KR101669008B1 - 엔진장치를 위한 가스혼합장치 - Google Patents

엔진장치를 위한 가스혼합장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101669008B1
KR101669008B1 KR1020150078792A KR20150078792A KR101669008B1 KR 101669008 B1 KR101669008 B1 KR 101669008B1 KR 1020150078792 A KR1020150078792 A KR 1020150078792A KR 20150078792 A KR20150078792 A KR 20150078792A KR 101669008 B1 KR101669008 B1 KR 101669008B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
mixed
diffuser
mixing
fluid flow
Prior art date
Application number
KR1020150078792A
Other languages
English (en)
Inventor
배종욱
이동준
임건
Original Assignee
주식회사 덱코
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 덱코 filed Critical 주식회사 덱코
Priority to KR1020150078792A priority Critical patent/KR101669008B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101669008B1 publication Critical patent/KR101669008B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/20—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a flow director or deflector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

본 발명은 하나 이상의 물질을 가스와 혼합하여 혼합기체로서 내보내는 가스혼합장치에 관한 것이다.

Description

엔진장치를 위한 가스혼합장치{APPARATUS FOR MIXING GAS OF ENGINE DEVICE}
본 발명은 엔진장치의 가스를 혼합하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나 이상의 물질을 가스와 혼합하여 혼합기체로서 내보내는 가스혼합장치에 관한 것이다.
엔진장치에 사용되거나 엔진장치로부터 배출되는 가스는 종종 다양한 필요에 의해 다른 물질(예를 들어, 다른 가스, 액체, 고체분말, 또는 고체분말이 포함된 가스 또는 액체)와 혼합될 필요가 있다. 이러한 경우의 대표적인 예로서, 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소 및 수증기로 환원시키기 위해 질소산화물을 포함하는 배기가스에 환원제를 혼합시키는 경우가 있다.
엔진장치, 특히 디젤 엔진은 실린더 내부의 연소 과정에서 NO 및 NO2를 주성분으로 하는 질소 산화물(이하, NOx라고 함)을 생성한다. NOx는 대표적인 공해물질이기 때문에, NOx를 제거하기 위한 다양한 노력이 있어 왔다. 특히, 국제 연합(United Nation, UN) 산하의 국제 해사 기구(International Maritime Organization, IMO)는 선박의 질소 산화물 배출량을 점점 더 엄격하게 규제하고 있다. 국제해양오염방지협약(Marine Pollution Treaty, MARPOL Treaty) 73/78의 부속서 제 6장에 의하면 2016년부터 배출규제해역(Emission Control Area, ECA)을 항해하는 선박들은 질소산화물 배출량을 현재 기준의 대략 1/4 수준으로 감축하여야 한다.
질소 산화물을 제거하기 위한 방법으로서 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, 이하 SCR이라한다) 방법이 널리 이용되고 있다. SCR은 촉매에 질소 산화물이 함유된 배기가스에 환원제를 혼합하여 접촉시키고, 촉매 환원 반응을 유도함으로써 질소 산화물을 안정된 질소 및 수증기 분자로 환원시키는 방법이다. 이때, 촉매로서는 티탄-텅스텐-바나듐 계의 촉매가 사용되고, 환원제로서는 암모니아(암모니아 가스 또는 암모니아 수용액)가 사용되거나 열분해반응에 의하여 암모니아를 생성할 수 있는 전단계 물질인 요소수가 주로 사용된다. SCR장치 및 방법에 대해서는 대한민국 등록특허공보 제10-1236305호에 구체적으로 개시되어 있다.
이러한, SCR 장치는 질소산화물 배출량을 거의 완벽하게 저감시킬 수 있는 장치이지만 그 중요 구성 부분으로서 촉매를 사용하기 때문에 이 촉매와 촉매를 장착하는 반응기의 부피가 크고 더구나 촉매의 가격이 높기 때문에 디젤엔진의 가격과 비교 될 정도의 높은 비용을 초래하는 점이 큰 문제이다.
