This study was conducted to investigate the flow and combustion characteristic of the experimental burner which was manufactured for the reflection of the oven and broil burner features. As slot shape, spacing between slots, and slot arrangement of the exit area which emits the mixing gas are differ...
This study was conducted to investigate the flow and combustion characteristic of the experimental burner which was manufactured for the reflection of the oven and broil burner features. As slot shape, spacing between slots, and slot arrangement of the exit area which emits the mixing gas are different in case of oven burners and broil turners, the purpose of this study is to know the affection of the flame interaction and combustion characteristic according to the change of shape factors such as slot shape, slot arrangement, and slot-to-slot spacing. With no relation of the slot shape, as the spacing between slots became narrow, the occurrence of a lift-flame was delayed. So the combustion was possible in the leaner region, but the appearance of yellow-tip became a little fast. Slit slot port had the broadest operating range among the other slot shapes. Specially, from the side of lift-flame, as the jet that spreads downstream in the longitudinal slot was nearly circular just a few slot lengths away from the orifice, slot-to-slot spacing of the Slit port was closer than the other ports. These results could be expected through the computer numerical method and had a good agreement. As the spacing between slots increased, in case of Slit and Mix port, NOx emission rate was constant or decreased, but the NOx emission of Hole port was increased. CO emission rate of Slit and Hole port was increased as the slot-to-slot spacing was broadened.
This study was conducted to investigate the flow and combustion characteristic of the experimental burner which was manufactured for the reflection of the oven and broil burner features. As slot shape, spacing between slots, and slot arrangement of the exit area which emits the mixing gas are different in case of oven burners and broil turners, the purpose of this study is to know the affection of the flame interaction and combustion characteristic according to the change of shape factors such as slot shape, slot arrangement, and slot-to-slot spacing. With no relation of the slot shape, as the spacing between slots became narrow, the occurrence of a lift-flame was delayed. So the combustion was possible in the leaner region, but the appearance of yellow-tip became a little fast. Slit slot port had the broadest operating range among the other slot shapes. Specially, from the side of lift-flame, as the jet that spreads downstream in the longitudinal slot was nearly circular just a few slot lengths away from the orifice, slot-to-slot spacing of the Slit port was closer than the other ports. These results could be expected through the computer numerical method and had a good agreement. As the spacing between slots increased, in case of Slit and Mix port, NOx emission rate was constant or decreased, but the NOx emission of Hole port was increased. CO emission rate of Slit and Hole port was increased as the slot-to-slot spacing was broadened.
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문제 정의
본 연구에서는 가스오븐레인지 버너에서 사용되는 오븐 버너와 브로일 버너의 형상 요소가 화염의 유동과 연소 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴보았다. 슬롯 간의 간격과 슬롯 형상, 그 배열의 변화에 따라 안전 운전영역과 배기 배출물을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 따라 본 연구의 목적은 시중에 판매되는 가스오븐레인지의 버너 형상을 기준으로 버너 슬롯의 형상, 슬롯 사이의 간격, 슬롯 배열 변화를 나타낼 수 있는 실험용 버너를 제작하여 형상 요소의 변화에 따른 연소 특성 과 배 기배출물과 운전영역을 살펴 보고 포트에 따른 화염 간섭 이 이들에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하여 가스오븐레인지를 위한 다중 슬롯 버너의 설계에 있어 기초 자료를 마련하고자 하였다.
제안 방법
휘염한계(yellow tipping limit)는 연료를 고정시킨 상태에서 공기의 양을 줄여가면서 포트 둘레의 모든 화염들의 끝에서 휘염 선단이 발생하는 시점을 말하며, 부상 화염 한계(lift-flame limit)는 연료를 고정 시 킨 상태에서 공기의 양을 늘여가면서 포트 둘레의 화염 중 어느 하나라도 포트에서 불려져 나가면서 화염의 부상이 발생하는 시점이다.(心, 본 연구에서는 전체 화염 중 3개의 슬롯에서 화염이 부상하기 시작하는 시점을 부상화염이 발생하는 시점이라 정하였고 휘염의 경우 각각의 슬롯에서 분출되는 화염이 하나로 합쳐져 그 끝단에서 황 염이 나타날 때를 휘염이 발생하는 시점으로 선택하였다. 연료의 유량을 0.
