초록 ▼

본 연구에서는 다공성 버너 고유의 내적 열재순환 효과에 외적 열재순환 효과를 추가하여 기존 다공성 복사 버너의 성능을 획기적으로 개선하고, 초 연료회박 연소가 가능하여 온실가스 포함 공해물질 배출을 최소화 하는 초고효율 다공성 초단열 복사 버너의 설계와 해당 버너를 이미터로 하는 소형 열광전변환 장치에의 적용, 온실가스 배출 저감 효과를 극대화하는 방안으로 무탄소 그린 연료인 암모니아 연료의 적용 가능성을 수치해석 및 실험적 연구를 통해 고찰해보았다.
실험 진행을 위해 설계 및 제작된 다공성 초단열 복사 버너는 탄화규소 또는

본 연구에서는 다공성 버너 고유의 내적 열재순환 효과에 외적 열재순환 효과를 추가하여 기존 다공성 복사 버너의 성능을 획기적으로 개선하고, 초 연료회박 연소가 가능하여 온실가스 포함 공해물질 배출을 최소화 하는 초고효율 다공성 초단열 복사 버너의 설계와 해당 버너를 이미터로 하는 소형 열광전변환 장치에의 적용, 온실가스 배출 저감 효과를 극대화하는 방안으로 무탄소 그린 연료인 암모니아 연료의 적용 가능성을 수치해석 및 실험적 연구를 통해 고찰해보았다.
실험 진행을 위해 설계 및 제작된 다공성 초단열 복사 버너는 탄화규소 또는 알루미나를 재료로 하는 두 층의 다공성 물질과 외적 열재순환을 위한 예열기, 복사에너지 전달을 위한 복사용 막대 등으로 구성되어있다. 실험 장치는 버너와 연료-공기 혼합기 공급부, 버너 내부 온도 측정을 위한 열전대, 복사용 막대의 디스크 온도 측정을 위한 열화상 카메라, 복사 디스크의 열복사 특성 측정을 위한 분광계, 열복사 형상을 얻기 위한 디지털 카메라, 배기 질소산화물 농도 분석을 위한 가스분석기 등으로 구성되었다.
먼저 프로판 연료를 사용하여 다공성 초단열 복사 버너의 성능 실험을 진행한 결과, 연소안정한계는 당량비 ∅ = 0.25로써 외적 열재순환을 사용하지 않는 일반적인 다공성 버너에 비해 상당히 넓어진 결과가 확인되었고, 다공성 물질 내부에서 측정된 최고화염온도는 단열화염온도보다 높아 초단열 효과를 보여주었다. 또한 혼합기의 유량이 증가함에 따라 다공성 물질 내부에서 일어나는 연소의 강도가 증가하여 복사 디스크와 배기가스의 온도가 모두 증가하는 경향을 보였으며, 복사 디스크의 온도가 배기가스의 온도에 비해 53-67 K 증가한 결과를 보였다. 버너의 후단에서 측정된 배기가스 중 CO 및 NOx 농도는 연료 초희박 조건을 제외하곤 CO 농도 25 ppm 미만, NOx 농도 7 ppm 미만으로 측정되어 다공성 초단열 복사 버너의 우수한 CO 및 NOx 배기 성능이 확인되었다.
다공성 초단열 복사 버너를 이미터로 사용하는 소형 열광전변환 장치는 다공성 초단열 복사 버너와 GaSb 광전셀, 배기가스로부터 광전셀의 손상 방지를 위한 석영 유리창 및 수냉장치, PCB 회로 등으로 구성되었다. 프로판 연료를 사용하여 열광전변환 성능을 실험한 결과, 단량비 ∅= 0.7, 연료 유량 Q = 1800 sccm 조건에서 복사 디스크의 온도는 1406 K, 개로 전압 6.72 V, 단락 전류 0.76 A로 전력 출력값은 4.96 W이었으며, 다공성 초단열 복사 버너 이미터의 효율은 30.60%이고, 열광전변환을 통한 전체 효율은 2.73%이다.
기 수행된 다공성 초단열 복사 버너를 이미터로 사용하는 소형 열광전변환 장치 성능 실험에서 프로판 연료를 대체하여 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않는 무탄소 그린연료의 수소 첨가 암모니아 혼합연료를 사용하여 다공성 초단열 복사 버너 및 소형 열광전변환 장치의 성능을 측정해보았다. 혼합연료 중 소소 부피량 xh = 0.2의 연료 사용했고,당량비 ∅ = 0.4-0.6, 연료-공기 혼합기 분사 속도 V = 19.6-41.4 cm/s 조건에서 다공성 물질 내 안정적인 화염이 생성됨이 확인되었고, 측정된 화염의 최고온도는 1369 K으로 단열화염온도에 배해 91 K 높아 수소 첨가 암모니아 혼합연료 사용시에도 초단열 효과가 확인되었다. 또한 실험 조건 변화에 따라 프로판 연료 사용 실험 결과와 동일한 경향이 관찰되었고, 복사 디스크의 온도는 배기가스 온도에 배해 43 K 높은 것으로 측정되었다. 소형 열광전변환 성능 실험 결과, 복사 디슼느의 온도는 1386 K, 개로 전압 6.46 V, 단락 전류 0.68 A로 전력 출력값은 4.27 W이었으며, 다공성 초단열 복사 버너 이미터의 효율은 29.60%이고, 열광전변환을 통한 전체 효율은 2.15%로 측정되었다.
본 연구를 통해 다공성 초단열 복사 버너의 확장된 안정한계와 우수한 배기특성이 확인되었고, 내부 및 외부 열재순환을 통한 초단열 효과가 실제로 입증되었다. 또한 무탄소 그린 연료인 수소 첨가 암모니아 혼합연료 사용 시에도 상대적으로 좁은 암모니아 연료의 연소한계에도 불구하고 안정적인 다공성 초단열 복사 이미터 작동이 실험적으로 확인되어 차세대 휴대용 전원장치로 순수 암모니아 이용 소형 열광전변환 장치의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다.
(출처: 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 9