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문제 정의
- 본 연구에서 복사영역의 감소를 통하여 Metal Fiber에 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 부분 부하조건에서 안정적인 청염을 형성하는 것이 매우 중요한 요소이다. 저부하조건에서 발생되는 복사영역을 감소하기 위하여 Fig.
- 따라서 Baffle Plate는 최적화된 예혼합가스의 공급 및 예혼합화염의 형성에 있어 매우 중요한 설계인자로 알려져 있다. 본 연구에서는 안정적인 예혼합연소화염의 형성을 위하여 Baffle Plate에 형성된 홀의 직경, 가로 및 세로 거리를 변경하여 Baffle Plate를 통과하여 Metal Fiber에 공급되는 유속변화가 예혼합연소화염에 미치는 영향을 실험을 통하여 분석하였다. Baffle Plate 변화에 따른 연소특성을 분석하기 위하여 본 연구에서는 Fig.
제안 방법
- (2) 부하비 4:1 조건을 만족하기 위하여 발열량 6,250kcal/h 조건에서 Throttle Valve를 적용하여 실험을 진행하여 Throttle Valve 30° 조건을 적용하여 청염영역을 확장하여 안정적인 연소화염을 형성하였다.
- Baffle Plate Case 5와 Throttle Valve를 적용한 Metal Fiber 예혼합 연소시스템을 구성하여 부하비 변화에 따른 연소특성을 분석하였다. 본 연구에서는 부하비 4:1 이상의 조건을 목표로 최대 발열량을 25,000kcal/h로 설정하였다.
- 본 연구에서는 안정적인 예혼합연소화염의 형성을 위하여 Baffle Plate에 형성된 홀의 직경, 가로 및 세로 거리를 변경하여 Baffle Plate를 통과하여 Metal Fiber에 공급되는 유속변화가 예혼합연소화염에 미치는 영향을 실험을 통하여 분석하였다. Baffle Plate 변화에 따른 연소특성을 분석하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 4와 같은 형상의 Baffle Plate를 설계 및 제작하여 실험에 적용하였다.
- Baffle Plate의 변화를 통하여 부하비 4:1 조건에서 안정적인 청염의 형성을 확인하였다. 하지만 열용량 6,250kcal/h 조건에서는 청염영역의 확장에 어려움을 가지고 있다.
- Baffle Plate의 형성된 홀의 직경을 2mm로 결정하고 보다 안정적인 연소화염의 형성을 위하여 홀 간 가로 및 세로 거리와 홀의 개수가 변경된 Case 3, 4, 5번의 Baffle Plate를 적용하여 연소실험을 진행하였고 실험결과를 Fig. 8에 비교하였다.
- 청염영역의 극대화를 위해서는 예혼합가스의 균일유동분포를 통하여 예혼합 표면화염의 안정성을 확보해야 한다. Baffle Plate의 홀의 직경변화를 통한 유속변화가 예혼합 연 소화염의 미치는 영향을 분석하기 위하여 Baffle Plate Case 1, 2, 3번을 적용하여 실험을 진행하였고 실험결과를 Fig. 7에 비교하였다.
- Metal Fiber, Throttle Valve 및 최적화된 Baffle Plate를 적용한 응축보일러용 예혼합 연소시스템의 실험연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 당량비 및 열용량 변화에 따른 배기가스 배출특성을 분석하기 위하여 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version 2.0을 사용하여 배기가스 데이터를 실시간으로 수집하였고 배기가스에 포함된 산소의 분율을 활용하여 당량비로 환산하여 분석하였다.
- 하지만 실험을 진행하면서 예혼합 버너의 외곽영역에서 복사영역이 발생됨을 확인할 수 있었다. 발생되는 복사영역의 감소를 위하여 동일 홀 개수 조건에서 홀 간 거리를 변경한 Case 5 Baffle Plate 를 적용하여 실험을 진행하였고 복사영역이 감소되고 평면에 가까운 최적화된 연소화염을 형성하였다. 복사영역의 감소는 홀 간 거리 변화를 통하여 버너 내부의 유동장에 영향을 미쳐 Metal Fiber에 공급되는 예혼합가스의 유동분포로 인하여 발생되었다.
- 배기가스의 측정은 NOx, CO, CO2, O2의 측정이 가능한 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version 2.0을 사용하여 배기가스 데이터를 실시간 수집 및 분석하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1(d)의 Metal Fiber와 Throttle Body를 적용하여 복사영역에서 발생되는 고온부식 문제점을 해결하고 안정적인 청염의 표면화염을 형성할 수 있는 응축보일러용 예혼합 버너에 대한 실험연구를 진행하였다.
