KR101948304B1 - 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 완전 연소에 따른 연소 효율의 향상을 도모하고, 이산화탄소 및 질소산화물의 발생을 억제하여 환경 오염을 줄일 수 있는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 연료가 공기와 융합하여 기화할 수 있는 "기화장치", 기화장치에 초기 예열 온도를 가할 수 있는 "예열장치", 기화장치에서 연료가 분사될 때 부피변화를 이룰 수 있는 "부피 변화장치", 그리고 기화장치의 기화 잠열 보존을 위한 온도가 유지될 수 있는 공기량과 공기압이 분리될 수 있도록 구조를 가지면서 융합 연소에 의하여 가열된 압축열 생산부를 냉각시키면서 연소용 보조공기를 주입할 수 있는 "주입통로" 등을 조합한 새로운 형태의 "열량의 압축과 물질의 융합반응을 일으키기 위한 순간 부피 변화 융합 연소 시스템"을 제공한다.

Description

물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템{Converging fuel burning system using water and oil as fuel}

본 발명은 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 완전 연소에 따른 연소 효율의 향상을 도모하고, 이산화탄소 및 질소산화물의 발생을 억제하여 환경 오염을 줄일 수 있는 융합 연소 시스템에 관한 것이다.

오늘날 연소 효율을 높이고 환경 오염을 줄이기 위해서 연료의 분사방식과 함께 연료를 연소시키는 방법, 공기를 주입하는 방법 등 다양한 연구가 진행되고 있다.

특히, 폐유 등과 같은 액체 유기성 폐기물을 연료로 사용하는 연소 장치의 경우, 폐기물을 처리한다는 점과 이를 연료로 사용하여 에너지를 획득한다는 점에서, 환경보호 및 폐기물의 재활용, 에너지 획득의 경제적인 이익 등 많은 이점을 제공한다.

이러한 연소 장치에서는 대기 중에서 100% 연소가 이루어져야만 완전한 연소 효율을 얻을 수 있고, 더불어 이산화탄소, 질소산화물 등과 같은 유해물질의 배출을 최소화할 수 있다.

종래의 연소 장치는 연료 자체를 분사하여 기체화시킨 다음 연소시키는 방법을 채택하고 있는데, 이러한 연소 방법은 연료를 충분히 기체화시키는데 한계가 있고, 이로 인해 상당량의 연료가 불완전 연소되면서 연소 효율이 떨어질 뿐만 아니라 많은 양의 이산화탄소나 질소산화물을 배출시키는 문제가 있다.

보통 연소 효율을 높이기 위해서는 충분한 공기를 주입하여 기체화를 조성할 수 있도록 해야 하고, 연소되지 않은 연료를 최대한 재연소시켜 완전 연소를 유도해야 한다.

이때, 주입되는 공기와 연소되지 않은 연료를 혼합시켜 완전 연소가 이루어지도록 하기 위해서는 주변의 환경을 자연발화가 가능한 온도인 800℃ 이상의 온도 조건으로 만들어주는 것이 필요하며, 이와 함께 연속적인 연료의 연소를 위하여 충분한 공기의 주입과 연료의 공급이 지속적으로 이루어져야 한다.

일 예로서, 한국 공개특허 10-2002-0004752호에는 종래의 액체 연료 연소 장치가 개시되어 있다.

상기 액체 연료 연소 장치는 고점도 및 저점도의 연료를 압축공기와 함께 소정의 압력으로 노즐 몸체의 길이방향을 따라 분사시키고, 이때의 혼합기가 노즐 몸체의 길이방향을 따라 방향을 달리하면서 굴절된 구조로 되어 있는 다수의 환형 통로를 통과하도록 함으로써, 혼합기가 각 환형 통로에서 유동방향이 꺾이는 도중에 생기는 충돌력 및 단면적의 차이로 인한 압력의 변화, 그리고 충분한 공기의 공급에 따른 연료의 미립화를 이용하여 액체 연료를 연소시키는 방식이다.

그러나, 위의 액체 연료 연소 방식은 점도가 높은 산업 폐기물인 폐유를 연료로 사용하는 경우 이때의 폐유, 경질유, 중질유 등의 연료를 완전 연소시키는 데에는 미흡한 점이 있다.

예를 들면, 폐유는 황, 납, 인 등 유해한 물질을 많이 함유하고 있기 때문에 정제시킨 다음 일정온도로 예열하여 사용하고 있으며, 불완전 연소 환경에서는 불연물질인 회분을 많이 발생시키는 문제가 있다.

이러한 회분은 기체화 공간의 형성을 억제하는 동시에 열을 가하면 고체화되어 굳어지는 성질을 가지므로, 회분 성분이 굳어지지 않도록 하는 연소 조건이 필요하다.

따라서, 폐유의 연소 시 회분 발생을 억제하고 완전 연소를 도모하기 위해서는 초기 예열 후 연소가 시작되는 시점부터 예열 보존 온도가 초기 온도보다 약 1200℃ 정도까지 유지된 상태가 되어야 한다.

이와 같이, 액체 연료의 연소 시 그 종류에 관계없이 불연물질까지 완전 기체화를 이루어 완전 연소를 달성하기 위해서는 외부 공기의 도입으로 인해 저하되는 예열 보존 온도를 일정수준까지 보상해야 하는데, 기존의 액체 연료 연소 방식의 경우 완전 연소를 위한 온도 조건을 충분하게 확보하지 못하는 관계로 연료 내에 함유되어 있는 불연물질을 상당량 연소시키지 못하는 등 폐유를 완전 연소시키는 측면에서는 한계를 갖고 있다.

한편, 오늘날 산업 각 분야에서 사용되는 각종 유류의 소비량은 날로 증가하고 있는 추세이며, 특히 연료로 사용되는 중질유, 경질유 등의 양 또한 증가하고 있다.

이에 따라, 주로 수입에 의존하는 나라에서는 원유 수입가격의 변동이 국가 경제에 영향을 주며, 또한 소비 연료의 증가는 공해 문제를 증가시키고 있다.

이와 같은 현실에서 에너지 절약형, 저공해성 각종 연소기기의 개발이 증가하고 있는 추세이지만, 연료용 각종 기름은 연소하는데 많은 문제점이 있었고, 이는 곧 황산가스 이산화탄소, 질소산화물(NOx) 등이 대량 배출되었다.

이와 같이 해당 물질의 발생을 방지 및 저감시키는 기술개발이 오랜 기간 연구되어 왔다.

그러나, 설비비, 기기 보존 등 사용자 측의 투자부담이 크므로 단순 간편하고 효율이 높은 기술이 요구되었던 것이 현실이다.

따라서, 연소효율을 높이고 공해물질의 배출을 대폭 감소시킬 수 있는 새로운 연료절약형 저공해 완전 연소 설비의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.

한국 공개특허 10-2002-0004752호 한국 공개특허 10-2006-0046764호 한국 공개특허 10-2010-0024043호

따라서, 본 발명은 난방용 연소 시스템의 개선을 위해 새로운 연소 시스템을 구현한 것으로서, 연료와 공기가 융합하여 기화할 수 있는 기구에 300℃ 정도의 초기 예열 온도를 공급한 다음, 4∼5배 정도의 부피 변화를 일으키는 연료분사가 이루어지게 되면 1,200∼1,500℃의 연소열 생산 가능성을 예측할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 연료가 공기와 융합하여 기화할 수 있는 "기화장치", 기화장치에 초기 예열 온도를 가할 수 있는 "예열장치", 기화장치에서 연료가 분사될 때 부피변화를 이룰 수 있는 "부피 변화장치", 그리고 기화장치의 기화 잠열 보존을 위한 온도가 유지될 수 있는 공기량과 공기압이 분리될 수 있도록 구조를 가지면서 융합 연소에 의하여 가열된 압축열 생산부를 냉각시키면서 연소용 보조공기를 주입할 수 있는 "주입통로" 등을 조합한 새로운 형태의 "열량의 압축과 물질의 융합반응을 일으키기 위한 순간 부피 변화 융합 연소 시스템"을 제공하는데 목적이 있다.

이와 더불어, 연소실 내의 높은 예열 온도를 보존할 수 있도록 하고, 연료를 공기와 함께 소정의 압력으로 노즐부 내의 길이방향을 따라 혼합 분사시키면서 고압분사방식의 압축공기도 함께 분사시킴으로써, 물과 기름을 혼합한 액체연료의 기체화를 촉진할 수 있도록 한 분사방식과 버너구조를 적용함으로써, 액체연료의 효율적인 연소는 물론 액체연료 연소 시 발생하는 회분이나 다이옥신, 이산화탄소, NOx 등과 같은 환경오염물질 등의 발생을 억제할 수 있으며, 이에 따라 연료 절감은 물론 연소효율 향상 및 공해 방지에 탁월한 효과를 기대할 수 있는 융합 연소 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 일 예는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템은 가스와 공기 공급을 위한 예열관과 상기 예열관의 토출구에 위치되는 점화 플러그를 가지는 점화기로 구성되는 예열장치와, 상기 예열장치의 일측에 나란하게 배치되고 내부에는 연료주입구를 가지면서 중심축선을 따라 관통 형성되는 연료공급로가 구비되는 기화장치 본체와, 상기 연료공급로와 연통되면서 기화장치 본체의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고 선단부 측면쪽으로 연료배출구를 가지는 메인 기화관과, 상기 기화장치 본체의 선단부에 일직선상으로 나란하게 지지되고 상기 메인 기화관의 둘레에 동심원상으로 배치되면서 연료배출구를 통해 메인 기화관측과 서로 연통되며 후단 측면쪽에 연료토출구를 가지는 서브 기화관으로 구성되는 기화장치와, 상기 예열장치와 기화장치의 선단 부분을 수용함과 더불어 후단부 측면쪽의 연소용 공기공급구와 선단부 전면으로의 화염분출구가 구비되는 부피변화장치 본체와, 상기 부피변화장치 본체의 내부에 동축구조로 설치되면서 기화장치의 메인 기화관과 서브 기화관이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실을 조성하는 메인 부피변화관과, 상기 부피변화장치 본체와 메인 부피변화관의 사이에 동심원상으로 배치되면서 메인 부피변화관의 연소열 토출구로부터 역류하는 연소열의 진행을 유도한 후에 후단 측면쪽의 연소열 배출구를 통해 배출시키는 서브 부피변화관으로 구성되는 부피변화장치를 포함하는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 예열장치와 기화장치는 하나의 지지 플레이트 상에 위아래로 배치되는 형태로 설치되고, 상기 지지 플레이트는 부피변화장치의 부피변화장치 본체의 후단부에 스크류 체결구조로 설치되어, 예열장치 및 기화장치를 부피변화장치측으로부터 분리할 수 있는 특징이 있다.

