KR20140083626A - 복수의 잠열 열교환부를 갖는 콘덴싱 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잠열열교환기에서 연소가스와 응축수의 이동방향을 일치시킴으로써 열효율을 높일 수 있고, 응축수의 원활한 배출이 가능하며, 구조가 간단한 콘덴싱 보일러를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 이를 구현하기 위한 본 발명의 콘덴싱 보일러는, 버너와, 상기 버너에서 발생한 연소열을 흡수하는 현열 열교환기와, 상기 현열 열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기를 포함하는 콘덴싱 보일러에 있어서, 상기 잠열 열교환기는, 하나 이상의 잠열 열교환배관을 포함하는 제1 열교환부; 상기 현열 열교환기를 경유한 연소가스를 상기 제1 열교환부의 상부공간으로 유도하는 유도 덕트; 상기 제1 열교환부에서 일차적으로 잠열이 흡수된 연소가스의 잠열을 2차적으로 흡수하기 위한 하나 이상의 잠열 열교환배관을 포함하는 제2 열교환부; 상기 제1 열교환부의 상부공간에서 하부공간으로 이동한 연소가스를 상기 제2 열교환부의 상부공간으로 유도하는 연소가스 통로부; 및 상기 제1 및 제2 열교환부에서 생성된 응축수를 배출하는 응축수 배출구를 포함한다.

Description

복수의 잠열 열교환부를 갖는 콘덴싱 보일러{Condensing boiler having multiple heat exchanger for latent heat absorb}

본 발명은 복수의 잠열 열교환부를 갖는 콘덴싱 보일러에 관한 것으로, 특히 복수의 잠열 열교환부를 구비함으로써 열교환 효율을 높일 수 있는 콘덴싱 보일러에 관한 것이다.

근래에 생산되는 보일러는 열효율을 증대시키기 위해 연소실에서 발생된 연소연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환부와 현열 열교환부에서 열교환을 마친 연소가스에서 잔열 및 잠열을 흡수하는 잠열열교환부로 구성되는 열교환기를 구비하는데, 이러한 방식의 보일러를 콘덴싱 보일러라 한다.

도 1은 종래의 하향 연소식 콘덴싱 보일러의 구조를 보여주는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 하향 연소식 버너(12)에서 발생된 연소가스는 현열 열교환부(13)를 지나면서 약 200℃ 내외의 온도로 냉각되고, 다시 잠열 열교환부(14)를 거치면서 약 40~70℃ 내외로 냉각된다.

열교환부(13,14)를 경유하면서 가열된 난방수는 공급관(15)을 통해 실내에 이송되어 열에너지를 전달한 후 냉각되어 환수관(16)으로 되돌아오는데, 이때 환수관(16)으로 되돌아오는 난방수는 잠열 열교환부(14)로 유입된다. 이는 잠열열교환부(14)에서 잠열(Latent Heat)을 효율적으로 흡수할 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 현열 열교환부(13)를 지난 연소가스가 노점(Dew Point)온도 이하로 되어야 연소가스 중에 포함된 수증기(H2O)가 응축되어 잠열(Latent Heat)을 난방순환수에 전달할 수 있기 때문이다.

이러한 하향 연소식 콘덴싱 보일러에 있어서는 응축수의 중력에 의한 낙하방향(즉, 연직하방향)과 현열 및 잠열 열교환부를 통과하는 연소가스의 흐름방향이 자연스럽게 일치하게 되는데, 이는 콘덴싱 보일러의 효율 향상에 매우 중요한 요인이 된다.

즉, 잠열 열교환부를 지나면서 연소가스 내의 수증기가 응축되어 잠열을 난방순환수에 전달한 후 연소가스 온도는 크게 냉각된다. 따라서 응축수받이(17) 내부의 온도는 매우 낮게 형성되므로, 응축수로 액화된 수증기의 재 기화에 의한 열손실을 최소화할 수 있다.

콘덴싱 보일러의 효율을 극대화하기 위해서는 응축수의 낙하방향과 연소가스의 흐름 방향을 중력방향으로 일치시키는 것이 중요하기 때문에, 하향 연소가 가능한 예혼합버너를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 예혼합버너는 연소안정성이 떨어지고 매우 복잡한 연소제어를 구현하기 위하여 고가의 제어시스템이 사용되어야 하는 단점이 있다.

이와 같은 단점을 개선하기 위하여, 상향 연소 방식의 분젠버너를 사용하여 콘덴싱 보일러의 열교환기를 구성하기 위한 다양한 방법들이 제시되어 왔는데, 그러한 열교환기의 일례가 도 2에 제시되어 있다.

도 2는 종래의 상향 연소식 콘덴싱 보일러의 구조를 보여주는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 잠열열교환부(24)를 현열열교환부(23)의 상부에 경사지게 배치하고, 현열열교환부(23)를 통과한 연소가스가 응축수받이(27)의 측방을 경유한 후 잠열열교환부(24)를 통과하도록 되어 있다. 여기서 잠열열교환부(24)는 알루미늄 전조 파이프 또는 스테인리스 주름관 등이 제안되고 있다.

도 2의 경우 현열열교환부(23)의 상부에 잠열열교환부(24)를 배치함으로써 비교적 용이하게 콘덴싱 보일러를 구성할 수 있고 제품을 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 전통적인 하향 연소 방식의 콘덴싱 보일러 제품에 비하여 응축 효율이 3~5% 저하되는 문제점이 제기되어 왔다. 이러한 응축 효율의 저하는 크게 보아 다음 두 가지 원인 때문인 것으로 파악된다.

