KR20230118889A - 고정 베인이 있는 연소 버너 - Google Patents

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KR20230118889A
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Abstract

연소 버너는 중앙 보어를 갖는 버너 바디를 포함한다. 공기 입구 단부로부터 소용돌이 발생기를 통과하는 강제 공기의 축류(axial flow)에 최소 압력 손실로 소용돌이 패턴을 부여(impart)하는 베인(vane)을 갖는 소용돌이 발생기 인서트가 제공된다. 환형 연료 가스 매니폴드는 가스 매니폴드 주변에서 360도 이격 간격으로 측벽에 인접하여 배치되는 복수의 가스 제트를 갖는다. 혼합 챔버는 가스 매니폴드의 하류에 위치하여 가스 제트로부터의 연료 가스를 소용돌이 발생기 인서트에서 빠져나온 공기와 혼합하여 연료/공기 혼합물을 생성한다. 연소 챔버는 혼합 챔버의 하류에 위치한다. 점화기 통로는 버너 바디를 통해 연장하여 혼합 챔버의 하류에 있는 점화기를 배치하여 연소 챔버로 들어가는 연료/공기 혼합물을 점화한다.

Description

고정 베인이 있는 연소 버너
연소 버너, 특히, 고정 베인이 있는 연소 버너가 기술된다.
제목이 "낮은 NOx 배출을 제공하는 연도 가스(flue gas) 재순환 버너"인 미국 특허 5,562,438 (Gordon 등)은 고정 베인을 갖는 버너의 예이다. 원통형 접선형(tangential) 믹서는 축류식(axial) 입구를 통해 연소 공기 및 연도 가스를 별도로 받아들인다. 혼합된 공기 및 가스는 접선 흐름 패턴을 계속하는 "날개가 있는 디퓨저(vaned diffuser)"를 통과하고, 그 후, 연료가 접선 방향으로 유입되어 연소가 발생한다.
측벽, 공기 입구 단부, 연소 가스 출구 단부, 그리고 상기 공기 입구 단부 및 상기 연소 가스 출구 단부 사이에 연장하는 중앙 보어(bore)를 갖는 관형 버너 바디를 포함하는 연소 버너가 제공된다. 소용돌이 발생기 인서트는 상기 중앙 보어를 가로질러 위치한다. 상기 소용돌이 발생기 인서트는 상기 공기 입구 단부로부터 상기 소용돌이 발생기를 통과하는 강제 공기의 축류(axial flow)에 최소 압력 손실로 소용돌이 패턴을 부여(impart)하는 베인(vane)을 갖는다. 환형 연료 가스 매니폴드는 상기 중앙 보어에 위치한다. 상기 가스 매니폴드는 상기 가스 매니폴드 주변에서 360도 이격 간격으로 상기 측벽에 인접하여 배치되는 복수의 가스 제트를 갖는다. 혼합 챔버는 상기 가스 매니폴드의 하류에 위치하여 상기 가스 제트로부터의 연료 가스를 상기 소용돌이 발생기 인서트를 빠져나오는 강제 공기와 혼합하여 연료/공기 혼합물을 생성한다. 연소 챔버는 상기 혼합 챔버의 하류에 위치한다. 점화기 통로는 버너 바디를 통해 연장하여 상기 혼합 챔버의 하류에 점화기를 위치시켜 상기 연소 챔버에 들어가는 연료/공기 혼합물을 점화한다.
상술한 바와 같이, 연소 버너는 연료에 있어서 더 효율적이고, 이하에서 더 설명하는 바와 같이, 표준 문안 연소 버너와 비교하여 더 낮은 NOx를 생성한다.
이들 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하는 다음 설명으로부터 명백해질 것이며, 도면은 단지 예시를 위한 것이며 어떤 식으로 제한하려고 의도하는 것은 아니다.
도 1은 연소 버너의 측면도.
도 2는 연소 가스 출구 단부로부터의 도 1의 연소 버너의 제1 단면도.
도 3은 공기 입구 단부로부터의 도 1의 연소 버너의 제2 단면도.
도 4는 도 3의 선 4-4의 단면도.
도 4a는 키 파라미터가 중첩된 도 4의 간략화된 표현을 나타내는 도면.
도 5는 공기 입구 단부로부터 도 1의 연소 버너의 분해 사시도.
도 6은 연소 가스 출구 단부로부터 도 1의 연소 버너의 분해 사시도.
일반적으로 참조 번호 10으로 식별되는 연소 버너는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명될 것이다.
부품의 구조 및 관계:
도 4를 참조하면, 연소 버너(10)는 측벽(14), 공기 입구 단부(16), 연소 가스 출구 단부(18), 그리고 공기 입구 단부(16) 및 연소 가스 출구 단부(18) 사이에서 연장하는 중앙 보어(20)를 갖는 관형 버너 바디(12)를 포함한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 일반적으로 참조 번호 22로 표시되는 소용돌이 발생기 인서트(swirl generator insert)는 중앙 보어(20)를 가로질러 위치한다. 도 6을 참조하면, 소용돌이 발생기 인서트(22)는 베인(24)을 갖는다. 도 4를 참조하면, 베인(24)은 공기 입구 단부(16)로부터 소용돌이 발생기 인서트(22)를 통과하는 강제 공기의 축류에 최소의 압력 손실로 소용돌이 패턴을 부여한다. 소용돌이 발생기는 "인서트"로 지칭되는데, 이것은 중앙 보어(20)의 안착 위치로 삽입되기 때문이다. 소용돌이 패턴은, 소용돌이 발생기 인서트(22)를 상이한 특성을 갖는 다른 인서트로 대체함으로써, 변경될 수 있다. 각각의 소용돌이 발생기 인서트(22)는 순환(circular flow)을 유도하는 베인(24)을 갖는 수렴(convergent) 노즐이다. 최소 압력 손실을 제공하기 위하여, 소용돌이 발생기 인서트(22)는 비교적 얇고, 그 길이를 초과하는 직경을 갖는다.
도 4를 참조하면, 환형 연료 가스 매니폴드(26)는 중앙 보어(20)에 위치한다. 가스 매니폴드(26)는 가스 공급 통로(27)를 통해 연료 가스를 수용한다. 도 6을 참조하면, 가스 매니폴드(26)는 복수의 가스 제트(28)를 갖는다. 조립시, 가스 제트는 가스 매니폴드(26) 주변에 360도 이격된 간격으로 측벽(14)에 인접하여 위치한다.
도 4를 참조하면, 혼합 챔버(30)는 가스 매니폴드(26)의 하류에 위치하여 가스 제트(28)로부터의 연료 가스를 소용돌이 발생기 인서트(22)를 빠져나오는 공기와 혼합하여 연료/공기 혼합물을 생성한다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 환형 스풀(spool)(32)을 수축하는(constrict) 중앙 보어가 혼합 챔버(30)에 위치하는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 환형 스풀(32)로 지시된 혼합 챔버(30)의 직경은 "소용돌이 팩터"로 지칭되는 것에서 역할을 수행한다.
도 4를 참조하면, 연소 챔버(34)는 혼합 챔버(30)의 하류에 위치한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 점화기 통로(35)는 버너 바디(12)를 통해 연장한다. 도 4를 참조하면, 점화기 통로(36)의 위치는 혼합 챔버(30)의 하류에 점화기(미도시)를 배치하여 연소 챔버(34)로 들어가는 연료/공기 혼합물을 점화시킨다.
공기 소용돌이의 특성은 소용돌이 발생기 인서트 블레이드 피치, 블레이드의 수 및 표면 질감(surface texture)의 조합 뿐만 아니라 환형 스풀(32)의 직경에 대한 연소 챔버(34)의 반경의 비율에 의해 제어된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 조립을 용이하게 하기 위하여, 버너 바디(12)는 혼합 챔버(30)를 수용하는 제1 부분(12A) 및 연소 챔버(34)를 수용하는 제2 부분(12B)으로 구성되는 것이 바람직하다. 제1 부분(12A)은 제1 플랜지(40)를 갖는다. 제2 부분(12B)은 제2 플랜지(42)를 갖는다. 도 1을 참조하면, 버너 바디(12)는, 제1 부분(12A)의 제1 플랜지(40)를 제2 부분(12B)의 제2 플랜지(42)와 결합함으로써 조립된다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 조립 중에, 소용돌이 발생기 인서트(22)는 가스 매니폴드(26) 내에 위치한다. 볼트(44)는 환형 스풀(32) 및 가스 매니폴드(26)를 버너 바디(12)의 제1 부분(12A)에 고정하는데 사용된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 모니터링을 개선하기 위하여, 센서가 삽입되도록 센서 통로(46)가 버너 바디(12)에 제공되어 연소 과정을 모니터링하는 것이 바람직하다. 적절한 센서가 FIREYE 브랜드로 판매된다.
동작:
도 4를 참조하면, 강제 공기는 중앙 보어(20)로 들어가고 소용돌이 발생기 인서트(22)의 3개의 편향 베인(24)에 부딪힐 때까지 중앙 보어(20)를 따라 진행한다. 이것은 공기에 소용돌이 패턴을 생성한다. 이 소용돌이 덩어리(mass)는 가스 제트(28)로부터 가스를 픽업하는 연료 가스 매니폴드(26)를 통과할 때까지 중앙 보어(20)를 따라 계속된다. 버너 공기 흐름은 가스 압력보다 높은 압력에 있고, 지나갈 때 가스 제트(28)에서 낮은 압력 존을 생성한다. 가스 제트(28)는 중앙 보어(20) 주변에서 360도 배열되고, 연료를 끌어당기는 공기와의 혼합은 연료 가스를 소용돌이치는 공기 흐름으로의 연료 가스의 균일한 분배를 허용한다. 이 회전 혼합물은 중앙 보어(20) 아래로 진행하여 혼합 챔버(30)를 통과하고, 점화되는 연소 챔버(34)로 진행한다. 화염(flame)은 연소 챔버(34)의 제1 부분에서 측벽(14)에 고정(anchor)한다. 짧은 연소 존 후에, 이 뜨거운 소용돌이치는 덩어리(mass)는 연소 챔버(34) 아래로 계속되어 어플라이언스(미도시)로 빠져나간다. 이 어플라이언스가 쉘 히터(shell heater) 내의 튜브인 경우, 회전은 파이어 튜브(fire tube) 아래로 계속되어, 매우 효율적인 열 전달을 생성한다. 현재의 자연 통풍 버너와 비교하여 이러한 종류의 어플라이언스에서의 연료 소비를 40% 줄일 수 있을 것으로 예상될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 소용돌이 발생기 인서트의 개념은 토네이도(tornados)의 다이나믹스(dynamics)와 비교될 수 있다. 이 애플리케이션에서, 중앙 보어(20)를 따라 움직이는 강제 공기의 축류는 토네이도와 유사한 방식으로 소용돌이 치게 된다. 소용돌이를 제어하는 몇개의 키 파라미터가 존재하고, 이를 "소용돌이 팩터"라 한다. 소용돌이 팩터의 하나의 키 파라미터는 혼합 챔버(30)의 직경 "D"이고, 이것은 환형 스풀(32)의 크기를 변경함으로써 조절될 수 있다. 소용돌이 팩터의 또다른 키 파라미터는 혼합 챔버(30)의 직경 "D"에 관하여, 연소 챔버(34)의 반경 "r"이다. 소용돌이 팩터의 또다른 키 파라미터는 Q로 표현되는 단위 길이당 순방향 흐름 레이트(forward flow rate)이다. 소용돌이 팩터의 또다른 키 파라미터는 소용돌이 발생기 인서트(22)의 베인(24)에 의해 부여되는 회전 "R"이다. 이것은 다음 식으로 표현될 수 있다
설명되는 바와 같이, 연소 버너(10)는 생성된 열 NOx를 감소시키는 것을 돕기 위하여 화염 온도를 낮출 과잉 공기를 사용할 수 있다. 연소 튜브의 올바른 구성으로, 배기 흐름 속도(exhaust stream speed)는 150 ft/sec로 증가할 수 있고 적어도 1800 F의 온도를 가질 것으로 예상된다. 기기 장치(instrumentation) 및 프로그램은 기압 변화가 발생할 때 적절한 연료/공기 비율을 유지할 수 있다. 이 버너 및 지지 장비는, 일단 고도(현장 위치)에 대하여 프로그래밍되면, 어플라이언스가 새로운 위치로 이동될 때 단지 튜닝(tuning)을 필요로 할 수 있다.
이점:
B1 버너의 설계는 낮은 NOx, 높은 턴 다운 레이트(turn down rate), 낮은 비용 및 높은 열전도 소용돌이 버너이도록 제안되었다. 연료/공기 비율을 제어하도록 기기 장치와 결합되면, 이 버너는 1%에서 6%까지의 O2 함량으로 배기 흐름에 존재하는 CO없이 100% 연소를 생성할 수 있다.
이 설계는 매유 유연하며 턴 다운시에도 100% 연소 효율을 유지한다. 이것은 아화학량론 (sub Stoichiometric) 또는 배기 흐름에서 추가의 O2로 태울(burn) 수 있다. Syn Gas, Field Gas, Natural Gas 또는 프로판(propane)을 연소하기 위하여 버너 하드웨어에 변화가 요구되지 않는다. 프로그래밍된 연료/공기 비율에서의 연소는 매우 안정적이고 신뢰할 수 있다. 배기 흐름 속도는 프로젝트별로 증가될 수 있다. 이 버너는 보어 크기 및 BTU 요구사항에 따라 100 PSI 또는 몇 인치 WC의 공기압으로 동작할 수 있다.
보어 벽에 끼워 넣어진 몇 개의 제트를 통한 가스의 분배는 순환(circular flow)에 의해 소용돌이 공기 덩어리가 보여 벽으로 밀리는 최대 균일한 분배를 위해 설계되었다. 단순성과 낮은 비용을 위해, 소용돌이 발생기 인서트는 장치를 통해 최소 압력 손실로 연소 공기로의 소용돌이 움직임을 유발하도록 설계되었다. 소용돌이 움직임의 특성은, 하나의 소용돌이 발생기 인서트를 상이한 특성을 갖는 다른 소용돌이 발생기 인서트로 대체함으로써 변경될 수 있다.
본 특허문헌에서 "포함하는"이라는 용어는 비제한적인 의미로 그 단어 뒤에 오는 항목을 포함하는 것을 의미하며 구체적으로 언급되지 않은 항목을 제외하는 것은 아니다. 부정관사 "a"에 의한 요소에 대한 언급은, 문맥상 분명히 하나의 요소만이 존재하도록 요구하지 않는 한, 하나 이상의 요소가 존재할 가능성을 배제하지 않는다.
청구범위의 범위는 예로서 제시된 예시된 실시예에 의해 제한되어서는 안되며, 전체로서 설명의 관점에서 청구범위의 목적 구성과 일치하는 가장 넓은 해석이 주어져야 한다.

Claims (3)

  1. 측벽, 공기 입구 단부, 연소 가스 출구 단부, 그리고 상기 공기 입구 단부와 상기 연소 가스 출구 단부 사이에 연장하는 중앙 보어(bore)를 갖는 관형 버너 바디;
    상기 중앙 보어를 가로질러 위치하는 소용돌이 발생기 인서트 - 상기 소용돌이 발생기 인서트는 상기 공기 입구 단부로부터 상기 소용돌이 발생기를 통과하는 강제 공기의 축류(axial flow)에 최소 압력 손실로 소용돌이 패턴을 부여(impart)하는 베인(vane)을 가짐 -;
    상기 중앙 보어에 위치하는 환형 연료 가스 매니폴드 - 상기 가스 매니폴드는 상기 가스 매니폴드 주변에서 360도 이격 간격으로 상기 측벽에 인접하여 배치되는 복수의 가스 제트를 가짐 -;
    상기 가스 매니폴드의 하류에 위치하여 상기 가스 제트로부터의 연료 가스를 상기 소용돌이 발생기 인서트를 빠져나오는 상기 강제 공기와 혼합하여 연료/공기 혼합물을 생성하는 혼합 챔버;
    상기 혼합 챔버의 하류에 위치하는 연소 챔버; 및
    상기 버너 바디를 통해 연장하여 상기 연소 챔버에 들어가는 상기 연료/공기 혼합물을 점화시키기 위해 상기 혼합 챔버의 하류에 점화기를 위치시는 점화기 통로,
    를 포함하는 연소 버너.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 챔버에 환형 스풀(spool)이 위치하여 상기 혼합 챔버의 직경을 변경하는 연소 버너.
  3. 제1항에 있어서, 상기 버너 바디는 상기 혼합 챔버를 수용하는 제1 부분 및 상기 연소 챔버를 수용하는 제2 부분으로 구성되고, 상기 제1 부분은 제1 플랜지를 포함하고, 상기 제2 부분은 제2 플랜지를 포함하고, 상기 버너 바디는 상기 제1 부분의 상기 제1 플랜지를 상기 제2 부분의 상기 제2 플랜지와 결합함으로써 조립되는 연소 버너.
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