KR101083633B1 - 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실내 냉·난방 시스템에 효과적으로 적용되는 열증폭기에 관한 것이다. 본 발명의 열증폭기에서, 보일러에 의해 열처리된 고온수는 곧바로 배관을 흐르고 열증폭기 하우징으로 환수된다. 환수된 물은 열증폭기 하우징 내의 제1전열관 및 제2전열관을 차례로 통과하면서 중온수로 증폭되어 다시 보일러로 보내진다. 이때 상기 전열관들은, 보일러 측에서 믹스관을 통해 하우징으로 보내진 열처리수에 의하여 가열된다. 이 구조에서 배관을 흐르는 난방수는 다른 열손실 없이 보일러에서 곧바로 공급되며, 실제로 열증폭기는 믹스관을 이용하여 동작하는 것이다. 따라서 난방효율 및 에너지 효율이 크게 향상된다.

Description

열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기{Temp-emplifier using mixture of temp-treated water}

본 발명은 열증폭기에 관한 것으로, 특히 실내 냉·난방용 시스템에 효과적으로 적용될 수 있는 열증폭기에 관한 것이다.

통상의 실내 난방 시스템은 고열을 제공하는 보일러와, 상기 보일러에 의해 가열된 유체가 통과하는 열교환기와, 상기 열교환기를 경유하도록 연결된 배관으로 이루어진다. 이 구조는 냉방 시스템에서도 동일하게 적용되는데, 다만 상기 열교환기에는 냉각기에서 냉각된 유체가 통과하는 것이다. 실제로 건물에서는, 냉·난방 겸용으로 구축하여 계절변화에 따라 절환하여 사용하고 있다.

도 1을 참조하면, 통상의 보일러 시스템에서 흔히 사용되고 있는 열교환기가 부호 100으로 표시되어 있다. 상기 열교환기(100)는 필요로 하는 전열량 및 설치공간 등을 고려하여 코일형, 지즈재그형 기타의 형태로 설계되는 내부 전열(傳熱) 파이프(101)를 포함한다.

상기 열교환용 전열관(101)은 보일러에 의하여 가열된 유체가 순환 통과하면서 고온으로 되고, 이때 배관으로부터 저온으로 환수된 물이 상기 열교환기(100) 전열관(101) 부분을 지나면서 열전도가 발생되어 고온 난방용으로 급수되는 것이다. 상기 급수 및 환수를 위하여 펌프가 가동될 것이다.

그러나 이 구조는, 사용된 재료에 따라 다소간의 차이가 있지만, 대체로는 전열효율이 그다지 높지 않다. 따라서 건물의 실내난방에 필요한 정도의 전열량 및 온도를 얻기 위하여는 상당한 에너지가 소비되는 한편, 장치는 매우 복잡하게 그리고 초대형으로 설계될 수밖에 없다.

이러한 문제들을 해결하고자 제안된 것이, 본 출원의 발명자들에 의한 특허등록 제868521호로 개시된 '보일러시스템용 열증폭기'이다.

상기 개시된 열증폭기는:

보일러를 통하여 고온으로 가열처리된 물이 전열관 내부를 통과하도록 하여 전열관을 가열시킨 다음 바로 배관을 흐르게 하였으며;

난방 후 배관에서 저온으로 환수된 물이 상기 전열관의 외부와 접촉하여 지나면서 열전도로 인한 일차 가열이 이루어진 다음 보일러로 공급되도록;

하는 구조이다.

비교적으로, 이 구조에서는 보일러에 의해 가열처리된 물이 배관을 흐르게 되어 난방효율이 향상되고, 저온으로 환수된 물이 보일러로 들어가기 전에 전열관 외부의 열에 의해 일차 가열되어 에너지효율이 향상되는 효과가 있다.

그러나 문제는 보일러를 통하여 고온으로 가열처리된 물이 배관으로 공급되기 이전에 이미 상당히 저온화된다는 것이다. 즉, 보일러를 통하여 가열된 물은 전열관을 통과하여 그 전열관을 가열시키는데 이때 상당량의 열교환이 이루어지며, 이에 따라서 온도가 하강한다. '난방'이라는 측면에서 이 열교환은 사전(事前) 열손실이며, 당연하게 이는 배관에서 난방기능을 약화시킨다.

또한, 배관으로부터 환수된 물은 더욱 저온화되어 상기한 일차 가열을 위해서 더 많은 에너지를 요구하게 된다. 이러한 열손실과 에너지 요구는 물의 순환이 거듭될 수록 심해진다. 그러므로 장시간을 놓고 볼 때, 이 구조 역시 난방효율 및 에너지효율 측면에서 유리하다고 할 수는 없다.

