KR101965676B1 - 높은 주변부 안정성을 가진 버너 - Google Patents

Abstract

사전 혼합된 연료 개스들을 연소 챔버(3) 안에 확산시키기에 적절한 디퓨저(2)를 구비하는 개스 보일러용 버너(1)가 설명되는데, 상기 디퓨저(2)의 각각의 단면은 균일한 곡률 반경을 가지고, 상기 디퓨저(2)는 중앙 디퓨저 부분(10) 및 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들을 포함하고, 상기 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들은 상기 중앙 디퓨저 부분(10)을 통해 서로 연결되고, 상기 중앙 디퓨저 부분(10)은 연료 개스 유동에 직각인 방향으로 제로보다 큰 길이(l)로써 길이 방향으로 연장되고 반경(r)을 가진 원주 원호로서 형상화된 단면을 가지고, 상기 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들 각각은 반경(r)을 가진 구체(sphere)의 일부로서 형상화된다.

Description

높은 주변부 안정성을 가진 버너{High perimeter stability burner}

본 발명은 높은 주변부 안정성(high perimeter stability)을 가진, 개스 보일러를 위한 버너에 관한 것이다.

종래 기술의 개스 보일러들은 사전 혼합된 개스-공기 혼합물을 버너에 공급하기 위한 도관, 연소 챔버에서 상기 혼합물을 연소시킴으로써 열을 발생시키는 버너 및, 가능하게는 지지 요소를 포함하는데, 지지 요소는 열교환기 및/또는 공급 도관에 연결될 수 있어서 연소 챔버의 폐쇄를 보장하고 그리고/또는 버너를 상기 연소 챔버에 대하여 위치시키는 것을 보장한다.

버너는 디퓨저를 포함하며, 열의 발생을 위한 화염 패턴을 결정하는 사전 혼합된 연료 및 공기 개스는 디퓨저를 통하여 전달된다. 항상 디퓨저는 복수개의 개구들이 제공된 벽을 포함하며, 벽은 내측 표면 및 외측 표면을 가지고, 내측 표면은 공급 도관과 유체 연결되고 따라서 연소되지 않은 혼합물과 접촉하고, 외측 표면상에서는 연소가 발생된다.

(개스-공기 혼합물의 유동 방향에 대하여) 디퓨저의 상류에 분배 장치 또는 분배기가 제공될 수 있으며, 이것은 연소 표면에 대향하는 디퓨저의 측에 배치되고, 통상적으로 복수개의 관통 개구들을 가진 벽을 포함하고, 실질적으로 균일한 방식이지만 디퓨저의 벽을 향하여 소망되는 방식으로 개스-공기 혼합물을 분배시키도록 구성된다.

공지된 바와 같이, 디퓨저의 벽의 외측상에서 연소에 의해 발생된 열은, 고온 연료 개스들을 통해, 예를 들어 물과 같은 유체의 가열을 위한 열 교환기로 전달되며, 유체는 추후에 사용자에게 전달되고, 예를 들어 산업용 프로세스, 주거 환경 또는 그와 유사한 것 및/또는 가정용 용수로 전달된다.

제어되고 차별화된 가열의 특정한 필요성에 기인하여 버너의 가열 파워를 변화시킬 수 있는 것이 필수적이다.

디퓨저로 공급되는 연료 또는 혼합물의 유량을 변화시킴으로써 버너의 가열 파워를 제어할 수 있다. 그러나, 종래 기술의 버너들의 가열 동력의 범위 또는 소위 조절(modulation)(최대 파워와 최소 파워 사이의 비율)의 폭은 제한된다. 이것은 연료 유량이 재료, 통로의 특정한 영역(통로 영역과 벽 영역 사이의 몫(quotient)) 및, 혼합물 유동에 대한 디퓨저의 저항에 의존하는 최적 범위를 초과할 때, 화염의 불안정성에 관련된 문제들이 발생되며 그것이 버너의 정확한 작동을 위태롭게 하는 사실에 기인한 것이다. 특히, 가열 파워를 증가시킬 때, 연소 영역 및, 따라서 화염은 안전 및 일산화탄소(CO)와 같은 오염 물질의 방출과 관련하여 심각한 효과를 가지고 디퓨저로부터 이탈되게 움직이는 경향이 있다.

디퓨저로부터 이탈되게 움직이는 화염의 그러한 현상은 특히 디퓨저의 단부들에 관한 것이다.

사실상, 그러한 단부들은 버너의 프레임(framework)과 연결되며, 따라서 그러한 영역에서 디퓨저의 온도는 명백하게도 나머지 영역들에서보다 낮다.

