KR20130065629A - 산소센서를 가진 물가열 시스템 - Google Patents

산소센서를 가진 물가열 시스템 Download PDF

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제랄드 에이. 피오리티
하칸 브존스
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에어코 인터내셔날 인코포레이티드
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Abstract

물가열시스템과 방법은, 보일러, 연소실, 상기 연소실내부에 수용된 버너를 포함한다. 가스를 상기 연소실로 공급하기 위해 상기 연소실과 유동기능을 가지며 연결된 도관을 포함하고, 상기 버너에 의해 가스가 연소되어 연소생성물이 발생된다. 산소센서가 상기 연소생성물속의 산소량을 감지하기 위해 상기 연소실내에 배열되고 상기 연소실과 연결된다. 상기 산소센서는 상기 연소생성물속의 산소량을 나타내는 데이터를 출력한다. 상기 물가열시스템을 피드백제어하기 위한 제어유닛을 포함하고, 상기 제어유닛은 산소센서로부터 데이터를 수신하며, 상기 연소실내에서 가스의 연소가 적어도 상기 데이터를 기초하여 제어유닛에 의해 제어될 수 있다. 상기 연소실과 연결된 열교환기 시스템을 포함하여 상기 연소생성물에 의해 상기 열교환기시스템내부의 물을 가열하며, 연소생성물을 상기 열교환기시스템으로부터 벗어나 유동하도록 상기 열교환기시스템과 연결된 적어도 한 개의 연도를 포함한다.

Description

산소센서를 가진 물가열 시스템{WATER HEATING SYSTEM WITH OXYGEN SENSOR}
본 출원은, "산소센서를 가진 물가열 시스템"의 제목으로 2011년 8월 18일에 출원된 미국 부분 출원 제 61/525,044 호의 우선권을 주장하며 전체 내용을 참고한다.
본 공개내용은 일반적으로, 물가열 시스템 및 물가열시스템을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
주거용 및 상업용 건물내에서, 물을 가열하기 위한 물가열시스템이 필요하다. 그러나, 물가열 시스템은 복잡하고 비효율적이다. 공지된 가열시스템은, 물가열 시스템을 향상시키기 위해 물가열 시스템의 특성치(characteristics)들을 감시한다. 상기 특성치들은, 상기 시스템으로 유입하는 가스의 속도(rate)를 감시하는 과정, 물을 가열할 때 소비되는 에너지 량을 감시하는 과정 등을 포함할 수 있다. 상기 가열시스템들은, 가열시스템의 변수들을 변화시켜 시스템의 출력을 최적화하기 위해 상기 정보를 이용할 수 있다.
가열시스템을 최적화하기 위해 도움이 될 수 있는 한 가지 특성치는, 가열시스템내부의 연소생성물 중 산소량이다. 일부 가열시스템은, 비분산 적외선(Non-Dispersive Infrared, NDIR) 센서를 이용하여 연소생성물의 산소량을 감시할 수 있다. 상기 NDIR 센서들은, 종종 가스분석에 이용되는 분광(spectroscopic)장치이다. 그러나, 상기 NDIR 센서들은 고가이며 약 30,000 달러를 요구한다. 불행하게도, 공지된 가열시스템은, 연소생성물의 산소량을 효과적이고 합리적인 비용으로 감시할 수 없다.
더욱 효율적인 물가열시스템 및 물가열시스템을 작동시키는 방법에 관한 요구가 산업계에 존재한다.
공개된 본 발명의 실시예에 의하면, 물가열시스템은, 연소실, 상기 연소실내부에 수용된 버너를 포함한 보일러를 포함한다. 적어도 한 개의 도관이, 가스를 상기 연소실로 공급하기 위해 상기 연소실과 유동기능을 가지며 연결된다. 상기 버너에 의해 가스가 연소되어 연소생성물이 발생된다. 상기 연소생성물속의 산소량을 감지하기 위해 산소센서가 상기 연소실내에 배열되고 상기 연소실과 연결된다. 상기 산소센서는 상기 연소생성물속의 산소량을 나타내는 데이터를 출력한다. 제어유닛이 상기 물가열시스템을 피드백제어하고, 상기 제어유닛은 산소센서로부터 데이터를 수신하며, 상기 연소실내에서 가스의 연소가 적어도 상기 데이터를 기초하여 제어유닛에 의해 제어될 수 있다. 상기 연소생성물에 의해 상기 열교환기시스템내부의 물을 가열하기 위해, 열교환기 시스템이 상기 연소실과 연결된다. 연소생성물을 상기 열교환기시스템으로부터 벗어나 유동하도록 적어도 한 개의 연도가 상기 열교환기시스템과 연결된다.
