Combustion Characteristics of Premixed Burner for Domestic Condensing Gas Boiler Using Metal Fiber and Throttle Body

<학술논문>

ISSN 1226-4881(P rin t) 2288-5324(Online)

Metal Fiber와 Throttle Body를 적용한 가정용 응축보일러용 예혼합 버너의 연소특성

이 필 형^*· 황 상 순^*

* 인천대학교 기계시스템공학부

Combustion Characteristics of Premixed Burner for Domestic Condensing Gas Boiler Using Metal Fiber and Throttle Body

Pil Hyong Lee^* and Sang Soon Hwang^*

* Division of Mechanical System Engineering, Incheon Nat’l Univ.

(Received September 28, 2016 ; Revised December 15, 2016 ; Accepted January 8, 2017)

Key Words: Premixed Combustion(예혼합연소), Metal Fiber(메탈 화이버), Throttle Body(스로틀바디), NOx

(질소산화물), CO(일산화탄소), Thermal Efficiency(열효율)

초록: 예혼합연소의 경우 연소시스템의 크기가 작고, 낮은 CO 및 NOx 배출 등의 많은 장점을 가지고 있어 고효율 저공해 가정용 응축보일러에 많이 적용되고 있다 . 본 연구에서는 Metal Fiber와 Throttle Body를 적용하여 예혼합 연소시스템을 구성하여 연소특성을 분석하였다. 실험결과 Metal Fiber, Throttle Body 및 Baffle Plate의 조합을 통하여 열용량 6,250-25,000 kcal/h 조건에서 매우 안정적인 청염을 형성하 였다. 배기가스의 경우 질소산화물은 당량비 0.724에서 0.795 조건에서 11 ppm 이하로 배출되었고 일산 화탄소의 경우 동일 당량비 조건에서 50 ppm 이하로 배출되었다. 가정용 응축보일러의 중요 지표인 열 효율의 경우 당량비 0.750 조건에서 96.3% 이상으로 측정되어 고효율 저공해 예혼합 연소시스템의 가능 성을 확인하였다 .

Abstract: Premixed combustion has many advantages, including low CO and NOx emissions and a small

combustor volume. These characteristics allow a compact design and wide application to condensing boilers with high thermal efficiencies. This study focused on the combustion characteristics in a premixed combustion burner using metal fiber and a throttle body. The results showed that a blue flame was found to be very stable at a heating load of 6,250-25,000 kcal/h when implementing the proper metal fiber, baffle plate, and throttle body. The NOx emission was less than 11 ppm under an equivalence ratio of 0.724-0.795, and the CO emission was less than 50 ppm under the same equivalence ratio. The thermal efficiency, which is a very important index when condensing a gas boiler, was observed to be above 96.3％ under an equivalence ratio of 0.750.

Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ2017 The Korean Society of Mechanical Engineers

1. 서 론

화석연료는 산업혁명 이후 오랜 시간동안 산업 발전의 원동력으로 사용되고 있다. 최근 들어 화 석연료의 연소과정에서 발생되는 다양한 배기가스 에 대한 문제점이 전 세계적으로 대두되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 연소과정에

서 발생되는 오염물질의 근본적인 감소를 위하여 저공해 연소기술에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다.

대한민국 정부는 지난 2009년부터 가스보일러

에 대한 효율의 향상을 유도하기 위해 가정용 응

축보일러에 대한 장려제도를 추진해오고 있다 .

또한 2009년 20가구 이상의 공동주택을 건설할

경우 87% 이상의 고효율 보일러를 설치하도록

규정하고 있어 가정용 응축보일러 설치를 장려하

(a) Bunsen Burner

(b) Perforated Ceramic

(c) Perforated Plate

(d) Metal Fiber

Fig. 1 Comparison of combustor and flame patterns

는 제도를 시행하기 시작했다 . 서울특별시에서는

가정용 보일러의 열효율 및 NOx 배출에 대한 등 급제를 시행하고 있으며 에너지효율 91% 이상, NOx 40 ppm, CO 100 ppm 이하 응축보일러 제품 의 설치를 권장하고 있는 실정이다 .

