KR100583819B1 - 자기 축열식 단일 라디안트 튜브 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 축열식 단일 라디안트 튜브 버너에 관한 것으로서 고온 배기 가스의 열에너지를 최대한 이용하기 위하여 튜브 내부에 열교환기를 설치하여 1차적으로 배기 가스의 열을 회수하고, 2차적으로는 외부에 세라믹 허니컴 등의 축열체를 넣은 2개의 축열기를 설치한 후, 열교환기의 양단에 2개의 평판식 4방향 절환용 댐퍼를 설치하고 작동시켜 배기가스의 열을 회수함으로써 고효율을 실현하고, 배기가스 재순환 방식의 무화염 연소를 통해 질소산화물의 생성량을 현저히 절감시키는 열교환기 내장형 축열식 단일 라디안트 튜브 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, 단일형 라디안트 튜브 내에서 연소 후 배기가스의 재순환이 가능하도록 하고, 열교환기 내장형 축열 연소 기술에 의해 폐열을 회수하여 배기가스를 매우 낮은 온도 까지 낮출 수 있어 고효율을 얻을 수있고 , 버너에서 발하는 피크 온도를 떨어트려 무 화염 연소로 질소산화물의 발생을 억제하는 유용한 발명이다.

또한 한 개의 본체로 제작되어 작은 공간에서도 사용가능하며, 적은 시스템 설치비용이 상대적으로 적은 컴팩트한 구조를 갖고 있기 때문에 적용하기가 용이하고 경제적인 발명이며, 각종 열처리로, 철강공정로, 화학반응로, 고온 연료전지 시스템 등에 사용할 경우 높은 열효율을 얻을 수 있어 에너지 절감에 크게 기여할 수 있는 발명이다.

축열식 버너, 라디안트 튜브, 하니콤형 축열연소 버너 시스템, 자기축열, 질소산화물, 열교환기, 무화염 연소, 열처리로 가열 시스템, 고온연료전지 가열시스템

Description

자기 축열식 단일 라디안트 튜브 버너{Self regenerative type single radiant tube burner}

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

도 2는 종래의 하니콤형 축열연소 버너 시스템을 도시한 사시도,

도 3은 종래의 라디언트 튜브형 축열버너 시스템을 도시한 사시도,

도 4는 본 발명의 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너 시스템을 도시한 측 단면도,

도 5는 도 4의 자기축열식 단일 튜브 버너를 우측방향에 바라본 일부 절개 단면도,

도 6은 도 4의 자기축열식 단일 튜브 버너의 노즐 출구부를 확대한 단면도,

도 7은 도 4의 자기축열식 단일 튜브 버너의 버너본체부를 확대한 단면도,

도 8은 연소용 공기 유량분할기의 정면도, 입면도, 좌측면도

도 9은 본 발명의 요부인 연통관과 회동밸브부간의 유기적인 결합관계를 도시한 요부 사시도,

도 10은 본 발명의 회동밸브부를 확대 도시한 확대 단면도,

도 11은 본 발명의 회동밸브의 모습을 도시한 측면도,

도 12는 본 발명의 요부인 저온측댐퍼부에 형성된 관통공을 통해 배기가스와 공기의 유출입을 도시한 개념도,

도 13은 본 발명의 요부인 고온측댐퍼부에 형성된 관통공을 통해 배기가스와 공기의 유출입을 도시한 개념도이다.

