KR20080011212A - 폭굉 화염 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폭굉 방지 요소 (12) 및 별개의 폭연 방지 요소 (23)를 포함하는 가스 파이프라인 (11)의 폭굉 화염 방지장치 (10)에 관한 것으로서, 상기 폭굉 방지 요소는 파이프라인에서 가스의 폭굉 셀 폭과 대략 동일한 크기의 일반적인 가로 치수를 갖는 평행한 채널들을 포함한다. 상기 채널들의 벽은, 상기 채널들이 결합하지 않도록 비-다공성 물질로 이루어진다. 상기 요소들 (12, 23)은 서로 이격거나 접촉될 수 있다. 상기 요소들은 파이프라인의 확장 구간 (17) 또는 상기 파이프라인 자체에 위치될 수 있다.

파이프라인, 방지장치, 플랜지, 하우징, 폭굉, 폭연

Description

폭굉 화염 방지장치{DETONATION FLAME ARRESTER}

본 발명은 폭연 (deflagration), 안정된 폭굉 (detonation), 및 불안정한 [또는 과열된(overdriven)된] 폭굉을 포함하는 모든 종류의 폭발을 방지하는 폭굉 화염 방지장치에 관한 것이다.

화염 방지장치는 가스 파이프라인 및 관련 설비에서 유동은 허용하지만 화염의 전파 (propagation)는 방지하는 장치이다. 화염 방지장치는 두 개의 주요 유형, 즉 폭연 방지장치 (deflagration arrester) 및 폭굉 방지장치 (detonation arrester)로 나뉜다.

가스 폭발은 대체로 연소 메카니즘에 따라 두 가지 유형으로 특징 지워진다.

·폭연 - 미연소 가스에서 아음속으로 이동하는 폭발 전면 (front)으로의 산소 공급에 의해 연소율 (combustion rate) 이 조절된다. 전파 메카니즘은 전열 효과 (heat transfer effect)이다. 폭연에서는, 연소 반응이 에너지 방출 부위에서의 열 및 물질 확산에 크게 좌우된다.

·폭굉 - 연소가 충격파와 관련된 압력 및 온도에 의해 개시되며, 상 기 충격파는 반응물에서 초음속으로 이동한다. 전파는 압축효과에 기인한다 (전파 전면 쪽의 미연소 가스의 충격 압축 가열에 의해). 폭굉은 고압을 발생하며, 일반적으로 폭연보다 훨씬 더 파괴적이다.

폭굉은 다시 하기 두 가지 유형으로 나뉠수 있다:

1. 안정된 폭굉 - 폭굉이 속도 및 압력 특성의 큰 변화 없이 밀폐 시스템을 통해 진행할 때 일어난다.

2. 불안정한 폭굉 - 폭연에서 안정된 폭굉으로 연소 과정이 전이되는 동안 일어난다. 상기 전이는, 상기 연소파 (combustion wave)의 속도가 일정하지 않고 폭발 압력이 안정된 폭굉에서의 폭발 압력보다 상당히 높은 제한된 공간 지대에서 일어난다.

따라서, 위험 요인 및 특정 용도에 따라 화염 방지장치는 세 가지 다른 유형으로 나뉜다:

1. 폭연 화염 방지장치: 폭연을 막기 위해 설계 및 테스트,

2. 안정된 폭굉 방지장치: 안정된 폭굉 및 폭연을 막기 위해 설계 및 테스트,

3. 폭굉 화염 방지장치: 폭연, 안정된 폭굉 및 불안정한 (과열된) 폭굉을 막기 위해 설계 및 테스트.

이러한 폭굉파 (detonation wave)의 속도 및 고압으로 인해, 폭연을 소화시키기 위해 사용되는 기계 장치는 충격파를 감쇠 (attenuation)시키는 데 적합하지 않을 것이며, 충격파의 제어를 위해서는 특수 장비가 필요하다. 본 발명은 폭굉 방 지장치에 적용된다.

방지장치는 혹독한 작동 환경에서 화염을 소화시키면서, 폭굉 충격파의 역학적 (mechanical) 효과를 견디기 위한 견고한 구조물이어야 한다. 종래의 폭굉 화염 방지장치는 대개 다공성 매질 (porous medium), 특히 개별적인 평행 채널들의 매트릭스 (matrix)를 포함하는데, 이것은 충격파의 에너지를 흡수하고 화염으로부터 열을 제거한다.

상기와 같은 장치는 크고, 무겁고, 비싸면서 가스 유동에 비교적 높은 저항을 도입하는 방지장치로 귀결되는 다공성 단일 매질을 일반적으로 사용한다.

화염 방지장치가 그것의 의도된 기능을 성취하도록 하기 위해, 통상적으로 가연성 (flammable) 가스 혼합물을 다음의 목적에 따라 선택된 다공성 매질에 통과시킨다:

1. 상기 장치의 비보호 측면에서 보호 측면으로의 화염 전달을 막기 위해 - 폭연 및 폭굉 장치 둘 다에 해당.

2. 정상적인 작동 진행 상태 하에서 유동에 대한 저항을 최소화하기 위해 (즉, 상기 장치 통과시 압력 강하가 작도록) - 폭연 및 폭굉 장치 둘 다에 해당.

3. 폭굉과 관련된 충격파를 감쇠시키기 위해 - 폭굉 장치에 해당.

당 기술 분야에서 이용가능한 기존의 폭굉 방지장치는 일반적으로 상기 세 가지 목적 전부를 만족시키기 위해 단일 형태의 다공성 매질을 사용한다. 대부분의 장치는 상기 다공성 매질로 구성된 방지 요소 (element)를 사용하는데, 이러한 방 지 요소는 확장 구간 (expansion section) 및 축소 구간 (reduction section)으로 이루어진 파이프 구조물의 일 구간에 수용된다.

파이프 구조물이 상기 확장 및 축소 구간으로 이루어진 이유는, 정상적인 작동 동안 상기 방지 요소를 통과하는 유동에 대한 저항을 줄이고, 폭굉파 발생시 충격파 희박화를 통해 폭굉파를 약화시키기 위한 것이다. 상기 방지장치는 상기 파이프 직경에 대한 상기 방지 요소의 직경 비율을 2 내지 4가 되도록 설계하는 것이 통상적인데, 대다수 장치의 직경 비율은 약 2이다.

상기 언급됐듯이, 당 기술 분야에서 이용가능한 대부분의 장치는 단일 형태의 다공성 매질로 구성된 방지 요소들을 가진다. 이러한 대다수의 장치에서, 상기 매질은 "크림프 리본 (crimped ribbon)"으로 알려져 있는데, 이것은 주름진 박 층 (crimped foil layer) 사이에 평평한 금속 박 층 (flat metal foil layer)을 나선형으로 감음으로써 형성된다. 상기 크림프 리본 요소는 유동 방향으로 많은 비연결 (non-connected) 채널들을 포함하고, 여기서 각각의 채널은 횡단면이 대략 삼각형이다.

삼각형 구멍 (aperture)의 특성 치수 (characteristic dimension)[셀 크기]는 가스 스트림 (stream)의 조성 및 시스템의 특성, 특히 압력 및 온도에 따라 바뀐다. 일반적으로, 셀 크기는 폭발 상태 하의 테스트를 통해 설정되고, 가스 혼합물에 대한 실험적 최대 안전 간극 (maximum experimental safe gap: MESG)과 크기의 등급 (order of magnitude)이 동일하거나 또는 그보다 작다. 실제로, 상기 특성 가로 치수 또는 셀 크기는 0.5mm을 넘지 않는다.

