KR100378851B1 - 열핵반응특성을 이용한 브라운가스 발열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브라운가스의 열핵반응특성을 이용한 발열장치에 관한 것으로서, 브라운가스발생기(1)에서 발생하는 브라운가스를 수봉식 역화방지기(3)내의 헥산(Hexane)용액을 통과시킨 후 발열부(8) 하부에 위치한 브라운가스 버너(7)에서 연소시킬 수 있도록 구성하고, 중공형태의 발열부 몸체(11) 내부에는 발열체(14)(17)를 다단으로 설치하고, 각단에 위치하는 발열부 몸체(11)에는 통기공(19)과 배기용 간극(20)를 설치하고, 상부에는 뚜껑(18)으로 덮개를 구성하여 브라운가스 화염(21)(22)에 의해 하단의 발열체(14)를 가열함으로서 브라운가스의 열핵반응특성에 의해 발열체가 점점 벌겋게 가열되면서 일어나는 고온의 화염(23)에 의해 상단의 발열체(17)가 연쇄적으로 가열되면서 발열체(14)(17) 전체가 벌겋게 달아올라 막대한 열을 발산하게 하는 브라운가스의 열핵반응 특성을 이용한 발열장치이다.

이와 같은 본 발명은 브라운가스 보일러, 난로, 가열로 및 온풍기 등의 열원으로 사용하기에 아주 유용한 발명일 뿐 아니라 환경공해를 유발하지 않는 청정 에너지를 창출해 냄으로써 환경보존에 기여할 수 있는 혁신적인 연소기술이다.

Description

열핵반응특성을 이용한 브라운가스 발열장치{Heating apparatus using thermonuclear reaction of Brown gas}

본 발명은 브라운가스의 열핵반응 특성을 이용한 발열장치에 관한 것으로, 종전의 화석연료 대신에 청정연료인 브라운가스를 연료로 사용하는 발열장치에 관한 것이다.

브라운가스란 물의 전기분해 방식에 의해 생산되는 수소와 산소가 2 : 1의 혼합비로 혼합된 혼합가스를 말하며 브라운가스만의 4대특성 즉 ①완전무공해 특성, ②완전연소특성, ③임플로젼(Implosion)특성, ④열핵반응특성 등을 가지고 있는 아주 이상적인 연료로서 새시대 청정연료로 각광을 받고 있다.

이와같이 브라운가스는 수소와 산소가 화학당량비 2 : 1 의 완전연소 조건을 갖추고 있으므로 종래의 연소방법처럼 산소 공급을 위한 별도의 공기 공급장치와 굴뚝이 필요없다.

브라운가스를 난방에 사용하는경우, 특별히 환기를 하기 않아도 되므로 에너지 절약 효과가 크고, 브라운가스는 연소 후 수증기 상태로 환원함으로 가습효과도 있어 쾌적한 난방을 할 수 있다.

그러나 종전에는 브라운가스를 연소시키는 마땅한 방법을 찾지 못하여 경제성을 확보할 수 없었으므로 브라운가스를 연료로 사용하지 못한 것이 사실이다.

그 이유는 첫째, 브라운가스는 연소속도가 빠른 기체이므로 후레쉬 백(Flash-back)또는 백 파이어(Back-fire) 현상이 일어날 가능성이 많다.

이러한 역화현상은 수봉식 역화방지 장치에 의해 차단할 수는 있지만 역화가 일어날때마다 버너의 불이 꺼져버리므로 결국 역화문제를 근본적으로 해결하지 않고는 브라운가스를 연료로 사용하기 곤란하다.

둘째, 종전에는 물을 전기분해하여 나오는 가스를 수소가스라 하였고 수소가스를 기존의 보일러 등의 연소실에서 기존의 방식으로 공기를 불어넣어 연소시켜 보아도 필요한 열을 얻지 못하였으므로 전기분해 역사 170년 동안 아무도 성공 할 수 없었다. 이것은 브라운가스의 특성을 잘 몰랐기 때문에 당연히 그럴 수 밖에 없었던 것이다.

