KR102210094B1 - 콘덴싱 보일러용 열교환기 - Google Patents

콘덴싱 보일러용 열교환기 Download PDF

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여창훈
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Abstract

현열부와 잠열부가 일체로 형성되는 콘덴싱 보일러용 열교환기가 개시된다. 상기 콘덴싱 보일러용 열교환기는, 양 측면에 복수의 물집이 형성되는 하우징, 상기 하우징의 하단부 내측에서 복수의 제 1 파이프들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있는 잠열부 및 상기 하우징의 내측 중 상기 잠열부의 상부에서 복수의 제 2 파이프들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있는 현열부를 구비할 수 있다. 상기 잠열부는 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 1 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프가 결합되고, 상기 현열부는 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 2 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프가 결합될 수 있다.

Description

콘덴싱 보일러용 열교환기{Heat exchanger for condensing boiler}
본 발명은 콘덴싱 보일러용 열교환기에 관한 것으로, 특히 현열부와 잠열부를 일체로 구성하면서 배기가이드를 설치하지 않고도 높은 열전달 효율을 얻을 수 있는 구조를 가지는 콘덴싱 보일러용 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 서로 온도가 다른 유체와 피가열 유체를 교차시켜 열전달이 이루어지게 하는 것으로, 보일러 및 공조조화기를 포함한 다양한 냉난방 장치에서 난방, 공기조화, 동력발생, 냉각 및 폐열회수용 등으로 널리 사용된다.
예를 들어, 보일러는 콘덴싱 방식과 비콘덴싱 방식으로 구분할 수 있는데, 콘덴싱 방식은 버너에 의해 연소된 열을 이용하여 직접적으로 난방수를 가열하는 현열 열교환기와 상기 현열 열교환기를 통과한 연소가스의 응축잠열을 이용하여 난방수를 가열하는 잠열 열교환기를 포함하여 구성하며, 비콘덴싱 방식은 현열 열교환기만 구비하고 있다.
콘덴싱 보일러용 열교환기의 일 예는 대한민국 등록특허 제10-0515635호 등에 개시되어 있다. 종래의 콘텐싱 보일러용 열교환기는 대한민국 등록특허 제10-0515635호 등과 같이 현열 열교환기(3)와 잠열 열교환기(4)가 분리된 상태에서 연결부(9)를 통해 서로 연결되어 있고, 그 사이에는 응축수받이(7)가 형성되며 잠열 열교환기(4)의 외벽에는 현열 열교환기(3)를 거친 연소가스의 흐름을 안내하는 배기흐름판(배기가이드)(6)이 설치되게 된다. 이와 같이 응축수받이(7)와 배기흐름판(6)을 설치함으로써 열효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
그러나 이와 같이 현열 열교환기와 잠열 열교환기가 연결부를 통해 연결되는 경우 연결되는 부분에서 응축수 등이 누수될 위험이 있어 내구성의 문제가 있고, 열교환기의 크기가 커지며 제조원가가 올라가는 등의 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 현열부와 잠열부를 일체로 구성하면서 배기가이드를 설치하지 않고도 높은 열전달 효율을 얻을 수 있는 구조를 가지는 콘덴싱 보일러용 열교환기를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 현열부와 잠열부가 일체로 형성되는 콘덴싱 보일러용 열교환기는, 양 측면에 복수의 물집이 형성되는 하우징, 상기 하우징의 하단부 내측에서 복수의 제 1 파이프들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있는 잠열부 및 상기 하우징의 내측 중 상기 잠열부의 상부에서 복수의 제 2 파이프들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있는 현열부를 구비할 수 있다. 상기 잠열부는 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 1 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프가 결합되고, 상기 현열부는 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 2 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프가 결합될 수 있다.
