The Combustion Characteristics of Diesel-Biodiesel Blended Fuel Droplets Using the Modified Image Processing Method According to Flame Instability

화염 불안정성에 따른 개선된 이미지 처리 기법을 활용한 디젤-바이오디젤 혼합 연료 액적의 연소 특성

최주환

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^**

^†

The Combustion Characteristics of Diesel-Biodiesel Blended Fuel Droplets Using the Modified Image Processing Method According to Flame Instability

Ju Hwan Choi, Young Chan Lim and Hyun Kyu Suh

Key Words: Flame extinction time(화염 소멸 시간), Flame life-time(화염 수명 시간), Ignition delay(점화지연), Image processing method(이미지 처리 기법), Maximum flame length(최대 화염 길이), Single droplet combustion(단 일 액적 연소)

Abstract

The objective of this study is to analyze the basic flame behavior characteristics using the single fuel droplet combustion of diesel, palm-based biodiesel, and canola-based biodiesel. The results were compared and analyzed through the post pro- cessed image, which was applied the threshold level for removing noise in the raw image. The raw image was taken by a high-speed camera during the entire combustion process. At the same time, the maximum flame length, which was measured by the application code of the MATLAB program, the ignition delay, and the combustion period were compared and ana- lyzed.

1. 서 론

디젤의 대체 연료로 주목받는 바이오디젤은 디젤과 물성이 매우 유사하여 디젤의 대체품 혹은 혼합 연료로 써 사용된다. 그러나, 바이오디젤은 함산소 연료로 높은 반응성을 보이며, 이로 인해 다양한 산화 생성물을 형성 하여 연료 혼합 시 물성 및 연소 특성을 변화시키기 때 문에 바이오디젤 적용에 따른 연소 특성에 대한 분석연 구가 수행되었다

^(1-4)

이와 같은 선행 연구의 결과에 따르면 디젤에 대한 바이오디젤의 혼합은 점화지연을 감소시키고, 미소폭발 (mirco-explosion) 발생률을 증가시킨다

^(4,5)

⁽¹⁾

^(6-8)

이와 관련하여 Le Clercq

⁽⁹⁾

(Received: 30 Aug 2021, Received in revised form: 8 Sep

2021, Accepted: 9 Sep 2021)

*

공주대학교 기계공학과 대학원 석사과정

**

공주대학교 기계공학과 대학원 박사수료

†

책임저자, 회원, 공주대학교 기계자동차공학부(소속) E-mail : [email protected]

TEL : (041)521-9264 FAX : (041)521-9555

보고하였다. 또한, Wang 등은

⁽¹⁰⁾

따라서, 본 실험 연구에서는 연료 물성이 서로 다른 팜유와 카놀라유 기반의 바이오디젤을 혼합 연료로 적 용하여 기존 디젤 대비 바이오디젤 및 디젤-바이오디젤 혼합 연료가 갖는 단일 연료 액적 점화 및 기초적인 화 염 거동 특성을 비교 분석하였다.

화염 거동 특성은 화염 이미지를 사용하여 분석하였 으며, 촬영된 원본 이미지(raw image)에 임계값(thresh- old)을 적용하여 노이즈 제거 후 사용하였다. 화염의 길 이는 기준점(tip), 최대 거리 점(maximum point), 최소 거리 점(minimum point)을 도출하고, 도출된 결과로부 터 화염의 길이를 측정하였으며, 시간에 따라 변화하는 화염의 형상에서 일정한 기준을 적용하기 위하여 측정 프로그램을 코딩하여 측정하였다. 또한, 화염의 완전 발 달 시기를 판단하기 위해 조건별 최대 화염 길이(maxi- mum flame length) 결과를 비교 분석하였으며, 단일 액 적 연소 특성은 점화 특성 분석을 위해 점화지연(igni- tion delay)과 화염 수명 시간(life time), 전체 연소 기간 (combustion duration)을 비교 분석하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치

본 실험 연구에서 사용된 연소 장치의 개략도를 Fig. 1 에 나타내었다

⁽¹¹⁾

768×768 해상도의 1,000 fps로 촬영하였다. 액적 연소 실험에 적용된 연료는 디젤과 팜유 기반의 바이오디젤 및 카놀라유 기반의 바이오디젤이며, 연료의 물성은 Table 1과 같다

^(12-14)