이와같이 브라운가스를 연소시키기 위해서는 종전의 방법과는 달리 새로운 방법을 강구하지 않으면 안되는데, 본 발명은 브라운가스의 특성을 인식하여 브라운가스만의 특성이 적용되는 새로운 연소방법에 의한 발열장치를 제안하기 위한 것이다.

이를 구체적으로 설명하기 위해 브라운가스의 4대 특성과 브라운가스의 안전성에 대해 설명하면 다음과 같다.

1. 브라운가스의 4대 특성

1) 완전 무공해특성 : 브라운가스는 물에서 생성되어 연소 후 수증기 상태로 환원하므로 공해물질을 유발하지 않는다.

2) 완전연소특성 : 브라운가스는 화학당량비 수소 2대 산소 1의 혼합비율로 혼합된 혼합가스이므로 완전연소에 필요한 알맞은 산소를 자체 함유하고 있다.

3) 열핵반응특성 : 브라운가스는 물을 원자상의 수소와 산소로 해리시켜 그것을 수소와 산소로 분리하지 않고 혼합된 상태로 유지한 가스이다. 브라운가스를 연소시킬 때의 불꽃은 원자와 분자상태의 수소와 산소가 반응하는 독특한 성격을 가지고 있다. 수소와 산소에 의해 열핵반응하여 가열되는 물질은 공기중에서 가스가 홀로 연소할 때의 불꽃보다 훨신 뜨거운 불꽃에 의해 가열되는 결과가 된다. 브라운가스는 700。C로 알루미늄을 잘 녹일 수 있는가 하면 텅스텐의 경우는 6000。C의 열을 내면서 대상물질을 기화시켜 버린다. 이와 같이 가열 대상물질에 따라 상이한 열핵반응 특성을 가지고 있는 브라운가스는 벽돌과 철을 그대로 용융시켜서 용접할 수 있다.

4)임플로젼(Implosion)특성 : 브라운가스발생기는 1ℓ의 물로 약 1860ℓ의 브라운가스를 생산한다. 반대로 1860ℓ의 브라운가스를 밀폐된 압력용기내에서 스파크에 의해 연소시켜보면 폭발지속시간 백만분의 44초 동안에 압력 최고치 0.5MPa에 이르자마자 즉시 압력강하를 일으키는 순간 저압의 내폭과 동시에 1860분의 1로 체적감소가 일어나면서 진공도를 형성시킨다. 즉, 다시 물 1ℓ가 생성되고 나머지 체적은 진공상태가 된다. 이것은 폭발(explosion)과는 전혀 다른 개념인 응폭 또는 내파(Implosion)라고 설명된다.

브라운가스를 연소시킬 때의 불꽃은 임플로젼이 연속되고 있는 과정이라할 수 있으며, 따라서 불꽃이 파열되지 않고 직진하면서 핀포인트 화염을 이루는 형상을 보이며 불꽃의 길이는 400mm에 이르기도 한다.

2. 브라운 가스의 안전성 검토

브라운가스를 연료로 사용하기 위해서는 무엇보다 안전하지 않으면 안된다. 다음에 브라운가스가 안전한 이유를 설명하면,

첫째, 브라운가스발생기는 스위치를 넣자마자 가스를 생산하기 시작하고 Pressure Control Loop System에 의해 1㎏/㎠ 이하에서만 운전하므로 브라운가스의 사용압력은 최대 1㎏/㎠에 불과하다.

다시 말하면 가스를 압축하여 저장하지 않고 발생하자마자 써버리므로 안전할 수 밖에 없다.

둘째, 브라운가스는 공기보다 가벼우므로 가스가 누설되더라도 실내에 잠재하여 있지 않고 쉽게 사라져 버린다. 따라서, LPG처럼 폭발사고가 없다.

셋째, 종전에는 수소와 산소를 2:1의 비율로 혼합하여 연소시킬 때 격렬한 반응을 하면서 폭발하므로 대단히 위험하다고 하였다. 그러나 브라운가스는 임플로젼특성에 의해 절대 안전하다. 만약 연소실의 버너쪽으로부터 화염이 역진하여 역화현상이 발생하였다 하더라도 브라운가스를 공급하는 배관, 또는 탱크 등 일부공간에 차있는 브라운가스가 한꺼번에 연소하면서 펑소리를 내지만 임플로젼에 의한 내부충격파가 일어나면서 불이 꺼져 버린다. 따라서 기존의 LPG와 아세틸렌 가스처럼 화재가 발생하지 않으므로 그대로 다시 착화하여 사용하면 되는 것이다.

