KR20050090698A - 다기능 잠열부열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콘덴싱 기름보일러에 사용되는 다기능 잠열부열교환기에 관한 것으로, 연료의 연소 중 발생되는 소음을 흡수하고 응축수를 수집하는 역할을 동시에 수행하는 잠열부열교환기를 이용하여, 전체 보일러의 크기나 설치공간을 줄인 것이다.
이를 위한 본 발명은, 연료의 연소로 발생되는 배기가스가 이송되는 회류실, 상기 회류실의 상부로 이격된 위치에 형성되는 상부격막, 상기 상부격막의 양 측면에 연결되어 연직하방향으로 형성되는 측면격막, 상기 회류실의 하측이 돌출되어 형성되는 하부격막을 포함하여, 배기가스를 위한, 상부격막 및 측면격막의 내측으로 상기 배기가스가 연직하방향으로 이송되는 제1경로와, 상부격막 및 측면격막의 외측으로 상기 배기가스가 연직상방향으로 이송되는 제2경로가, 그 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다기능 잠열부열교환기 { multi-fuctional latentheat heatexchanger }
본 발명은 콘덴싱 기름보일러에 사용되는 다기능 잠열부열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료의 연소와 배기가스의 이송시 발생되는 소음을 흡수하는 기능과 배기가스에 포함된 수증기가 응축되면서 생기는 응축수를 수집하는 기능을 포함하여, 소음통과 응축수받이의 역할까지 수행할 수 있는 다기능 잠열부열교환기에 관한 것이다.
보일러는 연료를 연소시켜 발생되는 연소열로 물을 가열한 후, 상기 가열된 물을 난방 등 필요한 곳에 공급하기 위한 장치로, 특히, 일반 가정의 기본적인 난방 및 급탕 설비로 널리 보급되어 사용되고 있다. 보일러는 난방수를 가열하는 열원, 사용연료 등 기준에 따라서 여러가지 방식으로 분류되는데, 가령, 사용연료에 따라서는, 액화석유가스(LPG)나 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 가스보일러와 등유를 연료로 사용하는 기름보일러로 분류된다.
한편 보일러는 일반형 보일러와 콘덴싱 보일러로 분류될 수 있으며, 콘덴싱 보일러는 일반형 보일러에서 사용되지 않고 버려지는 에너지를 활용할 수 있도록 개발된 것으로, 그 작동 원리는 다음과 같다.
보일러의 연료에는 수소(H2)가 포함되는데, 상기 수소는 연료의 연소시 산소(O2)와 결합하여 물(H2O)로 변함과 동시에 열을 발산하게 되며, 이 때 만들어진 물은 자체열에 의하여 수증기로 변하여 배기가스 형태로 배출되기 때문에, 배기가스중에 섞여있는 수증기의 온도를 100℃이하로 낮추게 되면 다시 물로 변하게 된다. 그런데, 물질의 상태가 변화하는 경우에는 항상 잠열(latent heat)이 방출되거나 흡수되므로, 상기 배기가스에 포함된 수증기가 물로 액화되는 순간에도 잠열이 방출되고, 이를 별도의 잠열부열교환기를 설치하여 난방수를 가열하는데 이용하는 것이 콘덴싱 방식이다. 콘덴싱 방식은 배기가스중에 함유되어 있는 현열과 수증기의 잠열을 동시에 회수함으로서 보일러의 열효율을 최대한(95~105%)으로 증대시킬 수 있다. 따라서, 에너지 자원이 빈약한 국내 여건을 감안한다면, 고효율의 콘덴싱 보일러가 보다 널리 보급됨이 바람직하나, LPG, LNG 를 사용하는 가스보일러의 경우에는 콘덴싱 방식으로 많은 제품이 실용화되어 연료비 절감에 기여하고 있는데 반해, 기름보일러는 제품화, 상용화가 활발하게 이루어지지 못하고 있는 실정인데, 이에 대해서는 도면을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 1은 종래 기술에 의한 콘덴싱 기름보일러의 단면형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
종래의 콘덴싱 기름보일러는, 연료의 연소로 발생되는 현열을 흡수하는 현열부열교환기(12)외에도, 상기 현열부열교환기(12)에서 이송된 배기가스에서 잔열 및 잠열을 회수하는 잠열부열교환기(16)가 상기 현열부열교환기(12)와 횡으로 일정간격 이격되어 설치된다. 상기 현열부열교환기(12)는, 하측에 버너(10)에 의해 연료가 연소되는 연소실(11)이 설치되고, 그 내부에는 상기 연소실(11)의 상측과 소통되어 연소실(11)에서 발생된 배기가스가 이송되는 다수개의 연관(14)이 구비된다. 한편 상기 연소실(11)의 둘레와 연관(14)의 사이사이에는 난방수가 순환되는 수조(13)가 구비되어, 연소를 통하여 발생되는 배기가스의 현열이 수조(13)에서 순환하는 난방수에 전달된다.
