선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 가정용 연료전지에 적용 가능한 천연가스 수증기 개질기의 열원 공급원인 버너의 성능 최적화 및 공급 연료를 저감시켜 연료전지 전체 효율을 상승시키기 위한 장치를 설계, 제작 하였으며, 실험을 통한 결과를 토대로 가정용 연료전지의 효율을 극대화 시킬 수 있는 버너개발의 기초자료로 활용하였다.(1)
- %C3H8)를 사용하였으며, 연소부의 조건에 따라 버너 전단에 설치되어 있는 예혼합기로 LNG와 공기를 MFC와 프로그램 제어를 통해 자동 조절 공급한 후 연소시켜 반응열을 공급하였다. 본 연구에서는 반응 부에 필요한 열량공급을 확인하고자 버너 Head의 구조와 구조 변화에 따른 열량공급의 특성을 파악하여 반응부의 Start-up 시간을 단축하고 소모 연료를 감소시키고자 하였다.
- 공급용 버너에 의해 결정된다. 이 중 반응열 공급용 버너의 형식, 구조 등 설계 변수의 영향을 조사하여 최적의 열원 공급 방법을 산출하고자 하였다.
제안 방법
- 예혼합연소에는 공기의 유입 양에 따라 전1차식, 분젠식, 세미분젠식 화염으로 구분되며, 본 연구에서는 화염온도가 950C로 수증기 개질 반응 (SR)의 반응 온도(&XTC)와 유사한 전1차식을 이용하여 버너를 구성하였다(분젠식: 1300℃, 세미 분젠식:1000 ℃). (2) 본 실험에서 사용한 버너 Head의 구조는 사선형(A), 사선/수직형(B), 수직형(C)의 3가지 형태로 실험하였으며, 모델 A는 연소실 기준 수직 방향에서 약 60° 기울여서 연소 연료를 토출하도록 하였고, 모델 B는 A와 마찬가지로 연료 토출각을 주었으나 토출양은 A의 절반만 토출하고 나머지는 연소실의 수직 방향으로 토출하도록 구성하였다. 모델 C는 토출구 전체가 연소실의 수직으로 되어 있으며, Head 노출 면적이 A, B에 비해 약 1.
- 1kW급 개질기의 충진되는 촉매를 대신하여 촉매의 열전달 효과를 고려하기 위해 알루미나 담체(Aluminiuin Oxide, GanuIe. KanTOchem. size:2~4mm)를 충진 하였으며, 반응물의유체 온도를 즉정하기 위하여 N2 : 2L/min를 공급하였다. 실제 반응 구간에는 일정 간격으로 총 8 개의 온도를 측정하였다.
- 안전한 실험을위해 점화 루프에서는 버너 Module 상태점검을 통하여 각 장치의 준비상태를 점검 하였으며, 불완전 상태로 점화 실패시 자동으로 LNG공급을 차단하며 공기는 계속적으로 공급되어 반응기 내부의 남아있는 LNG를 제거, 재점화시 폭발현상이 발생하지 않도록 프로그램 하였다. Fig. 3은 버너Modulee 제어 화면을 나타낸 것으로 National Instrument사의 LabVIEW로 프로그래밍 하였으며,초기 기본 설정을 한 후에 Start 버튼만으로 점화, 공급 열량 조절, 비상정지 등을 제어하고 반웅기의 현재 온도 분포, 전체 온도 분포, 연료 공급 상태 등을 한 화면에 표현함으로써 운전자의 작동 실수, 데이터 분실 등의 오류를 하지 않도록 구성하였다.
- 2는 버너 Module 제어를 위한 알고리즘을 보여주고 있다. 다양한 버너 Head 구조의 성능을 조사하기 위해 외부 변수를 최대한 삭제시켰으며,Start-up 시간을 이용한 성능을 비교하기 위해 내부 카운터를 이용하여 동일한 조건에서 점화 및 열량 공급이 이루어지게 하였다. 안전한 실험을위해 점화 루프에서는 버너 Module 상태점검을 통하여 각 장치의 준비상태를 점검 하였으며, 불완전 상태로 점화 실패시 자동으로 LNG공급을 차단하며 공기는 계속적으로 공급되어 반응기 내부의 남아있는 LNG를 제거, 재점화시 폭발현상이 발생하지 않도록 프로그램 하였다.
- 동일한 실험조건을 만들기 위하여 NationalInstrument 사의 장비 (cFP-2120, cFP-TC-120, cFP-AI-112, cFP-AO-210f cFP-RLY-425, PS-5)를 이용하여 MFC및 Igniter를 자동제어 하였으며, 결과롤 분석하기 위하여 LabVIEW 프로그램을 이용하여 온도, 유량등의 Data를 수집할 수 있었다.Fig.