슬롯 5개로 이루어진다. 각각의 모양에 대해 슬롯 사이의 간격(slot-to-slot spacing)을 다르게 하여 특성을 파악하였고 혼합기체가 분출되는 총면적은 동일시하였다.
연소기에 공급되는 공기는 압축기를 사용하여 45m의 고압호스를 통하여 연소기의 예 혼합챔버로 공급되어진다. 고압호스 사이에 실리카겔(silicagel)을 사용하여 공기의 수분을 제거하였다.
그리고 운동량 해석을 위해 난류 유동 해석올 위한 방정식을 포함하였다.
다중 분류 화염 내에서의 유동 특성을 파악하기 위해 상용 유동 해석 프로그램인 Fluent를 이용하여 슬롯 사이의 간격, 슬롯 형상 변화에 따른 특징을 살펴보고 운전 영역에서 나왔던 결과와 비교해 보았다.
당량비를 결정하는 이론 화학 평형식과 분자량, 온도에 따른 밀도, 점성계수의 변화 등을 살펴 적절한 당량비를 구한다. 탄화 수소계 연료의 이론 화학 평형식은 다음과 같다.
배기가스 중의 NOx 농도와 CO의 농도를 측정하기 위해서 A&D 사의 A&D 9000 series gas analyze system을 이용하여 배기가스 분석을 수행하였다. 배기가스를 포집하기 위하여 후드를 ANSI 규격에 따라 제작하였으며, 후드의 상단에 샘플링 프루브를 꽂았다.
배기가스를 포집하기 위하여 후드를 ANSI 규격에 따라 제작하였으며, 후드의 상단에 샘플링 프루브를 꽂았다. 스테인리스 샘플링 프루브는 프루브의 과열을 막기 위해 샘플링 튜브외측에 수냉식 2중관을 설치하였다.
스테인리스 샘플링 프루브는 프루브의 과열을 막기 위해 샘플링 튜브외측에 수냉식 2중관을 설치하였다. 본 실험에서 가스 분석기는 5분의 안정화 시간을 통하여 얻어진 배기가스를 분석하였다.
본 실험에서의 조건은 연료를 0.4 [slpm], 0.8 [splm], 1.2 [slpm]으로 변화하고 당량비는 2로 고정한 상태에서 모든 슬롯에 대하여 배기배출물-일산화탄소 (CO) 와 질소산화물 (NOx) 을 측정하였다.
시뮬레이션 결과에서 버너 후류로부터 혼합 기체가 분출되는 방향으로 1-D 속도를 분석하여 슬롯 사이에서 유동의 간섭으로 인해 역순환이 일어나는 지점, 유동의 정체 영역이 형성되는 합체 점을 파악하였고, 각각의 화염이 하나의 화염으로 나타나기 시작하는 결합점을 분석하였다.
실제 실험에 사용된 버너를 모델링하여 Slit 형태의 포트의 크기와 슬롯 사이의 간격의 변화에 따른 유동 특성을 파악했고 슬롯 형상 변화에 따른 유동을 파악하기 위해 Hole 형태와 Mix 형태의 포트를 모델링하였다. 해석을 위해 짜여진 격자는 약 35만개이며, 해석 시간 절약을 위해 symmetry를 이용해 geometry를 형성하였다.
그리하여 Hole만으로 이루어진 포트, Slit으로만 이루어진 포트, 그리고 Hole과 Slit이 혼합되어 있는 포트(본 연구에서 Mix포트라 명함) 이와 같이 3가지의 형태의 포트로 크게 나눌 수 있다. 앞에서 언급한 실험 장치를 이용해 안전 운전 영역, 배기배출물을 측정하고 상용프로그램인 Fluent를 이용하여 운전영역 평가에 대한 근거를 제시하였다.
(心, 본 연구에서는 전체 화염 중 3개의 슬롯에서 화염이 부상하기 시작하는 시점을 부상화염이 발생하는 시점이라 정하였고 휘염의 경우 각각의 슬롯에서 분출되는 화염이 하나로 합쳐져 그 끝단에서 황 염이 나타날 때를 휘염이 발생하는 시점으로 선택하였다. 연료의 유량을 0.4[slpm], 0.8[slpm], 1.2[slpm]로 변화하면서 모든 포트에 대해 안전 운전 영역을 평가하였다.
