This study was carried out to optimize burner of the condensing gas boiler which can save energy by utilizing the latent heat of combustion gas and reduce pollutants emission. Three reasonable distances between burner and heat exchanger were decided through the experiments of model flat burner. The optimum burner geometry was determined from flame stability, pollutant emission characteristics and applicability to practical boiler system. The boiler designed by this research reaches turn-down ratio 5:1 in the domain of equivalence ratio 0.68∼0.85 and thermal efficiency of 98%. Emission of NOx and CO concentration was under 35ppm and 104ppm.
현재 가정용 콘덴싱 가스보일러의 사용을 의무화 하고 있는 추세이며, CO나 NOx와 같은 오염 물질의 배출이 적은 친환경 보일러 사용을 적극 추천하고 있다. 따라서 본 논문에서는 효율을 증가시키기 위하여 가정용 콘덴싱 가스보일러에 사용되는 2차열교환기인 잠열교환기의 튜브(관) 내부에 이너 그루브 형상을 추가 하여 열유동에 대한 해석을 실시하였다. 이너 그루브 형상이 추가됨에 따라서 전열면적은 약 20% 증가하였으며, 이에 따라 열전달량이 증가하는 것을 알 수 있었고, 이를 3차원 수치해석을 이용하여 확인하였다. 또한 이너 그루브 형상을 추가했을 경우 이너 그루브 형상이 없는 잠열교환기 보다 출구 온도가 약 $1^{\circ}C$ 증가하였고, 이는 가정용 콘덴싱 가스보일러의 효율증가에 상당한 도움이 될 것으로 판단된다.
In order to improve the overall efficiency and meet the emission regulations of boiler systems, the heat exchanging methods between inlet air and exhaust gas have been used in boiler systems, named as the waste-heat-recovery condensing boiler. Recently, to further improve the overall efficiency and to reduce the NOx emission simultaneously, the concept of the water injection into the inlet air is introduced. This study suggests the models for the optimized design parameters of water injection for waste-heat-recovery condensing boilers and performs the analysis regarding the water injection amount and droplet sizes for the optimized water injection. At first, the required amount of the water injection was estimated based on the 1st law of thermodynamics under the assumption of complete evaporation of the injected water. The result showed that the higher the inlet air and exhaust gas temperature into the heat exchanger, the larger the amount of injected water is needed. Then two droplet evaporation models were proposed to analyze the required droplet size of water injection for full evaporation of injected water: one is the evaporation model of droplet in the inlet air and the other is that on the wall of heat exchanger. Based on the results of two models, the maximum allowable droplet sizes of water injection were estimated in various boiler operating conditions with respect to the residence time of the inlet air in the heat exchanger.
표시가스 소비량이 70 kW 이하인 가정용 가스보일러에 대하여 여러 가지 운전조건하의 에너지 소비효율 측정에 대해 고찰하였다. 실제 운전상태와 유사한 실험조건에서 행한 에너지 효율실험 결과를 국내의 효율등급표시 실험방법 결과와 비교 분석하였다. 실험에 사용된 가정용가스보일러는 일반보일러와 콘덴싱 보일러 각 1개씩이며, 각각의 보일러에 대하여 네 가지 조건으로 실험하였다. 실험종류를 구분하면 실험실 모드와 실제 가동모드로 나누고, 각각의 모드별로 최대가스소비량 상태와 소비자판매 상태로 나누어 적용하였다. 효율실험을 위해 사용하는 장비는 KS 표준과 유럽의 EN 규격 등 가스보일러 관련 규격에서 제시하는 실험장치의 기능을 다하면서, 여러 가지 측정 인자를 지속적으로 축적, 기록 및 저장할 수 있는 장치로 하였다. 측정 대상 인자들은 유량(가스, 물), 온도(실험실, 난방공급수, 난방환수, 배기가스), 압력(가스미터 내부, 가스보일러 입구, 대기압) 등이다. 위 네 가지 모드의 실험결과 에너지소비효율은 실험실 상태(보일러의 안정화 상태로 실험 시작)로 실험할 때가 실제 소비자가 사용하는 패턴으로 실험할 때 보다 일반보일러의 경우 약 10 %, 콘덴싱 보일러의 경우 약 20% 높은 소비효율로 측정되었다. 에너지소비효율등급을 부여하는 정부 고시의 효율실험방법도 본 연구에서 실시한 것과 같이 실제상황을 가정한 효율실험방법을 도입 운영할 필요가 있다.
