KR20000070420A

KR20000070420A - 물 가열 시스템

Info

Publication number: KR20000070420A
Application number: KR1019997006655A
Authority: KR
Inventors: 스튜어트케빈제이.
Original assignee: 에어코 인터내셔날 인코포레이티드
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 2000-11-25
Also published as: US5881681A; CN1269004A; CA2278551A1; WO1998033010A1; AU6245698A

Abstract

본 발명에 따른 가열 장치는 (a) 물을 가열하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단(20); (b) 연소실(14) 및 상기 연소실(14)의 저면에 연결된 복수의 열교환 튜브(16)를 포함하는 열교환 수단(100―여기서 열교환 튜브(16)는 연소실(14)의 하부 및 워터쳄버(12)를 통하여 연장됨으로써 고온의 가스가 연소실(14)을 통해 하강한 다음 물로부터 물리적으로 분리된 상태로 열교환하면서 튜브(16)를 통해 흐르고, 물은 튜브(16) 주위로 흐른 뒤 고온 가스와 향류(向流)하여 연소실의 외부 주위로 흐르게 됨―; 및 (c) 물의 온도를 제어하는 온도제어수단(30)―여기서 온도제어수단은 물의 유출부분의 온도를 감지하는 센서를 가지는 열측정수단 및 감지된 온도에 감응하여 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정함으로써 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는 제어수단을 가짐―을 포함한다.

Description

물 가열 시스템 {A WATER HEATING SYSTEM}

종래의 온수의 온도 제어장치는 튜브 내에서 빠르게 흐르는 물, 및 튜브 외부에 노출되는 수증기와 가스 중 하나인 열원(熱源)과의 사이에서 열전달이 실행되는 열교환기를 포함한다. 일반적으로 "순간방식(instantaneous)"으로 일컬어지는 이들 시스템은 유량 및 투입 에너지의 변동으로 인해 유동적인 온도를 야기한다. 예를 들면, 상기 시스템에 유량의 변화가 증가될 경우(온수의 수요를 증가시킴), 온도의 하강이 부하(유량)의 변화율에 대한 함수이므로 물의 온도는 즉시 하강할 것이다. 사실상 부하가 순간적으로 0%에서 100%(또는 최대치)로 변할 경우, 유출수의 온도는 일시적으로 유입수의 온도에 가깝게 떨어질 수 있다.

시간적 지연(증가된 유량의 결과 에너지를 증가시키는 데 걸리는 시간 및 물이 에너지를 흡수하는 시간)으로 인해 증분(gain)(온도 변화의 단위당 투입되는 에너지의 양)에 한계가 있어서, 시스템에서의 저하(droop)를 야기한다. 예를 들면, 어느 장치가 낮은 유량에서 140°온도 출력으로 설정될 경우, 정상상태에서 20°내지 25°저하가 일반적일 것이고, 이것은 100% 유량에 대하여 20°∼ 25°의 출력 온도의 저하가 있다는 것을 의미한다. 역학적 감응이 불량한 데서 오는 온도 편차가 시스템 안정에 필요한 낮은 증분으로부터 초래되는 정상상태 온도의 편차에 중첩된다.

그러한 불량한 온도제어의 결과, 저장탱크에는 통상 고정된 온도로 가열된 물을 저장하는 순간방식 시스템을 갖추고 사용된다. 그러한 일 실시예로써 시스템 전체에 걸쳐 온도를 일정하게 유지하기 위해 일정 속도로 물이 펌핑된다. 다른 방법에서는 펌핑 수단 없이 저장된 물을 가열하고 자연적인 대류에 의존하여 온도제어를 달성하기도 한다. 저장탱크의 사용이 그것만으로 온도제어의 문제를 해결하지 못하므로, 미국특허 제4,305,547호(이하 "'547 특허"로 칭함)에 기술된 바와 같이, 온도제어를 개선하기 위한 장치가 개시되어 있다. '547 특허에서 발명자는 BTU 요구량의 변화를 예측함으로써 온수의 온도 변동을 최소화하는 시스템으로서 설정점 및 피드포워드(feed forward) 제어가 결합되어 이루어지는 시스템인 서머스탯(thermostat) 및 플러밍(plumbing) 제어장치에 대한 개선을 제공한다. 그와 같은 시스템은 에너지원을 열교환기에 공급하는 간접(액체 또는 증기)방법을 기초로 한다. 반면에, 본 발명에서 활용되는 것과 같은 직화방식(direct fired format)에서 에너지 투입의 미약한 특성은 온도제어를 상당히 어렵게 만들고 '547 특허에 기술된 것보다 훨씬 높은 정교함을 요구한다.

종래 시스템의 다른 문제점은, 응축(condensing) 또는 비응축(noncondensing)에 관계없이, 총체적 시스템 효율, 즉 단위 효율 및 분배 시스템 효율에 관계된다. 이들 효율은 이송되는 물의 갤런당 연료비에 큰 영향을 준다. 일반적으로, 효율은 정격(또는 최대)부하―정격부하의 연속가동―에서의 실험실적 조건을 기초로한다. 그러나 식수의 상업적 적용에서, 부하의 변화(로드 프로파일(load profile)을 뜻함)는 결코 연속적이거나 일정하지 않다. 즉 일정 시간에 걸쳐 부하의 변동이 심하다. 예를 들면, 오전에는 집중된 사용으로 인해 부하가 높은 반면, 오후에는 물을 필요로 하는 사람이 상대적으로 적으므로 부하가 낮다. 모든 시스템이 사용된 에너지만을 공급하기 때문에, 오후에 감소된 부하를 채우기 위해, 또는 경우에 따라 오전에 증가된 부하를 채우기 위해 가열(투입 에너지)은 온 오프를 되풀이해야 한다. 일반적으로 부하가 감소함에 따라, 부하에 맞추기 위해 유닛(열)은 온 오프를 되풀이하고, 공급되는 총 에너지는 사용되어 감소한 에너지와 동등해지도록 시도된다. 그와 같은 순환이 효율을 저하시키는 것으로 알려져 있다.

또한, 특히 비응축 시스템(non-condensing system)인 일부 종래 장치의 특징에 따른 결과로서, 저장탱크의 사용 및 순환 펌핑에 따른 결점을 차치하고, 시스템의 효율이 부적합하다. 불량한 온도 특성 및 분배 시스템에서의 순간 온도를 알 수 없는 점으로 인해 부하가 걸린 상태에서 허용될 수 없는 수준으로 온도가 저하되는 것을 방지하기 위해 필요한 온도보다 훨씬 높은 온도로 유지될 필요가 있다. 이러한 분배온도와 요구되는 사용온도 사이의 차이는 분배 시스템 전체에 걸쳐 지속적인 에너지 손실을 가져온다. 이러한 손실 및 증가되는 스콜딩(scalding) 가능성이 기존 기술의 결과이다.

기존 장치의 다른 문제는 효율 성능에 관한 것이다. 예를 들면, 유체에 의해 흡수되지 않고 연도(煙道)에 의해 추출되지 않은 에너지는 가스가 상기 유체 뿐 아니라 주변 공기와 열교환 관계에 있으므로 주변 공기로 소실되는 것이다. 또한, 대부분의 가스연소식 시스템은 핀(fin)을 사용하여 튜브의 가스측 표면적을 증가시키려고 하는데(가스의 열전달 능력을 높이기 위해), 상기 핀은 탄소의 축적을 야기하는 연도 생성물을 가두게 되는 특징을 가진다. 탄소의 축적이 증가할수록 열전달은 나빠진다. 그 결과 효율이 떨어지고 사용자에게는 열교환기를 개방하여 세척하는 수고스러운 일이 남겨진다.

