KR101742282B1

KR101742282B1 - 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너

Info

Publication number: KR101742282B1
Application number: KR1020160008179A
Authority: KR
Inventors: 동상근; 양제복; 정우남
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-06-15

Abstract

본 발명은 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너에 관한 것으로서, 라디안트 튜브 타입의 버너; 상기 버너로부터 발생된 배기가스 열을 축열시켜 흡입연소공기의 예열에 사용되도록 하는 축열부; 및 상기 축열부에 흡입공기 및 배기가스를 통과시켜 열교환되도록 하되, 버너의 흡배기 공정이 동시 진행되어 풀타임 연소가 이루어지도록 하는 흡배기 절환장치;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 본 발명은 단일 라디안트 튜브 버너를 이용한 풀타임 연소가 가능하기 때문에 연소효율을 극대화시켜 에너지 효율이 향상되는 효과가 있고, 흡배기 절환장치의 구조가 간단하고 상기 흡배기 절환장치와 일체화된 축열부가 버너본체의 둘레를 감싸듯이 장착됨으로써, 버너의 콤팩트(compact)한 설계가 가능하고, 버너의 소형제작이 가능하기 때문에 설치공간에 제약을 받지 않는 것은 물론, 다양한 환경에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너{FULL TIME REGENERATIVE TYPE SINGLE RADIANT TUBE BURNER}

본 발명은 단일 라디안트 튜브 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풀타임 축열연소가 가능한 단일 라디안트 튜브 버너에 관한 것이다.

일반적으로 버너 등의 연소기들은 연료와 공기를 적당한 배합비로 주입하여 연소시키고, 연소 시 발생되는 열에너지를 다른 매체물들에 전달하여 녹이거나 온도변화를 시키고, 또한 전기나 운동에너지로 전환시키기 위하여 사용되는 장치이다.

이러한 연소기나 버너 등은 공업로 내에서의 연소반응, 전열특성의 최적화를 구현하여야 하고, 노(爐) 내에서 최적의 온도를 이루도록 하여야 한다. 또한 연소기나 버너 등은 취급이 용이하고 안전하여야 하며, 작업환경이 사람에게 해롭지 않아야 할 뿐만 아니라, 배출되는 열, 기체, 유체 및 공해물 등이 최소가 되면서도 고효율을 유지할 수 있어야만 이상적인 버너이다.

다시 말해서, 연소기나 버너 등은 고효율을 추구하되 연소 시 배출되는 NOx(질소산화물)의 량을 최소화하면서도 화염안정성을 획득하는 것이 버너 개발의 주요한 목적이며, 앞으로도 추구되어야 할 과제인 것이다. 그런데 이것은 이상적인 과제로써 아직 완벽히 해결된 과제는 아니다.

즉 종래에는 연소기의 연소 시 배출되는 NOx(질소산화물)의 양이 환경이나 인체에 악영향을 미칠 정도로 위험한 수준이었으며, 이에 따라 NOx 생성을 위한 연소기나 버너 등의 개발에 관한 많은 연구가 국내외에서 수행되어 왔다. 주된 연구분야는 다단 연소법이나 농담(lean/rich) 연소법과 같은 비평형 연소법이었다.

또한 연소 배기가스를 내부 순환 방식 또는 외부 순환 방식으로 재순환 시켜 화염 최대 온도를 낮춤으로써 NOx를 저감하는 배가스 재순환 연소방법이 있으며, 후처리 방법으로서 선택적 촉매 환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 및 비선택적 촉매 환원(SNCR, Selective Non-Catalytic Reduction) 장치를 이용하는 기술이 있다.

그밖에 연료분사의 단계적 공급에 의한 재연소(reburning)효과 이용기술, 표면/촉매 연소에 의한 온도 균일화 등 여러 시도가 있었다.

그러나 화염의 안정성 및 미연분 발생이 거의 없고 공업로 시스템 열효율이 높은 에너지 절약형 저 NOx(질소산화물) 연소기의 개발은 용이하지 않은 실정이다. NOx를 저감시키기 위해 화염 온도를 낮추면 그에 따른 에너지 효율감소가 불가피하기 때문이다.

이하에서는 기존에 연구 개발된 NOx(질소산화물) 억제 방법 중 본 발명과 관련이 있는 비평형 연소법과 배기가스 재순환 연소방법을 순차적으로 설명한다.

먼저 비평형 연소법에 대해 살펴본다.

비평형 연소법은 공기 2단 공급연소법과 Bias연소법이 있다. 이들은 연소를 위한 공기의 공급비를 조절하여 NOx(질소산화물)의 생성을 억제한다는 점에서 동일하다. 즉 연소에 따른 NOx(질소산화물)의 생성비를 살펴보면, 그 최고의 생성점이 되는 부분이 연료와 공기간의 일정한 혼합에 의해 연소효율성이 우수한 배합비율에서 발생된다.

다시 말해 이상적인 배합비율에서 열효율도 가장 높지만 NOx(질소산화물)의 생성량 역시 최고점에 달한다. 이에 따라 비평형 연소법은 NOx(질소산화물)의 최대 생성을 위한 연료와 공기간의 배합비율을 벗어나게 공기를 공급하는 것이다.

보다 상세하게 설명하면, 공기 2단 공급연소법은 공기를 1, 2차 단계로 분할하여 공급하는 연소법이다. 1차 단계에서는 NOx(질소산화물)의 생성량이 최고점에 달하는 공기의 혼합량에 비해 적은 량으로 공급하고, 2차 단계에서는 공기를 과량으로 공급하여 전체적으로 NOx(질소산화물) 생성 최고지점을 피하는 방법이다.

