보일러 분류 및 특징

보일러의 개요

(1) 보일러란 화염, 연소가스, 그 밖의 고온가스에 의하여 증기 또는 온수를 발생시키거나 열매유를 가열하는 장치로서 제품을 만들거나 전기를 생산하거나 난방이나 급탕을 하는 것으로 보일러 본체, 연소장치, 보일러를 안전하고 효율적으로 운전할 수 있도록 하는 부속장치로 구성되어 있다.

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(2) 최근 보일러는 고효율, 고성능화하고 그 연료도 액체 및 가스류가 대부분이고 또 거의 자동 제어방식이 채택되고 있다.

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보일러의 용량

(1) 증기 보일러의 용량은 최대연속부하 상태에서 1시간에 발생하여 얻어지는 증발량(㎏/h 또는 t/h)으로 표시한다. 다만, 발생 증기의 열량은 증기의 압력, 온도 및 급수의 온도에 따라 달라지므로, 보일러의 용량은 환산 증발량에 따라 표시하는 경우도 있다.

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(2) 환산증발량(상당 증발량)은 실제로 급수에서부터 증기를 발생시키는데 소요되는 열량율, 기준상태 즉 373K{100 ℃}의 포화수를 증발시켜 373 K{100 ℃}의 포화 증기로 할 경우의 잠열량(2,256 kJ/㎏{539 ㎉/㎏})으로 나눈 것이다. 즉 1시간 동안 보일러를 최고부하 상태로 가동하여 증발시킬 수 있는 증기의 양을 말한다.

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보일러의 분류

보일러는 다음과 같이 분류할 수 있다.

재질별	형식별		매체별	사용연료별
강철제	원통	직립형	증기	유류
주철제		연관식	온수	가스
		노통연관식	열매체	석탄
	수관	자연순환식	​	목재
		강제순환식	​	폐열
		관류	​	특수연료
	기타	섹션	​	​
		특수형	​	​

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재질별의 분류

강철제보일러

대부분의 보일러로서 주철제를 제외한 강철제보일러를 말한다.

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주철제보일러

(1) 주철제보일러는 주로 난방용의 저압 증기 발생용 또는 온수보일러로 사용되고 있다. 회주철제보일러의 최고사용압력은 증기보일러는 0.1 ㎫{1 ㎏f/㎠}까지 온수보일러는 수두압으로 50m, 온수 온도 393 K{120 ℃}까지로 국한된다.

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(2) 주철제보일러는 주철제의 여러 개의 섹션을 전후에 나란히 놓아 조립된 것이며 하부는 연소실, 상부의 창은 연도로 되어 있고 각 섹션은 상부에 증기부 연결구, 하부 좌우는 수부연결구가 각각 비치되어 있으며 그 구멍부분에 구배가 달린 니플을 끼워서 결합시키고 외부의 볼트로 조여서 조립된다. 섹션의 수는 약 20개 정도, 전열면적은 50 ㎡ 정도까지가 보통이다.

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[그림 1] 주철제보일러

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형식별 분류

원통보일러

(1) 원통보일러는 지름이 큰 동체를 주체로 하여, 그 내부에 노통, 연소실, 연관 등이 설치된 것으로 구조상 고압용으로 하는 것은 곤란하며, 또한 동체의 크기에 따라 전열면적이 제한되므로 용량이 큰 것은 적당치 않다. 그러나 구조가 간단하기 때문에 주로 압력 2 ㎫{20 ㎏f/㎠}이하로 증발량 20 t/h 정도까지의 보일러로 널리 사용되고 있다.

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(2) 원통 보일러는 전열면의 대부분이 수부 중에 설치되어 있으므로 물의 대류가 용이하며 따라서 특별히 물 순환을 생각할 필요가 없다.

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(3) 원통 보일러는 수관 보일러에 비하여 전열면적에 비해 보유수량이 많기 때문에 가동을 시작해서부터 소요압력의 증기를 발생할 때까지 장시간이 소요되나, 그 반면 사용 증기량의 변동이 발생하여도 압력변동이 완만하다. 수관보일러와 비교하여 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

(a) 구조가 간편하고, 설비비가 저렴하며, 취급이 용이하다.

(b) 고압이나 대용량에는 적당치 않다.

(c) 기동으로부터 증기 발생까지는 시간이 걸리지만 부하의 변동에 따른 압력 변동은 적다.

(d) 보유수량이 많으며 파열의 경우 피해가 크다.

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직립보일러

(1) 직립보일러는 동체를 바로 세워 연소실 즉 연소실을 그 하부에 둔 보일러이다. 따라서 설치면적이 작아도 된다. 그러나 전열면적을 넓게 할 수 없으므로 소용량에 한정된다. 횡관식, 다관식 등이 있다.

