고온 측 질량유량 조건에서 고온 측 입구 온도가 증가하면서 유체의 점성계수는 감소하기 때문에 압력강하는 작게 나타났다.
0 150 300 450 600 750 900 0
2 4 6 8
Pressure drop (kPa)
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Low temperature condition Th.i = 60oC
Th.i = 80oC Th.i = 100oC
Fig. 5.9 Pressure drop according to inlet temperature of hot side (low temperature condition)
0 150 300 450 600 750 900
0 2 4 6 8 10
mc = 350 kg/h
Pressure drop (kPa)
Mass flow rate of hot side (kg/h) Pressure drop of hot side
Increment of pressure drop
0 6 12 18 24 30
Increment (dPx-dP150)/dP150)
Fig. 5.8 Pressure drop and increment ratio according to mass flow rate of hot side (low temperature condition)
제 2 절 고온 용액열교환기 조건에서 열전달 특성 고찰
1. Re 및 Pr 수 고찰
Fig. 5.10은 고온 용액열교환기 조건에서 고온 측 입구 온도 및 질량유량 변화에 따른 Re 수 변화를 보여준다. 고온 측 입구 온도 및 질량유량이 100℃ 및 150 kg/h일 경우 고온 측 Re 수는 34.7로 가장 낮았다. 고온 측 입구 온도가 100℃에서 120℃ 및 140℃로 증가함 에 따라 Re 수는 39.2 및 43.9로 미세하게 증가하였다. 또한 고온 측 질량유량이 750 kg/h 일 경우 입구 온도 100℃, 120℃ 및 140℃에서의 Re 수는 183.2, 219.4 및 257.2로 비교적 크게 변화하였다. 이는 고온 측 입구 온도의 증가로 인해 작동유체의 점성계수가 낮아짐으 로 고온 측 Re 수가 증가하기 때문이다. 고온 측 질량유량 변화에 따른 Re 수 변화를 분석 한 결과, 모든 입구 온도 조건에서 고온 측 질량유량이 150 kg/h에서 450 kg/h로 증가함에 따라 평균 224.5% 증가함을 확인하였으며 450 kg/h에서 750 kg/h로 증가함에 따라 평균 71.7% 증가함을 확인하였다. 저온 용액열교환기 조건 및 고온 용액열교환기 조건에서의 고 온 측 Re 수 비교 결과, 저온 용액열교환기 조건에서 고온 측 Re 수는 14.77~132.7이지만 고온 용액열교환기 조건에서의 고온 측 Re 수는 34.7~257.2로 비교적 높은 것을 확인 할 수 있다. 이는 고온 용액열교환기 조건의 전체적인 실험 온도가 저온 용액열교환기 조건의 온 도 조건보다 높아 유체의 물성조건에 기인하기 때문이다.
Fig. 5.11은 고온 용액열교환기 조건에서 입구 온도 및 질량유량 변화에 따른 Pr 수 변 화를 보여준다. 고온 측 질량유량이 150 kg/h일 때, 고온 측 입구온도가 140℃에서 100℃로 감소함에 따라 Pr 수는 7.08, 7.97 및 9.06으로 증가하였다. 또한, 고온 측 입구가 100℃일 때, 고온 측 질량유량이 150 kg/h에서 750 kg/h로 증가함에 따라 Pr 수는 9.06, 8.69 및 8.56 으로 감소한다. 이는 고온 측 질량유량의 증가에 따른 열교환기의 입구와 출구의 온도차는 감소하고 입구와 출구의 평균온도 또한 감소하기 때문에다. 저온 용액열교환기 조건 및 고 온 용액열교환기 조건에서의 고온 측 Pr 수 비교 결과, 저온 용액열교환기 조건에서 고온 측 Pr 수는 11.7~21.6 이며 고온 용액열교환기 조건에서의 고온 측 Pr 수는 34.7~257.2으로
되었다. 이는 저온 용액열교환기 실험의 고온 측 온도는 60℃~100℃로 형성되어 있지만 고 온 용액열교환기의 실험 온도 조건은 100℃~140℃로 더 높기 때문이다. 작동유체의 Pr 수 와 반비례관계인 LiBr 수용액의 열전도도는 온도가 증가함에 따라 증가하고 비례관계인 점 성계수는 감소하기에 고온 용액열교환기의 고온 측 Pr 수가 평균적으로 낮게 나타났다.
