KR20200062848A - 열교환기의 성능 평가 시스템 및 방법 - Google Patents

열교환기의 성능 평가 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공급자로부터 공급되는 열원을 사용자로 전달하기 위해 열교환이 일어나는 열교환기, 상기 열교환기를 통해 열교환하는 상기 열원의 상태 정보를 수신하는 수신부, 상기 수신부의 정보를 이용하여 상기 열교환기의 상태를 판단하는 판단부를 포함하며, 상기 판단부는 상기 수신부로부터 수신된 정보에 따라 판단방법을 달리하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템을 제공하여, 열교환기의 성능 분석을 통해 세정 및 보수시기를 추정하고 분석결과를 통해 점검이 필요한 열교환기를 선별 및 열교환기의 상태를 분석하여 효율적으로 열교환기를 운행할 수 있는 효과가 있다.

Description

열교환기의 성능 평가 시스템 및 방법{Performance evaluation system and method of heat exchanger}
실시예는 열교환기의 성능 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 사용자로부터 수집되는 정보에 따라 열교환기의 성능 평가방법을 달리하는 열교환기의 성능 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 집단난방시스템은 열에너지를 생산하는 열병합발전소(cogeneraton power plant)를 근간으로 하는 집단에너지시설, 생산된 열에너지를 열배관망(thermal pipe network)을 통해 수송하는 열수송시설 및 수송된 열을 수열하여 각 세대로 공급하는 사용자측의 열사용시설(user-side thermal facility)로 구성된다.
열수송시설을 통해 공급되는 열에너지는 사용자측의 기계실 내의 열교환기를 통해 열사용시설로 열에너지를 전달하게 되며, 열사용시설은 각 세대로 열에너지를 공급할 수 있다.
이와 같은 지역난방시스템은 지속적인 연구를 통해 집단에너지 열생산시설 및 열수송시설에서 발생하는 열손실을 최소화하기 위한 기술의 개발로 에너지손실이 감소하고 있다.
그러나, 열사용시설은 공동주택 개별사용자들이 소유하고 있는 관계로 열손실이 여전히 많이 발생되고 있으며, 이로 인해 열사용시설의 열효율이 낮아지고, 이는 전체 집단난방시스템의 효율을 저하시키고 있다.
특히, 열사용시설에서 사용되는 열교환기의 세정주기를 판단하기 위한 기준이 정립되어 있지 않아 관리자가 임의로 판단하여 주기적으로 세정을 실시하고 있다. 그러나, 이러한 임의 판단으로 인한 세정은 열교환기의 성능 저하 또는 세정 비용의 과다지출로 유지관리에 어려움이 있다.
일반적으로 열사용시설에 사용되는 열교환기의 세정주기는 오염이 많은 유체는 1년 이하, 오염이 적은 유체는 3년 이상, 일반적인 유체는 1~2년 등 유체의 종류에 따라 일정기간 기준으로 세정작업을 진행한다.
현재 지역난방 열사용시설의 열교환기 세정주기는 열교환기의 성능저하 또는 이상 유무와 무관하게 일정기간(1~2년) 주기로 세정을 실시하고 있었다.
그로 인해, 열교환기의 성능진단 및 평가기준 없이 일정기간 주기로 세관을 실시하는 것은 기기손상(스크래치, 가스캣 재사용 등) 발생으로 인한 열교환기 수명 감소 및 효율의 저하, 세관 주기의 조기 시행으로 세관비용이 증가하는 원인이 되고 있다.
실시예는 열사용시설의 열교환기 분석을 통해 설계기준 대비 현재 열교환기의 상황을 판단하고 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다.
