KR20010040674A - 저연소비의 산소-연료 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 저연소비 산소-연료 버너(10)는 시판중인 표준형 부품으로 구성될 수 있고, 또 산화제 도관(12)과 이 산화제 도관 내부에 배치된 연료 도관(14)을 포함한다. 연료 도관은 그 전방 단부에 배치된 연로 노즐(18)을 구비하며, 이 도관에는 트위스트 드릴 형태로 되어 있는 연료 와류 생성기(68)를 구비하며, 이 트위스트 드릴은 유동하는 연료 스트림에 의해 공기 역학적으로 센터링 되어 있다. 산화제 도관은 그 전방 단부에 배치된 산화제 노즐(16)을 구비하며, 헬리컬 스프링 형태의 산화제 와류 생성기(92)는 산화제 도관내에 배치되어 연료 노즐을 에워싸고 있다.

Description

저연소비의 산소-연료 버너{LOW FIRING RATE OXY-FUEL BURNER}

저연소비의 버너(약 1,000,000 Btu/Hr 이내의 연소비)는 다양한 형태의 가열 장치로 유용하다. 이러한 버너의 특히 유용한 응용례는 유리 노의 전로(前爐) 등과 같은 용융 유리의 분배 장치에 있다.

유리 부품의 제조에 있어서, 용융 유리는 유리 용융로에서 생산되며, 이 용융로내에서 유리 원료가 용융된다. 용융 유리는, 유리 분배 장치를 경유하여 유리 용융로에서 프로세싱 섹션 혹은 희망하는 유리의 형상 혹은 유리 제품으로 성형시키는 성형 기계를 위한 공급기로 통과하게 된다.

상기 유리 분배 장치는 분배 채널, 공급기 및 전로를 포함할 수 있다. 통상의 전로는, 노로부터 용융 유리를 수용하고, 이것을 유리 프로세싱 섹션으로 이송시키거나 또는 용융 유리가 이곳으로 이송하게 될 때, 유리를 기계 가공 및 제어하여 프로세싱에 적합해질 수 있도록 설계되어 있다.

또한, 전로는 2개의 섹션, 즉 용융 유리를 수용하기 위한 냉각 섹션과, 균형 섹션(equalizing section)을 포함할 수 있으며, 용융 유리가 이 균형 섹션으로부터 프로세싱 섹션 혹은 공급기로 방출된다. 상기 냉각 섹션은 용융 유리를 프로세스에 요구되는 온도까지 냉각 혹은 가열시키는 역할을 한다. 그러나, 유리의 온도 분포는 냉각 섹션을 통해 이동하는 중에, 그 단면에 걸쳐 균일하지 않은 것으로 알려져 있다. 유리의 온도는, 채널 측벽의 냉각 효과에 기인하여 그 외측 가장자리에서는 더 낮고, 그리고 중심부에서는 더 높은 경향이 있다. 이러한 이유로 인해, 가스 버너 등의 가열 수단이 유리를 가열하도록 냉각 섹션의 측면에 설치되어 있다. 또한, 유리 중심부를 냉각시키기 위해, 냉각 공기가 용융 유리 위로 전로의 냉각 섹션으로 송출될 수 있다. 유리의 가열 및 냉각 속도를 조절함으로써, 전로의 냉각 섹션에서 유리의 단면에 걸쳐 분포된 유리 온도의 균질성을 향상시킬 수 있다.

용융 유리는 냉각 섹션으로부터 전로의 균형 섹션으로 유동한다. 균형 섹션은, 냉각 섹션을 벗어난 후 너무 많이 냉각될 경우 용융 유리, 특히 그 외측 표면을 재가열하는 역할을 한다. 균형 섹션은 통상적으로 전로의 균형 섹션의 벽내에 배치된 버너 등과 같은 가열 수단에 의해 공급된 열을 단지 사용한다. 균형 섹션의 온도는 냉각 섹션의 온도와 독립적으로 제어된다.

전로 시스템에서 유리를 가열하기 위한 통상의 장치는 예비 혼합형(premixed) 연소 버너를 사용한다. 이 연소 버너에서 천연 가스 등의 연료와 연소 공기는, 버너로 유입되기 전에 정확한 화학량론의 비율로 서로 예비 혼합된다. 예컨대, 미국 특허 제5,167,424호는 가스-공기 버너가 열을 공급하여 전로를 통해 유동하는 용융 유리에 열을 공급하는 일반적인 전로 구조체를 개시하고 있다. 미국 특허 제4,662,927호에는, 유동하는 용융 유리 위의 공간을 가열하기 위해 화염을 제공하는 연료/공기 버너가 설치되어 있는 유리 분배 채널이 개시되어 있다. 미국 특허 제4,708,728호에는 유리 분배 채널을 가열하기 위한 예비 혼합형 연료-공기 버너를 사용하는 것에 관해 개시되어 있으며, 이 버너는 동축적으로 내부에 배치된 모세관 튜브를 구비하며, 그리고 연료-공기 혼합물에 산화제를 공급하기 위해 버너의 단부를 넘어 연장한다.

그러나, 채널 및 전로 등의 유리 분배 장치용의 예비 혼합형 공기-연료 버너의 사용은 완전히 성공적이지 못하다. 이러한 버너는 매우 빈약한 연료 효율을 나타내고, 그리고 연소 가스의 높은 체적으로 인해 관련한 발산률이 매우 높게 된다. 연소 공기의 주야간 온도의 차이로 인해 전체의 화염 온도가 불안정해진다. 따라서, 프로세스 온도는 주야간에 따라 변할 것이다. 대부분의 전로 시스템은 공기-연료 버너에서는 달성하기 어려운 1℉ 혹은 2℉ 혹은 그 미만의 정확한 온도 제어를 필요로 한다.

예비 혼합형 공기-연료 연소 장치의 또 다른 단점은 매우 한정된 턴다운 비율(turndown ratio)에 있으며, 이는 온도 제어 신호가 연료 입력을 증가 혹은 감소시키기 위해 반응하였을 때 전로 상의 제어 레벨을 한정한다. 예비 혼합형 공기-연료 버너에서 턴다운 비율, 즉 버너의 고연소비를 버너의 저연소비로 나눈 비율은 단지 약 4:1 이며, 그 이유는 너무 낮은 예비 혼합 공기-가스 화염의 속도는 역류를 야기할 수 있는 반면, 너무 높은 속도는 화염을 버너 노즐로부터 내뿜기 때문이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 현재 실시하고 있는 방법은 예비 혼합형 공기-연료 버너를 100% 산소-연료 버너로 대체하는 것이다. 예컨대, 미국 특허 제5,500,030호, 제5,405,082호, 제5,256,058호, 제5,199,866호에는 전로에 응용하기 위한 여러 형태의 튜브-대-튜브(tube-to-tube) 디자인의 산소-연료 버너 장치가 도시되어 있다. 그러나, 동축적인 연료 및 산소 노즐의 사용은, 저연소비에 있어서 프로세스 및 공학적인 측면에서 여러 문제점을 안고 있다.

튜브-대-튜브의 산소-연료 버너는, 중심이 환상의 산소 유동에 의해 에워싸여 있는 연료 농후의 화염 코어를 생성한다. 연료 농후의 센터 코어는 외측 산소 스트림과의 혼합이 매우 점진적으로 일어나게 해준다. 공동으로 유동하는 연료 및 산소간의 지연된 혼합은 약간의 연료(천연 가스)를 그을음 입자로 균열 혹은 분리를 유발시킨다. 이러한 그을음 농후 연료는 나중에 산소와 함께 연소되어 매우 밝은 화염을 생성한다. 대부분의 전로 응용례에서는, 대상물에 가해지는 어떠한 화염의 영향을 최소화시키기 위해 최소의 가시적 방사선을 갖는 밝지 않은 화염을 필요로 한다. 확실한 가시성의 방사선의 밝은 화염은 용융 유리에 불균일한 가열 및 바람직하지 못한 온도 구배를 일으킬 수 있다. 전로 버너 화염의 목적은, 전로의 상부 구조체에 자외선 및 적외선 파장의 균일한 열 플럭스를 제공할 수 있는 밝지 않은 화염으로부터 고온의 화염 가스를 간단히 제공하는 것이다. 용융 유리에 이러한 열의 되반사는 균일한 열을 간접적으로 제공하며, 밝은 화염과 함께 행해지는 직접적인 화염 대 유리 가열은 제공하지 않는다. 균일한 가열은 용융 유리 욕조에 균질성을 제공하기 위해 반드시 필요하며, 이로 인해 양질의 최종 유리 제품을 얻게 된다.

추가적으로, 천연 가스 노즐을 위한 단순한 중심 구멍과 산소 노즐을 위한 환상의 통로를 이용하는 튜브-인-튜브(tube-in-tube) 디자인은 매우 긴 화염을 형성한다. 전로 디자인에서는 긴 화염은 바람직하지 못하다. 전로는 비교적 좁은 채널로 되어 있다. 대향하는 내화벽 혹은 구조물과 충돌하고 또 그것을 손상하는 일 없이 길이가 매우 긴 화염으로 버너를 연소시키는 것은 어렵다. 또한, 전로의 구조에 따라, 긴 화염은 양측의 벽에서 대응하는 위치에 버너를 설치할 필요성을 배제한다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 일 방법은, 연료와 산화제의 혼합을 증가시키고 화염 길이를 감소시키기 위해 연료와 산화제를 매우 높은 속도로 공급하도록 버너를 설계하는 것이다. 그러나, 이 방법은 실용성에 있어 한계가 있다. 속도 증가를 위해 연료 노즐에 미세한 구멍을 뚫는 것은 그을음 입자 혹은 다른 미립 물질에 의해 막히게 되는 결과를 초래한다. 산소를 위한 환형 통로는, 연료 노즐과 산소 노즐을 동축상으로 정렬하는 것과 관련한 문제를 야기하지 않고 더 작게 줄이는 것은 실질적으로 불가능하다. 막힌 연료 노즐 혹은 정렬되지 않거나 균일하지 않는 환상의 산소 통로는, 요동하는 열 플럭스의 불안정한 화염을 생성할 있고, 그 결과 가열 공정과 최종 완제품의 질에 영향을 미치게 된다.

더욱이, 레이저 드릴링에 의한 소형 구멍의 드릴링 가공과, 매우 소형의 환상 통로를 형성하기 위해 기계 가공된 표면을 이용하는 것은 버너의 제조 비용을 상대적으로 증가시키는 결과를 초래한다. 전로 응용례에서는 다량의 버너를 필요로 한다는 점과, 버너의 제조비가 높다는 점은, 비용 측면에서 이러한 응용에 사용하지 못할 수도 있다. 경제적인면을 고려할 때, 비교적 저가이고 짧고 밝지 않은 화염을 생성할 수 있는 단순한 버너가 광범위하게 전로 응용에 사용될 수 있게 하여야 한다.

본 발명은 일반적으로 저연소비의 산소-연료 버너에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 소형 반응기, 증류기, 분쇄기, 노, 용융 유리 분배 장치, 공급기 및 세정기 등에 저연소비의 가열 수단으로 사용할 수 있는 저연소비의 산소-연료 버너에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 산소-연료 버너를 부분적으로 절단하여 도시한 측면도이며,

도 2는 도 1에 도시된 버너의 전방 단부를 확대 도시한 부분 단면도이고,

도 3은 도 2의 3-3선을 따라 절취한 단면도이며,

도 4는 도 1에 도시된 버너의 전방 단부에 배치되어 있는 연료의 와류 생성기를 확대 도시한 입면도이고,

도 5는 도 4의 5-5선을 따라 절취한 단면도이며,

도 6은 본 발명의 버너에 사용 가능한 전로를 도시한 횡단면도이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 개량된 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형 반응기, 증류기, 분쇄기, 노, 전로 및 세정기 등의 저연소비의 가열을 위해 사용할 수 있는 개량된 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 용융 유리 분배 장치와 함께 사용 가능한 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 구조가 간단한 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조비가 비교적 싼 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 밝지 않은 화염으로부터 고온의 화염 가스를 제공하는, 용융 유리 분배 장치와 함께 사용 가능한 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 용융 유리 분배 장치내에서 균일한 열 플럭스를 생성할 수 있는, 용융 유리 분배 장치와 함께 사용 가능한 저연소비의 산소-연료 버너를 제공하는 데 있다.

전술한 본 발명의 목적 및 다른 장점은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 산소-연료 버너에 의해 달성될 수 있으며, 이 산소-연료 버너는, 산화제의 통로를 제공하기 위한 제1 도관과, 연료의 통로를 제공하기 위해 상기 제1 도관 내부에 배치된 제2 도관과, 상기 제1 도관의 전방 단부에 고정된 산화제 노즐과, 제2 도관의 전방 단부에 고정된 연료 노즐과, 상기 연료 노즐 내부에 장착되어 상기 연료에 와류를 생성시키기 위한 연료 와류 생성기를 포함한다. 이 와류 생성기는 가늘고 긴 부재를 구비하며, 상기 가늘고 긴 부재는 연료 노즐 내부의 연료에 의해 공기 역학적으로 연료 노즐 내부에 센터링 되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산소-연료 버너는, 입구 및 출구가 마련되어 있는 횡단 바아 부분과, 입구가 마련되어 있는 스템 부분으로 이루어진 T자형 부재와, 상기 T자형의 상기 횡단 바아 부분의 출구에 고정된 산화제의 통로를 제공하기 위한 제1 도관과, 상기 T자형의 상기 횡단 바아 부분을 통해 연장하고, 상기 산화제 도관 내부에 배치되어 연료의 통로를 제공하기 위한 제2 도관과, 상기 산화제 도관의 전방 단부에 고정된 산화제 노즐과, 상기 연료 도관의 전방 단부에 고정되고 상기 산화제 노즐 내에 배치된 연료 노즐과, 상기 T자형 부재의 상기 입구에 고정된 산화제 라인을 고정시키기 위한 커플링과, 상기 T자형 부재의 상기 횡단 바아 부분의 상기 입구로부터 연장하는 상기 연료 도관의 단부에 고정된 연료 라인을 고정시키기 위한 커플링을 포함한다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 기술한 아래의 설명을 통해 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

도면 중 특히 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 산소-연료 버너(10)는 산화제 도관(12)과, 이 산화제 도관(12)의 내측에 동심원적으로 배치된 연료 도관(14)을 포함한다. 산화제 도관(12)의 전방 단부에는 산화제 팁 혹은 노즐(16)이 배치되어 있고, 이 노즐을 통해 산화제가 방출한다. 연료 도관(14)의 전방 단부에는 연료 팁 혹은 노즐(18)이 설치되어 있고, 이 노즐을 통해 연료가 방출한다.

보다 구체적으로 말하면, 산화제 도관(12)은 외측에 나사가 형성된 후방 단부(22)를 구비하고 대개 시판되고 있는 스테인레스강 파이프 등의 관상의 파이프(20)를 포함하며, 이 후방 단부(22)는 T자형 부재(28)의 횡단 바아 부분의 일단에서 출구(26)에 마련된 나사 보어(24) 내에 나사 체결식으로 수용되어 있다. 상기 T자형 부재(28)는 시판되고 있는 표준 암형 파이프 티(pipe tee)이다. 변형례로서, 이 T자형 부재(28)는 시판되고 있는 표준 암형 용접 티(weld tee)일 수 있고, 또 산화제 도관(12)은 후방 단부에 나사부가 없는 직선형 파이프일 수 있다. 산화제 도관(12)의 전방 단부(30)에는, 산화제 팁 혹은 노즐(16)이 나사 체결식으로 접속하게 되도록 외부에 나사가 마련되어 있다. 이러한 나사부는 파이프 나사 혹은 기계식 나사일 수 있다.

연료 도관(14)은 관상의 산화제 도관(12) 내부에 동축상으로 배치된 가늘고 긴 관상 부재(32)를 포함한다. 상기 연료 도관(14)으로는 스테인레스강 튜브가 바람직하며, 또 산화제가 관통하여 유동하게 되는 연료 도관(14)과 산화제 도관(12) 사이에서 축방향으로 연장하는 환상의 산화제 통로(34)를 제공하기 위해 연료 도관(14)의 외경은 산화제 도관(12)의 내경 보다 작다.

연료 도관(14)은 T자형 부재(28)를 통해 연장하고 T자형 부재(26)의 횡단 바아 부분의 입구(36)로 빠져나간다. 관통 보어가 마련된 압축 부착물(38)은 연료 도관(12)을 에워싸고, T자형 부재(28)의 횡단 바아 부분의 내측으로 나사가 마련된 입구(36)로 나사 체결되어 있다. 상기 압축 부착물(38)은 연료 도관(14)의 외주 둘레에 기밀한 압축 밀봉성을 제공하기 때문에, 연료 도관(14)의 외주부와 T자형 부재(28)의 입구(36) 사이의 영역을 밀봉시켜 T자형 부재(28)의 입구를 대기에 대해 효과적으로 밀봉시킨다. 변형례로서, 관통 보어가 마련된 용접 압축 부착물을 부착물(38)로서 사용할 수 있고, 또 부착물(38)과 T자형 부재(28) 사이의 영역을 용접할 수 있다.

T자형 부재(28)의 횡단 바아 부분의 입구(36)로부터 돌출하는 연료 도관(14)의 후방 단부에는 퀵 접속 해제부(40)가 마련되어 있다. 퀵 접속 해제부의 일부분은 튜브 압축 부착물(41)에 의해 연료 도관(14)에 접속되어 있다. 퀵 접속 해제부의 다른 부분(42)은 연료 라인(44)에 나사 체결식으로 접속되어 있다. 접속시 퀵 접속 해제부(40)는 연료 라인(44)을 버너(10)에 고정시키는 역할을 한다. 연료 라인(44)은 적절한 연료 공급원(도시 생략)에 고정된다.

퀵 접속 해제부(46)는, 도 1에 도시된 바와 같이 T자형 부재(28)의 스텝 부분의 나사가 형성된 입구(48)로 나사 체결되는 제1 부재(47)를 포함한다. 변형례로서, 용접 퀵 접속 해제부는 용접 티에 용접될 수 있다. 퀵 접속 해제부(46)의 제2 부재(49)는 산화제 라인(50)에 나사 체결식으로 고정되어 있다. 산화제 라인의 타단부는 적절한 산화제 공급원(도시 생략)에 고정되어 있다. 퀵 접속 해제부(46)의 2개의 부재(47, 49)들이 접속될 때, 퀵 접속 해제부(46)는 산화제 라인(50)을 버너(10)에 고정시키는 역할을 한다. 퀵 접속 해제부(40, 46)들 모두는 시판되고 있는 표준형 스테인레스강 퀵 접속 해제부가 바람직하다.

산화제 팁 혹은 노즐(16)은 산화제 도관(12)의 외측에 나사가 마련된 전방 단부(30)에 나사 체결되는, 내측에 나사가 마련된 대응 보어(52)를 포함한다. 산화제 팁 혹은 노즐(16)의 전방 단부에는 축소형 보어(54)가 마련되어 있고, 이 보어는 대응하는 확대형 보어(52)와 동축상에서 연통하며 그 내경은 대응 보어의 내경 보다 더 작다. 양호하게는, 상기 산화제 팁 혹은 노즐(16)은 시판되고 있고 또 전술한 형상을 갖는 표준형 암형 대 수형 어댑터로 이루어져 있다. 산화제 팁 혹은 노즐(16)의 대응 보어(52)에는, 이와 유사하게 나사부가 형성되어 있는 산화제 도관(12)의 전방 단부와 맞물리도록 파이프 나사부 혹은 기계식 나사부가 형성되어 있다.

상기 연료 팁 혹은 노즐(18)은 연료 도관(14)의 후방 단부에 고정되고 또 산화제 팁 혹은 노즐(16)의 축소형 보어(54)에 동심원적으로 배치되어 있는 확대형 노즐 부재(56)를 포함한다. 확대형 노즐 부재(56)는 이것을 관통하여 연장하는 단면이 원형인 축방향 보어(58)를 구비하며, 이 보어(58)의 후방 단부는 외측으로 벌어져 절두된 원추 모양의 경사면(60)을 제공한다. 연료 팁 혹은 노즐(18)로는, 연료 도관(14)의 전방 단부에 고정되도록 튜브 압축 부착물(62)이 구비되어 있고, 시판중인 표준 스테인레스강의 고압 어댑터가 바람직하다. 이러한 표준 고압 어댑터는 보어(58) 및 경사면(60)이 마련되어 있는 확대형 노즐 부재(56)와, 압축 부착물(62)을 포함한다.

연료 도관(14)을 위한 센터링 부재(64)는 산화제 도관(12) 내부에서 연료 도관(14)의 전방 단부에 설치되어 있다. 이 센터링 부재(64)는 연료 팁 혹은 노즐(18)을 연료 도관(14)에 고정하기 위해 사용한 압축 부착물(62)의 한 구성 부품인 육각형 너트(66)로 이루어지는 것이 바람직하다. 센터링 부재(64)의 최대 직경은 산화제 도관(12)의 내경 보다 약간 작기 때문에 산화제 도관(12)에 끼워질 수 있지만, 또한 산화제 도관(12)과 동축적인 정렬 상태로 연료 도관(14)을 유지하도록 지지부를 제공한다. 센터링 부재(64)는 산화제의 통과를 위한 연속의 축방향의 통로(34)를 제공하여야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 육각형 너트(66)는 그 단면적의 형상 때문에 본질적으로 이러한 통로(34)를 제공한다.

연료에 와류 운동을 부여하기 위한 연료 와류 생성기(68)는 연료 팁 혹은 노즐(18)의 보어(58)에 배치된다. 상기 연료 와류 생성기(68)는 공기 역학적 형상을 지니기 때문에, 보어(58) 내에서 유체 역학적으로 부유하여 연료가 보어(58)를 통해 연료 와류 생성기(68)를 따라 유동할 때 자체적으로 센터링 된다. 연료 와류 생성기(68)는 가늘고 긴 부재 형상으로 되어 있으며, 이 부재에는 적어도 하나 이상의 축방향으로 연장하는 헬리컬 홈부 혹은 채널(70)이 마련되어 있기 때문에, 연료가 보어(64)를 통해 연료 와류 생성기(66)를 따라 축방향으로 통과하며 연료 팁 혹은 노즐(18)을 빠져나올 때, 상기 연료에 회전 운동을 일으키게 한다. 연료 와류 생성기(68)의 후방 단부에 있는 리테이너(72)는 보어(58)의 경사면(60)과 맞물리고, 또 전방의 축방향 운동에 대항하여 연료 와류 생성기(68)를 구속한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 연료 와류 생성기(68)는 연료 팁 혹은 노즐(18)의 보어(58)의 직경보다 더 작은 예정된 직경의 표준형 트위스트 드릴(74)을 포함한다. 연료 와류 생성기(68)의 나선형 홈부 혹은 채널(70)은, 연료가 트위스트 드릴(74)을 따라 보어(58)를 통해 축방향으로 이동할 때, 연료가 드릴 둘레에서 굽이쳐서 와류 운동을 유발시키는 트위스트 드릴(74)의 통상의 헬리컬 세로 홈(들)(76)에 의해 제공된다.

