KR101569455B1

KR101569455B1 - 복합형 저녹스 버너

Info

Publication number: KR101569455B1
Application number: KR1020150099677A
Authority: KR
Inventors: 이종태; 박재언
Original assignee: 주식회사 수국
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2015-11-16

Abstract

본 발명은 IFGR 기술과 가스 스테이징 기술을 융합하여 기존의 IFGR 저녹스 버너보다 녹스 발생량을 더욱 낮추는 복합형 저녹스 버너를 제안한다. 이를 위해 본 발명은 공기를 연소실로 안내하며, 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 연소 헤드로 연결되는 튜브 및 튜브의 외주연 일 측에 적어도 하나 마련되고, 연소실로 연료를 분사하여 분할 화염을 형성하는 파이프 형상이며, 외주연 일 영역에는 연소 가스 유입을 위한 가스 유입구가 형성되는 연료 스퍼드를 포함하고, 연료 스퍼드에서 연료를 분사할 때, 발생하는 압력 차를 이용하여 연소 가스를 유인하여 상기 연소실 내에서 상기 연소 가스를 자기 재순환시킬 수 있다.

Description

복합형 저녹스 버너{Complex burner for Low nitrogen oxide}

본 발명은 저녹스 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스 스테이징(Gas staging) 연소 기술과 IFGR(Internal Flue Gas Recirculation) 연소 기술을 하나의 버너에 구현 함으로써, 녹스(NOx) 발생량을 저감하는 복합형 저녹스 버너에 관한 것이다.

일반적으로 질소산화물(NOx)은 연료에 화학적으로 결합된 형태의 질소 성분이 연소 과정에서 산화되어 생성되는 퓨얼 녹스(Fuel NOx), 연소용 공기중에 포함되는 질소가 고온에서 유리되어 생성되는 써멀 녹스(Thermal NOx), 그리고, 탄화수소 계열의 화석연료가 고농도 상태로 고온에 노출되었을 때 급속히 생성되는 프롬프트 녹스(Prompt NOx)로 구분된다.

질소산화물(NOx)은 대기환경 및 인간의 삶에 좋지 않은 영향을 주기 때문에 오래 전부터 저녹스 버너 기술이 개발되어 왔다. 이를 세대별로 나누면 아래와 같다.

- 아래 -

1세대 : 1세대 저녹스 기술은 에어 스테이징(Air staging) 기술이 대표적으로, 연소로 내에 공급하는 공기를 단계적으로 공급하여 연소로 내의 연료에 의한 급속한 산화반응을 방지하여 화염의 온도를 낮추고 이를 통해 써멀 녹스를 저감한다.

2세대 : 2세대 저녹스 기술은 가스 스테이징(Gas staging) 기술이 대표적으로서, 중심부(약 5% 내지 25%)와 외곽부(75% 내지 95%)로 나누어서 가스를 분출하고, 중심부는 공기 과잉, 외곽부는 공기부족 상태를 조성함으로써, 화염의 대부분을 차지하는 외곽부의 산화반응을 억제하여 화염온도가 높아지지 않도록 함으로써, 써멀 녹스의 발생이 감소하는데 그 특징이 있다. 외곽 화염의 공기부족 상태로 인하여 프롬프트 녹스가 발생할 우려가 있으나, 화염 온도가 1000℃ 이하가 되도록 주변으로 분출함으로써 화염 보염 기능과 프롬프트 녹스 발생 억제 기능이 동시에 구현될 수 있다.

3세대 : 3세대 저녹스 기술은 IFGR(Internal Flue Gas Recirculation)이 대표적으로, 연소실 내에서 1차 연소된 연소 가스가 연소실 내에서 자기 재순환(Recirculation) 하도록 함으로써 연소 가스가 화염에 혼합되면서 화염의 온도를 떨어뜨려 써멀 녹스를 줄일 수 있도록 한다.

