WO2015141992A1 - 열교환기 - Google Patents

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WO2015141992A1
WO2015141992A1 PCT/KR2015/002456 KR2015002456W WO2015141992A1 WO 2015141992 A1 WO2015141992 A1 WO 2015141992A1 KR 2015002456 W KR2015002456 W KR 2015002456W WO 2015141992 A1 WO2015141992 A1 WO 2015141992A1
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combustion gas
heat medium
heat
unit plate
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PCT/KR2015/002456
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English (en)
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김영모
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주식회사 경동나비엔
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for a heat exchanger provided in a boiler for heating or hot water, and more particularly, a sensible heat exchanger and a latent heat exchanger, which are arranged concentrically around a burner by stacking unit plates manufactured in a predetermined pattern.
  • the present invention relates to a heat exchanger which simplifies the structure and improves the heat transfer efficiency between the heat medium and the combustion gas.
  • a boiler used for heating or hot water is a device that heats heating water or direct water (hereinafter referred to as 'heat medium') by a heat source to heat a desired area or to supply hot water.
  • a burner that burns a gas and air mixer.
  • a heat exchanger for transferring the heat of combustion of the combustion gas to the heat medium.
  • the boiler produced used a heat exchanger that heats the heat medium by using only the sensible heat generated when the burner is burned.
  • a boiler that produces sensible heat absorbs the sensible heat of the combustion gas generated in the combustion chamber to improve thermal efficiency.
  • a condensing boiler having a heat exchanger and a latent heat exchanger that absorbs latent heat generated by condensation of water vapor contained in the combustion gas having undergone heat exchange in the sensible heat exchanger has been used.
  • Such condensing boilers have been put into practical use not only for gas boilers but also for oil boilers, contributing to increasing boiler efficiency and reducing fuel costs.
  • a blower, a fuel supply nozzle, and a burner are generally installed at an upper portion of the housing, and a heat exchanger fin is formed outside the heat exchange pipe at the lower side of the burner.
  • the combined sensible heat exchanger and the latent heat exchanger are constructed sequentially.
  • Patent Nos. 10-1321708, 10-0581578, 10-0813807, etc. have a burner at the center. Is disclosed, and a heat exchanger composed of heat exchange pipes wound in a coil form around a burner is disclosed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat exchanger of a condensing boiler disclosed in the above Patent No. 10-0813807.
  • the heat exchanger 40 shown in FIG. 1 includes a burner 10 installed to discharge combustion gas downwardly.
  • the heat exchange pipe 20 wound in a coil form around the burner 10 to heat the water supplied to the inside by the heat generated from the burner 10 to a desired temperature to provide heating water or hot water.
  • a diaphragm 30 installed transversely to the lower portion of the heat exchange pipe 20 to form a flow path of the combustion gas, and the heat exchange pipe 20 faces the center direction of the burner 10.
  • the heat exchanger introduced in the above-mentioned prior art documents has a disadvantage that it is not easy to process the entire surface into a uniform shape because a torsion phenomenon occurs in the process of spirally processing the heat exchange pipe.
  • the conventional heat exchanger has a structure for sealing the outer periphery of the spirally wound heat exchanger pipe 20, so that the housing (H) must be provided separately, so that the installation structure of the heat exchanger is complicated, and by the combustion of the burner 10,
  • the generated combustion gas flows through the space spaced above and below the heat exchange pipe 20 and flows through the space between the heat exchange pipe 20 and the inner wall of the housing H, and the heat transferred to the housing H is transferred to the housing H. Since the heat dissipation to the outside of the heat sink as it is lost, there is a problem that the heat source of the combustion gas cannot be sufficiently delivered to the heat medium flowing inside the heat exchange pipe 20.
  • the heat exchanger according to the related art is transferred to the plate 11 side fixing the burner 10 by the heat generated by the combustion of the nubber 10 and overheated. Since it must be added separately, the structure is complicated and heat is lost.
  • the unit plate is laminated to form a sensible heat exchanger and a latent heat exchanger unit integrally and integrally the outer wall structure for sealing the heat medium flow path and the combustion gas flow path and its outer surface.
  • the present invention provides a heat exchanger that reduces the number of parts constituting the heat exchanger and simplifies the coupling structure.
  • Another object of the present invention is to maximize the thermal efficiency by forming a flow path of the heat medium in the limited space inside the heat exchanger as long as possible to secure a wide heat transfer area between the heat medium and the combustion gas while promoting the generation of turbulence in the flow of the heat medium and the combustion gas.
  • the purpose is to provide a heat exchanger that can.
  • Another object of the present invention is to provide a heat exchanger capable of further improving the thermal efficiency by allowing the heat of combustion of the combustion gas discharged through the discharge passage of the combustion gas to be recovered to the heat medium as much as possible.
  • Heat exchanger of the present invention for realizing the object as described above, the burner 200 for burning a mixture of air and fuel; And a heat exchange part 300 in which heat is exchanged between the combustion gas generated by the combustion of the burner 200 and the heat medium, wherein the heat exchange part 300 is formed by stacking a plurality of unit plates.
  • the sensible heat exchanger 300-1 and the latent heat exchanger 300-2 disposed concentrically around the burner 200 may be integrally formed.
  • the first heat medium flow path P1 and the first combustion gas flow path P2 are separated from each other and alternately formed adjacent to each other in the sensible heat exchange part 300-1,
  • a second heat medium flow path P3 and a second combustion gas flow path P4 are separated from each other and alternately formed adjacent to each other, and the first combustion gas flow path is formed at an edge of the unit plate.
  • a combustion gas discharge passage P5 through which the combustion gas passing through P2 and the second combustion gas flow passage P4 is discharged is formed.
  • the unit plate is composed of a first plate and a second plate stacked up and down, the first plate, the first planar portion (A1) having a first through-hole (B1) formed in the center portion, and the first plane portion
  • the first flange portion C1 extending upward from the edge portion of the edge portion (A1) and bent outwardly, and in the region between the edge portion of the first flat portion A1 and the first through hole B1.
  • a first flow path forming protrusion D1 and a second flow path forming protrusion D3 having a shape spaced outwardly and convex upward, wherein the second plate has a shape corresponding to that of the first through hole B1.
  • the second through hole B2 is formed in the center portion, and the second flat portion A2 having an upper surface in close contact with the bottom of the first flat portion A1, and from the edge portion of the second flat portion A2 to the lower side.
  • a second flange portion C2 coupled to the first flange portion C1 of the unit plate which extends and is bent outward and is positioned below the second plane; It is spaced inwardly and outwardly in a region between the edge portion of the portion A2 and the second through hole B2, and is formed concave downward, so that the first thermal medium is between the first flow path forming protrusion D1.
  • the first flange portion C1 is formed higher than the protruding heights of the first flow path forming protrusion D1 and the second flow path forming protrusion D3, and the second flange portion C2 is formed in the first flow path. It is formed deeper than the recessed depths of the formation groove portion D2 and the second flow path formation groove portion D4, and is located in the upper portion of the first flow path formation groove portion D2 of the unit plate located above. Between the lower end and the upper end of the first flow path forming protrusion D1 of the unit plate located below, a space spaced vertically is provided so that the first combustion gas flow path P2 is formed and the upper portion of the unit plate is located. Between the lower end of the second flow path forming groove (D4) and the upper end of the second flow path forming protrusion (D3) of the unit plate located in the lower space is spaced up and down to form the second combustion gas flow path (P4) It may consist of.
  • the first flow path forming protrusion D1 is provided with a plurality of first spacing holding protrusions E1 protruding at the same height as the first flange portion C1, and the second flow path forming protrusion D3 is formed on the first flow path forming protrusion D3.
  • a plurality of second interval holding protrusions E3 protruding at the same height as the first flange portion C1 are formed, and the first flow channeling groove portion D2 is recessed to the same depth as the second flange portion C2.
  • a plurality of first interval holding grooves E2 are formed, and a plurality of second interval holding grooves E4 recessed to the same depth as the second flange C2 is formed in the second flow path forming groove D2. It may consist of.
  • a first combustion gas discharge port F1 for providing the combustion gas discharge passage P5 is formed at an edge of the first flat portion A1, and the first flat portion A2 is provided at an edge of the second flat portion A2.
  • the second combustion gas discharge port F2 is formed at a position corresponding to the combustion gas discharge port F1 up and down, and the combustion gas passing through the first combustion gas flow path P2 and the second combustion gas flow path P4 is vertically located.
  • the first combustion gas discharge port (F1) and the second combustion gas discharge port (F2) formed in each of the plurality of unit plates arranged to be sequentially may be configured to be discharged.
  • the uneven turbulence forming part G is formed in the first flow path forming protrusion D1, the first flow path forming groove D2, the second flow path forming protrusion D3, and the second flow path forming groove D4.
  • the protruding upper end of the turbulence forming part G and the lower end recessed in the first thermal medium flow path P1 and the second thermal medium flow path P3 may be in contact with each other.
  • the first flow path forming protrusion (D1) is formed so that the entire section is in communication with the circumferential direction of the first plate, the first flow path forming groove (D2) is the circumferential direction of the second plate Accordingly, the entire section is formed to communicate with each other, and the first spacing holding protrusion E1 and the first spacing holding groove E2 have a first thermal medium flow path P1 of a unit plate positioned at an upper portion and a unit plate positioned at a lower portion thereof.
  • Through holes for connecting the first thermal medium flow path (P1) of the respective through holes are formed in the direction of the first thermal medium flow path (P1) in the unit plate located in the upper and the unit plate located in the lower It may be configured to be positioned so that the direction of the one-row medium flow path (P1) is opposite to each other.
  • the first flow path forming protrusion D1 is formed so that some sections communicate with each other along the circumferential direction of the first plate, and the first flow path forming groove D2 has a circumferential direction of the second plate. Therefore, some sections are formed to communicate with each other, and the first spacing holding protrusion E1 and the first spacing holding groove E2 have a first thermal medium flow path P1 of a unit plate positioned at an upper portion and a unit plate positioned at a lower portion thereof.
  • Through holes for connecting the first thermal medium flow path (P1) of the respective through holes are formed in the direction of the first thermal medium flow path (P1) in the unit plate located in the upper and the unit plate located in the lower It may be configured to be positioned so that the direction of the one-row medium flow path (P1) is opposite to each other.
  • the heat medium flowing through the through-hole formed on one side of the first plate constituting the unit plate located in the upper portion flows in one direction along the first heat medium flow path (P1). Passes through the through hole formed in the second plate located on the other side and the through hole formed in the first plate constituting the unit plate located in the lower portion, and flows into the first thermal medium flow path P1 of the unit plate located in the lower portion. It may consist of.
  • the first thermal medium flow path P1 may be configured in multiple parallel by stacking the unit plates.
  • a heat medium inlet pipe 410 through which a heat medium flows into the second heat medium flow path P3 is connected to a lower portion of the latent heat exchange unit 300-2, and the latent heat exchange unit 300-2 and the sensible heat exchange unit 300 are connected to each other.
  • the heat medium passing through the second heat medium flow path P3 by communicating with the upper part of the second heat medium flow path P3 and the upper part of the first heat medium flow path P1 at the upper portion of -1) is the first heat medium flow path P1.
  • the upper part of the heat exchange part 300 is provided with an upper duct 100 through which the combustion gas flowing upward through the combustion gas discharge passage P5 is discharged, and the combustion gas is located below the heat exchange part 300.
  • the lower duct 400 may be provided with a condensate guide unit 401 formed to guide condensed water of steam included in the combustion gas passing through the discharge passage P5 toward the condensate discharge pipe 430.
  • the unit plate may be disposed around the burner 200 in a polygonal shape or a circular shape or an elliptic shape.
  • a heat medium connection passage P may be formed around the upper side of the burner 200 to be connected to the first heat medium passage P1 positioned at an upper portion thereof to pass through the heat medium.
  • the sensible heat exchanger and the latent heat exchanger are formed integrally with the condenser and surround the burner inside the unit plates stacked in multiple stages. By forming the together together it is possible to reduce the number of components constituting the heat exchanger and to simplify the coupling structure.
  • the heat medium flow path so that the path of the heat medium flows alternately in the interior of the unit plate laminated in multiple stages to form a long flow path of the heat medium in a limited space to secure a wide heat transfer area between the heat medium and the combustion gas
  • the heat medium flow path and the combustion gas are formed in a unit plate connected to each other, the heat efficiency can be further improved by heat exchange through the entire unit plate.
  • the heat insulation efficiency between the sensible heat exchanger and the latent heat exchanger can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a heat exchanger in which a heat exchange pipe is spirally installed around a conventional burner;
  • FIGS. 2 and 3 are a perspective view of the heat exchanger according to an embodiment of the present invention seen from the upper side and the lower side,
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention according to the present invention.
  • FIG. 6 is a bottom view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 8 is a cutaway perspective view showing a part of a unit plate
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line B-B of FIG. 5,
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line C-C of FIG. 6,
  • FIG. 13 is a view for explaining the flow path of the heat medium in the heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a perspective view showing a laminated structure of a unit plate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of FIG. 14;
  • FIG. 16 is a view for explaining the flow path of the heat medium in the unit plate shown in FIG.
  • 17 is a perspective view showing a laminated structure of a unit plate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a (a) perspective view and (b) a partially cutaway perspective view showing an embodiment in which a heat medium flow path is further formed on the burner.
  • D1, D3 flow path forming protrusions
  • D2, D4 flow path forming grooves
  • E1 E3: Spacing maintenance protrusion
  • E2 Spacing maintenance groove
  • P1, P3 Heat medium flow path
  • P2, P4 Combustion gas flow path
  • the heat exchanger includes a mixer inlet 110 through which a mixture of air and fuel is introduced, and an upper duct 100 having flue 120 through which combustion gas is discharged. ;
  • a burner (200) combusting the mixer introduced through the mixer inlet (100);
  • the heat exchanger 300 is provided around the burner 200 to exchange heat between the combustion gas generated by the combustion of the burner 200 and the heat medium, and the plurality of unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 390-1 are stacked up and down. );
  • a lower duct 400 coupled to the lower portion of the heat exchange part 300.
  • the mixer inlet 110 includes a mixer inlet pipe 111 and a support plate 112 that supports the burner 200 and blocks the leakage of combustion gas.
  • the burner 200 generates a high temperature combustion gas by burning a mixture of air and fuel introduced through the mixer inlet 110.
  • the burner 200 is configured such that the support plate 112 is fixed and generates a flame in a downward direction.
  • the heat exchange part 300 includes a sensible heat exchanger 300-1 that absorbs sensible heat of combustion gas generated by combustion of the burner 200, and the sensible heat exchanger 300-1. It consists of a latent heat exchanger (300-2) for absorbing the latent heat generated by the condensation of water vapor contained in the combustion gas after the heat exchange.
  • the unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390 and 390-1 stacked in multiple stages have a concentric structure of the sensible heat exchanger 300-1 and the latent heat exchanger 300-2 centered on the burner 200.
  • the sensible heat exchanger 300-1 is positioned inside the unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390-390-1, and the latent heat exchanger 300-2 is integrally formed at a position spaced outward.
  • the lower duct 400 condenses and drops the heat medium inlet pipe 410 through which the heat medium flows into the latent heat exchange part 300-2, and the water vapor contained in the combustion gas passing through the latent heat exchange part 300-2.
  • the condensate discharge pipe 430 for discharging the condensate is connected.
  • the lower cover 400 is formed with a condensate guide portion 401 of the groove shape to guide the falling condensate flows toward the condensate discharge pipe 430, and is located at the lowermost periphery of the outer condensate guide portion 401
  • a flange portion 402 is formed to engage with the flange portion C2 formed on the unit plate 390a.
  • the sensible heat exchanger 300-1 and the latent heat exchanger 300-2 are integrally formed on the plurality of unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390-1 which are stacked up and down and constitute the heat exchanger 300.
  • the flow passages P1 and P3, the combustion gas passages P2 and P4, and the combustion gas discharge passage P5 are formed together.
  • the heat exchange part 300 includes a plurality of unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, and 390-1 stacked up and down, and are formed in a similar pattern.
  • the unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 390-1 are first plates 310a, 320a, 330a, 340a, 350a, 360a, 370a, 380a, 390a, 390a-1 (hereinafter referred to as 'first plates'). And second plates 310b, 320b, 330b, 340b, 350b, 360b, 370b, 380b, 390b and 390b-1 (hereinafter referred to as 'second plates') respectively coupled to the lower part thereof. do.
  • the first plate has a first planar portion A1 having a first through hole B1 formed in the center portion thereof, and a first flange portion extending upward from an edge portion of the first planar portion A1 and bent outwardly.
  • (C1) and the first flow path forming protrusion (D1) is spaced inwardly and outwardly and convex upward in an area between the edge of the first planar portion (A1) and the first through hole (B1); And a second flow path forming protrusion D3.
  • the second plate has a second plane portion in which a second through hole B2 having a shape corresponding to the first through hole B1 is formed at a central portion thereof, and an upper surface thereof is in close contact with a bottom surface of the first plane portion A1. (A2) and a second flange portion C2 extending downward from the edge portion of the second flat portion A2 and bent outward and engaged with the first flange portion C1 of the unit plate located below.
  • a second flow path groove portion D2 forming a first flow path groove portion D2 and a second flow path flow path portion P3 between the second flow path formation protrusion portion D3. It comprises a (D4).
  • the first flange portion C1 is formed higher than the protruding heights of the first flow path forming protrusion D1 and the second flow path forming protrusion D3, and the second flange portion C2 is formed in the first flow path. It is formed deeper than the recessed depth of the formation groove portion D2 and the second flow path formation groove portion D4.
  • the first flow path forming protrusion D1 includes a plurality of first interval holding protrusions E1 protruding at the same height as the first flange portion C1, and the second flow path forming protrusion D3.
  • a plurality of second interval holding protrusions E3 protruding at the same height as the first flange portion C1 are formed, and the first flow path forming groove portion D2 has the same depth as that of the second flange portion C2.
  • a plurality of recessed first interval holding grooves E2 are formed, and the plurality of second interval holding grooves E4 recessed to the same depth as the second flange portion C2 in the second flow path forming groove portion D2. Is formed.
  • the second flange portion C2 formed on the unit plate positioned on the upper portion is coupled to the first flange portion C1 formed on the unit plate disposed on the lower portion, and positioned above.
  • the lower end of the first interval maintenance groove portion E2 formed in the unit plate is in contact with the upper end of the first interval maintenance protrusion E1 formed in the unit plate located at the lower portion, and the second interval maintenance formed in the unit plate located at the upper portion
  • the lower end of the groove portion E4 is supported by being in contact with the upper end of the second interval holding protrusion E3 formed in the unit plate positioned at the lower portion.
  • a first combustion gas discharge port F1 for providing a combustion gas discharge passage P5 is formed at an edge portion of the first flat portion A1, and the first portion is formed at an edge portion of the second flat portion A2.
