KR101055057B1 - 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소실 내로 공기를 유입하여 연소실 내에서 연소가 일어나게 하는 연소장치에 관한 것이다. 상기 연소장치는 연소실의 외주를 따라 종방향으로 설치된 복수의 안내날개를 포함하고, 공기는 인접하는 안내날개에 의해 형성되는 유로를 통해 원주방향으로 연소실 내부로 유입되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 따르면, 인접하는 안내날개에 의해 형성되는 유로를 통해 원주방향으로 연소실 내부로 유입되는 공기에 의해 화염에 인접한 안내날개를 냉각하며, 이 안내날개는 화염의 방사열과 복사열이 외부로 방출되는 것을 차단함으로써, 연소장치를 소형화하면서 제조비용을 줄이고, 동시에 열효율도 향상시킬 수 있다.

연소장치, 안내날개, 유로, 연소실, 원주방향

Description

연소장치 {Combustion apparatus}

본 발명은 연소장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 연소실 내로 공기를 유입하여 연소실 내에서 연소가 일어나게 하는 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연소장치에서는 미분탄, 액체 또는 기체상의 연료가 분무 또는 기화 상태로 연소실 내로 공급되며, 공급된 연료는 외부로부터 공급되는 공기와 혼합되면서 연소가 이루어진다.

연소실이 1차 연소실과 2차 연소실로 물리적으로 구분되어 있든지 한 개의 연소실이 2개의 영역으로 나뉘어 구분되든지 간에, 대부분의 연소장치는 1차 연소실에서 1차 공기와 혼합되어 연소가 시작되며, 그 후단에서 2차 공기가 공급되어 미연가스를 연소하게 되어 있다. 이때, 완전 연소를 달성하기 위해서는 연료와 공기가 잘 혼합되게 하는 것이 무엇보다 중요하다.

종래에 연료와 공기를 잘 혼합하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 있으나, 이들 대부분은 연소를 위한 공기 흐름을 선회공기류로 만들어 연료와 공기가 잘 혼합되게 하는 것이다. 이를 위해, 연소실 내로 공급되는 공기의 통로에 다수의 노즐을 형성하여 연소실 내에서 공기의 소용돌이가 형성되도록 공기를 공급함으로써 선회공기류를 만들기도 하며, 공기를 연소화염의 축방향으로 공급하면서 그 통로에 날개를 설치하여 선회공기류를 만들기도 한다.

또한, 노즐을 통해 공급되는 공기를 예열하여 공급하면 연소효율을 높일 수 있으므로, 공기가 연소실 내로 들어가기 전에 예열될 수 있도록 공기공급라인이 연도를 통과하거나 별도의 열교환기를 통과하면서 예열되기도 한다.

또한, 연소실 외부로 방출되는 열을 차단하여 손실되는 열을 최소화하면 열효율이 상승하므로, 단열재를 연소실 외주를 따라 설치하기도 한다.

그러나, 종래의 이러한 구조의 연소장치는 선회공기류를 공급하기 위한 노즐, 공기예열장치 및 단열재가 각각 별도로 구성되어 있어서, 연소장치의 크기가 커지고 장치가 복잡해지는 단점이 있었다.

도 1은 종래의 선회공기류를 형성하기 위한 고체연료 연소장치의 일례를 도시하고 있다.

외부로부터 공급되는 공기는 다수의 노즐(2)을 통해 연소실(1) 내로 공급되는데, 이때 다수의 노즐(2)을 통해 공급되는 공기는 서로 충돌 및 회전하면서 선회공기류를 형성하고, 화염의 복사열에 의해 연료통(3) 내의 연료(3a)에서 증발되는 가스와 혼합되어 연소가 일어난다. 이때, 연료에서 증발하는 가스의 양은 화염의 복사열에 의해 정해지는데, 화염의 온도가 높을수록 증발하는 가스의 양은 많아지면서 연소가 활발하게 이루어지며, 연소속도도 상승하게 되어 고속연소가 가능하게 된다. 그러나, 연소온도가 올라가게 되면 방사되는 열에 직접 노출되는 연소실 벽체의 온도가 상승하여 연소실 벽체가 용융되거나 고온에 의해 강도가 저하되므로 고가의 내열재료를 사용하여야 한다. 또한, 외부로 열이 발산되는 것을 막기 위해 단열재(4)가 설치되는데, 연소온도가 높을수록 단열재의 두께는 더욱 두꺼워지게 되어 연소장치의 전체 크기가 커지게 되는 문제점이 있었다.

도 2는 단열재를 설치하지 않은 종래의 다른 고체연료 연소장치를 도시하고 있다.