물론 1차 단계에서 공기를 과량공급하고, 2차 단계에서 공기를 소량공급하는 방법으로도 동일한 목적이 달성될 수 있다.

Bias 연소법은 저량의 공기 비 영역과 높은 공기 비 영역의 두 영역을 서로 이웃하도록 구현하는 방법이다. 즉 2대의 버너에서 한쪽 버너는 저공기비로 연소하고 다른 하나는 고공기 비로 연소하여 전체적으로는 적절한 공기 비로 운전하는 형태와 한 대의 버너 노즐은 크게, 다른 쪽은 작게 분할하는 Bias Tip 등이 그 예이다.

결국 이 방법도 공기배분을 불균일하게 하여 NOx(질소산화물) 생성의 피크 값을 피하는 것이다.

다음 배기가스 재순환법에 대해 살펴본다.

배기가스 재순환법은 일단 연소된 연소가스를 재순환시켜 연소가스의 부피를 증가시키고 화염의 온도를 낮춤으로써 생성되는 NOx를 억제하는 방법이다. 이때 배기가스를 재순환하는 경우는 배기가스를 연소용 공기에 순환시킬 수도 있지만 공급되는 연료 중에 재순환시켜도 무방하다.

배기가스 재순환 방법은 다시 외부식과 내부식으로 구분될 수 있다. 외부식은 연소되어 방출되는 배기가스의 일부를 투입연료나 연소용 공기 배관에 혼합하여 연소기로 다시 공급하는 방식이고, 내부식은 노(爐) 내에서 배기가스를 재순환시키는 방식으로서, 배기가스를 다시 연소를 위한 공기로 재순환시켜 연소 공기의 유입량을 떨어뜨리고 결국 NOx를 저감시키는 공통점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 비평형 연소법 이나 배기가스 재순환법은 연소에 필요한 공기의 유입량을 조절하여 NOx(질소산화물) 생성이 최대 값이 되는 배합비를 피하는 것이다. 그러나 연소기나 버너 등에 적용했을 때 NOx 발생의 최소화와 함께 열효율의 극대화는 여전히 해결해야만 하는 과제로 남아 있다.

이에 전술한 배기가스 재순환법을 버너 등에 적용하여 을 억제하면서도 배기가스 열을 효과적으로 이용하여 열효율을 향상시키는 방법이 모색되고 있다. 즉 화염으로 생성되는 고온 배기가스를 재순환시켜 NOx 발생을 최소화하면서 배기가스가 가지고 있는 열에너지를 축열기를 이용해 회수하여 열효율을 향상시키는 것이다.

이하 배기가스 재순환 및 축열 기능을 가진 종래 버너와 그에 따른 문제점을 살펴보기로 한다.

배기가스 재순환법을 적용한 버너로서, 도 1과 같이 연소를 위한 버너 등의 연소기(A, B)를 좌우 대향 설치한 트윈 축열식 버너시스템(200)이 있다. 여기서 대향된 2개의 연소기(A, B) 각각에는 별도의 축열기(C, D)를 구비하고 있다.

도 1에 도시된 시스템은, 한 쪽의 연소기(A)가 화력을 발하여 고온의 배기가스를 방출할 경우 대향된 연소기(B)에 부착된 축열기(D)에 폐열 에너지를 축적하게 되며, 이 상태를 약 20~80초간 유지하다가 반대로 연소기(B)가 화력을 발하고 대향부의 다른 연소기(A)에 부착된 축열기(C)가 열을 축적하게 된다.

즉 두 연소기(A, B) 번갈아 작동하면서 일측 연소기가 화력을 발할 때 다른 일측의 연소기는 열에너지를 축적하는 방식인 것이다.

도 2에 도시된 버너 시스템 역시 좌우로 나란히 설치된 연소기(E, F)가 화력을 발하고, 배기가스의 방출열을 축열기(G, H)로 축적하는 형태인 하니콤형 축열 연소 시스템(300)이며, 도 3은 연소기(A, B)를 라디언트 튜브의 양단에 대향되게 설치하되, 그 내부에 축열체를 내장하고 있는 라디언트 튜브형 축열 버너 시스템을 나타내고 있다.

도 3 역시 한대의 연소기(A)가 화력을 발하여 고온의 배기가스를 방출하게 되면, 라디언트 튜브를 타고 밀려온 고온의 배기가스는 대향하는 연소기(B)에 내장된 축열기(D)에 그 열에너지를 축적하며, 이러한 상태를 일정시간 유지하다가 반대로 연소기(B)가 화력을 발하면 대향된 다른 연소기(A)는 열에너지를 축적하게 된다.

즉 도 1과 마찬가지로 두 대의 연소기가 교번적으로 작동하며, 일측이 화력을 발할 때는 타측은 열에너지를 축적하는 방식인 것이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 축열식 연소기는 교번적으로 작동하면서 한 쪽이 연소될 때 다른 쪽은 열을 축적해야 하기 때문에 연소기가 2대 필요하다. 따라서 그만큼 많은 제작비가 소요되며, 특히 연소량이 적은 1000KW 미만의 연소기의 경우 연소량에 비하여 시스템 구현에 소요되는 비용이 과다하여 경제성 측면에서 불합리한 단점이 있다.

