열교환기는 용도에 따라 여러가지 형태가 존재하지만 중요한 것은 열교환기의 성능을 향상시킴으로서 열교환기의 크기를 소형화하는 것이라 할 수 있다. 그러나 보일러처럼 열교환기가 버너 앞에 위치할 경우 열교환기의 효율도 중요하지만 환경오염물질의 배출특성도 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 비예혼합화염보다 화염길이가 짧고 당량비 조절을 통해 $NO_x$ 및 CO 배출을 제어할 수 있는 예혼합방식의 버너 앞에 원형관 열교환기를 설치한 후 열교환기 관사이의 거리 및 당량비를 변화시킬 때 $NO_x$와 CO의 배출특성과 열교환기의 열효율을 실험적으로 구하였다.
열교환기는 용도에 따라 여러가지 형태가 존재하지만 중요한 것은 열교환기의 성능을 향상시킴으로서 열교환기의 크기를 소형화하는 것이라 할 수 있다. 그러나 보일러처럼 열교환기가 버너 앞에 위치할 경우 열교환기의 효율도 중요하지만 환경오염물질의 배출특성도 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 비예혼합화염보다 화염길이가 짧고 당량비 조절을 통해 $NO_x$ 및 CO 배출을 제어할 수 있는 예혼합방식의 버너 앞에 원형관 열교환기를 설치한 후 열교환기 관사이의 거리 및 당량비를 변화시킬 때 $NO_x$와 CO의 배출특성과 열교환기의 열효율을 실험적으로 구하였다.
There are various types of heat exchanger by its purpose and usage, but the important thing is making smaller size of heat exchanger with increasing of the performance of heat exchanger. However, when a burner exists in front of a heat exchanger like boiler, the thermal efficiency of heat exchanger ...
There are various types of heat exchanger by its purpose and usage, but the important thing is making smaller size of heat exchanger with increasing of the performance of heat exchanger. However, when a burner exists in front of a heat exchanger like boiler, the thermal efficiency of heat exchanger is not only important, but the characteristics of pollutant emission should be considered. Therefore, in this study, a circular tube type of heat exchanger in front of premixed burne, which has a shorter of flame length than that of non-premixed burner and can control $NO_x$ and CO emission by adjustment of equivalence ratio, was installed. Consequently, characteristics of $NO_x$ and CO emission and thermal efficiency of heat exchanger were studied with changing distances between tubes and equivalence ratio, experimentally.
There are various types of heat exchanger by its purpose and usage, but the important thing is making smaller size of heat exchanger with increasing of the performance of heat exchanger. However, when a burner exists in front of a heat exchanger like boiler, the thermal efficiency of heat exchanger is not only important, but the characteristics of pollutant emission should be considered. Therefore, in this study, a circular tube type of heat exchanger in front of premixed burne, which has a shorter of flame length than that of non-premixed burner and can control $NO_x$ and CO emission by adjustment of equivalence ratio, was installed. Consequently, characteristics of $NO_x$ and CO emission and thermal efficiency of heat exchanger were studied with changing distances between tubes and equivalence ratio, experimentally.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 비예혼합화염보다 화염길이가 짧고 당량비 조절을 통해 NOx 및 CO 배출을 제어할 수 있는 예혼합방식의 소형 버너 앞에 원형관 열교환기를 설치한 후 열교환기 관사이의 거리 및 당량비를 변화시킬 때 NOx와 CO의 배출특성을 검토하고 최적 당량비에서 열교환효율을 실험적으로 구하고자 한다.
본 연구는 비예혼합화염보다 화염길이가 짧고 당량비 조절을 통해 NOx 및 CO 배출량을 제어할 수 있는 예혼합방식의 버너 앞에 원형관 열교환기를 설치한 후 열교환기 관사이의 거리와 당량비를 변화시킬 때 NOx 및 CO의 배출특성과 열교환기 효율을 실험적으로 규명한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
연료인 LNG도 봄베에서 레귤레이터를 통과여 질량유량계에 의해 공급되며 버너 상부에서 혼합된다. NOx 및 CO의 배출농도 측정은 연소가스분석기(Lano Lancom Ⅲ, AMETEK)로 측정하였고, 열교환기 입구 및 출구에 열전대를 부착하여 데이터로거(HP 3852A) 연결한 후 입구수온과 출구수온을 측정하였으며 배기가스 온도도 별도로 측정하였다. 또한 열교환방식에 따라 배기가스 특성과 열교환기의 효율을 검토하기 위해 병행류방식과 대향류방식으로 구분하여 실험하였다.
NOx 및 CO의 배출농도 측정은 연소가스분석기(Lano Lancom Ⅲ, AMETEK)로 측정하였고, 열교환기 입구 및 출구에 열전대를 부착하여 데이터로거(HP 3852A) 연결한 후 입구수온과 출구수온을 측정하였으며 배기가스 온도도 별도로 측정하였다. 또한 열교환방식에 따라 배기가스 특성과 열교환기의 효율을 검토하기 위해 병행류방식과 대향류방식으로 구분하여 실험하였다.
와 CO의 배출특성과 열전달특성을 확인하기 위해 관과 관사이의 거리(L)를 5 mm, 10 mm, 15 mm로 변화시킨 3종류의 열교환기를 제작하였다. 열교환기 및 버너의 크기는 향후 일반보일러의 특성과 비교하기 위해 부하량 및 전열면적을 고려하여 설계하였다.
열교환기는 지름 8 mm 길이 116 mm인 스테인레스관을 8개씩 4줄로 배열하였으며, NOx와 CO의 배출특성과 열전달특성을 확인하기 위해 관과 관사이의 거리(L)를 5 mm, 10 mm, 15 mm로 변화시킨 3종류의 열교환기를 제작하였다. 열교환기 및 버너의 크기는 향후 일반보일러의 특성과 비교하기 위해 부하량 및 전열면적을 고려하여 설계하였다.
대상 데이터
버너의 연소방식은 예혼합방식으로서 연료는 LNG를 사용하였으며, 버너의 크기는 160 mm × 147 mm(연소면의 크기는 83 mm × 96 mm)이고 이 때 발열량은 3,120 kcal/h이다.
성능/효과
(1) 열교환기 관사이의 거리 변화와 관계없이 당량비가 커질수록 NOx 및 CO는 점차적으로 증가하며 병행류방식이나 대향류방식에 의한 경향은 유사하다. 특히 본 실험범위내에서 당량비 변화에 대해 NOx 및 CO를 고려할 경우 적정 당량비는 0.
(2) 열교환기 관사이의 거리가 길어질수록 대향류 방식과 병행류방식 모두 배기가스의 온도는 낮아지며, 본 실험범위내에서는 관사이의 거리가 가장 긴 15 mm 일때가 가장 낮게 나타났다.
(3) 3종의 열교환기에 대한 열효율은 관사이의 거리가 5 mm와 10 mm일때는 차이가 크지 않지만 15 mm일 때는 약 10% 이상 증가한다.
일반적으로 보일러에서 부하량이 일정할 때 보일러의 효율은 열교환기 입구수온과 출구수온의 온도차에 의해 결정되지만 출구에서 배기가스 온도에 의한 상대적인 비교를 통해서도 알 수 있다. 따라서 본 실험범위내에서 열교환기의 효율은 열교환기 출구에서 배기가스의 온도에서 나타났듯이 관사이의 거리가 길고 대향류방식의 흐름일 때 가장 좋을 것으로 예측된다.
및 CO는 증가하며 병행류방식이나 대향류방식에 의한 증가경향은 유사하다. 따라서 본 실험범위내에서는 당량비 0.7과 0.75(NOx는 약 16 ppm, CO는 약 50 ppm)가 최적의 운전조건으로 판단된다.
열교환방식과 당량비에 관계없이 관사이의 거리가 5 mm와 10 mm에서는 차이가 크지 않지만 15 mm일 때는 약 10% 이상 증가한다. 따라서 본 연구에서 사용한 관형식의 열교환기에서는 관사이의 거리가 열효율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 당량비 변화에서는 당량비가 0.
4는 대향류방식일 때 당량비 변화에 따른 NOx의 배출특성을 나타낸 것으로 당량비가 커져도 NOx의 절대값 및 증가경향은 병행류방식과 유사하다. 따라서 열교환기 관사이의 거리 및 당량비가 변하여도 열교환방식에 따른 NOx 분포는 차이가 거의 없다는 것을 알 수 있다. 특히 병행류방식이나 대향류방식 모두 NOx는 당량비가 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열교환기의 효율은 무엇에 영향을 받는가?
열교환기의 효율은 유동조건, 관 표면 형상과 표면 거칠기 등에 의해 큰 영향을 받는다. 일반적으로 열교환기의 열전달을 촉진시키는 방법은 휜을 사용하여 열전달면적을 증가시키거나 열전달표면을 다양하게 가공하여 대류열전달계수를 증가시키는 방법이 있고 열교환기 앞에 다공판이나 리브 등의 난류촉진체를 설치하여 생성된 경계층을 파괴시킴으로서 열저항을 감소시키는 방법 등이 있다.
병행류방식일때 NOx 분포와 유사하게 당량비가 커지면서 CO도 증가하는 이유는?
5는 3종류의 열교환기에 대해 병행류방식일 때 당량비 변화에 따른 CO의 배출특성을 나타낸 것으로 NOx 분포와 유사하게 당량비가 커지면서 CO도 증가한다. 이것은 당량비가 커질수록 CO를 산화시킬 수 있는 O2의 유효성이 감소하고 또한 높아지는 화염 온도 때문에 CO2가 CO로 해리 [9]되는 경향이 강해지기 때문이다. 관사이의 거리변화에 대해 살펴보면 5 mm인 경우가 가장 높게 나타나며 10 mm와 15 mm일 때 당량비 0.
열교환기의 열전달을 촉진시키는 방법은 어떤 방법들이 있는가?
열교환기의 효율은 유동조건, 관 표면 형상과 표면 거칠기 등에 의해 큰 영향을 받는다. 일반적으로 열교환기의 열전달을 촉진시키는 방법은 휜을 사용하여 열전달면적을 증가시키거나 열전달표면을 다양하게 가공하여 대류열전달계수를 증가시키는 방법이 있고 열교환기 앞에 다공판이나 리브 등의 난류촉진체를 설치하여 생성된 경계층을 파괴시킴으로서 열저항을 감소시키는 방법 등이 있다.
참고문헌 (9)
이수윤; 안준; 신승원. 판 사이 간격에 따른 판형 열교환기 성능에 관한 수치해석 연구, 한국전산유체공학회 2009년도 춘계학술대회논문집, 2009, 347-354.
모정하, 원형관 및 납작과평판휜 형상의 밀집형 열교환기에 대한 대류열전달 상관관계식, 대한기계학회, 2010, 34(3), 291-299.
이해승; 전동순; 김영률; 김선창. 마이크로채널 열교환기에서 채널 굽힘 각도에 따른 R-134a의 증발열전달 특성에 관한 연구, 대한기계학회, 2010, 34(6), 635-642.
김현영, 가정용 공조기용 열교환기 개발동향, 설비저널, 2008, 37(2), 11-23.
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