촉매연소는 근래 들어 산업용 및 가정용의 다양한 분야에 적용되고 있는 환경친화적인 기술로서 본 연구는 고온용 촉매제조기술과 촉매연소기 개발을 중점적으로 수행하여 이를 상용화된 콘덴싱 보일러에 적용하는 데 그 목표를 두었다. 고온용 촉매로는 귀금속 팔라듐(Pd)을 사용하여 담체인 알루미나$(Al_{2}O_{3})$와 지르코니아$(ZTO_{2})$에 일정 중량비로 담지하였고, 천연가스 연소시 촉매의 활성을 비긴 분석하였다. 그 결과 $Pd/Al_{2}O_{3}\;=\;4$가 활성이나 내구성에서 우수한 것으로 나타났다. 그리고 기존의 콘덴싱 보일러에 적용되고 있는 판형 연소기(Plate-type combustor)를 시험모델로 촉매성능 및 연소성능을 파악하였고, 이를 토대로 연소면적을 증가시킨 원통형 촉매연소기(Cylindrical-type catalyst combustor)를 개발하였다. 또한, 원통형 촉매연소기를 적용한 콘덴싱 보일러의 촉매연소 성능실험을 통하여 결정한 노즐 5.95mm와 오리피스 21mm로 최적의 연소상태를 갖는 25,000 kcal/hr 촉매연소식 콘덴싱 보일러를 개발하였다.
It was numerically studied that characteristics of fluid flow and heat transfer in a tube with disk and annular baffle for heat exchanger of condensing boiler. Using a finite volume technique and CFD code, STAR-CD, the governing equations were solved and the temperature and flow fields were investigated. The interval between tube and annular baffle, height and diameter of baffle were selected as important design parameters, and the effects of these parameters on heat transfer and fluid flow were studied. As a result, in the case of with interval, the pressure was decreased but heat transfer was increased. Also heat transfer was slowly increased as the size of disk and annular baffle were increased and the distance between baffles were decreased.
This paper describes a design study of the cylindrical multi-hole premixed burner to be used for condensing gas boiler which can raise performance and reduce NOx emission. In this study, specifications of the multi-hole burner (hole diameters and arrangement) are investigated using model flat burners in terms of flame stability, and combustion characteristics for stability and NOx emission are examined for cylindrical multi-hole burner. As a result, the equivalence ratio for optimum operation condition of the cylindrical burner is around 0.72(0.7∼0.75). In this condition, turn-down ratio becomes 3 : 1 at least which is suitable for proportional control. The NOx and CO emission is less than 40ppm and 25ppm(0$_2$0% basis), respectively. This burner can be applied LPG as well as NG because there is no difference for stable combustion region.
Residential buildings account for a significant portion of the total building-energy usage in Korea, and a variety of research studies on the domestic boiler have therefore been carried out; however, most of these studies examined the boiler itself, whereby the part-load ratio characteristics and the corresponding gas-energy consumption patterns were not analyzed. In this study, the part-load ratio and operating characteristics of a domestic gas boiler were analyzed within a residential building equipped with a radiant floor-heating system; in addition, the energy consumption between condensing and conventional boilers was comparatively analyzed. Our results show that significant portions of the total operating hours, heating load, and energy consumption are in the part-load ratio range of 0 through 40%, whereby the energy consumption was significantly affected by the boiler efficiency under low part-load conditions. These results indicate that the part-load operation of a boiler is an important factor in residential buildings; furthermore, replacing a conventional boiler with a condensing boiler can reduce annual gas-energy usage by more than 20%.
본 연구에서는 연소가스의 잠열을 활용함으로서 에너지를 절약하고 배기가스 속의 오염 물질을 저감할 수 있는 콘덴싱 가스보일러의 예혼합버너와 열교환기를 최적화하기 위한 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 가스보일러의 열교환기는 상부, 하부 및 코일 열교환기 3개부분으로 구성되어 있다. 상부 열교환기는 예혼합버너를 둘러싸고 있으며 하부 열교환기는 상부열교환기 하단에 설치되어 있다. 그리고, 코일형 열교환기는 상부와 하부열교환기의 바깥 표면을 감싸고 있는 구조로 되어 있다. 본 연구를 통하여 설계된 보일러의 TDR은 당량비 0.75${\~}$0.80 부근에서 약 4:1이며 열효율이 $97\%$로 나타났다. 또한, NOx 및 CO 배출농도는 당량비 0.8 부근에서 각각 20ppm과 140ppm의 낮은 수치를 보였으며 버너의 직경을 기존의 60mm에서 50mm로 변경한 결과, CO의 배출농도가 50ppm까지 현저히 낮아짐을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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