또한, 시스템 자체 부피가 커서 설치공간이 협소한 연소로에는 적용이 곤란한 단점이 있다. 즉 시스템 적용에 있어 공간적인 제약을 크며, 이에 따라 최대 버너의 크기와 설치 대수에 제한이 있는 침탄로 등과 같은 열처리로나 화학 반응로에는 적용하기 힘든 문제가 있다.

한국공개특허 제2011-0015730호(공개일 2011. 2. 17)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 흡배기 절환장치 구조의 단순화를 통해 라디안트 튜브 버너의 소형화를 도모하고, 이를 통해 버너 설치 시 공간적인 제약을 최소화할 수 있고 다양한 환경에 적용 가능한 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너를 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 실시 예에 따르면,

버너가 발생시킨 고온 화염에 의한 배기가스의 열을 축열시켜 연소용 흡입공기를 예열하는데 사용하도록 축열부를 갖춘 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너에 있어서,

상기 축열부는 버너를 사이에 두고 버너 주위를 둘러싸도록 대향 배치되며 각각은 서로 독립된 유로를 가지도록 분리된 제1 축열실과 제2 축열실로 구성되고, 상기 축열부에 흡입공기 및 배기가스를 통과시켜 열교환되도록 하되, 버너의 흡배기 공정이 동시에 진행되어 풀타임 연소가 이루어지도록 흡배기를 단속하는 흡배기 절환장치를 구비하며,

상기 흡배기 절환장치는, 절환 조작상태가 서로 상반되며 상기 제1 축열실과 제2 축열실 각각에 대해 연소용 흡입공기 도입과 배기가스 외부 배출을 단속하는 제1 절환부 및 제2 절환부와, 절환 조작상태가 서로 상반되며 상기 제1 축열실과 제2 축열실 각각에 대해 버너에서 연소된 배기가스의 유입과 축열부에서 예열된 흡입공기의 버너 측 공급을 단속하는 제3 절환부와 제4 절환부로 구성되며,

상기 제3 절환부는, 상기 제1 축열실에 연결되는 제3 메인통로와, 제3 메인통로에서 양측으로 분기된 제3 연소공기통로와 제3 배기가스통로가 형성된 제3 밸브몸체와, 제3 밸브몸체의 상기 제3 연소공기통로와 제3 배기가스통로를 각각 개폐시키도록 구비되는 제3 밸브판 및 제4 밸브판과, 상기 제3 밸브판과 제4 밸브판 각각에 회동 조작을 위한 조작력을 제공하는 제3 액츄에이터와 제4 액츄에이터로 구성되며,

상기 제4 절환부는, 상기 제2 축열실에 연결되는 제4 메인통로와, 제4 메인통로에서 양측으로 분기된 제4 연소공기통로와 제4 배기가스통로가 형성된 제4 밸브몸체와, 제4 밸브몸체의 상기 제4 연소공기통로와 제4 배기가스통로를 각각 개폐시키도록 구비되는 제5 밸브판 및 제6 밸브판과, 상기 제5 밸브판과 제6 밸브판 각각에 회동 조작을 위한 조작력을 제공하는 제5 액츄에이터와 제6 액츄에이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너를 제공한다.

여기서 상기 제1 절환부는, 3방향의 유로를 갖는 제1 밸브몸체와, 상기 제1 밸브몸체 중앙에 내부의 유로를 임의로 차단하거나 변경하도록 설치된 제1 밸브판 및 상기 제1 밸브판에 축으로 연결되어 제1 밸브판을 회동 조작하는 제1 액츄에이터를 포함하고, 상기 제1 밸브몸체는 제1 축열실과 통하도록 연결되는 제1 메인통로와, 상기 제1 메인통로에서 양측으로 분기되는 제1 연소공기통로 및 제1 배기가스통로를 구비하는 구성일 수 있다.

또한 상기 제2 절환부는, 3방향의 유로를 갖는 제2 밸브몸체와, 상기 제2 밸브몸체 중앙에 내부의 유로를 임의로 차단하거나 변경하도록 설치된 제2 밸브판 및 상기 제2 밸브판에 축으로 연결되어 제2 밸브판을 회동 조작하는 제2 액츄에이터를 포함하고, 상기 제2 밸브몸체는 제2 축열실과 통하도록 연결되는 제2 메인통로와, 상기 제2 메인통로에서 양측으로 분기되는 제2 연소공기통로 및 제2 배기가스통로를 구비하는 구성일 수 있다.

또한, 상기 제3 밸브판과 제4 밸브판에 의한 제3 연소공기통로와 상기 제3 배기가스통로의 개폐 상태가 서로 상반되도록 제3 액츄에이터와 제4 액츄에이터가 작동될 수 있다.

이때, 상기 제3 연소공기통로는 버너본체의 후단 측에 제3 연소공기연결관으로 연결되고, 상기 제3 배기가스통로는 버너본체의 전단 측에 제3 배기가스연결관으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 제5 밸브판과 제6 밸브판에 의한 제4 연소공기통로와 상기 제4 배기가스통로의 개폐 상태가 서로 상반되도록 제5 액츄에이터와 제6 액츄에이터가 작동될 수 있다.

이때, 상기 제4 연소공기통로는 버너본체의 후단 측에 제4연소공기연결관으로 연결되고, 상기 제4 배기가스통로는 버너본체의 전단 측에 제4 배기가스연결관으로 연결될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너에 의하면, 흡배기 절환장치의 구조가 간단하고 흡배기 절환장치와 일체화된 축열부가 버너본체의 둘레를 감싸듯이 장착됨으로써 버너의 콤팩트(compact)한 설계와 버너의 소형화가 가능하며, 때문에 설치공간에 큰 제약 없이 다양한 환경에 적용할 수 있다.

