KR20190069288A

KR20190069288A - Lpg 직접 분사 연소장치

Info

Publication number: KR20190069288A
Application number: KR1020180125372A
Authority: KR
Inventors: 안광영
Original assignee: (주)넥스트가스이노베이션
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: KR102015582B1

Abstract

본 발명은 LPG 저장탱크와, 상기 LPG 저장탱크에 연결배관을 통해 연결된 직접 분사 버너를 포함하는 LPG 직접 분사 연소장치로서, 상기 직접 분사 버너는 상기 연결배관으로 액상의 LPG를 공급받아 외부로 분사하도록 선단에 노즐공이 형성된 분사노즐; 및 상기 분사노즐 내에서 전후진되는 것으로 상기 분사노즐의 상기 노즐공을 개폐하는 노즐봉을 포함하고, 상기 노즐봉의 선단이 상기 분사노즐의 상기 노즐공을 막고 있는 상태에서 상기 노즐봉이 상기 분사노즐의 분사방향과 반대방향으로 후진하는 것으로 상기 노즐공의 개방이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

LPG 직접 분사 연소장치{COMBUSTION APPARATUS USING DIRECT INJECTION FOR LPG}

본 발명은 LPG 직접 분사 연소장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LPG 와 같은 액화 가스를 직접 분사하여 연소가 이루어지는 LPG 직접 분사 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로, LPG는 프로판 가스(liquefied propane gas)를 주성분으로 하며, 석유 채굴 시 유전에서 원유와 함께 분출되는데, 영하 42℃ 또는 상온에서는 약 7~10 atm(기압)의 압력을 가하면 액화되는 특성을 갖는 연료이다.

또한, LPG는 액화·기화가 용이하고, 기체가 액체로 변하면 체적이 작아지고, 상온(15℃) 하에서 액화하면 부피가 1/260~1/230의 부피로 줄어들어 저장과 운송에 편리하다.

이러한 LPG는 자동차 연료, 이동용 버너 연료, 취사나 대형 건물의 난방용이나 산업체의 공업 연료용 등으로 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 LPG 기체분사 연소 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참고하면, LPG는 액체상태로 저장탱크(1)에 저장되며, 이는 연결관(2)을 통해 기화기(3)로 보내고, 기화기를 거쳐 기체로 변환한 후 압력조정기(4,5)를 통해 압력을 조정한 후 가스유량계(6)를 거쳐 연소장치 또는 버너(7) 등에 공급하여 가스를 연소시키게 된다.

종래의 LPG를 이용한 연소장치는 기체 연소방식이라 기화기(3)와 압력 조정기(4,5)의 설치가 필수적이며, 기화기(3)의 사용에 따른 아래와 같은 문제점이 발생한다.

a. 기화기(3)의 내부가 부식되어 다른 가스 누출(기화기 내부가 액체로 채워져 있으며 액체를 가열하여 기화하는 방식의 경우에 해당)

b. 기화기(3)에 공급되는 전기의 단전으로 인한 LPG 공급 중지(기화기 전기가 차단되면 안전을 위하여 기화기 작동이 멈추게 되어 이를 복구하는 동안 LPG를 사용할 수 없음)

c. 기화기(3)의 사용시 아래와 같은 유지비용이 발생한다.

① 전기요금: 액체를 전기로 가열하며, 그 온수로 LPG를 가열하여 기화하는 방식이므로 많은 전기를 필요로 한다.

② 정기 검사비: 특정 설비검사 및 안전공사 검사품목에 해당되어 정기적으로 검사비 등이 추가로 발생한다.

d. 기화기(3)를 설치하는 경우 그 용량에 따라 많은 면적을 차지하며, 전기를 사용하는 설비로서 모든 전기설비가 내압방폭 성능의 규격에 적합하게 시공되어야 하므로 시설비가 크게 소요된다.

e. 기화기(3)를 통하여 기화된 LPG는 그 부피가 약 250배 팽창되어, 이를 이송하기 위해서는 가스배관의 관경이 커져 배관 공사비가 상승된다.

f. 기화된 LPG는 단위면적당 밀도가 낮아 일정 공간의 온도를 고온으로 올리는데 밀도가 높은 연료(액체연소)에 비해 비효율적인 문제점이 있다.

g. 기화된 LPG는 반드시 압력조정기(4,5)를 통해서 압력을 2 기압 이하로 낮추어 사용하여야 한다(배관내 압력이 2 기압 이상시 배관 내에서 재액화현상이 발생되지 않음).