첫째, 응축수받이(27)가 현열열교환부(23)의 직상부에 위치함으로써 그 온도가 상당히 높게 가열된다. 따라서 연소가스가 잠열열교환부(24)를 통과하면서 생성된 응축수가 응축수받이(27)로 떨어진다 하더라도 가열된 응축수받이(27)로 인해 상당량의 응축수가 다시 증발한다. 그러므로 응축으로 회수된 잠열이 다시 기화열의 형태로 배출되므로 최대 응축 효율을 얻을 수 없게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 응축수받이(27)에 차열판(25) 구조를 사용하는 것이 제안되기도 하지만 제한적인 효과가 있을 뿐이다.

둘째, 응축효율을 저하시키는 보다 근본적인 요인은, 현열열교환부(23)를 통과한 상당히 고온인 습연소가스(수증기를 포함한 연소가스)가 응축수와 접촉하기 때문이다. 이러한 현상은 응축수의 낙하방향과 연소가스의 유동방향이 직교하게 됨으로써 나타나는 현상이다. 따라서 고온의 습연소가스가 접하는 부분에서는 응축이 일어나기 어렵게 됨으로써, 잠열열교환부(24)의 상당 부분은 응축 회수의 본래 역할을 제대로 수행하지 못하게 된다. 그러므로 잠열열교환부(24)의 크기가 현열열교환부(23)에 비하여 상당히 커지게 됨으로써 콘덴싱 보일러의 경제성이 떨어지는 한 원인으로 작용한다.

도 3은 일반적인 핀-튜브 방식의 열교환기를 보여주는 개략도, 도 4(a),(b),(c)는 도 3의 열교환기의 튜브를 수평방향으로 배치한 구조, 수직방향으로 배치한 구조, 단면이 원형이 튜브에 연소가스가 흐르는 상태를 각각 보여주는 도면이다.

핀-튜브(Fin-Tube) 방식의 열교환기는 열교환배관(31a,31b,31c,31d,31e)과 전열핀(32)으로 구성되고, 동(Cu) 또는 스테인레스(Stainless) 재질로 이루어져 브레이징(Brazing)에 의해 접합된다. 이러한 핀-튜브(Fin-Tube) 열교환기는 소형인 동시에 많은 전열면적을 확보할 수 있어 효율적이므로 보일러용 열교환기로서 가장 널리 사용된다.

그러나 현열열교환기에 비해 응축효과를 높이기 위해 연소가스와 열교환기 사이의 접촉길이를 길게 해야 하는 잠열열교환기에 핀-튜브 열교환기를 사용하는 경우, 연소가스의 유로방향이 도 3의 A방향과 같이 수평방향인 경우에는 연소가스의 압력손실이 지나치게 커지게 되고, 도 3의 B방향과 같이 수직방향인 경우에는 열교환효율이 저하되는 문제점이 있다.

즉, 연소가스의 유로방향이 도 3의 B방향과 같이 수직방향인 경우에는 튜브의 배치가 도 4(a)와 같이 복수의 튜브(31a,31b,31c)가 수평으로 배치되거나, 도 4(b)와 같이 복수의 튜브(31a,31b,31c,31d,31e)가 수직으로 배치된다. 도 4(a)와 같이 튜브가 배치된 경우에는 첫 번째 튜브(31a)가 그 다음 튜브(31b,31c)로 향하는 연소가스의 흐름을 방해하여 첫 번째 튜브(31a) 이후의 튜브부터는 열교환 효율이 현저하게 감소하게 된다. 또한 도 4(b)와 같이 튜브가 배치된 경우에는 첫 번째 튜브(31a)의 표면에서 생성된 응축수가 다음 튜브(31b,31c,31d,31e)의 표면에 젖게 되어 연소가스와 튜브 사이의 열교환 효율이 현저하게 감소하게 된다.

또한 튜브(31a)의 단면이 원형인 경우 도 4(c)에서와 같이 연소가스와 먼저 접촉하는 튜브(31a)의 일측(31a-1)에서는 열교환이 정상적으로 이루어지지만, 반대측(31a-2)에서는 열교환이 일어나지 않고 박리되는 박리층이 형성되어 열교환 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

이렇듯 보일러의 형식 및 열교환기의 종류에 따라서 장단점이 극명하게 나누어지기 때문에, 콘덴싱 보일러의 열효율을 높이기 위해서는 상향 콘덴싱 보일러 및 하향 콘덴싱 보일러에 모두 이용될 수 있는 근본적인 기술이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 잠열열교환기에서 연소가스와 응축수의 이동방향을 일치시킴으로써 열효율을 높일 수 있고, 응축수의 원활한 배출이 가능하며, 구조가 간단한 콘덴싱 보일러를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한 분젠버너를 사용하는 상향 연소식 보일러와 예혼합 버너를 사용하는 하향 연소식 보일러 등 보일러의 형식에 구애를 받지 않는 콘덴싱 보일러를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해서, 버너와, 상기 버너에서 발생한 연소열을 흡수하는 현열 열교환기와, 상기 현열 열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기를 포함하는 콘덴싱 보일러에 있어서, 상기 잠열 열교환기는, 하나 이상의 잠열 열교환배관을 포함하는 제1 열교환부; 상기 현열 열교환기를 경유한 연소가스를 상기 제1 열교환부의 상부공간으로 유도하는 유도 덕트; 상기 제1 열교환부에서 일차적으로 잠열이 흡수된 연소가스의 잠열을 2차적으로 흡수하기 위한 하나 이상의 잠열 열교환배관을 포함하는 제2 열교환부; 상기 제1 열교환부의 상부공간에서 하부공간으로 이동한 연소가스를 상기 제2 열교환부의 상부공간으로 유도하는 연소가스 통로부; 및 상기 제1 및 제2 열교환부에서 생성된 응축수를 배출하는 응축수 배출구를 포함한다.

