Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

The Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회)
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Enhancement of combustion efficiency of a air-cooled combustor system with single F.D. Fan Using CFD

전산유체역학을 이용한 단일 송풍기가 적용된 공냉식 연소설비의 효율개선

  • 김민철 ((주)유성 중앙연구소) ;
  • 손병현 (한서대학교 인프라시스템학과) ;
  • 이재정 ((주)유성 중앙연구소) ;
  • 박흥석 (울산대학교 건설환경공학부)
  • Received : 2021.03.11
  • Accepted : 2021.06.04
  • Published : 2021.06.30
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Abstract

This study investigated the enhanced combustion efficiency of an "air-cooled combustion system" with single F.D. fan, and performed a numerical analysis for the operation and design conditions to increase the combustion efficiency. The combustion efficiency in an actual combustor was compared before and after the structure modification. Numerical analysis for application of a single fan revealed the difficulty of forming a turbulence for circular combustion conditions. This is because the supply ratio of combustion air supplied into 2 flow paths becomes irregular in the combustion furnace due to a change in friction force and pressure in each flow path. Subsequently, two methods of supplying air into the combustion furnace were analyzed numerically to obtain the optimal combustion conditions of an air-cooled combustion system. The first method involved injecting the preheated combustion air after a 180~360 degree rotation from the outer wall, whereas in the second method, the combustion air was injected into the combustion furnace in a tangential direction after primary heat exchange outside the combustion furnace, by applying a rotatable vane structure in the combustion furnace. Results reveal that application of a single F.D. fan to the air injection into a rotatable combustion furnace is desirable for optimization of the combustion conditions for applying a duct structure having a dual cooling wall for the cooling of the outer wall of the combustion furnace, and for maintaining perfect mixing in the combustion furnace. We therefore confirmed enhanced combustion efficiency by comparing the actual combustion efficiency before and after structure modification.

본 연구는 multi fan 방식의 "공랭식 연소설비"의 공정관리상의 문제점을 single F.D. fan 으로 대체하여 개선시키기 위해 CFD 진행하였고, 연소로 내 유동조건 변화를 분석하여 문제점을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 연소공기 주입구조를 변경하였고, 구조 변화에 따른 연소효율 개선을 수치해석으로 평가하였다. 또한 실제 연소설비에 수치해석결과를 반영하여 구조개선을 한 후 개선 전·후의 연소효율을 실험적으로 측정하였다. 먼저 기존 Single F.D fan 이 적용된 연소설비에 대한 수치해석을 통해, 2개의 유로로 공급되는 연소공기가 각 유로의 마찰력 차이와 압력의 변화로 인해 연소로 내에서 공급비율이 불규칙하게 되어 선회방식의 연소조건을 위한 축 형태의 난류형성이 어려움을 확인하였다. 이를 개선하기 위해서 연소로에 주입하는 공기 공급 방식을 두 가지로 나누어 수치해석을 하였다. 첫 번째 방식은 연소공기를 외벽에서 180 ~ 360° 회전 후 예열된 연소공기가 주입되는 구조에 대하여 검토하였고, 두 번째는 연소로 내에는 선회할 수 있는 베인(vane) 구조를 적용하여 연소로 밖에서 1차 열교환 후 연소로 내부에 접선방향으로 연소공기가 주입되는 구조에 대하여 검토하였다. 그 결과, single F.D. fan을 가진 공랭식 연소로에 선회방식으로 공기를 주입할 경우, 연소로 외벽의 냉각과 연소로 내부의 완전혼합 유지를 위해 이중 냉각벽을 가지는 덕트 구조를 적용하는 것이 연소조건을 최적화하는데 바람직한 것으로 나타났으며, 실제 운영중인 설비에 적용하여 개선 전·후의 연소효율을 비교한 결과 연소효율이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

Keywords

Acknowledgement

본 논문은 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 21DPRB-C161883-01).

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