KR20130052912A - 콘덴싱 보일러용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이싱내에서 열교환수의 유로가 나선상으로 복수회 권회되어 배열되고 단면이 오벌(oval) 형상을 갖고 연소부에서 방출되는 열과 연소가스에 의해 난방수를 가열하도록 된 콘덴싱 보일러용 열교환기에 관한 것으로, 결합시 형성되는 난방수용 유로가 그 단면이 오벌(oval) 형상으로서 나선형으로 복수회 권회되고 원주 방향으로 마루부분과 골부분이 일정 간격 반복되게 웨이브가 형성되도록 하는 형상을 갖고, 연소부가 배치될 수 있게 원형 홀(7)이 형성된 적어도 2개의 판부재(10, 11)를 결합하여 이루어진 열교환판조립체(12)와; 복수 쌍의 상기 열교환판조립체(12)들 각각의 유로들이 직렬로 되게 연결되고, 연소가스가 통과하고 복사열이 방사되게 서로 이격되게 배치된 복수개의 열교환유닛(15,16,17,18)을 포함하여 구성됨으로써, 유로 단면이 오벌 형태로 된 열교환기를 매우 간편하게 제조할 수 있어 생산성이 향상되고 제조비용을 절감할 수 있고, 열교환판조립체의 판부재에 형성된 웨이브 형상, 특히 사선방향의 웨이브를 갖도록 하여 전열 면적이 증대되고 열교환수의 체류시간을 연장하여 열교환 효율을 향상시키며 연소부로 부터 상하의 열교환판조립체들 사이를 통해 연소가스의 유동시 손실되는 복사열을 최소화하여 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

콘덴싱 보일러용 열교환기{A HEAT EXCHANGER FOR CONDENSING BOILERS}

본 발명은 콘덴싱 보일러의 열교환기에 관한 것으로, 특히 전열면적의 증가 및 복사효율을 향상시키도록 열교환부의 열교환수관을 오벌(oval) 형태로 웨이브 형상을 갖는 유로를 구현한 열교환수관용 판재들을 결합하여 구성한 콘덴싱 보일러용 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 시중에 유통되고 있는 가스보일러는 크게 일반형 보일러와 콘덴싱 보일러의 2가지 종류로 나뉘어 판매되고 있는데, 상기 콘덴싱 보일러는 예를들어 도 1에 도시된 본원 출원인의 실용신안등록 제20-0280095호(2002.06.17 등록)의 "콘덴싱 보일러의 열교환기"에서 개시된 바와같이 몸체를 이루는 케이싱의 내부공간을 현열 열교환공간과 잠열 열교환공간으로 구분되고, 잠열 열교환공간에 배치되어 난방수를 예열하기 위한 잠열 열교환파이프와, 현열 열교환공간에 배치되며 버너에 의해 직접 가열되는 현열 열교환파이프를 구비하여 보일러의 배기가스 중에 포함된 수증기의 응축잠열을 회수하여 열효율을 높인 방식의 보일러이다.

