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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 공랭식 응축기 시스템이 가지고 있는 문제점을 구현하고, 이를 해결하기 위하여 유사 모의 공랭식 응축기를 만들어 겨울철 관내의 잔류 스팀 및 비응축성 기체의 역류로 인하여 발생될 수 있는 동결에 의한 기기의 파괴 조건을 조사하여 이를 해결하기 위한 설계가 가능함을 실험적으로 증명하였다.
- 본 실험은 기존 공랭식 응축기 시스템에서 분리되어 있지 않은 각 튜브 열 출구의 구조적 문제로 인하여 제 1 열 튜브에서 응축되지 않은 스팀 및 다른 비응축성 기체 등이 역류하여 동파 발생의 위험이 있음을 증명하기 위해 수행하였다.
- 본 연구에서는 유사 모의 공랭식 응축기 시스템을 설계 및 제작하여 기존의 공랭식 응축기 시스템이 가지고 있는 문제점을 구현하고, 이를 해결하기 위한 설계가 가능함을 증명하기 위하여 크게 두 가지 실험을 수행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 3 은 본 연구에서 사용된 실험 장치에 대한 개략도를 보여준다. Fig. 1 에서 제시된 열교환기 모델은 공기측은 louver fin 형상이고, 냉매측은 OVAL Tube 형상으로 구성되어있으나, 본 연구의 주요 목적이 열교환부의 효율 차이로 인한 역류 및 동결 현상 파악이므로 인위적인 효율 차이만을 중점적으로 일으키고 확인하려 하므로, 중요 변수가 아닌 louver fin, OVAL Tube 를 사용하지 않고 이중관 형상(Double-pipe)의 Test Section 을 이용하여 시스템을 간소화 하였으며, 냉각 공기를 사용함에 있어 발생되는 비용 및 공간적 문제로 인하여 공기 냉각 대신 유체 냉각 방식으로 기기 설계후 제작하였다. 또한 실제 공랭식 응축기는 4 열의 튜브로 구성되어 있으나, 본 연구에서는 데이터 수집과 관련하여 발생되는 여러 제약과 시스템을 좀 더 간소화하기 위해 2 열의 튜브로 구성된 실험 장치를 제작하였다.
- 각 열교환부의 온도를 측정하기 위하여 각 튜브열 당 4 개씩, 총 8 개의 K-type 온도 센서를 열교 환부의 입구, 출구에 설치하여 온도를 측정하였고, 온도 센서는 T 형상의 압축금구(compression fitting)를 사용하여 장치에 고정하였다. 실시간 DAS(Data Acquisition System)을 이용하여 매 초 마다 각 온도 데이터들을 수집하였다.
- 각 튜브 열의 냉매의 유량을 확인하고 조절하기 위하여 체적 유량계(volume flow meter)를 냉각 유체의 입구 부분에 장착하였다. 압력 변화를 측정하기 위하여 각 열의 스팀 입구 부분에 압력 전송기 2 개를 장착하였다.
- 1629×10-3 m2이며, 이 부분에는 냉각 유체가 흐르고 내부관에는 스팀이 흐르는 counter flow 형태의 시스템이다. 내부관 및 외부관의 결합이 이루어지는 헤드 블록의 입구, 출구에 홈을 만들고 O 링을 삽입하여 누수가 발생하지 않도록 하였다.
- 1 에서 제시된 열교환기 모델은 공기측은 louver fin 형상이고, 냉매측은 OVAL Tube 형상으로 구성되어있으나, 본 연구의 주요 목적이 열교환부의 효율 차이로 인한 역류 및 동결 현상 파악이므로 인위적인 효율 차이만을 중점적으로 일으키고 확인하려 하므로, 중요 변수가 아닌 louver fin, OVAL Tube 를 사용하지 않고 이중관 형상(Double-pipe)의 Test Section 을 이용하여 시스템을 간소화 하였으며, 냉각 공기를 사용함에 있어 발생되는 비용 및 공간적 문제로 인하여 공기 냉각 대신 유체 냉각 방식으로 기기 설계후 제작하였다. 또한 실제 공랭식 응축기는 4 열의 튜브로 구성되어 있으나, 본 연구에서는 데이터 수집과 관련하여 발생되는 여러 제약과 시스템을 좀 더 간소화하기 위해 2 열의 튜브로 구성된 실험 장치를 제작하였다. 실험 장치는 Table 1 과 같이 전기 스팀 발생기(electric steam generator), 냉각기(chiller), 전기 히터(electric heater), 유량계(flow meter), 밸브(valve), 온도센서(thermocouple), 압력 전송기(pressure transmitter), Test section(double-pipe heat exchanger), Data acquisition system(DAS)으로 구성되어 있다.