[선행기술 문헌]

특허 문헌 1: 대한민국 특허공개 제2003-0008508호(공개일자 2003년 01월 29일)

특허문헌 2: 대한민국 특허등록 제0840535호(등록일자 2008년 06월 17일)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, LPG 저장탱크의 내부에 저장된 액상의 LPG를 직접분사 버너를 통하여 연소실 내에 직접분사한 후 공기와 혼합하여 연소시킴으로써 높은 화력을 얻을 수 있도록 한 LPG 직접 분사 연소장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기화기와 압력조정기의 설치없이 액상의 LPG를 연소시켜 기화기 및 압력조정기의 고장으로 인한 사용상 단점을 최소화하고, 전기요금을 감소시키며, 배관관경의 축소를 통해 시설의 유지비와 시공비용을 절감시킬 수 있는 LPG 직접 분사 연소장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, LPG 저장탱크와, 상기 LPG 저장탱크에 연결배관을 통해 연결된 직접 분사 버너를 포함하는 LPG 직접 분사 연소장치로서, 상기 직접 분사 버너는 상기 연결배관으로 액상의 LPG를 공급받아 외부로 분사하도록 선단에 노즐공이 형성된 분사노즐; 및 상기 분사노즐 내에서 전후진되는 것으로 상기 분사노즐의 상기 노즐공을 개폐하는 노즐봉을 포함하고, 상기 노즐봉의 선단이 상기 분사노즐의 상기 노즐공을 막고 있는 상태로부터 상기 노즐봉이 상기 분사노즐의 분사방향과 반대방향으로 후진함으로써 상기 노즐공의 개방이 이루어지는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.

상기 노즐봉의 선단은 원추형으로 이루어지고, 상기 노즐봉은 상기 노즐공을 개방한 상태에서 상기 노즐봉의 선단이 상기 노즐공의 외부측으로 노출되지 않는 것일 수 있다.

상기 분사노즐은 상기 연결배관과 LPG 공급관을 매개로 연통되고, 상기 LPG 공급관의 외측으로 배치되어 상기 LPG 공급관과 상기 분사노즐을 냉각하는 냉각용 공기를 공급하기 위한 노즐냉각용 공기공급관, 및 상기 노즐냉각용 공기공급관의 외측으로 배치되어 내부로 연소용 공기를 상기 분사노즐의 분사방향측으로 공급하는 연소용 공기공급관을 포함할 수 있다.

상기 LPG 저장탱크의 내부에는 LPG를 상기 직접 분사 버너로 공급하기 위해 설치된 액중펌프, 및 상기 액중펌프의 구동을 제어하여 상기 연결배관 및 상기 연결배관에 연통된 배관들 내의 압력을 일정하게 유지하는 인버터를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 LPG 저장탱크와 상기 연결배관 사이에 설치된 분기관, 및 상기 분기관에 설치된 바이패스 릴리프 밸브를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 LPG 공급관은, 액상의 LPG가 공급되는 공급공이 형성되고, 상기 공급공에서 공급된 유체가 배출되는 배출공이 형성된 연료조절장치 중심축, 및 상기 연료조절장치 중심축의 상기 배출공에 연결된 유량조절대를 포함하고, 상기 유량조절대는 상기 분사노즐과 연결된 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, LPG 저장탱크에서 연결배관을 통해 액체상태의 LPG를 공급받아 연소시키도록 직접분사 노즐, 노즐냉각용 공기 공급부 및 연소용 공기 공급부를 포함하는 직접분사 버너를 구비함으로써, LPG 저장 탱크의 내부에 충전된 액상의 LPG를 직접분사 버너로 연소시켜 고온의 화력을 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, PG 저장탱크로부터 LPG를 직접분사 버너로 직접 공급함으로써, 기화기와 압력조정기의 설치 없이 LPG를 연소시킴으로써 종래의 기화기 고장으로 인한 사용상 문제점을 최소화하고, 전기 소비율을 낮추고, 배관의 관경도 줄일 수 있어 시공비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 LPG 기체분사 연소장치를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LPG 직접 분사 연소장치를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LPG 직접 분사 연소장치의 직접분사 버너를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LPG 직접 분사 연소장치의 직접분사 버너의 측면도, 및
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LPG 직접 분사 연소장치의 직접분사 버너의 작동상태를 보여주는 상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

<제1 실시예>

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LPG 직접 분사 연소장치(100)는 LPG 저장탱크(10)와, 상기 LPG 저장탱크(10)에 연결된 연결배관(11)을 통해 액상의 LPG를 공급받아 연소시키는 직접분사 버너(20)를 포함한다.

