KR101099475B1 - 하향 연소식 나무 보일러 - Google Patents

Abstract

고체 연료를 하부에서 상부로 또는 상부에서 하부로 연소시키는 하향 연소식 나무 보일러가 개시된다. 연소실 상, 하부 측방에 각각 연료 투입구가 형성되고, 그 사이에 송풍기에 연결된 노즐체가 설치되어 연소실 내부로 공기를 균일하게 공급함과 동시에 와류를 형성시킴으로써 상향 또는 하향으로 고체 연료의 연소가 가능하다. 또한 연소실 상부에 열교환기를 설치하여 연소열을 최대한 회수할 수 있으며, 고체 연료를 공급하는 이외에 별도의 열원공급수단을 부가 설치할 수 있어 사용이 편리하다.

Description

하향 연소식 나무 보일러{Downward wood burning boiler}

본 발명은 나무, 생활쓰레기, 펠렛 등과 같은 고체 연료를 상부에서 하부로 연소시키는 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 농어촌의 주택 난방은 설치가 간편하고 보일러의 관리와 사용이 편리한 기름 보일러나 가스 보일러가 이용된다. 기름 보일러 또는 가스 보일러는 실내에 부착된 자동 온도조절기의 설정온도에 따라 버너가 자동으로 점화되어 실내온도를 설정온도로 유지하게 된다. 그러나 기름 또는 가스를 연료로 사용하는 보일러는 설정온도에 따라 버너가 자동으로 점화되어 실내온도를 유지시켜 주므로 사용이 편리하나, 최근 국제 유가가 급등하고 있어 농어촌의 서민들에게 난방비 부담이 크게 증가하고 있는 실정이다.

이러한 실정을 감안하여 농어촌이나 도심 변두리의 주택에서 겨울철 난방비를 절감하고자 나무 또는 폐목재를 주연료로 사용하는 나무 보일러의 보급율이 최근 증가 추세에 있다.

나무 보일러는 크게 연소 방향에 따라 하부에서 상부로 연소되는 상향 연소식 보일러와 상부에서 하부로 연소되는 하향 연소식 보일러로 나눌 수 있다.

(1) 상향 연소식 보일러는, 도 1과 같이, 통상적으로 연소실에 나무를 투입한 후 하부에서 착화시켜 상부로 연소시키며 연소가스를 배출하기 위한 연돌을 연소실 상부에 설치하는 구조로 이루어진다. 이러한 나무 보일러는 농어촌에서 쉽게 구할 수 있는 나무와 폐목재 등을 연료로 사용하므로 기름 또는 가스를 연료로 하는 보일러나 전기 보일러에 비하여 연료비가 저렴할 뿐만 아니라 설비 및 유지관리비 또한 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 이러한 종래의 상향 연소식 보일러는 착화가 용이하다는 장점이 있으나 다음과 같은 문제가 있었다.

첫째, 연소실에 공급된 나무가 하부에서 균일하게 착화되지 않은 경우 측면부에 적재된 나무는 연소되지 않은 상태로 버려질 수 있었다. 또한 연소실 내부로 한꺼번에 많은 양의 나무를 투입할 경우 불완전 연소되면서 불완전 연소가스가 그대로 배출되어 많은 양의 그을음이나 연기 등이 발생함은 물론 연소 효율이 낮을 수밖에 없었다. 둘째, 연소가스가 상부의 연돌로 직접 배출하게 됨에 따라 분진이나 불씨 등이 외부로 배출되어 화재의 위험이 있었으며, 배출되는 연소가스는 고온이므로 연소효율이 상당히 낮았다.

(2) 한편, 하향 연소식 보일러의 예로서 도 2의 숯가마 나무 보일러를 살펴보면, 환풍팬을 이용하여 공기를 연소실 상부에서 하부로 강제로 흡입하여 공급하면서 연료를 상부에 하부로 연소시키는 방식이다. 이러한 하향 연소식 보일러는 별도의 공기 공급장치를 이용하므로 완전연소를 유도하는데 유리하며, 연소시간이 상향식에 비하여 길다는 장점이 있다.