특정 용도의 방지장치들을 상술하기 위해, MESG에 따라 가스를 그룹으로 분류하는 것이 편리하다. 예를 들어, EN 12874:2001에 폭연 및 폭굉 테스트를 위해 분류된 상기 가스 그룹들이 그들의 공칭 (nominal) MESG 값과 함께 표 1에 기재되어 있다.

폭연 및 폭굉 테스트를 위한 가스/공기-혼합물 명세

가스 그룹	기준 가스	테스트 조성 (% v/v 공기 중 연료)	공칭 MESG (mm)
ⅡA	프로판(propane)	4.2±0.2	0.94
ⅡB1	에틸렌(ethylene)	5.0±0.1	0.83
ⅡB2	에틸렌	5.5±0.1	0.73
ⅡB3	에틸렌	6.5±0.5	0.67
ⅡB	수소	45.0±0.5	0.48
ⅡC	수소	28.5±2.0	0.31

크림프 리본외에, 다양한 종류의 다른 형태의 물질들이 폭굉을 감쇠시키고 화염 통과를 방지하기 위해 이용된다. 이러한 물질들의 일부 예는 다음과 같다:

1. 충전층 (packed beds)[예를 들어, 금속 구 (sphere), 세라믹 구, 모래/암석 층],

2. 와이어 메시 (wire mesh)[예를 들어, 직물 (woven) 메시 또는 편물 (knitted) 메시 충전물 (packing)],

3. 플레이트 (plate)[예를 들어, 평행 플레이트].

4. 로드 (rod) 및 실린더 (cylinder),

5. 소결 (sintered) 금속,

6. 폼 (foam)[예를 들어, 망상형 (reticulated) 금속 폼],

7. 익스팬디드 메탈 (expanded metal)[예를 들어, 카트리지 (cartidge) 형태의],

8. 천공 (perforated) 플레이트, 및

9. 수력 (hydraulic){액체 실 (seal) 방지장치}[예를 들어, 물 냉각 (quench) 장치].

또한, 폭연 및 폭굉 방지장치는 그들의 작동 목적에 따라 그들을 분류하는 데 사용되는 다른 특징들을 가지고 있다:

1. 파이프라인의 중간 (in-line) 또는 단부 (end-of-line): 폭연 방지장치는 파이프라인의 중간 또는 단부에 설치되도록 설계될 수 있는 반면, 폭굉 방지장치는 항상 파이프라인의 중간에 설치된다.

2. 지속 연소 (endurance burn): 방지장치는, 화염이 파이프 시스템에서 안정화되는 상태 하에 작동하도록 설계될 수 있다. 상기 장치는 화염이 보호 측면으로 역화 (flashback)되는 것을 막도록 설계되어야만 하고, 상기 장치는 상기 역화가 방지될 수 있는 시간 길이에 따라 단시간 (short time) 연소 또는 지속 연소로 분류된다.

3. 장치는 단방향 (uni-directional) 또는 양방향 (bi-directional)일 수 있다. 전자의 경우, 상기 장치가 상황 발생시에 적절히 작동하도록 신중하게 설치하는 것이 필수적이다.

종래 기술에 따른 폭굉 및 폭연 방지장치는 그것의 설계와 관련된 다양한 문제점들을 지니고 있다. 예를 들어, 기존의 설계들은 방지장치 요소에 단일 매질 형태를 사용하는 관행과 함께, 구멍의 크기를 결정하기 위해 MESG에 크게 의존하기 때문에, 그 결과 큰 압력손실이 초래되고, 방지장치는 크고/무거우며, 이로 인해 비용이 비싸진다.

더욱이, 다공성 매질의 기본 소재로서 크림프 리본 요소를 선호하는 것은 상기 요소를 원형 (circular shape)으로 제한하는 것인데, 이는 늘 바람직한 것은 아니며, 특히 상기 장치를 사전-부피 조절 (pre-volume) 장치들 [예를 들어, 진공 펌프 (vacuum pump) 등]에 끼워넣을 때에는 바람직하지 아니하다.

폭연에서 폭굉으로의 전이 (deflagration to detonation transition; DDT) 예측은 정확한 과학적 분석에 따른 것이 아니다. 가스 조성 및 시스템의 특성 뿐만 아니라, DDT의 개시는 다음과 같은 요인들에 의해 유발될 수 있다: 배관 구성, 파이프 구조물 내의 관입물[예를 들어, 가스켓, 계측장치 등]의 존재, 표면 거칠기, 및 액체의 존재 [예를 들어, 응축 (condensation)에 의한].

또한 어떠한 상황에서는, 빠른 폭연 또는 안정된 폭굉을 멈추도록 설계된 장치에 의해, 느린 폭연이 다공성 매질을 통해 전달될 수 있다는 일부 증거가 당 기술 분야에 알려져 있다.

불안정한 폭굉에 적합한 장치의 큰 크기 및 고비용으로 인해 좀 더 가볍고 저렴한 폭연 방지장치를 선호하게 된다는 점에서, 이러한 요인들은 잠재적인 안정성 문제를 야기한다.

비록 이러한 장치들이 제한된 작동 거리 (run-up distance) [즉, 잠재적 점화원 (ignition source)과 방지장치 사이의 거리]를 가지지만, 즉 L이 작동 거리이고, D가 방지장치의 공칭 보어 (bore) 크기일 때, 탄화수소 (hydrocarbon) 시스템에 대해서는 L/D = 50 그리고 그룹 ⅡC (수소) 시스템에 대해서는 L/D = 30 이지만, 상기 장치들은 종종 유지보수를 위해 접근하기가 어렵다.

또한, 공정 상태 및/또는 배치의 변화가 상기 장치를 비효율적인 것으로 만들고 오용하게 할 큰 위험이 존재한다.

본 발명의 양태들은 하나 이상의 상기 문제점들을 극복하거나 줄이기 위한 것이다.

미국특허출원 제2003/0044740호에 공개된 폭굉 화염 방지장치는 특정 충전 매질 (fill medium)을 포함하는 원통형의 와이어 스크린 (screen) 벽을 지닌 캐니스터 (canister) 형태의 화염-소화 (extinguishing) 요소를 포함한다. 충격파는 상기 캐니스터의 고체 돔형 끝단을 타격하고, 상기 캐니스터를 둘러싼 측실 (side chamber)로 비껴가도록 함으로써 흡수된다. 이로써, 결합된 가스 파이프라인보다도 상당히 큰 횡단면을 지닌 구조물이 요구된다. 또한, 고체 표면으로부터의 충격파의 반사가 문제될 수 있다.

가스-파이프에서 폭굉에 대응하기 위한 방법으로서 다공성 흡음 (acoustically-absorbent) 물질로 관형 (tubular) 벽을 라이닝 (lining)하는 것을 수반하는 몇 가지 제안들이 알려져 있다. 그것의 일 예가, Evans M.W., Given F.I., and Richeson W.E., "Effects of Attenuating Materials on Detonation Induction Distances in Gases", J. App . Phys., 26(9), 1111-1113 (1955)에 기재되어 있다.

