KR20040063892A - 난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방장치, 특히 DCHP 시스템에 관한 것으로서, 두 개의 버너(3,17)를 포함한다. 분할 밸브(23)가 공기 흐름(24)을 상기 두 개의 버너 각각을 위한 두 개의 흐름으로 분할한다. 가연성 연료가 공기와 혼합된다. 제어기가 가연성 연료와 분할 밸브의 위치를 제어함으로써 각 버너에 공급되는 공기의 비율을 제어한다.

Description

난방장치{A HEATING APPLIANCE}

본 발명은 난방장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 가정용 열 및 동력 겸용(domestic combined heat and power; DCHP) 장치에 관한 것이다.

전기를 발생하는 교류 발전기(alternator)에 연결된 스털링 엔진(Stirling engine)을 포함하는 상기 DCHP 장치가 제안되어져 왔다. 엔진에 의해 생산된 열은 허비될 수도 있는데, 가정용 온수 및 중앙난방 시스템에 공급하는 물을 가열하는데 사용되고, 따라서 DCHP 시스템의 귀중한 소산(所産)이 된다. 스털링 엔진/교류 발전기가 약 1㎾의 전기를 발생시키는 정도의 크기일 때 상기 장치의 경제성이 가장 좋다는 것이 입증되었다. 그러나, 이 수준에서는, 약 5㎾의 열만이 공급될 것이고, 이는 20㎾를 초과하는 전형적인 가정용 열 부하에 한참 못 미치는 것이다.

나머지 열을 공급함으로써 DCHP 장치가 최신 사양의 가정용 보일러와 효과적으로 경쟁할 수 있도록 하기 위해서는, 보조 가스 버너(gas burner)가 필요하다. 양 버너 모두 하나의 공통 배기관(flue)으로 배기함으로써, 양 버너 모두가 가정용으로 공급되는 물을 가열할 수 있고, 또한 외부 세계로 통하는 배기관 연결부가 하나만 필요하도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 상황 하에서는, 각 버너에 별도의 송풍기를 사용하게 되면 송풍기 중 하나가 작동하지 않을 때 문제를 유발할 수 있다. 이런 상황 하에서는, 뜨거운 가스가 점화되지 않은 버너를 통하여강제로 역류될 수 있고, 이로써 이에 연결된 가스 트레인(gas train)이 부품들을 손상시키고 상기 장치를 연소 생성물로 채우게 된다. 이를 방지할 수 있는 한 가지 방법이 본 출원인의 동시계류중인 영국특허출원 제0124985.3호에 개시되어 있는데, 여기서는 버너를 통한 뜨거운 가스의 역류가 탐지되면 점화되지 않은 버너의 송풍기를 기동(起動)함으로써 복구작용이 취해진다. 본 발명은 추가적인 송풍기의 기생(寄生) 동력소비에 수반되는 효율 손실과 추가적인 찬 공기를 가열시스템을 통해 통과시킴으로써 초래되는 역냉각효과를 방지하는 또 다른 방법을 제공한다.

본 발명의 제1 형태에 따르면, 난방장치는 제1 및 제2 버너, 공급 공기, 공급 공기를 제1 버너에 공급하는 흐름과 제2 버너에 공급하는 흐름으로 분할하는 분할 밸브(splitter valve), 가연성(可燃性) 연료를 공급하여 공기와 혼합하는 수단, 및 장치에 요구되는 바에 따라 가연성 연료의 유량과 각 버너에 공급되는 공기의 비율을 제어하는 제어기를 포함한다.

상기 장치는 하나의 송풍기와 분할 밸브를 사용하여 두 버너 사이에 공기 흐름을 분할하므로, 한 버너에서 나온 뜨거운 연소 가스가 다른 한 버너를 통하여 역류할 가능성이 전혀 없다. 게다가, 두 버너를 하나의 송풍기로 작동시키는 것과 관련된 비용절감도 있다.

본 발명은 하나의 송풍기만을 필요로 하므로, 전체적인 비용을 절감시키며, 2 송풍기 장치보다 적은 공간을 필요로 한다.

본 발명은 DCHP 시스템 외에도 여러 분야에 응용가능하며, 두 개의 분리된 가열회로로의 열 입력의 조절 제어를 필요로 하는 두 개의 사전혼합식 버너를 가지는 어떤 장치에도 사용가능하다. 이는 보통 습식 가열장치, 예를 들어 가정용 중앙난방 및/또는 온수 시스템에 물을 공급하는 물 기반의 가정용 보일러일 것이지만, 다른 작동유체(예컨대, 공기 또는 오일) 기반의 가열 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다. 또 다른 것으로는, 상기 장치는 상부 및 하부 버너가 동일한 조리 공간 내로 동시에 불을 내뿜는 피자/버거 그릴과 같은 조리기기일 수도 있다.

