초록 ▼

산업공정에서 발생하는 최대 $1000^{\circ}C$의 배기열을 회수하고자 히트파이프를 전열소자로 사용하는 최대 300kW급 히트파이프식 열회수 시스템을 개발하였다. 이를 위해 고온 범위에서 작동하는 나트륨 히트파이프의 설계 및 제작기술을 확보하고 작동특성과 성능실험을 수행하였으며 재료의 고온부식 및 히트파이프 수명안정성 실험을 결과 등을 종합하여 열회수 시스템을 설계, 제작하고 성능시험을 수행하였다. 열회수 시스템은 100kW급과 최종 300kW급으로 제작하여 작동특성과 성능을 파악하였으며 일련의 실험을 통하

산업공정에서 발생하는 최대 $1000^{\circ}C$의 배기열을 회수하고자 히트파이프를 전열소자로 사용하는 최대 300kW급 히트파이프식 열회수 시스템을 개발하였다. 이를 위해 고온 범위에서 작동하는 나트륨 히트파이프의 설계 및 제작기술을 확보하고 작동특성과 성능실험을 수행하였으며 재료의 고온부식 및 히트파이프 수명안정성 실험을 결과 등을 종합하여 열회수 시스템을 설계, 제작하고 성능시험을 수행하였다. 열회수 시스템은 100kW급과 최종 300kW급으로 제작하여 작동특성과 성능을 파악하였으며 일련의 실험을 통하여 설계 자료의 유효성 및 성능 최종 목표를 확인하였다.
주요 개발 내용 및 확보 기술은 아래와 같다.
- 고온범위 나트륨 히트파이프의 설계, 제조, 성능평가 기술
- 고온부식 환경 하에서 부식가스 및 고온 산화의 영향에 대한 자료 확보
- 스테인레스 및 인코넬-나트륨 히트파이프의 수명안정성 자료 확보
- 고온 히트파이프 열회수 시스템의 설계, 제작과 성능시험 및 평가기술
- 고온 히트파이프 열회수 시스템의 작동특성과 성능 자료 확보

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 에너지.자원기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 10
• 그림목차 ... 13
• 표목차 ... 17
• 제 1 장 서론 ... 18
• 제 1 절 연구목적과 필요성 ... 18
• 제 2 절 연구내용 ... 20
• 제 2 장 고온 범위 히트파이프의 제작과 성능실험 ... 22
• 제 1 절 작동유체의 선택 ... 22
• 제 2 절 고온 범위 히트파이프의 제작기술 개발 ... 26
• 제 3 절 히트파이프의 작동특성과 성능 ... 29
• 1. 실험장치 및 방법 ... 29
• 가. 히트파이프와 실험 장치 ... 29
• 나. 스테인리스-나트륨과 인코넬-나트륨 조합 히트파이프의 성능 비교 ... 33
• 다. 스크린 메쉬와 충전량에 따른 히트파이프의 성능 비교 ... 33
• 제 4 절 실험 결과 및 고찰 ... 34
• 1. 시동 특성 및 정상작동 ... 34
• 2. 열저항 ... 46
• 3. 열전달계수 ... 50
• 제 5 절 열교환기용 고온용 히트파이프 성능 실험 ... 54
• 1. 고온용 히트파이프 성능 실험 장치 ... 54
• 2. 고온용 히트파이프 시동 특성 실험 및 성능, 한계 실험 ... 55
• 제 3 장 100kW급 히트파이프식 열회수 시스템의 제작과 성능시험 ... 62
• 제 1 절 고온 히트파이프 열교환기의 설계와 제작 ... 62
• 1. 폐열회수 시스템의 설계 ... 62
• 가. 수치해석을 위한 모델링 ... 63
• 나. 해석 결과 ... 63
• 2. 폐열 회수 시스템의 제작 ... 66
• 제 2 절 폐열회수 시스템의 성능실험 ... 70
• 1. 성능실험장치의 구성 ... 70
• 2. 성능실험 결과 및 고찰 ... 74
• 가. 폐열회수 시스템 및 히트파이프의 시동 특성 ... 74
• 나. 폐열회수 시스템의 작동 특성과 성능 ... 76
• 제 4 장 300kW급 폐열 회수시스템의 개발 ... 84
• 제 1 절 고온 히트파이프식 폐열 회수 열교환기의 설계와 제작 ... 84
• 1. 열교환기의 설계 ... 84
• 2. 열교환기용 히트파이프의 제작 ... 86
• 3. 고온용 히트파이프식 열교환기의 제작 ... 88
• 제 2 절 성능 실험 장치의 구성 및 실험 방법 ... 89
• 제 3 절 성능 실험 결과 및 고찰 ... 93
• 1. 폐열회수 시스템과 히트파이프의 시동 특성 ... 93
• 2. 폐열회수 시스템의 작동 특성 및 성능 ... 94
• 제 5 장 고온폐열회수용 히트파이프의 장기 성능시험과 수명안정성 ... 104
• 제 1 절 고온 부식 실험 ... 104
• 1. 고온부식과 환경 ... 104
• 가. 탄화수소에 대한 고온 부식 실험 ... 105
• 나. S, Na, V에 의한 부식 ... 109
• 제 2 절 고온범위 히트파이프의 장기 수명시험 ... 115
• 1. 히트파이프의 수명 예측 방법 ... 115
• 2. 스테인리스 스틸-나트륨조합의 장기 작동 ... 120
• 3. 인코넬-나트륨 조합의 장기 작동 ... 124
• 4. 히트파이프 용기의 고온 부식 분석결과 ... 127
• 제 6 장 히트파이프식 폐열 회수시스템 성능모사프로그램 개발 ... 133
• 제 1 절 개요 ... 133
• 제 2 절 히트파이프 열교환기 ... 133
• 제 3 절 고온범위 히트파이프 열교환기 설계이론 ... 134
• 1. 열교환기 형상 및 히트파이프 배열방법 ... 134
• 2. 에너지 방정식 산정 ... 136
• 3. 압력강하 방정식 산정 ... 140
• 제 4 절 100 kW급 고온용 히트파이프 열교환기 모사 ... 140
• 1. 계산 조건 및 방법 ... 140
• 2. 계산 결과 ... 142
• 3. 실제 실험 결과와의 비교 ... 147
• 제 5 절 300kW급 고온용 히트파이프 열교환기 모사 ... 150
• 1. 계산 방법 ... 150
• 2. 계산 결과 ... 151
• 제 6 절 프로그램 입.출력 화면 ... 153
• 1. 입력 화면 ... 153
• 2. 출력 화면 ... 154
• 제 7 장 요약 및 결론 ... 155
• 부록 ... 160
• A. 각종 산업용 연소로에서 발생하는 고온 부식과 대처 ... 160
• A. 1. 고온 부식의 형태와 합금 원소의 역할 ... 160
• A. 2. 고온 부식용 Coating ... 163
• A. 3. 히트파이프 열교환기 재료의 대기 중 내사용 온도 ... 163
• B. 스테인레스 강의 특성 및 부식경향 분석 ... 166
• B. 1. 스테인레스 강의 물리적 성질 ... 166
• B. 2. 스테인레스강의 특성 ... 166
• B. 3. 오스테나이트 스테인레스강의 종류에 따른 부식 성질과 용도 ... 167
• C. 열교환기의 fouling ... 171