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제안 방법
- 전극의 재질은 융점이 다소 낮지만 수냉각이잘 되도록 열전달 효율을 고려하여 구리를 사용하였다. 극간 거리의 조정이 가능하도록 하여 주 전극 인가전압을 380V에서 약 500V까지 가변할 수 있도록 하였으며, 가능한 한 사업장에서 주로 사용하는 380V나 440V에서 최상으로 운전되도록 설계하였다. 플라즈마토치의 출력은 가변 리액터를 통한 전류의 제어와 인가전압의 조정에 의하여 lOOkW에서 200kW의 범위 내에서 사용 가능하도록 설정하였다.
- 전극을 제외한 모든 재질은 스테인레스 스틸을 사용하였고 체임버내부의 전 부위를 물로 냉각하고 체임버 벽면의 접선방향으로 고속의 플라즈마 반응기체용 냉가스를 주입시켜벽면이 고온의 플라즈마 가스와 직접 접촉하는 것을 방지하여 장시간 사용에 무리가 없도록 설계하였다. 발산형의 구리튜브를 주 전극으로 사용하여 발생된 아크가전극 위를 어느 정도 글라이딩하면 아크가 쉽게 소멸될수 있도록 설계하였으며, 전극 위에 고온 아크가 체류하는 시간을 가능한 한 짧게 하여 전극수명이 연장되도록하였다. 인젝터는 단상 교류를 이용한 소형 플라즈마 토치로서 단상 교류 방전의 특성상 다소 불안정한 방전을일으키지만 사용전압이 5kV 정도의 고전압이어서 초기방전이 유리 할 뿐 아니라 상대적으로 방전에 의한 전리기체의 밀도가 높아지므로 주 전극간의 방전을 유도하는데 유리하다는 장점이 있다.
- 플라즈마 토치가 당면한 문제는 시스템의 유지보수에 절대적인 영향을 미치는 전극의 수명과 시스템이 대량의 전기 에너지를 필요로 하기 때문에 야기되는 시스템의 효율 즉, 에너지 변환효율과 플라즈마 이용 효율의 향상에 있다. 본고에서는 전극의 수명을 연장시키기 위해 작동가스와 전자력을 이용하여 고온의 아크가 전극 위를 빠른 속도로 글라이딩할 수 있는 구조의 플라즈마 발생기를 사용하였으며, 교류 전압에 의한 플라즈마 발생의 혼들림을 안정시키기 위해 작동가스의 입구 압력, 인가 전압, 및 전극형상 등에 대한 영향을 분석하였다.
- 삼상 읖島에 의한 플라즈마 발생 장치라 하면 대개는 흑연봉 전극을 이용한 저항가열 방식인 전기아크식 반응로를 지칭하는 경우가 많으나, 본 연구에서 제안하는 방식은 러시아의 물리문제연구소(IPE)가 15년 전부터 연구를 해오던 것으로 10여년 전부터 독일의 환경사업회사인 Krupp사가 이와 유사한 방식을 이용한 플라즈마 발생기를 환경정화 장치에 적용시켜 시장에 선을 보인것이다. 시스템의 구성은 크게 인젝터 (injector), 삼상구리튜브 전극, 노즐(nozzle).
- 전극은 수냉각이 용이하도록 길이방향으로 냉각수로를 형성하고 아크가 슬라이딩을 잘 할 수 있도록 발산형으로 설계하였으며. 삼상 전극을 방사상 120도 간격으로 배치하고 전극의 균형을잡기 위해 세 개의 전극 수렴점이 중심 축상의 한 점에서 모이도록 하여 60도의 위상차를 두고 일어나는 방전즉, 360Hz의 극간 아크방전이 분산되지 않도록 하였다. 주 전극간 아크 방전이 일어나면 아크는 자기 스스로 생성해 내는 자계에 의해 전극을 따라 빠르게 이동하게 된다.
