초음파 진동자에 의해 미립화된 탄화수소계 액체연료를 태우는 버너의 연소특성을 고찰하기 위한 실험이 수행되었다. 고속카메라와 열화상 카메라를 이용하여 slit-jet 버너에서 생성된 화염의 이미지를 획득하였으며, 후처리를 통해 화염의 형상과 온도구배를 면밀히 분석하였다. 또한, 정밀유량 계측법을 이용하여 수송기체 실험조건 변화에 따른 연료소모량을 측정하였다. 그 결과, 수송기체 유량이 증가하면 무화된 연료의 분사량도 같이 증가한다는 사실을 확인하였으나, 낮은 유량 조건에서는 주변 장치의 진동에 의해 공연비(air/fuel ratio)와 수송기체 유량의 상관성이 관찰되지 않았다. 또한, 수송기체 유량과 초음파진동자의 소비전력이 증가하면 연소반응이 촉진되어 연소영역이 신장되고 화염온도가 증가하였다.
초음파 진동자에 의해 미립화된 탄화수소계 액체연료를 태우는 버너의 연소특성을 고찰하기 위한 실험이 수행되었다. 고속카메라와 열화상 카메라를 이용하여 slit-jet 버너에서 생성된 화염의 이미지를 획득하였으며, 후처리를 통해 화염의 형상과 온도구배를 면밀히 분석하였다. 또한, 정밀유량 계측법을 이용하여 수송기체 실험조건 변화에 따른 연료소모량을 측정하였다. 그 결과, 수송기체 유량이 증가하면 무화된 연료의 분사량도 같이 증가한다는 사실을 확인하였으나, 낮은 유량 조건에서는 주변 장치의 진동에 의해 공연비(air/fuel ratio)와 수송기체 유량의 상관성이 관찰되지 않았다. 또한, 수송기체 유량과 초음파진동자의 소비전력이 증가하면 연소반응이 촉진되어 연소영역이 신장되고 화염온도가 증가하였다.
An experimental study was performed for the combustion-field visualization of the burner which burns the liquid hydrocarbon fuel atomized by an ultrasonic oscillator. Configurations of the flame and temperature gradient were caught by both high-speed camera and thermo-graphic camera, and those image...
An experimental study was performed for the combustion-field visualization of the burner which burns the liquid hydrocarbon fuel atomized by an ultrasonic oscillator. Configurations of the flame and temperature gradient were caught by both high-speed camera and thermo-graphic camera, and those images were analyzed in detail through a post-processing. In addition, the fuel consumption was measured using the balance during the combustion reaction. As a result, the consumption of atomized fuel increased with the increasing flow-rate of carrier-gas, but any correlation between the air/fuel ratio and carrier-gas flow-rate was not found at the low flow-rate condition. Also, the combustion-field grew and reaction-temperature rose due to the strengthening of combustion reaction with the increasing flow-rate of carrier-gas and power consumption of ultrasonic oscillator.
An experimental study was performed for the combustion-field visualization of the burner which burns the liquid hydrocarbon fuel atomized by an ultrasonic oscillator. Configurations of the flame and temperature gradient were caught by both high-speed camera and thermo-graphic camera, and those images were analyzed in detail through a post-processing. In addition, the fuel consumption was measured using the balance during the combustion reaction. As a result, the consumption of atomized fuel increased with the increasing flow-rate of carrier-gas, but any correlation between the air/fuel ratio and carrier-gas flow-rate was not found at the low flow-rate condition. Also, the combustion-field grew and reaction-temperature rose due to the strengthening of combustion reaction with the increasing flow-rate of carrier-gas and power consumption of ultrasonic oscillator.
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문제 정의
4 MHz의 진동자를 이용해 액체연료의 미립화 및 연소가 가능한 slit-jet 버너를 설계/제작하였다. 본 연구는 slit-jet 버너의 미립화기구와 가연구간(flammable region)을 확인하고, 진동자의 소비전력과 수송가스의 유량에 따라 변화하는 화염의 온도 분포 확인을 통해 실험버너의 연소특성을 고찰하고자 한다.
