KR880000836B1 - 후 혼합 버너의 점화 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

후 혼합 버너의 점화 시스템

제1도는 본 발명의 점화 시스템의 한 실시예의 세로 단면도.

제2도는 첫번째 통로와 두번째 통로 사이의 관계를 형성시키는데 사용되는 탭(tab)을 보여주는 연소 구역으로부터 본 제1도의 부분도.

제3도는 본 발명에 따른 점화 시스템의 한 실시예의 세로 단면도.

제4도는 첫번째 통로와 두번째 통로 사이의 관계를 형성시키는 데 사용되는 고형용융 탭을 보여주는 연소구역으로 부터 본 제3도의 부분도.

제5도는 단열물질이 첫번째 통로와 두번째 통로 사이의 관계를 형성시키는데 이용되고 있는 점화 시스템의 다른 실시예의 세로 단면도.

본 발명은 점화장치의 마모 및 복합적인 점화장치 보호시스템의 필요성을 배제시키면서 가연성 혼합물을 점화시켜주는 후 혼합(post-mixted)버너의 직접 스파크 점화 시스템에 관한 것이다.

버는 대개 전 혼합(pre-mixted)형과 후 혼합형의 두가지 형태로 나뉘어진다. 전 혼합버너는 연료와 산화제가 버너의 노즐로 들어가지 전에 연소대 내로 분산되기에 앞서 혼합되는 형태의 것이며 후 혼합 버너는 연료와 산화제가 연소대 내로 분산되기 전까지 분리된 상태로 남아있는 형태의 것이다.

점화시스템은 통상 일차적으로 두 가지 제한조건에 따라서 설계된다. 즉 (1) 연료-산화제 혼합물의 안전한 점화와 (2) 점화의 보호가 이루어져야 한다는 조건이다. 점화 시스템의 각 요소들은 연소대의 온도에서 용이하게 손상될 것이라는 사실은 쉽게 알 수 있다.

대표적인 후 혼합 버너 점화 시스템은 점화 시스템은 점화 시스템을 높은 연소대 온도로 부터 차폐시키기 위한 장치들로 구성된다. 공통적으로 사용되는 장치는 연소대의 열로부터 보호되는 부분에서 점화되고 이어서 주 연소성분을 점화시키기 위해 연소대를 지나는 화염을 이용하고 있다. 그러한 시스템의 주된 불리한 점은 주 버너 장치에 부착된 이중의 연료 및 산화제 공급 시스템을 가져야 할 필요가 있다는 점이다.

또 다른 통상의 후 혼합 버너 시스템은 점화 화염의 이송 직후에 점화 시스템을 수축시키는 시스템이다. 그러한 장치는 구조적으로 복잡하며 고도의 설치비용 및 조작과 유지비용이 소요된다.

또 다른 후 혼합 버너 시스템에서는 스파크 부분에서의 연료-산화제의 혼합을 보다 효율적으로 하여 주는 장치를 이용하고 있다. 앞에서 언급했듯이 후 혼합 버너는 연료와 산화제가 연소대로 분산되기 전까지는 혼합되지 않는 버너이다. 그러한 후 혼합버너는 효율적인 혼합부분에 대한 스파크를 제공하여 주는 대신에 스파크 부분에서 연료와 산화의 우수한 혼합을 제공하여 주고 있다.

