KR20160015945A

KR20160015945A - 고효율 친환경 현열 열교환기

Info

Publication number: KR20160015945A
Application number: KR1020140098970A
Authority: KR
Inventors: 최성환; 신연철; 김태영
Original assignee: (주)귀뚜라미
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-15
Also published as: WO2016017864A1

Abstract

본 발명은 고효율 친환경 현열 열교환기에 관한 것으로, 특히 열교환기의 구조 개선을 통해 열교환기를 통과하는 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 일산화탄소와 같은 유해물질의 발생을 줄이면서도 고온의 연소가스와 저온의 직수 사이의 열교환 효율은 높이는 고효율 친환경 현열 열교환기에 관한 것이다.

Description

고효율 친환경 현열 열교환기{High efficiency environmental-friendly sensible heat exchanger}

본 발명은 고효율 친환경 현열 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기의 구조 개선을 통해 열교환기를 통과하는 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 일산화탄소와 같은 유해물질의 발생을 줄이면서도 고온의 연소가스와 저온의 직수 사이의 열교환 효율은 높이는 고효율 친환경 현열 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 서로 온도가 다른 가열 유체와 피가열 유체를 교차시켜 열전달이 이루어지게 하는 것으로, 보일러 및 공기 조화기를 포함한 그 외 다양한 냉난방 장치에서 난방, 공기조화, 동력발생, 냉각 및 폐열회수용 등으로 널리 사용된다.

특히, 한국등록특허 제0390521호 등에서 소개되는 콘덴싱 보일러는 도 1 및 도 2와 같이 버너(8)의 하부에 현열교환기(1) 및 잠열교환기(2)를 순차 배치하고, 버너(8)와 현열교환기(1) 사이에는 화염발생 길이에 대응하는 연소실을 구비한다.

이때, 현열교환기(1)에서는 버너(8)가 연료를 연소시켜 발생한 화염 및 연소가스와 저온의 직수 사이에 현열 열교환이 이루어지고, 잠열교환기(2)에서는 연소가스와 저온의 직수 사이에 잠열 열교환이 이루어진다.

그러나, 종래에는 연소실과 맞닿아 있는 현열교환기(1)의 현열교환 파이프(9) 및 열교환핀(3)(heat exchange fin)을 통해 고온의 연소가스에 포함된 열을 급격히 회수하므로 현열교환기(1) 내부의 온도 구배가 급격히 하강한다.

즉, 버너(8)에서 발생한 화염 및 고온의 연소가스가 현열교환기(1)를 통과시 현열교환 파이프(9)의 열교환핀(3)에 의해 열을 급속히 빼앗기기 시작하여 급속히 온도가 하강한다.

따라서, 연소 직후 높은 농도의 CO 등을 포함한 연소가스가 열교환핀(3)에 의해 급속히 냉각(freezing)됨에 따라 CO가 CO2로 화학 반응하기에 충분한 시간을 주지 못하므로 배출가스에 CO를 비롯한 각종 유해물질이 많이 포함된다.

또한, 예혼합 가스 버너(premix gas burner)와 같이 자유 전파 화염(freely propagating frame)을 분출하는 일반 버너에 비해 상대적으로 유속이 빠른 버너의 경우에는 CO의 체류시간이 짧아지고 CO2로의 화학반응도 하류에서 일어난다.

따라서, 연소실과 직접 맞닿아 있는 현열교환기(1)에 연소가스가 유입된 직후 현열교환 파이프(9) 및 열교환핀(3)을 통해 상류에서 즉시 열교환이 이루어지면 각종 유해물질의 발생이 더욱 증가하는 문제점이 있다.

또한, 이상과 같은 종래의 현열교환기(1)는 버너(8)에서 발생하는 고온의 화염 및 연소가스에 의해 열교환기 몸체가 과열되고, 열교환기 몸체가 과열되면 현열교환기(1)에 변형이 일어나 고장이 발생하는 문제점이 있다.

이에, 본 출원인은 도 3과 같이 한국공개특허 제2014-0051760호에서 열교환기 몸체(110)에 제2열교환관(130)을 구비하되, 제2열교환관(130)에서 열교환핀을 제거하였다. 또한, 열교환기 몸체(110)의 높이를 기준으로 그 중심부에 제2열교환관(130)을 배치하였다.

따라서, 열교환핀이 없는 제2열교환관(130)에 의해 열교환율을 낮춤으로써 연소가스의 온도를 완만하게 하강시키고, 연소가스가 제2열교환관(130)으로 유입된 후 일정 길이 하류에서 열교환이 이루어지게 함으로써 CO 등의 배출을 감소시켰다.

