[논문]제트확산화염에서의 불활성기체 소화농도

지정훈; 이의주

문제 정의

본 연구에서는 기존의 컵버너가 아닌 일반 제트 확산화염 (NDF, normal diffusion flame)과 역확산화염 (IDF, inverse diffusion flame) 에서 여러가지 불활성기체의 화염소화농도를 실험적으로 구하였다. 그리고 WSR의 수치해석을 통해 불활성 기체의 화염 소화 온도가 일정하다는 가정을 도입하여 소화농도를 계산하고 실험결과와 비교하였다.

가설 설정

WSR모델에서는 정상상태를 가정하였고 CHEMKIN 3.0의 PSR 코드를 이용하였다";. 이 조건에서 방정식은 식 (1)과 (2)의 대수 방정식으로 간략화된다.
단열조건이라 가정하여。= 0으로 가정하였다. 그리고 상첨자 (*)은 입구조건을 의미한다.
그리고 WSR의 수치해석을 통해 불활성 기체의 화염 소화 온도가 일정하다는 가정을 도입하여 소화농도를 계산하고 실험결과와 비교하였다. 또한 자세한 화학반응을 도입하여 이산화탄소의 경우에 소화에 대한 화학적 효과를 정량적으로 비교하였다.
본 연구에서는 정상상태에서 확산 화염면은 완전 화학반응으로 연소된다는 가정과 화염 안정화에 요구되는 최소온도가 존재한다는 두 가지의 가정을 도입하였다. 이때 기준 최소 화염안정화 온도는 질소로 희석된 산화제의 실험결과를 사용하였고, 다른 불활성기체의 경우에도 이 온도를 기준으로 하여 화염소화를 결정하였다.
즉 불활성 기체를 산화제에 첨가하면 연소 반응열(heat of reaction)0] 반응에 참여하지 않는 기체의 온도를 상승시키는데 기여하므로 궁극적으로는 화염온도를 저하시키고 더 이상 안정한 연소상태를 유지할 수 없는 온도조건에서 화염 소화가 발생한다는 모델이다. 이때 안정한 화염 유지 최소온도의 결정은 평형상태를 가정하여 성공적으로 모델링되었다. 최근에는 완전혼합반응로(WSR well stirred reactor)에서 자세한 화학반응을 고려하여 소화약제의 소염농도를 추정하였다9.

제안 방법

실험에 사용한 연료와 산화제의 유속 조건은 Table 1에 도시하였다. Case 1과 2, 4와 5는 각각 산화제의 유속을 2배 증가시켜 유속차이가 화염 소화농도에 미치는 영향을 알아보았다.
기존의 컵 버너실험 2)의 경우 공기를 기반으로 하여 그 유량을 40 (L/miiO으로 고정시키고 불활성기체의 유량을 조금씩 증가시키는 방법을 취했기 때문에 산화 제의 전체적인 유속이 계속적으로 변하여 유속조건에 따른 화염소화농도의 측정이 불가능했다. 따라서 본 실험에서는 공기가 아닌 산소를 기반으로 하여 산소와 불활성기체의 전체 유량을 고정시킨 상태에서 그 조성만을 변화시켜가며 화염소화농도를 찾아보았다.
그리고 WSR의 수치해석을 통해 불활성 기체의 화염 소화 온도가 일정하다는 가정을 도입하여 소화농도를 계산하고 실험결과와 비교하였다. 또한 자세한 화학반응을 도입하여 이산화탄소의 경우에 소화에 대한 화학적 효과를 정량적으로 비교하였다.
수치해석을 통해 실험결과를 비교하고 여러 불활성기체의 소화농도를 예측하기 위해 WSR 모델을 도입하였다. WSR모델에서는 정상상태를 가정하였고 CHEMKIN 3.
반면 IDF에서는 가장 안쪽의 관에서 산화제를 분출하고, 다음 바깥쪽 관에서는 연료를 분사한다. 이 때, 환형의 연료제트 안쪽과 바깥쪽에서는 산화제뿐 아니라 주위 외부 공기가 만나 또 다른 화염(이중화염)이 생성되므로 질소를 가장 바깥쪽 관에서 흘려주어 안쪽의 화염만을 형성시키도록 하였다. 사용된 질소의 양은 화염을 안정화 시키는 영역 내에서 가장 작은 유량(5~ 12L/min)을 사용하여 화염에 대한 주위류의 영향을 최소화하였다.
제트의 분사형태와 유속에 따른 불활성 기체의 소화농도를 실험하기 위해 본 연구에서는 NDF과 IDF의 두 가지 제트화염을 이용하였다. NDFe 안쪽 관에서 연료가 나오고 바깥쪽 관에서 산화제가 나와 연료를 감싸는 형태로서 일반적인 제트 확산화염의 형태를 가지고 있다.
5mm 20mm, 30mm인 3중관 실린더형으로 제작하였고, 버블미터 (bubble meter)를 사용하여 검증된 질량유량계(MFC) 로 유량을 제어하였다. 초기의 화염 자체의 불안정성이 화염소화에 영향을 줄 수가 있으므로 순수 한불활성 기체의 농도에 의한 영향을 고려하기 위해서는 각 버너에서 연료와 산화제의 유속을 결정할 때 층류화염으로서 버너 팁에 잘 부착되어 있는 조건을 속도비로 채택하였다. Fig.

대상 데이터

연료는 순도 99.9%의 에틸렌(C₂H₄)을 이용하였고, 산화제는 산소에 N₂, Ar, CO₂를 첨가하여 화염의 특성과 소화농도를 계측하였다. 기존의 컵 버너실험 2)의 경우 공기를 기반으로 하여 그 유량을 40 (L/miiO으로 고정시키고 불활성기체의 유량을 조금씩 증가시키는 방법을 취했기 때문에 산화 제의 전체적인 유속이 계속적으로 변하여 유속조건에 따른 화염소화농도의 측정이 불가능했다.

이론/모형

초기의 화염 자체의 불안정성이 화염소화에 영향을 줄 수가 있으므로 순수 한불활성 기체의 농도에 의한 영향을 고려하기 위해서는 각 버너에서 연료와 산화제의 유속을 결정할 때 층류화염으로서 버너 팁에 잘 부착되어 있는 조건을 속도비로 채택하였다. Fig. 3에 NDF의 안정화 선도를 그려 안정한 영역에서 유속 조건을 채택하였고, IDF의 경우에는 같은 크기의 버너를 사용한 기존연구6)의 안정화선도를 이용하였다. 실험에 사용한 연료와 산화제의 유속 조건은 Table 1에 도시하였다.
화학반응에 사용한 상세 반응기구는 GRI 3.0를 이용하였다8). 이 반응기구는 비록 메탄공기의 산화 반응에 최적화되어 있지만, 본 연구에서 사용된 에틸렌에 대해서 온도비교만을 목적으로 하기 때문에 검증 없이 사용되었다.

성능/효과

1) 제트화염으로부터 기존의 컵버너 결과와 매우 유사한 불활성기체의 소염농도를 얻었고, 불활성기체의 MEC를 결정하는데 제트화염버너 등의 다양한 화염을 이용할 수 있다.
2) 최소소화농도는 연료와 산화제의 유속 차이뿐 아니라 화염의 형상에 따라 달라지므로 제트 화염의 경우에는 유속효과를 고려하여야 한다.
3) WSR의 반응기구를 이용하여 소염온도를 구하고 이 값이 일정하다는 가정을 통해 구한 소염 농도는 실험결과와 잘 일치되었다. 따라서 향후 화학반응 효과가 있는 소화약제의 예측에도 사용될 수 있다.
4) C₆의 경우에 열분해에 의한 화학적 효과가 매우 작고 주된 소화특성은 물리적 효과이다. 감사의 글 : 이 논문은 2007년도 정부 재원(교육인적자원부 학술연구조성사업 비)으로 한국학술진흥재단의 지원을 받아 연구되었음(KRF-2007-331-D00051).
NDF의 소염 농도가 기존의 컵버너 실험결과와 잘 일치하는 이유는 컵버너 화염은 NDF의 기하학적 특성을 가지고 있기 때문으로 판단된다. 따라서 제트확산 화염 버너를 사용하여 MEC를 측정하는 것이 가능하다고 판단된다.
이 때, 환형의 연료제트 안쪽과 바깥쪽에서는 산화제뿐 아니라 주위 외부 공기가 만나 또 다른 화염(이중화염)이 생성되므로 질소를 가장 바깥쪽 관에서 흘려주어 안쪽의 화염만을 형성시키도록 하였다. 사용된 질소의 양은 화염을 안정화 시키는 영역 내에서 가장 작은 유량(5~ 12L/min)을 사용하여 화염에 대한 주위류의 영향을 최소화하였다. NDF에서도 IDF과 결과 비교시 주위류 효과의 배제를 목적으로 유사한 유동조건을 만들어 주기 위해 질소를 흘려주었다.
5에 두 가지 형태 버너에서의 가장 안정된 화염의 실험값(Case 1과 Case 4)과 계산된 예측값을 도시하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 NDF의 경우에 보다 일치되는 결과를 얻을 수 있었고, IDF 은 전체적으로 계산값이 실험값보다 높은 소염 농도의 예측결과를 얻음을 볼 수 있다. 이것은 소염 농도가 화염의 형상과 산화제/연료유속에 따라 달라지기 때문으로 판단된다.
하지만, NDF과 IDF의 결과는 큰 차이가 존재함을 볼 수 있으므로버너의 형태에 따라서는 차이가 매우 큼을 알 수 있다. 한편, 불활성기체의 종류에 따른 화염 소화농도를 살펴보면 기존의 연구에서와 같이 불활성기체의 비열에 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났고, 비열이 가장 큰 COz의 소화능력이 가장 우수하다고 할 수 있다.

후속연구

기존 MEC 예측방법'과는 화염소화조건을 WSR 의 체류시간을 최소안정화 온도로 사용한 것에 차이점이 있으며, 수정된 새로운 방법은 향후 체류 시간을 독립적인 변수로 만들어 유동효과의 모사가 가능할 수 있을 것으로 기대된다.
실험결과와 잘 일치되었다. 따라서 향후 화학반응 효과가 있는 소화약제의 예측에도 사용될 수 있다.

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