이러한 문제들은 미국특허 제4,852,524호("'524 특허")에서 양수인인 Aerco International, Inc.의 다른 종업원에 의해 개진된 바 있다. 상기 '524 특허에 개시된 물 가열 시스템이 종래 기술을 상당히 개선하였으나, 본 발명은 진일보하여 '524 특허에 개시된 것보다 더욱 큰 안정성, 신뢰성, 및 비용효율을 가지는 물 가열 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 물 가열 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 넓은 조정 범위에 걸쳐 안정성, 신뢰성 및 비용효율성 면에서 우수하게 작동되는 물 가열 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 3차원 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 열교환기의 측면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 열교환기의 저면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 버너의 평면도이고,

도 5는 도 4의 절단선 A-A'을 따른 본 발명의 일 실시예의 단면도이고,

도 6은 도 4의 절단선 B-B'을 따른 본 발명의 일 실시예의 단면도이고,

도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 버너의 저면도이고,

도 8은 본 발명에 따른 일 실시예의 공기 및 가스 트레인의 블록도이고,

도 9는 본 발명에 따른 일 실시예의 공기/연료 밸브의 측면도이고,

도 10a는 본 발명에 따른 일 실시예의 가스 오리피스 플레이트의 평면도이고,

도 10b는 도 10a의 절단선 A-A'을 따른 본 발명의 일 실시예의 단면도이고,

도 10c는 본 발명에 따른 일 실시예의 가스 오리피스 플레이트 슬롯의 그래프이고,

도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 온도 제어기의 블록도이다.

본 발명은 앞에서 기술한 결점을 해결하고, 넓은 조정 범위에 걸쳐 안정성, 신뢰성 및 비용효율이 탁월하게 작동되는 집약적이고 완전 조정방식(fully modulating)이며 강제 통풍식(forced draft), 수직형 단일 패스(single-pass) 연소-튜브(fire-tube)형 물 가열 시스템을 제공한다.

본 발명에 따라 상기 목적은 공기 및 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단, 점화된 가스와 물 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단, 및 점화된 가스와 물 사이의 열전달속도를 제어하는 온도제어수단을 포함하는 여러개의 구성요소의 신규한 결합을 제공함으로써 달성된다.

상기 연소수단은 넓은 범위의 유량(일반적으로 15:1)에 걸쳐 완전하고 높은 품질의 연소가 이루어짐으로써 높은 연소효율 및 낮은 오염물 배출을 가져오도록 공기와 가스를 혼합할 수 있는 노즐 믹스 버너(nozzle mix burner)(프리믹스 버너와 대조적인 것)를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 버너는 정상부(top)가 개방되어 있고 저면에 캡이 부착된 가스 파이프, 상기 가스 파이프를 둘러싸고 원통형 외부 셸(shell)에 의해 구획되는 원통형 공기 쳄버(air chamber), 상기 공기 쳄버의 상단을 덮는 환상 배플(annular baffle), 상기 배플 상단에 있는 공기 덕트(air duct), 및 상기 공기 쳄버의 저면에 위치한 버너헤드 어셈블리(burner heaad assembly)를 포함한다. 가스는 가스 파이프의 개방된 단부로부터 버너로 유입되고 적어도 하나의 가스 배출용 포트(port)를 가지는 가스 캡으로부터 배출된다. 공기는 공기 덕트를 통해 유입되어 배플에 있는 포트를 통과하고 공기 쳄버를 통과하여 버너헤드 어셈블리에 있는 포트를 통해 배출된다.

바람직하게, 가스 튜브는 버너헤드 어셈블리에서 공기와 혼합할 가스를 인도하도록 가스 파이프로부터 버너헤드 어셈블리의 저면 상부에 있는 외부 셸을 향하여 반경방향으로 외향하여 연장된다. 또한 버너헤드 어셈블리 및 외부 셸이 환상 채널(annular channel)을 형성하여 이들 통해 공기 쳄버로부터의 공기 및 방사상 튜브로부터의 가스가 통과할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 혼합을 촉진하기 위해 상기 환상 채널에 베인(vane)을 배설하는 것이 바람직하다. 상기 베인은 상기 방사상 튜브와 비대칭 상태로 배치된다. 그러한 비대칭 관계가 연소에 따른 진동(oscillation) 및 다른 불안정성을 방지하고 가스가 고속으로 연소되게 함으로써 연소의 지연을 줄여주고 일반적으로 시스템의 안정성을 높여준다.

열교환수단은 점화된 가스를 수용하는 연소실(combustion chamber), 상기 연소실을 둘러싸고 물이 그 사이로 통과하는 입구와 출구를 가지는 워터쳄버(water chamber), 및 상기 연소실의 저면에 연결되고 상기 워터쳄버를 통해 밑으로 연장되는 복수의 열교환 튜브를 포함한다. 점화된 가스는 정상부로부터 연소실로 들어와서 연소실을 통해 하향하여 열교환 튜브를 통과한다. 동시에 물은 물 입구를 통해 유입되어 워터쳄버를 통해 상승하고, 열교환 튜브의 외부 주위를 지나 연소실을 통과한다. 이와 같은 방식으로 점화된 가스는 물과 향류(向流)하여 물과는 물리적 분리상태인 동시에 열교환 상태로 흐른다.

바람직하게, 배플은 물의 흐름을 연소실 주위로 전환하고 분배하도록 연소실 바로 밑에 배설된다. 또한, 물에서의 온도 기울기(temperature gradient)가 물의 유동 방향으로 형성되고 점화된 가스는 튜브를 통해 하강하면서 냉각되어 점화된 가스의 노점(露点)에 도달하면 점화된 가스내의 증기가 응축하도록, 점화된 가스와 물의 온도는 상이한 것이 바람직하다. 그러한 응축은 추가의 열교환 및 효율을 제공한다. 바람직하게는, 연소 생성물을 배출구로 보내고 응축 배수물을 포집하기 위해 배기용 분기관(manifold)이 열교환 튜브 밑에 배설된다.

온도제어수단은 열측정수단 및 제어수단을 포함한다. 열측정수단은 물의 유출 부분의 온도를 감지하는 센서를 가지며, 제어수단은 감지된 온도에 감응하여 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정함으로써 유체들 사이의 열전달 속도를 제어한다.

바람직하게, 상기 제어수단은 물의 온도변화 속도를 계산하는 유도수단(derivative means), 설정된 소정의 온도로부터 상기 물의 유출 부분의 온도를 차감하는 피드백수단(feedback means), 및 상기 유도수단 및 피드백수단에 의해 생성된 값들의 합을 기초로 상기 신호를 발생하는 합산수단(summation means)을 포함한다.

바람직하게, 상기 제어수단은 또한 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 분리된 흐름을 대체로 일정한 공기/가스 비율로 분배하는 공기/연료 밸브를 포함한다. 상기 공기/가스 비율은 유입 가스 흐름의 함수로서 프로그램된 관계로 유지된다. 상기 공기/연료 밸브는 로터리밸브(rotary valve)로서 상기 밸브의 회전은 제어신호에 대체로 직선적으로 감응하는 것이 바람직하다.