- 5 배 이상 높은 효과를 보였다.또한, Start-up 시간 단죽과 공급 연료의 저감을 위한 시간 비례 연료 공급 방식을 산출하였다.
- 모델별 열량 공급 형태를 측정하기 위해 측정 시간, 연료공급량, 측정위치 등을 고정한 동일한 조건에서 자동 연료공급으로 연소실의 온도를 Isec 간격으로 45분간 측정하였다. 측정결과 연소 살의 열량 공급 성능은 버너 Head 종류 중에서 모델 C가 전체 운전 시간 대비 온도 상숭폭이 가장 높았다.
- 버너 설계 변수에 대한 영향을 조사하기 위하여 반응기와 버너 Module# 완전히 분리 할 수 있도록 구성하였으며, 버너 Modu 1 e 상 의 Head 교체를 용이하 게 하기위해 체결형으 로 구성하였다. 반응물 에 의한 열손실을 최소 화 하기위해 내부의 배 가스를 이용한 예열구 간을 설계 구성하였으며, 추가적으로 반응기 외부 벽면의 발열을 이용한 예열구간을 추가 구성하였다.
- 버너 Test Modu 1 e 제작은 현재 가장 활발하게연구중인 가정용 1재급 개질기를 모델 기준으로 설계하였다. 1kW급 개질기의 충진되는 촉매를 대신하여 촉매의 열전달 효과를 고려하기 위해 알루미나 담체(Aluminiuin Oxide, GanuIe.
- 1과 같은 형태의 버너 Test용 반응기 를 설계 제작하였다. 버너 설계 변수에 대한 영향을 조사하기 위하여 반응기와 버너 Module# 완전히 분리 할 수 있도록 구성하였으며, 버너 Modu 1 e 상 의 Head 교체를 용이하 게 하기위해 체결형으 로 구성하였다. 반응물 에 의한 열손실을 최소 화 하기위해 내부의 배 가스를 이용한 예열구 간을 설계 구성하였으며, 추가적으로 반응기 외부 벽면의 발열을 이용한 예열구간을 추가 구성하였다.
- 본 논문의 측정결과는 크게 상부, 하부로 나누어 비교하였다. 이는 버너 Head의 구조적 특성의 의해 불꽃의 크기가 Fig.
- size:2~4mm)를 충진 하였으며, 반응물의유체 온도를 즉정하기 위하여 N2 : 2L/min를 공급하였다. 실제 반응 구간에는 일정 간격으로 총 8 개의 온도를 측정하였다.
- 다양한 버너 Head 구조의 성능을 조사하기 위해 외부 변수를 최대한 삭제시켰으며,Start-up 시간을 이용한 성능을 비교하기 위해 내부 카운터를 이용하여 동일한 조건에서 점화 및 열량 공급이 이루어지게 하였다. 안전한 실험을위해 점화 루프에서는 버너 Module 상태점검을 통하여 각 장치의 준비상태를 점검 하였으며, 불완전 상태로 점화 실패시 자동으로 LNG공급을 차단하며 공기는 계속적으로 공급되어 반응기 내부의 남아있는 LNG를 제거, 재점화시 폭발현상이 발생하지 않도록 프로그램 하였다. Fig.
- 예혼합연소에는 공기의 유입 양에 따라 전1차식, 분젠식, 세미분젠식 화염으로 구분되며, 본 연구에서는 화염온도가 950C로 수증기 개질 반응 (SR)의 반응 온도(&XTC)와 유사한 전1차식을 이용하여 버너를 구성하였다(분젠식: 1300℃, 세미 분젠식:1000 ℃). (2) 본 실험에서 사용한 버너 Head의 구조는 사선형(A), 사선/수직형(B), 수직형(C)의 3가지 형태로 실험하였으며, 모델 A는 연소실 기준 수직 방향에서 약 60° 기울여서 연소 연료를 토출하도록 하였고, 모델 B는 A와 마찬가지로 연료 토출각을 주었으나 토출양은 A의 절반만 토출하고 나머지는 연소실의 수직 방향으로 토출하도록 구성하였다.
- 이에 반응부 측정 결과는 크게 상부(불꽃이 닿지않는 부분), 하부(불꽃이 닿는 부분)로 나누어 측정하였다. 이를 기준으로 버너 Head 모델별 반응부 온도 변화실험을 실시하였으며 , 공급되는 연료량은 연 소실기준으로 일정 온도에 도달하면 공급 연료를 증가시키는 방식으로 구성되어져 있는데, 이는Start-up 시간과 연료 저감 효과를 동시에 보기위함이다.
- 6의 모델 C와 같이 반응 부 중간(약 150mm)까지 도달하여 A, B와 비교대상으로는 부족하기 때문이다. 이에 반응부 측정 결과는 크게 상부(불꽃이 닿지않는 부분), 하부(불꽃이 닿는 부분)로 나누어 측정하였다. 이를 기준으로 버너 Head 모델별 반응부 온도 변화실험을 실시하였으며 , 공급되는 연료량은 연 소실기준으로 일정 온도에 도달하면 공급 연료를 증가시키는 방식으로 구성되어져 있는데, 이는Start-up 시간과 연료 저감 효과를 동시에 보기위함이다.
- 4와 같이 버너 Head 모델별 기본 열량 공급 형태를 보기 위해 반응기 상부 즉, 배기가스가 돌아나가는 지점과 배기가스가 외부로 배기 되는 지점에 열전대를 설치하였다. 화염의 영향을 받지 않고 예열 구간의 영향을 주는 배기가스 온도를 즉정하기 위해 반응기 상단에서 51mm 하부지점 온도를 이용 연료 공급의 기준으로 하였고, 예열 구간을 통과한 배기가스의 온도를 통하여 반응열의 열전달 성능을 예측 가능하다.
대상 데이터
- 4에 나타낸 바와 같이연소부, 반응물 전처리부, 반응물 후처리부, 반응 부, 제어부로 구성된다. 연소 연료로는 LNG(90.42vol.% 애4, 5.89vol.% C2H6 and 2.35vol.%C3H8)를 사용하였으며, 연소부의 조건에 따라 버너 전단에 설치되어 있는 예혼합기로 LNG와 공기를 MFC와 프로그램 제어를 통해 자동 조절 공급한 후 연소시켜 반응열을 공급하였다. 본 연구에서는 반응 부에 필요한 열량공급을 확인하고자 버너 Head의 구조와 구조 변화에 따른 열량공급의 특성을 파악하여 반응부의 Start-up 시간을 단축하고 소모 연료를 감소시키고자 하였다.
- 연소기는 연소 방식에 따라 크게 두 가지(예혼합연소, 확산연소)로 나누어지며, 외부 공기 유입이 필요한 확산연소는 반응기 구조상 적용에 어려움이 많아 좁은 연소 공간에서 완전 연소가 가능한 예혼합연소를 본 연구에서 채택하였다. 예혼합연소에는 공기의 유입 양에 따라 전1차식, 분젠식, 세미분젠식 화염으로 구분되며, 본 연구에서는 화염온도가 950C로 수증기 개질 반응 (SR)의 반응 온도(&XTC)와 유사한 전1차식을 이용하여 버너를 구성하였다(분젠식: 1300℃, 세미 분젠식:1000 ℃).
성능/효과
- 3가지 모델의 버너 가운데 연소실과 수직으로 화염을 형성하는 모델 C가 가장 높은 열량 공급성능과 높은 온도 분포를 나타냈으며, Start-up시간을 단축시키는 방법 또한 초기 온도 변화(△ T)가 가장 높은 C 모델이 가장 우수하였다.
- 3가지 모델의 버너 구조에 대하여 반응기 구조에 대한 열량 공급 성능과 반응기 내의 온도 분포를 통하여 lkW급 연료전지용 개질기에 적용하기 위한 최적의 버너를 개발하였으며, 연구 결과를 토대로 lkW급 이상의 개질기 버너에도 적용 가능하다.
- 반응기의 온도 상승은 연소실의 내부 온도를 높게 유지하는 것보다 고온의 연소 배가스 온도에 의해 반응물의 예열 성능을 높이는 것이 1.5 배 이상 높은 효과를 보였다.또한, Start-up 시간 단죽과 공급 연료의 저감을 위한 시간 비례 연료 공급 방식을 산출하였다.
- 버너 모델별 열량 공급 성능을 비교한 결과 Table 1에 나타낸 것과 같다. 시간과 온도 모두 모델 C의 성능이 가장 우수하다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 8과 Table 1과 같이상당한 차이를 보였다. 연소실 벽면에 직접 열량을 공급하는 버너 A의 온도 변화가 높을 것으로예측되었으나, 실제 실험에서는 (A) < (B) < (C)의 순서로서 연소 배가스를 이용하여 반응물의 예열 성능을 높이는 것이 반응부의 온도상승에 M 게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 반응기 전체 구조가 SUS계열로 연소실 벽면으로의 열전도 때문인 것으로 판단된다.
- 45분간 측정하였다. 측정결과 연소 살의 열량 공급 성능은 버너 Head 종류 중에서 모델 C가 전체 운전 시간 대비 온도 상숭폭이 가장 높았다. 버너 모델별 열량 공급 성능을 비교한 결과 Table 1에 나타낸 것과 같다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.