KR102600198B1 - 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합하여 연소장치로 제공하는 물 전기분해가스와 공기 예혼합 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연소장치에 공기를 제공하는 덕트에 메쉬 형태의 스크린 또는 다공성 매질이 구비되어 물 전기분해가스와 공기가 완전히 혼합되는 기능이 수행되는 물 전기분해가스와 공기 예혼합 장치에 관한 것이다.
본 발명은 덕트부(210), 물 전기분해가스 유입부(220), 기공층부(230)를 포함하여 구성되어 있는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 기공층부(230)는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 기공층부(230)는 다공성 매질형 기공층부(230-2)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
본 발명은 덕트부(210), 물 전기분해가스 유입부(220), 기공층부(230)를 포함하여 구성되어 있는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 기공층부(230)는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 기공층부(230)는 다공성 매질형 기공층부(230-2)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
Description
본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합하여 연소장치로 제공하는 물 전기분해가스와 공기 예혼합 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연소장치에 공기를 제공하는 덕트에 메쉬 형태의 스크린 또는 다공성 매질이 구비되어 물 전기분해가스와 공기가 완전히 혼합되는 기능이 수행되는 물 전기분해가스와 공기 예혼합 장치에 관한 것이다.
물 전기분해가스(브라운가스, HHO)는 호주의 율브라운 박사에 의해 발견되었는데, 1971년 물의 전기분해를 통해 생성된 산소와 수소의 혼합가스가 연소될 때 안전하게 연소한다는 것을 밝힌 것으로서, 물의 전기분해에 의해 생성되는 수소와 산소의 혼합가스를 브라운가스라 명명하게 되었다.
브라운가스는 물(H2O)을 구성하는 수소(H2)와 산소(O2)가 화학당량비 2 : 1의 비율로 혼합된 상태의 혼합가스로서, 산소와 분리 수집해야 하는 수소의 생성과정에 비해 생성 및 관리가 용이할 뿐만 아니라 점화시 수소가스가 자체 산소에 의해 완전연소되는 특징을 가지고 있으며, 또한 상기 브라운가스는 산소 이외에 질소나 탄소를 연소하지 않기 때문에 열효율이 높고 이산화탄소 등의 공해배출이 없어 연소장치를 밀폐형으로 구성하는 것이 가능하다.
또한 물 전기분해가스는 수소와 산소가 2:1의 완전연소의 조건을 갖추고 있으므로 기존 화석연료처럼 산화제 역할을 하는 공기 공급을 하지 않아도 자체 산소에 의해 매우 짧은 시간에 완전 연소 되는 특성을 가지고 있다. 또한 공기와 같은 산화제에 필수적으로 존재하면서 반응에 도움을 주지 못하는 질소가 전혀 존재하지 않기 때문에 연소시 발생하는 생성물에 대한 가열능력은 물분해가스의 경우가 공기에 의한 가솔린 연소에 비해 3배정도 크다.
그러므로 전기분해가스는 단열화염온도가 최고 섭씨 3000 C 정도의 고온이 발생하기에 특히 고온이 요구되는 용접분야에 유용한 도구로 활용되고 있다.
이러한 물 전기분해가스의 장점은 물을 전기분해하여 얻어지는 수소 에너지가 전기분해에서 사용된 에너지보다 작다는(60~80%의 효율) 단점은 있으나 연소시에 산화제로서 질소가 포함되지 않고 산화제 혼합에 따른 시간이 최소로 작용하기에 짧은 시간에 많은 에너지를 방출한다는 점에서 동력발생(power=work/time)이나 청정연료로서의 가능성이 높다고 할 수 있다.
또한 물 전기분해가스는 연소시 수소 1분자와 산소 1/2 분자가 반응하여 1분자의 물을 생성함으로 생성물의 몰수가 반응물의 몰수에 비하여 감소하기 때문에 온도가 높아 보일 샤를의 법칙에 의한 온도에 의한 팽창 효과가 두드러지지 않는 특수한 상황에서는 오히려 부피가 줄어 응폭(Implosion) 하는 특성을 나타낼 수도 있다.