상기 공기/연료 밸브는 가스의 흐름을 제어하는 가스 오리피스 플레이트(gas orifice plate)를 구비한다. 바람직하게, 상기 가스 오리피스 플레이트는 다수의 슬롯이 있는 원형판이며, 각각의 슬롯은 각을 이룬 개구부(angular aperature) 및 상기 각을 이룬 개구부의 전 범위에 걸쳐 가변적인 반경방향 길이(radial length)를 가진다.

본 발명은 또한 가스와 공기의 입구, 가스의 흐름을 선택적으로 개폐하는 가스 밸브, 공기/연료 밸브를 가로질러 가스의 압력강하를 일정하게 유지하는 조절밸브(regulator valve), 및 공기의 흐름을 가속시키는 송풍기를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점은 이하의 상세한 설명, 청구의 범위, 및 첨부된 도면과 관련하여 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 물 가열 시스템의 바람직한 일 실시예는 열교환기(10), 버너(20), 온도조절기(30), 공기/연료 밸브(40), 가스 흡기부(gas intake)(50), 가스 배출 분기관(gas exhaust manifold)(58), 공기 흡기부(air intake)(60), 물 입구 노즐(70), 물 출구 노즐(72), 및 제어판(control panel)(80)을 포함한다.

열교환기(10)는 물이 열교환기 내에서 상향 이동하면서 온도가 상승하여 물의 흐름 방향으로 온도 기울기를 형성하도록 유체(바람직하게는 고온 가스) 및 액체(바람직하게는 물) 사이에 열교환을 제공한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 열교환기(10)는 워터쳄버(water chamber)(12), 연소실(combustion chamber)(14), 및 적어도 하나이지만 바람직하게는 복수의 열교환 튜브(16)를 포함한다. 워터쳄버(12)는 연소실(14) 및 열교환 튜브(16)를 모두 둘러싼다. 연소실(14)은 워터쳄버(12)의 상단에 위치한다. 열교환 튜브(16)는 연소실(14)의 저면에 연결되고 워터쳄버(12)를 통해 하향하여 연장된다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 워터쳄버(12)는 바람직하게 팽창이음쇠(expansion joint)(125)(셸의 열팽창으로 인한 응력을 흡수하는 작용을 함)에 의해 원통형 상부 셸(122)에 결합된 원통형 하부 셸(121)로 구성된다. 지지링(backing ring)(126)은 셸을 지지하기 위해 상기 팽창이음쇠(125)의 하단에 맞대기용접(butt weld)된다. 하부 셸(121)은 물 입구 노즐(70)을 구비하고, 상부 셸(122)은 물 출구 노즐(72)을 구비한다. 하부 셸(121)은 가스 배출 분기관(58)을 부착하는 수단을 제공하도록 셸의 외경(外徑)에 용접된 플랜지를 구비한다.

상기 워터쳄버는 두개의 튜브시트(tube sheet)인 하부 튜브시트(123) 및 상부 튜브시트(124)를 추가로 구비한다. 이들 튜브시트는 열교환 튜브(16)가 삽입되는 복수의 홀을 가지는 평면 디스크이다. 또한, 상기 상부 튜브시트에는 외측 에지를 따라 물이 통과할 수 있는 홀이 원을 이루어 형성되어 있다. 하부 튜브시트 및 상부 튜브시트는 외주부가 각각 하부 셸(121) 및 상부 셸(122)의 저면에 용접되어 있다. 상기 열교환 튜브(16)는 이들 두개의 튜브시트 사이에 용접되어 있다.

상기 연소실은 팽창이음쇠(142)가 상단에 용접되어 있는 원통형 셸(141)로 구성된다. 또한, 지지링(backing ring)(143)이 지지하도록 상기 팽창이음쇠에 맞대기 용접(butt weld)되어 있다. 상기 연소실(14)은 상부 셸(122) 내에 삽입되고 그 하단부에서 상부 튜브시트(124)에 용접되어 있다. 상기 연소실(14) 및 상부 셸(122)은 모두 그들의 상단부에서 상부 헤드로 칭하는 평탄한 고리(annulus)(128)에 용접되어 있다.

작동중에, 물은 물 입구 노즐(70)로부터 들어가서 하부 셸(121)의 쳄버를 통해 상승하여 계속 올라가는 동안 열교환 튜브(16)의 외부에 접촉하게 된다. 물이 상부 튜브시트에 도달하면, 물은 상기 홀을 통과하여 튜브시트의 외측 에지를 따라 상부 셸(122) 및 연소실 셸(141)에 의해 형성되는 환상 채널 속으로 들어간다. 이 환상 채널로부터 물은 물 출구 노즐(72)에서 배출된다. 물이 상승하는 동안 고온의 가스는 연소실(14)을 통해 하향 진행하여 열교환 튜브(16)를 거쳐 상기 물의 흐름과 정확히 향류(向流)한다. 가스는 상기 가스 배출 분기관(58)을 통해 배출된다.

따라서, 본 발명은 물이 연소실 및 열교환 튜브를 통과하는 고온 가스로부터 물리적으로 분리되면서 고온 가스와 열교환 상태로 이동하도록 한다. 물이 고온 가스와 정확히 향류하는 상태로 상향하여 흐르는 동안 열이 물로 전달되고, 온도 기울기(temperature gradient)가 물의 흐름 방향이 된다. 역으로, 가스가 하향하여 흐를 때 가스는 열교환 튜브를 가로질러 냉각된다.

본 발명에서의 물과 가스의 정확한 향류 운동은 탁월한 작동효율을 제공한다. 가스가 노점(露点) 이하로 냉각되면, 가스는 응축하여 응축에 따른 에너지 방출을 통해 추가의 열을 물에 제공한다. 이와 같이 하여 응축작업 없이는 불가능한 90% 이상 수준의 효율이 달성된다. 또한, 상기 응축작업은 열교환 튜브를 통과하는 응축된 액적(液滴) 또는 필름의 운동이 튜브내에 축적되어 있을 수 있는 모든 탄소입자를 쓸어냄으로써 최적의 열전달을 유지하는 데 도움을 주므로 유리하다.

넓은 범위에 걸쳐 본 발명을 조정하는 것도 작업의 효율면에 유리하다. 본 발명은 광범위하게 조정되므로 응축의 발생은 열교환 튜브의 길이를 따라 변동 위치에서 일어난다. 따라서 부식이 일어나더라도 한 곳에 누적되지 않고 열교환 튜브 전체에 걸쳐 분배된다.

바람직하게는, 열교환기의 최적 작동을 위해 워터쳄버에 배플(127)을 포함하는 것이 소망된다. 배플은 상부 튜브시트(124) 바로 밑에 있는 팽창이음쇠(125)에서 용접되고, 열교환기에서 물 흐름의 분배를 최적화하는 흐름 전환기(flow diverter) 역할을 한다. 배플은 평탄하고 중앙에 개구가 있는 원형의 디스크일 수 있고, 또는 에지에 개구부가 있고 중앙에 하향하는 만입부를 가진 디스크일 수 있다.