다른 콘덴싱 보일러의 열교환기 구조에 대한 예로는 특허등록 제10-0813807호(2008.03.07)에 개시된 콘덴싱 보일러의 열교환기 구조에서는, 열교환기 내부로 형성되는 열교환파이프 구성을 버너부의 중심방향을 향하도록 일정한 경사각을 갖도록 형성하여 균일한 열분포에 따른 열효율 향상 및 응축수의 드레인을 촉진시킬 수 있도록 되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 열교환기는 도 1에 도시된 바와같이 단면이 오벌 형태의 파이프(100)를 나선형으로 복수회 감아 구성되는데, 예를들어 상부에는 5회 감긴 형상이되는 반면 하부는 4회 감긴 형상으로 되어 현열 열교환기와 열교환후 2차로 잠열열교환기와 열교환시 상부의 5가닥 권회된 부분은 하부에 저온의 가스가 잠열열교환기를 통과하게 되어 열전달 효율이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 종래 열교환기는 나선상으로 열교환파이프를 권회시킨 구성으로 열교환파이프들 사이가 개방되어 복수열의 손실이 발생되고 연소가스와의 열교환 효율이 낮은 문제가 있으며, 이를 극복하기 위해 권선 수를 증가시키게 되면 보일러 자체의 부피가 커지고 파이프 고정이 어려운 문제가 있었고, 다수의 파이프를 사용함에 따라 난방수 유로를 형성하기 위해 연결부가 많아 제조하기 어려운 문제가 있었고, 종래의 열교환기에서는 귀환되는 난방수가 잠열교환기와 현열교환기로 분리되어 유입되어 열교환됨에 따라 열교환 효율이 낮은 문제가 있었다. 또한, 종래 파이프로 된 열교환기에서는 나선형 파이프를 통해 유동하는 난방수에 의한 추력이 발생되어 제품 고정에 어려움이 있었다.

실용신안등록 제20-0280095호(2002.06.17 등록) 특허등록 제10-0813807호(2008.03.07 등록)

본 발명의 목적은 상술한 종래 콘덴싱 보일러에서 오벌 형태의 파이프로 제조되는 열교환기에 따른 문제점을 해결하기 위하여 열교환수관용 판재들을 결합하여 결합된 상태의 단면이 오벌 형태로 되고 웨이브 형상을 갖는 판재들을 결합하여 구성된 콘덴싱 보일러용 열교환기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 콘덴싱 보일러용 열교환기는, 케이싱내에서 열교환수의 유로가 나선상으로 복수회 권회되어 배열되고 단면이 오벌(oval) 형상을 갖고 연소부에서 방출되는 열과 연소가스에 의해 난방수를 가열하도록 된 콘덴싱 보일러용 열교환기에 있어서, 결합시 형성되는 난방수용 유로가 그 단면이 오벌(oval) 형상으로서 나선형으로 복수회 권회되고 원주 방향으로 마루부분과 골부분이 일정 간격 반복되게 웨이브가 형성되도록 하는 형상을 갖고, 연소부가 배치될 수 있게 원형 홀이 형성된 적어도 2개의 판부재를 결합하여 이루어진 열교환판조립체와; 복수 쌍의 상기 열교환판조립체들 각각의 유로들이 직렬로 되게 연결되고, 연소가스가 통과하도록 서로 이격되게 배치되어 틈새가 형성된 복수개의 열교환유닛을 포함하는 것을 특징으로 하여 구성된다.

상기 열교환유닛들중에서 외측의 하나의 열교환유닛은 잠열열교환부이고 나머지 열교환유닛들은 현열 열교환부이며, 상기 나머지 열교환유닛들중에서 잠열열교환부에 인접한 열교환유닛에서 잠열 열교환부에 인접한 열교환판조립체는 중앙부에 홀이 형성되지 않고 난방수용 유로가 나선형으로 형성되어 잠열 열교환부와 현열 열교환부를 차단하는 차단판 기능을 하도록 된 반면, 다른 열교환유닛들에는 버너 배치를 위해 중앙에 홀이 형성된다.