이와 관련된 종래기술로 국내등록특허공보 제10-0367223호 (등록일자: 20021223), 국내등록특허공보 제10-0630793호 (등록일자: 20060926)가 개시되어 있다.
또한, 본 발명자들은 이와 관련하여 등록특허 10-1752292호(휘발화한 증기상태의 화석연료와 물 전기분해가스를 혼합한 조성 연료 및 이를 이용한 연소방 법 및 이를 이용한 내연 기관, 이하 선행기술), 등록특허 10-1532508호(물 전기분해가스와 수증기의 혼합연료 및 이와 화석연료를 혼합한 혼합조성연료 및 이를 이용한 연소방법, 이하 선행기술 2)을 제시하여 "물 전기분해가스에 수증기를 혼합한 혼합연료, 물 전기분해가스에 수증기를 혼합한 혼합연료에 화석연료를 혼합한 혼합조성연료 및 이를 이용한 연소방법" 등을 제시한 바 있다.
상기한 종래기술은 물 전기분해가스를 연료(화석연료 등)에 직접 혼합하여 공기를 주입하여 연소하는 방식을 채택하여 연소를 하고 있는바,
이와 같은 연소방법은 물 전기분해가스가 연료에 포함된 농도에 관계없이 물 전기분해가스와 연료가 균질하게 혼합되지 않을 뿐만 아니라 투입된 물 전기분해가스 양을 고려할 때 연소효율이 크게 상승하지 않고, 특히 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워가 낮으며, 완전연소 이루어지지 않고 특히 NOx의 저감 효과(이와 같은 효과를 연소효과라 함)가 거의 없는 문제점이 발생하게 된다.
특히, 최근 탄소 중립화 관점에서 연료 또는 혼소 물질로서의 수소의 효과적인 활용에 대한 관심은 지속적으로 증폭되어 왔다. 주지하다시피 연료로서의 수소의 장점은 이산화탄소가 배출되지 않는 연료라는 점과 더불어 단위 질량당의 높은 열량과 더불어 빠른 화염 속도와 넓은 가연 농도 등에 있다고 할수 있다.
이러한 다양한 장점을 지닌 수소의 가장 큰 문제점 중의 하나는 수소는 전기와 같이 수전해(Water Electrolysis)나 연료개질을 통해 비로소 얻어지는 “Energy Carrier”라는 점이다.
이 과정에서 CO2와 같은 다량의 온실 가스의 발생과 높은 에너지 및 장치 비용 등은 생산된 수소의 저장 문제와 함께 해결해야 할 중요 문제로 제시되고 있다.
이러한 점에 비추어 소량의 수소의 혼소에 따른 효율 향상과 공해물질 저감에 대한 연구가 다양한 연소장치와 동력기관에서 제시되어 왔다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 공기와 물 전기분해가스를 예혼합하여 연료에 주입하는 방식을 개발하게 되었다.
하지만 종래의 공기와 물 전기분해가스를 예혼합하는 장치는 공기와 물 전기분해가스가 완전한 혼합이 이루어지는 것이 미흡하여 완전한 연소에 문제점이 발생하고 있는바,
본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 완전하게 혼합하는 기능을 수행하는 물 전기분해가스와 공기를 예혼합하는 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명자들은 실질적인 양(화석연료 열량의 5~10%에 해당)의 물 전기분해가스(HHO) 대신에 아주 소량의 HHO가 엔진의 화염속에서 고속 연쇄반응을 촉진시키는 H+와 OH-와 같은 라디칼 공급원의 역할을 하는 메카니즘을 창안하였는바, 핵심기전은 확산화염 경계면에서 수소와 산소의 라디칼 반응을 이용하는 것으로서 이 라디칼 반응은 10,000ppm 미만의 농도에서 보다 효율적으로 반응하는 것을 알게 되었다.
