KR101830501B1 - 분사노즐과 이를 갖춘 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분사노즐과 이를 갖춘 버너에 관한 것으로, 분사노즐은, 유체를 공급받는 노즐본체, 및 상기 노즐본체에 구비되고 복수의 관통로가 형성되어 상기 유체를 분사하는 플레이트를 포함하며, 상기 복수의 관통로 중 일부는 유체의 분사흐름이 편심되도록 일측을 향하여 경사진 것을 특징으로 하여서, 출력의 변동에 따른 연소조건을 분사노즐이 자동으로 조정가능하며, 저 출력에서는 연소상태가 양호하고 고 출력에서는 농담연소로 인하여 환경공해를 저감시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

분사노즐과 이를 갖춘 버너 {INJECTION NOZZLE AND BURNER HAVING SAME}

본 발명은 출력의 변동에 따라 연소조건을 자동으로 조정할 수 있는 분사노즐과 이를 갖춘 버너에 관한 것이다.

일반적으로 복사관 버너는 내열금속으로 된 관(管) 내에서 연료를 연소시킬 때 발생하는 열로 관을 가열하여 관의 외부 복사현상을 이용하여 소재를 가열하는 간접 가열설비에 사용되는 것으로서, 예컨대 분위기 제어가 필요한 열처리로 등에 널리 사용되고 있다.

복사관 버너는 버너당 용량은 작지만 연소실 역할을 하는 복사관의 내부 용적이 작기 때문에, 가열로 등과 같은 직접 가열설비에 사용되는 직화식 버너보다 10배 정도의 고부하 연소가 이루어진다.

이와 같이, 직화식 버너 대비 고부하 연소로 인하여 복사관 버너에서는 다량의 질소산화물(NOx)이 발생하기 때문에 공기의 다단연소 방식이나 연료의 편중분사 방식 등의 저 질소산화물 원리가 적용되고 있다.

여기서, 연료의 편중분사 방식은 연소구간을 길게 하여 연소시 연소온도의 상승을 억제함으로써 질소산화물을 저감하는 기술로서, 도 1에 도시된 바와 같이 예컨대 분사노즐(1)의 상단부로 연료를 집중해서 분사하도록 노즐공(2)이 일측에 편중되게 형성되어 있다.

이러한 종래의 분사노즐에서는 도 2에 도시된 바와 같이 출력이 낮은 경우(도 2의 (a) 참조)에 연료가 상단부에만 과다 분사되어 연료가 완전연소되지 못하고 일부가 미연소되게 된다. 이에 따라, 연료의 불완전연소가 발생하게 되어, 검댕이 생기고 열효율이 저하되게 된다.

이에 본 발명은 출력의 변동에 따라 연소조건을 자동으로 조정할 수 있는 분사노즐과 이를 갖춘 버너를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 분사노즐은, 유체를 공급받는 노즐본체; 및 상기 노즐본체에 구비되고 복수의 관통로가 형성되어 상기 유체를 분사하는 플레이트를 포함하며, 상기 복수의 관통로 중 일부는 상기 노즐본체의 일측에 선택적으로 화염집중영역을 형성하도록 상기 일측을 향하여 경사지고, 상기 일측에 인접한 경사진 관통로는 상기 일측으로부터 멀리 떨어져 있는 경사진 관통로보다 완만한 경사각도를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 버너는, 복사관; 상기 복사관 내에 설치되고, 전술한 분사노즐을 일단에 장착한 버너본체; 및 상기 복사관 내에서 상기 버너본체를 둘러싸도록 배치된 연소통을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 출력의 변동에 따른 연소조건을 분사노즐이 자동으로 조정가능하며, 저 출력에서는 연소상태가 양호하고 고 출력에서는 농담연소로 인하여 환경공해를 저감시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 분사노즐의 단면도 및 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분사노즐의 출력에 따른 연소상태를 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 따른 분사노즐의 단면도 및 정면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 분사노즐의 출력에 따른 연소상태를 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따른 분사노즐이 적용된 버너의 한 예를 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 분사노즐의 단면도 및 정면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 분사노즐의 출력에 따른 연소상태를 개략적으로 도시한 도면들이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분사노즐(30)은, 유체를 공급받는 노즐본체(31); 및 이 노즐본체에 구비되고 복수의 관통로(33)가 형성되어 유체를 분사하는 플레이트(32)를 포함하며, 복수의 관통로 중 적어도 하나는 유체의 분사흐름이 편심되도록 일측을 향하여 경사진 것을 특징으로 하고 있다.

노즐본체(31)는 후술하는 버너본체(20; 도 5 참조)에 기밀하게 고정되는 대략 원형 단면의 관형상 부재이다. 이 노즐본체는 버너본체로부터 예컨대 연료(G) 또는 공기(A)와 같은 유체를 공급받을 수 있다.

플레이트(32)는 그 일측의 노즐본체(31) 내에 공급된 유체를 타측으로 배출하는 복수의 관통로(33)가 형성되어 있다. 이들 관통로의 하류끝에 형성된 복수의 노즐공(34)에서는 유체를 분사하여 연소에 의한 화염을 분출시킬 수 있게 된다. 복수의 노즐공은 원주방향에 균일한 간격으로 골고루 분산되게 배치되며, 복수의 관통로는 서로 동일한 직경을 갖도록 형성될 수 있다.

이들 관통로(33) 중 일부는 유체의 분사흐름이 편심되게 하기 위해 일측을 향하여 경사지게 형성될 수 있다. 경사진 관통로(33a)들 중 목표로 하는 화염집중영역에 인접한 경사진 관통로는 화염집중영역으로부터 멀리 떨어진 경사진 관통로보다 완만한 경사각도를 갖는다. 이때, 경사각도는 노즐본체의 중심축선(C)에 대한 각도를 의미한다.

나머지 관통로(33b), 즉 경사지지 않은 관통로는 노즐본체의 중심축선과 평행하게 형성될 수 있다.

도 3과 도 4에서는 설명 및 도시의 편의상 본 발명에 따른 분사노즐의 상단부를 향해 유체를 편심되게 분사하도록 구성된 예를 도해하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 연소조건에 따라 임의의 방향으로 편심되게 분사할 수 있음은 물론이다.

이러한 플레이트(32)는 노즐본체(31)에 고정되게 설치될 수 있는데, 반드시 이에 한정되지 않고 노즐본체와 일체로 형성되어도 무방하다.

이하에서는 도 4를 참조로 하여 본 발명에 따른 분사노즐의 작동에 대해 설명하기로 한다.

노즐본체(31)에 공급되는 유체의 유량, 즉 인입압력은 작업조건에 따라 변화될 수 있는데, 특히 공급되는 압력이 낮아 유체의 분사압이 떨어지는 경우에 그 연소에 의한 화염(F)이 각 관통공(33)에서 의도된 방향으로 뻗어나가지 못하고, 대략 노즐본체의 중심축선(C)과 평행한 방향으로 유도되게 된다(도 4의 (a) 참조).

이로써, 본 발명에 따른 분사노즐(30)의 출력이 낮은 경우에 유체가 전체적으로 골고루 분산된 관통공(33)들로부터 균일하게 분사되어 유체가 완전연소되게 된다. 이와 같이, 출력이 낮은 경우에도 완벽한 연소조건을 조성하게 됨에 따라, 종래의 불완전연소로 인한 환경공해를 저감시킬 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

한편으로, 공급되는 압력이 높아져 유체의 분사압이 상승하는 경우에는 그 연소에 의한 화염(F)이 각 관통공(33)에서 의도된 방향으로 뻗어나가게 되고(도 4의 (b) 참조), 점차 일부 화염이 목표로 하는 화염집중영역을 형성하게 된다(도 4의 (c) 참조). 즉, 분사노즐(30)의 일측(예컨대 도 4의 (c)에서 상단부)에서는 분사되는 유체가 농(濃)한 상태로 되면서 화염이 길게 형성되는 반면, 타측에서는 담(淡)한 상태를 일으키게 된다.

이러한 화염집중영역에 의해 연소구간을 길게 형성할 수 있으며, 이에 따라 연소시 연소온도의 상승을 억제함으로써 설비의 안정적 운영과 폐가스 성분 중에서 질소산화물을 저감할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 분사노즐이 적용된 버너의 한 예를 도시한 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 버너는, 복사관(10); 이 복사관 내에 설치되고, 전술한 분사노즐(30)을 일단에 장착한 버너본체(20); 및 복사관 내에서 버너본체를 둘러싸도록 배치된 연소통(40)을 포함하고 있다.

복사관(10)은 예컨대 내열금속과 같은 재질로 형성되어, 버너에 의한 연소로 생성된 열에 의해 가열되고, 복사 및 대류현상을 이용해서 그 외부에 위치한 소재를 가열할 수 있게 구성되어 있다. 연소에 의해 생성된 폐가스는 덕트(미도시)를 통해 대기로 방출될 수 있다.

버너본체(20)의 일단에는 본 발명에 따른 분사노즐(30)이 장착될 수 있는데, 예를 들어 용접이나 나사결합에 의해 버너본체와 분사노즐이 서로 고정될 수 있다. 이러한 버너본체는 연료 공급관(미도시)을 통해 공급되는 연료를 분사노즐로 분사하고, 분사노즐 주위에서 이 연료와 공기가 혼합되어 연소가 이루어지게 된다. 보조 버너(미도시)가 착화원으로 마련되어 버너본체를 점화시킬 수 있다.

연소통(40)에는 공기 공급관(50)을 통하여 복사관 내에 유입되는 공기를 연소통의 내부로 유도하는 공기통로(41)가 형성되어 있다.

