KR19980070125A - 수관(水管)보일러 - Google Patents

수관(水管)보일러 Download PDF

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KR19980070125A
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시라이시쇼우조우
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Abstract

본 발명은 관류보일러, 자연순환식보일러, 강제순환식수관보일러 등의 수관보일러에 관한 것으로, 구성을 간단히 하여 저NOx화의 실현을 꾀하고, 그 구성에 의해 저NOx화와 저CO화를 동시에 실현하기 위하여, 연소실내의 연소반응중가스가 존재하는 영역에 복수의 수관을 배치한 것을 특징으로 한 수관보일러이다. 그리고, 상기 각 수관에 접촉한 후 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 복수의 수관을 상기 연소실내에 배치한 것을 특징으로 하고, 또한 인접한 수관사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새를 형성한 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관중 일부의 수관이 밀접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관이 상기 틈새의 폭이 다른 개소에 배치되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관이 2열이상의 환상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관이 경사관 혹은 휨관인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 환상으로 배치한 수관의 외측에 열회수수관을 배치한 것을 특징으로 한 수관보일러이다.

Description

수관(水管)보일러
본 발명은 관류보일러, 자연순환식수관보일러, 강제순환식수관보일러 등의 수관보일러에 관한 것이다.
수관보일러는 수관에 의해 통체를 구성한 보일러이다. 이와 같은 수관보일러의 통체구조에는 복수의 수관을 환상으로 배열한 것이 있다. 이 형식의 수관보일러는 환상의 수관열로 둘러싸인 원통상의 공간을 연소실로 하고 있다. 상기와 같은 수관보일러에서는, 상기 연소실내에서 주로 복사에 의한 열전달이 행해지며, 연소실보다도 하류측에서 주로 대류에 의해 열전달이 행해진다.
근년에는 이와 같은 수관보일러에 대해서도 한층 더 저(低)NOx화 및 저CO화가 요망되고 있다. 저NOx화에 대해서는 현재상황에서는 기존의 통체에 저NOx버너를 설치하거나, 배가스재순환장치를 설치함으로써 대처하고 있으며, 또한 저CO화에 대해서는 연소장치의 연소상태를 조정함으로써 대처하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 간단한 구성에 의해 저NOx화의 실현을 꾀하고, 또한 간단한 구성에 의해 저NOx화와 저CO화를 동시에 실현하는 것이다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 먼저 저NOx화의 실현을 꾀하기 위해, 연소실내의 연소반응중가스가 존재하는 영역에 복수의 수관을 배치한 것을 특징으로 한 수관보일러이다. 그리고, 상기 각 수관에 접촉한 후 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 복수의 수관을 상기 연소실내에 배치한 것을 특징으로 하고, 또한 인접한 수관사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새를 형성한 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관중 일부의 수관이 밀접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관이 상기 틈새의 폭이 다른 개소에 배치되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관이 2열이상의 환상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 수관이 경사관 혹은 휨관인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 환상으로 배치한 수관의 외측에 열회수수관을 배치한 것을 특징으로 한 수관보일러이다.
다음으로, 저NOx화와 저CO화를 동시에 실현하기 위해, 연소실내의 연소반응중가스가 존재하는 영역에 복수의 수관을 환상으로 배치하여 제 1수관열을 형성하고, 이 제 1수관열의 인접하는 수관사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새를 설치하고, 상기 제 1수관열의 주위에 연소반응을 계속하여 행하는 영역을 설치한 것을 특징으로 하는 수관보일러이다. 그리고, 상기 각 수관에 접촉한 후의 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 복수의 수관을 상기 연소실내에 배치한 것을 특징으로 하며, 또한 상기 제 1수관열이 2열이상의 환상의 수관열인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 제 1수관열의 외측에 복수의 열회수수관을 배치한 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 열회수수관 중의 일부의 열회수수관이 밀접하여 배치되는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 열회수수관이 인접하는 열회수수관사이 틈새의 폭이 다른 개소에 배치되는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 복수의 열회수수관이 환상의 제 2수관열을 형성하는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 제 2수관열이 2열이상의 환상의 수관열인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 제 2수관열이 내측열의 일부에 내주측과 외주측을 연통하는 내열개구부를 구비함과 함께 외측열의 일부에 내주측과 외주측을 연통하는 외열개구부를 구비하며, 상기 내열개구부와 상기 외열개구부를 상기 제 2수관열의 원주방향으로 벗어난 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는 수관보일러이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예의 종단면설명도.
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면설명도.
도 3은 본 발명의 제 2실시예의 설명도로서, 수관의 환상배치예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 4는 본 발명의 제 3실시예의 설명도로서, 수관의 환상배치예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 5는 본 발명의 제 4실시예의 설명도로서, 수관의 환상배치예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 6은 본 발명의 제 5실시예의 설명도로서, 수관의 형상의 예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 7은 본 발명의 제 6실시예의 설명도로서, 수관의 형상의 예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 8은 본 발명의 제 7실시예의 설명도로서, 수관의 형상의 예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 9은 본 발명의 제 8실시예의 설명도로서, 열회수수관의 배치예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 10은 본 발명의 제 9실시예의 설명도로서, 열회수수관의 배치예를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 11은 본 발명의 제 8실시예의 설명도로서, 열회수수관의 배치예를 개략적으로 나타내는 설명도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 통체 2 상부관집합부
3 하부관집합부 4 외벽
5 수관 6 제 1수관열
7 열회수수관 8 제 2수관열
9 연소실 10 연소장치
11 축선 12 틈새
13 연소반응계속영역 14 제 2틈새
A 인접한 수관의 중심간거리 B 수관의 외경
C 틈새의 폭 E 연소반응계속영역의 폭
F 인접한 열회수수관 틈새의 폭
본 발명은 다관식의 수관보일러로서 실시된다. 또한 본 발명의 수관보일러는 증기보일러와 온수보일러외에 열매체를 가열하는 열매체보일러 등으로서 적용된다.
또한, 저NOx화의 실현을 꾀하는 발명에 대하여 설명하면, 청구항 1에 기재된 발명은 연소실내의 연소반응중가스가 존재하는 영역(이하, 연소반응영역이라고 한다)에 복수의 수관을 환상으로 배치한 것이다. 상기 연소실이라는 것은 그 내측의 일부 또는 전부를 연소반응을 시키는 공간으로 한 것으로, 수관열로 구획되는 경우와 내화물 등으로 형성한 외벽으로 구획되는 경우가 있다. 상기 연소반응중가스라는 것은 상기 연소실내에 있어서, 연소반응이 생기고 있는 가장 중심의 고온의 가스이다. 상기 연소반응영역으로서는 바람직하게는 연소반응중가스에 화염이 생기고 있는 영역 또는 연소반응중가스의 온도가 900℃이상의 고온의 연소반응중가스가 존재하는 영역이다. 여기서 말하는 화염은 연소반응이 활발히 행해지고 있는 연소반응중가스에 생기는 현상이다. 이 화염은 눈으로 볼 수 있는 경우도 있고 눈으로 볼수 없는 경우도 있다.
따라서, 청구항 1에 기재된 발명에 있어서는, 상기 연소반응영역에 복수의 수관을 배치함으로써, 연소반응중가스를 상기 복수의 수관에 의해 냉각하여 온도를 저하시키고, 서멀NOx의 생성을 억제한다. 그 이유는 젤도비치(Zeldovich)구성으로 설명되듯이, 서멀NOx는 연소반응의 온도가 높을수록 그 생성속도가 현저히 증가하여 생성량도 증가하지만, 연소반응의 온도가 낮을수록 그 생성속도가 감소하여 생성량이 감소하기 때문이다. 특히 연소반응의 온도가 1400℃이하의 경우에는 서멀NOx의 생성속도는 현저히 늦어진다. 그리고 청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 복수의 수관을 환상으로 배치한 것이기 때문에, 연소반응중가스는 각 수관에 접촉하여 열전달을 행하기 때문에 열부하를 거의 균일화할 수 있으며, 또한 연소반응중가스는 각 수관에 의해 냉각되기 때문에 NOx의 저감작용도 환상의 수관열의 전체주위에서 거의 균일하게 행해진다.
