버블 유동층과 세정 볼을 이용한 폐수 열원 히트펌프 시스템 증발기의 관 외측 오염 저감 장치에 관한 연구 A fouling mitigation device for a wastewater heat recovery heat pump system using a bubbling fluidized bed with cleaning sponge balls원문보기
폐수 열원히트펌프 시스템은 목욕탕, 공장 또는 하천수 등을 히트펌프의 열원으로 사용한다. 증발기는 폐수로부터의 오염을 완화시키기 위하여 휜이 없는 나관식(bare tube) 열교환기가 주로 사용되고 있다. 대부분의 열 저항은 관외를 흐르는 폐수측에 생성되는 파울링에 의한 것이며, 히트펌프의 성능을 급격하게 감소시킨다. 따라서 본 연구에서는 나관식 열교환기 하부에서 버블 유동층을 형성시키고 세정 볼을 사용하여 관 외측의 파울링을 저감시키는 장치를 개발하였다. 실험 조건으로, 냉수온도 $20^{\circ}C$, 폐수 온도 $40^{\circ}C$, 관 내측 유량 100L/h, 수조 내 물의 양 50L, 열교환기 면적 $0.161m^2$ 이다. 실험결과 세정 볼 없이 버블유동층만 형성한 경우에는 버블유동층이 없는 경우에 비해 파울링에 의해 생성된 열 저항이 약 56% 감소되었으며, 세정 볼의 개수 밀도가 8,000(Number of $ball/m^3$) 일 때, 파울링에 의해 생성된 열 저항은 버블유동층 및 세정 볼이 없을 때와 비교하여 약 86% 감소되었다.
폐수 열원 히트펌프 시스템은 목욕탕, 공장 또는 하천수 등을 히트펌프의 열원으로 사용한다. 증발기는 폐수로부터의 오염을 완화시키기 위하여 휜이 없는 나관식(bare tube) 열교환기가 주로 사용되고 있다. 대부분의 열 저항은 관외를 흐르는 폐수측에 생성되는 파울링에 의한 것이며, 히트펌프의 성능을 급격하게 감소시킨다. 따라서 본 연구에서는 나관식 열교환기 하부에서 버블 유동층을 형성시키고 세정 볼을 사용하여 관 외측의 파울링을 저감시키는 장치를 개발하였다. 실험 조건으로, 냉수온도 $20^{\circ}C$, 폐수 온도 $40^{\circ}C$, 관 내측 유량 100L/h, 수조 내 물의 양 50L, 열교환기 면적 $0.161m^2$ 이다. 실험결과 세정 볼 없이 버블유동층만 형성한 경우에는 버블유동층이 없는 경우에 비해 파울링에 의해 생성된 열 저항이 약 56% 감소되었으며, 세정 볼의 개수 밀도가 8,000(Number of $ball/m^3$) 일 때, 파울링에 의해 생성된 열 저항은 버블유동층 및 세정 볼이 없을 때와 비교하여 약 86% 감소되었다.
Wastewater heat recovery heat pump systems use heated wastewater from public baths or factories as the heat pump's heat source. Generally, this system uses a bare tube evaporator. In the heat transfer process from wastewater to refrigerant, thermal resistance is caused primarily by fouling deposits ...
Wastewater heat recovery heat pump systems use heated wastewater from public baths or factories as the heat pump's heat source. Generally, this system uses a bare tube evaporator. In the heat transfer process from wastewater to refrigerant, thermal resistance is caused primarily by fouling deposits on the outside surface of tube. Fouling directly increases thermal resistance and decreases heat pump efficiency. Thus, it is desirable to eliminate fouling. In this study, we fabricated a fouling mitigation device using a bubbling fluidized bed with cleaning sponge balls in the wastewater bath. Experimental conditions were as follows: $20^{\circ}C$ cold-water temperature, $40^{\circ}C$ wastewater temperature, 100 L/h cold water flow rate, and $0.161m^2$ heat exchanger surface area. Experimental results showed that the thermal resistance of fouling decreased by 56% with the fluidized bed alone and by 86% with both the fluidized bed and cleaning sponge balls.