점화 시스템이 직접 시스템이 아니면 전극 근처에서의 연소가 가능하다. 이는 많은 시스템들이 연속적으로 연소되도록 설계되어 있지 않기 때문이다. 따라서 이들 시스템은 그 근처에서 잘 혼합된 연료 산화물 혼합물의 연소에 의한 전극 주위의 순간적인 고온에 견딜 수 있다. 연속적으로 연소되도록 되어 있는 직접 점화 시스템은 고도의 마모나 손상없이 전극근처에서 그러한 고온에 견딜 수는 없다. 다른 통상의 후 혼합 버너 점화시스템도 스파크 발생 시스템을 그 부위에 위치시키지 않고서도 우수한 연료-산화제 혼합 부분에 스파크를 제공하여 준다. 이는 스파크의 발생에 이용되는 전압을 증가시켜서 스파크가 발생시스템으로부터 혼합 구역으로 휘어지도록 함으로써 이루어질 수 있다. 이와달리 스파크를 부드럽게 이동하는 가스류의 통로에 위치시킴으로써 스파크가 바깥쪽으로 굽이지게 할 수 있다. 완전한 점화를 제공할 수 있는 후 혼합 버너를 위한 점화 시스템은 버너장치를 위한 추가의 장치를 설치할 필요 없이, 그리고 점화를 행하기 위한 높은 에너지의 소모없이도 매우 유용하게 쓰일 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 후 혼합 버너의 점화 시스템을 제공하려는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 버너로 부터 분산되는 연료와 산화제의 가연성 혼합물을 안전하게 점화시키는 후 혼합 버너를 위한 점화 시스템을 제공하려는 것이다. 아울러 본 발명에서는 뜨거운 연소대 조건으로부터 점화시스템을 보호하여 주는 후 혼합 버너의 점화 시스템을 제공하고 있다. 이외에도 본 발명의 목적은 비교적 복잡하지 않고 비용이 적게들며 구조가 비싸지 않은 후 혼합 버너의 점화 시스템을 제공하려는 것이며 또한 에너지 효율이 좋은 후 혼합 버너의 점화 시스템을 제공하려는 것이다.

상기와 같은 목적은 본 발명에 의한 점화 시스템에 의해 이루어질 수 있다. 이 점화시스템은 연료 가스의 공급을 위한 제1통로 장치와 산화제 가스의 공급을 위한 제2통로 장치로 구성되며 버너로 부터 분산되는 연료와 산화제의 가연성 가스혼합물을 점화시킬 수 있는 후 혼합 버너장치로 이루어진다.

상기의 제1 및 제2 통로장치들은 상기 장치의 분산말단부에서 끝난다.

본 발명에서는 상기의 점화시스템이

(1) 상기의 제1 통로는 전도체이고

(2) 상기의 제2 통로는 역시 전도체이며 상기의 제1 통로장치와 사이를 두고 있어서 제1 및 제2 통로장치사이의 파쇠전압(breakdown voltage)이 상기 장치의 분산말단부에서 최저가 되도록 되어 있으며, 아울러

(3) 상기 제1및 제2 통로장치 사이에 전위치를 적용시켜주는 장치가 있고, 여기에서 상기의 최저 파쇠전압보다도 큰 전위가 상기의 제1 및 제2 통로장치 사이에 걸리면 분산말단부에서 상기의 제1 및 제2 통로장치 사이에만 전기방전이 일어나도록 되어있는 특징이 있다.

가연성 가스혼합물을 점화시키는 과정은

(가) 연료가사와 산화제 가스류를 절연되어 있고 각기 전도체로 된 제1 및 제2 통로를 통하여 같은 방향으로 흐르게 하고,

(나) 상기의 유동류를 상기의 제1 통로에 의해 서로 분리된 채로 유지시키며,

(다) 상기의 가스류를 이들이 상기 통로들로 부터 분산될때 혼합시키고,

(라) 상기 제1및 제2 통로간의 파쇠 전압이 상기 제1 통로의 분산말단부에서 최저가 되도록 상기 제1 통로로부터 상기의 제2 통로를 떼어둔 다음.

(마) 상기 제1 및 제2 통로사이에 상기의 최저 파쇠 전압보다 큰 전위를 걸어서 상기 제1 통로의 분산말 단부에서 상기 제1 및 제2 통로 사이의 간격을 가로질러 직선상으로 전기방전을 야기시킨다.

파쇠 전압은 여기에서는 두 전도체 사이에 전기방전이 방사되도록 하는데 소요되는 두 전도체간의 전위의 사이를 의미한다. 직접 점화한 다른 보조장치의 사용 필요없이 주버너를 점화시키는 것을 의미한다.

본 발명은 부분적으로 연료나 산화제 가스가 지나는 통로로 구성된다. 이 통로는 그 내부에서 통로외부의 가스류에 존재하는 다른 가스로부터 가스류를 분리시켜준다. 즉 통로내부의 가스류가 산화제가스 이면 통로외부의 가스류는 연료가스이고 통로내부의 가스류가 연료가스이면 외부는 산화제가스이다. 통로 내부의 가스류가 분산 말단부로부터 나오면 두 분리된 가스류는 혼합되어서 가연성 혼합물을 형성한다.

