KR102264585B1 - 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법에 관한 것으로, 보일러 구동시 열량 제어가 가능한 최소 열량이 높아 적은 부하의 난방 또는 적은 온수 사용시 설정온도보다 높게 되거나 연소, 소화가 반복되는 조건을 방지하여 사용성을 개선하고 불필요한 가스 사용을 방지하도록 하는데 그 목적이 있다.

Description

보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법 {Method for Combustion Control for Combustion Area Improve of Boiler}

본 발명은 보일러 연소시 최소열량을 단계적으로 제한하여 연소범위를 개선하도록 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법에 관한 것이다.

보일러 구동시 연소관련 부품의 특성 및 외부 환경에 고려하여 안정적으로 설정 가능한 최소 열량은 한계가 있다.

최대열량이 고정상태에서 최소 열량을 낮추기 위해서 최소 열량이 낮은 버너의 복합 설계 또는 가스와 공기비를 조절 가능한 부품을 추가하여 안정적으로 최소 열량을 낮출 수 있지만 부품의 추가로 인한 안정성 및 원가 상승의 문제가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 연소기기용 듀얼 벤추리의 단면 구성도로서, 이는 국내특허등록 제10-1448992호(2014.10.13)에 개시되어 있으며, 이를 참조하면, 버너로 공급할 공기와 가스가 혼합된 혼합가스는 터보팬으로 유입되기 위해 하부에 배출부(300)가 형성되는 하우징이 구비되며, 공기공급부와 가스공급부가 형성되는데, 상기 공기공급부는, 제1 격벽(130)에 의해 구획되어 제1 공기공급부(110) 및 제2 공기공급부(120)로 분리 형성 된다.

상기 가스공급부는 제2 격벽(230)에 의해 구획되되, 상기 제1 공기공급부(110)와 연통되도록 제1 개구부가 형성되는 제1가스공급부(210)와, 상기 제2 공기공급부(120)와 연통되도록 제2 개구부(221)가 형성되는 제2 가스공급부(220)로 분리형성된다.

한편, 상기 하우징의 중간에는 제2 공기공급부(120) 및 제2 가스공급부(220)를 동시에 개폐하는 개폐수단이 구비된다.

상기 개폐수단은 상기 하우징의 외측에 구비되는 모터(410)와, 내측벽에 둘 이상의 오목가이드 및 볼록가이드가 형성되고, 상기 모터(410)와 결합되는 댐퍼(420)와, 상기 오목가이드 및 볼록가이드와 각각 대응되어 치결합되도록 오목가이드 및 볼록가이드로 구성되는 이동체(440) 및 상기 이동체(440)의 중심부에 결합되어 상기 이동체(440)의 이동에 의해 상기 제2 개구부(221)를 개폐하는 밸브체(430)로 구성된다.

이와 같이 종래의 연소기기용 듀얼 벤츄리에 의하면, 첫째, 연소기기에서 필요한 고열량 및 저열량을 제어할 수 있으므로 연료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 연소기기용 듀얼 벤추리는 보일러 연소관련 부품에 대해서 안정적으로 설정 가능한 최소 열량은 한계가 있으므로 최대열량이 고정상태에서 최소 열량을 낮추기 위해서 최소 열량이 낮은 버너의 복합 설계 또는 가스와 공기비를 조절 가능한 부품을 추가하여 안정적으로 최소 열량을 낮출수 있지만 부품의 추가로 인한 안정성 및 원가 상승의 문제가 있다.

국내특허등록 제10-1448992호 (공고일 2014.10.13.)