우리는 가스라하면 폭발사고를 연상하지만 상기와 같이 브라운가스는 이론과 실제에 의해 절대 안전하다는 것이 증명되었으므로 안심하고 사용하여도 좋다.

따라서 본 발명은 상기의 여러가지 사정을 감안하여 안출한 것으로서, 브라운가스발생기에서 발생하는 브라운가스를 수봉식 역화방지기 내의 역화방지 용액으로 탄화수소계의 헥산(Hexane)(C₆H₁₄)을 사용하여 연소속도를 지연시킴으로써 근본적으로 역화가 일어나지 않게 하고, 브라운가스 연소장치로서 중공형태의 발열부 몸체 내부에 발열체를 다단으로 설치하고, 각단에 위치하는 발열부 몸체에는 통기공과 배기용 간극이 배치되어 있고 상부에는 뚜껑으로 덮개를 구성하여, 브라운가스의 화염에 의해 먼저 하단에 위치한 발열체를 직접가열 함으로써 브라운가스의 열핵반응특성에 의해 점점 벌겋게 가열되면서 일어나는 고온의 화염에 의해 상단의 발열체 역시 연쇄적으로 벌겋게 가열되면서 발열부 전체가 벌겋게 달아올라 결국 막대한 열을 방출하게 된다.

이를 좀더 상세히 설명하면 브라운가스의 불꽃은 그 자체가 임플로젼이 연속되고 있는 상태이므로 자연스럽게 핀포인트 화염을 이루면서 열이 한곳으로 집중되고 있기 때문에 불꽃이 퍼지지 않고 측열이 거의 없다.

따라서 브라운가스를 화염상태로 사용하지 않고 발열체를 직접가열 함으로서 열핵반응을 유도하여 막대한 열을 만들어 내기 위한 것이다.

이때 사용하는 발열체로는 1300。C이상의 고온에 견딜 수 있는 니켈크롬합금, 알미늄크롬합금 또는 알루미나 세라믹 등을 플랫 바(Flat bar), 니크롬선, 세라믹 원통, 세라믹 볼 형태로 사용한다.

본 발명은 역화방지 수단으로 수봉식 역화방지기를 채택하였고, 역화방지액으로 헥산(Hexane)(C₆H₁₄)용액을 사용하여 소량의 헥산이 증기 형태로 브라운가스에 혼입되게 한다.

이때 헥산은 화염의 연소속도를 늦춰주는 역할을 하므로 후레쉬 백 또는 백 파이어를 확실하게 방지하는 효과를 얻게된다.

또한 소모된 헥산은 브라운가스와 함께 연소되면서 열량을 보충하여 주므로 역화방지 효과에 아울러 아주 유용하게 사용된다.

그러나 탄화수소계의 하나인 헥산은 브라운가스 버너에서 일부 타지않는 부분이 있다. 이것은 브라운가스를 구성하는 산소는 자체 연소에 의해 소모되고 남는 산소가 없기 때문에 증기 상태로 혼입된 헥산은 공기중의 산소에 의해 연소되어야 하기 때문이다.

따라서 본 발명은 발열부를 수직으로 설치하여 하부로부터 공기가 자연스럽게 유입되도록하여 상부로 흐르게 하였고 이렇게하여 만약 일부 불완전연소된 헥산이 남아있다면 고온의 발열부 내부에서 완전연소 되도록 하였다.

따라서 본 발명은 헥산을 사용하여 안정적으로 브라운가스를 연소시키고 브라운가스만의 특성이 적용되는 발열부를 형성하여 소량의 브라운가스만으로도 막대한 열은 발산시킴으로서 본 장치를 난로 등의 난방장치로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 보일러, 가열로, 소각로, 온풍기등의 열원으로 사용할 수 있도록 하였다.

도1은 본 발명의 개략적인 구성도.

도2는 본 발명의 발열부를 도시한 사시도.

