우레아염 퇴적 방지를 위한 믹서 위치 및 하우징 형상에 따른 벽면 유동특성에 관한 연구 Wall flow characteristics with static mixer position and housing geometry for preventing urea-salt deposition원문보기
대형디젤기관 배기가스 저감용 Urea-SCR 시스템은 높은 NOx 저감율을 보이는 반면, 높은 관통도를 갖는 요소수가 벽면 충돌 후 증발하지 못하고 벽면에 머물게 되어 우레아염을 형성한다. 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구가 수행되었다. 하우징경사각 변화 및 믹서 설치위치에 따라 벽면유동의 증가 가능성이 hot-wire 시스템을 이용하여 조사되었다. 벽면 유동은 하우징 경사각 및 믹서 설치 위치에 큰 영향을 받으며, 하우징 경사각이 있고 믹서가 하우징 후단에 설치될 때 벽면유동이 향상되는 것을 알 수 있었다.
대형디젤기관 배기가스 저감용 Urea-SCR 시스템은 높은 NOx 저감율을 보이는 반면, 높은 관통도를 갖는 요소수가 벽면 충돌 후 증발하지 못하고 벽면에 머물게 되어 우레아염을 형성한다. 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구가 수행되었다. 하우징 경사각 변화 및 믹서 설치위치에 따라 벽면유동의 증가 가능성이 hot-wire 시스템을 이용하여 조사되었다. 벽면 유동은 하우징 경사각 및 믹서 설치 위치에 큰 영향을 받으며, 하우징 경사각이 있고 믹서가 하우징 후단에 설치될 때 벽면유동이 향상되는 것을 알 수 있었다.
The Urea-SCR system commercialized shows a remarkable performance to reduce NOx emission in heavy duty diesel engines. However, Urea-water solution injected upstream a mixer, which is set up inside a exhaust pipe to promote exhaust gas-atomized droplet mixing, bumps up against the wall of a exhaust ...
The Urea-SCR system commercialized shows a remarkable performance to reduce NOx emission in heavy duty diesel engines. However, Urea-water solution injected upstream a mixer, which is set up inside a exhaust pipe to promote exhaust gas-atomized droplet mixing, bumps up against the wall of a exhaust pipe as the droplets flow downstream through the exhaust gas. The urea deposited on the wall of the exhaust pipe is changed into the Urea-salt, resulting in the decreased life-time of the SCR catalysts. Therefore, the development of the urea deposition avoidance technologies is being treated as an important issue of the Urea-SCR systems. An experimental study was carried out to investigate the effects of the wall flow characteristics around the mixer-housing assembly with the variation of the mixer housing surrounding and supporting the mixer, which is designed to increase the wall flow and then to reduce droplet deposition. The flow characteristics was investigated by using a hot-wire anemometry for 2-D simplified duct model, and the housing tilt angles and the position of the mixer were changed : angle of $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, $2^{\circ}$, $3^{\circ}$, and mixer positions of 0L, 0.5L, 1L. The results showed that the wall flow onto the exhaust pipe was improved with changing the tilt angle of the mixer housing, and the wall flow improved more when the position of the mixer was on 1L.
The Urea-SCR system commercialized shows a remarkable performance to reduce NOx emission in heavy duty diesel engines. However, Urea-water solution injected upstream a mixer, which is set up inside a exhaust pipe to promote exhaust gas-atomized droplet mixing, bumps up against the wall of a exhaust pipe as the droplets flow downstream through the exhaust gas. The urea deposited on the wall of the exhaust pipe is changed into the Urea-salt, resulting in the decreased life-time of the SCR catalysts. Therefore, the development of the urea deposition avoidance technologies is being treated as an important issue of the Urea-SCR systems. An experimental study was carried out to investigate the effects of the wall flow characteristics around the mixer-housing assembly with the variation of the mixer housing surrounding and supporting the mixer, which is designed to increase the wall flow and then to reduce droplet deposition. The flow characteristics was investigated by using a hot-wire anemometry for 2-D simplified duct model, and the housing tilt angles and the position of the mixer were changed : angle of $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, $2^{\circ}$, $3^{\circ}$, and mixer positions of 0L, 0.5L, 1L. The results showed that the wall flow onto the exhaust pipe was improved with changing the tilt angle of the mixer housing, and the wall flow improved more when the position of the mixer was on 1L.
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문제 정의
특히 하우징 끝단(x/L=1) 부분은 하우징을 통과한 요소수 분무 입자의 충돌가능성이 높은 영역이므로 이 부분에서 높은 벽면유동을 형성하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 벽면 유동의 운동량 증가를 통해 요소수 분무의 벽면 충돌을 방지하기 위해 하우징 각도 및 믹서 설치 위치 변화의 효과를 조사하였으며, 특히 x/L=1~2 영역에서 벽면유동(wall flow)의 증가 여부를 중점적으로 조사하였다.
본 연구에서는 요소수 벽면 충돌을 최소화를 통한 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구를 수행하였다. 하우징 형상변화를 통해 벽면유동 증가의 가능성을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서의 위치변화가 벽면유동 형성에 미치는 영향을 조사하여 최적의 믹서-하우징 형상 조합을 제시하고자 하였다.
[14]은 Urea-SCR 시스템의 성능에 큰 영향을 끼치는 촉매전단의 암모니아와 배기가스 혼합유동장의 속도 및 농도의 균일 분포도를 향상시키기 위해 대형 정치용 엔진을 대상으로 해석적 연구를 수행하였다. 이 연구에서 속도장 및 농도분포의 균일도 향상을 위해 배기관내 설치된 코너 베인 및 정류장치(rectifier grill) 등이 균일도 향상에 큰 역할을 함을 보고하였고 와류혼합장치의 설치가 농도분포 균일도 향상에 영향을 끼침을 제시하였다. Kim et al.
이것은 Figure 5의 해석 결과에서도 알 수 있듯이 믹서 모사체 후류에 재순환유동장을 포함하는 복잡한 유동이 형성되고 있기 때문이다. 이와 같은 믹서-하우징 모사체 후류에 형성된 축방향 속도분포를 이용하여 본 연구의 주요 관심사인 벽면유동의 축방향 속도의 운동량 증감여부를 조사하였다.
8 mm로 변화한다. 이와 같이 하우징 후단과 벽면사이의 높이를 기준으로 운동량변화를 살펴보는 것은 하우징 각도 증가와 유동저항 사이의 관계를 알아보기 위한 것이다. 즉하우징 각도가 증가함에 따라 하우징과 벽면사이의 유동면적이 감소하여 유동저항이 증가하게 되며, 결국 하우징 후단으로 방출되는 유량과 운동량이 감소하게 될 것이다.
본 연구에서는 요소수 벽면 충돌을 최소화를 통한 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구를 수행하였다. 하우징 형상변화를 통해 벽면유동 증가의 가능성을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서의 위치변화가 벽면유동 형성에 미치는 영향을 조사하여 최적의 믹서-하우징 형상 조합을 제시하고자 하였다.
제안 방법
[13]은 Urea-SCR 시스템의 성능에 가장 큰 영향을 끼치는 분사된 요소수의 증발 및 분무-벽면 상호작용을 조사하기 위해 크기, 온도, 공기질량유량 및 요소수 분사조건이 디젤엔진 배기가스 상태와 유사한 장치에서 실험적 연구를 수행하였다. 광학적 접근이 가능하도록 설계된 투명한 덕트를 통과하는 뜨거운 공기 내로 분사된 요소수 분무 벽면충돌에 의해 형성된 액막(liquid film)을 가시화 하고 액막 두께의 변화를 여러 가지 조건에서 정량적으로 평가하였다. 또한 요소수 액적의 2D 공간분포를 Laser light sheet imaging 기법을 이용하여 조사하고 요소수 액적의 증발에 영향을 끼치는 변수에 관해 조사하였다.
대형 디젤기관 배기가스 후처리용 Urea-SCR 시스템의 믹서-하우징을 2차원으로 단순화한 모델을 이용하여 믹서의 위치 및 하우징 경사각 변화에 따른 벽면유동장을 hot-wire를 이용하여 실험적으로 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
광학적 접근이 가능하도록 설계된 투명한 덕트를 통과하는 뜨거운 공기 내로 분사된 요소수 분무 벽면충돌에 의해 형성된 액막(liquid film)을 가시화 하고 액막 두께의 변화를 여러 가지 조건에서 정량적으로 평가하였다. 또한 요소수 액적의 2D 공간분포를 Laser light sheet imaging 기법을 이용하여 조사하고 요소수 액적의 증발에 영향을 끼치는 변수에 관해 조사하였다. Liu et al.
