KR102219875B1 - 소각용 액체 연료 분무 인젝터 - Google Patents

소각용 액체 연료 분무 인젝터 Download PDF

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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 관한 것이다. 본 발명에서 연료 공급관(100)의 연료 유입구(120) 및 상기 연료 토출구(130) 사이에는 연료의 이동을 안내하는 복수 개의 연료 유로가 형성된다. 상기 연료 유입구(120)는 연료가 수용되는 연료 챔버(141)가 형성되는 연료 탱크(140)와 연결된다. 상기 연료 토출구(130)는 분무 노즐(300)의 연결구(310)와 연통된다. 상기 분무 노즐(300)의 타단에는 외부로 연료가 분무되는 방향으로 분무구(320)가 형성되어, 연료가 상기 연결구(310)를 지나 상기 분무구(320)를 통과하면서 무화(atomization)되도록 연료 및 외부로부터 공급되는 기체를 분무시킨다. 상기 연료 챔버(141) 내에는 와류(vortex)를 발생시키는 와류기(400)가 설치된다. 본 발명에 의하면, 와류기에 의해 발생한 와류에 의해 연료가 연료공급관을 통과할 때 유동이 더욱 크게 발생됨으로써, 분무노즐을 통해 분무될 때 분무각이 넓어질 수 있는 것과 동시에 분무 액적의 크기를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

소각용 액체 연료 분무 인젝터{LIQUID FUEL-INJECTION INJECTOR FOR INCINERATION}
본 발명은 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 와류(vortex)를 발생시키며 연료를 연료 공급관에 전달함으로써 연료의 유동이 더욱 크게 발생하도록 하여 연료가 넓게 퍼져 분무될 수 있는 것과 동시에 분무 액적의 크기를 감소시킬 수 있는 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 관한 것이다.
일반적으로, 산업용 퍼니스, 가마, 보일러를 비롯하여 소각로 등에 사용되는 버너는 오일연소량이 크다. 따라서 그 성능에 따라 운전비용 및 환경오염에 영향을 크게 미치게 되므로 버너의 설정시 저과잉 공기로 연소가 가능하며, 화염이 짧으면서도 발열량이 높아야 한다. 그리고 분진과 SO4 및 NOx(산화질소) 등의 공해 물질의 발생이 적어야 하며 화염의 안정성 및 응답성이 높아야 한다.
이와 같이 연소가 잘 되기 위해서는 연료의 분사상태가 좋고 또한, 분사된 연료와 연소용 공기의 혼합이 완벽해야 하며, 연소용 공기량, 공기유속, 레지스터로 유입되는 공기의 균일성 및 보염기에서의 공기 회전 등이 연소에 큰 영향을 미치게 되며, 이러한 요인들은 연료분사노즐의 구조적 특징에 크게 좌우된다.
일반적으로 오일연료를 분무하여 연소할 수 있는 종래의 분사노즐은 오일연료와 오일연료를 미립자하기 위한 무화(atomization)재의 혼합위치에 따라 내부혼합형, 외부혼합형, 및 중간혼합형 등으로 구분할 수 있다. 여기서, 무화재로는 압축공기 또는 수증기를 사용하는데, 기체는 밀도가 낮기 때문에 낮은 분사압력에서도 분사 속도가 낮은 액체와의 사이에 큰 상대속도가 생겨서 액체의 미립화가 일어난다.
도 1에는 일반적으로 사용되는 연료분사노즐이 개략 단면도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료분사노즐(1)에는 연료가 공급되는 연료공급관(10)이 구비된다. 상기 연료공급관(10)의 선단에는 분사노즐(20)이 결합된다.
상기 분사노즐(20)에는 연료가 공급되는 방향으로 복수 개의 분사구(22)가 환형으로 형성된다. 상기 분사구(22)를 통해 연료가 분사되면, 연료가 분사노즐(20)의 전방을 향해 분사되므로 분사구(22)의 중간 부분(C)에는 연료가 분사되지 못하게 된다.
따라서, 분사노즐(20)이 연소실(S)에 설치되어 연소과정을 수행하게 되면, 분사노즐(20)의 분사구(22)를 통해서 분사되는 연료에 의해 불꽃이 상하, 양측으로 나누어지고, 이때, 공기유입관(40)을 통해 공기(Air)와 같은 기체가 공급되더라도 공기가 양 불꽃의 외곽 부분에만 공급되어 분사구(22)의 중간부분(B)에는 공기가 원활하게 공급되지 않으면서 온도가 높아지게 되고, 연료 효율이 낮아지며, 환경 오염물질인 NOx(산화질소)의 발생량이 증가하게 되는 문제점이 있다.
대한민국 등록실용신안공보 제20-0191094호(2000년08월16일 등록)
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 분무 각도가 증대되어 기체가 원활하게 혼합될 수 있도록 하는 것과 동시에 연료의 분무 액적의 크기를 감소시켜 연소 효율을 높일 수 있도록 구성되는 소각용 액체 연료 분무 인젝터를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 따르면, 일단에 연료의 유입을 위한 연료 유입구가 형성되며, 타단에 상기 연료 유입구로부터 유입된 연료가 토출되는 연료 토출구가 형성되고, 상기 연료 유입구 및 상기 연료 토출구 사이에 연료의 이동을 안내하는 복수 개의 연료 유로가 구비되는 연료 공급관; 일측이 상기 연료 유입구와 연통되고, 내부에 연료가 수용되는 연료 챔버가 형성되는 연료 탱크; 상기 연료 챔버에 설치되어 와류를 발생시켜 연료를 상기 연료 공급관으로 전달하는 와류기; 및 일단에 상기 연료 토출구와 연통되는 연결구가 형성되고, 타단에 연료가 외부로 분무되는 방향으로 분무구가 형성되어, 연료가 상기 연결구를 지나 상기 분무구를 통과하면서 무화(atomization)되도록 연료 및 기체를 분무시키는 분무 노즐;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 공급관은, 상기 연료 유입구로부터 상기 연료 토출구를 향해 수평 방향으로 연장되는 센터 유로관, 및 상기 센터 유로관을 중심으로 좌측 및 우측에 각각 대응되게 형성되는 선회 유로관을 포함하여 구성되고, 상기 선회 유로관은 곡선으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 연료 유입구의 단면적은 상기 연료 유입구와 수평 방향으로 연결되는 상기 센터 유로관의 일단의 단면적 보다 작고, 상기 센터 유로관의 일단의 단면적은 상기 센터 유로관의 중심의 단면적보다 작으며, 상기 센터 유로관의 중심의 단면적은 상기 연료 토출구와 연결되는 상기 센터 유로관의 타단의 단면적보다 작거나 같은 것을 특징으로 한다.