그러나 이러한 하향 연소식 보일러에 의하면, 연료를 상부에서 하부로 연소시켜야만 하는 숯과 같은 연료에 대한 사용만 가능하므로, 연료의 종류에 대한 제한이 클 수밖에 없었으며, 연소열에 의하여 온도가 가장 높은 연소실 상부에서 유체와의 열교환이 이루어지지 않음에 따라 연소효율이 낮다는 문제점이 있었다. 또한 연료 투입구가 상부에 설치됨에 따라 장작 등과 같이 불균일한 형상을 가진 연료를 사용하는 경우 연료를 투입하는 사람에 따라 공급량과 적재상태가 다르므로 연소시간 및 연소열의 조절이 힘들다는 문제점이 있었으며, 보일러의 크기가 커질수록 이러한 문제점은 더욱 심각하였다.

이상에서 설명한 상향 또는 하향 연소식 보일러는 각각의 구조상 연소 방향이 고정되어 있으므로 사용자가 임의로 연소 방향을 결정할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 연소실에 공급하는 연료가 일부 젖어 있거나 착화가 힘든 연료의 경우 나중에 연소시키는 것이 바람직하나, 위와 같이 연소 방향이 고정된 보일러의 경우 경우에 따라 연소실로부터 연료를 꺼내어 다시 순서에 맞게 공급하여야 하는 번거로움이 있었다.

본 발명은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사용자가 연료의 종류 및 연소 목적에 따라 연소방향을 상향식 또는 하향식 중 어느 하나를 임의로 선택하더라도 연소가 원활히 이루어질 수 있도록 연소실 내부로 공기를 원활하게 공급할 수 있는 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 연소실 내부에 투입되는 고체 연료를 균일하게 적재할 수 있도록 연소실의 상부 및 하부 측방으로 각각 연료를 투입할 수 있는 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 연소가스가 직접 외부로 배기되지 않도록 하며, 연소실 상부에서 고온의 연소가스로부터 열을 회수할 수 있는 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 연소실에 투입되는 나무와 같은 연료의 연소 지속 시간을 고려하여, 추가적인 열원 제공수단을 구비한 보일러를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 하향 연소식 나무 보일러는, 나무를 상부에서 하부로 연소시켜 온수를 공급하는 하향 연소식 나무 보일러에 있어서, 상기 나무가 적재되어 연소되는 연소실; 상기 연소실 주위에 물이 충진되는 물탱크; 상기 연소실 상부 측방으로 상기 나무를 공급하는 상부 연료 투입구; 상기 연소실 하부 측방으로 상기 나무를 공급하는 하부 연료 투입구; 상기 상부 연료 투입구와 상기 하부 연료 투입구 사이에 설치된 송풍기; 및 상기 송풍기에 연결되어 상기 연소실 중간 내벽을 따라 설치된 중간 공급부와, 상기 중간 공급부 상부 및 하부에 일정 간격을 두고 수직하게 설치된 복수의 상부 및 하부 노즐부로 이루어진 노즐체; 를 포함하되, 상기 상부 또는 하부 노즐부는, 단면이 사각 또는 원형의 관체로 이루어지고, 상기 관체는 상기 연소실 내부로 공기를 경사지게 분사시켜 와류를 형성하도록 상기 연소실 내부 중심선을 향하여 편심되게 분사시키는 복수개의 분사공이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 중간 공급부는 단면이 사각인 환형의 관체로 이루어진다.

바람직하게, 상기 상부 또는 하부 노즐부는, 단면이 사각 또는 원형의 관체로 이루어지고, 상기 관체는 상기 연소실 내부로 공기를 경사지게 분사시켜 와류를 형성하도록 복수개의 분사공이 형성된다. 이때 상기 상부 노즐부의 상단에 1 이상의 상단 분사공을 더 구비하거나, 상기 하부 노즐부의 하단에 1 이상의 하단 분사공을 더 구비할 수 있다.

바람직하게, 상기 연소실 내부의 상부에 평행하게 설치되며 상기 물탱크와 내부가 연결되는 원판 또는 사각 형태의 제1열교환부; 를 더 포함한다. 이때, 상기 제1열교환부 중앙에 연소가스가 통과하는 관통구가 형성되고, 상기 제1열교환부와 상기 물탱크와 내부가 연결되며, 상기 제1열교환부 상부에 이격하여 평행하게 설치된 원판 또는 사각 형태의 제2열교환부; 를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 상부 또는 하부 연료 투입구 중 적어도 어느 하나에 기름 버너가 착탈되는 버너 장착구; 를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 연소실 상부 또는 하부의 물탱크 내부로 전기 히터가 삽입되는 히터 삽입구; 를 더 포함한다.

