KR20210055204A - 가스 퍼니스 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스는, 연료가스를 배출하는 배출포트가 형성되는 매니폴드; 상기 배출포트에 결합되는 노즐; 일측에 공기와, 상기 노즐로부터 분사되는 연료가스가 유입되는 유입부가 형성되고, 타측에 상기 공기 및 연료가스가 혼합된 혼합기가 토출되는 토출부가 형성되는 벤츄리 튜브와, 상기 벤츄리 튜브의 토출부에 설치되어 상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 화염이 안착되는 보염기를 포함하는 버너; 상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 연소가스가 유동하는 열교환기;를 포함한다. 이때, 가스 퍼니스는 상기 버너가 결합되고, 상기 버너 및 열교환기 각각에 형성된 유로를 서로 연결하는 버너 홀더를 포함하여, 공기가 상기 벤츄리 튜브의 유입부로만 유입되도록 하여 완전 예혼합 메커니즘을 구성하여, NOx 배출을 저감할 수 있다.

Description

가스 퍼니스{GAS FURNACE}

본 발명은 가스 퍼니스에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연소 전에 공기와 연료가스를 예혼합하여 NOx 배출을 저감할 수 있는 가스 퍼니스에 관한 것이다.

일반적으로 가스 퍼니스는 연료가스의 연소 시 발생되는 화염 및 고온의 연소가스와 열교환된 공기를 실내로 공급함으로써, 실내를 난방하는 기기로서, 도 1은 종래기술에 따른 가스 퍼니스를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 버너 어셈블리(4)에서 연료가스와 공기가 연소되어 화염 및 고온의 연소가스가 생성될 수 있다. 여기서, 연료가스는 가스밸브(미도시)로부터 매니폴드(3)를 거쳐 버너 어셈블리(4)로 유입된다. 고온의 연소가스는 열교환기(5)를 통과한 후 배기관(8)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때, 송풍팬(6)에 의해 내기덕트(D1)를 통해 유입된 실내 공기가 열교환기(5)를 거치며 가열된 후 급기덕트(D2)를 통해 실내로 안내될 수 있고, 그 결과 실내가 난방될 수 있다.

한편, 열교환기(5) 및 배기관(8)을 통과하는 연소가스의 유동은 유도팬(7)에 의해 이루어지며, 연소가스가 열교환기(5) 및/또는 배기관(8)을 통과하며 응축될 시 생성되는 응축수는 응축수 트랩(9)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

가스 퍼니스에서의 연료가스의 연소 과정에서 공기 중의 질소와 산소가 고온(보다 구체적으로, 화염온도가 약 1,800 K 이상인 상태)에서 화학 반응하여 생성되는 열적 녹스(thermal NOx, 이하 간략히 NOx 라고 함)는 대기오염을 일으키는 대표적인 오염물질로서 대기질 관리 기구에 의해 그 배출량이 규제되고 있다.

예를 들어 북미의 경우, SCAQMD(South Coast Air Quality Management District)에서 NOx의 배출량을 규제하고 있고, 최근에는 허용되는 NOx 배출량을 40 ng/J(nano-grams per Joule)에서 14 ng/J 미만으로 낮추어 규제를 강화하였다.

그러나, 일측으로 유입된 공기와 연료가스가 혼합되며 혼합기를 형성하고, 혼합기가 연소될 시 생성되는 화염 및 연소가스를 열교환기로 안내하는 종래의 인샷 버너(inshot burner)의 경우, 버너 및 열교환기 사이의 공간을 통해 유입된 공기도 연소 과정에 참여함에 따라, 공기비의 제어가 어렵고, 화염온도가 과도히 상승되어 NOx의 배출량을 저감시키기 어려운 문제가 있었다.

이에, 미국 공개특허 제20120247444A1호의 경우 연소 전에 미리 공기와 연료가스를 혼합시키는 완전 예혼합 가스 퍼니스를 개시하면서, 공기비를 증가함으로써 화염 온도를 제어해 NOx 발생을 저감하는 기술 구성을 개시하고 있다.

