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문제 정의
- 반응영역은 하류로 갈수록 넓게 분산되고, 약화되며 이것은 가스 온도와 가스 조성에 기반을 두고 있다라고 보고하였다. 본 연구의 목적은 자연급기식 버너를 사용하여 2차 공기로 Suction하였을 때, 염의 구조를 분석하고, Flame holder와 2차 공기를 변화시킴에 따른 이온 전압와 배기배출물을 상관관계에 관한 기초자료를 제공하는데 있다.
제안 방법
- 09%로 구성되어 있으며 고위발열량은 10,500 ㎉/N㎥이다. 가스의 유량을 조절하기 위해서 잘량유량계 (MFM, MILLIPORE corp. FM-3911V)를 사용하였다.
- 보염기는 베인이 8개인 스월러 형상을 사용하였으며, 스월러의 지름은 35mm, 40mm, 45mm로 변화를 주었고, 베인 각도는 55°, 60°, 65°로 변화시켜 총 9종류의 보염기를 제작하였다. 그리고 2차 공기는 0.6 ~ 1.4CMM으로 변화시키면서 그때의 화염 내부의 이온전압, 배기가스 온도, CO 배기배출물 그리고 밀폐실에서의 주위의 산소농도에 따른 이온전압의 변화를 확인하였다.
- 또한 소형 풍동 안에는 수냉식 열교환기를 설치하여 고온의 배기가스로 인한 팬의 손상을 방지하였다. 데이터 취득의 Lab view을 사용하여 만든 프로그램을 이용하여 National Instrument사의 cFP-AI-118보드를 사용하여 sampling time은 1sec 간격으로 저장하였다. 연료는 상용 LNG 연료를 사용하였고, 사용한 연료는 도시가스로 CH4 89.
- 챔버는 화염을 관찰하기 위해 강화유리로 가시화 창을 만들었으며, 챔버 끝단에 배기가스 측정을 위한 샘플링 프로브(probe) 와 배기가스 온도 측정을 위한 K-type 열전대를 설치하였다. 또한 화염내부 온도를 측정하기 위해서는 R-type 열전대를 사용하여 3축 이송대 (traverse)를 이용하여 열전대의 위치를 5mm씩 이동시키면서 화염내의 온도분포를 측정하였다.2차 공기량은 팬의 흡입구 앞에 가운데 부분에 직경이 다른 구멍이 뚫린 디스크를 삽입하여 풍량을 변화시키면서 조절하였다.
- 배기가스 중의 CO, CO2, O2 농도를 측정하기 위해서 가스 분석장치(COPA-2000, HORIBA corp.)를 사용하였으며, CO2, CO 검출은 NDIR 방식, 그리고 O2는 자기압력 방식의 센서(sensor)를 채택하여 배기가스 분석을 수행하였다. 배기배출물의 측정을 위하여 스테인리스 샘플링 프로브를 사용하였으며 프로브의 과열을 막기 위해 샘플링 튜브 외측에 수냉식 2중관을 설치하였다.
- 여기서 연소의 고부하화를 실현하기 위해서는 연료와 공기의 혼합을 제어해서 고속 난류중에 화염을 안정화 시키는 것이 필요하다. 이를 위해서 연소 연구자들은 연료의 종류와 공급 방법을 적절히 조화함과 동시에 화염의 안정성을 기하기 위해서 스탭, Bluff-body 등의 후류에서 형성된 순환류, 파이롯트 화염 등을 이용하였다. 그러나 난류 연소 과정은 가스유동과 상변화를 동반한 열 및 물질이동 등의 물리과정과 대단히 많은 소반응으로 구성된 화확 과정이 동시에 일어난다.
- 3은 이온전압 신호를 저장하기 위한 계측기를 선정하기 위한 실험을 결과이다. 이온 전압을 측정하기 위해 Digital multimeter, Oscilloscope, Hybrid recorder, National Instruments사의 cFP-AI-118를 사용하여 Rfr값은 가변저항을 사용하여 측정 비교하였다. 그래프에서 보이는 바와 같이 Simulation 값과 측정된 값을 비교한 결과 Hybrid recorder의 Vfr이 Rfr이 증가할수록 급격히 감소하는 것을 알 수 있고, 또한 Simulation 결과와의 차이가 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 4인 자연급기식 버너를 사용하였다. 챔버는 화염을 관찰하기 위해 강화유리로 가시화 창을 만들었으며, 챔버 끝단에 배기가스 측정을 위한 샘플링 프로브(probe) 와 배기가스 온도 측정을 위한 K-type 열전대를 설치하였다. 또한 화염내부 온도를 측정하기 위해서는 R-type 열전대를 사용하여 3축 이송대 (traverse)를 이용하여 열전대의 위치를 5mm씩 이동시키면서 화염내의 온도분포를 측정하였다.
- 4는 지름이 45mm 베인각도가 25도인 스월러 형태의 보염기를 부착하여 2차 공기유량이 1CMM이며, 입력열량은 5,000kcla/h 일때의 화염 내부의 온도와 이온전압을 측정한 그래프이다. 측정 지점은 보염기에서부터 하류방향으로 5mm, 반경방향으로 5mm 이동하면서 온도와 이온전압을 측정하였다. 화염내부의 최대 온도는 하류방향으로 50mm에서 화염면에서 1150℃이며, 이온 전압은 보염기에서 하류방향으로 20mm 부근에서 화염의 중앙에서 최대 전압값 3.
- 2차 공기량은 팬의 흡입구 앞에 가운데 부분에 직경이 다른 구멍이 뚫린 디스크를 삽입하여 풍량을 변화시키면서 조절하였다. 풍량은 피토튜브를 사용하여 측정하였으며, 풍량 보정은 규격 풍동을 사용하여 검증을 하였다. 또한 소형 풍동 안에는 수냉식 열교환기를 설치하여 고온의 배기가스로 인한 팬의 손상을 방지하였다.
- 화염의 전기적인 성질을 이용하여 자연급기식 버너(λ=0.4)인 버너에서 2차 공기로 흡입(Suction)하였을 때 보염기의 형상에 따른 이온전압과 배기배출물 및 주위 공기의 산소량에 따른 화염의 특성을 실험적 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 보염기는 베인이 8개인 스월러 형상을 사용하였으며, 스월러의 지름은 35mm, 40mm, 45mm로 변화를 주었고, 베인 각도는 55°, 60°, 65°로 변화시켜 총 9종류의 보염기를 제작하였다.
- 이는 Hybrid recorder의 내부저항이 낮기 때문이다. 본 연구에서는 데이터 취득 계측기로써 National Instruments사의 cFP-AI-118를 선정하여 실험을 실시하였다.
- 데이터 취득의 Lab view을 사용하여 만든 프로그램을 이용하여 National Instrument사의 cFP-AI-118보드를 사용하여 sampling time은 1sec 간격으로 저장하였다. 연료는 상용 LNG 연료를 사용하였고, 사용한 연료는 도시가스로 CH4 89.95%, C2H6 6.32%, C3H82.54%, C4H10 1.09%, C5H12 0.01%, N2 0.09%로 구성되어 있으며 고위발열량은 10,500 ㎉/N㎥이다. 가스의 유량을 조절하기 위해서 잘량유량계 (MFM, MILLIPORE corp.
- 재질은 백금, 니켈 등이 있지만, 본 연구에서는 Pytomax DS (AL 6.0%, Cr 23%, Fe 71%)인 Φ2.6mm인 철크롬선을 사용하였다.
이론/모형
- 배기배출물의 측정을 위하여 스테인리스 샘플링 프로브를 사용하였으며 프로브의 과열을 막기 위해 샘플링 튜브 외측에 수냉식 2중관을 설치하였다. 여러가지 희석정도의 영향을 제거하여 배출 수준의 순수한 비교를 하기 위하여 환산농도(corrected concentration)을 사용하였으며, 다음과 샅은 식을 통하여 산출하였다.
성능/효과
- 는 밀폐실에서 스월러의 지름이 40mm이고, 베인각도가 60°일때 2차 공기량 변화와 주위 공기의 산소량에 따른 이온전압을 측정한 결과이다. 2차 공기량이 1.47CMM일 때 최대 4.8V의 이온 전압값이 나타났고, 2차 공기량이 감소함에 따라 이온 전압값은 감소하다가 2차 공기량이 0.32CMM일때 3.2V의 이온 전압값이 나타났다. 또한 주위의 산소 농도가 감소함에 따라 이온 전압값도 감소하는 경향을 보이며, 산소농도가 19% 이하일때 이온 전압값은 급격히 감소하는 것을알 수 있다.
- [1] 2차 공기유량(Suction air rate)가 증가할 수록 이온 전압은 증가하였으며, 보염기(Swirler)의 지름이 증가할 수록 이온전압은 증가한다.
- [2] CO 배기배출물은 보염기의 형상에 대한 영향보다는 2차 공기유량이 증가하면 CO 배출물의 양이 증가한다.을 측정하였(1)
- [3] 밀폐실에서 연소를 시켰을 때, 밀폐실 내부의 산소 농도가 감소하면 이온 전압도 감소한다.
- 이온 전압을 측정하기 위해 Digital multimeter, Oscilloscope, Hybrid recorder, National Instruments사의 cFP-AI-118를 사용하여 Rfr값은 가변저항을 사용하여 측정 비교하였다. 그래프에서 보이는 바와 같이 Simulation 값과 측정된 값을 비교한 결과 Hybrid recorder의 Vfr이 Rfr이 증가할수록 급격히 감소하는 것을 알 수 있고, 또한 Simulation 결과와의 차이가 많이 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 Hybrid recorder의 내부저항이 낮기 때문이다.
- 또한 베인 각도가 60°일때 보염기의 지름이 45mm 일때에는 2차 공기에 따른 이온전압의 차이가 0.9V이며, 40mm일때는 이온전압 차이가 1V정도이며, 35mm일때는 이온전압 차이가 1.45V로 보염기의 지름이 감소하면 2차공기에 따른 이온전압의 차이가 증가하는 것을 알 수 있다.
- 45V로 보염기의 지름이 감소하면 2차공기에 따른 이온전압의 차이가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 보염기의 지름이 증가할수록 이온 전압의 크기는 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 Swirl 형상의 보염기가 Bluff-body 역할을 하여서 2차 공기의 변화에도 안정된 화염을 형성하게 하는 것으로 사료된다.
- 2V의 이온 전압값이 나타났다. 또한 주위의 산소 농도가 감소함에 따라 이온 전압값도 감소하는 경향을 보이며, 산소농도가 19% 이하일때 이온 전압값은 급격히 감소하는 것을알 수 있다. 또한 Fig.
- 이는 Swirl 형상의 보염기가 Bluff-body 역할을 하여서 2차 공기의 변화에도 안정된 화염을 형성하게 하는 것으로 사료된다. 이온전압은 2차 공기가 증가함에 따라 증가하며, 화염의 길이도 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 2차 공기양이 증가함에 따라 스월러에 의한화염 내부의 순환류의 강도가 증가하고, 그에따라 반응대에서 탄화수소의 이온화 반응의 강도가 증가하기 때문인 것으로 사료된다.
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