이러한 3세대 저녹스 기술로서 본 출원인은 등록특허 제10-1466809호의 고효율 저녹스형 연소 헤드 및 그를 이용한 버너를 제안한 바 있다. 등록특허 제10-1466809호는 연소 헤드에서 와류를 유발하여 연료와 공기의 혼합 특성을 향상시켜 연료를 연소하고, 연소 가스가 자기 재순환을 하도록 함으로써, 녹스 발생을 대폭 감소시켰다. 그러나, 본 출원인은 이에 만족하지 않고, 녹스 발생량을 더욱 저감한 저녹스형 버너의 개발 필요성을 느끼게 되었으며, 세대별로 구분되는 저녹스 기술을 연계하여 녹스 발생량을 더욱 저감하는 복합형 저녹스 버너를 제안하고자 한다.

본 발명의 목적은 가스 스테이징(Gas staging) 연소 기술을 IFGR 기술에 적용함으로써 녹스 발생량을 저감하는 복합형 저녹스 버너를 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 공기를 연소실로 안내하며, 상기 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 상기 연소 헤드로 연결되는 튜브 및 상기 튜브의 외주연 일 측에 적어도 하나 마련되고, 상기 연소실로 연료를 분사하여 분할 화염을 형성하는 파이프 형상이며, 외주연 일 영역에는 연소 가스 유입을 위한 가스 유입구가 형성되는 연료 스퍼드에 의해 달성된다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 공기를 연소실로 안내하며, 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 연소 헤드로 연결되는 튜브 및 파이프 형상이며, 튜브의 외주연 일 측에 적어도 하나가 설치되고, 연소 헤드에서 생성되는 주 화염과 이격되는 분할 화염을 형성하며, 1000℃ 이상의 온도에서 생성되는 프롬프트 녹스의 억제를 위해, 주 화염의 외주연 중 1000℃ 이하인 영역을 향해 연료를 분사하는 연료 스퍼드를 포함하고, 연료 스퍼드와 연소 헤드의 이격거리 만큼 주 화염과 분할 화염이 이격되고, 주 화염과 분할 화염이 이루는 화염 군의 표면적 증대를 통해 연소실의 전열면의 복사열 흡수를 촉진하여 녹스 발생량을 낮추며, 연료 스퍼드가 연료를 분사할 때 발생하는 압력 차를 이용하여 연소실 내 연소 가스를 유인함으로써, 분사되는 연료의 발열량을 낮추는 복합형 저녹스 버너에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, IFGR 기술에 따른 버너에 가스 스테이징 기술을 융합하여 기존의 IFGR 기술이 단독 적용된 저녹스 버너보다 녹스 발생량을 더욱 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 튜브 구조에 대한 개념도를 도시한다.
도 2와 도 3은 연료 스퍼드의 일 예에 따른 사시도를 도시한다.
도 4는 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너에 의해 연소실에서 자기 재순환 연소를 수행하는 과정에 대한 참조도면을 도시한다.
도 5는 튜브와 연료 스퍼드의 배치 구조를 개념적으로 설명하기 위한 단면도를 도시한다.
도 6은 도 1에 도시된 버너의 튜브, 연소 헤드, 연료공급관 등의 구성을 도시한 부분 절취 사시도를 도시한다.
도 7은 연료 노즐과 연소 헤드 테두리 사이의 단차에 의한 와류 형성 과정에 대한 참조도면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 튜브 및 연료 스퍼드 구조에 대한 개념도를 도시한다.
도 9는 튜브와 연료 스퍼드의 배치 구조를 개념적으로 설명하기 위한 단면도를 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 튜브는 내부가 비어있는 파이프 형상으로, 연소실 내부로 연료 및 공기를 공급하여 화염을 형성할 수 있다. 연소실 내부로 삽입된 튜브의 종단에는 연소 헤드가 배치될 수 있으며, 연소 헤드는 연료와 공기가 적절히 혼합되도록 하여 연소시키며, 연소되는 화염의 형태를 결정하거나, 연소 효율을 증가시키거나 또는 녹스 발생량을 줄이기 위한 목적으로 설치될 수 있다.

