KR100622987B1 - 2유체 분사노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세하고 균일한 크기의 분무를 위해 액체가 고정벽면과의 마찰에 의한 속도구배를 이루지 않도록 액체와 고정벽과의 접촉을 회피할 수 있는 구조를 가지는 2유체 분사노즐에 관한 것으로, 2가지 유체를 혼합하여 분무하는 2유체 분사노즐에 있어서, 하단부에 다수의 혼합구가 형성된 몸체를 이루는 하우징; 및 상기 하우징의 중심부에 내삽되어 하우징과의 사이에서 스페이서를 형성하고, 상기 스페이서에 압축기체를 공급하는 기체주입구와 상기 혼합구와 동축상에 있으며, 상기 혼합구로 액체를 공급하는 액체주입구를 가지는 내부구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2유체 분사노즐이다.

분사노즐

Description

2유체 분사노즐 {Twin Fluid Atomizing Nozzle}

도 1은 종래 기술의 사시단면도

도 2는 종래 기술의 단면도

도 3은 본 발명의 일실시예의 단면도

****도면의 주요부분에 대한 부호 설명****

10: 하우징 11: 액체탱크

20: 액체공급관 30: 혼합관

40: 기체주입탱크 50: 기체주입구

60: 스페이서 70: 액체주입구

80: 혼합구 90: 내부구조체

100: 하우징

본 발명은 액체와 기체를 혼합하여 분사하는 2유체 분사노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세하고 균일한 크기의 분무를 위해 액체가 고정벽면과의 마찰에 의한 속도구배를 이루지 않도록 액체와 고정벽과의 접촉을 회피할 수 있는 구조를 가지는 2유체 분사노즐에 관한 것이다.

2유체 분사노즐이라 함은, 액체를 기체와 혼합하여 분무시켜서 입자의 크기를 작게하여 표면적을 증대시키고자하는 기기로써, 다양한 분야에 응용 가능한 기술이다.

따라서, 가정용 및 산업용 연소기, 가스터빈 및 자동차의 연료분사, 페인팅, 분무 건조, 가습기, 각종 분무기술을 이용하는 화학반응 분야 등 다양하게 이용할 수 있다.

상기와 같은 2유체 분사 방법에는 여러 가지 메카니즘에 의한 다양한 형태의 많은 노즐 들이 존재하고 있으며, 각각 사용처의 특성에 맞게 설계하여 사용하고 있다.

그 중에서도 역사가 깊은 것이 보일러 등에서 사용하는 연료 분사노즐이다.

점도가 낮은 등유, 경유, 보일러 등유 등에는 여러 가지 형태의 압력 분사식 노즐이 사용되고 있고, 중질유의 경우에는 로터리 컵의 회전력과 기류의 작용에 의해서 분무시키는 노즐이 사용된다. 이와 같은 노즐은 비교적 액체 분사량이 적은 소용량의 연소기에 적용되고 있다.

대용량의 연소기에서 연료를 분사하는 방법은 주로 고압의 증기 또는 공기 기류에 의해서 연료를 무화시킨다. 이들 중 대표적인 것이 중간 혼합식인 와이젯(Y-jet) 노즐과 내부 혼합식 노즐이다.

그 밖에도 외부 혼합식 노즐이 있으나, 이는 기체의 운동에너지가 액체에 충분히 효과적으로 전달되지 못하기 때문에 일반적으로 대형 연소기의 노즐에는 이용되지 않는다.

이 노즐들은 수십 년 동안 대용량 버너의 연료를 분무시키는 노즐로서 이용되어 왔으며, 성능도 우수한 편이었으나 최근 심각해지는 대기 오염의 원인인 분진, 일산화탄소, NOx 등의 규제가 강화됨에 따라서 기준치를 맞추지 못하기 때문에 그동안 산업의 원동력으로서 이용되어 오고 있던 값싼 중질유의 사용이 점차 제한되고 있는 실정이다. 이러한 현상은 산업체의 생산비용의 증가를 가져와서 경쟁력을 약화시키는 원인이 된다.

기존의 와이젯 노즐과 내부혼합식 노즐은 분무입자 크기의 편차가 크고, 유동의 연속성과 분무류 중 입자의 공간 분포가 균일하지 않기 때문에 액체 및 기체의 공급 압력에 변동이 생기고, 불연속적인 현상이 발생한다.

이와 같은 현상은 연소화염이 불안정해지고, 입자의 크기가 크고 고르지 않음에 따라서 연소실 체류시간 동안 완전 연소되지 못하여 분진 및 CO 발생의 원인이 된다.

