KR20020001465A - 가스보일러의 콘덴싱 방식 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스보일러의 콘덴싱 방식 열교환기에 관한 것으로서, 현열교환파이프와 현열교환핀을 갖는 현열교환부와; 현열/잠열교환파이프를 갖는 현열/잠열교환부와; 잠열교환파이프를 구비한 잠열교환부와; 방열차단벽 및 방열흡수 열교환파이프와; 열교환기의 양 측면에 설치하는 열교환회로캡들로 구성하고, 스테인레스로 형성한 현열교환핀으로 열교환 효율을 극대화시키며, 상기 잠열교환파이프는 현열교환파이프 보다 작은 구경으로 다수로 형성하여 열교환면적을 최대로 확대하여 현열과 응축잠열의 열교환 효율을 극대화시켜서 열교환기의 경량 및 콤팩트화를 실현할 수 있도록 하는 가스보일러의 콘덴싱 방식 열교환기에 관한 것이다.

Description

가스보일러의 콘덴싱 방식 열교환기 { Condensing Type Heat Exchanger of Gas Boiler }

본 발명은 가스용 난방 및 온수 보일러에 관한 것으로서, 특히 현열교환파이프와 현열교환핀을 갖는 현열교환부와; 현열/잠열교환파이프를 갖는 현열/잠열교환부와; 잠열교환파이프를 구비한 잠열교환부와; 방열차단벽 및 방열흡수 열교환파이프들로 구성하여 현열교환핀과 현열교환파이프 보다 작은 구경의 잠열교환파이프로 열교환 효율을 극대화시키고 경량 및 콤팩트화를 실현할 수 있도록 하는 가스보일러의 콘덴싱 방식 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 가정에서 사용되고 있는 난방 및 온수 보일러는 사용 연료에 따라 기름보일러와 가스보일러로 나뉘어진다. 이 중에서 최근에는 대기오염이 적고 사용이 편리한 가스보일러를 주로 사용하고 있으며, 그 연료로는 액화천연가스(LNG)를 주로 사용한다. 가스 보일러는 제어방식이나 밀폐상태에 따라 여러가지 형식으로 나눌 수 있으며, 그 밖에도 난방수를 가열하는 열원에 따라 콘덴싱과 비콘덴싱 형식으로 구분할 수 있다.

즉, 도 1은 일반적인 콘덴싱 방식의 가스 보일러의 구성을 도시한 도면이다. 여기에 예시한 가스 보일러(2)는 난방수의 온도변화에 따라 공기량을 조절하여 항상 일정량의 공기가 공급될 수 있도록 하는 공기비례제어 방식으로, 송풍기(10)와버너(12)가 연소기(4)의 상부에 배치되어 있다. 연소기(4)의 상부에는 송풍기(10)의 작동에 따라 흡기덕트(6)를 통해 흡입된 급기와 가스를 연소시키는 버너(12)가 설치되어 있으며, 버너(12) 아래에는 차례대로, 현열부 열교환기(14)와 잠열부 열교환기(16)가 배치되어 있다. 현열부 열교환기(14)는 버너에서 연소열이 직접적으로 접촉되어 열교환되는 과정에서 난방수를 가열하게 되며, 잠열부 열교환기(16)는 배기가스 중의 잠열을 회수하여 난방수를 가열시킨다.

그리고, 잠열부 열교환기(16)를 통과한 배기가스는 배기덕트(20)를 통해서 외부로 방출되며, 열교환 과정에서 발생된 응축수는 배기후드(18)에 모아진 다음 외부로 배출된다.

또한, 보일러의 좌측 하부에는 난방수를 순환시키는 순환펌프(22)가 배치되어 있다. 순환펌프(22)가 작동되면, 실내의 난방을 마친 난방수는 라인(L1)을 통해서 난방수 여과기(24)로 유입하게 된다. 난방수 여과기(24)에서는 난방수에 포함되어 있는 불순물을 제거하게 되며, 여과된 난방수는 상부의 기수 분리기(26)로 보내진다. 기수 분리기(26)는 난방수에 포함되어 있는 공기를 배출하기 위한 것으로, 상부의 에어벤트를 통해서 공기를 배출하게 된다.

