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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

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ISSN : 1229-6422 (Print)
ISSN : 2465-7611 (Online)

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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng. Vol. 29, No. 7, p.350-359

ISSN (print) :

1229-6422

ISSN (online) :

2465-7611

Received : 4 October 2016Revised : 7 April 2017Accepted : 8 May 2017

DOI :

https://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2017.29.7.350

분포판 및 염공변화에 따른 원통형 예혼합 버너의 연소 특성

Combustion Characteristics of Cylindrical Premixed Burner using Different Baffle Plate and Flame Holes

이필형 (Pil Hyong Lee) ¹ 황상순 (Sang Soon Hwang) ¹^†

인천대학교 기계시스템공학부 (Division of Mechanical System Engineering, Incheon National University, Incheon 22012, Korea)

^†Corresponding author, E-mail: hwang@inu.ac.kr

License :

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or any means, or stored in a data base or retrieval system, without the prior permission of the publisher(www.sarek.or.kr).

Abstract

Premixed burner is a very strong candidate in household condensing gas boiler burner system because it has low CO and NOx emission with high thermal efficiency. The objective of this study was to determine combustion characteristics of cylindrical premixed burner using different baffle plate and flame holes. Results showed that cylindrical premixed flame mode could be changed into lift-off flame, blue flame, red flame, and green flame with increasing equivalence ratio. In particular, blue flame was found to be very stable at heating load of 8,820~35,280 kcal/h. NOx emission was under 26 ppm between 0.775 to 0.813 of equivalence ratio. CO emission was under 58 ppm under the same equivalence ratio. Thermal efficiency, a very important index in condensing gas boiler, was found to be above 90.13% under the same equivalence region.

Key words

예혼합 버너(Premixed Burner), 원통형 예혼합 버너(Cylindrical Premixed Burner), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 열효율(Thermal Efficiency)

기호설명

φ：당량비

η：열효율

1. 서론

화석연료는 산업혁명 이후 오랜 시간동안 산업발전의 원동력으로 사용되고 있다. 최근 들어 화석연료의 연소과정에서 발생되는 다양한 배기가스에 대한 문제점이 전 세계적으로 대두되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연소과정에서 발생되는 오염물질을 근본적인 감소를 위하여 저공해 연소기술에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다.^(1-³⁾

대표적인 보일러 선진국인 유럽에서는 지구온난화 방지 및 에너지 효율의 극대화를 위하여 응축보일러의 설치를 점차적으로 의무화하고 있다. 또한 미래의 보일러 최대시장으로 예상되는 중국에서도 가스보일러의 기술 수준을 EN 규격으로 결정하여 글로벌 경쟁력을 가진 고효율 저공해 보일러용 연소기의 개발이 필요한 시점이다.

가정용 가스보일러의 연소방식으로 가장 많이 사용되고 있는 Fig. 1과 같은 분젠방식은 연소화염은 다중화염형태로 독립되어 있어 연소화염의 안정성이 높은 장점을 가지고 있다. 하지만 연소화염의 길이가 길게 형성되어 부력의 영향을 받아 상향식으로만 적용이 가능하고 균일한 온도분포를 얻기 위해서는 버너로부터 열교환기까지 충분한 거리를 확보해야한다. 또한 분젠화염방식은 과농 혼합비에서 공연비가 정해지므로 희박 예혼합 연소를 통한 저 CO 및 NOx의 실현에 있어 어려움을 가지고 있다.^(4-⁵⁾

Fig. 1. Flame patterns of Bunsen burner.

분젠방식의 문제점을 해결하기 위하여 완전연소 및 균일 가열특성을 효과적으로 얻기 위한 연소장치로서 다공성재질(Porous Media)을 적용하는 예혼합 연소시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 다공성재질을 적용하는 예혼합 버너는 다공성 재료를 통하여 유입되는 연료-공기 예혼합 가스가 반응영역을 통과하면서 연소되고, 연소열의 일부는 높은 열축적률을 갖는 다공성재질에 축적되어 고에너지 환경에서 연속연소가 가능하게 되어 완전연소를 이룰 수 있다고 알려져 있다.⁽⁶⁾

