고온 연소실험용 충격관시스템 제작에 관한 연구

송병수, 이승철, 류시옥

영남대학교 응용화학공학부

A Study on the Design of Shock Tube System

for High-Temperature Combustion

Byeung Soo Song, Seung-Chul Lee, Si-Ok Ryu

School of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam University

서론

우리는 현재 화석연료를 연소시켜 생성되는 동력으로 편리하게 생활하고 있으며, 다양한 수송기술의 발달로 인하여 짧은 시간동안 여러 가지 일상생활들을 보다 신속하게 수행할 수 있게 되었다. 연소(Combustion)란 탄화수소와 같은 가연성 연료와 산화제 사이의 반응을 말하며, 일반적으로 연소반응에서는 높은 열이 발생한다. 연소현상은 실생활에서 중요한 역할을 하고 있는데, 연소현상을 직접적으로 이용한 방법으로는 가정에서 사용되는 난방용 열, 취사용 열 등이 있으며 이는 가스나 석유를 연료로 하는 보일러나 버너의 연소현상에 의해 생기는 에너지를 이용한 것이며, 간접적으로 이용한 방법으로는 전기적 에너지가 있으며 이는 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 열 에너지를 변환하여 얻어지는 것이다. 또한 운송수단으로 사용하는 자동차, 선박, 항공기 등의 동력원은 주로 휘발유와 탄화수소 연료를 연소할 때 발생하는 열 에너지에서 변환된 운동에너지이다. 그러나, 이러한 에너지를 사용하면서 미연탄화수소, 질소산화물(NOx), 이산화탄소, 황산화물(SOx), 매연(Soot) 등과 같은 공해물질들이 연소로 인하여 발생함으로서 대기환경을 오염시키고 있다. 이러한 공해물질들은 스모그, 산성비, 지구온난화, 오존층파괴 등을 유발시키며, 인간생활에 여러 가지 유해한 영향을 끼치게 된다.

탄화수소 연료를 최적으로 연소시켜 에너지의 효율을 높이고 대기오염을 방지하기 위해서는 디젤기관(diesel engines), 로켓(rockets)등과 같은 추진장치에서 일어나는 연소현상에 대하여 자세히 이해하고 이를 분석할 필요성이 있으며, 여기에 관련한 유체의 흐름장 거동 및 연소반응에 관한 여러 가지 해석을 위하여 충격관을 이용한 다양한 연구들이 미국을 비롯한 여러 나라에서 진행되고 있다.

현재 충격관은 미국, 일본, 독일 등에서 초고속 비행물체 주위에 흐르는 유체의 유동장 연구, 초고속복합재료의 고온고압 상태에서 변화되는 물성에 관한 특성연구, 연료의 고온고압 연소반응의 특성연구, 그리고 NOx, SOx, Soot등의 대기오염물질에 대한 생성현상과 이의 저감방법과 관련한 연구 등에 널리 이용되고 있다. 그러나, 현재 국내에서는 충격관시스템을 이용한 연구가 시작단계에 있으며, 또한 충격관시스템의 제작기술에 대한 경험이 매우 미비한 상태이다. 따라서 고속 추진물체 주위의 흐름장을 유체역학적으로 해석할 수 있으며, 고온고압하에서 일어나는 연소의 화학적 현상을 해석하는데 용이한 충격관시스템을 제작함으로써, 충격관 설계기술 및 제작기술을 축척할 뿐만 아니라, 충격관을 이용한 유체유동 해석연구, 연료의 고온고압 연소반응 연구, 대기오염물질 등의 생성 및 저감방법에 대한 연구를 보다 용이하게 진행해 나갈 수 있다. 또한 앞으로 발생할 환경문제를 예측하고, 환경오염 물질에 관해 연소반응연구를 진행함으로써 환경오염 방지 뿐만 아니라, 장기적으로 연료를 효율적으로 이용함으로써 에너지자원의 효율성을 높임과 동시에 에너지에 관련한 연구를 활성화하고, 이에 관련된 산업을 발전시키는 데 목적이 있다.

이론 및 실험

충격관시스템을 제작하기 위해서는 충격관 내부의 기체 유동이 가장 이상적으로 일어날 수 있도록 설계하여야 하며, 경계층이 완전히 발달한 흐름을 생성시킬 수 있는 길이를 확보하도록 해야 한다. 충격파(shock wave)의 온도, 압력 그리고 밀도 등은 시료기체의 초기온도와 초기압력 그리고 입사충격파의 속도로부터 이상적인 충격파이론을 이용하여 계산할 수 있다. 충격파의 초기에 발생하는 충격면을 입사충격파(incident shock wave)라 하고, 충격관 끝 벽에서 반사되는 충격파를 반사충격파(reflected shock wave)라 한다. 충격관은 크게 구동부분(drive section)과 피동부분(driven section)의 두 부분으로 구성되어 있으며, 연소실험을 위한 시료가스는 피동부분에 충진된다. 입사충격파가 낮은 압력의 피동부분 끝 벽에 도달하면, 충격파는 반사되어 반사충격파가 발생하고 이에 의해 기체의 온도, 압력과 밀도는 더욱 높아지게 된다.

입사충격파 이후의 기체흐름이 유체역학적인 경계면 효과에 의해 비이상적인 거동을 나타내며, 이로 인하여 기체의 열역학적 상태가 이상적인 계산과 차이가 날 수 있음이 보고되었다.[4,5] 충격파의 비이상성은 충격관(shock tube)의 길이, 모양, 관 내부의 거친 정도, 시료기체의 초기압력, 충격파의 속도에 따라 달라짐을 알 수 있다. 일반적으로 반사충격파 이후의 기체 상태에서 초기 시료기체의 압력이 충분히 높고, 충격파의 속도가 큰 조건에서는 가장 이상적인 충격파의 생성조건에 가깝다는 것이 이미 실험에 의해 알려져 있다.[1,2,3]

충격관을 제작하기 위하여 고려되어야 할 가장 중요한 요소는 충격관의 길이이다. 연소반응에 대한 실험조건을 충분히 만족시키기 위해서는 충격관의 길이가 가장 중요한 요소인 것이다.[5] 또한 충격관의 길이는 추진기체와 시료기체의 사이에서 발생하는 유체의 흐름이 완전히 발달할 수 있도록 충분히 길어야 하며, 이 흐름이 충격관 내부에서 가장 이상적인 흐름에 가깝게 되도록 설계되어야 유체의 유동장 연구 및 고온고압에서의 연소반응 연구를 정확히 수행할 수 있다.[1,2,5] 또한 충격관의 길이에 따른 반응속도론적 연구에서 반응시간(reaction time) 및 측정시간(observation time)을 충분히 확보해야 하며, 이는 보유하고 있는 진단장치의 성능에 따라 충격관 내부의 거동을 용이하게 관찰할 수 있다.

이상과 같이 충격관의 길이를 여러 가지 이론을 이용하여 이상기체 조건에서 다음과 같은 식을 이용하여 계산하였으며, 충격파 거동을 해석하기 위하여 다음과 같은 가정을 세웠다. 충격관 내부의 기체흐름은 1차원 유체 흐름으로 정상상태로 가정한다. 충격파에서 전도에 의한 에너지 손실은 무시할 만큼 적으며, 기체는 매우 낮은 확산도를 가지고 있기 때문에, 대류나 복사에 의한 에너지 손실 또한 매우 적어서 충격파는 단열적 흐름으로 해석된다. 충격관 내부의 기체흐름과 충격관 내부 벽면과의 마찰현상은 무시한다. 시료기체(test gas)는 매우 적은 양이 포함되어 있어, 시료기체에 관한 특성값들은 단원자 기체로 해석한다. 또한 충격관의 초기조건과 경계조건을 이용하여 계산한다. 따라서 continuity식, 운동량식과 에너지식을 다음과 같은 식으로 유도할 수 있다.

[eqn: { P_5 over P_1 } = {left[{ 2 gamma M_S ^2 - ( gamma -1 ) } over { gamma + 1 }right]} CDOT {left[{ (3 gamma -1 ) M_S ^2 - 2( gamma -1 ) } over { (gamma - 1) M_S ^2 +2 }right]}]	(1)

[eqn: { T_5 over T_1 } = {{[ 2 ( gamma -1 )M_S ^2 +( 3 - gamma )] [(3 gamma -1 ) M_S ^2 - 2( gamma -1 ) ]} over {{( gamma + 1) }^2 M_S ^2 }}]	(2)

[eqn: W_R over W_S = {{ 2 + { 2 } over { gamma -1} CDOT P_1 over P_2 }} over { { gamma +1} over { gamma -1} - P_1 over P_2 }}]	(3)

이상과 같이 유도된 식을 가지고 그림 1과 같이 충격관 내부의 거동을 예상하여 그 결과로부터 여러 가지 기체의 유동에 관한 실험조건을 가지는 충격관을 제작할 수 있었다. 그림 2는 제작된 충격관시스템의 개략도를 나타낸 것이다.

결과

이상적인 설계 이론식에 의해 계산한 결과로부터 충격관을 설계 및 제작하였다. 충격관은 내경이 7.62cm이며, 외경이 10.16cm인 seamless stainless steel 관으로 제작되었으며, 제작에 사용된 관의 규격은 SS304, □90A, Schedule No.160이다. 충격관의 총 길이는 약 9m이며, driven부분의 길이는 6m, driver부분의 길이는 3m로 설계 및 제작되었다.

본 장치는 충격파의 속도가 마하수 3이상, 압력은 50 기압까지는 충분히 견딜 수 있도록 제작되었으며, driven부분의 진공도는 3×10-6 Torr을 유지할 수 있고, 이 부분의 outgassing rate은 5×10-6 Torr/min이며, Driver의 진공도는 5×10-3 Torr를 유지할 수 있도록 설계 및 제작되었다. 또한 원하는 조성의 시료기체의 제조는 고진공 상태에서 이루어져야 하므로 가스혼합장치는 모두 고진공 제품을 사용하였으며, 충격관에도 기체가 외부로 새는 것을 방지하기 위하여 이중으로 O-ring을 설치하였다. 또한 진동을 방지할 수 있도록 고안하여 최적의 충격관 실험장치를 설계하고 제작하기 위하여 노력하였다.

Figure 1. Schematic diagram of the driven section and driver section

Figure 2.  Schematic diagram of the Shock Tube System

참고문헌

1. Gaydon, A. G., and Hurle, I. R., "The Shock Tube in High-Temperature

Chemical  Physics", Reinhold Publishing Corp., 1963

2.	Doolan, C. J. and Jacobs, P. A., "Modeling Mass Entrainment in a Quasi-

One-Dimensional Shock Tube Code", AIAA, J., 34(6), 1291-1293(1996)

3. Bander, J. A. and Sanzone, G., □Shock-Tube Chemistry. 1. The Laminar-to

-Turbulent Boundary Layer Transition", J. Phys. Chem., 81(1), 1-3(1977)

4.	Mirels, H., "Test time in Low-Pressure Shock Tubes", Phys. Fluids,	6(9), 1201-1214(1963)

5. Fujii, N., Koshi, M., Ando, H. and Asaba, T.,"Evaluation of Boundary Layer    Effects in Shock-Tube Studies of Chemical Kinetics", Int`l. J. Chem. Kinet.,    11, 285-304(1979)