KR20130044273A - 회돌이 형상의 탈착식 연도가 형성된 나무보일러 - Google Patents

Abstract

탈착식 연도구획판(20)에 의해 외측연도와 내측연도로 연도공간(12)을 구획시키는 나무보일러가 개시된다. 본 발명은 연도에 부착되어 제거하기 어려운 연소잔류물이 많이 발생되는 나무보일러에 있어서, 배기저항이 극소화되는 회돌이형 배기흐름을 갖는 연도형상을 구현하면서도 연도청소를 위한 분해조립 또한 쉽도록 설계한 분해조립형 연도 구조에 관한 것으로서 연소가스는 연도구획판(20)에 의해 구획된 외측연도(13)를 거쳐 몸체 전면으로 이동하고 이어서 입구가 몸체 전면에 위치한 내측연도(14)로 유입되며, 이후 다시 몸체 후면으로 이동하면서 배기관(41)으로 유입되어 최종 배출된다.
본 발명에 의하면 연도 청소시에 연도구획판을 들어내는 것으로 청소 가능한 연도 공간이 일체형으로 크게 확장되어 외측연도의 안쪽 표면과 내측연도의 상부 표면 청소가 극히 쉽게 이루어질 수 있다. 또한 간단하면서도 효율적으로 구획된 회돌이형 연도는 종래의 지그재그형 ㄹ 자 연도에 비해 유동흐름이 반대로 꺾이는 부분이 없어 사각직선형 연도임에도 불구하고 높은 배기효율이 발생되며, 이는 결과적으로 원활한 연소를 돕게 되므로 나무연료의 한계를 극복하고 연소실내 유효온도와 열효율을 높여주는 효과가 있다.

Description

회돌이 형상의 탈착식 연도가 형성된 나무보일러{Firewood boiler that has a swirling duct assembly}

본 발명은 연도에 부착되어 제거하기 어려운 연소잔류물이 많이 발생되는 나무보일러에 있어서, 배기저항이 극소화되는 회돌이형 배기흐름을 갖는 연도형상을 구현하면서도 연도청소를 위한 분해조립 또한 쉽도록 설계한 혁신적 구조의 나무보일러 연도 구조에 관한 것이다.

나무 또는 그에 준하는 천연 땔감은 부피가 크고 단위 중량당 발생열량이 작기 때문에 석유나 가스와 비교하여 열효율이 떨어진다. 따라서 연소실의 부피를 크게 만들어 한번에 많은 나무연료를 집어넣고 태워야 할 필요가 있다.

또한 연료의 소량 연속공급이 어렵고 연소된 잔류물(찌꺼기)의 회수가 어렵기 때문에 연소실 개폐용 도어는 입구가 가능한 커야 하며 또한 개폐와 잠금이 편리하고 쉬워야 한다. 물론 연소실 내부구조와 도어 입구의 구조는 송진과 같이 내부표면에 단단하게 굳어 들러붙은 연소 찌꺼기를 쉽게 긁어낼 수 있도록 단순한 형태가 되어야 한다.

한편, 나무보일러는 연료비절감을 위해 사용되는 경우가 대부분이어서 제품가격 또한 경제성 있게 책정되어야 한다. 이는 곧 전체 설계구조에 걸쳐서 주요 부품을 구성하는 강판의 절단, 판금, 조립, 용접이 쉽고 간단할 수 있도록 단순한 평면 사각의 직선형 형상을 최우선으로 고려하여 설계되어야 함을 뜻한다.

(1) 한국공개특허 10-2004-0064856 다목적 보일러 (2) 한국등록실용신안 20-0393657 열통기실이 구성된 나무 보일러 (3) 한국등록특허 10-0728397 화목보일러 (4) 한국등록특허 10-1161048 나무보일러

나무보일러의 연료로 사용되는 다종 다양한 나무(마른 나무 또는 젖은 나무 그리고 송진이나 수액을 다수 함유한 나무 또는 폐지)는 그 특성상 무겁고 투박하며 많은 연소찌꺼기가 연소실과 연도에 부착되게 되는데 이를 제거하기 위해서는 주기적으로 연도와 연소실 내부 벽면을 강한 힘으로 긁어서 떼어내야 한다. 따라서 연소실 벽면구조와 열 교환기의 구조, 그리고 연소가스 배기관이 복잡하고 내구성이 떨어지게끔 구성될수록 크고 투박한 나무연료의 대량 사용이 제한될 뿐 아니라 단지 청소 목적을 위해서도 보일러의 분해가 요구되므로 나무보일러 특유의 유지비용 절감취지가 오히려 퇴색된다.

