본 논문은 비유전율이 100 이상으로 제작된 Ti-Si-Al형 세라믹 촉매 방전관에 전원 전압 4 ～6［kV］, 구동 주파수0.6～1.0［kHz］를 방전관 전극에 인가하여 오존 농도와 수율을 측정한 것이다. 측정 결과 구동 주파수 600［Hz］, 유량 2［1/min］, 동작 압력 1.6［atm］, 방전관 주위 온도 20［$^{\circ}C$］에서 산소 원료의 경우, 오존 발생 농도는 50～60［g/㎥］이었고, 오존 발생 수율은 180(g/kWh)로 나타났다. 그리고 반응기 내부 온도 또는 유입 가스 온도가 낮을수록 오존 수율은 상승하였다.
본 논문은 비유전율이 100 이상으로 제작된 Ti-Si-Al형 세라믹 촉매 방전관에 전원 전압 4 ～6［kV］, 구동 주파수0.6～1.0［kHz］를 방전관 전극에 인가하여 오존 농도와 수율을 측정한 것이다. 측정 결과 구동 주파수 600［Hz］, 유량 2［1/min］, 동작 압력 1.6［atm］, 방전관 주위 온도 20［$^{\circ}C$］에서 산소 원료의 경우, 오존 발생 농도는 50～60［g/㎥］이었고, 오존 발생 수율은 180(g/kWh)로 나타났다. 그리고 반응기 내부 온도 또는 유입 가스 온도가 낮을수록 오존 수율은 상승하였다.
A novel ozonizer has been developed using a high frequency surface discharge and a high purity Ti-Si-Al ceramic catalyst as its dielectric component. A cylindrical thin compound ceramic catalyst in reactor is adhered to inside of the film-like outside electrode. And, when experiment condition are ox...
A novel ozonizer has been developed using a high frequency surface discharge and a high purity Ti-Si-Al ceramic catalyst as its dielectric component. A cylindrical thin compound ceramic catalyst in reactor is adhered to inside of the film-like outside electrode. And, when experiment condition are oxygen gas temperature of 20 ［$^{\circ}C$］, inner reactor pressure of 1.6 atm 600［Hz］ and flow late of 2［l/min］. the ozonizer can easily produce ozone concentration(50～60［g/㎥］for oxygen) and power efficiency(180［g/kWh］for oxygen) without using a special enrichment means. At 2［l/min］, 20［$^{\circ}C$］, 1.6［atm］, 600［Hz］and 40［W］, the result of simulation to gas temperature of reactor using general code Phoenics, the maximum temperature of reactor was 132［$^{\circ}C$］in reactor. Ant the result electric field simulation of Ti-Si-Al type reactor using general code Flux 2D, maximum electric field was 0.131E.08［V/m］.
A novel ozonizer has been developed using a high frequency surface discharge and a high purity Ti-Si-Al ceramic catalyst as its dielectric component. A cylindrical thin compound ceramic catalyst in reactor is adhered to inside of the film-like outside electrode. And, when experiment condition are oxygen gas temperature of 20 ［$^{\circ}C$］, inner reactor pressure of 1.6 atm 600［Hz］ and flow late of 2［l/min］. the ozonizer can easily produce ozone concentration(50～60［g/㎥］for oxygen) and power efficiency(180［g/kWh］for oxygen) without using a special enrichment means. At 2［l/min］, 20［$^{\circ}C$］, 1.6［atm］, 600［Hz］and 40［W］, the result of simulation to gas temperature of reactor using general code Phoenics, the maximum temperature of reactor was 132［$^{\circ}C$］in reactor. Ant the result electric field simulation of Ti-Si-Al type reactor using general code Flux 2D, maximum electric field was 0.131E.08［V/m］.
