[논문]초음파에 의해 무화된 케로신 분무연소에서의 OH 라디칼 및 CH 라디칼 자발광 특성

김민철; 김정수

doi:10.6108/kspe.2018.22.1.072

초음파에 의해 무화된 케로신 분무연소에서의 OH 라디칼 및 CH 라디칼 자발광 특성
OH-and CH-Radical Chemiluminescence Characteristics in the Spray Combustion of Ultransonically Atomized Kerosene 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.1, 2018년, pp.72 - 79

김민철 (Department of Material Engineering, Pukyong National University) , 김정수 (Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University)

초록
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초음파 진동자에 의해 미립화된 케로신 분무연소의 OH 라디칼과 CH 라디칼의 자발광 특성을 고찰하기 위한 실험이 수행되었다. ICCD 카메라를 이용하여 분무화염의 자발광 강도를 측정하였으며, 연소 시 소모된 연료량은 정밀유량측정법으로 계측하였다. 그 결과, 연료소모율은 수송기체인 공기 공급유량에 선형적으로 증가하였으며, 분무연소의 특징인 전형적인 그룹 연소가 관찰되었다. OH 라디칼과 CH 라디칼을 분석한 결과, 분사방향으로의 유량 증가에 따라 라디칼 방사강도의 최댓값은 감소하고 그 위치는 후류로 이동하여 반응대의 폭은 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study was performed to investigate the chemiluminescence characteristics in the spray combustion of ultransonically atomized kerosene. The radical intensity of the spray flame was measured using an ICCD camera and the amount of fuel consumed was obtained by a precise flow-rate measurement technique during combustion. Fuel consumption increased linearly with the increase in carrier-gas flow rate, and typical group combustion, which is a characteristic of spray combustion, was observed. It was found from the analysis of chemiluminescence that the maximum emission intensities of OH and CH radicals decrease, and they move downstream resulting in the increase in a vivid reaction zone as the spray flow rate increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다양한 크기와 운동량을 갖는 액적은 산화제와 혼합이 불균일하게 이루어질 수 있으며, 그와 같은 불균일성은 연소장의 범위를 기하학적으로 규정하기에 어렵게 한다. MHz 단위의 진동자를 이용한 무화법은 연소효율 증대와 배기 오염물질 저감 등에 관계하는 환경친화적 연소장치의 개발에 활용될 수 있는 바, 본 연구에서는 대표적 탄화수소계 액체연료인 등유(kerosene)를 초음파로 미립화하여 슬릿 노즐을 통하여 대기중으로 분사시켜 얻어지는 액적분무의 연소현상을 고찰하고자 한다.

제안 방법

진동자는 액체에 진동에너지를 부과하여 다수의 미립화된 액적들을 형성한다. 그리고 연료무화실 외벽에 위치한 포트로 공기를 공급하여 생성된 액적을 노즐부로 운반하도록 하였다. 이로써 공기와 액적의 혼합성을 증대시키고, 공급유량을 조절함으로써 연소현상을 관찰할 수 있도록 설계하였다.
케로신 화염은 떨림이 강하여 카메라 노출시간이 짧은 경우 정확한 관측이 어렵다. 따라서, 307.0 nm 및 437.5 nm 필터를 각각 장착한 ICCD 카메라를 이용하여 OH*과 CH* 자발광의 방사강도를 측정함에 있어 200 ms의 노출시간으로 50회 계측하여 평균값을 취하였다. Table 1은 제반 실험조건을 요약하고 있다.
이로써 공기와 액적의 혼합성을 증대시키고, 공급유량을 조절함으로써 연소현상을 관찰할 수 있도록 설계하였다. 또한, 버너의 노즐부는 PMMA의 내열 한계를 고려해 Stainless Steel로 제작하였다. 초음파에 의해 무화된 연료는 노즐 상부면 중앙에 종횡비 20:1 크기의 slit을 통해 분사된다.
본 연구에서는 케로신 분무화염의 가시화염과 자발광을 고속카메라(High-speed Camera, HSC)와ICCD (Intensified Charge-coupled Device) 카메라로 포착하여 분석하였다.
수송기체의 유량을 변화시켜 발생하는 분무화염의 형태와 자발광의 세기를 파악했다. 실험에 의해 다음과 같은 결론을 얻었다.
초음파에 의해 무화된 연료는 노즐 상부면 중앙에 종횡비 20:1 크기의 slit을 통해 분사된다. 액적의 분사를 위한 수송기체는 공기(O2: 20.9%, N2: 79.0%)를 사용하였으며, 질량 유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 통해 그 유량을 정밀하게 제어하였다.
연소시 사용된 연료소모율은 정밀저울(capacity:6,200 g, resolution: 0.01 g)을 이용하여 측정하였고, 높은 신뢰도 확보를 위해 표준 질량 분동을 이용하여 보정곡선(calibration curve)을 획득한 후 질량데이터를 보정하였다. 보정곡선은 Fig.
그리고 연료무화실 외벽에 위치한 포트로 공기를 공급하여 생성된 액적을 노즐부로 운반하도록 하였다. 이로써 공기와 액적의 혼합성을 증대시키고, 공급유량을 조절함으로써 연소현상을 관찰할 수 있도록 설계하였다. 또한, 버너의 노즐부는 PMMA의 내열 한계를 고려해 Stainless Steel로 제작하였다.