공개된 본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 물가열시스템을 제어하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은, 보일러의 연소실과 유동기능을 가지며 연결된 적어도 한 개의 도관을 통해 가스를 공급하는 단계, 상기 연소실내에 배열된 버너에 의해 가스를 연소시키는 단계를 포함한다. 상기 연소실과 연결되고 상기 연소실내에서 상기 버너와 근접하게 배열된 산소센서에 의해 상기 연소생성물의 산소량을 감지된다. 상기 연소생성물의 산소량을 나타내는 데이터가 상기 물가열시스템의 제어유닛으로 출력된다. 적어도 산소센서로부터 구해진 데이터에 응답하여 상기 물가열시스템이 피드백제어된다. 연소생성물이 상기 연소실로부터 상기 연소실에 연결된 열교환기 시스템으로 향한다. 열교환기 시스템내부의 연소생성물에 의해 열교환기시스템내부의 물이 가열된다. 상기 연소생성물은 상기 열교환기 시스템으로부터 연도를 통과하도록 향한다.
본 명세서에서 설명한 특징들은 하기 도면들을 참고하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면들이, 반드시 실제 크기일 필요는 없으며, 대신에 본 발명의 원리를 강조하여 설명한다. 여러 도면들에서 동일 부호들은 동일한 부품들을 나타내기 위해 이용된다.
도 1은, 공개된 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템을 도시한 사시도.
도 2는, 본 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템의 상측 반부분을 개략 도시한 사시도.
도 3은, 본 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템의 연소실 내부를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템의 상측부를 도시한 사시도.
도 5는, 본 발명의 실시예를 따르는 원통형 단화염 저 질화산화물(short flame low nitrogen oxide)(NOx) 메쉬 버너(mesh burner)를 도시한 사시도.
도 6은, 본 발명의 실시예를 따르는 투시 윈도우(view window)를 통해 연소실 내부를 본 사시도.
도 7은, 본 발명의 실시예를 따르는 도 5의 메쉬버너를 도시한 내부 사시도.
도 8은, 본 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템의 상측부를 도시한 사시도.
도 9는, 본 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템의 상측부를 도시한 사시도.
도 10은, 본 발명의 실시예를 따르고 연소실내부로부터 적어도 한 개의 도관내부를 도시하는 도면.
도 11은, 본 발명의 실시예를 따르고 슬리브내부에 위치한 산소센서를 도시한 사시도.
도 12는, 본 발명의 실시예를 따르는 물가열시스템을 도시한 사시도.
도 13은, 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 물가열시스템을 도시한 사시도.
도 1은, 물가열시스템(100)의 실시예를 도시한다. 상기 물가열시스템은, 상기 물가열시스템(100)의 피드백 제어(feedback control)를 위한 제어유닛(101)을 포함한다. 상기 제어유닛(101)은 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 상기 제어유닛은 상기 물가열시스템내부의 모든 부품들의 조정(coordination) 및 작동을 제어할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 제어유닛은, 물가열시스템을 최적화하기 위하여 산소제어를 포함한 비례- 적분- 미분(PID)제어를 이용한다. 공개된 발명은 또한 다른 적합한 제어시스템들을 포함한다.
도 2를 참고할 때, 상기 물가열시스템(100)은, 상기 물가열시스템(100)에 의해 제어될 수 있고 콘덴싱 보일러(condensing boiler)와 같은 보일러(200)를 포함하지만 콘덴싱보일러에 한정되지 않는다. 상기 보일러(200)는, 수직 원통형, 수평원통형 및 직사각형을 포함한 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 2는 수직 원통형 보일러의 예를 도시한다. 상기 보일러들은 예를 들어, 약 50,000 내지 6.2백만 BTU/hr의 다양한 출력을 가진 보일러일 수 있다. 또한 예를 들어, 상기 보일러들은, 20:1 내지 15:1의 턴다운(turndown) 비율을 가질 수 있지만 상기 비율로 한정되지 않는다. 20:1의 턴다운비율은, 보일러가 최대출력의 5%내지 100%(예를 들어, 1/20)에서 작동할 수 있는 것을 나타내고, 15:1의 턴다운비율은 최대출력의 6.7% 내지 100%에서 작동할 수 있는 것을 나타낸다. 보일러(200)는 주철(cast iron), 주조용 알루미늄(cast aluminum), 및 스테인레스강을 포함한 복수의 적합한 재료를 포함하지만 상기 재료로 한정되지 않는다. 수직 원통형 보일러의 한가지 예는, 뉴욕주 블로벨트에 소재하는 아에코 인터내셔날 사에 의해 제조되는 벤치마크(BENCHMARK®) 보일러이다. 보일러의 또 다른 예들이 미국특허 제 5,881,681호, 제 6,435,862호, 제 4,852,524호, 제 4,519,422호, 제 4,346,759호 및 제 4,305,547호에서 찾을 수 있고 본 출원에서 제시된다.
