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문제 정의
- 이는 다중 홈 노즐 이용 시 각 노즐에서의 분무 형태가 방사형이기 때문에 중심 부분에서는 액적의 양이 많아지게 되어 불완전 연소가 된다고 할 수 있다. 따라서 좀 더 완전 연소에 가까운 연소 조건을 찾기 위해 단일 홈 노즐을 가지고 연소 실험을 수행하여 안정된 화염 조건을 알아 보았다.
- 이러한 단 극을 띠는 액적들은 서로간의 전기적 반발력으로 인해 잘 결합되지 않기 때문에 공간 분산성이 뛰어나고 전기적 성질을 이용하여 쉽게 제어할 수 있다는 장점을 가진다. 지금까지는 미세 액적 및 제어에 관한 연구가 큰 관심의 대상이 되어 모세관 위치에 따른 정전분무 제어의 특성, (으 미소 금속분말을 제조하거나(3) 的 세라믹의 박막 코팅등에 적용되어왔으나 본 연구에서는 정전분무의 최대 장점인 분무액 적의 단 분산성을 적용하여 확산연소 실험을 수행하였다 확산연소 시에 산화제와 연료의 혼합시간이 중요한 변수로 작용하기 때문에 정전 분무 시에 발생하는 단 분산 액적을 연소에 적용시켜 안정된 화염을 생성시킬 수 있는지를 확인하였다. 연소가 이루어지기 위해서는 정전 분무의 단점중의 하나인 저 유량 문제를 극복해야 하는데 이에 따른 액적 들간의 반발력 제어나, © 고 유량 정전 분무가 가능하게 하는 다중 노즐에 관한 여러 가지 연구가 진행되었지만, 耶) 이번 연구에서는 익스트랙터 (Extracts) 와 홈 노즐籍 동시에 적용함으로써 고 유량의 정전분무를 실현하였고, 이를 이용해 최초로 확산연소 시스템을 제작하여 정전분무를 이용한 확산연소를 안정되게 할 수 있는지의 여부와 그에 따른 특성을 살펴보았다.
제안 방법
- 수행하였다. 가스 분석은 CO 와 co2 를 측정하였고 에탄올의 유량과 공기의 유량을 변화시키면서 그에 따른 변화를 관찰하였다.
- 두 대의 고전압 발생기 (Korea Switching, +30 kV) 를 이용하여 홈 노즐과 익스트랙터에 독립적으로 고전압을 인가하였고, 주사기 펌 프 (KD Scientific KDS-220)를 이 용하여 에 탄올의 유량을 변화시키면서 공급였다. 그리고 질량 유량계(My虹olis, FC-280SAV)를 이용하여 정밀하게 공기 유량을 제어하면서 균일하게 공기 주입을 하였고 할로겐 램프(halogen lamp)를 이용하여 정전 분무의 형상을 관찰하였다. 익스트랙터에 인가되는 전압은 홈 모드가 형성 가능한 전압 범위를 측정하여 설정하였는데 단일노즐과 멀티 노즐일 때 모두 4~10kV 에 걸쳐 실험을 수행하였다.
- 다중 홈 노즐을 사용했을 때와 단일 홈 노즐을 사용했을 때를 비교해 보면 단일노즐에서의 연소가 다중노즐에서보다 안정되고 화염이 청염 형태를 나타내기 때문에 단일 노즐 연소를 중심으로 가스분석을 수행하였다. 가스 분석은 CO 와 co2 를 측정하였고 에탄올의 유량과 공기의 유량을 변화시키면서 그에 따른 변화를 관찰하였다.