또한, 청구항 1에 기재된 발명은, 복수의 수관을 환상으로 배치하고 있는데, 이 환상배치로서는 복수의 수관을 진원상으로 배치하는 외에 타원상으로 배치할 수도 있다. 그리고, 상기 복수의 수관은 삼각형, 사각형 혹은 그 이상의 다각형의 형상으로 배치할 수도 있다. 또한 상기 복수의 수관을 환상으로 배치할 때에 각 수관의 중심을 연결하는 선이 요철을 형성하도록 배치할 수도 있다.
그리고, 청구항 2에 기재된 발명은, 상기 각 수관에 접촉한 후의 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 복수의 수관을 상기 연소실내에 배치한 것이다. 이 배치에 의해 연소반응중가스의 온도가 저하하여 서멀NOx의 발생이 적어지고, 따라서 수관보일러의 저NOx화를 달성할 수 있다.
그리고, 청구항 3에 기재된 발명은 인접하는 수관사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새를 설치한 것이다. 이 틈새는 이 틈새를 통과하는 연소반응중가스가 상기 각 수관에 의해 냉각되어도 연소반응을 유지할 수 있는 폭을 가지며, 이 폭은 적어도 1mm는 필요하다.
그리고, 청구항 4에 기재된 발명은, 상기 복수의 수관중 일부의 수관을 밀접하게 배치한 것이다. 이와 같은 배치에 의하면, 수관과 연소반응중가스의 접촉상태를 조정하여 열전도량의 조정을 행할 수 있다.
그리고, 청구항 5에 기재된 발명은, 상기 복수의 수관을 상기 틈새의 폭이 다른 개소에 환상으로 배치한 것이다. 즉 상기 복수의 수관을 폭넓은 틈새와 폭좁은 틈새가 생기도록 환상으로 배치한 것이다. 이 배치에 의하면, 수관과 연소반응중가스의 접촉상태를 조정하여 열전도량의 조정을 행할 수 있다.
그리고, 청구항 6에 기재된 발명은, 상기 복수의 수관을 2열이상의 환상으로 배치한 것이다. 복수의 수관을 이와 같은 배치로 함으로써, 연소반응중가스와의 열전도량을 증가할 수 있기 때문에 연소반응중가스의 온도를 더욱 낮출 수 있으며, 서멀NOx의 발생량이 대폭적으로 적어진다. 이 경우, 내측열의 인접한 수관사이에 외측열의 수관이 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 청구항 7에 기재된 발명은, 상기 복수의 수관을 경사관 혹은 휨관으로 한 것이다. 여기서 경사관은 전체가 경사진 수관이며, 또한 휨관은 절곡부 혹은 만곡부를 갖는 수관이다. 이와 같이 복수의 수관을 경사관 혹은 휨관으로 하면, 각 수관에 더 많은 연소반응중가스를 접촉시킬 수 있기 때문에 이 연소반응중가스를 효과적으로 냉각하고, 저NOx화를 달성할 수 있다. 또한 청구항 7에 기재된 발명에 있어서, 복수의 수관은 그 전부가 경사관 혹은 휨관일 필요는 없고, 복수의 수관의 일부가 경사관 혹은 휨관중의 적어도 한쪽이면 된다. 그리고, 상기 휨관은 절곡부 혹은 만곡부중의 한쪽만을 갖는 경우와, 양쪽을 갖는 경우를 포함한다. 또한 상기 휨관은 절곡부 혹은 만곡부가 1개소에 제한되지 않는다. 또한 상기 휨관은 전체가 만곡된 경우도 포함한다.
또한 청구항 8에 기재된 발명은, 상기 환상으로 배치한 수관의 외측에 열회수수관을 배치한 것이다. 이 열회수수관은 상기 각 수관의 틈새를 통과한 연소반응중가스 및 연소반응이 종료한 가스(이하, 연소반응종료가스라고 한다)로부터 더 열회수를 행하여 수관보일러의 효율을 향상시킨다.
다음으로 저NOx화와 저CO화의 동시실현을 꾀하는 발명에 대하여 설명하면, 먼저 청구항 9에 기재된 발명은, 연소실내의 연소반응중가스가 존재하는 영역(이하, 상기와 마찬가지로 연소반응영역이라고 한다)에 복수의 수관을 환상으로 배치하여 제 1수관열을 형성하고, 이 제 1수관열의 인접한 수관사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새를 설치한 것이다. 여기서 말하는 연소실, 연소반응중가스 및 연소반응영역의 의미는, 상기 청구항 1에 대하여 설명한 것과 같으며, 또한 화염에 대해서도 마찬가지이다.
그런데, 청구항 9에 기재된 발명에 있어서는, 상기 연소반응영역에 복수의 수관을 배치함으로써, 연소반응중가스를 상기 복수의 수관에 의해 냉각하여 온도를 저하시키고, 서멀NOx의 생성을 억제한다. 이 때, 연소반응중가스는 수관사이의 틈새를 흐르기 때문에 각 수관의 보다 많은 표면과 접촉하기 때문에 상기한 냉각에 의한 NOx저감의 효과가 향상한다. 그 이유는, 상기 청구항 1에 대하여 설명한 것과 마찬가지로 젤도비치(Zeldovich)기구로 설명된 바와 같다. 그리고, 청구항 9에 기재된 발명은, 상기 제 1수관열의 주위에 연소반응을 계속하여 행하는 영역(이하, 연소반응계속영역이라고 한다)을 설치한 것이다. 이 연소반응계속영역은 상기 제 1수관열내측에서의 연소반응후, CO와 HC같은 연소반응의 중간생성물과 연료의 미연소분의 연소반응이 행해지는 영역이다. 이 연소반응계속영역에는 상기 틈새로부터 연소반응중가스가 유입하고, 이 연소반응계속영역을 유통하는 과정에 있어서, 연소반응중가스에 잔류하는 CO가 CO2로 산화되기 때문에 수관보일러로부터의 CO의 배출량이 적어진다. 그리고, 청구항 9에 기재된 발명에 따르면, 복수의 수관을 환상으로 배치한 것이기 때문에, 연소반응중가스는 각 수관에 접촉하여 열전달을 행하기 때문에 열부하를 거의 균일화할 수 있고, 또한 연소반응중가스는 각 수관에 의해 냉각되기 때문에 NOx의 저감작용도 제 1수관열의 전체주위에서 거의 균일하게 행해진다. 여기서 복수의 수관의 환상배치로서는 상기 청구항 1에 대하여 설명한 바와 같이, 진원상, 타원상, 다각형상 등의 배치가 가능하며, 또한 각 수관의 중심을 연결하는 선이 요철을 형성하도록 배치할 수도 있다.
또한, 청구항 9에 기재된 발명은, 인접하는 수관사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새를 설치하는데, 이 틈새는 이 틈새를 통과하는 연소반응중가스가 상기 각 수관에 의해 냉각되어도 연소반응을 계속할 수 있는 폭을 가지는 것이다. 이 폭은 적어도 1mm는 필요하다. 그리고, 상기 틈새는 인접한 수관마다 형성할 필요는 없고, 예를들어 소정갯수의 수관을 밀접시켜 배치하고, 이 밀접시킨 수관의 그룹사이에 틈새를 설치할 수도 있다. 또한 상기 틈새는 전부를 동일한 폭으로 할 필요는 없고, 복수의 수관을 폭넓은 틈새와 폭좁은 틈새가 되도록 환상으로 배치할 수도 있다.
그리고, 청구항 10에 기재된 발명에 따르면, 상기 청구항 2에 기재된 발명과 마찬가지로 수관보일러의 저NOx화를 달성할 수 있다.
그리고, 청구항 11에 기재된 발명은, 상기 제 1수관열을 2열이상의 환상의 수관열로 한 것으로, 연소반응중가스의 열전도량을 증가시킬 수 있기 때문에 연소반응중가스의 온도를 더욱 낮출 수 있으며, 서멀NOx의 발생량이 대폭적으로 적어진다. 또한, 상기 제 1수관열을 2열이상의 환상의 수관열로 함으로써, 수관보일러의 효율이 향상한다. 이 경우, 내측열의 인접한 수관사이에 외측열의 수관이 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.
그리고, 청구항 12에 기재된 발명은, 상기 제 1수관열의 외측에 복수의 열회수수관을 배치한 것이다. 상기 제 1수관열의 외측에 위치하는 상기 연소반응계속영역내에서는 연소반응중가스는 CO의 산화반응외에 연소반응의 중간생성물과 연료의 미연소분의 반응이 계속되기 때문에 열을 발생한다. 그래서 상기 각 열회수수관에 의해 이들의 열을 포함하여 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스로부터 열회수를 행한다. 따라서, 상기 각 열회수수관에 의해 열의 유효이용을 꾀할 수 있으며, 열효율이 더욱 향상한다.
그리고, 청구항 13에 기재된 발명은, 상기 복수의 열회수수관중의 일부의 열회수수관을 밀접하게 배치한 것이다. 이 배치에 의하면, 각 열회수수관과 연소반응중가스 및 연소반응종료가스의 접촉상태를 조정하여 열전도량의 조정을 행할 수 있다.
그리고, 청구항 14에 기재된 발명은, 상기 복수의 열회수수관을 인접하는 열회수수관사이의 틈새의 폭이 다른 개소에 배치한 것이다. 즉 상기 복수의 열회수수관을 폭넓은 틈새와 폭좁은 틈새가 생기도록 환상으로 배치한 것이다. 이 배치에 의하면, 상기 각 열회수수관과 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스의 접촉상태를 조정하여 열전도량의 조정을 행할 수 있다.
그리고, 청구항 15에 기재된 발명은, 상기 복수의 열회수수관을 환상으로 배치하여 제 2수관열을 형성한 것이다. 제 2수관열을 환상으로 구성함으로써, 상기 각 열회수수관은 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스와 거의 균등하게 접촉하고, 이들 가스로부터 거의 균등하게 열회수를 행할 수 있다.
또한, 청구항 16에 기재된 발명은, 상기 제 2수관열을 2열이상의 환상의 수관열로 한 것으로, 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스로부터의 열회수량을 더욱 증가시킬 수 있기 때문에 수관보일러의 효율이 향상한다. 이 경우, 내측열의 인접한 열회수수관사이에 외측열의 열회수수관이 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 청구항 17에 기재된 발명은, 상기 제 2수관열을 2열이상의 환상의 수관열로 하고, 내측열의 일부에 내주측과 외주측을 연통하는 내열개구부를 설치함과 함께 외측열의 일부에 내주측과 외주측을 연통하는 외열개구부를 설치하고, 상기 내열개구부와 상기 외열개구부를 상기 제 2수관열의 주위방향으로 벗어나 배치한 것이다. 이 구성에 따르면, 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스를 내측열과 외측열의 사이로 유도하여 열회수를 행할 수 있기 때문에 접촉열전도면을 넓게 취할 수 있으며, 상기 제 2수관열에 있어서의 접촉열전도량이 증가한다. 상기 내열개구부 및 상기 외열개구부의 수는 각각 하나에 한정되지 않고 복수 설치할 수도 있고, 또한 상기 내열개구부와 상기 외열개구부의 수를 다르게 설치할 수도 있다.
이하, 본 발명을 다관식의 관류보일러에 적용한 제 1실시예에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1실시예의 종단면의 설명도, 도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면의 설명도이다.
도 1 및 도 2에 있어서, 보일러의 통체(1)는 소정의 거리를 두고 배치한 상부관집합부(2) 및 하부관집합부(3)를 가지고 있다. 이 상부관집합부(2) 및 하부관집합부(3)의 외주사이에는 외벽(4)을 배치한다.
상기 상부관집합부(2)와 상기 하부관집합부(3)의 사이에는 복수(제 1실시예에서는 10개)의 수관(5)을 환상으로 배치한다. 이들 수관(5)은 환상의 제 1수관열(6)을 구성하고 있다. 그리고, 상기 상부관집합부(2)와 상기 하부관집합부(3)의 사이에 있어서, 상기 외벽(4)의 내주측 가까이에는 복수(제 1실시예에서는 30개)의 열회수수관(7)을 환상으로 배치하여 환상의 제 2수관열(8)을 형성한다. 이 제 2수관열(8)은 상기 제 1수관열(6)과 2중의 환상수관열을 형성한다. 또한 상기 각 수관(5) 및 상기 각 열회수수관(7)은 그 각 단부를 상기 상부관집합부(2) 및 상기 하부관집합부(3)의 각각에 접속한다.
보일러의 연소실(9)은 상기 상부관집합부(2) 및 상기 하부관집합부(3)와 상기 제 2수관열(8)에 의해 구획형성되어 있다. 그리고 이 연소실(9)의 상방에는 연소장치(10)가 설치되어 있다. 이 연소장치(10)는 상기 상부관집합부(2)의 내측(중앙부)으로부터 연소실(9)로 향하여 삽입되어 있고, 이 연소장치(10)의 축선(11)과 상기 제 1수관열(6)의 각 수관(5)은 거의 평행하게 되어 있다. 이 연소장치(10)는 선혼합식연소장치이다.
그런데, 상기 연소장치(10)에 의해, 상기 연소실(9)내에는 연소반응중가스가 존재하는 영역, 즉 연소반응영역이 형성되는데, 이 연소반응영역중의 화염이 존재하는 영역(이하, 화염존재영역이라고 한다)에 상기 제 1수관열(6)을 위치시킨다. 또한 상기 제 1수관열(6)은 상기 각 수관(5)에 접촉한 후의 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 연소반응영역에 배치한다. 또한 상기 제 1수관열(6)에 있어서, 상기 각 수관(5)사이에는 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새(12)가 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 2수관열(8)의 사이에는 CO와 HC같은 연소반응의 중간생성물 및 연료의 미연소분의 연소반응이 계속해서 행해지는 영역(이하, 연소반응계속영역이라고 한다)(13)을 설치한다. 이 연소반응계속영역(13)내에는 상기 수관(5)같이 열을 흡수하는 부재는 존재하지 않는다.
상기 제 2수관열(8)에 있어서, 인접하는 열회수수관(7)사이의 틈새(이하, 제 2틈새라고 한다)(14)는 좁게 통상 1-4mm로 설정한다. 또한, 상기 제 2수관열(8)의 외주측에 있어서는, 상기 각 열회수수관(7)에 각각 전열핀(15)을 설치한다.
또한 상기 외벽(4)에는 배가스출구(16)를 설치한다. 이 배가스출구(16)는 상기 외벽(4)과 상기 제 2수관열(8) 사이의 환상 배가스유로(17)와 연통하고 있다.
이상 구성의 관류보일러에 있어서, 상기 연소장치(10)를 작동시키면, 상기 연소실(9)내에는 연소반응중가스가 발생한다. 이 연소반응중가스의 연소반응의 초기에 있어서는 연료의 분해가 행해지며, 그 후 분해된 연료와 산소가 활발하게 반응한다. 그리고 그 다음의 단계에서는 이 때의 연소반응에서 생긴 CO와 HC같은 중간생성물이 더 반응하고, 그리고 연소반응이 끝난 연소반응종료가스는 배가스로서 통체(1)로부터 배출된다. 상기 연소반응이 활발하게 행해지고 있는 영역에서는 통상 화염이 생긴다.
