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문제 정의
- Table 2에 수치해석 경계조건을 나타냈으며, 난류모델은 κ-ε 고 레이놀즈 모델, 중력 및 부력의 영향은 무시하고 유동계산만 하였다. Full hexa grid mesh에 Arbitrary mesh interfaces와 Refine grid(3종류)를 적용하여 계산하였고, Refine grid 3종류의 결과와 PIV실험 결과를 뒤에서 비교ㆍ분석하여 PEMFC용 개질기 개발에 수치해석을 적용하기 위한 기초 자료로 삼으려 하였다.
- 본 실험에서 열선 풍속계에 의한 기초적인 유동 실험으로 화염구조 및 특성을 조사하였지만, 연소 영역의 정확한 유동정보와 수치해석을 PEMFC용 개질기 개발에 이용하기 위한 기초연구로 수치해석의 결과와 비교ㆍ분석하기 위한 PIV실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 공업적으로 널리 활용되고 있는 난류예혼합 연소방식[4-5]을 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)용 개질기에 적용하기 위하여 메탈화이버를 사용한 플랫버너를 구성하여 화염구조 분석 실험을 통해 플랫버너의 PEMFC용 개질기[6] 적용 가능성을 검토하였다, 한편 PIV실험과 유동수치해석 결과를 비교ㆍ분석하여 차후 PEMFC용 개질기 개발에 필요한 수치 해석 기초연구를 진행하였다.
- 이상과 같이 연소류 수치해석의 기초 자료와 화염구조의 파악으로 PEMFC용 개질기에 메탈화이버 플랫버너의 가능성을 조사하였다. 한편, 연소소음은 오늘날 연소기의 소형화 및 고 효율화에 따라 시급히 해결해야 할 과제이다.
제안 방법
- PIV실험에 사용한 실험 장치는 연소실험 장치와 동일한 장치이며, 송화 가루 입자가 니트형 메탈화이버를 통과하기 힘들기에 부득이하게 연소면의 메탈화이버는 제거하고 수치해석조건과 같은 공기공급 유속의 상태에서 PIV실험을 진행 하였다. 조명은 5W출력 연속광 아르곤이온 레이저에서 발생되는 빛을 Cylindrical 렌즈를 통해 2차원 단면광을 생성하여 PIV유동영역에 조사하였다.
- 또한 연소실내 화염으로부터 여러 가지 데이터를 획득하기 위해 프로브를 3축 공간분해가 가능한 이송대에 연소기의 축 방향으로 삽입하여 연소면 상단 10mm에서부터 시작하여 R(반경방향)방향으로 5mm, Z(축방향)방향으로 5mm, 등 간격으로 각각 40mm, 150mm까지 측정하였다. 각종 측정 데이터는 A/D converter (YOKOGAWA MV-100 model)를 이용하여 샘플링시간 20초로 측정ㆍ기록 하였다.
- 공업적으로 널리 활용되고 있는 난류예혼합 연소방식을 PEMFC용 개질기에 적용하기 위하여 메탈화이버를 사용한 플랫버너를 구성하여 화염구조와 특성을 조사 하였다. 그리고 PIV실험과 유동 수치해석을 비교ㆍ분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 공업적으로 널리 활용되고 있는 난류예혼합 연소방식을 PEMFC용 개질기에 적용하기 위하여 메탈화이버를 사용한 플랫버너를 구성하여 화염구조와 특성을 조사 하였다. 그리고 PIV실험과 유동 수치해석을 비교ㆍ분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연소가스 중의 CO, HC, CO2 및 O2등 각종 화학종의 평균농도 측정은 연소가스 분석 장치인 HORIBA사의 MEXA-554JK model을 사용하여 측정하였다. 또한 연소실내 화염으로부터 여러 가지 데이터를 획득하기 위해 프로브를 3축 공간분해가 가능한 이송대에 연소기의 축 방향으로 삽입하여 연소면 상단 10mm에서부터 시작하여 R(반경방향)방향으로 5mm, Z(축방향)방향으로 5mm, 등 간격으로 각각 40mm, 150mm까지 측정하였다. 각종 측정 데이터는 A/D converter (YOKOGAWA MV-100 model)를 이용하여 샘플링시간 20초로 측정ㆍ기록 하였다.
