WO2010090453A2 - 연소가스 기포와의 열교환을 이용한 액체 가열장치 - Google Patents

Abstract

열매체가 되는 액체가 수용되며, 이 액체가 인입되고 가열 결과물이 인출되는 통로를 가지는 액조와, 액조 내의 설치되어 별도의 내부 공간을 형성하기 위한 벽체를 가지는 연소실, 벽체를 관통하거나 벽체에 연결되어 연료 및 산소를 공급하는 공급 배관을 가지며, 벽체는 복수의 미세 통공 혹은 슬롯을 가지는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치가 개시된다. 본 발명에 따르면, 액조 내의 액체 속에서 연소가 이루어지면서 액체에 대해 연소 가스 기포에 의한 열전달과 연소실 벽체를 통한 열전달이 동시에 이루어지며, 간단히 기포의 크기를 조절하여 열접촉 면적을 늘릴 수 있고, 기포에 의한 액조 내의 액체 섞임과 대류에 의해 전체 액체에 대해 승온 효율, 열전달 효율이 높아질 수 있다.

Description

연소가스 기포와의 열교환을 이용한 액체 가열장치

본 발명은 액체 가열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소가스를 기포의 형태로 수조 내의 물 기타 액체와 직접 접촉시켜서 액체를 가열하는 방식의 액체 가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 액체를 가열하기 위해서는 대개 액체를 용기에 넣고 그 용기를 외부에서 가열하며, 경우에 따라서는 용기 내의 액체 중에 히터를 넣어 액체를 가열하게 된다.

액체를 가열하는 장치의 대표적인 것으로 보일러가 있다. 통상의 보일러들은 열전도율이 높은 금속재질의 수조에 소정량의 물을 담아 상기 수조의 외부에서 상기 수조를 가열하거나, 또는 수조에 비해 전열면적을 증가시키기 위해 수관에 물이 흐르도록 하고 상기 수관이 코일 형태로 겹치는 등의 방법으로 높은 밀도로 연소실을 거치도록 하고 연소실 내에서 수관을 가열하는 형태를 가진다.

이러한 일반적 외연식 보일러에서 연료를 연소시키는 버너는 물이 들어있는 수조나 수관과 별도로 외측에 형성된다. 따라서, 고온의 연소가스가 열전도율이 높은 수조 또는 수관과 접촉하여 열에너지가 연소가스로부터 수조 또는 수관으로 1차 전달되고, 열에너지를 받은 수조 또는 수관은 물과 접촉하여 물에 열에너지를 2차 전달한다. 즉, 열전달의 매개체가 되는 수조 또는 수관을 거치는 간접방식의 가열기술이 사용되고 있다.

이러한 종래의 보일러에서는 버너의 연소 가스가 충분히 용기와 접촉하지 못하고 배출되거나, 중간매개체인 용기의 온도를 높이는 데 열이 소모되고, 열전도율이 높은 용기로 인해 열에너지가 보일러의 외부로 쉽게 방출되어 보일러의 열효율이 떨어진다. 또한, 물의 전체 온도를 상승시키기 위하여 용기 내부 물의 대류현상을 이용하므로 가열속도가 느리고, 열효율 향상에 한계가 있었다.

이러한 외연식 보일러의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 출원인은 이미 '히팅가스 기포에 의한 열교환식 보일러(대한민국특허등록 제10-0277484호)'와 '열교환식 보일러(대한민국특허등록 제10-0502575호)'에 개시된 바와 같이 연소 가스 기포를 이용하여 용기 내의 물을 직접 열교환 방식으로 가열하는 장치를 제시한 바 있다.

이들 발명에서는 버너의 연소가스를 물이 들어있는 수조 내로 유도하고, 수조 내에서 다수의 분사공을 통과시켜 작은 기포 형태로 표면적을 늘린 상태로 수조 내의 물을 통과하면서 기포와 물 사이에 직접 열교환이 이루어지도록 한 것이다.

특히, '열교환식 보일러'에는 버너가 유체 내에 포함되어 버너의 배기 가스가 유체를 가열할 뿐만 아니라, 버너의 벽체 표면을 통해 외부로 방출하는 열의 상당 부분이 전도에 의해 유체의 온도를 높이는 효과를 가진다.

그러나, 이러한 '열교환식 보일러'에서도 연소 가스는 일단 첵크밸브 장치를 가지는 노즐을 통해 버너의 연소실 밖으로 배출되고, 배출된 연소 가스가 다시 다수의 통공을 가지는 기포발생 플레이트를 거쳐 수조 내에서 기포를 발생시킨다. 노즐을 통해 배출되는 다량의 연소 가스는 일단 기포발생 플레이트 밑에 대기압보다 압축된 공기층을 형성한다. 그리고, 부력에 의해 상승하면서 플레이트의 작은 통공을 거쳐 기포가 된다.

