1. 서 론
열교환기는 용도에 따라 여러가지 형태가 존재 하지만 주요 관심사는 열교환기의 성능을 향상시 키고 열교환기의 크기를 소형화하는 것이라 할 수 있다 대부분의 열교환기는 다수의 원관으로. 구성되어 있기 때문에 원관주위에서 열교환이 이 루어지며 따라서 원관주위에서 열전달을 촉진시
키기 위하여 많은 연구들이 진행되고 있다.
열교환을 촉진시키는 대표적인 방법으로는 휜 을 부착하여 열전달면적을 증가시키는 방법과 열 전달표면을 다양하게 가공하여 대류열전달계수를 증가시키는 방법(1,2) 등이 있다 이러한 방법들은. 생성된 경계층을 파괴하여 열저항을 감소시키고 난류를 증가시켜(3,4) 열전달을 촉진시킨다. 또한 와류발생기를 설치하여 열전달을 증진시킴으로서 열교환기의 효율을 높이는 연구(5)가 발표되었고, 공기중의 열과 수분 즉 현열과 잠열을 모두 교, 환함으로서 급배기 엔탈피차의 50∼70%를 회수 할 수 있는 종이 열교환기에 대한 연구(6)도 진행 학술논문
< >
DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2011.35.9.933
ISSN 1226-4881버너와 열교환기 간격 변화에 대한 열전달 특성
김종민 이재박 유병훈 금성민 이창언 이승로
인하대학교 기계공학과 한라대학교 기계자동차공학부
* , **
Heat Transfer Characteristics with Changing Distances between Burner and Heat Exchanger
Jong Min Kim
*, Jae park Lee
*, Byeong hun Yu
*, Sung Min Kum
**Chang Eon Lee
*and Seungro Lee
** Dept. of Mechanical Engineering, Inha Univ.
** School of Mechanical and Automotive Engineering, Halla Univ.
(Received June 21, 2011 ; Revised July 11, 2011 ; Accepted July 11, 2011)
Key Words: Heat Exchanger(열교환기), Premixed Flame(예혼합 화염), CO and NOx Emission (CO 및 NOx 배출량), Heat Transfer Rate(열전달률)
초록 본 연구는 비예혼합화염보다 화염길이가 짧고 당량비 조절을 통해: NOx 및 CO 배출량을 제어할 수 있는 예혼합방식의 버너를 설치하고 버너와 열교환기 사이의 거리가 각각, 30, 40, 50mm인 3종의 열 교환기에 대해 당량비를 변화시킬 때 NOx 및 CO의 배출특성을 비교하고 열교환기의 열전달특성을 검 토한 것이다 실험결과 버너와 열교환기의 거리변화와 관계없이 당량비가 증가할수록 화염온도가 높아. 져 NOx 및 CO 배출량도 증가한다 또한. CO 배출량은 버너와 열교환기 사이의 거리가 가까울수록 높 게 나타난다 본 실험범위에서. A type 열교환기 버너와 열교환기 사이 거리( 30 cm)를 당량비 0.75(CO
효율 에서 운전하는 것이 최적조건으로 나타났다
94.5ppm, NOx 11.2ppm, 84.1%) .
Abstract: In this study, the heat transfer characteristics and NOx and CO emissions of a heat exchanger were investigated using a premixed burner. The experiments involved changing the distance between the burner and heat exchanger to 30, 40, and 50 mm with various equivalence ratios. The results showed that the NOx and CO emissions increased as the equivalence ratio was increased because the flame temperature increased, regardless of the distance between the burner and heat exchanger. In particular, the CO emission increased significantly as the distance between the burner and heat exchanger was decreased. The optimal equivalence ratio for the A-type heat exchanger (distance between the burner and heat exchanger: 30 cm) was 0.7 in the experimental range. In this case, the CO and NOx emissions were 94.5 ppm and 11.2 ppm, respectively, and the efficiency was 84.1%.
