본 연구에서는 LFG와 LNG의 혼합연료의 연소가스측 열전달 특성을 LFG, LNG 단독 연료와 비교함으로써 실험적으로 연구하였다. 실험을 위하여 파일럿 연소시스템을 제작하였으며, 연소시스템의 열교환부에는 수직 수평 배플을 가지는 다관형 열교환기를 설치하였다. 실험은 연료 주입 방식, 저위발열량, 메탄의 조성(44.5%, 54.5%)의 서로 다른 조건에서 수행되었다. 본 연구를 통하여 동일한 레이놀즈 수에서 LNG의 연소가스측누셀트 수는 LFG보다 큼을 알 수 있었으며, LFG의 경우에 LFG와 LNG 혼합 연료가 LFC 단독 연료보다 큼을 확인하였다. 따라서, LFG를 사용하는 경우 LFG 단독 연료를 사용하기보다는 LFG에 LNG를 적절히 첨가시켜 사용하는 것이 열전달이 향상되며, 발생 LFG의 공급 불안정성을 완화하는데 기여할 수 있다고 판단된다.
본 연구에서는 LFG와 LNG의 혼합연료의 연소가스측 열전달 특성을 LFG, LNG 단독 연료와 비교함으로써 실험적으로 연구하였다. 실험을 위하여 파일럿 연소시스템을 제작하였으며, 연소시스템의 열교환부에는 수직 수평 배플을 가지는 다관형 열교환기를 설치하였다. 실험은 연료 주입 방식, 저위발열량, 메탄의 조성(44.5%, 54.5%)의 서로 다른 조건에서 수행되었다. 본 연구를 통하여 동일한 레이놀즈 수에서 LNG의 연소가스측누셀트 수는 LFG보다 큼을 알 수 있었으며, LFG의 경우에 LFG와 LNG 혼합 연료가 LFC 단독 연료보다 큼을 확인하였다. 따라서, LFG를 사용하는 경우 LFG 단독 연료를 사용하기보다는 LFG에 LNG를 적절히 첨가시켜 사용하는 것이 열전달이 향상되며, 발생 LFG의 공급 불안정성을 완화하는데 기여할 수 있다고 판단된다.
The purpose of this study is to investigate experimentally the heat transfer characteristics of combustion gas or a mixture fuel of LFG and LNG as compared LFG, LNG A Pilot combustion system is constructed. Tube bundle type heat exchangers with vertical and horizontal baffles are used, and the exper...
The purpose of this study is to investigate experimentally the heat transfer characteristics of combustion gas or a mixture fuel of LFG and LNG as compared LFG, LNG A Pilot combustion system is constructed. Tube bundle type heat exchangers with vertical and horizontal baffles are used, and the experiment is carried out for different operating conditions, the heating value, the concentration of methane (44.5%, 54.5%). The results show that the Nusselt number of LNG is higher than that of LFG at the same Reynolds number, and in case LFG, the Nusselt number of the mixture of LFG and LNG is larger than that of LFG alone. Therefore, heat transfer is improved by using LFG that is added to LNG pertinently, if and instability of LFG supply will be relaxed.
The purpose of this study is to investigate experimentally the heat transfer characteristics of combustion gas or a mixture fuel of LFG and LNG as compared LFG, LNG A Pilot combustion system is constructed. Tube bundle type heat exchangers with vertical and horizontal baffles are used, and the experiment is carried out for different operating conditions, the heating value, the concentration of methane (44.5%, 54.5%). The results show that the Nusselt number of LNG is higher than that of LFG at the same Reynolds number, and in case LFG, the Nusselt number of the mixture of LFG and LNG is larger than that of LFG alone. Therefore, heat transfer is improved by using LFG that is added to LNG pertinently, if and instability of LFG supply will be relaxed.
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문제 정의
하지만 LFG 연소 가스 측의 조성이나 성분 변화에 따른 열전달 특성을 다룬 연구들은 미비하며, 상용화되어 있는 열교환기를 LFG 열교환 시스템에 그대로 사용하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 파일럿(Pilot) 연소시스템을 실제 제작하여 열교환기 내에서의 열전달 특성을 상용 연료인 LNG, LFG 에 LNG를 혼합한 경우에 대하여 비교. 검토 하고자 한다.