Wastewater heat recovery heat pump systems use heated wastewater from public baths or factories as the heat pump's heat source. Generally, this system uses a bare tube evaporator. In the heat transfer process from wastewater to refrigerant, thermal resistance is caused primarily by fouling deposits on the outside surface of tube. Fouling directly increases thermal resistance and decreases heat pump efficiency. Thus, it is desirable to eliminate fouling. In this study, we fabricated a fouling mitigation device using a bubbling fluidized bed with cleaning sponge balls in the wastewater bath. Experimental conditions were as follows: $20^{\circ}C$ cold-water temperature, $40^{\circ}C$ wastewater temperature, 100 L/h cold water flow rate, and $0.161m^2$ heat exchanger surface area. Experimental results showed that the thermal resistance of fouling decreased by 56% with the fluidized bed alone and by 86% with both the fluidized bed and cleaning sponge balls.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한, 경도가 낮은 수돗물을 이용하여 파울링을 형성시키기 위해서는 오랜 시간을 필요로 한다. 따라서, 본 연구는 공기 유동층과 세정 볼을 사용한 물리적인 방법을 이용한 파울링 저감 효과에 초점을 맞추었고 이에 따른 실험시간도 줄이기 위하여 화학약품을 첨가한 인공수(artificial water)를 본 실험에 사용하여 실험하였다. 인공수는 탄산칼슘을 오염물질로 형성하기 위하여 수도수 1 L당 염화칼슘 0.
따라서, 본 연구에서는 버블 유동층과 세정 볼을 이용한 폐수열 히트펌프 시스템 증발기의 관외측 오염 저감 장치를 개발하였다. 관 외부 폐수에 버블 유동층을 형성하여 대류열전달율을 촉진시키며, 버블 유동층에 투입된 세정 볼이 열교환기 튜브 표면에 충돌하며 파울링을 지속적으로 제거하는 장치이다.
관 외부 폐수에 버블 유동층을 형성하여 대류열전달율을 촉진시키며, 버블 유동층에 투입된 세정 볼이 열교환기 튜브 표면에 충돌하며 파울링을 지속적으로 제거하는 장치이다. 본 연구에서는 관외측 오염 저감에 따른 열전달 성능 분석을 목적으로 하였기 때문에 실제의 히트펌프 증발기에 사용되는 냉매 대신 관내측으로 냉수를 흘려 세정 볼 개수 밀도에 따른 열 저항을 분석하였다.
제안 방법
공기의 유속은 전열관의 침식을 고려하여 1 ± 0.1m/s 정도의 저유속으로 실험을 진행하였으며 부유식 공기유량계를 사용하여 조절하였다.
관내측 수온을 측정하기 위하여 열교환기 입구(Tin), 출구(Tout)와 폐수조 내 Tw1, Tw2 위치에 CC 열전대를 설치하였으며, 열교환기로 들어가는 냉수 유량을 측정하기 위하여 질량유량계를 설치하였다. 온도 및 냉수 유량은 데이터로거(MX100, Yokogawa)를 사용하여 컴퓨터에 기록하였다.
버블 유동층과 세정 볼을 이용한 폐수열원 히트 펌프 시스템의 오염 저감 장치를 개발하여 다음과 같은 실험결과를 얻었다.
78 g을 용해시켜 만들었다[3]. 실험은 버블유동층과 오염물질의 유무, 세정 볼 개수 밀도를 변수로 하여 진행하였으며, 시행한 실험의 종류는 Table 4와 같다.
161m2이다. 열교환기 세정을 위해 사용된 세정 볼은 직경 15mm로서 열교환기의 열과 단 사이를 자유롭게 유동할 수 있는 크기를 선택하였으며, 세정 볼은 물에 젖은 상태에서 비중이 1.306으로 폐수조에 투입할 경우 수조 밑바닥으로 침전하여 공기 유동층에 의해 버블과 함께 유동할 수 있도록 선정하였다. 공기의 유속은 전열관의 침식을 고려하여 1 ± 0.
오염 저감에 대한 연구로는 Euan [1]의 열교환기 오염에 대한 기초 이론과 분류에 대한 연구와, J. D. Kim [2]의 이 젝터를 이용한 다관식 열교환기 파울링 자동제거장치의 구동 특성에 대한 연구로 관 내측(inside tube) 오염 제거시 펌프 양정과 세정 볼의 최적속도를 제시하였으며, Beak et al.[3]은 플레이트 열교환기의 오염제거를 위하여 에어 버블을 2시간당 10분씩 투입시켜 192시간 경과 후에 투입하지 않은 경우에 비하여 10% 정도 열전달 성능이 향상되었다는 연구 결과를 보고하였다.
위치에 CC 열전대를 설치하였으며, 열교환기로 들어가는 냉수 유량을 측정하기 위하여 질량유량계를 설치하였다. 온도 및 냉수 유량은 데이터로거(MX100, Yokogawa)를 사용하여 컴퓨터에 기록하였다.
대상 데이터
수조용 히터는 온도조절기(OKE-6710HC)를 통해 설정온도를 on/off 제어하도록 하였다. 열교환기는 실제 히트펌프 시스템에 사용되는 구조를 맞추기 위하여 9.52mm 동관을 사용하여 4열 2단, 열 간격 58mm 단 간격 56mm의 나관식 열교환기로 제작하였다. 열교환기의 총길이는 5.
성능/효과
(1) 세정 볼 없이 버블 유동층만을 사용할 경우, 파울링에 의한 열 저항이 58% 감소하였다.
(2) 버블 유동층을 적용하고 세정 볼 개수 밀도가 8,000(Number of ball/m3)일 때 버블유동층 및 세정 볼이 없는 경우에 비해 파울링에 의한 열 저항이 86% 감소하였다.
또, 버블 유동층이 없는 Case No. 7의 열 저항 Rf 와 버블 유동층과 세정 볼(볼 개수 밀도 8,000(Number of ball/m3))을 동시에 사용하였을 경우(Case No. 12)의 열 저항 Rf를 비교하면 약 86%의 오염저감 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폐수 열원 히트펌프 시스템은 어디에 사용되는가?
폐수 열원 히트펌프 시스템은 목욕탕, 공장 또는 하천수 등을 히트펌프의 열원으로 사용한다. 증발기는 폐수로부터의 오염을 완화시키기 위하여 휜이 없는 나관식(bare tube) 열교환기가 주로 사용되고 있다.
열교환기가 열 저항의 증가 때문에 증발기 내측 냉매의 증발 압력이 낮아질 때 어떤 문제가 생기는가?
이러한 열교환기는 사용시간이 지남에 따라 관 외측 표면에 오염이 증가되어 열전달 성능이 저하되며, 열 저항의 증가 때문에 증발기 내측 냉매의 증발 압력이 낮아지게 된다. 그 결과 냉매의 증발 압력이 저압차단 스위치의 설정압력 이하가 되어 히트펌프 시스템의 on/off 운전이 잦아지며 성능계수(COP) 또한 매우 낮아지게 된다. 열교환기 튜브(tube) 바깥 표면의 오염을 제거하기 위한 기존의 방식은 장치의 운전을 정지하고 폐수조 내 증발기를 분해하여 오염물질을 물리적으로 제거하거나 화학약품을 첨가하여 제거하는 방법이 있다.
증발기는 주로 어디에 사용되는가?
폐수 열원 히트펌프 시스템은 목욕탕, 공장 또는 하천수 등을 히트펌프의 열원으로 사용한다. 증발기는 폐수로부터의 오염을 완화시키기 위하여 휜이 없는 나관식(bare tube) 열교환기가 주로 사용되고 있다. 대부분의 열 저항은 관외를 흐르는 폐수측에 생성되는 파울링에 의한 것이며, 히트펌프의 성능을 급격하게 감소시킨다.
참고문헌 (5)
F. C. Euan, "Fouling," NATO ASI series vol. 143 pp. 407-460, 1988.
J. D. Kim, "An experimental study of operating characteristics on fouling auto removal apparatus of multi pass type heat exchanger using ejector," The Korean Society for Power System Engineering, vol. 13, no. 6, pp. 63-69, 2009 (in Korean).
S. M. Beak, W. J. Choi, J. I. Yoon, and W. S. Seol, "Characteristics of decrease effect in fouling on plate heat exchanger using air bubble," The Korean Society for Power System Engineering, vol. 14, no. 1, pp. 22-26, 2010 (in Korean).
S. K. Sung and S. H. Suh, "Effect of fouling mitigation for ceramic ball in cooling water system of heat exchanger," The Korean Society of Mechanical Engineers B, vol. 31, no. 4, pp. 330-334, 2007 (in Korean).
K. M. Hwang and T. E. Jin, "A study on the development of fouling analysis technique for shell-and-tube heat exchangers," The Korean Society of Mechanical Engineers B, vol. 28, no. 2, pp. 167-173, 2004 (in Korean).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.