다른 제안들은 미국특허 제4,975,098호 (Lee and Strehlow)에 공개되어 있다. 파이프용의 저 압력 강하 폭굉 방지장치 구성이 제공되는데, 상기 파이프 벽은 다공성 물질 또는 와이어 메시와 같은 흡음 물질로 라이닝된다. 대안적으로, 다수의 축 방향으로 연장하는 채널들이 상기 파이프 안에 제공되고, 채널 각각의 벽이 흡음 물질로 라이닝된다. 흡음 구간은 두 개의 화염 방지장치 사이에 두 화염 방지장치와 이격되어 배치된다. 상기 흡음 구간의 길이는 상기 파이프 직경의 배수이며, 일반적으로는 6배이다. 실제에서 상기 방지장치 구성은, 흡음 물질 또는 와이어 메시 스크린의 역할때문에 초기 시스템 압력이 200 mbara로 제한되는 것으로 드러났다.

저자 중 한 명이 미국특허 제4,975,098호의 발명자인 "The Failure Mechanism of Gaseous Detonations: Experiments in Porous Wall Tubes," Radulescu M.I., and Lee J.H.S., Combustion and Flame 131: 29-46 (2002)로부터, 이러한 다공성 벽 구조물은 오직 비교적 낮은 초기 압력 (2.2와 42 kPa 사이)에서만 사용될 수 있는 것이 분명하다. 초기 압력 범위가 최대 50.7 kPa인 것이 "Experimental study of gaseous detonation propagation over accoustically absorbing walls" Guo C., Thomas G., Li J., and Zhang D., Shock Waves 11: 353-359 (2002)에 기재되어 있다. Evans et al. (1995)는 폭굉의 개시가 흡음성 벽 물질로 인해 지연된다는 것을 발견하였을 뿐이다. 사실, 실험 결과에 따르면, 폭굉파의 재-강화 (intension) 또는 재-개시 과정은 상기 파이프의 흡음 벽 구간의 하류측에서 일어나며, 여기에는 흡음 구간의 출구로부터 소정 거리 떨어진 곳에서의 과열 폭굉의 개시가 포함된다.

본 발명의 양태들은, 폭굉 또는 DDT와 관련된 충격파를 감쇠시키는 기능들을 화염/폭연을 소화시키는 것으로부터 분리하는, 향상된 방지장치 구성을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 양태들은, 비교적 높은 초기 압력에서 작동하고 높은 폭굉 압력 및 속도를 견딜 수 있는 폭굉 화염 방지장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 양태들은, 기존의 방지장치, 특히 큰 공칭 파이프 직경을 지닌 기존의 방지장치들보다 상당히 짧은 폭굉 화염 방지장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 양태들은, 확장 구간, 즉 파이프라인의 나머지 구간보다 더 큰 직경을 지닌 폭굉 화염 방지장치가 배치되는 구간이 필요하지 않은 폭굉 화염 방지장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 첫 번째 양태에 따르면, 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 및 적어도 하나의 연속적으로 배열된 폭연 방지 요소를 포함하는 폭굉 화염 방지장치가 제공되고, 상기 폭굉 방지 요소는 다수의 대체로 평행한 채널들을 포함하며, 상기 방지장치는 상기 채널들이 상호연결되지 않고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 특징을 지닌다.

상기 특성 가로 치수는 예를 들어, 관 (tube)을 관통하는 통로 (passageway)의 횡단면 크기일 수 있다. 그것은 또한 등가 원의 직경 또는 수력 (hydraulic) 직경, 또는 기공 (pore) 치수일 수 있다.

본 발명에 따른 방지장치의 이점은, 상기 방지장치가 가스로부터 폭굉을 격리시키고 상기 화염 전면으로부터 열을 효율적으로 제거한다는 것이다.

적어도 채널 각각의 내벽 (internal wall)은 충분히 매끄러운 것이 바람직하다. 상기 벽의 매끄러운 성질은 가스에 대한 압축 효과를 줄이고 (즉, 낮은 에너지 밀도로), 그 결과 상기 감쇠 성능을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 반면, 다공성 벽으로 인해 심하게 사전-압축된 (pre-compressed) 가스는 폭굉을 재-개시시키기 더 쉽다. 최근에 발표된 "Hydraulic Resistance as a Mechanism for Deflagration-to-Detonation Transition," Brailovsky I., and Sivashinsky G.I., Combustion and Flame 122: 492-499 (2000)에 따르면, 다공성 매트릭스 또는 거칠한 (rough) 관에 의해 가해진 유체역학적 저항이 DDT를 유발할 수 있다.

바람직한 구성에서, 상기 폭굉 방지 요소의 길이는 상기 폭연 방지 요소의 길이보다 상당히 길다. 바람직한 구성에서, 그 배수(倍數)는 적어도 2이며, 일부 바람직한 구성에서는, 그 배수는 적어도 10이다. 일반적으로, 상기 폭굉 방지 요소의 길이는 상기 폭연 방지 요소의 길이에 대해 최적의 치수로 조정될 수 있다. 상기 폭연 요소는 상대적으로 작은 길이 때문에, 그것의 작은 구멍에도 불구하고, 큰 압력 강하를 발생시키지 않는다. 유사한 이유로, 두 개의 폭굉 방지 요소 사이에 배치된 폭연 방지 요소를 포함하는 방지장치에서 유리한 구성이 얻어진다. 이러한 방지장치는 특히, 다양한 가스에 대해 다양한 장치들에 사용될 수 있는 하나의 장치로서, 소형의 다목적 방지장치를 제공하는 이점을 지니고 있다. 상기 장치는 대량으로 제조되어 규모의 경제의 이점을 취할 수 있으므로, 심지어 그것의 성능이 필요 이상으로 높더라도, 이는 추가적인 안전 계수 (safety factor)를 제공하는 것이기 때문에, 여전히 여러 장소에 여전히 설치될 수 있다.

본 발명의 두 번째 양태에 따르면, 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 및 적어도 하나의 연속적으로 배열된 폭연 방지 요소를 포함하는 폭굉 화염 방지장치가 제공되고, 상기 폭굉 방지 요소는 다수의 대체로 평행한 채널들을 포함하며, 상기 채널 벽이 비-다공성이고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 특징을 지닌다. 이러한 비-다공성 벽은 단단하고 가스가 침투할 수 없다.

본 발명의 세 번째 양태에 따르면, 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 및 적어도 하나의 연속적으로 배열된 폭연 방지 요소를 포함하는 폭굉 화염 방지장치가 제공되고, 상기 폭굉 방지 요소는 다수의 대체로 평행한 채널들을 포함하며, 상기 방지장치는 상기 채널 벽이 음향 반사 물질로 이루어지고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 특징을 지닌다.

본 발명의 네 번째 양태에서 따르면, 다수의 대체로 평행한 채널들을 포함하는 폭굉 방지장치가 제공되는데, 이 장치는 상기 채널이 상호연결되지 않고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 특징을 지닌다.

이러한 방지장치는, 폭연 방지 요소가 이미 설치된 상황에서 개장 (retro-fitting)에 적합하다.

본 발명의 다섯 번째 양태에 따르면, 적어도 하나의 폭연 방지 요소와, 다수의 대체로 평행한 채널들을 포함하는 적어도 하나의 폭굉 방지 요소를 포함하는 방지장치를 사용하여, 가스의 폭굉을 억제하는 방법이 제공되는데, 상기 각각의 채널은 MESG와 s (또는 s/π) 사이의 특성 가로 치수를 가지며, 여기서 "s"는 상기 가스의 폭굉 셀 폭 (width)이다. 상기 가스는 일반적으로 각각 다른 가스의 혼합물이다. 상기 특성 가로 치수는 s/(4π)인 것이 바람직하다. 일반적으로, 상기 값은 s/π이어야 하지만 H₂에 대해서는 s/2이다. 여기에 사용된 s/(4π) 값은 안전 계수 때문이고, 이러한 값으로 인해 짧은 폭굉 방지 요소가 개발될 수 있으며, 그 결과 상기 장치의 전반적인 크기 및 무게가 줄어든다.

