막충진재(film fill)를 갖는 냉각탑용 팬의 효율적인 운전조건을 제시하기 위하여, Merkel의 이론을 바탕으로 한 종전의 최적 총연간비용 모델을 사용하여 입구 물온도와 열부하에 따른 최소팬동력을 구하는 프로그램이 새로이 개발되었으며, 냉각탑의 설계 맵이 본 연구로부터 제시되었다. 전형적인 예들을 통하여 본 프로그램의 타당성이 입증되었다. 주어진 열부하에서 이들 팬동력(z 축)-공기질량플럭스(x 축, 최소팬동력 존재)-입구물온도(y 축, 최소팬동력의 최대값 존재)의 3차원 그래프는 말안장 형상으로 나타났다. 최소팬동력들은 열부하에 따라 증가하였다. 따라서, '고온수 유입과 저유량의 공기로 작동' 될 때가 항상 최소팬동력 조건이 아니며, '주어진 입구물온도에 대하여 최소팬동력에 대응하는 최적의 공기질량플럭스가 (열부하와 무관하게) 존재한다'는 사실이 본 연구결과로부터 밝혀졌다.
막충진재(film fill)를 갖는 냉각탑용 팬의 효율적인 운전조건을 제시하기 위하여, Merkel의 이론을 바탕으로 한 종전의 최적 총연간비용 모델을 사용하여 입구 물온도와 열부하에 따른 최소팬동력을 구하는 프로그램이 새로이 개발되었으며, 냉각탑의 설계 맵이 본 연구로부터 제시되었다. 전형적인 예들을 통하여 본 프로그램의 타당성이 입증되었다. 주어진 열부하에서 이들 팬동력(z 축)-공기질량플럭스(x 축, 최소팬동력 존재)-입구물온도(y 축, 최소팬동력의 최대값 존재)의 3차원 그래프는 말안장 형상으로 나타났다. 최소팬동력들은 열부하에 따라 증가하였다. 따라서, '고온수 유입과 저유량의 공기로 작동' 될 때가 항상 최소팬동력 조건이 아니며, '주어진 입구물온도에 대하여 최소팬동력에 대응하는 최적의 공기질량플럭스가 (열부하와 무관하게) 존재한다'는 사실이 본 연구결과로부터 밝혀졌다.
In order to provide effective operating conditions for the fan in a wet cooling tower with film fill, a new program to search for the minimum fan power was developed using a model of the optimal total annual cost of the tower based on Merkel's model. In addition, a type of design map for a cooling t...
In order to provide effective operating conditions for the fan in a wet cooling tower with film fill, a new program to search for the minimum fan power was developed using a model of the optimal total annual cost of the tower based on Merkel's model. In addition, a type of design map for a cooling tower was also developed. The inlet water temperature and heat load were considered as key parameters. The present program was first validated using several typical examples. The results showed that for a given heat load, a three-dimensional graph of the fan power (z-axis), mass flux of air (x-axis, minimum fan power), and inlet water temperature (y-axis, maximum of minimum fan power) showed a saddle configuration. The minimum fan power increased as the heat load increased. The conventionally known fact that the most effective cooling tower operation coincides with a high inlet water temperature and low air flow rate can be replaced by the statement that there exists an optimum mass flux of air corresponding to a minimum fan power for a given inlet water temperature, regardless of the heat load.
In order to provide effective operating conditions for the fan in a wet cooling tower with film fill, a new program to search for the minimum fan power was developed using a model of the optimal total annual cost of the tower based on Merkel's model. In addition, a type of design map for a cooling tower was also developed. The inlet water temperature and heat load were considered as key parameters. The present program was first validated using several typical examples. The results showed that for a given heat load, a three-dimensional graph of the fan power (z-axis), mass flux of air (x-axis, minimum fan power), and inlet water temperature (y-axis, maximum of minimum fan power) showed a saddle configuration. The minimum fan power increased as the heat load increased. The conventionally known fact that the most effective cooling tower operation coincides with a high inlet water temperature and low air flow rate can be replaced by the statement that there exists an optimum mass flux of air corresponding to a minimum fan power for a given inlet water temperature, regardless of the heat load.
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문제 정의
따라서, 본 연구의 목적은 위의 고온수 유입과 저유량의 공기유입 조건이 과연 냉각탑 팬의 최소 동력조건인지 살펴보고, 입구물온도와 공기유량이 변할 때 냉각탑용 팬의 소요동력에 미치는 영향을 조사하기 위함이다. 본 연구에서는 Serna-González 등의 연구(6)에서 인용된 Merkel 의 수학적 모델링을 사용하여, 유입공기의 상대 습도, 유입공기온도 및 출구 물온도를 고정하고, 입구물온도와 열부하를 독립변수로 하여 나머지 변수들의 정해진 제한조건 내에서 최소팬동력을 구하고 이를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 Serna-González 등의 연구(6)에서 인용된 Merkel 의 수학적 모델링을 사용하여, 유입공기의 상대 습도, 유입공기온도 및 출구 물온도를 고정하고, 입구물온도와 열부하를 독립변수로 하여 나머지 변수들의 정해진 제한조건 내에서 최소팬동력을 구하고 이를 분석하고자 한다.
열부하 및 입구물온도를 포함한 입력변수와 구속조건들을 가지고, 팬 소요동력이 최소가 되도록 하는 나머지 변수들을 찾을 수 있다. 본 절에서는 입구물온도와 열부하가 냉각탑의 성능에 미치는 영향을 규명하였다. 입구물온도 Tw,in와 열부하 Q 는 각각 30~45°C 와 500~3500 kW 의 범위에서 조사되었다.
가설 설정
본 모델에서는 냉각탑을 떠나는 공기는 Merkel 의 이론에 따라 수증기로 포화된 것으로 가정한다.
이며, 여기서 팬 효율 ηf는 75%로 가정하였다.
제안 방법
막충진재를 갖는 강제 흡입식 대향류 냉각탑에 대하여 입구물온도와 열부하를 주 입력변수로 최소팬소요동력을 구하였다. 고온의 물유입과 저 유량공기의 조합이 항상 효율적인 팬소요동력 형태인 것은 아니며, 입구물온도와 열부하에 따라 최소팬소요동력에 대응하는 최적의 공기유량이 달리 존재하였다.
본 연구에서는 위의 식들과 입력변수 및 구속조건들을 토대로 최소팬동력 계산 알고리즘이 개발되었으며 Fig. 2(a) 에 제시되어 있다. 습공기 물성치들은 참고문헌(2,6,10)에서의 상관 관계식으로부터 계산되었으며, 다른 물성치들은 EES program(11)으로부터 계산되었다.
주어진 입력변수(출구물온도 20℃, 입구공기의 건구 22℃ 및 습구온도 12℃)와 입구물온도 40℃ 와 열부하 3500 kW 를 설계변수로 주면 최소팬소요동력 21 kW 와 그에 수반되는 냉각탑 충진재의 단면적 14 m2과 높이 3.3 m, 물과 공기의 유량(43, 40 kg/s), 손실계수 21.9/m 및 압력강하 475 Pa 등이 도출되므로 본 연구는 하나의 냉각탑 설계 맵을 제공하였다고 하겠다.
충진재를 통과한 압력강하를 계산하기 위해, 충진재 단위깊이 당 손실계수는 다음으로 계산되었다.
대상 데이터
2(a) 에 제시된 알고리즘을 사용한 본 프로그램은, 최적화 패키지 DICOPT 를 사용한 이전 연구(6)에서 제시된 예제를 사용하여 검증되었다. 비교 매개 변수는 총연간비용 (TAC), Merkel 수 (Me) 및 손실계수 (Kfi)들이다. Fig.
데이터처리
2(a) 에 제시되어 있다. 습공기 물성치들은 참고문헌(2,6,10)에서의 상관 관계식으로부터 계산되었으며, 다른 물성치들은 EES program(11)으로부터 계산되었다.
이론/모형
냉각탑 팬의 소요동력은, 다른 연구자들(2,6,7)도 널리 수용한 Kloppers 와 Kröger 가 제안한 전달특성과 공기압력 손실의 경험적 상관 관계식(8,9)과 함께 Merkel 의 방법을 기반으로 하여 계산하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열기관의 구성은?
냉각탑은 열기관이 항상 존재하는 민간 및 산업용 유틸리티에 필수적인 장치이다. 열기관은 적어도 두 개의 열원, 고온 및 저온열원으로 구성되어 있으며, 고온 열원으로부터 받은 열의 일부를 저온 열원으로 방출하여야 한다. 인근에 강물이나 바닷물이 없는 경우, 냉각탑이 일반적으로 선택되는데, 그 이유는 응축수의 온도가 건구온도보다는 대기의 습구온도에 접근할 수 있다는 고유의 장점 때문이다.
냉각탑은 어디에 필수적인 장치인가?
냉각탑은 열기관이 항상 존재하는 민간 및 산업용 유틸리티에 필수적인 장치이다. 열기관은 적어도 두 개의 열원, 고온 및 저온열원으로 구성되어 있으며, 고온 열원으로부터 받은 열의 일부를 저온 열원으로 방출하여야 한다.
인근에 강물이나 바닷물이 없는 경우 저온 열원으로 방출하기 위해 냉각탑이 일반적으로 선택되는 이유는 무엇인가?
열기관은 적어도 두 개의 열원, 고온 및 저온열원으로 구성되어 있으며, 고온 열원으로부터 받은 열의 일부를 저온 열원으로 방출하여야 한다. 인근에 강물이나 바닷물이 없는 경우, 냉각탑이 일반적으로 선택되는데, 그 이유는 응축수의 온도가 건구온도보다는 대기의 습구온도에 접근할 수 있다는 고유의 장점 때문이다.(1) 많은 연구자들은 냉각탑의 최적의 성능에 대한 관심을 두었다.
참고문헌 (11)
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Cortinovis, G. F., Paiva, J. L., Song, T. W., and Pinto, J. M., 2009, "A Systemic Approach for Optimal Cooling Tower Operation," Energy Conversion and Management, Vol. 50, No. 9, pp. 2200-2209.
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Kloppers, J. C. and Kroger, D. G.., 2005, "Refinement of the Transfer Characteristic Correlation of Wet-Cooling Tower Fills," Heat Transfer Engineering, Vol. 26, No. 4, pp. 35-41.
ASHRAE, Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., Atlanta, GA2005, pp. 6.1-6.17.
Klein, S.A., Engineering Equation Solver, F-Chart Software, Commercial Version 6.883-3D.
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