이러한 다공성재질은 Fig. 2와 같이 Metal Fiber, 세라믹 타일, 다공철판 등이 있고 이러한 다공성재질을 활용하여 응축가스보일러용 예혼합 버너를 개발하는 많은 연구들이 진행되고 있다.^(7-⁹⁾

예혼합 버너에 적용되는 대표적인 다공성재질인 Metal-Fiber의 경우 Fig. 2(a)와 같이 금속섬유를 직조한 형태로 되어 있고 예혼합 표면화염을 형성하는 가동조건에서 매우 높은 부하비(Turn Down Ratio)를 형성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 연소화염이 Fig. 2(a)와 같이 Metal-Fiber에 직접 닿게 되어 적열(Radiation)이 발생되어 열 경화현상이 발생할 수 있고 열팽창으로 인하여 Metal-Fiber의 처짐 현상이 발생되는 단점을 가지고 있다.

높은 열적 내구성을 가지고 있으며 가격이 저렴한 Fig. 2(b)의 세라믹 타일의 경우 예혼합 화염 형성에 있어 Fig. 2(b)와 같이 매우 안정적인 연소화염의 형성과 매우 높은 열효율이 가능하나 취성이 약해 깨어지는 단점을 가지고 있다.⁽¹⁰⁾

하지만 Fig. 2(c)와 같이 다공철판을 활용한 원통형 버너 경우 금속재질의 분포판과 염공으로 원통형 버너를 구성하기 때문에 높은 내구성, 강한 취성, 낮은 가격의 장점을 가지고 있고 안정적인 예혼합 연소화염을 형성할 수 있는 장점을 가지고 있다.⁽¹¹⁾

Fig. 2. Comparison of Porous media and Flame patterns for premixed combustor.

이러한 다공철판을 적용하여 원통형 예혼합 버너의 연구의 경우 Zhao et al.⁽¹²⁾에 의해서 이젝터(Ejector)를 적용하는 방식으로 통하여 연소안정성을 확보하는 연구와 Lee et al.⁽¹¹⁾에 의하여 Mesh와 다공판으로 형성된 원통형 예혼합 버너를 적용하여 가동조건 및 연료변화에 따른 배기가스 배출 특성 및 연소화염의 안정성을 분석하는 연구가 진행되었다.

본 연구에서는 최적화된 금속재질의 분포판(Baffle Plate)과 염공(Flame Holes)으로 원통형 예혼합 버너를 구성하고 분포판 및 염공변화에 따른 연소특성, 배기가스 배출 및 열효율 분석을 통하여 원통형 예혼합 버너의 가정용 응축보일러에 적용하기 위한 연구를 진행하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 연료/공기 혼합장치의 구성

원통형 예혼합 버너의 연료/공기 혼합장치의 결정은 연료 및 공기의 예혼합과 적절한 압력강하를 형성하는데 매우 중요한 인자로 작용된다. 본 연구에서 연료 공기 혼합장치로 사용된 AGM(Air Gas Mixer)은 예혼합 Fan 회전 중심부에 연료공급하고 예혼합 Fan의 회전을 통하여 연료/공기를 강제 혼합하는 방식으로 AGM의 개념도는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Schematic diagram of AGM(Air gas mixer).

예혼합 Fan의 회전수 증가되면 공급되는 공기유량도 증가하게 되며 Fig. 4와 같은 Air Ratio 가스밸브를 적용하게 되면 당량비 고정조건에서 안정적인 예혼합 가스의 형성과 예혼합 Fan의 회전수 변화에 따라 열용량을 변화할 수 있는 장점을 가지고 있다.

Fig. 4. Photograph of air ratio gas valve.

2.2 분포판의 종류

Fig. 5에 원통형 예혼합 버너의 염공과 분포판의 개념도를 도시하였다. 예혼합 Fan에서 강제 예혼합된 예혼합 가스는 Manifold를 통과하여 원통형 예혼합 버너의 분포판에 공급된다. 분포판에 공급되는 예혼합 가스는 분포판을 지나면서 일정한 압력분포를 형성하게 되며 최종적으로 염공에 공급되어 연소되게 된다.

Fig. 5. Schematic diagram of premixed cylindrical burner assembly.

