배플 및 열수관로가 설치된 축열조를 구비하는 축열식 전기보일러{regenerative boiler}
본 발명은 심야전기를 이용하는 축열식 전기보일러에 관한 것으로서, 특히 축열조 내의 열을 효율적으로 가열하고 회수하기 위한 축열식 전기보일러에 관한 것이다. 구체적으로는, 축열조의 내부에 배플 구조의 하부 열회수 장치와 그 상부에 파이프 형태의 종형 열수관로를 설치함으로써 종래의 심야전기 보일러에서 한 단계 발전하여 기존의 보일러가 전체의 축열조를 가열하는 난방 방식에 비하여 난방시간을 줄일 수 있도록 하고, 또한 난방 환수(난방 후의 물)를 효과적으로 분배할 수 있는 구조를 적용하여 난방을 이중으로 효율적으로 할 수 있는 배플 및 열수관로가 설치된 축열조를 구비하는 축열식 전기보일러에 관한 것이다.
통상적으로, 주택 등의 난방을 위한 보일러로는 기름 및 가스를 열원으로 하는 보일러가 주로 사용되는데, 이들 연료는 높은 비용을 요구하고 있어 소비자들의 가계적 부담을 가중시키게 되며, 또한 연소시 발생하는 오염물질로 인한 대기오염 및 기름 또는 가스 누출에 따른 폭발위험이 있어 많은 주의가 요구되고 있다. 이에 따라 최근에는 대기오염 및 폭발위험을 예방하기 위해 전기보일러의 사용이 급증하고 있는 실정이다, 전기를 열원으로 사용하는 축열식 전기보일러는 축열조에서 저장된 물을 전기에너지로 히팅시켜 적정온도로 가열된 온수를 순환파이프를 통해 필요한 난방 장소로 공급시키도록 되어있다. 이와 같은 축열식 전기보일러는 저렴한 심야시간대의 전기를 사용하여 대형 축열탱크 내부의 물(또는 열매체)을 가열시킨 후 주간에 축열되어 있던 에너지를 사용하여 난방 및 급탕이 가능하도록 되어 있어서 기름값이 천정부지로 오르고 있는 상황에서 가정의 난방비를 줄이는데 적합한 난방수단으로 각광받고 있다. 한편, 상기한 바와 같은 축열식 전기보일러는 이미 널리 공지된 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하며, 부가적으로 이러한 축열식 전기보일러는 국내 등록실용신안공보 등록번호 제0385861호(축열식 전기보일러의 교환수 공급구조)와 등록번호 제0327853호(축열식 전기 보일러) 및 등록번호 제0277345호(축열식 전기보일러의 히터용량을 소형화시키는 전환 축열장치)에 상세히 기술되어 있다.
그러나, 위와 같이 축열식 전기보일러가 보급되던 초기에는 심야전력의 이용에 문제가 없었으나 그 보급수량이 급격히 늘어나면서 한국전력공사에서 심야전력 의 보급시간을 제한하는 장치를 개발하여 보급하게 되었다. 이때부터 수용가 입장에서는 심야전력이 들어오는 시간부터 보일러가 데워지기 까지 몇시간(통상, 2~4시간) 동안 난방에 상당한 문제가 있었다. 즉, 난방을 하기 위해서는 난방 축열조가 유효 온도까지 가열되어야 하나 이때까지 시간이 많이 걸리는 단점이 있었다. 또한, 한국전력공사의 심야전력 자동제어장치를 가동한 후부터 수용가 측에서는 집집마다 다소의 차이는 있으나 대략 밤 12시부터 3시 사이에 전력이 들어오게 된다. 이 경우 초기에는 난방수가 40℃부터 출발하므로 난방에 다수 문제가 있을 뿐만 아니라 축열조 전체(1000~3000 리터)를 적정한 온도까지(약 50℃ 이상) 상승시키기 위해서는 최소한 2시간 이상의 시간이 소요되었다. 그러한 이유로 심야전력이 투입된 후 약 2시간 이후부터 난방이 본격적으로 이루어짐으로 그때까지는 소비자들이 추위에 떨 경우가 많았다. 이러한 사례가 계속되어 일부 소비자들의 심야 전기보일러에 대한 불신도 높아졌고 한국전력공사의 심야전력 제어장치를 불법적으로 개조하여 운영하는 사례가 많았다. 