KR20150084881A - 연료 연소용 버너 및 이러한 버너를 포함하는 장치 - Google Patents

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KR20150084881A
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프레드릭 실버산드
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Abstract

연료 연소를 위한 버너(11)로서, 연료를 위한 입구(14)를 갖는 외측 커버(23), 및 상기 외측 커버(23) 내에 배열되는 연소 챔버(27)를 포함하고, 상기 연소 챔버에서 연료가 연소 가스로 변환된다. 상기 버너(11)는 연료를 위한 입구 개구(26)를 구비하는 내측 커버(24)를 포함하고, 내측 커버(24) 주위에 유입된 연료를 전도하고 내측 커버(24)의 입구 개구(26)에 전도하기 위해 외측 커버(23)와 내측 커버(24) 사이에 스페이스(25)를 형성하도록 상기 내측 커버가 외측 커버(23) 내에 배열된다. 본 발명은 또한 이러한 버너(11)를 포함하는 가열용 장치에 관한 것이다.

Description

연료 연소용 버너 및 이러한 버너를 포함하는 장치 {A BURNER FOR BURNING FUEL AND A DEVICE COMPRISING SUCH A BURNER}
본 발명은 연료 연소용 버너에 관한 것이다. 본 발명은 또한 버너 및 버너에 의해 생성된 연소 가스로부터 열 에너지를 회수하기 위한 열 교환기를 포함하는 가열용 장치에 관한 것이다. 가열을 위한 이러한 타입의 장치는 열 및 뜨거운 물 생성을 위한 중앙 히터로 사용될 수 있다. 열 교환기는 제1 매질(medium)로부터 열을 회수하도록 하는 것과 같이, 제1 매질로부터 제2 매질로 열 에너지를 회수하도록 사용된다. 열교환기의 한가지 타입은 플레이트 패키지의 형태로 복수의 열교환기를 포함하고, 이른바 플레이트 및 쉘 열교환기로 배열될 수 있다.
종래 수많은 다른 유형의 버너 및 가열용 장치가 있다. 가열 산업에서 몰드 또는 튜브 형태의 열교환기가, 연소 열이라고도 불리우며, 연료 및 공기의 혼합체의 화염 연소에 의해 생성되는 연소 가스로부터 열 에너지를 회수하는데 사용된다. 화염 연소는 고온에서 일어나고 가스 상태에서 복잡한 라디칼 반응을 포함한다. 소형 버너 및 열교환기를 설계할 가능성들은 효율적인 연소를 얻기 위해 특정 화염 길이가 요구되는 연소 기술에 의해 제한된다. 또한, 화염 그 자체 또는 화염 존이 열교환기의 열전달 표면에 직접 접촉하게 되는 위험이 있어, 일산화탄소의 많은 방출 및 물질의 파괴의 위험으로 이어질 수 있다. 합리적인 내구성을 얻기 위하여, 이 솔루션은 이러한 기술적인 문제를 보상하기 위해 일반적으로 물질의 두께가 크다. 따라서, 종래 장치의 결과는 비효율적이고, 공간 요구적이고, 무겁고 그리고 고가이다. 따라서, 개선된 열교환기 및 가열용 장치에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 종래의 결점 및 문제점을 피하고 보다 신뢰성있고 효율적인 버너를 제공하는 것이다. 본 발명은 보다 소형이고 비용 효율적인 가열용 장치를 얻을 가능성을 가져온다.
본 발명은 연료 연소를 위한 버너에 관한 것으로, 연료를 위한 입구를 갖는 외측 커버, 및 상기 외측 커버 내에 배열되는 연소 챔버를 포함하고, 상기 연소 챔버에서 연료가 연소 가스로 변환되고, 상기 버너가 연료를 위한 입구 개구를 구비하는 내측 커버를 포함하고, 내측 커버 주위에 유입(incoming) 연료를 전도하고 내측 커버의 입구 개구에 전도하기 위해 외측 커버와 내측 커버 사이에 스페이스를 형성하도록 상기 내측 커버가 외측 커버 내에 배열되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 유입 연료 또는 연료와 공기의 혼합체에 의해 버너가 냉각되고, 버너의 간소화된 냉각이 역화(back firing)를 피하도록 얻어진다.
상기 입구는 상기 입구 개구에 대하여 각도를 가지고 배열되는 것과 같이, 변위될 수 있다. 예를 들어, 상기 입구는 연료를 버너의 중심축에 대하여 수직인 방향으로 스페이스 내로 전도하도록 배열될 수 있고, 상기 입구 개구는 연료를 중심축을 따르는 방향으로 연소 챔버 내로 전도하도록 배열된다. 상기 커버들은 실린더 형상이고 동심으로 배열될 수 있고, 입구는 중심축의 일부를 에워싸고 또한 내측 커버의 곡면 벽을 에워싸는 외측 커버의 곡면 벽에 배열될 수 있다. 입구 개구는 내측 커버의 단벽에 배열될 수 있고, 단벽은 반지름 방향 평면으로 연장된다.
상기 버너는 연료의 연소 가스로의 촉매 연소를 위한 촉매를 포함할 수 있다. 촉매는 원뿔형과 같이 테이퍼지거나 반구로 형성되거나 어떤 다른 적합한 방식으로 형성될 수 있어, 연소가 바깥쪽으로부터 버너 내부 쪽으로 일어난다. 또한, 장치는 위에서 아래 방향으로 연소가 일어나도록 배열될 수 있다. 이에 의해, 버너의 커버들의 과열이 피해지고, 게다가 커버들이 유입 연료 또는 연료와 공기의 혼합체에 의해 냉각되고 또한 열교환기와 접촉에 의해 전도적으로 된다.
