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문제 정의
- 본 논문에서는 수송 및 저장이 간편하고 단위질량당 발열량이 높은 장점을 가지고 있는 액체연료를 기연가스의 높은 온도를 활용하여 증발시켜 기체 연료화하고 예혼합연소 방식을 적용하여 액체연료 증발을 통한 예혼합 연소특성을 비교분석하였다.
- 액체연료의 단점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 4와 같은 액체연료의 증발, 예혼합 및 다공매질을 적용한 예혼합연소 개념을 적용하고자 한다. Fig.
제안 방법
- 2) 분사압력을 4 bar로 고정하여 분사되는 연료유량을 열용량 기준 9.2 kW조건으로 고정한 후 액체 연료의 증발을 통하여 예혼합 가스를 형성하여 원통형 예혼합 버너에 적용하는 실험을 통하여 안정적인 예혼합 화염을 형성하였다.
- Fig. 6을 살펴보면 연료탱크의 압력을 조정할 수 있도록 압력조절기를 적용하여 분사압력을 조정하여 등유를 분사하였고 분사되는 연료를 포집하여 정밀 저울을 통하여 질량을 측정하였다. 압력변화에 따른 분무노즐의 분사각도 변화를 초고속카메라(Motion Pro x3, Redlake)와 광원을 적용하여 5회 반복 측정하여 가시화하였고 후처리를 통하여 분사각도를 측정하였다.
- 정상작동 상태 및 초기 공기 예열을 위한 전기히터를 사용한 상태에서의 액체연료의 분사영역에서의 온도를 측정하기 위하여 연소부의 액체연료 증발영역에 K 타입 열전대를 적용하여 증발영역의 온도를 실시간으로 측정하였다. 가동조건변화에 따른 연소화염의 거동을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikkon, D-90)를 사용하였고 Testo-330 배기가스 분석기와 Testo Easyheat Softwere를 사용하여 실시간으로 배기가스 배출량을 수집 및 분석하였다. 액체연료는 연료발열량 기준 9.
- 본 실험을 진행함에 있어 연소시스템의 작동초기 연소화염의 열원을 활용한 액체연료의 증발이 어려운 문제점을 해결하기 위하여 전기히터를 적용하여 공급되는 공기를 100℃까지 예열하여 초기작동시 적용하였고 안정적인 연소화염이 형성되면 전기히터의 전원을 차단하여 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서 사용된 액체연료는 등유를 사용하였고 사용된 등유의 물성치는 Table 1과 같다[14]. 분무노즐을 적용하여 10 kW 이하 열용량 조건을 확보하기 위하여 분사압력변화에 따른 연료 분사량 및 분사각도를 Fig. 6과 같은 분무 분사시스템을 구성하여 실험을 진행하였다.
- 분무되는 등유의 안정적인 증발을 위하여 Fig. 9와 같은 등유 증발장치가 포함된 예혼합 연소시스템을 구성하였다. Fig.
- 또한 분사실험과정에서 분사되는 액체연료의 질량을 측정하여 측정결과를 Table 2에 비교하였다. 분사압력 4 bar 조건에서 본 실험에 적용하고자 하는 열용량 9.2 kW를 확보하였고 추후 진행되는 모든 실험에서는 연료분사압력을 4 bar로 고정하여 열용량 9.2 kW 조건으로 실험을 진행하였다.
- 실내용 난방기에 널리 사용되는 열용량 10 kW 이하의 조건에서 분무노즐을 적용한 연소시스템의 연소특성분석을 위하여 Fig. 6의 실험장치를 활용하여 압력변화에 따른 분무형상 및 분사유량을 측정하였다. 압력변화에 따른 분무형태를 초고속카메라를 적용하여 측정하였고 Fig.
- 6을 살펴보면 연료탱크의 압력을 조정할 수 있도록 압력조절기를 적용하여 분사압력을 조정하여 등유를 분사하였고 분사되는 연료를 포집하여 정밀 저울을 통하여 질량을 측정하였다. 압력변화에 따른 분무노즐의 분사각도 변화를 초고속카메라(Motion Pro x3, Redlake)와 광원을 적용하여 5회 반복 측정하여 가시화하였고 후처리를 통하여 분사각도를 측정하였다.
