1. 서 론
매립지 가스 (landfill gas, LFG) 는 유기성 폐기물의
혐기성 발효로 폐기물 매립지에서 생성되며 메탄 , (
CH) 이 주성분이지만 성분 중 메탄과
CO의 비율 이 매립지별로 상이하고 불활성 기체인 ,
CO성분 을 다량 함유하고 있어 연소 안정성 및 초기 연소 에 상당히 불리하다 최근에는 매립지 가스를 실용 .
Corresponding Author. [email protected]2015 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
학술논문
< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2015.39.2.135
ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)
대형기관 모사 정적연소실에서 매립지 가스의 연소특성에 대한 연구 (IV)
토치 점화
- (2)-
고안수 엄인용 권순태
서울과학기술대학교 융합기술대학원 서울과학기술대학교 기계 자동차공학과
* NID ,** ․ , ***
서울과학기술대학교 에너지환경전문대학원
Combustion Characteristics of Landfill Gas in Constant Volume Combustion Chamber for Large Displacement Volume Engine (IV)
-Torch Ignition (2) -
Ansu Ko*, Inyong Ohm** and Soon Tae Kwon***
* Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology,
** Dept. of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology,
*** Graduate school of Energy & Environment, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology (Received May 8, 2014 ; Revised November 12, 2014 ; Accepted November 14, 2014)
Key Words : Landfill Gas( 매립지 가스 ), Constant Volume Combustion Chamber( 정적연소기 ), Torch Ignition
토치 점화 열 발생률 연소기간 메탄 당량비
( ), Hear Release Rate( ), Burn Duration( ), Methane( ), (Equivalence Ratio)
초록 본 논문은 대형 상용기관을 모사한 정적연소실에서 매립지 가스의 연소 특성에 대한 복수의 논문 : 중 네 번째로 열 발생 특성과 가시화 결과를 관찰하여 토치 연소의 특징을 논의하였다 분석 결과 토 , . 치 연소는 주 연소실에 형성된 화염 면을 토치에서 분출되는 가스가 가속시킴으로 연소를 촉진한다 이 . 때 오리피스 직경이 4mm 일 때는 토치에서 고온의 가스가 분출되며 , 6mm 이상에서는 토치에서 형성된 화염이 직접 오리피스를 통과한다 또한 메탄 분율 토치 체적 그리고 오리피스 크기가 상호 연관적으 . , 로 작용하여 다양한 연소 형태를 야기하고 이에 따라 토치 연소의 효과가 매우 다르게 나타난다 마지 . 막으로 실물기관에서 연소 과정의 일관성을 보장하는 적절한 토치의 조건은 6mm 이상의 오리피스 직 경과 0.15 이하의 오리피스 면적비를 동시에 만족시키는 것이다 .
Abstract: This paper is the fourth on the combustion characteristics of the landfill gas in a constant volume
combustion chamber for a large displacement volume commercial engine and the second dealing with torch
ignition. It discusses the combustion characteristics of torch ignition on the basis of the heat release and
visualization. The results show that the jet and/or spout from the torch promote combustion by accelerating
the flame front in the main combustion chamber. In addition, a hot gas jet exists when the orifice diameter
is 4 mm, whereas the flame passes directly through the orifice if the diameter is 6 mm or greater. In
addition, the effect of torch ignition differs according to the combination of the methane fraction, torch
volume, and orifice size because various combustion processes occur as a result of the interaction of these
parameters. Finally, it was found that the most suitable torch should have an orifice diameter of not less than
6 mm and an area ratio of not more than 0.15 to secure a consistent combustion process in a real engine.
에너지원으로서 사용하고자 하는 노력이 다양하게 시도되고 있지만 매립지 가스는 대부분 대형기관에 사용되므로 기관 내에 공급된 혼합기의 절대량이 크게 증가하여 연소속도가 낮아지므로 한정된 사이 , 클 기간 동안에 만족할 수준의 연소율을 달성하는 것이 해결해야할 문제 중 하나이다.
본 연구에 앞서 Kim 등
(1,2)은 소형 정적연소실 (CVCC, constant volume combustion chamber) 에서 메
탄 수소 공기 혼합기의 연소 특성을 - - , Jeon 등
(3)은 스파크 점화기관을 모사한 정적연소실에서 초 2.4L
기압력 및 당량비 변화에 따른 메탄 공기 혼합기의 - 연소특성과 배기특성을 조사하였다 . Lee 등
(4,5)은 매 립지 가스의 기본적인 연소특성을 조사하고 매립지 가스의 연소속도에 대한 식을 제안하였다.
실물기관과 동일한 점화위치의 대형 정적연소 실에서 메탄 , /LFG 조성 및 당량비에 따른 연소특 성을 분석한 이전 연구
(6,7)에서는 연료조성 변화 , 에 따른 생성물의 조성 변화가 비열 변화를 초래 하고 이 비열이 최종압력을 지배하는 가장 중요 한 변수라는 결론을 얻었고 특히 점화위치와 관 , 련된 화염전파 과정 및 전열 면적의 변화과정 그 리고 대형 연소실에 의한 연소기간 연장의 효과 가 상호 복잡하게 작용하면서 매우 특이한 형태 의 열 발생 곡선이 생성된다는 것을 관찰하였다.
