KR20170085751A - 노즐 분무 액적의 전기 저항 발열체 및 이를 이용한 다단 다공판부 가열에 의한 액상연료 무화 혼합 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전통적인 압력 노즐에서 발생하는 분무상태의 액적을 가열장치를 통과시킴으로써 초미립화된 액적이나 기상상태로 상변화를 시키며 이 과정에서 공기와 연료의 예혼합을 달성하여 기상연료와 같은 고효율 저 NOx 배출이 가능한 푸른 불꽃의 화염을 만드는 노즐 분무 액적의 전기 저항 발열체 및 이를 이용한 다단 다공판부 가열에 의한 액상연료 무화 혼합 장치에 관한 것이다.
본 발명은 케이싱부(100), 전기저항발열체(10), 공기주입구멍(20), 노즐(30), 다공판부(40)를 포함하여 구성된 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 다공판부(40)는 다수의 다공판부로 구성된 다중 다공판부인 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기한 케이싱부(100)는 연료가 주입되는 부분인 전면부(101), 화염이 방사되는 화염방사부(110)와 연결되는 후반부(102)를 포함한 원통형 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

Description

노즐 분무 액적의 전기 저항 발열체 및 이를 이용한 다단 다공판부 가열에 의한 액상연료 무화 혼합 장치{an eletric heating element for nozzled spray droplet and the liquid fuel spraying and mixing device uisng both multistage-perforated heating plate and an eletric heating element}

본 발명은 전통적인 압력 노즐에서 발생하는 분무 상태의 액적을 가열장치를 통과시킴으로써 초미립화된 액적이나 기상상태로 상변화를 매우 효율적으로 시킴을 목적으로 한다. 본 발명의 가열장치는 기존의 압력노즐을 통과하기전에 가열방법과는 차별화된다. 이과정에서 공기와 연료의 완벽한 예혼합을 달성하여 기상연료와 같은 고효율 저 NOx 배출이 가능한 푸른 불꽃의 화염을 만드는 노즐 분무 액적의 전기 저항 발열체 및 이를 이용한 다단 다공판부 가열에 의한 액상연료 무화 혼합 장치에 관한 것이다.

통상적으로 경유나 중유를 사용하는 액상 연료의 버너나 노즐은 연료의 점성이 높기 때문에 효율적인 무화(atomization)를 위하여 일차적으로 일정 온도로 가열하여 연료의 유동성을 증가시킨 후 높은 압력을 노즐에 가하여 미세 입자로 분사시킨다. 이렇게 형성된 미세 액적은 대개 다량의 잉여공기를 사용한 난류혼합 과정을 통하여 연소가 일어난다. 이 경우 중유는 (60~100) ℃ 온도 영역에서 (10~14) cSt 점도를 가진 상태에서 (20~25) Bar 의 압력으로 분사하여 미세 액적을 만들며, 경유는 20 ℃ 상온에서 점도가 (3~12) cSt 이어서 중유에 비하여 사전 가열의 필요성이 적다.

지난 100여 년 동안 국내외적으로 액상연료를 사용하는 보일러에서 효율 향상과 공해물질 배출 저감에 대한 총체적인 연구가 수행되고 있음에도 불구하고, 효율 향상과 공해물질 배출저감이라는 두 가지 목적을 동시에 달성할 수 없는 바탕에는 보일러에서 발생하는 이상(two-phase) 난류 반응의 복잡다단한 현상에 대한 적절한 대처가 이루어지지 못하고 있기 때문으로 사료된다. 구체적으로는 비록 압력노즐에 의하여 액상 연료가 작은 입자로 미립화가 되었다고는 하나, 여전히 작은 비표면적으로 인하여 산화제 공기와의 효율적인 접촉이 이루어지지 않기 때문에 다량의 잉여공기에 의한 산화가 요구된다. 또한 이러한 과정에서 비 균질 혼합 상태에 의해 발생하는 국부고온이나 연료과잉 상태는 전반적인 효율의 저감과 함께 공해물질의 발생이라는 결과로 나타난다.