또한, 단일 라디안트 튜브 버너를 이용한 풀타임 연소가 가능하기 때문에 연소효율을 극대화할 수 있으며, 배기가스의 축열부 유입과 축열부에서 예열된 흡입공기의 버너 측 공급을 단속하는 제3, 제4 절환부가 두 개의 밸브판에 의해 통로가 개폐되는 구조이기 때문에 제어 측면에서도 높은 정밀성을 구현할 수 있고 레이아웃 측면에서 버너 소형화에 유리한 장점이 있다.

도 1은 종래의 축열연소 시스템 중 트윈 축열식 버너 시스템을 도시한 시스템 개략도.
도 2는 종래의 하니콤형 축열연소 버너 시스템을 도시한 사시도.
도 3은 종래의 라디언트 튜브형 축열버너 시스템을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너의 전체적인 구조를 나타낸 횡단면도.
도 5는 도 4의 버너부를 확대 도시한 본 발명의 요부 확대도.
도 6은 도 4의 흡배기 절환장치를 확대 도시한 종단면도로서, 도 5를 A-A선 방향에서 바라본 단면도.
도 7은 본 발명의 흡배기 장치의 작동상태를 도시한 도면으로, 흡배기 절환장치가 흡기 위치로 절환된 때 흡기의 흐름을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 흡배기 장치의 작동상태를 도시한 도면으로, 흡배기 절환장치가 배기 위치로 절환된 때 배기가스의 흐름을 나타내는 도면

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

이하 본 발명을 설명함에 있어 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4는 본 발명의 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너의 전체적인 구조를 나타낸 횡단면도이고, 도 5는 도 4의 버너부를 확대 도시한 본 발명의 요부 확대도이다. 그리고 도 6은 도 4의 흡배기 절환장치를 확대 도시한 종단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너는, 라디안트 튜브 타입의 버너(100)와, 상기 버너(100)로부터 발생된 배기가스 열을 축열시켜 연소용 흡입공기의 예열에 사용되도록 하는 축열부(200)와, 상기 축열부(200)에 흡입공기 및 배기가스를 통과시켜 열교환되도록 하는 흡배기 절환장치(300)로 구성된다.

먼저 버너(100)의 구성에 대해 살펴보기로 한다.

흡배기 절환장치(300)와 플랜지 결합되는 폐 공간의 버너본체(110)가 최 외곽부를 구성한다. 버너본체(110)의 길이 방향 정중앙에는 끝단에 다수의 가스노즐공(121)이 형성된 가스유입관(120)이 구비되며, 가스유입관(120)의 상부에는 버너에 불씨를 제공하는 점화장치로서 기능하는 점화봉(130)이 길이 방향으로 설치된다.

가스유입관(120)과 점화봉(130)은 원통형상의 연소공기공급관(140)에 수용된다. 가스유입관(120)과 점화봉(130)을 수용한 상기 연소공기공급관(140)을 통해 축열부(300)를 경유하면서 소정의 온도로 예열된 흡기공기와 일부 재순환 배기가스가 연소용 공기로 공급된다.

소정의 온도로 가열된 흡입공기와 배기가스는 가스유입관(120)의 끝단에 붙은 파일럿불씨에 공기를 공급하는 결과를 초래하여 본 발명의 버너(100)는 원통형상의 튜브(160)의 내부로 길고, 온도의 편차가 거의 없는 무화염 연소가 구현될 수 있으며, 상기 연소공기공급관(140)을 수용하는 열교환기관(150)이 구비되고, 열교환기관(150) 끝단에 연소노즐(151)이 형성된다.

버너본체(110) 내주면 열교환기관(150)과 연소공기공급관(140) 사이에 일정간격을 두고 원주 방향으로 열교환기핀(152)이 배열되며(이하 설명 편의상 상기 열교환기관과 열교환기핀의 결합을 '열교환기'라 한다), 열교환기핀(152)에 의한 배기가스와의 열교환 작용에 의해 상기 연소공기공급관(140) 외면부를 따라 유동하는 연소용 흡입공기가 예열된다.

즉 버너(100)에서 연소반응이 일어날 때 튜브(160)의 내부에 발생된 배기가스가 도시된 화살표(도 5 참조)의 방향으로 유동하여 열교환기핀(152)을 지날 때 열전도에 의해 연소공기공급관(140)과 열교환기관(150) 사이를 유동하는 연소용 흡입공기가 예열되는 것이며, 이는 폐열을 연소공기 예열에 적극적으로 활용한다는 측면에서 효율성을 높일 수 있다.

물론 본 발명은 버너(100)에서 위와 같은 열교환기를 통한 열에너지 회수뿐 아니라, 상기 축열부(200)를 통해서도 배기가스의 열에너지를 회수할 수 있도록 장치를 구성하고 있다. 즉 배기가스가 가진 열에너지를 열교환기 및 상기 축열부(200)를 통해 1, 2차에 걸쳐 회수함으로써 열효율을 극대화시킬 수 있도록 장치를 구성하고 있다.

축열부(200)는 제1 축열실(210)과 제2 축열실(220)로 구성된다. 제1 축열실(210)과 제2 축열실(220)은 버너를 사이에 두고 버너 주위를 둘러싸도록 대향 설치되며 각각은 서로 독립된 유로를 가지도록 분리되어 있다. 이때 제1 축열실(210) 과 제2 축열실(220)에는 축열을 위한 석재 또는 금속재질의 축열재가 충전되어 있다(도 6 참조).

