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1990년대에 개발된 새로운 형태의 여러가지 보일러

1990년대에 개발된 새로운 형태의 여러가지 보일러 난방기구 2008. 10. 2. 06:15
1990년대에 개발된 새로운 형태의 여러가지 보일러





미니 보일러

노통연관식 보일러를 작은 공간에 설치할 수 있도록 소형화하고, 가격도 저렴하게 설계한 미니보일러(일명 초미니보일러 또는 슈퍼미니보일러)가 1990년대에 출현하였다. 다관식 관류보일러가 수관식보일러의 장점을 살린 소형 보일러인 것과 같이, 이 미니보일러는 노통연관식 보일러의 장점을 살린 소형의 노통연관식 보일러이다. 1990년대에는 노통연관식의 장점을 살린 미니보일러가 다관식 소형관류보일러와 치열한 판매전을 벌였다.
이것은 종래의 노통연관식 보일러의 경우에는 동체내부에 증기부를 두고 있으나 미니보일러는 동체 위에 증기드럼을 설치하고 동체와 증기드럼 사이의 연결부에 수면이 위치하도록 수위제어를 하는 구조이다. 또한 종래의 노통연관식 보일러는 동체 상부에 증기부를 배치하기 위하여 연소실과 동체를 편심으로 설치하고 연소실의 좌우(또는 좌우측 중 한쪽에만)에 연관을 설치하는 구조이지만, 미니보일러의 경우에도 연소실과 동체를 편심으로 설치하되 그 사이에 연관을 배치하는 구조로 되어 있다. 물론 미니보일러의 동체 내부에는 증기부를 전혀 두지 않고 동체 상부에도 연관만을 배치하며 수면은 증기드럼과 동체를 연결하는 연결관에 위치하도록 설계·운전되고 있다.
미니보일러의 동체는 물로 가득 채워지고, 그 동체와 노통 사이의 공간에 연관을 설치한 구조로 되어 있다. 따라서 미니보일러의 동체크기는, 연소가스의 열을 회수하기 위하여 필요한 수만큼의 연관을 설치할 수 있는 공간을 확보할 수 있는 크기로 결정된다. 노통과 연관에서 동체 내부의 물로 전달된 열로 가열된 물은 동체 상부에 설치되는 증기드럼으로 이동하여 기수가 분리된다.
이 미니보일러는 일반적으로 0.5∼5.0 ton/h 용 보일러가 시판되고 있다. 사용자 입장에서 보면 이 미니보일러는 노통연관식 보일러에 비하여 저렴하고, 설치면적이 작으며, 단시일 내에 구입할 수 있는 장점이 있다. 제작자 입장에서 보면 이 미니보일러는 수요가 많기 때문에 기존의 노통연관식 보일러와 같이 주문생산에 의존하지 않고, 모델별로 미리 제작하여 보관하였다가 수요자에게 공급할 수가 있다. 따라서 보일러 생산라인이 비교적 한가한 동절기에 미리 이 미니 보일러를 생산할 수 있는 장점이 있다.
이 미니 보일러는 기존의 노통연관식 보일러의 크기를 약 1/2까지도 줄일 수 있기 때문에 설치면적도 적고, 제작원가도 줄일 수 있다. 또한 이 미니보일러는 보유수량이 작기 때문에 보일러의 기동 후 증기발생시간이 5∼7분으로 매우 짧다. (기존의 노통연관식 보일러의 경우에는 증기발생 시간이 약 15∼20분임)


