KR100442772B1 - 축열식 연소기용 세라믹하니컴을 이용한 축열/재생기의표준화 수단 - Google Patents

축열식 연소기용 세라믹하니컴을 이용한 축열/재생기의표준화 수단 Download PDF

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Abstract

본 고안은 공업용 연소로에 적용되는 축열식 연소기용 세라믹하니컴을 사용한 축열/재생기의 표준화 수단에 관한 것이다. 축열실은 압력손실이 큰 기존의 세라믹 구형체 대신에 압력손실 및 경량인 세라믹하니컴을 사용하며, 축열식 연소기의 운전조건 즉, 연소량, 연소공기비, 연소기 운전시간 및 세라믹하니컴의 구조를 고려하여 경량 컴팩트화할 수 있는 설계방법이다. 연소로 설계기준에 의해 결정된 연소기 운전조건을 고려한 설계이므로 기존의 임의의 축열실 설계에 비하여 축열효율 즉, 폐열회수율을 최대화하는 동시에 연소로의 설계효율에 부응할 수 있는 경제성있고 일관성있는 다양한 형태의 축열기 설계가 가능한 것이 특징이다.

Description

축열식 연소기용 세라믹하니컴을 이용한 축열/재생기의 표준화 수단{A Design Method of Ceramic honeycomb Regenerator for Industrial Regenerative Burner}
본 고안은 기존의 축열식 연소기용 축열실 설계에 고려되지 않은 연소기 운전조건을 고려하여 축열식 연소기에 있어서 축열체의 크기 단면적 길이 등 성상 및 연소기의 용량을 결정하기 위한 축열식 연소기용 세라믹 하니컴을 이용한 축열/재생기의 표준화 수단에 관한 것이다.
고온 배가스 회수용 축열기는 도 1에 도시된 바와 같이 축열실에 고온의 배가스를 도입하여 축열실의 축열체를 가열하고 일정온도 이상이 되면 연소용 공기를 축열실에 도입하여 가열된 축열체의 열에 의하여 저온의 연소용 공기를 가열하도록 하므로서 연소기에 가열된 연소용 공기를 공급하여 에너지의 절감을 도모하는 장치이다. 즉 연소용 공기를 배가스의 현열로 예열하는 장치이다.
종래의 축열식 연소기용 축열기는 축열체로서 세라믹 구형체를 일반적으로사용하고 있으며, 구형체의 직경, 충진량, 배가스 온도, 연소가스량에 따라 축열량이 상당히 다르기 때문에 최적의 축열실을 도출할 수 없었다.
따라서 종래에는 연소기에서 발생되는 배기가스량 및 배가스의 온도에 상관없이 적당한 크기의 축열실을 제작하고 출열기 출구온도를 감지하여 운전하는 방식을 사용하였기 때문에 축열실의 최적, 소형화가 불가능하고 이는 적용 대상인 연소로 최적운전 및 그 성능 유지에 장애가 될 수 있었다. 아울러 세라믹 구형체를 사용하므로 인하여 축열기에서의 압력손실이 상당히 크다는 단점도 있다.
상기 한 바와 같은 축열기를 설계함에 있어 곤란성을 극복하기 위하여 압력손실이 작고 경량이며 단위체적당 열전달 표면적이 큰 세라믹 하니컴을 축열기의 축열체로 사용하고 상기의 문제를 극복하도록 하며, 즉 세라믹 하니컴의 온도효율 및 열교환량 변동특성은 셀의 크기, 축열체의 길이 및 운전시간에 따라 다양하게 나타나는 사실에 의거하여 이러한 다양한 특성을 물리적 의미를 갖는 무차원 계수로 일관성 있게 표시가 가능토록 함으로써 축열구조의 최적화 또는 경량화 기법을 도출하고자 하며, 따라서 연소로의 운전조건 (연소량, 연소공기비, 축열/재생시간, 축열체의 구조)를 고려한 설계방법의 표준화를 달성하자는 것이 본 발명의 취지이다.
제1도는 축열식 연소기용 축열/재생기의 개념도
제2도는 하니컴 셀의 크기와 축열기의 길이가 운전시간에 따른 평균 온도효율의 변동에 미치는 영향을 표현한 그래프
제3도는 하니컴 셀의 크기와 축열기의 길이가 운전시간에 따른 평균 열교환율(단위 부피당)의 변동에 미치는 영향 표현한 그래프
제4도는 하니컴 셀의 크기 및 축열기의 길이가 세라믹 하니컴 단위셀당 배가스 통과 횟수(TN)에 따른 평균 온도효율(Teff)의 변동에 미치는 영향을 표현한 그래프
제5도는 하니컴 셀의 크기와 축열기의 길이가 하니컴의 단위 셀당 배가스 통과 횟수(TN)에 따른 열교환율(QN)의 변동에 미치는 영향을 표현한 그래프
제6도는 제 2도에서 보다 더 넓은 범위의 운전조건에 대하여 하니컴 셀의 크기와 축열기의 길이가 운전시간에 따른 평균 온도효율의 변동에 미치는 영향을 표현한 그래프
제7도는 제 6도의 평균 온도효율의 변동들을 통과횟수(TN)에 대하여 표현한 그래프
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
① : 유동분산판 ② : 축열실 단열판
