[논문]루프 환기구에 따른 보일러빌딩 내부 환기성능에 관한 수치적 연구

최훈기; 유근종; 이상헌

doi:10.15269/jksoeh.2016.26.3.342

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives: The objective of this paper is to find flow and heat transfer characteristics numerically in boiler buildings for three different ventilation window configurations. Methods: Turbulent natural convection flow in boiler buildings with a constant heating wall temperature was analyzed numeri...

Objectives: The objective of this paper is to find flow and heat transfer characteristics numerically in boiler buildings for three different ventilation window configurations. Methods: Turbulent natural convection flow in boiler buildings with a constant heating wall temperature was analyzed numerically. Governing equations were solved with standard finite-volume method using the SIMPLE algorithm. Conclusions: Flow and heat transfer characteristics are found for three different ventilation types. In the lower area under furnace, velocity and temperature distributions show similar patterns among the three different ventilation types. In the upper area over furnace, however, air flow is well mixed with lower peak temperatures for types B and C, which have roof ventilation windows, compared to type A which has side wall louvers only. Also, type B, with a single large roof window, shows better ventilation effect than does type C with its distribution roof windows.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 Kim et al.(2009)이 수행한 해석방법을 기반으로 수치해석을 통해 내부 환기에 영향을 미칠 수 있는 또 하나의 요소인 상부 루프 환기구 구조에 대하여 수치해석을 수행하여 냉각성능에 미치는 영향을 고찰해보고자 한다.
본 연구에서는 3가지(Type A, B, C) 루버(측벽면의 창문)나 루프 환기구의 형상에 대하여 수치해석을 수행하여 냉각성능을 비교하고자 한다. Type A는 상부루버를 설치하고 루프 환기구는 없는 경우이고 Type B와 Type C는 상부루버는 없고 루프 환기구만 있는 경우이다.

가설 설정

화로 벽면을 비롯한 열원들의 벽면은 단열재가 시공되어 있지만 실제로는 60℃ 근처의 높은 온도를 유지하고 있음을 확인하였다. 따라서 각 발열부의 벽면 온도를 60℃로 가정하였다. 아울러 이 경우 빌딩내의 Gr(Grashof Number)는 대략 10¹⁵ 크기를 가지므로, 자연대류는 난류형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 발열 기기의 모든 벽면온도를 60℃로 경계조건을 설정하였으며, 외부 벽면들은 단열조건으로 설정하였다. 또한 Fan은 공기예열에 필요한 공기가 강제 흡입되므로 유속은 일정 유량을 흡입함을 가정하여 속도조건을 적용하였다. 상부 통풍구조를 같은 조건에서 비교하기 위하여 Figure 3에 나타내어진 Type B와 Type C의 루프 환기구는 Type A의 상부 루버의 통풍 전체 면적과 동일하도록 적용하였다.

제안 방법

상부 통풍구조를 같은 조건에서 비교하기 위하여 Figure 3에 나타내어진 Type B와 Type C의 루프 환기구는 Type A의 상부 루버의 통풍 전체 면적과 동일하도록 적용하였다. 공기의 물성치는 온도에 따라 변화하도록 하였다.
실제 발열을 하는 고온 기기들은 단열재로 감싸져 있으나 여러 문제점들로 인하여 60℃ 정도의 온도크기가 실측되고 있다. 따라서 본 연구에서는 발열 기기의 모든 벽면온도를 60℃로 경계조건을 설정하였으며, 외부 벽면들은 단열조건으로 설정하였다. 또한 Fan은 공기예열에 필요한 공기가 강제 흡입되므로 유속은 일정 유량을 흡입함을 가정하여 속도조건을 적용하였다.
특히 화로가 설치된 상부영역에서 온도가 상승하면 화로 위에 설치된 계기의 오작동을 초래하는 여러 가지의 운전상 문제가 일어나기도 한다. 이러한 문제점에 대응하기 위하여 최적의 통풍구(루버 or 루프 환기구)를 설치함으로 보다 원활한 자연환기를 발생시켜 최적의 실내온도를 유지할 필요성을 인식하게 되었다.

대상 데이터

Figure 1 및 Figure 2와 같이 본 연구 대상인 보일러빌딩은 길이 60 m, 폭 82 m, 높이 84.7 m의 구조로 빌딩 내부의 화로(Furnace)하부 부근에 Air Duct를 비롯한 배관들로 인해 밀집된 복잡한 구조를 가지며, 상부에는 NOx 제거용 SCR을 비롯하여 거더(Girder)들이 배치되어 있으며 Fan을 통해 공기예열기(Air Pre-heater)에 필요한 공기가 흡입되어 진다.

데이터처리

수렴기준으로는 에너지 방정식의 잔차(residual)가 10^-7 그 외는 10^-3미만을 만족하고 보일러 빌딩 내의 최대(peak) 온도의 변화가 없을 때까지 진행하였다. 계산에는 CFD 상용소프트웨어 ANSYS FLUENT v.14 (ANSYS Inc, 2011)를 이용하였다.
본 연구의 보일러빌딩 해석에 앞서 해석타당성 검증을 위해 Betts & Bokhari(2000)의 실험결과와 전산 해석 결과를 비교하였다.

이론/모형

(1974) 및 다수의 연구를 통하여 검증되어 공학적으로 신뢰성을 인정받고 있는 표준 k-ε 모델을 적용하였다.
이는 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시켜 압력과 유속의 관계식을 형성하고 이를 통해 각 지배 방정식이 모두 만족되도록 반복적으로 속도와 압력을 보정하여 해를 구하는 방법으로 신뢰도가 입증된 기법이다. 또한 각 지배방정식에 포함된 대류항과 확산항은 1차 상류화 기법을 이용하여 이산화된 식을 풀이하였다. 수렴기준으로는 에너지 방정식의 잔차(residual)가 10^-7 그 외는 10^-3미만을 만족하고 보일러 빌딩 내의 최대(peak) 온도의 변화가 없을 때까지 진행하였다.
유체 유동장의 해를 얻기 위해 SIMPLE 기법을 이용하여 해석하였다. 이는 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시켜 압력과 유속의 관계식을 형성하고 이를 통해 각 지배 방정식이 모두 만족되도록 반복적으로 속도와 압력을 보정하여 해를 구하는 방법으로 신뢰도가 입증된 기법이다.
이러한 난류유동을 해석하기 위하여 본 연구에서는 Launder & Spalding.

성능/효과

Type A와 같이 상부 루버가 설치되어 있는 경우 복잡한 화로 위 Girder 배치되어 있는 영역에서 유체유동은 다소 정체현상을 보이며 이로 인하여 최대 온도가 52℃까지 상승하게 됨을 확인하였다. Type B 및 Type C와 같이 상부 루프 환기구를 개방시키게 되면 최대 온도를 약 5℃ 정도 낮출 수 있다.
Type B 및 Type C와 같이 상부 루프 환기구를 개방시키게 되면 최대 온도를 약 5℃ 정도 낮출 수 있다. 두 경우 중 상부 루프 환기구를 집중시킨 Type B가 가장낮은 최대온도를 보이므로 다소 향상된 냉각성능을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 빌딩 상부영역에 효과적인 환기성능을 갖추기 위해서는 측면부 통풍창(루버) 설치보다는 상부 루프 환기구의 설치가 적절한 것으로 판단된다.
Figure 5는 온도를 측정한 평면에 대한 온도분포를 나타낸 그림으로 실험값과 수치해석 결과는 매우 유사한 결과를 가진다. 따라서 본 연구의 해석방법은 보일러빌딩의 환기해석을 수행하는데 적절할 것으로 판단되어진다.
두 경우 중 상부 루프 환기구를 집중시킨 Type B가 가장낮은 최대온도를 보이므로 다소 향상된 냉각성능을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 빌딩 상부영역에 효과적인 환기성능을 갖추기 위해서는 측면부 통풍창(루버) 설치보다는 상부 루프 환기구의 설치가 적절한 것으로 판단된다.
하지만 Type B와 Type C는 각각약 47℃, 48℃의 최대 온도분포를 보여 Type A보다는 냉각성능이 향상됨을 볼 수 있다. 이는 속도분포를 통해 본 바와 같이 상부 루버를 밀폐시키고 동일한 면적만큼 루프 환기구를 개방시킴으로써 화로 상부 및 Girder 영역에 유동을 효율적으로 순환시켜 Type A보다 더욱 효과적으로 냉각성능을 개선시킬수 있음을 알 수 있다. 또한 Type B와 같은 단일 원형형태의 상부 루프 환기구가 다분화시킨 상부 루프 환기구 구조를 가지는 Type C보다는 다소 좋은 냉각 성능을 보이고 있다.
보일러빌딩 내부 유동은 열전달을 통해 형성된 부력으로 상승하는 유동을 보인다. 화로 벽면을 비롯한 열원들의 벽면은 단열재가 시공되어 있지만 실제로는 60℃ 근처의 높은 온도를 유지하고 있음을 확인하였다. 따라서 각 발열부의 벽면 온도를 60℃로 가정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화력발전소의 복잡한 내부구조는 어떤 문제를 일으키는가?	복잡한 내부구조는 자연대류에 의하여 형성된 유체유동의 원활한 흐름을 방해하게 되며 냉각성능을 감소시키는 원인이 된다. 이로 인하여 국소적으로 공기의 흐름이 정체되는 영역이 발생하여 온도가 상승하게 된다. 특히 화로가 설치된 상부영역에서 온도가 상승하면 화로 위에 설치된 계기의 오작동을 초래하는 여러 가지의 운전상 문제가 일어나기도 한다. 이러한 문제점에 대응하기 위하여 최적의 통풍구(루버 or 루프 환기구)를 설치함으로 보다 원활한 자연환기를 발생시켜 최적의 실내온도를 유지할 필요성을 인식하게 되었다.
	화력발전소의 보일러빌딩 내부는 어떻게 구성되어 있는가?	화력발전소의 보일러빌딩 내부는 화로(furnace)를 포함하는 다수의 열원을 갖는 복잡한 설비들로 이루어져 있다. 연료를 연소시키는 장치인 화로와 연소에 필요한 연료, 공기 및 온수를 공급하는 복잡한 배관들, 그리고 이러한 장치들을 지지하기 위한 각종 구조물로 구성되어 있다. 보일러빌딩 내부의 온도가 높은 화로 외벽은 열전달을 차단하기 위하여 단열재를 시공하고 있으나 완벽하지 않아 빌딩내부로 많은 에너지가 방출된다.
	환기현상의 연구가 이루어지기 힘든 이유는?	환기현상의 연구는 보일러빌딩의 규모가 너무 크고 여러 기기들이 복잡하게 설치되어 있어 실험적으로는 이루어질 수 없으며, 축소모형으로 제작한다 하더라도 상사성을 유지하기 힘들기 때문에 대부분의 연구는 수치해석에 의존하고 있는 실정이다. 이와 같은 방법으로 Sigey et al.

참고문헌 (8)

Ansys Inc. ANSYS FLUENT User's guide. 2011
Betts PL, Bokhari LH. Experiments on turbulent natural convection in an enclosed tall cavity. Int. J. Heat and Fluid Flow 2000;21(6):675-683

상세보기
Gratia E, Bruyere I, De Herde A. How to use natural ventilation to cool narrow office buildings. Building and Environment 2004;39(10):1157-1170

상세보기
Kim CH, Yoo GJ, Choi HK. Numerical study on the ventilation effect in the boiler building. J Korean Soc Occup Environ Hyg 2005;15(3):239-249
Kim CH, Lee JW, Choi HK, Yoo GJ. Numerical study on ventilation method for temperature control of HRSG building. J Korean Soc Occup Environ Hyg 2009;19(3): 240-249
Launder BE, Spalding DB. The Numerical Computation of Turbulent Flows. Computer methods in Applied Mechanics and Engineering 1974;3(2):269-289

상세보기
Sigey JK, Gathen FK, Kinyanjui. Numerical study of free vonvection turbulent heat transfer in an enclosure. Energy Conversion and Management 2004;45(15-16): 2571-2582

상세보기
Stavrakakis GM, Koukou MK, Vrachopoulos MGr, Markatos NC. Natural cross-ventilation in buildings: Buildingscale seperiments, numerical simulation and thermal comfort evaluation. Energy and Buildings 2008;40(9): 1666-1681

상세보기

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

루프 환기구에 따른 보일러빌딩 내부 환기성능에 관한 수치적 연구
Numerical Study on the Ventilation Performance in the Boiler Building with and without Roof Openings 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (8)

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

루프 환기구에 따른 보일러빌딩 내부 환기성능에 관한 수치적 연구 Numerical Study on the Ventilation Performance in the Boiler Building with and without Roof Openings 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

최훈기 (25) 유근종 (17) 이상헌 (1)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

루프 환기구에 따른 보일러빌딩 내부 환기성능에 관한 수치적 연구
Numerical Study on the Ventilation Performance in the Boiler Building with and without Roof Openings 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper