KR20120108672A

KR20120108672A - 표면연소버너용 예혼합기

Info

Publication number: KR20120108672A
Application number: KR1020110026853A
Authority: KR
Inventors: 유동근; 고동완
Original assignee: 주식회사 부-스타
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-05

Abstract

본 발명은 표면연소버너(Metal Fiber Mat Burner)용 예혼합기(Pre-Mixer)에 관한 것으로, 후면이 개방된 함체 내에 상하좌우면에 일정한 크기의 연료가스분출공이 일정한 간격으로 천공되어 있는 연료가스챔버와 다수의 기공이 천공되어 있는 정류판을 설치하고, 함체의 전면에는 공기공급구를 설치하며, 연료가스챔버의 전면에는 함체의 전면을 관통하는 연료가스공급구를 설치한 것을 특징으로 하며, 혼합가스의 유속이 일정하고 연료가스와 공기의 혼합이 원활하여 화염이 안정되고 완전연소가 이루어지며 NOx, CO 등의 유해물질의 발생이 크게 감소하는 효과가 있다.

Description

표면연소버너용 예혼합기{Pre-Mixer for Metal Fiber Mat Burner}

본 발명은 표면연소버너(Metal Fiber Mat Burner)용 예혼합기(Pre-Mixer)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면연소버너에서 연료가스와 공기를 미리 혼합시켜 버너에 공급하는 예혼합기에 관한 것이다.

예혼합 표면연소버너는 연료가스와 공기를 미리 혼합시켜 연소매트(Metal Fiber Mat)에 공급하여 연소매트의 표면에서 연소가 일어나도록 하는 버너로, 화염의 안정성이 높고 연소성능이 우수하며, 배기가스 중의 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 등의 오염물질과 연소소음이 크게 줄어드는 장점이 있다.

이러한 예혼합 표면연소버너는 연료가스와 공기를 미리 혼합시켜 버너에 공급하는 예혼합기, 연료가스와 공기의 혼합가스의 연소가 이루어지는 연소매트, 초기 점화를 위한 파이로트 점화장치, 화염을 감지하는 화염감지기, 송풍기, 가스밸브 등으로 구성된다.

이러한 예혼합 표면연소버너에서 예혼합기가 성능을 제대로 발휘하지 못하여 연료가스와 공기의 혼합이 미흡하거나 혼합가스의 유속이 일정하지 못하면 연소가 불량하여 NOx, CO 등의 환경오염 물질이 다량 발생하고 고주파나 저주파 진동에 의한 연소소음이 발생하며 역화로 인한 폭발이 발생할 수도 있는 문제점이 있다.

또한, 이러한 예혼합 표면연소버너의 예혼합기로 벤츄리관(Venturi Pipe)의 특성을 이용하거나 스월(swirl)을 이용하는 예혼합기가 주로 사용되고 있으나, 이러한 예혼합기는 원통형 타입의 예혼합 표면연소버너에 적합하고 단면이 4각 등 다른 형태의 예혼합 표면연소버너에 사용하면 예혼합비율이 떨어지고, 예혼합 가스의 유속이 일정하지 아니하여 연소성능이 떨어지고 연소소음이 많이 발생하며, 역화로 인한 폭발의 위험이 있고, 크기가 커져 컴팩트한 배치가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 혼합가스의 유속이 일정하고 연료가스와 공기의 혼합이 원활하여 연소성능이 우수하고 NOx, CO 등의 환경오염 물질과 연소소음의 발생이 적으며 역화로 인한 폭발의 위험이 없고 컴팩트한 구조의 버너 개발이 가능한 예혼합기를 제공하는데 그 목적이 있다. 특히, 본 발명은 단면이 4각형 등 다각형의 예혼합 표면연소버너에 적합한 예혼합기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 후면이 개방된 함체 내에 연료가스챔버와 정류판을 설치하고, 상기 함체의 전면에는 공기공급구를 설치하며 상기 연료가스챔버의 전면에는 상기 함체의 전면을 관통하는 연료가스공급구를 설치한 구성으로 예혼합기를 구성한다.

또, 상기 연료가스챔버의 상하좌우면에는 일정한 크기의 연료가스분출공을 일정한 간격으로 천공하고, 상기 함체의 상하좌우의 내면과 상기 연료가스챔버의 상하좌우의 외면 사이에는 간격유지편을 설치한다.

