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문제 정의
- 본 연구에서는 합금재질의 1,500 µm Metal Foam과 Baffle Plate를 적용하여 예혼합버너를 구성하고 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이 변화, Baffle Plate의 기공율 변화 및 가동조건변화에 따른 예혼합 연소특성 및 배기가스 배출특성을 실험을 통하여 분석하여 가정용 가스보일러의 다공매질로 Metal Foam의 적용가능성을 실험을 통하여 분석하였다.
제안 방법
- 1) Metal Foam과 Baffle Plate의 높이를 변경하여 실험을 진행하였고 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이가 5mm와 3mm인 조건에서 안정적인 예혼합 연소화염을 형성하였다.
- Plate 기공율을 변경하였고 Baffle Plate 기공율 변화가 Metal Foam을 적용한 예혼합연소 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 본 실험에 적용된 Baffle Plate의 개념도는 Fig.
- 17에 비교하였다. Testo-350K와 Testo Easy Emissions Software를 활용하여 실시간으로 측정된 배기가스 측정치는 산소 0% 조건으로 계산하여 그래프로 도시하였다.
- 습식가스메터와 예혼합 Fan 사이에는 비례제어 가스밸브를 적용하여 공급되는 도시가스의 유량을 조정하였고 비례제어 가스밸브를 통과되는 도시가스의 유량은 습식가스메터를 활용하여 측정하였다. 공급되는 공기의 유량은 예혼합 Fan의 회전수(rpm)를 조정하여 공급되는 공기의 유량을 변경하여 당량비를 조정하였다. 배기가스의 측정은 NOx, CO, CO2, O2의 측정이 가능한 Testo-350 K와 Easy Emissions Software를 사용하여 배기가스 Data를 실시간으로 수집하여 분석하였고 배기가스 분석기의 측정영역 및 정밀도는 Table 4와 같다.
- 예혼합 연소시스템에 Metal Foam을 적용한 연소 특성을 분석하기 위하여 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이 변화에 따른 예혼합 연소화염의 특성을 분석하였다. 동일한 Baffle Plate를 적용하여 발열량 25,200 Kcal/h 조건에서 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이를 15, 10, 5, 3 mm로 변경하여 실험을 진행하였고 높이변화에 따른 실험결과를 Fig. 8에 비교하였다.
- 1℃로 온도가 변경되었다. 발열량 6,300 Kcal/h 조건에서 연소화염의 형태를 적색화염으로 변경하고 약 80분 동안 온도를 측정하여 연소영역 온도, Metal Foam 전후단의 온도가 안정화되는 지점을 찾을 수 있었고 Fig. 16 그래프에는 마지막 측정되는 1,260초의 결과를 사용하여 도시하였다. 발열량 6,300 Kcal/h, 적색화염 조건에서 청색화염에 비하여 연소영역의 온도가 높게 측정되는 원인은 적색화염에서 형성되는 복사열전달을 통하여 Metal Foam과 열전대에 에너지가 전달되었기 때문이라 판단하였다.
- 공급되는 공기의 유량은 예혼합 Fan의 회전수(rpm)를 조정하여 공급되는 공기의 유량을 변경하여 당량비를 조정하였다. 배기가스의 측정은 NOx, CO, CO2, O2의 측정이 가능한 Testo-350 K와 Easy Emissions Software를 사용하여 배기가스 Data를 실시간으로 수집하여 분석하였고 배기가스 분석기의 측정영역 및 정밀도는 Table 4와 같다.
- Plate 기공율을 변경하였고 Baffle Plate 기공율 변화가 Metal Foam을 적용한 예혼합연소 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 본 실험에 적용된 Baffle Plate의 개념도는 Fig. 10과 같이 기공율을 7.40%에서 3.69%로 변경하여 실험에 적용하였다.
- 본 실험을 위하여 직경 1.6mm의 K-type 열전대를 적용하여 Metal Foam 전후단의 온도를 측정하였고 Metal Foam에서 30mm 떨어진 위치에서 연소화염의 온도를 직경 4mm의 K-type 열전대를 사용하여 측정하였다. 부하비 4:1 조건을 만족하는 열용량 6,250 Kcal/h와 25,200 Kcal/h 조건에서 발생되는 청색화염과 적색화염의 온도변화를 시간에 따라 수집하여 Fig.
- 본 연구에서는 선행연구를 통하여 연료/공기 예혼합가스의 유속분포를 안정적으로 형성할 수 있는 Baffle Plate를 설계 및 제작하여 Fig. 6과 같이 예혼합 연소시스템에 적용하였다.
- 부하 및 당량비 변화에 따른 화염특성을 분석하기위하여 Baffle Plate의 기공율 3.69%, Metal Foam과 Baffle Plate높이 5 mm, 일반적인 가정용 응축보일러에서 적용되고 있는 부하비 4 : 1 조건을 만족하는 열용량 조건에서 실험을 진행하였고 실험결과는 Fig. 13과 Fig. 14에 비교하였다.
