KR100583818B1 - 단일 헤드형 자기 축열 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 재이용하는 자기축열식 버너에 관한 것으로 특히, 본체의 양단에 체결되어 연소용공기 및 배기가스를 유출입시키는 댐퍼부와 화력을 발생시키는 가스노즐과 점화봉, 배기가스의 온도를 축적시키는 축열체를 내장한 축열체몸체 등으로 구성되어 연소 배기가스를 일부 재연소시키고, 축열 연소기술에 의해 교번식으로 작동되게 연소시키며, 무 화염 연소를 통해 에너지 효율을 증대시키며 질소산화물의 생성량을 현저히 절감한 자기축열식 버너에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 자기 축열식 버너는 에너지 효율이 증가하면서도 NOx 저감이 이루어 질 수 있는 즉 고효율화와 환경문제에 모두에 장점이 있는 유용한 발명이다.

즉, 양방향 댐퍼를 통해 공기의 교번 공급이 가능하도록 하고, 수직방향으로 형성된 공기-배기가스 유동관과 수평방향으로 형성된 오리피스 판에 의해 연소배기가스 재순환 구조를 크게 형성시키며, 축열 연소기술에 의한 교번식 연소기를 작동하여 폐열을 회수하며, 버너에서 발하는 피크 온도를 떨어뜨려 무 화염 연소로 질소산화물의 발생을 억제한 유용한 발명이다.

또한 한 개의 몸체로 제작되어 작은 공간에서도 사용가능하며, 시스템 설치비용이 적게 소요되어 경제적인 잇점을 가져오는 유용한 발명이다.

축열식버너, 자기 축열식 버너 시스템, 하니콤형 축열연소 버너 시스템, 질소산화물

Description

단일 헤드형 자기 축열 버너{Self regenerative single head burner}

도 1은 종래의 축열연소시스템 중 트윈 축열식 버너 시스템을 도시한 시스템도,

도 2는 종래의 하니콤형 축열연소 버너 시스템을 도시한 사시도,

도 3은 본 발명의 자기축열식 버너에 있어서 버너헤드부 하단에 주화염이 발화하는 경우를 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 자기축열식 버너에 있어서 버너헤드부 상단에 주화염이 발화하는 경우를 도시한 단면도,

도 5는 도 4에 나타낸 버너 헤드부를 우측에서 바라본 우측면도

도 6은 본 발명의 점화봉을 수용한 가스노즐관의 단면을 도시한 요부단면도,

도 7은 본 발명의 가스노즐을 전면에서 도시한 정면도,

도 8은 본 발명의 가스노즐의 내부형상을 도시한 측단면도,

도 9는 본 발명의 축열체몸체부 전면에 삽입되는 버너타일의 단면을 도시한 측단면도,

도 10은 본 발명의 축열체몸체부 전면에 삽입되는 버너타일의 정면을 도시한 정면도,

도 11은 본 발명 버너타일의 수평방향 공기-배기가스 유동공에 체결되는 오 리피스판의 단면을 도시한 측단면도,

도 12는 본 발명의 축열체 몸체부의 정면, 측단면 및 배면을 도시한 부분도,

도 13은 본 발명의 본체와 그 결합된 축열체몸체 중앙관통관의 결합관계를 도시한 요부 구성도,

도 14는 본 발명의 축열체몸체 중앙관통관을 도시한 정면도와 측면도,

도 15는 본 발명의 본체와 그 구성요소인 격벽을 구분하여 도시한 요부 구성도,

도 16은 본 발명의 자기축열식 버너의 제2실시예 전체형상을 도시한 세부단면도,

도 17은 본 발명의 축열체몸체부에 구성되는 메쉬로 제작된 축열체 수용박스의 결합구조를 도시한 정면도,

도 18은 본 발명의 축열체몸체부에 구성되는 메쉬로 제작된 상부 축열체 수용박스를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>

10;댐퍼부 11; 플랜지부

12; 댐퍼 13; 투웨이댐퍼

15; 회전개폐구 20; 가스노즐관

21; 가스유입구 22; 점화봉

23; 화염검지기 24; 파일롯가스 유입구

25; 가스노즐 26; 파일롯공기 1차 유입구

27; 파일롯공기 2차 유입구 28; 파일롯가스 유동관

30; 파일롯공기 노즐관 40; 축열체몸체부

41; 축열체쳄버 50; 오리피스판

55; 공기-배기가스 유동공 53; 버너타일

60; 본체 61; 플랜지

62; 공기-배기가스 유동관 63; 격벽

본 발명은 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 재이용하는 자기 축열식 버너(Self regenerative burner)에 관한 것으로 특히, 본체의 양단에 체결되어 연소용공기 및 배기가스를 유출입시키는 댐퍼부와 화력을 발생시키는 가스노즐과 점화봉, 배기가스의 온도를 축적시키는 축열체를 내장한 축열체몸체 등으로 구성되어 연소 배기가스를 재 순환시키고, 축열 연소기술에 의해 교번식으로 작동되게 연소시키며, 무 화염 연소를 통해 에너지 효율을 증대시키며 질소산화물의 생성량을 현저히 절감한 자기축열식 버너에 관한 것이다.

