KR840000403B1 - 액체 연료의 연소 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

액체 연료의 연소 장치

제1도는 본 발명의 방법을 실시하기 위한 버어너 장치의 종단면도.

제2도는 제1도와 유사하지만, 열전도체 전방부의 내면 이 계단형으로 된 본발명의 변형예를 보인 버어너 장치의 종단면도.

제3도는 제1도와 유사하지만, 분할 부품의 조립체로 구성된 장치를 위한 열전도체의 또다른 변형예의 종단면도.

제4도는 제3도의 열전도체의 정면도.

제5도는 제1도와 유사하지만, 그 전방부 내면이 수개의 톱니형 횡단면으로 된 열전도체의 변형예의 종단면도.

제6도는 제5도의 열전도체의 정면도.

제7도는 제5도와 유사하지만, 그 전방부 내면에 종방향으로 신장된 내부 리브를 가진 다른 열전도체의 변형예의 종단면도.

제8도는 제7도의 열전도체의 정면도.

제9도는 제5도와 유사하지만, 종방향으로 짧게 신장된 리브에 의해 지지된 방지판을 가진 열전도체의 또 다른 변형예의 종단면도.

제10도는 제9도의 열전도체의 부분 정면도.

제11도는 연소장치를 통과하는 분류의 흐름을 설명하는 가상 형태의 종단면도.

제12도는 액체 연료 연소시의 연도 가스내의 탄화수소와 그을음의 발생량과의 관계도.

본 발명은 저압 송풍기로부터 나오는 연소 공기로 액체 연료를 연소시키는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히 설명하자면 연소 공기 분배관내에 동축형으로 배열시킨 맴돌이형(와류형)분무 노즐로 구성된 버어너 장치를 이용하여 거의 화학량론적인 연료-공기 혼합 물 중에서 액체 연료를 그을음 발행이 거의 없이 연소시키는 장치에 관한 것이다.

해당 기술업계에서는, 에너지 보존 그리고 소음 및 유해한 배기 가스로부터의 환경 보호라는 관점에서, 최대의 가능한 열효율 및 최소의 가능한 소음 발생량으로 연료를 완벽하게 연소시켜줄 방법과 장치의 개발에 노력을 하고 있다.

알려져 있는 바와같이, 용량이 시간당 1 내지 100kg 범위인 기름 가열용 버어너의 주형태는 이버어너 내부에서 액체 연료가 비교적 고압하에 분무되어 다소 원추형 운무(雲霧)상태로 노즐에서 발산되는 유적(油滴)을 생성시키는 형태이다. 이 운무중의 유적들으 여러가지 크기를 가지고 있으며, 운무중에서 교차하는 다양한 크기의 유적들의 분포 균일성은 없다.

무화(霧化)된 연료를 양호하게 연소시키기 위해서 중요한 사항은 유적들을 연소 공기와 충분히 혼합시켜야 하고 공기 중의 산소 성분은 연소 과정에서 혼합시키기 위한 무화된 연료와 적절한 관계를 가져야 한다는 것이다.

종전의 관례에 의하면, 연료-공기 혼합물은 소위 혼합 장치 내에서 형성되기 시작하면, 이어서 발열기(노 또는 이와 동종류의 것)의 연소실 내에서 계속되고 종지된다. 일반적으로, 혼합 장치는 연료가 무화 노즐을 떠나는 직후 연소 공기와 소위 불꽃 호울더(flame holder : 불가무리)의 평면 내에서 혼합되도록 배열된다. 연소 공기는 상당히 높은 속도로 무화 연료의 흐름에 도입되고, 그에 따라 점화기를 통하여 버어너덕트에 연료 소적(小滴)들을 운반하여 준다.

혼합물 형성 과정과 연소 과정은 시간의 관점에서 보면, 어느 정도 순차적으로 일어나지만, 연료-공기 혼합물의 총량을 고려하면, 그 2가지 과정은 횡단면 방향과 분류(奔流) 방향의 양면으로 동시에 발생하고 있다. 따라서, 혼합물 형성과정과 연소과정은 상호 영향을 끼치며, 실질적으로는 연소실의 기하학적 구조와 연소실 내부에서 전개되는 열역학적 관계에 의하여 결정된다.

연료-공기 혼합물의 성질은 대부분 유적의 크기와 무화 노즐로부터 분무시의 분포의 균일성에 좌우되지만, 유사한 크기 및 거의 동일한 특성을 지닌 시판되고 있는 노즐들이 제공하는 유적 크기와 분포의 범위는 분류 횡단면에 걸쳐 극히 상이하다. 이로 인하여, 불충분한 연소가 일어나게 되며, 연소 공기의 유속 증대 또는 연소 공기의 과잉 증대와 같은 대응조치를 필요로 한다. 그러나, 이것은 다량의 배기가스 유동량에 따른 다량의 열손실 현상, 불꽃 바닥과 불꽃심에서의 주변 연료 운무의 형성 현상, 불꽃 호울더(불가무리)의 과냉과 이에 수반되는 실질적인 그을음 현상 및 소음의 증가 현상을 비롯한 이차적인 역효과를 나타낸다.

