KR20220120336A - 과열증기를 이용한 연소버너장치 - Google Patents

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신갑규
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주식회사 케이에이에너지
신갑규
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Abstract

본 발명은 과열증기를 이용한 연소버너장치에 관한 것으로서, 상세하게는 과열증기 생성 구조를 개선하여 열효율을 향상시킨 연소버너장치에 관한 것이다.
본 발명은 메인 연소공간을 형성하는 내관과, 내관과 이격되어 내관을 에워싸게 형성되며 내관보다 더 길게 형성된 외관과, 외관의 내부에 설치되어 내관을 하부에서 지지하는 제1바닥판과, 제1바닥판의 하부에 설치되어 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와, 제1바닥판에 장작되는 노즐본체와, 노즐본체에 형성된 연료분사홀로 연소용 연료를 공급하기 위한 연료공급부와, 내관 내에서 가열될 수 있도록 내관 내에 설치되며 일단이 노즐본체에 형성된 증기통과홀과 연결된 가열관과, 물을 분무상태로 가열관 내로 공급하기 위한 분무처리부와, 증기통과홀과 연결되도록 노즐본체에 설치되며 내관 내부에 일정한 길이로 연장되도록 형성되어 연료분사홀에서 분사되는 연소용 연료가 연소되면서 발생시킨 화염 내로 증기를 분출시키기 위한 화력강화노즐을 구비한다.

Description

과열증기를 이용한 연소버너장치{Combustion burner apparatus using superheated steam}
본 발명은 과열증기를 이용한 연소버너장치에 관한 것으로서, 상세하게는 과열증기 생성 구조를 개선하여 열효율을 향상시킨 연소버너장치에 관한 것이다.
일반적인 연료 연소장치는 연료공급원으로부터 공급되는 연료를 노즐을 통해 분사하고, 분사된 연료가 연소실 내부에서 연소 되게 하는 구조로 되어 있다.
이와 같이 연료만을 직접 연소시키는 연료 연소장치는 연료원 고유의 화력으로 제한되고, 벙커시유와 같은 저렴한 액상 연료를 적용하는 경우 연소시 불완전 연소로 인한 대기오염을 야기시키는 단점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 최근에는 저렴한 액상연료를 물을 가열하여 얻은 고온의 증기와 함께 분사하여 연소시킴으로써 연료의 미분화 및 활성화를 통해 완전연소를 유도하고 화력을 보강하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
즉, 연소되는 화염에 가열되어 물을 증기화 하기 위한 나선형상으로 말아진 금속 코일관과 같은 가열된 증기 발생관을 통과시켜 고압의 증기를 얻고 이를 직접 액상의 연료와 함께 분사하면서 연소 되도록 하는 증기를 이용한 연료 연소장치가 개발된 바 있다.
수증기가 고온이 되면, 수소와 산소로 해리되는 열분해 성질은 프랑스의 화학자 라부아지에가 주장한 원리로 금속관을 고열로 가열하여 적열시키고 그 금속관에 물을 통과시키면 수소가 발생함을 확인한 실험으로 500℃ 정도에서 탄소(C)가 공급되면, 물은 이산화탄소와 수소가스로 분해된다고 알려진바 있다. 또한, 고온의 수증기와 함께 연료가 고압으로 분사되도록 함으로써 연료는 고온에 의해 활성화된 상태로 미세하게 분사되어 보다 화력이 강해지고, 완전연소를 유도할 수 있게 되는 것이다.
그러나 지금까지 개발된 증기를 이용한 연료 연소장치는 증기 발생관에 물을 공급하기 위해서 별도의 펌핑장치가 요구되고, 펌핑장치에 의한 물의 공급은 무조건 일정한 양이 공급되는 것이어서 증기의 발생량을 자체적으로 조절할 수 없는 단점을 갖는 것이어서 예열 및 점화가 곤란하고, 연료와 증기의 분사량 조절도 곤란할 뿐만 아니라 물의 공급 압력조절이 실패할 경우 증기 발생관에 물이 고이거나 심지어는 연료와 증기가 분사되어야 할 노즐에 물이 분사되는 폐단을 갖는다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 기술로서 대한민국 등록특허 제10-2018297호에 과열증기를 이용한 연소버너장치가 개시되어 있다.
