[논문]순환 유동층 열교환기내 유체유동과 열전달

김원철; 배성택; 이병창; 안수환

문제 정의

이 실험으로 농축폐수 시스템에 적용할 수 있는 순환유동층 열교환기 제작에 필요한 기초자료를 제공하였다. 본 연구에서는 고체 입자의 자연순환에 의하여 오염물질을 세정함으로서 오염이 되지 않는 최적의 순환유동층 열교환기를 개발하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여. 유리입자, 철, 구리, 알루미눔, 모래 등 다양한 입자들에 대하여 순환유동층 열교환기의 열전달 특성과 CCD 카메라를 이용한 가시화 실험을 통해 고체 입자가 튜브벽면을 충돌하는 유속 범위를 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 고체 입자의 자연순환에 의하여 오염물질을 세정함으로서 오염이 되지 않는 최적의 순환유동층 열교환기를 개발하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여. 유리입자, 철, 구리, 알루미눔, 모래 등 다양한 입자들에 대하여 순환유동층 열교환기의 열전달 특성과 CCD 카메라를 이용한 가시화 실험을 통해 고체 입자가 튜브벽면을 충돌하는 유속 범위를 고찰하고자 한다.
이 등^⑺은 2 mm와 3mm 직경의 유리 입자를 대상으로 한 가시화 실험을 통한 유체입자의 거동특성과, 열전달 실험 그리고 장시간에 걸친 오염실험을 행하였다. 이 실험으로 농축폐수 시스템에 적용할 수 있는 순환유동층 열교환기 제작에 필요한 기초자료를 제공하였다. 본 연구에서는 고체 입자의 자연순환에 의하여 오염물질을 세정함으로서 오염이 되지 않는 최적의 순환유동층 열교환기를 개발하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여.

제안 방법

유량계는 적층식을 사용하였고 시험부 입구에 1 개와 가시화 시험부와 열전달 시험부측 출구에 각각 1개씩 설치하였다. 가시화용 시험부에는 투명아크릴 재료를 사용하여 CCD 카메라 촬영에 용이하도록 하였다. 열전달 실험에 사용된 입자들은 가시화 실험에 사용한 입자들과 같다.
예비 시험부는 woven heater를 튜브 전체에 감고 그 주위에는 유리섬유로 단열 처리하였다. 관벽의 온도(Tw)와 유체평균온도(Tf)와의 차이가 튜브전체길이에 걸쳐 일정한지를 확인하기 위해 Fig. 3과 같이 열전대(k형)를 관벽 내부에 심어 벽면온도를 측정하였다. 열전대는 축 방향으로 각각 3군데에 설치하였다.
열전대는 축 방향으로 각각 3군데에 설치하였다. 그리고 튜브 입출구에 별도로 열전대를 설치하여 길이에 따른 유체평균온도(Tf)를 측정하였다. Fig.
그리고 이 등^⑴이 공기를 작동 유체로 한 순환유동층 열교환기에서 열교환기직경. 배플관 구멍직경, 그리고 혼합실 높이를 변수로 하여 열전달계수와 압력 강하에 대해 조사하였다. 이 등^⑺은 2 mm와 3mm 직경의 유리 입자를 대상으로 한 가시화 실험을 통한 유체입자의 거동특성과, 열전달 실험 그리고 장시간에 걸친 오염실험을 행하였다.
5에서와 같이 Di는 외부로 나가는 관의 직경, %는 내부관의 직경이다. 본 연구에서는 열전달 실험에서 입자를 순환시킬 경우 가운데 관에 입자가 쌓이는 정도에 따라 가운데 관으로 흐르는 유체의 유량을 정확히 알 수 없어 시험부전체 체적에 대한 고체입자의 농도를 1.8%로 하여 배플판 위에 쌓인 고체입자들이 가운데 관의 유체유동에 영향이 없도록 한 상태에서 열전달실험을 행하였다. 입자농도 정도에 따른 유량의 변화에 대한 연구는 추후의 과제로 남겨두었음을 밝힌다.
열전달 실험에 사용된 입자들은 가시화 실험에 사용한 입자들과 같다. 실험은 먼저 물만이 흐른 경우에 대해 유속이 0.4에서 2.0m/s 까지 열전달실험을 수행하였으며 3시간에 걸쳐 한 번씩 나누어 두 번 측정하였다.
1의 실험장치에서 가운데 있는동(copper)제의 예비실험부에서 측정한 자료를 이용하였다. 예비 시험부는 woven heater를 튜브 전체에 감고 그 주위에는 유리섬유로 단열 처리하였다. 관벽의 온도(Tw)와 유체평균온도(Tf)와의 차이가 튜브전체길이에 걸쳐 일정한지를 확인하기 위해 Fig.
원통 다관형 순환유동층 시스템이 열교환기 입출구온도차에 미치는 영향을 조사하기 위해 Fig. 2 와 같은 경우에 대해 조사하였다. 좌측 그림처럼배플을 설치한 경우의 순환유동층 원통 다관형 열교환기와 우측 그림처럼 배플이 없는 경우의 전형적인 원통 다관형 열교환기에 대해 입 .
순환 유량은 정지 밸브와 바이패스 장치에 의해 조절하였다. 유량계는 적층식을 사용하였고 시험부 입구에 1 개와 가시화 시험부와 열전달 시험부측 출구에 각각 1개씩 설치하였다. 가시화용 시험부에는 투명아크릴 재료를 사용하여 CCD 카메라 촬영에 용이하도록 하였다.
배플관 구멍직경, 그리고 혼합실 높이를 변수로 하여 열전달계수와 압력 강하에 대해 조사하였다. 이 등^⑺은 2 mm와 3mm 직경의 유리 입자를 대상으로 한 가시화 실험을 통한 유체입자의 거동특성과, 열전달 실험 그리고 장시간에 걸친 오염실험을 행하였다. 이 실험으로 농축폐수 시스템에 적용할 수 있는 순환유동층 열교환기 제작에 필요한 기초자료를 제공하였다.