본 발명에 따른 다른 실시예는 제2 통로가 제1 통로로부터 떨어져 있어서 이들간의 파쇠전압이 분산말단부에서 최저가된다. 본 발명의 세번째 부분은 통로들간에 전위를 걸어주는 장치이다. 두통로는 모두 전도체이지만 서로 절연되어 있다. 따라서 전위가 걸리면 전기는 두 통로의 벽을 따라 흐르지만 한쪽 통로에서 다른쪽 통로로 흐르지는 못한다. 그러나 통로 사이에 걸린 전위가 분산말단부에서의 파쇠전압보다 크면 전기는 분산단부에서의 통로 사이에서 방전하게 된다. 따라서 이 부분에서 아아크나 스파크가 발생한다. 그러나 연료와 산화제 가스 혼합물이나 가연성 혼합물은 연소대에서 두 통로 사이의 방전에 의해 점화되며 따라서 본 발명의 목적이 달성되는 것이다. 스파크는 주로 두 전도체를 가로질러 직선으로 방전하며 따라서 회돌이나 굴곡스파크를 요구하는 시스템의 높은 에너지 요소가 배제되게 된다. 완전한 점화는 비교적 낮은 에너지 소모량으로 이루어진다. 앞서 언급했듯이 분산단부에서 두 통로 사이의 최저 파쇠전압을 초과하는 전압만을 걸어둘 필요가 있다. 만일 크게 증가된 전위를 걸어주면 그 통로의 길이를 따른 다른 위치에서 방전이 일어나는 것을 볼 수 있을 것이다. 적은 전력소모에 의한 확실한 점화는 본 발명에 의한 잇점 가운데 하나이다.

앞서 언급했듯이 효율적인 연료-산화제 혼합으로 특징지워지지 않는 부분에서 스파크가 일어나므로 스파크 발생위치에서 고도의 연소가 일어나지 않는다. 따라서 버너의 이들 부분들의 마모와 유지비가 절감된다. 이는 직접 점화시스템의 특징이 있는 연속 조작조건하에서 극히 중요하다.

점회시스템은 주로 버너부분으로 구성된다. 본 발명의 점화시스템에는 분리된 스파크 플러그, 서험화염, 추가의 전극, 굴곡기 등이 필요없다. 이들은 공지의 후 혼합버너 점화시스템의 주요 부분들이다. 상기와 같은 사실은 어떤 특정된 출원에서 매우 중요한 문제가 되고 있는 감축된 소요공간과 본 발명의 시스템의 감축된 유지 비용등과 같은 몇가지 관점에서 볼때 유익한 점이다.

상기의 특정된 특허출원 가운데 하나로 죤 E-앤더슨의 미국 특허 출원번호 13 8, 759(1980년 4월 10일)호의 "용광로의 가열을 위한 공정과 산소 분사버너"을 들 수 있다. 그러한 버너에는 본 발명의 방법과 직접 점화장치가 특히 적절하다.

본 발명의 점화시스템의 통로는 일반적으로 튜브형이며 편리한 단면 기하구조를 갖는다. 그 단면은 원형이거나 반원형, 또는 장방형등이며 일반적으로 원형이다.

앞서 언급했듯이 통로들은 전도체이다. 그것이 무슨 물질로 되어 있는냐는 중요하지 않다. 대게는 산화제가스가 공기일 경우 철이며 그 산화제 가스가 고농도의 산소 함유 가스이면 구리가 일반적이다. 연료가스란 천연가스, 메탄, 코우크 오븐 가스, 생성 가스 등 가연성 가스를 의미한다. 대개는 천연가스나 메탄이 쓰인다. 산화제가스는 공기, 산호농축공기, 또는 순수한 산소를 의미한다. 통로간의 절연 방법에는 공지의 여러가지가 있다. 어떠한 절연 물질도 적합하며 일반적으로 플루오로 카본 절연이 이용된다.

전위는 통로 사이에 걸리게 된다. 이는 통상의 고압 변환기(대개 5000-9000볼트)를 120볼트 전원에 연결하는 통상의 장치로부터 걸리게 된다.