그런데, 기포발생 플레이트는 수조를 상하의 두 부분으로 나누는 형태를 이루고, 플레이트 하부의 물은 연소가스와 많이 닿지 않고, 주로 버너 표면에서의 열전도에 의해 가열된다. 따라서, 플레이트 하부의 물은 온도가 위쪽보다 낮기 쉽고, 물의 온도가 높은 경우에도 플레이트 하부의 공기층에 의해 이격되어 플레이트 상부로 흘러들어가지 못하며, 자체 공간에서 대류도 활발하지 못하여 수조의 플레이트 하부에 정체된 상태로 존재한다. 플레이트 하부 공간의 물은 유통되지 못하므로 물이 지닌 열은 수조의 외벽을 통해 보일러 효율에 별다른 공헌을 하지 못한 채 외부로 누출되기 쉽다.

따라서, 보일러 전체로 볼 때에는 기포발생 플레이트 위쪽의 수조 부분에 흐르는 물에 기포로 된 연소 가스가 효율에 영향을 주고, 버너의 벽체를 통해 전도되는 열이나, 노즐을 막 나온 큰 공기방울 형태의 기포를 통해 전달되는 열은 보일러에서 충분히 효율적으로 사용되지 못하는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 보일러와 같은 액체 가열장치의 열효율이 떨어지는 문제를 해결하기 위한 것으로, 버너 몸체의 전도열과 버너의 연소가스기포에 의한 전도열을 모두 잘 활용할 수 있고, 수조 내의 전체 물의 섞임과 이동이 용이하여 열효율을 높이기 쉬운 액체 가열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체 가열장치는,

열매체가 되는 액체가 수용되며, 상기 액체가 인입되고 인출되는 통로를 가지는 액조와,

액조 내의 공간에 설치되며, 외부와 구분되는 내부 공간을 형성하기 위한 벽체를 가지는 연소실,

상기 벽체를 관통하거나 상기 벽체에 연결되어 연료 및 산소(순수한 산소나 공기중에 포함되는 형태로의 산소를 포함하는 의미이므로 공기와 대체적으로 사용될 수 있음, 이하 동일)를 공급하는 공급 배관을 가지며,

상기 벽체는 상기 외부와 상기 내부 공간을 연결하는 복수의 통공 혹은 슬롯을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 연소실 내에는 연료 및 산소를 공급하는 배관과 연결된 버너가 별도로 구비될 수 있으며, 별도의 버너 없이 배관 일부가 틈을 형성하여 버너의 역할을 할 수도 있다.

버너로는 화염이 발생하지 않도록 이루어진 무염버너(무염연소기)가 이용될 수 있다. 통상, 무염 연소는, 연소 공기와 연료 가스의 2 개의 스트림이 혼합될 때, 혼합물의 온도가 혼합물의 자연발화 온도를 초과할 정도로, 그러나 혼합 속도에 의해 제한되는 혼합시의 산화로 나타나는 온도 미만의 온도로 연소 공기와 연료 가스를 충분히 예열해서 이루어진다. 무염 연소를 위해 발화온도를 낮추는 팔라듐 등의 촉매가 사용될 수 있다.

본 발명의 액체 가열장치에 따르면,

액조 내의 액체 속에서 연소가 이루어지면서 액체에 대해 연소 가스 기포에 의한 열전달과 연소실 벽체를 통한 열전달이 동시에 이루어지며, 간단히 기포의 크기를 조절하여 열접촉 면적을 늘릴 수 있고, 기포에 의한 액조 내의 액체 섞임과 대류에 의해 전체 액체에 대해 승온 효율, 열전달 효율이 높아질 수 있다. 즉, 기포 방출구의 크기를 줄이고, 숫자를 증가시켜 기포 크기는 최소화되고 기포 갯수는 최대화하여 열전달 면적을 극대화함으로써 열전달 속도를 높이고, 열효율도 높아지도록 한다.

또한, 효율이 높아 동일한 열전달 용량을 위한 액체 가열장치는 간단하고, 작은 규모로 형성할 수 있으므로 설비 및 설치 비용을 줄일 수 있고, 연료 및 산소 공급 배관과, 액체 유출입 배관이 융통성이 있다면 이동도 매우 용이하고 자유롭게 된다.

또한, 소형으로 형성되면 주변과의 단열이 용이하므로 더욱 열효율을 높이기 좋고, 주변으로의 열이나 습기 전달에 의한 공해를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에서 액조는 버너의 화염에 직접 닿지 않으므로 내화학성이 높은 단열재질의 액조를 사용할 수 있어서 용기가 쉽게 부식되지 않도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 액조 내에서는 기포에 의해 난류가 형성되므로 물속 유기물질, 무기물질이 침적되어 스케일과 같은 불순물층이 생성될 위험이 낮고, 비록 스케일이 생기는 경우에도 스케일이 버너의 열이 액체로 전달되는 것을 방해하지 않아 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.

도2 및 도3은 연소실 벽체에 미세구멍이나 슬롯이 형성된 예를 나타내는 사시도,

도4 및 도5는 직육면체 구조를 이루기 위해 직육면체의 두면이 만나는 모서리 부분을 프레임 구조로 하고, 그 위로 금속사를 촘촘히 감아나가는 상태의 연소실 일부를 나타내는 사시도 및 단면도.

도6 및 도7은 원통형 구조의 연소실을 나타내는 평면도 및 측면도이다.

도8 및 도9는 각각 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 구성 단면도이다.