운전 영역은 기본적으로 휘 염 이나 부상화염 이 발생하지 않는 안정한 영역을 칭하며, 본 실험에서는 이를 확인하기 위하여 각 포트에 대해 공급 열량을 변화시켜가면서 휘염과 부상화염이 발생하기 시작하는 당량비를 측정하여 과잉 산소비로 나타내었다. 휘염이 상대적으로 농후한 당량 비에서 발생하고, 부상화염이 상대적으로 희박한 당량 비에서 발생할수록 버너의 안전 운전 영역은 넓어져서 안정한 화염을 구현할 수 있는 최소 연료의 유량에 대한 최대 연료의 유량비인 전환비 (turn-down ratio)가 커지게 된다.
당량비 는 연소속도, 화염 안정성 , 배기 배출물 등에 직접적으로 영향을 미치는 요소로써 연소 현상을 파악 할 수 있는 가장 중요한 인자이다. 위에서 이론적으로 당량비에 따른 공기와 가스의 유량을 구하여 안전 운전 영역을 평가하기 위하여 MIP를 이용하여 공기와 가스의 양을 조절하였다.
2는 본 실험에 사용된 포트의 모든 종류를 나타내고 있다. 이 포트들이 Fig. 1(a)에 보이는 버너 상부에 결합되면서 형상 요소에 따른 다중 제트 버너의 연소특성을 살펴보았다.
현재 상용중인 가스오븐레인지에서 연료가 공급되는 방식은 노즐로부터 나오는 가스의 높은 분사 속도와 주위 공기사이의 속도 차에 의하여 주위 공기가 빨려 들어가는 경우의 부분 예 혼합성격을 띠지만, 이와 같은 경우에 있어서는 당량 비의 조절이 힘들므로 이를 용이케 하기 위하여본 실험에서는 예혼합 챔버를 만들어 사용하였다. 예혼합 챔버에서는 공기와 가스의 혼합이 보다 잘 이루어지게 하기위해서 가스를 양쪽으로 공급하고 공기를 챔버의 접선방향으로 공급하였다.
대상 데이터
공기와 연료의 유량을 조절하기 위해서MFC(mass flow controller, LOKAS사) 장치를 사용하였다. 연소기에 공급되는 공기는 압축기를 사용하여 45m의 고압호스를 통하여 연소기의 예 혼합챔버로 공급되어진다.
본 실험에 사용된 포트는 원형모양의 슬롯 5 개, 사각모양의 슬롯 5개, 원형과 사각모양이 혼합된 슬롯 5개로 이루어진다. 각각의 모양에 대해 슬롯 사이의 간격(slot-to-slot spacing)을 다르게 하여 특성을 파악하였고 혼합기체가 분출되는 총면적은 동일시하였다.
본 연구를 수행하기 위한 실제 가스오븐레인지에서 사용되는 오븐버너와 브로일버너의 형상을 변형 시켜 포트를 교체할 수 있는 방식으로 제작한 실험용 버너를 사용하였다.
위의 식에서 평형식을 세울 수 있고, 이에 따라 생성물과 반응 공기의 몰(mole)수가 주어진다. 본연구에 사용되어진 가스는 메탄으로 그 조성은 CH4 99.9%이고, 고위발열량은 55260kJ/kg이다. 위의 관계로 a와 X, y는 x=l, y=4, a=2임을 알 수 있다.
연료는 분석의 용이함을 위하여 순도 99.9%의 메탄을 사용하였고 배기가스를 포집하기 위하여 ANSI 규격에 따라 제작한 후드를 사용하여 가스 분석기를 통해 배기배출물을 측정하였다.
포트를 모델링하였다. 해석을 위해 짜여진 격자는 약 35만개이며, 해석 시간 절약을 위해 symmetry를 이용해 geometry를 형성하였다. 입구 부분에서 연료 유량은 0.
성능/효과
슬롯 간의 간격과 슬롯 형상, 그 배열의 변화에 따라 안전 운전영역과 배기 배출물을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 부상화염은 슬롯 간의 간격이 넓어짐에 따라 더욱 농후한 영역에서 발생하며 슬롯 사이의 간격과 유량에 의한 속도에 많은 영향을 받는다. 반면, 휘염의 경우 슬롯 간의 간격이 넓어짐에 따라 더욱 농후한 영역에서 발생하나, 차이는 미비하며 간격이나 유량보다는 화염이 취할 수 있는 공기량에 많은 영향을 받는다.