1981년 네덜란드에서 가정용 응축보일러가 출 시된 이후 , 유럽에서는 고효율 친환경 기술로 응 축 보일러 기술에 대한 연구개발이 집중되고 있 다 . 네덜란드의 경우 1983년 응축보일러를 구입 할 경우 소비자가 부담해야 하는 추가 금액을 정 부에서 지원해주었으며 , 1995년부터는 주택 및 일반 상업용 빌딩에 응축보일러 설치를 의무화하 고 있다 . 영국과 독일에서도 응축보일러 설치 시 현금보조 및 설치 의무화 제도를 시행하고 있다.

이러한 지원정책에 힘입어 유럽시장에서는 응축 보일러가 주류를 이루고 있으며, 영국의 경우 전 체 보일러 시장의 80%이상을 응축보일러가 차지 하고 있다.

응축보일러에 적용되는 연소시스템의 경우 Fig.

1(a)와 같은 분젠버너에서 Fig. 1(b), (c), (d)와 같 이 다공매질 (Porous Media)을 적용한 예혼합 연소 시스템으로 변화되고 있다.

Fig. 1(a)의 분젠버 너의 경우 구조적인 문제점으로 인하여 연소화염 의 길이가 길어 연소실의 부피가 증가되고 부력 의 영향으로 버너의 방향을 상향식으로만 적용가 능하며 CO 및 NOx의 배출량의 감소가 어려운 문 제점을 가지고 있다 . 이러한 분젠버너의 문제점을 해결하기 위하여 국내외의 많은 연구에서 다공매 질인 Perforated Ceramic, Perforated Plate, Metal Fiber 등을 적용한 예혼합 연소시스템에 대한 연 구를 진행하고 있다 . Fig. 1(b), (c), (d)의 다공매질 을 적용한 예혼합 연소시스템의 연소화염을 살펴 보면 분젠버너의 연소화염과 다르게 연소화염의 길이가 짧아 부력의 영향을 작게 받아 버너의 장 착방식을 상향식 , 하향식 및 측향식 등 모든 방향 으로 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

Fig. 1(b)의 Perforated Ceramic의 경우 안정적인 연소화염의 형성을 바탕으로 매우 낮은 CO 및 NOx 배출과 매우 높은 열효율을 형성할 수 있지 만 취성문제로 인하여 Ceramic의 손상가능성이 있어 상용화에 어려움을 가지고 있다 .

Fig. 1(c)의 Perforated Plate의 경우 스테인리스 판을 활용하여 타공 및 용접과정을 통하여 제작 하여 가격경쟁력을 바탕으로 주로 원통형 응축보

일러에 적용되고 있지만 원통형 응축열교환기의 생산 및 제작이 어려운 단점을 가지고 있어 국산 화에 어려움을 가지고 있는 실정이다.

Fig. 1(d)의 Metal Fiber의 경우 스테인리스 섬유 를 직조하여 제작하며 높은 열 축적률을 가지고 있어 넓은 범위의 부하비 (Turn Down Ratio)를 확 보할 수 있지만 복사영역에서 고온부식으로 인하 여 Metal Fiber의 처짐이 발생되는 문제점을 가지 고 있다. Metal Fiber를 다공매질로 적용할 경우 복사영역에서 발생되는 적열문제를 해결할 수 있 다면 예혼합 연소시스템에 적용되고 있는 다공매 질 중 가격, 생산성 및 내구성 등을 복합적으로 고려할 때 가장 적합한 다공매질로 알려져 있다.

본 연구에서는 Fig. 1(d)의 Metal Fiber와 Throttle Body를 적용하여 복사영역에서 발생되는 고온부 식 문제점을 해결하고 안정적인 청염의 표면화염 을 형성할 수 있는 응축보일러용 예혼합 버너에 대한 실험연구를 진행하였다 .

