A Study on Spray Characteristics according to Design Parameters and Pressure Conditions of Industrial Y-jet Nozzle

산업용 Y-jet 노즐의 설계변수 및 압력 조건에 따른 분무특성에 관한 연구

이상지

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^†

A Study on Spray Characteristics according to Design Parameters and Pressure Conditions of Industrial Y-jet Nozzle

Sang Ji Lee and Jung Goo Hong

Key Words: Twin-fluid nozzle(이유체 노즐), Y-jet nozzle(Y-jet 노즐), Mixing chamber length(혼합관 길이), SMD(평균 액적 크기)

Abstract

The Y-jet nozzle has benefits such as simple design and wide operating conditions. Because of these benefits, it is used in various combustion devices including industrial boilers. The most important variables in the design of the Y-jet nozzle are the mixing chamber length, the supply diameter of the liquid fuel and gas, and the exit orifice diameter. In addition, because of the use of a twin-fluid, optimized data is required depending on the spray condition. In this study, spray experiment was carried out under the pressure condition of 7 bar or more, which is the spraying condition used in industry. There was no change in flow rate with the length of the Y-jet nozzle mixing chamber, but the difference in SMD was confirmed. Adjusting the exit orifice diameter is most important to achieve the desired flow rate. Changes in the liquid and gas inlet port diameters ratio were found to be help improve the operating range and significant difference in SMD was observed.

1. 서 론

이유체 노즐(Twin-fluid nozzle)은 단일 유체만을 이용 하여 분무하는 압력 분무형 노즐과 다르게 보조 공기를 추가로 사용한다. 따라서 단일 유체만을 이용하는 압력 분무형 노즐보다 이유체 노즐은 상대적으로 낮은 분무 압력 조건에서도 보조 공기로 인하여 미립화 성능이 상 대적으로 뛰어난 장점이 있다. 하지만 압력 분무형 노즐 과 다르게 이유체 노즐은 보조 공기를 사용하므로 추가

적인 공기 공급 설비와 에너지를 소모한다는 단점이 있 다. 또한 보조 공기로 인하여 이유체 노즐은 설계 변수 가 많아지므로 압력 분무형 노즐보다 설계가 어렵고, 실 험 변수 조건에 따른 분무 특성도 크게 달라질 여지가 많다. 따라서 이유체 노즐에서의 최적화된 분무 조건을 찾기 위해서는 노즐 설계 변수와 이유체(Twin-fluid)의 분무 압력 조건에 따른 실험적인 연구가 필수적이다

^(1-5)

(Recieved: 8 July 2019, Recieved in revised form: 8 Aug

2019, Accepted: 18 Aug 2019)

*

경북대학교 기계공학과

†

책임저자, 회원, 경북대학교 기계공학과

E-mail : [email protected]

TEL : (053)950-6570 FAX : (053)950-6550

ratio)를 가지고 있으므로 다양한 범위의 목표 유량 값을 맞히기에도 다른 이유체 노즐보다 상대적으로 용이하다.

이유체 노즐은 압력 분무형 노즐보다 분무각의 변화가 크지만, Y-jet 노즐은 이유체 노즐 중에서도 분무각의 변 화가 작은 것이 특징이며, 다중 홀에서의 분류 사이의 간섭이 적어 연소 안정성이 뛰어나다. 따라서 현재 Y-jet 노즐은 산업용 보일러를 비롯해 다양한 연소 장치에서 사용되고 있다

⁽⁶⁾

Y-jet 노즐의 설계에 있어서 가장 중요한 변수는 출구 오리피스 직경, 액체연료 공급 관과 보조기체 공급 관의 직경, 이유체가 혼합되는 혼합관 길이(Mixing chamber length) 이다. 이중 액체연료와 보조 기체의 공급 관의 크기와 혼합관의 길이는 Y-jet 노즐 설계에 있어서 가장 중요한 변수이며, 이에 따른 실험적 연구가 필요하다.

Y-jet 노즐 혼합관에 대한 연구로 Prasad

⁽⁷⁾

⁽⁸⁾

^(6,9)

⁽¹⁰⁾

한편, Y-jet 노즐 분사압력에 대한 연구로 Bryce

⁽¹¹⁾

⁽¹²⁾

이처럼 많은 선행 연구자들에 의해서 Y-jet노즐의 혼 합관 길이와 분사 압력에 대한 연구가 진행되었지만, 대 부분의 연구가 5 bar 이하의 압력에서 진행되었으며, 5 bar 이상의 압력을 이용하는 산업용 Y-jet 노즐에 적용 하기에는 어려움이 있다고 판단된다.

이에 본 연구에서는 실험실 규모의 산업용 Y-jet 노즐 분무실험 장치를 구성하고, Y-jet 노즐의 혼합관 길이와 액체와 보조 기체 공급 관 직경에 따른 분무특성을 살 펴보고자 한다. 또한 선행 연구에서 진행된 분무 압력

조건이 대부분 5 bar 이하인 것과 다르게, 7 bar 이상의 상대적으로 압력이 높은 조건에서 산업용 Y-jet 노즐의 혼합관 길이와 액체와 기체 공급 관 직경에 따른 분무 특성을 살펴보고 이에 대해 고찰하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 노즐 및 실험 조건

Figure 1은 알루미늄으로 제작한 Y-jet 노즐의 형상이 다. Fig. 1의 왼쪽 그림에서는 측면으로 액체를 공급하 는 액체 공급 관(Liquid inlet port) 윗면으로는 보조 기 체를 공급하는 기체 공급 관(Air inlet port)이 있다. 두 공급 관을 통해서 공급되는 이유체는 Fig. 1의 오른쪽 그림과 같이 혼합관에서 혼합되어 출구 오리피스(Exit orifice, d

_m

Fig. 1 Schematic of the Y-jet nozzle

⁽¹³⁾

Table 1 Experimental conditions Liquid Gas Working fluid Water Nitrogen Injection pressure 4~13 bar 7, 10, 13 bar Ambient condition Atmosphere

Temperature 20

^o

Table 1는 실험에 사용한 두 종류의 작동 유체(Work- ing fluid)의 종류와 실험 조건을 나타낸다. 작동 유체는 상온의 물과 순도 95%의 질소를 사용하였다. 물의 분사 압력은 4~13 bar, 질소의 분사 압력은 7, 10, 13 bar이다.

Table 2는 실험에 사용된 8종류의 Y-jet 노즐의 사양을 나타낸다. 기체와 액체 공급 관 사이의 각도(degree, °) 는 8종류의 노즐 모두 65°이다. 출구 오리피스 직경비 (d

_m

_m

m

a

_w

m

_m

본 연구에서는 기체와 액체의 질량 유량의 비를 GLR(Gas to Liquid mass flow ratio, GLR)로 무차원화 하여 식 (1)과 같이 표현하였다.

(1)

2.2 실험 장치

Figure 2는 실험실 규모의 Y-jet 노즐 분무 실험 장치 이다. 그림 가운데에 위치한 Y-jet 노즐을 중심으로 왼편 은 기체 공급을 위한 부분이고, 오른편은 액체 공급을 위한 부분이다. Y-jet 노즐 하류에는 분무 액적 크기를 계측하는 장치와 분무 이미지를 촬영하는 장치가 있다.

기체 공급은 순도 95% 질소 가스봄베를 병렬로 연결하 여 사용하였다. 질소 가스봄베의 압력은 압력 조정기 (Pressure regulator)를 이용하여 일정하게 조정하고, 니 들 밸브(Needle valve)를 통해 유량을 조절하였다. 유량 계측은 디지털 기체 유량계(Korea Flow meter, NMGI- 1)를 이용하였으며, 노즐의 전단 압력은 압력 센서(Pres-

sure transducer)를 이용해 측정하였다. 액체 공급은 고압 펌프를 이용하여 물탱크로부터 액체를 공급하였으며, 맥동을 방지하기 위한 댐퍼(Liquid damper)와 유량을 조 절하기 위한 바이패스(By-pass) 관과 니들 밸브를 설치 하였다. 유체 압력은 압력 조정기를 이용하였으며, 유량 은 디지털 액체 유량계(Korea Flow meter, KTM 800)를 이용하여 측정하였다. 측정된 두 유량과 압력 데이터는 데이터 획득 보드(NI DAQ-9172, National Instruments) 를 통해 획득하였다. 데이터 획득은 유량, 압력 센서의 값을 5초간 100 Hz로 샘플링한 평균값이다. 액적 크기 (Sauter Mean Diameter, SMD)는 레이저 회절(Laser dif- fraction) 원리를 이용한 맬번(Malvern) 타입 계측 장치 (MLXA-A12-635-5, 측정 범위(약 8~450 µm), 작동 거리 (400 mm 이내), Laser spot radius: 3.9[pixel]), CCD(EPIX CMOS camera)를 사용하였다. 액적 크기 측정은 노즐 팁 (Tip)으로부터 200 mm 분무 하류에서 측정 하였다

^(14,15)

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 노즐 혼합관 길이에 따른 분무 이미지

Figure 3은 혼합관 길이가 다른 Y-jet 노즐 #3-1~#3-3 을 대상으로 액체 및 기체 압력을 7 bar로 고정한 조건 에서 촬영한 분사 이미지이다. 분무 이미지를 통하여 측 정한 분무각은 혼합관 길이와 관계없이 약 15°인 것을 확인하였으며, 혼합관 길이에 따른 분무 이미지 차이는 거의 보이지 않는 것을 확인하였다. 이는 선행 연구에서 밝혀진 바와 같이 Y-jet 노즐의 특징으로 분무 조건에 따른 분무각의 변화가 작은 결과와 일치하는 것으로 보 인다.

Y-jet 노즐은 액체 및 기체 공급 관이 Y자로 공급되는

GLR Gas mass flowrate

Liquid mass flowrate ---

=

Table 2 Nozzle specification

Nozzle #1 #2-1 #2-2 #3-1 #3-2 #3-3 #4 #5

Angle(°) 65

d

_m

_a

d

_a

_w

_m

_m

d

_m

_{m, #1}

Fig. 2 Experimental setup

비대칭적 설계를 가진다. Song 등

^(6,9)

⁽¹⁰⁾

3.2 기체의 질량 유량과 액체의 질량 유량

Figure 4는 기체의 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정 한 채, 액체의 공급 압력을 4 bar부터 13 bar까지 증가 시킨 조건에서의 실험 결과로, 각 액체압력 조건에서 기 체 질량 유량과 액체 질량 유량을 비교하여 나타낸 그 래프이다. 실험 노즐은 기체/액체 공급 관 직경 비가 다 른 #2-2 노즐을 제외한 #1~#5까지 노즐을 사용하였다.

액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 많아지 며, 이에 따라 공기의 질량 유량이 감소한다. 또한 기체 공급 압력이 낮을수록 기체의 질량 유량이 작아지고, 액 체의 질량 유량이 증가하는 경향을 확인하였다.

실험에 사용한 Y-jet 노즐은 출구 오리피스 직경과 기 체 공급 관 직경 비(d

m

_a

실제 산업 현장에서는 적용하는 유량 범위에 따라서 노 즐을 설계해야한다.

한편, 동일한 노즐 직경을 가진 #3-1~#3-3 노즐에서 혼합관 길이에 따른 유량의 차이는 거의 보이지 않은 Fig. 3 Y-jet nozzle spray image (#3-1, #3-2, #3-3)

Fig. 4 Liquid mass flowrate according to air mass flow- rate (Liquid pressure 4 bar to 13 bar)

것을 확인하였으며, 목표 유량 범위를 맞추기 위해서는 혼합관 길이보다 출구 오리피스 크기 및 기체/액체 공급 관 직경을 조절하는 것이 중요하다.

3.3 혼합관 길이에 따른 평균 액적 크기

Figure 5는 출구 오리피스 및 기체/액체 공급 관의 직 경이 같고 노즐의 혼합관 길이와 출구 오리피스 비가 2.5, 3.5, 4.5로 서로 다른 #3-1~#3-3 노즐을 대상으로 진 행한 실험 결과이다. 기체 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정한 채, 액체 공급 압력을 4 bar부터 13 bar까지 변 화시킨 조건에서 각 유체 공급 압력에서의 평균 액적 크기를 측정하였다. 기체 공급 압력이 7, 10, 13 bar로 증가할수록 전체적인 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다. 이는 액체 미립화를 보조하는 기체의 압력 이 높아질수록 동일한 액체 공급 압력에서 기체 질량 유량이 많아지기 때문에 GLR이 상대적으로 높아지게 되고 이로 인해 평균 액적 크기가 작아지는 것이다. 또 한 기체 공급 압력을 일정하게 설정한 상태에서 액체의 압력이 증가할수록 SMD가 증가되는 것으로 나타났으 며, 이는 액체 공급압력이 증가할수록 액체유량이 증가 하기 때문이다. 혼합관의 길이가 길수록 동일한 액체 공 급 압력 조건에서 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확 인하였다. 이는 5 bar 이하의 압력 조건에서 실험한 Lee

⁽¹³⁾

3.4 GLR에 따른 평균 액적 크기

Figure 6은 #1~#5의 전 노즐을 대상으로 GLR에 따른 평균 액적 크기 값을 나타낸 그래프이다. GLR이 증가 할수록 혼합관내에서 액체 질량 유량보다 기체 질량 유 량이 차지하는 비율이 더 커지므로 평균 액적 크기는 감소하는 경향을 보인다. 특히 GLR 약 0.5이하에서는

Fig. 5 SMD according to liquid pressure in mixing cham- ber length (Liquid pressure 4 bar to 13 bar)

Fig. 6 SMD according to GLR

일정하게 수렴되는 것을 확인하였으며, 대부분의 평균 액적 크기는 30 µm 이하로 집중되어 나타난 것을 확인 하였다.

이는 본 실험조건이 5 bar 이하의 실험한 조건과 다 르게 7 bar 이상의 상용 압력 조건이므로, 평균 액적 크 기 데이터가 30 µm이하로 집중되어 나타난 것이라 판 단된다.

3.5 분무 하류 방향에 따른 평균 액적 크기 Table 3은 #5 노즐을 대상으로 노즐 팁(Tip)으로부터 분무 하류 방향 100 mm에서 250 mm까지 25 mm 단위 로 평균 액적 크기를 측정한 데이터이다. 분사 조건은 기체 공급 압력 7 bar, 액체 공 급 압력 13 bar이다. 노 즐 팁에서 분무 하류 방향으로 향할수록 평균 액적 크 기가 작아지는 것을 확인하였다. 이는 노즐 하류로 향할 수록 대기와의 전단력으로 인해 2차 분열이 일어나기 때문으로 예상된다. 하지만 100 mm와 250 mm에서의 평균 액적 크기는 약 2 µm 정도로 실제 산업 현장에서 적용하기에는 유의미한 차이로 보긴 힘들다.

3.6 기체/액체 공급 관 직경 비에 따른 액체 질량 유량 Figure 7은 기체 공급 압력을 7, 10, 13 bar로 고정한 채, 액체 공급 압력에 따른 액체 질량 유량을 나타낸 그 래프이다. 실험에 사용된 #2-1, #2-2 노즐은 혼합관의 길이와 출구 오리피스의 크기는 동일하고 기체/액체의 공급 관 직경 비만 서로 다른 노즐이다. 모든 그래프에 서 액체 공급 압력이 증가할수록 액체 질량 유량이 증 가하는 경향을 확인하였다. 또한 #2-1 노즐보다 #2-2 노 즐에서 액체 공급 압력에 따른 액체 질량 유량의 증가 량이 더 크며, 이에 따라 턴다운 비도 더 높은 것을 확 인하였다. 공급되는 기체 공급 압력에 따른 턴다운 비의

차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 기체/액체 공 급 관 직경 비의 차이로 인한 것으로 판단된다. #2-2 노 즐은 #2-1 노즐보다 액체 공급 관 직경은 더 크고 기체 공급 관의 직경은 더 작다. 따라서 동일한 공급 압력 조 Table 3 SMD according to distance of nozzle tip

Distance (mm) SMD (µm)

100 28.6

125 27.5

150 27.0

175 26.7

200 26.4

225 26.0

250 25.6

Fig. 7 Liquid mass flowrate according to liquid pressure in d

_a

_w(13)

건에서도 GLR은 노즐 설계에 따라 변화하게 된다. 이 에 실제 상용운전조건에서 노즐의 액체와 기체 공급 관 직경에 따른 고려가 필요할 것으로 생각된다.