따라서 사용되는 촉매의 양을 되도록 적게하면서 질소산화물을 효과적으로 제거할 필요가 있으며, 이는 혼합가스의 혼합균질도와 유동균일도를 향상시키는 기술을 통해 달성될 수 있을 것으로 예상된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1236305호(2013. 02. 22 공고)
본 발명의 목적은 하나 이상의 물질을 가스와 혼합함에 있어서, 혼합가스의 혼합균질도 및 유동균일도를 향상시키는 가스혼합장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 혼합관 내에서 혼합되는 유체의 체류시간을 길게 하여 유체혼합 또는 물질전환 효율을 향상시키는 가스혼합장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 가스혼합장치는 가스가 유입되는 유입부; 상기 가스에 선회력을 제공하고, 내부 공간에 축방향 유체유동이 감소되는 체류부가 형성되는 스월 배플; 상기 스월 배플을 통과한 가스에 물질을 공급 또는 분사하는 혼합물질공급부; 상기 가스와 상기 물질이 혼합된 혼합가스가 흐르는 혼합관; 및 상기 혼합관의 후위에 위치하고, 상기 혼합관으로부터 유입되는 혼합가스의 유로를 확장시키는 디퓨저를 포함하며, 상기 스월 배플은 상기 유입부로부터 혼합관을 향해 원추형으로 확장되도록 형성된 원추형구조와, 상기 원추형구조에 연결된 보스 및 상기 보스 상에 형성된 복수의 선회날개를 포함하고, 상기 체류부는 상기 원추형구조의 내측에 형성되어 상기 스월 배플의 축 방향으로의 유체 유동이 주변부보다 감소되며, 상기 디퓨저는 혼합가스의 유동을 가이드하기 위한 하나 이상의 가이드 베인을 포함하고, 상기 하나 이상의 가이드 배인은 상기 디퓨저의 내부에 설치되고, 동심원 형상의 단면을 가지며 상기 유입부와 마주보는 상대면이 개방된 원추 형상을 갖는다.
상기 하나 이상의 가이드 베인 각각은 동축 상에 배치되고 상기 하나 이상의 가이드 베인 각각의 원추 형상의 가상 꼭짓점 위치는 동일 지점에 위치하고, 상기 혼합가스의 적어도 일부가 상기 가상 꼭짓점 위치에서 상기 원추 형상의 아래 위치로 유동하도록 구성된다.
상기 하나 이상의 가이드 베인 각각의 원추들 사이에 형성되는 유체유로의 단면적들의 비율은 상기 하나 이상의 가이드 베인의 전단부와 후단부에서 동일하게 구성된다.
상기 혼합물질공급부는 상기 혼합관의 중심을 향해 반경방향으로 상기 물질을 공급 또는 분사하는 노즐을 포함한다.
상기 혼합물질공급부는 상기 혼합관 내부로 연장된 말단에 위치하고, 상기 가스의 유입 방향과 반대로 축방향으로 상기 물질을 공급 또는 분사하는 노즐을 포함한다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
실시 예로서, 상기 혼합관과 상기 디퓨저 사이에 배치되어, 상기 디퓨저에서의 유체유동 확산에 앞서 상기 혼합가스의 유체유동을 일시적으로 축소 또는 확장시키는 오리피스링을 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 물질은 상기 혼합물질공급부로부터 공급 또는 분산된 후에 상기 가스혼합장치 내의 유체유동에 의해 상기 스월 배플의 내부 공간으로 유도된다.
실시 예로서, 상기 가스는 엔진장치의 배기가스이고, 상기 물질은 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 환원제 또는 상기 환원제(또는 그것의 수용액)로 물질변환되는 전단계 물질이고, 상기 디퓨저를 통과한 상기 혼합가스는 촉매반응부에 도달하고, 상기 촉매반응부에서 상기 배기가스와 상기 환원제 사이의 촉매환원반응에 의해 상기 배기가스에 포함된 상기 질소산화물이 제거되거나 다른 물질로 환원된다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 유체유동이 주변부보다 감소되는 체류부를 형성함으로써 비교적 짧은 가스 혼합관 내에서도 물질변환에 필요한 체류시간을 충분히 확보할 수 있으며, 그에 따른 물질전환 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 가스 유동의 압력강하에 악영향을 거의 주지 않으면서, 유동의 선회방향와류와 반경방향와류를 이용하여 가스 혼합균질도를 증대시킬 수 있으며, 반응기 입구에서 균등한 유동의 확산을 이용하여 도달부에서의 높은 유동균일도를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스혼합장치의 전체적인 구성을 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스월 배플을 예시적으로 나타내는 측후면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 오리피스 링을 예시적으로 나타내는 측후면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 디퓨저를 예시적으로 나타내는 측후면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스혼합장치 내에서의 유체유동을 개략적으로 나타내는 개요도이다.
도 6은 스월 배플 부분의 단면 위치에 따른 유동벡터를 비교하여 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 혼합물질공급부의 위치를 조정한 예를 나타내는 개요도이다.
본 명세서는 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기서 어떤 실시예에 관련하여 기재된 특정 형상, 구조 및 특성들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예에서도 동일하게 구현될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도를 내포하지 않는다. 사용된 용어들에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 지칭되지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있다. 나아가, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다. 유사한 참조부호가 도면들에서 사용되는 경우, 유사한 참조부호는 여러 실시예들에 대해서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
한편, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 가스혼합장치 및 방법의 예로서 SCR장치 및 방법을 들어 설명하고 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 본 발명은 하나 이상의 유체를 가스와 혼합시키는 일반적인 장치 및 방법에 적용가능하도록 의도 및 고안되었으며, 따라서 본 발명의 범위도 이를 당연히 포함하는 것으로 간주된다.
