A Study on Experimental and Numerical Analysis of the Flow Characteristics of Steam Driven Vacuuming System

국문 초록 (Abstract)

이젝터(ejector)는 고압의 기체를 노즐을 통하여 분출시키고 그 분류로 주변의 저압기체(2차 가스)와의 운동량을 교환하여 저압의 기체를 고압으로 압축하여 수송하는 장치이다. 이것은 노즐(nozzle), 혼합부(mixing section) 및 디퓨져(diffuser)로 구성, 설계되며 구조가 간단하고 소형이면서 대용량의 기체를 압축시킬 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다.
이젝터는 선박용 조수기, 도료용 플랜트, 폐유 흡입장치등 여러 산업분야에서 다양한 형태로 적용하여 사용하고 있지만 내부 형상에 대한 유동 특성을 연구하여 효과적인 설계 자료로 활용하는 경우가 적은 편이다. 또한 이젝터를 구성하고 있는 여러 구성요소의 크기 및 형태에 따라 효율의 차가 발생하게 된다. 여러 구성요소 가운데 이젝터의 효율과 밀접한 관계가 있는 것은 디퓨져이다.
본 논문에서는 이젝터 효율 증가시키기 위하여 수치해석을 통하여 압축성 유동에서의 충격파에 의한 효율증대와, 디퓨져의 축소-확대각에 관한 연구를 진행하였다. 또한, 이젝터의 흡입 압력 효율에 대해 수치해석과 실험을 통하여 비교 연구를 진행하여 이젝터의 최적 설계를 위한 자료를 획득하고, 물의 열교환기에 의한 냉각 실험과, 인공해수의 순환실험을 통하여 담수 설비, 발전소 냉각 시스템, 육상 양식장용 냉각 시스템등 다양한 산업분야에 적용이 가능한 증기 구동식 진공 시스템을 제안하였다.
수치해석은 상용 소프트웨어인 STAR-CD를 사용하였으며, 압축성 유동 해석을 위하여 2차원 직교좌표계를 사용하여, 정상상태에 관해 해석을 진행하였다. 난류모델은 난류 모델을 사용하였고, SIMPLE 알고리즘을 사용하고, 축대칭 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 이젝터 내부 유동에 관한 해석을 하였다.
이젝터 입구압력 변화에 대한 이젝터 출구 조건에 대한 해석을 진행하였다. 출구 조건은 flow split 과 2.6 일 때 두가지 조건에 대한 해석으로 출구 조건에 따라 이젝터의 흡입 압력의 결과를 비교하여 출구 조건을 주어질 때 해석 결과가 좋은 것으로 나타났다. 입구 압력 변화에 대한 해석에서는 이젝터 내부 유동장 해석을 할 수 있었다.
디퓨져의 축소-확대각에 대한 해석에서는 디퓨져 입구의 축소각이 2.0°, 2.5°일 때 흡입압력에 대한 효율이 최적 상태를 나타냈고, 디퓨져 출구의 확대각이 5.5°～7.5°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 이젝터에 대해 흡입압력 효율에 관해 실험을 진행하여, 약0.44 의 진공압력을 얻을 수 있었으며, 수치해석과 실험에 의한 흡입 압력 비교결과 =0.4 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 500 일 때의 실험에 의한 데이터를 분석한 결과 진공 압력의 형성이 비슷한 결과가 나오는 것을 알 수 있었다.
수치해석과 실험에 의한 진공 압력 성능의 결과를 토대로 물과 해수의 냉각 성능에 대한 실험을 진행하였다. 물은 열교환기를 이용한 냉각 성능 실험을 진행하였고, 인공해수는 순환 탱크를 통하여 진공탱크내의 해수를 공급과 배출방식으로 순환하는 실험을 진행하여, 각각 온도차는 약278이상의 냉각효율을 얻을 수 있었다.
따라서, 본 연구에서 수치해석과 실험을 통하여 이젝터의 최적 설계가 가능한 데이터를 획득 할 수 있었으며, 냉각 실험을 다양한 산업분야에 적용이 가능한 증기 구동식 진공 시스템의 제안을 통하여 보다 경제적이고, 고효율의 냉각 시스템을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Background and trend of research 1
• 2. Purpose of research 5
• 3. Construction and contents of paper 8
• Ⅱ. Numerical analysis and experiment on suction pressure of ejector by primary fluid pressure 10
• 1. Analysis of theory 10
• 1) Ejector theory 10
• (1) Calculations of formula 13
• (2) Calculations based on Mach number 14
• 2) Analysis of shock waves theory 18
• (1) Analysis of the shock in the diffuser 18
• (2) Relation between Mach number before and after shock 21
• (3) Pressure lift in the diffuser 22
• 2. Governing equations 24
• 3. Numerical analysis model and boundary conditions 27
• 4. Numerical analysis on flow characteristics and suction pressure by variation of pressure at ejector inlet 30
• 1) diffuser outlet boundary condition at flow split=1 30
• 2) diffuser outlet boundary condition at 2600Pa 37
• 5. Experimental study on suction pressure of ejector by primary fluid pressure 48
• 1) Experimental apparatus and description 48
• 2) Experimental results and discussion 52
• 6. Summary 58
• Ⅲ. Numerical analysis on suction pressure of ejector bycontraction and enlargement angle of diffuser 60
• 1. Analysis of theory 60
• 1) Abrupt contraction angle of diffuser 60
• 2) Abrupt enlargement angle of diffuser 65
• 2. Numerical analysis on contraction angle of diffuser 68
• 3. Numerical analysis on enlargement angle of diffuser 77
• 4. Summary 91
• Ⅳ. City Water and sea water cooling characteristics of steam driven vacuuming system 93
• 1. Water cooling characteristics of steam driven vacuuming system 93
• 1) Experimental apparatus and description 94
• 2) Results and discussion 97
• 2. Sea water cooling characteristics of steam driven vacuum system 110
• 1) Experimental apparatus and description 110
• 2) Results and discussion 112
• Ⅴ. Conclusions 120
• Reference 126
• 연구실적 132