3.7 액체 공급 압력에 따른 평균 액적 크기 Figure 8은 액체 공급 압력에 따른 평균 액적 크기를

결과를 나타내는 그래프이다. 실험에 사용된 노즐과 분 무 압력 조건은 3.6절과 동일하다. 공급되는 액체압력 분사 조건이 4 bar부터 기체 압력 분사 조건과 같아지 는 조건까지의 평균 액적 크기는 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 이는 5 bar 이하의 분무 압력 조건에서 실 험을 진행한 선행 연구와 다르게 7 bar 이상의 압력 조 건에서 실험을 진행하였기 때문이며, 미립화가 이루어 지는 데 충분한 기체가 공급되었기에 더 이상의 기체 공급 압력 증가가 미립화에 큰 영향을 미치지 않는 것 이다. 이는 앞선 Fig. 6에서 확인한 GLR의 증가에 따른 평균 액적 크기 데이터와도 일치하는 것을 확인하였다.

또한 동일한 기체공급 압력 조건에서 액체공급 압력이 증가할수록 평균 액적 크기가 증가하는 경향을 확인하 였으나, #2-1 노즐에서보다 #2-2 노즐에서의 평균 액적 크기 증가 폭이 더 크다. 특히 기체와 액체의 공급 압력 이 같아지는 조건에서부터 #2-2 노즐의 평균 액적 크기 가 증가하는 경향이 보이며, #2-1 노즐의 경우 평균 액 적 크기의 변화가 거의 없었다. 또한 기체 공급 압력 조 건이 7 bar에서 13 bar로 커질수록 #2-2 노즐의 평균 액 적 크기 증가 폭은 상대적으로 작아지는 것을 확인하였 다. 이는 혼합관내에서 액체 유량이 미립화를 보조하는 기체 유량보다 차지하는 비율이 높기 때문이며, 이로 인 해 액체공급 압력이 고압 조건에서 미립화가 충분히 이 루어지지 않은 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구를 통해 Y-jet 노즐의 출구 오리피스 직경과 혼합관 길이의 비, 기체/액체 공급 관 직경 비에 따른 유 량과 평균 액적 크기를 실험적으로 획득하였고, 분무 압 력 조건에 따른 선행 연구와의 차이에 관해 확인하였다.

(1) 5 bar 이하의 분무 압력조건인 선행연구 결과와 다르게, 본 연구에서 진행한 7 bar 이상의 압력 분무 조 건에서는 노즐 혼합관 길이에 따른 분무각과 유량의 차 이는 거의 없으며, 혼합관 길이에 따른 평균 액적 크기 차이는 약 5 µm 이내임을 확인하였다. 이는 산업용 Y- jet 노즐 적용에 있어서 유의미한 차이는 아니다.

(2) GLR 약 0.5 이하 조건에서 평균 액적 크기가 30 µm 이하로 일정하게 수렴되는 것을 확인하였다. 노 즐 팁에서 분무 하류 방향으로 멀어질수록 대기와의 전 단력으로 인한 2차 분열로 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다.

Fig. 8 SMD according to liquid pressure in d

_a

_w(13)

(3) 기체/액체 공급 관 직경 비에 따라 노즐의 턴다운 비가 크게 변화하며, 이에 따른 평균 액적 크기를 확인 하였다. 이는 동일한 공급 압력 조건에서 혼합관내에서 이유체 간 공급 관 직경 비의 차이로 인해 GLR이 변화 하기 때문이다. 이로 인해 미립화 성능이 크게 차이 나 는 것이라 판단된다. 따라서 Y-jet 노즐 설계에 있어서 유량과 GLR을 고려해야 한다.

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