또한, 상기 예열장치는 예열관의 축선을 따라 나란하게 배치되면서 예열관과 일체식으로 결합되는 불꽃감지기 장착관을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 예열장치의 예열관에는 후단 측면쪽으로 가스 및 공기 공급을 위한 예열용 연료주입구가 형성되고, 상기 예열용 연료주입구는 둘레면에 홀을 가지는 가스주입관과 상기 가스주입관의 홀 둘레면을 감싸면서 가스주입관에 대해 직각으로 배치되는 구조로 설치되는 공기주입관으로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 기화장치는 기화장치 본체에 회전 가능한 구조로 설치되고, 연료공급로를 따라 배치되는 스크류축과 상기 스크류축의 후단부에 장착되는 풀리로 구성되어, 연료공급로를 따라 공급되는 연료를 가압하는 연료가압기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기화장치의 서브 기화관에는 전면 개방부위를 가지면서 연료토출구의 주변을 둘러싸는 형태로 설치되어 연료토출구에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행되도록 하는 연료진행가이드가 구비될 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 부피변화장치의 메인 부피변화관의 선단부에 형성되는 연소열 토출구의 앞쪽에는 후단부가 원추형의 혼합기 와류돌기로 이루어진 와류형성관이 동축구조로 나란하게 배치되고, 상기 와류형성관의 혼합기 와류돌기는 연소열 토출구를 통해 연소실 겸용 부피팽창실의 내부로 진입하여 위치되며, 상기 연소열 토출구와 혼합기 와류돌기 사이에는 연소열 통과간극이 조성될 수 있다.

이와 더불어, 상기 부피변화장치의 부피변화장치 본체에는 보조 공기주입구를 형성하여, 부피변화장치 본체와 서브 부피변화관 사이의 통로를 통해 냉각공기가 흐르면서 시스템 설비가 과열되는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 다른 예는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템은 가스와 공기 공급을 위한 예열관과 상기 예열관의 토출구에 위치되는 점화 플러그를 가지는 점화기로 구성되는 예열장치와, 상기 예열장치의 중심축선을 따라 나란하게 배치되고 내부에는 연료주입구를 가지면서 중심축선을 따라 관통 형성되는 연료공급로가 구비되는 기화장치 본체와, 상기 연료공급로와 연통되면서 기화장치 본체의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고 선단부 측면쪽으로 연료배출구를 가지는 메인 기화관과, 상기 메인 기화관의 선단부 둘레에 동심원상으로 배치되면서 연료배출구를 통해 메인 기화관측과 서로 연통되며 후단 측면쪽에 연료토출구를 가지는 서브 기화관으로 구성되는 기화장치와, 상기 예열장치와 기화장치의 선단 부분을 수용함과 더불어 후단부 측면쪽의 연소용 공기공급구와 선단부 전면으로의 화염분출구가 구비되는 부피변화장치 본체와, 상기 부피변화장치 본체의 내부에 동축구조로 설치되면서 기화장치의 메인 기화관과 서브 기화관이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실을 조성하는 메인 부피변화관과, 상기 부피변화장치 본체와 메인 부피변화관의 사이에 동심원상으로 배치되면서 메인 부피변화관의 연소열 토출구로부터 역류하는 연소열의 진행을 유도한 후에 후단 측면쪽의 연소열 배출구를 통해 배출시키는 서브 부피변화관으로 구성되는 부피변화장치를 포함하는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 예열장치와 기화장치는 하나의 지지 플레이트 상에 위아래로 배치되는 형태로 설치되고, 상기 지지 플레이트는 부피변화장치의 부피변화장치 본체의 후단부에 스크류 체결구조로 설치되어, 예열장치 및 기화장치를 부피변화장치측으로부터 분리할 수 있는 특징이 있다.

또한, 상기 기화장치는 기화장치 본체에 회전 가능한 구조로 설치되고, 연료공급로를 따라 배치되는 스크류축과 상기 스크류축의 후단부에 장착되는 풀리로 구성되어, 연료공급로를 따라 공급되는 연료를 가압하는 연료가압기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기화장치의 서브 기화관에는 전면 토출구멍을 가지면서 연료토출구의 주변을 둘러싸는 형태로 설치되어 연료토출구에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행되도록 하는 연료진행가이드가 구비될 수 있다.

그리고, 상기 기화장치는 기화장치 본체와 메인 기화관 및 서브 기화관 사이에 위치됨과 더불어 메인 기화관의 둘레에 동축 구조로 나란하게 설치되고 내부에는 2차 연료주입구를 가지면서 중심축선을 따라 관통 형성되는 2차 연료공급로가 구비되는 2차 기화장치 본체와, 상기 2차 연료공급로와 연통되면서 2차 기화장치 본체의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고 선단부 측면쪽으로 2차 연료배출구를 가지는 2차 메인 기화관과, 상기 2차 메인 기화관의 선단부 둘레에 동심원상으로 배치되면서 2차 연료배출구를 통해 2차 메인 기화관측과 서로 연통되며 후단 측면쪽에 2차 연료토출구를 가지는 2차 서브 기화관을 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 기화장치의 메인 기화관 및 서브 기화관과 2차 메인 기화관 및 2차 서브 기화관 사이의 경계부위에는 부피변화장치의 메인 부피변화관의 선단부에 형성되는 연소열 토출구의 앞쪽에 위치되는 원추형의 혼합기 와류블록이 형성되고, 상기 혼합기 와류블록은 연소열 토출구를 통해 연소실 겸용 부피팽창실의 내부로 진입하여 위치되며, 상기 연소열 토출구와 혼합기 와류블록 사이에는 연소열 통과간극이 조성될 수 있다.

특히, 상기 부피변화장치의 내측에는 메인 부피변화관의 앞쪽으로 동축 구조를 이루면 나란하게 위치되면서 내부에 2차 연소실 겸용 부피팽창실을 조성하는 2차 메인 부피변화관이 설치될 수 있다.

이때의 부피변화장치의 연소실 겸용 부피팽창실의 내부에는 2차 메인 기화관 및 2차 서브 기화관이 위치되는 동시에 2차 연소실 겸용 부피팽창실의 내부에는 메인 기화관 및 서브 기화관이 위치될 수 있다.

이와 더불어, 상기 부피변화장치의 부피변화장치 본체에는 보조 공기주입구를 형성하여, 부피변화장치 본체와 서브 부피변화관 사이의 통로를 통해 냉각공기가 흐르면서 시스템 설비가 과열되는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 물과 기름의 비율을 약 7:3 정도의 비율로 적용하면서 고온에서 물과 기름의 접촉 시 폭발에 의해 연소 효율을 높여 900∼1,600℃ 정도의 연소열을 얻을 수 있는 등 온수 생산과 스팀 생산에 필요한 적정 온도를 확보할 수 있으며, 이산화탄소 발생 억제와 질소산화물 발생을 억제함으로써 지구의 온난화 방지 및 미세먼지 감소 등 쾌적하고 깨끗한 대기 환경을 제공할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 부피 변화실 내에서 기체의 회전 및 와류 발생, 와류로 인한 공기의 원활한 혼합 및 고온 연소가스의 체류시간 증대, 열 배출 최소화 및 열 누적 극대화 및 최대한의 연소시간 확보 등이 복합적으로 작용하게 되면서, 기화실은 물론 부피 변화실 내의 온도를 완전 연소 조건으로 최대한 상승시킬 수 있고, 연소 영역 내에서 연소되지 못한 고형물질 등이 완전 소각되어 제거될 수 있으며, 따라서 액체 연료의 완전 연소와 연소 효율의 향상이 가능해지면서 에너지 이용 효율의 향상과 더불어 대기오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 전단 부피 변화실과 후단 부피 변화실 2곳을 운용함으로써, 기화장치에서 필요로 하는 기화잠열을 충분히 공급하도록 하면서도 경질류나 중질류 등 어떠한 종류의 중유도 기화시킬 수 있는 등 최대한의 부피 변화를 일으키면서 높은 열량을 생산할 수 있는 효과가 있다.

넷째, 연소가 이루어지는 영역 내에서 와류의 흐름을 유도하여 부피 변화실 바닥에 회분 등이 쌓이는 것을 막을 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 부피 변화실이나 기화실의 압력 상승 시에도 스크류 가압 이송 장치를 사용하여 물과 기름을 충분하게 공급함으로써, 연료의 원활한 공급에 따른 안정적이고 지속적인 연소상태를 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 예열장치를 나타내는 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 기화장치를 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 부피변화장치를 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템를 나타내는 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 작동상태를 나타내는 단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 예열장치를 나타내는 단면도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 기화장치를 나타내는 단면도
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 부피변화장치를 나타내는 단면도
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템를 나타내는 단면도
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 작동상태를 나타내는 단면도
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 예열장치에 대한 다른 예를 나타내는 단면도
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 연소 시스템의 저녹스 버너 인정검사 결과서

본 발명의 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템은 열량의 압축과 물질의 융합 반응을 일으키기 위한 순간 부피 변화 융합 연소 시스템으로서, 예열장치, 기화장치 및 부피변화장치의 조합 형태로 이루어진다.

1) 예열장치

점화기에서 발생되는 불꽃은 풍압이 세면 점화가 어려운 점, 공급되는 가스 압력이 너무 강하면 점화가 어려운 점, 가스 분출구가 노출이 심하면 점화가 어려운 점에 기초한 구조로서, 예열용 연료토출구를 경사지게 하고, 예열관 선단부를 예열용 연료토출구 위치보다 앞쪽으로 좀더 연장시켜서 풍량의 영향을 최소화하면서 예열장치의 점화 플러그가 접촉되는 부분을 일부 제거하여 예열장치 내에 설치된 기화장치에 의한 공기와류를 일으켜 가스와 공기의 혼합을 유도하면서 점화가 이루어지도록 한다.

이 경우, 경질유 사용에는 문제가 없지만 중질유 사용 시에는 연소실 겸용 부피팽창실 하단부에 회분이 쌓이는 현상이 발생될 수 있으므로, 초기 예열시간과 연소 시스템의 종료과정에서 누적된 회분을 소각시켜 깨끗한 환경을 만들기 위한 연소실 와류 방식을 도입하였다.

또한, 연소실 와류를 일으키기 위하여 예열장치와 기화장치를 분리시킨 구조를 제시하며(도 6), 분리 시에 기화장치를 이용한 공기 와류가 소멸되어 공기와 가스의 혼합이 이루어지지 않아 점화에 어려움이 있을 수도 있으나, 이를 해소하기 위하여 예열용 연료주입구 부분을 공기와 가스가 혼합되도록 한 혼합기 형성 구조를 둠으로써 점화가 용이하게 이루어질 수 있도록 하였다.

또한, 점화기가 부피변화장치 내에 내장되어 있는 경우에는 점화기 점검 시에 장착된 부품을 분리해야 하는 번거로움이 있는 관계로, 점화기를 외부에 설치하여 점검이 용이하도록 하였다(도 11).

2) 기화장치

초기 예열된 기화장치 내로 압축공기(4∼5㎏/㎠)와 연료를 동시에 투입하면, 압축공기의 공기압이 연소실 겸용 부피팽창실의 압력을 상승시켜 2차 부피 변화를 유도하고, 기화장치 내에 투입된 연료의 기화작용에 필요한 산소를 공급하는 역할을 하여 기화가 이루어지면서 연소실 겸용 부피팽창실로 분사된다.