일반적으로 버너 등의 연소기들은 연료와 공기를 적당한 배합비로 공급하여 연소시키고, 그 연소시 발생되는 열에너지를 다른 매체물 들에 전달하여 녹이거나 온도변화를 시키고, 또한 전기나 운동에너지로 전환시키기 위하여 사용되는 장치이다.

이러한 연소기나 버너 등은 공업로 내에서의 연소반응, 전열특성의 최적화가 구현되어야 하고, 로 내에서 고효율을 위한 최적의 온도가 유지되도록 하여야 한다.

또한 연소기나 버너 등은 취급이 용이하고 안전하여야 하며, 작업환경이 사람에게 해롭지 않아야 할 뿐만 아니라, 배출되는 열, 기체, 유체 및 공해물 등이 최소가 되면서도 고효율을 유지할 수 있어야만 이상적인 버너이다.

다시 말해서, 연소기나 버너 등은 고효율을 추구하되 연소시 배출되는 NOx(질소산화물)의 량을 최소화하면서도 화염안정성을 획득하는 것이 버너 개발의 주요한 목적이며, 앞으로도 추구되어야할 과제인 것이다.

그런데 이것은 이상적인 과제로써 아직 완벽히 해결된 과제는 아니다.

즉, 종래에는 연소기의 연소시 배출되는 NOx(질소산화물)양이 과다하여 환경이나 인체에 해로운 위험한 수준이었다.

따라서 오래 전부터 저 NOx(질소산화물) 생성을 위한 연소기나 버너 등의 개발에 관한 많은 연구가 국내외에서 수행되어 왔는데, 주로 연구된 분야는 다단 연소법이나 농담(lean/rich) 연소법과 같은 비평형 연소법이었다.

또한 연소 배기가스를 내부 순환 방식 또는 외부 순환 방식으로 재순환 시켜 화염 최대 온도를 낮춤으로써 NOx를 저감하는 배가스 재순환 연소방법이 있으며, 후처리 방법으로서 선택적 촉매 환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 및 비선택적 촉매 환원(SNCR,Selective Non-Catalytic Reduction) 장치를 이용하는 기술이 있다.

그밖에 연료분사의 단계적 공급에 의한 재연소(reburning)효과 이용기술, 표면/촉매 연소에 의한 온도 균일화 등 여러 시도가 있었으며, 현재에도 발달되고 있는 추세이다.

하지만 화염의 안정성 및 미연분 발생이 거의 없고 공업로 시스템 열효율이 높은 에너지 절약형 저 NOx(질소산화물) 연소기의 개발은 용이하지 않다.

왜냐하면 NOx를 저감시키기 위해 화염 온도를 낮추면 그에 따른 에너지 효율감소가 불가피하기 때문이다.

이하에서는 기존에 연구 개발된 NOx(질소산화물) 억제 방법 중 본 발명과 관련이 있는 1) 비평형 연소법과 2) 배기가스 재순환 연소방법을 순차적으로 설명한다.

1) 비평형 연소법

이 비평형 연소법은 다시 공기 2단 공급연소법과 Bias연소법이 있는데, 이들은 연소를 위한 공기의 공급비를 조절하여 NOx(질소산화물)의 생성을 억제한다는 점에서 동일하다.

즉, 연소에 따른 NOx(질소산화물)의 생성비를 살펴보면, 그 최고의 생성점이 되는 부분이 연료와 공기간의 일정한 혼합에 의해 연소효율성이 우수한 배합비율에서 발생된다.

다시말해 이 배합비율에서 가장 열효율도 높지만 NOx(질소산화물)의 생성량은 최고점에 달하여 이율배반적이라 하겠다.

따라서 이 비평형 연소법은 NOx(질소산화물)의 최대 생성을 위한 연료와 공기간의 배합비율을 벗어나게 공기를 공급하는 것이다.

보다 상세하게 설명하자면 공기 2단 공급연소법은 공기를 1, 2차 단계로 분할하여 공급하는 연소법이다.

1차 단계에서는 상기 NOx(질소산화물)의 생성량이 최고점에 달하는 공기의 혼합량에 비해 적은 량으로 공급하고, 2차 단계에서는 공기를 과량으로 공급하여 전체적으로 NOx(질소산화물) 생성 최고지점을 피하는 방법이다.

물론 1차 단계에서 공기를 과량공급하고, 2차 단계에서 공기를 소량 공급하는 방법으로도 동일한 목적을 달성할 수 있다.

이에 반하여 바이어스(Bias) 연소법은 저량의 공기비 영역과 높은 공기비 영역의 두 영역을 서로 이웃하도록 구현하는 방법이다.

즉, 2대의 버너에서 한쪽 버너는 저공기비로 연소하고 다른 하나는 고공기비로 연소하여 전체적으로는 적절한 공기비로 운전하는 형태와 한 대의 버너 노즐은 크게, 다른 쪽은 작게 분할하는 바이어스 팁(Bias tip) 등이 그 예이다.

결국 이 방법도 공기배분을 불균일하게 하여 NOx(질소산화물) 생성의 피크값을 피하는 것이다.

2) 배기가스 재순환법

이 배기가스 재순환법은 일단 연소된 연소가스를 재순환하여 다시 연소함 으로서 연소가스의 부피를 증가하고 화염의 온도를 낮추어, 생성되는 NOx를 억제하는 방법이다.

