본 논문에서는 메탈화이버를 이용한 난류예혼합 플랫버너를 제작하여 다양한 연소조건하에서 화염의 안정화범위를 확인하였으며, 연료유량과 공기유량의 변화에 따른 균일가열 능력과 배기가스 특성에 관한 실험을 실시하였다. 그리고 화염의 안정성 평가를 위한 실험을 통해 화염을 공기유량 변화에 따라 청녹염, 복사염, 청염 영역으로 나눌 수 있었고, 이들 영역은 청염>복사염>청녹염 영역 순으로 연소상태가 양호하였다. 공기비에 따른 영향을 살펴보면, 본 실험에서는 연료유량 1과 4l/min에서는 공기비 ${\alpha}=1.5$가 적합하였으며 연료유량 2l/min에서는 ${\alpha}=2.0$이 적합한 것으로 나타났다. 한편 연료유량과 관계없이 공기비 ${\alpha}=1.3{\sim}2.1$범위에서는 연소소음이 발생했다.
본 논문에서는 메탈화이버를 이용한 난류예혼합 플랫버너를 제작하여 다양한 연소조건하에서 화염의 안정화범위를 확인하였으며, 연료유량과 공기유량의 변화에 따른 균일가열 능력과 배기가스 특성에 관한 실험을 실시하였다. 그리고 화염의 안정성 평가를 위한 실험을 통해 화염을 공기유량 변화에 따라 청녹염, 복사염, 청염 영역으로 나눌 수 있었고, 이들 영역은 청염>복사염>청녹염 영역 순으로 연소상태가 양호하였다. 공기비에 따른 영향을 살펴보면, 본 실험에서는 연료유량 1과 4l/min에서는 공기비 ${\alpha}=1.5$가 적합하였으며 연료유량 2l/min에서는 ${\alpha}=2.0$이 적합한 것으로 나타났다. 한편 연료유량과 관계없이 공기비 ${\alpha}=1.3{\sim}2.1$범위에서는 연소소음이 발생했다.
The purpose of this study is to conduct a survey of the flame stability range and the emission characteristics for the optimum design of turbulent premixed flat burner. For that, the flame stability range was selected by the direct photography of the flame. And the mean temperature and CO, HC, ...
The purpose of this study is to conduct a survey of the flame stability range and the emission characteristics for the optimum design of turbulent premixed flat burner. For that, the flame stability range was selected by the direct photography of the flame. And the mean temperature and CO, HC, $CO_{2}\;and\;O_{2}$ concentration distributions by changing the excess air ratio were measured. As results of this study, the flame stability range turned out to be getting narrower as fuel flow was increased. The blue flame mode was more excellent than any other flame modes in the emission characteristics by excess air ratio change. And the emission characteristics by fuel flow change were best at fuel flow 1l/min. Also, we found combustion noise during experiment of flame stability range. It had nothing do with excess air ratio range.
The purpose of this study is to conduct a survey of the flame stability range and the emission characteristics for the optimum design of turbulent premixed flat burner. For that, the flame stability range was selected by the direct photography of the flame. And the mean temperature and CO, HC, $CO_{2}\;and\;O_{2}$ concentration distributions by changing the excess air ratio were measured. As results of this study, the flame stability range turned out to be getting narrower as fuel flow was increased. The blue flame mode was more excellent than any other flame modes in the emission characteristics by excess air ratio change. And the emission characteristics by fuel flow change were best at fuel flow 1l/min. Also, we found combustion noise during experiment of flame stability range. It had nothing do with excess air ratio range.
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제안 방법
그리고 연료유량과 공기유량 변화에 따른 화염 직접 사진을 통해 난류예혼합 플랫버너의 화염 안정화 범위를 알아보고 안정화 범위 내에서의 연소형식 즉, 청염모드, 복사모드, 청녹염모드에서의 온도분포 및 배출가스 특성을 비교해 보았다. 또한, 연료 유량 변화에 따른 온도분포 및 CO, HC, CO》02 등의 배출가스 특성에 대해서도 살펴보았다.