분사된 연료의 부피팽창에 의한 3차 부피 팽창이 일어나 연소용 팬 공기와 기화된 연료가 연소실 겸용 부피팽창실에서 융합 반응을 일으켜 자연 발화가 진행되며, 1,600℃의 온도를 생산하게 된다.

이렇게 생상된 온도 중 300℃ 정도는 기화장치를 예열하기 위한 기화잠열로 사용되고, 나머지 1,300℃ 정도는 일률로 전환된다.

기화장치의 예열을 용이하게 하기 위하여 연료의 분사구는 예열부위 후방에 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 기화장치에서 고려해야 하는 사항을 나열하면 다음과 같다.

(1) 회분이 쌓인다.

(2) 기화장치 내에서 기화된 기체가 기화 중이던 연료와 분리되어 바닥에 떨어지는 현상이 있다.

(3) 부피변화를 유도하는 부위가 집열로 인하여 소재가 녹아내린다.

(4) 중질유 사용 시 기화장치 내 회분이 쌓여 막힘 현상이 발생된다.

(5) 압축공기 압력과 연료펌프 압력이 충돌하여, 압축공기 압력>연료펌프 압력일 때에는 연료 공급이 되지 않으며, 압축공기 압력<연료펌프 압력일 때는 에어 탱크 내로 연료가 이동하는 현상이 일어난다.

이러한 점들을 해결하기 위하여 본 발명에서는 메인 기화관과 서브 기화관을 동축 구조의 이중관 형태로 조합하면서 연료의 정방향 및 역방향 흐름을 유도하는 방식, 그리고 연료가압기 등과 같은 수단을 제공한다.

도 2에서 보여주는 기화장치는 음과 양의 융합작용을 이용한 완전 연소를 실현할 수 있음을 나타낸다.

즉, 음은 무기물질인 물에 해당하며 양은 유기물질인 화석연료에 해당한다.

무기물질과 유기물질이 기화가 이루어지도록 예열과정이 끝나면 기화된 수증기와 기화된 화석연료는 부피팽창실에서 충돌이 일어나 화석연료는 공기와 혼합이 100% 이루어져 융합반응에 의한 자연 발화가 형성되면서 더 높은 연소열을 발생시키고, 수증기는 융합반응에서 생산된 높은 열에너지에 의해서 열분해되어 산소와 수소로 분리되고, 수소는 팬에서 공급된 잔여 산소량과 결합하여 연소가 진행되므로서, 물을 에너지화할 수 있게 된다.

도 7은 일련의 오염물 배출을 감소시키기 위한 연료과 공기, 그리고 물의 혼합과 밸런스를 유지하는 구조를 보여준다.

수증기를 이용한 액체 연료의 응력을 파괴하기 위해서는 연료+물+압축공기가 같은 라인 속으로 투입되어 간섭받도록 해야 한다.

이미 외부에서 연료와 물이 비율표에 의하여 혼합이 이루어졌을 때에는 원하는 목표 수행에 차질이 없지만, 외부에서 물과 기름을 혼합하는 과정에서 비용부담과 여러가지 문제점이 따르게 된다.

이러한 점을 감안하여 물과 기름을 기화장치 내에 별도 투입하는 방식을 채택하였다.

특히, 본 발명에서는 충분한 기화잠열 확보를 위한 예열장치는 물론, 물과 기름의 공급 압력에 의한 충돌 방지와 전방향 이동 유도와 물의 기화를 유도하기 위한 연료가압 수단을 제공한다.

그 결과, 화석 연료의 연소 열량을 활용하여 물을 열분해하면서 에너지화함으로써, 물과 화석 연료의 융합 연소 시스템을 구현할 수 있으며, 따라서 물이 사용되는 것 만큼 이산화탄소 발생을 줄일 수 있고, 물의 열분해 시 발생된 수소에너지를 2차 연소하기 때문에 잔여 산소량을 소진시킬 수 있고, 결국 오존의 발생이 줄어들고, 열분해된 산소는 질소의 온도를 흡수하기 때문에 NOx 발생을 억제할 수 있다.

이와 같은 융합 연소 시스템의 기본적인 운전과정은 다음과 같다.

팬 가동→15초 후에 압축공기+가스 공급 및 점화→점화 3초 후 기화장치 내 압축공기를 공급하고 점화기는 정지시킨 다음, 기화장치 내 연료가압기를 구동→120초 후 물과 기름 공급→3초 후 예열용 가스 연료 차단→정상 운전 지속

이때, 물과 연료투입 비율은 3:7이 적당하며, 그 결과 30%의 에너지 절감과 질소산화물을 30% 저감시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템을 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 융합 연소 시스템은 초기 가동 시 점화 및 예열을 위한 수단으로 예열장치(13)를 포함한다.

상기 예열장치(13)는 원추형의 선단 부분에 형성되는 예열용 연료, 즉 가스와 공기의 혼합기로 되어 있는 예열용 연료를 토출하는 예열용 연료토출구(40)와 후단부 측면쪽에 형성되는 예열용 연료를 주입하는 예열용 연료주입구(32)를 가지면서 가스와 공기를 공급 및 토출하는 원통형 관 형태의 예열관(10)을 포함한다.

이러한 예열관(10)은 수직 자세의 지지 플레이트(31)를 수평으로 관통하면서 용접이나 나사체결 구조 등으로 플레이트측에 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

그리고, 상기 예열장치(13)는 예열관(10)의 예열용 연료토출구(40)에 위치되는 점화 플러그(11)를 가지면서 예열관(10)의 윗쪽으로 나란하게 배치되는 점화기(12)를 포함한다.

이러한 점화기(12)도 수직 자세의 지지 플레이트(31)를 수평으로 관통하면서 용접이나 나사체결 구조 등으로 플레이트측에 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

여기서, 상기 점화기(12)는 공지의 점화기를 적용할 수 있으며, 그 구조나 작동방식에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

이와 같은 예열장치(13)는 불꽃 상태의 감지를 위한 공지의 불꽃감지기(미도시)를 장착할 수 있는 불꽃감지기 장착관(39)를 포함하며, 상기 불꽃감지기 장착관(39)은 예열관(10)의 중심축선을 따라 나란하게 배치되면서 용접 등으로 예열관(10)측에 일체식으로 고정되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

이렇게 설치되는 불꽃감지기 장착관(39)의 후단부에 불꽃감지기가 장착되며, 작업자는 불꽃감지기를 통해 내부의 점화상태, 화염상태 등을 확인할 수 있게 된다.

이러한 불꽃감지기 장착관(39)의 후단부 측면쪽 일측에는 에어 주입구(41)가 형성되어 있어서, 이곳을 통해 주입되는 에어에 의해 불꽃 등의 역류가 방지되면서 불꽃감지기가 보호될 수 있게 된다.

특히, 상기 예열장치(13)의 예열관(10)에 구비되는 예열용 연료주입구(32), 즉 예열관(10)의 후단 측면쪽에 형성되는 예열용 연료주입구(32)는 고압의 공기와 가스의 효과적인 혼합을 위한 구조로 이루어지게 된다.

예를 들면, 상기 예열용 연료주입구(32)는 가스주입관(32a)과 공기주입관(32b)으로 구성되는 한편, 상기 가스주입관(32a)은 둘레면에 홀을 가지는 구조로 이루어지게 되고, 이러한 가스주입관(32a)의 홀 둘레면을 감싸면서 가스주입관(32a)에 대해 직각으로 배치되는 구조로 공기주입관(32b)이 설치된다.

이에 따라, 상기 가스주입관(32a)을 따라 공급되는 가스의 유속에 의해 공기주입관(32b)으로 공급되는 고압의 공기가 홀을 통해 빨려들어가면서 섞이게 되므로, 공기와 가스가 충분하게 혼합된 상태로 공급될 수 있게 되고, 결국 우수한 점화 효율을 확보할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 점화기(12)를 외부에 설치하여 점검을 용이하게 할 수 있도록 한 예열장치(13)의 다른 예를 제공한다.

이를 위하여, 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 예열장치(13)는 후술하는 기화장치(21)의 둘레에 동축구조로 설치되면서 선단부에 공기주입을 위한 홀과 예열용 연료토출구(40)를 가지는 동시에 후단부 측면쪽에 예열용 연료주입구(32)를 가지는 원통형 관 형태의 예열관(10)을 포함한다.

이러한 예열관(10)은 수직 자세의 지지 플레이트(31)를 수평으로 관통하면서 용접이나 나사체결 구조 등으로 플레이트측에 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

그리고, 상기 예열장치(13)는 예열관(10)의 예열용 연료주입구(32)에 위치되는 점화 플러그(11)를 가지면서 예열용 연료주입구(32) 상에 설치되는 점화기(12)를 포함한다.

여기서, 상기 점화기(12)는 공지의 점화기를 적용할 수 있으며, 그 구조나 작동방식에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

이렇게 상기 점화기(12)의 경우 예열용 연료주입구(32)에 설치되어 외부로 노출되는 위치에 있게 되므로, 시스템 설비 전체를 분리하지 않고도 점화기 점검 작업이나 수리 작업 등을 쉽게 할 수 있는 이점이 있다.

이와 더불어, 상기 예열장치(13)는 불꽃 상태의 감지를 위한 공지의 불꽃감지기(미도시)를 장착할 수 있는 불꽃감지기 장착관(39)를 포함하며, 상기 불꽃감지기 장착관(39)은 예열관(10)의 일측에 이와 나란하게 수평 배치되면서 용접 등으로 지지 플레이트(31)에 고정되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

이렇게 설치되는 불꽃감지기 장착관(39)의 후단부에 불꽃감지기가 장착되며, 작업자는 불꽃감지기를 통해 내부의 점화상태, 화염상태 등을 확인할 수 있게 된다.

이러한 불꽃감지기 장착관(39)의 후단부 측면쪽 일측에는 에어 주입구(41)가 형성되어 있어서, 이곳을 통해 주입되는 에어에 의해 불꽃 등의 역류가 방지되면서 불꽃감지기가 보호될 수 있게 된다.

또한, 상기 융합 연소 시스템은 연료, 즉 기름과 물과 공기의 혼합기를 자연발화가 일어나기 용이한 상태로 기화시켜주는 수단으로 기화장치(21)를 포함한다.

상기 기화장치(21)는 중심축선을 따라 관통 형성되는 연료공급로(15)를 가지는 원통형의 기화장치 본체(16)를 포함한다.

그리고, 상기 기화장치 본체(16)에는 외부의 연료공급용 배관(미도시) 등과 연결되는 연료주입구(14)가 형성되고, 이렇게 형성되는 연료주입구(14)는 연료공급로(15)와 통할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 연료주입구(14)를 통해 공급되는 연료, 즉 각각 공급되는 기름, 물, 공기는 연료공급로(15) 내에서 혼합됨과 더불어 연료공급로(15)를 따라 앞쪽으로 진행될 수 있게 된다.

