KR101347746B1 - 단차를 가진 확장 채널 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치, 그리고 이를 이용한 시스템 - Google Patents

단차를 가진 확장 채널 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치, 그리고 이를 이용한 시스템 Download PDF

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Abstract

연소 속도 및 소염 거리 측정 장치 및 이를 이용한 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치는, 내부에 중공이 형성되며, 일측의 가스 주입구를 통해 상기 중공으로 연료 가스가 공급되는 투명 챔버; 및 상기 투명 챔버의 내부에 설치되며, 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 갖는 측정봉을 포함하며, 상기 중공으로 공급되는 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염이 상기 측정봉의 단차 구조에 의해 평탄화되는 것을 특징으로 한다.

Description

단차를 가진 확장 채널 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치, 그리고 이를 이용한 시스템{Apparatus for measuring burning velocity and quenching distance with a step wise diverging channel, and system using the same}
본 발명은 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업용 연료 가스의 연소 속도 및 소염 거리를 측정하기 위한 연소 속도 측정 장치 및 이를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈 및 고비용, 환경 오염 등의 이유로 인해 조력, 태양력, 풍력 등과 같은 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 그러나, 아직 기술적 한계로 인해 화석연료를 실질적으로 대체하는데 여러 어려움이 있다.
최근 들어 에너지 관련 산업의 성장과 더불어 산업 현장에서 바이오 가스, 합성 가스 및 연소 시 발생하는 부생 가스를 다양한 용도로 사용하고 있다. 위와 같은 에너지 자원 활용의 변화 속에서 다양한 연료 가스의 기본 특성을 실험적으로 파악할 수 있는 방안이 필요하다. 특히, 연료 가스의 연소 속도와 소염 거리를 측정하는 것이 가장 기본적 과제이며, 이들 가스에 대한 연소 속도를 측정하는 것은 에너지의 효율 향상과 산업 안전 측면에서 가장 중요하다.
현재, 연료의 연소 속도를 측정하기 위해, 연소기 표면에 평면에 가까운 화염을 형성하고 유입되는 유량을 연소속도로 판단하는 방법, 일정 체적의 용기 내부에서 화염의 전파를 촬영하여 전파속도를 구하는 방법, 예혼합기가 채워진 튜브 내부에 화염이 전파하는 속도를 측정하여 연소속도를 구하는 방법, 반대 방향으로 분출된 유동에 형성된 화염의 주위 유속을 측정하여 화염의 연소 속도를 측정하는 방법, 분젠화염의 각도를 측정하여 연소속도를 환산하는 방법 등 여러 방법이 사용되고 있다.
그러나, 이러한 방법들은 다양한 원인에 의한 오차를 가지고 있을 뿐만 아니라, 산업 현장에서 적용하기에는 그 과정이 복잡하여 실제 상용화가 어렵고, 작업자에게 고도의 숙련을 요구하는 등 여러 문제점이 있다. 또한 소염 거리를 측정하는 방법 역시 실험 절차가 번거롭고 과도한 시간이 소요되어 현장 적용에 어려움이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 평면 화염의 형성을 인위적으로 유도하여 용이하게 연료 가스의 연소 속도를 측정할 수 있는 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치, 그리고 이를 이용한 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 작업자에 의한 화염의 형상 관찰 과정이 단순화되고, 일정 유량 조건에서 화염의 위치를 작업자가 바로 인지하여 연소 속도를 측정하는 작업자의 노력을 경감시킬 수 있는 단차를 가진 채널의 연속 구조를 이용하여 연소 속도 및 소염 거리를 동시에 측정할 수 있는 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치, 그리고 이를 이용한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치는, 내부에 중공이 형성되며, 일측의 가스 주입구를 통해 상기 중공으로 연료 가스가 공급되는 투명 챔버; 및 상기 투명 챔버의 내부에 설치되며, 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 갖는 측정봉을 포함하며, 상기 중공으로 공급되는 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염이 상기 측정봉의 단차 구조에 의해 평탄화되는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템은, 연료 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 및 내부에 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 가져 상기 가스 공급 장치에 의해 상기 내부로 공급되는 상기 연료 가스가 연소 시 발생하는 화염이 상기 단차 구조에 의해 평탄화되어 형성되는 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 연소 속도를 측정하는 챔버 내 계단 형상의 단차 구조에 의해 평면 화염의 형성을 유도할 수 있다.
