KR200345039Y1 - 보일러용 듀얼 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안에 따른 보일러용 듀얼 열교환기(40)에 의하면, 직수튜브(43)가 난방수튜브(42) 내부에 직선상으로 수용 배치되며, 이의 외주 일부는 난방수튜브(42)의 내벽에 길이방향으로 면접촉되도록 접합된다. 이에 따라 온수공급 작동 시 버너(10) 열이 난방수튜브(42)를 매개로 직접 직수튜브(43)로 전달되어 직수가 보다 용이하게 가열됨은 물론이며, 난방수튜브(42)내에 정체된 난방수를 통해서도 직수튜브(43)가 가열되어 직수의 열교환이 보다 빠르게 이루어진다.

결국, 난방수튜브(42)에 난방수가 정체된 상태에서도 직수튜브(43)내의 직수가 원활하게 가온되어 온수로 되는 장점이 있다. 또한, 온수공급 시 보일러 시스템에서 난방수 순환펌프(30)를 구동시킬 필요가 없어 소비전력을 줄일 수 있는 작용효과가 있고, 난방수 배관회로에서 삼방향 밸브를 제거할 수 있어 보일러 시스템의 전체적인 제조비용을 줄일 수 있고, 아울러 애프터서비스 발생율 역시 현저하게 줄일 수 있는 작용효과가 있다.

Description

보일러용 듀얼 열교환기{DUAL EXCHANGER OF BOILER}

본 고안은 보일러용 듀얼 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난방수가 흐르는 난방수 튜브 내부에 직수가 흐르는 직수 튜브를 면접촉되게 구성하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 보일러용 듀얼 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 보일러 시스템은 연료를 연소시켜 물을 가열하고 가열된 물이 소정의 난방지역을 순환하는 동안 난방을 행하는 난방관로와, 온수를 출탕하는 온수관로로 나뉘어져 있다. 난방관로에는 순환펌프의 동작으로 난방수가 순환하게 된다. 이 때, 난방수는 버너를 통해 주열교환기에서 가열되어 삼방향 밸브 측으로 공급되며, 이 삼방향 밸브를 지난 난방수는 난방코일을 통과하면서 실질적인 난방기능을 수행한 후 계속하여 복귀배관을 통해 되돌아온다. 그리고 온수관로에는 직수관을 통해 유입되는 직수(수돗물)가 온수열교환기 내부를 경유하도록 구성되어 있다. 즉, 온수열교환기에는 난방수가 지나가며, 이로 인해 직수관을 통해 유입된 직수는 온수열교환기 내부에서 난방수와 열교환되면서 온수로 배출된다.

이와 같이, 종래 보일러 시스템에서는 버너와 일체로 구성된 주열교환기와, 급탕 작동 시 이용되는 온수열교환기가 별도로 구성되어 있어서, 전반적인 제조비용이 상승됨은 물론이며 난방 및 온수 공급을 위한 회로구성이 복잡하게 이루어지는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 버너로부터 발생되는 열량을 흡수하여 직접 난방수와 직수로 전달하는 듀얼 열교환기가 개시되어 있다. 종래 보일러용 듀얼 열교환기는 도 1에 도시한 바와 같이, 병렬로 배치된 다수의 열교환핀(1)과, 이 열교환핀(1)들을 관통하여 배열되며 난방수가 흐르는 난방수 파이프(2)와, 이 난방수 파이프(2) 내부에 수용 설치되며 직수가 유입되어 열교환되는 직수 파이프(3)를 갖추고 있다.

이 직수 파이프(3)는 열교환 효율을 향상시키기 위해 코일 형상으로 감겨져 있다. 따라서 난방수 파이프(2)를 지나는 난방수에 의해 직수 파이프(3) 내부를 흐르는 직수가 가온되어 온수가 출탕된다.

그러나 이러한 종래 듀얼 열교환기 구조에서는 난방수 파이프(2)내에서 직수 파이프(3) 내부를 흐르는 직수를 가온시키기 위해 삼방향 밸브(미도시)와 순환펌프(미도시)를 통해 난방수를 지속적으로 순환시켜야 하는 단점이 있다.