도10은 액조의 액체를 배출하는 배출관이 액조의 저면에 형성된 실시예를 나타내는 구성 단면도이다.

도11 및 도12는 본 발명의 실시예들에 적용될 연소실 외형을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.

액체 가열장치(100) 전체는 액조(110)와 액조 내부 공간에 위치하는 연소실(120)을 포함한다. 액조(110)의 상단에는 액체를 거쳐 나온 기포(12)들과, 수증기 등 기체 성분이 모여 외부로 인출될 수 있도록 가스 배출구(117)가 설치되고, 액면 이하의 액조(110) 상부 측벽에는 액체 유출구가 형성되어, 유출구에 연결되는 배관(115)을 따라 가열된 액체가 유출될 수 있다. 액조의 하부 측벽에는 유입구가 형성되어 액체를 액조로 공급할 수 있는 배관(113)이 유입구에 연결된다.

액조(110)는 대부분 액체(10)와 닿아 있으며, 내부의 연소실(120)과 직접 닿을 필요는 없으므로 정상적으로 가열된 액체(10)가 가지는 온도 및 액체의 화학적 특성을 고려하여 내식성과 내열성을 갖춘 재질로 형성한다. 액조 외측에는 외부로의 열 누출을 막기 위해 외면에 전면적으로 단열재(미도시)를 감쌀 수 있다. 액체가 물인 경우, 부식이 되기 쉽고 단열이 어려운 금속 대신에 액조 내의 허용된 압력에서 가열된 물의 온도와 같거나 높은 온도에서 견딜 수 있는 폴리카보네이트(PC) 등의 내열성 합성수지를 액조 벽체 재질로 사용하는 것이 바람직하며, 세라믹이나 유리도 사용될 수 있다. 이 경우, 철과 같은 부식성 금속으로 형성하는 경우에 비해 액조 내에 녹이 슬거나, 스케일이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 유지 보수 기간에 액조 내면을 세정하기에도 편리하다. 따라서, 재질 열화 및 파손으로 인한 설비 교체 기간을 줄일 수 있다.

액조(110)는 내부 공간과 외부 공간을 분리하지만 액조 벽체 일부가 개폐 혹은 조립 가능하게 형성되어 유지보수가 편리하게 형성될 수 있다.

액조 내부 공간 대부분에는 열매체가 되는 액체가 채워진다. 액체는 일정한 시간율로 일정량이 액조 내로 유입되고 유출되는 연속적인 흐름을 갖거나(flow type), 필요에 따라 일정량이 유입되어 가열된 뒤 그 일정량이 일괄적으로 유출구 배관을 통해 인출될 수도 있다(batch type).

액조의 액체 수위 이하의 위치에 연소실이 설치된다. 연소실은 내부와 외부를 구분하기 위한 벽체(120)를 구비하여 이루어진다. 연소실 벽체(120)에는 다수의 구멍이나 슬롯이 형성되어 있다. 구멍이나 슬롯이 벽체(120)에 형성되므로 벽체에 의해 연소실이 밀폐는 되지 않지만 연소실 벽체(120)는 연소실 내부 공간과 외부 공간을 구분하는 역할을 한다. 연소실 벽체는 일부가 개폐 혹은 조립 가능하게 형성되면 연소실 내부의 유지보수가 편리하게 될 수 있다.

연료 및 공기(산소) 공급관(160)이 연소실 내부로 연결된다. 이를 위해 연료 및 공기 공급관(160)은 액조(110)의 일부 벽체를 관통하거나 액조의 열린 부분을 통해 연소실 벽체(120)와 만나고, 연소실 벽체를 통해 버너(130)의 인입구에 결합된다. 이 실시예에서는 연료 및 공기 공급관(160)은 액조(110)의 벽체 및 연소실의 벽체(120)를 관통하면서 액조의 벽체 및 연소실 벽체와 고정된다. 따라서, 연료 및 공기 공급관은 연소실을 액조 내의 공간에 액조와 이격된 상태로 위치하도록 고정하는 역할을 한다. 이들 벽체들과 연료 및 공기 공급관의 고정은 볼트 등을 이용한 나사체결(기밀성을 위해 가스켓을 통상 이용할 수 있음)이나, 모르타르재나 용접을 이용하여 이루어질 수 있다.

연료 및 공기 공급관(160)은 이 실시예에서는 하나로 통합되어 연소실로 인입되고 있으나, 연료 공급관과 공기 공급관이 별도로 연소실로 인입되어 버너에 연결될 수도 있다. 버너(130)의 운전 중에 연소실 내의 높은 압력에도 불구하고 연료나 공기를 공급하기 위해 연료 및 공기의 공급압은 연소실 내의 압력보다 높아야 한다. 이를 위해 통합 배관이나 연료, 공기 배관 각각에 송풍기(155)를 설치할 수 있고, 개폐 조절을 위한 밸브(143,153)가 배관에 설치된다. 통합 배관에는 연소실을 통해 버너 내부로 액체가 침투하고, 버너에서 배관으로 액체가 계속적으로 침투되는 것을 방지하기 위해 그 일부에 전자식 첵크 밸브 혹은 기계식 첵크 밸브(163)와 같은 일방향 열림 밸브를 설치할 수 있다.

