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[국내논문] 벤튜리관 형상에 따른 배기가스 재순환 유동 특성에 관한 연구
A Study on the Flow Characteristics of the Flue Gas Recirculation with the Change of Venturi Tube Shape 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.1, 2019년, pp.12 - 18  

하지수 (계명대학교 기계자동차공학과) ,  심성훈 (한국기계연구원) ,  김대연 ((주)지앤텍)

초록
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자동차 엔진이나 소각로 등의 연소기기에서 질소산화물을 저감하기 위한 여러 가지 방법 중에 배기가스 재순환 방법이 널리 쓰이고 있다. 본 연구에서는 고온의 배기가스를 재순환 유입하기 위해 벤튜리 튜브를 사용할 경우에 상온의 공기 노즐 출구 위치를 변화하여 고온의 배기가스를 재순환 유입하는 최적 위치를 도출하기 위해 전산 열유체해석을 통해 살펴보았다. 또한 상온의 공기 노즐 출구에 원뿔을 설치한 경우에 대한 배기가스 재순환 유입량 특성을 고찰하였다. 공기 노즐 출구 위치를 배기가스 재순환 유입 출구의 시작위치(z=0)에서 끝 위치(z=0.6m)로 변화하였을 때 유선과 온도 분포 변화를 관찰하였으며 배기가스 재순환 유입량비와 혼합가스 출구의 평균온도로 정량적으로 비교하였다. 본 연구를 통하여 상온의 공기 노즐 출구 위치는 z=0.15m(1/4L)에서 재순환 유입량과 출구에서의 평균온도가 가장 최대가 되는 것을 알 수 있었다. 또한 공기 노즐 출구에 원뿔을 설치하면 공기 노즐 출구의 속도가 증가하여 배기가스 재순환 유입량이 약 2배 증가하고 혼합가스 출구 온도도 $116^{\circ}C$ 증가하는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Exhaust gas recirculation method is widely used among various methods for reducing nitrogen oxides in automobile engines and incinerators. In the present study, the computational fluid dynamic analysis was accomplished to derive the optimal location of air nozzle exit position by changing its positi...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 배기가스가 고온의 가스이기 때문에 연소로에 재순환할 때 별도의 팬을 이용하거나 하면 고온을 견딜 수 있는 팬을 이용해야하기 때문에 고가의 팬이 이용되어야 한다. 본 연구는 배기가스를 재순환하기 위해 별도의 팬을 이용하지 않고 연소용 공기를 고속으로 분사하여 벤튜리 효과로 연소로에서 배기가스를 유입하여 혼합된 배기가스를 연소로로 재순환하는 방법에 관한 연구를 수행하였다. 벤튜리관에서 고속으로 분사하는 공기 노즐 출구의 최적 위치와 어떠한 공기 노즐 형상이 배기가스 재순환 유량 향상에 적합한지 비교 검토하는 것을 연구 목적으로 하였다.
  • 본 연구는 배기가스를 재순환하기 위해 별도의 팬을 이용하지 않고 연소용 공기를 고속으로 분사하여 벤튜리 효과로 연소로에서 배기가스를 유입하여 혼합된 배기가스를 연소로로 재순환하는 방법에 관한 연구를 수행하였다. 벤튜리관에서 고속으로 분사하는 공기 노즐 출구의 최적 위치와 어떠한 공기 노즐 형상이 배기가스 재순환 유량 향상에 적합한지 비교 검토하는 것을 연구 목적으로 하였다.
  • 앞 절에서는 공기노즐 출구에 원뿔이 없는 경우에 공기노즐 출구 위치에 따른 배기가스 재순환 유동 특성을 살펴보았다. 본 절에서는 공기노즐 출구가 z=0.300m(1/2L) 위치에서 공기노즐 출구에 원뿔을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 배기가스 재순환 유동 특성을 비교하기로 한다.

가설 설정

  • (b)에는 연소용 공기 노즐 출구에 원뿔을 설치한 모양을 나타내었다. 연소용 공기 노즐의 입구에서는 상온(25oC)의 공기가 60m/s로 유입된다. 공기 노즐 출구에서 고속으로 분출되는 공기의 벤튜리 효과로 배기가스 재순환 유입구(Recirculation gas inlet)에서 850oC의 배기가스가 유입된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고온의 배기가스를 재순환하기 위해 벤튜리 튜브를 이용할 때 공기 노즐 출구의 최적의 위치는? 600m (L)로 변화하여 재순환 유입량비와 혼합가스 출구에서 평균 온도를 비교하였다. 고온의 배기가스를 재순환하는 최대 효과 위치는 z=0.150m (1/4L)으로 나타났다. 이 위치에서 공기 노즐 출구에서 분사되는 고속의 공기 속도 효과에 의한 재순환 배기가스 유입 효과와 공기 노즐 존재가 재순환 유입을 막는 효과를 합한 종합 효과가 가장 최대로 나타나는 것으로 알 수 있었다.
탈질설비의 단점은? 촉매를 이용하는 탈질설비는 자동차 배기가스 후류에 설치하여 이용하고 있고 소각로나 화력발전소에서는 선택적 촉매환원 탈질설비를 이용하고 있다. 이러한 탈질설비는 초기 설치비용, 암모니아 투입 비용과 설비의 유지 보수비용이 많이 소요된다. 이러한 비용을 저감하기 위하여 배기가스의 재순환을 이용하여 질소산화물을 저감하는 연구[1,2,3,4]가 지금까지 많이 이루어지고 있다.
배기가스 재순환은 어떠한 효과를 이용하는가? 연소반응이 일어나면 연소열에 의해 화염대에서 고온이 형성되는데 고온 분위기에서 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 질소산화물이 생성된다. 배기가스 재순환은 연소반응 영역을 넓혀서 좁은 영역의 화염대에서 국부적으로 고온이 형성되는 것을 방지하여 질소산화물을 저감하는 효과를 이용한다. 배기가스 재순환을 이용하는 연구 중에 연소반응 영역을 연소로 전체에 균일하게 분포하게 하여 연소로 전체의 온도를 균일화하면서 연소온도를 낮추어 질소산화물을 저감하는 연소방법을 이용하여 에너지 효율 향상과 질소산화물 저감을 효과적으로 하는 연구들이[5,6,7] 이루어지고 있다.
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