KR20110076351A - 잠열활용 난방용보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 수조용 내통(4)에 연소실(16)과 다수개의 연관(18)들이 형성되며 연소실(16)의 연소가스가 연관(18)들을 통해 외부의 배기출구(22)로 배출되는 난방용 보일러에 있어서, 수조용 내통(4)을 둘러싸는 잠열재실(6)을 형성하고 그 잠열재실(6)을 단열재(8)와 보일러외통(10)으로 차례로 감싸서 보일러본체(14)를 구성하며, 잠열재실(6)에는 유기계 상변화물질로서 55~75℃범위의 상변화구간을 갖는 잠열재(12)를 액상으로 채워 밀폐되게 구성하여서 수조용 내통(4)에 채워진 난방수의 온도가 상변화구간인 55~75℃ 아래로 떨어짐에 따라 액상 유기계 상변화물질(12)이 고상으로 상변화하면서 발생한 잠열로 난방수를 데워주게 구성하여서, 가스나 기름보일러 구동시 저에너지과 고효율 작동을 가능케 하도록 해준다.

난방용 보일러, 잠열재, 유기계상변화물질, 상변화구간

Description

잠열활용 난방용보일러{LATENT HEAT CORNISH BOILER}

본 발명은 보일러에 관한 것으로, 특히 가스나 기름보일러에 잠열(latent heat)을 활용해서 저에너지 사용과 고효율 작동을 가능케 하는 잠열활용 난방용보일러에 관한 것이다.

근래에 생산되는 난방용보일러는 열효율을 증대시키기 위해 연소실에서 발생된 연소배기가스의 현열을 흡수하는 주열교환기와 이러한 주열교환기에서 열교환을 마친 배기가스에서 잔열이나 응축잠열을 흡수하는 잠열교환기로 구성되는 열교환기가 주종을 이루고 있으며, 이러한 보일러를 콘덴싱 보일러라 일컫는다.

콘덴싱보일러는 LNG나 LPG 등의 가스연료를 사용하는 가스보일러에서는 많이 실용화되어 보일러 효율을 증대 및 연료비 절감에 많은 기여를 하고 있으나, 기름보일러는 기름연료중에 포함된 황(S)성분에 의해 가스보일러보다 더 강한 산성의 응축수가 발생하는 관계로 강산성 응축수에 견딜 수 있는 재질로 구성되어야 하므로 주열교환기와는 별도로 된 잠열교환기를 구비해야만 했다.

그러므로 열효율을 증대시키는 콘덴싱 기름보일러는 제품사이즈가 크고 중량 도 많이 나가고 제작비도 많이 들고 설치면적도 많이 차지하는 단점이 있다. 또 LNG나 LPG가스 콘덴싱보일러는 열효율을 증대시킨다고 하지만 그 효율이 크게 높지를 않다.

따라서 본 발명의 목적은 기존의 콘덴싱보일러보다 훨씬 열효율이 높이며 가스나 기름보일러 구동시 저에너지 사용과 고효율 작동을 가능케 하도록 해주는 잠열활용 난방용보일러를 제공하는데 있다.

상기한 목적에 따라 본 발명은, 수조용 내통에 연소실과 다수개의 연관들이 형성되며 연소실의 연소가스가 연관들을 통해 외부의 배기출구로 배출되는 난방용 보일러에 있어서, 수조용 내통을 둘러싸는 잠열재실을 형성하고 상기 잠열재실을 단열재와 보일러외통으로 차례로 감싸서 보일러본체를 구성하며, 상기 잠열재실에는 유기계 상변화물질로서 55~75℃범위의 상변화구간을 갖는 잠열재를 액상으로 채워 밀폐되게 구성하여서 수조용 내통에 채워진 난방수의 온도가 상기 상변화구간 아래로 떨어짐에 따라 액상 유기계 상변화물질이 고상으로 상변화하면서 발생한 잠열로 난방수를 데워주게 구성함을 특징으로 한다.

본 발명의 유기계 상변화물질은 파라핀계 상변화물질로 구성함을 특징으로 하고,

또 본 발명에서 수조용 내통에 설치되는 각 연관들은 직경이 17~24mm이고, 수조용 내통의 평단면적의 40~55%를 차지하는 갯수로 배열형성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 상변화물질의 잠열재(latent heat material)를 함께 이용해서 가스나 기름보일러 구동시 저에너지 사용과 고효율 작동이 가능케 하는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 잠열활용 보일러의 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 잠열활용 보일러의 평단면도이며, 도 3은 도 1의 보일러 내통 사시도이다. 그리고, 도 4는 본 발명 잠열활용 보일러의 절개 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 잠열을 활용하는 보일러의 측단면 상태도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 잠열활용 보일러(2)는 수조용 내통(4)과 보일러 외통(10)이 포함된 보일러본체(14)를 구비하며, 수조용 내통(4)과 보일러 외통(10) 사이에는 수조용 내통(4)을 둘러싼 밀폐형 잠열재실(6)과 그 바깥의 단열재(8)가 차례로 개재된다.

또 수조용 내통(4)에는 버너(15)에 의해 기름이나 가스연료가 발화되어 연소되는 연소실(16)이 구비되며, 연소실(16)의 상방으로는 다수개의 연관(18)들이 형성된 구성을 갖는다. 연소실(16)에서 연소된 가스는 다수 연관(18)들을 통과해 상방의 공통연도에서 만나고 상측덮개부(20)에 형성된 배기출구(22)를 통해 외부로 배출되는 구조가 바람직하다. 수조용 내통(4)에는 난방수가 채워지며 내통(4)의 하 부 및 상부에는 난방수주입구(24)와 난방수회수구(26)가 일체로 형성된다.

이러한 수조용 내통(4)을 둘러싸는 잠열재실(6)에는 유기계 상변화물질(phase change material)이면서 55~75℃범위의 상변화구간을 갖는 잠열재(12)가 액상으로 채워진후 봉입되어 밀폐 구성된다.

기름보일러나 연료가스보일러는 실내 난방 등을 위해 기동을 하게 되면 수조내통(4)에 저장된 난방수의 온도가 85℃를 넘도록 가열을 하며 필요에 따라 최대 95℃까지도 가열을 할 수 있다. 보일러 운전원리를 크게 실내온도 감지식과 수온감지식으로 구분될 수 있으며, 난방수 공급온도, 환수제어온도, 순환펌프 작동온도, 손실온도 등이 고려되어서 작동이 제어된다. 실내온도 감지식의 경우에는 난방수공급온도가 제조자에 의해서 설정되어지고 수온감지식의 경우에는 난방수 공급온도를 사용자가 직접 설정할 수 있도록 되어 있는 차이가 있다.

보일러의 버너가 착화되어 예컨대 40℃까지 난방수가 가열되면 난방호스에 설치된 순환펌프가 작동되어 난방존으로 온수를 공급해주며, 보일내의 수조용 내통(4)으로 40℃이하의 난방수가 환수되면 순환펌프는 작동을 멈추고 그 난방수를 40℃까지 재가열하여서 난방수를 공급하는 동작으로 펌프운전을 반복한다. 버너와 순환펌프의 작동으로 난방수는 설정된 난방수공급온도까지 올라갈 수 있고 수조용 내통(4)으로 환수되는 난방수온도가 환수제어온도 예컨대 60℃까지 되면 버너는 작동을 멈추게 되지만 순환펌프는 계속하여서 난방수를 순환시키게 된다.

버너가 작동을 멈춘상태에서 환수된 난방수가 손실온도 예컨대 10℃가 되는 50℃가 되면 버너는 재착화되면서 난방수를 가열하는 원리로 운전을 하게되며, 난 방보일러의 작동(버너작동 및 순환펌프작동)으로 실내온도가 사용자가 설정한 목표온도에 다다르게 되어 실내조작판넬의 온도센서가 이를 감지하게 되면(실내온도감지식의 경우임) 난방보일러내 콘트롤러의 제어로 버너(15)는 그 작동을 멈추고 순환펌프만 작동하는 기능으로 변환된다.

본원 발명자는 실내온도에 따른 보일러의 수조용 내통(4)이 담고 있는 난방수온도를 조사해 본 결과, 실내온도가 15℃일 경우에는 수조용 내통(4)에 저장된 난방수온도가 대략 45~50℃가 되었으며, 실내온도가 정부 권장치인 20℃일 경우에는 수조용 내통(4)에 저장된 난방수온도가 대략 60~70℃가 되었고, 실내온도가 35℃일 경우에는 수조용 내통(4)에 저장된 난방수온도가 대략 70℃이상이 되었다.

또 보일러의 난방시 수조용 내통(4)에 저장된 난방수 공급온도는 거의 최대 95℃까지도 가열될 수 있다.