상기 연소버너장치는 메인 연소공간을 형성하며 상방으로 연장된 내관과, 내관에 대해 이격되는 이격공간을 형성하도록 내관을 에워싸게 형성되어 내관보다 더 높게 상방으로 연장된 외관과, 내관의 하단과 외관의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 이격공간의 하부를 폐쇄시키는 제1바닥판과, 제1바닥판의 하방으로 연장되어 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와, 제1바닥판에 장착되며 연료분사노즐과, 증기분사노즐이 마련된 노즐본체와, 연료분사노즐을 통해 연소용 연료를 공급하는 연료공급부와, 내관 내에서 가열될 수 있도록 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분을 갖으며 권선부분으로부터 연장된 일단은 노즐본체의 증기분사노즐과 연통되게 연결된 가열관과, 가열관의 타단을 통해 접속되어 물을 분무상태로 가열관 내로 공급하는 분무처리부를 구비한다. 이러한 과열증기를 이용한 연소버너장치에 의하면, 초기 워밍업 시간을 단축시킬 수 있고 연소 구조를 단순화할 수 있는 장점을 제공한다.
하지만, 상기 연소버너장치는 노즐본체에서 연료와 증기가 동시에 분사되면서 연소되는 구조이므로 증기를 고온화시키는데 한계가 있고 완전연소화가 다소 미흡하여 화력이 저감되는 단점이 있다. 내관의 입구에서 연료와 고온의 증기가 혼합되면서 연소가 이루어지므로 내관에 장착된 가열관이 고온에 의해 손상될 우려가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2018297호: 과열증기를 이용한 연소버너장치
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 분사된 연료로부터 생성된 화염의 내부로 고온의 증기를 분사함으로써 버너의 화력을 강화하여 완전연소를 유도하고 열효율을 높일 수 있는 연소버너장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 과열증기를 이용한 연소버너장치는 메인 연소공간을 형성하는 내관과; 상기 내관과 이격되어 상기 내관을 에워싸게 형성되며 상기 내관보다 더 길게 형성된 외관과; 상기 외관의 내부에 설치되어 상기 내관을 하부에서 지지하는 제1바닥판과; 상기 제1바닥판의 하부에 설치되어 상기 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와; 상기 제1바닥판에 장작되는 노즐본체와; 상기 노즐본체에 형성된 연료분사홀로 연소용 연료를 공급하기 위한 연료공급부와; 상기 내관 내에서 가열될 수 있도록 상기 내관 내에 설치되며 일단이 상기 노즐본체에 형성된 증기통과홀과 연결된 가열관과; 물을 분무상태로 상기 가열관 내로 공급하기 위한 분무처리부와; 상기 증기통과홀과 연결되도록 상기 노즐본체에 설치되며 상기 내관 내부에 일정한 길이로 연장되도록 형성되어 상기 연료분사홀에서 분사되는 연소용 연료가 연소되면서 발생시킨 화염 내로 증기를 분사시키기 위한 화력강화노즐;을 구비한다.
상기 화력강화노즐의 단부는 상기 내관에서 벗어나 위치하도록 상기 내관보다 더 길게 형성된다.
상기 화력강화노즐은 외주면에 나선형의 화염접촉깃이 형성된다.
상기 화력강화노즐은 상기 노즐본체와 결합된 베이스관, 상기 베이스관의 단부에 결합되며 외경 및 내경이 축소되는 축소경부가 형성된 혼화관과, 상기 축소경부에 형성된 화염유입홀과, 상기 혼화관의 단부에 결합되는 노즐팁을 구비한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 분사된 연료로부터 생성된 화염의 내부로 고온의 증기를 분사하는 방식을 통해 버너의 화력을 강화하여 완전연소를 유도하고 열효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 화력강화노즐의 길이를 키워 내관을 벗어난 위치에서 증기를 화염으로 분사시킬 수 있으므로 상대적으로 내관 외부의 화염온도를 내관 내부의 화염온도보다 더 높게 유지할 수 있어서 내관 내에 위치한 가열관의 고열 손상을 억제시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 연소버너장치의 단면도이고,
도 2는 도 1의 작동을 보여주기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 다른 예에 따른 연소버너장치의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 예에 따른 연소버너장치의 요부를 발췌한 사시도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 예에 따른 연소버너장치의 요부를 발췌한 분리 사시도이고,
도 6은 도 5의 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과열증기를 이용한 연소버너장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 과열증기를 이용한 연소버너장치(100)는 메인 연소공간(112)을 형성하는 내관(121)과, 내관(121)과 이격되어 내관(121)을 에워싸게 형성되며 내관(121)보다 더 길게 형성된 외관(131)과, 외관(131)의 내부에 설치되어 내관(121)을 하부에서 지지하는 제1바닥판(125)과, 제1바닥판(125)의 하부에 설치되어 메인 연소공간(112)과 연통되는 보조공간(128)을 형성하는 보조공간 형성부(127)와, 제1바닥판(125)에 장작되는 노즐본체(150)와, 노즐본체(150)에 형성된 연료분사홀(153)로 연소용 연료를 공급하기 위한 연료공급부(155)와, 내관(121) 내에서 가열될 수 있도록 내관(121) 내에 설치되며 일단이 노즐본체(150)에 형성된 증기통과홀(151)과 연결된 가열관(160)과, 물을 분무상태로 가열관(160) 내로 공급하기 위한 분무처리부(170)와, 증기통과홀(151)과 연결되도록 노즐본체(150)에 설치되는 화력강화노즐(200)을 구비한다.
