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산업용 열플라즈마 발생기의 최적 설계제작 기술 원문보기

보고서 정보
주관연구기관 서울대학교
Seoul National University
보고서유형1단계보고서
발행국가대한민국
언어 한국어
발행년월2002-09
주관부처 과학기술부
등록번호 TRKO200900073608
과제고유번호 1350016036
사업명 특정연구개발사업<국가지정연구실사업
DB 구축일자 2013-04-18
키워드 열플라즈마.발생기.전산해석.진단계측.최적설계.소재공정.폐기물 소각용융.thermal plasma.plasma torch.numerical modeling.diagnostics.optimum design.material processing.waste treatment.

초록

초고온 (1,000 ~ 20,000 K) 열플라즈마 유체 발생 방법에 따른 전산 모델링 해석과 고온 플라즈마 열유체 진단계측으로 열플라즈마 유체의 열 및 유동 특성을 규명하고 최적 발생기로 각종 플라즈마 토치의 설계 기법을 확립하기 위하여 다음 연구들을 수행하였다. 첫째, 전산 모델링을 통한 수치해석 코드를 4종 토치에 (80 kW 급 DC 비이송식 토치, 10 kW 급 RF 토치, 150 kW 급 DC 비이송식 토치, 150 kW 급 DC 이송식 토치) 대해서 개발하였으며, 개발된 전산코드를 사용하여 플라즈마 열유동의 속도, 온도

Abstract

The four types of plasma torches have been selected according to their structures and industrial applications as follows:
- 80 kW DC non-transferred (DCS) for material processing
- 15 kW RF (RFS) for material processing
- 150 kW DC rod-nozzle type (WTS1) for waste treatment
- 150 kW DC t

