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문제 정의
- (1)그러나 고효율 전열소자인 히트 파이프를 이용한 열교환기는 고성능화로 소형화가 가능하여 설치면적을 줄일 수가 있고, 열교환기의 국부적인 부식이 발생되어도 사용이 가능하므로 내구성을 증대시킬 수 있는 장점이 있어 고성능의 폐열회수장치로써 매우 기대가 되는 장치 이다.(2·4) 본 연구에서는 산업공정에서 발생하는 300~600°C 정도의 배가스 열회수시스템의 기반 기술을 확보하기 위하여 여기에 활용할 수 있는 히트파이프를 이용한 열교환기를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
- 본 연구에서는 이상과 같은 실험결과를 정리하여, 실제 폐열회수장치 설계 및 성능예측에 활용 할 수 있도록 배가스측 및 공기측 열전달계수 상 관식을 제시하고자 한다. 상관식의 형태는 일반적으로 널리 사용되는 형태로서, 증발부 및 응축부의 j-factor가 각각의 상당 Reynolds 수의 함수로 표시되는 것으로 하였다.
제안 방법
- /min의 송풍기를 설치하여 공기를 흡출하였다. 그리고 가열부인 증발부의 배가스 입구온도가 300〜600°C를 유지할 수 있도록 연소시 노 내부로 연료를 분사하는 노즐의 규격을 변화시켜 89〜 172kW(연료소 비량 7.5~14.7kg/h)의 열량을 발생시킬 수 있도록 하였다.
- 배가스 온도가 300〜600°C의 범위에서 작동하도록 스테인레스 파이프(SUS 316)를 사용하여 히트파이프를 제작하였다. 파이프는 내경 23.
- 열교환기로의 급배기를 위한 덕트는 216mmØ의 원통으로 구성하였으며, 양측에 DC 모터로서 풍량을 조절할 수 있는 풍압 120mmH2O, 최대 회전수 2400rpm, 최대 풍량 50m3/min의 송풍기를 설치하여 공기를 흡출하였다. 그리고 가열부인 증발부의 배가스 입구온도가 300〜600°C를 유지할 수 있도록 연소시 노 내부로 연료를 분사하는 노즐의 규격을 변화시켜 89〜 172kW(연료소 비량 7.
- 열교환기의 증발부 및 응축부에 공기의 유동분포가 균일토록 하기 위해 증발부 및 응축부 입구에 정류격자를 설치하였다. 덕트 내에 흐르는 공기유속을 측정하기 위하여 응축부에서는 정류격자와 열교환기 입구 사이에 피토우관을 설치하였고, 증발부에서는 증발부 출구에 또 하나의 정류격자를 설치하여 정류격자 뒤에 피토우관을 설치 하였다.
- 히트파이프식 열교환기 입· 출구의 압력강하를 측정하기 위하여 응축부 및 증발부에 차압계를 설치하였으며, 유량계를 증발부 및 응축부의 출구에 설치하여 각 부분을 지나는 배가스 및 공기의 유량을 측정하였다. 온도측정은 열교환기의 증발부 및 응축부의 입 · 출구와 각 열의 중앙에 설치된 히트파이프의 표면 등에 0.5mmØ의 열전대 (K typeX 설치하였으며 Hybrid Recorder로서 측정하였다.
- 이상과 같이 구한 상수 C1, C2 및 C3는 0.18486, -0.3721 및 0.15642였으며, 이들을 각각 이용하여 히트파이프 폐열회수 장치의 성능예측 프로 그램을 제작하였다. 프로그램의 입력변수는 증발 부 및 응축부 입구온도, 전면풍속, 길이, 그리고 열교환기의 단수 등이다.
- 그리고 히트파이프의 길이는 휜이 부착된 유효길이가 600 mm이고, 증발부와 응축부의 길이는 각각 300mm, 증발부와 응축부 사이의 단열부 길이는 40mm로 하였다. 작동유체 다우섬(Dowtherm) A의 주입량은 기초실험에서 도출된 최적 충전량인 증발부 체적의 30%를 적용하였다. 히트파이프 단일본의 사양을 Table 1에 나타내었다.