소개한 선행기술 문헌(1)~(4)에 도시된 보일러의 연도구조를 살펴보면, 한정된 보일러 몸체에서 가능한 많은 배기열을 흡수하기 위해 연도를 ㄹ 자 또는 거꾸로 된 ㄹ 자 모양으로 배치하고 그 주위로 난방온수가 채워진 워터재킷이 둘러싸도록 구성하고 있다.

즉 종래의 나무보일러는 주어진 보일러몸체의 부피 내에서 연도의 길이를 가능한 한 길게 만드는 데에 초점을 맞추고 있으며, 제작비용과 청소의 용이함을 고려하여 단순한 사각직선형 단면형상으로 된 연도를 수평에 가까운 각도로 배치하고 연도청소도구를 삽입할 수 있는 보조도어를 추가 장착하고 있다.

그러나 문헌(1)~(4)와 같이 연도를 ㄹ 자 또는 역 ㄹ 자 모양으로 배치할 경우에 간과할 수 없는 중요한 문제점이 있는데 그것은 바로 배기유동의 흐름이 지그재그 형태로 꺾여야 하므로 배기저항이 상당히 커지게 된다는 점이다. 우선 연소실 후면 끝부분에서 초기에 발생되는 배기가스의 흐름은 단순한 직선유동이 아니라 연소실 상단면을 타고 돌아나오는 회돌이형 와류인데 이로 인해 모서리를 타고 한번 꺾인 배기 유동은 꺾인 방향 그대로 일종의 폐쇄형 루프를 이루면서 돌아나가는 것이 저항이 줄어든다. 그러나 통상의 ㄹ 자형 연도는 최초의 회돌이 흐름이 연소실 전면 끝부분에 이르러 다시 정 반대 방향으로 꺾여야만 하므로 이 같은 지그재그형 유동 과정에서 배기가스의 저항이 심해져서 정체가 일어나는 것이며 이는 곧 연소잔류물의 연도내 퇴적, 그리고 연소실의 연소효율저하로 이어진다.

배기저항을 줄이고 원활한 회돌이 흐름을 유도하기 위해 나선형으로 (즉 한 방향으로만) 꼬인 연도를 구성하는 방법을 생각해 볼 수 있다. 그러나 통상적인 방법으로 ㅁ 자 회돌이형 연도를 구성한다면 이제는 연도내부 청소도구가 닿지 않는 사각지대가 늘어나게 되어 연도 청소용 도어를 많이 만들어야 하며 전체적으로 연도의 구조가 매우 복잡해지게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 종합적으로 해결한 것으로서 원활한 배기흐름을 위해 ㅁ 자형 회돌이 연도를 구성하면서도 간단히 분해가 가능하여 연도의 청소가 아주 쉬운 나무보일러를 구현하는 것이 그 목적이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 연소실(11) 상부에 커다란 부피의 연도공간(12)을 설정하였으며 상기 연도공간(12) 내부에는, 그 단면이 ㅁ 자형, 또는 일부 구간에서 윗부분과 양 옆이 뚫린 절개된 ㅁ 자형의 단면을 갖는 연도구획판(20)을 설치하되 이것이 연도공간(12)의 내측벽 또는 연소실(11)의 상부 에 안착되도록 하였다.

상기 연도구획판(20)으로 인해 연도공간(12)은 외측연도와 내측연도로 구획되는데 이 중, 외측연도(13)에는 연소실에서 직접 배출된 연소가스가 유입되고 내측연도(14)에는 외측연도를 따라 흐르던 연소가스가 회돌이 치며 유입될 수 있도록 하였다.

다시 말해서 보일러 몸체를 기준으로 하여 몸체 후면에 위치한 연소실(11)의 출구로부터 배출, 상승하는 연소가스는 외측연도(13)를 거쳐 몸체 전면으로 이동하고 이어서 입구가 몸체 전면에 위치한 내측연도(14)로 유입되며, 이후 다시 몸체 후면으로 이동하면서 배기관(41)으로 유입되어 최종 배출된다.