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(2) 횡관식은 [그림]과 같이 연소실 내에 수부를 연결하는 소수의 횡관을 설치한 것으로, 그에 따라 전열면을 증가시키고 연소실을 보강시킨다.

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[그림 2.1] 직립횡관식보일러

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(3) 다관식은 [그림]와 같이 전열면을 증대시키기 위하여 연소실 관판과 상부 관판과의 사이에 다수의 연관을 설치한 것이다.

[그림 2.2] 직립연관식보일러

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(4) 직립보일러의 일반적 특징은 다음과 같다.

(a) 좁은 장소에 설치가능하고, 설치가 간단하며, 또한 쉽게 이설할 수 있다.

(b) 전열 면적이 작으며 보일러 효율이 낮기 때문에 극히 소용량에 사용된다.

(c) 구조상 증기부가 좁기 때문에 발생증기 중에 포함되는 수분이 많이 포함될 수 있다.

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연관식보일러

(1) 연관식보일러는 전열면이 주로 연관으로 구성된 보일러로서 연관부분에는 연소실을 배치할 수 없는 구조이다.

(2) 횡연관 보일러는[그림 KBI-0333]과 같이 수평으로 놓인 보일러동체 밑에 벽돌을 싸서 연소실을 설치한 것이다. 연소가스는 동체의 하부를 가열한 후 연관에 들어가 동체의 측면을 외부에서 가열하도록 되어 있다.

(3) 보일러가 개발되던 초기에는 [그림 3]과 같은 연관식보일러가 제작되었지만, 근래에는 거의 사용하지 않고 있다. 근래에 연관식보일러는 폐열보일러로서 많이 제작되고 있다.

[그림 3] 횡연관보일러

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노통연관식보일러

(1) 노통연관식 보일러는 보일러 동체 안에 노통과 연관군을 모두 설치한 보일러로서 일반적으로 직경이 큰 파형노통 1본과 연관군을 조립하여 된 것이다. 노통보일러와 연관식보일러의 장점을 살려 단점을 보완한 구조로 되어 있다.

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(2) [그림 4]는 노통의 주위에 연관을 배치해 노통을 포함하여 3패스로 한 것이다. 연소가스는 노통에서 후부 연소실로 들어간 다음 1차연관을 통하여 앞부분의 연실로 들어가며, 이어서 2차연관을 통하여 굴뚝으로 나오게 되어있다.

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(3) 노통연관식보일러는 설치가 간단하고 또 수관 보일러에 비해 일반적으로 제작․취급도 용이하며 가격도 싸다. 최고사용압력 2 ㎫{20 ㎏f/㎠}이하의 산업용 또는 난방용으로서 많이 사용된다. 전열 면적 20 ㎡ ∼ 400 ㎡, 최대 증발량은 20 t/h 정도까지이다.

[그림 4] 노통연관식보일러

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수관식보일러

(1) 수관식보일러는 일반적으로 비교적 소구경의 드럼과 다수의 수관으로 구성되어 있고 수관 내에서 증발이 이루어진다. 고압에 맞으며 대용량도 제작 가능하다.

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(2) 수관식보일러에서는 수관이 열을 받아 그 내부에서 증기를 발생하게 되므로 내부에 증기가 정체하거나 관이 막히게 되면 관이 과열되어 소손을 일으키게 된다. 따라서 수관 내면이 항상 물에 접하게 하여 충분한 전열이 이루어질 수 있도록 해야 된다. 수관 보일러를 보일러의 유동 방식에 따라 분류하면 자연순환식, 강제순환식, 관류식의 3가지가 있다.

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(3) 수관 보일러의 특징은 다음과 같다.

(a) 구조상 고압 대용량용에 적합하다.

(b) 연소실을 마음대로 크게 만들 수 있으므로 연소상태가 좋으며 또한 여려 종류의 연료 및 연소 방식이 적용된다.

(c) 전열면적을 크게 할 수 있으므로 일반적으로 효율이 높다.

(d) 전열면적당 보유수량이 적으므로 기동에서 소요증기가 발생 할 때까지의 시간은 짧다. 그 반면 부하변동에 따라 압력이나 수위가 변동되기 쉬우므로 민감한 조정이 필요하다.

(e) 급수 및 보일러수 처리에 주의가 필요하다. 특히 고압 보일러에는 엄격한 수질관리를 하지 않으면 안된다.

