접수일 2010. 8. 30, 수정완료일 2010. 10. 4, 게재확정일 2010. 10. 9
* 정회원, 부경대학교 기계공학과
** 종신회원, 부경대학교 기계공학과
*** 정회원, 한국기계연구원 그린환경에너지기계연구본부
†교신저자, E-mail: [email protected]
硏究論文
희석제가 첨가된 합성가스-공기 예혼합화염에 있어서 셀 불안정성에 관한 실험적 연구
Tran Manh Vu* ․ 송원식* ․ 박 정*†․ 김정수** ․ 윤진한*** ․ 길상인***
Experimental Study on Cellular Instabilities in Diluted Syngas-Air Premixed Flames
Tran Manh Vu* ․ WonSik Song* ․ Jeong Park*†․ Jeong Soo Kim** ․ Jin Han Yun*** ․ Sang In Keel***
ABSTRACT
Experiments were conducted to investigate the effects of added diluents (carbon dioxide, nitrogen, and helium) on cellular instabilities in outwardly propagating spherical syngas-air premixed flames.
Laminar burning velocities and Markstein lengths were measured by analyzing high-speed schlieren images at various diluent concentrations and equivalence ratios. Experimental results showed substantial reduction of the laminar burning velocities and of the Markstein lengths with the diluent additions in the fuel blends. Effective Lewis numbers of helium-diluted syngas–air flames increased but those of carbon dioxide- and nitrogen-diluted syngas–air flames decreased in increase of diluents in the reactant mixtures. With helium diluent, the propensity for cells formation was significantly diminished, whereas the cellular instabilities for carbon dioxide- and nitrogen-diluted syngas–air flames were not suppressed.
초 록
본 연구는 구형으로 전파하는 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성에 있어서 헬륨, 이산화탄소, 질소의 희석제 첨가효과에 관하여 실험을 수행하였다. 층류화염속도와 Markstein Length는 여러 희석제 농도 와 당량비에서 측정된 쉴리렌 이미지를 분석함으로써 측정하였다. 실험결과 반응혼합물에 희석제를 첨 가했을 경우 층류화염속도와 Markstein Length는 두드러진 감소를 보였다. 희석제로 헬륨을 첨가한 합 성가스-공기화염에서의 유효 루이스 수는 증가했지만 이산화탄소와 질소를 첨가시킨 혼합물에서는 희 석제의 첨가량이 증가할수록 유효 루이스 수는 감소하였다. 또한, 헬륨으로 희석시킨 경우 셀 형성은 현저하게 억제된 경향성을 보였으나 이산화탄소나 질소를 첨가했을 경우 셀 불안정성이 완화되는 효과 는 없었다.
Key Words: Cellular Instabilities(셀 불안정성), Hydrodynamic Effect(수력학적 영향), Diffusive- Thermal Effect(확산-열 영향), Syngas-air Flame(합성가스-공기화염)
1. 서 론
이산화탄소에 의한 지구온난화 문제와 현존
하는 화석연료의 고갈에 따른 환경 위기로 연료 의 다변화와 이산화탄소 저감의 두 마리 토끼를 잡아야하는 상황이다. 이러한 견지에서 메탄[1], 수소[2], 탄화수소-수소 혼합물[3-5]과 같은 대체 연료뿐만 아니라 천연가스-수소 혼합연료의 기본 적인 특성에 관한 많은 연구들이 선행되었다[6].
최근 합성가스(Syngas or Synthesis Gas)는 대안 연료로 인식되고 있으며, 미래 에너지 공급에 중 요한 역할을 할 것으로 기대된다. 합성가스는 석 탄, 바이오매스, 정제잔여물 등 다양한 자원의 가스화 과정을 통하여 형성된다. 합성가스는 주 로 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 구성되며 질소 (N2), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 메탄(CH4) 그리고 다른 탄화수소계열 가스가 포함된다[7].
합성가스 혹은 탄화수소-합성가스의 혼합연료는 화염안정화 한계의 확장, 성능향상, 희박연소에 서의 환경오염원을 감소시키거나 이산화탄소를 저감하기 위해 사용되고 있다[8]. H2-CO 합성가 스의 화염 특성을 파악하기 위해 점화[9], 층류 화염전파속도의 측정[10], 반응 메커니즘의 개발 [11], 셀 불안정성[7]등의 연구가 선행되었다.
