KR100905512B1

KR100905512B1 - 면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너

Info

Publication number: KR100905512B1
Application number: KR1020090032049A
Authority: KR
Inventors: 박정재
Original assignee: 박정재
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2009-07-01

Abstract

본 발명은 용사용 산소버너에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 세라믹 분말과 같은 원료가 분사되는 원료분사노즐의 외주면을 원추형으로 만들어 이를 전후진시킴으로써 산소와 가스가 혼합된 연료가 분사되는 연료분사노즐의 분사구의 면적을 조절할 수 있도록 하여, 버너의 화염을 안정화시키고 저부하시 충분한 유속을 유지할 수 있도록 하여 역화를 방지할 수 있는 면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너에 관한 것이다.

산소버너, 용사, 세라믹, 프리믹스, 혼합, 원추형, 경사. 단면, 가변

Description

면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너{OXYGEN-BURNER}

일반적으료 용사용 산소버너라 함은, 고온의 화염을 만들어 분말이나 슬러지 등과 같은 원료를 화염 중에서 용융시켜 이를 구상화시키는데 사용되는 버너를 일컫는다. 참고로 용융되는 세라믹 원료는 40㎛의 크기로 구상화되어 이후 나노필터와 같은 제품으로 후가공되어 판매되어진다.

이러한 용사용 산소버너의 상품성은 얼마만큼의 안정된 화염을 생성할 수 있는지, 즉, 고온의 화염이 생성되는지, 생성된 화염의 분사에 있어 화염속으로 투입 되는 원료가 오래 머물 수 있도록 연속적으로 분사되는지 그리고 화염 분사시 분사 거리가 길고 직선형으로 분사되는지, 화염에 의해 녹아 구상화된 원료의 표면은 그을음(shoot)이 생기지 않고 깨끗한 표면을 형성하는지 여부에 따라 결정된다.

종래 개시된 관련 기술을 살펴보면, 등록실용신안 제20-0243640호 『염용융 용사 수냉식 산소버너』(2001.08.08)이 개시되어 있는데,

등록실용신안 제20-0243640호의 용사용 산소버너는 화염을 고온화시키고 고온 발생시간을 단축시키기 위해 고안된 것으로

설정된 용융온도의 이하인 경우에는 가스연료를 제1연료포트에 산소를 제2연료포트에 각기 공급시키고,

설정된 용융온도의 이상인 경우에는 1차 산소와 2차 산소를 제1연료포트와 제3연료포트에 각기 공급시킴과 동시에 가스를 제2연료분사통로에 공급시켜서 원료공급포트에 공급된 원료가 미립화로 분무되고 화염과 충돌하면서 급속히 용융 용사되도록 한 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

즉, 화염온도를 필요에 따라 조절하기 위하여 가스연료와 혼합될 산소를 단계적으로 공급할 수 있는 구성을 가진 것을 특징으로 하고 있음을 알 수 있다.

그러나 상기 등록실용신안 제20-0243640호의 화염 생성방식은 가스와 산소를 별도로 분사하여 노즐 단부에서 혼합하는 방식(노즐믹스 방식)인 것으로 연소과정 에서 미연탄소(Shoot, 그을음)가 발생되고 이로 인해 구상화되는 원료의 표면이 지저분해진다는 문제점이 발생된다.

본 발명은 연료분사에 있어 등록실용신안 제20-0243640호와 같은 분사방식을 탈피하여 가스와 산소가 미리 혼합된 혼합연료를 산소버너에 주입하는 구성(pre-mixing 방식, 프리믹싱방식)을 채택한 것으로,

프리믹싱방식을 채택함으로써 생길 수 있는 역화 현상을 방지할 수 있는 구조를 가진 용사용 산소버너 즉, 안정적인 화염의 생성을 보장할 수 있는 용사용 산소버너를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기한 프리믹싱 방식으로 인해 기존 산소버너에서의 미연탄소 발생 문제를 해결하여 최종 결과물에 대한 제품성을 높일 수 있고, 화염속으로 분사되는 원료가 오래 머물 수 있도록 하여 최종 결과물에 대한 생산성을 높일 수 있는 용사용 산소버너를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용사용 산소버너는

버너몸체;

상기 버너몸체에 형성된 것으로 원료가 투입되는 원료투입부와, 상기 투입된 원료가 분사되는 원료분사구가 형성된 원료분사노즐로 이루어진 원료공급수단;

