KR20110010208A - 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 ＮＯｘ 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예혼합 버너를 사용하고, 열교환기를 2단 구조로 하는 동시에 열교환기의 하단부 위치를 화염의 상단에 대응되도록 설치함으로써 화염의 온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 저감시킬 수 있는 2단 열교환기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

이를 구현하기 위한 본 발명은, 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소시키는 예혼합 버너; 상기 예혼합 버너에서 발생되는 화염의 상단부에 전열핀의 하단부가 접촉하도록 위치되는 제1열교환부, 상기 제1열교환부의 상측에 인접하게 위치한 제2열교환부로 이루어진 열교환기; 상기 예혼합 버너와 상기 열교환기 사이에 형성된 공간인 연소실을 포함한다.

열교환기, 2단, 전열핀, 화염, 질소산화물

Description

예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 ＮＯｘ 보일러{Low NOx boiler using two-stage heat exchanger and premixed burner}

본 발명은 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 NOx 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용하여 버너의 화염 온도를 낮추어 NOx의 발생량을 저감시키기 위한 저 NOx 보일러에 관한 것이다.

산업발전 및 이에 따른 화석연료의 사용이 증가함에 따라 효율이 높고 배기가스의 배출이 적은 가스보일러의 개발이 요구되고 있다.

일반적으로 가스보일러에는 연료의 연소에 의한 연소가스와 난방수와의 열교환이 이루어지는 열교환기를 구비함으로써 가열된 난방수를 이용하여 난방을 수행하거나 온수를 공급하게 된다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구조를 보여주는 개략도이다.

하부에는 연료의 연소에 의해 화염을 발생시키는 버너(10)가 구비된다. 상기 버너(10)의 상부에는 연소가 이루어지는 연소실(20)이 형성된다. 상기 연소실(20)의 상부에 난방수와 연소가스와의 열교환이 이루어지는 열교환부(30)가 구비된다. 상기 열교환부(30)의 상부에는 열교환을 마친 연소가스가 배출되는 연도(40)가 구 비된다.

상기 열교환부(30)는 내부에 난방수가 흐르는 다수의 난방수배관(31)으로 이루어지고, 상기 난방수배관(21)의 외주면에는 전열면적을 확대하기 위해 전열핀(도면에 미도시)이 촘촘히 결합되어 있다.

상기 열교환부(30)에서 열교환을 마친 연소가스는 연도(40)를 통해 배기가스로 배출되는데, 이러한 배기가스에는 공해를 유발시키는 질소산화물(NOx)이 함유되어 있다.

질소산화물 발생은 화염온도에 좌우되며 화염온도의 상승과 함께 급격히 증가하며 반대로 화염온도를 낮추면 발생량이 급격히 저하된다.

종래의 열교환기에 의하면 화염 온도를 낮출 수 있는 구조가 구비되어 있지 않아 질소산화물(NOx)이 다량 배출되는 문제점이 있었다.

상기 버너(10)의 종류로는 예혼합 버너와 분젠타입의 버너가 있다. 기존 가정용 보일러에는 분젠타입의 버너를 사용하고 있는데 연료와 공기의 믹싱에 의한 연소를 향상시키기 위하여 과다의 과잉공기를 사용하게 되어 배기가스 손실에 의한 효율 저하의 원인이 되고, 화염온도가 높아 NOx 발생이 많은 특징이 있다. 따라서 예혼합 버너를 사용하여 보다 고효율이면서 저공해인 보일러의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 예혼합 버너를 사용하고, 열교환기를 2단 구조로 하는 동시에 열교환기의 하단부 위치를 화염의 상단에 대응되도록 설치함으로써 화염의 온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 저감시킬 수 있는 2단 열교환기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소시키는 예혼합 버너; 상기 예혼합 버너에서 발생되는 화염의 상단부에 상응하는 높이에 전열핀의 하단부가 위치하며, 제1열교환부와 제2열교환부가 상하 인접하게 위치된 열교환기; 상기 예혼합 버너와 상기 열교환기 사이에 형성된 공간인 연소실을 포함한다.

본 발명에 의하면, 열교환기의 구조를 2단으로 하는 한편, 화염의 상단이 열교환기의 하단부에 접촉되도록 함으로써 열적 부하를 분산시키고 화염의 온도를 낮추어 질소산화물의 생성을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 열교환기를 2단으로 구성하고 각각의 열교환부에 결합된 핀 피치를 서로 상이하게 함으로써 응축수의 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 보일러의 구조를 보여주는 개략도, 도 3은 본 발명의 2단 열교환기를 보여주는 개략도이다.

본 발명은, 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소시키는 예혼합 버너(100), 상기 예혼합 버너(100) 상부에 형성된 공간인 연소실(200), 상기 연소실(200)의 상부에 위치하여 난방수와 연소가스의 열교환이 이루어지는 열교환기(300)를 포함한다.

상기 예혼합 버너(100)는, 공기를 공급하는 송풍기(110), 가스 연료를 분사하는 연료분사노즐(120), 상기 공기와 가스 연료가 혼합되는 혼합기 경로(130), 및 상기 혼합기가 연소되어 화염을 형성하는 화염형성부(140)로 이루어진다.

상기 예혼합 버너(100)는, 도 2에 도시된 바와 같은 버너 유닛(unit)이 지면에 수직한 방향으로 다수 개 구비되어 보일러에서 요구하는 출력에 대응하게 된다.

상기 열교환기(300)는, 제1열교환부(310)와 상기 제1열교환부(310)의 상측에 위치한 제2열교환부(320)로 구성된다. 상기 제1열교환부(310)와 상기 제2열교환부(320)는 그 내부를 흐르는 난방수가 연속하여 흐르도록 일측 끝단이 연결되어 있다. 이와 같이 열교환기(300)를 상하 2단으로 구성하게 되면 작은 공간에서 넓은 전열면적을 구현할 수 있으므로 효율을 증대시킬 수 있다.