여기서, 상기 연료주입구(14)는 각각 별개의 루트를 가지는 기름주입구(14a), 물주입구(14b) 및 공기주입구(14c)로 이루어질 수 있게 된다.

이러한 기화장치 본체(16)는 예열장치(13)의 일측에 나란하게 배치되면서 수직 자세의 지지 플레이트(31)를 수평으로 관통하면서 용접이나 나사체결 구조 등으로 플레이트측에 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

특히, 상기 기화장치(21)는 물론 상기 예열장치(13)는 하나의 지지 플레이트(31) 상에서 위아래로 나란하게 배치되는 형태로 설치되고, 이때의 지지 플레이트(31)는 후술하는 부피변화장치(30)의 부피변화장치 본체(24)의 후단부에 스크류 체결구조로 설치되므로서, 예열장치(13) 및 기화장치(21)를 포함하는 지지 플레이트(31) 전체를 부피변화장치(30)측으로부터 쉽게 분리할 수 있게 되고, 따라서 시스템 설비의 점검이나 수리 등과 같은 유지보수 작업을 보다 용이하게 할 수 있게 된다.

상기 기화장치(21)는 연료의 기화(무화)를 촉진하는 수단으로 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)을 포함한다.

상기 메인 기화관(18)은 원형의 관 형태로서, 기화장치 본체(16)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고, 이렇게 설치되는 메인 기화관(18)은 기화장치 본체(16)의 연료공급로(15)와 그대로 연통될 수 있게 된다.

그리고, 상기 메인 기화관(18)의 선단부 측면쪽에는 연료배출구(17)가 형성되고, 이때의 연료배출구(17)를 빠져나간 연료는 서브 기화관(20)의 내부로 유입될 수 있게 된다.

상기 서브 기화관(20)은 메인 기화관(18)에 비해 상대적으로 큰 직경을 가지는 원형의 관 형태로서, 기화장치 본체(14)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 지지됨과 더불어 메인 기화관(18)의 둘레에 동심원상으로 배치되는 구조로 설치된다.

이렇게 설치되는 서브 기화관(20)의 내부는 연료배출구(17)를 통해 메인 기화관측과 서로 연통될 수 있게 되고, 이러한 서브 기화관(20)의 후단부 측면쪽에는 연료토출구(19)가 형성된다.

여기서, 상기 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)의 선단부는 커버 블록(42)에 의해 마감될 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 기화장치 본체(16)의 연료공급로(15)를 따라 공급되는 연료(기름+물+공기의 혼합기)는 메인 기화관(18)의 내부를 경유한 후에 그 선단쪽에 있는 연료배출구(17)를 통해 빠져나가게 되고, 이렇게 빠져나간 연료는 서브 기화관(20)의 내부를 역방향, 즉 메인 기화관(18)의 내부를 따라 흐르는 연료의 진행방향에 대한 역방향으로 경유한 후에 그 후단쪽에 있는 연료토출구(19)를 통해 빠져나가 후술하는 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 내부로 토출될 수 있게 된다.

이렇게 연료가 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)의 내부를 정방향 및 역방향으로 진행되면서 긴 배관경로를 경유하게 되고, 이와 함께 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)이 연소가 이루어지고 있는 고온의 환경에 그대로 노출되어 있게 되므로, 즉 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)이 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내에 속해 있게 되므로, 연료의 기체화가 더욱 촉진되는 동시에 연료의 입자 사이에 공기가 충분히 섞이게 되며, 결국 연료토출구(19)를 통해 빠져나가는 연료는 완전 기화상태로 분출되면서 자연발화 및 폭발을 일으키면서 연소될 수 있게 된다.

그리고, 상기 서브 기화관(20)의 연료토출구(19)의 주변에는 연료의 전방 토출을 유도하는 수단으로 연료진행가이드(34)가 설치된다.

이렇게 설치되는 연료진행가이드(34)는 전면 개방부위를 가지면서 연료토출구(19)의 주변을 둘러싸는 형태를 취하면서 연료토출구(19)에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행될 수 있도록 해주는 역할을 하게 된다.

특히, 상기 기화장치(21)는 물과 기름 간의 반력을 극복하고 기화장치 내의 압력 증가에 따른 연료의 공급저하를 해소하기 위한 수단으로 연료가압기(33)를 포함한다.

상기 연료가압기(33)는 기화장치 본체(16)의 축선을 따라 위치되는 동시에 연료공급로(15)의 내부에 나란하게 배치되는 스크류축(33a)과 상기 스크류축(33a)의 후단부에 장착되는 풀리(33b)를 포함한다.

이러한 스크류축(33a)은 기화장치 본체(16) 내의 베어링에 의해 지지되면서 회전 가능한 구조로 설치되며, 이때의 베어링 설치부위는 플레이트에 의해 마감될 수 있게 된다.

그리고, 상기 풀리(33b)는 모터(미도시)측과 벨트 전동구조(미도시)로 연결되며, 이에 따라 모터 가동 시 풀리(33b) 및 스크류축(33a)이 회전되면서 연료공급로(15) 내의 연료를 가압함과 더불어 혼합시키면서 앞쪽으로 밀어낼 수 있게 된다.

또한, 상기 융합 연소 시스템은 팽창 및 연소 영역을 조성하면서 최종적으로 연소열과 화염을 토출하는 수단으로 부피변화장치(30)를 포함한다.

상기 부피변화장치(30)는 예열장치(13)와 기화장치(21)의 선단 부분을 수용함과 더불어 후단부 측면쪽의 연소용 공기공급구(22)와 선단부 전면으로의 화염분출구(23)가 구비되는 원통형 관 형태의 부피변화장치 본체(24)를 포함한다.

즉, 상기 부피변화장치 본체(24)의 후단부 패널에는 윗쪽과 아래쪽에 각각 기화장치(21)의 기화장치 본체(16)와 예열장치(13)의 예열관(10) 등이 설치되어 있는 지지 플레이트(31)가 볼트 체결구조로 설치되므로서, 예열장치(13)와 기화장치(21)의 선단 부분은 부피변화장치 본체(24)의 내부에 위치될 수 있게 된다.

그리고, 상기 부피변화장치(30)는 부피변화장치 본체(24)의 내부에 동축구조로 설치되면서 기화장치(21)의 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(25)을 조성하는 원통형 관 형태의 메인 부피변화관(26)을 포함한다.

이때의 메인 부피변화관(26)은 부피변화장치 본체(24)의 내벽에 용접 등으로 지지될 수 있게 된다.

이렇게 설치되는 메인 부피변화관(26)의 후단 개방부위는 연소용 공기공급구(22)가 형성되어 있는 부피변화장치 본체(24)의 내부 후단 영역과 그대로 통하는 구조를 이루게 되고, 선단 개방부위는 연소열 토출구(27)로서 이곳을 통해 연소열이 앞쪽으로 토출될 수 있게 된다.

이러한 메인 부피변화관(26)의 내부는 연료의 연소, 부피팽창 등이 이루어지는 연소실 겸용 부피팽창실(25)로 조성된다.

그리고, 상기 부피변화장치(30)는 부피변화장치 본체(24)와 메인 부피변화관(26)의 사이에 간격을 유지함과 더불어 동심원상으로 배치되는 구조로 설치되는 원통형 관 형태의 서브 부피변화관(29)을 포함한다.

이때, 상기 부피변화장치 본체(24), 메인 부피변화관(26) 및 서브 부피변화관(29)은 동심원상으로 적층 배치되고, 각 관 사이에는 스페이서(43)가 개재되어 관 사이의 간격을 확보해줄 수 있게 되며, 이렇게 확보되는 간격은 연소열의 진행 통로가 될 수 있게 된다.

이러한 서브 부피변화관(29)의 후단 측면쪽에는 연소열 배출구(28)가 형성되어 있으며, 이때의 연소열 배출구(28)를 통해 메인 부피변화관(26)의 연소열 토출구(27)를 빠져나와 역류하여 진행하는 일부 연소열(나머지 연소열은 서브 부피변화관 선단 개방부를 통해 빠져나감)이 배출되어 부피변화장치 본체(24)와 서브 부피변화관(29) 사이의 간격(통로)으로 보내질 수 있게 된다.

즉, 상기 서브 부피변화관(29)은 메인 부피변화관(26)의 연소열 토출구(27)를 빠져나온 연소열 중 일부를 뒷쪽으로 유도한 후에 후단 측면쪽의 연소열 배출구(28)를 통해 배출시키는 역할을 하게 된다.

이에 따라, 상기 메인 부피변화관(26)의 연소실 겸용 부피팽창실(25)에서 일어나는 연소과정에서 고온의 연소열과 연소가스 등은 메인 부피변화관(26)과 서브 부피변화관(29) 사이의 통로를 따라 역류하게 되고, 이렇게 역류하는 고온의 연소열과 연소가스 등이 기화장치(21)의 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 주변을 따라 흐르면서 고온의 열을 제공하게 됨으로써, 기화장치(21) 내에서의 최적의 기화 조건이 유지될 수 있게 되고, 또한 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내에서의 불완전 연소를 최대한 억제되어 연소 효율이 극대화될 수 있게 된다.

이와 더불어, 상기 부피변화장치(30)는 메인 부피변화관(26)과 앞뒤로 짝을 이루며 조합되어 연소효율 증대를 위한 와류발생 등을 유도하는 수단으로 와류형성관(36)을 포함한다.

상기 와류형성관(36)은 후단부가 원추형의 혼합기 와류돌기(35)로 이루어져 막혀 있는 원통형의 관으로 이루어지며, 메인 부피변화관(26)의 선단부에 형성되는 연소열 토출구(27)의 앞쪽에 동축구조를 이루며 앞뒤로 나란하게 배치된다.

계속해서, 이렇게 배치되는 와류형성관(36)은 서브 부피변화관(29)의 내주면과의 개재되는 스페이서(43)에 의해 지지됨과 더불어 서브 부피변화관(29)과의 사이에 간격(통로)을 유지하는 구조로 설치된다.

특히, 상기 와류형성관(36)의 혼합기 와류돌기(35)는 메인 부피변화관(26)의 연소열 토출구(27)를 통해 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 내부로 진입하여 위치되고, 이렇게 위치되는 와류형성관(36)의 혼합기 와류돌기(35)와 연소열 토출구(27) 사이에는 연소열 통과간극(37)이 조성된다.

이에 따라, 상기 메인 부피변화관(26)의 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내에서의 연소열은 와류형성관(36)의 혼합기 와류돌기(35)에 부딪히면서 방향이 꺽이는 등의 와류 흐름 형태를 보이게 되고, 결국 연료의 연소과정을 더욱 활성화시켜서 연소효율을 높일 수 있게 된다.

그리고, 상기 부피변화장치(30)의 부피변화장치 본체(24)에는 후단부 측면쪽으로 보조 공기주입구(38)가 형성되며, 이때의 보조 공기주입구(38)를 통해 공급되는 냉각공기는 부피변화장치 본체(24)와 서브 부피변화관(29) 사이의 통로를 통해 흐르면서 부피변화장치(30) 등을 포함하는 시스템 설비 전체가 과열되는 것을 방지해줄 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 먼저 준비 단계로서, 일정시간 동안 팬(미도시)을 가동하여 연소용 공기공급구(22)를 통해 압축공기를 불어넣어 줌으로써 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내의 잔여가스를 외부로 배출하는 단계를 실시한다.