난류예혼합 방식의 플랫버너에 대한 화염 안정화 범위와 화염구조 및 오염물질의 배출특성을 알아보기 위한 연구의 일환으로, 니트형 메탈화이버를 사용하여 실험장치를 제작하고 온도와 각종 화학종 농도를 측정하여, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
0에서의 평균온도와 CO, HC, CO2 및 02 의 평균농도를 측정하였다. 또한, Table 2와 같이 공기비를 a= 1.5로 일정하게 두고 연료유량을 1, 2, 3, 4 1/ min으로 변화시켜 평균온도와 CO, HC, CO2 및 6의 평균농도를 측정하였다.
그리고 연료유량과 공기유량 변화에 따른 화염 직접 사진을 통해 난류예혼합 플랫버너의 화염 안정화 범위를 알아보고 안정화 범위 내에서의 연소형식 즉, 청염모드, 복사모드, 청녹염모드에서의 온도분포 및 배출가스 특성을 비교해 보았다. 또한, 연료 유량 변화에 따른 온도분포 및 CO, HC, CO》02 등의 배출가스 특성에 대해서도 살펴보았다.
그리고이들 측정정보는 A/D converter!- 통하여 20초 동안 샘플링하고 그 평균값을 기록하였다. 또한, 연소실 내 화염으로부터 여러가지 데이터를 획득하기 위해 3축 공간분해가 가능한 이송대를 사용하여 연소면에 대하여 Z(축방향) 방향은 상단 10 mm에서부터 150 mm까지, R (반경방향) 방향은 중심부에서부터 40 mm까지, 각각 5 mm 등간격으로 측정하였다.
연소면 전단에는 연소면의 균일한 유속분포를 얻기 위한 다공판 (Perforation Plate)과 blower에서 발생되는 맥동을 저감하기 위한 막힘판(Baffle)을 설치하였으며, 다공판 이후에는 화염 안정화 범위와 균일한 온도분포를 얻기 위해 Swirl을 설치하였다[6]. 또한, 연소실은 내경 95 mm, 길이 200 mm의 석영관으로 구성하여 화염 관찰이 가능하도록 설계하였다.
본 연구는 기존 연소기의 불완전연소와 불균일 가열을 해결하고자 연소기의 연소면에 니트형 메탈파이버를 설치하였으며, 예혼합실에서의 충분한 혼합을 위하여 예혼합실의 선단과 후단에 막힘판과 다공판을 설치하였다. 그리고 연료유량과 공기유량 변화에 따른 화염 직접 사진을 통해 난류예혼합 플랫버너의 화염 안정화 범위를 알아보고 안정화 범위 내에서의 연소형식 즉, 청염모드, 복사모드, 청녹염모드에서의 온도분포 및 배출가스 특성을 비교해 보았다.
실험 조건을 선정하기에 앞서, 먼저 화염 안정화 범위를알아보기 위해 연료유량 1, 2, 3, 4 〃min에서의 공기유량 변화에 따른 화염직접사진을 촬영하고 그 사진을 통해 화염 안정화 범위를 선정하였다. 그리고 이 결과를 토대로 Table 1과 같이 연료유량이 2 〃min으로 일정할 때 청녹염영역으로 대표되는 공기비 «=1.
플랫버너의 연소면은 직경 45mrn로 Acotech사의 MF(Metal Fiber) model NIT 100S를 사용하였다. 연소면 전단에는 연소면의 균일한 유속분포를 얻기 위한 다공판 (Perforation Plate)과 blower에서 발생되는 맥동을 저감하기 위한 막힘판(Baffle)을 설치하였으며, 다공판 이후에는 화염 안정화 범위와 균일한 온도분포를 얻기 위해 Swirl을 설치하였다[6]. 또한, 연소실은 내경 95 mm, 길이 200 mm의 석영관으로 구성하여 화염 관찰이 가능하도록 설계하였다.
전체 시스템의 온도 측정은 Pt/Pt-Rh 합금의 R-type 열전대를 이용하였고, 이 열전대는 포집한 연소가스의반응 동결을 위해 3중 수냉식 프로브를 제작 . 사용하였다.
화염 안정화 범위를 선정하기 위해 각각의 연료유량 1, 2, 3, 4〃min에서 공기유량 변화에 따른 화염의 직접 사진(총 226장)을 촬영하였다..