이러한 문제를 극복하기 위하여, 디퓨저에 가깝게 추가적인 분배기를 이용하거나 또는 몰딩에 의해 적절하게 형상화된 디퓨저를 이용하는 것이 알려져 있다. 그러나 이러한 해법들은 제조와 관련하여 복잡하고 버너 제조 비용에 상당한 영향을 미친다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 언급된 화염 불안정성 문제를 극복할 수 있는 버너를 제공하는 것으로서, 특히 화염 분리에 관련된 문제를 극복할 수 있으며 동시에 제조가 단순하고 저렴한 버너를 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 다른 목적은 사전 혼합된 연료 개스들을 연소 챔버 안에 확산시키기에 적절한 디퓨저를 구비하는 개스 보일러용 버너에 의해서 달성되는데, 여기에서 상기 디퓨저의 각각의 단면은 균일한 곡률 반경을 가지고, 상기 디퓨저는 중앙 디퓨저 부분 및 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분들을 포함하고, 상기 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분들은 상기 중앙 디퓨저 부분을 통해 서로 연결되고, 상기 중앙 디퓨저 부분은 연료 개스에 직각인 방향으로 제로보다 큰 길이(l)로써 길이 방향으로 연장되고 반경을 가진 원주 원호로서 형상화된 단면을 가지고, 상기 길이 방향 주변 디퓨저 부분들 각각은 반경(r)을 가진 구체(sphere)의 일부로서 형상화된다.

디퓨저의 그러한 특정한 구성은 가열 파워의 증가의 경우에도 화염의 안정성을 달성할 수 있게 하고 또한 디퓨저의 단부들에서 화염의 안정성을 달성할 수 있게 한다.

특히, 상기 언급된 구성은 디퓨저의 가장자리들에서 디퓨저의 표면에 직각인 방향에서의 성분이 실질적으로 무효(null)인, 디퓨저로부터 배출되는 연료 개스들의 유동 방향을 얻을 수 있게 한다. 따라서, 가장자리들에서 혼합물 유동을 감소시킬 수 있고, 높은 파워 조절(power modulation)과 함께 화염 분리 현상을 방지할 수 있다.

여기에서 "개스 유동 방향"은 개스의 주 유동 방향을 나타내도록 이용된다.

본 발명의 목적을 위하여, "단면은 균일한 곡률 반경을 가진다"는 표현은 단면의 각각의 지점이 동일한 곡률 반경을 가진다는 점을 나타내도록 이용되며, 즉, 그것은 그러한 반경을 가지는 동일한 가상의 원주(same hypothetical circumference)에 속한다는 것을 나타내도록 이용된다.

본 발명 및 본 발명의 장점이 이해되도록, 본 발명의 버너의 일부 예시적이고 비제한적인 실시예들에 대한 설명이 첨부된 도면을 참조하여 제공된다.

도 1 은 본 발명에 따른 개스 버너를 포함하는 보일러 부분의 길이 방향 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 개스 보일러 버너의 사시도이다.
도 3 은 프레임상에 장착된, 본 발명의 일 실시예에 따른 개스 보일러 버너의 사시도이다.
도 4 는 도 3 의 버너에 대한 측면도이다.
도 5 는 도 4 의 버너의 단면(B-B)을 따른 도면이다.
도 6a-6c 는 도 5 의 섹션에 따른 연료 개스의 일부 유동 라인을 벡터 성분으로 나눈 것을 나타낸다.

도 1 내지 도 6 을 참조하면, 전체적으로 도면 번호 1 로 표시된 개스 보일러 버너(1)가 도시되어 있다.

특히, 버너(1)는 미리 혼합된 연료 개스의 연소를 통하여 열을 발생시키는데, 사전 혼합된 연료 개스는 일반적으로 연료 개스 및 공기를 포함한다. 바람직스럽게는, 그러한 연료 개스들이 완전히 사전 혼합되며, 즉, 버너로 공급되는 혼합물에는 더 이상의 성분이 첨가되지 않는다.

버너(1)는 디퓨저(diffuser, 2)를 포함하는데, 이것은 연료 개스를 연소 챔버(3) 안에 확산시키는데 적절하다 (도 1 에 점선으로 표시된 바와 같이 확산된다).

버너(1)는 프레임(framework, 9)상에 장착된다. 프레임은 연결 부분들을 통하여 연소 챔버(3)에 연결될 수 있다.

프레임(9)은 연료 및 공기 혼합물의 통과를 위한 개구를 더 한정한다.

디퓨저(2)는 복수개의 개구들이 제공된 벽을 구비하며, 그것의 내측 표면은 개스 공급 도관과 유체 연결된다. 연소는 그러한 벽의 외측 표면상에서 발생된다.

디퓨저(2)는 공지된 유형의 분배기(4)를 포함할 수 있으며, 이것은 혼합물을 디퓨저(2)로 분배하는데 적절하고 연소 챔버(3)에 대향하는 디퓨저(2)의 측면상에 배치된다.