통로간의 파쇠전압이 분산단부에서 최소가 되는 것은 중요하다.

이를 위한 많은 방법들이 있는데 이를 테면 통로를 서로 평행하게 하는 방법도 있다. 분산단부에서는 한 통로의 벽 내의 두개의 슬릿(slit)을 설치하여 탭을 이루고 그 탭을 다른 통로의 벽을 향해 굽혀서 두 통로사이의 거리가 분산둔부에서 최소가 되게 할 수 있다. 이를 위해 다른 방법으로 분산단부에서 한 통로에 작은 탭을 설치할 수도 있다.

물론 슬릿 탭과 용접탭은 모두 통로의 벽이나 또는 두 통로상에 위치할 수 있어서 두 통로들과 분산단부사이의 거리가 짧게 할 수 있다. 이외에도 튜브와 벽 사이의 파쇠전압이 분산단부에서 최소가 되도록 하기위한 다른 방법으로 분산단부를 제외한 통로들 사이의 모든 위치에 절연물질을 위치시키는 방법이 있다. 이 분야에 기술을 가진 자이면 또 다른 방법을 고안해낼 수 있을 것이다.

통로의 정확한 구조는 적절히 변화시킬 수 있으며 여러 형태를 가질 수 있다. 예증을 위해 두 가지 구조가 이하에서 논의될 것이다.

한 구조에서는 하나의 통로가 실리더 형 튜브이고 다른 통로는 그 길이를 따라 튜브를 싸고 있는 실리더이다. 따라서 이 구조는 두 동축형 실린더이다. 통로들은 서로 떨어져 있다. 연료나 산화제 가스는 각기 그 하나의 중심 튜브를 흐르고 다른 하나의 가스는 중심 실린더와 외부 실린더 사이의 공간을 흐르게 된다.

또 다른 구조에서는 하나의 통로는 실린더 형 튜브이고 다른 통로는 그 튜브와 나란히 실린더이며 서로 떨어져 있다. 연료나 산화제 가스는 각기 하나의 튜브와 또 그 튜브와 다른 실린더 사이의 간격을 통해 흐르게 된다.

본 발명에 따른 점화 시스템의 한 실시예의 설명은 제1도와 2도를 참조로 서술하기로 한다.

통로(1)과 (2)는 각기 실린더이며 그 하나가 다른 하나를 싸고 있어서 동축형 실린더 배열을 이루도록 배치되어 있다. 외부통로와 내부통로외벽(3) 사이의 거리는 실질적으로 그 길이를 따라 일정하며 다만 분산단부(4)에서는 탭(5)에 의해 짧아져 있다. 따라서 탭과 외부 실린더 표면 사이의 거리는 스파크 갭(6)으로 칭하여지고 있다.

통로들은 모든 위치에서 물리적으로 서로 떨어져 있으며 다만 역학적 연결이 필요한 부분은 예외이다. 이 위치에서는 그들의 전도체 표면 사이에 플로오로 카본 절연(7)이 내재하고 있다.

산소(8)은 외부 실린더와 내부실린더 사이의 공간에 위치하며 천연가스(9)는 내부 실린더의 안쪽으로 제공된다. 이들 가스류는 모두 분산단부(4)를 향하여 흐르며 모든 위치에서 튜브벽(3)에 의해 나뉘어져 있는 튜브를 따라 흐른다. 가스류가 분산단부(4)를 지남에 따라 부분(10)에서 혼합되어 가연성 혼합물을 이룬다. 이 부분(10)은 연소대라 칭하기도 한다.

전위는 전기회로 장치에 의해 통로사이에 걸리게 된다. 변환기(15)는 (11)과 (12)에서 110볼트 교류전류 60 헤드쯔 전원에 연결되어 있다. 변환기(15)는 통상의 승압 변환기이다. 변환기의 고압출력부(13)과 (14)는 각기 내부와 외부 통로에 연결되어 있다. 통로사이에 걸린 전압이 스파크 갭 사이의 파쇠전압을 초가하면 이 위치에서 의 통로 사이에서 방전이 일어나 연소대에서 가연성 혼합물을 점화시키게 된다. 이 점화는 주로 산소로 채워져 있으며 가연성 혼합물의 상당량을 함유하지 않은 부분을 가로지른 스파크에도 불구하고 이루어진다. 본 발명의 점화 시스템의 다른 실시예는 제3도 및 4도를 참조로 서출하기로 한다.