- 메탈화이버 플랫버너의 연소면은 직경 45mm로 Acotech사의 MF(Metal Fiber) model NIT 100S를 사용하였다. 연소면 전 단에는 연소 면에 균일한 유동분포를 얻기 위하여 다공판 (Perforation Plate)을 설치하였으며, 연소실은 내경 95mm, 길이 200mm의 석영관으로 구성하여 화염 관찰이 가능하도록 설계 하였다.
- 영상을 1/1000 Shutter speed로 500frame의 영상을 획득 하였고, 획득한 영상을 기초로 PIV 전용 소프트웨어(Flow inside 3.0)를 거쳐 PIV실험영역내 송화 가루 입자의 경로를 추적하는 방식으로 연소면(0mm)을 기준으로 하여 10mm, 30mm, 60mm에서의 유동수치해석 결과와 비교 가능한 2차원 벡터 데이터를 얻었다.
- PIV실험에 사용한 실험 장치는 연소실험 장치와 동일한 장치이며, 송화 가루 입자가 니트형 메탈화이버를 통과하기 힘들기에 부득이하게 연소면의 메탈화이버는 제거하고 수치해석조건과 같은 공기공급 유속의 상태에서 PIV실험을 진행 하였다. 조명은 5W출력 연속광 아르곤이온 레이저에서 발생되는 빛을 Cylindrical 렌즈를 통해 2차원 단면광을 생성하여 PIV유동영역에 조사하였다.
- 지면 관계상 대표화염의 사진만 나타냈으며, 각 조건별 225장의 화염 직접사진을 바탕으로 화염 안정화 범위와 청녹염(green flame range), 복사영역(radiation range), 청염영역(blue flame range)의 세 영역으로 구분하고, 공급열량에 따른 복사영역을 공기비 α=1.5로 고정하고, 온도분포와 CO, HC, CO2 및 O2의 농도분포를 측정하였다.
- 추적 입자는 송화 가루를 사용하였으며, 1회에 200㎖ 정도를 연소기 Nozzle이 설치되는 위치에서 주사기를 통하여 공기가 흐르는 유로에 직접 주입하였다. 영상 입력장치는 PCI방식의 Digital High-Speed CCD Camera(1024×1280 pixel, Photron사)를 통해 1/1000 Shutter speed로 획득한 500frame 이미지를 기초로 PIV 전용 소프트웨어(Flow inside 3.
- 본 연구의 화염구조 분석 실험조건을 Table 1에 나타내었다. 화염구조 분석 실험의 첫 번째 과정으로 전체 시스템의 평균온도 측정에 Pt/Pt-Rh합금의 R-Type 열전대를 사용하였고, 열전대와가스포집 프로브는 연소가스의 반응 동결을 위해 3중 수냉식으로 제작 사용하였다. 연소가스 중의 CO, HC, CO2 및 O2등 각종 화학종의 평균농도 측정은 연소가스 분석 장치인 HORIBA사의 MEXA-554JK model을 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- Figure 1은 본 실험에 사용된 난류예혼합 메탈 화이버 플랫버너의 전체 계통도로써 연소에 사용된 공기는 DC(0V~36V)입력으로 구동되는 blower에서 직경 52.5mm의 유로를 통해서 공급된다. 연료는 상용프로판(C3H8)을 사용 하였으며, 사용압력은 0.
- 5kg/cm2으로 FlowTech사의 디지털 유량계 Tylan-2900 model MFC(Mass Flow Controller)를 사용하여 공기유로에 설치된 분사각 45°, 직경 1mm 분공 8개를 가지는 Nozzle을 통하여 예혼합 형태로 연소면에 공급된다. 메탈화이버 플랫버너의 연소면은 직경 45mm로 Acotech사의 MF(Metal Fiber) model NIT 100S를 사용하였다. 연소면 전 단에는 연소 면에 균일한 유동분포를 얻기 위하여 다공판 (Perforation Plate)을 설치하였으며, 연소실은 내경 95mm, 길이 200mm의 석영관으로 구성하여 화염 관찰이 가능하도록 설계 하였다.