또한 튜브의 내부에는 연소실 내부로 연료를 공급하기 위한 연료 공급관이 내장될 수 있다.

또한, 튜브의 외주연에는 연소실 내부로 연료를 공급하여 분할 화염을 형성하기 위한 연료 스퍼드가 적어도 하나 마련될 수 있다. 연료 스퍼드는 연소 헤드에서 분사되는 화염에 의해 점화되어 분할 화염을 형성할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 연소실의 일 측에는 튜브가 삽입되어 연료와 공기를 공급받고, 연소실의 타 측에는 배기관이 형성되어 연소된 연소 가스가 배출되도록 할 수 있다. 그러나, 배기관 및 그 주변구조물은 본 발명의 주요 핵심에 해당하지 않으므로 이에 대해 도면으로 도시하거나 설명하지는 않는다.

본 명세서에서 언급되는 튜브 및 버너는 부가되는 구성요소의 도시나 설명이 생략되고 개념적인 단면도로 표현될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 설명과 이해의 편의를 위해 생략된 것이며, 실시예에 따른 튜브, 및 버너의 구조나 연결관계가 도시된 도면과 설명에 의해 한정되어서는 안된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 튜브 구조에 대한 개념도를 도시하고, 도 2와 도 3은 연료 스퍼드의 일 예에 따른 사시도를 도시하고, 도 4는 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너에 의해 연소실에서 자기 재순환 연소를 수행하는 과정에 대한 참조도면을 도시하고, 도 5는 튜브와 연료 스퍼드의 배치 구조를 개념적으로 설명하기 위한 단면도를 도시하며, 도 6은 도 1에 도시된 버너의 튜브, 연소 헤드, 연료공급관 등의 구성을 도시한 부분 절취 사시도를 도시한다.

도 1 내지 도 6을 함께 참조하여 설명하면, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너는, 공기를 연소실(F) 내부로 안내하는 튜브(3), 튜브(3)의 종단 내경부에 배치되고, 외주연은 튜브(3)의 종단 내경부와 이격 거리(d1)를 유지하는 디스크 타입의 연소 헤드(5), 튜브(3)의 내측 중심부에 배치되어 연소 헤드(5)로 연료를 공급하는 연료 공급관(8), 연료 공급관(8)의 종단에서 방사상으로 배치되어 급기 통로(7)를 통해 공급되는 공기과 직교하는 방향으로 연료를 분출하기 위한 연료 노즐(4a)을 구비하는 연료 분출관(8a)을 포함하여 구성될 수 있다.

튜브(3)의 종단에는 소정 각도(a)로 경사진 단면을 가진 측경부(3a)가 형성된다. 측경부(3a)는 연소 헤드(5)에서 돌출되는 돌출부(8b)를 향해 완만한 기울기를 가지면서 굴곡지게 형성될 수 있다. 이를 통해 급기 통로(7)에서 연소 헤드(5)로 향하는 공기의 통로가 좁아지면서 공기의 유동 속도를 증가시킬 수 있다.

연소 헤드(5)의 외주연과 측경부(3a) 사이에 형성되는 급기통로(7)를 통해 연소 헤드(5)에 공기가 급기되고, 이때, 연료 분출관(8a)을 통해 연료가 분사되면서 화염을 형성할 수 있다. 이때, 측경부(3a)는 소정 각도(a)를 따라 굴곡지므로 연소 헤드(5)의 연료 분출관(8a)으로 분사되는 공기는 연료 분출관(8a)에서 토출되는 연료와 90도 또는 그에 가까운 각도로 교차될 수 있다. 이에 따라, 연료 분출관(8a)에서 분사되는 연료는 공기와 급속히 혼합되어 토출되는데, 측경부(3a)에 의해 토출되는 공기는 중심부(S2)를 향하게 된다. 따라서, 연료와 공기는 중심부(S2)를 향해 모아지며 연소되어 장구목 형상의 화염을 형성할 수 있다.