<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>

10; 축열체실 11; 축열체

12; 케이스 21; 저온측댐퍼부

22; 저온측공기공급관 23; 저온측배기가스배출관

24; 저온측연통관 25; 저온측하단댐퍼관

29; 관통공 31; 고온측댐퍼부

32; 고온측공기공급관 33; 고온측배기가스배출관

35; 고온측하단댐퍼관 39; 관통공

40; 버너본체 41; 급기-배기 차단관

42; 연소용공기유량분할기 43; 관통공

44; 거리조절기 50; 가스유입관

51; 가스노즐공 60; 점화봉

70; 연소공기공급관 71; 내측노즐관

80; 열교환기관 81; 외측노즐관

82; 내측 열교환기핀 83; 외측 열교환기핀

90; 튜브 100; 버너

112; 지지축 113; 날개

114; 스톱퍼

본 발명은 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축열시켜 사용하는 자기축열식 라디안트 튜브 버너에 관한 것으로 특히, 버너의 외부에 세라믹 허니컴 등의 축열체를 넣은 2개의 축열기기를 설치한 후, 열교환기의 양단에 2개의 평판식 4방향 절환용 댐퍼를 설치하고 작동시켜 고효율을 실현하고, 배기가스 재순환 방식의 무화염 연소를 통하여 질소산화물의 생성량을 현저히 절감시키는 자기축열식 단일 라디안트 튜브 버너에 관한 것이다.

본 발명의 버너 시스템은 배기가스의 온도를 아주 낮은 온도까지 떨어뜨릴 수 있고 아주 높은 예열공기 온도를 얻을 수 있으며, 특히 외부 열교환기의 양단에 설치된 4방향 절환용 댐퍼를 평판식으로 하여 컴팩트한 버너 구조가 가능한 것이다.

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

이러한 연소기나 버너 등은 공업로 내에서의 연소반응, 전열특성의 최적화를 구현하여야 하고, 로 내에서 최적의 온도를 이루도록 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 기 술이 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.

다시 말해 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 소량공급하는 방법으로도 동일한 목적을 달성할 수 있다.

이에 반하여 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 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 연소함으로서 연소가스의 부피를 증가하고 화염의 온도를 낮추어, 생성되는 NOx를 억제하는 방법이다.

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

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

이에 반하여 후자인 내부식은 로 내에서 배기가스를 재순환시키는 방식이다.

따라서 양자가 다 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 재사 용하는 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 화명대가 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 화명온도가 어느 정도 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 실시 예(버너)를 보고, 그 문제점을 살펴본다.

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

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

따라서 한대의 연소기(A)가 화력을 발하며 고온의 배기가스를 방출하게 되 면, 대향된 연소기(B)에 부착된 축열기(D)에 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 트윈 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 축열 연소 시스템(300)을 도시한 것이다.

셋째, 도 3도 전술된 버너 시스템과 동일 목적을 위한 것으로, 연소를 위한 버너 등의 연소기(A,B)를 라디언트 튜브의 양단에 대향되게 설치하되, 그 내부에 축열체를 내장하고 있는 라디언트 튜브형 축열 버너 시스템이다.

이 시스템에서는 한대의 연소기(A)가 화력을 발하며 고온의 배기가스를 방출하게 되면, 라디언트 튜브를 타고 밀려온 고온의 배기가스는 대향하는 연소기(B)에 내장된 축열기(D)에 그 열에너지를 축적한다.

이러한 상태를 일정시간 유지하다가, 다음의 연소기(B)가 화력을 발하면, 대향하는 다른 연소기(A)는 열에너지를 축적하는 것이다.

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

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

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

또한 설치공간이 협소한 연소로에는 버너의 설치가 어렵다.

더불어 2대로 설치되어야 하는 트윈 축열식 버너 시스템, 하니콤형 축열연소 시스템과 라디언트 튜브형 시스템은 그 부피가 상당하여 공간적인 제약을 받는다.

즉, 최대 버너의 크기, 댓수의 제한을 두게 되는 침탄로 등과 같은 열처리로나 화학 반응로에는 적용을 하기 힘들다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 라디안트 튜브의 내부에 열교환기핀을 설치하여 열에너지의 손실을 1차적으로 차단하고, 버너의 외부에도 별도의 축열기를 설치하여 열에너지의 이탈을 2차적으로 차단하여, 열효율을 증대시키며, 배기가스 재순환 방식의 무 화염 연소를 통해 질소산화물의 생성량을 현저히 절감시키는 자기축열식 단일 튜브 버너를 제공하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 축열체실의 전후에 공기-배기가스 절환장치와; 라디안트 튜브와 일체화된 버너본체와; 상기 버너 본체 내부에 수용되는 가스유입관, 점화봉, 연소공기공급관 및 연소된 공기의 공급량을 조절하는 연소용공기유량분활기와; 버너 내부에서 열교환을 하는 열교환기관, 열교환기핀으로 형성된 열교환기와; 버너 전면에 위치한 튜브로 구성되어 고온의 배기가스를 열교환하여 열에너지를 축적시키고, 배기가스절환장치를 통해 2차적으로 열에너지를 축적하는 축열체실을 내장한 컴팩트 축열버너를 제공하고자 하는 것이다.

또한 본 발명의 축열버너에 장착된 공기-배기가스 절환장치는, 최상단의 연소용 저온측공기공급관과 저온측배기가스배출관, 중단에 위치한 통 형상의 저온측연통관과 하단에 세로로 배치되는 쌍의 저온측하단댐퍼관과, 상기 저온측연통관 정 중앙에 위치하여 배기가스를 유출입시키는 회동밸브부로 구성된 저온측댐퍼부와; 2차로 열에너지를 축적하는 축열체실과; 최하단의 연소용 고온측공기공급관과 고온측배기가스배출관, 중단에 위치한 통 형상의 고온측연통관과 상단에 세로로 배치되는 쌍의 고온측하단댐퍼관과, 상기 고온측연통관 정 중앙에 위치하여 배기가스를 유출입시키는 회동밸브부로 구성된 고온측댐퍼부를 구성하여 공기와 배기가스의 유출입을 통제하는 본원 발명의 특징적 구성이다.

본 발명은 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온의 배기가스를 축적시켜 재사용하는 자기 축열식 버너란 점에서는 종래의 것과 유사하다.

그러나 공기 및 배기가스를 순환시키는 공기-배기가스 절환 장치와 열교환기 핀이 버너의 내부에 내장되어 열에너지를 축적 시키는 기술적 사항 및 이들 구성이 이루는 각각의 구성요소간의 상관관계에 구성의 곤란성이 있기에 도시된 도면과 함께 상세히 설명한다.

본 발명은 버너를 정면에서 바라 본 상태를 나타낸 도 4와 측면에서 바라 본 상태를 나타낸 도 5에 나타나 있는 것처럼, 2개의 축열체를 내장한 축열체실(10)을 가진 공기-배기가스 절환장치(30)가 형성되어 버너와 일체화 된다.

이때 상기 버너(100)는 공기-배기가스 절환장치(30)와 플랜지 결합되는 버너본체(40)가 가장 바깥쪽의 외곽부를 구성하고, 상기 버너본체(40)의 정 중앙에는, 끝단에 다수의 가스노즐공(51)이 형성된 가스유입관(50)이 구비되어 있다.

또한 상기 가스유입관(50)의 유입구측으로부터 사선으로 하향하며 길이 방향으로 삽입된 점화봉(60)이 점화장치가 된다.

가스유입관의 라디안트 튜브측 끝단에는 가스노즐공(51)이 마련되어 있어, 유입된 가스가 분출된다.

또한 도 4와 노즐 끝단부의 확대도를 나타낸 도 6 그리고 버너본체(40)쪽을 도시한 도 7에 나타나 있는 것처럼, 가스유입관의 외측에는 버너본체(40)에 결합된 연소공기공급관(70)이 둘러싸고 있으며, 연소공기공급관(70)의 라디안트튜브측 끝단에는 내측노즐관(71)이 설치되어 있다.

그리고 내측 노즐관(71)과 열교환기관(80)에 접합되어 있는 구성으로서 내측으로 단이 지어 연장된 외측노즐관(81)의 사이와, 내측노즐관(71)과 가스유입관(50)의 사이에는 도 6에 나타낸 바와 같이 선회기가 설치되어 있어, 유입 공기 유동이 선회 유동(Swirl Flow)되도록 할 수도 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이 급기통로를 통하여 유입된 연소공기는 연소용공기유량분할기(42)에 의하여 일부의 공기는 연소공기공급관(70)의 내측으로 유입되고, 일부의 공기는 연소공기공급관(70)의 외측으로 유입된다.

즉, 연소용공기유량분할기(42)는 도 8에 나타낸 것처럼 측면에 관통공(43)이 형성되어 있고, 연소용공기유량분할기(42)는 도 7에 나타나 있는 것처럼 버너본체 내에서 슬라이딩하는 구성으로 되어 있어, 거리조절기(44)에 의해서 수평방향으로 좌우 이동함에 따라서 관통공(43)이 버너본체(40)의 슬라이딩면에 의해 가려지는 부위를 제외한 관통공의 통과 면적만큼 연소용공기가 유입되도록 구성되어 있다.

즉, 거리조절기(44)를 좌측으로 움직여주면 관통공이 점차 개방되고, 우측으로 움직여주면 관통공이 점차 폐쇄되도록 구성되어 있다.

연소공기공급관(70)의 외측에는 다시 버너본체에 접합되어 있는 급기-배기차단관(41)이 둘러싸고 있으며, 급기-배기차단관(41)의 우측에는 열교환기관(80)이 접합되고, 열교환기관(80)의 라디언트 튜브측 끝단에는 외측노즐관(81)이 설치되어 있다.

열교환기관(80)과 연소공기공급관(70)의 사이에는 내측 열교환기핀(82)이, 열교환기관(80)과 버너본체 외곽튜브의 사이에는 외측 열교환기핀(83)이 위치한다.

가스노즐공(51)에서 분출된 가스는 내측노즐관과 외측노즐관으로부터 분출된 공기와 혼합되어 연소되어 화염을 형성하며, 도 4에서 보이듯이, 상기 외측노즐관(81)을 일부 감싸며 전진 배치된 튜브(90) 내에서 연소되도록 하는 것이다.

연소 후의 배기가스는 튜브(90)의 우측 끝단까지 밀려나갔다가 다시금 버너본체 외곽튜브의 우측 판벽에서 180도 방향을 선회하여 튜브(90)의 외측면과 버너본체 외곽튜브 내측면의 사이로 밀려나와 열교환기관(80)과 버너본체 외곽튜브 사이에 위치한 외측 열교환기핀(83)을 가열하게 된다.

가열된 외측 열교환기핀(83)은 고온의 열에너지를 내측 열교환기핀(82)으로 전달하게 되며, 결과적으로 연소용공기유량분할기(42)에 의해 일부 분기되어 연소공기공급관(70)과 열교환기관(80) 사이로 유입된 공기를 예열시키는 기능을 행하게 한다.

상기 내측 및 외측 열교환기핀은 본 발명의 요부로서 버너에서 화염이 발하면 도 4에 도시된 바와 같이 튜브(90)의 내부에서 발생된 배기가스가 튜브의 끝단에 도시된 화살표의 방향으로 회동하고, 외측 열교환기핀(83)을 지날 때 배기가스의 열에너지가 열전달에 의해 전달되어 내측 열교환기핀(82)을 따라 흐르는 연소용공기를 예열시키는 역할을 한다.

따라서 본 발명의 버너는 폐열의 활용도를 높여 폐열이 버너의 외부로 쓸모없이 빠져나가는 현상을 방지하고, 열효율을 극대화시키는 것이다.

이러한 본 발명은 상기 버너에서 1차적으로 배기가스의 열에너지를 열교환기핀에 의해 연소용 공급공기에 전달시키고, 추가로 외부에 장착된 축열체실(10)의 축열체(11)에 축적하여 폐열의 활용도를 높인다.

다음으로 폐열 에너지를 축열하기 위한 축열체실(10)과 그 축열체부에 저장된 배기가스의 열에너지를 다시 버너(100)로 공급하는 절환장치의 구성을 상세히 살펴본다.

도 4와 5에 도시된 것처럼, 상기 축열체실(10)를 가진 공기-배기가스 절환장치(30)는, 버너의 상단부에 위치하며 플랜지부를 가지며 가로로 배치되는 연소용 저온측공기공급관(22)과 저온측배기가스배출관(23)이 설치된다.

여기서 연소용 저온측공기공급관(22)은 항상 공기가 공급되는 공급구이며, 저온측배기가스배출관(23)은 항상 버너에서 빠져 나오는 배기가스가 배출되는 관이다.

또한 도 4내지 6에 도시된 것처럼, 중단에 위치한 통 형상의 저온측연통관(24)과, 상기 저온측연통관(24) 하단에 세로로 배치되는 한 쌍의 저온측하단댐퍼관(25)과, 상기 저온측연통관(24) 정 중앙에 위치하여 연소용 공기와 배기가스의 출입을 제어하는 회동밸브부(110)로 구성된 저온측댐퍼부(21)가 굵은 일점쇄선으로 표시한 영역에 배치된다.

한편 상기 저온측댐퍼부(21)의 하단에는 도 4와 5에 도시된 것처럼, 축열체실(10)이 일체화 되어 있다.

즉, 저온측하단댐퍼관(25)과 연통되며 쌍으로 구획된 축열체(11)와, 그를 감싼 케이스(12)로 형성되는 것이다.

또한 상기 축열체실(10)의 하단에는 굵은 일점쇄선으로 표시한 고온측댐퍼부(31)가 마련되는데, 그 구성은 상기 저온측댐퍼부(21)의 구성과 동일하다.

즉, 최하단에 위치하며 플랜지부를 가지며 가로로 배치되는 연소용 고온측공기공급관(32)과 고온측배기가스배출관(33), 중단에 위치한 통 형상의 고온측연통관(34)이 비치되고, 상기 고온측연통관(34) 상단에 세로로 배치되는 쌍의 고온측하단댐퍼관(35)이 일체화 되어 있다.

또한, 상기 고온측연통관(34)의 정 중앙에 위치하여 배기가스를 유출입시키는 회동밸브부(110)로 구성된 고온측댐퍼부(31)가 저온측댐퍼부(21)와 서로 유기적 으로 결합하여 공기와 배기가스의 유출입을 통제하는 것이다.

이때 이 공기와 배기가스의 유출입을 직접적으로 통제하는 구성이, 도 7과 8에 도시된 회동밸브부(110)이다.

상기 저온측, 고온측연통관(24,34)의 정 중앙에 위치한 회동밸브부(110)는, 에어실린더로 작동되는 밸브로서, 양단에 베어링(111)이 형성되며, 상기 베어링(111)에 삽입되는 지지축(112)에서 양 방향으로 뻗은 날개(113)로 형성되어 있다.

따라서 상기 저온측, 고온측연통관(24,34) 내부에서 에어실린더로 작동되는 날개(113)는 지지축(112)의 회동에 따라 좌우로 90도 간격으로 회동하며 일측의 고,저온측댐퍼부(31,21)를 개폐하는 것이다.

물론 이때 그 연동을 제어하는 스톱퍼(114)가 도6, 도9와 도10에서처럼 90도 간격으로 배치되어 그 작동을 돕는다.

그럼 여기서 전술된 구성들로 이루어진 본 발명의 자기축열식 단일 튜브 버너의 작용을 상세히 설명한다.

도 4와 5에 도시된 듯이, 버너(100)의 가스유입관(50)을 통해 가스가 공급되고, 점화봉(60)의 점화 스파크에 의해 버너(100)는 화염을 형성하게 된다.

이 화염은 연소하여 고온의 배기가스를 배출하게 되는데, 도시된 튜브(90)를 타고 이동한다.

따라서 도시된 화살표의 방향으로 돌아 버너의 본체(40)와 튜브(90)의 외주면을 따라 진행하다가 열교환기인 외측열교환기핀(83)과 열교환기관(80)을 지나며, 고온의 열을 연소용 공기에 전달시켜주게 된다.

그러나 배기가스의 모든 열에너지를 상기의 열교환기로 모두 활용할 수 있는 것은 아니다.

따라서 열교환기를 지나며 열에너지의 일부가 공기예열로 방출된 배기가스는 고온측댐퍼부(31)를 지난다.

즉, 고온측댐퍼부(31)의 고온측배기가스배출관(33)을 거치고, 고온측하단댐퍼관(35)을 지나 쌍의 축열체(11)로 이동하여 다시 한번 열에너지를 전도하게 된다.

물론 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 축열체(11)는 쌍으로 구비되어 고온측댐퍼부(31), 저온측댐퍼부(21)와 회동밸브부(110)의 작동에 의해 교번적으로 열을 축적하여, 버너(100) 내부로 공급되는 연소용 공기에 고온의 열을 전달하게 된다.

다음으로 본 발명의 고, 저온측댐퍼부(31,21)와 회동밸브부(110)가 연소용 공기를 버너(100)의 내부로 공급하고, 배기가스의 폐열을 이용하여 도 5에 도시된 한 쌍의 축열체(11) 내부에 열을 축적시키는 과정을 설명한다.

도 4와 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 저온측공기공급관(22)을 통해서 연소용 공기가 유입되면 도4 내지 6에 도시된 저온측연통관(24)을 지나게 된다.

이때 상기 저온측연통관(24)의 하판에는 도 9에 도시된 것처럼, 상판의 관통공(29)과 직각으로 교차된 관통공(29)을 가지고 있다.

여기서 도 9는 이러한 관통공(29)을 보다 상세히 설명하기 위해 각각 별도의 부호를 부쳤다.

즉, 각각 실선으로 도시한 관통공(29)을 ⓐ,ⓑ로 구분하고, 점선으로 도시한 관통공(29)을 ⓒ,ⓓ로 구분하여 도시하였다.

실질적으로 도 9의 ⓐ가 저온측공기공급관(22)과 맞닿은 저온측연통관(24)의 상부에 뚫린 구멍이고 ⓑ는 저온측배기가스배출관(23)과 맞닿은 저온측연통관(24)의 상부에 뚫린 구멍이다.

따라서 도 9의 ⓐ를 통과한 연소용 공급 공기는 회동밸브부(110)의 양 날개(113)의 구획에 따라 도 9의 ⓒ로만 밀려 들어가는 것이다.

ⓒ의 관통구로 들어온 연소용 공급 공기는 도 5의 좌측 축열체(11)를 지나며, 더욱 고온이 되어 고온측댐퍼부(31)로 이동한다.

이 고온측댐퍼부(31)도 전술된 저온측댐퍼부(21)와 같이 도 10에 도시된 것처럼, 교차되는 관통구(39)가 ⓔ,ⓕ,ⓖ,ⓗ로 형성되어 있다.

상기 ⓔ,ⓕ는 도 4와 5에 도시된 고온측하단댐퍼관(35)과 맞닿은 관통공(39)이며, ⓖ는 고온측공기공급관(32), ⓗ는 고온측배기가스배출관(33)과 맞닿은 관통공(39) 이다.

따라서 도 5에서 보이는, 상기 좌측의 축열체(11)를 지난 공기는 고온측하단댐퍼관(35)과 관통공 ⓔ를 지나며 고온측연통관(34)으로 밀려든다.

물론 밀려든 축열체에 의해 예열된 공기는 도 10의 실선으로 도시한 관통공(39) ⓖ를 통과하여 고온측공기공급관(32)을 타고 버너(100) 내부로 들어가 연소된다.

물론 버너(100)의 내부에서 화염을 발하고, 연소된 배기가스는 전술된 것처 럼 튜브(90)를 통과하여 배기될 때, 전술된 공기가 공급되는 관통공이 아닌 ⓗ,ⓕ,ⓓ,ⓑ의 순으로 배출되는 것이다.

즉, 버너의 내부로 공급되는 공기는 관통공 ⓐ→ⓒ→ⓔ→ⓖ를 순차로 관통하며 버너(100)의 내부로 투입되어 화염을 발하게 하고, 화염이 발하여 발생된 고온의 배기가스는 ⓗ→ⓕ를 거쳐 도 5의 좌측 축열체(11)에 고온의 열에너지를 축적시키고 관통공 ⓓ→ⓑ를 통과하며 배출되는 것이다.

그후 일정시간이 지난 후 본 발명의 고온측댐퍼부(31)와 저온측댐퍼부(21)에 구성된 회동밸브부(110)는 에어실린더에 의해 작동되어 도 9와 10에 얇은 일점쇄선으로 도시된 방향으로 90도 회전하게 된다.

이때 상기 저온측, 고온측연통관(24,34)에 형성된 4개의 스톱퍼(114)는 날개의 90도 회전을 위해 각각 직각이 되는 위치에 형성된다.

한편 상기 회전은 버너(100)로 공급되는 공기의 흐름경로와 버너(100)에서 화염이 발한 고온의 배기가스의 흐름경로를 반대로 바꾸게 한다.

따라서 이번에는 공기가 우측의 축열체(11)를 통과하며 고온이 되어 버너(100) 내부로 투입되고, 연소되어 고온인 배기가스는 좌측의 축열체(11)를 통과하며 열에너지를 축적시킨다.

즉, 본 발명의 축열식 버너(100)는 그 고,저온측댐퍼부(31,21)의 구성과 회동밸브부(110)의 작동에 따라 축열체(11)를 교번적으로 사용하는 것이다.

이상에서 설명된 것처럼, 본 발명의 자기 축열식 버너는 에너지 효율이 증가 하면서도 NOx 저감이 이루어 질 수 있는 즉 고효율 화와 환경문제에 모두에 장점이 있는 유용한 발명이다.

즉, 단일형 라디안트 튜브 내에서 연소 후 배기가스의 재순환이 가능하도록 하고, 공기-배기가스 절환장치를 통해 연소배가스의 재 순환을 촉진하고, 열교환기 내장형 축열 연소 기술에 의해 폐열을 회수하여 배기가스를 매우 낮은 온도 까지 낮출 수 있어 고효율을 얻을 수 있고 , 버너에서 발하는 피크 온도를 떨어트려 무 화염 연소로 질소산화물의 발생을 억제하는 유용한 발명이다. 축열 연소 기술에 의해 폐열을 회수하며, 버너에서 발하는 피크 온도를 떨어트려 무 화염 연소로 질소산화물의 발생을 억제한 유용한 발명이다.

또한 한 개의 본체로 제작되어 작은 공간에서도 사용가능하며, 적은 시스템 설치비용이 상대적으로 적은 컴팩트한 구조로 갖고 있기 때문에 적용하기가 용이하고 경제적인 발명이며, 각종 열처리 로나 화학반응로, 고온 연료전지 시스템 등에 사용할 경우 높은 열효율을 얻을 수 있어 에너지 절감에 크게 기여할 수 있는 발명이다.

Claims (3)

1. 공기와 연료를 적정수준으로 배합하여 연소시키고, 연소된 고온 배기가스의 열에너지를 축적시켜 공기예열에 이용하는 열교환기 내장형 자기축열식 버너에 있어서,

   축열체실(10)를 가진 공기-배기가스 절환장치(30)와;

   상기 공기-배기가스 절환장치(30)와 플랜지 결합되며 연소용 로의 일측면에 장착되는 버너본체(40)와;

   상기 버너본체(40)의 정 중앙에 위치하며, 끝단에 다수의 가스노즐공(51)이 형성된 가스유입관(50)과;

   상기 가스유입관(50)의 외측에 위치하고, 버너본체에 결합된 연소공기공급관(90)과;

   상기 연소공기공급관(90)이 버너본체와 결합되는 위치의 좌측 내주면에 거리조절기(44)에 의하여 좌우측으로 슬라이딩되는 관통공(43)이 형성된 연소용공기유량분할기(42)와;

   상기 가스유입관(50)의 상부에 사선으로 하향하며 길이 방향으로 배치된 점화봉(60)과;

   끝단에 내측노즐관(71)이 일체화 되며, 상기 가스유입관(50)과 점화봉(60)을 수용하는 연소공기공급관(70)과;

   끝단에 외측노즐관(81)이 설치되며, 상기 연소공기공급관(70)을 수용하는 열교환기관(80)과;

   상기 버너본체(40) 내주면, 열교환기관(80)과 연소공기공급관(70) 사이에 일정간격을 원주방향으로 둘러싸여 형성된 내측, 외측 열교환기핀(82,83)과;

   상기 외측노즐관(81)을 일부 감싸며 화염 형성 길이 방향으로 배치된 튜브(90)가; 서로 유기적으로 결합하여 버너(100)의 화염으로 발생된 고온 배기가스와 연소용 공기 사이에 열교환이 일어나도록 하고, 배기가스절환장치(30)를 통해 번갈아가며 고온 배기가스의 열에너지를 축적하도록 하여 연소용 공기를 예열하도록 하는 것을 특징으로 하는 자기축열식 단일 라디안트 튜브 버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 축열체실(10)를 가진 공기-배기가스 절환장치(30)는,

   버너본체의 상단에 위치하며 플랜지부를 가지며 가로로 배치되는 연소용 저온측공기공급관(22)과 저온측배기가스배출관(23), 중단에 위치하며 상하판에 각각 직각으로 교차된 관통공(29)을 가진 통 형상의 저온측연통관(24)과, 상기 저온측연통관(24) 하단에 세로로 배치되는 저온측하단댐퍼관(25)과, 상기 저온측연통관(24) 정중앙에 위치하여 배기가스를 유출입시키는 회동밸브부(110)로 구성된 저온측댐퍼부(21)와;

   상기 저온측댐퍼부(21)의 저온측하단댐퍼관(25)과 연통 되며 한 쌍으로 구획 된 축열체(11)와, 그를 감싼 케이스(12)로 형성된 축열체실(10)과;

   최 하단에 위치하며 플랜지부를 가지며 가로로 배치되는 연소용 고온측공기공급관(32)과 고온측배기가스배출관(33), 중단에 위치하며 상하판에 각각 직각으로 교차된 관통공(39)을 가진 통 형상의 고온측연통관(34)과, 상기 고온측연통관(34) 상단에 세로로 배치되는 고온측하단댐퍼관(35)과, 상기 고온측연통관(34) 정 중앙에 위치하여 배기가스를 유출입시키는 회동밸브부(110)로 구성된 고온측댐퍼부(31)가; 서로 유기적으로 결합하여 연소용 공기와 배기가스의 유출입을 통제하는 것을 특징으로 하는 자기축열식 단일 라디안트 튜브 버너.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 저온측, 고온측연통관(24,34)의 정 중앙에 위치한 회동밸브부(110)는,

   에어실린더로 작동되는 밸브로서, 좌우양단에 구성된 베어링(111)과;

   상기 베어링(111)에 삽입되는 지지축(112)에서 양 방향으로 뻗은 날개(113)로 형성되어 상기 연통관 내부의 스톱퍼(114) 간격만큼 90도 회동하는 것을 특징으로 하는 자기축열식 단일 라디안트 튜브 버너.

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