또한 메탄 /LFG 가 대형기관에서 연소될 때 생기는 문제 즉 메탄 분율 감소와 당량비 감소에 따른 초 기연소 지연 및 연소기간 연장에 대한 해결책으로
토치 점화를 시도하였는데,
(8)토치의 체적에 관계없 이 연소를 개선시키는 최적의 오리피스 비율이 존 재하며 오리피스가 매우 작은 경우 압력 상승 비율 은 직경 변화에 무관하게 일정 수준을 유지하거나 소폭 감소함이 관찰되었다 아울러 토치의 효과는 . 일차적으로 연소 시간단축에 영향을 주고 시간단축 에 따른 전열량의 감소가 이후 압력상승에 기여하 며 메탄 분율이 적어 연소 조건이 나쁠수록 큰 토 , 치 체적이 유리하고 토치는 주로 주 연소 기간을 단축시키고 반면 연소 조건이 좋은 경우 토치 체적 , 은 크게 영향을 주지 않으며 주로 초기 연소를 단 , 축시키는 효과가 있다는 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 토치 점화를 시도한 연구에서 토치의 체적과 오리피스가 구체적인 연소 과정에 미치는 영향을 열 발생과 가시화 이미지를 통해 분석하여 토치의 실물기관 적용 가능성과 토치 , 설계에 대한 기본적 데이터를 제공하고자 한다.
2. 실험장치
본 연구의 실험 장치는 정적연소실 예혼합 장치 , 그리고 화염 가시화 부분으로 구성되어 있으며 그 개 략도를 Fig. 1 에 나타내었다 연구에 사용된 정적연소 . 실과 사용된 연료의 특성은 Table 1, 2 에 제시하였는 데 그 구체적 특징에 대해서는 이전 연구 ,
(8~10)에 제시
Bore 152mm
Stroke 85.2mm
Swept volume 720cc Visualization window 140mm x 85mm
Table 1 Specification of CVCC
Fuel (
CH
) (1.0)
CHLFG1 (0.9)
LFG2 (0.8)
1.000 1.000 1.000
′
1.000 0.988 0.974 Table 2 Equivalent and corrected equivalent ratios
according to fuel composition
Fig. 1 Schematics of experimental apparatus
D d
Torch Device Spark Plug
Combusrion Chamber h
Fig. 2 Schematics of torch-ignition device
되어 있으므로 생략하겠다.
연소실의 측면에는 연소실 내의 압력 변동을 측 정하기 위하여 피에조 타입의 연소압력센서(Kistler,
를 장착하였고 화염 전파 특성의 가시 6117BFD17) ,
화에는 밀도 구배의 구배(
) 에 대한 정보 를 제공하는 그림자사진 (shadowgraph) 법을 사용하였 다 . 이를 위한 광학계는 할로겐 광원 , 오목거울 그리고 고속 (concave mirror, φ :300mm, f=3000mm)
카메라 (SVSI 사 로 구성되었고 ) 1000 f.p.s 로 촬영하였 다.
본 연구에서 사용한 토치 점화장치의 형상은 와 같으며 토치 직경을
Fig. 2 , , 오리피스 직경 을
라고 정의하였다 토치장치는 토치 직경 . ( )
에 대해 동일한 높이 로 제작 12, 16, 22 mm 10mm
하였으며 , 토치 점화장치의 오리피스 직경을
부터 까지 씩 증가시켰다
4mm 22mm 2mm . Table 3 은 토치 점화장치의 제원이다 토치 점화장치는 . 연소실 상단의 중심에 장착하였다.
열 발생과 화염 전파 3.
메탄 분율
3.1 80%(
CH
=0.8) Fig. 3 은
CH
=0.8 에 대해 토치 점화장치를 적용하 였을 때 토치의 직경 및 무차원 오리피스 크기
에 따른 열 발생률을 나타낸 것이다.
그림에서 알 수 있듯이 토치점화를 하는 경우 전 체적으로 열 발생의 최고값은 높아지고 아울러 열 발생기간도 단축되어 있어 토치에 의해 급속연소가 , 유도되고 있음을 알 수 있다 또한 이전 연구에서 . 살펴보았듯이,
(9)토치를 적용하지 않은 경우에 전체 적으로 점화위치와 관련된 화염전파 과정 및 전열 면적의 변화과정 그리고 대형 연소실에 의한 연소 기간 연장의 효과가 상호 복잡하게 작용하면서 매 우 특이한 형태의 열 발생 곡선이 생성되었는데 토 , 치를 적용한 경우도 이와 동일한 열 발생 특성을 가지고 있음을 알 수 있다 다만 빠른 연소와 높은 . 열 발생률로 그 발생 시기만 조금씩 다르게 나타남 을 알 수 있다.
가시화 결과로 확인한 결과 토치를 적용한 경우 에도 이전 연구에서 토치를 적용하지 않은 경우와 , 마찬가지로 열 발생률의 변곡점은 연소실 벽면과 화염면의 접촉에 의해 발생하지만 발생의 원인에는 , 조금 차이가 남을 알 수 있다 .(Fig. 4 참조 즉 토치 ) 를 적용하지 않은 경우 변곡점은 화염이 연소실 상 면 측면 하면의 순서로 접촉하면서 발생하는 반면 , , , 토치를 적용한 경우 토치에서의 분출에 의해 하면, 측면의 순서로 접촉하며 발생한다.
각 토치의 체적 별로 압력상승 및 시간단축에 가 장 효과적인 오리피스 크기에 대해 열 발생을 비교 한 Fig. 3 (d) 를 보면 , =16, 22 의 열 발생이 형태가 비슷하고 초기 열 발생이 , =12 보다 빠르게 진행되 지만 열 발생의 최고값은 , =12 가 조금 더 높음을
(Orifice Size, mm)
4-22mm(2mm increment)
V(cc) 1.13, 2.01, 3.80
(Torch Diameter, mm) 12, 16, 22h(mm) 10
Table 3 Specification of torch-ignition device
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.11 d2/D2=0.25 d2/D2=1.00
(a) D=12
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.14 d2/D2=0.25 d2/D2=1.00
(b) D=16
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.07 d2/D2=0.21 d2/D2=0.83
(c) D=22
0 20 40 60 80 100 120
Time after Ignition(msec)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch 12D, d2/D2=0.11 16D, d2/D2=0.14 22D, d2/D2=0.07
(d)
Fig. 3 Heat release after ignition according to orifice and torch size when
CH
=0.8
알 수 있다 연소 압력의 상승비율은 . =16, 22 에서 각각 5.0%, 4.8% 이고 =12 에서 3.4% 이고 연소시간 ,
단축효과도 =16, 22 이 12.4, 10.3 로 =12 의 8.3%
보다 더 큼을 고려하면 높은 열 발생보다 빠른 열 , 발생이 열전달의 효과가 줄어들어 연소압력상승에 더 효과적인 것으로 판단된다.
