KR20040063797A - 난방 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스털링 엔진(1)과 보조 버너(17) 형태의 물 가열기를 포함하는 가정용 열 및 동력 겸용 시스템을 제공한다. 스털링 엔진으로부터의 배기가스는 스털링 엔진에 들어가는 연소가능 가스를 예열하는데 사용되고, 이어서 물을 가열하는데 사용된다. 물 가열기(15)는 하우징(39)의 가장자리를 향하는 나선형 물 덕트(41)를 가진다. 스털링 엔진으로부터의 배기가스와 나선형 덕트를 통하여 반경방향 바깥쪽으로 점화되는 보조 버너(17)에 의해 상기 덕트의 각각의 부분들이 순차적으로 가열된다.

Description

난방 장치{A HEATING APPLIANCE}
본 발명은 난방 장치에 관한 것으로서, 특히 가정용 열 및 동력 겸용(domestic combined heat and power; DCHP) 장치에 관한 것이다.
전기를 발생하는 교류 발전기(alternator)에 연결된 스털링 엔진(Stirling engine)을 포함하는 상기 DCHP 장치가 제안되어져 왔다. 엔진에 의해 생산된 열은 허비될 수도 있는데, 가정용 온수 및 중앙난방 시스템에 공급하는 물을 가열하는데 사용되고, 따라서 DCHP 시스템의 귀중한 소산(所産)이 된다. 스털링 엔진/교류 발전기가 약 1㎾의 전기를 발생시키는 정도의 크기일 때 상기 장치의 경제성이 가장 좋다는 것이 입증되었다. 그러나, 이 수준에서는, 약 5㎾의 열만이 공급될 것이고, 이는 20㎾를 초과하는 전형적인 가정용 열 부하에 한참 못 미치는 것이다.
나머지 열을 공급함으로써 DCHP 장치가 최신 사양의 가정용 보일러와 효과적으로 경쟁할 수 있도록 하기 위해서는, 보조 가스 버너(gas burner)가 필요하다. 본 발명의 목적은 스털링 엔진과 보조 버너의 효율적인 열적 작용을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 스털링 엔진과 물 가열기를 포함하고, 스털링 엔진은 연소가능 가스가 공급되는 제1 버너에 의해 가열되도록 구성되며, 연소가능 가스 유입구와 접촉하고 있는 스털링 엔진에서부터 제1 버너 내부까지 지나감으로써 제1버너로 들어가는 연소가능 가스를 예열하고 이어서, 물 가열기에 의해 추가적으로 가열될 물을 가열하는 배기 덕트(duct)를 더욱 포함하는 가정용 열 및 동력 겸용 조립체가 제공된다.
따라서, 배기가스로부터의 열은 처음에는 버너로 가는 유입 공기/가스 혼합물 내로 회복되는데, 이는 연소될 연료의 양을 줄이고 연소 온도를 높이는 효과가 있으며, 연소 온도가 높아지면 스털링 엔진으로의 열전달율이 증가되고 따라서 시스템의 효율이 향상된다. 이제 어느 정도 냉각된 상기 배기가스는 다음으로 보조 물 가열기에 의해서 또 가열될 물을 가열하는데 쓰이고, 이로써 보조 물 가열기에 필요한 열 입력을 감소시킨다.
상기 시스템이 물 가열기의 상류쪽에서 배기가스로 물을 가열하도록 구성되면 효율이 증가된다.
보조 물 가열기는, 예를 들어 전기 히터로 할 수도 있지만, 보조 버너로 하는 것이 대단히 바람직하다.
상기 시스템은 배기가스와 보조 버너로부터의 가스가 일단 열을 물에 줘버리고 나면 하나의 결합된 흐름을 형성하도록 구성되고, 이 결합된 흐름은 배기가스 상류쪽의 물을 가열하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성되면, 물은 상기 결합된 흐름으로부터 비교적 저급의 열을 받게 될 것인데, 이는 상기 결합된 흐름의 구성요소들이 얼마간의 열을 이미 물에 줘버렸기 때문이다. 이어서 물은 배기가스와 보조 버너로부터 직접 비교적 고급의 열을 받게 될 것이다. 이러한 구성이 열효율이 좋다.