연료의 유입 흐름을 내측 커버의 둘레를 향하도록 가이드하기 위해, 상기 개구의 전면에서 상기 내측 커버 내부에 가이드 장치가 배열될 수 있다. 상기 가이드 장치와 내측 커버의 단벽 사이에 갭을 형성하기 위해, 상기 가이드 장치는 내측 커버의 단벽 내에 및 상기 개구와 동축으로 배열되는 플레이트로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 연료의 연소를 통하여 제1 매질을 제공하기 위한 전술한 버너, 및 제1 매질로부터 제2 매질로 열을 전달하기 위해 상기 버너에 연결되는 플레이트 열교환기를 포함하는 가열용 장치에 관한 것이다. 상기 열교환기는 플레이트 패키지를 형성하는 복수의 열교환기 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 열교환기 플레이트들은 제1 매질을 위한 상기 플레이트 내에 중심적으로 배열되는 제1 포트를 가지고 형성될 수 있다. 상기 플레이트들의 제1 측면은 제1 포트 및 플레이트들의 둘레를 넘어선 위치 사이에 제1 매질의 반지름 방향 흐름을 얻기 위하여 배열될 수 있다.
또한 연료의 촉매 연소를 통하여 제1 매질을 제공하기 위한 촉매를 구비하는 버너, 및 제1 매질로부터 제2 매질로 열을 전달하기 위해 상기 버너에 연결되는 전술한 플레이트 열교환기를 포함하는, 가열용 장치가 개시된다. 따라서, 제1 매질은 연소 가스이고 제2 매질은 물과 같은 액체가 될 수 있다. 결과적인 장치는 효율적이고 소형으로 그리고 장기 내구성을 가지고 제조될 수 있다.
또한, 플레이트 열교환기용 열교환기 플레이트가 개시되고, 열교환기 플레이트는, 복수의 포트, 제1 측면, 제2 측면 및 플레이트의 평면에 대하여 수직인 방향으로 연장되는 가상의 중심축을 관통하는 중심점를 포함하고, 상기 플레이트는 제1 매질용 제1 포트, 및 제2 매질용의 적어도 제2 포트와 제3 포트를 포함한다. 상기 플레이트는 상기 제1 포트 주위에서 제2 측면 상에 배열되는 제1 실링, 상기 플레이트의 둘레에서 상기 제2 측면 상에 배열되는 제2 실링 및 제1 열전달 영역 및 제1 열전달 영역으로부터 분리되는 제2 열전달 영역을 형성하도록 제1 및 제2 실링 사이에 배열되는 닫힌(closed) 제3 실링을 추가로 포함하고, 제2 포트는 제1 열전달 영역 내에 배열되고 제3 포트는 제2 열전달 영역 내에 배열된다. 열교환기 플레이트의 설계에 의해 제1 매질에서 제2 매질로 효율적인 열전달이 가능하고, 과열, 특히 제1 포트 주위의 림(rim)에서의 과열이 피해진다. 결과적으로 이는 열-기계적 현상 및 너무 높은 온도에 기인하는 크랙의 형성을 방지하고 이러한 플레이트를 포함하는 열교환기의 장기 수명을 얻는 것이 가능하게 한다. 또한, 흐름 방향이 역류 반지름 방향으로 열 교환이 가능하고, 제2 매질은 열교환기의 플레이트 패키지를 통하여 병렬로 및 연속적으로 모두 흐를 수 있다. 효율적인 열전달에 의해 예를 들어, 물의 형태의 제2 매질이 끓는 것이 피해질 수 있고, 또한 석회 화합물(lime compound)의 석출을 저감시킬 수 있다. 또한, 연소 가스 형태의 제1 매질의 부족한 응축(poor condensation)이 피해질 수 있다.
상기 제1 포트는 상기 플레이트에 중심적으로 배열되고 제1 열전달 영역은 제2 열전달 영역 바깥쪽에 반지름 방향으로 배열될 수 있다. 열전달 영역은 고리형일 수 있고, 제2 열전달 영역은 제1 포트를 에워싸고, 제1 열전달 영역은 제2 열전달 영역을 에워싼다. 제1 포트는 원형일 수 있다. 플레이트는 원형일 수 있다.
상기 플레이트의 제1 측면은 제1 매질의 반지름 방향 흐름을 제공하기 위해 제1 패턴을 가지고 형성될 수 있고, 상기 플레이트의 제2 측면은 제2 매질의 외측 및 내측 흐름을 제공하기 위해 다른 패턴을 가지고 형성될 수 있다.
제2 및 제3 포트들은 중심축 주위에서 서로 각도를 가지고 변위될 수 있다. 상기 플레이트는 제1 열전달 영역에 있는 제2 매질용으로 배열되는 제4 포트, 및 상기 제2 열전달 영역에 있는 제2 매질용으로 배열되는 제5 포트를 또한 포함할 수 있다.
또한 제1 엔드 플레이트, 제2 엔드 플레이트 및 이들 사이에 배열되는 전술한 복수의 열교환기 플레이트를 갖는 플레이트 패키지를 포함하는 플레이트 열교환기가 개시된다. 플레이트들은 제1 매질을 위하여 이들 사이에 제1 인터스페이스를 교대로 형성하고 제2 매질을 위하여 이들 사이에 제2 인터스페이스를 교대로 형성하도록 배열되고, 플레이트들은 상기 제1 인터스페이스에서 제1 포트 및 플레이트들의 둘레 사이에서 반지름 방향으로 통로를 형성하도록 배열되어, 제1 매질이 제1 인터스페이스에서 제1 포트 및 플레이트들의 둘레 바깥쪽 위치 사이에서 반지름 방향으로 흐를 수 있고, 제2 엔드 플레이트에서 상기 열교환기는 제2 포트 및 제3 포트 사이에 통로를 가지고 배열되어 상기 제2 매질이 이들 사이에서 흐를 수 있다. 그러므로, 연소 가스와 같은 제1 매질로부터 물과 같은 제2 매질로 열을 전달하기 위한 소형이고 효율적인 열교환기가 제공된다.
본 발명의 추가 특징 및 장점이 후술하는 실시예의 기재, 첨부된 도면 및 종속 청구항들로부터 명확해질 것이다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들과 함께 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열용 장치의 개략 사시도로서, 장치의 버너, 열교환기 및 쉘이 서로 분리되어 있다.
도 2는 도 1의 버너의 부분적인 종단면의 개략 사시도로서, 버너의 촉매가 분리 도시되어 있다.
