KR20190006245A - 나선형 복열기를 구비한 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피 가열체를 적은 연료로서 효율적으로 가열하기 위한 고효율 버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버너의 연소가스 배출측에 설치되는 복열기에 있어서, 연소용 공기가 유동하는 다수의 원관을 나선형의 엇갈린 다발 형태로 배치함으로써 전열면적을 증가시킴과 동시에, 나선형 원관 내부에 흐르는 공기의 2차적 선회유동에 의한 열전달 증가와 더불어 엇갈리게 배치된 원관 다발 외부를 흐르는 연소가스와의 직교류에 의한 열전달 증가로 열교환 효율이 향상된 특징을 갖는 복열기 및 이를 구비한 버너를 제공한다.

Description

나선형 복열기를 구비한 버너{Burner with helical tube type recuperator}

본 발명은 피가열체를 화염에 의해 직접 가열하는 직화로나 복사관에 의해 간접 가열하는 간접 가열로에 사용되는 버너와 버너 내부에 장착되어 연소용 공기와 연소 배가스의 열교환에 의해 고온 공기를 공급하는 복열기에 관한 것이다.

일반적으로 직접 가열로나 간접 가열로에 사용되는 버너는 피가열체를 가열하고 배출되는 고온의 연소 배기가스로부터 열을 회수하여 연소용 공기를 가열함으로써 버너의 열효율을 향상시키고 있으며, 연소 배기가스와 공기의 열교환을 위해 핀(fin)이 부착된 원통형 복열기가 주로 사용되고 있다.

공기와 연소가스의 열교환 효율에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 공기와 연소 배기가스가 접촉하는 금속 또는 세라믹 재질의 복열기 전열면적이며, 종래의 일반적인 버너용 복열기의 경우 공기 및 연소가스와 접촉하는 영역에 연속적이거나 혹은 단속적인 직선형 핀을 부착하여 열교환 면적을 증가시키고 유동을 교란함으로써 열교환 효율을 증가시는 방법이 사용되어 왔다.

최근에 PCT공개특허 WO 2011/08458 A1의 경우에는 연소가스측 복열기 표면에 단속적으로 돌출된 핀이 흐름 방향에 따라 지그재그 형태로 배치되고, 또한 음각 및 양각 형태의 핀이 주기적으로 배치되어 공기측 열전달을 증가시키는 기술이 제시되어 있으나 전열면적을 증가시키기에는 한계가 있는 문제점이 있다.

또한 PCT 공개특허 WO 2008/141723 A1의 경우 납작 형태의 튜브를 원주 및 반경 방향으로 주기적으로 배열하고 튜브 내, 외부를 연소가스와 공기가 반대 방향으로 흐르도록 함으로써 열교환 면적을 기존 핀 형태의 복열기보다 증가시킨 형태의 자기열교환 버너를 제공하고 있다. 그러나 이와 같이 납작튜브 다발 형태의 버너 복열기는 튜브 내, 외부의 유동이 튜브 방향과 평행하게 흐름으로써 유동이 교란되지 않고 단순하여 열전달 증가 효과가 낮을 뿐만 아니라, 75개 이상 최대 120개의 튜브를 제작하고 조립하여 설치하는 비용이 증가함으로써 전체적인 버너의 비용이 고가인 문제점과 버너의 제작에 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.