2. 실험장치 및 방법

2.1 연료/공기 혼합장치의 구성

Metal Fiber와 Throttle Body를 적용한 예혼합

Table 2 Case number of baffle plate

Case Diameter Width Column

D(mm) W(mm) EA C(mm) EA

Case 1 4 7.7 23 7.5 11

Case 2 3 7.7 23 7.5 11

Case 3 2 7.7 23 7.5 11

Case 4 2 9 19 10 9

Case 5 2 10 19 10 9

Fig. 4 Schematic of baffle plate Table 1 Properties of gas valve

Parameters Electron valve Proportional control valve Voltage AC 110/220V DC 200mA

Current 8W

Flow Rate 3.2m³/h

Temperature -20 40

(a) Schematics (b) Photograph with turbo fan and AGM

(a) Gas valve (b) Controller

연소시스템의 연료 /공기 혼합장치의 선택은 연료 및 공기의 예혼합도와 적절한 압력강하를 형성하 는데 있어 매우 중요한 설계인자로 작용된다 .

본 연구에서 적용된 연료/공기 혼합장치는 Fig.

2와 같은 AGM(Air Gas Mixer)를 선택하였다. Fig.

2를 살펴보면 터보 Fan 회전 중심부에 연료를 공 급하고 터보 Fan의 블레이드의 빠른 회전을 통하 여 공급되는 연료와 외부의 공기를 강제 예혼합 하는 방식이다 .

공급되는 연료는 Fig. 3과 같은 비례제어 가스 밸브와 비례제어 가스밸브 조정기를 사용하여 실 험을 진행하였다. Fig. 3(a)의 비례제어 가스밸브 는 2개의 전자밸브와 1개의 비례제어 밸브가 부 착되어 있다. 2개의 전자밸브는 안전장치 개념으 로 On/Off 제어만 하고 비례제어 밸브를 통하여 공급되는 연료의 유량을 제어하는 방식으로 세부 사항은 Table 1과 같다. 비례제어 밸브의 정밀한 조정을 위하여 Fig. 3(b)와 같은 조정기를 제작하

여 실험에 적용하였다 . 제작된 조정기는 가변저 항을 적용하여 비례제어 밸브에 공급되는 전류를 변경할 수 있도록 설계 및 제작하여 실험에 적용 하였다.

2.2 Baffle Plate의 적용

Baffle Plate는 연료 공기 혼합장치를 통과하여 공급되는 연료 /공기 예혼합가스의 유속분포를 일 정하게 유지하며 Metal Fiber에 예혼합가스를 공 급한다 . 따라서 Baffle Plate는 최적화된 예혼합가 스의 공급 및 예혼합화염의 형성에 있어 매우 중 요한 설계인자로 알려져 있다 . 본 연구에서는 안 정적인 예혼합연소화염의 형성을 위하여 Baffle Plate에 형성된 홀의 직경, 가로 및 세로 거리를 변경하여 Baffle Plate를 통과하여 Metal Fiber에 공급되는 유속변화가 예혼합연소화염에 미치는 영향을 실험을 통하여 분석하였다. Baffle Plate 변화에 따른 연소특성을 분석하기 위하여 본 연 구에서는 Fig. 4와 같은 형상의 Baffle Plate를 설 계 및 제작하여 실험에 적용하였다 .

Baffle Plate는 가로 185mm 세로 90mm 두께

3mm로 설계하였다. Fig. 4의 D, W, C는 홀(hole)

직경, 홀 간 가로 거리, 홀 간 세로거리를 의미하

고 실험에 적용된 Baffle Plate의 종류는 Table 2

와 같다.