축열부(200)는 배기가스 및 흡입공기의 이동통로를 교대로 제공하며, 따라서 축열부에 축열된 배기가스의 에너지를 다시 버너(100)로 공급할 수 있다. 이와 같은 흡입공기 및 배기가스의 이동은 상기 흡배기 절환장치(300)를 통해 제어되는데, 흡배기 절환장치(300)는 버너의 흡배기 공정이 동시에 진행되어 풀타임 연소가 이루어지도록 흡배기를 교대로 제어한다.

흡배기 절환장치의 구성에 대해 살펴본다.

본 발명의 실시 예에 따른 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너에 적용되는 상기 흡배기 절환장치(300)는 크게, 축열부에 외부 공기가 공급되도록 하거나 배기가스의 외부 배출을 단속하는 제1 절환부(310) 및 제2 절환부(320)와, 축열부에 배기가스 유입되도록 하거나 축열부를 통과한 예열 흡입공기의 버너 측 공급을 단속하는 제3 절환부(330) 및 제4 절환부(340)로 구성된다.

제1 절환부(310)는 제1 축열실(210)에 연소용 흡입공기가 도입되도록 하거나 제1 축열실(210)을 거치면서 축열체와 열교환된 배기가스의 외부 배출을 단속하며, 제2 절환부(320)는 제2 축열실(220)에 연소용 흡입공기가 도입되도록 하거나 제2 축열실(220)을 거치면서 축열체와 열교환된 배기가스의 외부 배출을 단속한다.

제3 절환부(330)는 제1 축열실(210)을 통과하면서 예열된 흡입공기를 버너(100) 측에 공급하거나 버너(100)에서 연소된 배기가스를 제1 축열실(210)에 공급하기 위해 기능하며, 제4 절환부(340)는 제2 축열실(220)에서 예열된 흡입공기를 버너(100) 측에 공급하거나 버너(100)에서 연소된 배기가스가 제2 축열실(210)에 공급되는 것을 단속한다.

제1 절환부(310)는 구체적으로, 3방향의 유로를 갖는 제1 밸브몸체(311)와, 제1 밸브몸체(311)에 흡입공기 유입 측 유로 또는 배기가스 배출 측 유로 중 하나를 택일적으로 차단하는 제1 밸브판(316)과, 제1 밸브판(316)에 축으로 연결되어 이를 회동시키기 위해 구동하는 제1 액츄에이터(318)를 포함하며, 이때 제1 액츄에이터(318)는 유압/공압 실린더나 모터가 사용될 수 있다.

제1 밸브몸체(311)에는 제1 축열실(210)과 연결되는 제1 메인통로(312)가 형성된다. 또한 제1 메인통로(312)에서 두 갈래로 분기되는 제1 연소공기통로(313) 및 제1 배기가스통로(314)를 구비한다(도 7 참조). 제1 연소공기통로(313)를 통해 외부에서 연소용 공기가 유입되며, 제1 배기가스통로(314)를 통해 제1 축열실(210)을 통과하면서 열을 빼앗긴 배기가스가 외부로 배출된다.

제1 밸브판(316)은 판상형으로 제작될 수 있으며, 제1 액츄에이터(318)에 의해 회전하여 제1 연소공기통로(313) 또는 제1 배기가스통로(314) 중 하나를 택일적으로 차단한다. 즉 제1 액츄에이터(318)에 의한 시계 또는 반시계방향 제1 밸브판(316)의 90도 회전에 의해서, 제1 메인통로(312)와 제1 연소공기통로(313)가 서로 통하거나 제1 메인통로(312)와 상기 제1 배기가스통로(314)가 서로 배기가스 유동 가능하도록 연통된다.

제2 절환부(320)는, 3방향의 유로를 갖는 제2 밸브몸체(321)와, 제2 밸브몸체(321)에 흡입공기 유입 측 유로 또는 배기가스 배출 측 유로 중 하나를 택일적으로 차단하는 제2 밸브판(326)과, 제2 밸브판(326)에 축으로 연결되어 이를 회동시키기 위해 구동하는 제2 액츄에이터(328)를 포함하며, 이때 제2 액츄에이터(328)는 유압/공압 실린더나 모터가 사용될 수 있다.

제2 밸브몸체(321)에는 제2 축열실(220)과 연결되는 제2 메인통로(322)가 형성된다. 또한 제2 메인통로(322)에서 두 갈래로 분기되는 제2 연소공기통로(323) 및 제2 배기가스통로(324)를 구비한다(도 8 참조). 제2 연소공기통로(323)를 통해 외부에서 연소용 공기가 유입되며, 제2 배기가스통로(324)를 통해 제2 축열실(220)을 통과하면서 열을 빼앗긴 배기가스가 외부로 배출된다.

제2 밸브판(326)은 판상형으로 제작될 수 있으며, 제2 액츄에이터(328)에 의해 회전하여 제2 연소공기통로(323) 또는 제2 배기가스통로(324) 중 하나를 택일적으로 차단한다. 즉 제2 액츄에이터(328)에 의한 시계 또는 반시계방향 제1 밸브판(326)의 90도 회전에 의해서, 제2 메인통로(322)와 제2 연소공기통로(323)가 서로 통하거나 제2 메인통로(322)와 제2 배기가스통로(34)가 서로 배기가스 유동 가능하도록 연통된다.

제3 절환부 및 제4 절환부에 대해 살펴본다.

