KR100852865B1 - 물혼합 연료용 버너시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물혼합 연료용 버너시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 물혼합 연료용 버너시스템은 물과 연료를 혼합한 혼합유를 연소하는 버너시스템에 있어서, 물과 연료를 혼합하는 혼합유를 생성하는 교반부, 상기 교반부로부터 생성된 혼합유를 전달받아 일정한 압력으로 가압하는 가압부, 상기 가압된 혼합유 중 일정량을 전달받아 상기 가압된 혼합유의 압력을 조절하여 상기 교반부로 상기 가압된 혼합유를 되돌려주는 압력조절부, 상기 가압부에서 가압된 혼합유 중 상기 압력조절부로 전달되는 일정량을 제외한 나머지량을 전달받고, 전달받은 가압된 혼합유를 대기압에 노출시켜 액적상태로 분사하는 노즐부를 포함하는 물혼합 연료용 버너시스템인 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 유화제 없이도 착화 가능하고, 별도의 교반수단을 구비하지 않아도 물과 연료를 균질하게 혼합할 수 있으며, 분사 후 액적의 미립화를 극대화하고 안정된 착화를 유도할 수 있는 물혼합 연료용 버너시스템이 제공된다.

물혼합 연료, 교반, 가압, 혼합유, 증발열, 버너, 미립화

Description

물혼합 연료용 버너시스템{Burner System for Water Mixed Fuel}

본 발명은 물혼합 연료용 버너시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물과 연료를 혼합 및 연소하여 보일러 또는 가열로 등에 사용되는 물혼합 연료용 버너시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 등유, 중유, 엔진유, 작동유 및 폐유 등을 연료로 하여 연소하는 버너시스템은, 액체상태로 공급되는 연료가 지속적으로 연소가능한 상태를 유지하기 위해서는 액체상태인 연료를 신속히 기체 상태로 변화시켜야 한다.

따라서, 액체상태의 연료를 기체상태로 변화시키기 위한 에너지가 필요하게 되며, 상기 에너지를 공급하는 방법에 따라 압력분사(Pressurized Injection), 공기조력분사(Air Assisted Injection), 스팀조력분사(Steam Assisted Injection), 회전분사, 초음파분사 등으로 분류될 수 있다.

여기서, 최근 가장 많이 이용되고 있는 것이 압력분사이다. 도 1은 압력분사시 연료입자의 변화를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 종래 버너시스템은 압력을 가하는 소정의 압력수단에 의해 가압된 연료를 노즐(100)로 전달하여 노 즐(100) 내부의 압력(P₀)과 노즐(100) 외부의 압력(P₁:대기압) 차이 즉, 연료의 압력에너지가 분사되는 연료의 속도에너지로 변환되고, 분사된 연료의 빠른 속도가 주변과의 공기와의 마찰을 유발하게 되어 분사 전 연료입자(110)는 분사 후 미립화(Atomization)된다.

그런데, 이와 같은 버너시스템은 연료에 물을 혼합하여 에멀젼(Emulsion) 상태인 혼합유를 생성한 후 연소하게 되면 연소효율을 증가시킬 수 있다고 알려져 있다.

그러나, 이 같은 혼합유를 사용하기 위해서는 혼합유의 혼합비, 혼합유 중 연료의 세분화상태, 혼합유의 분사 후의 미립화 정도 등 다수의 요소를 양호한 상태로 유지하기 위한 조건을 갖춰야 한다.

먼저, 연료의 세분화상태를 개선하기 위해 종래는 혼합유에 물과 연료를 유화시킬 수 있도록 계면활성제(surfactant)와 같은 유화제를 첨가하였다. 유화제가 첨가되면 노즐에서 분사된 후의 연료성분의 미립화 정도가 개선되어 유화제를 사용하지 않은 경우보다 작은 크기의 액적(Droplet)상태가 되고, 이로 인해 연소효율이 증가하였다.