초음파 진동자를 이용해 생성한 탄화수소계 액체연료분무를 분사하는 슬릿제트 버너의 연소 특성을 고찰하기 위한 실험이 수행되었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
직진법은 초음파 진동자 내부에 액체를 통과시켜 진동자의 표면을 따라서 미립화 시키는 방법이고, 무화법은 진동자에서 발생한 초음파에너지를 액체에 통과시켜 액체의 표면에서 미립화가 일어나도록 하는 방법이다[6]. 특히, MHz 단위의 초음파 진동자를 이용하여 무화법으로 액체연료를 미립화시킬 경우, 예열과정 없이 즉각적인 연소가 가능한 크기의 액적을 얻을 수 있으며[9], 화학 반응율을 증대시킬 수 있다[12]는 보고에 따라, 본 연구진[13-15]은 액체연료 공급계의 설계기술 고도화를 통한 연소장치개발을 목적으로 2.4 MHz의 진동자를 이용해 액체연료의 미립화 및 연소가 가능한 slit-jet 버너를 설계/제작하였다. 본 연구는 slit-jet 버너의 미립화기구와 가연구간(flammable region)을 확인하고, 진동자의 소비전력과 수송가스의 유량에 따라 변화하는 화염의 온도 분포 확인을 통해 실험버너의 연소특성을 고찰하고자 한다.
제안 방법
6에 보인다. 고속카메라 이미지와 열화상 이미지의 촬영속도 차이로 인한 오차율을 최소화하기 위해 획득한 데이터의 평균값을 이용해 이미지들을 비교하였다.
획득한 이미지들은 matlab을 이용하여 gray scale 화 한 후 고역필터(high pass filter)를 통과시켜 선예도(sharpness)를 향상시켰으며, 이미지 강도(intensity)를 조절하여 이진화(binarization)하였다. 그 후, 이진화된 화염 이미지와 보정용 이미지(calibration image)를 비교하여 픽셀(pixel)간 간격을 구하고, 화염의 단면적과 평균 높이를 계산하였으며, 그 과정의 순서도를 Fig. 6에 보인다. 고속카메라 이미지와 열화상 이미지의 촬영속도 차이로 인한 오차율을 최소화하기 위해 획득한 데이터의 평균값을 이용해 이미지들을 비교하였다.
노즐부의 크기는 지름 45 mm, 높이 60mm의 원통형으로 제작하였고, 무화된 연료는 노즐부 상단의 30 × 1.5 mm2(종횡비 20:1) 크기의 slit을 통해 분사되도록 설계하였으며, 실험에 사용된 버너의 전체적인 형상은 Fig. 4와 같다.
4와 같다. 버너 내부에는 정압센서(pressure transducer)와 열전대를 설치하여 액적생성부의 압력 및 온도 변이를 측정하였다. 액적의 분사를 위한 수송기체로는 공기(순도 99.
실험장치는 크게 버너(burner), 연료저장소(fuel reservoir),DACS (Data Acquisition & Control System), 이미지 획득 장치 등으로 구성된다. 버너는 액체연료를 미립화하는 액적 생성부와 그것이 분사되는 노즐부로 나뉘고, 버너 내부에서 생성된 액적이 외부에서 유입된 공기와 혼합된 후 노즐 밖으로 분사될 수 있도록 설계하였다. 액적 생성부는 제작에 용이한 PMMA (PolymethylMethacrylate)를 사용하여 지름 150 mm, 높이 280 mm인 원통형으로 제작하였으며, 액적 생성부의 하단에는 액체연료를 무화시킬 수 있는 2.
진동자는 압전소자를 이용하여 18 mm크기의 원형으로 제작되었다. 버너의 노즐부는 PMMA의 내열한계를 고려해 SUS (Steel Use Stainless)로 제작하였다. 노즐부의 크기는 지름 45 mm, 높이 60mm의 원통형으로 제작하였고, 무화된 연료는 노즐부 상단의 30 × 1.
연소시 사용된 연료소모량은 정밀저울(capacity: 6200 g, resolution: 0.01 g)을 이용하여 측정하였으며, 연료저장소의 질량변이를 1초 간격으로 20분간 측정하였다. 질량데이터의 보다 높은 신뢰도를 확보하기 위해 표준질량분동을 이용하여 보정곡선을 획득한 후 연료저장소의 질량데이터를 보정하였다.
01 g)을 이용하여 측정하였으며, 연료저장소의 질량변이를 1초 간격으로 20분간 측정하였다. 질량데이터의 보다 높은 신뢰도를 확보하기 위해 표준질량분동을 이용하여 보정곡선을 획득한 후 연료저장소의 질량데이터를 보정하였다. 분동과 실측치의 비교를 통해 획득한 보정곡선은 Fig.