도 1에서 화살표로 도시된 것은 배기가스의 진행방향을 나타낸 것으로 현열부열교환기(12)의 연소실(11)에서 연관(14)을 따라 상측으로 이동된 배기가스는 현열부열교환기(12)와 잠열부열교환기(16)의 상측을 연결하여 설치되는 소음통(15)으로 이송되어 잠열부열교환기(16)측으로 유도된다. 상기 잠열부열교환기(16)는 원통형상으로 그 내부에는, 상측은 소음통(15)과 소통되며 하측은 응축수받이(19)와 소통되는 다수개의 연관(18)이 구비된다. 한편 상기 연관(18)의 사이사이에는 난방수가 순환되는 수조(17)가 구비되어, 잠열부열교환기(16)를 통과하는 배기가스의 잠열이 난방수에 전달된다.
그런데, 일반적으로 액체화석연료를 사용하는 기름보일러에 있어서는, 콘덴싱의 효과에 따르는 효율을 증가시키기 위하여 배기가스의 온도가 산의 노점 온도 보다 낮은 경우가 발생되고, 이 때 수증기와 연료중의 황성분이 반응하여 황산이 생성되므로, 수증기가 응축된 응축수는 콘덴싱 가스보일러의 응축수 보다 강산성을 나타내게 된다. 통상 콘덴싱 가스보일러 응축수는 pH4 정도인데 비해, 콘덴싱 기름보일러의 응축수는 pH2 정도이고, 이는 환경오염에 심각한 원인이 될 수 있으므로 별도로 중화시킬 수 있는 수단이 필요하다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 응축수를 수집하기 위한 응축수받이(19) 및 수집된 응축수를 중화시키기 위한 중화장치(21)가 상기 연관(18)의 하측에 구비된다. 한편 상기 응축수받이(19)는 일측으로 잠열부열교환기(16)의 연관(18)과 소통됨과 동시에 타측으로는 연도(20)와 결합되어, 상기 연관(18)을 통과한 배기가스가 외부로 배출된다.
그러나, 위와 같은 콘덴싱 기름보일러는, 액체화석연료를 이용하는 기름보일러의 특성상 필수적으로 응축수받이나 중화장치와 같은 추가적인 장치가 구비되어야 하므로, 제품의 크기 및 중량이 커질 수 밖에 없고 그에 따라 보일러 설치 공간이 증대되고 제작과정도 복잡해진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 발명된 것으로, 종래 배기가스의 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열부열교환기에, 연료의 연소와 배기가스의 이송시 발생되는 소음을 흡수하는 기능과 배기가스에 포함된 수증기가 응축되면서 생기는 응축수를 수집하는 기능을 포함하도록 하여 추가되는 장치의 수를 줄임으로써, 전체적으로 보일러의 크기나 설치 공간을 크게 감소시킬 수 있는 다기능 잠열부열교환기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명 다기능 잠열부열교환기는, 연료의 연소로 발생되는 배기가스가 이송되는 회류실, 상기 회류실의 상부로 이격된 위치에 형성되는 상부격막, 상기 상부격막의 양 측면에 연결되어 연직하방향으로 형성되는 측면격막, 상기 회류실의 하측이 돌출되어 형성되는 하부격막을 포함하여, 배기가스를 위한, 상부격막 및 측면격막의 내측으로 상기 배기가스가 연직하방향으로 이송되는 제1경로와, 상부격막 및 측면격막의 외측으로 상기 배기가스가 연직상방향으로 이송되는 제2경로가, 그 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 구성 및 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명 다기능 잠열부열교환기의 사용상태도이다.
먼저 도 2(a)를 참조하면, 본 발명의 잠열부열교환기(40)에는, 그 내부에 회류실(41), 상부격막(42), 측면격막(43), 하부격막(44), 배출소켓(45), 수관(46), 난방용소켓(47)이 구비된다.
상기 회류실(41)은, 연료의 연소로 발생되는 배기가스가 현열부열교환기를 거쳐 잠열부열교환기(40)로 이송되면서 최초로 통과하는 지점이다. 상기 회류실(41)의 상부로 일정 간격으로 이격된 위치에는 상부격막(42)이 형성되고 상기 상부격막(42)의 양 측면으로는 측면격막(43)이 형성되어, 그 단면이 'ㄷ'자를 시계방향으로 90°회전시킨 형상이 된다. 한편 상기 회류실(41)의 하측은 가장자리로 돌출되어 하부격막(44)을 형성한다. 이와 같은 격막(42,43,44)은 배기가스의 이동경로를 형성하기 위한 것으로, 회류실(41)로 유입된 배기가스는, 회류실(41)의 외부면 및 상부격막(42)과 측면격막(43)의 내측으로 이루어지는 제1경로를 따라 연직하방향으로 이동한 후, 잠열부열교환기(40)의 내부면 및 상부격막과 측면격막의 외측으로 이루어지는 제2경로를 따라 연직상방향으로 이동하게 된다. 따라서 잠열부열교환기(40) 내부의 배기가스의 유동 경로는, 일반적으로 사용되는 단일경로가 아닌, 이중경로(2-pass)로 이루어지고, 그에 따라 배기가스의 열교환경로가 증가되어 열교환 능력을 향상시킬 수 있다.
