KR100948280B1 - 연탄을 이용한 농업용 비닐하우스의 난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 농업용 비닐하우스의 난방용 열풍기에 있어서 간편하고 효율적인 연탄의 저장/공급과 정밀한 온도조절, 그리고 연탄의 완전 연소 후 분쇄하여 회수할 수 있는 구조를 가지는 연탄가열방식 난방장치에 관한 것이다.

본 발명은 통상의 연탄을 1열로 쌓아서 좁은 연소실 입구를 통해 인입시키고 내부의 1열 컨베이어를 통해 연탄을 이송하면서 연소시킨 후 연소실 출구에서 분쇄시켜 회수한다. 이때 내부의 컨베이어는 S자형으로 만곡된 경로로 수평 배열되어 있으며 만곡된 경로의 곡률반경은 연탄이 넘어지지 않고 컨베이어가 원활하게 굽을 수 있는 정도인 0.7m 이상으로 설계된다.

상기 곡률반경의 1열 컨베이어 구조로 인해 연소실로 투입 대기중인 연탄을 외부에서 공급하는 컨베이어도 연탄을 1열로 적재하는 컨베이어로 설계할 수 있고 그에 따라 적재된 연탄이 뜨거운 연소실 외벽 최대한 가까이에서 둘러싸도록 설계 가능하므로 연탄의 연소실 투입 전 사전 건조효과를 극대화할 수 있다. 또한 연탄 1장씩 점화되는 착화장치의 도입이 가능하여 착화효율이 개선되고 착화실패가 줄어들 뿐 아니라, 연소된 연탄을 1열씩 소량으로 연속 배출할 수 있어 투입된 거의 모든 연탄을 완전연소시킬 수 있다. 이러한 연탄의 투입/착화/이송/분쇄/회수구성은 폭넓은 범위의 연료절약형 운전 제어를 가능하게 하며 연탄재 재활용율이 높아질 뿐 아니라 연소실투입과 예비연탄 적재 및 건조과정을 무인 자동화 할 수 있다.

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Description

연탄을 이용한 농업용 비닐하우스의 난방장치{Briquet hot wind system for agricultural vinyl house}

본 발명은 내부에 컨베이어 이송방식의 연료 투입/회수구조를 갖춘 연소실과 열교환기, 그리고 송풍기를 결합한 강제대류형 농업용 비닐하우스 난방장치에 관한 것이다.

다량의 연탄을 자동으로 공급하는 방식의 연탄 연소장치는, 석유 또는 전기로는 채산성이 맞지 않고, 갈탄 등의 석탄(분탄)을 이용하기에는 설비크기가 작은 중소형 규모의 농업용 난방시스템에 적용되어 왔다.

공개실용신안 실1999-0011846호를 참조하면, 여러 줄로 적층된 연탄을 컨베이어를 이용하여 순차적으로 연소실에 투입하여 연소시킨 후, 열기는 보일러에 공급하고, 연소된 연탄은 낙하시켜 분쇄한 다음 회수하는 기본적인 연탄 열풍기의 구조가 잘 나타나 있다.

그러나 이 고안은 컨베이어로 연탄을 투입하는 과정에 있어서 다열식 적재 및 다열 이송되는 연탄들의 전체 부피로 인해 연소실입구가 지나치게 넓은 단점이 있다. 이로 인해 연소실 입구를 개폐하는 과정에서 열 손실이 매우 클 뿐 아니라, 연소실 내 연탄의 진행경로가 짧고, 투입되는 연탄의 양만큼을 한번에 낙하/분쇄/배출시켜야 하므로 불완전 연소된 연탄이 다수 배출될 우려가 있다.

따라서 상기 고안은 미연소된 연탄을 토질개선을 위한 거름으로 그대로 활용할 수 없고, 검사 후 재연소 시켜서 활용하거나, 별도의 폐기물로 회수하여야 하므로 광대한 농토환경에 맞지 않고, 따라서 농업용 난방장치에 사용되기 어렵다.

공개특허 특2005-0083057호를 참조하면, 위와 같은 미연소 문제를 막기 위해서 연소실 내부의 열을 빼내서 연탄의 투입 전 단계에서 열기를 공급함으로써 연탄의 사전 건조율을 최대한 높여서 연탄의 연소율을 높이려는 구조가 개시되어 있다. 그러나 이 방법으로도 여전히 연소실의 입/출구가 지나치게 넓은 데에 따른 열효율 저하를 극복하기 어렵고, 연소실 내 짧은 이송경로로 인해 배출 직전의 연탄과 배출단계의 연탄 사이에 연소실 내 체류시간이 별 차이가 없다. 따라서 미연소된 연탄의 발생을 완전히 극복하였다고는 볼 수 없었다.

한편, 공개특허 특2000-0009676호를 참조하면, 연탄을 눕혀서 연소실에 투입하고 한 줄씩 투입하고 회수하는 열풍기의 연탄 자동교환장치가 개시되어 있다.

이 발명은 컨베이어를 이용해 자동으로 연탄을 투입하고 연소시켜 회수하는 구조를 갖추었고, 농업용 비닐하우스 난방장치에서 중요한 운전조건 중 하나인 미연소된 연탄의 발생억제와 열효율 향상을 위해서 한 줄 투입구조를 도입하였다.

한 줄 투입구조는 연탄을 완전 연소시켜 조금씩 빼내기에 매우 효과적이며 연소실 입/출구의 개방면적을 최소화하여 열손실 저하를 막는 효과도 상당하다. 그러나 연소실에 연탄을 한 장씩 밀어 넣고 빼내기 위해서는 연탄의 평평한 밑바닥 부분을 풋셔(Pusher)로 밀어야 하므로(대량으로 적재된 연탄의 원통면 측면을 밀게 되면 연탄이 파쇄된다) 부득이하게 연탄을 눕혀서 이송/연소시키는 구조를 채택하고 있다. 그러나 이 방식은 연소실 내에서 연탄공이 누워있어 연탄공 사이로 공기와 화염이 전파되지 못해 연탄의 착화와 원활한 연소가 근본적으로 힘들다는 문제점이 있다.