- 익스트랙터를 설치하여 연소에 필요한 충분한 연료를 공급할 수 있도록 하였고, 균일한 액적이 분무되는 조건을 유지시키고 일정한 공기 유량을 주입하면서 서로간의 혼합 시간을 극대화시켜 안정된 연소가 진행되도록 하였다. 단일 홈 노즐을 설치하였을 때와 다중 홈 노즐을 설치하였을 때의 실험을 수행하였고 특히 단일 홈 노즐을 이용한 연소실험을 통해 익스트랙터의 인가전압과 공기 유량, 에탄올 유량 등을 조절하면서 안정된 화염이 발생하는 구간을 찾는데 성공하였다. 연소가 이루어지는 구간에서의 CO, co2 가스분석을 실시하였고, 안정적인 연소구간 내에서 co 가스가 감소하는 것을 확인하였으며, 최적의 연소효율이 나타나는 구간을 co/co2 를 이용해 찾을 수 있었다.
- 단일/다중 홈 노즐을 이용한 정전분무 실험으로 인해 고 집적, 고 유량 정전분무 시스템을 개발한 것을 바탕으로 정전분무를 이용한 확산연소 장치를 개발하였다. 익스트랙터를 설치하여 연소에 필요한 충분한 연료를 공급할 수 있도록 하였고, 균일한 액적이 분무되는 조건을 유지시키고 일정한 공기 유량을 주입하면서 서로간의 혼합 시간을 극대화시켜 안정된 연소가 진행되도록 하였다.
- 연소가 이루어지는 구간에서의 CO, co2 가스분석을 실시하였고, 안정적인 연소구간 내에서 co 가스가 감소하는 것을 확인하였으며, 최적의 연소효율이 나타나는 구간을 co/co2 를 이용해 찾을 수 있었다. 따라서 단일/다중 홈 노즐을 이용한 최초의 확산연소 시스템을 구현했으며 앞으로 미세입자 코팅 시 필요한 연소시스템에 적용할 수 있는 기술을 확보하였다.
- 밑에서부터 위로 작동유체가 분무 될 수 있도록 단일 혹은 5 개의 홈 노즐을 설치하였으며 그 위에 액적들 간의 간섭을 줄이면서 고 유량을 분무시키기 위하여 익스트랙터를 부착하였다. 또한, 네 방향으 S 공기가 주입될 수 있도록 제작한 공기 주입구를 본체 아랫부분에 부착 하고 퀄츠(quartz)관을설치하여 외부 공기의 유입을 막았다. 익스트랙터와 접지 판의 거리는 17cm 로 고정하였는데, 그 이상의 거리에서는 접지 판과의 거리가 너무 멀어지게 되어 분무 형상이 제대로 나타나지 않았기 때문에, 연소 실험 시 형성되는 화염길이를 고려했을 때 작동유체가 연소되면서 기화되는 시간을층분하게 줄 수 있으면서 분무 형상도 완전히 나타나는 거리를 실험을 통해 결정한 것이다.
- 테플론으로 제작된 본체(Body)를 중심으로 균일한 공기 유량이 주입되도록 세라믹 허니콤을 설치하였다. 밑에서부터 위로 작동유체가 분무 될 수 있도록 단일 혹은 5 개의 홈 노즐을 설치하였으며 그 위에 액적들 간의 간섭을 줄이면서 고 유량을 분무시키기 위하여 익스트랙터를 부착하였다. 또한, 네 방향으 S 공기가 주입될 수 있도록 제작한 공기 주입구를 본체 아랫부분에 부착 하고 퀄츠(quartz)관을설치하여 외부 공기의 유입을 막았다.
- 8 은 가스 분석기 (HORIBA, PG-250A)를 통하여 공기 유량의 변화에 따른 CO 성분의 변화를 나타낸 것이다. 에탄올의 유량은 40 ml/h부터 20 mVh 간격으로 100 ml/h 까지 주입하였으며 공기의 유량은 4 1pm 부터 24 1pm 까지 공급하면서 CO 의 변화를 살펴보았다. 익스트랙터 에 인가되 는 전압이 4, 6, 8 kV 일 때 실험을 수행하였는데, 결과를 살펴보면 주입하는 산화제가 많아질수록 CO 가 줄어드는 것을 알 수가 있고, 에탄올 유량이 많아질수록 CO 가 늘어나는 것을 알 수가 있다.
