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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 제철소 소결기 운전여건으로 인하여, 출구 덕트의 용량을 증대시키지 않고 출구 덕트 내부유로 형상을 최적화함에 의하여 제철소 소결광 냉각팬에서 발생하는 실속 발생을 억제시킬 수 있는 방안을 제안하기 위하여, 소결광 냉각팬의 설계점 및 실속 발생 운전점에서의 냉각팬 성능을 검토하였고, 냉각팬 후방 덕트 출구의 공기유로 열림비율 및 냉각팬 후방 덕트 유로 형상에 따른 내부유동특성을 검토하였다.
제안 방법
- 7은 소결 냉각팬을 포함한 출구 덕트 유동장에 대한 계산격자를 보이고 있다. 계산기 용량, 계산시간 단축을 고려하여 복잡한 유동장을 잘 묘사할 수 있는 Tetra-hedral 격자를 이용하여 유동장에 대한 계산격자를 구성하였다.
- 그리고, 출구 덕트의 상부를 유출측으로 설정하여 대기로 개방된 상태로 경계조건을 설정하였다.
- 또한, 실제 소결 냉각팬의 운전 시에는 대차에 적재되는 소결광의 용량에 따라서 로터 블레이드의 피치 각도를 가변하여 유량과 압력을 조절하는 시스템으로 구성되어 있기 때문에 실험값으로부터 도출된 성능곡선의 양정과 유량을 참조하여 계산을 수행하였으며, 소결 냉각팬 출구 덕트 대차 하부 Cascade 바닥면 열림비율 및 벽면 형상에 따른 덕트 수직방향 속도성분 변화에 대해서 검토하였다.
- 또한, 현재의 출구 덕트 형상으로부터 덕트 냉각성능 개선방안을 검토하기 위해서 Fig. 4와 같이 출구 덕트의 벽면 형상 조건에 따른 3차원 형상 모델을 작성하였다. 기존의 덕트 형상에서 덕트 하부 벽면이 직교형상인 직교벽면, 원호로 새롭게 구성된 원호 벽면, 그리고, 소결 냉각팬 케이싱 유출측 맞은편 출구 덕트 벽면에 분리벽을 설치한 형상에 대해서 각 경우 별 조합을 통하여 3차원 형상을 작성하였다.
- 소결 냉각팬 및 출구 덕트 유동장에 대한 수치해석을 위하여 유동장 각부의 경계조건을 설정하였으며, Fig. 8은 소결 냉각팬 내부유동장 CFD해석을 위한 경계조건을 나타내고 있다.
- 소결 냉각팬 하류측 출구 덕트의 작업조건에 따른 출구 덕트 내부의 유동현상을 상세하게 검토하기 위하여, 출구 덕트 상부에 위치한 대차 Cascade 바닥면에 적재된 소결광의 적재량에 따른 공기의 유출량을 검토하였으며, 유동해석을 위한 유동장의 단순화를 위하여 출구 덕트 상부가 전부 개방된 상태, 1/2 개방된 상태, 1/4 개방된 상태에 대하여 형상모델링을 수행하여 유동해석을 수행하였다.
- 실제 소결 냉각기 덕트에는 2대의 냉각팬이 동시에 운전되고 있지만, 계산기 용량 및 계산시간의 단축 등을 고려하여 1대의 냉각팬과 전체 출구 덕트의 절반에 해당하는 유동장에 대해서만 계산을 수행하였다.
- 200kg/m3의 공기를 적용하였고, 벽면은 모두 No slip 조건을 적용하였다. 유동장 유입측에 평균유량, 유출측에 일정압력의 조건을 설정하였다.
- 제철소 소결냉각용 축류송풍기 출구 덕트 형상에 따른 내부유동특성 및 소결 냉각팬의 운전점 성능개선을 위한 방안을 얻기 위하여 CFD해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 한편, 냉각팬 유출관 출구부 작업조건(소결광 미분 및 편적 발생 조건)에 따른 냉각팬 성능 및 출구 덕트 공기 유동을 검토하기 위하여, Fig. 3과 같이 출구덕트 대차 하부의 바닥면 열림비율에 따른 출구 덕트 유동장 모델을 작성하였으며, 바닥면 전체 개방, 1/2 개방, 1/4 개방 상태의 모델에 대해서 유동해석을 수행하였다.
- 한편, 출구 덕트 유출측 열림 비율에 따른 수직방향 속도 성분에 대한 정량적인 고찰을 위하여 Fig. 14에 보이는 바와 같이 출구 덕트 유출측에서 반경방향으로 일정한 간격으로 기준선을 작성하여 그 기준선 위에서의 수직방향 속도분포를 검토하였다.
대상 데이터
- 소결 냉각기 모델의 전체 유동장에 대해서 정상상태의 계산을 수행하였고, 난류모델로서는 유체기계에 대한 수치해석 시 저 레이놀즈수 및 고 레이놀즈수 영역에서 모두 상대 적으로 높은 수렴성과 계산정도를 나타내는 것으로 알려진 SST모델을 적용하였다. 작동유체로서는 밀도 1.200kg/m3의 공기를 적용하였고, 벽면은 모두 No slip 조건을 적용하였다. 유동장 유입측에 평균유량, 유출측에 일정압력의 조건을 설정하였다.
이론/모형
- 소결 냉각기 모델의 전체 유동장에 대해서 정상상태의 계산을 수행하였고, 난류모델로서는 유체기계에 대한 수치해석 시 저 레이놀즈수 및 고 레이놀즈수 영역에서 모두 상대 적으로 높은 수렴성과 계산정도를 나타내는 것으로 알려진 SST모델을 적용하였다. 작동유체로서는 밀도 1.
- 축류송풍기에 대한 설계 및 수치해석법에 대해서는 이전의 많은 연구결과가 수행되어 왔으며(1∼8), 본 연구에서는 solver로서는 상용 CFD코드인 ANSYS CFX(9)를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 소결 냉각팬 블레이드의 각 피치 각도에서 최고효율점 유량에서는 송풍기 내부 유로에서 박리가 발생하지 않음을 확인하였으나, 저유량역으로 운전점이 이동할 경우 박리 및 실속에 의한 전압저하 및 서징발생 가능성이 높을 것으로 판단된다.
- 2) 소결 냉각팬 덕트 출구부 유로 열림비율에 따른 내부유동을 검토한 결과, 유로 열림비율에 따라서 덕트 수직방향 통과 속도성분에 큰 차이를 나타냄을 확인하였다. 따라서, 소결 냉각팬의 최적운전을 위해서는 적정량의 소결광을 대차 내부에 적재하여 과부하가 발생하지 않도록 하여 소결 냉각팬의 최적성능을 확보해야 한다.
- 3) 소결 냉각팬 하류 출구 덕트의 형상에 따른 소결 냉각기 대차 바닥면을 통한 유출 유속분포를 검토한 결과, 출구 덕트의 하부바닥을 매립하여 출구 덕트 전체 높이를 낮추게 되면 출구 덕트 수직방향 속도성분이 증가하게 되어 소결광 냉각효율이 증가할 수 있음을 확인하였다. 또한, 출구 덕트 벽면 분리벽과 하부 원호형상의 모서리부 형상 배치를 통하여 출구 덕트 유동장 전체에서 수직방향 속도성분이 증가함을 확인하였다.
- 9는 소결 냉각팬으로 채용된 축류송풍기의 성능곡선을 보이고 있으며, 로터 블레이드 피치각도가 50°, 60°, 68°일 경우에 대해서 양정과 효율에 대한 실험결과(검은 실선)와 수치해석 결과를 비교하였다. 각 로터 블레이드 피치각도에서 효율곡선상의 최고효율점 이상의 유량 영역에서는 실험결과(검은 점선)와 수치해석결과가 비교적 잘 일치하며, 설계점에서는 실험과 수치해석 결과가 거의 일치함을 알 수 있다.
- 3) 소결 냉각팬 하류 출구 덕트의 형상에 따른 소결 냉각기 대차 바닥면을 통한 유출 유속분포를 검토한 결과, 출구 덕트의 하부바닥을 매립하여 출구 덕트 전체 높이를 낮추게 되면 출구 덕트 수직방향 속도성분이 증가하게 되어 소결광 냉각효율이 증가할 수 있음을 확인하였다. 또한, 출구 덕트 벽면 분리벽과 하부 원호형상의 모서리부 형상 배치를 통하여 출구 덕트 유동장 전체에서 수직방향 속도성분이 증가함을 확인하였다.
- 이상의 결과로부터 유량의 변화에 따라서 블레이드 하류 가이드베인에서의 흐름이 크게 변화하고 저유량 및 과대유량 영역에서 발생하는 박리 및 실속 등의 비정상 유동현상에 의해 효율이 크게 저하함을 알 수 있다.
- 이와 같은 결과로부터 출구 덕트의 벽면형상을 최적화함에 의해 소결 냉각기 대차 내부의 소결광 냉각효율을 상당히 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 3에서 나타낸 바와 같은 출구 덕트 유출측 열림비율에 따른 수직방향 속도분포를 보이고 있으며, 출구 덕트 높이가 상대적으로 큰 Case I의 경우에 해당한다. 전체 적인 경향으로서 출구 덕트 열림비율이 커지게 되면 수직방향 유출속도가 증가함을 알 수 있으며, 특히 출구 덕트 열림 비율이 완전개방 시에는 Fig. 15(c)의 profile line 3에서 알 수 있는 바와 같이 상대적으로 매우 큰 수직방향 유속이 존재함을 알 수 있으며, 열림비율이 낮아질수록 수직방향 유속성분이 작아짐을 알 수 있다.
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