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1. 개요
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| 일반적인 가정용 가스 보일러 | 타이타닉에서 묘사된 RMS 타이타닉의 선박용 석탄 보일러 |
| Boiler | |
물을 가열하여 고온, 고압의 증기나 온수를 발생시키는 장치.
2. 상세
일반적으로 보일러 하면 난방이나 급탕(공조용)을 위한 보일러를 떠올리지만, 동력용 증기 보일러가 역사도 활용 범위도 더 넓다.다만 효율과 안전 문제로 일반적인 공조용 보일러는 증기를 만들지 않고 단순히 보일러가 가열시킨 물을 모터로 순환시키는 방식이 더 많다. 때문에 이런 경우는 정확하게는 Water Heater가 정확한 표현이다.
열원은 뭐든지 사용가능하다. 연료를 태워서 열을 얻는 방법이 일반적이지만 태양열을 집광해서 물을 끓이는 보일러도 있고, 원자력 발전의 경우 노심에서 방출하는 열로 물을 끓인다. 원자로 구조도에 보면 냉각 계통이라 써있어서 보일러라는 느낌이 안 드는데 가압경수로 기준에서 1차 냉각 계통은 열교환기이고 2차 냉각 계통이 바로 보일러다.[1]
태양열 발전은 태양광 발전과는 원리가 전혀 다르다. 태양열 발전은 거울로 빛을 집광해서 물을 끓여 발전하는 거고 태양광 발전은 태양전지를 사용해서 직접 발전하는 거다. 열에너지를 쓰느냐 빛에너지를 쓰느냐의 차이가 있다.
보통 공조용으로 사용되는 보일러는 안전상 물을 끓는점 이상으로 높이지 못하게 되어있다. 요즘 나오는 가정용 보일러들은 대부분 최대 60도까지 가능하고, 예전 보일러는 80도까지 가능한 경우가 대부분이다. 또한 최근에는 난방이나 급탕에 증기를 사용하는 경우가 드물기에 증기를 발생시켜야 할 필요가 없으며, 어차피 끓는 물이 필요하면 가스레인지 같은 걸 쓰면 되기 때문이다. 단 연탄보일러 한정으로 밸브가 고장나면 100도까지 수온이 올라갈 수도 있다. 다만 대규모 공조용 보일러는 증기 방식을 아직도 쓰기도 하며, 가습기에 증기를 사용하는 경우도 있으나 이들도 대부분 저압 위주이다.
반면 산업용 보일러는 열효율과 열유량을 높이기 위해 고압의 증기 보일러를 사용한다. 물에 고압을 가해 더 고온인 상태로 액체를 유지하며 운전되는 방식을 사용한다. 대형 보일러라면 300도로 가열된 물을 쓴다. 수증기가 아니라, 도관 내부의 압력 때문에 고온에서도 물이 증발하지 않는 것이다. 가압경수로의 경우는 무려 150기압 이상, 2250psi 정도의 압력을 가한다. 터빈 구동용 대형 보일러는 초임계압수를 생산하는데 이 초임계압수의 온도는 450도 이상이다. 이런 보일러에서 밸브 하나라도 터지면 그대로 대형사고가 난다. 초고온으로 가열된 물이 상온상압 환경으로 분출되면서 순식간에 기화하면서 거의 폭발에 가까운 위력을 발휘한다. 콘크리트벽 정도는 그냥 부숴진다. 보일러 본체가 깨지면? 같은 크기의 LPG가스통이 터진 것과 맞먹는 위력이라 보면 된다. Mythbusters에서 고장난 보일러 실험에서 폭발한 보일러가 수십 초 후에 땅에 떨어지기도 한다. 이후의 실험에서는 작은 집 한채를 날려버리기도 했다. 같은 이유로 증기 기관차 역시 보일러에 문제가 생겨 폭발하면 열차 한 편성이 산산조각나는가 하면 순양함 한척이 두동강나는 경우도 있었다.[2]
보일러 안에는 항상 물이 일정 수준 이상 차 있어야 한다. 물이 부족해지면 보일러 본체가 과열되는데, 과열된 상태에서 그냥 물을 넣게되면 보일러 본체가 열수축으로 인한 순간적인 응력을 받으면서 동시에 한꺼번에 증발한 물이 초고압을 가하므로 보일러가 폭발한다. 과거 증기기관을 사용하는 외륜선들에서 이 사고가 잦았다. 과열된 보일러는 연료 공급만 차단해서 자연적으로 식게 놔둬야 한다. 함부로 물이나 이산화탄소를 과열된 보일러에 뿜었다가는 파열되어 건물째로 날아가는 수가 있다. 같은 맥락으로, 보일러 화재에는 절대로 물을 뿌려서는 안되며, 반드시 모래를 뿌려야 한다. 군 막사 보일러실 입구 근처에 있는 '방화사'가 바로 이것이다.