도3은 본 발명의 발열부를 도시한 단면도.

도4는 본 발명의 발열부의 상부를 상세하게 도시한 사시도.

*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 브라운가스발생기 2 : 개폐밸브

3 : 수봉식 역화방지기 4 : 가스침지관

5 : 가스공급관 6 : 개폐밸브

7 : 버너 8 : 발열부

9 : 기대 10 : 지지대

11 : 발열부 몸체 13 : 선반

14 : 발열체 15 : 턱받이

16 : 선반 17 : 발열체

18 : 뚜껑 19 : 통기공

20 : 배기용 간극 21, 22, 23, 24 : 브라운가스 화염

이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도1은 본 발명의 브라운가스 발열부와 브라운가스발생기를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도2는 본 발명의 발열부를 도시한 사시도이고, 도3은 본 발명의 발열부 내부구성을 도시한 단면도이며, 도4는 본 발명의 발열부의 상부를 상세하게 도시한 사시도이다.

도1 내지 도4에서 보여주는 본 발명의 일실시예에 따른 브라운가스 발생장치는 브라운가스발생기(1)에서 생산되는 브라운가스가 가스공급관(5) 상의 개폐밸브(2)의 조작에 의해 가스침지관(4)을 통해 수봉식 역화방지기(3)에 유입되고, 역화방지용액으로 사용하는 헥산 용액을 통과하여 가스공급관(5) 상의 개폐밸브(6)의 조작에 의해 브라운가스 발열부(8)로 공급된다.

이때 가스가 역화방지기(3)를 통과하는 동안 소량의 헥산이 증기상태로 브라운가스에 혼입되어 연소속도를 지연시키는 역할을 하여 역화 또는 후레쉬백 현상이 발생하지 않도록 한다.

브라운가스 발열부(8)의 구성은 내부에 버너(7)가 장착되어있고, 버너공(9a)이 구비된 기대(9)위에 설치된 중공형의 발열부 몸체(11)가 지지대(10)에 지지되어 있고, 발열부 몸체(11) 내부의 하단에는 플랫바(flat bar)로 구부려 만든 선반(13)을 설치하도록 발열부 몸체(11)의 내주면으로 턱받이(12)가 설치되며, 상기 선반(13) 위에 선형의 발열체(14)를 놓았다.

상단 역시 턱받이(15), 선반(16) 및 발열체(17)를 순서대로 설치하였다. 하단과 상단에 입설된 발열체(14)(17)의 다른 점은 하부 발열체(14)는 중심부에 구멍처럼 보이는 작은 형태의 공간을 형성하여 브라운가스의 화염(21)의 일부가 발열체(14)에 부딛히지 않고 직접 상단의 발열체(17)에 이르도록 하였다.

이와 같은 본 발명은 많은 열을 필요로 하는 보일러, 가열로 등의 발열부로 사용하는 경우 다단으로 설치하여 발열부위를 크게 사용할 수 있음은 물론이다.

또한, 발열부 몸체(11) 상부에 뚜껑(18)을 설치하여 덮개를 씌우되 뚜껑(18)의 하면에는 발열부 몸체(11)에 억지끼움으로 끼워지는 다리(18a)를 복수개 형성하여 몸체(11)와 뚜껑(18) 사이에 배기용 간극(20)을 둠으로써 배기공의 역할을 하도록 구성하였으며, 상기 다리(18a)를 몸체(11)에 끼워넣는 길이에 따라 배기용 간극(20)을 조절할 수 있게 된다.

또한 몸체(11)에는 등간격으로 통기공(19)을 두었고 몸체(11) 하부에는 지지대(10)를 설치하여 기대(9)와 간격을 유지하여 자연순환에 의한 공기가 유입되도록 구성하였다.

이와 같이 발열부 몸체(11) 내부로 유입되는 공기는 상승기류에 의해 몸체(11)속으로 유입되고 불완전 연소된 헥산을 태우기 위한 산소를 공급하는 역할을 하고, 브라운가스에 혼입되었던 모든 헥산은 고온의 발열체(14),(17)를 통과하면서 완전연소되어 극소량의 이산화탄소(CO₂)로 날아가 버리므로 아무런 공해 문제가 없다.