상기 제1 열교환부의 상부공간과 제2 열교환부의 상부공간 사이를 차단하는 제1 에어가이드는 상기 제1 열교환부와 제2 열교환부의 상부를 덮는 하우징의 하측에서 하향 돌출되어 상기 제1 열교환부의 상단 측면에 밀착되고; 상기 제2 열교환부의 상부공간과 배기통로 사이를 차단하는 제2 에어가이드는 상기 하우징의 단부에서 하향 연장되어 상기 제2 열교환부의 상단 측면에 밀착된 것으로 구성될 수 있다.

상기 제1 열교환부와 제2 열교환부의 하부에는 응축수를 상기 응축수 배출구로 안내하는 응축수 가이드가 구비되고; 상기 응축수 가이드에는 상기 제1 열교환부의 하부공간과 제2 열교환부의 하부공간 사이를 차단하기 위한 격벽이 구비될 수 있다.

상기 응축수 가이드는 상기 제1 열교환부에서 생성된 응축수가 모이는 제1 가이드부와, 상기 제2 열교환부에서 생성된 응축수가 모이는 제2 가이드부로 이루어지며; 상기 격벽과 응축수 가이드 바닥면 사이에는 상기 제1 가이드부의 응축수를 제2 가이드부로 이동할 수 있도록 하는 응축수 이동통로가 형성될 수 있다.

상기 응축수 이동통로는 제1 가이드부의 응축수가 일정량이 고인 상태를 유지하는 워터트랩 형태로 이루어질 수 있다.

상기 제1 열교환부와 제2 열교환부의 잠열 열교환배관에는 복수의 전열핀이 일정 간격 이격되어 결합되고, 상기 전열핀의 가장자리부는 플랜지부가 형성되어, 이웃하는 전열핀의 플랜지부가 서로 맞닿아 상기 연소가스 통로부의 벽면을 형성하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 제2 열교환부의 전열핀 가장자리부에 형성된 플랜지부가 서로 결합되어 배기통로의 일측 벽면을 형성하는 것일 수 있다.

상기 잠열 열교환배관은 가로에 비해 세로가 길게 형성된 장방형으로 구성될 수 있다.

상기 버너는 하향 연소식 버너로 이루어지고; 상기 제2 열교환부의 하부에는 응축수를 외부로 배출하기 위한 응축수 배출구가 형성된 응축수 받이부가 구비되고; 상기 제1 열교환부의 하부에는 상기 제1 열교환부 하부공간과 제2 열교환부 하부공간 사이를 차단시키되 상기 제1 열교환부에서 생성된 응축수를 상기 응축수 배출구로 유도하기 위한 응축수 배출부가 형성된 응축수 가이드가 구비될 수 있다.

상기 응축수 배출부는 U자 형상으로 이루어져 상기 제1 열교환부에서 생성된 응축수가 일정량 고인 상태를 유지하는 워터트랩 형태일 수 있다.

상기 제1 및 제2 열교환부는 전열핀에 의한 핀-튜브 방식으로 이루어지고; 상기 전열핀에는 연소가스의 흐름이 난류에서 층류로 바뀌는 지점 후방에 루버가 형성된 것일 수 있다.

상기 제1 열교환부의 잠열 열교환배관 개수는 상기 제2 열교환부의 잠열 열교환배관 개수보다 많은 것일 수 있다.

상기 제2 열교환부의 잠열 열교환배관들 사이의 간격은 상기 제1 열교환부의 잠열 열교환배관 사이의 간격보다 좁게 형성되는 것일 수 있다.

난방수와 상기 연소가스는 서로 반대방향으로 흐르는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 콘덴싱 보일러의 열교환기는 상향 연소식 보일러 및 하향 연소식 보일러에 모두 적용될 수 있는 열교환기로서, 복수의 잠열 열교환부를 구비하여 잠열 흡수를 반복함으로써 열효율을 높일 수 있다.

그리고, 복수의 잠열 열교환부에서 연소가스와 응축수의 이동방향을 일치시키고, 열교환배관의 형태를 장방형으로 구현함으로써 열효율을 더욱 높일 수 있다.

또한 전열핀에 루버를 형성시킴으로써 연소가스의 난류 강도를 높일 수 있다.

또한 이웃하는 전열핀의 가장자리부에 형성된 플랜지들끼리 서로 접합시키고, 1차 열교환부의 상부 공간과 2차 열교환부의 상부 공간을 차단하는 에어 가이드를 구비함으로써 별도의 구조물 없이 1차 열교환부를 통과한 연소가스의 흐름을 2차 열교환부의 상부 공간으로 유도할 수 있어 구조가 간단해진다.

