KR100669543B1 - 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조는 가스유입관, 연소공기공급관, 열교환기관, 튜브가 버너본체 내부에 설치되는 구조의 축열식 단일 튜브 버너에 있어서, 상기 연소공기 공급관 끝단에 가스유입관의 외경을 감싸도록 연장 결합되어 내측에 연소공기유로(A)를 형성하는 내측공기노즐관의 직경이 가스유입관의 끝단으로 향할수록 좁아드는 병목 형상으로 제작되고, 상기 내측공기노즐관의 외경을 감싸도록 열교환기관 끝단에 연장 결합되어 내측에 예열공기유로(B)를 형성하도록 된 외측공기노즐관의 직경이 내측공기노즐관의 끝단으로 향할수록 급격히 좁아드는 병목 형상으로 제작되며, 상기 외측공기노즐관의 일측 끝단에 일정부분이 중첩 연장 형성되는 튜브의 외측과 버너본체 내측 사이에 배기가스가 이동되는 배기가스 배출로(C)를 형성하되, 상기 튜브와 외측공기노즐관 사이에 유체이동이 가능한 상태의 연통구간(D)을 형성하고, 상기 배기가스 배출로(C)를 통과한 배기가스가 상기 연통구간(D)에서 팽창됨과 동시에 이송 유체의 바깥쪽 유속이 저하되어, 연통구간(D) 내에 배기가스 일부가 잔류되고, 상기 잔류 배기가스는 상대적으로 압력이 낮은 유속을 갖는 예열공기 및 연소공기의 기류 측으로 빨려 들어가 튜브(90) 내에서 재 연소과정을 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조{Nozzle assembly of recuperative/regenerative single 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 발명에 따른 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너 시스템을 도시한 측 단면도.

도 5는 도 4의 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너를 우측방향에 바라본 일부 절개 단면도.

도 6은 도 4의 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너의 노즐 출구부를 확대한 단면도.

도 7은 도 6의 노즐 출구부 선단의 병목구조 형상을 보다 확대해서 보인 단면도.

도 8은 본 발명의 요부인 연통관과 회동밸브부간의 유기적인 결합관계를 도시한 요부 사시도.

도 9는 본 발명의 요부인 저온측댐퍼부에 형성된 관통공을 통해 배기가스와 공기의 유출입을 도시한 개념도.

도 10은 본 발명의 요부인 고온측댐퍼부에 형성된 관통공을 통해 배기가스와 공기의 유출입을 도시한 개념도.

<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 42: 연소공기 분할공급장치

50; 가스유입관 51; 가스노즐공

60; 점화봉 70; 연소공기공급관

71; 내측공기노즐관 80; 열교환기관

81; 외측공기노즐관 82; 내측 열교환기핀

83; 외측 열교환기핀 90; 튜브

100; 버너 112; 지지축

113; 날개 114; 스톱퍼

(A); 연소공기 유로 (B);예열공기 유로

(C); 배기가스 배출로 (D); 연통구간

본 발명은 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너에 관한 것으로서, 특히 노즐관, 외측공기노즐관, 튜브의 형상설계 및 최적 배치를 통해 배기가스 배출로를 통해 이동되는 배기가스 중 일부가 연통구간에서 잔류되는 동시에 연소공기 및 예열공기의 토출 기류에 혼입되어 재 연소되도록 한 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조에 관한 것이다.

일반적으로 버너 등의 연소기들은 연료와 공기를 적당한 배합비로 주입하여 연소시키고, 그 연소 시 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 연소 시 배출되는 NOx(질소산화물)의 량을 최소화하면서도 화염안정성을 획득하는 것이 버너 개발의 주요 한 목적이며, 앞으로도 추구되어야할 과제인 것이다.

그런데 이것은 이상적인 과제로써 아직 완벽히 해결된 과제는 아니다.

