[논문]수소 난류 확산화염에서의 선회류에 의한 배기배출물 특성

오정석; 윤영빈

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.3.275

수소 난류 확산화염에서의 선회류에 의한 배기배출물 특성
Characteristics of NOx Emission in a Swirl Flow in Nonpremixed Turbulent Hydrogen Jet with Coaxial Air 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.3 = no.294, 2010년, pp.275 - 282

오정석 (서울대학교 기계항공공학부) , 윤영빈 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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동축공기 수소 난류 확산화염에서 선회류가 NOx에 미치는 영향을 연구하였다. 공기와의 혼합을 증가시키기 위해 동축공기관에 스월러의 각도를 30, 45, 60, $90^{\circ}$로 바꾸어가며 화염길이와 질소산화물 배출수준을 측정하였다. 연료 속도를 85.7~160.2 m/s, 동축공기 속도는 7.4~14.4 m/s로 조절하였다. 실험을 통해 동축 공기 속도 증가에 따라 화염길이와 질소산화물 배출수준은 증가하였고, 회전류 증가에 따라 감소함을 관찰하였다. EINOx에 미치는 동축공기와 회전류 영향을 상사하기 위하여 far-field 개념의 유효직경($d_{F,eff}$)을 도입하여 동축공기와 선회류에 의한 혼합효과를 표현하였다. 질소산화물 배기배출지표는 화염체류시간(${\sim}{\tau_R}^{1/2.8}$)과 전체 신장률(${\sim}{S_G}^{1/2.8}$)에 영향을 받았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of swirl flow on NOx in a nonpremixed turbulent hydrogen jet with coaxial air was studied. The swirl vane angle was varied from $30^{\circ}$ to $90^{\circ}$. The fuel jet air velocity and coaxial air velocity were varied in an attached flame region as $u_F=85{\sim}160m/s$ and $u_A=7{\sim}14m/s$. The objective of the current study was to analyze the characteristics of nitrous oxide emission in a swirl flow and to propose a new parameter for EINOx scaling. The experimental results show that EINOx decreases with the swirl vane angle and increased with flame length. Further, EINOx scaling factors can be determined by considering the effective diameter ($d_{F,eff}$) in a far field concept. The EINOx increased in proportion to the flame residence time (${\sim}{\tau_R}^{1/2.8}$) and the global strain rate (${\sim}{S_G}^{1/2.8}$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

만약 화학반응이 평형상태로 일어난다면 생성물은 주입되는 반응물의 농도에 항상 비례하게 된다. 그러므로 본 연구에서는 선회류를 사용한 동축 공기를 사용하여 여기서 발생 되는 혼합효과와 신장효과를 유효직경의 개념에 사용하여 EINOx와의 상사법칙을 구하고자 한다.
본 연구에서는 선행연구^(3~6)에서 제안된 동축공기 수소제트 화염에서의 EINOx 상사인자를 선회류로 확장하여 적용해 보았다. 이때 수소난류확 산화염에서 공기와의 혼합을 증가시키기 위하여 동축 공기(coaxial air)에 스월러(swirler)를 사용하였다.
본 연구에서는, Fig. 4(a)~(e)에서 보듯, 단순 제트화염에 동축공기와 선회류를 사용하여 수소확산화염에 미치는 혼합효과(local premixing effect)와 신장효과(flame stretch effect)가 질소산화물 배출수준에 미치는 영향에 대하여 다루고자 한다. 질소산화물 배출수준이 가시화염 길이와 같은 화염의 거시지표와 상호 관련성을 가지는 이유는 배기배출물 생성 과정에서의 화학반응(chemical reaction)이 평형상태(equilibrium chemistry)보다는 유동에 의한 혼합효과, 화염면에서의 복사로 인한 열손실(radiation heat loss), 희석가스(dilution gas)에 의한 광학적 두께(optical thickness) 차이, 또는 반응영역의 두께변화(flame thickness variation) 등에 영향을 받아 비평형상태(non-equilibrium chemistry)에서 이루어지기 때문이다.
이때 수소난류확 산화염에서 공기와의 혼합을 증가시키기 위하여 동축 공기(coaxial air)에 스월러(swirler)를 사용하였다. 본 연구의 목적은 화염밑단의 구조변화와 질소산화물 수준을 측정함으로서 수소 확산화염의 배기배출특성을 규명하는 것이다.
수소와 동축 공기를 사용한 난류 확산화염에서 부상특성과 화염안정화 메커니즘을 연구하여 다음의 결론을 얻었다.

제안 방법

(2) EINOx에 미치는 동축 공기와 회전류 영향을 상사하기 위하여 far-field 개념의 유효직경 (d_F,eff)을 도입하여 기존 상사식에서 표현하지 못한 동축 공기와 선회류에 의한 혼합효과를 표현하였다.
그리고 측정된 NOx 농도를 질소산화물 배기배출지표(Emission Index of NOx)로 표현하기 위하여 연소기로 주입되는 주위류 공기의 양을 조절함으로서 전체 당량비(global equivalence ratio)를 φ G=0.5로 고정하였다.
연료와 동축 공기 노즐 둘레에는 주위류를 분사하기위한 허니컴이 설치되어있다. 동축 공기의 특성인 혼합효과를 증가시키기 위하여 동축 공기 공급관에 회전날개(swirl vane)를 장착하였다. 화염길이를 측정하기 위하여 디지털 카메라(Canon 20D mounted with a Canon EF 24-70 mm f/2.
, Kyoto, Japan)를 사용하여 측정하였다. 센서의 위치는 주위의 온도가 800 K 이하로 NO가 더이상 산소와 반응하지 않는 안정된 상태이고 유동의 반경방향으로의 NOx 농도 구배가 일정하여 위치별 NOx 측정 오차를 최대한 줄일 수 있는 배기관 후단으로 하였다.
연료 및 동축 공기 속도 변화와 회전날개 각도 (swirl vane angle)를 30, 45, 60, 90° 로 바꾸어가며 화염길이와 질소산화물 배출수준을 측정하였다.
연료 속도, 동축 공기 속도 및 선회류의 강도를 조절하여 화염 안정화 지도를 작성하였다(Fig. 3). 유동조건에 따라 부착화염지역(attached flame region), 부상화염지역(lifted flame region), 날림화염지역(blowout region)으로 구분할 수 있었다.
8L USM lens)를 사용하여 가시 화염 사진을 촬영하였다. 연소시 생성된 질소산 화물은 전자식 NOx 센서(Mega-720NOx, Horiba Co., Kyoto, Japan)를 사용하여 측정하였다. 센서의 위치는 주위의 온도가 800 K 이하로 NO가 더이상 산소와 반응하지 않는 안정된 상태이고 유동의 반경방향으로의 NOx 농도 구배가 일정하여 위치별 NOx 측정 오차를 최대한 줄일 수 있는 배기관 후단으로 하였다.
이러한 연료속도와 동축공기 속도와의 차이를 본 연구에서는 전체 신장률(global strain rate, SG=(uF-uA×sinθ)/dF,eff)로 정의하 였다.
본 연구에서는 회전된 동축 공기를 사용하여 화염밑단에서의 혼합효과와 신장효과를 증가하였으므로 혼합기의 상태가 부분 예혼합된 경우에 가깝다고 할 수 있다. 이러한 특성을 고려하여 본연구에서는 선행연구를 참고하여 EINOx 상사에 혼합효과를 반영한 상사인자로서 far-field 개념의 유효직경을 유도하였다.^(9,10) Far-field 개념을 사용한 연료와 공기 이중동축관의 유효직경 관계식은 아래의 식 (4)와 같다.
동축 공기의 특성인 혼합효과를 증가시키기 위하여 동축 공기 공급관에 회전날개(swirl vane)를 장착하였다. 화염길이를 측정하기 위하여 디지털 카메라(Canon 20D mounted with a Canon EF 24-70 mm f/2.8L USM lens)를 사용하여 가시 화염 사진을 촬영하였다. 연소시 생성된 질소산 화물은 전자식 NOx 센서(Mega-720NOx, Horiba Co.

대상 데이터

실험 장치는 연소기와 레이저 및 광학기기, 그리고 영상 취득 장치 등의 세 부분으로 구성되어 있다(Fig. 1). 수소난류확산화염이 형성되는 연소기의 크기는 가로와 세로 및 높이가 200×200×800 mm이고 연소기 가운데에는 내경, d_F=3.

이론/모형

5에서의 EINOx 배출결과에서 보듯 회전류에 의한 혼합효과와 신장효과는 화염의 거시지표(화염길이와 폭 및 배기배출물 수준)에 변화를 주게 된다. 이러한 회전류의 영향을 EINOx 상사에 적용하기 위하여 유효직경(effective diameter, d_F,eff)이라는 개념을 적용하였다.

성능/효과

(1) 동축 공기 속도 증가에 따라 화염길이와 질소산화물 배출수준은 증가하였고, 회전류 증가에 따라 감소하였다.
(3) EINOx는 화염체류시간(~τR 1/2.8)과 전체 신장률(~SG 1/2.8)에 영향을 받았다.
8)함을 알 수 있다. 즉 질소산화물 배출수준이 반응물이 화염내에서 체류하는 시간에 영향을 받는다는 것을 알 수 있고 이로서 수소화염에서의 질소산화물은 화염후단에서 주로 발생되는 열적 NOx 메커니즘에 크게 영향을 받는다는 것을 유추할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물 배출 지수는 무엇에 비례하는가?	Peter와 Donnerhack(1)에 따르면 질소산화물 배출 지수(EINOx)는 연소되는 연료의 질량유량과 반응영 역의 크기에 비례한다고 보고하였다. 또한 거대와류 구조가 화염길이(L)와 EINOx와도 상호 관련이 있음을 밝혔다.
	수소화염의 특징은?	수소는 청정연료로서 미래의 친환경적인 에너 지원으로 각광받고 있다. 그러나 수소화염은 연소시 높은 온도로 인하여 열적 NOx 생성 메커니 즘이 지배적으로 배기배출특성에 영향을 미치고 있다. 수소 확산화염의 경우 연소현상을 이해하 기위한 기초 연구로서 배기배출물에 미치는 인자 들에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다.
	질소산화물 배출 지수는 연소되는 연료의 질량유량과 반응영 역의 크기 외 어떤 요소와 관련이 있는가?	Peter와 Donnerhack(1)에 따르면 질소산화물 배출 지수(EINOx)는 연소되는 연료의 질량유량과 반응영 역의 크기에 비례한다고 보고하였다. 또한 거대와류 구조가 화염길이(L)와 EINOx와도 상호 관련이 있음을 밝혔다. 실험식은 아래의 식 (1)과 같다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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