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문제 정의
그리고 세라믹이 내부 전극 표면에 코팅된 방전관의 경우 표면 온도는 방전 공간의 가스 온도와 오존의 생성에 영향을 주므로 오존 생성의 검토에 필수적 사항이라 할 수 있다 [5][6]. 또한 성분 및 조도는 절연 신뢰성의 평가에 매우 중요하다 본 논문은 소형화된 동축형 세라믹 촉매 방전관으로 다양한 파라미터에 따른 오존 생성 농도와 오존 생성 수율과의 관계에 대해서 조사하고, 이러한 실험 결과의 상호 비교를 통해 Ti-Si-Al형 세라믹 촉매 방전관의 특성을 조사하였다
방전 공간은 원료 가스가 균일하게 공급되도록 구성하였으며, 방전은 무성 방전의 형태이다. 유량 방전전력, 가스 압력 및 온도가 세라믹 방전관의 오존 생성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다.
제안 방법
개략도이다. 원료 가스는 산소를 사용하였고, 주파수 및 교류전압인가 하였을 경우, 생성되는 오존의 농도를 측정하고, 수율을 계산하여 최적 오존 발생 조건을 도출하였다. 방전 공간은 원료 가스가 균일하게 공급되도록 구성하였으며, 방전은 무성 방전의 형태이다.
또한 방전시 유전체 표면의 열적 소모는 700M 정도의 얇은 고유전율인 Ti-Si-Al를 사용함으로 유전체 표면에서 방전 에너지의 열적 소모를 줄일 수 있고, 그 결과 오존 생성효율은 증가된다. 이러한 원리에 의해 Ti-Si-Al 세라믹 방전관을 제작하여 실험하였다.
성능/효과
파괴가 일어난다. 둘째로, 에너지가 감소하는 구간으로 산소와 오존의 생성이 일어나고, 셋째로 전원의 휴지 기간 즉 산소(02)분자를 충분히 여기 혹은 전리를 시키지 못하는 암류 구간과 가스 배기 이후의 저에너지 구간의 경우로 오존의 분해 즉, 산소의 환원이 일어난다. 통상 이 시간은 수 [ms] 이상으로 생성과 분해가 반복된다는 보고가 있다.
물질의 성분은 Si(45%), Ti(24%), Al(14%)로 유리질(怀=5) 방전관보다 유전 및 절연 특성이 우수하다. 또한 방전시 유전체 표면의 열적 소모는 700M 정도의 얇은 고유전율인 Ti-Si-Al를 사용함으로 유전체 표면에서 방전 에너지의 열적 소모를 줄일 수 있고, 그 결과 오존 생성효율은 증가된다. 이러한 원리에 의해 Ti-Si-Al 세라믹 방전관을 제작하여 실험하였다.
본 Ti-Si-Al형 세라믹 촉매 방전관 오존 발생 특성 연구 결과 주파수가 1000[Hz]인 경우 오존 농도는 높았다. 그러나 에너지 효율 측면에서는 역으로 주파수가 낮은 600[Hz]가 더욱 우수한 결과가 나왔다.
이 때 방전 전력은 40[W] 이다. 시뮬레이션 결과 초기 인입 가스의 온도 2(rc]가 방전관 출구부에서 최대 132[°C]까지 내부 방전 구간 온도가 상승하고 있음을 알 수 있다. 방전관 내부온도는 낮을수록 오존의 생성과 유지에 도움이 되므로 오존 생성 수율을 높이기 위해 방전관의 냉각을 고려함이 필요하다고 사료된다.
수율과의 관계를 나타낸 그래프이다. 압력에 따른 반응기의 최대 오존 생성 수율은 1.6[atm]의 조선에서 122SWh]로 측정되었고, 이는 그림 10에서 측정된 에서 측정된 최대 오존 생성 수율 180 [g/kWh] 보다 56[$kWh] 정도 낮은 값이다 즉, TI-Si-Al형 세라믹 촉매 방전관이 일반 유리질 형태의 방전관보다 우수하다고 사료된다.
