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문제 정의
- 따라서 화염에서 발생하는 자발광에 대해 연소과정 중 화학반응 하는 특정 화학종의 라디칼의 계측을 통한 광학적 계측 방법이 대두되었고, 이러한 광학적 계측방법은 화염을 직접계측하며, in-situ방식으로서 연소시스템에 큰 영향을 주지 않는다는 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 광학적 계측 기법을 일반적인 연소시스템에 적용하기 위해 계측위치별 신호 특성에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 8은 화염 계측 위치에 따른 자발광 특성을 나타내기 위한 광학헤드(optical head)의 위치를 표시하였다. 그림에 나타난 바와 같이 화염 전체의 영역을 포함하는 AGV(Axial Global View), 화염측면에서 반응영역의 국부적인 영역을 계측할 수 있는 RPV(Radial Parallel View), 화염측면에서 보다 넓은 영역을 계측영역으로 하는 RGV(Radial Global View)의 세 개의 위치에서 계측을 수행하였다. 연소시스템 및 실험 조건은 Table 3에 나타냈다.
- 동일조건에서 취득한 이미지 data는 각 픽셀별로 평균하였고, 각각 가스화염 CH* 계측 data, 가스화염 C2* 계측 data 및 오일화염 CH* 계측 data, 오일화염 C2* 계측 data의 최대값을 이용하여 평준화를 수행하여 표시하였다.
- 연소시스템은 일반 상용연소기로서 난류 확산 화염 연소기와 연소로, 공기 및 연료공급시스템으로 구성된다. 또한 계측장치는 화염자발광을 집광하여 광파이버(optical fiber)로 전달하는 optical head와 자발광 분석을 위한 spectrometer, 화염라디칼을 측정하기 위한 광학필터(optical bandpass filter)와 PMT(photo multiplier tube), 자발광 분포를 계측하기 위한 광학 필터(optical bandpass filter)와 CCD camera로 구성하였다. 또한 화염 상태를 진단하기 위한 portable gas analyzer를 배기단에 설치하여 실시간으로 배기가스 O2를 계측하였다.
- 표에 나타낸 바와 같이 연료는 상용 LPG와 상용 Light Oil이며 부하는 400,000 kcal/h의 조건에서 실험을 수행하였다. 또한 화염 라디칼 분포 계측을 위한 이미지 취득은 10 images/sec의 속도로 이미지 취득을 하여 각 픽셀의 data를 평균하여 표시하였다.
- 또한 계측장치는 화염자발광을 집광하여 광파이버(optical fiber)로 전달하는 optical head와 자발광 분석을 위한 spectrometer, 화염라디칼을 측정하기 위한 광학필터(optical bandpass filter)와 PMT(photo multiplier tube), 자발광 분포를 계측하기 위한 광학 필터(optical bandpass filter)와 CCD camera로 구성하였다. 또한 화염 상태를 진단하기 위한 portable gas analyzer를 배기단에 설치하여 실시간으로 배기가스 O2를 계측하였다.
- 7은 광학필터와 CCD 카메라를 이용하여 화염의 CH*, C2*의 분포를 계측하기 위한 시스템이다. 사진에서 보는바와 같이 CCD 카메라시스템에 광학필터를 적용하여 동일조건의 화염에서 이미지를 취득하였다. 취득한 이미지는 각각 흑백이미지로 변환하였고, 이를 각 픽셀에 따른 matrix형태로 변환하여 data취득을 하였다.
- )은 몇몇 선행연구를 통해 밝혀진 UV영역과 VIS영역의 파장대의 화염에서 연소반응 중 나타나는 주된 화학종이다[4,5]. 이러한 현상을 검증하기 위해 본 연구진은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 Laminar premixed flame에 대하여 spectroscopic analysis를 수행하였고, 선행연구의 결과와 유사한 결과를 도출하였다.
- 사진에서 보는바와 같이 CCD 카메라시스템에 광학필터를 적용하여 동일조건의 화염에서 이미지를 취득하였다. 취득한 이미지는 각각 흑백이미지로 변환하였고, 이를 각 픽셀에 따른 matrix형태로 변환하여 data취득을 하였다. 동일조건에서 취득한 이미지 data는 각 픽셀별로 평균하였고, 각각 가스화염 CH* 계측 data, 가스화염 C2* 계측 data 및 오일화염 CH* 계측 data, 오일화염 C2* 계측 data의 최대값을 이용하여 평준화를 수행하여 표시하였다.
