증발방식의 해수담수화 장치의 최적설계를 위한 열유동해석

안용근, 김동국1, 이경옥2

한국에너지기술연구원(KIER), 경기공업대학2

hello2u@kier.re.kr

Thermal Flow Analysis for The Optimum Design of Evaporation Type in a Desalination System

Yong-Keun Ahn, Dong-Kook Kim1, Kyung-Ok Lee2

Korea Institute of Energy Research (KIER)1, Kyonggi Institute of Technology2

서론

본 연구에서는 MVR(Mechanical Vapor Recompression) 증발방식의 해수담수화 장치를 실용화하기 위해서 장치의 주요 구성요소들 및 이를 연결하는 배관에서의 압력 및 유동의 균일도를 상용 CFD 코드인 CFD_ACE를 이용하여 분석함으로써 장치의 최적 설계조건을 도출하고자 하였다. 특히 증발관에서 비말동반이 발생할 경우 동반된 액적에 의해 고속 회전하는 증기 압축기 임펠러가 침식되어 압축기의 수명을 단축시키므로 비말동반이 없도록 설계되어야 한다. 따라서 증발관내에서 비말동반이 일으킬 수 있는 증기속도와 비말 크기에 따른 비말 입자의 움직임을 수치해석하여 비말동반을 최대로 막을 수 있는 증발관을 설계하였으며, 장치의 주요 구성요소들을 연결하는 배관은 유동분포가 균일해야 하며 열 및 압력손실을 최소화할 수 조건이 되도록 배관의 크기 및 연결 위치를 설정하여야 한다.

이론

1. 지배방정식

- 질량 보존방정식

[eqn: {partial rho} over {partial t} ~ + ~ {partial} over {partial x_i} {( rho u_i )}~ =~ 0]

- 운동량 보존방정식

[eqn: {partial} over {partial t} {( rho u_i )} ~+~{partial} over {partial x_i}{( rho u_i u_j )}~=~- {partial p} over {partial x_i}~+~{partial tau_ij} over {partial x_j}~+rho g_i]

- 에너지 보존방정식

[eqn: {partial} over {partial t} {( rho h )} + {partial} over {partial x_i} {( rho u_i h )} ~ =~{partial} over {partial x_i} {(K {partial T} over {partial x_i} )} - {partial} over {partial x_i} sum from {j^'} h _{{j}^{'}} J_{{j} ^{'}} + {partial p} over {partial t} + u_i {partial p} over {partial x_i} + tau_ij {partial u_i} over {partial x_j}]

2. 모델 및 계산

형상인식 작업화된 해수담수화 장치에 있어서 내부 작동유체의 열유동 해석을 위하여 다음의 standard [eqn: k- epsilon] 난류모델을 이용하여 계산하였다.

- Standard [eqn: k- epsilon] 난류 모델

[eqn: {partial} over {partial t} {( rho k )} + {partial} over {partial x_i} {( rho u_i k )}~ =~ {partial} over {partial x_i} {( {mu_t} over {sigma _k} {partial k} over {partial x_i} )} + G_k + G_b - rho epsilon]

[eqn: {partial} over {partial t} {( rho epsilon )} + {partial} over {partial x_i} {( rho u_i epsilon )} ~=~ {partial} over {partial x_i} {( {m_t} over {sigma_epsilon} {partial epsilon} over {partial x_i} )}][eqn: + C_{1 epsilon} {epsilon} over {k} {( G_k `+` {(1 `-` C _{3 epsilon} }) ` G_b )} `-` C _{2 epsilon} `rho {epsilon ^2} over {k}]

[eqn: C _{1 epsilon}= 1.44, &~& C _{2 epsilon}= 1.92, &~& sigma_k = 1.0, &~& sigma_epsilon = 1.3]

[eqn: G_k ~=~ mu_t {( {partial u_j} over {partial x_i} + {partial u_i} over {partial x_j} )} {partial u_j} over {partial x_i}],  [eqn: G_b ~=~ -g_i ( {mu_t} over {rho sigma_h} CDOT {partial rho} over {partial x_i} )}]

(a) Flash Separator I (b) Flash Separator II Fig. 1. 원통형 기액분리기의 비정렬 4면체 격자구조	수치해석 기법은 계산영역을 임의 모양의 셀로 나누어 셀 중심에 압력과 속도 성분을 모두 포함하는 셀중심 유한체적법(FVM)을 사용하였다. Fig. 1은 이중효용 증발방식을 채택한 해수담수화 장치의 주요 장비인 기액 분화기의 계산격자 구조로써 Flash Separator I을 해석하기 위해 사용된 격자는 14,154개이다. 입·출구 연결배관은 Separator의 분리효율과 안정성을 고려하여 내경을 0.25m로 설

정하였으며, 원통형 Separator의 접선방향에 대해 90°및 30°로 연결할 경우를 각각 검토하였다. 또한 Flash Separator II의 해석격자는 38,117개이며 입·출구 배관의 내경은 Separator I의 경우와 마찬가지로 0.25m로 설정하였다. 그러나 발생된 증기의 출구가 Separator II 내부에 있으므로 외부배관 방식에 비해 출구로 빠져나가는 발생 증기의 단열구간에 대한 시설비를 절감할 수 있다. 이때 Separator II의 입구 연결각은 90°및 30°에 대해 검토하였다.

결과 및 고찰

(a) z축 단면           (b) y축 단면          (c) Stream line

Fig. 2. 배관 내경이 0.05m인 경우 Flash Separator I의 velocity profile(m/s)

Fig. 2.는 입·출구 배관의 적정 내경을 검토하기 위하여 처음 0.05m인 경우에 대하여 수치해석한 결과 배관 내 최대유속이 142m/s을 가진 것을 나타낸다. 유입구의 중심을 기준으로 나눈 Z축 단면에서 알 수 있듯이 유입된 작동유체는 반대편 벽으로 진행되어 반대편벽을 따라 통해 출구로 빠져나간다. 출구배관의 크기가 작아서 출구에서 갑자기 작동유체의 유속이 커지며 출구배관의 압력이 높아 역류가 생길 수 있다. 따라서 배관의 입·출구에서 갑작스러운 유속변화가 생기게 되어 이 부위에 무리가 생길 수 있기 때문에 최대유속을 35m/s 이하로 하는 확관이 필요하다.

(a) z축 단면           (b) 유속벡터          (c) Stream line

Fig. 3. 배관 내경이 0.25m인 경우 Flash Separator I의 velocity profile(m/s)

Fig. 3.은 배관의 입·출구의 크기를 0.25m로 확대한 경우 배관내 작동유체의 최대유속이 34.56m/s로 유체흐름에 대한 입·출구 배관에서 발생할 수 있는 마찰손실 및 진동소음에 대한 배관유속 기준에 적합함을 알 수 있었다. 또한 출구의 배관크기를 확대하여 출구부위에 유입배관을 30°로  Separator와 연결함으로써 작동유체가 Separator 내부공간을 Dead space 없이 사용되도록 설계하였다. 출구부위에서도 작동유체가 큰 유속변화 없이 순조롭게 빠져나감을 알 수 있다.

(a) z축 단면               (b) 유속 벡터            (c) Stream line

Fig. 4. 배관 입구가 90°인 경우 Flash Separator II의 velocity profile(m/s)

Fig. 4.는 Separator II 배관에서 재순환이 없고 Separator의 배관 입구가 90°로 연결된 경우 z축 단면에 대한 유동해석 결과이다. Separator에서 최대 유속이 29.6m/s이며 입구에서 들어오는 작동유체는 내부의 삽입된 출구외벽에 부딪혀서 출구쪽으로 빠져나가 위해 Separator 상부로 출구외벽을 따라 진행되다가 출구 높이에 이르면 빠져나간다. 따라서 출구이상의 높이의 Separator 내부 공간은 이용이 되지 않다는 것을 알 수 있다.

(a) y축 단면           (b) 유속 벡터          (c) 배관 y축 단면

Fig. 5. 배관 입구가 90°인 경우 Flash Separator II의 velocity profile(m/s)

Fig. 5.는 배관을 90°로 연결시 y축 단면에 대한 해석 결과로 Separator II의 출구에서 압축기 입구까지의 직관의 길이는 압축기의 성능 및 안정운전에 매우 중요하기 때문에 이 구간의 배관에서 유동은 균일해야한다는 것을 나타낸다. Separator의 출구에서 압축기 입구까지의 관 길이를 길게 할수록 균일 유동에 압축기의 성능 및 안정성에는 효과가 있으나 증기 온도강하에 따른 액적 발생의 우려 때문에 적정 길이를 결정해야한다. Fig. 5 (c)의 경우와 같이 Separator 내부에서 출구 방향으로 90°꺾어진 경우 압축기 입구에서의 유동은 비교적 균일함을 알 수 있다.

(a) z축 단면             (b) 유속 벡터            (c) Stream line

Fig. 6. 배관 입구가 30°인 경우 Flash Separator II의 velocity profile(m/s)

Fig. 6.은 Separator II 배관에서 재순환이 없고 Separator의 배관 입구가 30°로 연결된 경우이다. Separator내 최대 유속이 31.4m/s이며, 입구에서 들어오는 작동유체는 내부의 삽입된 유출 배관의 외벽과 마찰손실 없이 Separator 외벽으로 회전하면서 출구 쪽으로 빠져나가 Separator 상부로 진행함을 알 수가 있다. 배관 입구의 연결각도가 30°인 경우 90°에  비해 Separator의 외벽을 따라 진행함으로써 작동유체의 체류시간이 길어지며, 출구 높이 이상의 Separator 내부공간의 활용도도 높아짐을 알 수 있었다.

(a) 입구 배관의 z축 단면           (b) 출구 배관의 z축 단면

Fig. 7. 배관 입구가 30°인 경우 Flash Separator II의 temperature profile(m/s)

Fig. 7은 Separator II의 입·출구 배관 내 작동유체의 온도를 z축 단면에 대한 해석 결과로 Separator에 유입된 작동유체가 출구를 통해 나가면서 압축기에 도달하는 동안 온도강하가 없음을 나타낸다. 따라서 작동유체가 증기 포화온도 이하로 강하하는 것을 방지하여, 온도 강하시 발생될 액적에 의해 증기 압축기 임펠러가 침식이 되어 수명이 감소하는 것을 피할 수 있었다.

결론

MVR증발방식의 해수담수화 장치에 있어서 Flash Separator와 그 연결배관에 대한 전산유체 해석결과, Separator의 접선방향에 대해 90°보다는 30°연결시 Separator 내의 유동흐름이 보다 더 원활하고 Dead space가 최소화되는 것을 알 수 있었다. 특히 증기 압축기 임펠러의 침식 원인이 되는 발생증기의 적상응축을 최소화하기 위해 내부중심에 배출관을 설치한 Separator II의 경우 입구배관 각도를 30°로 연결시 출구배관과의 마찰손실을 최소화하면서 온도강하 없는 균일 유동분포를 유지함을 확인 할 수 있었다.

사사

본 연구는 21세기 프론티어연구개발사업인 수자원의 지속적 확보기술개발사업단의 연구비지원(과제번호:4-4-1)에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

- Patankar, S. V., Numerial Heat Transfer and Fluid Flow, McGraw-Hill, New York(1980)

- Frank P. I. and David P. D., 1996 Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th Edition,      McGraw-Hill.