상기 보일러(200)는, 도 3에 도시된 연소실(400)을 포함한 복수 개의 부품들을 가진다. 연소실(400)은, (도 2의) 제 1 판(402), 제 1 판과 떨어져 위치한 제 2 판(404) 및 상기 제 1 판(402)을 제 2 판(404)과 연결시키는 적어도 한 개의 측벽(406)을 포함한다. 제 2 판(404)은 도 3에 도시된 튜브시트(tube sheet)를 포함한다. 추가로 상부판(412)이 도 4에 도시된 것처럼 연소실(400)에 대해 외측에서 제 1 판(402)위에 배열될 수 있다. 상기 상부판(412) 및 제 1 판(402)은, 연소실과 유체교환(fluid communication)을 위해 서로 다른 장치들을 상기 보일러에 연결시키기 위한 복수 개의 요홈들을 형성할 수 있고 본 출원에서 추가로 설명된다. 상기 장치들은 상기 요홈속으로 삽입되어 밀봉될 수 있다.
상기 연소실(400)은, 원통형 및 직사각형을 포함한 다양한 형상을 가지지만 원통형 및 직사각형으로 국한되지 않는다. 연소실이 원통형으로 형성될 때 상기 연소실은 제 1 판(402) 및 제 2 판(404)에 연결된 곡선의 측벽(406)을 가진다. 연소실이 직사각형으로 형성될 때, 연소실은 상기 제 1 판 및 제 2 판에 연결된 네 개의 측벽들을 가진다.
상기 연소실(400)은, 탄소강, 스테인레스 강 또는 비금속 내화재료를 포함한 복수 개의 적합한 재료들을 포함하지만 이들 재료들로 국한되지 않는다. 상기 상부판(412)은 예를 들어, 탄소강 또는 스테인레스 강을 포함할 수 있다.
보일러(200)는 상기 연소실(400)을 수용하는 외부하우징(430)과 물재킷(420)을 추가로 포함한다. 상기 물재킷(420)은, 도 3에 도시된 것처럼, 상기 외부하우징(430)과 연소실(400)사이에 배열되고, 보일러의 냉각 또는 보충 수(make up water)의 가열 및, 냉각과 가열기능을 제공할 수 있다.
상기 연소실(400)은 가스를 수용하고 가스의 연소작용을 견디도록 설계된다. 상기 가스는 복수 개의 적합한 가스들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가스는 공기 및 압축천연가스(CNG)의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 압축천연가스의 화학적 조성은 변화하고 다수의 적합한 조성이 고려된다. 실시예에서, 상기 압축천연가스는, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄(pentane), 질소(N2) 및 이산화탄소(CO2)를 포함한다.
상기 연소실(400)로 유입되는 가스는 공기와 예비혼합될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 가스와 공기는, 도 12 및 도 13에 도시된 것처럼, 별도로 연소실에 유입된다. 공기와 가스를 각각 공급하기 위해, 예를 들어, 공기도관과 가스도관이 별도로 연소실에 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 공기도관 및 가스도관은 혼합실로 유입되고 다음에 연소실로 함께 유입될 수 있다.
(도 1의) 제어유닛(101)은, 연소과정을 위해 원하는 정도의 산소를 유지하기 위하여 공기 대 가스(air- to- gas) 비율을 감시할 수 있다. 공기 대 가스 혼합 비율을 제어하기 위해 복수개의 장치들 및 방법들이 이용될 수 있다. 한 가지 예에서, 공기와 가스가 상기 연소실(400)내부로 유입되도록 공기 밸브, 공기/가스 밸브 및/또는 가스 밸브가 추가로 제공될 수 있다. 상기 제어유닛(101)은 상기 공기대 가스 비율을 제어하기 위해 각각의 밸브들을 제어할 수 있다. 한 가지 실시예에서 상기 제어유닛(101)은 하기 설명과 같이, 산소센서로부터 구해진 데이터를 기초하여 각 밸브들을 제어할 수 있다.