또한, 전열면적을 극대화시키기 위해 직수 파이프(3)를 코일형태로 감아 구성하였기 때문에, 난방수 파이프(2)내의 난방수 흐름이 원활하게 이루어지지 않음은 물론이며 이것에 의해 난방수를 90℃도 이상으로 가열해야만 대략 60 내지 65℃ 정도의 온수를 얻을 수 있다.

본 고안은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로; 본 고안의 목적은 난방수가 흐르는 난방수 튜브와, 이 내부를 관통하도록 설치되는 직수 튜브의 구조를 개선하여 직수의 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있는 보일러용 듀얼 열교환기를 제공하는 것이다.

또한, 본 고안의 다른 목적은 보일러 시스템 구성에서 삼방향 밸브를 제거함은 물론이며 난방수 순환펌프를 구동시키지 않고서도 버너 열을 통해 온수를 용이하게 얻을 수 있는 보일러용 듀얼 열교환기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 보일러용 듀얼 열교환기를 것이다.

도 2는 본 고안이 적용되는 가스 보일러의 개략도이다.

도 3은 본 고안에 따른 듀얼 열교환기를 발췌하여 보인 사시도이다.

도 4는 도 3의 Ⅳ 부위를 발췌하여 보인 확대도이다.

도 5는 본 고안에 따른 난방수튜브와 직수튜브의 단면구조를 발췌하여 보인 것이다.

도 6은 버너열을 통한 난방수튜브 및 직수튜브의 가열상태를 도시화한 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10..버너 30..순환펌프

40..듀얼 열교환기 41..열교환핀

42..난방수튜브 43..직수튜브

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은;

이웃하는 것과 나란하게 병렬로 배치된 다수의 열교환핀과, 이 열교환핀들을 관통하여 배치되며 내부에는 난방수가 흐르는 난방수튜브와, 이 난방수튜브 내부에 수용 배치되며 직수가 흐르는 직수튜브를 구비하여, 버너 열을 흡수하는 보일러용 듀얼 열교환기에 있어서,

직수튜브는 난방수튜브 내부를 직선상으로 관통하도록 배치되며, 직수튜브의 외주 일부가 난방수튜브의 내벽에 길이방향으로 면접촉되어 접합된 것을 특징으로 한다.

또한, 난방수튜브는 단면이 단축과 장축을 갖는 타원형 튜브로 이루어지며, 난방수튜브의 장축을 버너 열이 올라오는 방향에 대해 나란하게 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 직수튜브는 대체로 열십자형 단면을 갖도록 이루어져, 난방수튜브 내벽과의 사이에 난방수가 흐를 수 있는 공간을 형성하면서 사방 단부가 난방수튜브의 내벽과 면접촉되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 난방수튜브의 단면은 단축과 장축의 비율이 1 : 1.8 내지 2.2로 이루어 진 것을 특징으로 한다.

또한, 난방수튜브의 단면에서 난방수가 흐를 수 있는 공간의 전체 단면적과 직수가 흐르는 직수튜브 단면적의 비율이 대체로 1 : 1로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면을 간략히 설명하면, 도 2는 본 고안이 적용되는 가스 보일러의 전체적인 구조를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3 내지 도 6은 본 고안에 따른 보일러용 듀얼 열교환기 구조를 발췌하여 보인 것이다.

본 고안이 적용되는 가스 보일러는 도 2에 도시한 바와 같이, 버너(10)에 의해 가열되며 입 출구가 난방코일(20)과 폐회로로 연결되어 난방수가 흐르는 듀얼 열교환기(40)와, 이 듀얼 열교환기(40)의 입구측에 배치되어 난방수를 강제 순환시키기 위한 순환펌프(30)를 갖추고 있다. 따라서 순환펌프(30)를 통해 듀얼 열교환기(40)로 제공되는 순환작동을 위해 난방을 수행하게 된다. 또한, 이러한 듀얼 열교환기(40)에는 온수를 얻기 위한 직수튜브(43)가 일체형으로 구성된다.

