KR19990014361A - 오일 연소 방법 및 그 방법을 이용한 오일 연소장치 - Google Patents

Abstract

기존 오일 연소장치에서 발생하는 매연, 질소산화물 및 일산화탄소 등 공해물질의 저감 및 연소장치 효율 증진을 위하여, 본 발명은 오일 연소장치의 연소 방식에 다공 세라믹 물질을 사용한 연소장치 형태 변환을 통해서 확산화염 연소 방식에서 예혼합 화염 연소 방식으로 바꾸어주는 방법과 오일 액적 증발 및 열 전달 효율 향상을 위한 다공 세라믹 물질의 적용 방법을 제공한다.

Description

오일 연소 방법 및 그 방법을 이용한 오일 연소장치

본 발명은 오일 연소 방법 및 오일 연소장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공 세라믹 물질을 이용한 가스/공기 예혼합방식 오일 연소 방법 및 그 방법을 이용한 오일연소장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료를 연소시키는 방식은 확산화염 연소방식과 예혼합화염 연소방식으로 크게 나눌 수 있다.

연료와 공기가 연소반응 전에 서로 분리되어 있는 상태이고, 연소 반응이 진행되는 지역으로 연료와 공기가 확산되는 방식의 연소 형태를 확산화염 연소라 한다. 이 방식의 대표적인 예들은 라이타불, 디젤기관의 연소 등이 있다.

이 경우 연료와 공기가 만나는 지점 (즉 연소반응지역, 화염 영역) 에서는 높은 온도가 유지되고, 국부적으로 고온 연소 영역들이 형성된다. 따라서 온도에 매우 민감한 질소산화물의 생성을 피하기가 어렵다. 또한 반응 전에 연료와 공기가 완전히 혼합되지 않을 경우 일산화탄소 및 매연 등의 발생을 피할 수 없다. 기존 대부분의 오일 연소 방식은 이 방식을 사용하고 있으며, 보통 연소 화염의 색이 적색 및 노란 색으로 나타난다.

예혼합화염 연소 방식은 연료와 공기가 연소 반응 전에 미리 설정한 비율로 혼합되어 연소되는 방식을 말한다. 이러한 방식에서는 설정 비율의 조절을 통하여 연소 온도 등을 비롯한 연소장치의 운전 조건들을 조절할 수 있다. 또한 연소 온도 조절이 가능하기 때문에 질소산화물의 발생을 제어할 수 있고, 균일한 연소가 가능하다. 이 방식의 대표적인 예들은 가솔린기관의 연소 등이 있다. 완전 연소를 위한 연료와 공기의 이론 비율이 존재하며, 이론 비율보다 공기가 더 존재하는 희박 혼합기의 경우, 보통 청색 화염이 나타난다.

오일을 연료로 사용하는 산업용 연소기기 등에서 예혼합 연소 형태를 얻기 위해서는 별도의 오일 증발 장치를 별도로 설치해야만 하며, 이 경우 연소기의 부피가 커지는 등의 문제가 있다. 현재 사용되는 대부분의 오일 연소 방식은 대부분 확산화염 연소방식이며, 이를 설명하면 다음과 같다.

오일은 높은 압력으로 압축된 후 분사노즐에서 원형 또는 부채꼴의 형태로 분무되며, 분무된 오일 액적은 고온 연소 분위기에서 증발되어 공기와 혼합되고 연소가 진행된다.

종래의 오일 연소 방식 및 오일 연소장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 종래에는 오일의 증발에 걸리는 시간 및 연소 후 열전달에 필요한 시간을 얻기 위해서 보통 화염의 길이를 길게 하고, 적색 및 노란 화염을 얻기 위하여 약간 불완전연소시키는 경향이 있다. 이는 고온 가스 복사의 주 매체인 수증기, 일산화탄소 및 이산화탄소가 고온에서 적열 되면서 적색 및 노란 색을 가지며, 이를 통해서 연소 화염으로부터의 복사열전달이 이루어지기 때문이다. 따라서 불완전 연소에 따른 매연 및 일산화탄소의 발생 확률이 크다.

둘째, 오일의 연소시 화염 부근에 국부적인 고온 영역이 생성되어 질소산화물의 발생 가능성이 매우 높다.

