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보일러
보일러(Boiler)는 연료를 연소시켜 그 연소열을 물에 전하여 증기를 발생시키는 장치이다.
목차
개요
보일러는 화기, 연소가스, 기타 고온가스 또는 전기에 의해 물 또는 열매(熱媒)를 가열해서 대기압을 넘는 증기(steam) 또는 온수를 발생시키고, 이것을 다른 데로 공급하는 장치이다. 보일러 본체 외에 연소장치, 연소실, 과열기, 절탄기, 공기 예열기, 통풍장치, 급소장치, 자동제어장치, 기타 안전밸브 등의 부속장치들로 구성되어 있다. 보일러는 증기를 발생시키는 증기보일러와 온수를 만드는 온수보일러의 2가지로 나누어진다. 또, 일반 증기보일러는 증기 부위와 물 부위를 보유하고 있지만, 이중에서 거의 물 부위를 보유하지 않는 관류보일러가 있다. 증기보일러, 온수보일러 및 관류보일러는 그 내부에 보유하는 축열 에너지가 다르다는 등에 의해 각각 산업안전보건법의 적용에서 다른 취급을 받고 있다. 더욱이 보일러의 크기(최고사용압력, 전열면적 등)에 의해서 보일러, 소형보일러 및 간이보일러로 구분되어 있다. 또, 보일러에는 원통보일러, 노톤연관보일러, 수관보일러, 주철제조합보일러 등 여러 가지 종류가 있다.[1]
역사
- 연탄보일러에서 전기보일러
대한민국에 선보인 최초의 보일러는 석탄을 연료로 화격자에 불을 붙인 다음 노통 속의 물을 데워 난방으로 사용하는 것이었으나 형태가 갖추어진 것은 아니었다. 그 뒤 석탄 대신 일반적으로 조개탄으로 불려진 갈탄을 사용하는 갈탄용난로가 널리 쓰이게 되었으며, 이는 다시 연탄으로 이어진다. 최초의 연탄용 보일러는 파이프 코일을 감은 화구형태를 만들어 아궁이에 넣고 연탄의 화력으로 파이프코일 속의 물을 데운 다음 데워진 물이 자연순환적으로 방바닥에 설치해 놓은 파이프를 따라 순환하도록 한 방식을 이용한 것이다. 이때 연탄화구 윗부분에 뚜껑을 만들어 그 안으로 물이 들어가 데워진 후 다시 데워진 물을 옆에 달린 큰 고무통에 담아 온수로 사용하도록 한 이른바 새마을보일러가 당시 주부들에게 큰 인기를 끌었다. 새마을보일러는 1960년대 후반부터 보급이 큰 폭으로 늘어났으나 이는 연탄가스 중독 사고를 완전 차단할 수는 없었다. 따라서 보일러실을 따로 두어 보일러로 하여금 파이프 통로를 통해 온수를 각방으로 공급하는 방법이 모색됐는데, 주택 개량사업 및 다가구주택, 아파트 등이 보급되기 시작한 1970년대 이후부터 중앙식 연탄보일러를 본격적으로 도입하게 되었다. 이 중앙식 연탄보일러는 각방마다 파이프를 통해 난방 물이 전달될 수 있도록 분배기와 순환펌프를 사용하는 강제적 순환 방식을 채택한 최초의 보일러이다. 물의 온도가 센서에 의해 감지돼 순환펌프가 회전하게 되고, 그러면 다시 온도가 기준 온도로 떨어지는 ON/OFF식 방식이 채택되었다. 또 온수 사용이 가능하도록 제작된 최초의 온수용 보일러이기도 하다. 그후 1975년 이후부터는 기름보일러가 급신장하기 시작하여 1980년대에는 거의 주종을 이루게 되었다. 초기의 기름보일러는 중앙식 연탄보일러와 별다른 차이가 없었다. 