대상 데이터

실험장치는 크게 연료무화실과 노즐부로 나뉜다. 연료무화실는 PMMA (Polymethyl methacrylate) 재질을 사용하여 원통형으로 제작하였으며, 그 하단 내부에 2.4MHz의 진동자를 설치하였다. 진동자는 액체에 진동에너지를 부과하여 다수의 미립화된 액적들을 형성한다.

성능/효과

1) 본 실험 조건에서 조성된 겉보기 공연비의 평균은 약 36.7이며, 무화된 연료는 화학반응대에 진입하기전 기화성 향상으로 연료희박연소가 가능하다.
2) 연소 시 내부화염 영역 또는 외부화염 영역에서 간헐적인 황염이 발생하였으며, 이는 분무연소에서 주로 나타나는 그룹 연소의 특징이다.
3) Re_a가 196 이상으로 증가하면 분무속도가 화염의 전파속도를 초과하여 blow-out이 된다.
4) 케로신 화염에서 방출되는 OH 라디칼과 CH 라디칼의 반응영역은 큰 차이를 보이지 않으며, 각각 최대 라디칼 방사강도는 내부화염 영역에서 발생한다.
5) Re_a 증가에 따라 ICH*와 IOH*의 최대 라디칼 방사 강도가 나타나는 지점은 y축 방향으로 이동하게 되고, 최댓값의 감소와 함께 반응대 폭이 점차 증가하는 전형적인 부분예혼합 확산화염의 구조를 보인다.
6) 미증발 액적을 포함한 미연가스가 액적의 증발과 함께 국소적 팽창이 발생하면 내부화염은 불규칙적인 떨림(oscillation)을 동반한다.
Masato 등[15]은 분무화염이 내부화염 영역(internal flame zone)과 외부화염 영역(external flame zone)으로 이루는 구조로 이루어져 있다고 주장한 바 있다. 본 실험의 결과, 고속카메라로 촬영한 가시광 이미지에선 구분이 안되지만 OH*와 CH* 이미지를 통해 그 구조를 명확히 확인할 수 있다. 또한, 분무 되는 유량의 증가는 내부화염의 영역뿐만 아니라 외부화염의 영역 또한 확대한다는 사실이 Fig.
윗 식에서 p, V, μ는 각각 공기의 밀도, 속도, 점성계수 그리고 L은 특성길이에 해당된다. 본 실험의 결과, 수송기체의 유량이 증가하면, 액체연료의 소모량도 증가하여 그 비(AFR)가 일정하게 유지되게 되는데, 이는 수송기체가 케로신 액적을 수송하는 과정에서 무화된 액적의 크기가 매우 작고, 무화실 벽면의 양쪽에서 접선 방향으로 공급되는 수송기체와 액적의 혼합 또한 매우 잘 이루어져 연료-수송기체 2상 혼합물이 마치 단상의 기체인 것처럼 거동하기 때문인 것으로 판단된다.
진동자의 소비전력이 54.3 W인 실험조건 하에서 연소 시, 연료소모율은 다수의 데이터 샘플링(data sampling)을 평균하여 도출하였으며, 분무생성을 위해 공급된 수송기체 공기유량과 소모된 연료량의 비, 즉 겉보기 공연비(apparent Air/Fuel mass ratio, AFR)는 약 36.7이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파를 이용한 액체의 미립화에는 어떤 방법이 있는가?	초음파를 이용한 액체의 미립화는 Fig. 1에 보이는 바와 같이 크게 직진법(direct vibration method)과 무화법(aerosol method)의 두 가지로 분류된다. 직진법은 초음파 진동자 내부에 액체를 통과시켜 진동자의 표면에 접촉하는 액체를 직접 미립화 시키는 방법이며, 무화법은 진동자에서 발생한 초음파에너지를 액체에 통과시킴으로써 발생하는 액주(liquid column)의 표면에서 미립화가 일어나도록 하는 방법이다[5].
	무화법이란?	1에 보이는 바와 같이 크게 직진법(direct vibration method)과 무화법(aerosol method)의 두 가지로 분류된다. 직진법은 초음파 진동자 내부에 액체를 통과시켜 진동자의 표면에 접촉하는 액체를 직접 미립화 시키는 방법이며, 무화법은 진동자에서 발생한 초음파에너지를 액체에 통과시킴으로써 발생하는 액주(liquid column)의 표면에서 미립화가 일어나도록 하는 방법이다[5].
	분무연소는 액적의 증발 및 공기와의 혼합 등 많은 과정이 동시에 진행되는데 발생할 수 있는 문제점은?	분무연소는 액적의 증발 및 공기와의 혼합 등 많은 과정이 동시에 진행되다. 다양한 크기와 운동량을 갖는 액적은 산화제와 혼합이 불균일하게 이루어질 수 있으며, 그와 같은 불균일성은 연소장의 범위를 기하학적으로 규정하기에 어렵게 한다. MHz 단위의 진동자를 이용한 무화법은 연소효율 증대와 배기 오염물질 저감 등에 관계하는 환경친화적 연소장치의 개발에 활용될 수 있는 바, 본 연구에서는 대표적 탄화수소계 액체연료인 등유(kerosene)를 초음파로 미립화하여 슬릿 노즐을 통하여 대기중으로 분사시켜 얻어지는 액적분무의 연소현상을 고찰하고자 한다.

참고문헌 (15)

Wood, R.W. and Loomis, A.L., "The Physical and Biological Effects of High-frequency Sound- Waves of Great Intensity," Philosophical Magazine, Vol. 4, No. 22, pp. 417-436, 1927.
Lang, R.J., "Ultrasonic Atomization of Liquid," The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 34, No. 1, pp. 6-8, 1962.

상세보기
Takuya, F., Yasuki, H., Noriyuki, K., Masanobu, H. and Yoshio, T., "Characteristics of Low Vapor Pressure Oil Ignition Developed with Irradiation of Mega Hertz Level Ultrasonic," Fuel, Vol. 83, No. 16, pp. 2205-2215, 2004.

상세보기
Topp, M.N. and Eisenklam, P., "Industrial and Medical Uses of Ultrasonic Atomizers," Ultrasonic, Vol. 10, No. 3, pp. 127-133, 1972.

상세보기
Ju, E.S., La, W.J. and Choi, W.C., "A Study on Characteristics of the Liquid Atomization by Ultrasonic," Trans. Korea oc. Auto. Eng., Vol. 7, No. 5, pp. 31-39, 1996.
Docquier, N. and Candel, S., 2002, "Combustion Control and Sensors: a Review," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 28, No. 2, pp. 107-150, 2002.

상세보기
Nori, V.N., "Modeling and Analysis of Chemiluminescence Sensing for Syngas, Methane and Jet-A Combustion," Ph.D. Dissertation, Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, G.A., U.S.A., 2008.
Yu, K.H., Trouve, A. and Daily, J.W., "Lowfrequency Pressure Oscillations in a Model Ramjet Combustor," Journal of Fluid Mechanics, Vol. 232, pp. 47-72, 1991.

상세보기
Richards, G.A., Janus, M. and Robey, E.H., "Control of Flame Oscillations with Equivalence Ratio Modulation," Journal of Propulsion and Power, Vol. 15, No. 2, pp. 232-240, 1999.

상세보기
Broda, J.C., Seo, S., Santoro, R.J., Shirhattikar, G. and Yang, V., "An Experimental Study of Combustion Dynamics of a Premixed Swirl Injector," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 27, No. 2, pp. 1849-1856, 1998.

상세보기
Lee, S.-Y., Seo, S., Broda, J.C., Pal, S. and Santoro, R.J., 2000, "An Experimental Estimation of Mean Reaction Rate and Flame Structure during Combustion Instability in a Lean Premixed Gas Turbine Combustor," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 28, No. 1, pp. 775-782, 2000.

상세보기
Ryu, J.I., "Atomization Technology of Liquid Fuels," Journal of Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 4, pp. 59-68, 1993.
Bae, S.T., Lee, S.H., Seok, J.Y., Kim, C.H. and Sa-Gong, G., "The Characteristics of an Ultrasonic Sprayer by using Piezoelectric Ceramic Resonator," Journal of the Korean institute of electronic material engineers, Vol. 22, No. 5, pp. 405-410, 2009.

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Panoutsos, C.S., Hardalupas, Y. and Taylor, A. M.K.P., "Numerical Evaluation of Equivalence Ratio Measurement using OH $^*$ and CH $^*$ Chemiluminescence inPremixed and Non-premixed Methane-Air Flames," Combustion and Flame, Vol. 156, pp. 273-291, 2009.

상세보기
Masato, M., Kazuhiro, Y., Osamu, M. and Naoya, K., "Combustion of partially premixed spray jets," Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 30, No. 2, pp. 2021-2028, 2004.

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