이와 같은 이유로 본 발명자들은 HHO 가스에서 생성된 라디칼 들은 탄화수소 연료의 연소반응, 일산화탄소의 완전연소 그리고 NOx 환원반응 등에 긍정적으로 작용하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 창안하였다,
따라서, 이와 같은 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템에서는 물 전기분해가스와 공기를 완전하게 혼합할 수 있는 예혼합 장치가 필수적으로 구비되는 것이 요구되는바,
본 발명은 물 전기분해가스와 공기가 완전하게 혼합되는 기능을 수행하는 물 전기분해가스와 공기 예혼합 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기한 문제점 및 요구를 해결하기 위하여,
덕트부(210), 물 전기분해가스 유입부(220), 기공층부(230)를 포함하여 구성되어 있는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 기공층부(230)는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 기공층부(230)는 다공성 매질형 기공층부(230-2)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치는 종래기술 및 선행기술에 비하여 물 전기분해가스와 공기가 완전하게 혼합되는 기능을 수행하는 작용과 효과가 나타난다.
특히, 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치는 1% 미만의 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템에서의 물 전기분해가스와 공기를 완전하게 혼합할 수 있는 효과가 나타나게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치 구조도.
도 2b는 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치의 일 실시 구조도(스크린 메쉬형 기공층부 설치).
도 2c는 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치의 일 실시 구조도(다공성 매질형 기공층부 설치).
도 3은 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부의 평면 구조도.
도 3b는 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부의 측단면 구조도.
도 3c는 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부가 설치된 예혼합장치의 공기와 물 전기분해가스의 혼합 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 다공성 매질형 기공층부가 설치된 예혼합장치의 일 실시도.
도 5는 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부가 설치된 예혼합장치의 수치해석에서 유동이 진행하는 X축 진행 방향 수소 몰분율을 보여주는 도면.
도 6은 스크린 메쉬 통과 전후와 출구에서의 수소분자의 몰분율에 대한 단면 농도 결과를 보여주는 도면.
도 7은 속도장에서 본 유동 변화의 결과를 제시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치 구조도.
도 2b는 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치의 일 실시 구조도(스크린 메쉬형 기공층부 설치).
도 2c는 본 발명에 따른 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치의 일 실시 구조도(다공성 매질형 기공층부 설치).
도 3은 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부의 평면 구조도.
도 3b는 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부의 측단면 구조도.
도 3c는 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부가 설치된 예혼합장치의 공기와 물 전기분해가스의 혼합 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 다공성 매질형 기공층부가 설치된 예혼합장치의 일 실시도.
도 5는 본 발명에 따른 스크린 메쉬형 기공층부가 설치된 예혼합장치의 수치해석에서 유동이 진행하는 X축 진행 방향 수소 몰분율을 보여주는 도면.
도 6은 스크린 메쉬 통과 전후와 출구에서의 수소분자의 몰분율에 대한 단면 농도 결과를 보여주는 도면.
도 7은 속도장에서 본 유동 변화의 결과를 제시한 도면.
이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
본 발명은 물 전기분해가스에 공기를 혼합한 연소용공기에 연료에 혼합하여 연소하는 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템을 제공한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 사용하는 포함한 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템(1000)은 물 전기분해가스 발생장치(100), 연소용공기 예혼합장치(200), 연소장치(300), 연료공급장치(400)를 포함하여 구성되어 있다.
본 발명의 물 전기분해가스 발생장치(100)는 물을 전기분해하여 물 전기분해가스를 제조하는 장치 또는 수단을 의미한다.
상기한 물 전기분해가스 발생장치(100)는 전원부(110)에 전기를 제공받아 물(H2O)을 분해하여 물 전기분해가스(HHO)를 생산하게 된다.
본 발명의 연소용공기 예혼합장치(200)는 에어필터(210)를 통하여 제공된 공기와 상기한 물 전기분해가스 발생장치(100)에서 제공한 물 전기분해가스를 완전히 혼합시키는 장치 또는 수단을 의미한다.
본 발명의 연소장치(300)는 통상적으로 연소를 수행하는 자동차나 선박 엔진에서부터 중장비 기계와 발동기 그리고 가스터빈 등을 포함하는 장치 또는 수단을 의미한다.
본 발명의 연소장치(300)는 주로 자동차나 선박 엔진 등을 의미하지만 중장비 기계와 발동기 그리고 가스터빈 등을 포함하는 장치 또는 수단을 모두 포함한다.
