냉각탑은 어떻게 작동합니까?
- 증발 기술 : 냉각 후 과학
- 증발 식 냉각탑 기본 사항
- 안개의 내용
- 대체 냉각탑 용도
- 기타 냉각탑 유형
대형 쌍동선 쿨링 타워 위로 날아 가면 맨 위에 떠있는 안개 구름이 보일 것입니다. 쌍곡면은 축을 중심으로 쌍곡선을 회전 할 때 형성되는 3 차원 모양입니다. 냉각탑의 미스트 클라우드는 증발 된 물과 열로 구성되어있어 타워가 정유 공장, 제철소, 원자력 발전소 또는 기타 산업 열원에서 추출됩니다. 다른 종류의 냉각탑이 있지만, 대동맥 붕괴는 대규모 증발 냉각이 작동하는 방법을 배우고 자 할 때 공부하는 것이 좋습니다.
증발 기술 : 냉각 후 과학
물 속에 남아있는 분자는 증기 단계에서 빠져 나가는 분자보다 평균 운동 에너지가 낮기 때문에 액체의 온도는 증발하는 동안 감소합니다. 땀이 증발하여 몸을 더 시원하게하고 증발 식 냉각 장치가 여름에 방의 열기를 털어 내면이 효과를 목격하게됩니다.
증발 식 냉각탑 기본 사항
쌍곡면 냉각탑은 소형 증발 식 냉각 장치에서와 유사한 과정을 사용합니다. 발전소와 같은 열원에서 온수는 냉각 탑에 들어서고, 펌프는 탑 꼭대기의 물을 채우기 위해 물을 이동시킵니다. 물이 그 물체 아래로 흘러 들어감에 따라 들어오는 공기가 물에 부딪혀 일부가 증발합니다. 증발은 물에서 열을 제거하고 냉각 된 물은 열원을 통해 다시 냉각되어 냉각됩니다. 열 및 증발 된 물이 냉각 탑의 상단을 빠져 나와 볼 구름이 생성됩니다.
안개의 내용
물은 두 가지 형태 중 하나 인 냉각 탑의 상단에서 배출됩니다 : 표류 또는 증발. 드리프트 배출은 부유하고 용해 된 고형물을 함유 한 물로 구성됩니다. 증발 성 배출은 오염 물질을 포함 할 수있는 순수한 물입니다. 이 타워의 물에는 스케일링, 부식 및 효율성을 저하시키는 기타 문제를 방지하는 처리제가 포함될 수 있습니다.
대체 냉각탑 용도
수력 발전소는 움직이는 물의 힘을 이용하여 전기를 생산합니다. 2014 년 9 월 현재, Solar Wind Energy, Inc.는 동일한 일을 할 수있는 거대한 쌍곡선 에너지 타워를 건설 할 계획이었습니다. 공중에 685.8 미터 (2,250 피트) 올라가면, 탑은 해수를 꼭대기에 펌프질하고 안개로 방출합니다. 이것은 공기를 냉각 시켜서 610 메가 와트의 전기를 생산할 수있는 터빈을 돌릴만큼 높은 속도로 떨어 뜨립니다. 타워의 쌍곡면 모양 (위쪽이 넓고 가운데가 가늘다)은 타워가 에너지를보다 효율적으로 생성하는 데 도움이됩니다.
기타 냉각탑 유형
과학자들은 쌍곡면을 습식 냉각이라고 부르기 때문에 쌍동선을 "습식 냉각탑"이라고 부릅니다. 건식 냉각탑은 다른 방법을 사용하여 물을 식히고 그것을 소스로 되돌립니다. 학교, 사무실 건물, 호텔 및 이와 유사한 시설의 난방, 환기 및 냉방을 냉각시키는 다른 종류의 냉각탑을 찾을 수도 있습니다. 박테리아가 번식하기 때문에 냉각탑의 물을 소독하는 것이 중요합니다. Legionnaires 병을 담당하는 Legionella는 전파하기에 이상적인 냉각탑을 발견합니다.
최근 원자력 발전소 건설사업 해외수주로 인해 국내 원자력 발전기술이 국제적으로 관심을 받고 있다. 원자력 발전소의 구성은 원자로를 중심으로 한 1차 계통으로서의 핵 증기 공급계통과 증기를 공급받아 발전하는 터빈·발전기 및 복수기를 포함한 2차 계통 그리고 냉각시스템 및 기타 부속설비로 구분된다. 이때 냉각시스템은 2차 계통에서 사용된 증기의 냉각과정에서 더워진 냉각수를 다시 냉각시키는 시스템으로 냉각탑을 이용한 냉각-Circuit-System을 형성하는 방법과 해수와 같은 자연수를 이용하는 방법이 사용된다. 그 중 국내 원전에 사용되는 냉각방식은 자연수를 이용한 방법으로, 사용한 자연수는 수온이 약 7 ℃ 정도 상승된 온배수로 바다에 배출되어 인근 연안 생태계에 큰 영향을 미치고 있다. 반면 해외 선진 국가에서는 자연수를 이용한 냉각방식을 지양하고 냉각탑을 이용한 냉각시스템을 사용하고 있다.
국내의 원자력 발전을 친환경적 저탄소 녹색성장의 에너지원으로 이끌기 위해서는 생태계 보호 및 에너지 소비 최소화, 냉각 효율이 높은 장점을 가진 습식냉각탑의 도입이 필요하다. 발전소의 규모가 커짐에 따라 냉각탑이 대형화가 되고, 이에 따라 풍하중이 크게 작용하여 특수 구조물인 냉각탑의 구조설계 및 유지보수에 대한 연구 및 기술개발이 한층 더 요구된다.
냉각탑 쉘의 형상은 열역학적 측면에서 결정되는 4개의 기하변수와 구조적 측면에서 결정되는 3개의 자유 변수로 선택되어지며 이들에 의해 냉각탑의 구조성능이 결정된다. 위의 3개의 변수를 결정함에 있어 1차적으로 고려되는 응답변수는 냉각탑의 고유진동수이다. 낮은 고유진동수를 갖는 냉각탑은 풍하중에 의한 동적증폭계수를 낮춤으로 풍하중에 대하여 상대적으로 덜 민감한 구조시스템을 나타낸다. 구조설계 실무에 있어서 냉각탑은 최종적으로 철근량에 의한 설계의 경제성에 의해 평가되어 진다. 선형해석을 기반으로 하는 실무에서 3개의 쉘 기하형상 자유 변수들의 결정은 비교적 경험에 의존하고 있으며, 이에 대한 체계적인 분석에 관한 연구는 아직 발표된바 없다.
따라서 본 연구에서는 냉각탑의 높이에 대한 경선방정식(Generator)의 미분함수의 특성이 하이퍼볼릭 쉘의 구조거동에 미치는 영향을 선형해석을 통하여 파악하고자 한다.
본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 제 1장은 서론, 제 2장은 냉각탑 기하형상, 제 3장은 냉각탑 기하형상의 산정, 제 4장은 선형 해석, 제 5장은 결론으로 기술하였으며, 각 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.
제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하여 연구의 방향을 제시하였다.
제 2장에서는 냉각탑의 기하형상에 관한 전반적인 이론과 경선방정식에 대한 미분함수를 산정하여 기술하였다.
제 3장에서는 기존의 냉각탑을 대상으로 자유변수의 변화를 통한 24개의 프로토 타입 모델과 6개의 최종 모델을 선정하여 해석을 수행한 후 이에 대한 자유변수, 미분함수 및 고유진동수의 관계의 경향을 분석하였다.
제 4장에서는 최종 선정된 6개의 기하형상을 대상으로 좌굴 해석 및 철근량 산정을 통한 경제성 평가를 수행하고 이 결과를 바탕으로 기하형상을 비교 및 분석하였다.
제 5장에서는 본 연구로부터 얻어진 결과를 기술하고, 향후 수행되어야 할 연구방향에 대하여 기술하였다.
본 연구내용의 결론을 제시하면 아래와 같다.
1) 쉘의 기하변수의 영향에 대한 체계적인 분석을 위해서 냉각탑 쉘의 축대칭 경선방정식(Generator)으로 사용되는 하이퍼볼릭 방정식의 높이에 대한 미분함수로 나타내었으며 이들은 접선기울기 r', 곡률 r'' 및 곡률 변화율 r'''로 표현된다.
2) 기존의 구조물을 대상으로 경선방정식에 대한 미분함수의 특성을 고려하여 24개의 프로토 타입의 모델을 결정하여 1차적 평가를 수행한 결과 고유진동수는 ht＝108m와 φu＝15°에서 최대 11.93% 감소하였고 ht＝118m와 φu＝19°에서 고유진동수가 최대 5.2%가 증가하여 상부에서 15%위치인 목높이에서 최대 고유진동수가 나타났다. 또한 목높이가 같을 경우 고유진동수가 증가하였으며 ht＝123m에서 최대 22.44%가 증가하는 것이 나타났다.
3) 높은 고유진동수를 나타내는 기하형상의 목높이를 고정하고 하단부 경사각을 변화시킨 6개의 냉각탑을 최종 선정하여 Generator 및 고유진동수의 분석을 수행한 결과 하단부 경사각이 증가할수록 상부 및 하부 반지름은 감소하였으며 φu＝20.06°일 때 상부 반지름은 최대 0.7%까지 감소하였으나 고유진동수는 7.54%까지 증가하였고 φu＝15°일 때 상부 반지름이 1.46% 증가 및 고유진동수가 13.22% 감소하는 결과가 나타났다. 또한 하단부 경사각이 커질수록 곡률의 변화율이 점점 감소하여 r'''＝0이 되며 이때 최대 고유진동수가 나타났다.
4) 기하형상의 자유변수에 대하여 목높이가 낮을수록, 하단부 경사각이 커질수록 하부 쉘의 반지름이 감소하였고 목높이와 하단부 경사각이 커질수록 상부 쉘의 반지름이 감소하여 고유진동수가 증가하는 경향이 나타났다. 합리적인 기하형상은 풍하중에 대하여 덜 민감하여 높은 고유진동수를 가지는 형상으로 기하형상의 상부 및 하부 쉘의 반지름이 최소일 때 원주방향 강성이 최대가 되어 고유진동수가 높아지는 것을 알 수 있었다. 원주방향의 반지름을 최소화하기 위해서는 하단부 경사각이 큰 것이 합리적이며 이때 기하형상의 곡률의 변화가 최소가 된다.
5) 최종 선정된 기하형상 6개를 대상으로 선형해석을 수행한 결과 좌굴해석의 경우 하단부 경사각이 커짐에 따라 좌굴계수도 증가하여 최대 7.3%가 증가하는 결과가 나타나 가정된 벽두께를 감소하여 경제적 설계가 가능함을 알 수 있다. 이는 하단부 경사각의 증가로 인한 일정한 곡률이 균일한 형태의 좌굴변형을 일으켜 좌굴계수가 증가하는 결과를 가져오는 것으로 판단된다.
6) 철근량을 통한 경제성 평가의 경우 φu＝15°일 때 철근량이 10.07%가 증가하였으나 하단부 경사각이 증가하여 임계치일 때(φu＝20.06°)�暘獵� 4.70%의 철근량이 감소한 것으로 나타나 철근량이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
7) 본 연구에서는 단지 하나의 쌍곡선 곡률을 나타내는 기하형상에 대하여 분석하였으며 두 개의 쌍곡선 곡률을 나타내는 기하형상에 대하여 추가적인 연구가 요구된다. 또한 합리적인 냉각탑 설계를 위하여 본 연구를 바탕으로 한 자유변수의 경향을 나타내는 산정식과 기하형상이 지진하중에 의한 내진성능에 미치는 영향에 대한 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.