- 각 튜브 열에 공급되는 스팀 양의 부족으로 열교환부 관내의 동결이 발생하지 않도록 충분한 양의 스팀을 지속적으로 같은 양을 흘려주었다. 또한 제 2 열 튜브에 전기 히터를 사용하여 인위적으로 냉각 유체의 온도를 상승시켜 열전달률을 낮춰주는 조건을 만들어주었다. 이 때 제 1 열과 제 2 열 튜브에 공급되는 냉각 유체 온도의 차는 약 ± 3~4℃이다.
- 본 연구에서는 기존의 공랭식 응축기 시스템이 가지고 있는 문제점을 구현하고, 이를 해결하기 위한 유사 모의 공랭식 응축기를 설계 및 제작하여 크게 두 가지의 실험을 실시하였으며 실험 방법은 다음과 같다.
- 전기 히터 가동 시제 1 열 튜브에 공급되는 냉각 유체의 유량은 2L/min, 제 2 열 튜브에 공급되는 냉각 유체의 유량은 1L/min 로 유지하였다. 실험 도중 각 튜브 열에 공급되는 스팀 및 냉각 유체의 입구, 출구 부분의 온도 출력 값은 실시간으로 DAS 를 통해 저장하였다.
- 각 튜브 열의 냉매의 유량을 확인하고 조절하기 위하여 체적 유량계(volume flow meter)를 냉각 유체의 입구 부분에 장착하였다. 압력 변화를 측정하기 위하여 각 열의 스팀 입구 부분에 압력 전송기 2 개를 장착하였다. 각 튜브 열에 있는 냉각 통로로 들어가는 냉각 유체의 온도 차를 제어하기 위하여 제 2 열에 전기 히터를 설치하였다.
- 이를 위하여 Fig. 3 의 실험 장치에서 제 1 열 튜브의 출구 밸브(Vout-1)를 열고 제 2 열 튜브의 출구 밸브(Vout-2)를 닫아주어 각 튜브 열에서 응축된 물이 하나의 응축수 저장탱크에 모아질 수 있도록 하였다. 각 튜브 열에 공급되는 스팀 양의 부족으로 열교환부 관내의 동결이 발생하지 않도록 충분한 양의 스팀을 지속적으로 같은 양을 흘려주었다.
- 역류 발생을 방지하기 위해서는 제 2 열 튜브 출구를 통해 나오는 응축되지 않은 스팀이나 다른 비응축성 기체 등이 제 1 열 튜브 출구로 이동할 수 없도록 봉쇄해야 한다. 이를 위해 Fig. 3 의 실험 장치에서 제 1 열 튜브 출구 밸브(Vout-1)와 제 2 열 튜브 출구 밸브(Vout-2)를 모두 열어주고 또한 제 1 열, 제 2 열 사이의 밸브(Vout-3)를 닫아줌으로써, 각 튜브 열에서 생성되는 응축수가 각각의 응축수 저장탱크에 따로 모아질 수 있도록 하였다. 위의 내용을 제외한 모든 조건은 앞서 설명한 열교환부 관내 응축수 동결 실험과 동일하게 하였다.
- 전기 스팀 발생기의 용량은 최대 20kW 로써 자동적으로 스팀을 발생, 공급하기 위한 물을 보충 및 제어할 수 있는 시스템을 구축하였다. 공급 스팀의 응축을 위한 냉각기의 용량은 최대 1.
