KR20120137769A - 화목연소장치와 이를 이용한 온풍기 및 온수보일러 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 화목을 연료로 하는 연소장치와 이를 이용한 온풍기, 온수보일러 장치 에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 화목의 연소 시 발생하는 부력을 이용하는, 그 자체로 난로가 되는 연소장치를 구성하고, 이 연소장치에 물집을 씌워서 온수보일러를 구성하는 것이다. 또한, 이 연소장치에 열교환기를 설치하여 온풍기를 구성하는 것이다.

Description

화목연소장치와 이를 이용한 온풍기 및 온수보일러 장치 {WOOD BURNER, AND FAN HEATER AND BOILER USING WOOD BURNER}

본 발명은, 화목을 연료로 하는 연소장치와 이를 이용한 온풍기, 온수보일러 장치 에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 화목의 연소 시 발생하는 부력을 이용하여 그 자체로 난로가 되는 연소장치를 구성하고, 이 연소장치에 물집을 씌워서 온수보일러를 구성하는 것이다. 또한, 이 연소장치에 열교환기를 설치하여 온풍기를 구성하는 것이다.

물질이 연소하여 생기는 연소가스는 부피가 늘어나고 가벼워져서 부력을 갖게 된다. 이 부력으로 연소가스는 상승하고, 연속적으로 발생하는 연소가스의 부력은 앞으로는 배기가스를 밀어내고 뒤로는 연료에 산소공급을 원활히 하는 역할을 하게 된다.

연소가스의 흐름을 특정 통로로 한정하고, 열기가 충분히 상승할 공간을 두면 이 흐름은 더 원활해지고, 불꽃을 동반한 급격한 연소에서는 더 강한 흐름이 나타난다.

1980년대 이후 이러한 원리를 이용한 연소장치들이 만들어지기 시작했는데, 취사 및 조리용으로 로켓 스토브(Rocket Stove)가 개발되었으며, 난방용으로는 로켓 매스 히터(Rocket Mass Heater)가 개발되었다.

로켓 스토브는 이동식 또는 고정식 화덕으로서, L자 형상으로 구부러진 관 형태의 공간을 만들어 하부에는 연료를 연소시키고 상부에서 연소열을 이용해 취사 및 조리 등에 이용하는 구조이다.

로켓 매스 히터는 화목을 이용한 난방장치로서, 로켓 스토브의 경우 상부에 취사도구가 위치하지만, 로켓 매스 히터에서는 취사도구 대신 발열부(대개 드럼통)를 씌우며, 연도를 진흙, 돌과 같은 축열재 사이로 통과시킴으로써 축열 난방도 가능한 구조이다.

이러한 로켓 매스 히터는 대부분의 열기를 공기 난방에 이용해야 하고, 이 경우 본체를 실내에 두어야 하며 소형화하거나 대형화하는 데에도 큰 어려움이 있었다. 또한, 드럼통, 가스통, 벽돌, 진흙, 펄라이트 등 다양한 소재를 사용하므로 구조가 복잡해서 건축이 매우 힘들며, 열의 변환, 이동, 보관, 이용이 용이하지 아니하고, 난방수로의 축열이 어려웠다. 이 때문에 로켓 매스 히터의 산업화는 어려운 상태이다.

종래의 화목 연소용 난로와 보일러는 한번에 다수의 화목을 투입하여 연소시킴으로써, 다수의 화목들이 뒤엉켜 연소가 되면서 불완전 연소가 발생하고, 이러한 불완전 연소로 인해 화목과 열기의 낭비가 심하게 된다.

또한 종래의 난로 보일러에서는 장작뿐만 아니라 톱밥, 펠릿, 우드칩(파쇄목) 등의 다양한 화목 연료를 필요에 따라 선택하여 연소시키는 것이 불가능하였다.

