층류 확산화염에서 복사경계조건 및 레이저 가열에 따른 매연 생성 및 산화특성에 관한 실험적 연구

Abstract

본 연구에서는 복사경계조건의 변화에 따른 매연 및 온도특성을 파악하기 위하여 에틸렌 층류 확산화염에서 복사경계조건, 즉, (1) 화염에서 방사된 복사에너지를 전부 흡수하는 Black Body type 실린더(BB, 흡수율-0.96)와 (2) 화염에서 방사된 복사에너지를 전반사시켜 복사 쉴드(shield)기능을 하는 polished aluminum mirror type 실린더(AL, 반사율-0.94))에 따른 매연의 농도특성을 조사하였다. 또한, 매연의 생성/성장/산화 지역에 따른 복사에너지의 영향을 선택적으로 파악하기 위하여, Ar-Ion 레이저로 프로필렌 확산화염의 특정단면을 가열하고 이에 따른 매연의 특성을 실험적으로 조사하였는데 이를 통하여 매연의 생성/성장/산화 특성에 대한 복사열전달의 영향을 이해하고자 하였다. 연구 결과는 아래와 같다. (1) 복사에너지를 재흡수하는 경계조건에 의하여 매연 생성 및 성장이 빨라지고 축 중심방향에서의 농도도 크며, annular 매연지역이 반경방향으로도 확장된다. 특히, 복사에너지의 재흡수에 의해 전단면에서 매연발생 총량이 증가하고, 표면성장지역에서 최대 40% 정도의 국소 매연 체적분율이 증가하나 산화과정을 거쳐 배출되는 매연농도는 유사하며, 배출가스 온도는 증가할 것으로 판단된다. (2)Non-sooting 프로필렌 확산화염의 생성지역의 횡단면을 가열할 경우 생성지역에서는 매연의 온도를 상승시켜 annular 지역의 매연의 산화를 촉진시킨다. 안쪽의 가스온도도 열전달의 영향으로 상승되며, 이로 인해 내부에 존재하는 전구물질들이 매연으로 변하는 생성(nucleation)이 촉진된다. 그러나 증가된 매연으로 인해 복사열손실이 증가하며, 즉 온도를 떨어 뜨림으로써 매연의 산화를 억제시키고 화염을 sooting 화염으로 천이시킨다. (3) Sooting 프로필렌 확산화염에서 매연의 생성과 산화가 경쟁하는 지역을 레이저로 가열할 경우 매연의 온도가 올라가고 상승된 매연의 온도는 전도 및 복사열전달에 의해 내부지역의 온도를 상승시킴으로써 생성을 촉진시키나 annular 지역의 산화를 더욱 촉진시킨다. 이로 인해 복사열손실을 감소시킴으로써 화염의 온도를 상승시킨다. 이러한 화염온도(매연온도)의 증가로 매연의 산화가 촉진되어 sooting 화염이 non-sooting 화염으로 변경된다. (4) 복사에너지는 화염의 구조를 변경시킬 수 있는 중요한 인자이고, 확산화염에서 매연의 구조를 이해하기 위해서는 매연에 대한 복사모델이 필요하게 됨을 알 수 있다. 복사경계조건과 복사가열에 따른 매연의 특성을 고찰한 본 실험연구는 매연의 모델을 개발하고 계산결과를 검증할 수 있는 유효한 수단으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 결과를 활용하여 확산화염의 온도와 매연의 농도를 제어함으로써 열전달효율을 향상시키고 매연의 배출을 억제할 수 있는 친환경연소시스템 개발에 활용 가능할 것으로 보인다.