그러나 이때부터 보일러 역사상 처음으로 점화시스템을 부착해 방안에서도 보일러를 편리하게 컨트롤할 수 있게 되었다. 기름보일러는 1970년대 중반까지는 아파트의 약 19% 점유율을 보였으나 1978년으로 접어들면서 전체 아파트의 약 45%를 차지할 정도로 대중화에 성공하게 되었고 1980년대에는 주종을 이루면서 각 지방으로 확산, 보일러 시장을 주도하게 된다. 그러나 기름보일러는 주로 철을 사용한 열교환기가 쉽게 부식돼 누설이 되고 그 녹성분에 의해 자주 배관이 막히는 단점이 있다. 또 녹이 배관에 달라붙어 열효율을 저하시키는 문제점을 내포하고 있었다. 따라서 이른 문제점들을 해결하기 위해 스테인레스보일러와 동보일러가 선보이게 되었으며, 저가격 위주로 한 시장 공략에서 벗어나 소비자 보호 차원으로 전환되기 시작했다. 그 후 1997년 중반에는 사용자가 기다릴 필요 없이 순간적으로 온수를 쓸 수 있는 순간식 기름보일러가 등장했다. 이는 국내뿐 아니라 세계 최초로 개발된 순간 열교환방식으로 기름보일러의 수준을 한단계 끌어올리는 계기가 되었다. 그러나 1996년 하반기로 접어들면서 정부의 강력한 에너지 합리화 정책, 무공해 청정에너지의 대체 수요 확대, LNG 장기보급확대 등 가스보일러 시장이 활성화될 수 있는 환경이 마련되면서 점차 가정용 보일러는 가스보일러 쪽으로 시장 흐름을 옮겨가게 된다.
- 가스보일러
국내에서 최초로 가스보일러가 사용된 것은 1982년 수입자율화가 시작되면서 ㈜공영토건이 프랑스 샤포트에모리사의 셀틱을 수입하면서부터이다. 초기 가스보일러는 셀틱과 듀발 두 개 기종만 보급됐으나 1983년에서 1985년 사이 해를 넘기면서 30여 기종으로 증가했다. 그 뒤 1986년으로 접어들면서 과잉 수입과 과잉 경쟁으로 10개 미만의 업체만 살아남고 1992년 이후부터는 가정용 가스보일러의 수입은 거의 사라지고 5만 Kcal/h 이상의 대용량급만 소량씩 수입되고 있다. 이러한 유럽산 가스보일러는 완제품으로 수입되어 국내에 보급되었으며, 또한 일본으로부터 수입된 가스순간온수기가 난방으로 변칙 사용되기도 하였으나 1983년 서울 한남동 가스폭발사고를 계기로 순간온수기의 난방사용이 법적으로 금지되기도 했다. 이후 ㈜롯데기공의 가스보일러가 1984년 10월 한국가스안전공사의 정밀검사에 합격함으로써 국내에서도 처음으로 생산되기 시작했다. 도입 단계의 가스보일러는 그 선택권이 소비자보다는 대부분 건축업자와 시공자에게 있어 제품의 안전성과 내구성 등 기술적인 면보다는 마진이 높은 제품을 선호하는 경우가 많았다. 따라서 가격이 비싸 소비자들의 호응을 얻지 못하면서 수입, 판매사들이 줄어들어 부품과 기술 인력의 미확보 등으로 소비자들은 A/S면에서 어려움을 겪어야만 했다. 국내 가스 성분에 맞는 공기 조절, 거버너의 유량 조절 등 연소 부문 기술적인 조정과 개발이 이루어지지 않았으며, LNG가 공급되면서는 열량 변경 작업을 하는 데에 많은 시일과 경비가 소요됐다. 또한 급배기 및 설치에 필요한 부속자재가 공급되지 않아 국내에서 손쉽게 구입할 수 있는 PVC통, 알루미늄 주름연통 등을 배기통으로 사용해 심각한 안전사고의 문제점이 대두되기도 했다.