대상 데이터

1은 가시화실험과 열전달 실험을 동시에 할 수 있는 본 연구의 실험장치 개략도와 실제 모습이다. 시험부의 높이는 705 mm이고 통(shell) 의 직경은 80.4 mm, 다관의 직경은 14.2 mm로하였고 다관의 수는 3개이다. 시험부 출구 측에 스크린을 설치하여 고체입자들이 밖으로 나가지 않게 하였고, 입구 측에는 입구관을 U자형으로 제작하여 운전이 정지 시에는 입자들이 U관의 아랫부분 쪽으로 모이게 하여 더 이상 입자들이 전진되지 않게 하였다.
1 과 같이 3개의 수직관을 이용한 실험을 수행하였다. 열전달 실험은 길이 487mm의 스테인레스 강(SUS 304)를 사용하였다. 유체순환은 Fig.
유체순환은 자석식펌프를 사용하여 고체입자나 오염된 환경에서 작동에 문제가 없도록 하였다. 열전달 실험장치는스테인레스 강(SUS 304)으로 제작하였다.
8 V%로 일정하게 유지하였다. 입자의 벽면 충돌이 열전달에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 Fig. 1 과 같이 3개의 수직관을 이용한 실험을 수행하였다. 열전달 실험은 길이 487mm의 스테인레스 강(SUS 304)를 사용하였다.
그러나 펌프가 정지하여 유체의 순환이 정지하면 입자의 일부는 판 위의 구멍을 통하여 아래로 내려오고 일부는 판위에얹혀져 다음 작동을 기다리게 된다. 작동 유체는 오염도가 낮은 수돗물을 사용하였다. 순환 유량은 정지 밸브와 바이패스 장치에 의해 조절하였다.
2처럼 시험부의 셀 측에는 80℃ 이상의 뜨거운 수돗물이 차가운 튜브 측의 흐름과 대향류로 흘러 가열하였고, 셀 측의 뜨거운 물은 5kW 히터가 설치된 탱크로부터 공급되었다. 튜브 측 열전달 계수(#)는 Fig. 1의 실험장치에서 가운데 있는동(copper)제의 예비실험부에서 측정한 자료를 이용하였다. 예비 시험부는 woven heater를 튜브 전체에 감고 그 주위에는 유리섬유로 단열 처리하였다.

데이터처리

좌측 그림처럼배플을 설치한 경우의 순환유동층 원통 다관형 열교환기와 우측 그림처럼 배플이 없는 경우의 전형적인 원통 다관형 열교환기에 대해 입 . 출구 온도 차를 비교하기 위해 대수평균온도차를 각각 측정하여 Fig. 6과 같이 나타내었다. 순환유동층 원통다관형 열교환기의 경우가 정형적인 원통다관형열교환기에서보다 대수평균 온도차가 훨씬 작게 나타났다.

이론/모형

순환유동층 열교환기에서 상승하는 유체 속도는 가운데 관에서 하강하는 유체속도와 거의 일정하여^⑺ 연속법칙으로부터 튜브 내 유속을 다음과 같이 유도하였다.

성능/효과

1) 고체입자가 튜브벽면에 충돌하는 속도는 밀도가 클수록 높은 범위에서 발생하였다.
2) 입자의 비중이 크고 거칠수록 그리고 구에 가까울수록 열전달계수가 증가 하였다.
3) 순환유동층일 경우 대수평균온도차가 적어 열교환기 크기를 줄이는데 유익하였다.
순환유동층 열교환기 제작에 필요한 연구에서 Basu와 Nag^⑶는 피상속도, 고체입자 유량, 고체입자의 크기 등을 변화 시켜 조사한 결과. 벽면으로부터의 열전달은 부유 물의 비중에 비례하나, 고체입자 유량이 일정한 상태에서 유동속도를 증가시키면 열전달율은 감소함을 보였다. Grace^⑷는 순환유동층 밀도가 열전달에 큰 영향을 미친다고 예측하였다.
온도 측정은 자료 획득 장치와 수은 온도계로 보정한 PT105Q로 행하였고 고체입자의 체적농도는 1.8 V%로 일정하게 유지하였다. 입자의 벽면 충돌이 열전달에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 Fig.

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