KR100236579B1 - 펄스 연소기용 화염 트랩(A Flame Trap for Use in a Pulse combustor) - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기와 연료 가스의 혼합물이 연소실 내로 공급되어 펄스 연소를 겪게 되는 펄스 연소기에 있어서 역화를 방지하도록 연소실의 입구에 화염 트랩이 마련된 것이다. 화염 트랩은 이하와 같이 형성되어 있다. 스테인레스강 박과 같은 금속박의 제1 테이프가 예를 들어 경납땜에 의해 금속박의 제2테이프의 한 면에 파형으로 접합된다. 그 다음에, 서로 접합된 제1 및 제2 테이프는 나선형으로 권취되어, 예를 들어 경납땜에 의해 서로 결합된다.

Description

펄스 연소기용 화염 트랩

제1도는 본 발명의 일 양호한 실시예를 구성하는 펄스 연소기의 화염 트랩을 도시한 사시도.

제2도는 제1도에 도시된 화염 트랩의 평면도.

제3도는 화염 트랩의 형성 방법을 설명하기 위한 사시도.

제4도는 화염 트랩의 개구율이 펄스 연소기의 연소 효율에 미치는 영향을 설명하는 것으로서, 화염 트랩의 전체 개구율과 공급되는 연료 가스량과의 관계를 도시한 그래프.

제5도는 화염 트랩에 형성된 각각의 셀의 개구 면적의 영향을 설명하기 의한 것으로서, 각각의 셀의 개구 면적이 변할 때 공급되는 공기 연료량을 나타낸 그래프

제6도는 종래의 펄스 연소기의 배치를 개략적으로 도시한 단면도

제7도는 제6도에 도시된 펄스 연소기의 주요부(화염 트랩과 그와 관련된 구성 부품)을 도시한 단면도.

제8도는 제6도 및 제7도에 도시된 펄스 연소기에 있어서 화염 트랩의 통상적인 예를 도시한 사시도.

제9도는 제8도에 도시된 화염 트랩의 일부분을 도시한 확대도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 화염 트랩 2 : 기재 테이프

3 : 파형 테이프 4 : 화염 트랩용 테이프

5 : 셀(통기공) 6 : 펄스 연소기

31 : 펄스 연소기 32 : 연소실

33 : 혼합실 36 : 가스 챔버

38 : 급기 챔버 40 : 배출구

본 발명은 펄스 연소기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 공기와 연료 가스의 혼합물이 연소실 내로 공급되는 연소실의 입구에 마련되는 화염 트랩의 개선에 관한 것이다.

공기와 연료 가스 혼합물이 연소실로 공급되고, 연소실에서 혼합물이 펄스모드의 폭발 연소를 겪게 되는 펄스 연소기는 공지되어 있다.

제6도는 전체 펄스 연소기를 도시한 단면도이고, 제7도는 펄스 연소기 주요부를 도시한 확대 단면도이다.

펄스 연소기(31)는 연소실(32)과 혼합실(33) 사이에 화염 플랩(34)을 구비한다. 혼합실(33)에서, 가스관(35) 및 가스 챔버(36)를 통해 도입된 연료 가스가 송풍기(37) 및 급기 챔버(38)를 통해 도입된 공기와 혼합된다. 공기와 연료 가스의 혼합물은 화염 트랩(34)에 형성된 통기공(39)[이하, 셀이라 한다]을 통해서 연소실(32) 내로 공급된다. 연소실(32)에서 혼합물은 폭발 연소되어 연소 가스로 된다. 연소 가스는 연소실(32)에 연결된 배출구(40)를 통해서 (도시되지 않은)테일 파이프로 보내진다. 이러한 작용 시에, 부압이 연소실(32)에서 발생되어 공기와 연료 가스의 연속적인 혼합물이 화염 트랩(34)에 형성된 셀(39)을 통해 연소실(32)로 도입되고 (도시되지 않은) 테일 파이프로부터의 역화에 의해 폭발적으로 연소되도록 한다.