국내 가스보일러가 본격적으로 성장하기 시작한 시기는 1987년 ㈜롯데기공이 최초로 KS 표기 허가를 획득해 성능, 구조 및 시험 방법, 재료 등의 표준화가 이루어지면서부터 대성셀틱은 프랑스의 샤포도에모리사와 기술 도입 계약을 체결하고 1986년도부터 본격적으로 가스보일러의 생산에 들어갔다. 린나이도 1986년부터, 대우, 삼성, 코오롱은 1988년도부터 생산 채비를 갖추었다. 이렇듯 기름보일러 전문업체가 다수 가스보일러 생산에 참여하게 된 1980년대 후반부터 안전성과 편리성을 추구하는 기술혁신이 가속화되기 시작했다. 가스보일러 시장은 1990년도 중반에 접어들어 그 수요가 1994년 59만 대, 1995년 61만 대, 1997년 84만 대, 1998년 87만 5천 대, 그리고 1999년에는 90만 대 가까이 수요를 얻었으며 완전 성숙기로 들어서게 되었다.[2]
작동 원리
연료는 버너(burner) 등에 의해 노(연소실)에서 연소되고, 그 연소가스가 보일러 본체 내를 통과하는 사이에 물 등을 가열하고 배기가스가 되어 연통을 통해 배출된다. 열 효율을 양호하게 하려면 본체 내에서 되도록 많은 열을 흡수해서 배출되는 가스의 온도를 낮출 필요가 있으며, 그렇게 하기 위해 연소가스와 물 등과의 접촉면을 크게 하도록 여러 가지 연구가 되어 있다. 이 접촉면을 전열면이라 하며, 그 중 연소실에 직면하고 있는 것은 화염으로부터 강한 방사열을 받기 때문에 방사 전열면이라 하며, 연소실을 나온 연소가스 통로가 되는 전열 면은 접촉전열 면 또는 대류 전열 면이라 한다. 보일러의 크기를 나타내는 기준으로서 전열면적(㎡) 외에 일반적으로 쓰이는 것이 단위 시간당의 발열량[㎏/hr 또는 tan/hr]이다. 다만, 발열량은 증기의 압력, 온도 및 급수 온도에 따라 다르기 때문에, 환산증발량에 의해서 나타내는 것이 보통이다. 보일러는 물을 가열해서 증기를 얻는 장치이지만, 예를 들면 급수 부족에 의해 열 균형이 무너지면 온도와 증기압력은 급상승한다. 이때 자동적 또는 인위적으로 필요한 수단을 강구하지 못할 때는 증기 압력이 상승하여 압력이 보일러 본체의 강도를 상회하거나 또는 약화되어 파열 사고를 일으킨다. 보일러의 재해를 방지하기 위해 보일러 및 압력용기 안전 규칙이 있으며, 구조에 대해서는 증기 보일러, 온수 보일러 및 소형보일러의 구조면이 규제되고 있다. 압력계통의 압력이 설정한 압력 이상의 고압이 되거나 또는 외기압 이상의 이상 압력에 되었을 때 설비의 파열이나 파괴를 방지하고 작업자의 안전을 도모하기 위해 다음과 같은 안전장치가 사용되고 있다.[1]
구성 요소
- 굴뚝(chimney) : 연소 가스가 빠져나가는 관이다.
- 압력 완화 밸브(pressure relief valve) : 넘치는 온수나 증기를 내보냄으로써 탱크 안의 압력을 완화하는 기구이다.
- 박스(box) : 보일러를 싸고 있는 단단한 금속 상자이다.
- 단열재(insulation) : 열 손실을 줄이기 위해 보일러의 옆면을 덮고 있는 재료이다.
- 자동수온조절장치(Aquastat) : 물의 온도를 조절하는 장치이다.
- 발열체(heating element) : 물이 가열되는 도관이다.
- 열교환기(heat exchanger) : 연소에 의해 발생된 열을 물로 전달하는 일련의 관들이다.