상기 센터 유로관의 일단에서 상기 센터 유로관의 중심으로 향할수록 폭이 커지는 방향으로 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 선회 유로관은 상기 분무 노즐을 중심으로 방사상으로 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 와류기는, 모터의 회전축과 회전가능하게 결합되는 구동축, 및 상기 구동축의 외주면에 상기 구동축의 길이방향을 따라 연장되어 형성되는 나선형의 블레이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 유입구와 반대되는 위치의 상기 연료 탱크의 타측에는 연료를 상기 연료 챔버 내로 공급하기 위한 연료 공급라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 센터 유로관의 내측에 설치되어 음파를 발생시켜 연료의 무화(atomization) 현상을 촉진하는 음파 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 챔버 내에 설치되고, 와류에 의해 생성된 주파수를 감지하여 감지된 주파수 값을 송신하는 주파수 감지센서, 및 상기 주파수 감지센서로부터 주파수 값을 전달받아 상기 음파 발생기가 동일한 주파수 값을 발생시키도록 상기 음파 발생기를 제어하는 전자제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일단에 기체의 유입을 위한 기체 유입구가 형성되고, 타단에 상기 연결구와 연통되어 상기 기체 유입구로부터 유입된 기체가 토출되는 기체 토출구가 형성되며, 상기 기체 유입구 및 상기 기체 토출구 사이에 기체의 이동을 안내하는 기체 유로가 형성되는 기체 공급관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 따르면, 연료 챔버 내에는 와류기가 설치되어 와류(vortex)를 발생시키며 연료를 연료 공급관에 전달하고, 연료가 연료공급관을 통과할 때 유동이 더욱 크게 발생됨으로써 분무노즐을 통해 분무될 때 분무각이 넓어질 수 있는 것과 동시에 분무 액적의 크기를 감소시킬 수 있다 .따라서 연료의 연소효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 따르면, 연료가 복수 개의 연결 유로로 구성되는 연료 공급관을 유동하며 분무 노즐을 통해 분무되므로, 그 분무 액적의 크기가 작고 넓게 퍼지면서 분무될 수 있다. 따라서 불꽃의 온도가 너무 높게 상승되는 것을 방지하는 것과 동시에 불꽃의 길이가 짧아지도록 함으로써, 연소 시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 따르면, 연료 공급관 내에는 음파 발생기가 설치되어, 와류에 의해 생성된 주파수와 동일한 주파수를 발생시켜 연료의 유동을 더욱 크게 발생시킨다. 따라서 연료의 미립화가 더욱 촉진되므로, 분무 액적의 크기를 더욱 감소시킬 수 있는 것과 동시에, 분무각이 넓어질 수 있어 연소효율을 더욱 높일 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적으로 사용되는 연료분사노즐을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터의 형상과 유동해석을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터의 일부 구성을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터의 구성이 사시도로 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 소각용 액체 연료 분무 인젝터에는 연료 공급관(100)이 구비된다. 본 실시예에서, 상기 연료 공급관(100)은 센터 유로관(110), 선회 유로관(111), 연료 유입구(120) 및 연료 토출구(130)가 구비된다.
상기 연료 유입구(120)는 아래에서 설명될 연료 챔버(141)로부터 전달받은 연료가 유입되는 부분이고, 상기 연료 토출구(130)는 상기 연료 유입구(120)로부터 유입된 연료가 토출되는 부분이다. 그리고 아래에서 설명될 센터 유로관(110) 및 선회 유로관(111)은 상기 연료 유입구(120) 및 연료 토출구(130) 사이에 구비된다.
본 실시예에서, 상기 연료 공급관(100)의 길이 대 직경 비율은 5:1 내지 10:1 인 것이 바람직하다. 이는 연료가 상기 연료 공급관(100)을 따라 이동하면서 유동이 균일하게 일어나도록 하기 위함이다.
본 실시예에서, 상기 연료 공급관(100)에는 복수 개의 연료 유로가 구비된다. 상기 연료 유로는 서로 다른 길이를 가지는 관에 의해 형성될 수 있다.
이를 위해, 상기 연료 공급관(100)은 센터 유로관(110) 및 선회 유로관(111)으로 구성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 센터 유로관(110)은 연료 유입구(120)로부터 상기 연료 토출구(130)를 향해 수평 방향으로 연장된다. 상기 센터 유로관(110)의 일단(110a)은 연료 유입구(120)와 연결되고, 타단(11b)은 연료 토출구(130)와 연결된다.
본 실시예에서, 상기 연료 유입구(120)의 단면적은 상기 센터 유로관(110)의 일단(110a)의 단면적보다 작다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료 유입구(120)의 폭은 상기 센터 유로관(110)의 일단(110a)의 폭보다 작다. 그리고 상기 센터 유로관(110)의 일단(110a)의 단면적은 상기 센터 유로관(110)의 중심(110c)의 단면적보다 작다.
