KR20090005021A - Liquid or liquefied gas vaporization system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액체 또는 액화가스의 기화와 관련된 것이다. 기능 시스템이 작동하기 위해서는 액체 및 액화가스의 기화가 필수적인 여러 응용분야가 있다. The present invention relates to the vaporization of liquids or liquefied gases. There are several applications where the vaporization of liquids and liquefied gases is essential for the functional system to work.
내연기관의 기능 작동은 최우선적으로 액체 또는 액화가스의 기화에 좌우된다. 내연기관에서 연료를 공급함에 있어 주된 문제는 피스톤 크라운 부위나 실린더 벽과 같은 다양한 내부표면에의 연료 충돌로서, 이는 행정에 맞춰 기화가 이루어져야 하는 공정에 해가 되는 요소이다. 이는 종종 불완전 연소를 유발하여 결국 효율을 저하시키고 배기가 많아지며 검정 매연을 발생시킨다. 내연기관에 응용되는 본 발명은 이런 문제점들을 해결하게 될 것이다. The functional operation of the internal combustion engine depends primarily on the vaporization of the liquid or liquefied gas. The main problem in supplying fuel from internal combustion engines is fuel impingement on various internal surfaces, such as piston crowns or cylinder walls, which is a detrimental process that must be vaporized in line with the stroke. This often leads to incomplete combustion, which eventually leads to lower efficiency, higher emissions and black smoke. The present invention applied to an internal combustion engine will solve these problems.
넓은 관점에서 보면 열표면을 제공하여 액체가 기화할 때까지 이 표면과 열접촉을 유지하도록 한다.In a broader sense, a thermal surface is provided to maintain thermal contact with the surface until the liquid vaporizes.
다른 관점으로는 열표면을 제공하고, 이 표면과 관련된 장치를 이용하여 액체가 기화할 때까지 액체와 열표면 간의 열 접촉을 유지하도록 한다.In another aspect, a thermal surface is provided and a device associated with the surface is used to maintain thermal contact between the liquid and the thermal surface until the liquid vaporizes.
또 다른 관점에는 열표면을 제공하고, 이 표면과 관련된 장치와 결합된 액체 가속 장치를 이용하여 액체가 기화할 때까지 액체와 열표면 간의 열접촉을 유지하도록 한다.In another aspect, a thermal surface is provided and a liquid accelerator coupled with the device associated with the surface is used to maintain thermal contact between the liquid and the thermal surface until the liquid vaporizes.
한 가지 형태로, 실린더 내에 축방향으로 동심의 V홈을 주고 그 표면을 충분히 높은 온도로 유지하며, 주어진 속도로 V홈에 액체를 전달함으로써 액체에 접선속도가 전개되도록 한다. 이 접선속도에 의해 반경방향의 관성가속도가 높아지고 이 가속도는 V홈과 결합되어 액체가 분산되거나 작은 액체울로 되는 것을 억제하며 액체가 열표면과 물리적인 접촉을 유지하도록 한다.In one form, the axial concentricity in the cylinder is maintained axially and the surface maintained at a sufficiently high temperature, and the tangential velocity develops in the liquid by delivering the liquid to the V groove at a given speed. This tangential velocity increases the radial inertial acceleration, which is coupled with the V-groove to prevent the liquid from dispersing or forming into a small liquid wool, and keeps the liquid in physical contact with the thermal surface.
액체가 그 액체의 포화온도 또는 그 보다 낮은 온도의 표면에 충돌하면, 접촉면에서의 증기 생성에 의해 액체와 표면 간의 접촉은 방해되지 않는다. 액체의 포화온도와 표면의 온도 차이가 생기면 그 표면에 증기가 생기고 그에 의해 액체와 표면 간의 접촉경계가 무너진다. 온도 차이는 0 에서 부터 점진적으로 증가함에 따라, 증기 발생도 증가하고 증기 발생이 일시적으로 활발해져서 액체와 표면 간의 접촉경계는 완전히 무너진다.If the liquid impinges on the surface of the liquid at its saturation temperature or lower, the contact between the liquid and the surface is not prevented by the generation of vapor at the contact surface. If there is a difference between the saturation temperature of the liquid and the temperature of the surface, vapor is generated on the surface, thereby destroying the contact boundary between the liquid and the surface. As the temperature difference gradually increases from zero, the steam generation increases and the steam generation becomes momentarily active so that the contact boundary between the liquid and the surface is completely destroyed.
액체가 그 액체의 포화온도 보다 적당히 높은 온도의 표면에 충돌하면, 표면은 액체에 젖을 수가 없고 결과적으로 낮은 열전달율과 낮은 증기발생율을 초래한다. 임의의 분위기에서 물 속에 잠긴 열표면에 대해서 이 같이 젖지 않는 온도차이는 약 120℃ 이며 이는 라이덴프로스트 온도점(Leidenfrost Point)이라고 알려졌다. 이 라이덴프로스트 온도점에 이르기까지 다양한 상황의 비등과 열전달을 관찰할 수 있다. 라이덴프로스트 온도점 이상에서는 표면과 액체 간의 접촉은 일어나지 않고 증기막을 통한 전도에 의해 열이 전달된다. 라이덴프로스트 온도점 또는 그 이상에서는 표면이 액체에 젖지 않는다. 이러한 시스템으로 라이덴프로스트 온도점에 이르기까지, 약 30℃의 온도차가 있는 핵비등에서 최대 열전달율과 그에 따른 최대 증기발생율을 얻는다. 라이덴프로스트 온도점 이상에서 핵비등에서와 같은 열전달율을 얻으려면 그 온도차가 1000℃ 이상이어야 한다. 본 명세서에서 사용한 물 이외의 다른 액체도 유사한 현상을 보인다.If a liquid impinges on a surface that is moderately above the saturation temperature of the liquid, the surface will not be wetted with the liquid, resulting in low heat transfer rates and low vapor generation rates. This non-wetting temperature difference for thermal surfaces submerged in water in any atmosphere is about 120 ° C, which is known as the Leidenfrost Point. At this Leidenfrost temperature point, boiling and heat transfer in various situations can be observed. Above the Leidenfrost temperature point, no contact between the surface and the liquid occurs and heat is transferred by conduction through the vapor membrane. At or above the Leidenfrost temperature, the surface does not get wet. This system achieves the maximum heat transfer rate and thus the maximum steam generation rate in nuclear boiling with a temperature difference of about 30 ° C. up to the Leidenfrost temperature point. Above the Leidenfrost temperature point, in order to achieve the same heat transfer rate as in nuclear boiling, the temperature difference must be at least 1000 ° C. Liquids other than water used herein exhibit similar phenomena.
열표면에 충돌하는 액체방울과 같이 다량의 액체가 열표면에 충돌하여 표면을 적시는 시스템에서도 동일한 현상을 관찰할 수 있다. 온도차가 아주 커질 때까지는 적당한 온도차에서는 열전달율이 최대화되고 큰 온도차에서는 열전달율이 감소된다. 액체방울이 놓인 표면과 액체의 포화온도 간의 온도차가 라이덴프로스트 온도점에 이르면, 그 액체방울은 구형을 유지하면서 증기막에 의해 지지되고 천천히 끓어서 증발한다(1756년에 라이덴프로스트가 관찰).The same phenomenon can be observed in a system in which a large amount of liquid collides with the thermal surface and wets the surface, such as a droplet colliding with the thermal surface. Until the temperature difference becomes very large, the heat transfer rate is maximized at the moderate temperature difference, and the heat transfer rate is decreased at the large temperature difference. When the temperature difference between the surface on which the droplet is placed and the saturation temperature of the liquid reaches the Leidenfrost temperature point, the droplet is supported by the vapor membrane while maintaining a spherical shape and slowly boils and evaporates (observed by Leidenfrost in 1756).
이상적으로 구형은 한 점에서 표면에 접촉하지만, 힘이 작용하여 형태가 변한 액체방울의 접촉면적은 점보다는 크고, 젖음현상이 진행될 수 있는 경우 동일한 양의 액체에 의해 젖는 면적보다는 훨씬 작다.Ideally, the sphere is in contact with the surface at one point, but the contact area of the droplet, which has changed shape due to the action of force, is larger than the point, and much smaller than the area wetted by the same amount of liquid if wetting can proceed.
표면으로부터의 열전달율을 높이고 큰 온도차에서 액체의 증발을 증가시키기 위해서는 그 액체가 표면위에 놓여있어야 한다.In order to increase the heat transfer rate from the surface and increase the evaporation of the liquid at large temperature differences, the liquid must be placed on the surface.
액체가 원통형과 같은 기하학적 형상을 갖는 열표면 위에서 접선운동을 하면 액체의 반경방향 관성가속도(원심가속도)가 생길 수 있으며 반경방향의 관성가속도는 표면 위 유체에 의한 힘을 증가시키기도 하며 그 반대일 수도 있다. 반경 방향의 관성가속도의 순간적인 크기는 그 순간의 접선속도와 곡률반경과의 상관관계이다. 중력장에서 기학적 형상을 유지할 수 있는 액체방울을 곡면 위에 놓고 임의의 접선속도로 접선운동을 시키며, 이 접선속도에 의해 반경 방향의 관성가속도가 중력가속도 보다 커지고 표면의 온도와 액체의 온도차가 라이덴프로스트 온도점과 같거나 커지게 되면, 액체방울은 여러개의 작은 방울로 분산될 것이며 작용하는 반경 방향 관성가속가 클수록 더 많은 갯수의 액체방울로 분산된다. 유사한 표면 위에서 액체를 접선 방향으로 분사를 하여도 같은 결과를 얻는다. 액체방울의 크기는 근본적으로 반경방향 관성가속도, 액체의 표면장력 그리고 액체의 밀도들의 상관관계이다. 표면의 표면처리 또한 액체방울의 크기에 영향을 준다.The tangential motion of a liquid on a thermal surface with a cylindrical shape, such as a cylinder, can result in the radial inertial acceleration (central acceleration) of the liquid, and the radial inertial acceleration increases the force by the fluid on the surface and vice versa. have. The instantaneous magnitude of radial inertial acceleration is the correlation between the tangential velocity at that moment and the radius of curvature. In the gravitational field, a liquid drop is placed on the curved surface to tangentially move at an arbitrary tangential velocity. The tangential velocity causes the radial inertial acceleration to be greater than the gravitational acceleration and the temperature difference between the surface temperature and the liquid temperature. At or above the temperature point, the droplets will disperse into several smaller droplets, and the greater the radial inertial acceleration, the larger the number of droplets. The same result is obtained by spraying the liquid tangentially on a similar surface. The droplet size is essentially a correlation of radial inertial acceleration, surface tension of the liquid, and density of the liquid. Surface treatment also affects the size of the droplets.
크기에 관계없이 액체방울은 증기막에 의해 지지되고 따라서 온도차가 크게 발생하지 않는 한 열전달은 최대가 된다. 그러므로 액체방울의 발달을 억제하고 증기는 생성되는 대로 배출할 필요가 있으며 이때 액체는 배출되지 않도록 한다. 액체에 반경방향 관성가속도를 줄 수 있는 곡면의 형상으로는, 액체의 축방향 확장을 억제하는, 즉 액체에 축방향 가속도를 주는 어떤 기하학적 형상이라도 좋다. 동심의 V홈이 한 예이다. 이러한 형상에 의해 유체는 직교좌표 상의 세 방향으로 밀려나게 되며 액체방울의 형성을 억제하고 열표면과의 물리적인 접촉을 유지한다. 반경방향의 관성가속도가 액체에 작용되면 액체 내에 반경방향의 압력이 발생되며, V홈의 면과 후프압력(Hoop Pressure)에 의해 반대방향의 축방향 압력이 생성된다. 액체는 가속우물(Acceleration Well)이라는 액체트랩에 갇혀 V홈에서 빠져나올 수가 없다. 증기는 압력이 감소하는 방향, 즉 표면의 곡률반경의 중심 방향으로 액체를 통과해 떠오르고 홈의 벽면을 따라 배출된다. 증기가 일단 액체로부터 이탈되면 자유롭게 팽창하고 주변의 가스와 섞인다.Regardless of the size, the droplets are supported by the vapor membrane and therefore the heat transfer is maximized unless a large temperature difference occurs. Therefore, it is necessary to suppress the development of droplets and to release the vapor as it is produced, at which time the liquid is not discharged. The shape of the curved surface which can give radial inertial acceleration to the liquid may be any geometric shape that suppresses the axial expansion of the liquid, that is, gives the liquid axial acceleration. Concentric V-groove is an example. This shape causes the fluid to be pushed out in three directions on the Cartesian coordinate, inhibiting the formation of droplets and maintaining physical contact with the thermal surface. When radial inertial acceleration is applied to the liquid, radial pressure is generated in the liquid, and the axial pressure in the opposite direction is generated by the surface of the V groove and the hoop pressure. The liquid is trapped in a liquid trap called an acceleration well and cannot escape from the V-groove. The vapor rises through the liquid in the direction of decreasing pressure, ie in the center of the radius of curvature of the surface and is discharged along the wall of the groove. Once the vapor leaves the liquid, it expands freely and mixes with the surrounding gas.
전형적인 차량 엔진에서 화학량론의 양과 같은 정도의 탄화수소가 아주 짧은 주기로 증발될 수 있다는 것을 실험으로 이미 알고 있다. 차량 엔진의 기능 유지에 관련이 있는 이 주기로 인해 본 발명을 차량에 응용할 수가 있다.Experiments already know that in a typical vehicle engine, hydrocarbons on the order of stoichiometry can be evaporated in very short cycles. This cycle, which is related to the maintenance of the function of the vehicle engine, allows the present invention to be applied to a vehicle.
여러실험을 통하여 열표면에서 액체로의 열유량(Heat Flux)이 평방미터당 수십 메가와트에 달할 수 있다는 것을 알고 있다.Through experiments, we know that heat flux from the heat surface to the liquid can reach tens of megawatts per square meter.
비습윤표면도 습윤표면과 같은 방법으로 사용할 수 있다. 표면처리는 아주 고운 정도에서부터 적당히 필요한 만큼까지도 가능하고 주재료에 테플론 같은 적절한 재료를 코팅할 수도 있다.Non-wet surfaces can also be used in the same way as wet surfaces. Surface treatment can range from very fine to moderately necessary and can be coated with a suitable material such as Teflon on the main material.
적절한 수단에 의해 액체를 본 발명 시스템에 전달할 수 있으며, 액체는 연속적 또는 간헐적일 수 있고 수 개의 간헐적인 액체분사를 포함할 수도 있다.The liquid may be delivered to the system of the present invention by appropriate means, and the liquid may be continuous or intermittent and may comprise several intermittent liquid sprays.
본 명세서에서는 가속우물이나 액체트랩의 기하학적 형상을 기술하기 위해 V홈을 사용하였으나, 액체를 반경방향과 축방향으로 가속시키는 곡면은 가속우물이나 액체트랩을 유발할 수 있는 어떤 기하학적 형상이라도 좋다. 기화부하에 따라 하나 이상의 가속우물을 배치할 수도 있다. 홈이나 표면은 동심의 형상일 수도 있고 다른 형상일 수도 있다.In the present specification, the V groove is used to describe the geometry of the acceleration well or the liquid trap, but the curved surface for accelerating the liquid in the radial and axial directions may be any geometric shape that may cause the acceleration well or the liquid trap. Depending on the vaporization load, one or more acceleration wells may be arranged. The grooves or surfaces may be concentric or in other shapes.
액체를 반경방향과 축방향으로 가속시켜서 가속우물이나 액체트랩을 발생하는 V홈 또는 곡면은 나선형의 경로나 상각궤도 또는 그외 적당한 경로를 갖을 수 있으며 그 경로는 열린 것일 수도 있고 닫힌 것일 수도 있으며 입출선을 갖을 수도 있고, 부드럽게 또는 가파르게 시작하거나 끝날 수가 있다. V홈이나 곡면의 깊이는 임의의 적당한 깊이면 된다.The V-groove or curved surface that accelerates the liquid radially and axially to generate an accelerating well or liquid trap may have a spiral path, a declination or other suitable path, and the path may be open, closed, or It can have or can start or end smoothly or steeply. The depth of the V-groove or curved surface may be any suitable depth.
열표면 위에 양각의 프로파일을 형성하여서 가속우물이나 액체트랩을 제공할 수 있다.Embossed profiles can be formed on the thermal surface to provide accelerated wells or liquid traps.
가속우물이나 액체트랩의 곡률반경은 가속우물 또는 액체트랩의 경로나 상각궤도을 따라서 일정할 수도, 변할 수도 있으며 연속된 것일 수도 조각난 것일 수도 있고, 작을 수도 있고 클 수도 있다.The radius of curvature of the acceleration well or liquid trap may be constant, varying, continuous, fragmented, small or large along the path or declination of the acceleration well or liquid trap.
표면의 기하학적 형상은 그 형상을 강제로 변환시키는 것과 같이 시간이 지나면서 변할 수도 있고, 필요에 따라 표면 위에 형상 단절이 있을 수 있으며 온도가 변하면서 형상도 변할 수 있다.The surface geometry may change over time, such as forcing the shape to transform, there may be shape breakage on the surface as needed, and the shape may change as temperature changes.
열표면은 임의의 적당한 수단에 의해 가열할 수 있다.The thermal surface can be heated by any suitable means.
표면과 액체 간의 온도차는 라이덴프로스트 온도점의 온도차에 근접하거나 그보다 더 클 필요는 없다.The temperature difference between the surface and the liquid need not be close to or greater than the temperature difference at the Leidenfrost temperature point.
확산되는 액체분자가 고정된 가스 또는 움직이는 가스에 들어가는 시스템에서 가속우물은 액체를 미리 정해진 어느 위치에 가두기 위해 사용된다.In systems where diffused liquid molecules enter a fixed or moving gas, an acceleration well is used to trap the liquid at a predetermined location.
비습윤표면에 작용되는 반경방향의 가속도에 의해 아주 고도의 액체무화(Atomization)이 이루어진다. 습윤표면을 이용할 경우에는 라이덴프로스트 현상을 잘 이용하여 표면의 습윤현상을 붕괴시킬 필요가 있다. 직경이 작은 원통형 표면은 접선속도에 관련이 있으며, 이 접선속도는 원통형 표면에 연료를 분사하여 얻어지고 작은 직경의 원통형 표면에서 마이크로미터 크기의 작은 액체방울을 생성한다. 적절한 형상의 홈이나 유도기구에 의해 접선속도를 축방향 속도 또는 접선방향과 축방향의 벡터합 속도로 변환한다. 이런 장치는 차량 엔진의 흡입구에 적용하거나 직접분사 엔진의 실린더에 사용하는 등 많은 분야에 응용된다.A very high level of atomization is achieved by radial acceleration acting on the non-wetting surface. In the case of using the wet surface, it is necessary to use the Leidenfrost phenomenon to disintegrate the wet phenomenon of the surface. Small diameter cylindrical surfaces are related to the tangential velocity, which is obtained by injecting fuel into the cylindrical surface and produces droplets of micrometer size on the smaller diameter cylindrical surface. A tangential velocity is converted to an axial velocity or tangential and axial vector sum velocity by a groove or guide mechanism of appropriate shape. Such devices have many applications, such as intakes in vehicle engines or cylinders in direct injection engines.
공기 같은 가스 상태의 기류에 액체를 전달함에 있어 표면의 비습윤 특성을 이용할 수 있다. 분사 또는 그외 다른 방법으로 가스가 담긴 도관 벽면의 기하학적 형상에 액체를 전달하고, 습윤 또는 비습윤의 형상의 온도가 라이덴프로스트 온도점 이상으로 오르면, 액체는 표면을 적시지 않으며 표면의 특정 형상에 의해 결정되는 방향으로 반사된다. 예를들어, 멕시코 모자를 뒤집어 놓은 형상이 있고 그 형상의 회전축을 따라 충분한 속도로 분사되는 액체는 형상의 바깥 테두리로부터 분출되면서 기류쪽으로 반사되는 연료를 무화시킨다. 액체를 가스의 기류 내에 반사시켜서 액체를 가스의 기류에 가둘 수 있는 형상이면 어떠한 기하학적 형상이라도 좋다. 하나 이상의 많은 형상을 가져도 좋고 상호 반사여도 좋고 임의의 방향을 가져도 좋다. 이는 응용의 한 예로서 내연기관의 연료공급시스템에 사용할 수 있다.The non-wetting properties of the surface can be used to deliver the liquid to a gaseous stream of air such as air. When the liquid is delivered to the geometry of the gas conduit wall by spraying or otherwise, and the temperature of the wet or non-wet shape rises above the Leidenfrost temperature point, the liquid does not wet the surface and is determined by the specific shape of the surface. Is reflected in the direction. For example, there is a shape in which a Mexican hat is turned upside down, and the liquid injected at a sufficient speed along the axis of rotation of the shape atomizes the fuel reflected towards the air stream as it is ejected from the outer edge of the shape. Any geometric shape may be used as long as the liquid can be reflected in the gas stream to trap the liquid in the gas stream. It may have one or more shapes, may be mutually reflective, or have any direction. This can be used in fuel supply systems of internal combustion engines as an example of application.
공기 같은 가스 상태의 기류에 액체를 전달함에 있어 표면의 비습윤 특성을 이용할 수 있다. 분사 또는 그외 다른 방법으로 액체가 전달되어, 대칭 또는 비대칭의 다각형 단면이나 돌출부나 가로대가 있는 원형 단면의 도관의 비습윤 벽면 위를 주어진 접선속도로 지나가게 되면, 액체가 반사면에 부딪치면서 모서리나 돌출부 또는 가로대를 벗어나 기류쪽으로 반사될 수 있다. 첫 반사단계에서 액체의 일부분만 반사된다면 나머지 부분은 그 다음 반사단계에서 반사된다. 이는 응용의 한 예로서 내연기관의 연료공급시스템에 사용할 수 있다.The non-wetting properties of the surface can be used to deliver the liquid to a gaseous stream of air such as air. When liquid is delivered by spraying or otherwise, passing at a given tangential velocity on a non-wetting wall of a symmetrical or asymmetrical polygonal cross section or of a convex or cross-section conduit at a given tangential velocity, the liquid strikes the reflecting surface and forms an edge or protrusion. Or it may be reflected off the runway toward the air stream. If only a part of the liquid is reflected in the first reflection step, the remaining part is reflected in the next reflection step. This can be used in fuel supply systems of internal combustion engines as an example of application.
공기 같은 가스 상태의 기류에 액체를 전달함에 있어 표면의 비습윤 특성을 이용할 수 있다. 분사 또는 그외 다른 방법으로 구멍과 같은 매우 뜨거운 공동안으로 액체가 전달되면, 증기가 발생하면서 액체는 구멍 밖으로 밀려서 기류 안으로 들어간다. 이는 응용의 한 예로서 내연기관의 연료공급시스템에 사용할 수 있다.The non-wetting properties of the surface can be used to deliver the liquid to a gaseous stream of air such as air. When liquid is delivered into a very hot cavity, such as a hole, by spraying or otherwise, the vapor is generated and the liquid is pushed out of the hole and into the air stream. This can be used in fuel supply systems of internal combustion engines as an example of application.
본 명세서에서는 발명의 한 특정 형태를 기술하였으나, 연전달 기술이나 공학 부문에 전문적인 사람이라면 본 발명의 의도나 영역을 벗어나지 않고 다양한 변형을 제시할 수 있을 것이다. While a particular form of the invention has been described herein, those skilled in the art of communication and engineering may suggest various modifications without departing from the spirit or scope of the invention.
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