KR20190130940A - 나선 유로형 복열기 및 복열 버너 - Google Patents

나선 유로형 복열기 및 복열 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고효율 사각 단면의 나선 유로형 복열기 및 복열버너에 관한 것으로, 상기 복열기는 중간 원통(18)을 경계로 저온의 공기(1)가 유동하는 유로(24)와 고온의 연소가스가 유동하는 유로(23)가 버너의 중심축에 대하여 나선형인 사각 단면을 갖는 다수 개의 채널(21, 22)로 구성되고, 각각의 나선형 채널은 복열기의 내측 원통(11) 및 외측 원통(17)과 일체형으로 제작되며, 중간 원통(18)과 외측 원통(17)에 의해 형성되는 공간의 일측면에 연소가스를 배출하는 배출구(7)가 연결되고, 반대측 끝단에 연소가스가 유입되는 공간이 형성되며, 중간 원통(18)과 내측 원통(11)에 의해 형성되는 공간의 일측면에 저온의 공기가 유입되는 공간이 마련되어 있고, 반대쪽 끝단에 연소공기를 로내로 분사하는 노즐공(26)이 등간격으로 배치되고, 서로 대향 유동(counter flow)에 의해 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 나선 유로형 복열기 및 복열버너를 포함한다.

Description

나선 유로형 복열기 및 복열 버너{Helical recuperator and recuperative burner}
본 발명은 공업로 내의 피가열체를 가열하기 위한 복열기를 구비한 버너 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 전열 면적 확장을 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 있다.
상기의 공지기술과 유사하게 복열기의 연소가스와 공기측 유로를 음각과 양각으로 형성시키고, 이를 나선형으로 배치한 기술이 유럽특허 EP 1486728 B1에 공지되어 있다. 그러나 나선형 복열기의 단면 형상이 정현파와 같은 곡선형이고, 복열기와 버너의 내측 및 외측 원통 사이에 공기와 연소가스가 유동할 수 있는 공간이 있어 열교환 효율이 저하되는 문제가 있다.
PCT 공개특허 WO 2011/08458 A1호 유럽특허 EP 1486728 B1 호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 버너의 연소가스 배출측에 설치되어 연소가스로부터 현열을 회수하여 연소용 공기의 온도를 증가시키는 복열기 및 복열 버너에 있어서, 공기와 연소가스 사이의 전열면적을 증가시켜 연소가스로부터의 열회수율을 증가시키고, 버너의 열효율을 개선하며, 고온의 공기를 버너에 공급함으로써 질소산화물을 저감할 수 있는 복열기 및 복열 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 열처리로에 사용되는 복열기 및 복열기를 구비한 버너는, 저온의 공기가 유동하는 유로와 고온의 연소가스가 유동하는 유로가 버너의 중심축에 대하여 나선형의 채널(channel)로 구성되고, 각각의 나선형 채널은 복열기의 내측 및 외측 원통과 밀착된 일체형으로 제작되고, 서로 대향 유동(counter flow)에 의해 열교환을 수행하는 것을 특징으로 한다
본 발명에 따른 나선 유로형 복열기 및 복열 버너는, 대향류 방식으로 열교환이 이루어지는 공기와 연소가스측 유로를 사각형 단면을 갖는 나선형 채널로 구성함으로써 동일 용적에 전열 면적을 최대한 집적시켜, 1,000 oC의 연소가스 온도를 기준으로20oC의 상온에서 복열기로 유입되는 공기를 850 oC 이상의 고온으로 가열한다.
사각단면의 나선 유로형 복열기에 의해 전열면적의 증가와 더불어, 공기 및 연소가스측 나선형 유로의 곡률에 의해 유동방향에 수직한 단면에서의 2차적 회전유동(secondary flow)이 발생하고, 이로 인해 공기 및 연소가스측 열전달이 증가하는 추가적인 효과가 있다.
또한 850 oC 이상의 고온 공기를 연소에 사용함으로써 안정적 연소 영역을 확장할 수 있어 연소가스의 로내 재순환율을 증가시킬 수 있으므로 질소산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있고, 적은 연료로 안정적 연소가 가능하므로 CO2 배출량이 적어져 에너지 고 효율화와 더불어 환경 유해물질 배출을 억제하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 사각단면의 나선형 복열기 및 복열버너의 일 측면이 절개된 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 나선형 복열기 및 복열버너의 단면도
도 3은 본 발명에 따른 내측 및 외측 원통이 제거된 나선형 복열기의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 공기 및 연소가스 유로가 구분된 복열기의 정면도
도 5는 본 발명에 따른 공기 및 연소가스 유로가 엇갈리게 배치된 복열기의 다른 실시예.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 열처리로에 사용되는 복열기 및 복열기를 구비한 버너는, 연소용 공기의 공급관(6, 12)과 연료 공급관(8), 복열기로 구성되고, 상기 복열기는 중간 원통(18)을 경계로 저온의 공기(1)가 유동하는 유로(24)와 고온의 연소가스가 유동하는 유로(23)가 버너의 중심축에 대하여 나선형인 사각단면을 갖는 다수 개의 채널(channel)로 구성되고, 각각의 나선형 채널은 복열기의 내측 원통(11) 및 외측 원통(17)과 일체형으로 제작되며, 서로 대향 유동(counter flow)에 의해 열교환을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 복열기는 중간 원통(18)과 외측 원통(17)에 의해 형성되는 공간의 일측면에 연소가스를 배출하는 배출구(7)가 연결되고, 반대측 끝단에 연소가스가 유입되는 공간이 형성되며, 중간 원통(18)과 내측 원통(11)에 의해 형성되는 공간의 일측면에 저온의 공기가 유입되는 공간이 마련되어 있고, 반대쪽 끝단에 연소공기를 로내로 분사하는 노즐공(26)을 배치하되, 노즐공(26)은 원주 방향으로 등간격으로 배치하는 것이 바람직하다.
여기서, 공기와 연소가스의 유로를 형성하는 다수 개의 나선형 채널(21, 22) 양 끝단에는 복열기의 중심축에 따르는 유동 방향을 나선형의 선회각으로 완만하게 유도하는 안내판(13, 14)을 설치하는 것이 바람직하다.
또한 노즐 원주 방향으로 균일하게 공기를 분사하기 위해, 고온공기 분사 노즐공(26)과 상기 안내판(13) 사이에 완충 공간을 마련하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 사각단면의 나선형 복열기 및 복열버너의 일 측면이 절개된 사시도이며, 상기 복열기는 중간 원통(11)를 경계로 저온의 공기(1)가 유동하는 유로(24)와 고온의 연소가스가 유동하는 유로(23)가 버너의 중심축에 대하여 나선형인 사각단면을 갖는 다수 개의 채널로 구성되고, 각각의 나선형 채널은 복열기의 내측 원통(11) 및 외측 원통(17)에 의해 완전히 밀착된 일체형으로 제작된다.
상온의 연소용 공기(1, 28)가 공급관(6,12)를 통해 버너로 인입되고, 상기 연소용 공기(1)는 복열기 내측 원통과 중간 원통(18) 사이의 공간을 통해 복열기로 유입된 후 나선형 복열기를 통과한 고온 상태의 공기(2)가 노즐(26)을 통해 로내로 분사된다. 버너의 초기 기동시 연소용 공기(28)은 공기 공급관(12)를 통해 복열기의 내측 원통(11)으로 인입되어 복열기를 통과하지 않은 상태에서 연료 공급관(8)을 통해 분사되는 연료와 혼합되고, 혼합 연료는 점화장치(9)에 의해 점화되어 연소된다. 초기 연소후 로내의 연소가스가 특정온도, 예를 들어 복열기로 유입되는 연소가스(3)의 온도가 1,000 oC 이상으로 상승하게 되어 고온의 공기(2)를 복열기를 통해 분사할 수 있게 되면 초기 기동시 공급된 공기(28)를 차단하고, 공기 공급관(6)을 통해 연소용 공기(1)를 인입시켜 복열기를 통해 열교환후 고온공기(2)를 로내로 공급한다.
이 때, 복열기의 나선형 채널에서 배출되는 고온공기(2)는 원주 방향으로 일정한 간격으로 배치되어 있는 분사노즐공(26)에서 분사되기 전에 일정한 완충공간에 체류하게 하여 원주 방향으로 균일하게 분사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
로내의 연소가스(3)는 복열기의 중간 원통(11)과 외측 원통(17) 사이의 공간을 통해 복열기로 인입되고 나선형의 채널을 따라 공기와 열교환후 배출관(7)을 통해 저온상태로 배출(4)된다.
도 2는 본 발명에 따른 나선형 복열기 및 복열버너의 단면도이며, 나선형 복열기가 구비된 복열버너를 로내 설치한 실시예이다. 여기서, 연소가스가 유입되는 복열기의 끝단이 로의 내측 벽면과 동일하게 도시되어 있으나, 복열기 끝단의 위치는 로의 내측 벽면의 위치와 일치하지 않아도 무방하며, 더불어 복열기를 구성하는 연소가스 인입측 끝단과 분사노즐공(26)의 위치도 버너 중심축 방향으로 일치하지 않아도 무방함은 물론이다.
복열기 내측 원통(11)의 일단은 연료의 분사 방향에 따라 점차로 그 직경이 작아지는 축소 단면 형상으로 제작됨이 바람직하다. 복열기 내측 원통이 축소 단면으로 제작되는 일단의 반대쪽 끝단에는 중간 원통(18)에 플랜지(15)가 형성되어 있고, 상기 플랜지(15)는 공기 공급관(6, 12)을 포함하는 공기 체류관(19)에 형성된 플랜지(16)와 연결공(25)을 통해 볼트에 의해 체결된다. 공기 체류관(19)의 끝단에는 연료 공급관(8) 및 점화장치(9), 기타 계측 및 관측 기구를 연결하고, 공기의 누출을 방지하는 마감용 원판(20)에 의해 마감된다.
도 3은 본 발명에 따른, 설명의 편의상 내측 및 외측 원통이 제거된 나선형 복열기의 사시도이고, 복열기의 중간 원통(18)을 경계로 연소가스측 유로를 형성하는 다수 개의 나선형 채널(21)과 공기측 유로를 형성하는 다수 개의 나선형 채널(22)이 구비된다. 상기 나선형 채널(21, 22)의 양 끝단에는 인입 및 배출시 유동 저항을 감소시키고, 특정 방향으로 유동의 방향성을 부여하기 위한 다수 개의 안내판(13, 14)이 구비된다.
나선형 채널(21, 22)은 필요한 전열 면적과 압력손실 요구 조건에 따라 원주 방향의 채널 개수와 나선의 회전수를 조정하며, 특히 연소가스측 채널(21)의 개수와 공기측 채널(22)의 개수를 다르게 조정함으로써 요구되는 압력손실 조건에 부합하면서도 열전달 효율을 증가시킬 수 있는 특징이 있다. 예를 들면, 원통형 열교환기의 경우 외측 단면에서의 열저항이 내측 단면보다 크므로, 연소가스측 채널(21)의 개수를 원주방향으로 29개, 공기측 채널(22)의 개수를 원주방향으로 25개로 외측의 전열 면적을 크게 하고, 각 채널의 버너 중심축 방향에 따른 나선 회전수가 3회인 경우 총 전열면적은 5.2 m2이고, 1,000 oC의 연소가스 온도로 20 kW의 열교환을 하는 경우에 대해, 고온공기의 온도는 880 oC, 저온 연소가스는 350 oC, 단위 전열량에 대한 전열 면적은 0.25 m2/kW를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 복열기를 버너 중심축의 정면에서 바라본 정면도이며, 내측에 공기측 유로(24)가 형성되고, 외측에 연소가스측 유로(23)가 형성된 나선형 복열기이다. 공기측 유로와 연소가스측 유로가 중간 원통(18)을 기준으로 내, 외측에 형성되는 것이 제작에 유리하지만, 도 5에 나타낸 바와 같이 공기와 연소가스가 통과하는 유로를 엇갈리게 배치한 본 발명에 따른 복열기의 다른 실시예도 가능하다. 공기와 연소가스가 통과하는 유로를 엇갈리게 배치하는 경우 공기와 연소가스의 유로를 중간 원통(18)을 기준으로 동심축상 균일하게 배치하는 경우에 비해 전열 효율이 5% 증가한다.
1 : 저온의 연소용 공기
2 : 고온의 연소용 공기
3 : 고온의 연소가스
4 : 저온의 연소가스
5 : 연료
6 : 저온의 공기 공급관
7 : 저온의 연소가스 배출관
8 : 연료 공급관
9 : 점화장치
10 : 로벽
11 : 복열기 내측 마감 튜브
12 : 저온의 공기 공급관
13 : 저온 공기의 복열기 인입 안내판
14 : 저온 연소가스의 복열기 배출 안내판
15 : 복열기 플랜지
16 : 공기 공급부 플랜지
17 : 복열기 외측 마감 튜브
18 : 복열기 중간 튜브
19 : 공기 공급부 외부 파이프
20 : 공기 공급부 마감판
21 : 복열기의 연소가스측 나선형 채널
22 : 복열기의 공기측 나선형 채널
23 : 복열기의 연소가스측 유로
24 : 복열기의 공기측 유로
25 : 복열기 플랜지의 볼트 체결용 홀
26 : 복열버너의 연소공기 분사노즐
27 : 복열버너의 연소공기 분사판
28 : 저온의 연소용 공기

Claims (4)

  1. 연소용 공기의 공급관(6, 12)과 연료 공급관(8), 복열기로 구성되어 열처리로 내의 피가열체를 가열하는 복열버너에 있어서,
    상기 복열기는 중간 원통(18)을 경계로 저온의 공기(1)가 유동하는 유로(24)와 고온의 연소가스가 유동하는 유로(23)가 버너의 중심축에 대하여 나선형인 사각단면을 갖는 다수 개의 채널(21, 22)로 구성되고,
    각각의 나선형 채널은 복열기의 내측 원통(11) 및 외측 원통(17)과 일체형으로 제작되며,
    중간 원통(18)과 외측 원통(17)에 의해 형성되는 공간의 일측면에 연소가스를 배출하는 배출구(7)가 연결되고, 반대측 끝단에 연소가스가 유입되는 공간이 형성되며, 중간 원통(18)과 내측 원통(11)에 의해 형성되는 공간의 일측면에 저온의 공기가 유입되는 공간이 마련되어 있고, 반대쪽 끝단에 연소공기를 로내로 분사하는 노즐공(26)이 등간격으로 배치되고,
    서로 대향 유동(counter flow)에 의해 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 나선 유로형 복열기 및 복열버너.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 공기와 연소가스의 유로를 형성하는 다수 개의 나선형 채널(21, 22) 양 끝단에 복열기의 중심축에 따르는 유동 방향을 나선형의 선회각으로 완만하게 유도하는 안내판(13, 14)을 설치하는 것을 특징으로 하는 나선 유로형 복열기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기의 고온공기 분사 노즐공(26)과 상기 안내판(13) 사이에 완충 공간이 구비된 것을 특징으로 하는 나선 유로형 복열기.
  4. 제 1항에 있어서,
    연소가스측 나선형 채널(21)의 개수와 공기측 나선형 채널(22)의 개수를 다르게 하며, 바람직하게는 연소가스측 채널의 개수가 공기측 채널의 개수보다 크고, 연소가스측과 공기측 나선형 채널의 버너 중심축에 따른 회전수(또는 피치)가 각각의 압력손실 요구조건에 따라 다르게 제작될 수 있는 특징을 가진 나선 유로형 복열기.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1486728B1 (de) 2003-06-12 2013-09-04 NOXMAT GmbH Rekuperatorbrenner und Rekuperator hierzu

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