진공식 보일러

비교적 규모가 큰 산업체나 건물에서는 면허소지자를 운전관리자로 채용하고 있지만, 규모가 작은 건물의 경우나 목욕탕과 같은 온수사용 사업장에서는 보일러 운전관리자를 채용하는 것이 무리인 경우가 많이 있다. 그래서 면허소지자 채용이 없이도 안전하게 운전이 가능한 구조의 보일러에 대한 필요성이 대두되었다. 이러한 욕구를 충족하기 위하여 개발된 보일러가 진공식 보일러와 무압보일러이다. 이 진공식 보일러와 무압보일러는 온수보일러로서 동체 내부의 압력이 진공압인 경우 진공식 보일러라 하며, 대기압 수준의 압력이 동체에 작용하는 보일러를 무압보일러라고 한다. 여기에서는 진공식 보일러의 특징을 검토하고, 다음 절에서는 무압보일러의 특징을 검토하고자 한다.
진공식 보일러에는 안전장치로서 안전밸브와 진공스위치가 장착된다. 안전밸브는 100℃ 이하에서 증기를 방출하고, 진공밸브는 대기압 이하에서 열매의 증기를 방출하는 구조로 되어 있기 때문에 보일러 내부의 압력을 대기압 이하 즉 진공압으로 유지하는 보일러이다. 따라서 진공식 보일러는 일반보일러와 같이 내압을 받는 구조가 아니라 외압을 받는 구조로 되어있다. 그래서 보일러 내부의 증기가 외부로 폭발할 위험이 거의 없기 때문에 면허소지자를 보일러의 운전관리자로 선임하지 않아도 되고, 「보일러 및 압력용기 안전규칙」에 의한 검사도 불필요하다.
진공식 보일러는 그 하부에 설치된 연소실의 노통과 대류전열면은 열매(일반적으로 물을 사용함)와 접촉을 하고, 이 곳에서 연소열이 열매로 전달되어 증기를 발생한다. 발생된 증기는 자연대류에 의해 보일러 내부의 상부로 이동하고, 이 증기는 상부에 설치된 온수발생을 위한 열교환기에서 열을 잃고 다시 액체로 되어 하부로 낙하한다. 이 때 상부에 설치된 열교환기에서는 열매증기의 응축열을 흡수하여 난방용 또는 급탕용으로 사용되는 온수를 발생한다. 그러므로 이 난방이나 급탕용 온수는 버너의 연소열로 직접 가열되지 않고 내부에 봉입된 열매증기에 의해 가열된다.
보일러 내부가 진공이 유지되기 위해서 밀폐되어 있기 때문에 보일러 내부에 봉입되는 열매는 손실될 수가 없다. 따라서 열매의 보충은 필요가 없게 된다. 새로운 보충수가 거의 필요 없기 때문에 스케일이나 부식이 거의 발생하지 않게 할 수 있고, 외부의 공기와도 완전 차단되어 있기 때문에 녹의 발생이 원천적으로 차단되어서 그 수명이 매우 길다. 보일러 상부에 설치되는 열교환기를 용도에 따라 설치할 수 있기 때문에 난방과 급탕을 겸할 수가 있다. 난방전용일 경우에는 열교환기를 1개만 설치(1회로 방식)하고, 난방과 급탕을 겸하는 경우에는 열교환기를 2대 설치(2회로 방식)하여 사용한다.
진공식 보일러의 운전 전에는 그 내부에 거의 -760mmHg의 진공압이 작용한다. 운전이 시작되어 열매가 증발하게 되면 그 내부의 압력이 점차 상승한다. 그 내부의 온도가 93℃ 정도에 다다르면 내부 압력이 -150mmHg의 진공압력이 걸리게 된다. 보일러 내부의 온도가 이 온도에 도달되면 장착된 감지장치(진공스위치)가 작동하여 버너의 연소를 중단하게 된다. 난방이나 급탕 등의 열사용처에서 열을 사용하게 되면, 열교환기에 냉각된 물이 공급됨으로서 열교환기에서 응축전달이 이루어지고 열매증기는 응축수가 된다. 이 열매응축수가 하부의 열매조로 공급되면 감지장치에 의해 감지가 되어 버너가 다시 작동한다. 따라서 진공식 보일러는 그 내부압력이 -150mmHg ∼ -760mmHg이기 때문에 항상 외압을 받는다. 온수의 온도는 약 85℃까지 가열되어 공급될 수 있다.
진공식 온수보일러는 100,000kcal/h ∼ 2,500,000kcal/h 용량의 것이 생산되고 있다. 또한 연소실 구조는 다관식 관류보일러에 사용되는 수관과 유사한 구조의 수관으로 구성된 것도 있고, 노통구조로 제작되는 경우도 있다. 특히 연소실이 노통구조로 구성이 되고, 그 후부의 대류전열부가 수관으로 구성되는 경우을 노통수관형 보일러라고도 한다.


무압식 보일러 (대기개방형 보일러)

면허소지자 채용이 없이도 안전하게 운전이 가능한 구조의 보일러에 대한 필요성이 대두됨에 따라 이러한 욕구를 충족하기 위하여 개발된 또 하나의 보일러가 무압보일러이다. 이 무압보일러는 대기압 정도의 압력이 동체에 작용하는 보일러를 의미한다. 
무압보일러는 그 보일러 내부에 채워지는 열매로서 물을 사용하며, 그 열매로 보일러 내부를 완전히 채우는 구조이다. 진공식 보일러의 경우에는 열매증기가 열교환기에서 응축전열이 이루어지지만, 이 무압보일러에서는 열교환기에 공급되는 열매도 온수이기 때문에 자연대류만으로는 전열이 잘 이루어지지 않을 뿐 아니라 순환도 신속하게 이루어지지가 않는다. 그래서 무압보일러의 경우에는 순환펌프를 설치하여 열매를 강제순환시킨다. 열교환기의 외부에 설치된 순환펌프에서 물을 흡입하여 보일러 하부로 보내주면 열교환기의 안쪽 끝에서는 가열된 온수가 흡입되어 열교환기에서 강제대류 열전달이 이루어진다.
진공식 보일러는 보일러가 완전 밀폐형이지만, 이 무압보일러는 보일러 상부에 팽창탱크를 설치하고, 이 팽창탱크에서 overflow를 방출하기도 하고 보충수를 이곳으로 공급하기도 한다. 또한 이 팽창탱크에는 저수위경보기 및 차단기를 설치하여 보일러의 열교환기가 확실하게 열매에 잠기도록 하고 있다.
진공식 온수보일러는 50,000kcal/h ∼ 3,500,000kcal/h 용량의 것이 생산되고 있다. 또한 연소실 구조는 다관식 관류보일러와 유사한 구조의 수관으로 구성된 것도 있고, 노통구조로 제작되는 경우도 있다. 특히 연소실은 노통구조로 구성이 되고, 그 후부의 대류전열부가 수관으로 구성되는 경우를 노통수관 보일러라고도 한다.