- 익스트랙터에 인가되는 전압은 홈 모드가 형성 가능한 전압 범위를 측정하여 설정하였는데 단일노즐과 멀티 노즐일 때 모두 4~10kV 에 걸쳐 실험을 수행하였다. 연소 챔버내로 유입되는 공기 유량은 질량 유량계를 통해 조절을 하면서 안정된 화염이 나타나는 구간을 관찰하였다.
- 보았다. 연소 효율을 나타내는 방법은 여러가지가 있으나 가스 분석기 (HORIBA, PG -250A)를통해 각 조건에서의 CO 와 CO2 의 배출량을 측정하고 그 비율을 비교하는 방법을 택했다. 일반적으로 에탄올이 완전연소를 하게 되면
- 지금까지는 미세 액적 및 제어에 관한 연구가 큰 관심의 대상이 되어 모세관 위치에 따른 정전분무 제어의 특성, (으 미소 금속분말을 제조하거나(3) 的 세라믹의 박막 코팅등에 적용되어왔으나 본 연구에서는 정전분무의 최대 장점인 분무액 적의 단 분산성을 적용하여 확산연소 실험을 수행하였다 확산연소 시에 산화제와 연료의 혼합시간이 중요한 변수로 작용하기 때문에 정전 분무 시에 발생하는 단 분산 액적을 연소에 적용시켜 안정된 화염을 생성시킬 수 있는지를 확인하였다. 연소가 이루어지기 위해서는 정전 분무의 단점중의 하나인 저 유량 문제를 극복해야 하는데 이에 따른 액적 들간의 반발력 제어나, © 고 유량 정전 분무가 가능하게 하는 다중 노즐에 관한 여러 가지 연구가 진행되었지만, 耶) 이번 연구에서는 익스트랙터 (Extracts) 와 홈 노즐籍 동시에 적용함으로써 고 유량의 정전분무를 실현하였고, 이를 이용해 최초로 확산연소 시스템을 제작하여 정전분무를 이용한 확산연소를 안정되게 할 수 있는지의 여부와 그에 따른 특성을 살펴보았다.
- 개발하였다. 익스트랙터를 설치하여 연소에 필요한 충분한 연료를 공급할 수 있도록 하였고, 균일한 액적이 분무되는 조건을 유지시키고 일정한 공기 유량을 주입하면서 서로간의 혼합 시간을 극대화시켜 안정된 연소가 진행되도록 하였다. 단일 홈 노즐을 설치하였을 때와 다중 홈 노즐을 설치하였을 때의 실험을 수행하였고 특히 단일 홈 노즐을 이용한 연소실험을 통해 익스트랙터의 인가전압과 공기 유량, 에탄올 유량 등을 조절하면서 안정된 화염이 발생하는 구간을 찾는데 성공하였다.
- 그리고 질량 유량계(My虹olis, FC-280SAV)를 이용하여 정밀하게 공기 유량을 제어하면서 균일하게 공기 주입을 하였고 할로겐 램프(halogen lamp)를 이용하여 정전 분무의 형상을 관찰하였다. 익스트랙터에 인가되는 전압은 홈 모드가 형성 가능한 전압 범위를 측정하여 설정하였는데 단일노즐과 멀티 노즐일 때 모두 4~10kV 에 걸쳐 실험을 수행하였다. 연소 챔버내로 유입되는 공기 유량은 질량 유량계를 통해 조절을 하면서 안정된 화염이 나타나는 구간을 관찰하였다.
- 실험이다. 익스트랙터의 인가전압과 에탄올의 유량, 공기의 유량을 변화시키면서 안정적인 화염이 발생하는 구간을 관찰하였다. 익스트랙터에 인가되는 전압이 커질수록 전기적 반발력에 의해 액적 속도가 빨라지게 되는데 공기와의 혼합시간을 늘리기 위해서는 액적 속도와 주입되는 공기의 속도가 같아지도록 익스트랙터의 인가전압과 공기 유량을 조절해야 한다.
- 좀 더 자세한 분석을 하기 위하여 연소효율을 계산해 보았다. 연소 효율을 나타내는 방법은 여러가지가 있으나 가스 분석기 (HORIBA, PG -250A)를통해 각 조건에서의 CO 와 CO2 의 배출량을 측정하고 그 비율을 비교하는 방법을 택했다.
- 첫 번째 실험은 5 개의 홈 노즐을 설치하고 홈 노즐 전체에서 연소가 안정되게 일어나는지를 확인하는 실험이다. 익스트랙터의 인가전압과 에탄올의 유량, 공기의 유량을 변화시키면서 안정적인 화염이 발생하는 구간을 관찰하였다.
- 홈 노즐은 스테인리스 재질의 내 경 1.6 mm, 외경 3.2 mm 의 모세관으로써 Fig. 1 과 같이 팁에 wire electro-discharge machining(EDM) 가공법을 이용하여 폭이 0.5物w 인 12 개의 홈(groove)을 만들었다. 이를 이용하여 정전분무를 이용한 확산 연소 장치를 Fig.
대상 데이터
- 단일 홈 노즐 정전분무 연소를 위해 외곽에 있는 네 개의 홈 노즐은 더미 노즐로 사용하고 중심에 있는 홈 노즐에만 연료를 공급하였다. 단일 홈 노즐을 이용한 정전분무 확산 연소를 실험할 때도 화염 형상이 익스트랙터 인가전압 4~8kV 구간일 때 가장 안정적으로 나타났다.
성능/효과
- 9 에 CO/C6를 나타내었고, 익스트랙터의인가전압(4, 6, 8 kV)에 따라 에탄올의 유량(40, 60, 80 ml/h)에 따른 CO 와 CO2 의 배출량을 측정 하여 계산하였다. 결과에서 확인할 수 있듯이 각 연소조건마다 연소 효율이 좋아지는 최적 구간이 존재한다는 것을 확인 할 수 있다. 익스트랙터의 인가전압이 4 kV 일 때에는 공기 유량이 8~10 1pm 일 때 가장 높은 연소 효율을 나타냈으며, 익스트랙터 인가전압이 6 kV 일 때는 공기 유량 12-14 1pm 구간에서, 익스트랙터 인가전압이 8kV 일 때는 공기 유량 16-18 1pm 일 때 가장 높은 연소 효율을 보이고 있었다.
- 것을 실험을 통해 알 수 있었다. 단일 홈 노즐 정전분무 장치를 기준으로 가스 분석을 해보면 CO 는 실험 에 사용된 조건에 따라 68-743 [ppm] 의분포를 가지며 공기 유량이 커질수록 희석효과의 영향이 크다는 것을 알 수 있었고, CO/CO2 의 효율을 계산하여 각 특정 조건마다 안정적인 연소를 위한 최적 조건이 존재한다는 것을 실험적으로 나타낼 수 있었다.
- 있는 홈 노즐에만 연료를 공급하였다. 단일 홈 노즐을 이용한 정전분무 확산 연소를 실험할 때도 화염 형상이 익스트랙터 인가전압 4~8kV 구간일 때 가장 안정적으로 나타났다. Fig.
- 첫 번째로 다중 홈노즐을 적용한 시스템에서는 분무 액적 분포는 단 분산 분포이지만 노즐의 방사형 분무로 인해 중심부분에서 불완전연소 현상이 일어나기 때문에 이에 대한 보완이 필요하겠고 이를 해결하기 위해서는 노즐의 배열이나 익스트랙터의 높이 조절, 노즐과 익스트랙터사이의 거리 조절 등에 대한 추가 연구가 필요 하다고 본다. 두 번째로 단일 홈노즐 연소 시스템에서는 일정한 전압 조건 내에서는 화염이 안정적으로 형성 되지만 연속적으로 전압 조건을 바꿀 때에는 전기장의 변화에 의해 화염이 불안정해지거나 사라지는 경향이 있다. 이는 고 유량으로 정전 분무 시, 순간적인 전압변화가 있을 때 액적 분무량이 일시적으로 일정하지 않아서 발생하는 현상이기 때문에 추후에 현재의 익스트랙터를 개량하여, 고 유량 조건을 충족하면서도 연속적인 전기장의 변화에도 액적이 일정하게 분무되게 할 수 있는 익스트랙터에 대한 추가연구도 필요하겠다.
- 익스트랙터의 인가전압이 4 kV 일 때에는 공기 유량이 8~10 1pm 일 때 가장 높은 연소 효율을 나타냈으며, 익스트랙터 인가전압이 6 kV 일 때는 공기 유량 12-14 1pm 구간에서, 익스트랙터 인가전압이 8kV 일 때는 공기 유량 16-18 1pm 일 때 가장 높은 연소 효율을 보이고 있었다. 또한, 같은 익스트랙터 인가전압, 공기유량 조건에서는 에탄올의 유량이 많을 수록 액적이 커짐으로 인한 불완전 연소로 CO/C6 가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 첫 번째로 정전분무를 통해 균일한 액적 분무가 이루어져야 하고 둘째, 공기 역시 균일하게 공급되어야 하는 것이 중요하다. 셋째, 공기 유량과 분무 시 발생하는 연료 액적 유량의 속도를 비슷하게 함으로서 혼합시간(mixing time) 을최대로 해주는 것이 안정된 화염을 형성하는데 중요한 변수이며, 마지막으로 연료의 양이 저 유량일 때에는 완전연소가 일어나기 위해 필요한 농도에 미치지 못하여 연소가 잘 이루어지지 않기 때문에 충분한 연료의 유량이 공급되어야 한다.
- 실험을 통해 홈 노즐을 이용한 확산 연소장치를 제작할 수 있었고 특히 정전분무를 이용한 확산연소에서는 액적의 크기, 액적과 산화제의 혼합시간이 안정된 연소를 하는데 가장 큰 영향을 가진다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다. 단일 홈 노즐 정전분무 장치를 기준으로 가스 분석을 해보면 CO 는 실험 에 사용된 조건에 따라 68-743 [ppm] 의분포를 가지며 공기 유량이 커질수록 희석효과의 영향이 크다는 것을 알 수 있었고, CO/CO2 의 효율을 계산하여 각 특정 조건마다 안정적인 연소를 위한 최적 조건이 존재한다는 것을 실험적으로 나타낼 수 있었다.
- 단일 홈 노즐을 설치하였을 때와 다중 홈 노즐을 설치하였을 때의 실험을 수행하였고 특히 단일 홈 노즐을 이용한 연소실험을 통해 익스트랙터의 인가전압과 공기 유량, 에탄올 유량 등을 조절하면서 안정된 화염이 발생하는 구간을 찾는데 성공하였다. 연소가 이루어지는 구간에서의 CO, co2 가스분석을 실시하였고, 안정적인 연소구간 내에서 co 가스가 감소하는 것을 확인하였으며, 최적의 연소효율이 나타나는 구간을 co/co2 를 이용해 찾을 수 있었다. 따라서 단일/다중 홈 노즐을 이용한 최초의 확산연소 시스템을 구현했으며 앞으로 미세입자 코팅 시 필요한 연소시스템에 적용할 수 있는 기술을 확보하였다.
- 에탄올의 유량은 40 ml/h부터 20 mVh 간격으로 100 ml/h 까지 주입하였으며 공기의 유량은 4 1pm 부터 24 1pm 까지 공급하면서 CO 의 변화를 살펴보았다. 익스트랙터 에 인가되 는 전압이 4, 6, 8 kV 일 때 실험을 수행하였는데, 결과를 살펴보면 주입하는 산화제가 많아질수록 CO 가 줄어드는 것을 알 수가 있고, 에탄올 유량이 많아질수록 CO 가 늘어나는 것을 알 수가 있다. 이러한 효과는 크게 두 가지 원인에서 비롯된다.
- 이에 따라 연소가 앞의 조건보다 제대로 이루어지지 않게 되고 실제로 화염의 지속 시간도 30초 이내로 줄어들었다. 익스트랙터에 8kV를 인가한 조건에서도 화염은 형성되었으나 화염 가능 조건 중에서는 액적 분무 속도가 빠르기 때문에(액적 분무 속도:5.75 m/s) 연소가 가장 불안정했고 특히 각 노즐에서 발생하는 12 개의 젯 중에 화염이 형성 되지 않는 경우도 빈번히 발생하는 모습을 보였으며, 실제화염의 지속 시간도 15 초 이내에서 꺼지는 현상이 발생하였다. 익스트랙터 인가전압에 따라 달라지는 에탄올의 분무 속도에 맞추어 공기 유량을 조정했을 때에도 화염의 지속시간은 길어지지만 불완전 연소는 계속 되었다.
- 결과에서 확인할 수 있듯이 각 연소조건마다 연소 효율이 좋아지는 최적 구간이 존재한다는 것을 확인 할 수 있다. 익스트랙터의 인가전압이 4 kV 일 때에는 공기 유량이 8~10 1pm 일 때 가장 높은 연소 효율을 나타냈으며, 익스트랙터 인가전압이 6 kV 일 때는 공기 유량 12-14 1pm 구간에서, 익스트랙터 인가전압이 8kV 일 때는 공기 유량 16-18 1pm 일 때 가장 높은 연소 효율을 보이고 있었다. 또한, 같은 익스트랙터 인가전압, 공기유량 조건에서는 에탄올의 유량이 많을 수록 액적이 커짐으로 인한 불완전 연소로 CO/C6 가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 두 번째로 단일 홈노즐 연소 시스템에서는 일정한 전압 조건 내에서는 화염이 안정적으로 형성 되지만 연속적으로 전압 조건을 바꿀 때에는 전기장의 변화에 의해 화염이 불안정해지거나 사라지는 경향이 있다. 이는 고 유량으로 정전 분무 시, 순간적인 전압변화가 있을 때 액적 분무량이 일시적으로 일정하지 않아서 발생하는 현상이기 때문에 추후에 현재의 익스트랙터를 개량하여, 고 유량 조건을 충족하면서도 연속적인 전기장의 변화에도 액적이 일정하게 분무되게 할 수 있는 익스트랙터에 대한 추가연구도 필요하겠다.
- 있었다. 첫 번째로 다중 홈노즐을 적용한 시스템에서는 분무 액적 분포는 단 분산 분포이지만 노즐의 방사형 분무로 인해 중심부분에서 불완전연소 현상이 일어나기 때문에 이에 대한 보완이 필요하겠고 이를 해결하기 위해서는 노즐의 배열이나 익스트랙터의 높이 조절, 노즐과 익스트랙터사이의 거리 조절 등에 대한 추가 연구가 필요 하다고 본다. 두 번째로 단일 홈노즐 연소 시스템에서는 일정한 전압 조건 내에서는 화염이 안정적으로 형성 되지만 연속적으로 전압 조건을 바꿀 때에는 전기장의 변화에 의해 화염이 불안정해지거나 사라지는 경향이 있다.
- 이러한 효과는 크게 두 가지 원인에서 비롯된다. 첫째는 산화제의 양이 많아짐으로써 연료와 산 화제 간의 반응이 잘 일어나기 때문에 줄어드는 것이 있겠고, 두 번째로는 연소에 필요한 산화제보다 많은 유량이 유입되면서 과잉 공급된 산화제에 의한 희석(dilution)효과도 있을 것이라 예상된다.
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