가열된 동축류 공기에서 일산화탄소/수소의 층류 제트에 대한 자발화된 부상화염의 특성을 조사하였다. 그 결과로 자발화가 발생하지 않는 영역에서는 제트속도의 증가에 따라 노즐부착화염에서 안정화된 층류 부상화염을 거치지 않고 바로 화염날림이 발생하였다. 자발화 영역에서, 질소 희석된 일산화탄소의 자발화된 부상화염은 산화제 내의 함유된 수분에 따른 점화지연시간의 변동으로 그 부상높이가 크게 영향을 받았다. 그리고 수소에 의한 저온 자발화 영역에서 자발화된 부상화염은 제트속도의 증가에 따라 부상높이가 감소하다가 증가하는 독특한 현상이 발생하였다. 점화지연시간에 의한 자발화된 층류 부상화염의 안정화 메커니즘을 기반으로, 그 부상높이의 거동은 점화 과정에서 발생하는 열손실의 영향뿐만 아니라 연료제트의 운동량과 질량의 선호 확산에 의하여 영향을 받을 수 있다는 것을 확인하였다.
가열된 동축류 공기에서 일산화탄소/수소의 층류 제트에 대한 자발화된 부상화염의 특성을 조사하였다. 그 결과로 자발화가 발생하지 않는 영역에서는 제트속도의 증가에 따라 노즐부착화염에서 안정화된 층류 부상화염을 거치지 않고 바로 화염날림이 발생하였다. 자발화 영역에서, 질소 희석된 일산화탄소의 자발화된 부상화염은 산화제 내의 함유된 수분에 따른 점화지연시간의 변동으로 그 부상높이가 크게 영향을 받았다. 그리고 수소에 의한 저온 자발화 영역에서 자발화된 부상화염은 제트속도의 증가에 따라 부상높이가 감소하다가 증가하는 독특한 현상이 발생하였다. 점화지연시간에 의한 자발화된 층류 부상화염의 안정화 메커니즘을 기반으로, 그 부상높이의 거동은 점화 과정에서 발생하는 열손실의 영향뿐만 아니라 연료제트의 운동량과 질량의 선호 확산에 의하여 영향을 받을 수 있다는 것을 확인하였다.
The characteristics of autoignited lifted flames in laminar jets of carbon monoxide/hydrogen fuels have been investigated experimentally in heated coflow air. In result, as the jet velocity increased, the blowoff was directly occurred from the nozzle-attached flame without experiencing a stabilized ...
The characteristics of autoignited lifted flames in laminar jets of carbon monoxide/hydrogen fuels have been investigated experimentally in heated coflow air. In result, as the jet velocity increased, the blowoff was directly occurred from the nozzle-attached flame without experiencing a stabilized lifted flame, in the non-autoignited regime. In the autoignited regime, the autoignited lifted flame of carbon monoxide diluted by nitrogen was affected by the water vapor content in the compressed air oxidizer, as evidenced by the variation of the ignition delay time estimated by numerical calculation. In particular, in the autoignition regime at low temperatures with added hydrogen, the liftoff height of the autoignited lifted flames decreased and then increased as the jet velocity increased. Based on the mechanism in which the autoignited laminar lifted flame is stabilized by ignition delay time, the liftoff height can be influenced not only by the heat loss, but also by the preferential diffusion between momentum and mass diffusion in fuel jets during the autoignition process.
The characteristics of autoignited lifted flames in laminar jets of carbon monoxide/hydrogen fuels have been investigated experimentally in heated coflow air. In result, as the jet velocity increased, the blowoff was directly occurred from the nozzle-attached flame without experiencing a stabilized lifted flame, in the non-autoignited regime. In the autoignited regime, the autoignited lifted flame of carbon monoxide diluted by nitrogen was affected by the water vapor content in the compressed air oxidizer, as evidenced by the variation of the ignition delay time estimated by numerical calculation. In particular, in the autoignition regime at low temperatures with added hydrogen, the liftoff height of the autoignited lifted flames decreased and then increased as the jet velocity increased. Based on the mechanism in which the autoignited laminar lifted flame is stabilized by ignition delay time, the liftoff height can be influenced not only by the heat loss, but also by the preferential diffusion between momentum and mass diffusion in fuel jets during the autoignition process.
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문제 정의
본 연구에서는 일탄산화탄소/수소 연료에 대하여 가열된 동축류 공기에서 자발화된 부상화염의 특성을 조사하였다. 그리고 일산화탄소/수소의 이종 연료에 대한 점화지연시간의 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 자발화된 부상화염의 안정화에 중요한 영향을 미치는 점화지연시간을 토대로, 일산화탄소/수소의 자발화된 부상화염의 특성에 대하여 아래와 같이 고찰하였다.
일산화탄소/수소 혼합기의 층류화염 전파속도와 점화 특성 들은 그 혼합비율, 온도 및 압력 등의 다양한 초기 조건에 대하여 연구되었다.(1~5) 그러나 비예혼합 층류 제트의 자발화 특성에 대한 연구는 제한되어 있다.
제안 방법
가열된 동축류 공기에서 일산화탄소/수소의 층류 제트에 대한 자발화된 부상화염의 특성을 조사하였다. 자발화가 발생하지 않는 초기 온도 영역에서는 외부 점화원에 의하여 화염을 생성시켰고, 순수 일산화탄소 및 수소와 일산화탄소/수소의 혼합기에 대하여 제트속도에 따라 노즐에 부착된 화염에서 바로 화염날림이 발생하였다.
본 연구에서는 일탄산화탄소/수소 연료에 대하여 가열된 동축류 공기에서 자발화된 부상화염의 특성을 조사하였다. 그리고 일산화탄소/수소의 이종 연료에 대한 점화지연시간의 특성을 조사하였다.
부상화염의 높이를 측정하기 위하여 디지털 카세토미터를 이용하였고, Nikon 디지털 카메라 D-100 을 이용하여 화염의 직접사진을 획득하였다.
5 m/s 를 사용하였다. 이때에 동축류 공기의 온도 일정성을 확인하기 위하여, 직경이 3 mm 인 스테인리스 스틸 관에 삽입된 K 형 열전대를 사용하여 축방향과 반경방향으로 온도를 측정하였다. 한편, 직경이 0.
수소에 의한 저온 자발화 영역에서는 제트속도의 증가에 따라 부상높이가 감소하다가 증가하는 독특한 현상이 발생하였다. 이에 대하여 열적 폭발 이론을 토대로 점화지연시간에 대한 회귀분석을 수행하였다. 그 결과로 수소의 선호 확산이 점화 과정에서 발생하는 열손실의 영향뿐만 아니라 연료제트의 운동량과 질량의 선호 확산에 의하여 점화지연시간이 영향을 받을 수 있다는 것을 확인하였다.
첨가된 수소에 의한 저온 자발화 영역에서 나타나는 그 독특한 특성의 원인을 살펴보기 위하여, 우선, 대표적인 U0 에 대하여 RH 및 XF,0 의 변화에 따른 자발화된 부상화염의 높이를 아래와 같이 조사하였다.
초기 온도 T0, 연료몰분율 XF,0 및 수소 비율 RH의 변화에 대한 자발화된 부상화염의 특성들을 조사하였다. 하첨자 0 는 초기 조건, F 는 연료를 의미한다.
대상 데이터
76 mm의 스텐레스 스틸관이 연료 노즐로 사용되었고, 관내 완전 발달된 유동장을 얻기 위하여 길이 750 mm 의 사용하였다. 동축류 공기는 균일한 속도장 및 온도장을 가지는 동축류를 얻기 위하여 메탈화이버 매트, 세라믹 비드 및 내경 150 mm 를 갖는 세라믹 하니콤을 사용하였다. 또한 버너에서 배출되는 고온 동축류의 열손실을 최소화하면서 유동장 및 화염의 안정성을 유지하기 위하여 길이 500 mm 의 세라믹 단열재 및 파이렉스 튜브를 각각 사용하였다.
실험장치는 동축류 버너, 유량조절부 및 히터부로 구성된다. 동축류 버너의 중심에 내경 3.76 mm의 스텐레스 스틸관이 연료 노즐로 사용되었고, 관내 완전 발달된 유동장을 얻기 위하여 길이 750 mm 의 사용하였다. 동축류 공기는 균일한 속도장 및 온도장을 가지는 동축류를 얻기 위하여 메탈화이버 매트, 세라믹 비드 및 내경 150 mm 를 갖는 세라믹 하니콤을 사용하였다.
99 %의 순도를 갖는 질소를 사용하였다. 동축류 산화제는 압축된 공기 및 산소:질소가 21:79 의 비율로 혼합된 건조한 공기를 사용하였다. 그 연료와 공기의 유량은 질량 유량계를 통하여 제어하였다.