상기 시스템은 배기가스 가열부 상류쪽의 물을 가열하도록 구성된 스털링 엔진 냉각기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 물의 가열을 촉진시키는데 도움이 될 뿐 아니라, 스털링 엔진 양쪽 간에 필요한 온도 차이를 유지하는데도 도움이 된다.
이와 달리, 본 발명은 제1 버너에서 스털링 엔진으로 열을 공급하는 단계, 스털링 엔진에서 나오는 배기가스 흐름으로부터의 열을 열교환하여 제1 버너에 공급되는 연소가능 가스 유동에 주는 단계, 및 이어서 제1 버너로부터 지나온 배기가스로부터의 열을 열교환하여 물에 주는 단계, 그리고 예열된 물을 물 가열기에서 더 가열하는 단계를 포함하는, 가정용 열 및 동력 겸용 조립체의 작동방법으로 정의될 수도 있다.
스털링 엔진의 두부(head)를 가열하는 버너 가스의 온도는 전형적으로 1400℃ 부근이다. 가스가 두부 주위로 유동함에 따라, 열이 가열기 두부로 전달되고, 가스의 온도는 800℃ 근방까지 떨어진다. 가스는 열을 유입 연료/공기 혼합물에 전달한다. 더 이상의 열 회복이 없다면, 스털링 엔진의 배기관(flue)으로 흘러들어가는 배기가스는 이제 전형적으로 600℃ 부근의 온도를 갖는다.
본 발명은 새로운 설계의 열을 물로 전달하는 가열 장치로도 확장된다. 이를 위한 필요조건들은 상기 장치가 콤팩트하고, 또한 최대 효율로 적어도 두 개의 흐름으로부터 물로 열을 전달할 수 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 유체를 가열하기 위한 가열 장치가 제공되는데, 상기 장치는 하우징; 하우징 내부에 하우징의 바깥 가장자리를 향해 있고하우징의 중심축 둘레로 나선형으로 감겨서 하우징의 제1 단부로부터의 유체를 하우징의 제2 단부로 보내는 하우징 내부의 덕트; 하우징 내에 제2 단부에 인접하게 있고 덕트에 의해 둘러싸여서 덕트의 제1 부분에 있는 유체에 열을 전달하는 보조 버너; 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스를 덕트의 제1 부분보다 하우징의 제1 단부에 더 가까운 덕트의 제2 단부로 반경방향 바깥쪽으로 보내도록 구성된 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스를 위한 유입구를 포함한다.
상기와 같은 구성은 특히 콤팩트한데, 이는 보조 버너와 외부 열원으로부터의 가스를 위한 유입구가 유체가 운반되는 덕트 내부에 있기 때문이다. 게다가, 보조 버너와 유입구는 나선형 덕트의 서로 다른 부분들에 열을 전달하도록 구성된다. 따라서, 상기 구성은 특히 열효율이 좋도록 제작될 수 있다.
유입구는 보조 버너로부터의 가스와 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스가 둘 다 적어도 나선형으로 감긴 덕트를 통과했을 때까지는 서로 혼합되는 것이 거의 방지되도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 흐름들은 덕트에 도달하기 전에는 혼합이 사실상 방지되어 더 효율적인 열전달을 보장한다.
배기가스와 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스가 나선형으로 감긴 덕트를 일단 통과하고 나면, 상기 가스들은 따로따로 또는 합쳐진 흐름으로서 그냥 배출되어도 된다. 하지만, 상기 두 흐름들은 일단 처음에 얼마간의 열을 덕트에 줘버렸으면 결합된 하나의 흐름으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 결합된 흐름은 덕트의 제2 부분보다 상기 제1 단부에 더 가까운 덕트의 제3 부분 주위로 통과된다. 따라서, 하우징의 제1 단부로 들어가는 나선형으로 감긴 덕트 내의 차가운 유체는 처음에는 이 비교적 차가운 결합된 흐름과 마주치게 되고, 외부 열원으로부터의 가스와 보조 버너로부터의 가스에 의해 가열되기 전에 이 흐름에 의해 예열된다.
