[논문]열교환장치의 냉각수 계통에서 세라믹 볼의 파울링 저감효과

서상호; 성순경

doi:10.3795/ksme-b.2007.31.4.330

열교환장치의 냉각수 계통에서 세라믹 볼의 파울링 저감효과
Effect of Fouling Mitigation for Ceramic Ball in Cooling Water System of Heat Exchanger 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.31 no.4 = no.259, 2007년, pp.330 - 334

서상호 (경원대학교 건축설비학과) , 성순경 (숭실대학교 기계공학과)

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The objective of this study was to investigate the effecs of fouling mitigation for ceramic ball in cooling water system experimentally. The devices filled with ceramic balls were connected to the bypass line of the heat exchanging system. Cooling water in the heat exchanging system was artificial water. To visualize the formation of fouling on the heat transfer surface a number of images were obtained using a CCD camera with real-time microscopy. Fouling resistances and overall heat transfer coefficients were measured in order to analyze fouling mitigation effects. We found that the ceramic ball devices for artificial water reduced the formation of fouling compared to the no-mitigation devices.

주제어

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문제 정의

본 연구에서 적용한 방법은 물리적 수처리 방법(physical water treatment)의 한가지로 세라믹 볼을 이용하여, 시스템 운전을 중단하지 않고 열교환기 순환배관에 설치하는 방법으로, 실험실용 소형 열교환 시스템에서 파울링 저감효과를 분석하고 세라믹 볼이 파울링 저감에 이용 가능한지 평가하고자 하였다.

제안 방법

그리고 냉수와 온수의 유로 입구와 출구의 온도를 측정하기 위하여 T형 열전대를 4개 설치하여 A/D 변환기를 거쳐 PC에서 실시간으로 자료를 처리토록 하였다.
4의 오른쪽 위는 소형이고, 아래는 대형 케이싱을 보여준다. 냉각수가 세라믹 볼과 접촉하도록 하기 위한 접촉 처리 과정은 Fig. 2와 같이 저수조 외부에 순환 배관을 설치하여 세라믹 볼이 든 장치를 인공수가 통과하도록 하였다. 세라믹 볼 장치는 수직으로 설치하였으며 냉각수는 아래에서 위로 흐르도록 하여 세라믹 볼이 유속에 의하여 부유되면서 교란되도록 하였다.
또한, 파울링의 진행사항을 실시간으로 관찰하고 가시화하기 위하여 측정 창에는 광학현미경 (x40)과 CCD 카메라를 장착하였다.
선행 연구자들은 실험 시간을 단축하기 위하여 화학약품을 첨가하여 인공수 (artificial water)로 실험을 하기도 하였다. 본연구는 파울링 특성을 파악하고 물리적 방법을 이용한 파울링 저감효과에 초점을 맞추었고 이에 따라 실험시간을 단축하기 위하여 냉각수로 인공 수를 사용하였다. 인공 수는 탄산칼슘을 형성하는질 량비 율로 시 수당 염화칼슘 0.
실험용수에 대한 총경도, 칼슘경도, 알칼리성, 클로라이드를 적정 EDTA(Ethylenediamine tetraacetic acid) 방법을 이용하여 분석하였고, 전기전도도, pH는 전용 계측기를 이용하여 측정하였다. 실험 용수의 분석 결과는 Table 1과 같다.
앞의 실험을 통하여 대형 장치의 경우가 파울링 저감효과가 있으므로 대형 세라믹 볼 장치에 대하여 장치 내 유속 변화에 따른 저감효과를 비교하여 보았다. 그 결과는 Fig.
열교환 시스템에서 세라믹 볼을 이용하여 파울링의 저감 특성을 실험하기 위하여 Fig. 2와 같은 계통을 가지고, 냉각탑, 전기가열 장치, 온수 순환 펌프, 냉수순환펌프, 전기전도도겨】, 열교환기, 수조, 유량계와 밸브, 세라믹 볼 저감장치와 바이 패스 순환 펌프 등으로 구성하였으며, 장치의 주요 제원은 Table 2와 같다.
우선 두 가지 서로 다른 크기의 세라믹 볼 장치를 이용하는 경우에 대하여 파울링 저감효과를 비교하였다. 그 결과는 Fig.
세라믹 볼 장치는 수직으로 설치하였으며 냉각수는 아래에서 위로 흐르도록 하여 세라믹 볼이 유속에 의하여 부유되면서 교란되도록 하였다. 이때 세라믹 볼을 통과하는 물의 속도를 변화시켜 파울링 발생의 변화상태를 관찰하였고, 소형과 대형의 두 가지 경우에 대하여 파울링 저감효과를 비교하는 실험도 수행하였다.
파울링 생성실험을 위한 설정 파라미터의 하나인 온도값은 냉수 쪽을 30℃ 로 설정하였으며, 30£0.5 ℃ 범위 내를 유지하기 위하여 온도가 상승하면 냉각팬이 가동되게 하여 실험의 신뢰성을향상시켰다. 한편, 고온수쪽의 온도는 전기가열기를 이용하여 95±0.

성능/효과

(1) 실험실용 열교환 장치에서 냉각수로 인공 수를 이용하고, 세라믹 볼을 파울링 저감장치로 이용한 결과 장치의 크기와 통과 유속에 따라 파울링 저감효과가 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다.
(2) 세라믹 볼을 이용한 파울링 저감장치에서 볼의 양이 적은 소형장치의 경우에는 파울링 저감효과가 없으며, 대형장치의 경우에는 파울링저감효과가 있는 것으로 나타났다.
(3) 세라믹 볼을 이용한 파울링 저감장치에서 장치의 통과유속이 높은 1.5 m/s인 경우보다는 L0m/s와 0.5 m/s에서 파울링 저감효과가 높은 것을 확인하였다.
5 m/s일 때는 43%로 나타나, 통과 유속이 느린 L0 m/s일 때의 파울링 계수가 15% 정도 낮으므로파울링 저감효과가 더 높은 것으로 나타났다. 그러므로 세라믹 볼의 양이 너무 적고 접촉 시간이 짧은 경우에는 파울링 저감효과가 거의 없으며, 통과유속이 빠르면 저감효과가 높지 않은 것을 알 수 있었다.
5와 6에서와 같이 저감장치가 없는 경우보다 파울링 저항값이 낮아지지 않아 저감효과가 없는 것으로 나타났다. 대형장치일 때 파울링 계수는 파울링 저감장치가 없을 때의 파울링 계수 값에 대하여 통과 유속이 1.0n”s일 때는 28 %이고, 통과유속 1.5 m/s일 때는 43%로 나타나, 통과 유속이 느린 L0 m/s일 때의 파울링 계수가 15% 정도 낮으므로파울링 저감효과가 더 높은 것으로 나타났다. 그러므로 세라믹 볼의 양이 너무 적고 접촉 시간이 짧은 경우에는 파울링 저감효과가 거의 없으며, 통과유속이 빠르면 저감효과가 높지 않은 것을 알 수 있었다.
실험 결과 소형 장치의 경우는 Fig. 5와 6에서와 같이 저감장치가 없는 경우보다 파울링 저항값이 낮아지지 않아 저감효과가 없는 것으로 나타났다. 대형장치일 때 파울링 계수는 파울링 저감장치가 없을 때의 파울링 계수 값에 대하여 통과 유속이 1.

후속연구

(4) 추후에 세라믹 볼의 양과 접촉 시간 변화 등에 따른 파울링 효과에 대하여 연구하고자 한다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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