$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

수평형 CGL 소둔로의 연소 및 가열 성능 해석을 위한 오픈소스 OpenFOAM 기반 전산유체 해석
Application of Open-source OpenFOAM for Simulating Combustion and Heating Performance in Horizontal CGL Furnace 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.8 = no.383, 2017년, pp.553 - 561  

김군홍 (경원이앤씨) ,  오경택 (경원이앤씨) ,  강덕홍 (포항산업과학연구원 에너지시스템연구그룹)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 연구에서는 산업용 가열 설비에 대한 연소 유동장과 복합 열전달 해석을 위하여 오픈소스 기반의 3차원 해석 시스템을 구축하고 실제 운전 중인 재가열로에 대한 해석을 통해 유용성을 확인하였다. 효율적인 가열로 전용 해석 체계를 위하여 오픈소스 OpenFOAM 라이브러리를 적용함으로써 다양한 해석 기능들을 추가로 개발할 수 있는 확장성과 상용 프로그램 도입에 비하여 경제성 측면에서도 장점들을 가지고 있다. 개발된 프로그램을 활용하여 실제 연속 아연 도금 강판 생산 공정 내의 수평형 소둔로에 대한 해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 대상 가열 설비의 가열 성능은 고온 연소 기체에 의한 대류 보다는 복사 열전달 효과가 지배적이며, 이송되는 강판 표면으로 유입되는 복사 열전달량은 총 열전달량의 76% 수준으로 분석되었다. 현 가열로 전용 해석 시스템은 핵심적인 가열 설비 해석 기능을 포함하고 있지만, 다양한 연소 조건에 적용 가능한 난류 연소 모델과 가열로 벽면 열경계에 대한 추가적인 연구가 필요함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The main motivation for this study was to establish a CFD-based procedure for the analysis of heating characteristics, particularly in industrial furnaces. As certain open-source software packages have gained popularity in dealing with complex industrial problems, the OpenFOAM framework was selected...

주제어

#CGL 연속 아연 도금 공정   #수평형 가열로   #오픈폼   #가열 성능   #복사 열전달  

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

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

문제 정의

  • 본 연구에서는 상용 CFD 프로그램을 적용한 해석체계(1, 3)에 대하여 전문화된 열처리로 해석 기술력을 확보하기 위하여, 소스 코드 기반의 해석 체계를 선택하였다. 20여년 간의 전세계적으로 많은 사용자들과 개발자들에 의해 사용되고 있는 오픈소스인 OpenFOAM을 핵심 수치 해석 코드로 선정하였다.
  • 1에 전체 해석 영역을 도시하였다. 추가적으로 해석된 강판 온도 분포와 벽면 직화 버너에서 내부로 분출되는 화염 형상들도 전체적인 해석 모델에 대한 이해를 돕기 위하여 함께 제시하였다. Fig.

가설 설정

  • (8) PaSR 모델은 각 격자 셀 크기에 비해 화염 반응 영역이 작은 스케일을 갖는다고 가정하여, 완전 혼합 반응 반응기(Perfectly Stirred Reactor, PSR) 영역과 비반응 영역으로 구분한다. 해석 시간 간격인 Δt 에 대한 각 셀의 반응율은 PSR 화학 반응율에 대하여 난류 화학반응 모델 계수인 κ인 식 (16)을 추가로 적용함으로써 구해진다.
  • 직화로 벽면은 중간 영역에서 최대 온도가 1125℃이며 입출구 영역에서 낮은 온도가 유지되는 온도 분포를 가정하였다. 그리로 직화로 입구에서 예열대 벽면을 따라서 배출구 영역 온도가 750℃까지 선형적으로 분포한다고 가정하였다. 벽면 온도 분포 조건과 같이 중요한 경계 조건으로 벽면 또는 강판에 대한 복사 방사율에 대한 적절한 선정이 필요하다.
  • 1의 좌측에서 강판이 연속적으로 공급되는 입구부터 강판의 이송 방향에 따라 예열로(Preheating Furnace, PHF)와 직화로(NonOxidation Furnace, NOF)가 현재 해석 영역에 해당된다. 모든 배기 가스들은 예열로 좌측 상단에 있는 배기구를 통하여 배출된다고 가정되었다. 예열로 내에는 예열 공기를 분사하는 노즐 설비가 상하부에 장착되었으며, 직화로 양측면에는 12개의 직화 버너가 교차로 설치되었다.
  • 에 대한 연소 화학 반응식이 기본적으로 필요하다. 여기에서 주 연료인 LNG 성분은 100% CH4로 구성되었다고 가정하였다.
  • 위 화학종 식에서 확산항 계수인 Γeff는 아래 식으로 표현되며, 화학종과 난류 Schmidt(Sc) 수는 1로 가정되었다.
  • 본 해석에서는 벽면에 대한 온도 분포 조건을 적용하기 위하여 내부 온도 측정 데이터를 활용하여 추정된 벽면 온도 분포를 적용하였다. 직화로 벽면은 중간 영역에서 최대 온도가 1125℃이며 입출구 영역에서 낮은 온도가 유지되는 온도 분포를 가정하였다. 그리로 직화로 입구에서 예열대 벽면을 따라서 배출구 영역 온도가 750℃까지 선형적으로 분포한다고 가정하였다.
  • 직화버너는 내부 구조물에 대한 상세 고려보다는 단순 형상으로 입구에서 연료와 공기가 완전 혼합되어 공급되고 있다고 가정하였다.
  • 해석 영역인 전체 설비 길이는 15m이상으로 내부의 세부 구조물에 대한 모델은 제외되었으며, 배기구 측에서 유입되는 강판의 형상은 출구까지 수평으로 변형이 없다고 가정하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열처리 공정의 구성은? 다양한 제품의 외장용 소재로 사용되고 있는 아연 도금 강판을 생산하는 철강 공정 라인(Continuous Galvanizing Line)에서 냉간 압연 강판을 연속적으로 열처리하는 설비들은 품질과 더불어 생산성과 에너지 원가에 핵심적인 역할을 하고 있다. 열처리 공정은 강판의 연화 및 피삭성의 향상, 소성 가공성의 개선, 내부 잔류 응력 제거 등을 목적으로 상온의 강판을 가열하고, 환원 반응을 거쳐 이후 서냉시키는 연속적인 세부 공정들로 구성되어 있다. 재결정 온도 영역까지 강판을 승온시키는 연속 열처리로 설비는 일반적으로 수직형과 수평형인 2 종류로 구분되며, 상대적으로 생성능력이 작은 규모의 경우에는 수평형 CGL 소둔로 방식이 일반적으로 적용되고 있다.
화염장과 강판의 열전달은 고온 화염장에 직접적인 영향 보다는 배기 가스 유동에 의한 대류 열전달과 제트 형상의 고온화염장으로의 복사 열전달이 중요할 것으로 판단한 이유는? 직화로 입구에서 각각 2열과 5열 버너 중심 위치에서 속도와 온도의 단면 분포를 같이 나타내었다. 화염 형상은 화염 온도 1,500℃에 해당하는 화염면을 나타내고 있으며, 모든 직화 버너의 화염 형상이 제트 형태로 유사하게 유지됨을 확인할 수 있다. 버너 출구에서의 최대 속도는 80m/s 수준이며, 화염 길이 방향으로 상대편 벽면까지 고온 연소장이 유지되고 있다. 이는 직화로 내부에는 가열로 길이 또는 강판 이송 방향에 대한 지배적인 유속이 존재하지 않기 때문으로 판단된다. 그리고 주 화염 영역이 로 내부 중심 위치에서 수평으로 이송되는 강판에 직접적인 영향을 미치지 않는 것을 화염 형상 결과로부터 알 수 있다. 따라서 화염장과 강판의 열전달은 고온 화염장에 직접적인 영향 보다는 배기 가스 유동에 의한 대류 열전달과 제트 형상의 고온화염장으로의 복사 열전달이 중요할 것으로 판단된다.
철강 공정 라인이란? 다양한 제품의 외장용 소재로 사용되고 있는 아연 도금 강판을 생산하는 철강 공정 라인(Continuous Galvanizing Line)에서 냉간 압연 강판을 연속적으로 열처리하는 설비들은 품질과 더불어 생산성과 에너지 원가에 핵심적인 역할을 하고 있다. 열처리 공정은 강판의 연화 및 피삭성의 향상, 소성 가공성의 개선, 내부 잔류 응력 제거 등을 목적으로 상온의 강판을 가열하고, 환원 반응을 거쳐 이후 서냉시키는 연속적인 세부 공정들로 구성되어 있다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (11)

  1. Kim, H. S. and Kim, T. S., 2004, "Simulation of Heat Transfer in the Horizontal Furnace of CGL," Rist Research Paper, Vol. 18, No. 2, pp. 138-143. 

  2. Kang, D.-H., Kwag, D.-S., Kim, W.-S. and Lee, Y.- K., 2003, "A Study on the Estimation of Onedimensional Heat Fluxes on the Slab in Reheating Furnace by Using Inverse Analysis," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 27, No. 1, pp. 61-68. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. Su, F.-Y. and Li, Z., 2013, "Numerical Simulation of Temperature and Flow Field in Horizontal Continuous Annealing Furnace," Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, Vol. 6, No. 7, pp. 1322-1325. 

    crossref

  4. www.openfoam.org 

  5. Lander, B. E. and Spalding, D. B., 1972, Lectures in mathematical models of turbulence, Academic Press, London; New York. 

  6. Siegel, R. and Howell, J. R., 1992, Thermal Radiation Heat Transfer, Hemisphere Publishing Corporation, Washington DC. 

  7. www.sandia.gov/TNF/radiation.html. 

  8. Nordin, N. P. A., 2001, Complex Chemistry Modeling of Diesel Spray Combustion, Ph. D. thesis, Chalmers University of Technology. 

  9. Jones, W. P. and Lindstedt, R. P., 1988, "Global Reaction Schemes for Hydrocarbon Combustion," Combustion and Flame, Vol. 73, No. 3, pp. 233-249. 

    상세보기 crossref

  10. Kee, R. J., Warnatz, J. and Miller, J. A., 1983, A Fortran Computer Code Package for the Evaulation of Gas-Phase Viscosities, Conductives, and Diffusion Coefficients, Sandia National Laboratories Report SAND83-8209. 

  11. www.salome-platform.org 

관련 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로