는 에 도시된 토치연소에서 화염전 Fig. 4 Fig. 3(d)
파과정을 가시화한 결과를 연소의 주요 단계 별로 나타낸 것이다 화면의 크기는 가시화 창의 크기이 . 며 , 표 에 나타낸 바와 같이 1 140mm x 85mm 이다 .
그림에서 알 수 있듯이 열 발생 곡선에 큰 차이 , 가 없는 =16, 22 는 화염전파과정이 매우 유사하지 만 =12 와 매우 다른 형태를 보여주고 있는데 이 , 러한 차이는 토치의 체적과 오리피스의 크기에 따 라 발생한다.
=4 의 경우 오리피스에서 제트의 형태로 고온의 , 가스가 분출되다가 연소실의 중앙에서 구형의 화염 이 형성되고 이 형태를 유지한 채 전파해 나간다 , . 반면
=6 에서는 뚜렷한 제트의 형태가 관찰되지 않 는데 이 경우에는 고온의 가스가 분출되는 것이 아 , 니라 토치 내의 화염 면이 오리피스를 직접 통과한 것으로 판단된다 이어서 분출이 지속되면서 분출된 . 가스가 기연가스 부분을 팽창시켜 결과적으로 화염 면을 밀고 전파는 형태가 된다 따라서 원통 형태의 . 화염이 생성되고 이 형태로 계속 화염이 전파되다 , 가 먼저 연소실 하부에 도달한 후 연소실의 측벽 방향으로 전파된다.
토치의 체적에 따라 화염 전파형태가 다른 이유 는 먼저 =12 의 경우 토치의 체적이 적어 토치 내 에서 생성된 화염의 냉각 효과가 크고 메탄의 분율 도 적어 분출이 시작된 후 토치 내에서 제트를 계 , 속 유지할 만큼 충분한 양의 고온 기연 가스가 존 재하지 않는다 따라서 연소실 중간에서 화염이 생 . 성된 후에는 분출이 지속되지 못하여 구형으로 화 염이 전파된다.
=16, 22 일 때는 토치의 체적이 커서 연소실에 서 화염이 형성된 후에도 계속 분출을 하여 화염 면이 연소실 하면에 닿을 때까지 지속된다 아울러 .
=22 인 경우 토치 내의 화염이 반구형으로 성장하 므로 토치 내 화염 면이 측벽에 닿기 전에 또는 측 , 벽에 도달하는 시기와 거의 동시에 오리피스를 통 과하는 것으로 판단된다.
메탄 분율
3.2 90%(
CH
=0.9) Fig. 5 는
CH
=0.9 일 때 토치의 직경 및 무차원 오 리피스 크기
에 따른 열 발생률을 나타낸 것
=0.11 ( =12,
=4)
=0.14 ( =16,
=6)
=0.07 ( =22,
=6)
18 msec 16 msec 16 msec Jet Start
22 msec 19 msec 19 msec
27 msec 23 msec 22 msec Flame Initiation
33 msec 27 msec 26 msec 5% Burn
39 msec 33 msec 32 msec 10% Burn
44 msec 38 msec 37 msec Strong Inflection Point
59 msec 56 msec 55 msec 50 % Burn
74 msec 71 msec 71 msec 90% Burn
Fig. 4 Flame development according to torch device when
CH
=0.8
이고 Fig. 6 은 이 경우에 대해 연소 과정의 가시화 결과이다
CH
=0.9 에서의 연소특성은 이전 연구
(9)에서 자세 히 다루었으나 여기서 추가적인 논의를 위해 요약 하면 다음과 같다.
CH
=0.9 일 때 토치 적용에 의한 압력상승의 효과는 다른 경우에 비해 가장 적게 나 타지만 시간단축 효과는 가장 크게 나타나서 모든 오리피스 크기에 대해 시간단축 효과가 있고 오리 , 피스가 가장 작은
=4 인 경우에도 다른 경우와 달 리 압력상승의 효과가 있다.
먼저
CH
=0.9 일 때 열 발생 곡선의 특징을
CH
과 비교해 보면 전체적으로 메탄의 분율 차이
=0.8 ,
에 의한 최고 열 발생률의 차이는 있지만 열 발생 곡선의 형태에서는 큰 차이가 없다 그러나 가장 두 . 드러진 차이는 토치 체적에 대한 효과에서 발견되
는데,
CH
=0.8 에서는 토치 체적 변화에 따라 열 발 생 속도와 최고값에 큰 차이가 없는 반면
CH
=0.9
에서는 토치의 체적이 클수록 열 발생이 현저히 빠 르고 최곳값도 높다 이 현상들을 화염가시화 결과 . 를 참조하며 논의하면 다음과 같다.
을 보면 Fig. 6 ,
CH
=0.8 과 비교하여 볼 때 모든
=0.11 ( =12,
=4)
=0.06 ( =16,
=4)
=0.03 ( =22,
=4)
14 msec 17 msec 13 msec Jet Start
18 msec 20 msec 15 msec
22 msec 23 msec 16 msec Flame Initiation
24 msec 25 msec 18 msec 5% Burn
29 msec 30 msec 23 msec 10% Burn
47 msec 48 msec 40 msec 50 % Burn
59 msec 60 msec 53 msec 90% Burn
Fig. 6 Flame development according to torch device when
CH=0.9
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.11 d2/D2=0.25 d2/D2=1.0
(a) D=12
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.06 d2/D2=0.25 d2/D2=1.00
(b) D=16
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.03 d2/D2=0.21 d2/D2=0.83
(c) D=22
0 20 40 60 80 100
Time after Ignition(msec)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch 12D, d2/D2=0.11 16D, d2/D2=0.06 22D, d2/D2=0.03
(d)
Fig. 5 Heat release after ignition according to
orifice and torch size when
CH=0.9
경우
=4 이므로 화염이 오리피스를 직접 통과하는 경우는 없고 고온 가스가 난류 형태의 제트로 분출 , 된다 또한 .
CH
=0.8 과 동일한 토치인 =12 에서도 난류 형태가 더 뚜렷이 나타난다 이러한 난류는 연 . 소 속도 향상에 기여한다.
먼저 =12 의 경우
CH
=0.8 과
가 동일하므로 둘의 차이는 토치 내에서의 연소 속도 및 온도 차 이에 따른 분출 속도의 차이에 의한 것으로 판단된 다 즉 .
CH
=0.8 보다 빠른 연소와 높은 온도로 분출 시기가 빠르고 아울러 분출 속도도 빠르다 따라서 , . 주 연소실에서
CH
=0.8 과 비교해 횡방향의 화염 전 파보다 종방향의 화염 전파가 상대적으로 더 빨라 져 타원형에 가까운 형태가 된다.
=16 인 경우 =12 보다 토치 체적이 약 배 정 2 도 크므로 분출은 지연되지만 토치 내의 기연 가스 가 많아 분출속도가 더 빠르고 지속 시간도 더 길 다 따라서 화염 전파의 형태가 연소실 하부의 화염 . 면이 더 큰 원추형으로 생성된다.
=22 는 토치 내에서 형성된 화염이 토치의 측벽 에 닿지 않고 바로 오리피스에 도달하기 때문에 분 출이 조기에 발생하고 아울러 토치 측벽에 의한 냉 , 각도 적어서 분출 가스의 온도도 높기 때문에 주 연소실에서 화염이 다른 토치에 비해 빨리 생성된 것으로 판단된다 화염 형성 이후에도 토치 체적이 . 크므로 분출이 화염 면이 연소실 하면에 닿을 때까 지 지속되어 화염 면 진행을 가속시킨다 이러한 빠 . 른 분출과 온도 상승에 의한 주연소실에서 조기 화 염 형성 동시에 연소실에 화염이 형성된 이후의 지 , 속적 분출에 의한 화염 면 가속이 빠른 연소의 원 인으로 판단된다.
그러나 연소는 빠르게 진행되지만 빠른 연소에 의해 이전연구
(10)에서 논의한 바와 같이 압력의 상 승효과는 매우 적다 이것은 가시화 결과에서 관찰 . 되듯이 (Fig. 6, 뒤의 Fig. 9 참조 토치 연소의 경우 ) 분출에 의해 화염이 난류 형태가 됨과 동시에 화염 면의 가속 등으로 화염 면이 전체 연소실 벽면에 조달하는 시간도 단축된다 즉 토치를 적용하지 않 . 는 경우 화염 면이 전체 벽면에 도달하는 시기는
연소 이지만 토치 연소의 경우 토치 체 60msec(63% ) ,
적에 따라 화염 면은 =12 와 16 에서는 점화 후 연소 정도 그리고
40msec(30% ) =22 에서 36 연소 에서 전체 벽면에 도달한다 따라서
msec(36% ) .
에서 관찰되듯이 이 부근에서 열 발생에 강한 Fig. 5
변곡점이 나타나는데 이는 벽면 열전달이 증가함을 의미한다 이러한 열전달의 증가로 압력 상승효과가 . 적어진 것으로 사료된다.
메탄 분율
3.3 100%(
CH
=1.0) Fig. 7 은
CH
=1.0 에서의 열 발생 곡선이고 Fig. 8 은 이 경우에 대해 연소 과정을 가시화한 결과이다.
CH
=1.0 에서 열 발생 특징은 토치의 체적이 아주 크거나 또는 작은 경우 최고 열 발생 율이 높고 발 생 속도도 빠른데 비해 토치의 체적이 중간의 경우 , ( =16,
=4) 최고 열 발생률은 높지만 열 발생 속 도는 큰 차이가 없음을 알 수 있다 이 부분도 가시 . 화 결과를 참조하여 해석하면 다음과 같다.
먼저 =12,
=4 에서 분출이 조기에 발생하고 화 염도 연소실의 중앙에서 구형으로 발달하는 형태가
CH
=0.8, 0.9 의 경우와 정성적으로 동일하며 주 연 , 소실의 혼합기가 연소에 유리하므로 분출 후 다른 경우에 비해 상대적으로 연소실 상부에서 조기에 화염이 생성된다.
=16,
=4 은 지금까지 관찰하였던 것과 매우 다 른 형태의 화염전파를 보여주고 있는데,
=4 이므로 고온 가스가 분출되어 연소실에서 화염이 생성되는 것은 동일하지만 화염의 생성위치에서 차이가 발생 한다 즉 지금까지는 주연소실의 화염은 가스 분출 . 의 선단부에서 발생하여 성장하는 양상이었는데 이 , 경우에는 분출의 선단부는 계속 연소실의 하방으로 진출하고 주연소실에서 연소는 오리피스에 근접한 , 부근에서 분출 방향의 법선 방향 즉 연소실 측벽 쪽으로 화염이 전파된다.
