KR102470433B1 - 와류 구동식 수동형 수소 재결합기 및 점화기 - Google Patents
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Abstract
점화기 장치는, 고속 부력에 의해 유도된 와류를 생성하여, 주변으로부터의 수소 및 공기를 "점화기 코어"로 집중시키고, 이 "점화기 코어"는 그 표면 상의 수소의 발열 촉매 산화에 의해 자동 점화 온도까지 가열된다. 생성물로서 물(증기)이 형성되고, 물(증기)이 촉매 표면으로부터 박리되지 않는다면 그것은 산화 반응을 억제한다. 와류의 고속은 반응에 의해 형성된 증기의 경계층의 박리를 보장하여, 보다 많은 활성 부위를 수소 산화에 이용할 수 있게 한다. 와류는 가이드 핀에 의해 상향 드래프트를 와류로 유도함으로써 형성된다. 상향 드래프트는 수소 재결합 촉매로 피복된 플레이트에 의해 형성된다. 수소를 함유한 공기의 존재 하에서 동일한 촉매 산화 반응에 의해 플레이트가 뜨거워진다.
Description
본 발명은 일반적으로 수소 폐기 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 원자력 발전소를 위한 수소 점화기 및 수소 재결합기에 관한 것이다.
종래의 수냉식 원자로는 냉각재 손실 사고("LOCA")로 인한 격납장치의 완전성에 대한 위협을 최소화하도록 설계된다. LOCA는 두 가지 뚜렷한 문제를 일으킬 수 있다. 먼저, 원자로 냉각재 회로의 파손으로 인해 뜨거운 물과 증기가 격납장치 분위기로 배출된다. 격납장치에서 열을 제거하기 위한 시스템을 사용하지 않는다면 격납장치 내의 압력 및 온도가 격납장치 용기의 설계 한계를 넘어 상승할 수 있다. 둘째, 냉각재 손실 뿐만 아니라 비상 냉각재를 냉각재 시스템에 주입하지 못하는 것을 포함한 심각한 LOCA에서, 연료 온도가 상승하면 1 차 시스템의 잔류 증기와 연료 피복(fuel sheathing)의 지르코늄 사이에 고온 반응이 발생한다. 심각한 경우에는 연료 피복이 완전히 산화될 수도 있다. 반응은 발열성이며 수소를 생성한다. 반응에서 생성된 수소는 1 차 시스템의 파괴점(break point)부터 증기와 함께 격납장치 분위기 내로 배출된다. 심각한 사고시에 수소의 질량 방출률은 초당 1 킬로그램 정도일 수 있다. 수소 농도를 자체 점화 한계 미만으로 유지하기 위한 시스템을 사용하지 않는다면, 잠재적인 폭발성 가스 혼합물이 원자로 격납장치에 생성될 수 있다.
수냉식 원자로의 새로운 설계는 LOCA의 영향을 완화하는데 있어 전기 공급, 공급수(service water) 및 작업자의 행동에 의존하지 않게 한다. 이러한 설계는 격납장치 압력을 설계 한계 내로 유지하기 위해서, 수동형 수단(passive means)을 사용하여 격납장치 분위기로부터 격납장치 벽을 통해 열을 전달한다. 예를 들어, 열 전달을 증진하기 위해 강철(steel) 격납장치 벽과, 상승된 탱크로부터의 외부 물 냉각이 사용된다. 격납장치 분위기로부터의 열은 자연 대류에 의해 격납장치 벽으로 전달된다. 파괴(break)부터의 뜨거운 증기는 공기와 혼합되어 격납장치의 꼭대기로 올라가고, 차가운 격납장치 벽과 접촉하는 것에 의해 냉각된다. 더 차갑고 더 밀도가 높은 혼합물이 떨어져서 자연 순환 과정이 시작되며, 이 과정에서 벽 근처의 흐름이 감소하고 중앙 영역의 흐름이 증가한다. 초기 블로우 다운 기간 이후에, 차가운 격납장치 벽 및 임의의 다른 차가운 표면의 증기 응결률이 파괴부터의 증기 배출률과 동등해질 때까지 격납장치 내의 압력 및 온도가 증가한다.
종래의 원자로 설계는 수소 축적을 완화시키기 위한 다양한 수단을 사용한다. 사전 불활성화(pre-inerting)가 하나의 수단이며 정상적인 발전소 운전을 위한 시동 전 또는 시동 중에 격납장치 내에 산소 고갈 분위기를 생성시키는 것을 포함한다. 불활성 가스(보통 질소)가 격납장치 내로 주입되어 공기를 대체하여 공기기를 동시에 대기로 내보내고 산소 농도를 수소 연소에 필요한 레벨 미만으로 감소시킨다. 사전 불활성화는 보통 대규모 설계에 내재된 실제적인 어려움을 고려하여 소규모 격납장치에만 적용된다.
중간규모 및 대규모 격납장치 설계의 경우, 수소 점화기(hydrogen igniters)가 흔히 수소 완화를 위해 고려된다. 수소 점화기들은 통상적으로 격납장치 전체를 통해 특히 높은 수소 농도가 높을 것 같은 영역에 분포된다. 수소 점화기는 그 농도가 점화 임계 값을 초과하자마자 연소를 시작하여, 느린 폭연에 의해 수소를 제거하면서 공간 및 시간적으로 에너지 방출을 분배한다. 그러나, 수소 점화기 사용에 있어서는, 하나의 위치에서 시작된 폭연이 근처의 보다 민감한 영역(즉 수소의 방출 지점에 더 가까움)으로 전파되거나 또는 가연성 인접 체적으로 배출(소위 제트 점화)되어 예상보다 더 활발하게 전파될 수도 있는 위험이 있다. 이로 인해 폭연에서 폭발로 전환되어 격납장치 구조물 및 장비에 매우 많은 부하(load)를 유발할 수 있다. 의도적 점화 방법에 대한 추가 단점은 혼합물의 의도적 점화로 인해 발생할 수도 있는 연소 유형 및 혼합 거동의 예측 불가능성이다. 이러한 불확실성은 폭연 없이 수소를 제거하는 방법에 대한 연구를 촉진시켰다. 또한, AC 전력에 의존하는 점화기는 전기 공급 상실의 경우 사용할 수 없으며, 전지 구동식 점화기(battery-powered igniter)는 사용 가능한 제한된 전력을 고려하여 간헐적인 작동으로 제한되고, 촉매 점화기는 점화가능한 혼합물의 범위, 그들의 반응 시간, 및 중독(poisoning), 파울링(fouling) 또는 기계적 손상에 대한 민감성과 관련된 제한을 갖는다. 결과적으로, 수소 농도를 폭연 한계 미만으로 유지하는 일부 다른 수단을 제공하고 그러한 다른 수단이 효과 없는 경우에만 의도적인 점화에 의존하는 것이 통상적인 관행이다.
그러한 다른 수단 중 하나는 수소 재결합기의 사용이다. 수소 재결합기는 수소와 산소를 결합하여 물을 생성함으로써, 격납장치 내의 수소 농도를 감소시킨다. 열방식 재결합기와 달리 촉매식 재결합기는 자체 기동식(self-starting)이며 외부 동력이 필요하지 않고, 따라서 수동형 시스템의 일부로서 사용할 수 있다. 격납장치 내의 사용을 위해 촉매식 수소 재결합기가 제안되었지만, 그것은 다수의 요인으로 인해 실제로 널리 사용되지 않았다. 대형 원자로 설계에서는, 격납장치 전체에 걸쳐 파괴원(break source)에서 발생된 수소를 희석하기 위해 격납장치 분위기 혼합을 사용하여는 것이 관례이다. 이것은, 레벨이 폭연 한계에 도달하기 전에, 격납장치의 큰 체적이 아주 대량의 수소를 희석할 수 있을 때에는 효과적인 것으로 간주된다. 이것은, LOCA를 처리하기 위해 비상 조치를 취할 수 있는 합리적인 시간을 제공한다.