연료가 투입되는 연료투입부와, 상기 연료투입부와 연통되어 투입된 연료가 이동하기 위한 공간으로 상기 원료공급수단 일부를 감싸는 형태로 형성된 연료이동 부와, 상기 이동된 연료가 분사되는 연료분사구가 형성된 연료분사노즐로 이루어진 연료공급수단; 및

상기 버너몸체를 냉각시키기 위한 냉각수공급수단을 포함하여 이루어지되,

상기 원료공급수단은 상기 연료공급수단에 대하여 전후진이 가능하고, 상기 원료공급수단의 원료분사노즐은 외주면이 경사진 원추형으로 이루어져,

원료공급수단의 전후진에 의해 연료분사노즐의 분사구 면적이 가변되는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명의 연료분사노즐의 내주면은 상기 원료분사노즐의 외주면 형상과 대응되는 원추형으로 형성되는 것을 기술적 특징으로 하고,

또한 상기 연료투입부에 투입되는 연료는 산소와 가스가 프리믹싱(Pre-mixing)된 연료인 것을 기술적 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 본 발명에 투입되는 연료를 산소와 가스를 미리 혼합시킨 프리믹싱된 연료를 사용하게 되어 화염의 연소과정에서 발생되는 미연탄소의 발생을 억제시키고 이로 인해 용융된 원료의 최종 결과물에 대한 상품성을 높일 수 있다는 효과를 가진다.

뿐만 아니라 연료공급수단에 삽입되어 전후진 가능하도록 구성된 원료공급수 단의 원료공급노즐의 외주면을 원추형으로 형성하여 연료분사노즐의 분사구 면적을 가변화시킬 수 있어, 상기 분사구의 면적을 조절함으로서 연료가 저부하되더라도 충분한 유속을 유지할 수 있게 되어 역화를 방지할 수 있다는 효과를 가진다.

화염 속으로 분사되는 원료 또한 골고루 퍼지면서 분사될 수 있어

종국적으로는 버너 화염을 안정화시킬 수 있고 생산성이 좋은 용사용 산소버너를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하도록 한다.

우선, 본 발명을 설명함에 있어 화염이 분사되는 방향을 전방 내지 정면이라 하고, 원료투입부가 구비된 방향을 후방 내지 후면이라 한다.

다음으로 도 1 및 2는 본 발명의 내부를 도시하기 위한 단면도이고, 도 3은 원료공급노즐을 도시하기 위해 본 발명의 전방부를 도시한 정면도이다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원료가 투입되고 분사되는 원료공급수단(20)과, 연료가 투입되고 분사되는 연료공급수단(30), 그리고 버너를 냉각시키기 위한 냉각수공급수단(40)이 형성되어 있고, 상기한 원료공급수단(20), 연료공급수단(30), 그리고 냉각수공급수단(40)은 버너 몸체(10) 내부에 위치한다.

연료공급수단(30)은 연료가 투입되는 연료투입부(31)와, 상기 연료투입부(31)와 연통되어 투입된 연료가 이동하기 위한 공간인 연료이동부(32)와, 상기 이동된 연료가 분사되는 연료분사노즐(33)로 이루어지고, 상기 연료분사노즐(33)에는 연료가 분사되는 통로인 연료분사구(33a)가 형성되어 있다.

또한 상기 연료공급수단(30)은 전체적으로 그 단면이 도 1에 도시된 바와 같이 "ㄴ"자 형상을 하는 것이 바람직하며, 상부에서 투입된 연료는 수직의 연료이동부(32a)와 수평의 연료이동부(32b)를 거쳐 연료분사구(33a)가 형성된 연료분사노즐 (33)을 통해 분사된다.

후술하겠으나, 상기 연료분사구(33a)의 면적은 연료공급수단(30)에 투입되어 전후진되는 원료공급수단(20)에 의해 가변되게 된다.

또한 상기 연료투입부(31)에 투입되는 연료는 가스와 산소가 미리 혼합된 혼합 연료가 사용되고, 본 발명에서 언급되는 산소라 함은 100% 산소 또는 질소가 함유된 공기를 불문하나 연소효율을 고려한다면 100%의 순수 산소를 사용하는 것이 바람직하다.

나아가 본 발명에 투입되는 가스로는 LNG, LPG 등을 들 수 있으며, 원료라 함은 통상적으로 세라믹 분말을 이용하게 된다.

따라서 이하 설명부터는 원료라는 용어 대신 세라믹 분말이라는 용어를 사용하고, 세라믹 분말이 용융되어 최종적으로 얻게 되는 최종 결과물이라는 용어 대신 세라믹 구상체라는 용어를 사용하여 본 발명을 설명하도록 한다.