  • the combustion gas passing through the first combustion gas flow path P2 and the second combustion gas flow path P4 is formed by forming a second combustion gas discharge port F2 at a position corresponding to the first combustion gas discharge port F1 up and down.
  • the first combustion gas discharge port F1 and the second combustion gas discharge port F2 respectively formed in the plurality of unit plates disposed up and down are sequentially discharged.
  • the second flange portion C2 of the upper portion and the first flange portion C1 of the lower portion are coupled to each other, and the first interval holding groove portion E2 and the second interval holding groove portion E4 of the unit plate positioned on the upper portion thereof.
  • the first combustion gas discharge port E1 and the second interval maintenance protrusion E3 of the unit plate, which are located at the lower portion, are in contact with each other, and the first combustion gas discharge port communicates with the edge of the first plate and the second plate.
  • one or both of the flow path forming protrusions D1 and D3 and the flow path forming grooves D2 and D4 may include an uneven turbulence forming part G.
  • the turbulence forming unit G may be configured to protrude outward from the surfaces of the flow path forming protrusions D1 and D3 and the flow path forming grooves D2 and D4 or to be recessed inward, and the shape may be embossed or elliptical. It may be of various forms, such as a form, or a rib form inclined to one side.
  • heat exchange efficiency is promoted by promoting the generation of turbulence in the flow of the heat medium passing through the heat medium flow paths (P1, P3) and the flow of combustion gas passing through the combustion gas flow paths (P2, P4). Can be improved.
  • the flow path forming protrusions D1 and D3 of the first plate are recessed downward, and the flow path forming grooves D2 and D4 of the second plate are upper side.
  • the flow path forming protrusion When configured to protrude in the form, when the lower end of the turbulence forming portion recessed to the lower side, and the upper end of the turbulent forming portion projecting to the upper side is configured to be in contact with each other in the heat medium flow path (P1, P3), the flow path forming protrusion
  • the bonding strength between the (D1, D3) and the flow path forming grooves (D2, D4) can be increased, and the flow path forming protrusions (D1, D3) and the flow path forming grooves due to the pressure of the heat medium passing through the heat medium flow paths (P1, P3). It is possible to prevent (D2, D4) from being deformed and broken.
  • the combustion gas generated by the combustion of the burner 200 includes the support plate 112 located above the burner 200 and the unit plate 390-1 located below the burner 200. ),
  • the flow in the vertical direction is blocked, and flows radially outward with respect to the burner 200 so that the first combustion gas flow path P2 and the latent heat exchanger 300-of the sensible heat exchanger 300-1 are blocked.
  • the second combustion gas flow path P4 of 2) passes, and in this process, the first heat medium flow path P1 of the sensible heat exchange part 300-1 and the second heat medium flow path P3 of the latent heat heat exchange part 300-2. Heat is transferred to the heat medium passing through
  • Turbulence is generated in the flow of the combustion gas and the heat medium by the turbulence forming parts G formed in the flow path forming protrusions D1 and D3 and the flow path forming grooves D2 and D4 in the course of passing through the combustion gas flow paths P2 and P4. Since this is promoted at the same time, the heat transfer efficiency between the combustion gas and the heat medium can be increased.
  • the combustion gas passing through the second combustion gas flow path P4 is connected to the combustion gas discharge passage P5 which is vertically communicated by the combustion gas discharge ports F1 and F2 formed in the unit plates 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390 and 390-1 stacked up and down. Pass through the sequential to move upward through the flue 120 provided in the upper duct 100 is discharged to the outside.
  • the heat transferred to the outer wall of the combustion gas discharge passage (P5) in the course of the combustion gas passing through the combustion gas discharge passage (P5) is a flat portion (A1, A2) and the flow path forming projections (D1, D3) and the heat transfer paths D2 and D4 are transferred back to the heat medium passing through the heat medium flow paths P1 and P3, thereby minimizing heat loss and further improving thermal efficiency.
  • the flow path of the heat medium flows into the first heat medium flow path P1 of the latent heat exchange part 300-2 through the heat medium inlet pipe 410 connected to the lower part of the latent heat heat exchange part 400, and moves upward.
  • the heat medium moved to the upper portion of the flow path P1 is an sensible heat exchange part 300-1 communicating through the internal space S of the flow path connecting portion E formed on the first plate 310a of the unit plate 310 located at the top. It is configured to be discharged through the heat medium discharge pipe 420 connected to the lower portion of the sensible heat exchange unit 300-1 after flowing into the upper portion of the second heat medium flow path (P3) of the bottom).
  • a second gap holding protrusion E3 and a second gap holding groove E4 are formed at four corners of the second flow path forming protrusion D3 and the second flow path forming groove D4, respectively.
  • the heat medium flowing through the heat medium inflow pipe 410 is connected to the second heat medium flow path P3 through the through hole 391b of the unit plate 390-1 located at the bottom of the latent heat exchange part 300-2.
  • the through hole 311 formed in the unit plate 310 located at the top via each of the second thermal medium flow path (P3) of the unit plate located at the top from the unit plate located at the bottom The flow path is switched by the flow path connecting part E to move to the upper portion of the first heat medium flow path P1 of the sensible heat exchange part 300-1 through the through hole 312 formed in the unit plate 310.
  • the heat medium flows into and out of the second heat medium flow path P3 formed in the latent heat exchange part 300-2, and the heat medium flows in both directions, so that the heat medium flows in both directions.
  • the first hole of the unit plate positioned below the through hole is formed through the through hole formed in the second plate located on the other side and the through hole formed in the first plate constituting the unit plate located below. It is comprised so that it may flow into a heat medium flow path P1.
  • the first flow path forming protrusion (D1) is formed so that the entire section is communicated along the circumferential direction of the first plate
  • the first flow path forming groove (D2) is the circumferential direction of the second plate Accordingly, the entire section is formed to communicate with each other
  • the first spacing holding protrusion E1 and the first spacing holding groove E2 have a first thermal medium flow path P1 of a unit plate positioned at an upper portion and a unit plate positioned at a lower portion thereof.
  • Through holes for connecting the first thermal medium flow path (P1) of the respective through holes are formed in the direction of the first thermal medium flow path (P1) in the unit plate located in the upper and the unit plate located in the lower.
  • the one-column media flow paths P1 are positioned in opposite directions to each other.
  • the heat medium flowing into the first heat medium flow path P1 inside the unit plates 340 and 350 located below the diagonal through the through hole 337 of the unit plate 330 and the through holes 343, 346 and 353 disposed below the diagonal is diagonal. It flows toward the through-holes (347, 354, 357) are located facing each other in the direction.
  • the heat medium flows into the first heat medium flow path P1 inside the unit plates 360 and 370 located below through the through holes 357 of the unit plate 350 and through holes 363, 367 and 374 positioned below the unit plates 350. Flows toward the through-holes 326, 373, and 377 which are positioned in diagonal directions.
  • the flow path of the heat medium in the unit plate positioned at the upper side and the unit plate positioned at the lower side alternates from the lower left end to the upper upper end and the direction from the upper right end to the lower left end. Since the flow path of the heat medium can be formed long, the heat transfer efficiency with the combustion gas can be increased.
  • FIGS. 14 to 16 Another embodiment of the flow path of the heat medium will be described with reference to FIGS. 14 to 16. Since the unit plates 510, 520, 530, 540 according to the present embodiment may be applied in place of the unit plates constituting the heat exchange unit 300 described above, the structure of the unit plates 510, 520, 530, 540 constituting one set and the inside of the The flow path of the heating medium will be described.
  • the flow path of the heat medium according to the present embodiment is a through-hole formed on one side of the first plate constituting the unit plate located at the top of the unit plates located up and down adjacent to each other.
  • the first flow path forming protrusion (D1) is formed so that a portion of the communication portion along the circumferential direction of the first plate, the first flow path forming groove (D2) is the circumferential direction of the second plate Therefore, some sections are formed to communicate with each other, and the first spacing holding protrusion E1 and the first spacing holding groove E2 have a first thermal medium flow path P1 of a unit plate positioned at an upper portion and a unit plate positioned at a lower portion thereof.
  • Through holes for connecting the first thermal medium flow path (P1) of the respective through holes are formed in the direction of the first thermal medium flow path (P1) in the unit plate located in the upper and the unit plate located in the lower.
  • the one-column media flow paths P1 are positioned in opposite directions to each other.
  • the latent heat exchanger has a structure similar to that of the above-described embodiment, wherein the first plates 510a, 520a, 530a and 540a and the second plates 510b, 520b and 530b of the unit plates 510, 520, 530 and 540.
  • the second space keeping protrusion E3 and the second space keeping groove E4 disposed in the diagonal direction are formed with through holes 511, 512, 514, 515, 521, 522, 525, 526, 531, 532, 534, 535, 541, 542, 545, 546 and upside down. Therefore, the heat medium flows into and out of the second heat medium flow path P3 formed in the latent heat exchange part, and the heat medium can flow in both directions, thereby recovering the latent heat by forming a flow path of the heat medium. The efficiency can be improved.
  • the heat medium flowing into the first heat medium flow path P1 through the through hole 513 of the unit plate 510 located in the upper portion flows counterclockwise in a plan view toward the through hole 517 and then passes through the through hole ( 516 and a through hole 524 disposed below the first column medium flow path P1 of the unit plate 520.
  • the heat medium flowing into the first heat medium flow path P1 of the unit plate 520 flows counterclockwise in a plan view toward the through hole 533 of the unit plate 530 located below, and then passes through the through hole ( The first heat medium flow path P1 of the unit plate 530 flows through 533.