- 통풍구(draft hole) : 화로의 내부를 들여다볼 수 있는 검사창이다.
- 화로(fire pot) : 공기와 난방유가 버너를 통과하고 난 후 연소가 일어나는 보일러의 일부이다.
- 버너(burner) : 가연성 물질을 공기와 혼합하여, 보일러의 화로 안에서 이 혼합물을 송풍 및 점화시키는 장치이다.
- 공기관(air tube) : 노즐과 점화전극을 덮고 있는 원통 부분이다. 버너와 화로를 연결한다.[3]
종류
구조
수관보일러
수관보일러(water tube boiler)는 보일러의 증발전열면을 다수의 작은 지름(30~100mm)으로 된 수관으로 형성하고, 관 속의 물을 관 밖에서 가열하는 방식의 보일러이다. 기수(steam) 드럼과 물 드럼을 상하로 배치하고, 그 사이를 다수의 수관에 의해서 연결되어 있다. 원통보일러와 같이 큰 지름의 동체를 필요로 하지 않기 때문에 고압에 견디고, 수관을 증가시키는데 따라 대용량으로 할 수 있다. 주로 생산 공장에서 사용되고 있지만, 대형 빌딩의 증가와 함께 빌딩의 난방, 급탕(給湯)용으로 해서 10tan/hr 정도의 증발량의 것이 설치되어 있다. 일반적으로 원통보일러보다 용량이 크고 압력이 높은 데 많이 쓰인다. 물의 순환 방식에 따라서 자연순환보일러와 강제순환보일러가 있고, 수관의 설치 방식에 따라 수평식수관보일러와 직립식수관보일러가 있으며, 또 직립식수관보일러는 직관식수관보일러와 곡관식수관보일러로 나뉜다. 관류보일러는 일반적으로 수관보일러에 포함시키지 않는 것이 통례이다.[4][5]
관류보일러
관류보일러(once-through boiler)는 특수 수관 보일러의 일종이다. 긴 수관의 한쪽 끝에서 물을 흘려보내고 이것을 가열하여 다른 쪽 끝에서 증기가 나오게 만든 보일러이다. 긴 수관의 한쪽 끝에서 급수하고, 이것을 가열하면 다른 쪽 끝에서 증기가 나오게 되어 있다. 관 시스템만으로 구성되어 급수 펌프에 의해 관 시스템의 일단에서 압입된 물이 예열부(절탄기), 증발부, 과열부(과열기)를 차례로 관류하여 타단으로 소요의 증기를 인출하도록 된 강성 유동 수관 보일러로서, 드럼을 전혀 가지지 않으며 보일러수의 순환이 없는 것이 큰 특징이다. 관류 보일러는 소위 가정용의 가스 순간 온수기와 같은 원리로서 다음과 같은 특징이 있다. 첫째, 관 시스템만으로 구성되기 때문에 고압 보일러에 적합하다. 둘째, 관을 자유롭게 배치할 수 있기 때문에 전체를 빽빽한 구조로 할 수 있다. 셋째, 단위 전열 면적당의 보유 수량이 매우 적어 기동 시간이 빠르다. 넷째, 부하 변동에 따라 압력 변동이 생기기 쉽기 때문에 응답이 빠른 급수량 및 연소량의 자동 제어 장치를 필요로 한다. 다섯째, 가느다란 관 속에서 물이 증발하기 때문에 처리한 물을 충분히 급수해야만 한다. 또한 관류 보일러는 강관을 하나로 길게 연결하고 이것을 코일형으로 감거나, 혹은 적당히 구부려 노 내에 배치하는 단관식과 다수의 강관과 헤더로 구성되는 다관식으로 나누어진다. 1960년 이후에 널리 보급되었다. 대표적으로 독일에서 개발한 벤슨보일러가 있다. 또 단관(單管) 보일러라고 하여 널리 사용되고 있는 소형 관류보일러는 1개의 수관으로 되어 있는데 공장용으로 사용되며, 열차 난방용으로 이미 오래 전부터 채용되고 있다.[6][7]
열매
온수보일러
온수보일러(hot water boiler)는 온수를 만드는 연료로 가스 및 기름을 사용하는 보일러의 총칭이다. 연소 방식에 따라 증발식, 회전무화식, 압력분무식이 있으며, 회로 수에 따라 1회식과 2회로식으로 나눌 수 있다. 결국 출력 20000~30000kcal/h로 비교적 구조가 간단한 것이 많다. 온수보일러는 증기부가 전혀없고 보일러 속은 물론 관련 배관도 물로 충만되며, 급탕용이나 온수난방용으로 주로 사용된다. 용도상 100℃ 미만의 온수(탕)만 필요로 하는 경우가 많기 때문에 주철 보일러가 주로 온수보일러로 사용된다. 장치 내부는 전부 물로 충만되며, 복귀관의 보일러 부근에 순환펌프를 설치하여 온수를 전체 장치 내의 밀폐 회로에서 강제 순화시켜 보일러에는 급수를 필요로 하지 않는 것이 원칙이며, 수두압이 소정값 이상을 넘지 않도록 하는 안전 장치로서 워터 릴리스 장치가 설치된다.[8][9]