이는 역으로 연소실의 크기를 크게 설계하고, 과잉공기를 추가로 넣어 주어야하는 결과를 초래하여 보일러 설비 등의 제작비를 높이고, 효율을 저하시키는 원인이 된다.

이처럼 액체연료의 연소과정에서 생성되는 공해물질 및 설비의 성능은 액체연료 노즐의 성능에 의해서 대단히 크게 영향을 받는다.

도 1은 종래 기술인 와이젯 노즐을 도시한 단면사시도이고, 도 2는 그 단면도이다.

본 고안인 2유체 노즐은 하우징(10), 기체주입탱크(40), 액체탱크(11), 혼합관(30), 액체공급관(20)을 포함하여 구성된다.

하우징(10)의 외형은 원추형으로 구성되며, 단부에는 사면이 형성되고 상기 사면에 액체와 기체의 혼합물이 통과하는 홀이 형성된다.

상기 하우징(10)의 중심부에는 고압의 공기 또는 증기를 공급받아 이를 다수의 혼합관(30)에 공급하는 기체주입탱크(40)가 내삽된다.

상기 기체주입탱크(40)에 연결된 혼합관(30)은 도 1과 같이 하우징(10)의 중심축에 대하여 소정의 각도(θ/2)를 가지고 일정간격으로 형성된다. 상기 θ는 대략 75∼110도이다.

그리고, 상기 하우징(10) 내부에는 상기 기체주입탱크(40) 주위에 설치되어 다수의 액체공급관(20)에 액체를 공급하는 액체탱크가 설치된다.

상기 액체공급관(20)의 일단은 상기 다수의 혼합관(30) 각각의 측면에 소정의 각도(α)를 이루어 연결된다. 상기 α는 50~58도로 대략 54도이다.

일반적으로 상기의 혼합관(30)은 액체공급관(20)보다 직경이 크다.

따라서, 혼합관(30)의 고속의 기체에 액체공급관(20)에서 공급되는 액체가 만나서, 혼합관(30) 내부에서 충돌하여 섞이면서 외부로 배출하게 된다.

이 때, 혼합관(30) 내부의 액체가 혼합관(30)의 벽면을 타고 흐르거나 벽면과 충돌하는 구조를 갖는다.

이는 경계층 이론에 의해서 벽면의 속도가 상대적으로 가장 낮기 때문에 기체로부터 충분한 운동에너지를 받지 못하며, 경우에 따라서는 액막을 형성하여 분무입자의 크기가 커지고 유동이 불균일해지는 경향을 가진다.

기존의 2유체 분무노즐에 있어서 발생하기 쉬운 현상으로서 분무입자의 크기가 크고 불균일하며, 유동 중의 분무입자가 국부적으로 뭉치거나 쏠리는 현상이 발생하여 분무류가 불연속적인 현상이 발생하고, 노즐 내부의 기액 내부 흐름의 압력변화를 가져와서 흐름이 불균일해지게 된다.

기존의 내부혼합식 또는 중간 혼합식의 경우에는 정도의 차이는 있으나 이와 같은 현상이 일어날 수밖에 없는 노즐 구조를 갖는다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 고안의 목적은, 기체 및 액체 공급 압력의 변동을 야기시키지 않고, 내부 혼합식의 기액 접촉 특성을 갖게 하여 기체의 운동량이 액체에 충분히 전달되게 하고, 기체 및 액체가 통과하는 유로가 내부에서부터 구분되어서 유체 흐름의 맥동현상이 발생하지 않고, 분무 액적의 크기가 작고 공간분포가 균일한 우수한 성능의 분무특성을 갖는 노즐을 제공함에 있다.

상기와 같은 노즐을 사용함으로써 연료의 연소시에 비교적 작고 일정한 크기 의 분무입자를 고르게 분사하기 때문에 연소용 과잉공기의 양과 불완전 연소에 의한 분진의 형성을 최소화할 수 있음으로서 연소효율 향상이 가능하고, NOx 저감을 위한 효과적인 연소제어가 가능하게 함으로서 최종적으로 에너지 이용효율 향상, 대기공해물질의 대폭적인 저감이 가능한 연소기 요소기술인 고성능 2유체 분무노즐 기술을 확립 하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 2가지 유체를 혼합하여 분무하는 2유체 분사노즐에 있어서, 하단부에 다수의 혼합구가 형성된 몸체를 이루는 하우징; 및 상기 하우징의 중심부에 내삽되어 하우징과의 사이에서 스페이서를 형성하고, 상기 스페이서에 압축기체를 공급하는 기체주입구와 상기 혼합구와 동축상에 있으며, 상기 혼합구로 액체를 공급하는 액체주입구를 가지는 내부구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2유체 분사노즐이다.