도 3은 도 2의 버너의 종단면도로서, 버너의 촉매가 제거되었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 플레이트의 개략 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 플레이트의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 기초 실시예에 따른 열교환기의 제1 단부의 개략 분해 사시도로서, 제1 매질의 흐름이 쇄선으로 도시되고, 제2 매질의 흐름이 단선으로 도시된다.
도 7은 도 6에 따른 열교환기의 중간 부분의 개략 분해 사시도이다.
도 8은 도 6 및 도 7에 따른 열교환기의 제2 단부의 개략 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 기초 실시예에 따른 열교환기 플레이트의 제2 측면의 개략도로서, 제2 매질의 흐름이 보다 상세히 도시된다.
도 10은 대안적인 실시예에 따른 버너의 부분적인 종단면의 개략 사시도이다.
도 11은 도 10의 버너의 종방향 개략도로서, 버너의 촉매가 제거되었다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 가열용 장치(10)가 개략적으로 도시된다. 장치(10)는 버너(11), 열교환기(12) 및 열교환기(12)를 포함하기 위한 쉘(13)을 포함한다. 예를 들어, 장치는 액체 또는 가스와 같은 매질을 가열하기 위해 배열된다. 예를 들어, 장치(10)는 주택, 산업용 공장, 오피스 빌딩 및 이와 유사한 것과 같은 빌딩에서 열 및 뜨거운 물을 생산하기 위해 배열된다. 일 실시예에 따르면, 장치(10)는 열 및 뜨거운 물을 생산하기 위한 벽 고정형 가열 보일러와 같은 중앙 히터에 고정된다.
버너(11)는 천연 가스 또는 어떠한 다른 적합한 타입의 연료와 같은 연료를 버너(11) 내부로 전도(conduct)하기 위한 입구(14)를 포함한다. 예를 들어, 입구(14)는 연료와 공기 혼합체를 버너(11) 내부로 전도하기 위하여 배열된다. 대안적으로, 도면에 도시되지는 않았지만, 버너(11)는 공기 또는 산소를 위한 분리된 입구를 가지고 배열된다. 버너(11)는 연료의 촉매 연소를 위한 촉매(15)를 추가로 포함한다. 촉매(15)는 버너(11) 내부에 배열된다. 도 1에서는, 그러나, 촉매(15)는 버너(11) 외부에 도시되어 있다. 따라서, 버너(11)는 연료의 촉매 연소를 하면서 뜨거운 연소 가스를 형성하기 위하여 배열된다. 버너(11)는 연소 가스를 위한 출구(16)를 추가로 포함한다. 상기 버너(11)는 도 2 및 도 3을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
버너(11)의 출구(16)는 열교환기(12)에 연결되도록 배열되어, 연소가스가 열교환기(12)에 전도된다. 도시된 실시예에서 버너(11) 및 열교환기(12)는 버너(11) 및 열교환기(12)를 관통하여 연장되는 중심축(A)을 따라 배열된다. 예를 들어, 버너(11)는 열교환기(12)의 제1 단부에 연결되도록 배열된다. 도 1로부터 명백한 바와 같이, 촉매(15)는 원뿔형이다. 대안적으로, 촉매(15)는 반구 또는 유사한 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 촉매(15)는 그물(net) 형태로 배열된다. 열교환기(12)는 플레이트 패키지를 형성하는 복수의 열교환기 플레이트(17)를 포함한다. 열교환기 플레이트들은 아래에 보다 상세하게 설명된다. 열교환기(12)는 버너(11)로부터의 연소 가스와 같은 제1 매질, 및 물 또는 어떠한 다른 적합한 매질과 같은 제2 매질로부터 열 에너지를 전달하기 위하여 배치된다. 도시된 실시예에서 열교환기(12)는 원형 또는 타원형 베이스를 갖는 실린더와 같은 실린더로 형성되고, 버너(11)는 열교환기(12)의 베이스에 연결된다. 열교환기(12)는 제2 매질을 위한 입구(18) 및 출구(19)를 포함한다. 예를 들어, 입구(18) 및 출구는 축방향으로 연장된다. 도시된 실시예에서 입구(18) 및 출구(19)는 서로 평행하게 연장되고 열교환기(12)의 제2 단부로부터 돌출(project)된다.
도시된 실시예에서 장치(10)는 연소 프로세스를 시작하기 위하여 스파크 플러그, 히터 플러그 또는 이와 유사한 것과 같은 점화 수단(20)을 포함한다. 점화 수단(20)은 예를 들어, 열교환기(12)의 제2 단부에 즉, 버너(11)의 반대쪽 단부에 배열된다.