그러므로 본 발명의 실시 예에서는 보일러 작동시 수조용 내통(4)에 담겨진 난방수의 온도에 의해서 용용되어서 액상으로 변환되었다가 그 난방수온도가 55~75℃범위 아래로 떨어지면 액상에서 고상으로 상변화되는 상변화구간을 갖는 상변화물질을 잠열재(12)로서 사용하며, 상변화물질의 잠열재(12)를 바람직하게는 액상상태로 잠열재실(6)에 투입하고 밀봉한다.

그래서 버너(15)가 작동하는 보일러 난방시 수조용 내통(4)에 저장된 난방수온도가 55~75℃범위를 넘어섬에 따라 전달 열로 인해 용융되어서 잠열재실(6)의 상변화물질 잠열재(12)가 도 1에 도시된 바와 같이 열을 축적하고, 이 후 사용자의 설정 등에 의해 버너(15)가 작동하지 않음에 따라 상기 난방수온도가 상기 상변화 구간 아래로 떨어지면 도 5에 도시된 바와 같이 상변화물질의 잠열재(12)가 액상에서 고상으로 상변화되면서 축적한 잠열을 발생케 한다. 상변화물질의 잠열재(12)가 잠열을 발생하여 수조용 내통(4)에 있는 난방수를 데워주게 되면 난방수는 상변화구간의 아래의 온도에서 다시 올라오거나 현재 물온도를 유지하게 되며 설사 물온도가 떨어진다고 해도 아주 느리게 지연되면서 떨어진다.

그러므로 예컨대 실내온도 20℃일 때 버너(15)가 재기동하도록 실내조작부에서 설정되어 있었다면 잠열을 받은 난방수는 그 온도가 수시간동안 50℃ 아래로 떨어지지 않아서 버너(15)의 재기동을 방지하므로 연료를 절약하고, 순환펌프를 기지며 실내에 설치된 난방수 순환호스를 통해서 잠열로 데워진 난방수가 순환되므로 실내의 온기가 계속 유지되게 해준다.

본 발명에서 잠열재(12)로 사용된 상변화물질에서의 55~75℃범위 상변화구간의 설정은 상한값인 75℃를 넘어서면 난방수온도에 잠열을 보태는 효과가 별로 없고 상변화사이클의 반복이 수시로 이루어질 수 있어 잠열재를 오랫동안 사용할 수가 없다. 또 설정의 하한값인 55℃미만으로 떨어지면 사용자가 주로 사용하는 온도조절기의 설정온도보다 훨씬 낮은 상태에서 잠열이 발생되므로 버너(15)에 의한 재기동이 먼저 일어날 확률이 높게 되고 결국 잠열을 이용하는 빈도가 많이 떨어질 수 있다.

잠열재의 용도로 사용되는 상변화물질에는 다양한 종류가 있으며, 크게는 유기계 상변화물질과 무기계 상변화물질로 나누어진다. 유기계 상변화물질의 특징은 대체가 밀도가 낮고 잠열량이 작은 반면에 무기물 상변화물질에 비해서 부식성이 작고 부피팽창이 작다. 무기계 상변화물질은 유기계 상변화물질의 특징과는 상반되는 특징을 가진다. 본 발명에서 잠열재(12)로 사용하는 상변화물질은 부식성이 없어야 되고 또 부피팽창이 있으면 문제가 되므로 유기계 상변화물질을 사용한다.

유기계 상변화물질은 파라핀계 상변화물질과 지방산계 상변화물질 및 지방알코올계 상변화물질 등이 있으며, 본 발명의 실시 예에서 이들 모두를 사용할 수 있지만, 과냉각현상이 적고 잠열량이 상대적으로 많으며 상변화사이클이 수 만회가 될 만큼 길고 가격대 등도 함께 고려한 바 파라핀계 상변화물질을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 예컨대 파라핀계의 상변화물질이 2만번의 상변화사이클을 가졌다면 하루에 한번정도의 상변화가 일어난다고 가정할 때 거의 30년이나 되는 안정적인 성능이 보장되어 거의 반영구적인 긴 수명을 가졌다 할 수 있다. 이러한 파라핀계 상변화물질의 주성분은 파라핀 및 왁스 성분이다.

본 발명에서는 파라핀계 상변화물질중에서도 55~75℃범위의 상변화구간을 갖는 파라핀계 상변화물질을 사용한다. 55~75℃범위의 상변화구간을 갖는 파라핀계 상변화물질은 150~220kJ/(kg)의 잠열량을 갖으며, 응고점과 용융점은 상기 상변화구간에 존재한다. 또 고상에서 액상으로 변할시의 부피팽창은 10%정도이다.