실험에 사용된 디젤-바이오디젤 혼합 연료는 교반기 (magnetic stirrer, GLHPS-G)를 사용하여 혼합 상태를 유 지하였다. 이 과정에서 바이오디젤의 응고 방지 및 열에 의한 연료 물성 변화를 최소화하기 위해 교반기의 가열 판(heating plate) 온도를 상온으로 적용하였으며, 교반기 의 회전속도를 200 rpm으로 설정하여 실험 연료를 혼합 하였다. 단일 연료 액적에 적용된 실험 연료는 디젤, 팜 유 기반 바이오디젤(BDP), 카놀라유 기반 바이오디젤 (BDC)의 100% 조건과 각 바이오디젤을 디젤과 절반씩 혼합한 조건인 D-BDP, D-BDC 조건을 선정하여 실험을 수행하였다. 또한, 단일 연료 액적의 표적 직경 크기는 1.5 mm, 1.6 mm, 1.7 mm로 목표하였으나, 실험 시 사 용한 연료의 점성에 의해 단일 연료 액적의 표적 직경 크기를 정확히 맞추는 데 한계가 있었다. 하지만, 목표

Fig. 1 Schematics of fuel droplet combustion system

Table 1 Comparison of fuel physical properties Fuel properties Diesel Biodiesel

(Palm)

Biodiesel (Canola) Flash point (K) 338~361 445 445 Density (kg/m

³

Viscosity

(@313K, mm

²

₂

로 하는 액적의 직경을 갖도록 설정하였으며, 실제 액적 의 직경 분포는 1.500~1.741 mm로 다양한 크기의 초기 액적 직경을 갖는 것으로 나타났다.

본 연구에 적용한 점화기의 일관적인 작동을 확인하 기 위하여 옴(Ohm)의 법칙에 따른 전압과 전류 값을 측 정하여 확인하였다. 각각의 조건에 따른 차이는 약 2.15%로 모든 조건에서 일정하게 작동함을 확인할 수 있었으며, 본 연구에 적용된 자세한 실험 조건은 Table 2 와 같다.

2.2 실험 데이터 분석 방법

액적 연소 시 발생하는 화염의 이미지 취득 및 분석 을 위해 초고속 카메라로 촬영된 화염 이미지를 사용하 였다. 촬영된 원본 이미지 데이터는 MATLAB 이미지 처리 도구를 통해 Fig. 2와 같이 필터링 과정을 수행하 였다. 이러한 화염 이미지는 촬영된 전체 케이스의 이미 지에 대한 평균 임계값인 0.6을 적용하여 필터링한 후, 각각의 이미지에서 점화장치를 제거하여 데이터 분석을 위한 이미지 필터링 과정을 따른다. 필터링된 화염 이미 지는 촬영된 화염의 원본 이미지보다 화염의 크기가 다 소 축소되었다. 이는 임계값을 통해 이미지의 일정 명도 (brightness) 이상의 영역만 구분하였기 때문이며, 원본

이미지 대비 필터링된 이미지에서 나타나는 실험 결과 에 대한 오차는 적은 것으로 나타났다. 또한, 액적의 화 염 생성 및 화염 소멸 과정을 분석하기 위해 화염 영역 의 픽셀 RGB 값이 급격하게 변화되는 시점을 선별하였 고, 해당 시점을 화염 생성 시점과 화염 소멸 시점에 대 한 실험 데이터 결과로 정리하였다.

이러한 이미지 필터링 과정을 거쳐 얻어진 각각의 화 염 이미지에서 액적 화염의 길이를 측정하기 위해 Fig. 3 과 같이 화염 길이 측정을 수행하였다. 대부분의 액적 화염은 액적 연소 과정에서 연소 시 발생하는 급격한 온도 변화로 인한 부력과 대류의 영향으로 편향(deflec- tion) 및 흔들림(motion)이 나타난다. 또한, 직접 측정 시 측정자나 측정 방법에 따라 오차가 발생할 수 있다. 이 에 따라 프로그램 스크립트 파일 작성을 통해 동일한 기준을 적용하여 화염 거리 측정 시 발생하는 오차를 줄이고자 하였다.

화염 길이 측정 프로그램은 화염이 생성된 전체 구간 에서 변동되는 화염 최대 성장 지점을 변동 지점인 최 대 거리 점으로 추적하여 측정할 수 있도록 작성하였다.

이로 인한 화염 길이의 측정은 액적이 고정된 기준점을 기준으로, 최대 거리 점과 동일 선상에 있는 화염 면의 앞단(flame front)을 최소 거리 점으로 정의하고, 두 지 점을 지나는 직선거리를 계산하여 최대 화염 거리 결과 로 사용하였다. 프로그램 스크립트 파일의 신뢰성을 확 보하기 위해 길이 측정 툴을 사용하여 화염 길이를 여 Table 2 Test conditions for single fuel droplet combustion

Description Specification

Test fuel Diesel, Biodiesel (Palm, Canola), D-BDP, D-BDC Planned initial

diameter (mm) 1.5, 1.6, 1.7 Actual initial

diameter (mm) 1.500~1.741 Voltage (V) 9.1~9.3

Current (A) 10.5

Fuel type Diesel (Vol. %)

Palm- Biodiesel (Vol. %)

Canola- Biodiesel (Vol. %)

Mixing ratio

Diesel 100 - -

BDP - 100 -

BDC - - 100

D-BDP 50 50 -

D-BDC 50 - 50

Fig. 2 Post process for flame images

Fig. 3 Measuring process for flame length (L

_f

러 번 직접 측정하였고, 직접 측정한 화염 길이의 평균 값과 프로그램 코딩을 통해 얻은 화염 길이를 비교하였 다. 그 결과, 차이는 최대 0.03%로 프로그램 코딩의 신 뢰성은 확보되었다고 판단된다.

점화지연은 연료가 산화되고 화염이 발생하는 사이의 기간으로 정의된다. 본 실험에서는 점화지연을 전원 공 급 장치에 의해 전류가 인가되는 시점으로부터 액적이 점화되는 시점 간의 기간으로 정의하여 측정하였다. 화 염의 수명 시간은 화염 생성 시점과 화염 소멸 시점을 기준으로 하여 정의하였다. 또한, 점화지연과 화염 수명 시간을 포함하는 연소 기간은 전원 인가 시점부터 화염 소멸 시점을 기준으로 정의하였다. 이러한 측정 방법은 화염 생성 이미지와 화염 소멸 이미지를 기준으로 하였 다. 최대 화염 길이의 측정은 화염의 길이가 최대치에 도달할 때 필터링된 이미지상에서 Fig. 4와 같이 액적

표면으로부터 화염 끝단까지의 길이를 측정하여 각각 비교 분석하였다. 이를 통해 점화 특성 및 화염 길이에 영향을 미치는 인자에 대해 확인하였다.

3. 실험결과

3.1 연료 혼합에 따른 점화지연 분석

Fig. 5는 디젤, 바이오디젤, 디젤-바이오디젤 혼합 연 료의 점화지연에 대한 그래프이다. 연료 혼합에 따른 점 화지연 결과는 Diesel의 점화지연 평균 3.545s였으며, BDP는 3.941s, BDC는 4.016s로 Diesel이 빠른 점화지연 경향을 나타냈다. 이는 디젤이 갖는 인화점(flash point) 이 바이오디젤보다 낮기 때문에 상대적으로 빠른 점화 가 가능한 것으로 사료된다. 이에 따라, 디젤-바이오디 젤 혼합 연료의 점화지연 평균은 모든 액적 직경에 대 해 D-BDP는 디젤 대비 5.78% 증가한 3.750s, D-BDC는 2.88% 증가한 3.6473s로, 바이오디젤을 혼합하여 디젤 의 점화지연이 증가하였다.

연료 직경 변화에 따른 점화지연 결과는 모든 유형의 연료 액적에 대해 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 Godsave

⁽¹⁵⁾

²

3.2 연료 혼합에 따른 연소 기간 분석

Fig. 6과 Fig. 7은 화염 소멸 시간과 화염 수명 시간에

Fig. 4 Measuring process for maximum flame length (L

_max.f

Fig. 5 Effect of droplet diameter (d

₀

대한 그래프이다. 실험 결과에 의하면 화염 소멸은 Die- sel 평균 5.256s, BDP 평균 5.840s, BDC 평균 6.086s로 Diesel의 화염이 빨리 소멸되는 것으로 나타났다. 액적 연료 연소 시 화염을 유지할 수 있는 액적의 연료량이 한정적이기 때문에 화염 소멸 시간은 동일한 액적 직경 조건일 때 연료 유형에 따른 점화지연이 짧을수록 화염 이 빨리 소멸되는 특성을 갖는 것으로 사료된다.

반면에, 액적 직경이 증가함에 따라 연료의 연소 기간 도 증가하는 결과를 보였다. 이는 앞서 설명한 d

²

화염 수명 측정 결과는 액적 연료가 산화하여 화염이 생성되는 시점을 기준으로 화염 소멸까지 측정한 결과

이다. 측정된 액적 직경 범위 내의 디젤은 바이오디젤에 비해 화염 수명이 짧은 결과를 보였으며, 디젤과 바이오 디젤의 혼합 시 화염 수명 시간이 다소 증가하는 것으 로 나타났다.