또한, 열사용시설로부터 송신되는 정보의 신뢰도를 판단하고 이에 기초하여 적절한 방법으로 열교환기의 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 공급자로부터 공급되는 열원을 사용자로 전달하기 위해 열교환이 일어나는 열교환기; 상기 열교환기를 통해 열교환하는 상기 열원의 상태 정보를 수신하는 수신부; 상기 수신부의 정보를 이용하여 상기 열교환기의 상태를 판단하는 판단부;를 포함하며, 상기 판단부는 상기 수신부로부터 수신된 정보에 따라 판단방법을 달리하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 수신부는 상기 공급자에서 열교환기를 이동하는 열원의 제1 입구온도, 제1 출구온도, 제1 유량, 제1 입구압력 및 제1 출구압력 정보와 상기 열교환기와 상기 사용자측을 순환하는 열원의 제2 입구온도, 제2 출구온도, 제2 유량, 제2 입구압력 및 제2 출구압력 정보를 수신하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 판단부는 상기 수신부에서 수신되는 정보인 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보의 효율을 판단하여 유효한 정보에 따라 열교환기의 성능 판단을 달리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 판단부는 수신정보의 연속성, 기설정된 범위에 포함되는지 여부를 판단하여 수신 정보의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 판단부는 상기 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보가 유효한 경우 수학식 1에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Figure pat00002
바람직하게는, 상기 판단부는 상기 온도 정보와 상기 유량 정보가 유효한 경우 수학식 2에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
바람직하게는, 상기 판단부는 상기 온도 정보 중 상기 제1 입구온도, 상기 제1 출구온도 및 상기 제2 입구온도와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 3에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
바람직하게는, 상기 판단부는 상기 제1 유량 정보가 유효하지 않은 경우, 상기 제2 유량 정보 또는 사용 열량으로부터 제1 유량을 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 공급자와 사용자간에 열원을 공급하기 위한 열교환기의 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보 중 적어도 하나의 상태 정보를 수신하는 데이터 정보 수신 단계; 상기 상태 정보의 정합성을 판단하는 데이터 정합성 판단 단계; 상기 상태 정보 중 추출된 유효 데이터와 상기 열교환기의 상태정보를 판단하기 위한 판단방법을 매칭하는 데이터와 판단 방법 매칭 단계; 및 상기 판단방법에 기초하여 열교환기의 성능을 평가하는 열교환기의 성능 평가 단계;를 포함하는 열교환기 성능 평가 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 데이터 정보 수신 단계는 상기 공급자에서 열교환기를 이동하는 열원의 제1 입구온도, 제1 출구온도, 제1 유량, 제1 입구압력 및 제1 출구압력 정보와 상기 열교환기와 상기 사용자측을 순환하는 열원의 제2 입구온도, 제2 출구온도, 제2 유량, 제2 입구압력 및 제2 출구압력 정보를 수신할 수 있다.
바람직하게는, 상기 데이터와 판단 방법 매칭 단계에서, 상기 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보가 유효한 경우 수학식 1에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00012
Figure pat00013
바람직하게는, 상기 데이터와 판단 방법 매칭 단계에서, 상기 온도 정보와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 2에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
바람직하게는, 상기 데이터와 판단 방법 매칭 단계에서, 상기 온도 정보 중 상기 제1 입구온도, 상기 제1 출구온도 및 상기 제2 입구온도와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 3에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
바람직하게는, 상기 데이터와 판단 방법 매칭 단계에서, 상기 제1 유량 정보가 유효하지 않은 경우, 상기 제2 유량 정보 또는 사용 열량으로부터 제1 유량을 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환기 성능 평가 단계는 직전 세정 이후 열교환기의 효율에 기초하여 기설정된 범위로 효율이 하락하는 경우 열교환기의 세정시기로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환기의 성능 평가 단계는 난방용 열교환기와 급탕용 열교환기를 구분하여 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 열교환기의 성능 분석을 통해 세정 및 보수시기를 추정하고 분석결과를 통해 점검이 필요한 열교환기를 선별 및 열교환기의 상태를 분석하여 효율적으로 열교환기를 운행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 성능 평가 시스템의 구조를 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기의 성능 평가 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 2는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 성능 평가 시스템의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 다른 열교환기(100) 성능 평가 시스템은 열교환기(100), 수신부(200) 및 판단부(300)를 포함할 수 있다.
열교환기(100)는 공급자(10)로부터 발생되는 열원을 사용자(20)측으로 공급되는 열원과 열교환을 할 수 있다. 여기에서 사용되는 열원은 물이 사용될 수 있으며, 열교환기(100)는 공급자(10)로부터 제1 공급배관(11)과 제1 회수배관(12)을 통해 열원을 공급받으며, 제2 공급배관(13)과 제2 회수배관(14)을 통해 사용자(20)측으로 열원을 공급할 수 있다.