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여, 보일러 구동시 열량 제어가 가능한 최소 열량이 높아 적은 부하의 난방 또는 적은 온수 사용시 설정온도보다 높게 되거나 연소, 소화가 반복되는 조건을 방지하여 사용성을 개선하고 불필요한 가스 사용을 방지하도록 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 보일러의 상태를 감지한 제어부에 의해 설정된 최소열량 및 최대열량의 단계를 조절하여 연소범위를 넓히는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법에 있어서, 상기 제어부는 상기 보일러의 점화요구에 따라 초기 점화시 1단계 최소열량 으로 제한하여 점화 및 연소를 시작하는 제1과정; 보일러의 부품온도를 검지하여 설정된 연소 안정화 온도까지 상승하는 시점의 연소 안정화 시간을 산출하는 제2과정; 상기 제2과정에서 연소 안정화 시간이 경과하면 설정된 최소열량 감소시간 동안 단계적으로 최소열량 감소량에 따라 최소열량을 점차 감소시키는 제3과정; 및 상기 제3과정에서 최소열량 감소시간이 경과되면 최소열량을 기 설정된 2단계 최소열량으로 제한하는 제4과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 1단계 및 2단계 최소열량은 보일러의 버너가 안정적으로 연소하기 위해 필요한 최소한의 열량으로 버너의 용량에 따라 설정되며, 상기 최대열량은 보일러의 버너가 연소 가능한 최대한의 열량으로 버너의 용량에 따라 설정되며, 상기 1단계 최소열량은 2단계 최소열량 보다 높은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1과정의 열량제어 범위는 1단계 최소열량 내지 최대열량으로 제한되고, 상기 제4과정의 열량제어 범위는 2단계 최소열량 내지 최대열량으로 제한되어 연소를 위한 열량 제어범위가 확대되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제4과정에 부가하여 2단계 최소열량으로 제한 연소 중 소화된 이후 재 점화가 감지된 경우 기 설정된 소화 대기시간의 경과여부를 판단하는 단계; 상기 소화 대기시간이 경과되었으면 초기 점화로 판단하고 상기 제1과정으로 리턴하는 단계; 및 상기 소화대기 시간이 경과되지 않았으면, 2단계 최소열량으로 제한하여 연소하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법은 보일러 구동시 작은 난방 부하 또는 저온 온수 유량에서 안정적으로 연소가 가능하므로 사용성 개선에 효과가 있으며, 또한 사용자 설정온도를 유지 할 수 있으므로 불필요한 가스 사용을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 최소열량을 안정적으로 단계적으로 낮추므로 최소열량을 낮추기 위해서 최소열량이 낮은 버너의 복합 설계 또는 가스와 공기비 조절을 위한 부품을 추가 구비하지 않아도 됨으로 원가개선 등의 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 연소기기용 듀얼벤츄리의 구성도이고,
도 2는 본 발명을 구현하기 위한 보일러의 연소제어장치의 블록 구성도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어과정의 흐름도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연소 후 시간 경과에 따른 공기비 변화 그래프 표시도이고,
도 5는 최소열량 안정화 시간 산출을 설명하기 위한 그래프 표시도이고,
도 6은 공기량과 열량과의 관계를 설명하기 위한 그래프 표시도이고,
도 7은 시간에 따른 열량감소 산출 및 연소범위 확장을 설명하기 위한 그래프 표시도이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명을 구현하기 위한 보일러 연소제어장치의 블록 구성도로서, 보일러의 연소관련 부품의 온도를 검출하는 공급온도 검출부(11)와, 버너의 불꽃을 검지하는 불꽃 검지부(12)와, 온도조절기(40)의 보일러 운전에 따라 연소를 시작하고 공급온도 검출부(11)로부터 수집된 온도에 따라 설정된 단계의 최소열량을 제한하여 연소를 하고, 연소 안정화 시간이 경과하면 산출된 최소열량 감소량으로 최소 열량감소 시간 동안 최소열량을 점차 감소시킨 후, 최소열량을 설정된 2단계 최소열량으로 제한하여 연소하는 제어부(20)와, 상기 제어부(20)의 제어 의해 보일러가 연소됨에 따라 구동하는 팬 구동부(31), 가스공급부(32) 및 버너(33)로 구성된다.