하나의 가능한 방법은 연료와 공기가 분할 밸브의 상류측에서 혼합되고, 분할 밸브는 연료 및 공기의 혼합 흐름을 분할하는 혼합 챔버를 구비하는 것이다. 이러한 장치는 하나의 연료 공급부만을 필요로 한다는 이점이 있다. 그러나, 이 경우에는, 분할 밸브가 상세한 설계와 검정(檢定)을 필요로 하는 주 안전장치가 되어야 한다. 분할 밸브는 또한 완전하게 닫히고 가스 공급 사슬에서 완벽한 밀봉을 제공할 수 있어야 한다. 따라서, 가연성 연료의 공급수단이, 분할 밸브의 하류측에서 분할된 공기 흐름들에 연료를 공급하도록 위치되는 것이 바람직하다. 또한 이러한 구성은, 각 버너에 대해 공연비(air/fuel ratio)를 개별적으로 설정할 수 있게 하므로, 각 버너로 가는 공기/연료 혼합물의 완전한 제어를 가능하게 한다. 이러한 상황 하에서, 분할 밸브는 공기 흐름을 처리하도록 설계되기만 하면 되며, 또한 불필요한 연료가 점화되지 않은 버너로 들어가지 못하게 하면서도 어느 정도의 누설은 허용할 수 있다. 실제로는, 분할 밸브의 날개(vane)에 구멍이 구비되어 날개를 지나가는 모든 공기의 흐름에 더하여 추출 유동(bleed flow)을 허용하게 된다. 이는 작동하지 않는 버너가 적당히 통기되고 버너 내부의 어떤 지점에서도 가연성 가스가 축적되는 일이 없도록 보장한다. 게다가, 이 공기 유동은 이 공기 유동이 냉각됨에 따라 버너 표면상에 응축물이 축적되는 것을 방지한다.

본 발명은, 스털링 엔진이 버너를 필요로 하고, 제2 버너가 물 가열기를 가열하여 필요한 열을 발생시킴으로써 일반적인 가정용 열부하를 공급하도록 구성되는 DCHP 시스템에 특히 적용가능하다. 상기 버너들로부터의 출력을 조절함으로써, 모든 범위의 열 요구를 충족시킬 수 있고, 시스템의 유연성이 크게 증대될 수 있다.

분할 밸브는 두 개의 기체 유동을 제어가능하게 분할하기에 적합한 어떤 종류의 밸브도 가능하다. 가장 단순한 형태의 분할 밸브는 플랩(flap) 밸브이다.

이와 달리, 본 발명의 제1 형태는 제1 및 제2 버너로 가는 연료/공기 혼합물을 제어하는 방법으로 정의될 수도 있는데, 상기 방법은 하나의 공급 공기를 제1 버너로 공급되는 제1 흐름과 제2 버너로 공급되는 제2 흐름으로 분할하는 단계, 가연성 연료를 공급하여 공기와 혼합하는 단계, 및 장치에 요구되는 바에 따라 각 버너로 공급되는 혼합된 흐름의 비율을 제어하는 단계를 포함한다.

이러한 제어는 송풍기의 속도와 분할 밸브의 위치를 제어함으로써 수행되는 것이 바람직하다. 이는, 최소한의 구성요소들을 필요로 하는, 흐름을 제어하는 간단한 방법을 나타낸다. 더욱이, 두 버너의 연료 필요량은 독립적으로 충족될 수 있다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일부를 형성하지 않는, 가스 트레인 배치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예를 도시한 개략도이다.

도 3은 도 2와 유사한 개략도로서, 본 발명의 제2 실시예를 도시한 것이다.

도 4는 도 1과 유사한 개략도로서, 도 3의 실시예의 가스 트레인을 도시한 것이다.

도 1에 도시된 장치는 스털링 엔진의 헤드(head)에 열을 공급하는 버너(2)를 포함한다. 버너용 가스는 다기능 제어기(5)(하니웰 1000 시리즈 직접버너점화 제어기)로 가스를 공급하는 가스공급라인(4)으로부터 공급된다. 다기능 가스제어기는 표준 압력 조절기 및 제로 가스 조절기(zero gas governor)를 이용하여 입구 공기흐름(대기)의 압력에 대한 혼합 시스템에 공급되는 가스의 압력을 조절한다. 상기 제어기는 쌍 솔레노이드 안전차단밸브, 수동 흐름제어밸브 및 제어회로를 또한 포함한다. 이 조절된 공급가스는 공기 흐름(7)을 벤츄리(9) 안으로 끌어당기는 가변속도 DC 송풍기(8)로 이루어지는 혼합기에 공급된다. 가스가 공기 흐름 속으로 끌려가는 속도는 벤츄리 안으로 들어가는 가스의 유량에 달려 있다. 밸브로부터의 가스 흐름을 조절함으로써, 정확한 가스:공기 비율을 달성할 수 있다. 그리고 나서 DC 송풍기의 속도를 변화시켜 혼합물의 유량을 증가시킬 수 있다. 가스:공기 비율은 혼합물 유량의 작용범위에 걸쳐 미리 설정된 수준으로 유지됨으로써, 송풍기 속도만을 사용하여 버너의 작동을 조절할 수 있도록 할 것이다. 별도의 버너 제어기가 구비되어 버너의 작동을 제어한다. 이 제어기는 버너의 점화제어를 수행하며, 또한 버너에서 화염의 존재를 탐지함으로써 화염이 꺼진 경우 가스 흐름이 차단될 수 있도록 한다.

연료 및 공기를 보조 버너(12)에 공급하는 것은 스털링 엔진(1)과 관련지어 설명한 것과 동일하다. 이 장치는 버너(2)와 공동사용하는 가스공급라인(4)(명확하게 하기 위해 도 1에 별도로 도시됨), 다기능 제어기(5A), 버너 제어기, 공급 공기(7A), 송풍기(8A), 및 벤츄리(9A)를 포함한다.

사용시에, 스털링 엔진 버너(2) 및 보조 버너(12)로의 가스 및 공기의 공급은 가정의 열 수요에 따라 독립적으로 제어된다. 가정의 필요량이 스털링 엔진 버너(2)에 의해 공급될 수 있는 것보다 더 많은 열을 필요로 한다면, 보조 버너(12)가 작동되어 이러한 추가적인 필요량을 공급한다.

이하 본 발명에 따른 제1 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.

스털링 엔진(1)은 상술한 것과 유사한 방법으로 가열기(14)에 의해 가열된다. 열은 동시계류중인 본 출원인의 출원 제0020012호에 개시된 바와 같이 핀(fin)(3) 방식으로 헤드(head)에 전달된다.

도 2의 구성에는 제2 버너(17)(도 1의 보조 버너(12)와 유사함)에 의해 물의 흐름(16)을 가열하도록 구성된 물 가열기(15)가 있다. 배기가스는 배기관(18)을 통해 배출된다.

공통 가스공급라인(19)이 제1 버너(14) 및 제2 버너(17) 둘 다를 위해 구비된다. 이 가스 흐름은 도 1과 관련하여 언급한 다기능 밸브(5)와 유사한 방식으로 작용하는 하나의 다기능 밸브(20)에 의해 제어된다. 버너의 점화와 화염 감지를 제어하는 버너 제어기는 다기능 제어기에 내장될 수 있다. 다기능 밸브(20)에서 나오는 가스는 벤츄리 다기관(manifold)(21) 형태의 혼합실로 들어가서 송풍기(미도시됨)에 의해 송풍되는 공기 흐름과 혼합된다. 지금까지 설명한 연료 및 공기 공급 구성은 도 1을 참조하여 나타낸 것과 유사하다.

이제 가스와 공기 혼합물은 하나의 입구(24)가 제1 버너 출구(25)와 제2 버너 출구(26)로 통해 있는 분할 밸브(23)에 공급된다. 분할 밸브(23)는 하나의 밸브 요소를 가지며, 밸브 요소의 위치는 두 출구(25,26)에 공급되는 입구(24) 흐름의 비율을 결정한다. 각 출구로의 상대적인 유량은 축(28)을 중심으로 회전가능한 플랩 밸브(27)에 의해 제어된다. 플랩 밸브(27)의 위치는 다기능 제어기에 의해 설정되며, 예를 들어 서보모터에 의해 그 위치까지 움직여진다.

가정용 가열 회로에서 나온 물은 스털링 엔진 냉각기(31)를 통해 흘러 열을 제거함으로써 요구되는 스털링 엔진의 내부 온도차를 유지한다.