도 3과 도 4를 참조하면, 본 고안에 따른 듀얼 열교환기(40)는 병렬로 배치되며 관통공(41a)이 일정한 간격으로 천공된 다수의 열교환핀(41)과, 관통공(41a)을 통해 다수의 열교환핀(41)들과 결합되며 내부에 난방수가 흐르는 난방수튜브(42)와, 이 난방수튜브(42) 내부에 수용 설치되며 직수가 흐르면서 열교환되는 직수튜브(43)를 구비한다.

열교환핀(41)들은 하나의 그룹을 이루도록 병렬 배치되며, 각 열이 일체로 이루어진 박판으로 마련된다. 이러한 열교환핀(41)에는 난방수튜브(42)를 관통 설치하기 위한 관통공(41a)이 일정한 간격으로 천공되어 있다. 각 관통공(41a)은 상하방향으로 연장된 장공형상으로 가공되어 있는데, 이것은 난방수튜브(42)가 타원형 단면을 갖도록 구성되었기 때문이며, 관통공(41a)의 상 하측을 연장한 선이 버너열이 올라오는 방향과 대체로 나란하게 마련된다.

난방수튜브(42)들은 다수의 열을 갖도록 각 관통공(41a)을 따라 배치된다. 그리고 열교환핀(41)들 그룹의 양측에는 난방수튜브(42)들의 단부를 상호 연결시키기 위한 난방수 리턴밴드(50L)(50R)가 마련되어 있어서, 난방수가 일방향으로 흐르게 된다. 또한, 난방수 리턴밴드(42)에는 순환펌프(30;도 2참조)에 의해 난방수가 강제로 유입되는 인렛(51)과, 가열된 난방수가 난방코일(20;도 2참조)측으로 빠져나가도록 안내하는 아웃렛(52)이 마련된다.

그리고 직수튜브(43)는 난방수튜브(42) 내부를 직선상으로 관통하도록 배치되어 있다. 또한, 직수튜브(43)의 외주 일부는 난방수튜브(42)의 내벽에 면접촉되어 버너열을 직접 전달받을 수 있으며 각각의 단부는 직수 리턴밴드(60)를 통해 상호 연결되어 있는데, 이러한 직수튜브(43) 및 난방수튜브(42)의 상세한 구조를 도 4와 도 5를 참조하여 설명한다.

먼저, 난방수튜브(42)는 앞서 기술한 바와 같이 관통공(41a)을 관통하여 열교환핀(41)들과 결합되는데, 이의 단면은 하부에서 올라오는 버너(10) 열을 통해 용이하게 가열되도록 단축(X)과 장축(Y)을 가지는 중공의 타원형으로 구성된다. 이러한 난방수튜브(42)의 장축(Y)이 버너(10) 열이 올라오는 방향에 대해 나란하게 배치된다. 또한, 버너(10) 열이 난방수튜브(42)의 외면을 따라 원활하게 타고 올라가면서 열교환이 이루어지도록 난방수튜브(42) 단면의 단축(X)과 장축(Y)의 비율은 1 : 1.8 내지 2.2로 구성하는 것이 바람직한데, 본 고안의 실시 예에서는 1 : 2로 구성하였다.

그리고 직수튜브(43)는 타원형 난방수튜브(42)의 내부를 따라 직선상으로 배치되는데, 본 고안의 실시 예에서는 대체로 열십자형(+) 단면을 갖도록 구성하였다. 이에 따라 직수튜브(43)는 난방수튜브(42) 내벽과의 사이에 난방수가 흐를 수 있는 공간(S)을 형성하면서 사방단부(43a)(43b)(43c)(43d)가 난방수튜브(42)의 내벽에 길이방향으로 면접촉되게 배치된다.

또한, 직수튜브(43)의 사방 단부(43a)(43b)(43c)(43d)는 난방수튜브(42)의 내벽에 면접촉된 상태를 유지하도록 브레이징 용접수단으로 접합된다. 본 고안의 실시 예에서는 열십자형 단면의 직수튜브(43)를 타원형 단면의 난방수튜브(42) 내부에 설치하는 과정에서 장축(Y) 및 단축(X) 방향과 일치되게 배치하며, 직수튜브(43) 단면에서 좌우측 단부(43b)(43c) 및 하측 단부(43d)를 난방수튜브(42)의 내벽에 접합함으로써, 직수튜브(43)를 면접촉시킴과 동시에 이의 떨림 현상을 방지하였다. 미설명부호 " W"는 직수튜브(43)의 용접부위를 지시하는 것이다.