용접탭(25)는 외부 실린더상에 용접되어 있다. 통로사이의 파쇠 전압은 분산단부에서 최소로 된다. 본 발명에 따른 점화시스템의 다른 실시예가 제5도에 도시되어 있다. 여기에는 통로 사이 전체에 걸친 절연부(45)가 도시되어 있다. 이와 같이 하여 통로사이의 파쇠 전압은 분산단부에서 최소로 된다. 다음의 실시에는 본 발명의 점화 시스템의 사용에 의해 얻어질 수 있는 유익한 결과들을 예증하여 준다. 여기에서 사용된 점화 시스템은 제1도에 나타낸 것과 유사한 것이다.

중심튜브는 외경이 2.67cm이고 외부 튜브는 내경이 3.51cm이다. 따라서 분산단부를 제외한 두 통로사이의 거리는 0.42cm이다. 두 탭은 분산단부에서 중심 튜브내에서 위치하며 모드 외부튜브의 표면을 향해 굽혀져 있어서 분산단부, 즉 스파크 갭에서 통로로부터의 최단거리가 0.16cm가 되도록 하고 있다.

60헤르쯔 120볼트 교류전류의 통상적인 고압변환기와 150볼트-암페어 및 60

00볼트의 제2전압이 전위에 이용되었다. 4개의 실시예가 행하였다. 실시예 1에서는 중심튜브내의 가스는 연료로서 8600Kcal/n㎥(n은 표준상태임)의 열값을 갖는 천연가스이었고 중심튜브와 외부튜브간의 간격 내의 가스는 산화제로서 거의 순수한 산소이었다. 실시예 2에서는 연료와 산화제의 위치는 실시예 1과는 정반대이었다. 실시예 3에서는 중심튜브내의 가스는 연료로서 천연가스이었고 중심 튜브와 외부 튜브 사이의 간격내의 가스는 산화제로서 공기였다.

실시예 4에서는 연료와 산화제의 위치는 실시예 3과는 정반대였다. 각 실시예는 연료와 산화제의 여러가지 유속에서 행하여 졌으며 가연성 혼합물의 점화의 성공 및 실패여부가 기록되었다. 이들결과는 다음의 표 I-IV에 나타나 있다. 이 표들에서 유속은 두 가지 단위, 즉 ft³/hr(SCFH)와 n㎥/hr로 나타내여져 있다.

[표 I(실시예 1)]

[표 II(실시예 2)]

표III과 IV에는 송풍유속으로 이름 붙여진 컬럼이 있다.

이것은 특정된 연료 유속에서의 공기흐름의 속도를 의미하는 것으로 사용되고 있다. 여기에서 공기 흐름은 화염을 구별지우는데 이는 속도가 화염속도를 초과하기 때문이다.

[표 III(실시예 3)]

[표 IV(실시예 4)]

실시예에 나타나 있는 바와 같이 본 발명의 공정과 장치는 에너지 소모를 적게하면서 후 혼합 버너에 대해 신뢰할 만한 점화를 제공하여 주고 있으며 버저장치에 대한 개량 및 우수한 연료 산화제 혼합 부분에 대한 스파크의 필요성을 불필요하게 하여 주고 있다. 공기가 산화제로 사용되는 경우 어떤 높은 연료 유속에서의 점화의 부족은 점화의 시발에 유용한 스파크의 에너지가 신속하게 소모되기 때문일 것이다. 그러한 상황에 있어서 점화는 버너를 낮은 유속에서 점화시키고 연소가 계속되면서 유속을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이 과정은 높은 유속에서 버너를 가열시키기 위해 공업 분야에서 종종 응용되는 방법이다. 그 이유는 점화가 일어나지 않을 경우 연소실 내의 연료의 위험한 존재를 피하려고 하기 때문이다.

지금까지는 연료-산화제 혼합물의 신뢰할 만한 점화에서는 점화원, 즉 스파크가 연료와 산화제의 우수한 혼합에 의해 특정지워지는 위치에서 제공되어져야 한다고 생각해왔었다. 본 발명에 따른 점화시스템은 연료와 산화제의 우수하지 못한 혼합이 존재하는 부분에 대한 스파크를 제고하고 있다.