제1 공급배관(11) 및 제1 회수배관(12), 제2 공급배관(13) 및 제2 회수배관(14)에는 열원의 상태 정보를 측정하기 위한 측정부가 구비될 수 있다.
제1 공급배관(11)에서는 열교환기(100)측으로 이동하는 열원의 제1 입구온도 및 제1 입구압력을, 제1 회수배관(12)에서는 열교환기(100)에서 공급자(10)측으로 이동하는 열원의 제1 출구온도 및 제1 출구압력 정보를 획득할 수 있으며, 제1 유량정보는 제1 공급배관(11) 또는 제1 회수배관(12) 중 적어도 하나의 배관에 배치되어 열교환기(100)를 이동하는 열원의 유량을 특정할 수 있다.(이하, 공급자(10) 측에서 열교환기(100)를 거쳐 순환하는 구조를 '1차측'으로 정의 한다.)
제2 공급배관(13)에서는 열교환기(100)에서 사용자(20)측으로 이동하는 열원의 제2 입구온도 및 제2 입구압력을, 제2 회수배관(14)에서는 열교환기(100)에서 공급자(10)측으로 이동하는 열원의 제2 출구온도 및 제2 출구압력 정보를 획득할 수 있으며, 제2 유량정보는 제1 공급배관(11) 또는 제1 회수배관(12) 중 적어도 하나의 배관에 배치되어 열교환기(100)를 이동하는 열원의 유량을 특정할 수 있다.(이하, 열교환기(100)에서 사용자(20)측으로 순환하는 구조를 '2차측'으로 정의한다.)
각각의 배관으로부터 획득된 정보는 열교환기(100)의 상태를 평가하기 위한 기초 정보에 해당한다.
수신부(200)는 열교환기(100)를 통해 열교환하는 열원의 상태 정보를 수신할 수 있다.
수신부(200)는 1차측 정보(열원의 제1 입구온도 및 제1 입구압력, 제1 출구온도, 제1 출구압력 및 제1 유량 정보)와 2차측 정보(열원의 제2 입구온도 및 제2 입구압력, 제2 출구온도, 제2 출구압력 및 제2 유량 정보)를 수신하고 이를 판단부(300)로 송신할 수 있다.
판단부(300)는 수신부(200)의 정보를 이용하여 열교환기(100)의 상태를 판단할 수 있다.
이때, 판단부(300)는 수신부(200)에서 수신되는 정보인 1차측과 2차측의 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보의 효율을 판단하여 유효한 정보에 따라 열교환기(100)의 성능 판단을 달리할 수 있다. 판단부(300)는 수신부(200)에서 수신되는 정보의 효율을 판단하고 이에 따라 열교환기(100)의 판단방법을 달리할 수 있다. 판단부(300)는 수신정보의 연속성, 기설정된 범위에 포함되는지 여부를 판단하여 수신 정보의 효율을 판단할 수 있다.
일실시예로, 판단부(300)는 수신부(200)로부터 유량 정보 또는 압력 정보가 수신되지 않는 경우나, 유량 정보 또는 압력 정보가 연속적으로 들어오지 않는 경우에는 유량 또는 압력정보를 제외하고 나머지 정보에 기초하여 열교환기(100)의 성능을 판단할 수 있다.
또한, 판단부(300)는 유량 정보 또는 압력 정보가 기설정된 범위에 포함되는지 여부를 판단하여 수신 정보의 효율을 판단할 수 있다.
이처럼, 수신되는 정보가 유효하지 않은 경우, 그 정보를 제외하고 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
첫번째로, 수신부(200)로부터 수신되는 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보가 유효한 경우 하기 수학식 1에 근거하여 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00023
(수학식 1-1)
Figure pat00024
(수학식 1-2)
Figure pat00025
(수학식 1-3)
여기서, 엑서지(Exergy)란 열 시스템의 내부과정(process) 및 주위 환경 조건에서 따라 달라질 수 있는 실제 사용 가능한 에너지의 양을 의미한다.