이와 같은 본 발명은 개폐밸브(6)를 열고 브라운가스 버너(7)에 착화하면 브라운가스 화염(21)이 길게 형성되고 화염이 하단에 입설된 선반(13)과 발열체(14)를 직접 가열할 때 브라운가스의 열핵반응특성에 의해 발열체(14)가 1000℃이상으로 벌겋게 달구어지면서 발열체(14) 상단에 고온의 화염(22)이 생성된다.

하단에서 발생한 화염(21)과 하단의 발열체(14)를 통과한 일부 브라운가스 화염(22)은 상단의 선반(15)과 발열체(17)을 달구게 되고, 하단에서와 같은 원리로 상단 전체가 역시 벌겋게 달아 오르게 되고 그 상부에 고온의 화염(23)이 일어나며 배기용 간극(20)에서는 또다른 화염(24)이 솟아 오른다. 이때 화염(24)은 푸른빛을 띄면서 아름다움을 연출한다.

이렇게 하여 발열부 몸체(11) 전체가 밝은 진홍색을 띄면서 막대한 열을 발산하게 되는 것이다.

<실시예>

본 발명을 실제로 적용하기 위해 본 발명자가 선출원한 "물가스를 사용한 바베큐장치" (영문명 " A barbecue apparatus using Brown gas", 특허출원번호 : 2000-0028444)의 발열부에 적합하도록 다음과 같이 제작하여 실시하였다.

브라운가스발생기(1)는 시간단 1200ℓ를 생산하는 모델 BS-1200을 준비하고 발열부(8)가 최대 시간당 1200ℓ를 소비할 수 있도록 발열부 몸체(11)의 크기를 직경 104mm, 높이 280mm로 제작하고, 선반(14)으로는 니켈크롬강으로 구성된 플랫바를 구부려 평면을 만들어 사용하고, 하단의 발열체(14)는 니크롬선을 휘어 감아 가운데 적은 공간이 형성되도록 만들어 4단으로 적층하였다.

상단 역시 동일방법으로 선반(16)을 설치하고 발열체(17)로는 니크롬선을 휘어감아 하단과 달리 가운데 공간이 없이 평면을 형성하도록 만들어 3단으로 적층하고 그 위에 알루미나 세라믹 볼을 다수개 올려 놓았다.

상기와 같이 본 발명에 의한 발열부를 제작하여 상기 "물가스를 사용한 바베큐장치"의 내부에 설치된 기존의 발열부와 교체하여 비교실험하였다. 개폐밸브(6)을 열고 브라운가스 버너(7) 끝에서 가스가 분출하는 것을 확인한 후 착화하여 브라운가스 화염(21)이 직접 발열부 하단의 선반(13)과 발열체(14)를 가열하기 시작하자 곧 바로 벌겋게 가열되면서 브라운가스의 열핵반응특성에 의해 하단의 발열체(14) 전체가 1000℃ 이상으로 가열되고 발열체(14) 상부에 고온의 화염이 생성되면서 이 화염은 하단의 발열체(14)를 통과한 일부 브라운가스 화염과 함께 상단의 선반(16)과 발열체(17)를 달구기 시작하고 같은 원리로 상부 발열체(17)도 1000℃이상으로 벌겋게 되면서 그 상부에 고온의 화염을 일으키며 최상부에 위치한 뚜껑(18)까지도 벌겋게 달구었다.

이때 뚜껑의 위치 간극을 조절하여 배기용 간극(20)이 적절하게 형성되도록 하였으므로 발열부 몸체(11)의 하부로부터 공기가 자연스럽게 유입되면서 공기중의 산소에 의해 극히 적은 양이나마 불완전 연소되었던 헥산은 발열부 내부에서 완전 연소되어 그을음 같은 물질이 생기지 않았다.