먼저 제3 절환부(330)는, 제3 밸브몸체(331)와, 제3 밸브몸체(331)의 내부에 대향 설치되어 내부의 유로를 개방 또는 폐쇄하도록 구비된 제3 밸브판(336-1) 및 제4 밸브판(336-2)과, 제3 밸브판(336-1)과 제4 밸브판(336-2) 각각에 축으로 연결되어 이를 회동시키기 위해 구동하는 독립된 두 개의 액츄에이터, 즉 제3 액츄에이터(338-1)와 제4 액츄에터를 포함하며, 이때 제3, 제4 액츄에이터(338-2)는 유압/공압 실린더나 모터가 사용될 수 있다.

제3 밸브몸체(331)에는 제1 축열실(210)에 연결되는 제3 메인통로(332)가 형성된다. 그리고 중앙부를 기준으로 일측과 타측에 제3 연소공기통로(333) 및 제3 배기가스통로(334)가 구비된다(도 7 참조). 제1 축열실(210)을 통과하면서 소정의 온도로 예열된 흡입공기가 제3 연소공기통로(333)를 통해 버너 측으로 공급되며, 제3 배기가스통로(334)를 통해서는 연소 배기가스가 유입되고 제1 축열실(210)에 공급된다.

제3 밸브판(336-1)과 제4 밸브판(336-2)은 각각, 상기 제3 연소공기통로(333)와 제3 배기가스통로(334)의 출구와 입구 측에서 그 출구와 입구의 개폐를 단속하도록 마련되되, 제3 연소공기통로(333)와 제3 배기가스통로(334)의 개폐상태가 상반되도록 제3 밸브판(336-1)과 제4 밸브판(336-2)이 작동된다. 즉 제3 밸브판(336-1)에 의해 제3 연소공기통로(333)가 개방되면 반대편 제3 배기가스통로(334)는 제4 밸브판(336-2)에 닫힘 상태로 유지된다.

이에 따라, 제3 액츄에이터(338-1) 및 제4 액츄에이터(338-2)에 의한 제3 밸브판(336-1)과 제4 밸브판(336-2)의 서로 상반되는 시계 또는 반시계방향으로 회전되면, 제3 메인통로(332)와 제3 연소공기통로(333)가 서로 통해 제1 축열실(210)을 통과하면서 예열된 흡입공기가 버너 측으로 공급되거나, 제3 배기가스통로(334)와 제3 메인통로(332)가 서로 통해 연소 시 발생한 고온의 배기가스가 제1 축열실(210)로 유입된다.

제3 밸브몸체(331)는 제3 연소공기연결관(335)과 제3 배기가스연결관(337)을 통해 버너본체 전단과 후단 측에 각각 공기 및 배기가스 유동 가능하게 연결된다. 구체적으로, 제3 연소공기통로(333)가 버너본체의 후단 측에 상기 제3 연소공기연결관(335)으로 연결되고, 제3 배기가스통로(334)가 버너본체의 전단 측에 제3 배기가스연결관(337)으로 연결된다(도 7 참조).

다음 제4 절환부(340)는, 제4 밸브몸체(341)와, 제4 밸브몸체(341)의 내부에 대향 설치되어 내부의 유로를 개방 또는 폐쇄하도록 구비된 제5 밸브판(346-1) 및 제6 밸브판(346-2)과, 제5 밸브판(346-1)과 제6 밸브판(346-2) 각각에 축으로 연결되어 이를 회동시키기 위해 구동하는 독립된 두 개의 액츄에이터, 즉 제5 액츄에이터(348-1)와 제6 액츄에터(348-2)를 포함하며, 이때 제5, 제6 액츄에이터는 유압/공압 실린더나 모터가 사용될 수 있다.

제4 밸브몸체(341)에는 제2 축열실(220)에 연결되는 제4 메인통로(342)가 형성된다. 그리고 중앙부를 기준으로 일측과 타측에 제4 연소공기통로(343) 및 제4 배기가스통로(344)가 구비된다(도 8 참조). 제2 축열실(220)을 통과하면서 소정의 온도로 예열된 흡입공기가 제4 연소공기통로(343)를 통해 버너 측으로 공급되며, 제4 배기가스통로(344)를 통해서는 연소 배기가스가 유입되고 제2 축열실(220)에 공급된다.

제5 밸브판(346-1)과 제6 밸브판(346-2)은 각각, 상기 제4 연소공기통로(343)와 제4 배기가스통로(344)의 출구와 입구 측에서 그 출구와 입구의 개폐를 단속하도록 마련되되, 제4 연소공기통로(343)와 제4 배기가스통로(344)의 개폐상태가 상반되도록 제5 밸브판(346-1)과 제6 밸브판(346-2)이 작동된다. 즉 제5 밸브판(346-1)에 의해 제4 연소공기통로(343)가 개방되면 반대편 제4 배기가스통로(344)는 제6 밸브판(346-2)에 닫힘 상태로 유지된다.

이에 따라, 제5 액츄에이터(348-1) 및 제6 액츄에이터에 의한 제5 밸브판(346-1)과 제6 밸브판(346-2)의 서로 상반되는 시계 또는 반시계방향으로 회전되면, 제4 메인통로(342)와 제4 연소공기통로(343)가 서로 통해 제2 축열실(220)을 통과하면서 예열된 흡입공기가 버너 측으로 공급되거나, 제4 배기가스통로(344)와 제4 메인통로(342)가 서로 통해 연소 시 발생한 고온의 배기가스가 제2 축열실(220)로 유입된다.