또한, 열교환기의 작동을 더욱 최적화하기 위해 열교환기의 구성요소가 다음의 규격에 합치되는 것이 바람직하다. 첫째로, 워터쳄버 및 연소실 셸은 ASME/ANSI SA-53 등급 B 탄소강 파이프로 제조되어야 한다. 둘째로, 상부 헤드는 SA-516 등급 70 탄소강으로 제조되어야 한다. 셋째로, 물 출구 노즐은 물 레벨스위치용으로 용접된 커플링(coupling)이 있는 4인치 150 r.f.s.o. 플랜지, 온도제한 스위치, 및 압력방출밸브로 구성되어야 한다. 넷째로, 튜브시트 및 열교환 튜브는 316L 스텐레스강으로 제조되어야 한다. 다섯째로, 바람직한 튜브의 수는 211개이다. 마지막으로, 튜브는 안으로 형성된 나선형 주름―여기서 나선형 주름은 매끈한 튜브를 사용하는 설계보다 저속에서 가스를 강제로 난류 영역으로 만듬―을 가져야 한다. 그러한 설계는 보다 치밀한 열교환기에 이바지한다. 결과로서 얻어지는 낮은 가스 압력은 또한 보조 부스터(booster)의 필요성을 감소시키고 시스템의 적용 범위를 증대시킨다.

연소실 및 상부 셸의 위쪽에 버너(20)가 있으며, 버너는 공기와 가스의 가연성 혼합물을 효율적으로 점화하여 물의 가열에 사용되는 고온 가스를 제공한다. 도 4 내지 도 7에 상세히 나타낸 바와 같이, 버너(20)는 중앙에 있는 가스 파이프(22)를 둘러싸는 원통형 외부 셸(21)을 가지는 인코넬(inconel) 노즐 믹스 버너(프리믹스 버너(pre-mix burner)와 대조되는 것)인 것이 바람직하다. 외부 셸(21)과 가스 파이프(22) 사이의 공간은 환상의 공기 채널(23)을 구획한다. 상기 공기 채널(23)의 정상에 공기 통과용 포트(port)를 구비한 환상 배플(24)이 위치한다. 상기 배플(24) 상부에는 공기가 통과하여 유입되는 나선형을 이루는 공기 덕트(air duct)(25)가 배설된다. 버너(20)의 저면은 버너헤드 어셈블리(26)에 의해 구획되는데, 버너헤드 어셈블리는 자신의 주위에 연결된 원통형 벽(262)을 구비한 평탄한 환상 디스크(261)로 구성된다. 환상 디스크(261) 및 원통형 벽(262)는 모두 가스 및 공기의 통과를 위한 포트(263)를 가진다. 상기 버너헤드 어셈블리(26)는 짝을 이루는 가스켓과 볼트를 사용하여 열교환기의 상부 헤드(128)에 연결된다.

상기 버너헤드 어셈블리의 환상 디스크(261) 및 벽(262)의 직경은 외부 셸(21)의 직경보다 작다. 따라서, 상기 외부 셸(21)과 버너헤드 벽(262) 사이에 2차 환상 채널(27)이 형성된다. 이 채널은 공기가 유통될 수 있는 제2의 경로를 제공한다(제1의 경로는 버너헤드 어셈블리의 환상 디스크에 있는 포트(263)을 통하는 것임). 베인(vane)(28)은 상기 2차 환상 채널(27)에서 버너헤드 벽(262)에 용접(또는 일체형으로 주조될 수도 있음)되는 것이 바람직하다. 이들 베인은 2차 채널을 통과하는 공기 및 가스에 고도의 소용돌이를 부여한다.

상기 가스 파이프(22)는 자신의 상단에 가스 유입 포트(221) 및 하단에 가스 캡(222)을 구비한다. 가스 캡(222)은 버너헤드 환상 디스크(261) 하부로 돌출하고 복수의 1차 가스 포트(223)를 가진다. 상기 1차 가스 포트(223)는 상기 환상 디스크(261)의 포트(263)에 수직으로 배설되어 1차 가스 포트(223)에서 방출된 가스가 상기 환상 디스크(261)에 있는 포트(263)에서 방출된 가스 및 공기와 직각으로 충돌한다. 그러한 기체들의 충돌은 연소에 수반되는 진동을 피하면서 가변적인 에너지 방출속도로 원하는 안정한 연소를 이루어준다.

상기 환상 디스크(261) 상부에서 상기 가스 파이프는 버너헤드 벽(262)을 향하여 가스 파이프로부터 반경방향으로 연장되어 나가는 복수의 가스 튜브(224)를 구비한다. 상기 반경방향 튜브(224)는 상기 베인(28)과 비대칭 상태로 배열된다. 이들 튜브는 상기 환상 디스크(261) 위의 버너헤드 어셈블리 및 상기 2차 채널(27) 에서 가스와 공기가 혼합될 수 있게 한다.

공기와 가스 혼합물의 점화는 버너헤드 어셈블리(26)에 내장된 점화기 스파크 전극(igniter spark electrode)(264)에 의해 이루어진다. 공기와 가스의 혼합물이 버너헤드 어셈블리를 통해 흐르는 동안 상기 혼합물의 점화는 순간적으로 이루어진다. 버너헤드 어셈블리는 또한 공기와 가스 혼합물의 점화를 검출하는 수단을 제공하기 위해 화염 검출 전극(flame detection electrode)(265)을 내장할 수 있다.

버너의 전반적인 작동을 이하에서 설명한다. 공기/연료 밸브(40)로부터 공기 및 가스가 각각 공기 덕트(25) 및 가스 유입 포트(221)로 들어간다. 공기는 원심 경로를 따라 진행하여나선형 공기 덕트(25)를 거쳐 환상 배플(24)를 통과한다. 배플을 통과한 후 공기는 공기 채널(23)로 들어간 다음 버너헤드 어셈블리(26) 또는 2차 채널(27) 내부로 진행한다. 동시에 가스 유입 포트(221)로 들어간 가스는 가스 파이프(22)를 통해 진행하여 반경방향 튜브(224) 또는 1차 가스 포트(223)를 통해 배출된다. 반경방향 튜브(224)를 통해 빠져 나가는 가스는 버너헤드 어셈블리를 통해 들어오는 공기와 혼합하거나 버너헤드 벽의 포트를 경유하여 2차 채널(27) 속으로 진행한다. 2차 채널에서 가스는 그곳을 통과하는 공기와 혼합되고, 베인은 상기 혼합물이 틀림없이 고속 회전되도록 한다. 버너헤드 어셈블리에서 가스와 공기의 혼합물은 스파크 전극에 의해 점화되어 환상 디스크의 포트를 통과하고, 거기에서 1차 가스 포트로부터의 가스 및 2차 채널로부터의 공기/가스 혼합물과 섞이고 발화한다. 다음에 고온의 가스는 하강하여 연소실로 들어간다.

바람직하게는, 버너의 작동을 최적화하기 위해 외부 셸을 알루미늄 재료로 주조하고 2차 환상 채널 영역에서 외부 셸의 내측면에 310 스텐레스강 밴드를 배설하는 것이 소망된다. 또한, 버너헤드를 303타입 스텐레스강으로 인베스트먼트 주조법(investment cast)으로 주조하고 베인을 스텐레스강으로 제조하는 것이 소망된다.

