[논문]판형열교환기의 운전 및 설계변수에 따른 파울링 특성에 관한 연구

전재명; 이응찬; 강훈; 김용찬

doi:10.6110/kjacr.2014.26.4.163

판형열교환기의 운전 및 설계변수에 따른 파울링 특성에 관한 연구
The Fouling Characteristics of Plate Heat Exchangers with Geometric and Operating Parameters 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.4, 2014년, pp.163 - 168

전재명 (고려대학교 기계공학과 대학원) , 이응찬 (고려대학교 기계공학과 대학원) , 강훈 (고려대학교 기계공학과) , 김용찬 (고려대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The plate heat exchanger has been widely used in water heating systems due to high efficiency, simple structure, and easy maintenance. However, the studies on the effects of fouling on the heat transfer performance under various operation and maintenance conditions are very limited in the open literature. The objective of this study is to investigate the effects of fouling with calcium carbonate ($CaCO_3$) on the heat transfer characteristics of the plate heat exchanger under various operating and geometric conditions. The heat transfer coefficient and pressure drop in the plate heat exchangers were measured under accelerated fouling conditions with $CaCO_3$ by varying geometric and operational parameters. The fouling resistance increased with the decrease in the flow rate, and the increase in the chevron angle and the concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대부분 난방에 사용되는 물은 상수도가 사용되지만 경우에 따라 지하수 및 하천수가 사용된다. 또한 파울링 형성에서 가장 많은 비중을 차지하는 성분에 관한 연구결과에서 탄산칼슘(CaCO₃)이 주요인자로 연구되어 본 연구에서 탄산칼슘 농도에 따른 파울링 저항계수 측정 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 파울링 형성에 큰 영향을 주는 탄산 칼슘 용액을 이용하여 가속 환경을 부여하고 고온의 난방 및 급탕 조건에서 실제 물대물 시스템을 최소화하여 판형열교환기의 형상 및 설계 변수에 따른 파울링 형성 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 판형열교환기의 시간의 경과에 따른 탄산칼슘(CaCO₃) 파울링 실험을 통하여 판형열교환기에서의 형상 및 설계변수 따른 파울링 형성을 고찰하였다. 파울링은 시간이 지남에 따라서 증가하다 일정 수준에 수렴하는 경향을 보이며 탄산칼슘(CaCO₃) 농도의 증가에 따라서 파울링 저항계수가 증가하는 경향을 나타내었다.

제안 방법

Genic et al.⁽¹⁾은 난방조건에서 판형열교환기의 파울링 저항계수와 유량 간의 관계를 고찰하였다. 실험방법은 가속조건이 없는 수돗물을 이용하여 초기 데이터와 1년 후 같은 열교환기로 측정한 데이터 변화를 비교하였다.
농도에 따른 파울링 저항계수 실험은 고온의 물대 물 운전 조건에서 수행하였다. Fig.
⁽⁴⁾은 열전달 표면에서 시간에 따른 탄산칼슘(CaCO₃) 결정 크기가 점근적 경향을 보이며 수렴함을 나타내었다. 또한 파울링 결정 발생율은 시간에 따라 반비례함을 고찰하였다. Andritsos et al.
압력측정은 절대압력계를 이용하여 측정하였다. 순환부의 유량은 인버터를 장착한 펌프와 유량 조절밸브를 통해 조절하고 유량계로 측정하였다. 탄산칼슘 농도 측정은 농도측정기를 이용하여 총 용존 고형물농도(TDS：Total dissolved solids)를 10분 단위로 측정하였다.
⁽¹⁾은 난방조건에서 판형열교환기의 파울링 저항계수와 유량 간의 관계를 고찰하였다. 실험방법은 가속조건이 없는 수돗물을 이용하여 초기 데이터와 1년 후 같은 열교환기로 측정한 데이터 변화를 비교하였다. 가속조건이 없는 연구는 실제 조건과 흡사하지만 측정시간이 길다는 단점이 있다.
온도는 RTD 센서를 이용하여 판형열교환기 입·출구 온도를 측정하였다. 압력측정은 절대압력계를 이용하여 측정하였다. 순환부의 유량은 인버터를 장착한 펌프와 유량 조절밸브를 통해 조절하고 유량계로 측정하였다.
온도는 RTD 센서를 이용하여 판형열교환기 입·출구 온도를 측정하였다.
순환부의 유량은 인버터를 장착한 펌프와 유량 조절밸브를 통해 조절하고 유량계로 측정하였다. 탄산칼슘 농도 측정은 농도측정기를 이용하여 총 용존 고형물농도(TDS：Total dissolved solids)를 10분 단위로 측정하였다. 실험장치의 농도 변화는 시험부의 열교환기의 크기에 비해서 항온조의 크기가 상당히 크기 때문에 실험 중 농도의 변화는 무시할 수 있는 수준이었다.
시험부 열교환기는 교체가 가능하게 제작하였다. 파울링 실험은 저온측인 쿨링 유닛에 파울링을 형성시켜 실험하였다. 파울링 실험 변수는 세브론각, 저온측 유량, 저온측 탄산칼슘 솔루션의 농도이며 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다.
판형열교환기 난방조건에서 운전변수인 저온측 유속 변화에 따른 파울링 저항계수의 변화를 실험하였다. Fig.
형상변수인 세브론각의 변화에 따른 난방조건의 판형열교환기 파울링 저항계수 실험을 수행하였다. Fig.
판형열교환기를 이용한 실험장치는 물대 물의 강제순환 사이클로 히팅 유닛, 쿨링 유닛 그리고 시험부의 세 부분으로 구성하였다. 히팅 유닛은 난방 및 급탕 시 열원을 제공하는 고온수 역할을 하고 쿨링 유닛은 가열되는 중온수 역할을 하도록 모사하여 제작하였다. 시험부 열교환기는 교체가 가능하게 제작하였다.