그러나, 상기한 미국 공개특허의 경우 종래의 인샷 버너와 호환되지 않아, 새롭게 버너 어셈블리를 제작하여야 하는 문제가 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는, 완전 예혼합 메커니즘을 구성하여 NOx 배출을 저감할 수 있는 가스 퍼니스를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는, 종래의 인샷 버너와의 호환성이 높은 가스 퍼니스를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는, 화염 안정성을 향상할 수 있는 가스 퍼니스를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 가스 퍼니스는, 연료가스를 배출하는 배출포트가 형성되는 매니폴드; 상기 배출포트에 결합되는 노즐; 일측에 공기와, 상기 노즐로부터 분사되는 연료가스가 유입되는 유입부가 형성되고, 타측에 상기 공기 및 연료가스가 혼합된 혼합기가 토출되는 토출부가 형성되는 벤츄리 튜브와, 상기 벤츄리 튜브의 토출부에 설치되어 상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 화염이 안착되는 보염기를 포함하는 버너; 상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 연소가스가 유동하는 열교환기를 포함한다.

이때, 가스 퍼니스는 상기 버너가 결합되고, 상기 버너 및 열교환기 각각에 형성된 유로를 서로 연결하는 버너 홀더를 포함하여, 공기가 상기 벤츄리 튜브의 유입부로만 유입되도록 하여 완전 예혼합 메커니즘을 구성하여, NOx 배출을 저감할 수 있다.

즉, 상기 버너 홀더는, 상기 벤츄리 튜브의 토출부로 주변 공기가 유입되는 것이 차단되도록, 일측에 상기 벤츄리 튜브의 토출부의 적어도 일부가 삽입될 수 있다.

한편, 상기 보염기는, 상기 혼합기가 분출되는 복수 개의 포트가 형성되는 타공캡(perforated cap); 및 하측부가 상기 타공캡에 의해 지지되고, 상기 포트를 통해 분출되는 혼합기를 균일하게 분산시키는 매트(mat)를 포함할 수 있다.

이로써, 상기한 완전 예혼합 메커니즘이 구성된 본 발명에 따른 가스 퍼니스는 종래의 인샷 버너에서 사용되는 일반적인 보염기(retainer)에 비해 화염 안정성을 향상시킬 수 있다.

상기에서 언급되지 않은 과제의 해결수단은 본 발명의 실시예에 관한 설명으로부터 충분히 도출될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, 연소 전에 공기와 연료가스를 완전 예혼합함으로써, 희박 영역 운전을 위한 공기 흡입양을 용이하게 제어할 수 있고, 그 결과 NOx 배출을 용이하게 저감할 수 있다.

둘째, 화염이 안착되는 보염기가 타공캡 및 매트로 이루어짐으로써, 화염 안정성이 향상될 수 있다.

셋째, 복수 개의 버너 각각에 형성되는 플랜지가 버너 홀더의 홀더홈과의 사이에서 화염 전파구를 형성함으로써, 개별 버너 간의 화염 전파가 안정적으로 이루어질 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 가스 퍼니스의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스의 일부 구성이 도시된 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스의 일부 구성의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 버너 및 버너 홀더의 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버너의 분해 사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버너의 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명은, 도 2 등에 도시된 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축에 의한 공간 직교 좌표계를 기준으로 설명될 수도 있다. 본 명세서에서, 상하 방향을 Z축 방향으로 하고, 전후 방향을 X축 방향으로 하여 X축, Y축 및 Z축을 정의한다. 각 축 방향(X축 방향, Y축 방향, Z축 방향)은, 각 축이 뻗어나가는 양쪽 방향을 의미한다. 각 축 방향의 앞에 '+'부호가 붙는 것(+X축 방향, +Y축 방향, +Z축 방향)은, 각 축이 뻗어나가는 양쪽 방향 중 어느 한 방향인 양의 방향을 의미한다. 각 축방향의 앞에 '-'부호가 붙는 것(-X축 방향, -Y축 방향, -Z축 방향)은, 각 축이 뻗어나가는 양쪽 방향 중 나머지 한 방향인 음의 방향을 의미한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스를 설명한다.

도 1은 종래기술에 따른 가스 퍼니스의 사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스의 사시도이다.

일반적으로 가스 퍼니스(Gas furnace)는 연료가스(R)의 연소 시 발생되는 화염 및 고온의 연소가스(P)와 열교환된 공기를 실내로 공급함으로써, 실내를 난방하는 기기이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)는, 매니폴드(30)에 연료가스(R)를 공급하는 가스밸브(20)와, 매니폴드(30)로부터 배출된 연료가스(R)가 공기와 혼합되어 혼합기를 형성하며 유동하는 버너(40)와, 버너(40)에서 혼합기가 연소되어 생성된 연소가스(P)가 유동하는 열교환기(50)를 포함한다.