또한, 화염의 평탄화를 통해 화염의 형상 관찰 과정이 단순화되고, 화염의 위치를 확인하기만 하면 화염의 위치를 직접 읽어서 연소속도를 바로 인지할 수 있어 간단하고 편리하게 연료 가스의 연소 속도를 측정할 수 있다.
그리고, 하나의 장치로 연소기의 안전성에 매우 중요한 요소인 소염 거리를 동시에 간편하게 측정할 수 있다.
그리고, 간단한 장치 구성으로 연소 속도를 측정할 필요가 있는 현장에 적용이 가능하고, 연소 속도 및 소염 거리의 측정 시간을 절감하여 현장 작업자의 노력을 경감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 일 요소인 측정봉의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 위에서 바라 본 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
도 5는 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템으로 측정한 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염 사진 및 연소 속도에 관한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템으로 측정한 여러 연료 가스의 연소 속도에 관한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템으로 측정한 소염 거리에 관한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 개략적인 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 일 요소인 측정봉의 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 위에서 바라 본 개략적인 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)는, 투명 챔버(110), 측정봉(120) 및 스케일부(130)를 포함할 수 있다.
투명 챔버(110)는 내부에 중공(112)이 형성되며, 일측의 가스 주입구(114)를 통해 중공(112)으로 연료 가스가 공급되어, 공급된 가스의 연소가 중공(112)에서 이루어진다.
그리고, 투명 챔버(110)는 중공(112)에서 발생하는 화염의 위치를 외부에서 확인하도록 하기 위해 외부는 석영, 유리 등과 같은 투명한 소재로 만들어진다. 특히, 투명 챔버(110)의 측면은 투명한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 투명 챔버(110)의 형상은 원통형으로 길게 형상되는 것이 바람직하나, 다른 형상을 가질 수도 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 다만, 투명 챔버(110)의 내부를 구성하는 중공(112)은 정확한 연소 속도 측정을 위해 환형 단면으로 투명 챔버(110)의 길이 방향으로 길게 형성되는 것이 바람직하다.
가스 주입구(114)는 가스가 주입되는 구멍으로, 투명 챔버(110)의 하면을 관통하여 형성되는 것이 일반적일 것이나, 이에만 제한되지 않음은 물론이다. 그러나, 중공(112)으로 투입되는 가스가 연소되는 것이므로, 연소 속도를 정확히 측정하기 위해서는 투명 챔버(110)의 일면에 가스 주입구(114)가 위치하는 것이 바람직하다.
측정봉(120)은 투명 챔버(110)의 내부에 설치되며, 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 갖는다. 측정봉(120)이 투명 챔버(110)에 삽입되어 중공(112)의 나머지 영역이 연소 속도을 측정하기 위한 구간이 된다. 측정봉(120)은 투명 챔버(110)의 내부에 삽입되어 설치될 수 있으며, 여러 측정봉(120)을 투명 챔버(110)의 내부에 교체 설치가 가능하다. 측정봉(120)의 설치와 관련하여, 측정봉(120)의 하단을 투명 챔버(110)의 하단부에 끼워서 설치 고정할 수도 있고, 별도의 고정수단을 이용하여 측정봉(120)을 설치할 수도 있다.
여기에서, 단차 구조라 함은 측정봉(120)의 측부가 계단 형상(Staircase-shaped)으로 이루어지는 것을 말한다. 이에 따라, 화염(5)이 일정한 단차 구조를 가지는 영역에서 평면 화염의 형상을 가진다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 하부에서 상부로 갈수록 그 직경이 점점 커지며, 일정한 크기(ΔW)로 커지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 점화 후 화염(5)은 면적이 변하는 단차 근처에 위치하게 된다. 유량 조건과 연소속도에 부합하는 위치에 화염(5)이 형성되므로, 화염의 위치한 곳에서의 단면적과 투입된 총 유량을 이용하여 연소속도를 예측할 수 있다.