보일러를 아주 단순하게 간략화시킨 그림을 보면 그냥 버너와 냄비를 크게 키워놓은 모양이지만 실제 보일러는 열효율을 극대화하기 위해 각종 장치가 붙어있다. 기구와 비행선이 뜨는 원리가 같은데도 불구하고 모양이 크게 다른 것처럼, 냄비와 보일러도 원리는 같지만 부가장비들 때문에 모양이 크게 달라진다.
화력발전용·선박 등의 동력장치로서 사용되고 있는 증기터빈에 고온고압의 증기를 공급하기 위해서 또는 각종 공장의 작업용으로, 보일러의 주요부는 물과 증기를 담는 강철제용기(보일러 본체)와 연료의 연소장치 및 화로로 되어 있다. 본체의 부속 장치로는 증기의 온도를 높이기 위한 과열기(過熱器)나 재열기(再熱器), 연소가스가 가지는 여열(餘熱)을 이용하기 위한 절탄기(節炭器)와 공기예열기 등의 장치와 안전조작을 위한 안전밸브·압력계·수면계 및 그 밖의 밸브·계기류가 필요하며, 연소실에는 화격자·스토커·버너 및 통풍장치 등이 요구된다. 덕분에 선박 기관사들은 보일러에 대한 지식이 많아 해상근무를 끝내고 나면 보일러 회사에 들어가는 경우가 많다고 한다.
3. 보일러의 종류
3.1. 연료에 따라
- 가스 보일러: 도시가스관 공사가 잘 되었다면 LNG(도시가스), 시골이나 주택 쪽은 LPG를 사용한다.
- 기름 보일러: 가정용은 등유를 주로 사용한다.
- 연탄 보일러
- 화목 보일러: 나무 땔감
- 전기 보일러
- 태양열 보일러
3.2. 크기와 작동방식에 따라
3.2.1. 노통연관식 보일러
지름이 큰 동체를 몸체로하여 그 내부에 노통과 연관을 동체 축에 평행하게 설치하고, 노통을 지나온 연소가스가 연관을 통해 연도로 빠져나가도록 되어있는 보일러이다. 버너에서 연소실로 분출된 연료와 공기는 노통 내부에서 화염을 형성하고, 연소가스는 연관에 들어가 동체 내부에 있는 보일러수와 열전달을 한 후 연도로 배출된다.
보통 10~15 ton/h 내외의 중-소형 보일러에서 가장 많이 사용되고 있으며, 소형 노통연관식 보일러는 미니보일러라는 제품명으로 시판되고 있는 추세이다. 노통연관식 보일러는 보일러 내부에 보유하고 있는 수량이 많아 급격한 부하 변동에도 공급압력이나 수위의 변화가 적어 안정적인 보일러 운전이 가능하다. 그러나 이로 인해 가동 초기에 예열과 증기발생까지의 소요시간이 많이 필요하며, 가동시 저부하 운전의 시간이 길거나 빈도가 많을 경우에는 효율이 떨어진다.