- 6mm의 K-type 열전대를 적용하여 Metal Foam 전후단의 온도를 측정하였고 Metal Foam에서 30mm 떨어진 위치에서 연소화염의 온도를 직경 4mm의 K-type 열전대를 사용하여 측정하였다. 부하비 4:1 조건을 만족하는 열용량 6,250 Kcal/h와 25,200 Kcal/h 조건에서 발생되는 청색화염과 적색화염의 온도변화를 시간에 따라 수집하여 Fig. 16에 비교하였다.
- 공급되는 도시가스는 압력조절기를 통과하면서 250 mmAq의 압력으로 감압시켜 습식가스메터(Wet Gas Meter, Sinagawa)로 공급되어진다. 습식가스메터와 예혼합 Fan 사이에는 비례제어 가스밸브를 적용하여 공급되는 도시가스의 유량을 조정하였고 비례제어 가스밸브를 통과되는 도시가스의 유량은 습식가스메터를 활용하여 측정하였다. 공급되는 공기의 유량은 예혼합 Fan의 회전수(rpm)를 조정하여 공급되는 공기의 유량을 변경하여 당량비를 조정하였다.
- 예혼합 연소시스템에 Metal Foam을 적용한 연소 특성을 분석하기 위하여 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이 변화에 따른 예혼합 연소화염의 특성을 분석하였다. 동일한 Baffle Plate를 적용하여 발열량 25,200 Kcal/h 조건에서 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이를 15, 10, 5, 3 mm로 변경하여 실험을 진행하였고 높이변화에 따른 실험결과를 Fig.
- 예혼합 연소시스템의 연소화염을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikon, D-90)를 사용하여 Table 5와 같은 실험조건 변화에 따른 연소화염의 거동을 촬영하여 분석하였다.
- Metal Foam을 예혼합 연소시스템의 다공매질로 적용하기 위해서는 Metal Foam 전후단의 온도를 측정하여 공급되는 예혼합가스의 자연발화온도 이하로 Metal Foam 전단의 온도가 유지되고 있음을 확인해야 한다. 이러한 실험을 진행하기 위하여 Fig. 15와 같이 Metal Foam 전후단의 온도측정이 가능하도록 열전대를 설치하여 열용량 변화에 따라 실시간으로 Metal Foam의 온도변화를 측정하였다.
- 최근에는 Foam을 예혼합버너의 다공매질로 직접 적용하여 안정적인 예혼합 연소화염을 형성하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구를 통하여 Foam을 예혼합 버너의 다공매질로 적용하여 안정적인 예혼합 연소화염의 형성과 낮은 배기가스 배출특성을 확보하였다[13,14]. 하지만 선행연구에 적용된 세라믹 Foam의 경우 취성문제로 인하여 깨어지는 단점을 극복하는데 있어 어려움을 가지고 있다.
- 5(b)와 같은 조정기를 제작하여 실험에 적용하였다. 제작된 조정기는 가변저항 방식으로 비례제어 밸브에 공급되는 전류(Ampere)를 조정할 수 있도록 설계 및 제작하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 1500 µm Metal Foam은 알란텀에서 연구개발 되었으며 대표적인 합금성분은 Table 1과 같다.
- 합금재질의 Metal Foam과 Baffle Plate를 적용한 예혼합버너의 연료/공기 혼합장치는 연료 및 공기의 예혼합 가스를 형성하는데 있어 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서 연료/공기 혼합장치로 Fig. 4와 같은 AGM(Air Gas Mixer)을 사용하였다. AGM은 예혼합 Fan 회전 중심부에 연료를 공급하고 예혼합 Fan의 회전수 변화를 통하여 흡입되는 공기의 유량을 변경하여 당량비를 변경하는 연료/공기 강제 예혼합하는 방식으로 AGM의 개념도와 장착도는 Fig.
- 연소실험에 사용된 연료는 도시가스로 그 대표적인 성분은 메탄(CH4)이며 자세한 도시가스의 성분비 및 물성치는 Table 3과 같다[14].
데이터처리
- Baffle Plate와 Metal Foam 높이 5mm 조건에서 Baffle Plate 기공율 변화와 발열량 변화가 예혼합연소에 미치는 실험을 진행하였고 실험결과를 Fig. 11이 비교하였다. Fig.
성능/효과
- Fig. 17(a)의 CO 배출량 그래프를 살펴보면 부하비 4:1 조건에서 당량비가 감소함에 따라 CO의 배출량도 함께 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
- 2) Baffle Plate의 기공율을 7.40%에서 3.69%로 변경하여 실험을 진행하였고 실험결과 기공율이 감소될 경우 보다 안정적인 예혼합 연소화염을 형성하였다.
- 3) 발열량 6,300 Kcal/h과 25,200 Kcal/h 조건에서 당량비 변화에 따른 연소화염의 변화를 비교한 결과 고당량비 조건에서 저당량비 조건으로 당량비가 희박해지면 연소화염이 녹색화염→적색화염 →청색화염→화염날림으로 변화됨을 확인하였다.
- 4) Metal Foam의 전·후단 및 화염온도를 측정하였고 실험결과 발열량 6,300 Kcal/h 조건에서 Metal Foam 전단 158℃, Metal Foam 후단 380.1℃로 측정되었다.