§ 이 논문은 대한기계학회 2011 년도 강원지회 춘계 학술대회 (2011. 5. 20., 강원대 발표논문임 ) Corresponding Author, [email protected]
2011 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
되고 있으며 알루미늄 열교환기에 비해 제조가, 격이 저렴하고 열성능이 우수한 플라스틱 재질의 열교환기에 대한 연구(7)도 발표되고 있다 최근에. 는 MEMS 및 금속과 금속간의 접합강도가 우수 한 접합기술이 발전하면서 채널의 수력직경이
이하인 마이크로채널 열교환기의 연구
1mm (8) 결
과가 발표되었다 그러나 이와같은 연구들은 주. 로 공조용 혹은 발전용 열교환기를 대상으로 연 구되고 있기 때문에 열효율향상이나 소형화에 초 점이 맞추어져 있지만 보일러처럼 열교환기가 버 너 앞에 위치할 경우 열교환기 효율도 중요하지 만 환경오염물질의 배출특성(9)도 중요하다고 생 각된다 일반적으로 가스터빈과 같이 다량의 연. 소용 공기를 사용하는 것을 제외하면 보일러 등 의 연소기에서 배출되는 NOx는 NO가 대부분이 다 저. NOx를 얻기 위한 방법으로는 저공기연소 비 연소실 열부하 저감 연소용 공기온도의 저감, , 등 운전조건에 의한 방법과 배기가스재순환 다, 단연소 등의 연소방식을 변경하는 방법이 있다.
따라서 본 연구에서는 비예혼합화염보다 화염길 이가 짧고 당량비 조절을 통해 NOx 및 CO 배출 을 제어할 수 있는 예혼합방식의 소형 버너 앞에 원형관 열교환기를 설치한 후 버너와 열교환기 사이의 거리 및 당량비를 변화시킬 때 NOx와 의 배출특성을 검토하고 최적당량비에서 열교 CO
환특성을 실험적으로 검토하고자 한다.
실험장치 및 방법 2.
버너 및 열교환기의 구조 2.1
은 본 연구에서 사용한 버너와 열교환기 Fig. 1
의 개략도이다. 버너의 연소표면은 금속소결체 (SFFP, φ1-4pitch, 2.2t, Porosity 83%, FiberTech)이 며 버너의 크기는 160mm×147mm(연소면의 크기 는 83mm×96mm)로서 일반 콘덴싱보일러 연소기 의 약 1/4크기이고 이때 발열량은 5,000kcal/h이 다 열교환기는. SUS 304로 제작하였고 열교환기 는 지름 8mm 길이 116mm인 관을 8개씩 4줄로 배열하였으며 관과 관사이의 거리는, 15mm이다. 열교환기 관과 관사이의 거리를 15mm로 제작한 것은 선행연구(11)에서 3종의 열교환기 관과 관사( 이의 거리가 5, 10, 15mm)에 대한 실험에서
의 효율이 가장 좋았기 때문이다
15mm .
열교환기는 NOx와 CO의 배출특성과 열전달특 성을 확인하기 위해 버너와 열교환기 사이의
Fig. 1 Schematic of burner and heat exchangers
Fig. 2 Schematic of the experimental setup 거리를 30, 40, 50mm로 변화시킨 3종류(A, B, C
를 제작하였고 열교환기 크기 내부기준 는
type) ( )
이다 버너와 열교환기사이 거리 102×116×130mm .
변화는 부하량 5,000kcal일때 버너표면에서 화염 길이가 당량비변화에 따라 약 10∼20mm로 확인 되었다 따라서 버너와 열교환기 사이의 거리를. 로 할 경우 열교환기 첫 번째 관이 화염과 20mm
직접 접촉하여 CO의 배출량이 급격하게 증가하 는 것을 방지하기 위해 30mm부터 실험을 수행하 였고 연료는 LNG를 사용하였다.
실험장치 및 방법 2.2
는 실험장치의 개략도이다 연소용 공기
Fig. 2 .
는 컴프레서를 통해 공급되며 각각 서지탱크 및 필터를 통과하고 정밀레귤레이터를 통해 일정압 력으로 질량유량계(MFC Tylan FC 280)로 들어온 다 연료인. LNG도 봄베에서 레귤레이터를 통과 여 질량유량계에 의해 공급되며 버너 하부에서 혼합된다. NOx 및 CO의 배출농도 측정은 연소가 스 분석기(Lano Lancom Ⅲ, AMETEK)로 측정하 였다 열교환기 입출구의 물 유량은 디지털유량. 계(RT375MI-LPM1)를 사용하였고 물 온도 및 배, 기가스 온도를 측정하기 위해 열전대(T type)를 부착하여 데이터로거(HP 34970A)에 연결한 후 정 상상태에서 회 측정한 평균값을 사용하였다5 .