상기한 구성에서 직접분사 버너(20)는, LPG공급관(21), 노즐봉(22), 노즐 냉각용 공기공급관(23), 연소용 공기공급관(24)을 포함한다.

LPG 공급관(21)은 연결배관(11)에 연결되어 액상의 LPG가 공급되는 통로로서의 역할을 한다. 이때 LPG 공급관(21)의 단부에 노즐공(21ca)이 형성된 분사노즐(21c)이 연결될 수도 있다.

도 3에서 연료조절장치 중심축(21a)은 유량 조절대(21b)의 말단에 연결되고, 상부에는 LPG액이 공급되는 공급공(21aa)이 형성되고, 측면으로는 공급공(21aa)에서 공급된 유체가 배출되는 배출공(21ab)이 형성된다.

또한 연료조절장치 중심축(21a)에 형성된 배출공(21ab)의 반대측으로는 LPG 누출방지커버(25)가 설치되는데, LPG 누출방지커버(25)의 중앙에는 노즐봉(22)이 결합된다. 이때 유량조절대(21b)는 연료조절장치 중심축(21a)의 배출공(21ab)에 연결된다. 또한 분사노즐(21c)은 유량조절대(21b)에 연결되고, 그 단부에 노즐공(21ca)이 형성된다.

이때 분사노즐(21c)의 노즐공(21ca)은 원형공으로 가공되고, 노즐봉(22)의 단부는 원추형으로 가공되어 분사노즐(21c)의 개방시 노즐봉(22)이 노즐공(21ca)의 안쪽으로 이동함으로써, 분사노즐(21c) 외측으로 노즐봉(22)의 선단이 노출되지 않도록 함으로써 LPG의 자연 기화열(아이싱 현상)의 발생을 최대한 억제하도록 한다.

아울러 사용시 분사노즐(21c)의 단부에 발생하는 미세한 결빙은 직접분사 버너(20)의 연소시 발생되는 복사열로 해빙될 수 있다.

구체적으로 LPG 공급관(21)의 노즐공(21ca)의 반대측에 결합된 유량조절 손잡이(26)에 의해 노즐봉(22)이 전,후진되면서 노즐공(21ca)의 토출면적을 변화시킬 수 있다.

한편 LPG 저장탱크(10)의 내부에는 액중펌프(30)가 설치되도록 배관 내의 압력을 LPG 증기압 이상으로 유지하는데, 이는 배관 내 압력이 상온(20℃)에서 증기압(7.4kg/cm²) 이하일 경우 배관 내에서 기포(베이퍼록 현상)가 발생되어 분사가 일정하게 되지 않기 때문이다.

또한 액중펌프(30)에 인버터(inverter)를 설치하여 분사노즐(21c)의 압력이 설정압력 이하이면 액중펌프(30)가 가압하여 압력을 올리고, 설정압력 이상이면 액중펌프(30)의 회전을 줄여 압력을 낮추도록 하여 분사노즐(21c)에 도달하는 압력을 일정하게 유지한다.

아울러 연결배관(11)에 체크밸브(12)를 설치하여 직접분사 버너(20) 측으로 액상의 LPG가 이송될 수 있으나 LPG 저장탱크(10) 측으로는 이송되지 못하게 함으로써 액중펌프(30)의 성능을 향상시킨다.

이때 LPG 저장탱크(10)와 연결배관(11) 사이에 분기관을 설치하고, 분기관에 바이패스 릴리프 밸브(14)를 설치하여 액중펌프(30)의 인버터 고장으로 인한 이상 압력 발생시 배출압보다 초과되는 LPG는 바이패스 릴리프 밸브(14)를 통해 LPG 저장탱크(10)로 유입되도록 한다.

또한 연결배관(11) 상에 스트레이너(13)를 이중으로 설치하여 사용 중에도 어느 하나의 스트레이너(13)를 통해 청소할 수 있도록 한다.