쉘(13)은 열교환기(12)를 수용하도록 배열된다. 쉘(13)은 반지름 방향으로 열교환기(12)를 에워싼다. 도시된 실시예에서 쉘(13)은 열교환기(12)를 에워싸는 곡면의 표면을 갖는 실린더로 배열되고, 쉘(13)은 열교환기(12)와 동심으로 배열된다. 쉘(13)은 연소 가스를 위한 입구(21) 및 출구(22)를 포함한다. 예를 들어, 쉘(13)의 출구(22)는 냉각된 연소 가스 및 냉각된 연소 가스로부터의 응축액(condensate)을 위하여 배열된다. 대안적으로, 도면에 도시되지는 않았지만, 쉘(13)은 냉각된 연소 가스로부터의 응축액을 위한 분리된 응축액 출구를 포함한다. 뜨거운 연소 가스를 축방향으로 쉘(13)에 전도하기 위하여, 쉘(13)의 입구(21)는 쉘(13)의 제1 베이스와 같은 쉘(13)의 제1 단부에 배열된다. 쉘(13)의 출구(22)는 예를 들어, 쉘(13)의 제2 베이스와 같은 쉘(13)의 제 단부에 배열되고, 출구(22)는 축방향으로 연장된다. 어떠한 응축액 출구들은 예를 들어, 쉘(13)의 아래 부분에 배열되어, 응축액이 중력으로 밖으로 흐를 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 버너(11)가 보다 상세하게 도시된다. 도 2에서 촉매(15)는 분리되어 도시되고 도 3에서 촉매(15)는 제거되어 있다. 버너(11)는 외측 커버(23) 및 내측 커버(24)를 포함하는데, 내측 커버(24)는 외측 커버(23)과 내측 커버(24) 사이에 스페이스(25)를 형성하도록 외측 커버(23) 내에 배열된다. 버너(11)의 입구(14)는 연료 또는 공기와 연료의 혼합체를 스페이스(25)로 전도하기 위하여 외측 커버(23)에 배열된다. 내측 커버(24)는 스페이스(25)를 내측 커버(24) 내에 있는 연소 챔버와 같은 챔버(27)에 연결하는 개구(26)를 가지고 배열되어, 연료 또는 연료와 공기 혼합체가 스페이스(25)로부터 챔버(27)로 전도될 수 있다. 촉매(15)는 연료 연소를 위하여 내측 커버(14) 내부의 챔버(27) 내측에 배열된다. 스페이스(25)는 내측 커버(24) 주위에서 연장되어, 유입 연료 또는 연로와 공기 혼합체가 내측 커버(24)의 외측면에 접촉되고 연료 또는 연료 공기 혼합체가 개구(26)를 통하여 챔버(27)로 유입되기 이전에 내측 커버(24)를 냉각한다. 따라서, 내측 커버(24)에 있는 개구(26)는 버너(11)의 입구(14)에 대하여 각도를 가지고 배열된다. 예를 들어, 외측 커버(23)는 실린더로 형성되고, 내측 커버(24)는 외측 커버(23)보다 작은 직경을 갖는 실린더로 형성된다. 도시된 실시예에서, 내측 커버(24)의 외측 곡면 표면과 외측 커버(23)의 내측 곡면 표면 사이에 스페이스(25)를 형성하도록, 내측 커버(24)는 외측 커버(23)와 동심으로 배열된다. 따라서, 스페이스(25)는 반지름 방향으로 연장된다. 또한, 도시된 실시예에서 내측 커버(24)는 외측 커버(23)의 제1 단부(28) 또는 단벽(end wall) 형태의 제1 베이스와 거리들 두고 배열되고, 스페이스(25)는 또한 외측 커버(23)의 제1 단부(28)와 내측 커버(24)의 단벽 형태의 제1 단부(29) 사이에 배열된다. 따라서, 스페이스(25)는 또한 외측 커버(23)의 제1 단부(28)와 내측 커버(24)의 제1 단부(29) 사이에 축방향으로 연장된다. 내측 커버(24)에 있는 개구(26)는, 예를 들어, 내측 커버(24)의 제1 단부(29)에 배열된다. 예를 들어, 개구(26)는 원형이고, 예를 들어, 내측 커버(24)의 제1 단부(29)에서 중심적으로 배열된다. 예를 들어, 외측 커버(23)의 제1 단부(28)는 장치(10)의 상부 단부이다.
촉매(15)는 내측 커버(24)의 하부 단부와 같은 제2 단부로부터 챔버(27) 내부로 돌출된다. 예를 들어, 촉매(15)는 내측 커버(24)와 동심으로 배열된다. 촉매(15)는, 도시된 실시예에서, 원뿔형과 같이 테이퍼지거나 반구 형상이거나 이와 유사할 수 있어, 촉매(15)의 얇은 부분이 촉매(16)의 넓은 부분보다 챔버(27) 내로 더 배열된다. 예를 들어, 촉매(15)의 넓은 부분은 내측 커버(24)의 제2 단부에 그리고 열교환기(12)를 향한 방향으로 연결된다.
도 4를 참조하면 일 실시예에 따른 열교환기 플레이트(17)가 도시된다. 예를 들어, 플레이트(17)는 박판(sheet) 금속으로 형성된다. 예를 들어, 플레이트(17)는 304, 304L, 316 또는 유사한 스틸 품질과 같은 스틸, 알루미늄 또는 어떠한 다른 적합한 재질로 형성된다. 박판 금속의 두께는, 예를 들어, 0.2-1 mm, 0.4-0.6 mm 또는 0.5 mm이다. 예를 들어, 플레이트(17)는 프레싱에 의해 형성된다. 도시된 실시예에서 플레이트(17)는 원형이다. 대안적으로, 플레이트(17)는 타원형(elliptic)이다.
플레이트(17)는 제1 측면, 제2 측면 및 열교환기(12)의 중심축(A)이 연장되는것을 통한 중심점(P)을 포함하고, 중심축(A)은 도 1에 도시되어 있다. 따라서, 중심축(A)은 플레이트(17)의 평면에 수직하게 연장된다. 도 4에 도시되지 않은 제1 측면은 제1 매질에 맞물리도록 하기 위해 배열되는 반면, 도 4에 도시된 제2 측면은 제2 매질에 맞물리도록 하기 위해 배열된다. 예를 들어, 플레이트(17)는 제1 측면 상의 제1 패턴 및 제2 측면 상의 제2 패턴을 가지고 배열된다.
플레이트(17)는 제1 포트(30), 제2 포트(31) 및 제3 포트(32)를 포함한다. 도시된 실시예에서 플레이트(17)는 또한 제4 포트(33) 및 제5 포트(34)를 포함한다. 제1 포트(30)는 제1 매질을 위하여 배열되는 반면 나머지 포트들(31-34)은 제2 매질을 위하여 배열된다. 제1 포트(30)는 플레이트(17) 내에 중심적으로 배열되고, 예를 들어, 원형이다. 예를 들어, 제1 포트(30)는 플레이트(17) 내에 동심적으로 배열된다. 나머지 포트들(31-34)은 제1 포트(30) 및 플레이트(17)의 둘레(circumference) 사이에 배열된다.