Fig. 6 Schematics of combustion experimental

apparatus

6,250kcal/h 25,000kcal/h (a) Case 1

6,250kcal/h 25,000kcal/h (b) Case 2

6,250kcal/h 25,000kcal/h (c) Case 3

Fig. 7 Comparison of flame patterns at different

baffle plate and heating capacity

Table 3 Properties of natural gas

Species formation

CH4 89.3%

C3H8 1.5%

C2H6 8.6%

C4H10 0.6%

HHV 10,500kcal/Nm³

Density 0.65kg/m³

Flammability 0.46<



(a) Photograph (b) Drawing

2.3 Throttle Valve의 적용

본 연구에서 복사영역의 감소를 통하여 Metal Fiber에 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 부분 부하조건에서 안정적인 청염을 형성하는 것이 매 우 중요한 요소이다. 저부하조건에서 발생되는 복 사영역을 감소하기 위하여 Fig. 5와 같이 Throttle Valve를 설계 및 제작하여 실험에 적용하였다.

Fig. 5를 살펴보면 Throttle Valve는 외부에서 각 도를 변경할 수 있게 제작하여 실험조건에 따라 각도를 변경하면서 실험을 진행하였다 .

2.4 실험장치의 구성

연소실험에 사용된 연료는 도시가스로 그 대표 적인 성분은 메탄(CH

)이며 자세한 도시가스의 성분비 및 물성치는 Table 3과 같다.

Fig. 6은 Metal Fiber와 Throttle Valve를 적용한 예혼합 연소시스템의 실험을 위한 실험장치의 개 략도를 보여준다. 공급되는 도시가스는 압력조절 기를 통과하면서 250mmAq의 압력으로 감압시켜 습식가스메터(Wet Gas Meter)로 공급되어진다. 습 식가스메터와 예혼합 터보 Fan 사이에는 가스밸 브를 적용하여 공급되는 연료의 유량을 조정하였 고 공급되는 연료의 유량은 습식가스메터를 통하 여 확인하였다. 공급되는 공기의 유량은 터보 Fan의 회전수(rpm) 변경을 통하여 조정하였다. 배 기가스의 측정은 NOx, CO, CO

, O

의 측정이 가 능한 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version

2.0을 사용하여 배기가스 데이터를 실시간 수집 및 분석하였다 . 예혼합 연소시스템의 연소패턴을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikon, D-90)를 사용하여 당량비 및 열용량 변화에 따른 연소화 염의 거동을 촬영하여 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 Baffle Plate 변화에 따른 예혼합 연소시스 템의 연소특성

Metal Fiber를 적용한 예혼합 연소시스템에서

발생되는 복사영역의 문제점을 해결하기 위해서

는 청염영역의 극대화를 통한 안정적인 연소화염

의 형성이 필요하다. 청염영역의 극대화를 위해서

Fig. 9 Comparison of blue flame region at different

throttle valve angle and turbo fan rpm 6,250kcal/h 25,000kcal/h

(a) Case 3

6,250kcal/h 25,000kcal/h (b) Case 4

6,250kcal/h 25,000kcal/h (c) Case 5

Fig. 8 Comparison of flame patterns at different

baffle plate and heating capacity 25,000 Kcal/h

는 예혼합가스의 균일유동분포를 통하여 예혼합 표면화염의 안정성을 확보해야 한다. Baffle Plate 의 홀의 직경변화를 통한 유속변화가 예혼합 연 소화염의 미치는 영향을 분석하기 위하여 Baffle Plate Case 1, 2, 3번을 적용하여 실험을 진행하였 고 실험결과를 Fig. 7에 비교하였다.