이때 외형상으로는 발열부 몸체(11)의 하단으로부터 벌겋게 달구어진 다음 상부로 올라면서 뚜껑까지도 벌겋게 달구어지는 것을 확인하였으며 몸체(11) 전체가 밝은 선홍색을 띄면서 빛을 발하고 배기용 간극(20)로부터 파란색을 띄는 또다른 불꽃(24)이 일어나 장관을 펼치면서 발열부는 우리가 목적하는 대로 막대한 열을 내뿜었다

이결과 상기 바베큐장치의 맥반석 예열시간은 12분에 불과하였으므로 기존의 발열부를 사용했을때보다 1/3로 단축할 수 있었다.

역화를 완전히 방지하기 위해 사용한 헥산의 소모량을 체크한 결과 브라운가스 1200ℓ를 사용할 때 헥산용액은 약 0.3ℓ가 소모되었음을 확인하였고 결과적으로 소량의 헥산을 사용하여 완벽하게 역화를 방지할 수 있었다.

이와 같은 본 발명은 안전하고 청정한 연료인 물을 이용하여 무공해 열에너지를 제공함으로써 물을 연료로 사용하기 위한 인류의 꿈을 실현할 수 있게 하였다.

물은 기름보다 2.5배 이상의 에너지가 있는 자원이므로 석유나 석탄 등을 태움으로써 나타나는 대기오염, 지구 온난화현상 등 각종의 문제점을 해결할 수 있는 대체 에너지로서 그 활용도가 매우 높은 것으로, 안전성이 확보된 브라운가스의 열핵반응특성을 응용하여 막대한 발열을 하게 함으로써 종전의 고정관념을 깨고 새로운 에너지를 다양한 장치에 이용할 수 있게 되었다.

본 발명자는 본 발명에 의한 발열장치를 브라운가스 연소장치에 적용한 그 실시예로서 이미 기술한 "물가스를 사용한 바베큐장치"에 적용하여 이미 상용화 하였으며, 누구나 바베큐장치 내의 맥반석 가열로 안에서 물이 타면서 불기둥이 일어나고 있는 신비한 현상을 직접 눈으로 확인할 수 있게 하였다.

본 발명에 의한 발열장치는 브라운가스를 연료로 사용하는 모든 응용상품의핵심기술로써 브라운가스 보일러, 난로, 가열로 및 온풍기 등의 열원으로 사용하기 위한 아주 유용한 발명일 뿐만 아니라 환경공해를 유발하지 않는 청정 에너지를 창출해 냄으로써 기술의 대혁신에 의한 인류 천년의 무공해 꿈을 실현하였다.

상기 설명에 있어서 본 발명에 대해 특정 실시예를 예로 들어서 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위 내에서 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 여러가지 형태로 변형 또는 변경 실시해도 본 발명의 개념에 포함되는 것은 물론이다.

Claims (4)

1. 브라운가스발생기(1)에서 생산되는 브라운가스가 역화방지기(3)의 헥산용액을 통과하여 소량의 헥산(C₆H₁₄)이 증기형태로 브라운가스에 혼입되도록 한 후 발열부(8)에 장착된 브라운가스 버너(7)에 공급되고, 버너(7)에서 형성된 브라운가스 화염(21)이 발열부 몸체(11) 내부에 착설한 발열체(14)(17)를 직접 가열하여 브라운가스에 의한 열핵반응을 유도하여 열을 만들어 내는 것을 특징으로 하는 브라운가스 발열장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 발열부(8)는 브라운가스 버너(7)가 장착된 기대(9)와, 상기 버너(7)의 상부에 수직방향으로 설치되며 상기 기대(9) 상면과 간격을 두어 공기가 유입되도록 하기 위한 복수개의 지지대(10)가 고정되는 중공형의 발열부 몸체(11)와, 몸체(11) 상부에 구비되는 뚜껑(18)으로 구성되며, 상기 몸체(11) 내주면에는 턱받이(12)(15)가 다단으로 형성되고, 그 위에는 발열체(14)(17)를 얹기 위한 선반(13)(16)이 설치되며, 상기 발열부 몸체(11)에는 다수개의 통기공(19)이 형성되고, 상기 뚜껑(18)은 몸체(11)와 배기용 간극(20)을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 브라운가스 발열장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 하단의 발열체(14)는 브라운가스의 화염의 일부가 통과하여 상단에 입설된 발열체(17)에 직접 이르도록 중앙부에 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 브라운가스 발열장치.
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