즉, 종래에는 연소기의 연소 시 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 관 련이 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

상기, 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 적용했을 때, 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 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 되면, 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 힘든 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 내측공기노즐관, 외측공기노즐관, 튜브의 형상설계 및 최적 배치를 통해 배기가스 배출로를 통해 이동되는 배기가스 중 일부가 연통구간에서 잔류되는 동시에 연소공기 및 예열공기의 토출 기류에 혼입되어 재 연소되도록 함으로써, 연소공기의 유입량을 떨어뜨리지 않고도 최대 연소효율의 높은 화염온도를 유지시킬 수 있게 되고, 불완전 연소상태로 배기되는 배기가스 중 일부를 지속적으로 재순환시켜 재 연소시키게 됨에 따라서, 배가스 재순환 효과 및 재연소 효과에 따른 NOx(질소산화물)의 생성을 저감시키도록 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조를 제공하는데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기위한 본 발명의 다른 목적은 한 개의 기체로 제작되어 작은 공간에서도 사용가능하며, 적은 시스템 설치비용이 발생되기에 경제적이고, 침탄로 등과 같은 열처리로나 화학 반응로에 적용될 수 있도록 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조는 가스유입관, 연소공기공급관, 열교환기관, 튜브가 버너본체 내부에 설치되는 구조의 축열식 단일 튜브 버너에 있어서,

상기 연소공기 공급관 끝단에 가스유입관의 외경을 감싸도록 연장 결합되어 내측에 연소공기유로(A)를 형성하는 내측공기노즐관의 직경이 가스유입관의 끝단으 로 향할수록 좁아드는 병목 형상으로 제작되고,

상기 내측공기노즐관의 외경을 감싸도록 열교환기관 끝단에 연장 결합되어 내측에 예열공기유로(B)를 형성하도록 된 외측공기노즐관의 직경이 내측공기노즐관의 끝단으로 향할수록 급격히 좁아드는 병목 형상으로 제작되며,

상기 외측공기노즐관의 일측 끝단에 일정부분이 중첩 연장 형성되는 튜브의 외측과 버너 본체 내측 사이에 배기가스가 이동되는 배기가스 배출로(C)를 형성하되,

상기 튜브와 외측공기노즐관 사이에 유체이동이 가능한 상태의 연통구간(D)을 형성하고, 상기 배기가스 배출로(C)를 통과한 배기가스가 상기 연통구간(D)에서 팽창됨과 동시에 이송 유체의 바깥쪽 유속이 저하되어, 연통구간(D) 내에 배기가스 일부가 잔류되고, 상기 잔류 배기가스는 상대적으로 압력이 낮은 저빠른 유속의 예열공기 및 연소공기의 기류 측으로 빨려 들어가 튜브(90) 내에서 재 연소되는 과정을 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 내측공기노즐관의 병목부에서의 연소공기유로(A)의 폭을 D1이라 하고, 외측공기노즐관의 병목부에서의 예열공기유로(B)의 폭을 D2라 하며, 상기 외측공기노즐관과 튜브 사이에 형성된 연통구간(D)의 폭을 D3라 할 때, 다음 식, D1＜D2＜D3을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 D1에서의 유속을 V1이라 하고, D2에서의 유속을 V2라 하며, D3에서의 유속을 V3라 할 때, 다음 식, V1＞V2＞V3을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 가스유입관(51) 전방에 수직하게 그은 임의의 기준선(L)으로부터 가스유입관(51) 말단까지의 거리를 L1이라 하고, 상기 임의의 기준선으로부터 내측공기노즐관(71) 말단까지의 거리를 L2라 하며, 상기 임의의 기준선으로부터 외측공기노즐관(81) 말단까지의 거리를 L3라 할 때, 다음 식, L2>L1>L3을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

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 위치한 점화봉(60)이 점화장치가 된다.

상기 가스유입관(50)의 라디안트 튜브측 끝단에는 가스노즐공(51)이 마련되어 있어, 유입된 가스가 분출된다.

또한, 상기 가스유입관(50)의 외측에는 버너본체부(40)에 결합된 연소공기공급관(70)이 둘러싸고 있으며, 연소공기공급관(70)의 라디안트튜브측 끝단에는 내측 공기노즐관(71)이 설치되어 있다.

그리고, 연소공기공급관(70)의 외측에는 다시 버너본체부에 접합되어 있는 급기-배기차단관(41)이 둘러싸고 있으며, 급기-배기차단관(41)의 우측에는 열교환기관(80)이 접합되고, 열교환기관(80)의 라디언트 튜브측 끝단에는 외측공기노즐관(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.