다음, 예열 단계로서, 예열장치(13)의 예열용 연료주입구(32)를 통해 예열관(10) 내에 가스와 공기를 공급하고, 이와 동시에 점화기(12)의 점화플러그(11)를 이용하여 점화시키고, 연료가 공급되기 전에 일정시간 동안 연료의 이동공간 및 그 주변, 예를 들면 기화장치(21)의 메인 기화관(18) 및 서브 기화관(20)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내의 공간을 예열하는 단계를 실시한다.

이때의 예열 단계는 60초 내지 180초 정도의 시간동안 실시하는 것이 바람직하다.

다음, 연료분사 및 연료기화 단계로서, 팬을 가동하여 연소에 필요한 공기를 연소용 공기공급구(22)를 통해 공급하는 한편, 기화장치(21)의 연료주입구(14), 즉 기름주입구(14a) 및 공기주입구(14c)를 통해 연료공급로(15)는 물론 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)으로 연료(기름+압축공기)를 공급하면, 이때의 연료, 즉 혼합기는 연료공급로(15), 메인 기화관(18) 및 서브 기화관(20)을 경유하면서 서로 혼합되고, 이와 더불어 주변의 온도 영향을 받아 혼합기는 기체화될 수 있게 된다.

다음, 연소 및 부피팽창 단계로서, 기체화된 혼합기를 높은 예열온도의 연소가스와 혼합되게 한 후에 자연 발화시켜서 연소시키는 단계를 실시한다.

즉, 기화장치(21)에서 기체화된 기름과 공기의 혼합기가 연료토출구(19)를 통해 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 내부로 공급되고, 이때 예열에 따른 연소열 누적과 높은 예열 온도에 의해 혼합기의 자연 발화가 일어나게 된다.

예를 들면, 예열장치(13)의 초기 예열로 기화장치(21) 주변 및 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 온도가 자연 발화가 가능한 온도 이상으로 상승 및 유지되면 기화장치(21)측에서 혼합기가 공급될 때 자연발화가 일어나게 된다.

자연 발화 후 연소실 겸용 부피팽창실(25)에서 일어나는 연소 과정에서 고온의 연소열, 연소가스와 잔유물, 연소생성물은 와류 흐름을 타고 기화장치(21)의 주변을 따라 후방으로 역류하게 되는데, 이때 고온의 연소열이 기화장치(21)로 제공됨으로써 기화장치(21) 내에서의 최적 기화 조건이 유지되고, 또한 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내에서의 불완전연소를 최대한 억제하여 연소 효율을 극대화하게 된다.

그리고, 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내 혼합기의 자연 발화가 이루어진 뒤에는 예열장치(13)의 작동을 정지시켜 초기 예열은 중단한다.

예열장치(13)의 작동 정지 후, 이와 동시에 연료주입구(14), 즉 물주입구(14b)를 통해 물을 공급한다.

이때부터는 기화장치(21)측에서 기름, 물, 압축공기가 혼합되어 기화된 혼합기가 분출될 수 있게 된다.

그리고, 이때의 기름과 물의 혼합 비율은 70중량% : 30중량% 정도가 바람직하다.

계속해서, 연소가 이루어지고 있는 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 내부에서는 와류형성관(36)의 혼합기 와류돌기(35)에 의해 연소열, 연소가스 등의 강력한 와류 상태의 흐름이 일어나게 됨과 더불어 역방향의 흐름도 일어나게 되면서 연소가 활발히 이루어게 된다.

특히, 초기 기름 투입 후에 곧이어 물을 투입한 후에는 순간적으로 높은 온도, 예를 들면 1,300℃ 이상의 온도가 발생하면서 열량 증폭에 따른 우수한 연소효과를 이루면서 불꽃이 선명하고 상쾌한 열냄새가 날 수 있게 된다.

즉, 연소실 겸용 부피팽창실(25) 내의 환경변화는 팬(미도시)으로부터 제공되는 공기의 풍량과 풍압, 그리고 압축공기의 압력과 관계가 있으며, 연소실 겸용 부피변화실(25)의 와류를 일으키는 혼합기 와류돌기(35)와 이 혼합기 와류돌기(35)를 감싸고 있는 연소열 토출구(27)와의 연소열 통과간극(37), 풍압의 반작용에 의한 연소열의 분배 비율이 연소 시스템에 영향을 준다.

특히, 주연료 연소가 진행되면 과도한 열량 증폭을 막기 위해 증폭된 열량의 일부를 기화 잠열로 전환시킴으로써, 일부의 연소열은 서브 부피변화관(29)측의 통로로 역류시켜서 연료를 기화시키는 용도로 전환시킴으로써, 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 손상을 방지할 수 있게 된다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템을 나타내는 단면도이다.

도 6 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 융합 연소 시스템은 초기 가동 시 점화 및 예열을 위한 수단으로 예열장치(130)를 포함한다.

상기 예열장치(130)는 원추형의 선단 부분에 형성되는 예열용 연료, 즉 가스와 공기의 혼합기로 되어 있는 예열용 연료를 토출하는 예열용 연료토출구(400)와 후단부 측면쪽에 형성되는 예열용 연료를 주입하는 예열용 연료주입구(320)를 가지면서 가스와 공기를 공급 및 토출하는 원통형 관 형태의 예열관(100)을 포함한다.

이러한 예열관(100)은 수직 자세의 지지 플레이트(310)를 수평으로 관통하면서 후술하는 예열관 블록(440)측에 결합되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

이와 더불어, 상기 예열관 블록(440)은 외부로부터의 가스 및 압축공기 배관(미도시)이 연결되는 링형 블록 형태로서, 예열관(100)의 후단부를 수용하는 구조로 예열관측과 결합되고, 이렇게 예열관(100)과 결합된 예열관 블록(440)은 지지 플레이트(310) 상에 볼트 체결구조로 설치될 수 있게 된다.

이때의 예열관 블록(440)은 후술하는 기화장치 본체(160)는 물론 2차 기화장치 본체(430)를 체결하는 볼트에 의해 함께 체결될 수 있게 된다.

그리고, 상기 예열장치(130)는 예열관(100)의 예열용 연료토출구(400)에 위치되는 점화 플러그(110)를 가지면서 예열관(100)의 윗쪽으로 나란하게 배치되는 점화기(120)를 포함한다.

이러한 점화기(120)도 수직 자세의 지지 플레이트(310)를 수평으로 관통하면서 용접이나 나사체결 구조 등으로 플레이트측에 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

여기서, 상기 점화기(120)는 공지의 점화기를 적용할 수 있으며, 그 구조나 작동방식에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

이와 같은 예열장치(130)는 불꽃 상태의 감지를 위한 공지의 불꽃감지기(미도시)를 장착할 수 있는 불꽃감지기 장착관(390)를 포함하며, 상기 불꽃감지기 장착관(390)은 예열관(100)의 아래쪽에 수평자세로 나란하게 배치되면서 용접 등으로 지지 플레이트(310) 상에 관통 고정되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

이렇게 설치되는 불꽃감지기 장착관(390)의 후단부에 불꽃감지기가 장착되며, 작업자는 불꽃감지기를 통해 내부의 점화상태, 화염상태 등을 확인할 수 있게 된다.

이러한 불꽃감지기 장착관(390)의 후단부 측면쪽 일측에는 에어주입구(410)가 형성되어 있어서, 이곳을 통해 주입되는 에어에 의해 불꽃 등의 역류가 방지되면서 불꽃감지기가 보호될 수 있게 된다.

또한, 상기 융합 연소 시스템은 연료, 즉 기름과 물과 공기의 혼합기를 자연발화가 일어나기 용이한 상태로 기화시켜주는 수단으로 기화장치(210)를 포함한다.

상기 기화장치(210)는 중심축선을 따라 관통 형성되는 연료공급로(150)를 가지는 원통형의 기화장치 본체(160)를 포함한다.

그리고, 상기 기화장치 본체(160)에는 외부의 연료공급용 배관(미도시) 등과 연결되는 연료주입구(140)가 형성되고, 이렇게 형성되는 연료주입구(140)는 연료공급로(150)와 통할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 연료주입구(140)를 통해 공급되는 연료, 즉 각각 공급되는 기름, 물, 공기는 연료공급로(150) 내에서 혼합됨과 더불어 연료공급로(150)를 따라 앞쪽으로 진행될 수 있게 된다.

여기서, 상기 연료주입구(140)는 각각 별개의 루트를 가지는 기름주입구(140a), 물주입구(140b) 및 공기주입구(140c)로 이루어질 수 있게 된다.

이러한 기화장치 본체(160)는 예열장치(130)의 중심부, 즉 예열관(100)의 중심부를 관통하면서 중심축선을 따라 나란하게 배치되고, 이렇게 배치된 상태에서 수직 자세의 지지 플레이트(310)를 수평으로 관통하면서 볼트 체결구조나 나사체결 구조 등으로 플레이트측에 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

특히, 상기 기화장치(210)는 물론 상기 예열장치(130)는 하나의 지지 플레이트(310) 상에서 위아래로 나란하게 배치되는 형태로 설치되고, 이때의 지지 플레이트(310)는 후술하는 부피변화장치(300)의 부피변화장치 본체(240)의 후단부에 스크류 체결구조로 설치되므로서, 예열장치(130) 및 기화장치(210)를 포함하는 지지 플레이트(310) 전체를 부피변화장치(300)측으로부터 쉽게 분리할 수 있게 되고, 따라서 시스템 설비의 점검이나 수리 등과 같은 유지보수 작업을 보다 용이하게 할 수 있게 된다.

상기 기화장치(210)는 연료의 기화(무화)를 촉진하는 수단으로 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)을 포함한다.

상기 메인 기화관(180)은 원형의 관 형태로서, 기화장치 본체(160)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고, 이렇게 설치되는 메인 기화관(180)은 기화장치 본체(160)의 연료공급로(150)와 그대로 연통될 수 있게 된다.

그리고, 상기 메인 기화관(180)의 선단부 측면쪽에는 연료배출구(170)가 형성되고, 이때의 연료배출구(170)를 빠져나간 연료는 서브 기화관(200)의 내부로 유입될 수 있게 된다.

상기 서브 기화관(200)은 메인 기화관(180)에 비해 상대적으로 큰 직경을 가지는 원형의 관 형태로서, 기화장치 본체(160)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 지지됨과 더불어 메인 기화관(180)의 둘레에 동심원상으로 배치되는 구조로 설치된다.

이렇게 설치되는 서브 기화관(200)의 내부는 메인 기화관(180)에 있는 연료배출구(170)를 통해 메인 기화관측과 서로 연통될 수 있게 되고, 이러한 서브 기화관(200)의 후단부 측면쪽에는 연료토출구(190)가 형성된다.

