KR100466203B1 - 라디안트튜브 버너의 연소장치 - Google Patents

라디안트튜브 버너의 연소장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라디안트튜브 버너의 연소장치에 관한 것으로서, 주입되는 공기량을 검출할 수 있도록 오리피스가 설치되고 오리피스 전후단에 설치된 도압관을 통하여 전후 차압을 유량 검출부에서 공기량으로 환산하며, 검출된 공기량을 기준으로 공기량을 조절할 수 있도록 오리피스 후단에 공기조절밸브가 설치되어 라디안트튜브의 제1 직관부측으로 공기를 공급하도록 연결된 제1 공기공급배관; 선단부에 정류판이 설치되고 정류판에는 공기를 고속 분사할 수 있도록 다수의 홀이 설치되어 라디안트튜브의 제3 직관부 측으로 공기를 공급하도록 연결된 제2 공기공급배관; 및 제1,2 유량검출부와 제1,2 공기조절밸브에 전기적으로 연결되어 제2 유량검출부로부터 검출되어 인가된 공기량이 설정된 비율 만큼 제1,2 공기공급배관으로 나누어서 공급되어지도록 제2 공기조절밸브의 작동을 제어하는 중앙제어부를 포함한다.
따라서, 연소용 공기를 제1 공기공급배관과 제2 공기공급배관을 통하여 나누어서 공급하여 라디안트튜브의 제1 직관부와 제3 직관부에서 2단으로 연소시킴으로써 라디안트튜브의 부분별 온도를 균일화시켜 라디안트튜브의 수명을 연장시킨다.

Description

라디안트튜브 버너의 연소장치{Burning Device of Radiant Tube Burner}
본 발명은 라디안트튜브 버너로 간접 가열하는 연소장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 라디안트튜브 버너의 연소용 공기공급을 제어하는 공기공급배관을 설치하여 라디안트튜브의 전체 온도를 균일화하도록 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 라디안트튜브의 제3 직관부측에 공기공급배관을 연결하고 공기분사 부분에는 노즐을 설치하여 화염을 제3 직관부의 끝부분까지 이어질 수 있도록 함으로써 라디안트튜브 전체의 온도를 균일하게 하여 수명을 연장시키도록 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차, 가전제품 등에 사용되는 철판(strip)을 생산하는 연속소둔설비는 용도에 따라 원하는 강도와 결정 조직을 얻기위하여 일정온도로 소둔로에서 가열되어 진다.
도 1 내지 도 2를 참조하여 일반적인 라디안트튜브 버너의 연소장치 및 연소용 공기 공급 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 보조 버너인 파일롯트 버너(101)의 화염에 의하여 주버너(103)가 점화되어 연소되어지면 라디안트튜브(111)가 가열되어져 튜브의 복사열에 의하여 철판이 가열되어지게 된다.
소둔로에 공급되어지는 열원은 코크스 오븐 가스(이하, COG라 함)로 라디안트튜브 버너(103)에서 공기와 혼합되어 점화가 이루어짐으로 열원을 공급하게 되는데 COG는 공급배관(102)을 통하여 버너(103)의 선단부에 있는 노즐을 통하여 분사가 이루어지고 연소용 공기는 공기흡입팬(105)에서 흡입되어져 공급되는 공기량을 검출하는 오리피스(106) 전후단에서 발생된 압력이 도압관(107)을 통하여 유량 검출부(108)에서 유량이 검출되어지면 컨트롤밸브(109)에서 설정한 공기량이 공급되어지도록 컨트롤되어지면서 설정한 만큼의 공기가 공급되어진다.
이때, 공급되어지는 공기는 열교환기(110)에서 섭씨 350~400도로 간접 가열되어져 연락관(104)을 통하여 버너에 공급되어지면 버너의 선단부에 있는 노즐에서 분사되어진 COG와 혼합되어져 연소가 이루어지게 된다.
그런데, 현재의 연소방식은 공기를 버너에서만 분산 공급하기 때문에 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)에서의 국부 연소로 라디안트튜브(111) 전체의 온도가 균일하지 못하여 제1 직관부(201)의 국부가열 부분에서의 크랙(crack) 발생 및 파공 현상이 상당히 심하다. 이처럼, 국부 가열로 인한 라디안트튜브(111)의 교체 갯수도 한개소에 년간 50개 이상 교체가 이루어지고 있으며 교체 비용도 상당히 고가이어서 라디안트튜브 1개당 550만원으로 년간 2억 7천 5백만원의 손실을 감당하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 라디안트튜브 버너의 연소용 공기공급을 제어하는 공기공급배관을 설치하여 라디안트튜브 전체의 온도를 균일화하도록 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 라디안트튜브의 제3 직관부측에 공기공급배관을 연결하고, 공기분사 부분에는 노즐을 설치하여 화염을 제3 직관부의 끝부분까지 이어질 수 있도록 함으로써 라디안트튜브의 제1 직관부의 크랙 발생 및 파공 현상을 방지하여 라디안트튜브 전체의 온도를 균일하게 하여 수명을 연장시키도록 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소용 공기를 제1,2 공기공급배관을 통해 나누어서 공급하여 라디안트튜브의 제1 직관부 및 제3 직관부에서 2단으로 연소시킴으로써 라디안트튜브의 부분별 온도를 균일하게 유지시키도록 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치를 제공함을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 라디안트튜브 버너의 연소장치를 도시한 개략 구성도.
도 2는 종래 기술에 따른 라디안트튜브 버너의 연소용 공기공급방법을 설명하기 위해 도시한 상세도.
도 3은 본 발명의 라디안트튜브 버너의 연소장치를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 라디안트튜브 버너의 연소용 공기공급방법을 설명하기 위해 도시한 상세도.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 제1 공기공급배관의 오리피스 상세도.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 제2 공기공급배관의 정류판 상세도.
<도면의 주요부분의 부호의 설명>
104 : 제2 공기공급배관 105 : 공기흡입팬
106 : 공기량 조절밸브 107 : 열교환기
201 : 제1 직관부 204 : 제3 직관부
302 : 정류판 304 : 오리피스
307 : 공기조절밸브 401 : 지시부(CPU)
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 라디안트튜브 버너의 연소장치는, 주입되는 공기량을 검출할 수 있도록 오리피스가 설치되고 오리피스 전후단에 설치된 도압관을 통하여 전후 차압을 유량 검출부에서 공기량으로 환산하며, 검출된 공기량을 기준으로 공기량을 조절할 수 있도록 오리피스 후단에 공기조절밸브가 설치되어 라디안트튜브의 제1 직관부측으로 공기를 공급하도록 연결된 제1 공기공급배관; 선단부에 정류판이 설치되고 정류판에는 공기를 고속 분사할 수 있도록 다수의 홀이 설치되어 라디안트튜브의 제3 직관부 측으로 공기를 공급하도록 연결된 제2 공기공급배관; 및 제1,2 유량검출부와 제1,2 공기조절밸브에 전기적으로 연결되어 제2 유량검출부로부터 검출되어 인가된 공기량이 설정된 비율 만큼 제1,2 공기공급배관으로 나누어서 공급되어지도록 제2 공기조절밸브의 작동을 제어하는 중앙제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 오리피스는 조립시 고정시킬 수 있도록 체결용 홀을 구비하고, 분해와 조립이 가능하도록 체결용 홀을 구비한 플랜지로 연결 설치하며, 정류판은 분리가 가능하도록 조립시 플랜지로 연결 설치하고, 정류판(302)과 플랜지(303)는 조립이 가능하도록 체결용 홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 라디안트튜브 버너의 연소장치의 일실시예를 나타낸 것으로서, 이에 따른 연소장치의 구성 요소를 살펴보면 다음과 같다.
우선, 라디안트튜브 버너의 연소장치는 버너측으로 공급하는 제1 공기공급배관(104)이 설치되어 있고, 제1 공기공급배관(104)에는 오리피스(304)가 설치되어 있으며 조립시 오리피스(304)를 고정시킬 수 있도록 볼트, 너트 조임용 홀(304-1)이 설치되어 있다.
또한, 오리피스(304)의 분해, 조립이 가능하도록 플랜지(104-1)로 연결하게 되어 있으며, 플랜지(104-1)에는 홀(104-2)이 8개가 있으며 오리피스(304) 후단에는 공기공급 유량 컨트롤 밸브(307)가 설치되어 있다.
또한, 라디안트튜브의 제3 직관부(204) 측으로 공기를 공급하는 제2 공기공급배관(301)이 설치되어 있으며, 제2 공기공급배관(301)의 선단부에는 정류판(302)이 설치되어 있고, 정류판(302)의 분리가 가능하도록 플랜지(303)로 연결되어 있으며, 볼트 및 너트로 조립이 가능하도록 홀(303-1)이 8개 존재한다.
즉, 제1 공기공급배관(104)에는 공기량을 검출할 수 있는 오리피스(304) 및 검출부(306)가 있고 공기의 양을 조절할 수 있도록 자동 공기조절 컨트롤 밸브(307)가 설치되어 있으며, 제2 공기공급배관(301)에는 공기를 고속 분사할 수 있도록 정류판(302)이 설치되어 있고 정류판(302)에는 23개의 홀(302-2)이 있으며 분해조립이 가능하도록 플랜지(303)로 연결되어 있어서 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)와 제3 직관부(204)에서 각각 연소를 시킴으로 라디안트튜브(111)의 온도를 균일화시킬 수 있도록 한다.
이하 본 발명에 따라 도 3 내지 도 4를 참조하여 라디안트튜브 버너의 연소장치의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 파일롯트 버너(101)에 점화가 이루어지면 주버너(103)를 점화하게 되는데 이때 주버너(103)에 공급되어지는 연소용 공기는 연소용 공기 공급 팬(105)에 의해 대기 공기가 흡입되어지면 오리피스(106)에서 공기공급 유량이 검출되어 유량 컨트롤밸브(109)에서 설정된 공기량이 공급되어지도록 조정되어 공급되어지면 열교환기(110)에서 배기가스에 의해 약 섭씨 350~400도로 간접 가열되어져 공기공급배관(104)을 통하여 제1 공기공급배관(104)과 제2 공기공급배관(301)으로 각각 70% : 30%의 비율로 나누어져 공급되어지는데 먼저 메인 오리피스(106) 전후단에서 검출된 공기압력이 도압관(107)을 통하여 유량검출부(108)에 전달되어지면 유량검출부(108)에서는 오리피스(106) 전후단에서 검출된 차압을 검출하여 공기량으로 환산하고 중앙제어부(CPU;401)에 전달하게 되면 중앙제어부(401)에서 검출된공기량의 70%를 제1 공기공급배관(104)을 통하여 공급되어질 수 있도록 제1 공기공급배관(104)에 있는 컨트롤밸브(307)에 신호를 주게 된다. 이때, 제1 공기공급배관(104)을 통하여 공급되어지는 공기량은 제1 공기공급배관(104)에 설치된 오리피스(304)에서 검출하게 되는데 오리피스(304)의 내경은 직경을 60mm로 함이 바람직하다.
이때에도 오리피스(304) 전후단에 설치된 도압관(305)을 통하여 전후 차압을 유량검출부(306)에서 유량으로 환산하여 제1 공기공급배관(104)을 통하여 공급되어지는 공기량을 다시 중앙제어부(401)로 신호를 보내면 중앙제어부(401)는 운전실의 DCS 화면(402)에 작업자가 현재 공급 유량을 알 수 있도록 신호를 보내주게 된다.
이렇게 하여 제1 공기공급배관(104)에 70%의 공기가 공급되어지면 연료공급배관(102)을 통하여 공급되어지는 COG와 혼합되어져 주버너(103)의 점화가 라디안트튜브의 제1 직관부(201)에서 이루어진다.
이때부터 라디안트튜브(111)의 가열이 시작되어지는데 이때에는 연료 과잉 연소로 연소시 불완전 연소가 되어 제1 직관부(201)에서의 연소 온도가 낮아지고 불완전 연소로 인하여 제1 직관부(201)에서의 연소불꽃 길이가 길어지게 되어 연소불꽃이 제2 직관부(203)에 까지 미쳐 제1 직관부(201)에서의 고온부 형성을 방지하여 제1 직관부(201)와 제2 직관부(203)의 튜브의 온도가 균일하게 된다.
이때 불완전 연소된 연소가스는 라디안트튜브(111)의 제3 직관부(204)를 통과하면서 제2 공기공급배관(301)을 통하여 공급되어지는 공기와 혼합되어지면서 제3 직관부(204)에서 다시 연소를 하게 되는데 이때에 제2 공기공급배관(301)의 직경은 내경이 30mm로 배관 내부에는 공기를 고속으로 분사할 수 있도록 정류판(302)이 설치되어 있고 정류판(302)의 분리가 가능하도록 배관의 양측에 플랜지(303)를 설치하여 볼트, 너트로 조립이 될 수 있도록 설치되어 있으며 조립이 가능하도록 홀(302-1)이 8개소가 뚫려있다.
정류판(302)에는 공기를 고속으로 분사할 수 있도록 홀(302-2)이 23개소가 뚫려있는데 설치된 정류판(302)에서 공기가 고속 분사되어 제1 직관부(201)에서의 연소시 불완전 연소된 연소가스와 혼합되어져 제3 직관부(204)에서 완전 연소를 이루게 된다.
이렇게 연소된 연소가스는 배기가스 배출팬(113)에 의해 흡입되어져 제4 직관부(206)에 설치된 열교환기(110)를 지나 배기덕트(112)를 통하여 연돌(114)로 배출되어진다.
이에 의하여, 라디안트튜브(111)의 제3 직관부(204)에서 2차 연소가 이루어지게 함으로써 라디안트튜브(111)의 부분별 온도 분포를 균일하게 하여 라디안트튜브(111)가 냉각, 가열될 때에는 라디안트튜브(111)의 온도분포가 균일하여 튜브의 수축, 팽창도 균일하게 이루어지게되며, 라디안트튜브의 제1 직관부(201)에서 발생되는 부분적 크랙 발생 및 파공 현상을 방지하게 된다.
표(1)과 표(2)를 통한 실험 결과를 참조하여 개선되는 효과를 살펴보면, 표(1)은 종래의 라디안트튜브내에서의 제1 내지 제4 직관부의 온도 변화율을 나타낸 것이고, 표(2)는 본 발명의 라디안트튜브내에서의 제1 내지 제4 직관부의 온도 변화율을 나타낸 것이다.
표(1)
표(2)
현재 소둔로에는 449개의 라디안트튜브 버너가 설치되어 있는데 년간 교체실적은 약 50~60개 정도로 교체 비용만해도 3억원에 달한다.
그런데 대부분의 교체 사유가 라디안트튜브 온도가 가장높은 제1 직관부(201)의 크랙 및 파공으로 나타났으며, 다른 부분은 상태가 아주 양호한 편으로 나타났다.
즉, 종래에는 제1 공기공급배관(104)에 공기가 공급되어지면 연료공급배관(102)을 통하여 공급되어지는 COG와 혼합되어져 주버너(103)의 점화가 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)에서 이루어지게 된다. 따라서, 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)에서는 완전 연소가 일어나 연소량이 증가되어 고온부가 형성되고, 제2 직관부(203), 제3 직관부(204) 및 제4 직관부(206)쪽으로 갈수록 점차적으로 온도가 낮아지게 된다. 이에 따라 제1 직관부(201)에 크랙 및 파공이 발생되어 결과적으로 라디안트튜브(111) 전체를 교체해야 하는 사태가 발생되게 된다.
따라서, 본 발명에서는 연소용 공기를 제1 공기공급배관(104)과 제2 공기공급배관(301)을 통해 나누어서 공급하여 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)와 제3 직관부(204)에서 2단으로 연소를 시킴으로써 표(2)에서와 같이 라디안트튜브(111)의 제1,2,3,4 직관부(201,203,204,205)의 부분별 온도를 균일하게 유지시킬 수 있으며, 또한 제1,2,3,4 직관부(201,203,204,205)의 온도 분포를 균일하게 하여 라디안트튜브의 제1 직관부(201)에서 발생되는 크랙 및 파공 현상을 방지함으로써 라디안트튜브(111)의 수명을 연장시킨다.