본 발명의 하향 연소식 나무 보일러에 의하면, 연소실 내부의 상부 및 하부 노즐부에 의하여 공기가 균일하게 공급됨으로써 상향 또는 하향 연소가 가능하다. 또한 각각의 노즐부에서 공급되는 공기가 와류를 형성함으로써 연료에 보다 많은 공기 공급이 가능하므로 완전연소를 유도할 수 있다.

또한, 연료 공급이 상부 또는 하부에서 모두 가능하므로 연료의 적재가 용이하다는 장점이 있다.

또한, 연소실 상부의 열교환기에 의하여 연소가스로부터 열을 회수함으로써 배기 가스의 온도를 낮춤과 동시에 열효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 고체 연료의 연소 상태에 따라 기름 버너 또는 전기 히터를 보조적으로 작동시킬 수 있으므로 사용 및 관리가 편리하다.

도 1은 종래 상향 연소식 보일러의 단면도.
도 2는 종래 하향 연소식 보일러의 단면도.
도 3, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 보일러의 사시도, 측단면도.
도 5, 도 6은 본 발명을 구성하는 노즐체의 사시도와 평면 구성도.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명하되, 먼저 본 발명에 따른 보일러의 기본 구조를 살펴본 후, 본 발명의 핵심 구조에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 보일러는 도 3, 4와 같이, 연돌(5)이 설치된 대략 원통형의 연소실(1)과 그 외부에 물탱크(2), 단열재(3), 케이스(4)가 순차적으로 형성되어 있다. 그리고 전면에는 기름 버너를 장착하기 위한 버너 장착 도어(33, 43)가 형성된 상부 및 하부 연료 투입구 도어(31, 41)가 설치되며, 그 사이에는 송풍기(20)와 제어장치 등이 내부에 설치되며 전면에 중간 도어(22)와 투시창(23)을 구비하고, 측면에 공기가 유입될 수 있도록 공기구를 형성한 전면 박스(21)를 구비한다.

물탱크(2)의 하부에는 난방 또는 온수 사용을 위한 냉수 공급구(6)와, 보충수 공급구(7)가 각각 연결 설치되며, 상부에는 연소열에 의하여 승온된 온수를 배출하기 위한 온수 배출구(8)와 물탱크(2) 내부의 공기를 제거하기 위한 안전 밸브(9)를 구비한다.

본 발명의 특징은 크게 1) 상향 및 하향 연소를 위한 연료 투입구와 노즐체의 구성, 2) 효율적인 연소열의 회수를 위한 열교환기의 구성, 3) 고체 연료를 대체하는 열공급수단을 장착할 수 있는 구성에 있다. 이하에서는 각각의 특징적인 구성에 대하여 순서대로 설명한다.

1) 연료 투입구와 노즐체의 구성

고체 연료가 연소실(1) 상부 및 하부로 공급할 수 있도록 연소실(1) 상부 및 하부 측방에 각각 상부 및 하부 연료 투입구(30, 40)를 설치한다. 따라서 상부 연료 투입구(30)를 통하여 고체 연료를 공급한 후 연소실(1) 내부 고체 연료의 적재 상태에 따라 하부 연료 투입구(40)를 통하여 고체 연료를 추가적으로 공급함으로써 연료를 균일하게 적재할 수 있으며, 공급되는 고체 연료의 종류가 다양한 경우 사용자의 의도에 부합하도록 고체 연료의 적재 위치를 결정할 수 있다.

이에 의하여 상부 연료 투입구(30)를 개방한 후 고체 연료를 상부에서 착화시켜 하향 연소식으로 사용하거나, 하부 연료 투입구(40)를 개방하여 하부에서 착화시킴으로써 상향 연소식으로 사용이 가능하다. 따라서 고체 연료 중 연소가 쉽게 이루어지지 않는 연료에 대해서는, 상향 연소식을 채택하는 경우 상부 연료 투입구(30)를 통하여 연소실(1) 상부에 적재하고, 만약 하향 연소식을 채택하는 경우 하부 연료 투입구(30)를 통하여 연소실(1) 하부에 추가 적재가 가능하다.

