[논문]전기집진기 내부의 유동 균일성 향상을 위한 가이드 배인의 최적설계

노경욱; 배성준; 박숙희; 강선균; 이장명

doi:10.5370/kiee.2013.62.4.523

전기집진기 내부의 유동 균일성 향상을 위한 가이드 배인의 최적설계
Design of a Guide Vane for Improving Inside Flow Uniformity of Electrostatic Precipitator 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.4, 2013년, pp.523 - 528

노경욱 (부산대학교 로봇대학원 로봇관련협동과정) , 배성준 (부산대학교 대학원 전자공학과) , 박숙희 (부산대학교 대학원 전자공학과) , 강선균 (부산대학교 대학원 전자전기공학부) , 이장명 (부산대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, many efforts are increasingly being made to conserve the natural environment with enhanced emission standards and air quality standards. Also there are various methods necessary to be researched to minimize the emission of air pollutants. In particular, boilers of industrial facilities are major portions of the air pollution. The front duct which needs to be designed to reduce the gases to the electrostatic precipitator requires a bent tube, a reduction/extend tube and an auxiliary equipment, that is, a guide vane. This paper proposes an optimum design of the guide vane by a case study for electrostatic precipitator's flow uniformity. The operating conditions of this study are as follows: BMCR (Boiler Maximum Continuous Rate) and MGR (Maximum Guaranteed Rate) are 75%, 50%, and 30%; turbulent fluid dynamics model is based upon K-${\varepsilon}$ formulation. Presentation of the computed motion of particles is found to be quite useful to predict the precipitator performance by use CFD (Computational Fluid Dynamics).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전기집진기로 연소가스를 공급하는 전단 덕트는 플랜트마다 장치의 배치관계 때문에 곡관이나 축소/확대 관을 필요로 하는데, 유동의 균일성을 확보할 수 있도록 case study를 수행하여 최적화된 설계 안을 제시하였다. 그리고 이러한 각각의 실험결과를 종합적으로 검토 고찰하여 전기집진기의 내부에서의 연소가스의 흐름을 균일하게 하여 집진효율 향상 및 최적의 전기집진기 설계 자료로 활용하고자 한다[7,8,9].
본 연구에서는 K−ε 모델을 사용한 전형적인 수치 해석적 연구가 장애물이 설치된 유동에 있어서 유체의 거동을 예견하기 위해 사용된다[10].
본 연구에서는 운전조건으로서 Guaranteed Point 조건에서 다음과 같이 조건을 지정한다. 정해진 운전 조건에서 보일러가 낼 수 있는 최대 증기발생 출력을 나타내는 BMCR(Boiler Maximum Continuous Rate), 운전조건에서 보증 가능한 최대 연속운전 시의 출력을 나타내는 MGR(Maximum Guaranteed Rate), 75%, 50% 그리고 30% MGR 조건에서의 연소가스유량과 밀도 등을 고려하여 해석을 수행하였는데, BMCR 조건을 중심으로 보고 하고자 한다. BMCR 에서의 유량 및 연소가스의 온도는 각각 44,030Am³/min와 143℃이다.

