[논문]가습연소 폐열회수 보일러의 물분사 설계모델 구축에 관한 연구

신재훈; 문석수

doi:10.15435/jilasskr.2021.26.2.96

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In order to improve the overall efficiency and meet the emission regulations of boiler systems, the heat exchanging methods between inlet air and exhaust gas have been used in boiler systems, named as the waste-heat-recovery condensing boiler. Recently, to further improve the overall efficiency and ...

In order to improve the overall efficiency and meet the emission regulations of boiler systems, the heat exchanging methods between inlet air and exhaust gas have been used in boiler systems, named as the waste-heat-recovery condensing boiler. Recently, to further improve the overall efficiency and to reduce the NOx emission simultaneously, the concept of the water injection into the inlet air is introduced. This study suggests the models for the optimized design parameters of water injection for waste-heat-recovery condensing boilers and performs the analysis regarding the water injection amount and droplet sizes for the optimized water injection. At first, the required amount of the water injection was estimated based on the 1st law of thermodynamics under the assumption of complete evaporation of the injected water. The result showed that the higher the inlet air and exhaust gas temperature into the heat exchanger, the larger the amount of injected water is needed. Then two droplet evaporation models were proposed to analyze the required droplet size of water injection for full evaporation of injected water: one is the evaporation model of droplet in the inlet air and the other is that on the wall of heat exchanger. Based on the results of two models, the maximum allowable droplet sizes of water injection were estimated in various boiler operating conditions with respect to the residence time of the inlet air in the heat exchanger.

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그림 Fig. 1 Schematic diagram of the boiler system with the water spray in the heat exchanger⁽¹⁾
$Fig. 3 Schematic diagram of the droplet evaporation model due to the difference between the mass fraction of water and ambient air$ 그림 Fig. 3 Schematic diagram of the droplet evaporation model due to the difference between the mass fraction of water and ambient air
그림 Fig. 2 Contour of ṁ_w as a function of T_AXi and T_GXi
표 Table 1 Operating conditions of boiler system
그림 Fig. 4 Estimated evaporation time of water droplets in the air with different droplet sizes and surrounding air temperatures
그림 Fig. 5 Schematic diagram of the droplet evaporation model for the water droplets attached to the heat exchanger plate
그림 Fig. 6 Estimated evaporation time of water droplets on the heat exchanger plate with different droplet sizes and heat exchanger plate temperatures
그림 Fig. 7 Allowable maximum droplet sizes (d_o,max) of two evaporation models under the full load condition of the 24 kW waste-heat-recovery boiler with different droplet travel times in the heat exchanger

참고문헌 (9)

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C. E. Lee and D. H. Kim, "Heat recovery boilers with water spray. Part I: Thermodynamic analysis validation and boiler practicality", Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 18, 2020, pp. 100491.

상세보기
D. H. Kim, T. J. Park, C. E. Lee, "Heat recovery boilers with water spray: Part II: Parametric analysis and optimization of design specifications", Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 19, 2020, pp. 100643.
D. G. Pugh, P. J. Bowen, R. Marsh, A.P. Crayfond, J. Runyon, S. Morris, A. Valera-Medina and A. Giles "Dissociative influence of H2O vapour/spray on lean blow off and NOx reduction of heavily carbonaceous syngas swirling flames", Combustion and Flame, Vol. 177, 2017, pp. 37~48.
J. Kuck, "Efficiency of vapour-pump-equipped condensing boilers", Applied Thermal Engineering, Vol. 16, 1996, pp. 233~244.

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M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner and M. B. Bailey, "Principles of Engineering Thermodynamics", Global Edition, Wiley, 2018.
S. M. Frolov, F. S. Frolov and B. Basara, "Simple model of transient drop vaporization", Journal of Russian Laser Reasearch Volume, Vol. 27, 2006, pp. 562~574.
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