KR101265191B1

KR101265191B1 - 환형 연소기 어셈블리

Info

Publication number: KR101265191B1
Application number: KR1020087012509A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 마이클 하스코; 데이비드 안토니 클락; 트레버 제임스 애플턴; 헤더 알더리지
Original assignee: 썬파워, 인코포레이티드
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2013-06-13
Also published as: WO2007051998A1; GB0522309D0; JP2009517619A; US20090211243A1; EP1952061B1; US8061134B2; JP4958912B2; EP1952061A1; KR20080072870A

Abstract

본 발명은 환형 연소기 메시(4)를 가지는 환형 연소기 어셈블리에 대한 것이다. 환형 가스/공기 공급 덕트(13)는 연소가능한 가스/공기 혼합기체를 연소기 메시에 실질적으로 축방향으로 공급한다. 유동 수정기(7A,7B)가 연소기의 인근에 구비되는데, 가스/공기 혼합기체를 실질적으로 층류화하기 위하여 공급 덕트 둘레에 배치되는 복수 개의 통로를 결정하도록 각각이 실질적으로 반경방향면에서 뻗어 있는 복수 개의 핀(9)을 가진다. 핀들은 연소기에서 연소기로부터 반경방향으로 떨어진 위치로의 열적 링크를 제공한다. 연소기 어셈블리는 특히 스털링 엔진에 적합하다.

연소기, 유동 수정기, 환형, 층류화

Description

환형 연소기 어셈블리{An Annular Burner Assembly}

본 발명은 환형 연소기 어셈블리에 대한 것이다.

예를 들어, 상기 연소기 어셈블리는, 연소기가 스털링 엔진(Stirling Engine) 헤드를 둘러싸도록 배치되는 스털링 엔진에 사용된다.

연소기는 연소기 메시(mesh)에서 점화되는 가스/공기 혼합기체를 공급받는다. 가스는 대개 천연가스, 바이오가스 또는 다른 메탄이 풍부한 연료이다. 공급되는 가스/공기 혼합기체의 유동은 그 성질이 난류성(turbulent)인데, 연소기 메시로의 유동을 약화시킨다. 또한 연소기 메시는 그것을 이루는 소재가 열화되지 않는 온도(대개 1050℃ 근처)로 유지되어야 한다. 그리고, 연소기가 평열(平熱)을 유지하도록 함으로써, 배출가스, 특히 질소산화물 배출가스가 최소화될 수 있다.

본 발명의 제1태양에 의하면, 주축(main axis)에 중심을 두고 있는 환형 연소기 어셈블리가 구비되는데, 환형 연소기 어셈블리는 환형 연소기 메시, 연소가능한 가스/공기 혼합기체를 연소기 메시로 실질적으로 축방향으로 공급하는 환형 가스/공기 공급 덕트, 및 연소기의 인근에 있으면서, 가스/공기 혼합기체를 실질적으로 층류화하기 위하여 공급 덕트 둘레에 배치되어 축방향으로 뻗어 있는 복수 개의 통로를 결정하도록 각각이 실질적으로 반경방향면(radial plane)에서 뻗어 있는 복수 개의 핀(fin)을 구비하는 유동 수정기(flow modifier)를 포함하여 이루어지며, 핀은 상기 핀들은 연소기에서 연소기로부터 반경방향으로 떨어진 위치로의 열적 링크(thermal link)를 제공한다.

연소기 인근에 유동 수정기를 구비함으로써, 연소기로의 유동이 실질적으로 층류화된다. 또한, 핀은 연소기 메시에 인접한 지점으로부터 연소기에서 반경방향으로 떨어진 지점으로의 열적 연결을 제공함으로써, 연소기를 용인할 수 있는 온도로 유지하는데에 도움이 되도록 열 유동이 연소기 표면으로부터 멀어지는 것을 촉진한다.

유동 수정기는 또한 연소기 메시와 실질적으로 동일한 반경방향면에 위치할 수 있다. 또는 연소기 메시의 상방류(upstream)에 인접하여 위치할 수도 있다. 또는 유동 수정기가, 연소기 메시 및 부분적으로는 연소기 메시의 상방류와, 부분적으로는 동일한 반경방향면에 있는, 중간 위치(intermediate position)에 배치될 수 있다.

유동 수정기는 복수 개의 통로를 제공하기 위하여 핀이 고정되는 외측 링(outer ring)으로서 형성될 수 있다. 그러나 바람직하게는 유동 수정기는 단일한 주름 부재(corrugated member)로서 형성된다. 이것은 분배 링(distribution ring)의 구조를 크게 단순화시킨다.

분배 링이 연소기로부터 축방향으로 옵셋(offset)되면, 가스/공기 혼합기체가 주름부재의 어느 한 면을 통과할 수 있기 때문에 주름의 정확한 형상은 상대적으로 중요하지 않게 된다. 하지만, 유동 수정기가 유동 연소기 메시와 실질적으로 동일한 반경방향면에 위치할 때, 주름부재의 반경방향 외측을 향하는 면 상의 공간의 가스/공기가 연소기 메시에 직접 도달할 수 없기 때문에 이 공간은 막힌(dead) 공간이 된다. 따라서, 바람직하게는, 주름부재의 반경방향 외측을 향하는 면의 인접한 주름들 간의 공간이 최소화되도록 주름이 배치된다. 이상적으로는, 이 공간은 제거된다. 이러한 형상으로써, 일반적으로 주름부재는 상기 설명한 것과 같이 반경방향 내측으로 뻗어 있는 핀을 구비한 환형부재와 닮게 된다.

바람직하게는, 구멍난 유동 분배링이 복수 개의 통로의 반경방향 최내측 모서리에, 연소기 메시의 반경방향 외측 표면에 아주 근접하여 구비된다. 이것은 가스/공기 혼합기체가 연소기 메시로 균등하게 분배되는 것을 더욱 확실하게 한다.

도 1a는 스털링 엔진과 함께 사용되기에 적합한 연소기 어셈블리의 제1실시예의 단면도이고,

도 1b는 연소기 어셈블리의 제2실시예의 단면도이다.

도 2는 도 1a에서 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 취해진 연소기 어셈블리의 단편으로서, 제1 유동 수정기를 나타내고 있고,

도 3은 도 1b에서 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취해진 유동 수정기의 단편으로서, 제2 유동 수정기를 나타내고 있다.

도 4는 도 2 및 도 3의 유동 수정기들 중 어느 하나를 대신하여 사용될 수 있는 대체 유동 수정기를 나타내고 있다.

본 발명에 따른 연소기 어셈블리의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 이제부터 설명할 것이다.

도 1a와 도 1b는 스털링 엔진 헤드로의 열 공급에 적합한 유사한 연소기 어셈블리들을 나타내고 있다. 예를 들어 WO03/052328에 나타나 있고 일반적으로 쓰이고 있듯이, 어셈블리는 스털링 엔진이 위치하는 메인 중앙 공동(main central cavity, 1)을 포함하여 이루어진다. 그러나, 업계에서 알려져 있듯이 연소기는 또한 바깥쪽으로 발화하는 연소기일 수도 있다. 스털링 엔진 연소기에서 나오는 배기가스가 유입하는 가스/공기 혼합기체를 예열(pre-heat)하는 데에 사용되도록, 어셈블리는 복열기(recuperator)로 설정된다. 가스/공기 혼합기체는 공급 덕트(2)를 따라 들어와서, 환형 유입덕트(annular inlet duct, 3)를 따라 유동하여 연소기 메시(burner mesh,4)에서 점화된다. 스털링 엔진 연소기에서 나오는 배기가스는 단열된 복열기 몸체(5)의 내측 표면을 따라 유동하다가 배기가스 포트(6)를 통해 배출되는데, 이 때 덕트들(2,3)을 따라 들어오는 가스/공기에 열을 내준다.

환형덕트(3)에서의 통상의 난류 유동을 층류화하기 위하여, 유동 수정기가 구비된다. 이것은 도 1a에서 도면부호 7A로 나타나 있듯이 연소기 메시(4)와 동일한 반경방향면에 있을 수도 있고, 도 1b에서 도면부호 7B로 나타나 있듯이 연소기 메시(4)로부터 축방향으로 이격되어 있을 수도 있다.

유동 수정기들의 구성을 도 2 내지 도 4를 참조하여 더욱 상세하게 설명할 것이다.

도 2는 제1 유동 수정기(7A)를 나타낸다. 유동 수정기는 환형 덕트(3)의 외벽일 수도 있고 분리된 부재일 수도 있는 외벽(8)을 포함하여 이루어진다. 복수 개의 핀(9)은 벽(8)으로부터 반경방향 내측으로 뻗어 있다. 구멍난 금속 스트립(10)은 유동 수정기의 반경방향 최내측 모서리에서 분배 링을 제공하고, 연소기 메시(4)의 반경방향 최외측 면에 인접해 있다. 핀(9)들은 개별적으로 적소에 마운팅될 수도 있고, 핀 각각이 나중에 단일한 단계로 적소에 마운팅되는 공통의 부품에 장착될 수도 있다.