상기 수학식 1의 변수에 대해서 설명하면,
e : 작동유체(working fluid) 단위 질량당 엑서지(Exergy)
h : 엔탈피(Enthalpy)
s : 엔트로피(Entropy)
T : 온도(Temperature)
∞ : 주위 환경 조건
을 나타낸다.
수학식 1에서 엑서지는 열역학 제2 법칙에 기초하여 시스템을 해석하는 방법이다. 수학식 1-1에서, 우측 첫 번째 항은 주위 환경 조건 대비 작동유체가 보유한 열에너지 양을 나타내고 있으며, 우측 두 번째 항은 주위 환경 조건 대비 열시스템 내부과정에서 발생하는 에너지 손실의 양을 나타내고 있다.
엑서지 값을 산출하기 위해서는 공정조건(process condition)과 주위 환경 조건에서의 온도와 압력을 구해야하며, 엔탈피와 엔트로피는 온도와 압력의 함수이므로(h=h(p,T)와 s=s(p,T)), 주어진압력과 온도에 대해 엔탈피와 엔트로피를 계산한 후, 수학식 1-1에 의해 엑서지 값을 구해낸다.
본 발명에서는 작동유체가 물인관계로 엔탈피 및 엔트로피의 계산은 IAPWS(International Association for the Properties of Water and Steam)의 industrial formulation을 이용한다.
작동유체의 흐름에 대한 총 엑서지(total exergy, E)의 양은 수학식 1-2에 의해 구해지게 된다.
표 1은 열교환 및 혼합과정상의 엔탈피 및 엑서지의 변화를 나타낸다.
Figure pat00026
표 1을 참조하면, 각 과정들을 거치며, 열에너지의 손실 또는 파괴를 통해 엑서지(사용가능한 에너지)의 양은 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 엑서지의 감소량은 과정상의 에너지 손실 및 비효율성에 따라 그 양이 결정된다.
따라서, 각 과정의 사용가능한 에너지의 활용도를 정량적으로 산출하기 위해서, 각 과정으로 투입되는 엑서지의 총량을 엑서지 연료(exergy fuel)로 정의하고 각과정을 통해 얻어지는 엑서지의 총량을 에너지 생산으로 정의하면 수학식 1-3으로 엑서지 효율을 구할 수 있다.
수학식 1-3에 의한 열교환 및 혼합과정의 엑서지 효율은 표 2에 의해 표현될 수 있다.
표 2는 열교환 및 혼합과정의 엑서지 효율을 나타낸다.
Figure pat00027
두번째로, 판단부(300)는 수신부(200)로부터 수신되는 온도 정보와 유량 정보가 유효한 경우 수학식 2에 근거하여 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00028
(수학식 2-1)
Figure pat00029
(수학식 2-2)
Figure pat00030
(수학식 2-3)
Figure pat00031
(수학식 2-4)
열교환기(100) 내에서 공급자(10)측에서 공급되는 열원과 사용자(20) 측으로 공급되는 열원의 온도는 지속적으로 변화하게 된다. 열원 사이의 온도차가 계속해서 변하기 때문에 열전달량을 구하기 위해서는 평균온도차를 계산해야한다.
이때 열전달률은 총괄열면적계수를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00032
로 정의 될 수 있다.
U는 총괄열전달계수, A는 열전달 면적, △T를 평균온도차로 정의한다.
이때 평균 온도차 △T는 다음과 같이 정의 될 수 있으며, 이를 대수평균온도차(LMTD, Log Mean Temperature Difference)라 한다. 대수평균온도차는 한쪽 끝에서의 온도차에ㅏ서 다른 쪽 끝의 온도차를 뺀 다음 이 값을 두 온차의 비에 대해 자연로그를 취한 값으로 나눈 것이며, 유체의 온도차가 항상 다르기 때문에 어떤 대표하는 값을 정의하는 것이다.
즉, LMTD는 열교환기(100) 등 유체로 열교환을 하는 경우 열교환과정에서 각 유체의 온도가 위치에 따라 다르므로 전체 열교환 과정을 대표 물성값과 평균온도로 해석하기 위해 정의 한 온도이다.
수학식 2-2에 나타나는 LMTD값은 1차측의 제1 입구온도(Thi), 제1 출구온도(Tho)와 2차측의 제2 입구온도(Tco)와 제2 출구온도(Tci)에 의해 계산될 수 있다.
또한, 수학식 2-3에 나타나는 U는 총괄열전달계수로서 대류, 전도, 복사, 파울링 등의 복합적인 함수이며 A는 전열면적을 의미한다. 여기서 열사용시설의 전열면 A는 고정값으며, U*A값의 변화는 U값의 변화로 간주하여도 무방하다.
수학식 2-1에 있어서, NTU(전달단위수, Number of Transfer Units)는 열교환기(100) 설계시 열교환기(100)의 형식과 크기가 규정되었을때, 주어진 질량유량과 입구온도에 대해서 열전달률과 출구온도를 결정지을때 사용되는 함수이다.
여기서, Cp는 비열(kcal/kg℃)를 의미하며, m은 유량(kg/hr)을 의미한다.
세번째로, 판단부(300)는 온도 정보 중 제1 입구온도, 제1 출구온도 및 제2 입구온도와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 3에 근거하여 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00033
(수학식 3-1)
Figure pat00034
(수학식 3-2)
Figure pat00035
(수학식 3-3)
Figure pat00036
(수학식 3-4)
Figure pat00037
(수학식 3-5)
여기서, CPC : 제2 차측 열원의 비열, ρc : 2차측 열원의 밀도, T∞ : 외부대기온도를 의미한다.
수학식 3은 유효도 방법을 이용하여 열교환기(100)의 성능을 평가하는 것이다.
유효도는 하기와 같이 계산된다.
Figure pat00038
수학식 3-1은 에너지의 유효도를 나타내며, 수학식 3-2와 3-3은 수학식 3-1의 변수를 나타낸다.
ε은 에너지 유효도(Energy Effectiveness)를 나타내며, εe는 엑서지 유효도(Exergy Effectiveness)를 나타낸다.
수학식 3-4에서, △P(압력 변화량)의 값이 0에 거의 가까운바, 간략한 계산을 위해서는 아래의 수학식 3-5와 같이 간략화될 수 있다.
Figure pat00039
수학식 2와 3에서 제1 유량 정보가 유효하지 않은 경우, 제2 유량 정보 또는 사용 열량으로부터 제1 유량을 추정할 수 있다.
집단난방에서 열원을 공급하는 공급자(10)측의 유량이 관리되는 곳은 많지 않다. 이경우, 사용자(20)측 즉 2차측은 비용의 지불을 위해 사용유량이 관리되고 있으므로 2차측의 제2 유량 정보나 사용열량을 이용하여 역으로 1차측의 유량을 추정하여 열교환기(100)의 성능을 평가할 수 있다.
이와 같이, 수신부(200)를 통해 수신되는 정보의 유효성에 따라 열교환기(100)의 상태를 평가하는 방법이 달라질 수 있다.
판단부(300)는 각각의 방법을 통해 판단한 열교환기(100)의 효율에 기초하여 열교환기(100)의 세정주기를 판단할 수 있다. 일실시예로, 세정직후의 열교환기(100)의 효율에 비해 10~20% 이상의 효율이 감소되는 경우 열교환기(100)의 세정이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기(100)의 성능 평가 방법을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)의 성능 평가 시스템에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기(100)의 성능 평가 방법의 순서도이다. 도 2에 있어서, 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 성능 평가 방법은 데이터 정보 수신 단계(S100), 데이터 정합성 판단 단계(S200), 매칭 단계(S300) 및 성능 평가 단계(S400)를 포함할 수 있다.
데이터 정보 수신 단계(S100)는 공급자(10)와 사용자(20)간에 열원을 공급하기 위한 열교환기(100)의 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보 중 적어도 하나의 상태 정보를 수신할 수 있다.
