KR101556586B1 - 복합형 저녹스 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3세대의 IFGR 기술 또는 1세대의 에어 스테이징 기술에 따른 저녹스 버너 대비 생성되는 녹스의 량이 감소되며, 단일 기술로서는 현재까지 녹스 발생량이 가장 적은 IFGR 기술에 따른 저녹스 버너보다도 더 낮은 량의 녹스가 발생되도록 하는 친 환경적인 복합형 저녹스 버너를 개시한다. 이를 위해, 본 발명은 공기를 연소실로 안내하며, 상기 연소실 내측 방향 종단에는 디퓨저가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 상기 디퓨저로 연결되는 튜브 및 튜브와 이웃하게 배치되며, 튜브와의 사이에 에어 갭을 형성하는 튜브 가이드를 포함하며, 에어 갭은 튜브 내부연에서 연장되어 튜브 내부를 유동하는 공기 중 적어도 일부를 튜브의 외주연을 향해 토출하며, 에어 갭은, 튜브와 튜브 가이드 사이에 형성되는 틈의 길이에 따라 토출되는 공기의 량이 증감할 수 있다.

Description

복합형 저녹스 버너{Complex burner for Low nitrogen oxid}

본 발명은 저녹스 버너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 다단 연소방법과 IFGR(Internal Flue Gas Recirculation) 연소 방법을 하나의 버너에 구현 함으로써, 녹스(NOx) 발생량을 저감하는 복합형 저녹스 버너에 관한 것이다.

일반적으로 질소산화물(NOx)은 연료에 화학적으로 결합된 형태의 질소 성분이 연소 과정에서 산화되어 생성되는 퓨얼 녹스(Fuel NOx), 연소용 공기중에 포함되는 질소가 고온에서 유리되어 생성되는 써멀 녹스(Thermal NOx), 그리고, 탄화수소 계열의 화석연료가 고농도 상태로 고온에 노출되었을 때 급속히 생성되는 프롬프트 녹스(Prompt NOx)로 구분된다.

질소산화물(NOx)은 대기환경 및 인간의 삶에 좋지 않은 영향을 주기 때문에 오래 전부터 저녹스 버너 기술이 개발되어 왔다. 이를 세대별로 나누면 아래와 같다.

- 아래 -

1세대 : 1세대 저녹스 기술은 에어 스테이징(Air staging) 기술이 대표적으로, 연소로 내에 공급하는 공기를 단계적으로 공급하여 연소로 내의 연료에 의한 급속한 산화반응을 방지하여 화염의 온도를 낮추고 이를 통해 써멀 녹스를 저감한다.

2세대 : 2세대 저녹스 기술은 가스 스테이징(Gas staging) 기술이 대표적으로서, 중심부(약 5% 내지 25%)와 외곽부(75% 내지 95%)로 나누어서 가스를 분출하고, 중심부는 공기 과잉, 외곽부는 공기부족 상태를 조성함으로써, 화염의 대부분을 차지하는 외곽부의 산화반응을 억제하여 화염온도가 높아지지 않도록 함으로써, 써멀 녹스의 발생이 감소하는데 그 특징이 있다. 외곽 화염의 공기부족 상태로 인하여 프롬프트 녹스가 발생할 우려가 있으나, 화염 온도가 1000 이하가 되도록 주변으로 분출함으로써 화염 보염 기능과 프롬프트 녹스 발생 억제 기능이 동시에 구현될 수 있다.

3세대 : 3세대 저녹스 기술은 IFGR(Internal Flue Gas Recirculation)이 대표적으로, 연소실 내에서 1차 연소된 연소 가스가 연소실 내에서 자기 재순환(Recirculation) 하도록 함으로써 연소 가스가 화염에 혼합되면서 화염의 온도를 떨어뜨려 써멀 녹스를 줄일 수 있도록 한다.

이러한 3세대 저녹스 기술로서 본 출원인은 등록특허 제10-1466809호의 고효율 저녹스형 연소 헤드 및 그를 이용한 버너를 제안한 바 있다. 등록특허 제10-1466809호는 연소 헤드에서 와류를 유발하여 연료와 공기의 혼합 특성을 향상시켜 연료를 연소하고, 연소 가스가 자기 재순환을 하도록 함으로써, 녹스 발생을 대폭 감소시켰다. 그러나, 본 출원인은 이에 만족하지 않고, 녹스 발생량을 더욱 저감한 저녹스형 버너의 개발 필요성을 느끼게 되었으며, 세대별로 구분되는 저녹스 기술을 연계하여 녹스 발생량을 더욱 저감하는 복합형 저녹스 버너를 제안하고자 한다.