보조 버너로부터의 가스와 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스의 다소간의 혼합은, 소량의 혼합이 유체의 전반적인 가열에 미치는 영향은 비교적 작을 것이므로, 용인할 수 있긴 하지만, 이러한 혼합은 가능한 한 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 보조 버너로부터의 가스와 덕트의 반경방향 안쪽의 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스의 혼합을 방지하기 위한 시일(seal)이 구비되는 것이 바람직하다.
덕트로의 열전달을 최대화하기 위해서 덕트는, 덕트의 각 코일이 중심축 방향으로 납작하게 되어, 단면상으로 덕트의 반경방향 치수가 축방향 치수를 초과하도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 덕트의 인접한 코일들은 서로 아주 근접하거나 또는 서로 접하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 상기 뜨거운 가스가, 효율적인 열전달에 도움이 되는, 덕트의 인접한 코일들 사이의 비교적 길고 좁은 통로를 통과해야만 하게 된다. 이러한 덕트 구성은 국제출원공개공보 WO 94/16272 에 나타나 있다.
이하 본 발명의 일 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 제1 스털링 엔진 시스템의 배치설계를 나타내는 개략도이다.
도 2는 제2 스털링 엔진 시스템의 배치설계를 나타내는 개략도이다.
도 3은 가열장치의 단면도이다.
도 4는 도 3의 장치의 단부도이다.
도 1에 도시된 장치는 버너(14)에 의해 열이 공급되는 스털링 엔진(1)을 포함한다. 열은, 본 출원인의 이전 출원으로서 현재 계류중인 출원번호 제0020012호에 개시된 바와 같은 핀들(fins)의 시스템(3)에 의해 두부(head)에 전달된다.
도 1의 장치는 보조 버너(17)에 의해 물의 흐름(16)을 가열하도록 구성된 물 가열기(15)를 구비한다. 배기가스는 배기관(flue)(18)을 통해 배출된다.
공통 가스공급라인(19)이 제1 버너(14) 및 보조 버너(17) 양쪽을 위해 제공된다. 이러한 가스 유동은 하나의 다기능 밸브(20)에 의해 제어된다. 버너의 점화와 화염 감지를 제어하는 버너 제어부는 다기능 제어기에 포함될 수 있다. 다기능 밸브(20) 내의 가스는 벤츄리 다기관(venturi manifold) 형태의 혼합실(21)로 들어가서, 송풍기에 의해 흘려 보내지는 공기 흐름(22)과 혼합된다.
그리고 나서 가스와 공기 혼합물은 하나의 유입구(24)가 제1 버너 유출구(25) 및 제2 버너 유출구(26)로 통하는 분할 밸브(splitter valve)(23)로 공급된다. 각 유출구로의 상대적인 유량은 축(28)을 중심으로 회전가능한 플랩(flap) 밸브(27)에 의해 제어된다. 플랩 밸브(27)의 위치는 설비 제어기에 의해서 설정될 것이며, 그 위치까지는 예를 들어 서보모터에 의해 구동된다. 다른 방법으로는, 공기 유동이 하나의 흡입 송풍기(60)를 지난 후에 상기와 같은 분할 밸브(23)에 의해 나눠질 수 있고, 그 다음에 각 공기 흐름이 각 버너로 가는 가스 혼합물을 정확히 계량하기 위한 다기능 밸브/제어기를 포함할 수도 있다. 이러한 구성은 도 2에 도시되어 있다.
