KR101082409B1 - 연소속도 측정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스연료의 연소속도를 간단하고 용이하게 측정할 수 있도록 구조가 개선된 연소속도 측정기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연소속도 측정기는 내부로 가스연료가 공급하기 위한 주입구와, 공급된 가스연료가 하방에서부터 상방으로 유동함에 따라 가스연료의 유동단면적이 증가하도록 형성되는 유동속도 변동공간부가 마련되어 있으며, 가스연료의 연소시 발생되는 화염의 높이를 확인가능하도록 투명한 소재를 포함하여 이루어지는 연소 챔버를 포함한다.

가스연료, 연소속도, 연소 챔버, 유동속도

Description

연소속도 측정기{Device to measure burning velocity of industrial combustible-gases}

본 발명은 산업용 가스연료의 연소속도를 측정하기 위한 연소속도 측정기에 관한 것이다.

최근 원유 가격의 급변과 지구온난화로 대변되는 대규모의 기후 변화는 기존 화석연료의 사용 방법에 대한 새로운 접근을 요구하고 있다. 이러한 요구에 의해 다양한 대체연료 기술이 개발되고 있으나, 화석 연료를 실질적으로 대체하기에는 한계가 있는 현실이다. 그러므로, 상대적으로 저렴하고 풍부한 석탄 자원에 대한 관심이 증대되었으나, 석탄은 다량의 탄소를 포함하고 있는바 직접 연소시 온실가스의 주범인 이산화탄소가 심각하게 배출되며, 따라서 석탄을 새로운 연료 형태로 개질하여 사용하는 석탄가스화 기술 등이 각광받고 있다. 이러한 석탄 가스화를 통해서는 수소와 일산화탄소 등을 기반으로 다양한 연료를 합성할 수 있는데, 그 중 대표적인 연료로 DME(dimethyl ether : CH₃OCH₃)가 있다. DME는 기본적으로 산소를 포함하고 있는 연료로, 배출가스의 청정성이 뛰어나고 그 기본 특성이 기존의 LPG와 유사하여서 운송, 저장 및 사용이 편리하다는 점에서 큰 관심을 받고 있다.

현재, 국내에서도 하루 10톤 규모의 DME 생산 플랜트가 운전중에 있으며, 2011년에는 DME 상용화를 계획하고 있다. 그리고, 해외 가스전에 100만톤 규모의 플랜트를 건설하고 생산된 DME를 국내에 도입할 계획에 있다. 이와 같이, DME의 시장규모는 비싼 에너지원을 대체하고자 그 규모가 커질 것으로 예상되는데, 2010년에는 약 1620만톤 규모로 전망되며, 특히 LPG 및 디젤 시장의 대체와 LNG를 보완하는 에너지로 각광받을 것으로 전망된다. 이 밖에도, DME를 생산하는 물질로 합성가스(syn-gas), 메탄-하이드레이트(methan hydrate) 등 다양한 연료가 사용되고 있으며, 이산화탄소를 줄이기 위한 기술로 순산소 연소, 마일드 연소, 촉매연소 등 다양한 연소기법이 시도되고 있다.

한편, 위와 같은 에너지 자원 변화 속에서, 다양한 연료의 기본 특성을 보다 편리하게 실험적으로 파악할 수 있는 방안이 필요하며, 그 출발점은 연료의 연소속도를 측정하는 것이다.

현재에는, 연료의 연소속도를 측정하기 위하여, 평면화염 연소기를 이용한 측정 방법, 분젠버너와 슈리렌 이미지 등을 이용한 측정방법, 채널 내부 전파화염을 이용한 방법, 대향류 연소기를 이용한 방법 등이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 연소속도 측정방법들은 다양한 오차 원인으로 인하여 일정 수준의 오차를 가질 뿐 아니라, 복잡한 측정장치와 숙련이 요구된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스연료의 연소속도를 간단하고 용이하게 측정할 수 있도록 구조가 개선된 연소속도 측정기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연소속도 측정기는 내부로 가스연료가 공급하기 위한 주입구와, 상기 공급된 가스연료가 하방에서부터 상방으로 유동함에 따라 상기 가스연료의 유동단면적이 증가하도록 형성되는 유동속도 변동공간부가 마련되어 있으며, 상기 가스연료의 연소시 발생되는 화염의 높이를 확인가능하도록 투명한 소재를 포함하여 이루어지는 연소 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 연소 챔버는, 하단부에 상기 주입구가 관통 형성되어 있으며, 상기 주입구와 연통되며 상하 방향으로 길게 형성되는 공간부가 마련되어 있으며, 상기 투명한 소재로 이루어지는 본체와, 상하 방향으로 길게 형성되며, 상기 본체의 내측면과의 사이에 상기 유동속도 변동공간부가 형성되도록 상기 본체의 공간부에 삽입되는 변동공간 형성기둥을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 본체는, 하방에서부터 상방으로 갈수록 내부의 단면이 일정한 측정영역구간을 가지며, 상기 변동공간 형성기둥은, 하방에서부터 상방으로 갈수록 단면적이 작아지며, 상기 측정영역구간과의 사이에 상기 유동속도 변 동공간부가 형성되도록 상기 측정영역구간에 삽입되는 기준부를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 화염의 높이에 대응되는 상기 가스연료의 연소속도가 나타나 있는 스케일부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 연소시 발생하는 화염의 높이를 확인하기만 하면 가스연료의 연소속도를 알 수 있으므로, 누구라도 간단하고 편리하게 가스연료의 연소속도를 측정할 수 있다.

또한, 장치의 구성이 간단하므로 가스연료 채취 또는 생산현장에서 바로 연소속도를 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소속도 측정기의 개략적인 단면도이며, 도 2는 도 1의 Ⅱa-Ⅱa선 및 Ⅱb-Ⅱb선의 단면도이며, 도 3은 가스연료의 연소시 발생되는 화염을 촬영한 사진이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연소속도 측정기(100)는 연소 챔버(10)와, 가스연료 공급기(40)와, 스케일부(50)를 포함한다.

연소 챔버(10)는 가스연료의 연소속도를 측정하기 위하여, 내부로 가스연료가 공급되며, 공급된 가스연료의 연소가 이루어지는 곳이다. 이를 위해, 연소 챔버에는 가스연료가 주입되는 주입구()와, 유동속도 변동공간부()가 마련되어 있으며, 내부에서 발생되는 화염의 높이를 확인가능하도록 그 외부는 투명한 소재로 이 루어진다. 여기서, 유동속도 변동공간부는 가스연료가 하방에서부터 상방으로 유동함에 따라 가스연료의 유동단면적, 즉 유동방향과 직교하는 평면상(수평면)에서의 단면적이 증가하도록 형성되어 가스연료의 유속이 변동되는 구간으로, 이는 후술하는 바와 같이 가스연료의 유속과 가스연료의 연소속도를 동일하게 만들기 위한 공간이다. 이하, 본 실시예에 따른 연소 챔버(10)의 구조에 관하여 구체적으로 설명한다.

본 실시예에 따른 연소 챔버는 본체(20)와, 변동공간 형성기둥(30)을 가진다.

본체(20)는 몸체부(21)와 하부판(22)으로 이루어진다. 몸체부(21)는 중공의 원통 형상으로 형성되며, 외부에서 내부(내부 화염의 높이 및 형상)를 볼 수 있도록 투명하며 열 전도율이 비교적 낮은 석영 등의 소재로 이루어진다. 그리고, 몸체부(21)의 내부에는 가스연료가 유동되는 공간부(211)가 형성되어 있다. 이 공간부(211)는 몸체부(21)의 길이방향, 즉 상하 방향으로 길게 형성되며, 공간부(211)의 단면(수평방향으로의 단면)은 원형으로, 그 길이방향을 따라 일정하게 유지된다. 그리고, 몸체부(21)에는 측정영역구간(212)이 마련되어 있다.

측정영역구간(212)은 후술할 변동공간 형성기둥(30)과의 사이에 유동속도 변동공간부(211a)를 형성하기 위한 것으로, 하방에서부터 상방으로 갈수록 내부 단면의 형상이 일정하게 형성된다. 본 실시예의 경우에는 몸체부(21) 전체의 내부 단면이 원형으로 일정하게 형성되는바, 몸체부(21) 전체가 측정영역구간이 될 수도 있으나, 특히 도 1에 변동구간 형성기둥의 기준부를 둘러싸는 부분 즉 a 지점에서 b 지점까지의 구간이 측정영역구간(212)의 기능을 가진다.

하부판(22)은 판 형상으로 형성되며, 몸체부(21)의 하단부를 막도록 결합된다. 하부판(22)의 중앙부에는 몸체부의 공간부(211)로 가스연료를 주입하기 위한 주입구(221)가 형성되어 있다.

변동공간 형성기둥(30)은 측정영역구간(212)과의 사이에 유동속도 변동공간부(211a)를 형성하기 위한 것이다. 본 실시예의 경우 변동공간 형성기둥(30)은 본체의 공간부(211)에 삽입되며, 본체(20)에 대해 고정된다. 변동공간 형성기둥의 고정과 관련하여, 변동공간 형성기둥(30)의 상단부가 본체에 결합된 형태로 구성될 수도 있으며, 별도의 고정수단에 변동공간 형성기둥이 고정될 수도 있다. 그리고, 본 실시예의 경우 변동공간 형성기둥(30)은 기준부(31)와, 연장부(32)와, 종단부(33)를 가진다.

기준부(31)는 테이퍼 형상으로 형성된다. 즉, 기준부(31)는 수평방향으로의 단면이 원형으로 형성되되, 하방에서부터 상방으로 갈수록 그 단면적이 점차적으로 감소되도록(즉, 직경이 감소) 형성된다. 이 기준부(31)는 측정영역구간(212)에 삽입되며, 이에 따라 기준부(31)의 외측면과 측정영역구간(212)의 내측면 사이에 유동속도 변동공간부(211a)가 형성된다(유동속도 변동공간부는 공간부의 일부). 도 2에 도시된 바와 같이, 기준부(31)와 측정영역구간(212) 사이의 공간, 즉 유동속도 변동공간부(211a)는 그 단면이 원형의 고리 형상으로 형성되며, 하방에서부터 상방으로 갈수록 그 단면적(즉, 유동단면적)은 점차적으로 증가한다.

연장부(32)는 일정한 직경을 가지는 원통 형상으로 형성되며, 기준부(31)의 하단으로부터 하방으로 연장 형성된다. 이에 따라, 연장부(32)와 몸체부(21) 사이의 공간은, 그 단면이 원형의 고리 형상으로 일정하게 형성된다.

종단부(33)는 반구형으로 형성되어 연장부(32)의 하단에 결합되며, 주입구(22)의 상방에 배치된다.

가스연료 공급기(40)는 주입구(22)에 연결되며, 가스연료와 산화제(공기)를 기설정된 혼합비로 혼합한 예혼합 가스를 연소 챔버(10)의 내부로 공급한다. 특히, 본 실시예의 경우 가스연료 공급기(40)는, 공급관(41)과, 혼합튜브(42)와, MFC(Mass Flow Controller)(43)를 포함하여 구성된다.

스케일부(50)는 가스연료 공급기(40)로부터 공급된 가스연료의 연소시 발생하는 화염의 높이(주입구로부터 화염까지의 높이)에 따라, 이에 대응되는 가스연료의 연소속도가 표시되어 있는 것이다.

즉, 가스연료 공급기(40)로 예혼합 가스를 분사하면, 이 예혼합 가스는 변동공간 형성기둥의 종단부를 따라서 몸체부(21)의 가장자리쪽으로 유동한 후, 연장부(32) 및 기준부(31)와 몸체부(21) 사이의 공간을 따라 상방향으로 유동한다. 이때, 연장부(32)와 몸체부(21) 사이의 공간은 그 단면적이 일정하므로 이 공간에서는 혼합기가 일정한 속도로 유동하며, 유동속도 변동공간부(211a)는 하방에서부터 상방으로 갈수록 그 단면적이 증가하므로 유동속도 변동공간부(211a)에서는 혼합기의 속도가 점차적으로 감소되게 된다.

이 상태에서, 몸체부(21)의 상방에서 점화를 하면 점화지점으로부터 하방으로 화염(가스연료의 연소시 발생되는 화염)이 순간적으로 전파된 후, 도 3에 도시 된 바와 같이 예혼합 가스의 유동속도와 가스연료의 연소속도가 균형을 이루는 높이에서 화염(화염의 상측 끝단)이 정지하게 된다. 구체적으로 설명하면, 예혼합 가스의 유동속도가 가스연료의 연소속도보다 빠르거나 느린 경우에는 화염이 요동치거나 또는 사라지게 되지만, 유동속도와 연소속도가 균형을 이루게 되면 도 3에 도시된 바와 같이 화염이 정지하게 된다. 본 실시예의 경우, 유동속도 변동공간부(211a) 내에서 예혼합 가스의 유동속도가 변경되므로, 즉 유동속도의 범위가 넓으므로, 가스연료의 연소속도와 균형을 이루는 유동속도 지점(화염이 정지하는 지점)이 존재하게 된다. 이때, 유동속도 변동공간부(211a)에서 혼합기의 유동속도가 점차적으로 감소되므로, 가스연료의 연소속도가 빠를수록 화염은 낮은 위치에 정지되며, 가스연료의 연소속도가 느릴수록 화염은 높은 위치에 정지되게 된다.

한편, 실험에 의하면 화염의 높이는 가스연료의 종류에 관계없이 가스연료와 산화제(공기)의 혼합비에 의해 결정된다. 따라서, 가스연료(예를 들어 메탄)와 산화제의 혼합기를 연소 챔버 내로 공급하는 상태에서 점화한 후, 발생한 화염이 정지되는 높이를 측정하고, 측정된 높이를 해당 조건에서의 가스연료의 연소속도와 대응시킨다. 이때, 가스연료의 연소속도는 연소 챔버 내의 기하학적인 형상(화염이 정지된 지점까지의 부피)과 혼합비를 통해 이론적으로 계산할 수 있으며, 배경기술에서 언급한 기존의 다른 방법을 통해 측정된 연소속도 데이터와의 상호 비교를 통해 보다 엄밀하게 계산될 수도 있다.

특히, 본 실시예의 경우, 스케일부(50)는 연소 챔버(10)의 길이방향으로 길게 형성되며, 그 길이방향을 따라 복수의 눈금(51)이 표시되어 있다. 그리고, 각 눈금(51)에는 예혼합 가스의 혼합비별로 해당 높이에 대응되는 가스연료의 연소속도 데이터가 표시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 스케일부(50)는 별도로 제작되어 연소 챔버(10)의 측면에 결합 또는 설치될 수도 있고, 아니면 연소 챔버(10)와 일체로 제작(연소 챔버의 외면에 새겨지거나 부착되는 형태)될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 가스연료와 공기의 혼합기를 연소 챔버로 공급하는 상태에서 혼합기에 점화하고, 이때 발생하는 화염의 높이를 확인하면 가스연료의 연소속도를 알 수 있다. 따라서, 가스연료 채취(생산) 현장에 근무하는 근무자 등과 같이 공학(연소 또는 유체)적 지식이 높지 않은 사람이라 하더라도, 누구나 용이하게 가스연료의 연소속도를 측정할 수 있다. 그리고, 종래에 비하여 장치의 구성이 간단하므로, 가스연료 샘플을 별도의 장소(연구실 등)로 옮기지 않고도 현장에서 직접 가스연료의 연소속도를 측정할 수 있다.

또한, 화염이 형성되는 공간에 모서리 등과 같이 돌출된 지점이 있거나 공간이 비대칭인 경우에는, 화염이 비대칭 구조로 형성되고 해석이 어려워지는 문제점이 발생된다. 하지만, 본 실시예의 경우에는 유동속도 변동공간부의 단면 형상이 원형의 고리 형상, 즉 중심을 기준으로 대칭을 이루는 형상으로 형성되며, 하방에서 상방으로 갈수록 그 단면적이 연속적으로 증가하는바, 상기와 같은 문제점이 방지된다.

한편, 가스연료의 연소시 연소 챔버(10), 즉 몸체부(20) 및 변동공간 형성기둥(30)을 통해 일어나는 연전달에 의해 가스연료의 연소속도가 영향을 받게 되며, 이에 따라 연소속도가 부정확하게 될 우려가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서, 몸체부(20) 및 유동공간 형성기둥(30)은 열 전달률이 낮은 단열 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 유동공간 형성기둥을 통해 발생되는 열전달을 감소시키기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 유동공간 형성기둥을 구성할 수도 있다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 유동공간 형성기둥(30A)의 내부에는 그 길이방을 따라 길게 형성된 공간부(301)가 마련되어 있다. 즉, 유동공간 형성기둥(30A)은 그 내부가 비어있도록 형성된다. 그리고, 유동공간 형성기둥을 통해 일어나는 열전달은 전도의 형태로 이루어지고 열 전도량은 그 단면적에 비례한다. 따라서, 본 실시예와 같이 유동공간 형성기둥(30A)이 형성되면, 유동공간 형성기둥의 수평방향으로의 단면적이 감소되므로(내부 공간부만큼 감소) 유동공간 형성기둥을 통해 일어나는 열 전달량이 감소되며, 그 결과 연소속도가 부정확하게 측정되는 것이 방지된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

예를 들어, 본 실시예에서는 몸체부의 측정영역구간(212) 내부의 단면적은 일정하고, 유동공간 형성기둥의 기준부(31)의 단면적이 하방에서부터 상방으로 갈 수록 감소하도록 형성함으로써, 유동속도 변동공간부(211a)가 하방에서부터 상방으로 갈수록 그 단면적이 증가하도록 형성하였다.