또한, 직수튜브(43)의 인서트 배치로 인한 난방수의 흐름이 저해되지 않도록 구성해야 하는데, 본 고안의 실시 예에서는 난방수튜브(42)의 단면에서 난방수가 흐를 수 있는 공간(S)의 전체 단면적과, 직수가 흐르는 직수튜브(43)의 단면적 비율이 대체로 1 : 1로 형성하였다. 이러한 것은 순환펌프(30)의 구동 시 난방수 난방작용이 원활하게 이루어지도록 하기 위함이다.

다음에는 본 고안에 따른 듀얼 열교환기의 난방작동 및 이에 따른 작용효과를 설명한다.

먼저, 버너(10)와 함께 순환펌프(30)가 작동하면, 난방코일(20)의 난방수는 듀얼 열교환기(40)의 난방수튜브(42)로 유입된다.

그리고 난방수튜브(42)를 지나는 난방수는 난방수튜브(42) 및 열교환핀(41)을 매개로 버너(10)로부터 올라오는 열기와 열교환되어 가열된다. 이 때, 난방수튜브(42)는 장축(Y)의 방향이 버너(10) 열이 올라오는 방향에 대해 나란한 타원형 단면을 갖도록 구성되기 때문에, 난방수의 열교환이 용이하게 이루어진다.

계속하여, 가열된 난방수는 실내 바닥에 배관된 난방코일(20)로 공급되며, 난방코일(20)에서 열교환된 난방수는 다시 가열되기 위해 듀얼 열교환기(40)의 난방수튜브(42)로 유입된다.

이와 같이, 난방수는 직수튜브(43)가 내장된 난방수튜브(42)를 흐르면서 가열되는데, 직수튜브(43)가 직선상으로 배치되기 때문에 이의 흐름이 원활하게 이루어진다. 또한, 난방수튜브(42)내에서 난방수의 압력손실이 종래에 비해 적게 발생됨은 물론이며, 거품 및 와류 발생도 거의 일어나지 않는다.

다음에는 본 고안에 따른 듀얼 열교환기의 온수공급 작동 및 이에 따른 효과를 설명한다.

먼저 버너(10)가 작동하면, 도 6에 도시한 바와 같이, 여기에서 올라오는 버너(10) 열은 난방수튜브(42)를 가열하는데, 난방수튜브(42)내에 수용 배치된 직수튜브(43) 역시 직접 가열된다. 즉, 열십자형 단면으로 이루어진 직수튜브(43)의 외주 일부가 난방수튜브(42)에 면접촉되어 접합된 상태이기 때문에, 직수튜브(43)내를 흐르는 직수가 버너(10) 열에 의해 직접 가열되어 온수로 된다. 아울러, 난방수튜브(42)내의 난방수 역시 가열되며, 이것에 의해 직수튜브(43)내의 직수는 간접적으로도 가열된다.

따라서 직수튜브(43)를 흐르는 직수가 보다 용이하게 가열되어 온수가 출탕된다. 실제로, 본 출원인이 실험한 결과 버너(10)를 통해 난방수튜브(42)내의 난방수 온도를 75℃ 정도로 가열하는 것으로도 60℃ 정도의 온수를 얻을 수 있었고, 이로 인해 온수공급 작동에 따른 보일러 연료사용을 15 내지 20% 정도를 줄일 수 있었다.

이와 같이, 난방수튜브(42)내에 난방수가 정체된 상태에서도 직수튜브(43)내의 직수가 원활하게 가열됨으로써, 보일러 시스템에서 온수 공급 시 순환펌프(30)를 구동시킬 필요가 없는 것은 물론이며 난방수 흐름방향을 제어하기 위한 삼방향 밸브를 제거할 수 있다.