또한, 상기 센터 유로관(110)의 중심(110c)의 단면적은 상기 연료 토출구(130)와 연결되는 상기 센터 유로관(110)의 타단(110b)의 단면적보다 작거나 같을 수 있다. 즉, 상기 센터 유로관(110)의 중심(110c)의 폭은 연료 토출구(130)의 폭과 같거나 조금 더 큰 폭으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 연료 유입구(120)의 단면적은 상기 선회 유로관(111)의 단면적보다 작다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료 유입구(120)의 폭은 상기 선회 유로관(111)의 일단(111a)의 폭보다 작다.
그리고 상기 선회 유로관(111)의 일단(111a)의 단면적은 상기 선회 유로관(111)의 중심(111c)의 단면적보다 작으며, 상기 선회 유로관(111)의 중심(111c)의 단면적은 상기 연료 토출구(130)와 연결되는 상기 선회 유로관(111)의 타단(111b)의 단면적보다 작거나 같을 수 있다.
또한, 상기 센터 유로관(110)의 일단(110a)에서 상기 센터 유로관(110)의 중심(110c)으로 향할수록 폭이 커지는 방향으로 테이퍼지게 형성될 수 있다.
상기 선회 유로관(111)은 상기 센터 유로관(110)을 중심으로 좌측 및 우측에 각각 대응되게 형성된다. 즉, 상기 선회 유로관(111)은 센터 유로관(110)을 중심으로 방사상으로 배치될 수 있다. 여기서 상기 선회 유로관(111)은 곡선으로 이루어질 수 있다. 이는 상기 선회 유로관(111)을 통해 연료가 소정의 시간 동안 정체되면서 넓게 퍼져 나갈 수 있도록 하기 위함이다.
본 실시예에서, 상기 센터 유로관(110)의 중심(110c) 단면적은 상기 선회 유로관(111)의 중심(111c) 단면적보다 크게 형성될 수 있다. 이는 연료가 상기 선회 유로관(111) 보다 상기 센터 유로관(110)을 통해 원활하게 빠져나가도록 하기 위함이다.
본 실시예에서, 선회 유로관(111)은 두 개이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 선회 유로관(111)은 상기 센터 유로관(110)을 중심으로 방사상으로 복수 개가 구비될 수도 있다.
이와 같이 구성되는 상기 연료 공급관(100)에 의하면, 상기 연료 유입구(120)에서 연료가 유입되면서 상기 센터 유로관(110)을 지나는 것과 동시에 상기 선회 유로관(111)을 지나면서 좌우 유동이 유발되고, 이 유동을 통해 상기 센터 유로관(110)의 내부에서도 연료가 좌우 유동하며 퍼지면서 연료 토출구(130)로 나가게 됨으로서, 연료의 분무각이 확장될 수 있게 된다.
또한, 연료가 상기 센터 유로관(110)의 타단(110b) 및 상기 선회 유로관(111)의 타단(111b)을 통과하며 동시에 상기 연료 토출구(130)로 나가므로, 즉, 상기 센터 유로관(110)을 통과하는 연료가 상기 연료 토출구(130)에서 상기 선회 유로관(111)을 통과한 연료와 만나면서 서로 충돌하여 크게 유동되므로 서로 충돌하여 미립화가 일어나면서 분무각이 더욱 커질 수 있게 된다.
따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 연료 유입구(120)를 지나 상기 센터 유로관(110)의 일단(110a) 및 선회 유로관(111)의 일단(111b)을 통과하면서 상기 센터 유로관(110)을 통과하는 연료의 유동이 발생하게 되고, 상기 센터 유로관(110)을 통과하는 연료가 상기 연료 토출구(130)에서 상기 선회 유로관(111)을 통과한 연료와 만나면서 크게 유동되므로 유동의 각도를 크게 형성하게 된다.
이와 같이 연료가 상기 연료 공급관(100)을 통해 유동하여 분무각이 커지게 되면, 기체와 만났을 경우 서로 충돌하면서 최종적인 미립화가 일어나 연료의 액적의 크기가 작아지며 기체와 용이하게 혼합될 수 있고, 분무각이 더욱 넓어지게 된다.
