[논문]Urea-SCR 시스템에서 유동혼합 개선을 위한 혼합기 형상에 관한 수치적 연구

이종욱; 최훈기; 유근종

Urea-SCR 시스템에서 유동혼합 개선을 위한 혼합기 형상에 관한 수치적 연구
NUMERICAL STUDY ON THE MIXER TYPES OF UREA-SCR SYSTEM FOR FLOW MIXING IMPROVEMENT 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.15 no.4 = no.51, 2010년, pp.9 - 16

이종욱 (창원대학교 대학원 기계설계공학과) , 최훈기 (창원대학교 기계설계공학과) , 유근종 (창원대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To alleviate NOx emission, a variety of approaches has been applied. In marine diesels, the application of SCR systems has been considered an effective exhaust aftertreatment method for NOx emission control. Most current SCR systems use a various catalyst for the reaction of ammonia with NOx to form nitrogen and water. In theory, it is possible to achieve 100% NOx if the $NH_3$-to-NOx ratio is 1:1. However, the reaction has a limited non-uniformity of the exhaust gas flow and ammonia concentration distribution. Therefore, it is necessary to investigate the optimum flow conditions. In order to achieve uniform flow at monolith front face, we are equipped with a various mixed devices. In this paper, it is presented that the mixed devices play an important role improvement of flow patterns and particle distributions of $NH_3$ by numerical simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 해석방법의 신뢰성을 확보하기 위해 분무형태 및 분무압이 본 연구의 경우와 유사한 Ryu 등[17]의 실험 결과와 비교하여 본 연구에 적용한 분무관련 모델들의 타당성을 검증하고자 한다.
본 연구에서는 이러한 모노리스 전단부에서의 유동의 불균일을 해소하기 위하여 배기관내에 각종 형상의 혼합기 (swirler, deflector plate 등)를 설치하였다. 이러한 혼합기가 모노리스전단면에서 유동의 편중을 완화시키는 정도를 수치해석을 통하여 구하였다.

가설 설정

분사된 요소수의 액적을 예측하기 위해 Eulerian-Lagrangian 방법을 사용하였다. SCR 시스템의 촉매층의 내부를 다공판( porous media)으로 가정하여 해석하였으며 모든 지배방정식의 잔차(residual)가 10^-4이하가 될 때까지 반복계산을 수행하였다.
미소제어체적으로 구성된 해석영역에서 지배방정식을 풀이 하기 위해서는 해석영역 내부 혹은 외부를 둘러싸는 경계에 대한 조건이 정해져야 한다. 따라서 해석영역을 둘러싸고 있는 면들 중 배관의 상류와 하류의 끝은 각각 입구와 출구로 지정하고, 배관과 촉매부분은 열전달이 없는 벽면으로 가정하였다. 해석조건은 배기가스 토출량이 120ℓ인 디젤엔진이 1000 rpm, 100 %에서 운전되는 경우의 배기가스의 유량, 온도와 동일한 조건에서의 공기로 가정하였다.
출구조건은 대기압을 기준 고정 압력으로 사용하였다. 촉매는 1차원 다공성 물질로 가정하였으며 식 (11)로 압력을 산출하고 이를 Porous 기법을 적용하였다[16]. 계산에 이용된 경계조건은 Table 3에 기술하였다.
따라서 해석영역을 둘러싸고 있는 면들 중 배관의 상류와 하류의 끝은 각각 입구와 출구로 지정하고, 배관과 촉매부분은 열전달이 없는 벽면으로 가정하였다. 해석조건은 배기가스 토출량이 120ℓ인 디젤엔진이 1000 rpm, 100 %에서 운전되는 경우의 배기가스의 유량, 온도와 동일한 조건에서의 공기로 가정하였다. 출구조건은 대기압을 기준 고정 압력으로 사용하였다.