본 발명의 연료공급장치(400)는 상기한 연소장치(300)에 제공되는 화석연료 등을 제공하는 장치 또는 수단을 의미한다.
본 발명의 상기한 연료는 화석연료를 포함하되 석탄, 석유, 석유를 정제하여 수득한 가솔린, 디젤, 등유 또는 천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 또는 기타 바이오 디젤이나 폐기물 가스화 가스 등을 포함하고, 바이오 디젤, syngas(CO와 H2 혼합된 석탄이나 폐기물 등의 가스화 연료), 중유와 폐유 그리고 암모니아 등의 가연성 연료를 포함한다.
본 발명은 바람직하게는 화석연료는 기체의 상태 또는 분무화된 상태로 혼합될 수 있는 가솔린, 디젤, 등유 또는 천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 바이오 디젤, syngas(CO와 H2 혼합된 석탄이나 폐기물 등의 가스화 연료), 중유와 폐유 그리고 암모니아를 사용하는 것이 효과적이다.
본 발명은 상기한 초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 방법 및 연소 시스템을 통하여 엔진이나 발전기 동력 향상을 도모함과 동시에 매연이나 질소산화물의 저감을 통해 청정연소를 증진 시킬 수 있는 효과가 나타난다.
보통 수소 등을 보조 연료로 사용하는 경우 완전연소에 의하여 매연은 저감되나 수소연료에 의한 고온화염에 의하여 질소산화물은 증가하는 것이 일반적인 문제점이다.
그러나 본 발명에서는 상기한 구성으로 질소산화물과 매연을 동시에 저감함을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 특징은 물 전기분해가스와 공기를 혼합한 연소용공기를 제공하고 이와 같은 연소용공기를 연료와 혼합하여 연소하는 것이며, 특히 초 저농도 물 전기분해가스를 공기에 혼합하여 연소함에 따라 연소효율을 현저히 높이고, 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워를 급상승시키며, 완전연소가 가능하게 함으로써 특히 NOx의 저감을 현저히 높이는 효과가 나타난다.
특히, 본 발명의 기술적 특징은 물 전기분해가스가 공기와 혼합하되 물 전기분해가스가 1% 미만으로 포함된 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 기술적 구성을 제공하는 점이다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 물 전기분해가스와 연료를 혼합하여 연소하는 경우 물 전기분해가스와 연료가 균질하게 혼합되지 않을 뿐만 아니라 연소효율이 낮고, 특히 엔진 연소장치인 경우 엔진 파워가 낮으며, 완전연소 이루어지지 않고 특히 NOx의 저감 효과(이와 같은 효과를 연소효과라 함)가 거의 없는 문제점이 발생하게 된다.
하지만, 본 발명은 물 전기분해가스가 1% 미만으로 포함된 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 기술적 구성을 제공하여 상기와 같은 문제점을 해결하게 된다.
이와 같이 공기에 물 전기분해가스가 1% 미만으로 포함된 연소용공기와 연료를 혼합하여 연소하는 방법에서 가장 중요한 요소는 공기와 물 전기분해가스가 완전한 혼합을 하여야 하는 것이라는 점이다.
따라서 본 발명은 이와 같은 요구와 문제점을 해결하기 위하여 아래와 같은 구성의 연소용공기 예혼합 장치(200)를 제공한다.
본 발명의 연소용공기 예혼합 장치(200)는 덕트부(210), 물 전기분해가스 유입부(220), 기공층부(230)를 포함하여 구성되어 있다.
도 2는 본 발명의 연소용공기 예혼합장치(200)의 구성도를 보여준다.
본 발명의 덕트부(210)는 연소장치(300)에 연소용공기를 제공하는 관으로서, 공기와 물 전기분해가스가 혼합되는 기능을 수행하는 장치 또는 수단을 의미한다.
상기한 덕트부(210)는 관형태로 형성되어 있으며, 단면은 원형 또는 다각형 형태로 형성될 수 있다.
상기한 덕트부(210)는 덕트본체부(211), 유입부(212), 주입부(213)를 포함하여 구성되어 있다.
