KR200404571Y1 - 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형열교환기의 시스템 - Google Patents

열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형열교환기의 시스템 Download PDF

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KR200404571Y1
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Abstract

본 고안은 지역난방 시스템 또는 열병합 발전 시스템으로부터 공급되는 1차 열원을 이용하고 8개의 포트가 형성된 열교환판을 사용하여 4유체(즉, 열병합 열원과 시수 및 난방수와 보일러수) 열교환을 구현할 수 있도록 하는 가정용 보일러의 판형 열교환기 시스템을 제시하고자 한다.

Description

열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템{system of heat exchanger a board type}
본 고안은 판형 열교환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지역난방 시스템 또는 열병합 발전 시스템을 이용한 가정용 보일러의 8포트-4유체 판형 열교환기의 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 아파트 단지 등의 공동주택단지 내에서는 2가지 난방방식을 채택하고 있으며, 하나는 각 호에 개별의 난방기를 채용한 개별난방방식과 다른 하나는 중앙에서 난방 및 생활온수를 공급하는 중앙난방방식이 있다.
상기 중앙집중식 난방을 채택하는 열 수요처, 즉 아파트 단지 등의 난방방식은 B-C유, LNG, LPG 등의 연료를 사용하여 물을 가열하고, 가열된 100℃ 이상의 물이나 증기를 1일에 3~5차례 간헐적으로 아파트 단지 내의 각 가정에 온수를 제공하는 것이다.
이러한 종래의 중앙집중식 난방방식은 보일러에서 물이나 증기를 생산하고, 생산된 증기를 열교환기를 통해 고온수로 열교환하여 온수로 제공하는 것으로, 이는 대량의 보일러를 사용하게 되고 증기를 온수로 교환하는 열교환 방식으로 열손실이 상당히 많은 것을 볼 수 있다.
이와 같은 단점을 해결하기 위한 방안의 하나로 에너지 이용효율이 높은 열병합 발전(Combined Heat and Power Plant) 시스템이 대안으로 제시되고 있다. 상기 열병합 발전은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 종합 에너지 시스템으로 일반적으로 고온부는 동력으로 사용하고, 저온부는 열로 사용하는 에너지 시스템을 운영하고 있다.
그러나 위와 같은 열병합 발전은 설비용량 대비 열효율이 현저히 떨어질 뿐만 아니라 아파트 단지 내의 각 가정에 균일한 온도의 온수(급탕 및 난방)를 제공할 수 없는 단점이 있었다. 예를 들어, 공동주택의 경우 상하층의 온도차가 자주 발생하여 난방 불균형이 발생하게 되고, 또한 젊은층이 거주하는 세대와 노인층이 거주하는 세대에도 동일한 온도의 온수가 공급되기 때문에 각 세대가 요구하는 온도의 온수를 맞출 수가 없는 문제점이 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은 열병합 열원을 이용하고 8개의 포트가 형성된 열교환판을 사용하여 4유체 열교환을 구현할 수 있도록 하는 가정용 보일러의 판형 열교환기 시스템을 제공함에 있다.
본 고안의 다른 목적은 급탕 및 난방의 효율을 최대화시킬 수 있는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템을 제공함에 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 열병합 발전으로부터 공급되는 열원이 부족할 시에 부족한 만큼 열원을 보충시켜 소비자들이 요구하는 온도의 온수를 공급할 수 있는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템을 제공함에 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 지역난방 시스템 또는 열병합 발전 시스템을 이용하여 아파트 단지 내의 각 가정에 거주자들이 요구하는 온도의 온수를 제공할 수 있도록 하는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 지역난방 시스템 또는 열병합 발전 시스템으로부터 공급되는 1차 열원을 이용하며 다수개의 열교환판들이 적층 결합된 가정용 보일러의 