스털링 엔진(1)에 공급되는 연료/공기 혼합물은 버너 장치를 에워싸고 있는카울링(cowling)(29) 주위를 흐르고, 따라서 버너에서 나오는 뜨거운 가스 흐름에 의해 가열된다. 열의 일부를 유입 혼합물에 줘버린 배기가스는 다기관(30)을 통해 카울링에서 나와서 물 가열기(15)로 들어가며, 이 물 가열기(15)에서, 스털링 엔진 냉각기(31)에서 어느 정도 이미 가열된 물의 흐름(16)과 접촉하게 되어 보조 버너(17) 상류쪽의 물의 흐름(16)을 추가적으로 예열하게 된다. 보조 버너(17)는 필요한 경우 물의 흐름(16)에 보조적인 가열을 제공하기 위해 점화된다. 제1 버너(14)로부터의 배기가스는 보조 버너(17)로부터의 배기가스와 함께 배기관(18)을 통하여 물 가열기(15)에서 나온다.
상기 가열장치는 도 3 및 도 4에 더욱 상세하게 도시되어 있으며, 보조 버너(17)와 물 가열기(15)를 포함한다. 물 가열기(15)는 주축(40)을 구비한 대체로 원통형의 하우징(39)을 가진다. 보조 버너(17)는 상기 주축(40)상에 위치되어 반경방향 바깥쪽으로 점화된다.
물은 물 가열기(15)를 통하여 도 3의 오른쪽에서 왼쪽으로 물 덕트(41) 주위로 공급되며, 물 덕트(41)는 원통형 하우징(39)의 바깥 가장자리를 향하여 축(40)을 중심으로 감겨진 단일 나선형 튜브(다수의 연결된 부분들로 구성될 수도 있음)이다. 물 덕트(41)의 각 개별 코일은 축방향으로 납작하게 되어 있다. 인접한 코일들은 서로 가까이 근접하여 위치되지만 함께 밀봉되지는 않으므로 뜨거운 가스가 인접한 코일들 사이로 지나갈 수 있다. 가열기(15)의 가운데를 향하여 스털링 엔진으로부터의 배기가스를 위한 유입구(42)가 연장되어 있다. 상기 유입구는 두 개의 원형 평판(44,45) 사이에 구획된 원형 챔버(43)로 통하며, 원형 평판(45)은 유입구(42)를 위한 통로이다. 환형 브래킷(46)들이 평판들(44,45)의 가장자리와 물 덕트(41) 사이의 틈새에 다리를 놓아주어, 챔버(43)로부터의 모든 배기가스가 물 덕트(41)의 코일들을 통과하도록 보장한다. 챔버(43)로부터 제2 단부를 향하여, 그 안으로 보조 버너(17)가 점화되는 보조 버너 챔버(47)가 있다. 보조 버너는 제2 단부 쪽의 인접한 코일들을 가열한다.
챔버(43)로부터 제1 단부를 향하여, 유출구(49)가 구비된 배출 챔버(48)가 있다. 열 회복의 이 최종 단계의 고효율 특성 때문에 생성되는 응축물을 위한 유출구(50)가 또한 있다.
물 가열기(15)의 작동은 다음과 같다. 물은 물 덕트(41)를 통하여 제1 단부로부터 제2 단부까지 나선형 경로로 돌면서 흐른다. 보조 버너(17)가 챔버(47) 안으로 점화되고, 배기가스는 유입구(42)에서 들어가서 챔버(43) 안으로 지나간다. 이 두 뜨거운 흐름들은 물 덕트(41) 내의 인접한 코일들 사이의 틈새를 반경방향으로 통과하여 외부 환형 챔버(51) 안으로 흘러 결합된 흐름을 형성한다. 이어서 이 결합된 흐름은 화살표(52)에 의해 지시되는 제1 단부에 인접한 물 덕트(41)를 통하여 역류한다. 유입되는 물은 따라서 처음에는 이 결합된 흐름에 의해 가열된다. 물은 제2 단부를 향하여 더 흘러감에 따라, 챔버(43)로부터의 스털링 엔진 배기가스와 마주치게 되고 더욱 가열된다. 마지막으로, 물은 보조 버너(17)로부터의 뜨거운 가스와 마주쳐서 제3 단계 가열을 제공한다.