또한 열교환방식에 따라 배기가스 특성과 열교
버너와 열교환기 사이의 거리(mm)
A type
B type
C type 30 40 50 열교환 방식 병행류 대향류, 당량비 0.65, 0.7, 0.75
0.8, 0.85 버너 열량(kcal/h) 5,000
Table 1 Experimental condition
환기의 효율을 검토하기 위해 병행류방식과 대향 류방식으로 구분하여 실험하였다 당량비는 실용. 연소기의 운전범위를 고려하여 0.65∼0.85까지 변 화시켰으며 실험조건은 Table. 1과 같다.
질량유량계 연소가스 분석기 디지털유량계 및, , 데이터로거의 정밀도는 각각 ±1%, ±2%, ±2%,
이며 열전달률의 불확실성은 이다
±1% ±5.1% .
실험결과 및 고찰 3.
당량비 변화에 따른 및 배출특성
3.1 NOx CO
은 인 종류의 열교환기에
Fig. 3 A, B, C type 3
대해 병행류방식일 때 당량비 변화에 따른 NOx 배출특성을 나타낸 것으로 열교환기 종류와 관계 없이 당량비가 증가할수록 NOx도 높게 나타나는 데 이것은 당량비가 증가할수록 화염온도가 높아 지기 때문이다.(8) 열교환기 종류와 관계없이 동일 한 당량비에서 NOx 변화는 거의 일정한 수치를 나타내며, 3종류의 열교환기별 당량비 변화에 따 른 배출량은 당량비 0.7일 때 약 6.9∼7.7ppm,
일 때 약 정도로 나타난다
0.75 12.5∼14.1ppm . 는 대향류방식일 때 종류의 열교환기에
Fig. 4 3
대해 당량비 변화에 따른 NOx의 배출특성을 나 타낸 것으로 당량비가 증가해도 NOx의 절대값 및 경향은 병행류방식과 유사하다 따라서 열교. 환기 종류 및 당량비가 변하여도 열교환방식에 따른 NOx 분포경향은 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있으며 특히 병행류방식이나 대향류방식 모, 두 당량비가 0.75 이하일 때 NOx는 15ppm 이하 로 배출되고 있다.
는 종류의 열교환기에 대해 병행류방식 Fig. 5 3
일 때 당량비 변화에 따른 CO의 배출특성을 나 타낸 것으로 당량비가 증가할수록 CO도 높게 나 타난다 이것은 당량비가 증가할수록. CO를 산화
Fig. 3 Variation of NOx concentration for Heat Exchanger Type(Parallel flow)
Fig. 4 Variation of NOx concentration for Heat Exchanger Type(Counter flow) 시킬 수 있는 O2의 유효성이 감소하고 또한 높아 지는 화염온도 때문에 CO2가 CO로 해리(9)되는 경향이 강해지기 때문이다 열교환기 종류별. CO 배출량은 당량비 변화와 관계없이 버너와 열교환 기 사이의 거리가 가까울수록 높게 나타나는데 이것은 화염이 비교적 저온의 열교환기 관표면에 가까워지면서 냉각효과(quenching effect)(10)에 의한 영향으로 일단 생성된 CO가 CO2로 2차 반응하지 못하고 그대로 동결된 채로 방출되기 때문으로 판단된다. 3종류의 열교환기별 당량비 변화에 따 른 CO 배출량은 당량비 0.75일 때 약 100ppm 이 하로 나타난다.