또한, 가스 퍼니스(10)는 연소가스(P)가 열교환기(50)를 거쳐 배기관(80)으로 배출되는 유동을 일으키는 유도팬(70)과, 열교환기(50) 주위로 실내에 공급되는 공기를 송풍시키는 송풍팬(60)과, 열교환기(50) 및/또는 배기관(80)에서 생성된 응축수를 수집하여 외부로 배출시키는 응축수 트랩(90)을 포함한다.

가스밸브(20)를 통해 공급되는 연료가스(R)로는, 예를 들어 천연가스를 냉각하여 액화한 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 또는 석유 정제 공정의 부산물로 얻은 가스를 가압하여 액화한 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas)를 사용할 수 있다.

가스밸브(20)의 개폐에 따라 매니폴드(30)로 연료가스(R)가 공급되거나 차단될 수 있고, 가스밸브(20)의 개방 정도를 조절하여 매니폴드(30)로 연료가스(R)가 공급되는 양을 조절할 수 있다. 이와 같이, 가스밸브(20)는 가스 퍼니스(10)의 화력을 조절할 수 있다. 또한, 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)는 가스밸브(20)의 개폐 여부 또는 개방 정도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

매니폴드(30)는 연료가스(R)를 버너(40)로 안내할 수 있고, 버너(40)로 유입된 연료가스(R)는 공기와 함께 혼합기를 형성하며 유동될 수 있다.

버너(40)를 유동하는 상기 혼합기는 점화기의 점화로 인해 연소될 수 있다. 이 경우, 상기 혼합기가 연소되어 화염 및 고온의 연소가스(P)가 생성될 수 있다.

열교환기(50)에는 연소가스(P)가 유동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)가 후술하는 제1차 열교환기(51)와, 제2차 열교환기(52)로 구성되는 열교환기(50)를 포함하는 것으로 설명하나, 실시예에 따라 제1차 열교환기(51)만 구비하는 것도 가능함은 물론이다.

제1차 열교환기(51)는 일단이 버너(40)와 인접하게 배치될 수 있다. 제1차 열교환기(51)의 일단과 반대되는 타단은 HCB(14, Hot Collect Box)에 결합될 수 있다. 제1차 열교환기(51)의 일단으로부터 타단으로 통과하는 연소가스(P)는 HCB(14)를 통해 제2차 열교환기(52)로 전달될 수 있다.

제2차 열교환기(52)의 일단은 HCB(14)와 연결될 수 있다. 제1차 열교환기(51)를 통과한 연소가스(P)는 제2차 열교환기(52)의 일단으로 유입되어, 제2차 열교환기(52)를 통과할 수 있다.

제2차 열교환기(52)는 제1차 열교환기(51)를 통과한 연소가스(P)를 제2차 열교환기(52) 주위를 통과하는 공기와 다시 한번 열교환시킬 수 있다.

즉, 제2차 열교환기(52)를 통해 제1차 열교환기(51)를 통과한 연소가스(P)의 열에너지를 추가로 이용함으로써, 가스 퍼니스(10)의 효율이 향상될 수 있다.

제2차 열교환기(52)를 통과하는 연소가스(P)는 제2차 열교환기(52) 주위를 통과하는 공기와의 열전달 과정을 통해 응축되어, 응축수를 생성할 수 있다. 다시 말해, 연소가스(P)에 포함된 수증기가 응축되어 응축수로 상태 변화할 수 있다.

이러한 이유 때문에, 제1차 열교환기(51) 및 제2차 열교환기(52)를 구비한 가스 퍼니스(10)는, 콘덴싱(condensing) 가스 퍼니스로도 불리운다.

이때 생성된 응축수는 CCB(16, Cold Collect Box)에 수집될 수 있다. 이를 위해, 제2차 열교환기(52)의 일단과 반대되는 타단은 CCB(16)의 일측면에 연결될 수 있다.

CCB(16)의 타측면에는 후술하는 유도팬(인듀서, inducer)(70)이 결합될 수 있다. 이하에서는, 간략한 설명을 위하여 유도팬(70)이 CCB(16)에 결합되는 것으로 설명하나, 유도팬(70)은 CCB(16)가 결합된 마운팅 패널(12)에 결합될 수도 있다.

CCB(16)에는 개구부가 형성될 수 있다. CCB(16)에 형성된 개구부를 매개로, 제2차 열교환기(52)의 타단과 유도팬(70)은 서로 연통될 수 있다.