분포 특성의 광범위한 변동은 특히 기름 배출량이 시간당 2kg 이하인 가압 무화 노즐에서 현저한데, 그 이유는 이들의 구경과 통로가 필연적으로 작기 때문이다. 그러면 노즐의 불확실한 배출 특성은 그을음 현상에 대한 민감성 때문에 더욱 악화된다. 이 용량 범위내에서는, 불만족스러운 기름 운무의 성질은 연소공기 흐름에 의하여 제한된 한계 내에서 보상된다. 그러나, 이러한 임시 조치에 수반하는 분류 횡단면의 허용 가능한 축소와 과잉 공기의 증가에는 기술적이고도 경제적인 한계가 있다. 그럼에도 불구하고, 경험에 의하면, 불꽃 호울더(불가무리)를 갖는 종전의 혼합기에 대하여 양호한 연소성을 부여하기 위하여는 높은 유속의 연소공기에 의존하여 왔다.

따라서, 연소를 개선하기 위한 소위 연소 보조 조치들이 연소 기술 분야에 알려 있다. 그러한 조치의 일환으로서는 내화 세라믹으로 연소실을 전부 또는 일부 내장(라이닝)하는 일, 그리고 불꽃의 전체 또는 일부를 전부 또는 부분적으로 둘러싸는 무스케 일강(scale-free steel)으로 만든 덕트의 설비를 들 수 있다. 기타의 조치로서는 축열 및(또는) 연소의 재순환을 유지하기 위한 세라믹 내장(라이닝)이 되어 있거나 되어 있지 않은 다양한 구조의 버어너 덕트의 길이를 연장시키는 일이다. 이 마지막으로 예기한 임시 조치의 채응에 대한 제약은 버어너 제조업자가 특히 중형, 소형 및 극소형 용량 범위의 축열 교환기 내부의 연소실의 형태에 관하여 구조상의 영향을 끼치지 못한다는 점이다.

그러한 버어너 덕트의 직경은 원칙상 유적들이 그 벽면의 주변이나 종방향의 어느 부위에나 충돌하지 않도록 선정되어야만 불꽃이 가능한한 최대로 신장될 수 있다. 이와같이 함으로써, 비교적 대형의 긴 버어너 덕트가 형성될 수 있으며, 따라서 연소실 내의 침투 깊이가 실질적으로 깊어질 수 있다.

연소 가스의 재순환 조절을 실시하기 위한 조치들은 비교적 고가이며, 모우터 제어식 공기 제동기와 같이 버어너 시동을 돕는 장치를 필요로 한다. 이들은 재순환 촉진에 요구되는 높은 유속의 동작 분사류(噴射流)가 전부하시(全負荷時)의 점화를 방해하는 경향이 있기 때문에 필요한 것이다.

이러한 형식의 대다수의 버어너 장치들은 여러가지 방법에 따른 개념 및 조작이 다른 것으로 알려져 왔다. 그리하여, 가열유 및 디젤유를 기계적인 무화기로 우선 무화시켜 공기로 배소시킨 다음, 공기를 동축선상의 동일 방향의 흐름에 도입한 후 가스 매체를 접선방향으로 더 도입시키는 액체 연료 연소방법이 공개되기에 이르렀다. 이 방법은, 다른 버어너 장치와 마찬가지로, 화학량론적 관계로 실시할 수 없기 때문에, 거의 화학량론적 관계를 유지하도록 불충분한 과량의 연소 공기로 그 장치를 운전하는 경우에는, 그을음이 발생된다. 이 때 생성된 그을음은 연소실 및 그 출구부를 덮게 되고, 또 열전달 용량을 극심하게 악화시킨다.

불필요한 그을음 생성 현상을 회피하려면, 버어너장치는 원칙적으로 연소 가스가 실질적인 양의 산소를 방출하도록(연료는 완전 연소되지만) 극히 과량의 연소 공기를 이용하여 운전하여야 한다. 이러한 방식으로는 최적의 연소 효율을 얻을 수 없다. 더욱이, 경험에 의하면 극히 과량의 공기를 사용하는 것은 화학량론적 연소의 달성을 방해하므로, 그렇게 한다하드라도 그을음 생성 현상이 발생된다.

독일 연방 공화국 특허공개 공고(DE-OS) 제2,511,500호에서는 화학량론적 조건하에서 그리고 화학량론적 조건 이하의 조건에서도, 즉 극히 소량의 연소 공기를 이용하여 그을음을 생성시키는 일이 없이 조작이 가능한 액체 연료 연소 방법이 제시되어 있다. 이들의 목적은 분류의 흐름과 온도의 조정으로 발생된 혼합류의 안정화에 의한 여러 가지 조치와 구조에 의하여 실현되어 온 것으로 일컬어지고 있다. 그러한 조정은 분류 흐름의 팽창에 수반되고 불꽃에서의 또 다른 팽창이 연이어 일어나는 분류 흐름의 감축을 발생시키는 무화대역 및 혼합대역으로부터의 삽입 하향류에 의하여 제공될 수 있다고 주장되어 있다.

