연소기 시험 장치의 구축 시 고온의 연소 가스의 냉각은 중요한 설계요구조건이다. 물 분무(Water spray) 냉각 방식은 증발 과정에서 물의 잠열을 이용하므로, 효과적인 연소 가스 냉각이 가능하다. 본 연구에서는 연소기 시험 설비 구축 과정의 일환으로, 물 분무를 이용한 연소 가스의 냉각을 이해하기 위하여 연속방정식, 에너지 보존식과 포화 증기의 압력-온도 관계식을 이용한 1차원 해석을 수행하였다. 연소기 시험 장치에서 배출되는 고온, 고압의 연소 가스는 냉각수와의 혼합과정에서 배출가스의 온도가 낮아지며, 분무된 물의 일부는 기화하여 연소가스와 함께 배출되고, 일부는 다시 응축 되어 집수조로 모인다. 냉각수는 연소 가스의 온도를 낮춰주는 동시에, 증발된 증기는 연소기 내부의 압력을 증가시키므로 1차원 해석에서 증기의 압력-온도 관계식을 고려하여 해석을 수행하였다. 1차원 해석으로부터 연소가스의 적절한 냉각과 배기 덕트 내부의 압력의 지나친 상승을 피하기 위한 최적의 물 분무량을 확인하였으며, 물 분무 냉각 방식에 대한 물리적 이해를 얻을 수 있었다.
연소기 시험 장치의 구축 시 고온의 연소 가스의 냉각은 중요한 설계요구조건이다. 물 분무(Water spray) 냉각 방식은 증발 과정에서 물의 잠열을 이용하므로, 효과적인 연소 가스 냉각이 가능하다. 본 연구에서는 연소기 시험 설비 구축 과정의 일환으로, 물 분무를 이용한 연소 가스의 냉각을 이해하기 위하여 연속방정식, 에너지 보존식과 포화 증기의 압력-온도 관계식을 이용한 1차원 해석을 수행하였다. 연소기 시험 장치에서 배출되는 고온, 고압의 연소 가스는 냉각수와의 혼합과정에서 배출가스의 온도가 낮아지며, 분무된 물의 일부는 기화하여 연소가스와 함께 배출되고, 일부는 다시 응축 되어 집수조로 모인다. 냉각수는 연소 가스의 온도를 낮춰주는 동시에, 증발된 증기는 연소기 내부의 압력을 증가시키므로 1차원 해석에서 증기의 압력-온도 관계식을 고려하여 해석을 수행하였다. 1차원 해석으로부터 연소가스의 적절한 냉각과 배기 덕트 내부의 압력의 지나친 상승을 피하기 위한 최적의 물 분무량을 확인하였으며, 물 분무 냉각 방식에 대한 물리적 이해를 얻을 수 있었다.
The cooling of hot exhaust gas is an important issue for the construction of combustor test facility. Water spray is an effective method for exhaust gas cooling due to its large latent heat in process of evaporation. In this study, 1-D analysis has been performed based on continuity, energy conserva...
The cooling of hot exhaust gas is an important issue for the construction of combustor test facility. Water spray is an effective method for exhaust gas cooling due to its large latent heat in process of evaporation. In this study, 1-D analysis has been performed based on continuity, energy conservation, and saturated vapor property to understand water spray cooling of combustion gas. In the exhaust duct of combustor test facility, the injected water decreases combustion gas temperature, and evaporates in the combustion gas. However, some of the injected water is collected in the sump due to condensation. The evaporation of water helps combustion gas cooling, but causes pressure increase inside the exhaust duct due to increase of vapor pressure. These phenomena has been analyzed by 1-D modeling in this study. From 1-D analysis, the adequate mass flow rate of water spray to cool combustion gas and to avoid excessive pressure rise inside the exhaust duct has been decided.
The cooling of hot exhaust gas is an important issue for the construction of combustor test facility. Water spray is an effective method for exhaust gas cooling due to its large latent heat in process of evaporation. In this study, 1-D analysis has been performed based on continuity, energy conservation, and saturated vapor property to understand water spray cooling of combustion gas. In the exhaust duct of combustor test facility, the injected water decreases combustion gas temperature, and evaporates in the combustion gas. However, some of the injected water is collected in the sump due to condensation. The evaporation of water helps combustion gas cooling, but causes pressure increase inside the exhaust duct due to increase of vapor pressure. These phenomena has been analyzed by 1-D modeling in this study. From 1-D analysis, the adequate mass flow rate of water spray to cool combustion gas and to avoid excessive pressure rise inside the exhaust duct has been decided.
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문제 정의
물 분무(Water spray)를 이용한 연소가스 냉각 1차원 해석은 연소기 시험 장치 중 냉각 장치 구축에 대한 설계 근거를 확보하기 위하여 수행되었다. 본 연구에서는 연소 가스 냉각을 위한 물 분무 방식의 효용성을 해석적으로 조사하였다.
물 분무(Water spray)를 이용한 연소가스 냉각 1차원 해석은 연소기 시험 장치 중 냉각 장치 구축에 대한 설계 근거를 확보하기 위하여 수행되었다. 본 연구에서는 연소 가스 냉각을 위한 물 분무 방식의 효용성을 해석적으로 조사하였다. 물 분무 냉각 1차원 해석은 연속방정식과 에너지 보존법칙을 근거로 해석을 수행하였으며, 정확한 냉각 특성 예측을 위해 분무된 냉각수의 상변화(Phase change)와 포화증기특성을 고려하였다.
가설 설정
물 분무 냉각 해석 조건은 Table 1에 정리되어 있다. 본 논문에서는 연소 가스와 불완전 혼합(Incomplete mixing)으로 증발이 이루어지지 않은 냉각수의 비율을 증발 효율로 정의하고, 1차원 해석에서 임의로 95%의 증발 효율을 가정하였다. 실제로 물 분무의 증발효율은 분무되는 물 액적(Water droplet)의 크기, 분무 시 연소 가스 내에서 액적 분포의 균일성, 연소가스의 흐름 방향과 냉각수 분무 방향 등의 요소에 의해 결정되나, 본 연구는 연소기 리그 시험장치 구축의 설계 근거를 확보하기 위한 1차원 해석 단계로 상세한 분무 특성이 결정되어 있지 않으므로 증발 효율을 임의의 값으로 가정한다.
본 논문에서는 연소 가스와 불완전 혼합(Incomplete mixing)으로 증발이 이루어지지 않은 냉각수의 비율을 증발 효율로 정의하고, 1차원 해석에서 임의로 95%의 증발 효율을 가정하였다. 실제로 물 분무의 증발효율은 분무되는 물 액적(Water droplet)의 크기, 분무 시 연소 가스 내에서 액적 분포의 균일성, 연소가스의 흐름 방향과 냉각수 분무 방향 등의 요소에 의해 결정되나, 본 연구는 연소기 리그 시험장치 구축의 설계 근거를 확보하기 위한 1차원 해석 단계로 상세한 분무 특성이 결정되어 있지 않으므로 증발 효율을 임의의 값으로 가정한다. 증발효율(ηvap)은 분무된 전체 냉각수 중 연소가스와의 혼합 과정에서 증발된 냉각수의 질량 유량의 비로 정의 된다.
또한, 연소가스와 냉각수의 혼합 정도는 증발효율로 정의하고, 연소기 배기 덕트의 길이 효과는 해석에서 배제하였다. 연소 가스로 증발한 냉각수는 증기의 형태로 균일하게 연소 가스 내에 분포되어 있다고 가정한다.
연소가스와 분무되는 냉각수의 특성은 1차원 정상상태(Steady state)이다. 연소기 배기 덕트 벽면은 단열조건으로 가정하고, 물 분무 냉각에 대한 에너지 보존은 연소가스와 분무되는 냉각수를 기준으로 해석한다. 또한, 연소가스와 냉각수의 혼합 정도는 증발효율로 정의하고, 연소기 배기 덕트의 길이 효과는 해석에서 배제하였다.
물 분무 냉각 해석에서는 고온의 연소 가스와 냉각수의 혼합 과정에서 냉각수의 기화(Vaporization)로 물의 상변화(Phase change)가 일어나고, 이 과정에서 물의 잠열(Latent heat)을 연소가스 냉각에 이용한다. 이 때, 1차원 해석에서는 혼합 및 냉각 과정에서 공기(Air)의 질유량은 일정하며, 물은 오직 증기로의 상변화만이 이루어진다고 가정한다.
이 때, 증발되지 않은 냉각수는 집수조에서 회수 되고, 50℃까지 가열된다고 가정하였다.
