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The pressure distribution and heat transfer coefficient were measured at room temperature in the high suspension density CFB heat exchanger with multiple vertical tubes and the effective density of CFB was determined. The theoretical model for predicting heat transfer coefficient was developed in th...

The pressure distribution and heat transfer coefficient were measured at room temperature in the high suspension density CFB heat exchanger with multiple vertical tubes and the effective density of CFB was determined. The theoretical model for predicting heat transfer coefficient was developed in this study. The model predictions were compared with the measured heat transfer coefficient to show relatively good agreement between them.

The pressure distribution and heat transfer coefficient were measured at room temperature in the high suspension density CFB heat exchanger with multiple vertical tubes and the effective density of CFB was determined. The theoretical model for predicting heat transfer coefficient was developed in this study. The model predictions were compared with the measured heat transfer coefficient to show relatively good agreement between them.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 공업로 특히 소각로의 고온의 오염물질을 함유한 배가스의 열회수를 위하여 다관형 순환유동층 열교환기의 유동 및 전열성능을 측정하였으며, 본 연구의 다관형 순환유동층에 적합한 열전달 계수의 예측을 위한 모델을 개발하였다.
• 그리고 순환유동층의 열전달계수의 예측모델을 개발하여 측정 결과와 비교하였다. 본 연구의 다관형 순환유동층의 전열면에서의 열전달계수의 예측 모델은 기존의 일반적인 순환유동층에 대한 Mickley and Fairbanks(2)의 renewal model을 바탕으로 다관형순환유동층 열교환기에 적합한 가정을 도입하여 다관형 순환유동층의 운전조건에 적합한 예측 모델을 개발하였다.

가설 설정

• 이러한 접촉면적 비에 대한 여러 가지의 실험식들을 검토하였다.(3) 유동층의 직경이 작은 경우 접촉면적이 감소하여 본 연구에서의 접촉면적비를 다음과 같이 가정하였다.
• 고밀도 다관형 순환유동층의 경우, 일반적인 순환유동층에서의 전열관내의 열전달계수의 이론적 예측을 위한 renewal model의 사용이 가능하다고 가정하여 본 연구에서 열전달계수의 예측모델을 도출하였다. 이러한 예측모델을 이용하여 이론적으로 예측한 열전달계수와 측정한 결과를 비교하여 Fig.
• 본 연구에서는 Um을 1.26 m/s로 가정하였다 그리고 Wu et al">은 매끈한 벽면의 경우의 평균 체류시간은 다음과 같이 나타낼 수 있음을 보고하였다.
• 입자대류의 경우, Mickey and Fairbanks2는 기포유동층의 벽면에 접촉하는 입자군을 일정한 유효열전도도와 유효비열을 나타내는 균일한 재질로 가정하였다. 만약 입자군이 열투입깊이(thermal penetration depth)가 두꺼운 경우, 즉 열투입깊이가 1mm 보다 작고, 접촉시간이 1초 정도인 경우, 입자군을 반무한 열전도체로 가정할 수 있다.

제안 방법

• 32개 중에서 1개의 상승전열관을 선정하여 상승관의 중간부분에서의 측정간격이 400mm가 되는 부분에서의 압력손실을 측정하였으며, 이로부터 상승관에서 형성된 순환유동층 내부 유체의 유효밀도를 계산하였다. 이러한 유효밀도는 순환유동층의 유동현상을 나타내는 중요한 인자가 되며, 이를 통하여 열교환기의 적정한 운전 영역을 결정할 수 있다.
• 전열센서 입구의 물의 온도를 측정하고, 이의 온도를 약 70 ℃ 정도로 일정하게 유지하기 위하여 온도조절계를 사용하여 전기히터의 전력량을 조절한다. Datalogger와 열전대를 사용하여 전열센서의 물의 입출구온도와 전열센서 내부의 고체입자와 공기의 2상유체의 입출구온도를 측정한다. Turbine type 공기유량계를 사용하여 공기유량을 측정하고, 물의 유량은 물탱크로 배출되는 물의 무게를 측정하여 결정하였다.
• Datalogger와 열전대를 사용하여 전열센서의 물의 입출구온도와 전열센서 내부의 고체입자와 공기의 2상유체의 입출구온도를 측정한다. Turbine type 공기유량계를 사용하여 공기유량을 측정하고, 물의 유량은 물탱크로 배출되는 물의 무게를 측정하여 결정하였다. 전열센서에서의 고체 입자와 공기의 압력손실을 micromanometer를 사용하여 측정하였다.
• 물탱크의 물을 물펌프로 전기히터로 이송한다. 그리고 전열센서의 입구의 동관에서의 물온도를 열전대를 사용하여 측정하고 온도조절계를 사용하여 전기히터의 전력량을 조절하여 물의 공급온도를 일정하게 유지한다.
• 측정하였다. 다공판과 전열관 배열을 포함한 열교환기의 압력손실을 측정하였으며, 이 경우 상단과 하단의 2개의 다공판을 설치한 경우와 상단의 1개의 다공판을 설치한 2가지의 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 먼저 2개의 다공판을 설치한 경우의 압력손실 측정결과를 Fig.
• 다관형 순환유동층 열교환기 의 상온실험 장치에서의 고체입자 체류량과 공기유량에 따른 압력분포를 측정하였다. 다공판과 전열관 배열을 포함한 열교환기의 압력손실을 측정하였으며, 이 경우 상단과 하단의 2개의 다공판을 설치한 경우와 상단의 1개의 다공판을 설치한 2가지의 경우에 대하여 실험을 수행하였다.
• 이러한 온도 및 압력 측정 결과가 일정한 상태를 유지하는 정상상태에서의 순환유동층 열교환기의 성능을 측정하였다. 이러한 실험을 통하여 여러가지 순환유동층 설계 조건에 대하여 공기유량과 고체입자의 투입량을 변경하면서 순환유동층 열교환기의 유동 및 전열 성능을 측정하였다.
• 전열센서에서의 고체 입자와 공기의 압력손실을 micromanometer를 사용하여 측정하였다. 이러한 온도 및 압력 측정 결과가 일정한 상태를 유지하는 정상상태에서의 순환유동층 열교환기의 성능을 측정하였다. 이러한 실험을 통하여 여러가지 순환유동층 설계 조건에 대하여 공기유량과 고체입자의 투입량을 변경하면서 순환유동층 열교환기의 유동 및 전열 성능을 측정하였다.
• 물 펌프를 작동시키고, 유량조절 밸브를 일정 유량의 물탱크의 물을 전기히터로 공급한다. 전열센서 입구의 물의 온도를 측정하고, 이의 온도를 약 70 ℃ 정도로 일정하게 유지하기 위하여 온도조절계를 사용하여 전기히터의 전력량을 조절한다. Datalogger와 열전대를 사용하여 전열센서의 물의 입출구온도와 전열센서 내부의 고체입자와 공기의 2상유체의 입출구온도를 측정한다.
• Turbine type 공기유량계를 사용하여 공기유량을 측정하고, 물의 유량은 물탱크로 배출되는 물의 무게를 측정하여 결정하였다. 전열센서에서의 고체 입자와 공기의 압력손실을 micromanometer를 사용하여 측정하였다. 이러한 온도 및 압력 측정 결과가 일정한 상태를 유지하는 정상상태에서의 순환유동층 열교환기의 성능을 측정하였다.
• 전열센서의 물의 유량과 입출구온도를 측정하여 총 전열량을 계산하고, 전열센서의 외부로의 열 손실을 감안하여 전열관으로 공급되는 전열량을 계산하였다. 그리고 순환유동층의 상승관에서의 입출구온도를 측정하여, 온수와 2상유체의 대수평균온도차를 계산하였으며 전열량의 측정 결과로부터 열전달 계수를 산출하였다.

대상 데이터

• 그리고 수직전열관 중의 하강관의 길이는 500 mm이며, 상하단 면은 열교환기의 상하단 면과 동일한 면에 위치한다. 다공판은 구멍은 32개이며, 이의 직경이 7mm이다. 이러한 구멍의 위치는 상승관의 위치와 동일하다.
• 이러한 구멍의 위치는 상승관의 위치와 동일하다. 본 연구에 사용한 고체입자는 직경이 0.1 mm - 0.15 mm의 석회석이 다.
• 열교환기 부분은 육안 관찰을 위하여 아크릴 재질로 제작하였다. 아크릴 전열관의 내경은 26 mm 이며, 수직전열관중의 상승관(riser)의 길이는 600 mm이다. 이중의 상부의 70 mm는 열교환기의 상면위에 돌출되어 있다.

데이터처리

• Fig. 5에 고체입자가 없는 경우의 공기 유량에 따른 열전달계수의 측정결과와 이론식의 계산 결과를 비교하여 나타내었다. 이론식은 관내의 난류 유동에서의 대류열전달에 대한 열전달계수의 경험식을 사용하였다.
• 계산하였다. 그리고 순환유동층의 상승관에서의 입출구온도를 측정하여, 온수와 2상유체의 대수평균온도차를 계산하였으며 전열량의 측정 결과로부터 열전달 계수를 산출하였다.
• 이러한 배가스의 열회수를 위하여 일반적인 열교환기 또는 폐열보일러를 사용하는 경우, 열교환기의 전열면에 파울링 현상이 발생하며, 소각로의 경우에는 소각로의 연소실에서 배출하는 다이옥신이 폐열보일러에서 재합성되어 다이옥신의 농도가 증가하게 된다본 연구에서는 다관형 순환유동층 열교환기를 이용하여 열교환기의 전열면의 파울링 방지와 고온 배가스의 급속냉각을 통하여 다이옥신의 재합성 현상을 억제하기 위하여 다관형 순환유동층 열교환기에 대한 실험과 이론적 분석을 수행하였다 먼저, 고밀도 순환유동층의 유동실험을 통하여 압력손실 및 유효밀도를 측정하였으며, 전열성능실험을 수행하였다. 그리고 순환유동층의 열전달계수의 예측모델을 개발하여 측정 결과와 비교하였다. 본 연구의 다관형 순환유동층의 전열면에서의 열전달계수의 예측 모델은 기존의 일반적인 순환유동층에 대한 Mickley and Fairbanks(2)의 renewal model을 바탕으로 다관형순환유동층 열교환기에 적합한 가정을 도입하여 다관형 순환유동층의 운전조건에 적합한 예측 모델을 개발하였다.

이론/모형

• 가스대류열전달(dispersed phase heat transfer)의 경우, 다음의 일반적인 유로 내에서의 난류 유동에 대한 가스 대류의 열전달계수 산출 식을 사용하였다(7)
• 5에 고체입자가 없는 경우의 공기 유량에 따른 열전달계수의 측정결과와 이론식의 계산 결과를 비교하여 나타내었다. 이론식은 관내의 난류 유동에서의 대류열전달에 대한 열전달계수의 경험식을 사용하였다. 이러한 비교 결과를 보면, 열전달계수의 측정결과와 경험식의 계산 결과는 비교적 비슷한 것으로 나타났다.

성능/효과

• 식의 계수를 조절하였다. Fig. 7에서 보면, 본 연구의 다관형 순환유동층 열교환기의 열전달 계수에 대한 예측모델과 측정결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
• 가한다. 그리고 열전달계수의 측정결과로서 유동층을 헝성하므로서 약 5배 정도의 전열증대 효과가 있는 것으로 나타났다.
• 그리고 일반적인 순환유동층에 대한 renewal model을기초로 본 연구에서 다관형 순환유동층에 적합한 모델을 도출하였으며, 본 연구의 열전달 계수와 비교한 결과, 모델 예측결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
• 6에서의 순환유동층이 형성된 경우의 열전달 계수는 대략 40 - 100 W/n?K의 범위에서 변화한다. 따라서 다관형 순환유동층의 전열 면에서의 고체입자의 유동화에 의하여 열전달 계수가 약 5배 까지 증대되는 것으로 나타나, 유동화에 의한 전열증대 효과가 매우 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
• 따라서 본 연구의 전열센서를 사용한 순환유동층 열교환기의 열전달계수의 측정방법은 어느 정도 타당한 것으로 판단된다. 그리고 고체 입자가 없는 경우의 상승관에서의 열전달계수는 약 5 - 20 W/njK의 범위인 것으로 나타났다.
• 이론식은 관내의 난류 유동에서의 대류열전달에 대한 열전달계수의 경험식을 사용하였다. 이러한 비교 결과를 보면, 열전달계수의 측정결과와 경험식의 계산 결과는 비교적 비슷한 것으로 나타났다.
• 전열관의 상부에 고체입자와 공기를 분리하기 위한 중력집진형 입자분리장치를 설치하여 고체 입자가 열교환기의 외부로 방출되는 것을 방지하였다. 그리고 이러한 입자분리장치를 통과한 미세한 고체입자의 외부 방출을 막기 위하여 후단에 백필터를 설치하였다.

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