여기서, 상기 공급온도 검출부(11)는 바람직하게는 버너(33) 또는 가스공급장치 등 연소관련 부품의 온도를 직접 검출하거나, 공급수가 가열되어 난방수 또는 온수로 공급되는 출구온도를 검출하여 상기 제어부(20)에 인가하도록 구성한다.

상기 제어부(20)는 연소 안정화 시간, 최소열량 감소량 등을 산출하는 연산부(21)과, 상기 연산부(21)의 산출값과, 1단계 및 2단계 최소열량, 최대열량, 최소열량 감소시간 등을 저장하는 메모리부(22)로 저장된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어과정의 흐름도로서, 상기 제어부(20)는 보일러가 연소대기 중에 온도조절기(40)의 조작에 의해 연소 요구가 감지되면 상기 팬 구동부(31), 가스공급부(32), 버너(33), 불꽃검지부(12) 등을 구동하여 연소를 시작한다.

이때, 점화조건이 초기 점화일 경우 최소열량을 1단계 최소열량으로 제한하여 연소를 제어하고, 만약 소화 대기시간이 경과되지 않았다면 최소열량을 2단계 최소열량으로 제한하여 연소를 시작한다.

한편, 상기 최소열량은 보일러의 버너가 안정적으로 연소하기 위해 필요한 최소한의 열량으로 버너의 용량에 따라 설정되며, 상기 최대열량은 보일러의 버너가 연소 가능한 최대한의 열량으로 버너의 용량에 따라 설정되며, 상기 1단계 최소열량은 2단계 최소열량 보다 높게 설정되어 메모리부(22)에 저장된다.

여기서, 보일러의 최소열량은 낮을수록 저 부하 난방 및 낮은 온도에서의 제어에 유리하며 또한, 온수사용 시 낮은 온수 유량 및 낮은 설정온도의 제어가 가능하다.

하지만, 보일러 연소관련 부품에 대해서 연소 상태를 안정적으로 설정 가능한 최소열량은 한계가 있으므로, 최대열량이 고정상태에서 최소열량을 낮추기 위해서 최소열량이 낮은 버너의 복합 설계 또는 가스와 공기비를 조절 가능한 부품을 추가하여 안정적으로 최소 열량을 낮출 수 있지만 부품의 추가로 인한 안정성 및 원가 상승의 문제가 있다.

연소관련 부품의 특성 및 외부 환경에 고려하여 안정적으로 설정 가능한 최소 열량은 한계가 있다. 예를 들어, 가스공급 장치 및 버너와 같은 연소관련 부품은 온도에 따라 특성의 변화가 많이 있어서 차가운 상태와 뜨거운 상태에서 가스 및 공기의 비율차이가 있으며, 차가운 상태에서의 연소는 공기량이 많거나 가스량이 적어서 공기/가스비(공기과잉율:λ)가 높다. 반대로 뜨거운 상태에서는 연소는 공기량이 적거나 가스량이 많아서 공기/가스비(공기과잉율:λ)가 낮다.

도 4를 참조하면, 보일러가 초기 점화일 경우 연소관련 부품이 차가운 상태이므로, 공기과잉율(λ=공기량/가스량)이 높은 상태로 연소를 실시하면 이상 소음 및 불안전 연소의 가능성이 많으므로, 초기 연소에서는 최소열량이 높은 1단계 최소열량으로 제한을 하고, 연소 후 연소 부품의 온도가 상승되어 포화가 되어 연소가 안정화가 되는 시점으로부터 최소열량을 점차 낮추어 연소를 위한 열량 제어가 가능한 범위를 확대하여 안정적 상태에서 연소를 하도록 한다.

즉, 상기 보일러 초기 점화 후 상기 제어부(20)는 지속적으로 상기 공급온도 검출부(11)로부터 온도를 검출하여, 연소가 안정화되는 시점의 연소 안정화 시간을 산출하고, 상기 산출된 연소 안정화 시간이 경과하지 않으면 안정화 시간 산출 및 안정화 시간 경과 확인을 반복한다.

도 5를 참조하면, 상기 안정화 시간은 버너의 예열 정도에 따라 연소 안정화에 영향이 있으므로 현재 제어 열량에 따라 시간을 변경하여 제어 열량이 최대 열량이면 최소 시간으로 안정화 시간을 산출하고, 초기 최소열량이면 최대 시간으로 안정화 시간을 산출하며 제어 열량에 따라 연소 안정화 시간을 변경하여 산출한다

상기 안정화 시간이 경과를 하면 최소열량을 감소시켜도 이상 연소가 발생하지 않으나, 최소열량을 급격하게 감소하게 되면 온도 제어의 불안정 또는 공기/가스비의 변화에 의한 연소 불안정이 발생할 수 있으므로, 최소열량 감소시간이 경과할 때까지 산출된 최소열량 감소량으로 제한 변경을 반복하여 수행한다.

여기서, 최소열량 감소시간은 최소열량의 급격한 감소를 방지하기 위하여 보일러의 버너 용량에 따라 설정되어 상기 메모리부(22)에 저장된다.

또한, 상기 최소열량 감소량 산출은 상기 연산부(21)에서 다음 수학식 1을 통해 산출한다.

상기 제어부(20)는 상기 최소열량 감소시간이 경과 되면 최소열량을 최소열량 2로 제한하여 열량 제어를 실시하고 소화 조건을 만족하면 소화를 실시한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 초기 점화상태에서는 연소를 위한 최소열량이 1단계 최소열량으로 연소를 시작하여 연소 안정화 시간 이후에는 2단계 최소열량으로 감소시켜 연소를 제한하게 되는데, 초기 점화상태의 1단계 최소열량으로 연소할 때의 연소 제어범위는 1단계 최소열량에서 최대열량 사이에 연소를 제어할 수 있으나, 2단계 최소열량으로 연소를 제한할 때는 2단계 최소열량에서 최대열량까지 열량 제어범위가 연소제어가 가능하게 된다.

즉, 연소를 위한 열량 제어 범위가 1단계 최소열량에서 2단계 최소열량 범위까지 확대하여 연소 제어범위를 개선 할 수 있다.

한편, 상기 연소 안정화 시간이 경과 되지 않았거나, 최소열량 감소시간이 경과되지 않은 상태에서 소화된 후 재 점화가 감지될 경우 상기 제어부(20)는 초기점화로 판단하여 상기 최소열량의 제어 범위를 1단계 최소열량으로 제한 설정하는 과정으로 리턴한다.

상기 최소열량의 제어 범위가 2단계 최소열량으로 연소되고 있는 중에 소화 된 후 점화가 이루어질 경우 상기 제어부(20)는 재점화로 판단하여 상기 2단계 최소열량의 연소범위로 제한하게 된다.

또한, 보일러가 연소관련 부품의 온도가 설정온도 이하의 차가운 상태에서는 초기점화로 판단하여 상기 연소 안정화 시간이 필요하지만, 소화 후 짧은 시간 이내에 재 사용하는 재 점화에서는 연소관련 부품의 온도가 설정온도 이상의 포화상태를 유지하고 있으므로 재 점화 후 바로 2단계 최소열량으로 제한하여도 이상 연소를 발생하지 않는다.

따라서, 상기 연소 후에 점화조건이 초기점화인지를 확인하여 초기점화이면 1단계 최소열량으로 연소범위를 제한하고, 초기점화가 아닌 재 점화로 판단되면, 연소관련 부품들의 온도가 설정온도 이상인 포화상태인지를 확인하기 위한 소화 후 경과시간이 설정된 소화 대기시간 이내 인지를 판단한다.

상기 소화 대기시간이 경과 되었으면 상기 초기점화 상태와 같이 작동을 하고 소화 대기 시간이 경과 되지 않았으면 바로 최소열량을 2단계 최소열량으로 제한하여 열량 제어를 실시하도록 한다.

여기서, 상기 소화 대기시간은 연소부품 특히 버너의 예열 정도에 따라 안정화에 영향이 있으며, 버너는 열교환기의 온도에 의해 보온이 이루어지므로 열교환기의 온도에 영향을 받는다.

따라서, 소화 시의 상기 공급온도 검출부(11)에서 검출된 열교환기 출구의 물에 온도가 높으면 소화 대기시간을 최대시간으로, 물의 온도가 낮으면 소화 대기시간을 최소시간으로 산출하여 결정한다.

이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이 실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

11 : 공급온도 검출부 12 : 불꽃 검지부
20 : 제어부 21 : 연산부
22 : 메모리부 31 : 팬 구동부
32 : 가스공급부 33 : 버너
40 : 온도조절기

Claims (10)

1. 보일러의 상태를 감지한 제어부에 의해 설정된 최소열량 및 최대열량의 단계를 조절하여 연소범위를 넓히는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법에 있어서,
   상기 제어부는 상기 보일러의 점화요구에 따라 초기 점화시 1단계 최소열량으로 제한하여 점화 및 연소를 시작하는 제1과정;
   보일러의 부품온도를 검지하여 설정된 연소 안정화 온도까지 상승하는 시점의 연소 안정화 시간을 산출하는 제2과정;
   상기 제2과정에서 연소 안정화 시간이 경과하면 설정된 최소열량 감소시간 동안 단계적으로 최소열량 감소량에 따라 최소열량을 점차 감소시키는 제3과정; 및
   상기 제3과정에서 최소열량 감소시간이 경과되면 최소열량을 기 설정된 2단계 최소열량으로 제한하는 제4과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1단계 및 2단계 최소열량은 보일러의 버너가 안정적으로 연소하기 위해 필요한 최소한의 열량으로 버너의 용량에 따라 설정되며,
   상기 최대열량은 보일러의 버너가 연소 가능한 최대한의 열량으로 버너의 용량에 따라 설정되며,
   상기 1단계 최소열량은 2단계 최소열량 보다 높은 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1과정의 열량제어 범위는 1단계 최소열량 내지 최대열량으로 제한되고,
   상기 제4과정의 열량제어 범위는 2단계 최소열량 내지 최대열량으로 제한되어 연소를 위한 열량 제어범위가 확대되는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2과정의 보일러의 부품온도는 가스공급장치 또는 버너의 온도이거나, 보일러의 온수 출구온도인 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2과정에서 연소 안정화 시간은 보일러의 부품온도에 초기 저온상태에서 고온상태로 올라감에 따른 공기과잉율(공기/가스비)이 낮아져 안정 상태로 연소하기 시작하는 시점인 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2과정에서 연소 안정화 시간은 현재 제어 열량에 따라 연소 안정화 시간을 변경하되,
   상기 제어 열량이 최대열량이면 최소시간으로 안정화 시간을 산출하고,
   초기 최소열량이면 최대시간으로 안정화 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제3과정에서 최소열량 감소량은 다음 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
   [수학식]
   

   
8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
   상기 제3과정 및 제4과정에서 최소열량 감소시간은 최소열량의 급격한 감소를 방지하기 위하여 보일러의 버너 용량에 따라 설정된 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제3과정에서 연소 안정화 시간이 경과 되지 않았거나, 제4과정에서 최소열량 감소시간이 경과되지 않은 상태에서 소화된 후 재 점화가 감지될 경우 상기 제어부는 초기점화로 판단하여 상기 최소열량의 제어 범위를 1단계 최소열량으로 제한 설정하는 과정으로 리턴하는 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제4과정에 부가하여 2단계 최소열량으로 제한 연소 중 소화된 이후 재 점화가 감지된 경우 기 설정된 소화 대기시간의 경과여부를 판단하는 단계;
    상기 소화 대기시간이 경과되었으면 초기 점화로 판단하고 상기 제1과정으로 리턴하는 단계; 및
    상기 소화대기 시간이 경과되지 않았으면, 2단계 최소열량으로 제한하여 연소하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 보일러의 연소범위 개선을 위한 연소제어방법.
    

Images