KR20210126309A - 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크 버너 기반 연소 측정 장치 - Google Patents

Abstract

좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크 버너 기반 연소 측정 장치가 개시된다. 측정판은 중심부에 수직 통공이 형성되고, 그 중심부에서 반경방향으로 멀어질수록 두께가 계단식으로 변하는 단차 구조를 갖는다. 투명 상판이 측정판과 평행을 이루면서 이격되어 측정판 위를 덮어 측정판과의 사이에 중공을 형성하도록 배치된다. 측정판 높이 조절부는 그 측정판의 수직방향 위치를 가변시켜 투명 상판과 측정판 간의 간격을 조절할 수 있다. 연료가스를 측정판의 통공을 통해 중공 안으로 공급하여 측정판의 반경방향으로 단차 구조의 표면 위를 흐르면서 연소되도록 하여, 발생하는 화염으로부터 연료가스의 연소속도를 측정할 수 있다.

Description

좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크 버너 기반 연소 측정 장치 {Stepwise Narrow Gap Disc Burner for Measuring Combustion Speed of Combustible Mixture}

본 발명은 연소 물질의 연소 특징을 분석하기 위한 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소 물질의 혼합비, 온도, 압력 조건 등 연소 조건을 변화시키면서 연소 속도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 연소 측정 장치에 관한 것이다.

오늘날 전 세계적으로 화석 연료의 연소는 에너지 생산에 있어서 대략 80%를 차지할 정도로 여전히 큰 비중을 차지한다. 전통적인 화석연료뿐만 아니라 바이오 가스, 합성 가스 및 연소 시 발생하는 부생가스 등과 같은 다양한 대체 연료의 활용도 늘고 있다. 다양한 연소 시스템에서 발생하는 CO 및 NOx와 같은 오염 물질 배출은 환경 보호 및 지구 온난화에 대한 중요한 관심사이다. 이는 연비 개선, 오염 물질 배출 감소, 화염 냉각, 에어 스테이징, 재연소, 배기가스 재순환, 고온 공기 연소] 및 무화염 연소 등을 통한 대체 및 청정 연소 기술 개발을 촉진한다.

다양한 연료의 이용이 늘어나면서, 각 연료의 기본적인 연소 특성을 보다 편리하게 실험적으로 파악할 수 있는 방안이 필요하다. 특히, 연료가스의 연소 속도와 소염 거리 등을 효과적으로 측정하는 것은 에너지의 효율 향상과 산업 안전 측면에서 중요한 의미를 갖는다. 연소 속도는 미리 혼합된 연료와 산화제의 혼합물의 물리화학적 특성으로서, 혼합물의 확산성, 발열성, 반응성의 조합 등으로부터 영향을 받는다. 연소 속도는 연료와 공기의 혼합물의 전반적인 반응성을 측정하고 자세한 반응 메커니즘과 단순화 된 운동 모델의 열 방출률, 테스트 및 검증 속도를 결정하는 데 도움이 된다. 층류 연소 속도는 화염 안정화, 화염 재화, 화염 분출 및 화염 소멸과 같은 다양한 연소 현상을 설명하는 데 도움이 되는 주요 매개 변수이다. 연소 속도는 산업 용광로, IC 엔진, 가스 터빈 연료가스 등과 같은 연소 시스템에서 다양한 연소 현상의 모델링, 상세한 메커니즘을 통한 오염물 형성의 예측, 실제 조건 하에서 연료 + 산화제 혼합물의 연소의 정확한 모델링 등에 있어서 매개 변수로서 나타난다.

연료의 연소 속도를 측정하는 종래 기술로는, 연료가스 표면에 평면에 가까운 화염을 형성하고 유입되는 유량을 연소 속도로 판단하는 방법, 일정 체적의 용기 내부에서 화염의 전파를 촬영하여 전파속도를 구하는 방법, 예혼합 연료가스가 채워진 튜브 내부에 화염이 전파하는 속도를 측정하여 연소속도를 구하는 방법, 반대 방향으로 분출된 유동에 형성된 화염의 주위 유속을 측정하여 화염의 연소 속도를 측정하는 방법, 분젠화염의 각도를 측정하여 연소 속도를 환산하는 방법 등이 알려져 있다.

그러나 이러한 방법들은 다양한 원인에 의한 허용 가능한 수준 이상의 오차를 가진다. 또한, 복잡한 측정 장치와 숙련이 요구되어 산업 현장에서 적용하기에는 어려움이 많다는 단점이 있다.

