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문제 정의
- 본 연구는 실험실 규모의 원추형 연소로를 제작하여 연료 유량을 고정시킨 상태에서 공기 유량의 변화에 따른 MILD 연소특성을 실험을 통하여 확인하고, 같은 당량비 조건에서 수치해석 결과와 비교 분석하여 연소로 내부로 유입되는 연료 및 공기의 유동을 정성적으로 가시화 하고, 이러한 유동 특성과 질소산화물 배출특성의 관계를 확인하였다.
- 75인 조건에서 증가하기 시작하여 당량비의 감소폭에 따라 매우 큰 폭으로 증가하는 것으로 예측되었다. 수치해석 결과를 바탕으로 주 반응영역 중심의 최고화염 온도의 제어가 질소산화물 등의 배출가스 저감에 얼마나 큰 영향을 줄 수 있는지 확인할 수 있다.
제안 방법
- 3.1절에서 온도를 측정한 위치와 동일한 지점에서 당량비에 따른 질소산화물의 발생량을 도출하였다. Figure 10의 계산 결과에 의하면 당량비가 작아질수록 화염의 최고온도는 점점 증가하다가 당량비가 0.
- 격자의 개수는 804,105 개이며 Tet/Hybrid 격자로 제어체적을 분할하였다. Table 1의 조건에 의하여 연료 및 공기의 유속을 결정하고 계산 시간의 효율성 향상을 위하여 연료 노즐을 중심으로 축대칭의 1/8 부분만 계산하였다.
- 전면에는 화염을 관측할 수 있는 창을 설치하고 후면에는 온도측정공이 배치되어 있다. 각각의 온도측정공에는 고온에도 견딜 수 있는 보호 캡을 장착한 K-type의 열전대를 부착하여 DAQ board 로 신호를 수집하고, 수집된 정보는 LabView 프로그램을 사용하여 분석 및 저장하였다. 배기가스의 측정은 배기가스가 연소로에서 배출된 직후 측정이 이루어지도록 설치하였다.
- 실험적 연구화 같은 조건에 따라 FLUENT를 이용한 수치해석을 진행하였다. 당량비에 따라 실험 및 수치해석을 진행함으로써 화염의 특성 및 배출가스 특성을 확인하였다. 본 연구에서 도출한 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 각각의 온도측정공에는 고온에도 견딜 수 있는 보호 캡을 장착한 K-type의 열전대를 부착하여 DAQ board 로 신호를 수집하고, 수집된 정보는 LabView 프로그램을 사용하여 분석 및 저장하였다. 배기가스의 측정은 배기가스가 연소로에서 배출된 직후 측정이 이루어지도록 설치하였다.
- 본 연구에서는 Figure 1과 같이 원추형의 연소로를 구성하여 MILD 연소기술을 적용하였다. 실험실 규모의 연소장치는 내부의 MILD 연소로와 상부의 예열버너, 하부의 연료 및 산화제 공급 장치, 배기장치 및 화염 제어장치 등으로 이루어져 있다.
- 본 연구에서는 연소로 내부를 자발화 이상의 온도로 예열한 후 연료 유량을 분당 18l로 고정하고 공기 유량을 분당 200l에서 240l까지 변경한 Table 1의 조건에 의하여 당량비 변화에 따른 MILD 연소특성을 도출하였다. Table 1에 실험에 사용된 당량비와 동일한 조건에서 수치해석을 보는 바와 같이 수행하였다.
- 원추형 MILD 연소로에 대한 연소특성을 도출하기 위원추형 MILD 연소로에 대한 연소 특성을 도출하기 위하여 실험실 규모의 연소로를 제작하여 실험하였으며 가스분석기, 열전대, 직접사진법 등을 동원하여 연소기 내의 현상들을 실험적으로 밝혔다. 실험적 연구화 같은 조건에 따라 FLUENT를 이용한 수치해석을 진행하였다. 당량비에 따라 실험 및 수치해석을 진행함으로써 화염의 특성 및 배출가스 특성을 확인하였다.
- 원추형 MILD 연소로에 대한 연소특성을 도출하기 위원추형 MILD 연소로에 대한 연소 특성을 도출하기 위하여 실험실 규모의 연소로를 제작하여 실험하였으며 가스분석기, 열전대, 직접사진법 등을 동원하여 연소기 내의 현상들을 실험적으로 밝혔다. 실험적 연구화 같은 조건에 따라 FLUENT를 이용한 수치해석을 진행하였다.
- 이후 거시적인 MILD 연소 조건을 확립하고, MILD 연소 조건의 범위 안에서 Φ = 0.72 ~0.86 사이의 구간에서 연소 실험을 실시하였다.
- 3) 실험과 같은 조건에서 전산해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 연소로 내부에서 일어나는 유동 및 화학반응 특성과 위치에 따른 정확한 온도분포, NOx 발생특성 등을 가시화 하였다.
대상 데이터
- 실제 연소로 치수를 정확하게 측정하고 모델링 하여 계산한 결과를 통하여 연소로 내부에서 일어나는 유동 특성을 가시화 하고 실험적 연구와 비교하여 분석하였다. 격자의 개수는 804,105 개이며 Tet/Hybrid 격자로 제어체적을 분할하였다. Table 1의 조건에 의하여 연료 및 공기의 유속을 결정하고 계산 시간의 효율성 향상을 위하여 연료 노즐을 중심으로 축대칭의 1/8 부분만 계산하였다.
데이터처리
- 3) 실험과 같은 조건에서 전산해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 연소로 내부에서 일어나는 유동 및 화학반응 특성과 위치에 따른 정확한 온도분포, NOx 발생특성 등을 가시화 하였다.