상기 잠열부는 유입된 유체가 상기 제 1 파이프를 통해 이동함에 있어서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 1 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 양 측면의 적어도 하나의 제 1 파이프로 이동하여 동시에 양 측면의 동일한 개수의 제 1 파이프를 통해 이동하고, 상기 양 측면의 제 1 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 1 파이프를 통해 이동하는 동작을 반복하면서 상기 유체가 상기 현열부 방향으로 이동하도록 상기 제 1 파이프와 상기 물집이 결합되어 있고, 상기 현열부는 상기 잠열부를 통하여 전달된 유체가 상기 제 2 파이프를 통해 이동함에 있어서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 2 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 양 측면의 적어도 하나의 제 2 파이프로 이동하여 동시에 양 측면의 동일한 개수의 제 2 파이프를 통해 이동하고, 상기 양 측면의 제 2 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 2 파이프를 통해 이동하는 동작을 반복하도록 상기 제 2 파이프와 상기 물집이 결합되어 있을 수 있다.
상기 제 1 파이프들 중 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격은 상기 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다.
상기 제 1 파이프들 중 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격은 상기 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있고, 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격은 상기 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 1.3 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다.
상기 제 2 파이프들 중 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 이웃하는 제 2 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다.
상기 제 2 파이프들 중 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있고, 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이가 1.3 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다.
상기 잠열부와 상기 현열부의 경계 상에서 이웃하는 상기 제 1 파이프와 상기 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 이웃하는 제 1 파이프와 제 2 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면과 제 2 파이프의 외측면 사이가 2 mm 내지 4 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다.
상기 제 1 파이프 및 상기 제 2 파이프는, 상기 물집과 결합되는 양 측면의 직경이 중앙의 직경보다 작은 축관 형상을 가질 수 있다.
상기 유체가 상기 잠열부의 하부에서 유입되어 상부방향으로 이동하면서 상기 현열부를 통과하는 경우, 상기 유체가 하부에서 상부 방향으로 이동할수록 상기 유체가 동시에 이동하는 제 1 파이프 또는 제 2 파이프의 개수가 작아질 수 있다.
상기 하우징은, 양 측면 또는 수직방향 단면이 역삼각형 또는 역사다리꼴 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 파이프는 내경과 외경이 동일한 일자형 관 형상을 가지고, 상기 제 2 파이프는 외측이 나선형으로 형성되는 스파이럴(spiral) 형상을 가지며, 상기 제 1 파이프의 내경은 상기 제 2 파이프의 내경보다 작을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기는 현열부와 잠열부를 일체로 구성함으로써 현열 열교환기와 잠열 열교환기를 연결하기 위한 연결부가 필요 없고, 현열 열교환기와 잠열 열교환기를 연결하기 위한 씰링(sealing) 작업이 필요 없으며 연결되는 부분에서 응축수가 누수 될 위험이 없으면서 기존의 콘덴싱 보일러용 열교환기보다 전체적인 제품 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기는 파이프를 상하방향으로 지그재그 형상이 되도록 설치하고 파이프 사이의 간격을 조정함으로써 배기가이드를 설치하지 않고도 열전달 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기는 유체가 파이프를 순차적으로 통과하면서 동일 평면상에서 지그재그 방향으로 이동하던 종래의 방식을 벗어나, 유체가 중앙을 통해 이동하거나 좌우 양 측면에서 동시에 이동하도록 함으로써 파이프별 유체의 속도 편차를 최소화하여 열전달 효율을 높일 수 있다. 그리고, 파이프 내 마찰에 의해 유속 감소를 보완하기 위해 유체가 유입되는 입구단에서 유체가 배출되는 출구단으로 올라갈수록 유체가 흐르는 파이프의 개수를 감소시킴으로써 배관 내 공기층의 발생을 없애 열전달 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기는 현열부에는 난류유동을 일으키고 전열면적을 높여 효율을 증가시킬 수 있도록 스파이럴(spiral) 형상의 파이프를 적용하고, 잠열부는 공정 및 제조원가를 감소시키기 위하여 직관을 이용하였으나 열전달 능력을 증가시킬 수 있도록 현열부보다 관경이 작은 관을 이용하여 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기는 하우징의 단면이 하부로 내려갈수록 좁아지는 역삼각형 또는 역사다리꼴 형상을 가짐으로써 연소가스의 흐름을 자연스럽게 제어함으로써 열교환기의 전열면적을 고르게 활용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기를 수직방향으로 절단한 상태의 단면도이다.