그런데, 연소반응중가스는 상기 제 1수관열(6)의 중심부를 거의 축선방향으로 상기 하부관집합부(3)측을 향하여 퍼지면서 유동하고, 상기 틈새(12)로부터 상기 연소반응계속영역(13)으로 유입한다. 따라서, 화염은 도 1에 도시하듯이 연소반응중가스의 유동에 따라서 상기 제 1수관열(6)의 외측까지 형성된다. 그 때문에 상기 각 수관(5)은 상기 연소반응영역중의 상기 화염존재영역내에 위치한다. 그리고, 이 화염을 발생시키는 연소반응중가스는 상기 틈새(12)를 통과할 때에 상기 각 수관(5)내부의 피가열유체와의 사이에서 열교환을 행한다. 이 화염을 발생하는 연소반응중가스는 이 열교환에 의해 급격히 냉각되어 온도가 저하하기 때문에 서멀NOx의 발생이 억제된다. 여기서 상기 제 1수관열(6)은 환상의 수관열이기 때문에 상기 각 수관(5)에는 화염을 발생하는 연소반응중가스가 거의 균등하게 접촉하기 때문에 상기 각 수관(5)에 있어서의 열부하도 거의 균일하게 된다. 또한 이 연소반응중가스는 상기 각 수관(5)과 거의 균등하게 접촉하여 냉각되기 때문에 상기 각 수관(5)에 의한 NOx의 저감작용도 거의 균등하게 된다. 또한 그 결과 이 연소반응중가스에 있어서는 화염의 형성이 적어진다.
그리고, 상기 틈새(12)를 통과한 연소반응중가스는 상기 연소반응계속영역(13)내를 상기 제 2수관열(8)로 향하여 유통한다. 이 때, 연소반응중가스는 상기 제 2수관열(8)에 도달할 때까지는 상기 각 수관(5)처럼 열교환을 행하는 부재와의 접촉이 없고, 온도는 그다지 저하하지 않는다. 그 때문에, 연소반응중가스는 연소반응을 계속하면서 상기 연소반응계속영역(13)을 유통하고, 그 사이에 CO로부터 CO2로의 산화반응이 촉진된다. 이 연소반응계속영역(13)내에서는 상기 산화반응외에 상기 중간생성물과 미연소분 등의 산화반응도 행해진다.
그리고, 연소반응중가스는 상기 제 2수관열(8)에 도달할 때까지 연소반응을 거의 종료한 고온의 가스가 되며, 상기 제 2틈새(14)를 통하여 상기 배가스유로(17)로 유입한다. 이 연소반응중가스가 상기 제 2틈새(14)를 통과할 때에는 상기 각 전열핀(15)에 의해 보다 많은 열이 상기 각 열회수수관(7)내의 피가열유체에 전달된다. 그리고 상기 제 2틈새(14)를 통과하고 상기 배가스유로(17)로 유입한 상기 연소반응종료가스는 상기 제 2수관열(8)의 외측으로부터 상기 각 열회수수관(7)내의 피가열유체에 열전달한 후, 상기 배가스출구(16)로부터 배가스로서 보일러외로 배출된다. 여기서, 상기 제 2수관열(8)은 복수의 열회수수관(7)으로 된 환상의 수관열이기 때문에 연소가스중가스 및 상기 연소반응종료가스는 상기 각 열회수수관(7)에 거의 균등하게 접촉하고, 상기 제 2수관열(8)의 전체에서 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스로부터 열회수를 행하기 때문에 상기 제 2수관열(8)에 있어서도 상기 각 열회수수관(7)에서의 열부하는 거의 균일하게 된다.
이상의 설명에 있어서, 연소반응중가스의 흐름은 상기 제 1수관열(6)의 직경방향에 대한 것이지만, 다음에는 상기 제 1수관열(6)의 축선방향에 대하여 주목하여 설명한다. 연소반응중가스는 상기와 같이 상기 제 1수관열(6)의 중심부를 거의 축선방향으로 상기 하부관집합부(3)측으로 향하여 퍼지면서 유동하기 때문에 이 연소반응중가스의 하류측일수록 상기 각 수관(5)으로의 열전달에 의해 온도가 저하한다. 그 때문에 서멀NOx의 생성이 억제된다. 또한 상기 제 1실시예는 관류보일러이기 때문에 피가열유체가 상기 하부관집합부(3)로부터 상기 각 수관(5) 및 상기 각 열회수수관(7)내에 공급되며, 상기 각 수관(5) 및 상기 각 열회수수관(7)내를 가열하면서 상승하고, 상기 상부관집합부(2)로부터 증기로서 취출된다.
다음으로 본 제 1실시예의 관류보일러에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이 제 1실시예는 증발량이 매시 500-4000kg의 관류보일러로서 실시한 것이다. 이 제 1실시예의 관류보일러에서는 수관(5)의 외경(B)을 약 60mm로 한다. 통상 관류보일러에서는 25-80mm정도 외경(B)의 수관(5)을 이용하지만, 일반적으로 수관보일러 전반에 있어서는 20-100mm정도 외경(B)의 수관(5)을 이용한다. 그리고, 제 1실시예에서는 상기와 같이 복수의 수관(5)을 진원상으로 배치할 때의 피치원 직경(D)을 약 344mm로 한다. 이 직경(D)은 최저라도 100mm는 필요하다. 즉 이 직경(D)이 그 이상 작으면 제 1수관열(6)의 내주측의 공간이 작아져 안정한 연소반응을 계속하기 어렵게 된다. 한편 상기 직경(D)이 크면 제 1수관열(6)의 내주측의 공간이 커지고, 그 내부에 서멀NOx의 생성을 촉진하는 고온의 영역이 발생하기 쉽게 된다. 그 때문에 상기 직경(D)의 상한치는 이 점을 고려하여 결정한다. 또한 상기 직경(D)의 상한치는 필요로 하는 보일러의 증발량에 따라서 결정한다. 예를들어 증발량이 매시 4000kg의 수관보일러에서는 상기 직경(D)은 1000mm가 상한이 된다.
또한 제 1실시예에서는 제 1수관열(6)에 있어서의 인접한 수관(5)의 중심간거리(A)를 약 106mm로 하고, 이 중심간거리(A)와 수관(5) 외경(B)의 비 A/B를 1.8로 한다. 그리고 제 1실시예처럼 각 수관(5)사이에 틈새(12)를 설치하는 경우, 이 틈새(12)의 폭(C)은 연소반응중가스가 각 수관(5)에 의한 냉각에 의해 연소반응이 정지하지 않는 값으로 설정한다. 이 경우 틈새(12)의 폭(C)은 적어도 1mm는 필요하다. 따라서 인접한 수관(5)사이에 틈새(12)를 설치하는 경우, 상기 비 A/B는로 설정한다. 이 비 A/B는 저NOx화의 요구 정도에 따라서 바꿀 수 있다. 이 점에 있어서 제 1실시예에 있어서의 상기 틈새(12)의 폭(C)은 상기 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 차와 같은 약 46mm이다.
또한 제 1실시예에 있어서의 연소장치(10)는 공기비를 1.3으로 설정한 것이며, 이 경우 연소반응중가스의 최고온도는 거의 1700℃이다. 여기서 수관보일러용의 연소장치에서는 일반적으로 공기비를 1.1-1.3의 범위로 설정하여 연소시키며, 이 경우의 연소반응중가스의 최고온도는 공기비가 1.1-1.2의 범위에서 거의 1800℃이며, 공기비가 1.2-1.3의 범위에서 거의 1700℃이다.
