[논문]다중 버너를 채택한 수관식 산업용 보일러 연소실의 열전달 특성

안준; 황상순; 김종진; 강새별

다중 버너를 채택한 수관식 산업용 보일러 연소실의 열전달 특성
HEAT TRANSFER ON THE COMBUSTION CHAMBER OF A WATER TUBE TYPE BOILER WITH MULTIPLE BURNERS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.14 no.2 = no.45, 2009년, pp.77 - 83

안준 (한국에너지기술연구원) , 황상순 (인천대학교) , 김종진 (한국에너지기술연구원) , 강새별 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Operating medium or large scale industrial boilers in partial load condition, the burner should undergo the off-design points resulting in poor exhaust gas characteristics. To obtain the stable turn down performance, two or more burners can be used for the industrial boiler. In case multiple burners are adopted, the heat transfer can be enhanced by arranging the burners properly. In the present study, numerical simulations have been conducted for the combustion chamber of a 2 t/h class industrial boiler in order to clarify the heat transfer characteristics at the combustion chamber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연소실에 대한 선행연구[4]에서 고려하지 못한 다중 버너의 상호작용, 다중 버너를 위한 연소실에서 부분부하 운전을 할 때의 열전달 특성을 수치해석적으로 파악한다. Fig.
2개의 버너 중 하나의 버너만을 이용하여 50%이하의 부분부하 운전을 구현할 경우 버너를 설계 조건에 가깝게 운전함으로써 연소 안정성을 확보하기 용이할것으로 예상되나 열원이 연소실의 일부분에 집중되어 효과적인 열전달이 이루어질 수 있는지에 대해서는 검증이 필요하다. 이에 본 연구에서는 부분부하 운전의 경우 부하율 50%에 대하여 대표적인 3가지 운전방식을 관찰하였다. 즉, 상단에 설치한 버너만을 운전하는 경우 (Case A), 하단에 설치한 버너만을 운전하는 경우 (Case B) 그리고 상하에 설치된 각각의 버너를 50%로 운전하는 경우 (Case C)에 대하여 수치해석을 수행하였다.

가설 설정

두 대의 버너를 모두 부하율 50%로 가동한 경우(Fig. 7(b))에도 상류에 형성되는 저온영역의 면적은 운전 조건에 비해 크게 줄어들지 않은 결과를 보인다. 고온 영역의 면적이 감소하기는 했지만 최고 화염온도도 부하율 100%인 경우에 근접한 값을 나타낸다.