또한 1차 열교환부의 하부공간과 2차 열교환부의 하부공간 사이를 연결하는 워트트랩 형상의 응축수 이동통로를 구비함으로써 간단한 구조에 의해 1차 열교환부와 2차 열교환부의 하부공간을 서로 연통시키지 않으면서도 응축수의 이동을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 종래 기술의 하향 연소식 콘덴싱 보일러의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 종래 기술의 상향 연소식 콘덴싱 보일러의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 일반적인 핀-튜브 방식의 열교환기를 보여주는 개략도,
도 4(a),(b),(c)는 도 3의 열교환기의 튜브를 수평방향으로 배치한 구조, 수직방향으로 배치한 구조, 단면이 원형이 튜브에 연소가스가 흐르는 상태를 각각 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 의한 상향 연소식 콘덴싱 보일러의 구조를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 잠열 열교환기의 분해 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 열교환기의 전열핀의 사시도.
도 8은 본 발명에 의한 전열핀 표면에서의 난류 강도를 나타내는 도면.
도 9 및 도 10은 본 발명에 의한 응축수 가이드의 단면도.
도 11은 본 발명에 의한 상향 연소식 콘덴싱 보일러에서 난방수의 흐름과 연소가스의 흐름 방향을 보여주는 도면.
도 12는 본 발명에 의한 하향 연소식 콘덴싱 보일러의 구조를 나타내는 단면도.
도 13 및 도 14는 각각 본 발명의 실시 예에 의한 핀-튜브 형식의 열교환배관의 사시도 및 평면도.
도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 열교환배관을 나타내는 도면.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명에 의한 열교환기를 포함하는 상향 연소식 콘덴싱 보일러의 단면도이다.

도 5를 참조하여, 본 발명에 의한 상향 연소식 콘덴싱 보일러를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 의한 콘덴싱 보일러는, 공기를 공급하는 송풍기(402), 가스를 공급하는 가스공급부(406), 상기 공기와 가스의 혼합기를 연소하여 화염을 생성하는 버너(404), 상기 버너(404)에서 발생한 연소열을 흡수하는 현열 열교환기(300), 상기 현열 열교환기(300)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기(100)를 포함한다. 이때, 잠열 열교환기(100)는 순차적으로 열교환 과정을 수행하는 제1 열교환부(101) 및 제2 열교환부(102)를 포함한다.

상기 현열 열교환기(300)는 버너(404)의 상부에 배치되어서, 버너(404)에서 생성된 화염에 의한 연소열을 흡수한다. 연소열의 효율적인 흡수를 위해서 현열 열교환기(300)는 복수 개의 현열 열교환배관(310)을 포함한다. 상기 현열 열교환배관(310)들은 현열 열교환배관 전열핀(312)에 삽입결합되어 핀-튜브(Fin-Tube) 방식으로 형성된다. 상기 현열 열교환배관 전열핀(312)은 측면에 루버가 형성될 수 있다.

이러한 현열 열교환기(300)에서 배출되는 연소가스는 유도 덕트(130)에 의해서 배기경로가 안내되어서, 잠열 열교환기(100)의 제1 열교환부(101)로 유입된다.

상기 유도 덕트(130)는 현열 열교환기(300)의 일측에서 상부 방향으로 갈수록 평면 폭이 좁아지도록 경사진 형태에서, 제1 열교환부(101)의 측면 상부까지 수직 상부방향으로 연장된 형태로 이루어진다.

잠열 열교환기(100)는 현열 열교환기(300)에서 열교환을 마친 연소가스의 잠열을 흡수하기 위한 것으로, 제1 및 제2 열교환부(101,102)를 포함한다.

잠열 열교환기(100)의 구성을 도 5와 6을 참조하여 설명한다.

제1 및 제2 열교환부(101,102)는 하나 이상의 잠열 열교환배관(110)을 포함한다. 잠열 열교환배관(110)들은 양 끝단에서 배관결합 프레임(158)에 결합되어 고정된다.

상기 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102) 사이에는 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102)에서의 열교환과정을 분리하면서 연소가스의 이동경로를 제1 열교환부(101)의 하부공간(105)으로부터 제2 열교환부(102)의 상부공간(104)으로 안내하기 위한 연소가스 통로부(140)가 형성된다.

상기 연소가스 통로부(140)는, 서로 대면하는 한 쌍의 배관결합 프레임(158)과, 서로 대면하는 제1 및 제2 열교환부(101,102)의 측면들에 의해 둘러싸인 직사각기둥 형태의 공간으로 이루어지고, 이 공간에서의 연소가스는 하부에서 상부로 흐르기 때문에 응축수의 낙하와 연소가스가 반대방향으로 흐르면서 열교환효율이 저하되는 것을 방지하기 위해 열교환배관이 구비되지 않는다.

하우징(150)은 잠열 열교환기(100)의 일측면과 상부를 덮도록 구성된다. 상기 하우징(150)에는 제1 열교환부(101)의 상부공간(103)을 제2 열교환부(102)의 상부공간(104)과 격리시키는 제1 에어가이드(152), 제2 열교환부(102)의 상부공간(104)을 배기통로(413)와 격리시키는 제2 에어가이드(154)가 하방향으로 소정 길이 형성된다.

상기 제1 에어가이드(152)는 절곡된 형상으로서, 하우징(150)의 저면에 결합되는 결합부(152a)와, 상기 결합부(152a)로부터 하향 연장되어 제1 열교환부(101)의 상부 일측면에 밀착되는 밀착부(152b)로 이루어진다.

상기 제2 에어가이드(154)는 하우징(150)의 상측 단부를 하향 절곡시켜 형상한 것으로서, 제2 열교환부(102)의 상부 일측면에 밀착되도록 구비된다.

상부 커버(410)는 하우징(150)의 상부를 덮도록 결합되며, 제2 열교환부(102)에서 배출되는 연소가스를 외부로 배출하기 위한 배기후드(412)가 형성된다.