스털링 엔진에 공급되는 연료/공기 혼합물은 버너 장치를 둘러싸는 카울링(cowling)(29) 주위를 흐르며, 따라서 버너에서 나오는 뜨거운 가스 흐름에 의해 가열된다. 유입되는 혼합물에 열의 일부를 줘버린 배기가스는 다기관(30)을 통해 카울링에서 나와서 물 가열기(15)로 들어가며 이곳에서, 스털링 엔진 냉각기(31)로부터 이미 약간의 열을 얻은 물의 흐름(16)과 접촉하게 되어 제2 버너(17)의 상류측에서 물의 흐름(16)을 예열한다. 필요한 경우 제2 버너(17)가 점화되어 물의 흐름(16)을 보조적으로 가열한다. 그 다음에 제1 버너(14)로부터의 배기가스는 제2 버너(17)로부터의 배기가스와 혼합되고, 합쳐진 가스는 물 가열기(15) 내의 별도 챔버에 있는 응축 열교환기 배관설비라는 또 다른 단계를 가로질러 흐른다. 그 후에 합쳐진 가스 흐름은 배기관(18)을 통해 물 가열기(15)로부터 나온다. 이는 도 1에서 요구되는 바와 같은 제1 버너용의 별도 배기관에 대한 필요성을 없앤다.

본 발명에 따른 제2 구성이 도 3 및 도 4에 나타나 있다.

이 구성에서는, 대부분의 구성요소들이 도 2에 도시된 것과 동일하며, 동일한 구성요소들은 동일한 도면부호로 지시되었다.

도 2와, 도 3 및 도 4 사이의 주요한 차이점은, 도 3 및 도 4에서는 가변속도 DC 송풍기(22)로부터의 공기 흐름이 가스가 더해지기 전에 공기 흐름 분할 밸브(27)에 의해 분할된다는 점이다. 따라서, 두 개의 가스공급라인(19)이 필요하며, 각 가스공급라인(19)은 전용 조절기/밸브(20)에 의해 제어되는데, 이러한 제어에 의해 각 공급 가스는 벤츄리(21)에서 공기흐름들 중 하나와 혼합된다. 송풍기(22)의 속도, 분할 밸브(27')의 위치 및 조절기/밸브(20')는 다기능 제어기에 의해 제어된다.

Claims (9)

1. 제1 및 제2 버너, 공급 공기, 공급 공기를 제1 버너에 공급하는 흐름과 제2 버너에 공급하는 흐름으로 분할하는 분할 밸브(splitter valve), 가연성 연료를 공급하여 공기와 혼합하는 수단, 및 장치에 요구되는 바에 따라 가연성 연료의 유량과 각 버너에 공급되는 공기의 비율을 제어하는 제어기를 포함하는 난방장치.
2. 제1항에 있어서,

   가연성 연료의 공급수단이 분할 밸브보다 하류측에서 분할된 공기 흐름들에 연료를 공급하도록 위치되는 난방장치.
3. 제1항에 있어서,

   가연성 연료의 공급수단이 분할 밸브보다 상류측에서 공기 흐름에 연료를 공급하도록 위치되는 난방장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   분할 밸브는 플랩(flap) 밸브인 난방장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 난방장치를 포함하고, 제1 버너에 의해 가열되는 스털링 엔진과 제2 버너에 의해 가열되는 물 가열기를 더욱 포함하는 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   버너로 들어가는 가연성 가스 입구와 접촉함으로써, 버너로 들어가고 그 후에 물 가열기 상류측에서 물과 접촉하여 이 물을 예열하는 가연성 가스를 예열하는, 스털링 엔진으로부터 지나온 배기가스 덕트를 더 포함하는 가정용 열 및 동력 겸용 시스템.
7. 제1 및 제2 버너로 가는 연료/공기 혼합물의 제어방법으로서, 하나의 공급 공기를 제1 버너로 공급되는 제1 흐름과 제2 버너로 공급되는 제2 흐름으로 분할하는 단계, 가연성 연료를 공급하여 공기와 혼합하는 단계, 및 버너에 요구되는 바에 따라 각 버너로 공급되는 혼합된 흐름의 비율을 제어하는 단계를 포함하는 연료/공기 혼합물의 제어방법.
8. 제7항에 있어서,

   두 개의 흐름으로 분할되는 곳보다 하류측에서 가연성 연료가 제1 및 제2 공기 흐름들에 공급되는 연료/공기 혼합물의 제어방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,

   공급 공기는 송풍기에 의해 송풍되고, 분할 밸브에 의해 분할되며,

   송풍기의 속도와, 각 버너로 공급되는 혼합된 흐름의 비율을 제어하기 위한 분할 밸브 위치를 제어하는 단계를 포함하는 연료/공기 혼합물의 제어방법.