한편 이 실시예에서 연소실 내부의 버너(130)는 샤워 해드 형태로 금속 부품이다. 연료 및 공기 공급관이 샤워 해드의 입구에 연결되고 출구측의 넓은 면에는 미세한 다수 구멍이 출구로서 형성되어 있다. 이러한 샤워 해드 형태는 토치 램프 형태와 같이 일방향으로 화염이 길게 형성되는 것에 비해 화염이 비교적 약하고 전반적으로 고르게 분포되도록 한다. 따라서, 이러한 샤워 대해 형태는 화염이 연소실 벽체에 직접 닿아 연소실 벽체를 열화, 변성시키고 내구성을 저하시키는 문제를 줄이고, 또한, 화염 중의 불완전 연소 가스가 직접 벽체의 구멍이나 슬롯을 통해 배출되는 문제도 줄일 수 있다. 무염버너도 화염 형성에 따른 문제를 없애 연소 공간을 줄일 수 있으며, 연소 효율을 높일 수 있다.

버너의 측방에는 점화장치(135)로서 전기 스파크 발생장치가 형성되어 있다. 이러한 버너(130)와 점화장치(135) 구성은 휴대형 가스 레인지의 구성과 비슷한 형태를 가질 수 있다. 샤워해드는 일단 연료가 연소되면 가열되어 높은 온도를 유지함으로써 더이상 점화장치의 전기 스파크가 없이도 안정적으로 연료를 발화시키는 작용을 할 수 있다. 점화장치의 전기 스파크 유도를 위해 전압을 인가하는 전선이 연소실 내의 점화장치로부터 액조 외측으로 연결되어 있다.

연료의 연소에 의한 연소실 내의 연소 가스의 압력은 정상 운전상태에서 연소실 벽체에 미치는 액체의 압력 가운데 가장 큰 값(가장 아래쪽의 슬롯이나 구멍에서 작용하는 액체 압력)보다 크도록 한다. 이때, 연소실 내부에서의 압력은 연료 및 산소(공기)의 시간당 투입량과, 내부 온도에 기본적으로 영향을 받지만 실질적으로는 벽체에 형성된 미세 구멍이나 미세 슬롯의 단면적과 갯수에 의해 영향을 받을 수도 있다. 개개의 구멍이나 슬롯의 단면적이 클 경우, 전체 구멍이나 슬롯에서의 압력이 일정하지 않게 요동할 수도 있고, 연소실 내로 액조의 액체가 들어오는 것을 방지하기 어렵다. 가열과정에서 액조의 액체가 연소실 내로 들어오는 것을 방지하기 위해 액체의 압력보다 연소실 내부의 기압을 더 크게 유지하도록 연소 가스의 양이 조절되어야 한다. 가열 대상 액체를 고려할 때 이 연소 가스의 양이 많아질 경우 충분히 열교환을 하지 못하고 연소가스는 많은 열을 가진 채 배기될 수 있다. 또한, 부피당 접촉면적을 늘려 열교환의 효율이 높아지도록 하기 위해 기포의 직경이 작은 것이 바람직하므로 기포의 크기에 영향을 주는 구멍이나 슬롯의 단면적도 작은 것이 바람직하다. 단, 가열할 액체가 많을 때에는 슬롯이나 구멍의 크기를 너무 작게하면 열효율은 좋지만 처리용량이 작아지는 문제가 있다. 액중에서 열전달 효율이 좋도록 하기 위해서는 액중에 연소 가스 기포가 고르게 분포하는 것이 바람직하므로 연소실 벽체의 구멍이나 슬롯의 분포도 액조의 형태나 크기를 고려하여 고르게 분포되도록 한다.

연소실을 액면 이하에서 액조의 아래쪽에 있도록 하고, 액조의 깊이를 깊게 할수록 기포가 액체 속에서 액체와 열교환을 하는 시간이 증가하므로 유리하나, 액조의 높이가 커지고, 액조 내에서의 액체의 섞임이 불량해질 수 있다.

액조에서 액체 유입구가 연소실 아래쪽으로 유입 액체를 보내도록 유입구 위치를 결정하면 유입 액체는 연소실 바닥면과 접촉하여 연소실의 열을 전달받고, 점차 위로 진행하면서 연소실 벽체에서 나온 연소 가스 기포와 접하여 열을 전달받게 된다. 기포는 자체가 밀도차에 의해 상승하면서 액체와의 마찰에 의해 액체를 위로 상승시키는 작용도 한다. 이런 액체의 움직임에 의해 액조 전체로는 대류가 더욱 쉽게 이루어질 수 있다. 이런 경우, 물의 흐름을 원활히 하도록 연소실의 하면을 평판이 아닌 아래로 볼록한 곡면의 형태로 하는 것이 바람직하다 (경우에 따라서는 연소실 상면도 위로 볼록한 곡면의 형태로 할 수 있다).

연소실 벽체는 화염이나 연소가스에 의한 열과 부식에 견딜 수 있는 재질로 이루어지며, 세라믹 재료도 가능하지만 가공성이 우수한 금속판으로 이루어질 수도 있다.

도2 및 도3은 연소실(220,320) 벽체에 미세구멍(223)이나 슬롯(323)이 형성된 예를 나타내며, 도4 및 도5는 연소실(420)의 직육면체 구조를 이루기 위해 직육면체의 두면이 만나는 모서리 부분을 프레임(421)으로 형성하고, 그 위로 금속사(423)를 촘촘히 감아나가는 상태를 나타낸다.

미세 구멍이나 슬롯은 얇은 금속판에 에칭과 같은 화학적 방법이나 펀칭 혹은 레이저빔 조사와 같은 물리적 방법으로 형성할 수 있다. 미세 구멍이나 슬롯은 일정한 형태를 갖도록 하는 프레임에 금속 띠(두께가 얇고 폭이 제한되며 길이가 길어 구부리기 쉬운 판상 재료)나 금속사(423:실)을 겹치거나 인접하도록 촘촘히 감는 방법, 금속 직물로 씌우는 방법 등으로 이루어질 수 있다. 특히 금속 띠나 금속사(423)를 촘촘히 감을 때에는 안정된 상태를 유지하도록 프레임(421)에 접하는 금속사 부분의 일부나 전부를 용접으로 고정시키는 것도 가능하다. 금속 띠나 금속사는 촘촘히 한번씩 감겨질 수도 있으나, 복수회 겹쳐 감길 수 있다. 또한, 프레임이 직육면체의 모서리를 이루는 프레임 구조에서 한 축방향을 중심으로 감긴 사각 코일과, 그 축과 직각을 이루는 다른 한 축방향을 중심으로 감긴 사각 코일이 함께 연소실(420) 벽체를 형성할 수도 있다. 이때 금속사(423) 사이의 틈이 슬롯(427)이 된다. 도면부호 425는 금속사와 프레임이 용접된 용접부를 나타낸다.

도6 및 도7은 원통형 구조의 연소실을 나타내는 평면도 및 측면도이다.

연소실의 원통형 구조를 이루기 위해 원통의 원형 상면이 도6과 같이 금속사가 스파이어럴(spiral) 혹은 소용돌이(vortex) 형태로 촘촘히 감겨 이루어진다. 측면은 도7과 같이 금속사로 촘촘히 감아 이루어진 인장코일스프링과 유사한 형태로 형성한다. 이러한 형태를 이루기 위해 원형 상면의 스파이어럴 형태를 만들거나 측면의 코일 형태를 만들 때에는 원형 플레이트나 원통(실린더)을 이용할 수 있다. 가령, 원형 플레이트 위에서 금속사를 감아 스파이어럴 형태를 만들거나, 금속판으로 이루어진 실린더(원통) 외측 표면위로 금속사를 감아 인장코일스프링 형태를 만든다. 금속사를 감아 만든 구조물이 기계적 강성이 약한 경우, 원형 플레이트나 실린더는 연소실의 강성을 유지하기 위해 연소실을 만들 때 제거되지 않고 일종의 프레임 구조로서 그대로 사용될 수 있다. 이 경우, 내부 연소 가스의 외부 방출을 위해 원형 플레이트나 실린더에는 균등한 다수의 구멍을 가지도록 한다. 금속사를 감는 중간중간에는 용접을 통해 감겨진 형태가 유지되기 용이하도록 한다. 금속사의 미세한 틈새가 연소가스가 연소실 밖으로 방출되는 슬릿의 역할을 하게 된다. 물론 연소실 벽체는 금속사를 감아 형성하는 대신에 금속 밴드를 감거나, 금속직물을 덮어 형성할 수도 있다. 여기서 금속사는 조금 과장되게 두껍게 그려졌으나 실제로는 보다 얇은 직경을 가지는 것이 일반적이다.

도4 내지 도7에 나타난 연소실의 예시에서 보이는 것과 같이 일정한 프레임이나 원통에 금속사나 금속밴드 혹은 금속 직물을 감아 연소실 벽체를 만든 후에는 벽체 형성에 이용된 프레임이나 원통을 제거하지 않고 함께 벽체나 벽체의 뼈대로서 사용할 수도 있고, 이들을 제거하여 금속사, 금속 밴드나 금속 직물만이 벽체를 이루도록 할 수도 있다. 이런 경우, 가령 프레임과 금속사, 금속 밴드, 금속 직물이 서로 잘 분리될 수 있도록 용접은 금속사 상호간에 혹은 금속 밴드 상호간의 부착만 되도록 이루어지며 프레임과 금속사 혹은 프레임과 금속 밴드가 서로 접하는 곳에서는 용접이 이루어지지 않도록 한다.

한편 도6 및 도7에 도시된 상면과 측면이 나타내는 기하적 형태는 원통형이지만 다른 실시예에서 원통은 위쪽의 직경이 다소 작아지는 테이퍼진 형태의 원통일 수도 있다. 이런 형태는 측면에 금속사를 감기가 용이하고, 연소실을 이룬 상태에서 측면에서 방출되는 기포가 몰리지 않고, 넓게 분포된 형태를 이룰 수 있으므로 이점이 있다. 또한, 금속사를 감은 뒤 원통을 제거하여 금속사만으로 연소실 벽체를 이루도록 하기에도 적합하다.

이상에서 실시예들을 통해 살펴본 구조의 액체 가열장치에서 액체 가열이 이루어지는 과정을 살펴보면, 먼저, 액조(110)는 비어있는 것으로 하고, 공기를 공급하는 송풍기(155) 가동하면서 공기 배관(150)의 밸브(153) 및 공기 연료 통합 배관 혹은 연료 및 공기 공급관(160)의 첵크 밸브(163)가 열린다. 연소실 내압이 충분한 상태에서 유입구 배관(113)을 통해 액조(110)에 열매체 액체(10)가 유입되어 연소실을 감싸고 액체 유출구 이상의 레벨이 된다. 유출구에 연결된 유출구 배관(115)은 닫힌 상태를 유지한다. 연료 배관(140)의 밸브(143)가 열려 연료가 버너(130)로 공급되면서 연소실 내의 버너(130) 측방의 점화장치(135)에서 전기 스파크가 일면서 점화가 이루어진다. 연소가 정상적으로 이루어지고, 액조 내의 액체 온도가 높아지면 미도시한 온도 센서(미도시)가 이를 감지하고 유출구 배관(115)의 밸브(미도시)를 열게 한다.

가동을 중단할 때에는 연료 배관(140)의 밸브(143)를 닫아 연소를 중단시키며 공기는 계속 연소실로 유입되어 내압을 유지하도록 한다. 유출구 및 유입구 배관(113,115)을 닫고 미도시된 드레인 밸브를 통해 액조의 물을 제거한다. 물이 제거되면 공기 공급용 송풍기(155) 가동을 중단하면서 연료 및 공기 공급 배관의 밸브를 닫는다.

가동 시작부터 가동 종료까지 기본적으로 연소실에 공기를 불어넣어 생기는 풍압 혹은 연소실 내압으로 인하여 유입 액체는 연소실 벽체의 구멍이나 슬롯에도 불구하고 연소실로 침투하지 못하며, 버너와 점화장치는 액체에 젖을 염려가 없다.

도8은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 구성 단면도이다.

도1의 실시예에서와 달리, 액체 유출구 및 이에 연결된 배관(115)이 없고, 연소 가스 및 증기가 배출되는 배관(517)만 존재한다. 이런 경우에는 고온 고압의 액체 증기를 얻기 용이하며, 액체는 증기로 배출되는 만큼씩 액체 유입구 배관(513)을 통해 유입되어 정상 운전 상태를 유지할 수 있다.

또한, 도1에서는 샤워 해드형 버너를 사용하였지만 여기서는 위쪽이 두 개의 평행 파이프에 의해 커버된 그루브로 버너(530)를 이룬다. 그루브에는 연료 및 공기 공급 배관(560)이 연결된다. 두 평행 파이프 사이의 틈새가 연료 및 공기를 공급하여 연소되도록 하는 슬롯으로 역할을 한다. 슬롯 입구에 미도시된 점화장치를 통해 불을 붙이면 연소가스와 미처 연소되지 못한 가스성분은 연소실 벽체(520)의 구멍 혹은 슬롯을 통해 배출되면서 액체(10) 속에서 기포(12)를 형성하여 비중 차이에 의해 액조 위쪽으로 떠오르게 된다.

도9는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 구성 단면도이다.

도1의 실시예와 달리, 연료 및 공기 공급 배관이 액조(610) 벽체를 관통하지 않고 액조의 상방 개방면을 통해 액체(10) 내에 잠겨있는 연소실로 연결된다. 연소실 벽체 일부는 연료 및 공기 공급 배관에 고정되어 결국 연소실 전체가 연료 및 공기 공급 배관에 의해 기계적으로 지지되는 형태를 이룬다. 이런 실시예에서 최초에 액조(610)에 열매체 액체(10)가 채워지고, 연소실도 액체로 채워진 상태일 때에도 연소실에서 연소를 실시하는 과정의 일 예를 살펴보면, 먼저, 송풍기(655)를 가동하여 공기를 연료 공기 공급 배관을 통해 연소실로 불어넣는다. 공기의 압력에 의해 버너의 샤워 해드 일부와 연소실을 채우고 있던 액체는 샤워 해드 구멍과 연소실 벽체 구멍 및 슬롯을 통해 연소실 밖으로 배출된다. 샤워 해드 구멍을 통해 분사되는 공기에 의해 샤워해드 표면과 점화장치는 건조가 이루어지며 이 상태에서 연료 배관(640)의 밸브(643)를 열어 연료 공기 공급 배관으로 연료를 공급하면서 점화용 전기 스파크를 발생시키면 샤워해드에서 연소가 시작된다. 따라서, 초기에 연소실 및 버너에 액체가 채워진 경우에도 별다른 조치없이 쉽게 가열 장치를 구동시킬 수 있다.

연소에 따라 연소 가스가 연소실 슬롯이나 구멍을 통해 연소실 밖의 액체 중에 분출되면 기포를 이루면서 밀도차에 의해 액조의 위쪽으로 떠오르면서 접하는 액체를 가열하는 점은 다른 실시예와 동일하게 이루어진다.

