흡열분해 모사연료의 층류화염 전파속도 측정

2.1 분젠 버너를 이용한 화염전파속도 측정

층류화염속도(laminar burning velocity, S_u)는 연료의 가장 기본적인 연소 특성이며, 연료-공기 혼합물의 물리화학적 특성 상수로서 화염의 전파(propagation), 부상(lift-off), 소화(blowout) 등을 분석하는데 필수적이다. 층류화염속도는 1차원 화염 방정식의 특성치로서 1차원 화염면이 미연소 혼합물에 대하여 수직방향으로 전파되는 상대속도로 정의되는데, 공기-연료 혼합물의 온도 및 압력, 당량비, 연료의 조성 등에 따라 넓은 범위에서 변하므로 측정방법 또한 매우 다양하다[9]. 현재까지 알려진 화염전파속도 측정기법은 크게 정지화염(stationary flames) 기법과 비 정지화염(non-stationary flames) 기법으로 구분되는데, 정지화염 기법으로는 분젠버너(Bunsen burner)와 같은 개방된 원통 튜브 또는 원통형 노즐을 이용한 방법, 평면화염버너(flat flame burner) 기법, 슬롯버너(slot burner) 기법, 미연소 가스 속도의 직접 측정법, 화염 추력 측정법 등이 있다. 한편 비 정지화염 기법으로는 튜브 기법, 정적 폭발(contained explosions) 기법, 유체 시스템에서의 화염커널발달(flame kernel development) 기법 등이 있다[9].

본 연구에서 사용한 분젠버너는 연료-공기 혼합기체를 원통형 튜브에 공급하여 연소시 생성되는 원뿔 형태의 화염으로부터 층류화염속도를 측정하는 장치로서[10,11], 구성이 단순하고 측정이 비교적 용이한 장점이 있어 다양한 연료에 대한 기초적인 연소현상 연구에 널리 사용되고 있다[12]. 이러한 분젠버너를 이용한 화염전파속도 측정 기법은 다음과 같은 가정 하에 활용이 가능하게 되는데, 즉 모든 예혼합 기체는 화염면을 통과하고, 주변 공기의 유입이나 버너 팁으로의 열 손실이 전혀 없으며, 화염속도는 전체 화염면에서 동일하다는 가정이다.

분젠버너 화염으로부터 층류화염 전파속도를 결정하는 방법에는 크게 두 가지가 있는데 하나는 화염의 총 면적을 이용하는 방법이고 다른 하나는 화염면의 각도를 이용하는 방법이다[9]. 우선 화염 면적을 이용하여 층류화염속도(S_u)를 계산하는 방법은 쉴리렌 기법 등으로 획득한 화염면의 형상에서 Fig. 1과 같이 총 화염면적(A_f)을 구한 뒤 식 (1)로 체적유량($$ \dot{Q}$$)과의 관계로부터 S_u를 계산하게 된다.

Fig. 1

Schematic of Bunsen flame and flow condition.

한편 화염면의 각도를 이용하는 방법은 분젠버너의 2차원 화염면이 직선에 가까운 형태인 점을 이용하여 Fig. 1과 같이 화염의 각도(α)와 버너 출구의 평균 유동속도(U₀)의 관계로부터 식 (2)로 S_u를 획득하게 된다.

2.2 분젠버너 시험장치 설계 및 제작

분젠버너 출구에서의 유동분포를 최대한 균일하게 만들면 앞 절에서 언급한 바와 같이 화염 면적법과 화염 각도법 모두 적용이 가능하므로[9,10], 본 연구에서는 버너 출구를 곡선노즐(contoured nozzle) 형상으로 설계하였다[13]. 설계된 형상에 대한 전산유체해석을 수행하여 출구 면에서의 유동이 균일하게 형성되는 것을 확인하였으며, 이 결과를 토대로 분젠버너 시험장치를 설계한 결과는 Fig. 2와 같다. 버너 출구의 직경은 16 mm로서 3/4인치 튜브의 내경과 동일하며, 전체 버너 몸체의 높이는 약 570 mm, 그리고 버너 몸체의 내경은 106 mm로 결정하였다. 여기에서 버너 몸체와 출구의 직경비가 약 7:1 정도 되는데 이는 contoured nozzle type의 유로에서 최대한 유동이 균일하기 위해서는 축소되기 전과 후의 단면적의 비가 약 50:1 가량 되는 것이 이상적임을 확인한 이전 연구결과[13]로부터 결정되었다.

Fig. 2

Schematic of Bunsen burner.

제작된 분젠버너 시험장치를 최종 조립 및 설치한 결과는 Fig. 3과 같다. 우선 상류로부터 MFC(Mass Flow Controller)로 유량이 제어되어 공급되는 공기는 공기 히터를 통과하면서 실험조건으로 가열이 되고 연료펌프로 공급되는 액체 연료와 혼합되면 연료가 기화하면서 필터와 스월러를 통과하면서 균일하게 1차로 혼합된다. 이렇게 가열 및 혼합된 연료-공기 기체는 Fig. 2의 버너 하단의 공급포트로 공급되고 이후에 타공판과 세라믹 하니콤 구조물을 지나면서 2차 혼합 및 유동의 균질화가 이루어지고 이러한 혼합기체가 버너 출구 전단의 곡선 노즐을 지나면서 유로가 축소되며 가속되어 버너 출구에서 균일한 유동이 형성된다. 그리고 Fig. 2 및 3에 의하면 버너 몸체를 에워싸는 원통 형태의 세라믹 히터가 표시되어 있는데 이는 시험 초기에 냉각되어 있는 버너 몸체를 빠른 시간 내에 시험조건으로 가열함으로써 연료-공기 혼합기체가 버너 몸체 구조물에 의해 냉각되는 현상을 방지하기 위해 버너 몸체 가열용으로 설치한 히터이다.

Fig. 3

Experimental apparatus of Bunsen burner.

2.3 데이터 계측, 화염 이미지 획득 및 처리

분젠버너 시험장치의 주요 위치에는 공기 또는 공기-연료 혼합기체의 온도를 계측하기 위한 센서가 장착되어 있는데, 온도센서는 K-type 열전대(OMEGA K-type thermocouples, 0 ~ 1,250 °C)를 사용하였다. 한편 공기 공급라인에는 MFC를 설치하여 공급되는 공기유량을 정밀하게 제어하였다. 사용된 MFC는 LineTech사의 M3100A 모델로서 제어 및 계측 유량은 1 ~ 50 SLPM이다. 또한 저유량의 액체연료를 정확하게 공급하기 위해서 유량범위 0.0015 ~ 9 ml/min에서 사용 가능한 Micro annular gear pump(HNP Microsystem mzr-2505)를 사용하였다. 한편, 실험 과정에서 공급되는 연료량은 0.01g까지 계측이 가능한 소형 정밀저울을 이용하여 계측하였다. 연료를 비커에 담아 저울 위에 올려놓고 연료펌프를 가동하면 일정한 유량의 연료가 시험장치로 공급되며, 이때 시간에 따른 저울의 중량 변화를 측정하면서 지속적으로 계측하면 일정 시간동안 소모된 총 연료량이 확인되므로 단위 시간당 유량을 측정할 수 있다.

분젠버너 시험장치를 이용하여 층류화염을 생성한 후 화염 계측용 카메라를 이용하여 화염 영상을 획득하였으며, 생성된 층류화염의 CH* 자발광만을 계측하기 위해 4 Mega-pixel CCD 카메라(TSI, PowerView, 2048 X 2048 pixels) 앞에 430 nm 근처의 파장만을 투과시키는 대역 필터(CVI, 430BP10)를 적용하였다. 카메라의 노출시간은 20 msec이고, 각각의 시험조건에 대하여 10 fps (frame per second)의 속도로 50장의 영상을 획득하였다. 층류화염 전파속도를 측정하기 위해서는 화염의 경계면을 보다 정확하게 추출하여야 하며, 이를 위해 각 시험조건에서 획득한 50장의 영상과 화염이 없는 상태에서 획득한 50장의 영상을 각각 평균하여 얻은 두 영상을 뺀 배경차감 평균 화염 영상을 이용하여 화염 경계면을 획득하는 영상 후처리 작업을 수행하였다. 화염의 경계면을 획득하기 위해 Otsu 알고리즘을 이용하는 Matlab 내부함수인 graythresh 함수를 사용하였다[14].

3.1 흡열분해 연료의 특성

흡열연료(endothermic fuel)는 일반적인 열흡수 형태인 물질자체의 온도상승 및 상변화에 필요한 물리적인 열(physical heating)의 흡수뿐만 아니라 화학적 변화에 필요한 열의 흡수(heat-absorbing chemical reaction)가 가능하므로 전체적으로 이를 이용하여 흡열분해반응을 발생시키는 반응기 주변으로부터 많은 열을 흡수할 수 있는 heat sink 작용을 할 수 있다[8]. 또한, 흡열연료는 흡열반응(endothermic reaction) 즉, 화학적 분해(cracking) 또는 개질(reforming) 반응결과로 기체상 또는 액체상태의 분해 및 변형된 형태의 탄화수소형 물질들을 생성하는데, 이들은 수소, ethylene, propylene, butadiene, methane등과 같은 기체성분 그리고 hexane과 같은 aliphatic hydrocarbons, hexadiene과 같은 alkene류, cyclohexane, methylcyclopentane, methylcyclohexane과 같은 cyclic hydrocarbons (naphthene), methylcyclohexene, cycloheptadiene과 같은 cylic olefins, 그리고 benzene, toluene, naphthalene과 같은 방향족 화합물 등의 수소를 포함하는 탄화수소형화합물성분으로 구성된다[8]. 이들 분해반응물의 조성 및 함유량은 사용된 흡열연료의 종류와 흡열반응조건에 크게 영향을 받는다[8]. 액체연료의 흡열반응, 즉 액체연료의 분해/개질반응에 관계되는 화학적 반응을 크게 나누면, dehydrogenation, dehydrocyclization, dedimerization, isomerization, aromatization 그리고 cracking 반응 등으로 구별되며, 이들 반응은 촉매가 충진/흡착된 열교환반응기(catalytic heat exchanger reactor) 내에서 일어난다. 반응기에서의 이들 반응의 속도는 연료의 종류, 전달되는 열의 양과 반응기를 통과하는 연료의 양 그리고 촉매반응특성과 같은 반응기 고유의 화학반응처리속도와 밀접한 관계가 있다[8].

3.2 흡열분해 모사연료

본 연구에서는 항공용 액체연료인 ADF S-1을 기준연료(Reference Fuel, 이하 RF)로 하고 이 연료에 대한 다양한 조건에서의 흡열반응 연구결과[8]로부터 흡열분해로 생성된 매우 많은 액체성분들을 aliphatic hydrocarbons, cyclic hydrocarbons, 그리고 aromatic hydrocarbons과같이 크게 분류하고, 이들 중에서 다음조건을 만족하는 화합물들을 선정한 다음 본 실험에 사용할 모사연료를 제조하였다. 즉, 1) 시험장치 및 운용조건을 고려하여 상온에서 안정적인 액체상태이며, 2) 상업적으로 확보가 쉽게 가능한 물질이고, 3) 실험 및 취급상 인체에 비교적 무해하고 안전하며, 4) 제조비용이 저렴한 물질이어야 한다. 이와 같은 기준을 바탕으로 aliphatic hydrocarbons을 대표하여 n-hexane을, cyclic hydrocarbons을 대표하여 methylcyclohexane (MCH)을, 그리고 benzene, toluene과 같은 방향족 화합물(aromatic hydrocarbons)을 대표하여 toluene을 선정하여 Table 1과 같이 2종의 모사연료를 제조하였다.

Table 1.

Composition of SF-1 and 2.

4.1 화염전파속도 획득 과정

2장에서 상세히 설명한 바와 같이 분젠버너 화염을 촬영하면 Fig. 4(a)와 같이 화염의 CH* chemiluminescence 이미지가 획득된다. 이 때 화염의 형상은 특정 실험조건에서의 순간(instantaneous) 화염 형상이다. 특정 조건에서 대표되는 화염 형상을 추출하기 위하여 이러한 순간 이미지를 50장을 획득한 후 평균(averaged) 처리하고 평균 이미지에 대하여 edge detection 기법으로 화염면을 추출하면 다음 Fig. 4(b)와 같다. 이와 같이 추출된 화염면은 좌표로 변환되어 표현되는데 좌우의 이미지가 약간 다르기 때문에 대표적인 화염면을 추출하기 위해 다항함수로 근사(fitting)하면 6차 다항식의 형태로 화염면이 정의된다. 이렇게 획득된 6차 다항식을 y축을 기준으로 회전체 적분을 수행하면 화염의 면적이 계산되고 이렇게 계산된 화염 면적과 버너로 공급되는 연료-공기 혼합기체의 체적유량으로 식 (1)에 의해 층류화염 전파속도가 최종 계산된다.

Fig. 4

(a) CH* chemiluminescence image, and (b) extracted flame front by edge detection.

4.2 시험장치 검증

본 절에서는 시험장치 검증을 위하여 Jet A-1 연료에 대하여 화염전파속도를 측정하고 이를 이전에 보고된 실험[15] 및 계산결과[16]와 비교하였다. 혼합물 온도 470 K 조건에서 화염의 CH* 이미지를 획득한 결과는 Table 2와 같다. 그리고 Fig. 5에는 층류화염 전파속도 측정결과를 도시하였는데, 당량비 0.8 ~ 1.2 범위에서 본 연구에서 제작한 분젠버너 측정결과가 이전의 실험결과와 매우 유사함을 알 수 있으며, 특히 Chong and Hochgreb[15]의 실험결과와 본 연구의 측정결과를 정량적으로 비교한 결과 상대오차가 1.9 ~ 4.4% 범위 이내로 확인되었다. 이로부터 분젠버너 시험장치는 비교적 정확한 층류화염 전파속도 측정 능력을 보유하고 있음을 알 수 있다.

Table 2.

CH* chemiluminescence images of Jet A-1 at T = 470 K.

Fig. 5

Laminar burning velocity of Jet A-1 at Tin = 470 K.

4.3 화염전파속도 측정 결과

흡열분해 모사연료에 대한 층류화염 전파속도 측정은 550 K 조건에서 수행하였다. 이 온도는 기준 연료인 RF의 비등점이 460 K(187℃)임을 고려하여 액체 상태의 연료가 가열된 공기와 만나 빠른 시간 내에 증발이 끝나도록 하게 위해서 비등점보다 충분히 높은 조건으로 설정한 결과이다. Fig. 6에는 RF와 Jet A-1 연료에 대하여 470 K와 550 K에서 측정된 화염전파속도를 비교한 결과인데, 우선 두 연료가 모두 유사한 화염전파속도 특성을 보이고 있으며, 온도가 약 80 K 상승함에 따라 최대 화염전파속도는 약 87 cm/s에서 116 cm/s로 약 30 cm/s 상승하였다. 그러나 당량비가 0.7일 때에 470 K 조건에서는 RF가 화염속도가 약간 빠른데 반해 550 K 조건이 되면 Jet A-1의 화염속도가 약간 빠름을 알 수 있다.

Fig. 6

Laminar burning velocity of RF and Jet A-1.

Table 3 및 4에는 2종의 흡열분해 모사연료 각각에 대한 다양한 속도 및 당량비 조건에서의 CH* chemiluminescence 이미지 획득 결과를 보여주며, 이러한 이미지들로부터 추출한 화염전파속도 측정결과를 Fig. 7에 도시하였다. 기준연료인 RF와 비교해 보면 세 연료 모두 최대 화염전파속도는 110 ~ 120 cm/s로 유사하다. 그러나 화염전파속도가 최대가 되는 당량비는 흡열분해 모사연료가 RF보다 높음을 알 수 있다.

Table 3.

CH* chemiluminescence images of SF-1 at Tin = 550 K.

Table 4.

CH* chemiluminescence images of SF-2 at Tin = 550 K.

Fig. 7

Laminar burning velocity of SF-1 and 2 at Tin = 550 K.

Chong and Hochgreb[15]에 의하면, 화염전파속도가 최대가 되는 당량비는 연료의 단열화염온도(adiabatic flame temperature)가 최대가 되는 당량비와 관계되며, 연료의 조성이 변하여 단열화염온도가 최대가 되는 당량비가 증가하면 그에 따라 화염전파속도는 낮은 당량비에서는 감소하고 높은 당량비에서는 증가하는 경향이 있음을 보고하였다. 그들은 또한 연료의 구성 성분의 비율 변화에 따라 연료의 반응성이 변화하지만 이러한 변화의 크기는 성분 비율에 단순히 비례하지는 않음을 보이고, 그 원인에 대한 분석은 보다 체계적인 추가 연구가 필요하다고 결론지었다.

본 연구에 사용된 RF의 경우에는 주 성분이 이중고리형 포화탄화수소 화합물이어서 연소를 위한 이중고리의 분해 및 연소과정이 SF-1 및 2를 구성하는 n-hexane, MCH, 그리고 tolune과는 매우 다른 특성이 있다. 또한 SF-1과 2 사이에도 n-hexane과 MCH의 혼합 비율이 다를 뿐만 아니라 toluene의 유무라는 큰 차이가 있다. 따라서 SF가 RF에 비하여 전체적으로 높은 당량비에서 화염전파속도가 빠르게 나타나고 있으며, 특히 SF-1이 SF-2 및 RF보다 훨씬 높은 당량비에서 최대 속도를 가지는 특성은 보다 면밀한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.

결론적으로 본 연구를 통해 측정된 흡열분해 모사연료의 화염전파속도 특성은 흡열분해 연료가 엔진에 공급되어 연소되는 경우 국소 당량비가 보다 높은 영역에서 화염이 존재할 것임을 예측할 수 있는 근거로서 향후 초음속 연소기 설계 시 이러한 흡열분해 연료의 특성을 고려해야 함을 알 수 있다.