도 1 은 연소 챔버(3)와 접촉하고 있는 열 교환기(6)를 개략적으로 도시하는데, 이것은 디퓨저(2)의 벽의 외측에서 연소에 의해 발생되는 열을 수용하기에 적절하다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 3 개의 주된 방향들이 식별되어 있다. 즉, 길이 방향(α), 횡방향(β) 및 반경 방향(γ)이 표시되어 있다. 길이 방향(α) 및 횡방향(β)은 서로 직각이며 이들은 모두 버너(1) 안으로 진입하는 개스의 유동 방향에 직각이고, 개스의 유동은 도면에서 화살표(7)로 표시되어 있다.

본 발명에 따라서, 상기 디퓨저(2)의 각각의 단면은 균일한 곡률 반경을 가진다. 즉, 도 5 의 평면(B-B)에 평행한 평면으로써 디퓨저(2)를 교차하는 각각의 섹션은 단일의 곡률 반경을 가지며, 즉, 섹션의 각각의 지점은 그러한 곡률 반경을 가진 이상적인 원주(ideal circumference)에 속한다.

본 발명에 따르면, 디퓨저(2)는 중앙 디퓨저 부분(10) 및 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)을 가지며, 여기에서 상기 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)은 상기 중앙 디퓨저 부분(10)에 의해 서로 연결된다. 중앙 디퓨저 부분(10)은 연료 개스의 유동에 직각 방향으로, 즉, 길이 방향(α)으로, 제로 보다 큰 길이(1)에 걸쳐서 길이 방향으로 연장된다. 또한 중앙 디퓨저 부분(10)은 도 5 에 도시된 바와 같이 반경(r)을 가진 원호로서 단면 형상을 가진다.

특히 상기 도면에서 도시된 바와 같이, 단면이 바람직스럽게는 반원형이다.

따라서, 중앙 디퓨저 부분(10)은 2r 과 같은 길이에 걸쳐서 횡방향으로 연장된다.

상기 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들 각각은 도 4 에 도시된 바와 같이 반경 r 을 가지는 구체(sphere)의 일부로서 형상화된다.

특히, 상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 부분들 각각은 구체의 1/4 로서 형상화된다.

즉, 디퓨저(5)의 각각의 길이 방향 주변 부분을 형성하는 구체 부분의 반경은 중앙 디퓨저 부분(10)의 단면의 반경과 같은 길이를 가진다.

도면에 도시된 바람직한 실시예에 따르면, 버너(1)는 디퓨저(2)와 결합된 분배기(4)를 포함하는데, 분배기는 연료 개스를 디퓨저(2)에 분배하기에 적절하고, 디퓨저(2)의 형상과 실질적으로 같은 형상을 가진다.

상기 분배기(4)는 개구들이 제공된 시트(sheet) 또는 금속 메쉬(mesh) 또는 다공성 재료를 포함한다.

대신에, 디퓨저(2)는 금속 또는 세라믹 섬유로 만들어진 메쉬(mesh) 또는 개구 또는 다공성 재료를 가진 콤팩트 재료를 포함한다.

바람직한 실시예들에 따르면, 디퓨저(2)는 프레임(9)에 연결되는데, 이것은 화살표(7)로 표시된, 버너(1)로 진입하는 연료 개스의 유동 방향에 실질적으로 직각으로 배치된다. 상기 프레임(9)은 연료 및 혼합물을 통과시키기 위한 통로 개구를 형성하고, 상기 통로 개구는 디퓨저(2)의 상기 주위 가장자리를 따라서 형성된다.

도 6a 내지 도 6c 에서, 참조 번호 7' 로 표시된 화살표는 버너(1)로부터 나가는 개스의 유동 방향을 나타낸다.

그러한 도면으로부터 관찰되는 바로서, 단면의 끝에 가까울수록, 버너(1)로부터 배출되는 개스 유동 방향의 디퓨저(2)상의 법선 성분은 더욱 감소된다.

따라서, 그러한 법선 성분은 가장자리들에서 최소일 것이고, 섹션을 구성하는 원주 원호의 정점에서 최대일 것이다.

그러한 현상은 프레임(9)으로의 연결을 위한 단부들에서 전형적인 온도 강하를 보상하며, 따라서 그러한 중요 부위에서의 화염 분리(flame detachment)를 방지한다.

그러한 상황은 디퓨저(2)의 길이 방향 섹션에서 유사한데, 이는 디퓨저(5)의 각각의 길이 방향 주위 부분이 반경(r)을 가지는 원주로서 형상화되고, 따라서 디퓨저(2)의 길이 방향 섹션의 가장자리들이 디퓨저(2)의 단면의 가장자리들과 같은 특성을 가진다는 점에서 그러하다.

즉, 길이 방향 섹션의 끝에 가까울수록, 버너(1)로부터 배출되는 개스 유동 방향의 디퓨저(2)상의 법선 성분은 더욱 감소된다.

따라서, 그러한 법선 성분은 가장자리들에서 최소일 것이고, 중앙 디퓨저 부분(10)의 전체 길이(1)에서 최대에 도달하도록 점진적으로 증가할 것이다.

그러므로, 배출 개스 유동 방향의 법선 성분은 디퓨저(2)의 주위 가장자리들 전부를 따라서 최소이고, 따라서 그러한 영역에서 중요한 화염 분리 현상은 제어된다.

그러므로, 버너(1)의 그러한 구성은 가열시키는 파워(heating power)의 증가의 경우에도 화염 안정성을 얻는 것을 가능하게 하고 동시에 제조가 단순하고 저렴한 버너를 가능하게 한다.

상기의 설명 및 하기의 청구항들에서, 양, 파라미터, 백분율 등을 나타내는 모든 수치 값들은 다르게 표시되지 않는 한 그 어떤 환경하에서도 "대략"이라는 용어에 의해 선행될 것이다. 더욱이, 기재 내용중에서 특정적으로 표시되는 경우를 제외하고, 모든 수치값의 간격들은 최대 및 최소의 수치 값들 및 모든 가능한 중간 간격들의 모든 가능한 조합을 포함한다.

본 발명에 따른 개스 보일러 버너는 당업자에 의하여 부수적이고 특정한 요건들을 충족시키는 목적을 가지고 모두 본 발명의 보호 범위에 속하는 다른 변형예 및 수정예를 이룰 수 있다.

1. 버너 2. 디퓨저
3. 연소 챔버 5. 주변 디퓨저 부분
10. 중앙 디퓨저 부분

Claims (6)

1. 사전 혼합된 연료 개스들의 유동을 연소 챔버(3) 안에 확산시키기에 적절한 디퓨저(2)를 구비하는 개스 보일러용 버너(1)로서, 상기 디퓨저는 개스 공급 도관과 유체 소통되도록 되어 있는 내측 표면 및, 외측 표면을 가진 벽을 구비하고, 상기 외측 표면으로부터 연료 개스가 배출되고 상기 외측 표면상에서 연소가 발생되고, 상기 연료 개스의 유동은 상기 디퓨저(2)의 외측 표면에 법선인 성분을 가지는 개스 유동 방향(7)을 형성하고,
   상기 디퓨저(2)는 중앙 디퓨저 부분(10) 및 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들을 포함하고, 상기 2 개의 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들은 상기 중앙 디퓨저 부분(10)을 통해 함께 연결되고, 상기 중앙 디퓨저 부분(10)은 연료 개스 유동에 직각인 방향으로 제로보다 큰 길이(l)로써 길이 방향으로 연장되고, 디퓨저(2)의 길이 방향에 직각인 일정한 단면을 가지고, 상기 중앙 디퓨저 부분(10)의 상기 단면은 균일한 곡률 반경(r)을 가진 원주 원호로서 형상화되고, 상기 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들 각각은 상기 중앙 디퓨저 부분(10)의 상기 단면의 상기 곡률 반경(r)과 같은 반경(r)을 가진 구체(sphere)의 일부로서 형상화되고,
   상기 디퓨저(2)는, 상기 중앙 디퓨저 부분(10) 및 2 개의 상기 길이 방향 주변 디퓨저 부분(5)들만으로 구성됨으로써, 배출 개스들의 유동 방향의 상기 법선 성분은 디퓨저(2)의 모든 주위 가장자리들을 따라서 최소인 것을 특징으로 하는, 버너.
2. 제 1 항에 있어서,
   연료 개스들을 디퓨저(2)상에 분배하기에 적절하게 디퓨저(2)에 결합된 분배기(4)를 더 포함하고, 분배기는 디퓨저(2)의 형상과 실질적으로 같은 형상을 가지는, 버너.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 분배기(4)는 개구가 제공된 금속 시트(metal sheet) 또는 금속 그물(metal net) 또는 다공성 재료를 포함하는, 버너.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 디퓨저(2)는 다공성 재료 또는 개구들을 가지는 콤팩트 재료(compact material) 또는 세라믹 섬유(ceramic fibers) 또는 금속으로 만들어진 메쉬(mesh)를 포함하는, 버너.
5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
   디퓨저(2)는 연료 개스의 유동 방향에 실질적으로 직각인 프레임(9)에 연결되는, 버너(1).
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 프레임(9)은 연료 및 혼합물을 통과시키기 위한 통로 개구를 형성하고, 상기 통로 개구는 디퓨저(2)의 상기 주위 가장자리를 따라서 형성되는, 버너.
   

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