효과적으로 작동하기 위해, 수소 재결합기는 비교적 높은 유량의 공기를 필요로 한다. 통상적으로 사용되는 바와 같은, 격납장치 냉각을 달성하기 위한 격납장치 분위기의 자연 순환에서는, 전형적으로, 유효한 수동형 수소 재결합기가 격납장치의 큰 체적을 처리할 만큼 충분히 높은 유량의 공기가 생성되지 않는다. 또한, 격납장치 내의 기계장치 및 빈공간들의 존재로 인해, LOCA에 의해 유도된 자연 대류 유동 패턴은 예측 또는 모델링이 대단히 어려우며, 그 결과 수동형 수소 재결합기를 위한 최적 위치의 선택은 최선을 다해도 과학적으로 부정확하다. 결과적으로, 수소 재결합기는 통상적으로 통풍 덕트 내에 배치하도록 고려되며, 이를 통해 격납장치 분위기의 일부가 팬에 의해 순환된다. 물론 이것은 수동형 시스템이 아니며 순환 팬을 구동하기 위한 전력의 상실의 경우 비효율적이다. 재결합기로의 공기 유동을 개선하기 위한 다양한 방법이 제안되었다. DE 3035103호에는 굴뚝 효과에 의해 재결합기로의 유동을 향상시키기 위해 수직 샤프트 및 샤프트 내의 가열 장치를 사용하는 것이 개시되어 있다. 샤프트가 재결합기로의 유동을 안내하기에는 효율적이지만, 상향 공기 흐름을 생성하기 위해 사용되는 전기 히터는 외부 동력에 의존한다. 또한, 대형 샤프트는 격납장치 내의 장비와의 통합에 있어 명백한 물리적 어려움을 나타낸다.
많은 한계를 감안할 때, 수소 재결합기는 방사선 분해 및 부식으로부터 생성된 수소의 일상적인 제거에만 허용가능한 것으로 밝혀졌다. 사고 제어 적용을 위해, 지금까지 상업적인 원자로는 수소 재결합기에만 의존하지 않았으며, 그 대신 점화기 및/또는 불활성화를 추가로 제공한다. 그러므로, 촉매식 재결합기에 의해 수소가 제거될 수 있는 조건을 개선할 필요가 있다.
본 발명은, 수소 재결합 촉매로 피복된 하측면을 갖는 실질적으로 수평인 금속 플레이트를 포함하며, 상기 실질적으로 수평인 금속 플레이트는 실질적으로 수평인 금속 플레이트 아래의 제 1 가스 흡입구와 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 외주 둘레의 제 1 가스 유출구를 갖는 주변 하우징 내에 지지되는, 수동형 수소 재결합기 및 점화기를 제공함으로써, 상기 목적을 달성한다. 하우징 및 제 1 스월 베인 세트를 통한 제 2 가스 흡입구는 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 상측면에 실질적으로 근접하고 그와 연통하여 제공되며, 상기 제 1 스월 베인 세트는 제 2 가스 흡입구를 횡단하는 제 2 가스로부터 와류를 생성하도록 구성된다. 하우징의 상부를 통해 제 2 가스 유출구가 제공되며, 그를 통해 와류가 빠져 나간다. 제 1 수동형 점화기가 제 1 가스 흡입구에 근접하여 지지되고, 제 2 수동형 점화기가 제 2 가스 유출구에 근접하여 지지된다.
바람직하게는, 수소 재결합 촉매는 백금 또는 팔라듐 또는 이들의 조합이며,실질적으로 수평인 금속 플레이트의 하측면은, 수소 재결합 촉매로 덮이고 제 1 가스 흡입구로 유입되는 제 1 가스를 제 1 가스 유출구로 유도하도록 구성된 하향 돌출 베인을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 가스 유출구는 제 1 세트의 스월 베인 중 적어도 일부의 내부를 통해 상향 연장되고 제 2 가스 유출구 외부로 배출된다. 바람직하게는, 제 1 세트의 스월 베인은 스월 베인을 통해 이동하는 제 1 가스로부터의 열을 제 2 가스 흡입구로 들어가는 제 2 가스로 전달하도록 구성된다. 바람직하게는, 제 1 점화기는 표면적을 증가시키기 위해 스프링으로서 권취된 백금 또는 팔라듐 와이어이며, 제 2 점화기는 와류에 의해 구동된다. 제 2 점화기는 점화 활성화 에너지로서 스파크를 생성하기 위해 반데그라프의 발전기(van de Graf generator)와 유사하게 전하를 축적하는 회전 장치, 특정 전압에 도달하면 스파크를 발생시키도록 구성된 커패시터를 충전하는 발전기를 구동하는 회전 장치, 또는 스파크를 생성하기 위해 압전을 구동하는 회전 장치일 수도 있다.
