Internal Flow Characteristics of a Steelworks Sintering Cooler by the Duct Shape of Cooler Fan Outlet

2.1. 수치해석 대상

Fig. 2는 소결 냉각팬 모델을 보이고 있으며, Table 1에 소결 냉각팬의 사양을 나타내고 있다. 소결 냉각팬으로는 축류송풍기를 적용하였으며, 정격 유량이 21,300 m³/min, Motor용량은 6,600V-1,800kW, 블레이드 회전속도가 1,190 min^-1이다. 로터 블레이드 날개는 16매이며, 고정익 안내날개는 Fan 유입측에 4매, 블레이드 유출측에 19매, Fan 케이싱 출구측에 6매가 설치되어 있다.

한편, 냉각팬 유출관 출구부 작업조건(소결광 미분 및 편적 발생 조건)에 따른 냉각팬 성능 및 출구 덕트 공기 유동을 검토하기 위하여, Fig. 3과 같이 출구덕트 대차 하부의 바닥면 열림비율에 따른 출구 덕트 유동장 모델을 작성하였으며, 바닥면 전체 개방, 1/2 개방, 1/4 개방 상태의 모델에 대해서 유동해석을 수행하였다.

실제 소결 냉각기 덕트에는 2대의 냉각팬이 동시에 운전되고 있지만, 계산기 용량 및 계산시간의 단축 등을 고려하여 1대의 냉각팬과 전체 출구 덕트의 절반에 해당하는 유동장에 대해서만 계산을 수행하였다.

또한, 현재의 출구 덕트 형상으로부터 덕트 냉각성능 개선 방안을 검토하기 위해서 Fig. 4와 같이 출구 덕트의 벽면 형상 조건에 따른 3차원 형상 모델을 작성하였다. 기존의 덕트형상에서 덕트 하부 벽면이 직교형상인 직교벽면, 원호로 새롭게 구성된 원호 벽면, 그리고, 소결 냉각팬 케이싱 유출측 맞은편 출구 덕트 벽면에 분리벽을 설치한 형상에 대해서 각 경우 별 조합을 통하여 3차원 형상을 작성하였다.

Fig. 5는 현재의 출구 덕트 형상(Case I)에 대하여 출구 덕트 하부를 매립했을 경우의 형상(Case II)에 대해서 3차원 형상을 작성한 결과이다.

2.2. 수치해석법

축류송풍기에 대한 설계 및 수치해석법에 대해서는 이전의 많은 연구결과가 수행되어 왔으며(1^∼8), 본 연구에서는 solver로서는 상용 CFD코드인 ANSYS CFX(9)를 사용하였다.

Fig. 2

Schematic view of sintering cooler fan model for CFD analysis

Table 1

Design specifications of axial blower used for steelworks sintering cooler fan

Fig. 3

3D modeling of sintering cooler flow field by the opening ratio of air duct outlet

Fig. 4

3D modellng of sintering cooler flow field by air duct wall shape condition

Fig. 6은 소결 냉각팬 성능 및 내부유동 해석을 위하여 구성한 계산격자를 보이고 있으며, Tetra-hedral 격자를 적용하였다. 계산결과에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 Fan 블레이드 케이싱 벽면, Fan 케이싱 유출부, 블레이드 부근 유동장에 대해서는 매우 세밀한 격자 구성를 수행하여 계산정도를 향상시킬 수 있도록 하였다.

Fig. 5

3D modeling of sintering cooler flow field by air duct height : (a) H=9,160mm (Case I) and (b) H=7,110mm (Case II)

Fig. 7은 소결 냉각팬을 포함한 출구 덕트 유동장에 대한 계산격자를 보이고 있다. 계산기 용량, 계산시간 단축을 고려하여 복잡한 유동장을 잘 묘사할 수 있는 Tetra-hedral 격자를 이용하여 유동장에 대한 계산격자를 구성하였다.

소결 냉각팬 및 출구 덕트 유동장에 대한 수치해석을 위하여 유동장 각부의 경계조건을 설정하였으며, Fig. 8은 소결 냉각팬 내부유동장 CFD해석을 위한 경계조건을 나타내고 있다.

소결 냉각기 모델의 전체 유동장에 대해서 정상상태의 계산을 수행하였고, 난류모델로서는 유체기계에 대한 수치해석 시 저 레이놀즈수 및 고 레이놀즈수 영역에서 모두 상대적으로 높은 수렴성과 계산정도를 나타내는 것으로 알려진 SST모델을 적용하였다. 작동유체로서는 밀도 1.200kg/m³의 공기를 적용하였고, 벽면은 모두 No slip 조건을 적용하였다. 유동장 유입측에 평균유량, 유출측에 일정압력의 조건을 설정하였다.

그리고, 출구 덕트의 상부를 유출측으로 설정하여 대기로 개방된 상태로 경계조건을 설정하였다.

또한, 실제 소결 냉각팬의 운전 시에는 대차에 적재되는 소결광의 용량에 따라서 로터 블레이드의 피치 각도를 가변하여 유량과 압력을 조절하는 시스템으로 구성되어 있기 때문에 실험값으로부터 도출된 성능곡선의 양정과 유량을 참조하여 계산을 수행하였으며, 소결 냉각팬 출구 덕트 대차 하부 Cascade 바닥면 열림비율 및 벽면 형상에 따른 덕트 수직방향 속도성분 변화에 대해서 검토하였다.

Fig. 6

Numerical mesh of axial blower used for sintering cooler fan

Fig. 7

Numerical mesh of total flow field of sintering cooler

Fig. 8

Boundary condition of total flow field of sintering cooler

Fig. 9

Performance curves by rotor blade pitch angle and stall warning line of test blower

Fig. 10

Velocity vectors behind the guide vane of sintering cooler fan under the condition of (a) partial (Case I), (b)design point (Case 2) and (c) excessive (Case 3) flow rates (rotor blade pitch angle : 60°)

3.1. 성능곡선 및 축류송풍기 내부유동

Fig. 9는 소결 냉각팬으로 채용된 축류송풍기의 성능곡선을 보이고 있으며, 로터 블레이드 피치각도가 50°, 60°, 68°일 경우에 대해서 양정과 효율에 대한 실험결과(검은 실선)와 수치해석 결과를 비교하였다. 각 로터 블레이드 피치각도에서 효율곡선상의 최고효율점 이상의 유량 영역에서는 실험결과(검은 점선)와 수치해석결과가 비교적 잘 일치하며, 설계점에서는 실험과 수치해석 결과가 거의 일치함을 알 수 있다.

그러나, 설계점 유량 이하의 영역에서는 실험결과와 수치해석결과 사이에 상대적으로 큰 차이를 보이고 있으며, 설계점 유량에서 과대유량으로 이동할수록 효율의 차이가 발생하고 있다.

이와 같은 결과의 원인으로서는 Fig. 10에 보이고 있는 속도벡터(로터 블레이드 피치 각도 60°)에서 알 수 있는 바와 같이 최고효율점 유량 이하의 영역(Case 1)에서 발생하는 매우 넓은 영역의 가이드베인 후연 부근의 박리로 인한 실속의 영향으로 수치해석 결과가 실험결과와 차이를 보이는 것으로 판단된다.

설계점 유량(Case 2)에서는 흐름이 가이드베인의 형상을 따라서 균일하게 흘러가는 흐름을 확인할 수 있지만, 과대유량 영역(Case 3)에서도 가이드베인 후연 부근에서 유동 박리가 발생함을 알 수 있다.

이상의 결과로부터 유량의 변화에 따라서 블레이드 하류 가이드베인에서의 흐름이 크게 변화하고 저유량 및 과대유량 영역에서 발생하는 박리 및 실속 등의 비정상 유동현상에 의해 효율이 크게 저하함을 알 수 있다.

Fig. 11

Internal velocity vectors of sintering cooler by duct outlet opening ratio (duct height H=9,160mm, Case I)

Fig. 12

Internal perssure contours of sintering cooler by duct outlet opening ratio (duct height H=9,160mm, Case I)

Fig. 13

Internal normal velocity contours of sintering cooler by duct outlet opening ratio (duct height H=9,160mm, Case I)

3.2. 출구 덕트 열림비율에 따른 내부유동

소결 냉각팬 하류측 출구 덕트의 작업조건에 따른 출구 덕트 내부의 유동현상을 상세하게 검토하기 위하여, 출구 덕트 상부에 위치한 대차 Cascade 바닥면에 적재된 소결광의 적재량에 따른 공기의 유출량을 검토하였으며, 유동해석을 위한 유동장의 단순화를 위하여 출구 덕트 상부가 전부 개방된 상태, 1/2 개방된 상태, 1/4 개방된 상태에 대하여 형상모델링을 수행하여 유동해석을 수행하였다.

Fig. 11은 출구 덕트의 실제 높이인 H=9,160 mm (Case I)일 경우의 출구 덕트 유출측 열림비율에 따른 소결 냉각팬 출구 중심선 높이에서 덕트 내부 수평방향 단면 속도벡터를 보이고 있다.

Fig. 12와 13은 출구 덕트 유출측 열림비율에 따른 출구 덕트 내부 정압선도 및 출구 덕트 수직방향 유출측 속도선도를 보이고 있다.

한편, 출구 덕트 유출측 열림 비율에 따른 수직방향 속도성분에 대한 정량적인 고찰을 위하여 Fig. 14에 보이는 바와 같이 출구 덕트 유출측에서 반경방향으로 일정한 간격으로 기준선을 작성하여 그 기준선 위에서의 수직방향 속도분포를 검토하였다.

Fig. 15는 Fig. 3에서 나타낸 바와 같은 출구 덕트 유출측 열림비율에 따른 수직방향 속도분포를 보이고 있으며, 출구 덕트 높이가 상대적으로 큰 Case I의 경우에 해당한다. 전체적인 경향으로서 출구 덕트 열림비율이 커지게 되면 수직방향 유출속도가 증가함을 알 수 있으며, 특히 출구 덕트 열림비율이 완전개방 시에는 Fig. 15(c)의 profile line 3에서 알 수 있는 바와 같이 상대적으로 매우 큰 수직방향 유속이 존재함을 알 수 있으며, 열림비율이 낮아질수록 수직방향 유속성분이 작아짐을 알 수 있다.

Fig. 14

Schematic view of profile line locations in duct outlet passage

3.3. 출구 덕트 벽면 높이에 따른 내부유동

Fig. 15와 16의 비교에서 알 수 있는 바와 같이 출구 덕트의 높이가 변화함에 따라서 전체적으로 출구 덕트 유출측 수직방향 속도선도에서 변화가 확인되고 있으며, 특히 출구 덕트 유출측이 완전히 개방된 상태에서는 출구 덕트 높이가 낮을수록 수직방향 속도성분의 크게 나타남을 알 수 있으며, 이러한 결과는 결국 출구 덕트 높이가 낮을수록 대차 내부에 적재된 소결광에 대한 냉각효율이 증가함을 의미한다.

Fig. 15

Velocity distributions on the profile lines at the outlet of duct passage by opening raito : (a) profile line 1, (b) profile line 2 and (c) profile line 3 (H=9,160mm, Case I)

Fig. 16

Velocity distributions on the profile lines at the outlet of duct passage by opening raito : (a) profile line 1, (b) profile line 2 and (c) profile line 3 (H=7,110mm, Case II)

3.4. 출구 덕트 벽면 형상에 따른 내부유동

출구 덕트의 유출측 수직방향 속도성분을 증가시키기 위하여 출구 덕트 내측 벽면에 분리벽을 설치한 경우와 미설치의 경우를 비교해볼 경우 Fig. 15와 16에서 알 수 있는 바와 같이 전체적으로 출구 덕트의 높이에 상관없이 분리벽을 설치했을 경우에 더 높은 수직방향 속도성분이 존재함을 알 수 있다.

그리고, 출구 덕트 하부 모서리 형상에서도 직각모서리와 원호 모서리를 설치할 경우 분리벽을 함께 설치하면 현재의출구 덕트 형상(Case I)에서보다 더 높은 Normal 방향 속도성분을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

또한, Fig. 17과 18의 출구 덕트 유출측 열림비율이 완전히 열린 경우에 해당하는 속도벡터를 통해서도 출구 덕트 바닥벽면 형상, 출구 덕트 높이, 출구 덕트 벽면 분리벽 설치 등에 의해서 수직방향 속도가 크게 변화함을 알 수 있다.

Fig. 17

Velocity vectors at the sintering cooler fan outlet of duct passage by the conner shape of duct bottom wall (H=9,160mm, Case I)

Fig. 18

Velocity vectors at the sintering cooler duct passage by the conner shape of duct bottom wall as well as dividing wall shape (H=7,110mm, Case II)

이와 같은 결과로부터 출구 덕트의 벽면형상을 최적화함에 의해 소결 냉각기 대차 내부의 소결광 냉각효율을 상당히 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.