목차 Contents

  • 표 지...1
  • 제출문...2
  • 요약문...4
  • 1. 연구개발 목표 및 개요...4
  • 2. 1단계 연구개발 내용 및 범위...4
  • 3. 1단계 연구개발 결과...5
  • 가. 소재공정용 직류 열플라즈마 발생기 개발(80 kW급 비이송식 막대-노즐형)...5
  • 나. 소재공정용 고주파 열플라즈마 발생기 개발 (10 kW급 유도결합형)...6
  • 다. 폐기물 소각용융 처리용 공동형 직류 열플라즈마 발생기 개발(150 kW급 비이송식 공동형)...8
  • 라. 폐기물 소각용융 처리용 이송식 직류 열플라즈마 발생기 개발(150 kW급 막대-노즐형)...9
  • 마. 초고온 플라즈마 열유동 진단계측 기법 및 시스템 구축...10
  • 바. 열플라즈마 발생기 운전 시스템 구축...11
  • 사. 열플라즈마 발생기 기술자료 체계화를 위한 기술정보 데이터베이스 개발...11
  • 목 차...27
  • 제1장 서론...36
  • 제1절 열플라즈마 발생기 기술...36
  • 1. 기술의 특성...36
  • 2. 연구개발의 필요성...39
  • 3. 발생기 기술의 연구개발 현황...42
  • 제2절 연구개발 목표 및 내용...45
  • 1. 연구개발의 최종 목표...46
  • 2. 단계별 연구개발 목표 및 내용...46
  • 3. 제1단계 연구개발 방법...48
  • 참고문헌...51
  • 제2장 소재공정용 직류 열플라즈마 발생기 개발...52
  • 제1절 설계의 개념 정립 및 최적화 기법...52
  • 1. 기존 기술의 현황...52
  • 2. 발생기의 설계 개념...57
  • 3. 이론적 설계 변수 설정 및 최적화 방법...59
  • 제2절 이론모형 및 수치해석...61
  • 1. 자기유체역학(MHD) 방정식...61
  • 2. 경계조건...64
  • 3. 수치해법 및 개발 전산코드...68
  • 제3절 수치해석 결과 및 열플라즈마 특성 논의...70
  • 1. 원통형 비이송식 토치의 열플라즈마 특성 해석...70
  • 2. 계단형 비이송토치의 열플라즈마 특성 해석...85
  • 3. 자장인가형 비이송토치의 열플라즈마 특성 해석...97
  • 제4절 80 kW급 비이송식 토치의 최적설계 및 제작...101
  • 1. 80 kW급 비이송식 토치의 최적설계...101
  • 2. 상세설계 및 제작...101
  • 제5절 80 kW급 비이송식 최적토치의 열플라즈마 발생실험...107
  • 1. 원통형 노즐 토치의 특성 실험...107
  • 2. 계단형 노즐 특성의 실험...112
  • 3. 자장 인가형 토치의 특성 실험...119
  • 4. 방출분광분석법(OES)에 의한 플라즈마 진단실험...121
  • 5. 수치해석 결과의 타당성 검토...122
  • 6. 소재공정용 비이송식 플라즈마 토치의 최적화...124
  • 참고문헌...126
  • 제3장 소재 공정용 고주파 열플라즈마 발생기 개발...128
  • 제1절 설계 개념의 정립 및 최적화 기법...128
  • 1. 기존 기술의 현황...128
  • 2. 발생기의 설계 개념...128
  • 3. 이론적 설계변수 선정 및 최적화 방법...131
  • 제2절 이론모형 및 수치해석...132
  • 1. 원통형 전도체 모형을 이용한 고주파 열플라즈마 해석...132
  • 2. 자기유체역학(MHD) 모형의 전산해석 지배 방정식...136
  • 제3절 고주파 열플라즈마 발생기의 플라즈마 특성 및 설계변수 해석...143
  • 1. 원통형 전도체 모형을 이용한 설계변수 특성 해석...143
  • 2. MHD 모형의 수치해석을 이용한 플라즈마 특성 및 설계/운전변수 특성 해석...146
  • 제4절 10 kW급 표준형 고주파 열플라즈마 발생기의 설계 및 제작...158
  • 1. 가둠관...158
  • 2. 냉각방법 및 케이싱...158
  • 3. 유도코일...159
  • 4. 기체 공급계 및 고주파 열플라즈마 발생기 지지용 원판...160
  • 5. 분해도 및 조립도...160
  • 제5절 표준형 고주파 열플라즈마 발생기의 성능 및 진단 계측 실험...164
  • 1. 열플라즈마 동작 특성 실험...164
  • 2. 고주파 열플라즈마 온도 측정 실험...166
  • 참고문헌...168
  • 제4장 폐기물 소각용융 처리용 공동형 직류 열플라즈마 발생기 개발...170
  • 제1절 설계 개념의 정립 및 최적화 기법...170
  • 1. 기존 기술의 현황...170
  • 2. 이론적 설계변수 설정 및 최적화 방법...172
  • 제2절 이론 모형 및 수치해석...173
  • 1. 자기유체역학(MHD) 방정식 및 수치해법...173
  • 2. 경계조건...175
  • 3. 수치해법 및 개발 전산 코드...176
  • 4. 수치해석 결과 및 설계변수 영향 논의...179
  • 제3절 표준형 토치의 설계 및 제작...190
  • 제4절 표준형 토치의 성능실험 및 진단계측...194
  • 1. 표준형 토치의 성능실험...194
  • 2. 표준형 토치의 진단계측 실험...200
  • 3. 전산해석 결과의 타당성 확인...202
  • 제5절 150 kW급 표준형 토치의 최적화...204
  • 1. 최적 토치의 설계 및 운전변수 결정...204
  • 2. 최적 표준형 토치의 상세설계 및 제작...206
  • 3. 최적 표준형 토치의 열플라즈마 발생실험...211
  • 참고문헌...213
  • 제5장 폐기물 소각 용융 처리용 이송식 직류 열플라즈마 발생기 개발...214
  • 제1절 설계 개념의 정립 및 최적화 기법...214
  • 1. 기존기술의 현황...214
  • 2. 이론적 설계 변수 설정 및 최적화 방법...215
  • 제2절 이론 모형 및 수치해석...215
  • 1. 자기유체역학(MHD) 방정식...215
  • 2. 경계 조건 및 수치해법...217
  • 3. 수치해법 및 개발 전산코드...217
  • 4. 수치해석 결과 및 플라즈마 특성의 설계/운전 변수 영향...218
  • 제3절 표준형 토치의 설계 및 제작...234
  • 제4절 표준형 토치의 성능 실험 및 진단 계측...237
  • 1. 토치의 방전 특성 실험...237
  • 2. 표준형 이송식 토치의 열전달 특성 실험...244
  • 3. 열플라즈마의 OES에 의한 진단결과...251
  • 4. 전산해석 결과의 타당성 확인...253
  • 제5절 150kW급 표준형 이송식토치의 최적화...254
  • 1. 최적 토치의 설계 및 운전변수 결정...254
  • 2. 최적 표준형 토치의 상세설계 및 제작...256
  • 3. 최적 이송식 토치의 열플라즈마 발생 및 진단계측 실험...258
  • 참고문헌...262
  • 제6장 초고온 열플라즈마 진단계측기법 및 시스템 구축...264
  • 제1절 초고온 플라즈마 열유동 특성 및 진단계측기법...265
  • 제2절 정전 탐침 시스템 구축...267
  • 1. 이론적 배경...267
  • 2. 정전 탐침의 제작 및 진단 시스템의 구성...275
  • 제3절 방출 분광 분석 시스템 구축...280
  • 1. 이론적 배경...280
  • 2. 진단 시스템의 구성...284
  • 제4절 엔탈피 탐침 시스템 구축...285
  • 1. 이론적 배경...285
  • 2. 진단 시스템의 보정과 성능 향상...289
  • 3. 엔탈피 탐침의 제작 및 진단 시스템의 구성...293
  • 제5절 통합 열플라즈마 진단계측 시스템...302
  • 1. 통합 진단계측 시스템의 개념설계...302
  • 2. 자료수집 체계의 통합...303
  • 제6절 초고온 플라즈마 열유동 진단해석 프로그램 개발...308
  • 1. 정전탐침법 자료수집 및 해석 프로그램...309
  • 2. 방출 분광 분석 자료수집 및 해석 프로그램...311
  • 3. 엔탈피탐침법 자료수집 및 해석프로그램...318
  • 참고문헌...326
  • 제7장 열플라즈마 발생기 운전 시스템 구축...328
  • 제1절 열플라즈마 발생기 냉각시스템...328
  • 제2절 방음 및 집진 배기 설비...333
  • 제3절 소재공정용 직류 열플라즈마 발생기 운전 시스템...335
  • 제4절 소재공정용 고주파 열플라즈마 발생기 운전 시스템...339
  • 1. 4MHz, 10 kW급 고주파 열플라즈마 발생기의 운전시스템 구성...339
  • 2. 표준형 고주파 열플라즈마 발생기의 운전 절차...343
  • 제5절 폐기물 소각용융 처리용 공동형 열플라즈마 발생기 운전 시스템...344
  • 1. 공동형 열플라즈마 발생기 운전 시스템의 구성...344
  • 2. 공동형 열플라즈마 발생기의 운전 절차...346
  • 제6절 폐기물 소각용융 처리용 이송식 열플라즈마 발생기 운전 시스템...347
  • 1. 이송식 열플라즈마 발생 시스템의 구성...347
  • 2. 이송식 열플라즈마 발생 시스템의 운전 순서...348
  • 제8장 열플라즈마 발생기 기술정보 데이터베이스 개발에 의한 기술자료 체계화...350
  • 제1절 수록 자료와 활용 대상 및 범위...350
  • 제2절 데이터베이스의 내용...351
  • 1. 열플라즈마 발생기 정보...351
  • 2. 열플라즈마 진단기법 정보...358
  • 3. 학술 및 특허 자료 정보...359
  • 제3절 데이터베이스 운용 프로그램의 구성 및 사용법...360
  • 1. 데이터베이스 운용 프로그램 개요...360
  • 2. 구성 및 설치...361
  • 제9장 결론...362
  • 제1절 연구결과...362
  • 1. 소재공정용 직류 열플라즈마 발생기 개발 (80kW급 비이송식 막대-노즐형)...362
  • 2. 소재공정용 고주파 열플라즈마 발생기 개발 (10 kW급 유도 결합형)...363
  • 3. 폐기물 소각용융처리용 공동형 직류 열플라즈마 발생기 개발(150kW급 비이송식 공동형)...364
  • 4. 폐기물 소각용융처리용 이송식 직류 열플라즈마 발생기 개발(150kW급 이송식 막대-노즐형)...365
  • 5. 초고온 플라즈마 열유동 진단계측기법 및 시스템 구축...366
  • 6. 열플라즈마 발생기 운전 시스템 구축...366
  • 7. 열플라즈마 발생기 기술자료 체계화를 위한 기술정보 데이터베이스 개발...367
  • 제2절 1단계 연구개발 결과의 활용계획...368
  • 부록 A. 열플라즈마 발생기 해석코드 및 Source Program...370
  • A.1. 소재공정용 직류 열플라즈마 발생기 (원통형 노즐 구조)...370
  • A.2. 소재공정용 직류 열플라즈마 발생기 (계단형 노즐 구조)...371
  • A.3. 소재공정용 고주파 열플라즈마 발생기...372
  • A.4. 폐기물 소각용융 처리용 공동형 직류 열플라즈마 발생기...373
  • A.5. 폐기물 소각용융 처리용 이송식 직류 열플라즈마 발생기...374
  • 부록 B. 표준형 열플라즈마 발생기 상세 설계도...375
  • B.1. 소재공정용 표준형 직류 열플라즈마 발생기...375
  • B.2. 소재공정용 자석 삽입형 직류 열플라즈마 발생기...377
  • B.3. 소재공정용 고주파 열플라즈마 발생기...379
  • B.4. 폐기물 소각용융 처리용 공동형 직류 열플라즈마 발생기...381
  • B.5. 폐기물 소각용융 처리용 이송식 직류 열플라즈마 발생기...383
  • 부록 C. 운전부수설비 규격 및 상세도면...385
  • C.1. 냉동 열교환기...385
  • C.2. 방음 및 집진 배기 설비...389
  • 부록 D. 열플라즈마 발생기 특허...393
  • D.1. 계단형 노즐 구조를 갖는 자장인가형 비이송식 플라즈마 토치 {Non-Transferred Type Plasma Torch With Step-Shaped Nozzle}...393
  • D.2. 유해 폐기물 처리용 공동형 플라즈마 토치 {Plasma Torch with Hollow Electrodes for Hazardous Waste Treatment}...413
  • 부록 E. 열플라즈마 발생기 기술정보 데이터베이스 (Version 1.0) 사용 설명서...434
  • E.1. 데이터베이스 운용 프로그램의 설치 및 제거...434
  • E.2. 작업의 시작 및 종료...439
  • E.3. 열플라즈마 발생기 정보 -그룹의 운용...441
  • E.4. 열플라즈마 진단기법 - 그룹의 운용...448
  • E.5. 학술 및 특허 자료 - 그룹의 운용...449

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참고문헌 (25)

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