정상 운전 상태에서 외부에서 연소실로 인입되는 연료 공기 공급 배관은 버너로 진입하기 전에 액체에 의해 배관벽을 통해 열을 전달받아 연료의 예열이 이루어질 수 있으며, 액면 위로 배출되는 증기 및 연소 가스는 액조로 유입되는 유입수나 연소실로 유입되는 연료, 공기를 예열하여 열효율을 개선하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 액체 가열장치를 열교환식 보일러의 일부로 활용하면 미세기포(3)에 의한 순간적이고, 급속한 액체 가열이 용이하게 된다. 고온의 연소가스에 의해 액체가 비등점 이상으로 가열되어 발생되는 증기는 액조의 천정면에 위치하는 배출관을 통해 배출되어 난방용, 취사용 또는 발전용으로 사용될 수 있다.

도10은 액조의 액체를 배출하는 배출관(1015)이 액조(610)의 저면에 형성된 실시예를 나타내는 구성 단면도이다.

이런 실시예는 온수와 같이 가열된 액체가 공급되어야 할 사용 장소, 가령 목욕탕이나 수영장 등의 천장 등에 직접 액체 가열 장치를 설치하여 필요에 따라 즉시로 가열된 액체 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 장점을 가진다. 이때, 액체는 위쪽에서 유입되어 아래쪽으로 유출되어 일반적 대류의 방향과 물의 흐름 방향이 다르게 되는 불리한 점이 있지만 비교적 작은 액조 공간에서 다량의 액체를 신속하게 상온에서 크게 높지 않은 온도로 가열할 때에는 대류는 큰 문제가 아니므로 편리하게 이용될 수 있다.

도11 및 도12는 본 발명의 실시예들에 적용될, 이상에서의 실시예들과 다른 연소실 외형을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도11의 연소실은 도7 및 도8과 같이 도시된 원통형 연소실의 내부 공간 가운데에서 회전 중심축 방향으로 가운데 부분(829)이 제외되는 형태를 가진다. 이런 형태는 직경이 큰 원통 내에 직경이 작은 원통이 동심적으로 위치하여 각각 외측 벽체(821)와 내측 벽체(823)를 이루도록 하고, 상하로는 이들 외측 벽체(821)와 내측 벽체(823)를 연결하는 도너츠형 상부 벽체(825) 및 하부 벽체(827)를 설치하여 이들 벽체로 둘러싸인 사이의 공간만 연소실 내부가 되도록 하여 얻어질 수 있으며, 외관상으로는 이런 연소실(820)은 벽체가 두꺼운 실린더 형태로 보인다.

이런 연소실(820)에서 버너는 도너츠형 하면 벽체(827)를 따라 원형으로 분포될 수도 있고, 한 부분에만 설치될 수도 있다. 연소실(820)의 모든 벽체에는 내부의 연소가스가 배출될 수 있는 미세한 홀 혹은 슬롯(미도시)이 형성되어 액조 내의 액체와 닿는 면적은 더욱 늘어나게 된다. 슬릿이나 홀의 크기와, 단위 면적당 이들 슬릿이나 홀의 형성 밀도를 동일하게 할 경우, 이런 형태의 연소실은 단순한 원통형 연소실에 비해 더 많은 슬릿이나 홀을 가질 수 있다. 결과적으로, 내부 압력이 같을 때 더 많은 기포를 형성할 수 있고, 액체에 대한 열전달 면적이 늘어나므로 더 빠른 열전달이 가능하게 된다.

도12의 연소실은 도11의 연소실(820)과 원통형 연소실이 공간적으로 결합된 형태로 이루어진 것이다. 이런 경우, 버너는 중앙의 원통형 부분(930)에만 설치될 수도 있고 중앙의 원통형 부분(930)과 외곽의 실린더형 부분(920) 모두에 형성될 수도 있다. 버너가 중앙의 원통형 부분(930)에만 설치될 경우, 원통형 부분(930)과 외곽의 실린더형 부분(920)은 그 내부 공간이 연결통로(940)를 통해 연소가스가 전달될 수 있도록 연결된다. 연결통로(940)는 다양한 형태로 만들어질 수 있다. 연결통로(940)와 원통형 부분(930), 실린더형 부분(920) 모두에는 기포 발생을 위한 슬릿이나 홀이 형성된다. 이런 연소실의 예에서는 액체와 접하는 연소실 벽체의 면적이 더욱 늘어나 도11의 경우에 비해서도 더욱 늘어나 액체로의 빠른 열전달이 가능하게 된다.

본 발명에서 연료 공기 공급 배관을 통해서는 수소와 산소가 2:1의 부피비로 섞인 가스가 공급될 수 있다. 이런 경우, 수소와 산소가 연소실에서 연소하면 연소 가스 자체가 수증기로만 이루어지며, 열매체 액체가 특히 물인 경우, 배기 가스를 이루는 불순물이 액조의 물을 오염시킬 염려가 없고, 식용을 포함하여 어떤 용도로도 이용하기 편리하다. 이런 경우, 폭발을 방지할 수 있는 한도에서 연소실에서 완전 연소에 접근하도록 가능한 한 연소실의 온도나 버너의 온도를 충분히 높게 하고, 산소와 수소가 골고루 섞인 상태로 버너로 공급할 수 있다.