은 대향류방식일 때 당량비 변화에 따른 Fig. 6
배출특성을 나타낸 것으로 전체적인 경향은 CO
병행류방식과 유사하다. 그러나 열교환기 종류
Fig. 5 Variation of CO concentration for heat exchanger type(Parallel flow)
Fig. 6 Variation of CO concentration for heat exchanger type(Counter flow)
변화에서의 CO 배출량은 병행류방식보다 약간씩 낮게 나타나는데 이것은 대향류방식의 경우 열교 환기의 입구는 배기가스 출구쪽에 위치하고 열, 교환기 출구는 버너 입구쪽에 위치하므로서 열교 환기 출구쪽의 수온이 충분히 높아진 상태로 관 을 통과하면서 연소가스와 열교환을 한다 따라. 서 병행류와는 반대로 CO가 CO2로의 반응이 일 정부분 일어나기 때문으로 생각된다. 3종류의 열 교환기별 당량비 변화에 따른 CO 배출량은 A
의 경우 당량비 이하일 때 약
type 0.75 100ppm
이하로 나타난다 일반적으로 예혼합방식의 콘덴. 싱보일러 CO배출량은 약 100∼150ppm, NOx 배 출량은 30∼40ppm 정도로 알려져 있는데 이 기 준을 근거로 하여 본 연구에서 사용한 3종의 열 교환기에서 적정운전 당량비는 0.75이하(CO는 약
Photo. 1 Burner flame
이하 는 이하 로 판단된다
100ppm , NOx 20ppm ) . 은 당량비에 따른 버너의 화염형상으로 Photo. 1
당량비가 0.65일 때는 0.7이나 0.75와 비교하여 버너 양끝에서 화염 부상현상과 함께 화염이 불 안정한 현상이 나타나며 당량비, 0.8과 0.85에서 는 적화현상이 발생하는 것을 볼 수 있다.
열교환기 종류별 배기가스온도 및 열효율 3.2
은 열교환 방식에 따라 종류의 열교환기
Fig. 7 3
의 출구에서 배기가스 온도를 나타낸 것으로 열 교환방식에 따른 배기가스 온도분포 경향은 A 이 가장 낮고 이 가장 높게 나타난다
type C type .
이것은 A type의 경우 버너표면과 열교환기 사이 의 거리가 B와 C type보다 가깝기 때문에 상대적 으로 열교환이 용이하기 때문으로 보이며 당량, 비별 온도차이는 최대 약 20oC 정도로 나타났다. 또한 열교환방식에 따라서는 대향류 및 당량비
Fig. 7 Variation of exhaust gas temperature
Fig. 8 Variation of heat transfer rate for heat exchangers
방식이 병행류방식보다 평균 5 10∼ oC 정도 낮게 나타난다 일반적으로 보일러에서 부하량이 일정. 할 때 보일러의 효율은 열교환기 입구수온과 출 구수온의 온도차에 의해 결정되지만 출구에서 배 기가스 온도에 의한 상대적인 비교를 통해서도 알 수 있다.
은 열교환 방식에 따라 종류의 열교환기
Fig. 8 3
에 대한 열전달률을 나타낸 것으로 대향류방식이 병행류방식보다 열전달률이 높게 나타나며 당량 비변화에 따라서는 0.65가 가장 낮고 0.75, 0.8 및
에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다
0.85 .
따라서 본 실험범위내에서 열교환기의 효율은 열교환기 출구에서 배기가스의 온도에서 나타났 듯이 버너와 열교환기 사이의 거리가 가장 가까
Fig. 9 Distribution of thermal efficiency for heat exchangers
운 A type의 열교환기의 대향류방식 흐름일 때 가장 좋을 것으로 예측된다.
는 본 연구의 최종목표인 종의 열교환기
Fig. 9 3
에 대한 열효율을 나타낸 것이다 열교환방식과. 당량비에 관계없이 전체적으로 A type 열교환기 의 효율이 가장 높게 나타났으며 본 실험범위에, 서 최고의 열효율은 대향류방식일 때 당량비 0.8 에서 A type 열교환기가 약 86.7%로 나타났다. 그러나 A type 열교환기에서 대향류방식일 때 당 량비 0.8에서 CO는 157.8ppm, NOx는 30.9ppm으 로 CO의 농도가 다소 높게 나타났기 때문에 환 경오염물질인 CO와 NOx를 고려할 경우 A type 열교환기에서 당량비가 0.75(CO 94.5ppm, NOx 효율 일 때가 적정 운전조건으로 11.2ppm, 84.1%)
판단된다 그리고 당량비가. 0.65일때는 Photo. 1에 서 나타난바와 같이 화염부상 화염불안정 및 과, 잉공기량으로 인해 화염온도 저하로 효율은 낮게 나타난다.
4. 결 론
본 연구는 비예혼합화염보다 화염길이가 짧고 당량비 조절을 통해 NOx 및 CO 배출량을 제어 할 수 있는 예혼합방식의 버너를 설치하고 버너 와 열교환기 사이의 거리가 각각 30, 40, 50mm인 종의 열교환기에 대해 당량비를 변화시킬 때 3
및 의 배출특성과 열교환기 효율을 실험 NOx CO
적으로 규명한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었 다.
버너와 열교환기의 거리변화와 관계없이 당 (1)
량비가 증가할수록 화염온도가 높아져 NOx 및 배출량도 증가한다
CO .
배출량은 버너와 열교환기 사이의 거리 (2) CO
가 가까울수록 냉각효과에 의해 높게 나타난다.
당량비가 일 때는 버너 양끝에서 화염 (3) 0.65
부상현상과 함께 화염이 불안정한 형상이 나타나 며 당량비, 0.8과 0.85에서는 적화현상이 나타난 다.
본 실험범위에서 최고의 열효율은 대향류방 (4)
식일 때 당량비 0.8에서 A type 열교환기가 약
로 나타났다 그러나 열교환기에서
86.7% . A type
대향류방식일 때 당량비 0.8에서 CO는 157.8ppm,
는 으로 의 농도가 다소 높게 나
NOx 30.9ppm CO
타났기 때문에 환경오염물질인 CO와 NOx를 고 려할 경우 A type 열교환기에서 당량비가
효율 일
0.75(CO 94.5ppm, NOx 11.2ppm, 84.1%) 때가 최적 운전조건으로 판단된다.
참고문헌
(1) Peng, B., Wang, Q. W., Zhang, C., Xie, G. N., Luo, L. Q., Chen, Q. Y. and Zeng, M., 2007,
"An Experimental Study of Shell-and Tube Heat Exchangers with Continuous Helical Baffles,"
Journal of Heat Transfer, Vol. 129, pp.1425~1431.
(2) Moh, J. H, 2010, "Convective Heat Transfer Correlations for the Compact Heat Exchanger with Circular Tubes and Flat Tubes-Plate Fins,"
Trans. of the KSME(B), Vol. 34, No. 3, pp.
291~299.
(3) Eiamsa-ard, S., Thianpong, C., Eiamsa-ard, P. and Promvonge, P., 2010, "Thermal Characteristics in a Heat Exchanger Tube Fitted with Dual Twisted Tape Elements in Tandem," Int. Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 37, pp. 39~46.
(4) Yoo, S. Y., Jang, K. I. and Kwon, H. K., 2007, "An Experimental Study on Heat Transfer Enhancement of Cross Flow Heat Exchanger
Using Screen," Proceedings of the SAREK Winter Annual Conference, pp. 185~190.
(5) Hwang, S. W. and Jeong, J. H., 2009, "Flow Analysis of Heat Exchanger with Delta Winglet Vortex Generators on CFD," Proceedings of the SAREK Summer Annual Conference, pp.
1166~1171.
(6) Yoo, S. Y., Kim, J. H., Chung, M. H. and Jie, M. S., 2008, "A Study on the Performance Prediction of Paper Heat Exchanger for Exhaust Heat Recovery," The Magazine of the SAREK, Vol. 20, No. 6, pp. 372~380.
(7) Choi, Y. K., Yoo, S. Y., Yun, H. I. and Kang, H.
C., 2010, "A Study On Heat Transfer Enhancement in Counter-flow Hexagon Plastic Heat Exchanger,"
Proceedings of the SAREK Summer Annual Conference, pp. 1265~1270.
(8) Lee, H. S., Jeon, D. S., Kim, Y. L. and Kim, S. C., 2010, "Experimental Study of Evaporative Heat Transfer Characteristics of R-134a with Channel-Bending Angle in Microchannel Heat Exchangers," Trans. of the KSME(B), Vol. 34, No. 6, pp. 635~642.
(9) Kang, S. K., Choi, K. S. and Yoon, J. Y., 2009, "Characteristics of Combustion and Heat Transfer of Domestic Gas Boiler Equipped with 2-stage Heat Exchanger," Proceedings of the KSME Spring Annual Meeting, pp. 386~389.
(10) Park, J, K., Lee, S. K., Jeong, Y. S., Kum, S.
M. and Lee, C. E., 2000, "The Study on the Optimization of Burner and Heat Exchanger for Condensing Gas Boiler," Proceedings of the Energy Engineering Spring Annual Conference, pp. 201~207.
(11) Kim, J. M., Lee, J., Lee, S., Lee, C. E. and Kum S. M., 2010, "Characteristics of Thermal Efficiency with Changing Distance Between Tubes for Heat Exchanger," Journal of Energy Engineering, Vol. 19, pp.177~181.