측정봉(120)은 크게 단차 구조로 이루어지는 단차부(124) 및 상기 단차부(124)의 하단으로부터 하방으로 길게 연장 형성되는 지지부(122)를 가진다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 길이 방향으로 연장된 지지부(122)의 길이는 단차부(124)를 이루는 수직 방향의 이격 거리(ΔL)보다 큰 것이 바람직하나, 이에만 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 그리고, 단차부(124)에서 각 단차가 형성되는 수직 방향의 이격 거리(ΔL)는 적절히 조절될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 측정봉(120)의 하부에서 상부로 갈수록 그 단차 직경(ΔW)이 점점 커지게 된다. 이에 따라, 투명 챔버(110)의 중공(112)은 하부에서 상부로 갈수록 투명 챔버(110)의 측면과 측정봉(120) 간의 간격이 점점 계단 형상으로 커지게 될 것이다. 예를 들어, 단차 구조 n에서의 투명 챔버(110)의 측면과 측정봉(120) 간의 간격 Wn은 바로 아래의 의 단추 구조 n-1에서의 투명 챔버(110)의 측면과 측정봉(120) 간의 간격 Wn-1보다 ΔW만큼 더 클 것이다.
측정봉(120)의 직경은 원형을 가지는 것이 바람직하나, 이에만 한정되지 않음은 물론이다. 일반적으로, 측정봉(120)이 설치되는 투명 챔버(110)의 중공(112)의 형상과 측정봉(120)의 형상이 일치하도록 설계될 것이다.
또한, 측정봉(120)은 내열성의 다양한 소재로 형성될 수 있고, 내부에 둘레 방향을 따라 길게 형성된 단차 구조의 캐비티(cavity, 126)를 구비할 수 있다. 여기에서, 캐비티(126)는 측정봉(120)의 단과 단 사이에 추가적인 공간이 형성됨을 의미한다. 캐비티(126)가 단과 단 사이의 열전달을 억제하여 측정 시의 엄밀성 개선 효과를 기대할 수 있다.
그리고, 측정봉(120)을 길이 방향으로 관통하는 용수 공급관(128)이 구비될 수도 있다. 용수 공급관(128)을 통해 측정봉(120)의 길이 방향으로 물을 공급하여 온도를 낮출 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 용수 공급관(128)의 상부에 물을 공급하면, 물이 용수 공급관(128)을 따라 하부로 배출되어 측정봉(120)의 온도를 떨어뜨리게 된다.
측정봉(120)이 단열 소재로 형성되고, 내부에 캐비티(126) 및/또는 용수 공급관(128)이 구비됨에 따라, 연료 가스의 연소 시 측정봉(120)이 지나치게 가열되는 것을 효과적으로 방지할 수 있어 측정봉(120)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
스케일부(130)는 중공(112)으로 공급되는 연료 가스의 연소 속도가 화염(5)의 위치에 대응하여 표시되는 곳이다. 즉, 공급된 가스의 연소 시 발생하는 투명 챔버(110)의 하면으로부터 화염(5)이 발생한 곳까지의 높이에 대응하여 연료 가스의 연소 속도가 표시된다.
현장의 작업자가 연소 속도를 곧바로 인지할 수 있도록 스케일부(130)는 일정한 간격으로 표시되는 눈금(132)을 가진다. 일반적으로, 스케일부(130)는 투명 챔버(110)의 길이 방향으로 길게 형성되며, 그 길이 방향을 따라 표시된 눈금(132)에는 해당 높이에 대응하는 가스의 연소 속도 데이터가 표시될 수도 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)를 상부에서 바라 보면, 투명 챔버(110)와 측정봉(120)이 보이며, 투명 챔버(110)의 내부에 중공(112)이 형성되고, 측정봉(120)은 중앙에 물이 흐르는 용수 공급관(128)을 구비할 수 있다. 그리고, 중앙으로부터 차례대로 계단 형상의 단차 구조가 형성되며, 최외각은 단차 구조를 이루는 단차부(124)를 지지하는 지지부(122)가 되고, 중앙의 용수 공급관(128)으로부터 일정한 간격(즉, 단차)으로 단차부(124)가 형성된다. 여기에서, 단차부(124)가 화염(5)의 높이를 측정하는 측정 구간이 된다.