이때 배기가스를 재순환하는 경우는 배기가스를 연소용 공기에 순환시킬 수도 있지만 공급되는 연료중에 재순환시켜도 무방하다.

아무튼 이러한 배기가스 재순환 방법은 다시 외부식과 내부식이 있는데, 전자인 외부식은 연소되어 방출되는 배기가스의 일부를 투입연료나 연소용공기 배관에 혼합하여 연소기로 다시 공급하는 방식이다.

이에 반하여 후자인 내부식은 로내에서 배기가스를 재순환시키는 방식이다.

따라서 양자가 모두 배기가스를 다시 연소를 위한 공기로 재순환시키기에 연소를 위한 공기의 유입량을 떨어뜨린다.

물론 이는 화염온도를 떨어뜨리게 될 것이고 이에 따라 NOx(질소산화물)의 생성을 저감시키게 되는 것이다.

결국 1) 비평형 연소법 이나 2) 배기가스 재순환법은 연소시 필요한 공기의 유입량을 조절하여, NOx(질소산화물) 생성이 최대값이 되는 배합비를 피하는 것이다.

상기 서술된 NOx(질소산화물)발생을 억제시키는 방법은 어느 정도 해결방안이 나왔다고 볼 수 있으나, 이를 연소기나 버너 등에 적용했을때, 그 열효율의 향상은 어떻게 해결해야만 하는가는 여전히 과제로 남는 것이다.

이에 상기 배기가스 재순환법을 버너 등에 적용하여 질소산화물의 억제 효과를 동시에 얻는 방법이 모색되고 있다.

즉, 화염으로 생성되는 고온 배기가스가 대기 중에 쓸모없이 배출되는 것을 방지하기 위해 재순환을 시키되, 배기가스의 열에너지를 축열기에 모아 다시 재사용하는 것이다.

축열기에 열에너지가 축적되어 고온을 유지하고 있는 버너에서는 설혹 산소농도가 낮은 분위기에서도 연소가 가능하기에 자연적으로 피크점을 피해 NOx(질소산화물) 발생을 억제시킬 수 있다.

또한 기존의 축열이 이루어지지 않는 공업로에서는 버너에서 화염을 발할 때 내부의 온도가 유독 높고 낮은 부분이 구획되어 있다.

즉, 온도가 높고 명확한 화염대가 국소적으로 일부 영역에서 존재한다는 것이다.

이에 반하여 축열되어 항상 고온의 상태를 유지하고 있는 버너에서는 화염을 발할때 온도가 전체적으로 높고 낮은 부분의 영역이 구획되지 않고, 화염이 길게 형성되며 화염온도가 어느정도 균일화를 이룬 상태로 연소된다.

이는 무화염이 되는 정도까지 확장되어 NOx(질소산화물) 발생도 억제시키며, 버려질 열에너지를 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.

그럼 여기서 전술된 것처럼, 배기가스 재순환법을 적용하여 버너에 축열시켜 재사용하는 형태의 종래 실시예(버너)를 보고, 그 문제점을 살펴본다.

첫째, 도 1에 도시된 것처럼 연소를 위한 버너 등의 연소기(A,B)가 좌우로 대향되게 설치된 트윈(Twin) 축열식 버너 시스템(200)이 있다.

즉, 대향된 2개의 연소기(A,B)에는 각각 별도의 축열기(C,D)가 구비되어 있 다.

따라서 한대의 연소기(A)가 화력을 발하며 고온의 배기가스를 방출하게 되면, 대향된 연소기(B)에 부착된 축열기(D)에 배기가스의 폐열 에너지가 축적되는 것이다.

이러한 상태를 약 20~80초간 유지하다가, 다음의 연소기(B)가 화력을 발하며 대향하는 다른 연소기(A)에 부착된 축열기(C)가 열을 축적하는 것이다.

즉, 교번적으로 작동하며, 일측이 화력을 발할 때 타측은 열에너지를 축적하는 방식으로 사용된다.

둘째, 도 2는 전술된 Twin 축열식 버너 시스템과 동일 목적을 위한 것으로, 연소기(E,F)가 좌우로 나란히 설치되어 화력을 발하고, 배기가스의 방출열을 축열기(G,H)로 축적하는 형태인 하니콤형 축열연소 시스템(300)을 도시한 것이다.

그런데 이러한 축열식 연소기의 경우, 2대의 연소기가 반드시 필요하여 그 제작비가 많이 발생한다.

특히 연소량이 적은 1000KW 미만의 연소기의 경우, 연소량에 비하여 시스템 적용비용이 지나치게 많이 발생하여 현실적인 적용이 어렵다.

또한 설치공간이 협소한 로에는 이와 같은 버너의 설치가 어렵다. 즉, 각각 2대의 버너를 갖는 트윈 축열식 버너 시스템이나 하니콤형 축열연소 시스템은 그 부피가 상당하여 공간적인 제약을 받는다.