상기와 같이 각 수관(5)의 중심간거리(A)와 외경(B) 등을 설정함으로써, 상기 틈새(12)를 통과한 시점에서의 연소반응중가스의 온도는 상기 각 수관(5)에 의한 냉각에 의해 거의 1100℃까지 저하한다. 이 온도는 서멀NOx의 생성량이 대폭적으로 적어지는 온도(거의 1400℃)이하이다. 그 때문에, NOx의 배출량이 적은 관류보일러로 할 수 있다. 아울러 제 1실시예의 관류보일러의 NOx의 배출량은 O20%환산으로 30ppm정도이다. 그리고 이 온도는 CO로부터 CO2로의 산화반응이 활발히 진행되는 온도(거의 800℃)이상이다. 그 때문에 연소반응중가스가 상기 연소반응계속영역(13)내를 유통할 때에 CO로부터 CO2로의 산화반응이 활발하게 행해지게 되며, CO의 배출량이 적은 관류보일러로 할 수 있다.
이상과 같이, 제 1실시예의 관류보일러에 있어서는, 상기 제 1수관열(6)의 틈새(12)로부터 배출된 연소가스중 가스의 온도를 거의 1100℃로 제어하고 있지만, 저NOx화 및 저CO화의 요구정도에 따라서 800-1400℃의 범위내로 제어한다. 여기서 상기 틈새(12)로부터 배출되는 연소반응중가스의 온도는 저NOx화의 관점에서는 가능한 낮은 쪽이 바람직하고, 저CO화의 관점에서는 가능한 높은 쪽이 바람직하다. 이 점에 있어서, 상기 온도는 900-1300℃의 범위로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 제 1실시예에서는 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 2수관열(8)의 직경방향 간격(E)을 상기 연소반응계속영역(13)의 폭으로서 설정한다. 상기 간격(E)은 약 84mm이며, 상기 외경(B)의 1.4배이다. 이와 같이 상기 간격(E)을 설정함으로써 상기 연소반응계속영역(13)내에 있어서의 연소반응중가스의 체류시간을 약47mm/sec로 조정한다. 이 경우에 있어서, CO의 배출량은 15ppm정도이다. 즉 상기 산화반응을 확실하게 발생시키기 위해서는 연소반응중가스의 온도를 어떤 온도(거의 800℃)이상으로 유지함과 함께 일정 이상의 반응시간이 필요하다. 이 반응시간은 연소반응중가스의 온도가 높을수록 짧게, 역으로 낮을수록 길게 필요하다. 그래서 상기 틈새(12)로부터 유출되는 연소반응중가스의 온도에 따라서 상기 간격(E)의 설정치를 변경하고, 상기 연소반응계속영역(13) 내에서의 연소반응중가스의 체류시간을 조정한다. 또한 상기 틈새(12)의 개수와 폭(C)에 따라서 상기 간격(E)을 변경한다. 이 체류시간의 하한은 1-10mm/sec의 범위에서 선택한다. 그 때문에 상기 간격(E)은 상기 외경(B)의 0.5배정도가 하한이 된다. 또한 상기 체류시간은 길게 설정하는 것이 저CO화의 점에서 유리하지만, 저CO화와 보일러의 소형화의 요구의 정도에 따라서 결정한다. 이 경우, 상기 간격(E)의 상한은 상기 외경(B)의 6배정도가 적합하다.
그런데 이상 설명한 제 1실시예에서는, 상기 연소실(9)내의 상기 연소반응영역에 복수의 수관(5)을 거의 진원상으로 그리고 거의 등간격으로 배치한 것이지만, 제 1실시예에서의 수관(5)의 배치는 그와 같은 배치에 한정되는 것은 아니고, 예를들어 도 3 내지 도 5에 나타내는 것같은 환상의 배치로 할 수도 있다. 여기서, 이하 각 실시예의 설명에서는 상기 제 1실시예와 마찬가지의 구성부재에는 동일한 참조부호를 붙여 그 상세설명을 생략한다. 또한 도 3 내지 도 5에 있어서는 상기 제 1수관열(6)만을 도시하고, 다른 구성의 도시는 생략한다.
먼저 도 3에 나타내는 제 2실시예의 관류보일러는 복수의 수관(5)을 환상으로 배치할 때에 인접한 수관(5)의 중심을 연결하는 선(도 3의 일점쇄선)이 요철을 형성하도록 배치한 것이다. 이 제 2실시예에서는, 각 수관(5)은 인접한 수관(5)에 대하여 제 1수관열(6)의 중심방향 혹은 방사방향으로 벗어난 배치로 되어 있다. 이 배치에 의하면, 각 수관(5)을 진원상으로 배치하는 경우에 비하여 개수를 늘릴 수 있다. 이 제 2실시예에 있어서는, 상기 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B는 1.2로 한다. 또한 이 제 2실시예에서는 각 수관(5)을 교대로 내측과 외측으로 비켜서 배치하지만, 실시에 따라서 복수개씩 교대로 비켜서 배치할 수도 있다.
다음으로 도 4에 나타내는 제 3실시예의 관류보일러는 복수의 수관(5)을 진원상으로 배치한 것이지만 복수의 수관(5)중의 일부의 수관(5)을 밀접하게 배치한 것이다. 제 3실시예에서는 복수의 수관(5)을 수정갯수마다(도 4에서는 3개마다)의 그룹(18)으로 하고, 이 그룹(18)을 복수그룹(도 4에서는 5그룹) 배치하여 제 1수관열(6)을 구성한다. 그리고 각 그룹(18)내에서는 각 수관(5)을 틈새없이 밀착상태로 배치한다. 따라서 각 그룹(18)내에서는 상기 비 A/B는 1로 되어 있다. 그리고 상기 틈새(12)는 각 그룹(18)사이에 형성한다. 이 틈새(12)를 끼워서 인접한 수관(5)사이의 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B는 2.0으로 되어 있다. 즉 제 3 실시예에 있어서는, 상기 비 A/B는이다. 이와 같이 복수의 수관(5)중 일부의 수관(5)을 밀접하게 배치하면 제 1수관열(6)에 형성하는 상기 틈새(12)의 수를 조정할 수 있고, 또한 각 그룹(18)사이에 있어서의 틈새(12)의 폭(C)도 조정할 수 있다. 그 때문에 제 1수관열(6)의 내측으로부터 틈새(12)까지의 연소반응중가스의 흐름을 연소장치(10)의 특성에 맞추어 제어하여 제 1수관열(6)과 연소반응중가스의 접촉시간을 조정할 수 있으며, 또한 각 수관(5)에 의한 열회수량과 상기 틈새(12)를 통과한 후의 연소반응중가스의 온도를 조정할 수 있다. 이 제 3실시예에 있어서는, 각 그룹(18)에 있어서의 수관(5)의 개수를 동일하게 하고 있지만, 실시에 따라서 각 그룹(18)에 있어서의 수관(5)의 개수를 다르게 하는 것도 적합하다.
다음으로, 도 5에 나타내는 제 4실시예의 관류보일러는 복수의 수관(5)을 복수열의 환상으로 배치한 것의 일례로서, 이 제 4실시예에서는 2열의 환상으로 배치하고 있다. 이 제 4실시예에 있어서, 각 수관(5)의 중심간거리(A)는 다음과 같이 설정한다. 먼저 내측열의 각 수관(5)에 대해서는 그 열내의 인접한 수관(5)끼리의 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B를 1.3으로 설정한다. 외측열의 각 수관(5)에 대해서는 내측열의 각 수관(5)과의 사이에서 인접한 수관(5)의 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B를 1.3으로 설정한다. 또한 제 4실시예에서는 내측열의 인접한 수관(5)의 사이에 외측열의 수관(5)을 위치시킨다. 따라서 제 1수관열(6)은 그 주위방향으로 복수의 수관(5)이 지그재그형으로 배열된 상태로 되어 있다. 이와 같은 수관(5)의 배치에 의하면, 연소반응중가스로부터의 열회수량을 많게 할 수 있기 때문에 대용량의 연소장치(10)를 이용할 수 있다. 여기서, 제 4실시예에서는 복수의 수관(5)을 2열의 환상으로 배치하지만 실시에 따라서 3열 혹은 그 이상의 복수열로 배치하는 것도 적합하다.