상기 웨이브는 원형 홀의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부 방향으로 경사지게 형성되거나, 상기 원형 홀의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 외경부에서 내경부 방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 연소부에서 방사되는 복사열이 인접 배열된 열교환판조립체들 사이의 틈새를 통해 손실되지 않도록 상기 열교환판조립체에 형성되는 웨이브는 연소부가 배치되는 원형 홀의 중심에서 반경방향 외측으로 직선상으로 볼 때 외관상 개방된 틈새가 없게 인접한 마루부분과 골부분의 단부를 포함한 적어도 일부분이 중첩되게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 열교환교환유닛들이 미세한 연소가스 통로용의 틈새를 두고 이격된 상태로 적층되는 구조로 이루어지되, 차례로 90도 각도로 회전된 위치로 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 인접한 열교환기유닛들의 대향된 판부재에 형성된 유로용 웨이브의 경사가 반대로 배치되어 인접한 열교환기유닛들 사이에 연소가스 유동통로로서의 틈새 공간이 마름모 형상으로 되어 그 틈새를 통해 유동하는 연소가스에서 난류 현상이 더욱 발생되도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 콘덴싱 보일러의 열교환기는 결합시 유로의 단면이 오벌 형태를 갖는 형상을 갖도록 판부재를 성형하여 판부재들을 결합하여 유로 단면이 오벌 형태로 된 열교환기를 제조할 수 있고, 요구되는 용량에 따라 열교환판조립체의 수와 이들 열교환판조립체들로 이루어지는 열교환유닛의 수를 증감하여 결합함으로써어 생산성이 향상되고 제조비용을 절감할 수 있고, 열교환판에 웨이브 형상, 특히 사선방향의 웨이브를 갖도록 하여 전열 면적이 증대되고 열교환수의 체류시간을 연장하여 열교환 효율을 향상시키며 연소부로 부터 상하의 열교환판조립체들 사이를 통해 연소가스의 유동시 손실되는 복사열을 최소화하여 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 콘덴싱 보일러의 나선형 파이프로 된 열교환기의 개략적인 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 콘덴싱 보일러용 열교환기의 개략적인 분해사시도.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 평면도.
도 4는 본 발명에 의한 열교환기를 구성하는 판부재들의 분해사시도.
도 5는 도 1의 열교환기의 부분 단면도.

이하에서는 본 발명의 콘덴싱 보일러용 열교환기의 실시예를 도시한 도면을 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 열교환기의 분해사시도는 결합시 난방수용 유로가 형성되게 형상화된 판부재들을 용접하여 조립된 열교환기(1)가 케이스(2) 속에 배치되고, 그 상측 또는 일측부에는 고정부재(3)에 의해 지지되는 연소부로서 버너(4)가 상기 열교환기(1)의 내측 공간으로 연장되어 배치되고, 반대쪽에는 연소가스 배출구가 설치되는 지지판(5)에 의해 밀폐되어 있다.

상기 열교환기(1)는 도 3에 도시된 분해사시도와 도 4에 도시된 평면도에 도시된 바와같이, 두개의 판부재들을 결합할 때 그 내측에 형성되는 유로가 단면이 오벌(oval) 형상으로서 나선형으로 복수회 권회되고 원주 방향으로 마루부분과 골부분이 일정 간격 반복되게 웨이브가 형성된 형상을 갖고 내측에는 버너를 배치할 수 있도록 원형 홀(7)이 형성된 판부재(10,11)들의 외측 단부들을 시임 용접으로 접합하여 일체로 구성된다.

도면에 도시된 실시예에서는 2개의 판부재(10, 11)들을 그 외측 단부들을 시임용접하여 결합함으로써 상기 판부재들 사이에 하나의 유로가 형성된 열교환판조립체(12)를 이루고, 이러한 구성의 열교환판조립체(12) 3쌍을 결합하여 열교환유닛을 형성하며, 상기 열교환조립체들 사이는 이격되어 연소가스가 내측에서 반경방향 외측으로 유동할 수 있도록 된다. 도 1과 2에 도시된 실시예에서는 열교환기가 4개의 열교환유닛(15,16,17,18)들을 직렬로 연결하여 구성되는 것으로 도시되어 있다.