따라서 연소효율을 더욱 높일 수 있고, 불꽃의 온도가 너무 높게 상승되는 것을 방지하는 것과 동시에 불꽃의 길이가 짧아지도록 함으로써, 연소 시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 연료 유입구(120)는 연료 탱크(140)의 일측과 연통된다. 상기 연료 탱크(140)는 상기 연료 유입구(120)와 일체로 형성될 수 있다.
상기 연료 탱크(140)의 내부에는 연료 챔버(141)가 형성된다. 상기 연료 챔버(141)에는 가압된 연료 액체가 수용될 수 있다. 본 실시예에서, 연료는 경유 또는 중유 등을 사용할 수 있다. 경유나 중유를 사용하는 액상 연료의 분무 노즐은 연료의 점성이 높기 때문에 효율적인 무화(atomization)를 위하여 일차적으로 일정 온도로 가열하여 연료의 유동성을 증가시킨 후 높은 압력을 노즐에 가하여 미세 입자로 분사시키는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 미세 액적은 대개 다량의 잉여공기를 사용한 난류혼합 과정을 통하여 연소가 일어난다. 이 경우 중유는 (60~100) ℃ 온도 영역에서 (10~14) cSt 점도를 가진 상태에서 (20~25)Bar 의 압력으로 분사하여 미세 액적을 만들며, 경유는 20 ℃ 상온에서 점도가 (3~12) cSt 이어서 중유에 비하여 사전 가열의 필요성이 적다.
본 실시예에서, 상기 연료 유입구(120)와 반대되는 위치의 상기 연료 탱크(140)의 타측에는 연료 공급라인(L)이 연결될 수 있다. 상기 연결 공급라인(L)은 연료를 상기 연료 챔버(141) 내로 공급하기 위한 것이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 소각용 액체 연료 분무 인젝터에는 기체 공급관(200)이 구비될 수 있다. 상기 기체 공급관(200)은 연료에 공기와 같은 기체를 공급하는 역할을 한다.
본 실시예에서, 상기 기체 공급관(200)의 일단에는 기체 유입구(210)가 형성된다. 상기 기체 유입구(210)는 기체의 유입을 위한 부분이다.
상기 기체 공급관(200)의 타단에는 기체 토출구(220)가 형성된다. 상기 기체 토출구(220)는 아래에서 설명될 분무 노즐(300)의 연결구(310)와 연통된다. 상기 기체 토출구(220)는 상기 기체 유입구(210)로부터 유입된 기체가 토출되는 부분이다. 상기 기체 토출구(220)는 상기 센터 유로관(110)의 타단(110b)과 인접한 위치에 설치될 수 있다. 또는 상기 기체 토출구(220)는 상기 선회 유로관(111)의 타단(111b) 사이에 설치될 수 있다. 이는 기체가 연료와 혼합이 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다.
상기 기체 유입구(210) 및 상기 기체 토출구(220) 사이에는 기체 유로(230)가 형성된다. 상기 기체 유로(230)는 기체의 이동을 안내하는 역할을 한다.
본 실시예에서, 상기 기체 공급관(200)은 하나만 구비되지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기체 공급관(200)은 필요에 따라 복수 개로 구성될 수 있으며, 이때, 기체 공급관(200)은 선회 유로관(111)과 서로 교차되도록 배치될 수 있다.
상기 기체 공급관(200)의 일단에는 기체 챔버(240)가 연결된다. 상기 기체 챔버(240)에는 가압된 기체가 수용될 수 있다. 본 실시예에서, 기체는 공기이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 수증기일 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 소각용 액체 연료 분무 인젝터에는 분무 노즐(300)이 구비된다. 상기 분무 노즐(300)은 연료가 무화(atomization)되도록 연료 및 기체를 분산시키는 역할을 한다.
상기 분무 노즐(300)의 일단에는 연결구(310)가 형성된다. 상기 연결구(310)는 상기 연료 토출구(130) 및 기체 토출구(220)와 연통된다.