본 발명의 목적은 에어 스테이징 기술을 IFGR 기술에 접목하여 공기 분배를 통한 써멀녹스 제어기술을 자기 재순환형 IFGR에 적용함으로써 녹스 발생량을 저감하는 복합형 저녹스 버너를 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 공기를 연소실로 안내하며, 상기 연소실 내측 방향 종단에는 디퓨저가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 상기 디퓨저로 연결되는 튜브 및 튜브와 이웃하게 배치되며, 튜브와의 사이에 에어 갭을 형성하는 튜브 가이드를 포함하며, 에어 갭은 튜브 내부연에서 연장되어 튜브 내부를 유동하는 공기 중 적어도 일부를 튜브의 외주연을 향해 토출하며, 에어 갭은, 튜브와 튜브 가이드 사이에 형성되는 틈의 길이에 따라 토출되는 공기의 량이 증감하는 복합형 저녹스 버너에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, IFGR 기술에 따른 버너에 에어스테이징 기술을 융합하여 기존의 IFGR 기술이 단독 적용된 저녹스 버너보다 녹스 발생량을 더욱 낮출 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 튜브 구조에 대한 개념도를 도시한다.
도 1b는 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너에서 애어 갭을 제어하는 방법에 대한 참조도면을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 생산품을 촬상한 사진을 도시한다.
도 3은 튜브와 튜브 가이드의 연결 관계를 개념적으로 설명하기 위한 단면도를 도시한다.
도 4는 도 1a에 도시된 버너의 튜브, 연소 헤드, 연료공급관 등의 구성을 도시한 부분 절취 사시도를 도시한다.
도 5는 실시예에 따른 튜브를 구비하는 버너에 의해 연소실에서 자기 재순환 연소를 수행하는 과정에 대한 참조도면을 도시한다.
도 6은 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 시험 가동 결과를 도시한다.
도 7은 연료 노즐과 연소 헤드 테두리 사이의 단차에 의한 와류 형성 과정을 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.
도 8은 에어 갭의 길이 조절 구조를 설명하기 위한 복합형 저녹스 버너의 단면 구조도를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 에어 갭 조절관을 조작하는 위치 조정기에 대한 실 사진을 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 튜브는 내부가 비어있는 파이프 형상으로, 연소실 내부로 연료 및 공기를 공급하여 화염을 형성할 수 있다. 연소실 내부로 삽입된 튜브의 종단에는 디퓨저가 배치될 수 있으며, 디퓨저는 연료와 공기가 적절히 혼합되도록 하여 연소시키며, 연소되는 화염의 형태를 결정하거나, 연소 효율을 증가시키거나 또는 녹스 발생량을 줄이기 위한 목적으로 설치될 수 있다.

또한 튜브의 내부에는 연소실 내부로 연료를 공급하기 위한 연료 공급관이 내장될 수 있다. 즉, 튜브의 중심부에는 연료관이 배치되고, 그 외주연으로는 공기가 유동되도록 함으로써 튜브는 이중관 구조를 가질 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 연소실의 일 측에는 튜브가 삽입되어 연료와 공기를 공급받고, 연소실의 타 측에는 배기관이 형성되어 연소된 연소 가스가 배출되도록 할 수 있다. 그러나, 배기관 및 그 주변구조물은 본 발명의 주요 핵심에 해당하지 않으므로 이에 대해 도면으로 도시하거나 설명하지는 않는다.

본 명세서에서 언급되는 튜브 및 버너는 부가되는 구성요소의 도시나 설명이 생략되고 개념적인 단면도로 표현될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 설명과 이해의 편의를 위해 생략된 것이며, 실시예에 따른 튜브, 및 버너의 구조나 연결관계가 도시된 도면과 설명에 의해 한정되어서는 안된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 튜브 구조에 대한 개념도를 도시하고, 도 1b는 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너에서 애어 갭을 제어하는 방법에 대한 참조도면을 도시하고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 생산품을 촬상한 사진을 도시하고, 도 3은 튜브와 튜브 가이드의 연결 관계를 개념적으로 설명하기 위한 단면도를 도시하고, 도 4는 도 1a에 도시된 버너의 튜브, 연소 헤드, 연료공급관 등의 구성을 도시한 부분 절취 사시도를 도시하며, 도 5는 실시예에 따른 튜브를 구비하는 버너에 의해 연소실에서 자기 재순환 연소를 수행하는 과정에 대한 참조도면을 도시한다.