상기 열교환유닛들중에서 열교환유닛(15)은 잠열열교환부이고 열교환유닛(16,17,18)들은 현열 열교환부이다. 상기 열교환유닛(15,16,18)의 중앙부에는 홀(7)이 형성된 반면, 상기 버너의 단부 외측에 배치되는 열교환유닛(16)에서 잠열열교환부에 가장 인접한 열교환판조립체의 중앙부에 홀이 형성되지 않고 난방수용 유로가 나선형으로 형성되어 차단판 기능을 하게 된다. 종래 열교환기에서는 현열 열교환부와 잠열 열교환부가 세라믹재료와 같은 단열재의 차단판에 의해 분리된 구조로 된 반면에, 본 발명의 열교환기에서는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 4개의 현열 및 잠열 열교환기로서의 열교환교환유닛(15,16,17,18)들 4개가 직렬로 연결되고, 열교환유닛(16)은 잠열열교환부에 인접한 열교환판조립체 중앙부에 형성된 유로를 통해 난방수가 유동하여 잠열 열교환부와 현열 열교환부를 차단하는 기능을 함과 더불어 그 내부 유로를 유동하는 난방수와 열교환이 이루어져 열교환 효율이 향상된다.

도 2의 분해 사시도에 개략적으로 도시된 바와같이, 예를들어 난방시설에서 방열되어 냉각된 상태의 상대적으로 저온인 난방수는 잠열열교환기로서의 제 1 열교환유닛(15)로 난방수 인입구(19)를 통해 공급되며, 이로써 응축수가 최대한 흡수된다. 상기 제1 열교환유닛의 유로를 통해 순환된 난방수는 현열 열교환부로서 제 2 열교환유닛(16)와, 제 3 열교환유닛(17) 및 제 4 열교환유닛(18)의 유로를 차례로 순환한 다음 난방수 출구를 통해 배출된다.

도면에 도시된 실시예의 열교환기에서는 3개의 열교환판조립체(12)들로 열교환유닛을 이루는 것으로 되고, 4개의 열교환유닛으로 구성되어 있으나 요구되는 용량에 따라 열교환판조립체 및 열교환유닛의 수를 증감시키는 구조변경이 용이하다.

상기 열교환판조립체의 판부재는 도 3에 도시된 바와같이 만곡된 형상에 의해 결합시 버너가 배치되는 원형 홀의 중심에서 반경방향으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부를 향하여 웨이브가 경사지게 하고, 이때 마루부분(21)과 골부분(22)이 가상의 중심에서 18°의 각도상의 피치를 갖도록 하고, 상기 마루부분의 내측단과 인접한 골부분의 외측단이 9°만큼 중첩되도록 하는 경우 상기 웨이브는 약 63°, 정확하게는 62.96°로 경사지게 형성되는 것으로 나타났다.

이와 같이 웨이브를 62.96°로 경사지게 형성한 열교환판조립체의 판부재의 경우 연소가스가 유동하는 거리가 종래 열교환수파이프가 단순히 오벌 형상의 갖는 경우에서 보다 68%의 증대되는 것으로 나타났고, 동일한 방식으로 웨이브를 39°로 경사지게 한 경우에는 연소가스가 유동하는 거리가 20.7% 증대되는 것으로 나타났다.

또한, 상기한 4개의 열교환교환유닛(15,16,17,18)들이 미세한 연소가스 통로용의 틈새를 두고 이격된 상태로 적층되는 구조로 이루어지되, 도 2에서 볼 수 있듯이 90도 각도로 회전된 위치로 배치됨으로써, 종래의 도 1과 같은 파이프 구조의 열교환기와 비교하여 상하의 열유동 평형이 달성되고, 열전달효율이 향상되고 열교환유닛들의 연결 구조가 단순화된다.

이때, 인접한 열교환기유닛들의 대향된 판부재에 형성된 유로용 웨이브의 경사가 같은 방향으로 되는 경우에 고온의 연소가스 통로로 일정한 틈새로 유지되는 반면, 유로용 웨이브의 경사가 반대로 배치되는 경우에 인접한 열교환기유닛들의 대향된 판부재들의 웨이브 형상에 의해 연소가스 유동 통로로서의 공간이 마름모 형상으로 되어 그 공간을 유동하는 연소가스의 난류 현상이 더욱 증진되어 열전달 효과가 더욱 개선된다. 그러나 열교환기유닛 내부의 난방수 유동통로는 상기한 열교환기유닛의 배치 각도와 관계없이 일정한 단면적으로 유지되어 난방수는 국부 과열에 의한 비등이 발생되지 않게 된다.