장구목 형상의 화염을 형성하기 위해, 연소 헤드(5)는 원판 형상을 가지며, 중심부는 돌출부(8b)가 형성되고, 돌출부(8b)의 측선부에서 연소 헤드(5)의 테두리 방향으로 전개되는 방사형의 연료 분출관(8a) 및 급기 통로(7)를 통해 급기되는 공기를 연소실(F)로 분사하는 공기홀(5b)을 포함하여 구성될 수 있다.

공기홀(5b)은,

- 화염의 중심부로공기를 공급하거나,

- 버너 용량의 증가에 맞추어 연소 헤드(5)의 직경이 증가할 때, 연소 헤드(5)에서 형성되는 화염의 보염성 향상을 위해 보조 화염을 형성하기 위해 마련될 수 있다.

공기홀(5b)과 연료 노즐(4a)이 일정한 각도를 가지고 배열됨에 따라 공기홀(5b)에서 토출되는 공기의 량과 압력이 디퓨징 프레임(5a)의 전단에 대해 균일성을 가질 수 있고, 연료 노즐(4a)에서 분사되는 연료와 혼합될 때, 연료와 공기의 혼합비 또한 균일할 것이 기대될 수 있다.

연료 노즐(4a)에서 분사되는 연료는 급기통로(7)를 통해 토출되는 공기와 거의 90도에 가까운 각도로 교차된다. 이에 따라, 연료는 분사되면서 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 급속 혼합을 이룬 후 화염을 형성하며, 측경부(3a)를 통해 중심부(S2)로 유도되는 공기에 의해 중심부(S2)로 집중되는 화염을 형성할 수 있다. 이때, 화염은 중심부(S2)로 집중된 후, 분산되어 장구목 형상의 영역(S1)을 형성하게 되고, 영역(S1)의 폭이 좁아 압력이 낮아짐에 따라 연소 가스(S3)가 장구목 형상의 영역(S1)으로 유도되어 연소 가스(S3)가 자기 재순환을 이루게 된다.

연료 분출관(8a)에서 분사되는 연료가 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 급속 혼합을 이루도록 하기 위해, 연료 분출관(8a)의 종단과 디퓨징 프레임(5a)의 테두리 사이에는 갭(gap)이 형성될 수 있다. 갭(gap)의 길이는 연료 노즐(4a)의 지름 대비 0.1% 내지 50%로 설정될 수 있다. 또는 갭(gap)의 길이는 연료 노즐(4a)의 종단과 디퓨징 프레임(5a)의 테두리가 1mm 내지 2mm가 되도록 할 수도 있다. 다만 한정하지는 않는다.

연료 분출관(8a)의 종단이 디퓨징 프레임(5a) 보다 작게 형성되면, 급기통로(7)를 통해 토출되는 공기가 디퓨징 프레임(5a)의 종단에서 와류를 일으킬 수 있으며, 와류에 의해 공기와 연료가 더욱 급속하게 혼합될 수 있다. 이는 도 7을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 7은 연료 노즐과 연소 헤드 테두리 사이의 단차에 의한 와류 형성 과정에 대한 참조도면을 도시한다.

도 7의 (a)는 연료 분출관(8a)의 길이가 디퓨징 프레임(5a)의 테두리가 동일한 경우를 나타내고, 도 7의 (b)는 연료 분출관(8a)의 길이가 디퓨징 프레임(5a)의 테두리에 이르지 못한 경우를 나타낸다.

도 7의 (a)에서, 급기통로(7)에서 연소실(F)로 토출되는 공기는 직진성을 가지므로 연료 분출관(8a)의 종단에는 와류가 형성되지 않고 직진성 기류가 흐른다. 반면, 도 7의 (b)를 살펴보면, 디퓨징 프레임(5a)의 테두리와 연료 분출관(8a)이 단차(d2)를 이루며, 급기통로(7)에서 연소실(F)로 향하던 공기는 단차가 발생하는 영역(S5)으로 확산되면서 와류를 형성할 수 있다. 이에 따라, 연료 분출관(8a)에서 분사되는 연료는 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 급속 혼합을 이룰 수 있다.