(2) 일산화탄소의 배출량 측면에서 볼 때, Slit 포트와 Hole 포트에서는 간격이 증가함에 따라 일산화탄소 배출량은 증가했으나 Mix 포트에서는 그 양이 감소하였다.
(3) 질소산화물의 배출량 측면에서 볼 때, 슬롯 사이의 간격이 넓어짐에 따라 Slit형 포트와 Mix 형 포트에서는 질소산화물의 배출량이 일정하거나 약간 감소함을 보였다.
(4) 컴퓨터 시뮬레이션 해석 결과, Slit형 포트에서 슬롯 사이의 간격이 넓어짐에 따라 합체 점과 결합점이 늦게 형성되었다. 또한 Slit형 포트가 다른 두 포트에 비해 합체점과 결합점이 빨리 생성되었다.
Slit 형태의 포트와 Hole 형태의 포트에서는 간격이 증가함에 따라 일산화탄소의 배출량은 증가함을 나타내었다. 이는 혼합 기체가 분출되는 슬롯의 간격이 멀어지면서 화염 간의 간섭이 줄어들고 이로 인해 화염이 불안정해지기 쉽기 때문일 것으로 생각된다.
그래프 상에서 S/De 수가 적은 것이 Slit 형상 포트이고 차례로 Mix 형상 포트, Hole 형상 포트 순이다. 결과에서 보는 바와 같이, Slit 형태 포트가 다른 두 포트에 비해 넓은 운전 영역을 확보하는 것을 볼 수 있다. Slit 포트가 다른 두 포트보다 넓은 운전 영역을 확보할 수 있는 이유는 포트로부터 분출되는 혼합기체의 유동으로 확인할 수 있다.
반면 휘염 발생 측면에 있어서는 슬롯 사이의 간격이 작아지면서 화염 사이에서 화염이 확보할 수 있는 공기의 양이 작아지고 이로 인해 휘염이 희박한 영역에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 유량이 증가함에 따라 전체적인 혼합 기체의 속도 증가로 인해 부상 화염 시점이 빨라져 운전영역은 좁아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 유량 증가로 인한 포트의 혼합 기체 출구부의 속도증가로 인하여 발생되는 것으로 사료된다.
위의 결과를 통해 슬롯 사이의 간격 변화와 유량에 따라 부상화염 시점과 휘염 발생 시점이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 부상 화염의 경우, 슬롯 사이 간격과 유량의 변화에 따라 많은 영향을 받았으나 휘염의 경우 그 영향이다소 미비함을 알 수 있었다.
이는 슬롯 간의 간격이 넓어짐에 따라 각 화염이 취할 수 있는 공기량이 증가하므로 완전연소 할 수 있는 확률이 많아 졌다고 볼 수 있다. 위의 두 슬롯과 상반된 결과를 보이는 것은 비록 실험 조건이 포트의 간격을 변화시킨 것이라 해도 포트의 형상 변화가 포트의 간격 외에도 다른 변수로 작용하고 있음을 보여주고 있으며, 형상에 따라 간격의 변화가 미치는 영향이 다르다는 것을 나타내고 있다.
5는 Slit형태의 포트에서 S/De에 따른 부상 화염 한계와 휘염 선단 한계를 보여주고 있다. 유효 직경은 동일한 상태에서 슬롯 사이의 간격이 작아짐에 따라, 즉 S/De 수가 작아 질 때, 더욱 희박(lean)한 영역에서도 부상 화염이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 그러한 조건에서 상대적으로 농후(rich)하지 않은 영역에서 휘 염이 발생하는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 모든 시뮬레이션 결과는 실험으로 평가한 운전 안전 영역과 아주 잘 일치함을 보이고 있다. 이런 결과를 통해 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 각각의 포트 조건의 유동 특성에 대한 경향을 분석할 수 있음을 알 수 있다.