상기 연소장치에서 공기유입구(5)를 통해 유입된 공기는 연소실 벽체(6) 주변을 따라 형성된 유로를 통해 화살표 방향으로 유동하여 연소실(1) 내부로 들어간다. 이때, 연소실 벽체(6)를 따라 유동하는 공기는 연소실 벽체를 냉각시킴과 동시에 연소실(1) 내부의 열이 연소실 벽체(6)를 통해 외부로 방출되는 것을 방지한다. 즉, 연소실 내부로 유입되는 공기가 단열재로서의 기능을 담당한다. 그러나, 연소실 벽체(6)를 따라 형성된 유로를 통해 유동하는 공기만으로는 연소실의 냉각과 단열이 충분히 이루어지기 어렵고, 여전히 연소실 벽체(6)를 통해 상당한 양의 열이 외부로 방출되어 연소장치의 열효율이 저하된다. 또한, 효율적인 연소가 일어나기 위해서는 공기가 연소실(1) 하부까지 안내되어 고체연료에서 증발되는 가스와 충분히 혼합되어야 하는데, 연소실(1) 내부로 진입하는 공기가 연소실 내에서 연소되어 위로 상승하는 연소가스와 연소실의 상부에서 충돌되어 연소실 하부까지 충분히 전달되지 않아 효율적인 연소를 방해하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 선회공기류를 형성 하기 위한 구성, 공기예열장치 및 단열재를 각각 별도로 설치할 필요없이 하나의 간단한 구성으로 이러한 효과를 달성함으로써, 연소장치를 소형화하면서 제조비용을 줄이고, 동시에 열효율도 향상시킬 수 있는 연소장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.

본 발명의 연소실 내로 공기를 유입하여 연소실 내에서 연소가 일어나게 하는 연소장치는, 연소실의 외주를 따라 종방향으로 설치된 복수의 안내날개를 포함하고, 공기는 인접하는 안내날개에 의해 형성되는 유로를 통해 원주방향으로 연소실 내부로 유입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 안내날개는 연소실 전체를 감싸도록 연소실의 외주를 따라 서로 중첩되게 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안내날개는 서로 중첩되는 안내날개에 의해 연소실 방향으로 형성되는 공기 유로의 면적이 유로 입구에서 유로 출구로 갈수록 좁아지게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안내날개는 평면 또는 부드러운 곡면을 갖는 얇은 판형의 부재로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기는 연소실의 상부와 하부에 각각 설치된 공기공급관으로부터 상기 안내날개를 통해 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연소장치에 따르면, 연소장치를 소형화하면서 제조비용을 줄이고, 동시에 열효율도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의해야 한다.

도 3은 본 발명의 연소장치(100)를 도시하는 도면이고, 도 4는 도 3의 연소장치를 X-X' 라인을 따라 절취한 개략적인 단면도이고, 도 5는 본 발명의 안내날개(40)의 배열과 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 연소장치에서 공기의 유동경로를 나타내는 도면이다.

상기 연소장치(100)는 연료통(10), 본체(20), 송풍기(30), 안내날개(40) 및 열교환기(50)를 포함한다.

상기 연료통(10)은 본체(20)의 하부에 위치되어 연료이송장치(11)에 의해 이송된 연료(12)(예를 들어, 석탄)를 저장한다. 상기 연료(12)는 화염에 의해 증발되어 연소실(21)로 이동하고, 연소실(21)에서 안내날개(40)를 통해 공급되는 공기와 혼합되어 연소된다.

상기 본체(20)는 예를 들어, 원통형으로 되고 그 내부 공간에는 연소실(21)이 형성되어 연소가 이루어진다.

송풍기(30)에 의해 공급되는 공기는 공기공급관(31), 공기통(32) 및 안내날개(40)를 거쳐 연소실(21)로 유입된다.

상기 안내날개(40)는 부드러운 곡면을 갖는 얇은 판형의 부재로서, 다수의 안내날개가 연소실(21)의 외주를 따라 종방향으로 설치되고, 상기 안내날개(40)의 양단부는 상측 지지부(41) 및 하측 지지부(42)에 각각 고정된다(도 5 참조). 각각의 안내날개(40)는 서로 중첩되면서 안내날개 바깥으로 연소실(21)이 노출되지 않도록 연소실의 외주 전체를 둘러싸고 있다.

상기 열교환기(50)는 본체(20)의 상부에 설치되어 연소에 의해 발생되는 배기가스의 열을 열교환매체(예를 들어, 난방수)에 전달한다. 상기 배기가스는 연소장치 상부의 배기관(60)을 통해 배출된다.

도 6은 본 발명의 연소장치로 유입되는 공기의 유동경로를 나타내는 도면이다.