③ : 세라믹하니컴 축열체
상기한 바와 같은 본 고안의 목적을 해결하기 위한 본 고안에 따른 세라믹하니컴 축열기의 표준화 수단에 대하여 첨부 도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 세라믹하니컴 축열기에서 달성하고자 하는 것은 연소조건 및 축열체 조건에 따른 온도효율 및 축열량의 변동 특성을 알아보고, 설계방법의 단순화 및 일관성을 유지하기 위하여 연소기의 운전시간 및 축열량의 무차원화를 도모하여 축열기의 설계를 위한 무차원 고려변수를 도출하고자 하는 것이다. 즉 여기서 도출된 고려변수와 축열기의 온도효율 또는 배가스 현열회수율과의 관계를 정립하여 다양한 형태의 세라믹 하니컴을 축열체로 사용한 축열기를 설계함에 있어 연소기의 배기량 및 배기가스의 온도를 고려한 설계가 가능하게 하는 설계의 표준화를 달성하도록 하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 세라믹하니컴을 이용한 축열/재생기의 표준화 수단에 대하여 보다 상세하게 이하에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
가. 운전시간에 따른 축열기의 온도효율 및 축열량의 변동
1) 온도효율 변동특성
세라믹 하니컴을 축열체로 사용하는 축열기에서 축열/재생과정 중에 축열체 입출구의 평균온도를 취하여 각 과정에서의 온도효율은 다음식을 이용하여 도출하고, 축열시와 재생시의 평균 효율을 취한다.
축열시 온도효율 : ηh= (T h,in-T h,out)/(T h,in-T c,in)
재생시 온도효율 : ηc= (T c,out- T c,in)/(T h,in-T c,in)
운전시간에 따라 셀크기와 축열체의 길이가 온도효율에 미치는 영향을 [도 2]에 비교하였다.
셀 크기 및 축열체의 재질이 동일할 경우에, 운전시간이 증가하면 온도효율은 감소되고 있다. 한편 축열체의 재질이 동일할 경우에, 운전시간 및 축열체 길이가 일정한 경우에는 온도효율은 거의 동일한 수준을 보이고 있으나, 운전시간 및 셀 크기가 일정할 경우 온도효율은 축열체의 길이에 비례하여 증가하고 있음을 알 수 있다.
2) 축열특성
[도 3]에서 관찰된 바와 같이 운전시간에 따른 축열량의 변동은 세라믹 하니컴의축열체를 사용한 축열기의 운전시간이 짧은 범위에서는 축열량은 축열체의 길이에 영향을 많이 받는 반면, 운전시간이 길 수록 축열체의 물성치(열전도도, 밀도)의 영향이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 따라서 축열체 선정시 축열량 및 운전시간을 고려하여 축열체의 재질을 선정할 필요가 있다. 일반적으로 코디어라이트 재질은 알루미나 또는 코디어라이트 및 뮬라이트 혼합재질에 비하여 단위체적당 축열성능이 다소 낮음을 보여 준다.
나. 운전시간 및 축열량의 무차원화
[도 2] 및 [도 3]의 온도효율 및 열교환량 변동특성은 셀의 크기, 축열체의 길이 및 운전시간에 따라 다양하게 나타나고 있다. 이러한 다양한 특성을 물리적 의미를 갖는 무차원 계수로 일관성 있게 표시가능토록 함으로써 축열구조의 최적화 또는 경량화 기법을 도출하는 것이다.
1) 운전시간의 무차원화
세라믹 하니컴 축열체의 구조적 특징을 고려하여 단위셀당 단위시간당 배가스 통과시간 개념을 이용하였다. 즉, 단위시간당 배가스 총량은 축열체 단면에 형성된 세라믹 하니컴이 차지하는 총단면적을 총해 균일하게 배출되는 것으로 가정하면 단위시간당 단위셀, Acell을 통과해야 하는 배가스량, Qcell을 도출할 수 있다. 한편 축열체의 길이, Lr,를 고려하면 단위셀이 차지하는 체적을 도출할 수 있으며, 이로부터 단위셀당 배가스 통과시간을 도출 할 수 있다. 즉 tpass= Lr*Acell/Qcell로 표시할 수 있다. 한편 단위셀당 통과배가스량, Qcell,은 총 연소배가스량, Qt, 축열실 단면적, Dr 2및 단위면적당 셀수, ncell로 표시할 수 있으므로 단위셀당 배가스 통과시간은 tpass∼f(Lr, Dr 2 ,Acell, ncell, Qt -1) 또는 tpass∼f(Lr3, (Dr/Lr)2, Acell, ncell,Qt -1)의 관계가 있다.
따라서 운전시간, tf, 동안 단위셀당 배가스량이 단위셀을 통과하는 횟수, TN는 TN=tf/tpass로 표시할 수 있다. 여기서 배가스 통과시 일정량의 열량이 축열되는 것으로 가정하면 통과횟수, TN는 수열횟수의 의미를 갖는다고 볼 수 있다. 즉 TN은 축열체 세라믹 하니콘 단위셀당 배가스 통과 횟수로 정의 된다.
즉 운전시간, tf, 동안 단위셀당 배가스량이 단위셀을 통과하는 횟수, TN는 TN=tf/tpass식으로부터 다음과 같은 함수로 표현된다.
즉 TN = tf/tpass∼ f(Lr -1, Dr -2 ,Acell -1, ncell -1, Qt,tf) … (1)
으로 표시된다.
[도 4]는 [도 2]의 온도효율을 통과횟수 TN에 대하여 log-log 좌표상에 비교한 것이다. 모든 경우에 대하여 일정한 TN 범위내에서는 온도효율이 일관성 있게 변동하고 있슴을 보여 준다.
2)TN과 현열회수율
축열연소기술의 특징은 직접 열교환에 의하여 배가스의 현열을 회수하는데 있다. 본 실험결과 축열 및 재생시 열교환량은 거의 동일하므로 평균 열교환량을 축열량으로 취급하였으며, 배열시 축열체 단위체적당 축열량을 유입열량(배가스 현열)으로 무차원화하고자 하였다. 따라서 무차원 계수는 열회수율(재생율)의 의미를갖는다. 따라서 축열체 단위체적당 유입열량은 축열실의 단면적 및 길이, 연소 배가스량, 배가스온도, 평균비열 및 실질적인 배가스 회수율의 함수로 표시될 수 있다. 한편 축열량은 운전시간 또는 통과횟수에 따라 변동되므로, [도 3]으로 표시된 운전시간에 따른 축열량의 변동을 [도 5]와 같이 통과횟수에 따른 열회수율의 변동으로 표시하였다. 역시 모든 경우에 대하여 일정한 TN 범위내에서는 열회수율이 일관성 있게 변동하고 있슴을 보여 준다.
[도 6]은 넓은 범위의 운전조건에 대하여 측정한 온도효율 변동을 운전시간 대하여 표시한 것이다. 조건에 따라 다양한 변동특성을 보여 주고 있다. [도 6]의 온도효율값을 운전시간이 아닌 통과횟수에 대하여 [도 7]에 표시하였다. 일정한 TN 범위내에서는 열회수율이 일관성 있게 변동하고 있슴을 보여 준다. [도 5] 및 [도 7]의 열회수율 및 온도효율 변동특성으로부터, 열회수율 85% 이상 및 온도효율 90% 이상을 유지하기 위한 최대 통과횟수는 약 1,000 임을 알 수 있다. 따라서 연소기 운전조건(연소부하, 공기비)에 대하여 통과횟수를 약 1,000으로 유지하기 위한 축열체의 단면적, 셀크기 및 길이를 관계식 (1)로부터 도출할 수 있는 것이다.
즉, 식(1)으로부터 통과횟수 TN을 1000으로 일정하게 유지하는 조건하에서, 축열기의 열회수율 85% 이상 및 온도효율 90% 이상을 유지하기 위해서는 하니컴축열체의 길이, 축열실 단면적, 셀의 크기 및 셀의 수 사이에는 서로 반비례 관계가 있고 또 그들과 연소량 및 운전시간 사이에는 서로 비례 관계가 있음을 알 수 있다. 반면 연소량과 운전시간 사이에는 서로 반비례 관계가 있음을 알 수 있다.
따라서 열회수 효율을 일정하게 유지하더라도 축열기의 형상은 설치공간 또는 설치용이성 등을 고려하여 다양하게 설계될 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 있어서 축열체 세라믹 하니콘 단위셀당 배가스 통과 횟수(TN)를 배기가스의 온도, 배기 가스량 , 축열체인 세라믹 하니컴의 성상(길이, 단면적등)로 함수로 표현이 가능하기 때문에 세라믹 하니컴을 축열체로 사용한 축열기의 축열 및 열회수 효율을 임의의 운전조건에 대하여 최대로 유지하면서 축열기의 형상을 설치공간 또는 설치 용이성 등을 고려하여 다양하게 설계할 수 있기 때문에 제작경비를 최소화할 수 있으며 열회수율을 최대화하는 조건에서 설계되므로 종래에 비하여 5-50%의 에너지절감효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

  1. 축열식 연소기의 축열/재생기에 있어서, 축열체로 세라믹 하니컴을 사용하고, 연소기 운전조건을 고려한 세라믹 하니컴 단위셀당 배가스 통과 횟수(TN)는 tf/tpass∼ f(Lr -1, Dr -2 ,Acell -1, ncell -1, Qt,tf)인 관계를 만족하는 것으로 세라믹 하니컴 단위셀당 배가스 통과 횟수(TN)가 하니컴축열체의 길이(Lr), 축열실 단면적(Acell), 셀의 크기(Dr) 및 셀의 수(ncell)와는 반비례 관계, 연소량(Qt) 및 운전시간(tf)와는 비례 관계성립됨으로 인하여 축열/재생기의 용량이 결정되는 축열/재생기의 표준화 수단.
  2. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05340570A (ja) * 1992-06-09 1993-12-21 Shimizu Corp 蓄熱槽を備える空調システムの設計方法
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