판형 열교환 시스템을 구성하고, 또한 상기 1차 열원이 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트와, 직수관으로부터 공급되는 시수가 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트와, 상기 보일러 내에 있는 난방수가 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트와, 상기 보일러로부터 공급되는 2차 열원이 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 고안의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 고안에 있어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 고안으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 고안의 구성에서 설명으로 대체한다. 도면상에서 동일한 도면부호는 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 본 고안에서 사용되고 있는 '열병합 열원'이라는 용어는 열병합 발전시스템에서 공급되는 중온수 또는 지역난방 시스템에서 공급되는 열원으로서 1차 열원 공급부에서 공급되는 1차 열원(Heating Source, Medium)을 의미한다.
또한 본 고안에서 사용되고 있는 'A타입 열교환판 및 B타입 열교환판'이라는 용어는 6개의 포트가 선택적으로 형성되어 있고 표면에는 "V"자 모양의 전열유로가 형성된 열교환판을 의미하며, A타입과 B타입은 전열유로가 반대방향으로 형성된 각각의 열교환판을 의미한다. 또한 상기 열교환판에 형성된 '제1 포트 및 제2 포트'라는 용어는 직경이 각기 다른 구멍을 의미하는데, 즉 제1 포트의 구멍이 제2 포트의 구멍보다 직경이 큰 것을 의미한다.
도 1은 본 고안의 실시 예에 따른 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 8포트-4유체 판형 열교환기 시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
상기 도 1에서는 6개의 포트 중에서 4개의 포트만을 사용하여 열교환이 이루어지고 있는 판형 열교환기(10)의 구성을 제시하고 있다. 즉, 상기 판형 열교환기(10)는 열병합 열원이 공급되고 배출되는 포트(A1,A2)와 시수(직수)가 유입되고 열병합 열원에 의해 열교환이 이루어진 급탕이 배출되는 각 포트(B1,B2)와 보일러 내에 있는 물이 유입되고 열병합 열원에 의해 데워진 물이 배출되는 각 포트(C1,C2) 및 가정에 설치된 보일러의 탱크에 담긴 보일러수가 유입되고 배출되는 포트(D1,D2)로 구성된다. 이와 같은 기술적 구성은 후술하는 도 2 내지 도 4의 상세 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 열병합 열원 입구(A1)는 열병합 열원부(12)에서 공급되는 열원(또는 중온수)을 판형 열교환기(10)의 내부로 공급, 바람직하게는 다수개의 열교환판(16)들이 적층된 통로 쪽으로 공급하는 포트이며, 열병합 열원 출구(A2)는 상기 열교환판(16)들에 형성된 통로(즉, 포트 및 V자형의 전열유로)를 통과한 중온수가 배출되는 포트이다. 이때 상기 열병합 열원 입구(A1)를 통해 유입된 중온수는 급탕용 시수와 열교환(100)이 이루어지고 또한 난방수와 열교환(200)이 이루어진 다음 열병합 열원 출구(A2)를 통해 배출되어 다시 열병합 열원부(12)로 회수된다.
급탕입구(B1)는 직수관과 연결되어 시수를 다수개의 열교환판(16)들이 적층된 통로 쪽으로 공급하는 포트이며, 급탕출구(B2)는 전술한 고온의 중온수(즉, 열병합 열원)에 의해 데워진 시수(직수)가 배출되는 포트이다. 상기 급탕출구(B2)를 통해 배출되는 급탕은 소비자들이 요구하는 온도에 맞도록 가열된 온수이며, 만약 상기 시수가 열병합 열원에 의해 소비자가 원하는 온도에 도달하지 못하게 되면 보일러수에 의해 부족한 온도만큼 데워지게 되며, 이는 후술하는 상세 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.
난방입구(C1)는 가정에 설치된 보일러 내에 담긴 물을 열교환판(16) 쪽으로 공급하는 포트이며, 난방출구(C2)는 전술한 열병합 열원에 의해 열교환된 물을 각 방의 배관 라인으로 배출시키는 포트이다. 즉, 상기 난방입구(C1)를 통해 물이 공급되면, 상기 물은 열병합 열원 입구(A1)를 통해 유입된 중온수에 의해 열교환(200)이 되고, 상기 열교환된 적정온도의 물은 난방출구(C2)를 통해 각 방의 배관라인 쪽으로 배출된다.