다른 실시예에서, 제 2 가스 유출구는 제 2 가스 유출구로부터 이격된 커버를 포함하여 제 2 가스가 커버 아래로부터 배출될 수 있다. 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 상측면은 그 표면에 부착된 제 2 세트의 스월 베인을 가질 수도 있고, 제 2 세트의 스월 베인은 와류와 동방향이도록 구성된다. 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 상측면은 또한 수소 재결합 촉매로 실질적으로 덮일 수도 있다.
본 발명은 또한 제 1 가스가 처리될 하우징의 제 1 가스 흡입구를 통해, 잠재적으로 수소를 성분으로 갖는 제 1 가스를 수동적으로 수집하는 단계를 포함하는 수소의 재결합 및 점화 방법을 고려한다. 상기 방법은 제 1 가스를 제 1 가스 흡입구로부터 수소 재결합 촉매로 피복된 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 하측면으로 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 하측면을 따라 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 주변부의 제 1 가스 유출구를 향해 지향시킨다. 상기 방법은 또한 잠재적으로 수소를 성분으로 갖는 제 2 가스를, 하우징을 관통하는 제 2 가스 흡입구를 통해 그리고 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 상측면에 실질적으로 근접해서 그 상측면과 연통하는 제 1 세트의 스월 베인을 통해 수동적으로 수집하며, 상기 스월 베인은 제 2 가스 흡입구를 가로지르는 제 2 가스로부터 와류를 생성하도록 구성된다. 그 후, 이 방법은 하우징의 상부를 관통하는 제 2 가스 유출구에서 와류를 방출시키고, 제 1 가스 흡입구의 진입부에서 제 1 수동형 점화기를 지지하고 제 2 가스 유출구 근방에서 제 2 수동형 점화기를 지지한다. 바람직하게는, 제 2 점화기는 와류로부터 동력을 공급 받고 점화 활성화 에너지로서 스파크를 생성하기 위해 전하를 축적하는 회전 장치일 수도 있다. 바람직하게는, 상기 방법은 제 2 가스 유출구로부터 이격된 커버를 포함하고 제 2 점화기를 차폐하는 단계를 포함한다.
하기의 바람직한 실시예의 설명을 첨부도면을 참조하여 숙독하면 본 발명에 대한 추가의 이해를 얻을 수 있다. 도면에 있어서,
도 1은 일부가 절결된 본 발명의 일 실시예의 3 차원 도면이다.
도 2는 일부가 절결된 본 발명의 재결합기, 점화기의 2 차원 도면이다.
도 3은 본 발명의 수소 재결합기 점화기의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 수소 재결합기 점화기의 평면 단면도이다.
도 1은 일부가 절결된 본 발명의 일 실시예의 3 차원 도면이다.
도 2는 일부가 절결된 본 발명의 재결합기, 점화기의 2 차원 도면이다.
도 3은 본 발명의 수소 재결합기 점화기의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 수소 재결합기 점화기의 평면 단면도이다.
전술한 바와 같이, 원자력 발전소의 심각한 사고 시나리오에서, 격납 장치 내의 수소 폭발은, i) 공기중으로부터의 수소와 산소를 수동식으로(passively) 재결합하여 수증기를 형성하는 PAR(passive autocatalytic recombiners: 수동형 자동촉매식 재결합기)에 의해 (대체로 대형의 건식 격납장치 내에 이용됨), ii) 대기를 불활성화시키는 것에 의해 (실제로 매우 소형의 격납장치 내에만 유용함), 그리고 iii) 보다 낮은 가연성 한계에서 수소의 점화 온도보다 높은 온도까지 가열되는 전기 구동식(즉 전기에 의해 구동되는) 가열 요소(활성 점화기)에 의해 (얼음 응축기 스타일 격납장치, BWR Mark III 격납장치 및 2003 년 10 월 16 일 이후에 허가된 수냉식 원자로의 모든 격납장치에 사용됨) 완화된다. 본 발명의 목적은 활성 점화기 기술을 대체하는 것이다.