2)를 이용하여 60 FPS (Frame Per Second) 속도로 획득하였으나, 열화상카메라(InfraTec사의 VarioCAM hr)는 장비의 한계로 인하여 10 FPS 속도로 이미지를 획득하였다. 획득한 이미지들은 matlab을 이용하여 gray scale 화 한 후 고역필터(high pass filter)를 통과시켜 선예도(sharpness)를 향상시켰으며, 이미지 강도(intensity)를 조절하여 이진화(binarization)하였다. 그 후, 이진화된 화염 이미지와 보정용 이미지(calibration image)를 비교하여 픽셀(pixel)간 간격을 구하고, 화염의 단면적과 평균 높이를 계산하였으며, 그 과정의 순서도를 Fig.
대상 데이터
가시화염은 고속 카메라(Vision Research사의 phantom v7.2)를 이용하여 60 FPS (Frame Per Second) 속도로 획득하였으나, 열화상카메라(InfraTec사의 VarioCAM hr)는 장비의 한계로 인하여 10 FPS 속도로 이미지를 획득하였다. 획득한 이미지들은 matlab을 이용하여 gray scale 화 한 후 고역필터(high pass filter)를 통과시켜 선예도(sharpness)를 향상시켰으며, 이미지 강도(intensity)를 조절하여 이진화(binarization)하였다.
1%))를 사용하였으며, 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 이용하여 수송기체의 공급유량을 정밀하게 제어하였다. 실험에 사용된 액체연료는 등유(kerosene)이다.
실험장치는 크게 버너(burner), 연료저장소(fuel reservoir),DACS (Data Acquisition & Control System), 이미지 획득 장치 등으로 구성된다.
버너는 액체연료를 미립화하는 액적 생성부와 그것이 분사되는 노즐부로 나뉘고, 버너 내부에서 생성된 액적이 외부에서 유입된 공기와 혼합된 후 노즐 밖으로 분사될 수 있도록 설계하였다. 액적 생성부는 제작에 용이한 PMMA (PolymethylMethacrylate)를 사용하여 지름 150 mm, 높이 280 mm인 원통형으로 제작하였으며, 액적 생성부의 하단에는 액체연료를 무화시킬 수 있는 2.4MHz 초음파 진동자 5개를 설치하였다. 진동자에 입력되는 전압은 전력공급기(power supply)를 이용해 조절하였는데, Table 1은 입력전압에 따른 소비전력의 변이를 정리한 것이다.
버너 내부에는 정압센서(pressure transducer)와 열전대를 설치하여 액적생성부의 압력 및 온도 변이를 측정하였다. 액적의 분사를 위한 수송기체로는 공기(순도 99.999% 이상의 O2 (20.9%)와 N2 (79.1%))를 사용하였으며, 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 이용하여 수송기체의 공급유량을 정밀하게 제어하였다. 실험에 사용된 액체연료는 등유(kerosene)이다.
진동자에 입력되는 전압은 전력공급기(power supply)를 이용해 조절하였는데, Table 1은 입력전압에 따른 소비전력의 변이를 정리한 것이다. 진동자는 압전소자를 이용하여 18 mm크기의 원형으로 제작되었다. 버너의 노즐부는 PMMA의 내열한계를 고려해 SUS (Steel Use Stainless)로 제작하였다.
성능/효과
2. 음파의 힘이 등유의 표면장력보다 커지면 미세한 액적이 등유기둥의 끝단에서 생성되며, 액적의 평균입경은 Lang의 이론에 의해 약 1.7 μm로 예측되었다.
3. 정밀유량 측정방법을 이용해 수송기체 유량 변화에 따른 액체연료분무의 분사량을 측정한 결과, 일반적으로 수송기체 유량이 증가할수록 분무의 분사량은 증가하였으나, 낮은 유량 구간에서는 실험장치에서 발생하는 진동으로 인해 분사량 측정의 불확도가 증가하였다.
4. 본 실험에서는 공연비가 20을 초과하는 공기과잉조건(이론공연비: 15.6)에서 연소반응이 이루어졌으며, 공연비가 100이 넘는 구간도 확인되었다.
5. 진동자의 소비전력이 클수록 등유 액적의 무화도가 증가하여, 연소반응 면적과 화염의 온도가 증가하였다.
9에 보인다. 등유의 이론공연비는 15.6이나,본 실험에서는 공연비가 20을 초과하는 공기과잉조건에서 연소반응이 이루어지고 있다는 사실을 확인할 수 있다. 이는 등유액적을 연소시키기 위해서는 이론 공연비 이상의 산소가 필요하기 때문이다.
수송기체의 유량과 소비전력의 증가는 노즐 외부에서 생성된 가시화염의 수직방향 높이를 증대시킨다는 사실을 확인할 수 있다. 또, 소비 전력이 높고 수송기체의 유량이 많을 경우에 생성된 화염은 청염(blue flame) 뿐만 아니라 황염(yellow flame)도 생성되어 화염의 단면적이 급격하게 증가하는 것을 확인한 수 있다. 이는 진동자의 소비전력이 클수록 등유 액적의 무화도(degree of atomization)가 증가하여 동일한 수송기체유량 환경에서 연료량이 상대적으로 많이 분사되어 노즐 근처 1차 연소영역에서 미처 반응하지 못한 연료가 2차 연소영역을 생성시켰을 뿐만 아니라 초음파 미립화에 의한 등유분자의 고리구조 변화의 결과로 화학반응이 증대되었기 때문인 것을 판단된다.
10과 Table 2는 초음파 진동자의 소비 전력과 버너내부에 주입되는 수송가스의 유량이 변할 때, 생성된 화염의 대표이미지와 각 조건에서 화염의 평균 높이를 보이고 있다. 수송기체의 유량과 소비전력의 증가는 노즐 외부에서 생성된 가시화염의 수직방향 높이를 증대시킨다는 사실을 확인할 수 있다. 또, 소비 전력이 높고 수송기체의 유량이 많을 경우에 생성된 화염은 청염(blue flame) 뿐만 아니라 황염(yellow flame)도 생성되어 화염의 단면적이 급격하게 증가하는 것을 확인한 수 있다.
7은 진동자의 소비전력이 변할 때 생성된 등유기둥의 대표적인 형상과 평균 높이를 보이고 있다. 진동자의 소비전력이 증가할수록 등유기둥이 높아진다는 사실을 확인할 수 있으며, 이를 통해 소비전력의 증가가 진동자 진폭을 증가시킨다는 사실을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파를 이용한 액체의 미립화 방법을 대별하시오.
초음파를 이용한 액체의 미립화 방법은 직진법(direct vibration method)과 무화법(aerosolmethod)으로 대별되며 Fig. 1에 간략히 보이고 있다.
초음파를 이용한 액체의 미립화 방법인 직진법과 무화법을 설명하시오.
1에 간략히 보이고 있다. 직진법은 초음파 진동자 내부에 액체를 통과시켜 진동자의 표면을 따라서 미립화 시키는 방법이고, 무화법은 진동자에서 발생한 초음파에너지를 액체에 통과시켜 액체의 표면에서 미립화가 일어나도록 하는 방법이다[6]. 특히, MHz 단위의 초음파 진동자를 이용하여 무화법으로 액체연료를 미립화시킬 경우, 예열과정 없이 즉각적인 연소가 가능한 크기의 액적을 얻을 수 있으며[9], 화학 반응율을 증대시킬 수 있다[12]는 보고에 따라, 본 연구진[13-15]은 액체연료 공급계의 설계기술 고도화를 통한 연소장치개발을 목적으로 2.
MHz 단위의 초음파 진동자를 이용하여 무화법으로 액체연료를 미립화시킬 경우 장점은 무엇인가?
직진법은 초음파 진동자 내부에 액체를 통과시켜 진동자의 표면을 따라서 미립화 시키는 방법이고, 무화법은 진동자에서 발생한 초음파에너지를 액체에 통과시켜 액체의 표면에서 미립화가 일어나도록 하는 방법이다[6]. 특히, MHz 단위의 초음파 진동자를 이용하여 무화법으로 액체연료를 미립화시킬 경우, 예열과정 없이 즉각적인 연소가 가능한 크기의 액적을 얻을 수 있으며[9], 화학 반응율을 증대시킬 수 있다[12]는 보고에 따라, 본 연구진[13-15]은 액체연료 공급계의 설계기술 고도화를 통한 연소장치개발을 목적으로 2.4 MHz의 진동자를 이용해 액체연료의 미립화 및 연소가 가능한 slit-jet 버너를 설계/제작하였다.
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