본 발명에서 연료공급과 관련하여, 산소와 가스를 별도 투입한 후 노즐의 끝단에서 만나도록 하여 화염을 생성하는 방식인 노즐믹스방식을 채택하지 않고

산소와 가스가 미리 혼합된 상태의 연료를 투입하는 프리믹싱방식을 채택하는 이유는 미연탄소 발생을 방지하고 이로 인한 세라믹 구상체에 대한 표면 오염을 방지하기 위한 것임은 앞서 살펴본 바와 같다.

다만, 이러한 프리믹싱의 방식을 채택하는 경우 화염이 역화하는 문제점이 발생되는데, 본 발명에서는 이를 연료부사구(33a)의 면적을 가변시킴으로써 해결하였다.

즉, 본 발명에서 채택한 프리믹싱에 의한 연소는 연소속도의 증가로 인해 통상적으로 안정적인 연소가 이루어지지 못하고 역화가 쉽게 발생한다는 문제점이 있어 노즐믹스에 비해 미연탄소 발생으로 인한 1차 오염이 없다는 이점이 있음에도 불구하고 쉽게 채택될 수가 없었다.

그런데 본 발명에서는 원료분사노즐(22)의 구조 및 이와 결합되는 연료분사노즐(33)의 구조를 새롭게 개발함으로써 프리믹싱에 의한 역화문제를 해결하였다.

다시 도 1을 살펴보면, 원료공급수단(20)은 세라믹 분말이 투입되는 원료투입부921)와 투입된 세라믹 분말이 화염속으로 용융되기 위해 분사되는 통로인 원료 분사구(22a)가 형성된 원료분사노즐(22)로 이루어진다.

상기 원료공급수단(20) 즉, 연료공급수단(30)에 삽입된 형태인 원료분사노즐(22)은 연료분사구(33a)를 관통하는 형태로 형성되어 있고, 원료공급수단(20)은 전진과 후진이 가능한 구조로 구성된다.

또한 상기 원료공급수단(20)의 원료분사노즐(22)의 외주면(22b)은 경사진 원추형으로 이루어져 결국 연료분사노즐(33)을 관통하는 원료공급수단 즉, 원료분사노즐(22)이 연료분사노즐(33)에서 전후진함에 따라 연료분사구(33a)의 면적이 변하게 되는 구조를 형성하게 된다.

따라서 연소 속도의 증가로 프리믹싱된 연료가 저부하되어 화염의 역화가 예상되는 경우 연료에 대한 충분한 분사 유속을 유지할 수 있도록 연료분사구의 면적을 변화 즉, 면적을 좁게 변화시켜 역화를 방지하게 된다.

참고로, 도 4은 원료공습수단(20)의 전후진에 따른 연료분사구(33a)의 면적 변화를 도시한 것으로 원료공급수단의 원추형으로 형성된 원료분사노즐(22)이 후진하면 연료분사구(33a)의 면적이 커지고, 전진하면 면적이 작아짐을 알 수 있다.

또한 상기 원추형의 원료분사노즐(22)은 연료가 중앙으로 모아지면서 분사되도록 하는 분사로드를 제공하는 기능까지 겸하게 되고, 중앙으로의 연료 분사로 인 해 이후 형성되는 화염은 직진성이 향상되어 먼 거리까지 화염이 형성되는 효과가 있다.

더욱이 연료분사노즐 내주면(33b)의 형상을 원료분사노즐의 외주면(22b) 형상과 대응되는 원추형으로 형성시켜 연료 분사시 버너 외측으로 퍼지지 않고 중앙으로 모아질 수 있는 보다 확실한 분사로드를 제공함에 따라 화염이 곧게 뻗어나갈 수 있어 종국적으로는 안정된 화염을 형성하게 되고,

이와 더불어 분사되는 세라믹 분말이 화염속에서 최대한 오래 머물 수 있게 된다.

또한 본 발명에서의 연료 및 원료분사노즐(33, 22)은 버너 몸체(10) 외부로 직접 노출되지 않고 버너 몸체 전방에 형성된 연소부(50)라는 별도 마련된 공간에 배열되는 구조이다.

상기 연소부(50)는 안정적인 화염생성을 보장하기 위한 것인데,

상기 연소부(50)의 내주면에는 단(51)이 형성되어 단차를 이루는데 상기 형성된 단(51)에는 연료분사노즐(33)로 관통되는 관통공(51a)이 형성되어 있다.