- 교류 플라즈마의 안정조건을 찾기 위한사전 연구가 필요하며, 이러한 사전 연구를 위해 열플라즈마의 수치해석이 필요해 진다. 열플라즈마의 수학적해석모델은 질량보존, 에너지보존, 운동량보존 법칙을 이용한 미분방정식이 포함되며, 기하학적 해석모델은 비록 실제 시스템의 전극 분포가 일반 삼차원이긴 하지만 열플라즈마의 경향을 알아보기 위한 작업이므로 축대칭장과 일반 이차원으로 간이화하여 파라메터들의 초기치를 추정하였다. 수치해석은 상용화된 팩키지인 Phoenix 를 사용하였고.
- 인젝터는 단상 교류를 이용한 소형 플라즈마 토치로서 단상 교류 방전의 특성상 다소 불안정한 방전을일으키지만 사용전압이 5kV 정도의 고전압이어서 초기방전이 유리 할 뿐 아니라 상대적으로 방전에 의한 전리기체의 밀도가 높아지므로 주 전극간의 방전을 유도하는데 유리하다는 장점이 있다. 전극은 수냉각이 용이하도록 길이방향으로 냉각수로를 형성하고 아크가 슬라이딩을 잘 할 수 있도록 발산형으로 설계하였으며. 삼상 전극을 방사상 120도 간격으로 배치하고 전극의 균형을잡기 위해 세 개의 전극 수렴점이 중심 축상의 한 점에서 모이도록 하여 60도의 위상차를 두고 일어나는 방전즉, 360Hz의 극간 아크방전이 분산되지 않도록 하였다.
- 리고 체임버로 되어 있는 비교적 단순한 구조의 플라즈마 토치이며. 전극을 제외한 모든 재질은 스테인레스 스틸을 사용하였고 체임버내부의 전 부위를 물로 냉각하고 체임버 벽면의 접선방향으로 고속의 플라즈마 반응기체용 냉가스를 주입시켜벽면이 고온의 플라즈마 가스와 직접 접촉하는 것을 방지하여 장시간 사용에 무리가 없도록 설계하였다. 발산형의 구리튜브를 주 전극으로 사용하여 발생된 아크가전극 위를 어느 정도 글라이딩하면 아크가 쉽게 소멸될수 있도록 설계하였으며, 전극 위에 고온 아크가 체류하는 시간을 가능한 한 짧게 하여 전극수명이 연장되도록하였다.
- 극간 거리의 조정이 가능하도록 하여 주 전극 인가전압을 380V에서 약 500V까지 가변할 수 있도록 하였으며, 가능한 한 사업장에서 주로 사용하는 380V나 440V에서 최상으로 운전되도록 설계하였다. 플라즈마토치의 출력은 가변 리액터를 통한 전류의 제어와 인가전압의 조정에 의하여 lOOkW에서 200kW의 범위 내에서 사용 가능하도록 설정하였다. 이러한 전압, 전류및 토치 출력에 대한 유연성은 본 연구에 사용된 삼상교류 플라즈마 토치가 DC 플라즈마 토치나 혹연봉 전극 시스템보다 적용면에 있어서 유리함을 보여 준다.
대상 데이터
- 시스템의 구성은 크게 인젝터 (injector), 삼상구리튜브 전극, 노즐(nozzle). 리고 체임버로 되어 있는 비교적 단순한 구조의 플라즈마 토치이며.
이론/모형
- 열플라즈마의 수학적해석모델은 질량보존, 에너지보존, 운동량보존 법칙을 이용한 미분방정식이 포함되며, 기하학적 해석모델은 비록 실제 시스템의 전극 분포가 일반 삼차원이긴 하지만 열플라즈마의 경향을 알아보기 위한 작업이므로 축대칭장과 일반 이차원으로 간이화하여 파라메터들의 초기치를 추정하였다. 수치해석은 상용화된 팩키지인 Phoenix 를 사용하였고. 해석 알고리즘으로는 Simplest를 적용한 결과, 그림 3과 유동분포를 얻을 수 있었다.
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