도 6은 본 발명의 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너의 버너본체부를 확대한 단면도로서, 동 도면에서 보여 지는 바와 같이 급기통로를 통하여 유입된 연소공기는 연소공기 공급관(70) 외측과 열교환기관(80)의 내측 사이에 형성된 유로를 통해 공급되거나, 연소공기 분할공급장치(42)의 조작에 의한 적정량의 연소공기가 연소공기공급관(70)의 내로 공급되도록 한다.

이와 같이 공급된 연소공기는 각각 내측공기노즐관(71)과 외측공기노즐관(81)으로부터 분출되어 가스노즐공(51)에서 분출된 가스와 혼합되어 연소되어 화염을 형성하며, 도 4에서 보이듯이, 상기 외측공기노즐관(81)을 일부 감싸며 전진 배치된 튜브(90) 내에서 연소되도록 하는 것이다.

이후, 연소된 배기가스는 튜브(90)의 우측 끝단까지 밀려나갔다가 다시금 버너본체(40) 외곽튜브의 우측 판벽에 부딪쳐서 180도 방향을 선회하여 튜브(90)의 외측면과 버너본체 (40) 외곽튜브 내측면의 사이에 형성된 유로를 통해 이동된다.

도 6은 도 4의 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너의 노즐 출구부를 확대한 단면도이다.

동 도면에서 보여 지는 바와 같이 연소공기 공급관(70) 끝단에 가스유입관(50)의 외경을 감싸도록 연장 결합되어 내측에 연소공기유로(A)를 형성하는 내측공기노즐관(71)의 직경이 가스유입관(50)의 끝단으로 향할수록 좁아드는 병목 형상으로 제작된다.

그리고, 상기 내측공기노즐관(71)의 외경을 감싸도록 열교환기관(80) 끝단에 연장 결합되어 내측에 예열공기유로(B)를 형성하도록 된 외측공기노즐관(81)의 직경이 내측공기노즐관(71)의 끝단으로 향할수록 급격히 좁아드는 병목 형상으로 제작된다.

그리고, 상기 외측공기노즐관(81)의 일측 끝단에 튜브(90)의 일정부분이 중첩 연장 형성된다.

상기 튜브(90)의 외측과 버너본체(40) 내측 사이에 배기가스가 이동되는 배기가스 배출로(C)를 형성하고, 상기 튜브(90)와 외측공기노즐관(81) 사이에 유체이동이 가능한 상태의 연통구간(D)을 형성하게 된다.

이때, 상기 배기가스 배출로(C)를 통과한 배기가스가 상기 연통구간(D)에서 팽창됨과 동시에 이송 유체의 바깥쪽 유속이 저하되어, 연통구간(D) 내에 배기가스 일부가 잔류된다.

상기 잔류 배기가스는 불완전 연소가스 상태로서, 상대적으로 압력이 낮고 빠른 유속의 예열공기 및 연소공기의 기류 측으로 일부 빨려 들어가 튜브(90) 내에 서 재 연소과정을 통해 완전연소 됨에 따라 버너(100) 외부로 배출되는 유해물질인 질소산화물(NOx)의 양을 크게 저감할 수 있게 된다.

이러한, 본 발명은 내측공기노즐관(71), 외측공기노즐관(81), 튜브(90)의 형상설계 및 각 구성요소의 최적 배치를 통해 이루어지는 것인 바, 각 구성요소 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립하게 된다.

우선, 상기 내측공기노즐관(71)의 병목부에서의 연소공기유로(A)의 폭을 D1이라 하고, 외측공기노즐관(81)의 병목부에서의 예열공기유로(B)의 폭을 D2라 하며, 상기 외측공기노즐관(81)과 튜브(90) 사이에 형성된 연통구간(D)의 폭을 D3라 할 때, D1＜D2＜D3의 식을 만족하도록 하고, 상기 D1에서의 유속을 V1이라 하고, D2에서의 유속을 V2라 하며, D3에서의 유속을 V3라 할 때, V1＞V2＞V3의 식을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 식의 조건에 따라, 연소공기유로(A)의 폭(D1)이 가장 작고, 유속(V1)이 최대가 됨에 따라, 상대적으로 유속(V2)이 느리고, 압력이 높은 예열공기(B)는 연소공기(A) 기류 측으로 흡인 되고, 연통구간(D) 내에 잔류되고 있는 일부 배기가스가 상대적으로 유속이 빠르고 압력이 낮은 연소공기(A) 및 예열공기(B)의 기류 측으로 빨려 들어가 합류되어 튜브(90) 내에서 재 연소되는 유동특성이 나타난다.

