[논문]산업용 Y-jet 노즐의 설계변수 및 압력 조건에 따른 분무특성에 관한 연구

이상지; 홍정구

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.3.137

산업용 Y-jet 노즐의 설계변수 및 압력 조건에 따른 분무특성에 관한 연구
A Study on Spray Characteristics according to Design Parameters and Pressure Conditions of Industrial Y-jet Nozzle 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.3, 2019년, pp.137 - 144

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The Y-jet nozzle has benefits such as simple design and wide operating conditions. Because of these benefits, it is used in various combustion devices including industrial boilers. The most important variables in the design of the Y-jet nozzle are the mixing chamber length, the supply diameter of the liquid fuel and gas, and the exit orifice diameter. In addition, because of the use of a twin-fluid, optimized data is required depending on the spray condition. In this study, spray experiment was carried out under the pressure condition of 7 bar or more, which is the spraying condition used in industry. There was no change in flow rate with the length of the Y-jet nozzle mixing chamber, but the difference in SMD was confirmed. Adjusting the exit orifice diameter is most important to achieve the desired flow rate. Changes in the liquid and gas inlet port diameters ratio were found to be help improve the operating range and significant difference in SMD was observed.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Schematic of the Y-jet nozzle⁽¹³⁾
표 Table 1 Experimental conditions
그림 Fig. 2 Experimental setup
표 Table 2 Nozzle specification
그림 Fig. 3 Y-jet nozzle spray image (#3-1, #3-2, #3-3)
그림 Fig. 4 Liquid mass flowrate according to air mass flowrate (Liquid pressure 4 bar to 13 bar)
그림 Fig. 5 SMD according to liquid pressure in mixing chamber length (Liquid pressure 4 bar to 13 bar)
그림 Fig. 6 SMD according to GLR
그림 Fig. 7 Liquid mass flowrate according to liquid pressure in d_a/d_w⁽¹³⁾
표 Table 3 SMD according to distance of nozzle tip
그림 Fig. 8 SMD according to liquid pressure in d_a/d_w⁽¹³⁾

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 실험실 규모의 산업용 Y-jet 노즐 분무실험 장치를 구성하고, Y-jet 노즐의 혼합관 길이와 액체와 보조 기체 공급 관 직경에 따른 분무특성을 살펴보고자 한다. 또한 선행 연구에서 진행된 분무 압력 조건이 대부분 5 bar 이하인 것과 다르게, 7 bar 이상의 상대적으로 압력이 높은 조건에서 산업용 Y-jet 노즐의 혼합관 길이와 액체와 기체 공급 관 직경에 따른 분무 특성을 살펴보고 이에 대해 고찰하고자 한다.
본 연구를 통해 Y-jet 노즐의 출구 오리피스 직경과 혼합관 길이의 비, 기체/액체 공급 관 직경 비에 따른 유량과 평균 액적 크기를 실험적으로 획득하였고, 분무 압력 조건에 따른 선행 연구와의 차이에 관해 확인하였다.
이에 본 연구에서는 실험실 규모의 산업용 Y-jet 노즐 분무실험 장치를 구성하고, Y-jet 노즐의 혼합관 길이와 액체와 보조 기체 공급 관 직경에 따른 분무특성을 살펴보고자 한다. 또한 선행 연구에서 진행된 분무 압력 조건이 대부분 5 bar 이하인 것과 다르게, 7 bar 이상의 상대적으로 압력이 높은 조건에서 산업용 Y-jet 노즐의 혼합관 길이와 액체와 기체 공급 관 직경에 따른 분무 특성을 살펴보고 이에 대해 고찰하고자 한다.