이것은 믹서-하우징 조합체 입구부분에 충분히 발달된 유동분포를 형성하기 위한 것이다. 믹서의 길이는 배기관 직경과 같은 1D이며 믹서를 모사하기 위해 동일한 차단비(BR)를 갖는 격자를 설치하여 믹서 모사체(dummy mixer)로 활용하였다. 벽면유동 형성 효과를 조사하기 위해 하우징 경사각을 변화시켰으며, 하우징 경사각 변화에 따라 하우징 출구의 높이가 변화한다.
)으로 정의하였다. 배기관에서 믹서 하우징이 시작되는 지점을 원점으로 설정하였으며 축방향 거리는 믹서 길이(L) 그리고 y 방향은 배기관 반경(R)을 이용하여 무차원화 되었다.
믹서의 길이는 배기관 직경과 같은 1D이며 믹서를 모사하기 위해 동일한 차단비(BR)를 갖는 격자를 설치하여 믹서 모사체(dummy mixer)로 활용하였다. 벽면유동 형성 효과를 조사하기 위해 하우징 경사각을 변화시켰으며, 하우징 경사각 변화에 따라 하우징 출구의 높이가 변화한다. 하우징 입구는 12 mm로 고정하였으며 하우징 경사각을 1°, 2°,3°로 변화시켜 가면서 유동 가속에 의한 벽면유동의 형성을 조사하였다.
벽면유동장 특성은 Figure 4에 도시한 바와 같이 측정 가능위치인 y/R=0.06부터 하우징 입구 높이까지인 y/R=0.24 사이의 유동을 벽면유동영역으로 정의하고 이 영역의 운동량 계산을 통해 평가하였다. 이와 같이 y/R=0.
7894×10-4 kg/ms 이다. 송풍기로부터 공급되는 공기의 유량은 덕트 입구에 설치된 층류유량계(Soken LFE-50B) 및 마이크로마노메터(Furness controls, FCO12)를 이용하여 측정하였다. 믹서-하우징후류 유동장은 2차원 hot-wire 시스템(Dantec Co.
유속은 hot-wire 측정체적과 벽면 간섭의 영향을 고려하여 벽면으로부터 y/R=0.06 떨어진 지점부터 y 방향에 따라 y/R=1 지점까지 매우 조밀하게 측정하였다. 축방향(x/L) 거리변화에 따른 유속은 하우징 출구에 가장 가까운 x/L=1.
06 떨어진 지점부터 y 방향에 따라 y/R=1 지점까지 매우 조밀하게 측정하였다. 축방향(x/L) 거리변화에 따른 유속은 하우징 출구에 가장 가까운 x/L=1.2 지점부터 1.4, 1.6, 1.8, 2.0까지 5지점에서 측정하였다.
Figure 6은 2차원화 된 사각 덕트에 설치된 믹서하우징 모사체 후류에 형성되는 유동장의 축방향 속도분포를 hot-wire를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 것이다. 측정된 축방향 속도는 덕트 입구속도(Uinlet)로 무차원화 하여 나타내었으며, 축방향 거리는 믹서 길이(L) 그리고 반경방향 거리는 대상엔진 배기관 반경(R)으로 무차원화 하였다. 그림에서 실선으로 표시된 파이프(pipe)는 믹서-하우징 조합체가 설치되지 않았을 경우 덕트 내부의 속도분포를 나타낸 것이다.
하우징 입구는 12 mm로 고정하였으며 하우징 경사각을 1°, 2°,3°로 변화시켜 가면서 유동 가속에 의한 벽면유동의 형성을 조사하였다.
대상 데이터
Figure 2는 대형 디젤기관의 믹서-하우징 조합체의 형상변화에 따른 유동특성을 실험적으로 조사하기 위해 믹서-하우징을 2차원으로 단순화 하여 나타낸 것이다. 대상 엔진의 배기관 직경(D)은 100 mm, 반경(R) 50 mm, 대표 하우징 길이(L) 100 mm, 하우징 반경(r) 38 mm이다. 따라서 배기관 반경과 하우징의 반경비는 r/R=0.
Figure 2에 나타낸 2차원 모델은 대칭구조의 아래 부분만을 도식적으로 표현한 것이다. 덕트 입구로부터 실험대상인 믹서-하우징 조합체까지의 길이는 57D이다. 이것은 믹서-하우징 조합체 입구부분에 충분히 발달된 유동분포를 형성하기 위한 것이다.
