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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 초음파에너지 부가에 의한 유화연료를 제조하여 유화연료의 물리 화학적 특성 및 분무특성 분석에 중점을 두어 다음과 같이 수행하였다. 첫째, 연료 분사노즐의 형상변화에 따라서 유화연료와 순수경유의 평균 분무입경을 비교·분석하였다.
- 본 실험에서 사용한 분사노즐은 여러 형식 중 예연소실식 디젤엔진에 많이 사용되는 핀틀형(pintle type)을 사용하였다. 핀틀형 분사노즐의 니들밸브 형상에 따른 분무입경을 조사하여 유화연료에 적합한 형식을 도출해 냄과 제조된 유화연료가 연료로서의 타당성을 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- 본 실험에 사용된 시료는 유화연료내 함수율 별로 함수율 0(순수경유, 초음파 비부가), 5, 10%로서, 유화연료 제조시 초음파에너지를 부가한 경우와 계면활성제만으로 제조한 각각의 경우의 물성을 각각 비교하였다. 계면활성제는 H.L.B값이 3.78이며, Span85와 Tween80의 계면활성제를 각각 85%와 15%씩 혼합하였다.
- 기존의 핀틀형 노즐의 니들각 -10°인 니들밸브(needle valve)에 더하여 니들각 5°, 15° 니들밸브를 제작하였으며, 개조된 분사노즐은 분무된 연료가 니들밸브에 강하게 충돌되도록 약간의 목(neck)을 가지도록 제작하여 노즐 형상별로 평균 분무입경을 비교하였다.
- 둘째, 함수별 유화연료의 평균입경을 비교·분석하였다.
- 4에는 시료의 준비를 위한 장치개략도를 나타내었다. 본 실험에 사용된 시료는 유화연료내 함수율 별로 함수율 0(순수경유, 초음파 비부가), 5, 10%로서, 유화연료 제조시 초음파에너지를 부가한 경우와 계면활성제만으로 제조한 각각의 경우의 물성을 각각 비교하였다. 계면활성제는 H.
- 본 실험에서는 수소 핵자기공명(1H-NMR)을 이용하여 분자구조를 해석하였고, 핵자기공명 분광기로는 Varian GEMINI200(200Mhz)를 사용하였다.
- 본 연구는 미립화 측면에서 유화연료가 연료로서의 타당함을 밝히고자 초음파에너지를 부가하여 제조된 유화연료의 함수량, 분사노즐의 니들형상에 따른 분무입경을 조사·비교하였으며, 물리적 화학정 분석을 수행하여 분무입경 변화를 함께 고려하 여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 분무선단 거리에 따른 입경측정을 용이하게 하고자 분사노즐을 X-Y 테이블에 고정시켜 분무실로 분사되도록 하였으며, 분무실은 부유하고 있는 미립자가 빨리 제거될 수 있도록 배기팬을 설치하였다. 단, 순수경유(함수량 0%) 입경측정시는 연료탱크에서 물은 유출되지 않고 초음파에너지도 부가하지 않은 상태이다.
- 분무입경 측정장치의 특성상 입자군을 구형으로 가정하므로 미리 평균입경 측정위치를 결정하였는데, 측정위치는 분무의 분열길이(breakup length)가 10~30mm로 알려져 있으므로5) 노즐팁 선단으로부터 40~100mm까지 20mm간격으로 유화연료내의 함수량과 분사노즐의 형상변화를 파라미터로 하였다.
- 셋째, 순수경유에 대하여 유화연료의 평균 분무입경의 변화가 발생하여 물리화학적 분석을 통하여 원인을 규명하고, 분자구조를 순수 경유와 비교·분석하였다.
- ): 계면활성제량으로서 질량기준 비율로 나타내었다. 시료의 물성은 상온, 대기압 상태에서 낙구식 점도계와 링형 표면장력계로 각각 측정하였다.
- 유화연료 제조시 유화제의 사용은 연소시 유해 배기배출을 증가시키므로 본 실험에서는 유화제를 사용하지 않았으며 유화연료가 분사펌프로 공급되는 유로 중에 유화연료 공급장치를 위치시켰다. 장치에 의해 유화연료 생성과정에 발생한 슬러지는 분사펌프 전단에 스트레이너로 걸러냈다.
- 유화연료의 장기간 보관 시 발생하는 상분리 현상과 장치가 육중하여 탑재가 어려운 등의 기계적 교반장치의 단점에 착안하였다. 본 실험에서는 비교적 탑재가 용이하며 상분리 방지를 위한 유화제를 사용하지 않고 제조와 동시에 공급할 수 있는 초음파 유화연료공급장치를 구성하였다.
