연소 특성을 파악하기 위하여 이산화탄소의 대칭면을 비교했을 때 Case 1보다 Case 3에서 이산화탄소 분포가 협소하게 나타났고 버너 상단부에는 이산화탄소가 0인 부분으로 연소가 잘 일어나지 않았다. 따라서 실제 보일러에 열효율을 증가시키기 위해서는 배기가스를 감속시켜야 하는데 형상변경과 시뮬레이션을 통해 효율을 증가시킬 수 있다. 본 연구는 목질계 바이오매스의 연소특성 분석을 이전에 개발된 모델을 수정하여 보완하였다. 실제 사용되고 있는 2000J 급 펠릿보일러의 실험과 같이 진행되었고, 연소실 내부의 연소현상을 화학양론과 전산유체역학 관점에서 해석하였다.
<h2>4.3 3-D 시뮬레이션 결과 분석</h2> <p>연소특성을 파악하기 위하여 연소 현상에 가장 중요한 인자인 이산화탄소의 대칭면(Symmetry) 분포를 비교하였다(Fig. \(6\)). 먼저 CASE1의 이산화탄소의 분포를 살펴보면, 고온으로 입력되는 산화제로 인하여 연소반응이 더욱 잘 일어나 버너 우측상단에 넓게 분포되어있다. 하지만 \( \mathrm{CASE} 3 \) 의 경우 CASE1보다 이산화탄소의 분포가 협소하게 나타났으며, 특히 이산화탄소가 O(zero)인 부분에는 질소와 산소만으로 구성되어있을 것으로 판단되는데 버너 상단부에 선명하게 나타나 연소가 잘 일어나지 못한 것으로 예측할 수 있다.</p> <p>다음으로 효율 변화를 검증하기 위하여 CASE\(1\)과 CASE\(3\)의 대칭면 온도 분포를 비교하였다(Fig. \(7\)). CASE\(1\)의 경우 CASE\(3\)보다 연소실에 전체적으로 고온으로 분포되어 있어 내부 수관의 온도가 증가되어 나타났으며, 특히 연소가스가 연소실을 지나 2차 열 교환이 발생되는 연통을 통과할 때 온도 분포가 하단까지 발달하여 보다 더 많이 열전달이 일어난 것이라 판단되다. 또한 온도가 가장 높은 공간이 산소와 가장 많이 반응하는 불꽃 표면이기 때문에 온도 분포를 바탕으로 불꽃형상을 예측할 수 있다. CASE\(1\)의 경우 불꽃이 선명하게 나타났으며, 이와 다르게 CASE3는 불안정하게 연소하는 것을 알 수 있다. 따라서 실제보일러에 열효율을 증가시키기 위해서 연통을 통과하는 배기가스를 감속시켜야 하며 이를 위하여 추가적인 구조물(baffle)이 설치되어 있는데 형상변경 및 시뮬레이션을 통한 최적화로 효율을 증가 시킬 수 있을 것이라 판단된다.</p> <h1>5. 결 론</h1> <p>본 연구는 목질계 바이오매스의 연소특성 분석을 산화제 공급 온도변화 조건을 이용하여 이전에 개발된 \(1\)-D와 \(3\)-D 의 모델의 수정을 통한 보완이 이루어졌다. 연구는 실제 사용하고 있는 \( 20,000 \mathrm{~J} \) 급 가정용 펠릿보일러의 실험과 병행하여 진행되었으며, 연소실 내부 연소현상을 화학양론과 전산유체역학 관점에서 해석하여 그 과정의 흐름과 각각의 특성을 분석하여 시뮬레이션 후 검증하였다. 이를 이용하여 주어진 시스템에 대한 연소모델이 개선되었으며, 구체적인 방법은 다음과 같다.</p> <ol type=1 start=1><li>기존 수행된 \(1\)-D 연소해석방법을 통한 분석방법에 온도 변수를 추가하여 모델이 개선되었다. RMSE 방법을 이용하여 분석한 결과 기존 모델에 비하여 개선된 모델의 오차의 정도가 평균 \( 0.47 \) 감소하여 모델의 정확도가 증가함을 확인하였다.</li> <li>기존 수행된 전산유체역학 프로그램을 이용한 3-D 연소해석방법에 온도 입력조건을 추가한 개선모델로 분석이 진행되었으며, RMSE 방법을 이용한 분석결과 오차의 정도가 평균 \( 2.60 \) 감소하여 모델의 정확도가 증가함을 확인하였다.</li> <li>시뮬레이션 이용하여 도출된 온도와 이산화탄소, 분포를 통하여 실제 연소실 내부의 연소현상을 파악하였으며, 이 분석방법은 실제 보일러 개발에 있어서 지금까지 보다 효율적인 방법으로서 이용될 수 있을 것이라 사료된다.</li> <li>목재펠릿의 품질은 기본적으로 발열량을 기준으로 구분되며 겉보기밀도, 함수율, 회분, 미세분, 내구성 및 기 타첨가물의 정도에 따라 \( 1 \sim 4 \) 등급으로 분류된다. \( { }^{[15]} \) 현재 이러한 목재펠릿을 이용하는 소형 난방시스템은 추가적인 클링커, 재, 미연소분등의 연소생성물의 발생으로 인하여 운전 및 효율감소의 문제점을 지니고 있으며, 특히 미세분은 연료공급 시 수분과 미연소분의 증가를 가져와 최종적으로 연소효율의 감소를 가져온다. 따라서 미세분의 발생을 억제하기 위한 내구성증대 및 적정 길이를 가진 목재펠릿의 성형방법의 개발이 필요하며, 앞서 언급한 추가적인 연소반응물이 고려된 시뮬레이션의 개선도 이루어져야 한다.</li></ol>