그리고, 상기 가스유입관(51) 전방에 임의의 기준선(L)을 수직방향으로 긋고, 상기 기준선(L)으로부터 가스유입관(51) 말단까지의 거리를 L1이라 하고, 상기 임의의 기준선으로부터 내측공기노즐관(71) 말단까지의 거리를 L2라 하며, 상기 임의의 기준선으로부터 외측공기노즐관(81) 말단까지의 거리를 L3라 할 때, L2>L1>L3의 식을 만족하도록 구성되는 것이 바람직한데, 이는 내측공기노즐관(71)과 외측공기노즐관(81)을 통해 토출되는 연소공기(A) 및 예열공기(B)가 쉽게 합류되어 직진성을 유지하게 하는 동시에, 연통구간(D)에 잔류하고 있는 배기가스를 합류시키기 위한 구조를 갖기 위함이다.

도 7은 도 6의 노즐 출구부 선단의 병목구조 형상을 보다 확대해서 보인 단면도로서, 내측공기노즐관(71)과 외측공기노즐관(81)의 형상설계에 대해 보다 자세히 나타내고 있다.

동 도면에서 보는 바와 같이 외측공기노즐관(81)의 끝단 외경은 두개의 곡률 R1, R2가 연속 연결되는 형상으로 제작되고, 또한, 내측공기노즐관(71)의 끝단 외경은 R3, R4 두 개의 곡률이 연속 연결되어 병목구간을 형성하게 된다. 이때 그 형성되는 곡률은 상기 외측공기노즐관(81)에 곡률 R1과 R2의 순서로 형성되고, 상기 내측공기노즐관(71)에 곡률 R4와 R3의 순서로 형성된다. 그리고, 곡률 R2가 위치하는 반경이 곡률 R1이 위치하는 반경보다 크며, 곡률 R3이 위치하는 반경이 곡률 R4가 위치하는 반경보다 크게 형성된다.

이때, 도 7에서와 같은 외측공기노즐관(81)과 내측공기노즐관(71) 형상 설계에 의한 예열공기 유로(B)를 형성함으로서, 연소공기의 보다 강력한 토출력을 유도할 수 있게 된다.

여기서, 토출력을 보다 향상시키기 위해 외측공기노즐관(81)의 곡률 R1과 내측공기노즐관(71)의 곡률 R3가 마주하는 곳에 급격히 좁아드는 협로를 형성하고, 상기 협로를 통과하면서 유체의 압력이 일부 회복되고, 노즐 간극이 확관되도록 할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 일부 배기가스가 튜브(90) 내에서 재연소되는 반면, 재순환되지 않는 배기가스는 열교환기관(80)과 버너본체(40) 외곽튜브 사이에 위치한 외측 열교환기핀(83)을 지나면서 열교환이 이루어지게 된다.

상기 열교환에 의해 가열된 외측 열교환기핀(82)은 고온의 열에너지를 내측 열교환기핀(83)으로 전달하게 되며, 결과적으로 연소공기공급관(70) 외측과 열교환기관(80)의 내측 사이로 유입된 연소공기를 예열시키는 기능을 행하게 한다.

따라서, 본 발명의 버너(100)는 폐열의 활용도를 높여 폐열이 버너(100)의 외부로 쓸모없이 빠져나가는 현상을 방지하고, 열효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 버너(100)에서 1차적으로 배기가스의 열에너지를 열교환기핀(83)(82)에 의해 연소용 공급공기에 전달시키고, 추가로 외부에 장착된 축열체실(10)의 축열체(11)에 축적하여 폐열의 활용도를 높이게 되는데, 이하, 폐열 에너지를 축열하기 위한 축열체실(10)과 그 축열체부에 저장된 배기가스의 열에너지를 다시 버너(100)로 공급하는 절환장치의 구성을 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, 저온측 배기가스 배출관(23)은 항상 버너에서 빠져 나오는 배기가스가 배출되는 관이다.