연료는 반드시 유체만 사용할 수 있는 것은 아니지만 고체의 경우 관리나 운용이 어렵기 때문에 액체나 기체 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 연소실 내에서 연료의 완전연소 및 오염물질 배출 억제를 위해 여분의 산소(공기)를 충분히 공급하는 것이 바람직하다. 또한 연료의 종류에 있어서도 자체가 오염물질이나 불완전 연소 물질을 배출하는 위험이 낮은 무연 연료인 것이 바람직하다.

액체 가열장치의 목적에 따라 기포를 형성하도록 연소실에서 배출되는 연소 가스의 온도는 조절될 수도 있다. 가령, 연소실내의 화염과 충분히 떨어진 상부에는 미세한 물방울을 분사시키는 분무기를 설치하여 고온의 연소가스에 미세한 물방울을 분사하면 기포는 연소가스와 수증기를 포함하면서 온도가 저하된다. 이렇게 하여 분무량을 조절하여 기포 온도를 제어하여 가스가 닿는 연소실, 액조, 액조 내의 가열 대상 액체(예를 들어, 음식물이나 염료 등)의 변성을 방지할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따르면 액체 가열장치 자체가 효율성이 높아지므로 전체적인 외형이 작아지고, 따라서, 무게도 가벼워지며, 무게의 상당 부분을 차지하는 외부 수조가 금속 외의 합성수지와 같은 가벼운 재질로 이루어질 수 있으므로 이동 가능성을 가질 수 있다. 따라서, 외부 수조에 바퀴와 같은 이동수단을 부가 설치하여 가령, 이동 가능한 보일러의 형태로 만들 수 있다. 이런 이동형 보일러는 액체를 공급하는 파이프 등의 수단과, 연료 가스를 공급하는 연료 계통, 가열된 액체나 스팀이 공급될 시스템과 연결될 수 있는 접속부를 가지면 건물 내의 여러 층을 옮겨가거나, 옥외, 가설건물 등에 옮겨다니면서 사용될 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 몇 가지 구체적 실시예에 대해서만 기술하였으나, 이러한 실시예를 바탕으로 한 본 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며 또한 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (12)

1. 열매체가 되는 액체가 수용되며, 상기 액체가 인입되는 통로 및 상기 액체를 가열한 결과물이 인출되는 통로를 가지는 액조와,

   액조 내의 공간에 설치되며, 외부와 구분되는 내부 공간을 형성하기 위한 벽체를 가지는 연소실,

   상기 벽체를 관통하거나 상기 벽체에 연결되어 연료 및 산소(공기)를 상기 연소실 내로 공급하여 연소가 이루어지도록 하는 공급 배관을 가지며,

   상기 벽체는 상기 외부와 상기 내부 공간을 연결하는 복수의 통공 혹은 슬롯을 가지는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체를 가열한 결과물은 액체 증기이며, 상기 액체를 가열한 결과물이 인출되는 통로는 상기 액조의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 연소실 내에는 상기 연료 및 산소를 공급하는 공급 배관과 연결된 버너가 별도로 구비되고, 상기 버너 주변에는 점화장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 액조는 합성수지 또는 세라믹으로 이루어지고,

   상기 벽체는 세라믹이나 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 통공 또는 슬롯은 상기 벽체를 이루는 금속판에 에칭이나 레이저빔 조사를 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 가열 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 벽체는 금속사나 금속편(metal band)을 감아 형성하거나, 금속 직물로 형성하며 상기 통공이나 상기 슬롯은 상기 금속사나 상기 금속편 사이의 틈새이거나 상기 금속 직물에 형성된 다수의 구멍인 것을 특징으로 하는 액체 가열 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 액체를 가열한 결과물인 고온의 액체가 인출되는 통로는 상기 액조의 하부에 형성됨을 특징으로 하는 액체 가열장치.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 연소실에서 상기 벽체 가운데 상기 연소실의 바닥면은 아래로 볼록한 곡면으로 형성되고, 상기 액체가 인입되는 통로는 상기 액체가 인입될 때 상기 액체를 상기 바닥면쪽으로 인입시키도록 형성됨을 특징으로 하는 액체 가열장치.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 버너는 무염 버너인 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 연소실은 테이퍼면을 가진 원통형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연소실은

    동축상에 위치하는 서로 다른 직경의 원통이 외측 벽체와 내측 벽체를 이루고, 상기 외측벽체와 상기 내측벽체의 상단 및 하단을 각각 연결하는 두 도넛츠형 평면이 상부 벽체와 하부 벽체를 이루며,

    상기 상부 벽체, 상기 하부 벽체, 상기 외측벽체, 상기 내측 벽체로 둘러싸인 공간이 내부 공간을 이루는 실린더형 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 액체 가열장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 연소실은 상기 실린더형 부분과 함께 상기 실린더형 부분의 빈 공간에 위치하는 원통형 부분을 가지며, 상기 원통형 부분과 상기 실린더형 부분은 연결통로를 통해 내부공간이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 가열 장치.

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