제안 방법

Urea-SCR 시스템의 촉매입구에서 암모니아 농도분포 균일도를 향상시키기 위해 혼합기를 장착하여 그 효과를 수치해석을 통하여 분석한 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1과 같다. 노즐의 분사위치는 촉매입구로 부터 7D에 위치시켰으며 배기흐름과 같은 방향에 대하여 해석을 수행하였다.
스월러와 방해판(α=0.1)을 혼용해서 설치했을 경우에 대하여 해석을 수행하여 그 영향을 비교하였다.
본 연구에서는 이러한 모노리스 전단부에서의 유동의 불균일을 해소하기 위하여 배기관내에 각종 형상의 혼합기 (swirler, deflector plate 등)를 설치하였다. 이러한 혼합기가 모노리스전단면에서 유동의 편중을 완화시키는 정도를 수치해석을 통하여 구하였다.
혼합기는 모노리스 전단부의 유동 편중을 완화시키기 위하여 확장관 앞부분에 Deflector Plate(DP판)를 설치하여 유동의 패턴을 규명하였으며, 요소수와 배기가스와의 혼합을 돕기 위하여 swirler를 설치하였다. DP판 혼합기의 경우 형상은 반구와 유선형 2가지 형태를 선정하여 순방향(F), 역방향(R)으로 촉매입구로부터 2.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 디젤엔진은 750 KW의 출력으로 배기 가스 용량이 120ℓ정도이다. 배기가스는 397℃이며 1.

이론/모형

SCR시스템의 내부유동장에 대한 정량적인 해석을 위하여 유체기계의 내부유동과 성능의 해석에 많이 적용되고 있는 상용프로그램인 ANSYS CFX[14]을 이용하였다.
난류모델로서는 deflector 혼합기 후방으로 발달하는 2차 유동과 디퓨져에서 발생하는 박리에 대한 비교적 정확한 예측이 가능하다고 알려진 k-ω SST 모델을 사용하였다[15].
slip, 촉매의 수명과도 밀접한 관계를 가지고 있다. 본 연구에서는 Weltens[4] 등이 제안한 방법을 이용하여 농도분포 균일도는 식 (13)에 의해서 구해진다.
분사된 요소수의 액적을 예측하기 위해 Eulerian-Lagrangian 방법을 사용하였다. SCR 시스템의 촉매층의 내부를 다공판( porous media)으로 가정하여 해석하였으며 모든 지배방정식의 잔차(residual)가 10^-4이하가 될 때까지 반복계산을 수행하였다.
Table 4에는 본 연구에서 사용된 초기 분사 조건을 기술하였다. 분사에는 25℃의 요소수(32.5 wt%)가 사용되었고 노즐로부터 생성된 액적의 직경들은 Rosin-Rammler 분포함수[17]를 적용하여 나타내었다.

