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문제 정의
- 공간상 제약이 많은 상업 보일러나 선박용 보일러 등이 밀집형 보일러로 분류 될 수 있으며 증기발생량이 1-25 ton/hr, 보일러 높이는 2-7 m, 무게 1-30 ton으로 다양하다. 사용증기의 온도 및 압력 조건에 따른 난방, 급탕 등 열 이용의 목적을 가지고 있다. 특히 선박용 보일러는 배안의 한정된 장소에 설치되므로 가볍고 작아야 할 필요가 있다.
- 본 연구의 목적은 휜을 사용하는 고부하 열교환기 설계 시 휜의 영향을 살펴보고 열전달과 압력손실 사이에서 최적의 설계점을 찾고자 한다. 따라서 밀집형 보일러의 설계과정과 관의 직경과 갯수에 따른 열전달량에 대한 해석, 급기와 배기에서의 압력손실 그리고 보일러의 크기와 무게에 대한 관점으로 해석을 진행하였다.
- 식 (19)와 같이 두 힘의 평형으로 물-증기 측의 순환율이 결정이 된다. 본 연구에서는 물-증기 측의 수순환부의 설계는 생략을 하였다. 더 자세한 수순환부의 설계는 참고문헌[8]을 참고할 수 있다.
- 본 연구에서 선박용 보일러의 고부하 열교환기 설계과정과 열교환기 형상인 관의 갯수, 길이, 직경에 따른 열교환기 성능에 대해 살펴봤다.
- 본 연구에서는 대상 보일러로 선정된 증기 발생량 기준 3.5 ton/hr 선박용 보일러에 대하여 주어진 대류실 열 부하 조건을 만족하면서 압력강하가 최소가 되는 형상(관의직경, 길이 개수 등)을 찾고자 한다. 이에 따른 열 교환기의 주요 변수로서 열 교환기의 열전달 면적과 크기를 결정하는 관 길이, 직경, 갯수를 주요 변수로 선정하였다.
가설 설정
- 여기에서 관외 오염계수는 0.0008로 가정 하였다[2]. 관외 열전달은 대류 열전달과 복사 열전달을 고려하였고 관내에서는 대류 열전달에 의한 영향을 살펴보았다.
- 여기에서 Re 수를 구하기 위해 수력직경(Dh)과 대류실 가스 유동 단면적(A)은 휜의 영향을 고려하여 다음과 같이 가정하였다.
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