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문제 정의
- 본 연구에서는 최적화된 금속재질의 분포판(Baffle Plate)과 염공(Flame Holes)으로 원통형 예혼합 버너를 구성하고 분포판 및 염공변화에 따른 연소특성, 배기가스 배출 및 열효율 분석을 통하여 원통형 예혼합 버너의 가정용 응축보일러에 적용하기 위한 연구를 진행하였다.
- 청동소결 및 타공 분포판을 적용할 경우 Reference 및 패턴 염공을 적용하여 원통형 예혼합 버너의 중앙에서 발생되는 연소화염의 떨림 현상을 감소시켰다. 하지만 원통형 버너의 양 끝단에서 발생되는 화염날림 현상을 감소하기 위하여 화염지지대를 적용하여 예혼합 연소화염의 안정성을 확보하기 위하여 실험을 진행하였다. 선행 연구에서 스테인리스 재질의 Mesh를 활용하여 만들어진 화염지지대를 사용하여 염공 양 끝단에서 발생하는 화염날림 현상이 감소함을 확인 할 수 있었다.
제안 방법
- 7(d)는 Fig. 7(a) 염공과 동일하게 7개의 구멍으로 하나의 연소화염을 형성하는 형상이지만 7개의 구멍 옆에 형성된 슬릿이 제거된 형상으로 구성하여 적용하였다.
- KS B 8127의 응축 가스온수 보일러 규정을 적용하여 배기가스 및 열효율을 측정하기 위하여 G20 연료(Methane 100%)를 사용하여 배기가스 및 열효율을 측정하였고 측정결과를 Table 2에 비교하였다.
- Reference 염공에 분포판의 형상 및 재질 변화에 따른 예혼합 연소 특성을 분석하기 위하여 연소실험을 진행하였다. 연소 실험은 원통형 예혼합 버너의 열용량을 35,200 kcal/h로 고정하였고 연소화염의 안정성이 가장 뛰어난 영역에서 연소화염의 거동을 관찰하여 Fig.
- Reference 원통형 예혼합 버너의 연소특성을 분석하기 위하여 Fig. 6(a)와 Fig. 7(a)의 염공 및 분포판을 활용하여 열용량 20,000 Kcal/h 조건에서 당량비 변화에 따른 예혼합 화염의 변화를 관찰하였고 Fig. 10에 비교하였다.
- 습식가스 메터와 예혼합 Fan 사이에는 SIT사의 Air Ratio 가스밸브를 적용하여 공급되는 도시가스의 유량 및 당량비를 정밀조정하였으며 가스밸브를 통과하는 도시가스의 유량은 습식가스 메터를 통하여 확인하여 열용량을 확인하였다. 당량비의 조정은 예혼합 Fan의 회전속도와 Air Ratio 가스밸브의 유량조절 나사를 변경하여 조정하였다. 배기가스의 측정은 NOx, CO, CO2, O2의 측정이 가능한 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version 2.
- 따라서 청동 소결 분포판의 경우 공급되는 공기에 이물질이 혼합되어 예혼합 버너로 공급될 경우 분포판 자체가 필터의 역할을 수행할 수 있는 가능성이 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 연소화염의 형태 및 안정성이 가장 우수한 청동소결 분포판과 타공 분포판를 Fig. 8(b)의 염공에 적용하여 당량비 변화에 따른 배기가스 측정 및 분석하였다.
- 당량비의 조정은 예혼합 Fan의 회전속도와 Air Ratio 가스밸브의 유량조절 나사를 변경하여 조정하였다. 배기가스의 측정은 NOx, CO, CO2, O2의 측정이 가능한 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version 2.0을 사용하여 배기가스 Data를 수집하여 분석하였다. 원통형 예혼합 버너의 연소특성을 파악하기 위하여 디지털 카메라(Nikon, D-80)를 사용하여 당량비 및 열용량 변화에 따른 화염의 거동을 촬영하여 관찰하였다.