상기한 과정에 따라 연료와 공기가 급속 혼합되어 연소되고, 장구목 형상의 화염을 형성하고, 장구목 형상의 영역(S1)으로 연소 가스(S3)가 유도되고, 가스 유입구(11n)를 통해 유입되는 신규 공기가 연소 가스(S3)와 급속 혼합을 이루면서 연소 가스의 온도를 낮춤과 동시에 연료 과잉 상태인 영역(S2)으로 공급되어 써멀 녹스 및 프롬프트 녹스를 제어한다.

상기한 연소 헤드(5) 구조는 와류를 이용하여 연료와 공기를 급속 혼합함으로써, 연료의 연소성을 향상시키고 있다. 여기에, 가스 스테이징 방식을 적용하여 연소 헤드(5)에서 생성되는 주 화염의 온도가 낮아지도록 함으로써, 주 화염과 분할 화염의 온도, 즉 전체 "화염 군(Flame group)"의 온도를 낮추어 써멀 녹스를 제어할 수 있다. 이하, 가스 스테이징 방식을 IFGR에 접목하여 화염 군의 온도를 낮추는 내용에 대해 서술하도록 한다.

분할 화염의 생성을 위해, 튜브(3)의 외주연 일 영역에는 연료 스퍼드(11 내지 16)가 배치되어 연소 헤드(5) 주변에 분할 화염을 형성할 수 있다. 연소 헤드(5)에서 분사되는 주 화염과, 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 생성되는 분할 화염은 하나의 "화염 군"을 형성할 수 있다. 연소 헤드(5)와 연료 스퍼드(11 내지 16)가 형성하는 화염 군은 연소실(F) 내부에서의 화염의 표면적을 증가시켜, 연소실(F) 전열면에 복사열 흡수를 촉진함으로써 화염 군의 온도를 낮출 수 있다. 또한, 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 고속으로 분사되는 연료에 의해 분할 화염 주변의 압력은 낮아질 수 있다. 이에 따라, 연소실(F)에서 1차 연소된 연소 가스(S3)가 압력이 낮은 연소 헤드(5) 및 연료 스퍼드(11 내지 16) 주변으로 유인되고 이는 연소실(F) 내부에서 연소 가스(S3)의 자기 재순환을 유도할 수 있다. 연소 가스(S3)가 연소실(F) 내에서 연료 스퍼드(11 내지 16) 방향으로 자기 재순환 시, 연료 스퍼드(11 내지 16)는 연소 가스(S3)의 일부를 연료 스퍼드(11 내지 16) 내부로 유입하여 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 분사되는 연료의 발열량을 낮출 수 있다. 이는 화염 군 전체의 온도를 낮추는 효과를 기대할 수 있다.

연료 스퍼드(11 내지 16)가 연소 가스(S3)를 유입하여 연료의 발열량을 낮추기 위해, 연료 스퍼드(11 내지 16)는 연소 가스(S3) 유입을 위한 구조가 요구된다. 이는 도 2와 도 3을 통해 상술하도록 한다.

먼저, 도 2는 연료 스퍼드의 일 예에 대한 개념도를 도시한다. 도 2를 살펴보면, 연료 스퍼드(11)는 제1스퍼드(11a)와 제2스퍼드(11b)로 구획되고, 제1스퍼드(11a)와 제2스퍼드(11b)는 스퍼드 연결구(11c)에 의해 연결 상태를 유지하는 일 예를 도시한다. 도 2에서, 제1스퍼드(11a)에서 연료 공급구(11d)의 내경이 연료 분사구(11h)의 내경보다 작게 형성되는 것을 예시하고 있다. 이는, 제1스퍼드(11a)에서 분사되는 연료가 제2스퍼드(11b)에서 감압되도록 한 것으로서, 연소실(F)로 공급되는 연료의 공급 속도 조절 및 적절한 분할 화염 형성을 위한 것으로, 필요에 따라, 제1스퍼드(11a)의 내경이 제2스퍼드(11b)의 내경보다 크게 형성될 수도 있다.