이상의 제 1 내지 제 4실시예에 있어서는 상기 틈새(12)는 모두 동일 폭(C)으로 하고 있지만, 실시에 따라서 그 폭(C)이 다른 개소가 형성되도록 수관(5)을 배치할 수 있다.
이상의 제 1 내지 제 4실시예에서는 수직한 복수의 수관(5)을 환상으로 배치하여 거의 원통형상의 제 1수관열(6)을 구성한 것이다. 그러나 본 발명에서는 각 수관(5)은 수직한 수관에 한정되는 것은 아니고, 도 6 내지 도 8에 나타내는 것같은 구성으로 할 수도 있다. 여기서 이하 각 실시예의 설명에서는 상기 제 1 내지 제 4실시예와 마찬가지의 구성부재에는 동일참조부호를 붙여서 그 상세설명을 생략한다. 또한 제 5 내지 제 7실시예에 있어서, 제 2수관열(8)은 상기 제 1실시예와 마찬가지로 제 1수관열(6)을 둘러싸도록 복수의 수직한 열회수수관(7)을 환상으로 배치하고, 통형상으로 한 것이다.
먼저 도 6에 나타내는 제 5실시예의 관류보일러는 수관(5)을 경사관으로 한 것이다. 이 제 5실시예에 있어서의 수관(5)은 그 상단측을 통체(1)의 외측으로 향하여 경사시킨 것으로서, 이 경사상태의 복수의 수관(5)을 환상으로 배치함으로써, 하방측일수록 좁아지는 끝이 가는 형상의 제 1수관열(6)을 형성한다. 이 구성에 의하면, 각 수관(5)은 상기 연소장치(10)의 축선(11)방향, 즉 상기 연소장치(10)로부터의 연료 분출방향에 대하여 가로지르도록 경사져 있기 때문에 연소반응중가스와의 접촉이 양호하게 된다. 따라서 각 수관(5)에 의한 연소반응중가스의 냉각효과를 높일 수 있으며, 저NOx화에 공헌한다. 또한 이 제 5실시예에서는 상기 상부관집합부(2)와 각 수관(5)의 접촉위치를 변경하는 일없이 각 수관(5)을 경사시켜 배치함으로써 각 수관(5)을 상기 연소반응영역내에 위치시킬 수 있다.
다음으로 도 7에 나타내는 제 6실시예의 관류보일러는 수관(5)을 휨관으로 한 것이다. 이 제 6실시예에 있어서의 수관(5)은 그 가운데부근에 절곡부를 형성하고, 상반부분을 통체(1)의 외측으로 향하여 경사시키고 하반부분을 수직으로 한 것이다. 그리고 이 절곡형상의 복수의 수관(5)을 환상으로 배치함으로써, 깔때기형상의 제 1수관열(6)을 형성한다. 이 구성에서는 각 수관(5)의 중간부위 부분의 위치가 상기 상하부관집합부(2, 3)에 있어서의 각 수관(5)의 접속위치보다도 상기 연소장치(10)의 축선(11)으로 향하여 근접한다. 그 때문에 각 수관(5)과 연소반응중가스와의 접촉이 양호하게 되어 각 수관(5)에 의한 연소반응중가스의 냉각효과를 높일 수 있으며, 저NOx화에 공헌한다. 또한 이 제 6실시예에서는 상기 상부관집합부(2)와 각 수관(5) 및 각 열회수수관(7)과의 접속위치를 변경하는 일없이 각 수관(5)의 형상 변경만으로 각 수관(5)의 하반부분을 상기 연소반응영역내에 위치시킴과 함께 각 수관(5)의 하반부분에 있어서의 상기 연소반응계속영역(13)의 폭(E)을 소망의 치수로 설정할 수 있다.
다음으로 도 8에 나타내는 제 7실시예의 관류보일러는 수관(5)을 휨관으로 한 것으로서, 상하 2개소에 절곡부를 형성한다. 이 제 7실시예에 있어서의 수관(5)은 수관(5)의 상부 및 하부를 통체(1)의 외측으로 향하여 경사시킨 것이다. 그리고, 이 절곡형상의 복수의 수관(5)을 환상으로 배치함으로써 제 1수관열(6)을 형성한다. 이 구성에서는 각 수관(5)의 중간부분의 위치가 상기 상하부관집합부(2, 3)에 있어서의 각 수관(5)의 접속위치보다도 상기 연소장치(10)의 축선(11)을 향하여 근접되어 있다. 그 때문에 각 수관(5)과 연소반응중가스와의 접촉이 양호하게 되어 각 수관(5)에 의한 연소반응중가스의 냉각효과를 높일 수 있으며, 저NOx화에 공헌한다. 또한 이 제 7실시예에서는 상기 상하부관집합부(2, 3)와 각 수관(5) 및 각 열회수수관(7)의 접속위치를 변경하는 일없이 각 수관(5)의 형상의 변경만으로 각 수관(5)의 가운데부분을 상기 연소반응영역내에 위치시킴과 함께 상기 각 수관(5)의 가운데부분에서의 상기 연소반응계속영역(13)의 폭(E)을 소망의 치수로 설정할 수 있다.
여기서, 상기 제 6 및 제 7실시예에 있어서는 상기 수관(5)을 1개소 혹은 2개소의 절곡부를 갖는 휨관으로 하고 있지만, 절곡부대신에 만곡부를 갖는 것도 사용할 수 있다. 또한 상기 휨관은 절곡부 혹은 만곡부중의 한쪽만을 갖는 것도 양쪽을 갖는 것도 사용할 수 있다. 또한 상기 휨관은 절곡부 혹은 만곡부가 1개소의 것에 한정되지 않는다. 또한 상기 휨관은 전체가 만곡되어 있는 경우를 포함한다.
또한 이상의 제 1 내지 제 7실시예는 상기 제 1수관열(6)을 구성하는 수관(5)을 수직관, 경사관 혹은 휨관으로 하지만, 본 발명에서의 수관(5) 전부를 동일종류의 것으로 할 필요는 없고, 2종류 혹은 그 이상 종류의 수관(5)을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 수관(5)에는 외주면과 내주면에 홈과 핀을 부가하여 열전도성능을 향상시킨 것을 이용할 수도 있다. 또한 수관(5)은 모두가 동일외경일 필요는 없고 일부의 수관(5)에 외경이 다른 것을 이용할 수도 있다. 또한 상기 제 1수관열(6)을 2열이상의 환상으로 배치한 것에서는 실시에 따라서 내측열과 외측열로 수관(5)의 개수를 다르게하여 배치할 수도 있다. 상기와 같이 본 발명에 따른 수관보일러에 있어서는 본 발명의 기술사상을 이탈하지 않는 범위에서 상기 복수의 수관(5)의 배치형상을 여러 가지로 변경가능하지만, 상기 연소장치(10)의 출력과 연소반응중가스의 형성상태에 따라서 연소반응중가스가 상기 제 1수관열(6)의 각 수관(5)에 균등하게 접촉하도록 각 수관(5)을 배치하는 것이 바람직하다. 또한 제 1실시예에서는 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 2수관열(8) 사이의 환상의 연소반응계속영역(13)에는 수관을 배치하지 않지만, 본 발명에 따른 수관보일러에 있어서는 본 발명의 기술사상을 이탈하지 않는 범위에서 상기 연소반응계속영역(13)에 소정 개수의 수관을 배치할 수도 있다.
그런데, 상기 제 1실시예 및 제 5 내지 제 7실시예에서는 복수의 열회수수관(7)을 거의 등간격으로 그리고 진원상으로 배치하여 1열의 환상의 제 1수관열(8)을 형성한 것이지만, 본 발명에 있어서의 각 열회수수관(7)의 배치는 이상의 각 실시예의 배치에 한정되는 것은 아니고 예를들어 도 9 내지 도 11에 나타내는 것같은 구성으로 할 수도 있다. 여기서 이하의 제 8 내지 제 10실시예의 설명에서는 상기 제 1 내지 제 7실시예와 마찬가지의 구성부재에는 동일참조부호를 붙여서 그 상세설명을 생략한다. 또한 도 9 내지 도 11에 있어서는 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 2수관열(8)만을 나타내며, 다른 구성을 생략한다.