내관(121)은 메인 연소공간(112)을 형성하며 상방으로 연장되어 있다. 내관(121)은 상하로 관통되며 속이 빈 원통관 형상으로 형성되어 있다.
외관(131)은 내관(121)에 대해 이격되는 이격공간(133)을 형성하도록 내관(121)을 에워싸게 형성되어 내관(121)보다 더 길게 상방으로 연장되어 있다.
외관(131)과 내관(121) 사이의 이격공간(133)은 내관(121)에 대한 단열기능과 함께 제2송풍기(182)를 통해 공급되는 공기에 의해 내관(121) 상부에서의 완전 연소가 이루어질 수 있는 2차 공기 공급경로를 제공한다. 외관(131)의 내관(121) 상부에 연장된 상단은 내경이 점진적으로 좁아지게 형성되어 있다. 외관(131) 상부와 내관(121) 상부는 조립성 및 내부 장착요소의 장착 편의성을 위해 외경이 확장되는 방향으로 연장된 플랜지(136)를 통해 상호 분리 및 결합될 수 있게 형성되어 있다.
제1바닥판(125)은 내관(121)의 하단과 외관(131)의 하단에 걸쳐 수평상으로 결합되며 이격공간(133)의 하부를 폐쇄시키게 설치되어 있고, 내관(121)의 메인 연소공간(112)과 보조공간(128)은 공기의 유입이 가능하게 연통되게 형성되어 있다.
보조공간 형성부(127)는 제1바닥판(125)의 하방으로 연장되어 메인 연소공간(112)과 연통되는 보조공간(128)을 형성한다. 보조공간 형성부(127)는 노즐본체(150)에 접속되는 요소를 수용할 수 있는 공간도 제공한다.
노즐본체(150)는 제1바닥판(125)의 중앙에 장착되며 연료분사홀(153)과, 증기통과홀(151)이 마련되어 있다. 노즐본체(150)는 증기통과홀(151)이 중앙에 배치되어 있고, 연료분사홀(153)은 증기통과홀(151)을 중심으로 원주방향을 따라 다수가 상호 이격되게 배치되어 있다. 연료분사홀을 통해 액체 연료가 메인 연소공간으로 분사된다.
화력강화노즐은 노즐본체의 상부에 설치된다. 증기통과홀을 통과한 증기가 화력강화노즐을 통해 메인 연소공간으로 분사될 수 있도록 화력강화노즐에는 유로가 형성된다. 화력강화노즐의 유로는 증기통과홀과 연결된다.
화력강화노즐은 내관 내부에 일정한 길이로 연장되도록 형성된다. 도시된 예에서 화력강화노즐은 내관의 중간 높이까지 연장되도록 형성된다. 이러한 화력강화노즐은 연소용 연료의 연소에 의해 생성된 화염 내에 위치한다.
연료공급부(155)는 연료분사홀(153)로 연소용 연료를 공급한다. 연소용 연료로 경유, 등유 등의 액체 연료가 이용될 수 있다. 연료공급부(155)로부터 연료분사홀(153)로 접속된 연료공급관(157)에는 연료공급을 조정하는 제1밸브(158)가 장착되어 있다.
점화장치(159)는 연료분사홀(153)을 통해 분사되는 연료를 초기에 점화할 수 있게 노즐본체(150)에 장착되어 있다.
가열관(160)은 내관(121) 내에 설치된 지지체(165)에 일부가 수용되게 지지되며 나선형으로 권선되어 연장된 권선부분(160a)을 갖으며 권선부분(160a)으로부터 연장된 일단은 노즐본체(150)의 증기통과홀(151)과 연통되게 연결되어 있다. 가열관(160)의 타단과 권선부분(160a) 사이에는 직선상으로 연장된 인입부분(160a)이 마련되어 있다.
분무처리부(170)는 가열관(160)의 타단을 통해 접속되어 물을 미립상태로 안개화되게 하는 분무상태로 가열관(160) 내로 공급한다. 분무처리부(170)는 물공급부(172)와, 예열기(174), 고압분사부(175) 및 분사관(176) 및 노즐(177)을 구비한다.
물공급부(172)는 분사관(176)과 직렬상으로 연장된 수관(173)을 통해 물을 공급한다. 물공급부(172)는 물이 저수된 탱크 또는 수관(173)을 통해 물을 공급하는 상용 물공급관 등 다양한 방식으로 구축될 수 있다.
예열기(174)는 수관(173) 외측에 장착되어 수관(173)을 통해 공급되는 물을 가열하여 1차 예열한다. 예열기(174)는 수관(173)을 에워싸면서 가열할 수 있는 히터 등 다양한 방식으로 가열할 수 있게 구축될 수 있다. 예열기(174)에 의해 가열되는 물의 온도는 장치 규모 및 공급용량과 관련하여 적절하게 적용하면 된다.
고압분사부(175)는 수관(173)을 통해 공급되는 물을 수관(173)과 직렬상으로 접속된 분사관(176)의 노즐(177)을 통해 안개와 같은 연무상태로 분무되게 고압상태로 공급한다. 고압분사부(175)는 수관(173)을 통해 공급되는 물을 가압상태로 펌핑하여 공급하는 펌프가 적용될 수 있다.
분사관(176)은 고압분사부(175)로부터 연장되어 가열관의 타단 내로 진입되게 설치되어 있고 종단에 노즐이 장착되어 있다. 여기서, 고압분사부(175), 분사관(176) 및 노즐(177)이 분무기로서 적용되었다.
참조부호 178은 분사관(176)의 유로를 개폐하는 밸브이다.
제1송풍기(181)는 보조공간 형성부(127)의 하부에 보조공간(128)과 연통되게 마련된 제1송풍관(129)에 결합되어 메인연소공간(112)으로 공기를 송풍한다.
제2송풍기(182)는 외관(131)에 대해 경사지게 접속되어 이격공간(133)과 연통되는 제2송풍관(132)을 통해 접속되어 이격공간(133)을 통해 내관(121) 상부의 공간으로 공기를 공급한다.
질소산화물 저감부재(190)는 내관(121) 상부의 외관(131) 내부에 설치되며 하부가 넓고 상부가 좁은 중공을 갖으며 외주면에 다수의 통공(192)이 타공된 절두 원추형 형상으로 형성되어 있다. 질소산화물 저감부재(190)는 내주면(194)이 팔라듐(Pd)으로 코팅 처리되어 있고, 외주면(196)에 로듐(Rh)으로 코팅처리되어 있다. 이러한 질소산화물 저감부재(190)는 연소과정에서 질소와 산소가 반응하여 불안정한 상태로 생성되는 질소산화물을 질소와 산소로 분해되게 변환시키는 촉매 변환기로서 기능하여 대기오염을 감소시키는 기능을 한다.
상술한 본 발명은 초기에는 연료공급부(155)로부터 공급되어 연료분사홀(153)을 통해 분사되는 연료를 점화장치(159)로 점화하여 연소시킨다. 연료의 연소에 의해 생성된 화염(1)에 의해 가열관(160)이 가열되고, 가열관(160)을 따라 이동하는 물은 고온의 과열증기가 되면서 화력강화노즐(200)을 통해 메인 연소공간으로 분사된다. 화력강화노즐(200)은 연료의 연소에 의해 생성된 화염(1) 내에 위치하고 있으므로 증기통과홀(151)을 통해 화력강화노즐(200)로 유입된 증기는 화력강화노즐(200)을 따라 이동하는 과정에서 더욱더 고온으로 가열된다. 그리고 화력강화노즐(200)의 단부에서 분사되는 고온의 증기는 화염(1) 내로 분사되므로 분사 즉시 가스화되면서 화력을 강화시켜 화염(1)의 온도를 높인다. 이에 따라 연소버너장치의 완전연소를 유도하고 열효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 화력강화노즐(210)이 내관(121)보다 더 길게 형성될 수 있다. 이 경우 화력강화노즐(210)의 단부는 내관(121)에서 벗어나게 위치한다. 즉, 화력강화노즐(210)의 상단은 내관(121)의 상단과 외관(131)의 상단 사이에 위치한다.
이와 같이 화력강화노즐(210)이 길게 형성되어 있으므로 화력강화노즐(210)을 따라 이동하는 증기를 더욱더 고온으로 가열하기에 유리하다. 또한, 내관(121)을 벗어난 위치에서 증기가 화염으로 분사되므로 상대적으로 내관(121) 외부의 화염온도를 내관(121) 내부의 화염온도보다 더 높게 유지할 수 있어서 내관(121) 내에 위치한 가열관(160)의 고열 손상을 억제시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 외주면에 나선형의 화염접촉깃(205)이 형성될 수 있다. 화염접촉깃(205)은 화력강화노즐(200)의 하부에서 상부까지 연속으로 이어지도록 형성된다.