이에 대한 아주 가시적인 예의 하나가 보일러의 연소의 문제는 아니지마는 디젤엔진에서 나타난다. 보일러의 연소에서는 디젤엔진에서의 연료와 공기의 불균형한 혼합 현상이 어느 정도 완화되어 나타난 것이므로 보다 명확하게 불균형한 현상이 나타나는 디젤엔진의 경우를 예로 제시하는 것이 이해에 도움을 줄 것으로 보여 진다. 액상연료의 보일러 연소와 마찬가지로 디젤 엔진에서 디젤 연료와 공기와의 혼합 불균형에 따른 문제는 불완전 연소 현상과 다량의 NOx 배출 현상이다. 즉 디젤 엔진은 공기를 최대한으로 압축한 후 압축된 공기에다가 디젤 연료를 분무시켜 자동 점화시키는 방법을 사용한다. 이 경우 디젤 연료가 압축상태의 공기 속으로 짧은 시간에 확산되는 형태이므로 국부적으로는 연료과잉 영역과 공기과잉 영역으로 나누어진다. 연료과잉 영역에서는 불완전 연소가 발생하나 공기 과잉영역에서는 높은 온도와 함께 다량의 공기가 존재하므로 Thermal NOx 의 발생 가능성이 높아진다. 이 결과 디젤엔진이 압축비가 높아 연비는 가솔린 엔진보다 높으나 공해물질인 불완전 연소물질과 함께 질소산화물인 NOx 의 발생량이 많아진다. 이러한 액적과 공기와의 혼합 불균형 현상은 경질유나 중질유 액적을 연료로 사용하는 보일러에서도 정도의 차이는 있으나 동일하게 나타날 가능성이 높다.

일반적으로 액적 연소에 필요한 시간은 직경의 제곱에 따라 감소한다는 “d-square” 법칙을 따르기에, 액적의 미립화는 효율 향상과 미연탄소나 일산화탄소(CO)와 같은 공해 물질 저감 차원에서 반드시 해결하여야 할 필수적인 기술이다.

경유나 중유와 같은 액상의 연료가 공기와 혼합하여 효과적으로 연소하기 위해서는 이상-난류반응(two-phase turbulent reaction) 과정에서 발생하는 3단계 과정을 거쳐야 한다. 즉 첫째로 연료의 분산에 따른 미립화와 증기화(droplet atomization and vaporization) 과정이고, 두 번째는 기화한 연료가 난류 혼합에 의하여 공기와 같은 산화제와 섞이는 과정이다. 셋째로 혼합한 연료가 공기 중의 산소와 반응하는 화학적 반응속도(chemical kinetic rate)에 의존하는 과정이라 할 수 있다. 이러한 일련의 과정에서 전체 반응속도는 각각 과정의 조화평균형태의 현상학적인 경험식으로 주어진다.

위 식에서 RR1, RR2, RR3는 각각 앞에서 언급한 3개의 세부과정의 진행속도를 표시하는 것으로서 RR1은 연료의 무화와 기화과정이 일어나는 속도, RR2는 연료와 공기의 난류에 의한 혼합속도, 그리고 마지막으로 RR3는 기체 상태로 잘 혼합된 상태(well-premixed state)에서 연료와 공기가 화학적으로 반응하는 속도를 각각 의미한다. 일반적으로 액상 연료의 난류연소에서 화학적 반응속도(RR3)는 무화와 기화속도(RR1)나 난류혼합속도(RR2)에 비하여 매우 빠르다. 그렇기 때문에 전체 반응에서 RR3의 과정은 그 속도가 빠르기 때문에(RR3 ~ ∞) RR3 의 역수로 주어지는 식(1)에서의 1/RR3 항은 일반적으로 무시된다. 이 경우 전체 연소의 진행속도는 아래와 같이 표시된다.

(2)

특히 제 일단계인 연료의 무화와 기화과정(RR1)은 가솔린에 비하여 휘발도가 낮거나 점성이 높은 경유나 중유와 같은 연료의 경우는 시간이 소요되는 과정이다. 그러므로 이 과정은 전체 반응속도를 낮추어 효율 하락에 결정적인 역할을 하는 율속반응 단계가 된다. 그러므로 본 특허에서 설명한 기술은 이 과정, 즉 미립화와 유증기화 과정에 소요되는 시간(RR1)과 공기와 연료의 혼합시간(RR2)을 단축하는데 초점이 맞추어져 있다.

실제로 대표적인 오일 버너의 경우 100 psi(산업체 표준 작동 압력) 압력으로 1 gallon의 오일을 무화시킬 경우 550억 개의 작은 입자로 붕괴되며 이 때 입자의 크기는 0.002~0.010 inch(0.05mm ~ 0.25mm) 영역에 존재하며 이 때 액적이 가지는 표면적은 690,000 square inch (445m2)로 크게 증가한다.(“ A total look at oil burner nozzles”, www.delavaninc.com/pdf/total_look.pdf )

그러나 높은 압력에 의하여 액상 연료가 미세한 0.002~0.010 inch 직경의 액적으로 붕괴 되었다 하더라도 기상 연료의 연소 속도에 비하여 액적의 기화와 난류혼합 등에 의한 연소 지연현상이 여전히 발생하는 상태이다. 그러므로 효율 향상의 차원에서는 더욱 작은 액적이나 기상상태로의 상변화가 절대적으로 요구된다. 이에 대한 반증으로서 기름 보일러 열효율 향상을 위해 버너에 대한 연구가 지속적으로 이루어지는 것을 들 수 있다.

[선행기술]

1. 등록실용신안공보(20-0420829) : 연료무화장치

2. 공개특허공보(10-2010-0113316) : 액체연료 무화노즐을 사용한 연소장치

3. Patent US 2010/0248173 combustion apparatus

4. Patent US # 4,280.806( July 28,1981)-Prevaporizing oil burner and method.

5. Patent No 2,964,101

6. Patent No 1,968,360

7. Patent No 2,069,960

8. Patent No 1.049,382

본 발명의 목적은 전통적인 경질유나 중질유 압력 노즐에서 발생한 무화 액적을 연소로로 공급하기 이전에 재가열하여 효과적으로 기존의 액적보다 초미립화 된 상태 또는 증기화된 상태의 기상 연료와 유사한 상태의 연료를 만들면서 동시에 공기와 연료를 잘 예혼합(premixing) 시킴으로써 최소의 잉여 공기로 고효율/저공해 연소를 달성하는 노즐 분무 액적의 전기 저항 발열체 및 이를 이용한 다단 다공판부 가열에 의한 액상연료 무화 혼합 장치 를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여,

케이싱부(100), 전기저항발열체(10), 공기주입구멍(20), 노즐(30), 다공판부(40)를 포함하여 구성된 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 다공판부(40)는 다수의 다공판부로 구성된 다중 다공판부인 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상기한 케이싱부(100)는 연료가 주입되는 부분인 전면부(101), 화염이 방사되는 화염방사부(110)와 연결되는 후반부(102)를 포함한 원통형 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 다공판부(10)는 판형 본체(41)에 구멍(41)이 형성되어 있어서 미립화된 연료 액적을 통과시키면서 공기와 혼합하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 전기저항발열체(10)는 케이싱부의 원 주변에 일정한 간격으로 일정한 길이로 설치하여 배치되는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 액상연료 무화 혼합 장치는 전통적인 경질유나 중질유 압력 노즐에서 발생한 무화 액적을 연소로로 공급하기 이전에 재가열하여 효과적으로 기존의 액적보다 초미립화 된 상태 또는 증기화된 상태의 기상 연료와 유사한 상태의 연료를 만들면서 동시에 공기와 연료를 잘 예혼합(premixing) 시킴으로써 최소의 잉여 공기로 고효율/저공해 연소를 달성하게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 액상연료 무화 혼합 장치는 압력노즐에서 발생하는 액적을 효과적으로 재가열함으로써 초미립액적이나 증기화 된 상태의 연료로 만들게 됨에 따라 잉여공기 사용을 최소화한, 즉 100 % 이론공기에 근접한 공기에 의한 연소가 가능하게 됨으로써 배기가스로 배출되는 에너지 낭비를 최소화하여 효율향상과 함께 미연탄소나 질소산화물과 같은 공해물질 배출에 긍정적인 효과가 나타난다.

도 1은 본 발명에 따른 액상연료 무화 혼합 장치의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 액상연료 무화 혼합 장치에서 다중 다공판부로 구성된 것을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 액상연료 무화 혼합 장치의 전기저항발열체의 전기적인 저항에 의해 발생한 초미세 증기상태의 분무양상을 보여주는 사진.
도 4는 본 발명의 무화 장치에 의한 연소의 푸른색의 불꽃을 보여주는 사진.
도 5는 일반적인 보일러로서 가열 과정을 거치지 않은 단순한 압력노즐에 의하여 발생한 주홍색 화염을 보여주는 사진.
도 6은 일반적인 중유 연소에서 만들어진 검붉은 화염을 보여주는 사진.

이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 케이싱부(100), 전기저항발열체(10), 공기주입구멍(20), 노즐(30), 다공판부(40)를 포함하여 구성된 액상연료 무화 혼합 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 액상연료 무화 혼합 장치의 개념도이다.

본 발명의 케이싱부(100)는 원통형으로 형성되어 있으며 그 내부로 액상 연료가 주입되어 무화(atomized)되도록 하는 기능을 수행하는 장치 또는 수단을 의미한다.

상기한 케이싱부(100)는 연료가 주입되는 부분인 전면부(101), 화염이 방사되는 화염방사부(110)와 연결되는 후반부(102)를 포함한 원통형 형태로 이루어져 있다.

도 1에서 보는 것처럼 본 발명은 압력 노즐에 의해 발생한 분무 액적을 전기 저항 및 가열된 다공판부을 통해 2중 가열 시키는 3단 무화 기술의 핵심은, 경질유나 중유와 같은 액상 연료를 높은 압력만으로 미립화하여 액적으로 무화하는 기계적 방법으로 작업이 끝나는 전통적인 노즐 기술과 달리, 압력으로 무화 분무된 액적들을 손쉽게 재가열하여 더 미세하게 무화를 시킴과 동시에 기화까지도 일어나도록 하여 연소효율을 더욱 높이는 기술이다.

구체적으로 언급하면 일차적으로 높은 압력을 사용한 노즐에서 발생한 미립화 된 액적을 1) 전기적 저항 발열체를 이용하여 1차 가열하고, 2) 화염에 의하여 달구어진 하나 또는 2중 또는 3중의 다층판으로 구성된 다공(多空)철판을 2차적으로 통과하도록 함으로써 재차 가열함과 동시에 공기와 잘 혼합되도록 하는 것이다.

이때 다공판부의 수와 다공판부 구멍들의 크기와 분포는 가열된 미세 액적과 공기의 혼합과 유동이 균일하게 잘 일어나도록 조절한다.

이렇게 다단 무화 및 재가열을 하는 이유는 가열하는 과정에서 액상 연료를 기상연료에 가까운 상태로 만들어 공기와 연료가 충분히 혼합되도록 함과 동시에 이론공기 공연비에 가까운 최소의 잉여공기를 사용하여 연소시킴으로써 기름 보일러의 효율제고와 함께 질소산화물의 발생을 최소화하는데 목적이 있다.

질소산화물 고온의 연소 환경에서 많은 잉여공기가 존재하는 경우 보다 많은 Thermal NOx가 발생한다. 따라서 질소산화물의 발생량을 최소화하려면 최적 공기량만으로 연소가 이루어질 수 있도록 잉여 공기를 최소화하여야 하며, 최소 공기량만으로 연소가 깨끗하게 일어나려면 연료와 공기가 기상 상태에서 이론 비에 맞는 비율로 잘 혼합되어야 가능하다. 그러나 액상 연료는 노즐에 압력을 가하여 무화하여도 여전히 액상의 작은 방울 상태이어서 공기와 아무리 잘 혼합하여도 액적이 기화하여 공기 중의 산소와 반응하여 연소하는데 시간이 걸리게 된다.

결국 화염을 형성하는 짧은 시간 동안에 액적 상태의 연료 표면에서 기화가 충분히 일어나지 못하게 되어 연소가 충분히 진행되지 못하게 된다. 따라서 최소 공기량만을 공급하면 반응 시간이 충분하지 않기 때문에 불완전 연소가 일어나게 되어 잉여 공기를 공급하지 않을 수 없게 된다. 이 결과 고온과 잉여공기의 조건이 만나는 경우 다량의 질소산화물이 발생할 가능성이 높아진다.