0 150 300 450 600 750 900
0 100 200 300 400
Tc.i= 80 ℃, mc=350 kg/h
Re
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Th.i= 140℃
Th.i= 120℃
Th.i= 100℃
Fig. 5.10 Renolds number according to mass flow rate of hot side (high temperature condition)
0 150 300 450 600 750 900
4 8 12 16
Th.i = 140℃
Th.i = 120℃
Th.i = 100℃
Tc.i = 80℃, mc = 350 kg/h
Pr
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Fig. 5.11 Prandtl number according to mass flow rate of hot side (high temperature condition)
2. 평균 열전달률 고찰
Fig. 5.12은 고온 측 입구온도가 140℃로 고정되고 고온 측 질량유량의 변화에 따른 평 균 열전달률과 고온 측 질량유량 150 kg/h 대비 평균 열전달률 향상정도를 보여준다. 여기 서, 저온 측 유체는 80℃인 55wt% LiBr 용액으로 질량유량은 350 kg/h로 유지하였다. 고온 측 유체의 질량유량이 가장 낮은 150 kg/h인 경우, 평균 열전달률은 4.88 kW로 가장 낮은 열전달률을 나타냈으며 질량유량이 300, 450, 600 및 750 kg/h로 증가함에 따라 7.39, 8.94, 9.49 및 10.38 kW로 증가함을 확인할 수 있다. 또한 고온 측 질량유량이 150 kg/h인 조건 대비 300 kg/h의 평균 열전달률의 향상률은 51.4%로 대폭 증가하였다. 하지만 질량유량이 450, 600 및 750 kg/h로 증가함에 따라 증가율은 82.9%, 94.3% 및 112.5% 상승하였으나 증 가 폭은 점진적으로 감소하였다.
Fig. 5.13는 고온 측 입구 온도의 변화에 따른 평균 열전달률을 보여주고 있다. 고온 측 질량유량이 가장 낮은 150 kg/h의 경우, 고온 측 입구 온도가 100℃에서 140℃로 증가함에 따라 평균 열전달률은 1.46 kW에서 4.88 kW로 2.32배 증가함을 확인하였다. 이는 동일한 질량유량 조건에서 저온 및 고온 측의 온도 차이가 커져 평균 열전달률의 차이가 발생하기 때문이다. 또한, 고온 측 입구 온도 향상으로 판형열교환기의 입·출구 온도의 평균값이 상 승하여 유체의 비열이 향상되는 것도 기인한다. 고온 측 질량유량이 750 kg/h로 가장 높은 경우, 고온 측 입구 온도가 100℃에서 140℃로 증가함에 따라 평균 열전달률은 3.41 kW에 서 10.38 kW로 2.04배 증가하였다. 또한, 모든 고온 측 입구 온도 (100℃, 120℃ 및 140℃) 조건에서 고온 측 질량유량이 150 kg/h에서 300, 450, 600 및 750 kg/h로 증가함에 따라 112.5%, 126.8% 및 132% 향상되었다. 종합적으로 저온 측 유체의 작동조건 (입구온도 및 질 량유량)이 고정되었을 경우 판형열교환기의 평균 열전달률은 고온 측 입구 온도와 질량유 량이 증가함에 따라 함께 증가함을 해당 실험을 통해 확인하였다.
저온 용액열교환기 조건 및 고온 용액열교환기 조건에서의 평균 열전달률 비교 결과, 고온 용액열교환기 조건에서 평균 열전달률이 저온 용액열교환기 조건에서의 평균 열전달 률보다 높게 나타났다. 저온 및 고온 용액열교환기 실험 중 저온 및 고온 측의 온도차 (6 0℃)가 가장 큰 조건을 비교하였을 때, 고온 측 입구 온도가 100℃인 저온 용액열교환기의 평균 열전달률은 4.26~10.34 kW로 집계되었으며 고온 측 입구 온도가 140℃인 고온 용액열
교환기의 평균 열전달률은 4.88~10.38 kW로 더 높음을 확인하였다. 이는 저온 용액열교환 기 및 고온 용액열교환기의 질량유량 및 온도차는 동일했지만 작동유체의 농도 및 온도에 따라 상이하게 변하는 비열에 의한 영향성으로 평균 열전달률의 차이가 발생하기 때문이다.
고온 용액열교환기 조건에서 고온 측에 흐르는 LiBr 수용액은 58wt%의 농도로 이루어졌으 며 입구 온도는 100%, 120% 및 140℃로 설정되어 있다. 반면 저온 용액열교환기 조건에서 고온 측을 흐르는 LiBr 수용액은 62wt%임과 동시에 60℃, 80℃ 및 100℃로 고온 용액열교 환기의 작동 온도와 비교하여 낮음을 확인할 수 있다. LiBr 수용액의 온도가 증가함에 따라 비열도 증가하기 때문에 계산된 고온 용액열교환기의 평균 열전달률은 저온 용액열교환기 의 평균 열전달률보다 높음을 확인할 수 있다.