제안 방법

5로 서로 다른 #3-1~#3-3 노즐을 대상으로 진행한 실험 결과이다. 기체 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정한 채, 액체 공급 압력을 4 bar부터 13 bar까지 변화시킨 조건에서 각 유체 공급 압력에서의 평균 액적크기를 측정하였다. 기체 공급 압력이 7, 10, 13 bar로 증가할수록 전체적인 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다.
9[pixel]), CCD(EPIXCMOS camera)를 사용하였다. 액적 크기 측정은 노즐 팁(Tip)으로부터 200 mm 분무 하류에서 측정 하였다^(14,15).
유량계측은 디지털 기체 유량계(Korea Flow meter, NMGI1)를 이용하였으며, 노즐의 전단 압력은 압력 센서(Pressure transducer)를 이용해 측정하였다. 액체 공급은 고압 펌프를 이용하여 물탱크로부터 액체를 공급하였으며, 맥동을 방지하기 위한 댐퍼(Liquid damper)와 유량을 조절하기 위한 바이패스(By-pass) 관과 니들 밸브를 설치하였다. 유체 압력은 압력 조정기를 이용하였으며, 유량은 디지털 액체 유량계(Korea Flow meter, KTM 800)를 이용하여 측정하였다.
액체 공급은 고압 펌프를 이용하여 물탱크로부터 액체를 공급하였으며, 맥동을 방지하기 위한 댐퍼(Liquid damper)와 유량을 조절하기 위한 바이패스(By-pass) 관과 니들 밸브를 설치하였다. 유체 압력은 압력 조정기를 이용하였으며, 유량은 디지털 액체 유량계(Korea Flow meter, KTM 800)를 이용하여 측정하였다. 측정된 두 유량과 압력 데이터는 데이터 획득 보드(NI DAQ-9172, National Instruments)를 통해 획득하였다.
기체 공급은 순도 95% 질소 가스봄베를 병렬로 연결하여 사용하였다. 질소 가스봄베의 압력은 압력 조정기(Pressure regulator)를 이용하여 일정하게 조정하고, 니들 밸브(Needle valve)를 통해 유량을 조절하였다. 유량계측은 디지털 기체 유량계(Korea Flow meter, NMGI1)를 이용하였으며, 노즐의 전단 압력은 압력 센서(Pressure transducer)를 이용해 측정하였다.

대상 데이터

Y-jet 노즐 하류에는 분무 액적 크기를 계측하는 장치와 분무 이미지를 촬영하는 장치가 있다. 기체 공급은 순도 95% 질소 가스봄베를 병렬로 연결하여 사용하였다. 질소 가스봄베의 압력은 압력 조정기(Pressure regulator)를 이용하여 일정하게 조정하고, 니들 밸브(Needle valve)를 통해 유량을 조절하였다.
측정된 두 유량과 압력 데이터는 데이터 획득 보드(NI DAQ-9172, National Instruments)를 통해 획득하였다. 데이터 획득은 유량, 압력 센서의 값을 5초간 100 Hz로 샘플링한 평균값이다. 액적 크기(Sauter Mean Diameter, SMD)는 레이저 회절(Laser diffraction) 원리를 이용한 맬번(Malvern) 타입 계측 장치(MLXA-A12-635-5, 측정 범위(약 8~450 µm), 작동 거리(400 mm 이내), Laser spot radius: 3.
Figure 4는 기체의 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정한 채, 액체의 공급 압력을 4 bar부터 13 bar까지 증가시킨 조건에서의 실험 결과로, 각 액체압력 조건에서 기체 질량 유량과 액체 질량 유량을 비교하여 나타낸 그래프이다. 실험 노즐은 기체/액체 공급 관 직경 비가 다른 #2-2 노즐을 제외한 #1~#5까지 노즐을 사용하였다. 액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 많아지며, 이에 따라 공기의 질량 유량이 감소한다.
Figure 7은 기체 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정한 채, 액체 공급 압력에 따른 액체 질량 유량을 나타낸 그래프이다. 실험에 사용된 #2-1, #2-2 노즐은 혼합관의 길이와 출구 오리피스의 크기는 동일하고 기체/액체의 공급 관 직경 비만 서로 다른 노즐이다. 모든 그래프에서 액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 증가하는 경향을 확인하였다.
실험에 사용한 Y-jet 노즐은 출구 오리피스 직경과 기체 공급 관 직경 비(d_m/d_a)와 기체/액체 공급 관 직경 비가 각각 1.58, 1.4로 고정하였으므로, 각 노즐에서의 출구 오리피스 직경의 크기 변화에 따라 기체/액체 공급관 직경도 변화한다. 따라서 노즐 직경이 커질수록 기체공급 압력이 동일한 조건이라도 공기와 액체의 질량 유량이 커지고, 유량 범위도 달라진다.
액적 크기(Sauter Mean Diameter, SMD)는 레이저 회절(Laser diffraction) 원리를 이용한 맬번(Malvern) 타입 계측 장치(MLXA-A12-635-5, 측정 범위(약 8~450 µm), 작동 거리(400 mm 이내), Laser spot radius: 3.9[pixel]), CCD(EPIXCMOS camera)를 사용하였다.
Table 1는 실험에 사용한 두 종류의 작동 유체(Working fluid)의 종류와 실험 조건을 나타낸다. 작동 유체는 상온의 물과 순도 95%의 질소를 사용하였다. 물의 분사압력은 4~13 bar, 질소의 분사 압력은 7, 10, 13 bar이다.
유체 압력은 압력 조정기를 이용하였으며, 유량은 디지털 액체 유량계(Korea Flow meter, KTM 800)를 이용하여 측정하였다. 측정된 두 유량과 압력 데이터는 데이터 획득 보드(NI DAQ-9172, National Instruments)를 통해 획득하였다. 데이터 획득은 유량, 압력 센서의 값을 5초간 100 Hz로 샘플링한 평균값이다.