원통형 예혼합 버너에 적용되는 분포판 변화에 따른 연소특성을 비교하기 위하여 Fig. 6과 같은 분포판을 설계 및 제작하였다. Fig. 6(a)의 Reference 분포판을 살펴보면 길이 120 mm, 외경 60 mm의 원통형 형상으로 구성되어 있고 길이방향으로 직경 2.4, 3.0 mm의 작은 원형의 구멍이 형성되어 있다. Fig. 6(b)의 청동소결 분포판의 경우 분포판 전부분에 걸쳐 100 의 Permeability가 형성되어 있는 구조이고 Fig. 6(c)는 1mm의 직경으로 타공된 타공판을 가공하여 제작하였고 길이 및 직경은 Reference 분포판과 동일하다.

Fig. 6. Comparison of baffle plate.

2.3 염공의 종류

원통형 예혼합 버너의 염공형상은 예혼합 연소의 연소안정성 및 배기가스 배출에 있어 커다란 영향을 미치는 중요한 요소이다.

본 연구에서는 국내 보일러 업체에서 사용하고 있는 Fig. 7(a) 염공을 Reference로 설정하였고 Reference 염공의 직경과 길이를 기준으로 Fig. 7(b), (c), (d)와 같은 염공을 제작하여 실험에 적용하였다. 각각의 염공을 살펴보면 Fig. 7(a) 염공은 7개의 구멍으로 하나의 연소화염을 형성하고 2개의 슬릿을 통하여 또 다른 하나의 화염을 형성하도록 구성되어 있다. Fig. 7(b) 염공은 독립된 하나의 구멍에 스테인리스 Mesh를 겹치도록 구성하여 부분적으로 염공 크기를 조절하여 구성하였다. Fig. 7(c) 염공은 1 mm의 작은 구멍이 패턴 없이 염공 전 영역에서 뚫려있는 구조이다. Fig. 7(d)는 Fig. 7(a) 염공과 동일하게 7개의 구멍으로 하나의 연소화염을 형성하는 형상이지만 7개의 구멍 옆에 형성된 슬릿이 제거된 형상으로 구성하여 적용하였다.

Fig. 7. Comparison of flame holes.

2.4 화염지지대

원통형 예혼합 버너의 경우 염공의 입구부분과 끝단부분에서 염공을 통과하는 공기/연료 혼합가스의 유속차이가 발생하여 화염날림 현상이 발생되어 진다. 화염날림 현상을 방지하기 위하여 Fig. 8과 같은 화염지지대를 설치하여 실험을 진행하였다. 화염지지대는 스테인리스로 제작하였으며 화염지지대의 내경을 원통형 염공의 외경과 동일하게 제작하여 점(Spot) 용접을 통하여 염공에 고정하였다.

Fig. 8. Photograph of with and without flame holder.

2.5 실험장치의 구성

연소실험에 사용된 연료는 도시가스로 그 대표적인 성분은 메탄(CH₄)이며 자세한 도시가스의 성분비 및 물성치는 Table 1과 같다.⁽¹³⁾

Table 1. Properties of natural gas

Composition	CH4	89.3%
	C3H6	1.5%
	C2H6	8.6%
	C4H10	0.6%
HHV	10,500 kcal/Nm³
Density	0.65 kg/m³
Flammability	0.46 $<$ φ $<$ 1.64

Fig. 9는 연소실험을 위한 실험장치의 개략도를 보여준다. 공급되는 도시가스는 압력조절기를 통과하면서 250 mmAq의 압력으로 감압시켜 습식가스 메터(Wet Gas Meter, Sinagawa)로 공급되어진다. 습식가스 메터와 예혼합 Fan 사이에는 SIT사의 Air Ratio 가스밸브를 적용하여 공급되는 도시가스의 유량 및 당량비를 정밀 조정하였으며 가스밸브를 통과하는 도시가스의 유량은 습식가스 메터를 통하여 확인하여 열용량을 확인하였다. 당량비의 조정은 예혼합 Fan의 회전속도와 Air Ratio 가스밸브의 유량조절 나사를 변경하여 조정하였다. 배기가스의 측정은 NOx, CO, CO₂, O₂의 측정이 가능한 Testo-330과 Testo Easyheat Software Version 2.0을 사용하여 배기가스 Data를 수집하여 분석하였다. 원통형 예혼합 버너의 연소특성을 파악하기 위하여 디지털 카메라 (Nikon, D-80)를 사용하여 당량비 및 열용량 변화에 따른 화염의 거동을 촬영하여 관찰하였다.

Fig. 9. Schematics of combustion experimental apparatus.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 Reference 원통형 예혼합 버너의 연소 특성

Reference 원통형 예혼합 버너의 연소특성을 분석하기 위하여 Fig. 6(a)와 Fig. 7(a)의 염공 및 분포판을 활용하여 열용량 20,000 Kcal/h 조건에서 당량비 변화에 따른 예혼합 화염의 변화를 관찰하였고 Fig. 10에 비교하였다.

Fig. 10을 살펴보면 당량비가 증가함에 따라 연소화염의 형태가 화염날림 → 청색화염 → 적색화염 → 녹색화염으로 변화되어 예혼합 연소특성 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 Fig. 10(b)의 청색화염을 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 양 끝단에 부분적인 화염날림이 발생하고 원통형 버너의 중앙에서도 연소화염이 부분적으로 흔들리는 현상이 발생되어 안정적인 예혼합 화염의 생성에 어려움을 가지고 있다.

Fig. 10. Flame characteristic of reference cylindrical premixed burner assembly at heating load 20,000 kcal/h.

3.2 분포판 변화에 따른 예혼합 화염의 특성

Reference 염공에 분포판의 형상 및 재질 변화에 따른 예혼합 연소 특성을 분석하기 위하여 연소실험을 진행하였다. 연소 실험은 원통형 예혼합 버너의 열용량을 35,200 kcal/h로 고정하였고 연소화염의 안정성이 가장 뛰어난 영역에서 연소화염의 거동을 관찰하여 Fig. 11에 비교하였다.

Reference 분포판을 적용한 Fig. 11(a)을 살펴보면 염공의 끝단에서의 화염날림과 버너 중간부분에서의 화염 떨림 현상이 열용량 20,000 kcal/h에서와 같이 동일하게 발생하였고 화염날림이 발생하는 크기가 증가하였다. 하지만 청동소결, 타공판을 분포판로 사용한 Fig. 11(b), Fig. 11(c)의 연소화염을 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 중간부분에 화염이 심하게 떨리는 문제점이 감소하였고 화염날림 현상도 감소됨을 확인할 수 있었다. 분포판의 형상 및 재질 변화에 따라 연소화염을 분석한 결과 Reference 분포판, 타공 분포판, 청동소결 분포판 순으로 연소화염의 안정성이 증가되는 경향을 확인하였다.

Fig. 11. Flame characteristic of reference flame holes and different baffle plate at heating load 35,200 kcal/h.

3.3 염공 변화에 따른 예혼합 화염의 특성

Reference 염공과 다양한 종류의 분포판 조합을 통하여 실험을 진행하였고 타공 분포판과 청동소결 분포판 에서 연소화염의 안정성이 증가됨을 확인하였다. 청동소결 및 타공 분포판과 Fig. 7의 염공을 조합하여 예혼합 원통형 버너를 구성하였고 열용량 35,200 kcal/h 조건에서 실험을 진행하였고 연소화염의 안정성이 뛰어난 영역에서 연소화염을 가시화하여 Fig. 12에 비교하였다.

청동소결 및 타공 분포판과 각각의 염공의 조합을 통하여 비교된 연소화염을 살펴보면 청동소결 및 타공 분포판을 사용한 연소화염의 형태는 크게 발생되지 않음을 확인 할 수 있었다. 각각의 연소화염을 살펴보면 Fig. 12(a), (d)의 연소화염의 경우 염공에 형성된 7개의 작은 구멍에서 하나의 연소화염이 형성됨을 확인 할 수 있었다. 하지만 Fig. 12(a)의 형성된 Slit의 경우에는 2개의 Slit에서 각각 독립된 예혼합 화염이 형성되고 이 두 개의 화염이 다시 하나의 화염으로 합쳐지는 현상을 확인할 수 있었다. Fig. 12(b)의 연소화염은 연소화염을 독립적으로 형성할 수 있도록 염공을 설계하여 하나의 염공구멍에 연소화염이 하나씩 독립적으로 형성되었고 연소화염의 길이가 실험조건 중 가장 길게 형성되었다. Fig. 12(c)의 연소화염을 살펴보면 연소화염이 염공 바로윗부분에 Flat 한 1차원의 연소화염의 형태로 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 Flat한 1차원의 연소화염의 경우 당량비 변화에 따른 연소화염의 안정성이 매우 불안정함을 확인하였다.

Fig. 12. Flame Characteristic of different flame hole at heating load 35,200 kcal/h.

본 실험결과를 바탕으로 청동소결 및 타공 분포판을 적용할 경우 Reference 및 패턴 염공에서 가장 안정적인 연소화염을 형성할 수 있음을 확인하였다. 연소화염을 형태를 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 중간부분에 화염이 심하게 떨리는 문제점이 모두 감소하였지만 버너의 양 끝단에 부분적인 화염날림 현상은 계속 발생됨을 확인하였다.

3.4 화염지지대를 적용한 연소화염이 안정화

청동소결 및 타공 분포판을 적용할 경우 Reference 및 패턴 염공을 적용하여 원통형 예혼합 버너의 중앙에서 발생되는 연소화염의 떨림 현상을 감소시켰다. 하지만 원통형 버너의 양 끝단에서 발생되는 화염날림 현상을 감소하기 위하여 화염지지대를 적용하여 예혼합 연소화염의 안정성을 확보하기 위하여 실험을 진행하였다. 선행연구에서 스테인리스 재질의 Mesh를 활용하여 만들어진 화염지지대를 사용하여 염공 양 끝단에서 발생하는 화염날림 현상이 감소함을 확인 할 수 있었다.⁽⁹⁾

하지만 스테인리스 재질의 Mesh의 경우 장기간 사용되는 보일러의 특성상 내구성 문제가 발생될 수 있다고 판단되었다. 따라서 내구성 문제를 해결하기 위하여 Fig. 8에 적용된 형상으로 화염지지대를 변경하여 실험을 진행하였고 실험결과를 Fig. 13에 비교하였다. 연소화염의 안정성을 증가시키기 위하여 청동소결 분포판을 적용하였고 동일 염공에서 화염지지대의 유무에 따른 연소화염을 비교한 결과 Fig. 13(b) 같이 화염지지대를 통한 연소화염의 안정성 확보가 가능함을 확인하였다. 화염지지대의 적용을 통하여 연소화염의 화염날림 현상이 감소되는 원인은 화염지지대가 연소화염의 높은 화염온도를 흡수하여 적열되고 열전달을 통하여 원통형 예혼합 버너의 양 끝단에서 공급되는 예혼합가스를 예열하여 연소속도가 증가되어 발생되는 형상이라 판단된다.

Fig. 13. Flame phenomena by flame holder at sintered bronze baffle plate and heating load 20,000 kcal/h.

3.5 배기가스 측정 및 분석

보일러의 경우 연소실 외부의 공기를 예혼합 Fan을 통하여 공급하여 연소 시스템을 운영된다. 따라서 청동소결 분포판의 경우 공급되는 공기에 이물질이 혼합되어 예혼합 버너로 공급될 경우 분포판 자체가 필터의 역할을 수행할 수 있는 가능성이 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 연소화염의 형태 및 안정성이 가장 우수한 청동소결 분포판과 타공 분포판를 Fig. 8(b)의 염공에 적용하여 당량비 변화에 따른 배기가스 측정 및 분석하였다.

Fig. 14를 살펴보면 원통형 예혼합 버너의 분포판으로 청동소결 및 타공 분포판을 적용하여도 당량비 0.7241~ 0.7924 영역에서는 NOx의 배출량이 약 12.6 ppm 이하로 배출됨을 확인하였다. 또한 분포판 변화에 따른 CO의 배출량을 비교하면 당량비 0.75 이상 부분에서는 청동소결 및 타공 분포판을 적용한 원통형 예혼합 버너의 배출 특성이 비슷하게 나타났다. 하지만 당량비가 0.75보다 작게 되면 청동소결 분포판의 CO 배출은 지속적으로 감소하여 당량비 0.7241까지 약 29 ppm의 CO가 배출됨을 확인할 수 있었다. 이에 비하여 타공 분포판의 경우 당량비가 0.7368까지는 CO 배출량이 점차적으로 감소하여 약 33 ppm 배출되지만 당량비가 0.7241 변화되면 CO가 배출량이 약 41 ppm으로 증가됨을 확인하였다. 두 가지 분포판을 적용한 실험을 통하여 청동소결 분포판의 성능이 타공 분포판에 비하여 배기가스 측면에서 효과적이라 판단된다. 하지만 분포판의 필터효과와 상용화를 위한 가격 경쟁력을 확보를 위해서는 타공 분포판의 적용이 보다 효과적이라 판단되어 추가적이 실험에서는 타공 분포판을 적용하여 실험을 진행하였다.

Fig. 14. CO and NOx emission at different equivalence ratio and baffle plate(oxygen zero base).

3.6 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 형상 변화

원통형 예혼합 버너를 구성하는 분포판과 염공의 직경과 높이를 Fig. 15와 같이 변경하여 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 설계 및 제작하여 실험을 진행하였다. 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 형상이 변경된 원인은 본 연구와 동시에 진행된 원통형 열교환기의 개발 과정에서 열효율 증가 및 배기가스 감소를 위한 구조의 적용으로 인하여 원통형 예혼합 연소기를 장착할 수 있는 내부 공간이 축소되어 설계가 변경되었다.

Fig. 15. Comparison of baffle plate and flame holes at prototype and commercialization.

상용화를 위하여 수정된 형상의 원통형 예혼합 버너를 활용하여 열용량 17,640 kcal/h 조건에서 당량비 변화에 따른 연소화염의 변화를 관찰하여 Fig. 16에 비교하였다. Fig. 16의 실험결과를 살펴보면 Fig. 10의 결과와 동일한 연소화염의 변화를 관찰할 수 있어 수정된 원통형 예혼합 버너에서도 안정적인 예혼합 연소특성을 확인할 수 있었다.

Fig. 16. Flame Characteristic of cylindrical premixed burner at heating load 17,640 kcal/h.

3.7 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 배기가스 및 열효율 측정

상용화를 위하여 수정된 형상의 원통형 예혼합 버너와 원통형 열교환기를 적용하여 당량비 변화에 따른 배기가스 배출량을 측정하여 Fig. 17에 비교하였다.

배기가스 배출 특성을 비교한 Fig. 17을 살펴보면 당량비 0.745~0.782 부분에서 CO의 배출량이 50 ppm 이하로 배출됨을 확인 할 수 있었고 NOx의 경우 실험을 진행한 전 영역에서 30 ppm 이하로 배출되었다.

Fig. 17. Measurement of CO emission(oxygen zero base).

KS B 8127의 응축 가스온수 보일러 규정을 적용하여 배기가스 및 열효율을 측정하기 위하여 G20 연료 (Methane 100%)를 사용하여 배기가스 및 열효율을 측정하였고 측정결과를 Table 2에 비교하였다.

Table 2를 살펴보면 당량비가 낮아지면 배기가스로 배출되는 CO의 배출이 감소하지만 보일러에 효율이 함께 감소된다. 실험을 진행한 당량비 0.775~0.813 영역에서 CO 60 ppm, NOx 30 ppm 이하로 배출되고 열효율이 90% 이상 유지됨을 확인 할 수 있어 친환경 고효율 원통형 예혼합 버너의 가능성을 확인하였다.

Table 2. Emission and thermal efficiency

φ	Load (kcal/h)	CO (ppm)	NOx (ppm)	η (%)
φ	Load (kcal/h)	CO (ppm)	NOx (ppm)	Part	Full	Sedbuk
0.813	35,200	58	26	88.09	96.407	90.15
0.784	35,200	38	17	88.11	96.407	90.16
0.775	35,200	29	14	88.06	96.407	90.13

4. 결 론

화염지지대가 설치된 원통형 예혼합 버너에 적용되는 분포판과 염공의 형상 및 재질을 변경하면서 실험을 실행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 원통형 예혼합 버너의 연소실험을 통하여 당량비가 증가함에 따라 연소화염이 화염날림 → 청색화염→ 적색화염 → 녹색화염으로 연소화염 형태가 변화되는 것을 확인하였다.

(2) 분포판을 Reference에서 청동소결, 타공 분포판으로 변경하며 실험을 진행한 결과 Reference 분포판에 비하여 청동소결 및 타공 분포판에서 원통형 예혼합 버너의 중간부분에서 발생되던 연소화염의 떨림 현상이 감소됨을 확인하였다.

(3) 청동소결, 타공 분포판과 다양한 종류의 염공을 조합하여 연소실험을 진행하였고 실험결과 Reference 및 패턴 염공에서 안정적인 연소화염의 형성이 가능함을 확인하였다.

(4) 얇은 판 형태의 화염지지대를 설계하였고 스테인리스를 사용하여 가공하여 화염지지대를 적용한 결과 원통형 예혼합 버너의 양 끝단에서 발생하던 화염날림 현상이 감소됨을 확인하였다.

(5) 청동소결 및 타공 분포판를 적용하여 원통형 예혼합 버너의 배기가스를 분석한 결과 NOx의 경우 당량비 0.7241~0.7924 영역에서 약 12.6 ppm 이하로 배출됨을 확인하였으며 CO의 경우에도 당량비 0.7368~0.7241 영역에서 50 ppm 이하의 CO가 배출되어 친환경 연소 시스템으로의 가능성을 확인하였다.

(6) 상용화를 위하여 원통형 예혼합 버너의 직경 및 높이를 변경하여 KS B 8127의 응축가스 온수 보일러 규정을 적용하여 실험을 진행하였고 실험결과 당량비 0.775~-0.813 영역에서 CO 58 ppm, NOx 26 ppm 이하로 배출되었고 열효율이 90.13% 이상 유지됨을 확인하여 친환경 고효율 원통형 예혼합 버너의 가능성을 확인하였다.

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KJACRKorean Journal ofAir-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

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Combustion Characteristics of Cylindrical Premixed Burner using Different Baffle Plate and Flame Holes

Abstract

Key words

기호설명

1. 서론

Fig. 1. Flame patterns of Bunsen burner.

Fig. 2. Comparison of Porous media and Flame patterns for premixed combustor.

2. 실험장치 및 방법

2.1 연료/공기 혼합장치의 구성

Fig. 3. Schematic diagram of AGM(Air gas mixer).

Fig. 4. Photograph of air ratio gas valve.

2.2 분포판의 종류

Fig. 5. Schematic diagram of premixed cylindrical burner assembly.

Fig. 6. Comparison of baffle plate.

2.3 염공의 종류

Fig. 7. Comparison of flame holes.

2.4 화염지지대

Fig. 8. Photograph of with and without flame holder.

2.5 실험장치의 구성

Table 1. Properties of natural gas

Fig. 9. Schematics of combustion experimental apparatus.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 Reference 원통형 예혼합 버너의 연소 특성

Fig. 10. Flame characteristic of reference cylindrical premixed burner assembly at heating load 20,000 kcal/h.

3.2 분포판 변화에 따른 예혼합 화염의 특성

Fig. 11. Flame characteristic of reference flame holes and different baffle plate at heating load 35,200 kcal/h.

3.3 염공 변화에 따른 예혼합 화염의 특성

Fig. 12. Flame Characteristic of different flame hole at heating load 35,200 kcal/h.

3.4 화염지지대를 적용한 연소화염이 안정화

Fig. 13. Flame phenomena by flame holder at sintered bronze baffle plate and heating load 20,000 kcal/h.

3.5 배기가스 측정 및 분석

Fig. 14. CO and NOx emission at different equivalence ratio and baffle plate(oxygen zero base).

3.6 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 형상 변화

Fig. 15. Comparison of baffle plate and flame holes at prototype and commercialization.

Fig. 16. Flame Characteristic of cylindrical premixed burner at heating load 17,640 kcal/h.

3.7 상용화를 위한 원통형 예혼합 버너의 배기가스 및 열효율 측정

Fig. 17. Measurement of CO emission(oxygen zero base).

Table 2. Emission and thermal efficiency

4. 결 론

References

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Air-Conditioning and Refrigeration Engineering