대상 데이터
- 전기 스팀 발생기의 용량은 최대 20kW 로써 자동적으로 스팀을 발생, 공급하기 위한 물을 보충 및 제어할 수 있는 시스템을 구축하였다. 공급 스팀의 응축을 위한 냉각기의 용량은 최대 1.5kW 로써 냉각 유체를 순환시킬 수 있는 시스템을 가지고 있으며, 냉각 유체로는 겨울철의 극한 조건을 구현하기 위해 0℃이하로 유지시킬 수 있는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)이 주성분인 부동액을 사용하였다.
- Test section(double-pipe heat exchanger)은 외부 공기와 단열된 concentric pipe 형상의 열교환기로 외관의 재질은 투명 아크릴 튜브(acrylic tube),내관은 동관(copper tube)으로 제작하였다. 본 연구의 실험 장치상 제한된 냉각기 용량에 의해 정상상태로 열교환이 가능한 적절한 동관 치수의 선택이 요구되며, 이에 따라 외관의 치수는 각각 39mm ID, 44mm OD, 내관의 치수는 각각 4.55mm ID, 6.35mm OD으로 열교환이 이루어지는 시험부 길이는 900mm 로 이루어진다. 이중 파이프 열교환 장치 부에서 내부관과 외부관 사이에 공간이 존재하게 되는데, 공간의 단면적은 1.
- 각 열교환부의 온도를 측정하기 위하여 각 튜브열 당 4 개씩, 총 8 개의 K-type 온도 센서를 열교 환부의 입구, 출구에 설치하여 온도를 측정하였고, 온도 센서는 T 형상의 압축금구(compression fitting)를 사용하여 장치에 고정하였다. 실시간 DAS(Data Acquisition System)을 이용하여 매 초 마다 각 온도 데이터들을 수집하였다.
- 또한 실제 공랭식 응축기는 4 열의 튜브로 구성되어 있으나, 본 연구에서는 데이터 수집과 관련하여 발생되는 여러 제약과 시스템을 좀 더 간소화하기 위해 2 열의 튜브로 구성된 실험 장치를 제작하였다. 실험 장치는 Table 1 과 같이 전기 스팀 발생기(electric steam generator), 냉각기(chiller), 전기 히터(electric heater), 유량계(flow meter), 밸브(valve), 온도센서(thermocouple), 압력 전송기(pressure transmitter), Test section(double-pipe heat exchanger), Data acquisition system(DAS)으로 구성되어 있다.
성능/효과
- (1) 기존의 공랭식 응축기 시스템이 가지고 있는 문제점을 구현하기 위해 기존 시스템과 유사한 조건에서 실시한 열교환부 관내 응축수 동결 실험 결과에서 제 1 열 스팀 입구의 온도가 일정 시간 후부터 급격하게 하강하는 변화 양상을 볼 수 있었다. 이는 제 1 열 튜브 내부의 응축수가 동결되었고, 이에 따라 제 1 열 튜브 내부에서 공급 스팀의 정체 현상으로 인해 입구 온도가 점차적으로 하강하였음을 알 수 있었다.
- (2) 열교환부 관내 응축수 동결 실험에서 얻은 제 1 열 튜브의 스팀 출구 온도가 시간에 따라 점점 증가하는 거동을 볼 수 있었는데, 이는 제 2 열튜브에서의 잔류 스팀과 비응축성 기체가 제 1 열튜브 출구로 역류하여 생긴 결과로 판단되었다.
- (3) 열교환부 관내 응축수 동결 실험을 통해 얻어진 온도 변화를 통해 각 열마다의 열전달률을 산출할 수 있었는데, 제 1 열 튜브의 열전달률이 동결이 발생한 시점부터 급격하게 하락하여 0 에 근접한 수치로 지속적으로 유지되는 거동을 관찰할 수 있었다.