그런데, 유화제를 사용하더라도 버너시스템의 구조를 변경하지 않은 상태에서 물과 연료가 혼합된 혼합유의 혼합비를 변경하여 물의 함유량을 20%이상 증가시키면, 소정의 압력수단에 의해 가압된 혼합유가 노즐(100)에서 분사시 혼합유에 공급된 압력에너지가 혼합유에 포함된 연료성분의 미립화 뿐만 아니라 물성분이 증발 하는데 필요한 증발열(蒸發熱)에 사용된다.

따라서, 노즐(100)에서 분사된 분무장(Spray Field)에는 연료성분 뿐만 아니라 물성분도 포함하고 있어, 착화시 연료성분의 연소로 인해 발생되는 열이 물의 증발열로 사용되어 연소효율이 낮아지는 문제점이 있었다.

한편, 유화제를 사용하지 않고 물리적으로 혼합유의 상태를 개선하는 방법으로는 선행출원된 일본특허공개공보 제2006-57921호에서와 같이 교반부 내에 물과 연료를 혼합하는 수단인 교반수단을 별도로 구비해야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유화제 없이도 착화 가능한 물혼합 연료용 버너시스템을 제공함에 있다.

또한, 별도의 교반수단을 구비하지 않아도 물과 연료를 균질하게 혼합할 수 있는 물혼합 연료용 버너시스템을 제공함에 있다.

또한, 분사 후 혼합유의 미립화를 극대화하여 안정된 착화를 유도할 수 있는 물혼합 연료용 버너시스템을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 물과 연료를 혼합한 혼합유를 연소하는 버너시스템에 있어서, 물과 연료를 혼합하는 혼합유를 생성하는 교반부; 상기 교반부로부터 생성된 혼합유를 전달받아 일정한 압력으로 가압하는 가압부; 상기 가압된 혼합유 중 일정량을 전달받아 상기 가압된 혼합유의 압력을 조절하여 상기 교반부로 압력이 조절된 혼합유를 되돌려주는 압력조절부; 상기 가압부에서 가압된 혼합유 중 상기 압력조절부로 전달되는 일정량을 제외한 나머지량을 전달받고, 전달받은 가압된 혼합유를 대기압에 노출시켜 액적상태로 분사하는 노즐부;를 포함하며, 상기 교반부는 물 또는 연료가 공급될 수 있도록 마련된 제1, 제2 인입로와, 상기 제1, 제2 인입로와 연통되며 상기 제1, 제2 인입로를 통해 공급된 물과 연료가 혼합되어 유출되도록 마련된 혼합로와, 상기 압력조절부가 되돌려주는 혼합유가 공급되도록 상기 혼합로와 연통되도록 마련되되 상기 혼합로에서 혼합되는 혼합유에 회전력을 가할 수 있도록 상기 혼합로의 일 측에 편향되어 연통되는 제3 인입로가 형성된 것을 특징으로 하는 물혼합 연료용 버너시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 가압부에서 상기 노즐부 사이에 위치하여 상기 노즐부로 전달되는 가압된 혼합유를 전달하도록 설치되며, 전달받은 가압된 혼합유를 가열하되 상기 노즐부로부터 분사되는 액적상태의 혼합유가 국소폭발(micro explosion)을 일 으키도록 가열하는 가열부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열부에서 가열되는 온도는 100℃이상인 것이 바람직하다.

삭제

이때, 상기 가압부는 상기 교반부로부터 공급받은 혼합유를 40기압 이상으로 가압하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열부와 상기 교반부의 사이에 설치되며, 연소종료시 상기 가열부에 잔존하는 혼합유를 회수 및 감압하여 상기 교반부로 전달하는 감압부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 유화제 없이도 착화 가능한 물혼합 연료용 버너시스템이제공된다.

또한, 별도의 교반수단을 구비하지 않아도 물과 연료를 균질하게 혼합할 수 있는 교반부가 설치된 물혼합 연료용 버너시스템이 제공된다.