연료 가스가 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)의 투명 챔버(110) 내부로 분사되면, 연료 가스가 투명 챔버(110)의 내부에 삽입 고정된 측정봉(120)의 종단부를 따라 중공(112) 영역의 상부 방향으로 유동한다. 이때, 계단 형상에 의해 단차가 생기는 부분은 단면적이 단차만큼 변하므로, 가스의 유동 속도가 변하나, 단차 없이 일정한 단면적을 가지는 부분에서는 가스가 일정한 속도로 유동하게 된다. 그리고, 가스가 투명 챔버(110)의 상부로 올라갈수록 중공(112) 영역의 단면적은 단차만큼 증가하게 되어 가스의 유동 속도도 점차 감소하게 된다.
이러한 상태에서 투명 챔버(110) 내부에서의 연료 가스의 이동 시, 투명 챔버(110)의 일측에서 점화를 하게 되면, 점화 지점으로부터 반대 방향으로 불꽃이 전파되고, 가스의 유동 속도와 연소 속도가 균형을 이루는 위치에서 화염(5)이 발생하게 된다. 유동 속도와 연소 속도가 균형을 이룬 경우에는 도 4에 도시한 바와 같이 정지 위치에서 화염(5)이 발생한다. 이때, 가스의 연소속도가 빠를수록 화염(5)은 낮은 위치에서 정지하여 발생하고, 느릴수록 높은 위치에서 정지하여 발생하게 된다.
여기에서, 측정봉(120)은 계단 형상(Staircase-shaped)의 단차 구조(stepped structure)를 가지므로, 점화 후 화염(5)은 단면적이 변하는 계단 근처에 위치하게 된다. 그리고, 측정봉(120)은 공간적으로 대칭 구조를 가지고 있고, 하부에서 상부로 갈수록 중공(112)의 단면적이 증가하게 되어 화염(5)이 대칭 구조로 평탄하게 형성되게 된다.
도 5는 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염을 촬영한 사진이다.
도 5에서, 여러 측정봉(120)을 투명 챔버(110)에 삽입하여 연료 가스의 연소를 촬영한 결과, 연소 시 발생하는 화염(5)이 대칭 구조로 평탄화되어 형성되는 것을 확인할 수 있다.
여기에서, 화염(5)이 촬영되는 지점은 가스의 연소 속도와 균형을 이루는 가스의 유동 속도 지점, 즉 화염(5)이 정지하는 지점이 된다. 도 5를 참조하면, 네번째 사진에서 정지 화염(5)이 제일 낮은 위치에 발생하였으므로, 가스의 연소 속도가 가장 빠름을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 측정 및 소염 거리 장치를 이용한 연소 속도 측정 시스템의 개략적인 단면도이다.
연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템(10)은, 가스 공급 장치(200), 연소 속도 측정 장치(100), 영상 획득 장치(300) 및 제어 장치(400)를 포함할 수 있다.
연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)는 내부에 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 가져 가스 공급 장치(200)에 의해 내부로 공급되는 연료 가스가 연소 시 발생하는 화염(5)이 상기 단차 구조에 의해 평탄화되어 형성되도록 한다.
이를 위해, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)는, 단차 구조를 이루는 측정봉(120)이 내부에 삽입되며, 연료 가스가 공급되는 가스 주입구(114)가 하면을 관통하여 형성되고, 화염(5)의 위치를 외부에서 확인하도록 측면이 투명한 소재로 이루어지는 투명 챔버(110) 및 상기 투명 챔버(110)의 내부로 공급되는 연료 가스의 연소 속도가 상기 화염(50)의 위치에 대응하여 표시되는 스케일부(130)를 포함할 수 있다. 투명 챔버(110), 측정봉(120), 스케일부(130)의 구체적 구성은 전술한 바와 같으므로 생략하도록 한다.
가스 공급 장치(200)는 연료 가스를 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)로 공급하며, 연료 가스를 산화 기체와 혼합하는 혼합 탱크(210) 및 가스 주입구(114)에 연결되어 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100) 내부의 중공(112)으로 산화 기체와 연료 가스가 혼합된 혼합 가스를 공급하는 가스 공급관(220)을 포함할 수 있다. 그리고, 연료 가스를 산화 기체와 혼합하는 혼합 탱크(210)에 연료(fuel)와 공기(air)를 주입하는 MFC(Mass Flow Controller, 230)를 구비할 수 있다. 그리하여, 가스 공급 장치(200)에 의해 연소 속도 측정 장치(100)에는 연료 가스와 산화제가 소정의 혼합비로 혼합된 예혼합 가스가 공급된다.