제1 및 제2 열교환부(101,102)의 하부에는 응축수의 흐름을 가이드하는 응축수 가이드(160)가 결합된다. 상기 응축수 가이드(160)에는 제1 열교환부(101)의 측면에 결합되는 수직 프레임(162)과, 제1 열교환부(101) 하부공간(105)과 제2 열교환부(102) 하부공간(106) 사이를 차단하는 격벽(164)과, 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102)에서 생성된 응축수를 배출하기 위한 응축수 배출구(408)가 형성된다.

상기 격벽(164)은 응축수 가이드(160)의 바닥면으로부터 상방향으로 세워져, 상기 응축수 가이드(160)는 상기 격벽(164)을 사이에 두고 제1 열교환부(101)에서 생성된 응축수를 가이드하는 제1 가이드부(160a)와, 제2 열교환부(102)에서 생성된 응축수를 가이드하는 제2 가이드부(160b)로 구분된다.

또한 상기 격벽(164)과 응축수 가이드(160)의 바닥면 사이에는 응축수 이동통로(미도시)가 형성되어, 제1 가이드부(160a)에 모인 응축수가 상기 응축수 이동통로를 통해 제2 가이드부(160b)로 이동하고, 상기 제2 가이드부(160b)에 형성된 응축수 배출구(408)를 통해 배출된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 콘덴싱 보일러의 연소가스 유동 경로를 살펴보면, 제1 열교환부(101)의 상부공간(103)으로 유입된 연소가스는 제1 에어가이드(152)와 배관결합 프레임(158)에 의해서 외부로 유출되지 않으면서 제1 열교환부(101)의 열교환배관 사이를 통과하면서 열교환이 이루어진 후 하부공간(105)으로 이동한다. 상기 하부공간(105)의 연소가스는 상향 흐름으로 변경되어 연소가스 통로부(140)를 통해 제2 열교환부(102)의 상부공간(104)으로 이동한다. 그 후, 제2 열교환부(102) 상부공간(104)의 연소가스는 하향 흐름으로 변경되어 제2 열교환부(102)의 열교환배관 사이를 통과하면서 열교환이 이루어진 후 하부공간(106)을 거친 다음 배기통로(413)를 경유하여 배기후드(412)를 통해 외부로 배출된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 잠열 열교환기(100)는 제1 및 제2 열교환부(101,102)를 이용하여 두 번의 잠열 흡수과정을 수행하기 때문에, 열효율을 높일 수 있다.

이때, 연소가스의 잠열을 흡수하는 과정에서 생성되는 응축수는 제1 및 제2 열교환부(101,102)에서 자유낙하방향인 수직하부 방향으로 떨어진다. 그리고, 연소가스 역시 수직하부 방향으로 이동한다. 이와 같이, 본 발명에 의한 잠열 열교환기(100)는 연소가스와 응축수의 이동방향이 같기 때문에, 고온의 연소가스로 인해서 응축이 제대로 일어나지 않는 현상을 개선함으로써 잠열 회수 과정에서의 열교환 효율을 높일 수 있다.

한편, 잠열 흡수과정을 통해 열교환 과정을 수행하는 제1 및 제2 열교환부(101,102)는 열효율의 향상을 위해서 전열핀을 이용한 핀-튜브(Pin-Tube) 방식을 이용할 수 있다.

그리고, 열교환 효율을 더욱 높이기 위해서 각각의 전열핀(112)들 측면에는 도 7에서와 같은 루버(114)가 형성된다. 루버(114)는 전열핀(112)의 하부 영역에 형성되어서, 전열핀(112)의 표면을 흐르는 연소가스의 난류 강도를 높이기 위해 전열핀(112)의 표면으로부터 돌출된 것으로, 연소가스 이동방향에서 비스듬하게 어긋난 형태로 형성될 수 있다.

전열핀(112)에 루버(114)가 형성되지 않을 경우에는 도 6의 (b)에서와 같이 전열핀(112)의 중간 지점을 지나는 위치(붉은색 영역 하단부)에서 연소가스의 난류의 강도가 급격이 떨어짐을 알 수 있다.

전열핀(112)의 측면에 형성되는 루버(114)는 이와 같이 층류로 변하는 연소가스의 난류 강도를 높이기 위한 것으로, 전열핀(112)의 하부 영역, 좀 더 자세하게는 연소가스가 난류에서 층류로 바뀌는 지점 아래의 영역에 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 전열핀(112)의 루버(114)에 의해서 연소가스의 난류 강도가 높아지는 것은 도 6의 (a)에서와 같이 확인할 수 있다. 그리고, 본 발명에 의한 잠열 열교환기(100)는 이와 같이 연소가스의 난류 강도를 높임으로써 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

그리고, 제1 및 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110)은 단면의 가로보다 세로가 더 길게 형성된 장방형(長方形)으로 이루어진다. 이와 같이, 장방형의 잠열 열교환배관(110)은 단면이 원형인 동일한 체적의 열교환배관에 비하여 연소가스가 잠열 열교환배관(110)에 접촉하는 시간을 늘리면서, 단면이 원형인 경우 배기가스와 먼저 접촉하는 반대측에서 박리층이 발생하여 응축이 잘 일어나지 않는 현상을 방지할 수 있다.

그리고 제1 및 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110) 표면에서 생성된 응축수는 하부의 응축수 가이드(160)로 낙하하여 응축수 배출구(408)로 배출된다.

이를 위해서, 응축수 배출구(408)는 제2 열교환부(102)의 하부 영역에서 응축수 가이드(160)의 끝단에 형성되고, 응축수 가이드(160)의 단면은 도 9에서와 같이 하부면이 제1 열교환부(101)에서 제2 열교환부(102)로 갈수록 경사지도록 형성된다.