또한, 분사 전 혼합유에 열에너지를 가함으로써 분사 후 혼합유의 물성분이 급격히 비등(Boiling)할 수 있도록 하여 미립화를 극대화하고 안정된 착화를 유도 할 수 있는 물혼합 연료용 버너시스템이 제공된다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 물혼합 연료용 버너시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 물혼합 연료용 버너시스템의 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 교반부의 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A'단면도이고, 도 5는 도 3의 B-B'의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 물혼합 연료용 버너시스템은 교반부(10), 가압부(20), 압력조절부(30), 가열부(40), 감압부(50), 노즐부(60)을 포함하여 구성된다.

교반부(10)는 연료와 물을 공급받아 혼합유를 생성하도록 마련된다. 여기서 도 3을 참조하면, 교반부(10)는 하나의 몸체(11)로 구성되며, 연료와 물이 공급되는 방향에는 몸체(11)의 내측으로 공급된 물 또는 연료가 전달될 수 있도록 관로(管路) 역할을 하는 제1인입로(12)와 제2인입로(13)가 형성된다.

또한, 제1인입로(12)와 제2인입로(13)와 연통되어 제1인입로(12)와 제2인입로(13)로부터 공급된 물과 연료가 혼합되는 혼합로(14)가 형성된다. 이때, 혼합로(14)는 혼합유 공급방향 즉, 우측방향으로 외부와 소통되도록 연장형성되어 후술 할 가압부(20)로 혼합유를 전달하도록 마련된다.

또한, 도 4를 참조하면, 제3인입로(15)는 몸체(11)의 상부로부터 내측으로 혼합로(14)와 연통되도록 형성되되, 혼합로(14)의 중심으로부터 편향되도록 형성된다. 이와 같이 형성됨으로써 후술할 압력조절부(30)로부터 되돌아오는 혼합유에 의해 혼합로(14) 내부에 존재하는 물과 연료에 회전력을 인가하여 혼합유의 혼합상태를 균질하게 할 수 있다. 또한, 되돌아오는 혼합유와 제1인입로(12)와 제2인입로(13)를 통해 공급받은 물과 연료가 동시에 혼합될 수 있음으로써 후술할 가압부(20)로 유출되는 혼합유의 혼합상태가 더욱 양호해질 수 있다.

가압부(20)는 유체의 압력을 높일 수 있는 소정의 펌프로서, 교반부(10)에서 혼합된 혼합유를 전달받아 40기압 이상으로 가압하여 후술할 압력조절부(30) 및 가열부(40)로 전달하도록 마련된다(도 2참조). 이같이 가압부(20)에 의해 가압된 혼합유는 후술할 노즐부(60)에서 압력차에 의한 혼합유의 미립화 정도를 더욱 증가시킬 수 있게 된다.

압력조절부(30)는 가압부(20)로부터 가압된 혼합유를 전달받아 압력을 조절한 후 교반부(10)로 되돌려주도록 마련된 수단이며, 이때 전달받는 가압된 혼합유는 후술할 노즐부(60)의 분사압력이 일정하게 유지되도록 후술할 가열부(40)로 전달되는 양을 제외한 나머지 양이 전달되도록 마련된다(도 2참조).

즉, 상기 가압부(20)에 의해 가압된 혼합유는 후술할 압력조절부(30)와 가열부(40)에 가압된 혼합유를 전달하되, 가압된 혼합유를 100이라고 하고 노즐부(60) 의 분사압력이 일정하게 유지되도록 후술할 가열부(40)로 전달되는 양이 20으로 고정되어 있다면 80의 양만큼을 회수하여 압력을 조절한 후 교반부(10)로 압력이 조절된 혼합유를 되돌려주게 된다.

한편, 이와 같이 되돌려주는 혼합유의 압력은 일정하게 조절되지만, 교반부(10)로 진입시의 속도는 대기압보다는 높은 상태 즉, 일정압력을 지닌 상태이므로 유속도 그만큼 증가된 상태로 진입하게 된다.

또한, 이와 같이 유속이 증가된 상태로 진입하는 혼합유의 진입로는 상술한 바와 같이 혼합로(13)와 편향되도록 마련된 제3인입로(15)이므로, 진입된 유속이 증가된 상태로 진입하는 혼합유에 의해 스월(Swirl)현상이 발생하여 혼합로(13) 내의 혼합유의 교반상태는 더욱 양호해질 수 있게 된다.