한편, 상향 및 하향 연소가 가능하기 위해서는 연소실(1) 내부로 충분한 공기를 균일하게 공급하여야 한다. 이를 위하여 상부 및 하부 연료 투입구(30, 40) 사이에 설치된 송풍기(20)기로부터 연소실(1) 내부로 공기를 공급하는 노즐체(50)를 구비한다. 노즐체(50)는 송풍기(20)에 연결관(54)으로 연결되며 연소실(1) 중간 내벽을 따라 설치된 중간 공급부(51)와, 중간 공급부(51) 상부 및 하부에 일정 간격을 두고 수직하게 설치된 복수의 상부 노즐부(52)와 하부 노즐부(53)를 형성한다. 이에 의하여 송풍기(20)로부터 공급된 공기는 중간 공급부(51)를 거쳐 상부 및 하부 노즐부(52, 53)로 공급되어 연소실(1) 내부 전체로 균일하게 공급된다.

중간 공급부(51)는 단면이 사각인 환형의 관체로 구성하고, 상부 및 하부 노즐부(52, 53)는 단면이 사각 또는 원형의 관체로 구성하여 중간 공급부(51)의 상부면과 하부면에 각각 결합시킬 수 있다.

도 4 내지 6은 상부 및 하부 노즐부(52, 53)의 단면을 원형의 관체로 구성한 것으로, 연소실(1) 내부를 향하여 비스듬하게 분사시키는 복수개의 분사공(55)을 구비하여, 연소실(1) 내부로 공기를 와류 상태로 공급하게 된다. 이로부터 고체 연체에 충분한 공기를 공급할 수 있음은 물론 불완전 연소 가스가 연소실(1) 내에 체류하는 시간을 연장시킴으로써 완전 연소를 유도하게 된다.

이때 상부 및 하부 노즐부(52, 53)에 형성된 복수개의 분사공(55)은 도 6과 같이, 연소실(1) 내부를 평면으로 바라보았을 때 연소실(1) 내부 중심을 기준으로 일정 각도 편심되도록 형성함으로써, 전체 상, 하부 노즐부(52, 53)에서 분사되는 공기가 연소실(1) 내부에서 와류를 형성토록 한다.

그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 노즐부(52) 상단에는 연소실(1) 내부의 연소가스가 연돌(5)을 통하여 배기가 원활히 이루어지도록 1 이상의 상단 분사공(56)을 더 구비할 수 있으며, 하부 노즐부(53) 하단에는 연소 과정에서 연소실(1) 바닥에 낙하된 고체 연료의 완전 연소를 돕도록 1 이상의 하단 분사공(57)을 더 구비할 수 있다.

노즐체(50)에 공기를 강제 공급하는 송풍기(20)는 연소실(1) 내부에서 고체 연료가 착화되어 연소가 원활하게 이루어지는 경우 가동을 중단시키는 대신, 하부 연료 투입구(40)와 함께 형성된 공기 조절구(44)를 통하여 공기를 자연 공급할 수 있다.

한편, 본 발명의 도면에서 예시된 중간 공급부(51)의 단면은 사각 형상 이외에 원형, 육각형 등 다양한 형상으로도 대체가 가능하며, 상부 및 하부 노즐부(52, 53) 역시 단면 형상이 원형 이외에 사각, 육각 등 다양한 형상으로의 대체가 가능함은 물론이다.

2) 열교환기의 구성

보일러는 열대류의 특성상 연소실(1) 상부의 온도는 상당히 높을 수밖에 없으므로 연소열의 효율적인 회수를 위하여, 연소실(1) 상부에 물탱크(2)와 연결되는 열교환기(60)를 설치하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 도 4와 같이 열교환기(60)의 구조를 2중 구조로 할 수 있다. 구체적으로, 연소실(1) 상부 중앙에 화염 또는 연소가스가 통과할 수 있는 관통구(64)가 형성된 원판 또는 사각 형태의 제1열교환부(61)와, 이와 연결관(63)에 의하여 연결되며 그 상부에 평행하게 제2열교환부(62)로 구성할 수 있다. 제1, 제2열교환부(61, 62)는 연소실(1) 내벽면과 일정 거리 이격하여 설치된다.

이로부터 연소가스가 연돌(5)을 통하여 배출되기 전, 제1열교환부(61)와 제2열교환부(62)와 접촉하면서 연소열을 최대한 회수할 수 있게 된다.