이때, 난방수 여과기(24)와 기수 분리기(26)사이에는 난방수의 압력이 과도하게 상승되는 것을 막기 위한 과압방지밸브(32)가 설치되어 있어, 난방수의 일부를 팽창탱크(48)로 보내 압력을 조절하게 된다. 기수 분리기(24)를 통과한 난방수는 순환펌프(22)의 작동으로 라인(L2)을 통해서 잠열부 열교환기(16)로 공급된 다음, 현열부 열교환기(14)를 지나면서 가열되어 라인(L3)으로 배출된다. 라인(L3)을통해 배출된 난방수는 삼방밸브(28)의 작동에 따라 실내로 공급된다.

그리고, 보일러의 중간 하부에는 난방수의 열을 이용하여 온수를 얻는 열교환기가 도시되어 있다. 온수흐름스위치(36)의 작동에 따라 라인(L6)을 통해 유입된 냉수는 온수 열교환기(34)를 지나는 과정에서 가열된 다음, 라인(L7)을 통해서 배출된다.

또한, 보일러의 우측 하부에는 가스 공급장치가 설치되어 있다. 가스밸브(44)의 작동에 따라 라인(L8)을 통해 유입된 가스는 라인(L9)을 통해서 연소기(4)상부의 노즐(8)로 공급된다. 이때, 가스의 공급량은 공기비례제어 전자밸브(46)의 작동에 따라 가변됨으로써 외기의 변화에 따른 공급량을 보상하게 된다. 이렇게 공급된 가스는 점화 트랜스(42) 및 점화봉을 통해 전달되는 스파크에 의해 점화되어 연소되는데, 이러한 일련의 연소과정은 사용자가 조작하는 실내온도 조절기(38)의 입력신호를 받는 콘트롤러(40)에 의해서 제어된다.

상기와 같은 콘덴싱 방식은 버너에 의해 연소된 열을 이용하여 직접적으로 난방수를 가열하는 현열부 열교환기와, 상기 현열부 열교환기를 통과한 배기가스의 응축잠열을 이용하여 난방수를 가열하는 잠열부 열교환기를 포함하여 구성하며, 비콘덴싱 방식은 현열부 열교환기만 구비하고 있다.

현열만을 흡수하도록 구성된 열교환기는 응축과정에서 발생하는 습한조건 상태에 대한 기능을 고려할 필요가 없으므로 열 전도 효과가 큰 동 재질의 열교환기를 사용하여 왔다.

그러나, 현열 및 잠열을 흡수하도록 구성된 열교환기의 경우 내부에서 응축과정이 이루어지므로 잠열 흡수부는 습한환경에 있게 되며, 이러한 습한 환경은 연소배기 가스 중의 수증기가 응축되면서 기체에서 액체로 변하게 되기 때문이다.

이렇게 액체로 변하는 것을 응축수라고 하며 이 응축수는 산성 액체로 내식성을 갖추지 못한 금속을 부식시키게 된다. 따라서, 보일러의 내구성에 가장 큰 문제점이 되었다. 또한, 현열만을 흡수하는 열교환기에 대부분 사용되는 동 재질의 경우에도 열 전도도는 우수하나 응축조건 상태인 경우 상기와 같은 부식이 발생하여 열교환기의 내구성능이 저하되었다.

또한, 현열 및 잠열을 흡수할 수 있으면서 내식력을 갖춘 알루미늄 또는 스테인레스 재질로 열교환기를 구성하게되었는데, 여기에는 동 재질에 비해 열 전도도가 낮기 때문에 동으로 형성하는 보일러와 동일 내지 유사한 열량을 얻기위해서는 동으로 형성하는 열교환기에 비해 크기가 커지고 무게가 무거워 지는 문제점이 있었다.