도 1a 내지 도 5를 함께 참조하여 설명하면, 실시예에 따른 저녹스 버너는, 공기를 연소실(F) 내부로 안내하는 튜브(3), 튜브(3)의 종단 내경부에 배치되고, 외주연은 튜브(3)의 종단 내경부와 이격 거리(d1)를 유지하는 디스크 타입의 연소 헤드(5), 튜브(3)의 내측 중심부에 배치되어 연소 헤드(5)로 연료를 공급하는 연료 공급관(8), 연료 공급관(8)의 종단에서 방사상으로 배치되어 급기 통로(7)를 통해 공급되는 공기과 직교하는 방향으로 연료를 분출하기 위한 연료 노즐(4a)을 구비하는 연료 분출관(8a)을 포함하여 구성될 수 있다.

튜브(3)의 종단에는 소정 각도(a)로 경사진 단면을 가진 측경부(3a)가 형성된다. 측경부(3a)는 연소 헤드(5)에서 돌출되는 돌출부(8b)를 향해 완만한 기울기를 가지면서 굴곡지게 형성될 수 있다. 이를 통해 급기 통로(7)에서 연소 헤드(5)로 향하는 공기의 통로가 좁아지면서 공기의 유동 속도를 증가시킬 수 있다.

튜브(3)의 외주연 일 영역에는 튜브 가이드(10)가 형성되어 튜브(3) 내부를 유동하는 공기의 일부를 튜브(3) 외주연으로 유도할 수 있다

튜브 가이드(10)는 튜브(3)와의 사이에 에어 갭(11)을 형성하며, 튜브 가이드(10)가 DF 방향으로 전진 또는 DB 방향으로 후진하거나, 또는 튜브(3)가 DF 방향으로 전진하거나, DB 방향으로 후진하여 에어 갭(11)의 크기를 증감할 수도 있다.

에어 갭(11)의 크기를 증가하면, 에어 갭(11)을 통해서 연소실(F)로 토출되는 공기의 량이 증가하고, 반대로, 에어 갭(11)의 길이를 감소시키면, 에어 갭(11)을 통해 연소실(F)로 토출되는 공기의 량은 감소할 수 있다. 도 1a에 도시된 에어 갭(11)의 길이(d01)는 튜브(3) 또는 튜브 가이드(10)를 DB 또는 DF 방향으로 이동시켜 그 갭의 길이(d01)를 증감한 것을 예시하며, 에어 갭(11)의 길이(d01)의 조절을 통해 가변되는 공기의 토출량은 튜브(3)에서 연소실(F)로 토출되는 연료의 량과 공기의 량에 따라 결정될 수 있다.

튜브 가이드(10)는 튜브(3)와 이웃하게 배치되고, 튜브(3)와의 사이에는 길이(d01)를 증감할 수 있는 에어 갭(11)이 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 튜브 가이드의 단면 형상을 보면, 튜브 가이드(10)의 외주연은 튜브(3)의 외주연과 동일하거나 유사하며, 튜브(3)와 튜브 가이드(10)가 중첩되는 중첩 영역(A1)에서, 튜브(3)는 튜브 가이드(10)의 내주연을 향해 경사면(11a)을 형성함으로써, 튜브(3)의 내측과 에어 갭(11) 사이에 공기 유로를 형성한다.

튜브(3) 내부에는 연료의 연소를 위한 공기가 유동하고, 튜브 가이드(10)는 튜브(3)의 내부와 연결되므로, 튜브(3) 내부를 유동하는 공기의 일부는 연소 헤드(5)를 향하지 않고, 에어 갭(11)을 향하게 되며, 에어 갭(11)을 통해 토출되는 공기는 튜브(3)의 외주연을 따라 유동하면서 점차 튜브(3)의 외주연에서 확산될 수 있다.

이에 따라, 튜브(3)는 연소 헤드(5)를 통해 연소용 공기를 공급하고, 또한, 튜브(3) 내부를 유동하는 공기의 일부는 에어 갭(11)을 통해 튜브(3) 외주연으로 공기를 공급할 수 있다. 에어 갭(11)을 통해 연소실(F)로 토출되는 공기는 1세대 에어 스테이징 기술에 대응하는 것으로 연소 헤드(5) 주변에서 생성되는 화염의 중심부에는 연료 과잉 상태를 만들고, 화염의 주변에는 공기 과잉 상태를 만들 수 있다.

