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[국내논문] MED 담수기내 수평관 강하막식 증발기의 3D 수치해석적 연구
3D Numerical Study of Horizontal Falling Film Evaporator in Multi Effect Distillation (MED) Plant 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.5 = no.332, 2013년, pp.513 - 522  

김수재 (포항공과대학교 기계공학부) ,  제준호 (포항공과대학교 첨단원자력공학부) ,  김무환 (포항공과대학교 첨단원자력공학부)

초록
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본 연구에서는 다중효용 증발식 담수기에 쓰이는 강하막식 증발기수치해석을 수행하였다. 증발기에 사용되는 다관군을 다공성 매질로 묘사하고 공간평균 개념을 적용하였다. 증발기 내부의 유동계산 및 열 전달로 인한 상변화를 계산하기 위해서 FLUENTUDF 가 사용되었다. 작동조건에 대한 증발기의 성능변화를 살펴보기 위해 수평관 내 증기 질량 유속을 $0.5{\sim}2.5kg/m^2s$, 관내입구 측 비 응축성 기체의 질량분율을 0~1%, 그리고 수평관 외 뿌려지는 강하막의 액막 레이놀즈 수를 100~1000 으로 바꾸어가며 해석을 수행하였다. 관내 증기유속 및 관외 강하막 레이놀즈 수가 증가할수록 증발량은 증가하였으며, 관내 비 응축성 기체의 질량분율이 1%증가함에 따라 증발량이 0.87%줄어들었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the present work, a numerical study of a horizontal falling film evaporator in a multi-effect distillation (MED) plant is performed. Tube bundles in the evaporator are described as porous media, and a volume-averaged method is applied. To calculate the fluid flow and phase change in the evaporato...

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문제 정의

  • 앞선 수치해석 연구는 관 외부 증기의 유동을 계산하지 않아 관 외부 유동이 증발기 성능에 미치는 영향을 살펴볼 수 없다. 이에 따라 본 연구에서는 관 길이방향으로의 열 전달량 차이 및 압력강하 분포 특성을 반영할 수 있는 해석모델을 개발하였다. 개발된 해석모델을 실험자료를 이용하여 검증하였고, 다양한 작동조건에 대한 증발기의 성능변화를 살펴보았다.
  • 실제 담수기에 사용되는 강하막식 증발기 내부에는 수많은 관군이 존재하며 개별 관에서 일어나는 열 및 물질전달을 수치계산을 통해서 해석하기에는 많은 시간과 컴퓨터 자원이 소모되게 된다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, Fig. 1 처럼 일정한 배열을 이루고 있는 다관군을 공극률을 가지는 다공성 매질로 단순화 시키고, 다공성 매질로 단순화된 부피의 평균된 열 전달량 및 압력강하를 계산하였다. 이러한 시도(4~7)는 증발기와 마찬가지로 다관군으로 이루어진 응축기의 열 및 물질전달을 해석하는 데에 사용된 바 있 으며, 수치해석 검증을 목적으로 만들어진 McAllister 응축기 실험을 통해서 그 적용의 타당성이 검증된 바 있다.
  • 다관군 내부의 응축량 계산을 위해서 Zhang 등(4)과 Ormiston 등(5)의 연구에 적용된 열전달상관식을 사용하였고, 다관군에 의한 압력강하를 계산하기 위해 Butterworth(8)의 상관식을 사용하였다. 본 연구에서는 Bell 의 연구와 마찬가지로, 다공성 매질로 묘사된 증발기내 다관군 지역에서 생성되는 증기의 거동 및 열전달 현상을 묘사하기 위하여 FULNET 와 사용자 정의함수를 이용하여 3 차원 유동계산을 하였다. 유동계산 시에 관 다발 지역으로 유입되는 증기가 관 외벽에서 응축이 되는 응축기와 달리, 관다발지역의 최 상단에서 뿌려지는 해수가 관 외벽에서 열을 받아 증발되는 증발기에서는 관다발 지역에서 증발에 의한 유동의 질량 및 운동량 추가 항을 고려해야 하며, 응축기와 마찬가지로 관군형상에 의한 추가 압력강하를 고려해야 한다.

가설 설정

  • 관 외부에서 생성된 증기는 데미스터라고 불리는 증기중의 수분을 제거하는 조밀한 그물망을 통과하여 다음 단의 관 안쪽으로 유입되게 된다. 관내 관외에서 일어나는 열 및 물질전달 현상을 단순화하고 해석을 용의하게 하기 위해서 다음의 가정을 사용하였다. 증발기 계산의 이러한 가정은 기존 연구자들(1~3)에 의해 많이 사용된 바 있으며 그 가정의 적절성에 대해서 검증된 바 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
관내 입구 증기유속, 관내 입구부분의 비 응축성 기체질량분율, 관외 강하막의 유량이 증발기의 증발성능에 미치는 영향을 분석한 결과는 어떠한가? (1) 관내 입구에서 유입되는 증기 유량이 점점 커지게 되면 증발기의 성능은 거의 변화가 없다가 감소하게 된다. (2) 관외 강하막의 유량이 증가할 경우 증발기 성능이 점점 좋아지나, 그 정도가 유량이 커질수록 감소한다. (3) 관 입구부분에서 유입되는 비 응축성 기체가 1% 높아질 경우 약 0.87% 정도의 증발기 성능 저하가 생기게 된다.
해수 담수화 시장이 꾸준히 성장한 이유는 무엇인가? 우리나라뿐만 아니라, 전 세계적으로 예상되는물 부족현상에 대비하여 1980 년대부터 해수 담수화 시장은 꾸준히 성장해오고 있다. 수평관 강하막식 증발기는 높은 효율과 관내, 관외 유체의 작은 온도 차에서도 우수한 성능을 나타내기 때문에 열을 이용하여 담수를 얻는 담수기기에 사용하기 적합하다.
수평관 강하막식 증발기의 특징은? 우리나라뿐만 아니라, 전 세계적으로 예상되는물 부족현상에 대비하여 1980 년대부터 해수 담수화 시장은 꾸준히 성장해오고 있다. 수평관 강하막식 증발기는 높은 효율과 관내, 관외 유체의 작은 온도 차에서도 우수한 성능을 나타내기 때문에 열을 이용하여 담수를 얻는 담수기기에 사용하기 적합하다. 보다 효율적인 수평관 강하막식 증발기 설계를 위해서 다양한 설계인자에 대한 증발성능 변화를 살펴보는 것이 필요하며 실험보다는 상대적으로 적은 돈과 시간이 요구되는 수치해석을 통해 살펴보는 것이 유리하다.
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참고문헌 (14)

  1. El-Dessouky, H. T. and Assassa, G.M.R., 1985, "Computer Simulation of the Horizontal Falling Film Desalination Plant," Desalination, Vol. 55, pp. 119-138. 

  2. Al-Juwayhel, F., El-Dessouky, H. and Ettouney, H, 1997, "Analysis of Single-Effect Evaporator Desalination Systems Combined with Vapor Compression Heat Pumps," Desalination,Vol. 114, No. 3, pp. 253-275. 

  3. Bourouni, K., Martin, R., Tadrist, L. and Tadrist, H., 1998, "Modelling of Heat and Mass Transfer in a Horizontal-Tube Falling-Film Evaporator for Water Desalination," Desalination,Vol. 116, No. 2-3, pp. 165-183. 

  4. Zhang, C. and Bokil, A., 1997, "A Quasi-Three- Dimensional Approach to Simulate the Two-Phase Fluid Flow and Heat Transfer in Condensers," International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 40, No. 15, pp. 3537-3546. 

  5. Ormiston, S. J., Raithby, G. D. and Carlucci, L. N., 1995, "Numerical Modeling of Power Station Steam Condensers Part 1: Convergence Behavior of a Finite- Volume Model," Numerical Heat Transfer, Vol. 27, pp. 81-102. 

  6. Bell, B., 2001, "Modeling Shell-and-Tube Condensers with Fluent Using the Porous Medium Approach," Fluent. Inc 

  7. Je, J., Choi, C.-w., Kim, S. J. and Kim, M. H., 2009, "Numerical Study of Gap Size Ratio Effect for Non Condensable Gas Ventilation in Condensers," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, pp. 67-74. 

  8. Butterworth, D., 1979, "The Correlation of Cross Flow Pressure Drop Data by Means of the Permeability Concept," AERE-R-9435. 

  9. Al-Shammiri, M. and Safar, M., 1999, "Multi-Effect Distillation Plants: State of the Art," Desalination, Vol. 126, pp. 45-59. 

  10. Arai, K., Kurita, T., Nakamaru, M., Fujiki, Y., Nakamura, H., Kondo, M., Obata, H., Shimada, R. and Yamaguchi, K., 2002, "Multi-Dimensional Thermal- Hydraulic Analysis for Horizontal Tube Type PCCS," Conference: ICONE-10: 10. International Conference on Nuclear Engineering, Arlington-Virginia (United States), pp. 14-18 

  11. Gnielinski, V., 1988, "New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow," International Chemical Engineering: 25th Anniversary , VoL. 41, No. 1, p. 126. 

  12. Hu, X. and Jacobi, A. M., 1996 ,"Ther Intertube Falling Film. Part 2. Mode Effects on Sensible Heat Transfer to a Falling Liquid Film," International Journal of Heat Transfer,Vol. 118, pp. 626-633. 

  13. Rhodes, D.B. and Carlucci, L. N., 1983, "Predicted and Measured Velocity Distributions in a Model Heat Exchange," Int. Conference on Numerical Methods in Nuclear Engineering, Chalk River, Ontario, pp. 935-948. 

  14. Matz, R. and Zimerman, Z., 1985, "Low-Temperature Vapour Compression and Multi-Effect-Distillation of Seawater. Effects of Design on Operation and Economics," Desalinaion, Vol. 52, pp. 201-216. 

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