[논문]표면에 부착되는 스케일의 조도가 열교환기 성능에 미치는 영향에 관한 연구

김민수; 최낙정

doi:10.5916/jkosme.2010.34.2.235

표면에 부착되는 스케일의 조도가 열교환기 성능에 미치는 영향에 관한 연구
A Study on the Effect of Scale Roughness attached Surface of Heat Exchangers 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.2, 2010년, pp.235 - 242

김민수 (전북대학교 기계설계공학부) , 최낙정 (전북대학교 기계설계공학부)

초록
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본 연구는 열교환기의 가열된 표면위에 부착된 지열수 스케일의 조도 영향을 검증하기 위한 강제 대류 열전달에 관한 실험적 연구이다. 실험은 원형 원관 위에 5종류의 실리카 스케일 입자를 균일하게 부착하여 행하였다. Reynolds수는 13,000에서 50,000의 범위에서 행하였다. 국소와 평균 열전달 특성은 스케일 입자 크기와 레이놀즈수의 함수로서 측정하였으며 평균오염저항을 이들의 결과로부터 평가하고 그들의 특성들을 분석 하였다. 원관의 열전달 특성은 지열수 스케일의 오염에 의해, 특히 입자 크기에 의해 크게 변화하였다. 또한 국소와 평균 Nusselt수는 원관 간격과 Reynolds 수에 의해 크게 의존 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental investigation has been conducted to clarify roughness effects of geothermal water scale deposited onto a heating surface upon its forced convection heat transfer characteristics. Examined was a circular cylinder, on which particles of silica scale having five different sizes are uniformly distributed. The Reynolds number was varied from 13000 through 50000. Local and mean heat transfer characteristics were measured as functions of particle size and Reynolds number. Subsequently the mean fouling resistance was estimated from those results, and its characteristics are clarified. It was found that the heat transfer of cylinders greatly varies with the fouling of geothermal water scale, especially its scale height. Further, the local and average Nusselt numbers strongly depend upon the cylinder spacing and the Reynolds number.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이상과 같은 배경을 바탕으로 지열발전소의 열교환기용으로 주로 이용되고 있는 평활관의 관군 표면에 부착되는 스케일 입자의 크기에 따른 유동 특성 및 유체의 유동 속도에 따라 변화되는 강제대류 열전달 실험을 행하여 원관 간격의 최적화를 도모하고 열전달 성능 저하를 예측함으로써 파울링 효과에 따른 영향을 규명하여 에너지 절약 및 열교환기 설계시의 기초 자료로 활용될 수 있도록 하고자 하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 컴팩트화되어가는 열교환기의 추세에 맞추어 좁은 원관 간격인 L/d=1.5에 주안점을 두고 1,2원관 위주로 분석하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 원관표면에 부착된 스케일층이 비교적 얇은 것부터, 열유속, 주류온도, 주류속도가 일정하다는 가정하에서 평균오염계수 R_f는 다음 식으로부터 구하였다.
전열면 온도는 원관표면의 열전대의 신호를 디지털 멀티메타(IWATSU-VOAC7413)에 의해 구하고, 열유속은 원관 양단 전극의 전압과 전류에 의해 산출하였으며. 열유속이 일정한 것으로 가정하고 물성치는 주류온도에 대한 값을 사용하였다. 원관으로부터의 열전도와 복사에 의한 열손실의 영향은 무시 하였으며 열전대는 스텐레스박판의 뒤쪽 표면에 매입되어 있기 때문에 디지털 멀티메터로부터 얻어진 온도는 엄밀하게는 스케일 표면 온도라고 말 할 수는 없으나 스케일 표면온도를 정확하게 측정하는 것은 대단히 어려운 일이므로 이하의 보정 방법에 의해서 열전달률을 구했다.