본 발명은, 이러한 문제점들을 해결하고, 단순한 구조로 효율이 좋은 화목연소장치를 만들기 위함이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료투입구(1); 연소로(2); 연통과 연결되는 배출구(7); 수직연소로(3); 상부연도(4); 하강연도(5); 및 하부연도(6)를 포함하는 화목연소장치로서, 상기 연료투입구(1)는 상부가 개방된 수직의 중공형 관이고, 하부는 상기 연소로(2)와 연결되며, 상기 연소로(2)는 상기 연료투입구(1)와 상기 수직연소로(3)를 연결시키는, 수평으로 연장된 중공형 관이고, 상기 수직연소로(3)의 높이는 상기 연료투입구의 높이보다 높게 상기 연소로(2)로부터 수직으로 연장된 중공형 관이며, 상기 상부연도(4)는 상기 수직연소로(3)와 상기 하강연도(5)를 연결시키는, 수평으로 연장된 중공형 관이고, 상기 하강연도(5)는 상기 상부연도(4)로부터 상기 하부연도(6)를 연결시키는, 수직으로 연장된 중공형 관이며, 상기 하부연도(6)는 상기 하강연도(5)와 상기 배출구(7)를 연결시키는, 수평으로 연장된 관인, 화목연소장치가 개시된다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 상기 화목연소장치에서 연소로에서 하부연도에 이르는 연도 전체를 물집으로 둘러싼, 온수 보일러가 개시된다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 상기 화목연소장치에서 연소로에서 하부연도에 이르는 연도 전체를 케이스로 둘러싸고, 하부연도 주위에 통풍 공기의 입구를 설치하고, 연소로 주위에 통풍 공기의 출구를 설치하며, 송풍기로 공기를 유동시켜 따뜻한 공기를 만드는, 온풍기가 개시된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화목연소장치의 개략적인 개념의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화목연소장치의 구성 비율을 설명하기 위한 개략적인 개념의 단면도이다. 편의상 연료투입구와 연소로의 직경(A)이 같다고 보고, 그 값은 연소로의 단면적의 제곱근으로 정의한다. 또 연료투입구의 높이(B)와 연소로의 직경(A)을 제외한 나머지 다른 부분들은 명확히 구획되어 있지 않으므로 각각의 중심선에서 중심선까지의 길이로 본다.
도 3a는 본 발명의 화목연소장치를 이용하여, 화목연소장치에 물집을 씌워서 만든 온수 보일러 장치의 개략적인 개념의 수직 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온수보일러의 개략적인 개념의 평면도를 도시한다. 도면에서는 설치면적을 줄이기 위해 두 번 구부린 형태로 도시하였다. 도 3b에서 회색의 화살표는 연소가스의 수평방향 유동을 나타내고, 회색의 점과 가위표시는 각각 연소가스가 올라옴과 내려감을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 온수 보일러 장치에서 순환수의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 5는 연소가스가 2회 상승 하강하는 연소장치로 구성한 강제 순환식 온수보일러, 또는 온풍기의 개략적인 개념의 단면도이다.
도 6a-6c는 본 발명에 따른 화목 연소장치의 연료를 위한 거치대와, 톱밥, 펠릿, 우드칩 등의 연소를 위한 연소통의 예시를 도시한다.

1. 화목연소장치의 설명

도 1은 화목연소장치의 개략적인 개념의 단면도를 도시한다. 도 1에서 보는 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 화목연소장치는 연료를 투입하는 연료투입구(1), 연소로(2), 연통과 연결되는 배출구(7)를 포함한다. 한편, 연소로에서 배출구까지는 수직연소로(3), 상부연도(4), 하강연도(5), 및 하부연도(6)로 연결된다. 연소부재받이(20)와 배출부재받이(21)가 각각 연소로와 하부연도의 하부에 다수 개의 구멍을 통해 연결될 수 있다. 도 1과 도 2에 도시된 실시예에서는 서랍식으로 재받이를 구성하였다. 예시된 실시예에서는 편의상 투입구, 배출구, 연도 등을 모두 동일한 단면적으로 구성하였다.

이 경우, 연료투입구(1)의 형태를 도 1에서와 같이 위로 개방된 형태로 일정한 높이를 가진 채로 형성시킴으로써, 장작을 똑바로 세워서 투입할 수 있다. 이에 의해 장작의 아래쪽 끝부분에 연소점을 집중시킬 수 있으며, 또한 중력에 의해 자동으로 장작이 연소로 안으로 타서 들어갈 수 있다.

이 경우 도 6a에서 보는 것처럼, 장작을 거치하기 위한 거치대가 이용될 수 있다. 거치대에 의해 길이가 긴 장작을 세워놓을 때 장작이 연료투입구(1)로부터 벗어나는 것을 막을 수 있다.