바람직한 실시예에서, 상기 폭굉 방지 요소의 길이가 상기 폭연 방지 요소의 길이의 적어도 10배이며, 상기 폭연 방지 요소가 소결 거즈 적층물 (sintered gauze laminate)로 이루어진 경우에 특히 그러하다. 하지만, 상기 폭연 방지 요소의 길이보다 2배 정도 긴 유사한 길이의 폭굉 방지 요소가 사용될 수 있는데, 상기 폭연 방지 요소가 크림프 리본으로 이루어질 때에 특히 그러하다.

일 바람직한 실시예에서, 상기 요소들의 일부 또는 전체가 파이프라인의 방사상 (radially)으로 확장된 부분에 배열된다. 이러한 배열로 인해, 상기 파이프라인에서 압력 강하가 줄어든다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 구성 요소들 (component) 전부가, 인접 파이프라인과 동일한 직경을 가진 파이프라인 부분에 배열된다. 이러한 배열로 인해, 상기 파이프라인 주변의 공간이 절약되고, 상기 파이프라인에 굴곡부가 도입될 필요가 없어지며, 적합한 환경에서 개장 (retrofitting)이 용이하게 된다.

이제, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 더 자세히 설명한다:

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방지장치의 개략적 측면도이고;

도 2는 제1 방지장치 구성 요소 (즉, 폭굉 방지 요소)의 부분 횡단면도이고;

도 3은 제2 방지장치 구성 요소 (즉, 폭연 방지 요소)의 부분 횡단면도이고;

도 4 내지 도 7은 본 발명의 제2, 제3, 제4 및 제5 실시예 각각의 개략적 측단면도들이고;

도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 방지장치의 측단면도이고;

도 9a는 도 8의 제1 구성 요소를 도시한 상기 방지장치의 주요 부분 좌측 단부도 (end view)이고;

도 9b는 도 8의 상기 방지장치의 주요 부분 측단면도이고;

도 9c는 도 8의 제2 구성 요소를 도시한 방지장치의 주요 부분 우측 단부도이고;

도 10은 본 발명의 제7 실시예에 따른 방지장치의 측단면도이다.

도면을 참조하면, 도 1은 제1 실시예에 따른 폭굉 화염 방지장치 (10)를 도 시한다. 상기 방지장치는 직경 "d"를 갖는 가스 파이프라인 (11)의 인접 길이부들 사이에 직렬 (in series)로 연결된다. 상기 방지장치는, 일반적으로 직경 "d"의 두 배인 직경 "D"를 갖는 상기 파이프라인의 확장 구간 (widen section)(17)에 위치한다. 상기 확장 구간 (17)은 축 길이가 "b"이고 축방향에 대해 일정 각도를 형성하는 테이퍼부 (tapering portion)(27)에 의해 파이프라인의 각 인접 길이부에 연결된다. 각도가 90°라면 상기 파이프라인 벽에서의 수직 단차부 (perpendicular step)에 해당할 것이다. 상기 방지장치는 비연결 관형 통로 (14)의 매트릭스를 포함하는 제1 구성 요소 (12)를 포함한다. 이러한 통로들 (15)의 횡단면이 도 2에 도시된다. 상기 실시예에서, 관형 통로 (14)가 상기 횡단면을 모자이크형 (tessellation)으로 만드는 것으로 도시되었다. 배열된 관들의 구멍은 종래의 화염 방지장치에 사용된 관들의 구멍보다 크다. 제1 구성 요소의 길이 (f)는 대략 10cm이다. 상기 구성 요소 (12)가 상기 파이프라인 (11)을 따라 이동하는 폭굉과 관련된 충격파를 감쇠시킨다.

화살표 (18)로 표시된 가스유동 방향에서 구성 요소 (12)의 바로 하류측에 제2 구성 요소 (23)가 위치한다. 도 3에 도시된 대로, 상기 구성 요소 (23)의 다공성 매질 (24)은 비틀린 (tortuous) 연결 통로 또는 비연결 통로의 매트릭스 형태를 취할 수 있다. 이러한 기공의 유효한 직경은 일반적으로 0.10 내지 0.15mm이고, 폭연 화염 방지장치에 사용된 기공의 직경과 유사할 수 있다. 제2 구성 요소의 길이 (l)는 일반적으로 6mm이다 (도 1은 축척에 맞게 그려진 것이 아님에 유의). 상기 제2 구성 요소 (23)는 상기 제1 구성 요소 (12)로부터 이동해온 화염을 소화시킨 다.

상기 구성 요소들 (12, 13)의 결합된 길이는, 대응하는 종래의 단일 구성 요소 (폭굉과 폭연 둘 다를 방지하기 위해 사용됨)의 길이 즉, 8 내지 10cm, 일반적으로는 대략 10cm와 대조적일 수 있다. 따라서, 상기 제1 구성 요소 (12)는 상기 대응하는 종래의 구성 요소와 유사하거나 그것보다 더 길지만, 제2 구성 요소 (23)는 훨씬 짧다.

특정 방지장치 (10)를 설계할 때, 관 (15)의 특성 가로 치수 (a)[원형 관의 직경에 해당]는, 폭굉이 그것을 통해 전파될 수 없도록 결정된다. 상기 치수는 파이프라인 (11)에서 가스 시스템의 속성, 가스 속도 및 압력, 그리고 안전여유도 (safety margin)를 포함하는 무수한 요인들에 따라 달라진다. 대기압 (atomospheric pressure)에서 화학양론적 (stoichiometric) 연료-공기 혼합물에 대해서는, 폭발성 혼합물의 최저 가로축 폭굉 셀 크기 "s"가 있다 (표 2 참조). 원형 관에 있어, 폭굉이 상기 파이프에서 전파될 수 없는 관 직경의 하한선 일반적으로 s/2 와 s/π 사이에 있다. 이론상으로, 단일 헤드 스핀 폭굉의 개시는 제한 상태를 의미하고, 이것은 1/2 폭굉 셀 폭, s/2에 해당하는 관 직경의 상태에 해당한다. 실제로, "a"의 값은 MESG와 "s" (또는 s/2) 사이에서 선택될 수 있지만, 최적화에 따른다.

표 2에는 공기 중의 4가지 전형적인 가스에 대한 일부 데이터가 나타나 있으며, 충격파를 감쇠시키는 데 있어 어려움을 증가시키는 순으로 상기 가스가 기재되었다. 또한 공기 중의 각각의 가스에 대한 치수 "a"의 일 예가 표 2에 나와있다. 상기 치수 "a"는 하나의 중요한 매개 변수 (parameter)이고 그 상한이 "s"이다. "f"는 "a"에 의해 좌우된다.

(모든 치수단위는 mm)

화학 물질	프로판	에틸렌 (에텐)	수소	아세틸렌 (에틴)
폭굉 셀 크기 (s)	69	28	15	9.8
관의 제한 직경	23	12	5	4.6
안전여유 포함한 L.T.D. (a)	7.95	3.1	1.6	1.5
길이 (f)	424	131	56	54
치수 b	2d	2d	2d	2d
치수 c	(1-3)d	(1-3)d	(1-3)d	(1-3)d

제1 구성 요소 (12)의 길이 "f"는 제2 구성 요소 (23)의 이전에서 충격파를 분산시키도록 충분히 넓어야만 한다. 각각의 가스에 대한 "f"의 일 예가 표 2에 나와있다. "a"의 더 작은 값에 대해, 더 짧은 길이 "f"가 충격파를 감쇠하기 위해 요구된다.