제안 방법

4장에서는 실제 유동해석을 시뮬레이션 하여 최적의 조건을 추출하고 결과 값을 도출 하여 전기집진기 전단부의 유동해석을 검토 및 평가하였다. 그리고 5장을 결론으로써 연구를 통하여 파악된 내용 서술과 향후 연구 방향을 제시하였다.
그리고 다단 임팩트(multi-stage inertial impactor_형인 정전식 집진기의 먼지 부착 기구를 해석적, 실험적으로 연구가 되었다[4]. 또한 장애물이 설치된 난류관로 유동에서 입자 분산과 부착에 대한 모의실험을 하였으며[5], 장애물이 설치된 2단 정전식 집진기에서 입자의 집진 효율에 대하여 연구가 되었다[6]. 이와 같이 전기 집진기에 대한 많은 연구가 이루어졌지만 다른 방향으로 연구를 하기위해 전기집진기의 이론들 중에서도 정전기적 작용이나 입자 대전에 관한 연구가 대부분이며, 장애물이 설치된 집진기내의 유동 및 입자의 성질에 따른 유동장과 전기장에 관한 연구가 많지 않고, 결과도 아직 미비한 실정이다.
는 주 흐름방향(x-방향)의 국소유속 및 평균유속이며 n은 계산 격자의 수를 나타낸다. 앞에서 언급했듯이 입구와 출구의 중심위치의 변화로 곡관이 형상되어 있으며 분기되는 지점까지의 거리도 매우 짧기 때문에 균등한 유동분배와 균일한 유속분포를 위해서 가이드 배인의 설계 조건을 많은 경우에 대해 계산하였으며, 그 경우들 중에 대표적인 형태를 그림 3에 나타내었다. 또한 가이드 배인 형상에 따른 Case 별 분류는 표 2에 기재되어 있다.
전기집진기의 성능보증 및 집진 효율을 향상시키기 위하여 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD)으로 알려진 수치해석 방법을 이용함으로써, 전기집진기 내부의 유체역학적 특성을 파악하고 이를 이용하여 덕트를 포함한 집진기 내부에서의 연소가스의 흐름을 균일하게 만들어 줄 수 있는 가이드 배인의 설계 및 최적의 시스템을 구성할 수 있도록 하였다. 유동 균일성을 위한 보조 장치의 형태를 Case 별로 분류하여 최적의 조건을 적용하였다. 실험 결과 Case 1의 가이드 배인을 설치하지 않은 형상과 Case 6의 곡관부 마다 2개씩 설치 및 상승 덕트 하단 부에 사다리꼴로 설치 한 가이드 배인과 비교 하였을 때 좌/우측 덕트의 유량 흐름이 Case 1에 비해 월등히 균일 하였고 편차 역시 각각 24.
Case 6의 경우는 Case 5의 경우에서 발생할 수 있는 가이드 배인의 진동을 방지하기 위하여 가이드 배인의 형태를 사다리꼴로 설치한 경우이다. 이밖에 곡관에 설치된 가이드 배인의 개수를 늘여서 수치 계산을 수행하였다.
또한 유동의 균일성은 압력강하를 최소화함으로써 발전소의 효율성 향상을 가져 올 수 있다. 전기집진기로 연소가스를 공급하는 전단 덕트는 플랜트마다 장치의 배치관계 때문에 곡관이나 축소/확대 관을 필요로 하는데, 유동의 균일성을 확보할 수 있도록 case study를 수행하여 최적화된 설계 안을 제시하였다. 그리고 이러한 각각의 실험결과를 종합적으로 검토 고찰하여 전기집진기의 내부에서의 연소가스의 흐름을 균일하게 하여 집진효율 향상 및 최적의 전기집진기 설계 자료로 활용하고자 한다[7,8,9].
전기집진기의 성능보증 및 집진 효율을 향상시키기 위하여 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD)으로 알려진 수치해석 방법을 이용함으로써, 전기집진기 내부의 유체역학적 특성을 파악하고 이를 이용하여 덕트를 포함한 집진기 내부에서의 연소가스의 흐름을 균일하게 만들어 줄 수 있는 가이드 배인의 설계 및 최적의 시스템을 구성할 수 있도록 하였다. 유동 균일성을 위한 보조 장치의 형태를 Case 별로 분류하여 최적의 조건을 적용하였다.
전단 덕트의 유동특성을 알아보기 위하여 초기 유동해석으로 가이드 배인이 전혀 설치되지 않은 경우를 해석해 보았다. 예상대로 좌측으로 짧은 거리에 많은 곡률로 휘어진 덕트 형상 때문에 유동이 좌측으로 치우쳐 유동 분배율이 좋지 못하게 나타났다.
치우치는 유동을 교정하기 위하여 하단부에 가이드 배인을 설치하기에는 덕트의 길이가 너무 짧아서 용이하지가 않으므로, 상승 덕트에 직선형 가이드 배인을 고려하여 계산하였다.

대상 데이터

그림 2는 덕트 내의 유동해석을 위하여 사용된 격자의 형상을 3차원으로 나타낸 것으로 약 32 만개 정도의 육면체 격자를 사용하였다. 표 1은 해석에 적용된 경계조건을 표시한 것으로 각 부하에 따른 조건을 모두 적용하여 해석을 수행하였다.

데이터처리

BMCR 에서의 유량 및 연소가스의 온도는 각각 44,030Am³/min와 143℃이다. 각 조건 별 해석 결과에 대하여 유동 특성을 검토하고자 ICAC EP-7 규격 집에 정의된 측정 단면에서 유량의 균일성을 목표함수로 설정하여 해석을 수행 하였으며, 균일성의 정도를 확인하기 위하여 % RMS(Root Mean Square) Velocity Deviation Value 는 아래와 같이 정의하고 평균속도에서 벗어나는 정도를 계산하여 제시하였다.

이론/모형

문제를 해결하기 위해 사용되는 수치 해석적 도식은 유한 체적법에 의해 방정식을 차분화 시켰으며, 엇갈린 격자를 이용한 SIMPLER 알고리즘을 사용하여 속도와 입력장을 계산하고 TDMA를 이용하여 각 방정식의 해를 구하였다. 유동영역은 수치 해석적 계산에 대한 직교격자를 형성한 검사체적과 유한 개수의 격자로 나누어진다[1].

성능/효과

(a)는 굴곡부의 가이드 배인이 없는 상태로 각 단면에서의 유속 균일도가 일정하지 못한 것을 볼 수있다. (b)는 굴곡부의 가이드 배인이 존재하는 상태로 (a)보다 각 단면에서의 유속 균일도는 향상된 것을 볼 수 있다. 하지만 한 쪽으로 치우치는 유동 경향을 교정하지는 못하였다.
예상대로 좌측으로 짧은 거리에 많은 곡률로 휘어진 덕트 형상 때문에 유동이 좌측으로 치우쳐 유동 분배율이 좋지 못하게 나타났다. BMCR(Boiler Maximum Continuous Rate) 조건을 기준으로 덕트의 유동 분배량의 편차는 약 24%로 ICAC EP-7(Electrostatic Precipitator Gas Flow Model Studies) Technical Standard에 크게 벗어나는 결과를 나타냈다.
그림 7과 8은 Case 6에서 출구 단면들에 대한 유속분포를 나타내고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 중간 가이드 배인의 역할로 인해서 양쪽 출구 단면에서의 유동 분배량의 편차 및 유속 균일도가 향상되었다. 유동 분배량의 편차는 3.
5 m연장시켜, 좌측으로 치우치는 유동을 좀 더 우측으로 유도하도록 의도하여 계산하였다. 계산결과 유동 분배량의 편차는 4.9%로 향상되어 허용조건인 10%를 만족하는 결과를 나타냈다. 이 경우에는 연장된 가이드 배인의 두 모서리가 벽면과 떨어져 있기 때문에 빠른 유속에 진동이 우려되어 수정형태가 필요하였다.
유동 균일성을 위한 보조 장치의 형태를 Case 별로 분류하여 최적의 조건을 적용하였다. 실험 결과 Case 1의 가이드 배인을 설치하지 않은 형상과 Case 6의 곡관부 마다 2개씩 설치 및 상승 덕트 하단 부에 사다리꼴로 설치 한 가이드 배인과 비교 하였을 때 좌/우측 덕트의 유량 흐름이 Case 1에 비해 월등히 균일 하였고 편차 역시 각각 24.01%에서 3.12%로 줄어들어 흐름이 원활하여 졌음을 확인 하였다. 이러한 유동해석 결과 즉, 가이드 배인의 적절한 활용을 통해 전기집진기의 설계에 응용함으로써 실제 플랜트의 시운전시에 시행착오의 감소로 인한 기간 단축 및 집진효율의 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
결과에서 볼 수 있듯이 중간 가이드 배인의 역할로 인해서 양쪽 출구 단면에서의 유동 분배량의 편차 및 유속 균일도가 향상되었다. 유동 분배량의 편차는 3.12%로 Case 5보다도 약 1.78%가 줄었으며, ICAC EP-7 허용기준 10%를 충분히 만족하는 결과이다.

후속연구

12%로 줄어들어 흐름이 원활하여 졌음을 확인 하였다. 이러한 유동해석 결과 즉, 가이드 배인의 적절한 활용을 통해 전기집진기의 설계에 응용함으로써 실제 플랜트의 시운전시에 시행착오의 감소로 인한 기간 단축 및 집진효율의 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기집진기 전단 덕트에 유동의 균일성을 확보하기 위해 무엇이 필수인가?	그림 1은 전단 덕트의 형상을 나타낸 것이다. 공기 예열기 출구에서 유입된 배기가스는 두 개의 덕트로 분기되어 전기집진기로 공급되는데, 그림에서 보듯이 덕트의 형상이 양쪽 chamber를 기준으로 비대칭으로 설계되어 있을 뿐만 아니라 덕트의 길이도 짧고 입구와 출구의 중심위치 격차가 크기 때문에 각각의 chamber로 유량을 균등하게 공급하고 유동의 균일성을 확보하기 위해서는 가이드 배인의 설치가 필수적이다.
	대기오염 방지장치 연구가 활발해진 배경은?	급속한 산업발전과 더불어 산업전반에 걸쳐 환경오염 문제가 심각하게 대두되면서 환경보전에 대한 사회적 요구의 증가와 산업 공정에서 발생되는 오염 입자들을 제거하기 위한 대기오염 방지장치의 연구가 날로 활발해지고 있다. 특히 대기오염 ,공장, 자동차 배기 가스등에 의해 발생하는 분진과 미분탄들이 시계의 저하, 기후변동, 그리고 호흡기 장애 등 인간 생활에 직접적 영향을 미치고 있는 실정이다.
	집진장치의 목적은?	특히 대기오염 ,공장, 자동차 배기 가스등에 의해 발생하는 분진과 미분탄들이 시계의 저하, 기후변동, 그리고 호흡기 장애 등 인간 생활에 직접적 영향을 미치고 있는 실정이다. 또한, 화력발전소의 미분탄 보일러의 경우, 완전연소가 되지 않은 미분탄을 회수하여 재사용하는 집진장치의 설계가 에너지 비용의 증가와 더불어 필요성이 부각되고 있다. 따라서 에어로졸(aerosol)및 공기 중의 부유 미립자 등 실내 환경오염 물질 또한 심각한 문제의 주요인으로 밝혀지자 높은 효율의 집진 장치들이 필요하게 되었다[1].

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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