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문제 정의
- 본 연구에서는 세라믹 볼을 이용한 판형열교환기의 오염제거장치에서 관내 유속변화, 세정시간 및 회수시간 변화에 따른 세라믹 볼의 회수율을 측정하였다. 또한 각 운전조건에 대한 세라믹 볼 회수 특성을 파악하여 세라믹 볼을 이용한 판형열교환기용 세정장치 개발을 위한 기초설계 자료로 활용하고자 하였다.
- 이는 세정장치를 순방향으로만 작동시키면 판의 접촉면으로 인해 하부면만 세정이 되는 문제가 발생하여 반대쪽 상부면도 세정하기 위해 방향 전환 배관을 설치하였다. 본 실험에서는 방향 전환에 따른 세라믹 볼의 회수율을 확인하였다.
제안 방법
- 실험은 먼저 물탱크 내부의 온도를 상온으로 유지하고 세라믹 볼을 건조 상태에서 정밀 저울로 100g 측정 후 세정방향과 세정시간을 결정하였다. 그리고 메인펌프를 가동하여 인버터를 통해 유속을 일정하게 유지하였고 유닛펌프 가동 후 세라믹 볼을 수집기 내부에 투입하였다.
- 메인배관은 물 순환을 위한 3.7 kW용 메인펌프(Main pump)와 유량조절을 위한 인버터(Invertor)가 설치되어 있으며, 초음파 유량계를 이용하여 유량을 측정하였다. 또한 판형열교환기(1000×350×120 mm)와 세정 후 세라믹 볼 유실을 방지하기 위한 볼 분리기(Ball trap)로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 세라믹 볼을 이용한 판형열교환기의 오염제거장치에서 관내 유속변화, 세정시간 및 회수시간 변화에 따른 세라믹 볼의 회수율을 측정하였다. 또한 각 운전조건에 대한 세라믹 볼 회수 특성을 파악하여 세라믹 볼을 이용한 판형열교환기용 세정장치 개발을 위한 기초설계 자료로 활용하고자 하였다.
- 3은 본 실험에서 구성된 세라믹 볼을 이용한 판형열교환기 세정장치의 개략도이다. 실험에서 유속은 메인펌프에 인버터를 연결하여 회전수를 조절하였고 메인배관에 초음파유량계를 설치하여 유속을 측정 하였다. 그리고 유닛펌프는 메인배관에 흐르는 유체를 이용하여 이젝터에 압력을 생성하게 된다.
- 실험은 순방향, 역방향 변화와 세정 시간을 기준으로 유속과 회수시간 변화에 따른 회수율을 실험하였다. 실험은 먼저 물탱크 내부의 온도를 상온으로 유지하고 세라믹 볼을 건조 상태에서 정밀 저울로 100g 측정 후 세정방향과 세정시간을 결정하였다. 그리고 메인펌프를 가동하여 인버터를 통해 유속을 일정하게 유지하였고 유닛펌프 가동 후 세라믹 볼을 수집기 내부에 투입하였다.
- Table 1은 세라믹 볼을 이용한 판형열교환기 세정장치의 투입 및 회수시간 조건을 나타낸 것이다. 실험은 순방향, 역방향 변화와 세정 시간을 기준으로 유속과 회수시간 변화에 따른 회수율을 실험하였다. 실험은 먼저 물탱크 내부의 온도를 상온으로 유지하고 세라믹 볼을 건조 상태에서 정밀 저울로 100g 측정 후 세정방향과 세정시간을 결정하였다.
- 유속과 회수시간 변화에 따른 회수량 비교실험은 유속조건(0.3～0.5 m/s)에서 회수시간(5～25분) 을 5분씩 증가시켜 5회 실험을 하였다. 세정이 끝나면 회수밸브를 이용하여 상기 조건에 따라 세라믹 볼을 수집기에 수집하였다.
- 이때 침수되었던 세라믹 볼을 2 kW 고온 열풍기를 이용하여 회수된 세라믹 볼의 건조무게를 측정하였다. 실험이 완료되면 다음 실험을 위해 실험장치 내부에 잔존하는 세라믹 볼을 높은 유속으로 100% 회수한 후 다음 실험을 진행하였다.
- 세정이 끝나면 회수밸브를 이용하여 상기 조건에 따라 세라믹 볼을 수집기에 수집하였다. 일정 회수시간이 지나면 볼 수집기 하부의 배출밸브를 이용해 물과 세라믹 볼을 배출하고 세라믹 볼의 최초 투입건조 무게(100g)에서 회수된 세라믹 볼의 무게를 기준으로 회수량을 산정하였다.
대상 데이터
- 5 m/s)에서 회수시간(5～25분) 을 5분씩 증가시켜 5회 실험을 하였다. 세정이 끝나면 회수밸브를 이용하여 상기 조건에 따라 세라믹 볼을 수집기에 수집하였다. 일정 회수시간이 지나면 볼 수집기 하부의 배출밸브를 이용해 물과 세라믹 볼을 배출하고 세라믹 볼의 최초 투입건조 무게(100g)에서 회수된 세라믹 볼의 무게를 기준으로 회수량을 산정하였다.
- 전열판은 쉐브론 형상으로 쉐브론 각도는 30°이며, 판과 판 사이 간격은 약 4~7 mm이다. 열교환기 세정을 위해 사용되는 세라믹 볼은 크기가 1 mm이며, 볼 분리기 내부에서 유실되는 것을 방지하기 위해 무게 0.0016g, 비중 2.5의 물성을 가진 세라믹 볼을 선정하였다.
- 전열판은 쉐브론 형상으로 쉐브론 각도는 30°이며, 판과 판 사이 간격은 약 4~7 mm이다.
- 2는 본 실험에 사용된 판형열교환기와 세라믹 볼을 나타낸 것이다. 판형열교환기는 조립이 가능한 가스켓 타입을 사용하였으며, 전열판수는 19장이다. 전열판은 쉐브론 형상으로 쉐브론 각도는 30°이며, 판과 판 사이 간격은 약 4~7 mm이다.
성능/효과
- (1) 세라믹 볼의 회수율은 순방향으로 5분과 15분 세정시 유속이 0.4 m/s 이상에서 회수시간이 증가함에 따라 회수율이 약간 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 유속 0.
- (2) 역방향의 경우 볼 회수율은 5분과 15분 세정시 유속이 0.4 m/s 이상에서 회수시간에 관계없이 83~86%로 나타났다. 역방향의 경우 순방향보다 굴곡부의 영향이 적어 회수율이 높게 나타났다.
- (3) 세라믹 볼의 최대 회수율은 순방향의 경우 유속 0.5 m/s, 15분 세정, 회수시간 10분에서 83.97%, 역방향의 경우 유속 0.5 m/s, 15분 세정, 회수시간 5분에서 86.61%를 회수하였다.
- 4는 세라믹 볼이 순방향으로 5분 세정 할 때 회수시간 변화에 따른 볼 회수율을 측정한 것이다. 0.4 m/s에서 0.5 m/s로 유속이 증가하고 회수시간이 5분에서 25분으로 증가함에 따라 회수율이 증가하는 것으로 나타났다. 유속 0.
- 5 m/s에서는 회수시간에 관계없이 82~86%이상의 일정한 회수율이 측정되었으며, 5분 세정 시 측정된 값과 유사하게 나타났다. 또한 0.3~0.35 m/s 에서는 볼 회수율이 감소하는 경향이 나타났으며, 순방향은 평균적으로 4~7%, 역방향은 1~18% 감소하였다. 세정시간을 5분에서 15분으로 증가시켜 비교할 때 세라믹 볼의 회수율 변화 폭이 크지 않은 것으로 나타났다.
- 35 m/s 에서는 볼 회수율이 감소하는 경향이 나타났으며, 순방향은 평균적으로 4~7%, 역방향은 1~18% 감소하였다. 세정시간을 5분에서 15분으로 증가시켜 비교할 때 세라믹 볼의 회수율 변화 폭이 크지 않은 것으로 나타났다.
- 이는 낮은 유속으로 작동 시 판형열교환기 출구의 방향전환 배관에서 정체되어 있던 세라믹 볼들은 유속이 증가하면서 정체가 해소되는 것으로 판단된다. 유속이 0.3 m/s 에서 0.4 m/s로 증가하면 볼 회수율이 평균 15%씩 향상되었고 80%에 근접하면서 회수율은 안정되는 것으로 측정되었다.
- 유속이 0.4~0.5 m/s에서 볼 회수율은 회수시간에 관계없이 83∼86%로 일정하게 나타났다.
- 11은 세라믹 볼이 순방향과 역방향으로 15분 세정할 때 유속변화에 따른 볼 회수율을 나타낸 것이다. 유속이 증가함에 따라 순방향과 역방향에서 세라믹 볼 회수율이 증가하는 경향이 측정되었다. 순방향의 경우에는 0.
- 9는 세라믹 볼이 역방향으로 5분 세정할 때 유속변화에 따른 볼 회수율을 나타낸 것이다. 유속이 증가함에 따라 회수율이 증가하는 경향을 나타내었으며, 순방향 회수율보다 10%이상 높은 회수율이 측정되었다. 특히 유속이 0.
- 메인배관의 유체는 증기압보다 낮아져 액속의 공기와 수증기가 분리되고 기포가 발생되는 것으로 사료된다. 이 때 생성된 기포는 볼 분리기에서 외부로 배출되지만 일부는 볼 수집기로 이동하는 것으로 판단되며, 가시화창을 통하여 볼 수집기로 기포가 유입되는 것을 확인하였다. 그 결과 기포가 상승하면서 세라믹 볼을 다시 메인배관에 투입시키는 것으로 판단된다.
- 4 m/s 이상에서 회수시간이 증가함에 따라 회수율이 약간 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 유속 0.3~0.35 m/s에서는 회수시간이 증가할수록 기포의 영향으로 회수율은 평균적으로 각각 10~5% 감소하는 것으로 측정되었다.
- 이는 판형열교환기 출구의 방향전환 배관에서 일정량의 세라믹 볼이 정체된 것으로 판단된다. 하지만 유속 0.3~0.35 m/s에서는 회수시간이 증가할수록 회수율은 평균적으로 각각 10~5% 감소하는 것으로 측정되었다. 이는 낮은 유속에서 볼 회수를 위해 유닛펌프를 작동하면, 메인배관에 흐르던 유체가 유닛 펌프로 일부 이동하면서 압력 차가 발생하게 된다.
후속연구
- 향후에는 세라믹 볼의 회수율을 보다 높이기 위해서 세라믹 볼의 정체를 최소화 할 수 있도록 배관구조를 굴곡부가 없는 직관으로 구성하고 배관 내에 오염을 인위적으로 생성시켜 세정장치의 성능시험을 수행하고자 한다.
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