Examination of 2-Fluid Nozzle and 3-Fluid Nozzle for Fuel ...
Transcript of Examination of 2-Fluid Nozzle and 3-Fluid Nozzle for Fuel ...
16 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 13 NO. 1 (2008)
5 kW๊ธ SOFC ์์คํ ์ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ๋ฅผ ์ํ 2-์ ์ฒด
๋ ธ์ฆ๊ณผ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒํ
๊ถํ๊ธธ*ยท์ด์น์*ยท์ด์์ฉโ
Examination of 2-Fluid Nozzle and 3-Fluid Nozzle for Fuel Reformer of 5 kW SOFC System
Hwa-Kil Kwon, Chi Young Lee and Sang Yong Lee
Key Words: Fuel Reformer(์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ), 2-Fluid Nozzle(2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ), 3-Fluid Nozzle(3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ)
Abstract
In the present study, the 2-fluid nozzle and 3-fluid nozzle to atomize the diesel and water with air for the fuel
reformer of SOFC system were experimentally examined. In the 2-fluid nozzle, the diesel and water were alternately
atomized due to bislug flow pattern, and it implies that the mixing of both liquids strongly affects the atomization pat-
tern. On the other hand, in the 3-fluid nozzle, the diesel and water were atomized simultaneously due to the separated
injection channels without mixing problem. Therefore, compared to the 2-fluid nozzle, the 3-fluid nozzle is suitable
for the stable operation of the fuel reformer. In case of the 3-fluid nozzle, Type A where the air was supplied through
the central channel was the most efficient.
๊ธฐํธ์ค๋ช
ALR ์ก์ฒด ์ง๋์ ๋์ ๋ํ ๊ณต๊ธฐ ์ง๋์ ๋์ ๋น(Air
Liquid Ratio)
D ๋์ ค
SMD Sauter ํ๊ท ์ ๊ฒฝ(Sauter Mean Diameter) [ฮผm]
W ๋ฌผ
WA ๊ณต๊ธฐ์ ์ง๋์ ๋ [kg/s]
WL ์ก์ฒด์ ์ง๋์ ๋ [kg/s]
1. ์ ๋ก
์ต๊ทผ ํ์์ฐ๋ฃ์ ์ฌ์ฉ์ผ๋ก ์ธํด ๋ฐ์๋๋ ์ง๊ตฌ์จ๋ํ
์ ํ๊ฒฝ์ค์ผ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํ ๋์์ผ๋ก ์์์๋์ง
๊ฐ ์ ๋ ฅํ ๋ฏธ๋ ์๋์ง์์ผ๋ก ๊ฐ๊ด๋ฐ๊ณ ์๋ค. ์ด๋ฌํ ์ฌ
ํ์ ์ธ ์๊ตฌ์ ํจ๊ป ์์๋ฅผ ํจ์จ์ ์ผ๋ก ์ฌ์ฉํ๊ธฐ ์ํ
์์ฉ๋ถ์ผ๋ก ์์์ ํํ์๋์ง๋ฅผ ์ ๊ธฐ์๋์ง๋ก ๋ณํ์
ํค๋ ์ฐ๋ฃ์ ์ง๊ฐ ๊ด์ฌ์ ๋์์ด ๋๊ณ ์๋ค. ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ
(fuel reformer)๋ ์ฐ๋ฃ์ ์ง์ ์ฌ์ฉ๋๋ ์์๋ฅผ ์์ฐํด ๋ด
๊ธฐ ์ํ ์ฅ์น๋ก์ ๊ทธ ์ฐ๋ฃ๋ก๋ ์ฒ์ฐ๊ฐ์ค, ๋ฉํ์ฌ, ๊ฐ์
๋ฆฐ, ๋์ ค ๋ฑ์ ํํ์์๊ฐ ์ฌ์ฉ๋๋ฉฐ, ๊ทธ ์ค์์ ๋์ ค์ ๊ฒฝ
์ฐ ์์์๋์ง ๋ฐ๋๊ฐ ๋๊ณ ๊ธฐ์กด์ ๊ตฌ์ถ๋ ๊ธฐ๋ฐ์์ค์ ์ด
์ฉํ ์ ์๋ค๋ ์ฅ์ ๋๋ฌธ์ ์ฐ๊ตฌ์ ๋์์ด ๋๊ณ ์๋ค(1).
ํํ์์ ์ฐ๋ฃ๋ก๋ถํฐ ์์๋ฅผ ์ป๊ธฐ ์ํ ๊ฐ์ง ๋ฐฉ๋ฒ ์ค
์์ด๊ฐ์ง(autothermal reforming)๋ฒ์ ์ฐ๋ฃ์ ํจ๊ป ๊ณต๊ธฐ,
์์ฆ๊ธฐ๋ฅผ ๋์์ ์ด์ฉํ๋ ๋ฐ์์ผ๋ก์ ๋ถ๋ถ์ฐํ๋ฅผ ํตํด
์์ฑ๋ ์ด์ ์ด์ฉํด ์์คํ ์ ์๋ฆฝ์ด์ ์ด ๊ฐ๋ฅํ๊ณ ๋ค
(2008๋ 3์ 4์ผ ์ ์ ~ 2008๋ 3์ 15์ผ ์ฌ์ฌ์๋ฃ)โ ์ฑ ์์ ์, ํ์, ํ๊ตญ๊ณผํ๊ธฐ์ ์E-mail : [email protected]
TEL : (042)869-3026 FAX : (042)869-8207
*ํ๊ตญ๊ณผํ๊ธฐ์ ์
ํ๊ตญ์ก์ฒด๋ฏธ๋ฆฝํํํ์ง ์ 13๊ถ ์ 1ํธ(2008)/ 17
๋์ ์์๋ฅผ ์ป์ ์ ์๋ ์ฅ์ ์ด ์๋ค. ์ด๋ ์ฐ๋ฃ๋ก์
๋์ ค์ ์ฌ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ ์์ ์ธ๊ธํ ์ด์ ์ด ์์ผ๋, ๋์ ค์
ํน์ฑ์ ๊ธฐํ์ ์ด๋ ค์, ๊ฐ์ง๋ฐ์ ๋์ ๋ฐ์ํ๋ ํ์์นจ
์ (carbon deposition)๊ณผ ๊ฐ์ ๋ฌธ์ ์ ๋ค์ด ์์ด ๊ฐ์ง๊ธฐ์
์ฅ๊ธฐ์ด์ ์ฑ๋ฅ ํ๋ณด๊ฐ ์ด๋ ต๋ค(2). ๋ฐ๋ผ์ ์ด์ ๊ฐ์ ๋ฌธ์
๋ค์ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋์ ค์ฐ๋ฃ๋ฅผ ๊ณต๊ธํ ๋ ๋์ ค์ ์
์ ํ ๊ธฐํ์ํค๊ณ , ๊ธฐํ๋ ์ฐ๋ฃ๋ฅผ ๊ณต๊ธฐ, ์์ฆ๊ธฐ์ ๊ท ์ผํ
๊ฒ ํผํฉํ์ฌ ์ด๋งค์ธต์ผ๋ก ๊ณต๊ธํ๋ ๊ฒ์ด ํ์ํ๋ค(3-5). ๋
์ ค์ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ธฐํ์ํค๊ธฐ ์ํด์ ๋ฏธ๋ฆฝํ ๊ธฐ์ ์ด ์ด
์ฉ๋๊ณ ์์ผ๋ฉฐ, ๊ทธ ์๋ก Kang ๋ฑ(6)์ ๋์ ค์ฐ๋ฃ๋ฅผ ๋ฐ์
๊ธฐ์ ๊ณต๊ธํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์ด์ํ ์ธ์ ํฐ(ultrasonic injector)
๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์๋๋ฐ ๋์ ค์ ๋ฏธ๋ฆฝํ์ํค์ง ์๊ณ ๊ณต๊ธํ์์
๋๋ณด๋ค ๊ฐ์งํจ์จ์ด 20% ์ฆ๊ฐํ๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ
๊ณ Kwon ๋ฑ(7)์ ์ด์ํ ์ธ์ ํฐ๋ณด๋ค ๋ด๊ตฌ์ฑ์ด ์ฐ์ํ 2-
์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋์ ค์ฐ๋ฃ์ ๋ฏธ๋ฆฝํ ์คํ์ ์ํ
ํ์๊ณ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ๋ฅผ ์ํ ํ์ฌ ๊ฐ๋ฅ์ฑ์ ๊ฒํ ํ์๋ค.
์์ด๊ฐ์ง ๋ฐ์์ ์์ด ์์ฆ๊ธฐ๋ ๊ฐ์ง ์ค ๋ฐ์ํ๋ ํ
์์นจ์ ์ ์ค์ฌ์ค ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์์ฆ๊ธฐ์ ๊ณต๊ธ ๋ํ
์ค์ํ๋ค(6). ํ์ฌ๋ ์์ฆ๊ธฐ ๊ณต๊ธ์ ์ํด ์ธ๋ถ ์ด๊ตํ๊ธฐ
๋ฅผ ํตํด ๋ฌผ์ ์์ฆ๊ธฐ ์ํ๋ก ๋ฏธ๋ฆฌ ๊ธฐํ์ํจ ํ ๋ฐ์๊ธฐ
๋ด๋ก ๊ณต๊ธํ๊ฑฐ๋(2, 8), ๋ฌผ์ ๊ณต๊ธํ ์ ์๋ ์์ ๊ด์ ๋ฐ
์๊ธฐ์ ์ธ๋ฒฝ์ ์ค์นํ์ฌ ์ธ๋ฒฝ๊ณผ์ ์ด๊ตํ์ ํตํด ์์ฆ
๊ธฐ ์ํ๋ก ๊ณต๊ธํ๊ณ ์๋ค(9). ์ด๋ ๊ณต๊ธ๊ณผ์ ์์์ ๋งฅ๋
์ ์ต์ํํ๊ธฐ ์ํ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ๋ณ๋์ ๋ผ์ธ(line)์ ์ค์น
ํ์ฌ ์ง์๋ฅผ ์บ๋ฆฌ์ด(carrier)๋ก์ ๊ณต๊ธํ๊ณ ์๋ ์ํฉ์ด
๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ์ง์์ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ๊ณต๊ธ ์์ด ๋ฌผ๋ ๋์ ค์ฐ๋ฃ์
๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ๊ฐ์ง๊ธฐ ๋ด์์ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋ฅผ ํตํด ๊ธฐํ์ํจ๋ค๋ฉด
์์ฆ๊ธฐ๋ฅผ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ณต๊ธํ ์ ์์ ๊ฒ์ด๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๊ธฐ์กด์ ์๋๋์ง ์์๋ ๋์ ค
์ฐ๋ฃ์ ๋ฌผ์ ๋์์ ๋ฏธ๋ฆฝํ์ํค๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๊ณ ๋ คํ์์ผ๋ฉฐ,
๋ฏธ๋ฆฝํ๊ธฐ๋ก๋ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ๊ณผ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์ ์ ํ์๋ค.
2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ์ฃผ๋ณ์์ ์ฝ๊ฒ ๊ตฌํ ์ ์๋ ์์ฉ
๋ ธ์ฆ์ ์ฌ์ฉํ์๊ณ , 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ธฐ์กด์ ์์ฉ ์
ํ์ด ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ณธ ์คํ์ ์ํด ์ ์ํ์๋ค. ์์ด๊ฐ์ง
๋ฒ์ ๋ฐ์๋ฌผ๋ก ๊ณต๊ธฐ๋ ํฌํจํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ด ๋ ธ์ฆ๋ค์ ๊ฒฝ
์ฐ ๋ฏธ๋ฆฝํ์ ํ์ํ ์ถ๊ฐ์ ์๋์ง ๊ณต๊ธ์ด ์์ด๋ ๋ฐ์
์ ์ํ ์ผ๋ถ ๊ณต๊ธฐ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋์ ค์ฐ๋ฃ์ ๋ฌผ์ ๋ฏธ๋ฆฝํ
์ํฌ ์ ์๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ ๋ฐ 3-์ ์ฒด ๋ ธ
์ฆ์ ์ด์ฉํ์ฌ ๋์ ค, ๋ฌผ, ๊ณต๊ธฐ๋ฅผ ๋์์ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ ๋ด
์ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ณต๊ธํ ์ ์๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๊ฒํ ํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ
๊ณ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ๊ณต๊ธ๋๋ ์์น์ ๋ฐ๋ผ 3
์ข ๋ฅ๋ก ๋ถ๋ฅํ์ฌ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋ ์ก์ ์ ํฌ๊ธฐ ์ธก์ ๋ฐ ๊ณต๊ธ๋
๊ณต๊ธฐ๋์ ๋ํ ๋ฏธ๋ฆฝํ ์ ๋๋ฅผ ๋น๊ตํ์๋ค.
2. ์คํ์ฅ์น ๋ฐ ์กฐ๊ฑด
2.1 ์คํ์ฅ์น
2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ๊ณผ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์ํ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์๋ฏธ๋ฆฝํ
๋ฅผ ์กฐ์ฌํ๊ธฐ ์ํ ์คํ์ฅ์น๋ Fig. 1์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ
์ด ๋ ธ์ฆ, MFC(mass flow controller), ๊ณต๊ธฐ ๋ ๊ทค๋ ์ดํฐ,
ํํ, ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ ์ ์ฅ์ฉ๊ธฐ, ์ ์์ ์ธ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋์ด ์๋ค.
Figure 1์ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๋ํ ์คํ์ฅ์น ๊ฐ๋ต๋๋ก์
๋ ธ์ฆ์ ๊ธฐ์ค์ผ๋ก ์ข์ธก์ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ๊ณต๊ธ๋๋ ๋ผ์ธ์ด๊ณ ์ฐ
์ธก์ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ด ๊ณต๊ธ๋๋ ๋ผ์ธ์ด๋ค. ๊ณต๊ธฐ๋ผ์ธ์ ๊ฒฝ์ฐ
์์ถ๋ ๊ณต๊ธฐ๋ฅผ ๊ณต๊ธํ๋ฉด ๊ณต๊ธฐ ๋ ๊ทค๋ ์ดํฐ์ ์ํด 2 bar
๋ก ์กฐ์ ๋ ํ MFC(Aalborg, GFC37)์ ์ํด ํ์ํ ์
๋์ ์ค์ ํ๋๋ก ๋์ด ์๋ค. ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ฐ๊ฐ์
ํํ(๋์ ค : Fluid Metering, Inc, RHB00SKY; ๋ฌผ : HNP
Mikrosysteme GmbH, mzr-4622)๋ฅผ ๊ตฌ๋์์ผ ๋ฏธ๋ฆฌ ์ค์
ํ ์ ๋์ผ๋ก ๊ณต๊ธํ์๊ณ , Y-ํํ์ ํผํ (fitting)์ ํต๊ณผ
์์ผ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ด ํจ๊ป ํ ๊ฐ์ ๋ผ์ธ์ผ๋ก ํฉ์ณ์ง ํ ๋ ธ
์ฆ์ ๊ณต๊ธ๋๋๋ก ํ์๋ค. 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๋ํ ์คํ์ฅ์น
์ ๊ฐ๋ต๋๋ ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์ ๋์ํ์ง ์์์ง๋ง, Y-ํํ์ ํผ
ํ ์์ด ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฐ ์ ๋ก๋ฅผ ํตํด ๊ณต๊ธ๋๋ค๋
๊ฒ์ ์ ์ธํ๊ณ ๋ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์คํ์ฅ์น์ ๊ฐ๋ค. ๋ณธ ์ค
ํ์ ์ฌ์ฉ๋ ๋์ ค์ ์์ฉ ๋์ ค(GS Caltex)๋ก์ ๋ ธ์ฆ์
๊ณต๊ธ๋๋ ๋์ ค ์ ๋์ ์ธก์ ํ๊ธฐ ์ํด์ ๋์ ค์ ๋ณํ๋
์ง๋๊ณผ ์๊ฐ์ ์ธก์ ํ์์ผ๋ฉฐ, ๋ฌผ์ ์ ๋๋ ๊ฐ์ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ
๋ก ์ธก์ ํ์๋ค. ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๋ณํ๋ ์ง๋์ ์ธก์ ํ๊ธฐ ์
ํด ์ ์์ ์ธ(AND, EK-4000i)์ ์ฌ์ฉํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ๋ ธ
์ฆ์ ์ํด ๋ฏธ๋ฆฝํ๋ ์ก์ ์ ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ์ธก์ ํ๊ธฐ ์ํด ๋ ์ด
์ ํ์ ์ด๋ก ์ ์ด์ฉํ ์ ๊ฒฝ ์ธก์ ์ฅ์น(HELOS VARIO,
Sympatec)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
2.2 ์คํ์กฐ๊ฑด
๋ณธ ์คํ์ ์ฌ์ฉ๋ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์์ฉ ๋ ธ์ฆ(Spraying
Systems, fluid cap : PF2850, air cap : PA64)๋ก์ ๋์ ค๊ณผ
๋ฌผ์ Fig. 2์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๋ ธ์ฆ์ ์ค์ฌ ๋ถ๋ถ์ ํจ
๊ป ๊ณต๊ธ๋๊ณ , ๊ณต๊ธฐ๋ ์ธ๊ฐ ๋ถ๋ถ์ ๊ณต๊ธ๋๋ ํํ์ด๋ค.
๋ ธ์ฆ์ ๊ณต๊ธ๋๋ ๋ฐ์๋ฌผ์ ์ ๋์กฐ๊ฑด์ Table 1๊ณผ ๊ฐ๋ค.
Fig. 1 Experimental setup for 2-fluid nozzle
18 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 13 NO. 1 (2008)
๋์ ค์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ 5 kW๊ธ ๊ณ ์ฒด์ฐํ๋ฌผ ์ฐ๋ฃ์ ์ง(SOFC,
Solid Oxide Fuel Cell)์ ํ์ํ 40 ml/min์ผ๋ก ์ ํ
ํ์๊ณ , ๋ฌผ๊ณผ ๊ณต๊ธฐ๋ ๊ฐ๊ฐ 40 ml/min, 3~7 l/min์ผ๋ก
๊ณต๊ธํ์๋ค. ๋ ธ์ฆ์ ๋ ๋จ์์ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ด ์ ์ถ๋๋
์ค๋ฆฌํผ์ค ํฌ๊ธฐ๋ 0.72 mm์ด๊ณ , ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ์ ์ถ๋๋ ๊ฐญ
(gap)์ ํฌ๊ธฐ๋ 0.2 mm๋ก, ๊ณต๊ธ๋๋ ๋ฐ์๋ฌผ์ ์ ๋์ด
์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์์ฉ ๋ ธ์ฆ ์ค์์ ์์ ํฌ๊ธฐ์ ๋ชจ๋ธ์ ์
ํํ์๋ค.
Figure 3์ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฐ๋ต๋๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ผ๋ก
2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ๊ณผ๋ ๋ฌ๋ฆฌ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ด ์๋ก ๋ถ๋ฆฌ๋ ์ ๋ก
๋ฅผ ํตํด ๊ณต๊ธ๋๊ณ ๊ณต๊ธฐ๋ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ๋ณ๋์ ์ ๋ก๋ฅผ
ํตํด ๊ณต๊ธ๋๋ ํํ์ด๋ค. ๋ ธ์ฆ์ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ๊ณต๊ธ๋๋ ์
์น์ ๋ฐ๋ผ 3์ข ๋ฅ๋ก ๊ตฌ๋ถํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ์ ๊ฐ์ด๋ฐ ์ค
๋ฆฌํผ์ค๋ฅผ ํตํด ์ ์ถ๋๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ฅผ ํธ์์ Type A, ์ค๊ฐ
์ ์์นํ ๊ฐญ์ ํตํด ์ ์ถ๋๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ฅผ Type B, ๊ฐ์ฅ
๋ฐ๊นฅ์ชฝ์ ์์นํ ๊ฐญ์ ํตํด ์ ์ถ๋๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ฅผ Type C
๋ก ํ์ํ์๋ค(Fig. 4). ๋ ธ์ฆ์ ํฌ๊ธฐ๋ ๋ ธ์ฆ์ ๊ฐ๊ณต๊ณผ
์กฐ๋ฆฝ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ๊ฒฐ์ ํ์๋ค. ๋ ธ์ฆ์ ๊ณต๊ธ๋๋
๋ฐ์๋ฌผ์ ์ ๋์ Table 1์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๋์ ค์
๊ฒฝ์ฐ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์์์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก 40 ml/min ์ผ๋ก
ํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ๋ฌผ๊ณผ ๊ณต๊ธฐ์ ๊ฒฝ์ฐ๋ ๋ฏธ๋ฆฝํ๊ฐ ๊ฐ๋ฅํ
๊ณ ํํ์ MFC์ ์๋์ด ๊ฐ๋ฅํ ๋ฒ์ ๋ด์์ ์ ํํ
์ฌ ๋ฌผ์ 40, 70 ml/min, ๊ณต๊ธฐ๋ 9~39 l/min์ผ๋ก ๊ณต๊ธ
ํ์๋ค.
Fig. 2 2-fluid nozzle
Table 1 Experimental conditions
Diesel
(ml/min)
Water
(ml/min)
Air
(l/min)
2-fluid nozzle 40 40 3~7
3-fluid
nozzle
Type A 40 40, 70 9~14
Type B 40 40, 70 20~35
Type C 40 40, 70 15~39
Fig. 3 Schematic of 3-fluid nozzle
Fig. 4 Details at nozzle tip of 3-fluid nozzle
ํ๊ตญ์ก์ฒด๋ฏธ๋ฆฝํํํ์ง ์ 13๊ถ ์ 1ํธ(2008)/ 19
3. ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ๊ณ ์ฐฐ
3.1 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ
2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์ด์ฉํ ๋ฏธ๋ฆฝํ ์คํ์์ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์
๋ฏธ๋ฆฌ ์ค์ ํ ์ ๋์ผ๋ก ๊ฐ๊ฐ์ ๋ผ์ธ์ ๊ณต๊ธ๋์๊ณ , Y-ํ
ํ์ ํผํ ์ ์ํด ํ ๊ฐ์ ๋ผ์ธ์ผ๋ก ํฉ์ณ์ง ํ ๋ ธ์ฆ์
๊ณต๊ธ๋์๋ค. Fig. 5์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ดY-ํํ์ ํผํ ์
ํต๊ณผํ ๋ ์ก์ฒด๋ ๋ฌผ์ฑ์น ์ฐจ์ด๋ก ์ธํด ์๋ก ํผํฉ๋์ง
๋ชปํ๊ณ ๋ถ๋ฆฌ๋์ด ๋ฐ์ด์ฌ๋ฌ๊ทธ ์ ๋(bislug flow)(10)๊ณผ ๊ฐ
์ ํํ๋ฅผ ๋ณด์๋ค. ์ด ๋ ์ก์ฒด๋ ๋ ธ์ฆ์ ์ค๋ฆฌํผ์ค๋ฅผ ํต
ํด ์ ์ถ๋๊ณ ์ด๋ณด๋ค ์๋๊ฐ ํฐ ๊ณต๊ธฐ์ ์ธ๋ถ์์ ์ถฉ๋ํ
์ฌ ์ก์ ๋ค์ด ์์ฑ๋์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๋ฏธ๋ฆฝํ ๊ณผ์ ์์ ๋ฐ์ด
์ฌ๋ฌ๊ทธ ์ ๋์ ํํ๋ก ์ธํด ๋ถ๋ฌด๊ฐ์ด ๋ถ๊ท์น์ ์ผ๋ก ๋ณ
ํ์๊ณ , Fig. 6์์์ฒ๋ผ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ์ก์ ๋ค์ด ๋ฒ๊ฐ์
๊ฐ๋ฉฐ ์์ฑ๋๋ ๋ฐ๋์งํ์ง ์์ ๊ฒฐ๊ณผ๊ฐ ๋ํ๋ฌ๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ
๊ณ ์์ฑ๋ ์ก์ ๋ค์ ํ๊ท ํฌ๊ธฐ๋ Fig. 7์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์
๊ฐ์ด ์ก์ฒด์ ์ข ๋ฅ์ ๋ฐ๋ผ ๋ค๋ฅด๋ค๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค. ์ด
๋ฌํ ํํ๋ก ์ก์ ๋ค์ด ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ์ ๊ณต๊ธ๋๋ค๋ฉด ๋์ ค
๊ณผ ๋ฌผ์ด ๊ท ์ผํ๊ฒ ํผํฉ๋์ง ๋ชปํ ์ํ๋ก ์ด๋งค์ธต์์ ๋ฐ
์์ ํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ถ์์ ํ ๋ฐ์์ ์ผ์ผ์ผ ๊ฐ์ง๊ธฐ์ ์ด
์ ์ด ์ํํ์ง ์์ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ ์ฐ๋ฃ์ ์ง ์ ์ฒด ์
์คํ ์ ์ด์ ์๋ ์ํฅ์ ๋ฏธ์น ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๋์์ ๋ฏธ๋ฆฝํ์ํค๊ธฐ ์ํด์๋
2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ ๋ด๋ถ์์ ๋ ์ก์ฒด๊ฐ ์ ํผํฉ๋ ์ ์๋ ๋ฐฉ
๋ฒ์ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ๋ ธ์ฆ์ ์ค๊ณํด์ผ ํ ๊ฒ์ด๋ค. ๋ ๋ค๋ฅธ ๋ฐฉ
๋ฒ์ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๋ฏธ๋ฆฌ ํผํฉ์ํค์ง ์๊ณ ๋ ธ์ฆ์ ๊ฐ๊ฐ
๊ณต๊ธํ ํ ๋ ธ์ฆ์ ์ธ๋ถ์์ ๊ณต๊ธฐ์ ์ถฉ๋์์ผ ๋ฏธ๋ฆฝํํ
๋ ๊ฒ์ด๋ค. ์ด ๊ฒฝ์ฐ ๋ ์ก์ฒด๋ฅผ ์ ํผํฉํ๊ธฐ ์ํ ๋ฐฉ๋ฒ์
๋ณ๋๋ก ๊ณ ๋ คํ์ง ์์๋ ๋๋ค๋ ์ ์์ ์ฅ์ ์ด ์๋ค. ๋ฐ
๋ผ์ ํ์์ ๊ฒฝ์ฐ๋ก์ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ณ ๋ คํ์์ผ๋ฉฐ ๋ค
์ ์ ์์๋ ์ด์ ๋ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ ผ์ํ์๋ค.
3.2 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ
3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ๋์ ค, ๋ฌผ, ๊ณต๊ธฐ๋ ์๋ก ๋ถ๋ฆฌ๋ ์
๋ก๋ฅผ ํตํด ์ ์ถ๋๊ณ ๋ ธ์ฆ์ ์ธ๋ถ์์ ๊ณต๊ธฐ์ ์ถฉ๋๋ก ์ธ
ํด ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋๋ค. Fig. 8์ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์
ํด ๋ ์ก์ฒด๊ฐ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋๋ ์ ํ์ ์ธ ํํ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ผ
๋ก ํ์ฝ(full cone) ๋ถ๋ฌด์ ํํ๋ฅผ ๋ณด์๋ค. ์ ์ฒด์ ์ผ๋ก
๋ณธ ์คํ ์กฐ๊ฑด์์๋ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ๊ณต๊ธ๋๋ ์์น์ ๊ด๊ณ์์ด
๋ถ๋ฌด๊ฐ์ ๋๋ต 20~30o๋ก ๋ํ๋๊ณ , ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ์ ๊ฐ์ด๋ฐ ์ค
๋ฆฌํผ์ค๋ฅผ ํตํด ์ ์ถ๋๋ Type A์ ๊ฒฝ์ฐ(Fig. 8(a))์๋
๋ฏธ๋ฆฝํ๋ ์ก์ ๋ค์ ๋ํด ์๋์ ์ผ๋ก ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์ด๋
(guide) ์ญํ ์ ํ์ง ๋ชปํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ผ๋ถ ํฐ ์ก์ ๋ค์ด ์ฃผ
์ ๋์ผ๋ก๋ถํฐ ๋ฒ์ด๋๋ ํ์์ด ๊ด์ฐฐ๋์๋ค. ์ด ๊ฒฝ์ฐ ๋ฐ
์๋ฌผ์ด ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ์ ๊ณต๊ธ๋๋ฉด ๋ฒ์ด๋ ์ก์ ๋ค ์ค ๋์ ค
์ ๊ฐ์ง๊ธฐ์ ๋ฒฝ๋ฉด์ ๋ถ๋ชํ ํ์ ์นจ์ ์ ์์ธ์ด ๋ ์
์์ ๊ฒ์ผ๋ก ์์๋๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ๋์ ค
๊ณผ ๋ฌผ์ ์ก์ ๋ค์ด ๋ฒ๊ฐ์ ๊ฐ๋ฉฐ ์์ฑ๋๋ ๋ถ์์ ํ ํํ
๋ฅผ ๋ํ๋์ง๋ง, 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ๋ ์ก์ฒด๊ฐ ๋์
Fig. 5 Photo of bislug flow pattern of diesel and water
Fig. 6 Atomization of diesel and water by 2-fluid nozzle
Fig. 7 Mean drop size with air flow rate for diesel and
water
20 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 13 NO. 1 (2008)
์ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋๋ ์์ ์ ์ธ ํํ๋ฅผ ๋ณด์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ 2-์ ์ฒด
๋ ธ์ฆ๋ณด๋ค 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ์ ๋ฐ์
๋ฌผ์ ๊ณต๊ธํ๋ค๋ฉด ๊ฐ์ง๊ธฐ๋ฅผ ์๋์ ์ผ๋ก ์์ ํ๊ฒ ์ด์ ํ
์ ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
Figure 9๋ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ณต๊ธฐ ๊ณต๊ธ ์์น์ ๋ํด
ALR(Air Liquid Ratio)์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋ ์ก์ ์ ํ๊ท ํฌ
๊ธฐ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ์ฌ๊ธฐ์, ALR์ ์ก์ฒด ์ง๋์ ๋์
๋ํ ๊ณต๊ธฐ ์ง๋์ ๋์ ๋น๋ก ๋ฏธ๋ฆฝํ๊ธฐ ์ฑ๋ฅ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ
์ํ ์ค์ํ ์ธ์์ด๋ค. Fig. 9์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด 3์ข ๋ฅ
์ ๋ ธ์ฆ ๋ชจ๋ ALR์ด ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ก์ ์ ํฌ๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์
ํ๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์ด๊ณ ์์ผ๋ฉฐ ์ด๋ฌํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์
๋ํ ๊ธฐ์กด์ ์ฐ๊ตฌ ๊ฒฐ๊ณผ์์๋ ํ์ธํ ์ ์๋ค(11, 12). ๊ทธ๋ฆฌ
๊ณ ๋ณธ ์คํ ๋ฒ์์์ ์ก์ ์ ํ๊ท ํฌ๊ธฐ๋ 25~100 ฮผm๋ก
๋ํ๋ฌ๋ค. ๊ณต๊ธฐ๋ฅผ ๋ ธ์ฆ์ ๊ณต๊ธํ๋ ์์น์ ๊ด์ ์์ ์ด
ํด๋ณด๋ฉด ๋์ผํ ํฌ๊ธฐ์ ์ก์ ์ ์ป๊ธฐ ์ํด์๋ Type A,
B, C ์์ผ๋ก ์ฆ, ๊ณต๊ธฐ๋ฅผ ๋ ธ์ฆ์ ๋ฐ๊นฅ ์ชฝ์์ ๊ณต๊ธํ ์๋ก
๋ ๋ง์ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ํ์ํ๋ค๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค. ์ผ๋ก๋ก ๋ฌผ
์ ์ ๋์ด 40 ml/min์ธ ๊ฒฝ์ฐ ํฌ๊ธฐ๊ฐ 40 ฮผm์ธ ์ก์ ์
์ป์ผ๋ ค๋ฉด Type A์ ๋น๊ตํ์ฌ Type B๋ ์ฝ 2๋ฐฐ, Type C
๋ ์ฝ 2.6๋ฐฐ์ ๊ณต๊ธฐ๋์ด ํ์ํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์
๋ฏธ๋ฆฝํ์ํค๊ธฐ ์ํด ์ฌ์ฉํด์ผ ํ ๊ณต๊ธฐ๋ ์ธก๋ฉด์์๋ ๊ณต
๊ธฐ๊ฐ ๋ ธ์ฆ์ ์ ๊ฐ์ด๋ฐ ์ค๋ฆฌํผ์ค๋ฅผ ํตํด ์ ์ถ๋๋ Type
A๊ฐ ๊ฐ์ฅ ํจ์จ์ ์ด๋ผ๊ณ ํ ์ ์๋ค. ์ด๋ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ์ ๊ฐ
์ด๋ฐ์์ ์ ์ถ๋๋ Type A์ ๊ฒฝ์ฐ, ๋ฐ๊นฅ์ชฝ์์ ์ ์ถ๋
๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ณด๋ค ๊ณต๊ธฐ์ ์ด๋์๋์ง๊ฐ ์ฃผ์์ ์๋ ๋์ ค๊ณผ
๋ฌผ์ ๋ฏธ๋ฆฝํ์ํค๋๋ฐ ๋์ฑ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ๋ฌ๋๊ณ , ๋ณธ ์ค
ํ์์ญ์์ ๋์ผ ALR์ ๋ํด Type A๊ฐ ๊ณต๊ธฐ์ ์ ์ถ
Fig. 8 Atomization of diesel and water by 3-fluid nozzle
(Diesel: 40 ml/min, Water: 40 ml/min)
Fig. 9 Variation of mean drop size with ALR for 3-fluid
nozzle
ํ๊ตญ์ก์ฒด๋ฏธ๋ฆฝํํํ์ง ์ 13๊ถ ์ 1ํธ(2008)/ 21
์๋๊ฐ ๊ฐ์ฅ ๋น ๋ฅด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค.
4. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ 5 kW๊ธ ๊ณ ์ฒด์ฐํ๋ฌผ ์ฐ๋ฃ์ ์ง ์์คํ
์ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ๋ฅผ ์ํ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ๊ณผ 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒ
ํ ํ์๋ค.
2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๋ฐ์ด์ฌ๋ฌ๊ทธ ์ ๋ ํ
ํ๋ก ์ธํด ๋ ์ก์ฒด์ ์ก์ ๋ค์ด ๋ฒ๊ฐ์ ๊ฐ๋ฉฐ ์์ฑ๋๋
ํํ๋ฅผ ๋ณด์๋ค. ์ด ๊ฒฝ์ฐ ๋ ์ก์ฒด์ ํผํฉ ๋ฐฉ๋ฒ์ด ๊ณ ๋ ค๋
์ด์ผ ํ ๊ฒ์ด๋ค. ๋ฐ๋ฉด, 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ๋ณ๋์
ํผํฉ ๋ฐฉ๋ฒ ์์ด ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ด ๋์์ ๋ฏธ๋ฆฝํ๋๋ ํํ๋ฅผ
๋ณด์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ 2-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ๋ณด๋ค 3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ์ฌ์ฉํ
์ฌ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ์ ๋ฐ์๋ฌผ์ ๊ณต๊ธํ๋ค๋ฉด ๊ฐ์ง๊ธฐ๋ฅผ ์๋
์ ์ผ๋ก ์์ ํ๊ฒ ์ด์ ํ ์ ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. 3-์
์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ๋์ ค๊ณผ ๋ฌผ์ ๋ฏธ๋ฆฝํ์ํค๊ธฐ ์ํด ์ฌ์ฉํด
์ผ ํ ๊ณต๊ธฐ๋ ์ธก๋ฉด์์๋ ๊ณต๊ธฐ๊ฐ ๋ ธ์ฆ์ ์ ๊ฐ์ด๋ฐ ์ค๋ฆฌ
ํผ์ค๋ฅผ ํตํด ์ ์ถ๋๋ Type A์ ๊ฒฝ์ฐ๊ฐ ๊ฐ์ฅ ํจ์จ์ ์ด
์๋ค.
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ SOFC ์์คํ ์ ์ฐ๋ฃ ๊ฐ์ง๊ธฐ๋ฅผ ์ํ
3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ํ์ฌ ๊ฐ๋ฅ์ฑ์ ๊ฒํ ํ์์ผ๋ฉฐ, ํฅํ์๋
3-์ ์ฒด ๋ ธ์ฆ์ ๋ฏธ๋ฆฝํ ์ฑ๋ฅ์ ๊ดํ ์ ๋์ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์ํ
๋ ์์ ์ด๋ค.
ํ ๊ธฐ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ ์ง์๊ฒฝ์ ๋ถ์ โ5kWe ์ด๋ณํฉ SOFC ๋ฐ์ ์
์คํ ๊ฐ๋ฐโ ๋ฐ 2๋จ๊ณ ๋๋ํ๊ตญ(BK)21 ์ฌ์ ์ ์ผ๋ถ ์ง์
์ ๋ฐ์ ์ํ๋์์ผ๋ฉฐ ์ด์ ๊ฐ์ฌ ๋๋ฆฝ๋๋ค.
์ฐธ๊ณ ๋ฌธํ
(1) D. Sopeรฑa, A. Melgar, Y. Briceรฑo, R. M. Navarro, M.
C. รlvarez-Galvรกn and F. Rosa, โDiesel fuel processor
for hydrogen production for 5kW fuel cell applica-
tion,โ Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 32, 2007, pp.
1429~1436.
(2) S. Yoon, I. Kang, G. Bae and J. Bae, โEffect of the
molar H2O/C and the molar O2/C ratio on long-term
performance of diesel autothermal reformer for solid
oxide fuel cell,โ J. Korean Electrochemical Society,
Vol. 10, No. 2, 2007, pp. 110~115.
(3) Q. Ming, P. M. Irving and J. W. Harrison, โDevelop-
ment of a microchannel fuel processor for complex
hydrocarbon fuels,โ Fuel Cell Seminar Abstracts, San
Antonio, Texas, USA 2004, pp. 29~32.
(4) Z. Porลก, J. Pasel, A. Tschauder, R. Peters, R. Dahl and
D. Stolten, โOptimized mixture formation for diesel
fuel processing,โ Fuel Cell Seminar Abstracts, Palm
Springs, California, USA, 2005, pp.113~116.
(5) T. Aicher and L. Griesser, โNovel process to evaporate
liquid fuels and its application to the catalytic partial
oxidation of diesel,โ J. Power Sources, Vol. 165, 2007,
pp. 210~216.
(6) I. Kang, J. Bae and S. Yoon, โAtomization effects of
diesel on autothermal reforming reaction,โ J. ILASS-
Korea, Vol. 11, No. 4, 2006, pp. 234~243.
(7) H. K. Kwon, C. Y. Lee and S. Y. Lee, โPreliminary
study on the atomization characteristics of twin-fluid
nozzle for fuel reformer of 1 kW SOFC system,โ Proc.
KSME Fall Annual Meeting, 2007, pp. 266~271.
(8) I. Kang, J. Bae, S. Yoon and Y. Yoo, โPerformance
improvement of diesel autothermal reformer by apply-
ing ultrasonic injector for effective fuel delivery,โ J.
Power Sources, Vol. 172, 2007, pp. 845~852.
(9) I. Kang, S. Yoon and J. Bae, โExperimental study on self-
sustaining diesel autothermal reactor,โ Proc. KSAE
Spring Conf., 2006, pp. 441~446.
(10) J. E. Hernandez, B. J. Scholfield and J. S. Allen,
โBislug flow in circular and square cross-sectional
microchannels,โ Proc. 5th Int. Conf. on Nanochan-
nels, Microchannels and Minichannels, Puebla, Mex-
ico, 2007, ICNMM2007-30214.
(11) G. E. Lorenzetto and A. H. Lefebvre, โMeasurements
of drop size on a plain-jet airblast atomizer,โ AIAA J.,
Vol. 15, No. 7, 1977, pp. 1006~1010.
(12) N. K. Rizk and A. H. Lefebvre, โInfluence of atomizer
design features on mean drop size,โ AIAA J., Vol. 21,
No. 8, 1983, pp. 1139~1142.