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메탈화이버 버너의 화염구조 및 공해물질 배출 특성
Numerical Study of Flame Structure and Emission Characteristics in Metal Fiber Burners 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.16 no.3, 2011년, pp.27 - 32  

정준영 (한양대학교 대학원 기계공학과) ,  김용모 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study has numerically investigated the flame structure and emission characteristics in the metal fiber burner. The one-dimensional premixed flame approach has been adopted to simulate the combustion processes of the metal fiber burner. Numerical results indicate that the present approach is cap...

주제어

#Metal fiber burner   #Premixed flame   #Flame structure   #Pollutant emission  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 015 g/cm2․sec일 때이다. 당량비를 고정하고 질량유량을 0.9배와 1.1배, 1.5배, 2.0배로 변화시켰을 때, 부하가 온도 분포와 배출가스에 어떠한 영향을 주는지 살펴보았다. 부하가 커질수록 최고 온도가 높아지고 고온의 화염장이 상류 쪽으로 이동하며 배출가스의 양은 증가한다.
  • 본 연구에서는 메탈화이버 버너의 화염장을 모사할 수 있는 1차원 연소모델을 개발하였고 넓은 범위의 운전조건에 대하여 수치계산을 수행하였다. 수치 계산결과로부터 본 연구에서 개발한 수치모델이 메탈화이버 버너의 화염 구조와 연소과정, 공해물질의 생성 특성을 잘 예측함을 확인하였다.
  • 공해 물질 저감과 효율이 높은 콘덴싱 보일러를 개발하기 위해서는 버너의 개선이 필요하다. 본 연구에서는 작동 조건에 따른 화염의 안정화와 배출가스 저감을 도모하기 위하여, 화염을 1차원으로 모사하여 버너 내의 온도 분포와 배출 가스 특성을 알아보았다.
  • 반면에 평면 화염에서 관찰되는 적색의 적열화염 모드에 의하여 버너 외부로의 열손실에 의하여 기연화염 온도가 낮고, 적열모드의 형성에 따라 메탈화이버 재질의 팽창에 의한 화염형태의 변화 및 내구성이 저하될 수 있는 단점이 있다. 본 연구에서는 폭넓은 당량비 조건에서 안정화된 화염을 만들 수 있는 예혼합 메탈화이버 버너의 특성을 연구하였다.

가설 설정

  • 본 연구의 모델은 정상상태를 기반으로 다루었다. 1차원 모델을 다루기 위하여, 버너가 y축 방향으로, 즉 가스 유입속도에 수직한 방향으로 매우 크다고 가정하였다. 이는 실제로 화염의 두께가 매우 얇게 형성되기 때문에 합리적인 가정이다.
  • 매트와 가스는 서로 열평형 상태가 아니어서, 대류에 인한 상호 간의 열교환이 이뤄진다. 매트는 spectrally gray로 여기고, 매트의 열전도도와 밀도 등 물성치는 모두 일정하다고 가정하였다.
  • 또한 유입되는 속도가 작기 때문에 층류 유동으로 다뤘다. 연소 가스는 이상기체로 가정하였고 버너의 각 측면에서 열손실은 무시하였다. 매트 표면에서의 반응은 무시하고 가스 상의 화학반응만 다루었다.
  • 매트의 열전도도는 식 (7)의 diffusion approximation으로 매트에 의한 복사열전달 효과를 함께 고려하여 식 (6)처럼 유효 값으로 계산하였다[5]. 연소 가스는 이상기체로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
메탈화이버 버너란? 메탈화이버 버너(metal fiber burner)는 금속 섬유를 이용하여 평면 예혼합 화염을 형성하여 만든 버너로 평면화염 형태로서 상향, 하향, 측향 어느 위치에서나 안정된 화염 형태를 띠고 있고 어떤 모양이나 버너 제작이 가능하다는 이점이 있다. 반면에 평면 화염에서 관찰되는 적색의 적열화염 모드에 의하여 버너 외부로의 열손실에 의하여 기연화염 온도가 낮고, 적열모드의 형성에 따라 메탈화이버 재질의 팽창에 의한 화염형태의 변화 및 내구성이 저하될 수 있는 단점이 있다.
메탈화이버 버너의 화염을 해석하기 위해 어떤 것을 사용하였는가? 메탈화이버 버너의 화염을 해석하기 위하여, 예혼합 버너 안정화 화염(premixed burner-stabilized flame)을 해석하는 PREMIX 코드를 수정하여 사용하였다. 코드 수정은 크게 두 가지로 설명할 수 있다.
메탈화이버 버너의 화염을 해석하기 위해 PREMIX 코드를 수정하여 사용하였는데 어떻게 수정을 하였나? 코드 수정은 크게 두 가지로 설명할 수 있다. 하나는 고체상에 대한 에너지 방정식을 추가한 것이고, 다른 하나는 버너 후류에서 공기의 backdiffusion을 고려하기 위하여 O2와 N2의 경계조건을 수정한 것이다[4].
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참고문헌 (6)

  1. R. J. Kee, 2003, PREMIX Application User Manual, Release 3.7.1. 

  2. R. J. Kee, 1985, A Fortran Program for Modeling Steady Laminar One-Dimensional Premixed Flames, Sandia National Laboratory Report SAND85-8240. 

  3. GRI-Mech Version 2.11, 1st release, 1995. 

  4. S. A. Leonardi, 2000, Partially-Premixed Combustion in Porous Radiant Burners, Ph.D. thesis, Purdue University. 

  5. M. H. Akbari, Lean Flammability Limits for Stable Preformance with a Porous Burner, Applied Energy, Vol. 86, 2009, pp. 2635-2643 

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  6. I. G. Lim, 1992, A Numerical Study of Combustion within a Porous Inert Medium Burner, Ph.D. thesis, the University of Texas at Austin. 

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