스퍼드 연결구(11c)는 제1스퍼드(11a)와 제2스퍼드(11b) 사이를 지지하는 복수의 지지부재(11e, 11f 및 11g)로 구성될 수 있다. 스퍼드 연결구(11c)를 구성하는 복수의 지지부재(11e, 11f, 11g) 사이는 비어있는 공간으로서, 스퍼드(11) 내부로 연소 가스(S3)를 유입하기 위한 가스 유입구(11n)를 형성할 수 있다.

제1스퍼드(11a)에서 제2스퍼드(11b)로 연료가 분사될 때의 분사 압력으로 가스 유입구(11n) 주변의 압력은 낮아지며, 연소 가스(S3)는 낮은 압력을 갖는 가스 유입구(11n)로 유인되어 유입된다. 즉, 연료 분사구(11h)에서 고압의 연료가 분사될 때, 연료 분사구(11h) 주변, 예컨대, 가스 유입구(11n)나 그 주변은 연료 분사구(11h)의 분사 압력 대비 낮은 압력을 가질 수 있으며, 이러한 압력 차에 의해 연소실(F) 내부에서 연소 가스(S3)가 가스 유입구(11n)를 향해 이동하고, 연소 가스(S3) 이동에 따라 연소 가스(S3)는 연소실(F) 내부에서 자기 재순환(Self-Recirculation)을 이룰 수 있다.

연소 가스(S3)가 가스 유입구(11n)로 유인됨에 따라, 제2스퍼드(11b)의 연료 분사구(11h)에서 분사되는 연료는 "연료 + 연소 가스(S3)"의 혼합물이 되고, 공기 대신 연소 가스가 제2스퍼드(11b)에 유입됨에 따라 공기와 연료가 접촉할 때에 비해 연료의 연소성이 저하되고, 이는 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 생성되는 분할 화염의 온도를 낮추는 효과가 있다. 분할 화염의 온도가 낮아지면 연소 헤드(5)와 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 분사되는 화염 군의 온도가 낮아지며, 이는 화염 군에서 생성되는 써멀 녹스를 저감시킬 수 있다.

다음으로, 도 3은 연료 스퍼드의 다른 예에 대한 개념도를 도시한다. 도 3을 살펴보면, 연료 스퍼드(12)의 외주연 일 영역이 개방되어 가스 유입구(12c)가 형성됨을 볼 수 있다. 연료 공급구(12b)의 내경은 연료 분사구(12d)의 내경보다 작게 형성되어 연료 공급구(12b)에서 분사되는 연료의 압력을 감압하여 연료 분사구(12d)로 전달하고, 연료 공급구(12b)에서 연료 분사구(12d)로 분사되는 연료의 압력에 의해 연소 가스(S3)가 가스 유입구(12c)로 유인될 수 있다. 도 3의 실시예 또한 도 2의 실시예와 마찬가지로, 연료 분사구(12d)에서, 연료 + 연소 가스(S3)가 홉합된 혼합 가스가 분사되고, 연소 헤드(5)에서 형성되는 화염에 의해 점화되어 분할 화염을 형성하게 된다. 따라서, 도 3의 실시예 또한 도 2의 실시예와 마찬가지로, 연료 스퍼드(12)에서 분사되는 화염의 온도가 통상적인 조건에서의 화염(예컨대, 공기와 연료가 혼합되어 연소하는 조건) 온도 대비 낮아지며, 이를 통해 화염 군의 온도를 낮추어 써멀 녹스를 감소시킬 수 있다.