또한, 도 4내지 5에 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 제2연통관(34)이 비치되고, 상기 제2연통관(34) 상단에 세로로 배치되는 쌍의 제2댐퍼관(35)이 일체화 되어 있다.

또한, 상기 제2연통관(34)의 정 중앙에 위치하여 배기가스를 유출입시키는 회동밸브부(110)로 구성된 고온측댐퍼부(31)가 서로 유기적으로 결합하여 공기와 배기가스의 유출입을 통제하는 것이다.

이때, 이 공기와 배기가스의 유출입을 직접적으로 통제하는 구성이, 도 8내지 도 10에 도시된 회동밸브부(110)이다.

도 8은 본 발명의 요부인 연통관과 회동밸브부간의 유기적인 결합관계를 도 시한 요부 사시도 이다.

동 도면에서와 같이 상기 제1,2 연통관(24,34)의 정 중앙에 위치한 회동밸브부(110)는, 에어실린더나 모터(미도시)로 작동되는 밸브로서, 지지축(112)에서 양 방향으로 뻗은 날개(113)로 형성되어 있다.

따라서 상기 연통관(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 도8, 도9와 도10에서처럼 90도 간격으로 배치되어 그 작동을 돕는다.

그럼, 여기서 전술된 구성들로 이루어진 본 발명의 열교환기 내장형 컴팩트 축열버너의 작용에 대해 상세히 설명한다.

우선, 도 4와 5에 도시된 바처럼, 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 외주면에 형성된 배기가스 배출로(C)를 따라 진행하다가 연통구간(D)에 이르러 일부의 배기가스가 튜브(90) 내로 재순환되고, 나머지 배기가스는 열교환기인 열교환기핀 (82)과 열교환기관(80)을 지나며 열교환을 이루게 된다.

상기 열교환기를 통해 열 교환되고 난 후의 배기가스는 고온측댐퍼부(31)의 고온측배기가스배출관(33)을 거치고, 제2댐퍼관(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 5에 도시된 연통관(24)을 지나게 된다.

이때, 상기 연통관(24)의 하판에는 도 8에 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 연통관(24)의 상부에 뚫린 구멍이고 ⓑ는 저온측배기가스배출관(23)과 맞닿은 연통관(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.

상기 ⓒ의 관통구로 들어온 연소용 공급 공기는 도 5의 우측 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 제2댐퍼관(35)과 맞닿은 관통공(39)이며, ⓖ는 고온측공기공급관(32), ⓗ는 고온측배기가스배출관(33)과 맞닿은 관통공(39) 이다.

따라서 도 5에서 보이는, 상기 우측의 축열체(11)를 지난 공기는 제2댐퍼관(35)과 관통공 ⓔ를 지나며 연통관(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 것처럼 튜브(90)를 통과하여 배기될 때, 전술된 공기가 공급되는 관통공이 아닌 ⓗ,ⓕ,ⓓ,ⓑ의 순으로 배출되는 것이다.

즉, 버너의 내부로 공급되는 공기는 관통공 ⓐ→ⓒ→ⓔ→ⓖ를 순차로 관통하 며 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 10에서의 얇은 일점쇄선으로 도시된 방향으로 90도 회전하게 된다.

이때, 상기 연통관(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.

상기와 같은 본 발명은 내측공기노즐관, 외측공기노즐관, 튜브의 형상설계 및 최적 배치를 통해 배기가스 배출로를 통해 이동되는 배기가스 중 일부가 연통구간에서 잔류되는 동시에 연소공기 및 예열공기의 토출 기류에 혼입되어 재 연소되 도록 함으로써, 연소공기의 유입량을 떨어뜨리지 않고도 최대 연소효율의 높은 화염온도를 유지시킬 수 있게 되고, 불완전 연소상태로 배기되는 배기가스 중 일부를 지속적으로 재순환시켜 재연소시키게 됨에 따라서, 배가스 재순환 효과 및 재연소 효과에 따른 NOx(질소산화물)의 생성을 저감시키게 되어, 에너지 고 효율화 효과와 더불어 환경문제 개선에 모두 기여하게 되는 효과가 있다.