리테이너(72)는 연료의 통과를 허용하도록 환상의 간격을 둔 유동 구멍(80)을 구비하는 표준형 리테이너 와셔(78) 형태인 것이 바람직하다. 이 리테이너 와셔(78)는 중앙 보어(82)를 구비하며, 이 보어를 통해 트위스트 드릴(74)이 연장한다. 복수개의 방사방향으로 연장하는 환상의 간격을 둔 슬릿(84)은, 리테이너 와셔(78)가 드릴(74)에 삽입되어 드릴(74)을 파지하기 위해 스프링 핑거(86)를 형성하였을 때, 중앙 보어(82) 둘레의 영역이 외측으로 튀겨 나가도록 만들기 위해 보어(82)로부터 방사방향 외측으로 연장할 수 있다. 얕은 원형의 홈부(도시 생략)는 트위스트 드릴(74)의 주변 둘레에 마련될 수 있고, 리테이너 와셔(78)가 트위스트 드릴(72)상에 장착될 때, 스프링 핑거(86)의 자유단들은 이 드릴 속으로 연장할 수 있다.

리테이너 와셔(72)가 고정되어 있는 트위스트 드릴(74)은 연료 팁 혹은 노즐(18)의 보어(58) 내부에 위치하며, 리테이너 와셔(78)의 전방면은 보어(58)의 경사면(60)에 대항하게 배치되어 있다. 이 리테이너 와셔(78)는 세로홈(76)의 후방 단부의 후방 지점에서 트위스트 드릴(74)상에 장착되어 있고, 또 트위스트 드릴(74)을 따라 종방향으로 위치되어 있기 때문에, 트위스트 드릴(74)이 보어(58)의 경사면(60)에 대항하게 위치한 리테이너 와셔(78)를 구비하는 연료 팁 혹은 노즐(18) 내에서 조립될 때, 트위스트 드릴의 전방 팁(88)은 연료 팁 혹은 노즐(18)의 전방 단부(90)의 평면과 동일한 높이에 위치하여 구속된다.

산화제에 와류 운동을 일으키게 하기 위한 산화제 와류 생성기(92)는 산화제 도관(12)의 전방 단부에서 산화제 팁 혹은 노즐(16) 내에 설치된다. 산화제 와류 생성기(92)는 요구되는 와이어 직경 및 예정된 감김 회수를 갖는 통상의 헬리컬 스프링 부재(94)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 헬리컬 스프링 부재(94)는 산화제 팁 혹은 노즐(16)의 보어에 장착되고 연료 팁 혹은 노즐(18)을 에워싼다. 헬리컬 스프링 부재(94)의 와이어 직경은, 산화제의 유동에 적절한 회전 운동을 부여하지 않고 산화제 팁 혹은 노즐(16)을 통해 직선 방향으로 산화제가 유동하는 것을 방지하기 위해, 산화제 팁 혹은 노즐(16)에 있는 보어(54)의 벽과 연료 팁 혹은 노즐의 가늘고 긴 부재(56)의 외측 표면 사이의 간격과 실질적으로 동일하게 되도록 하여야 한다. 세트 스크류(96)는 이것의 전방 단부에 인접하는 산화제 팁 혹은 노즐(16)로 나사 체결되며, 산화제 팁 혹은 노즐(16)의 보어(54)로 연장한다. 세트 스크류(96)는 헬리컬 스프링(92)을 위한 전방 정지부를 제공한다. 헬리컬 스프링의 후방 단부는 연료 팁 혹은 노즐(18)의 확대된 육각형 부분(98)에 대항하여 맞닿는다.

작동시, 연료 라인(44)은 적절한 연료 공급원에 접속된다. 연료는 천연 가스, 메탄 혹은 프로판 등의 적절한 기상의 탄화수소일 수 있다. 연료 공급원은 적절한 저장식 용기일 수 있고, 그렇지 않으면 연료 라인이 유입 파이프 라인 혹은 연료 매니폴드에 직접 접속될 수 있다.

산화제 라인(50)은 적절한 산화제 공급원에 연결된다. 이 산화제는 21% 내지 100%의 산소를 함유하는 임의의 산화제로 되는 것이 적합하다. 따라서, 본 명세서에서 사용한 용어 "산소" 혹은 "산화제"는 적어도 21%의 산소를 함유하는 임의의 기상의 산화제를 의미한다. 산화제의 예로는 현장에서 사용 가능하고 적절한 용기에 저장되어 있는 현재 시판중인 등급의 산화제가 바람직하다. 또한, 이 산화제는 공기로 희석된 시판중인 산소 등의 다른 공급원으로부터 공급될 수 있다.

연료 공급원으로부터의 연료 라인(44)은 퀵 접속 해제부(40)를 통해 버너(10)에 연결되어 있다. 산화제 공급원으로부터의 산화제 라인(50)은 퀵 접속 해제부(46)를 통해 버너(10)에 연결되어 있다.

기상의 연료는 라인(44)으로부터 버너(10)로 유동하고, 또 연료 도관(14)을 통해 연료 팁 혹은 노즐(16)로 유동하여 그 노즐에서 버너(10)를 빠져나간다. 연료 와류 생성기(68)는 연료가 팁(16)을 빠져나갈 때 그 연료에 회전 혹은 와류 운동을 일으키게 한다. 연료 와류 생성기(68), 특히 트위스트 드릴(74)의 형태일 경우, 그 중량은, 헬리컬 통로(76)를 통해 유동하는 연료 스트림에 의해 발생된 공기 역학적 양력(lift force)에 비해 작기 때문에, 연료 와류 생성기(68)는 기상의 연료 유동에서 동력학적으로 부유하게 되어 보어(64)에서 센터링 된다.

연료 와류 생성기(68)는 또한 연료 노즐 오리피스의 크기를 감소시키는 역할을 하기 때문에 낮은 연소비에서 연료의 속도를 증가시킨다. 따라서, 노즐 자체에 미소한 오리피스를 형성하기 위해 비싼 레이저 드릴링 가공 혹은 기계 가공을 필요로 하지 않고, 비교적 낮은 비용으로 연료 유동을 고속을 만들 수 있다. 더욱이, 미소한 오리피스를 노즐에 형성함으로써 그을음이나 미립물에 의해 막힐 염려가 있다. 전술한 바와 같이, 연료 노즐 혹은 팁(18)과 연료 와류 생성기(68)는 저비용으로 제조할 수 있고, 그리고 그을음 혹은 미립물에 의해 막히게 될 가능성을 상당히 줄일 수 있다.

산화제는 라인(50)으로부터 T자형 부재(28)로 유동하고, 그 다음 산화제 도관(12)을 통해 산화제 도관(12)의 내벽과 연료 도관(14)의 외벽 사이에 있는 통로(34)로 유동한다. 상기 산화제는 산화제 팁 혹은 노즐(16)을 통과하여 버너(10)를 빠져나간다. 산화제가 산화제 팁 혹은 노즐(16)을 통과할 때, 헬리컬 스프링(94)의 형태로 된 산화제 와류 생성기(92)는, 산화제가 버너(10)의 전방 팁을 벗어남에 따라 산화제에 회전 혹은 와류 운동을 일으킨다. 와류 형상의 연료 제트는 산화제 와류의 외측 코어와 혼합하고, 또 고속 연소를 위한 양호한 배합 상태를 만든다. 대형의 화염을 원할 경우, 버너(10)는 산화제 와류 생성기(92) 없이 작동할 수 있다. 산화제 와류 생성기(92)가 없으면, 버너는 저농도의 혼합에 의해 더 긴 화염을 생성할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명의 버너(10)는 시판되고 있는 표준형 스톡(stock) 구성품으로 제조될 수 있다. T자형 부재(28)는 시판 중인 표준형 파이프식 부착물 및 용접식 부착물일 수 있다. 연료 도관(14)은 직경이 1/4", 3/8", 1/2", 5/8", 3/4" 인 표준 스테인레스강 튜브일 수 있다. 산화제 도관(12)은 공칭 직경 1/4", 3/8", 3/4", 1", 1-1/4" 이고, 스케줄 30 혹은 40 인 표준 스테인레스강 파이프가 바람직하다. 상기 산화제 팁 혹은 노즐(16)은 표준 암형 대 수형 어댑터일 수 있고, 연료 팁 혹은 노즐(18)은 튜브 압축 부착물이 구비되어 있는 표준형 고압 어댑터일 수 있다. T자형 부재(28)를 밀봉하기 위해 사용한 압축 부착물(38)은 시중에서 쉽게 입수할 수 있는 표준형 관통 보어 압축 부착물일 수 있으며, 퀵 접속 해제부(40, 46)는 또한 시판중인 스톡 품목일 수 있다. 연료 와류 생성기(70)로서 표준형 트위스트 드릴(74)을 사용하면, 산화제 와류 생성기(92)로서 시판중인 헬리컬 스프링(94)을 사용할 수 있다. 그 결과, 버너 부품을 용접 혹은 기계 가공을 할 필요가 없기 때문에 비용면에서 양호한 구조의 버너를 제조할 수 있다. 그러나, 만약 제조비가 주요한 요인이 아닐 경우, T자형 부재(28)와 압축 부착물(38) 및 퀵 접속 해제부(46) 사이의 연결은 용접에 의해 이루어질 수 있다. 심지어 이러한 연결이 용접에 의해 이루어질 경우라도, 산화제 도관(12)에 산화제 팁 혹은 노즐(16)의 연결은, 상이한 유동 조건에 대해 노즐(16) 및 (18)의 교환을 위해 압축 끼워맞춤을 유지하여야 한다.

예컨대, 2,000 내지 12,000 Btu/Hr(2 내지 12 scfh의 연료 유동 속도 및 4 내지 24 scfh의 산화제 유동 속도)의 연소비를 위해 설계한 특정의 버너(10)의 경우, 산화제 도관(12)으로 1/4" 의 스케줄 40 파이프를 그리고 연료 도관(14)으로 직경 1/4", 벽 두께 0.035" 의 튜브를 사용할 수 있다. 연료 팁 혹은 노즐(18)을 위해 사용하도록 되어 있는 고압 어댑터는 보어의 직경이 0.060 인치인 Swagelok SnoTrik 의 부품 번호 #SS-441-A-400 일 수 있다. 산화제 팁 혹은 노즐(16)을 위해 사용하도록 되어 있는 암형 대 수형 어댑터는 Swagelok의 부품 번호 #SS-8-A 일 수 있다. 연료 와류 생성기(68)는 직경 3/64"의 트위스트 드릴(74)일 수 있다. 트위스트 드릴(74)의 직경과 연료 노즐(18)의 직경은 연료 통로를 위한 적절한 환형을 만들기 때문에, 적절한 공기 역학적 양력이 생성하여 연료 팁 혹은 노즐(16)의 보어(58) 내부에 트위스트 드릴(74)을 완전히 센터링하게 된다. 산화제 와류 생성기(92)는, 외경이 7/16", 와이어 직경이 0.080", 그리고 길이가 5/8" 인 헬리컬 스프링일 수 있다.

전술한 바와 같이 제조된 버너(10)가 2 내지 12 scfh 의 천연 가스 연소비와, 4 내지 24 scfh 의 산화제 유량에서 연소되었을 때, 버너 화염은 밝지 않고 전체의 화염 범위에서 약 5" 내지 7" 길이로 된다. 높은 모멘텀의 산소-연료 화염의 칼라는 전체의 화염 중 낮은 단부에서 약간의 황색 깜박임이 있는 청색을 나타내었다. 버너의 연료 및 산화제 팁은 접촉을 위해 냉각 상태로 유지된다. 천연 가스 제트는 팁에서 와류 유동 패턴으로 배출하는 것을 볼 수 있다. 축선방향으로 접선을 이루는 천연 가스 제트는 즉시 와류 산화제의 외측 코어와 혼합되어 신속한 연소를 위해 양호하게 교반된 상태를 생성한다. 따라서, 얻어진 화염은 완전 연소에 의해 길이가 비교적 짧은 청색을 나타낸다. 이 화염은 트위스트 드릴(74)에서 머물게 되지만, 고속의 연소에 의해 매우 작은 연소가 팁에서 일어나고 드릴 팁을 가온시키지 않는다. 추가적으로, 매달려 있는 트위스트 드릴(74)에 의해 높은 축방향의 전도 및 대류가 천연 가스 스트림에서 일어나기 때문에, 연료 팁은 전체의 연소 과정에 걸쳐 열이 축적되지 않는다. 트위스트 드릴(74)은, 이 드릴 팁에서 화염의 활동이 멈춤으로써 화염 안정화를 제공한다. 따라서, 드릴 팁에서 동력학적으로 센터링된 유체는, 밝지 않은 화염 형성을 위해 필요한 와류 발생을 제공하면서 천연 가스용 오리피스의 크기를 제어하기 위해 완전한 센터링을 제공하는 동시에 화염 안정기로서 작동하게 된다.

전술한 특정의 버너는, 비록 2,000 내지 12,000 Btu/Hr의 연소비가 되도록 설계되었지만, 본 발명의 버너는 1,000,000 Btu/Hr 이내의 연소비에서도 사용할 수 있다. 유리 섬유용 전로에 사용된 버너의 연소비는 통상 30,000 Btu/Hr 미만인 반면, 컨테이너 유리 전로에 사용된 버너는 100,000 Btu/Hr 이내에서 연소된다. 다른 산업용 가열 응용에 있어서도, 본 발명의 버너는 1,000,000 Btu/Hr 까지 높은 연소비에서의 연소를 위해 사용할 수 있다.

상이한 연소비에서 연소하도록 버너를 설계하기 위해, 연료를 "유사한 속도" 로 하여 사용하는 것을 설계의 기본 원리로 한다. 연료 제트의 와류로 인해 연료 유동이 복잡해지기 때문에, 실제적인 축방향으로 연료 속도는 계산치와 다르다. 그러나, 축방향으로의 연료 제트 속도의 이론치는 모든 연료 유동이 축방향으로 이루어진다는 가정하에서 계산할 수 있다. 전술한 실시예에 따르면, 연료 노즐 출구에서의 최대 축방향으로의 연료 제트 속도의 이론치는 초당 약 435 피트이다. 이러한 속도는, 더 높은 연소비에서 연소를 위해 버너를 설계하는데 있어 최대 축방향으로의 연료 제트 속도의 이론치로서 사용할 수 있다. 그 다음, 산소 노즐, 연료 노즐 및/또는 연료 와류 생성기의 크기는, 연료 유량을 예정된 최대 축방향으로의 연료 제트 속도의 이론치 이하로 유지하면서, 연소비를 증가시키도록 연료 및 산화제의 체적 유량을 증가시키기 위해 선택될 수 있다.

본 발명의 저연소비의 산소-연료 버너(10)는 소형 반응기, 증류기, 분쇄기, 노, 용융 유리 분배 장치, 공급기 및 세정기 등의 산업 현장에서 가열 수단으로 다양하게 사용할 수 있다. 본 발명의 산소-연료 버너(10)는 전로, 분배 채널 등의 용융 유리 분배 장치에 열을 공급하기 위해 사용하는데 있어 특히 적합하다.

본 발명의 버너(10)와 함께 사용할 수 있는 통상의 전로가 도 6에 도시되어 있다. 이 전로(100)는 금속의 상부 구조체(104)에 의해 지지된 내화 물질로 된 일반적으로 U자형의 채널 혹은 홈통(102)을 포함한다. 이 홈통(102)은 단열 벽돌(106)에 의해 에워싸이고, 금속의 상부 구조체(104)에 의해 지지된다.

지붕 부분(108)은 채널 혹은 홈통(102)을 덮고 있으며, 대향하는 버너 블록(112) 사이의 홈통 위로 연장하는 버너 블록(112) 및 루프 블록(114)에 의해 형성된 대향 측면(110)을 포함한다. 단열 벽돌(116)은 루프 블록(114)의 외주부 둘레에 설치될 수 있다. 용융 유리(117)는 도시한 바와 같이 홈통(102)을 따라 유동한다. 루프 블록(114)은 용융 유리(116)를 향해 하방향으로 그리고 버너 블록의 중심선 아래로 연장하는 2개의 이격된 돌출부(118)를 포함할 수 있다. 상기 이격된 돌출부(118)는 용융 유리(116)의 스트림의 중앙 부분에 걸쳐 중앙 채널(120)과, 용융 유리 스트림의 대응하는 측부에 걸쳐 측면 채널(122, 124)을 형성한다. 통상의 전로 구조와 마찬가지로, 중심 채널(120)을 따라 냉각 공기가 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 산소-연료 버너(10)는, 각 버너의 전방 단부를 각각의 버너 블록(122)의 구멍(128)으로 연장되도록 하여 버너 블록(112)에 장착된다. 각 버너(10)의 퀵 접속 해제부(40, 46)를 대응하는 버너 블록(112) 외측에 배치하여 연료 라인(44)과 산화제 라인(50)이 그곳에 고정할 수 있도록 되어 있다. 버너(10)는 용융 유리 스트림의 외측 부분을 가열하기 위해 측면 채널(112)로 연장하는 밝지 않은 화염을 제공하는 역할을 한다.

이상, 본 발명은 양호한 실시예를 참조하여 설명하였고, 본 명세서에 기재된 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 어떠한 변형 및 수정이 가능하다는 것을 의도한다. 따라서, 본 발명은 첨부한 특허 청구의 범위에 속하는 모든 변형 및 수정을 포함한다.

Claims (22)

1. a) 산화제의 통로를 제공하기 위한 제1 도관과,

   b) 연료의 통로를 제공하기 위해 상기 제1 도관 내부에 배치된 제2 도관과,

   c) 상기 제1 도관의 전방 단부에 고정된 산화제 노즐과,

   d) 상기 제2 도관의 전방 단부에 고정된 연료 노즐과,

   e) 상기 연료 노즐 내부에 장착되어 상기 연료에 와류를 생성시키기 위한 연료 와류 생성기를 포함하며,

   상기 와류 생성기는 가늘고 긴 부재를 구비하며, 상기 가늘고 긴 부재는 상기 연료 노즐 내부의 연료에 의해 공기 역학적으로 상기 연료 노즐 내부에 센터링 되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 가늘고 긴 부재는 이것의 전장의 일부를 따라 형성된 하나 이상의 헬리컬 세로 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
3. 제1항에 있어서, 상기 가늘고 긴 부재는 트위스트 드릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
4. 제3항에 있어서, 상기 연료 노즐은 후방으로 외측을 향해 경사져 있는 후방 부분을 구비하는 보어를 포함하며, 상기 트위스트 드릴은 상기 보어에 배치되며, 상기 연료 와류 생성기는 트위스트 드릴의 후방 단부에 인접하게 장착된 리테이너를 더 포함하며, 상기 리테이너는 상기 경사진 후방 부분내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
5. 제4항에 있어서, 상기 리테이너는 상기 연료의 통과를 허용하기 위해 이 리테이너를 관통하여 간격을 둔 유동 구멍을 구비하는 와셔 부재인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
6. 제1항에 있어서, 상기 산화제 노즐 내부에는 산화제 와류 생성기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
7. 제6항에 있어서, 상기 산화제 와류 생성기는 헬리컬 스프링인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
8. a) 입구 및 출구가 마련되어 있는 횡단 바아 부분과, 입구가 마련되어 있는 스템 부분으로 이루어진 T자형 부재와,

   b) 상기 T자형의 상기 횡단 바아 부분의 출구에 고정된 산화제의 통로를 제공하기 위한 산화제 도관과,

   c) 상기 T자형의 상기 횡단 바아 부분을 통해 연장하고, 상기 산화제 도관 내부에 배치되어 연료의 통로를 제공하기 위한 연료 도관과,

   d) 상기 산화제 도관의 전방 단부에 고정된 산화제 노즐과,

   e) 상기 연료 도관의 전방 단부에 고정되고 상기 산화제 노즐 내에 배치된 연료 노즐과,

   f) 상기 T자형 부재의 상기 입구에 고정된 산화제 라인을 고정시키기 위한 커플링과,

   g) 상기 T자형 부재의 상기 횡단 바아 부분의 상기 입구로부터 연장하는 상기 연료 도관의 단부에 고정된 연료 라인을 고정시키기 위한 커플링을 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
9. 제8항에 있어서, 상기 T자형 부재는 파이프 티인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
10. 제8항에 있어서, 상기 T자형 부재는 용접 티인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
11. 제8항에 있어서, 상기 연료에 와류를 생성시키기 위한 연료 와류 생성기가 상기 연료 노즐에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
12. 제11항에 있어서, 상기 연료 와류 생성기는 가늘고 긴 부재를 포함하며, 상기 가늘고 긴 부재는 상기 연로 노즐 내의 연료에 의해 상기 연로 노즐 내부에 공기 역학적으로 센터링 되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
13. 제12항에 있어서, 상기 연료 화류 생성기는 트위스트 드릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
14. 제13항에 있어서, 상기 연료 노즐은 후방으로 외측을 향해 경사져 있는 후방 부분을 구비하는 보어를 포함하며, 상기 트위스트 드릴은 상기 보어에 배치되며, 상기 연료 와류 생성기는 트위스트 드릴의 후방 단부에 인접하게 장착된 리테이너를 더 포함하며, 상기 리테이너는 상기 경사진 후방 부분내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
15. 제14항에 있어서, 상기 리테이너는 상기 연료의 통과를 허용하기 위해 이 리테이너를 관통하여 간격을 둔 유동 구멍을 구비하는 와셔 부재인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
16. 제11항에 있어서, 상기 산화제 노즐 내부에는 산화제 와류 생성기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
17. 제16항에 있어서, 산화제 와류 생성기는 상기 산화제 노즐 내부에 위치하고 상기 연료 노즐 둘레에 배치된 헬리컬 스프링인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
18. 제8항에 있어서, 상기 연료 도관은 가늘고 긴 튜브를 포함하며, 상기 연료 노즐은 고압 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
19. 제18항에 있어서, 상기 산화제 도관은 파이프를 포함하며, 상기 산화제 노즐은 암형 대 수형 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
20. 제19항에 있어서, 상기 T자형 부재는 입구 및 출구가 마련되어 있는 횡단 바아 부분과, 입구가 마련되어 있는 스템 부분을 포함하는 파이프 티이며, 상기 횡단 바아 부분의 상기 입구를 대기로부터 밀봉시키기 위해 상기 횡단 바아 부분의 입구에 고정되고 상기 연료 도관 둘레에 배치된 관통 보어 압축 부착물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
21. 제20항에 있어서, 산화제 라인을 고정시키기 위한 상기 커플링은 상기 스템 부분의 상기 입구에 고정된 퀵 접속 해제부이며, 연료 라인을 고정시키기 위한 상기 커플링은 상기 연료 도관에 고정된 퀵 접속 해제부인 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.
22. 제19항에 있어서, 상기 T자형 부재는 입구 및 출구가 마련되어 있는 횡단 바아 부분과, 입구가 마련되어 있는 스템 부분을 포함하는 용접 티이며, 상기 횡단 바아 부분의 상기 입구를 대기로부터 밀봉시키기 위해 상기 횡단 바아 부분의 입구에 고정되고 상기 연료 도관 둘레에 배치된 관통 보어 압축 부착물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저연소비의 산소-연료 버너.