제1 측면은 제1 포트(30)와 플레이트 둘레를 넘어선 위치 사이에 제1 매질의 반지름 방향 흐름을 제공하도록 구성되고, 아래에 보다 상세히 설명된다. 제2 측면은 제1 포트(30) 주위에 제1 실링(35), 플레이트(17)의 둘레에 제2 실링(36) 및 제1 실링(35)와 제2 실링(36) 사이에 배열되는 제3 실링(37)을 포함한다. 제1 실링(35)는 제1 매질이 플레이트(17)의 제2 측면에 맞물리는 것을 방지하도록 제1 포트(30)를 에워싼다. 제2 실링(36)은 제2 매질이 반지름 방향으로 누설되는 것을 방지하기 위해 플레이트(17)의 외주 주위에 연속적으로 연장된다. 제3 실링(37)은 제1 열전달 영역(38) 및 제 열전달 영역(38)으로부터 분리된 제2 열전달 영역(39)을 형성하는 연속적인 루프로 연장된다. 제2 포트(31) 및, 적용가능하다면, 제4 포트(33)는 제1 열전달 영역(38)에 배열된다. 제3 포트(32) 및, 적용가능하다면, 제5 포트(34)는 제2 열전달 영역(39)에 배열된다. 제1 및 제2 열전달 영역(38, 39)은 제2 매질을 위하여 배열된다. 따라서, 제2 열전달 영역(39)는 제1 포트(30)와 제1 열전달 영역(38) 사이에 배열된다. 예를 들어, 제1 및 제2 열전달 영역(38, 39)은 고리형이고, 제1 열전달 영역(38)이 제2 열전달 영역(39)의 바깥쪽에 반지름 방향으로 배열되도록 제1 열전달 영역(38)은 제2 열전달 영역(39)을 에워싼다. 따라서, 반지름 방향으로 제1 열전달 영역(38)이 외측 열전달 영역을 형성하는 반면 제2 열전달 영역(39)은 반지름 방향으로 내측 열전달 영역을 형성한다. 제2 및 제4 포트들(31, 33)은 제3 및 제5 포트들(32, 34) 바깥쪽에 반지름 방향으로 배열된다.
도시된 실시예에서 제2 및 제4 포트들(31, 33)은 중심점(P) 및 중심축(A)의 반대 측면 상에 서로 반대쪽에 배열된다. 중심축(A)은 중심점(P)을 관통하여 연장된다. 제2 및 제4 포트들(31, 33)은 중심점(P)을 관통하여 그리고 플레이트(17)의 평면 내에서 연장되는 가상의 제1 라인(B) 상에 배열된다. 또한, 제3 및 제5 포트들(32, 34)은 중심점(P)의 반대쪽 측면 상에 서로 반대쪽에 배열된다. 제3 포트(32) 및 제5 포트(34)는 중심점(P)을 관통하여 그리고 플레이트(17)의 평면 내에 연장되는 가상의 제2 라인(C) 상에 배열된다. 제3 및 제5 포트들(32, 34)가 제2 및 제4 포트들(31, 33)에 대하여 중심점(P) 주위에 각도를 가지고 변위되도록 제2 라인(C)는 제1 라인(B)에 대하여 중심점(P) 주위에 변위되어 있고 이들 사이에 각도(α)를 형성한다. 제1 라인(B)와 제2 라인(C) 사이의 각도(α)는 0-90도, 10-80도 또는 20-70도이다.
도시된 실시예에서 제1 열전달 영역(38)은 중심점(P)의 양 측면 상에 그리고 제2 포트(31)와 제4 포트(33) 사이에 실질적으로 평행한 2개의 통로를 형성하는 제1 디바이더(divider)(40) 및 제2 디바이더(41)를 구비한다.
도 4에 도시되지 않은 플레이트(17)의 제1 측면은 제2 매질이 제1 매질과 혼합되는 것을 방지하기 위하여 예를 들어, 제2, 제3, 제4 및 제5 포트들(31-34) 주위에 실링을 구비한다.
도 5를 참조하면, 플레이트(17)의 다른 실시에가 도시되어 있는데, 플레이트(17)가 구체적인 열 전달 및 흐름 특성을 얻기 위한 패턴을 구비한다. 도 5에 도시된 실시예에서 플레이트(17)의 제2 측면이 도시되어 있다. 도 5에 도시된 실시예에서 플레이트(17)는 요면들(indentations)(42) 및 엠보싱들(embossments)(43)을 구비한다.
플레이트(17)의 제2 측면은 제2 매질에 맞물리도록 하기 위해 배열된다. 예를 들어, 제2 매질은 제1 매질로부터 열을 회수하기 위하여 배열된다. 예를 들어, 플레이트(17)의 제2 측면은 다공성 금속 또는 세라믹 물질과 같은 다공성 층을 구비하여 열교환기(12)의 효율적인 열전달 및 효율적인 냉각을 위한 플레이트의 제2 측면의 넓은 비표면적을 형성한다. 예를 들어, 촉매는 수소 가스의 생성을 위하는 것과 같이 다공성 층에 배열된다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 열교환기(12)의 플레이트 패키지가 개략적으로 도시되어 있는데, 플레이트 패키지의 제1 단부가 도 6에 도시되고, 플레이트 패키지의 중간 부분이 도 7에 도시되고, 플레이트 패키지의 제2 단부가 도 8에 도시되어 있다. 도 6 내지 도 8에서 플레이트들(17)은 연속하여 p1-p12로 번호가 붙혀져 있다. 도 6 내지 도 8에서 제1 매질의 흐름은 쇄선(dash and dot line)으로 도시되는 반면, 제2 매질의 흐름은 단선(dashed line)으로 도시되어 있다. 도 9에 플레이트(17)의 제2 측면을 따라 제2 매질의 흐름이 보다 상세하게 도시되어 있다.
열교환기(12)는 복수의 플레이트들(17)을 포함하는데, 이들은 제1 및 제2 매질을 위하여 이들 사이에 인터스페이스를 형성한다. 플레이트들(17)은 제1 매질을 위한 제1 인터스페이스 및 제2 매질을 위한 제2 인터스페이스를 교대로 형성하도록 배열된다. 인접한 플레이트들(17)은 상기 인터스페이스를 형성하기 위하여 상호작용한다. 예를 들어, 플레이트들(17)은 서로 마주보는 제1 측면들 및 서로 마주보는 제2 측면들을 가지고 배열된다. 예를 들어, 플레이트들(17)은 레이저 용접과 같은 용접을 통하여 내부연결되어 레이저 용접 열 교환기와 같은 용접된 열교환기(12)를 형성한다. 대안적으로, 플레이트들(17)은 솔더링을 통하여 내부 연결되어 솔더링된 열교환기(12)를 형성한다. 예를 들어, 열교환기는 천연 가스 또는 이와 유사한 것의 연소로부터 연소 가스를 냉각하는데 기인하는 것과 같은 열교환기 내부의 산 응측액(acid condensate)을 견딜 수 있는 부식 저항 솔더를 포함한다. 응축액이 형성되지 않도록 또는 냉각이 산 응축액을 야기하지 않도록 열교환기(12)가 배열된다면 일반적인 솔더가 사용될 수 있다. 대안적으로, 플레이트들(17)은 고분자를 구비하고, 고분자는 플레이트들(17)을 서로 연결하고 열교환기(12)를 형성하기 위하여 인접한 플레이트들(17)에서 서로 용융된다.