이때 열교환기(60)를 2중으로 설치함에 따라 하부의 제1열교환부(61) 상부면에 잔재가 많이 쌓이는 경우, 상부 연료 투입구(30)를 개방한 후 청소가 가능하다.

3) 추가적인 열공급수단

고체 연료로서 나무, 생활 쓰레기, 톱밥 등을 사용하는 경우 그 연소 시간을 정확히 예측하기 힘들므로 계획적인 난방이 어려울 수 있다. 이를 개선하기 위하여 도 3과 같이, 상, 하부 연료 투입구 도어(31, 41)에 버너 장착 도어(33, 43)를 추가적으로 설치할 수 있다. 따라서 필요에 따라 고체 연료 대신 기름 버너를 설치하고, 노즐체(50)를 함께 사용할 수 있다. 이때 상, 하부의 버너 장착 도어(33, 34)에 의하여 개방되는 버너 장착구(32, 42)는 기름 버너를 설치하지 않은 상태에서는 연소 상태를 감시할 수 있는 감시구로서 역할을 할 수 있다.

또한, 물탱크(2)의 상부 또는 하부(도 4에서는 상부에 설치됨)에 전기 히터(미도시됨)가 삽입되도록 히터 삽입구(10)를 설치하여, 필요에 따라 전기를 이용하여 보일러를 사용할 수도 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 보일러는 동일한 고체 연료에 대하여 하향 연소식이 상향 연소식에 비하여 연소효율이 10~15% 높으나, 통나무와 같이 부피가 큰 고체 연료의 경우 착화 등의 어려움으로 인하여 하향 연소식으로 사용하기 곤란하다. 따라서 통나무와 같은 큰 고체 연료의 경우 상향 연소식으로 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명을 실시예를 중심으로 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 히터 삽입구 20 : 송풍기
30 : 상부 연료 투입구 40 : 하부 연료 투입구
32, 42 : 버너 장착구 50 : 노즐체
51 : 중간 공급부 52 : 상부 노즐부
53 : 하부 노즐부 55 : 분사공
56, 57 : 상단, 하단 분사공 60 : 열교환기
61, 62 : 제1, 제2열교환부 63 : 연결관
64 : 관통구

Claims (9)

1. 나무를 상부에서 하부로 연소시켜 온수를 공급하는 하향 연소식 나무 보일러에 있어서,
   상기 나무가 적재되어 연소되는 연소실;
   상기 연소실 주위에 물이 충진되는 물탱크;
   상기 연소실 상부 측방으로 상기 나무를 공급하는 상부 연료 투입구;
   상기 연소실 하부 측방으로 상기 나무를 공급하는 하부 연료 투입구;
   상기 상부 연료 투입구와 상기 하부 연료 투입구 사이에 설치된 송풍기; 및
   상기 송풍기에 연결되어 상기 연소실 중간 내벽을 따라 설치된 중간 공급부와, 상기 중간 공급부 상부 및 하부에 일정 간격을 두고 수직하게 설치된 복수의 상부 및 하부 노즐부로 이루어진 노즐체; 를 포함하되,
   상기 상부 또는 하부 노즐부는, 단면이 사각 또는 원형의 관체로 이루어지고, 상기 관체는 상기 연소실 내부로 공기를 경사지게 분사시켜 와류를 형성하도록 상기 연소실 내부 중심선을 향하여 편심되게 분사시키는 복수개의 분사공이 형성된 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 중간 공급부는 단면이 사각인 환형의 관체로 이루어진 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 노즐부의 상단에 1 이상의 상단 분사공을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부 노즐부의 하단에 1 이상의 하단 분사공을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소실 내부의 상부에 평행하게 설치되며 상기 물탱크와 내부가 연결되는 원판 또는 사각 형태의 제1열교환부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제1열교환부 중앙에 연소가스가 통과하는 관통구가 형성되고,
   상기 제1열교환부와 상기 물탱크와 내부가 연결되며, 상기 제1열교환부 상부에 이격하여 평행하게 설치된 원판 또는 사각 형태의 제2열교환부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 또는 하부 연료 투입구 중 적어도 어느 하나에 기름 버너가 착탈되는 버너 장착구;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소실 상부 또는 하부의 물탱크 내부로 전기 히터가 삽입되는 히터 삽입구;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하향 연소식 나무 보일러.

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