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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.
제안 방법
- 본 연구는 전열 핀튜브 모듈에 대한 전열 특성을 파악, 분석하는 것이다. Fig. 3과 같이 각 핀튜브 모듈에 9개씩 열전대를 부착할 수 있게 구멍을 가공하였으며, 4개 모듈에 36개의 온도 측정점을 가공하였다. Fig.
- 각 모듈의 형상을 Table 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.
- 3에서 1번열은 배기가스 온도를 측정하기 위해 보일러 출구부에 상, 중, 하(250 mm 간격) 3점을 가공하였다. 그리고 각 모듈에서 수관을 지나면서 배기가스 온도 변화를 측정하기 위해 수관과 수관 사이에 온도 측정 구멍을 배치하였으며 그 간격은 120 mm이다. 1번째 핀튜브 모듈의 온도 측정점과 배기가스 온도 측정점 사이의 거리는 145 mm이다(Fig.
- 수위는 수관과 헤더 사이의 연락관에 전극봉을 조절하였다. 또한 각 전열 핀튜브 모듈의 위치를 변경할 수 있게 제작하여 현재는 보일러-모듈 O-C-B-A 순서로 설치되어 있으나 향후 실험 조건에 따라 모듈 순서를 유동적으로 바꿀 수 있게 설계 및 제작하였다. 본 연구에 사용한 핀튜브 열교환기 사진을 Fig.
- 4 kg/h)일 때 각 모듈에서의 배기가스 온도 분포를 계측하였다. 보일러 및 각 모듈의 증기압을 4 kgf/cm2g이 되도록 설정하였으며, 배기가스의 산소농도는 2.9%(공기비 : 1.16)였다. 산소농도로부터 공급된 공기량을 계산해보면 488.
- 보일러 부하 100%(39.8 Nm3/h, 31.4 kg/h)일 때 각 모듈에서의 배기가스 온도 분포를 계측하였다. 보일러 및 각 모듈의 증기압을 4 kgf/cm2g이 되도록 설정하였으며, 배기가스의 산소농도는 2.
- )를 사용하였다. 보일러에 공급되는 LNG열량을 계산하기 위해 터빈식 가스유량계(DYTFM, 동양계전)를 설치하였다. 또한 가스량을 표준 유량으로 계산하기 위해 압력게이지(PSCD0150CAAG, Sensys)와 T형 열전대(1/16") 열전대를 부착하여 다음과 같은 식 (1)으로 표준유량(Nm3/h, 1기압 0℃)으로 변환하였다.
- 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.
- 보일러에서 배출되는 연소가스의 온도가 800~900℃ 정도이므로 K형 열전대(1/4")를 사용하여 온도를 계측하였다.
- 본 연구에 사용할 열교환기 핀튜브 모듈은 모두 4종류로 제작하였다. 수관의 직경은 50.
- x는 폭방향의 좌표를 나타내며 핀튜브 모듈의 오른쪽 벽이 0이다. 수관사이의 간격은 85 mm이며 가운데 수관 3개 사이에는 10 mm 14개, 15 mm 2개를 측정하여 수관사이의 온도변화를 자세히 계측하였다.
- 본 연구에서는 멀티버너 보일러용 열교환기 모듈에 대한 특성시험을 하였다. 열교환기 모듈에 대한 소형화를 위해 핀튜브 모듈형으로 개발하였으며, 0.5 t/h급 보일러에서 그 성능을 확인하였다. 개발된 열교환기 모듈에 대한 성능 및 특징은 다음과 같다.
- 4종류의 모듈 중에 하나는 수관을 나관(bare tube)으로 제작하였고, 나머지 3개는 핀이 부착된 수관으로 제작하였다. 열교환기 모듈에 대한 특성을 시험하기 위해 0.5 t/h 규모의 노통 보일러를 사용하였으며, 보일러 부하 100%, 75% 및 50%에 대해 모듈의 열교환 특성 시험을 수행하였다.
- 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.
- 제작된 보일러와 모듈들은 보일러-O-C-B-A 순서로 설치된 후 단열처리를 모두 하였다. 단열 처리한 후 설치된 시험장치를 Fig.
- 지금까지 설명한 열교환기 모듈에 대한 특성시험을 수행하기 위해 0.5 t/h급 노통보일러를 사용하였으며, 노통 보일러에 300,000 kcal/h 용량의 LNG버너(P3M, Sookook co.)를 부착하였다. 버너의 최소용량은 55,900 kcal/h이고 최대용량은 300,000 kcal/h 이며, 0.