이 방법에서는 또한 노즐 구부(口部)에 이어 현저하게 확장된 세라믹제의 확산기, 또는 입구부에 연결되고 무화 노즐의 전방에서 협소되는 일정한 내부 횡단면을 갖는 세라믹제 연소 공기 도관, 그리고 처음에는 넓어졌다가 다음에 좁아지는 횡단면 또는 처음에는 좁아졌다가 다음에 넓어지는 횡단면을 갖는 이중 원추형의 일정한 공기 도입 도관을 설비할 것을 제안하고 있다. 기본 배열을 가진 가능한 거의 모든 형식이 예시 및 설명되어 있기 때문에, 연소기술자, 특히 무화 기술자들을 위해서, 이들이 문제점을 어떤 방법으로 어떤 이유로 해결할 수 있는지의 여부에 관계 없이 이러한 종류의 연소 장치의 전체적인 가능한 분야의 설명이 공개되어 있다.

이러한 설명은 노즐로부터의 하향류인 부분이면서 혼합실을 구성하는 부분은 불꽃을 안정화시키기 위하여 열을 보유하는 것이어야 한다고 지적하고 있으며, 이 목적을 위한 세라믹제 부품들을 명시하고 있다는 사실이 흥미롭다. 그러나, 이 특허 공고의 중요한 가르침은, 본 발명의 관점에서 볼 때, 버어너 덕트의 배열이 연소 공기가 유적 및 보조 매질의 혼합류 내에 혼입되도록 선정되어야 하지만, 어느 경우에도 유적들이 그의 수렴된 벽면상에서 버어너로부터의 하향류에 침강되지 않도록 배열되어야 한다는 것이다.

너비가 좁아지는 벽면 위에 유적들이 침강될 수 없다는 위의 특허 공고의 가르침에 집착하는 한, 그 특허공고에 기재된 버어너 장치를 가지고 행한 시험 결과들은 추정되고 있는 문제점의 해결과는 거리가 먼 것이다.

근본적으로, 공지되어 있는 연소 장치의 각종 예 및 그 조작 방법들은 주로 용량이 시간당 2kg 이상인 것에 관한 것이며, 단속적인 운전 조건하에서 특히 버어너 가동시에는 비교적 대량의 그을음을 형성하는 현상이 없다는 사실로부터 맹백하듯이 불만족스러운 것이다.

본 발명은 액체의 무화 및 액체용 버어너 내에서 일어나는 유동류 조건에 관련된 지식을 고려한 것이며, 또한 기체의 점성은 일반적으로 유지되는 높은 연소 온도에 따라 현저히 상승하며, 이 때 밀도는 온도 상승시 게이-루사크(Gay-Lussac)의 법칙에 따라 감소한다는 사실을 고려한 것이다. 특히, 단속적으로 운전되는 버어너 장치에 있어서의 그을음 형성의 실질적인 경험을 염두에 둘 때, 본 발명은 거의 화학량론적인 탄산 가스(CO₂)의 양에 접근하려는 의도로, 장치의 가동 중지 후 그을음 발생 현상을 찾아볼 수 없고, 또 장치 내에서의 비교적 소량의 기체와 공기 속도로 인하여 소음이 없는 버어너 조작이 가능하고, 또 연소 가스중에 실질적으로 탄화수소 성분이 혼입되지 않는 최소한 1개의 무화기로 구성된 장치 내에서 적은 비율의 혼합물 상태의 액체연료를 연소시킴과 동시에 광범위한 과량의 연소 공기량에 걸쳐 특히 약 2용량% 내지 약 9용량%의 범위에서 유지되는 배출 공기 또는 연소 가스의 산소(O₂)함량에 의하여 이들 필요 조건들을 만족시키기 위한 장치를 제공하고자 함에 그 목적을 두고 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체연료의 연소 장치는, 정면에 액체 연료가 무화(霧化)상태로 유출되는 입구부가 마련된 무화 노즐 및 무화연료와 혼합되어 연소되는 연소 공기를 전방으로 유동시키는 연소 공기 덕트로 구성된 저속 연료 연소에 적합한 액체 연소 장치에 있어서, 상기 무화 노즐과 동축선 상에서 이 무화 노즐의 전방을 향하여 약간 격설되어 있고 무화 연료 전체가 통과하는 중심 통공을 가진 환상 불꽃 호울더와, 연소 대역을 형성하여 무화 노즐에 대하여 동심원 상에서 상기 불꽃 호울더의 전방을 향하여 약간 격설되고 전방으로 수렴된 입구부와 이 입구부의 전방을 허하여 확개되고 무화 연료의 약 20% 내지 약 40%가 표면에 충돌할 수 있도록 무화 노즐 전방으로 분기되어 일정 거리에 위치하는 확개부를 가지며, 연소대역에서의 연소에 의하여 상기 표면에 충돌하는 무화 액적의 증발 온도로 신속히 가열할 수 있도록 용이하게 열을 전달하는 재료로 구성되고, 절연된 연소 공기덕트로 지지되는 연료 증발기 삽입체와, 이 연료 증발기 삽입체의 입구부에 연결되어 있고 불꽃 호울더의 주연부와 공동으로 환상 통로를 형성하도록 불꽃 호울더와 반경 방향으로 격리되어 불꽃 호울더를 동심원 상에서 둘러싸고 있으며, 연료 증발기 삽입체의 입구부에 연소 공기를 강제 도입시켜 그 일부 공기는 불꽃 호울더의 중심 통공으로, 나머지는 상기 환상 통로로 유통되게 하는 부분을 가진 연소 공기 덕트로 구성된 것을 특징으로 하는 것으로, 이 장치에 의하면 운전 정지 후 버어너 장치의 모든 부품들에 그을음의 발생이 없고 연소 가스 중의 산소(O₂)함량이 10.1중량% 이하로 된다.