열교환기(12)는 제1 엔드 플레이트(p1), 제2 엔드 플레이트(p12) 및 이들 사이에 배열되는 복수의 중간 플레이트들(p2-p11)을 포함한다. 중간 플레이트들(p2-p11)은, 예를 들어, 도 4 및 도 5의 실시예에 따라 배열된다.
플레이트들(p2-p12)은 제1 매질을 위하여 채널을 형성하도록 제1 포트들(30)이 서로 마주보고, 제2 엔드플레이트(12)를 통하는 것과 같이 제1 매질이 축 방향으로, 및 도 6 내지 도 8에 화살표 D로 도시된 바와 같이, 제1 포트들(30)을 통하여 열교환기(12)를 통하여 축 방향으로 열교환기(12)에 전도되도록 배열된다. 대안적으로, 제1 매질은 다른 선택적인 방향으로 열교환기로 전도된다. 열교환기(12) 내부에서 제1 매질은 플레이트들(p1-p12) 사이의 제1 인터스페이스들을 통하여 반지름 방향으로 전도되고, 이는 도 6 내지 도 8에 화살표 E로 도시되어 있다. 그러므로, 제1 인터스페이스들은 제1 실링(35) 및 제2 실링(36)이 부족한 반면 제2, 제3, 제4 및 제5 포트들(31-34) 주위에 실링을 구비한다. 제1 엔드 플레이트(p1)는 예를 들어, 제1 인터스페이스들을 통하여 열교환기(12)로부터 바깥쪽에 반지름 방향으로 제1 매질을 강제하기 위한 제1 포트(30)가 부족하다. 예를 들어, 제1 매질의 축방향 흐름은 실질적으로 수직적으로 아래쪽으로 향한다. 예를 들어, 제1 매질은 버너(11)로부터 그리고 쉘(13)의 입구(21)를 통하여 열교환기(12) 내로 전도되고, 이는 도 1에 도시되어 있다. 플레이트들(p1-p12)의 둘레를 떠난 후에 제1 매질은 예를 들어 쉘(13)에 수집되고, 쉘(13)의 출구(22)를 통하여 바깥족으로 전도된다.
도시된 실시예에서 플레이트들(p1-p11)은 제2 포트(31)가 서로 마주보고 제2 매질을 위하여 축방향으로 채널을 형성하도록 배열된다. 대안적으로, 플레이트들은 그들의 평면에서 쌍으로 그리고 180도 회전되어 배열된다. 제1 엔드 플레이트(p1)의 제2 포트(31)는 열교환기(12)의 입구(18)에 연결되어, 제2 매질이 열교환기(12)내로 그리고 제2 포트들(31)에 의해 형성되는 채널을 통하여 가져와질 수 있고, 이는 화살표 F로 도시되어 있다. 예를 들어, 제2 매질은 제2 포트(31)를 통하여 실질적으로 수직적으로 상부 방향으로 전도된다. 제2 매질은 포트들 주위 실링으로 종래 방법으로 제1 인터스페이스를 통과하고, 제2 인터스페이스 내로 전도된다. 제2 인터스페이스에서 제2 매질은 플레이트의 평면을 따라, 제1 열전달 영역(38)을 따라, 그리고 제4 포트들(33)까지 전도되고, 이는 화살표 G로 도시되어 있다. 대안적으로, 플레이트들(p1-p12)은 쌍으로 배열되고 모든 다른 쌍들은 그들의 평면에서 180도 회전되어 있고, 제4 포트들(33)은 생략될 수 있다. 도시된 실시예에서 제4 포트들(33)은 제2 매질을 위한 축방향으로 연장된 채널을 형성하기 위해 서로를 향하여 배열되어, 제2 매질은 이들을 통하여 제2 엔드 플레이트(p12)에 전도되고, 이는 화살표 H로 도시되어 있다. 제2 엔드 플레이트(p12)는 프레임(frame) 플레이트 또는 이와 유사한 것에 의해 커버되고, 이는 도 8에 도시되어 있지 않다. 도시된 실시예에서 제2 엔드 플레이트(p12)는 제3 포트(33)를 포함하지만 제3 실링(37)이 부족하여, 제2 매질은 제4 포트(33)로부터 제2 엔드 플레이트(p12)의 평면을 따르는 방향 및 제3 포트(32) 및 도시된 실시예에서 또한 제5 포트(34)를 향하여 안쪽으로 반지름 방향으로 전도되고, 이는 도 8의 화살표 I로 도시되어 있다. 따라서, 열교환기(12)의 한쪽 단부가 제1 열전달 영역(38)과 제2 열전달 영역(39) 사이에 통로를 갖도록 배열되어, 제2 매질은 제2 및 제4 포트들(31, 33)으로부터 제3 및 제5 포트(32, 34)로 전도될 수 있다. 2개의 인접한 플레이트들의 제3 포트들(32) 및 제5 포트들(34)은 서로 반대쪽에 배열되어, 화살표 J로 도시되어 있는 바와 같이, 제2 매질이 제1 인터스페이스를 통하여 그리고 제2 인터스페이스 내로 축방향으로 전도될 수 있다. 제2 인터스페이스에서 제2 매질은 플레이트들의 평면을 따라 그리고 제2 열전달 영역(39)을 따라 전도되고, 이는 화살표 K로 도시되어 있다. 따라서, 제2 매질의 흐름은 반지름 방향으로 안쪽으로와 같이 반지름 방향으로 전도되는 중에 축 방향에서 180도 돌아서 가져와진다. 따라서, 반지름 방향 관점으로부터 보여진, 열교환기(12)는 제2 포트(31), 제1 열전달 영역(38) 및 제4 포트(33)를 통한 제2 매질의 제1 축방향으로 바깥쪽 흐름, 및 제2 열전달 영역(39), 제3 포트(32) 및 제5 포트(34)를 통한 제2 매질의 반대쪽 제2 축방향으로 안쪽 흐름을 제공하도록 배열된다. 예를 들어, 제2 매질은 제1 매질과 반대쪽 방향으로 열교환기(12)의 반지름 방향 외측 부분을 통하여 흐르를 반면 제2 매질은 제1 매질과 동일한 방향으로 열교환기(12)의 반지름 방향 내측 부분을 통하여 흐른다. 예를 들어, 열교환기(12)의 반지름 방향 바깥쪽 부분을 통한 제2 매질의 흐름은 상향 흐름인 반면 열교환기(12)의 반지름 방향 안쪽 부분을 통한 제2 매질의 흐름은 하향 흐름이다.