예혼합 화염에서, 셀 불안정성의 형성에 의한 주름진 화염면은 미연 혼합물 측에 난류를 유발 하고, 난류의 생성은 화염과의 상호작용을 통해 화염 전파속도가 급격하게 증가하여 가스 폭발 의 주요 원인 중 하나가 된다. 이러한 셀 불안정 성은 부력에 의한 영향, 수력학적 영향, 그리고 확산-열 불안정성에 의해 직접적으로 야기된다 [12]. 합성가스의 화염전파속도는 상대적으로 크 기 때문에 부력의 영향은 무시할 만하다[13]. 수 력학적 불안정성은 기연 측(Burned Side)과 미연 측(Unburned Side)사이의 급격한 밀도차이에 의 해 발생되고, 열팽창율, 화염두께에 의존한다 [14]. 화염두께가 얇은 경우 곡률효과는 줄어들 고, Baroclinic Torque강도가 증가되기 때문에 화 염의 불안정성을 강화시킨다[15]. 확산-열 불안정 성은 화염으로부터의 열전도와 화염을 향하는 반응물의 물질전도의 불일치로부터 초래된다 [16,17]. 이러한 불안정성은 열 확산에 의한 열에 너지 변화에 대한 물질 확산에 의한 화학에너지
의 변화의 비로 표현되는 루이스 수로부터 나타 낼 수 있는데, 셀 불안정성의 측면에서 루이스수 가 1보다 작으면 확산-열 불안정성 영향으로 화 염은 불안정하고 루이스수가 1일 때 중립, 1보다 클 때 안정하다. 점화 후 화염크기가 작은 초기 단계에서는 확산-열 불안정성이 화염의 셀 형성 에 영향을 미치는 주요한 원인이지만, 화염이 커 질수록 수력학적 영향이 더 지배적이다[3].
수소-공기 화염에 초점을 둔 기존연구들은 많이 보고된바 있다[3-6,18,19]. 기존 연구들에서는 60 기압까지의 초기압력에서 수소-산소에 질소와 헬 륨으로 희석된 화염의 셀 구조[18], 수소-프로판- 공기화염에서 탄화수소계열 가스대체에 관한 효 과[3,19], 프로판-수소-공기 화염의 셀 불안정성에 서의 수소첨가 효과[4], 메탄-수소-공기화염에서 셀 불안정성의 발발[5], 그리고 천연가스-수소-공 기혼합물의 화염특성[6]등이 조사되었다. 그러나 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성을 이해하는데 있어서 기존 연구에서는 보고된 예가 드물다. 본 연구그룹의 이전 연구에서 합성가스와 공기를 혼합한 예혼합화염의 셀 불안정성에 있어서 탄 화수소계 연료첨가효과에 대해 논의하였는데[7], 합성가스-공기 화염에서의 셀 특성에 관하여 좀 더 깊은 이해를 위하여 본 연구에서는 50H2:50CO의 예혼합 합성가스를 연료로 298±3K 의 상온과 증가된 압력의 조건에서 전파하는 구 형화염방법을 사용하여 이산화탄소(CO2), 질소 (N2), 헬륨(He)을 10%, 20%, 30%, 40%첨가함으 로써 희석제 첨가효과에 대한 셀 불안정성에 초 점을 맞추었다.
2. 실험장치 및 수치해석
2.1 실험장치 및 방법
본 실험은 내부지름 200 mm, 길이 220 mm 의 일정한 체적의 원통형 연소실에서 수행되었 다. 광학적 접근을 위하여 연소실 양 끝의 평평 한 면에 지름 100 mm, 두께 40 mm의 석영 창 을 설치하였다. 혼합가스의 점화를 위하여 지름
Fig. 1 Schematic representation of experimental setup
0.5 mm의 두개의 텅스텐 전극봉을 고전압 전원 에 연결하여 연소실 중앙에서 혼합기가 점화하 도록 설치하였다. 연료, 희석제와 공기는 최초 설정한 초기압력(Pu)까지 절대압력 송신기를 이 용하여 각각 상응하는 부분압력(Partial Pressure) 으로 연소실 내에 공급된다. 매 실험에서 가스 주입 후 15분의 시간간격을 두는데 이는 혼합연 소기로 부터 유입된 가스가 정적인 상태에 도달 하는데 필요한 시간이며 균질혼합 상태(Well Stirred)를 보장하기 위함이다. 여기서 균질 혼합 상태를 만드는 것에 목적이 있는 혼합연소기를 사용하였고, 혼합연소기에 부착되어 있는 팬 (Fan)으로 연료를 휘저어 균질 혼합 상태를 만든 후 이를 본 실험에 사용된 연소기로 흘려보냈다.
점화기가 작동하여 연소실 중앙에서 점화 핵 (Ignition Kernel)이 생성되면 구형으로 전파가 시작되고, 연소실 벽에 닿음으로써 화염전파는 완료하게 된다. 구형으로 전파하는 화염은 쉴리 렌 가시화 기법을 사용하여 시공간의 화염전파 이미지를 얻었다. 쉴리렌 장치는 300W 제논 광 원, 지름 150 mm 구형 오목거울 한 쌍으로 구 성되며, 광 손실을 최소화하기 위해 나이프에지 는 조리개를 사용하였다. 1초당 10,000프레임, 512×384 픽셀의 해상도로 설정한 고속카메라 (Phantom V7.2)로 이미지를 기록하였다. 동시에 연소하는 동안 연소실 내에서의 압력변화는 Piezo-Electric 압력변환기(Kistler 6061B)로 수집 하였고, 데이터는 데이터수집장치(NI 9215A)를 이용하여 컴퓨터로 처리하였다. 연소 후 연소실
의 잔여 가스는 매 실험 완료 후 배기시스템을 통하여 배출시켰고, 다음 실험도 초기조건을 맞 춰주기 위하여 연소실내의 응축된 수증기는 공 기압축기로 정화시켰다. 본 실험 장치의 개략도 는 Fig. 1에 나타내었다.
본 실험에서 희석제의 비율은 혼합연료에 첨 가된 희석제의 체적 분율로 나타낸다.
(1)
여기서 Vdiluent, Vfuel은 각각 희석제와 합성가 스 연료의 체적분율이다.
2.2 층류화염전파속도와 Markstein Length
본 실험에서의 구형화염반경은 6 mm이상 30 mm이하로 제한하였다. 화염반경의 최소한계는 점화시 전극 봉에서 발생하는 스파크로 인한 교 란이 제거되기 위함이며, 최대 한계는 연소실 벽 의 간섭에서 자유로운 반경에 해당한다. 구형으 로 확장하는 화염에서 스트레치를 받은 화염속 도(Sn)는 실험으로 측정된 순간화염반경을 다음 의 방정식에 적용하여 계산할 수 있다[17].
(2)
여기서 R은 쉴리렌 이미지로부터 얻은 화염의 순간반경이고 t는 시간이다. 화염 스트레치 율 (
)은 다음과 같이 나타낼 수 있다[5,17].
(3)
여기서 A는 화염의 면적이며 구형화염에서 는 다음과 같이 간략하게 나타낼 수 있다.
(4)스트레치를 받은 화염속도는 화염 스트레치율과 다음과 같은 선형적인 관계가 있다[20].
(5)S
1은 스트레치를 받지 않은 화염속력이고, Lb는 기연가스의 Markstein Length이다. Markstein Length는 화염 스트레치 율에 대한 화염속도의 영향을 나타낸다. 스트레치를 받지 않은 화염속 력(S1)은
에 대한 Sn의 그래프에서
= 0일 때 의 값으로 추정가능하고, Lb는 동일그래프에서 음의 기울기이다. S1을 안다면 층류화염전파속도 (
)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(6) 여기서
는 미연혼합물의 밀도,
는 기연 생 성물의 밀도이며 평형상태로 가정하여 EQUIL Code로 계산하였다[21]. 는 열팽창계수 로 미연측과 기연측 사이의 밀도차를 의미하며 특성화염두께는
으로 주어진 다. 여기서 는 열전도도, cP는 비열로 미연 측 과 기연 측의 평균 화염온도에 해당하는 1200 K 에서 평가하였다[19].희석제를 첨가한 합성가스-공기 화염의 스트 레치를 받지 않은 층류화염전파속도를 예측하기 위하여 화염의 상세반응기구와 전달 물성치를 사용하여 1차원, 정상상태, 층류 예혼합화염 코 드인 PREMIX[22]로 계산하였고, 이를 실험값과 비교하였다. 본 연구에서 사용된 화학종 메커니 즘은 Sun et al.의 모델[11]이며, 이는 CO/H2/ O2혼합물, CO2/N2/He을 포함하여 15개의 화학 종, 46 반응단계를 갖는다.
2.3 유효 루이스 수
혼합물에는 H2와 CO 두 가지의 연료가 있으 므로 반응물의 연료 루이스 수는 두 연료의 가 중치가 적용된 연료 루이스 수를 고려해야하며 다음과 같이 표현할 수 있다[5,7,19].
(7)
Equation 7에서
는 각각 에서 수소 -공기 혼합물의 연료 루이스 수, 에서 일산화탄소-공기 혼합물의 연료 루이스 수이다.
,
=(nCO/nA)/(nF/nA)st는 각각 수소, 일산화탄소를 기반으로 한 당량비이 고 는 반응 혼합물의 수소, 일산 화탄소, 연료, 그리고 공기의 몰분율[5,7]이다.
는 전체의 열 방출량이고 qi (i는 H2
와 CO를 의미)는 화학종 i의 소모와 관련된 무 차원 열 방출량이며 다음과 같이 정의된다.
(8)
Q는 반응열이고, Y
i는 화학종 i의 공급 몰분율,c
P와 Tu는 각각 미연가스의 비열과 온도이다[19].유효 루이스 수는 연료와 산화제 루이스수를 결합한 형태이며 다음과 같이 정의된다[7,23].
(9)
여기서 LeE와 LeD는 각각 과도한 반응물의 루이 스 수와 불충분한 반응물의 루이스 수이다. 변수
A
1은 혼합강도로,
로 정의된다. 는 양론비(Stoichiometric Ratio)와 관련된 혼합물 에서 과도한 반응물과 불충분한 반응물의 질량 비를 말하며,
는 Zeldovich 수, Tad는 단열화염온도, Tu는 미연가스의 온도,
ln
는 활성화 에너지,R
0는 일반기체상수이다.Figure 2는 다양한 당량비에 따라 희석제가 첨가된 합성가스-공기화염의 유효루이스 수를 나 타내고 있다. 그림에서와 같이, 모든 혼합물의 유효루이스 수는 1보다 크므로 확산-열 영향에 의한 셀 불안정성은 충분히 억제된다. 희석제가 첨가된 합성가스-공기 화염에서 연료과농 혼합물 의 유효루이스 수는 연료희박 혼합물이나 양론 비의 유효루이스 수보다 크다. 이는 연료과농 화 염이 연료희박 화염이나 양론비 화염보다 더 안 정하다는 것을 뜻한다. 또한 CO2나 N2로 희석시 킨 합성가스-공기 화염에서는 CO2/N2의 함량이 증가할수록 유효루이스 수는 감소하고 He으로
1.0 1.2 1.4
1.6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
φ = 1.4
Le
eff1.0 1.2 1.4
φ = 1.0
Le
eff1.0 1.2 1.4
φ = 1.2
Le
eff0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
1.0 1.2 1.4
X
diluentφ = 0.8 50H
2:50CO + CO
250H
2:50CO + N
250H
2:50CO + He P
u= 0.1 MPa Le
effFig. 2 Effective Lewis numbers for various equivalence ratios of CO2-, N2-, He-diluted syngas-air flames at room temperature and Pu = 0.1 MPa
희석시킨 합성가스-공기 화염에서는 He의 첨가 량이 증가할수록 유효루이스 수는 증가한다. 따 라서 반응 혼합물에 He을 첨가하였을 때만이 확 산-열 불안정성이 억제된다는 것을 알 수 있다.
2.4 임계 Peclet 수
최근 Bechtold and Matalon[16], Addabbo et
20 40 60 80 100
120 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
S
u0(cm/ s)
50H
2:50CO + CO
220 40 60 80 100
50H
2:50CO + N
2S
u0(cm/s )
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
20 40 60 80 100
, P
u= 0.1 MPa , P
u= 0.2 MPa , P
u= 0.3 MPa φ = 1.0
50H
2:50CO + He
X
diluentS
u0(cm/ s)
Fig. 3 Measured and predicted unstretched laminar burning velocities of diluted syngas-air flames for = 1.0 at various Pu
al.[23] 그리고 Law et al.[19]은 활성화 에너지 점근법을 사용하여 수력학적 영향과 확산-열 영 향을 통합하여 임계 Peclet 수를 도입하여 셀 불 안정성 개시에 명확한 표현을 제공하였다. 임계 Peclet 수(Pecr)는 화염의 임계반경(Rcr)과 층류화 염두께(lf)의 비로 정의되며, Law et al.[19]로부터 다음과 같이 표현된다.
Pr
(10)여기서
, Q1, Q2, Q3는 상수이며 참고문헌[23]에 주어진다. Pr은 Prandtl 수이다. Eq. 10은 부 족한 반응물 개념[19]에서 유도된 것이기 때문에 연료희박연소에서만 유효하다.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0.7 50H
2:50CO + He φ = 1.4
P
u= 0.1 MPa P
u= 0.2 MPa P
u= 0.3 MPa
L
b(m m)
X
diluent0.2
0.3 0.4 0.5
50H
2:50CO + CO
250H
2:50CO + N
250H
2:50CO + He
φ = 1.4 P
u= 0.1 MPa
L
b(mm) -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1
0.2 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
50H
2:50CO + CO
250H
2:50CO + N
250H
2:50CO + He
φ = 0.8 P
u= 0.1 MPa
L
b(m m)
a
b
c