이전 전문적인 설비 때문에 노통연관식 보일러는 면허 소지자가 필요하고 주기적인 검사를 받아야 하나, 운전관리가 용이하고 제어장치가 복잡하지 않아 조작이 쉬우며 가격도 무난한 편이다. 연관 파손 시에는 연관의 교체가 가능하여 잘 관리만 할 수 있다면 15~20년 정도로 수명이 가장 길다.
3.2.2. 수관식 보일러
상부 드럼과 하부 드럼 사이에 작은 구경의 많은 수관을 설치한 구조로, 관 내부에 물이 흐르고 관 외부를 연소가스로 가열해 증기를 발생시키는 구조로 제작된다. 물이 수관 내에만 채워지는 구조이기 때문에 높은 운전압력으로 보일러 제작이 가능하고, 수관의 길이나 수량에 의해 용량의 증대가 가능하여 중-대용량 및 고압용 보일러로 주로 사용된다.
수관식 보일러는 내부의 구조가 복잡하고 스케일로 인해 과열되기 쉬우므로 급수의 철저한 수질관리가 필요하다. 연소실 내부의 수관 외부 표면은 청소가 힘들어 사용연수에 따라 그을림이 누적될 경우 효율이 떨어질 수 있으며, 수관 내부 표면의 스케일은 드럼 내부 공간으로 관리자가 들어가서 주기적으로 세관작업을 해주어야하는 불편함이 있다.
대부분 중,대용량인 경우가 많기 때문에 부품을 현장으로 운반하여 현장에서 조립한 뒤 설치하는 사례가 많고, 이로 인해 제작기간이 다소 소요되고 장비의 가격도 고가이다. 다만 부품별로 운반하여 조립한다는 특징 때문에 기존 건물에서 노후화된 보일러를 교체하거나 진입통로가 협소한 경우에는 부품별로 반입하여 보일러의 신설이나 교체가 용이하다는 장점이 있다. 수관식 보일러도 노통연관식 보일러와 같이 면허소지자가 필요하고 주기적인 점검을 필요로 한다.
3.2.3. 관류식 보일러
드럼없이 수관만으로 설계한 강제순환식 보일러로 급수가 공급될 때 수관의 예열부->증발부->과열부를 순차적으로 통과하면서 증기가 발생하게 된다. 연소실 주위에 다수의 수관이 병렬로 연결되어 헤더에서 분류 또는 합류되는 구조로 이루어져있어 다관식 보일러라고도 불린다.
수관만으로 이루어져 있기 때문에 고압에 잘 견디고 관을 자유로이 배치할 수 있어 전체를 소형화하여 제작할 수 있다. 주로 소용량이나 저압에 적합하도록 개발되어 보급되고 있는데, 작은 규모의 건물 난방/급탕용이나 식당의 주방, 상가의 증기 공급용으로 주로 사용되고 있다.
관류형 보일러는 작은 구경의 관내에서 물을 증발시키기 때문에 불순물이 관 내에 부착하기 쉽기 때문에 수질관리가 매우 중요하다. 최근에는 급수 처리시설이나 기술의 발달로 수질에 대한 위험이 상당히 줄어든 편이지만 관리자의 일상적인 점검과 관리는 반드시 필요하다.
3.2.4. 진공식 온수 보일러
화염으로부터 열을 받아 온수를 가열해 주는 열매체로 물을 사용하는데, 보일러 내부가 진공상태로 유지되기에 정상적인 상태에서는 열매의 손실은 없다. 보일러 내부에 새로운 보충수의 공급이 거의 필요없고 외부의 공기와도 완전히 차단되어 있기 때문에 스케일이나 부식의 발생이 매우 적어 수명이 가장 긴 편이다. 때문에 2차 측의 급탕이나 온수의 오염만 없다면 일반적으로 전열관의 세관작업도 필요없다. 보일러 상부에 설치되는 열교환기를 용도에 따라 설치할 수 있기 때문에 1대의 보일러로 난방과 급탕이 동시에 가능하다.
3.2.5. 무압식 온수 보일러
동체 내부가 대기압의 압력에서 운전되는 보일러로, 대기개방형 보일러라고도 불린다. 무압식 보일러는 내부를 열매체인 물로 완전히 채워져 있는데, 보일러 운전 시 자연대류만으로는 열교환기 내의 온수화 충분한 전열을 기대하기 어렵기 때문에 대부분 순환펌프를 설치하여 보일러 내부의 물을 강제 순환시킨다.무압식 보일러의 상부에는 팽창탱크가 설치되어 있는데, 이 팽창탱크는 보일러 내부에 과압이 걸리거나 오버플로우 될 때 이를 방출하는 역할을 하고 저수위에는 보충수를 공급하기도 한다. 하지만 새로운 보충수가 소량이고 연수처리되어 공급되기 때문에 증기보일러에 비해 부식이나 스케일이 적게 발생하여 수명이 긴 편이다.
진공식 온수 보일러와 마찬가지로 열교환기의 설치 수량에 따라 난방과 급탕을 동시에 할 수 있으며, 증기의 공급은 불가능한 온수전용 보일러다. 보일러의 구조가 간단하고 제작이 쉽기 때문에 용량에 비해 보일러의 단가가 저렴한 편이다. 운전효율은 다른 보일러에 비해 낮고 보유수량도 많아 2차 측 온수의 가열에도 다소 시간이 소요된다. 다만 운전 및 위급이 쉽고 동체에 압력이 걸리지 않기 때문에 안전하며, 일정 기준 이하인 경우 면허소지자나 검사도 필요 없으며 작은 규모의 건물에서 온수용 보일러(중앙급탕/난방 시)로 주로 사용된다.
3.2.6. 열매체 보일러
열매체 보일러는 노통연관식이나 수관식 보일러와는 달리 특수한 열적 성질을 가지고 있는 전열 열매유를 열매체로 이용하기 때문에 저압력(1~3대기압)에서도 200도씨 이상의 높은 온도로 2차측 유체를 가열하는 것이 가능하다. 열원이 고온이므로 부하 대응성이 좋고 열교환기가 소형화되어도 되며, 운전압력이 저압력이어서 장비의 구조적 안정성측면에서 유리하기 때문에 보일러의 설계와 제작이 용이하다.
공조용으로 사용하려면 열매체와 물을 열교환을 시켜야 하는데 이 과정에서 효율이 낮아 공조용으로는 별로 사용되지 않는다.
3.2.7. 가정용 보일러
아파트나 일반 가정에서는 주택의 난방과 급탕 사용을 위해 지역난방이 보급되는 일부 지역을 제외하고는 대부분 소형보일러가 설치되어있다. 가정용 보일러는 대부분 지역에서 도시가스의 공급이 보편화되어 있기 때문에 가스보일러가 주를 이루고, 도시가스 공급이 힘든 지방이나 농어촌 지역에서는 기름보일러나 심야전기를 이용한 전기온수보일러가 아직도 많이 사용되는 추세이다.
가정용 보일러는 일반적으로 액화석유가스(LPG) 또는 액화천연가스(도시가스, LNG)를 연료로 사용하고 가스소비량이 70kW(약 251MJ/h, 액화석유가스 5kg/h, 도시가스 60,000kcal/h) 이하인 보일러로 규정한다.
가정용 보일러의 종류는 설치형태나 온수 공급방식, 순환방식, 사용용도, 급배기방식 등등 사용목적에 따라 필요한 기능을 가지고있는 여러 종류의 보일러들이 있다.
가정용 보일러를 생산하는 업체는 귀뚜라미, 경동, 린나이, 대성셀틱이 있다. 롯데는 최근에 보일러 사업을 접었다.