제안 방법

본 연구에서는 연소실에 대한 선행연구[4]에서 고려하지 못한 다중 버너의 상호작용, 다중 버너를 위한 연소실에서 부분부하 운전을 할 때의 열전달 특성을 수치해석적으로 파악한다. Fig. 1에 제시한 것과 같이 버너가 상하로 설치된 보일러 연소실에 대하여 설계 조건에서 수치해석을 수행하여 실험과 비교한다. 또한 두 버너 모두 50% 부분부하 조건에서 운전할 경우와 위 또는 아래에 설치된 버너 하나만 100% 운전하여 부분부하를 구현할 경우의 열전달 특성을 비교한다.
다단연소 저 NOx 버너를 다중으로 설치한 수관식 보일러를 설계하기 위해서는 연소실 및 수관부의 설계기술을 보완해야 했다. Fin이 설치된 수관부의 경우 열전달을 극대화하고 효과적인 수순환을 구현하기 위하여 유동방향으로 Fin의 높이와 밀도를 변화시킨 모듈을 제안하였다. 유동방향으로 변화하는 Fin의 특성을 고려하기 위하여 기존의 벌크 해석에 의한 열설계 프로그램을 관군에서 열을 따라서 열전달을 계산하도록 보완하고 실험[2,3] 및 수치해석[1]을 통하여 3차원 효과를 파악하였다.
1에 제시한 것과 같이 버너가 상하로 설치된 보일러 연소실에 대하여 설계 조건에서 수치해석을 수행하여 실험과 비교한다. 또한 두 버너 모두 50% 부분부하 조건에서 운전할 경우와 위 또는 아래에 설치된 버너 하나만 100% 운전하여 부분부하를 구현할 경우의 열전달 특성을 비교한다.
따라서 수관의 열전달을 촉진시킬 대책이 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 1(b)와 같이 버너를 상하로 배치하여 종횡비를 높여 Fin을 설치하기 유리한 형태의 수관식 보일러를 제안하였다.
연소 성능을 특징짓는 중요한 요소인 배가스 중에 포함된 일산화탄소 및 질소산화물의 농도 중, 질소산화물의 경우 화학종 방정식을 해석하지 않고 수치해석 결과를 후처리하여 예측하지만[5] 정확한 예측이 어려워 화학종 방정식에서 해석을 수행하는 일산화탄소 농도 분포를 바탕으로 화염 안정성을 평가하였다. 일산화탄소는 화염 경계면에서 하류방향으로 생성되는 것을 볼 수 있다 (Fig.
유동방향으로 변화하는 Fin의 특성을 고려하기 위하여 기존의 벌크 해석에 의한 열설계 프로그램을 관군에서 열을 따라서 열전달을 계산하도록 보완하고 실험[2,3] 및 수치해석[1]을 통하여 3차원 효과를 파악하였다. 연소실에 대해서는 다단연소 버너를 장착했을 때의 열전달 특성 변화를 수치해석을 통해 예측하고 연소실 설계에 핵심인자가 되는 연소실 출구온도 및 화염충만도를 실험결과와 비교하였다[4].
Fin이 설치된 수관부의 경우 열전달을 극대화하고 효과적인 수순환을 구현하기 위하여 유동방향으로 Fin의 높이와 밀도를 변화시킨 모듈을 제안하였다. 유동방향으로 변화하는 Fin의 특성을 고려하기 위하여 기존의 벌크 해석에 의한 열설계 프로그램을 관군에서 열을 따라서 열전달을 계산하도록 보완하고 실험[2,3] 및 수치해석[1]을 통하여 3차원 효과를 파악하였다. 연소실에 대해서는 다단연소 버너를 장착했을 때의 열전달 특성 변화를 수치해석을 통해 예측하고 연소실 설계에 핵심인자가 되는 연소실 출구온도 및 화염충만도를 실험결과와 비교하였다[4].
이에 본 연구에서는 부분부하 운전의 경우 부하율 50%에 대하여 대표적인 3가지 운전방식을 관찰하였다. 즉, 상단에 설치한 버너만을 운전하는 경우 (Case A), 하단에 설치한 버너만을 운전하는 경우 (Case B) 그리고 상하에 설치된 각각의 버너를 50%로 운전하는 경우 (Case C)에 대하여 수치해석을 수행하였다.

대상 데이터

실험에는 천연가스를 사용하였으나 수치해석에서는 천연가스의 주성분(몰분율 약 0.885)을 이루는 메탄(CH4)을 연료로 설정하였다. 화학종은 메탄-공기 2단계 반응을 해석하였고 난 류-화학종간의 상호작용은 EDC 모형으로 고려하였다.

데이터처리

2(b)와 같이 상하로 연소실에 배치되며 계산영역은 개발 중인 보일러의 설계 도면을 기준으로 연소실 전체로 설정하였다. 수치해석은 상용 소프트웨어인 FLUENT[5]를 이용하여 수행하였다. 격자계는 Fig.

이론/모형

화학종은 메탄-공기 2단계 반응을 해석하였고 난 류-화학종간의 상호작용은 EDC 모형으로 고려하였다. 난류모형으로는 표준 k-e 모형을 채택하였다. 사용된 연료량은 부하율 100%의 경우 130 Nm3/h이고 공기비 1.
17이 되도록 입구에서 연료와 산화제 유량을 경계조건으로 부과하였다. 복사열전달은 DO(Discrete Ordinate) 복사 모형으로 해석하였다. 벽면의 온도 경계조건은 버너부분은 단열, 연소실 벽면은 보일러의 작동압력인 7기압의 포화온도인 458 K를 부여하였다.
885)을 이루는 메탄(CH4)을 연료로 설정하였다. 화학종은 메탄-공기 2단계 반응을 해석하였고 난 류-화학종간의 상호작용은 EDC 모형으로 고려하였다. 난류모형으로는 표준 k-e 모형을 채택하였다.

성능/효과

(1) 본 연구를 통해 다단 버너를 채택한 보일러의 설계조건및 부분부하 운전 조건에 대하여 수치해석을 수행한 결과 연소실에서의 흡수 열량이 설계조건에서는 열설계 결과보다 높게 부분부하 조건에서는 낮게 예측되었다.
(2) 다단 버너를 활용한 3가지 부분부하 운전 조건에 대하여 수치해석을 수행한 결과 연소실 흡수열량은 각각의 경우 거의 동일한 결과를 얻었다.
(3) 연소실 내부의 일산화탄소 분포로부터 다단 버너를 채택 함으로써 보일러의 부분부하 운전 조건에서 연소 안정성을 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다.
10). 상단의 버너만을 작동한 Case A의 경우 나머지 운전 방식에 비해 일산화탄소의 발생량이 크게 감소한 경향을 보이며 다단 연소를 도입함으로써 부분부하 운전 조건에서 연소 안정성 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
9에 비교하였다. 설계값에 비교해서 수치해석 결과가 설계 조건에서는 더 높게, 부분부하 조건에서는 더 낮은 것을 볼 수 있다 (Fig. 9(a)).
설계조건과 부분부하 조건에서 열설계와 수치해석이 보이는 차이는 무차원화 후에도 같은 경향을 보인다. 열설계 결과는 부분부하 조건에서 발열량 중에 연소실에서 흡수되는 열량의 비율이 증가하지만 수치해석 결과는 감소하는 것을 관찰할 수 있다.

후속연구

보일러의 부분부하 운전 조건에서 일부 버너만을 활용함으로써 연소 안정성을 확보하는 것이 다중 버너를 도입한 중요한 목적 중 하나이다. 2개의 버너 중 하나의 버너만을 이용하여 50%이하의 부분부하 운전을 구현할 경우 버너를 설계 조건에 가깝게 운전함으로써 연소 안정성을 확보하기 용이할것으로 예상되나 열원이 연소실의 일부분에 집중되어 효과적인 열전달이 이루어질 수 있는지에 대해서는 검증이 필요하다. 이에 본 연구에서는 부분부하 운전의 경우 부하율 50%에 대하여 대표적인 3가지 운전방식을 관찰하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업용 보일러에는 무엇이 주로 활용되고 있는가?	산업용 보일러에는 노통연관식, 관류식, 수관식이 일반적으로 널리 활용되고 있다. 이중 Fig.
	기존의 중대형 보일러의 문제를 해결하기 위해 제안된 개념은?	즉, 증기수요에 따라 연소부하를 바꿀 경우 유해 배출물인 CO나 NOx의 발생을 억제하는 데 어려움이 따르게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 1차적으로는 다단연소 등을 채택한 저 NOx 버너를 사용하고더 나아가 복수의 버너를 도입하여 NOx나 CO의 발생을 엄격하게 제어하며 중대형 보일러 시스템을 구축하는 개념이 제안되었다[1].
	중대형 보일러는 용량이 증가하는 것과 더불어 버너도 대형화되어 부하 변동에 따른 연소제어가 어려워지는데, 이에 어떤 어려움이 동반되는가?	중대형 보일러는 용량이 증가하는 것과 더불어 버너도 대형화되어 부하 변동에 따른 연소제어가 어려워진다. 즉, 증기수요에 따라 연소부하를 바꿀 경우 유해 배출물인 CO나 NOx의 발생을 억제하는 데 어려움이 따르게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 1차적으로는 다단연소 등을 채택한 저 NOx 버너를 사용하고더 나아가 복수의 버너를 도입하여 NOx나 CO의 발생을 엄격하게 제어하며 중대형 보일러 시스템을 구축하는 개념이 제안되었다[1].

참고문헌 (5)

2007, Ahn, J., Kim, J.J. and Kang, S.B., "Heat Transfer Module for Multi-Burner Water Tubel Boiler: 0.5 t/h Class Model Simulation," Proc. SAREK 2007 Winter Annual Meeting, pp.528-533
2008, Kim, J.J., Choi, K.S., Ki, H.C. and Kang, S.B., "Experimental Study on Thermal Characteristics of Heat Exchanger Modules for Multi Burner Boiler - Part Load Test Results," Proc. SAREK 2008 Summer Annual Meeting, pp.1025-1030
2008, Kang, S.B., Kim, J.J. and Ahn, J., "Experimental Study on Thermal Characteristics of Heat Exchanger Modules for Multi Burner Boiler," Proc. KSME 2008 Fall Annual Meeting, pp.3053-3058
2008, Ahn, J., Kim, J.J. and Kang, S.B., "Combustion Characteristics of a Staged Burner for a Boiler," Proc. 5th NCFE
2001, FLUENT, FLUENT 6 User's Guide Volume 3, pp.17-1-17-13

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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