제4 밸브몸체(341)는 제4 연소공기연결관(345)과 제4 배기가스연결관(347)을 통해 버너본체 전단과 후단 측에 각각 공기 및 배기가스 유동 가능하게 연결된다. 구체적으로, 제4 연소공기통로(343)가 버너본체의 후단 측에 상기 제4 연소공기연결관(345)으로 연결되고, 제4 배기가스통로(344)가 버너본체의 전단 측에 제4 배기가스연결관(347)으로 연결된다.

도 4 또는 도 6에서 도면부호 390은 배기가스를 최종적으로 외부로 배출하는 배출관으로서, 도면의 예시와 같이 단일의 배기가스 배출구(394)와 상기 제1 절환부 밸브몸체(311)의 제1 배기가스통로(314)와 제2 절환부 밸브몸체(321)의 제2 배기가스통로(324)와 각각 접속되는 두 개의 배기가스 유입구(391, 392)를 형성한 구성일 수 있다.

이하, 상기한 구성의 본 발명의 실시 예에 따른 단일 라디안트 튜브 버너에 의한 연소작용을 상기 흡배기 절환장치의 작동에 연계하여 살펴보기로 한다.

앞선 도 4 및 5를 다시 참조하면, 연소용 가스가 가스유입관(120)을 통해 버너(100) 내부에 공급되고 소정의 압력으로 분사되며, 점화봉(130)이 형성하는 점화 불꽃에 의해 버너(100) 내부에 화염이 발생된다. 화염을 통한 가스 연소에 따라 고온의 배기가스가 생성되며, 생성된 배기가스는 도시된 튜브(160)를 타고 끝단으로 이동된다.

튜브(160) 끝단에 도달한 배기가스는 도면의 화살표의 방향으로 방향전환 후 버너본체(110)와 튜브(160) 사이의 통로를 따라 진행하다가 열교환기인 열교환기핀(152)과 열교환기관(150)을 지나면서 흡입공기와 열교환을 하게 된다. 즉 열교환기핀(152)에는 고온의 열이 축열되고 이 열은 연소공기공급관(140)과 열교환관(150) 사이를 유동하는 흡기공기에 전달되는 것이다.

열교환기를 통과하면서 1차적으로 열을 빼앗긴 배기가스는 계속해서 축열부(200)로 이동되고, 흡배기 절환부의 절환 작동에 따라 제1 축열실(210)와 제2 축열실(220)에 번갈아 공급된다. 그리고 해당 축열부를 통과하면서 축열체와의 열교환을 통해 2차적으로 열을 빼앗긴 후 외부에 배출되며, 이 과정에서 해당 축열부에 열에너지가 저장된다.

도 7은 본 발명의 흡배기 장치의 작동상태를 도시한 도면이다. 구체적으로는, 흡배기 절환장치의 일부가 흡기 위치로 절환된 때 흡기의 흐름을 나타내는 도면으로, 제1 절환부가 제1 축열실 쪽으로 공기가 유입될 수 있도록 절환되고, 제3 절환부는 제1 축열실에서 제3 연소공기연결관을 통해 버너본체 쪽으로 예열공기가 유입될 수 있도록 절환된 상태에서의 흡기 흐름을 나타내고 있다.

도 7을 참조하면, 연소용 흡입공기는 제1 절환부(310) - 제1 축열실(210) - 제3 절환부(330) - 제3 연소공기연결관(335) - 버너본체(110)을 순서대로 경유하여 연소공기공급관(140)으로 공급된다. 이때 제1 축열실(210)을 통과하면서 이전 배기가스 유동에 의해 제1 축열실(210)의 축열체에 축적되어 있던 열에 의해 소정의 온도로 예열된 상태로 버너본체 측에 공급된다.

도 8은 흡배기 절환장치의 다른 일부가 배기 위치로 절환된 때 배기가스의 흐름을 나타내는 도면으로, 제4 절환부가 제2 축열실 쪽으로 배기가스가 유입될 수 있도록 절환되고, 제2 절환부는 제2 축열실에서 외부로 배기가스 배출될 수 있도록 절환된 상태에서 배기가스 흐름을 나타내고 있다.

도 8을 참조하면, 버너 연소 시 발생한 배기가스는 열교환기관(150) - 제4 배기가스연결관(347) - 제4 절환부(340) - 제2 축열실(220) - 제2 절환부(320)를 순서대로 경유하여 외부로 배출된다. 열교환기관(150)을 통과하면서 1차 열교환을 통해 열을 빼앗기고, 제2 축열실(220)을 통과하면서 2차 열교환을 통해 열을 빼앗기에 된다.

도 7과 도 8에 도시된 흡기와 배기공정은 동시에 진행되는 공정으로, 사전에 입력된 소정의 시간 동안 계속되며, 소정 시간 후에는 흡기와 배기 측이 서로 바뀌게 된다. 즉 도 7과 같이 제1 축열실(210)이 흡기 측인 경우 제2 축열실(220)은 도 8과 같은 배기 측이 되고, 소정시간 경과 후 절환장치에 의해 제1 축열실(210)이 배기 측으로 전환되면 반대편 제2 축열실(220)은 흡기 측으로 전환된다.

