연관의 직경(간격), baffle의 형상·조합·유무 등에 따른 연소 가스 및 열매체의 열적 유동 특성에 대한 비교 및 분석이 수행되었다. 연소 가스의 입구 유속이 3.5m/s이고, 열매체의 입구 유속이 0.05m/s인 조건에서, baffle이 포함된 연관 내부를 통과하는 연소 가스는 spring과 최초 접촉하는 시점에서 접촉 전 대비 약 8.5m/s 이상 상승한 후, spring을 따라 반시계 방향으로 회전하면서 약 15m/s의 속도로 통과되었으며, 2nd Pass 내부의 buffle-plate 끝단에서는 통과 전 대비 최대 유속이 약 9.7m/s 이상 상승되는 것으로 분석되었다. 이는 baffle이 포함되지 않은 조건의 연소 가스 유속 대비 약 7.2m/s 높은 최대 유속을 갖는 것으로, baffle에 의한 단면적 감소 및 난류 형성에 의한 유속 증가가 발생된 것으로 판단된다. 연관 직경 변화에 따른 효율 변화를 살펴보면, spring pitch가 38mm, 28mm, 48mm로 일정하게 유지되는 경우에 대해 각각 약 0.82%, 약 1.42%, 약 3.65%의 편차를 나타내었고, spring의 pitch 변화에 다른 효율 변화를 살펴보면, 연관의 직경이 42mm, 32mm, 52mm로 일정하게 유지되는 경우에 대해 각각 약 8.03%, 약 4.44%, 3.21%의 편차를 나타내었다. 이를 통해, 연관의 직경 변화에 따른 효율의 편차는 spring의 pitch 변화에 따른 효율 편차 대비 낮게 나타난 것을 확인할 수 있으며, 이는 연관의 직경변화에 따른 연소 가스의 유속 변화에 따른 대류열전달 계수의 상승효과에 의해 spring pitch의 변화에 따른 연소 가스의 turbulent 강도 변화에 따른 대류열전달계수의 상승효과가 크게 작용한 것으로 판단된다. 또한, spring length가 503.1mm에서 553.1mm로 증가한 경우, 기존 조건 대비 보일러 효율이 약 2.23% 감소되는 것으로 나타났으며, baffle이 포함되지 않는 경우, 기존 조건 대비 보일러 효율이 약 15.27% 감소되는 것으로 나타났다. 이는 baffle의 길이 상승에 따른 연소 가스의 turbulent flow를 가속화시킴으로 인해 대류열전달계수가 점차 감소하게 되어 열전달율의 감소에 기인한 것으로 판단되며, baffle이 없는 경우는 이와 반대로 laminar flow로 유지됨으로 인해 turbulent flow의 대류열전달계수 대비 작은 값으로 유지되면서, 열전달율의 감소로 이어진 것으로 사료된다. 향후, 연관 5쌍, 버너 및 연소로(1st Pass), 온수용 열교 환기 등을 포함하는 펠릿보일러 전체 시스템에 대한 종합적 분석이 요구되고, 나아가 heat load를 설정하여, 실제 현장에 적용된 경우의 작동 효율에 대한 종합적 분석이 필요하다.

This paper reports Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation on thermal flow of a fire tube in a pellet boiler. A model has been developed to predict the thermal behavior of gas and water in a pellet boiler by using the conservation of mass, momentum and energy equation. Convective heat transfer between the gas and water was calculated and numerical analysis was performed using Fluent CFD code. The effects of the operating parameters such as inlet air temperature and velocity, combustion gas, and baffle shapes on the performance of the fire tube in a pellet boiler have been investigated. The results showed that the thermal efficiency of the pellet boiler was predicted to improve in terms of the shape or length of baffle and the flow rate of combustion gas.