파라핀계와 같은 유기계 상변화물질의 잠열재(12)를 잠열재실(6)에 투입할 경우에는 상변화구간 55~75℃를 넘어서도록 상변화물질의 잠열재(12)를 가열해 액체상태가 되게 한 후 잠열재실(6)에 넣고 그 후에 용접등을 통해서 잠열재실(6)을 밀봉한다. 잠열재실(6)에 넣어진 후 밀봉된 액상의 잠열재(12)는 가열된 상태이므로 대기보다 낮은 감압상태가 되고 식으면서 상변화구간 55~75℃아래로 내려가면 고체상태로 변하면서 부피가 줄어든다. 파라핀계 상변화물질의 경우에는 10%정도 부피가 줄어든다.

본 발명의 실시 예에서는 전술한 바와 같은 유기계 상변화물질을 잠열재(12)로 사용하고 아울러, 수조용 내통(4)에 설치되는 각 연관(18)들은 직경을 17~24mm로 하고 수조용 내통(4)의 평단면적의 40~55%를 차지하는 갯수로 배열형성한다. 예컨대, 수조용 내통(4)의 직경이 35cm일 경우에는 첨부도면들에 도시된 바와 같이 17~24mm 직경을 갖는 연관(18)을 8개정도로 설치하는 것이 바람직하다.

본원 발명자가 실험을 해본 결과가 연관(18)의 직경을 17~24mm로 하고 수조용 내통(4)의 평단면적의 40~55%를 차지하는 갯수로 배열형성할 때 연관(18)내의 연소가스과 수조용 내통(4)에 저장된 난방수간의 열교환이 가장 잘 이루어지고 연소가 효율적으로 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다. 연관(18)의 직경이 17mm미만이거나 24mm을 넘어서면 열교환이 효율적으로 잘 이루어지지 않고 연관의 직경범위내에서 수조용 내통(4)의 평단면적의 40%이하이면 연소가 잘 안되고 55%를 넘어서면 수조용 내통(4)에 저장된 난방수의 용량이 줄어들게 된다.

미설명된 참조번호 "30"는 밸브를 갖는 배수구, "32"는 온수용 열교환관, "34"는 온도센서, "36은 저수위센서, "38"은 과열방지기, "40"은 버너(15)의 장착공이다.

본 발명에서는 수조용 내통(4)에 빙둘러 싼 잠열재실(6)에 상변화물질의 잠열재(latent heat material)(12)의 잠열을 적절한 온도구간에서 함께 이용함으로써 가스나 기름보일러 구동시 저에너지과 고효율 작동이 가능케 해준다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

본 발명은 난방용 보일러에 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 버너 가열하는 잠열활용 보일러의 측단면도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 잠열활용 보일러의 평단면도,

도 3은 도 1의 보일러 내통 사시도,

도 4는 본 발명 잠열활용 보일러의 절개 사시도,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 잠열을 활용하는 보일러의 측단면 상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(2)-- 잠열활용 난방용보일러 (4)-- 수조용 내통

(6)-- 잠열재실 (8)-- 단열재

(10)-- 보일러외통 (12)-- 잠열재

(14)-- 보일러본체 (16)-- 연소실

(18)-- 연관 (20)-- 상측덮개부

(22)-- 배기출구

Claims (3)

1. 수조용 내통에 연소실과 다수개의 연관들이 형성되며 연소실의 연소가스가 연관들을 통해 외부의 배기출구로 배출되는 보일러에 있어서,

   수조용 내통을 둘러싸는 잠열재실을 형성하고 상기 잠열재실을 단열재와 보일러외통으로 차례로 감싸서 보일러본체를 구성하며, 상기 잠열재실에는 유기계 상변화물질로서 55~75℃범위의 상변화구간을 갖는 잠열재를 액상으로 채워 밀폐되게 구성하여서 수조용 내통에 채워진 난방수의 온도가 상기 상변화구간 아래로 떨어짐에 따라 액상 유기계 상변화물질이 고상으로 상변화하면서 발생한 잠열로 난방수를 데워주게 구성함을 특징으로 하는 잠열활용 난방용보일러.
2. 제1항에 있어서, 상기 유기계 상변화물질은 파라핀계 상변화물질로 구성함을 특징으로 하는 잠열활용 난방용보일러.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수조용 내통에 설치되는 각 연관들은 직경이 17~24mm이고, 수조용 내통의 평단면적의 40~55%를 차지하는 갯수로 배열형성됨을 특징으로 하는 잠열활용 난방용보일러.

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