대상 데이터

2는 판형열교환기를 이용한 파울링 형성을 고찰하기 위한 실험장치의 개략도를 나타내고 있다. 판형열교환기를 이용한 실험장치는 물대 물의 강제순환 사이클로 히팅 유닛, 쿨링 유닛 그리고 시험부의 세 부분으로 구성하였다. 히팅 유닛은 난방 및 급탕 시 열원을 제공하는 고온수 역할을 하고 쿨링 유닛은 가열되는 중온수 역할을 하도록 모사하여 제작하였다.

이론/모형

Yang et al.⁽³⁾은 용해도가 높은 염화칼슘(CaCl₂)과 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 혼합법을 이용하였다. Kim et al.
열전달량, 압력강하, 유속, 마찰계수, 그리고 파울링 저항계수 값의 불확실도는 Moffatt⁽⁹⁾의 방법을 사용하여 계산하였다. 계산된 열전달량, 마찰계수, 유속, 압력강하, 그리고 파울링 저항계수 값의 최대 오차는 각각 ±4.
파울링 실험에서 유체의 물성치는 입·출구 온도의 체적 평균온도를 사용하여 계산하였으며 열교환기 내에서의 고온 및 저온측의 열전달량과 총괄열전달계수를 구하기 위해 ΔTLMTD는 식(1)～식(5)의 방법으로 구하였다.