제안 방법
그리고 물 분무 냉각 시 최적의 냉각수 분무량이 도출되는 주 요인이 연소가스의 비등점 특성임을 해석적 방법을 통해 이해하였다. 1차원 해석을 이용하여 도출한 결과는 성능 시험의 수행 이전에 개략적인 냉각 장치 성능의 파악을 가능케 하였으며, 시험장치 구축 시 설계 근거를 제시해 주었다.
본 연구에서는 물 분무 냉각을 이해하기 위하여 연속방정식, 에너지보존법칙과 함께 포화증기의 압력-온도 특성을 적용하였다. 연소가스의 물 분무 냉각에 대한 1차원 해석을 통하여 1) 분무되는 물의 양에 따른 연소가스의 출구 온도와 2) 분무된 물의 증발로 인해 야기되는 배기덕트 내부의 과도한 압력 상승을 피하기 위한 적정 물 분무량을 예측하였다.
물 분무 냉각 1차원 해석으로부터 고온의 연소가스의 냉각 성능을 만족시키며, 냉각 과정을 거친 후 회수되는 물의 유량과 배기 덕트 내부의 압력을 줄일 수 있는 최적의 냉각수 분무량을 예측할 수 있었다. 그리고 물 분무 냉각 시 최적의 냉각수 분무량이 도출되는 주 요인이 연소가스의 비등점 특성임을 해석적 방법을 통해 이해하였다. 1차원 해석을 이용하여 도출한 결과는 성능 시험의 수행 이전에 개략적인 냉각 장치 성능의 파악을 가능케 하였으며, 시험장치 구축 시 설계 근거를 제시해 주었다.
연소기 배기 덕트 벽면은 단열조건으로 가정하고, 물 분무 냉각에 대한 에너지 보존은 연소가스와 분무되는 냉각수를 기준으로 해석한다. 또한, 연소가스와 냉각수의 혼합 정도는 증발효율로 정의하고, 연소기 배기 덕트의 길이 효과는 해석에서 배제하였다. 연소 가스로 증발한 냉각수는 증기의 형태로 균일하게 연소 가스 내에 분포되어 있다고 가정한다.
물 분무 냉각 1차원 해석은 냉각 성능과 배출 가스 특성에 대한 예측을 가능케 하였으며, 연소기 시험 장치 구축 시 연소가스 냉각 성능을 만족하면서 회수되는 냉각수 유량과 배기덕트 내부압력을 적절히 낮출 수 있는 분무 냉각수 유량을 15 kg/s 로 제시하였다.
본 연구에서는 연소 가스 냉각을 위한 물 분무 방식의 효용성을 해석적으로 조사하였다. 물 분무 냉각 1차원 해석은 연속방정식과 에너지 보존법칙을 근거로 해석을 수행하였으며, 정확한 냉각 특성 예측을 위해 분무된 냉각수의 상변화(Phase change)와 포화증기특성을 고려하였다. 이와 같은 일련의 해석 과정은 타당한 결과를 획득할 때 까지 반복적으로 수행되었다(Iteration).
물 분무(Water spray) 냉각의 해석 조건은 연소기 리그(Rig) 시험 장치의 설계 조건을 기준으로 하였다. 연소기에서 배출되는 연소 가스의 압력과 온도 조건은 12 bar, 1600 K이며, 질유량 (Mass flow rate)은 25 kg/s이다.
따라서 물 분무 냉각을 정확히 예측하기 위해서는 냉각수의 증발에 따른 증기압 상승과 이에 따른 포화증기 특성 변화를 해석에 적용하여야 한다. 본 연구에서는 물 분무 냉각을 이해하기 위하여 연속방정식, 에너지보존법칙과 함께 포화증기의 압력-온도 특성을 적용하였다. 연소가스의 물 분무 냉각에 대한 1차원 해석을 통하여 1) 분무되는 물의 양에 따른 연소가스의 출구 온도와 2) 분무된 물의 증발로 인해 야기되는 배기덕트 내부의 과도한 압력 상승을 피하기 위한 적정 물 분무량을 예측하였다.
)은 연소 가스 온도의 함수로 포화증기특성을 이용하여 결정한다(ⓕ). 연소 가스의 온도에 따른 포화수증기압은 수증기표에 나열된 데이터베이스로부터 관계식을 도출하여 본 연구에 적용하였다[7]. 이 때, 앞서 예측한 연소 가스의 압력이 포화수증기압보다 작을 경우에는 해석 결과가 타당하나, 연소가스의 압력이 포화증기압보다 클 경우에는 연소 가스에 포함된 증기의 응축(Condensing)이 일어나므로, 이를 고려하여 재해석을 수행한다(ⓖ).
연소 가스의 온도에 따른 포화수증기압은 수증기표에 나열된 데이터베이스로부터 관계식을 도출하여 본 연구에 적용하였다[7]. 이 때, 앞서 예측한 연소 가스의 압력이 포화수증기압보다 작을 경우에는 해석 결과가 타당하나, 연소가스의 압력이 포화증기압보다 클 경우에는 연소 가스에 포함된 증기의 응축(Condensing)이 일어나므로, 이를 고려하여 재해석을 수행한다(ⓖ). 이 때, 연소 가스의 압력은 포화증기압으로 하고 이를 기준으로 증기압력(Pv,2), 증기 질유량(Wv,2), 물의 질유량(Ww,2)을 결정한다(ⓗ).
성능/효과
이와 같은 일련의 해석 과정은 타당한 결과를 획득할 때 까지 반복적으로 수행되었다(Iteration). 물 분무 냉각 1차원 해석으로부터 고온의 연소가스의 냉각 성능을 만족시키며, 냉각 과정을 거친 후 회수되는 물의 유량과 배기 덕트 내부의 압력을 줄일 수 있는 최적의 냉각수 분무량을 예측할 수 있었다. 그리고 물 분무 냉각 시 최적의 냉각수 분무량이 도출되는 주 요인이 연소가스의 비등점 특성임을 해석적 방법을 통해 이해하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물 분무 냉각이 다양한 시험 장치에서 적용되고 있는 이유는?
효과적인 냉각 방법 중 하나는 연소 가스에 물을 분무하는 것이다. 물은 상당한 잠열을 지니고 있으므로 물 분무(Water spray)를 이용한 연소 가스 냉각은 매우 효과적이다. 따라서 물 분무 냉각은 다양한 시험 장치에 적용되고 있으며, 다수의 공학자들은 이에 대한 연구를 지속적으로 수행하고 있다.
고온의 연소 가스를 적절한 냉각하기 위해 효과적인 방법은?
연소기 시험 장치 구축 시 고려해야 할 요구 조건 중 하나는 고온의 연소 가스를 적절한 냉각을 통해 대기로 배출하는 것이다. 효과적인 냉각 방법 중 하나는 연소 가스에 물을 분무하는 것이다. 물은 상당한 잠열을 지니고 있으므로 물 분무(Water spray)를 이용한 연소 가스 냉각은 매우 효과적이다.
포화수증기압은 어떻게 결정되는가?
포화수증기압(Psat,2)은 연소 가스 온도의 함수로 포화증기특성을 이용하여 결정한다(ⓕ). 연소 가스의 온도에 따른 포화수증기압은 수증기표에 나열된 데이터베이스로부터 관계식을 도출하여 본 연구에 적용하였다[7].
참고문헌 (7)
Adam, P.W. and Norris, J.W., "Advanced Jet Engine Combustor Test Facility," NASA TN D-6030, 1970.
Westergaard, V. and Fife, J.A., , "Flue Gas Cooling," Proceedings of 1964 ASME Incinerator Conference, New York, N.Y., U.S.A., May 1964.
Pelton, J.M., "An Analytical Model for Predicting the Performance of an Exhaust Gas Cooling System," AEDC-TR-71-194, 1971.
Pelton, J.M. and Willbanks, C.E., "Analytical Model of an Exhaust Gas Cooling System Employing Liquid Injection," AEDC-TR-71-60, 1971.
Kachhwaha, S.S., DHAR, P.L. and Kale, S.R., "Experimental Studies and Numerical Simulation of Evaporative Cooling of Air with a Water Spray - I. Horizontal Parallel Flow," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 2, pp. 447-464, 1997.
Kachhwaha, S.S., DHAR, P.L. and Kale, S.R., "Experimental Studies and Numerical Simulation of Evaporative Cooling of Air with a Water Spray - II. Horizontal Counter Flow," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 2, pp. 465-474, 1997.
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