펄스 연소기의 화염 트랩(34)은 통상적으로 제8도에 도시된 바와 같다. 즉, 화염 트랩(34)은 세라믹 재료로 된 내열성 다공질만으로 제조된다. 화염 트랩(34)은 격자명의 구멍과 같이 배열된 다수의 셀(41)을 구비하고 있다.

제8도에 도시된 세라믹 재료의 다공질판으로 된 화염 트랩은 이하와 같은 즉, 화염 트랩의 제작 시에 셀(41) 간의 세라믹 벽의 두께를 소정 한계를 초과해서 감소시킬 수 없다는 문제점을 가지고 있다. 화염 트랩의 목적은 연소실 내로 유입되는 혼합물의 흐름을 정류시킬 뿐만 아니라, 연소실로부터 혼합실로의 역화의 유동을 방지하는 것이다. 따라서, 각 셀(41)은 개구 면적이 작아져야 한다. 그러나,개구 면적이 작아지면 개구율을 필요에 맞출 수 없으며, 개구율은 반드시 감소된다. 제작과 관련된 제한으로 인해 개구율을 70% 이상으로 하는 것은 지극히 곤란하다.

따라서, 연소 중에, 화염 트랩은 역화 방지 능력이 저하되고, 연소성(CO/CO₂비) 또한 저하된다. 따라서, 이러한 형태의 화염 트랩은 펄스 연소기(10)의 성능에 역으로 영향을 미친다. 이러한 사실은 펄스 연소기의 고부하 연소를 저해하며, 그에 수반해서 펄스 연소기의 소형화도 저해한다.

세라믹 재료의 화염 트랩은 충격에 의해 쉽게 파손된다. 따라서, 조립시에 화염 트랩은 다른 부품에 의해 충돌될 경우 파손될 수 있으며, 그 파편은 통기공을 폐색시킬 수 있다. 즉, 화염 트랩은 펄스 연소기의 조립 작업을 방해하는 인자 중의 하나가 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 결점들을 제거하는 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 공기와 연료 가스의 혼합물이 통과하는 화염 트랩의 각 셀의 개구 면적을 감소시키고, 또 화염 트랩의 전체 개구율을 증가시킴으로써 고부하의 펄스 연소를 달성하는 것이다. 본 발명의 부가적인 목적은 펄스 연소기에 용이하게 조립될 수 있는 화염 트랩을 제공함으로 구조가 소형이고 연소 부하가 높은 펄스 연소기를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은 본 발명에 따라 공기와 연료 가스의 혼합물이 공급되는 연소실의 개구에 마련되는 역화 방지용의 화염 트랩이 스테인레스강과 같은 금속박의 제1 테이프와, 제1 테이프의 한 면에 파형으로 접합되는 스테인레스강과 같은 금속박의 제2 테이프를 포함하고, 제1 및 제2 테이프는 나선형으로 권취된 펄스 연소기의 의해 달성된다.

펄스 연소기에 있어서, 화염 트랩의 각 셀은 개구 면적이 2.25㎟ 이하이고, 또 화염 트랩의 전체 개구율이 75% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 용어 "개구율"은 화염 트랩의 단면적에 대한 모든 구멍의 단면적의 백분율이다. 개구율은 이하의 방정식으로 표시될 수 있다:

또는 동일 크기의 구멍들에 대해서

개구율은 또한 화염 트랩의 유효 개구 면적 개방 또는 단면 공기/연료 다공율로서 불릴 수 있다.