상기한 덕트본체부(211)는 덕트부(210)의 본체를 형성하는 것으로서, 공기와 물 전기분해가스가 혼합되는 기능을 수행하는 장치 또는 수단을 의미한다.
상기한 덕트본체부(211)는 직선 형태 또는 굴곡 형태 등으로 구성될 수 있다.
상기한 유입부(212)는 공기와 물 전기분해가스가 유입되는 기능을 수행하는 구조 또는 수단을 의미하며, 덕트본체부(211)의 상단부에 형성되어 있다.
상기한 유입부(212)의 형태는 원형 또는 다각형 형태로 형성될 수 있다.
상기한 주입부(213)는 덕트본체부(211)의 하단부에 형성되어 있으며 연소장치(300)와 연결되어 있어, 공기와 물 전기분해가스가 혼합되어 형성한 연소용공기를 연소장치(300)에 주입하는 기능을 수행하는 구조 또는 수단을 의미한다.
본 발명의 물 전기분해가스 유입부(220)는 덕트부(210)의 유입부(212)에 형성되어 있으며, 물 전기분해가스를 덕트본체부(211)로 유입시키는 기능을 수행하는 장치 또는 수단을 의미한다.
상기한 물 전기분해가스 유입부(220)는 물 전기분해가스 발생장치(100)와 연결되어 있으며, 물 전기분해가스 발생장치(100)로부터 제공되는 물 전기분해가스를 덕트부(210)의 유입부(212)로 유입시키는 기능을 수행한다.
본 발명의 기술적 특징은 상기한 기공층부(230)가 덕트본체부(211)의 내부에 형성되어 있어 덕트본체부(211)로 유입된 공기와 물 전기분해가스의 완전한 혼합이 이루어지는 점이다.
본 발명의 기공층부(230)에 형성된 기공부 등에 일차적으로 혼합된 공기와 물 전기분해가스가 통과하는 과정에서 급격한 와류(eddy flow)가 형성되어 공기와 물 전기분해가스의 완전한 혼합이 이루어지게 된다.
본 발명의 기공층부(230)는 기공이 형성되어 있는 막, 스크린 또는 층 등의로 형성된 구조 또는 장치를 의미한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 상기한 기공층부(230)는 덕트본체부(211)의 내부에 형성되어 있으며, 물 전기분해가스가 공기에 유입된 것을 더욱 완전하게 혼합하는 기능을 수행한다.
본 발명의 기공층부(230)는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1), 다공성 매질형 기공층부(230-2) 등으로 구성되어 있다.
본 발명의 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 기공부(231), 판부(232)를 포함하여 구성되어 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 상기한 기공부(231)는 판부(232)를 관통하여 하나 또는 둘 이상 다수로 형성되어 있으며 스크린 형태로 형성되어 있으며, 기공도(porosity)는 판부의 단면에 기공부의 면적의 비율로 설정되게 된다.
본 발명의 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 바람직하게는 100~200 메쉬에 기공도(porosity)는 바람직하게는 10~50% 범위에 있는 것이 좋다.
상기한 판부(232)는 덕트본체부(211)의 내부에 단면을 수직한 방향(H)으로 결합되는 구조로 형성되어 있으며, 일정한 두께를 가지고 형성되어 있는 구조 또는 장치를 의미한다.
도 3b에서 보는 바와 같이, 상기한 판부(232)는 일정한 두께(D)를 가지고 있으며, 기공부(231)는 판부(232)의 단면 방향으로 직선 형태로 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 바람직하게는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)가 덕트본체부(211)의 내부에 둘 이상 설치되는 것이 공기와 물 전기분해가스의 완전한 혼합효과가 나타난다.
도 2에서 보는 바와 같이, 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 덕트본체부(211)의 둘 이상 설치하는 것이 효과적이며, 바람직하게는 덕트본체부(211)의 수직방향(H)을 기준으로 0~45도 경사각도(θ)로 설치되어 있는 것이 더욱 효과적이다.
또한, 상기한 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 덕트본체부(211)의 수직방향(H)을 경사각도(θ) 0~45도로 기준으로 좌측과 우측에 설치되는 것이 좋으며, 이 경우 좌측에 설치되는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)가 경사각도(θ) 0~45도로 형성되면 우측에는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)가 경사각도(θ) 0~-45도로 형성되는 것이 좋다.
상기한 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 좌측에 3개, 우측에 3개 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
도 3c에서 보는 바와 같이, 이와 같이 좌측과 우측에 대비되게 형성되어 있는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)의 구조적 특성으로 공기와 물 전기분해가스의 혼합 연소용공기의 혼합도가 더욱 증가되게 된다.
또한, 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)가 덕트본체부(211)에 경사각도(θ) 0도를 초과하여 형성되는 경우, 공기와 물 전기분해가스의 혼합공기가 기공부(231)를 통과하되, 덕트본체부(211)의 길이 방향과 비스듬하게 형성된 기공부(231)를 통과함으로써 혼합의 효과는 더욱 증진되게 된다.
도 2는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)의 실시예로 덕트본체부(211)의 길이(L) 15~30cm, 유입부는 정사각형으로 가로와 세로의 길이 2~5cm 정도, 덕트본체부(211)의 내부에 좌측과 우측으로 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)가 경사각도(θ) 0~-45도로 3개씩 형성되어 있고 공기의 유입속도는 2~3m/s로 구성된다.
또한 물 전기분해가스 유입부의 반경은 0.4cm로서 90~200cc/min으로 유입되는 구조를 들 수 있다.
본 발명의 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 기공층부(230)가 다공매질층으로 구성되어 있는 것을 의미한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상기한 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 다공매질층부(230-2-1), 매질본체부(230-2-2)를 포함하여 구성되어 있다.
상기한 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 구형, 원통형, 경사진 원통형, 무정형의 입체적 형태 등으로 다양하게 구현될 수 있다.
상기한 다공매질층(230-2-1)은 기공도(porosity)가 0을 초과하고 99.99% 정도로 구성되어 있으며 금속, 목재, 플라스틱, 텍스타일 등 다양한 재질로 되어 있는 장치 또는 수단을 의미한다.
상기한 다공매질층(230-2-1)의 일 실시예로 0.01~5mm로 이루어진 와이어로 구성되어 있으며 기공도는 40~99% 정도되는 것으로 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
상기한 매질본체부(230-2-2)는 다공매질층부(230-2-1)를 포함하여 외형을 형성하는 구조 또는 장치 등을 의미한다.
또한 다공성 매질형 기공층부(230-2)의 다공층 두께(D2)는 3~5cm 두께로 형성될 수 있으며, 덕트본체부(211)의 내부에 덕트본체부(211)의 수직방향(H)을 기준으로 0~45도 경사각도(θ)로 설치되어 있는 것이 효과적이다.
또한 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 덕트본체부(211)의 내부에 다수로 설치되는 것이 좋으며 바람직하게는 3개 정도로 설치되고, 덕트본체부(211)의 수직방향(H)을 기준으로 0~45도 경사각도(θ)로 좌우 엇갈린 형태로 배치되는 것이 공기와 물 전기분해가스의 완전한 혼합이 이루어지게 하는 작용을 한다.
도 2c에서 보는 바와 같이, 다공성 매질형 기공층부(230-2)의 실시예로 덕트본체부(211)의 길이(L) 60~100cm, 유입부는 원형으로 직경 7~11cm 정도, 덕트본체부(211)의 내부에 다공성 매질형 기공층부(230-2)가 형성되어 있다.
상기한 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 기공도가 98%이고 45도 비튼 원통형 구조로 되어 있으며 두께(D2)는 2~10cm로 형성되어 있다.
공기의 유입속도는 1,300~2,000 L/min으로 유입된다.
또한, 물 전기분해가스 유입부의 반경은 0.4~1.0cm로서 90~200cc/min으로 유입되는 구조를 들 수 있다.
본 발명은 상기한 스크린 메쉬형 기공층부를 형성한 연소용공기 예혼합 장치의 수치해석적 검토를 통하여 공기와 물 전기분해가스가 완전한 혼합이 이루어질 수 있음을 아래와 같이 규명하였다.