본 발명의 과제는 위와 같이 서로 상반되는 효과를 나타내는 연탄 난방장치의 여러 구조들을 종합적이고 효과적으로 개량하는 것에 있다. 다시 말해서, 농업용 비닐하우스에서 난방장치로 사용하는 데 있어서 중요한 요구조건들인, 퇴비활용을 위한 연탄의 완전연소, 장시간 무인운전을 위한 연탄의 (소량)연속투입/연속회수, 연탄의 연소율을 높이기 위한 적재된 연탄의 충분한 사전 건조 등의 요구조건을 모두 충족하는 연탄 난방장치를 구현하는 것이다.

상술한 바와 같은 여러 문제점을 해결하기 위해서는 다음과 같은 전제 조건이 필요하다.

1. 연탄의 완전연소를 확인하기 위해서는 연소 말기의 연탄을 하나하나 확인할 수 있어야 한다. 분쇄 배출되는 연탄의 연소상태를 확인한 후 완전 연소가 되지 않았으면 농토에 거름으로의 활용이 불가하므로 연소시간을 더욱 늘려서 연탄을 완전 연소시킨 후 배출시켜야 한다.

2. 농업용 비닐하우스와 같이 무인 운전이 절실한 사용환경에서 난방장치의 무인 제어를 위해서는 대량의 연탄을 한번에 투입해선 안 된다. 왜냐하면 연탄은 파쇄되기 쉬운 연료이며, 일단 일부가 파쇄되어 이송경로를 막았다면 전체 시스템을 정지시키고 재보수하여야 하기 때문이다. 갈탄과 같은 석탄 연료는 이러한 연료의 파쇄 여부에서 자유로우나 석탄의 자동투입 설비는 연탄의 투입설비보다 훨씬 대형이어야 할 경우가 많으며, 무엇보다 항만 등에서 연료가 선적된 배로부터 직접 공급받는 경우가 아니면 분진/오염 등의 이유로 인해 일반 농지지역까지 연료운반이 거의 불가능하다.

따라서 효과적인 무인 운전을 위해서는 연탄의 순차적인 소량투입이 중요하다.

3. 연탄의 사전 건조율은 연탄의 완전연소에 중요한 요소이므로 난방장치에 최대한 근접하게 예비연탄을 적재해 둘 필요가 있다.

비닐하우스 난방장치와 같이 강제 송풍식 열풍기에서 연소실 주변에 발생하는 열은 폐열에 해당한다. 이 열기를 효과적으로 이용하기 위해서 종래의 연탄 열풍기들은 연탄 적재창고를 최대한 연소실에 근접하여 설치하였다. 그러나 이런 정도의 구성만으로는 대량으로 적재된 연탄들의 깊숙한 부분까지 완벽하게 건조시킬 수 없다. 그러나 연탄의 사전 건조율은 연탄의 완전 연소와 발열량에 결정적 영향을 미치며, 소량이라도 완전연소되지 않은 연탄이 나오는 문제는 전체 열효율을 떠나 농업지역의 폐기물처리나 거름재활용 측면에서 매우 중요하게 다루어져야 할 문제이다.

상기 언급된 모든 조건을 만족하는 연탄난방장치의 핵심구성은 전체가 1열의 연탄으로 움직이는 이송시스템의 착안이다.

1줄짜리 폐회로 방식 무한궤도 컨베이어는 소량의 연탄을 투입 배출하기에 매우 용이하며, 1줄 컨베이어의 작은 이송단면적은 입/출구의 면적축소에도 기여한다. 1줄의 입구는 (연탄공이 세워진 상태일때) 연탄의 착화가 용이하며, 컨베이어 를 길게 늘어뜨렸을 때의 긴 이송경로로 인해 컨베이어 처음과 끝에서의 연탄이 연소실 내에서 체류하는 시간은 큰 차이가 있게 된다. 이러한 구조는 연탄의 투입/배출량과 연탄의 가열시간을 폭넓고 미소하게 조절 가능하게 한다.

덧붙여 1줄 컨베이어에 따른 1줄 공급시스템은 연소실의 둘레로 4면에 최대로 둘러졌을 때 상당한 예비 적재량과 더불어 효과적인 예비 건조능력을 보유할 수 있다. 이것은 한번에 많은 연탄을 투입하기 위해 별도의 창고형 컨베이어를 두어야 하는 예비 적재창고시스템에서는 절대 누릴 수 없는 폐열 활용 효과이다. 덧붙여 1열 컨베이어에 따른 1셋트 4구 연탄 파쇄시스템은 파쇄장치의 소형화/소동력화를 유도하며 농업환경에서 파쇄된 연탄재를 소량씩 편리하게 운반하여 토양에 뿌릴 수 있어 토양을 알칼리성으로 만드는데 기여하게 된다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래의 연탄 연소장치에서 찾아볼 수 없는 곡선형 연탄 1열 컨베이어 방식을 도입한 무인 운전 제어형 농사용 비닐하우스의 난방장치로서 기존 연탄 이송 연소장치가 가지고 있었던 온도제어불가, 상주 노동력 필요, 부식용이, 연탄재 미연소 등의 문제점을 발상의 전환을 통하여 획기적으로 해결한 것이다.

아울러 본 발명은 차세대 농업용 난방장치에 걸맞는 열효율과 화력제어 기능을 발휘한다. 대표적으로 연탄이 함유하고 있는 6~10% 대의 수분을 외부 1열 컨베이어를 통해 완전건조 후 내부 1열 컨베이어의 이송을 통해 긴 연소경로로 연소시킴으로써 열효율 향상은 물론 제어의 신뢰성 확보로 인한 노동력절감(무인운전), 미연소 개스 저감으로 인한 연소장치의 부식방지, 일산화탄소 저감 등의 다양한 효과를 누릴 수 있다.

본 발명 난방장치의 핵심구조와 대표적인 기술적 특징은 다음과 같다.

본 난방장치에는 중심에 연탄이 연소되는 연소실이 배치되며, 상기 연소실에는 연소실 입구와 연소실 출구가 설치되어 연탄이 투입/배출된다. 연소실 입구는 통상의 연탄 지름의 1배~2배 범위의 폭과, 통상의 연탄 높이의 1배~10배 범위의 높이로 형성되고, 연소실 출구는 상기 연소실 입구의 면적보다 같거나 작은 면적으로 형성된다.

이렇게 형성된 연소실 내에서 상기 연소실입구의 폭보다 같거나 작은 폭으로 상기 연소실입구에서 상기 연소실출구까지 1열의 내부컨베이어가 배열된다. 상기 연소실의 상부에는 연소실 내부의 열과 외부의 공기를 다수의 파이프를 통해 교차시키는 열교환기가 배치되고 열교환기의 일 단부에는 비닐하우스의 반대편 끝까지 강하게 열풍을 쏘아주는 송풍기가 장착된다.

이때 상기 내부컨베이어는 수평 곡선형 운동에도 연탄의 넘어짐을 방지하도록 그 이송 경로가 갖는 적어도 하나의 곡률반경이 0.7m ~ 1.2m 범위의 값을 갖도록 설계된다.

추가로 상기 연소실입구에는 버너의 면적이 연탄1장 면적 이하인 착화장치가 더 구비되고, 상기 연소실출구에는 분쇄날의 반지름이 연탄1장의 지름 이하인 적어도 하나의 분쇄스크류가 더 구비되며, 상기 연소실의 외벽 둘레에는, 상기 내부컨 베이어의 폭과 동등한 폭으로 상기 착화장치까지 연장 형성된 적어도 하나의 외부컨베이어가 더 구비될 수 있다.

이때 상기 내부컨베이어와 상기 외부컨베이어는 같은 높이 상에 위치하는 것이 연탄의 이송, 적재보관 면에서 바람직하나, 착화장치의 구조에 따라 서로 다른 높이로도 배치 가능할 것이다, 이때 상기 내부, 외부 컨베이어들을 구동하는 각각의 구동모터들은 연소실의 연소상태에 따라, 혹은 요구되는 열용량에 따라 서로 독립적으로 회전하여 연소실 내 총 연탄량이나 총 연탄 배출량을 조절할 수 있도록 설계된다.

그리고 상기 외부컨베이어로부터 상기 내부컨베이어까지 연탄을 밀어 넣는 기능을 수행하는 이송바와 상기 연소실입구의 문을 개폐하는 무빙암이 구동모터와 더불어 연동하는 본 난방장치의 구동장치로 더 포함되며, 상기 착화장치는, 상기 내부컨베이어와 상기 외부컨베이어의 운동경로 상에 위치한 이송롤러와, 상기 이송롤러의 하부에 위치하며 상기 버너와 상기 이송롤러 간의 공간을 감싸는 착화통과, 상기 착화통 내부공간에서 발생하는 연탄재를 청소하는 압축공기를 분사하는 재처리용 에어분사구를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 본 발명의 주된 기술적 특징을 보다 구체적으로 표현하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 예를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명한다.

다만 아래에 기술하는 구체적인 실시예(specific example)에서 특정 기술용어를 포함한 구성요소들과 그들을 서로 결합한 특정 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 사상을 제한하는 것은 아님을 미리 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서 실험적으로 제작중인 난방장치(1)의 외형을 촬영한 사진이다.

도면을 참조하면 연소실(10)의 외벽 둘레로는 연소실입구(11)에 투입대기중인 전면부분만 외부컨베이어가 설치되어 있고 아직 연소실의 우측외벽 둘레로는 외부컨베이어가 설치되지 않은 상태이나, 이는 실험과 설계가 완료되지 않은 가제작 상태인 탓이며, 본 명세서대로 제작이 완료되면 외부컨베이어는 연소실 외벽 4면을 모두 둘러서 설치될 수 있음은 당연하다.

난방장치의 전체적 구조는 도면에서와 같이 연소실(10)의 상면으로는 열교환기(20)와 송풍기(30)가 설치되어 있고, 후면쪽으로는 연소가스가 배기되는 연통(40)이 설치된다. 우측의 빨간색 기기가 본 난방장치의 이송, 연소, 각부온도감지, 착화 등의 다양한 과정을 통합 제어하는 제어기(50)이다.

도 2는 난방장치의 연소실 내외부 구조를 나타낸 하부 평단면도이다.

가운데에 직사각형으로 배치된 연소실(10)의 외벽 둘레로는 외부컨베이어(14)가 연소실에 최대한 근접 배치된다.

연탄 난방장치에서 연탄의 사전 건조상태는 전체 열효율 및 완전연소율에 결정적인 영향을 미치는 최 중요 인자이다. 연탄의 수분 함유량이 높을 시에는 여러가지 문제가 발생하는데, 예를 들면 강한 착화불꽃에 의해 연탄을 점화시킬 때 불규칙 에너지가 발생하여 특정 순간에 순간적으로 발생하는 급상승 에너지에 의해 연탄이 파손된다(럭비공 바운드 원리). 이는 무인자동 운전시스템에서 가장 피해야 할 상황인것이다. 이를 방지하려면 연탄의 건조시간을 늘리고 점화 역시 천천히 하여야 한다. 적어도 강한 화력 하에서 건조12분(이 경우에도 완전건조는 불가능), 점화 8분 등 총 20분 이상이 필요하다. 본 실시예에서는 여타의 종래 연탄 난방장치와 달리 적재중인 연탄을 1열로 얇게 둘렀기 때문에 창고에 적재된 상태에서 앞줄에 있는 연탄만이 충분히 건조되는 것이 아니라 전체 연탄(연소실 내부에서 연소중인 연탄과 동등한 량의 연탄)이 모두 충분히 건조된다.

도면상에서 연소실의 사이즈는 폭 2.908m 길이 3.917m 정도이고 외부컨베이어(14)의 총 길이는 대략 16m 정도이고 내부컨베이어(13)의 총 길이는 대략 12m 정도이다. 즉 22공 연탄의 기본 사이즈인 지름 15cm 높이 14.2cm를 고려할 때 만약 연탄을 4층을 쌓는다면 내부에서 연소중인 연탄의 총 개수와 외부에서 투입대기중인 연탄의 총 개수는 대략 300~400여 장으로 이는 통상의 운전시에 12시간 ~ 72시간 만에 연탄을 보충해주면 되는 연탄의 분량이다.

내부컨베이어(13)는 내열성과 내부식성을 겸비한 스테인레스 스틸(예컨대 SUS310) 재질(브라켓, 체인, 기어 일체)의 그물망형 체인식 컨베이어 엘리먼트로 구성되어 있고 각 엘리먼트는 라운드와 직선형태의 조합으로 S자 반대형태의 라운드는 최소곡률반경을 컨베이어 내측곡선 기준 0.7m 정도로 설계하였고 이러한 곡률반경은 외부 컨베이어에도 그대로 적용하였다.

상기 컨베이어 곡률반경은 연탄이 서로 밀착되어 예컨대 20mm/min의 속도로 이송될 경우에 이동방향에 직각인 방향으로 원심력이 작용하여도 적어도 6층의 높 이로 쌓은 연탄기둥이 쓰러지지 않고, 서로 밀착된 연탄의 표면에 마찰력이 강하게 작용하여도 연탄이 파손되지 않는 범위 이상의 크기를 가진 것으로서 수많은 실험과 시뮬레이션을 거쳐서 도출된 본 발명의 가장 핵심적인 설계치수이다. 곡률반경을 이보다 작게 하면 연탄이 컨베이어에서 넘어져 떨어진다거나 연탄표면의 파손이 증가하게 된다. 따라서 전제 무인자동운전 시스템의 신뢰성이 저하된다.

반면, 곡률반경을 이보다 크게 하는 것은 연탄의 파손과는 무방하나 전체 시스템의 크기가 커지게 되며 연소실 내에 빈공간이 많아져서 열효율이 저하된다.
따라서 본 발명의 내부컨베이어 곡률반경의 최적값은 본 발명에서 설정한 20mm/min의 컨베이어 평균속도 기준으로 0.75m이며, 현실적으로 설계가능한 수치값은 0.7m(상기 문단 <39>에서 언급한 바와 같이, 단속적인 컨베이어의 움직임이 컨베이어의 곡선주로에서 발생시 곡선부분에 쌓인 4층의 연탄이 별도의 가이드판이 없이 쓰러지지 않고 선회할 수 있는 가장 짧은 커브) 에서 1.2m(상기 문단 <37>에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 연소실 폭 2.908m 에서 좌우 가장자리의 직선컨베이어와 연소실 외벽두께를 감안한 가장 완만한 커브) 정도가 적합하다.
연소실 내 별도 가이드판의 존재 여부는 연소실 화염의 흐름을 크게 방해하여 화염이 차단되는 부분에 위치한 연탄의 연소를 막고 결과적으로 열효율을 떨어뜨리는 해로운 구성요소로서, 절대적으로 제거해야만 될 대상이다.(외부컨베이어의 경우에는 화염을 막지 않으므로 별 상관없다).
대부분의 종래 자동 이송식 연탄 난방장치에서 이점 때문에 곡선주로형 컨베이어를 착안하지 못하고 있으며, 그에 따라 주어진 장치의 길이에서 여러 줄의 연탄을 직선형으로 한꺼번에 투입하고 배출하는 구조를 채택하고 있다. 이 때문에 연소실 입구/출구의 크기가 커진다(열기가 많이 빠져나간다)는 점을 감안한다면 가이드판 없이 곡률반경 0.7m에 근접하는 본 발명의 곡선형 내부컨베이어(13)는 한줄씩 연탄을 투입하고 배출해내는 본 발명의 작은 연소실 입구/출구 구성에서 가장 핵심적인 역할을 담당하고 있는 셈이다.

외부컨베이어(14)는 연탄의 연소를 위한 공기의 공급이 필요가 없으므로 PVC 재질의 다판형 컨베이어 엘리먼트로 구성되어 있고 상기 컨베이어들을 구동하는 브라켓, 체인, 기어 등은 스틸(SS41)재질로 제작되었으며 내외부 컨베이어의 폭은 17.5cm 정도로 연탄 1장의 폭인 15cm 보다 충분히 커서 적재와 이송에 편리하다.

도1에서 연소실로 연탄을 투입하는 외부컨베이어(14)의 끝부분에는 연소실입구(11)가 형성되어 있으며 상기 연소실 입구는 무빙암(19)에 의해 개폐 구동되는 연소실입구문이 있고 입구 문 공간 내부로는 착화장치(15)가 설치된다. 컨베이어들은 무한궤도식으로 회전하면서 연탄을 이송하며, 각 컨베이어의 시점 혹은 종점에는 구동용 스프로켓과 기어박스 및 구동모터(17)들이 설치된다.