한편 통상 연료의 연소 및 배기가스의 이송시에는 커다란 소음이 발생되는데, 이와 같은 소음을 감소시키기 위하여, 콘덴싱 기름보일러에는 도 1에 도시된 것과 같은 별도의 소음통이 구비된다. 그러나 본 발명에 의하면, 상기 상부격막(42)에 내화재(42a)를 부착하여 1차적으로 연소에 따르는 소음을 흡수하고, 추가적으로는 이중경로로 이루어지는 잠열부열교환기(40)의 구조를 통하여 음파의 전달에너지를 저하시켜 2차적으로 소음을 감소시킬 수 있게 되므로, 별도의 소음통이 필요없게 된다. 아울러 상기 내화재(42a)는 상부격막(42)을 통한 열손실을 억제하는 추가적인 역할도 수행하게 된다.
앞서 살펴 본 바와 같이, 콘덴싱 기름보일러의 응축수는 강산성이므로, 이를 수집하고 중화하여 배출해야 하며, 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 응축수받이와 중화장치가 필요하다. 그러나 본 발명의 잠열부열교환기(40)에는 그 하단에 중화장치와 연결된 배출소켓(45)이 설치되어 응축수받이 역할도 겸하므로, 별도의 응축수받이가 필요없게 된다. 즉, 배기가스가 제1경로와 제2경로를 이동함에 따라, 배기가스에 포함된 수증기가 응축되어 응축수가 발생되고, 상기 응축수는 잠열부열교환기(40)의 바닥으로 모인 상태에서 상기 배출소켓(45)을 따라 중화장치로 이동하게 되어, 본 발명의 잠열부열교환기(40)는 응축수받이의 역할도 수행한다. 아울러 회류실(41)의 하측이 돌출되어 형성되는 하부격막(44)이 일정한 기울기를 갖도록 하여, 보다 효과적으로 응축수가 하부격막(44)을 타고 흐르면서 배출소켓(45)으로 배출되도록 유도할 수 있다.
상기 회류실(41) 및 측면격막(43)의 외측 테두리를 따라 코일형으로 가공된 파이프 형태의 수관(46)이 권회되어 설치된다. 상기 수관(46)으로는 난방수가 순환되고 상기 수관(46)의 외부면으로 배기가스가 이송되면서 열교환이 진행된다. 따라서 본 발명의 잠열부열교환기(40)는 수관식 구조로 이루어지며, 이는 관 속으로 배기가스가 이송되면서 관 밖의 난방수를 가열하는 연관식 구조에 있어서는, 배기가스의 단면적을 확보하기 위하여 열교환기의 크기가 커지는 단점을 감안한 것이다. 상기 수관(46)으로 난방수가 출입하는 경로는 난방용소켓(47)이다. 상기 난방용소켓(47)은, 상기 잠열부열교환기(40)의 일측면 상단과 하단에서 수관(46)과 연결되어 설치될 수 있고, 경우에 따라서는 도 2(b)에 도시된 것과 같이, 상기 잠열부열교환기(40)의 상부면 전단과 후단에서 수관(46)과 연결되어 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명이 적용된 콘덴싱 기름보일러의 단면형상을 개략적으로 도시한 도면으로, 본 발명이 적용된 콘덴싱 기름보일러는 현열부열교환기(30), 잠열부열교환기(40), 연도(50), 중화장치(60) 등을 포함하여 이루어진다.
상기 현열부열교환기(30)는, 내측 하부에 버너(31)가 구비되어 연소 현열이 발생되는 연소실(32)과, 상기 연소실(32)의 상측 수직방향으로 설치되고 연소실(32)과 소통되는 다수개의 연관(33) 및, 상기 연소실(32), 연관(33)의 둘레에 형성되어 난방수가 순환되는 수조(34)로 이루어지며, 상기 연소실(32)에서 연소의 연료로 발생되는 고온의 배기가스는 연관(33)을 따라 이동하면서 수조(34)를 순환하는 난방수에 열을 공급한다. 상기 연관(33)을 경유한 배기가스는, 잠열부열교환기(40)을 통과하면서, 배기가스에 포함된 수증기의 응축에 따른 잠열과 배기가스에 남아있던 잔열을 재차 난방수에 공급한 후, 연도(50)를 통하여 외부로 배출되며, 이 때 발생되는 응축수는 유해성분을 포함하고 있으므로 중화장치(60)로 이동하여 중화된 후 배출된다.
