초록

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최근 에너지 사용이 획기적으로 증가함에 따라 효율적인 에너지 사용이 필요하게 되었다. 특히 건물에서 벽체보다 에너지 손실이 많이 발생하는 창호의 경우 단열성능이 좋은 고효율 진공유리의 사용이 절실하나, 가격 및 성능 등의 문제로 보급화가 늦어지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 저가형 고효율 진공유리 개발을 위한 기초 연구로써 유리 용접용 수소-산소 혼합가스 토치 개발하기 위한 열해석을 수행하였다. 주로 토치의 형상, 노즐 배치 및 직경 변경을 통한 토치 최적화를 수행하였다.

최근 에너지 사용이 획기적으로 증가함에 따라 효율적인 에너지 사용이 필요하게 되었다. 특히 건물에서 벽체보다 에너지 손실이 많이 발생하는 창호의 경우 단열성능이 좋은 고효율 진공유리의 사용이 절실하나, 가격 및 성능 등의 문제로 보급화가 늦어지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 저가형 고효율 진공유리 개발을 위한 기초 연구로써 유리 용접용 수소-산소 혼합가스 토치 개발하기 위한 열해석을 수행하였다. 주로 토치의 형상, 노즐 배치 및 직경 변경을 통한 토치 최적화를 수행하였다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구에서는 고효율 진공유리 개발에 필요한 수소-산소 혼합가스 토치 설계를 수치해석으로 최적화하였다. 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
• 본 연구에서는 수소-산소 혼합가스를 이용하여 진공유리를 개발하고자 한다. 수소-산소 혼합가스는 물을 전기분해하여 발생된 가스로서 수소와 산소가 2:1의 혼합비로 구성되어 있어 공해가 없는 고밀도 열원으로 3,000℃ 이상 발열되어 유리를 용접한다.
• 기포와 크랙의 발생은 진공 유리로서의 역할에 심각한 악영향을 끼치므로 최적화된 토치 설계가 이루어져야 하며 노즐 홀 배치, 토치 직경, 화염 균일도, 냉각 최적화 등의 열 해석이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 유리 접합용 수소-산소 혼합가스토치 설계를 위한 토치 형상, 노즐 직경 및 배치 최적화 해석을 실시하였다.

제안 방법

• 노즐 직경 변경을 통해 가장 적합하다고 판단된 0.25mm의 노즐을 이용해 배치 최적화를 하였다.
• 본 연구에서 고려된 유체유동은 3차원, 비압축성, 정상상태 난류유동으로 k-ε모델을 사용하였다. 수치해석은 cold flow를 통한 유량 배분 최적화 해석과 H₂, O₂, H₂O 화학종을 고려한 연소 해석으로 나누어 실시하였다. 즉, 유동 모델에서 얻어진 노즐 출구 유량을 연소 해석시 다시 입구 경계 조건으로 사용하였다.
• 수치해석을 위한 노즐 직경은 0.25mm, 0.5mm, 1.0mm로 변화시켰으며 그림 3에 나타낸 노즐 배치 형상처럼 기본 형상을 두 가지로 나누었다. 배치 형상 2의 경우 h를 2mm, 3mm, 4mm로 변화시켰다.

대상 데이터

• 그림 2는 토치의 유동 및 연소 해석을 위한 격자 시스템을 각각 보여준다. 사용된 격자수는 유동 해석에는 약 100만개와 연소 해석에는 50만개이다.

이론/모형

• 본 연구에서 고려된 유체유동은 3차원, 비압축성, 정상상태 난류유동으로 k-ε모델을 사용하였다.

성능/효과

• 2) 최고 온도는 노즐 직경의 크기와 비례하며 동일한 노즐 직경일 경우 노즐 배치 높이의 변화는 중심선 온도 변화에 영향을 주지 않는다.
• 3) 유리 용접을 위해선 화염 분포가 균일 하여야 하며 온도의 급상승 및 급강하 구간은 피해야 한다. 이것은 노즐 입구에서 약 10mm 정도 떨어진 구간을 의미한다.
• 0mm에서 4,930℃의 결과가 나왔다. 결과를 토대로 노즐 직경과 최고 온도는 비례하며 직경이 클수록 최고 온도의 증가로 고온의 용접에 유리하다고 할 수 있다. 하지만 직경이 크면 온도의 균일도가 떨어져 정확한 용접거리를 선정할 수가 없으며 역화(flashback)의 문제가 발생할 가능성이 생긴다.

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