이론/모형

질소 가스봄베의 압력은 압력 조정기(Pressure regulator)를 이용하여 일정하게 조정하고, 니들 밸브(Needle valve)를 통해 유량을 조절하였다. 유량계측은 디지털 기체 유량계(Korea Flow meter, NMGI1)를 이용하였으며, 노즐의 전단 압력은 압력 센서(Pressure transducer)를 이용해 측정하였다. 액체 공급은 고압 펌프를 이용하여 물탱크로부터 액체를 공급하였으며, 맥동을 방지하기 위한 댐퍼(Liquid damper)와 유량을 조절하기 위한 바이패스(By-pass) 관과 니들 밸브를 설치하였다.

성능/효과

(1) 5 bar 이하의 분무 압력조건인 선행연구 결과와 다르게, 본 연구에서 진행한 7 bar 이상의 압력 분무 조건에서는 노즐 혼합관 길이에 따른 분무각과 유량의 차이는 거의 없으며, 혼합관 길이에 따른 평균 액적 크기 차이는 약 5 µm 이내임을 확인하였다.
(2) GLR 약 0.5 이하 조건에서 평균 액적 크기가 30 µm 이하로 일정하게 수렴되는 것을 확인하였다.
(3) 기체/액체 공급 관 직경 비에 따라 노즐의 턴다운 비가 크게 변화하며, 이에 따른 평균 액적 크기를 확인하였다. 이는 동일한 공급 압력 조건에서 혼합관내에서 이유체 간 공급 관 직경 비의 차이로 인해 GLR이 변화하기 때문이다.
6절과 동일하다. 공급되는 액체압력 분사 조건이 4 bar부터 기체 압력 분사 조건과 같아지는 조건까지의 평균 액적 크기는 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 이는 5 bar 이하의 분무 압력 조건에서 실험을 진행한 선행 연구와 다르게 7 bar 이상의 압력 조건에서 실험을 진행하였기 때문이며, 미립화가 이루어지는 데 충분한 기체가 공급되었기에 더 이상의 기체공급 압력 증가가 미립화에 큰 영향을 미치지 않는 것이다.
기체 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정한 채, 액체 공급 압력을 4 bar부터 13 bar까지 변화시킨 조건에서 각 유체 공급 압력에서의 평균 액적크기를 측정하였다. 기체 공급 압력이 7, 10, 13 bar로 증가할수록 전체적인 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다. 이는 액체 미립화를 보조하는 기체의 압력이 높아질수록 동일한 액체 공급 압력에서 기체 질량 유량이 많아지기 때문에 GLR이 상대적으로 높아지게 되고 이로 인해 평균 액적 크기가 작아지는 것이다.
5 이하 조건에서 평균 액적 크기가 30 µm 이하로 일정하게 수렴되는 것을 확인하였다. 노즐 팁에서 분무 하류 방향으로 멀어질수록 대기와의 전단력으로 인한 2차 분열로 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다.
분사 조건은 기체 공급 압력 7 bar, 액체 공 급 압력 13 bar이다. 노즐 팁에서 분무 하류 방향으로 향할수록 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다. 이는 노즐 하류로 향할수록 대기와의 전단력으로 인해 2차 분열이 일어나기 때문으로 예상된다.
