되도록 배치될 수 있다. 이러한 제2 폐열 회수관(54c)의 하측 개구부는 집진실(54b)과 연결될 수 있고, 제2 폐열 회수관(54c)의 상측 개구부는 후술할 배풍기 하우징(57)과 연결될 수 있다. 그러면, 집진실(54b)을 통과한 연소가스(G)는 하측 개구부를 통해 제2 폐열 회수관(54c)으로부터 유입된 후, 배풍기 하우징(57)을 향해 이동될 수 있다. 이 과정에서, 연소가스(G)와 난방수(W)가 재열교환되어 난방수(W)가 가열됨으로써, 연소가스(G)의 폐열을 2차적으로 회수할 수 있다.
그을음제거부재(54d)는 제1 폐열 회수관(54a)의 내주면과 제2 폐열 회수관(54c)의 내주면에 적층된 그을음을 제거하기 위해 마련된다. 이러한 그을음제거부재(54d)는 일반적인 보일러에서 사용되는 통상적인 그을음제거부재와 동일한 구조를 가지므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
배풍기(55)는 연소가스(G)를 보일러 본체(50)의 외부로 배기할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 배풍기(55)는, 제2 폐열 회수관(54c)의 상측 개구부와 연결된 배풍기 하우징(57)의 내부에 설치될 수 있다. 이에, 제2 폐열 회수관(54c)을 통과한 연소가스(G)는 배풍기(55)에 의해 흡입되어 외부로 배기될 수 있다. 이를 위하여, 배풍기 하우징(57)에는, 배풍기(55)에 의해 흡입된 연소가스(G)를 외부로 안내하는 연통(58)이 연결될 수 있다. 이러한 연통(58)에는, 제습 유닛(10)에서 전달된 리튬브로마이드 수용액(L)이 연통(58)을 통과하면서 연소가스(G)와 열교환될 수 있도록, 전술한 재생 유닛(20)의 제1 열교환기(22)가 결합될 수 있다.
도 4는 도 3의 공기 공급 유닛 및 연소 유닛에 대한 부분 확대도이고, 도 5는 제1 공기가 펠릿 더미에 공급되는 양상을 나타내는 도면이며, 도 6 버너핀들의 사시도이다.
다음으로, 공기 공급 유닛(60)은 목재 펠릿(P)을 연소시키기 위한 공기(A)를 공급하기 위한 장치이다.
공기 공급 유닛(60)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 공기 공급 유닛(60)은, 제습 유닛(10)에서 제습 및 예열된 공기(A)를 공급하는 송풍기(62)와, 송풍기(62)가 고정 설치되며, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)를 연소 유닛(70)에 전달하는 제1 하우징(64) 등을 구비할 수 있다.
송풍기(62)의 흡입구는 에어 파이프(12)의 타측 개구부와 연결될 수 있다, 송풍기(62)의 토출구는 후술할 제1 하우징(64)의 제1 에어 덕트(66)와 연결될 수 있다. 이러한 송풍기(62)는 제습 유닛(10)에서 제습 및 예열된 공기(A)를 제1 에어 덕트(66)에 전달할 수 있다.
제1 하우징(64)은, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)를 연소 유닛(70)으로 안내하도록 내부에 형성된 제1 에어 덕트(66)를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 에어 덕트(66)는, 일측 단부에 송풍기(62)의 토출구가 연결될 수 있고, 타측 단부가 후술할 화격자(72)의 통공들(72a)과 연통될 수 있다. 이를 통해, 제1 에어 덕트(66)는 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)를 화격자(72)의 통공들(72a)로 안내할 수 있다.
다음으로, 연소 유닛(70)은, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)를 이용해 목재 펠릿(P)을 연소시키기 위한 장치이다.
연소 유닛(70)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 연소 유닛(70)은, 목재 펠릿(P)이 안착되는 화격자(72)와, 화격자(72)를 둘러싸도록 설치되는 제2 하우징(74)과, 화격자(72)에 안착된 목재 펠릿(P)을 점화하는 버너(76) 등을 구비할 수 있다.
화격자(72)는 외부의 펠릿 공급원(미도시)으로부터 공급된 다수의 목재 펠릿들(P)이 바닥판에 안착될 수 있도록 상측이 개구된 형상을 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 목재 펠릿들(P)은, 화격자(72)의 바닥판에 밀집된 상태로 안착됨에 따라, 펠릿 더미(a stack of wood pellets, S)를 이루게 된다. 즉, 목재 펠릿들(P)은, 펠릿 더미(S) 상태로 화격자(72)의 바닥판에 안착되는 것이다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 화격자(72)는 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)가 통과하도록 관통 형성된 복수의 통공들(72a)을 가질 수 있다. 복수의 통공들(72a)은 화격자(72)의 바닥판 및 측판에 미리 정해진 간격을 두고 관통 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 복수의 통공들(72a)은 각각, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)의 통과를 허용하되 목재 펠릿(P)의 통과는 허용하지 않도록, 목재 펠릿(P)에 비해 작은 사이즈를 갖도록 형성된다. 한편, 이러한 통공들(72a) 중 적어도 일부의 통공들(72a)에는 후술할 버너핀들(80) 중 어느 하나의 버너핀(80)이 각각 장착될 수 있다. 버너핀(80)에 대한 더욱 자세한 내용은 후술하기로 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 하우징(74)은, 화격자(72)의 통공들(72a)과 제1 하우징(64)의 제1 에어 덕트(66)를 연통시키는 제1 연통홀(74a)과, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)의 일부를 제2 하우징(74)의 내부로 선택적으로 바이패스시키는 바이패스홀(74b)과, 바이패스홀(74b)에 의해 바이패스된 공기(A)를 펠릿 더미(S)가 점화되어 생성된 화염(F) 쪽으로 안내하는 제2 에어 덕트(74c)와, 연소실(52)과 제2 하우징(74)을 연통시키는 제2 연통홀(74d) 등을 가질 수 있다.
제1 연통홀(74a)은, 제2 하우징(74)의 일측 벽체에 개방 형성되되, 화격자(72)를 제2 하우징(74)의 바닥면 및 측판에 거치시킬 수 있도록 화격자(72)에 비해 작은 사이즈를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 연통홀(74a)은 제2 하우징(74)의 바닥판에 개방 형성될 수 있다. 이러한 제1 연통홀(74a)과 대응하는 위치에 화격자(72)를 배치하면, 화격자(72)의 통공들(72a)과 제1 하우징(64)의 제1 에어 덕트(66)는 연통될 수 있다. 이에, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)는 통공들(72a)을 통해 펠릿 더미(S)로 공급될 수 있다.
바이패스홀(74b)은, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A) 중 어느 일부의 공기(A)(이하, '제1 공기(A1)'라고 함)가 제1 에어 덕트(66)를 따라 통공들(72a)로 안내되도록, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A) 중 나머지 일부의 공기(A)(이하, '제2 공기(A2)'라고 함)를 제2 에어 덕트(74c)로 선택적으로 바이패스 가능하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 바이패스홀(74b)은 제1 연통홀(74a)에 비해 제1 에어 덕트(66)의 상류 쪽에 위치하도록 제2 하우징(74)의 측판에 개방 형성될 수 있다. 그러면, 송풍기(62)로부터 공급된 공기(A)는, 제1 공기(A1)와 제2 공기(A2)로 분기되어 화격자(72)의 통공들(72a) 및 바이패스홀(74b)에 각각 유입될 수 있다. 한편, 이러한 바이패스홀(74b)에는 제2 공기(A2)에 와류를 형성 가능한 와류 형성기(90)가 장착될 수 있다. 이러한 와류 형성기(90)에 대한 더욱 자세한 설명은 후술하기로 한다.