Fig. 4 Markstein lengths of (a)diluted syngas-air flames for = 0.8 at Pu = 0.1 MPa (b) diluted syngas-air flames for = 1.4 at Pu
= 0.1 MPa (c) He-diluted syngas-air flames for = 1.4 at various Pu
3. 결과 및 논의
3.1 스트레치를 받지 않은 층류화염전파속도와 Markstein lengths
Figure 3은 당량비가 1, 그리고 각각 다른 초 기압력(Pu)의 조건에서 합성가스-공기화염에 여 러 희석제를 첨가하였을 경우
의 실험값과 이 론값을 나타내고 있다. 실험값이 이론값보다 더 낮은 구간이 있지만 서로 잘 일치함을 보였다.그림에서 보는 것과 같이 모든 경우에 있어서 희석제의 농도가 높을수록
는 감소하였다. 그CO
2-diluted syngas–air flames, X
diluent= 0.3, φ = 1.0
σ , l
f(mm)
Pu
= 0.1 MPa P
u= 0.2 MPa P
u= 0.3 MPa P
u= 0.4 MPa
R = 25 mmR = 30 mm
6.28, 0.116 6.31, 0.070 6.33, 0.053 6.35, 0.048
Leeff
1.167 1.167 1.167 1.167
Fig. 5 Schlieren pictures of CO2-diluted syngas-air flame for = 1.0 and Xdiluent = 0.3 at Pu = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 MPa
리고 He을 첨가한 합성가스-공기화염에서
의 감소폭은 CO2나 N2의 경우보다 더 작았다. 희석 제를 첨가할수록
는 감소하였는데 이는 혼합 물의 열 방출의 감소뿐만 아니라 단열화염온도 의 감소, 열용량이 증가하였기 때문이다. 또한 그림은 초기압력이 높아짐에 따라
가 감소한 다는 것을 명백하게 보여주고 있다. 체인분기반 응인 H + O2 → OH + O는 온도에 민감한 이 체반응인 반면, 체인종결반응인 H + O2 + M → HO2 + M은 온도변화에 둔감한 삼체반응이다.점화 후 화학반응은 이체반응과 삼체반응이 동 시에 일어나게 된다. 이체반응의 경우 온도변화 에 민감하기 때문에 단열화염온도를 올려줌으로 써 반응을 강화시킬 수 있다. 한편, 종결반응에 서 M은 삼체로써 압력을 증가시킬 경우 H와 O2가 반응할 때 필요한 힘을 모두 흡수하기 때 문에 H와 O2는 더 이상 반응을 못하게 되므로 반응은 종결된다. 따라서 분기반응과 체인종결반 응은 각각 단열화염온도와 시스템의 압력을 증 가시킴으로써 강화된다[24]. 따라서 압력을 증가 시키게 되면 전체 반응과정에서
를 늦춰주는 효과를 기대할 수 있다. 게다가,
와 압력은 다음과 같은 상관관계가 있다.
∼ exp
, 여기서 n은 전체 반응차수(2>n≥1)이다[24]. 따라서 초기압력을 증 가시켜주면 혼합물의 스트레치를 받지 않은 화a
CO
2-diluted syngas–air flames, P
u= 0.2 MPa,
φ= 0.8
σ
, lf (mm)Xdiluent = 0 Xdiluent = 0.1 Xdiluent = 0.2 Xdiluent = 0.3 R = 25 mm
R = 30 mm
6.54, 0.057 6.37, 0.066 6.17, 0.078 5.93, 0.098 Xdiluent = 0.4
5.64, 0.132
Leeff 1.097 1.093 1.088 1.082 1.074
b
N
2-diluted syngas–air flames, P
u= 0.2 MPa,
φ= 0.8
σ
, lf (mm)Xdiluent = 0 Xdiluent = 0.1 Xdiluent = 0.2 Xdiluent = 0.3 R = 25 mm
R = 30 mm
6.54, 0.057 6.45, 0.062 6.34, 0.068 6.19, 0.076 Xdiluent = 0.4
6.00, 0.090
Leeff 1.097 1.096 1.094 1.093 1.090
c He-diluted syngas–air flames, P
u= 0.2 MPa,
φ= 0.8
σ
, lf (mm)Xdiluent = 0 Xdiluent = 0.1 Xdiluent = 0.2 Xdiluent = 0.3 R = 25
R = 30
6.54, 0.057 6.49, 0.059 6.43, 0.064 6.35, 0.070 Xdiluent = 0.4
6.24, 0.079
Leeff 1.097 1.108 1.118 1.131 1.149
Fig. 6 Schlieren pictures of (a)CO2- (b)N2- (c)He- diluted syngas-air flames for = 0.8 at Pu = 0.2 MPa
염전파속도는 감소하게 된다.
앞서 언급했듯이, 스트레치를 받은 화염속력과 화염 스트레치율의 선형관계에서 음의 기울기는 기연가스의 Markstein Length(Lb)로 정의 된다.
L
b>0이면 화염 스트레치 율이 증가할수록 스트 레치를 받은 화염속력은 감소하며, 화염은 안정 해진다. 반대로 Lb<0이면 화염스트레치 율이 증 가할수록 스트레치를 받는 화염속력은 증가하며 화염은 불안정해진다[25]. Fig. 4(a)와 (b)는 각각 초기압력0.1 MPa, 당량비가 0.8, 1.4일 때 합성가 스-공기화염에서 희석제의 농도 변화에 따른 Lb의 변화를 나타내었다. 그림에서 보듯이, He으로 희석시킨 합성가스-공기 화염의 Lb는 He의 농도
를 증가시켜도 거의 일정한 값을 유지한다. 반면 CO2나 N2로 희석시킨 화염의 경우 희석제의 농 도를 높여주면 Lb는 감소하게 되므로 화염 스 트레치 영향에 더 민감해진다. 기존연구[25]에서 와 마찬가지로 합성가스-공기화염에 N2를 첨가 하였을 경우 Lb는 감소했다는 비슷한 연구결과 를 얻었다. Fig. 4(c)는 = 1.4의 다양한 초기압 력 조건에서 헬륨을 첨가한 합성가스-공기화염의
L
b를 나타낸다. 그림에서 보듯이 초기압력이 높 을수록 Lb는 감소한다. 이는 초기압력이 높을수 록 화염불안정성은 더 빨리 발발한다는 것을 뜻 한다.3.2 화염형태
Figure 5는 각각 다른 초기압력의 합성가스-공 기화염에 = 1.0, Xdiluent = 0.3의 CO2를 첨가한 확장하는 구형 화염의 이미지를 연속적으로 보 여준다. 유효 루이스 수(Leeff)와 열팽창계수(
), 그리고 화염두께(lf)는 그림 아래에 나타내었다.그림에서 볼 수 있듯이, Pu = 0.1MPa에서 점화 시 교란으로 인하여 화염표면에 갈라진 선이 보 이지만 화염면은 매끄럽다. 고압조건에서 점화 후 초기단계까지는 화염면이 매끄럽게 유지되다 가 균열이 발생하여 화염면에 균일하게 분포할 때까지 분기한다. 여기서 Leeff는 초기압력을 증 가시키더라도 거의 일정한 값을 유지하기 때문 에 불안정성은 확산-열 영향에 의한 것이라고 볼 수 없다. 한편, 는 거의 같은 값을 유지하지만
l
f가 현저하게 줄어들었기 때문에 수력학적 영향 으로 인한 불안정성이 증가한 것을 알 수 있다.따라서 압력이 증가하여 발생한 셀 불안정성의 개시는 lf의 두드러진 감소로 인한 수력학적 불 안정성의 증가로부터 야기된다.
Figure 6은 당량비 0.8, 초기압력이 0.2MPa의 조건에서 연료혼합물에 각각 CO2, N2, He의 함 유량을 증가시켜 연속적으로 얻은 쉴리렌 이미 지이다. Fig. 6(a)에서 합성가스-공기화염과 합성 가스-공기에 CO2를 첨가시킨 화염사이에는 별다 른 차이점이 없다. 연료혼합물에 CO2를 첨가시 킬 경우 Leeff는 감소하여 확산-열 불안정성은 강
N
2diluent
Xdiluent= 0.4
He diluent
Xdiluent= 0.4 Diluted syngas–air flames, P
u= 0.3 MPa,
φ= 1.4
σ , l
f(mm) Syngas
Xdiluent= 0
CO
2diluent
Xdiluent= 0.4
6.83, 0.020 5.43, 0.057 5.96, 0.033 6.32, 0.033
R = 20 mmR = 25 mm
R = 30 mm
Leeff
1.377 1.250 1.308 1.549
Fig. 7 Schlieren pictures of syngas-air flames with and without dilution for = 1.4 at Pu = 0.3 MPa
화된다. 한편, 는 감소하고 lf는 증가하므로 수 력학적 불안정성은 감소하게 된다. 따라서 확산- 열 영향과, 수력학적 영향이 서로 상쇄되어 CO2
는 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성을 억제시 키지 못한다. Fig. 6(b)는 합성가스-공기 화염에 N2의 비율을 늘려가며 얻은 쉴리렌 이미지이다.
그림에서 보듯이 반응혼합물에 N2 희석제가 증 가하더라도 불안정성이 완화되는 효과는 없으며 Fig. 6(a)와 유사한 결과를 얻었다. Leeff의 변화는 매우 작고 와 lf역시 거의 변하지 않는다. 따라 서 이러한 미소변화 역시 화염면 불안정성에 영 향을 미치지 못한다. Fig. 6(c)는 He을 첨가한 합 성가스-공기화염인데, 반응혼합물에 He희석제의 비율을 늘릴수록 화염의 안정화경향성은 증가하 였다. He을 첨가함에 따라 는 미소량 감소하였 고 lf는 미소량 증가하였다. 따라서 수력학적 불 안정성 측면에서 화염 안정화 경향성이 미약하 게나마 증가하게 된다. 그러나 He의 셀 불안정 성 완화효과에 훨씬 더 큰 영향을 미치는 변수 는 Leeff이다. Fig. 2에서도 볼 수 있듯이, 혼합물 에 He의 첨가량을 늘려줄수록 화염의 Leeff는 증 가한다. 따라서 셀 형성에 있어서 확산-열 불안 정성은 감소하게 된다.