연료 과잉 상태인 화염의 중심부는 공기비()가 0.6 또는 그 전후에 해당할 수 있고, 공기 과잉 상태인 화염의 주변부는 공기비 1.2 내지 1.8의 범위일 수 있다. 이러한 공기비 차이에 따라, 연료 과잉 상태인 화염의 중심부(S2)는 연료의 급속한 산화반응이 제한되어 써멀 녹스가 저감되고, 연소 가스는 연소실(F) 내에서 자기 재순환을 일으킬 수 있다. 연소 헤드(5)에서 토출되는 화염은 튜브(3)의 측경부(3a)에 의해 중심부(S2)로 향하는 공기에 의해 중심부(S2)로 유도된 후 확산되어 장구목 형상의 화염을 형성한다.

화염의 형상이 장구목 형상을 가짐에 따라 화염은 영역(S1)에서 압력은 낮아지면서 화염의 속도는 증가할 수 있다. 베르누이 정리에 따라, 연소 가스(S3)는 장구목 형상을 갖는 영역(S1)으로 유도되어 연소 헤드(5)를 향해 자기 재순환을 이룰 수 있다.

이때, 영역(S1)으로 유도되는 연소 가스(S3)는 튜브 가이드(10)에서 토출되는 공기와 영역(S4)에서 90도 또는 이에 상응하는 각도로 충돌할 수 있다. 연소 가스(S3)는 튜브 가이드(10)에서 토출되는 공기와 영역(S4)에서 급속히 혼합되어,

1) 온도가 낮아지고,

2) 공기 농도가 증가하며,

3) 중심부(S2)에서 미 연소된 연료와 공기가 급속 혼합될 수 있다.

이에 따라, 중심부(S2) 대비 온도가 낮은 연소 가스(S3)는 영역(S4)에서 상대적으로 온도가 낮은 공기(튜브 가이드(10)에서 토출되는 공기)와 급속 혼합되어 그 온도가 더욱 낮아지면서, 연소 가스(S3)에 잔류한 연료를 연소시키기 위한 공기가 공급되고, 연소 헤드(5)에서 토출되는 화염에 의해 재차 연소될 수 있다. 이때, 자기 재순환하는 연소 가스(S3)는 연소실(F)의 벽면과 충분히 접촉되므로, 연소실(F)과의 복사 전열에 의해 그 온도가 더 낮아질 수도 있다. 상기한 바와 같이, 튜브 가이드(10)와 튜브(3) 사이의 공간에 해당하는 에어 갭(Air gap)(11)에서 토출되는 공기는 전술한 1) 내지 3)의 효과를 구현하며, 튜브(3)에 복잡한 부가 구조물을 요구하지도 않아 구조가 단순하고 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.

튜브 가이드(10)와 튜브(3) 사이에 에어 갭(11)을 형성하기 위해, 튜브(3)와 튜브 가이드(10)가 중첩되는 중첩 영역(A1)에서, 튜브(3)의 외주연이 튜브 가이드(10)의 내주연에 삽입될 수 있도록 튜브(3)의 종단이 감소하는 테이핑 구조를 가질 수 있으며, 도 1에서, 튜브(3)는 튜브(3)와 튜브 가이드(10)와 중첩되는 중첩 영역(A1)의 지름이 영역(A2) 대비 점차 작아지는 테이핑 구조를 가지는 것을 볼 수 있다.

에어 갭(11)은 튜브(3)의 외주연과 튜브 가이드(10) 사이의 공간이므로, 튜브(3)의 외주연 전반에서 연소 헤드(5)를 향해 공기를 토출할 수 있다. 도 1에서 에어 갭(11)을 통해 A01, A02 및 A03의 에어 루트가 형성됨을 예시하며, 돌출되는 형태의 공기 분출구나 홀(hole)에 의해 국소적으로 토출도는 것이 아니라 튜브(3) 외주연 전체에서 균일하게 공기가 토출되도록 할 수 있다. 튜브(3)와 튜브 가이드(10) 사이에 형성되는 균일한 틈(에어 갭(11))에 의해 연소 헤드(5) 전방으로 에어가 토출되므로, 토출되는 에어는 홀(hole)이나 공기 분출구를 통해 토출되는 에어에 비해 균일하며, 이는 균일한 연소 특성을 제공할 수 있다.