본 발명의 펄스 연소기에 있어서, 혼합실에서 형성된 공기와 연료 가스 혼합물은 화염 트랩에 형성된 다수의 셀을 통해서 연소실로 공급되고, 연소실에서 혼합물은 연속적으로 폭발 연소를 겪게 된다. 혼합실과 연소실 사이에 개재된 화염 트랩은 화염 트랩 테이프를 나선형으로 권취함으로써 형성된다. 화염 트랩 테이프는 금속박의 제1 테이프와, 제1 테이프의 한 면에 파형으로 접합되는 금속박의 제2 테이프를 포함하고, 그에 의해 이들 사이에 셀을 형성시킨다. 따라서, 각 셀의 개구 면적이 작아지고, 전체 개구율이 크게 된다. 공기와 연료 가스의 혼합물은 화염 트랩에 형성된 작은 셀들을 통해서 연소실로 공급되고, 연소실에서 흔합물은 폭발적인 연소를 겪게 된다. 이러한 작용시에, 각 셀의 개구 면적이 상술한 바와 같이 작기 때문에 연소실로부터 혼합실로의 역화의 유동이 방지되며, 전체 개구율이 크기 때문에 공기와 연료 가스의 혼합물의 양이 증가된다. 따라서, 연소성(CO/CO₂비)이 향상되고 고부하 펄스 연소가 연속적으로 수행된다.

또, 본 발명의 펄스 연소기에 있어서, 화염 트랩의 각 셀의 개구 면적이 2.25㎟ 이하로 설정되며, 화염 트랩의 전체 개구율이 75% 이상으로 설정될 수 있다. 이러한 특징은 펄스 연소기가 고부하 펄스 연소를 더 유효하게 수행할 수 있게 한다. 즉, 각 셀의 개구 면적이 2.25㎟ 이하로 되기 때문에 연소실로부터 혼합실로의 역화 유동이 확실하게 방지되고, 화염 플랩의 전체 개구율이 75% 이상으로 되기 때문에 혼합실로부터 연소실로 공급되는 공기와 연료 가스의 혼합물의 양이 증대되어 고부하의 펄스 연소가 펄스 연소기에서 발생된다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 제반 잇점은 첨부된 도면과 관련해서 고려된 이하의 상세한 설명을 참조로 용이하게 이해될 것이다.

본 발명의 양호한 실시예인 펄스 연소기가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

먼저, 상술한 펄스 연소기는 펄스 연소기를 도시한 단면도인 제6도와 펄스연소기의 주요부를 도시한 확대 단면도인 제7도를 참조로 해서 더 설명된다.

펄스 연소기(31)는 가스 챔버(36) 및 혼합실(33)이 합체한 상자 형태의 급기 챔버(38), 급기 챔버(38) 내로 공기를 도입하는 송풍기(37), 그리고 급기 챔버(38)의 외벽 상에 고정 장착되어 혼합실(33)과 연통되는 연소실(32)을 포함한다.

가스 챔버(36)는 가스 챔버(36)가 외부와 연통되도록 급기 챔버(38)의 벽을 통해 연장된 가스관(35)이 마련되어 있는 밀폐된 용기이다.

한편, 제7도에 도시한 바와 같이, 노즐 파이프(42)가 가스를 도입하는 단파이프(41)의 단부에 고정 연결되어 있다. 노즐 파이프(42)와 함께 단 파이프(41)는 단 파이프(41) 및 노즐 파이프(42)가 가스 노즐 스탠드(43)에 의해 덮여진 모양으로 가스 노즐 스탠드(43) 내에 끼워 맞추어져 있다. 또한, 가스 노즐 스탠드(43)의 단부가 혼합실(33) 내로 돌출되어 있다. 또, 통기공(42a)이 노즐 파이프(42)의 단부에 형성되어 있으며, 또한 통기공(42a)을 통해 통과된 연료 가스가 귀환하지 않도록 가스 첵 밸브(44)가 노즐 파이프(42)의 단부에 마련되어 있다.

혼합실(33) 내에 위치된 가스 노즐 스탠드(43)의 단부는 가스 분배기(45)에 연결되어 있다. 가스 분배기(45)는 연료 가스가 혼합실(33) 내에서 확산될 수 있도록 여러 방향으로 연장된 통기공(45a)을 구비하고 있다.