그리고, 난방 부하 측면에 있어서도 종래의 축열식 전기보일러는 단순히 난방송수관, 순환펌프, 난방환수관이라는 단순한 구조로 구성되어 있고, 축열조 내부의 구조도 히팅을 위한 전기히터 이외에는 별다른 구조장치가 없이 단순한 저장탱크로써의 역할만 하는 단순한 구조였다. 그러나 이러한 방식의 구조는 난방시 순환펌프를 통해서 축열조 전체의 물을 고루 희석하게 되는 현상이 발생하게 되는데, 이는 축열조의 물과 난방부하측의 물을 지속적으로 순환하면서 난방하므로 성층 현상을 유지할 수 없어 난방수를 가열하는 시간이 길어지고 난방을 효율적으로 사용 할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하면서 축열식 전기보일러의 열효율을 높이고 난방수를 가열하는 시간을 줄일 수 있도록 하는 배플 및 열수관로가 설치된 축열조를 구비하는 축열식 전기보일러를 제공한다. 또한, 본 발명은 난방 환수를 효과적으로 분배할 수 있는 배플 및 열수관로가 설치된 축열조를 구비하는 축열식 전기보일러를 제공한다. 또한, 본 발명은 축열조의 성층 현상을 최대한 이용할 수 있는 배플 및 열수관로가 설치된 축열조를 구비하는 축열식 전기보일러를 제공한다. 상기한 바를 달성하기 위한 견지에 있어서, 본 발명은 가열히터, 축열조, 열교환기, 순환펌프로 구성된 통상의 축열식 전기보일러에 있어서, 상기 축열조의 내부에는 상기 가열히터에 의해 가열된 온수가 축열조의 저면에 모이도록 하는 배플이 설치되며, 상기 배플의 상단면에는 상기 축열조의 저면에 모인 온수가 축열조의 상단으로 이동할 수 있도록 하는 열수관로가 설치됨을 특징으로 한다.
위와 같은 특징을 가지는 본 발명은 축열식 심야 전기보일러의 이용을 더욱더 효율적으로 하여 소비자들의 민원을 대폭 축소할 수 있으며, 또한 국가의 심야전력 정책에 대한 소비자의 만족도를 대폭적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명은 축열식 보일러의 난방 성능을 획기적으로 개선하여 기존대비 약 2시간 정도의 시간을 단축하여 난방을 할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다. 본 발명에서는 가열히터가 축열조의 전체를 가열하지 않고 상부측을 우선적으로 국부 가열할 수 있는 구조로 하여 축열식 보일러 상측의 난방수를 최단시간에 가열하여 난방 이용면에 있어 빠른 난방을 이룰 수 있도록 배플을 부착한 열회수 장치 및 분배장치를 내장한 축열조를 구현하고자 한다. 또한, 본 발명은 배플면에 유입되는 난방수를 축열조의 동일 밀도층으로 이동시켜 난방 환수되는 물이 축열조에 전체적으로 희석되지 않고 최적의 성층도를 유지할 수 있도록 분배장치의 일측에 구멍을 일정 간격으로 형성한 축열식 전기보일러를 제시한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 축열식 전기보일러의 구성을 보이고 있는 도면이다. 본 발명의 축열식 전기보일러는 배플(14) 및 열수관로(16)가 설치된 축열조(10)와 통상의 열교환기(24) 및 순환펌프(26)로 구성된다. 상기 축열조(10)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 내부가 비어있는 원통 형 타입으로 형성되고, 상/하단부에는 난방송수관(20) 및 난방환수관(22)이 설치된다. 이때 상기 난방송수관(20)을 통해서는 가열히터(12)에 의해 데워진 온수를 열교환기(24) 측으로 공급하며, 상기 난방환수관(22)은 열교환기(24)를 통과한 온수를 다시 축열조(10)의 내부로 재공급시키는 역할을 한다. 한편, 전술한 축열조(10)의 내부 저면에는 통상의 가열히터(12)가 설치되며, 그 위에는 일정한 기울기를 갖는 경사진 배플(열회수장치: 14)이 설치된다. 