한편, 장작 대신, 톱밥, 펠릿, 우드칩 등이 연료로서 이용될 수 있으며, 이러한 재료들이 이용될 때에는 도 6b 에서 보는 것과 같이 위는 넓고 아래로 좁아지는 형태의, 예를 들어 깔때기 형태의, 거치대가 이용될 수 있다.

이 때에는 도 6c에서 보는 것과 같이 타공판, 철망 등 다공성의 재료로 일부를 구성하여 연소와 재의 배출이 동시에 이루어지는 연소통을 먼저 삽입 거치하고 통풍조절판(8)을 열어서 연소시킨다. 연소통은 그 하단이 연소로의 하부에 이르게 아래쪽이 좁아지는 형태로 형성되어 연료층의 하부에서 연소가 이루어지게 될 수 있다.

거치대와 연소통의 형상은 연료가 거치되어 연소를 시킬 수 있는 형태이면 다른 여러 가지 형상이 가능할 수 있으며, 본 발명의 거치대와 연소통은 예시적인 형태를 설명하고 도시한 것이다.

본 발명의 화목연소장치의 연소로 구조는 급격한 각을 가지며 L자 형태로 꺾인 형상을 갖고, 이러한 형상에 의해 낮은 연소로 입구로 차갑고 무거운 공기가 빨려 들어가고 연소과정에서 뜨겁고 가벼워진 열기가 수직연소로를 따라 급격하게 밀려 올라가게 된다.

수직연소로를 통과한 연소가스는 상부연도와 하강연도를 지나면서 배출저항을 받게 되어 열과 운동에너지를 소진하고, 하부연도와 배출구를 지나 연통으로 배출된다. 이 흐름은 연료가 공급되는 동안 발화상태를 유지하면서 지속된다.

도 2에서 보는 것처럼, 각 부위의 수치는 다음과 같이 정해질 수 있다. 수직연소로의 높이(D)와 연소로의 길이(C), 하강연도의 길이(F), 그리고 연료투입구의 높이(B) 등의 변화에 따라 화목연소장치의 연소에 의한 열기의 흐름, 열 손실, 열기의 회수 등이 영향을 받는다. 예를 들어 연소로의 길이가 길어지면 열기의 흐름은 줄고, 연소로에서의 열손실은 증가하게 된다. 만일 수직연소로의 높이가 높아지면 열기의 흐름은 어느 한도까지는 빨라지게 된다. 만일 장작 투입구의 높이가 수직연소로의 높이에 비해 상대적으로 높으면 연기가 역류할 수 있다.

연료투입구의 높이(B)는 연소로 바닥으로부터 연료투입구까지의 높이로서, 이는 거치대를 설치하기 위한 최소한의 높이를 가지며 가능한 낮게 유지하는 것이 좋다. 연소로의 길이(C)는 연료투입구로부터 수직연소로까지의 거리로서, 이 부분은 열손실을 막고 열교환기로 가는 열을 높이기 위해 가능한 짧은 것이 좋다. B의 값과 C의 값이 0일 때, 즉 수직연소로의 하부에서 연소가 진행될 때 연소는 가장 활발하며, 다만 본 발명에서는 연료의 자동공급을 위한 거치대(와 연소통)의 설치를 위하여 연소로를 연장한 것이다.

한편, 수직연소로의 높이(D)는 연소로 직경(A)의 2배 내지 10배인 것이 열효율이 가장 높아 바람직하다. 연료의 종류와 연소방법에 따라 다르겠으나, 수직연소로의 높이가 너무 낮으면 화염이 상부연도와 하강연도를 지나 하부연도에 까지 이르러서 연통으로 배출되는 배기가스의 온도가 높게 유지되면서 열의 회수가 원활하지 못하고, 만약 너무 높으면, 배기가스가 수직연소로를 지나는 동안 냉각되어 충분한 부력을 갖지 못하게 되고, 따라서 연소가 활발하지 못하게 된다.

하강연도는 연소가스의 흐름을 지연시켜서 열기의 회수를 돕는 곳으로 그 길이(F)는 수직연소로의 길이(D)와 비슷하게 형성하는 것이 바람직한데, 너무 짧으면 연소는 활발하나 열의 회수가 원활하지 못하고, 너무 길면 연소부의 공기 흡입력이 약해져서 연소가 잘 되지 않는다.

상부연도와 하부연도는 연소가스의 유동 방향을 바꾸고, 열기의 회수를 돕는 곳으로 그 길이(E와 G)는 연소과정에는 크게 영향을 미치지 않는다.

한편, 연료투입구와 연소로, 그리고 배출구에 이르는 연도 전체는 비슷한 단면적을 유지하는 것이 바람직하고, 연소가스의 흐름을 방해하는 병목부분이 있어서는 안되며, 특히 배출구와 연결되는 연통부분에서 급격하게 단면적이 줄어서는 안 된다. 또 자연연소에서는 연료투입구와 연소로는 배출구보다 단면적을 같거나 작게 유지하는 것이 바람직하다. 단면적을 크게 하면 유속이 느려져서 공기의 공급이 오히려 줄어들기 때문이다.

본 발명의 화목연소장치에서 열량을 결정하는 가장 중요한 요소는 연소로의 직경과 관련된 단면적의 값이며, 단면적의 크기에 따라 다양하게 대형, 중형, 소형의 열량을 가지는 다양한 연소장치가 구성될 수 있다.

또한, 도 1에서는 연소로로부터 1회의 상승 및 하강을 거쳐 배출되는 시스템이 도시되었지만, 도 5에 도시한 것과 같이 이러한 상승 및 하강의 횟수는 2회 이상이 가능할 수 있다.

연통 상단에 배기가스 배출기(50)를 설치할 수 있는데, 배출기(50)는 일반적으로 도 5와 같이 두 번 이상 상승 하강을 할 경우에 이용되며(도 5 참고), 이러한 배출기(50)를 설치함에 의해 배기 가스의 원활한 배출을 도모하고, 이에 의해 연소 흐름이 잘 이루어질 수 있게 된다.

본 발명의 화목연소장치에서 전열면의 양쪽 또는 한쪽 면의 전부 또는 일부에 방열판을 부착하여 전열면적을 넓혀서 전열효율을 높일 수 있다. 또한 바닥에는 단열재(70)를 깔아서 불필요한 열의 손실을 막는 것이 바람직하다. 또 도면에서 도시되지는 아니하였지만, 수직연소로에 2차 공기 주입구를 만들어서 연소 효율을 더 높일 수도 있다.

본 발명의 화목연소장치는 그 자체로 난로로 사용될 수 있으며, 이 때에는 별도의 추가적인 안전장치, 편의장치, 단열처리 등이 필요할 수 있다.

2. 화목연소장치를 이용한 보일러 장치의 설명

위에서 설명한 화목연소장치를 이용하여, 화목연소장치에 물집을 씌워서 온수 보일러 장치를 구성할 수 있다.

도 3a-3b에서 보는 것처럼, 수직연소로, 상부연도, 하강연도 주위에 그리고 연소로 및 하부연도의 일부에도 물집이 형성되어 있고, 물집은 일점쇄선의 영역에 해당한다. 도면에서 도시되지는 아니하였지만, 이러한 물집은 그 주위를 보온재로 감싸는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 장치의 외기에 노출된 부분, 특히 연소로 주변은 단열재로 단열처리 함으로써 연소 효율을 높이고, 장작을 연료로 사용할 경우 연소가 시작되면 통풍조절판(8)을 닫고 단열시키는 것이 바람직하다.

한편, 물집은 1차 열교환 부분 및 2차 열교환 부분으로 나눌 수 있고, 이들 사이에 연결되는 물의 순환 통로(20)를 형성할 수 있고, 이에 의해 물은 1차 열교환 부분 및 2차 열교환 부분 사이에서 이동 가능하다.

도 3a에서 보는 것처럼, 차가운 물은 입구(30)를 통해 유입되고, 화목연소장치를 작동시킴에 의해 가열되어 온수로 되어, 출구(40)를 통해 온수가 유출될 수 있다. 냉수의 입구는 가장 온도가 낮은 연도의 마지막 부분에서 유입되고, 온도차에 따른 물의 대류 현상에 의해 온도가 높은 연도의 부분으로 대류하고 그 과정에서 계속 가열되어 온수로 출구(40)를 통해 유출되는 자연순환 방식으로 물이 유출되게 된다. 이때 전열면의 온도는 연료가 연소되는 연소로가 가장 높고 이후 배출부까지 순차적으로 낮아지며, 물은 이와 반대 방향으로 흐르게 되어 냉수가 입수되는 입구의 온도를 낮춰서 열을 많이 회수하고, 온수는 연소로 부분 또는 상부연도 상부에서 출수됨으로써 상대적으로 연소로의 온도를 높게 유지하여 연소효율을 높일 수 있다.