  • the heat medium flowing into the first heat medium flow path P1 of the unit plate 530 flows in a clockwise direction toward the through hole 543 of the unit plate 540 positioned below, and then passes through the through hole 543. It flows into the unit plate 540, and likewise flows clockwise even inside the unit plate 540.
  • the flow direction of the heat medium is alternatingly counterclockwise and clockwise in the unit plate positioned at the upper portion and the unit plate positioned at the lower portion thereof, thereby increasing the thermal efficiency by forming a flow path of the heat medium.
  • the unit plates 510, 520, 530, and 540 described as an example may be stacked in a plurality of set units to form the heat exchange part 300.
  • the unit plate constituting the heat exchanger 300 has a case in which the burner 200 is formed in a square shape as an example, but in addition to the square shape, it may be configured in a polygonal shape such as a pentagon or an ellipse shape. As illustrated in FIG. 17, the unit plates 610, 620, 630, and 640 may be arranged in a circular shape. Since the flow paths of the heat medium and the combustion gas in the unit plates 610, 620, 630 and 640 shown in FIG. 17 may be applied in the same manner as in the above embodiment, description thereof will be omitted.
  • a heat medium connection passage P connected to a first heat medium flow path P1 positioned at an upper portion of the burner 200 is formed to be further formed. can do.
  • the configuration of the heat medium connection passage (P) it is possible to prevent overheating of the burner support plate due to the heat of combustion transmitted through the upper portion of the burner 200, the combustion gas to the heat medium passing through the heat medium connection passage (P) Since heat of combustion of is absorbed, heat insulation and thermal efficiency can be further improved.

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Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 공기와 연료의 혼합기를 연소시키는 버너, 및 상기 버너의 연소에 의해 발생하는 연소가스와, 열매체 간에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하되, 상기 열교환부는 다수개의 단위플레이트가 적층되어 구성되고, 상기 단위플레이트에는, 상기 버너의 둘레에 동심 구조로 배치되는 현열 열교환부와 잠열 열교환부가 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기
본 발명은 난방용 또는 온수용 보일러에 구비되는 열교환기에 관한 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정한 패턴으로 제작된 단위플레이트를 적층시켜 버너의 둘레에 동심 구조로 배치되는 현열 열교환부와 잠열 열교환부를 일체로 형성함으로써 구조를 간소화함과 아울러 열매체와 연소가스 간의 열전달 효율을 향상시킨 열교환기에 관한 것이다.
난방용 또는 온수용으로 사용되는 보일러는 난방수 또는 직수(이하, ‘열매체’라 통칭함)를 열원에 의해 가열시켜 원하는 지역을 난방하거나 온수를 공급하는 장치로서, 가스와 공기의 혼합기를 연소시키는 버너와, 연소가스의 연소열을 열매체로 전달하는 열교환기를 포함하여 구성된다.
초기에 생산된 보일러는 버너의 연소 시 발생하는 현열만을 이용하여 열매체를 가열하는 방식의 열교환기를 사용하였으나, 근래에 생산되는 보일러는 열효율을 향상시키기 위해 연소실에서 발생되는 연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환기와, 상기 현열 열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함되어 있는 수증기가 응축되면서 발생하는 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기를 구비한 콘덴싱 보일러가 사용되고 있다. 이러한 콘덴싱 보일러는 가스보일러 뿐만 아니라 기름보일러에도 실용화되어 보일러 효율의 증가 및 연료비 절감에 많은 기여를 하고 있다.
이와 같이 현열 열교환기와 잠열 열교환기로 구성되는 종래의 콘덴싱 방식의 열교환기는, 통상 하우징의 상부에 송풍기와 연료공급노즐 및 버너가 설치되고, 상기 버너의 하측으로 하우징의 내부에는 열교환파이프의 외측에 열교환핀이 결합된 현열 열교환기와 잠열 열교환기가 순차적으로 설치된 구조로 이루어져 있다.
그러나, 이와 같은 콘덴싱 방식의 열교환기에 있어서는, 하우징의 상부에 위치하는 송풍기와, 하우징의 내부에 상하로 위치하는 현열 열교환기와 잠열 열교환기의 구조상 열교환기의 부피가 커지게 되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해소하고 최소한의 부피를 갖도록 하면서 열교환 효율을 향상시키기 위한 선행기술로, 등록특허 제10-1321708호, 등록특허 제10-0581578호, 등록특허 제10-0813807호 등에는, 중앙에 버너가 위치하고, 버너의 둘레에 코일형태로 감겨진 열교환파이프로 구성된 열교환기가 개시되어 있다.
도 1은 상기 등록특허 제10-0813807호에 개시된 콘덴싱 보일러의 열교환기의 단면도를 나타낸 것으로, 도 1에 도시된 열교환기(40)는, 연소가스가 하향식으로 배출되게 설치되는 버너(10)와, 상기 버너(10)에서 발생되는 열에 의해 그 내부로 공급되는 물을 원하는 온도로 가열하여 난방수 또는 온수로 제공할 수 있도록 상기 버너(10)의 둘레에 코일형태로 감겨진 열교환파이프(20), 상기 열교환파이프(20)의 하부에 횡방향으로 설치되어 연소가스의 유로를 형성하는 격막(30)을 포함하여 구성되고, 상기 열교환파이프(20)는 버너(10)의 중심방향을 향하도록 몸체 외측에서 내측으로 소정의 경사면(21)을 갖도록 배치되며, 상기 격막(30)의 몸체에는 그 내부로 연통홀(32)을 형성하면서, 일측과 타측으로는 열교환파이프(20)의 일측과 타측을 상호 연결하는 접속관(33)이 연결 설치된 구성이 나타나 있다.
그러나, 상기 선행기술 문헌들에 소개된 열교환기는, 열교환파이프를 나선형으로 가공하는 과정에서 비틀림 현상이 발생하게 되므로 그 표면을 전체적으로 균일한 형태로 가공하기가 용이하지 않은 단점이 있다.
또한, 열교환파이프의 굽힘 가공 시 버너의 중심을 향하는 내측면과 그 반대측의 외측면 간에는 변형율에 차이가 있으므로 굽힘 가공 시 파손의 우려가 있어, 연소가스와 열교환이 이루어지는 열교환파이프의 너비를 크게 형성하는데 한계가 있다. 이로 인하여 열매체와 연소가스 간의 열전달 효율을 보다 향상시키기 위한 구성으로, 열교환파이프의 표면에 난류 유동을 촉진하는 요철 형태를 가공하기 위한 면적을 충분히 확보할 수 없는 구조적인 한계가 있다.
또한, 종래의 열교환기는 나선형으로 감긴 열교환파이프(20)의 외측 둘레를 밀폐하기 위한 구성으로 하우징(H)이 별도로 구비되어야 하므로, 열교환기의 설치 구조가 복잡하고, 버너(10)의 연소에 의해 발생된 연소가스가 열교환파이프(20)의 상하로 이격된 공간을 통과하여 열교환파이프(20)와 하우징(H)의 내벽 사이의 공간을 통해 유동하면서 하우징(H)에 전달되는 열은 하우징(H)의 외부로 그대로 방열되어 소실되므로 열교환파이프(20)의 내부를 흐르는 열매체에 연소가스의 열원을 충분히 전달할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래의 열교환기는 너버(10)의 연소에 의해 발생되는 열이 버너(10)를 고정하는 플레이트(11)측으로 전달되어 과열되고, 이를 방지하기 위해서는 단열재 또는 플레이트(11)측 외부에 방열핀을 별도로 추가해야 하므로 구조가 복잡해지고 열이 손실되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단위플레이트를 적층시켜 현열 열교환부와 잠열 열교환부를 일체로 구성함과 아울러 열매체 유로와 연소가스 유로 및 그 외측면을 밀폐하는 외벽 구조를 일체형으로 구성함으로써, 열교환기를 구성하는 부품의 개수를 줄이고 결합구조를 간소화 한 열교환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 열교환기 내부의 한정된 공간에 열매체의 유동 경로를 최대한 길게 형성하여 열매체와 연소가스 간의 전열 면적을 넓게 확보하는 한편 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시킴으로써 열효율을 극대화할 수 있는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연소가스의 배출통로를 통해 배출되는 연소가스의 연소열이 열매체에 최대한 회수되도록 하여 열효율을 더욱 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 열교환기는, 공기와 연료의 혼합기를 연소시키는 버너(200); 및 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와, 열매체 간에 열교환이 이루어지는 열교환부(300)를 포함하되, 상기 열교환부(300)는 다수개의 단위플레이트가 적층되어 구성되고, 상기 단위플레이트에는, 상기 버너(200)의 둘레에 동심 구조로 배치되는 현열 열교환부(300-1)와 잠열 열교환부(300-2)가 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 현열 열교환부(300-1)에는 제1열매체 유로(P1)와 제1연소가스 유로(P2)가 서로 분리되어 인접하게 교대로 형성되고,
상기 잠열 열교환부(300-2)에는 제2열매체 유로(P3)와 제2연소가스 유로(P4)가 서로 분리되어 인접하게 교대로 형성되며, 상기 단위플레이트의 가장자리부에는 상기 제1연소가스 유로(P2)와 제2연소가스 유로(P4)를 통과한 연소가스가 배출되는 연소가스 배출통로(P5)가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 단위플레이트는 상하로 적층된 제1플레이트와 제2플레이트로 구성되고, 상기 제1플레이트는, 제1관통구(B1)가 중앙부에 형성된 제1평면부(A1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 제1플랜지부(C1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 내측과 외측으로 이격 배치되며 상측으로 볼록한 형상의 제1유로형성 돌출부(D1)와 제2유로형성 돌출부(D3)를 포함하고, 상기 제2플레이트는, 상기 제1관통구(B1)와 대응되는 형상의 제2관통구(B2)가 중앙부에 형성되고 상기 제1평면부(A1)의 저면에 상면이 밀착되는 제2평면부(A2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡되며 하측에 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(C1)와 결합되는 제2플랜지부(C2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 내측과 외측으로 이격 배치되며 하측으로 오목하게 형성되어, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)와 사이에 상기 제1열매체 유로(P1)를 형성하는 제1유로형성 홈부(D2)와, 상기 제2유로형성 돌출부(D3)와 사이에 상기 제2열매체 유로(P3)를 형성하는 제2유로형성 홈부(D4)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1플랜지부(C1)는 상기 제1유로형성 돌출부(D1) 및 제2유로형성 돌출부(D3)의 돌출된 높이보다 더 높게 형성되고, 상기 제2플랜지부(C2)는 상기 제1유로형성 홈부(D2) 및 제2유로형성 홈부(D4)의 함몰된 깊이보다 더 깊게 형성되어, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1유로형성 홈부(D2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1유로형성 돌출부(D1)의 상단 사이에는, 상하로 이격된 공간이 마련되어 상기 제1연소가스 유로(P2)가 형성되고, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제2유로형성 홈부(D4)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 제2유로형성 돌출부(D3)의 상단 사이에는 상하로 이격된 공간이 마련되어 상기 제2연소가스 유로(P4)가 형성되는 것으로 구성될 수 있다.