한편, 도 2와 도 3에는 각각 참조부호 11과 12를 부여하여 설명하였다. 그러나, 이는 도 1에 도시된 연료 스퍼드(11 내지 16) 중 참조부호 11과 12에 대해 부여된 것이 아님을 미리 밝혀둔다. 도면 부호 할당의 편의와, 도면부호 중복에 따른 오해의 소지를 줄이고자 한 것이며, 도 2의 실시예와 도 3의 실시예에서 언급된 연료 스퍼드 중 하나가 도 1에 도시된 연료 스퍼드(11 내지 16)에 동일하게 적용되는 것이다. 예컨대, 도 1에 도시된 연료 스퍼드(11 내지 16)는 도 2의 형태로 통일되게 구현되거나 도 3의 형태로 통일되게 구현될 수 있는 것이다.

실시예에 따른 연료 스퍼드(11 내지 16)가 튜브(3) 주변에서 연료를 강하게 분사함에 따라 연소실(F) 내부는 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 연료가 분사되는 영역과 그렇지 않은 영역간에 압력차가 발생한다. 압력차에 의해 연소실(F) 내부에서 연소 가스(S3)는 자기 재순환을 이루고, 자기 재순환되는 연소 가스(S3)는 연소 헤드(5)와 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 생성되는 화염 군의 온도를 낮춘다. 이는 도 4를 함께 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 4를 참조하면, 튜브(3)의 종단에 형성되는 측경부(3a)에 의해 연소 헤드(5)에서 분사되는 화염은 중심부(S2)를 향해 골곡지며 진행 후, 확산되며, 이때, 화염의 형태는 장구목 형상을 갖는다. 화염이 장구목 형상을 이루면서, 베르누이 정리에 따라, 영역(S1)의 압력은 낮아지고, 화염의 속도는 향상된다. 이때, 영역(S1)의 주변에서는 연료가 고속으로 분사되면서, 가스 유입구 주변의 압력이 낮아질 수 있다. 장구목 형상의 화염은 중심부(S2)에서 점차 확산된다. 이후, 화염에 의해 생성된 연소 가스(S3)는 압력이 낮은 영역(S1) 방향으로 유인되는데, 이때, 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 고속으로 연료가 분사되므로, 연료 스퍼드(11) 주변의 압력이 더 낮아지게 되며, 연소 가스(S3)는 연료 스퍼드(11 내지 16)에 형성되는 가스 유입구로 유도될 수 있다. 연소 가스(S3)는 연료 스퍼드(11 내지 16)에 형성되는 가스 유입구로 유입되어 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 분사되는 연료와 혼합되어 혼합 가스를 형성한다. 혼합 가스는 "공기 + 연료"의 연소와는 달리 "연료 + 연소 가스(S3)"의 혼합물을 이루므로 공기와 연료가 연소되는 화염에 비해 온도가 낮아질 수 있다.

발열량이 낮은 연료 스퍼드(11 내지 16)의 분할 화염은 연소 헤드(5)에서 분사되는 화염(주 화염) 대비 온도가 낮으므로, 주 화염의 주변 온도를 낮추는 효과가 있다. 분할 화염의 온도와 주 화염의 온도가 "공기 + 연료"를 연소하는 버너에 비해 온도가 낮아지므로, 가스 스테이징 기술이 적용되지 않은 3세대 IFGR 버너에 비해 써멀 녹스의 발생이 더욱 억제될 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 튜브 및 연료 스퍼드 구조에 대한 개념도를 도시하고, 도 9는 튜브와 연료 스퍼드의 배치 구조를 개념적으로 설명하기 위한 단면도를 도시한다

도 8과 도 9의 실시예는 도 1 내지 도 7과 동일하되, 다만, 연료 스퍼드(11 내지 16)의 길이가 짧아지고, 대신 도 1 내지 도 7에서 언급된 가스 유입구(11n, 12c)를 제거한 형태인 점에서 차별된다. 따라서, 도 8과 도 9의 실시예는 도 2와 도 3에 도시된 가스 유입구(11n, 12c)를 제외한 나머지 부분은 동일한 바, 동일한 참조부호를 부여하며, 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 도 8에 대한 설명은 도 1 내지 도 7 및 이에 대한 설명을 함께 참조하도록 한다.