<스크린 메쉬형 기공층부를 구성한 연소용공기 예혼합 장치의 수치해석적 검토>
1.1 계산방법과 기하학적 구조
그림 14에 3x3 cm 직사각형 관에 사전연구에 기초하여 아래와 같은 방법으로 스크린 메쉬를 설치하여 공기와 HHO(물 전기분해가스)의 혼합상태를 검토하였다. HHO 의 직사각형관에 주입하는 위치는 좌하 코너에서 각각 1 cm에 위치한 지점이다. HHO 주입속도는 HHO 분당 100cc 발생량을 고려하였고 공기의 속도는 3500CC 자동차 엔진의 크기에 분당 1500 rpm으로 작동하는 엔진에 기초하였다.
본 수치해석에서는 공기량, HHO량, 공기와 HHO의 주입방법과 위치, 메쉬 공극율, 공극의 분포, 공극의 수 등에 대한 조직적인 수치해석적인 변수 연구를 하는 대신에 주어진 상황에서 공극율과 공극의 크기가 어떠한 혼합 기전을 나타내는가를 파악하는 중점을 두었다.
[표 1] 계산에 사용된 스크린 메쉬(스크린 메쉬형 기공층부)의 제원 (스크린 메쉬의 두께는 4mm)
1.2 수치해석 결과
도 5는 유동이 진행하는 X축 진행 방향 수소 몰분율을 나타낸 것으로서 유동이 진행하는 축 방향의 수소의 농도를 나타내었다.
Case1 과 Case 2는 공극율은 30%로 같으나 1의 경우 홀의 크기가 1.644mm에 비하여 2의 경우가 홀의 크기가 4.108mm 로서 2.5배 정도 큰 경우이다.
위의 결과를 보면 홀의 크기가 큰 2의 경우가 1에 비하여 메쉬 스크린을 지난후에 혼합 성능이 좋음을 알수 있다. 한편 3의 경우는 1과 2에 비하여 공극율이 1/10 이하로 크게 줄은 경우이나 홀의 크기는 1의 경우와 같이 1.644mm로 작은 경우이다. 3의 경우는 메쉬 스크린을 지난후 혼합상태가 2에 비하여서도 매우 향상되었음을 보여주고 있다.
위의 결과를 보면 홀의 크기와 공극율이 연계된 함수관계가 메쉬 스크린을 지난 후의 캐리어 공기와 수소의 혼합상태에 영향을 줌을 알 수 있다. 이러한 혼합 상태를 보면 같은 공극율일 때 미세한 메쉬보다는 성긴 메쉬가 오히려 혼합에 유리함을 알 수 있다.
도 6은 스크린 메쉬 통과 전후와 출구에서의 수소분자의 몰분율에 대한 단면 농도 결과를 보여주는 자료이다.
제한된 변수연구의 결과이기는 하지마는 위의 결과에서 보면 분명하게 같은 공극일 때 미세 메쉬보다는 성긴 메쉬 구조를 가진 스크린이 난류와 혼합에 유리함을 알수 있다.
반대로 작은 홀의 경우 공극율이 매우 작을 때는 스크린을 통과하면서 혼합 성능이 급격하게 상승함을 보여주고 있다. 여기서 주목할 만한 사항은 스크린 통과전후에 농도분포는 큰 변화를 보이지 않으나 스크린을 통과한 후부터 출구까지의 거리가 짧음에도 불구하고 이 구간에서 농도의 변화가 비교적 실질적으로 발생하고 있음을 보여준다.
이러한 이유는 스크린을 통과한후 발생한 홀 주변의 강력한 난류 유동이 후류 영역에서 공기와 수소의 혼합에 기여하고 있다고 사료된다.
도 7은 속도장에서 본 유동 변화의 결과를 제시한 도면이다.
위의 속도장에서 보면 공극율이 30%이고 홀의 크기가 작아 비교적 균질한 기하학적 형태를 가진 1의 경우는 유동 분포도 스크린 직후의 유동을 제외하고는 거의 층류형태의 양상을 보여주고 있다.
그러나 2의 경우는 홀의 크기가 넓기는 하나 역시 유동을 가로막은 차폐구간의 면적도 실질적으로 큰 부분으로 유동을 차폐한 결과를 보여주고 있다.
