온수 보일러의 연소실과 연료, 연료의 예열, 전열면적

온수 보일러 계통도 출처 배관공학

연소실과 연료

연료는 형태로 기체, 액체, 고체 연료로 구분하며, 단위 무게 또는 단위 체적당 발열량을 표시하고 있다.

연료를 연소시키는 방법은 연소장치, 연료의 종류, 통풍 등의 조건을 참작하여 이론과 실험을 통하여 결정하게 되며, 연료를 정말 연소시키는데 필요한 조건은 연소실 내를 될수록 높은 온도로 유지시키고 연소실 내에서의 연료온도를 인화점 이상으로 유지 시키며 적당량의 공기를 공급하여 공기와 연료와의 혼합을 잘 시킨다. 또 연소실을 넓게하여 연소실안의 흐르는 가스가 연소실 안에서 연소를 끝마치는데 충분한 시간을 줄 수 있어야 한다. 연료를 연소시키는 데에는 신선한 적당량의 공기를 연속적으로 공급하여야 한다. 공기의 과잉비란 이론적으로 계산된 이론 공기량이 있으나 실제 필요한 양은 그보다 많은 것이며 그 비율을 이야기한다. 연료의 종류와 연소장치에 따라서는 연소에 필요한 공기를 공급하는 데 있어서 1,2차로 공기를 보내는데 1차로는 연소에 필요한 양을 보내고, 2차로는 연소실 안에 신선한 공기를 추가로 보내어 완전연소를 시키는 경우도 있다. 연소실 크기의 비율은 연소실의 단위 용적당 보일러의 열의 발생률로 결정한다. 기름용 보일러는 700,000㎉/㎥. hr 이하로 하여야 하는데 보통 경유용 보일러는 270,000~34,000㎉/㎥. hr, 중유용 보일러는 210,000~300,000㎉/㎥. hr 정도의 비율로 연소실 크기가 결정된다. 이상은 연소실내의 온도가 1,000~1,600도 일 때의 허용 발생률이며, 연소실내의 온도가 300~1,000도에서는 90,000~200,000㎉/㎥. hr로 저하하는 점으로 보아 연소실내의 온도는 될수록 높이 유지 되어야 하는 점을 유의하여야 한다. 연소실이 작으면 연소 진행 도중 화염이 보일러의 전열면을 그대로 통과하게 되므로 연소실 자체의 이상적인 고온유지가 어렵게 되기 때문에 불완전 연소로 인한 그을음 등이 쉽게 끼고 그로인해 통풍이 불량하게 되므로 보일러의 효율이 더욱 저하되는 것이다.

연료의 예열

경유는 예열 없이 연소가 가능하나 벙커-C유나 중유는 예열이 필요하다. 연료를 서비스 탱크 1~3시간 분량에 넣어 온수 또는 증기로 예열한 다음 다시 전기 자동 예열기로 최종 예열을 한다. 이때 연료의 인화점 보다 5도 정도 낫게 예열하여야 연소가 순조로워진다. 전기 자동 예열기를 사용하지 않으면 착화가 어렵고 화염이 고르지 못하여 연소 상태가 불안정 해진다. 서비스 탱크의 온도가 낫으면 연료의 점도가 커져서 연료 파이프 내의 흐름이 곤란을 받아 안정된 연소를 기대할 수 업게 된다. 서비스 탱크의 온도는 적당한 온도로 유지시켜야 하고 도중에 오랫동안 보일러를 가동하지 않을 때에도 서비스 탱크에 연료를 충분히 채우고 가열한 후 버너를 정지시키는 것이 최선책이다. 이렇게 하면 재가동시에 경유 등을 연소시키면서 보일러를 가열할 필요 없이 착화와 연소가 정상적으로 진행된다.

전열면적

연료의 연소로부터 얻은 열량을 보일러에 흡수시키는 데에는 복사와 대류 작용으로 보일러의 전열 면적에 열이 전달된다. 복사란 물체를 통해서 열이 전달하는 것이 아니라 열선에 의하여 열이 이동하는 것을 말한다. 태양열이 우주 공간을 통해서 지구에 열을 보내는 것은 복사 현상이다. 대류란 액체 기체의 이동과 동시에 열이 이동되는 것으로 보일러에서는 연소된 열 가스로 열이 이동되어 보일러의 전열면에 열이 전달되는 현상과 같은 것이다. 보일러에 있어서 효과적인 전열은 연소실에서 고온으로 정말 연소시키면서 그 화염의복사로서 복사 전열효과를 적절히 높이고 연소가스의 열량을 2차로 흡수하는 것이다. 보일러 설계상 단위 전열면적당의 전열 열량을 높이는 일은 중요한 과제이다. 일반적으로 보일러의 전열 면적은 단위 면적당 11,000~16,000㎉/㎥. hr의 비율로 정하게 되며 통풍회로의 증가나 연소가스 유통속도를 높이는 강제 통풍 방법일 때에는 35,000㎉/㎥. hr까지 향상할 수 있다. 

 같은 크기의 전열면적이라도  그 조건과 형상에 따라서 전열량이 크게 달라진다. 즉, 전열면이 수직일 때보다 수평일 때, 가스 유통속도가 빠를수록, 보일러 내부의 물 순환이 빠를수록, 그을음 녹 먼지나 스케일이 없을수록 보일러의 전열효율이 향상된다. 전열면을 이루는 금속은 철 보다 열전도율이 빠른 동을 사용하여도 효율은 별 향상이 없고 보일러에 사용하는 일반 철판의 두께 차이로도 전열에 미치는 영향은 거의 전무하므로 보일러 설계에서 이 요 소은 생략되고 있다. 스케일이 끼지 않았을 때의 보일러 전열면 철판과 물의 온도 차이는 0.5~2도 정도밖에 되지 않는 것이다. 보일러의 운전조건은 항시 일정한 것이 아니므로 보일러 자체온도, 통풍조절, 외기온도, 버너의 성능 등이 끊임없이 변하므로 이상적 전열면적을 형성하고 있더라도 계속 사용하면 연소가스 통로에는 철매가 누적된다. 따라서 당초의 전열효율은 크게 되고 보일러의 효율도 저하된다. 온수 보일러에서는 급수를 계속하지 않는 한 스케일은 거의 문제 되지 않으며 단지 철매가 전열효율을 크게 감소시키는 점을 중요시하게 된다. 따라서 보일러 구조는 그 전열면을 간편하게 청소할 수 있어야 하고 그 상태를 육안으로 점검할 수 있어야 한다.