제2 에어 덕트(74c)는, 바이패스홀(74b)이 형성된 제2 하우징(74)의 측판에서 화격자(72)의 상측 개구부 쪽으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이러한 제2 에어 덕트(74c)는 와류 형성기(90)에 의해 와류가 형성된 상태로 제1 에어 덕트(66)로부터 바이패스된 제2 공기(A2)를 펠릿 더미(S)가 점화되어 생성된 화염(F)으로 안내할 수 있다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 제2 에어 덕트(74c)는, 펠릿 공급원으로부터 목재 펠릿들(P)이 공급되는 펠릿 공급관(100)이 연결될 수 있다. 그러면, 제2 에어 덕트(74c)는, 펠릿 공급관(100)으로부터 전달된 목재 펠릿들(P)을 화격자(72)를 향해 이송하는 펠릿 이송 덕트로서도 기능할 수 있다. 이 경우에, 펠릿 공급관(100)은 목재 펠릿들(P)이 중력에 의해 자유 낙하할 수 있도록 제2 에어 덕트(74c)의 상부와 연결되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 연통홀(74d)은 제2 하우징(74)과 연소실(52)을 연통시킬 수 있도록 제2 하우징(74)의 상판에 개방 형성될 수 있다. 그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 공기(A1) 및 제2 공기(A2)와, 펠릿 더미(S)가 연소되어 생성된 연소가스(G) 등은 제2 연통홀(74d)을 통해 연소실(52)로 안내될 수 있다.
버너(76)는 화격자(72)의 바닥판에 안착된 펠릿 더미(S)를 점화시킬 수 있도록 화격자(72)의 일측에 설치된다. 이러한 버너(76)는 일반적인 보일러에서 고체 연료를 점화하기 위해 통상적으로 사용되는 버너로 구성될 수 있다.
다음으로, 버너핀들(80)은, 제1 공기(A1)를 펠릿 더미(S)의 내부까지 안내하기 위한 장치이다.
전술한 바와 같이, 서로 밀집된 다수의 목재 펠릿들(P)로 이루어진 펠릿 더미(S)는 화격자(72)의 바닥판에 안착된다. 이로 인해, 통공들(72a)을 통과한 제1 공기(A1)는 화격자(72)의 바닥판과 마주하는 펠릿 더미(S)의 외부 표면과 주로 접촉된다. 그러면, 펠릿 더미(S)의 외부 표면과 공기(A)의 접촉은 원활하지만, 펠릿 더미(S)의 내부와 공기(A)의 접촉은 원활하지 않으므로, 펠릿 더미(S)의 내부는 펠릿 더미(S)의 외부 표면에 비해 불완전 연소 조건에 근접하게 된다. 이에, 펠릿 더미(S)의 내부로부터 연소 생성물(타르, 그을음, 재, 클링커 등) 및 유해 배기가스(CO, NOx, Sox 등)의 배출량이 증가할 수 있다.
이를 해결하기 위해, 버너핀들(80)은, 제1 공기(A1)를 펠릿 더미(S)의 내부까지 원활하게 안내할 수 있도록 마련된다. 버너핀들(80)은 각각, 제1 공기(A1)를 펠릿 더미(S)의 내부를 향해 분사 가능한 노즐형 구조를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 버너핀들(80)은 각각, 내부에 관통 형성된 중공(82)을 구비할 수 있다. 또한, 중공(82)은, 버너핀들(80) 각각의 일측 단부에 개방 형성되는 제1 개구부(82a)와, 상기 일측 단부와 반대되는 버너핀들(80) 각각의 타측 단부에 개방 형성되는 제2 개구부(82b)를 가질 수 있다.
이러한 버너핀들(80)은, 제1 공기(A1)를 중공(82)을 통해 펠릿 더미(S)의 내부까지 안내하도록 통공들(72a) 중 어느 하나에 각각 장착될 수 있다. 이를 위하여, 버너핀들(80)은, 통공들(72a)에 끼움 결합될 수 있도록, 통공들(72a)의 직경과 대응하는 외경을 갖게 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 버너핀들(80)은 각각, 제1 개구부(82a)가 화격자(72)의 외부 즉, 제1 에어 덕트(66) 쪽으로 개방됨과 함께, 제2 개구부(82b)가 화격자(72)의 내부 즉, 펠릿 더미(S)의 내부 쪽으로 개방되도록, 통공들(72a) 중 어느 하나에 장착될 수 있다. 특히, 버너핀들(80)은 각각, 제1 개구부(82a)가 형성된 일측 단부가 제1 에어 덕트(66)로 미리 정해진 돌출 길이(L1)만큼 돌출됨과 함께, 제2 개구부(82b)가 형성된 타측 단부가 펠릿 더미(S)에 미리 정해진 삽입 깊이(L2)만큼 삽입되도록, 통공들(72a) 중 어느 하나에 장착될 수 있다. 버너핀들(80)의 일측 단부의 상기 돌출 길이(L1)는, 특별히 한정되지 않으며, 제1 공기(A1)가 제1 개구부(82a)에 원활하게 유입될 수 있는 길이로 정해질 수 있다. 버너핀들(80)의 타측 단부의 상기 삽입 깊이(L2)는 제2 개구부(82b)가 펠릿 더미(S)의 중심 부분에 위치하도록 정해지는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 버너핀들(80)을 설치하면, 제1 공기(A1) 중 일부는 각각의 버너핀(80)의 제1 개구부(82a)를 통해 중공(82)으로 유입된 후, 각각의 버너핀(80)의 제2 개구부(82b)를 통해 펠릿 더미(S)의 내부를 향해 배출될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 버너핀들(80)의 타측 단부가 펠릿 더미(S)에 상기 삽입 깊이(L2)만큼 삽입되면, 버너핀들(80)의 둘레부는 상기 삽입 깊이만큼 펠릿 더미(S)에 매설된다. 이 경우에, 버너핀들(80)은 각각, 상기 삽입 깊이만큼 펠릿 더미(S)에 매설되는 둘레부의 특정 영역에 미리 정해진 간격을 두고 관통 형성되는 적어도 하나의 분사공들(84)을 더 구비할 수 있다. 그러면, 중공(82)을 통과하는 제1 공기(A1) 중 어느 일부의 제1 공기(A1)는 각각의 분사공(84)에 의해 펠릿 더미(S)의 내부를 향해 분사될 수 있다. 이를 통해 버너핀들(80)은, 제1 공기(A1)와 펠릿 더미(S)의 내부를 더욱 균일하게 접촉시킬 수 있다.
또한, 버너핀들(80)의 개수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 통공들(72a)의 전체 형성 개수에 비해 작은 개수의 버너핀들(80)이 마련될 수 있다. 그러면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 공기(A1) 중 어느 일부의 제1 공기(A1)가 통공들(72a) 중 어느 일부의 통공들(72a)을 통해 펠릿 더미(S)의 외부 표면을 향해 공급됨과 함께, 제1 공기(A1) 중 나머지 일부의 제1 공기(A1)가 통공들(72a) 중 나머지 일부의 통공들(72a)에 장착된 버너핀들(80)을 통해 펠릿 더미(S)의 내부를 향해 공급되도록, 버너핀들(80)이 각각 상기 나머지 일부의 통공들(72a) 중 어느 하나에 선택적으로 장착될 수 있다. 특히, 버너핀들(80)은 화격자(72)의 바닥판에 형성된 통공들(72a) 중 어느 하나에 선택적으로 장착되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 버너핀들(80)을 설치하면, 펠릿 더미(S)의 외부 표면 및 내부에는, 통공들(72a)과 버너핀들(80)에 의해 제1 공기(A1)가 고르게 공급될 수 있다. 또한, 펠릿 더미(S)가 연소되어 생성된 재는, 버너핀들(80)이 장착되지 않은 상기 어느 일부의 통공들(72a)을 통해 자유 낙하되어 제1 에어 덕트(66)의 바닥면에 집진될 수 있다. 이처럼 집진된 재는 제1 에어 덕트(66)의 도어(미도시)를 통해 제거할 수 있다.
<열효율 시험 방법>
버너핀들(80)의 설치에 따른 보일러(1)의 열효율 변화를 검증하기 위한 열효율 시험방법은 산업통상자원부 국가기술표준원(Korea Agency for Technology and Standards, KATS)의 한국산업표준(Wood pellet boilers, KS B 8901 : 2017)이 기본적 기준(fundamental criterion)으로 채택되었다. 이에, 열효율 시험은 정격부하(rated load)에서는 정상상태 30분 이상 2회, 목재 펠릿(P)의 소비량측정 허용오차는 ±1.5%, 난방수(W)의 유량측정 허용오차는 ±1.0%, 난방수(W)의 온도측정 허용오차는 ±1.0℃로 결정되었다. 특히, 난방수(W)의 출수온도 약 75℃를 기준으로, 난방수(W)의 환수온도는 이보다 약 20℃ 낮은 범위로 설정되었다.
한국산업표준(Wood pellet boilers, KS B 8901 : 2017)에 따른 난방효율(η)은 난방출력(H), 연료소비량(I s ), 연료의 총발열량(H h )을 고려한 수학식 1을 통해 산출된다.
Figure 112019009393109-pat00001
여기서, 난방출력(H)는 순환수량(G h ), 물의 비열(C p ), 난방 환수구(51a)의 온도(th 1 ), 난방 출수구(51b)의 온도(th 2 )를 고려한 수학식 2를 통해 산출된다.
Figure 112019009393109-pat00002
<열효율 시험 결과 및 고찰>
버너핀(80)을 화격자(72)의 구멍에 설치한 보일러(실험군, A-boiler)와, 설치되지 않은 조건의 기존 보일러(대조군, B-boiler)의 비교실험을 통해 열효율이 비교·분석되었으며, 한 대의 보일러(A-boiler)를 이용하여 버너핀(80)의 설치 유·무(existence & non-existence)에 따른 배기가스(O2, CO, CO2) 특성이 비교·분석되었다.
비교실험을 위해 두 대의 목재 펠릿 보일러(A-boiler, B-boiler)가 모두 버너핀(80)이 설치되지 않은 동일한 조건에서 열효율 분석이 진행되었으며, 1회 실험당 최소 30분 이상의 안정화된 데이터가 3set 이상 수집되었고, 이를 3회 반복한 데이터가 이용·비교·분석되었다. 특히, 모분산을 모르는 소표본(η<30)인 경우이므로 t-검정(t-test)을 이용하여 두 보일러 열효율의 표본평균 간 차이를 검정하였다. 표본수(n)가 3이고 자유도(df) 2일 때 5% 유의수준에서 양측검정 t005(2)=4.3027 기각값이고, t-통계량은 약 0.4705로 산출되고 기각값보다 작으므로 두 표본평균 간 차이는 유의하지 않으며(즉, 차이가 없으며), t005(2)=4.3027NS 로 표현된다(표 1). 즉, t-검정 결과, 두 보일러의 0.82%p의 열효율 차이는 5% 유의수준에서 차이가 없다고 규정된다.
A-boiler
(non-existence)		 B-boiler
(non-existence)		 Difference t-test
Thermal efficiency 1차 71.59 69.97 1.62 t005(2)=4.3027NS
2차 69.07 73.29 4.22
3차 67.80 67.67 0.13
평균 69.49 70.31 0.82
이에, 두 대의 목재 펠릿 보일러(A-boiler, B-boiler) 중 A-boiler는 버너핀(80)이 설치된 조건(existence condition)과 B-boiler는 버너핀(80)이 설치되지 않은 조건(non-existence condition)에 대하여 열효율 및 배기가스 특성이 비교·분석되었다. 위와 마찬가지로 t-검정을 이용하여 두 보일러 열효율의 표본평균 간 차이를 검정하였다. 표본수(n)가 3이고 자유도(df) 2일 때 5% 유의수준에서 양측검정 기각값 t005(2)=4.3027 이고, t-통계량은 약 7.9380으로 산출되고 기각값보다 크므로 두 표본평균 간 차이는 유의하며(즉, 5% 유의수준에서 차이가 인정되며), t005(2)=4.3027* 로 표현된다(표 2). 이를 통해, 버너핀(80)이 설치된(existence) A-boiler의 평균 열효율은 약 72.24%이고, 버너핀(80)이 설치되지 않은(non-existence) B-boiler의 평균 열효율은 약 70.22%로 나타나, 버너핀(80)이 설치됨에 따라 5% 유의수준에서 열효율이 약 2.51%p 향상된 것으로 나타났다.
A-boiler
(existence)		 B-boiler
(non-existence)		 Difference t-test
Thermal efficiency 1차 72.48 70.35 2.13 t005(2)=4.3027*
2차 73.35 70.15 3.21
3차 72.37 70.17 2.20
평균 72.74 70.22 2.51
더불어 한 대의 목재 펠릿 보일러(A-boiler)를 이용하여 버너핀(80)의 설치 유·무(existence & non-existence)에 따른 배기가스(O2, CO, CO2) 특성이 비교·분석되었다. 이 역시 t-검정을 이용하여 보일러 각 배기가스(O2, CO, CO2)의 표본평균 간 차이를 검정하였다. 표본수(n)가 3이고 자유도(df) 2일 때 5% 유의수준에서 양측검정 기각값 t005(2)=4.3027 일 때, 산소(O2)와 일산화탄소(CO)의 t-통계량은 각각 기각값보다 작으므로 두 표본평균 간 차이는 유의하지 않으며(즉, 차이가 없으며), t005(2)=4.3027NS 로 표현된다(표 3). 즉, t-검정 결과, 버너핀(80)의 설치 유·무(existence & non-existence)에 따른 배기가스 내 산소(O2)와 일산화탄소(CO)의 농도 차이는 5% 유의수준에서 차이가 없다고 할 수 있다. 하지만 이산화탄소(CO2)의 t-통계량은 약 4.6532로 산출되고 기각값 보다 크므로 두 표본평균 간 차이는 5% 유의수준에서 차이가 인정되며, t005(2)=4.3027* 로 표현된다(표 3). 이를 통해, 버너핀(80)의 설치 유·무(existence & non-existence)에 따른 A-boiler에서 목재 펠릿(P) 연소 시 발생되는 배기가스 내 이산화탄소(CO2)의 농도는 버너핀(80) 설치 시 미설치 조건 대비 5% 유의수준에서 약 1.07%p 증가되는 것으로 나타났다.
A-boiler
(existence)		 B-boiler
(non-existence)		 Difference t-test
Thermal efficiency Oxygen
(O2, %)		 17.74569 18.76044 1.014756 t005(2)=4.3027NS
Carbon monoxide
(CO, %)		 0.021441 0.053534 0.032094 t005(2)=4.3027NS
Carbon dioxide
(CO2, %)		 3.146423 2.07863 1.06779 t005(2)=4.3027*
위와 같이, 버너핀들(80)에 의하면, 펠릿 더미(S)의 내부를 완전연소조건에 근접시킴으로써, 보일러(1)의 열 효율을 향상시킬 수 있고, 연소생성물 및 온소 가스 배출을 저감시킬 수 있다.
도 7은 일 형태에 따른 와류 형성기의 전면도이고, 도 8은 일 형태에 따른 와류 형성기의 전면 사시도이며, 도 9는 일 형태에 따른 와류 형성기의 후면 사시도이고, 도 10은 일 형태에 따른 와류 형성기의 측면도이다.
다음으로, 와류 형성기(90)는, 화염(F)으로 안내되는 제2 공기(A2)에 와류를 형성하기 위한 장치이다.
와류 형성기(90)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 와류 형성기(90)는, 제2 공기(A2)가 통과하도록 마련되는 에어 파이프(92)와, 와류 형성기(90)를 제2 하우징(74)에 고정하기 위한 플렌지(94)와, 에어 파이프(92)를 통과하는 제2 공기(A2)에 와류를 형성하는 복수의 날개들(96) 등을 구비할 수 있다.
에어 파이프(92)는 미리 정해진 길이를 갖는 원통 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 에어 파이프(92)는, 제2 공기(A2)가 통과 가능하도록 내부에 관통 형성된 중공(92a)을 가질 수 있다.
플렌지(94)는, 평판 형상을 갖도록, 에어 파이프(92)의 일측 단부로부터 연장 형성된다. 이러한 플렌지(94)는, 바이패스홀(74b)을 통해 제1 에어 덕트(66)로부터 유입된 제2 공기(A2)가 중공(92a)을 통과하도록, 와류 형성기(90)를 제2 하우징(74)의 측벽에 고정할 수 있다. 이를 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 플렌지(94)에는, 플렌지(94)를 제2 하우징(74)의 측벽에 나사 결합하기 위한 적어도 하나의 볼트홀들(94a)이 형성될 수 있다. 이 경우에, 플렌지(94)는, 에어 파이프(92)의 중심축이 화염(F)이 생성되는 화격자(72)의 상측 개구부를 향하도록 제2 하우징(74)의 측벽에 고정되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러면, 와류 형성기(90)는, 와류가 형성된 제2 공기(A2)를 화염(F)을 향해 배출할 수 있다.
날개들(96)은 각각, 중공(92a)을 통과하는 제2 공기(A2)의 유동 방향을 전환 가능하도록 중공(92a)의 내주면에 결합되어, 제2 공기(A2)에 와류를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 날개들(96)은 각각, 에어 파이프(92)의 연장 방향과 미리 정해진 기준 경사각을 이루도록 중공(92a)의 내주면에 결합될 수 있다. 또한, 날개들(96)은, 미리 정해진 기준 거리만큼 서로 이격되도록 중공(92a)의 내주면에 결합될 수 있다. 날개들(96)을 설치하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 날개들(96)의 경사 방향에 따라, 중공(92a)을 통과하는 제2 공기(A2)에는 에어 파이프(92)의 중심축을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전되는 와류가 형성될 수 있다.
또한, 날개들(96)은 각각, 에어 파이프(92)의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 기준 경사각이 점진적으로 증가되도록 형성될 수 있다. 즉, 날개들(96)은 각각, 플렌지(94)가 형성된 에어 파이프(92)의 일측 단부에서 화격자(72) 쪽을 향하는 타측 단부 쪽으로 갈수록 상기 기준 경사각이 점진적으로 증가되도록 형성 가능한 것이다. 그러면, 화격자(72) 쪽으로 갈수록 에어 파이프(92)의 연장 방향과 중공(92a)을 통과하는 제2 공기(A2)의 유동 방향 사이의 각도가 점진적으로 증가되므로, 제2 공기(A2)에 와류를 더욱 효율적으로 형성할 수 있다.
도 11은 다른 형태에 따른 와류 형성기의 개념도이다.
전술한 와류 형성기(90)의 날개들(96)은 각각, 중공(92a)의 내주면에 에어 파이프(92)의 연장 방향과 미리 정해진 기준 경사각을 이루도록 결합되는 메인 날개(96a)와, 기준 경사각에 비해 큰 경사각을 갖는 적어도 하나의 보조 날개들(96b)을 가질 수 있다. 보조 날개들(96b)은, 메인 날개(96a)에 비해 낮은 높이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 보조 날개들(96b)은 각각, 메인 날개(96a) 또는 보조 날개들(96b) 중 당해 보조 날개(96b) 이외의 다른 하나의 보조 날개(96b)에 결합될 수 있다. 특히, 보조 날개들(96b)은 각각, 중공(92a)의 미리 정해진 중간 위치까지 도달된 제2 공기(A2)와 접하도록, 메인 날개(96a) 또는 상기 다른 하나의 보조 날개(96b)에 결합될 수 있다. 이를 위하여, 후순위로 갈수록 짧은 길이를 갖는 보조 날개들(96b)이 메인 날개(96a) 또는 보조 날개(96b)에 순차적으로 결합되되, 후순위의 보조 날개(96b)일 수 있도록 중공(92a)의 하류 측에 위치하게 메인 날개(96a) 또는 보조 날개(96b)에 결합될 수 있다.
이처럼 메인 날개(96a) 및 보조 날개들(96b)을 형성하면, 화격자(72) 쪽으로 갈수록 에어 파이프(92)의 연장 방향과 중공(92a)을 통과하는 제2 공기(A2)의 유동 방향 사이의 각도가 보조 날개들(96b)에 의해 점진적으로 증가되므로, 제2 공기(A2)에 와류를 더욱 효율적으로 형성할 수 있다.
도 12는 또 다른 형태에 따른 와류 형성기의 개념도이다.
날개들(96)은 각각, 와류의 회전 방향으로 만곡된 라운드 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 날개들(96)은 각각, 미리 정해진 기준 곡률 반경을 갖도록 와류의 회전 방향으로 만곡된 메인 날개(96c)와, 상기 기준 곡률 반경에 비해 작은 곡률 반경을 갖도록 와류의 회전 방향으로 만곡된 적어도 하나의 보조 날개들(96d) 등을 가질 수 있다.
또한, 각각의 날개(96)에 있어서, 메인 날개(96c)와 보조 날개들(96d)은 중공(92a)의 미리 정해진 결합점들 중 어느 하나의 결합점에 함께 결합될 수 있다. 이 경우에, 도 12에 도시된 바와 같이, 곡률 반경이 작은 보조 날개(96d)일수록 낮은 높이를 갖도록 형성될 수 있다.
이처럼 메인 날개(96c) 및 보조 날개들(96d)을 형성하면, 메인 날개(96c)와 보조 날개들(96d)을 상호 보완 작용에 의해 제2 공기(A2)에 와류를 더욱 효과적으로 형성할 수 있다.
위와 같이, 와류 형성기(90)는 날개들(96)에 의해 와류가 형성된 제2 공기(A2)를 펠릿 더미(S)가 점화되어 생성된 화염(F)을 향해 배출할 수 있다. 이처럼 와류가 형성된 제2 공기(A2)는, 펠릿 더미(S)의 연소 시 생성된 휘발분(volatile matter)과의 혼합이 원활하게 이루어짐에 따라, 펠릿 더미(S)의 연소조건을 완전연소조건에 근접시킬 수 있다. 이를 통해, 와류 형성기(90)는, 펠릿 더미(S)의 불완전 연소 시 발생하는 연소생성물 및 유해 배기가스의 농도를 저감시킴으로써, 보일러(1)의 연소 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있고, 온실가스의 배출량을 감소시킬 수 있다. 또한, 제2 공기(A2)에 와류를 형성하면, 제2 하우징(74)의 내부 또는 연소실(52)의 내부에서의 제2 공기(A2)의 대류 시간을 증가시킬 수 있으므로, 보일러(1)의 연소 효율 및 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 보일러
10 : 제습 유닛
12 : 에어 파이프
14 : 제습 패드
20 : 재생 유닛
22 : 제1 열교환기
24 : 보조 히터
30 : 냉각 유닛
32 : 제2 열교환기
40 : 필터 유닛
50 : 보일러 본체
51 : 본체 케이싱
51a : 난방 환수구
51b : 난방 출수구
52 : 연소실
53 : 난방수실
54 : 폐열 회수기
54a : 제1 폐열 회수관
54b : 집진실
54c : 제2 폐열 회수관
55 : 배풍기
56 : 난방수관
57 : 배풍기 하우징
58 : 연통
60 : 공기 공급 유닛
62 : 송풍기
64 : 제1 하우징
66 : 제1 에어 덕트
70 : 연소 유닛
72 : 화격자
72a : 통공
74 : 제2 하우징
74a : 제1 연통홀
74b : 바이패스홀
74c : 제2 에어 덕트
74d : 제2 연통홀
76 : 버너
80 : 버너핀
82 : 중공
82a : 제1 개구부
82b : 제2 개구부
84 : 분사공
90 : 와류 형성기
92 : 에어 파이프
92a : 중공
94 : 플렌지
96 : 날개
96a, 96c : 메인 날개
96b, 96d : 보조 발개
100 : 펠릿 공급관
P : 목재 펠릿
S : 펠릿 더미
A : 공기
A1 : 제1 공기
A2 : 제2 공기
F : 화염
G : 연소가스

Claims (10)

  1. 보일러 본체;
    외부의 공기가 내부를 통과하도록 마련된 에어 파이프와, 상기 에어 파이프를 통과하는 상기 공기와 접하도록 상기 에어 파이프의 내부에 설치되며, 상기 공기에 포함된 수분을 흡수하는 리튬브로마이드 수용액으로 적셔진 제습 패드를 구비하고, 상기 리튬브로마이드 수용액에 의해 제습된 상기 공기를 상기 보일러 본체에 전달하는 제습 유닛;
    상기 보일러 본체로부터 배출된 연소가스와 상기 리튬브로마이드 수용액을 열교환시켜, 상기 제습 유닛에서 흡수된 상기 수분을 상기 리튬브로마이드 수용액으로부터 제거하는 제1 열 교환기를 구비하는 재생 유닛; 및
    상기 재생 유닛에서 상기 수분이 제거된 상기 리튬브로마이드 수용액과 상기 보일러 본체에 공급되는 난방수를 열교환시켜, 상기 리튬브로마이드 수용액을 냉각하는 제2 열교환기를 구비하는 냉각 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제습 패드는, 상기 공기가 통과 가능한 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 보일러.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재생 유닛은,
    외부의 전원으로부터 공급된 전기 에너지를 이용해 상기 리튬브로마이드 수용액을 가열하여, 상기 수분을 증발시키는 보조 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛에서 냉각된 상기 리튬브로마이드 수용액으로부터 오염 물질을 제거하는 필터 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 필터 유닛은 상기 오염 물질이 제거된 상기 리튬브로마이드 수용액을 상기 제습 유닛에 재전달하는 것을 특징으로 하는 보일러.
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