먼저 도 9에 나타내는 제 8실시예의 제 2수관열(8)은 복수의 열회수수관(7)을 진원상으로 배치하여 구성한 것인데, 복수의 열회수수관(7)중 일부의 열회수수관(7)을 밀접하게 배치한 것이다. 이 제 8실시예에서는 복수의 열회수수관(7)을 소정개수마다(도 9에서는 6개마다)의 그룹(24)으로 하고, 이 그룹(24)을 복수그룹(도 9에서는 4그룹)으로 배치하여 제 2수관열(8)을 구성한다. 이 구성에 의하면, 상기 틈새(12)를 통과한 연소반응중가스는 각 그룹(24)의 내주측을 따라서 흐른 후 제 2틈새(14)로 유출된다. 이와 같이 복수의 열회수수관(7)중 일부의 열회수수관(7)을 밀접하게 배치하면, 제 2수관열(8)에 형성하는 제 2틈새(14)의 수를 조정할 수 있으며, 또한 각 그룹(24)사이에서의 제 2틈새(14)의 폭(F)도 조정할 수 있다. 그 때문에 제 2수관열(8)의 내측으로부터 제 2틈새(14)까지의 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스의 흐름을 제어하고, 열회수수관(7)에 의한 열회수량과 제 2틈새(14) 통과 후의 상기 연소반응종료가스의 온도를 조정할 수 있다. 이 제 8실시예에 있어서는 각 그룹(24)에 있어서의 열회수수관(7)의 개수를 같게 하지만 실시에 따라서 각 그룹(24)에 있어서의 열회수수관(7)의 개수를 다르게 하는 것도 적합하다.
또한 이 제 8실시예에서는, 제 1수관열(6)도 제 2수관열(8)과 마찬가지로 복수의 수관(5)을 수정개수마다(도 9에서는 3개마다) 밀착시켜 배치한 그룹(18)을 형성하고, 이 그룹(18)을 복수그룹(도 9에서는 4그룹)으로 배치하여 각 그룹(18)사이에 틈새(12)를 형성한다. 그리고 이들 틈새(12)의 각각을 상기 열회수수관(7)의 각 그룹(24)과 대면시킨다. 이 제 8실시예에 있어서, 상기 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B는 각 그룹(18)내에서는 1로 되어 있고, 상기 틈새(12)를 끼워서 인접한 수관(5)사이에 있어서는 2.0으로 되어 있다. 또한 상기 연소반응계속영역(13)의 폭(E)과 상기 수관(5) 외경(B)의 비 E/B는 0.8로 되어 있다. 이와 같이 제 1수관열(6)에 있어서의 틈새(12)를 부분적으로 형성함과 함께 제 2수관열(8)에 있어서의 제 2틈새(14)를 부분적으로 형성하고, 이들의 틈새(12)와 제 2틈새(14)가 제 1수관열(6) 및 제 2수관열(8)의 방사방향으로 겹치지 않도록 배치하면, 연소반응중가스의 틈새(12)로부터 제 2틈새(14)에 이르기 까지의 유로를 길게 설정할 수 있으며, 상기 연소반응계속영역(13)에 있어서의 체류시간이 길게 된다. 따라서 상기 산화반응이 확실하게 행해지게 되며, 또한 제 2수관열(8)에 있어서의 접촉열전도량의 증가에 공헌한다.
다음으로 도 10에 나타내는 제 9실시예의 제 2수관열(8)은 각 열회수수관(7)을 다수열의 환상으로 배치하여 구성한 것이다. 이 제 9실시예의 제 2수관열(8)은 각 열회수수관(7)을 2열의 환상으로 배치한다. 이 제 2수관열(8)은 내측열의 인접한 열회수수관(7)의 사이에 외측열의 열회수수관(7)을 배치함으로써 제 2수관열(8)의 주위방향으로 복수의 열회수수관(7)이 지그재그형상으로 배열되어 있다. 이와 같은 열회수수관(7)의 배치에 의해 제 2수관열(8)에 있어서의 연소반응중가스 및 상기 연소반응종료가스로부터의 열회수량을 많게 설정할 수 있다. 여기서 제 9실시예에 있어서, 제 1수관열(6)에 있어서의 상기 중심간거리(A)와 외경(B)의 비 A/B는 1.4이며, 또한 상기 연소반응계속영역(13)의 폭(E)과 상기 외경(B)의 비 E/B는 1.2로 되어 있다.
다음으로 도 11에 나타내는 제 10실시예의 제 2수관열(8)은 복수의 열회수수관(7)을 2열의 환상수관열로서 배치한 것이다. 이 제 2수관열(8)의 내측열에 있어서, 인접한 열회수수관(7)끼리의 틈새는 평판상의 내열핀부재(19)로 막혀 있다. 그리고 내측열의 주위방향의 일부에는 이 내측열의 내주측과 외주측을 연통하는 내열개구부(20)를 형성한다. 또한 제 2수관열(8)의 외측열에 있어서는 인접한 열회수수관(7)끼리의 틈새는 평판상의 외열핀부재(21)로 막혀 있다. 그리고 외측열의 주위방향의 일부에는 이 외측열의 내주측과 외주측을 연통하는 외열개구부(22)를 형성한다. 그리고 고온의 가스가 내열개구부(20)로부터 외열개구부(22)로 직접 나오지 않도록 내열개구부(20)와 외열개구부(22)는 제 2수관열(8)의 주위방향으로 벗어나 배치된다. 이 제 10실시예에 있어서는, 외열개구부(22)는 내열개구부(20)에 대하여 거의 180。위상을 벗어나 배치되어 있다. 또한 이 제 2수관열(8)에 있어서의 내측열과 외측열의 사이에는 내열개구부(20)와 외열개구부(22)를 연통하는 환상의 가스유로(23)가 형성된다. 여기서 내열개구부(20) 및 외열개구부(22)의 형성은 해당 개소의 열회수수관(7), 내열핀부재(19) 혹은 외열핀부재(21)를 생략함으로써 행한다. 여기서 제 10실시예에 있어서, 제 1수관열(6)에서의 상기 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B는 1.4이며, 또한 상기 연소반응계속영역(13)의 폭(E)과 상기 외경(B)의 비는 1.2이다.
이 제 10실시예에 있어서는, 제 1수관열(6)의 틈새(12)로부터 유출된 연소반응중가스는 제 2수관열(8)에 도달하기 까지 연소반응을 거의 종료하고, 화염을 소실한 고온의 가스가 되며, 제 2수관열(8)의 내측열을 주위방향을 따라서 흐른 후 상기 내열개구부(20)로 유입된다. 그리고 상기 내열개구부(20)로부터 상기 가스유로(23)내로 유입된 연소반응 중 가스 및 상기 연소반응종료가스는 서로 역방향으로 2방향으로 나뉘어져 상기 가스유로(23)내를 유통하고, 상기 외열개구부(22)에서 합류한다. 그 동안 상기 연소반응종료가스는 상기 가스유로(23)로 향하는 각 열회수수관(7)과의 열회수를 행한다. 즉 이 제 10실시예처럼 거의 C자형으로 배치한 수관열을 서로 역방향으로 하여 2중으로 조합시킨 구성으로 함으로써 접촉열전도면을 넓게 할 수 있고, 제 2수관열(8)에 있어서의 접촉열전도량이 증가한다.