여기서, 상기 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)의 선단부는 커버 블록(420)에 의해 마감될 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 기화장치 본체(160)의 연료공급로(150)를 따라 공급되는 연료(기름+물+공기의 혼합기)는 메인 기화관(180)의 내부를 경유한 후에 그 선단쪽에 있는 연료배출구(170)를 통해 빠져나가게 되고, 이렇게 빠져나간 연료는 서브 기화관(200)의 내부를 역방향, 즉 메인 기화관(180)의 내부를 따라 흐르는 연료의 진행방향에 대한 역방향으로 경유한 후에 그 후단쪽에 있는 연료토출구(190)를 통해 빠져나가 후술하는 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)의 내부로 토출될 수 있게 된다.

이렇게 연료가 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)의 내부를 정방향 및 역방향으로 진행되면서 연소실 겸용 부피팽창실(250)과 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)에 걸쳐 배치되는 긴 배관경로를 경유하게 되고, 이와 함께 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)이 연소가 이루어지고 있는 고온의 환경에 그대로 노출되어 있게 되므로, 즉 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)이 연소실 겸용 부피팽창실(250)을 거침과 더불어 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390) 내에 속해 있게 되므로, 연료의 기체화가 더욱 촉진되는 동시에 연료의 입자 사이에 공기가 충분히 섞이게 되며, 결국 연료토출구(190)를 통해 빠져나가는 연료는 완전 기화상태로 분출되면서 자연발화 및 폭발을 일으키면서 연소될 수 있게 된다.

그리고, 상기 서브 기화관(200)의 연료토출구(190)의 주변에는 연료의 전방 토출을 유도하는 수단으로 연료진행가이드(340)가 설치된다.

이렇게 설치되는 연료진행가이드(340)는 전면 홀을 가지면서 연료토출구(190)의 주변을 둘러싸는 형태를 취하면서 연료토출구(190)에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행될 수 있도록 해주는 역할을 하게 된다.

특히, 상기 기화장치(210)는 물과 기름 간의 반력을 극복하고 기화장치 내의 압력 증가에 따른 연료의 공급저하를 해소하기 위한 수단으로 연료가압기(330)를 포함한다.

상기 연료가압기(330)는 기화장치 본체(160)의 축선을 따라 위치되는 동시에 연료공급로(150)의 내부는 물론 메인 기화관(180)의 후단구간 내에 나란하게 배치되는 스크류축(330a)과 상기 스크류축(330a)의 후단부에 장착되는 풀리(330b)를 포함한다.

이러한 스크류축(330a)은 기화장치 본체(160) 내의 베어링에 의해 지지되면서 회전 가능한 구조로 설치되며, 이때의 베어링 설치부위는 플레이트에 의해 마감될 수 있게 된다.

그리고, 상기 풀리(330b)는 모터(미도시)측과 벨트 전동구조(미도시)로 연결되며, 이에 따라 모터 가동 시 풀리(330b) 및 스크류축(330a)이 회전되면서 연료공급로(150) 내의 연료를 가압함과 더불어 혼합시키면서 앞쪽으로 밀어낼 수 있게 된다.

이와 더불어, 본 발명에서는 인련의 오염물질배출을 감소시키기 위한 기름과 공기, 그리고 물의 혼합과 밸런스를 위해 연료를 별도로 투입하는 방식을 포함한다.

이를 위하여, 상기 기화장치(210)는 2차 기화장치 본체(430), 2차 메인 기화관(400) 및 2차 서브 기화관(320)으로 구성되어 연료를 별도로 투입하여 연소시키는 구조를 포함한다.

상기 2차 기화장치 본체(430)는 내부 후단쪽에 기름주입구와 공기주입구로 구성되는 2차 연료주입구(400a)를 가지는 동시에 중심축선을 따라 관통 형성되는 2차 연료공급로(420)를 가지면서 후단의 원판형 블록 몸체 부분과 이 원판형 블록 몸체의 앞쪽으로 길게 연장되는 관 부분의 일체형 형태로 이루어지게 된다.

이러한 2차 기화장치 본체(430)는 기화장치 본체(160)와 메인 기화관(180) 및 서브 기화관(200) 사이에 위치됨과 더불어 메인 기화관(180)의 둘레에 간격을 유지하면서 동축 구조로 나란하게 위치되고, 기화장치 본체(160)와 예열관 블록(440) 사이에 개재되어 볼트에 의해 지지 플레이트(310)측에 체결되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

상기 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)는 연료의 기화(무화)를 촉진하는 수단이다.

상기 2차 메인 기화관(400)은 원형의 관 형태로서, 2차 기화장치 본체(430)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고, 이렇게 설치되는 2차 메인 기화관(400)은 2차 기화장치 본체(430)의 2차 연료공급로(420)와 그대로 연통될 수 있게 된다.

그리고, 상기 2차 메인 기화관(400)의 선단부 측면쪽에는 2차 연료배출구(400b)가 형성되고, 이때의 2차 연료배출구(400b)를 빠져나간 연료는 2차 서브 기화관(320)의 내부로 유입될 수 있게 된다.

상기 2차 서브 기화관(320)은 2차 메인 기화관(400)에 비해 상대적으로 큰 직경을 가지는 원형의 관 형태로서, 2차 기화장치 본체(430)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 지지됨과 더불어 2차 메인 기화관(400)의 둘레에 동심원상으로 배치되는 구조로 설치된다.

이렇게 설치되는 2차 서브 기화관(320)의 내부는 2차 메인 기화관(400)에 있는 2차 연료배출구(400b)를 통해 2차 메인 기화관측과 서로 연통될 수 있게 되고, 이러한 2차 서브 기화관(320)의 후단부 측면쪽에는 2차 연료토출구(320a)가 형성된다.

여기서, 상기 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)의 선단부는 후술하는 혼합기 와류블록(350)에 의해 마감될 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 2차 기화장치 본체(430)의 2차 연료공급로(420)를 따라 공급되는 연료(기름+공기의 혼합기)는 2차 메인 기화관(400)의 내부를 경유한 후에 그 선단쪽에 있는 2차 연료배출구(400b)를 통해 빠져나가게 되고, 이렇게 빠져나간 연료는 2차 서브 기화관(320)의 내부를 역방향, 즉 2차 메인 기화관(400)의 내부를 따라 흐르는 연료의 진행방향에 대한 역방향으로 경유한 후에 그 후단쪽에 있는 2차 연료토출구(320a)를 통해 빠져나가 후술하는 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 내부로 토출될 수 있게 된다.

이렇게 연료가 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)의 내부를 정방향 및 역방향으로 진행되면서 긴 배관경로를 경유하게 되고, 이와 함께 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)이 연소가 이루어지고 있는 고온의 환경에 그대로 노출되어 있게 되므로, 즉 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)이 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내에 속해 있게 되므로, 연료의 기체화가 더욱 촉진되는 동시에 연료의 입자 사이에 공기가 충분히 섞이게 되며, 결국 2차 연료토출구(320a)를 통해 빠져나가는 연료는 완전 기화상태로 분출되면서 자연발화 및 폭발을 일으키면서 연소될 수 있게 된다.

그리고, 상기 2차 서브 기화관(320)의 2차 연료토출구(320a)의 주변에는 연료의 전방 토출을 유도하는 수단으로 연료진행가이드(340)가 설치된다.

이렇게 설치되는 연료진행가이드(340)는 전면 개방부위를 가지면서 2차 연료토출구(320a)의 주변을 둘러싸는 형태를 취하면서 2차 연료토출구(320a)에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행될 수 있도록 해주는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 융합 연소 시스템은 팽창 및 연소 영역을 조성하면서 최종적으로 연소열과 화염을 토출하는 수단으로 부피변화장치(300)를 포함한다.

상기 부피변화장치(300)는 예열장치(130)와 기화장치(210)의 선단 부분을 수용함과 더불어 후단부 측면쪽의 연소용 공기공급구(220)와 선단부 전면으로의 화염분출구(230)가 구비되는 원통형 관 형태의 부피변화장치 본체(240)를 포함한다.

즉, 상기 부피변화장치 본체(240)의 후단부 패널에는 윗쪽과 아래쪽에 각각 기화장치(210)의 기화장치 본체(160)와 예열장치(130)의 예열관(100) 등이 설치되어 있는 지지 플레이트(310)가 볼트 체결구조로 설치되므로서, 예열장치(130)와 기화장치(210)의 선단 부분은 부피변화장치 본체(240)의 내부에 위치될 수 있게 된다.

그리고, 상기 부피변화장치(300)는 부피변화장치 본체(240)의 내부에 동축구조로 설치되면서 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(250)을 조성하는 원통형 관 형태의 메인 부피변화관(260)을 포함한다.

이때의 메인 부피변화관(260)은 부피변화장치 본체(240)의 내벽에 용접 등으로 지지될 수 있게 된다.

이렇게 설치되는 메인 부피변화관(260)의 후단 개방부위는 연소용 공기공급구(220)가 형성되어 있는 부피변화장치 본체(240)의 내부 후단 영역과 그대로 통하는 구조를 이루게 되고, 선단 개방부위는 연소열 토출구(270)로서 이곳을 통해 연소열이 앞쪽으로 토출될 수 있게 된다.

이러한 메인 부피변화관(260)의 내부는 연료의 연소, 부피팽창 등이 이루어지는 연소실 겸용 부피팽창실(250)로 조성된다.

그리고, 상기 부피변화장치(300)는 부피변화장치 본체(240)와 메인 부피변화관(260)의 사이에 간격을 유지함과 더불어 동심원상으로 배치되는 구조로 설치되는 원통형 관 형태의 서브 부피변화관(290)을 포함한다.

이때, 상기 부피변화장치 본체(240), 메인 부피변화관(260) 및 서브 부피변화관(290)은 동심원상으로 적층 배치되고, 각 관 사이에는 스페이서(450)가 개재되어 관 사이의 간격을 확보해줄 수 있게 되며, 이렇게 확보되는 간격은 연소열의 진행 통로가 될 수 있게 된다.

이러한 서브 부피변화관(290)의 후단 측면쪽에는 연소열 배출구(280)가 형성되어 있으며, 이때의 연소열 배출구(280)를 통해 메인 부피변화관(260)의 연소열 토출구(270)를 빠져나와 역방향으로 진행하는 일부 연소열(나머지 연소열은 후술하는 2차 메인 부피변화관과 서브 부피변화관 사이의 통로를 통해 빠져나감)은 메인 부피변화관(260)과 서브 부피변화관(290) 사이의 통로를 따라 역류하여 진행한 후, 연소열 배출구(280)를 통해 부피변화장치 본체(240)와 서브 부피변화관(290) 사이의 간격(통로)으로 보내질 수 있게 된다.

즉, 상기 서브 부피변화관(290)은 메인 부피변화관(260)의 연소열 토출구(270)를 빠져나온 연소열 중 일부를 뒷쪽으로 유도한 후에 후단 측면쪽의 연소열 배출구(280)를 통해 배출시키는 역할을 하게 된다.