즉, 상기 관통공(51a)은 연소부(50)와 연료분사노즐(33)을 관통시키는 로드인데 연소속도보다 가스속도가 더 빠르게 되는 경우 생성되는 화염이 블로우오프(Blow off)되는 현상(날아가서 꺼지는 현상)을 방지하고자 화염을 연소부로 땡겨주는 역할을 한다.

또한 상기 관통공(51a)은 연소부(50) 개구 주변으로 화염을 땡겨주기 위해서 수평이 아닌 후방에서 전방으로 벌어지는 형태로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

다음으로 도 1 내지 3을 참고하면, 원료분사구(22a)는 원료분사노즐(22) 중심에 형성된 제1원료분사구(A)와, 상기 제1원료분사구 주변을 따라 형성된 다수의 제2원료분사구(B)로 이루어지는데, 이는 세라믹 분말을 고르게 퍼지도록 하면서 분사시키기 위함이다.

따라서 제1원료분사구(A)만이 아니라 제1원료분사구 주변을 따라 형성된 다수의 환형 구멍인 제2원료분사구(B)의 겸비로 인해 세라믹 분말은 고르게 퍼지면서 분사되고,

경사진 연료분사노즐(33)과 경사진 원료분사노즐(22)로 인해 프리믹싱된 연료에 의해 생성되는 화염은 중앙으로 모아지면서 직선형의 화염을 만들게 되어

고르게 퍼진 세라믹 분말은 순간적으로 화염속에서 용융되어 구(球)형의 분말입자(구상체)로 만들어지게 되고,

이후 중력에 의해 저부에 위치한 수조로 낙하하면서 식으면서 구형분말이 최종 완성되는 것이다.

다음으로 상기와 같은 과정을 거치면서 버너 몸체(10)에 발생되는 열을 식혀 주기 위한 냉각수공급수단(40)이 본 발명에는 구비되는데,

도 1에 도시된 바와 같이, 버너 몸체 저면에는 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(41)가 구비되고, 상기 유입된 냉각수는 버너 몸체를 순환하면서 상면에 형성된 냉각수 유출구(42)로 배출된다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 산소버너에 대해 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 의한 산소버너의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 산소버너의 원료공급수단이 분해된 상태를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 산소버너의 정면도.

도 4는 본 발명에 의한 산소버너의 연료분사구 단면 변화를 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 버너 몸체

20; 원료공급수단 21: 원료투입부 22:원료분사노즐

22a: 원료분사구 22b: 외주면

30: 연료공급수단 31: 연료투입부 32: 연료이동부 33: 연료분사노즐

33a: 연료분사구 33b; 내주면

40: 냉각수공급수단 50: 연소부 51: 단 51a: 관통공

Claims

버너몸체;

상기 버너몸체에 형성된 것으로 원료가 투입되는 원료투입부와, 상기 투입된 원료가 분사되는 원료분사구가 형성된 원료분사노즐로 이루어진 원료공급수단;

연료가 투입되는 연료투입부와, 상기 연료투입부와 연통되어 투입된 연료가 이동하기 위한 공간으로 상기 원료공급수단 일부를 감싸는 형태로 형성된 연료이동부와, 상기 이동된 연료가 분사되는 연료분사구가 형성된 연료분사노즐로 이루어진 연료공급수단; 및

상기 버너몸체를 냉각시키기 위한 냉각수공급수단을 포함하여 이루어지되,

상기 원료공급수단은 상기 연료공급수단에 대하여 전후진이 가능하고, 상기 원료공급수단의 원료분사노즐은 외주면이 경사진 원추형으로 이루어져,

원료공급수단의 전후진에 의해 연료분사노즐의 분사구 면적이 가변되는 것을 특징으로 하는 면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너.
제 1 항에 있어서, 상기 연료분사노즐의 내주면은 상기 원료분사노즐의 외주면 형상과 대응되는 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너.
제 1 항에 있어서, 원료의 고른 분사를 위하여 상기 원료분사구는 원료분사 노즐 중심에 형성된 제1원료분사구와, 상기 제1원료분사구 주변을 따라 형성된 다수의 제2원료분사구로 이루어진 것을 특징으로 하는 면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 연료투입부에 투입되는 연료는 산소와 가스가 프리믹싱(Pre-mixing)된 연료인 것을 특징으로 하는 면적이 가변되는 연료분사노즐을 구비한 용사용 산소버너.