본 연구에서는 화력발전소터빈 건물의 온도저감 방안을 도출하기 위해 전산유체역학 상용코드인 ANSYS-FLUENT를 이용하여 열유동 해석을 수행하였다. 터빈 건물의 운전층(operating floor)과 탈기기층(deaerator floor)을 검사체적으로 선정하여 모델링을 하였으며 탈기기층에 설치된 기존의 채광창을 활용하여 환기창으로 대체하는 경우에 대해 해석을 수행하였다. 본 연구를 통하여 첫째, 운전층의 온도를 저감하기 위한 방안은 탈기기층의 모든 창문을 열지 않아야 됨을 알았다. 둘째, 탈기기층의 온도를 저감하기 위한 방안으로 탈기기층의 전면부의 창문을 개방하면 탈기기 영역과 크레인 영역은 각각 $1.5^{\circ}C$와 $1.6^{\circ}C$를 저감할 수 있었고, 탈기기 후면부의 창문을 개방하면 탈기기 영역은 $1.4^{\circ}C$, 크레인 영역은 $0.5^{\circ}C$의 온도를 저감할 수 있었다. 따라서 고온의 탈기기층 전체 영역의 온도를 저감하기 위해서는 탈기기층 전면부의 창문을 개방하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 화력발전소 터빈 건물의 온도저감 방안을 도출하기 위해 전산유체역학 상용코드인 ANSYS-FLUENT를 이용하여 열유동 해석을 수행하였다. 터빈 건물의 운전층(operating floor)과 탈기기층(deaerator floor)을 검사체적으로 선정하여 모델링을 하였으며 탈기기층에 설치된 기존의 채광창을 활용하여 환기창으로 대체하는 경우에 대해 해석을 수행하였다. 본 연구를 통하여 첫째, 운전층의 온도를 저감하기 위한 방안은 탈기기층의 모든 창문을 열지 않아야 됨을 알았다. 둘째, 탈기기층의 온도를 저감하기 위한 방안으로 탈기기층의 전면부의 창문을 개방하면 탈기기 영역과 크레인 영역은 각각 $1.5^{\circ}C$와 $1.6^{\circ}C$를 저감할 수 있었고, 탈기기 후면부의 창문을 개방하면 탈기기 영역은 $1.4^{\circ}C$, 크레인 영역은 $0.5^{\circ}C$의 온도를 저감할 수 있었다. 따라서 고온의 탈기기층 전체 영역의 온도를 저감하기 위해서는 탈기기층 전면부의 창문을 개방하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
In this study, a thermal flow analysis was performed using the commercial code, ANSYS-FLUENT to reduce room temperature in a turbine building of power plant. The selected control volume of the operating floor and deaerator floor for the turbine building was respectively modelled. The skylight window...
In this study, a thermal flow analysis was performed using the commercial code, ANSYS-FLUENT to reduce room temperature in a turbine building of power plant. The selected control volume of the operating floor and deaerator floor for the turbine building was respectively modelled. The skylight windows at the deaerator floor were employed for ventilation windows. Through the study, in the first we found that all window close of the deaerator floor is one alternative for reducing the temperature of the operating floor. The next thing we knew that for windows open at the front of the deaerator floor, the temperature of deaerator zone and crane zone can be respectively reduced to $1.5^{\circ}C$ and $1.6^{\circ}C$. In addition, for windows close at the rear of the deaerator floor, the temperature of deaerator zone and crane zone can be respectively reduced to 1.4 and $0.5^{\circ}C$. Therefore, it was concluded that a better choice is to open the front windows at deaerator floor to reduce the temperature of the entire deaerator floor having high temperature.
In this study, a thermal flow analysis was performed using the commercial code, ANSYS-FLUENT to reduce room temperature in a turbine building of power plant. The selected control volume of the operating floor and deaerator floor for the turbine building was respectively modelled. The skylight windows at the deaerator floor were employed for ventilation windows. Through the study, in the first we found that all window close of the deaerator floor is one alternative for reducing the temperature of the operating floor. The next thing we knew that for windows open at the front of the deaerator floor, the temperature of deaerator zone and crane zone can be respectively reduced to $1.5^{\circ}C$ and $1.6^{\circ}C$. In addition, for windows close at the rear of the deaerator floor, the temperature of deaerator zone and crane zone can be respectively reduced to 1.4 and $0.5^{\circ}C$. Therefore, it was concluded that a better choice is to open the front windows at deaerator floor to reduce the temperature of the entire deaerator floor having high temperature.
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문제 정의
따라서 본 연구는 터빈건물 내의 온도를 저감하기 위해 터빈건물에 기존 설치되어 있는 채광창문을 환기구로 개조하거나 혹은 새롭게 환기구를 설치하는 등의 다양한 경우에 대한 열·유동 특성을 분석하고, 이를 통해 터빈실내의 열섬현상을 해소함으로서 작업자 및 온도에 민감한 계측기 등의 작동환경을 개선하고자한다.
본 연구에서는 화력발전소의 터빈 건물 내의 온도를 저감하기 위해 터빈 건물에 기존에 설치되어 있는 채광창문을 환기구로 개조하거나 혹은 새롭게 환기구를 설치하는 등의 다양한 경우에 대한 열유동 특성을 분석하였고, 이를 통해 터빈실내의 열섬현상을 개선하기 위한 유동조건을 제시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
배기 송풍기는 터빈을 기준으로 호기마다 5개씩 총 20개가 있다. (c) Isometric view에서의 탈기기층의 4개 방향의 창문은 채광창으로 외부공기의 유입은 없고 운전층과 탈기기층의 출입문을 통해서만 유입된다. 탈기기층에는 보일러 급수 중의 용해가스를 제거하는 장치인 탈기기(deaerator)와 저수조(water storage tank), 그리고 히터(heater) 등의 설비가 있다.
마지막으로 (d) Case 4는 탈기기층의 후면에 있는 창문을 개방하였다. 2층에서 유출되는 공기의 속도나 온도에 대해서는 Case에 따른 변화가 없다고 가정하였다. 2층에서 유입되는 공기의 유속과 온도는 inlet 조건으로 설정하였고 배기 송풍기와 각층의 창문과 출입문들은 outlet으로 설정하였다.
Case 1의 터빈 2호기는 유동이 운전층의 히터 영역에는 영향을 미치지 않고 탈기기층으로 상승한다. 터빈 4호기의 유동은 운전층의 터빈 영역이 유동 속도가 낮고 탈기기층에서 유동이 일어난다. Case 2의 터빈 2호기에서는 탈기기층 창문에서 유입된 공기에 의해 일부 공기는 바닥으로 하강하여 아래쪽에 유입된 공기와 만나 운전층에서 Case 1보다 빠른 유동을 보인다.
제안 방법
비교적 고온의 열원이 적은 지하층과 1층은 형상 모델링에서 제외하였다. 또한 2층의 경우 고온의 열원이 존재하지만 2층에서 운전층으로 유출되는 공기의 유량과 온도를 쉽게 측정할 수 있기 때문에 모델의 단순화를 위해 본 연구에서는 관심영역을 운전층과 탈기기층으로 설정하여 형상을 모델링을 하였다. 형상 모델링은 Fig.
대상 데이터
터빈 건물은 지하층(underground floor), 1층(ground floor), 2층(mezzanine floor), 운전층(operating floor), 그리고 탈기기층(deaerator floor)으로 5개의 층으로 구분되어 있다. 비교적 고온의 열원이 적은 지하층과 1층은 형상 모델링에서 제외하였다.
이론/모형
본 연구의 유동해석에 사용된 지배방정식은 이론가이드(8)에서와 같은 비압축성유동 3차원 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 그리고 난류 방정식이다. 난류모델은 standard k-ε 모델을 사용하였다.
전산해석에 사용된 소프트웨어는 열유체 상용해석 프로그램인 ANSYS-FLUENT를 사용하였으며, 유한체적법(FVM, finite volume method)을 사용해 질량, 운동량, 에너지 보존방정식을 푸는 CFD 코드이다. 본 연구의 유동해석에 사용된 지배방정식은 이론가이드(8)에서와 같은 비압축성유동 3차원 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 그리고 난류 방정식이다. 난류모델은 standard k-ε 모델을 사용하였다.
전산해석에 사용된 소프트웨어는 열유체 상용해석 프로그램인 ANSYS-FLUENT를 사용하였으며, 유한체적법(FVM, finite volume method)을 사용해 질량, 운동량, 에너지 보존방정식을 푸는 CFD 코드이다. 본 연구의 유동해석에 사용된 지배방정식은 이론가이드(8)에서와 같은 비압축성유동 3차원 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 그리고 난류 방정식이다.
성능/효과
1) 운전층에서의 속도 분포를 통하여 탈기기층 전면부 창문 개방 조건인 Case 2의 터빈 2호기에서 유동이 가장 활발하였고 탈기기층의 창문을 모두 닫은 조건인 Case 1의 2호기와 4호기 모두 운전층에서 유동이 정체되는 구간이 많았다. 탈기기층의 속도 분포는 탈기기층 후면부 창문을 개방한 Case 4의 2호기에서 유동이 가장 원활하였고 탈기기층 측면부 창문 개방 조건인 Case 3의 4호기에서 유동 정체구간이 가장 많았다.
2) 온도 분포를 확인하면 Case 2와 Case 4의 탈기기, 크레인 영역이 온도가 낮은 경향을 보였고 히터와 터빈 영역의 온도는 Case 1이, 창문 영역은 Case 3이 다른 Case들에 비해 온도가 가장 낮았다.
따라서 창문을 일부 개방하는 조건을 통해 운전층과 탈기기층의 전체 영역에서 온도 저감 방안은 어렵다는 것을 알 수 있었다. 예를 들어 터빈 설비 중 가장 온도가 높은 곳인 탈기기 영역의 온도를 저감하기 위해서는 탈기기층 전면부 창문을 개방하는 Case 2와 후면부 창문을 개방하는 Case 4를 선택하는 것이 유리하다.
Case 1은 터빈과 히터 영역에서는 온도가 가장 낮고 탈기기와 크레인 영역에서는 온도가 가장 높다. 운전층 창문으로만 유입된 저온의 공기가 운전층의 열기는 식혀주지만 탈기기 영역까지는 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. Case 2는 탈기기 영역에서의 온도가 가장 낮고 터빈과 창문 영역에서 온도가 가장 높다.
Case 3은 Case 1과 비슷한 경향을 보인다. 터빈 2호기는 Case 1보다 히터 영역의 유동이 조금 더 원활하지만 터빈 4호기는 오히려 히터와 탈기기 영역 모두 유동이 적으며 전체적으로 속도가 낮아졌다. Case 4의 터빈 2호기는 크레인 영역 아래부터 탈기기 영역 후면까지 유동이 비교적 균일하게 존재한다.
예를 들어 터빈 설비 중 가장 온도가 높은 곳인 탈기기 영역의 온도를 저감하기 위해서는 탈기기층 전면부 창문을 개방하는 Case 2와 후면부 창문을 개방하는 Case 4를 선택하는 것이 유리하다. 하지만 탈기기층의 온도는 저감하더라도 운전층의 온도는 오히려 상승하는 경향이 나타나므로 목적에 따라 창문 개방 조건을 달리하여 사용하는 것이 합당할 것이라고 판단되었다. 추가적으로 창문을 통한 자연 대류의 효과가 미비하였기 때문에 천장에 설치된 환기팬의 개수와 위치, 용량의 변화를 주어 강제 대류의 조건으로 연구를 수행할 것이다.
후속연구
하지만 탈기기층의 온도는 저감하더라도 운전층의 온도는 오히려 상승하는 경향이 나타나므로 목적에 따라 창문 개방 조건을 달리하여 사용하는 것이 합당할 것이라고 판단되었다. 추가적으로 창문을 통한 자연 대류의 효과가 미비하였기 때문에 천장에 설치된 환기팬의 개수와 위치, 용량의 변화를 주어 강제 대류의 조건으로 연구를 수행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터빈 건물은 어떻게 구분되어지는가?
터빈 건물은 지하층(underground floor), 1층(ground floor), 2층(mezzanine floor), 운전층(operating floor), 그리고 탈기기층(deaerator floor)으로 5개의 층으로 구분되어 있다. 비교적 고온의 열원이 적은 지하층과 1층은 형상 모델링에서 제외하였다.
ANSYS-FLUENT은 무엇인가?
전산해석에 사용된 소프트웨어는 열유체 상용해석 프로그램인 ANSYS-FLUENT를 사용하였으며, 유한체적법(FVM, finite volume method)을 사용해 질량, 운동량, 에너지 보존방정식을 푸는 CFD 코드이다. 본 연구의 유동해석에 사용된 지배방정식은 이론가이드(8)에서와 같은 비압축성유동 3차원 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 그리고 난류 방정식이다.
지하층(underground floor), 1층은 왜 형상 모델링에서 제외되었는가?
터빈 건물은 지하층(underground floor), 1층(ground floor), 2층(mezzanine floor), 운전층(operating floor), 그리고 탈기기층(deaerator floor)으로 5개의 층으로 구분되어 있다. 비교적 고온의 열원이 적은 지하층과 1층은 형상 모델링에서 제외하였다. 또한 2층의 경우 고온의 열원이 존재하지만 2층에서 운전층으로 유출되는 공기의 유량과 온도를 쉽게 측정할 수 있기 때문에 모델의 단순화를 위해 본 연구에서는 관심영역을 운전층과 탈기기층으로 설정하여 형상을 모델링을 하였다.
참고문헌 (8)
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