상기한 문제점을 해결한 본 발명은 본체의 양단에 체결되어 연소용 공기 및 배기가스를 유출입시키는 댐퍼부와 화력을 전달하는 가스노즐과 점화봉, 배기가스의 온도를 축적시키는 축열체를 내장한 축열체몸체 등으로 구성되어 연소 배기가스의 일부를 연소기 내부에서 재순환시키고, 축열 연소기술에 의한 연소가 교번식으로 발생하도록 연소용공기와 배기가스의 출입 방향을 절환하여 연소시키며, 무 화염 연소를 통해 에너지 효율을 증대시키며 질소산화물의 생성량을 현저히 절감한 자기축열식 버너를 제공하는 것이다.

또한 본 발명에서 사용되는 배기가스를 유출입시키는 한 쌍의 댐퍼부를 플랜지부를 통해 상호 결합하는 댐퍼와 하단의 투웨이댐퍼와, 상기 투웨이댐퍼의 관통구를 교번적으로 개폐시키는 회전개폐구를 통해 달성하여 배기가스의 유출을 제어하며 축열시키는 자기축열식 버너를 제공하고자 한다.

본 발명은 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 재이용하는 자기축열식 버너란 점에서는 종래의 것과 유사하다.

그러나 버너 헤드부를 한대로 설치하되 상하 또는 좌우로 구획되어 교번적으로 작동하게 한다는 점, 축열체를 내장형과 외장형의 두 가지 실시예로 제공시킨다는 점 및 점화가 용이하며 교번적인 점화를 행함에도 파일롯불씨가 꺼지는 경우를 방지한다는 점에 특징이 있으며, 이를 달성하기 위한 하기의 구성들과 그들간의 상 관관계에 구성의 특이성이 있기에 도시된 도면과 함께 상세히 설명한다.

본 발명은 도 3과 4에 굵은 실선으로 블럭으로 나타낸 부분처럼, 본체(60)의 양단에 체결되어 연소용 공기와 배기가스를 유출입시키는 한쌍의 댐퍼부(10)를 특징으로 한다.

이 댐퍼부는 버너의 연소를 위한 공기를 제공하며, 연소된 배기가스를 배출시키는 역할을 한다.

즉, 이 블럭으로 표시된 댐퍼부는 상하부에 쌍으로 구성되는데, 플랜지부(11)를 통해 상호 결합하는 댐퍼(12)와 하단의 투웨이댐퍼(13)가 1조를 이루어 결합된다.

또한 상기 댐퍼(12)와 투웨이댐퍼(13)의 정중앙에 교번적으로 회동하며 양쪽 관통구(14)를 개폐시키는 단면 형상이 "ㄱ"자 모양인 회전개폐구(15)가 비치되어 상기 투웨이댐퍼의 내부 관통구로 흐르는 배기가스의 흐름을 교번적으로 교환시키는 것이다.

도 5는 도 4에 나타낸 버너 헤드부의 우측면도에 해당하는 것으로서 해당 도면에는 도 3이나 도 4에서는 도시되어 있지 않은 파일롯공기 1차 유입구(26)와 파일롯공기 2차 유입구(27)가 파일롯공기 노즐관(30)의 측면으로 결합되는 구성과 파일롯 공기 유입 방향 그리고 주가스 유입 방향이 표시되어 있다.

더불어 본 발명은 도 6 내지 도 8에 도시된 것처럼, 반경 방향으로 비스듬히 뻗어져 형성된 끝단부 가스노즐(25)은 가스노즐관(20) 본체의 다공부에 연결되고 가스노즐관의 외곽부로는 파일롯 공기가 흐르도록 하는 구성이며, 가스노즐관 내에 는 점화기와 화염검지기를 삽입할 수 있는 관통공을 마련하고, 정 중앙부에는 파일롯 가스가 흐르는 관통공을 마련하며, 상부와 하부에는 상단부 공기-배기가스 유동공(55)으로 공기가 유입되는 경우 A, B 유동공으로 주 가스 유동을 공급하고, 하단부 공기-배기가스 유동공(55)으로 공기가 유입되는 경우 C,D 유동공으로 주 가스를 공급하도록 유동공을 각기 마련한 것을 특징으로 한다.

가스노즐관으로 유입되는 가스는 주 가스유입구(21)로 유입되며, 공기-배기가스 유동공(55)으로 연소 공기와 배기 가스의 유동이 교번하여 형성됨에 따라, 이에 대응하여 상 방향과 하 방향으로 교번하여 공급되도록 구성한다. 또한 파이롯 가스는 파이롯 가스 유입구(24)를 통해 항상 공급된다.

즉, 도 6에 상세히 도시된 금속제의 가스노즐관 내부로 장형의 점화봉이 장착되며, 다른 관통공에는 화염검지기(23)가 삽입되며, 중앙부에는 파이롯 유동공(28)이 있고, 끝단에는 가스가 분출될 가스노즐(25)이 형성된다.

이 노즐은 도 7과 도 8에서 도시된 것처럼, 내부로 관통된 6개의 관통공을 가지는데, 실시예로 기재된 개수에 한정되지 않으며, 가스노즐관 본체의 다공부에 접속 결합된다.

또한 도 3과 도4에 도시된 것처럼 상기 파일롯공기 노즐관(30)의 끝단 외주면에는 외주면을 감싸는 구조로 선회기(swirler, X 표시된 부분)가 설치되어 도 5에 나타낸 바와 같이 측면에서 유입된 2차 파일롯공기를 선회시켜 배출시키게 된다.