이 과정에서 연도구획판(20)에는 난방온수가 직접적으로 닿지 않으므로 내측연도과 난방온수의 열교환 면적이 줄어드는 단점이 생기나, 이는 연소가스의 온도가 더 높은 외측연도와 난방온수 간의 열교환 면적이 충분히 큰 장점으로 인해 상쇄된다.

또한, 연도구획판을 탈착식으로 설계하였으므로 연도 청소시에 보조도어(21)를 통해 중간부재인 연도구획판을 들어내면 내외측 연도 공간이 일체형으로 크게 확장되어 외측연도의 안쪽 표면과 내측연도의 상부 표면 청소가 극히 쉽게 이루어질 수 있다.

물론 밖으로 들어낸 연도구획판은 내외부 표면을 쉽고 깨끗하게 긁어낼 수 있으므로 결과적으로 내외측 연도의 전체표면에 대한 청소가 용이함은 물론 주기적인 보일러 전체의 구조안전 점검 및 보수까지 매우 쉬워지게 된다.

본 발명의 탈착식 연도구획판에 의해 간단하고 효율적으로 구획되면서 유기적으로 형상화된 회돌이형 연도는 종래의 지그재그형 ㄹ 자 연도에 비해 유동흐름이 반대로 꺾이는 부분이 없어 사각직선형 연도임에도 불구하고 높은 배기효율이 발생되며, 이는 결과적으로 원활한 연소를 돕게 되므로 나무연료의 한계를 극복하고 연소실내 유효온도와 열효율을 높여주는 효과가 있다.

추가로 본 발명에서 연도구획판의 탈착가능한 설계는 연도청소와 보일러 정비, 보수에 편리할 뿐 아니라 가장 많은 연소잔류물이 퇴적되는 몸체 뒤쪽의 연소실 출구 쪽 청소가 좀더 용이하도록 도와주는 추가적인 효과가 있다.

도 1a,b는 본 발명이 적용된 나무보일러의 연도구획판 장착 및 탈거상태 사시도
도 2는 본 발명이 적용된 나무보일러의 연도 구조 단면도
도 3 ~ 도 4는 본 발명이 적용된 나무보일러의 연도 구조 사시도 및 투시도
도 5는 본 발명이 적용된 나무보일러의 3면도
도 6은 본 발명이 적용된 나무보일러의 도어 열림 상태 사시도
도 6은 본 발명이 적용된 나무보일러의 도어부 분해사시도

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 기술적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래의 실시예에서 특정 전문용어로 표현되는 구성요소들과 그 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다.

먼저 본 발명의 도 1, 도 4~7을 바탕으로 본 발명이 적용될 수 있는 나무보일러 실시예의 전체적인 구조를 설명한다.

보일러의 몸체(10) 후면에는 배기관(41)이 설치되며, 몸체내부 하단에는 연소실(11)이 형성되는 것은 통상의 나무보일러와 동일하다.

본 발명에서는 몸체 내부 상단이자, 연소실 상부 공간에 연도공간(12)이 형성되는데 연도공간 내부에는, 연도공간(12)을 외측연도(13)와 내측연도(14)로 구획하는 연도구획판(20)이 설치된다.

또한 몸체(10)에 장착되는 여닫이 방식의 도어(30)는 아래의 구성을 포함한다.

먼저 연소가스를 밀폐하는 핵심부재인 내화로프(31)는 도어(30)의 내측 모서리면에 4각 둘레로 배치 고정되며, 도어(30)가 닫혔을 때 브래킷(32) 보다 더 돌출되어, 몸체(10)의 전면에 밀착된다.

내화로프는 각진 모서리를 갖는 각형로프(스퀘어로프) 형상이며, 보통은 내화도 800~1400? 세라믹섬유 또는 유리섬유를 이용하여 두께 3~50mm의 각형으로 치밀하게 직조되어, 고온 고압에 견디는 내열용 패킹이나 내열용 충전물에 적합하다.

