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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 고온 · 고압 연소장을 갖는 정적용기 내에 C중유 에멀젼 연료를 분사시켜 연소특성을 파악함으로써 에멀전 연료에 대한 보다 확실한 근거를 제시하고 실제 엔진에 대한 적용에 실질적인 근거를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 교반된 C중유 에멀젼 연료 중 물입자의 크기를 측정하기 위하여 Keyence사의 VM-5500을 사용해서 사진 촬영하여 임의의 500개의 물 입자를 선택, 현미경 사진을 분석하였고, 함수율과 관계없이 에멀젼 연료 중의 물입자의 크기는 수㎛∼25㎛의 분포를 보였다.
- 연소실 측면에 설치된 3개의 광센서로서 연료의 연소상태와 화염강도를 측정하였고, 연소실 내의 압력 및 온도의 변화를 측정, 열발생률을 계산하였다. 또한 고속 디지털 카메라(2000장/초)를 설치하고 석영관측 창을 통하여 연소실 내부를 촬영하여, 착화지연시간, 후연소 기간 등을 측정하였다. 실험의 분사노즐의 직경은 0.
- 또한 고속 디지털 카메라(2000장/초)를 설치하고 석영관측 창을 통하여 연소실 내부를 촬영하여, 착화지연시간, 후연소 기간 등을 측정하였다. 실험의 분사노즐의 직경은 0.20mm의 한 종류를 사용하였고, 에멀젼화된 C중유는 열로 인하여 분리 시간이 극히 빠르기 때문에 첨가제를 사용하지 않으면 실험의 신빙성을 신뢰하기 어렵기 때문에 미량의 첨가제를 첨가하였다. 첨가제의 특성을 Table 1에 표시하였다.
- 사용연료는 실제 선박기관에서 이용되고 있는 C중유와 함수율 10%, 20% 및 30%(v/v) 에멀젼 연료에 대하여 실험하였으며, 분사실험 전에 각각의 연료유 분석을 시행하였다. 에멀젼 연료의 유수분리를 방지하기 위한 첨가제의 양은 전체 에멀젼 연료유의 0.3%(v/v)를 첨가하였고, 20분 동안 교반 후, 정적연소실에 노즐 분사 시켰다. 단, 본 실험 전의 보조 실험에서 모든 에멀젼 연료에 대하여 교반 후 1일, 7일, 15일, 30일 후의 변화 과정을 검토 하였으나, 모든 종류에서 분리된 양상은 발견되지 않았다.
- 연소가시화 장치(Optic Combustion Analyzer, OCA)[5]의 연소실 내경은 100mm, 높이 330mm의 원통형으로 제작되었다. 연소실 측면에 설치된 3개의 광센서로서 연료의 연소상태와 화염강도를 측정하였고, 연소실 내의 압력 및 온도의 변화를 측정, 열발생률을 계산하였다. 또한 고속 디지털 카메라(2000장/초)를 설치하고 석영관측 창을 통하여 연소실 내부를 촬영하여, 착화지연시간, 후연소 기간 등을 측정하였다.
- 연소실내의 온도는 684K, 720K, 900K, 1008K의 조건하에서 33MPa의 압력으로 분사하였으며, 각각의 연료유의 동점성을 확보하기 위하여 각각의 연료와 연료 관을 가열하여 분사노즐에서의 연료분사온도를 92~95℃가 되도록 일정하게 유지하였다. 또한 정적연소실 내의 압력은 각각의 온도조건에서 1.
- 이때 과잉산소의 양은 연소 후에 남게 될 산소의 비율이 21%가 되도록 조절하였다. 이렇게 생성된 연소실 분위기 가스의 조성은 CO2와 증기, 질소, 산소만을 고려하여 이상기체 상태 방정식을 적용, 연소실의 온도를 구하였다. 에틸렌의 연소로 형성된 분위기 가스는 연소실 외부의 열교환으로 인하여 열손실이 발생하게 되고 압력이 하강 하는데, 목표 압력과 온도가 일치 할 때 시험연료를 분사시켜 자발착화 확산연소를 유도하였다.
- 최초 정적연소실 내부에 과잉산소를 함유한 예혼합 가스를 충전하고, 불꽃 점화로 에틸렌을 연소시킴으로서 용기내의 압력과 온도를 높였다. 이때 과잉산소의 양은 연소 후에 남게 될 산소의 비율이 21%가 되도록 조절하였다.
대상 데이터
- 에틸렌의 연소로 형성된 분위기 가스는 연소실 외부의 열교환으로 인하여 열손실이 발생하게 되고 압력이 하강 하는데, 목표 압력과 온도가 일치 할 때 시험연료를 분사시켜 자발착화 확산연소를 유도하였다. 사용연료는 실제 선박기관에서 이용되고 있는 C중유와 함수율 10%, 20% 및 30%(v/v) 에멀젼 연료에 대하여 실험하였으며, 분사실험 전에 각각의 연료유 분석을 시행하였다. 에멀젼 연료의 유수분리를 방지하기 위한 첨가제의 양은 전체 에멀젼 연료유의 0.
- Figure 1은 실험에 사용된 정적연소실의 개략도이다. 연소가시화 장치(Optic Combustion Analyzer, OCA)[5]의 연소실 내경은 100mm, 높이 330mm의 원통형으로 제작되었다. 연소실 측면에 설치된 3개의 광센서로서 연료의 연소상태와 화염강도를 측정하였고, 연소실 내의 압력 및 온도의 변화를 측정, 열발생률을 계산하였다.
성능/효과
- 1. 함수율의 증가는 모든 분사 조건에서 연소실의 압력 증가 폭을 감소시켰고, 압력 감소폭은 거의 일정하였다.
- 2. 최고 열발생율은 저압 · 저온 분사조건에서 함수율의 증가에 따라 증가하였고, 고압 · 고온 분사 조건으로 접어들면서 착화지연기간이 감소함에 따라 거의 증가하지 않았다.
- 3. 착화지연기간은 저압 · 저온의 분사조건일 경우 함수율이 증가 할수록 증가했는데, 고압 · 고온의 경우에는 함수율의 변화에 영향을 거의 받지 않았다.
- 4. 후연소기간은 C-중유연소에 비하여 에멀젼 연료 연소가 짧지만, 함수율의 증가가 후연소 기간에 미치는 영향은 아주 작았다.
- C중유만의 연소와 에멀젼 연료의 연소를 비교하면 에멀젼 연료의 연소가 후연소 기간이 짧았고, 함수율의 증가에 따라 후연소 기간은 짧아졌다. 이것은 함수율이 증가할수록 에멀젼 연료 중에 포함된 연소가능성분이 감소하여 열발생량 또한 감소하였고, 결국, 후연소기간이 감소하였다고 판단된다.
- 3%(v/v)를 첨가하였고, 20분 동안 교반 후, 정적연소실에 노즐 분사 시켰다. 단, 본 실험 전의 보조 실험에서 모든 에멀젼 연료에 대하여 교반 후 1일, 7일, 15일, 30일 후의 변화 과정을 검토 하였으나, 모든 종류에서 분리된 양상은 발견되지 않았다.
- 에멀젼 연료의 밀도는 C중유의 밀도와 물의 밀도에 의하여 결정되기 때문에, 물의 양이 증가할수록 밀도는 증가했다. 또한 동점성과 유동점은 함수율이 증가할수록 높게 나타났는데, 에멀젼 연료 중에 분포된 작고 무수한 물입자간의 마찰 및 충돌의 증가가 영향을 미쳤다고 생각된다. 이러한 에멀젼 연료에서 동점성과 유동점의 증가는 연료의 가열로서 어느 정도 방지할 수 있지만 완전한 뉴톤유체의 성질을 갖기는 어렵다고 판단된다.
- 또한 연소실 압력의 평균 하강비율은 함수율 10%, 20% 30%에 대하여 각각 86.917%, 77.515%, 65.424%로, 실제 선박의 디젤기관 적용에 있어서 연료소비율의 증가 또는 감소의 문제가 제기되지만, 어느 정도 출력저하가 예상된다. 그러나 이러한 출력저하는 실린더 내의 온도 저하를 이끌어 배기가스에 저감, 특히 NOX의 저감에 효과가 있을 것으로 생각된다.
- Figure 2은 정적연소실내의 압력을 나타낸다. 모든 온도조건에 대하여 함수율의 증가는 연소실내의 압력증가폭을 감소시켰는데, C중유 대비 에멀젼 연료 발열량 감소율과 압력 하강율을 비교했을 때 5% 이내의 차이로 거의 같은 하강율을 나타내었다. 따라서 이러한 일정한 연소실 압력 하강은 수분의 잠열이 미연소 연료를 증가시킨 것이 아닌, 함수율의 증가로 인한 연료의 발열량 감소가 원인으로 생각된다.
- Table 2는 C중유와 에멀젼 연료의 분석결과를 나타내었다. 밀도, 동점성, 유동점, CCAI(Calculated Carbon Aromaticity Index)는 증가하는 반면, 인화점과 발열량은 감소하였다. 여기서 CCAI는 식 (1)에 의하여 구해진다.
- 착화지연기간의 증가는 단위 몰당 44MJ을 흡수하여 기상의 증기가 되는 물입자의 영향으로 생각된다. 즉, 주변의 분위기 온도가 높을수록 열의 흡수가 빨라졌고, 예혼합 연소기간이 짧아졌으며, 자연적으로 착화지연 기간은 짧아졌다고 판단된다. 이와 같이 연소실 온도의 상승은 에멀젼 연료의 연소에 매우 중요한 요소로서 작용하며, 에멀젼 연료를 사용하는 실제 디젤기관에서도 연료분사 시점을 결정짓는 중요한 요소가 될 것으로 예상된다.
- 화염의 길이는 C중유만의 연소보다 함수율 10%, 20%의 길이가 더욱 길었지만, 30%의 경우 급격히 작아졌다. 함수율의 증가는 노즐에서 분사된 연료입자가 수분의 잠열로 인하여 연료의 전 연소까지 걸리는 시간이 길어져 화염의 길이를 성장시킨 것으로 추정된다.
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