지금까지는 몇 가지 실시에를 들어 본 발명을 상세히 설명하였지만 본 발명의 범위내에서 다른 많은 변형된 장치들이 쓰일 수 있음을 주지하여야 할 것이다.

Claims (15)

1. 버너로부터 분산되는 연료와 산화제의 가연성 가스 혼합물을 점화시킬 수 있으며 또한 연료 가스 공급을 위한 제1통로 장치와 산화제 가스도입을 위한 제2통로 장치로 구성되는 후 혼합 버너장치에 있어서 상기의 두 통로장치들은 상기 장치의 분산단부에까지 이르며 그의 점화 시스템은 (1) 상기 제1통로 장치는 전도체이고, (2) 상기의 제2통로 장치 역시 전도체로서 이들 두 통로 장치사이에는 간격이 있어서 상기 두 통로 사이의 파쇠전압이 상기장치의 분산단부에서 최저가 되도록 되어 있으며, 또한 (3) 상기의 제1 및 제2 통로 장치 사이에 전위를 걸어주는 장치로 구성되어 있고, 여기에서 상기 최저 파쇠 전압 보다 큰 전위가 상기의 제1 및 제2 통로 장치 사이에 걸리는 경우 분산단부에서 상기의 제1 및 제2 통로 장치 사이의 간격에 걸쳐서만 전기 방전이 일어나는 것을 특징으로 하는 후 혼합 버너 장치.
2. 상기의 제1 및 제2 통로장치의 튜브인 상기 1항의 장치.
3. 상기 제1 통로는 실리더형 튜브인 상기 2항의 장치.
4. 상기 제1 통로 장치는 실린더형 튜브인 상기 2항의 장치.
5. 제1 및 제2 통로장치는 모두 실린더형 튜브인 상기 2항의 장치.
6. 상기 제1 및 제2 통로장치는 그 길이를 따라 서로 평행인 상기 5항의 장치.
7. 상기 제1 및 제2 통로장치는 동축실린더형 튜브인 상기 6항의 장치.
8. 전도체 탭이 분산단부에서 적어도 하나의 통로 장치에 연결되어 있어서 분산단부 에서의 제1 및 제2통로장치 사이의 파쇠전압이 최소로 되도록 한 상기 1항의 장치.
9. 상기 제1 및 제2 통로장치 사이에는 분산단부 이외의 부분에서 절연되어 있어서 분산단부에서의 제1및 제2 통로장치 사이의 파쇠전압이 최소가 되도록 한 상기 1항의 장치.
10. (가) 연료 가스와 산화제 가스류가 전도체이면서 서로 절연되어 있는 제1 및 제2 통로를 통하여 같은 방향으로 흐로도록 하고, (나) 상기 유동류를 상기의 제1 통로에 의해 서로 분리된 채로 유지시키면서, (다) 상기 통로들로 부터 상기의 가스류들을 방전시에 혼합시키고, (라) 상기 제1 및 제2 통로 사이의 파쇠 전압이 상기 제1 통로의 분산단부에서 최저가 되도록 상기의 제1 통로로부터 상기의 제2 통로를 간겨을 두고 위치시키며, (마) 상기 제1 및 제2 통로 사이에 상기의 최저 파쇠전압보다 큰 전위를 걸어주어서 상기 제1 통로의 분산 단부에서 상기의 제1 및 제2 통로 사이에만 전기방전이 일어나도록 하는 과정으로 이루어지는 가연성 가스 혼합물의 점화방법.
11. 제1 통로장치를 통하여 연료가스가 흐르고 제2 통로를 통하여 산화제가스가 흐르는 상기 10항의 방법.
12. 연료 가스가 제2 통로장치를 통하여 흐르고 산화제가스가 제1 통로장치를 통하여 흐르는 상기 10항의 방법.
13. 연료가스가 천연가스인 상기 10항의 방법.
14. 상기 산화제가스가 실질적으로 순수한 산소인 상기 10항의 방법.
15. 상기 산화제가스가 공기인 상기 10항의 방법.

Images