본 실험은 매립지 가스를 연료로 사용하여 지역난방에 필요한 열을 공급하기 위해 산업용 보일러 형태에 초점을 맞추어 연소시스템을 설계 . 제작하였다.
관하여 실험적으로 연구를 수행하였다. 연소기에 주입되는 주 연료의 종류에 따른 비교에서 LNG를 사용하는 경우와 LFG를 사용 지역 난방에 필요한 열을 공급하기 위한 연소시스템 구현을 위해 파일럿 플랜트 개념의 연소시스템을 제작하여 열교환부에 관하여 실험적으로 연구를 수행하였다. HE-1과 HE-2 열교환기 모두 위의 결과에서 볼 수 있듯이 유사한 경향을 보인다.
제안 방법
5%, C3HS 2%의 조성을 갖는다. Case 2, 4의경우는 김포 매립지에서 발생하는 LFG의 조성 (CH, 54.5%, CO2 37.5%, N, 7%, 02 1%)을 모사하기 위해 LNG와 CO2, N2, Q를 화학 반응식에 근거(저위발열량에 따른同여 적절히 섞어 LFG를 모사하였다. 그리고 조성 변화에 따른 LFG의 성분비는 CQ, N, , Q 양을 조절하여 연소기 축방향으로 주입되는 메탄의 양을 54.
Saffar-Awal and DamangirEe 수치해석적인 방법으로 쉘-앤年브 열교환기의 배플 사이의 최적의 간격을 구하기 위한 실험식을 제시했다.
4가지 연료 조성에 따라 구분된다. Table 1에 나타난 것과 같이 case 1, case 2, case 3, case 4로 나누어 HE-1, HE-2 열교환기 모두 저위발열량을 20000- 45000 kcal/hr 범위에서 10000 kcal/hr 씩 증가시키며 수행하였다. Casel, 3의 경우에 사용된 연료는 LNG로서 CH4 89.
튜브측 입구 온도를 가능한 정확히 조절하기 위해 슬라이닥스가 연결된 3kW 용량의 밴드 히터를 설치하였으며, 열교환기 출구측 고온의 물을 이용해 입구 측 물 온도를 높이기 위해 일부는 배수시키고 일부는 사용하도록 바이패스 밸브를 사용하여 조절하였다. 그리고 데이터 취득장치를 이용하여 모든 측정 데이터를 획득. 저장하였다.
5%, N, 7%, 02 1%)을 모사하기 위해 LNG와 CO2, N2, Q를 화학 반응식에 근거(저위발열량에 따른同여 적절히 섞어 LFG를 모사하였다. 그리고 조성 변화에 따른 LFG의 성분비는 CQ, N, , Q 양을 조절하여 연소기 축방향으로 주입되는 메탄의 양을 54.5%, 44.5%로 고정시켰다. 연소기 선회방향으로 주입되는 되는 LNG의 양과 전체 공기의 양은 각 저위발열량에 따라 case별로 동일하게 맞추었다.
반경 45 mm인 지점에 삽입하여 온도를 측정하였다. 또한 연소가스 출구에 연소가스의 농도를 측정하기 위한'농도측정 센서를 설치하였다. 튜브 입 .
출구 역시 T-type 열전대를 2개씩 180° 간격으로 설치했다. 압려을 측정하기 위하여 열교환기 중심 부분에, 압력계를 설치하였으며, 유량을 측정하기 위해 터빈유량계를 사용하였다. 튜브측 입구 온도를 가능한 정확히 조절하기 위해 슬라이닥스가 연결된 3kW 용량의 밴드 히터를 설치하였으며, 열교환기 출구측 고온의 물을 이용해 입구 측 물 온도를 높이기 위해 일부는 배수시키고 일부는 사용하도록 바이패스 밸브를 사용하여 조절하였다.