상기 분무 노즐(300)의 타단에는 분무구(320)가 형성된다. 상기 분무구(320)는 외부로 분무되는 방향, 즉, 연소실(S)을 향해 분무되는 방향으로 형성된다. 본 실시예에서, 상기 분무구(320)의 단면적은 상기 연결구(310)의 단면적 보다 크게 형성된다. 따라서, 연료 및 기체가 상기 연결구(310) 및 분무구(320)를 통과하면서 넓게 퍼지게 되어 불꽃은 짧으면서 퍼지게 되는데, 이 과정에서 상기 기체 토출구(220)를 통해 유입되는 기체가 와류되면서 연료와 혼합이 잘될 수 있다.
한편, 상기 분무 노즐(300)의 분무구(320)에는 다공판(미도시)이 선택적으로 결합될 수 있다. 상기 다공판은 복수 개의 관통공이 형성되어, 액체 및 기체가 혼합되어 분무될 때 상기 관통공을 통과하면서 분무각이 더욱 넓어지도록 하기 위함이다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료 챔버(141)에는 와류기(400)가 설치된다. 상기 와류기(400)는 상기 연료 챔버(41) 내의 연료에 와류(vortex)를 발생시켜 상기 연료 공급관(100)으로 전달하는 역할을 한다.
도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 와류기(400)는 상기 연료 공급라인(L)의 전방에 위치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 연료 공급라인(L)을 통해 공급되는 연료에 와류를 발생시키기 위함이다.
본 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 와류기(400)는 구동축(410) 및 블레이드(420)로 구성될 수 있다.
상기 구동축(410)의 상기 연료 탱크(140)의 일측으로부터 타측을 향해 연장되어 형성될 수 있다. 상기 구동축(410)의 일측은 모터(500)의 회전축(510)과 회전가능하게 결합되는 부분이다.
상기 블레이드(420)는 상기 구동축(410)의 길이방향을 따라 나선형 형상으로 구비될 수 있다. 이는 연료가 이동하는 방향으로 와류를 발생시키기 위함이다. 본 실시예에서, 상기 블레이드(420)는 복수 개로 구성되어 서로 일정 간격으로 꼬여 있는 형상이다.
이는 상기 블레이드(420)의 회전의 원심력이 고르게 작용하게 되어, 한쪽으로 편심력이 작용하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 안정적인 회전운동이 가능하게 된다.
이와 같이 상기 블레이드(420)에 의해 발생된 와류에 의해 상기 연료 공급관(100)으로 연료가 이동할 때 더욱 크게 유동될 수 있다. 이와 같은 상태에서, 분사 노즐(300)을 통해 연료가 분무되면, 분무각이 넓어질 수 있고 동시에 분무 입자가 미세화됨으로써 분무 액적의 크기를 더욱 감소시킬 수 있어 연소 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
한편, 상기 모터(500)는 외부에 별도로 구비되는 전원공급부(미도시)로부터 전원을 인가받을 수 있다. 그리고 상기 전원공급부는 전자제어유닛(700)에 의해 제어되며, 상기 모터(500)의 회전 수는 상기 전자제어유닛(700)에 의해 제어될 수 있다.
한편, 상기 연료 공급관(100)의 내측에는 음파 발생기(600)가 설치된다. 본 실시예에서, 상기 음파 발생기(600)는 상기 센터 유로관(110)의 내측에 설치된다.
상기 음파 발생기(600)는 복수 개의 압전소자를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 음파 발생기(600)는 외부로부터 전원을 인가받아 20kHz 이상의 고주파 영역인 초음파를 발생시켜 초음파로 인한 캐비테이션(caviatation: 추진기 등의 뒤에 생기는 진공현상) 및 입자가속도의 무화(atomization) 현상이 일어나 연료의 미립화를 촉진한다.