PCT 공개특허 제 WO 2011/08458 A1호 PCT 공개특허 제 WO 2008/141723 A1호

본 발명은, 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 이루어진 것으로서, 버너에서 연소가스 배출측에 설치되는 복열기에 있어서, 종래의 직선형 핀이 부착된 복열기에 비해 전열 면적을 크게 증가시킴과 동시에, 종래의 병류(parallel flow)형 복열기에 비해 열전달을 크게 증가시킬 수 있는 직교류(cross flow) 방식을 사용함으로써 연소가스로부터 열회수율을 증가시켜 고온의 연소공기를 버너에 공급하고, 복열기 구성품의 수량을 감소시켜 버너 및 복열기의 제작비용과 제작기간을 줄일 수 있는 자기열교환 버너(self-recuperative burner)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 철강 또는 비철 소재를 직접 또는 간접 가열하는 가열로에 설치되어 피 가열체를 적은 연료로서 효율적으로 가열하기 위한 고효율 버너 기술로써, 보다 상세하게는 버너에서 연소가스를 배출하는 공간에 원관을 나선형의 다발 형태(helical type tube bundle)로 배치함으로써 종래의 직선형 핀이 부착된 복열기에 비해 3배 이상의 전열 면적이 증가한 버너용 복열기를 제공함과 동시에, 나선형 유로에 의해 발생하는 원관내 선회유동 및 엇갈리게 배치된 원관 다발과 그 외부를 흐르는 연소가스의 직교류에 의한 교란(disturbance) 및 난동(turbulence)으로 인해 연소가스로부터 공기로의 열전달이 증가하는 물리적 특성이 있으며, 복열기를 구성하는 원관을 20개 정도의 적은 수량만을 사용함으로써 제작비용 및 제작기간이 감소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 가열로 내부로부터 연소가스를 취입하여 배출하는 배출통로에 나선반경이 다른 다수열의 나선형 원관들을 축방향으로 서로 엇갈리게 배열함으로써 동일 용적에 최대한의 나선관을 집적시켜 종래의 핀을 부착하는 복열기에 비해 전열면적을 3배 이상 증가시킬 수 있으며, 이와 같은 전열면적의 증가에 따라 배기가스로부터 폐열 회수율이 증가되어 1,000 ^oC의 배기가스 입구온도에 대해 850 ^oC 이상의 고온 연소용 공기를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 종래의 핀 또는 직관을 사용하는 복열기의 경우 공기와 연소가스가 평행하게 흐르는 병류(parallel flow)형 인데 비해, 본 발명에서는 연소가스가 나선관에 수직으로 충돌하는 직교류(cross flow)형 열교환 방식을 사용함으로써 열전달 효율이 향상되는 효과가 있다. 나선관과 연소가스의 외부 열전달 증가와 더불어 원관 내부에서 나선관의 곡률에 의해 자연적으로 발생하는 유동단면에 수직한 평면에서의 2차적 회전유동으로 인해 나선관과 공기의 열전달이 증가하는 효과가 있다.

850 ^oC 이상의 고온 공기를 연소에 사용함으로써 안정적 연소 영역을 확장할 수 있어, 배기가스의 로내 재순환율을 증가시킬 수 있으므로 질소산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있고, 적은 연료로 안정적 연소가 가능하므로 CO2 배출량이 적어져 에너지 고 효율화와 유해 배출물을 억제하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 나선형 복열기는 적은 수의 원관을 사용하여 밀집된 전열면적을 제공하므로 제작비용과 제작기간을 단축할 수 있어 경제적인 복열기를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 나선형 복열기를 구비한 버너의 일 측면이 절개된 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 나선형 복열기를 구비한 버너의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 나선형 복열기의 사시도이다.
도 4는 나선형 복열기를 구성하는 전체 원관중 동일한 나선반경을 갖는 원관의 원주방향에 따른 배치를 나타낸 예시도이다.
도 5는 나선형 복열기를 구성하는 전체 원관중 서로 다른 나선반경을 갖는 원관이 원주방향으로 반복되는 패턴을 나타낸 예시도이다.

이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나선형 원관다발(14) 형태의 복열기를 구비한 버너의 일부가 절개된 사시도를 나타내며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 버너의 단면도를 나타낸다. 상온의 연소용 공기(1)는 가열로의 벽체 (10)을 관통하여 설치된 버너의 하우징 (19)에 연결된 파이프 (6)을 통해 공급된다. 상온의 연소용 공기 (1)은 플랜지 (16)에 형성된 인입구 (13)을 통해 나선형 원관으로 유입된다. 연소용 공기 (1)중 일부는 버너 하우징 (19)와 동심축상에 배치된 공기 공급관 (11)에 가공된 홀 (12)를 통해 유입된다. 홀 (12)를 통해 유입된 공기는 버너의 점화 또는 안정적인 연소를 위한 용도로 사용되며, 이러한 용도의 공기는 홀 (12)가 아닌 별도의 배관을 통해 공급될 수도 있다. 상온 상태로 공급되는 점화 및 안정적 연소용 공기는 밸브 또는 별도의 제어 수단에 의해 유량이 조절될 수 있다.

여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 복열기의 구성 수단을 원관으로 하였으나, 본 발명에 있어 복열기의 구성 수단을 원관으로 한정하는 것은 아니며, 사각형이나 마름모형과 같이 그 내부를 공기가 유동함에 있어 원형과 동일한 효과를 내는 모든 형태의 단면 형태를 포함할 수 있다.

인입구(13)을 통해 유입된 상온의 공기는 나선형 원관의 내부를 흐르면서 원관 외부의 연소가스와의 열교환을 통해 고온 상태로 원관 출구에서 연료를 향해 분사된다. 가스 상태의 연료(5)는 연료 공급관(8)을 통해 공급되어 노즐 단부에서 로 내부로 분사되며 점화장치(9)에 의해 점화되어 고온의 화염을 로 내부로 방사한다. 로 내에서 피가열체를 가열한 후 배출되는 연소가스(3)은 버너의 출측 단면에서 공기 공급관과 버너 하우징 사이의 공간을 통해 복열기로 인입되어 주기적으로 배치된 원관다발의 외면에 수직으로 충돌하면서 원관 및 공기로 열을 전달하고 배기관(7)을 통해 외부로 배출된다.