즉, 제2차 열교환기(52)의 타단을 통과한 연소가스(P)는, CCB(16)에 형성된 개구부를 통해 유도팬(70)으로 빠져나간 후, 배기관(80)을 거쳐 가스 퍼니스(10)의 외부로 배출될 수 있다.

제2차 열교환기(52)에서 생성된 응축수는, CCB(16)를 통해 응축수 트랩(90)으로 빠져나간 후, 토출구를 거쳐 가스 퍼니스(10)의 외부로 배출될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 응축수 트랩(90)은 제2차 열교환기(52)에서 생성된 응축수 뿐만 아니라, 유도팬(70)에 연결된 배기관(80)에서 생성된 응축수도 함께 수집하여 배출할 수 있다.

즉, 제2차 열교환기(52)의 타단에서 미처 응축되지 못한 연소가스(P)가, 배기관(80)을 통과하며 응축되는 경우에 생성되는 응축수도 응축수 트랩(90)으로 수집되어 상기 토출구를 거쳐 가스 퍼니스(10) 외부로 배출될 수 있다.

유도팬(70)은 CCB(16)에 형성된 개구부를 매개로, 제2차 열교환기(52)의 타단과 연통될 수 있다.

유도팬(70)의 일단은 CCB(16)의 타측면에 결합되며, 유도팬(70)의 타단은 배기관(80)에 결합될 수 있다.

유도팬(70)은 연소가스(P)가 제1차 열교환기(51), HCB(14) 및 제2차 열교환기(52)를 통과하여, 배기관(80)으로 배출되는 유동을 일으킬 수 있다. 이 점에서, 유도팬(70)은 IDM(Induced Draft Motor)으로 이해될 수 있다.

가스 퍼니스용 송풍팬(블로어, blower)(60)은 가스 퍼니스(10)의 하부에 위치할 수 있다. 실내에 공급되는 공기는, 송풍팬(60)에 의하여 가스 퍼니스(10)의 하부로부터 상부로 이동할 수 있다. 이 점에서, 송풍팬(60)은 IBM(Indoor Blower Motor)으로 이해될 수 있다.

송풍팬(60)은 열교환기(50) 주위로 공기를 통과시킬 수 있다.

송풍팬(60)에 의하여 열교환기(50) 주위를 통과하는 공기는, 열교환기(50)를 매개로 고온의 연소가스(P)로부터 열에너지를 전달받아 온도가 상승될 수 있다. 상기 온도가 상승된 공기가 실내에 공급됨으로써, 실내가 난방될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)는 도 1에 도시된 종래기술에 따른 가스 퍼니스(1)와 마찬가지로, 케이스(미부호)를 포함할 수 있다. 상기한 가스 퍼니스(10)의 구성들은 상기 케이스의 내부에 수용될 수 있다.

상기 케이스의 하부에는 송풍팬(60)과 인접한 측면에 하부측 개구부(미부호)가 형성될 수 있다. 상기 하부측 개구부에는 실내로부터 유입된 공기(이하, 내기)(RA)가 통과하는 내기덕트(D1)가 설치될 수 있다.

상기 케이스의 상부에 형성된 상부측 개구부(미부호)에는 실내로 공급되는 공기(이하, 급기)(SA)가 통과하는 급기덕트(D2)가 설치될 수 있다.

즉, 송풍팬(60)이 동작하면, 내기(RA)로서 내기덕트(D1)를 통해 실내로부터 유입된 공기가 열교환기(50)를 거치며 온도가 상승되어 급기(SA)로서 급기덕트(D2)를 통해 실내로 공급될 수 있고, 이로써 실내가 난방될 수 있다.

상기 및 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)와 비교해, 도 1에 도시된 종래기술에 따른 가스 퍼니스(1)는 다음과 같이 구성되는 차이가 있다.

즉, 종래기술에 따른 가스 퍼니스(1)에서 매니폴드(3)에 설치된 노즐을 통해 매니폴드(3)를 통과한 연료가스가 버너 어셈블리(4)로 분사되고, 연료가스는 버너 어셈블리(4)의 벤츄리 튜브(미부호)를 통과하며 버너 어셈블리(4)로 자연 흡기된 공기와 혼합되어 혼합기를 형성할 수 있다. 다만, 이와 같이 구성되는 종래기술에 따른 가스 퍼니스(1)의 경우 다음과 같은 이유로 NOx 배출량을 저감하기 어려울 수 있다.