또한, 제2열교환관(130)의 하부에 제1열교환관(120)을 배치하되, 제1열교환기(130)의 표면에는 열교환핀을 부가함으로써 화학반응이 일어난 후에는 제2열교환관(130)에서 충분히 이루어지지 못한 열교환의 보충이 이루어지게 하였다.

또한, 제2열교환관(130)의 상부에는 열교환기 몸체(110)의 내주면을 따라 배치된 제3열교환관(140)을 구비함으로써, 과열에 의한 열교환기의 변형이나 파손을 방지하면서도 제1열교환기(120)와 함께 열교환율을 높일 수 있게 하였다.

또한, 열교환기 몸체(110)의 전후면에 단면이 원형인 접촉관(111)을 브레이징 용접 방식으로 고정함으로써 이를 통해서도 과열에 의한 열교환기의 변형이나 파손을 방지하면서 열교환율을 높일 수 있게 하였다.

그러나, 이상과 같은 종래기술에 의하면 제2열교환관(130)에 의해 유해물질의 발생을 어느 정도 저감시킬 수는 있지만, 열교환기 몸체(110)의 최상부에 위치한 제3열교환관(140)에 의해 상류에서 급격한 열교환이 이루어지는 문제가 있다.

또한, 연소가스가 연소실에서 방출된 직후 제3열교환관(140)과 접촉하는 과정에서 다량의 고체상 복사가 이루어지므로 열교환이 급격히 이루어지고, 그에 따라 연소가스의 온도 구배를 완만하게 조절하지는 못하였다.

이에, 제3열교환관(140)을 제거하는 방안이 고려될 수 있지만 이러한 경우에는 유해물질의 발생을 줄일 수 있는 반면 제1열교환기(120)만으로 충분한 열교환율을 제공하지 못하므로 열효율이 너무 낮다. 즉, 유해물질의 발생 억제 및 고효율이라는 2가지를 목적을 동시에 달성하지 못한다.

또한, 열교환기 몸체(110)의 전후면에 각각 1개씩의 접촉관(111)을 브레이징 용접하여 이를 통해 어느 정도 열효율을 높일 수는 있지만, 단면이 원형이 접촉관(111)에 의해서는 열교환율 증가가 미비하다는 문제가 있다.

또한, 도시된 바와 같이 접촉관(111)의 설치 높이가 제2열교환관(130)과 동일하거나 혹은 그보다 높은 위치에 있기 때문에, 제2열교환관(130)의 설치 높이를 연소가스의 온도 변화가 급격하게 변화한다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 열교환기를 통과하는 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 일산화탄소와 같은 유해물질의 발생을 줄이면서도 고온의 연소가스와 저온의 직수 사이의 열교환 효율은 높이는 고효율 친환경 현열 열교환기를 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 고효율 친환경 현열 열교환기는 전방 측판, 후방 측판, 좌측 측판 및 우측 측판에 의해 둘러싸이며, 상부에 위치한 연소실에서 유입된 고온의 연소가스가 하부로 배출되도록 상하부가 각각 개방되어 있는 열교환기 몸체와; 각각 상기 좌측 측판과 우측 측판 사이에 끼워지며, 상기 열교환기 몸체의 높이 방향에 대해 중간 부분에 위치하여 상기 연소가스의 온도가 급격히 감소하는 것을 방지함으로써 유해물질의 발생을 줄이는 복수개의 CO 저감 파이프와; 상기 좌측 측판과 우측 측판의 외측에서 결합되며, 각각 인접 배치된 상기 CO 저감 파이프의 개방 단부를 서로 연결시키는 스테인레스 원형 U자관과; 상기 CO 저감 파이프의 하부에 배치되어 상기 CO 저감 파이프와 비교하여 화염으로부터 상대적으로 멀리 배치되고, 각각 상기 좌측 측판과 우측 측판 사이에 끼워지며, 열교환율을 높이도록 외주면에는 열교환핀이 구비된 메인 열교환관과; 상기 좌측 측판과 우측 측판의 외측에서 결합되며, 각각 인접 배치된 상기 메인 열교환관의 개방 단부를 서로 연결시키는 스테인레스 타원형 U자관; 및 상기 열교환기 몸체 내부의 연소가스 유동 경로 상에 직접 노출되어 연소가스의 고체상 복사가 일어나는 것을 방지하도록 상기 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)의 내측면에 고정되며, 열교환율을 높이도록 단면이 타원형인 스테인레스 재질로 이루어진 전후면 스테인레스 타원형관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 전방 측판 및 후방 측판에는 상기 전후면 스테인레스 타원형관이 안착되는 조립홈이 각각 형성되어 있고, 상기 전후면 스테인레스 타원형관은 상기 조립홈에 안착된 후 브레이징 용접되어 상기 전방 측판 및 후방 측판에 고정된 것이 바람직하다.

