발전 플랜트, 석유 화학 플랜트, 단위 공장과 같은 다양한 산업 플랜트에서, 사용 후 스팀이나 잉여 스팀을 이용하여 온수나 급탕수를 만드는 시스템의 수요가 증가하고 있다. 스팀을 사용하여 온수를 제조하는 장치인 컴팩트 스팀 유닛(Compact Steam Unit, 이하 CSU)가 에너지 재활용 측면에서 좋은 대안이 되고 있다. 본 연구에서는 고압 CSU 개발을 위한 기초 연구로서, CSU의 핵심 부품인 열교환기로 기존 판형 열교환기 대신 하이브리드 열교환기를 적용하여 위해, 실험적인 방법으로 하이브리드 열교환기의 전열 특성을 파악하고자 하였다. 실험 결과, 온수측과 냉수측 사이의 열 평형은 ${\pm}5%$ 이내를 만족하였다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 총괄 열전달 계수는 선형적으로 증가하였으며, 채널 유속 0.5 m/s 이상에서 총괄 열전달 계수는 개발 목표치인 $5,524W/m^2K$를 초과하였다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 압력 강하 또한 증가하였으며, 단위 길이당 압력 강하값은 유속 0.5 m/s에서 50 kPa/m 이하였다.
발전 플랜트, 석유 화학 플랜트, 단위 공장과 같은 다양한 산업 플랜트에서, 사용 후 스팀이나 잉여 스팀을 이용하여 온수나 급탕수를 만드는 시스템의 수요가 증가하고 있다. 스팀을 사용하여 온수를 제조하는 장치인 컴팩트 스팀 유닛(Compact Steam Unit, 이하 CSU)가 에너지 재활용 측면에서 좋은 대안이 되고 있다. 본 연구에서는 고압 CSU 개발을 위한 기초 연구로서, CSU의 핵심 부품인 열교환기로 기존 판형 열교환기 대신 하이브리드 열교환기를 적용하여 위해, 실험적인 방법으로 하이브리드 열교환기의 전열 특성을 파악하고자 하였다. 실험 결과, 온수측과 냉수측 사이의 열 평형은 ${\pm}5%$ 이내를 만족하였다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 총괄 열전달 계수는 선형적으로 증가하였으며, 채널 유속 0.5 m/s 이상에서 총괄 열전달 계수는 개발 목표치인 $5,524W/m^2K$를 초과하였다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 압력 강하 또한 증가하였으며, 단위 길이당 압력 강하값은 유속 0.5 m/s에서 50 kPa/m 이하였다.
In various industrial plants such as power generation plants, petrochemical plants, and unit factories, there is an increasing demand for a system that generates hot water using waste or surplus steam. Compact steam unit (CSU), which produces hot water by using steam, is a good solution considering ...
In various industrial plants such as power generation plants, petrochemical plants, and unit factories, there is an increasing demand for a system that generates hot water using waste or surplus steam. Compact steam unit (CSU), which produces hot water by using steam, is a good solution considering energy reuse. In this study, as a basic study to develop a high-pressure CSU, heat transfer characteristics of a hybrid heat exchanger were investigated through experiments, in order to use the hybrid heat exchanger instead of a conventional plate heat exchanger as the core component of CSU. The experimental results are the followings. Heat balance between the hot side and cold side was satisfied within ${\pm}5%$. Overall heat transfer coefficient increased linearly as the Reynolds number increased and exceeded $5,524W/m^2K$ when the flow velocity was above 0.5 m/s. In addition, pressure drop also increased as the Reynolds number increased, and pressure drop per unit length was below 50 kPa/m.
In various industrial plants such as power generation plants, petrochemical plants, and unit factories, there is an increasing demand for a system that generates hot water using waste or surplus steam. Compact steam unit (CSU), which produces hot water by using steam, is a good solution considering energy reuse. In this study, as a basic study to develop a high-pressure CSU, heat transfer characteristics of a hybrid heat exchanger were investigated through experiments, in order to use the hybrid heat exchanger instead of a conventional plate heat exchanger as the core component of CSU. The experimental results are the followings. Heat balance between the hot side and cold side was satisfied within ${\pm}5%$. Overall heat transfer coefficient increased linearly as the Reynolds number increased and exceeded $5,524W/m^2K$ when the flow velocity was above 0.5 m/s. In addition, pressure drop also increased as the Reynolds number increased, and pressure drop per unit length was below 50 kPa/m.
본 연구에서는 CSU 구성 요소 중 핵심 기자재인 열교환기를 기존의 판형 열교환기 대신에 하이브리드 열교환기를 성능 평가용으로 제작하고, 열전달과 압력 강하 특성에 관한 연구를 실험적으로 수행하여, 향후 CSU에 적용하기 위한 기초 자료를 얻고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 외부 환경 조건과 실험 설비 사양을 고려하되, 총괄 열전달 계수에 대한 대수 평균 온도차(LMTD)의 영향을 최소화하기 위하여 온수의 온도를 60 ℃, 냉수의 온도를 20 ℃로 하여, 입구 온도차를 40 ℃로 크게 설정하였다. 또, 유량의 범위는 향후 설계 프로그램에 필요한 설계 인자 산출을 위하여 연구 목표에 해당하는 유속 0.5 m/s 외에도 추가로 4가지 유속 범위를 더하여 유속을 (0.2 ~ 0.8) m/s로 변화시켜가며 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 외부 환경 조건과 실험 설비 사양을 고려하되, 총괄 열전달 계수에 대한 대수 평균 온도차(LMTD)의 영향을 최소화하기 위하여 온수의 온도를 60 ℃, 냉수의 온도를 20 ℃로 하여, 입구 온도차를 40 ℃로 크게 설정하였다. 또, 유량의 범위는 향후 설계 프로그램에 필요한 설계 인자 산출을 위하여 연구 목표에 해당하는 유속 0.
판형 열교환기에서는 실험 시 끝판 효과(end plate effect)를 방지하기 위해 40장 이상의 전열판을 추천하고 있으며, 본 실험에서는 이를 고려한 41장으로 실험을 실시하였다[1]-[4].
대상 데이터
본 연구에서 사용된 하이브리드 열교환기는 Figure 1과 같은 기존 판형 열교환기의 전열면을 주름 핀(corrugated fin)으로 대체하여 제작한 열교환기이다. 하이브리드 열교환기의 전열면은 기존 판형 열교환기에 비해 (2 ~ 4)배 정도 크며, 이를 통해 전체 열교환기의 사이즈를 1/2 ~ 1/4까지 줄일 수 있고, 주름 핀의 두께가 (0.
성능/효과
(1) 온수측과 냉수측 사이의 열 평형은 1차측(Wide gap side), 2차측(Narrow gap side) 모두에서 ± 5 % 이내를만족하였다.
(3) 압력 강하 또한 Re수가 증가할수록 증가하였으며, 단위 길이당 압력 강하는 1차측(Wide gap side)과 2차측(Narrow gap side) 모두에서 유속 0.5 m/s에서는 목표치인 50 kPa/m 이하인 것을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컴팩트 스팀 유닛은 무엇으로 구성되는가?
컴팩트 스팀 유닛(Compact Steam Unit, 이하 CSU)은 스팀을 이용하여 온수와 급탕수를 제조하는 시스템으로서 에너지 재활용 측면에서 좋은 대안이 되고 있다. CSU는 열교환기,온도 조절 밸브, 제어 시스템, 각종 밸브, 스팀 트랩, 각종 계측기 및 센서류 등으로 구성된다. CSU 구성 요소 중 핵심 기자재는 스팀과 급탕수의 열교환이 이뤄지는 열교환기인데,기존 시스템에는 판형 열교환기가 적용되고 있으나, 갈수록 심화되고 있는 사용 공간의 제약과 높은 에너지 효율, 에너지관리공단 승인에 따른 추가 비용 부담 등에 따른 현 상황에 적합한 새로운 타입의 열교환기의 필요성이 대두되고 있다.
초고층 건물에서 난방 시스템으로 스팀을 이용한 난방 시스템의 사용이 증가하는 이유는?
초고층 건물에서 난방 시스템은 중온수가 아닌 스팀을 이용한 난방 시스템으로 변해가고 있으며, 발전소, 석유 화학 공장 등의 각종 플랜트 및 단위 공장과 같은 산업 설비에도 스팀을 이용한 난방 및 급탕 시스템의 수요가 점점 증가하고 있다. 이는 스팀이 온수에 비해 적은 양으로도 큰 에너지를 이동시킬 수 있기 때문에 열에너지가 필요한 산업군에서는 가장 보편적으로 사용되는 방식이다. 플랜트 및 단위 공장에서는 공정에서 사용 후 버려지는 폐(잉여)스팀이 항상 존재하나, 특별한 회수 장치 없이 외부로 버려지는 경우가 대부분이다.
컴팩트 스팀 유닛이란 어떤 시스템인가?
컴팩트 스팀 유닛(Compact Steam Unit, 이하 CSU)은 스팀을 이용하여 온수와 급탕수를 제조하는 시스템으로서 에너지 재활용 측면에서 좋은 대안이 되고 있다. CSU는 열교환기,온도 조절 밸브, 제어 시스템, 각종 밸브, 스팀 트랩, 각종 계측기 및 센서류 등으로 구성된다.
참고문헌 (7)
J. Marriott, "Where and how to use plate heat exchangers," Chemical Engineering, vol. 78, no. 8, pp. 127-134, 1971.
M. F. Edwards, "Heat transfer and pressure drop characteristics of a plate heat exchanger using newtonian and non-newtonian liquids," The Chemical Engineer, vol. 259, no. 1, pp. 286-288, 1974.
M. K. Seo, J. H. Park, and Y. S. Kim, "A study on heat transfer and pressure drop characteristics in plate heat exchangers, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 25, no. 3, pp. 151-157, 2001.
R. A. Bounopane, R. A. Troupe, and J. C. Morgan, "Heat transfer design method for plate heat exchanger ," Chemical Engineering Progress, vol. 59, no. 7, pp. 57-61, 1963.
P. Farrell, K. Wert, and R. Webb, "Heat transfer and friction characteristics of turbulent radiator tubes," SAE Technical Paper Series, No. 910197, 1991.
S. J. Kline and F. A. McClintock, "Describing uncertainties in single sample experiments," Mechanical Engineering, vol. 75, no. 1, pp. 3-12, 1953.
R. K. Shah and W. W. Focke, "Plate heat exchangers and their design theory, in: R. K. Shah, E. C. Subbarao and R. A. Mashelkar (Eds.), Heat Transfer Equipment Design," Hemisphere, Washington, DC, pp. 227-254, 1988.
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