상기의 다수의 혼합구는 하우징의 중심축에 대하여 소정의 각도를 가지고 일정간격으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 하우징과 내부구조체에는 단차가 형성되어 스페이서를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 통하여 설명한다.

본 발명은 노즐 내부에서 기체와 액체가 접촉되어 혼합구를 통과하는 동안 액주를 가늘게 하여 입자를 미세하게 하는 새로운 분무 메카니즘을 이용한다.

본 고안의 노즐은 액체가 액주의 형태로 노즐 중앙을 관통하게 하고 그 주변으로 속도가 빠른 기체를 통과시킴으로서 액체가 실처럼 가늘어져서 끝에서 분열해가도록 한 구조를 갖는데 입자크기가 작고 고르며, 낮은 분사압력에서도 분무가 잘 된다.

또한 구조가 매우 간단하고, 제작이 용이하며, 유체역학 이론에 근거하여 설계된 노즐이다.

특히, 저NOx 연소기용 중유 분무 노즐로서 사용하는 경우 그 성능이 매우 우수하였다.

도 3은 본 발명의 일실시예의 노즐의 단면도이다.

하우징(100) 내부에 단차가 형성되어, 상기 단차에 내부구조체(90)가 삽입된다.

따라서, 하우징(100)과 내부구조체(90) 사이에 스페이서(60)가 형성된다.

상기 하우징(100)에는 다수의 혼합구(80)가 형성되어, 기체와 액체를 혼합하여 외부로 분무하는 역할을 한다.

상기의 다수의 혼합구(80)는 하우징(100)의 중심축에 대하여 소정의 각도(θ/2)를 가지고 일정간격으로 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 각도는 대략 35~55도가 바람직하다.

상기 내부구조체(90)에는 상기 스페이서(60)로 기체를 공급하는 기체주입구(50)와, 상기 혼합구(80)와 동축상에 있으며, 상기 혼합구(80)로 액체를 공급하는 액체주입구(70)가 있다.

상기 기체주입구(50)는 증기공급관 또는 공기압축기(도시생략)와 연결되고, 액체주입구(7)는 액체펌프(도시생략)와 연결된다.

본 실시예에서 상기 내부구조체(90)의 형상은 도 3에서와 같이 대략적으로 컵의 형상이다.

본 발명의 작동은 다음과 같다.

기체주입구(50)를 통해 들어온 고속의 기체와 액체주입구(70)를 통해 들어온 액체가, 혼합구(80)에서 액체가 벽면과 닿지 않은 상태로 압축기체와 함께 외부로 배출하게 된다.

상술하면, 액체주입구(70)에서 공급되는 액체가 액주의 형태로 혼합구(80)에 보내지고, 상기 액주 주변으로 스페이서(60)를 통해 공급된 속도가 빠른 기체가 혼합구를 통과하므로, 속도가 빠른 기체의 마찰력에 의해 액체가 실처럼 가늘어지다가, 외부로 배출되면 난류특성에 의해서 불규칙하게 액주가 요동치면서 분열하여 입자크기가 작고 고른 분무가 된다.

분무 입경이 작고, 공간분포에 따른 입자크기와 분산도가 균일하며, 내부 2유체의 상호작용이 없어서 흐름의 맥동이 발생하지 않기 때문에 시간과 공간상의 분무 균일성이 매우 우수한 분무 노즐의 구조이다.

본 발명은 각종 산업용, 발전용, 항공기용 및 가스터빈용 연소기, 압축공기 또는 증기를 이용하는 점도가 높은 액체의 분무, 페인팅, 분무 건조, 농약 살포, 식품, 제약 분야, 반응을 동반하는 분무 등에 사용될 수 있다.

Claims (3)

1. 2가지 유체를 혼합하여 분무하는 2유체 분사노즐에 있어서, 하단부에 다수의 혼합구가 형성된 몸체를 이루는 하우징; 및 상기 하우징의 중심부에 내삽되어 하우징과의 사이에서 스페이서를 형성하고,

   상기 스페이서에 압축기체를 공급하는 기체주입구와 상기 혼합구와 동축상에 있으며, 상기 혼합구로 액체를 공급하는 액체주입구를 가지는 내부구조체를 포함하고,

   상기 하우징과 상기 내부구조체에는 단차가 형성되어 스페이서를 형성하는 것을 특징으로 하는 2유체 분사노즐.
2. 제1항에 있어서, 다수의 혼합구는 하우징의 중심축에 대하여 소정의 각도를 가지고 일정간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 2유체 분사노즐.
3. 삭제

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