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[연소공학] 화염내의 농도계측 평가A좋아요

1. 서론완전연소란 연료가 산소와 결합하여 H2O와 CO2를 생성해 내는 것을 말한다.하지만 실제연소에서는 대기중 산소뿐만 아니라 질소도 다량 포함되어 있으므로 위와 같은 이상연소는 일어나기 힘들다. 이러한 원인으로 발생하는 연소생성물 (HC, CO, CO2, NOx)들은 환경공해의 주범으로 인식되어 많은 규제가 가해지고 있으며 이를 저감시키기 위한 노력이 행해지고 있다. 이번 실험에서는 화염내부와 정적연소실에서의 LPG연료를 연소시켜 연소생성물을 포집하여 그 농도를 측정하고 이를 데이터획득장치를 이용하여 저장 및 분석하는 것을 목적으로 한다.2. 이론적 배경가스 성분을 분석하는 대표적인 방법으로 습식분석법 질량분석법, 가스 크로마토그라피(gas chromatography), 흡광법, 광화학법, 열전도도법, 전기화학법 등을 들 수 있다.2.1 화학발광법(Chemiluminescene Method)화학발광이란 어떤 화학반응에 동반되어 생긴 들뜬 분자가 광자를 방출하는 현상이다. 이 방법은 화학발광법에 의하여 시료 대기중에 포함되고 있는 일산화질소 또는 질소산화물(NO+NO2)을 연속 측정하는 방법이다. 시료대기중의 일산화질소와 오존과의 반응에 의해 NO2가 생성될 때 생기는 화학발광정도가 일산화질소농도와의 비례관계가 있는 것을 이용해서 시료대기중에 포함되는 일산화질소 농도를 측정한다. 또한 질소산화물(NO+NO2)을 측정 할 경우 시료 대기중의 이산화질소를 컨버터를 통하여 일산화질소로 변환시킨 후 일산화질소의 측정과 같은 방법으로 측정하여 질소산화물에서 일산화질소를 뺀 값이 이산화질소가 된다. NO는 오존과 반응하여 높은 에너지 준위를 갖는 NO2*를 만든다. 이 NO2*가 보다 안정한 낮은 에너지 준위의 NO2로 이동하면서 빛을 발산하는데, 이 빛의 강도를 측정하여 NO의 농도를 결정하게 된다.NO + O3 → NO2* + O2식(1)NO2* → NO2 + hv식(2)NO2는 converter를 거치면서 Mo와 반응하여 NO로 환원된다. 환원된 NO는 공기시료이용하여 주어진 시료가 얼마만큼의 적외선을 흡수하는가를 정량화하여 공기시료 중의 CO농도를 결정하는 방법이다. Fig. 2에서 광원(Infra Red source)에서 나온 적외선은 chopper에 의해 각각 CO와 N2만이 존재하는 존재하는 gas filter wheel을 통과하게 된다. CO를 통과한 적외선은 이미 CO에 의해 모두 흡수되고, 만일 sample chamber를 통과하는 과정에서 적외선의 흡수가 있다면 이것은 CO에 의한 흡수가 아닌 다른 이유에 의한 것이 된다. 따라서 이 방법에 의하면 적외선을 전혀 흡수하지 않는 N2 filter를 통과한 적외선이 공기시료에 의해 흡수된 적외선의 강도를 측정하고 CO filter를 통과하였을 때의 강도를 측정하여 서로 보정하면 Co만의 적외선 흡수를 정확히 계산할 수 있게 된다.Fig. 2 비적외선 흡수법 원리도2.3 자외선 흡수법오존은 파장이 약 254㎚ 근처인 자외선을 선택적으로 흡수하는 특성을 갖는다. 