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오프셋 스트립 휜을 가지는 리큐퍼레이터의 내부 형상 최적화
Optimization for the Internal Structure of a Recuperator with Offset Strip Fins 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.6, 2011년, pp.1178 - 1185  

도규형 (한국기계연구원) ,  한용식 (한국기계연구원) ,  최병일 (한국기계연구원) ,  김명배 (한국기계연구원)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the present study, a recuperator is suggested to improve the thermal efficiency of a micro gas turbine. Primary design parameters of the recuperator are determined from the ideal cycle analysis. The counter flow plate-fin heat exchanger with offset strip fins is chosen as the type of the recupera...

주제어

#마이크로 가스터빈   #리큐퍼레이터 설계   #평판형 열교환기   #오프셋 스트립 휜  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 그러나 개발하고자하는 마이크로 가스터빈에 사용되는 리큐퍼레이터의 최대 작동온도는 1000K로 실제 적용 가능한 재료라고 보기 어렵다. 따라서 본 연구에서 고려한 재료는 내열성은 뛰어나지만 열전도도가 낮은 SUS 316(kfin = 20W/mK)과 내열성과 열전도도 모두 비교적 우수한 구리(kfin = 400W/mK)로 선정하였고, 리큐퍼레이터 재료의 물성치 변화가 열성능에 미치는 영향을 조사하였다.
  • 본 연구에서는 사이클 해석결과로부터 도출된 공기유량, 입 · 출구 온도, 압력강하량, 유용도(Effectiveness) 등의 마이크로 가스터빈 설계 조건을 만족할 수 있는 리큐퍼레이터(Recuperator)를 설계하고자 한다.
  • 본 연구에서는 설계 제약조건인 유용도를 만족하는 동시에 압력강하량을 최소화 할 수 있는 플레이트-휜 타입 리큐퍼레이터의 내부 형상에 대한 최적화를 수행하였다. 내부 형상 최적화 과정에서 추가적으로 고려할 사항은 최적화 결과로부터 얻은 오프셋 스트립 휜의 형상에 대한 제작 가능 여부이다.
  • 본 연구에서는 압력강하량 측면에서 고온 유체부 및 저온 유체부의 휜 간격을 동일하게 설정한 후, 높이비 x(= h′c/h′h)를 변화시키면서 설계 가능영역을 최대화 하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 휴대용 군용전원 및 모바일 기기의 동력원으로 사용할 수 있는 500W급 마이크로 가스터빈의 열효율 향상을 위한 리큐퍼레이터 설계를 수행하였다. 사이클 해석으로 부터 리큐퍼레이터 입 · 출구온도, 압력손실, 유용도 등의 마이크로 가스터빈 설계제약조건을 결정하였다.
  • 사이클 해석결과로부터 도출된 공기유량, 입 · 출구 온도, 압력손실, 유용도 등의 마이크로 가스터빈 설계조건을 만족할 수 있는 플레이트-휜 타입의 리큐퍼레이터를 설계하고자 하였다.
  • 이 변수 중에서 본 연구에서는 휜 오프셋 길이, 휜 두께, 분리판 두께를 각각 ls = 3mm, δ = 0.1mm, δw = 0.1mm로 고정하고 휜 간격 및 높이를 변화시키면서 압력강하량 및 유용도에 대한 설계 제약조건을 만족하는 리큐퍼레이터를 설계하고자 하였다.

가설 설정

  • 1mm로 고정하고 휜 간격 및 높이를 변화시키면서 압력강하량 및 유용도에 대한 설계 제약조건을 만족하는 리큐퍼레이터를 설계하고자 하였다. Fig. 3과 같이 6개의 리큐퍼레이터가 원주방향으로 균일하게 설치되기 때문에 본 연구에서는 단위 리큐퍼레이터를 기준으로 내부 형상설계를 수행하였으며, 배기가스의 열물성치들은 건조공기(Dry Air)로 가정하여 계산하였다.
  • a) 압축/팽창과정은 가역적이며 등엔트로피 과정이다.
  • b) 각 컴포넌트의 입 · 출구 사이에서 작동유체의 운동에너지는 무시할 수 있다.
  • c) 작동유체는 사이클 전 과정에서 같은 조성을 가지며, 일정한 비열을 가지는 이상기체로 가정한다.
  • d) 가스의 질량유량은 사이클 전 과정에서 일정하다.
  • 1 참조)에서 압력비, TIT, 컴포넌트별 효율 및 압력강하량 등의 설계조건은 Table 1과 같다. 리큐퍼레이터의 고온 유체부와 저온 유체부에서 허용 가능한 최대 압력손실은 각각 ∆Ph,max = 6.66kPa, ∆Pc,max = 9.12kPa로 가정하였고 TIT는 1200K이다. 이러한 조건 하에서 리큐퍼레이터의 존재여부에 따른 각 컴포넌트의 입 · 출구 압력 및 온도는 Table 2의 결과와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마이크로 가스터빈의 열효율 향상을 위한 방법은 무엇이 있는가? 마이크로 가스터빈의 연료 소모량(Specific Fuel Consumption)은 열효율에 반비례하므로, 소형화 및 경량화를 위해서는 마이크로 가스터빈의 열효율 향상이 요구된다. 열효율 향상을 위한 가장 직접적인 방법은 열역학적 사이클 관점에서 압력비 및 TIT(Turbine Inlet Temperature)를 증가시키는 것이다. 그러나 초소형/극초소형 가스터빈의 경우, 재료와 제작공정의 한계 때문에 TIT와 압력비를 증가시키는데 어려움이 존재한다. 따라서 열효율 향상을 위한 가장 실제적인 방법은 재생사이클(Regenerative Cycle)을 사용하는 것이다. 가스터빈과 관련된 모든 교재에서 재생사이클의 사용은 페열회수 및 최적 압력비 감소로 인해 열효율을 크게 향상시킬 수 있다고 기술하고 있으며, 현존하는 기술적인 문제점을 해결할 수 있을 것이다[5].
단속 휜이 다양한 산업분야에서 활용되는 이유는? 이를 위해, 오프셋 스트립 휜을 가지는 리큐퍼레이터를 선택하였다. 오프셋 스트립 휜과 같은 단속 휜(Interrupted Fin)은 열교환기 제작시 평판 휜(Plain Fin)에 비해 재료를 효율적으로 사용할 수 있기 때문에 다양한 산업분야에 사용되고 있다[6]. 본 연구에서 개발하고자 하는 500W급 마이크로 가스터빈의 부피는 약 1000cm3로 발전기 파트를 제외하면 압축기, 터빈, 연소기, 리큐퍼레이터가 전체 부피의 약 80%를 차지한다.
가스터빈의 장점은? 2～6kWhr/kg 정도의 에너지밀도를 요구하고 있으며, 현재 개발되어 있는 이차전지로는 달성하기 어려운 실정이다[1,2]. 이에 반해 가스터빈은 에너지밀도가 높은 수소나 탄화수소계 연료를 이용하기 때문에 파워 및 에너지밀도가 높은 장점을 가진다. 최근들어 마이크로 가스터빈은 전동의수, 애완용 로봇(Aibo), 인형 로봇(Humanoid Robot : Asimo, Hubo 등) 등과 같이 장시간 사용 가능한 휴대용 동력원을 필요로 하는 제품들의 주전원 또는 비상전원으로 사용할 수 있는 가장 현실적인 대안으로 각광받고 있다[3,4].
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참고문헌 (9)

  1. Robert J. Nowak, DARPA's Advanced Energy Technologies, DARPATECH 2000. 

  2. California Energy Commission, 200kWe Solid Fuel Cell/Microturbine Generator Hybrid Proof of Concept Demonstration Report, March 2001. 

  3. Leading R&D to Practice Ultra Micro Gas Turbines, NEDO International Collaboration, Report 2002. 

  4. Eito Matsuo, Haruo Yoshiki, Toshio Nagasima, Chisahi Kato, Toward the Development of the Finger Top Gas Turbines, IGTC '03 Tokyo. 

  5. H. Saravanamuttoo, G. Rogers, H. Cohen, P. Straznicky, Gas Turbine Theory 6th ed., Pearson Education Limited, UK, 2009. 

  6. R. K. Shah, D. P. Sekulic, Fundamentals of Heat Exchanger Design, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2003. 

  7. R. M. Manglik, A. E. Bergles, Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for the Rectangular Offset-strip-fin Compact Heat Exchanger, Exp. Thermal Fluid Sci., Vol. 10, pp. 171-180, 1995. 

    상세보기 crossref

  8. P. G. Kroeger, Performance Deterioration in High Effectiveness Heat Exchangers Due to Axial Heat Conduction Effects, Adv. Cryogen. Eng., Vol. 12, pp. 363-372, 1967. 

  9. F. P. Incropera, D. P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002. 

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