또한, 한 개의 기체로 제작되어 작은 공간에서도 사용가능하며, 적은 시스템 설치비용이 발생되기에 경제적이고, 침탄로 등과 같은 열처리로나 화학 반응로에 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 가스유입관(70), 연소공기공급관(70), 열교환기관(80), 튜브(90)가 버너본체(40) 내부에 설치되는 구조의 축열식 단일 튜브 버너에 있어서,

   상기 연소공기 공급관(70) 끝단에 가스유입관(50)의 외경을 감싸도록 연장 결합되어 내측에 연소공기유로(A)를 형성하는 내측공기노즐관(71)의 직경이 가스유입관(50)의 끝단으로 향할수록 좁아드는 병목 형상으로 제작되고,

   상기 내측공기노즐관(71)의 외경을 감싸도록 열교환기관(80) 끝단에 연장 결합되어 내측에 예열공기유로(B)를 형성하도록 된 외측공기노즐관(81)의 직경이 내측공기노즐관(71)의 끝단으로 향할수록 급격히 좁아드는 병목 형상으로 제작되며,

   상기 외측공기노즐관(81)의 일측 끝단에 일정부분이 중첩 연장 형성되는 튜브(90)의 외측과 버너본체(40) 내측 사이에 배기가스가 이동되는 배기가스 배출로(C)를 형성하되,

   상기 튜브(90)와 외측공기노즐관(81) 사이에 유체이동이 가능한 상태의 연통구간(D)을 형성하고, 상기 배기가스 배출로(C)를 통과한 배기가스가 상기 연통구간(D)에서 팽창됨과 동시에 이송 유체의 바깥쪽 유속이 저하되어, 연통구간(D) 내에 배기가스 일부가 잔류되고, 상기 잔류 배기가스는 상대적으로 낮은 압력의 빠른 유속을 갖는 예열공기 및 연소공기의 기류 측으로 빨려 들어가 튜브(90) 내에서 재 연소과정을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 내측공기노즐관(71)의 병목부에서의 연소공기유로(A)의 폭을 D1이라 하고, 외측공기노즐관(81)의 병목부에서의 예열공기유로(B)의 폭을 D2라 하며, 상기 외측공기노즐관(81)과 튜브(90) 사이에 형성된 연통구간(D)의 폭을 D3라 할 때, 다음 식,

   D1＜D2＜D3을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 D1에서의 유속을 V1이라 하고, D2에서의 유속을 V2라 하며, D3에서의 유속을 V3라 할 때, 다음 식,

   V1＞V2＞V3을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가스유입관(51) 전방에 수직하게 그은 임의의 기준선(L)으로부터 가스유입관(51) 말단까지의 거리를 L1이라 하고, 상기 임의의 기준선으로부터 내측공기노즐관(71) 말단까지의 거리를 L2라 하며, 상기 임의의 기준선으로부터 외측공기노즐관(81) 말단까지의 거리를 L3라 할 때, 다음 식,

   L2>L1>L3을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 외측공기노즐관(81)의 끝단 외경은 두개의 곡률 R1, R2가 연속 연결되는 형상으로 제작되고, 또한, 내측공기노즐관(71)의 끝단 외경은 R3, R4 두 개의 곡률이 연속 연결되어 병목구간을 형성하되, 그 형성되는 곡률 위치는 상기 외측공기노즐관(81)에 곡률 R1과 R2의 순서로 형성되고 상기 내측공기노즐관(71)에 곡률 R4와 R3의 순서로 형성되며, 외측공기노즐관(81)의 곡률 R1과 내측공기노즐관(71)의 곡률 R3가 마주하는 곳에 급격히 좁아드는 협로를 형성하고, 상기 협로를 통과하면서 유체의 압력이 일부 회복되고, 노즐 간극이 확관되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀 내장형 자기축열식 단일튜브 버너의 노즐구조.

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