진공식 보일러와는 달리 무압보일러는 열매의 보충이 필요하다. 그러나 새로운 보충수가 소량이고 연수처리 되기 때문에 일반 보일러보다 스케일이나 부식이 적게 발생하여서 그 수명이 길다. 무압보일러도 상부에 설치되는 열교환기를 용도에 따라 설치할 수 있기 때문에 난방과 급탕을 겸할 수가 있다. 난방전용일 경우에는 열교환기를 1개만 설치(1회로 방식)하고, 난방과 급탕을 겸하는 경우에는 열교환기를 2대 설치(2회로 방식)하여 사용한다.


응축형 보일러

가스를 연료로 사용하는 보일러의 경우에는 배기가스중의 수분농도가 약 17∼18 vol% (11∼12 wt%) 정도이기 때문에 천연가스 1 Nm3를 연소하는 경우에는 약 1.7 kg의 수분이 발생된다. 배기가스의 열을 회수하여 배기가스온도를 낮추게 되면 배기가스중의 수분이 응축되고 그 때에 응축잠열을 이용할 수도 있다. 배기가스 중에 포함된 1.7 kg/Nm3의 수분중의 약 1 kg의 증기잠열을 회수할 수 있다면 연료 1 Nm3당 약 600 kcal의 잠열을 회수할 수 있다. 따라서 응축잠열을 회수함으로서 약 6%의 효율증대를 도모할 수 있다.
가스보일러의 경우에는 연료 중에 유황 성분을 포함하고 있지 않기 때문에 저온부식이 비교적 적다. 따라서 가스보일러의 경우에 보일러 내에서 열을 충분히 흡수하여 배기가스의 온도를 낮게 하면 보일러 후단에서 수분의 응축이 발생하게 된다. 이 응축열을 회수하기 위하여 보일러 후단에서 연소가스중의 수분이 응축되도록 설계된 보일러를 응축형 보일러 또는 콘덴싱(Condensing) 보일러라고 한다. 이 응축형 보일러는 보일러의 효율을 극대화하기 위하여 도입된 보일러로서 저위발열량을 기준으로 한 보일러 효율이 100%가 넘는 경우도 있다. 그러나 일반적으로 응축형 보일러의 가장 후단에 설치되는 절탄기는 배기가스와 급수의 온도차가 작기 때문에 전열면적이 커야하고, 응축수로 인한 부식을 방지하기 위하여 고가의 내식성재료로 사용해야 하기 때문에 초기투자비가 많아지는 단점이 있다.
정부에서는 산업자원부고시 제1999-84호 "고효율 에너지기자재 보급촉진에 관한 규정"을 통하여 고효율 가스보일러의 자격요건으로서 급수를 가열하는 열교환장치를 부착한 보일러의 경우에는 효율이 95% 이상이어야 한다고 명시하고 있다(급수를 가열하지 않는 구조의 보일러는 91%이상이어야 함). 2001년도부터는 보일러고효율기자재용 가스보일러의 경우는 보일러의 효율을 고위발열량(총발열량) 기준으로 효율을 표시하도록 하고 있다.
응축형 보일러에서 발생되는 배기가스중의 수분이 응축된 응축수는 pH가 4∼6인 것으로 보고되고 있다. 이 산성의 응축수를 그대로 방류하는 경우에는 수질을 오염시킬 수 있기 때문에 응축형 보일러는 응축수 중화처리 설비를 구비하여야만 한다. 중화처리설비의 후단에서 응축수의 pH는 5.8∼8.6의 범위에 들어야 한다고 명시하고 있다.

응축형 보일러가 설계효율을 내기 위해서는 적용할 시스템에 대한 평가를 통하여 보일러의 설계조건을 충족할 수 있는가를 확인할 필요가 있다. 리턴수를 사용하는 보일러의 경우 그 온도가 높은 경우에는 설계효율을 얻을 수 없기 때문에 경제성을 재평가해야만 한다. 또한 부하변동이 있어야만 하는 보일러의 경우에는 응축수가 발생하는 위치가 부하에 따라 달라질 수 있기 때문에 보일러와 열교환기의 수명을 위하여 응축수가 발생하는 부분의 내식성재료의 사용여부를 검토하여야 할 것으로 사료된다.
이 보일러는 공기예열기에 히트파이프를 사용하였으며, 그 후단에 응축형 절탄기를 직렬로 설치하였다.
이 경우에 응축형 보일러의 열정산 결과는 저위발열량 기준으로 열효율이 100%(고위발열량 기준효율 약 90%)로 나타났다.


 

Posted by 비회원

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