송풍기(30)에 의해 송풍된 공기는 공기공급관(31)을 따라서 연료통(10) 외부에 설치된 공기통(32)의 통로(A) 내로 공급된다. 상기 공기공급관(31)은 원주방향으로 설치되어 공기가 원주방향을 따라 공급되게 하는 것이 바람직하다. 공급된 공기는 통로(A)를 따라 회전하면서 본체(20)와 공기통(32) 사이의 개구(43)를 통해 연소실(21)의 외주를 따라 형성된 통로(B)로 공급된다(도3 참조). 공기는 통로(B) 내에서 회전하면서 각각의 안내날개(40)에 의해 형성된 다수의 유로를 따라 화살표 방향(원주방향)으로 연소실(21) 내로 공급된다. 이때, 개구(43)를 통과한 공기는 각각의 안내날개(40)에 의해 형성되는 좁은 유로 입구(C)를 통과하면서 가속되고, 다시 유로 입구(C)보다 좁은 유로 출구(D)를 통과하면서 더욱 가속되어 연소실(21) 내로 들어가게 된다. 그에 따라, 다수의 안내날개(40)를 통해 원주방향으로 연소실(21) 내로 들어오는 공기는 강력한 선회공기류를 형성하게 된다. 이러한 선회공기류는 연료통(10)에서 증발하여 연소실(21)로 들어오는 연료가스와 혼합되어 화염을 형성한다.

일반적으로, 화염이 형성되면 화염의 외측으로 탄산가스(CO₂) 막이 형성되어 공기와의 접촉을 차단하게 된다. 본 발명의 연소장치에서, 연소실(21) 내로 공급되는 공기는 가속되어 화염의 주위를 빠른 속도로 회전하면서 공급되므로 화염의 탄산가스 막을 흔들어 공기가 연료가스와 쉽게 접촉할 수 있게 한다. 따라서, 연료가스와 공기가 잘 혼합되게 함으로써, 안정적인 화염이 형성되고 연소효율이 높아진다.

연료가스와 공기가 연소실(21) 내로 많이 공급될수록 연소가 활발해져 발열량이 증가하고, 이때 방사되는 열에 의해 연소실(21)의 외주를 따라 형성된 안내날개(40)가 가열된다. 그러나, 본 발명에서 가열된 안내날개(40)는 인접하는 안내날개에 의해 형성된 유로를 따라 연소실(21) 내로 공급되는 공기에 의해 냉각되므로, 온도가 과도하게 상승하는 것이 방지된다.

또한, 상기 안내날개(40)는 연소실(21)의 외주를 따라 서로 중첩되어 형성되므로, 안내날개(40)를 통해 연소실 내로 들어오는 공기는 각각의 안내날개의 전 면(40a)과 후면(40b)의 양측 표면을 따라 유동하게 된다. 따라서, 안내날개(40)는 그 양측을 지나는 공기에 의해 충분히 냉각될 수 있다. 또한, 다수의 안내날개(40)가 중첩되어 화염을 둘러싸는 형태로 설치되므로, 안내날개(40)가 중첩되지 않을 때와 비교하여 연소실(21)에서 발생된 열을 흡수할 수 있는 안내날개의 전열면적이 더욱 넓어지게 되어, 화염으로부터 방사되는 열을 효과적으로 차단하게 된다. 따라서, 본 발명의 연소장치에서는 내열재 또는 단열재를 설치하지 않고도 안내날개(40) 또는 본체(20)의 온도가 과도하게 상승하지 않으며, 연소실(21)에서 발생된 열이 외부로 발산되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.

또한, 인접하는 안내날개(40)에 의해 형성되는 유로를 통해 연소실(21) 내로 유입되는 공기는 안내날개(40)를 냉각시키면서 안내날개에 전달된 열을 흡수하게 된다. 이러한 열에 의해 공기는 예열된 상태로 연소실(21) 내로 들어가 연료가스와 혼합되므로, 연소속도를 더욱 빠르게 하는 효과를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 연소장치에서는 공기가 연소실(21) 내로 유입되면서 자연스럽게 예열되므로, 종래의 연소장치에 설치되었던 공기예열장치를 필요로 하지 않는다.