일반적으로 가스의 혼합 성능 및 이로부터 파생되는 제반 성능을 향상시키기 위해서는 혼합가스의 혼합균질도 및 유동균일도를 향상시키는 것이 종종 필요하며, 가스를 혼합시키는 목적에 따라 때로는 혼합에 의한 물질전환 효율을 향상시킬 필요도 있다.
가령 앞서 설명한 SCR장치를 예로 들면, 사용되는 촉매의 양을 가급적 적게하면서 본래의 목적하는 기능인 질소산화물 제거를 효과적으로 달성하기 위해서 다음과 같은 기술적 이슈가 있을 수 있다.
먼저, 촉매가 환원반응에 충분히 작용하지 못한 채 낭비되는 것을 방지하기 위해 첨가되는 환원제가 배기가스에 균질하게 혼합되도록 할 필요가 있다.
다음으로, 촉매 전면으로 유입되는 가스의 유동속도를 최대한 균일하게 하여 가급적 촉매의 많은 부분이 균일한 부하 상태에서 작용하도록 할 필요가 있다.
마지막으로, 환원제의 전단계 물질인 요소수를 사용하는 경우 충분한 체류시간을 확보하여 암모니아로의 전환효율이 향상되도록 할 필요가 있다.
이러한 기술적 이슈 및 해결 과제들은 본 발명에 따른 가스혼합장치 및 방법에 의해 해소될 수 있는 것들로서, 이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 이러한 기술적 과제들을 달성 및 구현하기 위한 상세한 기구적 구성 및 혼합 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스혼합장치의 전체적인 구성을 나타내는 측면도이다. 도 1을 참조하면, 가스혼합장치(100)는 유입부(110), 혼합부(120), 혼합물질공급부(130) 및 도달부(140)를 포함한다. 다만 도 1에 도시된 각 부(110, 120, 130, 140)들의 형상 및 배치는 예시적인 것으로서, 적용 예에 따라 각 부(110, 120, 130, 140)들의 형상 및 배치는 조정될 수 있다. 이러한 형상 및 배치의 조정 예가 도 7에서 제시된다.
유입부(110)는 엔진장치의 가스(10, 예를 들어 엔진장치의 배기가스)가 유입되는 부분이다. 유입부(110)를 통해 유입된 가스(10)는 혼합부(120)로 흐른다.
혼합부(120)는 유입된 가스(10)를 도달부(140)까지 유도하고, 혼합물질공급부(130)를 통해 공급된 물질이 가스와 혼합되는 부분이다. 혼합부(120)는 유입 가스에 선회력을 부여하면서 혼합물질공급부(130)를 통해 공급된 물질에 충분한 체류시간을 제공하기 위한 스월 배플(121), 혼합가스의 이동을 가이드하는 혼합관(122), 혼합관(122)과 도달부(140) 사이에서 유체유동을 확산시키는 디퓨저(123) 및 디퓨저(123)의 전단에서 유체유동 확산을 미리 발생시키는 오리피스링(124)을 포함할 수 있다.
실시 예로서, 디퓨저(123) 내에는 유체유동을 가이드하는 가이드 베인(123a)이 구비될 수 있다.
스월 배플(121), 디퓨저(123), 가이드 베인(123a) 및 오리피스링(124)의 구체적인 구성 및 형상에 대해서는 도 2 이하에서 상세히 설명하므로, 여기서는 그에 대한 추가적인 설명을 생략한다.
혼합물질공급부(130)는 유입된 가스(10)와 혼합되어 혼합가스를 형성하기 위한 혼합물질을 공급하는 구성으로서, 예를 들어 혼합물질을 분사하는 구조로 구성될 수 있다. 이때, 공급되는 혼합물질은 직접 혼합가스의 일부를 구성하도록 마련된 물질일 수도 있고, 혼합물질이 물질변환된 결과인 이차물질이 혼합가스의 일부를 구성하도록 마련된 전단계 물질일 수도 있다.
도달부(140)는 혼합부(120)를 통과한 혼합가스가 도달하는 부분이다.
위와 같은 구성에 따르면, 먼저 유입부(110)를 통해 가스가 유입되면 유입된 가스(10)에는 스월 배플(121)에 구비된 선회날개(121b)를 통해 선회방향 와류가 발생하고, 스월 배플(121) 후단의 유로폭 증가와 오리피스링(124)에 의해 반경방향 와류가 발생한다. 이러한 선회방향 및 반경방향 와류에 의해 혼합가스(유입된 가스에 공급된 물질이 혼합된)의 혼합균질도가 향상될 수 있다.