이 원리를 이용하여 자외선(UV)을 흡수하는 정도를 측정함으로써 오존의 농도를 결정할 수 있다.Fig. 3에서 보면 공기시료와 오존이 제거된 기준시료 cell A와 cell B에 교대로 들어가고 각 cell에서는 오존이 없는 시료가 254㎚ 파장의 자외선을 흡수하는 정도와 오존이 포함된 공기시료가 같은 광선을 흡수하는 정도를 detector가 감지, 이를 비교하여 농도를 결정하게 되며 최종 농도는 각 cell의 평균값으로 결정된다.Fig. 3 자외선 흡수법 원리도2.4 가스크로마토그래피가스크로마토그래피는 운반가스(carrier gas)에 의하여 그로마토관내에 전개시켜 분리되는 각 성분의 크로마토그램을 이용하여 목적성분을 분석하는 방법으로 일반적으로 유기화합물에 대한 정성 및 정량분석에 이용한다. 가스크로마토 그래프 분석에 사용하는 검출기는 각각 그 목적에 따라 다음과 같은 것을 사용한다.2.4.1 열전도도 검출기(Thermal Conduct Detector, TCD) : 열전도도 검출기는 금속 필라멘트D) : 전자포획형 검출기는 방사선 동위원소(63 Ni, 3 H)로부터 방출되는 β선의 운반가스를 전리하여 미소전류를 흘려 보낼 때 시료중의 할로겐이나 산소와 같이 전자포획력이 강한 화합물에 의하여 전자가 포획되어 전류가 감소하는 것을 이용하는 방법으로 유기할로겐화합물, 니트로화합물 및 유기화합물을 선책적으로 검출할 수 있다.2.4.4 염광광도형 검출기(Flame Photometric Detector, FPD) : 염광광도형 검출기는 수소염에 의하여 시료성분을 연소시키고 이때 발생하는 염광의 관도를 분광학적으로 측정하는 방법으로서 인 또는 유황화합물을 선택적으로 검출할 수 있다. 운반가스와 조연가스의 혼합부, 수소공급부, 연소노즐, 광학필터, 광전자 증배관 및 전원 등으로 구성되어 있다.2.4.5 알칼리열 이온화검출기(Flame Thermionic Detector, FTD) : 알칼리열 검출기는 수소염이온화검출기에 알칼리 또는 알칼리토류 금속염의 튜브를 부착한 것으로 유기질소 화합물 및 유기염 화합물을 선택적으로 검출할 수 있다. 운반가스와 수소가스의 혼합부, 조연가스 공급구, 연소노즐, 알칼리원 가열기구, 전극 등으로 구성되어 있다.Fig. 4 가스크로마토그래피 원리도3. 실험장치연료 (LPG 또는 CH4), 산화제(공기), 질소 산화물 분석기, 가스 분석기, 버너, 샘플링 프로브, 2축 트래블스 장치, 정적 연소실, 데이터 획득장치 (LabVIEW, PCI-MIO-16E1)CO2 분석기탱크정적 연소실NOx 분석기점화장치컴퓨터Fig. 5 실험장치도3.1 질소산화물 분석기화염에서 발생되는 질소산화물 (NOx)의 국소 가스농도를 측정하기 위하여 질소산화물분석기(NOx Analyer, Rotork Analysis, model443)를 사용한다. NOx분석기는 샘플링 가스를 일정한 온도로 유지시키는 히터(Heater), 오존과 결합하여 화학발광에 의해 질소산화물을 측정하는 분석기(Analysis)와 샘플링 가스를 공급하는 펌프로 구성되어 있다. NOx분석기는 화학발ig.7 와 같이 석영으로 만들어진 샘플링 프로브(sampling probe)를 사용하였고 공간분해능을 높이기 위하여 샘플링 프로브의 입구 직경을 0.25mm로 한다. 연소가스 중에는 반응성이 강한 라디칼들이 많으며 이런 생성물들이 온도가 높아진 샘플링 프로브로 뽑으면 화염속의 반응이 지속되기에 샘플링 순간의 상태를 그대로 유지할 수 있도록 직경 5mm로 점차 확대하여 공기역학적으로 연소반응이 동결되는 형태로 제작한다. 또한 샘플링 프로브는 화염의 왜곡을 줄이기 위해 화염면에 직각으로 설치하여 실험을 수행한다.Fig. 7 샘플링 프로브3.4 정적연소실정적연소실을 내경 55mm, 폭 45mm, 체적 107㎤으로 외형은 각종 주변장치의 부착이 용이하도록 원통형 8각형 모양이다. 연소실의 전후면에는 가시화 및 연소 라디칼의 계측을 하기 위해 FS(Fused silica)창 (직격99mm, 두께 20mm)을 설치하였고 FS창과 연소기 사이에 기밀유지를 위해 석면을 삽입하였으며 연소농도측정에서는 초기압력이 높아 연소압력이 높아서 FS창의 파손을 우려하여 두랄루민으로 밀폐 후 실험을 수행한다. 정적연소실의 외측에는 점화플러그, 압력변환기, 흡기포트, 카트리지히터, 열전대를 설치한다.3.5 데이터 획득장치전압, 전류 등과 같은 세상의 신호를 측정 또는 제어하는 장치이며, 측정값을 분석·저장하기 위해 컴퓨터로 입·출력한다. DAQ보드를 사용하면, LabVIEW로 transducer와 인터페이스를 쉽게 하는 많은 툴이 내장되어 있다. 일반적으로 DAQ보드는 아날로그 신호를 읽고(A/D), 아날로그 신호를 발생하며(D/A변환), 디지털 신호를 입·출력하고, 카운터/타이머 동작을 통한 주파수 측정 및 펄스 발생 등의 역할을 한다.HardWare : Computer(Pentium급 이상)SoftWare : LabVIEW ProgramAD Converter : PCI-MIO-16E14. 실험방법 및 순서4.1 예혼합 화염내부의 질소산화물(NOx) 국소농도 측정4.1.1 질소산화물분석적연소실로 공급한다.4.2.3 점화장치 및 점화프로그램을 작동시켜 점화시킨다.4.2.4 배기포트를 개방하여 배기가스가 샘플링프로브를 통해 가스분석기로 유입시킨다.4.2.5 가스분석기의 LCD패널에서 농도를 확인한다.4.2.6 LabVIEW 프로그램을 이용하여 원하는 데이터를 저장한다.5. 실험결과5.1 예혼합화염내부의 NOx 국소농도 측정연료 : LPG산화제 : Air당량비 : 3연료유량 : 100cc/min산화제 유량 : 890.67cc/min5.1.1 화염내부의 축방향 농도Table 1. 화염내부의 축방향 농도위치평균(ppm)114.4219.2328.7430.55162.55.1.2 화염내부의 반경방향 농도Table 2. 화염내부의 반경방향 농도위치평균(ppm)122.2244.4352.54117.8559.5Fig. 9 예혼합화염내부의 NOx 국소농도 측정5.1.3 산화제 유량 계산LPG 완전 연소식0.6C3H8+0.4C4H10+5.6(O2+3.773N2)→3.4CO2+4.4H2O+21.1288N2)식(1)LPG 1몰당 공기26.72몰이 완전연소에 필요하다. 그러므로 체적은 LPG 100cc에 공기 2672cc가 필요하다. 그리고 당량비가 3이므로 식(2)에 의해 산화제 유량을 구할수 있다.3= {{(A/F)}_{s} } over {{(A/F)}}={{(2672/100)}} over {{(x/100)}}식 (2)∴산화제 유량x=890.67cc/min5.2 정적연소실에서의 CO, CO2 농도 측정연료 : LPG산화제 : Air당량비 : 0.95총 Tank 압력 : 5kg/㎠연료의 압력 : 0.174 kg/cm2산화제의 압력 : 4.826 kg/cm2Table 3. 혼합기 초기압력에 따른 정적연소실 농도초기압력(psi)CO 농도(%)CO2 농도(%)1220.014.52310.957.93420.0113.54500.0113.94Fig. 10 정적연소실에서의 CO, CO2 농도 측정5.2.1 탱크 내 연료 및 공기의 압력 계산연료와 산화제의 기체상수는 다음과 같다.{R다.

공학/기술| 2002.11.29| 11페이지| 1,000원| 조회(351)

연소, 질소산화물, 정적연소실

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