KR20150054281A

KR20150054281A - 플라즈마 버너

Info

Publication number: KR20150054281A
Application number: KR1020130136524A
Authority: KR
Inventors: 이대훈; 송영훈; 김관태; 변성현
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-20
Also published as: KR101525140B1

Abstract

본 발명의 목적은 하우징의 내벽에 침착되는 연료의 미산화 부산물을 최소화 하는 플라즈마 버너를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너는, 원통부로 방전기체를 회전 유입하며 상기 원통부에 확장부를 연결하여 형성되고, 전기적으로 접지되는 하우징, 상기 원통부의 외측에 설치되어 상기 원통부의 내주면에 접선 방향으로 형성되는 기체 통로로 방전기체를 회전 공급하는 플레넘 챔버, 및 상기 원통부의 내측에 절연부재를 개재하여 설치되고, 상기 원통부의 내벽과의 사이에 방전 간극을 형성하여 인가되는 전압에 의하여 회전하는 상기 방전기체로 회전 아크를 발생시키며, 상기 회전 아크에 연료를 공급하여 화염을 형성하는 전극노즐을 포함한다.

Description

플라즈마 버너 {PLASMA BURNER}

본 발명은 플라즈마 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하우징의 내벽에 침착되는 연료의 미산화 부산물을 줄이고 벽면으로의 열손실을 줄이는 플라즈마 버너에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 버너는 하우징의 내부에 전극을 설치하여 하우징과 전극 사이에 방전 간극을 형성하여 고전압을 인가함으로써 방전 간극에서 방전기체 및 연료로 플라즈마를 발생시킨다.

예를 들면, 플라즈마 버너에서 연료는 아크의 후단에 공급된다. 따라서 방전 불안정이 발생하는 경우, 연료의 미산화 부산물이 하우징의 내벽에 다량으로 침착된다.

이 고형인 미산화 부산물의 침착은 방전 불안정성을 추가하게 되고, 침착된 부산물에서 내벽으로 열전달 경로를 형성함으로써 에너지 손실을 유발하고, 연료의 연소 효율을 저하시키게 된다.

또한 화염의 방향이 플라즈마 버너의 벽면을 향할 경우, 화염면과 벽면의 직접적인 접촉에 의하여, 벽면으로의 열손실이 증가되어, 플라즈마 버너의 효율이 저하된다.

따라서 플라즈마 버너에서 연료의 미산화에 따른 고형의 부산물이 하우징의 내벽에 침착되는 것을 최소화하고, 벽멱으로의 열손실을 최소화 할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 하우징의 내벽에 침착되는 연료의 미산화 부산물을 최소화 하고 벽면으로의 열손실을 최소화하는 플라즈마 버너를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너는, 원통부로 방전기체를 회전 유입하며 상기 원통부에 확장부를 연결하여 형성되고, 전기적으로 접지되는 하우징, 상기 원통부의 외측에 설치되어 상기 원통부의 내주면에 접선 방향으로 형성되는 기체 통로로 방전기체를 회전 공급하는 플레넘 챔버, 및 상기 원통부의 내측에 절연부재를 개재하여 설치되고, 상기 원통부의 내벽과의 사이에 방전 간극을 형성하여 인가되는 전압에 의하여 회전하는 상기 방전기체로 회전 아크를 발생시키며, 상기 회전 아크에 연료를 공급하여 화염을 형성하는 전극노즐을 포함한다.

상기 원통부는 상기 기체 통로를 복수로 구비하며, 상기 기체 통로는 상기 원통부에 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치될 수 있다.

상기 전극노즐은, 상기 절연부재에 설치되는 설치부, 상기 설치부에 연결되어 상기 방전 간극에서 최대 직경으로 형성되는 몸통부, 및 상기 몸통부의 상기 설치부 반대측에서 최소 직경으로 형성되는 단부를 포함할 수 있다.

상기 전극노즐은, 상기 연료를 공급하는 연료 통로를 구비하고, 상기 단부는, 중심에 상기 연료 통로를 구비하고, 상기 연료 통로의 외측에 인접하는 오목홈과 상기 오목홈의 외측에 인접하는 볼록 돌기를 구비할 수 있다.

상기 하우징은, 상기 확장부의 끝에서 더 확장되는 추가 확장부를 더 포함하고, 상기 추가 확장부에 보조 노즐이 더 설치될 수 있다.

상기 보조 노즐은, 상기 추가 확장부에서 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치되어 상기 화염을 향하여 연료를 분사하여 2차 화염을 형성하도록 설치될 수 있다.

상기 추가 확장부는, 배기가스를 배출하는 배기관에 연결되고, 상기 배기관은, 구비된 홀을 통하여 상기 배기가스를 상기 2차 화염으로 공급하도록 내부에 설치되어 상기 추가 확장부에 연결되는 보염기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너는, 상기 확장부에 설치되는 보조 플레넘 챔버를 더 포함할 수 있다.

상기 보조 플레넘 챔버는, 상기 확장부에서 원주 방향을 따라 배치되어 상기 화염을 향하여 방전기체를 분사하도록 보조 기체 통로를 형성할 수 있다.

상기 보조 기체 통로는, 상기 확장부의 내주면에 접선 방향으로 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플래넘 챔버에서 하우징과 전극노즐 사이로 회전하면서 진행되는 방전기체에 의하여 회전 아크가 발생되고, 전극노즐로부터 공급되는 연료를 회전 아크에 분무하므로 하우징 내벽으로부터 원거리에서 화염이 형성된다.

따라서 하우징의 내벽에 침착되는 연료의 미산화 부산물이 최소화 되고, 내벽면으로의 열손실이 최소화 되므로 에너지 손실이 줄어들고, 연료의 연소 효율이 높아진다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예에 따른 플라즈마 버너(1)는 하우징(10), 하우징(10)의 내벽에 침착되는 연료의 미산화 부산물을 줄이도록 구성되는 플래넘 챔버(20) 및 전극노즐(30)을 포함한다.

예를 들면, 하우징(10)은 방전기체(예를 들면, 공기)를 회전 유입하여 보내는 원통부(11)와, 원통부(11)에 연결되어 원통부(11)의 직경보다 점차로 확장 형성되는 확장부(12)를 포함한다.

대체로, 원통부(11)는 방전기체 및 발생되는 회전 아크(RA)의 유동 통로를 형성하고, 확장부(12)는 회전 아크(RA)에 분사되는 무화 연료(SF)에 의한 화염(F)이 발생되는 공간을 형성한다.

원통부(11)는 방전기체의 회전 진행을 유리하게 하기 위한 일례이며, 다각형통 구조로 변형될 수도 있고, 원통 또는 다각형통의 내주면에 나선 구조를 더 구비하여 방전기체의 회전을 더욱 효과적으로 유도할 수도 있다. 그리고 하우징(10)은 전기적으로 접지된다.

플레넘 챔버(20)는 원통부(11)의 외측에 설치되어 원통부(11)의 내주면에 접선 방향으로 형성되는 기체 통로(P1)로 방전기체를 회전 공급한다. 플레넘 챔버(20)는 외부로부터 방전기체를 공급받아 설정된 압력의 방전기체를 기체 통로(P1)로 공급한다.

하우징(10)의 원통부(11)는 기체 통로(P1)를 복수로 구비하며, 복수의 기체 통로(P1)는 원통부(11)에 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치될 수 있다. 플래넘 챔버(20)에서 공급되는 방전기체는 원통부(11)와 전극노즐(30) 사이에서 회전 공급될 수 있다.

전극노즐(30)은 원통부(11)의 내측에 절연부재(40)를 개재하여 하우징(10)과 전기적인 절연 상태로 설치된다. 또한 절연부재(40)는 확장부(12)의 반대측에서 원통부(11)와 전극노즐(30) 사이에 설치되어, 원통부(11)의 일측을 밀폐한다.

전극노즐(30)은 원통부(11)의 내벽과의 사이에 방전 간극(G)을 형성하고, 원통부(11)가 접지되며 전압(H.V)이 전극노즐(30)에 인가되므로 방전 간극(G)에서 플라즈마 방전을 일으킨다. 즉 방전기체가 회전하면서 진행함에 따라 원통부(11) 및 전극노즐(30)은 회전 아크(RA)를 발생시킨다.

또한, 전극노즐(30)은 회전 아크(RA)에 무화 연료(SF)를 공급함으로써 회전 아크(RA)와 무화 연료(SF)에 의하여, 전극노즐(30)의 단부(33) 전방에 위치하는 확장부(12) 내에서 화염(F)을 형성한다.

예를 들면, 전극노즐(30)은 절연부재(40)에 설치되는 설치부(31), 몸통부(32) 및 단부(33)를 포함한다. 설치부(31)가 절연부재(40)에 설치되므로 전극노즐(30)은 하우징(10)과 전기적으로 절연된다.

몸통부(32)는 설치부(31)에 연결되어 방전 간극(G)에서 최대 직경으로 형성된다. 즉 몸통부(32)는 설치부(31)의 끝에서 점진적으로 직경이 증대되고 최대 직경 이후에서 점진적으로 직경이 감소되는 구조로 이루어진다. 즉 단부(33)는 몸통부(32)의 설치부(31) 반대측에서 최소 직경으로 형성된다.

따라서 플래넘 챔버(20)에서 공급되는 방전기체는 원통부(11)의 내면과 전극노즐(30) 사이를 회전 경유하면서 몸통부(32)의 최대 직경 측에서 최대 유속을 형성할 수 있다.

또한, 전극노즐(30)은 연료를 공급하는 연료 통로(34)를 내부에 구비하므로 원통부(11)와의 상호 작용으로 플라즈마 방전을 일으켜 회전 아크(RA)를 발생시키면서, 동시에 연료 통로(34)로 연료를 분사하여, 단부(33)의 전방에서 무화 연료(SF)로 화염(F)을 형성할 수 있다. 화염(F)은 무화 연료(SF)의 분사 거리만큼 전극노즐(30)의 단부(33)로부터 이격된 위치에 형성된다.

이때, 전극노즐(30) 및 연료 통로(34)의 중심선의 방향과 원통부(11) 및 확장부(12)의 중심선의 방향이 일치하는 일직선을 형성하므로 연료 통로(34)는 원통부(11) 또는 확장부(12)의 내벽을 향하지 않는다. 따라서 연료 통로(34)로 공급되는 무화 연료(SF)는 원통부(11) 및 원통부(11)에 인접하는 확장부(12)에 닿지 안는다.

단부(33)는 중심에 연료 통로(34)를 구비하고, 연료 통로(34)의 외측에 인접하는 오목홈(331)과 오목홈(331)의 외측에 인접하는 볼록 돌기(332)를 구비한다. 오목홈(331)은 단부(33)에서 연료의 표면장력에 의하여 연료 통로(34)에서 공급되는 무화 연료(SF)가 단부(33)의 주위로 흘려 내리는 것을 방지한다.

볼록 돌기(332)는 연료 통로(34)에서 공급되는 무화 연료(SF)와 전극노즐(30)의 외면으로 진행되는 회전 아크(RA)를 구분하여, 단부(33)에 인접하는 위치에서 무화 연료(SF)가 연소되지 않고 단부(33)의 원방에서 화염(F)을 형성할 수 있게 한다.

단부(33)의 형성은 방전의 발생 및 소멸 과정에서 방전이 소멸하는 첨단부의 기능을 하게 되므로 전극노즐(3)의 외면에서의 방전 발생을 방지하여 전극노즐(30) 분사면의 손실을 방지하는 역할을 한다.

즉 회전 아크(RA)는 원통부(11)에서 확장부(12)로 확장되면서 회전 진행하고, 연료 통로(34)에서 분사되는 무화 연료(SF)는 단부(33)의 전방, 즉 원통부(11)의 중심 방향으로 진행된다.

따라서 화염(F)은 원통부(11) 및 확장부(12)의 벽면을 향하지 않게 되고, 이로 인하여, 확장부(12)의 벽면을 가열하는 것이 저감되고, 벽면에 침착되는 연료의 미산화 부산물이 최소화될 수 있다. 즉 원통부(11) 내에서 방전 안정성이 높아지고, 확장부(12) 내에서 연소 효율이 높아진다.

또한, 전극노즐(30)에 직류(DC) 전압을 인가하여 회전 아크(RA)를 발생시키는 경우, 정전기적 척력에 의하여 액상 연료의 입자 무화가 더 가속화 될 수 있다. 따라서 무화 연료(SF) 및 회전 아크(RA)에 의하여 형성되는 화염(F)이 더욱 안정되고, 연료의 미산화 부산물이 감소될 수 있다.

이하 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예의 구성과 동일한 구성에 대하여 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 제2실시예에 따른 플라즈마 버너(2)에서, 하우징(210)은 확장부(12)의 끝에서 더 확장되는 추가 확장부(13)를 더 포함한다. 즉 제2실시예의 플라즈마 버너(2)는 제1실시예의 플라즈마 버너(1)의 구성에 추가 확장부(13) 및 보조 노즐(50)을 더 포함한다.

추가 확장부(13)는 확장부(12)의 단부에서 직경 방향으로 더 확장되어 화염(F)의 진행 방향으로 연결되므로 무화 연료(SF)에 의하여 형성되는 화염(F)을 추가 확장부(13)의 내벽으로부터 더욱 이격시킬 수 있다.

보조 노즐(50)은 추가 확장부(13)에 설치되며, 예를 들면, 추가 확장부(13)에서 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치되어 화염(F)을 향하여 무화 연료(SF2)를 분사하여 2차 화염(F2)을 형성하도록 설치된다.

추가 확장부(13)가 확장부(12)에 비하여 큰 직경으로 확장되므로 보조 노즐(50)에서 무화 연료(SF2)가 화염(F)을 향하여 분사되어 2차 화염(F2)을 형성한다. 따라서 추가 확장부(13)에 추가로 분사되는 무화 연료(SF2)는 미산화 부산물을 발생시키지 않는다. 즉 추가 확장부(13)의 내벽에 미산화 부산물이 점착되지 않는다.

보조 노즐(50)에서 분사된 무화 연료(SF2)는 화염(F)에 의해 급속히 무화 및 연소되면서 2차 화염(F2)을 형성한다. 예를 들면, 추가 확장부(13)는 배기가스를 배출하는 배기관(14)에 연결된다. 따라서 화염(F) 및 2차 화염(F2) 단계에서 미연소된 연료는 배기관(14) 내에서 배기가스에 포함된 산소를 이용하여 추가 연소되어(예를 들면, 3차 화염(F3)) 연소과정에서 발열량을 증가시킨다.

또한, 배기관(14)은 추가 확장부(13)에 연결되어 내부에 설치되는 보염기(15)를 더 포함할 수 있다. 보염기(15)는 구비된 홀들(H15)을 통하여 배기가스를 내부로 공급하여 2차 및 3차 화염(F2, F3)을 더욱 안정시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제3실시예에 따른 플라즈마 버너(3)는 확장부(12)에 보조 플레넘 챔버(21)를 더 설치한다. 즉 제3실시예의 플라즈마 버너(3)는 제2실시예의 플라즈마 버너(2)의 구성에 보조 플레넘 챔버(21)를 더 포함한다.

예를 들면, 보조 플레넘 챔버(21)는 확장부(12)에서 원주 방향을 따라 배치되어 화염(F)을 향하여 보조 방전기체(예를 들면, 보조 공기)를 분사하도록 보조 기체 통로(P2)를 형성한다.

한편, 보조 기체 통로(P2)는 확장부(12)의 내주면에 접선 방향으로 형성될 수도 있다. 따라서 보조 기체 통로(P2)로 공급되는 보조 공기는 확장부(12)의 원주 방향을 따라 회전 공급되어 회전 아크(RA)를 더 연장시킬 수 있다.

보조 공기가 화염(F)에 분사되면 화염(F)이 더욱 안정되어 연료의 연소 안정성을 더 높일 수 있다. 또 보조 플레넘 챔버(21)가 확장부(12)에 설치됨에 따라 확장부(12)의 벽면을 냉각할 수도 있다.

또한, 보조 노즐(50) 직후에 배기가스와 연통되는 보염기(15)를 설치하고, 보조 노즐(50)의 분사각을 보염기(15)의 내부로 향하게 하면, 보조 노즐(50) 이후 영역에서, 별도의 냉각장치 없이, 추가 확장부(13)의 벽면으로부터 연료의 연소열이 배기가스로 회수될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1, 2, 3: 플라즈마 버너 10, 210: 하우징
11: 원통부 12: 확장부
13: 추가 확장부 14: 배기관
15: 보염기 20: 플래넘 챔버
21: 보조 플레넘 챔버 30: 전극노즐
31: 설치부 32: 몸통부
33: 단부 34: 연료 통로
40: 절연부재 50: 보조 노즐
331: 오목홈 332: 볼록 돌기
F: 화염 F2, F3: 2, 3차 화염
G: 방전 간극 H15: 홀
P1: 기체 통로 P2: 보조 기체 통로
RA: 회전 아크 SF, SF2: 무화 연료

Claims

원통부로 방전기체를 회전 유입하며 상기 원통부에 확장부를 연결하여 형성되고, 전기적으로 접지되는 하우징;
상기 원통부의 외측에 설치되어 상기 원통부의 내주면에 접선 방향으로 형성되는 기체 통로로 방전기체를 회전 공급하는 플레넘 챔버; 및
상기 원통부의 내측에 절연부재를 개재하여 설치되고, 상기 원통부의 내벽과의 사이에 방전 간극을 형성하여 인가되는 전압에 의하여 회전하는 상기 방전기체로 회전 아크를 발생시키며, 상기 회전 아크에 연료를 공급하여 화염을 형성하는 전극노즐
을 포함하는 플라즈마 버너.
제1항에 있어서,
상기 원통부는 상기 기체 통로를 복수로 구비하며,
상기 기체 통로는 상기 원통부에 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치되는
플라즈마 버너.
제1항에 있어서,
상기 전극노즐은,
상기 절연부재에 설치되는 설치부,
상기 설치부에 연결되어 상기 방전 간극에서 최대 직경으로 형성되는 몸통부, 및
상기 몸통부의 상기 설치부 반대측에서 최소 직경으로 형성되는 단부
를 포함하는 플라즈마 버너.
제3항에 있어서,
상기 전극노즐은,
상기 연료를 공급하는 연료 통로를 구비하고,
상기 단부는,
중심에 상기 연료 통로를 구비하고,
상기 연료 통로의 외측에 인접하는 오목홈과 상기 오목홈의 외측에 인접하는 볼록 돌기를 구비하는 플라즈마 버너.
제1항에 있어서,
상기 하우징은,
상기 확장부의 끝에서 더 확장되는 추가 확장부를 더 포함하고,
상기 추가 확장부에 보조 노즐이 더 설치되는 플라즈마 버너.
제5항에 있어서,
상기 보조 노즐은,
상기 추가 확장부에서 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치되어 상기 화염을 향하여 연료를 분사하여 2차 화염을 형성하도록 설치되는 플라즈마 버너.
제6항에 있어서,
상기 추가 확장부는,
배기가스를 배출하는 배기관에 연결되고,
상기 배기관은,
구비된 홀을 통하여 상기 배기가스를 상기 2차 화염으로 공급하도록 내부에 설치되어 상기 추가 확장부에 연결되는 보염기
를 포함하는 플라즈마 버너.
제5항에 있어서,
상기 확장부에 설치되는 보조 플레넘 챔버를 더 포함하는 플라즈마 버너.
제8항에 있어서,
상기 보조 플레넘 챔버는,
상기 확장부에서 원주 방향을 따라 배치되어 상기 화염을 향하여 방전기체를 분사하도록 보조 기체 통로를 형성하는 플라즈마 버너.
제9항에 있어서,
상기 보조 기체 통로는,
상기 확장부의 내주면에 접선 방향으로 형성되는 플라즈마 버너.