- 5Nm/s로 각각 변화시킨 후 정상 상태에 도달하면 입 . 출구온도와 유속 및 압력강하를 측정하여 히트파이프식 열교환기의 설계자료의 기본이 되는 총괄 열전달계수, 온도효율 및 압력강하를 구하였다. 이상의 실험조건을 Table 2 에 정리하였다.
- 15642였으며, 이들을 각각 이용하여 히트파이프 폐열회수 장치의 성능예측 프로 그램을 제작하였다. 프로그램의 입력변수는 증발 부 및 응축부 입구온도, 전면풍속, 길이, 그리고 열교환기의 단수 등이다. 프로그램은 미국 F- Chart Software사의 EES Ver.
- 히트파이프식 열교환기 입· 출구의 압력강하를 측정하기 위하여 응축부 및 증발부에 차압계를 설치하였으며, 유량계를 증발부 및 응축부의 출구에 설치하여 각 부분을 지나는 배가스 및 공기의 유량을 측정하였다. 온도측정은 열교환기의 증발부 및 응축부의 입 · 출구와 각 열의 중앙에 설치된 히트파이프의 표면 등에 0.
- 히트파이프식 열교환기의 성능실험은 버너 내부의 연료분사 노즐의 크기를 변화시켜 연소되는 연료의 양을 변화시켜 노에서 생산되는 발열량을 조절하였으며, 증발부 전면유속의 변화로 인하여 증발부 입구온도가 실험조건을 초과하는 경우 By pass 덕트를 이용하여 온도조건을 만족시킬 수 있도록 하였다. 그리고 증발부의 온도조건이 만족되는 상태에서 증발부 및 응축부의 전면유속을 각각 1.
대상 데이터
- 0mm, 간격 5mm로 단위 히트파이프 요소당 모두 100개의 휜을 부착하였다. 그리고 히트파이프의 길이는 휜이 부착된 유효길이가 600 mm이고, 증발부와 응축부의 길이는 각각 300mm, 증발부와 응축부 사이의 단열부 길이는 40mm로 하였다. 작동유체 다우섬(Dowtherm) A의 주입량은 기초실험에서 도출된 최적 충전량인 증발부 체적의 30%를 적용하였다.
- 이상의 단일본으로 길이 727mm, 높이 390mm, 넓이 480 mm, 단수 9, 열수 5인 히트파이프식 열교환기를 제작하였으며 제작도를 Fig. 1에 나타내 었다.
- 배가스 온도가 300〜600°C의 범위에서 작동하도록 스테인레스 파이프(SUS 316)를 사용하여 히트파이프를 제작하였다. 파이프는 내경 23.0mm, 외경 27.2 mm이며, 외부에는 휜이 두께 1.0 mm, 높이 9.0mm, 간격 5mm로 단위 히트파이프 요소당 모두 100개의 휜을 부착하였다. 그리고 히트파이프의 길이는 휜이 부착된 유효길이가 600 mm이고, 증발부와 응축부의 길이는 각각 300mm, 증발부와 응축부 사이의 단열부 길이는 40mm로 하였다.
데이터처리
- 여기서 #는 핀의 효율을 나타내며, 핀의 기하학적인 형상과 외부 열전달계수로부터 구할 수 있다. 즉, 식(8) 과 식(9)를 연립하여 풀면 전술한 바와 같이 식(10)으로 표현되는 증발부의 j-factor가 얻어지며, 상수 C1과 C2는 여러 실험데이터를 사용한 비선 형 회귀분석을 통하여 구하였다.
- 프로그램의 입력변수는 증발 부 및 응축부 입구온도, 전면풍속, 길이, 그리고 열교환기의 단수 등이다. 프로그램은 미국 F- Chart Software사의 EES Ver. 6.646을 사용하여 작성하였고, Fig. 11에 프로그램의 흐름도를 나타 내었다. 시뮬레이션 프로그램의 실행결과로서 전 열량, 증발부 배가스의 출구온도 및 응축부 공기의 출구온도, 각 부의 내외 열전달계수, 그리고 핀효율 등을 얻을 수 있다.
