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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박선호, 조구영
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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최근 연소과정을 통해 배출되는 매연입자가 환경 및 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 증대되고 있다. 탄화수소 연료의 연소과정을 통해 대기 중으로 배출된 매연입자는 가시거리를 감소시키는 등의 대기오염을 유발하고, 태양광을 흡수하여 지구온난화에 영향을 미치고 있다고 알려져 있다. 또한 대기 중의 매연입자는 인체에 쉽게 흡입될 수 있으며 특히, 매연 생성 초기과정에서 생성되는 유기탄소(organic carbon, OC)는 호흡기 및 순환계 질환과 암, 뇌졸중 등을 일으킬 수 있다고 보고되었다. 이로 인해 국제적으로 디젤기관이나 산업용 가스터빈 등의 연소기에서 발생하는 매연이 대기로 배출되는 것에 대한 규제가 시행되고 있으며, 내연기관, 보일러 등 산업용 연소기에서 매연의 배출을 저감하기 위해 많은 연구가 수행되어 왔다.
매연 저감 기술을 개발하기 위해선 우선 매연의 생성 메커니즘 및 특성파악에 관한 연구가 선행되어야 한다. 기존의 연구를 통해 매연은 화염 내에서 여러 단계의 생성 및 산화과정을 거친다고 알려져 있다. 매연입자는 성장 과정 동안 성분, 형태 등이 변화하고, 이에 따라 광학적 특성 역시 변화한다. 그러므로 이를 계측하기 위해서는 측정 시 화염과의 간섭을 방지할 수 있고 순간적 계측이 가능한 광학적 계측 기법이 주로 사용된다. 따라서 매연의 생성 메커니즘 및 특성 규명을 위해서 매연입자의 광학적 특성을 보다 정확히 파악하여 광 계측에 활용하는 연구가 필요하다. 그러나 광 계측기법은 측정값이 입자의 광학적 특성에 의존한다. 즉, 매연의 생성 및 성장 과정동안 성분, 농도, 크기 등의 변화로 인해 광학적 특성이 변화하게 되고 이는 광 측정값에 영향을 미치게 된다. 따라서 매연의 생성 및 성장과정 동안의 측정 시에는 입자의 크기, 농도뿐만 아니라 성분 변화에 의한 광학적 특성 변화를 반드시 고려해야 한다.
본 연구에서는 매연의 생성 및 성장과정 동안의 입자크기, 농도, 성분 변화를 고려한 광 계측기법에 대한 연구를 수행하였다. 광 계측 시 매연입자의 특성 변화를 고려하기 위해 다양한 파장의 입사광에 대한 매연입자의 광학적 특성을 파악하고자 하였으며 이를 위해 여러 파장의 다이오드 레이저와 백색광을 이용하였다. 다양한 특성을 보이는 매연입자를 생성하기 위해 삼중 동축류 버너를 사용하였으며, 버너로 공급되는 연료 및 산화제의 유량을 조절하여 제어된 조건의 매연입자를 생성하였다. 실험을 통해 매연 내 OC 함량에 따라 파장의존성이 변화하는 것을 알 수 있었으며, 이는 장파장과 단파장에서의 매연입자의 광 흡수정도의 차이에 의해 발생되는 현상임을 확인하였다. 이 결과와 광소멸 이론을 접목시켜 매연 내 OC 함량 측정과 관련된 다파장 광소멸 측정법을 확립하였다. 이를 이용하면 직접적·화학적 분석 없이 광학적 측정만을 통해 매연입자의 생성, 성장과정 동안의 OC 함량을 측정할 수 있으므로 매연입자의 생성메커니즘 및 산화 특성 규명과 관련된 다양한 연구와 자동차 및 선박 엔진 등과 같은 산업용 연소기의 실시간 진단에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
매연 저감 기술을 개발하기 위해선 우선 매연의 생성 메커니즘 및 특성파악에 관한 연구가 선행되어야 한다. 기존의 연구를 통해 매연은 화염 내에서 여러 단계의 생성 및 산화과정을 거친다고 알려져 있다. 매연입자는 성장 과정 동안 성분, 형태 등이 변화하고, 이에 따라 광학적 특성 역시 변화한다. 그러므로 이를 계측하기 위해서는 측정 시 화염과의 간섭을 방지할 수 있고 순간적 계측이 가능한 광학적 계측 기법이 주로 사용된다. 따라서 매연의 생성 메커니즘 및 특성 규명을 위해서 매연입자의 광학적 특성을 보다 정확히 파악하여 광 계측에 활용하는 연구가 필요하다. 그러나 광 계측기법은 측정값이 입자의 광학적 특성에 의존한다. 즉, 매연의 생성 및 성장 과정동안 성분, 농도, 크기 등의 변화로 인해 광학적 특성이 변화하게 되고 이는 광 측정값에 영향을 미치게 된다. 따라서 매연의 생성 및 성장과정 동안의 측정 시에는 입자의 크기, 농도뿐만 아니라 성분 변화에 의한 광학적 특성 변화를 반드시 고려해야 한다.
본 연구에서는 매연의 생성 및 성장과정 동안의 입자크기, 농도, 성분 변화를 고려한 광 계측기법에 대한 연구를 수행하였다. 광 계측 시 매연입자의 특성 변화를 고려하기 위해 다양한 파장의 입사광에 대한 매연입자의 광학적 특성을 파악하고자 하였으며 이를 위해 여러 파장의 다이오드 레이저와 백색광을 이용하였다. 다양한 특성을 보이는 매연입자를 생성하기 위해 삼중 동축류 버너를 사용하였으며, 버너로 공급되는 연료 및 산화제의 유량을 조절하여 제어된 조건의 매연입자를 생성하였다. 실험을 통해 매연 내 OC 함량에 따라 파장의존성이 변화하는 것을 알 수 있었으며, 이는 장파장과 단파장에서의 매연입자의 광 흡수정도의 차이에 의해 발생되는 현상임을 확인하였다. 이 결과와 광소멸 이론을 접목시켜 매연 내 OC 함량 측정과 관련된 다파장 광소멸 측정법을 확립하였다. 이를 이용하면 직접적·화학적 분석 없이 광학적 측정만을 통해 매연입자의 생성, 성장과정 동안의 OC 함량을 측정할 수 있으므로 매연입자의 생성메커니즘 및 산화 특성 규명과 관련된 다양한 연구와 자동차 및 선박 엔진 등과 같은 산업용 연소기의 실시간 진단에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
목차
목 차국문초록 ⅰ감사의 글 ⅲ목차 ⅴ그림 목차 ⅷ표 목차 ?vAbbreviation and Acronyms xvNomenclatures xviⅠ. 서론 11.1 연구 배경 11.2 기존 연구 31.2.1 동축 확산 화염 31.2.2 매연입자의 생성 메커니즘 51.2.3 광학적 방법을 이용한 매연 계측 91.3 연구 목적 17Ⅱ. 실험 이론 182.1 광소멸 이론 18Ⅲ. 실험 장치 및 방법 223.1 삼중 동축류 버너 및 유량 제어 시스템 223.2 매연을 생성하기 위한 화염의 연료, 공기, 질소 유량 조건 253.3 매연입자의 광소멸 측정 시스템 293.3.1 레이저를 이용한 배출 매연의 광소멸 측정 시스템 293.3.2 백색광을 이용한 배출 매연의 광소멸 측정 시스템 323.4 매연입자 샘플링 방법 373.5 매연 단일입자 크기 측정 403.6 매연입자의 응집체 크기 분포 측정 403.7 배기가스 측정 장치 433.8 매연입자 성분 분석 443.9 전자 에너지 손실 분광법 45Ⅳ. 결과 및 고찰 474.1 다파장 광소멸 측정법의 개발 474.1.1 백색광과 레이저의 광소멸 비교를 통한 신뢰성 검증 474.1.2 광소멸식을 이용한 매연입자의 광학적 특성 분석 534.1.3 광소멸 측정 시 입자 크기의 영향 584.1.4 광소멸식의 기울기를 이용한 Slope ratio의 정의 614.2 화염으로부터 배출된 매연의 광소멸 특성 634.2.1 다양한 유기성분 함량을 가지는 배출 매연의 생성 634.2.2 배출 매연입자의 TEM image 분석 684.2.3 배출 매연의 광소멸 특성 704.2.4 배출 매연의 크기에 의한 광 산란의 영향 754.2.5 희석제 농도 및 샘플링 위치에 따른 광소멸 특성의 변화 834.2.6 유기성분 함량과 매연입자 굴절률과의 관계 864.3 화염 내 매연의 생성 및 성장과정 동안의 광소멸 특성 884.3.1 정확산화염과 역확산화염에서의 매연 생성 및 성장과정 884.3.2 화염 내 매연입자 TEM image 분석 904.3.3 전자에너지 손실 분광법을 이용한 매연입자 결합 구조 분석 954.3.4 화염 내 매연입자의 광소멸 측정 974.3.5 광소멸 측정과 매연 성분 분석의 비교를 통한 매연의 OC 함량 측정 102Ⅴ. 결론 106참고문헌 108부록 117Appendix: Standard error of slope ratio 117영문초록 119
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