본 발명을 실시하기 위한 버어너 장치는 분류 흐름의 방향으로 분기(分岐)되며 연료 기화기로 작용하는 열적으로 절연된 덕트형 열전도체로 구성된 것이 특징이다.

독일연방공화국 특허 공개 공고(DE-OS) 제2,511,500호에서 명백히 가르쳐주고 있는 바와같이, 혼합물 안내벽면 상에서의 무화 연료의 부착을 저지하기 위한 일반적 방법과는 달리, 본 발명에서는 액체 입자가 벽면에 접촉하는 것을 실질적으로 예방할 수는 없다는 점에 착안하여, 그러한 접촉을 조장함으로써, 연료입자를 즉각적으로 증발시키는 효과를 얻게 된 것이다. 이를 위해서는, 자동적인 열증발기 역할을 하며 따라서 외부 에너지의 도입 없이, 즉 불꽃 자체에서 생기는 증발 에너지를 사용하여 가동시에 동작할 수 있는 열적으로 절연된 열전도체가 필요하다.

이하, 첨부 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 설명하고자 한다.

본 발명의 연소장치(1)은 액체 연료를 소적의 중공원추(6)의 형태로 분출하는 와류 무화 노즐(4)가 그 전단에 장착된 노즐 스톡(3)으로 구성되어 있다.

노즐 스톡(3) 주위를 동축선 상에서 둘러싸고 노즐 출구(4) 앞쪽으로 약간 신장되어 있는 것은 모든 연소공기가 관통하여 흐르는 버어너 덕트(8)이다. 버어너 덕트(8)의 하향류 단부에 동축선 상에서 연결된 것은 갑자기 수렴되는 입구부(12)와 점차적으로 확대되는 최종 확개부(13)이 구비된 증발기 삽입체(10)이다. 입구부(12) 및 확개부(13)의 양자에 모두 있는 증발기 삽입체(10)의 환●벽에는 통공(15)들이 뚫려 있다.

증발기 삽입체(10)은 구조적인 관점에서 볼 때, 연소 공기 덕트(8)의 전방 연장 부분으로 구성되는 지지덕트(16)에 의해 둘러 싸여 있다. 증발기 삽입체(10)는 기계적으로 연소 공기 덕트(8)의 전방, 그리고 지지덕트(16)의 내면에 연결되어 있어서 덕트(8)과 (16)에 의해 지지되지만, 덕트(8)과 (16)에 연결되어 있는 열절연 링(18)과 (19)에 의해 그들과 열적으로 분리되고 격리되어 있다. 그러므로, 증발기 삽입체(10)에 도입된 열에너지는 그곳에서 연소 공기 덕트(8)이나 지지 덕트(16)을 통하여 흘러나갈 수 없다. 전체 길이를 따라 직경이 균일한 지지 덕트(16)은 증발기 삽입체(16)과 함께 환상 챔버(21)을 형성한다.

와류 노즐(4) 직후의 하방에는 구멍 뚫린 지지부(23)를 가지며 다른 관점에서는 일반품과 동일한 불꽃호울더(22)가 있다. 연소 공기 덕트()을 통하여 흐르는 연소 공기의 일부가, 역시 무화 연료도 통과하는 불꽃호울더(22)의 구멍 뚫린 기저부를 통하여 연료 소적의 원추형 운무(6)에 유입된다. 연소 공기의 나머지 부분은 불꽃 호울더(22) 주위에서 흐르고 따라서, 안으로는 불꽃 호울더(22)에 접하고 밖으로는 연소 공기 덕트(8)의 전단부 및 증발기 삽입체(10)의 후단부에 접하는 환상의 공기 통로(25)를 통하여 흐른다. 그러나, 환상의 공기 통로(25)를 통과하는 연소 공기의 일부분만이 충발기 삽입체(10) 내부에 잔류하며 확개부(13)에 직접 흘러들어 간다. 충발기 삽입체(10)의 수렴부에 있는 통공(15)를 통과하는 공기 부분은 환상 챔버(21)에 유입된 다음 확개부(13)에 있는 통공(15)를 통하여 다시 그 화산부로 도입된다.

제1도는 외측 표면 경계(28) 및 내측 표면 경계(30)과 더불어 불꽃심을 간명하게 나타낸 것이다. 불꽃(32)는 다소 불꽃심(26)의 연장 형식으로 나타낸 것이다.