성능/효과

Thonon et al.⁽²⁾은 가속조건을 이용하여 파울링 저항계수 곡선이 점근적 경향으로 수렴함과 유량과 파울링 저항계수가 반비례 관계임을 실험을 통하여 나타내었다. Yang et al.
Kim et al.⁽⁴⁾은 열전달 표면에서 시간에 따른 탄산칼슘(CaCO₃) 결정 크기가 점근적 경향을 보이며 수렴함을 나타내었다. 또한 파울링 결정 발생율은 시간에 따라 반비례함을 고찰하였다.
계산된 열전달량, 마찰계수, 유속, 압력강하, 그리고 파울링 저항계수 값의 최대 오차는 각각 ±4.9%, ±1.4%, ±1.2%, ±2.6%, ±12.7%로 나타났다.
파울링은 시간이 지남에 따라서 증가하다 일정 수준에 수렴하는 경향을 보이며 탄산칼슘(CaCO₃) 농도의 증가에 따라서 파울링 저항계수가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 유량이 증가할수록 파울링 저항계수가 작아지는 경향을 나타내었으며, 유량 증가에 따라 파울링 생성 지연효과가 나타났다. 형상변수로 세브론각 변화에 대한 파울링 생성은 높은 세브론각 60°(60°/60°)에서 파울링 저항계수가 크게 나타났다.
9 m³/h로 점차 증가 할수록 유속의 증가로 파울링 지연시간이 길어졌다. 유량의 증가로 인한 유속의 증가는 전체적인 파울링 저항계수의 값을 낮추는 동시에 생성 시작 시간을 지연시켜주는 역할도 가능함을 알 수 있다.
세브론각의 증가에 따라 파울링 저항계수가 증가된 이유는 전열판에서의 유체의 저항이 증가하여 유체가 전열면에 닿는 시간이 증가하기 때문이다. 유체가 전열면에 닿는 시간이 증가할수록 높은 열전달계수를 보이는 만큼 파울링 형성도 높게 나타났다.
6는 저온측 유량 변화에 따른 파울링 저항계수를 비교한 것이다. 파울링 저항계수는 유량 증가에 따라 유속이 증가하여 파울링 저항계수가 감소하는 경향을 나타내었다. Fig.
5는 탄산칼슘 농도 변화에 따른 파울링 저항계수, 총괄열전달계수, 그리고 마찰계수 변화를 각각 나타내고 있다. 파울링 저항계수는 탄산칼슘 농도가 높을수록 증가하며, 전체적인 경향은 증가하다가 일정 시간 이후 수렴하는 곡선을 나타내었다. 낮은 농도인 1,000 ppm의 느린 변화에 비해 3,000 ppm에서는 파울링 생성 전과 비교한 결과 최대 20% 이상의 차이가 나타났다.
) 파울링 실험을 통하여 판형열교환기에서의 형상 및 설계변수 따른 파울링 형성을 고찰하였다. 파울링은 시간이 지남에 따라서 증가하다 일정 수준에 수렴하는 경향을 보이며 탄산칼슘(CaCO₃) 농도의 증가에 따라서 파울링 저항계수가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 유량이 증가할수록 파울링 저항계수가 작아지는 경향을 나타내었으며, 유량 증가에 따라 파울링 생성 지연효과가 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파울링이란?	파울링(Fouling)이란 열교환기와 같은 열전달장치의 전열면에 부착되어 성능을 저하시키는 바람직하지 않은 고체 퇴적물을 말한다. 침전 파울링은 열교환기의 가열 면에서 가열될 때 온도의 변화에 따른 용해도의 차이로 인하여 불용성 이온이 열교환기 표면에 침전 또는 퇴적되는 현상을 말하며, 난방 및 급탕용으로 사용되는 열교환기에서 주로 발생한다.
	판형열교환기의 부적절한 유지 보수에 의한 문제가 주로 어떤 것이 있는가?	앞서 언급한 판형열교환기의 특징으로 인하여 최근 난방조건에서 판형열교환기의 사용이 증가하고 있지만 부적절한 유지 및 보수에 의하여 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제는 주로 시설이 열악한 열사용자 측인 중온수 측에서 발생하며, 그 원인은 열교환기의 운전 및 관리에 대한 정보 부족으로 인한 파울링 발생이 대부분이다.
	판형열교환기란?	판형열교환기는 전열판을 적층시켜 고온측과 저온측의 유로를 각각 형성하고 형성된 유로에 고온 유체와 저온 유체를 흐르게 하여 유체의 온도 차에 의한 열교환 장치이며, 그 구조는 Fig. 1과 같다.

참고문헌 (9)

Genic, S. B., Jacimovic, B. M., Mandic, D., and Petrovic, D., 2012, Experimental determination of fouling factor on plate heat exchangers in district heating system, Energy and Buildings, Vol. 50, pp. 204-211.

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Thonon, B., Grandgeorge, S. and Jallut, C., 1999, Effect of geometry and flow conditions on particulate fouling in plate heat exchangers, Heat Transfer Engineering, Vol. 20, No. 3, pp. 12-24.

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Yang, Q., Ding, J., and Shen, Z., 2000, Investigation on fouling behaviors of low-energy surface and fouling fractal characteristics, Chemical Engineering Science, Vol. 55, No. 4, pp. 797-805.

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Kim, W. T. and Cho, Y. I., 2000, Experimental study of the crystal growth behavior of $CaCO_3$ fouling using a microscope, Experimental Heat Transfer, Vol. 13, No. 2, pp. 153-161.

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Andritsos, N. and Karabelas, A. J., 2003, Calcium carbonate scaling in a plate heat exchanger in the presence of particles, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46, No. 24, pp. 4613-4627.

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Paakkonen, T. M., Riihimaki, M., Puhakka, E., Muurinen, E., Simonson, C. J., and Keiski, R. L., 2009, Crystallization fouling of $CaCO_3$ -effect of bulk precipitation on mass deposition on the heat transfer surface, Proceedings of International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning VII, Austria, pp. 209-216.
Mayer, M., Bucko, J., Benzinger, W., Dittmeyer, R., Augustin, W., and Scholl, S., 2012, The impact of crystallization fouling on a microscale heat exchanger, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 40, pp. 126-131.

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Paakkonen, T. M., Riihimaki, M., Simonson, C. J., Muurinen, E., and Keiski, R. L., 2012, Crystallization fouling of $CaCO_3$ -Analysis of experimental thermal resistance and its uncertainty, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, No. 23, pp. 6927-6937.

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Moffatt, R. J., 1988, Describing the Uncer-tainties in Experimental Results, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 1, No. 1, pp. 3-17.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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