- 그림에 나타낸 광학필터의 사양은 Table 2에 나타내었다. 화염의 분광분석시스템은 Fig. 8에 나타낸 광학헤드의 위치에 따라 계측을 수행하였으며, RPV의 경우 위치별 화염라디칼계측을 위해 Table 3에 나타낸 RPV Location에 따라 계측을 수행하였다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 UV와 VIS영역에서 발생하는 OH*, CH*, C2*를 계측 대상으로 하여 연구를 수행한다.
- 또한 오일연료연소기의 경우 단공 압력식노즐을 통하여 연료를 공급하고, 선회형태의 보염형상을 적용하여 공기를 공급하는 형태이다. 본 연구에 적용한 연소기의 경우 일반적으로 사용하는 연소기로서 연료다단, 공기 다단과 같은 기술이 적용되지 않은 연소기이다.
- 연소시스템 및 실험 조건은 Table 3에 나타냈다. 표에 나타낸 바와 같이 연료는 상용 LPG와 상용 Light Oil이며 부하는 400,000 kcal/h의 조건에서 실험을 수행하였다. 또한 화염 라디칼 분포 계측을 위한 이미지 취득은 10 images/sec의 속도로 이미지 취득을 하여 각 픽셀의 data를 평균하여 표시하였다.
성능/효과
- 1) 가스화염의 경우 당량비가 증가함에 따라 화염 후류의 적염이 커지며 연료/공기의 혼합성능이 낮아지는 현상을 보여준다.
- 2) 오일화염의 경우 전체적으로 적염을 나타내며 가스화염과 마찬가지로 당량비가 증가함에 따라 화염이 길어지고 연료/공기의 혼합성능이 낮아지는 현상을 보여준다.
- 3) CCD camera를 이용하여 CH*과 C2*의 분포를 계측한 결과 가스화염의 경우 당량비에 따라 화염 반응영역이 이동함을 보이며, 특히 C2*의 경우 soot blackbody radiation의 영향으로 화염의 적염 영역과 유사한 위치 분포를 나타낸다. 한편 오일화염의 경우 반응역역의 이동은 없으나 당량비가 증가할수록 라디칼의 강도가 낮아지는 특징을 보인다.
- 4) 계측위치에 따라 화염의 분광분석을 수행한 결과 주로 청염이 나타나는 영역에서는 soot blackbody radiation의 영향이 나타나지 않는 것으로 확인된다.
- 5) 계측위치에 따라 광학필터(optical bandpassfilter)와 PMT를 이용하여 라디칼 계측을 수행한 결과 RPV, RGV의 화염 선단부를 계측하는 경우 OH*,CH*, C2*의 모든 라디칼이 화염당량비가 높아질수록 라디칼 강도가 약해지는 경향을 보인다.
- 6) 난류확산화염에 대하여 계측위치별 라디칼분포, 분광분석, 당량비에 따른 라디칼 강도측정을 한 결과 화염선단부에 존재하는 반응영역에서의 라디칼 강도는 당량비가 증가함에 따라 감소하는 동일한 경향을 보여준며, 계측위치는 화염구조에 영향을 받으며 특히 가스화염의 경우 적염의 존재유무에 따라 당량비에 따라 라디칼강도의 경향이 다르게 나타날 수 있다.
- 이는 당량비가 높아짐에 따라 연료/공기 혼합기의 혼합성능이 약화되어 화염 선단에서 주를 이루던 연소반응 영역이 후류로 이동함을 나타낸다. 또한 각 라디칼의 집중 분포지점이 화염후류로 이동할수록 넓게 분포됨을 알 수 있다.
- 이러한 라디칼 분포 data를 분석하면, 가스화염의 경우 당량비의 변화에 따라 라디칼 강도의 분포의 경향이 다르게 나타남에 따라 라디칼의 강도가 계측 위치에 따라 다르게 나타날 가능성을 보이며, 오일화염의 경우 라디칼 분포의 경향이 전 당량비에서 유사하게 나타남에 따라 계측위치별 당량비에 따른 라디칼의 강도가 유사한 경향성을 보일 것으로 사료된다.
- 전체적으로 적염을 이루는 오일화염의 경우 주된 반응영역이 화염 선단부에서 나타나는 영향으로 AGV 계측위치에서는 뚜렷한 라디칼 peak가 나타나지 않지만 RPV, RGV의 경우 soot blackbody radiation의 형상에 중첩되어 OH*, CH*, C2*의 peak가 중첩되어 나타났다.
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