- 5) 배기가스 분석결과 당량비 0.710-0.810 영역에서 Metal Foam을 적용한 예혼합버너를 작동하게 된다면 CO 90ppm, NOx 80ppm 이하로 배출되어 친환경 예혼합버너의 가능성을 확인하였다.
- 11이 비교하였다. Fig. 11을 살펴보면 Baffle Plate의 기공율이 7.40%에서 3.69%로 감소하게 되면 예혼합연소화염의 길이가 증가되고 보다 평면화염에 가까운 연소화염이 형성됨을 확인할 수 있었다.
- Fig. 13과 Fig. 14를 살펴보면 열용량에 관계없이 예혼합 연소과정에서 당량비가 희박해짐에 따라 연소화염은 녹색화염→적색화염→청색화염→화염날림으로 변화됨을 확인하였다.
- Fig. 16을 살펴보면 초기 발열량 25,200 Kcal/h 조건에서 점화하여 Metal Foam 전후단과 연소화염 30mm 지점에서의 온도변화를 살펴보면 점화 후 약 640초 후 연소영역의 온도 964℃, Metal Foam 전단 56.3℃, Metal Foam 후단 108℃로 안정화되는 것을 확인할 수 있었다. 발열량 25,200 Kcal/h의 청색화염 형성조건에서 320초를 유지하게 되면 연소영역의 온도 960℃, Metal Foam 전단 58.
- 1℃로 측정되었다. Metal Foam 내부의 온도가 약 158℃로 유지되어 도시가스의 주성분인 메탄의 자연발화온도인 537℃에 비하여 낮게 유지됨을 확인하였다.
- 8℃로 온도장이 일정하게 유지되었다. 동일 발열량 조건에서 당량비를 조정하여 적색화염의 온도를 측정하면서 320초를 유지하면 연소영역의 온도 956℃, Metal Foam 전단 69.6℃, Metal Foam 후단 137.1℃로 온도가 상승되었다. 온도가 변화되는 원인은 적색화염에서 발생되는 복사열전달을 통하여 Metal Foam에 연소화염의 에너지가 전달되어 Metal Foam에 축적되는 에너지가 증가하여 연소화염의 온도가 감소되었다고 판단하였다.
- 8을 살펴보면 Metal Foam과 Baffle Plate의 높이가 15 mm에서 3 mm로 감소되면 Metal Foam 내부에 잠겨 형성되던 예혼합 연소화염이 Metal Foam 표면으로 이동되어 표면연소화염이 형성되는 경향을 확인하였다. 또한 각각의 높이에서 형성되는 연소화염의 형태를 비교하면 Metal Foam과 Baffle Plate 높이 5 mm와 3 mm 조건에서 평면화염에 근접한 예혼합 연소화염이 형성됨을 확인할 수 있었다. Fig.
- 이러한 원인은 공급되는 예혼합가스의 유량이 증가하여 Metal Foam에서 발생되는 적열광 효과가 감소되기 때문이라 판단된다. 또한 열용량이 6,300 Kcal/h에서 25,200 Kcal/h로 증가하게 되면 청색화염을 형성하는 당량비 영역이 0.735-0.750에서 0.735-0.805로 증가되는 경향을 확인하였다.
- 3℃, Metal Foam 후단 108℃로 안정화되는 것을 확인할 수 있었다. 발열량 25,200 Kcal/h의 청색화염 형성조건에서 320초를 유지하게 되면 연소영역의 온도 960℃, Metal Foam 전단 58.2℃, Metal Foam 후단 109.8℃로 온도장이 일정하게 유지되었다. 동일 발열량 조건에서 당량비를 조정하여 적색화염의 온도를 측정하면서 320초를 유지하면 연소영역의 온도 956℃, Metal Foam 전단 69.
- 본 실험결과를 바탕으로 열용량 25,200 Kcal/h 조건에서 연소영역의 최고온도는 약 960℃가 측정되었고 Metal Foam의 전·후단 온도는 발열량 6,300 Kcal/h 조건에서 Metal Foam 전단 158℃, Metal Foam 후단 380.1℃로 측정되었다.
- 12와 같이 긴 연소화염과 짧은 연소화염으로 구분된다고 판단하였다. 연소화염의 길이가 긴 화염은 주화염을 형성하고 화염길이가 짧은 화염은 보염으로 작용하여 평면 연소화염이 형성되고 연소화염의 안정성이 증가된다고 판단하였다.
- 1℃로 온도가 상승되었다. 온도가 변화되는 원인은 적색화염에서 발생되는 복사열전달을 통하여 Metal Foam에 연소화염의 에너지가 전달되어 Metal Foam에 축적되는 에너지가 증가하여 연소화염의 온도가 감소되었다고 판단하였다.
- 14의 열용량 25,200 Kcal/h 조건에서도 동일하게 발생된다. 하지만 열용량 25,200 Kcal/h 조건의 적색화염은 열용량 6,300 Kcal/h 조건의 적색화염에 비하여 청색화염과 적색화염이 공존하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 원인은 공급되는 예혼합가스의 유량이 증가하여 Metal Foam에서 발생되는 적열광 효과가 감소되기 때문이라 판단된다.
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