공칭 공기-대- 가스 비율 16.43
수소 대 탄소 비율(H:C) 3.896
산소 대 탄소 비율(O:C) 0.0216
질소 대 탄소 비율(N:C) 0.0238
상기 공기 대 가스 비율은 원하는 용도에 따라 변경될 수 있다. 표 1은 한 가지 실시예를 도시한다.
상기 보일러(200)는, 상기 가스를 상기 연소실로 공급하기 위해 도 4에 도시된 것처럼, 상기 연소실(400)과 유동기능을 가지며 연결(fluidly coupled)된 적어도 한 개의 도관(500)을 추가로 포함한다. 상기 도관(500)은, 상기 연소실(400)의 제 1 판(402) 및/또는 상부판(412)내에 형성된 요홈을 통해 상기 연소실과 연결될 수 있다.
상기 보일러는, 상기 가스를 상기 적어도 한 개의 도관(500)내부로 불어주는 송풍기장치(600)를 추가로 포함한다. 상기 송풍기장치(600)는 가변속도 송풍기 또는 정속 송풍기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 송풍기장치(600)는 상기 연소실로 유입되는 가스의 조성백분율(percentage of composition)을 변화시킬 수 있다. 상기 송풍기장치(600)는 상기 제어유닛(101)( 도 1)에 의해 제어하고 감시할 수 있다. 상기 송풍기장치(600)는 상기 제어유닛으로 출력을 송수신할 수 있다. (도면에 도시되지 않은) 또 다른 실시예에서, 상기 송풍기장치는 개별적으로 송풍기장치 드라이버(driver)에 의해 제어될 수 있다. 상기 송풍기장치는, 가스를 연소실을 통해 도관으로부터 멀어지게 추가로 가압하는 고압을 상기 연소실의 관련 상부에 형성할 수 있다.
연소실로 유입되는 가스를 용이하게 연소시키기 위해 상기 연소실(400)내부에 버너(burner)(700)가 추가로 제공된다. 상기 버너(700)는 여러 가지의 적합한 형상을 가질 수 있다. 실시예에서, 상기 버너(700)는, 도 5에 도시된 것처럼, 원통형 단화염 저 질소산화물(NOx) 메쉬 버너(short flame low nitrogen oxide mesh burner)를 포함한다. 상기 버너(700)는 상기 연소실(400)내부에서 제 1 판(402)의 내부에 연결될 수 있다. 도 6은, 투시윈도우(W)를 통해 상기 연소실(400)의 내부를 도시하는 사시도이다. 제 1 판(402)에 연결된 원통형 단화염 저 질소산화물(NOx) 메쉬 버너(700)가 도 6에 추가로 도시된다. 공개된 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 버너는 평평한 버너(flat burner)를 포함한 다른 형상을 포함하지만 평평한 버너로 국한되지 않는다.
원통형 메쉬 버너를 가진 실시예에서, 상기 버너(700)는 관형 구조를 가지고, 작동하는 동안 화염은 버너의 외부에 위치한다. 상기 버너의 외측부는 도 6에서 투시윈도우를 통해 도시된다. 상기 버너(700)는 도 7에 도시된 것처럼 버너의 측벽들을 따라 복수개의 구멍(701)들을 형성할 수 있다. 상기 실시예에서 저어도 한 개의 도관(500)(도 4)은 가스를 상기 버너의 내부로 공급한다. 상기 가스는 상기 복수개의 구멍(701)들을 통과하거나 버너의 하부를 통해 버너로부터 유출한다. 일단 상기 가스가 복수 개의 구멍들 또는 버너의 하부를 통해 유출하면, 상기 가스는 버너의 화염과 상호작용하고 연소하여 연소생성물을 발생시킨다. 저 질소산화물(NOx) 메쉬 버너를 이용한 가스연소는, 상기 버너 외부에 대해 짧은 거리에서 완료된다.
상기 버너는, 1.5백만 BTU/hr 보일러에 대해 약 2000℉ 내지 2600℉(1093℃ 내지 1427℃)의 온도를 유지할 수 있다. 상기 제어유닛은 버너의 온도 및 화염의 크기를 제어할 수 있다.
상기 버너는 스테인레스 강, 세라믹 및 금속간 재료(intermetallic materials)를 포함한 복수의 적합한 재료를 포함할 수 있지만 상기 재료들로 국한되지 않는다.