이에 따라, 상기 메인 부피변화관(260)의 연소실 겸용 부피팽창실(250)에서 일어나는 연소과정에서 고온의 연소열과 연소가스 등은 메인 부피변화관(260)과 서브 부피변화관(290) 사이의 통로를 따라 역류하게 되고, 이렇게 역류하는 고온의 연소열과 연소가스 등이 기화장치(210)의 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 주변을 따라 흐르면서 고온의 열을 제공하게 됨으로써, 기화장치(210) 내에서의 최적의 기화 조건이 유지될 수 있게 되고, 또한 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내에서의 불완전 연소를 최대한 억제되어 연소 효율이 극대화될 수 있게 된다.

이와 더불어, 상기 부피변화장치(300)는 메인 부피변화관(260)과 앞뒤로 나란하게 배치되는 원통형 관 형태의 2차 메인 부피변화관(360)을 포함한다.

상기 2차 메인 부피변화관(360)은 부피변화장치(300)의 내측, 즉 서브 부피변화관(290)의 내측에서 이와 동축 구조를 이루면서 메인 부피변화관(260)의 앞쪽으로 나란하게 위치되고, 이렇게 위치된 상태에서 스페이서(450)를 매개로 하여 서브 부피변화관(290)의 내주 둘레와 간격을 유지하면서 고정되는 구조로 설치된다.

이와 같이 설치되는 2차 메인 부피변화관(360)의 내부는 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)로 조성되며, 이때의 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)에는 기화장치(210)의 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)이 위치될 수 있게 된다.

즉, 상기 부피변화장치(300)의 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 내부에는 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)이 위치되고, 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)의 내부에는 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)이 위치된다.

그리고, 상기 2차 메인 부피변화관(360)의 내측 선단부에는 후단이 원추형으로 마감된 보조 부피변화관(460)이 동심원상으로 설치되고, 이렇게 설치되는 보조 부피변화관(460)은 스페이서(450)를 통해 2차 메인 부피변화관(360)의 내측에서 간격을 유지하면서 고정되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

특히, 상기 부피변화장치(300)는 메인 부피변화관(26)의 연소열 토출구(270)측에 설치되어 연소효율 증대를 위한 와류발생 등을 유도하는 수단으로 혼합기 와류블록(350)을 포함한다.

상기 혼합기 와류블록(350)은 원추형의 블록 형태로서, 기화장치(210)의 메인 기화관(180) 및 서브 기화관(200)과 2차 메인 기화관(310) 및 2차 서브 기화관(320) 사이의 경계부위에 결합되는 구조로 설치되고, 이렇게 설치되는 혼합기 와류블록(350)의 원추형 후단부는 메인 부피변화관(260)의 선단부에 형성되는 연소열 토출구(270)를 향하도록 위치된다.

그리고, 상기 혼합기 와류블록(350)은 연소열 토출구(270)를 통해 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 내부로 진입하여 위치됨과 더불어 이때의 혼합기 와류블록(350)의 원추형 경사면과 대략 유사한 기울기를 갖는 2차 메인 부피변화관(360)의 경사판(470), 즉 2차 메인 부피변화관(360)의 후단부에서 중심쪽을 향해 일정각도 경사지게 꺽인 형태로 이루어진 경사판(470)은 함께 짝을 이루면서 연소열 토출구(270)와의 사이에 연소열 통과간극(370)을 조성할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 메인 부피변화관(260)의 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내에서의 연소열은 혼합기 와류블록(350)과 경사판(470)의 일부에 부딪히면서 방향이 꺽이는 등의 와류 흐름 형태를 보이게 되고, 결국 연료의 연소과정을 더욱 활성화시켜서 연소효율을 높일 수 있게 된다.

그리고, 상기 부피변화장치(300)의 부피변화장치 본체(240)에는 후단부 측면쪽으로 보조 공기주입구(380)가 형성되며, 이때의 보조 공기주입구(380)를 통해 공급되는 냉각공기는 부피변화장치 본체(240)와 서브 부피변화관(290) 사이의 통로를 통해 흐르면서 부피변화장치(300) 등을 포함하는 시스템 설비 전체가 과열되는 것을 방지해줄 수 있게 된다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 먼저 준비 단계로서, 일정시간 동안 팬(미도시)을 가동하여 연소용 공기공급구(220)를 통해 압축공기를 불어넣어 줌으로써 연소실 겸용 부피팽창실(250) 및 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390) 내의 잔여가스를 외부로 배출하는 단계를 실시한다.

다음, 예열 단계로서, 예열장치(130)의 예열용 연료주입구(320)를 통해 예열관(100) 내에 가스와 공기를 공급하고, 이와 동시에 점화기(120)의 점화플러그(110)를 이용하여 점화시키고, 연료가 공급되기 전에 일정시간 동안 연료의 이동공간 및 그 주변, 예를 들면 기화장치(210)의 메인 기화관(180) 및 서브 기화관(200)이 속해 있는 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390) 내의 공간은 물론 기화장치(210)의 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내의 공간을 예열하는 단계를 실시한다.

이때의 예열 단계는 60초 내지 180초 정도의 시간동안 실시하는 것이 바람직하다.

다음, 연료분사 및 연료기화 단계로서, 팬을 가동하여 연소에 필요한 공기를 연소용 공기공급구(220)를 통해 공급하는 한편, 기화장치(210)의 연료주입구(140), 즉 기름주입구(140a) 및 공기주입구(140c)를 통해 연료공급로(150)는 물론 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)으로 연료(기름+압축공기)를 공급하는 동시에 기화장치(210)의 2차 연료주입구(400a)의 기름주입구와 공기주입구를 통해 2차 연료공급로(420)는 물론 2차 메인 기화관(400)과 2차 서브 기화관(320)으로 연료를 공급하면, 이때의 연료, 즉 혼합기는 연료공급로(150) 및 2차 연료공급로(420), 메인 기화관(180) 및 서브 기화관(200)과 2차 메인 기화관(400) 및 2차 서브 기화관(320)을 경유하면서 서로 혼합되고, 이와 더불어 주변의 온도 영향을 받아 혼합기는 기체화될 수 있게 된다.

다음, 연소 및 부피팽창 단계로서, 기체화된 혼합기를 높은 예열온도의 연소가스와 혼합되게 한 후에 자연 발화시켜서 연소시키는 단계를 실시한다.

즉, 기화장치(210)에서 기체화된 기름과 공기의 혼합기가 연료토출구(190)를 통해 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)의 내부로 공급되는 동시에 2차 연료토출구(320a)를 통해 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 내부로 공급되고, 이때 예열에 따른 연소열 누적과 높은 예열 온도에 의해 혼합기의 자연 발화가 일어나게 된다.

예를 들면, 예열장치(130)의 초기 예열로 기화장치(210) 주변은 물론 연소실 겸용 부피팽창실(25) 및 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)의 온도가 자연 발화가 가능한 온도 이상으로 상승 및 유지되면 기화장치(210)측에서 혼합기가 공급될 때 자연발화가 일어나게 된다.

계속해서, 자연 발화 후 연소실 겸용 부피팽창실(250)에서 일어나는 연소 과정에서 고온의 연소열, 연소가스와 잔유물, 연소생성물은 와류 흐름을 타고 기화장치(210)의 주변을 따라 후방으로 역류하게 되는데, 이때 고온의 연소열이 기화장치(210)로 제공됨으로써 기화장치(210) 내에서의 최적 기화 조건이 유지되고, 또한 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내에서의 불완전연소를 최대한 억제하여 연소 효율을 극대화하게 된다.

그리고, 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내 혼합기의 자연 발화가 이루어진 뒤에는 예열장치(130)의 작동을 정지시켜 초기 예열은 중단한다.

예열장치(130)의 작동 정지 후, 이와 동시에 연료주입구(140), 즉 물주입구(140b)를 통해 물을 공급한다.

이때부터는 기화장치(210)측에서 기름, 물, 압축공기가 혼합되어 기화된 혼합기가 분출될 수 있게 된다.

그리고, 이때의 기름과 물의 혼합 비율은 70중량% : 30중량% 정도가 바람직하다.

계속해서, 연소가 이루어지고 있는 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 내부에서는 혼합기 와류블록(350)에 의해 연소열, 연소가스 등의 강력한 와류 상태의 흐름이 일어나게 됨과 더불어 역방향의 흐름도 일어나게 되면서 연소가 활발히 이루어게 된다.

특히, 초기 기름 투입 후에 곧이어 물을 투입한 후에는 순간적으로 높은 온도, 예를 들면 1,300℃ 이상의 온도가 발생하면서 열량 증폭에 따른 우수한 연소효과를 이루면서 불꽃이 선명하고 상쾌한 열냄새가 날 수 있게 된다.

즉, 연소실 겸용 부피팽창실(250) 내의 환경변화는 팬(미도시)으로부터 제공되는 공기의 풍량과 풍압, 그리고 압축공기의 압력과 관계가 있으며, 연소실 겸용 부피변화실(25)의 와류를 일으키는 혼합기 와류불록(350)과 이 혼합기 와류블록(350)을 감싸고 있는 연소열 토출구(270)와의 연소열 통과간극(370), 풍압의 반작용에 의한 연소열의 분배 비율이 연소 시스템에 영향을 준다.

특히, 주연료 연소가 진행되면 과도한 열량 증폭을 막기 위해 증폭된 열량의 일부를 기화 잠열로 전환시킴으로써, 일부의 연소열은 서브 부피변화관(290)측의 통로로 역류시켜서 연료를 기화시키는 용도로 전환시킴으로써, 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 손상을 방지할 수 있게 된다.