슬롯 간격이 멀어짐에 따라 합체점과 결합점이 늦게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉 합체점이후 두 제트간에 활발한 혼합이 이루어짐을 미루어 볼 때, 간격이 멀어질수록 유동 간의 간섭이 적다는 것을 알 수 있다. 또한 결합점이 늦게 나타나므로 간격이 좁은 곳에서 보다 희박한 영역에서 연소가 이루어질 수 있으나, 덜 농후한 영역에서 휘염이 발생할 수 있다는 것을 짐작할 수 있다.
후속연구
1990년대 중반 15 만대 정도 보급되었던 가스오븐레인지는 올해 약 25만대의 판매를 예상하고 있다. 또한 스마트 홈 (smart home) 시대의 도래와 신축 아파트 입주자를 대상으로 한 빌트인(built-in) 방식의 보급률로 가스오븐레인지 시장은 더욱 확대될 것으로 기대하고 있다.
참고문헌 (20)
Jones, H. R. N., 1989, 'The Application of Combustion Principle to Domestic Gas Burner Design,' IBritish Gas/E&FN Spon, London
Junus, R., Stubington, J. F. and Sergeant, G. D., 1994, 'The Effects of Design Factors on Emissions from Natural Gas Cooktop Burners,' International Journal of Environmental Studies, Vol. 45, pp. 101-121
Junus, R., Vierkant, J. E., Stubington, J. F., Sergeant, G. D. and Tas, I., 1998, 'The Effects of the Design of the Cap of a Naturally Gas-Fired Cooktop Burner on Flame Stability,' International Journal of Energy Research, Vol. 22, pp. 175-184
Stubington, J. F. and Zou, W., 2000, 'Efficient Low-Emission Burners for Natural Gas Domestic Cooktops,' Journal of the Institute of Energy, Vol. 73, pp. 35-42
Stubington, J. F., Beashel, G., Murphy, T., Junus, R., Ashman, P. J. and Sergeant, G. D., 1994, 'Emissions and Efficiency from Production Cooktop Burners Firing Natural Gas,' Journal of the Institute of Energy, Vol. 67, pp. 143-155
Yung-Chang Ko and Ta-Hui Lin, 2003, 'Emissions and Efficiency of a Domestic Gas Stove Burning Natural Gases with Various Compositions,' Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 3001-3014
Kwok, L. C., Leung, C. W. and Cheung, C. S., 2005, 'Heat Transfer Characteristics of an Array of Impinging Pre-Mixed Slot Flame Jets,' International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp. 1727-1738
Dong, L. L., Leung, C. W. and Cheung, C. S., 2003, 'Heat Transfer of a Row Three Butane/Air Flame Jets Impinging on a Flat Plate,' International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46, pp. 113-125
Shuhn-Shyurng Hou and Yung-Chang Ko, 2004, 'Effects of Heating Height on Flame Appearance, Temperature Field and Efficiency of an Impinging Laminar Jet Flame Used in Domestic Gas Stove,' Energy Conversion and Management, Vol. 45, pp. 1583-1595
Dupont, V., Pourkashanian, M., Williams, A. and Woolley, R., 1992, 'The Reduction of NOx Formation in Natural Gas Burner Flames,' Fuel, Vol. 72, NO. 4, pp. 497-503
Stephen R. Turns, 1996, 'An Introduction to Combustion,' McGraw-Hill Companies
Sogo, S. and Hase, K., 1998, 'Study of Blowoff at a Multiple Slit Burner,' Annual technical report digest, Vol. 8
Gaydon, A. G., 1974, 'The Spectroscopy of Flames,' Chapman and Hall, London
Stubington, J. F., Sergeant, G., Junus, R., Beashel, G., Murphy, T., Ashman, P. and Tas, I., 1995, 'Methodology for the Simultaneous Measurement of Emissions and Efficiency for Natural Gas-Fired Cooktop Burners,' International Journal of Environmental Studies, Vol. 48, pp. 117-133
Mostafa, A.A., Khalifa, M.M. and Shabana, E.A., 2000, 'Experimental and Numerical Investigation of Multiple Rectangular Jets,' Experimental Thermal and Fluid Science, 21, pp. 171-178
Charles S. McEnally, Umit O, Koylu, Lisa D. Pfefferle and Daniel E. Rosner, 1997, 'Soot Volume Fraction and Temperature Measurements in Laminar Nonpremixed Flames Using Thermocouples,' Combustion and Flame, Vol. 109, Issue 4, pp. 701-720
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