원칙적으로, 상기 길이 "f" 값은 방지장치 크기 (파이프 연결부의 공칭 보어 "d"로 표시)와는 별개이다. 따라서, 큰 방지장치에 대한 상기 새로운 설계의 전반적인 치수가 종래의 장치들에 대한 전반적인 치수보다 더 작아질 것인데, 이는 종래 장치들의 길이가 "d" 증가에 따라 증가하는 경향이 있기 때문이다.

상기 파이프라인의 직경 "d"를 고려하여, 테이퍼 구간 (27)의 길이 "b" 및, 상기 테이퍼 구간 (27)의 확장 단부 (wider end)와 제2 구성 요소 (23)의 중심 선 사이의 거리 "c"에 대한 예들이 표 2에 나와있다. 바람직한 실시예에서, 관 (15)들은 0.05 내지 0.75mm, 가장 바람직하게는 0.10 내지 0.25mm의 벽 두께를 가진다.

상기 치수들은 다양한 가정, 예를 들어 5 내지 15cm 범위 내에 놓여있는 직경 및 500 내지 800m/s의 다공성 매질 (24)을 떠나는 화염 속도를 가진 가스 파이프라인 (11)을 기초로 하여 개략적인 지침을 제공할 뿐이다. 경계 층 (boundary layer) 외연 (outer edge)의 연소 지대에서 가스 점도 (viscosity)의 불확실성으로 인해, 다양한 치수들 및 특히 감쇠 길이 "f"는 실험적으로 결정되어야 한다. 실제 적용시에는, 치수 "a"와 "f"는 상기 소화 효율성을 증가시키고 더 소형의 장치를 만들기 위해 최적화되어야만 한다.

상기 가스가 공기 중의 에틸렌인 일 예가 다음과 같은 특징을 지닌다:

a = 5mm

f = 240mm

벽 두께 = 0.0762mm

제2 구성 요소 (23)가 소결 거즈 적층물 또는 크림프 금속 리본이다.

상기 가스가 공기 중의 에틸렌인 또 다른 예가 다음과 같은 특징을 지닌다:

a = 2mm

f = 80mm

제 2 구성 요소 (23)는 소결 거즈 적층물 또는 크림프 금속 리본이다.

상기 방지장치 (10)의 사용시에, 화살표 (18) 방향으로 이동하는 폭굉에 의해 생성된 압력 또는 충격파가 제1 구성 요소 (12)와 마주친다. 상기 설명된 매개 변수들을 고려할 때, 제1 구성요소 (12)는 상기 폭굉이 제2 구성 요소 (23)에 도달하지 못하게 한다. 오직 폭연 반응 전면만이 상기 제2 구성 요소 (23)에 도달하고, 상기 매질에서 소화된다.

본 발명에 따른 방지장치는 가스-공기 및 가스-산소 혼합물에 사용될 수 있다.

상기 설명된 방지장치는 많은 이점을 지니고 있다. 우선, 상기 복합 (composite) 시스템 전후의 유동 저항이 다공성 매질을 포함하는 종래의 폭굉 화염 방지장치의 유동 저항보다 작다. 이것은 폭굉에 대해 MESG 기준에 의존함으로써 제한될 필요가 없다는 발견에 기초한다. 따라서, 상기 장치 전후의 압력 강하가 줄어든다. 언뜻 보기에, 더 넓은 구멍을 사용하는 것이 반직관적 (counter-intuitive)인 것처럼 보이지만, 실제로는 폭굉 물리학에 의해 뒷받침되는 것이다.

결과적으로, 보상되어야 할 압력 강하가 적기 때문에 확장 구간 (17)의 직경 (D)이 줄어들 수 있고, 폭굉파가 상기 제1 요소 (12)에 의해 감쇠될 수 있다는 점에서, 상기 방지장치 (10)는 어느 정도 자유롭게 설계될 수 있다.

또 다른 이점은, 상기 복합 매개물의 무게 및 비용이 종래의 방지장치의 무게 및 비용보다 더 줄어든다는 것이다. 대규모 시스템에서, 이는 높은 위치에서의 설치에 있어서 큰 이점을 지닌다.

테스트 결과에 따르면, 본 발명의 상기 방지장치는, 미국특허 제4,975,098호 (Lee and Strehlow)에 공개된 방지장치에 비해, 상당히 높은 초기 압력 (예를 들어, 최대 1.6 bara)에서 작동될 수 있다. 하지만 상기 미국특허에 기재된 발명을 실증하는 이론적 근거가 충분히 명확하지 않다. 상기 미국특허의 일 실시예에서, "관들의 축이 파이프 중심과 평행하도록, 상기 파이프에 삽입된 다공성 벽의 관 다발 (bundle) 배열에 흡수체 (absorbent)가 배치될 수 있는" 구성이 기재되어있다. 이러한 배열에서, 상기 채널 벽의 다공성 속성에 의해, 가스가 인접 채널 벽을 통해 흐를 수 있으며, 이로써 인접 채널들 사이의 폭굉 상호작용을 포함하여, 폭굉의 동적 특성을 변경하는 것으로 간주된다. 반면, 본 발명에 따른 실시예들의 채널 벽들은 채널들 사이에 연결부를 가지고 있지 않으므로, 상기와 같은 결합이 방지된다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예들의 채널 벽들은 상당히 매끄러우며, 상기 채널들에서의 가스 압축이 줄어지고 (즉, 더 낮은 에너지 밀도로), 따라서 상기 폭굉의 재-개시를 덜 허용하는 것으로 간주된다.

상기 미국특허의 또 다른 실시예에서, 파이프 벽이 흡음 물질로 라이닝된 구성이 기재되어 있다. 상기 벽은 불침투성 (impermeable)을 가지므로, 상기 기재된 메카니즘을 이 경우에 적용할 수 없다. 상기 미국특허의 실시예가 의존할 수 있는 메카니즘은 상기 흡음 물질 내에서의 또는 흡음 물질에 의한 횡파 (trnasverse wave)의 감쇠이다. 하지만, 더 최근의 연구 결과 [Radulescu and Lee (2002)]에 따르면, "폭굉의 전파 메가니즘에서 횡파의 중요한 역할에 대한 결정적 증거가 여전히 부족하다." 또한, 상기 연구 결과에 따르면, 더 약한 횡파를 지닌 통상의 셀 구조 시스템에 있어, 폭굉 횡파가 폭굉 전파 메카니즘에서 중요한 역할을 하지 않는다. 즉 상기 횡파의 감쇠가 가스 폭굉의 감퇴 (failure) 메카니즘에서 항상 중요한 역할을 하는 것은 아니다. 더욱더 중요한 것은, 상기 연구 결과를 포함한 실험들에 따르면, 흡음 다공성 벽으로 인한 폭굉파의 급격한 감쇠가 상대적으로 낮은 초기 압력에 제한된다는 것이다. 반면, 더 높은 초기 압력에서, 다공성 벽을 지닌 관은 매우 높은 수력 저항 및 가스에 대한 더 심한 사전-압축효과를 일으킬 수 있다. 재-개시 폭굉 길이는 상기 초기 압력의 증가와 함께 줄어든다. 더욱이, 상기 미국특허에 따른 발명에서 요구된 거리 (2D)는 본 발명의 실시예들에서 허용되지 않는데, 이는 상기 거리가 감쇠 구간을 나가자마자 폭굉의 재-발생을 일으키고, 초기 C-J 폭굉 속도가 회복될 것이기 때문이다.