도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 연소 시스템의 저녹스 버너 인정검사 결과서로서, 인정기준보다 30% 이상 질소산화물(NOx)을 저감시켜 저녹스 버너 기술로 인정받은 사실을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 연소실 겸용 부피팽창실 내의 높은 온도를 보존할 수 있어 액체 연료의 기체화를 촉진할 수 있는 등 물과 기름을 사용하는 원료의 완전 연소에 따른 연소효율의 향상을 도모할 수 있고, 불완전 연소 환경에서 발생하는 불연물질인 회분 등의 완전 연소를 도모하여 대기오염을 획기적으로 저감할 수 있으며, 따라서 연소효율 향상 및 공해 방지에 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

10 : 예열관
11 : 점화 플러그
12 : 점화기
13 : 예열장치
14 : 연료주입구
15 : 연료공급로
16 : 기화장치 본체
17 : 연료배출구
18 : 메인 기화관
19 : 연료토출구
20 : 서브 기화관
21 : 기화장치
22 : 연소용 공기공급구
23 : 화염분출구
24 : 부피변화장치 본체
25 : 연소실 겸용 부피팽창실
26 : 메인 부피변화관
27 : 연소열 토출구
28 : 연소열 배출구
29 : 서브 부피변화관
30 : 부피변화장치
31 : 지지 플레이트
32 : 예열용 연료주입구
32a : 가스주입관
32b : 공기주입관
33 : 연료가압기
33a : 스크류축
33b : 풀리
34 : 연료진행가이드
35 : 혼합기 와류돌기
36 : 와류형성관
37 : 연소열 통과간극
38 : 보조 공기주입구
39 : 불꽃감지기 장착관
40 : 예열용 연료토출구
41 : 에어주입구
42 : 커버블록
43 : 스페이서
100 : 예열관
110 : 점화 플러그
120 : 점화기
130 : 예열장치
140 : 연료주입구
150 : 연료공급로
160 : 기화장치 본체
170 : 연료배출구
180 : 메인 기화관
190 : 연료토출구
200 : 서브 기화관
210 : 기화장치
220 : 연소용 공기공급구
230 : 화염분출구
240 : 부피변화장치 본체
250 : 연소실 겸용 부피팽창실
260 : 메인 부피변화관
270 : 연소열 토출구
280 : 연소열 배출구
290 : 서브 부피변화관
300 : 부피변화장치
310 : 지지 플레이트
320 : 2차 서브 기화관
320a : 2차 연료토출구
330 : 연료가압기
330a : 스크류축
330b : 풀리
340 : 연료진행가이드
350 : 혼합기 와류블록
360 : 2차 메인 부피변화관
370 : 연소열 통과간극
380 : 보조 공기주입구
390 : 2차 연소실 겸용 부피팽창실
400 : 2차 메인 기화관
400a : 2차 연료주입구
400b : 2차 연료배출구
410 : 에어주입구
420 : 2차 연료공급로
430 : 2차 기화장치 본체
440 : 예열관 블록
450 : 스페이서
460 : 보조 부피변화관
470 : 경사판

Claims (17)

1. 가스와 공기 공급을 위한 예열관(10)과 상기 예열관(10)의 토출구에 위치되는 점화 플러그(11)를 가지는 점화기(12)로 구성되는 예열장치(13);
   상기 예열장치(13)의 일측에 나란하게 배치되고 내부에는 연료주입구(14)를 가지면서 중심축선을 따라 관통 형성되는 연료공급로(15)가 구비되는 기화장치 본체(16)와, 상기 연료공급로(15)와 연통되면서 기화장치 본체(16)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고 선단부 측면쪽으로 연료배출구(17)를 가지는 메인 기화관(18)과, 상기 기화장치 본체(16)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 지지되고 상기 메인 기화관(18)의 둘레에 동심원상으로 배치되면서 연료배출구(17)를 통해 메인 기화관측과 서로 연통되며 후단 측면쪽에 연료토출구(19)를 가지는 서브 기화관(20)으로 구성되는 기화장치(21);
   상기 예열장치(13)와 기화장치(21)의 선단 부분을 수용함과 더불어 후단부 측면쪽의 연소용 공기공급구(22)와 선단부 전면으로의 화염분출구(23)가 구비되는 부피변화장치 본체(24)와, 상기 부피변화장치 본체(24)의 내부에 동축구조로 설치되면서 기화장치(21)의 메인 기화관(18)과 서브 기화관(20)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(25)을 조성하는 메인 부피변화관(26)과, 상기 부피변화장치 본체(24)와 메인 부피변화관(26)의 사이에 동심원상으로 배치되면서 메인 부피변화관(26)의 연소열 토출구(27)로부터 역류하는 연소열의 진행을 유도한 후에 후단 측면쪽의 연소열 배출구(28)를 통해 배출시키는 서브 부피변화관(29)으로 구성되는 부피변화장치(30);
   를 포함하고,
   상기 부피변화장치(30)의 메인 부피변화관(26)의 선단부에 형성되는 연소열 토출구(27)의 앞쪽에는 후단부가 원추형의 혼합기 와류돌기(35)로 이루어진 와류형성관(36)이 동축구조로 나란하게 배치되고, 상기 와류형성관(36)의 혼합기 와류돌기(35)는 연소열 토출구(27)를 통해 연소실 겸용 부피팽창실(25)의 내부로 진입하여 위치되며, 상기 연소열 토출구(27)와 혼합기 와류돌기(35) 사이에는 연소열 통과간극(37)이 조성되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 예열장치(13)와 기화장치(21)는 하나의 지지 플레이트(31) 상에 위아래로 배치되는 형태로 설치되고, 상기 지지 플레이트(31)는 부피변화장치(30)의 부피변화장치 본체(24)의 후단부에 스크류 체결구조로 설치되어, 예열장치(13) 및 기화장치(21)를 부피변화장치(30)측으로부터 분리할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 예열장치(13)는 예열관(10)의 축선을 따라 나란하게 배치되면서 예열관(10)과 일체식으로 결합되는 불꽃감지기 장착관(39)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 예열장치(13)의 예열관(10)에는 후단 측면쪽으로 가스 및 공기 공급을 위한 예열용 연료주입구(32)가 형성되고, 상기 예열용 연료주입구(32)는 둘레면에 홀을 가지는 가스주입관(32a)과 상기 가스주입관(32a)의 홀 둘레면을 감싸면서 가스주입관(32a)에 대해 직각으로 배치되는 구조로 설치되는 공기주입관(32b)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 기화장치(21)는 기화장치 본체(16)에 회전 가능한 구조로 설치되고, 연료공급로(15)를 따라 배치되는 스크류축(33a)과 상기 스크류축(33a)의 후단부에 장착되는 풀리(33b)로 구성되어, 연료공급로(15)를 따라 공급되는 연료를 가압하는 연료가압기(33)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 기화장치(21)의 서브 기화관(20)에는 전면 개방부위를 가지면서 연료토출구(19)의 주변을 둘러싸는 형태로 설치되어 연료토출구(19)에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행되도록 하는 연료진행가이드(34)가 구비되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 부피변화장치(30)의 부피변화장치 본체(24)에는 보조 공기주입구(38)가 형성되어 부피변화장치 본체(24)와 서브 부피변화관(29) 사이의 통로를 통해 냉각공기가 흐르면서 시스템 설비가 과열되는 것을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
9. 가스와 공기 공급을 위한 예열관(100)과 상기 예열관(100)의 토출구에 위치되는 점화 플러그(110)를 가지는 점화기(120)로 구성되는 예열장치(130);
   상기 예열장치(130)의 중심축선을 따라 나란하게 배치되고 내부에는 연료주입구(140)를 가지면서 중심축선을 따라 관통 형성되는 연료공급로(150)가 구비되는 기화장치 본체(160)와, 상기 연료공급로(150)와 연통되면서 기화장치 본체(160)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고 선단부 측면쪽으로 연료배출구(170)를 가지는 메인 기화관(180)과, 상기 메인 기화관(180)의 선단부 둘레에 동심원상으로 배치되면서 연료배출구(170)를 통해 메인 기화관측과 서로 연통되며 후단 측면쪽에 연료토출구(190)를 가지는 서브 기화관(200)으로 구성되는 기화장치(210);
   상기 예열장치(130)와 기화장치(210)의 선단 부분을 수용함과 더불어 후단부 측면쪽의 연소용 공기공급구(220)와 선단부 전면으로의 화염분출구(230)가 구비되는 부피변화장치 본체(240)와, 상기 부피변화장치 본체(240)의 내부에 동축구조로 설치되면서 기화장치(210)의 메인 기화관(180)과 서브 기화관(200)이 속해 있는 연소실 겸용 부피팽창실(250)을 조성하는 메인 부피변화관(260)과, 상기 부피변화장치 본체(240)와 메인 부피변화관(260)의 사이에 동심원상으로 배치되면서 메인 부피변화관(260)의 연소열 토출구(270)로부터 역류하는 연소열의 진행을 유도한 후에 후단 측면쪽의 연소열 배출구(280)를 통해 배출시키는 서브 부피변화관(290)으로 구성되는 부피변화장치(300);
   를 포함하고,
   상기 기화장치(210)는 기화장치 본체(160)와 메인 기화관(180) 및 서브 기화관(200) 사이에 위치됨과 더불어 메인 기화관(180)의 둘레에 동축 구조로 나란하게 설치되고 내부에는 2차 연료주입구(400a)를 가지면서 중심축선을 따라 관통 형성되는 2차 연료공급로(420)가 구비되는 2차 기화장치 본체(430)와, 상기 2차 연료공급로(420)와 연통되면서 2차 기화장치 본체(430)의 선단부에 일직선상으로 나란하게 설치되고 선단부 측면쪽으로 2차 연료배출구(400b)를 가지는 2차 메인 기화관(400)과, 상기 2차 메인 기화관(400)의 선단부 둘레에 동심원상으로 배치되면서 2차 연료배출구(400b)를 통해 2차 메인 기화관측과 서로 연통되며 후단 측면쪽에 2차 연료토출구(320a)를 가지는 2차 서브 기화관(320)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 예열장치(130)와 기화장치(210)는 하나의 지지 플레이트(310) 상에 위아래로 배치되는 형태로 설치되고, 상기 지지 플레이트(310)는 부피변화장치(300)의 부피변화장치 본체(240)의 후단부에 스크류 체결구조로 설치되어, 예열장치(130) 및 기화장치(210)를 부피변화장치(300)측으로부터 분리할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 기화장치(210)는 기화장치 본체(160)에 회전 가능한 구조로 설치되고, 연료공급로(150)를 따라 배치되는 스크류축(330a)과 상기 스크류축(330a)의 후단부에 장착되는 풀리(330b)로 구성되어, 연료공급로(150)를 따라 공급되는 연료를 가압하는 연료가압기(330)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
    
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 기화장치(210)의 서브 기화관(200)에는 전면 토출구멍을 가지면서 연료토출구(190)의 주변을 둘러싸는 형태로 설치되어 연료토출구(190)에서 토출되는 연료가 전방을 향해 진행되도록 하는 연료진행가이드(340)가 구비되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
    
13. 삭제
14. 청구항 9에 있어서,
    상기 기화장치(210)의 메인 기화관(180) 및 서브 기화관(200)과 2차 메인 기화관(310) 및 2차 서브 기화관(320) 사이의 경계부위에는 부피변화장치(300)의 메인 부피변화관(260)의 선단부에 형성되는 연소열 토출구(270)의 앞쪽에 위치되는 원추형의 혼합기 와류블록(350)이 형성되고, 상기 혼합기 와류블록(350)은 연소열 토출구(270)를 통해 연소실 겸용 부피팽창실(250)의 내부로 진입하여 위치되며, 상기 연소열 토출구(270)와 혼합기 와류블록(350) 사이에는 연소열 통과간극(370)이 조성되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
    
15. 청구항 9에 있어서,
    상기 부피변화장치(300)의 내측에는 메인 부피변화관(260)의 앞쪽으로 동축 구조를 이루면 나란하게 위치되면서 내부에 2차 연소실 겸용 부피팽창실(390)을 조성하는 2차 메인 부피변화관(360)이 설치되는 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.
    
16. 삭제
17. 청구항 9에 있어서,
    상기 부피변화장치(300)의 부피변화장치 본체(240)에는 보조 공기주입구(380)가 형성되어 부피변화장치 본체(240)와 서브 부피변화관(290) 사이의 통로를 통해 냉각공기가 흐르면서 시스템 설비가 과열되는 것을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 물과 기름을 연료로 사용하는 융합 연소 시스템.

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