그리고, 응축수 가이드(160)의 바닥면과 격벽(164) 사이에는 제1 가이드부(160a)에 모인 응축수가 제2 가이드부(160b)로 유동할 수 있도록 응축수 유동 경로를 제공하기 위한 응축수 이동통로(미도시)가 형성된다. 상기 응축수 이동통로는 격벽(164)의 하단부에 구멍을 형성하는 것으로 구성할 수 있다.

또한, 응축수 이동통로(166)는 도 10에서와 같이 도넛 형상을 갖는 워터 트랩(water trap)의 형태로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 워터 트랩의 구조를 갖는 응축수 이동통로(166)는 일정량의 응축수를 항상 보유하기 때문에, 제1 열교환부(101) 하부공간(105)의 연소가스가 응축수 이동통로(166)를 통해 제2 열교환부(102) 하부공간(106)으로 유입되는 것을 차단하면서도 제1 가이드부(160a)의 응축수는 제2 가이드부(160b)로 이동하는 것을 가능하게 한다.

도 11은 본 발명에 의한 상향 연소식 콘덴싱 보일러에서 난방수의 흐름과 연소가스의 흐름 방향을 보여주는 도면이다.

도 11은 연소가스와 난방수의 통과하는 방향이 서로 반대방향이 되어 대향류 흐름이 되는 것을 보여주고 있다. 즉, 버너에서 생성된 연소가스는 현열 열교환기(300), 잠열 열교환기의 제1 열교환부(101), 잠열 열교환기의 제2 열교환부(102)를 순차 통과하도록 되어 있는데, 난방소요처에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 난방환수는 제2 열교환부(102)의 열교환배관(110), 제1 열교환부(101)의 열교환배관(110), 현열 열교환기(300)의 열교환 배관(310) 내부를 순차 통과하도록 되어 있다. 이와 같은 구조의 경우 잠열 열교환기에서의 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 12는 제2 실시 예에 의한 하향 연소식 콘덴싱 보일러의 단면도이다.

제2 실시 예에 의한 콘덴싱 보일러는, 버너(504)에서 발생한 연소열을 흡수하는 현열 열교환기(300) 및 현열 열교환기(300)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기(200)를 포함한다. 이때, 잠열 열교환기(200)는 서로 순차적으로 열교환 과정을 수행하는 제1 열교환부(101) 및 제2 열교환부(102)를 포함한다.

이하, 제2 실시 예에 의한 하향 연소식 콘덴싱 보일러의 설명에서 전술한 제1 실시 예와 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 자세한 설명을 생략하기로 한다.

버너(504)는 송풍기(502)가 제공하는 공기와 가스공급부가 제공하는 연소 가스를 혼합하여 화염을 생성한다. 현열 열교환기(300)는 버너(504)의 직하부에 배치되어서, 버너(504)에서 생성된 화염에 의한 연소열을 흡수한다. 이러한 현열 열교환기(300)에서 배출되는 연소가스는 유도 덕트(230)에 의해서 배기경로가 안내되어서, 잠열 열교환기(200)로 유입된다.

유도 덕트(230)는 현열 열교환기(300)의 일측에서 하부 방향으로 갈수록 평면 폭이 좁아지도록 경사진 상태에서, 다시 제2 열교환부(102)를 대면하는 방향의 제1 열교환부(101)의 측면 상부에서 수직 하부방향으로 연장된 형태로 이루어진다. 즉, 유도 덕트(230)는 현열 열교환기(300)에서 배출되는 연소가스가 잠열 열교환기(200)의 제1 열교환부(101)로 유입되도록 유도한다.

잠열 열교환기(200)는 현열 열교환기(300)의 직하부에 배치되고, 현열 열교환기(300)에서 열교환을 마친 연소가스의 잠열을 흡수한다. 이러한 잠열 열교환기(200)는 제1 및 제2 열교환부(101,102)를 포함하여, 현열 열교환기(300)에서 생성된 연소가스는 제1 열교환부(101) 및 제2 열교환부(102)를 순차적으로 경유하면서 열교환 과정이 일어난다.

그리고, 잠열 열교환기(200)는, 연소가스가 제1 및 제2 열교환부(101,102)에서 모두 하향 흐름이 되도록 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102) 사이에 빈 공간으로 형성되어 제1 열교환부(101)를 통과한 연소가스가 상방향으로 유동하는 연소가스 통로부(240)가 형성된다.

그리고, 제1 및 제2 열교환부(101,102)를 통한 잠열 흡수과정에서 생성되는 응축수는 잠열 열교환기(200)의 하부에 위치한 응축수 받이부(510)로 낙하하고, 응축수 받이부(510)로 낙하한 응축수는 응축수 배출구(508)를 통해서 배출된다.

이때, 제1 열교환부(101)의 하단에는 응축수 가이드(260)가 형성되어 응축수만을 배출하고 연소가스는 제2 열교환부(102)로 유도한다. 즉, 응축수 가이드(260)는 제1 열교환부(101)의 하단에서 일방향으로 경사지도록 형성되며, 경사면의 최하단에는 응축수를 배출하는 응축수 배출부(266)가 형성된다. 상기 응축수 배출부(266)는 일정량의 응축수를 보유하기 위한 워터트랩의 형태로 구현될 수 있다.

이러한 응축수 가이드(260)는 제1 열교환부(101)를 경유한 연소가스가 제2 열교환부(102)로 이동하지 않도록 함과 아울러 응축수 배출부(266)로 배출되는 것을 방지하면서, 연소가스 통로부(240)로 이동하도록 유도한다.

제2 실시 예에 의한 콘덴싱 보일러에서 연소가스의 흐름을 살펴보면, 버너(504)에서 생성된 연소가스는 현열 열교환기(300)를 거쳐 제1 열교환부(101)의 상부공간(103-1)에서 하부공간(105-1)으로 유동하고, 상기 하부공간(105-1)의 연소가스는 연소가스 통로부(240)를 통해 상부 방향으로 유동하여 제2 열교환부(102) 상부공간(104-1)으로 유동한 후 제2 열교환부(102)를 거쳐 하부공간(106-1)으로 유입된 후 배기통로(510)를 통해 외부로 배출된다.

상술한 제1 및 제2 실시 예는 본 발명에 의한 잠열 열교환기가 상향 연소식 콘덴싱 보일러와 하향 연소식 콘덴싱 보일러에서 적용된 것을 나타내고 있다.

각각의 실시 예에서 제1 및 제2 열교환부의 열교환과정을 구분하면서 연소가스의 경로를 안내하는 연소가스 통로부(140,240)는 핀-튜브 형식의 열교환부에서 전열핀(112)의 구조를 변경함으로써 구현될 수도 있다.

도 13은 연소가스 통로부의 다른 실시 예를 위해서 구조가 변화한 전열핀(112)을 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 14는 변경된 전열핀(112)에 의한 연소가스 통로부(640)의 단면도이다.

도 13 및 14를 참조하면, 전열핀(112)들의 양측 끝단은 일정한 방향으로 굽어져서 플랜지부(112a)가 형성되고, 인접하는 전열핀(112)의 플랜지부(112a)가 서로 맞대어 결합된다. 또한 제1 열교환부(101)의 전열핀(112)의 플랜지부(112a)가 서로 맞대어 결합됨으로써 제1 열교환부 벽면(115)이 형성되고, 제2 열교환부(102)의 전열핀(112)의 플랜지부(112a)가 서로 맞대어 결합됨으로써 제2 열교환부 벽면(116)과 배기측 벽면(117)이 형성된다.

즉, 연소가스 통로부(640)는 잠열 열교환기(100)의 잠열 교환배관(110)의 결합을 위한 배관결합 프레임(158)과 전열핀(112)의 측면 플랜지들에 의해서 규정되는 직사각기둥 형태로 이루어진다.

상기 전열핀(112)들은 연소가스가 전열핀(112)들의 측면을 통해서 빠져나가는 것을 방지한다. 즉, 제1 열교환부(101)의 상부로 유입된 연소가스는 전열핀(112)들의 측면 플랜지부(112a)를 벗어나지 않으면서 하부 방향으로 이동한다. 또한, 연소가스는 제1 열교환부 벽면(115)과 제2 열교환부 벽면(116) 사이에 형성된 연소가스 통로부(640)를 통해서 제2 열교환부(102)의 상부공간으로 유동한다.

이러한 구조에 의하면 연소가스 통로부(640)를 형성하기 위한 별도의 구조물이 없더라도 전열핀(112)의 플랜지부(112a)를 서로 결합함으로써 연소가스 통로부(640) 내부 공간을 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102) 내부의 연소가스가 흐르는 공간과 격리시킬 수 있다. 또한 제2 열교환부의 배기측 벽면(117)에 의해 배기통로(413)의 일측 벽면을 형성할 수 있어 배기 경로의 구성을 간단하게 할 수 있다.

또한 제1 에어가이드(152)의 길이를 짧게 할 수 있어서 체결 구조를 간단히 할 수 있다. 즉, 제1 열교환부(101)의 상부공간 일측을 차단하는 제1 에어가이드(152)의 길이가 길수록 제1 에어가이드(152)를 포함하는 하우징(150)을 잠열 열교환기(100)에 정렬시켜서 결합하는 과정이 불편해진다.

이에 반해서 전열핀(112)을 이용한 연소가스 통로부(640)는 제1 에어가이드(152)가 전열핀(112)의 상부까지만 연장되기 때문에, 제1 에어가이드(152)의 구조를 단순화하면서 하우징(150)과 잠열 열교환기(100)의 구조를 간단히 할 수 있다.

제1 및 제2 실시 예에 의한 열교환기는 잠열 열교환기를 제1 및 제2 열교환부로 구분하여 각각의 열교환부에서 연소가스의 잠열 흡수 과정을 순차적으로 수행함으로써 열효율을 높이기 위한 것이다.

이때, 제1 열교환부(101)를 경유한 연소가스는 제2 열교환부(102)로 진입할 때, 온도가 낮아지고 부피 유량이 적어진다. 이에 따라서, 도 15의 (a)에서 보는 바와 같이, 제2 열교환부(102)의 난류의 강도가 낮아지는 것을 알 수 있다.

따라서, 다른 실시 예에 의한 잠열 열교환기는 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110)의 개수를 달리할 수 있다. 예컨대, 제1 열교환부(101)와 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110) 사이의 간격은 동일하게 하되, 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110)의 개수는 제1 열교환부(101)의 열교환배관(110)의 개수보다 적은 수가 되도록 한다.

도 15의 (b)는 잠열 열교환배관의 개수를 달리한 제1 및 제2 열교환부(101,102)의 난류강도를 나타내는 도면이다. 도 15의 (b)에서와 같이, 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110)의 개수가 적을 경우에는 난류강도가 낮아지는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라서 제2 열교환부(102)의 열교환효율이 저하되는 것을 개선할 수 있다.