화력강화노즐(200)의 바깥을 빠른 속도로 지나는 화염은 화염접촉깃(205)의 주위에서 와류 흐름이 발생하면서 화력강화노즐(200)과의 접촉시간이 늘어나고, 이에 따라 화력강화노즐(200)을 통과하는 증기의 가열을 더욱 촉진시킬 수 있다.
도 5 및 도 6에 본 발명의 또 다른 예에 따른 화력강화노즐(220)을 도시하고 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 화력강화노즐(220)은 노즐본체와 결합된 베이스관(221), 베이스관(221)의 단부에 결합되는 혼화관(223)과, 혼화관(223)의 단부에 결합되는 노즐팁(229)을 구비한다.
베이스관(221)은 노즐본체에 결합되어 증기통과홀과 연결된다.
혼화관(223)은 베이스관(221)과 노즐팁(229) 사이에 위치한다. 혼화관(223)의 하부에는 하부나사부(224)가 형성되어 베이스관(221)의 상부에 나사결합되고, 혼화관(223)의 상부에는 상부나사부(225)가 형성되어 노즐팁(229)의 하부에 나사결합된다.
혼화관(223)에는 외경 및 내경이 축소되는 축소경부(226)가 형성된다. 축소경부(226)에는 다수의 화염유입홀(227)이 형성된다. 화염유입홀(227)은 축소경부(226)의 둘레를 따라 일정 간격으로 배치된다. 각 화염유입홀(227)은 축소경부(226)의 외측에서 내측을 관통하도록 형성된다. 화염유입홀(227)은 축소경부(226)의 내측으로 진행할수록 점진적으로 직경이 작아지도록 형성될 수 있다.
노즐팁(229)은 단부에 분사구가 형성되어 있다. 노즐본체를 통해 베이스관(221)으로 유입된 증기는 혼화관(223)을 통과하여 노즐팁(229)의 단부를 통해 증기가 분사된다. 증기가 혼화관(223)을 통과시 축소경부(226)에서 속도가 빨라지면서 압력은 낮아지고 이에 따라 축소경부(226)의 주위를 통과하는 화염의 일부가 화염유입홀(227)로 빨려들어가면서 축소경부(226)를 통과하는 증기와 직접 접촉한다. 이러한 방법을 통해 증기의 가열을 더욱 촉진시킬 수 있다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 연소버너장치 121: 내관
125: 바닥판 131: 외관
150: 노즐본체 155: 연료공급부
160: 가열관 170: 분무처리부
200: 화력강화노즐

Claims (4)

  1. 메인 연소공간을 형성하는 내관과;
    상기 내관과 이격되어 상기 내관을 에워싸게 형성되며 상기 내관보다 더 길게 형성된 외관과;
    상기 외관의 내부에 설치되어 상기 내관을 하부에서 지지하는 제1바닥판과;
    상기 제1바닥판의 하부에 설치되어 상기 메인 연소공간과 연통되는 보조공간을 형성하는 보조공간 형성부와;
    상기 제1바닥판에 장작되는 노즐본체와;
    상기 노즐본체에 형성된 연료분사홀로 연소용 연료를 공급하기 위한 연료공급부와;
    상기 내관 내에서 가열될 수 있도록 상기 내관 내에 설치되며 일단이 상기 노즐본체에 형성된 증기통과홀과 연결된 가열관과;
    물을 분무상태로 상기 가열관 내로 공급하기 위한 분무처리부와;
    상기 증기통과홀과 연결되도록 상기 노즐본체에 설치되며 상기 내관 내부에 일정한 길이로 연장되도록 형성되어 상기 연료분사홀에서 분사되는 연소용 연료가 연소되면서 발생시킨 화염 내로 증기를 분사시키기 위한 화력강화노즐;을 구비하는 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연소버너장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 화력강화노즐의 단부는 상기 내관에서 벗어나 위치하도록 상기 내관보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연소버너장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 화력강화노즐은 외주면에 나선형의 화염접촉깃이 형성된 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연소버너장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 화력강화노즐은 상기 노즐본체와 결합된 베이스관, 상기 베이스관의 단부에 결합되며 외경 및 내경이 축소되는 축소경부가 형성된 혼화관과, 상기 축소경부에 형성된 화염유입홀과, 상기 혼화관의 단부에 결합되는 노즐팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 과열증기를 이용한 연소버너장치.
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