따라서, 압력조절부(30)로부터 교반부(10)로 되돌려주는 혼합유에 의해 교반부(10)에서 혼합되는 연료, 물 및 혼합유는 더욱 잘 혼합될 수 있고, 별도의 교반수단을 구비하지 않아도 되는 것이다.

가열부(40)는 가압부(20)에 의해 가압된 혼합유를 전달받아 가압된 혼합유를 가열하는 수단으로서, 바람직하게는 100℃이상으로 가열하는 것이 바람직하다. 즉, 혼합유에 포함된 물성분을 비등(Boiling)할 수 있도록 열에너지를 공급하는 열에너지 공급수단이다.

상술한 바와 같이, 가열부(40)를 통해 열에너지를 공급받은 가압된 혼합유는 후술할 노즐부(60)에서 분사되면, 고온고압 상태의 혼합유가 대기압 상태에 노출된 다. 즉, 고압 하에 비등(Boiling)이 제한되던 액체상태인 물성분은 도 6에서와 같이 C영역의 상태에서 포화수증기압선을 통과하여 D영역의 상태로 변화하게 된다. 즉, 고압하의 액체상태에서 대기압에 노출되어 기체상태로 변하면서 국소폭발(micro explosion) 현상이 발생한다.

또한, 국소폭발 현상이 발생할 때에는 분사시 액적(Droplet) 상태보다 더욱 작은 크기의 액적으로 변화하여 미립화되게 된다.

그런데, 종래는 혼합유에 제공되었던 압력에너지가 연료성분 뿐만 아니라 물성분의 증발열에도 사용되어 상술한 바와 같이 미립화 정도가 낮았으나, 본 발명에서는 가열부에 의해 혼합유가 열에너지를 공급받고, 공급받은 열에너지에 의해 물성분이 국소폭발을 일으키게 되므로, 공급받았던 압력에너지는 연료성분의 미립화에만 사용되게 된다.

그러므로, 도 7에서와 같이 분사되었을 때 직후의 액적 상태(70)는 물성분(71)이 비등될 때 공급받은 열에너지를 사용하게 되고, 물성분(71)이 비등시 국소폭발이 발생하여 더욱 작은 크기의 액적 상태(70')로 변화함으로써 연료성분(72)의 미립화를 극대화시킬 수 있는 것이다.

따라서, 가압된 혼합유에 열에너지를 공급함으로써 분사 후 국소폭발 현상에 의해 더욱 미세하게 미립화된 분무장(spray field)를 얻을 수 있게 되어 연소효율을 높일 수 있다.

도 8은 분사압력이 동일할 시, 가열되는 온도에 따라 나타나는 분무장을 도시한 것이다. (a)는 가열부(40)에 의해 25℃로 혼합유를 가열했을 때 노즐부(60) 에서 분사되는 상태를 나타낸 것이고, (b)는 가열부(40)에 의해 125℃로 혼합유를 가열했을 때 노즐부(60)에서 분사되는 상태를 나타낸 것이다.

이와 같이 가열부(40)를 통해 열에너지를 공급하면 분무장에서의 액적의 밀도 및 농도가 크게 나타나게 되는 것을 가시적으로 확인할 수 있고, 이를 통해 연소효율이 증대될 수 있는 것이다.

다음으로 감압부 및 노즐부에 대해 설명한다(도 2참조).

감압부(50)는 가열부(20)와 교반부(10)의 사이에 혼합유를 전달할 수 있도록 설치되며, 버너시스템의 연소가 종료되었을 때 가열부(40)에 잔존하는 가열 및 가압된 혼합유를 교반부(10)로 회수하도록 마련되며, 이때 감압부(50)는 일 단을 가열 및 가압된 혼합유의 압력을 교반부(10)에 공급되는 물 또는 연료라인의 일 측에 연결하여 교반부(10)로 회수하도록 마련됨으로써 물과 연료의 혼합시 혼합상태를 더욱 양호하게 할 수 있다.