먼저, 종래기술에 따른 가스 퍼니스(1)는 상기 노즐로부터 분사된 연료가스가 버너 어셈블리(4)의 하측과 상기 노즐 사이의 공간을 통해 유입된 제1차 공기와 함께 상기 벤츄리 튜브를 통과하며 혼합된 혼합기가, 이후 버너 어셈블리(4)의 상측과 열교환기(5) 사이의 공간을 통해 유입되는 제2차 공기와 함께 연소되어 확산 연소의 특성을 나타내는 부분 예혼합 메커니즘을 구성하는 것으로 이해될 수 있다.

그러나, 이와 같은 부분 예혼합 메커니즘을 구성하는 가스 퍼니스의 경우, 화염의 확산 속도가 연소 화학반응 속도보다 상당히 느린 확산 연소의 특성상, 제2차 공기가 과잉 공급되도록 제어하더라도 화염온도를 낮추기 어려울 수 있다. 나아가, 공기비(즉, 실제 공기량의 이론 공기량에 대한 비)를 제어하는 것도 어려워 NOx 배출량을 저감하는 데 한계가 있다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하고자 완전 예혼합 메커니즘을 구성하고 더 나아가 공기와 연료가스의 혼합율을 높여 국부적인 화염온도 상승을 방지함으로써 NOx 배출을 저감할 수 있는 가스 퍼니스(10)를 제공하기 위해 안출되었고, 보다 상세히는 후술한다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하고자 완전 예혼합 메커니즘을 구성할 수 있는 가스 퍼니스를 제공하기 위해 안출되었고, 보다 상세히는 후술한다.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 구성 중 완전 예혼합 메커니즘을 구성하여 NOx 배출을 저감할 수 있는 구성 및 이와 관련된 구성을 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스의 일부 구성의 분해 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 버너 및 버너 홀더의 사시도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버너의 분해 사시도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버너의 사시도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)는 매니폴드(30)와, 버너(40)와, 버너 홀더(44)와, 열교환기(50; 51, 52)와, 배기관(80)과, 유도팬(70)과, 송풍팬(60)을 포함한다.

상기 및 후술하는 바와 같이, 유도팬(70)은 버너(40)로 공기가 흡입되는 유동을 일으키고, 버너(40) 내에서의 혼합기의 유동을 일으키고, 버너(40)로부터 열교환기(50) 및 배기관(80으로의 연소가스(P)의 유동을 일으킬 수 있다.

또한, 송풍팬(60)은 열교환기(50)의 주위를 통과하는 공기의 유동을 일으킬 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 매니폴드(30)는 연료가스(R)를 배출하는 배출포트가 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 배출포트에는 버너(40)로 연료가스(R)를 분사하는 노즐(31, 32, 33, 34)이 결합될 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버너(40)는 벤츄리 튜브(41)와, 보염기(42, 43)를 포함한다. 이 경우, 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)는 버너(40)가 결합되고, 버너(40) 및 열교환기(50) 각각에 형성된 유로를 서로 연결하는 버너 홀더(44)를 포함하고, 보다 상세히는 후술한다.

벤츄리 튜브(41)는 일측에 공기와, 노즐(31, 32, 33, 34)로부터 분사되는 연료가스(R)가 유입되는 유입부가 형성되고, 타측에 상기 공기 및 연료가스(R)가 혼합된 혼합기가 토출되는 토출부가 형성된다.

벤츄리 튜브(41)는 벤츄리 효과(venturi effect)를 이용하여 상기 유입부로의 공기의 흡입이 용이해지도록 할 수 있다.

즉, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 벤츄리 튜브(41)는 컨버징 섹션(412), 쓰로트 및 다이버징 섹션(413)을 포함할 수 있다.

컨버징 섹션(converging section)(412)은 일단에 상기 유입부가 형성될 수 있다. 컨버징 섹션(412)은 하류 방향으로 갈수록 직경이 작아지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 쓰로트(throat)는 컨버징 섹션(412)에 연결될 수 있다.

이로써, 벤츄리 효과(venturi effect)로 알려진 바와 같이, 컨버징 섹션(412)을 통과하는 공기의 압력이 하강(또한, 유속 증가)하고, 상기 쓰로트에서 부압(negative pressure)이 형성되어, 상기한 부압 및 연료가스(R)의 점성에 의해 주변 공기의 상기 유입부로의 유입(entrainment)이 용이해질 수 있다.