보일러수 입구(D1)는 보일러 내에 있는 물(즉, 2차 열원)(이하 '보일러수'라 함)을 다수개의 열교환판(16)들이 적층된 통로 쪽으로 공급시키는 포트이며, 보일러수 출구(D2)는 상기 보일러수를 다시 보일러의 내부로 배출시키는 포트이다. 상기 보일러수 입구(D1)를 통해 공급되는 보일러수는 급탕입구(B1)를 통해 유입된 시수가 열병합 열원에 의해 설정된 온도만큼 데워지지 않았을 때 상기 시수를 한번더 열교환(300)시켜 설정된 온도에 맞도록 가열한다. 예를 들어, 소비자가 급탕의 온도를 50℃로 설정하였을 때, 급탕입구(B1)를 통해 유입된 시수가 열병합 열원과 열교환(100)이 이루어졌는데도 시수의 온도가 50℃가 아니고 40℃밖에 되지 않으면 상기 시수는 통로(급탕입구 B1과 급탕출구 B2를 연결한 통로)를 따라 이동하면서 보일러수 입구(D1)를 통해 유입된 보일러수와 한번더 열교환(300)이 이루어져 소비자가 설정한 50℃의 온도로 데워져 급탕출구(C2)를 통해 배출된다. 즉, 상기 급탕입구(B1)를 통해 유입된 시수는 급탕 열교환구역(100)과 급탕재열 열교환구역(300)에서 열교환이 이루어지게 되며, 이때 상기 시수가 급탕 열교환구역(100)에서 설정된 온도에 맞도록 데워지게 되면 자동으로 급탕재열 열교환구역(300)에서는 열교환이 이루어지지 않는다.
한편, 위와 같은 열교환(즉, 급탕 열교환과 난방 열교환 및 급탕재열 열교환)이 이루어지고 있는 판형 열교환기(10)의 구조는 도 3에 도시한 바와 같다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 판열 열교환기(10)는 직경이 다른 4개의 포트가 형성된 전면커버(14)와 8개의 포트가 형성되고 이 포트들을 선택적으로 뚫어 사용하는 열교환판(16) 및 역시 4개의 포트가 형성된 후면커버(18)로 구성된다.
즉, 상기 전면커버(14)에는 위/아래에 각각 2개의 구멍이 형성되는데, 위에는 열병합 열원이 공급(A1)되는 제1 포트(a)와 난방수가 배출(C2)되는 제2 포트(b)가 각각 형성되고, 아래쪽에는 열병합 열원이 배출(A2)되는 제1 포트(a)와 시수가 유입(B1)되는 제2 포트(b)가 형성된다. 또한 상기 후면커버(18)에는 위쪽에는 보일러수가 배출(D2)되는 제1 포트(a)가 형성되고 아래쪽에는 보일러수가 유입(D1)되는 제1포트(a)와 양측으로 열교환된 시수가 배출(B2)되는 제2 포트(b) 및 난방수가 유입(C1)되는 제2 포트(b)가 형성된다. 이때 상기 제1 포트(a)는 22Ø로 형성되고 상기 제2 포트(b)는 13Ø로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 열교환판(16)은 다수개의 판들이 적층된 구조를 하고 있으며, 이는 브레이징 또는 가스켓에 의해 서로 결합되고 통로를 형성하게 된다. 즉, 도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 열교환판(16)은 A타입 열교환판(16a)과 B타입 열교환판(16b)으로 구성되며, 이들은 'V'자형 전열유로만 서로 반대방향으로 형성되고 나머지의 구성 및 형상은 서로 동일하다. 또한 상기 열교환판(16a,16b)에는 6개의 포트(a,b)들이 형성되고 이 포트(a,b)들은 판형 열교환기(10)의 사용 용도(예를 들어, 보일러의 크기 또는 아파트의 평수, 열병합 발전 시스템의 출력용량 등)에 따라 선택적으로 뚫리게 되고. 그에 따라 판의 매수가 정해진다.(즉, 상기 제1,2 포트(a,b)들을 선택적으로 관통시켜 구멍을 형성한다.) 이때 상기 열교환판(16)에 형성된 제1,2 포트(a,b)의 구멍을 뚫을 때 열교환이 이루어지는 지점에서는 큰 구멍인 제1 포트(a)를 뚫고, 열교환을 하지 않는 지점에서는 작은 구멍인 제2 포트(b)를 뚫는다. 상기 제1,2 포트(a,b)는 위에서 언급한 바와 같이 22Ø와 13Ø로 형성하는 것이 바람직하다.
끝으로, 도 5 및 도 6은 공동주택단지 내에 있는 24평의 가정에 본 고안의 8포트-4유체 판형 열교환기 시스템을 설치한 상태를 나타낸 도면들이다. 상기 도면들을 참조하면, 총 16장의 열교환판이 설치되며, 바람직하게는 양측으로 전면커버(14) 및 후면커버(18)가 각각 놓여지고, 그 사이에는 16개의 전열판(16)들이 위치하고 있다. 이때 상기 커버(14,18)와 전열판(16)들은 브레이징 작업에 의해 서로 적층 결합되어 있다.
