KR100690224B1 - 건식야금 반응기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 건식 야금 반응기 냉각부재 - Google Patents

건식야금 반응기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 건식 야금 반응기 냉각부재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동 채널을 구비하는 건식야금 반응기 냉각 부재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 열전달 능력을 향상시키기 위해, 통상적으로 원형 단면인 유동 채널 벽의 표면적이 채널의 직경 또는 길이를 증가시키지 않고서 증가된다.
냉각 부재

Description

건식야금 반응기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 건식 야금 반응기 냉각부재{A METHOD OF ENHANCING HEAT TRANSFER CAPABILITY OF A PYROMETALLURGICAL REACTOR COOLING ELEMENT AND PYROMETALLURGICAL REACTOR COOLING ELEMENT MANUFACTURED THEREFROM}
본 발명은 유동 채널을 갖는 건식야금 반응기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키기 위해, 통상적으로 원형 단면인 유동 채널의 벽의 표면적이 유동 채널의 직경 또는 길이를 증가시키지 않고서 증가된다. 또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 냉각 부재에 관한 것이다.
건식야금 공정에서 반응기의 내화재는 수냉식 냉각 부재에 의해 보호되고, 이로 인해 내화재 표면으로 유입되는 열은 냉각 부재를 거쳐서 물로 전달되어, 냉각되지 않은 반응기와 비교할 때 라이닝의 마모가 현저하게 감소된다. 냉각의 효과에 의해 마모가 감소되고 소위 자연발생적 라이닝이 형성되며, 이 라이닝은, 내열성 라이닝의 표면에 부착되며, 슬래그 및 용융상 (molten phase) 에서 석출되는 다른 물질들로부터 형성된다.
통상적으로, 냉각 부재는 2 가지 방법으로 제조된다: 주로, 사형 주조로써 냉각 부재를 제조할 수 있으며, 이 사형 주조에서, 구리와 같은 높은 열전도성 재료로 제조된 냉각 파이프는 모래로 형성된 몰드내에 배치되고, 이 파이프 주위로 주조되는 동안 공기 또는 물로써 냉각된다. 또한 파이프 주위로 주조된 냉각 부재는 높은 열전도성 재료, 바람직하게는 구리로 되어 있다. 이러한 종류의 제조 방법은 예컨대 영국특허 제 1386645 호에 설명되어 있다. 이러한 방법의 문제점 중 하나는 냉각채널로서 작용하는 파이프 주위에 주조 재료가 고르게 부착되지 않는다는 점이다. 몇몇 파이프에는 그 주위에 주조된 냉각 부재가 전혀 없을 수도 있으며, 또한 파이프의 일부가 완전히 용융되어 냉각 부재와 융합될 수도 있다. 만일 냉각 파이프와 이 파이프 주위의 주조 냉각 부재의 나머지 사이에 금속 결합이 형성되지 않으면 열전달은 효율적이지 않을 것이다. 만일 파이프가 완전히 용융되면, 냉각수의 유동이 방해를 받게 될 것이다. 파이프와 주조 재료 사이에 형성되는 금속결합을 향상시키도록, 예컨대 인을 구리에 혼합함으로써 주조 재료의 주조성을 향상시킬 수 있지만, 이 경우 소량의 인의 첨가에도 구리의 열전달성 (열전도도) 은 현저하게 떨어진다. 이 방법의 가치있는 장점은 비교적 낮은 제조 비용과, 치수의 제약을 받지 않는다는 점이다.
다른 제조방법으로는, 채널 형상의 유리관을 냉각 부재 몰드내로 배치하고 냉각 부재 내부에 채널을 형성하도록 주조한 후에 상기 유리관을 파괴하는 방법이 이용된다.
보다 많이 이용되는 다른 방법으로, 미국특허 제 4,382,585 호에는, 예컨대 압연 또는 단조된 구리 플레이트로 그 내부에 필요한 채널을 가공하여 냉각 부재를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법으로 제조된 냉각 부재는, 냉각 부재의 조밀성, 강한 구조, 및 냉각 부재로부터 물과 같은 냉각 매체로의 양호한 열전달을 갖는다는 장점이 있다. 이 방법의 단점은 치수에 제약(크기)이 있고, 비용이 많이 든다는 점이다.