버어너 장치(1)이 가동될 경우, 연소 공기는 일반적으로 행해지는 바와 같이 저압 송풍기(도시하지 않았음)로부터 연소 공기 덕트(8)를 통하여 송출되며, 보통의 점화 장치(도시하지 않았음)는 불꽃심(26)이 형성된도록 와류 노즐(4)로부터 분출되는 무화연료를 가열하여 연소 공기로 무화 연료를 점화시키는 작용을 한다. 노즐(4)로부터 분출되는 직경이 큰 연료 유적은 인력(引力)이 적기 때문에, 주로 불꽃심(26) 표면의 외측의 반경 방향 경계 근방으로 집중되려는 경향이 있고, 따라서 증발기 삽입체(10)에 충돌하기 쉽다. 증발기 삽입체는 불꽃에 의해 대단히 급속히 가열되고 그 열 유출은 절연 링(18)과 (19)뿐만 아니라, 주위의 환상 챔(21)에 의한 열절연에 의하여 저지되므로, 증발기 삽입체(10)에 접촉하는 소적은 접촉 즉시 거의 증발된다.

그 흐름 방향으로 측정한 증발기 삽입체(10)의 길이 H는 원추상 소적(6)내의 방사상 내부 유적이 접촉할수 있는 길이다. 그러나, 일반적으로 이들 소적들은 불꽃심 내에서 최소의 소적으로 되려는 경향이 있고, 따라서, 그 소적들이 증발기 삽입체의 표면에 닿기 휠씬 전에 연소●기 때문에, 그와 같이 되지는 않는다.

연속적인 연소에 필요한 산소는 환상 챔버(21)로부터 증발기 삽입체의 확개부(13)에 유입되는 연소 공기에 의해 공급되며, 그 결과 실질적으로 도면에 도시한 형태를 갖는 불꽃(32)가 형성된다.

이 장치를 사용하면, 다른 버어너 장치를 사용하는 경우와 마찬가지로, 가동 정지 후 어떠한 부분, 특히 증발기 삽입체(10)이 아닌 부분에 그을음이 흔적이 없어 진다는 사실이 중요하다. 노즐(4)의 출구로부터 연료 소적이 증발기 삽입체와 접촉할 수 있는 가장 가까운 위치까지의 직선 거리 h(즉, 연료 불꽃심(26)의 외측 표면을 따라서 측정한 거리)가 확산부 길이 H와 동일하도록 증발기 삽입체가 설계된다. 도시된 예의 경우에는, 이 관계는 H : h

2 : 1이다. 대응하는 횡단면의 표면 F와 f는(제1도) F : f

2 : 1의 관계를 유지한다. H : h

1의 관계도 역시 가능하다.

증발기 삽입체(10)의 전술한 열분리 때문에 증발기 삽입체와 접촉하는 연료 소적의 증발시에 제거된는 것이외의 열손실은 실질적으로 없다. 그러므로, 증발기 삽입체는 대단히 급속히 가열하고 고온을 유지하므로, 버어너의 시동 개시와 연료의 집중적인 증발이 일어나게 된다.

증발기 삽입체(10)은 노즐(4)와 가장 근접해 있으며, 다량의 연료가 충돌되는 부분은 두껍기 때문에, 전단부 보다 큰 보열 능력을 갖는다.

증발기 삽입체(10)의 재질로서는 주로 질화실리콘이 채택되며 티탄산알루미늄과 유리도 또한 적절한 것으로 고려된다. 바람직한 재질은 증발기 삽입체 표면에서 발생하기 쉬운 모세관 현상 때문에, 가습성을 개선하기 위하여 약간 다공질의 재질이 바람직하다. 그러한 모세관 현상 때문에, 증발기 삽입체의 뜨거운 표면위에 낙하하는 액적들은, 라이덴프로스트(Leidenfrost)현상의 결과처럼, 재차 뛰어올라 증기로 피복된 소구체의 형태로 연소실 투입되는 대신 완전한 증발이 일어나리라는 확신이 서세 된다. 제2도에 설명된 버어너 장치(35)는 근본적으로는 제1도의 것과 같지만, 그의 증발기 삽입체(37)이 내부단(38)과 외부단(39)를 제공하기 위해 전방으로 내경이 단계적으로 증가되는 내측면과 외측면을 가진 확개부라는 특징이 있다. 또한, 외측 밀봉 플랜지(41)도 도시되어 있다. 제1도의 증발기 삽입체의 구성과 비교해볼 때 계단식 확산부단면벽은 증발을 위한 다수의 유효 표면적을 제공하는 동시에 혼합물을 개선하기 위한 와류 형성을 조장해준다.

제3도와 제4도는 제1도에 도시한 것과 일반적으로 같은 증발기 삽입체(10)을 나타내고 있으나, 이 증발기 삽입체는 주위를 둘러싸고 있는 지지 덕트(16)에 의해서 모두 반경 방향으로 고정되어 있고, 또 덕트(8) 및 (16)과의 절연 접속에 의해서 서로 축방향 이동이 제한된 4개의 동일한 부채꼴 모양의 부품(43-46)으로 구성되어 있다. 통공(15)들의 개략적인 분포 상황도 도시되어 있다.

제5도와 제6도에 설명한 버어너 장치(50)은 앞쪽이 축소되는 입구부(51)과, 앞쪽으로 확대되는 후단부가 있으나, 그 길이의 대부분이 균일한 직경을 갖는 부분으로 된 확개부(52)로 구성된 증발기 삽입체(57)을 가진다. 그러나, 확산기의 균일 직경 부분은, 제6도에 도시된 바와 같이, 내면이 종방향으로 신장된 돌출면(54)와 요홈부를 갖는데, 이들은 톱니형 또는 돌기형 윤곽을 형성한다. 물론, 돌출면(54)을 형성한 목적은 동일한 증발기의 직경을 유지하면서 실질적인 내벽면을 증가시키기 위한 것이다.

제7도와 제8도는 또 다른 가능한 증발기 삽입체(57)의 변형된 예를 나타낸 것으로서, 제1도의 증발기 삽입체(10)과 대체로 유사한 것이지만, 제5도와 제6도에서와 같이 유효 표면적을 증가시키기 위해 그 확산기단면에 종방향으로 신장된 리브(58)를 형성하고 있다. 이 경우, 상기 리브(58)은 제8도의 (58)과 같이 톱니모양이거나, 제8도의 (59)와 같은 둥근 요홈 모양으로 형성될 수 있다.

제9도와 제10도에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서는, 증발기 삽입체(62)는 그 전방에 측면벽과 연결해주고 측방향이 오히려 짧은 리브(63)에 의해 지지되는, 횡방향으로 연장된 누름판(64)를 갖추고 있다. 이 누름판(64)는 불꽃의 길이를 단축시키는 역할을 한다. 다른 관점에서 볼 때, 본 실시예는 앞에서 들었던 실시예들과 구조나 운전 조작면에서 유사하다.

제11도는 버어너 덕트(70)의 일부, 불꽃심(72)가 있는 불꽃 호울더 및 불꽃 바닥(75)을 가진 불꽃 본체부(74)를 도시하고 있다. 가장자리 와류(77)은 불꽃 바닥(75)의 영역에 나타나 있다. 정상 운전하에서는, 전술한 도시에 따른 버어너 장치로부터 지각적으로 상기 도면에 도시한 것과 유사한 불꽃이 발생된다.

제12도는, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 버어너 장치의 실험 곡선을 도시한 것이다. 이 곡선은 증발기 삽입체를 구비하고 운전되는 버어너 장치와 구비하지 않은채 운전되는 버어너 장치에서 비교 측정하여 작성되다. 증발기가 없는 운전의 작동 범위, 제Ⅰ로 표시되며 증발기가 있는 운전의 작동 범위는 Ⅱ로 나타내고 있다. 이 실험 결과로부터, 본 발명의 증발기 삽입체를 사용하면, 연도 가스 내의 과잉 산소 함량이 2용량% 내지 9용량% 미만의 범위일 때 그을음 발생이 전혀 없는 운전이 달성되며, 이 과잉 산소 범위를 통하여 배기 가스에도 역시 탄화수소가 존재하지 않게 된다는 사실을 알 수 있다. 반대로, 증발기가 없는 운전을 위해서는, 이들 조건들은 과잉 산소 함량이 6%일 때에만 달성되고, 정상 운전 범위에서는 항상 최소한 소량의 그을음이 재생된다. 증발기 삽입체가 없는 정상 이하 범위의 운전에서는 그을음 발생량이 대단히 급속하게 증가되며, 정상 이상 범위에서는 연소 가스 내의 탄화수소 량함이 증가한다.

이 결과는, 연소 효율의 달성과 유해한 연도 가스로부터의 환경보호에 대한 본 발명의 증발기 삽입체의 중대한 잇점과 효과를 입증해 주는 것이다.

증발기 삽입체의 표면에 닿는 연료의 비율은 전체의 20중량% 이상, 40중량% 이하이어야 한다. 상한치에서는, 저온 시동시에 과다한 연소가 과잉 공기로는 진행되지 않으며, 연도 가스 내에 탄화수소의 검출이 발생된다는 것이 확인되었다.

원래, 분무액 경계 부근에 있는 직경이 큰 소적들은 이들의 비교적 높은 운동 에너지로 인하여 공기류 또는 가스류를 파괴하여 증발기 벽면에 충돌한다. 통상의 혼합 장치를 사용하면, 소적들은 불꽃심 또는 불꽃바닥에서 연료의 가장자리 운무 대역에 원인이 있다(제11도 참조).

직경이 작은 소적들은 불꽃 호울더로부터 직접 하향하는 공기와 혼합되며, 이들 소적이 증발기를 통과할 때 산소와 반응하여 연소된다. 그러므로, 방출된 열에너지는 일부는 복사로, 일부는 대류로 증발기에 전열되어 증발기 벽을 500℃ 이상까지가 열시키게 된다.