전체의 열수는 맨 아래 7 열, 그 위에 6열, 교대로 7열 4개, 6열 3개 총 46개의 정삼각 엇갈림 배열이 되도록 하였다. 양끝의 U-튜브를 제외하고 동관길이 400 nun 지점에 400X400 mm 크기의 사각 스테인리스 판으로 각 동관을 고정시키고 길이 방향에 수평하게 쉘 수력지름의 2/3 크기를 가지는 배플을 삽입하였다. 열교환기로 유입되는 연소가스 입구 측의 단면적은 133.
3에 나타난 것처럼 열교환부 즉 열교환기는 2 가지로 구분되는데 즉, 같은 크기의 사각 쉘안에 엇갈림 배열을 갖는 관군을 가지며 쉘에 삽입되는 배플의 방향에 따라 구분된다. 연소기에 주입되는 연료의 주입방식에 따라 4가지 case, LFG의 연소기 축방향의 메탄 성분(44.5%, 54.5%)에 따라 2가지 case, 총 6가지로 구분하여 실험이 수행되었다. Case 3, 4는 연소기 축방향 이외에 선회 방향으로 공기와 LNG가 주입되는데 각 case 에서 저위발열량 증가시 동일한 값을 유지시키고 축 방향에서만 연료량을 변화시켰다.
05 mm의 매끈한 동관을 사용하였으며, 길이 450 mm, U-튜브 길이 45 mm, 전체 길이 540 mm이며, 동 용접으로 제작되었다. 전체의 열수는 맨 아래 7 열, 그 위에 6열, 교대로 7열 4개, 6열 3개 총 46개의 정삼각 엇갈림 배열이 되도록 하였다. 양끝의 U-튜브를 제외하고 동관길이 400 nun 지점에 400X400 mm 크기의 사각 스테인리스 판으로 각 동관을 고정시키고 길이 방향에 수평하게 쉘 수력지름의 2/3 크기를 가지는 배플을 삽입하였다.
입 . 출구 온도차 4(TC인 상태에서 연료 종류의 변화에 따른 연소가스측 열전달계수 변화와 LFG 의 연료량 조절에 의한 연소가스의 조성 변화에 따른 연소 가스 측 열전달계수 변화에 초점을 맞추었다.
압려을 측정하기 위하여 열교환기 중심 부분에, 압력계를 설치하였으며, 유량을 측정하기 위해 터빈유량계를 사용하였다. 튜브측 입구 온도를 가능한 정확히 조절하기 위해 슬라이닥스가 연결된 3kW 용량의 밴드 히터를 설치하였으며, 열교환기 출구측 고온의 물을 이용해 입구 측 물 온도를 높이기 위해 일부는 배수시키고 일부는 사용하도록 바이패스 밸브를 사용하여 조절하였다. 그리고 데이터 취득장치를 이용하여 모든 측정 데이터를 획득.
파일럿 플랜트 개념의 연소시스템을 제작하여 열 교환 부에 관하여 실험적으로 연구를 수행하였다. 연소기에 주입되는 주 연료의 종류에 따른 비교에서 LNG를 사용하는 경우와 LFG를 사용 지역 난방에 필요한 열을 공급하기 위한 연소시스템 구현을 위해 파일럿 플랜트 개념의 연소시스템을 제작하여 열교환부에 관하여 실험적으로 연구를 수행하였다.
대상 데이터
Table 1에 나타난 것과 같이 case 1, case 2, case 3, case 4로 나누어 HE-1, HE-2 열교환기 모두 저위발열량을 20000- 45000 kcal/hr 범위에서 10000 kcal/hr 씩 증가시키며 수행하였다. Casel, 3의 경우에 사용된 연료는 LNG로서 CH4 89.8%, C2H6 7.5%, C3HS 2%의 조성을 갖는다. Case 2, 4의경우는 김포 매립지에서 발생하는 LFG의 조성 (CH, 54.