가열된 가스/공기 혼합기체가 핀(9)들 사이의 통로(11)들을 따라 축방향으로 유동하여, 분배 링(10)을 통해 연소기 메시(4)로 흘러나간다. 핀(9)들은 연소기의 상방류에 밀착한 유동을 층류화하고, 또한 연소기 메시(4)로부터 유입 덕트(3)의 외벽 쪽으로 반경방향 외측으로 열을 운반하는데에 기여하는 2가지 기능을 제공한다.

도 3은 제2 유동 수정기(7B)를 나타낸다. 이것은 단지 환형 덕트(3) 주위로 연소기(4)의 상방류 축방향으로 뻗어 있는 환형 형상을 가지는 주름진 스트립(strip)이다. 핀들이 정확하게 반경방향면은 아니더라도 주로 반경방향인 방향으로 뻗어 있다는 의미에서, 주름의 각 부분은 실질적으로 반경방향면에서 뻗어 있다. 이 링(ring)의 구성은 링(7A)보다 단순하다. 또한, 연소기 메시(4)에 근접해 있다는 점에서, 분배 스트립(distribution strip)은 유입 덕트(3)의 외벽으로의 열적 통로 및 유입되는 가스/공기 혼합기체를 제공하는 데에 여전히 도움이 될 것이다. 그러나, 이 효과는 유동 수정기(7A)에 의해 성취되는 효과보다 적게 언급될 것 이다.

도 4는 앞에서 설명한 수정기들 중 어느 하나에 대한 대체물로서 사용될 수 있는 유동 수정기를 나타낸다. 따라서 이 링은 도 1a에서 도면부호 7A로서 나타난 것과 같이 연소기 메시(4)와 동일한 반경방향면에 위치할 수도 있고, 도 1b에서 도면부호 7B의 축방향 옵셋 위치에 위치할 수도 있다.

도 3과 마찬가지로, 도 4의 유동 수정기도 단일한 주름 스트립으로 이루어진다. 그러나, 반경방향 내측을 바라보고 있는 면 상의 포켓(pocket,12)이 반경방향 외측을 바라보고 있는 면 상에 형성된 포켓(13)보다 상당히 더 크게 되도록, 주름들이 배치된다. 한정예에서, 포켓(12)은, 주름의 인접면들이 서로 접촉하여 포켓(13)을 실질적으로 없애는 정도까지 확장될 수 있다. 따라서, 링 바깥의 막힌 공간(dead space)이 감소되거나 제거되기 때문에, 그러한 배치는 분배 링(10)과 접촉하는 연소기 메시의 바로 뒤에서 사용될 수 있다. 또한 링은 도 3의 구성의 단순함이라는 잇점을 계속 유지하기 때문에, 링(7B)의 위치에 적용할 수 있다.

본 명세서의 내용에 포함되어 있음.

Claims

주축(main axis)에 중심을 둔 환형 연소기 어셈블리로서,

환형 연소기 메시;

연소가능한 가스/공기 혼합기체를 실질적으로 축방향으로 연소기 메시에 공급하기 위한 환형 가스/공기 공급 덕트; 및

연소기의 인근에 있으면서, 가스/공기 혼합기체를 실질적으로 층류화하기 위하여 공급 덕트 둘레에 배치되는 복수 개의 통로를 결정하도록 각각이 실질적으로 반경방향면에서 뻗어 있는 복수 개의 핀(fin)을 구비하는 유동 수정기;를 포함하여 이루어지며,

상기 핀들은 연소기에서 연소기로부터 반경방향으로 떨어진 위치로의 열적 링크를 제공하는,

환형 연소기 어셈블리.
제1항에 있어서,

상기 유동 수정기는 연소기 메시와 실질적으로 동일한 반경방향면에 위치하는 환형 연소기 어셈블리.
제1항에 있어서,

상기 유동 수정기는 연소기 메시의 상방류에 인접하여 위치하는 환형 연소기 어셈블리.
제1항에 있어서,

상기 유동 수정기는 단일한 주름 부재로서 형성되는 환형 연소기 어셈블리.
제4항에 있어서,

상기 주름 부재의 반경방향 외측을 바라보는 면 상의 인접한 주름들 사이의 공간이 최소화하도록 주름들이 배치되는 환형 연소기 어셈블리.
제4항에 있어서,

상기 주름 부재의 반경방향 외측을 바라보는 면 상의 인접한 주름들 사이의 공간이 제거되도록 주름들이 배치되는 환형 연소기 어셈블리.
제1항에 있어서,

구멍난 유동 분배 링이 복수 개의 통로의 반경방향 최내측 모서리에, 연소기 메시의 반경방향 외측 표면에 아주 근접하여 구비되는 환형 연소기 어셈블리.
스털링 엔진 및 상기 엔진을 둘러싸는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의한 연소기를 포함하여 이루어지는 스털링 엔진 어셈블리.