[논문]수냉식 화격자 유로 형상에 따른 냉각수의 정체 영역 및 체류 시간 변화

송동근; 김상복; 박도원

doi:10.6112/kscfe.2016.21.2.106

수냉식 화격자 유로 형상에 따른 냉각수의 정체 영역 및 체류 시간 변화
CHANGES IN STAGNATION REGION AND RESIDENCE TIME OF COOLING WATER FOR VARIOUS FLOW CHANNEL GEOMETRY OF WATER COOLING GRATE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.21 no.2 = no.73, 2016년, pp.106 - 111

송동근 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부) , 김상복 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부) , 박도원 (지이큐솔루션)

Abstract ▼ AI-Helper

Waste-to-energy facilities including incinerators are known as an efficient method to reduce wastes. In waste-to-energy facilities, more efficient cooling system is still needed for grates as the energy density of waste increased. For better cooling performance with the water-cooled grates, optimal design of cooling water pathways is highly beneficial. We performed numerical investigation on fluid flow and residence time of cooling water with change of the geometry of the cooling water pathway. With addition of round shaped guide vanes in the water pathway, the maximum residence time of flow is reduced(from 4.3 sec. to 2.4 sec.), but there is no significant difference in pressure drop between inlet and outlet, and average residence time at the outlet. Furthermore the flow stagnation region moves to the outlet, as the position of the round shaped guide vanes is located to the neck point of pathways.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

수냉식 폐기물 소각시스템의 화격자 내부 냉각수 유로 형상에 따라 냉각 성능이 달라지며, 냉각 효율 증대를 위해서는 냉각수 유로 형상에 따른 민감도 분석이 요구된다. 본 연구에서는 화격자 내부 냉각수 유동 해석을 통해 수냉식 화격자 유로 형상 변화에 따른 냉각수 정체 영역과 체류시간 분포의 변화를 살펴보고, 수냉식 화격자 설계에 반영하고자 한다.

가설 설정

수냉식 화격자 내부 유동 해석을 위한 계산 격자로 사면체 격자를 이용하였으며, 내부 유로의 곡면 부분에 조밀한 격자를 생성하고 벽면에 경계층 격자를 생성하였다. 냉각수 유동 및 체류 시간의 해석은 ANSYS Fluent v13을 이용하여 3차원 비압축성 유동으로 가정하고 수행하였다. 격자 민감도 분석을 위해 Table 2와 같이 격자수와 벽면의 y+ 값을 달리하는 격자에 대해 해석 결과를 비교하였다.

제안 방법

냉각수 유동 및 체류 시간의 해석은 ANSYS Fluent v13을 이용하여 3차원 비압축성 유동으로 가정하고 수행하였다. 격자 민감도 분석을 위해 Table 2와 같이 격자수와 벽면의 y+ 값을 달리하는 격자에 대해 해석 결과를 비교하였다. 격자 민감도 영향을 살펴보기 위해 각 격자를 적용하여 얻은 해석 결과의 출구영역 병목 지점과 안내판 중간 지점(Fig.
격자 민감도 분석을 위해 Table 2와 같이 격자수와 벽면의 y+ 값을 달리하는 격자에 대해 해석 결과를 비교하였다. 격자 민감도 영향을 살펴보기 위해 각 격자를 적용하여 얻은 해석 결과의 출구영역 병목 지점과 안내판 중간 지점(Fig. 6, line 0)에서의 속도를 기준으로 비교하였다(Fig. 3). 격자수 증가 및 벽면 y+ 변화에 따른 속도 분포의 차이가 크지 않다고 판단하여, 이후 해석에는 grid1을 적용하였다.
3). 격자수 증가 및 벽면 y+ 변화에 따른 속도 분포의 차이가 크지 않다고 판단하여, 이후 해석에는 grid1을 적용하였다.
전체 영역에 대한 유속 비교에서는, 곡면 형상이 추가된 안내판의 위치 변화에 따른 속도 분포의 차이는 크지 않은 것으로 나타났으나, 낮은 유속에서 작은 차이로 인해 정체 영역의 변화가 발생할 가능성이 있으며, 비교하는 속도 크기 범위에서는 이를 확인하기가 쉽지 않다. 따라서 유동 영역에서 체류 시간의 비교를 수행하였다(Fig. 5).
수냉식 화격자 내부 유동 해석을 위한 계산 격자로 사면체 격자를 이용하였으며, 내부 유로의 곡면 부분에 조밀한 격자를 생성하고 벽면에 경계층 격자를 생성하였다. 냉각수 유동 및 체류 시간의 해석은 ANSYS Fluent v13을 이용하여 3차원 비압축성 유동으로 가정하고 수행하였다.
수냉식 화격자의 내부 유동 해석을 위해 질량 보존 방정식 (1)과 운동량 보존 방정식 (2)을 적용하였으며, 비압축성, 정상상태 유동에 대한 해석을 수행하였다.
단위 화격자 내부의 유동 해석 모델로 경계층과 선회유동에 대한 정확한 결과를 제공하는 Realizable k-ε 난류 모델을 사용하였다[8,9]. 유입 유량은 질량 유량 0.74 kg/s로 설정하였으며, 출구 조건으로 정압(0 Pa) 출구 조건을 적용하였다. 이때 입구 직경을 기준으로 한 Re 수는 31,313이며, 벽면 경계조건으로 미끄러짐이 없는 유속 경계 조건(no-slip)을 적용하였으며, ‘Enhanced Wall Function’을 사용하였다.
체류시간 이송방정식의 생성항은 1로 주어지며, 경계조건으로 입구에서의 체류시간은 0, 출구에서는 δτ/δxi = 0 조건을 적용하였다.

대상 데이터

단위 화격자를 단순화한 냉각수 유로를 대상으로 해석을 수행하였으며, 단위 화격자의 유로 형상은 Fig. 2와 같다. 냉각수 유로를 구성하는 화격자 내부 형상은 모두 동일하며, 화격자 내부 유로의 안내판 형상 변화에 따라 해석 대상의 유로가 변경된다.

이론/모형

단위 화격자 내부의 유동 해석 모델로 경계층과 선회유동에 대한 정확한 결과를 제공하는 Realizable k-ε 난류 모델을 사용하였다[8,9].

성능/효과

(1) 냉각수 유로 내부 안내판의 형상이 직선 형태인 경우보다 곡면 형태가 추가된 경우, 유로 내부 최대 체류 시간이 감소하였으며, 압력 손실 및 출구에서의 평균 체류 시간은 큰 차이를 보이지 않았다.
(2) 곡면 형태가 적용된 안내판의 위치가 출구 영역의 병목지점에 가까울수록 정체 영역이 형성되는 위치가 출구 쪽으로 이동하였으며, 최대 체류 시간은 감소하였다.
(3) 냉각수 유동 방향 단면에서의 평균 체류 시간과 편차는 안내판에 곡면 형상 추가에 의해 크게 감소하였으며, 안내판의 위치가 병목 지점에 가까울수록 평균 체류 시간과 편차가 감소하였다.
(4) 냉각수 유로 내 안내판 형상 변화에 따른 정체 영역 및 체류 시간의 변화는 출구 영역에서 크게 나타났으며, 입구 영역에서는 큰 차이를 보이지 않는다.
안내판의 위치가 출구 방향으로 이동함에 따라 최대 체류 시간은 증가하는 경향을 보였으며, 출구의 평균 체류 시간은 큰 차이를 갖지 않았다. 또한 안내판 위치가 병목 지점에 가까울수록 최대 체류 시간이 형성되는 영역이 출구 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 소각 시스템의 연소실과 접해 주로 냉각이 이루어지는 영역이 계산 영역의 오른쪽 부분에 해당한다는 점에서, 정체 영역의 출구 방향으로의 이동은 냉각 성능 향상에 기여할 것으로 판단된다.
수냉식 화격자 내부의 냉각수 유동 해석을 통해 냉각수 출구 영역에서 냉각수의 통과가 지연되어 정체되는 영역이 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 화격자 냉각 성능 저하의 원인으로 작용할 가능성이 있으며, 냉각수 유로의 격벽 형상 변화에 의해 개선이 가능함을 확인할 수 있다.
안내판에 곡면 형상을 추가함에 따라 냉각수의 최대 체류시간은 감소하였으나, 단위 화격자의 압력 손실은 증가하였다. 화격자 유로의 압력 손실 증가는 냉각수 공급에 필요한 동력의 상승을 의미하며, 소각로 운전비용 상승 요인이 된다.
안내판에 곡면 형태가 적용된 경우, 출구에 가까운 영역에서는 평균 체류 시간 및 표준 편차에 큰 차이가 없지만, 병목지점에 가까운 영역에서는 안내판의 위치가 병목 지점에 가까울수록 평균 체류 시간이 감소하고, 표준 편차도 감소하는 것을 확인할 수 있다.
4초 이내로 감소하였다. 안내판의 위치가 출구 방향으로 이동함에 따라 최대 체류 시간은 증가하는 경향을 보였으며, 출구의 평균 체류 시간은 큰 차이를 갖지 않았다. 또한 안내판 위치가 병목 지점에 가까울수록 최대 체류 시간이 형성되는 영역이 출구 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
수냉식 화격자 내부의 냉각수 유동 해석을 통해 냉각수 출구 영역에서 냉각수의 통과가 지연되어 정체되는 영역이 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 화격자 냉각 성능 저하의 원인으로 작용할 가능성이 있으며, 냉각수 유로의 격벽 형상 변화에 의해 개선이 가능함을 확인할 수 있다. 냉각수 유로 형상 변화에 따른 냉각수 유동 및 체류 시간 해석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
7에 나타낸 바와 같다. 입구 영역(planes 1 ~ 3)에서는 유로 형상 변화에 따른 평균 체류 시간 및 표준편차에 큰 차이가 나타나지 않았으며, 출구 영역(planes 4 ~ 6)에서는 안내판 형상에 곡면 형태가 추가된 경우에 평균 체류 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히 출구 영역의 병목 지점에 가까운 영역에서 큰 차이를 보이며, 표준 편차도 큰 차이를 나타낸다.
출구 영역의 안내판 위치가 병목 지점과 멀어질수록 (case 2 →case 4) 안내판 상부로 이동하는 냉각수 유량이 감소하여, 출구 영역 안내판 상부의 체류 시간은 증가하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐기물 소각은 무엇인가?	폐기물 소각은 가연성 폐기물을 공기 중의 산소와 반응시켜 연소시키는 기술로, 폐기물의 감량화 및 폐기물 에너지의 경제적 이용에 매우 효과적인 기술로 알려져 있다. 소각로 기술은 크게 스토커, 유동층, 로타리 킬른 방식으로 구분되며, 도시 폐기물 소각로에는 적용 사례가 많고 기술 신뢰성이 높은 스토커 기술이 주로 이용되고 있다.
	소각로 기술은 어떻게 구분되는가?	폐기물 소각은 가연성 폐기물을 공기 중의 산소와 반응시켜 연소시키는 기술로, 폐기물의 감량화 및 폐기물 에너지의 경제적 이용에 매우 효과적인 기술로 알려져 있다. 소각로 기술은 크게 스토커, 유동층, 로타리 킬른 방식으로 구분되며, 도시 폐기물 소각로에는 적용 사례가 많고 기술 신뢰성이 높은 스토커 기술이 주로 이용되고 있다. 스토커 방식은 소각로 하단부에 고정 화격자와 이동 화격자를 번갈아 설치하여 소각하고자 하는 폐기물을 연소로 내부로 투입하여 연소하는 방식으로, 하나의 소각로에서 건조, 연소, 후연소의 3단계 과정을 거치게 된다.
	소각로 기술 중 스토커 기술은 무엇인가?	소각로 기술은 크게 스토커, 유동층, 로타리 킬른 방식으로 구분되며, 도시 폐기물 소각로에는 적용 사례가 많고 기술 신뢰성이 높은 스토커 기술이 주로 이용되고 있다. 스토커 방식은 소각로 하단부에 고정 화격자와 이동 화격자를 번갈아 설치하여 소각하고자 하는 폐기물을 연소로 내부로 투입하여 연소하는 방식으로, 하나의 소각로에서 건조, 연소, 후연소의 3단계 과정을 거치게 된다. 화격자는 폐기물을 지지하면서 실제로 연소공기가 공급되어 소각이 진행되는 부분으로, 효율적으로 폐기물을 연소하기 위한 폐기물 소각시스템에서 화격자 설계가 소각시스템의 성능을 결정하는 중요한 요소이다[1,2].

참고문헌 (11)

2003, Adams, B., Eeraerts, D. and Christiaens, I., "Design, Construction, Start-up and Commissioning of a State-of-the-Art Water-Cooled Grate WtE-Plant for Orebro, Sweden," Proc. of NAWTEC11, Florida, USA..
2010, Owens, E.M. and Szczepkowski, J., "Advancements in Grate Cooling Technology," Proc. of the 18th Annual North American Waste-to-Energy Conference, Florida, USA..
1996, Kim, S., Shin, D. and Choi, S., "Comparative Evaluation of Municipal Solid Waste Incinerator Design by Flow Simulation," Combust. Flame, Vol.106, pp.241-251.

상세보기
2003, Shin, D., Hwang, J., Baek, I. and Jung, S., "An Evaluation Study on Combustion and Thermal Flow Characteristics of G+R Type Incinerator," (in Korean) Proc. The Korean Society of Combustion(KOSCO) Symposium, pp.111-117.
1994, Ryu, C.K., Kim, S.K. and Choi, S., "A cold Flow Experimental for the Incinerator Shape Design," (in Korean) Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.18, No.8, pp.2184-2193.
2013, Jang, J.H., Ahn, J. and Kim, J.J., "Combustion & Heat Transfer Characteristics inside a Combustion Chamber of 13-Step-Grate Wood Pellet Firing Boiler," (in Korean) Proc. KSCFE Spring Annual meeting, pp.73-77.
2014, Ahn, J. and Jang, J.H., "CFD (Computational Fluid Dynamics) Study on Partial-Load Combustion Characteristics of a 4-Step-Grate Wood Pellet Boiler," (in Korean) Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, No.4, pp.365-371.

원문보기 상세보기
2012, Davis, P., Rinehimer, A. and Uddin, M., "A Comparison of RANSBased Turbulence Modeling for Flow Over a Wall-Mounted Square Cylinder," 20th Annual Conference of the CFD Society of Canada, Canmore, AL, Canada, May 9-12.
2016, Halawa, T., Gadala, M.S., Alqaradawi, M. and Badr, O., "Influence of Changing Casing Groove Parameters on the Performance of Centrifugal Compressors Near Stall Condition," Trans. ASME J. Fluid Eng., Vol.138, No.2, 021104.
2009, Chanteloup, V. and Mirade, P., "Computational fluid dynamics (CFD) modelling of local mean age of air distribution in forced-ventilation food plants," J. Food Eng., Vol.90, pp.90-103.

상세보기
2010, Liu, M. and Tilton, J.N., "Spatial Distributions of Mean Age and Higher Moments in Steady Continuous Flows," AIChE Journal, Vol.56, No.10, pp.2561-2572.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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