- 수치해석은 전산해석 상용코드인 FLUENT 소프트웨어를 사용하여 수행하였다. 유동장을 계산 가능한 적절한 크기의 제어체적으로 분할하여 지배 방정식을 각 제어체적에 적용하여 적분하는 유한 체적법을 사용하며, 해석은 Patanker에 의해 제안된 SIMPLE 알고리즘을 사용한다.
- 유동장을 계산 가능한 적절한 크기의 제어체적으로 분할하여 지배 방정식을 각 제어체적에 적용하여 적분하는 유한 체적법을 사용하며, 해석은 Patanker에 의해 제안된 SIMPLE 알고리즘을 사용한다. 실제 연소로 치수를 정확하게 측정하고 모델링 하여 계산한 결과를 통하여 연소로 내부에서 일어나는 유동 특성을 가시화 하고 실험적 연구와 비교하여 분석하였다. 격자의 개수는 804,105 개이며 Tet/Hybrid 격자로 제어체적을 분할하였다.
이론/모형
- 수치해석은 전산해석 상용코드인 FLUENT 소프트웨어를 사용하여 수행하였다. 유동장을 계산 가능한 적절한 크기의 제어체적으로 분할하여 지배 방정식을 각 제어체적에 적용하여 적분하는 유한 체적법을 사용하며, 해석은 Patanker에 의해 제안된 SIMPLE 알고리즘을 사용한다. 실제 연소로 치수를 정확하게 측정하고 모델링 하여 계산한 결과를 통하여 연소로 내부에서 일어나는 유동 특성을 가시화 하고 실험적 연구와 비교하여 분석하였다.
성능/효과
- Φ = 0.72 인 영역, 즉 산화제의 유량이 상대적으로 큰 조건에서 배기가스 재순환 영역이 연료노즐 부근으로 편중되고 화염 온도 또한 급격하게 상승하는 것을 확인하였다.
- 1) 연료 노즐의 유속은 일정하게 유지시키고 공기 노즐의 유속을 변경하는 방법으로 당량비를 조절하였다. 이후 거시적인 MILD 연소 조건을 확립하고, MILD 연소 조건의 범위 안에서 Φ = 0.
- 2) MILD 연소 영역 내에서 당량비가 커질수록 일산화탄소의 양은 증가하고 질소산화물의 양은 감소하는 전형적인 MILD 연소의 배출가스 특성을 확인하였다. Φ = 0.
- 4) 화염의 반응률과 온도분포 등을 통하여 연소로 내부의 고온의 영역은 연료와 공기의 재순환 영역의 경계면을 중심으로 형성되고, 당량비의 변화에 따라 그 형상 또는 범위가 조금씩 다른 특성을 보이는 것으로 예측되었다. Φ = 0.
- 각 조건에 따른 온도분포를 Figure 5에 도시하였다. 계산결과 최고 온도는 당량비가 0.75에서 0.82의 구간에서 1600℃ 전후로 나타났으며, 주 반응영역대주요 화염대의 최고 온도를 제외한 연소로 내부의 전체적인 온도는 당량비가 0.72 의 경우를 제외한 모든 조건에서 1000℃ 이상을 유지하고 있음을 알 수 있다. 공기 유속 변경을 통해 당량비를 조절하는 방법을 사용함에 따라 고온 화염의 상부는 당량비가 증가할수록, 즉 공기 유속이 늦어질수록 공기노즐 방향으로 편중되는 결과로 나타났다.
- 72 의 경우를 제외한 모든 조건에서 1000℃ 이상을 유지하고 있음을 알 수 있다. 공기 유속 변경을 통해 당량비를 조절하는 방법을 사용함에 따라 고온 화염의 상부는 당량비가 증가할수록, 즉 공기 유속이 늦어질수록 공기노즐 방향으로 편중되는 결과로 나타났다. 이는 Figure 6과 같이 반응 영역의 분포와 동일한 경향을 보이는 것으로 예측되었다.
- 배기가스 측정결과 당량비가 증가할수록 질소산화물의 발생량은 감소하고 산화제 부족으로 인한 일산화탄소의 발생량은 증가하는 전형적인 MILD 연소 특성이 관찰되었다. 이는 Figure 4와 같이 유상열[6]의 원통형 연소로를 이용한 실험적 연구 결과와 정성적으로 유사한 결과를 나타내는 것으로 확인되었다.
- 72 인 조건에서 배기가스 재순환영역이 매우 좁게 형성이 되고 연료노즐에서 분사된 가스의 형태도 연소로 전체적으로 퍼지지 못하고 상대적으로 강한 공기 유속의 영향으로 대부분의 유동이 연료노즐 부근의 반응영역으로 집중되는 것으로 확인되었다. 온도 분포의 해석 결과와 비교하였을 때 고온의 영역 중심의 반응영역을 통과한 대부분의 유동이 다시 반응영역 중심으로 재순환되어 들어감으로 인하여 연소로 내부의 온도가 급격하게 상승한 것으로 예측되었다.
- Figure 8과 Figure 9는 각각 연소로 내부의 연료 및 공기의 속도분포와 속도의 방향에 대한 접선을 연결한 유선 의 해석 결과를 나타내고 있다. 특징적인 부분은 당량비가 0.72 인 조건에서 배기가스 재순환영역이 매우 좁게 형성이 되고 연료노즐에서 분사된 가스의 형태도 연소로 전체적으로 퍼지지 못하고 상대적으로 강한 공기 유속의 영향으로 대부분의 유동이 연료노즐 부근의 반응영역으로 집중되는 것으로 확인되었다. 온도 분포의 해석 결과와 비교하였을 때 고온의 영역 중심의 반응영역을 통과한 대부분의 유동이 다시 반응영역 중심으로 재순환되어 들어감으로 인하여 연소로 내부의 온도가 급격하게 상승한 것으로 예측되었다.
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