급기 챔버(38) 내에 안내된 공기를 도입하기 위해서, 통기공(46)이 가스 노즐스탠드(43)의 둘레에 배열된 모양으로 횬합실(33)의 혼합실 몸체(28)의 벽에 형성되어 있다. 혼합실(33) 내부에는 전술한 통기공(46)을 구비한 외부와 접촉하는 모양으로 공기 플레이트(47)가 고정 장착되어 있다. 공기 플레이트(47)는 등간격으로 원형으로 배열된 소직경의 통기공(47a)울 구비한다. 공기 첵 밸브(48)가 각각의 통기공(47a)에 대해 마련되어 있다.

한편, 화염 트랩(1)을 통해서 혼합실(33)과 연통된 연소실(32)은 그 내부에 원형 공동부를 구비하고 있다. 연소실(32)은 원형 공동부의 접선 방향으로 공기연료 가스 혼합물을 연소실 내로 도입하는 공기 연료 혼합물 유입구(25)와 연소실로부터 공기 연료 가스 혼합물 도입 방향의 직각 방향으로 공기 연료를 배출시키는 배출구(40)를 구비하고 있다. 또, 연소 불꽃이 공기 연료 혼합물 유입구(25)로 들어가는 것을 방지하기 위해, 공기 연료 혼합물 유입구(25)의 단부는 연소실(32) 내로 약간 돌출되어 있다.

본 발명의 특징인 화염 트랩이 제1도, 제2도 및 제3도에 참조로 설명된다. 제1도는 화염 트랩의 사시도이고, 제2도는 화염 트랩의 평면도이며, 그리고 제3도는 성형 도중에 있는 화염 트랩을 도시한 사시도이다.

화염 트랩(1)은 이하와 같이 성형된다. 먼저, 한 장의 벨트형 스테인레스강 박으로 된 기재 테이프(2)가 마련된다. 또, 한 장의 벨트형 스테인레스강 박으로 된 파형 테이프(3)가 마련된다. 파형 테이프(3)는 한 면에 파형면(A)을 구비한 벨트 형태의 화염 트랩 테이프(4)를 형성하도록 기재 테이프(2)의 한 면에 접합되어 있다.

화염 트랩 테이프(4)는 두께가 0.05㎜, 폭이 13㎜이다. 화염 트랩(4)은 파면(A)을 내측에 설치된 상태로 나선형으로 권취된다. 권취된 화염 트랩 테이프(4)는 소기의 화염 트랩(1)을 형성하도록 경납땜 오븐에서 경납땜된다. 파형면(A)의 파형은 주기가 2.2㎜이고, 진폭이 1.3㎜이다. 화염 트랩 테이프(4)는 외경이 90㎜에 달할 때까지 여러 번 권취된다. 또, 제2도에 도시한 바와 같이, 형성된 화염 트랩(2)은 공기 연료 혼합물의 유동을 허용하는 다수의 통기공(5)[이하에서는 셀(5)이라고 부른다]을 구비하고 있다.

고부하의 펄스 연소를 달성하기 위해 화염 트랩(1)의 치수 자료는 이하와 같이 실험적으로 결정되었다. 제4도는 공급된 연료 가스량과 화염 트랩의 전체 개구율율 나타낸 그래프이다. 또, 제5도는 각 셀의 개구 면적이 변할 때 공급되는 연료 가스량을 나타낸 그래프이다.

제4도에서 알 수 있는 바와 같이, 개구율을 증가시키면서 혼합물이 혼합실(33)로부터 연소실(32) 내로 공급되었을 때 곡선(a)으로 표시된 바와 같이 공기 과잉율은 개구율에 관계없이 일정한 반면에, 곡선(b)으로 표시된 바와 같이 공급된 연료 가스량은 개구율이 약 75% 일 때 급격히 증가되었다.

따라서, 상기로부터 그리고 고부하의 펄스 연소는 많은 연료 가스량을 필요로 한다는 사실로부터 화염 트랩의 개구율이 적어도 75% 로 설정되어야 한다는 것이 측정되었다.

