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문제 정의
- 상압 플라즈마를 이용하여 친수화 처리를 하였다. 친수처리 된 평판과 친수처리 되지 않은 원판에 대해 실험적 연구를 통하여 응축열전달 증진에 대해 연구하였다.
제안 방법
- 수증기의 부분 압력 Pv는 상대습도 100%일 때 포화압력 Pg를 대입하여 구할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 입출구 영역에서 상대습도가 100%이기 때문에 물의 포화압력 Pg를 사용하였다. 건공기의 부분압력 Pa는 식 (12)를 이용하여 구하였다.
- 본 연구에서는 열교환기 재질 표면을 O2 상압 플라즈마를 이용하여 친수화 처리를 하였다.
- 수증기가 포함된 공기의 생성은 2kW 코일 히터가 장착된 알루미늄 재질의 탱크 내부에서 물을 끓인 후 공기 압축기로 탱크에 공기를 주입하여 수증기가 포함된 공기를 생성하였다. 수증기가 포함된 공기의 유량 조절을 위해 SIERA사 100lpm 가스 유량 조절기를 공기가 주입되는 입구에 설치하였다. 생성된 수증기가 포함된 공기는 수직 대향류 열교환기의 고온부로 주입된다.
- 친수처리 전열면에 이루어진 응축 열전달 계수에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 그림 2의 실험장치의 수직 대향류 열교환기에 원판과 친수처리 평판을 장착하여 열전달 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 평판의 친수화 처리를 위해 APP사의 O2 상압 플라즈마 장비를 이용하였다.
- 평판의 친수화 처리를 위해 APP사의 O2 상압 플라즈마 장비를 이용하였다. 표면처리를 위해 상압 플라즈마에 평판을 노출시킨 조건은 속도 20mm/s, 왕복거리 400mm, 왕복횟수 1cycle의 조건으로 노출시켰다. 그림 1(a)는 STS430판에 O2 상압 플라즈마를 처리하기 전의 임의의 3군데 영역에 물방울의 접촉 형상을 보여주며, 그림 1(b)는 O2 상압 플라즈마 처리 후의 Kim 등[6] 의 연구에 근거하여 90시간 이후 측정된 접촉각을 보여준다.
대상 데이터
- 따라서 공기 예열 열교환기 응축 열전달 실험에 이용된 시편의 재질은 STS430 스테인리스 강을 사용하였다. STS430 평판의 크기는 가로 80mm, 세로 210mm, 두께0.6mm이다. 평판의 친수화 처리를 위해 APP사의 O2 상압 플라즈마 장비를 이용하였다.
- 상용화된 콘덴싱 보일러에서는 수명을 증진시키기 위해 부식이나 내식성이 강한 재질인 STS430 스테인리스 강이 이용되고 있다. 따라서 공기 예열 열교환기 응축 열전달 실험에 이용된 시편의 재질은 STS430 스테인리스 강을 사용하였다. STS430 평판의 크기는 가로 80mm, 세로 210mm, 두께0.
- 열교환기 저온부에는 열회수를 위해 작동유체로 물을 사용하였다. 공기 예열 열교환기에서는 열회수를 위해 연소용 외부 공기가 이용되나 본 실험에서는 고온부 측의 응축 열전달 계수에 관한 연구이기 때문에 실험의 편리성으로 물을 사용하였다.
- 그림 2는 공기 예열 열교환기의 응축 열전달계수 측정의 실험 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 콘덴싱보일러의 배출가스를 모사하기 위해 본 실험에서는 작동유체로 수증기가 포함된 공기를 이용하였다. 표 3은 실험 장치에 이용된 실험장비의 제원을 나타낸 것이다.
데이터처리
- 그림 3은 공기 예열 열교환기에 원판과 친수처리 평판을 이용하였을 경우 식(2)에 의해 계산된 평균 종합 열전달계수값을 나타낸 것이다. 각 실험조건에서 약 30분이 지나면 정상상태에 도달하며, 정상상태의 데이터 획득을 위해 각 유량에서 5분간 온도를 계측하여 평균값을 산출하였다. 이러한 방식으로 각 유량에 대해서 동일한 작동조건으로 9~13개의 실험데이터를 획득하여 평균값으로 그래프에 나타내었다.
- 는 입구영역 수증기의 질량유량과 출구영역에서 수증기의 질량유량 값을 이용하였다. 또한 밀도값 p는 입출구 온도의 평균값에 대한 밀도값을 이용하여 계산하였다.
- 실험 결과를 상관식으로 예측하기 위하여 건도 x와 Lockhart-Martinelli parameter 값 Xtt 및 물성치는 고온부와 저온부의 평균값을 이용하여 구하였다. 건도 x는 식 (6)을 통하여 구하였고 입구의 건도와 출구의 건도값의 평균값을 이용하여 상관식에 대입하였다.
- 각 실험조건에서 약 30분이 지나면 정상상태에 도달하며, 정상상태의 데이터 획득을 위해 각 유량에서 5분간 온도를 계측하여 평균값을 산출하였다. 이러한 방식으로 각 유량에 대해서 동일한 작동조건으로 9~13개의 실험데이터를 획득하여 평균값으로 그래프에 나타내었다. 실험 결과 원판과 친수처리 평판에서 수증기가 포함된 공기의 유량이 증가할수록 응축 열전달계수도 증가한다.
이론/모형
- 반면 출구영역에서는 저온부에 의한 냉각으로 수증기의 일부가 물로 상변화를 일으킨다. 따라서 상변화로 생성된 물의 양을 계산하기 위해 입구영역의 온도조건에서 공기속에 포화된 수증기의 질량유량과 출구영역의 온도조건에서 공기속에 포화된 수증기의 질량유량 차를 이용하여 냉각에 의한 상변화로 생성되는 물의 질량유량을 식 (8)을 이용하여 구하였 다.
- 수증기가 응축되는 열전달 계수는 표 1에 나타낸 일반적으로 광범위하게 응축 문제에 적용되고 있는 Shah(1979)(9), Shah(2009)(10), Travaiss(1973)(11)을 이용하여 예측하였다.
- 생성된 수증기가 포함된 공기는 수직 대향류 열교환기의 고온부로 주입된다. 열교환기 고온부 입구에 온도제어장치를 장착하여 열교환기 고온부로 들어가는 수증기가 포함된 공기의 온도를 80℃로 설정하였고 열교환기의 고온부와 저온부의 입출구 온도 측정 및 기록은 YOKOGAWA사 MV2000 모델을 이용하여 기록 하였다. 현재 K사에서 개발중인 30000kW급 콘덴싱보일러 공기 예열 열교환기의 고온부에 주입되는 배출가스의 Reynolds 수는 대략 800정도이다.
성능/효과
- (1) 실험 결과 친수처리 평판을 잠열회수 열교환기에 이용한 경우 응축 열전달계수가 약 10% 증 진되는 것을 확인하였다.
- (2) 원판과 친수처리 평판에서 측정한 응축 열전달계수를 Shah 상관식과 비교해 본 결과 Shah 상관식이 원판에서의 응축 열전달 계수를 (10%) 오차 범위로 잘 예측하는 것으로 나타났다. 따라서, 원판을 이용한 공기예열 열교환기를 설계할 때 Shah 상관식이 이용될 수 있음을 확인하였다.
- (2) 원판과 친수처리 평판에서 측정한 응축 열전달계수를 Shah 상관식과 비교해 본 결과 Shah 상관식이 원판에서의 응축 열전달 계수를 (10%) 오차 범위로 잘 예측하는 것으로 나타났다. 따라서, 원판을 이용한 공기예열 열교환기를 설계할 때 Shah 상관식이 이용될 수 있음을 확인하였다.
- 따라서, O2 상압 플라즈마 처리 후 STS430 평판에 친수성이 약 20% 증진되는 것을 알 수 있었다.
- 상관식을 이용하여 계산한 원판에서의 응축 열전달계수와 친수성 평판에서의 응축 열전달계수는 거의 같은 것을 확인할 수 있었다. 이는 단지 수증기가 포함된 공기의 입출구 온도만을 가지고 응축 열전달계수를 계산하기 때문이다.
- Shah 상관식으로 원판의 응축 열전달계수를 계산하였을 때 그림 5와 같이 실험치를 약간 높게 예측한다. 상대적으로 원판과 친수처리 평판을 비교하였을 때 친수처리 평판의 응축 열전달계수를 Shah 상관식으로 잘 예측할 수 있는 것으로 본 연구를 통해 확인하였다.
- 이러한 방식으로 각 유량에 대해서 동일한 작동조건으로 9~13개의 실험데이터를 획득하여 평균값으로 그래프에 나타내었다. 실험 결과 원판과 친수처리 평판에서 수증기가 포함된 공기의 유량이 증가할수록 응축 열전달계수도 증가한다.
- 따라서 이 압력값은 입구영역과 출구영역에서 측정된 압력값을 사용하였다. 실험결과 평균적으로 입구에서는 101.4kpa, 출구에서는 대기압으로 측정되었다.
- 친수처리 평판은 원판보다 응축 열전달계수가 약 10% 정도 증가되는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 이는 열교환 면적 전체에서 발생하는 응축에 의한 영향 때문인 것으로 사료된다.
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