또한, 상기 전후면 스테인레스 타원형관은 상기 전방 측판 및 후방 측판에 각각 2개씩 구비되되, 상대적으로 낮은 위치에 있는 제1 전후면 스테인레스 타원형관은 상기 CO 저감 파이프보다 낮고 상기 메인 열교환관 보다는 높은 위치에 배치되고, 상대적으로 높은 위치에 있는 제2 전후면 스테인레스 타원형관은 상기 CO 저감 파이프보다 높은 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 저온의 직수가 유입되는 입수구는 상기 열교환기 몸체의 하부에 배치된 상기 복수개의 메인 열교환관들 중 유입측에 해당하는 메인 열교환관에 설치되고, 열교환을 통해 온도가 올라간 고온의 물이 배출되는 출수구는 상기 열교환기 몸체의 상부에 배치된 복수개의 제2 전후면 스테인레스 타원형관들 중 배출측에 해당하는 제2 전후면 스테인레스 타원형관에 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메인 열교환관은 단면이 타원형인 관이고 상기 스테인레스 타원형 U자관은 단면이 타원형인 관을 U자형으로 굽힌 연결관인 것이 바람직하다.

또한, 상기 복수개의 CO 저감 파이프들은 상기 열교환기 몸체의 수평 방향에 서로 평행하게 이격 배치되고, 상기 CO 저감 파이프들이 설치되는 상기 열교환기 몸체의 중간 부분은 상기 열교환기 몸체의 높이 방향에 대한 중심을 기준으로 상측으로 전체 높이에 대한 20% 및 하측으로 전체 높이에 대한 20%까지의 범위인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 서로 다른 목적의 CO 저감 파이프, 메인 열교환관 및 전후면 스테인레스 타원형관을 채택하고 이들의 배치를 최적화한다. 따라서, 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 유해물질의 발생을 감소시킴과 동시에 연소가스와 사이의 열교환 효율은 높인다.

또한, 본 발명은 CO 저감 파이프와 메인 열교환관은 열교환기 몸체의 내부에 설치하고, 이때 브레이징 용접된 전후면 스테인레스 타원형관으로 열교환기 몸체의 내측면을 지지한다. 따라서, 과열에 의한 열교환기의 변형을 방지한다.

도 1은 종래 기술에 따른 콘덴싱 보일러를 나타낸 부분 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 콘덴싱 보일러를 나타낸 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 현열 열교환기를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 친환경 현열 열교환기를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 친환경 현열 열교환기를 나타낸 정면도 및 A-A단면도이.
도 6은 본 발명에 따른 고효율 친환경 현열 열교환기를 나타낸 저면도이다.
도 7은 화염으로부터 거리 대 유해물질 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 단면이 원형인 관과 단면이 타원형인 관의 열전도 상태를 나타낸 비교도이다.
도 9는 본 발명에 따른 열교환기 몸체의 외벽 표면온도 측정도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고효율 친환경 현열 열교환기에 대해 설명한다.

다만, 이하에서는 버너가 설치된 방향을 상측으로 정하고 그 반대측을 하측으로 정하나, 버너의 설치 위치에 따라 상하 방향이 바뀔 수 있음은 자명하다.

또한, 이하에서는 열교환기 몸체를 전/후/좌/우 측판으로 구분하여 설명하나 전/후/좌/우 방향은 보는 각도에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.

먼저, 도 4의 (a) 및 (b)와 같이 본 발명에 따른 고효율 친환경 현열 열교환기는 열교환기 몸체(210)와, CO 저감 파이프(220)와, 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 포함한다.

또한, 복수개로 이루어진 CO 저감 파이프(220)들을 서로 연결하는 스테인레스 원형 U자관(221) 및 복수개로 이루어진 메인 열교환관(230)을 서로 연결하는 스테인레스 타원형 U자관(231)을 포함한다.

또한, 서로 다른 목적의 CO 저감 파이프(220)와, 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 서로 연결함으로써 물의 연속 순환이 가능하도록 여러 개의 커넥터(C1 내지 C4)를 포함한다.

이에 의해 입수구(IN)를 통해 유입된 물(예: 저온의 직수)은 CO 저감 파이프(220)와, 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 모두 통과(정확한 유동 순서는 후술함)한 후 출수구(OUT)를 통해 배출된다.

아울러 열교환기 몸체(210)는 상하부가 각각 개방되어 있어서 상측에 설치된 버너(미도시)에서 제공되는 화염 및 고온의 연소가스(즉, 열원)가 열교환기 몸체(210)를 상측에서 하측으로 관통하여 유동된다.