- Baffle Plate Case 5와 Throttle Valve를 적용한 Metal Fiber 예혼합 연소시스템을 구성하여 부하비 변화에 따른 연소특성을 분석하였다. 본 연구에서는 부하비 4:1 이상의 조건을 목표로 최대 발열량을 25,000kcal/h로 설정하였다.
- 부하비 4:1 조건을 만족하도록 열용량을 6,250, 13,000, 18,750, 25,000 kcal/h로 변경하여 실험을 진행하였고 각각의 열용량 조건에서 형성되는 안정화된 청염을 Fig. 11에 비교하였다. Fig.
- 공급되는 도시가스는 압력조절기를 통과하면서 250mmAq의 압력으로 감압시켜 습식가스메터(Wet Gas Meter)로 공급되어진다. 습 식가스메터와 예혼합 터보 Fan 사이에는 가스밸브를 적용하여 공급되는 연료의 유량을 조정하였고 공급되는 연료의 유량은 습식가스메터를 통하여 확인하였다. 공급되는 공기의 유량은 터보 Fan의 회전수(rpm) 변경을 통하여 조정하였다.
- 열효율 측정 과정에서 발생되는 CO 및 NOx의 배출량을 실시간으로 1초 간격으로 측정 및 저장하였고 측정된 배기가스의 배출량 중 안정화된 영역의 1분간의 배기가스 배출량의 평균값을 활용하여 Fig. 14에 비교하였다.
- 0을 사용하여 배기가스 데이터를 실시간 수집 및 분석하였다. 예혼합 연소시스템의 연소패턴을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikon, D-90)를 사용하여 당량비 및 열용량 변화에 따른 연소화염의 거동을 촬영하여 관찰하였다.
- 하지만 열용량 6,250kcal/h 조건에서는 청염영역의 확장에 어려움을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 Case 5 Baffle Plate와 Throttle Valve를 적용하여 Throttle Valve의 각도와 터보 Fan에 공급되는 전압 변화에 따른 청염의 형성실험을 진행하였고 Fig. 9에 비교하였다.
- 본 연구에서 복사영역의 감소를 통하여 Metal Fiber에 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 부분 부하조건에서 안정적인 청염을 형성하는 것이 매우 중요한 요소이다. 저부하조건에서 발생되는 복사영역을 감소하기 위하여 Fig. 5와 같이 Throttle Valve를 설계 및 제작하여 실험에 적용하였다. Fig.
- 제작된 열교환기와 예혼합 연소시스템은 하향식 방식으로 조립하여 실험을 진행하였다. 당량비 및 열용량 변화에 따른 배기가스 배출특성을 분석하기 위하여 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version 2.
- 3(b)와 같은 조정기를 제작하여 실험에 적용하였다. 제작된 조정기는 가변저항을 적용하여 비례제어 밸브에 공급되는 전류를 변경할 수 있도록 설계 및 제작하여 실험에 적용하였다.
- 현열열교환기에 설치된 가시화창을 통하여 당량비 및 열용량 변화에 따른 연소화염의 변화를 관찰하여 Fig. 13과 같은 안정화선도를 도출하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 적용된 연료/공기 혼합장치는 Fig. 2와 같은 AGM(Air Gas Mixer)를 선택하였다. Fig.
- 연소실험에 사용된 연료는 도시가스로 그 대표적인 성분은 메탄(CH4)이며 자세한 도시가스의 성분비 및 물성치는 Table 3과 같다.(12)
데이터처리
- KS B 8127의 응축가스온수보일러 기준으로 측정된 전부하 효율, 부분부하효율 및 평균효율을 Fig. 15에 비교하였다. 전부하 열효율, 부분부하 열효율 및 평균 열효율을 비교한 Fig.
이론/모형
- 부하비 변화에 따른 배기가스 배출량과 열효율을 측정하기 위하여 KS B 8127의 응축가스온수 보일러 기준을 적용하여 실험을 진행하였고 부분 부하 조건에서는 Throttle Valve의 유무에 따른 배기가스 및 열효율 특성도 함께 비교하였다.
성능/효과
- (1) Baffle Plate의 홀 직경, 가로 및 세로 거리를 변경하여 실험을 진행하였고 실험 결과 Baffle Plate Case 5번에서 본 연구에서 달성하고자하는 적염영역을 최소화하고 청염영역을 극대화하는 연소화염을 형성하였다.