추가로 화염막대(flame rod)(711)는, 도 6에 도시된 것처럼, 버너와 근접하게 제공된다. 상기 화염막대(711)는, 화염이 감지되거나 감지되지 않을 때 반영 데이터(reflective data)를 상기 제어유닛으로 전송하는 안전장치로서 작동할 수 있다.
물가열시스템은 상기 연소실과 연결된 산소센서(800)(도 2)를 추가로 포함한다. 무엇보다도, 상기 산소센서는 연소생성물의 산소량을 감지할 수 있다. 상기 산소센서는 데이터를 전송하고 수신할 수 있다. 따라서, 상기 산소센서는 가스연소시 산소량을 다른 장치로 출력할 수 있다. 상기 제어유닛(101)은, 산소량을 포함한 데이터를 상기 산소센서로부터 직접 수신할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 산소센서는 상기 산소센서와 연결된 (도면에 도시되지 않은) 센서 제어기와 연결(communicate)된다. 한가지 예에서, 상기 센서 제어기는 상기 산소센서의 몸체내에 일체구성된 주문형 집적회로(ASIC)일 수 있다. 상기 센서제어기는 상기 제어유닛(101)과 직접 연결된다. 적합한 산소센서의 예는, 보쉬 엘에스유 4.9(Bosch®LSU 4.9)와이드밴드 센서지만 보쉬 엘에스유 4.9 와이드밴드 센서로 국한되지 않는다. 상기 특정 산소센서는 연소실내부의 산소량을 약 0.80초내에 감지할 수 있다. 즉, 산소센서(800)의 반응시간은 약 0.80초이다. 센서제어기의 예는, 보쉬 램다트로닉 1.5 이씨유(Bosch®Lamdatronic 1.5 ECU) 모듈을 포함하지만 보쉬 램다트로닉 1.5 이씨유 모듈로 국한되지 않는다.
상기 산소센서(800)의 반응시간이 매우 빠르기 때문에, 제어유닛(101)은 상기 산소센서로부터 데이터를 이용하여 상기 물가열시스템을 제어하고 추가로 물가열시스템을 최적화할 수 있다. 상기 제어유닛은, 가스의 연소 및 연소 거동과 관련한 원하는 산소 레벨(level)에 관해 미리 정해진 값들에 의해 프로그램될 수 있다. 연소생성물의 산소 레벨이 물가열시스템에 대해 적정한 지를 결정하기 위해 상기 제어유닛은, 산소센서로부터 구해진 데이터를 미리 정해진 목표값들과 비교할 수 있다. 미리 정해진 목표값과 비교하여 산소센서로부터 구해진 데이터가 허용범위밖에 있다면, 상기 제어유닛은 연소생성물내에 더욱 적합한 산소 레벨을 형성하기 위해 물가열시스템의 제어(control)를 변경할 수 있다. 또한, 상기 제어유닛은, 상기 물가열시스템을 추가로 최적화하기 위해 상기 물가열시스템의 다른 감시시스템들로부터 구해진 데이터, 예를 들어, 연소생성물에 의해 가열되는 물의 온도를 이용할 수 있지만, 상기 물의 온도로 국한되지 않는다.
한 실시예에서, 상기 제어유닛(101)은 산소센서에 의해 구해진 데이터를 기초하여, 가스연소시 산소 레벨을 변경하기 위해 상기 송풍기 장치(600)가 연소실로 가스를 가압하는 비율을 제어할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어유닛은 산소센서에 의해 구해진 데이터를 기초하여, 연소생성물의 산소 레벨을 변경하기 위해 가스의 조성 또는 공기 대 가스 비율을 제어할 수 있다. 산소센서의 데이터를 기초하여 제어유닛은 추가로, 송풍기장치를 제어하여 가스가 상기 연소실로 유입되는 비율을 변화시켜서 공기 대 가스 비율을 미세하게 조정(tune)할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 제어유닛은 연소생성물의 산소레벨을 변경하기 위해 버너의 화염을 제어할 수 있다. 상기 제어유닛은, 연소생성물의 산소 레벨을 제어하기 위하여 물가열시스템내부의 복수 개의 다른 변수들을 추가로 조정할 수 있다.