이러한 주 연소실에서의 화염발생 위치와 전파방 향의 차이에 의해 열 발생이 다른 경우보다 지연된 것으로 판단되는데 다른 ,
=4 의 경우 분출된 가스 의 선단에서 화염이 생성되고 화염 면의 이동이 토 치의 분출에 의해 가속된다 그러나 이 경우에는 화 . 염 발생 위치가 오리피스에 근접해 있고 화염 면의 진행방향과 분출 방향이 달라 가속 효과가 없고 아 울러 연소의 시작점도 연소실의 상부에 치우쳐 있 어 특히 느린 초기연소가 진행된 것으로 판단된다.
이 경우 화염이 직접 통과하는 =16,
=6 과 비교 해도 최고 압력은 조금 높지만 10%, 90% 연소는 오히려 지연된다 . 최고 압력까지의 도달 시간은 로 동일한데 그 이유는 가시화 결과를 보면 71.8msec
연소실 하면에 도달한 분출의 선단이 하면에 부딪
혀 하면에 난류 유동을 형성하기 때문에 말기 연소 가 빨라진 것이 원인이다.
이렇게 오리피스 근방에서 화염이 형성된 원인은 분출 가스의 온도와 연관되었다고 판단된다 즉 메 . 탄 분율이 크므로 토치 내에서 연소한 가스의 온도 가 높고 오리피스를 통과하면서 냉각이 되어도 분 출 가스의 외각 온도가 주 연소실의 혼합기를 연소 시키기에 충분히 높은 온도를 유지하고 있기 때문 인 것으로 판단된다 이러한 현상은 뒤에서 자세히 . 논의하겠다.
=22,
=6 은
CH
=0.8 의 경우와 매우 유사한 형 태의 화염 전파 형태를 보여주고 있다.
토치연소 일반 특성 4.
앞에서는 메탄 분율과 토치의 종류에 따라 대표 적인 열 발생 곡선을 제시하고 가장 효과적인 토치 , 연소에 대해 가시화 결과를 제시하였다 그러나 전 . 체 연소 및 가시화 결과를 분석한 결과 메탄 분율 , , 토치 체적 그리고 오리피스 크기가 상호 연관적으 로 작용하여 다양한 연소 형태를 야기하고 이에 따 라 토치 연소의 효과가 매우 다르게 나타난다.
이러한 파라미터 중 분율과 오리피스 크기가 토 치 연소에 미치는 일반적 특성이 몇 가지 관찰되며 이는 다음과 같다.
그리고 토치를 적용하지 않은 경우의 Fig. 4, 6, 8
가시화 결과인 Fig. 9 에서 볼 수 있듯이 동일한 질 , 량연소 분율에 비해
CH
가 클수록 체적 연소율은 감소한다 이는 .
CH
가 클수록 연소 진행에 따라 기 연가스가 팽창하면서 화염면에 도달하는 미연 가스 의 연소반응이 활발하여 빠르게 연소된 또는 화염 ( 면을 통과한 반면 ) ,
CH
가 작을수록 반응이 늦어져 기연가스의 팽창속도보다 미연 가스가 화염 면을 통과는 속도가 상대적으로 느렸기 때문인 것으로 판단된다.
오리피스의 크기에 따라 토치에서의 분출 형태가 달라지고 이에 따라 주연소실에서의 화염전파 형태 도 달라지는데 우선 ,
=6 또는 그 이상에서 토치에 서의 분출은 화염이 직접 오리피스를 통과한다 따 . 라서 주연소실의 화염은 오리피스의 출구에서부터 형성되고 이 화염 면을 토치에서 분출하는 기연가 , 스가 연소실 하방으로 밀어 화염 면의 진행이 가속 되어 연소가 촉진된다 아울러 이 경우 화염은 층류 . 화염의 형태를 띤다.
좁은 오리피스
5. (=4)
=4 에서는 좁은 오리피스를 통과하며 냉각이 발 생하여 화염이 직접 통과하지 못하고 고온 가스가 분출하고 동시에 이 냉각에 의해 제트 중심의 온도 , 는 높고 주변은 낮은 온도 구배가 존재한다 이러한 . 특성의 고온 가스에 의해 주연소실에서 화염이 형 성될 때 토치의 체적과 메탄의 분율에 따라 여러 , 형태의 연소 과정이 관찰된다.
작은 토치 5.1 ( =12)
체적이 =12 로 적은 경우 , Fig. 4, 6, 8 에서 볼 수 있듯이 토치에서는 고온 가스만 분출되고 동시 , 에 토치의 체적이 크지 않기 때문에 분출의 선단은 대체로 연소실 중앙까지만 도달한다 이는 토치 내 .
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.11 d2/D2=0.25 d2/D2=1.0
(a) D=12
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d/D=0.06 d/D=0.25 d/D=1.00
(b) D=16
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch d2/D2=0.07 d2/D2=0.21 d2/D2=0.83
(c) D=22
0 20 40 60 80 100
Time after Ignition(msec)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
No Torch 12D, d2/D2=0.11 16D, d/D=0.06 22D, d2/D2=0.07
(d)
Fig. 7 Heat release after ignition according to orifice and torch size when
CH
=1.0
의 연소 가스가 토치 측벽에 의해 조기에 냉각되므 로 동시에 오리피스를 통과하며 추가로 냉각되므로 분출 가스의 주변 온도는 연소를 유발할 수 있는 수준까지 도달하지 못한다 반면 제트 중심을 통해 . 분출된 비교적 고온의 가스는 분출된 후 연소실의 미연가스를 점화시키기에 충분한 온도에 도달하여 연소실의 중심 부근에서 화염이 전파되기 시작하는
데 토치의 체적이 적기 때문에 분출된 가스가 화염 , 면을 가속시키는 효과가 미미하여 화염은 대체로 구형으로 성장하며 층류 화염의 형태로 전파한다.
CH
에 따라서는 분출 시기와 분출 후부터 화염 형성 시기까지의 시간 간격에 차이가 나는데 이는 주 연소실 내의 혼합기 조성에 의한 차이로 판단된 다.