도면 좌측하단에서 외부컨베이어(14)가 시작되며 이 지점에 외부컨베이어의 구동 스프로켓이 배치된다. 여기서부터 적재되어 이송되는 연탄들은 연소실(10)을 8~48시간 동안 한바퀴 돌면서 충분히 건조된 뒤에, 연소실 입구(11)에서 이송바(18)의 1단 움직임에 의해 연소실 입구문 공간으로 이동된다. 여기에서 착화장 치(15)에 의해 착화된 후, 아래쪽 연탄부터 연소되면서 내부컨베이어(13)에 의해 이송된다. 내부컨베이어는 연소실 내부의 연탄 이송경로를 최대화하는 뒤집어진 S자 모양으로 만곡되어 있으며 이송속도와 공기량을 적절히 조정함으로써 원하는 시간당 발열량을 달성하고 완전 연소되어 연소실출구(12)로 빠져나간다. 이때 연소실 출구(12)는 연소실 입구(11)의 공간을 눕혀놓은 것이라 생각하면 쉽게 이해된다. 내부컨베이어(13) 종점에서 기울어지면서 떨어지는 연소된 연탄은 연소실 출구(12)에 설치된 분쇄스크류(16)에 의해 충분히 분쇄 후 이송되어 연탄재토출구(161)로 토출된다.

도 3은 난방장치의 연소실 내부 연소공기 흐름을 나타낸 중부 평단면도로서 내부컨베이어는 일부분만 표시되어 있다.

도면에서 점차 붉은 색으로 변하는 화살표는 내부 연소공기의 온도 변화 및 방향을 나타낸다. 연소공기흡입구(41)를 통해 들어온 공기는 연탄을 연소시키고 연통(40)으로 배기된다.

연소공기흡입구(41)에 설치되는 흡입팬은 단상, 삼상 겸용으로 전력480W에 풍량 13㎥/min 용량으로 연탄 1장 연소에 필요한 공기체적 8.8N㎥에 1.4를 곱하여 과잉공기율이 유지토록 하여 완전연소가 가능한 최적조건으로 설정하였다.

본 실시예에서 연통(40)은 직경 300 높이 3000mm 에 두께 3mm강관으로 제작하였으며, 배기가스 온도점검을 위해 연도 중간에 최대 300℃ 온도계를 설치하였고 장기간 설비 스톱시 발생되는 응축수를 배수시키기 위해 연통 하단에 배수구를 설 치하였으며 연탄1구4탄 높이가 580mm임을 감안하여 배기온도 최소화를 위해 1구 4탄 중 연탄 최하단을 기준하여 75mm 상부로 떨어뜨려 연통을 설치하였다.

농업용 연탄 난방장치는 통상의 비닐하우스의 내부에 들어갈 만한 폭을 가지고 설계되어야 하며, 내부에 적어도 200여장 이상의 연탄이 연소되면서 1000평 이상의 넓이에 300,000kcal/hr 정도의 열량을 공급하여야 한다.

본 실시예는 1200여 평의 비닐하우스의 난방을 기준으로 설계되었으며, 내부에 적어도 260여장 이상의 연탄이 연소되도록 설계되었다.

외부컨베이어에 의해 연탄의 수분이 완전히 제거된 상태로 화실에 투입하였을 때 효율 70% 감안시 최대열량 360,000kcal/hr 가 확보되도록 컨베이어에는 4층으로 연탄을 쌓아서 이송시키며, 내부컨베이어의 이송경로 상에는 1구 4탄 기준 65구에 260장의 연소가 가능하다. 연소시간은 비닐하우스의 온도변화에 따라 투입후 8~48시간이 소요된다. 내부컨베이어의 동력은 실외에 설치된 구동 모터로서 1마력 1대이며 그 외에도 분쇄스크류 구동모터, 외부컨베이어 구동모터, 연소용 공기 흡입팬, 이송 바(bar) 연소실입구문 무빙 암(arm), 난방용 공기 흡입팬 등에 동력이 공급된다. 이 동력들은 도면상에서 빨간색 선들로 표시되었으며 제어기(50)의 Power control(51)로부터 공급된다.

상기 구동용 동력들은 상기 제어기(50)의 조작패널(53)상에서 자동 또는 수동으로 조작 가능하다.

도 4는 난방장치의 연소실 내외부 구조를 나타낸 상부 평단면도로서 내부컨 베이어의 상부구조를 나타낸 것이다.

도면에서 연소실 내부의 상부 공간에는 다수의 열교환기용 강관이 배치된 열교환기(20)가 설치되고, 난방공기흡입구(21)를 통해 들어온 공기는 열교환기(20)를 거쳐 가열되고 송풍기(30)를 통해 비닐하우스의 끝에서 끝으로 강제 송풍된다.

도면에서 앞서 설명한 빨간색 동력선 들이 송풍기(30) 3대에 연결되어 제어기(50)의 Power control로부터 공급되며, 파란색 선들은 열교환기의 흡입부와 송풍부, 연소공기흡입구, 연통, 무빙암, 이송바, 착화장치 등에 설치된 온도센서에서 감지된 각 부분 온도 데이터를 수집하는 센서 연결선들이다. 이 센서 연결선들은 제어기(50)에 설치된 Sensor input으로 연결되며, 이들로부터 전달되는 온도데이터들은 제어기의 조작패널(53)에서 수동 또는 자동으로 처리되어 각 부분 구동모터들의 속도, 흡입/송풍팬의 속도 이송/무빙 속도 등을 제어하는 데에 사용된다.