버너로 들어가는 공기 및 가스의 흐름은 도 9, 도 10a∼10c에 상세히 나타낸 공기/연료 밸브(40)에 의해 제어된다. 이 밸브는 가스 유출구(43)에 연결된 가스 유입구(42) 및 공기 유출구(47)에 연결된 공기 유입구(46)를 가지는 로터리 밸브인 것이 바람직하다. 공기 및 가스 흐름의 경로들 사이의 오리피스 플레이트는 분리되어 있으나 상대적으로 비례하는 버너(20)(구체적으로, 공기 덕트(25) 및 가스 유입 포트(221))로의 흐름을 허용하는 각 흐름을 위한 에리어 개구(area opening)을 제공한다. 밸브 축(45)은 두 개의 오리피스 플레이트를 연결하여 오리피스 플레이트의 회전을 제공한다. 바람직하게는, 오리피스 플레이트의 밸브 축 회전이 온도 제어기(30)로부터의 제어신호에 직선적으로 감응하는 에리어 개구를 변화시킨다. 바람직하게, 버너로 들어가는 공기 및 가스의 흐름은 대체로 일정한 비율하에 버너 내의 공기/연료 혼합물을 과잉산소 5% 상태로 만든다. 이 비율은 연소를 위한 최상의 혼합물을 생성하는 것으로 밝혀졌다.

가스 흐름 경로를 위한 오리피스 플레이트(44)의 바람직한 실시예가 도 10a∼10c에 구체적으로 나타나 있다. 가변의 각을 이루는 개구부(angular aperture) 및 일정한 반경방향 길이를 가진 슬롯을 사용하는 종래의 오리피스 플레이트와 달리, 본 발명은 상기 가변의 각형 개구부 및 가변 반경방향 길이를 가지는 슬롯을 활용한다. 구체적으로, 본 발명은 슬롯의 각을 이루는 개구부의 범위 전체에 걸쳐 변동하는 반경방향 길이를 사용한다. 회전각을 가지는 가변의 반경방향 길이가 공기 흐름과 가스 흐름을 보다 양호하게 맞추어 줌으로써 소망의 공기/연료 비율을 성취할 수 있게 한다는 것이 밝혀졌다.

도면에 나타낸 바와 같이, 제조공정 및 공간상의 제약으로 인해 반경방향 길이는 일반적으로 불연속적 회전각으로 변한다. 도면에서, 반경방향 길이는 4.5도의 증분으로 변동한다. 또한 도시된 바와 같이, 슬롯의 내측 반경은 고정되고 슬롯의 외측 반경은 가변이다. 그러나 당업자에게는 본 발명의 원리가 다른 각형 회전 및 가변의 내측 반경에도 마찬가지로 잘 적용되는 것이 이해될 것이다.

공기/연료 밸브(40)로 인도하는 가스 및 공기 트레인(train)이 도 1에 도시되고 도 8에 블록도로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 가스 트레인은 유입 가스용 가스 입구(50), 안전을 위해 가스 흐름을 수동으로 차단하는 메인 차단밸브(54), 시동시에 온도 제어 시스템(30)에 의한 용도의 안전 차단밸브(56), 및 공기/연료 밸브(40)을 가로지르는 가스 흐름에 정압(定壓)을 제공하는 조절밸브(56)를 포함한다. 바람직하게는, 상기 조절밸브는 차동 압력조정기(differential pressure regulator)이다. 공기 트레인은 송풍기(62)로 인도하는 공기 입구(60)를 포함하며, 상기 공기 입구는 공기의 흐름을 가속화하고 공기/연료 밸브 및 버너에 양압(陽壓)의 공기 흐름을 제공한다.

본 발명은 또한 공기/연료 밸브(40)의 작동을 제어함으로써 버너(20)로 들어가는 공기/연료 혼합물을 조정하기 위한 온도 제어 시스템(30)을 포함한다. 상기 온도 제어 시스템은 본 발명의 온도 조절, 안전 감시, 및 진단기능을 담당한다. 본 발명에서 사용되는 온도 제어 시스템은 상용화되어 있는 유닛(예를 들면, 목록에 있는 220VAC 모터 스타터의 대체품으로 UL Project No. 96NK5225에 수록된 유닛)일 수도 있다.

상기 온도 제어 시스템의 동작의 기능을 나타내는 블록도가 도 11에 제시되어 있다. 도시된 바와 같이, 온도 제어 시스템의 주요 구성요소는 온도 제어기(31), 밸브 인터페이스(valve interface)(33), 연소 보호 시스템(combustion safeguard system)(34), 및 경보기(annunciator)(36) 등이다.

상기 온도 제어기(31)는 온도 제어기의 상이한 작동 모드에 대응하는 다중 입력(multiple inputs)을 수신한다. 입력 Tw는 고온의 배출수에서 감지된 온도를 나타내고, 입력 Tair는 야외 공기 센서로부터의 온도를 나타내고, 입력 BMS는 보일러 관리 시스템으로부터의 원격제어신호를 나타내고, 입력 4-20 ma는 다른 원격제어 입력을 나타낸다. 이들 작동 모드는 제어판(80)을 통해 선택될 수 있다.

작동 모드가 선택되면, 온도 제어기(31)는 온도 입력의 변화속도 및 온도 입력과 설정 온도 사이의 차이에 대한 수치 비율을 계산한다. (설정 온도는 제어판(80)을 통해 설정될 수 있다) 온도 제어기(31)는 이들 값을 합산하고 그 합산치를 밸브 인터페이스(33)으로 제어신호를 보내는 데 사용한다. 다음에, 밸브 인터페이스(33)는 공기/연료 밸브(40)의 밸브 축(45)을 회전시키는 스탭 모터(48)를 제어한다. 피드백 전위차계(49)는 밸브 인터페이스로 스탭 모터 및 밸브 축의 회전 위치에 관하여 피드백 정보를 제공한다.

작동의 BMS 또는 4-20 ma 모드가 선택되면, 온도 제어기는 또한 사용자 선택에 따라 원격제어기로부터 직접 점화속도(rate of firing)를 수신한다. 이들 모드에서, 온도 제어기는 슬레이브(slave)로서 작용하며 어떤 계산도 실행하지 않는다.

상기 연소 보호 시스템(34)은 본 발명의 작동에 대한 안전을 모니터한다. 연소 보호 시스템은 물의 온도, 수위, 가스 압력, 배기가스 온도, 또는 공기 흐름이 소정의 최소 또는 최대 한계를 초과할 때 작동되는 스위치를 감시한다.

상기 연소 보호 시스템은 또한 퍼지사이클(purge cycle) 및 점화 사이클을 포함한 스타트 시퀀스의 타이밍을 담당한다. 시동시에 연소 보호 시스템은 유닛으로부터 잔류한 일체의 가연성 물질을 퍼지하는 7초 주기의 퍼지사이클을 개시한다. 연소 보호 시스템은 송풍기(62)를 가동시키고 안전 차단밸브(54)를 폐쇄함으로써 가스를 차단한다. 다음에, 연소 보호 시스템은 공기/연료 밸브(40)를 완전히 열어서 7초동안 공기가 시스템을 세정하도록 한다. 공기/흐름 밸브(air/flow valve)의 입체적 구조 및 시스템을 통과하는 공기 흐름의 최소량을 알고 있으므로(공기 흐름 저하(low) 측 스위치가 작동되지 않았다고 가정함), 퍼지사이클의 주기는 유닛으로부터 일체의 잔류 가열물질이 세정되는 것을 충분히 보장한다.

퍼지사이클의 완결시에 상기 연소 보호 시스템은 점화사이클을 개시한다. 연소 보호 시스템은 점화기 스파크 전극(264)을 점화시키고, 공기/연료 밸브(40)을 저연소(low fire) 위치로 회전시키며, 안전 차단밸브(54)를 개방한다. 이어서 연소 보호 시스템은 화염 검출 전극(265)로부터 화염에 대하여 체크한다. 화염이 검출되면 시스템은 8초간의 안정화 기간을 기다린다. 만일 안정화 기간 후에 화염이 여전히 검출되면 유닛은 조정받도록 해지된다. 여기서도 공기/연료 밸브의 입체적 구조가 알려져 있으므로 상기 안정화 기간은 시스템이 정확하게 작동되는 것을 충분히 보장한다.