또한, 오리피스링(124) 후단의 1단계 확산과 이어지는 디퓨저(123)에 의한 2단계 확산에 의해 도달부(140) 단면에서 혼합가스의 유동 균일도가 향상될 수 있다.
나아가, 스월 배플(121)의 원추형 구조(121a)에 의해 스월 배플(121)의 내부 공간에는 축방향 유체유동이 주변부보다 감소되는 체류부(121d)가 형성되게 되고, 그 결과 이 부분에 공급되는 물질은 공간 체류시간이 증가한다. 이는 공급되는 물질이 열반응 등을 통해 다른 물질로 변환되어야 하는 경우 물질변환 효율을 증가시키는 데 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 가스혼합장치의 기능 및 효과를 더욱 명확히 설명하기 위해, SCR장치에 본 가스혼합장치를 적용한 예를 설명하기로 한다. 이 경우, 유입부(110)는 엔진장치의 배기가스가 유입되는 부분이 되고, 유입부(110)를 통해 유입되는 가스(10)는 엔진장치의 배기가스이며, 혼합물질공급부(130)를 통해 공급되는 물질은 질소산화물을 제거하기 위한 환원제(또는 환원제의 수용액, 또는 물질변환을 통해 환원제로 변환되는 전단계 물질)이고, 이때, 도달부(140)는 SCR장치의 촉매반응부로서 환원제를 이용한 촉매환원반응을 통해 혼합가스로부터 질소산화물을 제거한다.
이러한 적용 예에서, 먼저 배기가스(10)가 유입부(110)를 통해 유입되고, 유입된 배기가스(10)는 스월 배플(121)을 통과한다. 스월 배플(121)에서 앞서 설명한 구조적 특징인 선회날개(121b), 스월 배플(121) 후단의 유로폭 증가 및 오리피스링(124)에 의해 배기가스에 선회방향 및 반경방향 와류가 유도되고, 이는 혼합물질공급부(130)를 통해 공급되는 환원제(예를 들어, 암모니아)와 배기가스의 혼합균질도를 향상시키고, 이는 이후 도달부(140)에서의 촉매환원반응의 효율을 높이는 데 기여한다.
그리고, 환원제와 배기가스가 혼합된 혼합가스는 오리피스링(124) 후단의 1단계 확산과 이어지는 디퓨저(123)에 의한 2단계 확산에 의해 단면 상에서의 유동균일도가 향상되며, 이는 도달부(140)에 전체 면적에 혼합가스가 최대한 균일하게 도달하게 함으로써 촉매이용율을 높이고, 나아가 전체적인 질소산화물 제거 효율을 향상시키는 데 기여하게 된다.
한편, 혼합물질공급부(130)를 통해 공급되는 물질이 환원제의 전단계 물질인 경우(예를 들어, 암모니아 수용액 또는 요소수), 해당 물질이 스월 배플(121) 내부의 체류부(121d)에 공급되도록 함으로써 환원제로의 증발 및 물질변환을 위한 충분한 정체시간을 확보할 수 있다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면, 요소수의 암모니아로의 변환은 열분해 및 가수분해를 통하게 되는 데, 이는 배기가스의 열을 이용하는 것이 보통이다. 따라서, 요소수가 배기가스 중에 공급된 후 그 속에서 열분해 및 가수분해되기 위한 충분한 체류시간(Resident Time)이 확보되어야 한다. 그런데 엔진장치(예를 들어, 디젤엔진)의 배기관 내 가스유속은 일반적으로 20~30m/s에 이르는 등 비교적 높기 때문에, 촉매 반응기에 도달하기 전 관의 직경을 배기관보다 충분히 크게 만든 혼합관이라 하더라도 15m/s 수준까지는 도달하게 된다. 요소수가 암모니아로 충분히 전환되기에 필요한 체류시간은 배기가스의 온도에 따라 다르지만 대략 1000ms 정도가 소요된다고 한다. 따라서 유속 15m/s인 관내에서 이와 같은 체류시간을 확보하기 위하여서는 최소한 15m이상의 길이의 긴 혼합관이 필요하게 되고 통상 가스혼합장치가 설치되는 공간은 한정되기 마련이므로 이와 같은 긴 관을 설치하는 것은 어려움이 있다.