이러한 3단계 가열장치를 제공함으로써, 물의 효율적인 가열이 제공된다. 더욱이, 도 2로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 3단계 가열이 제공되는 장치는 특히 콤팩트하여 비용과 공간 절약 효과를 낳는다.

Claims (12)

  1. 스털링 엔진과 물 가열기를 포함하고, 스털링 엔진은 연소가능 가스가 공급되는 제1 버너에 의해 가열되도록 구성되며, 연소가능 가스 유입구와 접촉하고 있는 스털링 엔진에서부터 제1 버너 내부까지 지나감으로써 제1 버너로 들어가는 연소가능 가스를 예열하고 이어서, 물 가열기에 의해 추가적으로 가열될 물을 가열하는 배기 덕트(duct)를 더욱 포함하는 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 물 가열기 상류쪽의 배기가스로 물을 가열하도록 구성되는, 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보조 물 가열기는 제2 버너인, 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 배기가스와 보조 버너로부터의 가스는 일단 물에 열을 줘버리고 나면 결합된 하나의 흐름을 형성하고, 상기 결합된 흐름은 배기가스의 상류쪽에서 물을 가열하도록 구성되는, 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 가열부의 상류쪽에서 물을 가열하도록 구성된 스털링 엔진 냉각기를 더 포함하는, 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
  6. 제1 버너에서 스털링 엔진으로 열을 공급하는 단계, 스털링 엔진에서 나오는 배기가스 흐름으로부터의 열을 열교환하여 제1 버너에 공급되는 연소가능 가스 유동에 주는 단계, 및 이어서 제1 버너로부터 지나온 배기가스로부터의 열을 열교환하여 물에 주는 단계, 그리고 예열된 물을 물 가열기에서 더 가열하는 단계를 포함하는, 가정용 열 및 동력 겸용 조립체의 작동방법.
  7. 하우징; 하우징 내부에 하우징의 바깥 가장자리를 향해 있고 하우징의 중심축 둘레로 나선형으로 감겨서 하우징의 제1 단부로부터의 유체를 하우징의 제2 단부로 보내는 하우징 내부의 덕트; 하우징 내에 제2 단부에 인접하게 있고 덕트에 의해 둘러싸여서 덕트의 제1 부분에 있는 유체에 열을 전달하는 보조 버너; 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스를 덕트의 제1 부분보다 하우징의 제1 단부에 더 가까운 덕트의 제2 단부로 반경방향 바깥쪽으로 보내도록 구성된 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스를 위한 유입구를 포함하는, 유체를 가열하기 위한 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서, 유입구는 보조 버너로부터의 가스와 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스가 둘 다 적어도 나선형으로 감긴 덕트를 통과했을 때까지는 서로 혼합되는 것이 거의 방지되도록 구성되는, 유체를 가열하기 위한 가열 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 두 흐름들은 일단 처음에 얼마간의 열을 덕트에 줘버렸으면 결합된 하나의 흐름으로 형성되고, 상기 결합된 흐름은 덕트의 제2 부분보다 상기 제1 단부에 더 가까운 덕트의 제3 부분 주위로 통과되는, 유체를 가열하기 위한 가열 장치.
  10. 제8항에 있어서, 보조 버너로부터의 가스와 덕트의 반경방향 안쪽의 외부 열원으로부터의 뜨거운 가스와의 혼합을 방지하기 위한 시일(seal)이 구비되는, 유체를 가열하기 위한 가열 장치.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 덕트의 각 코일이 중심축 방향으로 납작하게 되어, 단면상으로 덕트의 반경방향 치수가 축방향 치수를 초과하도록 구성되는, 유체를 가열하기 위한 가열 장치.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 덕트의 인접한 코일들은 서로 아주 근접하거나 또는 서로 접하는, 유체를 가열하기 위한 가열 장치.
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