이처럼 잠열 열교환기에서 제2 열교환부(102)의 난류 강도가 낮아지는 것을 개선하기 위한 또 다른 실시 예는 제2 열교환부(102)의 잠열 열교환배관(110)의 간격을 제1 열교환부(101)의 잠열 열교환배관(110)의 간격보다 좁게 하는 방법을 이용할 수도 있다.

상기에서는 제1 열교환부와 제2 열교환부가 구성되는 경우에 대해 설명하였으나, 잠열 열교환기에 3개 이상의 열교환부가 구비될 수도 있다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.

100, 200 : 잠열 열교환기 300 : 현열 열교환기
101 : 제1 열교환부 102 : 제2 열교환부
110 : 잠열 열교환배관 112 : 전열핀
130, 230 : 유도덕트 150 : 하우징
152, 154 : 제1 및 제2 에어가이드 158 : 배관결합 프레임
160, 260 : 응축수 가이드 162 : 수직 프레임
164 : 격벽 310 : 현열 열교환배관
402 : 송풍기 404 : 버너
406 : 가스공급부 408, 508 : 응축수 배출구

Claims (14)

1. 버너와, 상기 버너에서 발생한 연소열을 흡수하는 현열 열교환기와, 상기 현열 열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기를 포함하는 콘덴싱 보일러에 있어서,
   상기 잠열 열교환기는,
   하나 이상의 잠열 열교환배관을 포함하는 제1 열교환부;
   상기 현열 열교환기를 경유한 연소가스를 상기 제1 열교환부의 상부공간으로 유도하는 유도 덕트;
   상기 제1 열교환부에서 일차적으로 잠열이 흡수된 연소가스의 잠열을 2차적으로 흡수하기 위한 하나 이상의 잠열 열교환배관을 포함하는 제2 열교환부;
   상기 제1 열교환부의 상부공간에서 하부공간으로 이동한 연소가스를 상기 제2 열교환부의 상부공간으로 유도하는 연소가스 통로부; 및
   상기 제1 및 제2 열교환부에서 생성된 응축수를 배출하는 응축수 배출구;를 구비하는 콘덴싱 보일러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 열교환부의 상부공간과 제2 열교환부의 상부공간 사이를 차단하는 제1 에어가이드는 상기 제1 열교환부와 제2 열교환부의 상부를 덮는 하우징의 하측에서 하향 돌출되어 상기 제1 열교환부의 상단 측면에 밀착되고;
   상기 제2 열교환부의 상부공간과 배기통로 사이를 차단하는 제2 에어가이드는 상기 하우징의 단부에서 하향 연장되어 상기 제2 열교환부의 상단 측면에 밀착된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 열교환부와 제2 열교환부의 하부에는 응축수를 상기 응축수 배출구로 안내하는 응축수 가이드가 구비되고;
   상기 응축수 가이드에는 상기 제1 열교환부의 하부공간과 제2 열교환부의 하부공간 사이를 차단하기 위한 격벽이 구비된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 응축수 가이드는 상기 제1 열교환부에서 생성된 응축수가 모이는 제1 가이드부와, 상기 제2 열교환부에서 생성된 응축수가 모이는 제2 가이드부로 이루어지며;
   상기 격벽과 응축수 가이드 바닥면 사이에는 상기 제1 가이드부의 응축수를 제2 가이드부로 이동할 수 있도록 하는 응축수 이동통로가 형성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 응축수 이동통로는 제1 가이드부의 응축수가 일정량이 고인 상태를 유지하는 워터트랩 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 열교환부와 제2 열교환부의 잠열 열교환배관에는 복수의 전열핀이 일정 간격 이격되어 결합되고,
   상기 전열핀의 가장자리부는 플랜지부가 형성되어, 이웃하는 전열핀의 플랜지부가 서로 맞닿아 상기 연소가스 통로부의 벽면을 형성하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제2 열교환부의 전열핀 가장자리부에 형성된 플랜지부가 서로 결합되어 배기통로의 일측 벽면을 형성하는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 잠열 열교환배관은 가로에 비해 세로가 길게 형성된 장방형인 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 버너는 하향 연소식 버너로 이루어지고;
   상기 제2 열교환부의 하부에는 응축수를 외부로 배출하기 위한 응축수 배출구가 형성된 응축수 받이부가 구비되고;
   상기 제1 열교환부의 하부에는 상기 제1 열교환부 하부공간과 제2 열교환부 하부공간 사이를 차단시키되 상기 제1 열교환부에서 생성된 응축수를 상기 응축수 배출구로 유도하기 위한 응축수 배출부가 형성된 응축수 가이드가 구비된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 응축수 배출부는 U자 형상으로 이루어져 상기 제1 열교환부에서 생성된 응축수가 일정량 고인 상태를 유지하는 워터트랩 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 열교환부는 전열핀에 의한 핀-튜브 방식으로 이루어지고;
    상기 전열핀에는 연소가스의 흐름이 난류에서 층류로 바뀌는 지점 후방에 루버가 형성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부의 잠열 열교환배관 개수는 상기 제2 열교환부의 잠열 열교환배관 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환부의 잠열 열교환배관들 사이의 간격은 상기 제1 열교환부의 잠열 열교환배관 사이의 간격보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러의 열교환기.
14. 제 1 항에 있어서,
    난방수와 상기 연소가스는 서로 반대방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 콘덴싱 보일러.

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