상기 경보기(36)는 연소 보호 시스템(34)과 동일한 시스템신호를 모니터한다. 경보기는 이들 신호에 관한 진단 정보를 제어판(80)에 제공한다. 경보기의 목적은 단순히 진단하고자 하는 것이다. 상기 연소 보호 시스템과 달리, 경보기는 시스템의 실제 작동에는 아무 역할을 하지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 많은 이점을 가진다. 첫째로, 신규한 열교환기 설계의 결과, 본 발명은 종래의 가열 시스템에 비하여 대폭 향상된 효율을 가진다. 예를 들면, 본 발명은 '524 특허에 개시된 가열 시스템에 비하여 평방피트당 54% 만큼 더 많은 열전달 및 시간당 입방피트당 2배의 BTU를 가진다. 둘째로, 주름잡힌 튜브 설계에 따라, 본 발명은 종래의 매끄러운 튜브 설계보다 낮은 가스압으로 작동된다. 셋째로, 나선형 공기 덕트, 만입한 점화기(recessed ingniter), 및 화이어다운(fire-down) 설계를 사용함으로써 버너의 신뢰성이 종래의 설계에 비하여 향상된다. 최근에 버너를 연소실 상부에 배치한 결과 본 발명은 버너에서의 응축을 피하고 있다.

본 발명은 또한 광범위한 용도를 가진다. 예를 들면, 본 발명은 순환수식 보일러(hydronic boiler) 시스템, 저온 워터소스 열펌프 시스템(low temperature water source heat pump system), 또는 임의의 폐쇄 온수 시스템에 사용될 수 있음이 자명할 것이다. 또한, 본 발명은 단독으로 또는 다른 열교환기와 결합하여 가정용 온수를 제공하는 데 사용될 수 있다. 대안으로서, 본 발명은 우선권 기준으로 지역 가열 에너지를 공급하기 위한 가열 시스템에 사용될 수도 있다.

본 발명은 특정의 바람직한 실시예를 참고로 설명되었으나 다른 실시예도 가능하다. 따라서 첨부되는 청구의 범위의 정신과 범위는 본 명세서에 기술된 바람직한 실시예에 한정되어서는 안된다.

Claims

제2 유체를 가열하기 위한 제1 유체를 제공하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단;

상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단―여기서 열교환수단은 (a) 제1 유체를 수용하기 위한 연소실(combustion chamber); (b) 상기 제2 유체가 그 사이로 통과하는 입구 및 출구를 가지고, 상기 연소실을 둘러싸고 있는 워터쳄버(water chamber); 및 (c) 상기 연소실의 저면에 연결되고 연소실 밑으로 워터쳄버를 관통하여 연장되는 복수의 열교환 튜브를 포함하며, 상기 제1 유체는 상기 연소실을 통해 하강한 다음 상기 튜브를 통해 상기 제2 유체로부터 물리적으로 분리된 상태로 열교환하면서 흐르고, 상기 제2 유체는 상기 워터쳄버를 통해 상승하면서 상기 튜브 주위로 흐른 뒤 상기 제1 유체와 향류(counterflow)하여 상기 연소실의 외부 주위로 흐르게 됨―; 및

상기 유체의 온도를 제어하는 온도제어수단―여기서 온도제어수단은 상기 제2 유체의 유출부분의 온도를 감지하는 센서(sensor)를 가지는 열측정 수단; 및 감지된 온도에 감응하여 상기 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정함으로써 상기 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는 제어수단을 가짐―

을 포함하는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

상기 연소실 하측의 워터쳄버 내에 배플(baffle)이 위치하고, 상기 배플은 상기 제2 유체의 흐름을 상기 연소실 주위로 전환 및 분배시키는 작용을 하는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 열교환 튜브가 대체로 등간격으로 이격되는 열교환 튜브―여기서 열교환 튜브는 각각 상기 연소실의 저면으로부터 워터쳄버의 저면까지 직선적으로 하향하여 연장됨―를 포함하는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

상기 튜브는 지지하는 배플이 없이 상기 연소실로부터 하향하여 연장되는 가열 장치.
제 3항에 있어서,

온도 기울기는 상기 제2 유체에서 그 유체의 흐름 방향으로 형성되고, 상기 제1 유체는 상기 튜브를 통해 하향하여 자신의 노점(露点) 이하에서 상기 제2 유체를 가로질러 냉각됨으로써 제1 유체 내의 증기를 튜브 내에서 응축시키도록 상기 유체들이 상이한 온도를 가지는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제어수단은 감지된 온도로부터 유도되는 신호를 발생하는 신호수단, 및 상기 신호에 감응하여 상기 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정하는 상기 공기/연료 수단을 포함하는 가열 장치.
제 6항에 있어서,

상기 신호수단은 상기 제2 유체의 온도변화 속도를 계산하는 유도수단(derivative means), 설정된 소정의 온도로부터 상기 제2 유체의 유출 부분의 온도를 차감하는 피드백수단(feedback means), 및 상기 유도수단 및 피드백수단에 의해 생성된 값들의 합을 기초로 상기 신호를 발생하는 합산수단(summation means)을 포함하는 가열 장치.
제 6항 또는 제 7항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이 투입되는 가스 흐름의 함수로서 프로그래밍된 관계를 가지고 유지되는 공기/가스 비율이 대체로 일정한 상태로 공기 및 가스의 분리된 흐름을 상기 연소수단으로 보내기 위해 상기 신호에 직선적으로 감응하는 회전식 공기/연료 밸브를 포함하는 가열 장치.
제 8항에 있어서,

상기 가스의 흐름이 공기/연료 밸브가 회전하는 상태에서 대체로 직선적인 가열 장치.
제 9항에 있어서,

상기 공기/연료 밸브는 공기 입구 및 가스 입구를 가지는 로터리밸브(rotary valve)이고, 대체로 일정한 상기 공기/가스 비율은 약 5%의 과잉 산소를 생성하는 가열 장치.
제 10항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이 상기 공기/연료 밸브를 통하여 대체로 직선적인 가스의 흐름이 형성되도록 상기 공기/연료 밸브를 가로질러 가스의 압력강하를 일정하게 유지하는 조절밸브(regulator valve)수단을 추가로 포함하는 가열 장치.
제 11항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이

유입되는 가스의 흐름을 제공하는 가스 유입 수단;

가스의 흐름을 선택적으로 개폐하는 가스 밸브;

유입되는 공기의 흐름을 제공하는 공기 유입 수단; 및

상기 밸브의 공기 입구로 들어오는 공기의 흐름을 가속시키는 송풍기 수단

을 추가로 포함하는 가열 장치.
제 8항에 있어서,

상기 공기/연료 밸브가 하나 이상의 슬롯(slot)―여기서 각각의 슬롯은 각을 이룬 개구부(angular aperature) 및 동 개구부의 범위에 걸쳐 가변적인 반경방향 길이를 가짐―을 가지는 가스 오리피스 플레이트(gas orifice plate)를 포함하는 가열 장치.
제 8항에 있어서, 상기 연소수단이 노즐 믹스 버너(nozzle mix burner)를 포함하는 가열 장치.
제 14항에 있어서,