다시 말해, 흡배기 절환장치의 절환에 따라 제1 축열실(210)과 제2 축열실(220)이 번갈아 가면서 흡기 측이 되고 배기 측이 되는 것이며, 배기 측에 절환된 때 배기가스 유동에 따라 해당 축열실에 축적된 열에너지가 흡기 측에 절환된 때 흡입공기에 전달됨으로써 흡입공기가 소정의 온도로 예열된 상태로 버너에 공급될 수 있는 것이다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100: 버너 110: 버너본체
120: 가스유입관 121: 가스노즐공
130: 점화봉 140: 연소공기공급관
150: 열교환기관 151: 연소노즐
152: 열교환핀 160: 튜브
200: 축열부 210: 제1 축열실
220: 제2 축열실 300: 흡배기 절환장치
310: 제1 절환부 320: 제2 절환부
330: 제3 절환부 340: 제4 절환부
311,321,331,341: 제1,2,3,4밸브몸체
312,322,332,342: 제1,2,3,4메인통로
313,323,333,343: 제1,2,3,4연소공기통로
314,324,334,344: 제1,2,3,4배기가스통로
316,326: 제1,2 밸브판
336-1,336-2,346-1,346-2: 제3,4,5,6 밸브판
318,328,338-1,338-2,348-1,348-2: 제1,2,3,4,5,6 액츄에이터
335,345: 제3,4연소공기연결관
337,347: 제3,4배기가스연결관

Claims

버너(100) 주위를 둘러싸도록 대향 설치되며 각각은 서로 독립된 유로를 가지는 제1 축열실(210)과 제2 축열실(220)로 구성된 축열부(200)와, 축열부(200)에 흡입공기 및 배기가스를 통과시켜 열교환되도록 하되, 버너의 흡배기 공정이 동시에 진행되어 풀타임 연소가 이루어지도록 흡배기를 단속하는 흡배기 절환장치(300)를 포함하는 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너에 있어서,
상기 흡배기 절환장치(300)는,
절환 조작상태가 서로 상반되며 상기 제1 축열실(210)과 제2 축열실(220) 각각에 대해 연소용 흡입공기 도입과 배기가스 외부 배출을 단속하는 제1 절환부(310) 및 제2 절환부(320)와;
절환 조작상태가 서로 상반되며 상기 제1 축열실(210)과 제2 축열실(220) 각각에 대해 버너에서 연소된 배기가스의 축열부 유입과 축열부에서 예열된 흡입공기의 버너 측 공급을 단속하는 제3 절환부(330)와 제4 절환부(340);로 구성되며,
상기 제1, 제2 절환부(310, 320)는, 3방향의 유로를 갖는 제1, 제2 밸브몸체(311, 312)와, 제1, 제2 밸브몸체(311, 312)의 내부 통로 개폐를 위해 설치되는 제1, 제2 밸브판(316, 326)과, 제1, 제2 밸브판(316, 326)에 구동력을 전달하는 제1, 제2 액츄에이터(318, 328)로 구성되되, 제1, 제2 밸브몸체(311, 321)는 제1, 제2 축열실(210, 220) 각각과 연통되는 제1, 제2 메인통로(312, 322)와, 상기 제1, 제2 밸브판(316, 326)의 위치에 따라 개방 또는 폐쇄되는 제1, 제2 연소공기통로(313, 323) 및 제1, 제2 배기가스통로(314, 324)를 포함하며,
상기 제3, 제4 절환부(330, 340)는, 상기 제1, 제2 축열실(210, 220) 각각에 연결되는 제3, 제4 메인통로(332, 342) 및 제3, 제4 메인통로(332, 342)에 대해 양측으로 분기되는 제3, 제4 연소공기통로(333, 343)와 제3, 제4 배기가스통로(334, 344)가 형성된 제3, 제4 밸브몸체(331, 341)와, 제3, 제4 밸브몸체(331, 341) 각각에 형성된 상기 제3, 제4 연소공기통로(333, 343)와 제3, 제4 배기가스통로(334, 344)를 개폐시키기 위해 작동되는 제3, 제5 밸브판(336-1, 346-1) 및 제4, 제6 밸브판(336-2, 346-2)과, 상기 제3, 제5 밸브판(336-1, 346-1)과 제4, 제6 밸브판(336-2, 346-2) 각각을 개별 구동시키는 제3, 제5 액츄에이터(338-1, 348-1)와 제4, 제6 액츄에이터(338-2, 348-2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너.
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제 1 항에 있어서,
상기 제3 밸브판(336-1)과 제4 밸브판(336-2)에 의한 제3 연소공기통로(333)와 상기 제3 배기가스통로(334)의 개폐 상태가 서로 상반되도록 제3 액츄에이터(338-1)와 제4 액츄에이터(338-2)가 작동되는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너.
제 4 항에 있어서,
제3 연소공기통로(333)는 버너본체(110)의 후단 측에 제3 연소공기연결관(335)으로 연결되고, 상기 제3 배기가스통로(334)는 버너본체(110)의 전단 측에 제3 배기가스연결관(337)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너.
제 1 항에 있어서,
상기 제5 밸브판(346-1)과 제6 밸브판(346-2)에 의한 제4 연소공기통로(343)와 상기 제4 배기가스통로(344)의 개폐 상태가 서로 상반되도록 제5 액츄에이터(348-1)와 제6 액츄에이터(348-2)가 작동되는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너.
제 6 항에 있어서,
상기 제4 연소공기통로(343)는 버너본체(110)의 후단 측에 제4연소공기연결관(345)으로 연결되고, 상기 제4 배기가스통로(344)는 버너본체(110)의 전단 측에 제4 배기가스연결관(347)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 풀타임 축열연소식 단일 라디안트 튜브 버너.