모든 그래프에서 액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 #2-1 노즐보다 #2-2 노즐에서 액체 공급 압력에 따른 액체 질량 유량의 증가량이 더 크며, 이에 따라 턴다운 비도 더 높은 것을 확인하였다. 공급되는 기체 공급 압력에 따른 턴다운 비의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
특히 기체와 액체의 공급 압력이 같아지는 조건에서부터 #2-2 노즐의 평균 액적 크기가 증가하는 경향이 보이며, #2-1 노즐의 경우 평균 액적 크기의 변화가 거의 없었다. 또한 기체 공급 압력 조건이 7 bar에서 13 bar로 커질수록 #2-2 노즐의 평균 액적 크기 증가 폭은 상대적으로 작아지는 것을 확인하였다. 이는 혼합관내에서 액체 유량이 미립화를 보조하는 기체 유량보다 차지하는 비율이 높기 때문이며, 이로 인해 액체공급 압력이 고압 조건에서 미립화가 충분히 이루어지지 않은 것으로 예상된다.
액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 많아지며, 이에 따라 공기의 질량 유량이 감소한다. 또한 기체공급 압력이 낮을수록 기체의 질량 유량이 작아지고, 액체의 질량 유량이 증가하는 경향을 확인하였다.
6에서 확인한 GLR의 증가에 따른 평균 액적 크기 데이터와도 일치하는 것을 확인하였다. 또한 동일한 기체공급 압력 조건에서 액체공급 압력이 증가할수록 평균 액적 크기가 증가하는 경향을 확인하였으나, #2-1 노즐에서보다 #2-2 노즐에서의 평균 액적크기 증가 폭이 더 크다. 특히 기체와 액체의 공급 압력이 같아지는 조건에서부터 #2-2 노즐의 평균 액적 크기가 증가하는 경향이 보이며, #2-1 노즐의 경우 평균 액적 크기의 변화가 거의 없었다.
실험에 사용된 #2-1, #2-2 노즐은 혼합관의 길이와 출구 오리피스의 크기는 동일하고 기체/액체의 공급 관 직경 비만 서로 다른 노즐이다. 모든 그래프에서 액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 #2-1 노즐보다 #2-2 노즐에서 액체 공급 압력에 따른 액체 질량 유량의 증가량이 더 크며, 이에 따라 턴다운 비도 더 높은 것을 확인하였다.
분무 이미지를 통하여 측정한 분무각은 혼합관 길이와 관계없이 약 15°인 것을 확인하였으며, 혼합관 길이에 따른 분무 이미지 차이는 거의 보이지 않는 것을 확인하였다.
특히 GLR 약 0.5이하에서는 일정하게 수렴되는 것을 확인하였으며, 대부분의 평균액적 크기는 30 µm 이하로 집중되어 나타난 것을 확인하였다.
또한 기체 공급 압력을 일정하게 설정한 상태에서 액체의 압력이 증가할수록 SMD가 증가되는 것으로 나타났으며, 이는 액체 공급압력이 증가할수록 액체유량이 증가하기 때문이다. 혼합관의 길이가 길수록 동일한 액체 공급 압력 조건에서 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다. 이는 5 bar 이하의 압력 조건에서 실험한 Lee⁽¹³⁾의 선행 연구 결과와 일치하는 것을 보여준다.