결국은 위의 1과 2의 결과를 비교하여 검토하여보면 스크린에 의하여 얼마나 유동을 통과시키는가보다는 얼마나 많은 단면적에서 유동을 차폐하는가가 후류 영역에서의 난류에 의한 혼합성능에 기여한다고 판단된다.
이러한 결과는 홀의 크기도 작으면서 공극률이 앞의 경우에 비해 극히 작은 3의 경우 단면적 차단 효과가 극대화되어 나타나 스크린을 통과하면서 난류혼합이 크게 증가하였다.
이러한 차단효과의 증대는 스크린 전후 유동의 큰 압력변화를 야기시킬 것이며 그에 따라 높은 동력이 필요하게 됨을 알 수 있다.
본 발명은 이와 같은 스크린 메쉬형 기공층부를 구성한 연소용공기 예혼합 장치의 수치해석적 검토를 통하여 공기와 물 전기분해가스의 완전한 혼합이 이루어질 수 있음을 알 수가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 구성과 기능으로 이루어진 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치를 제공한다.
본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합하여 연료를 연소하는 장치를 생산, 제조, 판매. 유통, 연구하는 산업에 유용하다.
특히, 본 발명은 물 전기분해가스와 공기를 혼합하여 연료를 연소하는 장치에서 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 장치를 생산, 제조, 판매. 유통, 연구하는 산업에 유용하다.
덕트부(210),
물 전기분해가스 유입부(220),
기공층부(230),
스크린 메쉬형 기공층부(230-1),
다공성 매질형 기공층부(230-2),
물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200).
분해가스 발생장치(100), 연소장치(300), 연료공급장치(400),
초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템(1000),
물 전기분해가스 유입부(220),
기공층부(230),
스크린 메쉬형 기공층부(230-1),
다공성 매질형 기공층부(230-2),
물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200).
분해가스 발생장치(100), 연소장치(300), 연료공급장치(400),
초 저농도 물 전기분해가스를 포함한 연소용공기와 연료의 혼합에 의한 연소 시스템(1000),
Claims (3)
- 덕트부(210), 물 전기분해가스 유입부(220), 기공층부(230)를 포함하여 구성되어 있되,
상기한 덕트부(210)는 덕트본체부(211), 유입부(212), 주입부(213)를 포함하여 구성되어 있고,
상기한 기공층부(230)는 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)로 되어 있되,
상기한 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 기공부(231), 판부(232)를 포함하여 구성되어 있고,
상기한 판부(232)는 일정한 두께(D)를 가지고 있으며, 기공부(231)는 판부(232)의 단면 방향으로 직선 형태로 되어 있고,
상기한 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 덕트본체부(211)에 둘 이상 설치되되 덕트본체부(211)의 수직방향(H)을 기준으로 경사지게 형성되어 있으며 0도 초과 45도 이내의 경사각도(θ)로 좌측과 우측에 대비되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200).
- 제1항에 있어서,
상기한 스크린 메쉬형 기공층부(230-1)는 100~200 메쉬에 기공도(porosity)가 10~50%로 되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200).
- 제1항에 있어서,
상기한 기공층부(230)가 스크린 메쉬형 기공층부(230-1) 대신 다공성 매질형 기공층부(230-2)로 형성되어 있되,
상기한 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 다공매질층부(230-2-1), 매질본체부(230-2-2)를 포함하여 구성되어 있고,
상기한 다공성 매질형 기공층부(230-2)는 덕트본체부(211)에 둘 이상 설치되되 덕트본체부(211)의 수직방향(H)을 기준으로 경사지게 형성되어 있으며 경사각도(θ)로 좌측과 우측에 대비되어 형성되어 있고,
상기한 다공매질층부(230-2-1)는 0.01~5mm의 와이어로 구성되어 있으며 기공도가 40~99%로 되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해가스와 공기를 혼합하는 연소용공기 예혼합 장치(200).
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Citations (1)
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| KR100872968B1 (ko) * | 2008-04-01 | 2008-12-08 | 김철옥 | 브라운 가스를 이용한 미세기포 함유 산소수소수 제조장치 및 제조방법 |
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