도시된 실시예에서 플레이트들(p1-p12)은 쌍으로 배열되고 제3 포트들(32)이 서로 마주보고 제5 포트들(34)이 서로 마주봐서, 제2 매질은 제1 인터스페이스를 통과할 수 있다. 그러나, 인접한 플레이트 쌍들의 제3 및 제5 포트들(32, 34)는 서로에 대하여 열교환기(12)의 중심축(A) 주위에서 각도를 가지고 변위되어, 다음 제2 인터스페이스로 진행하기 이전에 제2 매질이 제2 열전달 영역(39)의 적어도 일부를 통하여 강제된다. 예를 들어, 중간 플레이트들(p2-p11) 쌍들은 제3 및 제5 포트들(32, 34)를 참조하여 거울-반전된(mirror-inverted) 플레이트들에 의해 형성된다.
제1 엔드 플레이트(p1)의 제3 포트(32)는 열교환기(12)의 출구(19)에 연결된다. 예를 들어, 제1 엔드 플레이트(p1)는 또한 제5 포트(34)를 추가로 포함하고, 제5 포트(34)는 열교환기(12)의 출구(19) 또는 도면에 도시되지 않은 제2의 출구에 연결된다.
도 9를 참조하면, 플레이트들(17) 사이 또는 플레이트들의 제2 측면을 따라 제2 인터스페이스에 있는 제2 매질의 흐름이 보다 명확히 도시되어 있다. 도시된 실시예에서 제2 매질은 제2 포트(31)을 통하여 전도되고, 제2 매질의 일부분은 활살표 G로 도시된 바와 같이, 제2 포트(31)로부터, 제1 열전달 영역(38)을 따라서 전도되고, 인접한 플레이트(17)의 제4 포트(33)를 통하여 바깥쪽으로 전도되면서 제2 매질의 반지름 방향으로 외측 흐름을 형성한다. 제2 매질의 일부분은 또한 제4 포트(33)를 통하여 통과하도록 가져와질 수 있다. 제2 및 제4 포트(31, 33) 사이에 연장되는 제1 디바이더(40)에 의해, 제2 매질의 흐름은 제1 열전달 영역(38)에서 분리되어 제2 및 제4 포트들(31, 33) 사이의 2개의 평행하고 실질적으로 반원형 통로 내부로 된다. 이에 부응하여, 제2 디바이더(41)은 제1 포트(30)의 다른 측면 상에 제2 매질을 위한 2개의 평행한 통로를 가져온다.
제2 매질이 180도 돌아서 축방향으로 가져와진 후에 화살표 K로 도시된 바와 같이, 제2 매질이 제2 인터스페이스 내부로 및 제2 열전달 영역(39)을 따라 전도되어, 제2 매질의 반지름 방향으로 내측 흐름을 형성한다. 그러므로, 제2 매질의 내측 흐름은 그 외측 흐름과 반대쪽 축 방향이고, 예를 들어, 제2 매질의 내측 흐름은 제1 매질의 축방향 흐름과 동일 방향이다. 제2 매질의 내측 흐름은 제2 인터스페이스 내부로 가져와져서 다음 플레이트(17)의 제2 열전달 영역(39)과 위치 X에서 접촉하게 되고, 이는 제3 및 제5 포트들(32, 34)에 대하여 변위된다. 따라서, 위치 X는 제3 및 제5 포트들(32, 34) 사이에 배열되고, 제2 매질은 위치 X로부터 제1 방향으로 제3 포트(32)를 향하여 및 반대 방향으로 제5 포트(34)를 향하여 흐르고 이후 유사한 방식으로 추가로 다음 제2 인터스페이스로 흐르도록 강제된다.
일 실시예는 장치(10)로 히팅하는 방법을 포함한다. 예를 들어, 방법은 보일러 또는 이와 유사한 것에서 뜨거운 물을 생산하기 위해 액체 또는 물과 같은 제2 매질을 가열하도록 의도된다. 예를 들어, 방법은 뜨거운 연소 가스의 형태로 제1 매질을 제공하기 위하여 버너(11)에서 연료 또는 연료와 공기의 혼합물을 촉매적으로 연소시키는 단계, 제1 매질을 열교환기(12) 내로 전도시키고 열교환기(12)를 통하여 축방향으로 및 열교환기(12)의 제1 인터스페이스를 통하여 반지름 방향으로 제1 매질을 가져오는 단계, 제2 매질을 열교환기(12)의 제2 인터스페이스 내로 전도시키고 열교환기를 통해 제1 축방향으로 흐르도록 제2 매질을 가져오고 이후 반대쪽 축방향으로 변위되도록 하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 제1 매질이 중심적으로 위치하는 제1 포트(30)으로부터 및 반지름 방향으로 바깥쪽으로 전도되는 동안 제2 매질은 반지름 방향으로 바깥쪽 흐름으로 이후 내측 흐름으로 흐르도록 가져와진다. 예를 들어, 제2 매일은 열교환기(12)를 통하여 전도되어 제1 매질로부터 열 에너지가 먼저 반지름 방향으로 제2 매질의 내측 흐름으로 이후 그것의 외측 흐름으로 전달된다. 예를 들어, 상기 방법은 버너의 내측 커버(24)를 냉각하는 동시에 연료를 버너(11) 내로 전도하는 단계를 포함하고, 이는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다. 예를 들어, 상기 방법은 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명된 바와 같이 제1 및 제2 매질을 열교환기(12)를 통하여 및 플레이트들(17)을 따라 전도하는 단계를 포함한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 대안적인 실시예에 따른 버너(11)가 도시되어 있다. 버너(11)는, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 입구(14), 촉매(15), 출구(16), 외측 커버(23), 내측 커버(24), 스페이스(25) 및 스페이스와 챔버(27)를 연결하는 개구(26)를 포함한다. 도 10 및 도 11의 실시예에서 가이드 장치(44)가 개구(26)의 앞에서 내측 커버(24) 내에 배열된다. 개구(26)는 도 11에 단선으로 도시되어 있다. 가이드 장치(44)는 효율적인 연소를 얻고 연료의 역화를 피하면서 동시에 내측 커버(24)의 둘레의 냉각 및 연소로부터 커버들(23, 24)의 제1 단부들(28, 29)의 차단을 위하여 연료의 유입 흐름을 내측 커버(24)의 둘레를 향하여 가이드하도록 배열된다. 예를 들어, 가이드 장치(44)는 내측 커버(24)의 제1 단부(29) 내에 배열되는 플레이트로 형성되고, 가이드 장치(44)와 내측 커버(24)의 제 단부(29) 사이에 갭(45)을 형성하기 위하여 개구(26)와 동축이다. 따라서, 가이드 장치(44)는 갭(45)을 형성하기 위하여 내측 커버(24)의 제1 단부(29)로부터 축방향으로 거리를 두고 배열되어, 유입 연료가 개구(26)를 통하여 가이드 장치(44)까지 축방향으로 흐를 수 있고, 그리고 나서 연료가 촉매(15)에 도달하기 전에 내특 커버(24)의 내측 곡면 표면을 향하여 반지름 방향으로 연료가 강제로 흐른다. 가이드 장치(44)는 예를 들어, 내특 커버(24)의 직경보다 작은 직경을 갖는 원형의 플레이트이다. 예를 들어, 갭은 1-10 mm 또는 2-5 mm이다.

Claims (15)

  1. 연료 연소를 위한 버너(11)로서, 연료를 위한 입구(14)를 갖는 외측 커버(23), 및 상기 외측 커버(23) 내에 배열되는 연소 챔버(27)를 포함하고, 상기 연소 챔버에서 연료가 연소 가스로 변환되고, 상기 버너(11)가 연료를 위한 입구 개구(26)를 구비하는 내측 커버(24)를 포함하고, 내측 커버(24) 주위에 유입된 연료를 전도하고 내측 커버(24)의 입구 개구(26)에 전도하기 위해 외측 커버(23)와 내측 커버(24) 사이에 스페이스(25)를 형성하도록 상기 내측 커버가 외측 커버(23) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외측 커버(23)에 있는 상기 입구(14)가 상기 내측 커버(24)에 있는 입구 개구(26)에 대하여 변위된, 버너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입구(14)가 입구 개구(26)에 대하여 각도를 가지고 배열된, 버너.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입구(14)가 연료를 버너의 중심축(A)에 대하여 수직인 방향으로 스페이스(25) 내로 전도하도록 배열되고, 상기 입구 개구(26)는 연료를 중심축(A)를 따르는 방향으로 연소 챔버(27) 내로 전도하도록 배열되는, 버너.
  5. 앞선 항들 중 한 항에 있어서,
    상기 외측 및 내측 커버들(23, 24)은 실린더 형상이고, 상기 내측 커버(24)는 상기 외측 커버(23)에 동심으로 배열되고, 상기 입구(14)는 상기 연소 챔버(27)를 에워싸는 상기 외측 커버(23)의 벽에 배열되고 상기 입구 개구(26)는 상기 내측 커버(24)의 단벽(end wall)(29)에 배열되는, 버너.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 내측 커버(24)의 상기 단벽(29)은 상기 외측 커버(23)의 단벽(28)에 평행하게 배열되는, 버너.
  7. 앞선 항들 중 한 항에 있어서,
    연료의 유입 흐름을 내측 커버(24)의 둘레(circumference)를 향하도록 가이드하기 위해, 상기 개구(26)의 전면에서 상기 내측 커버(24) 내부에 가이드 장치(44)가 배열되는, 버너.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가이드 장치(44)와 내측 커버(24)의 단벽(29) 사이에 갭(45)을 형성하기 위해, 상기 가이드 장치(44)는 내측 커버(24)의 단벽(29) 내에 및 상기 개구(26)와 동축으로 배열되는 플레이트로 형성되는, 버너.
  9. 앞선 항들 중 한 항에 있어서,
    연료의 연소 가스로의 촉매 연소를 위한 촉매(15)를 포함하는, 버너.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 촉매(15)가 내측 커버(24) 내에 배열되는, 버너.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 촉매(15)가 테이퍼진, 버너.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 촉매(15)가 원뿔형이거나 또는 반구형으로 형성되는, 버너.
  13. 연료의 연소를 통하여 제1 매질을 제공하기 위한 앞선 항들 중 한 항에 따른 버너(11), 및 제1 매질로부터 제2 매질로 열을 전달하기 위해 상기 버너(11)에 연결되는 플레이트 열교환기(12)를 포함하는, 가열용 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열교환기(12)는 플레이트 패키지를 형성하는 복수의 열교환기 플레이트(17)를 포함하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열교환기 플레이트들(17)은 제1 매질을 위한 제1 포트(30)를 가지고 배열되고, 상기 제1 포트는 플레이트들(17)에 중심적으로 배열되고, 상기 플레이트들(17)의 제1 측면이 제1 포트(30) 및 플레이트들(17)의 둘레를 넘어선 위치 사이에 제1 매질의 반지름 방향 흐름을 제공하기 위하여 구성되는, 장치.
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