성능/효과
- 결과를 통하여 알 수 있는 것과 같이 총괄 열 전달계수는 배가스 온도에는 거의 영향을 받지 않고, 전면 유속의 변화에 영향을 받으며, 전면 유속을 1.5Nm/s에서 33.3% 증가시켰을 경우 약 1.5 W/m2°C 증가하여 18.1% 증가를 나타냈으며, 2.0 Nm/s에서 25.0% 증가시켰을 경우 약 0.9W/m"c 증가하여 9.2% 증가를 나타내었다.
- (1) 배가스 온도가 높을수록 열교환량은 증가하였고, 응축부의 유속이 증가할수록 열교환량 또한 증가하였다.
- (2) 증발부 및 응축부의 유속이 증가함에 따라 총괄 열전달계수도 증가함을 알 수 있었고, 그 증가율은 대략 3〜7% 범위이었다.
- (3) 본 실험조건에서의 증발부의 온도효율은 30 %, 응축부의 온도효율은 40% 정도이다, 온도효율을 높게 유지하기 위해서는 공기입구온도를 높여 주는 것이 바람직하다.
- (4) 히트파이프를 이용한 열교환기의 열회수율은 약 38%이었다.
- (6) 시뮬레이션과의 비교에서 실험결과와 잘 일치하였다.
- 5Nm/s로 변화시켰을 경우 열교환은 대략 22~35kW 정도로 나타났다. 배가스의 온도가 높을수록 열교환량은 증가하였고 증발부 유속이 증가할수록 열교환량은 감소하였으며, 증발부 유속이 일정한 경우에는 응축부 유속이 증가할수록 열교환량은 증가하는 현상을 알 수 있었다. 전체결과를 통하여 배가스의 온도가 높을수록 열교환량은 증가하였고, 응축부의 전면유속이 증가할수록 열교환량은 증가하였음을 알 수 있었다.
- 이것은 운전조건에 따라 많 은 영향을 받으며 온도효율을 높게 유지하기 위해 서는 응축부 흡입 공기입구온도를 높여 주는 것이 바람직하다. 본 실험조건에서는 증발부 온도효율은 30% 정도이고 응축부 온도효율은 40% 정도이다.
- 11에 프로그램의 흐름도를 나타 내었다. 시뮬레이션 프로그램의 실행결과로서 전 열량, 증발부 배가스의 출구온도 및 응축부 공기의 출구온도, 각 부의 내외 열전달계수, 그리고 핀효율 등을 얻을 수 있다.
- 5Nm/s로 동일하게 설정하여 변화시켰 을 경우의 배가스 온도에 따른 열교환량의 변화를 나타낸 것이다. 전면 유속이 증가할수록 열교환량 또한 증가하였으며, 전면 유속이 L5Nm/s 에서 2QNm/s로 33.3% 증가시켰을 때 열교환량의 증가는 약 20.6%이고, 응축부의 전면 유속이 2.0 Nm/s에서 2.5 Nm/s로 25.0% 증가하였을 때 열교환량의 증가는 약 12.5%를 나타내었다.
- 배가스의 온도가 높을수록 열교환량은 증가하였고 증발부 유속이 증가할수록 열교환량은 감소하였으며, 증발부 유속이 일정한 경우에는 응축부 유속이 증가할수록 열교환량은 증가하는 현상을 알 수 있었다. 전체결과를 통하여 배가스의 온도가 높을수록 열교환량은 증가하였고, 응축부의 전면유속이 증가할수록 열교환량은 증가하였음을 알 수 있었다.
- 0 Nm/s로 일정하게 유지시키고, 증발부 유입 유속을 변화시켰을 경우 총괄 열전달계수를 나타낸 것이다. 증발부, 응축부측 유속이 증가함에 따라 총괄 열전달계수는 증가함을 알 수 있었고, 그 증가율은 대략 3〜7% 범위이었다.
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