다이버징 섹션(diversing section)(413)은 상기 쓰로트에 연결되고, 일단에 상기한 컨버징 섹션(412), 쓰로트 및 다이버징 섹션(413)을 통과하며 혼합된 연료가스(R)와 공기의 혼합기를 토출하는 상기 토출부가 형성될 수 있다.

다이버징 섹션(413)은 하류 방향으로 갈수록 직경이 커지도록 형성될 수 있다. 이로써, 컨버징 섹션(412)을 통과하며 하강된 압력은 다이버징 섹션(413)을 거치며 소정값만큼 회복될 수 있고, 공기 및 연료가스(R)의 혼합율이 보다 증대될 수 있다.

한편, 실시예에 따라 상기 쓰로트에 스월러(swirler)를 설치하여, 공기 및 연료가스(R)의 혼합율을 증대시켜, 국부적인 화염 온도 불균일을 해소할 수 있다.

보염기(42, 43)는 상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 화염이 안착될 수 있다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 보염기(42, 43)는 타공캡(perforated cap)(42)과, 매트(mat)(43)를 포함할 수 있다.

타공캡(42)에는 혼합기가 분출되는 복수 개의 포트(port)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 타공캡(42)은 스테인레스 재질로 형성될 수 있다. 타공캡(42)은 후술하는 매트(43)로 혼합기를 균일하게 분배하는 기능을 수행할 수 있고, 이 경우 타공캡(42)과 매트(43)의 사이에서 혼합기의 유동 재분배가 이루어져 혼합기의 유동이 보다 균일하게 형성되는 데 도움을 줄 수 있다. 또한, 실시예에 따라 보염기가 매트(43)만을 구비하는 경우에 비해, 보염기가 매트(43) 뿐만 아니라 상기한 바와 같이 구성되는 타공캡(42)을 구비하는 경우에 화염 안정성이 향상될 수 있다.

매트(43)는 하측부가 타공캡(42)에 의해 지지될 수 있다. 매트(43)는 상기 포트를 통해 분출되는 혼합기를 보다 균일하게 분산시킬 수 있다. 이로써, 매트(43) 상에 화염이 보다 안정적으로 안착될 수 있다.

매트(43)는 상기 포트의 직경보다 작은 틈새를 갖는 금속섬유(metal fiber) 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 매트(43)는 약 290cc/min/cm² 로 설계 및 제작될 수 있으나, 금속섬유의 직조기술에 따라 달리 설계 및 제작될 수 있음은 물론이다.

이와 같이 구성되는 매트(43)는 혼합기가 분출되는 속도가 ‘0’에 가깝게 되는 원형 실린더들의 집합체로 이해될 수 있고, 이로써 매트(43)의 표면에 화염이 안정적으로 안착될 수 있다. 그 결과, 화염 안정성이 우수해져 가스 퍼니스의 화력을 넓은 범위에서 조절하는 데 유리할 수 있다. 즉, 이와 같이 구성되는 매트(43)는 가스 퍼니스의 화력을 상당히 낮춘 경우에서의 화염의 플래시백(flash back)을 방지하고, 가스 퍼니스의 화력을 상당히 높인 경우에서의 화염의 블로우아웃(blow out)을 방지하는 데 유리할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 포트는, 원형의 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 원형, 삼각형, 사각형 등 기타의 형상으로 형성될 수도 있다. 다만, 높은 화력을 제어하기 위해서는, 상기 포트의 피치(pitch)를 크게 설계하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성되는 타공캡(42) 및 매트(43)를 구비하는 보염기는 일반적인 인샷 버너(inshot burner)에서의 보염기에 비해, 화염 안정성을 향상시키는 데 유리할 수 있다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 버너 홀더(44)는 벤츄리 튜브(41)의 토출부로 주변 공기가 유입되는 것이 차단되도록, 일측에 벤츄리 튜브(41)의 토출부의 적어도 일부가 삽입될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스는 완전 예혼합 메커니즘을 구성하기 위해, 벤츄리 튜브(41)의 유입부로 유입된 공기만이 연료가스(R)와 함께 완전 예혼합되어 상기한 연소 반응이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 벤츄리 튜브(41)의 토출부가 버너 홀더(44)에 삽입되도록 하여, 벤츄리 튜브(41)의 유입부 이외의 지점으로부터 유입된 공기가 상기한 연소 반응에 참여하는 것을 차단한다.

이 경우, 버너 홀더(44)는 벤츄리 튜브(41)의 토출부의 적어도 일부가 삽입되고, 버너(40) 및 열교환기(50) 각각에 형성된 유로를 서로 연결하는 홀더홀(441)이 형성될 수 있다.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 버너(40)는 일측이 노즐(31, 32, 33, 34)에 의해 고정될 수 있다. 이 경우, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 버너(40)는 벤츄리 튜브(41)의 유입부로부터 소정 거리만큼 이격되게 배치되고, 노즐(31, 32, 33, 34)이 결합되는 노즐 결합부(411)를 더 포함할 수 있다.

이로써, 버너(40)는 일측은 노즐(31, 32, 33, 34)에 의해, 타측은 버너 홀더(44)에 의해 소정의 위치에 고정될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기한 배출포트, 노즐, 버너 및 열교환기는 각각 복수 개가 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기한 배출포트, 노즐, 버너 및 열교환기는 각각 4 개씩 구비될 수 있으며, 서로 나란하게 배치될 수 있다.

이 경우, 복수 개의 버너(40)는, 각각이 측면에 플랜지(414)가 형성되고, 플랜지(414)에 의해 서로 결합될 수 있다.

예를 들면, 제1 버너(40a) 및 제2 버너(40b)는 제1 플랜지(414a) 및 제2 플랜지(414b)에 의해 서로 연결될 수 있고, 제2 내지 제4 버너(40b, 40c, 40d) 간의 연결도 마찬가지로 설명될 수 있다.

또한, 버너 홀더(44)는 플랜지(414)의 적어도 일부가 삽입되는 홀더홈(442)이 형성되어, 상기한 바와 같이 버너(40)가 복수 개가 구비되는 경우에도 버너(40)의 적어도 일부가 버너 홀더(44)에 삽입되도록 할 수 있다.

이 경우, 플랜지(414)는 홀더홈(442)과의 사이에서 플랜지(414)에 의해 서로 결합되는 버너 중 어느 하나의 보염기에 안착된 화염을 다른 하나의 보염기로 전파하는 화염 전파구(미부호)를 형성할 수 있다.

일 예로서, 제1 및 제2 플랜지(414a, 414b)에 의해 서로 연결되는 제1 및 제2 버너(40a, 40b) 중, 제1 버너(40a)의 보염기(42a, 43a)에 안착된 화염은 상기 화염 전파구에 의해 제2 버너(40b)의 보염기(42b, 43b)로 전파되어, 제2 버너(40b)에서도 연소 반응이 이루어질 수 있고, 제2 내지 제4 버너(40b, 40c, 40d) 간의 화염 전파도 마찬가지로 설명될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)는 점화기(igniter)(미도시) 및 화염 감지기(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 점화기의 점화로 인해, 보염기(42, 43)로 안내되는 상기 혼합기가 연소되면 화염 및 고온의 연소가스(P)가 발생될 수 있고, 이때 상기 화염은 보염기(42, 43)에 안착될 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이, 본 발명은 복수 개의 버너 간의 화염 전파를 매개하는 상기 화염 전파구를 구비하므로, 상기한 점화기는 제1 버너(40a)에만 설치될 수 있다.

다만, 상기 화염 전파구에 이물질이 끼는 것등으로 인해, 제2 내지 제4 버너(40b, 40c, 40d) 중 적어도 하나에 화염이 전파되지 못하여 상기한 연소 반응이 일어나지 못하는 경우에는, 열교환기(50)의 내부에 혼합기가 가득차게 되어 안전상의 위험이 야기될 수 있다.

이에, 버너(40)에 화염 감지기를 설치하여 상기한 연소 반응에 따라 화염이 발생하였는지를 감지하고, 혼합기가 버너(40)에 공급되고 있음에도 화염이 감지되지 않는 경우에는 가스밸브(20)를 폐쇄하여 매니폴드(30)로 연료가스(R)가 유입되는 것을 차단하여야 한다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스(10)에서, 상기 화염 감지기는 상기 복수 개의 버너 중, 상기 점화기가 설치되는 제1 버너(40a)로부터 가장 먼 위치에 배치된 버너인 제4 버너(40d)에 설치되어, 상기 화염이 생성되었는지를 감지할 수 있다.

이로써, 상기한 화염 전파구를 통해 화염이 차례로 전파되는 특성상, 제4 버너(40d)에 설치된 상기 화염 감지기가 화염을 감지하면 제1 내지 제4 버너(40a, 40b, 40c, 40d) 모두에서 상기한 연소 반응에 따라 화염이 발생된 것으로 간주할 수 있다.

