[논문]응축기의 비응축 가스 배출 타입에 따른 틈 간격 비율의 영향에 대한 수치적 연구

제준호; 김수재; 최치웅; 김무환

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.1.067

응축기의 비응축 가스 배출 타입에 따른 틈 간격 비율의 영향에 대한 수치적 연구
Numerical Study of Gap Size Ratio Effect for Noncondensable Gas Ventilation in Condensers 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.1 = no.316, 2012년, pp.67 - 74

제준호 (포항공과대학교 기계공학과) , 김수재 (포항공과대학교 기계공학과) , 최치웅 (와이오밍주립대학교 화학과) , 김무환 (포항공과대학교 첨단원자력공학부)

초록
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본 논문은 응축기의 비 응축 가스 배출 타입에 따른 틈 간격의 비율이 응축기의 성능에 미치는 영향에 관하여 다공성 매질 개념을 적용한 수치적 연구에 관한 것이다. 다공성 매질의 개념을 이용한 응축기의 성능 해석에서는 응축기기 내부의 다관군을 다공성 매질로 간주하며, 다관군에 의한 압력 강하는 상관식으로 반영한다. 상용수치해석 프로그램인 Fluent 와 user-defined functions 를 이용하여 McAllister 응축기에 다공성 매질 개념을 적용하여 3 차원 응축량을 해석하였다. 순수증기의 해석에서는 틈 간격이 응축량에 미치는 영향이 거의 없었다. 그러나 비 응축가스가 포함되어 있으며, 외부 배출의 경우 틈 간격은 응축량에 매우 큰 영향을 미쳤는데, 틈 간격이 줄어듦에 따라 응축량이 매우 증가하는 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical analysis was carried out to estimate the effect of the gap size ratio on the performance of condensers under noncondensable gas ventilation using the porous medium approach (PMA). In the PMA, the details of the tube bundle in the condenser are considered to be those of a porous medium, and the flow resistance term is added in the momentum equation. Three-dimensional analysis of the condensation for a McAllister condenser was conducted with the PMA using Fluent and user-defined functions (UDFs). The gap size effect on the condensation was negligible under pure steam conditions. However, the gap size effect was dominant in condensation with noncondensable gas and external venting. As the gap size decreased, the condensation rate increased for noncondensable gas in an external venting system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 기존 연구자들의 연구는 응축기 설계에 중요한 변수와 응축기 성능과의 상관관계에 대한 연구는 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 응축기 내부 혼합물의 유동에 큰 영향을 줄 것으로 판단되는 다관군과 응축기 외벽의 틈 간격이 비 응축 가스 제거 시스템에 따라 응축기의 성능에 미치는 영향을 분석하도록 한다. 계산의 도구로는 범용 열유체 해석 프로그램인 Fluent 6.

가설 설정

C. Zhang 등^(2~4)은 해석을 위해 정상상태로 가정하였으며, 응축기 유체는 증기와 공기의 혼합물이며 계산의 단순화를 위해 이상 기체로 가정하였다. 또한 물성치는 상수로 가정하였으며, 응축기 내부 유체는 포화상태로 가정하였다.
응축량은 통합 열전달계수를 통해 계산된 열전달량을 잠열에 의한 상변화 양으로 가정하여 구하였다. 난류 영역인 증기의 유동을 계산 하기 위해 유효 점성 계수를 사용하였으며, 이때 난류 점성 계수는 상수로 가정하였다.
Zhang 등^(2~4)은 해석을 위해 정상상태로 가정하였으며, 응축기 유체는 증기와 공기의 혼합물이며 계산의 단순화를 위해 이상 기체로 가정하였다. 또한 물성치는 상수로 가정하였으며, 응축기 내부 유체는 포화상태로 가정하였다. 응축 현상을 계산 하기 위해 운동량 방정식에 관군에 의한 압력 강하를 모사하였으며, 질량 제거 항을 사용하여 단위 부피당 응축량에 해당하는 증기를 계산 영역에서 제거하였다.
응축 현상을 계산 하기 위해 운동량 방정식에 관군에 의한 압력 강하를 모사하였으며, 질량 제거 항을 사용하여 단위 부피당 응축량에 해당하는 증기를 계산 영역에서 제거하였다. 응축량은 통합 열전달계수를 통해 계산된 열전달량을 잠열에 의한 상변화 양으로 가정하여 구하였다. 난류 영역인 증기의 유동을 계산 하기 위해 유효 점성 계수를 사용하였으며, 이때 난류 점성 계수는 상수로 가정하였다.
응축수는 중력(Z 축) 방향과 같이 아래로 흐른다고 가정하였다.
)를 사용하였다. 이 때 난류 점성 계수는 S. J. Ormiston 등⁽⁵⁾의 연구에서 적용된 층류 점성 계수의 100 배로 가정하였다.
이때 식 (22)와 같이 관의 표면에서의 열유속을 부피에 의한 값으로 전환하기 위해 다관군의 부피당 관의 표면적(1/m)을 곱한다. 증기의 온도는 포화 상태라는 가정하에 증기의 압력에 의해 결정된다. 전체 열저항은 냉각수의 열저항과 관의 열저항, 응축 액막의 열저항, 비 응축 가스에 의한 열저항으로 구성되며 식 (23)과 같다.

제안 방법

Fig. 2 는 냉각수의 흐름 방향과 수직인 단면으로, 비 응축 가스의 배출 위치에 따라 Internal vent(IV)와 External vent(EV)로 구분하고, 각 경우에서 틈 간격의 비(0.075-1.2)에 따라 순수 증기와 비 응축 가스가 포함된 혼합물에서의 응축 열전달을 해석하였다. 틈 간격의 비는 Fig.
McAllister 응축기의 비 응축 가스 배출 타입에 따른 틈 간격 비율의 영향에 대한 수치해석을 수행하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
Purge: 출구 조건으로 공간상에서 단위 체적당 일정한 질량을 제거하였으며, 이 값은 Table 1 에 있는 응축기 운전 조건의 Purge rate 을 사용하였다.
관군에 의해 발생하는 압력 강하는 관군과 유동 방향에 따라 구분되어서 압력 강하 계수를 운동량 보존 방정식에 추가하였다.
난류에 의한 영향을 반영하기 위해 난류 점성 계수( µt )와 층류 점성 계수( µ )의 합으로 된 유효 점성 계수( µeff )를 사용하였다.
다공성 물질의 해석 개념에 기초한 공간 평균된 지배방정식을 사용함에 따라 관군에 의해 발생하는 압력 강하와 관 외벽에서 응축되는 수증기의 질량을 다음의 보조 관계식을 통해 계산한다.
다공성 물질의 해석에서 사용되는 공간 평균된 지배방정식을 사용하여 질량과 운동량 공기의 질량 비율을 계산한다.
본 연구에서는 Table 1 의 응축기 형상 및 운전조건을 사용하여, 비 응축 가스의 두 가지 배출 타입에 따라 틈 간격 비율을 0.075 에서 1.2 까지 변경된 형상에서 수치해석을 하였다.
Carlucci 등⁽⁸⁾의 연구에서 사용된 열저항을 사용하여 통합 열전달계수를 구하였다. 새로운 비 응축 가스의 질량 보존 방정식을 구성하였으며, 반복 계산을 통해 계산 되는 열저항 네트워크에서 각 변수가 업데이트 되는 알고리즘을 개선하였으며, 압력과 속도장에 대한 연결을 수정 하여 응축 모델의 수렴성을 개선하였다.
또한 물성치는 상수로 가정하였으며, 응축기 내부 유체는 포화상태로 가정하였다. 응축 현상을 계산 하기 위해 운동량 방정식에 관군에 의한 압력 강하를 모사하였으며, 질량 제거 항을 사용하여 단위 부피당 응축량에 해당하는 증기를 계산 영역에서 제거하였다. 응축량은 통합 열전달계수를 통해 계산된 열전달량을 잠열에 의한 상변화 양으로 가정하여 구하였다.
EV 의 비 응축 가스가 포함된 해석에서의 응축량은 다른 3 가지와 비교할 때 틈 간격 비율 변화에 대한 매우 다른 결과를 보인다. 이의 영향을 각 계산 조건 별로 냉각수의 흐름 방향과 수직인 단면에서의 응축량, 비 응축 가스의 질량 비율, 혼합물의 속도 벡터 등을 비교하여 분석하였다.

대상 데이터

2 와 같이 계산 영역에서 정렬 격자를 사용하였고, Y 축(냉각수 흐름) 방향으로 4 개의 분절로 구성하였으며, 1 개의 분절당 5 개의 격자를 사용하였다. 응축기 전체에 사용된 격자 수는 15000 개이며 응축이 발생하는 다관군 영역에서는 8000 개의 격자를 사용하였다.

이론/모형

Rhodes at al.⁽⁷⁾에 의해 만들어진 상관식을 사용하였으며, L.N. Carlucci 등⁽⁸⁾의 연구에서 사용된 열저항을 사용하여 통합 열전달계수를 구하였다. 새로운 비 응축 가스의 질량 보존 방정식을 구성하였으며, 반복 계산을 통해 계산 되는 열저항 네트워크에서 각 변수가 업데이트 되는 알고리즘을 개선하였으며, 압력과 속도장에 대한 연결을 수정 하여 응축 모델의 수렴성을 개선하였다.
이에 본 연구에서는 응축기 내부 혼합물의 유동에 큰 영향을 줄 것으로 판단되는 다관군과 응축기 외벽의 틈 간격이 비 응축 가스 제거 시스템에 따라 응축기의 성능에 미치는 영향을 분석하도록 한다. 계산의 도구로는 범용 열유체 해석 프로그램인 Fluent 6.3 를 사용한다.
응축으로 인해 공기의 질량 비율이 변하게 되면 공기와 수증기 간의 농도차에 의한 확산이 발생하게 된다. 본 연구에서는 식 (6)과 같이 난류 확산 계수( D_t )와 층류 확산 계수 ( D )의 합으로 된 효과 확산 계수( D_eff )를 사용하였다. 이때 난류 확산 계수는 식 (7)과 같으며, Sc_t 는 1 로 가정하였다.
비 응축 가스(공기)의 질량 비율을 계산하기 위해 식 (5)와 같은 공기 비율 보전 방정식을 사용하였다. 응축으로 인해 공기의 질량 비율이 변하게 되면 공기와 수증기 간의 농도차에 의한 확산이 발생하게 된다.
Bell⁽⁹⁾은 상용코드인 Fluent 를 사용하여 McAllister 응축기의 상변화 열전달을 해석하였다. 응축량은 응축 열전달 상관식을 User-defined functions(UDFs)를 사용하여 구성하였다. 기존의 연구자들은 2 차원 계산을 통한 응축기의 응축 열전달 해석을 수행한 반면, B.
직교류(X 방향, Z 방향)의 경우 D. Butterworth(6) 상관식을 사용하였고, 평행류(Y 방향)의 경우 D.B. Rhodes 등(7) 상관식을 사용하여 식 (8)-(10)과 같은 압력 강하 항( Fi )을 구하였다.

성능/효과

(1) 순수 증기의 해석 결과에서 틈 간격 비율의 변화에 따른 유동의 변화로 인해 부분적인 응축량의 차이는 존재하나 응축기 전체로 보면 응축량은 일정함을 알 수 있었다. 이를 통해 순수 증기의 응축 열전달 해석에서는 틈 간격 비율의 영향은 미소한 것을 확인하였다.
(2) 비 응축 가스가 포함된 응축 열전달 해석에서 비 응축 가스의 배출 타입에 따른 틈 간격 비율의 영향이 매우 다른 형태를 보임을 확인하였다. IV 의 경우 틈 간격 비율에 의해 전체 응축량의 변화는 미소하다.
IV 의 경우 틈 간격 비율에 의해 전체 응축량의 변화는 미소하다. 그러나 EV 의 경우 틈 간격 비율이 증가함에 따라 다관군 내의 평균 유속이 낮아져 비 응축 가스의 질량 비율이 증가하고, 응축량은 급속히 감소함을 확인하였다.
12 과 같이 틈 간격 비율의 변화에 대하여 비 응축 가스의 분포 및 전체 질량이 민감하게 변한다. 이로 인해 응축량의 분포가 매우 달라지며, 전체 응축량은 틈 간격 비율이 증가함에 따라 급격히 감소하게 됨을 알 수 있었다.
(1) 순수 증기의 해석 결과에서 틈 간격 비율의 변화에 따른 유동의 변화로 인해 부분적인 응축량의 차이는 존재하나 응축기 전체로 보면 응축량은 일정함을 알 수 있었다. 이를 통해 순수 증기의 응축 열전달 해석에서는 틈 간격 비율의 영향은 미소한 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴퓨터의 계산 능력의 한계는?	Karlsson 등(1)의 예에서 볼 수 있듯이 수십 개 정도의 관을 2 차원 계산을 통해서 가능한 정도이다. 그러나 실제 현장에서 사용 되는 응축기는 수 천 개가 넘는 관으로 구성되어 있어 계산하기가 힘이 든다. 이 문제에 대한 대안으로 다관을 다공성 매질로 처리하여 계산량을 감소시킨다.
	응축기의 성능을 향상시키기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	응축기의 성능을 향상시키기 위한 방법으로 응축기 내부의 설계 변수 변화에 대한 응축량의 변화를 예측 할 수 있는 모델이 요구되었다. 다관군을 직접 계산 하는 경우 현 시점에서의 컴퓨터의 계산 능력으로는 T.
	다관군을 직접 계산 하는 경우의 특징은?	응축기의 성능을 향상시키기 위한 방법으로 응축기 내부의 설계 변수 변화에 대한 응축량의 변화를 예측 할 수 있는 모델이 요구되었다. 다관군을 직접 계산 하는 경우 현 시점에서의 컴퓨터의 계산 능력으로는 T. Karlsson 등(1)의 예에서 볼 수 있듯이 수십 개 정도의 관을 2 차원 계산을 통해서 가능한 정도이다. 그러나 실제 현장에서 사용 되는 응축기는 수 천 개가 넘는 관으로 구성되어 있어 계산하기가 힘이 든다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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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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