액상 연료를 이론 공연비에 맞는 최적 공기만으로 연소시키기 위해서는 액상 연료를 증기나 가스 상태로 변환시킨 후 이를 다시 공기 중의 산소와 잘 혼합하여야 한다. 액상연료를 잘 연소시키는 가장 오래되고 간단한 방법은 액상 연료를 가열하여 기화시키는 방법이다. 그러나 덩어리 형태로 존재하는 액상 연료를 포트 타입 버너 등으로 가열하여 기화시키는 방법은 가열속도가 낮아 기화속도가 너무 느리다는 단점이 있다. 구체적으로 가열속도는 단위체적당의 표면적에 비례하므로 직경이 R인 액적의 비표면적은 4πR²/(4/3πR³) ~ 1/R 에 비례하므로 크기(R)가 큰 물체는 R이 커질수록 열용량(체적)이 증가함에 비례하여 상대적인 가열면적(표면적)이 감소한다. 그러므로 덩어리 상태로 존재하는 액상연료를 가열에 의하여 직접 기화시켜 연소시키는 방법은 고속 연소가 요구되는 현대의 보일러 시스템에는 적합하지 않으며 이를 극복하기 위하여 액상 연료를 사용하는 버너에서 노즐이라는 장치가 나타났다. 그러므로 노즐의 역할 중의 하나는 연료를 작은 액적으로 미립화 하여 비표면적을 극대화하는 것임을 알 수 있다.

일반적으로 액상 연료는 정도의 차이는 있으나 노즐에 투입하기 전에 유동성 제고를 위하여 어느 정도 온도를 높인다. 그 후 (100~150) psi의 높은 압력을 사용하여 분무함으로써 기계적인 방법으로 무화하는 기술이다. 무화 효율을 높이고자 압력을 높이거나 기타 노즐에 다양한 기하학적인 변화를 가하여 액적이 더 작아지도록 많은 방법이 시도되었다. 예를 들어 “hollow cone nozzle” 이나 “solid cone nozzle”과 같은 다양한 노즐 형상 설계를 통하여 유량과 입도 그리고 분무 패턴 등을 조절하는 등의 많은 연구가 시도되고 있으나 아직도 액적의 미립화와 미립화 된 액적의 산화공기와의 효율적인 혼합을 통하여 연소 효율을 개선하기 위한 지속적인 연구가 이루어지고 있다.

본 발명의 상기한 전기저항발열체(10)는 전기저항에 의하여 열을 발생시키는 장치 또는 수단을 의미한다.

상기한 전기저항발열체(10)는 통상의 코일 등에 전기를 흐르게 하는 코일 장치 등을 사용할 수 있다.

도 1에서 보는 것처럼 전기저항발열체(10)는 케이싱부(100)의 측면부의 내부공간 방향으로 하나 또는 둘 이상으로 구성되어 있으며 전면부(101)에서 후면부(102)의 방향으로 형성되어 있고, 바람직하게는 케이싱부(100)의 측면부에 일정한 간격으로 다수로 설치되어 있는 것이 좋다.

상기 전기저항발열체(10)는 케이싱부의 원 주변에 일정한 간격으로 일정한 길이로 설치하여 배치한다.

상기한 전기저항발열체(10)는 케이싱부(100)의 전면부(101)에서 후면부(102)의 방향으로 형성되어 있으며 바람직하게는 다공판부(40) 앞까지 형성되어 있는 것이 효율적이다.

전기저항 발열체를 이용하는 이유는, 보통 화염에 의한 가열은 복잡한 연소와 유동의 조절이 수반되기 때문에, 이로 인하여 가열 신뢰도가 저하되는 것을 막기 위해서이다.

본 발명의 상기한 공기주입구멍(20)은 케이싱부(100)의 전면부(101)에 형성되어 있으며 연료를 연소시키는데 필요한 공기를 주입하는 장치 또는 수단을 의미한다.

도 1에서 보는 것처럼 공기주입구멍(20)은 케이싱부의 전면부(101)에 하나 또는 둘 이상으로 형성되어 있다.

상기한 공기주입구멍(20)은 바람직하게는 전면부(101)에 균등한 간격으로 형성되는 것이 좋으며 노즐(30)보다 외곽 방향으로 형성되어 있는 것이 연료와 공기의 혼합력을 증진하게 하는 작용을 한다.

본 발명의 상기한 노즐(30)은 케이싱부 내부로 주입되는 연료를 분사하는 장치 또는 수단을 의미한다.

도 1에서 보는 것처럼 노즐(30)은 상기한 케이싱부의 전면부(101)의 중앙 부분에 탑재되는 것이 좋으며 연료에 가압을 하는 장치가 부가될 수 있으며 그에 따라 케이싱부 내부로 연료를 골고루 잘 분사하게 된다.