Figure 7은 = 1.4, Pu = 0.3MPa에서 합성가 스-공기 화염에 CO2, N2, He이 같은 비율로 첨
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
10 15 20 25
φ = 0.8
50H
2:50CO + CO
250H
2:50CO + N
250H
2:50CO + He P
u= 0.3 MPa R
cr(mm )
X
diluent10
15 20 25 φ = 1.0
R
cr(mm ) 10 15 20 25 φ = 1.2
R
cr(mm ) 10 15 20 25
30 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
φ = 1.4
R
cr(mm )
Fig. 8 Experimentally measured critical radii for onset of cellular instabilities for various at Pu = 0.3 MPa
가된 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성 억제효 과에 대하여 호혜적으로 비교되었다. 그림에서 보듯 CO2, N2로 희석시킨 합성가스-공기 화염은 희석제를 첨가하지 않은 순수 합성가스-공기 화 염과 비교하여 셀 불안정성에 있어서 미약한 지 연효과가 있지만 비슷한 거동을 보였다. 반면, 희석제로 He을 첨가하였을 경우 화염면에 주름 은 생성되지 않았고 화염이 갈라진 선만을 관찰
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0
200 400 600
Experiment Theory
φ = 0.8 P
u= 0.3 MPa
, 50H
2:50CO + CO
2, 50H
2:50CO + N
2, 50H
2:50CO + He Pe
crX
diluentb
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0 200 400 600 800
1000 50H
2:50CO + CO
250H
2:50CO + N
250H
2:50CO + He
φ = 1.0 P
u= 0.3 MPa Pe
crX
diluent0
200 400 600 800 1000 φ = 1.2
Pe
cr0 200 400 600 800 1000
1200 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
φ = 1.4 Pe
crFig. 9 (a)Experimentally measured critical Peclet numbers for = 1.0, 1.2 and 1.4 at Pu = 0.3 MPa and (b)the comparison between theoretical and experimental critical Peclet numbers for = 0.8 at Pu = 0.3 MPa
할 수 있었다. 희석제의 첨가 여부를 비교하였을 경우 희석제가 첨가된 합성가스-공기 화염은 순 수 합성가스-공기 화염보다 는 감소하였고 lf는
증가하였다. 따라서 수력학적 측면에서 희석제가 첨가된 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성 영향 은 감소한다는 것을 알 수 있다. 하지만 CO2와 N2가 첨가된 합성가스-공기 화염에서는 Leeff의 감소로 확산-열 불안정성 영향이 증가하였다. 결 과적으로 두 경우의 조합으로 CO2와 N2로 희석 된 합성가스-공기 화염은 순수 합성가스-공기 화 염과 비슷한 거동을 보이게 되며 오직 He을 첨 가시킨 합성가스-공기 화염만이 Leeff의 두드러진 증가로 확산-열 불안정성이 감소하였다. 따라서 희석제로 헬륨을 사용할 경우만이 합성가스-공기 화염의 불안정성 완화 효과를 기대할 수 있다.
3.3 임계반경, 임계 Peclet 수, 임계압력
셀의 형태가 셀 특성을 변화시키는 두 가지의 경우가 있다[15,19]. 첫 번째는 점화시 방전으로 자기유사성을 잃어 화염면에 큰 균열이 생기는 경우이고, 두 번째는 분기된 균열보다 작은 셀들 이 화염면 전체에 걸쳐서 균일하게 나타나는 경 우이다. 본 연구에서 두 번째 경우를 화염불안정 성의 개시라고 정의했는데 여기서 셀 불안정성 이 더 이상 억제되지 않는 경우 임계반경(Rcr)으 로 표현할 수 있다[7]. 임계반경은 Sn-의 그래 프(Eq. 5)에서 화염전파속도가 현저히 증가하여
S
n과 사이의 선형관계가 깨졌을 때 측정할 수 있다[5]. 또한 Rcr은 화염면에 셀이 균일하게 나 타날 때 연속적인 화염 이미지로부터 얻을 수 있으며 두 가지 방법에서 유사한 결과를 도출할 수 있다. Fig. 8은 초기압력 0.3MPa과 다양한 당 량비 조건에서 셀 불안정성이 나타났을 때 희석 제의 비율에 대한 임계반경의 실험결과를 그래 프로 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 혼합물 에 He의 함량이 증가할수록 임계반경은 현저하 게 증가한다. 반면 CO2나 N2의 경우 첨가량이 증가하더라도 Rcr은 거의 일정한 값을 유지한다.He의 비율을 늘릴 때 셀 불안정성의 발발이 지 연되고, CO2나 N2는 비율을 늘리더라도 셀 불안 정성의 완화효과가 미비하기 때문에 이러한 결 과는 타당하다.
Figure 9(a)는 임계반경과 화염두께의 비로 정
0.20 0.25 0.30 0.35
φ = 1.2
P
cr(MPa)
0.20 0.25 0.30 0.350.40 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
φ = 1.4
P
cr(M Pa)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.20 0.25 0.30 0.35
φ = 0.8
50H
2:50CO + CO
250H
2:50CO + N
250H
2:50CO + He
P
cr(MPa)
X
diluent 0.200.25 0.30 0.35
φ = 1.0
P
cr(MPa )
Fig. 10 Experimentally measured critical initial pressures for Rcr = 23-25 mm of various diluted syngas-air flames
의되는 임계 Peclet 수(Pecr = Rcr/lf)와 = 1.0, 1.2, 그리고 1.4(양론비와 연료과농)인 희석제의 비율과의 관계를 나타내고 있다. 그림에서 보듯, 혼합물에 He의 비율이 높을수록 Pecr는 현저하게 증가한다. 이는 화염반경이 더 커질 때까지 화염 불안정성이 지연된다는 것을 의미한다. 반면 반 응혼합물에 N2를 첨가하였을 경우 Pecr는 일정하 였고 CO2의 경우는 감소하였다. 이는 반응혼합
물에 He를 첨가했을 경우에만 화염안정화의 효 과가 있다는 것을 나타낸다. 앞서 언급했듯이 Eq. 10로부터 이론적으로 계산된 Pecr는 연료희박 화염에서만 적용가능하다. 따라서 실험으로 측정 된 Pecr는 Fig. 9(b)와 같이 = 0.8(희박 연료의 경우)에 대해서만 비교 가능하다. Pecr의 실험값 과 이론값의 국부적인 어긋남이 보이지만 비슷 한 경향성을 가진다. 즉, 그림에서 희석제로 He 이 첨가될수록 Pecr가 증가했고 N2의 경우 거의 일정했으며CO2의 경우 Pecr 수는 감소하였다.
주어진 반응 혼합물과 전체 당량비에서 연소 실의 초기압력은 0.1MPa부터 점진적으로 증가되 었다. 이때, Rcr인 23-25 mm에서 화염이 안정성 을 잃어버릴 때 연소실의 압력을 임계압력(Pcr)이 라고 정의한다[7]. Fig. 10은 세 가지의 희석제를 첨가하였을 경우 당량비에 따른 Pcr의 변화를 나 타내었다. 합성가스-공기화염에 CO2나 N2를 첨 가하였을 경우 Pcr은 미소량만이 증가하였지만 He을 첨가하였을 경우 모든 당량비 조건에서 He의 첨가량이 많을수록 Pcr은 현저하게 증가하 였다. 화염임계반경에 대하여 He으로 희석된 합 성가스-공기화염은 N2나 CO2로 희석된 화염보다
P
cr이 더 높았다. 희석제가 첨가된 합성가스-공기 화염은 Leeff가 현저하게 증가하여 화염안정화를 지연시켜주기 때문에 희석제의 비율이 높은 연 료과농화염은 연료희박화염보다 Pcr이 더 높다.4. 결 론
본 연구는 구형으로 팽창하는 합성가스-공기 화염의 셀 불안정성에 있어서 희석제의 첨가효 과를 파악하고자 상온, 고압조건에서 실험을 수 행하였다. 본 연구의 주요 내용은 다음과 같다.
(1) 합성가스-공기화염에서 반응혼합물에 희석제 가 증가함에 따라, 그리고 연소실의 초기압력이 증가함에 따라 스트레치를 받지 않은 화염전파 속도(
)는 감소하였다. 동일한 당량비, 희석제 비율, 초기압력에서 He으로 희석시킨 화염은 CO2나 N2로 희석시킨 화염보다
가 더 컸다.(2) He으로 희석된 합성가스-공기화염의 Lb값은 거의 일정하였다. 반면 CO2나 N2로 희석된 화염 에서는 희석제의 농도가 증가될수록 Lb는 감소 하였으며 따라서 화염은 스트레치 영향에 더 민 감하였다. 또한 Pcr이 높은 경우 Lb는 감소하여 화염은 불안정해졌다.
(3) He으로 희석된 합성가스-공기화염의 Leeff는 항상 증가하였고 CO2나 N2로 희석된 화염에서 는 모든 경우 Leeff는 감소하였다. 이는 희석제로 He을 첨가하였을 때만이 확산-열 불안정성이 억 제된다는 것을 의미한다.
(4) 초기압력을 증가시킨 경우, 화염두께의 감소 로 수력학적 불안정성이 강화되어 셀 불안정성 은 더 일찍 발발했다.
(5) 연료혼합물에 He의 첨가량이 증가할수록 화 염의 임계반경(Rcr), 임계 Peclet 수(Pecr), 임계압 력(Pcr)이 증가하였으며 He을 첨가한 합성가스- 공기화염이 CO2나 N2를 첨가한 화염보다 Rcr,
Pe
cr, Pcr이 항상 더 크게 나왔다. CO2와 N2로 희 석된 합성가스-공기화염은 셀 불안정성에 있어서 서로 비슷한 거동을 보였으나 He으로 희석된 합 성가스-공기화염은 수력학적 불안정성과 확산-열 불안정성의 감소로 셀 불안정성은 억제되었다.참 고 문 헌
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