또한, 강제순환식 보일러에서는 도 4에서 도시된 것과 같은 방식으로 통로를 형성하여 2차(고차) 열교환 부분에서 1차(저차) 열교환 부분으로 순환수가 순환하게 하는 구성도 이용될 수 있고, 도 5에서와 같이 연도면과 나란하게 순환통로를 형성할 수도 있다.

한편, 본 발명의 보일러에서, 열변환 효율을 높이기 위해 전열면의 양쪽 또는 한쪽 면의 전부 또는 일부에 방열판을 부착할 수 있고, 화목보일러는 가동과 정지가 용이하지 않으므로 별도의 축열조의 설치가 필요할 수 있다.

3. 화목연소장치를 이용한 온풍기 장치의 설명

도 5에서 도시된 것과 같이 화목연소장치에서 연소로에서 하부연도에 이르는 연도 전체를 케이스로 둘러싸서 열교환실을 만들고 칸막이 등을 이용해 1차 열교환 부분 및 2차 열교환 부분 등으로 나누고, 칸막이와 연도가 만나는 부분에 공기의 유동로를 만들고, 하부연도 부분에 통풍 공기의 입구를, 연소로 부분에 출구를 설치하여 송풍기로 공기를 유동시켜 따뜻한 공기를 만드는 온풍기가 이루어질 수 있다.

온풍기는 보일러를 만들기 위한 물집 대신 공기가 소통하는 케이스를 이용하여 화목연소장치의 열에 의한 공기의 가열에 의해 만들어질 수 있다. 이 때, 전열면의 양쪽 또는 한쪽 면의 전부 또는 일부에 방열판을 부착하여 열변환 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 상기 예시된 도면 및 상기 예시된 화목보일러장치 및 이를 이용한 온풍기, 보일러의 실시예에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 청구 범위 및 목적의 범주 내에서 다양하게 변형 실시할 수 있다.

Claims (3)

1. 연료투입구(1); 연소로(2); 연통과 연결되는 배출구(7); 수직연소로(3); 상부연도(4); 하강연도(5); 및 하부연도(6)를 포함하는 화목연소장치로서,
   상기 연료투입구(1)는 상부가 개방된 수직의 중공형 관이고, 하부는 상기 연소로(2)와 연결되며,
   상기 연소로(2)는 상기 연료투입구(1)와 상기 수직연소로(3)를 연결시키는, 수평으로 연장된 중공형 관이고,
   상기 수직연소로(3)의 높이는 상기 연료투입구의 높이보다 높게 상기 연소로(2)로부터 수직으로 연장된 중공형 관이며,
   상기 상부연도(4)는 상기 수직연소로(3)와 상기 하강연도(5)를 연결시키는, 수평으로 연장된 중공형 관이고,
   상기 하강연도(5)는 상기 상부연도(4)로부터 상기 하부연도(6)를 연결시키는, 수직으로 연장된 중공형 관이며,
   상기 하부연도(6)는 상기 하강연도(5)와 상기 배출구(7)를 연결시키는, 수평으로 연장된 관인,
   화목연소장치.
   
2. 제 1 항에 따른 화목연소장치에서 연소로에서 하부연도에 이르는 연도 전체를 물집으로 둘러싸고,
   하부연도 주위에 물의 입구를 설치하며, 연소로 주위 또는 상부연도의 상부에 물의 출구를 설치하고,
   상기 입구로부터 출구까지 물을 순환시킴으로써 온수를 제공하는,
   온수 보일러.
   
3. 제 1 항에 따른 화목연소장치에서 연소로에서 하부연도에 이르는 연도 전체를 케이스로 둘러싸서 열교환실을 만들고,
   상기 하부연도 주위에 통풍 공기의 입구를 설치하고, 연소로 주위에 통풍 공기의 출구를 설치하며, 송풍기로 공기를 유동시켜 따뜻한 공기를 만드는, 온풍기.
   

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