제안 방법

본 실험에서는 스텐레스 박판위에 양면접착 테이프를 이용하여 그 위에 스케일을 부착하였기 때문에 실리카, 탄산칼슘 등의 무기물 등이 부착된 스케일 원관의 온도 측정값은 양면접착 테이프의 열 저항을 포함하고 있다고 말할 수 있다. 그리고 청정원관과 스케일부착 원관의 측정은 동시에 행할 수 없기 때문에 테이프의 영향을 소거하기 위한 보정은 동일 원관 간격 및 레이놀즈 수에서 청정 원관과 테이프 부착 원관의 열전달률을 비교하여 테이프 부착에 의한 열전달율의 감소분을 동일한 레이놀즈수의 스케일 부착시의 열전달률에 가산하였다. 이상의 보정 방법에 의해 얻어진 스케일 부착시의 평균열전달율은 0.
레이놀즈 수의 변화에 따라 열유속의 범위는 1.5∼11(kW/m2)로 변화하였고 열전달 실험은 측정 원관만을 가열하여 원관 표면의 온도분포가 정상상태가 되었을때 측정하였다.
본 연구에서는 직렬 원관을 대상으로 원관표면에 5종류의 조도를 가진 스케일을 부착하여 스케일의 조도, 원관간격, 유속을 변화시켜 강제대류 열전달의 실험을 행하였으며 얻어진 결과는 다음과 같다.
또 원관 내부에는 열손실을 최소화하기 위하여 원관 중공부에 발포 우레탄을 충진 하였다. 열교환기 표면에 부착되는 스케일의 조도는 실제 열교환기에서는 측정이 어렵기 때문에 같은 효과를 낼 수 있도록 일본 大沼지열발전소의 열교환기에서 채취된 스케일 입자를 5종류의 메슈를 임의로 설정하여 분류한 다음 스텐레스 박판 위에 양면접착 테이프를 부착하고 그위에 스케일을 균일하게 살포하여 제작하였다. 본 연구에 사용된 스케일의 입자 크기는 작은 순서대로 M150, M48, M35, M28, M20이며 각 입자 크기에 대한 분류 오차는 없을 것으로 생각되고 이때의 평균스케일의 조도 k의 실측치는 각각 0.
열유속이 일정한 것으로 가정하고 물성치는 주류온도에 대한 값을 사용하였다. 원관으로부터의 열전도와 복사에 의한 열손실의 영향은 무시 하였으며 열전대는 스텐레스박판의 뒤쪽 표면에 매입되어 있기 때문에 디지털 멀티메터로부터 얻어진 온도는 엄밀하게는 스케일 표면 온도라고 말 할 수는 없으나 스케일 표면온도를 정확하게 측정하는 것은 대단히 어려운 일이므로 이하의 보정 방법에 의해서 열전달률을 구했다.
전열면 온도는 원관표면의 열전대의 신호를 디지털 멀티메타(IWATSU-VOAC7413)에 의해 구하고, 열유속은 원관 양단 전극의 전압과 전류에 의해 산출하였으며. 열유속이 일정한 것으로 가정하고 물성치는 주류온도에 대한 값을 사용하였다.
주류속도 (U∞)는 제1원관보다 150mm 상류측에서 마노메타에 의해 측정하였으며 전열면의 가열은 원관 표면의 최대국소 온도가 45℃을 넘지 않도록 스라이닥스에 의해 제어하였다.

대상 데이터

열교환기 표면에 부착되는 스케일의 조도는 실제 열교환기에서는 측정이 어렵기 때문에 같은 효과를 낼 수 있도록 일본 大沼지열발전소의 열교환기에서 채취된 스케일 입자를 5종류의 메슈를 임의로 설정하여 분류한 다음 스텐레스 박판 위에 양면접착 테이프를 부착하고 그위에 스케일을 균일하게 살포하여 제작하였다. 본 연구에 사용된 스케일의 입자 크기는 작은 순서대로 M150, M48, M35, M28, M20이며 각 입자 크기에 대한 분류 오차는 없을 것으로 생각되고 이때의 평균스케일의 조도 k의 실측치는 각각 0.085, 0.257, 0.460, 0.756, 1.077mm이다.
실험장치에 사용된 풍동은 저속 개방형 취출 형식으로 측정부의 높이는 400mm, 폭 150mm, 길이 1200mm의 장방형이다. 측정에 사용된 원관은 직경 34mm, 두께 3mm, 길이 150mm의 염화비닐제 원관이며 Figure 1에 실험에 사용된 원관의 좌표를 보이고 있다.
원관 주위에는 37개의 동-콘스탄탄 열전대를 원관 중앙부의 표면을 따라 10°간격으로 나선상으로 매입하였다.
실험장치에 사용된 풍동은 저속 개방형 취출 형식으로 측정부의 높이는 400mm, 폭 150mm, 길이 1200mm의 장방형이다. 측정에 사용된 원관은 직경 34mm, 두께 3mm, 길이 150mm의 염화비닐제 원관이며 Figure 1에 실험에 사용된 원관의 좌표를 보이고 있다.

성능/효과

(1) 스케일 부착 원관의 국소 열전달 특성은 청정원관의 경우와 상당히 차이가 난다.
(2) 평균열전달율은 제1원관에서 Re=50000의 경우에 L/d=1.5에서부터 원관간격의 증가와 함께 어느 k/d에서도 Nu_m은 감소하고 L/d=3.5에서 최소치가 된 후 다시 증가된다. k/d=0.
(3) 평균 오염계수는 Re수에 강하게 의존된다. Re수가 큰 쪽이 일반적으로 낮으며, Re=13000의 경우 k/d=0.
이상의 보정 방법에 의해 얻어진 스케일 부착시의 평균열전달율은 0.5∼3%증가 되었으며 일반적으로 레이놀즈수가 높고 L/d가 작을 경우 보정량은 크게 되는 경향이 있었다.

후속연구

위의 결과들을 Kostic[7], Hiwada[8], Aiba[9]등의 단독 청정원관의 실험값과 비교하여 약 5% 이내의 오차 범위에 있고 변화 경향에 있어서 큰 차이가 없다. 따라서 본 실험에 사용된 실험 원관 및 측정의 정밀도는 신뢰할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 에너지 이용의 장단점은?	최근 부족되어 가는 천연자원과 지구온난화에 의한 환경 오염의 확대를 방지하기 위하여 태양열, 풍력, 조력 또는 지열등의 신재생에너지를 유효하게 이용하는 것이 중요한 과제의 하나가 되었다. 그중 지열 에너지의 이용은 친환경적인 청정 클린에너지로서 지중열교환기설치로 지구온난화 현상 억제에 효과가 있으며 세계기후협약에도 대응할 수있는 천연 에너지로서 초기 투자 비용이 많이 든다는 단점은 있으나 자연 에너지중 에서도 많은 양이 있고 풍력, 수력 등 천연에너지와 달리 공급의 양이 일정하다는 강점이 있으며, 더욱이 높은 고밀도의 에너지이므로 지열발전이나 냉난방 등의 다목적 용도에 지열에너지의 활성화를 위한 실증연구개발 사업이 적극적으로 시도 되고 있다. 그러나 지열수중에 함유되어 있는 실리카, 탄산칼슘 등의 이온화 무기물등은 열교환기에서 압력과 온도의 강하와 함께 전열면 표면에 다양한 형태의 입자크기로 부착되어 fouling 현상에 의한 열효율 성능저하 및 오염이 발생하게 된다.[1-2]
	운전중 부착되는 지열스케일의 대처법은 무엇인가?	지열스케일의 부착을 피하는 것은 대단히 곤란한 점이 많기 때문에 일반적으로 전열면적을 확대하는 방법이 주로 사용되고 있으며 운전중 부착되는 스케일의 대응책으로서, 스폰지볼법, 자기법, 열충격법, 열교환기용 재료의 표면처리법 등 여러 가지 대책이 이용되고 있다. 또한, 스케일 부착에 의한 관내폐쇄를 방지하기 위하여 비교적 스케일제거가 쉬운 열교환기의 관외로 지열수를 흐르게 하는 방법도 시도되고 있다.
	원관 후류 유동과 열전달 현상에 대한 연구로는 어떤 것들이 있는가?	열교환기는 대부분 관군(tube banks)을 형성하고 있고, 유체가 관군에 직교하게 흐름으로서 원관 후류 유동과 열전달 현상의 이해는 열교환기의 설계 및 응용에 매우 중요하다. 이와 관련된 연구로서는 ISHITANI 등[4]의 원주군에 작용하는 유체역학적 관점으로부터 복수의 원관이 병렬 및 3열 배열된 경우의 압력손실을 측정하고, 원관 간격비가 작아짐에 따라 압력손실은 증가하며, 항력계수는 증가한다고 보고하고 있으며 IGARASHI[5]는 일열관군인 경우 아임계 레이놀즈수 범위에서 유동 특성을 고찰하고 직렬 2,3,4원관의 유동 특성에 대해서, 열전달 및 유동 방향 간격의 최적 피치에 관한 연구를 하였다. NAKAI등[6]은 대단히 조밀한 원관군내의 유동의 압력변동과 속도변동을 고찰하여 보고하였다.

참고문헌 (9)

Bott.T.R, Fouling of Heat Exchangers, Elsevier, 1995.
Melo.L.F. Bott.T.R and Bernardo.C.A, Fouling Science and Technology, Kluwer Academic Publisher, 1988.
Ralph L. Webb, Principles of Enhanced Heat Transfer, A Wiley-Interscience Publication, 1993.
石谷, 西川, "圓管群に直交する管外流れの構造に關する硏究", 機論, 40-337, pp. 2599-2608, 1975.
Tamotsu IGARASHI, "Characteristics of the Flow around Four Circular Cylinders", JSME B, vol.51, no.467, pp. 2061-2067,1986.
Tetsushi NAKAI, Kyozo AYUKAWA and Tsutomu INOUE, "Cross flow through in closely arranged circular cylinders", JSME B, vol.62, no.593, pp.65-71, 1996.

상세보기
Z.G.Kostic and S.N.Oka, "Fluid flow and heat transfer with two cylinders in cross flow", Int. J.Mass Trans. vol. 15, pp. 279-299, 1972.

상세보기
Munehiko HIWADA, Ikuo MABUCHI and Hideaki YANAGIHARA, "Fluid flow and heat transfer of two circular cylinder with same diameter", JSME B, vol.48, no.427, pp. 499-508, 1983.
Shinya AIBA, Hajime TSUCHIDA and Terukazu OTA, "Heat transfer around a tube in a bank", JSME, vol.23, no.181, pp. 1163-1170, 1980.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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