산소센서는, 도 2, 도 12 및 도 13에 제공된 것처럼, 제 1 판(402), 상부판(412) 및 측벽(406)상의 위치를 포함한 복수 개의 적합한 위치들에서 연소실내부에 배열될 수 있지만 상기 위치들로 국한되지 않는다. 한 실시예에서, 산소센서는 연소실의 제 1 판과 상부판내에서 공축을 이루는 요홈(403,413)들을 통과하도록 배열된다. 상기 실시예에서 산소센서(800)는 상부판(412)상에 장착되고, 도 8에 도시된 것처럼 제 1 판의 요홈(403)내에 위치한다. 상기 산소센서(800)의 단부는, 연소실내에서 연소 가스의 순환에 의해 요홈(413)내부의 가스연소에 노출된다. 상기 산소센서의 단부는 제 1 판(402)의 외부면과 동일높이에 배열될 수 있다. 따라서, 상기 산소센서의 단부는 제 1 판내부에 경미하게 들어가 위치(ressessed)하고, 산소센서의 단부는 제 1 판내부에서 요홈에 의해 보호될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 산소센서의 단부는 도 13에 제공된 것처럼, 제 1 판의 외부표면을 지나 연장된다. 상기 실시예에서, 산소센서는 가스의 연소경로(path of combustion)내에서 방해물이 되고 도 9에 도시된 것처럼 운동하는 연소 가스와 직접 접촉한다. 또한, 상기 실시예에서, 산소센서는 제 1 판의 요홈내에 직접 배열되고 도 9에 도시된 것처럼 제 1 판위에 직접 장착된다.
도 10은, 적어도 한 개의 도관(500)내부를 투시하는 연소실내부로 본 도면이다. 도 8 및 도 9에 도시된 산소센서(800)들의 단부들이 도 10에 도시된다. 또 다른 실시예에서, 산소센서는, 도 2의 위치들(X,Y)들에 도시된 것처럼, 연소실의 측벽상에 요홈을 통과하여 배열된다.
산소센서는 또한, 도 2 및 도 11에 도시된 것처럼 연소실내부로 삽입될 수 있는 슬리브(802)내에 배열될 수 있다. 상기 슬리브는 또한, 연소실내부에서 산소센서를 보호한다.
상기 실시예들에서, 산소센서는 버너와 근접하게 배열된다. 가스는, 버너의 화염에서 연소되고, 산소센서는 버너와 근접한 위치에서 정확한 판독값을 구할 수 있다.
상기 산소센서는, 연소실내에서 산소 레벨을 정확하게 감지하기 위하여 복수 개의 구조를 포함할 수 있다. 상기 산소센서는, 지르코니아(zirconia), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 전기화학적( 갈바닉(Galvanic)), 적외선, 초음파, 화학적 셀(chemical cell) 및/또는 레이저 센터(laser- centered) 센서들을 포함할 수 있다. 보쉬 엘에스유 4.9(Bosch®LSU 4.9) 와이드밴드 센서를 가진 실시예에서, 상기 산소센서는 연소실내에서 가스의 연소 람다(Lambda)값과 산소함량을 측정하도록 설계된다. 상기 센서는, 일체형 히터(heater)를 가진 평면형 ZrO2 듀얼셀(duel cell) 제한 전류센서이다. 공기에 대해 X= 0.65의 범위를 가진 센서의 모노토닉(monotonic) 출력신호에 의해 센서는 다른 램더(lambda) 범위뿐만아니라 X= 1 측정값에 대해 범용 센서(universal sensor)로서 이용될 수 있다. 상기 센서는, 트리밍 저항기(trimming resister)를 포함한 커넥터 모듈과 연결된다. 상기 센서는 대략 950℉ 내지 1400℉( 510℃ 내지 760℃)의 내부온도를 가지며 더욱 정확하게 작동한다. 일반적으로, 상기 센서는 대략 800℉( 423℃)이하의 내부온도에서 산소량을 감지할 수 없다. 상기 센서는, 다양한 산소 레벨에 노출되는 산화지르코늄의 저항변화를 측정할 수 있다. 상기 센서는 약 10년의 긴 작동수명을 가질 수 있다.
상기 물가열시스템(100)은, 연소실과 연결된 열교환기 시스템(900)을 추가로 포함한다. 연소가스는 연소실로부터 유출하여 상기 열교환 시스템내부의 물을 가열하도록 제공된다. 일단 물이 미리 정해진 온도까지 가열되면, 물은 배출도관(930)을 통해 물가열시스템으로부터 유출할 수 있다. 상기 열교환 시스템은 도 12 및 도 13에 제공된 것처럼, 서로 다른 적합한 구조들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열교환 시스템은 종래기술에 공지된 파이어 튜브(fire tube) 또는 선택적으로 물 튜브를 포함할 수 있다.