또한 상기 가스노즐(25)과 파일롯공기 노즐관(30)의 내주면과의 결합은 도 7 에 나타낸 바와 같이 가스노즐(25)의 외곽면에 상하좌우로 돌출된 돌기를 통해 면접되기에 그 사이에는 공간부가 형성된다.

이 공간부는 도 5에 나타난 바와 같이 측면에서 유입되는 1차 파일롯 공기가 연소실로 분출되도록 기능하여, 노즐부의 냉각에도 이용되고, 잦은 교번작동을 통한 버너 선단부에서의 유동 교란에도 불구하고 파일롯불꽃이 꺼지지 않도록 하는 것이다.

또한 도 3, 도 4와 도 12에 도시된 것처럼, 상기 파일롯공기 노즐관(30)의 전면부 둘레로, 축열체가 내장되는 축열체쳄버(41)가 상하부로 구획된 축열체몸체부(40)가 구성된다.

즉, 상기 축열체쳄버(41)에는 다양한 형태로 축열체를 내장시킬 수가 있으나, 본 발명에서는 그 내부에 축열체를 내장한 축열블럭이 수용될 수 있도록 하여, 도 18에 나타낸 바와 같이 메쉬(mesh)로 제작된 상하 한쌍의 축열체 수용박스(47)를 비치하고 그 내부에 축열체를 수용시키는 방식이 바람직하다.

또한 상기 축열체쳄버(41)내에 위치하는 상부 축열체 수용박스와 하부 축열체 수용박스의 중간에는 도 17에 나타낸 바와 같이 상부와 하부를 격리시킬수 있도록 상하분할판을 형성시켜 공기 공급 유로와 배기가스 배출 유로를 차단시킨다.

물론 상기 축열체 쳄버에 삽입되는 축열체는 열을 축적시키는 돌의 형태나 알루미나 볼(Alumina Ball), 세라믹 허니콤(Ceramic Honeycomb)이 사용 가능하며, 중요한 점은 내부로 배기가스가 유통될 수 있도록 간격이 유지될 수 있는 것이면 된다.

또한 상기 축열체몸체부(40)의 전면에 삽입되며, 수평방향의 유동공과 수직방향의 유동공으로 이루어진 공기-배기가스 유동공(55)이 형성된 버너타일(56)과 그 배후에 볼트 체결된 오리피스판(50)이 있다.

버너타일(56)은 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이 수평방향의 관통공과 수직방향의 유동공이 마련되어 있는 바, 공기-배기가스 유동공(55)의 수직방향 유동공은 특히 배기가스를 배출하는 경우 연소실 내에서의 배기가스의 순환 유동 구조를 크게 형성시킬 수 있도록 안출된 것으로서 축열체쳄버를 지나온 공기 유동의 유속을 증대시키는 오리피스판과 어우러져 연소실 내부 유동의 재순환 구조를 크게 형성시키는 역할을 하게 되는 것이다.

유입된 공기는 오리피스판을 지나면서 유속이 100~200m/sec로 증대되어 노즐 중심축을 따르는 방향으로의 강한 흐름을 형성하게 되며, 연소후 연소 배가스가 버너타일의 공기-배기가스 유동공으로 빠져 나가게 된다. 이러한 유동 구조는 전반적으로 큰 재순환 구조를 나타내는 것으로서, 오리피스판에 의한 유속의 증대는 이러한 재순환 구조를 강화시키는 기능을 한다.

더불어 본 발명은 도 13 내지 도 15에 도시된 것처럼,상기 축열체몸체부(40)와 플랜지(61) 결합되며, 내부에 공기-배기가스 유동관(62)과 격벽(63)과 정 중앙을 관통한 축열체몸체 중앙관통관(P)들로 이루어진 본체(60)가 형성되어 전술된 댐퍼부(10)의 작동과 함께 배기가스를 유출입시키고 배기가스의 고열을 상기 상하 축열체에 교번적으로 축적시키는 작용을 돕는다.

그럼 여기서 본 발명의 자기축열식 버너가 작동되는 모습을 도 3과 도 4를 통해 상세히 살펴본다.

즉, 점화봉(22)의 외부에 위치한 가스노즐관(20)에는 그 주 가스유입구(21)를 통해 상하 또는 죄우 방향으로 항상 주 가스가 교번적으로 유입되고 있는 상태이다.

또한 가스노즐(25)의 전면에는 파이롯 가스 및 파이롯 공기에 의해 주공기 주가스의 절환에 상관없이 파일롯불씨가 항상 불꽃을 방출하고 있는데, 이때 도 3에서처럼, 공급되는 연소용 주 공기는 하단 댐퍼부(10)의 댐퍼(12)를 통해 유입되게 된다.

이때 도시된 회전개폐구(15)는 도면에서 보이는 우측을 폐쇄하고, 좌측을 개방하고 있기에 투웨이댐퍼(13)의 좌측방 관통구(14)로 유입이 가능하도록 한다.

본체(60)의 내부로 유입된 연소용 공기는 그 격벽(63)에 막히어 하단의 축열체쳄버(41)를 통과하여 버너타일(56)의 공기-배기가스 유동공(55)으로 분출되게 된다.