본 발명의 기술적 특징은 상기한 바와 같이 높은 압력을 사용한 노즐에서 발생한 미립화 된 액적을 1) 전기적 저항 발열체를 이용하여 1차 가열하고, 2) 화염에 의하여 달구어진 하나 또는 2중 또는 3중의 다층판으로 구성된 다공(多空)철판을 2차적으로 통과하도록 함으로써 재차 가열함과 동시에 공기와 잘 혼합되도록 하는 점이다.

본 발명의 상기한 다공판부(40)는 판형 본체(41)에 구멍(42)이 형성되어 있어서 미립화된 연료 액적을 통과시키면서 공기와 혼합하는 기능을 수행하는 장치 또는 수단을 의미한다.

도 1에서 보는 것처럼 상기한 다공판부(40)는 케이싱부(100)의 내부에 설치되며 케이싱부(100)의 후면부(102)에 근접하여 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 다공판부(40)가 둘 이상의 다수로 형성되어 있는 다중 다공판부인 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 2에서 보는 것처럼 다공판부(40)는 다공판부 1(40), 다공판부 2(40-2), 다공판부 3(40-3) 등과 같이 다수로 형성되는 것이 미립화된 연료 액적과 공기의 혼합 작용 기능을 현저히 높이게 된다.

더욱 바람직하게는 다수로 형성된 다공판부의 구멍(42)의 직경(D1, diameter)에 있어 다공판부 1(40), 다공판부 2(40-2), 다공판부 3(40-3)의 형성된 직경이 크기가 일정하거나 반드시 일정한 크기 순서로 배치할 필요는 없으나 큰 순서에서 작은 순서로 형성되는 것이거나 그 반대로 형성되는 것이 좋다.

도 2에서 보는 것처럼 다공판부 1(40)의 직경(D1)이 다공판부 2(40-2)의 직경(D2)보다 크고, 다공판부 2(40-2)의 직경(D2)이 다공판부 3(40-3)의 직경(D3)보다 크게 형성되는 것이거나 그 반대로 형성된 것이 미립화된 연료 액적과 공기의 혼합 작용 기능을 현저히 높이게 된다.

도 2에서 보는 것처럼 상기한 다공판부 사이의 간격(l1, l2)은 연료의 종류와 유량등에 따라서 설정될 수 있으며, 오른쪽 방향의 빨간 화살표는 화염에 의한 복사열 방향을 의미한다.

상기한 다공판부의 개수는 1~4개로 된 것이 효과적이며 연료의 종류와 유량 등에 따라서 다공판의 개수와 간격 그리고 다공판부 내의 구멍의 크기와 배치가 달라질 수 있다.

본 발명의 기술적 특징은 상기한 다단의 다공판부가 상기한 화염방사부에 근접하여 설치되어 있기 때문에 다공판부(40)가 가열되며, 이와 같이 가열된 다공판부의 구멍을 액적이 통과되면서 증기화가 더욱 가속되어 공기 혼합 효과가 극대화 됨에 따라 연소 효율이 현저히 상승한다는 점이다.

도 2에서 보는 것처럼 특히 연소로(화염방사부) 쪽에 제일 가까이 있는 다공판부 3은 화염의 복사나 대류에 의하여 직접적으로 가열되는 다공판과 달리, 효율적인 가열을 위한 유동이나 연소현상의 조절이 필요하지 않다는 점에서 기존의 연소로의 저 NOx 버너 등과 차별화된다.

본 발명의 화염방사부(110)는 본 발명의 무화 장치에서 연료가 연소되는 기능을 수행하는 장치 또는 수단을 의미한다.

도 1에서 보는 것처럼 상기한 화염방사부(110)는 케이싱부(100)의 후반부(102)와 연결되어 있으며 상기한 다공판부에 근접하여 형성되어 있다.

본 발명은 상기한 구조와 기능으로 액상연료 무화 혼합 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기한 노즐에 의하여 일단의 압력 분무에 의해 생성된 액적이, 두 번째로서 전기저항에 의한 가열을 거치면서 더욱 미립화 되고, 세 번째 단계에서는 가열된 다단 다공판부를 통과하는 동안 발생하는 증기화와 공기 혼합 효과에 의하여 희고 푸른색의 불꽃이 발생하게 된다.

즉, 노즐에서 일정한 압력으로 분무된 연료 액적은 케이싱부 내벽으로 향하고 분사패턴에 따라서 내벽에 충돌하면서 전기저항 발열체의 표면에서 가열되어 미립화 되고 기화한다.