내화로프를 둘러싸서 조이는 브래킷(32)은, 그 자체로 도어(30)의 외측 모서리면을 이룰 수 있으며(물론 필요에 따라 추가 부재가 브래킷 외부에 형성될 수는 있다.), 서로 분리 가능한 두 개의 꺾어진 ㄱ 자형 부품으로 구성되어, 브래킷조임나사(34)에 의해 각 브래킷 간에 서로 조여지면서 상기 내화로프(31)를 고정하도록 구성된다.

요철형상으로 굴곡진 판스프링(33)은 도어(30)의 내측면과 상기 내화로프(31)간의 지지면, 또는 상기 브래킷(32)과 상기 내화로프(31)간의 지지면 사이에 삽입된다.

수냉식 파이프(40)는 나무보일러의 몸체(10)에 장착되며 상기 도어(30)의 상단 모서리면 위쪽으로 인접하게 배치되어 부착되며, 몸체(10)에 내장된 워터재킷의 물을 통과시키도록 구성된다.

이때 도어의 사용에 불편함을 주지 않으면서 도어의 온도를 효과적으로 낮추기 위해 지름이 상기 도어(30)의 두께보다 같거나 작은 원형 파이프 형태로 형성되어 도어보다 더 튀어나오지 않도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명의 핵심이 되는 연도공간(12)과 연도구획판(20)의 구조에 대해 설명한다.

도 1 ~ 도 4에 도시된 나무보일러의 몸체 내부 상단이자, 연소실 상부 공간에 형성된 연도공간(12)과, 상기 연도공간 내부에 설치되어 연도공간(12)을 외측연도(13)와 내측연도(14)로 구획하는 연도구획판(20)의 구성을 바탕으로 설명한다.

먼저 연도구획판(20)은 부착 또는 탈거 가능하도록 설치되는 부품으로서, 도면상으로는 보조도어(21)와 일체형으로 구성되어 보조도어를 분리하여 연도공간 내부에서 꺼낼 수 있다.

물론 보조도어(21)가 연도구획판(20)의 필수불가결한 일부분임을 의미하는 것은 아니며 필요에 따라 적절히 일체형 또는 2부품 결합형으로 구성할 수 있을 것이다. 또한 연도공간(12) 내부로 연도구획판이 탈거 또는 안착되기 위해서는 연도구획판(20)의 최대폭은 보조도어(21) 또는 보조도어 입구의 테두리, 즉 몸체 상부의 연도청소용 입구의 폭보다는 작게 설정되어야 한다.

이때 연도구획판(20)의 형상을 살펴보면 단면이 ㅁ 자형 또는 일부 구간에서 윗부분과 양 옆이 뚫린 절개된 ㅁ 자형 단면을 갖고 있다. 여기서 일부 구간의 절개된 단면이라 함은 연도구획판(20)이 보조도어(21)와 연결된 구간까지 ㅁ 자형으로 폐쇄된 단면이 되지 않도록 하는 것을 의미하며 외측연도(13)의 배기가스가 내측연도(14), 즉 연도구획판(20) 내부로 유입되어야 하므로 당연한 구성이 된다. 절개되지 않는 부분은 도면에서와 같이 아래쪽 면이 되는 것이 가장 효율적임은 잘 알 수 있다.

연도구획판은 보조도어를 통해 몸체(10)에 내부로 삽입되되, 이때 연도구획판의 사각형 끝 테두리는 배기관(41)이 결합되는 몸체(10) 후면 쪽에 꼭 맞게 끼워지도록 설치되는 것이 좋다.

한편 연소실 상단의 수평 워터재킷판은 내측연도 구간에 워터재킷판이 삽입되지 않는 것을 고려하여 다른 부위의 워터재킷판 두께보다 2배 가량 두꺼운 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이럴 경우 종래의 나무보일러 워터재킷과 비교하여 몸체 내에 저장되는 난방용수의 용량은 차이가 없게 된다.

또한 연도구획판 중 그 하면은 구체적으로 상기 연도공간(12)의 내측벽 또는 상기 연소실(11)의 상부(보다 상세하게는 연소실 상부에 수평 배치된 워터재킷의 상부표면)에 안착되며 위와 같이 함으로써 연도구획판의 입구 부분은 보조도어의 바로 뒤쪽, 즉 연도공간(12)의 앞쪽에 형성되며 연도구획판의 출구 부분은 배기관(41)과 바로 연결되면서 연소실의 배기가스는 오직 연도구획판의 입구쪽으로만 유입될 수 있다.