상술한 결과에 따라서 화염 트랩의 개구율을 75% 와 90%로 설정하고 실험이 수행되었다. 제5도에 도시된 바와 같이, 개구율이 75% 로 설정된 경우에는 각 셀의 개구 면적이 2.8㎟ 를 초과했을 때 역화의 영향을 받아서 공급되는 연료 가스량이 감소되고, 개구율이 90%로 설정된 경우에는 각 셀의 개구 면적이 2.6㎟를 초과했을 때 공급되는 연료 가스가 감소되었다.

따라서, 상술한 실험 결과로부터, 화염 트랩의 개구율이 75% 이상인 경우에 (역화의 영향을 받지 않고) 미리 설정된 연료 가스량을 안정되게 공급하기 위해서는 화염 트랩에 형성된 각 셀의 개구 면적이 2.25㎟ 이하로 되어야 함이 측정되었다.

요약하자면, 고부하의 펄스 연소를 의해서 화염 트랩은 각 셀의 개구 면적이 2.25 ㎟ 이하이고, 개구율이 75% 이상이 되도록 설계되어야 한다.

그와 같은 구성된 펄스 연소기는 이하와 같이 작용한다.

먼저, 연료 가스가 가스관(35)을 통해서 가스 챔버(36) 내로 공급되어 균일하게 가압된다. 그와 같이 처리된 연료 가스는 노즐 스탠드(43)에 끼워 맞추어진 노즐 파이프(42)의 통기공(42a)을 통과하고 나서, 가스 분배기(45)의 통기공(45a)을 통해서 혼합실(33) 내로 공급된다. 이러한 작용시에, 혼합실(33)에서는 가스 분배기(45)의 통기공(45a)으로 인해 연료 가스가 여러 방향으로 유동된다.

한편, 공기가 송풍기(37)에 의해 급기 챔버(38) 내에 안내되며 급기 챔버(38) 내에서 균일하게 가압된다. 그와 같이 처리된 공기는 통기공(46)을 통해서 혼합실 몸체(28) 내로 공급된다. 혼합실 몸체(28) 내에 공급된 공기는 공기 플레이트(47)의 통기공(47a)을 통해서 혼합실(33) 내로 이동된다. 결과적으로, 혼합실(33) 내에서 공기와 연료 가스는 공기 연료 혼합물을 형성하도록 혼합된다. 공기연료 혼합물은 화염 트랩(1)을 통과한 후 공기 연료 혼합물 유입구(25)를 통해서 연소실(32) 내로 공급된다.

연소 초기에, 공기 연료 혼합물(32)은 연소실 내로 강제 공급되어 플러그(49)에 의해 강제 착화되어 폭발 연소된다. 그 후, 송풍기(37)가 정지되고, 그로 인해 생긴 부압이 혼합물을 자동적으로 흡입하도록 작용하고 배기열은 혼합물을 자동적으로 착화시키도록 한다. 흡입, 폭발 연소, 팽창 및 배기의 한 사이클은 1초당 80내지 100회 정도로 자동적으로 반복된다. 연소된 가스는 매 사이클마다 연소실(33)로부터 배출구(40)를 통해 배출된다.

본 실시예에서, 혼합실(33) 내에서 균일하게 가압된 다량의 공기 연료 혼합물은 상술한 바와 같이 혼합실(33)로부터 연소실(32) 내로 공급된다. 이러한 작용시에, 공기 연료 혼합물의 유동은 화염 트랩(1)에 균등하게 형성된 다수의 셀(5)을 통과할 때 정류된다.

한편, 역화가 연소실에서의 연소 가스에 의해 혼합실 쪽으로 일어난다. 역화를 일으키는 연소 가스는 단면적 2.25㎟ 인 화염 트랩(1)의 작은 셀(5)들을 통과하는 동안 혼합실(33) 쪽으로의 운동을 상실하고, 그 다음에 연소실(32) 내로 공급되는 공기 연료 혼합물의 양의 감소를 방지한다.