한편 노즐봉(22)은 LPG 공급관(21)의 내측 중앙에 동심축 상에 설치된다.

노즐냉각용 공기공급관(23)은 LPG 공급관(21)의 외측에 동심축 상에 설치되어 내부에 LPG 공급관(21)을 냉각시키도록 하는 냉각용 공기를 공급하는 것으로서, 저온 공급공(23a)을 통해 냉각용 공기가 공급되어 LPG 공급관(21)의 과열로 인하여 관내에서 LPG가 기화되는 것을 방지한다.

연소용 공기공급관(24)은 노즐냉각용 공기공급관(23)과 동심축 상에 설치되고, 내부에 연소용(고온) 공기를 공급하는 것으로, 고온 공급공(24a)을 통해 공급되는 연소용 공기는 연료의 절감을 위해 연소시 발생되는 폐열을 활용할 수 있다.

한편 LPG 공급관(21)의 노즐공(21ca)에서 분출되는 액상의 LPG는 노즐냉각용 공기와 연소용 공기가 혼합되면서 연소된다. 여기서 도 3에서 미설명 부호 27은 보호 커버(27)로서 LPG 노출방지 커버를 보호하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 LPG 직접분사 연소장치(100)은, LPG 저장탱크(10)의 내부에 충전된 액상의 LPG가 연결배관(11)을 통해 직접분사 버너(20)로 공급된다.

또한 직접분사 버너(20)의 LPG 공급관(21)을 통해 공급되는 액상의 LPG는 분사노즐(21ca)을 통과하면서 분사노즐(21c)의 노즐공(21ca)을 통해 LPG의 분사가 이루어진다.

그리고 LPG 공급관(21)에 동심축상으로 설치된 노즐냉각용 공기 공급관(23)에 공급되는 냉각용 공기에 의해 노즐공(21ca)을 통하여 분사된 LPG와 주위 물체의 사이에서 기화열에 의해 결빙되는 현상(아이싱 현상)을 방지한다.

또한 노즐냉각용 공기공급관(23)의 외측에는 연소용 공기가 연소용 공기 공급관(24)을 통해 공급되어, 노즐공(21ca) 단부에서 액상의 LPG가 냉각용 공기 및 연소기 공기가 혼합되면서 연소가 가능한 상태를 이루게 되며, 외부에 제공되는 점화원에 의해 직접분사 버너(20)의 연소가 이루어진다.

그리고 LPG 공급관(21)의 내부에 설치된 노즐봉(22)과 노즐공(21ca)의 토출면적은 유량조절 손잡이(26)를 이용하여 노즐공(22)을 전,후진시킴으로써 조절이 가능하다.

한편 직접분사 버너(20)를 통하여 LPG의 분출시 연결배관(11)의 압력이 LPG 증기압 이하로 낮아지면 배관 내 액상의 LPG가 기화되는 현상(베이퍼록 현상)이 발생한다. 따라서 저장탱크(10)의 내부에 설치된 액중 펌프(30)를 인버터로 구동제어함으로써 연결배관(11)의 압력을 LPG의 증기압 이상으로 높여 직접분사 버너(20)에 공급할 수 있다. 즉 액중펌프(30)의 인버터 설정압력은 35℃ 상태의 프로판 증기압으로 유지되도록 설정하여, 배관 내의 액상의 LPG가 기화되는 현상(베이퍼록 현상)을 방지할 수도 있다.

이때 연결배관(11)의 체크밸브(12)에 의해 LPG 저장탱크(10) 측으로의 역류를 방지할 수도 있다.

또한 액중펌프(30)에서 인버터의 고장으로 과도하게 펌핑되는 LPG는 연결배관(11) 상에 바이패스 릴리프 밸브(14)에 의해 다시 LPG 저장탱크(10)로 회수될 수도 있다.

<제2 실시예>

이하 본 발명의 제2 실시예를 노즐봉(22)의 이동에 따른 LPG 토출량 제어를 중심으로 설명한다.

본 발명의 직접분사 버너(20)는 전술한 일실시예에서와 같이 원추형의 노즐봉(22)이 제공되어, 이 원추형 노즐봉(22)이 분사노즐(21c)의 내측에서 전진하면서 노즐공(21ca)을 막아서 폐쇄할 수 있다(도 5a의 상태).

