KR20200037995A - 미분탄 버너의 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 미분탄 버너의 노즐은, 상기 미분탄 및 공기의 유동 방향 상류 측에 위치하는 제1 부재; 상기 미분탄 및 공기의 유동 방향 하류 측에 위치하며, 상기 제1 부재와 결합하는 제2 부재; 및 상기 제2 부재와 결합하며, 상기 미분탄 및 공기가 분사되는 노즐 팁;을 포함하고, 상기 제2 부재에는 내측으로 돌출된 웨지(wedge)가 구비된다. 이에 의하여, 상부에 편중되는 미분탄 분포를 보다 균일하게 하여 불완전 연소의 요인을 줄이고, NOx 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 미분탄 분포를 변경시키는 부품의 교체가 가능하여, 필요에 따른 부품의 교체로 적절한 미분탄 분포를 실현할 수 있다.

Description

미분탄 버너의 노즐{NOZZLE OF PULVERIZED COAL BURNER}

본 발명은 미분탄 버너의 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미분탄의 상부 편중 현상을 개선할 수 있는 미분탄 버너의 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 연소실에 연료를 공급하기 위하여 미분탄 버너의 노즐이 사용된다.

종래의 미분탄 버너의 노즐에 대하여 도 1 내지 도 2c를 참조하여 설명한다.

도 1은 종래의 미분탄 버너의 노즐을 도시한 사시도이고, 도 2a는 도 1의 미분탄 분포도이며, 도 2b는 도 1의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도이고, 도 2c는 미분탄 분포도에서 색상에 따른 미분탄의 밀도를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 미분탄 버너의 노즐은 미분탄 및 공기의 유동 방향을 기준으로 하여 상류측으로부터 하류측까지 절곡 관(11), 원통형 관(12), 연결관(13), 노즐 팁(14) 등이 차례로 연결된다.

이러한 종래의 미분탄 버너의 노즐은, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 대부분의 미분탄이 노즐의 상부에 편중되는 분포가 나타난다. 그리고 이 같은 불균일한 분포의 미분탄이 연소실에 공급됨에 따라서, 많은 양의 NOx가 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 균일한 미분탄 분포를 실현할 수 있는 미분탄 버너의 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 버너의 내부로 미분탄과 공기를 혼합하여 분사하는 노즐에 있어서, 상기 노즐은, 상기 미분탄 및 공기의 유동 방향 상류 측에 위치하는 제1 부재; 상기 미분탄 및 공기의 유동 방향 하류 측에 위치하며, 상기 제1 부재와 결합하는 제2 부재; 및 상기 제2 부재와 결합하며, 상기 미분탄 및 공기가 분사되는 노즐 팁;을 포함하고, 상기 제2 부재에는 내측으로 돌출된 웨지(wedge)가 구비되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐을 제공한다.

또한, 상기 웨지는 상기 제2 부재의 상측에 위치할 수 있다.

또한, 상기 웨지는 상기 제1 부재를 바라보는 방향에 모서리가 형성될 수 있다.

또한, 상기 웨지는 상기 제2 부재의 중심을 바라보는 제1 면을 포함하고, 상기 제1 면에서 상류 측을 바라보는 방향의 꼭지점이 이루는 각도는 30도 이상 45도 이하일 수 있다.

또한, 상기 웨지에는, 상류 측을 바라보는 방향에 제1 경사면이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 경사면의 폭은, 상기 웨지의 폭에 대하여 0.5 이하의 비율을 가질 수 있다.

또한, 상기 웨지에는, 상기 제1 면과 상기 제1 경사면 사이에 제2 경사면이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 경사면의 길이는, 상기 제1 경사면의 폭에 대하여 0.5 이하의 비율을 가질 수 있다.

또한, 상기 웨지는 0.4 이상 0.6 이하의 폐색률을 갖는 원에 접하도록 돌출될 수 있다.

또한, 상기 웨지는 복수개가 상기 제2 부재의 둘레 방향으로 이격되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.

또한, 상기 웨지는, 상기 제2 부재의 중심을 바라보는 제1 면; 상기 제2 부재의 하류 측을 바라보는 제2 면; 상기 제2 부재의 상류 측을 비스듬히 바라보며, 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 동시에 접하는 제3 및 제4 면; 을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제3 면과 상기 제4 면은 서로 대칭을 이룰 수 있다.

또한, 상기 제1 경사면은 상기 제2 부재의 내면과 수직을 이룰 수 있다.