- 상용화를 위하여 수정된 형상의 원통형 예혼합 버너를 활용하여 열용량 17,640 kcal/h 조건에서 당량비 변화에 따른 연소화염의 변화를 관찰하여 Fig. 16에 비교하였다. Fig.
- 상용화를 위하여 수정된 형상의 원통형 예혼합 버너와 원통형 열교환기를 적용하여 당량비 변화에 따른 배기가스 배출량을 측정하여 Fig. 17에 비교하였다.
- 15와 같이 변경하여 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 설계 및 제작하여 실험을 진행하였다. 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 형상이 변경된 원인은 본 연구와 동시에 진행된 원통형 열교환기의 개발 과정에서 열효율 증가 및 배기가스 감소를 위한 구조의 적용으로 인하여 원통형 예혼합 연소기를 장착할 수 있는 내부 공간이 축소되어 설계가 변경되었다.
- 공급되는 도시가스는 압력조절기를 통과하면서 250 mmAq의 압력으로 감압시켜 습식가스 메터(Wet Gas Meter, Sinagawa)로 공급되어진다. 습식가스 메터와 예혼합 Fan 사이에는 SIT사의 Air Ratio 가스밸브를 적용하여 공급되는 도시가스의 유량 및 당량비를 정밀조정하였으며 가스밸브를 통과하는 도시가스의 유량은 습식가스 메터를 통하여 확인하여 열용량을 확인하였다. 당량비의 조정은 예혼합 Fan의 회전속도와 Air Ratio 가스밸브의 유량조절 나사를 변경하여 조정하였다.
- 원통형 예혼합 버너를 구성하는 분포판과 염공의 직경과 높이를 Fig. 15와 같이 변경하여 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 설계 및 제작하여 실험을 진행하였다. 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 형상이 변경된 원인은 본 연구와 동시에 진행된 원통형 열교환기의 개발 과정에서 열효율 증가 및 배기가스 감소를 위한 구조의 적용으로 인하여 원통형 예혼합 연소기를 장착할 수 있는 내부 공간이 축소되어 설계가 변경되었다.
- 0을 사용하여 배기가스 Data를 수집하여 분석하였다. 원통형 예혼합 버너의 연소특성을 파악하기 위하여 디지털 카메라(Nikon, D-80)를 사용하여 당량비 및 열용량 변화에 따른 화염의 거동을 촬영하여 관찰하였다.
- Reference 염공과 다양한 종류의 분포판 조합을 통하여 실험을 진행하였고 타공 분포판과 청동소결 분포판에서 연소화염의 안정성이 증가됨을 확인하였다. 청동소결 및 타공 분포판과 Fig. 7의 염공을 조합하여 예혼합 원통형 버너를 구성하였고 열용량 35,200 kcal/h 조건에서 실험을 진행하였고 연소화염의 안정성이 뛰어난 영역에서 연소화염을 가시화하여 Fig. 12에 비교하였다.
- 두 가지 분포판을 적용한 실험을 통하여 청동소결 분포판의 성능이 타공 분포판에 비하여 배기가스 측면에서 효과적이라 판단된다. 하지만 분포판의 필터효과와 상용화를 위한 가격 경쟁력을 확보를 위해서는 타공 분포판의 적용이 보다 효과적이라 판단되어 추가적이 실험에서는 타공 분포판을 적용하여 실험을 진행하였다.
- 화염지지대가 설치된 원통형 예혼합 버너에 적용되는 분포판과 염공의 형상 및 재질을 변경하면서 실험을 실행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 연소실험에 사용된 연료는 도시가스로 그 대표적인 성분은 메탄(CH4)이며 자세한 도시가스의 성분비 및 물성치는 Table 1과 같다.(13)
성능/효과
- (1) 원통형 예혼합 버너의 연소실험을 통하여 당량비가 증가함에 따라 연소화염이 화염날림 → 청색화염 → 적색화염 → 녹색화염으로 연소화염 형태가 변화되는 것을 확인하였다.