상기 전면커버(14)와 후면커버(18)는 앞에서 설명한 바와 같이 4개의 포트(a,b)들이 형성되어 있으며, 그 사이에 설치된 전열판(16)들은 도 6에 도시한 바와 같이 각 유로(도 2에서 도시한 바와 같은 열교환이 이루어지도록 하는 통로)에 맞도록 제1,2 포트(a,b)들이 선택적으로 형성되어 있다. 이와 같은 열교환판(16)의 배열(즉, 제1,2 포트들의 배열)에 따라 4가지 유체(즉, 열병합 열원과 시수 및 난방수와 보일러수)가 공급 및 배출되는 과정을 거치면서 소비자들이 요구하는 온도의 급탕 및 난방수를 제공할 수 있게 된다.
부가적으로, 상기 도 5 및 도 6에 도시한 판형 열교환기(10)의 열교환 과정을 개략적으로 설명하면 아래와 같다.
우선, 열병합 열원 입구(A1)를 통해 유입된 열원(또는 중온수)은 10번째 열교환판(10)까지 유입된 다음, 다시 0번째 전면커버(14)에 형성된 열병합 열원 출구(A2)를 통해 열병합 열원부(12)로 회수된다. 이때 상기 열병합 열원은 2번째, 4번째, 6번째, 8번째,10번째의 전열판(16)에서는 위에서 아래쪽으로 흐르게 되면서 급탕입구(B1)를 통해 유입된 시수와 열교환이 이루어진다.
다음, 급탕입구(B1)를 통해 유입된 시수는 16개의 열교환판(16)들을 순차적으로 통과한 후, 17번째의 후면커버(18)에 형성된 급탕출구(B2)를 통해 외부로 배출된다. 이때 상기 시수는 3번째와 5번째의 전열판(16)에서는 아래에서 위로 흐르게 되며 이에 따라 열병합 열원과 열교환이 이루어져 소비자가 요구하는 온도로 데워지게 된다. 또한 상기 시수는 11번째,13번째,15번째의 열교환판(16)에서는 위에서 아래로 흐르게 되면서 보일러수와 열교환이 한번더 이루어지게 된다.
또한, 보일러(1)의 내부에서 공급되는 난방수는 후면커버(18)에 형성된 난방입구(C1)를 통해 유입되고, 유입된 난방수는 17번째부터 역으로 0번째 전면커버(14)까지 흘러들어가 난방출구(C2)를 통해 배출된다. 이때 상기 난방수는 9번째와 7번째의 열교환판(16)에서는 아래에서 위로 흘러가게 되고, 이에 따라 상기 난방수는 열병합 열원과 열교환이 이루어진다.
마지막으로, 후면커버(18)에 형성된 보일러수 입구(D1)를 통해 공급된 보일러수는 17번째부터 역으로 12번째의 열교환판(16)까지 유입된 다음, 다시 12번째~16번째까지 거친 다음 17번째의 후면커버(18)에 형성된 보일러수 출구(D2)를 통해 보일러(1)의 내부로 배출된다. 이때 상기 보일러수는 12번째,14번째,16번째의 열교환판(16)에서 급탕입구(B1)를 통해 공급된 시수와 열교환이 이루어진다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 고안은 열병합 열원을 이용하고 8개의 포트가 형성된 열교환판을 사용하여 4유체 열교환을 구현함으로써 급탕 및 난방의 효율을 극대화시킬 수 있으며, 특히 열병합 발전으로부터 공급되는 열원이 부족할 시에 부족한 만큼 열원을 보충시켜 소비자들이 요구하는 온도의 온수(급탕 및 난방수)를 공급할 수 있고, 또한 공동주택단지 내의 각 가정에 항상 균일한 온도의 온수를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 고안의 바람직한 일 실시 예에 따른 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 8포트-4유체 판형 열교환기 시스템의 구성을 보이고 있는 도면.
도 2는 도 1에서 도시하고 있는 8포트-4유체 판형 열교환기 시스템에서 열교환(급탕 열교환부, 난방 열교환부, 급탕재열 열교환부)이 이루어지고 있는 과정을 보이고 있는 도면.
도 3은 도 2에서 도시하고 있는 열교환이 이루어지고 있는 판형 열교환기의 구조를 보이고 있는 도면.
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 도시하고 있는 열교환판(A 타입 및 B 타입)의 형상 및 구조를 각각 나타낸 도면.
도 5는 본 고안에 따른 8포트-4유체 판형 열교환기 시스템을 공동주택단지 내에 있는 24평의 가정에 설치한 상태를 일 예로 나타낸 도면.
도 6은 도 5에서 도시하고 있는 열교환판의 배열을 구체적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 판형 열교환기 12: 열병합 열원부
14: 전면커버 16: 열교환판
16a: A타입 열교환판 16b: B타입 열교환판
18: 후면커버 100: 급탕 열교환 구역
200: 난방 열교환 구역 300: 급탕재열 열교환 구역
A1: 열병합열원 입구 A2: 열병합열원 출구
B1: 급탕 입구 B2: 급탕 출구
C1: 난방 입구 C2: 난방 출구
D1: 보일러수 입구 D2: 보일러수 출구
a: 제1 포트 b: 제2 포트