따라서, CO 저감 파이프(220)와, 메인 열교환관(230)과, 전후면 스테인레스 타원형관(240) 모두를 통과하여 유동중인 저온의 직수와 고온의 열원 사이에 열교환이 이루어져 물이 가열된다. 가열된 물은 온수나 난방수로서 제공된다.

특히, 후술하는 바와 같이 본 발명은 서로 다른 목적의 CO 저감 파이프(220), 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 채택하고 이들의 배치를 최적화한다. 따라서, 유해물질의 발생을 감소시킴과 동시에 연소가스와 사이의 열교환 효율은 높인다.

또한, 본 발명은 CO 저감 파이프(220)와 메인 열교환관(230)은 열교환기 몸체(210)의 내부에 설치하고, 브레이징 용접된 전후면 스테인레스 타원형관(240)으로 열교환기 몸체(210)의 내측면을 지지한다. 따라서, 과열에 의한 현열 열교환기의 변형 및 손상을 방지한다.

좀더 구체적으로, 열교환기 몸체(210)는 현열 교환기('1차 열교환기'라고도 함)의 몸체를 구성하는 것으로 전방 측판(F), 후방 측판(B), 좌측 측판(L) 및 우측 측판(R)을 포함한다.

또한, 상부에 위치한 연소실(도 2 참조)로부터 유입된 고온의 연소가스가 하부로 배출되도록 열교환기 몸체(210)의 상하부는 각각 개방되어 있다. 예혼합 가스 버너(premix gas burner)는 상술한 연소실로 화염 및 연소가스를 분출한다.

일 예로 콘덴싱 버너는 그 상부에서부터 예혼합 가스 버너, 연소실, 현열 교환기, 잠열 교환기 및 배출부가 배치되어 있는데, 본 발명의 열교환기 몸체(210)는 그 중 현열 열교환기에 관한 것이다.

본 발명의 열교환기 몸체(210)는 일반적인 콘덴싱 보일러와 마찬가지로 연소실을 사이에 두고 예혼합 가스 버너에 연결된다. 또한, 연소실의 높이는 일반적으로 버너의 화염발생 길이에 대응하므로 버너와 열교환기 몸체(210)는 화염발생 길이만큼 이격된다.

다음, CO 저감 파이프(220)은 버너 및 연소실을 통해 배출된 고온의 연소가스가 열교환을 통해 급격히 냉각(freezing)됨에 따라 연소 생성물질인 CO나 NOx와 같은 유해물질의 배출량이 증가하는 것을 방지하기 위한 것이다.

이러한 CO 저감 파이프(220)은 낮은 열교환율을 제공하도록 단면이 원형인 직선관으로 이루어지고 또한 그 외주면에는 일반적인 열교환관과 다르게 열교환핀(heat exchange fin)이 없다.

즉, 후술하는 바와 같은 메인 열교환관(230)의 주목적이 높은 열교환율을 제공하도록 단면이 타원형(oval)인 직선관으로 이루어지고 또한 그 외주면에 열교환핀(230a)을 구비한 것과 차이가 있다.

CO 저감 파이프(220)은 복수개로 이루어지며 각각 열교환기 몸체(210)의 좌측 측판(L)과 우측 측판(R) 사이에 끼워진다. 도 5의 (a)에 대한 A-A 단면도인 도 5의 (b)와 같이 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)에는 각각 관통공들이 형성되어 있다.

따라서, CO 저감 파이프(220)의 양측 단부는 상기한 관통공에 연결되도록 좌측 측판(L)과 우측 측판(R) 사이에 삽입 고정된다. 복수개의 CO 저감 파이프(220)들 중 서로 인접한 것들은 스테인레스 원형 U자관(221)에 의해 서로 연결된다.

특히, 본 발명의 CO 저감 파이프(220)들은 열교환기 몸체(210) 내부에 수평 방향으로 평행하게 나란히 배열되는데, 이때 열교환기 몸체(210)의 높이 방향에 대해 중간 부분에 위치함으로써 연소가스의 온도가 급격히 감소하는 것을 방지한다.

CO 저감 파이프(220)가 설치되는 열교환기 몸체(210)의 중간 부분은 열교환기 몸체(210)의 높이 방향에 대한 중심을 기준으로 상측으로 전체 높이에 대한 20% 및 하측으로 전체 높이에 대한 20%까지의 범위를 의미한다.

CO 저감 파이프(220)들을 열교환기 몸체(210)의 중심 부분에 배치하는 이유는 버너의 연소실을 통해 유입된 고온의 연소가스가 열교환기 몸체(210) 내부로 유입된 후 바로 열교환이 시작되지 않게 하기 위함이다.