또한, 상기 제2 경사면은 상기 제1 경사면과 120도 이상 150도 이하의 각도를 이룰 수 있다.

본 발명에 따른 미분탄 버너의 노즐은, 상부에 편중되는 미분탄 분포를 보다 균일하게 하여 불완전 연소의 요인을 줄이고, NOx 발생을 저감시킬 수 있다.

또한, 미분탄 분포를 변경시키는 부품의 교체가 가능하여, 필요에 따른 부품의 교체로 적절한 미분탄 분포를 실현할 수 있다.

도 1은 종래의 미분탄 버너의 노즐을 도시한 사시도,
도 2a는 도 1에서의 미분탄 분포도,
도 2b는 도 1의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 2c는 미분탄 분포도에서 색상에 따른 미분탄의 밀도를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도,
도 4a 내지 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 벤투리의 폐색률을 변경시켰을 때 미분탄 버너의 노즐 및 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 6a는 도 5a 내지 도 5b에서 벤투리의 위치를 변경시켰을 때 미분탄 분포도,
도 6b는 도 6a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 7a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도,
도 7b는 도 7a에서 AA'선 단면도,
도 7c는 도 7a에서 베인의 길이에 대한 도면,
도 8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 8b는 도 8a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 9a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도,
도 9b는 도 9a에서 AA'선 단면도,
도 9c는 도 9a에서 베인의 각도를 변경시킨 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도,
도 10a은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 10b는 도 10a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 11a는 도 9c와 같은 베인이 형성된 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 11b는 도 11b의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도,
도 13a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 13b는 도 13a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 14a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 벤투리의 폐색률을 변경시켰을 때 미분탄 분포도,
도 14b는 도 14a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도,
도 16a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 16b는 도 16a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 17a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 베인이 0.45의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포도,
도 17b는 도 17a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 18a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 베인이 0.5의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포도,
도 18b는 도 18a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 단면도,
도 20은 도 19에서 웨지를 도시한 사시도,
도 21a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 21b는 도 21a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 22a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 웨지의 각도가 45도일 때의 미분탄 분포도,
도 22b는 도 22a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 23은 본 발명의 제7 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 웨지를 도시한 사시도,
도 24a는 본 발명의 제7 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 24b는 도 24a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 25는 본 발명의 제8 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 단면도,
도 26은 도 25에서 웨지를 도시한 사시도,
도 27a는 본 발명의 제8 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도,
도 27b는 도 27a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도,
도 28은 도 26의 정면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도, 도 4a 내지 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 벤투리의 폐색률을 변경시켰을 때 미분탄 버너의 노즐 및 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 6a는 도 5a 내지 도 5b에서 벤투리의 위치를 변경시켰을 때 미분탄 분포도, 도 6b는 도 6a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 7a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도, 도 7b는 도 7a에서 AA'선 단면도, 도 7c는 도 7a에서 베인의 길이에 대한 도면, 도 8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 8b는 도 8a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 9a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도, 도 9b는 도 9a에서 AA'선 단면도, 도 9c는 도 9a에서 베인의 각도를 변경시킨 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도, 도 10a은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 10b는 도 10a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 11a는 도 9c와 같은 베인이 형성된 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 11b는 도 11b의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도, 도 13a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 13b는 도 13a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 14a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 벤투리의 폐색률을 변경시켰을 때 미분탄 분포도, 도 14b는 도 14a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 정면도, 도 16a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 16b는 도 16a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 17a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 베인이 0.45의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포도, 도 17b는 도 17a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 18a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 베인이 0.5의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포도, 도 18b는 도 18a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 단면도, 도 20은 도 19에서 웨지를 도시한 사시도, 도 21a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 21b는 도 21a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 22a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 웨지의 각도가 45도일 때의 미분탄 분포도, 도 22b는 도 22a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 23은 본 발명의 제7 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서 웨지를 도시한 사시도, 도 24a는 본 발명의 제7 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 24b는 도 24a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 25는 본 발명의 제8 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐을 도시한 단면도, 도 26은 도 25에서 웨지를 도시한 사시도, 도 27a는 본 발명의 제8 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에서의 미분탄 분포도, 도 27b는 도 27a의 노즐 팁에서의 미분탄 분포도, 도 28은 도 26의 정면도이다.