반대로, 제4 버너(40d)에 설치된 상기 화염 감지기가 화염을 감지하지 못하면 적어도 제4 버너(40d)에서 상기한 연소 반응에 따라 화염이 발생되지 않아 폭발 위험이 있으므로 연료가스(R)의 공급을 차단하여야 한다.

이상, 본 발명의 실시예에 따른 가스 퍼니스를 첨부도면을 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 예측할 수 있는 다양한 변형이나 균등한 범위내에서의 실시가 가능함은 물론이다.

10: 가스 퍼니스 20: 가스밸브
30: 매니폴드 40: 버너
41: 벤츄리 튜브 42: 타공캡
43: 매트 44: 버너 홀더
50: 열교환기 60: 송풍팬
70: 유도팬 80: 배기관
90: 응축수 트랩

Claims (13)

1. 연료가스를 배출하는 배출포트가 형성되는 매니폴드;
   상기 배출포트에 결합되는 노즐;
   일측에 공기와, 상기 노즐로부터 분사되는 연료가스가 유입되는 유입부가 형성되고, 타측에 상기 공기 및 연료가스가 혼합된 혼합기가 토출되는 토출부가 형성되는 벤츄리 튜브와, 상기 벤츄리 튜브의 토출부에 설치되어 상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 화염이 안착되는 보염기를 포함하는 버너;
   상기 혼합기가 연소될 시 생성되는 연소가스가 유동하는 열교환기; 및
   상기 버너가 결합되고, 상기 버너 및 열교환기 각각에 형성된 유로를 서로 연결하는 버너 홀더를 포함하는 가스 퍼니스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 버너 홀더는,
   상기 벤츄리 튜브의 토출부로 주변 공기가 유입되는 것이 차단되도록, 일측에 상기 벤츄리 튜브의 토출부의 적어도 일부가 삽입되는 가스 퍼니스.
3. 제2항에 있어서,
   상기 버너 홀더는,
   상기 벤츄리 튜브의 토출부의 적어도 일부가 삽입되고, 상기 버너 및 열교환기 각각에 형성된 유로를 서로 연결하는 홀더홀이 형성되는 가스 퍼니스.
4. 제1항에 있어서,
   상기 버너는,
   일측이 상기 노즐에 의해 고정되는 가스 퍼니스.
5. 제4항에 있어서,
   상기 버너는,
   상기 벤츄리 튜브의 유입부로부터 소정 거리만큼 이격되게 배치되고, 상기 노즐이 결합되는 노즐 결합부를 더 포함하는 가스 퍼니스.
6. 제1항에 있어서,
   상기 보염기는,
   상기 혼합기가 분출되는 복수 개의 포트가 형성되는 타공캡(perforated cap); 및
   하측부가 상기 타공캡에 의해 지지되고, 상기 포트를 통해 분출되는 혼합기를 균일하게 분산시키는 매트(mat)를 포함하는 가스 퍼니스.
7. 제6항에 있어서,
   상기 매트는,
   상기 포트의 직경보다 작은 틈새를 갖는 금속섬유(metal fiber) 재질로 형성되는 가스 퍼니스.
8. 제6항에 있어서,
   상기 포트는,
   원형 및 삼각형 중 적어도 하나의 형상으로 형성되는 가스 퍼니스.
9. 제1항에 있어서,
   상기 배출포트, 노즐, 버너 및 열교환기는,
   각각 복수 개가 구비되는 가스 퍼니스.
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 버너는,
    각각이 측면에 플랜지가 형성되고, 상기 플랜지에 의해 서로 결합되는 가스 퍼니스.
11. 제10항에 있어서,
    상기 버너 홀더는,
    상기 플랜지의 적어도 일부가 삽입되는 홀더홈이 형성되는 가스 퍼니스.
12. 제11항에 있어서,
    상기 플랜지는,
    상기 홀더홈과의 사이에서 상기 플랜지에 의해 서로 결합되는 버너 중 어느 하나의 보염기에 안착된 화염을 다른 하나의 보염기로 전파하는 화염 전파구를 형성하는 가스 퍼니스.
13. 제1항에 있어서,
    상기 버너는,
    상기 혼합기를 점화시키는 점화기; 및
    상기 화염이 생성되었는지를 감지하는 화염 감지기를 더 포함하는 가스 퍼니스.

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