Fig. 7을 살펴보면 발열량 6,250Kcal/h조건에서 는 적용된 모든 Baffle Plate 조건에서 평면화염에 가까운 화염을 형성됨을 확인하였다 . 하지만 발 열량 25,000Kcal/h 조건에서는 홀의 직경이 2mm 인 Case 3번 Baffle Plate에서 다른 Baffle Plate에 비하여 연소화염의 형태가 평면에 가깝게 형성됨 을 확인할 수 있었다 . 발열량 25,000Kcal/h 조건에 서 홀의 직경 2mm에서 평면화염이 형성되는 원 인은 Baffle Plate에 형성된 2mm의 홀로 인하여 압력강화가 증가되고 예혼합가스의 유속이 증가 되는 Baffling 효과가 효과적으로 발생되어 예혼 합연소화염이 보다 평면에 가깝게 형성되었다고 판단하였다 .

Baffle Plate의 형성된 홀의 직경을 2mm로 결정 하고 보다 안정적인 연소화염의 형성을 위하여 홀 간 가로 및 세로 거리와 홀의 개수가 변경된 Case 3, 4, 5번의 Baffle Plate를 적용하여 연소실험 을 진행하였고 실험결과를 Fig. 8에 비교하였다.

Fig. 8을 살펴보면 홀의 개수가 감소된 Case 4 에서 Case 3에 비하여 화염끝단에서의 화염의 분 포다 보다 균일하게 형성됨을 확인하였다 . 하지

만 실험을 진행하면서 예혼합 버너의 외곽영역에 서 복사영역이 발생됨을 확인할 수 있었다. 발생 되는 복사영역의 감소를 위하여 동일 홀 개수 조 건에서 홀 간 거리를 변경한 Case 5 Baffle Plate 를 적용하여 실험을 진행하였고 복사영역이 감소 되고 평면에 가까운 최적화된 연소화염을 형성하 였다 . 복사영역의 감소는 홀 간 거리 변화를 통 하여 버너 내부의 유동장에 영향을 미쳐 Metal Fiber에 공급되는 예혼합가스의 유동분포로 인하 여 발생되었다. 이러한 현상은 Baffle Plate 홀을 중심으로 형성되는 예혼합 연소화염이 Metal Fiber의 전영역에서 고르게 형성되어 연소화염의 집중현상이 감소하여 복사영역이 감소되었다고 판단하였다.

3.2 Throttle Valve 적용을 통한 예혼합 연소시 스템의 연소특성

Baffle Plate의 변화를 통하여 부하비 4:1 조건 에서 안정적인 청염의 형성을 확인하였다. 하지 만 열용량 6,250kcal/h 조건에서는 청염영역의 확 장에 어려움을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결 하기 위하여 Case 5 Baffle Plate와 Throttle Valve 를 적용하여 Throttle Valve의 각도와 터보 Fan에 공급되는 전압 변화에 따른 청염의 형성실험을 진행하였고 Fig. 9에 비교하였다.

Fig. 9를 살펴보면 Throttle Valve의 각도가 90°

에서 30°로 감소되면 터보 Fan에 공급되는 전압

이 증가됨을 확인할 수 있다 . Throttle Valve의 각

도가 감소하면 터보 Fan의 입력전압이 증가되는

이유는 설치된 Throttle Valve가 예혼합 가스의 통

로를 막아 압력강화가 발생하기 때문이라 판단하

였다 . 개방상태에서 진행된 실험으로 당량비를

(a) Radiation flame (b) Blue flame

(c) Lift-off flame

Fig. 10 Comparison of flame patterns at different

equivalence ratio

(a) 6,250kcal/h (b) 13,000kcal/h

(c) 18,750kcal/h (d) 25,000kcal/h

heating load

(a) Sensible heat

exchanger (b) Latent heat exchanger

(c) Premixed combustor using metal fiber and baffle plate case 5

Fig. 12 Photograph of heat exchanger and premixed

burner

측정할 수는 없지만 Throttle Valve의 적용을 청염 이 형성될 수 있는 영역이 확장됨을 확할 수 있 어 Throttle Valve 30° 조건에서 청염영역이 증가 되었다고 판단하였다.