불꽃 호울더에는 버어너 시동 직후 보통 광전 불꽃 모니터의 노출에 충분한 광휘를 발하는 밝은 불꽃심이 있다.

불꽃의 안정성은 가능한 최대의 공기 충격류에 의해 보장된다. 이것을 위해서 종전의 장치와 달리, 전체 연소 공기는 처음에 혼합 평면 A-A를 통하여 유도된다.

잔사를 남기는 일이 없이 증발기의 연료를 증발시키기 위해서는, 증발기 벽면의 온도가 충분히 고온이어야 할 필요만은 없으나, 충발기 벽면 근처의 산소의 농도는 적절하여야 한다. 본 발명에 있어서, 적절한 산소 공급은 충발기 삽입체, 특히 충발기 삽입체의 전방 수렴부와 불꽃 호측더의 협동 작용에 의해서, 그리고, 충발기 주위의 환상 챔버로부터 충발기 삽입체의 확산부 내부에 대하여 반경 방향으로 연소 공기를 되돌려 보냄으로써 보장된다. 이 공기 유동 형식 때문에, 공기 연료 충기와 잘 혼합된다.

압도적으로, 공기와 혼합한 충발된 연료는 연료의 저비점 분획을 형성하므로, 공기의 산소 성분은 충발기 삽입체 표면 위의 고비점 연료 분획과 반응한다 .연구 결과, 벽재료의 미세공 내부의 수 mm까지 침투했던 연료 성분도 역시 충발하든가 또는 산소화 반응한다는 것이 밝혀졌다. 이러한 관찰은 다공성 고체 연료의 세공 내 산소 확산에 의해 설명이 가능하다.

예를 들면, 양호하게 유도된 연소에서 1kg/hr. 이상의 연료 효율을 위한 공기 충격류가 0.2m.kg/S²일때, 13용량%의 CO₂함량을 가진 연도 가스내에 그을음의 발생 흔적은 관찰되지 않았다. 공기 충격류 생성량이

0.2m.kg/S²일 때, 자유기류(自由氣流) 횡단 면적의 크기는

10^-4m²로 표시된다. 이 횡단 면적은 통상의 불꽃 호울더의 중앙 개구부의 이용 가능한 횡단 면적보다 실질적으로 작다.

d_min=16mm→Smin=2.10^-4m²

불꽃 호울더 주변 및 불꽃 호울더를 통과하는 유동류 용으로, 또한 기류 유동 방향으로 불꽃 호울더 전방에 위치한 불꽃 모니터 광전기의 노출 확보용으로 추가로 이용 가능한 유동류 횡단 면적 때문에, 유효 공기 충격류는 0.2m.kg/S²보다 상당히 낮은 2kg/hr. 이하의 범위에 있게 되는데, 특히 이 범위 내에서의 불확실한 연소값을 설명하는 것이다.

이러한 점들을 고려할 때, 목적 용량이 작으면 관통류 횡단 면적들이 너무 작아지게 되므로, 운전에 불규칙성이 발생한다는 사실을 알 수 있다. 따라서, 이들 횡단 면적은 보다 커지도록 배치되어야 하는데, 그러나 그렇게 되면, 대용량일 때 보다도 상이한 운전 조건을 발생하게 되고, 따라서 증발기 삽입체를 최적 조건으로 하게 되면, 버어너 가동 개시후 가능한 최단시간 내에 온도가 연료의 비점(연료 가열용 EL＞300℃)이상으로 된다는 추측이 보장된다.

증발기 삽입체의 가열 공정은, 그 양이 비교적 적으므로, 1차적인 근사치로서 제1차 미분 방정식으로 쓸수 있는데, 그에 대한 해답은 다음의 미분 방정식으로 주어진다.

Iw=I_l-(I_ι-I₀)e^t/τ-θ(1-e^t/τ) I₀=가동개시 때의 벽면 온도

여기서 Iw=시간-종속벽면 온도 θ=연료 증발에 의한 온도저하

I_ι=증발기 출구에서의 가스 온도 τ=시간 정수

일반적으로, 운전 조건에 의해 온도가 정해지므로, 여기서 시간 상수의 영향이 고려되어 있다.

시간 상수는 다음과 같이 주어진다(에스 엑겔트, 벨에르트).

여기서, 증발기 내의 모든 가능한 리브(rib)들은 값으로 고려되어 있으며, 각 기호의 정의는 아래와 같다.

c=비열 용량 u=증발기 삽입체(열전도체)의 유효 원주

ρ=밀도 ι=삽입체의 유효 길이

λ=열 전도도 Qv=증발 용량

α=열 전달 계수(불꽃심)

ΔIK=t=o 후의 온도차(I_ι-I_k)

I_k=최고의 연료-질량 유동밀도를 갖는 위치에서의 벽면 온도

s=증발기 삽입체의 횡단면 표면적

주어진 값대로 Qv를 설정하면, 시간 상수는 유효 원주 u의 선택과 열전달 계수 α의 영향에 의하여 현저하게 최소화 된다.

재료의 선택은 강도, 부식 및 조립을 고려하여 제한한다. 전술한 3가지 재료(질화실리카, 티탄산알루미)늄, 유리) 중에서 질화실리카가 비교가 안 될 정도로 제일 적합하다. 그 열특성 외에, 그 재료는 기대 이상으로 압출, 인발 및 주조 작업에 의한 작업이 가능하므로, 최적의 설계가 가능하게 된다.

증발기 삽입체의 가열에 요하는 시간을 극소화하기 위해서는, 그 내측 유효 원주 u에 리브나 유사한 윤곽을 형성함으로써 증가시킬 수 있다. 가열 시간을 단축하는 다른 대책에는 기본 길이를 유지하며 유효 길이ι을 증가시키기 위하여 증발기의 표면을 계단지게 형성하는 방법도 포함된다. 그러한 계단을 만드는 것은 경계층 내의 유동을 분리시켜 열전달 계수 α를 증가시키는 또 다른 잇점을 가지고 있다.

그러므로, 소규모의 기술 비용으로 또 책정된 연소원리, 특히 기름의 원소 원리를 이용하면, 유압 분무에 의한 연소의 양부(良否)는 이외로 기름 운무의 성질 및 연소실의 구조와 열역학적 조건에 관계 없게 된다. 더욱이, 불꽃 호울더와 같은 기능적으로 중요한 부품에 그을음이 생기지 않는다. 양질의 연소상태는 통상의 광전 불꽃 모니터 채용 능력이 있고, 유압이 7바아 이하이며, 용량 범위가 2kg/hr. 이하의 범위일 때 얻어진다. 또한 운전을 단속시키는 요건들은 간단한 조치로 예방된다.

전술한 본 발명의 실시예에 의하면, 연소용 연료의 추가적인 준비로서 연료를 잔류분 없이 기화 및 산화시키는 일은 정지된 고온 표면의 상부로 흐르는 산화 매질로 상기 고온 표면 크기가 큰 유적들을 증발시킴으로써 보장된다.

버어너 가동 개시 직후 생성되어 지속되는 안정한 불꽃심과 불꽃 전체를 잘 유지하면, 충발기 표면을 가열하는 데 요하는 열량 뿐만 아니라, 통상의 광전 불꽃 모니터의 노출에 필요한 빛이 확보된다.

불꽃 호울더를 가진 혼합기(장치)의 혼합 평면을 통하여 모든 연소 공기를 도입하면, 거기에 최대의 공기충격류가 생성되고, 이것을 이용함으로써 공기는 이 공기가 그 혼합 평면을 통과하여 다시 충발기에 도입될때까지 개별적인 유동류로 나누어지지 않게 된다.

충발기 삽입체를 그의 지지 요소들로부터 절연시킴으로써, 충발기로부터의 과량 ˙ 열량 전도가 예방된다. 층발기 삽입체에 있어서, 최대의 연료 질량 흐름 밀도를 가진 증발기 표면에서의 적절한 증발열은 다음의 식에 따른 가장 적합한 기하하적 및 열역학적 설계에 의하여 확보된다.

1. 가열 공정을 설명하는 최소의 시간 상수

2. 축방향의 최대 열유도량

Qv=m.λ.S.tan h (m.ι) I_k[W]

Claims (1)

1. 정면에 액체 연료가 무화(霧化)상태로 유출되는 입구부가 마련된 무화 노즐 및 무화 연료와 혼합되어 연소되는 연소 공기를 전방으로 유동시키는 연소 공기 덕트로 구성된 저속 연료 연소에 적합한 액체 연료 연소장치에 있어서, 상기 무화 노즐(4)의 동축선 상에서 이 무화 노즐의 전방을 향하여 약간 격설되어 있고 무화 연료 전체가 통과하는 중심 통공(15)을 가진 환상 불꽃 호울더(22)와

   연소 대역을 형성하며 무화 노즐에 대하여 동심원 상에서 불꽃 호울더의 전방을 향하여 약간 격설되고 전방으로 수렴된 입구부(12)와 이 입구부의 전방을 향하여 확개되고 무화 연료의 약 20% 내지 약 40%가 표면에 충돌할 수 있도록 무화 노즐 전방으로 분기되어 일정 거리에 위치하는 확개부(13)를 가지며, 연소 대역에서의 연소에 의하여 상기 표면에 충돌하는 무화 액적의 증발 온도로 신속히 가열할 수 있도록 용이하게 열을 전달하는 재료로 구성되고 절연된 지지 덕트로 지지되는 연료 증발기 삽입체(10)과, 상기 연료 증발기 삽입체의 입구부에 연결되어 있고 불꽃 호울더의 주연부와 공동으로 환상 통로(25)를 형성하도록 불꽃 호울더와 반경 방향으로 격리되어 불꽃 호울더를 동심원 상에서 들러싸고 있으며, 연료 증발기 삽입체의 입구부에 연소 공기를 강제 도입시켜 그 일부 공기는 불꽃 호울더의 중심 통공(15)로, 나머지는 상기 환상 통로(25)로 유통되도록 형성한 연소 공기 덕트(8)로 구성된 것이 특징인 액체 연료 연소 장치.

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