한편, 도 5의 중심부(S2)는 연료 과잉 상태이므로, 온도가 높을 경우, 프롬프트 녹스가 발생할 우려가 있다. 중심부(S2)의 온도는,

- 튜브 가이드(10)에서 토출되는 공기 + 연소 가스(S3)의 혼입에 의해 그 온도가 낮아지면서,

- 에어 갭(11)을 통해 신규로 유입되는 공기에 의해 연소 가스의 온도가 낮아지고,

- 에어 갭(11)을 통해 신규로 유입되는 공기에 의해 연소 가스에 포함되는 연료가 재 연소되므로,

중심부(S2)의 온도는 연료 과잉 상태이면서도 프롬프트 녹스가 억제될 수 있다. 프롬프트 녹스는 연료가 과잉인 상태에서 온도가 높을 때 주로 발생하나, 실시예에 따른 튜브(3) 및 튜브를 구비하는 복합형 저녹스 버너(1)는 중심부(S2)의 온도 제어와 신규 공기의 공급을 통해 프롬프트 녹스를 억제하고, 이에 더하여 중심부(S2) 온도 상승을 막아 써멀 녹스를 함께 억제할 수 있다. 이를 위해 요구되는 것은 튜브(3)의 외주연 일 영역에 튜브 가이드(10)를 부가하는 것에 지나지 않으며, 튜브 가이드(10)를 통해 튜브(3)의 공기가 신규로 유입되도록 하여 녹스를 대폭 저감하고 있다.

본 출원인이 구현한 복합형 저녹스 버너를 실제 연소실(F)에 장착하여 테스트해 본 결과, 녹스 발생량은 기존의 3세대 IFGR 기술이나 1세대 에어 스테이징 기술에 따른 버너의 녹스 발생량 보다도 더 적은 량의 녹스가 발생함을 알 수 있었다. 이는 도 6을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 6은 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너의 시험 가동 결과를 도시한다. 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너는 기존의 3세대 저녹스 기술인 IFGR 기술을 적용할 때에 비해, 써멀 녹스가 더욱 더 저감되는 것을 알 수 있다.

IFGR 기술은, "발명의 배경이 되는 기술"에 언급된 등록특허 제10-1466809호의 기술일 수 있으며, 3세대 저녹스 버너가 연소 가스의 자기 재순환만을 이용하여 화염의 중심부(S2) 온도를 낮추는 반면, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너(1)는 화염의 중심부(S2)로 신규 공기를 공급하고, 이때, 연소 가스와 급속 혼합되도록 하여 중심부(S2)의 온도를 더욱 낮출 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너(1)는 도 6에 도시된 바와 같이 써멀 녹스의 발생량을 대폭 낮추어 보다 친환경적인 저녹스 버너를 구현할 수 있다.

한편, 1세대의 에어 스테이징 기술에 따른 저녹스 버너의 경우, 녹스 발생량이 IFGR 기술에 따른 저녹스 버너 대비 녹스 발생량이 높다. 이에 따라, 1세대 에어 스테이징 기술에 따른 버너의 녹스 발생량과 3세대 IFGR 기술에 따른 버너의 녹스 발생량의 합에 대해 평균값을 산출하는 경우에도, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너에서 발생하는 녹스보다 더 많으며, 이는 기존의 3세대 IFGR 기술과 1세대 에어 스테이징 기술의 단순 조합에 비해 녹스 발생량이 더 낮음을 의미한다.

실시예에 따른 복합형 저녹스 버너는, 화염의 중심부(S2)가 연료 과잉 상태이나, 에어 갭(11)에 의해 화염의 중심부(S2)로 공기가 신규 공급되므로, 중심부(S2)의 온도가 안정적으로 제어되고, 이는 중심부(S2)에서 프롬프트 녹스가 발생하지 않도록 억제할 수 있다.

즉, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너(1)는 프롬프트 녹스를 억제하면서 써멀 녹스의 발생량을 기존 3세대 저녹스 기술 대비 대폭 낮추어 보다 친환경적인 저녹스 버너를 구현함에 그 특징이 있다.