일반적으로 석탄화력발전소에서는 미분탄을 연소하여 발생한 열을 이용하여 전력을 생산한다. 전력 생산 과정을 살펴보면, 먼저 석탄 미분쇄기에서 석탄을 미립자로 분쇄하여 미분탄(Pulverized Coal)을 생성하고, 도관을 통해 미분탄을 댐퍼로 공급한다. 댐퍼에서는 미분탄과 공기가 일정비율로 혼합되며, 혼합된 미분탄과 공기가 노 내부로 공급된다. 노 내부로 공급된 미분탄의 연소에 따라 수관 속의 물이 증기화되고, 증기화된 물, 즉 수증기로 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다. 석탄화력발전소에서 미분탄 버너의 노즐은 혼합된 미분탄과 공기를 노 내부로 공급하는 이송장치에 해당하고, 일반적으로는 노 내부에 복수의 노즐이 설치될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 노즐이 석탄화력발전소의 노 내부에서 사용되는 경우를 실시예로 설명하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 연료를 공급하는 모든 종류의 버너에 실시될 수 있다고 할 것이다.

[제1 실시예]

이하에서는 도 3 내지 도 6b를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐(10)은, 제1 부재(100), 제2 부재(200), 노즐 팁(300)을 포함한다.

본 실시예에서는 상기 제1 부재(100)와 제2 부재(200)가 원통형의 관으로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 제1 부재(100)와 제2 부재(200)는 유체가 이동할 수 있는 통로가 형성된 관이면 어느 형상이든 가능하다. 상기 제1 부재(100)는 절곡 형성되며, 상기 제2 부재(200)는 곧게 형성된다. 상기 제2 부재(200)는 상기 제1 부재(100)의 단부에 결합되며, 필요에 따라 상기 제2 부재(200)는 상기 제1 부재(100)로부터 탈착 가능하게 결합될 수 있다.

상기 노즐 팁(300)은 상기 제1 부재(100)와 상기 제2 부재(200)를 거쳐서 이동한 유체가 분사되는 부위이다. 일반적으로 노즐 팁의 내구성을 향상시키기 위하여, 벽체가 이중으로 구성되어 내측 공간으로는 미분탄이 공급되고, 바깥쪽에는 연소용 공기의 일부가 공급되는 구조의 노즐 팁이 알려져 있다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 구조의 노즐 팁 이외에도 통상의 기술자가 적절히 선택 가능한 다른 구조의 노즐 팁으로 변경하여 실시하는 것이 가능하다.

본 실시예에서 상기 제2 부재(200)에는 벤투리관(210)(venturi)이 형성된다. 상기 벤투리관(210)은 관을 지나는 유체의 압력을 강하시키기 위해 단면이 좁아지는 통로를 가지며, 상기 벤투리관(210)에 의해 벤투리 효과를 얻을 수 있다. 이에 본 실시예에서는 벤투리 효과로 인하여 상기 제2 부재(200), 정확하게는 상기 벤투리관(210)을 통과하는 미분탄과 공기의 압력을 감소시켜, 결과적으로는 상기 제2 부재(200)와 상기 노즐 팁(300)을 지나는 미분탄의 분포를 고르게 할 수 있다. 즉, 미분탄이 노즐의 상부로 편중되지 않고 모든 영역으로 균일하게 분포될 수 있다.

이때, 상기 벤투리관(210)으로 인하여 관의 단면적이 감소되는 비율을 나타내는 폐색률(blockage ratio)은 0.2 이상 0.3 이하인 것이 바람직하다. 즉, 상기 벤투리관(210)은 상기 제2 부재(200)의 내부 단면적의 0.2 이상 0.3 이하를 막게 된다.

폐색률이 0.2 미만일 경우에는 벤투리 효과로 인한 미분탄 분포의 변화가 충분히 나타나지 않아, 미분탄 분포를 고르게 하는 본 발명의 목적을 이루기가 힘들게 된다. 반대로 폐색률이 0.3을 초과할 경우에는 상기 제1 부재(100)와 상기 제2 부재(200)를 유동하는 유체 간의 압력차, 즉 차압이 지나치게 커지게 된다. 즉 상기 벤투리관(210)을 거친 미분탄 및 공기의 압력이 크게 낮아져 실제 제품에 적용하기에는 부적절하다. 상기한 바와 같은 이유로 상기 벤투리(210)의 폐색률은 0.2 이상 0.3 이하가 바람직하다.