도 3은 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기를 수직방향으로 절단한 상태의 사시도이다.
도 4는 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기 중 잠열부의 제 1 파이프 사이의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기 중 현열부의 제 2 파이프 사이의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기 중 잠열부의 제 1 파이프와 현열부의 제 2 파이프 사이의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기에서 유체가 흘러가는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)를 수직방향으로 절단한 상태의 단면도이며, 도 3은 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)를 수직방향으로 절단한 상태의 사시도이다. 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)는 기존의 분리되어 있던 현열부와 잠열부를 하나의 하우징 안에 설치함으로써 현열부와 잠열부가 일체로 형성되고, 배기가이드가 필요없는 구조를 가지고 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)는 하우징(110), 잠열부(120) 및 현열부(130)를 구비할 수 있다. 하우징(110)은 양 측면에 복수의 물집들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 하우징(110)의 제 1 측면(111)에 복수의 물집이 형성되고 제 2 측면(112)에도 복수의 물집들이 형성될 수 있다. 상기 물집의 위치에 따라 유체가 파이프들을 통해 이동하는 경로가 결정되며, 유체가 이동하는 경로에 대하여는 도 7 및 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 하우징(110)은 양 측면 또는 수직방향의 단면이 역삼각형 또는 역사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 즉, 하우징(110)은 상부에서 하부 방향으로 갈수록 단면적이 작아지는 역삼각형 또는 역사다리꼴 형상을 가짐으로써, 연소가스의 흐름을 자연스럽게 제어할 수 있어 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)의 전열면적을 고르게 활용할 수 있다.
현열부(130)는 버너(미도시)에 의해 연소된 열을 이용하여 직접적으로 제 2 파이프(135)를 통해 이동하는 유체(난방수)를 가열하는 부분이고, 잠열부(120)는 현열부(130)를 통과한 연소가스의 응축잠열을 이용하여 제 1 파이프(125)를 통해 이동하는 유체(난방수)를 가열하는 부분이다. 잠열부(120)는 하우징(110)의 하단부 내측에 형성되고 복수의 제 1 파이프(125)들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있다. 그리고 현열부(130)는 하우징(110)의 내측 중 잠열부(120)의 상부에 형성되고 복수의 제 2 파이프(135)들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있다.
보다 구체적으로, 잠열부(120)는 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 1 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프가 결합될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 1 파이프들(125)은 서로 이격되어 있는데, 상기 이격된 공간에 대응하는 위치에서 상부방향 또는 하부방향으로 이웃하는 제 1 파이프가 결합될 수 있다. 따라서 제 1 파이프들(125)은 행과 열을 맞춰서 결합되지 않고 상하 방향으로 지그재그 형상으로 서로 엇갈리는 위치에 결합되어 연소가스로부터 열교환이 일어나는 면적을 높일 수 있다. 또한, 하우징(110)의 벽면을 따라 내측에 제 1 파이프들(125)이 추가로 결합됨으로써 상기 유체가 하우징(110) 내부에서 현열부(130)와 잠열부(120)를 전체적으로 이동할 수 있도록 할 수 있다.
현열부(130)도 잠열부(120)와 마찬가지로 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 2 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프가 결합될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 좌우방향으로 이웃하는 상기 제 2 파이프들(135)은 서로 이격되어 있는데, 상기 이격된 공간에 대응하는 위치에서 상부방향 또는 하부방향으로 이웃하는 제 2 파이프가 결합될 수 있다. 따라서 제 2 파이프들(135)은 행과 열을 맞춰서 결합되지 않고 상하 방향으로 지그재그 형상으로 서로 엇갈리는 위치에 결합되어 상기 버너에서 연소된 열을 이용한 열교환이 일어나는 면적을 높일 수 있다.
제 1 파이프(125)는 내경과 외경이 동일한 일자형 관 형상을 가질 수 있고, 제 2 파이프(135)는 외측에 나선형 돌기가 형성되는 스파이럴(spiral) 형상을 가질 수 있다. 그리고 제 1 파이프(125)의 내경은 제 2 파이프(135)의 내경보다 작을 수 있다. 즉, 현열부(130)에는 난류유동을 일으키고 전열면적을 높여 효율을 증가시킬 수 있도록 스파이럴(spiral) 형상의 제 2 파이프를 적용하고, 잠열부(120)는 공정 및 제조원가를 감소시키기 위하여 직관을 이용하였으나 열전달 능력을 증가시킬 수 있도록 현열부(130)보다 관경이 작은 관을 이용하여 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 4는 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100) 중 잠열부(120)의 제 1 파이프(125) 사이의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 제 1 파이프들(125) 중 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격(a)은 상기 이웃하는 제 1 파이프(125)의 중심축을 연결한 가상의 선(도 4 중 실선 표시 부분)을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이(도 4 중 점선 표시 부분의 간격인 a)가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다. 제 1 파이프들(125) 사이의 간격은 다양한 범위에서 측정할 수 있으므로, 본 발명에서는 이웃하는 제 1 파이프들(125)의 중심축(내부의 빈 공간의 중심)을 연결한 가상의 선을 기준으로 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이의 간격으로 제 1 파이프들 사이의 간격을 정의하고 있다.
다른 예로, 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프(125) 사이의 간격은 상기 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프(125)의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있고, 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프(125) 사이의 간격은 상기 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프(125)의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프(125)의 외측면 사이가 1.3 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격될 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 제 1 파이프(125)는 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프가 수직방향으로 동일한 위치에 있지 않고 틀어져 있으므로, 상대적으로 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프들 사이의 간격보다 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프들 사이의 간격이 큰 경우에도 연소가스의 이동경로를 제 1 파이프(125)들 사이의 이격공간으로 제한시킬 수 있으므로 열전달 효율을 높일 수 있다.
도 5는 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100) 중 현열부(130)의 제 2 파이프(135) 사이의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 제 2 파이프들(135) 중 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격(b)은 상기 이웃하는 제 2 파이프(135)의 중심축을 연결한 가상의 선(도 5 중 실선 표시 부분)을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이(도 5 중 점선 표시 부분의 간격인 b)가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다. 제 2 파이프들(135) 사이의 간격은 다양한 범위에서 측정할 수 있으므로, 본 발명에서는 이웃하는 제 2 파이프들(135)의 중심축(내부의 빈 공간의 중심)을 연결한 가상의 선을 기준으로 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이의 간격으로 제 2 파이프들 사이의 간격을 정의하고 있다.
다른 예로, 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프(135) 사이의 간격은 상기 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프(135)의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있고, 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프(135) 사이의 간격은 상기 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프(135)의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프(135)의 외측면 사이가 1.3 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격될 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 제 2 파이프(135)는 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프가 수직방향으로 동일한 위치에 있지 않고 틀어져 있으므로, 상대적으로 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프들 사이의 간격보다 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프들 사이의 간격이 큰 경우에도 연소가스의 이동경로를 제 2 파이프(135)들 사이의 이격공간으로 제한시킬 수 있을 뿐 아니라 고르게 제 1 파이프(125)들로 전달할 수 있으므로 열전달 효율을 높일 수 있다.
도 6은 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100) 중 잠열부(120)의 제 1 파이프(125)와 현열부(130)의 제 2 파이프(135) 사이의 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 잠열부(120)와 현열부(130)의 경계 상에서 이웃하는 제 1 파이프(125)와 제 2 파이프(135) 사이의 간격(c)은 상기 이웃하는 제 1 파이프(125)와 제 2 파이프(135)의 중심축을 연결한 가상의 선(도 6 중 실선 표시 부분)을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면과 제 2 파이프의 외측면 사이(도 6 중 점선 표시 부분의 간격인 c)가 2 mm 내지 4 mm 만큼 이격되어 있을 수 있다. 제 1 파이프(125)와 제 2 파이프(135) 사이의 간격은 다양한 범위에서 측정할 수 있으므로, 본 발명에서는 이웃하는 제 1 파이프(125)와 제 2 파이프(135)의 중심축(내부의 빈 공간의 중심)을 연결한 가상의 선을 기준으로 이웃하는 제 1 파이프와 제 2 파이프의 외측면 사이의 간격으로 상기 이웃하는 제 1 파이프와 제 2 파이프 사이의 간격을 정의하고 있다.
본 발명에서 제 2 파이프(135)와 제 1 파이프(125)는 직경이 상이할 뿐 아니라 다른 파이프들과 마찬가지로 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프와 제 2 파이프가 수직방향으로 동일한 위치에 있지 않고 틀어져 있으므로, 연소가스가 제 2 파이프(135) 사이의 이격공간을 지나 고르게 제 1 파이프(125)로 전달될 수 있으므로 열전달 효율을 높일 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)는 제 1 파이프들 사이의 간격, 제 2 파이프들 사이의 간격, 제 1 파이프와 제 2 파이프 사이의 간격을 일정 수준 이하로 좁게 형성함으로써, 배기가이드를 설치하지 않고도 연소가스가 고르게 상기 파이프들 사이로 지나가면서 열교환이 일어나도록 할 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명에 의한 열교환기(제 1 열교환기)와 상기 파이프들 사이의 간격을 넓히고 배기가이드를 설치한 열교환기(제 2 열교환기)의 연소가스가 배기될 때의 배기온도를 측정한 실험데이터이다. 동일한 조건 하에서 실험하기 위하여, 실험에 적용된 제 1 열교환기와 제 2 열교환기는 도 1 내지 도 3에 도시된 구조와 동일한 형상을 가지도록 제 1 파이프와 제 2 파이프를 결합한 상태에서 상기 파이프들 사이의 간격 및 배기가이드의 유무 여부만 다르게 하여 실험을 하였다.
Figure 112020070072787-pat00001
표 1을 참조하면, 제 2 열교환기는 제 1 파이프 사이의 간격이 2.6 mm ~ 6.5 mm, 제 2 파이프 사이의 간격도 2.6 mm ~ 6.5 mm, 제 1 파이프와 제 2 파이프 사이의 간격이 4.1 mm ~ 6.5 mm로 본 발명보다 간격이 넓은 경우, 배기가이드를 설치했음에도 불구하고 열교환을 모두 끝낸 연소가스가 배기될 때의 배기온도가 117도 인 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 의한 제 1 열교환기의 경우, 제 1 파이프 사이의 간격이 0.8 mm ~ 2.5 mm, 제 2 파이프 사이의 간격도 0.8 mm ~ 2.5 mm, 제 1 파이프와 제 2 파이프 사이의 간격이 2.0 mm ~ 4.0 mm로 설정을 하고 배기가이드를 설치하지 않았음에도, 상기 연소가스의 배기온도가 62.6도로 제 2 열교환기에 비하여 50% 정도 배기온도가 낮아진 것을 알 수 있다. 즉, 제 2 열교환기에 비하여 제 1 열교환기인 본 발명이 열교환을 많이 한 것을 알 수 있으며 따라서 상기 파이프들 사이의 간격을 조정한 것만으로 열전달 효율이 매우 높아짐을 알 수 있다.
상기 파이프들 사이의 간격이 더 좁아진다면 상기 열전달 효율은 더 높아질 수 있으며, 이를 위하여 상기 제 1 파이프(125) 및 제 2 파이프(135)는 상기 물집과 결합되는 양 측면의 직경이 중앙의 직경보다 작은 축관 형상을 가질 수도 있다. 즉, 제 1 파이프(125) 또는 제 2 파이프(135) 중 상기 물집과 결합되는 양 측면의 직경이 좁고 양 측면 사이의 기둥형상 부분의 직경이 크도록 함으로써, 상기 연소가스가 이동하는 경로를 보다 더 좁게 할 수 있으므로, 이를 통하여 열전달 효율을 보다 더 높일 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 1의 콘덴싱 보일러용 열교환기(100)에서 유체가 흘러가는 경로를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 도 1의 하우징(110) 중 제 1 측면(111)을 도시한 도면이고, 도 8은 도 1의 하우징(110) 중 제 2 측면(112)을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 잠열부(120)는 유입된 유체가 상기 제 1 파이프를 통해 이동함에 있어서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 1 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 양 측면의 적어도 하나의 제 1 파이프로 이동하여 동시에 양 측면의 동일한 개수의 제 1 파이프를 통해 이동하고, 상기 양 측면의 제 1 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 1 파이프를 통해 이동하는 동작을 반복하면서 상기 유체가 상기 현열부 방향으로 이동하도록 상기 제 1 파이프와 상기 물집이 결합되어 있을 수 있다. 또한, 현열부(130)는 잠열부(120)를 통하여 전달된 유체가 상기 제 2 파이프를 통해 이동함에 있어서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 2 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 양 측면의 적어도 하나의 제 2 파이프로 이동하여 동시에 양 측면의 동일한 개수의 제 2 파이프를 통해 이동하고, 상기 양 측면의 제 2 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 2 파이프를 통해 이동하는 동작을 반복하도록 상기 제 2 파이프와 상기 물집이 결합되어 있을 수 있다.
즉, 종래에는 상기 유체가 전달됨에 있어 동일한 평면 상의 파이프를 따라 지그재그로 이동하면서 열을 전달받았으나, 본 발명에서는 동일한 평면에서 중앙으로 적어도 하나의 파이프를 통해 동시에 유체가 전달되고 전달된 유체는 다시 양 측면의 적어도 하나의 파이프를 통해 동시에 상기 유체가 전달되며, 상기 양 측면의 파이프를 통해 전달된 유체는 다시 중앙의 적어도 하나의 파이프를 통해 상기 유체가 전달되는 동작을 반복하면서 열을 전달받음으로써 파이프별 유체의 속도 편차를 최소화할 수 있어 열전달 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 유체는 입구단으로 유입된 후 ① 물집을 통해 중앙의 복수의 상기 제 1 파이프들로 전달되고, ② 물집을 통해 양 측면의 동일한 개수의 제 1 파이프들로 전달되어 상기 제 1 파이프들을 통해 전달된다. 이후 상기 유체는 ③ 물집을 통해 상부측의 제 1 파이프들로 전달된 후 양 측면의 제 1 파이프들을 통해 전달되고, ④ 물집을 통해 다시 상부측의 양 측면의 제 1 파이프들로 전달된 후, ⑤ 물집을 통해 중앙에 있는 복수의 제 1 파이프들을 통해 전달된다. 이와 같은 동작을 반복하면서, ⑥ 물집, ⑦ 물집, ⑧ 물집을 통해 상기 제 1 파이프를 통해 이동한 후, ⑨ 물집, ⑩ 물집, ⑪ 물집을 통해서는 상기 제 2 파이프를 통해 상기 유체가 이동한다. 이후, 상기 유체는 ⑫ 물집, ⑬ 물집, ⑭ 물집을 통해 하우징(110)의 측면에 결합된 상기 제 1 파이프들을 통해 이동한 후, ⑮ 물집 및 (16) 물집을 통해 상기 제 2 파이프를 통해 이동하고 (17) 물집과 연결된 출구단을 통해 외부로 배출된다.
또한, 이와 같이 상기 유체가 이동함에 있어, 상기 유체가 상기 잠열부의 하부에서 유입되어 상부방향으로 이동하면서 상기 현열부를 통과하는 경우, 상기 유체가 하부에서 상부 방향으로 이동할수록 상기 유체가 동시에 이동하는 제 1 파이프 또는 제 2 파이프의 개수가 작아지도록 함으로써 열전달 효율을 높일 수 있다. 즉, 본 발명의 경우 상기 파이프 내 마찰에 의해 유속 감소를 보완하기 위해 유체가 유입되는 입구단에서 유체가 배출되는 출구단으로 올라갈수록 유체가 흐르는 파이프의 개수를 감소시킴으로써 배관 내 공기층의 발생을 없애 열전달 효율을 보다 높일 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 현열부와 잠열부가 일체로 형성되는 콘덴싱 보일러용 열교환기에 있어서,
    양 측면에 복수의 물집이 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 하단부 내측에서 복수의 제 1 파이프들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있는 잠열부; 및
    상기 하우징의 내측 중 상기 잠열부의 상부에서 복수의 제 2 파이프들이 좌우방향 및 상하방향으로 이격되어 상기 물집들 사이에 결합되어 있는 현열부를 구비하고,
    상기 잠열부는,
    좌우방향으로 이웃하는 상기 제 1 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프가 결합되고, 유입된 유체가 상기 제 1 파이프를 통해 이동함에 있어서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 1 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 양 측면의 적어도 하나의 제 1 파이프로 이동하여 동시에 양 측면의 동일한 개수의 제 1 파이프를 통해 이동하고, 상기 양 측면의 제 1 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 1 파이프를 통해 이동하는 동작을 반복하면서 상기 유체가 상기 현열부 방향으로 이동하도록 상기 제 1 파이프와 상기 물집이 결합되어 있으며,
    상기 현열부는,
    좌우방향으로 이웃하는 상기 제 2 파이프들 사이의 이격된 공간에 대응하는 위치에 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프가 결합되고, 상기 잠열부를 통하여 전달된 유체가 상기 제 2 파이프를 통해 이동함에 있어서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 2 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 양 측면의 적어도 하나의 제 2 파이프로 이동하여 동시에 양 측면의 동일한 개수의 제 2 파이프를 통해 이동하고, 상기 양 측면의 제 2 파이프를 통해 이동한 유체가 상기 물집을 통해 중앙에 위치하는 적어도 하나의 제 2 파이프를 통해 이동하는 동작을 반복하도록 상기 제 2 파이프와 상기 물집이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 파이프들 중 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격은 상기 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제 1 파이프들 중 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격은 상기 좌우방향으로 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있고, 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프 사이의 간격은 상기 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면 사이가 1.3 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 파이프들 중 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 이웃하는 제 2 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제 2 파이프들 중 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 좌우방향으로 이웃하는 제 2 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이가 0.8 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있고, 상하방향으로 이웃하는 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 상하방향으로 이웃하는 제 1 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 2 파이프의 외측면 사이가 1.3 mm 내지 2.5 mm 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 잠열부와 상기 현열부의 경계 상에서 이웃하는 상기 제 1 파이프와 상기 제 2 파이프 사이의 간격은 상기 이웃하는 제 1 파이프와 제 2 파이프의 중심축을 연결한 가상의 선을 기준으로 상기 이웃하는 제 1 파이프의 외측면과 제 2 파이프의 외측면 사이가 2 mm 내지 4 mm 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제 1 파이프 및 상기 제 2 파이프는,
    상기 물집과 결합되는 양 측면의 직경이 중앙의 직경보다 작은 축관 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    유체가 상기 잠열부의 하부에서 유입되어 상부방향으로 이동하면서 상기 현열부를 통과하는 경우, 상기 유체가 하부에서 상부 방향으로 이동할수록 상기 유체가 동시에 이동하는 제 1 파이프 또는 제 2 파이프의 개수가 작아지는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 하우징은,
    양 측면 또는 수직방향 단면이 역삼각형 또는 역사다리꼴 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제 1 파이프는,
    내경과 외경이 동일한 일자형 관 형상을 가지고,
    상기 제 2 파이프는,
    외측이 나선형으로 형성되는 스파이럴(spiral) 형상을 가지며,
    상기 제 1 파이프의 내경은 상기 제 2 파이프의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
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