- (4) 겨울철 동파 사고의 위험 요인을 해결하기 위한 설계가 가능함을 실험적으로 증명하기 위해 실시한 열교환부 관내 동결 방지 실험에서는 지속적으로 98~100 o C 온도를 유지하는 제 1 열 스팀 입구 온도 변화 양상 및 제 2 열 스팀 출구 온도의 일정한 유지를 통해 스팀이 계속적으로 공급되고 있는 동시에 역류 및 관내 응축수 동결 없이 열교환이 잘 이루어지고 있음을 증명할 수 있었다. 또한 본 실험을 통해 얻어진 온도를 통해 산출한 열전달률 변화 곡선의 거동으로 다시 한번 동결이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 또한 공급 스팀의 응축을 위한 냉각기는 냉각 유체를 순환시킬 수 있는 시스템을 가지고 있는데, 이로 인하여 전기 히터 사용으로 상대적으로 급증한 제 2 열 냉각 유체 온도의 영향을 받아 Fig. 9(a)와 같이 영하의 온도를 유지하던 제 1 열 냉각 유체가 시간이 지남에 따라 영상의 온도로 점차 상승하는 거동을 확인할 수 있었다.
- 5(b)에서 공급 스팀의 온도가 계속 약 98℃를 지속적으로 유지함을 볼 수 있는데, 이는 제 2 열 튜브에는 동결 없이 스팀이 계속 공급되고 있음을 보여준다. 또한 동결이 발생한 시점부터 제 2 열 튜브의 스팀 출구 온도가 급격하게 상승하였음을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 결과는 전기 스팀 발생기에서 지속적으로 일정한 스팀 양을 공급해주는 반면, 제 1 열 튜브의 관내 동결 발생으로 인하여 제 2 열 튜브로 공급되는 스팀 양이 증가하여 온도가 상승한 것으로 판단되었다.
- (4) 겨울철 동파 사고의 위험 요인을 해결하기 위한 설계가 가능함을 실험적으로 증명하기 위해 실시한 열교환부 관내 동결 방지 실험에서는 지속적으로 98~100 o C 온도를 유지하는 제 1 열 스팀 입구 온도 변화 양상 및 제 2 열 스팀 출구 온도의 일정한 유지를 통해 스팀이 계속적으로 공급되고 있는 동시에 역류 및 관내 응축수 동결 없이 열교환이 잘 이루어지고 있음을 증명할 수 있었다. 또한 본 실험을 통해 얻어진 온도를 통해 산출한 열전달률 변화 곡선의 거동으로 다시 한번 동결이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 본 실험은 Fig. 4 에서 보여지는 것처럼 각 튜브 열의 출구를 분리함으로써 신개념 공랭식 응축기의 관내 동결이 발생하지 않음을 실험적으로 증명 하였다.
- 또한 동결이 발생한 시점부터 제 2 열 튜브의 스팀 출구 온도가 급격하게 상승하였음을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 결과는 전기 스팀 발생기에서 지속적으로 일정한 스팀 양을 공급해주는 반면, 제 1 열 튜브의 관내 동결 발생으로 인하여 제 2 열 튜브로 공급되는 스팀 양이 증가하여 온도가 상승한 것으로 판단되었다.
- 6(a)는 시간에 따른 제 1 열 튜브의 냉각 유체 입구, 출구 온도 변화를 보여준다. 제 1 열튜브 관내 응축수의 동결로 인해 제 1 열로 공급되는 스팀이 정체 현상을 보여 열전달이 원활하지 않아 냉각 유체의 출구 온도가 입구 온도와 비슷한 수치인 영하의 온도로 유지되고 있음을 다시 한번 확인할 수 있었다.
후속연구
- (5) 본 연구에서 실험적으로 증명된 공랭식 응축기 관내 동결 및 동파 사고 방지 기술은 기존 공냉식 열교환기가 고질적으로 앓고 있던 문제점을 해결 할 기초 연구이다. 이를 바탕으로 추후 신개념의 공랭식 응축기 개발을 위한 추가 연구가 수행될 것이며 해당 연구를 통한 상용화 및 실현화 시 기존 공랭식 열교환기 시장 및 향후 관련 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다.
- (5) 본 연구에서 실험적으로 증명된 공랭식 응축기 관내 동결 및 동파 사고 방지 기술은 기존 공냉식 열교환기가 고질적으로 앓고 있던 문제점을 해결 할 기초 연구이다. 이를 바탕으로 추후 신개념의 공랭식 응축기 개발을 위한 추가 연구가 수행될 것이며 해당 연구를 통한 상용화 및 실현화 시 기존 공랭식 열교환기 시장 및 향후 관련 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다.
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