- (3) 발열량 12,500kcal/h 조건에서 당량비 변화에 따른 연소화염의 특성을 비교한 결과 고당량 비 조건에서 저당량비 조건으로 당량비가 희박해 지면 연소화염이 적염 청염 화염날림으로 변화됨을 확인하였다.
- (4) 응축열교환기를 적용한 배기가스 측정실험을 통하여 열용량 25,000 kcal/h조건에서 당량비 0.724-0.795 영역에서 CO 50 ppm 이하, 열용량 6,250 kcal/h 조건에서는 Throttle Valve를 적용한 경우 당량비 0.710-0.760 영역에서 23 ppm 이하로 CO 가 배출됨을 확인하였다. 또한 실험을 진행한 전 영역에서 NOx의 배출량은 11 ppm 이하로 배출됨을 확인하였다.
- (5) KS B 8127의 응축가스온수보일러 기준을 적용한 열효율 측정결과 부분분하 열효율의 경우 당량비 0.710-0.760 영역에서 약 98.5% 이상, 전부하 열효율의 경우 당량비 0.724-0.795 영역에서 약 92.3% 이상의 열효율이 측정되었다. 평균열효율은 약 95.
- 개방상태에서 진행된 실험으로 당량비를 측정할 수는 없지만 Throttle Valve의 적용을 청염이 형성될 수 있는 영역이 확장됨을 확할 수 있어 Throttle Valve 30° 조건에서 청염영역이 증가되었다고 판단하였다.
- 795 영역에서 CO 50 ppm 이하의 배출량이 발생됨을 확인하였다. 당량비 0.750 조건에서 CO 배출량이 22.4 ppm으로 가장 낮게 배출 되었고 당량비 0.750을 기준으로 희박 또는 농후한 당량비 조건에서도 배출되는 CO의 배출량은 증가하였다. 열용량 6,250 kcal/h 조건에서는 Throttle Valve를 적용한 경우 당량비 0.
- 760 영역에서 23 ppm 이하로 CO 가 배출됨을 확인하였다. 또한 실험을 진행한 전 영역에서 NOx의 배출량은 11 ppm 이하로 배출됨을 확인하였다.
- 적염형성 조건에서 공기유량을 증가시켜 당량비를 희박하게 변경하면 Metal Fiber 표면에서 청염이 생성됨을 확인하였다. 또한 청염조건에서 공급유량을 증기시켜 당량비를 더욱 희박하게 조정하면 연소화염이 Metal Fiber 표면에서 떨어져 연소화염이 불안정해지는 화염날림 현상이 발생되는 것을 확인하였다.
- 하지만 발열량 25,000Kcal/h 조건에서는 홀의 직경이 2mm 인 Case 3번 Baffle Plate에서 다른 Baffle Plate에 비하여 연소화염의 형태가 평면에 가깝게 형성됨을 확인할 수 있었다. 발열량 25,000Kcal/h 조건에서 홀의 직경 2mm에서 평면화염이 형성되는 원인은 Baffle Plate에 형성된 2mm의 홀로 인하여 압력강화가 증가되고 예혼합가스의 유속이 증가 되는 Baffling 효과가 효과적으로 발생되어 예혼합연소화염이 보다 평면에 가깝게 형성되었다고 판단하였다.
- 3%로 계산되었다. 부분부하 열효율 측정에서 Throttle Valve의 적용 여부에 따른 열효율변화를 분석하면 저당량비 조건에서는 Throttle Valve의 적용이 보다 효율적이고 당량비가 증가 되면 Throttle Valve의 미적용이 효과적이라 판단된다. 하지만 Throttle Valve를 적용하기 않은 경우 적염의 발생으로 인한 Metal Fiber의 열화 가능성이 발생할 가능성이 높아 본 연구에서는 Throttle Valve의 적용을 통한 Metal Fiber 내구성 확보가 보다 효과적이라 판단하였다.
- 연소시스템의 배기가스 배출특성을 비교한 Fig. 14를 살펴보면 열용량 25,000 kcal/h 조건에서 당량비 0.724-0.795 영역에서 CO 50 ppm 이하의 배출량이 발생됨을 확인하였다. 당량비 0.