한편, 연소 헤드(5)의 외주연과 측경부(3a) 사이에 형성되는 측경부(3a)를 통해 연소 헤드(5)에 공기가 급기되고, 이때, 연료 분사관(8a)을 통해 연료가 분사되면서 화염을 형성할 수 있다. 이때, 측경부(3a)는 소정 각도(a)의 측경부(3a)를 형성하므로 연소 헤드(5)의 연료 분사관(8a)으로 분사되는 공기는 연료 분사관(8a)에서 토출되는 연료와 90도 또는 그에 가까운 각도로 교차될 수 있다. 이에 따라, 연료 분사관(8a)에서 분사되는 연료는 공기와 급속히 혼합되어 토출되는데, 측경부(3a)에 의해 토출되는 공기는 중심부(S2)를 향하게 된다. 따라서, 연료와 공기는 중심부(S2)를 향해 모아지며 연소되어 장구목 형상의 화염을 형성하며, 도 5에 도시된 S1 영역이 장구목 형상에 대응할 수 있다.

장구목 형상의 화염을 형성하기 위해, 연소 헤드(5)는 원판 형상을 가지며, 중심부는 돌출부(8b)가 형성되는 디퓨징 프레임(5a), 돌출부(8b)의 측선부에서 디퓨징 프레임(5a)의 테두리 방향으로 전개되는 방사형의 연료 분출관(8a) 및 디퓨징 프레임(5a)에 형성되며, 급기 통로(7)를 통해 급기되는 공기를 연소실(F)로 분사하는 공기홀(5b)을 포함하여 구성될 수 있다.

공기홀(5b)은,

- 화염의 중심부로공기를 공급하거나,

- 버너 용량의 증가에 맞추어 연소 헤드(5)의 직경이 증가할 때, 연소 헤드(5)에서 형성되는 화염의 보염성 향상을 위해 보조 화염을 형성하기 위해 마련될 수 있다.

공기홀(5b)과 연료 노즐(4a)이 일정한 각도를 가지고 배열됨에 따라 공기홀(5b)에서 토출되는 공기의 량과 압력이 디퓨징 프레임(5a)의 전단에 대해 균일성을 가질 수 있고, 연료 노즐(4a)에서 분사되는 연료와 혼합될 때, 연료와 공기의 혼합비 또한 균일할 것이 기대될 수 있다.

연료 노즐(4a)에서 분사되는 연료는 급기통로(7)를 통해 토출되는 공기와 거의 90도에 가까운 각도로 교차된다. 이에 따라, 연료는 분사되면서 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 급속 혼합을 이룬 후 화염을 형성하며, 측경부(3a)를 통해 중심부(S2)로 유도되는 공기에 의해 중심부(S2)로 집중되는 화염을 형성할 수 있다. 이때, 화염은 중심부(S2)로 집중된 후, 분산되어 장구목 형상의 영역(S1)을 형성하게 되고, 영역(S1)의 폭이 좁아 압력이 낮아짐에 따라 연소 가스(S3)가 장구목 형상의 영역(S1)으로 유도되어 연소 가스(S3)가 자기 재순환을 이루게 된다.

연료 분출관(8a)에서 분사되는 연료가 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 급속 혼합을 이루도록 하기 위해, 연료 분출관(8a)의 종단과 디퓨징 프레임(5a)의 테두리 사이에는 갭(gap)이 형성될 수 있다. 갭(gap)의 길이는 연료 노즐(4a)의 지름(RS) 대비 0.1% 내지 50%로 설정될 수 있다. 또는 갭(gap)의 길이는 연료 노즐(4a)의 종단과 디퓨징 프레임(5a)의 테두리가 1mm 내지 2mm가 되도록 할 수도 있다. 다만 한정하지는 않는다.

연료 분출관(8a)의 종단이 디퓨징 프레임(5a) 보다 작게 형성되면, 급기통로(7)를 통해 토출되는 공기가 디퓨징 프레임(5a)의 종단에서 와류를 일으킬 수 있으며, 와류에 의해 공기와 연료가 더욱 급속하게 혼합될 수 있다. 이는 도 7을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 7은 연료 노즐과 연소 헤드 테두리 사이의 단차에 의한 와류 형성 과정에 대한 참조도면을 도시한다.

도 7의 (a)는 연료 분출관(8a)의 길이가 디퓨징 프레임(5a)의 테두리가 동일한 경우를 나타내고, 도 7의 (b)는 연료 분출관(8a)의 길이가 디퓨징 프레임(5a)의 테두리에 이르지 못한 경우를 나타낸다.