예컨대 연소실 내부 컨베이어가 정지상태에서 연탄이 연소되다가 비닐하우스내 온도가 설정온도 대비 2℃ 하락한다면 이는 난방공기흡입구의 온도센서에 감지되고 제어기의 작동으로는 1단계로 고온열풍송풍기의 풍압 풍량이 최대가 되며, 2단계로는 연소에 필요한 적정공기량을 공급하는 송풍기의 풍량이 가변 제어되어 화실내 컨베이어 속도가 20mm/min의 최대속도로 변환될 수 있다. 이러한 제어단계를 거쳐 연소실의 발생열량은 360000kcal/hr의 최대연소로 바뀌며 비닐하우스가 설정 온도로 회복하였을 경우 다시 고온열풍송풍기와 연소실 내부 컨베이어가 정지한다.

본 실시예에서 열풍공급은 화실내 연탄에서 30mm 이격높이에 2단으로 직경 60.5mm 두께 2.9mm 길이 3000mm 의 열교환기용 강관을 총 50조 설치하되 상하 강관 의 이격은 50mm로 하고 양사이드에 열교환기 박스를 만들어 비닐하우스 내의 공기를 덕트로 연결하여 화실내 열교환기를 통과하여 약 70~80℃의 열풍을 고온송풍기를 이용하여 비닐하우스에 공급하는 방식이며 송풍기(30)의 사양은 대당 동력 2마력 풍량 400㎥ 정압 45mmHg의 총 3대를 설치하였고 열교환기는 상부에 25조, 하부에 25조를 배치함으로써 화실내에서 공기의 체류시간과 전열면적 약 24㎡를 확보하여 1200여평 비닐하우스에 충분한 열량공급이 가능하도록 하였다.

그리고 본 실시예에서 열교환기 강관 및 박스는 20㎛수준의 세라믹 코팅을 하여 내열성 및 내부식성을 강화하였다.

또한 열효율 극대화를 위해 난방기 본체는 화실벽체 안쪽에서부터 유리섬유로 처리된 세라믹울, 케스터블(내화물), 철판을 25mm두께로 배치하고 73mm 두께의 글래스울과 0.8mm두께의 칼라강판으로 시공하였다.

도 5,6은 난방장치의 연소실 내외부 구조를 나타낸 측단면도이다.

도 5를 참조하면 연탄(2-14)는 외부컨베이어(14)를 따라 이송되는 미 연소된 연탄이며, 연탄(2-13)은 내부컨베이어(13)를 따라 이송되면서 연소중인 연탄이다. 도면에서 연소가 다 된 밝은 노란색의 연탄들은 내부컨베이어의 종점에서 기울어져 떨어지면서 분쇄스크류(16)상에서 분쇄되어 연소실 입구(12)에 설치된 연탄재토출구(161)로 토출되는 것을 볼 수 있다.

연속 연소상황을 가정해 본다면 완전연소된 연탄이 내부컨베이어 종점에서 낙하할 때 이를 센서가 감지하여 1구4탄 연탄이 자동으로 착화구에 투입되고 분쇄 스크류 구동모터가 자동 작동하여 연탄재를 분말형태로 분쇄, 토출구를 통하여 이를 연탄재를 회수한다.

상기 분쇄스크류(16)의 분쇄날은 본 실시예에서 1열 4장의 연탄을 분쇄하면 되므로 반지름이 연탄1장의 지름 이하인 소형, 소동력의 분쇄날 만으로도 충분히 연탄을 잘게 분쇄할 수 있다.

한편 난방용 공기 흡입구(21)로부터 흡입되는 공기는 연소실(10) 내부에 배치된 열교환기(20)를 거치면서 점차 가열되는 것을 색으로 표시하고 있다.

도 6을 참조하면 연소실(10) 내부의 전체 연소공간을 쉽게 파악할 수 있다. 연탄(2-14)는 이송바(18)의 작용에 의해 연소실입구문(111)을 지나 연소실 내부로 투입되며(2-13), 이 과정에서 착화장치(15)의 버너(150)에 의하여 맨 아래쪽 연탄이 착화되고, 연소실 내부로 들어가면서 점차 4층의 연탄까지 착화가 진행되면서 연소되기 시작한다.

상기 버너는 연탄1장 면적 이하로써 가스 소비량에 비해 착화의 신뢰성과 속도가 빠르다. (전체 화염크기가 작을수록 강한 압력으로 멀리 쏘아주어 원하는 부위에 확실하게 불을 붙일 수 있는 원리이다.)

연소실 내부공간 중 하부는 내부 컨베이어에서 연소 중 낙하하는 연탄재를 수거하는 재받이함을 설치하여나 도6에서와 같이 연소쇨 출구까지 자동으로 흘러내리도록 기울어진 바닥으로 설계할 수도 있다. 이울러 정비유지를 용이하게 하기 위해 상부에 열교환기 박스를 포함한 전체 지붕이 개폐 가능하도록 시공하였고, 난방기 후부 연도옆에 500*400mm 맨홀을 만들어 간단한 보전이 가능토록 하였고 맨홀 상부에 300*100mm투명창을 설치하여 화실내 연소상태를 확인토록 하였다. 전체적으로 난방기 규격은 2908*3658*1910(폭-길이 높이) mm 이고 전체동력은 12.8마력이다.

도 7,8은 난방장치의 착화부 근처 구조의 작동 상태도이다.

본 실시예에서 연탄착화는 자동점화장치에 의해 7분만에 점화가 완료되는데 이는 대량의 연탄을 착화시키기에는 지나치게 빠른 속도로써 이렇게 착화하면 종래의 연탄보일러들은 착화중인 일부의 연탄이 파손될 우려가 있다. 그러나 본 실시예에서는 충분히 건조된 연탄을 1장씩 연탄의 하면에서부터 가열하여 착화하는 것으로서 단위 면적당 착화시간이 단축되고, 착화과정에 있어서 실수 또는 파손이 적은 장점이 있다.

연속 착화과정을 도시한 도 7을 참조하면 연소실입구문(111)이 무빙암(19)에 의해서 열린 상태에서 버너(150) 위에는 연탄이 놓여있지 않다. 이때 이송바(18)가 외부컨베이어(14)상의 연탄을 한 세트(본 실시예에서는 4장) 밀어서 상기 버너(150)상의 위치에 올려놓는다.(과정1) 다음으로 연소실입구문(111)이 닫힌 상태에서 착화가 완료되면, 다시 입구문이 열리고 이송바가 착화완료된 연탄을 연소실 내부로 밀어넣는다.(과정2), 그 다음으로 연소실 입구문은 재차 닫히고 이송바는 원위치 상태에서 다음 연소실 투입시간까지 대기한다.(과정3)

이러한 과정은 내부에 배열된 65세트의 연탄이 8시간~48시간의 속도로 진행할 때 온도 변화에 맞춰 새 연탄이 필요할 때마다 간헐적으로 이루어진다.

도면에서는 이송롤러(155)가 표시되어 있지 않지만 옆에서 바라볼 때 연탄은 버너 바로 위에 놓여있는 것은 아니며 실제로는 버너의 수직 상방 위치에서 이송롤러(155, 도8참조)위에 놓여진 채로 롤러의 구름이송작용에 의해 움직여진다.

본 실시예에서 착화후 연소실 내 투입은 내부컨베이어 속도에 따라 가변 제어되고 이때 사용가스버너는 중압식 2.3kg/hr에 열량 27,600kcal/hr용량을 사용하였고 화염감지기를 설치하여 실화시 재점화 기능을 구비하였으며 착화용 버너와 연탄을 둘러싸는 높이 230mm의 두께 10mm 지름 160mm의 강관으로 제작된 착화통(도8의 154참조)을 설치하되 전기플러그 인입구와 낙하되는 연탄재의 청소를 위해 삼면에 50*70mm 크기의 구멍을 확보하였다.

도 8을 참조하면, 이송롤러(155)는 착화장치 맨 위에 설치외어 있고, 외부컨베이어와 내부컨베이어를 연결해주는 동일 운동평면상의 위치에 놓여 있다. 이송바(18)가 연탄을 착화장치 위로 밀어주면 착화통(154) 아래쪽에 위치한 버너(150)가 강하고 높은 불꽃으로 이송롤러 사이로 노출된 연탄의 하부를 가열한다. 이때 가스불꽃 상부가 연탄하부에 직접 접촉되도록 하여 점화시간단축 및 점화 용이하도록 하였으며 연탄재가 착화 중 버너에 계속적으로 낙하되어 실화되는 것을 방지하기 위해 매 점화전 1kg/㎠의 에어가 에어탱크(153)으로부터 재처리용 에어분사구(151)을 통해 자동으로 5초간 순간 공급되어 청소후 점화하게 하였고, 특히 점화시 연탄이 탄소성분으로 전기플러그에 의해 스파크 방전되는 것을 예방하기 위해 플러그와 버너와의 사이에 간격(10mm)을 두었다.

도면에서 착화통(154)은 버너 가스불꽃의 흩어짐을 방지하고, 불꽃 상부가 연탄하부에 직접 접촉하도록 불꽃길이 연장의 역할을 하는 중요한 장치로서 이송롤러 구조와 결합하여 본 발명 특유의 고유한 효과(1장씩 확실하게 점화하여 연소실 내로 밀어 넣음으로써 미연소 연탄의 발생을 원천적으로 방지하는 효과)에 중요한 역할을 하는 구성이다.

한편, 착화연소개스는 도면상의 빨간 불꽃과 같이 연소실 입구문에 마련된 직경 약 50mm의 배기구를 통하여 연소실 내부로 배기된다.

그리고 연소실입구문(111)의 내부 크기는 175*180*600 mm 로 하되 외벽은 SUS310S로 시공되었고 내벽은 50mm두께의 단열케스터블로 시공하였으며 실린더 암인 무빙암(19)으로 작동된다.

도 9a~d는 제작중인 본 발명 실시예 중 연소실입구 주변 촬영사진으로써 연소실입구문과 외부컨베이어 이송바, 착화장치, 버너 등의 배치구조와 작동상태를 잘 관찰할 수 있다.

도 10a,b는 제작중인 본 발명 실시예 중 연소실외벽 좌측면과 전면 촬영사진으로서 구동모터와 컨베이어 등의 구조가 잘 관찰된다. 본 실시예에서는 외부컨베이어에 한해서 제작의 간소화와 빠른 제품테스트를 위해 곡률반경을 줄이고 대신 가이드판을 추가한 컨베이어 만곡부 구조로 제작하고 있으나 이는 실 제작단계에서 얼마든지 본 명세서에 기재된 바와 같이 가이드판 없는 연속 이송식 컨베이어로 대체될 수 있다.

도 11a,b는 제작중인 본 발명 실시예 중 연소실 내부컨베이어의 촬영사진으 로 연소중의 연탄재 낙하 및 수거가 용이하도록 메시 체인 타입으로 설계된 내부컨베이어의 구조를 잘 보여주며, 도 12는 제작중인 본 발명 실시예 중 연탄재토출구와 송풍기의 촬영사진이고 도 13a,b는 제작중인 본 발명 실시예 중 제어기 주변 촬영사진으로 외부의 부가 장치를 잘 관찰할 수 있다.

도 14a,b는 제작중인 본 발명 실시예의 채산성 평가차트 사진으로서, 도14b를 참조하면 중북부지역(강원, 경기 등)에서 1200평 비닐하우스 1동을 기준으로 야간 생육온도 16℃설정 운전시 일반 기름보일러형 난방장치는 면세유 가격 1050원 기준으로 연간 7350만원이 연료비로 소요되나, 본 발명의 연탄 난방장치는 연탄 1장 370원 기준으로 연료비로서 연간 1700만원이 소요되므로 연간 5650만원의 연료비 절감효과가 기대되는 것을 알 수 있다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니다.

다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순한 변경 및 간단한 확장 사례를 추가로 구현할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 고유한 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.

본 발명에서 연소실내 체류시간을 조절함으로써 여타 연탄보일러와 달리 완 전히 연소되어 배출되는 연탄재는 소량의 동력으로 쉽게 분쇄하여 별도의 회수비용 없이 주변 농토에 거름으로 재활용할 수 있으며 토양의 물리력을 개선하여 약20~30%수준의 소출증대에 기여하게 된다. 또한 본 발명은 연소실내 연료의 이동경로가 길어 연소패턴의 다양한 조절이 가능하고 이는 차후 개량여부에 따라 굳이 무연탄 주성분의 22공탄이 아니더라도 고유가 시대에 한반도에 무진장 매장되어 있는 약 160억톤의 석탄을 다양한 배합비와 형태로 제조하여 활용 가능하다는 점을 의미하다. 따라서 국가자원의 효율적 활용은 물론 연간 난방비가 면세유 대비 약 30% 수준에 불과하여 한미FTA와 고유가로 경쟁력을 상실한 농촌의 채산성을 확보하는 중요한 도구로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명 일 실시예인 난방장치(제작중)의 촬영사진.

도 2는 난방장치의 연소실 내외부 구조를 나타낸 하부 평단면도.

도 3은 난방장치의 연소실 내부 연소공기 흐름을 나타낸 중부 평단면도.

도 4은 난방장치의 연소실 내외부 구조를 나타낸 상부 평단면도.

도 5,6는 난방장치의 연소실 내외부 구조를 나타낸 측단면도.

도 7,8은 난방장치의 착화부 및 연소실입구 근처 구조의 작동 상태도.

도 9a~d는 제작중인 본 발명 실시예 중 연소실입구 주변 촬영사진.

도 10a,b는 제작중인 본 발명 실시예 중 연소실외벽 좌측면과 전면 촬영사진.

도 11a,b는 제작중인 본 발명 실시예 중 연소실 내부컨베이어의 촬영사진.

도 12는 제작중인 본 발명 실시예 중 연탄재토출구와 송풍기의 촬영사진.

도 13a,b는 제작중인 본 발명 실시예 중 제어기 주변 촬영사진.

도 14a,b는 제작중인 본 발명 실시예의 채산성 평가차트 사진.

* 도면 주요부분에 대한 도면부호의 설명

1: 난방장치 2: 연탄

10: 연소실 11: 연소실입구

12: 연소실출구 13: 내부컨베이어

14: 외부컨베이어 15: 착화장치

16: 분쇄스크류 17: 구동모터

18: 이송 바(bar) 19: 무빙 암(arm)

20: 열교환기 21: 난방공기흡입구

30: 송풍기 40: 연통

41: 연소공기흡입구 50: 제어기

51: Power control 52: Sensor data input

53: 조작 패널 111: 연소실입구문

130: 내부컨베이어의 곡률반경

150: 버너 151: 재처리용 에어 분사구

152: 착화연료탱크 153: 에어탱크

154: 착화통 155: 이송롤러

161: 연탄재토출구

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 통상의 연탄 지름의 1배~2배 범위의 폭과, 통상의 연탄 높이의 1배~10배 범위의 높이로 형성되는 연소실입구(11)와, 상기 연소실 입구의 면적보다 같거나 작은 면적을 갖는 연소실출구(12)가 형성된 연소실(10)을 갖는 난방장치에 있어서,

   상기 연소실 내에서 상기 연소실입구의 폭보다 같거나 작은 폭으로 상기 연소실입구에서 상기 연소실출구까지 형성되는 1열의 내부컨베이어(13);

   상기 연소실의 상부에 배치되는 열교환기(20);

   상기 열교환기의 일단부에 배치되는 송풍기(30);

   상기 연소실의 외벽 둘레에, 상기 내부컨베이어의 폭과 동등한 폭으로 상기 착화장치까지 연장 형성된 적어도 하나의 외부컨베이어(14);

   상기 내부, 외부 컨베이어들을 구동하며 서로 독립적으로 회전하는 복수개의 구동모터(17);

   상기 외부컨베이어로부터 상기 내부컨베이어까지 연탄을 밀어 넣는 기능을 수행하는 이송바(18);

   상기 연소실입구에 구비되는 버너(150)의 면적이 연탄1장 면적 이하인 착화장치(15); 및

   상기 연소실출구에 구비되는 분쇄날의 반지름이 연탄1장의 지름 이하인 적어도 하나의 분쇄스크류(16)를 포함하여 구성되고,

   상기 내부컨베이어의 이송 경로가 갖는 적어도 하나의 곡률반경(130)은 최소 0.7m 에서 최대 1.2m 범위의 값을 가지며,

   상기 착화장치는, 상기 내부컨베이어와 상기 외부컨베이어의 운동경로 상에 위치한 이송롤러(155)와, 상기 이송롤러의 하부에 위치하며 상기 버너와 상기 이송롤러 간의 공간을 감싸는 착화통(154)과, 상기 착화통 내부공간에서 발생하는 연탄재를 청소하는 압축공기를 분사하는 재처리용 에어분사구(151)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연탄을 이용한 농업용 비닐하우스의 난방장치.
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