동축류 공기는 균일한 속도장 및 온도장을 가지는 동축류를 얻기 위하여 메탈화이버 매트, 세라믹 비드 및 내경 150 mm 를 갖는 세라믹 하니콤을 사용하였다. 또한 버너에서 배출되는 고온 동축류의 열손실을 최소화하면서 유동장 및 화염의 안정성을 유지하기 위하여 길이 500 mm 의 세라믹 단열재 및 파이렉스 튜브를 각각 사용하였다. 그 동축류 버너의 상세한 내부 구조는 이전 연구에서 보고되었다.
실험장치는 동축류 버너, 유량조절부 및 히터부로 구성된다. 동축류 버너의 중심에 내경 3.
연료는 99.90 %의 순도를 갖는 일산화탄소, 99.99 %의 순도를 갖는 수소 및 99.99 %의 순도를 갖는 질소를 사용하였다. 동축류 산화제는 압축된 공기 및 산소:질소가 21:79 의 비율로 혼합된 건조한 공기를 사용하였다.
이론/모형
1-1000 sec 로 가변되었다. 여기서 단열적 점화지연시간은 CONP 코드(17)와 일산화탄소/수소에 최적화된 메커니즘(18)을 사용하여 계산하였다. 이러한 수치적 결과는 산화제 내의 수분과 같은 H 성분에 의하여 일산화탄소의 점화지연시간이 상당한 영향을 받는 것을 의미한다.
성능/효과
(16) 그 온도측정 결과로 노즐출구에서부터 반경방향으로 최대 50 mm 까지 ±2 K 의 오차를 보였고, 축방향은 노즐 출구에서부터 최대의 경우 300 mm 까지 ±20 K 의 온도 편차를 가졌다.
20 의 일산화탄소/수소의 연료에 대하여 (T0, RH)의 변화에 대하여 제트속도에 따른 자발화된 부상화염의 높이를 나타낸다. (T0, RH) = (920 K, 0.01)에서 자발화된 부상화염의 높이는 (T0, RH) = (920 K, 0)의 경우에 비하여 더 낮은 값을 보였고, 제트속도의 증가에 따라 거의 선형적으로 증가하였다.
8 과 9 에 나타내었고, 그 경험적 계수 및 상관계수 R 들을 Table 1 에 표기하였다. 그 결과로 U0 = 20 및 10 m/s 의 모든 데이터를 포함시키는 상관계수를 찾을 수 없었고, 각각의 U0 = 20 및 10 m/s 의 경우에 대하여 R = 0.945 및 0.956 로 높은 상관관계를 보였다.
이에 대하여 열적 폭발 이론을 토대로 점화지연시간에 대한 회귀분석을 수행하였다. 그 결과로 수소의 선호 확산이 점화 과정에서 발생하는 열손실의 영향뿐만 아니라 연료제트의 운동량과 질량의 선호 확산에 의하여 점화지연시간이 영향을 받을 수 있다는 것을 확인하였다.
1 mm 로 각각 감소하였다. 그리고 그 부상높이의 오차범위도 연료몰분율이 상대적으로 증가할수록 감소하였다.
2b 에 나타내었다. 동일한 XF,0 = 0.20 에 대하여, T0 = 920 K 에서 1 %의 수소가 혼합된 연료 조건에서, U0 = 10 m/s 인 경우보다 U0 = 20 m/s 의 경우에 자발화된 부상화염의 높이가 더 높게 증가하였다. 반면에, T0 = 860 K 에서 10 %의 수소가 혼합된 연료 조건에서는 U0 = 20 m/s 의 경우의 부상높이가 상대적으로 더 감소하였다.
이러한 수치적 결과는 산화제 내의 수분과 같은 H 성분에 의하여 일산화탄소의 점화지연시간이 상당한 영향을 받는 것을 의미한다. 따라서 실험적으로 관찰된 일산화탄소의 자발화와 안정화된 부상화염의 높이 특성들에 대하여 그 점화지연시간이 중요한 역할을 하고 있다는 것을 의미한다.
(10,11) 반면에, 본 실험에서는 연료제트가 노즐에서 분출되는 순간부터 고온의 산화제에 의하여 그 연료와 산화제의 혼합층 내에서는 자발적인 화학반응이 진행되고, 특정한 지연시간이 지난 후에 급격한 점화가 발생한다. 따라서, 자발화된 부상화염은 그 자연점화가 발생되는 위치에서 안정화될 수 있기 때문에, 노즐출구의 초기 조건들에 대하여 간단하게 유동시간이 정의되었고, 0-D 에서 계산된 단열적 점화지연시간을 이용하여 열적 폭발 이론을 기반으로 자발화된 부상화염에 대한 안정화 메커니즘이 설명되었다.(9,12~15)
또한 부상높이는 대략 ±1 % 이하의 오차범위를 보였다.
