[논문]배열회수 보일러 전열관군에서 열전달 모델링에 따른 온도 분포 특성 연구

하지수

doi:10.5855/energy.2015.24.2.103

초록
AI-Helper

배열회수 보일러는 입구 확관 덕트와 전열관군으로 이루어져 있는데 전열관군에서 열전달 효율을 향상하기 위해서는 전열관군 전에서 배기가스 유동이 균일하게 되어야 한다. 본 연구에서는 전열관군 전의 배열회수 보일러 입구 덕트에서 유동 특성을 살펴보았고 전열관군의 열전달 메커니즘을 지금까지 다른 연구들에서 적용하였던 일정한 열전달 량으로 한 경우와 전열관군 배관의 내부와 외부의 대류열전달을 고려한 열전달 메커니즘을 적용한 경우의 해석에서 온도 분포를 비교하여 배열회수 보일러의 전열관군에서 실제 현상에 보다 적합한 열전달 메커니즘을 정립하는 것을 목적으로 하였다. 본 연구를 통하여 전열관군 배관의 내부와 외부의 대류열전달을 고려한 열전달 메커니즘을 적용한 해석이 일정한 열전달 량을 적용한 경우보다 온도 분포가 타당한 결과를 도출하였고 이렇게 적용한 경우는 배열회수 보일러 탈질설비 전단에서 온도 분포가 설계 기준 ${\pm}10^{\circ}C$에 만족함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A heat recovery steam generator consists of inlet expansion duct and heat transfer tube bank modules. For the enhancement of heat transfer in the tube bank modules, the flow should be uniform before the 1st heat transfer tube bank module. The present study has been carried out to analyze the flow ch...

A heat recovery steam generator consists of inlet expansion duct and heat transfer tube bank modules. For the enhancement of heat transfer in the tube bank modules, the flow should be uniform before the 1st heat transfer tube bank module. The present study has been carried out to analyze the flow characteristics in the inlet expansion duct of a heat recovery steam generator by using numerical flow analysis. The aim of the present study is to establish the proper heat transfer mechanism in the heat transfer tube bank modules by the comparison of the heat transfer models, the case with the constant heat loss per unit volume and the case with heat loss by using inner and outer convective heat transfer coefficient of heat transfer tube. From the present research, it could be seen that the heat transfer mechanism with using inner and outer convective heat transfer coefficient derives more proper temperature distribution results and the acceptance criteria of the temperature distribution within ${\pm}10^{\circ}C$ before SCR is satisfied with using this heat transfer mechanism.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 배열회수 보일러의 유동과 열전달에 관한 전산유체해석에서 기존의 연구에서 사용한 전열 관군에서의 균일한 열전달 량으로 모델링한 경우와 관군 내 보일러수의 온도 변화와 유동에 따른 대류열전달계수를 감안하여 보다 실제적인 열전달을 사용할 경우에 전열관군에서 열적 특성이 어떻게 차이가 나는지를 비교하여 배열회수 보일러의 열전달 특성을 규명함으로써 배열회수 보일러의 열적 해석의 신뢰성을 향상하는데 목적으로 하여 수행하였다.
서론에서 언급한 바와 같이 이렇게 되면 전열관군 에서 보일러 수의 입 출구 부분에서 온도가 다른 것에 따른 열전달이 잘 모사되지 않아 실제와 차이가 많이 나는 해석 결과를 초래하게 된다. 본 절에서는 이와 같이 전열관군에서 단위체적당 일정한 열전달 량을 사용한 경우와 실제와 같이 보일러 수의 입 출구 온도 변화와 배기가스 유동에 따른 대류열전달 변화를 고려한 경우의 온도 분포 특성을 살펴보기로 한다.

제안 방법

배기가스의 성분은 가스터빈에서 연소된 배기가스로서 질소, 이산화탄소, 수증기 등 여러 가지 성분으로 구성되어 있으며 각 성분의 온도에 대한 밀도, 점성계수, 비열, 열전도율을 각각 구하고 혼합가스의 물성치로 변환하여 본 연구의 수치계산에 이용하였다.
배열회수 보일러의 전열관군에 대한 유동을 해석하기 위하여 배열회수 보일러의 입구 확대 덕트 및 고온의 배기가스와 열교환하여 증기를 생산하는 전열관군 모듈에 대한 개략도와 본 연구에서 구현한 격자 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 배열회수보일러 입구 영역은 사각형상의 2단 급확대 덕트로 이루어 져 있다.
배열회수 보일러의 전열관군에서의 열전달 특성을 살펴보기 전에 우선 입구 덕트와 전열관군에서의 유동 특성을 살펴보기로 한다. 본 연구의 해석에 사용한 입구 유동 유량은 572.
지금까지 배열회수 보일러에서 입구 덕트 유동 특성과 전열관군에서의 온도 분포 특성을 전산유체역학 해석을 통해 살펴보았으며 전열관군에서 열전달 메커니즘을 일정한 열전달 량으로 한 경우와 배기가스 측 대류열전달과 배관 내 증기 측 대류 열전달을 고려한 열전달 모델링을 이용한 경우에 대하여 탈질설비 전단에서 온도분포를 통해 비교 분석하여 다음과 같이 연구 결과를 요약할 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서 열유동해석에 사용한 전산해석 소프트웨어는 열유체 전산해석에 널리 사용되고 있는 상용 코드인 Fluent 소프트웨어를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 격자 형상은 Fig. 1(b)에 나타내었는데 격자의 개수는 약 600만개를 사용하였다.
배열회수 보일러의 전열관군에서의 열전달 특성을 살펴보기 전에 우선 입구 덕트와 전열관군에서의 유동 특성을 살펴보기로 한다. 본 연구의 해석에 사용한 입구 유동 유량은 572.7kg/s이고 입구 평균 온도는 659.1℃이다. Fig.
입구영역의 경계조건은 가스터빈 후류영역의 계산 결과 데이터를 이용하였고 입구에서의 속도분포는 Fig. 2에 나타내었다. Fig.