- 연료는 상용프로판(C3H8)을 사용 하였으며, 사용압력은 0.5kg/cm2으로 FlowTech사의 디지털 유량계 Tylan-2900 model MFC(Mass Flow Controller)를 사용하여 공기유로에 설치된 분사각 45°, 직경 1mm 분공 8개를 가지는 Nozzle을 통하여 예혼합 형태로 연소면에 공급된다.
- 영상 입력장치는 PCI방식의 Digital High-Speed CCD Camera(1024×1280 pixel, Photron사)를 통해 1/1000 Shutter speed로 획득한 500frame 이미지를 기초로 PIV 전용 소프트웨어(Flow inside 3.0)에서 PIV실험영역을 결정하여 송화 가루 입자 경로를 추적하고 연소면(0mm)기준, 10mm, 30mm, 60mm 위치에서 유동수치해석 결과와 비교 가능한 2차원 벡터 데이터를 얻는다[7-9].
데이터처리
- 수치계산은 STAR-CD를 사용하였으며, 계산격자는 격자생성 전용 프로그램 ICEM-CFD를 사용하였으며, Non-Refine의 경우 221957개, Refine gird factor 2는 313974개 및 Refine grid factor 4는 427518개의 Mesh개수를 가지는 격자로 입구유속 0.741 m/s로 수치해석을 실시하였다.
이론/모형
- 화염구조 분석 실험의 첫 번째 과정으로 전체 시스템의 평균온도 측정에 Pt/Pt-Rh합금의 R-Type 열전대를 사용하였고, 열전대와가스포집 프로브는 연소가스의 반응 동결을 위해 3중 수냉식으로 제작 사용하였다. 연소가스 중의 CO, HC, CO2 및 O2등 각종 화학종의 평균농도 측정은 연소가스 분석 장치인 HORIBA사의 MEXA-554JK model을 사용하여 측정하였다. 또한 연소실내 화염으로부터 여러 가지 데이터를 획득하기 위해 프로브를 3축 공간분해가 가능한 이송대에 연소기의 축 방향으로 삽입하여 연소면 상단 10mm에서부터 시작하여 R(반경방향)방향으로 5mm, Z(축방향)방향으로 5mm, 등 간격으로 각각 40mm, 150mm까지 측정하였다.
성능/효과
- 1. 유동해석 결과와 PIV실험 결과가 잘 일치 한다고 보여 지며, 본 해석모델의 신뢰성을 확보 하였다. 이는 앞으로 연소류 수치해석의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 생각된다.
- 2. 연소부하에 대응하는 화염안정화 범위는 공급열량에서 1.01∼2.12까지 광범위하게 얻었으며, 이때 화염은 청녹염<복사영역<청염 순으로 연소상태가 양호하였다.
- 4. PEMFC용 개질기 개발하는데 있어 중요한 설계변수 중 하나는 넓은 반응기 영역을 균일한 열량으로 지속적으로 공급하는 것이다. 이에 메탈 화이버를 이용한 플랫버너는 균일한 온도장을 유지하는데 탁월한 장점이 있는 것으로 보인다.
- 각각 공급열량에 대하여 연소기 하류 즉 연소면 부근 Z=10∼30mm에서의 온도분포를 비교해 보면 공급열량이 증가할수록 전체적인 온도는 상승하며, 반경방향으로 일정하게 분포하는 온도는 폭은 넓어지는 경향이 있음을 알 수 있다.
- 또한 본 실험의 결과를 통해 연소면과 거의 일치하는 균일 온도장의 하류측 범위는 공급열량 A(1336.8 kcal/h) Z=10mm, B(2673.6kcal/h) 에서는 Z=20mm, C(4010.4 kcal/h)에서는 Z=30mm, D(5347.2kcal/h)에서는 Z=40∼50mm 정도로 확인된다.