여기서 단열적 점화지연시간은 CONP 코드(17)와 일산화탄소/수소에 최적화된 메커니즘(18)을 사용하여 계산하였다. 이러한 수치적 결과는 산화제 내의 수분과 같은 H 성분에 의하여 일산화탄소의 점화지연시간이 상당한 영향을 받는 것을 의미한다. 따라서 실험적으로 관찰된 일산화탄소의 자발화와 안정화된 부상화염의 높이 특성들에 대하여 그 점화지연시간이 중요한 역할을 하고 있다는 것을 의미한다.
일산화탄소(우)의 노즐 부착화염은 밝은 하늘색을 보였고, 수소화염에 비하여 약 3 배정도로 화염 길이가 길게 나타났다. 그 노즐부착화염은 제트속도 U0 = 2.
6에 나타내었다. 전체적으로 수소비율의 증가에 따라 자발화된 부상화염의 높이는 비선형적으로 감소하는 특성을 보였으며, 계속해서 수소비율을 증가시키면 부상화염은 노즐로 부착되었다.
< 2 m/s 에서는 자발화된 화염이 발생하지 않았다(no-A). 제트속도가 증가함에 따라 자발화된 부상화염의 부상높이는 다소 비선형적으로 증가하였고, 압축공기를 사용한 경우에 비하여 더 높게 위치하였다.
3)의 질소로 희석된 일산화탄소/수소의 혼합기에 대해서, T0 = 600 K 의 동축류 제트에서 제트속도에 따른 노즐부착화염의 직접사진을 나타낸다. 제트속도의 증가에 따라 화염길이는 선형적으로 증가하였고, U0 = 30 m/s 를 초과하면 화염의 후류에서부터 난류로 천이되어 화염길이가 다시 감소하였다. U0 = 35 m/s 에서 화염날림이 발생하였다.
후속연구
한편, 고온의 연료와 산화제의 혼합층 내에서 자발적인 화학반응을 하는 동안에 생성 및 소멸되는 다양한 화학종의 농도 변화에 대한 정보를 레이저 계측을 통하여 실험적으로 파악할 필요가 있다. 이에 대한 적절한 화학반응 메커니즘의 검증을 통하여 점화지연시간의 특성 등에 관한 수치해석적 연구가 향후 요구된다.
한편, 고온의 연료와 산화제의 혼합층 내에서 자발적인 화학반응을 하는 동안에 생성 및 소멸되는 다양한 화학종의 농도 변화에 대한 정보를 레이저 계측을 통하여 실험적으로 파악할 필요가 있다. 이에 대한 적절한 화학반응 메커니즘의 검증을 통하여 점화지연시간의 특성 등에 관한 수치해석적 연구가 향후 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동축류 제트가 자발화 온도 이상으로 가열되면 무엇이 생성되는가?
동축류 제트가 자발화 온도 이상으로 가열되면, Schmidt number (Sc)와 무관하게 자발화된 층류 부상화염이 생성되었고, 그 안정화 메커니즘에는 유동 특성에 대하여 열손실을 고려한 점화지연시간이 중요한 역할을 하였다.(9,12,13) 이러한 자발화된 층류 부상화염에 관한 연구는 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로핀(C3H6), 프로판(C3H8), 노말부탄(n-C4H10) 및 메탄/수소(CH4/H2)의 혼합기에 대하여 체계적으로 연구되었다.
상대적으로 낮은 초기 온도에서 층류 및 난류 부상화염의 안정화 메커니즘에 중요한 역할을 하는 것은?
최근에 고온의 동축류 공기에서 층류 및 난류 연료 제트의 부상화염에 대한 특성이 실험적으로 조사되었다.(6~9) 상대적으로 낮은 초기 온도에서 층류 및 난류 부상화염의 안정화 메커니즘에는 초기 온도에 대한 화염 선단의 전파속도가 중요한 역할을 하였다.(10,11)
합성가스(Syngas) 상용화에 어려움이 있는 이유는?
그리고 청정 대체연료로서 가스터빈의 활용에 대한 관심이 급증하고 있다. 그러나 메탄 등과 같은 연료와 비교하여 화염안정화 및 역화 등의 연소특성이 다르게 나타나기 때문에 상용화에 아직 어려움이 있다.
참고문헌 (19)
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