예컨대, 연소가스에는 CO(일산화탄소)가 다양 포함되어 있는데, 만약 CO가 O2와 반응하여 CO2로 되는 화학 반응이 일어나기 이전에 급격히 열교환이 이루어짐으로써 연소가스가 냉각되면 화학반응에 적합한 최적의 온도를 제공하지 못하므로 CO가 그대로 배출된다.

따라서, 본 발명은 완만한 온도 구배 즉, 연소가스의 온도가 완만하게 낮아지게 하여 CO가 CO2로 화학변환되는 온도가 되게 함으로써 유해물질의 방출을 감소시킨다.

또한, 예혼합 가스 버너와 같이 자유 전파 화염(freely propagating frame)을 분출하는 일반 버너에 비해 상대적으로 유속이 빠른 버너를 사용하는 경우에는 CO의 체류시간이 짧아지고 CO2로의 화학반응도 상대적으로 하류에서 일어난다.

따라서, 본 발명은 열교환기 몸체(210)에 연소가스가 유입된 직후 열교환이 이루어지는 것을 방지하도록, CO 저감 파이프(220)를 최상부에서 하류측으로 이격 배치하여 CO를 비롯한 각종 유해물질의 발생을 방지한다.

다음, 스테인레스 원형 U자관(221)은 이상과 같이 평행하게 배치된 복수개의 친환경 열교환들을 서로 연결시킴으로써 유입된 저온의 직수가 모든 CO 저감 파이프(220)들을 거치도록 한다.

이를 위해 스테인레스 원형 U자관(221)은 단면이 원형인 관을 구부려 제작되고, 이와 같이 제작된 스테인레스 원형 U자관(221)은 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)의 외측에 결합되어, 인접 배치된 CO 저감 파이프(220)의 개방 단부를 서로 연결시킨다.

따라서, 직수는 CO 저감 파이프(220) 및 스테인레스 원형 U자관(221)을 번갈아가며 통과함에 따라 지그재그 방향으로 유동하게 된다.

다음, 메인 열교환관(230)은 저온의 직수와 버너에서 발생한 열원(즉, 화염 및 연소가스) 사이의 열교환을 주된 목적으로 하는 것으로, 상술한 CO 저감 파이프(220)의 낮은 열교환율을 보상한다.

즉, CO 저감 파이프(220)은 기본적으로 열교환을 위한 것이기는 하지만 완만한 온도구배에 의해 유해물질의 발생을 저감시켜야 하기 때문에 열교환율이 현저히 낮다. 따라서, 유해물질의 발생을 감소시키면서도 열교환율을 높이도록 메인 열교환관(230)을 더 구비한다.

이를 위해 메인 열교환관(230)도 복수개로 이루어지며 특히 CO 저감 파이프(220)의 하부에 배치된다. 즉, 연소가스에 포함된 CO가 CO2로 화학변환된 후 본격적인 열교환이 이루어지도록 최대한 하류에 배치된다.

도 5의 (b)와 같이 열교환기 몸체(210)에는 그 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)의 하부에 각각 메인 열교환관(230)을 위한 관통공이 형성되어 있어서, 메인 열교환관(230)들이 좌측 측판(L)과 우측 측판(R) 사이에 끼워진다.

이때, 메인 열교환관(230)는 일 예로 스테인레스 재질의 파이프를 사용하며 브레이징 용접을 통해 고정된다. 특히, 열교환율을 높일 수 있도록 그 단면이 타원형 혹은 계란형인 오발 파이프(oval pipe)가 사용된다.

또한, 도 6을 통해 좀더 상세히 알 수 있는 바와 같이 메인 열교환관(230)의 외주면에는 열교환율을 더욱 높이도록 열교환핀(230a)이 구비된다. 열교환핀(230a)에 의해 표면적이 월등히 넓어지므로 연소가스와의 열교환율이 증가하는 것이다.

다음, 스테인레스 타원형 U자관(231)은 이상과 같이 평행하게 배치된 복수개의 메인 열교환들을 서로 연결시킴으로써 유입된 저온의 직수가 모든 메인 열교환관(230)를 거치게 한다.

이를 위해 스테인레스 타원형 U자관(231)은 단면이 타원형인 관을 구부려 제작되고, 이와 같이 제작된 스테인레스 타원형 U자관(231)은 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)의 외측에 결합되어, 인접 배치된 메인 열교환관(230)의 개방 단부를 서로 연결시킨다.

따라서, 직수는 CO 저감 파이프(220) 및 스테인레스 타원형 U자관(231)을 번갈아가며 통과함에 따라 지그재그 방향으로 유동하게 된다.

이때, 스테인레스 타원형 U자관(231)은 그 단면이 타원형인 관을 사용하므로 내압성이 향상되어 높은 유압에 충분히 견디며, 직수의 유동을 원활하게 하는 효과가 있다.