상기 각각의 열교환유닛(15,16,17,18)은 하나의 열교환유닛의 단면 형상을 도시한 도 5에 단면도로 부터 확인할 수 있듯이 유로(25)가 골부분과 마루부분을 갖는 웨이브진 형상으로 됨과 동시에 단면이 오벌 형상으로 되어 웨이브지지 않은 동일 권회수를 갖는 통상의 열교환수 파이프와 비교하여 열교환수가 열교환되는 전열면적이 증대되어 열교환 효율이 향상된다.

또한, 열교환판조립체의 판부재에 형성되는 유로를 위해 만곡된 형상의 웨이브를 경사지게 형성함에 따라 열교환판조립체들 사이를 통과하는 연소가스의 유동거리가 증대됨으로써 결과적으로 연소가스가 열교환판조립체와 접촉하면서 열교환이 이루어지는 전열면적이 증대된다.

각각의 열교환유닛을 구성하는 3개의 열교환판조립체(12)들 사이는 연소가스 유동 통로용의 틈새(26)를 형성하도록 이격되어 있고, 그 틈새는, 종래의 열교환기에서 상하로 인접되게 나선형으로 배열된 열교환수파이프들에서 통상 1.1mm의 틈새 간격을 갖도록 이격되어 설치하는 것과 같은 간격을 갖도록 형성하는 것이 바람직하며, 이로써 버너에 의해 가열된 공기 또는 연소가스가 상기 틈새를 통해 유동하면서 인접한 열교환판조립체들속의 유로를 유동하는 열교환수와 열교환이 이루어져 열교환수를 가열시킴과 함께, 본 발명에 따라 열교환수파이프에 웨이브를 형성함으로써 연소가스의 유동거리를 증대시켜 열교환 효율이 향상된다.

또한, 웨이브들의 마루부분과 골부분이 각도상으로 중첩되게, 즉 열교환판조립체에서 인접하여 형성되는 웨이브들에서 마루부분의 단부와 인접한 골부분의 단부를 포함한 적어도 일부분이 버너가 배치되는 원형홀의 중심에서 볼 때 중복되고 열교환판조립체들의 판부재들의 단면들이 상하로 만곡된 구조로 인하여 인접한 열교환판조립체들 사이의 틈새 공간 역시 굴곡진 형태로 형성되어 버너가 배치되는 가상의 중심에서 반경방향 외측으로 직선상으로 볼 때 외관상 개방된 틈새가 없게 되고, 따라서 연소부에서 방사된 복사열이 손실없이 열교환파이프에 전달되어 열교환 효율이 향상된다.

본 발명에 따른 열교환판조립체에 웨이브를 형성하여 연소가스의 유동거리의 증대로 실질적인 전열면적의 증대 효과를 갖게 되고, 나아가 상기 웨이브를 경사지게 형성하되 인접한 웨이브들에서 인접한 골부분과 마루부분의 단부들을 포함하여 적어도 일부분이 중첩되는 구조로 형성함으로써 연소부에 의한 열복사 효율의 증대 효과를 얻게 되어 궁극적으로 에너지 효율이 개선된다.