셋째, 오일이 불완전 연소되므로 오일 연소장치의 효율이 떨어지고, 연료의 사용량이 늘어난다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 공해 물질을 저감시킬 수 있는 오일 연소 방법 및 그 방법을 이용한 오일 연소장치를제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 연료 사용량을 감소시킬 수 있고 또한 연소장치 효율을 증대시킬 수 있는 오일 연소 방법 및 그 방법을 이용한 오일 연소장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 오일 연소장치의 실시 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 오일 연소장치의 다른 실시 예를 도시한 단면도이고,

도 3는 본 발명에 따른 오일 연소장치의 또 다른 실시 예를 도시한 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 오일 연소장치에서 주 공기공급관과 보조 공기공급관의 방향을 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 오일 연소장치에 사용되는 다공 세라믹 물질의 형상을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 다공 세라믹 물질 2 : 연소반응지역

3 : 연소 장치 몸체 4 : 선회 유동

5 : 점화기 6 : 분무 액적

7 : 보조 공기공급관 8 : 주 공기공급관

9. 연료 노즐

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연소장치 몸체와 ; 상기 연소장치 몸체의 하부에 설치되는 연료 노즐과 ; 상기 연소장치 몸체의 상부에 설치되어 상기 연료 노즐에서분사되는 액적의 증발을 촉진시키는 다공 세라믹 물질과 ; 상기 몸체의 소정위치에 설치되는 점화기와 ; 상기 연료 노즐의 출구 측에 공기를 공급하는 주 공기공급관과 상기 연소장치의 몸체의 소정위치에 설치되며 연료와 공기의 혼합을 촉진시키는 보조 공기공급관을 포함하여 이루어지는 오일 연소장치를 제공한다.

상기 다공 세라믹 물질을 통과하기 직전의 혼합기의 유동의 회전 속도 성분이 상기 다공 세라믹 물질에 접근하는 유동의 직진 속도 성분보다 크게 하기 위하여 상기 주 공기공급관 및 상기 보조 공기공급관은 서로 엇갈리게 설치된다.

또한 본 발명은 오일에 공기를 공급하는 단계와 ; 오일 연소장치의 상부에 다공 세라믹 물질을 위치시켜 연소반응이 상기 다공 세라믹 물질의 내부 또는 입구에서 진행되게 하는 단계와 ; 상기의 다공 세라믹 물질에서 높은 복사 에너지를 발생시키는 단계와 ; 상기의 복사에너지를 이용하여 연료 노즐에서 분사되는 액적의 증발을 촉진시켜 증발된 가스연료를 공기와 혼합시켜 가스/공기 예혼합화염 연소 형태로 만드는 단계를 포함하여 이루어지는 오일 연소 방법을 제공한다.

그리고 혼합기의 유동이 상기 다공 세라믹 물질을 쉽게 통과하기 위하여 상기 다공세라믹 물질 통과 직전 유동의 회전 속도 성분이 다공 세라믹 물질에 접근하는 유동의 직진 속도 성분보다 크게 하기 위하여 오일에 공급되는 공기와 엇갈리게 공기를 더욱 공급하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 실시 예를 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 오일 연소 방법 및 그 방법을 이용한 오일 연소장치를 설명하면 다음과 같다.

원형의 연소장치 몸체(3)의 하부에는 고압으로 오일을 분사하는 연료노즐(9)이 설치되며, 상기 몸체(3)의 상단에는 높은 복사열을 발생시켜 상기 연료 노즐(9)에서 분사되는 액적의 증발을 촉진시켜 가스화를 빠르게 하기 위해 액적 증발 촉진용 다공 세라믹 물질(1)이 설치되며, 상기 연료 노즐(9)과 상기 세라믹 물질(1)의 사이의 소정 위치에는 점화기(5)가 설치된다.

또한 연료 노즐(9)과 세라믹 물질(1)의 사이에는 소정 위치에는 연료 노즐(9)의 출구에 공기를 공급하여 연료와 공기의 혼합을 촉진하는 주 공기공급관(8)이 설치된다. 그리고 혼합기의 회전유동을 유지하도록 상기 주 공기공급관(8)의 상부에는 보조 공기공급관(7)이 설치된다.

한편, 상기 다공 세라믹 물질(1)로부터 높은 복사열을 얻기 위해서는 가능한 한 연소반응이 다공 세라믹 물질 내부 또는 입구에서 진행되어야 하며, 유동이 다공 세라믹 물질을 쉽게 통과할 수 있어야 한다. 이를 위해서 강하게 회전하면서 다공 세라믹 물질로 접근하는 유동을 만드는 것과, 발생된 회전유동의 보전 및 균일한 유동 분포를 만드는 것이 필요하다.