한편, 화염(5)의 높이는 연료 가스의 종류에 관계 없이 연료(fuel)와 공기(air)의 혼합비에 의해 결정된다는 것이 실험적으로 알려져 있다. 그러므로, 연료 가스와 산화 기체의 예혼합 가스를 연소 속도 측정 장치(100) 내부로 공급하는 상태에서 점화 후 화염(5)이 발생하는 높이를 측정하고, 측정된 높이를 해당 조건에서의 연료 가스의 연소 속도와 대응시킬 수 있다. 따라서, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치(100)의 스케일부(130)에 표시되는 눈금(132)에는 예혼합 가스의 혼합비별로 해당 높이에 대응되는 연료 가스의 연소 속도 데이터가 표시될 수도 있다.
영상 획득 장치(300)는 투명 챔버(110) 내부를 촬영하여 이미지를 획득하는 장치로, CCD 또는 CMOS 소자를 이용한 카메라나 적외선 카메라 등이 이용될 수 있다. 영상 획득 장치(300)에 의해 촬영된 사진이 도 5에 도시되어 있다. 영상 획득 장치(300)에 의해 화염(5)이 발생한 위치를 알 수 있고, 측정봉(120)의 단차 구조에 의해 현장 작업자가 사진만 보더라도 대략적인 화염(5)의 높이를 확인할 수 있는 장점이 있다.
제어 장치(400)는 가스 공급 장치(200)로부터 공급되는 연료 가스의 유량을 제어한다. 그리하여, 제어 장치(400)로 MFC(230)를 제어하여 연료와 공기의 혼합비를 조절할 수 있다. 특히, 제어 장치(400)는 영상 획득 장치(300)에 의해 획득된 이미지로부터 화염(5)이 형성된 단차 구조의 단면적을 계산하고, 상기 계산된 단면적 및 연료 가스의 총 유량을 기초로 연료 가스의 연소 속도를 계산할 수 있다. 구체적으로, 다음의 수학식 1 및 2에 의해 연료 가스의 연소 속도 계산이 가능하다.
Figure 112012025364265-pat00001
여기에서, Vn은 단차부(124)의 n번째 단차의 속도, An은 단차부(124)의 n번째 단차에서의 중공(112)의 단면적(cross-sectional area), Q는 총 유량이며, Din은 투명 챔버(110)의 내부 직경, dn은 단차부(124)의 n번째 단차에서의 직경을 의미한다.
계단 형상의 단차 구조에서 투명 챔버(110)의 상부로 갈수록 연소 속도는 작아지고, 단차에 의해 연소 속도가 계단식으로 작아지는 것으로 가정할 수 있다. 그리하여, 이웃하는 단차에서의 속도를 이용하여 화염(5)의 전파 속도를 근사화할 수 있으므로, 수학식 1을 통해 다음의 수학식 2가 도출될 수 있다.
Figure 112012025364265-pat00002
여기에서 Vf는 화염(5)의 전파 속도를 나타내는 평균 속도이다.
그러므로, 수학식 1 및 2를 통해, 유량 조건과 연소 속도에 부합하는 위치에 화염(5)이 형성되므로, 화염(5)이 위치한 곳에서의 단면적과 투입된 총 유량을 이용하여 연소속도를 예측할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템으로 측정한 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염 사진 및 연소 속도에 관한 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 및 소염 거리 속도 측정 시스템으로 측정한 여러 연료 가스의 연소 속도에 관한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 이용한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템으로 측정한 소염 거리에 관한 그래프이다.
도 7의 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염 사진에서 화염이 평탄화를 이룸을 알 수 있다. 그리고, 화염이 형성되는 위치를 관찰함으로써 직접적으로 신뢰할 수 있는 범위의 연소 속도로 환산할 수 있으며, 연료 가스의 당량비(Equivalence ration)에 따른 연소 속도(Burning velocity)에 관한 그래프로 나타낼 수 있다.
도 8에서, (a)는 메탄(Methane) 화염의 연소속도, (b)는 프로판(Propane) 화염의 연소속도, (c)는 DME (dimethyl ether)의 연소속도 측정 결과이다. 기존의 다양한 방식의 연소 속도 측정 결과와 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템(10)의 연소 속도 측정 결과는 매우 유사한 값을 획득할 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 연료 가스의 당량비(Equivalence ration)에 따른 소염 거리(Quenching distance)를 직접 측정할 수 있다. 도 10에서, 연료가 메탄(Methane), 프로판(Propane), DME (dimethyl ether)일 경우, 당량비(Equivalence ration)에 따른 소염 거리(Quenching distance)가 도시되어 있다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 소염 거리는 연소 속도와의 관계에서 당량비에 따라 역의 상관 관계를 가짐을 알 수 있다.
따라서, 화염이 형성되는 위치를 관찰함으로써 신뢰할 수 있는 범위 내의 연소 속도 및 소염 거리로 환산할 수 있고, 화염(5)을 촬영한 이미지를 이용하여 별도의 이미지 프로세싱 등의 과정이 필요 없이 개별 조건에 대한 연소 속도 및 소염 거리 측정 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템
100: 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치
110: 투명 챔버 120: 측정봉
130: 스케일부
200: 가스 공급 장치
210: 혼합 탱크 220: 가스 공급관
300: 영상 획득 장치
400: 제어 장치

Claims (17)

  1. 내부에 중공이 형성되며, 일측의 가스 주입구를 통해 상기 중공으로 연료 가스가 공급되는 투명 챔버; 및
    상기 투명 챔버의 내부에 설치되며, 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 갖는 측정봉을 포함하며,
    상기 중공으로 공급되는 연료 가스의 연소 시 발생하는 화염이 상기 측정봉의 단차 구조에 의해 평탄화되는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 주입구는, 상기 투명 챔버의 하면을 관통하여 형성되는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중공은, 원형 단면으로 상기 투명 챔버의 길이 방향으로 길게 형성되는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 투명 챔버는, 측면이 투명 소재로 형성된, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 측정봉은, 상기 단차 구조를 이루는 단차부 및, 상기 단차부의 하단으로부터 하방으로 연장 형성되는 지지부를 가지는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 측정봉의 단차부는, 각 단차가 형성되는 수직 방향의 이격 거리가 동일한, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 지지부의 수직 방향 길이가 상기 이격 거리보다 크게 형성되는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 측정봉의 단차부는, 각각의 단차가 동일 크기로 형성되는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 측정봉은, 단열 소재로 형성된, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 측정봉은, 내부에 길이 방향을 따라 길게 형성된 단차 구조의 캐비티(cavity)를 구비하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 측정봉은, 길이 방향으로 내부를 관통하는 용수 공급관을 포함하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 중공으로 공급되는 연료 가스의 연소 속도가 상기 화염의 위치에 대응하여 표시되는 스케일부를 더 포함하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치.
  13. 연료 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 및
    내부에 길이 방향으로 둘레가 변하는 단차(stepped) 구조를 가져 상기 가스 공급 장치에 의해 상기 내부로 공급되는 상기 연료 가스가 연소 시 발생하는 화염이 상기 단차 구조에 의해 평탄화되어 형성되는 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치를 포함하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 가스 공급 장치는,
    상기 연료 가스를 산화 기체와 혼합하는 혼합 탱크; 및
    상기 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치의 가스 주입구에 연결되어 상기 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치에 형성된 중공으로 상기 산화 기체와 상기 연료 가스가 혼합된 혼합 가스를 공급하는 가스 공급관을 포함하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치는,
    상기 단차 구조를 이루는 측정봉이 내부에 삽입되며, 상기 연료 가스가 공급되는 가스 주입구가 하면을 관통하여 형성되고, 상기 화염의 위치를 외부에서 확인하도록 측면이 투명한 소재로 이루어지는 투명 챔버; 및
    상기 투명 챔버의 내부로 공급되는 연료 가스의 연소 속도가 상기 화염의 위치에 대응하여 표시되는 스케일부를 포함하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 투명 챔버 내부를 촬영하여 이미지를 획득하는 영상 획득 장치; 및
    상기 가스 공급 장치로부터 공급되는 상기 연료 가스의 유량을 제어하는 제어 장치를 더 포함하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 영상 획득 장치에 의해 획득된 이미지로부터 화염이 형성된 단차 구조의 단면적을 계산하고, 상기 계산된 단면적 및 연료 가스의 총 유량을 기초로 상기 연료 가스의 연소 속도를 계산하는, 연소 속도 및 소염 거리 측정 시스템.
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