[국내논문]평판형 예혼합 버너의 다양한 화염면 매질 및 열교환기에 따른 연소 특성 A Study on the Combustion Characteristics of Flat-Plate Premixed Burner for Various Flame Surface Media and Heat Exchangers원문보기
예혼합 버너는 높은 효율과 낮은 배기 때문에 가정용 보일러 버너 시스템에 매우 강력한 버너이다. 일반적으로 가정용 보일러 버너는 내부에 농후한 예혼합 불꽃으로 구성하고 연료는 2차공기의 공급에 의하여 완전연소 되는 분젠 버너를 이용한다. 이것은 상대적으로 긴 불꽃 길이와 높은 과잉공기비에서 작동하기 때문에 높은 효율을 갖는 소형 보일러에 적용하기 어렵다. 이 논문에서 메탈 화이버, 세라믹, SUS 핀과 같은 매질을 사용하는 예혼합 연소 버너의 특징을 실험하였다. 특히, 표면 매질의 비반응 유동 특성은 버너 표면 전체의 유동 속도를 측정하고 조정하였다. 연소 실험은 화염 사진과 화염 온도 측정에 의하여 수행되었다. CO와 NO는 다양한 과잉 공기비와 열량값에 대하여 버너 표면 매질, 연소실, 열교환기의 특성을 측정하고 평가하였다.
예혼합 버너는 높은 효율과 낮은 배기 때문에 가정용 보일러 버너 시스템에 매우 강력한 버너이다. 일반적으로 가정용 보일러 버너는 내부에 농후한 예혼합 불꽃으로 구성하고 연료는 2차공기의 공급에 의하여 완전연소 되는 분젠 버너를 이용한다. 이것은 상대적으로 긴 불꽃 길이와 높은 과잉공기비에서 작동하기 때문에 높은 효율을 갖는 소형 보일러에 적용하기 어렵다. 이 논문에서 메탈 화이버, 세라믹, SUS 핀과 같은 매질을 사용하는 예혼합 연소 버너의 특징을 실험하였다. 특히, 표면 매질의 비반응 유동 특성은 버너 표면 전체의 유동 속도를 측정하고 조정하였다. 연소 실험은 화염 사진과 화염 온도 측정에 의하여 수행되었다. CO와 NO는 다양한 과잉 공기비와 열량값에 대하여 버너 표면 매질, 연소실, 열교환기의 특성을 측정하고 평가하였다.
The premixed burner is a very strong candidate for using household boiler burner system because it has high efficiency, low emission and can be used in compact boiler system. Usually, household boiler burner systems use a Bunsen burner, which consists of an inner rich premixed flame and fuel burned ...
The premixed burner is a very strong candidate for using household boiler burner system because it has high efficiency, low emission and can be used in compact boiler system. Usually, household boiler burner systems use a Bunsen burner, which consists of an inner rich premixed flame and fuel burned completely by a secondary air supply. It has a relatively long flame length and operates in a high excess of air, so it is difficult to fit such a burner into a high efficiency compact boiler. In this paper, the characteristics of a premixed combustion burner for surface media such as metal fiber, ceramic, and SUS fin were evaluated. In particular, the flow velocity over the burner surface for the cold flow characteristics of the surface material were measured and adjusted. The combustion tests were carried out by taking pictures of the flame and measuring the flame temperature. The amounts of CO and NO were measured and the characteristics of the surface burner materials, combustion chamber, and heat exchangers were evaluated for various excess air ratios and heating values.
The premixed burner is a very strong candidate for using household boiler burner system because it has high efficiency, low emission and can be used in compact boiler system. Usually, household boiler burner systems use a Bunsen burner, which consists of an inner rich premixed flame and fuel burned completely by a secondary air supply. It has a relatively long flame length and operates in a high excess of air, so it is difficult to fit such a burner into a high efficiency compact boiler. In this paper, the characteristics of a premixed combustion burner for surface media such as metal fiber, ceramic, and SUS fin were evaluated. In particular, the flow velocity over the burner surface for the cold flow characteristics of the surface material were measured and adjusted. The combustion tests were carried out by taking pictures of the flame and measuring the flame temperature. The amounts of CO and NO were measured and the characteristics of the surface burner materials, combustion chamber, and heat exchangers were evaluated for various excess air ratios and heating values.
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문제 정의
가정용 보일러에서 연소실의 경우 최대한 적은 부피로 설계하여야 compact 한 보일러가 가능하므로 적정 부하에서 최적의 열교환기 크기를 결정하기 위한 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 버너 및 열교환기의 크기가 정해져 있는 관계로 연소실 높이 변화에 따라 부피변화를 확인하였다.
본 연구에서는 고효율 저공해 가정용 보일러를 개발하기 위하여 예혼합방식의 버너에서 많이 사용되는 표면 매질을 이용하여(세라믹, 메탈화이버, SUS 핀) 매질 특성에 따른 연소특성을 확인하여 표면연소 버너의 특징 및 각각의 매질에 따른 버너 특성을 확인하여 보았다. 또한 연소실 크기 및 열교환기 변화에 따른 배기가스 및 효율 특성도 확인하였다.
제안 방법
본 연구에서는 고효율 저공해 가정용 보일러를 개발하기 위하여 예혼합방식의 버너에서 많이 사용되는 표면 매질을 이용하여(세라믹, 메탈화이버, SUS 핀) 매질 특성에 따른 연소특성을 확인하여 표면연소 버너의 특징 및 각각의 매질에 따른 버너 특성을 확인하여 보았다. 또한 연소실 크기 및 열교환기 변화에 따른 배기가스 및 효율 특성도 확인하였다.
연소실험에 앞서 각각의 매질에서의 유동특성을 확인하기 위하여 비연소 실험장치를 제작하였다. Fig.
송풍기로부터 버너 표면까지의 공기/연료 혼합부에도 두 종류의 타공판을 설치하여 내부 속도 및 혼합도를 향상하도록 하였다. 타공판의 기공률이 적을수록 내부의 속도 균일도는 좋아질 수 있으나 과도하게 막혀 있을 경우 송풍기의 풍량이 충분하지 않을 수 있으므로 적정의 기공률을 선정하는 것도 중요한 요건이다.
버너표면에 부착되도록 연소실을 제작하였고 연소실에 기존의 구리재질의 핀-튜브 타입의 열교환기를 설치하여 열회수를 하였다. 연소실 전면에 석영유리 (Quartz window)를 설치하여 화염을 관찰하도록 하였고 비디오를 이용하여 화염을 촬영하였다.
버너표면에 부착되도록 연소실을 제작하였고 연소실에 기존의 구리재질의 핀-튜브 타입의 열교환기를 설치하여 열회수를 하였다. 연소실 전면에 석영유리 (Quartz window)를 설치하여 화염을 관찰하도록 하였고 비디오를 이용하여 화염을 촬영하였다. 또한, 연소실 벽면에 R-Type 열전대를 일정 간격으로 설치하여 연소실 내부의 온도를 각각의 조건에서 측정하였다.
연소실 전면에 석영유리 (Quartz window)를 설치하여 화염을 관찰하도록 하였고 비디오를 이용하여 화염을 촬영하였다. 또한, 연소실 벽면에 R-Type 열전대를 일정 간격으로 설치하여 연소실 내부의 온도를 각각의 조건에서 측정하였다. 측정된 온도는 데이터 취득장치(MX-100, YOKOGAWA)를 이용하여 컴퓨터에 실시간 저장되도록 하였다.
열교환기 실험을 위하여 효율 측정이 가능하도록 실험 장치를 제작하였다. Fig.
가정용 보일러에서 연소실의 경우 최대한 적은 부피로 설계하여야 compact 한 보일러가 가능하므로 적정 부하에서 최적의 열교환기 크기를 결정하기 위한 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 버너 및 열교환기의 크기가 정해져 있는 관계로 연소실 높이 변화에 따라 부피변화를 확인하였다. 기본 연소실은 버너 면에서 열교환기 중심부까지의 거리가 80mm인 것을 사용하였고 이와 비교하여 115mm, 135mm 높이의 연소실을 이용하여 실험을 수행하였다.
Fig. 12는 열교환기 및 연소실의 도면으로 2단 열교환기와의 비교를 위해 1단 열교환기를 새로 제작하였으며, 2단 열교환기의 경우 1단과 2단 열교환기 사이 높이를 85mm(버너면으로부터 135mm), 115mm(165mm) 로 변경하여 1, 2 단 사이의 높이 변화에 대한 특성도 알아보았다.
가정용 저공해 고효율 보일러 개발을 위하여 평판형 예혼합버너 및 이단열교환기를 이용하여 연구를 수행하였다.
