이중관식 열교환기가 설치된 역방향 공기 주입 방식 무화염 연소로 내 열유동 특성에 대한 연구 (Study on Thermal Flow Characteristics of Flameless Combustion Furnace with Coaxial Dual Tube Heat Exchanger by Reversed Air Injection Method)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 44권 / 4호 / 219 ~ 230페이지
· 저자명 : 김보근, 신동훈

초록

본 연구에서는 역방향 공기 주입 방식에 의한 무화염 연소로 내부에 이중관형 열교환관을 설치하였을 경우에 발생하는 열적 특성을 실험과 수치 해석적 방법을 이용하여 분석하였다. 연료는 LPG이고, 열교환관 내 냉각 공기 유량을 변화시키면서 열흡수량을 달리하였으며, 연소실 내 온도, 열교환관 표면 및 출구 공기 온도, 연소실 출구의 CO와 NOx 농도 등을 측정하였다. 전산 유체역학의 반응 모델은 propane 4-step 반응 모델을 적용하였고, k-e 난류 모델, DO 복사 모델을 적용하였다. 실험 결과, 열교환관 냉각 공기 유량에 따라 연소실 평균 온도를 750~1,050℃의 영역에서 변화시킬 수 있었으며, 불완전 연소의 척도인 CO는 800℃ 이하에서 검출되었고, NOx는 750℃에서는 10ppm 수준이지만, 온도가 올라갈수록 선형적으로 상승하는 것을 확인하였고, 1,050℃의 연소실 온도에서는 30ppm 정도의 배출치를 보였다. 한편, 열전대의 복사 간섭 보정을 수행해보면 실제 온도는 측정 온도보다 최고 150℃ 정도 높은 것으로 예상된다. 전산 해석에 의한 연소가스 재순환율은 연소실 중간 높이에서 최대 18 정도로 나타났으며, 위아래로 이동할수록 대칭적으로 낮아졌지만, 대부분의 높이에서 4 이상의 값을 가져, 무화염 연소를 위한 열유동으로 적합함을 확인하였다. 실험과 전산 해석을 비교한 결과, 열전대를 직접 표면에 접촉하여 측정한 열교환관 표면 온도와는 높은 일치성을 보였지만, 연소실 중심부 온도는 오차가 최대 250℃ 정도 나타났다. 전산 해석 결과를 활용하여 복사 간섭을 보정한 결과, 그 오차는 줄어들었지만, 여전히 열전대에 의한 정밀한 로 내 온도 측정이 어려움을 확인하였다.

영어초록

In this study, the thermal characteristics generated when a double tube heat exchanger was installed inside a flameless combustion furnace by reverse air injection were analyzed using experimental and numerical methods. The fuel was LPG, and the heat absorption was controled by the cooling air flow rate in the heat exchanger tube. The propane 4-step reaction model is applied to the computational fluid dynamics, and the k-e turbulence model and the DO radiation model are applied. As a result of the experiment, the average temperature of the combustion chamber could be changed in the range of 750~1,050 ℃ according to the cooling air flow rate of the heat exchanger tube. CO, which is a measure of incomplete combustion, was detected below 800 ℃ and NOx was 10 ppm at 750 ℃. It was confirmed that the linear rise with the rise, the emission value of about 30 ppm at the combustion chamber temperature of 1,050 ℃. On the other hand, if the thermocouple radiation interference correction is performed, the actual temperature is expected to be up to 150 ℃ higher than the measured temperature. The combustion gas recirculation rate by computational analysis was up to 18 at the middle height of the combustion chamber and symmetrically decreased as the level moved up and down. However it has a value of 4 or more at most heights, which is suitable for heat flow for flameless combustion. Comparing the experimental and computational analysis, the thermocouple was in high agreement with the surface temperature of the heat exchanger tube. As a result of compensating the radiation interference using the computational results, the error at the furnace center temperature was reduced, but it was confirmed that the accurate temperature measurement by the thermocouple was still difficult.

참고자료

· 없음