물론 이러한 연소용 공기의 흐름은 굵게 도시된 화살표로 상세히 도시되어 있다.

이렇게 분출된 연소용 공기는 노즐 출구에서 주 가스와 혼합된 후, 파일롯 공기와 파일롯 가스에 의한 파일롯화염을 점화원으로 하여 주 화염을 형성시킨다. 주 공기의 흐름과 주 가스가 분출되는 노즐의 형상으로 인하여 그림에 도시된 것처럼, 다소 하향된 화염을 발산하게 된다.

이때 버너 선단부에서의 온도는 고온으로 예열된 연소용 공기 및 파이롯 화 염에 의해 자동 점화 온도보다 높게 유지되어 무화염이 이루어지게 된다. 따라서 피크 온도가 감소되고 온도 분포가 매우 균일한 화염 형태가 이루어져 화염안정 조건이 필요 없는 안정된 저NOx 연소가 일어나는 나는 것이다.

한편, 상기 화염에 의해 발생되는 고온의 배기가스는 상부의 터진 공간 즉, 얇은 선으로 도시된 화살표의 방향을 타고 축열체쳄버(41)로 이동하게 된다.

상부에 구성된 버너타일(56)의 공기-배기가스 유동공(55)을 통과하고 축열체쳄버(41) 내부에 비치된 축열체에 열에너지를 전달하여 축적시키고, 본체(60)의 공기-배기가스 유동관(62)을 통과하여 댐퍼부(10)를 지나 배출되는 것이다.

즉, 도 3에 도시된 상부 댐퍼부(10)의 투웨이댐퍼(13)의 관통구(14) 중 좌측은 막힌 상태이기에, 우측의 관통구(14)를 통해 배출되는 것이다.

그후 상기 댐퍼부(10)의 회전개폐구(15)가 90도 회전하여 개폐의 방향이 전환됨으로써 버너는 교번적으로 작동하게 된다.

그 전환된 상태를 도시한 도면은 도 4에 도시되어 있는데, 상부 댐퍼부(10)는 우측을 폐쇄하고, 하부 댐퍼부(10)는 좌측을 폐쇄하는 것이다.

이 작용에 의해 연소용 공급공기는 다시 하부 댐퍼부(10)의 우측방 관통구(14)를 통해 유입된다.

물론 전술된 작동과 동일하게 연소용 공급공기는 본체의 공기-배기가스 유동관(62)을 통과하고 상부 축열체쳄버(41)를 지나 버너타일(56)의 전면부로 분출되어 상부로 치우친 화염을 발하는 것이다.

즉, 상기 연소용 공급공기는 도시된 굵은 화살표의 방향으로 분출된다.

또한 전술된 것과 동일한 작용에 의해 연소용 공급공기는 엷게 도시된 화살표의 방향을 따라 본체(60) 내부를 거쳐 댐퍼부(10)의 좌측 관통구(14)를 통과해 배출된다.

그럼 여기서 도시된 도면을 설명하여 본 발명의 구성간 결합관계와 그 부품들의 형태를 살펴본다.

즉, 도 12의 ⓐ는 축열체 몸체부(40)를 정면에서 바라본 상태를 도시한 도면이고, ⓑ는 그 측면을 단면하여 그 내부를 도시한 도면이며, ⓒ는 축열체 수용박스(47)가 삽입된 상태가 보이도록 배면에서 바라본 상태를 도시한 도면이다.

도 13은 본 발명의 요부인 본체와 축열체몸체 중앙관통관이 결합된 상태를 도시한 도면이며, 도 14의 ⓐ는 도 12의 결합도에서 축열체몸체 중앙관통관 만을 동일한 각도에서 바라본 상태를 도시한 것이며, ⓑ는 그 측면을 도시한 도면이다.

도 15의 ⓐ는 역시 상기 본 발명의 요부인 본체를 정면에서 바라본 상태를 도시한 도면이며, ⓑ는 본체를 측면에서 단면하여 도시하되, 도 13의 결합도와는 달리 축열체몸체 중앙관통관(P)이 제거된 상태를 도시한 도면이다.

또한 도 15의 ⓒ는 상기 본체에서 그 격벽(63) 만을 정면에서 바라본 상태를 도시한 도면이며, ⓓ는 상기 본체를 상부에서 바라본 평면도이다.

더불어 본 발명의 자기 축열식 버너(100)는 도시된 도 16에서처럼, 축열체를 빼내고 다시 장착하는 착탈형으로도 제작될 수 있다.

즉, 본 발명의 제 2실시예로, 전술된 제 1실시예와 같은 본체(160)의 양단에 체결되어 배기가스를 유출입시키는 한쌍의 댐퍼부(110)가 있고, 끝단에 사선으로 형성된 다공으로 관통되고 외곽부로 공기가 관통되는 파일롯공기 1차 유입구(126)와 파일롯공기 2차 유입구(127)가 마련된 가스노즐(125)이 구비된다. 하지만 축열체가 연소로 바깥에 위치하는 특성을 가진다. 따라서 축열체의 청소 및 교환이 용이한 구조이다.

또한 일측단에 형성된 주 가스유입구(121)와 파이롯가스 유입구(124), 가스노즐관(120)의 정중앙을 관통하는 점화봉(122)을 수용한 가스노즐관(120)과 상기 가스노즐관(120)을 감싸며 끝단에 공기를 배출시키는 싼 긴 관형의 파일롯공기 노즐관(130)이 구비된다.

주가스 유입구(121) 통해 상하 또는 죄우 방향으로 항상 주 가스가 교번적으로 유입되고 있는 상태이다.

또한 가스노즐(125)의 전면에는 파이롯 가스 및 파이롯 공기에 의해 주공기 주가스의 절환에 상관없이 파일롯불씨가 항상 불꽃을 방출하고 있다.

더불어 상기 파일롯공기 노즐관(130)의 전면부 둘레로, 축열체가 내장되는 축열체쳄버(141)가 구획되며, 상부에는 축열체가 투입되는 개폐 가능한 축열체투입구(148)와 하단에는 축열체를 빼내는 개폐 가능한 축열체배출구(149)를 가진 축열체몸체부(140)를 가진다.

이 축열체몸체부는 전술된 제 1실시예와 약간의 차이가 있는데, 축열체쳄버(141)가 구획된다는 것이며, 축열체몸체부(140) 상단에는 축열체를 갈아 끼울 수 있는 축열체투입구(148)가 비치되고, 하단에는 축열체배출구(149)가 비치된다.

또한 상기 축열체몸체부(140)의 전면에 삽입되며, 수평방향과 수직방향으로 공기-배기가스 유동공(155)이 형성된 버너타일(156)과 그 배후에 볼트 체결된 오리피스판(150)이 전술된 제 1실시예와 같이 구성되며, 상기 축열체몸체부(140)와 일체 되며, 내부에 공기-배기가스 유동관(162)과 격벽(163)과 정중앙을 관통한 축열체몸체 중앙관통관(P)들로 이루어진 본체(160)가 구성된다.

따라서 이 제 2실시예의 자기 축열식 버너도 댐퍼부(110)를 통해 연소용공기와 배기가스를 유출입시키고 점화되어 배출되는 배기가스의 고온 열에너지를 상기 상하 축열체에 교번적으로 축적시켜 연소용 공기를 예열시키는 것을 특징으로 하는 것에 있어서는 전술된 제 1실시예와 동일하며, 그 작용 및 연소용 공기와 배기가스가 흐르는 과정도 동일하다.

본 발명의 자기 축열식 버너에 있어서는 댐퍼의 절환주기를 짧게 하면 시스템 효율이 좋아지는데, 지나치게 절환주기를 짧게 하면 내구성이 감소하는 문제가 있다. 반면에 절환주기를 증가시키면 내열성 문제 및 열효율의 감소 때문에, 본 발명에서는 20~40초 정도로 절환주기를 설정한다.

그리고 본 발명의 자기 축열식 버너는 기존의 버너와는 달리 연료와 공기를 각각 따로 분리하여 예열된 연소용 공기를 로 내에 직접 분사함으로써 화염의 중심부로 강한 모멘텀이 작용하게 되고, 연료와 연소용 공기 사이의 강한 유동 전단 효과(flow shear effect)로 인하여 일반적으로는 주화염(base flame)의 소염 이 일어나기 쉬운 구조이나 고온으로 버너선단부에서 고온으로 예열된 분위기 온도로 인해 이러한 소염현상이 없는 무화염 연소가 이루어져 저NOx 연소가 안정되게 얻어지는 것이다.

또한 연소용 공기의 분사속도가 빠를수록 재순환되는 유동이 많아져, 연료와 동축공기의 분사 분포 폭이 좁아진다, 이는 재순환되는 유동이 연료와 동축 공기 부분으로의 유입이 증가되었기 때문이며, 화염면이 존재할 수 있는 부분으로 배기가스의 재순환 유동이 유입되고, 연소용 공기 분사 속도가 증가할수록 이 부분으로의 유입량이 증가된다.

이상에서 설명된 것처럼, 본 발명의 자기 축열식 버너는 에너지 효율이 증가하면서도 NOx 저감이 이루어 질 수 있는 즉 고 효율화와 환경문제에 모두에 장점이 있는 유용한 발명이다.

즉, 연소배기가스의 재순환을 크게 촉진한 자기 축열 연소 기술에 의해 교번식 연소기를 작동하여 폐열을 회수하며, 버너에서 발하는 피크 온도를 떨어트려 무 화염 연소로 질소산화물의 발생을 억제한 유용한 발명이다.

즉 통상의 축열시스템에서는 2대의 버너가 1조가 되어 사용되는데 비하여 본 발명의 자기 축열식 버너는 1대의 버너 헤드에 여러개의 노즐을 배치하여 연소 배기 가스의 배출 및 연소용 공기의 분출구를 교대로 사용함으로써 연소 배기 가스의 재순환 효과와 더불어 버너 내에서의 열교환이 이루어지는 고효율의 장치이다.

따라서, 무화염의 고온 공기 연소를 이루어 질소산화물의 배출도 적으며, 연료 절약을 실현할 수 있는 기술을 제공하는 것이며, 기존의 트윈 방식에 비하여 좁은 공간에서도 버너 1대에서 축열 연소가 가능해져 연소기 보급 환경을 매우 높였 고 특히 기존의 트윈식에 비하여 승온과정에서도 안정된 연소 특성을 보인다.