연소실험에 앞서 각각의 매질에서의 유동특성을 확인하기 위하여 비연소 실험장치를 제작하였다. Fig. 2는 사용된 실험장치 사진으로 버너 표면에 대하여 3축 트래버스에 Hot wire 타입의 유속측정기(VT-200T, KIMO)를 연결하여 출구 각각의 위치로 트래버스로 이송하여 토출되는 공기의 평균속도를 측정하였다. LNG의 경우 사용연료에 비하여 사용되는 공기량이 이론공연비일 경우 23배 이상이고 과잉공기비 조건에서는 30배 이상이므로 공기속도를 측정하여 전체 시스템에서의 평면 속도 균일도를 판단하였다.
버너 표면의 매질특성에 따른 속도분포를 측정하기 위하여 Fig. 3과 같이 동일 버너에서 버너 표면 매질만 바꾸어 실험하였다.
또한, 연소실 벽면에 R-Type 열전대를 일정 간격으로 설치하여 연소실 내부의 온도를 각각의 조건에서 측정하였다. 측정된 온도는 데이터 취득장치(MX-100, YOKOGAWA)를 이용하여 컴퓨터에 실시간 저장되도록 하였다. 배기가스는 다양한 조건에서 열교환기 후단 배기 후드에 계측기를 삽입하여 O2, CO2, CO, NO 등을 측정하였다.
측정된 온도는 데이터 취득장치(MX-100, YOKOGAWA)를 이용하여 컴퓨터에 실시간 저장되도록 하였다. 배기가스는 다양한 조건에서 열교환기 후단 배기 후드에 계측기를 삽입하여 O2, CO2, CO, NO 등을 측정하였다. 연료는 LNG를 사용하였다.
나머지 두 매질(세라믹, 메탈화이버)에 대하여 상기의 테스트를 수행하였으며, 8,700 kcal/hr 열 부하 조건에서 세라믹, 메탈화이버, SUS fin 에서의 CO, NO 배기가스 발생특성을 Fig. 8에 나타내었다. CO, NO 모두 과잉공기비 증가에 따라 감소하는 경향을 보이고 있으며, CO의 경우 SUS 핀, 세라믹 판형, 메탈화이버 순으로 높은 발생량을 나타내고 있으나 최고 발생량은 36 ppm 정도로 그 양은 많지 않다.
1단 열교환기에서 연소실 높이에 대한 연소특성을 살펴보았고, 저 NO, 저 CO를 위한 2단 열교환기를 고안하여 시험을 수행하였다. 2단 열교환기는 전열면적 향상에 의한 효율향상이 될 것으로 생각되고, 1단 하부의 경우 화염면과 물 수관이 인접합에 따른 온도 저하에 의해 NOx 발생을 줄일 수 있으며, 1단과 2단 열교환기 사이의 영역에서 CO의 CO2로의 산화작용을 도와 CO가 저감될 것으로 생각된다.
대상 데이터
각종의 측정값들은 LabView를 이용한 자체 데이터 취득 프로그램을 통하여 결과를 실시간으로 볼 수 있으며 Excel 파일로 저장되도록 프로그램이 꾸며져 있다. 열교환기 관련 실험은 LNG를 이용하여 실험하였으며 사용 매질은 SUS fin 을 사용하였다.
본 실험에서는 버너 및 열교환기의 크기가 정해져 있는 관계로 연소실 높이 변화에 따라 부피변화를 확인하였다. 기본 연소실은 버너 면에서 열교환기 중심부까지의 거리가 80mm인 것을 사용하였고 이와 비교하여 115mm, 135mm 높이의 연소실을 이용하여 실험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 평판형 버너를 대상으로 하였으며, Fig. 1에 실험에 사용된 세 가지 종류의 버너에 대한 사진을 나타내었다.
배기가스는 다양한 조건에서 열교환기 후단 배기 후드에 계측기를 삽입하여 O2, CO2, CO, NO 등을 측정하였다. 연료는 LNG를 사용하였다.
성능/효과
2는 사용된 실험장치 사진으로 버너 표면에 대하여 3축 트래버스에 Hot wire 타입의 유속측정기(VT-200T, KIMO)를 연결하여 출구 각각의 위치로 트래버스로 이송하여 토출되는 공기의 평균속도를 측정하였다. LNG의 경우 사용연료에 비하여 사용되는 공기량이 이론공연비일 경우 23배 이상이고 과잉공기비 조건에서는 30배 이상이므로 공기속도를 측정하여 전체 시스템에서의 평면 속도 균일도를 판단하였다.
14에 1단과 2단 열교환기의 연소부하 20,000 kcal/h 조건에서 배기가스 온도분포를 살펴보았는데 1단에 비하여 2단열교환기의 경우 배기가스 온도가 현저히 떨어졌으며, 이는 2단 열교환기의 효율이 월등히 높다는 것을 알려주는 것이며, 2단 열교환기 사이의 배기가스 온도는 크게 차이가 없어 효율의 경우 크게 차이가 없을 것이라 예상할 수 있다. 실제 효율측정 결과 2단열교환기의 경우 82% (고위발열량 기준)를 나타내었는데 응축보일러가 아닌 일반보일러 로서는 최고 수준의 효율을 보여주고 있다.
(2) SUS 핀 평면화염에서 연소실험 결과 CO의 경우 연소부하가 클수록 발생량이 커지고 과잉공기비 증가에 따라 감소하는 경향을 보이고 있다. NO도 과잉공기비 증가에 따라 감소하는 경향을 보이고 있으나 부하에 따른 차이는 보이지 않고 있다.
(5) 이단 열교환기를 사용할 경우 1단 열교환기에 비해 낮은 CO 발생특성을 보이고 있으며, 100℃ 내외의 낮은 배기가스 온도를 보여 저공해 고효율 보일러 개발을 위한 연구 목표를 달성할 수 있었다.
(1) 비연소 실험을 통하여 버너표면의 속도분포를 균일하기 위하여 버너 내부에 타공판 등을 설치하였으며, 세라믹, 메탈화이버, SUS 핀 표면에서 분사속도를 측정하였으며 SUS 표면의 경우가 속도균일도가 가장 좋음을 알 수 있었다.
(3) 동일 연소 부하(8,700 kcal/h)에서 SUS 핀, 세라믹, 메탈화이버 순으로 높은 CO 발생량을 보이고 NO의 경우 발생량의 차이는 보이지 않고 있다. 온도분포는 메탈화이버의 경우가 상대적으로 낮게 나타나는 특징을 보이고 있다.
(4) 동일 연소 부하(20,000 kcal/h)에서 연소실 크기에 따른 특성을 살펴보면 연소실이 클수록 낮은 CO 발생량을 보이는데 이는 동일 화염길이에서 연소실 높이가 높아짐에 따른 화염의 quenching 효과가 줄어들고 체류시간 증가에 의한 CO2 변환효율이 높아진 것으로 생각된다. NO의 경우 발생량의 차이는 보이지 않아 사용된 연소실 변화에 대한 NO 발생 메카니즘에 미치는 영향이 미비함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연소기기의 배기가스는 어떤 연료로 운전되는가?
탄화수소 (Hydr℃arbon) 연료로 운전되는 연소기기의 배기가스는 일반적으로 질소 (N2), 산소(O2), 이산화탄소 (CO2), 수증기 (H2O), 질소산화물 (NOx), 일산화탄소 (CO), 미연탄화수소 (UHC), 황산화물 (SOx) 등으로 구성되어 있다. NOx, CO, UHC, SOx는 현재 대기오염 규제를 받고 있으며 CO2는 온실효과 (greenhouse effect)를 발생시켜 쿄토협약 이후 규제대상이 되었다.
현재의 시스템에서 효율 향상 및 저공해 연소의 실현을 위한 기술 개발에 대한 관심이 높아지고 있다고 본 이유는?
산업발전에 따라 에너지 소비가 증대되어 자원고갈에 대한 문제가 대두 되고 또한 공해물질 배출이 증가하고 있다. 이에 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있지만 현재까지 에너지원으로서 화석연료의 사용량은 절대량을 차지하고 있다. 따라서 현재의 시스템에서 효율 향상 및 저공해 연소의 실현을 위한 기술 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.
연소기기의 배기가스는 일반적으로 무엇으로 구성되었는가?
탄화수소 (Hydr℃arbon) 연료로 운전되는 연소기기의 배기가스는 일반적으로 질소 (N2), 산소(O2), 이산화탄소 (CO2), 수증기 (H2O), 질소산화물 (NOx), 일산화탄소 (CO), 미연탄화수소 (UHC), 황산화물 (SOx) 등으로 구성되어 있다. NOx, CO, UHC, SOx는 현재 대기오염 규제를 받고 있으며 CO2는 온실효과 (greenhouse effect)를 발생시켜 쿄토협약 이후 규제대상이 되었다.
참고문헌 (8)
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Heo, J.-S., 2004, "A Study on Cylinderical Burner and Heat Exchanger for Condensing Boiler" Inha Univ. p.58.
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