본 발명은 상기한 종래의 열증폭기의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 상기한 개념의 사전 열손실을 일으킬 소지를 배제함으로써 냉·난방 효율 및 에너지 효율 측면에서 유리하며 또한 적절하게 에너지를 활용하는 구조의 열증폭기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 열증폭기는:

열처리기를 통하여 가열 또는 냉각되고 연이어 실내 배관을 통하여 난방 또는 냉방용으로 사용된 후, 환수되는 물을 열증폭시킨 다음 상기 열처리기로 공급되도록 하는 열증폭기로서,
상·하 이격되어 설치된 두 내측 격판에 의하여 내부공간이 구분되어 차례로 인접하게 형성되는 상챔버와 중앙 축열실과 하챔버, 상기 하챔버에 형성되는 상기 배관 측 환수포트와 상기 상챔버에 각각 형성되는 열처리기 측 토출포트를 포함하는 통형 하우징;

상기 두 격판을 관통하여 설치되고 양단이 각각 상기 상챔버와 하챔버에 연장되어, 상기 환수포트와 토출포트를 연통시키는 제1전열관;

상기 토출포트로부터 연장되어 상기 열처리기를 통하여 가열 또는 냉각되고 곧바로 상기 배관 측을 흐르게 되는 물의 일부를 상기 축열실로 공급하는 믹스관;

을 포함하여 이루어진다.

바람직하게 상기 열증폭기는 상기 축열실로부터 상챔버를 통과하고 다시 축열실로 연결되도록 설계된 제2전열관을 더 포함하며, 더욱 바람직하게 상기 제2전열관은 상챔버 내에서 길이 연장을 위한 코일(coil)형 또는 미엔더(meander)형으로 설계된다.

본 발명의 열증폭기에 따르면, 상기 열처리기에서 가열 또는 냉각된 물은 직접 그리고 곧바로 실내 배관 및 축열실로 공급된다. 따라서 예컨대 고온수가 전열관 등을 가열시킨 후 배관으로 공급되는 종래의 장치에 비하여, 열손실이 발생하지 않으므로 난방효율 및 에너지효율 측면에서 유리한 효과가 있다.

또한 필요에 따라 열증폭을 조절할 수 있도록 설계하는 한편 제2전열관을 적절하게 설계함으로써 적절하게 에너지를 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 열교환기를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열증폭기의 구성을 보인 단면도.
도 3은 도 2에 적용된 제1전열관의 확대도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열증폭기를 이용한 물의 흐름을 보인 도면.

위에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하의 본 실시예에서는 "열증폭"으로서 고온증폭을 의미하고 이에 "열처리기"로서 보일러를 예시하지만, 다른 실시예에서는 여기에 대응하여 각각 저온증폭 및 냉각기가 적용될 수 있을 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 열증폭기는 부호 10으로 표시된다. 상기 열증폭기(10)는 하우징(11)과, 상기 하우징(11)의 내부에 장착되는 제1전열관(12), 외부에서 상기 하우징(11)에 연결되는 믹스관(13)을 포함한다. 그리고 바람직하게 상기 열증폭기(10)는 상기 제1전열관(12)과 별도로 설계된 제2전열관(14)을 더 포함하여 이루어진다.

상기 하우징(11)은 상·하에서 마주보며 이격 설치된 두개의 내측 격판(15,16)를 포함하며, 상기 격판(15,16)에 의하여 통형 하우징(11)의 내부공간이 세 개로 구분되어 중앙 축열실(17)과 상·하 챔버(18,19)가 형성된다. 순서적으로는, 상챔버(18)와 중앙 축열실(17)과 하챔버(19)가 인접하여 형성된다.

바람직하게, 상기 격판(15,16)은 원형 또는 타원형 판이며 당연하게 상기 하우징(11)의 단면 형상도 원형 또는 타원형이다. 상기 각 챔버(18,19)는 외부로 연결되는 통로를 가지는데, 상기 하챔버(19)의 일측에는 배관(A) 측에서 연장된 즉 배관 측 환수포트(20)가 형성되어 있으며, 상기 상챔버(18)의 일측에는 열처리기인 보일러(B) 측으로 연장된 토출포트(21)가 형성되어 있다.

상기 중앙 축열실(17)과 각 챔버(18,19)에는 온도 센서(미도시)가 설치될 수 있다. 한편, 축열실(17) 상측에서 상챔버(18)로 직통 연결된 급수관(27)이 구비되는데, 경우에 따라서는 축열실(17) 내의 고온수가 이 급수관(27)을 통하여 바로 상챔버(18) 내로 공급될 수가 있다.