상기 물가열시스템(100)은, 연소생성물을 상기 열교환 시스템으로부터 벗어나 이동시키기 위해 상기 열교환 시스템(900)과 연결된 적어도 한 개의 연도(950)를 추가로 포함한다. 상기 연도는 도 12 및 도 13에 제공된 것처럼 다양한 위치들에 배열될 수 있다.
상기 물가열시스템의 제어방법이 추가로 제공된다. 도 12의 실시예에 도시된 것처럼, 물가열시스템의 제어방법은, 보일러의 연소실과 유동기능을 가지며 연결된 적어도 한 개의 도관을 통해 가스를 공급하는 과정 및, 상기 연소실내부에 수용된 버너에 의해 가스를 연소시키는 과정을 포함한다. 연소가스내부의 산소량은, 연소실과 연결되고 연소실내에서 버너와 근접한 산소 센서에 의해 결정된다. 연소생성물속의 산소량을 나타내는 데이터가 보일러의 제어유닛으로 출력된다. 물가열시스템의 피드백 제어(feedback control)는 적어도 연소생성물의 산소량에 기초하여 제어된다. 연소생성물은, 연소실로부터 연소실과 연결된 열교환기를 향한다. 열교환기내부에서 연소생성물은 열교환기 시스템내부의 물을 가열한다. 연소생성물은, 열교환기시스템으로부터 연도를 통과하도록 향한다.
밸브위치 BTU C- 추가산소
(more O2)		 NDIR O2 CO NOx (3%)
100 1,080,000 5.3 5.28 83 22.8
95 1,060,000 5.6 5.61 69 18.7
90 982,000 6.0 6.03 52 14.5
85 882,000 6.3 6.28 43 12.6
80 793,000 6.3 6.24 39 13.0
75 724,000 6.3 6.25 36 13.2
70 667,000 6.5 6.42 30 12.2
65 605,000 6.5 6.52 27 11.1
60 549,000 6.2 6.07 31 15.0
55 487,000 6.1 5.86 30 16.8
50 418,000 6.0 5.85 14 16.8
45 353,000 6.0 5.82 21 15.9
40 301,000 6.0 5.83 17 14.1
35 211,000 7.3 7.23 10 6.8
30 129,000 6.3 6.30 8 7.3
28 105,000 7.9 7.86 8 4.2
26 76,000 10.2 10.33 207 2.0
24 67,000 10.3 10.30 516 1.9
22 64,000 10.1 10.36 208 1.8
20 59,000 9.6 9.62 49 2.1
18 55,000 9.2 9.22 29 2.3
16 47,000 4.6 4.49 21 5.6
공개된 본 발명을 따르는 물가열 시스템이, 상기 연도내에 배열된 NDIR 센서에 의해 감지된 값들과 비교하여 연소실내부에 배열된 산소센서의 정밀도를 결정하기 위해 시험되었다. 상기 시험에서, 연소실내에서 제 1 판위에 배열된 산소센서를 이용한 값들은 사실상 NDIR 센서에 의해 측정된 값들과 유사하다. 표 2는, 공개된 본 발명을 따라 연소실내부에서 산소센서의 감지값(C-추가 O2)들과 비교하여 NDIR 감지값(O2)을 표시하는 시험작업 표를 제공한다.
다수의 특정 실시예들을 참고하여 본 발명이 설명되는 동안, 본 발명의 사상이 명세서에 의해 뒷받침될 수 있는 청구범위에 의해 결정되는 것을 이해하게 된다. 또한, 본 명세서에서 설명한 다수의 경우들에서 시스템들, 장치들 및 방법들은 일정 갯수의 구성요소들을 가지는 것으로 설명되지만, 상기 시스템들, 장치들 및 방법들은 설명된 갯수의 구성요소들보다 더 적은 갯수로 구성될 수 있다. 다수의 특정 실시예들이 설명되는 동안, 각 특정 실시예들을 참고하여 설명된 특징들과 특성들은 설명되는 나머지 다른 실시예과 함께 이용될 수 있는 것을 이해하게 된다.
100....물가열시스템,
101....제어유닛,
400....연소실,
404....제 2 판
412....상부판,
403, 413....요홈,
500....도관,
700....버너,
800....산소센서,
900....열교환기,
930....배출도관,
950....연도.

Claims (17)

  1. 물가열시스템에 있어서,
    연소실, 상기 연소실내부에 수용된 버너를 포함한 보일러,
    가스를 상기 연소실로 공급하기 위해 상기 연소실과 유동기능을 가지며 연결된 적어도 한 개의 도관을 포함하고, 상기 버너에 의해 가스가 연소되어 연소생성물이 발생되며,
    상기 연소생성물속의 산소량을 감지하기 위해 상기 연소실내에 배열되고 상기 연소실과 연결되는 산소센서를 포함하고, 상기 산소센서는 상기 연소생성물속의 산소량을 나타내는 데이터를 출력하며,
    상기 물가열시스템을 피드백제어하기 위한 제어유닛을 포함하고, 상기 제어유닛은 산소센서로부터 데이터를 수신하며, 상기 연소실내에서 가스의 연소가 적어도 상기 데이터를 기초하여 제어유닛에 의해 제어될 수 있고,
    상기 연소실과 연결된 열교환기 시스템을 포함하여 상기 연소생성물에 의해 상기 열교환기시스템내부의 물을 가열하며,
    연소생성물을 상기 열교환기시스템으로부터 벗어나 유동하도록 상기 열교환기시스템과 연결된 적어도 한 개의 연도를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실은, 제 1 판, 상기 제 1 판과 떨어져 배열된 제 2 판 및 상기 제 1 판과 제 2 판을 연결하기 위한 적어도 한 개의 측벽을 포함하고 둘러싸인 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 물가열시스템은 제 1 판위에 배열된 상부판을 추가로 포함하고, 상기 상부판과 제 1 판은 요홈을 형성하며, 상기 요홈내에 산소센서가 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 판에 의해 형성된 요홈내에 상기 산소센서의 단부가 배열되고, 상기 단부가 운동하는 연소생성물로부터 떨어져 요홈속에 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 산소센서의 단부가 제 1 판을 지나 제 2 판을 향해 배열되어 상기 단부가 운동하는 연소생성물과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 산소센서가 연소실내부에서 버너와 근접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 버너는 제 1 판과 연결되고 원통형 단화염 저 질소산화물(NOx) 메쉬 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 판은, 상기 연소실과 적어도 한 개의 도관을 유동기능을 가지며 연결시키는 요홈을 가지며, 상기 가스는 적어도 한 개의 도관으로부터 상기 요홈에 의해 상기 원통형 단화염 저 질소산화물(NOx) 메쉬 버너내부로 이동하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 보일러는 상기 연소실을 수용하는 외부 하우징 및 물재킷을 포함하고, 상기 물재킷은 상기 연소실과 외부 하우징사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 보일러는 가스를 상기 연소실로 송풍하기 위한 송풍기장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 제어유닛은, 상기 산소센서로부터 구해진 데이터를 기초하여 연소실속으로 공급되는 가스의 속도(rate)를 변화시키거나 유지하기 위해 상기 송풍기 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제어유닛은 상기 산소센서로 부터 구해진 데이터를 기초하여 가스의 성분 비율을 변화시키고, 상기 가스는 성분들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제어유닛은, 상기 물가열시스템의 피드백제어를 위해 미리 정해진 값과 상기 산소센서로부터 구해진 데이터를 비교하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기시스템은 파이어 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기시스템은 물 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  16. 보일러의 연소실과 유동기능을 가지며 연결된 적어도 한 개의 도관을 통해 가스를 공급하는 단계,
    연소생성물을 발생시키기 위해 상기 연소실내에 배열된 버너에 의해 가스를 연소시키는 단계,
    상기 연소실과 연결되고 상기 연소실내에서 상기 버너와 근접하게 배열된 산소센서에 의해 상기 연소생성물의 산소량을 감지하는 단계,
    상기 연소생성물의 산소량을 나타내는 데이터를 상기 물가열시스템의 제어유닛으로 출력하는 단계,
    적어도 산소센서로부터 구해진 데이터에 응답하여 상기 물가열시스템을 피드백제어하는 단계,
    상기 연소실로부터 발생된 연소생성물을 상기 연소실에 연결된 열교환기 시스템으로 향하게 하는 단계,
    열교환기 시스템내부에서 연소생성물에 의해 물을 가열하는 단계, 및
    상기 연소생성물을 상기 열교환기 시스템으로부터 연도를 통과하도록 향하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템을 제어하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 연소생성물의 산소량을 감지하는 단계 및 연소생성물의 산소량을 나타내는 데이터를 출력하는 단계는, 1초보다 작은 시간동안 일어나는 것을 특징으로 하는 물가열시스템을 제어하기 위한 방법.
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