상기 노즐 믹스 버너가

상기 공기/연료 밸브로부터 가스를 받아들이도록 정상부가 개방되어 있고, 가스의 배출을 위한 적어도 하나의 가스 포트(gas port)를 가지는 캡을 자신의 하단(下端)에 가지는 가스 파이프 수단; 및

상기 가스 파이프를 둘러싸며, (a) 상기 가스 파이프 수단과의 사이에 공기 채널을 구획하는 외부 셸(shell), (b) 상기 쳄버의 정상부를 덮고 공기/흐름 밸브로부터 공기를 받아들이는 공기 유입 수단을 가지는 환상 배플(annular baffle); 및 (c) 상기 쳄버의 저면에 위치하고 상기 채널로부터의 공기 출구를 제공하는 1차 출구수단(exit means)을 가지는 버너헤드 어셈블리(burner head assembly)를 가지는 원통형 공기 쳄버

를 포함하는 가열 장치.
제 15항에 있어서,

상기 버너헤드 어셈블리는 외부 셸의 직경보다 작은 직경을 가지는 평탄한 환상부(環狀部) 및 상기 환상부의 외측 에지에 연결된 원통형 벽을 구비하고,

상기 가스 파이프 수단은 가스 파이프로부터 외부 셸 방향으로 방사상 외향하여 연장되는 적어도 하나의 가스 튜브―여기서 가스 튜브는 상기 버너헤드 어셈블리의 환상부 바로 위의 영역으로 가스를 인도하는 도관(conduit)을 제공함―를 구비하며,

상기 버너헤드 어셈블리의 원통형 벽은 가스 및 공기의 배출을 위한 2차 출구수단을 구비하고, 상기 버너헤드 어셈블리의 원통형 벽과 상기 공기 쳄버의 외부 셸이 가스 및 공기가 통과하는 2차 채널을 형성하는

가열 장치.
제 16항에 있어서,

상기 노즐 믹스 버너가 반경방향 가스 튜브와 비대칭 관계에 있는 상기 2차 채널에 형성된 스피너 베인(spinner vane)―여기서 스피너 베인은 상기 2차 채널의 하단(下端)에서 공기와 가스의 혼합물을 고속으로 회전시키기 적합하도록 되어 있음―을 추가로 포함하는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

배기굴뚝(exhaust stack) 및 분기관(manifold)을 가지며, 상기 배기 분기관은 상기 튜브로부터 배기되는 유체를 수용하고 그 유체를 상기 배기굴뚝을 통해 대기중으로 안내하도록 상기 열교환기 수단 밑에 위치하는 배기가스 수단을 추가로 포함하는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

배기되는 제1 유체의 온도를 감지하는 수단, 및 상기 감지된 온도에 감응하여 소정 한계 이상의 연도(煙道) 온도를 지시하도록 상기 제어수단으로 신호를 제공하는 수단을 포함하는 연소 보호 수단(combustion safeguard means)을 추가로 포함하는 가열 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1 유체는 가스이고, 상기 제2 유체는 물인 가열 장치.
수요에 따라 대체로 일정하고 제어된 온도로 물을 공급하기 위한 물의 가열 시스템에 있어서,

상기 물을 가열하기 위한 유체를 제공하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단;

상기 유체와 물 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단―여기서 열교환수단은 상기 연소수단으로부터의 유체를 수용하기 위해 정상부가 개방되어 있는 중공(中空) 원통형 연소실(combustion chamber); 상기 연소실을 둘러싸고 있으며 상기 연소실과의 사이에서 수로(water channel)를 형성하는 외부 셸을 가지는 워터쳄버(water chamber)―여기서 워터쳄버는 상기 채널로 들어오는 비교적 저온의 물을 받아들이는 입구 및 열전달이 일어난 후 채널로부터 비교적 고온의 물을 배출시키는 출구를 가짐―; 및 상기 연소실의 저면에 연결되고 연소실 밑으로 워터쳄버를 관통하여 연장되는 복수의 열교환 튜브―여기서 튜브는 수로를 통과하는 물과 물리적으로 분리되고 또한 열교환하면서 상기 유체가 통과하는 도관을 형성함으로써 상기 유체는 연소실을 통해 하강하는 동시에 상기 수로를 통해 상승하는 물과 향류하여 상기 튜브를 통해 하강하고, 온도 기울기가 물에서 물의 흐름 방향으로 형성되고, 상기 유체는 상기 튜브를 통해 하향하여 자신의 노점(露点) 이하에서 물을 가로질러 냉각됨으로써 유체 내의 증기를 응축시키도록 상기 물과 유체가 상이한 온도를 가짐―; 및

상기 물의 온도를 제어하는 온도제어수단―여기서 온도제어수단은 상기 유출수의 온도를 감지하는 센서를 가지는 열측정 수단; 및 감지된 온도에 감응하여 상기 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정하는 제어수단을 가짐―

을 포함하는 물 가열 시스템.
제 21항에 있어서,

상기 연소실 하측의 워터쳄버 내에 배플(baffle)이 위치하고, 상기 배플은 상기 제2 유체의 흐름을 상기 연소실 주위로 전환 및 분배시키는 작용을 하는 가열 장치.
제 21항에 있어서,

상기 제어수단은 감지된 온도에 기초하여 신호를 발생하는 신호수단 및 상기 신호에 감응하여 상기 연소수단으로 들어가는 공기 및 가스의 흐름을 조정하는 공기/연소 수단을 포함하고,

상기 신호수단은 상기 물의 온도변화 속도를 계산하는 유도수단, 설정된 소정의 온도로부터 상기 물의 유출 부분의 온도를 차감하는 피드백수단, 및 상기 유도수단 및 피드백수단에 의해 생성된 값들의 합을 기초로 상기 신호를 발생하는 합산수단을 포함하는

물 가열 시스템.
제 23항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이 투입되는 가스 흐름의 함수로서 프로그램된 관계를 가지고 유지되는 공기/가스 비율이 대체로 일정한 상태로 공기 및 가스의 분리된 흐름을 상기 연소수단으로 보내기 위해 상기 신호에 직선적으로 감응하는 회전식 공기/연료 밸브를 포함하는 물 가열 시스템.
제 24항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이 상기 공기/연료 밸브를 통하여 대체로 직선적인 가스의 흐름이 형성되도록 상기 공기/연료 밸브를 가로질러 가스의 압력강하를 일정하게 유지하는 조절기 밸브수단을 추가로 포함하는 물 가열 시스템.
제 24항에 있어서,

상기 공기/연료 밸브가 하나 이상의 슬롯―여기서 각각의 슬롯은 각을 이룬 개구부 및 동 개구부의 범위에 걸쳐 가변적인 반경방향 길이를 가짐―을 가지는 가스 오리피스 플레이트를 포함하는 가열 장치.
제2 유체를 가열하기 위한 제1 유체를 제공하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단; 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단―여기서 열교환수단은 제1 유체를 수용하기 위한 연소실(combustion chamber) 및 상기 연소실을 둘러싸고 있는 워터쳄버(water chamber)를 포함함―; 및 상기 유체의 온도를 제어하는 온도제어수단―여기서 온도제어수단은 상기 제2 유체의 유출부분의 온도를 감지하는 센서(sensor)를 가지는 열측정 수단; 및 감지된 온도에 감응하여 상기 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는 제어수단을 가짐―을 가지는 물의 가열 시스템에 있어서,