3.3 최적조건에서 부하비(Turn Down Ratio) 변 화에 따른 연소특성

Baffle Plate Case 5와 Throttle Valve를 적용한 Metal Fiber 예혼합 연소시스템을 구성하여 부하 비 변화에 따른 연소특성을 분석하였다. 본 연구 에서는 부하비 4:1 이상의 조건을 목표로 최대 발열량을 25,000kcal/h로 설정하였다.

Fig. 10에서 발열량 12,500kcal/h 조건에서 공급 되는 공기유량 변화에 따른 연소화염의 형태를 비교하였다 . Fig. 10의 연소화염을 살펴보면 발열 량고정 조건에서 공기유량을 증가하여 고당량비 조건에서 저당량비 조건으로 변화하면 연소화염 이 적염 청염 화염날림으로 변화됨을 확인하 였다 . Fig. 10의 각각의 연소화염을 살펴보면 적염 의 경우는 연소화염이 Metal Fiber 표면에 붙어 적 열광을 형성하는 전형적인 복사모드인 적염이 생 성된다고 판단된다. 적염형성 조건에서 공기유량 을 증가시켜 당량비를 희박하게 변경하면 Metal Fiber 표면에서 청염이 생성됨을 확인하였다. 또한 청염조건에서 공급유량을 증기시켜 당량비를 더 욱 희박하게 조정하면 연소화염이 Metal Fiber 표 면에서 떨어져 연소화염이 불안정해지는 화염날 림 현상이 발생되는 것을 확인하였다.

부하비 4:1 조건을 만족하도록 열용량을 6,250, 13,000, 18,750, 25,000 kcal/h로 변경하여 실험을 진행하였고 각각의 열용량 조건에서 형성되는 안 정화된 청염을 Fig. 11에 비교하였다. Fig. 11을 살펴보면 부하비 4:1 조건에서 적염과 청염이 혼

합되지 않고 청염만이 안정적으로 형성되는 가동 조건 및 영역을 확인하였다 .

3.4 최적조건에서 배기가스, Stability Map 및 열효율 분석

배기가스를 측정 및 분석하기 위하여 Fig. 12(a) 의 현열열교환기와 Fig. 12(b)의 잠열열교환기를 적용하여 응축보일러용 열교환기를 구성하였고 현열열교환기에는 연소화염의 형태를 관찰하기 위하여 가시화창을 설치하였다. 또한 열교환기와 예혼합버너의 매칭실험을 위하여 Fig. 12(c)와 같 은 Metal Fiber와 Baffle Plate Case 5번을 적용한 예혼합 연소시스템을 적용하여 실험장치를 구성 하였다.

제작된 열교환기와 예혼합 연소시스템은 하향

식 방식으로 조립하여 실험을 진행하였다. 당량

비 및 열용량 변화에 따른 배기가스 배출특성을

분석하기 위하여 Testo-330과 Testo Easyheat

Fig. 13 Stability curve related to equivalence ratio

and heating load

Fig. 14 Comparison of CO and NOx emission

Fig. 15 Comparison of thermal efficiency

Software Version 2.0을 사용하여 배기가스 데이터 를 실시간으로 수집하였고 배기가스에 포함된 산 소의 분율을 활용하여 당량비로 환산하여 분석하 였다 .

현열열교환기에 설치된 가시화창을 통하여 당 량비 및 열용량 변화에 따른 연소화염의 변화를 관찰하여 Fig. 13과 같은 안정화선도를 도출하였 다 . Fig. 13을 살펴보면 부하비 4:1 조건에서 당량 비 0.74-0.76 영역에서 본 연구에서 목표로 하고 있는 안정화된 청염이 형성되는 것을 확인하였다 .

부하비 변화에 따른 배기가스 배출량과 열효율 을 측정하기 위하여 KS B 8127의 응축가스온수 보일러 기준을 적용하여 실험을 진행하였고 부분 부하 조건에서는 Throttle Valve의 유무에 따른 배 기가스 및 열효율 특성도 함께 비교하였다.