열을 수용하는 냉각 부재의 능력은 다음 식을 통해 표현될 수 있다:
Q = α×A ×ΔT, 여기에서
Q = 전달되는 열량 [W]
α= 유동 채널 벽과 물 사이의 열전달 계수 [W/Km2]
A = 열전달 표면적 [m2]
ΔT = 유동 채널 벽과 물 사이의 온도차 [K]
열전달 계수는 다음 식을 통해 이론적으로 결정될 수 있다:
Nu = αD/λ
λ= 물의 열전도도 [W/mK]
D = 수력직경 [m]
또는 Nu = 0.023 ×Re^0.8Pr^0.4, 여기에서
Re = wDρ/η
w = 속력 [m/s]
D = 채널의 수력직경 [m]
ρ= 물의 밀도 [kg/m3]
η= 동점성 계수
Pr = 프란틀 수 []
상기 식에 따르면, 온도차, 열전달 계수, 또는 열전달 표면적에 영향을 줌으로써, 냉각 부재에서 전달되는 열량에 영향을 줄 수 있다.
물은 100℃ 에서 비등하고, 비등에 의해 통상의 압력에서의 열전달성은 현저하게 악화되므로, 벽과 관 사이의 온도차는 전술한 점에 제약된다. 실제로는, 유동 채널 벽의 온도를 가능한 낮게 하는 것이 보다 유리하다.
주로, 유속을 변화시킴으로써, 즉 레이놀즈 수에 영향을 줌으로써, 열전달 계수에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 이러한 방법은, 유량이 증가함에 따라 관에서의 압력 손실이 증가하게 되어 냉각수의 펌핑 비용이 증가되며, 또한 특정 한계를 초과하게 되면 펌프 투자 비용이 현저하게 증가하게 된다는 점에 의해 제약된다.
종래의 해결책에 따르면, 냉각 채널의 직경 및/또는 길이를 증가시킴으로써 열전달 표면적에 영향을 줄 수 있다.
그러나, 냉각 채널 직경을 경제적으로 실시가능한 방식으로 무제한 증가시킬 수 없는데, 그 이유는 채널 직경을 증가시킴으로써 일정 유량을 달성하는데 요구되는 물의 양이 증가될 뿐만 아니라 펌핑에 요구되는 에너지가 증가되기 때문이다. 다른 한편으로, 채널 직경은 냉각 채널의 물리적인 크기에 의해 제약되는데, 그 이유는 투자 비용을 최소화하기 위해서는 냉각 채널을 가능한 한 소형 및 경량으로 제조하는 것이 바람직하기 때문이다. 길이를 제약하는 다른 요인은 냉각 부재 자체의 물리적 크기, 즉 주어진 영역에 설치되는 냉각 채널의 수량이다.
본 발명은, 구리와 같이 열전도성이 높은 금속으로 유동 채널을 갖는 건식야금 반응기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키는 방법으로서, 상기 냉각 부재의 열전달 능력은 열전달 표면적을 증가시킴으로써 현저하게 증가되어 냉각 부재를 보다 얇게 제조하는 것이 경제적으로 가능해진다. 이 방법은 냉각 채널의 직경을 증가시키거나 채널의 길이를 늘리지 않고서 유동 채널 벽의 표면적이 증가되도록 이루어진다. 냉각 부재에서 본질적으로 원형 단면인 유동 채널의 표면은, 이어지는 가공을 통해 홈 또는 나사산을 채널의 내표면상에 형성함으로써 확대된다. 이러한 결과로서, 동일한 열량에 대해 물과 냉각 채널 벽 사이에 요구되는 온도차를 보다 작게 할 수 있고, 요구되는 냉각 부재의 온도 또한 더 낮출 수 있다. 또한 본 발명은 이러한 방법에 의해 제조된 냉각 부재에 관한 것이다. 필수적인 특징들은 부속 청구항에서 명백해질 것이다.
본 발명에서 설명된 냉각 부재에서, 냉각 부재 유동 채널은 기본적으로 원형 단면을 갖지만, 채널 벽의 윤곽을 매끄럽지 않게 약간 변화시킴으로써 열전달 표면적이 증가되기 때문에, 냉각 채널의 단위 길이당 비교할 때 동일한 유동 단면적 (동일한 물의 양에 대해서 동일한 유량이 달성될 수 있다) 에 대해 더 큰 열전달 표면적을 얻을 수 있다. 이러한 표면적의 증가는 다음과 같은 수단으로 달성될 수 있다:
- 예컨대 압연 또는 단조와 같은 가공을 통해 냉각부재가 제조되고, 이 냉각 부재의 내부에는 원형 단면을 갖는 1 이상의 유동 채널이 예컨대 드릴링에 의해 가공되며, 그 후 이 유동 채널의 내표면상에 나사산이 가공된다. 채널의 단면은 본질적으로 원형으로 유지된다.
- 가공에 의해 냉각 부재가 제조되고, 이 냉각 부재의 내부에는 원형단면을 갖는 1 이상의 유동 채널이 가공되며, 그 후 이 유동 채널의 내표면상에 강선형 (rifle-like) 홈이 가공된다. 채널의 단면은 본질적으로 원형으로 유지된다.
강선형 홈은 유동 채널을 통해 빼내지는 소위 팽창 맨드릴을 사용하여 유리하게 형성될 수 있다. 홈가공은 예컨대 일단부가 폐쇄된 구멍에서도 실시될 수 있는데, 이 경우 맨드릴을 외측으로 빼내게 된다. 양단부가 개방된 채널내의 구멍은 이 채널을 통해 전용 공구를 밀어넣거나 빼냄으로써 만들어진다.
상술한 모든 방법들에 있어서, 주조 방향으로부터 볼 때 횡방향인 채널 부분이 유동 채널에 존재한다면, 이들 부분은 예컨대 드릴링과 같은 가공에 의해 기계적으로 형성되고 채널에 속하지 않는 구멍들은 막혀진다는 것은 명백하다. 본 발명에서 설명된 방법의 장점을 실시예를 통해 종래 기술과 비교하였다. 본 발명을 예시하기 위해 실시예와 함께 도면이 제공된다.
도 1 은 시험 시에 사용된 냉각 부재를 나타내는 도면.
도 2 는 시험 냉각 부재의 단면 형상을 나타내는 단면도.
도 3a 내지 도 3d 는 용융물 온도의 함수로서 상이한 측정 지점에서 냉각 부재 내의 온도를 나타내는 도면.
도 4 는 용융물 온도의 함수로서 취해진 측정값으로부터 계산된 열전달 계수 를 타나내는 도면.
도 5 는 정규화된 냉각 부재의 경우에 상이한 냉각 레벨에 따라 냉각수 및 채널벽의 온도차를 나타내는 도면.
본 발명에 따른 냉각 부재를 실제적으로 시험하였으며, 이 시험에서 상기 냉각 부재 A, B, C, 및 D 의 저부를 약 1 cm 깊이의 용융납에 침지시켰다. 냉각 부재 A 의 유동 채널은 종래의 매끄러운 표면을 가지며, 비교 측정을 위해 사용되었다. 이 시험에서, 물을 냉각 부재로 공급하기 전과 후 양자에 있어서, 냉각수의 양 및 온도를 주의깊게 측정하였다. 용융납의 온도 및 냉각 부재 자체의 내부의 온도 또한 상이한 7 개의 측정 지점에서 주의깊게 측정하였다.
도 1 에는, 시험에 사용된 냉각 부재 (1) 와 이 냉각 부재 내부의 유동 채널 (2) 이 도시되어 있다. 냉각 부재의 치수는, 높이 300 mm, 폭 400 mm, 및 두께 75 mm 였다. 도 1 에 도시된 것처럼 냉각관 또는 유동 채널은 냉각 부재내에 위치해 있으며, 도면에서 관의 수평 부분의 중심은 냉각 부재의 저부로부터 87 mm 떨어져 있고 각 수직 부분은 플레이트의 가장자리로부터 50 mm 떨어져 있다. 관의 수평 부분은 드릴링에 의해 형성되고, 수평 개구부의 일단부는 막혀있다 (자세히 도시되지 않음). 도 1 에는 또한 온도 측정 지점 T1-T7 의 위치가 도시되어 있다. 도 2 에는 냉각 채널의 표면 형상이 도시되어 있으며, 표 1 에는, 상대 열전달 표면적 (relative heat transfer surface) 뿐만 아니라, 시험 냉각 부재 채널의 치수와, 단위 미터당 계산된 열전달 표면적이 나타나 있다.
표 1
직경 mm 유동 단면적 mm2 열전달면적/1m m2/1m 상대 열전달 표면적
A 21.0 346 0.066 1.00
B 23.0 415 0.095 1.44
C 23.0 484 0.127 1.92
D 20.5 485 0.144 2.18
도 3a 내지 도 3d 에는, 모든 냉각수 유량에서 냉각 부재 A 로부터 취한 기준 측정값보다 냉각 부재 B, C, 및 D 의 온도가 더 낮음이 명시되어 있다. 그러나, 이 시험 냉각 부재들의 유동 단면은 기술적인 제조상의 이유로 인해 상이한 치수로 제조되어야 하기 때문에, 도 3a 내지 도 3d 의 결과로부터 열전달 효율을 직접적으로 비교할 수 없다. 그래서, 시험 결과는 다음과 같이 정규화된다.
2 지점간의 정상 열전달은 다음 식으로 기술될 수 있다:
Q = S ×λ×(T1-T2) , 여기에서
Q = 두 지점간에 전달되는 열량 [W]
S = 형상 인자 (기하학적 형상에 의존함) [m]
λ= 매체의 열전도도 [W/mK]
T1 = 지점 1 의 온도 [K]
T2 = 지점 2 의 온도 [K]
상기 식을 시험 결과에 적용하여, 다음의 양들을 얻는다:
Q = 냉각수로 전달된 측정 열량
λ= 구리의 열전도도 [W/mK]
T1 = 시험으로부터 계산된 냉각 부재 저부의 온도 [K]
T2 = 시험으로부터 계산된 물채널 벽의 온도 [K]
S = 반무한 부재에 매설된 유한 원통(길이 L, 직경 D)의 형상 인자이며, 원통의 중심선으로부터 측정된 침지 깊이를 z [m] 라고 할 때 이 z 가 1.5D 보다 큰 경우, 식 S = 2πL/ln(4z/D) 에 의해 형상 인자가 결정될 수 있다.
이런 방법으로 결정된 열전달 계수가 도 4 에 도시되어 있다. 다변량 분석에 의해, 열전달 계수와, 물로 전달되는 열량뿐만 아니라 물의 유량 사이에 매우 양호한 상관관계를 얻는다. 각 냉각 부재에서의 회귀식 열전달 계수가 표 2 에 표시되어 있다.
예컨대, α[W/m2K] = c + a ×v[m/s] + b ×Q[kW] 이다.
표 2
c a b r2
A 4078.6 1478.1 110.1 0.99
B 3865.8 1287.2 91.6 0.99
C 2448.9 1402.1 151.2 0.99
D 2056.5 2612.6 179.7 0.96
이 결과를 비교가능하게 하기 위해 유동 채널의 단면적을 정규화해서, 물의 유동량이 동일한 유량에 대응하게 하였다. 이 유동량 (flow amount) 및 유량에 따라 정규화된 유동 채널 치수 및 열전달 표면적이 표 3 에 표시되어 있다. 표 3 에서 A', B', C', 및 D' 경우별로 주어진 치수와, 상술된 방법으로 결정된 열전달 계수를 사용하여, 유동량에 대하여 정규화된 경우의 벽과 물 사이의 온도차를, 물의 유량의 함수로서 5, 10, 20, 및 30 kW 열량에 대해 식 ΔT = Q / (α×A) 를 통해 계산하였다.
표 3
직경 mm 유동 단면적 mm2 열전달 표면적/1m m2/1m 상대 열전달 표면적
A' 21.0 346 0.066 1.00
B' 21.0 346 0.087 1.32
C' 19.2 346 0.120 1.82
D' 15.7 346 0.129 1.95
그 결과가 도 5 에 도시되어 있다. 이 도면에는 본 발명에 따라 제조된 모든 냉각 부재가, 물과 냉각 채널 벽 사이의 온도차가 보다 작더라도 일정한 열전달량을 얻는다는 것이 나타나 있으며, 이는 본 방법의 효과를 예증하는 것이다. 예컨대, 30 kW 의 냉각출력 및 3 m/s 유량의 물에서, 상이한 경우별로 벽과 물 사이의 온도차는 다음과 같다:
표 4
ΔT [K] 상대적인 ΔT [%]
A' 38 100
B' 33 85
C' 22 58
D' 24 61
이 결과를 열전달 면적과 비교할 때, 동일한 열량을 전달하는데 필요한 벽과 물 사이의 온도차가 상대 열전달 면적에 반비례함을 확인하였다. 이는, 본 발명에서 설명된 표면적의 변화가 열전달 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

Claims (8)

  1. 열전도성이 높은 가공된 구리로 제조된 건식야금 반응기 냉각 금속 플레이트의 열전달 능력을 향상시키는 방법으로서,
    본질적으로 원형인 단면을 가지며 가공으로 형성된 1 이상의 냉각수 유동 채널에 냉각수가 관류하고, 상기 금속 플레이트내 유동 채널의 벽표면적이 유동 채널의 내표면상의 강선형(rifle-like) 홈 또는 나사산에 의해 증가되는 것을 특징으로 하는 건식야금 반응기 냉각 금속 플레이트의 열전달 능력을 향상시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 열전도성이 높은 가공된 구리 플레이트로 제조되고 1 이상의 냉각수 유동 채널을 구비한 건식야금 반응기 냉각 부재로서,
    상기 냉각수 유동 채널은 가공으로 제조되고, 본질적으로 원형인 단면을 갖는 상기 유동 채널의 표면적이 나사산 또는 강선형 홈에 의해 증가되어 있는 것을 특징으로 하는 건식야금 반응기 냉각 부재.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 강선형 홈은 팽창 맨드릴에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 건식야금 반응기 냉각 부재.
KR1020017007841A 1998-12-22 1999-12-14 건식야금 반응기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 건식 야금 반응기 냉각부재 KR100690224B1 (ko)

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