유량이 그림 4의 조건보다 증가하면서 확연히 에너지당 오존생성 수율이 줄어드는 경향을 보이고 있으며, 오존 발생 수율이 유입 유량에 비례적하지 않음을 확인할 수 있다.
생성 수율과의 관계를 나타낸 그래프이다. 유입 가스 온도가 감소하면, 오존 생성 수율이 급히 증가하는 특징을 보였다.
즉, 유리질의 유전율보다 20배 정도 높은 Ti-Si-Al 세라믹 방전관을 사용함으로 오존 생성 수율의 상승을 가져올 수 있었으며, 이는 방전관의 방전 동작이 공기갭과 유전체층의 직렬 콘덴서의 구동 형태로 이 두 유전체 부분의 부하 분담 측면에서 보면, 유전체층을 이용하는 방전관의 방전에서 얇으면서도 고유전율을 가지는 재료를 무성 방전의 방전관으로 사용함으로 유전체 표면에서 소모되는 방전 에너지의 열적 소모를 줄일 수 있기 때문으로 사료되며, 그 결과 오존 생성 수율이 증가되는 것으로 판단된다. 이상과 같은 결과들에 의해 Ti-Si-Al 세라믹 방전관은 고효율 오존 발생기로 사용이 가능하다고 사료된다.
6[atm], 2[ //min], 600 - 1000 [Hz]에서 전압 증가에 따른 오존 생성 농도를 나타낸 그래프이다. 전압이 증가함에 따라 오존 생성 농도가 증가하였고, 그 증가 곡선의 기울기는 포화 곡선의 경향을 보였다. 주파수에 따른 오존 생성 농도는 단위 면적당 인가 소비 전력이 높은 1000[Hz]의 경우가 오존 생성 농도가 더욱 증가하였다.
6[atm], 2[ //nin]의 압력에서 Ti-Si-Al 방전관의 최대 오존 생성 수율은 유리질 방전관보다 약 56[g/kWh] 높게 측정되었다. 즉, 유리질의 유전율보다 20배 정도 높은 Ti-Si-Al 세라믹 방전관을 사용함으로 오존 생성 수율의 상승을 가져올 수 있었으며, 이는 방전관의 방전 동작이 공기갭과 유전체층의 직렬 콘덴서의 구동 형태로 이 두 유전체 부분의 부하 분담 측면에서 보면, 유전체층을 이용하는 방전관의 방전에서 얇으면서도 고유전율을 가지는 재료를 무성 방전의 방전관으로 사용함으로 유전체 표면에서 소모되는 방전 에너지의 열적 소모를 줄일 수 있기 때문으로 사료되며, 그 결과 오존 생성 수율이 증가되는 것으로 판단된다. 이상과 같은 결과들에 의해 Ti-Si-Al 세라믹 방전관은 고효율 오존 발생기로 사용이 가능하다고 사료된다.
이는 주파수 또는 인가 전압이 높으면 방전 에너지가 오존 생성보다는 오존의 열적 파괴로 동작하기 때문이다. 최대 수율은 180@kWh]S, 통상 50 〜 200[g4Wh] 반응기의 최상의 결과와 대동소이하게 나타났다
관계를 나타낸 그래프이다. 측정 결과 L6[atm]에서 최대 오존 생성 수율이 기록되었고, 1.6[atm] 이하에서 오존 생성 수율은 완만한 감소를 나타내었지만, 압력이 1.6[atm] 이상에서는 오존 발생 수율이 급히 감소되는 특성을 보였다.
후속연구
997E+07[V/m])보다 높게 나타나고 있어, 방전 개시 전압이 상당히 낮아지게 됨을 알 수 있다. 즉, 11-Si-Al형 세라믹 촉매 구조는 오존 생성 농도 및 오존 생성 수율 상승에 도움이 될 것으로 판단할 수 있다
참고문헌 (8)
조국희, 김영배, 이형호, “전력 밀도 변화에 따른 오존 발생 특성”, 대한전기학회 춘계학술발표회 논문집, p. 196, 2001.
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