이 제 10실시예에 있어서, 상기 제 2수관열(8)의 내측열과 외측열은 거의 동심상의 배치로 하지만 편심하여 배치할 수도 있다. 이 경우의 편심방향은 상기 외열개구부(22)측에서 내측열과 외측열의 직경방향 간격이 작아지도록 편심시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다. 즉 상기 가스유로(23)를 통과하는 상기 연소반응종료가스의 온도는 상기 제 2수관열(8)과의 열전도에 의해 상기 외열개구부(22)에 가까울수록 저하한다. 그 때문에 내측열과 외측열의 직경방향의 간격을 좁힘으로써 상기 연소반응종료가스의 유속을 높이고, 접촉전열량을 증가시킬 수 있기 때문이다.
여기서 더 설명하면, 상기 제 2수관열(8)의 구성은 이상의 제 8 내지 제 10실시예와 같은 구성에 한정되지 않는다. 이들 제 2수관열(8)의 구성을 적절히 조합시키거나 인접한 열회수수관(7)사이의 제 2틈새(14)의 폭(F)을 변경하거나 하여 열회수량의 증가를 꾀할 수 있다. 예를들어 제 8 내지 제 10실시예에서는 상기 제 2틈새(14)를 모두 동일폭(F)으로 하지만, 실시에 따라서 상기 제 2틈새(14)의 폭(F)이 다른 개소가 형성되도록 상기 각 열회수수관(7)을 배치할 수도 있다.
또한 상기 제 2수관열(8)을 다수열의 환상으로 하는 경우에는 이들이 모두 동축상 혹은 동심원상의 배치로 될 필요는 없다. 또한 이 제 2수관열(4)은 상기 제 1수관열(6)과 동축상 혹은 동심원상으로 할 필요는 없고 편심시켜 배치할 수도 있다. 예를들어 상기 제 10실시예처럼 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 2수관열(8)을 구비한 것에서는 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 2수관열(8)의 사이의 방사방향의 간격을 상기 내열개구부(20)에 근접할수록 좁아지도록 상기 제 1수관열(6)과 상기 제 1수관열(8)을 배치한다. 이 배치에 의하면 상기 내열개구부(20)로부터 먼 측의 틈새(12)일수록 상기 제 2수관열(8)과의 간격이 넓고 이 틈새(12)를 통과하는 연소반응중가스의 압력손실이 작아진다. 그 때문에 연소반응중가스는 상기 내열개구부(20)로부터 먼 측의 틈새(12)로부터도 상기 제 1수관열(6)의 외측으로 유출되기 쉽게 되며, 상기 제 1수관열(6)의 틈새(12)로부터 균등하게 연소반응중가스를 유출시킬 수 있다.
그리고, 이상의 각 실시예에서는 인접한 수관(5)의 중심간거리(A)와 상기 외경(B)의 비 A/B를로 하지만, 본 발명에 따른 수관보일러에 있어서는 저NOx화의 요구 정도에 따라서 상기 비 A/B를으로 할 수 있다. 또한 상기 비 A/B를의 범위에서 선택할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 수관보일러에 있어서 상기 연소반응계속영역(13)의 폭(E)과 상기 외경(B)의 비 E/B는이 적합하지만, 저CO화의 요구 정도에 따라서의 범위에서 선택할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수관보일러는 상기 연소장치(10)를 상기 상부관집합부(2)에 설치한 것에 한정되는 것은 아니고, 상기 하부관집합부(3)에 설치한 것도 포함한다. 그리고 이 연소장치(10)는 특정 형식의 연소장치에 한정되는 것은 아니고 각종 형식의 연소장치를 이용할 수 있다. 예를들어 예혼합식 연소장치와 선혼합식 연소장치(확산연소식 연소장치라고도 한다) 외에 기화연소식 연소장치 등, 각종 연소장치를 적용할 수 있으며, 또한 연소장치에 사용하는 연료의 종류도 액체, 기체에 관계없이 선택할 수 있다. 특히 상기 선혼합식 연소장치는 연소장치의 하류측에 연료(액체 및 기체의 것을 포함한다)와 연소용공기를 포함하고, 연소반응을 개시시키는 영역(이하, 초기연소반응영역이라고 한다)이 필요하다. 본 발명에 따른 수관보일러에서는 상기 연소장치(10)는 상기 제 1수관열(6)의 한쪽 개구부로부터 축선을 맞추어 삽입한 형태이며, 상기 연소장치(10)의 축선(11)방향 하류측에는 상기 제 1수관열(6)로 둘러싸이며, 그 내주측에 수관(5)이 존재하지 않는 공간이 존재한다. 이 공간은 상기 초기연소반응영역으로서 확보된다. 특히 액체연료를 사용하는 연소장치는 거의가 선혼합식의 것이며, 이와 같은 연소장치를 이용하는 수관보일러에 있어서는 연료 및 연소용공기의 혼합과 연소반응을 방해하는 일없이 효과적으로 저NOx화를 달성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 수관배치작업을 간단 용이하게 수행할 수 있으며, 그 구성에 의해 한층 더 저NOx화를 꾀할 수 있음과 함께 저NOx화 저CO화를 동시에 달성하고 환경문제에 대응한 깨끗한 배가스의 수관보일러를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. 연소실(9)내의 연소반응중가스가 존재하는 영역에 복수의 수관(5)을 환상으로 배치한 것을 특징으로 한 수관보일러.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각 수관(5)에 접촉한 후의 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 복수의 수관(5)을 상기 연소실(9)내에 배치한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 인접한 수관(5)사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새(12)를 형성한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  4. 제 1항 내지 제 3항중의 한 항에 있어서, 상기 복수의 수관(5)중의 일부의 수관(5)이 밀접하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  5. 제 1항 내지 제 4항중의 한 항에 있어서, 상기 복수의 수관(5)이 상기 틈새(12)의 폭(C)이 다른 개소에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  6. 제 1항 내지 제 5항중의 한 항에 있어서, 상기 복수의 수관(5)이 2열이상의 환상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  7. 제 제 1항 내지 제 6항중의 한 항에 있어서, 상기 복수의 수관(5)이 경사관 혹은 휨관인 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  8. 제 1항 내지 제 7항중의 한 항에 있어서, 상기 환상으로 배치한 수관(5)의 외측에 열회수수관(7)을 배치한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  9. 연소실(9)내의 연소반응중가스가 존재하는 영역에 복수의 수관(5)을 환상으로 배치하여 제 1수관열(6)을 형성하고, 이 제 1수관열(6)의 인접하는 수관(5)사이에 연소반응중가스의 유통을 허용하는 틈새(12)를 설치하고, 상기 제 1수관열(6)의 주위에 연소반응을 계속하여 행하는 영역(13)을 설치한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 각 수관(5)에 접촉한 후의 연소반응중가스의 온도가 1400℃이하가 되도록 상기 복수의 수관(5)을 상기 연소실(9)내에 배치한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제 1수관열(6)이 2열이상의 환상의 수관열인 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  12. 제 9항 내지 제 11항중의 한 항에 있어서, 상기 제 1수관열(6)의 외측에 복수의 열회수수관(7)을 배치한 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 복수의 열회수관(7)중의 일부의 열회수관(7)이 밀접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서, 상기 복수의 열획수수관(7)이 인접하는 열회수수관(7)사이의 틈새(14)의 폭(F)이 다른 개소에 배치되는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  15. 제 12항 내지 제 14항중의 한 항에 있어서, 상기 복수의 열회수수관(7)이 환상의 제 2수관열(8)을 형성하는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제 2수관열(8)이 2열이상의 환상의 수관열인 것을 특징으로 하는 수관보일러.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제 2수관열(8)이 내측열의 일부에 내주측과 외주측을 연통하는 내열개구부(20)를 구비함과 함께 외측열의 일부에 내주측과 외주측을 연통하는 외열개구부(22)를 구비하며, 상기 내열개구부(20)와 상기 외열개구부(22)를 상기 제 2수관열(8)의 원주방향으로 벗어난 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는 수관보일러.
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