- (2) 분포판을 Reference에서 청동소결, 타공 분포판으로 변경하며 실험을 진행한 결과 Reference 분포판에 비하여 청동소결 및 타공 분포판에서 원통형 예혼합 버너의 중간부분에서 발생되던 연소화염의 떨림 현상이 감소됨을 확인하였다.
- (3) 청동소결, 타공 분포판과 다양한 종류의 염공을 조합하여 연소실험을 진행하였고 실험결과 Reference 및 패턴 염공에서 안정적인 연소화염의 형성이 가능함을 확인하였다.
- (4) 얇은 판 형태의 화염지지대를 설계하였고 스테인리스를 사용하여 가공하여 화염지지대를 적용한 결과 원통형 예혼합 버너의 양 끝단에서 발생하던 화염날림 현상이 감소됨을 확인하였다.
- (5) 청동소결 및 타공 분포판를 적용하여 원통형 예혼합 버너의 배기가스를 분석한 결과 NOx의 경우 당량비 0.7241~0.7924 영역에서 약 12.6 ppm 이하로 배출됨을 확인하였으며 CO의 경우에도 당량비 0.7368~0.7241영역에서 50 ppm 이하의 CO가 배출되어 친환경 연소 시스템으로의 가능성을 확인하였다.
- (6) 상용화를 위하여 원통형 예혼합 버너의 직경 및 높이를 변경하여 KS B 8127의 응축가스 온수 보일러 규정을 적용하여 실험을 진행하였고 실험결과 당량비 0.775~-0.813 영역에서 CO 58 ppm, NOx 26 ppm 이하로 배출되었고 열효율이 90.13% 이상 유지됨을 확인하여 친환경 고효율 원통형 예혼합 버너의 가능성을 확인하였다.
- Fig. 12(c)의 연소화염을 살펴보면 연소화염이 염공 바로윗부분에 Flat 한 1차원의 연소화염의 형태로 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 Flat한 1차원의 연소화염의 경우 당량비 변화에 따른 연소화염의 안정성이 매우 불안정함을 확인하였다
- 11(b), Fig. 11(c)의 연소화염을 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 중간부분에 화염이 심하게 떨리는 문제점이 감소하였고 화염날림 현상도 감소됨을 확인할 수 있었다. 분포판의 형상 및 재질 변화에 따라 연소화염을 분석한 결과 Reference 분포판, 타공 분포판, 청동소결 분포판 순으로 연소화염의 안정성이 증가되는 경향을 확인하였다.
- Reference 염공과 다양한 종류의 분포판 조합을 통하여 실험을 진행하였고 타공 분포판과 청동소결 분포판에서 연소화염의 안정성이 증가됨을 확인하였다. 청동소결 및 타공 분포판과 Fig.
- 7241 변화되면 CO가 배출량이 약 41 ppm으로 증가됨을 확인하였다. 두 가지 분포판을 적용한 실험을 통하여 청동소결 분포판의 성능이 타공 분포판에 비하여 배기가스 측면에서 효과적이라 판단된다. 하지만 분포판의 필터효과와 상용화를 위한 가격 경쟁력을 확보를 위해서는 타공 분포판의 적용이 보다 효과적이라 판단되어 추가적이 실험에서는 타공 분포판을 적용하여 실험을 진행하였다.
- 6 ppm 이하로 배출됨을 확인하였다. 또한 분포판 변화에 따른 CO의 배출량을 비교하면 당량비 0.75 이상 부분에서는 청동소결 및 타공 분포판을 적용한 원통형 예혼합 버너의 배출 특성이 비슷하게 나타났다. 하지만 당량비가 0.
- 배기가스 배출 특성을 비교한 Fig. 17을 살펴보면 당량비 0.745~0.782 부분에서 CO의 배출량이 50 ppm 이하로 배출됨을 확인 할 수 있었고 NOx의 경우 실험을 진행한 전 영역에서 30 ppm 이하로 배출되었다.
- 본 실험결과를 바탕으로 청동소결 및 타공 분포판을 적용할 경우 Reference 및 패턴 염공에서 가장 안정적인 연소화염을 형성할 수 있음을 확인하였다. 연소화염을 형태를 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 중간부분에 화염이 심하게 떨리는 문제점이 모두 감소하였지만 버너의 양 끝단에 부분적인 화염날림 현상은 계속 발생됨을 확인하였다.
- 11(c)의 연소화염을 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 중간부분에 화염이 심하게 떨리는 문제점이 감소하였고 화염날림 현상도 감소됨을 확인할 수 있었다. 분포판의 형상 및 재질 변화에 따라 연소화염을 분석한 결과 Reference 분포판, 타공 분포판, 청동소결 분포판 순으로 연소화염의 안정성이 증가되는 경향을 확인하였다.
- Table 2를 살펴보면 당량비가 낮아지면 배기가스로 배출되는 CO의 배출이 감소하지만 보일러에 효율이 함께 감소된다. 실험을 진행한 당량비 0.775~0.813 영역에서 CO 60 ppm, NOx 30 ppm 이하로 배출되고 열효율이 90% 이상 유지됨을 확인 할 수 있어 친환경 고효율 원통형 예혼합 버너의 가능성을 확인하였다.
- 본 실험결과를 바탕으로 청동소결 및 타공 분포판을 적용할 경우 Reference 및 패턴 염공에서 가장 안정적인 연소화염을 형성할 수 있음을 확인하였다. 연소화염을 형태를 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 중간부분에 화염이 심하게 떨리는 문제점이 모두 감소하였지만 버너의 양 끝단에 부분적인 화염날림 현상은 계속 발생됨을 확인하였다.
- 13에 비교하였다. 연소화염의 안정성을 증가시키기 위하여 청동소결 분포판을 적용하였고 동일 염공에서 화염지지대의 유무에 따른 연소화염을 비교한 결과 Fig. 13(b) 같이 화염지지대를 통한 연소화염의 안정성 확보가 가능함을 확인하였다. 화염지지대의 적용을 통하여 연소화염의 화염날림 현상이 감소되는 원인은 화염지지대가 연소화염의 높은 화염온도를 흡수하여 적열되고 열전달을 통하여 원통형 예혼합 버너의 양 끝단에서 공급되는 예혼합가스를 예열하여 연소속도가 증가되어 발생되는 형상이라 판단된다.
- 7241까지 약 29 ppm의 CO가 배출됨을 확인할 수 있었다. 이에 비하여 타공 분포판의 경우 당량비가 0.7368까지는 CO 배출량이 점차적으로 감소하여 약 33 ppm 배출되지만 당량비가 0.7241 변화되면 CO가 배출량이 약 41 ppm으로 증가됨을 확인하였다. 두 가지 분포판을 적용한 실험을 통하여 청동소결 분포판의 성능이 타공 분포판에 비하여 배기가스 측면에서 효과적이라 판단된다.
- 청동소결 및 타공 분포판과 각각의 염공의 조합을 통하여 비교된 연소화염을 살펴보면 청동소결 및 타공 분포판을 사용한 연소화염의 형태는 크게 발생되지 않음을 확인 할 수 있었다. 각각의 연소화염을 살펴보면 Fig.
- 75 이상 부분에서는 청동소결 및 타공 분포판을 적용한 원통형 예혼합 버너의 배출 특성이 비슷하게 나타났다. 하지만 당량비가 0.75보다 작게 되면 청동소결 분포판의 CO 배출은 지속적으로 감소하여 당량비 0.7241까지 약 29 ppm의 CO가 배출됨을 확인할 수 있었다. 이에 비하여 타공 분포판의 경우 당량비가 0.
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