증기보일러
증기보일러(steam boiler)는 화기, 연소가스, 기타 고온가스 또는 전기에 의해 물 또는 열매를 가열해서 대기압을 초과하는 증기를 발생시켜서 사용처에 공급하는 장치 및 부속 설비를 말한다. 증기보일러는 일반적으로 밀폐된 용기 안에 물을 용적의 2/3~4/5 정도 넣고 이를 가열해서 대기압을 초과하는 압력의 증기를 발생시키는 것이다. 증기보일러는 보일러 본체 외에 연소장치, 연소실, 과열기, 절탄기, 공기 예열기, 통풍장치, 급수장치, 자동제어장치, 기타 부속장치들로 구성되어 있다. 종류는 대별해서 원동, 수관보일러, 주철보일러 등이 있다. 증기보일러가 어떤 원인에 의해 파열되었을 경우에는 자기 증발에 의한 체적팽창에 의한 물 또는 열매가 보유하고 있는 축열에너지에 의해 중대재해가 된다. [10]
열원
기름보일러
기름보일러는 기름(보일러용 등유)을 연료로 난방 및 온수 사용을 할 수 있게 하는 보일러이다. 연료를 구하기 쉬우며, A/S 체계가 잘 잡혀 있으나 유가가 높을 경우 유지 비용이 부담될 수 있다. 1980년대 연탄보일러를 빠르게 대체하며 보일러 시장을 이끌었으나, 도시가스가 공급되면서 점차 뒤로 밀려난 상태이다. 그러나 아직도 도시가스가 공급되지 않은 지역에서는 등유를 연료로 하는 기름보일러가 많이 사용되고 있다. 단점으로는 소음과 냄새가 나고, 연료 잔량 체크와 보충이 필요하며 겨울철 동파에도 주의해야 한다.[11][12]
가스보일러
가스 보일러(gas boiler)는 가스 버너를 이용해 가스 연료를 연소시키는 보일러로 자동 제어가 쉽다. 완전 연소하므로 배출 가스에 의한 대기 오염의 염려는 없지만, 새면 위험하므로 주의해서 취급해야 한다.[13]
콘덴싱보일러
콘덴싱보일러(Condensing boiler)는 고온의 배기가스를 다시 이용하는 보일러를 말한다. 콘덴싱은 물리학적으로 기체가 액체로 응축되는 과정을 의미하는데, 배기가스의 뜨거운 기체가 차가운 물을 데운 뒤 액체로 응축되기 때문에 콘덴싱보일러라는 명칭이 붙었다. 즉, 콘덴싱보일러는 일반 보일러의 열 교환기에, 배기가스가 가진 열(잠열)을 다시 사용할 수 있도록 해주는 열 교환기(잠열 교환기)를 하나 더 장착하고 있는 보일러이다. 고온의 배기가스를 재활용하기 때문에 에너지 효율이 97%나 되며, 이는 일반 보일러의 열효율(82~85%)보다 높다. 따라서 콘덴싱보일러의 배기가스의 온도는 50도~60도 밖에 되지 않는다. 콘덴싱보일러는 첨단 안전제어 기술인 공기비례제어기술(Air Porportional Control Unit)을 채택하여, 과대 풍압 및 외부 악조건 등으로 연소가 어려운 경우가 발생해도 보일러에 최적화된, 안정적인 연소 상태를 만들어 유해가스 배출을 줄이고 안전성도 높일 수 있다. 일반 보일러는 연료비례제어 기술을 도입하고 있는데, 공기의 양과는 상관없이 온도에 따라 배출되는 연료의 양을 조절하기 때문에 연소 효율이 낮고 유해가스가 많이 나온다는 단점이 있다. 즉, 고효율과 친환경적인 측면이 바로 콘덴싱보일러의 두 가지 강점이다. 이 때문에 선진국에서는 콘덴싱보일러의 인기가 매우 높고, 정부차원에서도 적극 권장하고 있다. 일본과 독일 등에서는 콘덴싱보일러를 설치할 때 정부에서 보조금을 지급하고 있고, 네덜란드와 영국에서는 새로 설치하는 보일러는 콘덴싱보일러로 해야 한다는 법을 제정, 시행하고 있다.