상기 제1유로형성 돌출부(D1)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 제1간격유지 돌출부(E1)가 형성되고, 상기 제2유로형성 돌출부(D3)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 제2간격유지 돌출부(E3)가 형성되며, 상기 제1유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 제1간격유지 홈부(E2)가 형성되고, 상기 제2유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 제2간격유지 홈부(E4)가 형성된 것으로 구성될 수 있다.
상기 제1평면부(A1)의 가장자리부에는 상기 연소가스 배출통로(P5)를 제공하는 제1연소가스 배출구(F1)가 형성되고, 상기 제2평면부(A2)의 가장자리부에는 상기 제1연소가스 배출구(F1)와 상하로 대응되는 위치에 제2연소가스 배출구(F2)가 형성되어, 상기 제1연소가스 유로(P2)와 제2연소가스 유로(P4)를 통과한 연소가스는 상하로 배치되는 다수의 단위플레이트에 각각 형성된 제1연소가스 배출구(F1)와 제2연소가스 배출구(F2)를 순차로 통과하여 배출되도록 구성될 수 있다.
상기 제1유로형성 돌출부(D1), 제1유로형성 홈부(D2), 제2유로형성 돌출부(D3), 및 제2유로형성 홈부(D4)에는 요철 형상의 난류형성부(G)가 형성되되, 상기 제1열매체 유로(P1)의 내부와 상기 제2열매체 유로(P3)의 내부에서 상기 난류형성부(G)의 돌출된 상단과 함몰된 하단이 서로 맞닿도록 구성될 수 있다.
일실시예로, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1플레이트의 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 제1유로형성 홈부(D2)는 상기 제2플레이트의 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 제1간격유지 돌출부(E1)와 제1간격유지 홈부(E2)에는, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)와 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향과 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것으로 구성될 수 있다.
이 경우, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 제1열매체 유로(P1)를 따라 양방향으로 분기되어 유동한 후에, 타측에 위치하는 제2플레이트에 형성된 관통공과, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)로 유입되는 것으로 구성될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1플레이트의 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 제1유로형성 홈부(D2)는 상기 제2플레이트의 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 제1간격유지 돌출부(E1)와 제1간격유지 홈부(E2)에는, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)와 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향과 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것으로 구성될 수 있다.
상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 제1열매체 유로(P1)를 따라 일방향으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제2플레이트에 형성된 관통공과, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)로 유입되는 것으로 구성될 수 있다.
상기 실시예들에서, 상기 단위플레이트를 적층하여 상기 제1열매체 유로(P1)를 다중 병렬로 구성할 수 있다.
상기 잠열 열교환부(300-2)의 하부에는 열매체가 상기 제2열매체 유로(P3)로 유입되는 열매체 유입관(410)이 연결되고, 상기 잠열 열교환부(300-2) 및 현열 열교환부(300-1)의 상부에는 상기 제2열매체 유로(P3)의 상부와 상기 제1열매체 유로(P1)의 상부에 연통되어 상기 제2열매체 유로(P3)를 통과한 열매체가 상기 제1열매체 유로(P1)로 유입되도록 안내하는 유로연결부(E)가 구비되고, 상기 현열 열교환부(300-1)의 하부에는 상기 제1열매체 유로(P1)를 경유한 열매체가 배출되는 열매체 배출관(420)이 연결된 것으로 구성될 수 있다.
상기 열교환부(300)의 상부에는 상기 연소가스 배출통로(P5)를 통과하여 상향으로 유동하는 연소가스가 배출되는 상부 덕트(100)가 구비되고, 상기 열교환부(300)의 하부에는 상기 연소가스 배출통로(P5)를 통과하는 연소가스에 포함된 수증기의 응축수를 응축수 배출관(430) 측으로 유도하는 응축수 유도부(401)가 형성된 하부 덕트(400)가 구비될 수 있다.
상기 단위플레이트는, 상기 버너(200)의 둘레에 다각 형상 또는 원 형상 또는 타원 형상으로 배치될 수 있다.
상기 버너(200)의 상부 측면 둘레에는 상부에 위치하는 제1열매체 유로(P1)에 연결되어 열매체가 경유하는 열매체 연결유로(P)가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 다단으로 적층되는 단위플레이트의 내부에 버너를 둘러싸며 동심 구조로 배치되는 현열 열교환부와 잠열 열교환부를 일체로 형성함과 아울러 열매체 유로와 연소가스 유로 및 연소가스 배출통로가 함께 형성되도록 구성함으로써 열교환기를 구성하는 부품의 개수를 줄이고 결합구조를 간소화할 수 있다.
또한 다단으로 적층된 단위플레이트의 내부에서 열매체가 유동하는 경로가 교호적으로 변환되도록 열매체 유로를 형성함으로써, 한정된 공간 내에 열매체의 유동 경로를 최대한 길게 형성하여 열매체와 연소가스 간의 전열 면적을 넓게 확보하는 한편 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시킴으로써 열효율을 극대화할 수 있다.
또한 다수개의 단위플레이트를 다중으로 적층시켜 열매체 유로를 다중 병렬로 구성함으로써 압력 손실을 최소화하고 별도의 연결부품이 필요하지 않으며 연결되는 열매체 유로 사이를 연결하는 부분도 열교환되는 면적으로 활용할 수 있다.
또한 열매체 유로 및 연소가스 유로의 내부에 난류형성을 위한 형상이 맞닿아 용접되게 함으로써 열매체의 압력에 의한 단위플레이트의 변형을 방지하고 내압 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 열매체 유로와 연소가스가 단위플레이트에 서로 이어진 형태로 구성되므로 단위플레이트 전체를 통하여 열교환되어 열효율을 더욱 향상 시킬수 있다.
또한 버너의 상부 측면부에도 열매체가 경유하는 유로를 형성함으로써 버너 지지플레이트의 과열을 방지하고 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 현열 열교환부와 잠열 열교환부 사이에 위치하는 단열부를 구성하는 플레이트 사이 공간에 열매체가 경유하도록 구성함으로써, 현열 열교환부와 잠열 열교환부 간의 단열 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래 버너의 둘레에 열교환파이프가 나선형으로 설치된 열교환기를 보여주는 단면도,
도 2와 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기를 상측과 하측에서 바라본 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 분해 사시도,,
도 5는 본 발명에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 평면도,,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 저면도,
도 7은 도 5의 A-A 선을 따라 절개한 사시도,
도 8은 단위플레이트의 일부를 나타낸 절개 사시도,
도 9는 도 5의 A-A 선을 따라 절개한 단면도,
도 10은 도 5의 B-B 선을 따라 절개한 단면도,
도 11은 도 6의 C-C 선을 따라 절개한 단면도,
도 12는 도 6의 D-D 선을 따라 절개한 단면도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기에서 열매체의 유동 경로를 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위플레이트의 적층구조를 나타낸 사시도,
도 15은 도 14의 분해 사시도,
도 16은 도 14에 도시된 단위플레이트에서 열매체의 유동 경로를 설명하기 위한 도면,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위플레이트의 적층구조를 나타낸 사시도,
도 18은 버너의 상부에 열매체 유로가 추가로 형성된 실시예를 나타낸 (a) 사시도와, (b) 일부 절개 사시도.
** 부호의 설명 **
100 : 상부 덕트 110 : 혼합기 유입부
120 : 연도 200 : 버너
300 : 열교환부 300-1 : 현열 열교환부
300-2 : 잠열 열교환부
310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1 : 단위플레이트
310a,320a,330a,340a,350a,360a,370a,380a,390a,390a-1 : 제1플레이트
310b,320b,330b,340b,350b,360b,370b,380b,390b,390b-1 : 제2플레이트
400 : 하부 덕트 410 : 열매체 유입관
420 : 열매체 배출관 430 : 응축수 배출관
510,520,530,540,610,620,630,640,650 : 단위플레이트
A1,A2 : 평면부
B1,B2 : 관통구 C1,C2 : 플랜지부
D1,D3 : 유로형성 돌출부 D2,D4 : 유로형성 홈부
E1,E3 : 간격유지 돌출부 E2,E4 : 간격유지 홈부
F1,F2 : 연소가스 배출구 G : 난류형성부
P1,P3 : 열매체 유로 P2,P4 : 연소가스 유로
P5 : 연소가스 배출통로 P : 열매체 연결유로
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기는, 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 유입되는 혼합기 유입부(110)와, 연소가스가 배출되는 연도(120)가 형성된 상부 덕트(100); 상기 혼합기 유입부(100)를 통해 유입되는 혼합기를 연소시키는 버너(200); 상기 버너(200)의 둘레에 구비되어 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지고, 다수개의 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)가 상하로 적층되어 구성되는 열교환부(300); 및 상기 열교환부(300)의 하부에 결합되는 하부 덕트(400)를 포함한다.
상기 혼합기 유입부(110)는, 혼합기 유입관(111)과, 버너(200)를 지지하며 연소가스의 누출을 차단하는 지지판(112)을 포함하여 구성된다.
상기 버너(200)는 혼합기 유입부(110)를 통하여 유입되는 공기와 연료의 혼합기를 연소시켜 고온의 연소가스를 발생시킨다. 상기 버너(200)는 상기 지지판(112)이 고정되고, 하방향으로 화염을 발생시키도록 구성되어 있다.
상기 열교환부(300)는, 도 7에 도시된 바와 같이 버너(200)의 연소에 의해 발생한 연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환부(300-1)와, 상기 현열 열교환부(300-1)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기가 응축되면서 발생하는 잠열을 흡수하는 잠열 열교환부(300-2)로 구성된다. 본 발명에서는 다단으로 적층되는 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)에 버너(200)를 중심으로 하는 동심 구조의 현열 열교환부(300-1)와 잠열 열교환부(300-2)가 일체형으로 구성되어 있다.
즉, 상기 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)의 내측에는 현열 열교환부(300-1)가 위치하고, 그 외측으로 이격된 위치에 잠열 열교환부(300-2)가 일체로 형성되어 있다.
상기 하부 덕트(400)에는 잠열 열교환부(300-2)로 열매체가 유입되는 열매체 유입관(410)과, 상기 잠열 열교환부(300-2)를 통과하는 연소가스에 포함된 수증기가 응축되어 낙하하는 응축수를 배출하는 응축수 배출관(430)이 연결된다.
또한 상기 하부 덮트(400)에는 낙하하는 응축수가 상기 응축수 배출관(430)을 향하여 유동하도록 안내하는 홈 형상의 응축수 유도부(401)가 형성되고, 상기 응축수 유도부(401)의 외측 둘레에는 최하단에 위치하는 단위플레이트(390a)에 형성된 플랜지부(C2)와 결합되는 플랜지부(402)가 형성되어 있다.
이하, 본 발명의 특징적 구성인 열교환부(300)를 구성하는 현열 열교환부(300-1)와 잠열 열교환부(300-2)의 구성 및 작용을 설명한다.
본 발명에서는 상기 열교환부(300)를 구성하며 상하로 적층되는 다수개의 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)에 현열 열교환부(300-1)와 잠열 열교환부(300-2)가 일체로 형성됨과 아울러 열매체 유로(P1,P3)와 연소가스 유로(P2,P4) 및 연소가스 배출통로(P5)가 함께 형성된 것을 특징으로 한다.
도 4, 도 7, 도 8, 도 13을 참조하면, 상기 열교환부(300)는, 다수개의 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)가 상하로 적층되어 구성되고, 서로 유사한 패턴을 이루며 구성되어 있다.
상기 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)는, 상부에 위치하는 제1플레이트(310a,320a,330a,340a,350a,360a,370a,380a,390a,390a-1)(이하, ‘제1플레이트’라 통칭함)와, 그 하부에 각각 결합되는 제2플레이트(310b,320b,330b,340b,350b,360b,370b,380b,390b,390b-1)(이하, ‘제2플레이트’라 통칭함)로 구성된다.
상기 제1플레이트는, 제1관통구(B1)가 중앙부에 형성된 제1평면부(A1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 제1플랜지부(C1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 내측과 외측으로 이격 배치되며 상측으로 볼록한 형상의 제1유로형성 돌출부(D1)와 제2유로형성 돌출부(D3)를 포함하여 구성된다.
상기 제2플레이트는, 상기 제1관통구(B1)와 대응되는 형상의 제2관통구(B2)가 중앙부에 형성되고 상기 제1평면부(A1)의 저면에 상면이 밀착되는 제2평면부(A2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡되며 하측에 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(C1)와 결합되는 제2플랜지부(C2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 내측과 외측으로 이격 배치되며 하측으로 오목하게 형성되어, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)와 사이에 상기 제1열매체 유로(P1)를 형성하는 제1유로형성 홈부(D2)와, 상기 제2유로형성 돌출부(D3)와 사이에 상기 제2열매체 유로(P3)를 형성하는 제2유로형성 홈부(D4)를 포함하여 구성된다.
상기 제1플랜지부(C1)는 상기 제1유로형성 돌출부(D1) 및 제2유로형성 돌출부(D3)의 돌출된 높이보다 더 높게 형성되고, 상기 제2플랜지부(C2)는 상기 제1유로형성 홈부(D2) 및 제2유로형성 홈부(D4)의 함몰된 깊이보다 더 깊게 형성된다.
따라서, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1유로형성 홈부(D2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1유로형성 돌출부(D1)의 상단 사이에는, 상하로 이격된 공간이 마련되어 상기 제1연소가스 유로(P2)가 형성되고, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제2유로형성 홈부(D4)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 제2유로형성 돌출부(D3)의 상단 사이에는 상하로 이격된 공간이 마련되어 상기 제2연소가스 유로(P4)가 형성된다.
그리고, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 제1간격유지 돌출부(E1)가 형성되고, 상기 제2유로형성 돌출부(D3)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 제2간격유지 돌출부(E3)가 형성되며, 상기 제1유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 제1간격유지 홈부(E2)가 형성되고, 상기 제2유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 제2간격유지 홈부(E4)가 형성된다.
따라서, 상하로 인접하게 적층되는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제2플랜지부(C2)는 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제1플랜지부(C1)에 결합되고, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제1간격유지 홈부(E2)의 하단은 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제1간격유지 돌출부(E1)의 상단에 접촉되고, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제2간격유지 홈부(E4)의 하단은 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제2간격유지 돌출부(E3)의 상단에 접촉되어 지지된다.
그리고, 상기 제1평면부(A1)의 가장자리부에는 연소가스 배출통로(P5)를 제공하는 제1연소가스 배출구(F1)가 형성되고, 상기 제2평면부(A2)의 가장자리부에는 상기 제1연소가스 배출구(F1)와 상하로 대응되는 위치에 제2연소가스 배출구(F2)가 형성되어, 상기 제1연소가스 유로(P2)와 제2연소가스 유로(P4)를 통과한 연소가스는 상하로 배치되는 다수의 단위플레이트에 각각 형성된 제1연소가스 배출구(F1)와 제2연소가스 배출구(F2)를 순차로 통과하여 배출된다.
이와 같이 상부의 제2플랜지부(C2)와 하부의 제1플랜지부(C1)가 결합되고, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1간격유지 홈부(E2)와 제2간격유지 홈부(E4)가 각각 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1간격유지 돌출부(E1)와 제2간격유지 돌출부(E3)가 접촉 지지되고, 제1플레이트와 제2플레이트의 가장자리부에는 상하로 연통되는 제1연소가스 배출구(F1)와 제1연소가스 배출구(F2)를 형성함으로써, 단위플레이트의 적층 시, 상하로 인접하게 적층되는 단위플레이트의 내부에는 현열 열교환부(300-1)를 구성하는 제1열매체 유로(P1)와 제1연소가스 유로(P2), 잠열 열교환부(300-2)를 구성하는 제2열매체 유로(P3)와 제2연소가스 유로(P4), 및 잠열 열교환부(300-2)를 통과한 연소가스가 상부 덕트(100)의 연도(120)를 향하여 배출되는 연소가스 배출통로(P5)가 일체형으로 형성됨과 아울러 단위플레이트들 간의 결합강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 유로형성 돌출부(D1,D3)와 유로형성 홈부(D2,D4) 중 어느 하나 또는 양자 모두에는 요철 형상의 난류형성부(G)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 난류형성부(G)는 유로형성 돌출부(D1,D3)와 유로형성 홈부(D2,D4)의 표면에서 외측으로 돌출되거나 내측으로 함몰된 형태로 구성될 수 있으며, 그 형태는 엠보싱 형태, 타원 형태, 또는 일측으로 경사진 리브 형태 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 상기 난류형성부(G)의 구성에 의하면, 열매체 유로(P1,P3)를 통과하는 열매체의 유동 및 연소가스 유로(P2,P4)를 통과하는 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 난류형성부(G)를 구성함에 있어서, 제1플레이트의 유로형성 돌출부(D1,D3)에는 하측으로 함몰된 형태로 구성하고, 제2플레이트의 유로형성 홈부(D2,D4)에는 상측으로 돌출된 형태로 구성하여, 상기 하측으로 함몰된 난류형성부의 하단과, 상기 상측으로 돌출된 난류형성부의 상단이 열매체 유로(P1,P3)의 내부에서 서로 접촉되도록 구성할 경우에는, 유로형성 돌출부(D1,D3)와 유로형성 홈부(D2,D4) 간의 결합 강도를 증대시킬 수 있어, 열매체 유로(P1,P3)를 통과하는 열매체의 압력에 의한 유로형성 돌출부(D1,D3)와 유로형성 홈부(D2,D4)가 변형 및 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.
종래기술에 따른 나선형 열교환파이프 구조에서는 파이프의 굽힘 가공에 따르는 파이프의 변형 및 파손의 문제가 있어 열교환파이프의 표면에 난류 유동을 촉진하는 요철 형태를 가공하기 위한 면적을 충분히 확보할 수 없는 구조적인 한계가 있었으나, 본 발명에서는 단위플레이트를 적층시켜 열교환기를 구성하게 되므로, 난류형성부(G)의 형성을 위한 공간을 넓게 확보할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 열교환기에서의 연소가스의 유동 경로와 열매체의 유동 경로를 설명한다.
먼저, 연소가스의 유동 경로를 설명한다.
도 5과 도 7 내지 도 9를 참조하면, 버너(200)의 연소에 의해 발생된 연소가스는, 버너(200)의 상측에 위치하는 지지판(112)과 하측에 위치하는 단위플레이트(390-1)에 의해 상하방향으로의 유동은 차단되고, 버너(200)를 중심으로 방사상의 외측방향으로 유동하여 현열 열교환부(300-1)의 제1연소가스 유로(P2)와 잠열 열교환부(300-2)의 제2연소가스 유로(P4)통과하게 되며, 이 과정에서 현열 열교환부(300-1)의 제1열매체 유로(P1)와 잠열 열교환부(300-2)의 제2열매체 유로(P3)를 통과하는 열매체에 열을 전달하게 된다.
상기 연소가스 유로(P2,P4)를 통과하는 과정에서 유로형성 돌출부(D1,D3)와 유로형성 홈부(D2,D4)에 형성된 난류형성부(G)에 의해 연소가스와 열매체의 유동에 난류 발생이 동시에 촉진되므로, 연소가스와 열매체 간의 열전달 효율을 높일 수 있다.
상기 제2연소가스 유로(P4)를 통과한 연소가스는 상하로 적층된 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)에 각각 형성된 연소가스 배출구(F1,F2)에 의해 상하로 연통되는 연소가스 배출통로(P5)를 순차로 통과하여 상향 이동하여 상부 덕트(100)에 구비된 연도(120)를 통하여 외부로 배출된다.
이때, 상기 연소가스가 연소가스 배출통로(P5)를 통과하는 과정에서 연소가스 배출통로(P5)의 외벽에 전달된 열은 전도방식에 의해 평면부(A1,A2)와 유로형성 돌출부(D1,D3) 및 유로형성 홈부(D2,D4)를 거쳐 열매체 유로(P1,P3)를 통과하는 열매체에 다시 전달되므로 열손실이 최소화되어 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
열매체의 유동 경로는 잠열 열교환부(400)의 하부에 연결된 열매체 유입관(410)을 통해 잠열 열교환부(300-2)의 제1열매체 유로(P1)로 유입되어 상측으로 이동하고, 제1열매체 유로(P1)의 상부로 이동된 열매체는 최상단에 위치한 단위플레이트(310)의 제1플레이트(310a)에 형성된 유로연결부(E)의 내부공간(S)을 통해 연통되는 현열 열교환부(300-1)의 제2열매체 유로(P3)의 상부로 유입되어 하향으로 이동한 후에 현열 열교환부(300-1)의 하부에 연결된 열매체 배출관(420)을 통하여 배출되도록 구성되어 있다.
도 6과 도 11 내지 도 13을 참조하여, 열매체의 유동 경로를 설명한다.
먼저, 잠열 열교환부(300-2)에서의 열매체의 유동 경로를 설명한다.
상기 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,390-1)에는 제2유로형성 돌출부(D3)와 제2유로형성 홈부(D4)의 네 모서리부에 제2간격유지 돌출부(E3)와 제2간격유지 홈부(E4)가 각각 형성되고, 대각선 방향에 위치하는 제2간격유지 돌출부(E3)와 제2간격유지 홈부(E4)에는 상하로 대응되는 관통공(311,321,322,324,325,331,332,335,336,341,342,344,345,351,352,355,356,361,362,364,365,371,372,375,376,381,382,384,385,391,392,395,396,391a,392a,392b,391b)이 형성되어 있다.
따라서, 열매체 유입관(410)을 통해 유입된 열매체는, 잠열 열교환부(300-2)의 최하부에 위치하는 단위플레이트(390-1)의 관통공(391b)을 통해 제2열매체 유로(P3)로 유입된 후, 하부에 위치하는 단위플레이트로부터 상부에 위치하는 단위플레이트의 각 제2열매체 유로(P3)를 경유하여 최상부에 위치하는 단위플레이트(310)에 형성된 관통공(311)을 통과한 후에, 유로연결부(E)에 의해 유로가 전환되어 상기 단위플레이트(310)에 형성된 관통공(312)을 통하여 현열 열교환부(300-1)의 제1열매체 유로(P1)의 상부로 이동하게 된다.
이 경우, 상기 잠열 열교환부(300-2)의 내부에 형성된 제2열매체 유로(P3)에는 대각선 방향으로 형성된 관통공를 통하여 열매체가 유입 및 유출되어 열매체가 양방향으로 유동할 수 있어, 열매체의 유동 경로를 길게 형성함으로써 잠열의 회수효율을 높일 수 있다.
다음으로, 현열 열교환부(300-1)에서의 열매체의 유동 경로의 일실시예를 설명한다.
본 실시예에서는, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 제1열매체 유로(P1)를 따라 양방향으로 분기되어 유동한 후에, 타측에 위치하는 제2플레이트에 형성된 관통공과, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)로 유입되도록 구성된다.
이를 위한 구성으로, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1플레이트의 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 제1유로형성 홈부(D2)는 상기 제2플레이트의 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 제1간격유지 돌출부(E1)와 제1간격유지 홈부(E2)에는, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)와 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향과 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치되어 있다.
이하, 도 4와 도 12 및 도 13을 참조하여 현열 열교환부(300-1)에서 열매체의 유동 경로를 보다 구체적으로 설명한다.
최상단에 위치하는 단위플레이트(310)의 관통공(312)과 그 하측에 위치하는 관통공(323,327,334)을 통하여 하부에 위치하는 단위플레이트(320,330) 내부의 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 대각선 방향으로 대향되어 위치하는 관통공(326,333,337)를 향하여 화살표 방향으로 유동하게 된다.
그리고, 단위플레이트(330)의 관통공(337)과 그 하측에 위치하는 관통공(343,346,353)를 통하여 하부에 위치하는 단위플레이트(340,350) 내부의 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 대각선 방향으로 대향되어 위치하는 관통공(347,354,357)를 향하여 유동하게 된다.
그 후, 단위플레이트(350)의 관통공(357)과 그 그 하측에 위치하는 관통공(363,367,374)를 통하여 하부에 위치하는 단위플레이트(360,370) 내부의 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 대각선 방향으로 대향되어 위치하는 관통공(326,373,377)를 향하여 유동하게 된다.
다음으로, 단위플레이트(370)의 관통공(377)과 그 하측에 위치하는 관통공(383,386,393)를 통하여 하부에 위치하는 단위플레이트(380,390) 내부의 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 대각선 방향으로 대향되어 위치하는 관통공(387,394,397)를 향하여 유동하게 된다.
그 후, 단위플레이트(390)의 관통공(397)과 그 하측에 위치하는 관통공(393a)을 통하여 단위플레이트(390-1) 내부로 유입된 열매체는 대각선 방향에 위치하는 관통공(392b)을 통하여 열매체 배출관(420)으로 배출된다.
이와 같이 현열 열교환부(300-1)에서는 상부에 위치하는 단위플레이트와 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체의 유로가 좌하단에서 후상단을 향하는 방향과, 우상단에서 좌하단을 향하는 방향으로 교호적으로 변경되므로 열매체의 유로를 길게 형성할 수 있게 되어 연소가스와의 열전달 효율을 높일 수 있게 된다.
이하, 도 14 내지 도 16을 참조하여, 열매체의 유동 경로의 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예에 따른 단위플레이트(510,520,530,540)는 전술한 열교환부(300)를 구성하는 단위플레이트를 대체하여 적용될 수 있으므로, 이하에서는 하나의 세트를 구성하는 단위플레이트(510,520,530,540)의 구조와 그 내부에서의 열매체의 유동 경로를 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 열매체의 유동 경로는, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 제1열매체 유로(P1)를 따라 일방향으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제2플레이트에 형성된 관통공과, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)로 유입되도록 구성된다.
이를 위한 구성으로, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1플레이트의 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 제1유로형성 홈부(D2)는 상기 제2플레이트의 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 제1간격유지 돌출부(E1)와 제1간격유지 홈부(E2)에는, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)와 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향과 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치되어 있다.
도 15와 도 16을 참조하면, 잠열 열교환부는 전술한 실시와 유사한 구조로서, 상기 단위플레이트(510,520,530,540)의 제1플레이트(510a,520a,530a,540a)와 제2플레이트(510b,520b,530b,540b)에는 대각선 방향에 위치하는 제2간격유지 돌출부(E3)와 제2간격유지 홈부(E4)에는 상하로 대응되는 관통공(511,512,514,515,521,522,525,526,531,532,534,535,541,542,545,546)이 형성되어 있다. 따라서, 상기 잠열 열교환부의 내부에 형성된 제2열매체 유로(P3)에는 대각선 방향으로 형성된 관통공를 통하여 열매체가 유입 및 유출되어 열매체가 양방향으로 유동할 수 있어, 열매체의 유동 경로를 길게 형성함으로써 잠열의 회수효율을 높일 수 있다.