상기 전열관(12)은 상기 하우징(11)의 두 격판(15,16)을 관통하여 설치되고 양단이 각각 양측 챔버(18,19)에 연장되어, 결과적으로 상기 환수포트(20)와 토출포트(21)를 연통시킨다. 이 전열관(12)은 축열실(17)에 저장된 고온수에 의하여 외부면이 가열되면서 전열관(12) 내부로 열전달을 하는 것이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예의 상기 제1전열관(12)은 유로용 금속 내관(22)과, 상기 내관(22)의 외부에 동축적으로 배치되는 금속 외관(23)과, 상기 내관(22)과 외관(23) 사이에 충진되는 아스콘 함유 충진재(24)를 포함한다. 바람직하게, 상기 전열관(12)은 상기 내관(22)과 외관(23) 사이에 배치되는 열전도체(25)를 더 포함한다. 상기 열전도체(19)는 금속 코일이다. 도시된 바와 같이, 상기 외관(23)의 길이는 내관(22)에 비하여 짧다. 따라서 배치된 상태에서 상기 내관(22)의 상·하 단부는 외관(23)으로부터 돌출된다. 돌출된 단부는 대향하는 격판(15,16)에 분리 가능하게 결합된다.

또한 도시된 바와 같이, 내관(22)과 외관(23)이 단순 직선형일 수 있는 것은 양관(22,23) 사이에 증폭 전열을 충진재(24) 및 열전도체(25)가 충진되기 때문이다. 이러한 구성에서, 전열은 상기 내관(22) 및 외관(23) 사이에 배치되는 충진재(24)의 축발열 특성 및 열전도체(25)의 전도 특성을 이용하여 효율적으로 이루어진다. 본 실시예에서 내관(22)과 외관(23), 열전도체(25) 등은 열전도율이 좋은 스텐인레스를 사용한다.

상기한 제1전열관(12)의 재료, 갯수, 규모 등은 열증폭기(10)의 규모 및 난방 면적 등에 따라서 다르게 설계될 수 있을 것이다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 하우징(11)의 중앙 축열실(17) 하부에는 전열 히터(28)가 내장된다. 상기 히터(28)는 가동 초기에 축열실(17) 내부 물을 일정한 온도로 우선 상승시키는데 도움을 주지만, 배관(A) 순환수의 온도 상승을 목적으로 하는 본 발명의 열증폭기(10)에 있어서 반드시 필요한 것은 아니다.

상기 믹스관(13)은 상기 토출포트(21)로부터 연장되어 상기 보일러(B)를 통하여 가열된 고온의 물을 상기 축열실(17)로 공급하는 유체관이다. 도시된 바와 같이 본 실시예에서 상기 보일러(B)를 통하여 가열된 물은 곧바로 배관(A) 측을 흐르게 되며, 필요에 따라 고온수의 일부가 상기 믹스관(13)을 흐르도록 제어된다.

상기 제2전열관(14)은 상기 축열실(17)로부터 상챔버(18)를 통과하도록 설계된다. 즉 축열실(17)에 연통하고 상챔버(18)에 배치되는데, 제2전열관(14)은 내부를 지나는 고온수에 의하여 내부면이 가열되면서 제2전열관(14) 외부로 열전달을 하는 것이다. 이 열전달을 효과적으로 수행하기 위하여, 상기 제2전열관(14)은 상챔버(18) 내에서 길이 연장을 위한 코일(coil)형 또는 미엔더(meander)형으로 설계된다. 부호 26은 제2전열관(14)을 지난 물을 다시 축열실(17)로 보내는 회수로이다.

상기 하우징(11)의 상부와 하부에는 덮개(29)와 베이스(30)가 제공된다. 즉, 본 발명의 열증폭기(10)는 하우징(11)의 상·하부에 각각 배치되는 덮개(29)와 베이스(30)를 포함하여, 외부의 충격에 견고하게 유지되고 안전한 상태로 설치될 수 있는 것이다. 실제로, 상기 덮개(29)는 상챔버(18)를 그리고 상기 베이스(30)는 하챔버(19)를 실링한다.

도 4를 참조하여 이하에서 물의 순환을 설명하는데, 일반적으로 냉·난방 시스템에서 환수 및 공급을 포함한 물의 순환은 순환펌프에 의하여 이루어지는 것이다. 우선, 배관(A) 측 환수포트(20)를 통하여 상기 하우징(11) 내로 환수된 저온수는 하챔버(19)-제1전열관(12)-상챔버(18)를 차례로 경유한 후 보일러(B) 측 토출포트(21)를 통하여 보일러(B)로 보내진다(화살표 ① 참조).

이에 보일러(B)에 의해 가열처리된 고온수('열처리수')는 곧바로 배관(A)으로 보내지고(화살표 ② 참조), 배관(A)을 순환하면서 실내 난방을 수행한 후에, 다시 환수포트(20)를 통하여 상기 하우징(11) 내로 환수되는 것이다.

한편, 보일러(B)에 의해 열처리된 물은 그 일부가 믹스관(13)을 타고 곧바로 축열실(17)로 공급되어 축열실(17) 내의 물과 혼합된다. 이러한 믹스관(13) 공급방식은 축열실(17) 내의 물이 부족하거나 특히 물 온도가 낮아진 경우에 이루어진다. 이에 믹스관(13)을 통한 고온수는 축열실(17)을 채우고 제2전열관(14)을 지나게 되는 것이다(화살표 ③참조). 그리고 이 과정에서 상기 고온수에 의해 상기 제1전열관(12)이 외부 가열되고, 제2전열관(14)이 내부에서 가열된다.

구체적으로, 배관(A) 측에서 환수된 저온수가 처음에는 제1전열관(12)의 좁은 내경을 통과하면서 고온으로 증폭되고, 다음으로 제2전열관(14)의 외경을 지나면서 또 한 번 증폭된 후 보일러(B)로 보내지는 것이다.

상기 제1전열관(12) 및 제2전열관의 재료, 갯수, 규모 등에 따라 조금씩 달라지겠지만, 본 실시예에서 보일러(B)에서 배관(A)으로 공급되는 고온수의 온도가 80℃이고 배관(A) 순환 후 환수포트(30) 및 하챔버(19)로 유입된 저온수의 온도가 20℃인 경우에, 상기 저온수가 제1전열관(12)-상챔버(18)를 경유한 후 보일러(B) 측 토출포트(21)에서는 50~60℃에 이르는 것으로 확인되었다.

예컨대 난방 시스템 초기가동시 순환되는 물이 일정 온도로 상승되는 시간이 너무 많이 걸리면 상기 히터(28)를 동작시킬 수 있으며, 특히 상챔버(18)의 물이 지나치게 저온이면 축열실(18) 상측에서 상챔버(18)로 연결된 급수관(27)을 통하여 고온수를 강제적으로 공급할 수도 있다.

이상과 같이 배관(A) 측에서 회수된 저온수가 본 발명의 열증폭기(10)에서 상당 수준의 중온수로 증폭되어 보일러(B)로 이동하므로, 물이 최적난방에 필요한 온도에 이르기 위한 에너지 및 시간이 상당히 절약될 수 있다. 특히 이 구조에서 배관(A)을 흐르는 난방수는 다른 열손실 없이 보일러(B)에서 곧바로 공급되며, 실제로 열증폭기(10)는 믹스관(13)을 이용하여 동작하는 것이다. 따라서 난방효율 및 에너지 효율이 크게 향상된다.

10. 열증폭기 11. 하우징
12. 제1전열관 13. 믹스관
14. 제2전열관 15,16. 격판
17. 축열실 18. 상챔버
19. 하챔버 20. 환수포트
21. 토출포트 28. 히터

Claims (7)

1. 열처리기를 통하여 가열 또는 냉각되고 연이어 실내 배관을 통하여 난방 또는 냉방용으로 사용된 후, 환수되는 물을 열증폭시킨 다음 다시 상기 열처리기로 공급되도록 하는 열증폭기로서,
   상·하 이격되어 설치된 두 내측 격판에 의하여 내부공간이 구분되어 차례로 인접하게 형성되는 상챔버와 중앙 축열실과 하챔버, 상기 하챔버에 형성되는 상기 배관 측 환수포트와 상기 상챔버에 형성되는 상기 열처리기 측 토출포트를 포함하는 통형 하우징;
   상기 두 격판을 관통하여 설치되고 양단이 각각 상기 상챔버와 하챔버에 연장되어, 상기 환수포트와 토출포트를 연통시키는 제1전열관;
   상기 토출포트로부터 연장되어, 상기 열처리기를 통하여 가열 또는 냉각되고 곧바로 상기 배관 측을 흐르게 되는 물의 일부를 상기 축열실로 공급하는 믹스관;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 열처리기는 통상의 보일러 또는 냉각기인 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 열증폭기는 상기 축열실로부터 상챔버를 통과하고 다시 상기 축열실로 연결되도록 설계된 제2전열관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2전열관은 상챔버 내에서 길이 연장을 위한 코일형 또는 미엔더형으로 설계된 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 축열실과 상챔버 간에는 직통으로 연결된 급수관이 구비되는 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 중앙 축열실 하부에는 전열 히터가 내장된 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1전열관은 유로용 금속 내관과, 상기 내관의 외부에 동축적으로 배치되는 금속 외관과, 상기 내관과 외관 사이에 충진되는 아스콘 함유 충진재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리수의 믹스를 이용한 열증폭기.

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