도 7의 (a)에서, 급기통로(7)에서 연소실(F)로 토출되는 공기는 직진성을 가지므로 연료 분출관(8a)의 종단에는 와류가 형성되지 않고 직진성 기류가 흐른다. 반면, 도 7의 (b)를 살펴보면, 디퓨징 프레임(5a)의 테두리와 연료 분출관(8a)이 단차(d0)를 이루며, 급기통로(7)에서 연소실(F)로 향하던 공기는 단차가 발생하는 영역으로 확산되면서 와류를 형성할 수 있다. 이에 따라, 연료 분출관(8a)에서 분사되는 연료는 급기통로(7)를 통해 공급되는 공기와 급속 혼합을 이룰 수 있다.

상기한 과정에 따라 연료와 공기가 급속 혼합되어 연소되고, 장구목 형상의 화염을 형성하고, 장구목 형상의 영역(S1)으로 연소 가스(S3)가 유도되고, 에어 갭(11)을 통해 유입되는 신규 공기가 연소 가스(S3)와 급속 혼합을 이루면서 연소 가스의 온도를 낮춤과 동시에 연료 과잉 상태인 영역(S2)으로 공급되어 써멀 녹스 및 프롬프트 녹스를 제어한다.

도 8은 에어 갭의 길이의 조절 구조를 설명하기 위한 복합형 저녹스 버너의 단면 구조도를 도시한다.

도 8을 참조하면, 실시예에 따른 복합형 저녹스 버너에서, 튜브 가이드(10)와 튜브(3)는 분리되어 형성되고, 튜브 가이드(10)는 에어 갭 조절관(14)과 나사(15)에 의해 나사 결합됨을 볼 수 있다. 에어 갭 조절관(14)은 복합형 저녹스 버너(1)의 몸체 외부로 신장되어, DF 방향 또는 DB 방향으로 이동할 수 있다. 에어 갭 조절관(14)이 DB 방향으로 이동하면 에어 갭 조절관(14)과 나사 결합된 튜브 가이드(10)가 동일 방향으로 이동하여 튜브 가이드(10)과 튜브(3) 사이에 형성되는 에어 갭(11)의 길이(d01)가 증가하고, 반대로, 에어 갭 조절관(14)이 DF 방향으로 이동하면, 튜브 가이드(10)와 튜브(3) 사이에 형성되는 에어 갭(11)의 길이(d01)이 감소하면서 에어 갭(11)을 통해 연소 헤드(5)로 향하는 공기의 량이 감소하게 된다. 복합형 저녹스 버너(1)의 몸체 외부로 신장되는 에어 갭 조절관(14)은 도 9에 도시된 바와 같이 복합형 저녹스 버너(1)의 몸체 외주연에 형성되는 위치 조절기(16)에 의해 DB 방향 또는 DF 방향으로 이동할 수 있다.

1 : 복합형 저녹스 버너 3 : 튜브
3a : 측경부 5 : 디퓨저
5a : 디퓨징 프레임 5b : 공기홀
10 : 튜브 가이드 11 : 에어 갭

Claims (5)

1. 공기를 연소실로 안내하며, 상기 연소실 내측 방향 종단에는 디퓨저가 배치되고, 내부에는 연료 공급관이 마련되어 상기 디퓨저로 연결되는 튜브; 및
   상기 튜브와 이웃하게 배치되며, 상기 튜브와의 사이에 에어 갭을 형성하는 튜브 가이드;를 포함하며,
   상기 에어 갭은 상기 튜브 내부연에서 연장되어 상기 튜브 내부를 유동하는 공기 중 적어도 일부를 상기 튜브의 외주연을 향해 토출하며, 상기 에어 갭은,
   상기 튜브와 상기 튜브 가이드 사이에 형성되는 틈의 길이에 따라 토출되는 공기의 량이 증감하는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 튜브는,
   상기 종단이 상기 튜브의 길이방향 중심선을 향하도록 경사지는 튜브 측경부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
3. 제1항에 있어서,
   상기 튜브는,
   일 영역이 테이퍼 구조로 형성되어 상기 튜브 가이드 내부로 삽입되는 중첩 영역을 형성하며,
   상기 중첩 영역에서 상기 튜브 가이드와 상기 튜브의 틈인 에어 갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 튜브는,
   상기 중첩 영역의 지름이 상기 종단의 지름 대비 감소하는 테이퍼 구조인 것을 특징으로 하는 복합형 저녹스 버너.

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