도 4a 및 도 4b는 상기 벤투리관(210)의 폐색률이 0.2일 때의 노즐 및 노즐 팁(300)에서의 미분탄 분포도이고, 도 5a 및 도 5b는 상기 벤투리관(210)의 폐색률이 0.3일 때의 노즐 및 노즐 팁(300)에서의 미분탄 분포도이다. 둘을 비교해보면, 폐색률이 0.3일 때 미분탄의 분포가 폐색률이 0.2일 때에 비하여 상대적으로 고른 분포를 나타냄을 확인할 수 있다.

그리고, 도 6a 및 도 6b는 본 실시예에서 폐색률이 0.3인 상기 벤투리관(210)을 하류측으로 소정의 거리만큼 이동시켰을 때의 미분탄 분포도이다. 이때에는 상기 벤투리관(210)이 상기 제1 부재(100)보다 상기 노즐 팁(300)에 더 가까운 거리에 위치한다. 도 6b를 참조하면, 상기 노즐 팁(300)에서의 미분탄 분포가 상부에 편중되지 않고 상, 하부에 고르게 분포되는 것을 확인할 수 있다.

[제2 실시예]

이하에서는 도 7a 내지 도 8b를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 상기 제2 부재(200)에 베인(220)이 구비된다. 상기 베인(220)은 도 7a에 도시된 바와 같이 상기 제2 부재(200)의 내측을 향하여 돌출되도록 형성된다. 상기 베인(220)은 복수개로 형성될 수 있으며, 상기 제2 부재(200)의 둘레 방향을 따라 서로 이격된 상태로 구비될 수 있다.

본 실시 예에서, 상기 복수개의 베인(220)은 상기 제2 부재(200)의 상측에만 구비되고 있다. 구체적으로, 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 복수개의 베인(220)은 상기 제2 부재(200)의 상부에 위치하는 1개의 베인을 중심으로 양측으로 동일한 간격으로 이격되는 각 1개씩의 베인을 포함하여 총 3개로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 베인(220)의 길이 방향이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도(α)는 30도 이상 45도 이하인 것이 바람직하다. 상기 베인(220)의 길이 방향이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도가 30도 미만일 경우와 45도를 초과할 경우에 발생하는 문제점은 상기 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.

상기 베인(220)은 0.3 이상 0.4 이하의 폐색률을 갖는 가상의 원에 접하도록 돌출되는 것이 바람직하다. 폐색률이 0.4를 초과하면 차압이 크게 상승하고, 0.3 미만에서는 미분탄 분포가 효과적으로 개선되지 않기 때문이다. 따라서, 0.3 이상 0.4 이하의 범위에서 상황에 맞는 적절한 비율을 선택함으로써 그에 맞는 효과적인 미분탄 분포를 실현할 수 있다.

이에 관하여 도 7b를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 7b은 본 실시예에서 상기 베인(220)이 상기 제2 부재(200)의 내측으로 돌출되는 크기를 설명하는 정면도이다. 즉, 상기 제2 부재(200)는 D1의 지름을 갖는 원의 단면이고, D1보다 작은 D2의 지름을 갖는 원은 폐색률이 0.3 이상 0.4 이하이다. 앞서 설명한 폐색률에 정의에 따르면, 예를 들어 폐색률이 0.3일 때 지름이 D1인 원의 면적을 A1, 지름이 D2인 원의 면적을 A2라 하면 A1-A2=A1*0.3이 된다.

도 8a 및 도 8b는 상기 베인(220)이 45도 각도로 형성되었을 때의 노즐 및 노즐 팁에서 미분탄 분포도이다. 이를 도 2a 및 도 2b와 비교하여 살펴보면, 상기 베인(220)이 구비됨에 따라 노즐의 상부에 미분탄이 편중되는 정도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 7c는 상기 베인(220)의 적절한 길이를 결정하기 위한 원리를 나타낸다. 도 7c를 기준으로 하면 좌측에서 우측으로 유체가 유동하는데, 하측에 있는 베인(220b)으로 인하여 상측에 있는 베인(220a)은 L만큼의 길이만으로도 이론상으로는 모든 유체를 커버할 수 있다.

즉, 하측에 있는 베인(220b)의 선단으로부터 상기 제2 부재의 길이 방향으로 연장한 직선은 상측에 있는 베인(220a)과 한 점에서 만나게 되는데, 이때 하측에 있는 베인(220b)의 선단으로부터 상기 점까지의 거리가 L이 된다.

그러나, 실제로는 이러한 경우에 유체의 누출 - 어떤 베인(220a, 220b)에도 닿지 않는 유체 흐름 - 이 발생하게 되어 미분탄 분포의 개선 효과가 줄어들게 된다. 따라서, 각각의 베인(220a, 220b)은 상기 점으로부터 연장되는 추가 길이를 가짐으로써 유체의 누출을 막을 수 있다. 이때, 본 실시예에서는 추가 길이가 2/L에 해당되는 만큼 연장되나, 이 길이는 반드시 2/L이어야 하는 것은 아니고, 유체의 누출을 막기 위한 목적을 달성할 수 있는 한 적절한 다른 길이로 결정될 수도 있다.

이상에서 도 7c를 참조하여 설명한 베인(220)의 길이에 관하여서는, 베인(220)이 형성되는 다른 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있으며, 이하에서는 이러한 베인(220)의 길이에 관하여 반복되는 설명은 생략한다.

[제3 실시예]

이하에서는 도 9a 내지 도 11b를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 상기한 제2 실시예와 달리, 복수개의 베인(220')이 상기 제2 부재(200)의 둘레 전체에 걸쳐서 구비된다. 상기 복수개의 베인(220')은 도 9b에 도시된 바와 같이 8개로 이루어져, 상기 제2 부재(200)의 둘레를 따라 일정한 간격으로 이격되도록 구비될 수 있다. 각각의 상기 베인(220')의 각도, 길이 및 돌출되는 크기에 관한 다른 부분은 앞서 제2 실시예에서 설명한 바와 같다.

도 9a에는 상기 베인(220')이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도가 45도인 경우, 도 9c에는 상기 베인(220')이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도가 30도인 경우가 각각 도시되고 있다.

도 10a 및 도 10b는 상기 베인(220')이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도가 45도일 때의 미분탄 분포도이고, 도 11a 및 도 11b는 상기 베인(220')이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도가 30도일 때의 미분탄 분포도이다. 이상의 두 경우를 비교하면, 각도에 따라 미분탄 분포가 변하는 것을 확인할 수 있다. 특히 노즐 팁(300)에서의 미분탄 분포를 중심으로 살펴보면, 도 11b는 도 10b에 비하여 상부에 집중된 미분탄이 상당량 남아있게 된다.

다만 본 실시예에서 상기 베인(220')의 각도나 개수 등을 변경시키는 것은, 상기 베인(220')이 형성되지 않는 종래 노즐의 미분탄 분포보다는 균일하되, 다양한 종류의 미분탄 분포를 실현함으로써 여러가지 다른 상황에서 그에 맞는 적절한 미분탄 분포를 얻기 위한 목적이다. 따라서, 어떤 특정한 값이 다른 값보다 항상 효과적이라는 등의 우열관계에 있는 것은 아니다.

[제4 실시예]

이하에서는 도 12 내지 도 14b를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 상기 제1 실시예에서 살펴본 바와 같이 상기 제2 부재(200)가 상기 벤투리관(210)을 포함함과 동시에, 상기 제3 실시 예에서 살펴본 바와 같이 상기 제2 부재(200)에는 베인(220")이 구비된다. 즉, 상기 벤투리관(210)과 상기 베인(220")이 모두 구비된다. 특히, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 베인(220")은 상기 벤투리관(210)에 구비될 수 있다.

이때, 상기 벤투리관(210)과 상기 베인(220")에 관한 설명은 제1 및 제2 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 생략하도록 한다.

도 13a 및 도 13b는 상기 벤투리관(210)의 폐색률이 0.3일 때의 미분탄 분포도이다. 이를 벤투리관(210)만 형성될 때의 미분탄 분포도를 나타내는 도 5a 및 도 5b와 비교하면, 본 실시예의 경우에 미분탄이 노즐의 상부 뿐 아니라 하부에도 더 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 실시예와 같이 상기 벤투리관(210)만 형성되는 경우보다, 본 실시예와 같이 상기 벤투리관(210)과 상기 베인(220")이 동시에 형성되는 경우 미분탄이 더욱 고르게 분포되는 효과가 발생한다.

[제5 실시예]

이하에서는 도 15 내지 도 18b를 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 상기 제2 부재(200)에 나선형 베인(230)이 구비된다. 상기 나선형 베인(230)은 제2 내지 제4 실시예에서의 상기 베인(220)이 직선형으로 형성되는 것과는 다르게, 상기 제2 부재(200)의 둘레를 따라 나선형으로 형성된다. 즉, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 나선형 베인(230)은 부드러운 곡선을 이루게 된다.

상기 나선형 베인(230)은 복수개로 형성될 수 있고, 바람직하게는 6개의 나선형 베인(230)이 상기 제2 부재(200)의 둘레를 따라 일정한 간격으로 이격되도록 구비될 수 있다.

본 실시예에서 상기 나선형 베인(230)이 상기 제2 부재(200)의 길이 방향과 이루는 각도는 25도이나, 이 각도는 20도 이상 30도 이하인 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예와 달리 25도가 아닌 다른 각도로 실시하는 것도 가능하다.

상기 나선형 베인(230)은 0.4 이상 0.5 이하의 폐색률을 갖는 가상의 원에 접하도록 돌출되는 것이 바람직하다. 이는, 폐색률이 0.5를 초과하면 차압이 크게 상승하고, 0.4 미만에서는 미분탄 분포가 효과적으로 개선되지 않기 때문이다. 따라서, 0.4 이상 0.5 이하의 범위에서 상황에 맞는 적절한 비율을 선택함으로써 그에 맞는 효과적인 미분탄 분포를 실현할 수 있다.

도 16a 및 도 16b는 상기 나선형 베인(230)이 0.4의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포를 나타낸다.

도 17a 및 도 17b는 상기 나선형 베인(230)이 0.45의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포를 나타낸다.

도 18a 및 도 18b는 상기 나선형 베인(230)이 0.5의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포를 나타낸다.

이상의 도 16a 내지 도 18b를 참조하면, 상기 나선형 베인(230)이 형성됨에 따라서 미분탄 분포는 노즐의 상부와 하부에 고르게 분포되고, 상기 나선형 베인(230)이 돌출되는 크기에 따라 구체적인 미분탄 분포는 달라지는 것을 확인할 수 있다.

[제6 실시예]

이하에서는 도 19 내지 도 22b를 참조하여 본 발명의 제6 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 상기 제2 부재(200)에 웨지(240)가 구비된다. 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 상기 웨지(240)는 상기 제2 부재(200)의 상측에 위치하며, 상기 제2 부재(200)의 내측으로 돌출된다.

상기 웨지(240)는 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 제2 부재(200)의 중심 방향을 바라보는 제1 면(240c), 그리고 하류 측을 바라보는 제2 면(240d), 상류 측을 비스듬히 바라보며, 상기 제1 면(240c) 및 상기 제2 면(240d) 모두와 만나는 제3 및 제4 면(240a, 240b)을 포함한다. 이때, 상기 제3 면(240a)과 상기 제4 면(240b)는 서로 대칭된다.

그러나, 상기 웨지(240)는 반드시 이러한 형상에 한정되는 것은 아니고, 복수의 평면 또는 곡면을 포함하는 다양한 입체도형으로 형성될 수 있다. 다만, 상기 웨지(240)는 상기 제2 부재(200)의 길이 방향으로의 중심을 기준으로 하여 좌우가 대칭되도록 형성되어야 미분탄 분포도의 개선이라는 목적을 효과적으로 달성할 수 있다.

이때, 상기 제2 부재(200)의 중심 방향을 바라보는 면(240c)에서 상기 제1 부재(100) 방향에 위치한 꼭지점의 각도(θ) - 이하에서는 이를 '웨지의 각도'로 정의한다 - 는 30도 이상 45도 이하인 것이 바람직하다. 이는, 상기 웨지(240)의 각도가 30도 미만인 경우에는 미분탄 분포의 변화가 작아 효과적이지 못하고, 45도를 초과하는 경우에는 미분탄이 하단으로 편중되는 문제가 있기 때문이다.

상기 웨지(240)는 0.4 이상 0.6 이하의 폐색률을 갖는 가상의 원에 접하도록 돌출되는 것이 바람직하다. 이는, 폐색률이 0.6을 초과하면 차압이 크게 상승하고, 0.4 미만에서는 미분탄 분포가 효과적으로 개선되지 않기 때문이다. 이에 관하여 구체적인 설명은 제8 실시예에서 도 28을 참조하여 후술하기로 한다.

도 21a는 상기 웨지(240)의 각도가 30도이고, 상기 웨지(240)가 0.55의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포도이다. 도 21b는 도 21a에서 노즐 팁에서의 미분탄 분포도이다.

도 22a는 상기 웨지(240)의 각도가 45도이고, 상기 웨지(240)가 0.5의 폐색률을 갖는 원에 접할 때 미분탄 분포도이다. 도 22b는 도 22a에서 노즐 팁에서의 미분탄 분포도이다.

도 21b와 도 22b를 비교해보면, 두 경우 모두 미분탄이 하단으로 어느 정도 편중되고, 상기 웨지(240)의 형상 및 크기에 따라 미분탄 분포가 변하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 상기 웨지(240)의 형상 및 크기는 상황에 따라 적절하게 선택이 가능하다.

[제7 실시예]

이하에서는 도 23 내지 도 24b를 참조하여 본 발명의 제7 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서 상기 웨지(240)에는 제1 경사면(242)이 형성된다. 상기 제1 경사면(242)은 상기 웨지(240)의 모서리를 뭉툭하게 하는 것으로, 도 23에 도시된 바와 같이 상기 웨지(240)에서 상류 측을 바라보는 두 개의 면이 만나는 모서리에 형성된다. 상기 제1 경사면(242)은 상기 제2 부재(200)의 내면과 수직을 이룬다. 즉, 상기 제1 경사면(242)은 상류 측을 바라보게 된다.

이때, 상기 제1 경사면(242)의 폭은 상기 웨지(240)의 폭에 대하여 0.5 이하의 비율로 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 비율이 0.5를 초과하게 되면 차압이 크게 상승하기 때문이다.

상기 웨지(240)에 상기 제1 경사면(242)이 형성되는 주된 목적은 상기 웨지(240)의 모서리 부분이 마모되는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서 이러한 기능을 할 수 있는 한 상기 제1 경사면(242)은 본 실시예에 한정되지 않고 다양한 크기 및 형상으로 실시될 수 있다.

도 24a 및 도 24b를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 노즐 팁에서 미분탄은, 앞서 제6 실시예와 비교하였을 때 상부와 하부에 상당히 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다.

[제8 실시예]

이하에서는 도 25 내지 도 27b를 참조하여 본 발명의 제8 실시예에 따른 미분탄 버너의 노즐에 대하여 설명한다.

본 실시예에서 상기 웨지(240)에는 제1 경사면(242')과 제2 경사면(244)이 형성된다.

상기 제1 경사면(242')에 대한 것은 앞서 제7 실시예에서 설명한 바와 같다.

상기 제2 경사면(244)은 상기 웨지(240)와 상기 제1 경사면(242')이 만나는 모서리를 뭉툭하게 하기 위한 것으로, 도 26에 도시된 바와 같이 상기 웨지(240)와 상기 제1 경사면(242')의 중간부 모서리에 형성된다. 이때, 상기 제2 경사면(244)은 상기 제1 경사면(242')과 120도 이상 150도 이하의 각도를 이루는 것이 바람직하다.

상기 웨지(240)에 상기 제2 경사면(244)이 형성되는 주된 목적은 상기 웨지(240)의 모서리 부분이 마모되는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서 이러한 기능을 할 수 있는 한 상기 제2 경사면(244)은 본 실시예에 한정되지 않고 다양한 크기 및 형상으로 실시될 수 있다.

도 27a 및 도 27b는 상기 웨지(240)의 각도가 45도이고, 상기 제1 경사면(242') 및 제2 경사면(244)이 형성되었을 때 미분탄 버너의 노즐 및 노즐 팁에서의 미분탄 분포도이다. 도 27b를 참조하면, 미분탄이 노즐 팁의 상부와 하부 중 어느 한 곳에 편중되지 않고 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다.

도 28은 본 실시예에서 상기 웨지(240)가 상기 제2 부재(200)의 내측으로 돌출되는 크기를 설명하는 정면도이다. 즉, 상기 제2 부재(200)는 D1의 지름을 갖는 원의 단면이고, D1보다 작은 D2의 지름을 갖는 원은 폐색률이 0.4 이상 0.6 이하이다. 앞서 설명한 폐색률에 정의에 따르면, 예를 들어 폐색률이 0.4일 때 지름이 D1인 원의 면적을 A1, 지름이 D2인 원의 면적을 A2라 하면 A1-A2=A1*0.4가 된다. 이러한 상기 웨지(240)가 돌출되는 크게에 관한 설명은 상기 웨지(240)를 구비하는 제6 내지 제8 실시예에 모두 적용될 수 있다.