그러나, 본 발명에 따르면 스월 배플(121)의 내부에 유체역학적으로 축방향 유동이 주변부보다 감소되는 체류부(121d)가 형성되므로, 여기에 전단계 물질을 공급하는 경우 별도의 긴 관을 구비하지 않고도 물질변환에 필요한 충분한 정체시간을 확보할 수 있는 장점을 갖게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 스월 배플을 예시적으로 나타내는 측후면도이다. 도 2를 참조하면, 스월 배플(121)은 원추형 구조(121a), 유입 가스에 선회력을 유도하는 복수의 선회날개(121b) 및 보스(121c)를 포함한다. 이때, 원추형 구조(121a) 또는 보스(121c) 내부 공간에는 축방향 유체유동이 주변부보다 감소되는 체류부(121d)가 형성된다.
스월 배플(121)의 원추형 구조(121a)는 혼합관(122, 도 1 참조)과 동축 상에서 유입부(110)로부터 혼합관(122)을 향해 원추형으로 확장되도록 형성되는 구조물이다.
복수의 선회날개(121b)는 보스(121c)의 외경상에 반경 방향으로 형성되어, 복수의 선회날개(121b)를 지나는 유입 가스에 선회력을 유도한다. 실시 예로서, 복수의 선회날개(121b)의 끝단은 혼합관(122)의 내경에 접촉되도록 설치될 수 있다.
보스(121c)는 원추형 구조(121a) 및 복수의 선회날개(121b)를 연결하여 고정하는 구조로서, 원통형 형상일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 오리피스 링을 예시적으로 나타내는 측후면도이다. 도 3을 참조하면, 오리피스링(124)은 환상 평판(124a)의 형상으로 구성될 수 있으며, 혼합관(122)과 디퓨저(123)의 사이에서 유체유동을 1단계로 확산시키는 역할을 한다.
오리피스링(124)은 유체유동이 오리피스링(124)의 전단에서 수축된 후 오리피스링(124)의 후단에서 확산되게 하는 형상에 의해, 스월 배플(121)의 후류에서 혼합물질이 혼합된 가스의 흐름에 약간의 수축을 제공한 뒤 2단계 확산이 발생하는 디퓨저(123)의 전단에서 1단계 확산을 발생시킴으로써, 디퓨저(123)로 향하는 구간에 반경방향 와류를 일으켜 혼합가스의 혼합균질도를 향상시킨다.
실시 예로서, 오리피스링(124)은 혼합부(120)의 후단 내경부에 접촉되도록 구성될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 디퓨저(123)를 예시적으로 나타내는 측후면도이다. 도 4를 참조하면, 디퓨저(123)는 도시된 바와 같이 개방된 원추형상의 적어도 하나의 가이드 베인(123a)을 포함할 수 있다.
디퓨저(123)는 혼합가스를 도달부(140)로 유도하면서 그 유체 유동을 원활하게 확산시키는 작용을 한다. 디퓨저(123)는 유체유동 방향을 따라 점차적으로 확장되는 관의 형태로 외형이 구성될 수 있다.
가이드 베인(123a)은 디퓨저(123)의 내부에 설치되며 단면상에서 동심원의 형상을 가지며, 원추의 꼭지부분이 개방된 형상으로 구성될 수 있다. 디퓨저(123)는 단면상에서 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 가이드 베인(123a)을 구비할 수 있다.
일반적으로, 도달부(140)의 단면적이 혼합관(122)의 단면적보다 크고 도달부(140)에 도달하는 유체유속이 큰 경우, 그 유동 관성에 의해 유체유동은 도달부(140) 전면의 중앙부에 집중되게 된다. 이는 도달부(140)에서의 유동균일도를 저하시키는 결과가 되고, 가령 SCR장치에 있어서 이와 같은 현상은 도달부(140) 바깥쪽에 위치한 촉매들이 충분히 작용하지 않게 만들어 SCR장치의 질소산화물 제거효율을 저하시키는 주요한 원인이 된다.
본 발명에 따른, 디퓨저(123) 및 가이드 베인(123a)은 그 구조적 특징에 의해 도달부(130)에서의 유체유동 균일도를 높이는 작용을 하여, 앞서 설명한 문제점을 해결할 수 있다.
구체적으로, 하나 이상의 가이드 베인(123a)이 디퓨저(123) 내에 구비되며, 각 가이드 베인(123a)은 동축 상에 배치되고 그 원추 형상들의 가상 꼭짓점 위치가(그 형상을 따라 가상으로 연장한 꼭짓점 위치) 동일 지점에 위치하도록 구성된다(가이드 베인이 하나인 경우 디퓨저의 외곽 형상과 가이드 베인이 동일 형태로 배치될 수 있음). 이때, 각 꼭짓점들은 혼합 가스의 유입 위치를 향하고, 유입된 혼합가스는 각 원추의 꼭짓점 위치에서 해당 원추의 아래 위치로 유동하게 된다.
그리고, 각 가이드 베인(123a)의 각 원추들 사이에 형성되는 유체유로의 단면적들의 비율이 가이드 베인(123a)의 전단부와 후단부에서 동일하도록 구성함으로써, 복수의 가이드 베인(123a)을 통한 유체유동 방향을 균등히 확산시킬 수 있고, 이를 통해 도달부(140)에서의 가스유동의 균일도를 향상시키게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스혼합장치 내에서의 유체유동을 개략적으로 나타내는 개요도이다.
본 실시 예에서, 혼합물질공급부(130)는 반경방향으로 물질을 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 혼합물질공급부(130)는 스월 배플(121)의 후위에서 혼합부(120)의 외경을 관통하여 그것의 노즐(131)이 혼합부(120) 내부를 향해 반경방향으로 물질을 공급 또는 분사하도록 설치될 수 있다.
실시 예로서, 혼합물질공급부(130)는 복수의 노(131)즐을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 스월 배플(121)의 구조에 있어서, 복수의 선회날개(121b)를 지나 진행하는 배기가스는 선회운동의 원심력에 의하여 가스 혼합관의 외측으로 유동이 쏠리고 유동 통로의 단면이 반경 내 측으로 급하게 확장되므로, 전산유동 해석에 의하면 도 5의 전단부에서 보여지는 바와 같은 유체유동을 하게 된다.
이러한 유체유동하에서, 혼합물질공급부(130)로부터 공급 또는 분사된 물질은 스월 배플(121) 내부로 유도되고, 축방향 유체유동이 주변부보다 감소되는 체류부(121d)에 도달하여 효과적으로 물질변환에 필요한 충분한 정체시간을 확보하게 된다.
구체적으로, 혼합물질공급부(130)의 노즐(131)을 통해 공급 또는 분사된 물질은 혼합관(122)의 중심부까지 관통하여 들어가고(C), 스월 배플(121)의 후위에서부터 스월 배플(121)의 내부 공간으로 선회하면서 말려 들어간 후, 증발 혼합 분해 반응하면서 도시된 유체유동을 따라 체류 또는 유동하다가, 스월 배플(121)의 보스의 외측을 따라 흐르는 가스를 따라 혼합부(120)의 후단 방향으로 유동하여 흐르게 된다.
한편, 혼합부(120)의 후단부 이후에서는 오리피스링(124)과 디퓨저(123) 및 그것의 가이드 베인(123a)을 통해 유체유동이 축소 후 확산되는 유체유동을 확인할 수 있다.
도 6에서는 스월 배플(121)의 내부 단면유동을 구체적으로 도시된다. 구체적으로, 도 6은 스월 배플 부분의 단면 위치에 따른 유동벡터를 비교하여 보여준다.
먼저, 스월 배플(121)의 중심축 위치의 단면(A 단면)을 살펴보면, 체류부(D)가 비교적 넓게 형성되고, 체류부(D의 상하위치에서는 가스가 체류부(D 내로 들어오는 곳과 나가는 곳에서 느린 축방향 유선이 벡터로 나타나며, 체류부(D의 중심 축 위치에서 축 방향 유동속도는 매우 느리며 지면에 수직 방향으로의 유동만 나타나게 되어, 선회 반경의 감소로 인한 자유와류의 강한 소용돌이가 생기게 된다.
다음으로, 스월 배플(121)의 중심축에서 빗겨난 위치의 단면(B 단면)을 살펴보면, 그 내부 공간(G)에서 비교적 큰 선회운동이 생기게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 혼합물질공급부의 위치를 조정한 예를 나타내는 개요도이다.
본 실시 예에서, 혼합물질공급부(160)는 앞서의 예와 달리 혼합될 물질을 반경방향이 아닌 축방향으로 공급 또는 분사한다.
구체적으로, 혼합물질공급부(160)는 혼합부(120) 내부로 연장되고, 그 말단에는 물질을 공급 또는 분사하기 위한 노즐(161)을 구비한다. 노즐(161)의 배출구가 스월 배플(121)의 중심축 부근에 위치하고, 가스가 유입되는 반대방향으로 스월 배플(121)의 원추형 구조 또는 보스 내부에 형성되는 체류부(H를 향해 물질을 공급 또는 분사하도록 구성된다.
실시 예로서, 혼합물질공급부(160)는 복수의 노즐을 다발로서 평행하게 구성된 형태로 포함할 수 있다.
본 실시 예는, 혼합관(122)의 직경이 매우 커서 반경방향으로 물질을 공급 또는 분사했을 때 공급 또는 분사된 물질이 혼합관(122)의 중심부까지 침투하기 곤란한 경우에 적용될 수 있다. 이 경우에도 공급 또는 분사된 물질의 유동 흐름은 도 5 및 6에서 설명된 유동 흐름과 유사하게 진행된다.