상기 화염형성부(140)에서 형성된 화염의 상단부는 상기 제1열교환부(310)의 하단부에 접촉되는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 제1열교환부(310)의 전열핀(311) 하단부와 상기 화염형성부(140)의 상면(염공면)과의 사이 간격은 80㎜ ∼ 85㎜인 것으로 설정될 수 있다. 이와 같이 화염이 제1열교환부(310)의 하단부에 접촉하게 되면 화염의 온도가 하강하므로 질소산화물(NOx)의 발생을 저감시킬 수 있다.

보일러에서 요구하는 출력이 커지면 도 2에 도시된 것과 같은 버너(100)가 도 2의 지면에 수직한 방향으로 다수 개 설치됨으로써 필요로 하는 출력에 대응하게 된다. 따라서 보일러에서 요구하는 출력이 가변되더라도 화염의 높이는 거의 일정하게 되므로, 상기 화염의 상단부가 상기 전열핀(311) 하단부에 접촉하도록 제1열교환부(310)의 위치 설정이 가능하다.

본 발명의 2단 열교환기(300)를 구성하는 제1열교환부(310)와 제2열교환부(320)에 대해 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 제1열교환부(310)와 제2열교환부(320)에는 내부에 난방수가 흐르는 난방수배관(312,322)이 각각 구비되어 있고, 상기 난방수배관(312,322)의 외주면에는 전열면적을 확대하기 위해 다수의 전열핀(311,321)이 일정한 간격 이격되어 결합되어 있다.

상기 제1열교환부(310)의 난방수배관(312)에 결합된 전열핀(311) 간의 피치와 제2열교환부(320)의 난방수배관(322)에 결합된 전열핀(321) 간의 피치는 4 : 1 ∼ 5 : 1인 것으로 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제1열교환부(310)의 전열핀(311)간 피치가 제2열교환부(320)의 전열핀(321)간 피치보다 큰 이유는 응축수의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 제1열교환부(310)의 전열핀(311)간 피치가 작다면 제1열교환부(310)에서 연소가스의 온도가 크게 떨어지고, 만약 연소가스 온도가 제2열교환부(320)를 지나면서 노점 온도 이하로 떨어지게 되면 응축이 발생하게 되므로 응축수에 의한 부식문제가 생긴다.

또한 응축수가 발생하는 경우 부식을 방지하기 위해 재질을 변경하고 응축수 배출구조를 형성시키면 제조비용이 증가하는 문제점이 있으므로, 본 발명에서는 응축수를 발생시키지 않는 일반적인 보일러 구조를 구현한 것이다.

따라서 제1열교환부(310)의 전열핀(311)간 피치와 제2열교환부(320)의 전열핀(321) 간 피치의 비율은, 제2열교환부(320)에서 응축수가 발생하지 않는 조건과 화염의 상단부가 제1열교환부(310)에 접촉됨으로써 질소산화물의 생성이 저감되는 정도까지 화염의 온도를 낮출 수 있는 조건을 동시에 고려하여 결정하여야 한다.

한편 상기와 같이 화염의 온도를 낮추기 위해 화염과 접하는 제1열교환부(310) 및 이와 연결된 제2열교환부(320)의 위치가 아래쪽으로 내려오게 되므로 연소실의 높이가 낮아져 장치의 부피를 감소시키는 효과가 있다.

상기 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명한다.

버너(100)에서 연소가 이루어져 화염이 형성되면 먼저, 제1열교환부(310)에서 열교환이 이루어진다.

제1열교환부(310)에서 연소가스의 냉각이 이루어지므로 버너(100)의 화염을 냉각시키는 효과가 발생한다. 이로 인해 질소산화물(NOx)의 발생을 저감시킨다.

상기 제1열교환부(310)에서 1차로 열교환이 이루어진 연소가스는 제2열교환부(320)를 통과하면서 2차로 열교환이 이루어진다.

이와 같이 2단계의 열교환을 통해 냉각된 연소가스는 질소산화물(NOx)의 발생이 종래 1단 열교환기에 비해 크게 저감된 상태에서 연도를 통해 배출된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구조를 보여주는 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 보일러의 구조를 보여주는 개략도

도 3은 본 발명의 2단 열교환기를 보여주는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 버너 110 : 송풍기

120 : 연료분사노즐 130 : 혼합기 경로

140 : 화염형성부 200 : 연소실

300 : 열교환기 310 : 제1열교환부

320 : 제2열교환부 311,321 : 난방수배관

312,322 : 전열핀

Claims (4)

1. 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소시키는 예혼합 버너;

   상기 예혼합 버너에서 발생되는 화염의 상단부에 전열핀의 하단부가 접촉하도록 위치되는 제1열교환부, 상기 제1열교환부의 상측에 인접하게 위치한 제2열교환부로 이루어진 열교환기;

   상기 예혼합 버너와 상기 열교환기 사이에 형성된 공간인 연소실;

   을 포함하는 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 NOx 보일러.
2. 제1항에 있어서,

   상기 버너의 염공면과 상기 전열핀의 하단부 사이의 거리는 80 ∼ 85㎜인 것을 특징으로 하는 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 NOx 보일러.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치는 제2열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치보다 더 큰 것을 특징으로 하는 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 NOx 보일러.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치와 제2열교환부의 난방수배관에 결합된 전열핀 간의 피치는 4 : 1 ∼ 5 : 1인 것을 특징으로 하는 예혼합 버너와 2단 열교환기를 이용한 저 NOx 보일러.

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