본 발명은 위와 같은 구성으로 인하여 혼합가스의 유속이 일정하고 연료가스와 공기의 혼합이 원활하여 화염이 안정되고 완전연소가 이루어지며 NOx, CO 등의 유해물질의 발생이 크게 감소하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 구조도이고,
도 2는 본 발명의 정단면도이며,
도 3은 도 2의 A-A' 선 단면도이다.
도 4는 본 발명에 연소매트를 장착한 상태의 A-A' 선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 연료가스챔버의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 정류판의 상세도이다.
도 7은 본 발명이 열교환기에 설치된 상태도이다.
도 8은 유속에 따른 연료가스와 공기의 혼합비율에 관한 유동해석결과도로, 도 8a는 유속이 12m/s일 때의 결과이고, 도 8b는 유속이 18m/s일 때의 결과이며, 도 8c는 유속이 25m/s일 때의 결과이다.
도 9는 혼합가스의 유속에 따른 NOx와 CO 배출량의 측정결과도표이다.

이하 본 발명을 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 후면이 개방된 함체(1) 내에 연료가스챔버(2)와 정류판(3)을 설치하고, 상기 함체(1)의 전면에는 공기공급구(4)를 설치하며, 상기 연료가스챔버(2)의 전면에는 상기 함체(1)의 전면을 관통하는 연료가스공급구(5)를 설치한 구성으로 예혼합기를 구성한다.

또, 상기 연료가스챔버(2)의 상하좌우면에는 일정한 크기의 연료가스분출공(21)을 일정한 간격으로 천공하고, 상기 함체(1)의 상하좌우의 내면과 상기 연료가스챔버(2)의 상하좌우의 외면 사이에는 간격유지편(6)을 설치한다. 미 설명부호 7은 연소매트이고, 10은 열교환기이다.

위와 같이 구성된 본 발명의 예혼합기에 공기공급구(4)를 통하여 공기가 공급되고 연료가스공급구(5)를 통하여 연료가스가 공급되면, 연료가스분출공(21)으로 분출되는 연료가스와 상기 함체(1)와 상기 연료가스챔버(2) 사이의 간격을 통과하는 공기가 예혼합되고 정류판(3)을 통과하면서 유속과 유량이 일정하게 되어 연소매트(7)에 공급되어 연소가 이루어진다.

함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 간격이 일정하여 연료가스챔버(2)가 함체(1)의 정 중앙에 위치하지 않으면 공기가 통과하는 단면적이 일정하지 않게 되므로 공기의 유속이 부분별로 서로 다르게 되어 제1차혼합영역(8)에서의 연료가스와 공기의 혼합이 균일하게 되지 못하므로 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 간격이 일정하게 되도록 하기 위하여 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 상하좌우의 간격에 간격유지편(6)을 각각 설치한다. 간격유지편(6)은 상하좌우의 간격에 각각 2개소씩 총 8개소를 설치하는 것이 바람직하다.

또, 연료가스공급구(5)를 통해 공급되는 연료가스의 압력은 1,000~2,000mmAq 정도이며, 연료가스챔버(2)의 두께, 즉 연료가스챔버(2)의 전면에서 후면까지의 거리가 크면 연료가스분출공(21)에서 분출되는 연료가스의 유속과 유량이 불균일해져 연소에 나쁜 영향을 주고 소음이 발생 된다. 많은 실험 결과, 연료가스챔버(2)의 두께가 연료가스분출공(21)의 지름(d)의 10배(10d)가 되도록 하면 분출되는 연료가스의 유속과 유량이 일정하게 되는 것을 알게 되었다.

도 8은 유속에 따른 연료가스와 공기의 혼합비율에 관한 유동해석결과도로, 도 8a는 유속이 12m/s일 때의 결과이고, 도 8b는 유속이 18m/s일 때의 결과이며, 도 8c는 유속이 25m/s일 때의 결과이다. 이를 살펴보면, 혼합가스의 유속이 높을수록 연료가스와 공기의 혼합이 잘 되는 것을 알 수 있다. 도 9는 혼합가스의 유속에 따른 NOx와 CO 배출량의 측정결과도표로, 혼합가스의 평균유속이 15 ~ 20m/s 일 때 안정적인 연소가 이루어져 배출가스 중의 NOx와 CO가 적게 발생하는 것을 알 수 있다.

혼합가스의 유속이 20m/s를 넘으면 연료가스와 공기의 혼합비율은 높아지나 유속이 적정 유속 이상이 되어 화염이 연소매트에서 떨어져 날리면서 오히려 배출가스 중의 NOx와 CO의 양이 상승하고, 화염의 날림으로 인하여 저주파 진동의 연소소음이 발생한다. 반대로, 혼합가스의 유속이 15m/s 이하가 되면 유속이 적정 유속 이하가 되어 연료가스와 공기의 혼합비율이 떨어져 배출가스 중의 NOx와 CO의 양이 상승하게 되어 예혼합 표면연소버너의 장점이 사라지게 된다.

그런데, 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이를 통과하는 예혼합가스의 유속 및 혼합비율은 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 면적의 크기에 따라 크게 영향을 받는다. 따라서 송풍기로 공급하는 공기의 압력손실을 최소화하면서, 예혼합가스의 유속이 적정하게 되고 연료가스와 공기의 혼합비율이 최고가 되도록 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 단면적을 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 적정 단면적을 다음 식에 의하여 계산한다.

단면적(A) = 유량(Q)/유속(V)

여기서 단면적(A)은 예혼합가스가 통과하는 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 단면적으로, 함체(1)의 내면의 단면적에서 연료가스챔버(2)의 단면적을 뺀 면적이고, 유량(Q)은 예혼합기에 공급하는 공기량과 연료가스량을 더한 유량이다. 유속(V)은 희망하는 유속이다.

공기공급구(4)를 통해 공급된 공기는 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이를 통과하면서 연료가스분출공(21)을 통해 분출되는 연료가스와 제1차혼합(예혼합)이 이루어지면서 제1차혼합영역(8)으로 진입된다.

이렇게 제1차혼합영역(8)으로 진입된 예혼합가스는 연료가스챔버(2)의 후면에서 발생되는 와류로 인하여 일정한 유속을 형성하지 못하게 된다. 이렇게 유속이 일정하지 못한 예혼합가스를 곧바로 연소매트(7)에 공급하면 연소매트(7)의 표면에 화염이 일정하게 형성되지 못하게 되어 불완전 연소가 되고 연소소음이 발생한다.

본 발명에서는 이와 같은 불완전연소와 연소소음을 예방하기 위하여 다수의 기공(31)이 있는 정류판(3)을 설치한다. 제1차혼합영역(8)의 예혼합가스는 상기 정류판(3)을 통과하는 과정에서 유속 및 유량이 일정하게 되어 제2차혼합영역(9)으로 진입되며, 제2차혼합영역(9)에서 제2차 혼합되고 정류된 혼합가스가 되어 일정한 유속 및 유량으로 연소매트(7)에 공급되어 연소된다.

많은 실험 결과. 상기 정류판(3)의 기공(31)은 고르게 분포되고 전체 면적에 대한 기공의 비율이 25 ~ 30% 인 것이 바람직하다. 정류판(3)의 기공의 비율이 25% 이하가 되면 정류작용은 높아지나 혼합가스의 압력손실이 많게 되고, 30% 이상이 되면 정류작용이 제대로 되지 아니하므로 정류판(3)을 설치하는 의미가 없게 된다.

이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.

또한, 본 발명의 상세한 설명과 특허등록청구범위에 기재된 도면부호는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 참고로 부기한 것으로, 본 발명은 도면상의 형태로 한정되지 아니한다.

본 발명의 표면연소버너용 예혼합기는 가정용, 산업용 등 다양한 표면연소버너의 예혼합기로 사용될 수 있다.

1: 함체 2: 연료가스챔버(Chamber)
21: 연료가스분출공 3: 정류판
31: 기공 4: 공기공급구
5: 연료가스공급구 6: 간격유지편
7: 연소매트(Mat) 8: 제1차혼합영역
9: 제2차혼합영역 10: 열교환기

Claims

후면이 개방된 함체(1) 내에 상하좌우면에 일정한 크기의 연료가스분출공(21)이 일정한 간격으로 천공되어 있는 연료가스챔버(2)를 설치하고,
상기 함체(1)의 전면에는 공기공급구(4)를 설치하며,
상기 연료가스챔버(2)의 전면에는 상기 함체(1)의 전면을 관통하는 연료가스공급구(5)를 설치한 것을 특징으로 하는 표면연소버너용 예혼합기
제1항에 있어서,
상기 함체(1) 내에 다수의 기공이 천공되어 있는 정류판(3)이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표면연소버너용 예혼합기
제2항에 있어서,
상기 정류판(3)의 기공비율이 25 ~ 30%인 것을 특징으로 하는 표면연소버너용 예혼합기
제1항에 있어서,
상기 함체(1)의 상하좌우의 내면과 상기 연료가스챔버(2)의 상하좌우의 외면 사이에 간격유지편(6)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표면연소버너용 예혼합기
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료가스챔버(2)의 두께가 연료가스분출공(21)의 지름(d)의 10배(10d)인 것을 특징으로 하는 표면연소버너용 예혼합기
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 단면적의 크기를 다음 식에 의하여 결정하여 함체(1)와 연료가스챔버(2)의 사이를 통과하는 예혼합가스의 평균유속(m/s)이 15 ~ 20m/s 가 되도록 한 것을 특징으로 하는 표면연소버너용 예혼합기
단면적(A) = 유량(Q)/유속(V)
단, 상기 단면적(A)은 함체(1)와 연료가스챔버(2) 사이의 단면적으로, 함체(1)의 내면의 단면적에서 연료가스챔버(2)의 단면적을 뺀 면적이고, 상기 유량(Q)은 예혼합기에 공급하는 공기량과 연료가스량을 합한 유량이며, 상기 유속(V)은 희망하는 유속이다.