또한 원추형의 노즐봉(22)은 분사노즐(21c)의 내측으로 후진(구체적으로 분사노즐의 분사방향과 반대방향으로 이동)하면서 노즐공(21ca)을 개방시킬 수 있다(도 5b의 상태).

구체적으로 노즐봉(22)은 분사노즐(21c)의 내측으로 후진할 때(즉 노즐공을 개방하고자 할 때), 노즐봉(22)의 원추형 단부가 분사노즐(21c)의 내측으로 인입됨으로써 분사노즐(21c)의 외부로 노즐봉(22)의 선단이 노출되지 않는다(도 5b 참조).

이와 같이 본 발명의 직접분사 버너(20)는 노즐봉(22)의 단부가 노즐공(21ca) 개방시 분사노즐의 내측으로 완전히 인입됨으로써, 특히 LPG 분사시(연소시)에 노즐봉(22)의 단부가 LPG액 내에 위치(즉 액상의 LPG가 공급되는 분사노즐(21c)의 내부에 위치)된다. 따라서 분사영역 내에 노즐봉(22)의 일부가 위치하는 것을 방지함으로써 아이싱 현상(노즐봉 선단에 얼름이 생성되는 현상)을 방지할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

100: LPG 직접 분사 연소장치
10: LPG 저장탱크
11: 연결배관
12: 체크밸브
13: 스트레이너
14: 바이패스 릴리프 밸브
20: 직접분사 버너
21: LPG 공급관
21a: 연료조절장치 중심축
21aa: 공급공
21ab: 배출공
21b: 유량조절대
21c: 분사노즐
21ca: 노즐공
22: 노즐봉
23: 노즐냉각용 공기공급관
23a: 저온공급공
24: 연소용 공기공급관
24a: 고온공급공
25: LPG 누출방지커버
26: 유량조절 손잡이
30: 액중펌프

Claims

LPG 저장탱크와, 상기 LPG 저장탱크에 연결배관을 통해 연결된 직접 분사 버너를 포함하는 LPG 직접 분사 연소장치로서,
상기 직접 분사 버너는 상기 연결배관으로 액상의 LPG를 공급받아 외부로 분사하도록 선단에 노즐공이 형성된 분사노즐; 및
상기 분사노즐 내에서 전후진되는 것으로 상기 분사노즐의 상기 노즐공을 개폐하는 노즐봉을 포함하고,
상기 노즐봉의 선단이 상기 분사노즐의 상기 노즐공을 막고 있는 상태로부터 상기 노즐봉이 상기 분사노즐의 분사방향과 반대방향으로 후진함으로써 상기 노즐공의 개방이 이루어지는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐봉의 선단은 원추형으로 이루어지고,
상기 노즐봉은 상기 노즐공을 개방한 상태에서 상기 노즐봉의 선단이 상기 노즐공의 외부측으로 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.
제1항에 있어서,
상기 분사노즐은 상기 연결배관과 LPG 공급관을 매개로 연통되고,
상기 LPG 공급관의 외측으로 배치되어 상기 LPG 공급관과 상기 분사노즐을 냉각하는 냉각용 공기를 공급하기 위한 노즐냉각용 공기공급관, 및
상기 노즐냉각용 공기공급관의 외측으로 배치되어 내부로 연소용 공기를 상기 분사노즐의 분사방향측으로 공급하는 연소용 공기공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 LPG 저장탱크의 내부에는 LPG를 상기 직접 분사 버너로 공급하기 위해 설치된 액중펌프, 및
상기 액중펌프의 구동을 제어하여 상기 연결배관 및 상기 연결배관에 연통된 배관들 내의 압력을 일정하게 유지하는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.
제4항에 있어서,
상기 LPG 저장탱크와 상기 연결배관 사이에 설치된 분기관, 및
상기 분기관에 설치된 바이패스 릴리프 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.
제3항에 있어서,
상기 LPG 공급관은,
액상의 LPG가 공급되는 공급공이 형성되고, 상기 공급공에서 공급된 유체가 배출되는 배출공이 형성된 연료조절장치 중심축, 및
상기 연료조절장치 중심축의 상기 배출공에 연결된 유량조절대를 포함하고,
상기 유량조절대는 상기 분사노즐과 연결된 것을 특징으로 하는 LPG 직접 분사 연소장치.