다양한 변경이 상기 설명된 구성에 대해만들어질 수 있다. 제1 구성 요소 (12)내에서의 관 또는 통로의 횡단면이 바람직한 형상, 특히 정확한 또는 대략적인 삼각형, 정사각형, 직각의 평행사변형 (parallelogram), 벌집형 (honeycomb), 기타 다각형 (polygon), 원 또는 기타 곡선 윤곽을 가질 수 있다.

크림프 리본 또는 소결 거즈 적층물외에도, 제2 구성 요소 (23) 내의 통로는 편물 메시, 밀폐 관, 충전 매질의 임의로 충전된 입자, 그들 사이에 통로를 가진 고체 로드 (rod) 요소들, 또는 그들 사이에 슬릿 (slit)을 가진 평행 플레이트 요소들로 이루어질 수 있다. 금속 폼 부재가 폭연을 처리하기 위해 추가 열 전달 표면을 제공하는 데 사용될 수 있다.

제1 구성 요소 (12)는 오직 충격파를 감쇠하고 폭굉을 소멸시키기 위해 필요한 것이므로, 강철 (steel)이외의 다른 물질로 제조될 수 있으며, 그것의 설계는 상기 충격파로부터 기인한 방사상 압축 부하 (load)를 견딜 수 있어야만 한다. 대안 물질들은 다른 금속 및 합금, 탄소 및 다른 복합물, 중합체 (polymer) 및 다른 플라스틱, 유리 및 세라믹을 포함할 수 있다. 특히, 상기 제1 구성 요소가 상기 두 개의 구성 요소 중 더 큰 것에 해당할 때, 상기 장치의 무게 및 비용이 줄어들 수 있다.

이러한 물질들은 고체 벽 형태로 제공되지만, 그것의 표면은 다양한 형태의 코팅제로 처리되어, 화학 작용 공격에 대한 저항성을 제공하고 충격파로 인한 기계적 부하를 견디며, 최적의 표면 상태를 제공할 수 있다.

또한, 상기 구성 요소는 다음의 제조 공정 가운데 하나를 사용하여 형성될 수 있다: 가공 (fabrication)[예를 들어, 형성 (formed), 용접 (welded), 압착 (pressed), 압출 성형(extruded)], 주물 (casting), 또는 몰딩 (molding).

폭굉 방지 구성 요소 (12)의 대안적 또는 추가적 변형예에서, 상기 폭굉 방지 구성 요소가 둘 이상의 부분 (part)으로 형성될 수 있으며, 각각은 동일한 또는 다른 구멍을 가질 수 있고, 채널들 일부 또는 전체가 상기 방지장치의 중앙 길이 축에 대해 기울어질 수 있다. 더욱이, 한 부분 내의 구멍들은, 예를 들어 상기 구성 요소의 표면 위의 특정 분포 상태에 기초하여, 크기 및/또는 형태가 다를 수 있다.

충격파의 직접적인 충돌에 의한 손상으로부터 상기 구성 요소 (12)의 전방을 보호하기 위해, 얇은 조각의 크림프 금속 리본, 천공 플레이트, 와이어 그리드 (grid) 또는 와이어 메시가 구비될 수 있다.

4가지 전형 (prototype)의 50mm 공칭 보어를 지닌 불안정한 폭굉 방지장치가 테스트되었다. 이러한 전형의 장치들은 요소들의 다양한 결합과 함께 다양한 구성으로 이루어졌으며, 여기서 폭굉 감쇠 요소들이 다른 구멍 및 감쇠 길이부 [벌집 모양의 코어 (core)]를 가졌다. 일반적으로, 상기 테스트 결과에 따르면, 폭굉파가 상기 폭굉 방지 요소에 의해 효과적으로 감쇠되었고, 실제로 폭연으로 바뀌었다.

양방향 및 단방향의 두 가지 폭굉 방지장치가, 불안정한 폭굉 방지장치에 대한 유럽 표준 (European Standard) EN 12874:2001의 테스트 프로토콜 (protocol)을 기본으로, 초기 압력 1.25 bara 및 1.4 bara에서 각각 가스 그룹 ⅡB3 (6.5% 에틸렌 및 공기)에서 보호 측면으로의 화염 전달을 막기 위해 성공적으로 테스트되었다.

도 10에 도시된 대로, 본 발명에 따른 양방향 방지장치는 벌집 모양의 코어를 지닌 폭굉 방지 요소들 및 소결 거즈 적층물의 폭연 방지 요소를 포함하여, 초기 압력 1.25 bara에서 가스 그룹 ⅡB3 (6.5% 에틸렌 및 공기)에 대한 폭굉 및 불안정한 폭연 테스트에서 보호 측면으로의 화염 전달을 성공적으로 막을 수 있다.

반면, 상기 폭굉 방지장치는 상기 방지장치 전후의 압력 강하를 크게 줄일 수 있다. 즉, 종래의 폭굉 방지장치보다도 훨씬 적은 압력 강하를 보여주고, 따라서 화학, 석유화학, 에너지 수송 및 파이프라인 산업에서 광범위한 장치들에 적합하다.

여기서, "압력 중첩 (pressure piling)"으로 알려진 현상을 모니터할 가치가 있다. 충격 (또는 연소)파가 유동 제한 요소 (예를 들어, 화염 방지장치)가 있는 파이프를 따라 이동할 때, 상기 제한 요소의 바로 상류측에 있는 미연소 가스가 압력이 증가된다. 따라서, 비록 점화 직전에 상기 파이프에 있는 시스템 압력이 대기압보다 약간 더 높을 수 있지만 (예를 들어, 1.4 bara), 폭연 직전의 상기 가스 압력은 그보다 몇 배 더 높을 수 있다 (예를 들어, ~5 bar). 상기 폭굉 동안 방출된 에너지 양은 상기 가스 압력과 관련되고, 이러한 관계는 길이와는 상관 없다. 그러므로, 만일 압력 중첩의 효과가 상당하다면, 상기 충격파의 강도는 상기 방지장치 입구에서 매우 높을 수 있고, 상기 방지장치로 하여금 화염을 전달시켜 대참사 (catastrophe)를 불러일으킬 수 있다. 따라서, 상기 장치 전후의 압력 강하가 상기 압력 중첩의 효과를 최소화할 수 있을 정도로 적은, 장치를 갖는 것이 매우 이롭다. 이것은 종래 장치와 비교했을 때, 폭굉 감쇠를 위해 사용된 더 큰 구멍 채널 및 상기 폭연 요소와 관련된 상대적으로 낮은 유동 저항성에 의해 본 발명에서 실현된다.

상기 방지장치 구조물은 신축성 (flexible)이 있고, 어떠한 가스 그룹에도 다양한 목적에 적합하도록 설계될 수 있다. 즉, 폭굉 셀 폭에 대한 데이터가 모든 주요 가스에 대해 잘 정리되어 있다. 상기 구조물로 인해, EN 12847로 확인된 각각의 가스 그룹에 대한 "다목적" 방지장치의 설계 가능성이 열렸다. 이로써, 상기 목적들을 위해 존재하는 세 개의 개별 생산품들 대신에, 불안정하고 안정된 폭굉 및 폭연을 처리하기 위해 각각의 가스 그룹에 대한 단일 생산품이 제조된다.