성능/효과

1. 혼합기 설치시 촉매입구의 향상된 농도균일도로 인해 배기가스 변환효율의 향상과 담체의 내구성 증가 등의 효과를 기대할 수 있다.
2. DP판의 경우 반구형, 타원(R), 타원(F)의 순으로 균일도가 증가하였으며 직경비 증가에 따라 농도균일도가 상승하였으나 압력강하도 증가하여 설계상 최적의 도출이 요구된다.
3. 스월러는 요소수와 배기가스의 혼합을 촉진시키며 스월수가 증가함에 따라 농도균일도 증가하였다.
6에 나타내어 비교하였다. DP판 장착 시 직경비가 증가하면 유동면적 감소로 인해 유속증가로 인한 압력강하가 상승하였으며 특히, 직경비 0.2일 때 증가 폭이 매우 크게 나타났다. 형상변화에 따른 영향은 직경비 변화에 따른 압력강하보다는 그 영향이 작지만 단면의 변화가 완만한 역타원형의 경우가 가장 적게 나타났다.
5 %증가하였다. DP판과 함께 설치했을 경우는 평균 3.6 %증가하여 그 영향이 미미한 것으로 나타났다. 이는 배관을 따라 열분해하지 못한 요소수는 관성에 의해 벽면으로 퍼지게 되어 DP판에 의해 충돌하여 발생하는 확산 효과가 스월러가 없는 경우와 비교해 미비하기 때문에 균일도에 영향이 미비하게 나타났다.
이는 분사된 액적이 높은 유속으로 인해 중심으로 집중 하여 흐르다 DP판에 의해 액적이 충돌하고 산란된 액적이 반경반향으로 퍼져 나갔기 때문이다. DP판이 설치된 경우 직경 비가 증가할수록 농도균일도가 증가하였으며 반구형, 타원형 (R), 타원형(F)의 순으로 나타났다. 반구형의 경우 직경비 0.
수치해석결과와 실험결과의 분무폭이 전반적으로 잘 일치하고 있으며, 본 연구에 적용된 분무모델이 신뢰성 있는 해석 결과를 보여줄 것으로 판단된다.
동일한 직경비에서 DP판의 형상변화는 유동의 균일도에 큰 영향을 주지 못함을 알 수 있다. 스월러 장착 시 스월강도에 따른 차이가 거의 나타나지 않았으며 혼합기 형태중 가장 작은 증가폭인 3 %상승하였다. 스월러와 DP 판을 혼용하였을 경우 스월러만 설치하였을 때 보다 유동균 일도가 평균 6.
스월러를 부착한 경우 블레이드의 개수가 증가할수록 스월의 강도 증가로 인해 농도분포 균일도가 증가 하였으며 블레이드 4개에서 8개로 늘어날 경우 26.5 %증가하였다. DP판과 함께 설치했을 경우는 평균 3.
스월러 장착 시 스월강도에 따른 차이가 거의 나타나지 않았으며 혼합기 형태중 가장 작은 증가폭인 3 %상승하였다. 스월러와 DP 판을 혼용하였을 경우 스월러만 설치하였을 때 보다 유동균 일도가 평균 6.9 %증가하였다.
형상변화에 따른 영향은 직경비 변화에 따른 압력강하보다는 그 영향이 작지만 단면의 변화가 완만한 역타원형의 경우가 가장 적게 나타났다. 스월러의 경우 스월계수 증가에 따른 압력강하는 미비하게 나타났으며 DP판과 혼합 구성시 스월러에 의한 유속의 감소로 인해 압력강하 증가는 정도는 미미하게 나타났다.
Hexa 격자로 구성하였으며 점성저층(viscous sublayer) 영역을 안정적으로 처리하기 위해 y⁺<10 이하로 구성하였다. 약 44만개를 기준으로 1.5배, 2배, 3배로 격자를 증가시켜 구성하여 최종 84만개로 격자를 구성하여 동일한 격자 독립성을 확보하였다.
8은 혼합기 설치에 따른 촉매입구에서의 농도분포 균일도를 비교하였다. 혼합기가 설치된 경우 없는 경우보다 높은 농도분포균일도 향상을 보였으며 반구형(d=0.2)에서 최대 22.7배 증가하였으며 타원형(R)에서 가장 낮은 8.55배 증가하였다. 이는 분사된 액적이 높은 유속으로 인해 중심으로 집중 하여 흐르다 DP판에 의해 액적이 충돌하고 산란된 액적이 반경반향으로 퍼져 나갔기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCR시스템의 모노리스 전단부에서의 유동의 편중현상으로 발생되는 문제점은?	배출되는 배기가스의 속도는 약 30 m/sec이상이므로 모노리스 전단부에서의 유동의 편중현상이 매우 심하게 발생된다. 이로 인하여 배기관내 분사되는 요소수는 잘 혼합 되지 못하고 배기관 중심에 집중되는 경향이 있으며 이는 촉매의 수명과 NOx 변환성능에 악 영향을 끼친다[7].
	디젤엔진의 장점은?	디젤엔진은 가솔린 엔진에 비하여 열효율이 높고 토오크 성능이 우수하므로 운송용 엔진으로 많이 사용되고 있다. 특히 선박과 같이 아주 큰 동력을 필요로 하며 연비 및 운용상의 비용을 고려하면 디젤엔진이 절대적이다. 하지만 디젤엔진은 인체에 유해한 대기오염물질(대표적으로 PM, NOx)을 다량으로 배출하는 단점이 있다.
	디젤엔진의 단점은?	특히 선박과 같이 아주 큰 동력을 필요로 하며 연비 및 운용상의 비용을 고려하면 디젤엔진이 절대적이다. 하지만 디젤엔진은 인체에 유해한 대기오염물질(대표적으로 PM, NOx)을 다량으로 배출하는 단점이 있다.

참고문헌 (17)

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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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