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KR20120129907A - 열 전달의 전기적 제어 방법 및 장치 - Google Patents

열 전달의 전기적 제어 방법 및 장치

Info

Publication number
KR20120129907A
KR20120129907A KR1020127021151A KR20127021151A KR20120129907A KR 20120129907 A KR20120129907 A KR 20120129907A KR 1020127021151 A KR1020127021151 A KR 1020127021151A KR 20127021151 A KR20127021151 A KR 20127021151A KR 20120129907 A KR20120129907 A KR 20120129907A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
heat transfer
species
heating gas
temperature sensitive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020127021151A
Other languages
English (en)
Inventor
데이빗 굳슨
토마스 에스. 하트위크
크리스토퍼 에이. 위클로프
Original Assignee
클리어사인 컨버스천 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 클리어사인 컨버스천 코포레이션 filed Critical 클리어사인 컨버스천 코포레이션
Publication of KR20120129907A publication Critical patent/KR20120129907A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F13/16—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying an electrostatic field to the body of the heat-exchange medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

열 교환 시스템은 열 전달 표면 및/또는 열 민감성 표면 부근에서 가열 가스 스트림의 흐름을 정전기적으로 조절하도록 구성된 전극을 포함한다.

Description

열 전달의 전기적 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ELECRICAL CONTROL OF HEAT TRANSFER}
본 출원은 David Goodson, Thomas S. Hartwick, Christopher A. Wiklof가 발명하고, "METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRICALLY ACTIVATED HEAT TRANSFER"라는 제목으로 2010년 1월 13일 출원되어, 현재 본원과 동시 계류 중인 미국 가출원 제 61/294, 761호에 대해, 35 USC 119(e) 규정하에서 우선권의 이익을 주장하고, 이를 본원과 모순되지 않는 한도에서, 참조로 통합한다.
연소기 및 보일러와 같은 전형적인 외연(external combustion) 시스템들은 가열 가스 스트림(stream)으로부터 열의 추출을 최대화하기 위해 상대적으로 복잡한 시스템들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 시스템들은 가열 가스 스트림으로부터 열 전달 표면들을 통해 히트 싱크(sink)들로 열을 전달하기 위해 강제 또는 자연 대류에 의존할 수 있다.
전술한 연소 시스템들을 포함할 수도 있고, 또는 예를 들어, 터보제트(turbo-jet) 엔진, 램-제트(ram-jet) 엔진 또는 스크램-제트(scram-jet) 엔진, 및 로켓 엔진과 같은 다른 시스템을 포함할 수 있는, 기타 시스템들은 고온의 가스에 의한 주요 부품의 침식 때문에 연소 온도 또는 신뢰성에 대하여 제한적이다. 이러한 시스템들의 온도 민감성 표면들로 열 전달을 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예에 따라, 전기적으로 활성화된 열 전달 시스템은, 가열 가스 스트림에 인접한 적어도 하나의 제1 전극과, 적어도 하나의 전극에 가까이 위치한 적어도 하나의 열 전달 표면을 포함할 수 있다. 가열 가스 스트림은 연소 반응으로부터 나오는 양극성 및/또는 음극성으로 대전된 종들(species)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제1 전극은 양극성 및/또는 음극성으로 대전된 종들을 적어도 하나의 열 전달 표면 쪽으로 끌어당기기 위해 전기적으로 변조될 수 있다. 끌어당겨진 대전 종들은 열을 지닌 비대전 종들을 동반할 수도 있다. 열을 지닌, 대전 종들 및 비대전 종들의 흐름은 민감하게도 적어도 하나의 열 전달 표면 가까이 흐를 수 있고, 가열 가스 스트림으로부터 적어도 하나의 열 전달 표면에 대응하는 히트 싱크로 열 에너지를 전달할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 전극이 하나 이상의 대전 종들을 가열 가스 스트림으로부터 선택적으로 제거할 수 있다. 따라서, 가열 가스 스트림은, 적어도 하나의 제1 전극 부근에서 가열 가스 스트림이 흐를 때 유지될 수 있는, 전하 불균형을 나타낼 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 열 전달 표면은 가열 가스 스트림 내에서 대전 종들의 정전기적 인력을 위해 구성된 통합된 전극을 포함할 수 있다. 끌어당겨진 대전 종들은 가열 비대전 종들을 동반할 수 있다. 통합된 전극은 열 전달 표면으로부터 전기적으로 차단될 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 열 전달을 활성화하는 방법은 전기적으로 대전된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계, 가열 가스를 열 전달 표면에 인접하게 흐르게 유도하도록 제1 전극을 변조하는 단계, 및 그 가스로부터 열 전달 표면으로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 온도 민감성 표면을 보호하는 방법은 전기적으로 대전된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계, 및 그 가스로부터 온도 민감성 표면으로의 열 전달을 감소시키기 위해, 가열 가스를 온도 민감성 표면으로부터 멀리 흐르게 유도하도록 제1 전극을 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치는, 연소 반응으로부터 나온 전기적으로 대전된 종들을 포함하는 고온의 가스 스트림 내에 위치한 온도 민감성 표면, 및 연소 반응으로부터 나온 전기적으로 대전된 종들을 온도 민감성 표면으로부터 떨어진 곳으로 유도하기 위해 변조되도록 구성된 제1 전극을 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 전기장을 이용하여 열 전달 표면으로의 열 전달을 활성화하도록 구성된 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 도 1의 시스템과 비교하여 대안적인 전극 배치를 갖는 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 도 2의 시스템에 대응하는 통합된 전극과 열 전달 표면의 부분적 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 도 1 내지 도 3의 전극들을 작동시키기 위한 예시적인 파형들을 나타낸 파형도이다.
도 5는 일 실시예에 따른, 복수의 전극들과 열전달 표면들로 구성된 시스템을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른, 경계층 상에서 충돌하는 대전 종들의 영향을 보여주는 열 전달 표면의 근접 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른, 전기장을 이용하여 열 민감성 표면을 열 전달로부터 보호하기 위해 구성된 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른, 전기장을 이용하여 열 민감성 표면을 열 전달로부터 보호하기 위해 구성된 시스템을 나타낸 도면이다.
이하의 상세한 설명에서는, 첨부 도면을 참조하는데, 첨부 도면은 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면에서 유사 부호는, 다른 설명이 없으면 일반적으로 유사한 부품을 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 청구항에 기술된 예시적인 실시예들은 한정적인 것은 아니다. 본 원에 제시된 주제의 진정한 의미 또는 범위에서 벗어나지 않으면서, 다른 실시예들이 활용될 수 있고, 다른 변형들이 이루어질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 전기장을 이용하여 열 전달 표면(114)으로의 열 전달을 활성화하기 위해 구성된 시스템(101)을 나타낸 도면이다. 시스템(101)은 일반적으로 버너 조립체(103)에 의해 지지되는 화염(102)을 포함할 수 있다. 화염(102) 내에서 연소 반응은 전기적으로 대전된 종들(106, 108)을 운반하는 (화살표(105)에 의해 도시된 흐름을 갖는) 가열 가스(104)를 발생시킨다. 일반적으로, 전기적으로 대전된 종들은 양극성 대전 종들(106) 및 음극성 대전 종들(108)을 포함한다.
대전 종들(106, 108)을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계는, 연료원(118)으로부터 적어도 하나의 연료를 연소시키는 단계를 포함할 수 있고, 연소 반응은 대전 종들 중 적어도 일부 및 연소 가스들을 제공할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 연소 반응은 실질적으로 모든 대전 종들(106, 108)을 제공할 수 있다.
대전 종들(106, 108)은 예를 들어 불연소 연료; 수소화물, 히드로과산화물, 및 히드록실라디칼과 같은 중간 라디칼; 미립 및 다른 재(ash); 열분해 생성물; 대전된 가스 분자; 및 자유 전자를 포함할 수 있다. 연소의 여러 단계에서, 대전 종들(106, 108)의 혼합은 변할 수 있다. 하기에서 설명되는 것처럼, 일부 실시예는 가열 가스(104)의 제1 부분에서 대전 종들(106 또는 108)중 일부를 제거하여, 가열 가스(104)의 또 다른 부분에서 전하 불균형을 줄 수 있다.
예를 들면, 일 실시예는 실질적으로 전자만을 포함하는 음극성 종들(108)의 일부를 제거하여, 가스 스트림(104) 내에서 양극성 전하 불균형을 줄 수 있다. 따라서 양극성 종들(106)과 남아 있는 음극성 종들(108)은 정전기적으로 히트 싱크(116) 부근으로 끌어당겨질 수 있고, 결과적으로 열 전달을 활성화한다. 대안적으로, 양극성 종들(106)의 일부가 가열 가스 스트림(104)으로부터 제거되어, 가스 스트림 내에 음극성 전하 불균형을 남길 수 있다.
제1 전극(110)은 전압원(112)에 의해 전압 변조될 수 있다. 전압 변조는 본원에서 양극성으로 도시된 대전 종들(106) 중 일부를 끌어당기도록 구성될 수 있다. 제1 전극을 변조하는 단계는 반대 극성으로 대전된 종들을 끌어당기기 위해 선택된 하나 이상의 전압들로 제1 전극을 작동시키는 단계, 및 끌어당겨진 반대 극성으로 대전된 종들이 가열 가스에 운동량을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
전기적으로 유도된 대전 종들(106)로부터의 운동량 전달은 열을 운반하는 비대전 입자, 불연소 연료, 재 등을 동반하는 것으로 간주될 수 있다. 변조된 제1 전극(110)은 열을 운반하는 대전 종들 및 다른 동반 종들을 끌어당겨, 바람직하게는 열 전달 표면(114)에 인접하여 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 열 운반 종들이 열 전달 표면(114)에 인접하여 흐를 때, 그 종들에 의해 운반되는 열의 일부는 열 전달 표면(114)을 통하여 히트 싱크(116)로 전달된다.
일 실시예에 따라, 제1 전극(110)은 열 전달 표면(114)에 가까이 배치될 수 있다. 공칭 물질 흐름(105)은 속도(속력과 방향 포함)에 의해 특징지어 질 수 있다. 제1 전극(110)은, 공칭 물질 유속(flow velocity)(105)에 대해 임의의 각도로 그리고 열 전달 표면(114) 방향으로, 대전 종들(106)에 유동 속도(drift velocity)를 부여하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(101)은 대전 종들(106, 108) 중 일부를 제거하기 위해 적어도 하나의 제2 전극(120)을 추가로 변조할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제2 전극(120)은 바람직하게는 음극성 대전 종들(108)을 가열 가스(104)로부터 제거할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제2 전극은 바람직하게는 전자들(108) 중 일부를 가열 가스(104)로부터 제거할 수 있다.
일 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 전극(120)은 연소 반응에 대한 장소를 제공하는 화염(102)을 지지하는 버너 조립체(103)를 포함한다. 제2 전극(120)은 전압원(112)으로부터의 파형으로 작동될 수 있다. 대안적으로, 제2 전극은 또 다른 전압원으로부터 작동될 수 있다.
화염(102)은 전형적인 확산 화염 형상으로 도시되어 있지만, 주어진 실시예에 따라, 다른 연소 반응 분포가 제공될 수도 있다.
도 2는 일 실시예에 따른, 도 1의 시스템(101)과 비교하여 대안적인 전극 배치를 갖는 시스템(201)을 나타낸 도면이다. 시스템(201)은 열 전달 표면(114)과 통합된 제1 전극(110)을 포함할 수 있다. 시스템(201)은 부가적으로 또는 대안적으로 버너 조립체(103)와 분리된 선택적 제2 전극(120)을 포함한다. 도 1의 시스템(101)과 마찬가지로, 버너 조립체(103)는 연소 및 가열 가스(104) 내에서 운반되는 대전 입자들(106, 108) 중 적어도 일부의 발생을 위한 장소를 제공하는 화염(102)을 지지하도록 구성된다.
히트 싱크(116)는 도시된 바와 같이 가열 가스 스트림(104) 내에 위치될 수 있다. 가열 가스 스트림이 히트 싱크(116)를 지나 흐를 때, 그 흐름은 화살표(105)에 의해 도시된 바와 같이 분열될 수 있다. 일 실시예에 따라, 본원에서는 히트 싱크(116)에 인접한 열 전달 표면(114)과 통합된 것으로 도시된 적어도 하나의 전극(110)이, 대전 종들(106 및/또는 108)을 정전기적으로 끌어당기도록 변조될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 인력은 대전 종들(106, 108)을 평균 가스 유속(105)에 각을 이루는 경로를 따라 움직이게 하는 경향이 있을 수 있다.
가열 가스 스트림(104)의 전체를 통해 양극성 종들(106)과 음극성 종들(108)을 운반하는 데 따른 하나의 가능한 결과는, 양극성 전하(106)가 하나 이상의 중성 종들을 생성하기 위해 음극성 전하(108)와 결합하는 재결합이다(미도시). 이러한 재결합은 제1 전극(110) 상의 전압에 반응하는 대전 종들(106)의 농도를 감소시킴으로써, 제1 전극(110)과 가열 가스(104) 간의 결합 효율을 감소시킬 수 있다.
도 1에 대응하는 설명처럼, 양극성 종들을 끌어당기는 전극(예를 들어, 제1 전극(110))과 음극성 종들을 끌어당기는 전극(예를 들어, 제2 전극(120))의 배치는 일 실시예를 나타낸다. 본 설명의 진정한 의미 또는 범위를 벗어나지 않고, 다른 실시예들이 그 관계를 반전시킬 수 있고 그리고/또는 그렇지 않으면 도 2의 실시예를 변형할 수 있다.
실시예(201)에 따라, 적어도 하나의 제2 전극(120)은 버너 조립체(103)와 열 전달 표면(114) 간의 거리 보다 버너 조립체(103)에 더 가까운 곳에 위치한 전극을 포함한다. 예를 들면, 적어도 하나의 제2 전극(120)이 위치되어, 가열 가스(104)의 흐름 밖으로 전자(108)를 제거하도록 작동될 수 있다. 적어도 하나의 제2 전극(120)의 변조는 교류 전압을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전압 드라이버(112)가 제2 전극을 작동시키는 전압은 전자(108)를 제2 전극(120)의 표면으로 끌어당길 수 있다. 전자(108)는 적어도 하나의 제2 전극(120)을 포함하는 양극성 대전 도체와 결합할 수 있고, 따라서 가열 가스 스트림(104)으로부터 제거될 수 있다.
개방 원통형 또는 원환체 형상의 제2 전극(120)이 일 실시예를 나타내고 있지만, 대안적인 형상도 대안적인 실시예에 적합할 수 있다.
실시예(201)에서, 열 전달 표면(114)은 제1 전극(110)을 포함한다. 도 3은 일 실시예에 따른, 도 2에 대응하는 통합된 전극(110)과 열 전달 표면(114)을 포함하는 장치(301)의 부분 단면도이다.
일 실시예에 따라, 통합된 장치(301)는 예를 들어, 연관(fire tube) 또는 수관(water tube) 보일러 벽의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 예를 들면, 열 전달 표면(114)은 히트 싱크(116)에 인접한 반대 표면(302)을 포함하는 튜브 또는 파이프 벽을 포함할 수 있다. 히트 싱크(116)는 흐르는 액체, 증기, 및/또는 수증기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 공기 대 공기 열교환기에서, 열 전달 표면은 가열 가스 스트림(104)을 대류 또는 강제 공기 히트 싱크(116)로부터 분리시킬 수 있다. 또 다른 실시예에 따라, 히트 싱크(116)는 속이 찬 열전도체, 열 파이프, 또는 가열 가스(104)에 의해 가열되도록 구성된 다른 장치들을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에 따라, 열 전달 표면은 실질적으로 속이 찬 열전도체인 히트 싱크(116)의 표면을 포함할 수 있고, 실질적으로 반대측 벽(302)이 없을 수 있다. 예를 들어 연관 보일러 실시예의 경우와 같은 일부 실시예에서, 도 3에 도시된 둥근 모양은 평평해지거나 반대로 될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 전극(110)이 열 전달 표면(114)과 전기적으로 차단된, 통합된 전극(110)과 열 전달 표면(114)을 포함하는 장치(301)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 실시예(301)는 열 전달 표면(114)으로부터 연장한 열 전도성 벽을 포함할 수 있다. 열 전도성 벽은 반대 표면(302)으로 연장할 수 있거나, 또는 (예를 들어, 원통형 히트 싱크(116)에서와 같이) 열 전달 표면(114)의 연장까지 연장할 수 있거나, 열 전달 표면(114)으로부터 불연속적인, 그러나 단열적인 반대 표면까지 연장할 수 있다.
전기 절연체(304)는 열 전달 표면(114)으로부터 연장한 열 전도성 벽의 적어도 일부 위에 배치될 수 있다. 제1 전극(110)은 전기 절연체(304)의 적어도 일부 위에 배치된 전기 전도층을 포함할 수 있다.
다양한 전기 절연체(302)가 사용될 수 있다. 실시예에 따라, 전기 절연체(302)는 비교적 높은 유전 상수(적어도 제1 전극(110)의 변조 주파수에서), 열화를 방지하기에 충분히 높은 융점 또는 유리 전이 온도, 비교적 높은 열 전도도, 비교적 낮은 열팽창 계수, 및/또는 열 전달 표면(114) 및/또는 전극층(110)으로부터 연장한 벽에 있는 물질의 열팽창 계수와 비교적 잘 일치되는 열팽창 계수를 위해 선택될 수 있다. 예를 들면, 전기 절연체(304)는 폴리에테르-에테르-케톤, 폴리이미드, 이산화 실리콘, 석영 유리, 알루미나, 실리콘, 이산화 티타늄, 스트론튬 타이타네이트, 바륨 스트론튬 타이타네이트, 또는 바륨 타이타네이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 폴리이미드, 폴리에테르-에테르-케톤, 이산화 실리콘, 석영 유리, 또는 실리콘과 같은 저유전 물질들은 낮은 전압들 및/또는 큰 절연체 두께들을 이용하는 실시예들을 위한 절연층에 가장 적합할 수 있다.