따라서 상기 연소장치의 몸체(3)는 축소되는 형태의 축소형 또는 확대-축소형을 사용하는 것이 바람직하며, 주 공기공급관(8)과 보조 공기공급관(7)에서의 공기 분사방향은 중심을 향하지 않고 약간 중심에서 떨어진 곳을 향하는 것이 바람직하고, 약 30도 정도가 적당하다.

상세히 설명하면, 강하게 회전하는 유동 형태를 만들고, 또 연료와 공기의 균일한 예혼합을 위해서 노즐 및 다공 세라믹 물질 사이에 2개 이상의 공기 공급관을 설치하는데, 공기 공급관들은 도 4에 도시한 바와 같이 위치가 엇갈리게 설치한다. 즉 도 4는 강한 회전 유동을 생성하기 위하여 설치 된 공기 공급 관의 위치 및 각도 등을 보여주고 있다. 설정된 위치 및 각도는 변화할 수 있으며, 이들은 공기를 투입하여 유동에 회전 및 직진속도 성분을 주는 것이며, 유동 속도의 성분 중에서 대부분이 회전 속도 성분을 가지게 함이 목적이다.

그리고 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 여러 형태의 다공 세라믹 물질(1)를 사용하는 것이 가능하며, 기공율이 50% 이상인 스폰지 형태의 고체 다공 세라믹 물질를 사용하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 오일 연소장치의 다른 실시 예를 나타낸 것이다. 즉 주 공기를 몸체(3)의 하부에서 공급하며 몸체(3)의 형상이 축소형인 것이 특징이다.

그리고 도 3은 본 발명에 따른 오일 연소장치의 또 다른 실시 예를 나타낸 것으로서, 연료 노즐에서 원추형으로 확대되었다가 축소되는 형상이 특징이다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 오일 연소장치의 동작을 설명하면 다음과 같다. 오일 연소장치가 정상 상태 하에서 운전되는 경우, 연료노즐(9)을 통하여 분사된 오일 액적은 먼저 주 공기공급관(8)에 의하여 공급된 공기에 의하여 회전하면서 고온의 다공 세라믹 물질(1)로부터 강한 복사를 받아 빠르게 증발된다. 보조 공기공급관(7)에서 공급된 공기에 의한 강한 회전 유동에 의하여 연료 증기와 공기 혼합이 더욱 촉진되고 다공 세라믹 물질(1) 쪽으로 접근하면서 연소되고, 연소되지 않는 혼합기는 다공 세라믹 물질(1)을 통과하면서 완전히 연소된다. 발생된 회전 유동은 연소장치 몸체(3)가 축소되는 형태를 가지고 있으므로 다공 세라믹 물질(1)의 전체 영역에 균일하게 공급된다.

오일 연소장치가 처음 가동될 경우는 다공 새라믹 물질(1)의 온도가 높지 않아서, 복사에 의한 증발 촉진 효과가 나타나지 않기 때문에, 이 경우는 작은 공기 유량의 약한 회전 유동을 공급하여 다공 세라믹 물질(1)을 가열시키는 시간이 필요하다. 이를 위하여 점화기(5)는 일정 시간 동안 점화에너지를 반복적으로 공급시켜주는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 오일 연소장치에서 다공 세라믹 물질을 사용할 경우의 복사열전달 효과를 설명하면 다음과 같다.

고체인 다공 세라믹 물질의 방사율이 기체 방사율에 비하여 훨씬 크기 때문에, 낮은 온도에서도 고온 기체 복사에서와 같은 열유속을 얻을 수 있다. 이를 이론적으로 해석하면 다음과 같다.

가스온도 Tgas, 기체 방사율 ε_gas상태의 가스복사에서 얻을 수 있는 열유속은 다음과 같다.

고체 방사율 ε_solid을 가지는 고체 표면으로부터 같은 열유속을 얻기 위해서는

가 된다. 여기서 σ는 stefan-boltzman 상수이고, T 는 절대온도, ε은 방사율, Qflux 는 단위 면적당 열전달량을 나타낸다.

화염 연소시 얻을 수 있는 고온 기체 방사율이 대부분 경우에 0.1 보다 작고, 대부분 고체의 방사율이 0.5 보다 크기 때문에, 예를 들어, 1400℃ 기체 복사를 통하여 얻을 수 있는 열유속과 같은 크기의 열유속을 얻기 위한 고체 세라믹 표면의 온도는 상기 식을 이용해 다음과 같이 계산할 수 있다.

위와 같이 845℃ 온도 하의 세라믹을 통한 고체 복사 열전달을 이용할 경우, 고온기체 복사와 같은 크기의 열유속을 낼 수 있다는 것을 알 수 있다.

따라서 다공 세라믹 물질의 복사를 이용하면, 연소 가스 온도(화염 온도)를 높은 고온까지 올릴 필요 없이 낮은 온도에서도 필요한 동일 열유속을 얻을 수 있다. 낮은 온도의 연소는 회박 연소가 가능하다는 것을 의미하고 동시에 질소산화물의 저감을 의미한다.

상기에서 설명한 본 발명의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 오일연소장치의 연소 방식을 다공 세라믹 물질을 사용하여 가스/공기 예혼합연소 방식으로 변환시키므로 연소 가스 온도(화염 온도)를 높은 고온까지 올릴 필요 없이 낮은 온도에서도 필요한 열유속을 얻을 수 있다. 낮은 온도의 연소가 가능하므로 매연, 일산화탄소, 질소산화물을 비롯한 연소 공해물질의 저감할 수 있다는 이점이 있다.

둘째, 희박 연소가 가능하므로 연료 절감이 가능하고, 다공 세라믹을 통한 열전달효율이 향상되므로 전체적인 오일 연소장치의 효율을 증진시킬 수 있다는 이점이 있다.

셋째, 다공 세라믹 물질 사용시 열전달 효율을 증진시킬 수 있으므로, 단위 발열량의 연료 사용에 대하여 얻을 수 있다는 전열량이 증대되어 연료 사용량을 감소시키는 것과 오일 연소장치의 크기를 기존 기기보다 작게 하는 것이 가능하다.

Claims (7)

1. 연소장치 몸체와 ; 상기 연소장치 몸체의 하부에 설치되는 연료 노즐과 ; 상기 연소장치 몸체의 상부에 설치되어 상기 연료 노즐에서 분사되는 액적의 증발을 촉진시키는 다공 세라믹 물질과 ; 상기 몸체의 소정위치에 설치되는 점화기와 ; 상기 연료 노즐의 출구측에 공기를 공급하는 주 공기공급관을 포함하여 이루어지는 오일 연소장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 주 공기공급관의 상부에 위치하여 연료와 공기의 혼합을 촉진하고, 회전유동을 유지하기 위한 보조 공기공급관을 포함하여 이루어지는 오일 연소장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공 세라믹 물질을 통과하기 직전의 혼합기의 유동의 회전 속도 성분이 상기 다공 세라믹 물질에 접근하는 유동의 직진 속도 성분보다 크게 하기 위하여 상기 주 공기공급관 및 상기 보조 공기공급관의 분사방향이 서로 엇갈리게 설치되는 것을 특징으로 하는 오일 연소장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연소장치 몸체는 상기 다공 세라믹 물질 쪽으로 축소되는 형상인 것을 특징으로 하는 오일 연소장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 다공 세라믹 물질은 기공율이 50%이상의 스폰지 형태의 고체다공 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 오일 연소장치.
6. 오일에 공기를 공급하는 단계와 ; 오일 연소장치의 상부에 다공 세라믹 물질을 위치시켜 연소반응이 상기 다공 세라믹 물질의 내부 또는 입구에서 진행되게 하는 단계와 ; 상기의 다공 세라믹 물질에서 높은 복사 에너지를 발생시키는 단계와 ; 상기의 복사에너지를 이용하여 연료 노즐에서 분사되는 액적의 증발을 촉진시켜 증발된 가스 연료를 공기와 혼합시켜 가스/공기 예혼합화염 연소 형태로 만드는 단계를 포함하여 이루어지는 오일 연소방법.
7. 제6항에 있어서, 혼합기의 유동이 상기 다공 세라믹 물질을 쉽게 통과하기 위하여 상기 다공 세라믹 물질 통과 직전 유동의 회전 속도 성분이 다공 세라믹 물질에 접근하는 유동의 직진 속도 성분보다 크게 하기 위하여 공기를 회전하도록 공급하는 단계를 포함하는 오일 연소 방법.