또한, 감압부(50)는 가열부(40) 내에 잔존하는 혼합유 회수 시 고압상태의 혼합유의 압력을 낮추어 회수함으로써 물 또는 연료라인에 고압에 의한 영향을 덜 미치게 할 수 있다.

노즐부(60)는 오리피스 등이 설치되어 있으며, 고온고압 상태의 혼합유를 전달받아 외부로 분사할 수 있도록 마련된다.

이와 같이 마련된 본 발명의 제1실시예에 따른 분사시스템에 의하면 물리적 으로 교반부를 통해 혼합유를 생성시 압력조절부에 의해 회수된 혼합유가 스월(Swirl) 현상을 일으키며 혼합되어 연료와 물의 혼합비를 8:2 이상 즉, 7:3 내지 3:7까지도 혼합될 수 있다.

또한, 가압부 및 가열부를 통해 압력에너지 및 열에너지를 공급받아 분사 후 액적의 미립화 정도를 높일 수 있어 안정된 착화를 유도할 수 있고, 이에 따라 연소효율도 높일 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 압력분사시 연료입자의 변화도,

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 물혼합 연료용 버너시스템의 블럭도,

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 교반부의 사시도,

도 4는 도 3의 A-A'단면도,

도 5는 도 3의 B-B'의 단면도,

도 6은 포화수증기압선도,

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 분사 전후의 액적상태 변화도,

도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 동일한 분사압력일 때 가열되는 온도에 따라 나타나는 분무장의 표시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 교반부 20 : 가압부 30 : 압력조절부 40 : 가열부

50 : 감압부 60 : 노즐부

Claims (6)

1. 물과 연료를 혼합한 혼합유를 연소하는 버너시스템에 있어서,

   물과 연료를 혼합하는 혼합유를 생성하는 교반부;

   상기 교반부로부터 생성된 혼합유를 전달받아 일정한 압력으로 가압하는 가압부;

   상기 가압된 혼합유 중 일정량을 전달받아 상기 가압된 혼합유의 압력을 조절하여 상기 교반부로 압력이 조절된 혼합유를 되돌려주는 압력조절부;

   상기 가압부에서 가압된 혼합유 중 상기 압력조절부로 전달되는 일정량을 제외한 나머지량을 전달받고, 전달받은 가압된 혼합유를 대기압에 노출시켜 액적상태로 분사하는 노즐부;를 포함하며,

   상기 교반부는 물 또는 연료가 공급될 수 있도록 마련된 제1, 제2 인입로와, 상기 제1, 제2 인입로와 연통되며 상기 제1, 제2 인입로를 통해 공급된 물과 연료가 혼합되어 유출되도록 마련된 혼합로와, 상기 압력조절부가 되돌려주는 혼합유가 공급되도록 상기 혼합로와 연통되도록 마련되되 상기 혼합로에서 혼합되는 혼합유에 회전력을 가할 수 있도록 상기 혼합로의 일 측에 편향되어 연통되는 제3 인입로가 형성된 것을 특징으로 하는 물혼합 연료용 버너시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 가압부에서 상기 노즐부 사이에 위치하여 상기 노즐부로 전달되는 가압된 혼합유를 전달하도록 설치되며, 전달받은 가압된 혼합유를 가열하되 상기 노즐부로부터 분사되는 액적상태의 혼합유가 국소폭발(micro explosion)을 일으키도록 가열하는 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물혼합 연료용 버너시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 가열부에서 가열되는 온도는 100℃이상인 것을 특징으로 하는 물혼합 연료용 버너시스템.
4. 삭제
5. 제 3항에 있어서,

   상기 가압부는 상기 교반부로부터 공급받은 혼합유를 40기압 이상으로 가압하는 것을 특징으로 하는 물혼합 연료용 버너시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 가열부와 상기 교반부의 사이에 설치되며, 연소종료시 상기 가열부에 잔존하는 혼합유를 회수 및 감압하여 상기 교반부로 전달하는 감압부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물혼합 연료용 버너시스템.

Images