상기 설계는 사전 부피 조절 장치들에 적용될 수 있다. 즉, 상기 설계는 오직 원형 파이프 구조물 시스템에만 제한된 것이 아니다. 상기 방지장치는 부식 (corrosive) 환경에서 사용될 수 있도록 하는 물질들로 구성될 수 있다. 상기 물질들은 청소하기가 쉽고 유지 비용이 저렴하며, 제조 공정이 단순하고 제조 허용 오차 (tolerance)가 공정 관리 측면에서 큰 문제가 되지 않는다. 또한, 상기 방지장치는 기존의 폭연 방지장치에 개장 (retrofit)될 수 있다.

바람직하다면, 확장 구간 (17) 내의 상기 구성 요소들 (12, 23)이 밀착될 필요는 없다. 상기 구성 요소들 (12, 23) 사이의 스페이서는 와이어 거즈, 와이어 그리드, 또는 와이어 메시 또는 다른 유형의 지지 (supporting) 링/바 (bar)일 수 있다.

제1 구성 요소 및/또는 제2 구성 요소의 하나 이상의 유형이 제공될 수 있다. 도 4의 방지장치 (40)에서, 예를 들어 또 다른 제2 구성 요소 (23')가 제2 구성 요소 (23)로부터 이격되어 그것의 하류측에 위치한다. 이것이 추가적인 안전 계수를 제공한다.

도 5의 방지장치 (50)에서 단 하나의 제2 구성 요소 (23)가 두 개의 제1 구성 요소들 (12, 12') 사이에 끼워진다. 이것은, 양쪽 방향에서 가스 흐름 및 폭발을 처리할 수 있는 양방향 방지장치를 형성한다. 다른 변형 형태에서는, 바람직하다면, 하나 또는 두 개의 제1 구성 요소들 (12, 12')이 제2 구성 요소 (23)와 이격될 수 있다. 또 다른 변형 형태에서, 추가 구성 요소 쌍들이 상기 샌드위치 모양의 배열에 추가될 수 있다.

도 6의 방지장치 (60)에서, 화염-소화 구성 요소 (23)가 확장 구간 (17)에 남아있는 채로, 제1 구성 요소 (12'')가 공칭 파이프 직경 (d)의 파이프라인 (11) 구간에 배열된다. 치수 "a" 및 길이 "f"는 도 1의 실시예와 동일한 기준에 따라 결정된다. 제1 구성 요소 (12")는 부분적으로 상기 확장 구간 (17)으로 연장될 수 있다.

도 7의 방지장치 (70)에서, 확장 구간 (17)이 완전히 생략되고 두 개의 구성 요소들 (12, 23)이 파이프라인 (11) 구간 또는 공칭 직경에 제공된다. 이것은 각 α (도 1의)가 0인 것에 해당한다. 상기 치수 "a" 및 길이 "f"는 도 1의 실시예와 동일한 기준에 따라 다시 결정된다. 이러한 실시예의 이점은, 상기 파이프라인 (11)의 직경 변경이 필요치 않다는 것인데, 즉 추가 공간이 요구되지 않는다는 것을 의미한다. 이로써 필요시, 상기 방지장치 (70)가 기존의 파이프라인에 손쉽게 개장될 수 있다.

본 발명의 제6 실시예가 도 8 및 도 9에 도시되었다. 방지장치 (80)는, 플랜지 부재들 (flange member)(81, 82, 83, 84) 및 테이퍼 구간 (85)에 의해 파이프라인 (11)에 연결되도록 배열된 제1 구성 요소 (12) 및 제2 구성 요소 (23)를 포함한다. 상기 제1 구성 요소 (12)의 각각의 관 (87)은 6mm의 외경 (outside diameter) 및 5mm의 내경 (inside diameter)를 지니고 있다. 상기 구성 요소들 (12, 23)은 고정탭 (fixing tab)(89)을 갖는 하우징 (housing)(88) 내에 서로 바로 인접하여 위치한다.

본 발명의 제7 실시예가 도 10에 도시되었다. 가스 유동 (18)에 위치한 방지장치 (90)는 확장 구간 (91)을 포함하는데, 이것의 목적은, 방지장치 요소가 그것이 부착된 파이프 입구 (inlet)(97)의 직경 (d)보다 더 큰 직경 (D)을 갖도록 허용하는 것이다. 이로써, 상기 시스템 전체에 걸친 압력 강하가 허용 수준까지 감소된다. 또한 상기 방지장치는 요소 하우징 (92)을 포함하는데, 이것은 충격을 조정하고 화염이 폭연 요소로 들어가기 전에 초음속에서 아음속으로 화염 속도를 줄이도록 설계된 제1 폭굉파 감쇠 요소 (93)를 포함하는, 효과적으로 직선 길이부의 파이프이다. 상기 방지장치는 또한 폭연 방지장치 요소 (94)를 포함하는데, 이것은 화염 전면으로부터 소화 요소 및 지지 구조물로의 열 전달에 의해, 또는 화학 작용이 파이프로 전파되는 것을 막아 화염을 소화하기 위해 반응 중간체 (intermediate)[예를 들어, 라디칼 (radical)]를 제거함으로써, 화염 전달을 막도록 설계된다. 더욱이, 감쇠 요소 (93)와 동일한 (또는 다른) 구조물을 지닌 제2 폭굉파 감쇠 장치 (95)가 제공되어 양방향 방지장치를 형성한다.

지지 링 또는 바 (96)는 상기 화염 전면/충격파와 관련된 압력파 부하를 견디기에 충분히 강한 물질로 제조된다.

축소 구간 (98)은 파이프 출구 (outlet)/플랜지 (99)에 상기 요소를 연결하도록 설계된다. 다양한 구성 요소들이 하우징 (92)에 의해 적절한 위치에서 수용된다.

도 10에 기초한 방지장치는 불안정한 폭굉 및 폭연 상태 하에서 화염 전달 테스트를 성공적으로 통과했다. 도 10의 실시예는 다양한 방법으로 변경될 수 있다.

파이프 직경에 대한 요소 직경의 비율 (D/d)은, 비율이 1인 "이상적인" 경우를 포함하여, 어떠한 값도 취할 수 있다. 이것은, 감쇠 요소 (93)가 상기 폭굉파를 효과적으로 감쇠시키고, 게다가 당 기술 분야에서 이용가능한 다른 생산품과 비교했을 때, 바람직한 압력 강하가 상기 장치 전후에 걸쳐 성취될 수 있기 때문에, 가능하다.

상기 요소의 직경이 상기 파이프 구조물 시스템의 직경과 동일한 경우, 확장 구간 (91) 및 축소 구간 (98)이 필요 없게 된다. 이러한 조립체는 상기 파이프 구조물 그 자체에서 설계 압력에 적합한 단 하나의 플랜지로 대체될 수 있다.

상기 설명된 장치는 양방향이지만, 제2 감쇠 요소 (95) 및 하나의 지지 바 (96) 세트를 제거함으로써, 단방향 방지장치로 간단히 만들어질 수 있다. 이것은 크기, 무게, 비용 및 상기 완성된 단일체를 통한 압력 강하가 줄어드는 이점을 지닌다. 하지만, 여기서 가스 유동 방향이 상기 장치에 분명히 표시되어, 설치상의 실수를 피해야만 한다.

충격파 감쇠 장치들 (93, 95)은 다음을 포함하는 다양한 물질들로부터 이뤄지는 하나 이상의 폭연 요소 (94)와 함께 사용될 수 있다:

소결 거즈 적층물,

크림프 금속 리본,

소결 금속 충전물,

다양한 물질들의 충전층,

직물 메시/와이어 거즈/거즈 레이어,

편물 메시 충전물,

금속 폼,

금속 탄 (metal shot)

세라믹 충전물, 및/또는

플레이트 팩 (평형 플레이트 및 천공 플레이트).