- 유화연료의 점도 및 표면장력은 표준상태에서 측정하여 평균값을 구하였다.
- 첫째, 연료 분사노즐의 형상변화에 따라서 유화연료와 순수경유의 평균 분무입경을 비교·분석하였다.
- 혼의 말단부에서 초음파 에너지가 최대이므로 챔버내에 경유와 물이 만나는 지점에 혼의 말단부를 위치시켰으며, 바닥부분에 반사판을 부착하여 초음파 진동에 의해 발생된 고온·고열의 공동들에 의한 챔버손상을 방지하고 전반사조건이 되도록 하였다.
대상 데이터
- NMR 분석을 위한 시료는 물성측정 시료와 동일한 조성과 방법으로 제조하였으며, 준비된 시료를 각각의 NMR 튜브에 5cc씩 채우고 희석을 위한 촉매제로 CDCL3 1cc를 혼합･준비하였으며, 기준물질로 TMS(tetramethylsilan; Si(CH3)4)를 사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 분사노즐은 여러 형식 중 예연소실식 디젤엔진에 많이 사용되는 핀틀형(pintle type)을 사용하였다. 핀틀형 분사노즐의 니들밸브 형상에 따른 분무입경을 조사하여 유화연료에 적합한 형식을 도출해 냄과 제조된 유화연료가 연료로서의 타당성을 고찰하고자 하였다.
- 유화연료의 장기간 보관 시 발생하는 상분리 현상과 장치가 육중하여 탑재가 어려운 등의 기계적 교반장치의 단점에 착안하였다. 본 실험에서는 비교적 탑재가 용이하며 상분리 방지를 위한 유화제를 사용하지 않고 제조와 동시에 공급할 수 있는 초음파 유화연료공급장치를 구성하였다.
이론/모형
- 분무입경 광학측정은 Fraunhofer 회절원리를 이용한 영국 Malvern 2600C를 사용하였다.
- 유화연료공급장치부에서는 유화연료내 함수질량비가 각각 0, 10, 20, 30%이 제조되도록 하였다. 연료의 분무는 캠-플런저 방식을 이용하였으며, 회전수는 캠에 설치한 포토센서에서 발생한 신호를 전자회로를 통하여 측정하였다. 노즐로의 연료공급은 유화연료의 제조시간을 고려하여 캠의 회전수 조절기를 700rpm으로 고정시켰으며, 분무입경 광학측정장치부에서 분무입경이 측정되는 구조로서 장치 및 주요 설정값을 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 유화연료 내의 함수량을 0~30%까지 증가시키며 평균 분무입경 측정결과 분무선단 거리에 따라 분무입경이 증가하였으며, 동일 분무선단 거리에서 유화연료내 함수량이 증가함에 따라서 평균 분무입경이 증가한다.
- 2) 분사노즐의 니들 형상별 평균 분무입경에서는 액적 운동량 감소로 인하여 니들각도가 증가함에 따라 분무입경은 증가하는 경향을 보인다.
- 3) 초음파에너지 부가시간이 일정한 조건하에서 점도 및 표면장력은 유화연료내 함수량이 증가함에 따라 점도와 표면장력은 증가하며, 계면활성제 혼합시 점도와 표면장력이 감소한다.
- 4) 핵자기 공명 분광법에 의해 수소체적의 분포비율은 방향족이 약 10%정도이며 나머지 파라핀계가 대부분 차지하며, 유화연료의 경우 물의 영향에 의한 OH기가 나타나며 함수량이 증가함에 따라 OH기의 상대량도 증가한다.
- 0ppm범위다.7) 그림을 고찰하면 순수경유와 초음파에너지를 이용하여 제조한 유화연료는 각 영역에서의 피크의 크기와 면적은 서로 다르지만 화학적 위치는 일정함을 알 수 있다. 이로서 초음파에너지는 작용기의 상대량에는 영향을 미치지만 새로운 작용기를 생성시키지는 않음을 알 수 있다.
- 각 노즐의 분무선단으로부터 거리가 증가함에 따라 평균 분무입경이 증가하는 경향이 모든 함수율에 대하여 나타났다. 이는 분무액적은 하류로 진행함에 따라 액적이 분열(breakup) 및 증발(evaporation)하며 진행하나, 하류로 진행하면서 후속하는 액적들과의 응집(coalescence)과정을 지속적으로 거치기 때문이라 사료된다.
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