- 10의 개념도를 살펴보면 실험장치는 크게 액체연료 공급부, 공기 공급 및 예열부, 액체연료 증발및 연소부로 구성되어진다. 액체연료 공급부를 살펴보면 질소를 활용하여 연료탱크의 압력을 조정하여 분무되는 액체연료의 유량을 변경하여 발열량을 조정하였다. 공기공급 및 예열부의 경우 연소시스템의 작동초기 연소화염의 열원을 활용한 액체연료의 증발이 어려워 작동초기 액체연료의 증발을 돕기 위하여 공급되는 공기를 예열할 수 있는 전기히터를 설치하였다.
- 가동조건변화에 따른 연소화염의 거동을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikkon, D-90)를 사용하였고 Testo-330 배기가스 분석기와 Testo Easyheat Softwere를 사용하여 실시간으로 배기가스 배출량을 수집 및 분석하였다. 액체연료는 연료발열량 기준 9.2 kW로 고정하여 공급하였고 공기의 유량을 변화를 통하여 당량비를 변경하면서 실험을 진행하였다.
- 액체연료를 분사하는 압력을 4 bar로 고정하여 공급하여 열용량을 9.2 kW로 유지한 상태에서 액체연료의 증발을 적용한 예혼합 원통형 버너의 당량비 변화에 따른 연소실험을 진행하였다.
- 액체연료의 안정적인 증발을 통하여 예혼합 가스를 형성하고 원통형 예혼합 버너에 적용하여 안정적인 예혼합 화염을 형성하는 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 액체연료의 증발을 통하여 예혼합 가스를 형성하고 원통형 버너를 적용한 조건에서 당량비 변화에 따른 배기가스를 측정하기 위하여 Fig. 15와 같은 배기가스 측정시스템을 구성하여 배기가스를 측정하였고 측정결과를 산소 0%조건으로 변환하여 Fig. 16 에 비교하였다.
- 공기공급 및 예열부의 경우 연소시스템의 작동초기 연소화염의 열원을 활용한 액체연료의 증발이 어려워 작동초기 액체연료의 증발을 돕기 위하여 공급되는 공기를 예열할 수 있는 전기히터를 설치하였다. 연소시스템의 작동초기 전기히터를 활용하여 공급되는 공기를 예열하여 액체연료를 증발하고 연소시스템이 정상 작동되면 전기히터 없이 공기를 공급하여 실험을 진행하였다. 정상작동 상태 및 초기 공기 예열을 위한 전기히터를 사용한 상태에서의 액체연료의 분사영역에서의 온도를 측정하기 위하여 연소부의 액체연료 증발영역에 K 타입 열전대를 적용하여 증발영역의 온도를 실시간으로 측정하였다.
- 연소시스템의 작동초기 전기히터를 활용하여 공급되는 공기를 예열하여 액체연료를 증발하고 연소시스템이 정상 작동되면 전기히터 없이 공기를 공급하여 실험을 진행하였다. 정상작동 상태 및 초기 공기 예열을 위한 전기히터를 사용한 상태에서의 액체연료의 분사영역에서의 온도를 측정하기 위하여 연소부의 액체연료 증발영역에 K 타입 열전대를 적용하여 증발영역의 온도를 실시간으로 측정하였다. 가동조건변화에 따른 연소화염의 거동을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikkon, D-90)를 사용하였고 Testo-330 배기가스 분석기와 Testo Easyheat Softwere를 사용하여 실시간으로 배기가스 배출량을 수집 및 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 액체연료는 등유를 사용하였고 사용된 등유의 물성치는 Table 1과 같다[14]. 분무노즐을 적용하여 10 kW 이하 열용량 조건을 확보하기 위하여 분사압력변화에 따른 연료 분사량 및 분사각도를 Fig.
- 본 연구에서 적용한 원통형 예혼합버너는 Fig. 7과 같은 형상으로 금속재질의 분포판(Baffle Plate), 염공(Flame Holes) 및 화염지지대(Flame Holder)로 구성하였다.
- 실험에 사용된 액체연료 분무노즐은 Danfoss사에서 생산된 분무노즐로 구조는 Fig. 5와 같다. 본 분무노즐의 분사형태는 중실원추형(Solid Cone) 형상이며 분사각도는 60°이다.
