입문 — off-design 계산이란 무엇인가 입문

무슨 문제인가 — 기계는 안 바뀐다, 조건만 바뀐다

이 기계는 이미 만들어져 있습니다. 터빈·열교환기·펌프·배관의 형상은 운전 중에 바뀌지 않습니다 — 터빈의 목(가장 좁은 통로) 넓이와 열교환기의 전열면적도 제작할 때 정해집니다.

바뀌는 건 바깥 조건입니다. 예를 들어 모델에서 냉각수 입구를 25 °C에서 30 °C로 바꾸거나, 열원이 약해지거나, 운전자가 펌프 회전수를 바꾸는 경우입니다. 여기서 25→30 °C는 실제 시험 기록이 아니라 조건 변화의 예입니다.

이 강의와 현재 시나리오 코드가 다루는 바깥 조건 변화는 세 갈래입니다 — 증발기/열원 시나리오 · 냉각수 시나리오 · 펌프 회전수 시나리오. 마지막 절에서 이 이름으로 결과를 얼마나 믿을지 가립니다.

냉매가 도는 사이클과 12개 지점

냉매(R1336mzz(Z))가 사이클을 한 바퀴 돕니다. 경로 위에서 압력·온도 같은 상태를 읽는 12개 위치에 ①~⑫를 붙였습니다. 기기 번호가 아니라 냉매 상태점 번호입니다.

사이클은 펌프와 터빈을 경계로 둘로 나뉩니다. 펌프가 압력을 올리고 터빈이 내립니다. 그 사이 고압측(파란 선)에서 데우고 끓이고, 저압측(빨간 선)에서 식힙니다.

그림에서 번호가 건너뛰는 구간은 빠진 상태점이 아닙니다. 예를 들어 ②→③은 펌프 출구에서 재생기 찬 쪽 입구까지, ⑧→⑨는 터빈 출구에서 재생기 뜨거운 쪽 입구까지의 연결 구간입니다. 화살표를 따라 ①부터 ⑫까지 읽으면 냉매가 다시 ①로 돌아옵니다.

배가스(열원 — 연소를 마친 뜨거운 가스)는 증발기에서 냉매에 열을 건네고, 냉각수는 응축기에서 냉매가 버리는 열을 받아 나갑니다.

왜 바로 못 푸나 — 사이클이 닫혀 있다

계산을 시작하려면 어딘가 아는 값이 있어야 합니다. 그런데 여기는 출발점이 없습니다.

그래서 방법을 바꿉니다. 모르는 값을 일단 추정해서 넣어 봅니다. 그 값이 맞다고 치고 끝까지 계산해 본 뒤, 결과가 처음 추정한 값과 맞는지 확인합니다.

12지점 × (압력·온도) = 최대 24개를 다 찾아야 할 것 같지만, 아는 법칙들이 하나씩 지워줍니다:

남는 미지수는 4개입니다. 바깥에서 되풀이해 맞추는 L1·L2·L3와, 각 시험값을 평가할 때 8단계 안에서 다시 푸는 L0입니다.

위 그림은 총괄 UA 경로(시나리오 기본)입니다. 두 UA 가 맞는 출구가 나오면 ⑦ 온도를 대입합니다. 옵션인 도면 경로는 1차원 모델이 ⑥ 엔탈피를 직접 줍니다.

추정하고, 한 바퀴 돌고, 채점하고, 다시 추정한다

앞 절에서 추정하기로 한 세 값(L1·L2·L3)을 넣고 한 바퀴 돌리면, 그 값이 맞았는지 채점할 재료가 나옵니다.

여기서 한 번의 평가는 9단계만 실행한다는 뜻이 아닙니다. 1단계부터 9단계까지 전부 다시 계산하고, 8단계에서는 재생기 열량 L0도 현재 조건으로 다시 풉니다. L1·L2·L3을 하나씩 고칠 때마다 같은 평가가 반복됩니다.

한 바퀴에 무엇을 하나 — 9단계

한 바퀴는 9단계입니다. 큰 줄기만 보면 이렇습니다.

답을 어디까지 믿나

계산이 수렴했다고(= 값이 안 움직인다고) 그 답이 물리적으로 가능한 것은 아닙니다. 수학적으로는 풀리는데 기계가 부서지는 답일 수 있습니다.

그래서 수렴한 뒤에 물리 검사를 합니다 — 터빈에 액체가 들어가지는 않는지, 열이 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 거꾸로 흐르지는 않는지 같은 것들입니다.

아래 등급은 계산 성공 여부가 아니라 현재 자료로 결과를 해석할 수 있는 범위입니다. 「경향만」은 조건을 바꿔 가며 본 추세까지만, 「방향만」은 결과가 오르내리는 방향까지만 사용한다는 뜻입니다.

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