하지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 유동공간 형성기둥의 기준부(31B)의 단면적은 그 길이방향(상하방향)으로 일정하고, 몸체부의 측정영역구간(212B)(a에서 b까지) 내부의 단면적이 하방에서부터 상방으로 갈수록 증가(즉, 직경이 증가)하도록 형성함으로써, 유동속도 변동공간부(211aB)가 하방에서부터 상방으로 갈수록 그 단면적이 증가하도록 형성할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소속도 측정기의 개략적인 단면도이ㄷ다.

도 2는 도 1의 Ⅱa-Ⅱa선 및 Ⅱb-Ⅱb선의 단면도이다.

도 3은 가스연료의 연소시 발생되는 화염을 촬영한 사진이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동공간 형성기둥의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연소 챔버의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...연소 챔버 10...연소 챔버

20...본체 21...몸체부

211...공간부 211a...유동속도 변동공간부

212...측정영역구간 22...하부판

221...주입구 30...변동공간 형성기둥

31...기준부 32...연장부

40...가스연료 공급기 50...스케일부

Claims (10)

1. 삭제
2. 내부로 가스연료를 공급하기 위한 주입구와, 상기 공급된 가스연료가 하방에서부터 상방으로 유동함에 따라 상기 가스연료의 유동단면적이 증가하도록 형성되는 유동속도 변동공간부가 마련되어 있으며, 상기 가스연료의 연소시 발생되는 화염의 높이를 확인가능하도록 투명한 소재를 포함하여 이루어지는 연소 챔버;를 포함하며,

   상기 연소 챔버는,

   하단부에 상기 주입구가 관통 형성되어 있으며, 상기 주입구와 연통되며 상하 방향으로 길게 형성되는 공간부가 마련되어 있으며, 상기 투명한 소재로 이루어지는 본체와,

   상하 방향으로 길게 형성되며, 상기 본체의 내측면과의 사이에 상기 유동속도 변동공간부가 형성되도록 상기 본체의 공간부에 삽입되는 변동공간 형성기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 본체는, 하방에서부터 상방으로 갈수록 내부의 단면이 일정한 측정영역구간을 가지며,

   상기 변동공간 형성기둥은, 하방에서부터 상방으로 갈수록 단면적이 작아지며, 상기 측정영역구간과의 사이에 상기 유동속도 변동공간부가 형성되도록 상기 측정영역구간에 삽입되는 기준부를 가지는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 측정영역구간 내부의 단면은 원형으로 형성되며,

   상기 기준부의 단면은 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 변동공간 형성기둥은, 상기 기준부의 하단으로부터 하방으로 연장 형성되며, 일정한 직경으로 형성되는 연장부를 더 가지는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
6. 제2항에 있어서,

   상기 본체는, 하방에서부터 상방으로 갈수록 내부의 단면적이 증가하도록 형성되는 측정영역구간을 가지며,

   상기 변동공간 형성기둥은, 하방에서부터 상방으로 갈수록 단면적이 일정하게 형성되며, 상기 측정영역구간과의 사이에 상기 유동속도 변동공간부가 형성되도록 상기 측정영역구간에 삽입되는 기준부를 가지는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
7. 제2항에 있어서,

   상기 변동공간 형성기둥은 단열 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
8. 제2항에 있어서,

   상기 변동공간 형성기둥에는 그 길이방향을 따라 길게 형성된 공간부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 화염의 높이에 대응되는 상기 가스연료의 연소속도가 나타나 있는 스케일부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소속도 측정기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 주입구에 연결되며, 상기 연소 챔버의 내부로 상기 가스연료를 기설정된 혼합비로 공급하는 가스연료 공급기;를 더 포함하는 것을 특징으로 연소속도 측정기.

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