현재의 활성 점화기는 본질적으로 수소가 형성 또는 축적될 것으로 예상되는 격납장치 내측의 전략적 위치에 배치되는 열 글로우 플러그(thermal glow plug)이다. 외부 AC 전력을 사용할 수 있는 사고 중에는 백업 전력이 필요하지 않으며 점화기가 신뢰성 있다. 외부 AC 전력이 상실되는 사고 시나리오에서는 일반적으로 독립적으로 가동되는 두 개의 백업 그룹이 있으며, 각 백업 그룹은 대략 33 개의 점화기를 갖는다. 하나의 열(train)에는 백업 구동식 디젤 발전기가 있고 다른 열은 배터리로 구동된다. 일부 경우 예비 디젤 발전기(redundant diesel generator) 또는 휴대용 발전기가 제공된다. 배터리로 작동하는 경우 백업은 일반적으로 4 시간의 연속 동력 공급을 위해 설계된다.
현재의 점화기의 주요 관심사는 대규모의 케이블 연결의 필요, 정전시 유지 관리의 어려움 및 외부 동력 작동의 필요성이다. 또한 시간이 지남에 따라 이 케이블이 닳아서 교체해야 한다. 따라서 외부 동력, 관련 배선 및 제어에 의존하지 않는 수동적이고 독립적인 수소 점화기(passive, self-contained hydorgen igniter)가 필요하다. 현재의 점화기와 달리, 본 명세서에 개시된 시스템은 이러한 기준을 충족시킨다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 장치는 기능하기 위해 작업자의 개입을 필요로 하지 않는다.
과거에, 수소 재결합 촉매를 사용하는 수동형 점화기 설계가 있었다. 이러한 수동형 점화기를 사용하는 데에는 몇 가지 중요한 도전 과제가 있다. 첫째, 촉매를 통한 자연 대류 공기 흐름이 느리기 때문에 점화기의 가열 과정이 느리다. 둘째, 반응이 시작됨에 따라 촉매 표면에 물이 형성되어 재결합 반응을 억제하는 경향이 있다. 반응이 계속됨에 따라, 플레이트의 온도가 상승하면 발열 반응으로부터 생성된 증기가 스스로 제거되고, 보다 빠른 공기 흐름 속도로 인해 물 분자를 제거할 수 있다. 플레이트가 약 5000℃보다 높은 온도에 도달하면 이 속도에 도달한다.
본 명세서에 개시된 수동형 점화기는 공기 중에서의 수소의 촉매 산화에 의해 고온 표면을 생성하고; 촉매 표면을 가로질러 연속적인 공기 흐름을 자연적으로 보충하고; (수직 부력과 비교하여) 고속을 갖는 와류를 자연적으로 형성하여, 촉매로의 및 촉매로부터의 질량 전달을 개선함으로써 자동 촉매 성능을 향상시킨다. 이 세 가지 요인은 모두 단순 상향 드래프트(draft)를 이용하는 수동형 점화기와 비교하여 더 낮은 수소 농도에서 수동형 점화기의 보다 신속한 가열을 허용한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 본 명세서에 기술된 본 발명은 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)를 포함하고, 그 플레이트의 바닥(16)은 백금 또는 팔라듐 또는 이들의 혼합물과 같은 수소 재결합 촉매로 피복된다. 플레이트는 바람직하게는 높은 열 전도성을 갖는 재료로 만들어진다. 수소와 공기의 존재 하에서 플레이트의 바닥은 그 표면 상에서 수소와 재결합하여 열을 발생시킨다. 플레이트(14)의 바닥(bottom: 16)이 가열되면, 정상부(top: 18)도 가열된다. 플레이트(14)의 정상부(18)가 가열됨에 따라, 플레이트 정상부 위의 공기가 가열되고 인접한 공기가 그의 부력으로 인해 상승한다. 주변에서 보다 차가운 공기가 유입되어 그 장소를 차지한다. 그러나, 플레이트 주위의 신선한 유입 공기의 통로에는 방사상 나선형 베인들(28)이 늘어서 있다. 이들 베인 플레이트(28)는 사막에서 자연적으로 발생하는 회오리형 모래 바람(dust devil)과 유사하게, 유입 공기가 와류(vortex: 24)로 수렴되도록 한다. 이 와류(24)는 상방으로 이동하고 좁은 굴뚝(22)을 통해 빠져 나간다. "점화기 코어"(igniter core: 26)가 전략적으로 굴뚝(22)의 입구(mouth)에 배치된다. 수평 플레이트의 바닥과 유사하게, 점화기 코어도 또한 수소 재결합 촉매로 피복된다. 와류(24)의 빠른 속도는, 1) 촉매를 새로운 반응물로 보충하고 2) 촉매 표면으로부터 물 분자(촉매 반응의 부산물)를 제거함으로써, 높은 재결합 반응률을 보장한다. 한편, 수평 플레이트(14)는 고온으로 가열될 필요가 없다. 과거의 연구에 따르면, 뜨거운 표면과 대기 사이의 100℃ 온도차 만으로도 매우 빠른 속도(8-10m/s)의 와류 형성이 달성될 수 있다. 따라서, 더 낮은 수소 농도에서, 수평 플레이트(14)는 적어도 200-500℃보다 큰 온도차를 요구하는 수직 대류 드래프트(0.5 내지 1 m/s)와 비교하여 매우 빠른 속도(8 내지 11 m/s)의 와류를 생성할 수 있다.
수평 플레이트(14)의 바닥(16)은 와류 흐름(24)을 방해하지 않는 하우징(12) 내의 통로(30)를 통해 배기될 필요가 있다. 따라서, 가이드 핀 또는 베인(28)의 내부(32)는 그 목적 달성에 도움을 준다. 가이드 베인(28)의 내부(32)는 수평 플레이트(14) 아래로부터의 가열된 공기가 도 2에 도시된 바와 같이 상승해서 장치를 빠져 나가게 하기 위한 통로를 형성한다. 상기 내부는 또한 와류 유입 공기(20)가 베인(28)의 외부를 따라 흐를 때 그의 예열을 허용한다. 수평 플레이트(14)의 바닥(16)은, 1) 더 큰 촉매 표면적을 허용하고, 2) 가이드 핀(28)의 내부(32)로 유체 역학적으로 보다 유리한 경로로 뜨거운 공기를 안내하고 장치(10)를 빠져 나가게 하기 위해, 핀(fin: 34)을 가질 수 있다. 유사하게, 수평 플레이트(14)의 정상부(18)에는, 수평 플레이트로부터 공기로 보다 양호한 열 전달을 허용하기 위해 와류 흐름에 대해 동일방향인 핀(36)이 제공될 수 있다. 핀(36) 대신에, 핀 또는 플레이트로부터 공기로 열을 효과적으로 전달하기 위해 수직 핀 또는 편평한 플레이트 또는 다른 플레이트 구조가 사용될 수 있다. 와류(24)의 가열을 향상시키기 위해, 수평 플레이트(14)의 정상부(18)도 또한 수소 재결합 촉매로 피복될 수 있다. 도 1-4는 전술한 원리를 사용하는 바람직한 실시예를 도시한다. 또한, 수평 플레이트(14) 아래의 예열기 섹션(40)의 입구(mouth), 즉 하측 공기 흡입구(42)에는 코일형 스프링 점화기(38)가 있으며, 이는 또한 흡입구(42)로 유입되는 신선한 공기(수소를 포함함)에 대해 점화를 유도할 수 있다.
와류 출구(44)에 있는 점화기(26)에 대한 대안적인 실시예는 회전 메커니즘을 이용하여 [반데그라프의 발전기(van de Graf generator)와 유사한] 몸체에 전하를 축적해서 점화 활성화 에너지로서 스파크를 생성하는 것이다. 또한, 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 상부 표면(18) 상에 제 3 세트의 베인(36)이 형성되어, 부력이 있는 가열된 공기층이 상승함에 따라 회전하도록 함으로써 원주형 와류(columnar vortex)를 형성할 수 있으며, 이 원주형 와류는 고정될 수 있고, 추가의 뜨거운 공기를 끌어들여서 그 자신을 유지하여 화학 에너지와 전기 에너지 사이에 새로운 열-기계적 링크를 제공한다. 추가로, 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 상부 표면(18) 및 제 3 세트의 베인(36)은 수소 재결합 촉매로 피복될 수 있다.
상부 점화기(26)의 다른 대안적인 실시예는 와류(24)가 (커패시터를 충전하는) 발전기를 구동시켜 특정 전압에 도달하면 스파크를 발생시키는 것이다. 상부 점화기(26)에 대한 추가의 대안적인 실시예는 와류(24)에 의해 구동되는 회전 메커니즘이 압전 장치를 구동하게 하는 것이다. 하나의 이러한 회전 메커니즘은 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 상부 중심에 회전 가능하게 부착된 샤프트로서, 이 샤프트는 수직으로 연장되며, 베인이 샤프트의 표면으로부터 방사상으로 그리고 샤프트의 표면 둘레로 나선형으로 연장된다.
따라서, 본 발명은 자체 작동 및 자체 유지되는 수동형 수소 점화기(10)를 제공한다. 부력 유도된 와류(24)는 고속 공기가 점화기 코어를 활성화시켜, 점화기가 보다 빠르게 그리고 더 낮은 농도에서 자동 점화 온도에 도달하게 한다. 점화기는 와류(24)가 낮은 플레이트 온도에 의해 형성될 수 있게 하여, 보다 낮은 농도의 수소(공기 중 4% 이상, 8mol % 미만의 수소)에서 점화될 수 있게 한다. 가이드 핀(28)은 하기의 이중 기능을 갖는다: 1) 외부 표면이 유입 공기를 안내하여 와류를 형성하고; 2) 내부 표면이 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14) 재결합 반응의 바닥(16)으로부터의 배기 고온 공기를 위한 통로를 제공하고; 3) 내부의 고온 공기가 와류 유입 공기(20)를 예열하여 점화까지의 시간을 단축시킨다. 와류(24)는 또한 자체 구동되는 수직축 회전 베인을 사용하여 다른 전기 스파크 발생기를 작동시킬 수 있다. 스프링 점화기(38)는 예열기 유입구(42)의 속도가 상승하자마자 점화를 일으킬 수 있다. 굴뚝 후드(46)는 점화기 코어의 촉매 표면이 격납장치 분사물(spray), 물 등에 노출되는 것을 방지하지만, 다른 촉매 표면[실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 하부 핀(34) 및 스프링 점화기(38)]은 장치의 설계에 의해 보호된다. 이 디자인의 보다 큰 버전은, 낮은 가연성 한계(<4%)에 도달하기 전에 대량으로 수소를 변성시키기 위해 사용되는 기존의 PAR(passive autocatalytic recombiners: 수동형 자동촉매식 재결합기)과 폭발 레벨(>10%)에 도달하기 전에 잉여 수소를 점화시키는 활성 점화기의 이중 기능을 위해 설계될 수 있다. PAR은 대체로 보다 느리며, 이 실시예는 공정의 속도를 상승시켜, 설계 토대의 발전소 안전성 및 설계 토대를 넘는 사고에서의 발전소 안전성을 향상시킨다.
본 발명의 특정 실시예가 상세히 설명되었지만, 당업자는 이러한 세부 사항에 대한 다양한 수정 및 대안이 본 개시의 전체 교시에 비추어 전개될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 단지 예시적인 것이며 첨부된 청구 범위의 전체 폭 및 이의 임의의 및 모든 등가물이 제공될 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 의도된다.
Claims (15)
- 수동형 수소 재결합기 및 점화기(10)에 있어서,
수소 재결합 촉매로 피복된 하측면(16)을 갖고 주변 하우징(12) 내에 지지되는 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)―상기 하우징(12)은 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14) 아래에 제 1 가스 흡입구(42)를 갖고, 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 주변부 둘레에 제 1 가스 유출구(30)를 가짐―와;
하우징(12)을 통과하고 그리고 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 상측면에 실질적으로 근접해서 이 상측면과 연통하는 제 1 세트의 스월 베인(28)을 통과하는 제 2 가스 흡입구(20)―상기 제 1 세트의 스월 베인은 상기 제 2 가스 흡입구를 가로 지르는 제 2 가스로부터 와류(24)를 생성하도록 구성됨―와;
상기 와류(24)가 관통하여 빠져 나가는, 하우징(12)의 상부를 관통하는 제 2 가스 유출구(44)와;
제 1 가스 흡입구(42)에 근접하여 지지되는 제 1 수동형 점화기(38)와;
제 2 가스 유출구(44)에 근접하여 지지되는 제 2 수동형 점화기(26)를 포함하는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
수소 재결합 촉매가 백금 또는 팔라듐 또는 이들의 조합인
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 하측면은 수소 재결합 촉매로 덮인 하향 돌출 베인(34)을 포함하고, 상기 하향 돌출 베인은 제 1 가스 흡입구(42)로 들어간 제 1 가스를 상기 제 1 가스 유출구(30)로 보내도록 구성되는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 가스 유출구(30)는 제 1 세트의 스월 베인(28) 중 적어도 일부 스월 베인의 내부를 통해 연장되고 제 2 가스 유출구(44) 외부로 나가는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 스월 베인(28)은 스월 베인을 통해 이동하는 제 1 가스로부터 제 2 가스 흡입구(20)로 들어가는 제 2 가스로 열을 전달하도록 구성되는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 점화기는 와류에 의해 가동되는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 가스 유출구는 상기 제 2 가스 유출구(44)로부터 이격된 커버(46)를 포함하여 상기 제 2 가스가 상기 커버 아래로부터 배출될 수 있는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
상기 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 상측면은 그 표면에 부착된 제 2 세트의 스월 베인(36)을 갖는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 세트의 스월 베인(36)은 와류(24)와 동일 방향인
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 제 1 항에 있어서,
상기 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 상측면(18)은 수소 재결합 촉매로 실질적으로 덮여 있는
수동형 수소 재결합기 및 점화기. - 수소를 재결합 및 점화시키는 방법에 있어서,
잠재적으로 수소를 성분으로 갖는 제 1 가스를, 제 1 가스가 처리될 하우징(12)의 제 1 가스 흡입구(42)를 통해 수동적으로 수집하는 단계와;
상기 제 1 가스를 상기 제 1 가스 흡입구(42)로부터, 수소 재결합 촉매로 피복된 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 하측면(16)으로 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 하측면을 따라 실질적으로 수평인 금속 플레이트의 주변부에 있는 제 1 가스 유출구(30)까지 지향시키는 단계와;
잠재적으로 수소를 성분으로 갖는 제 2 가스를, 하우징(12)을 관통하는 제 2 가스 흡입구(20)를 통해 그리고 실질적으로 수평인 금속 플레이트(14)의 상측면(18)에 실질적으로 근접하여 상기 상측면(18)과 연통하는 제 1 세트의 스월 베인(28)을 통해 수동적으로 수집하는 단계―상기 스월 베인은 상기 제 2 가스 흡입구를 가로지르는 제 2 가스로부터 와류(24)를 생성하도록 구성됨―와;
상기 하우징(12)의 상부를 통과하는 제 2 가스 유출구(44)에서 와류(24)를 배출하는 단계와;
상기 제 1 가스 흡입구(42)의 진입부에서 제 1 수동형 점화기(38)를 지지하는 단계와;
상기 제 2 가스 유출구(44) 근처에서 제 2 수동형 점화기(26)를 지지하는 단계를 포함하는
수소의 재결합 및 점화 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 가스 유출구(30)는 상기 제 1 세트의 스월 베인(28) 중 적어도 일부 스월 베인의 내부를 통해 상향 연장되어 상기 제 2 가스 유출구(44) 외부로 나가는
수소의 재결합 및 점화 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 와류(24)로부터 상기 제 2 점화기(26)를 가동시키는 단계를 포함하는
수소의 재결합 및 점화 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 2 점화기(26)는 점화 활성화 에너지로서 스파크를 생성하기 위해 전하를 축적하는 회전 장치인
수소의 재결합 및 점화 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 가스 유출구(44)는 상기 제 2 가스 유출구로부터 이격된 커버(46)를 포함하고,
상기 수소의 재결합 및 점화 방법은 상기 제 2 점화기(26)를 차폐하는 단계를 포함하는
수소의 재결합 및 점화 방법.
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