결국, 본 고안에 따른 듀얼 열교환기를 적용한 경우, 온수 공급 시에는 순환펌프(30)를 구동시킬 필요가 없어 전력소비를 줄일 수 있다. 아울러, 보일러 시스템에서 삼방향 밸브를 제거할 수 있어 이에 따른 회로배관을 보다 콤팩트하게 구성할 수 있고 애프터서비스 발생율 역시 현저하게 줄일 수 있다.

한편, 직수는 직선 관으로 이루어진 직수튜브(43)를 지나면서 가열되기 때문에 이의 압력손실이 월등하게 감소되며, 유체 이동소음 역시 줄어든다.

또한, 이러한 기술적 사상은 직수튜브(43)의 단면을 열십자형으로 구성한 것으로 예로 하였지만, 이에 국한하지 않고 삼각형, 사각형 단면 등으로 구성하여도 본 고안의 소기 목적을 달성할 수 있음은 물론이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 보일러용 듀얼 열교환기에 의하면, 직수튜브가 난방수튜브 내부에 직선상으로 수용 배치되며, 이의 외주 일부는 난방수튜브의 내벽에 길이방향으로 면접촉되도록 접합된다. 이에 따라 온수공급 작동 시 버너 열이 난방수튜브를 매개로 직접 직수튜브로 전달되어 직수가 보다 용이하게 가열됨은 물론이며, 난방수튜브내에 정체된 난방수를 통해서도 직수튜브가 가열되어 직수의 열교환이 보다 빠르게 이루어진다.

결국, 난방수튜브에 난방수가 정체된 상태에서도 직수튜브내의 직수가 원활하게 가온되어 온수로 되는 장점이 있다. 또한, 온수공급 시 보일러 시스템에서 난방수 순환펌프를 구동시킬 필요가 없어 소비전력을 줄일 수 있는 작용효과가 있고, 난방수 배관회로에서 삼방향 밸브를 제거할 수 있어 보일러 시스템의 전체적인 제조비용을 줄일 수 있고, 아울러 애프터서비스 발생율 역시 현저하게 줄일 수 있는 작용효과가 있다.

Claims (5)

1. 이웃하는 것과 나란하게 병렬로 배치된 다수의 열교환핀(41)과, 상기 열교환핀(41)들을 관통하여 배치되며 내부에는 난방수가 흐르는 난방수튜브(42)와, 상기 난방수튜브(42) 내부에 수용 배치되며 직수가 흐르는 직수튜브(43)를 구비하여, 버너(10) 열을 흡수하는 보일러용 듀얼 열교환기에 있어서,

   상기 직수튜브(43)는 상기 난방수튜브(42) 내부를 직선상으로 관통하도록 배치되며, 상기 직수튜브(43)의 외주 일부가 상기 난방수튜브(42)의 내벽에 길이방향으로 면접촉되어 접합된 것을 특징으로 하는 보일러용 듀얼 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 난방수튜브(42)는 단면이 단축(X)과 장축(Y)을 갖는 타원형 튜브로 이루어지며, 상기 난방수튜브(42)의 장축(Y)을 버너(10) 열이 올라오는 방향에 대해 나란하게 배치된 것을 특징으로 하는 보일러용 듀얼 열교환기.
3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 직수튜브(43)는 대체로 열십자형 단면을 갖도록 이루어져, 상기 난방수튜브(42) 내벽과의 사이에 난방수가 흐를 수 있는 공간(S)을 형성하면서 사방 단부(43a)(43b)(43c)(43d)가 상기 난방수튜브(42)의 내벽과 면접촉되게 배치되는 것을 특징으로 하는 보일러용 듀얼 열교환기.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 난방수튜브(42)의 단면은 단축(X)과 장축(Y)의 비율이 1 : 1.8 내지 2.2로 이루어 진 것을 특징으로 하는 보일러용 듀얼 열교환기.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 난방수튜브(42)의 단면에서 난방수가 흐를 수 있는 공간(S)의 전체 단면적과 직수가 흐르는 상기 직수튜브(43) 단면적의 비율이 대체로 1 : 1로 형성되는 것을 특징으로 하는 보일러용 듀얼 열교환기.