실시예에 따라, 전극(110)의 전도층은 비교적 높은 전도도와 비교적 높은 융점을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(110)은 흑연, 크롬, 크롬을 포함하는 합금, 몰리브데늄을 포함하는 합금, 텅스텐, 텅스텐을 포함하는 합금, 탄탈륨, 탄탈륨을 포함하는 합금, 또는 니오븀-도핑 스트론튬 타이타네이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 적어도 하나의 전극(110)은 작동 전에 적층된 부분, 예를 들어 금속, 결정질, 또는 흑연, 및 작동 중에 적층된 부분, 예를 들어 전도성 수트(soot) 또는 전도성 재와 같은 탄소 입자들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전극(110)의 전도도의 일부가 작동 중 형성된 적층물에 의해 생길 때, 유용한 동적(dynamic) 상황이 일어날 수 있다. 예를 들어 시스템 형상, 출력, 화학양론, 및/또는 연료 흐름/가열 공기 유량 때문에, 증가된 결합 효율을 나타내는 전극들 또는 전극 영역들은 상대적으로 더 큰 입자 충돌을 끌어당기게 하는 경향이 있을 수 있다. 상대적으로 더 큰 입자 충돌은 적층된 물질을 침식시키거나 다른 곳으로 이동시키는 경향이 있을 수 있다. 전극의 일부를 이루는 적층된 물질의 제거는 가열 가스(104)에 대한 결합 효율의 감소를 야기할 수 있다. 그 결과로 인한 결합 효율의 감소는 입자 충돌의 양을 감소시킬 수 있고, 따라서 침식을 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 따라, 이러한 효과는 전극의 범위에 걸쳐 또는 전극들의 배열에 걸쳐 대전 입자에 대한 "견인력(pull)"을 균일하게 할 수 있는 의사 평형(pseudo-equilibrium)을 제공하는 데 도움을 줄 수 있다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 전압원(112)은 적어도 하나의 제1 전극(110)과, 선택적으로 적어도 하나의 제2 전극(120)을 전기적 파형들로 작동시키도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 제1 전극(110)을 변조하는 단계는 반대 극성으로 대전된 종들(106, 108)을 끌어당기기 위해 선택된 하나 이상의 전압들로 제1 전극(110)을 작동시키는 단계를 포함할 수 있고, 따라서 끌어당겨진 반대 극성으로 대전된 종들은, 가열 가스에 운동량을 전달할 수 있다. 선택적인 적어도 하나의 제2 전극(120)은 전자(108)와 같은 대전 종들(106, 108) 중 일부를 가열 가스(104)의 흐름 밖으로 적어도 부분적으로 제거하기 위해 선택된 파형으로 작동될 수 있다. 적어도 하나의 제1 전극(110)과 선택적인 적어도 하나의 제2 전극(120)을 작동시키는 전기적 파형들은 직류 전압 파형, 교류 전압 파형, 직류 바이어스 교류 전압, 비주기적 변동 파형들, 및/또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른, 도 1 내지 도 3의 전극들(110, 120)을 작동시키기 위한 예시적인 파형들을 나타낸 파형도(401)이다. 파형(402)은 적어도 하나의 제1 전극(110)을 작동시키는 데 대한 예시적 접근 방법을 도시한다. 다중 전극(110) 시스템들에 대해, 공통의 파형(402)이 모든 전극들(110)을 작동시킬 수 있다. 대안적으로, 다중 전극들(110) 중 하나 이상은 다른 다중 전극들(110)을 작동시키는 데 사용되는 다른 파형들(402)과 상이한 파형(402)에 의해 작동될 수 있다.
일 실시예에 따라, 파형(402)은 주기 P1에 의해 특징지어 지는 패턴 내에서 고전압 VH와 저전압 VL 사이에서 변조될 수 있다. 고전압 VH과 저전압 VL은 평균 전압 V01의 상하로 같은 크기 변화를 갖도록 선택될 수 있다. 평균 전압 V01은 접지 전압일 수 있거나, 접지로부터 직류 바이어스를 대표하는 일정 또는 가변 전압 V01일 수 있다. 절대값 |VH - V01| = |VL - V01|은 절대값 |V01|보다 크거나, 작거나, 또는 거의 같을 수 있다. 다시 말하면, 고전압 VH는 실시예에 따라 접지보다 높거나, 거의 같거나, 또는 낮을 수 있다. 유사하게, 저전압 VL은 실시예에 따라 접지보다 높거나, 거의 같거나, 또는 낮을 수 있다.
주기 P1은 저전압 VL에 대응하는 기간 tL 및 고전압 VH에 대응하는 또 다른 기간 tH를 포함한다. 일부 실시예에 따라 tL + tH = P1 이다. 다른 실시예(미도시)에 따라, 주기는 전압이 평균 전압 V01에서 유지될 수 있는 시간의 일부를 포함할 수 있고, 결과적으로 tL + tH < P1 이 된다. VL이 접지보다 낮은 실시에 대해, 양극성 종 듀티 사이클(duty cycle) D+는 D+ = tL/(tL+tH)로 정의될 수 있다. 유사하게, VH가 접지보다 높은 실시에 대해, 음극성 종 듀티 사이클 D-는 D- = tH/(tL+tH)로 정의될 수 있다. 단일 전극(110)에 대해, 양극성 종 듀티 사이클 D+와 음극성 종 듀티 사이클 D-는 선형적으로 독립적이지 않다. 그러나, 선형적으로 독립적인 양극성 종 및 음극성 종 듀티 사이클, D+, D-가 공간적으로 분리된 전극들(110)에 의해 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예(110, 210)에 대해, 상수 VL < 0과 상수 VH > 0을 가정하여, 파형(402)의 영향이 기술될 것이다. 주기 P1의 부분 tL 동안, 전극(110)은 가열 가스 스트림(104) 내에서 양극성 종들(106)에 정전기적 인력을 제공하고, 전극(110)쪽으로 양극성 종들(106)에 유동 속도를 부여한다. 전극(110)이 물질 유속(105)에 측면으로 위치할 때, 유동 속도는 물질 유속(105)에 대해 임의의 각도로 될 수 있다. 부분 tL 동안, 전극(110)은 가열 가스 스트림(104) 내에 동반된 음극성 종들(108)을 밀어내도록 하는 경향이 있을 수 있다.
주기 P1의 부분 tH 동안, 전극(110)은 가열 가스 스트림(104) 내의 음극성 종들(108)에 정전기적 인력을 제공하고, 음극성 종들(108)에 전극(110) 쪽으로 유동 속도를 부여한다. 전극(110)이 물질 유속(105)에 측면으로 위치할 때, 유동 속도는 물질 유속(105)에 대해 임의의 각도로 될 수 있다. 부분 tH 동안, 전극(110)은 가열 가스 스트림(104) 내에 동반된 양극성 종들(106)을 밀어내도록 하는 경향이 있을 수 있다.
실질적으로 상수인 VL에 대해, 더 큰 양극성 종 듀티 사이클 D+는 더 많은 양의 양극성 종들(106)에 대해 인력을 제공하고 더 낮은 양극성 종 듀티 사이클 D+는 더 적은 양의 양극성 종들(106)에 대해 인력을 제공한다. 전압원(112)에 의해 제공되는 양극성 종 듀티 사이클 D+는 가열 가스 스트림(104)에 영향을 받도록 요구되는 유동 운동량의 양에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 더 높은 유량(105)에서, 더 높은 양극성 종 듀티 사이클 D+가 양극성 종들(106) 플럭스(flux)를 최대화하는 데 유용할 수 있고, 따라서 가열 가스(104)로부터 열 추출을 최대화한다.
유사하게, 실질적으로 상수인 VH에 대해, 더 큰 음극성 종 듀티 사이클 D-는 더 많은 양의 음극성 종들(108)에 대해 인력을 제공하고 더 낮은 음극성 종 듀티 사이클 D-는 더 적은 양의 음극성 종들(108)에 대해 인력을 제공한다. 전압원(112)에 의해 제공되는 음극성 종 듀티 사이클 D-는 가열 가스 스트림(104)에 영향을 받도록 요구되는 유동 운동량의 양에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 더 높은 유량(105)에서, 더 높은 음극성 종 듀티 사이클 D-가 음극성 종들(108) 플럭스를 최대화하는 데 유용할 수 있고, 따라서 가열 가스(104)로부터 열 추추을 추출을 최대화한다.
주기 P1는 고려되는 영역에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 가열 가스 스트림 내의 양극성 및/또는 음극성 종들(106, 108)의 농도는 유효 상대 유전 상수와 관계되는 유효 임피던스 및/또는 전도도를 적어도 부분적으로 결정할 수 있고, 결과적으로 가열 가스(104) 정전기적 결합 효율의 주파수 의존성에 영향을 줄 수 있다. 또 다른 예에 따라, 양극성 및/또는 음극성 종들의 질량/전하 비는 파형(402)에 대한 주파수 의존 운동량 응답에 영향을 줄 수 있다. 다른 것들은 동일한, 더 큰 주기 P1은 더 질량이 큰 종들(106, 108)에 더 높은 정전기적 결합 효율을 제공할 수 있다. 반면에, 더 짧은 주기 P1은, 특히 전압들 VH 및/또는 VL이 가열 가스(104)에 인접한 접지 표면들에 대해 큰 절대값을 가질 때, 아크를 방지하는 데 유리할 수 있다.
적어도 하나의 전극(110)과 열 전달 표면(114)의 부근에서 양극성 종들(106)과 음극성 종들(108)의 혼합에 따라, 양극성 종 듀티 사이클 D+ 또는 음극성 종 듀티 사이클 D-의 하나 또는 다른 하나는 열 전달 표면(114)으로 열 플럭스를 증가시키는 데 더 중요할 수 있다. 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 제1 전극(110)보다 버너 조립체(103) 및 연소 장소(102)에 더 가까이 위치될 수 있는, 적어도 하나의 제2 전극(120)은 가열 가스(104)로부터 대전 종들(106 또는 108) 중 일부를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 가열 가스(104)로부터 대전 종들(106 또는 108) 중 일부를 제거하는 것은, 가열 가스가 적어도 하나의 제1 전극(110)과 열 전달 표면(114) 부근 영역을 가로지르는 동안 전하 재결합 및 그에 따른 존재하는 대전 종들(106 또는 108)의 감소를 줄이려는 경향이 있을 수 있다. 부가적으로, 대전 종들(106 또는 108) 중 일부를 제거하는 것은 적어도 하나의 전극(110)과 열 전달 표면(114)의 부근에서 전하 불균형을 초래할 수 있다. 전하 불균형은 바람직하게는 더 고농도의 종들을 끌어당김으로써 유리하게 이용될 수 있다.
예를 들면, 전자(108)는 적어도 하나의 제2 전극(120)에 의해 가열 가스(104) 밖으로 제거될 수 있다. 도 4를 다시 참조하면, 파형(404)은 하나 이상의 대전 종들을, 가열 공기 기둥(104) 밖으로 제거하기 위해, 전압원(112)에 의해 적어도 하나의 제2 전극(120)에 제공될 수 있는 파형을 도시한다. 예를 들면, 적어도 하나의 제2 전극은 가스 스트림(104) 밖으로 전자를 제거하여, 결과적으로 적어도 제1 전극(110)과 열 전달 표면(114)의 부근에서 양극성 전하 불균형을 야기할 수 있다. 전자는 적어도 하나의 제2 전극(120)을 포함하는 양극성 대전 도체와 결합할 수 있고, 그 후에 전압원(112)으로 전도되어 나간다.
