초록 ▼

1. 스팀 구동식 에젝터 시스템의 설계
스팀 구동식 에젝터를 설계하였다. 본 연구에서 사용된 스팀 구동식 에젝터의 노즐의 목 길이와 출구 직경의 비가 5인 것으로 입구 스팀 압력이 5bar일 때 최적 조건인 에젝터 시스템이다. 제트 콘덴서는 2차적인 저압 향성 장치로서, 스팀 에젝터를 통하여 나오는 고온의 증기를 응축하고, 또한 스팀 에젝터로 흐르는 고속의 유체가 가지는 속도에너지를 제트 콘덴서를 통하여 위치에너지로 변화하면서 보다 안정적인 저압을 형성하기 위한 장치이다. 제트 콘덴서는 설계 조건에 따라 성능의 차이를 나타내는

1. 스팀 구동식 에젝터 시스템의 설계
스팀 구동식 에젝터를 설계하였다. 본 연구에서 사용된 스팀 구동식 에젝터의 노즐의 목 길이와 출구 직경의 비가 5인 것으로 입구 스팀 압력이 5bar일 때 최적 조건인 에젝터 시스템이다. 제트 콘덴서는 2차적인 저압 향성 장치로서, 스팀 에젝터를 통하여 나오는 고온의 증기를 응축하고, 또한 스팀 에젝터로 흐르는 고속의 유체가 가지는 속도에너지를 제트 콘덴서를 통하여 위치에너지로 변화하면서 보다 안정적인 저압을 형성하기 위한 장치이다. 제트 콘덴서는 설계 조건에 따라 성능의 차이를 나타내는데, 본 연구에서는 최대 20mmHg의 진공 압력 효율이 나타내도록 설계 되었다. 1단형 스팀 에젝터는 에젝터 자체만으로 효과적인 진공 성능을 나타내기 어렵기 때문에 제트 콘덴서를 이용하여 진공 압력을 증대 시키는 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 보다 경제적인 냉각 시스템을 설계하기 위한 조건이다.
2. 탱크 용기의 구조해석
스팀 탱크를 제작 후 실제 실험 및 test를 위해서 탱크의 경우 각 높이 별로 온도측정과 압력의 유동 특성을 파악하였다. 해석은 상용 software ANSYS 7.1을 사용하여 소재는 SUS304로 하였고, tensile strength는 632MPa, yield strength는 320MPa, young modulus는 199700MPa, poisson's ratio는 0.29로 하여 해석을 수행하였다. 상하부에 있는 외부 inlet과 outlet에 체결되는 내부를 완전 고정하여 모든 방향의 움직임을 고정하여 내면에 구속조건을 3방향(ux, uy, uz)으로 구속하였다.
저압 탱크의 내부는 1mmHg이고, 외부는 대기압인 760mmHg(1bar)이므로, 기압차만큼 탱크를 외부면에 균일한 압력으로 면에 대해 수직으로 부과하였다.
가. 내압을 받는 스팀 탱크에 대하여 KS B 6734 규정에 의한 내압용기 설계 값은 대략 4mm 정도이나 여유치를 두어 설계하면 5mm가 적당하며 이에 근거하여 제작 된 스팀 탱크는 비교적 안정적으로 설계되었을 확인하였다.
나. ANSYS에 의한 구조해석 결과 약 진공 탱크의 외벽에 5MPa의 응력이 발생하므로 항복강도 대비 약 1.5 %의 적은 응력이 발생하였다.
3. 기초성능실험
온도 측정을 위하여 RTD-Type Thermocouple을 이용하였으며, 측정 점은 진공탱크 내부에 6곳, 열 교환기의 입구, 출구로서 총 8곳을 측정하였다. 진공 탱크 내부의 수위는 $0{\ell},\;50{\ell},\;100{\ell},\;150{\ell}$로 하였으며 $115{\ell}$일 때 열 교환기의 유량을 $4{\ell}/min,\;5{\ell}/min,\;6{\ell}/min,\;7{\ell}/min,\;8{\ell}/min,\;10{\ell}/min,\;12{\ell}/min$로 총 11가지 실험을 진행하였다. 실험은 각 부분의 온도가 일정할 때 시작하고 스팀 에젝터는 진공탱크 내부의 압력이 제트 콘덴서에 의하여 우선 60mmHg에 도달한 시점에 스팀 보일러의 밸브를 열어 고온고압의 스팀을 분출시킨다. 한편 열 교환기에 유입되는 물의 온도를 $25^{\circ}C$을 유지하기 위하여 보일러로 제어한다. 모든 실험은 시간은 한 시간 반씩 진행하였다.
4. 스팀 에젝터의 수치해석 결과
에젝터 입구압력 변화에 대한 에젝터 출구 조건에 대한 해석을 진행하였다. 출구조건은 flow split 과 2.6kPa일 때 두가지 조건에 대한 해석으로 출구 조건에 따라 에젝터의 흡입 압력의 결과를 비교하여 출구 조건을 주어질 때 해석 결과가 좋은 것으로 나타났다. 입구 압력 변화에 대한 해석에서는 에젝터 내부 유동장 해석을 할 수 있었다.
디퓨져의 축소-확대각에 대한 해석에서는 디퓨져 입구의 축소각이 $2.0^{\circ},\;2.5^{\circ}$일때 흡입압력에 대한 효율이 최적 상태를 나타냈고, 디퓨져 출구의 확대각이 $5.5^{\circ}{\sim}7.5^{\circ}$일 때 최적 효율을 나타내었다. 디퓨져의 축소각이 작으면 쉽게 초킹 현상이 발생하기 때문에 적절한 면적을 확보하여 유동장 손실이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하며, 디퓨져 확대각을 증가 시키면 설치면적이 축소하기 때문에 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.
그리고, 본 연구에서 사용한 에젝터에 대해 흡입압력 효율에 관해 실험을 진행하여, 약0.44kPa의 진공압력을 얻을 수 있었으며, 수치해석과 실험에 의한 흡입 압력 비교결과 ${\Delta}P=0.4kPa$정도의 차이를 나타내었지만 실험에서의 배관에 의한 손실과 벽 마찰에 의한 손실등을 고려 할 때 수치해석에 의한 결과와 실험에 의한 결과가 적절한 흡입 압력을 나타내고 있다. 또한 비정상 상태의 수치해석 데이터와 주유체의 압력이 500kPa일 때의 실험에 의한 데이터를 분석한 결과 진공 압력의 형성이 비슷한 결과가 나오는 것을 알 수 있었다.
5. 해수 냉각 실험 결과
각 유량에 대한 열교환기 입출구 평균 온도 분포는 ${\Delta}T=6.0^{\circ}C$로 나타났다. 또한 ${\Delta}T=5{\circ}C$이상을 실현하는 범위중 냉수기 유량은 약 600kg/hr로 평가되었다. 이때의 열교환기 효율은 약 93%로 평가되었다. 열교환기의 유량이 증가할수록 잔여 열량이 작아져서 열교환기 효율이 증가하는 경향을 보였다.

Abstract ▼

A new steam driven ejector was designed. Its ratio of the throat length of nozzle to diameter of inlet is 5 and it shows the optimum condition when inlet steam pressure is 5bar. As the secondary low pressure producer, jet condenser condenses high temperature steam flowing out of steam ejector. The h

A new steam driven ejector was designed. Its ratio of the throat length of nozzle to diameter of inlet is 5 and it shows the optimum condition when inlet steam pressure is 5bar. As the secondary low pressure producer, jet condenser condenses high temperature steam flowing out of steam ejector. The high velocity jet stream of steam emitted by the motive nozzle creates a suction chamber, which draws the low pressure gases. The diffuser converts the kinetic energy of high velocity flow to pressure energy. Since a jet condenser shows the difference of performance according to a design condition, the get condenser used in this research was designed to achieve maximum 20mmHg of vacuum pressure performance. Because a single-stage steam ejector was impossible to show effective vacuum performance by itself, vacuum pressure was increased by jet condenser.
For actual experiments and tests after manufacturing a steam ejector, temperatures were measured and flow characteristics of pressures were investigated with each height of tank. ANSYS 7.1, a common software was used for analysis and material is SUS304 as previously mentioned. The analysis was performed where tensile strength was 632MPa, yield strength 320 MPa, young modulus 199700MPa and poisson's ratio 0.29. The inside restriction condition was set 3-ways(ux, uy, uz) by fixing the inside to inlet and outlet of upper and lower parts completely. Because the internal pressure of low pressure tank was 1mmHg and the external pressure is 760mmHg(1bar), the pressure, as much as pressure difference, was equally applied to the outside of tank at the right angles to the surface. As the used unit was mm, the unit for pressure was unified as MPa.
For a vacuum tank withstanding internal pressure, internal pressure tank design value is about 4mm based on KS B 6734. To leave a margin, 5mm seems to be proper and the steam tank designed based on this was confirmed that it was comparative reliably designed. As a result of the structural analysis with ANSYS, about 5MPa stress was generated at outer wall of the vacuum tank, so that little stress, about 1.5% by contrast with yield strength, was generated.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...14
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성...14
• 제 2 절 연구과제의 개요...18
• 제 2 장 국내외 연구개발 현황...20
• 제 1 절 산업수요 측면...20
• 제 2 절 연구수행 측면...20
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과...22
• 제 1 절 해수 냉각기의 모델 개요...22
• 제 2 절 스팀 구동식 에젝터 개발...55
• 제 3 절 해수 냉각기의 성능실험...75
• 제 4 절 스팀 에젝터의 수치해석적 연구...115
• 제 5 절 스팀 압력에 대한 에젝터의 성능실험...131
• 제 6 절 디퓨져의 축소-확대각에 대한 수치해석...136
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 대외기여도...162
• 제 1 절 연구개발 목표...162
• 제 2 절 연구개발 목표의 달성도...163
• 제 3 절 연구결과의 대외기여도...165
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획...168
• 제 6 장 창고문헌...169
• 제 7 장 부록...173