이와 같은 현상은 20kHz 이상에서부터 약 5μm 정도의 평균입경(Sauter's Mean Diameter, SMD)을 가진 연료 분무가 발생하는 것을 알 수 있으며, 이는 20kHz 이상의 고주파수 영역에서는 입자의 가속도가 중력가속도의 1 백만 배에 해당할 정도의 고속이기에 가능하다. 여기서 상기 SMD은 총 체적을 총표면적으로 나눈 평균입경의 의미를 가지고 있다. 상기 SMD의 값이 작을수록 단위체적당 표면적이 증가하여 증발시간이 짧아짐을 나타낸다.
즉, 상기 음파 발생기(600)로부터 발생되는 초음파에 의해 연료의 미립화가 더욱 촉진되므로, 분무 액적의 크기를 더욱 감소시킬 수 있는 것과 동시에, 분무각이 넓어질 수 있어 연소효율을 더욱 높일 수 있다.
본 실시예에서, 음파 발생기(600)는 압전소자(미도시)에 고주파 전류를 흘려서 빠르게 진동시키지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 자성 물체에 대해 자기장을 변화시켜 진동하도록 해서 초음파 진동을 발생시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 상기 음파 발생기(600)는 상기 와류기(400)로부터 발생되는 와류에 의해 생성된 주파수에 상관없이 초음파를 발생시키지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 음파 발생기(600)는 상기 와류기(400)로부터 발생되는 와류에 의해 생성된 주파수와 동일한 주파수를 발생시킬 수 있다. 이때, 사용되는 음파 발생기(600)는 펑션 제너레이터(Function Generator)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 펑션 제너레이터는 임의의 파형을 갖는 주파수를 발생시키는 장치로, 낮은 주파수부터 초음파 영역의 주파수 영역을 포함할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 연료 챔버(141) 내에는 주파수 감지기(620)가 설치될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 주파수 감지기(620)는 상기 연료 공급관(100)의 연료 유입구(120)와 인접한 위치에 설치될 수 있다. 상기 주파수 감지기(620)는 상기 와류기(400)로부터 발생되는 와류에 의해 생성된 주파수를 감지하여, 감지된 주파수 값을 송신하는 역할을 한다.
한편, 본 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 소각용 액체 연료 분무 인젝터에는 전자제어유닛(700)이 구비될 수 있다. 상기 전자제어유닛(700)은 상기 주파수 감지기(620)로부터 주파수 값을 수신받아 상기 음파 발생기(600)가 동일한 주파수를 발생시키도록 제어할 수 있다. 이와 같이 되면, 와류는 더욱 강해져서 상기 연료 공급관(100)의 내부 유동을 크게 변화시켜 줄 수 있다. 따라서 분무각이 더욱 넓어질 수 있어 연소 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 소각용 액체 연료 분무 인젝터에 의하면, 연료가 센터 유로관(110) 및 복수 개의 선회 유로관(111)으로 구성되는 연료 공급관(100)을 유동하며 분무 노즐(300)을 통해 분무되므로, 그 분무 액적의 크기가 작고 넓게 퍼지면서 분무될 수 있다.
따라서 연소 효율을 높일 수 있으므로, 불꽃의 온도가 너무 높게 상승되는 것을 방지하는 것과 동시에 불꽃의 길이가 짧아지도록 함으로써, 연소 시 질소산화물(NOx)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있다.