데이터처리
송풍기로부터 공급되는 공기의 유량은 덕트 입구에 설치된 층류유량계(Soken LFE-50B) 및 마이크로마노메터(Furness controls, FCO12)를 이용하여 측정하였다. 믹서-하우징후류 유동장은 2차원 hot-wire 시스템(Dantec Co., 90N10, 90H01)을 이용하여 측정하였으며, 100,000개의 샘플을 이용하여 평균값을 계산하였다. Hot-wire는 컴퓨터에 의해 제어되는 이송장치에 의해 제어되며 모든 신호는 컴퓨터에서 처리되었으며 개략도를 Figure 3에 도시하였다.
성능/효과
(1) 믹서-하우징 조합체에서 하우징 각도가 증가함에 따라 벽면 유동의 운동량이 증가하는 경향을 보이며 조사된 하우징 각도 범위 0°~3° 사이에서 2°일 때 벽면 유동의 운동량이 가장 높게 나타났다.
(2) 믹서의 설치 위치는 믹서 후류 유동장에 큰 영향을 끼치며, 하우징 경사각이 없거나 비교적 작은 1°의 경우 하우징 전단(x/L=0) 및 후단(x/L=1)에 설치하는 것이 그리고 경사각이 2° 및 3°의 경우 하우징 후단(x/L=1)에 설치하는 것이 벽면 유동의 운동량 증가에 효과적임을 보였다.
(3) 최적 믹서-하우징 조합체 선정을 위해서는 적용된 믹서의 차단비(BR)가 중요한 변수이며, 본 연구의 조사범위에서 하우징 경사각 2° 및 믹서 설치위치 x/L=1일 때 벽면 유동의 운동량이 가장 높게 나타나는 최적 믹서-하우징 조합으로 나타났다.
5에서 낮은 운동량 분포를 나타내고 있으며, 하우징 경사각이 2° 및 3°의 경우 믹서의 위치가 하우징 후단으로 갈수록 점차 증가하는 경향을 나타내고 있다. 조사된 범위에서 믹서가 하우징 후단(x/L=1)에 설치될 때 가장 높은 운동량 분포를 보여주고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Urea-SCR 시스템의 원리는 무엇인가?
Urea-SCR 시스템은 요소수(urea-water solution)를 분사 제어 장치를 통해 배기관내에 정밀하게 분사시키고 이렇게 분사된 요소수는 배기가스 열에 의해 열분해 되어 암모니아(NH3)로 변환되며, 생성된 암모니아는 후단에 장착된 SCR촉매에서 질소산화물(NOx)과 반응하여 인체에 무해한 물과 질소로 분해하는 원리를 갖고 있다[3]. Urea-SCR 시스템의 촉매 활용도를 높이고 암모니아 슬립을 방지하기 위해서는 촉매 전단에서 암모니아의 공간분포가 균일해야 한다.
디젤엔진의 오염물질 저감을 위하여 어떤 기술들이 사용되고 있는가?
오염물질 저감에 사용되는 기술은 엔진설계기술, 연료 첨가제기술 및 배기가스 후처리 기술로 크게 구분할 수 있으며 최근에는 PM저감을 위한 DPF(diesel particulate filter), 디젤산화촉매(diesel oxidation catalyst) 및 NOx저감을 위한 Lean NOx 촉매, SCR(selective catalystic reduction) 등과 같은 기술을 적용한 배기가스후처리기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 Urea-SCR 시스템은 엔진 출력을 유지하면서 90% 이상의 NOx 저감율을 달성할 수 있는 장점으로 인해 많은 연구가 진행되어 왔으며 완성차업체에서 최근에 개발되는 차량의 대부분에 Urea-SCR 방식을 채택하고 있다[2].
디젤엔진이 환경오염의 주범으로 인식되는 이유는 무엇인가?
또한 디젤엔진은 내구성, 신뢰성 및 안전성 등을 가지고 있어 점점 강화되는 배기가스 규제에도 불구하고 지속적 성장을 하고 있으며, 특히 디젤엔진을 탑재한 소형 차량의 판매는 매년 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 그러나 디젤엔진은 가솔린엔진 대비 입자상물질(particular matter, PM) 및 질소산화물(nitric oxide, NOx)의 배출 수준이 높아 환경오염의 주범으로 인식되고 있다. 디젤엔진에서 배출되는 오염물질을 저감시키기 위한 세계 각국의 법적 규제는 날로 엄격해 지고 있으며 엔진 및 완성차 제조업체는 디젤엔진에서 배출되는 주요 오염물질인 NOx와 PM을 저감하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[1].
참고문헌 (16)
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