상기 배플(14)은 가열히터(12)에 의해 가열된 온수가 축열조(10)의 다른 장소로 열전달이 이루어지지 않도록 한다. 즉, 상기 배플(14)의 저면에는 가열히터(12)에 의해 가열된 온수가 모여지게 되고, 모여진 온수는 열수관로(16)를 따라 위로 상승하게 된다. 이때, 상기 열수관로(분배장치: 16)는 배플(14)의 상단 중앙에 설치되는데, 상기 배플(14)의 저면에 모인 온수(저밀도의 온수)가 축열조(10)의 최상단으로 직접 이동할 수 있도록 한다. 또한 상기 열수관로(16)의 일측면에는 구멍(18)이 일정한 간격을 유지하면서 종방향으로 형성되며, 상기 구멍(18)은 난방환수관(22)을 통해 재공급되는 온수(즉, 가열히터(12)에 의해 가열된 물)가 동일 밀도층으로 분기할 수 있도록 한다. 이때 구멍(18)의 직경은 열수관로(16) 직경의 0.5~1.0배 정도의 지름으로 형성되고, 상기 열수관로(16)를 따라 10개 정도의 구멍(18)을 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 축열조(10)에 유입되는 온수는, 구체적으로는 열교환기(24)를 통과한 온수가 난방환수관(22)을 통해 재공급될 때 상기 온수의 온도가 높을 경 우에는 도 4에 도시한 바와 같이 열수관로(16)의 상측에 형성된 구멍(18)을 통해서 온수가 배출되고, 상기 온수의 온도가 낮을 경우에는 도 5에 도시한 바와 같이 열수관로(16)의 하측에 형성된 구멍(18)을 통해서 온수가 배출된다. 이러한 동작에 따라 난방환수관(22)을 통해 유입되는 온수는 밀도에 따라 최적층으로 직접 이동함으로써 축열 효과를 높이고 난방수 가열시간을 단축할 수 있다. 이는 도 1에서 도시하고 있는 밀도(ρ)의 변화를 살펴보아도 명백하게 할 수 있는데, 온수의 온도가 높을 경우에는 밀도가 "ρ1=ρ3〈ρ2"이기 때문에 열수관로(16)의 상측에 형성된 구멍(18)을 통해서 온수가 배출된다. 또한 온수의 온도가 낮을 경우에는 밀도가 "ρ1〉ρ3=ρ2"이기 때문에 열수관로(16)의 하측에 형성된 구멍(18)을 통해서 온수가 배출된다. 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 축열식 전기보일러는 축열조(10)의 종단 각 부분의 시간에 따른 온도 변화 그래프를 살펴보아도, 종래의 축열조에 비해서 난방수 가열시간이 단축될 뿐만 아니라 난방 효율이 높아졌다. 이는 도 6 및 도 7의 그래프를 대비하여 보면 보다 명확하게 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 배플 및 열수관로가 설치된 축열조를 구비하는 축열식 전기보일러의 구성을 보여주고 있는 도면. 도 2는 도 1에서 도시하고 있는 배플 및 열수관로가 설치된 축열조의 상세구성을 보여주고 있는 도면. 도 3은 도 2에서 도시하고 있는 축열조의 단면을 보이고 있는 도면. 도 4는 본 발명에 따른 난방 환수되는 온수의 온도가 높을 경우 열수관로를 따라 흐르는 온수의 경로를 보여주고 있는 도면. 도 5는 본 발명에 따른 난방 환수되는 온수의 온도가 낮을 경우 열수관로를 따라 흐르는 온수의 경로를 보여주고 있는 도면. 도 6은 종래의 축열식 보일러에 있어서 축열시 축열조의 종단 각 부분의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프. 도 7은 본 발명에 따른 축열식 보일러에 있어서 축열시 축열조의 종단 각 부분의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프. |