다만, 이상과 같은 스테인레스 타원형 U자관(231) 역시 스테인리스 재질의 파이프가 사용되고, 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)에 브레이징 용접되는 것이 바람직하다.

다음, 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 도 3을 통해 설명한 종래기술에 따른 제3열교환관(140)과 접촉관(111)을 대신하는 것으로, 연소가스의 급격한 온도 저하를 방지하면서도 열교환기 몸체(210)의 변형을 방지하는 보강체로 기능한다.

즉, 종래의 제3열교환관(140)이 연소실과 가까운 열교환기 몸체(110)의 상부에 설치되어 있어서 제2열교환관(130)에 의한 온도구배 완화 효과를 저감시키는 것을 본 발명의 전후면 스테인레스 타원형관(240)에 의해 개선한다.

또한, 종래의 제3열교환관(140)은 열교환기 몸체(110) 내부의 연소가스 배출통로에 직접 노출됨에 따라 연소가스가 제3열교환관(140)에 접촉하며 고체상 복사가 과도하게 이루어져 오히려 열교환이 급격히 이루어지는 것을 방지한다.

또한, 종래의 접촉관(111)은 열교환기 몸체(210)를 보강하는 효과는 있지만 단면이 원형인 관이기 때문에 열교환율이 너무 낮아 제1열교환기(120)와 함께 열교환율을 높이는 역할을 적절히 수행하지 못하는 것을 개선한다.

또한, 상술한 종래의 접촉관(111)은 제2열교환관(130)과 동일한 높이에 배치되어 있기 때문에 접촉관(111) 및 제2열교환관(130)을 기준으로 연소가스의 온도가 너무 급격하게 낮아지는 문제를 개선한다.

이를 위해 본 발명의 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)의 내측면에 고정된다. 도 5의 (b)와 같이 열교환기 몸체(210)의 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)에는 전후면 스테인레스 타원형관(240)이 안착되는 조립홈이 각각 형성되어 있어서 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 조립홈에 안착된 후 브레이징 용접된다.

또한, 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 스테인리스 재질로 이루어지고 그 단면이 타원형인 관을 사용한다. 이러한 관은 보통 '오발 파이프'라고도 하는데, 오발 파이프는 아래에서 설명하는 바와 같이 단면이 원형인 기타 관들에 비해 열교환율이 높다.

이와 같이 전후면 스테인레스 타원형관(240)의 단면이 타원형이므로 상기한 조립홈 역시 타원형의 전후면 스테인레스 타원형관(240)이 밀착되도록 만곡된 형상으로 이루어져 있다.

특히, 본 발명의 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)에 각각 2개씩 구비된다. 즉, 전방 측판(F)에 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241) 및 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)을 구비하고, 후방 측판(B)에도 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241) 및 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)을 구비한다.

이때, 2개의 전후면 스테인레스 타원형관(240) 중 상대적으로 낮은 위치에 있는 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)은 CO 저감 파이프(220)보다는 낮고 메인 열교환관(230) 보다는 높은 위치에 배치된다. 그와 동시에 상대적으로 높은 위치에 있는 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)은 CO 저감 파이프(220)보다 높은 위치에 배치된다.

상대적인 높이의 상하는 각 열교환관 내부에 구비된 중공부의 원점 즉, 각 열교환관을 단면으로 보았을 때 그 중심점을 기준으로 비교된다. 예컨대, 도 5의 (b)와 같이 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)과 CO 저감 파이프는 그 전체 중 일부가 겹치기는 하지만 그 중심점은 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)이 상대적으로 더 낮다.

이상과 같이 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)의 내측면에 고정시키면 과열에 의해 열교환기 몸체(210)가 변형되는 것을 방지하면서도, 타원형으로 이루어져 있어서 열교환율도 높다.

또한, 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)의 내측면에 형성된 조립홈에 안착시키면 열교환기 몸체(210) 내부에 직접 노출되는 것을 방지하므로, 종래의 제3열교환관(140)에 비해 고체상 복사를 월등히 줄여 연소가스의 급격한 냉각을 방지한다.

또한, 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)을 복수개의 CO 저감 파이프(220)들보다 낮은 위치에 배치하면 연소가스가 CO 저감 파이프(220)이 배치된 높이를 통과하면서 급격하게 온도가 낮아지는 것을 방지한다.

이는 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)과 CO 저감 파이프(220)을 상하로 분산시켰기 때문이며, 더 나아가 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)이 메인 열교환관(230)보다 높은 위치에 있어서 연소가스의 온도 구배를 전체적으로 더욱 완만하게 변화시킨다.