또한, 연소통(40)의 내부에는 그 내면에 접하도록 형성된 정류판(60)이 설치될 수 있다. 이 정류판의 중앙에는 버너본체(20)가 삽입되어 관통할 수 있는 관통구멍(61)이 형성되고, 이 관통구멍의 주변으로는 공기가 통과할 수 있는 복수의 공기 통과공(62)이 형성된다.

이들 공기 통과공(62)은 균일한 간격으로 골고루 분산되게 배치되며, 서로 동일한 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 버너본체(20)의 주위에 균일하게 분포되고 동일한 직경으로 형성된 정류판(60)의 공기 통과공(62)을 통해 연소통(40)의 선단 쪽으로 진행하는 공기의 흐름이 균일하게 이루어질 수 있다.

이하에서는 도 5를 참조로 하여 본 발명에 따른 버너의 작동에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 공기(A)가 공기 공급관(50)을 통하여 복사관(10)으로 유입된다. 이때, 복사관으로 유입되는 공기 중 일부는 연소통(40)의 공기통로(41)를 통하여 연소통의 내부로 유입되고, 연소통의 내부에 설치된 정류판(60)을 통하여 연소통의 선단 쪽으로 확산된다.

이와 같이 연소통(40)의 내부로 유입된 공기(A)의 일부는 버너본체(20)의 분사노즐(30)에서 분사되는 연료(G)와 혼합하면서 1차 연소를 형성한다.

이와 같은 1차 연소가 이루어지는 동안, 분사노즐(30)의 출력이 낮은 경우에는 연료가 전체적으로 골고루 분산된 관통공(33; 도 3 및 도 4 참조)들로부터 균일하게 분사되어 연료가 완전연소되게 되는 한편, 분사노즐의 출력이 높은 경우에는 일측으로 연료(G)가 농한 상태로 되면서 화염(F)이 길게 형성되어, 결국 연료의 연소구간이 증가하게 된다.

한편, 공기 공급관(50)을 통하여 복사관(10)으로 유입된 후 연소통(40)에 유입되지 못한 나머지 공기는 복사관과 연소통 사이의 공간을 통해 연소통의 선단 쪽으로 진행하고, 그 결과 1차 연소시 완전히 연소되지 못한 나머지 연료의 2차 연소가 이루어진다.

다시 말해, 분사노즐(30)에서 분사된 연료는 연소통(40) 내에서 1차 공기와 만나서 공기부족상태의 1차 연소가 일어나고, 1차 연소 중 완전히 연소되지 못한 나머지 연료는 복사관(10) 내로 유입되어 2차 공기에 의해 완전연소가 이루어진다. 여기서, 1차 연소가 공기부족상태에서 이루어지므로 질소산화물의 발생량이 억제되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 복사관 20: 버너본체
30: 분사노즐 31: 노즐본체
32: 플레이트 33: 관통로
34: 노즐공 40: 연소통
50: 공기 공급관 60: 정류판

Claims (9)

1. 유체를 공급받는 노즐본체, 및
   상기 노즐본체에 구비되고 복수의 관통로가 형성되어 상기 유체를 분사하는 플레이트
   를 포함하며,
   상기 복수의 관통로 중 일부는 상기 노즐본체의 일측에 선택적으로 화염집중영역을 형성하도록 상기 일측을 향하여 경사지고,
   상기 일측에 인접한 경사진 관통로는 상기 일측으로부터 멀리 떨어져 있는 경사진 관통로보다 완만한 경사각도를 갖는 분사노즐.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 관통로 중 경사지지 않은 나머지 관통로는 상기 노즐본체의 중심축선과 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 분사노즐.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 관통로의 하류끝에 형성된 복수의 노즐공은 균일하게 분포된 것을 특징으로 하는 분사노즐.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트는 상기 노즐본체와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 분사노즐.
6. 복사관;
   상기 복사관 내에 설치되고, 제1항 내지 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 분사노즐을 일단에 장착한 버너본체; 및
   상기 복사관 내에서 상기 버너본체를 둘러싸도록 배치된 연소통
   을 포함하는 버너.
7. 제6항에 있어서,
   상기 연소통에는 상기 복사관 내에 유입되는 공기를 상기 연소통의 내부로 유도하는 공기통로가 형성된 것을 특징으로 하는 버너.
8. 제7항에 있어서,
   상기 연소통의 내부에는 상기 연소통의 내면에 접하도록 형성된 정류판이 설치되고,
   상기 정류판에는 상기 버너본체가 삽입되어 관통하는 관통구멍과, 상기 관통구멍의 주변으로 공기가 통과할 수 있는 복수의 공기 통과공이 형성된 것을 특징으로 하는 버너.
9. 제8항에 있어서,
   상기 복수의 공기 통과공은 균일하게 분포되고 서로 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 버너.
   

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