따라서, 크기가 커지고 무게가 무거워지는 단점을 보완하기 위하여 열교환기에서 현열을 흡수하는 열교환부인 현열부는 열전도도가 좋은 동 재질로 형성하고, 부식현상이 우려되는 응축잠열을 흡수하는 열교환부인 응축 잡열부는 내식성 재질의 알루미늄 또는 스테인레스 재질로 형성하여 이중 구조의 형태로 구성하기도 하였으나, 동으로 형성된 열교환부가 응축조건에 놓여지지 않도록하기 위하여 설계상 부식방지에 대한 제한이 있으며, 동 재질로 형성한 현열부와 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어진 응축잡열 열교환부가 접하는 부분의 온도도 응축조건에 놓이지 않도록 노점온도 이상을 유지하도록 설계가 이루어져야 하므로 설계가 까다롭고 많은 제한이 있게 되는 문제점이 발생한다.

즉, 상기한 바와 같은 종래의 보일러의 열교환기들은 작고 가벼우면서도 내식력과 높은 열효율을 갖도록 형성하지 못하였다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 고안의 목적은 열교환기의 전체적인 구조에서 열교환부의 효율을 극대화하여 보일러를 소형화하고 경량화시킬 수 있는 가스보일러의 콘덴싱 열교환기를 제공하는 데 있다.

도 1은 일반적인 현열부와 잠열부를 갖는 콘덴싱방식 가스보일러의 전체 구성을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 갖는 콘덴싱방식 가스보일러의 전체 구성을 보인 도면이고,

도 3는 본 발명의 열교환기를 확대하여 도시한 단면 구성도이고,

도 4는 본 발명의 열교환기와 측면캡의 결합을 도시한 도면이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

110 : 열교환기 101 : 송풍기

102 : 버너 103 : 연료유입구

104 : 연소실 105 : 배기덕트

106 : 드레인 사이폰 107 : 배기구

108 : 케이스 110 : 현열 교환부

111 : 현열교환 파이프 112 : 현열/잠열 교환부

113 : 현열/잠열교환파이프 114 : 잠열 교환부

115 : 잠열교환파이프 116 : 방열차단벽

117 : 방열흡수 교환파이프 118 : 열교환회로캡

119 : 경사면 120 : 현열교환핀

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스보일러의 콘덴싱방식 열교환기는 열교환기 케이스의 내측으로 가스공급관으로 공급된 가스를 점화플러그로 점화하여 불꽃을 발생시키는 가스버너와; 상기 가스버너의 불꽃에서 발생하는 열로 파이프를 통해 이동하는 유체를 가열하는 열교환부를 상기 가스버너의 하측으로 형성하는 가스보일러의 열교환기에 있어서, 고온의 연소가스를 이용하여 유체를 가열하도록 내측으로 상기 유체가 이동하는 현열교환파이프를 다수로 형성하고,

상기 현열교환파이프의 길이 방향으로 돌출하며 상기 현열교환파이프와 일체로 형성하는 현열교환핀을 구비하여 상기 버너의 하부에 설치하는 현열교환부와; 현열과 응축잠열을 이용하여 내부로 이동하는 유체를 가열하도록 현열/잠열교환파이프를 다수로 형성하고, 상기 현열교환부의 하부에 설치하는 현열/잠열교환부와;응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 잠열교환파이프를 다수로 형성하고, 상기 현열/잠열교환부의 하부에 설치하는 잠열교환부와; 상기 케이스 내부에 상기 케이스의 내면을 따라 소정의 거리를 두고 형성한 방열차단벽과; 상기 방열차단벽의 내면벽에 접촉하게 설치하는 방열흡수 열교환파이프들로 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기 케이스에는 현열교환파이프, 현열/잠열교환파이프, 잠열교환파이프 그리고 방열흡수 열교환파이프와 연통된 유로를 갖는 열교환회로캡을 설치할 수 있다.