또한, 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)은 친환경 열교환보다 높은 위치에 배치되므로, 비록 열교환기 몸체(210)의 상부에 배치되더라도 상술한 바와 같이 고체상 복사를 줄이면서도 열교환율을 높이는데 도움을 주고, 최상부에서부터 연소가스의 온도구배가 완만해지게 하는 역할을 한다.

한편, 도 7의 (a)는 공기비 1.6에서 자유 전파 화염(Freely propagating flame) 대 예혼합 버너 화염(porous burner flame)의 CO 방출량을 나타낸 것이다.

또한, 'U'는 화염으로부터의 거리를 의미하는 것으로 그 단위인 [m/s]는 거리를 화염이 도달하는 속도로 표현한 것이다.

이때 붉은색 실선 및 점선으로 표시된 바와 같이 예혼합 버너 화염으로부터 거리가 멀수록(즉, 열교환이 하류에서 일어날수록) CO의 방출량이 월등이 저감됨을 알 수 있다.

또한, 도 7의 (b)는 자유 전파 화염 대 예혼합 버너 화염의 OH 질량분율을 나타낸 것으로, 화염으로부터의 거리가 멀수록 OH 질량분율이 줄어듬을 알 수 있다.

따라서, CO 저감 파이프(220)은 열교환기 몸체(210)의 최상부가 아닌 중심 부분에 배치하여 화염으로부터 이격시키고, 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)은 그보다 더 낮은 위치에 배치하여 열교환이 하류에서 이루어지는 것이 바람직함을 알 수 있다.

또한, 도 8의 (a)는 단면이 원형이 관의 열전달 성능을 고찰하기 위한 것이고, 도 8의 (b)는 단면이 타원형인 관의 열전달 성능을 고찰하기 위한 것으로, 도 8의 (b)는 본 발명의 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)에 해당한다.

이때, 아래의 [수학식 1]은 전체 누셀 수(total nusselt number)를 나타낸 것인데, 도 8의 (b)와 같은 본 발명의 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 전체 누셀 수가 더 크고 그에 따라 열전도율이 높으므로 더욱 고효율임을 알 수 있다.

[수학식 1]

(여기서, htot는 열전달율, D는 관의 직경, k는 유체 열전도율을 의미함)

또한, 아래의 [수학식 2]는 마찰계수를 나타낸 것인데, 계산을 통해 단면이 타원형인 본 발명의 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 단면인 원형인 관에 비해 약 40%의 마찰계수를 가진다.

[수학식 2]

(여기서, Δp는 관 마찰 압력손실로서 시험부의 입구와 출구 사이의 압력차, ρ는 유체밀도, V는 유체속도, H는 관의 높이, L은 관의 길이를 의미함)

따라서, 전체 누셀 수(Ntot) 및 마찰계수(f)를 전체적으로 고려할 때, 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 그 단면이 타원형인 오발 파이프를 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

또한, 도 9의 (a) 및 (b)는 실제 연소상태에서 열화상 카메라로 열교환기 몸체(210)의 외벽 표면온도를 측정한 것으로, 도 9의 (a)는 일반적인 열교환기이고, 도 9의 (b)는 본 발명이 적용된 것이다.

이때, 도 9의 (a) 중 'sp1' 지점의 온도는 691℉(=366℃)임에 비해, 그에 대응하는 부분에 해당하는 도 9의 (b) 중 'sp2' 지점의 온도는 455℉(=235℃)로 낮아지는 것을 통해 본 발명의 열효율이 더 뛰어남을 알 수 있다.

한편, 위에서 설명을 생략한 제1 커넥터(C1) 내지 제4 커넥터(C4)는 서로 다른 목적의 CO 저감 파이프(220)와, 메인 열교환관(230) 및 전후면 스테인레스 타원형관(240)을 서로 연결함으로써 저온의 직수가 이들 모두를 통과하도록 하는 것이다.

따라서, 직수는 복수개의 메인 열교환관(230), 전방 측판(F)에 구비된 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241), 복수개의 CO 저감 파이프(220), 후방 측판(B)에 구비된 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241), 후방 측판(B)에 구비된 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242) 및 전방 측판(F)에 구비된 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)을 따라 순차로 유동한다.

이때, 저온의 직수가 유입되는 입수구(IN)는 열교환기 몸체(210)의 하부에 배치된 복수개의 메인 열교환관(230)들 중 유입측에 해당하는 메인 열교환관(230)에 설치된다.

반면, 열교환을 통해 온도가 올라간 고온의 물이 배출되는 출수구(OUT)는 열교환기 몸체(210)의 상부에 배치된 복수개의 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)들 중 배출측에 해당하는 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)에 설치된다.