- 또한, 공급열량에 따른 CO 농도분포는 단순히 공급열량의 증가에 따른 CO 농도변화가 아니라, 대체로 공급열량 A→D→C→B 의 순으로 증가한다는 것을 발견할 수 있었다.
- 2 CO, HC, CO2 및 O2 농도분포 Figure 9∼11은 각각의 공급열량에 따른 CO, HC, CO2 및 O2농도를 나타낸 것이다. 먼저, CO 농도분포를 보면 공급열량 A(1336.8kcal/h)일 때를 제외하고는 Z=40mm, R=20mm까지 균일한 농도분포를 보이고 있다.
- 지면의 제약으로 상세한 데이터 표현이 아쉬운 점이 있으나, Figure 8을 확대해서 보게 되면 공급열량에 따른 균일온도장의 하류측 범위 선정은 적절하다고 판단된다. 전체적으로 연소면을 기준으로 균일한 온도분포를 나타내는 영역이 넓다는 것이 확인되며, 이는 니트형 메탈화이버로 구성한 플랫버너가 가지는 장점이라고 할 수 있을 것이다. 엄밀하게는 각 Z(축방향)단면에 대하여 3차원적인 온도분포를 조사해 보아야 하겠으나, 본 실험 장치는 각종 균일온도를 요구하는 장치 및 PEMFC용 개질기 등에 기초연구용 연소장치로 활용 될 수 있을 것이라고 판단 할 수 있다.
후속연구
- 3. 연소 부하에 따라 결정되는 연료유량에 대해고효율 연소는 적절한 공기비가 선택되어야 하며, 본 실험에서는 공급열량 A(1336.8kcal/h), D(5347.2kcal/h)에서는 공기비1.5가 적합하다고 판단되나, 공급열량 B(2673.6kcal/h)는 추가 실험을 통해 공기비 변화에 따른 연소특성을 확인 할필요가 있을 것으로 판단된다.
- 현재까지 화석에너지 사용은 에너지의 효과적이고, 효율적인 이용과 그에 따른 장치 개발이 중요 과제였다. 그러나 앞으로 중요 과제는 그 뿐만이 아니라 화석연료의 제한된 매장량과 무분별한 사용으로 발생 된 여러 가지 문제와 더불어 에너지변환 및 이용과정에 대한 가치 변화를 인식하고, 친환경적 대체에너지의 개발과 이용에 있다고 할 수 있다.
- 메탈화이버를 사용한 플랫버너의 예혼합 연소수치해석은 이번 유동해석연구를 기초로 하여 차후 연구에서 다루기로 한다.
- 전체적으로 연소면을 기준으로 균일한 온도분포를 나타내는 영역이 넓다는 것이 확인되며, 이는 니트형 메탈화이버로 구성한 플랫버너가 가지는 장점이라고 할 수 있을 것이다. 엄밀하게는 각 Z(축방향)단면에 대하여 3차원적인 온도분포를 조사해 보아야 하겠으나, 본 실험 장치는 각종 균일온도를 요구하는 장치 및 PEMFC용 개질기 등에 기초연구용 연소장치로 활용 될 수 있을 것이라고 판단 할 수 있다.
- 위와 같은 여러 가지 이유로 정량적인 평가가 쉽지 않음을 알 수 있다. 여러 가지 이유로 정량적인 평가가 쉽지 않음에도 불구하고 본 실험의 수치해석 결과와 PIV 실험값에서 보여지는 정성적인 결과는 유동수치해석의 결과를 참고하여 예혼합 연소 수치해석에 접근하려는 시도가 타당하다는 판단에 의미를 두어야 할 것이다.
- 유동해석 결과와 PIV실험 결과가 잘 일치 한다고 보여 지며, 본 해석모델의 신뢰성을 확보 하였다. 이는 앞으로 연소류 수치해석의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 생각된다.
- 이러한 이유로 본 수치해석에 적용한 난류 모델, 경계조건 및 유동수치해석의 신뢰성을 높여줄 격자 생성 조건 등은 차후 PEMFC용 개질기 설계 및 PEMFC용 개질기의 개발에 있어 연소수치해석 적용에 기초 자료로 활용 가능하다고 판단된다.
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