다음으로, 현열 열교환부에서의 열매체의 유동 경로를 설명한다.
상부에 위치하는 단위플레이트(510)의 관통공(513)을 통해 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 관통공(517)를 향하여 평면상에서 볼 때 반시계방향으로 유동한 후에 관통공(516)과 그 하측에 위치하는 관통공(524)을 통하여 단위플레이트(520)의 제1열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(520)의 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 하부에 위치하는 단위플레이트(530)의 관통공(533)을 향하여 평면상에서 볼 때 반시계방향으로 유동한 후에 관통공(533)을 통하여 단위플레이트(530)의 제1열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(530)의 제1열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 하부에 위치하는 단위플레이트(540)의 관통공(543)을 향하는 시계방향으로 유동한 후에, 관통공(543)을 통하여 단위플레이트(540)로 유입되며, 이와 마찬가지로 단위플레이트(540)의 내부에서도 시계방향으로 유동하게 된다.
이와 같이 본 실시예에서는 상부에 위치하는 단위플레이트와 그 하부에 위치하는 단위플레이트에서 열매체의 유동방향이 반시계방향과 시계방향이 교대로 변경되도록 구성함으로써, 열매체의 유로를 길게 형성하여 열효율을 높일 수 있다.
본 실시예에서 예를 들어 설명한 단위플레이트(510,520,530,540)는 복수의 세트 단위로 적층되어 열교환부(300)를 구성할 수 있다.
상기 실시예들에서는 열교환부(300)를 구성하는 단위플레이트가 버너(200)의 둘레에 사각 형상으로 구성된 경우를 예로 들었으나, 사각 형상 이외에 오각형 등 다각형, 또는 타원 형상으로 구성될 수 있으며, 도 17에 도시된 바와 같이 단위플레이트(610,620,630,640)가 원 형상으로 배치되어 구성될 수도 있다. 도 17에 도시된 단위플레이트(610,620,630,640)에서의 열매체와 연소가스의 유동 경로는 상기 실시예와 동일하게 적용될 수 있으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
한편, 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 버너(200)의 상부 측면 둘레에는 상부에 위치하는 제1열매체 유로(P1)에 연결되어 열매체가 경유하는 열매체 연결유로(P)가 추가로 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 열매체 연결유로(P)의 구성에 의하면, 버너(200)의 상부를 통해 전달되는 연소열에 의한 버너 지지플레이트의 과열을 방지할 수 있고, 상기 열매체 연결유로(P)를 경유하는 열매체에 연소가스의 연소열이 흡수되므로, 단열 및 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 공기와 연료의 혼합기를 연소시키는 버너(200); 및
    상기 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와, 열매체 간에 열교환이 이루어지는 열교환부(300)를 포함하되,
    상기 열교환부(300)는 다수개의 단위플레이트가 적층되어 구성되고,
    상기 단위플레이트에는, 상기 버너(200)의 둘레에 동심 구조로 배치되는 현열 열교환부(300-1)와 잠열 열교환부(300-2)가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 현열 열교환부(300-1)에는 제1열매체 유로(P1)와 제1연소가스 유로(P2)가 서로 분리되어 인접하게 교대로 형성되고,
    상기 잠열 열교환부(300-2)에는 제2열매체 유로(P3)와 제2연소가스 유로(P4)가 서로 분리되어 인접하게 교대로 형성되며,
    상기 단위플레이트의 가장자리부에는 상기 제1연소가스 유로(P2)와 제2연소가스 유로(P4)를 통과한 연소가스가 배출되는 연소가스 배출통로(P5)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단위플레이트는 상하로 적층된 제1플레이트와 제2플레이트로 구성되고,
    상기 제1플레이트는, 제1관통구(B1)가 중앙부에 형성된 제1평면부(A1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 제1플랜지부(C1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 내측과 외측으로 이격 배치되며 상측으로 볼록한 형상의 제1유로형성 돌출부(D1)와 제2유로형성 돌출부(D3)를 포함하고,
    상기 제2플레이트는, 상기 제1관통구(B1)와 대응되는 형상의 제2관통구(B2)가 중앙부에 형성되고 상기 제1평면부(A1)의 저면에 상면이 밀착되는 제2평면부(A2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡되며 하측에 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(C1)와 결합되는 제2플랜지부(C2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 내측과 외측으로 이격 배치되며 하측으로 오목하게 형성되어, 상기 제1유로형성 돌출부(D1)와 사이에 상기 제1열매체 유로(P1)를 형성하는 제1유로형성 홈부(D2)와, 상기 제2유로형성 돌출부(D3)와 사이에 상기 제2열매체 유로(P3)를 형성하는 제2유로형성 홈부(D4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1플랜지부(C1)는 상기 제1유로형성 돌출부(D1) 및 제2유로형성 돌출부(D3)의 돌출된 높이보다 더 높게 형성되고,
    상기 제2플랜지부(C2)는 상기 제1유로형성 홈부(D2) 및 제2유로형성 홈부(D4)의 함몰된 깊이보다 더 깊게 형성되어,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1유로형성 홈부(D2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1유로형성 돌출부(D1)의 상단 사이에는, 상하로 이격된 공간이 마련되어 상기 제1연소가스 유로(P2)가 형성되고, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제2유로형성 홈부(D4)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 제2유로형성 돌출부(D3)의 상단 사이에는 상하로 이격된 공간이 마련되어 상기 제2연소가스 유로(P4)가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1유로형성 돌출부(D1)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 제1간격유지 돌출부(E1)가 형성되고,
    상기 제2유로형성 돌출부(D3)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 제2간격유지 돌출부(E3)가 형성되며,
    상기 제1유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 제1간격유지 홈부(E2)가 형성되고,
    상기 제2유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 제2간격유지 홈부(E4)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1평면부(A1)의 가장자리부에는 상기 연소가스 배출통로(P5)를 제공하는 제1연소가스 배출구(F1)가 형성되고,
    상기 제2평면부(A2)의 가장자리부에는 상기 제1연소가스 배출구(F1)와 상하로 대응되는 위치에 제2연소가스 배출구(F2)가 형성되어,
    상기 제1연소가스 유로(P2)와 제2연소가스 유로(P4)를 통과한 연소가스는 상하로 배치되는 다수의 단위플레이트에 각각 형성된 제1연소가스 배출구(F1)와 제2연소가스 배출구(F2)를 순차로 통과하여 배출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1유로형성 돌출부(D1), 제1유로형성 홈부(D2), 제2유로형성 돌출부(D3), 및 제2유로형성 홈부(D4)에는 요철 형상의 난류형성부(G)가 형성되되,
    상기 제1열매체 유로(P1)의 내부와 상기 제2열매체 유로(P3)의 내부에서 상기 난류형성부(G)의 돌출된 상단과 함몰된 하단이 서로 맞닿도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1플레이트의 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되고,
    상기 제1유로형성 홈부(D2)는 상기 제2플레이트의 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되며,
    상기 제1간격유지 돌출부(E1)와 제1간격유지 홈부(E2)에는, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)와 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향과 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 제1열매체 유로(P1)를 따라 양방향으로 분기되어 유동한 후에, 타측에 위치하는 제2플레이트에 형성된 관통공과, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)로 유입되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1플레이트의 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되고,
    상기 제1유로형성 홈부(D2)는 상기 제2플레이트의 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되며,
    상기 제1간격유지 돌출부(E1)와 제1간격유지 홈부(E2)에는, 상부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)와 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향과 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 제1열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 제1열매체 유로(P1)를 따라 일방향으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제2플레이트에 형성된 관통공과, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 하부에 위치하는 단위플레이트의 제1열매체 유로(P1)로 유입되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제9항 또는 제11항에 있어서,
    상기 단위플레이트를 적층하여 상기 제1열매체 유로(P1)를 다중 병렬로 구성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 잠열 열교환부(300-2)의 하부에는 열매체가 상기 제2열매체 유로(P3)로 유입되는 열매체 유입관(410)이 연결되고,
    상기 잠열 열교환부(300-2) 및 현열 열교환부(300-1)의 상부에는 상기 제2열매체 유로(P3)의 상부와 상기 제1열매체 유로(P1)의 상부에 연통되어 상기 제2열매체 유로(P3)를 통과한 열매체가 상기 제1열매체 유로(P1)로 유입되도록 안내하는 유로연결부(E)가 구비되고,
    상기 현열 열교환부(300-1)의 하부에는 상기 제1열매체 유로(P1)를 경유한 열매체가 배출되는 열매체 배출관(420)이 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 열교환부(300)의 상부에는 상기 연소가스 배출통로(P5)를 통과하여 상향으로 유동하는 연소가스가 배출되는 상부 덕트(100)가 구비되고,
    상기 열교환부(300)의 하부에는 상기 연소가스 배출통로(P5)를 통과하는 연소가스에 포함된 수증기의 응축수를 응축수 배출관(430) 측으로 유도하는 응축수 유도부(401)가 형성된 하부 덕트(400)가 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단위플레이트는, 상기 버너(200)의 둘레에 다각 형상 또는 원 형상 또는 타원 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 버너(200)의 상부 측면 둘레에는 상부에 위치하는 제1열매체 유로(P1)에 연결되어 열매체가 경유하는 열매체 연결유로(P)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
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