상기 지지 바는 이격 요소 역할을 한다. 이들은 와이어 거즈, 와이어 그리드, 와이어 메시 또는 다른 적합한 물질들로 제조될 수 있다.

상기 지지 바 (96)는 두께를 달리하여, 다른 요소들 사이의 간극을 조절할 수 있으며, 상기 요소 면들이 서로 접촉된 경우에 0으로 줄어들 수 있다. 상기 화염 전면이 열 전달 효율을 증가시키는 데 난류 효과 (turbulent effect)를 사용하면서, 폭굉 상태로 다시 가속화되는 것을 피하기 위한 방식으로, 상기 간극의 크기를 조절하는 것이 중요하다.

상기 방지장치 조립체가 직선형 파이프일 필요는 없다. 상기 요소들은, 상기 파이프 출구가 다른 공간 배향 (spatial orientation)에서 상기 파이프 입구가 되도록 하는 방식으로 조립될 수 있다 [즉, 편심 (eccentric) 확장 및/또는 축소 구간, 또는 상기 방지장치에서 직각 (right angled) 굴곡부 등]. 상기 파이프 구조물이 원통형일 필요는 없다. 직사각형 도관 (duct) 또는 심지어 부정형 보이드 (void)[예를 들어, 펌프와 같은 사전-부피 조절 장치]와 같은 다른 횡단면 형태로 상기 시스템을 설계하는 것이 가능하다.

상기 충격파 감쇠 요소들 (93, 95)이 상기 시스템 파이프와 동일한 직경의 파이프 길이부에 놓이는 반면, 상기 폭굉 방지장치 요소 (94)는 파이프의 확장 구간에 수용되도록 상기 장치를 설계하는 것이 가능하다 (하우징 중앙에 위치할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있음). 특히 대형 방지장치에 있어, 허용 수준 내에서 압력 강하를 조정하면서, 그것의 무게 및 비용을 줄이는 데 이러한 설계가 이로울 것이다.

상기 제2 감쇠 요소 (95) 또는 폭연 방지장치 요소 (94) 없이 구성된 단방향 장치가 기존의 폭연 요소를 폭굉 장치로 전환시키는 데 사용될 수 있다. 이것은 예를 들어, 파이프라인 중간에 있는 폭연 방지장치의 비보호 측면에 상기 폭굉 방지장치를 설치함으로써, 간단히 이뤄질 수 있다.

또한 상기 방지장치는, 이러한 일반적인 조립체를 다른 폭굉 조절기 및/또는 반사 플레이트 등과 결합함으로써 향상될 수 있다.

상기 방지장치의 무게 및 비용이 그에 따라 늘어난 상기 요소 직경에 비례하기 때문에, 본 발명의 어느 실시예에 따른 파이프 직경과 동일하도록 요소 직경을 줄이는 능력이 상기 방지장치의 무게 및 비용을 줄이는 데 있어 큰 역할을 한다.

종래 기술의 구성에서, 폭굉 또는 폭연 방지장치의 성능은 가스 혼합물의 특성 (MESG) 및 초기 압력에 의존한다. 반면, 본 발명의 실시예들에서, 폭굉 감쇠 요소들의 구멍을 작은 허용 오차 내로 그렇게 세밀하게 조정할 필요는 없다.

상기 장치의 폭굉 감쇠 요소는 화염 홀딩 (holding) 능력, 특히 상기 소화 직경에 가까운 구멍들을 가질 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들의 특징들은 바람직하게 서로 결합 또는 치환될 수 있다.

Claims (22)

1. 채널들이 상호연결되지 않고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 것을 특징으로 하는, 다수의 일반적으로 평행한 채널들을 포함하는 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 (12) 및 적어도 하나의 연속적으로 배열된 폭연 방지 요소 (23)를 포함하는 폭굉 화염 방지장치 (10).
2. 제 1항에 있어서, 적어도 채널 각각의 내벽이 상당히 매끄러운 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 치수가 1mm 이상인 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 치수가 1.5mm 이상인 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폭굉 방지 요소 (12)의 길이가 상기 폭연 방지 요소 (23)의 길이보다 상당히 긴 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 폭굉 방지 요소 (12)의 길이가 상기 폭연 방지 요소 (23)의 길이보다 적어도 2배 더 긴 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
7. 제 5항에 있어서, 상기 폭굉 방지 요소 (12)의 길이가 상기 폭연 방지 요소 (23)의 길이보다 적어도 10배 더 긴 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상시 방지 요소들 (12, 23)이 서로 직접적으로 인접하여 배열된 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치.
9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 방지 요소들 (12", 23; 93, 94)이 서로 이격된 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치 (60;90).
10. 제 9항에 있어서, 상기 방지 요소들 (93, 94)이 지지 요소들 (96)에 의해 서로 이격된 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치 (60;90).
11. 제 1항 내지 9항에 있어서, 두 개의 폭굉 방지 요소들 (12. 12';93,95) 사이에 배열된 폭연 방지 요소 (23;94)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폭굉 화염 방지장치 (50;90).
12. 채널들의 벽이 비-다공성이고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수 를 갖는 것을 특징으로 하는, 다수의 일반적으로 평행한 채널들을 포함하는 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 (12) 및 적어도 하나의 연속적으로 배열된 폭연 방지 요소 (23)를 포함하는 폭굉 화염 방지장치 (10).
13. 채널들의 벽이 음향 반사 물질이고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 것을 특징으로 하는, 다수의 일반적으로 평행한 채널들을 포함하는 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 (12) 및 적어도 하나의 연속적으로 배열된 폭연 방지 요소 (23)를 포함하는 폭굉 화염 방지장치 (10).
14. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 가스가 폭굉 셀 폭 "s"를 갖고 상기 특성 가로 치수가 s 이하이지만 그것의 MESG보다는 큰 것을 특징으로 하는, 방지장치를 이용한 가스의 폭굉 억제 방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 특성 가로 치수가 s/(4π) 이상인 것을 특징으로 하는, 방지장치를 이용한 가스의 폭굉 억제 방법.
16. 제 14항에 있어서, 상기 특성 가로 치수가 s/8 이상인 것을 특징으로 하는, 방지장치를 이용한 가스의 폭굉 억제 방법.
17. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 확장 구간에서 방지장치를 통 합하는 가스 파이프라인.
18. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방지장치의 횡단면 부분과 상기 파이프라인의 나머지 부분이 기본적으로 동일한 것을 특징으로 하는 가스 파이프라인 (11).
19. 상기 채널들이 상호연결되지 않고 각각의 채널이 0.95mm 이상의 특성 가로 치수를 갖는 것을 특징으로 하는, 다수의 일반적으로 평행한 채널들을 포함하는 폭굉 방지장치 (10).
20. 채널 각각의 특성 가로 치수가 s (여기서, "s"는 가스 혼합물의 폭굉 셀 폭) 이하이지만 그것의 MESG보다는 큰 것을 특징으로 하는, 다수의 일반적으로 평행한 채널들을 포함하는 적어도 하나의 폭굉 방지 요소 (12) 및 적어도 하나의 폭연 방지 요소 (23)를 제공하는 단계를 포함하는, 가스의 폭굉 억제 방법.
21. 제 20항에 있어서, 상기 특성 가로 치수가 s/(4π) 이상인 것을 특징으로 하는 가스의 폭굉 억제 방법.
22. 제 20항에 있어서, 상기 특성 가로 치수가 s/(8π) 이상인 것을 특징으로 하는 가스의 폭굉 억제 방법.

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