대상 데이터
- 연구에 사용된 열교환기 모듈은 4종류로 제작하였다. 4종류의 모듈 중에 하나는 수관을 나관(bare tube)으로 제작하였고, 나머지 3개는 핀이 부착된 수관으로 제작하였다. 열교환기 모듈에 대한 특성을 시험하기 위해 0.
- 계측에 사용된 센서는 K형 및 T형 열전대, 압력계 및 유량계, 보일러 발생하는 증기 압력을 측정하기 위한 압력계(Sensys) 및 유량계를 사용하였으며, 이 모든 데이터는 A/D컨버터(GL-450, Midilogger)을 통해 컴퓨터로 수집하였다.
- 58 m3이며, 노통 형태의 연소실, 상부의 증기를 모아 배출하는 헤더 및 급수부로 구성되어 있다. 보일러의 전체길이는 1,870mm이며 높이는 2,188mm이다. 연소실에서 연소가스로부터 열을 흡수하여 증발된 증기는 보일러 상부 헤더에서 기수가 분리된 후 증기 파이프를 통해 배출된다.
- 55 kW 용량의 송풍기가 부착되어 있는 모델이다. 본 노통보일러의 전열면적은 3.58 m3이며, 노통 형태의 연소실, 상부의 증기를 모아 배출하는 헤더 및 급수부로 구성되어 있다. 보일러의 전체길이는 1,870mm이며 높이는 2,188mm이다.
- 또한 각 전열 핀튜브 모듈의 위치를 변경할 수 있게 제작하여 현재는 보일러-모듈 O-C-B-A 순서로 설치되어 있으나 향후 실험 조건에 따라 모듈 순서를 유동적으로 바꿀 수 있게 설계 및 제작하였다. 본 연구에 사용한 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 50.8 mm이며 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 모듈 중에 하나는 수관을 나관(bare tube)으로 제작하였고, 나머지 3개는 핀이 부착된 수관으로 제작하였다.
- 8 mm이며 재질은 STBH340이다. 폭방향으로 9열과 유동방향으로 3열을 배치하여 하나의 모듈에 총 27개의 수관을 사용하였다. 수관 사이의 간격은 폭 방향으로는 85 mm이며, 유동방향으로는 120 mm이다.
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. 4에 도시하였다. 각 부하별로 배기가스에 포함된 O2의 농도는 2.
- 가운데 흰 사각형(□)과 숫자는 각 열에서 평균온도를 나타낸다. 실제 평균온도는 각 측정점에서 유속을 측정하고 유속과 온도를 적분하여 평균을 하여야하지만 배기가스의 유속을 측정하지 않아 산술평균으로 계산하였다. 이 그림에서 확인할 수 있듯이 2번 모듈(A)의 첫 번째 수관을 통과하면서 열교환이 가장 많이 일어나고 있음을 알 수 있다.
성능/효과
- (1) 보일러 부하별 특성시험 결과 모든 부하 조건에서 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) 모든 수관들 중 2번째 모듈의 첫 번째 수관에서 가장 열교환량이 많았으며 100% 부하시 전체 열교환량의 39%인 56.5 Mcal/h 였다. 이를 통해 핀튜브 첫 번째 수관의 최적설계가 전체 전열 핀튜브 모듈의 열교환 성능에 가장 큰 영향을 줄 것으로 판단된다.
- 8 (b), (c)에 나타내었다. 보일러 부하가 100%일 때와 유사한 결과를 보이고 있으며 특히 부하가 낮아지면서 배가스 보일러 출구 온도가 낮아져 두 번째 모듈인 C모듈을 지나면 배가스 온도가 거의 170℃ 내외로 수렴하고 있음을 알 수 있다. 이러한 조건에서는 B, A 모듈은 열교환량이 미미한 수준이며 상위 2개 모듈(O, C)만 사용하여도 배가스를 수관내의 포화온도 수준까지 떨어뜨릴 수 있음을 알 수 있다.
- 5 Mcal/h 였다. 이를 통해 핀튜브 첫 번째 수관의 최적설계가 전체 전열 핀튜브 모듈의 열교환 성능에 가장 큰 영향을 줄 것으로 판단된다.
후속연구
- (4) 본 연구를 통해 모듈형 열교환기를 개발하였고, 향후 모듈의 배치 및 보일러 용량에 따른 평가등을 통해 열교환기 최적 설계를 할 수 있다.
- 이를 통해 저 NOx(25 PPM O2 0%기준)를 달성할 수 있었다고 하였다. 이러한 기술에 촉매를 사용하여 NOx를 현재 수준의 1/25인 1 PPM 이하로 개발할 것이라고 발표하였다. 연소실 소형화할 수 있는 기술로써 하나 이상의 연소기를 사용하여 연소실 길이 방향으로 크기를 축소할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
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