Gas Turbine
Cycle Intercooler:
Thermal
Desktop/FloCAD를 사용한 열 교환기 사례
소개될 모델은 전력생산을 위한 소형 가스터빈 엔진으로 1MW의 파워를
만들어 낼 수 있다.
사례에서는 열역학적 사이클 설계를 위해 열교환기를 사이클 내의 다양한 위치에 배치하여 평가하였다. 특히, 인터쿨러와 공기예열기가 평가되었다.
첫 번째로 고려한 열교환기 옵션은 압축기 인터쿨러로 압축비가 4:1인
압축기 1단의 토출부에 위치하였다. 인터쿨러로 냉각수가 공급
될 것이다.
두 번째로 고려한 열교환기 옵션은 공기예열기이다. 공기예열기는 소형엔진에서
사이클 효율을 높이는 역할을 한다고 알려져 있다.
두 가지 옵션 모두 엔진공간 및 열교환기 생산비용을 고려하여 다소 보수적으로 초기 작성 목표를 설정하였다. 하지만 사이클설계에 대한 상세 연구를 통해 이러한 부분을 개선할 수 있는 가이드라인을 제시할 수 있다.
본 자료에서는 인터쿨러에 대한 부분을 집중적으로 소개하였다. 공기예열기에
대한 부분은 후에 다시 소개될 예정이다.
Compressor Intercooler
사례에서 사용된 엔진사이클
- 12.6 lbm/sec의 공기를 처리,
- 압축비 4:1
- 예측되는 1단 토출온도
868°R
인터쿨러를 사용하여 1단 압축기의 온도를 2단 압축기로 보낼 때 600°R까지 공기의 온도를 낮추는데 목표를
두고 있다.
공기질량유량과 목표 온도 차를 사용하여 인터쿨러에 필요한 열출력은 3
million BTU/hr로 계산된다. 이 열출력을 유지하기 위해서는 3.9 lbm/sec (or 28 gal/min)의 냉각수가 공급되어야 한다.
인터쿨러에 공급되는 냉각수 온도는 750°R이고 액체 상태를 유지하기
위해서는 150-200 psia의 압력이 필요하다.
Thermal Desktop Model:
Intercooler
인터쿨러 Thermal Desktop 모델은 아래 그림과 같다. 인터쿨러의 성능을 평가하기 위해 모델은 최대한 단순화하였다.
모델은 압축기 토출 공기와 공급되는 냉각수로 나누어 2개의 서브모델로
구성되어 있다. 그림에서 역삼감형 아이콘은 각 서브모델의 입구/출구
경계이고 붉은색으로 표시된 부분이 열교환기 파트이다.
냉각수 서브모델의 경우 single phase가 요구되므로 보일링이
일어나지 않도록 냉각수의 압력을 유지하는 것이 필요하다.
Creating the Model
인터쿨로 열교환기 모델링은 FloCAD의 Heat Exchanger 메뉴를 사용하면 매우 간단하다.
아래 그림에서 보듯 Thermal Desktop의 Fluid Modeling 메뉴 중 Heat Exchanger를 선택하여
공기와 냉각수를 연결한다.
위 메뉴를 사용하여 공기와 냉각수를 연결하면 System Level Heat Exchanger Edit 창이 화면에 나타난다.
여기서는 Solution method를 효율로 선택하였다.
Automatically Generated
Registers
열교환기가 구성되면 자동으로 6개의 변수가 생성되고 계산 된다.
- Overall NTU,
- Thermal power divided by inlet
temperature difference
- Thermal power
- The outlet temperature of each of the two
paths that represent the heat exchanger
- The total UA of the heat exchanger
Parametric Sweep of
Effectiveness
효율이 0.7~0.95 사이인 경우에 대해 parametric sweep을 수행하였다.
소형 인터쿨러의 경우 0.7 정도의 효율을 가지며, Rotary type 엔진의 경우 상대적으로 높은 효율을 보인다.
아래 그림과 같이 계산할 효율의 범위를 정해주고 Steady-state계산을
수행하였다.
parametric run 후에 아래의 표와 같은 결과를 얻었다. Thermal Desktop utility인 EZXY를 사용하여
효율 대비 인터쿨러 출구 온도를 그래프로 나타내었다.
Intercooler
effectiveness | Air Outlet Temp, °R | Water Outlet Temp, °R |
0.7 | 638 | 719 |
0.75 | 622 | 732 |
0.8 | 605 | 745 |
0.85 | 589 | 757 |
0.9 | 573 | 770 |
0.95 | 556 | 782 |
목표로 한 인터쿨러 출구의 공기온도 600°R를 만족하기 위해서는
효율이 0.8이상 요구된다. 좀더 정확한 효율을 얻기 위해서는
Thermal Desktop의 Goal seek option을
사용하여 아래 그림과 같이 출구 온도를 지정하면 정확한 효율 값을 얻을 수 있다.
계산결과는 다음과 같다.
- Effectiveness: 0.816843
- Overall NTU: 3.11613
- Thermal power divided by inlet
temperature difference: 9009.30
- Thermal power: 2.954025E+06
- The outlet temperature of each of the two
paths that represent the heat exchanger: 600, 749
- The total UA of the heat exchanger: 34347.5
본 사례를 통해 목표로 하는 출구온도를 얻기 위해 요구되는 열교환기의 효율 계산을 Thermal Desktop을 사용하여 손쉽게 모델링하고 결과를 얻는 과정을 소개하였다.
Gas Turbine
Cycle Intercooler:
Thermal
Desktop/FloCAD를 사용한 열 교환기 사례
소개될 모델은 전력생산을 위한 소형 가스터빈 엔진으로 1MW의 파워를
만들어 낼 수 있다.
사례에서는 열역학적 사이클 설계를 위해 열교환기를 사이클 내의 다양한 위치에 배치하여 평가하였다. 특히, 인터쿨러와 공기예열기가 평가되었다.
첫 번째로 고려한 열교환기 옵션은 압축기 인터쿨러로 압축비가 4:1인
압축기 1단의 토출부에 위치하였다. 인터쿨러로 냉각수가 공급
될 것이다.
두 번째로 고려한 열교환기 옵션은 공기예열기이다. 공기예열기는 소형엔진에서
사이클 효율을 높이는 역할을 한다고 알려져 있다.
두 가지 옵션 모두 엔진공간 및 열교환기 생산비용을 고려하여 다소 보수적으로 초기 작성 목표를 설정하였다. 하지만 사이클설계에 대한 상세 연구를 통해 이러한 부분을 개선할 수 있는 가이드라인을 제시할 수 있다.
본 자료에서는 인터쿨러에 대한 부분을 집중적으로 소개하였다. 공기예열기에
대한 부분은 후에 다시 소개될 예정이다.
Compressor Intercooler
사례에서 사용된 엔진사이클
- 12.6 lbm/sec의 공기를 처리,
- 압축비 4:1
- 예측되는 1단 토출온도
868°R
인터쿨러를 사용하여 1단 압축기의 온도를 2단 압축기로 보낼 때 600°R까지 공기의 온도를 낮추는데 목표를
두고 있다.
공기질량유량과 목표 온도 차를 사용하여 인터쿨러에 필요한 열출력은 3
million BTU/hr로 계산된다. 이 열출력을 유지하기 위해서는 3.9 lbm/sec (or 28 gal/min)의 냉각수가 공급되어야 한다.
인터쿨러에 공급되는 냉각수 온도는 750°R이고 액체 상태를 유지하기
위해서는 150-200 psia의 압력이 필요하다.
Thermal Desktop Model:
Intercooler
인터쿨러 Thermal Desktop 모델은 아래 그림과 같다. 인터쿨러의 성능을 평가하기 위해 모델은 최대한 단순화하였다.
모델은 압축기 토출 공기와 공급되는 냉각수로 나누어 2개의 서브모델로
구성되어 있다. 그림에서 역삼감형 아이콘은 각 서브모델의 입구/출구
경계이고 붉은색으로 표시된 부분이 열교환기 파트이다.
냉각수 서브모델의 경우 single phase가 요구되므로 보일링이
일어나지 않도록 냉각수의 압력을 유지하는 것이 필요하다.
Creating the Model
인터쿨로 열교환기 모델링은 FloCAD의 Heat Exchanger 메뉴를 사용하면 매우 간단하다.
아래 그림에서 보듯 Thermal Desktop의 Fluid Modeling 메뉴 중 Heat Exchanger를 선택하여
공기와 냉각수를 연결한다.
위 메뉴를 사용하여 공기와 냉각수를 연결하면 System Level Heat Exchanger Edit 창이 화면에 나타난다.
여기서는 Solution method를 효율로 선택하였다.
Automatically Generated
Registers
열교환기가 구성되면 자동으로 6개의 변수가 생성되고 계산 된다.
- Overall NTU,
- Thermal power divided by inlet
temperature difference
- Thermal power
- The outlet temperature of each of the two
paths that represent the heat exchanger
- The total UA of the heat exchanger
Parametric Sweep of
Effectiveness
효율이 0.7~0.95 사이인 경우에 대해 parametric sweep을 수행하였다.
소형 인터쿨러의 경우 0.7 정도의 효율을 가지며, Rotary type 엔진의 경우 상대적으로 높은 효율을 보인다.
아래 그림과 같이 계산할 효율의 범위를 정해주고 Steady-state계산을
수행하였다.
parametric run 후에 아래의 표와 같은 결과를 얻었다. Thermal Desktop utility인 EZXY를 사용하여
효율 대비 인터쿨러 출구 온도를 그래프로 나타내었다.
Intercooler
effectiveness
Air Outlet Temp, °R
Water Outlet Temp, °R
0.7
638
719
0.75
622
732
0.8
605
745
0.85
589
757
0.9
573
770
0.95
556
782
목표로 한 인터쿨러 출구의 공기온도 600°R를 만족하기 위해서는
효율이 0.8이상 요구된다. 좀더 정확한 효율을 얻기 위해서는
Thermal Desktop의 Goal seek option을
사용하여 아래 그림과 같이 출구 온도를 지정하면 정확한 효율 값을 얻을 수 있다.
계산결과는 다음과 같다.
- Effectiveness: 0.816843
- Overall NTU: 3.11613
- Thermal power divided by inlet
temperature difference: 9009.30
- Thermal power: 2.954025E+06
- The outlet temperature of each of the two
paths that represent the heat exchanger: 600, 749
- The total UA of the heat exchanger: 34347.5
본 사례를 통해 목표로 하는 출구온도를 얻기 위해 요구되는 열교환기의 효율 계산을 Thermal Desktop을 사용하여 손쉽게 모델링하고 결과를 얻는 과정을 소개하였다.