열효율 측정 과정에서 발생되는 CO 및 NOx의 배출량을 실시간으로 1초 간격으로 측정 및 저장 하였고 측정된 배기가스의 배출량 중 안정화된 영역의 1분간의 배기가스 배출량의 평균값을 활

용하여 Fig. 14에 비교하였다.

연소시스템의 배기가스 배출특성을 비교한 Fig.

14를 살펴보면 열용량 25,000 kcal/h 조건에서 당 량비 0.724-0.795 영역에서 CO 50 ppm 이하의 배 출량이 발생됨을 확인하였다 . 당량비 0.750 조건 에서 CO 배출량이 22.4 ppm으로 가장 낮게 배출 되었고 당량비 0.750을 기준으로 희박 또는 농후한 당량비 조건에서도 배출되는 CO의 배출량은 증가 하였다 . 열용량 6,250 kcal/h 조건에서는 Throttle Valve를 적용한 경우 당량비 0.710 조건인 에서 CO의 배출량이 조금더 낮게 배출되었고 당량비 0.710-0.760 영역에서 23 ppm 이하로 CO가 배출됨 을 확인하였다 . NOx의 경우 실험을 통하여 진행 된 전 영역에서 11 ppm 이하로 배출됨을 화인하 였고 당량비가 농후해짐에 따라 배출량도 함께 증가하였다.

KS B 8127의 응축가스온수보일러 기준으로 측

정된 전부하 효율, 부분부하효율 및 평균효율을

Fig. 15에 비교하였다. 전부하 열효율, 부분부하

열효율 및 평균 열효율을 비교한 Fig. 15를 살펴

보면 부분분하 열효율의 경우 당량비 0.710-0.760

영역에서 약 98.5% 이상의 열효율이 측정되었고

당량비가 증가됨에 따라 부분부하 열효율이 감소

되었다. 이와 반대로 전부하 열효율의 당량비가

증가됨에 따라 전부하 열효율 또한 증가되었고

당량비 0.724-0.795 영역에서 약 92.3% 이상의 열

효율이 측정되었다 . 전부하 열효율과 부분부하

열효율의 평균으로 계산되어진 평균열효율의 경

우 당량비 0.725-0.763영역에서 약 95.5% 이상 계

산되었고 당량비 0.75 조건에서 평균열효율이 가

장 높은 96.3%로 계산되었다. 부분부하 열효율

측정에서 Throttle Valve의 적용 여부에 따른 열효

율변화를 분석하면 저당량비 조건에서는 Throttle Valve의 적용이 보다 효율적이고 당량비가 증가 되면 Throttle Valve의 미적용이 효과적이라 판단 된다. 하지만 Throttle Valve를 적용하기 않은 경 우 적염의 발생으로 인한 Metal Fiber의 열화 가 능성이 발생할 가능성이 높아 본 연구에서는 Throttle Valve의 적용을 통한 Metal Fiber 내구성 확보가 보다 효과적이라 판단하였다.

4. 결 론

Metal Fiber, Throttle Valve 및 최적화된 Baffle Plate를 적용한 응축보일러용 예혼합 연소시스템 의 실험연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다 .

(1) Baffle Plate의 홀 직경, 가로 및 세로 거리 를 변경하여 실험을 진행하였고 실험 결과 Baffle Plate Case 5번에서 본 연구에서 달성하고자하는 적염영역을 최소화하고 청염영역을 극대화하는 연소화염을 형성하였다.

(2) 부하비 4:1 조건을 만족하기 위하여 발열량 6,250kcal/h 조건에서 Throttle Valve를 적용하여 실험을 진행하여 Throttle Valve 30° 조건을 적용 하여 청염영역을 확장하여 안정적인 연소화염을 형성하였다 .

(3) 발열량 12,500kcal/h 조건에서 당량비 변화 에 따른 연소화염의 특성을 비교한 결과 고당량 비 조건에서 저당량비 조건으로 당량비가 희박해 지면 연소화염이 적염 청염 화염날림으로 변 화됨을 확인하였다.