0 150 300 450 600 750 900
4 6 8 10 12
(Qx - Q150)/Q150Increment
Average heat transfer rate (kW) Th.i = 140 ℃, Tc.i = 80 ℃, mc = 350 kg/h
Average heat transfer rate (kW)
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Increment base on Q150 Average heat transfer rate
0 1 2 3
Fig. 5.12 Average heat transfer rate and increment ratio according to mass flow rate of hot side
(high temperature condition)
0 150 300 450 600 750 900
0 3 6 9 12 15
Tc.i = 80 ℃, mc = 350 kg/h
Average heat transfer rate (kW)
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Th.i = 140℃
Th.i = 120℃
Th.i = 100℃
Fig. 5.13 Average heat transfer according to inlet temperature of hot side (high temperature condition)
3. Nu 수 고찰
Fig. 5.14는 고온 용액열교환기 조건에서 고온 측 질량유량 변화에 따른 고온 측 Nu 수 변화를 보여주고 있다. 저온 측 입구 온도 및 질량유량이 80℃ 및 350 kg/h으로 고정하였고 고온 측 입구 온도 및 질량유량이 140℃ 및 150 kg/h일 때, 고온 측 LiBr 용액의 Nu 수는 7.2로 가장 낮게 나타났다. 반면, 고온 측 질량유량이 300, 450, 600 및 750 kg/h로 증가함 에 따라 11.9, 16.1, 16.7 및 23.2로 증가하였다. 고온 측 질량유량이 300 kg/h인 경우 150 kg/h 대비 65.4% 향상되었고 고온 측 질량유량이 300 kg/h 이상으로 증가함에 따라 고온 측 Nu 수는 질량유량이 150 kg/h인 조건 대비 각각 122.9%, 174.1% 및 222.2% 향상되었다.
이를 통하여 고온 측 용액의 질량유량이 증가함에 따라 고온 측 용액의 Nu 수도 증가한다 는 결과를 얻을 수 있다.
Fig. 5.15은 고온 측 LiBr 용액의 입구 온도변화에 따른 고온 측 Nu 수 변화를 보여준다.
고온 측 질량유량이 가장 낮은 150 kg/h인 조건에서 고온 측 입구 온도가 60℃, 80℃ 및 100℃로 증가함에 따라 고온 측 유체의 Nu 수는 각각 6.29, 6.75 그리고 7.21로 증가하였다.
또한, 고온 측 질량유량이 가장 높은 750 kg/h인 조건에서 고온 측 입구 온도가 60℃, 80℃
및 100℃로 증가함에 따라 고온 측 유체의 Nu 수는 19.59, 21.43 그리고 23.2로 증가하였다.
즉, 고온 측 입구 온도의 증가는 Nu 수 증가와 직접적인 연관성이 있음을 발견하였다. 또 한, 모든 입구 온도 조건 (60℃, 80℃ 및 100℃)에서 고온 측 질량유량이 150 kg/h에서 450 kg/h로 증가함에 따라 고온 측 Nu 수는 평균 119.6% 증가하였으며 고온 측 질량유량이 450 kg/h에서 750 kg/h로 증가함에 따라 평균 44.3% 증가함을 확인할 수 있다.
저온 용액열교환기 및 고온 용액열교환기의 고온 측 Nu 수를 비교한 결과, 고온 용액열 교환기의 고온 측 Nu 수는 6.29~23.23으로 저온 용액열교환기 조건에서의 Nu 수 (4.83~20.1) 과 비교하여 상대적으로 높게 나타났다. 전도열전달 및 대류열전달의 비율을 나타내는 무 차원수인 Nu 수는 식 (3-21)과 같이 작동유체의 Re 및 Pr 수와 같은 무차원수에 의해 그 값이 결정된다. 저온 용액열교환기 조건에서 실험에 의해 계산된 고온 측 Re 수는 14.78~32.79로 나타났으며 고온 용액열교환기 조건에서 계산된 고온 측 Re 수는 34.74~257.22로 나타났다. 결과적으로 고온 용액열교환기 조건에서의 Re 수는 저온 용액열
Re 수 차이는 증가하였다. 저온 용액열교환기 및 고온 용액열교환기 조건의 고온 측 Pr 수 를 비교한 결과, 고온 용액열교환기 조건에서 고온 측 Pr 수는 6.01~9.06이며 저온 용액열 교환기 조건에서 고온 측 Pr 수는 11.75~21.67로 저온 용액열교환기 조건이 대략 2배 정도 높음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 저온 용액열교환기 조건 대비 고온 용액열교환기 조 건의 Pr 수 감소 정도보다 고온 용액열교환기의 Re 수 증가 정도가 큼으로 결과적으로 고 온 용액열교환기의 Nu 수가 상대적으로 높게 나타남을 확인할 할 수 있다.
0 150 300 450 600 750 900
0 5 10 15 20 25 30
(Nux - Nu150)/Nu150Increment
Th.i = 140 ℃, Tc.i = 80 ℃, mc = 350 kg/h
Nu
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Increment base on Nu150 Nu of hot side
0 1 2 3 4 5
Fig. 5.14 Nu number and increment ratio according to mass flow rate of hot side (high temperature condition)
0 150 300 450 600 750 900
0 5 10 15 20 25 30
Th.i = 140℃
Th.i = 120℃
Th.i = 100℃
Tc.i = 80 ℃, mc = 350 kg/h
Nu
Mass flow rate of hot side (kg/h)
Fig. 5.15 Nu number according to inlet temperature of hot side (high temperature condition)
4. 총괄열전달계수 및 대류열전달계수 고찰
Fig. 5.16는 고온 용액열교환기 조건에서 고온 측 입구 온도 및 질량유량 변화에 따른 고온 측 대류열전달계수와 총괄열전달계수의 변화를 보여준다. 고온 측 입구 온도 및 질량 유량이 100℃ 및 150 kg/h일 경우, 고온 측 용액의 대류열전달계수는 0.857 kW/m2·℃로 가장 낮게 나타났다. 하지만, 고온 측 입구 온도가 120℃ 및 140℃로 증가함에 따라 고온 측 유체의 대류열전달계수는 각각 0.93 및 0.99 kW/m2·℃로 증가하였으며 100℃ 조건 대 비 120℃ 및 140℃의 대류열전달계수는 각각 8.45% 및 15.5% 향상되었다. 고온 측 입구 온 도 및 질량유량이 100℃ 및 750 kg/h일 경우, 고온 측 대류열전달계수는 2.681 kW/m2·℃
이며 입구 온도가 120℃ 및 140℃로 증가함에 따라 각각 2.981 와 3.263 kW/m2·℃로 향상 되었다. 고온 측 질량유량이 750 kg/h인 조건에서 입구 온도 100℃인 조건 대비 120℃ 및 140℃의 대류열전달계수는 각각 11.18% 및 21.68% 향상되었다. 고온 측 질량유량 변화에 따른 고온 측 대류열전달계수의 변화를 살펴보면, 모든 입구 온도 (100℃, 120℃ 및 140℃) 조건에서 고온 측 질량유량이 150 kg/h에서 450 kg/h로 증가함에 따라 평균 121.44% 향상 되었으며 150 kg/h에서 750 kg/h로 증가함에 따라 평균 221.06%로 증가함을 확인되었다. 결 과적으로 고온 측 입구온도 및 질량유량의 증가는 고온 측 대류열전달계수를 증가시키며 작동조건에 따른 대류열전달계수의 변화는 Nu 수 변화의 경향성과 유사함을 확인할 수 있 다.
본 연구에서 총괄열전달계수는 식 (3-11)과 같이 저온 및 고온 측의 대류열전달계수, 전 열판의 두께 및 전열판의 열전도도를 통해 계산하였다. 고온 측 대류열전달계수는 총괄열 전달계수의 매개변수임으로 고온 측 입구 온도 및 질량유량 변화에 따른 변화 경향성이 유 사했다. 고온 측 입구 온도 및 질량유량이 100℃ 및 150 kg/h인 조건에서 총괄열전달계수는 0.569 kW/m2·℃이며 입구 온도가 120℃와 140℃로 증가함에 따라 총괄열전달계수는 각각 0.603 및 0.636 kW/m2·℃로 증가하였다. 이때 입구 온도 100℃인 조건 대비 120 및 140℃
의 총괄열전달계수 향상율은 각각 6.06% 및 11.75%로 나타났다. 고온 측 입구 온도 및 질 량유량이 100℃ 및 750 kg/h일 때, 총괄열전달계수는 1.049 kW/m2·℃로 입구 온도가 12 0℃ 및 140℃로 증가함에 따라 1.121 및 1.187 kW/m2·℃로 증가하였다. 이때 입구 온도 100℃ 조건 대비 120 및 140℃의 총괄열전달계수는 6.8 및 13.15% 향상되었다. 또한, 고온