Claims (4)

1. 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 연소용 공급 공기의 예열에 이용하는 자기축열식 버너에 있어서,

   본체(60)의 양단에 체결되어 연소용 공기와 배기가스의 유출입을 제어하는 한쌍의 댐퍼부(10)와;

   끝단에 사선방향으로 뻗어서 관통 형성된 끝단부 가스노즐(25)은 가스노즐관(20) 본체에 관통된 다공부에 연결되고 가스노즐관의 외곽부로는 파일롯 공기가 흐르도록 하는 구성으로서, 가스노즐관 내에는 점화기와 화염검지기를 삽입할 수 있는 관통공을 마련하고, 정 중앙부에는 파일롯 가스가 흐르는 관통공을 마련하며, 가스노즐관(20)의 내부를 관통하여 삽입되는 점화봉(22)과 화염검지기(23)를 수용한 가스노즐관(20)과;

   상기 가스노즐관(20)을 감싸며 끝단에 공기를 배출시키는 긴 관형의 파일롯공기 노즐관(30)과;

   상기 파일롯공기 노즐관(30)의 전면부 둘레로, 축열체가 내장되는 축열체쳄버(41)가 상하부 또는 좌우부로 구획된 축열체몸체부(40)와;

   상기 축열체몸체부(40)의 전면에 삽입되며, 수평방향 유동공과 수직방향유동공으로 이루어진 공기-배기가스 유동공(55)이 형성된 버너타일(56)과 그 배후에 볼트 체결된 오리피스판(50)과;

   상기 축열체몸체부(40)와 플랜지(61) 결합되며, 내부에 공기-배기가스 유동관(62)과 격벽(63)과 정중앙을 관통한 축열체몸체 중앙관통관(P)들로 이루어진 본체(60)가; 서로 유기적으로 결합하여 댐퍼부(10)를 통해 연소용 공기와 배기가스를 유출입시키고 점화되어 배출되는 배기가스의 높은 열에너지를 상기 상하 또는 좌우 축열체에 교번적으로 축적시키는 것을 특징으로 하는 자기축열식 버너.
2. 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 연소용 공급 공기의 예열에 이용하고, 축열체가 연소로 바깥에 위치하여 축열체를 쉽게 교체할 수 있는 자기축열식 버너에 있어서,

   본체(160)의 양단에 체결되어 배기가스를 유출입시키는 한쌍의 댐퍼부(110)와;

   끝단에 사선방향으로 뻗어서 관통 형성된 끝단부 가스노즐(125)은 가스노즐관(120) 본체에 관통된 다공부에 연결되고 가스노즐관의 외곽부로는 파일롯 공기가 흐르도록 하는 구성으로서, 가스노즐관 내에는 점화기와 화염검지기를 삽입할 수 있는 관통공을 마련하고, 정 중앙부에는 파일롯 가스가 흐르는 관통공을 마련하며, 가스노즐관(120)의 내부를 관통하여 삽입되는 점화봉(122)과 화염검지기(123) 및 파이롯 가스 유동공(128)를 수용한 가스노즐관(120)과;

   상기 가스노즐관(120)을 감싸며 끝단에 공기를 배출시키는 싼 긴 관형의 파일롯공기 노즐관(130)과;

   상기 파일롯공기 노즐관(130)의 전면부 둘레로, 축열체가 내장되는 축열체쳄 버(141)가 구획되며, 상부에는 축열체가 투입되는 개폐 가능한 축열체투입구(148)와 하단에는 축열체를 빼내는 개폐 가능한 축열체배출구(149)를 가진 축열체몸체부(140)와;

   상기 축열체몸체부(140)의 전면에 삽입되며, 수평방향과 수직방향으로 공기-배기가스 유동공(155)이 형성된 버너타일(156)과 그 배후에 볼트 체결된 오리피스판(150)과;

   상기 축열체몸체부(140)와 일체되며, 내부에 공기-배기가스 유동관(162)과 격벽(163)과 정중앙을 관통한 축열체몸체 중앙관통관(P)들로 이루어진 본체(160)가; 서로 유기적으로 결합하여 댐퍼부(110)를 통해 연소용 공기와 배기가스를 유출입시키고 점화되어 배출되는 배기가스의 높은 열에너지를 상기 상하 또는 좌우 축열체에 교번적으로 축적시키는 것을 특징으로 하는 자기축열식 버너.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   배기가스를 유출입시키는 한 쌍의 댐퍼부(10)는,

   플랜지부(11)를 통해 상호 결합하는 댐퍼(12)와 하단의 투웨이댐퍼(13)와;

   상기 댐퍼(12)와 투웨이댐퍼(13)의 정중앙에 교번적으로 회동하며 양쪽 관통구(14)를 개폐시키는 회전개폐구(15)가; 서로 유기적으로 결합하여 배기가스를 유출입시키는 것을 특징으로 하는 자기축열식 버너.
4. 제 1항에 있어서,

   축열체가 내장되는 축열체쳄버(41)에는,

   그 내부에 내장한 축열블럭이 수용될 수 있게, 메쉬(mesh)로 제작된 상하 한 쌍의 축열체 수용박스(47)가 수용되어 열을 축적시키는 것을 특징으로 하는 자기축열식 버너.

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