중간 토치
5.2 (14 18)
연소실의 체적이 약간 증가하면 메탄 분율에 따 라 연소의 형태가 달라지는데 , Fig. 6, 8 에서 관찰되 는 것에 더하여 =14, 16 일 때 화염 가시화 결과를
에 제시하였다 Fig. 10 .
과 에서 관찰되듯이 메탄 분율에 Fig. 10 Fig. 6, 8
따라 주연소실의 화염 발생에 두 가지 형태가 존재 한다 즉 . ,
CH
=0.9 일 때는 일관되게 =12, 일 =4 때와 동일한 메커니즘에 의해 주연소실에 화염이 생성되는 반면,
CH
=0.8 과 1.0 의 경우에는 오리피스 근방에서 화염이 형성되어 분출 방향과 수직한 방 향으로 화염이 전파된다 이 현상은 모두 분출 선단 . 의 온도보다 분출 제트 측면의 온도가 더 빨리 점 화 온도에 도달하기 때문인 것으로 판단된다 이를 . 메탄 분율 별로 고찰하면 다음과 같다.
메탄 분율 와 5.2.1 80% 100%
동일 오리피스 크기에서 토치의 체적 변화에 따
=0.11 ( =12,
=4)
=0.06 ( =16,
=4)
=0.07 ( =22,
=6)
15 msec 17 msec 16 msec Jet Start
18 msec 20 msec 18 msec
20 msec 24 msec 19 msec Flame Initiation
22 msec 29 msec 20 msec 5% Burn
27 msec 33 msec 26 msec 10% Burn
43 msec 50 msec 44 msec 50 % Burn
55 msec 62 msec 56 msec 90% Burn
Fig. 8 Flame development according to torch device when
CH
=1.0
CH
=0.8
CH
=0.9
CH
=1.0
35 msec 29 msec 27 msec 5% Burn
42 msec 35 msec 32 msec 10% Burn
66 msec 55 msec 51msec 50 % Burn
Fig. 9 Flame development according to
CH
without torch device
라 발생할 수 있는 가장 큰 차이는 토치 내 기연가 스 양의 차이에 기인한 분출 지속 기간과 제트 분 출 속도이다 또한 토치 내 기연 가스의 냉각 감소 . 에 따른 온도 상승도 있다 따라서 토치 체적이 증 . 가할수록 분출되는 형태가 분출 속도 증가에 따라 보다 난류의 형태를 띠고 분출의 선단 거리도 증가 한다 이때 난류 형태는 기연가스와 미연 가스의 접 . 촉 면적을 넓히고 서로 혼합되는 효과를 발생시키 므로 분출된 가스를 냉각시키는 효과가 있으며 분 , 출 선단 거리의 증가 역시 팽창 등에 기인한 기연 가스의 냉각효과가 있다.
한편 메탄 분율에 따라 단열화염온도는
CH
=1.0
에서 2537 K,
CH=0.9 에서 2448 K,
CH=0.8 에서 2346 K로
CH=1.0 과 0.8 의 온도차는 약 200 K에 달 한다.
CH
=1.0 과 0.8 에서는 토치 체적 증가에 따라 분 출량과 속도 증가에 의한 분출 가스 선단의 온도가 저하되어 분출의 선단부가 주 연소실의 혼합기를 , 연소시키기에 충분할 정도로 상승하기 전에 분출 제트의 측면의 온도가 먼저 화염 형성 온도에 도달 하는 것은 동일하지만 발생 과정에는 약간 차이가 있다고 사료된다.
CH
=0.8 에서는 분출되는 가스의 온도도 낮고 혼 합기도 연소에 불리한 상태이므로 분출 이후 선단 에서의 화염 생성이 관찰되지 않는다 즉 점화 후 .
또는 분출 후 가 경과하여도 분출의 27msec 12msec
선단은 화염을 발생시키지 않은 채 연소실의 하면 에 도달한다 이 정도의 시간은 동일 조건에서 오리 . 피스의 크기가 다른 경우 이미 5% 연소에 도달할 시간이기도 하다 이때 선단 가스의 온도는 연소실 . 벽과의 접촉에 의해 추가로 냉각되기 때문에 이 선 단의 가스가 주 연소실에 점화를 유도하는 것은 더 욱 어렵다 이 같은 분출이 지속되면서 오리피스는 . 분출 가스를 냉각하지만 오리피스 주변은 더 오랫 동안 가열을 받는다 결과적으로 오리피스를 통과하 . 는 분출 가스의 온도는 시간 경과에 따라 전열량의 감소로 상승하게 되고 점화 온도에 도달하여 분출 가스의 측면에서 주 연소실의 연소가 개시된다고 판단된다.
CH
=1.0 에서는 거의 분출 직후에 기류의 측면에 서 화염이 생성된다 이는 오리피스 통과를 통과할 . 때 오리피스에 의한 냉각으로 분출되는 가스의 온 도는 저하되지만 선단의 가스온도는 팽창 및 혼합 ,
등으로 측면의 온도보다 더 낮아진다 동시에 낮아 . 진 선단부의 온도가 주 연소실 혼합기를 연소시킬 수 있는 수준에 도달하기 전에 오리피스를 통과한 지 얼마 경과하지 않은 측면의 온도가 먼저 점화 가능한 온도에 도달한 것으로 사료된다 아울러 주 . 연소실의 혼합기 조성이 연소에 유리한 상태인 이 론 혼합비인 것도 측면 조기 점화의 원인으로 작용 한 것으로 판단된다.
메탄 분율 5.2.2 90%
CH
=0.8 과 1.0 의 사이에서
CH
=0.9 에서는 이러한 측면의 조기 점화(
CH
=1.0) 그리고 중심 기류의 점
CH
=0.8
=14
CH
=0.8
=16
CH
=0.9
=14
19 msec 16 msec 14 msec Jet Start
22 msec 19 msec 16 msec
33 msec 31 msec 18 msec
37 msec 33 msec 20 msec Flame Initiation
41 msec 35 msec 22 msec 5% Burn
46 msec 40 msec 27 msec 10% Burn
Fig. 10 Flame development according to
CH
when
=14, 16 and =4
화 실패(
CH
=0.8) 가 발생하지 않는 조건이 생성된 것으로 판단된다 따라서 . Fig. 6 과 Fig. 10 에서 볼 수 있듯이 토치의 체적이 화염 생성의 메커니즘에 영향을 주지 않고 =12 일 때와 동일한 메커니즘으 로 화염이 생성된다 다만 체적에 따른 차이만 관찰 . 되는데 체적이 작을 때는 , Fig. 6 에서 관찰되듯이 토 치 내의 고온의 기연 가스 양이 적어 제트의 분출 이 대체로 연소실 중앙에서 멈추고 구형의 화염이 전파하는 형태이다. =14, 16 으로 체적이 증가하 면 점차 분출량이 증가하고 분출 거리가 늘면서 화 염은 연소실의 아래 부분에서 형성되면서 원뿔 형 태가 된다.
이어 토치 체적이 더 증가하면 Fig. 11 에 도시한 바와 같이 다시 분출 직후에 화염이 형성된다 이것 . 은 앞서 =22, 에서 논의한 바와 토치 직경이 =4 증가하면 토치 내에서 형성된 화염이 토치의 측벽 에 닿지 않고 바로 오리피스에 도달하거나 또는 접 촉하는 시기가 늦어져 토치 측벽에 의한 냉각이 적 어서 분출 가스의 온도가 높아져 주 연소실에서 화 염이 빨리 생성된 것으로 판단된다 아울러 화염 형 . 성이후에도 계속 분출 효과가 발생하여 화염 면적 도 급격히 팽창한다.
5.3 큰 토치 ( 20)
토치의 체적이 증가하여 >20 이 되고 =4 이면 이전 연구
(10)에서 관찰하였듯이 초기 연소 지연에 의해 전체적인 연소의 지연이 발생하고 최고 압력 도 약간 감소하는 현상이 관찰되었다 이때의 가시 . 화 결과를 Fig. 12 에 제시하였고 ,
CH
=0.9 인 경우는 에 이미 제시되었으므로 비교를 위해
Fig. 6
CH
=0.9, =22, 의 경우를 제시하였다 =6 .
먼저 Fig. 4, 8 그리고 Fig. 12 에서 관찰되듯이 에서는 예외 없이 화염이 오리피스를 통과하여 6
직접 주 연소실로 진입하는 형태가 나타나고 단지 , 분출 가스의 양에 따라 화염면의 이동 속도 또는 연소 속도의 차이만 관찰된다 또한 .
CH
=0.9 인 경
우는 이미 (5.2.1 메탄 분율 90%) 에서 논의하였듯이 항상 동일한 메커니즘으로 주연소실에서 연소가 개 시된다.
토치의 체적이 큰 경우에도 앞서 논의한 분출의 선단부가 주 연소실에서 점화 온도에 도달하지 못 하고 계속 진행하여 연소실 하면에 도달하는
CH
에서의 선단 점화실패 그리고 측면에서 먼저
=0.8 ,
연소가 진행되는
CH
=1.0 에서의 측면 조기 점화와 동일한 현상이 발생한다.
그러나 토치 체적 증가에 의해 앞서 언급한 바와 같이 초기 연소가 매우 지연되는데 이를 , Fig. 13 에 도시하였다 특히 .
CH
=1.0 에서도 최고 열발생은 높 지만 초기 연소는 매우 지연되어 나타난다 이것은 . 분출의 측면에서부터 주 연소실의 연소가 시작되지 만 토치 체적이 증가하면서 측면의 온도도 저하하 , 여 점화시기가 지연되어 나타난 현상으로 사료된다.
측면 온도의 저하는 Fig. 12 에서 볼 수 있듯이 토치 체적이 크고 오리피스는 작기 때문에 분출 속도가 빨라 발생한 것으로 판단된다 즉 빠른 분출 속도에 . 의해 Fig. 12 에서
CH
=0.8 의 29msec 그리고
CH
에서 지점에서 관찰되듯이 분출 가스의
=1.0 22msec
팽창이 크고 난류 강화에 의한 국부적 혼합 증대 등에 의해 온도가 저하된 것으로 사료된다 특히 .
CH
=1.0 에서는 분출 가스의 외각으로 여러 개의 소 규모 화염 생성이 관찰되지만 전파되지 못하는 현 상이 관찰된다 이것은 국부적으로 점화 온도에 도 . 달하여 작은 화염이 생성되지만 주변 가스에 의한 냉각 등에 의해 전파되지 못하고 소염되는 과정 즉 소규모의 화염 발생과 소염이 반복되기 때문인 것 으로 판단된다 이러한 소규모 화염 발생과 소염의 . 영향으로 확실한 화염 생성이 관찰되지 않은 채 5%
연소에 도달하고 이 이후에 비로소 뚜렷이 구별이 , 가능한 화염이 관찰된다 이에 따라 . 10% 연소 지점 에서도 형성된 화염이 다른 경우에 비해 매우 작음 을 알 수 있다.
검토 및 시사점 6.
이러한 가시화 결과를 토치 연소의 압력과 연소
=18
15 msec 17 msec 19 msec
=20
15 msec 17 msec 19 msec Fig. 11 Flame development according to torch volume
when
CH
=0.9 and =4
시간을 고찰한 이전 연구
(10)의 결과와 함께 종합적 으로 정리하면 다음과 같다.