상기 열교환수단은 대체로 등간격으로 이격하고 상기 연소실의 저면에 연결된 복수의 열교환 튜브―여기서 열교환 튜브는 상기 연소실 밑으로 상기 워터쳄버를 통하여 연장되고, 제1 유체가 상기 연소실을 통하여 하강하는 동시에 상기 워터쳄버를 통해 상승하는 제2 유체에 향류하여 상기 튜브를 통해 하강하도록 하는 도관을 형성함―를 추가로 포함하고,

상기 유체들은 온도 기울기가 상기 제2 유체에서 흐름 방향으로 형성되고, 상기 제1 유체는 상기 튜브를 통해 하향하여 자신의 노점(露点) 이하에서 상기 제2 유체를 가로질러 냉각됨으로써 제1 유체 내의 증기를 응축시키도록 상이한 온도를 가지며,

상기 제어수단은 상기 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정함으로써 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는

물 가열 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 연소실 하측의 워터쳄버 내에 배플이 위치하고, 상기 배플은 상기 제2 유체의 흐름을 상기 연소실 주위로 전환 및 분배시키는 작용을 하는 가열 장치.
제 27항에 있어서, 등간격으로 이격된 211개의 열교환 튜브를 가지는 물 가열 시스템.
제2 유체를 가열하기 위한 제1 유체를 제공하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하기 위한 온도; 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단―여기서 열교환수단은 제1 유체를 수용하기 위한 연소실 및 상기 연소실을 둘러싸고 있는 워터쳄버를 포함함―; 및 상기 유체의 온도를 제어하는 온도제어수단―여기서 온도제어수단은 상기 제2 유체의 유출부분의 온도를 감지하는 센서를 가지는 열측정 수단; 및 감지된 온도에 감응하여 상기 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는 제어수단을 가짐―을 가지는 물의 가열 시스템에 있어서,

상기 제어수단은 감지된 온도에 기초하여 신호를 발생하는 신호수단 및 상기 신호에 감응하여 상기 연소수단으로 들어가는 공기 및 가스의 흐름을 조정하는 공기/연소 수단을 포함하고, 상기 신호수단은 상기 물의 온도변화 속도를 계산하는 유도수단, 설정된 소정의 온도로부터 상기 물의 유출 부분의 온도를 차감하는 피드백수단, 및 상기 유도수단 및 피드백수단에 의해 생성된 값들의 합을 기초로 상기 신호를 발생하는 합산수단을 포함하는

물 가열 시스템.
제 30항에 있어서,

상기 연소실 하측의 워터쳄버 내에 배플이 위치하고, 상기 배플은 상기 제2 유체의 흐름을 상기 연소실 주위로 전환 및 분배시키는 작용을 하는 가열 장치.
제 30항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이 투입되는 가스 흐름의 함수로서 프로그램된 관계를 가지고 유지되는 공기/가스 비율이 대체로 일정한 상태로 공기 및 가스의 분리된 흐름을 상기 연소수단으로 보내기 위해 상기 신호에 직선적으로 감응하는 회전식 공기/연료 밸브를 포함하는 물 가열 시스템.
제 32항에 있어서,

상기 공기/연료 수단이 상기 공기/연료 밸브를 통하여 대체로 직선적인 가스의 흐름이 형성되도록 상기 공기/연료 밸브를 가로질러 가스의 압력강하를 일정하게 유지하는 조절기 밸브수단을 추가로 포함하는 물 가열 시스템.
제 32항에 있어서,

상기 공기/연료 밸브가 하나 이상의 슬롯―여기서 각각의 슬롯은 각을 이룬 개구부 및 동 개구부의 범위에 걸쳐 가변적인 반경방향 길이를 가짐―을 가지는 가스 오리피스 플레이트를 포함하는 가열 장치.
제2 유체를 가열하기 위한 제1 유체를 제공하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단; 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단―여기서 열교환수단은 제1 유체를 수용하기 위한 연소실 및 상기 연소실을 둘러싸고 있는 워터쳄버를 포함함―; 및 상기 유체의 온도를 제어하는 온도제어수단―여기서 온도제어수단은 상기 제2 유체의 유출부분의 온도를 감지하는 센서를 가지는 열측정 수단; 및 감지된 온도에 감응하여 상기 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는 제어수단을 가짐―을 가지는 물의 가열 시스템에 있어서,

상기 연소수단은 길게 연장된 가스 파이프를 둘러싸는 원통형 공기 쳄버를 포함하는 노즐 믹스 버너―여기서 공기 쳄버는 가스 파이프와의 사이에 공기 채널을 형성하여 그 사이로 공기가 통과하여 상기 쳄버의 하단에서 버너헤드 어셈블리에 형성된 포트에서 배출되는 외부 셸을 가지며, 상기 가스 파이프는 상기 제어수단으로부터 가스를 받아들이도록 정상부가 개방되어 있고 하단부에는 가스 출구용 가스 포트가 적어도 한개 있는 가스캡(gas cap)을 구비함―를 포함하고,

상기 버너헤드 어셈블리는 외부 셸의 직경보다 작은 직경을 가지는 평탄한 환상부(環狀部) 및 상기 환상부의 외측 에지에 연결된 원통형 벽을 구비하고, 상기 가스 파이프 수단은 가스 파이프로부터 외부 셸 방향으로 방사상 외향하여 연장되는 적어도 하나의 가스 튜브―여기서 가스 튜브는 상기 버너헤드 어셈블리의 환상부 바로 위의 영역으로 가스를 인도하는 도관(conduit)을 제공함―를 구비하며, 상기 버너헤드 어셈블리의 원통형 벽은 가스 및 공기의 배출을 위한 2차 출구수단을 구비하고, 상기 버너헤드 어셈블리의 원통형 벽과 상기 공기 쳄버의 외부 셸이 가스 및 공기가 통과하는 2차 채널을 형성하고,

상기 노즐 믹스 버너는 반경방향 가스 튜브와 비대칭 관계에 있는 상기 2차 채널에 형성된 스피너 베인(spinner vane)―여기서 스피너 베인은 상기 채널의 하단에서 공기와 가스의 혼합물을 고속으로 회전시키기 적합하도록 되어 있음―을 추가로 포함하는

물 가열 시스템.
제2 유체를 가열하기 위한 제1 유체를 제공하기 위해 공기와 가스의 가연성 혼합물을 점화하는 연소수단; 상기 제1 유체와 제2 유체 사이에 열전달을 제공하는 열교환수단―여기서 열교환수단은 제1 유체를 수용하기 위한 연소실 및 상기 연소실을 둘러싸고 있는 워터쳄버를 포함함―; 및 상기 유체의 온도를 제어하는 온도제어수단―여기서 온도제어수단은 상기 제2 유체의 유출부분의 온도를 감지하는 센서를 가지는 열측정 수단; 및 감지된 온도에 감응하여 상기 연소수단으로 들어가는 공기와 가스의 흐름을 조정함으로써 상기 유체들 사이의 열전달 속도를 제어하는 제어수단을 가짐―을 가지는 물의 가열 시스템에 있어서,

상기 연소수단이 상기 제어수단으로부터 공기 및 가스를 받아들이고 일정 범위의 공기와 가스에 걸쳐 550,000BTU/시간/ft³이상의 에너지 방출속도로 상기 제1 유체를 제공하는 노즐 믹스 버너를 포함하는

물 가열 시스템.