나선형 복열기를 구성하는 원관들은 도 2에 도시된 바와 같이 버너 중심축으로부터의 나선반경이 다른 다수열의 원관들을 축방향으로 서로 엇갈리게 배열함으로써 연소가스 유동을 교란시키고 난동을 증가시켜 열교환 효율이 최대한 향상되도록 고안되었다.

나선형 복열기가 연결된 플랜지(16)는 버너 하우징(18) 및 (19)에 연결되어 버너에 고정되며, 버너 하우징(18)은 별도의 플랜지(도면에 도시되지 않음) 등과 같은 연결 수단을 사용하여 가열로 벽체에 고정된다. 플랜지(16)과 연소용 공기 공급관(8)의 접촉부를 통한 공기 및 연소가스의 누출을 방지하기 위해 연결부위는 용접 또는 플랜지 이음 등의 수단을 이용하여 밀봉된다. 연소용 공기 공급관(8)과 점화장치(9)는 버너 헤드(20)에 의해 고정되며, 버너 헤드(20)는 버너 하우징(19)에 연결되어 고정된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나선형 복열기의 사시도이다. 플랜지(16)에 형성된 인입구(13)은 연소용 공기가 균일하게 유입될 수 있도록 복열기 중심축으로부터 일정한 반경에서 원주 방향으로 등간격으로 배치되며, 입구에서의 유동 저항을 감소시키기 위해 도 3에 도시한 바와 같이 필렛(fillet) 가공되고 인입구의 측면에 나선형 원관이 용접 등의 방법을 통해 연결된다. 플랜지(16)에 연결된 원관은 복열기의 중심축으로부터 일정한 반경을 갖는 위치에서 서로 다른 나선 반경을 갖는 원관으로 만곡되어 배치된다. 나선형 복열기에서 상온의 공기가 유입되는 원관들의 단부는 플랜지(16)에 연결되어 버너 하우징(18)에 고정되며, 마찬가지로 열교환을 거친 고온의 공기가 분사되는 단부는 분사용 홀이 구비된 플랜지(20)에 용접 등의 방법으로 연결되어 버너 하우징(18)에 고정된다. 이와 같은 방법으로 나선형 복열기는 양 단이 플랜지에 고정되고, 플랜지는 버너에 고정되어 운전중 고온에 의한 원관들의 변형을 구속함으로써 열교환 성능이 저하되는 것을 방지한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나선형 복열기를 구성하는 원관의 원주방향 배치에 대한 이해를 돕기 위해 전체 원관중 일부만을 예시한 것이며, 동일한 나선반경을 갖는 원관들은 원주방향으로 각도 α 를 주기로 일정하게 배치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 반경 R₃인 나선형 원관(23)의 피치를 P라 할 때, 동일한 반경의 나선형 원관을 복열기의 중심축에 대해 각도 α만큼 회전시켜 배치된 원관(27)은 복열기의 길이방향으로 P_L만큼 변위된 상태에 위치하게 되며 상기의 두 피치는 다음과 같은 수식으로 결정된다.

(수학식 1)

P_L = αP/(2π)

(여기서, P_L은 원관(23)과 (27)의 길이방향으로 이격된 피치길이, α는 원관(23)과 (27)의 원주방향으로 이격된 피치각, P는 원관(23)또는 (27)의 길이방향에 따른 나선피치이다)

여기서, P_L 은 원관의 직경 d보다 커야 하므로 동일 직경에 대한 원관의 원주방향 배치각 α는 최소한 2πd/P [rad] 값보다 크도록 배치되어야 하며, 바람직하게는 5πd/P [rad] 이상의 값을 갖도록 배치한다.

복열기를 구성하는 원관의 나선반경을 달리함으로써 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 연소가스의 유동방향에 수직한 엇갈린 관다발 형태로 배치할 수 있다. 나선반경 R₂ 와 R₄인 원관(23)과 (21)을 복열기의 길이방향으로 동일한 위치에서 나선이 개시되도록 배치하고, 나선반경 R₁ 와 R₃인 원관 24와 22를 피치 S_L 만큼 떨어진 위치에서 나선이 개시되도록 배치하면 도 5와 같이 유동방향에 대해 엇갈린 관다발 형태로 원관들을 배치할 수 있다.

