유동층 열교환기내 수평관에서의 열전달

김성원, 안정렬, 이동현, 김상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지 환경 연구센터

Heat Transfer around Horizontal Tube in a Fluidized Bed Heat Exchanger

Sung Won Kim, Jung Yeul Ahn Dong Hyun Lee and Sang Done Kim

Department of Chemical Engineering and Energy & Environment

Research Center, KAIST, Taejon 305-701, Korea

서론

유동층 열교환기 (Fluidized Bed Heat Exchanger; FBHE) 는 온도 균일성이라는 유동층의 특징을 이용하여 적당한 전열면적을 갖는 열교환관을 층 내 설치하여 일정한 양의 열을 전열시키는 것으로, 최근 순환유동층 연소로의 scale-up 을 통한 열용량 증대와 함께 고온의 재순환물질로부터 열을 회수, 연소로의 온도제어 및 열회수율의 극대화를 얻고자 재순환부에 연결하여 사용하고 있다. 또한, 가압순환유동층의 개발과 더불어 유효열전달 면적의 증대를 통한 상대적인 연소로 소형화를 위해 채택되고 있다. 특히, 유동층 열교환기는 전체 공정에서 20-60% 의 열을 회수할 수 있어, 열전달에 있어 매우 중요한 역할을 차지한다 [1]. 유동층 열교환기의 설계 및 유동층연소로에 대한 적용에 있어, 가장 중요한 정보는 열전달계수로서, 본 연구의 관심대상인 순환유동층에 설치된 유동층 열교환기에 적용되는 100 - 300 □ 의 입도 분포를 갖는 재순환 회재[1] 의 경우 그 연구결과가 매우 적다. 또한, 유동층과 전열관 사이의 열전달은 관 표면으로의 입자 이동과 기포에 의한 입자 이탈이라는 반복과정에 의한다. 그러므로, 본 연구에서는 순환유동층 내 유동층열교환기의 전열관에서의 열전달특성을 재순환 회재의 입도를 갖는 입자를 대상으로 연구하고자 하였다. 또한, 국부 열전달계수 (local heat transfer coefficient) 와 입자 및 기포의 전열관의 접촉을 동시에 측정함으로써 열전달 과정에 대한 이해를 향상시키고자 하였다.

실험장치 및 실험방법

본 연구에서 사용한 상온 유동층 열교환기의 개략도는 Fig. 1 과 같다. FBHE 는 아크릴로 제작되었고, 세로는 0.34 m 이고 가로는 0.50 m 이며, 높이는 0.65 m 이다. 내부에는 1 in. sus 관이 벽면에 연결되어 있고, 관사이의 간격은 0.08 m 이며 관의 배열은 삼각배열 형태를 갖고, 총 25 개의 관들이 설치되어 있다. 총괄 열전달계수 및 반경방향에 따른 국부 열전달계수를 측정할 수 있는 probe 를 Fig. 2 에 나타내었다. 열전달계수 측정 probe 는 전열관 내부를 가열하여 층물질로의 열전달계수를 측정하는 방식이다. Probe 의 길이는 전열관과 동일한 470 mm 이고, 중심에는 열전달계수 측정을 위한 80 mm 의 구리관이 있으며, 이의 양쪽으로 전열 방지를 위한 테프론 봉이 부착되어 있다. 구리관 안에는 저항히터가 설치되어 있고, 열흐름속도를 알기 위하여 공급된 전원의 전압과 전류를 측정하였다. 총괄 및 반경방향의 국부 열전달계수를 측정하기 위하여 구리관 표면에 반경방향으로 수평면을 기준으로 + 90o 에서 - 90o 까지 45o 의 각을 가지고 5개의 열전쌍을 부착하였다. 열전쌍 (fast response probe; Cole-Parmer, USA) 은 T-type 으로 접합부 bead 는 0.13 mm 의 직경을 갖는다. 신호는 amplifier를 거쳐 A/D converter 를 통해서 PC 에 신호가 저장되도록 하였다. Sampling 은 8 ms 간격으로 50초 동안 6,250개의 data 를 포집하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of FBHE

Fig. 2 Schematic diagram of heat transfer probe

(a) Heater assembly (b) Cross section of the tube

(c) Instrumented cylinder

본 실험에서 전열관의 벽면에서 기포 및 emulsion 상의 성질을 열전달계수와 동시측정하기 위해서 transmission type optical fiber probe 원리[2] 를 이용하였다. Probe 는 500□ 의 직경을 갖는 한 쌍의 fiber 로 구성되어 있다. 한 쪽은 laser 로부터 나온 빛을 투사하고, 나머지 한 쪽은 투과된 빛을 받는 역할이며, 간격은 3.0 mm 이다. 투과된 빛을 받는 fiber 에서 나온 빛은 photo transister, amplifier 및 A/D converter 를 거쳐 PC 에 신호가 저장되었다. Sampling 은 2ms 간격으로 28 초 동안 14,000개의 data 를 포집하였고, 동시에 thermocouple 의 신호도 동일한 주기를 가지고 측정하였다. 실험에 사용된 입자는 순환유동층 재순환물질의 입도범위에 해당하는 240 □ 의 silica sand 로 겉보기 밀도는 2582 kg/m3 이고, 최소유동화속도는 0.048 m/s 이다.

Data 해석

1. 열전달 data 해석

국부열전달계수는 공급된 전압과 전류로부터 다음식에 의해 계산될 수 있다.

[eqn: h_i~=~ Q over {A_tube (T_s -T_b ) }~=~ IV over {A_tube (T_s -T_b ) }]	(1)    여기서 Atube 는 관의 면적, Ts 는 관 표면 온도, Tb 는 bed 온도이며, I 와 V 는 공급된 전류 및 전압이다. 또한, 총괄열전달계수는 다음과 같다.

[eqn: h_avg ~=~ {h_{+90^o} +2h_{+45^o} +2h_{0^o} +2h_{-45^o} +h_{-90^o} } over 8]                 (2)

2. 기포 및 emulsion phase data 해석

Optical fiber probe 의 신호는 기준값을 사용하여 에멀젼상과 기포상으로 나눌 수 있다. 이를 기준으로 tube 에서 기포 또는 emulsion 이 머무는 시간을 각각 Bi, Ei 라고 하고, 기포 및 emulsion 의 분율을 시간 개념으로 계산할 수 있다. 즉, 기포가 probe 에 머무는 시간을 전체 시간으로 나누어 계산할 수 있다.

[eqn: delta_b ,~delta_e ~=~ { SUM from { { i}=1} to {n} B_i ~or E_i} over {T(total~sample~time) }]                    (3)

Probe 를 통과하는 기포 또는 emulsion phase 의 빈도수는 다음과 같다.

[eqn: f_b ,~f_e~=~ { n ~(n umber ~of~bubble or emulsion phase)} over {T(total~sample~time) }]	(4)

실험결과

Fig. 3 Effect of gas velocity on

average heat transfer coefficient

Fig. 3 에 기체유속 변화에 따른 전열관에서의 평균 열전달계수의 변화를 나타내었다. 열전달계수는 기상유속이 증가할수록 증가하였고, 기상유속의 변화에 대해 최대값을 나타내었다. 이러한 경향은 기존의 보고된 다른 종류의 입자에 대한 결과와도 일치하나 [3], 그 증가정도나 최대값은 입자의 크기에 서로 다른 결과를 나타낸다. 본 연구의 silica sand 의 경우 최대 열전달계수 (hmax) 는 0.13 m/s (2.7 Umf) 에서 얻어졌고, 그 값은 400 W/m2K 였다. 이는 hmax 에 대한 Zabrodsky [4] 의 상관식과 잘 일치하는 결과를 나타내고 있다. 특이한 점은 최소유동화속도 미만에서는 고정층에서의 기체유속의 변화에 따른 열전달계수의 변화현상이 나타날 것이라는 예상과 달리, 최소유동화속도 미만인 0.03 m/s 에서부터 기체유속 증가에 따라 열전달계수의 급격한 증가가 나타난다는 것이다. 이는 유동층 내 튜브가 존재시 튜브사이에서의 기체유속이 증가함으로써 간헐적인 기포가 나타나고, 이는 열전달계수를 증가시키는 결과를 낳는다.

Fig. 4 Circumferential heat transfer

coefficient variation

Fig. 4 에 전열관 표면의 반경방향에 따른 국부 열전달계수의 변화를 각각의 유속에 대해 나타내었다. 그림에서와 같이 국부 열전달계수는 0o 에서 가장 높은 값을 나타내었고, 튜브의 상부보다 하부의 열전달계수값이 더 높다. 이는 튜브에 접촉하는 기포뿐만 아니라 튜브사이를 통과하는 많은 빈도수의 기포로 기인된 고체입자들의 순환 움직임에 기인된다. 상부의 경우, 비유동 정체층이 존재하여 상대적으로 낮은 열전달계수 값을 나타낸다. 그러나, 정체층은 지속적으로 존재하는 것이 아니라 상승하는 기포와 충돌하여 하부로 하강하여 사라지고, 다시 그 위에 정체층이 형성되는 현상이 반복된다. 따라서, 이 영역에서의 국부 열전달계수는 기상유속이 증가할수록 기포의 발생빈도가 증가하여 정체층의 반복 생성속도는 증가하게 된다. 이는 총괄 및 국부 열전달계수는 기포의 거동과 밀접한 관계를 갖기 때문이다.

Fig. 5 에 전열관의 반경방향에서 온도변화와 동시에 측정된 기포신호를 나타내었다. 기상유속은 최고 열전달계수 값을 나타낸 0.126 m/s 이다. Optical fiber probe 신호의 경우, peak 신호는 기포를 나타낸다. 0o 이하의 하부 영역에서는 기포의 peak 와 온도변이가 서로 대응되는 결과를 나타냄으로써 열전달이 기포로 인한 고체입자의 거동에 직접적으로 연관됨을 잘 나타내고 있다. +45o 지점의 경우, 높은 기체유속으로 인해 상승되는 기포가 관측되었는데, 이때 온도변화는 기포 도달시 온도가 상승하였다가, 기포가 지나간 후, 새로 도달된 입자들의 접촉으로 온도가 하강하는 전형적인 온도변이를 잘 보여주고 있다. 그러나, +90o 지점에서 보듯이 정체층 형성지점에서는 온도변화가 기포에 직접적인 영향보다는 주변기포의 움직임에 의한 고체의 거시적 거동에 의해 정체층이 형성되고 이들이 무너지면서 흘러 내려가는 현상에 의함을 간접적으로 확인할 수 있다.

Fig. 6 Circumferential variation of bubble and emulsion phase properties

Fig. 6 은 관표면 반경방향에서의 에멀젼분율의 변화를 열전달계수 및 기포빈도수와 함께 나타내었다. 에멀젼 분율은 상부로 갈수록 증가하였고, 정체층 형성지역(+90o)에서는 매우 높은 값을 나타낸다. 관 표면에서의 열전달계수는 표면 고체입자의 높은 체류량과 짧은 체류시간을 갖을수록 증가하게 된다. 이때 고체입자의 체류시간은 하부에서 상승하는 기포에 기인된 고체혼합에 의존한다[3]. 따라서, 전열관 상부의 경우 낮은 기포 빈도수 즉, 정체층으로 열전달에 있어 고체혼합이 없는 하나의 저항요소로서 열전달을 방해하는 역할을 하여 낮은 열전달계수 값을 갖는다. 하부의 경우, 0o 지점이 높은 emulsion 분율과 빈도수를 통하여 활발한 고체혼합이 일어남으로써 높은 열전달 계수를 갖게 되는 것이다.

Fig. 5 Variations of local surface temp-

eratures and optical fiber probe

signals at each direction

참고 문헌

1. Basu, P. and Praiser S. A., In " Circulating fluidized bed boilers", Butterworth-Heinemann (1991)

2. Choi, Y. T. and Kim, S. D. J. Chem. Eng. Japan, 24(2), 195 (1991)

3. Grewal, N. S. and Saxena, S. C., Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 20, 108 (1981)

4. Zabrodsky, S. S., In " Hydrodynamics and Heat Transfer in Fluidized Beds", MIT Press, Cambridge, Mass, Chapter 10 (1966)