이상의 제7 및 제8 실시예에서 설명한 바와 같이, 상기 제1 경사면(242) 및 제2 경사면(244)은 미분탄 분포를 개선하기 위한 목적도 있으나, 주된 목적은 상기 웨지(240)의 마모를 줄이는 것이다. 즉, 미분탄 입자가 상기 웨지(240)의 모서리에 반복적으로 충돌하게 되면 상기 웨지(240)의 모서리는 점점 마모되어 손상될 수 있다. 따라서 상기 웨지(240)에 상기 제1 경사면(242, 242') 및 제2 경사면(244)을 형성함으로써 이러한 현상을 개선할 수 있다.

한편, 제6 내지 제8 실시예에서는 상기 웨지(240)가 상기 제2 부재(200)의 상부에 단수로 구성되나, 반드시 단수여야 하는 것은 아니고 상기 웨지(240)도 복수로 구성될 수 있다. 다시 말하면 앞서 설명한 제2 내지 제5 실시예에서의 베인(220)과 같이, 상기 웨지(240)도 복수개로 구성되어 상기 제2 부재(200)의 내측 둘레를 따라 이격되도록 구비될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 미분탄 버너의 노즐에서 미분탄이 고르게 분포되는 효과가 나타난다. 또한, 상기 벤투리관(210), 상기 베인(220, 220', 220"), 상기 나선형 베인(230) 및 상기 웨지(240)의 크기 및 형상 등을 다양하게 변경시킴에 따라서 미분탄 분포가 변하게 된다. 그리고, 상기 제2 부재(200)는 상기 제1 부재(100)에 탈착 가능하므로 상기 제2 부재(200)의 교체만으로도 다양한 상황에 맞는 미분탄 분포를 실현할 수 있다.

100: 제1 부재
200: 제2 부재
210: 벤투리관
220, 220', 220": 베인
230: 나선형 베인
240: 웨지
242, 242': 제1 경사면
244: 제2 경사면
300: 노즐 팁

Claims (14)

1. 버너의 내부로 미분탄과 공기를 혼합하여 분사하는 노즐에 있어서,
   상기 노즐은,
   상기 미분탄 및 공기의 유동 방향 상류 측에 위치하는 제1 부재;
   상기 미분탄 및 공기의 유동 방향 하류 측에 위치하며, 상기 제1 부재와 결합하는 제2 부재; 및
   상기 제2 부재와 결합하며, 상기 미분탄 및 공기가 분사되는 노즐 팁;을 포함하고,
   상기 제2 부재에는 내측으로 돌출된 웨지(wedge)가 구비되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
2. 제1항에 있어서,
   상기 웨지는 상기 제2 부재의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
3. 제1항에 있어서,
   상기 웨지는 상기 제1 부재를 바라보는 방향에 모서리가 형성되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
4. 제3항에 있어서,
   상기 웨지는 상기 제2 부재의 중심을 바라보는 제1 면을 포함하고,
   상기 제1 면에서 상류 측을 바라보는 방향의 꼭지점이 이루는 각도는 30도 이상 45도 이하인 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
5. 제3항에 있어서,
   상기 웨지에는, 상류 측을 바라보는 방향에 제1 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 경사면의 폭은, 상기 웨지의 폭에 대하여 0.5 이하의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
7. 제5항에 있어서,
   상기 웨지에는, 상기 제1 면과 상기 제1 경사면 사이에 제2 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 경사면의 길이는, 상기 제1 경사면의 폭에 대하여 0.5 이하의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
9. 제1항에 있어서,
   상기 웨지는 0.4 이상 0.6 이하의 폐색률을 갖는 원에 접하도록 돌출되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
10. 제1항에 있어서,
    상기 웨지는 복수개가 상기 제2 부재의 둘레 방향으로 이격되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
11. 제3항에 있어서,
    상기 웨지는,
    상기 제2 부재의 중심을 바라보는 제1 면;
    상기 제2 부재의 하류 측을 바라보는 제2 면;
    상기 제2 부재의 상류 측을 비스듬히 바라보며, 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 동시에 접하는 제3 및 제4 면;
    을 포함하는 미분탄 버너의 노즐.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 면과 상기 제4 면은 서로 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
13. 제5항에 있어서,
    상기 제1 경사면은 상기 제2 부재의 내면과 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
14. 제7항에 있어서,
    상기 제2 경사면은 상기 제1 경사면과 120도 이상 150도 이하의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 미분탄 버너의 노즐.
    

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