후속연구

Y-jet 노즐의 설계에 있어서 가장 중요한 변수는 출구 오리피스 직경, 액체연료 공급 관과 보조기체 공급 관의직경, 이유체가 혼합되는 혼합관 길이(Mixing chamber length) 이다. 이중 액체연료와 보조 기체의 공급 관의 크기와 혼합관의 길이는 Y-jet 노즐 설계에 있어서 가장 중요한 변수이며, 이에 따른 실험적 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이유체 노즐은 압력 분무형 노즐과 다르게 무엇을 추가로 사용하는가?	이유체 노즐(Twin-fluid nozzle)은 단일 유체만을 이용하여 분무하는 압력 분무형 노즐과 다르게 보조 공기를 추가로 사용한다. 따라서 단일 유체만을 이용하는 압력 분무형 노즐보다 이유체 노즐은 상대적으로 낮은 분무압력 조건에서도 보조 공기로 인하여 미립화 성능이 상대적으로 뛰어난 장점이 있다.
	노즐 설계 변수와 이유체(Twin-fluid)의 분무 압력 조건에 따른 최적화된 분무조건을 찾기 위한 실험적인 연구가 필수적인 이유는 무엇인가?	따라서 단일 유체만을 이용하는 압력 분무형 노즐보다 이유체 노즐은 상대적으로 낮은 분무압력 조건에서도 보조 공기로 인하여 미립화 성능이 상대적으로 뛰어난 장점이 있다. 하지만 압력 분무형 노즐과 다르게 이유체 노즐은 보조 공기를 사용하므로 추가적인 공기 공급 설비와 에너지를 소모한다는 단점이 있다. 또한 보조 공기로 인하여 이유체 노즐은 설계 변수가 많아지므로 압력 분무형 노즐보다 설계가 어렵고, 실험 변수 조건에 따른 분무 특성도 크게 달라질 여지가 많다. 따라서 이유체 노즐에서의 최적화된 분무 조건을 찾기 위해서는 노즐 설계 변수와 이유체(Twin-fluid)의 분무 압력 조건에 따른 실험적인 연구가 필수적이다(1-5).
	Y-jet의 장점은?	다양한 이유체 노즐 중 Y-jet 노즐은 다른 이유체 노즐에 비해 상대적으로 단순한 구조를 가지고 있어서 설계와 제작에 들어가는 비용이 낮다는 장점을 가지고 있다. 다른 이유체 노즐보다 Y-jet 노즐은 사용하는 보조 공기가 적어도 다른 이유체 노즐과 비교해 거의 동일한수준의 액적 크기를 얻을 수 있기에, 보조 공기를 공급하는 에너지를 절감할 수 있다. 또한 Y자 설계로 인해서 역류가 잘 발생하지 않고, 넓은 운전 범위(Turn-down ratio)를 가지고 있으므로 다양한 범위의 목표 유량 값을 맞히기에도 다른 이유체 노즐보다 상대적으로 용이하다. 이유체 노즐은 압력 분무형 노즐보다 분무각의 변화가 크지만, Y-jet 노즐은 이유체 노즐 중에서도 분무각의 변화가 작은 것이 특징이며, 다중 홀에서의 분류 사이의 간섭이 적어 연소 안정성이 뛰어나다. 따라서 현재 Y-jet 노즐은 산업용 보일러를 비롯해 다양한 연소 장치에서 사용되고 있다(6).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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