- 750을 기준으로 희박 또는 농후한 당량비 조건에서도 배출되는 CO의 배출량은 증가하였다. 열용량 6,250 kcal/h 조건에서는 Throttle Valve를 적용한 경우 당량비 0.710 조건인 에서 CO의 배출량이 조금더 낮게 배출되었고 당량비 0.710-0.760 영역에서 23 ppm 이하로 CO가 배출됨 을 확인하였다. NOx의 경우 실험을 통하여 진행 된 전 영역에서 11 ppm 이하로 배출됨을 화인하였고 당량비가 농후해짐에 따라 배출량도 함께 증가하였다.
- 5% 이상의 열효율이 측정되었고 당량비가 증가됨에 따라 부분부하 열효율이 감소되었다. 이와 반대로 전부하 열효율의 당량비가 증가됨에 따라 전부하 열효율 또한 증가되었고 당량비 0.724-0.795 영역에서 약 92.3% 이상의 열효율이 측정되었다. 전부하 열효율과 부분부하 열효율의 평균으로 계산되어진 평균열효율의 경우 당량비 0.
- 10의 각각의 연소화염을 살펴보면 적염의 경우는 연소화염이 Metal Fiber 표면에 붙어 적열광을 형성하는 전형적인 복사모드인 적염이 생성된다고 판단된다. 적염형성 조건에서 공기유량을 증가시켜 당량비를 희박하게 변경하면 Metal Fiber 표면에서 청염이 생성됨을 확인하였다. 또한 청염조건에서 공급유량을 증기시켜 당량비를 더욱 희박하게 조정하면 연소화염이 Metal Fiber 표면에서 떨어져 연소화염이 불안정해지는 화염날림 현상이 발생되는 것을 확인하였다.
- 15에 비교하였다. 전부하 열효율, 부분부하 열효율 및 평균 열효율을 비교한 Fig. 15를 살펴보면 부분분하 열효율의 경우 당량비 0.710-0.760 영역에서 약 98.5% 이상의 열효율이 측정되었고 당량비가 증가됨에 따라 부분부하 열효율이 감소되었다. 이와 반대로 전부하 열효율의 당량비가 증가됨에 따라 전부하 열효율 또한 증가되었고 당량비 0.
- 3% 이상의 열효율이 측정되었다. 전부하 열효율과 부분부하 열효율의 평균으로 계산되어진 평균열효율의 경우 당량비 0.725-0.763영역에서 약 95.5% 이상 계산되었고 당량비 0.75 조건에서 평균열효율이 가장 높은 96.3%로 계산되었다. 부분부하 열효율 측정에서 Throttle Valve의 적용 여부에 따른 열효율변화를 분석하면 저당량비 조건에서는 Throttle Valve의 적용이 보다 효율적이고 당량비가 증가 되면 Throttle Valve의 미적용이 효과적이라 판단된다.
- 3% 이상의 열효율이 측정되었다. 평균열효율은 약 95.5% 이상 측정되었고 당량비 0.75 조건에서 약 96.3% 열효율이 측정되어 고효율 저공해 응축보일러용 예혼합 버너의 가능성을 확인하였다.
- 부분부하 열효율 측정에서 Throttle Valve의 적용 여부에 따른 열효율변화를 분석하면 저당량비 조건에서는 Throttle Valve의 적용이 보다 효율적이고 당량비가 증가 되면 Throttle Valve의 미적용이 효과적이라 판단된다. 하지만 Throttle Valve를 적용하기 않은 경우 적염의 발생으로 인한 Metal Fiber의 열화 가능성이 발생할 가능성이 높아 본 연구에서는 Throttle Valve의 적용을 통한 Metal Fiber 내구성 확보가 보다 효과적이라 판단하였다.
- 7을 살펴보면 발열량 6,250Kcal/h 조건에서 는 적용된 모든 Baffle Plate 조건에서 평면화염에 가까운 화염을 형성됨을 확인하였다. 하지만 발열량 25,000Kcal/h 조건에서는 홀의 직경이 2mm 인 Case 3번 Baffle Plate에서 다른 Baffle Plate에 비하여 연소화염의 형태가 평면에 가깝게 형성됨을 확인할 수 있었다. 발열량 25,000Kcal/h 조건에서 홀의 직경 2mm에서 평면화염이 형성되는 원인은 Baffle Plate에 형성된 2mm의 홀로 인하여 압력강화가 증가되고 예혼합가스의 유속이 증가 되는 Baffling 효과가 효과적으로 발생되어 예혼합연소화염이 보다 평면에 가깝게 형성되었다고 판단하였다.
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