- 귀뚜라미
- 경동
- 린나이
- 대성셀틱
- 롯데
3.2.7.1. 캐스케이드 보일러
여러대의 가정용 온수보일러를 병렬로 조합하여 필요한 용량에 대응하도록 구성하고, 난방이나 급탕 부하의 변동에 따라 대수제어를 하여 고효율의 운전이 가능하도록 패키지 형태로 만든 보일러다. 효율이 높은 콘덴싱 보일러를 병렬로 조합하여 중대형 용량을 구현하도록 한 경우가 많은데, 한 대의 보일러 내부에 여러 대의 소형 보일러를 패키지화한 제품도 판매되고있다.
3.2.8. 히트펌프 보일러
연료를 태우거나 전기열선을 쓰는 것이 아닌 지열, 공기열, 하수열, 수열 등 자연에너지를 끌어다가 압축기[4]로 구동해 열교환하는 방식이다.3.3. 직업
뭉뚱그려서 보일러공이라고 부르기도 하지만 세부적으로는 전문적으로 맡는 일이 조금씩 다르다. 관련 자격증으로는 에너지관리기능사[5], 공조냉동기계기사, 온수온돌기능사, 가스기능사등이 있다.- 보일러 설치·정비원: 일반적으로 가정용 보일러를 설치하고 점검해주는 전문가를 말한다. 대부분 보일러 기업에 소속되어 있으나 사설 자영업으로 근무하는 사람도 있다. 공장이나 발전소 등 기업용 보일러를 설치하는건 플랜트의 영역이기 때문에 전문 엔지니어와 테크니션들이 투입된다.
- 보일러 운용원: 보일러를 운용하고 관리하는 전문가를 말한다. 가정용 보일러처럼 규모가 작은 보일러는 입주자가 사용하다가 고장이 나면 수리를 요청하면 되지만 고층 건물이나 단체 시설 등에 설치된 중대형 보일러는 전문적으로 붙어서 운용하고 상태를 체크해주는 운용원이 필수적이다. 군대에서는 보일러관리병을 지정해서 보일러 운용원의 역할을 맡기기도 한다. 앞에서 말한 캐스케이드 방식의 보일러가 있는 곳은 보일러운용원이 없어도 된다.
4. 청소법
보일러를 보존하기 위하여 청소는 필수적이다.내부와 외부 모두 청소해야 한다.
- 외부
- 보일러 전열면에 부착된 그을음이나 재를 제거한다. 구조물 내에 보일러가 있다면, 충분히 환기하여 유해가스를 날려 보낸다.
- 내부
- 배관 속에 축적된 찌꺼기(스케일)을 제거한다.
5. 관련 사건사고
6. 관련 문서
6.1. 기업
[1]
1차와 2차 냉각계통이 만나는 지점만을 열교환기라 부를 수도 있으나 넓게 보면 1차 냉각계통에서 순환하는 가압수가 돌아다니는 부분 전체를 열교환기로 볼 수도 있다.
[2]
한편, 이러한 보일러 폭발로 운좋게 살아남은 경우도 있었다.
RMS 타이타닉의 2등 항해사
찰스 라이톨러가 바로 그 사례로, 본래 마지막까지 침몰하는 타이타닉호에 잔류하기로 하였으나 물살에 휘말려 기관실 근처로 빨려 들어갔으나 보일러 폭발로 인해 선체 밖으로 튕겨져 날아가 근처에 있던 뒤집어진 구명보트에 매달려 생존했다.
[3]
린나이의 구형모델이 저온, 중온, 고온의 3단계였다. 이보다도 조절기능이 더 단순했다는 의미이고 조절기능이 더 단순하다는 것은 불편함도 더 크다는 의미가 된다.
[4]
전기, 가스엔진 구동
[5]
과거에는 보일러설치기능사와 보일러운용기능사가 따로 있었지만 직무분야가 유사해서 에너지관리기능사로 통폐합되었다.
[6]
2021년 1월 21일자로 보일러부문 철수 후 대성그룹으로 매각됐다.