또한 상기 잠열교환파이프는 현열교환파이프 보다 작은 구경으로 더 다수로 설치하여 형성한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 갖는 콘덴싱방식 가스보일러의 전체 구성을 보인 도면이고,도 3는 본 발명의 열교환기를 확대하여 도시한 단면 구성도이고,

도 4는 본 발명의 열교환기와 측면캡의 결합을 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 가스보일러는 최상부에 송풍기(101)를 설치하고, 그 아래쪽에 버너(102)를 설치하여 연료유입구(103)를 통해 유입되는 가스(혹은 액체 연료)와 공기를 혼합한 후 연소실(104)에서 점화, 연소되게 하며, 그 하부에는 본 발명의 특징적인 구성을 갖는 열교환기(100)를 설치하여 열교환이 발생하여 하부로 내려올수록 상기 가스버너에서 발생된 연소열은 적어지며 임의의 설계지점에 응축이 발생하고, 최하부에는 배기덕트(105)를 설치하여 열교환 과정에서 발생된 응축수를 드레인 사이폰(106)으로 그리고 나머지 배기가스를 배기구(107)를 통해 외부로 배출한다.

즉 열교환기 하부로부터 찬 유체가 유입되고 순차적으로 열교환기 하부로부터 상부로 열교환기 회로를 통하여 유체가 통과하여 가스버너에서 발생한 열을 흡수하게 된다.

특히 본 발명의 특징적인 구성을 갖는 열교환기(100)는 열교환기 케이스(108)의 내측으로 가스공급관으로 공급된 가스를 점화플러그로 점화하여 불꽃을 발생시키는 가스버너(102)와; 상기 가스버너(102)의 불꽃에서 발생하는 열로 파이프를 통해 이동하는 유체를 가열하는 열교환부를 상기 가스버너(102)의 하측으로 형성하는 가스보일러의 열교환기에 있어서,

고온 연소가스를 이용하여 유체를 가열하도록 내측으로 상기 유체가 이동하는 현열교환파이프(111)를 다수로 형성하고, 상기 현열교환파이프의 길이방향으로 돌출하며 상기 현열파이프와 일체로 형성하는 현열교환핀(120)을 구비하며, 상기 가스버너(102)의 하부에 설치하는 현열교환부(110)와;

현열과 응축잠열을 이용하여 내부로 이동하는 유체를 가열하도록 현열/잠열교환파이프(113)를 다수로 형성하고, 상기 현열교환(110)부의 하부에 설치하는 현열/잠열교환부(112)와;

응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 잠열교환파이프(115)를 다수로 형성하고, 상기 현열/잠열교환부(112)의 하부에 설치하는 잠열교환부(114)와;

상기 현열교환부(110)와 현열/잠열교환부(112) 그리고 잠열교환부(114)를 감싸는 케이스(108)의 내측을 따라 상기 케이스(108)의 내면과 소정의 간격으로 형성한 방열차단벽(116)과;

상기 방열차단벽(116)의 내면에 접촉하도록 설치하는 방열흡수 열교환파이프(117)를 구성한다.

또한, 본 발명의 열교환기(100)는 전체 구성을 스테인레스 스틸로 형성함을 기본으로 하며, 특히 상기 현열교환부(110), 현열/잠열교환부(112), 그리고 상기 현열교환부(110)와 현열/잠열교환부(112)의 옆으로 설치된 방열흡수 열교환파이프(117)의 일부를 알미늄 혹은 동으로 형성할 수 있다.

상기 케이스(108)에는 현열교환파이프(111), 현열/잠열교환파이프(113), 잠열교환파이프(115) 그리고 방열흡수 열교환파이프(117)와 연통된 유로를 갖는 열교환회로캡(118)을 설치할 수 있다.

또한 상기 잠열교환파이프(115)는 현열교환파이프(111) 보다 작은 구경으로 더 다수로 설치하여 형성한다.