이론/모형

Dumont[8]에 의해 배열회수 보일러 열전달 메커니즘이 정립되어 있다. M. N. Dumont가 정립한 휜 튜브 열전달 메커니즘은 본 연구와 같이 3차원적인 해석에서 정립한 것이 아니라 열전달 모듈 전체에 대한 열전달 메커니즘을 정리한 것이지만 본 연구에 서는 3차원 열유동 해석 시 국부적인 열전달 메커니즘에 대하여 M. N. Dumont의 개념을 도입하여 아래와 같은 식으로 총합 열전달 계수를 사용하였다.
따라서 배열회수 보일러 유동해석에 필요한 지배방정식은 일반적인 3차원 유체역학의 연속방정식(식 (1)), 운동량방정식(식 (2)), 에너지방정식(식 (3)) 그리고 난류 관련 방정식(식 (4), (5))으로 구성할 수 있다. 난류모델은 realizable k-ϵ모델을 사용하였고 다음에 정리하였다.
본 연구에서 열유동해석에 사용한 전산해석 소프트웨어는 열유체 전산해석에 널리 사용되고 있는 상용 코드인 Fluent 소프트웨어를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 격자 형상은 Fig.

성능/효과

1) 배열회수 보일러 입구 덕트 유동 특성 배열회수 보일러의 전열관군에서 열전달 효율을 높이기 위해서는 전열관군 전단에서 균일한 유동으로 되는 것이 바람직하다. 입구 덕트에서 축 방향 평균 도는 배열회수 보일러 입구에서 후류로 갈수록 축 방향 평균속도가 감소하는 것을 알 수 있었고 이는 입구 덕트의 단면적이 증가하기 때문이었다.
2) 열전달 모델링에 따른 전열관군 온도 분포 특성 배열회수 보일러에 장착되는 탈질설비의 온도 균일도 조건은 일반적으로 최대와 최소 온도가 ± 10℃ 이내에 이어야 탈질설비 촉매 층에서 질소산화물의 환원 효율이 보장된다. 탈질설비 전단에서 일정한 열전달 량을 사용한 경우와 배관 내부 외부의 대류열전 달을 고려한 열전달 메커니즘을 사용한 경우의 탈질 설비 전단에서 온도 분포를 비교하면 일정한 열전달 량을 적용한 경우에는 하부의 온도가 상대적으로 높고 온도의 최소 최대 차이가 39℃이며 평균온도는 362.
하부의 온도와 배기가스의 온도 차이가 크고 하부에 유동이 많이 흐르기 때문에 일정한 열전달 량으로 모델링하는 것 보다 현실적으로 타당하다. 따라서 배열회수 보일러의 전열관군에서 열전달 해석은 M.N. Dumont의 fin tube 열전달 메커니즘을 사용하여 해석하는 것이 일정한 열전달 량으로 모델링하는 것 보다 신뢰할 만한 결과를 가져다 줄 것으로 판단된다.
6℃ 범위이므로 이는 탈질설비 전단에서 온도 기준인 ± 10℃을 만족한다. 따라서 배열회수 보일러의 전열관군에서 열전달 해석은 배관 내 외부의 대류열전달을 고려한 열전달 메커니즘을 사용하여 해석하는 것이 일정한 열전달 량으로 모델링하는 것 보다 신뢰할 수 있는 온도 분포 결과를 도출할 수 있었다.
1) 배열회수 보일러 입구 덕트 유동 특성 배열회수 보일러의 전열관군에서 열전달 효율을 높이기 위해서는 전열관군 전단에서 균일한 유동으로 되는 것이 바람직하다. 입구 덕트에서 축 방향 평균 도는 배열회수 보일러 입구에서 후류로 갈수록 축 방향 평균속도가 감소하는 것을 알 수 있었고 이는 입구 덕트의 단면적이 증가하기 때문이었다. 축 방향 속도의 rms 변화는 입구 덕트의 각도가 크게 되는 곳 전에 서는 rms값이 감소하지만 그 이후에는 급격히 증가하다가 확대 덕트의 중간 부분에서 최대값이 되었다가 그 이후부터 다시 감소하기 시작하여 1^st module 전단에서는 축 방향 평균속도의 약 40%로 되었다.
입구 덕트에서 축 방향 평균 도는 배열회수 보일러 입구에서 후류로 갈수록 축 방향 평균속도가 감소하는 것을 알 수 있었고 이는 입구 덕트의 단면적이 증가하기 때문이었다. 축 방향 속도의 rms 변화는 입구 덕트의 각도가 크게 되는 곳 전에 서는 rms값이 감소하지만 그 이후에는 급격히 증가하다가 확대 덕트의 중간 부분에서 최대값이 되었다가 그 이후부터 다시 감소하기 시작하여 1^st module 전단에서는 축 방향 평균속도의 약 40%로 되었다. 입구 덕트 확대관에서 rms 값이 증가하는 이유는 확대 관 이후에 유동이 박리가 일어나고 재순환 유동의 영향으로 역류 영역도 존재하기 때문이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배기가스의 성분은 어떻게 구성되어 있는가?	배기가스의 성분은 가스터빈에서 연소된 배기가스로서 질소, 이산화탄소, 수증기 등 여러 가지 성분으로 구성되어 있으며 각 성분의 온도에 대한 밀도, 점성계수, 비열, 열전도율을 각각 구하고 혼합가스의 물성치로 변환하여 본 연구의 수치계산에 이용하였다.
	fin tube 열전달 메커니즘을 사용한 경우 탈질설비 전단에서 균일한 온도 분포를 나타내는 이유는 무엇인가?	6oC 범위이므로 이는 탈질설비 전단에서 온도 기준인 ± 10oC을 만족한다. 식 (7)을 이용한 경우에 온도 분포가 균일해 지는 이유는 전열관군 하부에서 증기의 온도와 배기가스 온도 차이가 크며 이 곳에서 유동이 치우쳐 있기 때문에 열전달 되는 것이 많아서 일정한 열전달 량을 이용한 경우에 전열관군 하부에서 온도가 높게 나타나는 것을 상쇄시켜주기 때문이다. 하부의 온도와 배기가스의 온도 차이가 크고 하부에 유동이 많이 흐르기 때문에 일정한 열전달 량으로 모델링하는 것 보다 현실적으로 타당하다.
	배열회수 보일러는 어떻게 작동하는가?	배열회수 보일러는 복합 화력발전에서 가스터빈과 발전기를 연결하여 전기를 생산하고 가스터빈에서 나오는 고온의 배기가스를 회수하여 증기를 만들어 이것으로 증기터빈을 구동시켜 다시 전기를 생산하는데 이용한다. 배열회수보일러의 배기가스 배열 회수 효율은 이러한 복합 화력발전에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.

참고문헌 (9)

Jae Dong Park, Il Wong Park, Kyong Chun Kim, "Heat Transfer and Draft Loss In HRSG Tube Banks", Proceedings of the SAREK Summer Annual Confenrence, 2000, p. 141-146
Chae_hon Chong, Jung-il Song, "Stress Behaviors of Superheater Tubes under Load Change Operation in HRSG", Journal of the Korean Solar Energy Society, 2008, Vol. 28, No. 6, p. 33-39
Chae_hon Chong, Jung-il Song, "Effect on Thermal Performance of Superheater Module under Part Load Operation in HRSG", Journal of Energy Engineering, 2008, Vol. 17, No. 3, p. 161-166
H.K. Choi, G.K. Yoo, B.J. Shin and C.H. Kim, "NUMERICAL STUDY ON FLOW CHARACTERISTIC IN THE HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR", 2010, Vol. 15, No.1, p. 17-23
Tae Kwon Kim, Boo Yoon Lee, Ji Soo Ha, "A Numerical Analysis of Flow Characteristics in a Heat Recovery Steam Generator with the Change of Inlet Flow Conditions", Journal of the Korean Institute of Gas, 2011, Vol. 15, No.3, p. 53-57

원문보기 상세보기
Ji Soo Ha, "Characteristics of Flow Uniformity at the Section before Tube Bank with the Change of Expansion Inlet Duct Shape in a Heat Recovery Steam Generator", 2012, Journal of the Korean Institute of Gas, 2011, Vol. 16, No.1, p. 1-7
ESCOA, "Fin Tube Manual", ESCOA Corp., 1978
Marie-Noelle Dumont, Georges Heyen, "Mathematical modelling and design of an advanced oncethrough heat recovdery steam generator", Computer and Chemical Engineering, Vol. 28, 2004, p. 651-660

상세보기
S.V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, 1980, 126-131

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

배열회수 보일러 전열관군에서 열전달 모델링에 따른 온도 분포 특성 연구
A study on the temperature distribution characteristics in the tube modules of a heat recovery steam generator ith the change of heat transfer modeling 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

배열회수 보일러 전열관군에서 열전달 모델링에 따른 온도 분포 특성 연구 A study on the temperature distribution characteristics in the tube modules of a heat recovery steam generator ith the change of heat transfer modeling 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

하지수 (65)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

배열회수 보일러 전열관군에서 열전달 모델링에 따른 온도 분포 특성 연구
A study on the temperature distribution characteristics in the tube modules of a heat recovery steam generator ith the change of heat transfer modeling 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper