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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 수치해석을 통해 증기 드럼 내부의 속도분포를 구하고 증기 드럼의 기하형상이나 작동압력 등의 운전 조건에 따라 속도 분포를 예측할 수 있는 관계식을 도출하고자 한다. 증기 드럼은 산업용에서 발전용까지 다양한 용량과 작동압력에 사용되므로 본 연구에서는 Table 1에 제시한 11가지의 HRSG 및 수관식 보일러 증기드럼의 설계 자료를 확보하여 수치해석을 수행하였다.
- 증기 출구 상류 위치에 필터 등을 설치할 경우 액적 입자의 크기 및 필터 입구의 속도에 따라 필터 효율이 결정되어 필터의 크기 및 설치 위치를 설계하기 위해서는 증기 공간 내부의 속도 분포에 대한 정보가 필요하다[7, 8]. 증기 출구 부근에서는 수직 방향 속도 성분이 중요하고 Demister 등의 필터도 증기 출구 유동 방향에 수직으로 설치되므로 본 연구에서는 수직방향 속도에 주목하여 분석을 수행하였다.
제안 방법
- 22의 상관도를 나타내었다. 따라서 지수 m1에 대하여 가장 높은 상관계수(R=0.66)를 나타낸 출구에서의 Reynolds 수에 대하여 상관식을 구하였다(Fig. 7(b), 식 (2), (3))
- 본 연구에서는 HRSG와 산업용 수관식 보일러에 사용되는 11가지 증기드럼의 증기공간 내부 유동에 대하여 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그러나 고압의 증기드럼 내부에서 속도 분포를 측정하는 것은 거의 불가능하여 실험 자료는 구할 수 없었다. 본 연구에서는 드럼 내부 장치로서 Demister를 포함하는 경우(Table 1, Davy)에 대하여 식 (2), (3)에 제시한 결과식으로 Demister의 위치를 선정해보고 실제 도면과 비교하는 것으로 상관식의 유용도를 검증하였다.
- 유동 영역은 난류이고 지배적인 길이 스케일이 존재하지 않으므로 난류모형은 표준 k-e 모형을 사용하였다. 본 연구의 초점은 전체적인 속도 분포 형태로서 벽면의 항력이나 열전달이 상대적으로 중요하지 않으므로 벽면에는 표준 벽함수 조건을 부과하여 경제적인 해석이 이루어지도록 하였다.
- 증기 드럼은 산업용에서 발전용까지 다양한 용량과 작동압력에 사용되므로 본 연구에서는 Table 1에 제시한 11가지의 HRSG 및 수관식 보일러 증기드럼의 설계 자료를 확보하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과에서 증기출구 중심축 위치에서 수직방향 속도 성분을 추출하여 NWL에서의 Reynolds 수, 증기 출구에서의 Reynolds 수, 작동 압력, NWL과 증기 출구의 면적비 등에 대하여 관계를 구하였고 이 중 가장 상관관계가 높은 출구 Reynolds 수에 대한 상관식을 제안한다.
- 수치해석을 수행한 11가지 검증 자료에 대하여 함수의 지수인 m1을 구해 표준수위면에서의 Reynolds 수, 증기 출구에서의 Reynolds 수, 작동 압력, 표준수위면과 증기 출구의 면적비 등에 대하여 상관관계를 구하였다. 각각에 대하여 상관계수를 구한 결과 표준수위면에서의 Reynolds 수는 0.
- 최근 에너지 자원의 고갈과 온실효과에 의한 기후 변화가 세계적인 문제로 제기되면서 장기적으로는 이산화탄소의 배출이 없는 신재생에너지의 개발과 보급이 단기적으로는 에너지의 합리적 이용이 요구되고 있다. 에너지의 합리적 이용이라는 측면에서 고온이 요구되지는 않지만 많은 에너지를 사용하고 있는 증기 생산이나 냉난방에는 가스터빈과 같은 원동기에서 전기를 생산하는 등의 유효 일을 얻은 후 발생하는 배열을 활용하는 방안이 제안되었다. 이러한 방안의 대표적인 예로 열병합 발전이나 복합 발전이 있다.
- 증기 드럼 내부의 온도 분포는 작동 압력에서의 포화온도가 되므로 본 연구에서는 유동 분포만을 해석하였다. 유동 해석을 위한 지배방정식은 비압축성 Navier-Stokes 방정식이며 해석에는 상용 프로그램인 Fluent를 이용하였다.
- 이에 본 연구에서는 수치해석을 통해 증기 드럼 내부의 속도분포를 구하고 증기 드럼의 기하형상이나 작동압력 등의 운전 조건에 따라 속도 분포를 예측할 수 있는 관계식을 도출하고자 한다. 증기 드럼은 산업용에서 발전용까지 다양한 용량과 작동압력에 사용되므로 본 연구에서는 Table 1에 제시한 11가지의 HRSG 및 수관식 보일러 증기드럼의 설계 자료를 확보하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과에서 증기출구 중심축 위치에서 수직방향 속도 성분을 추출하여 NWL에서의 Reynolds 수, 증기 출구에서의 Reynolds 수, 작동 압력, NWL과 증기 출구의 면적비 등에 대하여 관계를 구하였고 이 중 가장 상관관계가 높은 출구 Reynolds 수에 대한 상관식을 제안한다.
- 이는 증기드럼 내부의 속도분포를 관계식으로 정리하여 내부장치 설계에 사용할 수 있는 가능성을 의미한다. 증기드럼 내부의 속도분포를 나타내는 관계식을 구하기 위하여 본 연구에서는 먼저 수치해석 결과로부터 증기 출구의 중심 축을 따라 속도 분포를 추출하고 출구 속도 및 Drum의 반지름으로 무차원화하였다(Fig. 7(a)).
대상 데이터
- 격자는 Fig. 4(b)와 같이 육면체 격자를 사용하였고 계산 조건 및 기하 형상에 따라서 10만개에서 50만개의 격자를 사용하였다. 경계조건의 경우, 계산 영역의 입구가 되는 표준수위면에는 증기용량에 해당하는 균일질량유속을 부과하였다.
- Demister의 설치 위치는 입구에서 유속이 최적의 분리효율을 갖도록 결정한다. 예제에서 작동압력은 5.5 MPa, 용량은 135 ton/hr이며(Table 1), 증기 드럼의 직경은 2500 mm이다. 작동압력 및 용량을 기준으로 표준수위면과 출구의 면적으로부터 각각의 위치에서 유속을 계산하면 각각 0.
이론/모형
- 유동 해석을 위한 지배방정식은 비압축성 Navier-Stokes 방정식이며 해석에는 상용 프로그램인 Fluent를 이용하였다. 연속방정식과 운동량방정식의 연결에는 SIMPLE 알고리즘을 적용하였고 운동량 방정식의 대류항은 유동장 내부에서 해의 급격한 변화가 없을 것으로 예상하여 수렴성이 좋은 2차 정확도의 Upwind 차분식을 선택하였다.
- 유동 영역은 난류이고 지배적인 길이 스케일이 존재하지 않으므로 난류모형은 표준 k-e 모형을 사용하였다. 본 연구의 초점은 전체적인 속도 분포 형태로서 벽면의 항력이나 열전달이 상대적으로 중요하지 않으므로 벽면에는 표준 벽함수 조건을 부과하여 경제적인 해석이 이루어지도록 하였다.
- 증기 드럼 내부의 온도 분포는 작동 압력에서의 포화온도가 되므로 본 연구에서는 유동 분포만을 해석하였다. 유동 해석을 위한 지배방정식은 비압축성 Navier-Stokes 방정식이며 해석에는 상용 프로그램인 Fluent를 이용하였다. 연속방정식과 운동량방정식의 연결에는 SIMPLE 알고리즘을 적용하였고 운동량 방정식의 대류항은 유동장 내부에서 해의 급격한 변화가 없을 것으로 예상하여 수렴성이 좋은 2차 정확도의 Upwind 차분식을 선택하였다.
성능/효과
- (1) 증기 드럼의 체적 산정은 경험에 의존하며 문헌 상에 나타난 경험식 사이에는 체적 부하량 기준 2배까지 차이가 있는 것을 확인하였다.
- (2) HRSG 및 산업용 수관식 보일러 11가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 증기 출구 중심축을 따라 수직 속도분포를 구해본 결과 표준수위면으로부터 높이에 대하여 지수함수 분포를 나타낸다.
- (3) 증기드럼 내부의 수직 속도분포와 표준수위면으로부터 높이 상관식의 지수는 증기출구에서의 Reynolds수에 가장 높은 상관관계를 보인다.
- 수치해석을 수행한 11가지 검증 자료에 대하여 함수의 지수인 m1을 구해 표준수위면에서의 Reynolds 수, 증기 출구에서의 Reynolds 수, 작동 압력, 표준수위면과 증기 출구의 면적비 등에 대하여 상관관계를 구하였다. 각각에 대하여 상관계수를 구한 결과 표준수위면에서의 Reynolds 수는 0.56, 증기출구에서의 Reynolds 수는 0.66, 작동압력은 0.59, 면적비는 0.22의 상관도를 나타내었다. 따라서 지수 m1에 대하여 가장 높은 상관계수(R=0.
- 5 m/s로서[8] 식 (2), (3)을 이용하여 해당 위치를 찾아보면 수면으로부터 670 mm로 구해진다. 도면을 확인한 결과 Demister는 수면으로부터 655 mm 높이에 설치되어 있어 본 연구에서 도출한 식을 바탕으로 드럼 내부장치를 설계할 수 있음을 확인하였다.
- 산업용 보일러와 열병합 및 복합 발전에 사용되는 HRSG를 포함하는 11가지 경우에 대하여 수치해석을 수행한 결과 증기드럼 내부의 속도분포는 대체로 유사하게 나타났다(Fig. 5, 6). 이는 증기드럼 내부의 속도분포를 관계식으로 정리하여 내부장치 설계에 사용할 수 있는 가능성을 의미한다.
후속연구
- (4) 증기드럼 내부에 실제 Demister가 설치된 경우의 속도분포 변화는 추후 연구할 예정이다.
- 수치해석 결과 및 해석을 통해서 도출한 관계식을 검증하기 위해서는 증기드럼 내부의 속도 분포에 대한 실험 자료가 필요하다. 그러나 고압의 증기드럼 내부에서 속도 분포를 측정하는 것은 거의 불가능하여 실험 자료는 구할 수 없었다.
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