방열차단벽(116)의 하부는 응축수의 배수가 용이하도록 경사면(119)으로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 연소실(104)에서 발생된 고온의 연소가스는 현열교환부(110)에서 현열교환파이프(111) 내부의 유체를 가열하고, 이때 현열교환핀(120)이 상기 현열교환파이프(111)의 길이방향으로 돌출하며 상기 현열교환파이프(111)와 일체로 형성되어 현열의 교환을 더욱 원활하게 하여 열교환 효율을 극대화하며, 이후 현열/잠열교환부(112)에서 현열/잠열교환파이프(113) 내부의 유체를 가열하며, 다시 잠열교환부(114)에서 잠열교환파이프(115)의 유체를 가열한 후 응축수와 배기가스로 되어 배기덕트(105)로 보내진다. 즉 본 발명의 열교환기(100)는 종래의 이중구조와 달리 현열교환부(110), 현열/잠열교환부(112), 잠열교환부(114) 그리고 방열흡수 열교환파이프(117)로 구성하고, 더욱 방열흡수 열교환파이프(117)는 케이스(108)를 통하여 외부로 방열되는 현열을 재차 흡수하므로, 전열 면적을 확대하고 연소가스와 유체의 열교환 효율을 극대화한다.

따라서 본 발명은 열교환기(100)의 전체 구성을 스테인레스 스틸로 형성하여 내식성을 좋게 유지하면서도 고효율의 열교환을 실현할 수 있고, 제품을 경량 콤팩트하게 형성할 수 있다. 또한 본 발명에서는 필요시 현열교환부(110), 현열/잠열교환부(112), 그리고 상기 현열교환부(110)와 현열/잠열교환부(112)의 옆으로 설치된 방열흡수 열교환파이프(119)의 상측 일부를 알미늄 혹은 동으로 형성하여, 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편 본 발명의 열교환기(100)는 응축수의 배수를 용이하게 실현하기 위해 케이스(108) 및 방열차단벽(116)의 하부에 경사면(119)을 형성한다. 또 한편으로 본 발명의 케이스(108)는 현열교환파이프(111), 현열/잠열교환파이프(113), 잠열교환파이프(115) 그리고 방열흡수 열교환파이프(117)와 연통된 유로를 갖는 별도의 열교환회로캡(118)을 설치하여, 효과적인 열교환이 이루어지도록 구성하게 된 것이다.

따라서, 상기한 바와 같이 본 발명은 현열, 현열/잠열 그리고 잠열을 흡수하도록 3단 열교환부를 형성하고, 더욱 케이스 벽으로 방출되는 열을 차단 및 재사용 하기 위한 방열흡수 열교환파이프를 설치하므로, 현열과 응축 잠열의 흡수율을 극대화하여 고효율의 열교환을 실현할 수 있다. 특히, 현열교환핀이 추가로 형성되고, 잠열교환파이프가 수용가능한 최대로 다수로 형성되어 열교환 면적이 넓어져서 열교환 효율이 향상되므로 본 발명에 의하면 스테인레스 스틸을 사용하면서도 경량 및 콤팩트화를 실현할 수 있고, 가스보일러의 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 가스공급관을 통해 공급되는 가스를 점화플러그로 점화하여 화염을 발생시키는 가스버너에서 발생하는 열로 파이프를 통해 이동하는 유체를 가열하도록 상기 가스버너의 하측으로 형성한 가스보일러의 열교환기에 있어서,

   고온의 연소가스를 이용하여 유체를 가열하도록 내측으로 상기 유체가 이동하는 현열교환파이프를 다수로 형성하고, 상기 현열교환파이프의 길이 방향으로 돌출하도록 상기 현열교환파이프와 일체로 형성하는 현열교환핀을 구비하며, 상기 버너의 하부에 설치하는 현열교환부와;

   현열과 응축잠열을 이용하여 내부로 이동하는 유체를 가열하도록 현열/잠열교환파이프를 다수로 형성하고, 상기 현열교환부의 하부에 설치하는 현열/잠열교환부와;

   응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 잠열교환파이프를 다수로 형성하고, 상기 현열/잠열교환부의 하부에 설치하는 잠열교환부와;

   상기 케이스 내부에 상기 케이스의 내면을 따라 소정의 거리를 두고 형성한 방열차단벽과;

   상기 방열차단벽의 내면벽에 접촉하게 설치하는 방열흡수 열교환파이프들로 구성하는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 콘덴싱방식 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 현열교환핀을 스테인레스 스틸로 형성하는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 콘덴싱방식 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 잠열교환파이프는 현열교환파이프 보다 작은 구경으로 더 다수로 형성하는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 콘덴싱방식 열교환기.