이는 바이오디젤의 인화점이 디젤에 비해 높아 연료 혼합 시 상대적으로 혼합 연료의 증발이 천천히 일어나 공기와 혼합하는데 많은 시간이 필요하여 화염 수명이 증가하는 것으로 판단된다.

연료 직경 변화에 따른 화염 수명 시간은 각 유형의 연료 액적에 대해 모두 증가하는 경향을 보였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, 연료 양의 증가로 연료 액적이 모두 연소 되는데 소모되는 시간이 증가하기 때문이다.

이를 통해 단일 연료 액적의 화염 수명 시간이 길어짐 에 따라 연소 기간 또한 증가한다는 것을 확인가능하다.

3.3 연료 혼합에 따른 화염 발달 분석

Fig. 8은 필터링된 이미지를 통해 얻은 최대 화염 길 이를 정리한 그래프이다. 액적 직경 변화에 따른 최대 화염 길이의 결과는 Diesel 평균 18.77 mm, BDP 연료 평균 16.84 mm, BDC 연료 평균 22.75 mm로 확인하였 다. 특히, 디젤-바이오디젤 혼합 연료의 최대 화염 길이 는 모든 액적 직경에 대한 평균이 D-BDP는 21.58 mm 로, D-BDC는 19.67 mm로 측정되었다.

최대 화염 길이 도달 시간은 Fig. 9를 통해 확인 가능 하다. 액적 직경 변화에 따른 최대 화염 길이 도달 시간 은 디젤이 평균 4.138s로 가장 짧으며, BDP 연료는 평 균 5.136s로, BDC 연료는 평균 5.318s로 가장 길게 나 타났다. 디젤-바이오디젤 혼합 연료의 경우, D-BDP는 Fig. 6 Effect of droplet diameter (d

₀

and fuel type on the flame extinction

Fig. 7 Effect of droplet diameter (d

₀

Fig. 8 Effect of droplet diameter (d

₀

평균 4.686s로, D-BDC는 평균 4.649s로 디젤과 바이오 디젤의 사이에 분포하는 경향을 보였다. 이 결과는 짧은 점화지연과 화염 수명 시간에 의한 결과로 사료된다.

4. 결 론

본 연구는 디젤과 바이오디젤 및 디젤-바이오디젤 혼 합 연료의 단일 연료 액적 연소 실험을 수행하여 연료 액적의 연소 특성 및 화염 거동 특성에 미치는 영향을 점화지연, 연소 기간, 최대 화염 길이를 통해 비교 분석 하고, 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 필터링된 이미지와 원본 이미지의 화염 형상은 비 교 결과 큰 차이가 없었으며, 화염 길이 측정 프로그램 을 통해 측정된 최대 화염 길이 결과는 실험 측정 결과 와 오차율이 최대 0.03%로 프로그램 스크립트 파일을 통한 측정의 신뢰성은 확보되었다고 판단된다.

(2) 점화지연 결과는 디젤이 연료 물성인 낮은 비등점 을 갖기 때문에 바이오디젤에 비해 빠른 점화지연 특성 을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 디젤-바이오디젤 혼 합 연료의 점화지연 특성은 디젤과 바이오디젤 사이에 분포하는 결과를 나타냈다. 연료 직경 변화에 따른 점화 지연 특성은 모든 유형의 연료 액적에 대해 동일한 결 과를 보였다.

(3) 디젤의 빠른 점화지연 특성으로 인한 결과로 측정 된 액적 직경 범위 내의 디젤은 바이오디젤에 비해 화 염 소멸과 화염 수명이 짧은 결과를 보였다. 디젤-바이

오디젤 혼합 연료의 화염 소멸과 화염 수명 시간은 디 젤에 비해 높은 결과를 보였으며, 연료 직경이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 단일 연료 액 적의 화염 수명 시간이 길어짐에 따라 연소 기간 또한 증가한다는 결과를 확인했다.

(4) 최대 화염 길이 도달 시간은 디젤이 가장 빠른 것 으로 측정되었다. 이는 짧은 점화지연 특성과 화염 수명 시간에 의한 결과로 사료된다. 또한, 디젤-바이오디젤 혼합 연료의 경우 연료의 혼합으로 인해 최대 화염 도 달 간이 증가하는 경향을 보였다.

후 기

공주대학교 연구년 사업에 의하여 연구되었음.

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