도 8과 도 9를 참조하면, 연료 스퍼드(11 내지 16)의 길이가 짧아지면서, 도 1 내지 도 7을 통해 설명된 가스 유입구(11n, 12c)가 제거되었음을 볼 수 있다. 연료 스퍼드(11 내지 16)의 종단은 연소실(F)의 내주연(FS)과 연소 헤드(5) 사이에 위치할 수 있으며, 연소 헤드(5)의 후단에서 d3 방향을 향해 연료를 분사할 수 있다. 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 연료가 분사될 때, 고압으로 분사되는 연료 주변의 영역(S7)의 압력은 낮아질 수 있다. 이에 따라, 영역(S7)에 비해 상대적으로 압력이 높은 연소 가스(S3)는 압력 차에 의해 영역(S7)으로 유인되고 연료 스퍼드(11 내지 16)에서 분사되는 연료와 혼합되어 재차 연소되어 연소실(F) 내부에서 자기 재순환을 이룰 수 있다.

도 8과 도 9의 실시예는 연료 스퍼드(11 내지 16)에 별도의 가스 유입구를 형성하지 않고 연소실(F) 내에서 연소 가스(S3)가 자기 재순환을 하도록 유도하는 점에서 도 1의 실시예와 차별되며, 도 1의 가스 유입구(11n, 12c)의 역할을 짧아진 연료 스퍼드(11 내지 16)가 대체하는 점에서 도 1의 실시예와 동일 또는 유사한 저녹스 효과를 구현할 수 있음은 물론이다.

3 : 튜브 3a : 측경부
5 : 연소 헤드 5 : 연소 헤드
5a : 디퓨징 프레임 5b : 공기홀
11 내지 16 : 연료 스퍼드

Claims

공기를 연소실로 안내하며, 상기 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 상기 연소 헤드로 연결되는 튜브; 및
상기 튜브의 외주연 일 측에 적어도 하나 마련되고, 상기 연소실로 연료를 분사하여 분할 화염을 형성하는 파이프 형상이며, 외주연 일 영역에는 연소 가스 유입을 위한 가스 유입구가 형성되는 연료 스퍼드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
제1항에 있어서,
상기 연료 스퍼드는,
상기 튜브를 중심으로 복수 개가 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
제1항에 있어서,
상기 튜브는,
상기 종단이 상기 튜브의 길이방향 중심선을 향하도록 경사지는 튜브 측경부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
제1항에 있어서,
상기 연료 스퍼드는,
외주연 일 영역이 개방되어 상기 가스 유입구를 형성하는 스퍼드 연결구를 통해 연결되는 제1스퍼드와 제2스퍼드를 포함하며,
상기 제1스퍼드와 상기 제2스퍼드의 내경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
공기를 연소실로 안내하며, 상기 연소실 내측 방향 종단에는 연소 헤드가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 상기 연소 헤드로 연결되는 튜브; 및
파이프 형상이며, 상기 튜브의 외주연 일 측에 적어도 하나가 설치되고, 상기 연소 헤드에서 생성되는 주 화염과 이격되는 분할 화염을 형성하며, 1000℃ 이상의 온도에서 생성되는 프롬프트 녹스의 억제를 위해, 상기 주 화염의 외주연 중 1000℃ 이하인 영역을 향해 연료를 분사하는 연료 스퍼드;를 포함하고,
상기 연료 스퍼드와 상기 연소 헤드의 이격거리 만큼 상기 주 화염과 상기 분할 화염이 이격되고, 상기 주 화염과 상기 분할 화염이 이루는 화염 군의 표면적 증대를 통해 상기 연소실의 전열면의 복사열 흡수를 촉진하여 녹스 발생량을 낮추며,
상기 연료 스퍼드가 연료를 분사할 때 발생하는 압력 차를 이용하여 상기 연소실 내 연소 가스를 유인함으로써, 분사되는 연료의 발열량을 낮추는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.