대상 데이터
Fig. 1은 본 실험에 사용된 난류예혼합 플랫버너의전체계통도로서 연소에 사용된 공기는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식의 blower에서 직경 52.5 mm 의 유로를 통해 공급된다. 연료는 상용 프로판(C3H8)을사용하였으며, 사용압력 0.
연료는 상용 프로판(C3H8)을사용하였으며, 사용압력 0.5kg/cm2으로 공기유로에 설치된 분사각 45。직경 1 mm의 분공 8개를 가진 노즐을통하여 예혼합 형태로 연소면에 공급하였다. 플랫버너의 연소면은 직경 45mrn로 Acotech사의 MF(Metal Fiber) model NIT 100S를 사용하였다.
5kg/cm2으로 공기유로에 설치된 분사각 45。직경 1 mm의 분공 8개를 가진 노즐을통하여 예혼합 형태로 연소면에 공급하였다. 플랫버너의 연소면은 직경 45mrn로 Acotech사의 MF(Metal Fiber) model NIT 100S를 사용하였다. 연소면 전단에는 연소면의 균일한 유속분포를 얻기 위한 다공판 (Perforation Plate)과 blower에서 발생되는 맥동을 저감하기 위한 막힘판(Baffle)을 설치하였으며, 다공판 이후에는 화염 안정화 범위와 균일한 온도분포를 얻기 위해 Swirl을 설치하였다[6].
이론/모형
사용하였다. 연소가스 중의 각종 화학농도 CO, HC, CO? 및 。2의 측정은 연소가스 분석장치인 HORIBA사의 MEXA-554JK model을 사용하여 측정하였다. 그리고이들 측정정보는 A/D converter!- 통하여 20초 동안 샘플링하고 그 평균값을 기록하였다.
성능/효과
Fig. 3(b)의 연료유량 2〃min에서는 a=0.91 이상이되어야 화염이 안정하게 되었고, a=2.48이 되면 공기과잉으로 인해 화염은 불안정하게 되었다. 따라서 이경우, 화염 안정화 범위는 a=0.
1) 안정된 연소범위를 얻기 위해 연료유량과 공기비를 변화시켜 실험한 결과, 다怜과 같은 화염 안정화 범위를 얻을 수 있었다.
2) 화염은 안정화 범위 내에서 공기유량의 변화에 따라 청녹염영역, 복사영역, 청염영역으로 구분할 수 있으며, 청염>복사>청녹염영역 순으로 연소상태가 양호하였다.
3) 연소효율을 높이기 위한 공기비는 연료유량에 따라 적절하게 선정되어야 한다. 본 실험에서는 연료유량 1과 4〃min에서는 공기비 a= 1.
4) 연소소음은 오늘날 연소기의 소형화 및 고효율화를 지향하는 연소장치의 개발을 저해하는 요소로서 시급히 해결해야 할 문제 중 하나이다. 특히, 난류예혼합플랫버너에 메탈화이버를 이용했을 때는 연소소음이많이 배출된다.
5로 일정하게 두고, 연료유량을 1, 2, 3, 4〃min으로 변화시켰을 때의 연소실 내 온도분포이다. 각 연료유량에 대하여 연소기 하부 즉, 연소면 부근 Z= 10~30 mm에서의 온도분포를 비교해 보면 연료유량이 증가할수록 전체적인 온도는 상승하며, 반경방향으로 일정하게 분포하는 온도의 폭은 넓어지는 경향이 있음을 알 수 있다. 이는 연료 유량의 증가와 더불어 공기유량이 증가함에 따라, 본 실험 장치에 설치된 각종 정류장치에 의해 유체 유동이 반경 방향으로 더욱 평평해졌기 때문으로 판단된다.
실험 조건을 선정하기에 앞서, 먼저 화염 안정화 범위를알아보기 위해 연료유량 1, 2, 3, 4 〃min에서의 공기유량 변화에 따른 화염직접사진을 촬영하고 그 사진을 통해 화염 안정화 범위를 선정하였다. 그리고 이 결과를 토대로 Table 1과 같이 연료유량이 2 〃min으로 일정할 때 청녹염영역으로 대표되는 공기비 «=1.1, 복사영역으로 대표되는 공기비 a=1.5, 청염영역으로 대표되는 공기비 a=2.0에서의 평균온도와 CO, HC, CO2 및 02 의 평균농도를 측정하였다. 또한, Table 2와 같이 공기비를 a= 1.
5의 경우로서, (a)와 거의 유사한 형상을 가지고 있다. 단, 동일한 연료유량에 공기 유량만 증가시켰음에도 불구하고 연소실의 온도분포가 약 200 K정도 상승한 것으로 나타났다. 또한, (c)의 a=2.
또한, 연료유량에 따른 CO 농도분포는 단순히 연료유량의 증가에 따른 CO 농도 변화가 아니라, 대체로 연료유량 1—473—2 〃min의 순으로 증가한다는 것을 발견할 수 있었다. 따라서 연소 측면에서 본다면 연료유량이 가장 적게 든 l〃min의 조건 다음으로 4〃min의조건이 가장 양호함을 알 수 있다. 이 현상은 C6 농도분포에서도 대체로 유사하게 나타난다.
이는 연료 유량의 증가와 더불어 공기유량이 증가함에 따라, 본 실험 장치에 설치된 각종 정류장치에 의해 유체 유동이 반경 방향으로 더욱 평평해졌기 때문으로 판단된다. 또한, 본 실험의 결과를 통해 연소면과 거의 일치하는 균일온도 장의 범위는 연료유량이 증가할수록 연소면과 상당히 떨어진 거리까지 균일한 온도가 유지됨을 알 수 있다. 특히, 연료유량 4〃min에서는 축방향으로 Z = 50 mm, 반경방향으로 R = 20 mm 근방까지 아주 뚜렷한 균일 온도분포를 보여주고 있다.
이는 온도분포에서 언급한 바와 같이, 축방향으로 이 위치까지는평면화염의 형태를 유지하고 있기 때문이라 생각된다. 또한, 연료유량에 따른 CO 농도분포는 단순히 연료유량의 증가에 따른 CO 농도 변화가 아니라, 대체로 연료유량 1—473—2 〃min의 순으로 증가한다는 것을 발견할 수 있었다. 따라서 연소 측면에서 본다면 연료유량이 가장 적게 든 l〃min의 조건 다음으로 4〃min의조건이 가장 양호함을 알 수 있다.
5의 조건에서 연료유량 변화 즉, 연료유량 1, 2, 3, 4〃min에서의 CO, HC, CO2 및 O2 농도를 나타낸 것이다. 먼저, co 농도분포를 보면 연료유량 l〃min일 때를 제외하고는 Z = 40 mm, R = 20 mm까지 균일한 농도분포를 보이고 있다. 이는 온도분포에서 언급한 바와 같이, 축방향으로 이 위치까지는평면화염의 형태를 유지하고 있기 때문이라 생각된다.
적절하게 선정되어야 한다. 본 실험에서는 연료유량 1과 4〃min에서는 공기비 a= 1.5가 적합하며, 연료유량 2〃min에서는 a =2.0이 적합한 것으로 나타났다.
쉽다[7]. 본 실험장치에서의 화염 안정화 범위는 연료유량이 증가함에 따라 공기비에 대한 안정화 범위가좁아진 것에 반해, 소음영역은 연료유량변화에 관계없이 대체적으로 비슷한 공기비 영역인 a=1.3~2.1 에서소음을 발생하였다.
5 mm 이내에서는 공기비가 증가함에 따라 CO? 농도도 점차 증가하며, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 공기의 충분한 공급에 의해 연소가 활발히 이루어짐을 나타낸다. 한편, R=22.5 mm 이후로는 a=Ll이 다른 공기비에 비해 다소 높게 나왔으며, 전반적으로 하류로 갈수록 농도값은 높아지는 반면 반경방향으로는 균일한 분포를 가지는 것으로 나타났다. 이는 공기비가 상대적으로 적은 경우(공기의 유속이 상대적으로 느린 경우), 연소면의 끝 지점에서연소가 많이 진행되며 그 이후에는 벽면 쪽으로 확산이 많이 되기 때문이라 생각된다.
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