지금까지 설명한 본 명세서의 기술적 특징에 따르면, 하나 이상의 물질을 가스와 혼합할 때 혼합가스의 혼합균질도 및 유동균일도를 향상시킬 수 있으며, 물질변환이 필요한 물질의 유체 내 체류시간을 높게 함으로써 물질전환 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 가스혼합장치 및 방법은 특히 SCR장치에 직접 적용이 가능한데, 본 발명을 SCR장치에 적용함으로써 배기가스와 환원제의 혼합균질도 및 촉매반응부에서의 가스 유동균일도를 향상시킬 수 있고, 나아가 환원제의 전물질인 요소수를 암모니아로의 전환하는 데 필요한 체류시간을 충분히 확보할 수 있다.
본 명세서의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예를 들어 설명하였으나, 본 명세서의 범위에서 벗어나지 않는 한 각 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.
또한, 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 예시하기 위한 목적에서 사용된 것일 뿐, 의미 한정이나 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니다. 그러므로 본 명세서의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
100: 가스혼합장치 110: 유입부
120: 혼합부 130, 160: 혼합물질공급부
140: 도달부 121: 스월 배플
121a: 원추형구조 121b: 선회날개
121c: 보스 122: 혼합관
123: 디퓨저 123a: 가이드 베인
124: 오리피스링 131, 161: 노즐

Claims (10)

  1. 가스가 유입되는 유입부;
    상기 가스에 선회력을 제공하고, 내부 공간에 축방향 유체유동이 감소되는 체류부가 형성되는 스월 배플;
    상기 스월 배플을 통과한 가스에 물질을 공급 또는 분사하는 혼합물질공급부;
    상기 가스와 상기 물질이 혼합된 혼합가스가 흐르는 혼합관; 및
    상기 혼합관의 후위에 위치하고, 상기 혼합관으로부터 유입되는 혼합가스의 유로를 확장시키는 디퓨저를 포함하며,
    상기 스월 배플은 상기 유입부로부터 혼합관을 향해 원추형으로 확장되도록 형성된 원추형구조와, 상기 원추형구조에 연결된 보스 및 상기 보스 상에 형성된 복수의 선회날개를 포함하고, 상기 체류부는 상기 원추형구조의 내측에 형성되어 상기 스월 배플의 축 방향으로의 유체 유동이 주변부보다 감소되며,
    상기 디퓨저는 혼합가스의 유동을 가이드하기 위한 하나 이상의 가이드 베인을 포함하고, 상기 하나 이상의 가이드 배인은 상기 디퓨저의 내부에 설치되고, 동심원 형상의 단면을 가지며 상기 유입부와 마주보는 상대면이 개방된 원추 형상을 갖는 가스혼합장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가이드 베인 각각은 동축 상에 배치되고,
    상기 하나 이상의 가이드 베인 각각의 원추 형상의 가상 꼭짓점 위치는 동일 지점에 위치하고, 상기 혼합가스의 적어도 일부가 상기 가상 꼭짓점 위치에서 상기 원추 형상의 아래 위치로 유동하도록 구성되는 가스혼합장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가이드 베인 각각의 원추들 사이에 형성되는 유체유로의 단면적들의 비율은 상기 하나 이상의 가이드 베인의 전단부와 후단부에서 동일하게 구성되는 가스혼합장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물질공급부는 상기 혼합관의 중심을 향해 반경방향으로 상기 물질을 공급 또는 분사하는 노즐을 포함하는 가스혼합장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물질공급부는 상기 혼합관 내부로 연장된 말단에 위치하고, 상기 가스의 유입 방향과 반대로 축방향으로 상기 물질을 공급 또는 분사하는 노즐을 포함하는 가스혼합장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합관과 상기 디퓨저 사이에 배치되어, 상기 디퓨저에서의 유체유동 확산에 앞서 상기 혼합가스의 유체유동을 일시적으로 축소 또는 확장시키는 오리피스링을 더 포함하는 가스혼합장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질은 상기 혼합물질공급부로부터 공급 또는 분산된 후에 상기 가스혼합장치 내의 유체유동에 의해 상기 스월 배플의 내부 공간으로 유도되는 가스혼합장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스는 엔진장치의 배기가스이고,
    상기 물질은 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 환원제 또는 상기 환원제로 물질변환되는 전단계 물질이고,
    상기 디퓨저를 통과한 상기 혼합가스는 촉매반응부에 도달하고,
    상기 촉매반응부에서 상기 배기가스와 상기 환원제 사이의 촉매환원반응에 의해 상기 배기가스에 포함된 상기 질소산화물이 제거되거나 다른 물질로 환원되는 가스혼합장치.