(4) 응축열교환기를 적용한 배기가스 측정실험 을 통하여 열용량 25,000 kcal/h조건에서 당량비 0.724-0.795 영역에서 CO 50 ppm 이하, 열용량 6,250 kcal/h 조건에서는 Throttle Valve를 적용한 경 우 당량비 0.710-0.760 영역에서 23 ppm 이하로 CO 가 배출됨을 확인하였다. 또한 실험을 진행한 전 영역에서 NOx의 배출량은 11 ppm 이하로 배출됨 을 확인하였다.

(5) KS B 8127의 응축가스온수보일러 기준을 적용한 열효율 측정결과 부분분하 열효율의 경우 당량비 0.710-0.760 영역에서 약 98.5% 이상, 전부 하 열효율의 경우 당량비 0.724-0.795 영역에서 약 92.3% 이상의 열효율이 측정되었다. 평균열효 율은 약 95.5% 이상 측정되었고 당량비 0.75 조 건에서 약 96.3% 열효율이 측정되어 고효율 저공

해 응축보일러용 예혼합 버너의 가능성을 확인하 였다.

참고문헌

(References)

(1) Park, J. W., Chung, T. Y. and Shin, D. H., 2006,

“A Study on the Combustion Characteristics and Radiation Efficiency of Metal Fiber Burners,” J.

Korean Soc. Combust., Vol. 11, No. 1, pp. 27~33.

(2) Jeong, J. Y. and Kim, Y. M., 2011, “Numerical Study of Flame Structure and Emission Charac- teristics in Metal Fiber Burners,” J. Korean Soc.

Combust., Vol. 16, No. 3, pp. 27~32.

(3) Lim, I. G., 1998, “Application of Sensitivity Analyses in Premixed Combustion Within a Porous Ceramic Burner,” Trans. Korean Soc. Mech. Eng.

B, Vol. 22, No. 2, pp. 162~172.

(4) Cho, E. S., Park, C. K. and Choi, K. S., 2011, "A Study on the Combustion Characteristics of Flat- Plate Premixed Burner for Various Flame Surface Media and Heat Exchangers," Trans. Korean Soc.

Mech. Eng. B, Vol. 35, No. 10, pp. 1033~1040.

(5) http://www.seoul.go.kr

(6) Jeon, S. H., 2002, “Study of the Combustion Characteristics of the Air-fuel Ratio of Bunsen Burner Gas Boiler,” Yensei University, M. S. Thesis.

(7) Yu, B. H., Kum, S. M., Lee, C. E. and Lee, S.

R., 2013, “Combustion Characteristics and Thermal Efficiency for Premixed Porous-media Types of Burners,” Energy, Vol. 53, pp. 343~350.

(8) Yang, S. W. and Hwang, S. S., 2005, “Flame Pattern and Stability Characteristics in Perforated Cordierite Burner,” J. Korean Soc. Combust., Vol.

10, No. 1, pp. 7~12.

(9) Yang, S. W., 2004, “A Study of Combustion Phenomena of Surface Flame in Porous Corierite Burner," Incheon National University, M. S. Thesis.

(10) Lee, P. H. and Hwang, S. S., 2013, “Formation of Lean Premixed Surface Flame Using Porous Baffle Plate and Flame Holder,” Journal of Thermal Science and Technology, Vol. 8, No. 1, pp. 178~189.

(11) Lee, J. Y., Lee, P. H., Park. C. S., Park. B. I.

and Hwang, S. S., 2009, “Combustion Characteristic and Stability of Flat Premixed Ceramic Burner with Different Porous Baffle Plates,” J. Korean Soc.

Combust., Vol. 14, No. 4, pp. 7~16.

(12) Shin, U. K., 1999, “A Study on the Combustion

Phenomena in Porous Ceramic Burner,” Incheon

National University, M. S. Thesis.