토치는 연소 속도의 개선을 통해 연소 개선에 기 여하는데 오리피스에서 고온의 가스가 분출되는지 , 또는 화염이 직접 통과하는지에 관계없이 주 연소 실에 연소 개시 후 형성된 화면 면을 토치에서 분 출되는 가스가 가속시킴으로 연소가 촉진된다 동시 . 에 토치에 의한 전열량 증가는 압력 상승에 부정적
영향을 준다 따라서 분출 속도와 분출량에 의한 개 . 선 효과가 토치로의 열손실 효과를 충분히 상쇄해 야만 추가로 압력이 상승되므로 토치의 체적에 관 , 계없이
<0.15 에서 연소 압력에 긍정적인 영향 을 준다.
=4 이고 토치 체적에 의해
<0.07 이 되는 경 우,
CH
=0.9 인 경우만 제외하고 압력 상승효과가 적고 동시에 연소 기간이 증가하는 것은 고온 가스 의 분출에 의해 의한 연소의 개시가 분무의 선단에 서 발생하지 않고 분출 기류의 측면에서 발생하기 때문이다 이렇게 분출의 측면에서 연소가 시작되면 . 분출에 의한 화염 면의 가속 효과가 감소하여 특히 초기 연소가 지연된다.
본 연구의 목적 중 하나는 대형 기관에 적용 가 능한 토치에 대한 기본적 개념을 제공하는 것이다.
따라서 대형기관을 모사한 정적연소실에 토치 연소 특성에 대한 결과를 바탕으로 실물 기관에 효과적 , 으로 적용되기 위한 토치의 조건에 대해 논의해 보 자.
토치 체적이 작은 경우 오리피스의 크기는 고온 가스가 통과하여 연소실의 혼합기를 연소시킬 수 있는 크기만 확보하면 된다 이때는 오리피스의 크 . 기가 작을수록 유리하다 그러나 실물 기관은 정적 . 연소실과 달리 운전 중에 내부의 온도가 매우 높기 때문에 오리피스를 통과하는 분출 가스의 온도도 , 상승한다 아울러 충전된 혼합기의 상태 연료 중 불 . ( 순물 및 잔류 가스 비율 그리고 혼합비 와 운전 조 ) 건 난기 운전 또는 부하 변동 에 따라 기관 내부 및 ( ) 분출 가스의 온도도 변화한다 따라서 분출된 고온 . 기류의 측면으로 화염이 전파되지 않는다는 것을 보장하는 토치 체적의 절대 기준을 상정하기 어렵 다 즉 동일 토치에서 기관의 운전 조건 변화에 따 .
CH
=0.8
=4
CH
=1.0
=4
CH
=0.9
=6
18 msec 15 msec 14 msec Jet Start
21 msec 18 msec 15 msec
29 msec 22 msec 16 msec
42 msec 32 msec 17 msec Flame Initiation
48 msec 38 msec 18 msec 5% Burn
53 msec 42 msec 24 msec 10% Burn
68 msec 55 msec 43 msec 50 % Burn
Fig. 12 Flame development according to
CH
when
=0.03 and 0.07 ( =22, =4, 6)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
HeatRelease(J)
xCH4=0.8 xCH4=0.9 xCH4=1.0 No Torch, xCH4=1.0
Fig. 13 Heat release after ignition according to
CH
when
= 0.03 ( =22, =4)
라 두 가지 연소 형태가 존재할 수 있으므로 기관 의 제어에 문제가 발생할 수 있다 이는 실물기관에 . 서는 연소 개선에 의한 연비 개선도 중요하지만 사 이클 간 변동 또는 기통 간 변동을 최소화하여 효 율의 악화를 방지하는 것도 이에 못지 않게 중요하 기 때문이다 따라서 연소 과정 유도에 변동성이 내 . 재하는 작은 토치 작은 오리피스의 조합은 바람직하 - 지 않다.
반면 토치 체적에 관계없이 6 에서는 화염이 직접 오리피스를 통과하기 때문에 주 연소실의 화 염 생성 과정에 변동이 없고 주 연소실에서 화염이 , 생성된 이후 토치 체적에 따라 분출량과 분출 지속 시간 변화에 따른 화염 면의 가속에만 변화가 생긴 다 이 때 .
>0.15 이면 분출에 의한 가속 효과가 토치의 냉각 효과를 충분히 상쇄하고 연소를 개선 시키지 못한다 따라서 적절한 토치의 조건은 . 6 과
<0.15 을 동시에 만족시키는 것이다 .
7. 결 론
정적 연소실에서 매립지 가스 연소에 토치를 적 용하고 이로부터 얻은 열 발생과 가시화 결과를 토 대로 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
토치 연소는 주 연소실에 형성된 화염 면을 (1)
토치에서 분출되는 가스가 가속시킴으로 연소를 촉 진한다.
메탄 분율 토치 체적 그리고 오리피스 크기 (2) ,
가 상호 연관적으로 작용하여 다양한 연소 형태를 야기하고 이에 따라 토치 연소의 효과가 매우 다르 게 나타난다.
오리피스 직경이 일 때는 고온의 가스가
(3) 4mm
분출되어 주 연소실에서 이 가스에 의해 다시 혼합 기가 점화되어 화염이 형성되지만 토치 체적과 메 , 탄 분율에 따라 주 연소실 내의 화염 생성과정이 달라 난류와 층류 화염이 모두 관찰된다.
오리피스 직경 이상에서는 토치에서 형
(4) 6mm
성된 화염이 직접 오리피스를 통과하며 화염은 층 류 화염을 유지한다.
연소 과정의 일관성을 고려할 때 적절한 토치 (5)
의 조건은 6 과
<0.15 을 동시에 만족시키는 것이다.
후 기
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 학술연구비 지원으로 수행되었습니다.(2014-0718)
참고문헌