서로 다른 직경을 갖는 원관들(21, 22, 23, 24)은 원주방향의 피치각 α의 범위 내에서 동일한 간격으로 배치되며, 이러한 배치 패턴이 피치각 α를 주기로 전체 원주각 2π [rad] 내에서 반복된다. 이러한 배치 방식에 따라 서로 다른 나선반경을 갖는 원관들을 도 2에 도시한 바와 같이 나선의 원주방향으로 등간격으로 배치함과 동시에 중심축방향으로는 피치 S_T와S_L 이 일정하게 유지되도록 배치할 수 있다.

유동방향에 수직한 원관의 피치 S_T는 버너의 하우징(18)과 공기 공급관(11) 사이에 형성되는 공간에 균등하게 분할하는 방식으로 결정할 수 있으며, 최소한 원관의 직경보다 커야 하고 바람직하게는 1.25d보다 큰 값을 갖도록 배치한다. 또한 유동방향에 평행한 원관 피치 S_L은 최소한 원관의 직경보다 커야 하고 바람직하게는 1.25d보다 큰 값을 갖도록 배치한다.

1 : 상온의 연소공기 2 : 고온의 연소공기
3 : 고온의 배기가스 4 : 저온의 배기가스
5 : 연료 6 : 공기 공급관
7 : 배기가스 배출 배관 8 : 연료 공급 파이프
9 : 점화장치 10 : 로 내화물
11 : 연소관 12 : 공기 공급용 홀
13 : 복열기의 공기측 인입 홀
14 : 복열기
15 : 버너 배기가스단 하우징 플랜지
16 : 복열기용 플랜지
17 : 버너 연소공기 하우징 플랜지
18 : 버너 배기가스단 하우징 19 : 버너 연소공기단 하우징
20 : 버너 헤드 21 : 복열기 파이프 고정용 플랜지
22 : 나선반경 R₄의 원관 (원주각 = 0)
23 : 나선반경 R₃의 원관
24 : 나선반경 R₂의 원관
25 : 나선반경 R₁의 원관
26 : 나선반경 R₄의 원관 (원주각 = α)
27 : 나선반경 R₃의 원관 (원주각 = α)

Claims (5)

1. 가열로에 설치되어 피가열체를 가열하기 위한 버너에 있어서,
   
   상기 버너는 공기 공급관(6)과 배기가스 배출관(7), 연료 공급관(8), 점화기(9), 연소관(11), 복열기(14)로 구성되고,
   상기 복열기(14)는 버너의 중심축에 대하여 나선형으로 감겨있고 나선반경이 동일하거나 서로 다른 적어도 하나 이상의 원관으로 구성되며,
   상기 복열기(14)는 상기 원관 내부를 공기가 흐르고 상기 원관 외부를 연소가스가 직교류(cross & counter flow)하도록 구성된 것을 특징으로 하는 나선형 복열기를 구비한 버너.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 원관들은 버너 중심축으로부터의 나선반경이 반경방향에 따라 특정 피치 S_T/2 만큼 이격되도록 배치되고, 중심축방향에 따라 특정 피치 S_L만큼 이격되도록 배치된 것을 특징으로 하는 나선형 복열기를 구비한 버너
   
3. 제 1항 및 제 2항에 있어서,
   상기의 나선반경이 다른 원관들을 피치 S_T x S_L에 따라 배치된 것이 나선의 원주방향에 따른 기본 모듈(원주각 α)을 구성하고,
   상기의 기본 모듈이 나선의 원주방향으로 적어도 1주기 이상의 주기로 반복되도록 배치함으로써, 전체적으로는 나선형 원관들이 엇갈린 관다발(staggered tube bundle) 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 복열기를 구비한 버너.
   
4. 제 1항 및 제 3항에 있어서,
   
   동일한 나선반경의 원관들이 원주방향으로 원주각 α를 주기로 하여 주기적으로 배치될 때, 특정 원관의 버너 중심축방향으로의 나선 피치(P)가 원주각 α만큼 원주방향으로 회전시킨 원관의 피치(P_L)과 하기의 수학식 1로 결정되는 것을 특징으로 하는 복열기를 구비한 버너.
   
   (수학식 1)
   P_L = αP/(2π)
   (여기서, 원주각 α는 radian 단위임)
   
5. 제 1항 및 제 3항, 제 4항에 있어서,
   
   상기 원관들의 원주방향에 따른 주기적 회전각 α는 최소한 2πd/P [rad] 보다 커야 하며, 바람직하게는 5πd/P [rad] 이상의 값을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 복열기를 구비한 버너.
   
   

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