여기에서 주목할 점은 액상 연료가 압력노즐에 의하여 분무된 미세 액적 상태이기에 쉽게 가열이 된다는 점이다. 이것이 압력노즐을 통과하지 않은 상태에서 가열하는 포트타입 버너나 이와 유사한 가열시스템과는 다른 방법이자 장점이다.

또한 압력 노즐을 통과한 후 그대로 연소로로 분무되어 연소로 내부의 연소열을 이용하여 연소하는 복잡한 열유동 및 복사열을 고려하여야 하는 보일러 시스템과도 차별화된다.

이렇게 전기저항에 의한 실질적인 가열을 통해 초미립화를 이룬 후, 다중의 다공판부에 의하여 보다 완전한 2단 가열과 공기와의 예혼합이 이루어진다.

다음은 상기한 구조와 기능으로 이루어진 액상연료 무화 혼합 장치로 연소를 실시한 사례를 보여준다.

도 3에서 보는 사진은 본 발명의 액상연료 무화 혼합장치의 전기저항발열체의 전기적인 저항에 의해 발생한 초미세 증기상태의 분무양상을 보여주는 사진이다.

따라서 본 발명은 일차적으로 압력노즐에 의하여 발생된 분무 상태의 액적을 초미립화된 액적이나 완전 기체 상태로 증기화 하는 기술이다.

본 발명에 내재된 물리적인 핵심이론은 덩어리 형태로 존재하는 액상 연료를 가열하여 기화시킬 때 기화속도가 느린 단점을 개선한 것으로서 미립화된 액적을 재 가열할 경우 미립화 된 액적의 비표면적이 초기 액체 상태의 연료에 비하여 크게 증가된 상태이므로 짧은 시간과 좁은 공간 영역에서 효과적인 가열이 가능하다는 것이 본 기술의 핵심 내용이다. 이러한 방법에 의하여 기존의 가압노즐에 의하여 발생한 미세 액적을 거의 100% 증기상태로 변화시킬 수 있다는 점이다.

도 4에서 보는 사진은 본 발명의 무화 장치에 의한 연소의 푸른색의 불꽃을 보여주는 사진이다.

도 5에서 보는 사진은 일반적인 보일러로서 가열 과정을 거치지 않은 단순한 압력노즐에 의하여 발생한 주홍색 화염을 보여준다.

한편 도 6의 사진은 일반적인 중유 연소에서 만들어진 검붉은 화염으로서 본 발명에서 시연한 가열 무화에 의한 푸른색의 불꽃과 크게 차이가 나는 것을 볼 수 있다.

(출처 추수태, 중유 및 중질 잔사유에 대한 첨가제(Power-Z)의 연소특성연구, 고등기술연구원 플랜트 엔지니어링 센터 연구보고서(2003년 2월) www.technobio.co.kr/download/k-report2.pdf)

이와 같이 본 발명에 따른 다단 다공판부 가열에 의한 액상연료 무화 혼합 장치는 액상 연료의 완전한 증기화 및 완전한 공기와의 혼합으로 완전한 연소를 달성하게 되는 효과가 나타난다.

본 발명은 액상 연료를 연소시키기 위한 무화 장치 또는 연소 장치를 생산, 제조, 판매, 유통, 연구하는 산업에 메우 유용하다.

전기저항발열체(10),
공기주입구멍(20),
노즐(30),
다공판부(40), 판형 본체(41), 구멍(41)
케이싱부(100), 전면부(101), 화염방사부(110), 후반부(102),

Claims (5)

1. 케이싱부(100), 전기저항발열체(10), 공기주입구멍(20), 노즐(30), 다공판부(40)를 포함하여 구성된 액상연료 무화 혼합 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 다공판부(40)는 다수의 다공판부로 구성된 다중 다공판부인 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기한 케이싱부(100)는 연료가 주입되는 부분인 전면부(101), 화염이 방사되는 화염방사부(110)와 연결되는 후반부(102)를 포함한 원통형 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 다공판부(10)는 판형 본체(41)에 구멍(41)이 형성되어 있어서 미립화된 연료 액적을 통과시키면서 공기와 혼합하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치.
   
5. 제1항 또는 제1항에 있어서,
   상기 전기저항발열체(10)는 케이싱부의 원 주변에 일정한 간격으로 일정한 길이로 설치하여 배치되는 것을 특징으로 하는 액상연료 무화 혼합 장치.
   
   

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