상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 플래임 트랩(1)에서 각 셀의 단면적이 작게 된다. 이러한 특징은 연소 중에 역화 발생을 확실히 방지해서, 펄스 연소기의 연소성(CO/CO₂비) 및 성능을 향상시킨다. 따라서, 펄스 연소기는 고부하 연소를 달성할 수 있다.

화염 트랩(1)에서, 각각의 셀은 단면적이 작아지고 개구율은 커진다. 따라서, 화염 트랩(1)은 소형화될 수 있으며, 그에 의해 펄스 연소기 또한 소형화될 수 있다.

스테인레스강의 화염 트랩은 충격 저항성이 높다. 따라서, 조립 시에 다른부품에 의해 충돌되어도 파손되지 않으며, 이에 의해 파손된 화염 트랩의 파면이 통기공을 폐색시켜 버리는 결점이 없어진다. 따라서, 펄스 연소기에 화염 트랩을 설치하는 작업과 관련된 문제가 해결되었다.

즉, 상기 설명이 본 발명의 양호한 실시예와 관련해서 설명되었지만 본 기술분야에 숙련된 자는 본 발명을 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경 또는 변형이 가능하다는 것은 명백히 이해할 것이다. 예를 들어, 단면이 정현파형인 화염트랩의 실(5)은 단면이 삼각형 또는 직사각형인 셀로 변형될 수 있다. 모든 그러한 변경 및 변형은 본 발명의 진정한 정신 및 범위에 포함된다.

펄스 연소기에 있어서, 공기와 연료 가스 혼합물이 공급되는 연소실로의 입구에 마련되는 화염 트랩은 스테인레스강과 같은 금속박의 제1 테이프와 제1 테이프의 한 면에 파상으로 접합된 동일한 재료의 제2 테이프를 포함하는 화염 트랩을 나선형으로 권취해서, 이들 사이에 셀을 형성시킴으로써 형성된다. 따라서, 화염 트랩의 각 셀의 개구 면적은 작아지고, 셀의 전체 개구율이 커진다. 이러한 특징은 펄스 연소기가 고부하 펄스 연소를 유효하게 달성할 수 있게 한다. 본 발명의 화염 트랩은 종래의 취성 화염 트랩과는 달리 금속박 재료로 제조되기 때문에 펄스연소기에 용이하게 부착될 수 있다. 이는 본 발명의 펄스 연소기의 생산성이 향상된다는 것을 의미한다.

한편, 화염 트랩의 각 셀의 단면적이 2.25㎟ 이하로 설정되고, 전체 개구율이 75% 이상으로 설정되어 펄스 연소기가 고부하 연소를 유효하게 달성할 수 있게 한다. 이러한 특징은 화염 트랩을 소형화할 수 있고, 그에 수반하여 펄스 연소기를 소영화할 수 있게 한다.

상술한 특징은 광범위한 상업적 용도의 잇점을 가지고 있음을 쉽게 이해할 것이다. 전술한 본 발명의 특징 형태는 단지 예로서 제시된 것이며, 본 기술 분야에 숙련된 자는 본 발명의 교시 내에서 어떠한 변영도 가능하다고 이해해야 한다.

따라서, 본 발명의 전체 범위를 결정하기 위해서는 이하의 청구 범위를 참조해야 한다.

Claims (3)

1. 공기와 연료 가스의 혼합물이 연소실로 공급되고, 펄스 연소를 겪게 되는 펄스 연소기옹 화염 트랩에 있어서, 제1 금속박 테이프와, 상기 제1 금속박 테이프의 한 면에 제1 및 제2 금속박 테이프들 사이에 셀들을 한정하도록 파상으로 접합되는 제2 금속박 테이프를 포함하고, 상기 제1 및 제2 금속박들은 나선형으로 권취되는 것을 특징으로 하는 화염 트랩.
2. 제1항에 있어서, 상기 화염 트랩의 각 셀은 개구 면적이 2.25㎟ 이하이고, 상기 화염 트랩의 전체 개구율이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 화염 트랩.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2금속박 테이프들은 스테인레스강 박을 포함하는 것을 특징으로 하는 화염 트랩.