또한, 안내날개(40)와 본체(20)에 전달되는 열을 안내날개(40)를 통해 공급되는 공기가 흡수하여 연소실(21) 내로 가져감으로써 연소에 의한 방사열을 공기가 다시 회수할 수 있다. 따라서, 외부로 방출되는 열이 최소화되어 열효율이 높은 연소장치를 구현할 수 있으므로, 동일한 발열량을 내는 종래의 다른 연소장치에 비해 연소실의 크기를 50% 이상 줄일 수가 있다. 실험 결과, 종래에 연소실의 지름이 300φ인 연소장치의 발열량이 20,000 kcal/h인 것에 비해, 본 발명의 연소장치 는 동일한 지름의 연소실에서 200,000 kcal/h의 발열량을 나타내어 10배 정도 발열량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 안내날개(40) 및 본체(20)의 온도가 과도하게 상승되지 않으므로 안내날개 및 본체의 재료는 비교적 저렴한 내식성 재료를 사용할 수 있게 된다. 예를 들어, 종래의 연소장치에서는 내열재료로서 열에 강한 스텐레스 310이 사용되었다면, 본 발명에서는 스텐레스 310보다 가격이 훨씬 저렴한 스텐레스 304를 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 연소장치에 따르면, 공기가 연소실(21)의 외주를 따라 종방향으로 설치된 복수의 안내날개(40)에 의해 안내되어 원주방향으로 연소실 내부로 유입되므로, 안내날개를 지나는 공기가 안내날개를 냉각시키면서 동시에 안내날개의 열을 흡수할 수 있게 되어, 단열재 또는 내열재를 필요로 하지 않으며 공기예열장치를 설치할 필요도 없다. 또한, 공기는 원주방향을 따라 빠른 속도로 선회공기류를 형성하면서 연소실(21) 내부로 유입되므로, 공기와 연료가스가 잘 혼합되게 하여 연소효율을 향상시킨다. 또한, 안내날개(40)에 의해 본체(20) 외부로 발산되는 열을 효과적으로 차단하므로 열효율을 향상시킬 수 있어, 연소장치를 소형으로 할 수 있다.

이러한 본원 발명의 효과는 상기 안내날개(40)를 연소실의 외주를 따라 서로 중첩되게 설치함으로써 더욱 향상된다.

한편, 도 3에서 송풍기(30)와 공기공급관(31)이 본체(20)의 하부에 설치되어 연소실(21)의 하부로부터 공기가 공급되는 것으로 도시되었지만, 본체(20)의 상부에 송풍기와 공기공급관을 설치하여 연소실(21)의 상부로부터 안내날개를 통해 공기가 공급되게 할 수도 있다. 또한, 본체(20)의 상부와 하부 사이(즉, 연소실 측부)에 송풍기와 공기공급관을 설치하여, 연소실(21)의 측부로부터 안내날개를 통해 공기가 공급되게 할 수도 있다. 더 많은 공기를 연소실(21) 내로 유입시킬 필요가 있을 때는, 본체(20)의 상부, 측부 및 하부의 2개소 이상에 송풍기와 공기공급관을 설치하여, 연소실(21)의 상부, 측부 또는 하부로부터 안내날개를 통해 공기가 공급되게 할 수도 있다.

상기에서, 본 발명의 연소장치에서 사용되는 연료로서 고체연료를 예로 들어 설명하였지만, 석유 등의 액체연료 및 가스 등의 기체연료도 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기에서 안내날개(40)의 형상이 부드러운 곡면을 갖도록 설명되었지만, 안내날개가 얇은 평판으로 형성되어 연소실(21)의 외주를 따라 배치되어도 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

도 1은 종래의 고체연료 연소장치의 일례를 도시하는 도면.

도 2는 단열재를 설치하지 않은 종래의 다른 고체연료 연소장치를 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 연소장치를 도시하는 도면.

도 4는 도 3에서 X-X' 라인을 따라 절취한 개략적인 단면도.

도 5는 본 발명의 안내날개의 배열과 구성을 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 연소장치에서 공기의 유동경로를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료통

11 : 연료이송장치

12 : 연료

20 : 본체

21 : 연소실

30 : 송풍기

31 : 공기공급관

32 : 공기통

40 : 안내날개

41 : 상측 지지부

42 : 하측 지지부

43 : 개구

50 : 열교환기

60 : 배기관

Claims (6)

1. 연소실 내로 공기를 유입하여 연소실 내에서 연소가 일어나게 하는 연소장치에 있어서,

   연소실의 외주를 따라 서로 중첩되게 종방향으로 설치된 복수의 안내날개를 포함하고,

   공기는 인접하는 상기 안내날개에 의해 형성되는 유로를 통해 원주방향으로 연소실 내부로 유입되되,

   상기 안내날개는 서로 중첩되는 안내날개에 의해 연소실 방향으로 형성되는 공기 유로의 면적이 유로 입구에서 유로 출구로 갈수록 좁아지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 안내날개는 평면 또는 부드러운 곡면을 갖는 얇은 판형의 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 공기는 연소실의 상부 또는 하부에 설치된 공기공급관으로부터 상기 안내날개를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
6. 삭제

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