콘덴싱보일러에 대한 관심을 가져야 하는 또 하나의 이유는 콘덴싱보일러의 주요 수출국으로 대한민국이 부상하고 있다는 점 때문이다. 콘덴싱보일러는 네덜란드에서 먼저 개발되었는데, 세월이 흘러 원천 기술을 도입한 대한민국이 이제는 네덜란드에 역수출을 하게 되었을 만큼 기술적으로 인정받고 있는 것이다. 콘덴싱보일러와 함께 거꾸로 타는 보일러도 기본 원리는 콘덴싱보일러와 유사하다. 대부분의 보일러에서 버너는 보일러 하단에 달려 있는데, 이 보일러는 말 그대로 버너가 상단에 위치해, 처음 가열된 공기는 위쪽에서 아래쪽으로 잠시 내려오다가 자연적인 대류현상에 따라 다시 위쪽으로 올라가는 움직임을 보인다. 즉, 내부에 흐르는 물을 위에서 아래로 데워진 공기가 내려올 때 한 번, 다시 자연 대류현상에 의해 올라갈 때 또 한 번, 총 두 번 데우는 방식이 거꾸로 타는 보일러의 원리다.[14]
각주
- ↑ 1.0 1.1 〈보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈연탄보일러에서 전기보일러까지 50년〉, 《알토엔대우》, 2015-07-20
- ↑ 〈보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈수관 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈수관보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈관류보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈관류 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈온수 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈온수 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈증기보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈기름 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈보일러 종류와 장소별 추천 설비〉, 《숙박매거진》, 2021-12-01
- ↑ 〈가스 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈아버님댁에 놓아드리고 싶은 콘덴싱 보일러〉, 《KISTI의 과학향기》, 2006-01-06
참고자료
- 〈보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈온수 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈온수 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈온수 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈관류보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈관류 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈수관보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈수관 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈기름 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈기름 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈가스 보일러〉, 《네이버 지식백과》
- 〈보일러 종류와 장소별 추천 설비〉, 《숙박매거진》, 2021-12-01
- 〈아버님댁에 놓아드리고 싶은 콘덴싱 보일러〉, 《KISTI의 과학향기》, 2006-01-06
- 〈연탄보일러에서 전기보일러까지 50년〉, 《알토엔대우》, 2015-07-20
같이 보기