KR1020150078792A 2015-06-03 2015-06-03 엔진장치를 위한 가스혼합장치 KR101669008B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150078792A KR101669008B1 (ko) 2015-06-03 2015-06-03 엔진장치를 위한 가스혼합장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150078792A KR101669008B1 (ko) 2015-06-03 2015-06-03 엔진장치를 위한 가스혼합장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101669008B1 true KR101669008B1 (ko) 2016-10-25

Family

ID=57446343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150078792A KR101669008B1 (ko) 2015-06-03 2015-06-03 엔진장치를 위한 가스혼합장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101669008B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101870365B1 (ko) * 2017-12-15 2018-06-22 한국건설기술연구원 선회유동 저감 구조를 갖는 냉각팬 장치
CN108518261A (zh) * 2018-05-25 2018-09-11 深圳中雅机电实业有限公司 船用柴油机排气口的烟尘收集器
KR20200071532A (ko) * 2018-12-11 2020-06-19 (유)태신 질소산화물 저감장치
CN113586212A (zh) * 2021-09-15 2021-11-02 无锡威孚力达催化净化器有限责任公司 一种多旋流结构的混合装置
KR102363941B1 (ko) * 2020-09-23 2022-02-17 경상국립대학교산학협력단 선박용 탈질 처리장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007198316A (ja) 2006-01-27 2007-08-09 Bosch Corp 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法
JP2008128093A (ja) 2006-11-21 2008-06-05 Mitsubishi Fuso Truck & Bus Corp 内燃機関の排気浄化装置
KR101498178B1 (ko) 2014-11-25 2015-03-04 세종공업 주식회사 스월형 우레아 믹싱장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007198316A (ja) 2006-01-27 2007-08-09 Bosch Corp 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法
JP2008128093A (ja) 2006-11-21 2008-06-05 Mitsubishi Fuso Truck & Bus Corp 内燃機関の排気浄化装置
KR101498178B1 (ko) 2014-11-25 2015-03-04 세종공업 주식회사 스월형 우레아 믹싱장치

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101870365B1 (ko) * 2017-12-15 2018-06-22 한국건설기술연구원 선회유동 저감 구조를 갖는 냉각팬 장치
CN108518261A (zh) * 2018-05-25 2018-09-11 深圳中雅机电实业有限公司 船用柴油机排气口的烟尘收集器
CN108518261B (zh) * 2018-05-25 2024-05-14 深圳中雅机电实业有限公司 船用柴油机排气口的烟尘收集器
KR20200071532A (ko) * 2018-12-11 2020-06-19 (유)태신 질소산화물 저감장치
KR102232267B1 (ko) * 2018-12-11 2021-03-24 (유)태신 질소산화물 저감장치
KR102363941B1 (ko) * 2020-09-23 2022-02-17 경상국립대학교산학협력단 선박용 탈질 처리장치
CN113586212A (zh) * 2021-09-15 2021-11-02 无锡威孚力达催化净化器有限责任公司 一种多旋流结构的混合装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101669008B1 (ko) 엔진장치를 위한 가스혼합장치
FI125770B (fi) Menetelmä ja pakokaasun virtausohjain pakokaasun puhdistamiseksi
KR101921920B1 (ko) 혼합기 및 정량 주입기 원뿔형부 어셈블리
RU2528933C1 (ru) Устройство для введения жидкой среды в отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания
US11193412B2 (en) Automotive exhaust aftertreatment system
JP2011111927A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
US20120204541A1 (en) Exhaust mixer element and method for mixing
US10252225B2 (en) Method, apparatus and mixing device for evenly mixing reactant to exhaust gas flow
JP2006326571A (ja) 流体混合装置
US20230143888A1 (en) Mixers for use in aftertreatment systems
US10508579B2 (en) Mixer device
EP3508705B1 (en) Double-swirl mixing device
WO2013027295A1 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
US11428140B1 (en) Mixer assembly for vehicle exhaust system
US11583812B2 (en) Mixer assembly for vehicle exhaust system
WO2020014564A1 (en) Turbocharger turbine diffuser with diesel exhaust fluid dosing structure
JP2015528543A (ja) 排気ガス流分配システム
CN108194178A (zh) 一种用于混合排气和还原剂流体的径向喷射混合器
KR102231907B1 (ko) Scr 시스템의 가스상 환원제 주입장치
CN208966393U (zh) 一种用于scr系统的混合器及scr系统
JP2009112891A (ja) 流体混合装置
US11499460B2 (en) Apparatus for adding a liquid reducing agent to the exhaust gas from an internal combustion engine and motor vehicle
US10774718B2 (en) Multi-nozzle design to eliminate downstream mixing devices
JP2016142265A (ja) フロー・ユニット、排気ガス浄化システム、及び排気ガス浄化システムのための方法
JP2013130127A (ja) 内燃機関の排気浄化装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant