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문제 정의
- 본 연구는 전열 핀튜브 모듈에 대한 전열 특성을 파악 분석하는 것이다. Fig.
- 본 연구에서는 멀티버너 보일러용 열교환기 모듈에 대한 특성시험을 하였다. 열교환기 모듈에 대한 소형화를 위해 핀튜브 모듈형으로 개발하였으며, 0.
- 본 연구에서는 소형화, 고성능화 멀티 버너 보일러에 사용될 핀튜브 열교환기 모듈에 대한 특성시험을 수행하였다. 열교환기를 모듈형태로 제작하여 시스템의 구성을 최적화할 수 있도록 도모하였고, 핀형태의 수관을 사용하여 수관의 열전달의 촉진하였다.
- 5t/h급 보일러에서 그 성능을 확인하였다. 본 연구에서는 전열 모듈 순서를 변화시켜 그 특성을 확인하였다. 개발된 열교환기 모듈에 대한 성능 및 특징은 다음과 같다.
제안 방법
- 보일러에서 배출되는 연소가스의 온도가 800~900℃ 정도이므로 K형 열전대(1/4")를 사용하여 온도를 계측하였다.
- 8 MPa이다. 0.75kW 펌프를 사용하여 급수하였으며 전극봉 위치에 따라 간헐적으로 급수를 하였다. 또한 급수량을 측정하기 위해 급수 펌프와 보일러 사이에 전자기 방식의 유량계(KTM-800, Korea Flow Meter co.
- Fig. 3과 같이 각 핀튜브 모듈에 9개씩 열전대를 부착할 수 있게 구멍을 가공하였으며, 4개 모듈에 36개의 온도 측정점을 가공하였다. Fig.
- 각 모듈의 형상을 표 1에 나타내었다. 각 모듈에 전극봉 수위계, 펌프 및 유량계를 각각 설치하여 독립적으로 급수 및 증발유량을 계측할 수 있는 시스템을 구축하였다. 수위는 수관과 헤더 사이의 연락관에 전극봉을 조절하였다.
- 계측에 사용된 센서는 핀튜브 모듈 온도를 측정하기 위한 K형 열전대, 연소기에 공급되는 LNG 온도, 압력 및 가스유량을 계측하기 위한 T형 열전대, 압력계 및 유량계, 보일러 발생하는 증기 압력을 측정하기 위한 압력계(PSCD0015KAAG, Sensys) 그리고 보일러와 각 핀튜브 모듈에 공급되는 물의 유량을 측정하기 위한 유량계를 사용하였으며, 이 모든 데이터는 A/D컨버터(GL-450, Midilogger)을 통해 컴퓨터로 수집하였다.
- 수위는 수관과 헤더 사이의 연락관에 전극봉을 조절하였다. 또한 각 전열 핀튜브 모듈의 위치를 변경할 수 있게 제작하였으며 O-C-B-A, O-A-B-C, O-B-A-C로 순서를 달리하여 열교환기 전열 특성시험을 수행하였다. 본 연구에 사용한 한 핀튜브 열교환기 사진을 Fig.
- 또한 급수량을 측정 .
- 보일러 -O-A-B-C 순서에 대한 전열 모듈시험이 끝난후 전열모듈 배치를 보일러 -O-B-A-C 순서대로 설치하여 전열 모듈 시험을 수행하였다.
- 보일러 -O-C-B-A 순서에 대한 전열 모듈시험이 끝난후 전열모듈 배치를 보일러 -O-A-B-C 순서대로 설치하여 전열 모듈 시험을 수행하였다.
- 제작된 열교환기 모듈을 보일러-O-C-B-A 순서대로 배치한 후 열교환 전열 모듈 시험을 수행하 였다. 보일러 부하 100% (39.8Nm3/h, 31.4kg/h)일 때 각 모듈에서의 배기가스 온도 분포를 계측하였다. 배기가스의 산소농도는 2.
- )를 사용하였다. 보일러에 공급되는 LNG열량을 계산하기 위해 터빈식 가스유량계(KTM-550, Komter)를 설치하였다.
- 보일러에 설치된 연소기에 대한 배기가스 분석 시험을 수행하였다. 배기가스 분석계(Eurotron)를 사용하여 설치된 보일러에 대해 각 부하별 배기 가스 분석을 실시하였으며, 측정된 결과를 Fig.
- 본 연구에 사용할 열교환기 핀튜브 모듈은 모두 4종류로 제작하였다. 수관의 직경은 50.
- 본 연구에서는 멀티버너 보일러용 열교환기 모듈에 대한 특성시험을 하였다. 열교환기 모듈에 대한 소형화를 위해 핀튜브 모듈형으로 개발하였으며, 0.5t/h급 보일러에서 그 성능을 확인하였다. 본 연구에서는 전열 모듈 순서를 변화시켜 그 특성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 소형화, 고성능화 멀티 버너 보일러에 사용될 핀튜브 열교환기 모듈에 대한 특성시험을 수행하였다. 열교환기를 모듈형태로 제작하여 시스템의 구성을 최적화할 수 있도록 도모하였고, 핀형태의 수관을 사용하여 수관의 열전달의 촉진하였다. 연구에 사용된 열교환기 모듈은 4종류로 제작하였다.
- 4에서 가운데 사각형 부분), 나머지 수관에서는 온도가 가장 높을 것으로 예상되는 수관과 수관 사이와 온도가 가장 낮을 것으로 예상되는 수관 중심 후단을 측정하였다. 온도 측정은 보일러를 충분히 가동한 후 정상상태로 도달했을 때 측정하였으며 한 포인트에서 온도를 측정할 때 5분동안 측정하였다. 열전대를 다음 측정 위치로 옮긴 후 온도가 수렴하는 시간을 충분히 두어(5~10분) 측정을 시작하였다.
- 이를 통해 저NOx(25PPM O2 0% 기준)를 달성할 수 있었다고 하였다. 이러한 기술에 촉매를 사용하여 NOx를 현재 수준의 1/25인 1PPM 이하로 개발할 것이라고 발표하였다. 연소실 소형화할 수 있는 기술로써 하나 이상의 연소기를 사용하여 연소실 길이방향으로 크기를 축소할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
- 5t/h 규모의 노통 보일러를 사용하였다. 제작된 모듈에 대해 순서를 달리하여 열교환 특성 시험을 수행하였다.
- 제작된 보일러와 모듈들은 보일러 순 -O-C-B-A 서대로 배치 후 시험을 하였으며, 그 이후 보일러 -O-A-B-C, 보일러 순서로 배치를 달리 -O-B-A-C 하여 시험을 수행하였다.
- 제작된 열교환기 모듈을 보일러-O-C-B-A 순서대로 배치한 후 열교환 전열 모듈 시험을 수행하 였다. 보일러 부하 100% (39.
- 지금까지 설명한 열교환기 모듈에 대한 특성 시험을 수행하기 위해 0.5t/h급 노통보일러를 사용하였으며, 노통 보일러에 300,000kcal/h 용량의 LNG버너(P3M, Sookook co.)를 부착하였다.
- 폭방향으로의 온도는 Fig.4의 4번 수관과 6번 수관사이를 10mm 간격으로 측정하였으며 (Fig. 4에서 가운데 사각형 부분), 나머지 수관에서는 온도가 가장 높을 것으로 예상되는 수관과 수관 사이와 온도가 가장 낮을 것으로 예상되는 수관 중심 후단을 측정하였다.
대상 데이터
- 4종류의 모듈중에 하나는 수관을 나관(bare tube)으로 제작하였고, 나머지 3개는 핀이 부착된 수관으로 제작하였다.
- 본 노통보일러의 전열면적은 3.58m3이며, 노통 형태의 연소실, 상부의 증기를 모아 배출하는 헤더 및 급수부로 구성되어 있다.
- 또한 각 전열 핀튜브 모듈의 위치를 변경할 수 있게 제작하였으며 O-C-B-A, O-A-B-C, O-B-A-C로 순서를 달리하여 열교환기 전열 특성시험을 수행하였다. 본 연구에 사용한 한 핀튜브 열교환기 사진을 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서 앞부분은 나관(O모듈)이며 그 뒤로 핀이 부착된 수관이 보이고 있다.
- 본 연구에 사용할 열교환기 핀튜브 모듈은 모두 4종류로 제작하였다. 수관의 직경은 50.8mm이며 재질은 STBH340이다. 폭방향으로 9열과 유동방향으로 3열을 배치하여 하나의 모듈에 총 27개의 수관을 사용하였다.
- 열교환기를 모듈형태로 제작하여 시스템의 구성을 최적화할 수 있도록 도모하였고, 핀형태의 수관을 사용하여 수관의 열전달의 촉진하였다. 연구에 사용된 열교환기 모듈은 4종류로 제작하였다. 4종류의 모듈중에 하나는 수관을 나관(bare tube)으로 제작하였고, 나머지 3개는 핀이 부착된 수관으로 제작하였다.
- 8mm이며 재질은 STBH340이다. 폭방향으로 9열과 유동방향으로 3열을 배치하여 하나의 모듈에 총 27개의 수관을 사용하였다. 수관 사이의 간격은 폭방향으로는 85mm이며, 유동방향으로는 120mm이다.
데이터처리
- 보일러에 설치된 연소기에 대한 배기가스 분석 시험을 수행하였다. 배기가스 분석계(Eurotron)를 사용하여 설치된 보일러에 대해 각 부하별 배기 가스 분석을 실시하였으며, 측정된 결과를 Fig. 5 에 도시하였다. 각 부하별로 배기가스에 포함된 O2의 농도는 2.
- 가운데 흰 사각형과(□) 숫자는 각 열에서 평균온도를 나타낸다. 실제 평균온도는 각 측정점에서 유속을 측정하고 유속과 온도를 적분하여 평균을 하여야 하지만 배기가스의 유속을 측정하지 않아 산술평균으로 계산하였다. 이 그림에서 확인할 수 있듯이 2번 모듈의 첫 번째 수관을 통과하면서 열교환이 가장 많이 일어나고 있음을 알 수 있다.
성능/효과
- (1) O-C-B-A배치 조건에서 보일러 부하별 특성시험 결과 첫 번째 모듈(O, 나관)보다 두 번째 모듈(A, 핀튜브)에서 열전달이 더 많이 발생하였다. 100% 부하시 첫 번째 모듈에서 열교환량은 전체 열교환량의 34%인 49.
- (2) O-C-B-A 조건에서는 두 번째 모듈을 지난후 배가스 온도가 약 224℃까지 떨어져 3번째 모듈 이후에는 추가 전열 모듈을 설치하는 것보다 절 탄기를 사용하여 배가서 열에너지를 회수하는 것 이 더 효과적이다.
- (3) O-A-B-C 및 O-B-A-C 배치 조건에서는 배가스 온도가 두 번째 모듈을 지나더라도 300℃ 이상이며, 3번째 모듈을 추가로 설치한 후 절탄기를 설치하는 것이 열에너지 회수에 더 효과적이 다.
후속연구
- (4) 본 연구를 통해 모듈형 열교환기를 개발하였고, 향후 모듈의 배치 및 보일러 용량에 따른 평가등을 통해 열교환기에 대한 최적 설계를 도모할 수 있다.
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