제작하였다. 본 실험의 연소 시스템은 크게 두 부분으로 나눌 수 있으며, 연소 장치부와 열교환부(다관형 열교환기)로 구성된다. Fig.
1에 나타내었다. 열교환기는 배플의 HE-1, 2 다관형 열교환기로(Fig. 3 참조) 외경 19.05 mm의 매끈한 동관을 사용하였으며, 길이 450 mm, U-튜브 길이 45 mm, 전체 길이 540 mm이며, 동 용접으로 제작되었다. 전체의 열수는 맨 아래 7 열, 그 위에 6열, 교대로 7열 4개, 6열 3개 총 46개의 정삼각 엇갈림 배열이 되도록 하였다.
온도 측정을 위해 사용되는 열전대는 쉘측 입구 온도 2개, 출구 온도 1개, 열교환기 튜브측 입 .출구 온도 각각 2개씩 , 수조 출구 온도 1개 그리고 밴드 히터 출구 온도 ] 개 총 11개가 사용하였고, 압력계와 유량계를 포함해 모두 개의 측정값을 데이터 취득장치와 프로그래밍 언어를 이용하여 부착된 각각 열전대의 데이타들을 획득, 저장 하였다.
성능/효과
그리고 동일한 연소가스측 레이놀즈 수를 기준으로 보면 case 1, 3이 case 2, 4에 비해 큰 평균 누셀트 수를 갖는다는 것을 알 수 있다. 즉, 연료주입방식에 관계없이 LNG를 연료로 사용(case 1, 3) 할 때가 LFG를 사용(case 2, 4) 할 때보다 누쎌트 수가 크다. 이는 LNG는 메탄 함유량이 98% 이상이지만 LFG는 54% 정도 이기 때문에 실험 동안의 연소가스 온도가 차이 나기 때문이다.
따라서, 동일한 유동 단면적을 가질 때 연소가스측의 레이놀즈 수는 case 2, 4의 경우가 case i, 3에 비해 크게 나타난다. 그리고 동일한 연소가스측 레이놀즈 수를 기준으로 보면 case 1, 3이 case 2, 4에 비해 큰 평균 누셀트 수를 갖는다는 것을 알 수 있다. 즉, 연료주입방식에 관계없이 LNG를 연료로 사용(case 1, 3) 할 때가 LFG를 사용(case 2, 4) 할 때보다 누쎌트 수가 크다.
따라서, LNG를 연료로 사용하는 경우보다는 열전달 계수는 작게 나타나지만 LFG를 사용하는 경우 LFG 단독 연료를 사용하기보다는 LFG에 LNG를 적절히 혼합하여 사용하는 것이 열전달이 향상 되며, 발생 LFG의 공급 불안정성을 완화하는데 기여할 수 있다고 판단된다.
하지만 총괄열전달계수 측면에서 HE-1 이 32-49, HE-2가 29~48로써 총괄열전달계수는 유사하게 나타났다. 전체 평균적으로 볼 때 HE-1 의 경우가 HE-2보다 총괄 열전달 계수는 약 1.05배 크게 나타났다. 연소가스 측 평균 누셀트 수를 계산시 Dc 값이 HE-2가 HE-1 보다 1.
참고문헌 (7)
Martin, S. 'Landfill gas extraction technology: study, simulation and manually controlled extraction', Bioresource Technology, 1997, 62, 47-5
Jung, T.J. A study on the Combustion Characteristics of the LFG Mixing Gas, MS thesis, Inha University, Incheon, Korea, 1999
Saffar-Avval, M.; Damangir, E. 'A general correlation for determining optimum baffle spacing for all types of shell and tube exchanger', Int. J. Heat Mass Transfer, 1994, 38(13), 2501-2506
Li, H.; Kottke, V. 'Effect of baffle spacing on pressure drop and local heat transfer in shell-andtube heat exchanger for staggered tube arrangement', Int. J. Heat Mass Transfer, 1997, 41(10), 1303-1311
Incropera, F.P.; Dewitt, D.P. Fundamentals of Heat and Mass transfer, 4th ed., John Wiley-Sons, New York, 1996
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