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자연순환식 수관보일러

(1) 자연순환식 수관보일러는 드럼과 다수의 수관으로 보일러 물의 순환 회로를 만들 수 있도록 구성된 보일러로서 가열에 의해 수관 내에 발생하는 증기 때문에 비중량이 감소하는 것을 이용하여 보일러 물에 자연 순환을 일으키게 하는 것이다. 수관보일러로서 가장 보편적으로 사용되고 있다. 곡관을 사용하는 형식이 널리 사용되고 있다.

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(2) 연소실벽 내면에 수관을 배치한 다시 말하면 수냉 노벽이 널리 사용되어 이 연소실벽 수관군과 상하드럼을 연결하는 수관들로 연소실벽을 구성한 수냉벽이 널리 이용되고 있다. 드럼의 개수에 따라 1-드럼, 2-드럼, 3-드럼 보일러로 구분할 수 있다. [그림 KBI-0346]은 일반적으로 많이 사용되고 있는 2-드럼 보일러이다.

[그림 6] 2-드럼 수관식보일러

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강제순환식 수관보일러

(1) 자연순환식 수관보일러에는 고압이 될수록 물과의 비중차가 적게 되기 때문에 자연의 순환력이 약해지게 된다. 강제 순환식에서는 순환펌프의 구동력을 이용하여 보일러 물을 순환시키게 되므로 이 결점은 없어진다.

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(2) 강제순환식 수관보일러의 순환펌프는 보일러수의 순환회로 중에 설치되어 보일러 본체와 자연순환의 경우와 같은 모양의 물의 순환회로를 만들게 되어 있다. [그림 7]에 강제순환식 수관보일러의 계통을 나타낸다.

[그림 7] 강제순환식 수관보일러의 계통도

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관류보일러(단관식)

(1) 관류보일러는 긴 관로로 구성되어 급수펌프에 의해 관로의 한쪽 끝에서 밀어넣은 물이 예열부, 증발부, 과열부를 순차 관류되어 다른 쪽 끝에서 증기가 나오게 되어 있는 것이다.

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(2) 관류보일러는 급수 처리법이나 자동제어장치가 발달함에 따라 고압 대용량 및 콤팩트한 소형용으로서도 널리 쓰여지고 있다. 또 압력이 물의 임계압력을 넘는 즉 초임계압력의 보일러에는 모두가 관류식이 채용된다.

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(3) [그림 8]과 같은 단관식 관류보일러는 급수 연화장치나 자동제어장치가 필요하며 같은 용량의 원통 보일러에 비해 설치면적이 1/4∼1/5 정도로 되며 기동에서 소요증기를 발생할 때까지의 시간도 3분∼5분 정도이기 때문에 전자동화 된 것이 많이 사용되고 있다.

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(4) 단관식 관류보일러의 특징은 다음과 같다.

(a) 관로 만으로 구성되어 기수드럼을 필요하지 않고 관을 자유로이 배치할 수 있기 때문에 전체를 콤팩트한 구조로 할 수 있다.

(b) 전열 면적당의 보유수량이 아주 적기 때문에 기동에서 소요증기 발생까지의 시간이 짧다.

(c) 부하변동에 의해 압력 변동이 생기기 쉽기 때문에 응답이 빠르고 급수량 및 연료량의 자동제어 장치가 필요하다.

(d) 작고 가느다란 관내에서 급수의 전부 또는 거의가 증발되기 때문에 제대로 처리가 된 급수를 사용하지 않으면 안된다.

[그림 8] 단관식 관류보일러

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다관식 관류보일러

(1) 2개 이상의 가열관 및 헤더로 구성되며 가열관 전부가 상승관인 것으로 기수분리기를 가진 것은 기수분리 후, 열수(응축수)를 가열관으로 되돌려 넣는 경우 최대급수량에 대한 순환수량(가열관입구를 통하는 전수량)의 비가 2 이하인 것을 다관식 관류보일러라 한다.

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(2) [그림 9]와 같이 보일러 본체는 기본적으로 수관을 원주상에 배치(1열 또는 2열)하여 연소실을 구성하고 수관의 상하에 도너츠 형태의 관모음 헤더를 갖는 구조이며 대부분이 기수분리기를 갖고 있다.

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(3) 다관식 관류보일러는 증발량에 비해 보유수량이 적으므로 신속하게 증기를 발생시킬 수 있으며 보일러제어를 자동화하여 취급이 간단하나 전열면 열부하가 높게되어 수질관리를 철저히 하여야 한다.

[그림 9] 다관식 관류보일러

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기타보일러

원통보일러나 수관보일러에 속하지 않는 보일러를 기타보일러로 구분한다.

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섹션보일러

섹션보일러는 [그림 10]와 같이 섹션(section)이라고 불리는 여러 개의 주철로 된 물집들을 연결하고 하부로 급수하여 상부로 증기 또는 온수를 방출하는 구조로 되어 있다. 원통보일러와 수관 보일러는 강철로 되어 있지만, 섹션 보일러는 일반적으로 주철로 되어 있기 때문에 다른 보일러와 구분하여 주철제보일러라고도 한다. 섹션보일러는 압력에 약하기 때문에 0.3 ㎫{3 ㎏f/㎠}이하의 압력이 작용하는 곳에 주로 사용된다.

[그림 10] 섹션보일러의 예

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특수형보일러

원통보일러, 수관보일러, 섹션보일러를 제외한 보일러를 특수형 보일러로 구분한다. 소형 온수보일러, 진공식보일러, 대기개방형 보일러와 같이 내부 압력이 비교적 작게 작용하는 보일러에서 그 구조를 원통형으로 하지 않고 [그림 11]과 같이 각형으로 한 보일러 등이 있다.

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[그림 11] 특수형 보일러 (각형 진공식보일러)의 예

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응축형보일러

(1) 가스를 연료로 사용하는 보일러의 경우에는 배기가스중의 수분농도가 약 17 vol %∼18 vol % (11 wt %∼12 wt %) 정도이기 때문에 천연가스 1 N㎥를 연소하는 경우에는 약 1.7 ㎏의 수분이 발생된다. 배기가스의 열을 회수하여 배기가스온도를 낮추게 되면 배기가스중의 수분이 응축되고 그 때에 응축잠열을 이용할 수도 있다. 배기가스 중에 포함된 1.7 ㎏/N㎥의 수분중의 약 1 ㎏의 증기잠열을 회수할 수 있다면 연료 1 N㎥당 약 2,500 kJ{약 600 ㎉}의 잠열을 회수할 수 있다. 따라서 응축잠열을 회수함으로서 약 6 %의 효율증대를 도모할 수 있다.

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(2) 가스보일러의 경우에는 연료 중에 유황 성분을 포함하고 있지 않기 때문에 저온부식이 비교적 적다. 따라서 보일러 내에서 열을 충분히 흡수하여 배기가스의 온도를 낮게 하면 보일러 후단에서 수분의 응축이 발생하게 된다. 이 응축열을 회수하기 위하여 보일러 후단에서 연소가스중의 수분이 응축되도록 설계된 보일러를 응축형 보일러 또는 콘덴싱(condensing) 보일러라고 한다.

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(3) 응축형 보일러는 보일러의 효율을 극대화하기 위하여 도입된 보일러로서 저위발열량을 기준으로 한 보일러 효율이 100 %가 넘는 경우도 있다. 응축형 보일러의 최후단에 설치되는 급수예열기는 배기가스와 급수의 온도차가 작기 때문에 전열면적이 커야하며, 응축수로 인한 부식을 방지하기 위하여 고가의 내식성재료로 사용해야 하기 때문에 초기투자비가 많아지는 단점이 있다.

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(4) 응축형 보일러에서 발생되는 배기가스중의 수분이 응축된 응축수는 pH가 4∼6 정도이다.

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매체별 분류

증기보일러

증기를 발생시키는 보일러로서 대부분의 보일러가 해당된다.

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온수보일러

온수를 발생시켜 발생된 온수를 주로 난방열원 또는 급탕으로 주로 사용된다.

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열매체보일러

열매체보일러는 493 K∼673 K{200 ℃∼400 ℃} 정도의 고온에서 가열, 증류, 건조 등의 조작을 필요로 하는 공정에 포화온도가 높은 유기열매를 열원으로 이용한다.

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사용연료별 분류

유류보일러

기름을 연료로 사용하는 보일러로서 B-C유, 경유, 보일러등유 등을 주로 사용한다.

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가스보일러

가스를 연료로 사용하는 보일러로서 LNG, 도시가스 등을 주로 사용한다.

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석탄보일러

석탄을 연료로 사용하는 보일러로서 스토커연소, 미분탄연소, 유동층연소 등이 있다.

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목재보일러

폐목 등 목재를 연료로 사용하는 보일러를 말한다.

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폐열보일러

(1) 가열로, 용해로 시멘트킬른 등에서 배출되는 고온의 폐가스를 열원으로 이용하여 증기를 발생시키는 것이다.

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(2) 본체는 일반보일러와 차이는 없으나 폐가스에는 다량의 분진이나 부식성 가스를 포함한 것이 많기 때문에 각각의 경우에 따라 가스유속, 전열면의 배치, 분진처리 등 특별한 주의가 필요하다.

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특수연료용보일러

폐기물 등 특수연료를 사용하는 보일러

 

 

 

보일러 분류 및 특징