위와 같은 구성으로 안착 고정된 연도구획판(20)에 의해 연도공간(12)은 외측연도(13)와 내측연도(14)로 구획될 수 있는데, 구체적으로 살펴보면 외측연도(13)는 상기 연도구획판(20)에 의해 내측연도(14)보다 위쪽으로 배치되며 연소가스는 연소실(11)의 출구로부터 내측연도(14)의 입구를 거쳐 배기관(41)으로 흐르면서 회돌이 형태의 유동을 형성한다.

상기 회돌이 형태의 유동을 좀 더 구체적으로 살펴보면 연소실 출구쪽에서 상부로 올라오는 쪽은 가운데에 연도구획판에 의한 장애물이 있는 것을 제외하면 거의 전 구간에서 부드러운 3차원 형상의 회돌이 또는 소용돌이 유동을 형성한다.

외측연도(13)는 초기에 2갈래로 유입부를 갖고 이후 점차 낮고 넓어지는 연도구획판의 형상에 의해 유동저항이 극소화 되는 연도형상을 갖는다.

또한 연도구획판 안쪽공간인 내측연도(14)는, 입구쪽 단면형상이 누운 직사각형이며 출구쪽 단면형상은 세운 직사각형으로서 전체적으로 균일한 관로단면적을 갖도록 형성된다. 결과적으로 간단하고 청소하기 쉬운 사각관체형 구성요소인 연도구획판(20) 하나로 인해 청소의 용이함과 유동의 효율성이 동시에 확보된다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되지 않는다.

다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 발명이 내포하고 있는 기술사상을 활용하여 필요에 따라 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례를 구현할 수도 있겠으나, 그 또한 이하의 청구범위로 표현되는 본 발명 기술사상의 범위에 자명하게 포함된다.

본 발명의 보일러 연도구조는 적절한 설계변경을 거칠 때 단순한 직사각형 연도로 설계된 나무, 석탄 보일러에만 적용됨을 넘어서 대규모의 덕트 설비에 있어서 유동저항을 개선하고 유지보수가 용이한 분리형 덕트 구조로 이용될 수 있다.

10: 몸체
11: 연소실
12: 연도공간
13: 외측연도
14: 내측연도
20: 연도구획판
21: 보조도어
30: 도어
31: 내화로프
32: 브래킷
33: 판스프링
34: 브래킷 조임나사
35: 도어 고정핸들
40: 수냉식파이프
41: 배기관

Claims (5)

1. 몸체(10)와;
   상기 몸체(10)의 후면에 설치되는 배기관(41)과;
   상기 몸체(10) 내부 하단에 형성되는 연소실(11)과;
   상기 몸체(10) 내부 상단이며 상기 연소실(11) 상부에 형성되는 연도공간(12); 및
   상기 연도공간(12) 내부에 설치되어 상기 연도공간(12)을 외측연도(13)와 내측연도(14)로 구획하는 연도구획판(20);을 포함하여 구성되는 나무보일러.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외측연도(13)는 상기 연도구획판(20)에 의해 상기 내측연도(14) 보다 위쪽으로 배치되며, 연소가스는 상기 연소실(11)의 출구로부터 상기 내측연도(14)의 입구를 거쳐 상기 배기관(41)으로 흐르면서 회돌이 형태의 유동을 형성하는 것을 특징으로 하는 나무보일러.
3. 제2항에 있어서 상기 연도구획판(20)은,
   상기 연도공간(12)의 내측벽 또는 상기 연소실(11)의 상부에 안착되어 부착 또는 탈거 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 나무보일러.
4. 제3항에 있어서 상기 연도구획판(20)은,
   단면이 ㅁ 자형 또는 일부 구간에서 윗부분과 양 옆이 뚫린 절개된 ㅁ 자형 단면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나무보일러.
5. 제4항에 있어서 상기 내측연도(14)는,
   입구쪽 단면이 누운 직사각형이며, 출구쪽 단면은 세운 직사각형으로 형성되어 균일한 관로단면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나무보일러.

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