또한, 종래 열교환기의 열교환 효율 개선을 위해 단면이 오벌 형태의 파이프로 열교환기를 제조하는 것과 비교하여, 본 발명에 따라 열교환 판부재들에 결합시 단면이 오벌 형태를 갖는 형상을 갖도록 형성하여 판부재들을 결합하여 열교환기를 제조할 수 있어 생산성이 향상되고 제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명은 보일러의 열교환기에 채용되는 열교환기로서 종래 오벌 파이프로 제조하던 것을 판부재에 결합시 단면이 오벌 형태의 유로를 갖도록 성형하여 결합함으로써 종래 오벌 형태의 단면을 갖는 파이프에 의한 열교환기의 제조에 간편하게 적용할 수 있고, 열교환기의 전열면적을 증대시키고, 연소부에서 발생된 복사열에 의한 열복사 효과를 증대시켜 보일러의 에너지 효율을 증대시키도록 사용할 수 있다.

1 : 열교환기 2 : 케이스
4 : 버너 5 : 지지판
7 : 원형 홀 10, 11 : 판부재
12 : 열교환판조립체 15,16,17,18 : 열교환유닛
21 : 마루부분 22 : 골부분
25 : 유로 26 : 유로

Claims (7)

1. 케이싱내에서 열교환수의 유로가 나선상으로 복수회 권회되어 배열되고 단면이 오벌(oval) 형상을 갖고 연소부에서 방출되는 열과 연소가스에 의해 난방수를 가열하도록 된 콘덴싱 보일러용 열교환기에 있어서,
   결합시 형성되는 난방수용 유로(25)가 그 단면이 오벌(oval) 형상으로서 나선형으로 복수회 권회되고 원주 방향으로 마루부분과 골부분이 일정 간격 반복되게 웨이브가 형성되도록 하는 형상을 갖고, 연소부가 배치될 수 있게 원형 홀(7)이 형성된 적어도 2개의 판부재(10, 11)를 결합하여 이루어진 열교환판조립체(12)와;
   복수 쌍의 상기 열교환판조립체(12)들 각각의 유로(25)들이 직렬로 되게 연결되고, 연소가스가 통과하도록 서로 이격되게 배치되어 틈새(26)가 형성된 복수개의 열교환유닛(15,16,17,18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열교환유닛들중에서 열교환유닛(15)은 잠열열교환부이고 열교환유닛(16,17,18)들은 현열 열교환부이며, 열교환유닛(15,16,18)의 중앙부에는 홀(7)이 형성된 반면, 상기 버너의 단부 외측에 배치되는 열교환유닛(16)에서 잠열 열교환부에 인접한 열교환판조립체는 그 중앙부에 홀이 형성되지 않고 난방수용 유로가 나선형으로 형성되어 잠열 열교환부와 현열 열교환부를 차단하는 차단판 기능을 하도록 된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 웨이브는 상기 원형 홀(7)의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 내경부에서 외경부 방향으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 웨이브는 상기 원형 홀(7)의 중심에서 반경방향 외측으로 연장된 선에서 외경부에서 내경부 방향으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
5. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소부에서 방사되는 복사열이 인접 배열된 열교환판조립체(12)들 사이의 틈새를 통해 손실되지 않도록 상기 열교환판조립체(10)에 형성되는 웨이브는 연소부가 배치되는 원형 홀(7)의 중심에서 반경방향 외측으로 직선상으로 볼 때 외관상 개방된 틈새가 없게 인접한 마루부분(21)과 골부분(22)의 단부를 포함한 적어도 일부분이 중첩되게 형성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
6. 제 5항에 있어서, 상기 열교환교환유닛(15,16,17,18)들이 미세한 연소가스 통로용의 틈새를 두고 이격된 상태로 적층되는 구조로 이루어지되, 차례로 90도 각도로 회전된 위치로 배치된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
7. 제 5항에 있어서, 인접한 열교환기유닛들의 대향된 판부재에 형성된 유로용 웨이브의 경사가 반대로 배치되어 인접한 열교환기유닛들 사이에 연소가스 유동통로로서의 틈새 공간이 마름모 형상으로 되어 그 틈새를 통해 유동하는 연소가스에서 난류 현상이 더욱 발생되도록 구성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러용 열교환기.
   

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