앞으로는 많은 연소시스템에서 배출 규제, 효율 등 다양한 조건을 고려하여 최적화된 조건을 찾는 게 매우 중요해질 것으로 보인다. 이에 따라 여러 가지 연료를 섞어서 사용하거나 다른 물질과 섞어 사용하는 경우 역시 급증할 것으로 예상된다. 연소 속도는 혼합비, 온도, 압력 조건에 따라 항상 달라지기 때문에 다양한 연료의 혼합비나 상태에 따라 연소 속도를 파악하기 위해서는 간편하고 빠르게 측정할 수 있는 측정 장비가 반드시 필요하다. 특히 고압에서 연소속도를 측정하는 장비가 필요하다. 하지만 이런 요구에 부합하는 측정 장비는 여전히 시장에 알려져 있지 않다.

1. 대한민국 공개특허 10-2013-0110480 (2013.10.10. 공개. 발명의 명칭: 단차를 가진 확장 채널 연소 속도 및 소염 거리 측정 장치, 그리고 이를 이용한 시스템) 2. 대한민국 공개특허 10-2011-0027303 (2011.03.16. 공개. 발명의 명칭: 연소속도 측정기)

본 발명의 일 목적은 단차 구조를 갖는 디스크 기반 버너를 이용하여 연소 가스를 반경방향으로 흐르게 하면서 점화시켜 다양한 연료의 연소 속도 및 소염 거리를 정확하게 측정할 수 있는 단차 구조 디스크 기반 연소 속도 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 좁은 간격의 단차구조 디스크 버너 기반 연소 측정 장치는 측정판, 투명 상판, 그리고 측정판 높이 조절부를 포함한다. 상기 측정판은 중심부에 수직 통공이 형성되고, 상기 중심부에서 반경방향으로 멀어질수록 두께가 계단식으로 변하는 단차 구조를 갖는다. 상기 투명 상판은 상기 측정판과 평행을 이루면서 이격되어 상기 측정판 위를 덮어 상기 측정판과의 사이에 중공을 형성하도록 배치된다. 상기 측정판 높이 조절부는 상기 측정판의 수직방향 위치를 가변시켜 상기 투명 상판과 상기 측정판 간의 간격을 조절할 수 있도록 구성된다. 이러한 구성에 의해, 상기 연소 측정 장치는 연료가스를 상기 수직 통공을 통해 상기 중공 안으로 공급하여 상기 측정판의 반경방향으로 상기 단차 구조의 표면 위를 흐르면서 연소되도록 하여, 발생하는 화염으로부터 상기 연료가스의 연소속도를 측정할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 측정판은 상기 통공의 중심을 지나는 수직축에 대해 대칭 형상이고, 상기 통공의 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 두께가 계단식으로 감소하여 상면에 복수의 동심 환형 계단이 형성된 디스크 형태로 구성될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 측정판의 상면에 형성된 상기 단차 구조는 하류 방향에 대한 단면의 단면적이 일정하도록 가공될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소 측정 장치는 상기 연료가스를 상기 중공 안으로 원하는 유량으로 공급하도록 구성된 연료가스 공급부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소 측정 장치는 상기 중공 내에서 상기 연료가스가 점화되어 연소되는 모습을 촬영하도록 구성된 촬영부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소 측정 장치는 상기 연료가스 공급부가 상기 중공 안으로 공급하는 연료가스의 유량 정보, 상기 측정판 높이 조절부로부터 수집되는 상기 투명 상판과 상기 측정판 간의 간격 정보, 상기 촬영부로부터 수집되는 상기 연료가스의 화염 이미지를 이용하여 상기 중공 내에서 연소하는 상기 연료가스의 연소 속도를 산출하도록 구성된 제어부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소 측정 장치는 상기 투명 상판과 상기 측정판 사이에 상기 중공을 확보하기 위해 상기 투명 상판의 가장자리 부위를 지지하도록 구성된 지지대를 더 포함할 수 있다.

연료가스의 연소 환경은 연료가스마다 상이하며 연료가스에 공급되는 연료도 연료가스마다 상이하기에, 실제 연료가스의 최적화는 연료가스의 동작 조건을 최적화하는 방식으로 이루어져야 한다. 이를 위해 연료가스가 실제로 동작하는 고온 고압의 환경에서도 연소 속도를 정확하게 측정할 필요가 있다.

본 발명에 따른 연소 측정 장치는 연료가스가 실제로 동작하는 고압의 환경에서도 연소 속도를 정확하게 측정할 수 있다. 연료가스에서 생성된 화염의 전파 속도를 정확하게 측정하여 정보를 제공해 줄 수 있다.

본 발명에 의하면, 반경방향으로 유체가 흐르는 조건을 기반으로 측정판을 비롯한 연소 측정 장치의 여러 구성들이 설계되었는데, 반경방향 디자인을 통해 몇 가지 중요한 기술적 어려움을 극복하여 응용 가능성을 최대화함으로써 더 정밀한 연소특성의 측정이 가능하다는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 연료가스가 실제로 동작하는 환경에서 높은 신뢰도를 가지고 측정된 연소 속도를 이용하여 연료가스를 재설계하거나 혹은 연료가스의 동작 조건을 최적화하여 연소 특성을 개선할 수 있고, 이를 통해 전체 시스템의 효율 향상을 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다양한 연료의 연소 특성을 간단하고 빠르게 측정할 수 있다. 다양한 연료가스를 사용하는 산업현장에서 연료를 변환하여 운용하고자 할 때 빠른 피드백이 가능하다는 장점을 가진다. 앞으로 연료 다변화의 추세는 더욱 가속화될 것으로 예상되는데, 본 발명은 그러한 다양한 대체 연료 사용 환경에서 활용도가 더욱 높아질 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 단차구조 디스크형 버너 기반의 연소 측정 장치의 구성을 예시한다.
도 2는 도 1의 단차구조 디스크 형태의 측정판의 실제 시작품의 평면도, 측면도, 사시도에 해당하는 사진이다.
도 3은 도 1의 연소 측정 장치에서 DME를 여러 가지 조건으로 연소시켰을 때 발생하는 화염을 촬영한 사진들을 보여준다.
도 4는 도 1의 연소 측정 장치를 이용하여 화염 속도와 냉각 거리를 측정할 경우 획득 가능한 예상 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1에는 예시적인 실시예에 따른 단차구조 디스크형 버너 기반의 연소 측정 장치(10)가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 연소 측정 장치(10)는 측정판 높이 조절부(20), 측정판(30), 투명 상판(40)을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 측정판(30)은 중심부에서 반경방향으로 멀어질수록 두께가 계단식으로 변하는 단차 구조를 갖는 판일 수 있다. 그 측정판(30)의 중심부에는 수직방향의 통공(32)이 형성된다. 이 통공(32)은 연료가스가 유입되는 통로로서 제공된다.

예시적인 실시예에서, 측정판(30)은 상면이 동심 계단 구조로 된 디스크 형태일 수 있다. 즉, 측정판(30)은 통공(32)의 중심을 지나는 수직축에 대해 대칭 형상이고, 통공(32)의 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 그 두께가 계단식으로 감소한다. 그에 따라, 측정판(30)의 상면은 복수의 동심 환형 계단들이 형성된 표면 프로파일을 갖는다. 측정판(30)의 밑면은 평평한 평면일 수 있다. 이 경우, 측정판(30)을 측방에서 보면, 통공(32)이 형성된 중심부의 높이가 가장 높고, 거기서부터 반경방향으로 가면서 그 높이가 계단식으로 감소한다.

도 2는 단차구조 디스크 형태의 측정판(30)의 실제 시작품을 촬영한 사진들이다. 측정판(30)의 상면은 위에서 설명한 것처럼 통공(32)을 중심으로 환형의 계단들이 단차를 가지면서 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 측정판(30)의 상면에 형성된 단차 구조는 하류 방향에 대한 단면의 단면적이 일정하도록 가공될 수 있지만, 실험 조건에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 이에 따라 각 환형 계단의 반경방향 폭과 수직방향 높이는 다양하게 형성될 수 있다.

디스크 형상의 측정판(30)은 종래에 사용된 원형관에 비해 제작 정밀도가 상대적으로 높다. 또한, 상면에 형성되는 환형의 계단들 간의 간격을 조절하면 연료가스 유체(55)가 흐르는 부분의 단면적을 원하는 크기로 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다.

측정판(30)의 재질은 특정되지 않으며, 화염이 존재할 때 변형이 발생하지 않는 고체 소재이면 모두 가능하다. 요구되는 실험 정밀도에 따라 단차의 크기(길이와 높이)는 그에 적합하게 다양하게 정해질 수 있다.

그 측정판(30) 위에는 투명 상판(40)이 배치된다. 투명 상판(40)은 측정판(30)과 평행을 이루면서 이격되어 그 측정판(30) 위를 덮는 형태로 배치된다. 그러한 배치에 의해, 투명 상판(40)과 측정판(30) 사이에는 중공(45)이 마련될 수 있다. 연소 가스는 그 중공(45)에 투입되어 연소될 수 있다. 이 중공(45)을 통해 예혼합 연료가스가 흐른다. 이 중공(45)의 형상은 본 발명의 중요한 특징 중의 하나로서, 환형 계단 형상을 갖는 측정판(30)의 상면 프로파일과 투명 상판(40)의 밑면에 의해 규정된다. 중공(45)의 형상은 연소 가스가 반경방향으로 흐를 때 수직 단면의 크기가 계단식으로 변하게 해준다.

투명 상판(40)은 외부에서 연료가스(55)가 연소되는 동안에 화염(50)을 보거나 촬영할 수 있도록 투명하고, 고온의 화염(50)의 온도를 잘 버틸 수 있는 내열성 재질로 만들 수 있다. 그런 요건을 잘 만족하는 재질로서 석영을 들 수 있다.

투명 상판(40)의 표면에는 통공(32)의 중심과 수직방향으로 일치하는 지점을 원점으로 하여 반경 방향으로 거리를 나타내는 스케일이 표시될 수 있다. 그 스케일을 이용하여 중공(45) 내에서 발생하는 화염(50)의 크기를 추정할 수 있다.

측정판 높이 조절부(20)는 측정판(30)의 수직방향 위치를 가변시켜 그 측정판(30)과 투명 상판(40) 간의 간격을 정밀하게 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 측정판 높이 조절부(20)는 측정판(30)과 투명 상판(40) 간의 간격을 조절하기 위한 장치로서, 승강기(22), 상기 측정판(30)의 밑면을 받쳐주면서 상기 승강기 위에 얹힌 형태로 상기 승강기(22)와 결합되는 받침판(24), 그리고 상기 승강기(22)의 키높이를 늘이거나 줄이도록 구동하는 구동부(26)를 포함할 수 있다.

구동부(26)는 회전 동력을 발생시키는 구동 모터(26-1)와, 봉형 원기둥의 외면에 나사산이 형성되고 그 구동 모터(26-1)의 회전축에 일직선으로 결합되어 회전할 수 있도록 구성된 구동축(26-2)을 포함할 수 있다.

상기 승강기(22)는, 예시적인 실시예에서, 받침판(24)에 결합되어 그 받침판(24)을 받쳐주는 상판(22-1)과, 그 상판(22-1)의 아래쪽에 상판(22-1)과 나란히 배치되는 하판(22-2), 그리고 상판(22-1)과 하판(22-2) 사이를 연결하면서 구동축(26-2)과 맞물려 구동축(26-2)이 회전할 때 그 구동축(26-2)의 나사산을 타고 길이방향을 따라 움직이면서 수직방향으로 키높이가 늘어나거나 줄어들 수 있도록 구성된 높이 조절형 접이식 다리부(22-3)를 포함할 수 있다.

받침판(24)은 그 중심부에 축방향으로 관로(25)가 형성될 수도 있다. 그 관로(25)는 측정판(30)의 중심부에 마련된 통공(32)과 연통될 수 있다.

측정판 높이 조절부(20)는 예혼합 연료가스를 중공(45) 안으로 공급하면서 측정판(30)과 투명 상판(40) 간의 간격을 조절할 수 있는 기능을 제공할 수 있는 것이라면, 다른 형태의 구성도 가능하다.

연소 측정 장치(10)는 투명 상판(40)과 측정판(30) 사이에 중공(45)을 확보하기 위해 투명 상판(40)의 가장자리 부위를 지지하도록 구성된 지지대(34)를 더 포함할 수 있다. 지지대(34)는 투명 상판(40)과 측정판(30) 간의 이격 거리를 정밀하게 조절하기 위해 자신의 키높이를 조절할 수 있도록 구성될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 연소 측정 장치(10)는 연료가스를 중공(45) 안으로 원하는 유량으로 공급하도록 구성된 연료가스 공급부(60)를 더 포함할 수 있다. 연료가스 공급부(60)는 혼합 챔버(62), 적어도 하나 이상의 유량 제어기(mass flow controller: MFC)(64-1, 64-2, 64-3)와 개폐 밸브(V1, V2, V3), 적어도 하나 이상의 입력관(66-1, 66-2, 66-3), 그리고 출력관(68)을 포함할 수 있다. 연료가스 공급부(60)는, 필요에 따라, 연료를 고온에서 해리시킨 후 공급할 수 있는 장치로 구성될 수도 있다.

각 입력관(66-1, 66-2, 66-3)은 혼합 챔버(62)에 연통되게 연결된다. 혼합 챔버(62)는 각 입력관(66-1, 66-2, 66-3)을 통해서 산화제(공기 또는 산소 등)와 수소 가스나 다른 연료가스(H₂, CH₄, C₃H₈, DME(dimethyl ether : CH3OCH3) 등)를 입력받아 혼합할 수 있다. 각 입력관(66-1, 66-2, 66-3) 마다 혼합 챔버(62)로 공급되는 가스의 양을 측정할 수 있는 유량 제어기(mass flow controller: MFC)(64-1, 64-2, 64-3)와 입력관을 개폐하여 흐르는 가스의 양을 조절할 수 있는 개폐 밸브(V1, V2, V3)가 하나씩 배치될 수 있다. 출력관(68)은 혼합 챔버(62)와 측정판(30)의 통공(32) 사이에 연결되어, 혼합 챔버(62) 내의 예혼합 연료가스를 통공(32)을 통해 중공(45) 안으로 공급하는 역할을 할 수 있다. 출력관(68)은 받침판(24)에 마련된 관로(25)를 통해 통공(32)으로 연결될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 연소 측정 장치(10)는 촬영부를 더 포함할 수 있다. 촬영부는 중공(45) 내에서 예혼합 연료가스(55)가 연소하면서 발생시키는 화염(50)을 측정할 수 있다. 촬영부는 가시광선을 고속으로 촬영할 수 있는 고속 카메라와 열화상(적외선)을 촬영할 수 있는 적외선 카메라를 포함할 수 있다. 도시된 것처럼, 제1 고속 카메라(72)와 적외선 카메라(76)는 투명 상판(40) 위에서 중공(45) 내부를 촬영할 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 또한 제2 고속 카메라(74)는 화염(50)을 측방에서 촬영할 수 있는 위치에 배치될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 연소 측정 장치(10)는 제어부(80)를 더 포함할 수 있다. 제어부(80)는 연료가스 공급부(60)가 중공(45) 안으로 공급하는 연료가스의 유량 정보, 측정판 높이 조절부(20)로부터 수집되는 투명 상판(40)과 측정판(30) 간의 간격 정보, 그리고 촬영부(72, 74, 76)로부터 수집되는 연료가스의 화염 이미지 등을 이용하여 중공(45) 내에서 연소하는 연료가스(55)의 연소 속도를 산출하도록 구성될 수 있다.

제어부(80)는 측정판 높이 조절부(20)의 구동 모터(26-1)의 운전을 제어하여 투명 상판(40)과 측정판(30) 간의 간격을 조절할 수 있다. 제어부(80)는 각 유량 제어기(64-1, 64-2, 64-3)가 측정하는 유량 데이터를 수집할 수 있고, 밸브(V1, V2, V3)에 대한 개폐 제어를 수행할 수 있다. 이를 통해 제어부(80)는 연소속도 측정을 위해 연료가스 공급부(60)가 중공(45) 안으로 공급하는 예혼합 연료가스의 유량을 제어, 측정할 수 있다. 또한, 제어부(80)는 MFC(64-1, 64-2, 64-3)를 제어하여 연료와 공기의 혼합비를 조절할 수 있다. 또한, 제어부(80)는 카메라(72, 74, 76)들이 촬영하는 영상을 수집할 수 있다.

제어부(80)는 이렇게 수집된 데이터를 이용하여 연료가스의 연소 속도를 산출할 수 있다. 즉, 제어 장치(80)는 촬영부의 카메라(72, 74, 76)를 통해 획득된 이미지와 투명 상판(40)과 측정판(30) 간의 간격 정보로부터 화염(50)이 형성된 위치에서의 단차 구조의 단면적을 계산할 수 있다. 그리고 그 계산된 단면적 및 연료 가스의 총 유량을 기초로 화염위치에서의 미연가스의 속도를 계산할 수 있으며, 이를 화염의 전파속도로 판단할 수 있으며, 실험 결과로부터 학술적으로 유의미한 연소속도를 추산해 낼 수 있다.

다음으로, 연소 측정 장치(10)의 동작을 설명한다.

화염(50)은 고유의 전파속도를 가지므로, 통공(32)을 통해 중공(45) 안으로 공급되어 반경방향으로 흐르는 예혼합 연료가스(55)의 유동속도가 화염의 전파속도와 같은 경우 중공(45) 내의 특정 위치에 정지하게 된다. 이를 이용하여 공급된 연료가스(55)의 유량을 알고, 단면적을 알면 화염 전파속도를 측정할 수 있다. 이러한 것에 기초하여 연료가스의 연소 속도를 측정할 수 있다. 이하에서는 이를 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 밸브(V1, V2, V3)를 열어 공기(air)와 원하는 연료 물질들(H2, CH4, C3H8, DME 등)을 혼합 챔버(62)에 공급한다. 이 때, 혼합 챔버(62)에 공급되는 각 물질들의 양은 각 유량 제어기(64-1, 64-2, 64-3)를 이용하여 측정될 수 있다. 혼합 챔버(62)에 유입된 공기와 연료물질은 그 안에서 혼합되고, 그 혼합된 연료가스는 연소 특성을 측정하기 위해 출력관(68)을 통해 배출되어 측정판(30)의 통공(32)을 통해 중공(45) 안으로 투입될 수 있다. 통공(32)을 통해 출력되는 연료가스(55)는 중공(45) 내에서 수직축 방향으로 상승하여 투명 상판(40)에 부딪힌 다음, 진행방향이 거의 수직으로 꺾이면서 반경방향으로 퍼져나가게 된다. 이 때, 연료가스가 반경방향으로 진행하면서 퍼져나갈 때 그 연료가스가 통과하는 미소 수직 단면의 넓이(dS)는 다음과 같다.

dS= r dφ dz ......(1)

여기서, r은 통공(32)의 중심에서 미소 수직단면까지의 반경이고, dφ는 상기 중심에서 그 미소 수직단면의 좌우측 모서리까지의 사이각(원주방향 각)을 나타내고, dz는 그 미소 수직단면의 높이를 나타낸다.

통공(32)의 중심에서 반경방향으로 멀어지면서(r이 증가하면서) 그 미소 수직단면의 높이(dz)는 계단식으로 증가하므로, 상기 사이각(dφ)이 일정할 때 반경(r)이 증가하면서 수직 단면의 면적(dS)도 계단식으로 넓어진다. 따라서 반경방향으로 퍼져나가는 연료가스(55)의 유동 속도도 변하게 되는데, 단차가 없는 구간에서는 연료가스(55)의 속도는 일정한 비율로 연속적으로 감소하지만, 단차를 지나면서 단면적이 그 단차의 크기만큼 급격하게 변하므로 연료가스(55)의 속도도 급격하게 감소한다.

예혼합 연료가스(55)가 반경방향으로 퍼져나가는 상태에서 중공(45) 내의 외곽에서 점화를 하면, 그 점화 지점으로부터 반대 방향으로 즉, 통공(32) 쪽으로 불꽃이 순식간에 전파되고, 예혼합 연료가스(55)의 유동속도와 연소속도가 균형을 이루는 위치에서 화염(50)의 말단부가 정지하게 된다. 예혼합 연료가스(55)의 유동속도가 가스연료의 연소속도보다 빠르거나 느린 경우에는 화염이 요동치거나 또는 사라지게 되지만, 유동속도와 연소속도가 균형을 이루게 되면 화염이 정지하게 된다. 예시적 실시예에 따른 연소 측정 장치(10)에서, 중공(45)의 반경방향에 대한 수직 단면적이 계단식으로 증가하므로 그 중공(45) 내에서 예혼합 가스의 유동속도가 변경되는데, 그 유동속도의 범위가 넓으므로 가스연료의 연소속도와 균형을 이루는 유동속도 지점(화염이 정지하는 지점)이 중공(45) 내에 존재할 수 있다. 중공(45) 내에서 반경방향으로 흘러나가는 예혼합 가스의 유동속도가 점차적으로 감소되므로, 가스연료의 연소속도가 빠를수록 화염은 통공(32)의 중심에서부터 더 가까운 지점에서 정지하여 발생하고, 가스 연료의 연소 속도가 느릴수록 화염은 통공(32)의 중심으로부터 먼 위치에서 정지하여 발생한다.

측정판(30)의 상면 프로파일은 계단 형상의 단차 구조이므로, 연료가스가 점화 된 후 화염은 단면적이 변하는 계단 근처에 위치한다. 측정판(30)은 통공(32)의 중심축을 기준으로 공간적으로 대칭 구조를 가지고 반경방향으로 갈수록 중공(45)의 단면적이 계단식으로 증가하게 되어, 화염이 대칭 구조로 평탄하게 형성된다.

화염이 정지하는 위치는 가스연료의 종류에 관계없이 가스연료와 산화제(공기)의 혼합비에 의해 결정된다. 따라서 가스연료(예를 들어 메탄)와 산화제의 연료가스를 중공(45) 안으로 공급하여 점화시킨 상태에서, 화염의 정지 위치(즉, 통공(32)의 중심으로부터의 거리)를 측정하고, 측정된 거리를 해당 조건에서의 가스연료의 연소속도와 대응시킨다. 화염의 정지 위치는 측정판(30)의 단차의 순번을 기준으로 판단할 수 있다. 이때, 가스연료의 연소속도는 연소가 일어나는 중공(45)의 기하학적인 형상(화염이 정지된 지점까지의 부피)과 혼합비를 통해 이론적으로 계산할 수 있다. 화염이 형성되는 공간인 중공(45)은 통공(32)을 중심으로 대칭적인 형상이어서 가스연료의 연소 시 화염의 형상이 통공(32)을 중심으로 대칭적일 수 있다. 이러한 대칭적 화염 형상은 연소속도의 해석에 유리하다.

도 3은 DME를 연료가스를 사용하여 도 1의 장치에서 연소시킨 경우 발생하는 화염을 촬영부의 카메라로 촬영한 사진들을 보여준다.

도 3을 참조하면, 연료가스의 농도가 짙은 경우와 옅은 경우 두 가지에 대하여 연소 실험을 해보았다. 화염은 통공(32)을 중심으로 환형을 이루면서 발생하였다. 연료가스의 유동속도(propagation velocity)가 빠른 경우(도 3의 (A)와 (B) 참조)의 화염의 직경에 비해 느린 경우(도 3의 (C)와 (D) 참조)의 화염의 직경이 더 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 연료가스의 유동 속도가 낮을수록 화염의 발생 위치가 통공(32)으로부터 더 멀리 발생함을 확인할 수 있다.

또한, 연료가스의 상대적인 농도에 따라 화염의 형태가 거의 원형에 가까운 경우(도 3의 (B)와 (D) 참조)와 비대칭적이고 불규칙적인 경우(도 3의 (A)와 (C) 참조)와 불연속적이면서 불안정한 경우(도 3의 (E)와 (F)참조)도 존재할 수 있다. 이러한 형상 역시 화염의 불안정성과 관련된 고유특성이므로 실험 결과로 유용하게 활용될 수 있다.

도 4는 도 1의 연소 측정 장치를 이용하여 화염 속도와 냉각 거리를 측정할 경우 획득 가능한 예상 결과를 나타내는 그래프이다.

도 4의 (A)는 화염의 전파속도와 특성길이 관계를 측정할 때 획득 가능한 예상도이며, 도 4의 (B)는 화염이 전파할 수 있는 최소 거리인 소염거리를 제시하고 있다. 도 4의 (C)는 도 4의 (A)의 결과 중 가장 대표적인 속도에 대한 환산 값으로 연료의 농도별 화염의 대표전파 특성을 나타내는 중요한 결과를 획득할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 세 가지의 결과는 도 4의 (D)와 같이 농도-길이-속도의 물리적 공간에 연속적인 면으로 표현될 수 있을 것이며, 그 결과는 연료의 연소특성을 종합적으로 표현할 수 있을 것이다.

연료가스를 설계할 때 필요한 가장 중요한 정보는 주어진 연료의 연소 속도이다. 연소 속도와 연료가스에 유입되는 연료가스의 유속의 차이에 따라 화염이 연료가스 내부에서 안정적으로 유지될지 아닐지가 결정되기 때문이다. 하지만 연료가스가 실제로 동작하는 고압 환경에서 측정된 연료 연소 속도 정보는 매우 제한되어 있다. 본 발명에 따른 연소 측정 장치(10)는 고압, 고온에서의 연료가스의 연소 속도 측정이 가능하다.

고온, 고압에서는 매우 좁은 간격(측정판(30)과 투명 상판(40) 간의 간격)에 화염이 전파할 수 있어서 더 정밀한 장치가 필요하다. 예를 들어 10기압 정도에서는 대략 0.5 mm 이하의 간격이 필요하다. 본 발명에 따른 측정판(30)은 이러한 좁은 간격을 갖는 연소 공간을 만드는 데 매우 유리하다. 본 발명의 측정판(30)은 석영 평판을 사용하여 단차 구조가 형성된 디스크형으로 제작되므로, 종래에 비해 정밀하게 제작할 수 있고, 연소 공간의 간격을 좁게 형성하는 데 유리한 구조이다. 측정판 높이 조절부(20)도 측정판(30)의 높이 조절을 정밀하게 할 수 있도록 구성하면, 측정판(30)과 투명 상판(40) 간의 간격을 더욱 정밀하게 조절할 수 있다. 이처럼 본 발명에 따른 연소 측정 장치(10)는 정밀한 연소 간격 조절이 용이하므로 고압에 필요한 정밀도 유지가 가능하다. 종래의 원기둥형 측정봉을 이용한 연소 속도 측정 장치(선행 특허문헌 1 및 2 참조)는 진원의 단면을 가지는 튜브를 만들지 못하면 내부의 코어를 정밀하게 가공해도 간격 오차가 커서 연소 속도의 측정에 큰 어려움이 발생한다.

본 발명은 다양한 종류의 연료 가스가 사용되는 분야에 적용되어 그 연료 가스의 연소속도를 측정하는 데 유용하게 활용될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 장치의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10: 연속 측정 장치 20: 측정판 높이 조절부
30: 측정판 40: 투명 상판
45: 중공(연소 공간) 50: 화염
60: 연료가스 공급부 80: 제어부

Claims (7)

1. 중심부에 수직 통공이 형성되고, 상기 중심부에서 반경방향으로 멀어질수록 두께가 계단식으로 변하는 단차 구조를 갖는 측정판;
   상기 측정판과 평행을 이루면서 이격되어 상기 측정판 위를 덮어 상기 측정판과의 사이에 중공을 형성하도록 배치되는 투명 상판; 및
   상기 측정판의 수직방향 위치를 가변시켜 상기 투명 상판과 상기 측정판 간의 간격을 조절할 수 있도록 구성된 측정판 높이 조절부를 구비하고,
   연료가스를 상기 수직 통공을 통해 상기 중공 안으로 공급하여 상기 측정판의 반경방향으로 상기 단차 구조의 표면 위를 흐르면서 연소되도록 하여, 발생하는 화염으로부터 상기 연료가스의 연소속도를 측정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조 디스크 버너 기반 연소 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 측정판은 상기 통공의 중심을 지나는 수직축에 대해 대칭 형상이고, 상기 통공의 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 두께가 계단식으로 감소하여 상면에 복수의 동심 환형 계단이 형성된 디스크 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크형 버너 기반 연소 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 측정판의 상면에 형성된 상기 단차 구조는 하류 방향에 대한 단면의 단면적이 일정하도록 가공된 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크형 버너 기반 연소 측정 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 연료가스를 상기 중공 안으로 원하는 유량으로 공급하도록 구성된 연료가스 공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크형 버너 기반 연소 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 중공 내에서 상기 연료가스가 점화되어 연소되는 모습을 촬영하도록 구성된 촬영부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크형 버너 기반 연소 측정 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 연료가스 공급부가 상기 중공 안으로 공급하는 연료가스의 유량 정보, 상기 측정판 높이 조절부로부터 수집되는 상기 투명 상판과 상기 측정판 간의 간격 정보, 상기 촬영부로부터 수집되는 상기 연료가스의 화염 이미지를 이용하여 상기 중공 내에서 연소하는 상기 연료가스의 연소 속도를 산출하도록 구성된 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크형 버너 기반 연소 측정 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 투명 상판과 상기 측정판 사이에 상기 중공을 확보하기 위해 상기 투명 상판의 가장자리 부위를 지지하도록 구성된 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 좁은 간격의 단차구조를 가진 디스크형 버너 기반 연소 측정 장치.

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