본 발명에 대해 좀 더 구체적으로 설명하자면, 제1 공기공급배관(104)을 통해 연소용 공기를 공급하면 연료공급배관(102)을 통하여 공급되어지는 COG와 혼합되어져 주버너(103)의 점화가 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)에서 이루어지게 되고, 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)에서는 70%를 연소시킴으로써 제1 직관부(201)에서의 연소량을 감소시켜 라디안트튜브의 제1 직관부(201)의 고온부 형성을 방지하고, 제2 공기공급배관(301)을 통해 2차로 연소용 공기를 공급하여 라디안트튜브(111)의 제3 직관부(204)에서 다시 2차로 30%를 연소시킴으로써 라디안트튜브(111)에서의 2단 연소로 전체의 온도 분포를 균일하게 하여 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)의 크랙, 파공 현상을 방지하여 수명을 연장시키며 라디안트튜브(111)의 교체 비용, 정비 비용, 정비 시간 등을 크게 절감시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 첨부한 도면과 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 라디안트튜브의 제3 직관부측에 공기공급배관을 연결하고, 공기분사 부분에는 노즐을 설치하여 화염을 제3 직관부의 끝부분까지 이어질 수 있도록 함으로써 라디안트튜브의 제1 직관부에서의 연소량을 감소시켜 제1 직관부에서의 고온부 형성을 방지함으로 라디안트튜브의 제1 직관부에서의 크랙 발생 및 파공 현상을 방지하도록 한 효과가 있다.
아울러, 연소용 공기를 제1,2 공기공급배관을 통해 나누어서 공급하여 라디안트튜브의 제1 직관부 및 제3 직관부에서 2단으로 연소시킴으로써 라디안트튜브의 부분별 온도를 균일하게 유지시키도록 하여 라디안트튜브의 수명을 연장시키며, 라디안트튜브의 교체 비용, 정비 비용, 정비 시간 등을 크게 절감시킬 수 있는 뛰어난 효과를 얻는다.

Claims (4)

  1. 열교환기(110)에서 예열되어 공기공급배관(104)에 공급되는 예열 공기가 연료공급배관(102)을 통하여 주버너(103)로 공급되는 COG와 혼합되어 파일롯트버너(101)를 착화원으로 하여 주버너(103)가 점화되도록 하며, 주버너(103)의 점화에 의해 연소가 이루어져 라디안트튜브(111)가 가열되도록 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치에 있어서,
    주입되는 공기량을 검출할 수 있도록 오리피스(304)가 설치되고 상기 오리피스(304) 전후단에 설치된 도압관(305)을 통하여 전후 차압을 유량 검출부(306)에서 공기량으로 환산하며, 검출된 공기량을 기준으로 공기량을 조절할 수 있도록 상기 오리피스(304) 후단에 공기조절밸브(307)가 설치되어 라디안트튜브(111)의 제1 직관부(201)측으로 공기를 공급하도록 연결된 제1 공기공급배관(104);
    선단부에 정류판(302)이 설치되고 상기 정류판(302)에는 공기를 고속 분사할 수 있도록 다수의 홀(302-2)이 설치되어 라디안트튜브(111)의 제3 직관부(204) 측으로 공기를 공급하도록 연결된 제2 공기공급배관(301); 및
    제1,2 유량검출부(108,306)와 제1,2 공기조절밸브(109,307)에 전기적으로 연결되어 상기 제2 유량검출부(306)로부터 검출되어 인가된 공기량이 설정된 비율 만큼 상기 제1,2 공기공급배관(104,301)으로 나누어서 공급되어지도록 상기 제2 공기조절밸브(307)의 작동을 제어하는 중앙제어부(401)를 포함하는 것을 특징으로 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 오리피스(304)는 조립시 고정시킬 수 있도록 체결용 홀(304-1)을 구비하고, 분해와 조립이 가능하도록 플랜지(104-1)로 연결하며, 상기 플랜지(104-1)는 체결용 홀(104-2)을 구비하는 것을 특징으로 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 정류판(302)은 분리가 가능하도록 플랜지(303)로 연결 설치되고, 상기 정류판(302)과 상기 플랜지(303)는 조립이 가능하도록 체결용 홀(302-1,303-1)을 구비하는 것을 특징으로 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 설정된 비율은 상기 제1 공기공급배관(104)과 상기 제2 공기공급배관(301)이 70 : 30인 것을 특징으로 하는 라디안트튜브 버너의 연소장치.
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