따라서, 열교환을 통해 온도가 올라간 직수가 버너와 가까운 열교환기 몸체(210)의 상부를 따라 유동하게 되므로, 열교환기 몸체(210)의 상부에 저온의 직수가 유동하는 경우에 비해 열교환이 상대적으로 작게 이루어지도록 한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

210: 열교환기 몸체
220: CO 저감 파이프
221: 스테인레스 원형 U자관
230: 메인 열교환관
230a: 열교환핀
231: 스테인레스 타원형 U자관
240: 전후면 스테인레스 타원형관
L: 좌측 측판
R: 우측 측판
F: 전방 측판
B: 후방 측판
IN: 입수구
OUT: 출수구

Claims

전방 측판(F), 후방 측판(B), 좌측 측판(L) 및 우측 측판(R)에 의해 둘러싸이며, 상부에 위치한 연소실에서 유입된 고온의 연소가스가 하부로 배출되도록 상하부가 각각 개방되어 있는 열교환기 몸체(210)와;
각각 상기 좌측 측판(L)과 우측 측판(R) 사이에 끼워지며, 상기 열교환기 몸체(210)의 높이 방향에 대해 중간 부분에 위치하여 상기 연소가스의 온도가 급격히 감소하는 것을 방지함으로써 유해물질의 발생을 줄이는 복수개의 CO 저감 파이프(220)와;
상기 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)의 외측에서 결합되며, 각각 인접 배치된 상기 CO 저감 파이프(220)의 개방 단부를 서로 연결시키는 스테인레스 원형 U자관(221)과;
상기 CO 저감 파이프(220)의 하부에 배치되어 상기 CO 저감 파이프(220)와 비교하여 화염으로부터 상대적으로 멀리 배치되고, 각각 상기 좌측 측판(L)과 우측 측판(R) 사이에 끼워지며, 열교환율을 높이도록 외주면에는 열교환핀(230a)이 구비된 메인 열교환관(230)과;
상기 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)의 외측에서 결합되며, 각각 인접 배치된 상기 메인 열교환관(230)의 개방 단부를 서로 연결시키는 스테인레스 타원형 U자관(231); 및
상기 열교환기 몸체(210) 내부의 연소가스 유동 경로 상에 직접 노출되어 연소가스의 고체상 복사가 일어나는 것을 방지하도록 상기 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)의 내측면에 고정되며, 열교환율을 높이도록 단면이 타원형(oval)인 스테인레스 재질로 이루어진 전후면 스테인레스 타원형관(240);을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 친환경 현열 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)에는 상기 전후면 스테인레스 타원형관(240)이 안착되는 조립홈이 각각 형성되어 있고,
상기 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 상기 조립홈에 안착된 후 브레이징 용접되어 상기 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)에 고정된 것을 특징으로 하는 고효율 친환경 현열 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 전후면 스테인레스 타원형관(240)은 상기 전방 측판(F) 및 후방 측판(B)에 각각 2개씩 구비되되,
상대적으로 낮은 위치에 있는 제1 전후면 스테인레스 타원형관(241)은 상기 CO 저감 파이프(220)보다 낮고 상기 메인 열교환관(230) 보다는 높은 위치에 배치되고,
상대적으로 높은 위치에 있는 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)은 상기 CO 저감 파이프(220)보다 높은 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 고효율 친환경 현열 열교환기.
제3항에 있어서,
저온의 직수가 유입되는 입수구(IN)는 상기 열교환기 몸체(210)의 하부에 배치된 상기 복수개의 메인 열교환관(230)들 중 유입측에 해당하는 메인 열교환관(230)에 설치되고,
열교환을 통해 온도가 올라간 고온의 물이 배출되는 출수구(OUT)는 상기 열교환기 몸체(210)의 상부에 배치된 복수개의 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)들 중 배출측에 해당하는 제2 전후면 스테인레스 타원형관(242)에 설치되는 것을 특징으로 하는 고효율 친환경 현열 열교환기.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 메인 열교환관(230)은 단면이 타원형인 관이고,
상기 스테인레스 타원형 U자관(231)은 단면이 타원형인 관을 U자형으로 굽힌 연결관인 것을 특징으로 하는 고효율 친환경 현열 열교환기.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 복수개의 CO 저감 파이프(220)들은 상기 열교환기 몸체(210)의 수평 방향에 서로 평행하게 이격 배치되고,
상기 CO 저감 파이프(220)들이 설치되는 상기 열교환기 몸체(210)의 중간 부분은 상기 열교환기 몸체(210)의 높이 방향에 대한 중심을 기준으로 상측으로 전체 높이에 대한 20% 및 하측으로 전체 높이에 대한 20%까지의 범위인 것을 특징으로 하는 고효율 친환경 현열 열교환기.