일 실시예에 따라, 파형(404)은 주기 P2에 의해 특징지어 지는 패턴 내에서 고전압 VH2와 저전압 VL2 사이에서 변조될 수 있다. 고전압 VH2과 저전압 VL2은 평균 전압 V02의 상하로 같은 크기 변화를 갖도록 선택될 수 있다. 평균 전압 V02은 접지 전압일 수 있거나, 접지로부터 직류 바이어스를 대표하는 일정 또는 가변 전압 V02일 수 있다. 절대값 |VH2 - V02| = |VL2 - V02|은 절대값 |V02|보다 크거나, 작거나, 또는 거의 같을 수 있다. 다시 말하면, 고전압 VH2는 실시예에 따라 접지보다 높거나, 거의 같거나, 또는 낮을 수 있다. 유사하게, 저전압 VL2은 실시예에 따라 접지보다 높거나, 거의 같거나, 또는 낮을 수 있다.
주기 P2은 저전압 VL2에 대응하는 기간 tL2 및 고전압 VH2에 대응하는 또 다른 기간 tH2를 포함한다. 일부 실시예에 따라 tL2 + tH2 = P2 이다. 다른 실시예(미도시)에 따라, 주기는 전압이 평균 전압 V02에서 유지될 수 있는 시간의 일부를 포함할 수 있고, 결과적으로 tL2 + tH2 < P2 이 된다. VL2이 접지보다 낮은 실시에 대해, 양극성 종 듀티 사이클(duty cycle) D+2는 D+2 = tL2/(tL2+tH2)로 정의될 수 있다. 유사하게, VH2가 접지보다 높은 실시에 대해, 음극성 종 듀티 사이클 D-2는 D-2 = tH2/(tL2+tH2)로 정의될 수 있다. 단일 전극(120)에 대해, 양극성 종 듀티 사이클 D+2와 음극성 종 듀티 사이클 D-2는 선형적으로 독립적이지 않다. 그러나, 선형적으로 독립적인 양극성 종들과 음극성 종 듀티 사이클, D+2, D-2가 공간적으로 분리된 전극들(120)에 의해 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예(110, 210)에 대해, 상수 VL2 < 0과 상수 VH2 > 0을 가정하여, 파형(404)의 영향이 기술될 것이다. 주기 P2의 부분 tL2 동안, 전극(120)은 가열 가스 스트림(104) 내에서 양극성 종들(106)에 정전기적 인력을 제공하고, 양극성 종들(106)에 전극(120)쪽으로 유동 속도를 부여한다. 전극(120)이 물질 유속(105)에 측면으로 위치할 때, 유동 속도는 물질 유속(105)에 대해 임의의 각도로 될 수 있다. 부분 tL2 동안, 전극(120)은 가열 가스 스트림(104) 내에 동반된 음극성 종들(108)을 밀어내도록 하는 경향이 있을 수 있다.
주기 P2의 부분 tH2 동안, 전극(120)은 가열 가스 스트림(104) 내의 음극성 종들(108)에 정전기적 인력을 제공하고, 음극성 종들 (108)에 전극(120) 쪽으로 유동 속도를 부여한다. 전극(120)이 물질 유속(105)에 측면으로 위치할 때, 유동 속도는 물질 유속(105)에 대해 임의의 각도로 될 수 있다. 부분 tH2 동안, 전극(120)은 가열 가스 스트림(104) 내에 동반된 양극성 종들(106)을 밀어내도록 하는 경향이 있을 수 있다.
실질적으로 상수인 VL2에 대해, 더 큰 양극성 종 듀티 사이클 D+2는 더 많은 양의 양극성 종들(106)에 대해 인력을 제공하고 더 낮은 양극성 종 듀티 사이클 D+2는 더 적은 양의 양극성 종들(106)에 대해 인력을 제공한다. 전압원(112)에 의해 제공되는 양극성 종 듀티 사이클 D+2는 가열 가스 스트림(104)으로부터 제거되도록 요구되는 양극성 종들(106)의 양에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 더 높은 유량(105)에서, 더 높은 양극성 종 듀티 사이클 D+2가 양극성 종들(106) 플럭스를 최대화하는 데 유용할 수 있고, 따라서 가열 가스(104)로부터 양극성 종들의 제거를 최대화한다.
유사하게, 실질적으로 상수인 VH2에 대해, 더 큰 음극성 종 듀티 사이클 D-2는 더 많은 양의 음극성 종들(108)에 대해 인력을 제공하고 더 낮은 음극성 종 듀티 사이클 D-2는 더 적은 양의 음극성 종들(108)에 대해 인력을 제공한다. 전압원(112)에 의해 제공되는 음극성 종 듀티 사이클 D-2는 가열 가스 스트림(104)으로부터 제거될 음극성 종들의 양에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 더 높은 유량(105)에서, 더 높은 음극성 종 듀티 사이클 D-2가 음극성 종들(108) 플럭스를 최대화하는 데 유용할 수 있고, 따라서 가열 가스(104)로부터 음극성 종들의 추출을 최대화한다.
주기 P2는 고려되는 영역에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 가열 가스 스트림 내의 양극성 및/또는 음극성 종들(106, 108)의 농도는 유효 상대 유전 상수와 관계되는 유효 임피던스 및/또는 전도도를 적어도 부분적으로 결정할 수 있고, 결과적으로 가열 가스(104) 정전기적 결합 효율의 주파수 의존성에 영향을 줄 수 있다. 또 다른 예에 따라, 양극성 및/또는 음극성 종들의 질량/전하 비는 파형(404)에 대한 주파수 의존 운동량 응답에 영향을 줄 수 있다. 다른 것들은 동일한, 더 큰 주기 P2은 더 질량이 큰 종들(106, 108)에 더 높은 정전기적 결합 효율을 제공할 수 있다. 반면에, 더 짧은 주기 P2은, 특히 전압들 VH2 및/또는 VL2이 가열 가스(104)에 인접한 접지 표면들에 대해 큰 절대값을 가질 때, 아크를 방지하거나, 또는 더 질량이 큰 대전 종들(106, 108)의 바람직하지 않은 제거를 방지하는 데 유리할 수 있다.
예시적 일 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 전극(120)은 전자들 중 일부를 가열 가스(104)로부터 제거하되, 가열 가스(104)로부터 다른 음극성 종들의 제거를 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제2 전극 변조의 주기 P2는 전자에 충분한 운동량을 부여하여 자유 전자들 중 일부를 빼내기 위해 선택될 수 있다. 더 질량이 큰 음극성 입자들은 힘과 가속간의 역 질량 관계 때문에, 전기장에 의해 부여되는 힘에 더 천천히 반응(가속)한다. 따라서, 상대적으로 짧은 주기 P2는 결과적으로 제2 전극의 표면으로 전자의 가속을 야기할 수 있지만, 가열 가스(104) 내에 더 질량이 큰 음극성 종들을 남길 수 있다.
적어도 하나의 제1 전극(110)은 주로, 미연소 연료 및 재를 포함한 남아 있는 그리고 상대적으로 질량이 큰 양극성 종들을 열 전달 표면(114) 쪽으로 유도하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 가열 부피를 에워싸는 직경 7.6 cm의 튜브 및 약 90 cm/s 의 가열 가스(104) 속도를 포함하는 시스템에 대해, 적어도 하나의 제1 전극(110)은 97% 듀티 사이클 및 약 300 Hz 주파수에서 0 V 내지 -10,000 V 사이에서 변조될 수 있다. 이로 인해 적어도 하나의 제1 전극(110)이 전체 주기 3.32 ms(301.2 Hz)에 대해, 3.22 ms 동안 -10 kV, 및 그리고 나서 0.1 ms 동안 0 V로 주기적으로 변조되는 결과를 낳는다.
일 실시예에 따라, 적어도 하나의 제1 전극(110)은 약 1 kV/cm의 전기장 세기를 제공할 수 있다. 가열 가스(104) 내의 종들 간 수많은 충돌 때문에, 가속은 무시될 수 있고, (동반된 가스 및 입자들과 함께) 그 스트림 내에서 보통 크기의 양극성 대전 종들(106, 예를 들어, CO+, C3H8 +, 등)은 제1 전극(110) 쪽으로(따라서, 열 전달 표면(114) 쪽으로) 약 1000 cm/s의 공칭 유동 속도가 부여되도록 근사될 수 있다. 약 100 cm/s의 전형적인 가스 유량을 갖는 일 실시예와 비교하면, 적어도 하나의 제1 전극(110)을 작동시키는 것은 열 전달 표면(114)을 통한 열 전달에 상당히 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.
적어도 하나의 제2 전극(120)은 주로 전자를 가열 가스(104) 밖으로 유도하기 위해 구성될 수 있다. 예를 들면, 직경 7.6 cm의 튜브 내 중앙에 위치한 제2 전극(120)으로서 버너 노즐을 사용하고, 약 90 cm/s의 가열 가스 속도를 사용한 시스템에 대해, 제2 전극(120)은 97% 듀티 사이클 및 약 300 Hz 주파수에서 0 V 내지 +10,000 V 사이에서 변조될 수 있다. 이로 인해 적어도 하나의 제2 전극(120)이 전체 주기 3.32 ms(301.2 Hz)에 대해, 3.22 ms 동안 +10 kV, 및 그리고 나서 0.1 ms 동안 0 V로 주기적으로 변조되는 결과를 낳는다. 또 다른 제2 전극(120) 변조 설계안(schema)은 694.4 kHz 주파수 및 0 V 내지 +10,300 V 사이에서 50% 듀티 사이클 변조를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 전극(120)은 약 1 kV/cm의 전기장 세기를 제공할 수 있다. 가열 가스(104) 내의 종들 간 수많은 충돌 때문에, 가속은 무시될 수 있고, 그 스트림 내에서 질량이 작은 음극성 대전 종들(106, 예를 들어 e-)은 제2 전극(120) 쪽으로 약 105 cm/s의 공칭 유동 속도가 부여되도록 근사될 수 있고, 이것은 100 cm/s의 예시적인 가스 유량을 극복하기에 충분한 것 이상이다. 그러나, 전자의 질량이 작기 때문에, 가열 가스(104) 내의 다른 종들에 전달되는 운동량은 상대적으로 거의 없고, 따라서, 동반되는 것을 방지하여 제2 전극(120)으로 흐르는 상당한 열 흐름을 방지할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른, 복수의 제1 전극들(110a, 110b)과 열전달 표면들(114a, 114b, 114c)로 구성된 시스템(501)을 나타낸 도면이다. 복수의 제1 전극들(110a, 110b)과 열 전달 표면들(114a 내지 114c)은 각각 적어도 하나의 연소 장소 또는 적어도 하나의 버너 조립체(103)에 의해 지지되는 화염(102)에 의해 생성되는 가열 가스 스트림(104)으로부터 열 전달을 유도하고 수용하도록 배치될 수 있다. 적어도 하나의 버너 조립체(103)에 의해 지지되는 적어도 하나의 연소 반응은 가열 가스 스트림(104) 속으로 양극성 대전 종들(106) 및 음극성 대전 종들(108)을 내놓을 수 있다.
복수의 제1 전극들은 전압원(112)으로부터의 공통 파형으로 또는 별개의 파형들로 작동될 수 있다. 복수의 제1 전극들(110a, 110b)은 공칭 물질 유속(105)에 대해 복수의 각도들로 양극성 대전 종들(106) 및/또는 음극성 대전 종들(108)에 유동 속도들을 부여하도록 구성될 수 있다. 열 전달 표면은 복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c)을 포함할 수 있다. 복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c)은 공통의 히트 싱크 또는 대응하는 복수의 히트 싱크들(116a 내지 116c)에 해당할 수 있다.
예를 들면, 공통의 히트 싱크(116a)는 보일러에서 수관에 해당할 수 있다. 예를 들어, 수관은 실질적으로 수관 전체에 걸쳐 형성된 전기적 절연층(미도시)을 포함할 수 있다. 복수의 전극들(110a, 110b)은 수관(116a) 상의 절연층(미도시) 위에 패턴화된 도체로서 형성될 수 있다. 복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c)은 패턴화된 전극들(110a, 110b) 간의 영역들에 해당할 수 있다.
대안적 실시예에 따라, 복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c)은 복수의 히트 싱크들(116a 내지 116c)에 해당할 수 있다. 예를 들면, 복수의 제1 전극들(110a, 110b) 중 적어도 일부는 복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c) 중 적어도 일부와 연계될 수 있다. 히트 싱크들(116a 내지 116c)과 열 전달 표면들(114a 내지 114c)은 선택적으로 전기 전도성일 수 있다. 복수의 제1 전극들(110a, 110b)은 공기 간극들에 의해 열 전달 표면들(114a 내지 114c)로부터 분리될 수 있다. 공기 간극들은 복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c) 및/또는 복수의 히트 싱크들(116a 내지 116c)로부터 복수의 제1 전극들(110a, 110b)을 절연할 수 있다.
복수의 열 전달 표면들(114a 내지 114c)과 이에 대응하는 복수의 히트 싱크들(116a 내지 116c)은 히트 싱크 배열(502)을 형성할 수 있다. 시스템(501)은 복수의 히트 싱크 배열들(502, 502b, 502c)을 포함할 수 있다. 히트 싱크 배열들(502, 502b, 502c)은 공통 전압원(112) 또는 대응하는 복수의 전압원들(미도시)에 의해 작동되는 전극들을 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른, 경계층들(602a, 602b) 상에서 충돌하는 대전 종들(106, 108, 및 임의의 동반 비대전 종들)의 영향을 보여주는 열 전달 표면들(114a, 114b)의 근접 단면도(601)이다. 가열 가스 스트림(104)은 벌크 유속(105)을 포함한다. 열 전달 표면들(114a, 114b)은 가열 가스 스트림(104)에 인접하여 배치될 수 있다.
제1 열 전달 표면(114a)은 해당 전극을 포함하지 않거나, 해당 전극이 대전된 종들을 끌어당기기 위해 변조되지 않는 순간을 나타낼 수 있다. 경계층(602a)은 열 전달 표면(114a) 위에 놓여 있다. 경계층(602a)은 상대적으로 정지되어 있는 공기의 두께를 나타낼 수 있고, 이 경계층을 가로질러 대류적인 열 전달보다는 열적 확산 및/또는 복사가 열 전달 기구로서 지배적일 수 있다. 심지어, 예를 들어 난류와 같이, 가열 공기 스트림(104)이 전체로서 대류 열 전달을 제공하기에 충분한 속도(105)로 움직이는 경우에서도, 경계층(602a)은 존재할 수 있다. 가열 공기의 평균 속도(105)가 난류의 레이놀즈 수(Reynolds number) 특성에 이르기에 충분한 경우에, 경계층(602a)은 난류 경계층으로서 특징지어질 수 있다.
대류 열 전달 및/또는 경계층(602a) 바깥측 영역들 사이의 열 전달은 경계층(602a)을 가로지르는 열 전달 보다 더 높은 열 전달 계수에 의해 특징지어 진다. 경계층(602a)의 두께는 가열 공기 스트림(104)으로부터 열 전달 표면(114a)까지의 열 전달에 대한 저항에 비례할 수 있다.
제2 열 전달 표면(114b)은 가열 공기 스트림(104)으로부터 대전된 종들(106)을 끌어당기도록 변조되거나 전압이 가해진 해당 전극(110b)을 포함한다. 예를 들어, 해당 전극(110b)은 열 전달 표면(114b)에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 전도성 벽 내부에 전도 경로를 포함한다. 이것은 벽이, 예를 들어 공기 대 공기 열 교환기에서와 같이, 전기적으로 절연되고 실질적으로 비전도성 히트 싱크에 인접하여 놓여 있을 때 특히 적합할 수 있다. 대안적으로, 해당 전극(110b)은, 예를 들어 도 3의 실시예에 해당하는 일 실시예에 따라, 열 전달 표면(114b) 위에 놓여질 수 있다. 대안적으로, 해당 전극(110b)은 열 전달 표면(114b)에 가까이 배치될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 열 전달 표면(114b)에 가까이 배치된 전극(110b)은 대전 종들(106)을 열 전달 표면 쪽으로 가속하도록 작동되지 않을 수 있지만, 대전 종들(106, 및 임의의 비대전 종들 또는 함께 동반된 반대 극성으로 대전된 종들)에 충분한 운동량을 부여하여, 도시하여 보여지는 바와 같이 대전 종들이 열 전달 표면(114b) 상에 충돌하도록 야기할 수 있다.
열 전달 표면(114b) 상에 충돌하는 대전 종들(106)은 경계층(602b)을 관통함으로써 그렇게 할 수 있다. 대전 종들(106)의 관통은 경계층(602b)이 다른 경계층(602a)보다 더 얇아지는 것을 초래할 수 있다. 대전 종들(106)의 관통은 또한 실질적으로 층류 경계층(602a)을 난류 경계층(602b)으로 전환시키기 충분하게 레이놀즈 수를 효과적으로 증가시킬 수도 있다. 충돌하는 대전 종들, 임의의 동반된 비대전 종들, 및 임의의 동반된 반대 극성으로 대전된 종들에 의한 경계층(602b)의 혼합 또는 붕괴는, 열 전달 표면(114b)을 통한 가열 가스 스트림(104)으로부터의 열 전달에 대한 열 전달 계수 증가를 초래할 수 있다.
추가적으로, 대전 종들(106)과 전극(110b) 내의 반대 극성 운반자와의 결합은 중성 종들의 더 낮은 에너지 상태에 해당하는 결합 열(heat of association)을 방출할 수 있다. 추가적으로, 열 전달 표면(114b) 상에 충돌하는 대전 종들(106, 및 다른 동반된 종들)의 운동 에너지는 추가적인 열 에너지로 전환될 수 있다.
화염(102) 및 버너 조립체(103)가 도 1, 도 2, 및 도 5에 도시되어 있지만, 가스 버너 및 화염과 유사한 것으로서, 다양한 버너 실시예들이 고려된다. 예를 들면, 버너 조립체는 유동층(fluidized bed), 격자(grate), 이동 격자(moving grate), 미분탄 노즐, 가스 버너, 가스 노즐, 오일 버너, 버너 조립체들의 배열들, 또는 다른 실시예들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 화염(102)은 층류 화염(laminar flames), 기타 확산 화염(diffusion flames), 예비 혼합 화염, 난류 화염, 동요 화염(agitated flames), 화학양론적 화염, 비화학양론적 화염, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
표면으로부터 멀리 열을 유도하는 단계
상기 기술은 표면 쪽으로 열 에너지를 유도하는 것에 중점을 두었지만, 다른 실시예들은 표면으로부터 멀리 열 에너지를 유도할 수 있다. 일반적으로, 이것은 가스 스트림 내의 가장 농도가 높은 대전 종들의 극성을 역전시키거나, 열 전달(또는 온도 민감성) 표면(들)에 대한 전극(들)의 위치를 이동시키거나, 전극(들)에 적용되는 전압 파형을 역전시키거나, 또는 (반대 부호의) 바이어스 전압을 파형에 적용함으로써 달성될 수 있다. 대부분의 연소 시스템들에서, 가장 질량이 크고 가장 안정한 대전 종들은 양극성으로 대전되어 있다. 따라서, 연소 시스템들을 포함한 대부분의 실제 해결책들에 대해, 가장 좋은 선택은 전극(들)을 이동시키거나, 전극(들)에 적용되는 전압 파형을 실질적으로 역전시키거나, 또는 바이어스 전압을 전압 파형에 적용 또는 역전시키는 것을 포함할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른, 열 민감성 표면(702) 및/또는 밑에 있는 온도 민감성 구조물(704)을 열 전달로부터 보호하기 위해 구성된 시스템(701)을 나타낸 도면이다. 전기장 또는 대전 종들의 구성이 역전된 것을 제외하면, 시스템(701)의 작동은 도 1에 도시된 시스템(101)의 작동에 상응할 수 있다.
시스템(701)은 일반적으로 버너 조립체(103)에 의해 지지되는 화염(102)을 포함할 수 있다. 화염(102) 내의 연소 반응은, 화살표(105)에 의해 도시된 물질 흐름을 나타내고 전기적으로 대전된 종들(106, 108)을 운반하는, 가열 가스(104)를 발생시킨다. 일반적으로, 전기적으로 대전된 종들은 양극성 대전 종들(106) 및 음극성 대전 종들(108)을 포함한다.
대전 종들(106, 108)을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계는, 연료원(118)으로부터 적어도 하나의 연료를 연소시키는 단계를 포함할 수 있고, 연소 반응은 대전 종들 중 적어도 일부 및 연소 가스들을 제공할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 연소 반응은 실질적으로 모든 대전 종들(106, 108)을 제공할 수 있다.
대전 종들(106, 108)은 예를 들어 불연소 연료; 수소화물, 히드로과산화물, 및 히드록실라디칼과 같은 중간 라디칼; 미립 및 다른 재(ash); 열분해 생성물; 대전된 가스 분자; 및 자유 전자를 포함할 수 있다. 연소의 여러 단계에서, 대전 종들(106, 108)의 혼합은 변할 수 있다. 하기에서 설명되는 것처럼, 일부 실시예는 가열 가스(104)의 제1 부분에서 대전 종들(106 또는 108)중 일부를 제거하여, 가열 가스(104)의 또 다른 부분에서 전하 불균형을 줄 수 있다.
예를 들면, 일 실시예는 실질적으로 전자만을 포함하는 음극성 종들(108)의 일부를 제거하여, 가스 스트림(104) 내에서 양극성 전하 불균형을 줄 수 있다. 따라서 양극성 종들(106)은 구조물(704)의 부근으로부터 멀리 정전기적으로 끌어당겨질 수 있고, 구조물(704)의 온도 민감성 표면(702)을 가로지르는 열 전달 및 온도 민감성 구조물(704) 자체로의 열 전달을 감소시키는 결과를 초래할 수 있다. 대안적으로, 양극성 종들(106) 중 일부는 가열 가스 스트림(104)으로부터 제거되어, 가스 스트림 내에 음극성 전하 불균형을 남길 수 있다. 음극성 종들(108)이 구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702) 쪽으로의 유동 속도를 가지고 도시되어 있지만, 전압원에 적용된 파형은 실제로, 물질 흐름(105)을 따라 전체 중성 경로를 야기하거나, 또한 음극성 대전 종들을 온도 민감성 표면을 갖는 구조물(704)로부터 멀리 유도할 수도 있다. 이것은 음극성 물질(108)의 전하/질량 비에 상응하는 방식으로 파형의 변조 온-오프 사이클 및 듀티 사이클을 조절함으로써 행해질 수 있다. 대안적으로, 충분히 낮은 질량의 음극성 종들(108) 및/또는 음극성 종들(108)의 감소로, 음극성 종들(108)은 가스 스트림(104) 상에 무시할 정도의 운동량을 줄 수 있고, 따라서, 구조물(104) 및 온도 민감성 표면(702) 쪽으로 가열 가스의 실질적인 이동이 결과적으로 초래되지 않을 수 있다.
제1 전극(110)은 전압원(112)에 의해 전압 변조될 수 있다. 전압 변조는 도면에 양극성으로 도시된 대전 종들(106) 중 일부를 구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702)으로부터 멀리 유도하기 위해, 가열 가스 스트림(104)을 가로지르는 전위(voltage potential)를 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 전극을 변조하는 단계는, 상대 전극(706)과의 조합으로, 반대 극성으로 대전된 종들을 밀어내기 위해 선택된 하나 이상의 전압들로 제1 전극을 작동시키는 단계, 및 밀려난 반대 극성으로 대전된 종들이 가열 가스에 운동량을 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
전기적으로 유도된 대전 종들(106)로부터의 운동량은 열을 운반하는 비대전 입자, 미연소 연료, 재, 공기 등에 전달될 수 있다. 변조된 제1 전극(110)은, 바람직하게는 온도 민감성 표면(702)으로부터 멀리 흐르게 하기 위해, 열을 운반하는 대전 종들 및 다른 동반 종들을 밀어내도록 구성될 수 있다. 열 운반 종들이 열 전달 표면(114)으로부터 멀리 흐름에 따라, 가열 가스(105)에 의해 운반되는 열의 감소된 부분은 온도 민감성 표면(702)을 통해 구조물(704)에 전달된다.
일 실시예에 따라, 제1 전극(110)은 온도 민감성 표면(702)에 가까이 배치될 수 있다. 공칭 물질 흐름(105)은 속도(속력과 방향 포함)에 의해 특징지어 질 수 있다. 제1 전극(110)은, 공칭 물질 유속(105)에 대해 임의의 각도로 그리고 온도 민감성 표면(702)으로부터 멀리, 대전 종들(106)에 유동 속도를 부여하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(701)은 대전 종들(106, 108) 중 일부를 제거하기 위해 적어도 하나의 제2 전극(120)을 추가로 변조할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제2 전극(120)은 바람직하게는 음극성 대전 종들(108)을 가열 가스(104)로부터 제거할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제2 전극은 바람직하게는 전자들(108) 중 일부를 가열 가스(104)로부터 제거할 수 있다.
일 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 전극(120)은 연소 반응을 위한 장소를 제공하는 화염(102)을 지지하는 버너 조립체(103)를 포함할 수 있다. 제2 전극(120)은 전압원(112)으로부터의 파형으로 작동될 수 있다. 대안적으로, 제2 전극은 또 다른 전압원으로부터 작동될 수 있거나, 또는 접지로 유지될 수 있다.
제3 전극(선택적인 제2 전극이 존재하는지에 관계없이)으로 지칭될 수 있는 상대 전극(706)은 전기적으로 접지된 것으로 도시되어 있다. 제3 전극(706)은 선택적으로 접지된 연소 시스템 구조물로서 형성될 수 있고, 따라서 명백한 구조물이 아닐 수 있다. 선택적으로, 제3 전극(706)은 (도시되지 않은, 접지를 대신하는 연결을 통해) 전압원(112), 또는 전극(110)에 적용되는 파형과 반대 부호의 파형을 지닌 또 다른 전압원(미도시)에 의해 작동될 수 있다.
선택적으로, 전극(110)은 구조물(704)과 조합될 수 있거나, 또는 구조물(704)의 표면 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(110)은 전기 절연체 위에 배치되고 그 전기 절연체는 온도 민감성 표면(702) 위에 배치되거나, 또는 전극(110)이 구조물(704) 및/또는 온도 민감성 표면(702)으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 전기 절연체는 폴리에테르-에테르-케톤, 폴리이미드, 이산화 실리콘, 석영 유리, 알루미나, 실리콘, 이산화 티타늄, 스트론튬 타이타네이트, 바륨 스트론튬 타이타네이트, 또는 바륨 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전극(110)은 흑연, 크롬, 크롬을 포함하는 합금, 몰리브데늄을 포함하는 합금, 텅스텐, 텅스텐을 포함하는 합금, 탄탈륨, 탄탈륨을 포함하는 합금, 또는 니오븀-도핑 스트론튬 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702), 선택적인 전기 절연체(미도시), 및 제1 전극(110)은 연관 또는 수관 보일러 벽의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 또 다른 예로, 온도 민감성 표면(702) 및 구조물(704)은 고온 가스 스트림(104)에 노출됨으로써 열화를 받는 터빈 블레이드 또는 다른 구조물을 포함할 수 있다. 따라서 본원에 보여진 온도 보호 접근 방법은, 온도 민감성 구조물(들)(704) 및/또는 온도 민감성 표면(들)(702)을 열화 시키지 않고 더 고온의 연소 가스들(104)을 사용할 수 있게 함으로써, 터빈(또는 다른 구조물) 수명의 연장, 신뢰성 개선, 무게 감소, 및/또는 추력(thrust) 증가를 위해 이용될 수 있다. 온도 민감성 표면(702, 및 선택적 구조물(704))은 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 강, 스테인리스 강, 복합 재료, 유리 섬유 및 에폭시 재료, 케블라(Kevlar)및 에폭시 재료, 또는 탄소 섬유 및 에폭시 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
선택적으로, 전극(110)은, 대부분의 종들(106)에 직접 인력을 가하기 위해, 구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702)으로부터 멀리 위치될 수 있다. 도 8은 전극(110)이 구조물(704) 및 표면(702)으로부터 멀리 떨어져 위치된 실시예에 따라, 온도 민감성 표면(702) 및/또는 밑에 있는 온도 민감성 구조물(704)을 열 전달로부터 보호하기 위해 구성된 시스템을 나타낸 도면이다. 전극(110)의 위치가 표면(702)으로부터 떨어져 이동된 것을 제외하면, 시스템(701)의 작동은 도 1에 도시된 시스템(101)의 작동에 상응할 수 있다.
시스템(801)은 일반적으로 버너 조립체(103)에 의해 지지되는 화염(102)을 포함할 수 있다. 화염(102) 내의 연소 반응은, 화살표(105)에 의해 도시된 물질 흐름을 나타내고 전기적으로 대전된 종들(106, 108)을 운반하는 가열 가스(104)를 발생시킨다. 일반적으로, 전기적으로 대전된 종들은 양극성 대전 종들(106) 및 음극성 대전 종들(108)을 포함한다. 시스템(801)의 연소 부분 및 선택적 제2 전극(120)의 작동은 전술한 바와 같이, 시스템(701)의 작동과 실질적으로 동일할 수 있다.
따라서 양극성 종들(106) 및 남아 있는 음극성 종들(108)은 구조물(704)의 부근으로부터 멀리 정전기적으로 끌어당겨질 수 있고, 구조물(704)의 온도 민감성 표면(702)을 가로지르는 열 전달 및 온도 민감성 구조물(704) 자체로의 열 전달을 감소시키는 결과를 초래할 수 있다. 대안적으로, 양극성 종들(106) 중 일부는 가열 가스 스트림(104)으로부터 제거되어, 가스 스트림 내에 음극성 전하 불균형을 남길 수 있다.
제1 전극(110)은 전압원(112)에 의해 전압 변조될 수 있다. 전압 변조는 도면에 양극성으로 도시된 대전 종들(106) 중 일부를 구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702)으로부터 멀리 유도하기 위해, 가열 가스 스트림(104)을 가로지르는 전위를 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 전극을 변조하는 단계는, 상대 전극(706)과의 조합으로, 반대 극성으로 대전된 종들을 끌어당기기 위해 선택된 하나 이상의 전압들로 제1 전극을 작동시키는 단계, 및 끌어당겨진 반대 극성으로 대전된 종들이 가열 가스(104)에 운동량을 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 음극성 종들(108)이 구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702) 쪽으로의 유동 속도를 가지고 도시되어 있지만, 전압원에 적용된 파형은 실제로, 물질 흐름(105)을 따라 전체 중성 경로를 야기하거나, 또한 음극성 대전 종들을 온도 민감성 표면(702)을 갖는 구조물(704)로부터 멀리 유도할 수도 있다.
전기적으로 유도된 대전 종들(106)로부터의 운동량은 열을 운반하는 비대전 입자, 미연소 연료, 재, 공기 등에 전달될 수 있다. 변조된 제1 전극(110)은 열을 운반하는 대전 종들 및 다른 동반 종들을 끌어당겨, 바람직하게는 온도 민감성 표면(702)으로부터 멀리 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 열 운반 종들이 열 민감성 표면(702)으로부터 멀리 흐름에 따라, 가열 가스(105)에 의해 운반되는 열의 감소된 부분은 온도 민감성 표면(702)을 통해 구조물(704)에 전달된다.
제3 전극(선택적인 제2 전극이 존재하는지에 관계없이)으로 지칭될 수 있는 상대 전극(706)은 전기적으로 접지된 것으로 도시되어 있다. 제3 전극(706)은 선택적으로 접지된 연소 시스템 구조물로서 형성될 수 있고, 따라서 명백한 구조물이 아닐 수 있다. 선택적으로, 제3 전극(706)은 (도시되지 않은, 접지를 대신하는 연결을 통해) 전압원(112), 또는 전극(110)에 적용되는 파형과 반대 부호의 파형을 지닌 또 다른 전압원(미도시)에 의해 작동될 수 있다.
선택적으로, 전극(706)은 구조물(704)과 조합될 수 있거나, 또는 구조물(704)의 표면 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 제3 전극(706)은 전기 절연체 위에 배치되고 그 전기 절연체는 온도 민감성 표면(702) 위에 배치되거나, 또는 제3 전극(706)이 구조물(704) 및/또는 온도 민감성 표면(702)으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 전기 절연체는 폴리에테르-에테르-케톤, 폴리이미드, 이산화 실리콘, 석영 유리, 알루미나, 실리콘, 이산화 티타늄, 스트론튬 타이타네이트, 바륨 스트론튬 타이타네이트, 또는 바륨 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제3 전극(706)은 흑연, 크롬, 크롬을 포함하는 합금, 몰리브데늄을 포함하는 합금, 텅스텐, 텅스텐을 포함하는 합금, 탄탈륨, 탄탈륨을 포함하는 합금, 또는 니오븀-도핑 스트론튬 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구조물(704) 및 온도 민감성 표면(702), 선택적인 전기 절연체(미도시), 및 제3 전극(706)은 연관 또는 수관 보일러 벽의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 또 다른 예로, 온도 민감성 표면(702) 및 구조물(704)은 고온 가스 스트림(104)에 노출됨으로써 열화를 받는 터빈 블레이드 또는 다른 구조물을 포함할 수 있다. 따라서 본원에 보여진 온도 보호 접근 방법은, 온도 민감성 구조물(들)(704) 및/또는 온도 민감성 표면(들)(702)을 열화 시키지 않고 더 고온의 연소 가스들(104)을 사용할 수 있게 함으로써, 터빈(또는 다른 구조물) 수명의 연장, 신뢰성 개선, 무게 감소, 및/또는 추력(thrust) 증가를 위해 이용될 수 있다. 온도 민감성 표면(702, 및 선택적 구조물(704))은 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 강, 스테인리스 강, 복합 재료, 유리 섬유 및 에폭시 재료, 케블라(Kevlar)및 에폭시 재료, 또는 탄소 섬유 및 에폭시 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
선택적으로, 열 인력과 관계된 접근 방법들(도 1 및 기타에서 도시)은 열 보호와 관계된 접근 방법들(도 7 및 도 8에서 도시)과 조합될 수 있다. 예를 들면, 전압원(112)은 바람직하게는 한 사이클의 일부 동안 또는 한 주기에 대해 히트 싱크(116)에 열을 적용하고, 그리고 나서 바람직하게는 그 사이클의 또 다른 일부 동안 또는 그 주기가 끝난 후에 히트 싱크 구조물(704)로부터 열을 제거하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 풀 밀리터리 파워(full military power) 기간 동안과 같이, 터빈 블레이드에 맞서 일시적으로 더 높은 추력을 적용하고, 그리고 나서 구조적 결함을 방지하기 위해 터빈 블레이드가 냉각될 수 있게 하는 데 적용될 수 있다.
도 7 및 도 8의 화염(102)은 전형적인 확산 화염 형상으로 도시되어 있지만, 주어진 실시예에 따라, 다른 연소 반응 분포가 제공될 수도 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시예들의 다양한 구성들이 고려된다. 예를 들면, 제1 전극(110) 및/또는 제3 전극(706)의 둘 중 하나 또는 각각은 공칭 물질 유속에 대해 복수의 각도들로, 전기적으로 대전된 종들에 유동 속도들을 부여하도록 구성된 복수의 전극들을 포함할 수 있다. 제1 전극(110) 및/또는 제3 전극(706)은 복수의 제1 전극(110) 및/또는 제3 전극(706)을 포함할 수 있고, 온도 민감성 표면(702, 및 구조(물)(704))은 복수의 온도 민감성 표면들(702, 704)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 전극들(110) 중 적어도 일부는 그리고 나서 복수의 온도 민감성 표면들(702) 중 적어도 일부와 연계될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전압원(112)에 의해 제공되는 전압 파형은 본원의 다른 곳에서 나타난 것처럼, 도 7의 배치(701)를 위해 일반적으로 역전된 또는 반대 바이어스로 작동되거나, 도 8의 배치(801)를 위해 이미 보여진 바와 같이 직접 작동될 수 있다. 파형은 도 8의 배치를 위해 직류 음극성 전압, 음극성 부분을 포함한 교류 전압, 또는 직류 음극성 바이어스 전압 상의 교류 전압을 포함할 수 있다. 유사하게, 파형은 도 7의 배치를 위해 직류 양극성 전압, 양극성 부분을 포함한 교류 전압, 또는 직류 양극성 바이어스 전압 상의 교류 전압을 포함할 수 있다.
본원에서 제시된 기술 및 도면은 이해의 편의를 위해 어쩔 수 없이 단순화 되어 있다. 다른 실시예들 및 접근 방법들이 본원에서 기술된 발명들의 범위 내에 있을 수 있다. 본원에서 기술된 발명들은, 가장 넓은 유효한 의미가 부여될, 첨부된 청구항에 따라서만 제한될 것이다.

Claims (73)

  1. 전기적으로 대전된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계;
    상기 가열 가스를 열 전달 표면 부근으로 흐르게 유도하도록 제1 전극을 변조하는 단계; 및
    상기 가스로부터 상기 열 전달 표면으로 열을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열 가스를 유도하도록 상기 제1 전극을 변조하는 단계는 반대 극성으로 대전된 종들을 끌어당기기 위해 선택된 하나 이상의 전압들로 상기 제1 전극을 작동시키는 단계, 및 끌어당겨진 반대 극성으로 대전된 종들이 상기 가열 가스에 운동량을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대전된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계는 적어도 하나의 연료를 연소시키는 단계를 포함하고, 상기 연소 반응은 상기 대전 종들의 적어도 일부를 제공하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소 반응은 실질적으로 모든 상기 대전 종들을 제공하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열 가스로부터 전자들을 바람직하게 제거하기 위해 적어도 하나의 제2 전극을 변조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 버너 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    이온화된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계는 버너 조립체로 화염을 지지하는 단계를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 상기 버너 조립체와 상기 열 전달 표면 간의 상기 거리보다 상기 버너 조립체에 더 가까운 장소에 위치된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 전자들을 상기 가열 가스의 흐름 밖으로 제거하기 위해 위치되는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극의 변조는, 전자들이 상기 적어도 하나의 제2 전극을 포함한 양극성 대전 도체와 결합하도록 유도하기 위해 구성된 교류 전압을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 약 200 Hz 이상의 주파수에서, 양극성 전압들의 범위 사이에서 변조되는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 약 300 Hz 이상의 주파수에서 변조되는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 양극성 전압들의 범위는 약 0 V 내지 +500 V 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 양극성 전압들의 범위는 약 0 V 내지 +10 kV 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극을 변조하는 단계는 상기 제1 전극을 음극성 전압들의 범위 사이에서 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 전극을 변조하는 단계는 상기 제1 전극을 약 500 Hz 이하의 주파수에서 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    전기적으로 대전된 종들을 운반하는 상기 가열 가스는 연소 가스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 열 전달 표면은 상기 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 활성화 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열 전달 표면은:
    열 전도성 벽;
    상기 열 전도성 벽의 적어도 일부 위에 배치된 전기 절연체; 및
    상기 전기 절연체에 위에 배치된 전기 전도층을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 상기 제1 전극을 포함하는 열 전달 활성화 방법.
  19. 연소 반응으로부터 나온 전기적으로 대전된 종들을 포함하는 고온 가스 스트림 내에 위치된 열 전달 표면; 및
    상기 연소 반응으로부터 나온 양극성 대전 종들을 상기 열 전달 표면 부근으로 끌어당기기 위해 변조되도록 구성된 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 향상시키는 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 열 전달 표면에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 고온 가스 스트림은 공칭 물질 유속을 가지고, 상기 제1 전극은 상기 공칭 물질 유속에 대해 임의의 각도로, 양극성 대전 종들에 유동 속도를 부여하도록 구성된 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 공칭 물질 유속에 대해 복수의 각도들로, 양극성 대전 종들에 유동 속도들을 부여하도록 구성된 복수의 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 전극은 복수의 제1 전극들을 포함하고, 상기 열 전달 표면은 복수의 열 전달 표면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극들 중 적어도 일부는 상기 복수의 열 전달 표면들 중 일부와 연계되는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 열 전달 표면 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 전극은 전기 절연체 위에 배치되고, 상기 전기 절연체는 상기 열 전달 표면 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전기 절연체는 폴리에테르-에테르-케톤, 폴리이미드, 이산화 실리콘, 석영 유리, 알루미나, 실리콘, 이산화 티타늄, 스트론튬 타이타네이트, 바륨 스트론튬 타이타네이트, 또는 바륨 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제1 전극은 흑연, 크롬, 크롬을 포함하는 합금, 몰리브데늄을 포함하는 합금, 텅스텐, 텅스텐을 포함하는 합금, 탄탈륨, 탄탈륨을 포함하는 합금, 또는 니오븀-도핑 스트론튬 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 열 전달 표면, 절연체, 및 전기 절연체는 연관(fire tube) 또는 수관(water tube) 보일러 벽의 적어도 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  30. 제19항에 있어서,
    상기 전극을 파형으로 작동시키도록 구성된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 파형은 직류 음극성 전압, 음극성 부분을 포함하는 교류 전압, 또는 직류 음극성 바이어스 전압 상의 교류 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  32. 제19항에 있어서,
    상기 고온 가스 스트림으로부터 전자들 중 일부를 제거하도록 구성된 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제2 전극은 화염을 지지하도록 구성된 버너 조립체를 포함하고, 상기 지지된 화염은 상기 연소 반응을 위한 장소를 제공하는 것을 특징으로 하는 열 전달을 향상시키는 장치.
  34. 전기적으로 대전된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계; 및
    상기 가스로부터 온도 민감성 표면으로의 열 전달을 감소시키기 위해, 상기 가열 가스를 상기 온도 민감성 표면으로부터 멀리 흐르게 유도하도록 제1 전극을 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 가열 가스를 유도하기 위해 상기 제1 전극을 변조하는 단계는 반대 극성으로 대전된 종들을 끌어당기기 위해 선택된 하나 이상의 전압들로 상기 제1 전극을 작동시키는 단계, 및 상기 끌어당겨진 반대 극성으로 대전된 종들이 상기 가열 가스에 운동량을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    대전 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계는 적어도 하나의 연료를 연소시키는 단계를 포함하고, 상기 연소 반응은 상기 대전 종들의 적어도 일부를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 연소 반응은 실질적으로 모든 상기 대전 종들을 제공하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 가열 가스로부터 전자들을 바람직하게 제거하기 위해 적어도 하나의 제2 전극을 변조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 버너 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  40. 제38항에 있어서,
    이온화된 종들을 운반하는 가열 가스를 제공하는 단계는 버너 조립체로 화염을 지지하는 단계를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 상기 버너 조립체와 상기 온도 민감성 표면 간의 거리보다 상기 버너 조립체에 더 가까운 장소에 위치된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  41. 제38항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 전자들을 상기 가열 가스의 흐름 밖으로 제거하기 위해 위치되는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  42. 제38항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극의 변조는, 전자들이 상기 적어도 하나의 제2 전극을 포함한 양극성 대전 도체와 결합하도록 유도하도록 구성된 교류 전압을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  43. 제38항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 약 200 Hz 이상의 주파수에서 양극성 전압들의 범위 사이에서 변조되는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 전극은 약 300 Hz 이상의 주파수에서 변조되는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 양극성 전압들의 범위는 약 0 V 내지 +500 V 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 양극성 전압들의 범위는 약 0 V 내지 +10 kV 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  47. 제38항에 있어서,
    상기 제1 전극을 변조하는 단계는 상기 제1 전극을 음극성 전압들의 범위 사이에서 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 제1 전극을 변조하는 단계는 상기 제1 전극을 약 500 Hz 이하의 주파수에서 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  49. 제34항에 있어서,
    전기적으로 대전된 종들을 운반하는 상기 가열 가스는 연소 가스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  50. 제34항에 있어서,
    상기 열 민감성 표면은 상기 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 온도 민감성 표면은:
    벽;
    상기 벽의 적어도 일부 위에 배치된 전기 절연체; 및
    상기 전기 절연체에 위에 배치된 전기 전도층을 포함하는 상기 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 민감성 표면 보호 방법.
  52. 연소 반응으로부터 나온 전기적으로 대전된 종들을 포함하는 고온 가스 스트림 내에 위치된 온도 민감성 표면; 및
    상기 연소 반응으로부터 나온 상기 전기적으로 대전된 종들을 상기 온도 민감성 표면으로부터 멀리 떨어진 위치로 유도하기 위해 변조되도록 구성된 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 열 전달 표면에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  54. 제52항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 열 전달 표면으로부터 멀리 배치된 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  55. 제52항에 있어서,
    상기 전기적으로 대전된 종들은 양극성 대전 종들인 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  56. 제52항에 있어서,
    상기 고온 가스 스트림은 공칭 물질 유속을 가지고, 상기 제1 전극은 상기 공칭 물질 유속에 대해 임의의 각도로, 상기 전기적으로 대전된 종들에 유동 속도를 부여하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 공칭 물질 유속에 대해 복수의 각도들로, 전기적으로 대전된 종들에 유동 속도들을 부여하도록 구성된 복수의 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  58. 제52항에 있어서,
    상기 제1 전극은 복수의 제1 전극들을 포함하고, 상기 온도 민감성 표면은 복수의 온도 민감성 표면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극들 중 적어도 일부는 상기 복수의 온도 민감성 표면들 중 적어도 일부와 연계되는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  60. 제52항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 온도 민감성 표면 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  61. 제52항에 있어서,
    상기 제1 전극은 전기 절연체 위에 배치되고, 상기 전기 절연체는 상기 온도 민감성 표면 위에 배치되거나 또는 상기 온도 민감성 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  62. 제61항에 있어서,
    상기 전기 절연체는 폴리에테르-에테르-케톤, 폴리이미드, 이산화 실리콘, 석영 유리, 알루미나, 실리콘, 이산화 티타늄, 스트론튬 타이타네이트, 바륨 스트론튬 타이타네이트, 또는 바륨 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  63. 제61항에 있어서,
    상기 제1 전극은 흑연, 크롬, 크롬을 포함하는 합금, 몰리브데늄을 포함하는 합금, 텅스텐, 텅스텐을 포함하는 합금, 탄탈륨, 탄탈륨을 포함하는 합금, 또는 니오븀-도핑 스트론튬 타이타네이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  64. 제61항에 있어서,
    상기 온도 민감성 표면, 전기 절연체 및 제1 전극은 연관 또는 수관 보일러 벽의 적어도 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  65. 제52항에 있어서,
    상기 온도 민감성 표면은 터빈 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  66. 제52항에 있어서,
    상기 온도 민감성 표면은 티타늄, 티타늄 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 강, 스테인리스 강, 복합 재료, 유리 섬유 및 에폭시 재료, 케블라 및 에폭시 재료, 또는 탄소 섬유 및 에폭시 재료 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  67. 제52항에 있어서,
    상기 전극을 파형으로 작동시키도록 구성된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  68. 제67항에 있어서,
    제1 전극은 상기 온도 민감성 표면으로부터 멀리 떨어져 위치되고;
    상기 파형은 직류 음극성 전압, 음극성 부분을 포함하는 교류 전압, 또는 직류 음극성 바이어스 전압 상의 교류 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  69. 제67항에 있어서,
    제1 전극은 상기 온도 민감성 표면에 가까이 또는 일치하여 위치되고;
    상기 파형은 직류 양극성 전압, 양극성 부분을 포함하는 교류 전압, 또는 직류 양극성 바이어스 전압 상의 교류 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  70. 제52항에 있어서,
    상기 고온 가스 스트림으로부터 전자들 중 일부를 제거하도록 구성된 제2 전극을 더 포함하는 장치.
  71. 제70항에 있어서,
    상기 제2 전극은 화염을 지지하도록 구성된 버너 조립체를 포함하고, 상기 지지된 화염은 상기 연소 반응을 위한 장소를 제공하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  72. 제52항에 있어서,
    상기 제1 전극에 상대 전극으로서 구성된 제3 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
  73. 제72항에 있어서,
    상기 제3 전극은 상기 온도 민감성 표면을 포함하거나, 상기 온도 민감성 표면 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 연소 반응으로부터 열 전달을 감소시키는 장치.
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