그리고 상기 연료 챔버(141)에는 와류를 발생시킴으로써 연료의 유동을 크게 변화시키는 와류기(400)가 설치된다. 따라서 연료의 미립화가 더욱 촉진되므로, 분무 액적의 크기를 더욱 감소시킬 수 있는 것과 동시에, 분무각이 넓어질 수 있어 연소효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 상기 연료 공급관(!00) 내에 음파 발생기(600)가 설치되어, 와류에 의해 생성된 주파수와 동일한 주파수를 발생시켜 연료의 유동을 더욱 크게 발생시킬 수 있다. 따라서 연료의 미립화가 더욱 촉진되므로, 분무 액적의 크기를 더욱 감소시킬 수 있는 것과 동시에, 분무각이 넓어질 수 있어 연소효율을 더욱 높일 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 연료 공급관 110: 센터 유로관
111: 선회 유로관 120: 연료 유입구
130: 연료 토출구 140: 연료 챔버
200: 기체 공급관 210: 기체 유입구
220: 기체 토출구 230: 기체 유로
300: 분무 노즐 310: 연결구
320: 분무구
400: 나노버블 발생기 420: 원통체
430: 블레이드 440: 관통공
500: 모터 510: 회전축
S: 연소실

Claims (10)

  1. 일단에 연료의 유입을 위한 연료 유입구가 형성되며, 타단에 상기 연료 유입구로부터 유입된 연료가 토출되는 연료 토출구가 형성되고, 상기 연료 유입구 및 상기 연료 토출구 사이에 연료의 이동을 안내하는 복수 개의 연료 유로가 구비되는 연료 공급관;
    일측이 상기 연료 유입구와 연통되고, 내부에 연료가 수용되는 연료 챔버가 형성되는 연료 탱크;
    상기 연료 챔버에 설치되어 와류를 발생시켜 연료를 상기 연료 공급관으로 전달하는 와류기; 및
    일단에 상기 연료 토출구와 연통되는 연결구가 형성되고, 타단에 연료가 외부로 분무되는 방향으로 분무구가 형성되어, 연료가 상기 연결구를 지나 상기 분무구를 통과하면서 무화(atomization)되도록 연료 및 기체를 분무시키는 분무 노즐;을 포함하여 구성되고,
    상기 연료 공급관은,
    상기 연료 유입구로부터 상기 연료 토출구를 향해 수평 방향으로 연장되는 센터 유로관, 및
    상기 센터 유로관을 중심으로 좌측 및 우측에 각각 대응되게 형성되는 선회 유로관을 포함하여 구성되며,
    상기 선회 유로관은 곡선으로 이루어지고,
    상기 센터 유로관의 내측에 설치되어 음파를 발생시켜 연료의 무화(atomization) 현상을 촉진하는 음파 발생기를 포함하며,
    상기 연료 챔버 내에 설치되고, 와류에 의해 생성된 주파수를 감지하여 감지된 주파수 값을 송신하는 주파수 감지센서, 및
    상기 주파수 감지센서로부터 주파수 값을 전달받아 상기 음파 발생기가 동일한 주파수 값을 발생시키도록 상기 음파 발생기를 제어하는 전자제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 유입구의 단면적은 상기 연료 유입구와 수평 방향으로 연결되는 상기 센터 유로관의 일단의 단면적 보다 작고,
    상기 센터 유로관의 일단의 단면적은 상기 센터 유로관의 중심의 단면적보다 작으며,
    상기 센터 유로관의 중심의 단면적은 상기 연료 토출구와 연결되는 상기 센터 유로관의 타단의 단면적보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 센터 유로관의 일단에서 상기 센터 유로관의 중심으로 향할수록 폭이 커지는 방향으로 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 선회 유로관은 상기 분무 노즐을 중심으로 방사상으로 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 와류기는,
    모터의 회전축과 회전가능하게 결합되는 구동축, 및
    상기 구동축의 외주면에 상기 구동축의 길이방향을 따라 연장되어 형성되는 나선형의 블레이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연료 유입구와 반대되는 위치의 상기 연료 탱크의 타측에는 연료를 상기 연료 챔버 내로 공급하기 위한 연료 공급라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    일단에 기체의 유입을 위한 기체 유입구가 형성되고, 타단에 상기 연결구와 연통되어 상기 기체 유입구로부터 유입된 기체가 토출되는 기체 토출구가 형성되며, 상기 기체 유입구 및 상기 기체 토출구 사이에 기체의 이동을 안내하는 기체 유로가 형성되는 기체 공급관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소각용 액체 연료 분무 인젝터.
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