- 실험에 사용된 원통형버너의 형상을 비교한 Fig. 8을 살펴보면 염공의 경우 직경 60 mm, 높이 161 mm, 분포판은 직경 52 mm, 높이 146 mm로 설계 및 제작하였다. 본 원통형 버너는 사전연구를 통하여 연소안정성, 배기가스 배출특성 및 열효율이 매우 뛰어난 예혼합 버너로의 가능성이 확인된 원통형 예혼합 연소기이다[15,16].
성능/효과
- 1) 분무(Spray) 노즐 분사실험을 통하여 압력 4 bar 조건에서 등유의 분사유량이 열용량 기준 9.2 kW, 분무각도 46°임 확인하여 가정용 난방기에 적용 가능한 조건임을 확인하였다.
- 3) 액체연료의 증발을 통하여 예혼합 가스를 형성하여 원통형 예혼합 버너의 당량비 변화에 따른 연소특성을 분석한 결과 당량비가 감소됨에 따라 연소화염의 형상이 적열화염 → 청색화염 → 화염날림으로 변화되는 예혼합 화염의 특징을 확인하였다.
- 4) 당량비 0.753 조건에서 증발영역의 온도변화를 1시간 동안 측정하였고 정상작동 후 20분까지 증발 영역의 온도가 급속히 증가하고 30분 이후로는 증발 영역의 온도가 150-153℃로 유지하여 등유의 증발 온도 이상을 안정적으로 형성할 수 있음을 확인하였다.
- 5) 배기가스 측정 결과 당량비 0.705-0.835 영역에서 NOx의 배출량이 105 ppm 이하로 배출되었고 CO의 경우 실험에 적용된 당량비 전 영역에서 5 ppm 이하로 배출됨을 확인하였다.
- Fig. 12를 살펴보면 당량비가 감소함에 따라 연소화염이 녹색화염 → 적색화염 → 청색화염 → 화염날림으로 변화됨을 확인할 수 있어 예혼합 연소특징을 잘 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
- 당량비 변화에 따른 연소화염을 비교한 Fig. 13을 살펴보면 가스연료를 적용한 원통형 예혼합 버너의 실험결과와 동일하게 당량비가 감소함에 따라 연소화염 형태가 적열화염 → 청색화염 → 화염날림으로 변화되는 것을 확인하였다.
- 835 영역에서 NOx의 배출량은 105 ppm 이하로 배출되었고 CO의 경우 동일 당량비 조건에서 5 ppm 이하로 배출됨을 확인할 수 있다. 또한 점화 및 소화과정에서 미연탄화수소의 영향으로 발생되던 냄새의 경우 관능검사(Sensory Test)를 통하여 배출량이 감소됨을 확인하였다.
- 13을 살펴보면 가스연료를 적용한 원통형 예혼합 버너의 실험결과와 동일하게 당량비가 감소함에 따라 연소화염 형태가 적열화염 → 청색화염 → 화염날림으로 변화되는 것을 확인하였다. 본 실험을 통하여 액체 연료의 증발을 통하여 기화시켜 예혼합가스를 형성하여 예혼합 버너의 적용을 통하여 안정적인 예혼합 연소화염이 형성됨을 확인하였다. 열용량 9.
- 14를 살펴보면 정상작동 후 20분까지 증발영역의 온도가 급속히 증가하여 30분 이후로는 증발영역의 온도가 150-153℃로 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통하여 장시간 운전조건에서도 증발영역의 온도가 발화온도 이상으로 상승하는 문제점이 발생하지 않음을 확인하였다.
- 본 연구에 적용된 원통형 예혼합 버너는 사전연구를 통하여 높은 연소안정성, 낮은 배기가스 배출 및 높은 열효율을 형성할 수 있음을 확인하였다. 3.
- 액체연료의 증발을 통하여 예혼합 가스를 형성하여 원통형 예혼합 버너에 적용하는 본 실험의 경우 너무 높은 열전달을 통하여 증발영역의 온도가 발화온도 이상으로 증가되면 증발영역에서 연소가 발생할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 따라서 정상작동 상태를 유지하는 당량비 0.
- 본 실험을 통하여 액체 연료의 증발을 통하여 기화시켜 예혼합가스를 형성하여 예혼합 버너의 적용을 통하여 안정적인 예혼합 연소화염이 형성됨을 확인하였다. 열용량 9.2 kW 조건에서는 당량비 0.731 조건에서 가장 안정적인 연소화염이 형성됨을 확인할 수 있었다.
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