그런데, 위와 같은 콘덴싱 기름보일러는, 잠열부열교환기(40)를 현열부열교환기(30)의 상부에 설치함으로써, 종래의 콘덴싱 기름보일러에 비하여 보일러의 크기 및 설치 공간을 줄인 것으로, 이를 위해서는 소형이면서도 열교환 능력이 우수한 잠열부열교환기(40)가 필수적이다. 왜냐하면, 잠열부열교환기(40)가 소형화됨으로 인하여 충분한 열교환이 일어날 수 있는 환경을 제공하지 못한다면, 실질적인 콘덴싱 방식이 실현될 수 없으므로, 보일러 구조를 변경함으로써, 얻게되는 장점 보다 상실되는 단점이 커지기 때문이다. 그러나, 본 발명의 다기능 잠열부열교환기(40)를 사용한다면, 이러한 문제를 해소할 수 있다. 즉, 본 발명의 잠열부열교환기(40)는, 소음기와 응축수받이의 역할을 겸하므로 이러한 추가 장치가 필요없고, 수관식 구조로 이루어져 배기가스의 단면적을 확보하기 위하여 열교환기의 크기가 커지는 연관식 구조에 비하여 소형을 유지할 수 있고, 또한 소형이면서도 배기가스의 경로를 증가시켜 열교환 능력이 우수한 효과가 있으므로, 이를 이용하면 도 3에 도시된 것과 같이, 잠열부열교환기(40)가 현열부열교환기(30)의 상부에 설치되는 상향식 구조의 콘덴싱 기름보일러를 구현할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명 다기능 잠열부열교환기에 의하면, 연료의 연소와 배기가스의 이송시 발생되는 소음을 흡수하는 기능과 배기가스에 포함된 수증기가 응축되면서 생기는 응축수를 수집하는 기능을 포함하여, 별도의 소음통이나 응축수받이를 설치할 필요가 없고, 배기가스의 경로를 증가시켜 소형이면서도 열교환 능력이 우수한 효과가 있다.
아울러 본 발명 다기능 잠열부열교환기가 사용된 콘덴싱 기름보일러는, 잠열부열교환기를 현열부열교환기의 상부에 설치하는 상향식 구조를 구현할 수 있어, 전체적으로 보일러의 크기나 설치 공간을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 콘덴싱 기름보일러의 단면형상을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명 다기능 잠열부열교환기의 사용상태도,
도 3은 본 발명이 적용된 콘덴싱 기름보일러의 단면형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
♧도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♧
30 : 현열부열교환기 31 : 버너
32 : 연소실 33 : 연관
34 : 수조 40 : 잠열부열교환기
41 : 회류실 42 : 상부격막
42a: 내화재 43 : 측면격막
44 : 하부격막 45 : 배출소켓
46 : 수관 47 : 난방용소켓
50 : 연도 60 : 중화장치

Claims (6)

  1. 연료의 연소로 발생되는 배기가스가 이송되는 회류실, 상기 회류실의 상부로 이격된 위치에 형성되는 상부격막, 상기 상부격막의 양 측면에 연결되어 연직하방향으로 형성되는 측면격막, 상기 회류실의 하측이 돌출되어 형성되는 하부격막을 포함하여,
    배기가스를 위한, 상부격막 및 측면격막의 내측으로 상기 배기가스가 연직하방향으로 이송되는 제1경로와, 상부격막 및 측면격막의 외측으로 상기 배기가스가 연직상방향으로 이송되는 제2경로가, 그 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 다기능 잠열부열교환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상부격막의 내측으로 내화재가 부착된 것을 특징으로 하는 다기능 잠열부열교환기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 배기가스에 포함된 수증기가 응축되어 생기는 응축수를 배출하기 위한 배출소켓이 하단 측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 다기능 잠열부열교환기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회류실 및 측면격막의 외측 테두리를 따라 수관이 권회되어 설치되어, 상기 수관으로 난방수가 순환되고 상기 수관의 외부면으로 배기가스가 이송되면서 열교환이 일어나는, 수관식 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다기능 잠열부열교환기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 난방수가 출입할 수 있도록 하는 난방용소켓이, 일측면 상단과 하단에 상기 수관과 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 다기능 잠열부열교환기.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 난방수가 출입할 수 있도록 하는 난방용소켓이, 상부면 전단과 후단에 상기 수관과 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 다기능 잠열부열교환기.
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