Claims (5)

  1. 지역난방 시스템 또는 열병합 발전 시스템으로부터 공급되는 1차 열원을 이용하며, 다수개의 열교환판들이 적층 결합된 가정용 보일러의 판형 열교환 시스템에 있어서,
    상기 1차 열원이 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트와,
    직수관으로부터 공급되는 시수가 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트와,
    상기 보일러 내에 있는 난방수가 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트와,
    상기 보일러로부터 공급되는 2차 열원이 상기 열교환판으로 유입되고 배출되기 위한 각각의 포트를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전(1차열원, Heating Source, Medium)을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시수와 난방수는 상기 1차 열원과 각각 열교환이 이루어짐을 특징으로 하는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시수는 상기 보일러수와 열교환이 이루어짐을 특징으로 하는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 열교환판은 각 6개의 포트로 이루어지며, 상기 포트들은 열교환이 이루어지는 조건에 따라 선택적으로 유로가 형성됨을 특징으로 하는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 포트들은 직경이 서로 다르게 형성됨을 특징으로 하는 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형 열교환기의 시스템.
KR20-2005-0027082U 2005-09-21 2005-09-21 열병합 발전을 이용한 가정용 보일러의 4유체 판형열교환기의 시스템 KR200404571Y1 (ko)

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WO2013073851A1 (ko) * 2011-11-18 2013-05-23 서 쥬니어데이빗 적층판형 노통방식 보일러

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