데이터 정보 수신 단계(S100)는 수신부(200)를 이용하여 열교환기(100)를 통해 열교환하는 열원의 상태정보를 획득할 수 있다. 일실시예로, 데이터 정보 수신 단계(S100)는 공급자(10)에서 열교환기(100)를 이동하는 열원의 제1 입구온도, 제1 출구온도, 제1 유량, 제1 입구압력 및 제1 출구압력 정보와 상기 열교환기(100)와 상기 사용자(20)측을 순환하는 열원의 제2 입구온도, 제2 출구온도, 제2 유량, 제2 입구압력 및 제2 출구압력 정보를 수신할 수 있다.
데이터 정합성 판단 단계(S200)는 판단부(300)를 통해 열원의 상태 정보의 정합성 즉, 유효성을 판단할 수 있다. 데이터 정합성 판단 단계(S200)는 수신 정보의 연속성, 기설정된 범위에 포함되는지 여부를 판단하여 수신 정보의 유효성을 판단할 수 있다.
일실시예로, 데이터 정합성 판단 단계(S200)는 수신부(200)로부터 유량 정보 또는 압력 정보가 수신되지 않는 경우나, 유량 정보 또는 압력 정보가 연속적으로 들어오지 않는 경우에는 그 정보에 오류가 있는 것으로 판단하고, 이 정보를 무시할 수 있다.
또한, 데이터 정합성 판단 단계(S200)는 유량 정보 또는 압력 정보가 기설정된 범위에 포함되는지 여부를 판단하여 수신 정보의 유효성을 판단할 수 있다.
매칭 단계(S300)는 판단부(300)를 통해 상태 정보 중 추출된 유효 데이터와 상기 열교환기(100)의 상태정보를 판단하기 위한 판단방법을 매칭할 수 있다.
이때, 각각의 유효 데이터의 종류에 따라 판단방법이 달라질 수 있다.
첫째로, 매칭 단계(S300)는 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보가 유효한 경우 수학식 1에 근거하여 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00040
(수학식 1-1)
Figure pat00041
(수학식 1-2)
Figure pat00042
(수학식 1-3)
여기서, 엑서지(Exergy)란 열 시스템의 내부과정(process) 및 주위 환경 조건에서 따라 달라질 수 있는 실제 사용 가능한 에너지의 양을 의미한다.
여기서, e : 작동유체(working fluid) 단위 질량당 엑서지(Exergy), h : 엔탈피(Enthalpy), s : 엔트로피(Entropy), T : 온도(Temperature), ∞ : 주위 환경 조건을 나타낸다.
수학식 1에서 엑서지는 열역학 제2 법칙에 기초하여 열교환기(100)의 성능을 평가하는 방법이다.수학식 1-1에서, 우측 첫 번째 항은 주위 환경 조건 대비 작동유체가 보유한 열에너지 양을 나타내고 있으며, 우측 두 번째 항은 주위 환경 조건 대비 열시스템 내부과정에서 발생하는 에너지 손실의 양을 나타내고 있다.
엑서지 값을 산출하기 위해서는 공정조건(process condition)과 주위 환경 조건에서의 온도와 압력을 구해야하며, 엔탈피와 엔트로피는 온도와 압력의 함수이므로(h=h(p,T)와 s=s(p,T)), 주어진압력과 온도에 대해 엔탈피와 엔트로피를 계산한 후, 수학식 1-1에 의해 엑서지 값을 구해낸다.
본 발명에서는 작동유체가 물인관계로 엔탈피 및 엔트로피의 계산은 IAPWS(International Association for the Properties of Water and Steam)의 industrial formulation을 이용한다.
작동유체의 흐름에 대한 총 엑서지(total exergy, E)의 양은 수학식 1-2에 의해 구해지게 된다.
둘째로, 매칭 단계(S300)는 온도 정보와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 2에 근거하여 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00043
(수학식 2-1)
Figure pat00044
(수학식 2-2)
Figure pat00045
(수학식 2-3)
Figure pat00046
(수학식 2-4)
열교환기(100) 내에서 공급자(10)측에서 공급되는 열원과 사용자(20) 측으로 공급되는 열원의 온도는 지속적으로 변화하게 된다. 열원 사이의 온도차가 계속해서 변하기 때문에 열전달량을 구하기 위해서는 평균온도차를 계산해야한다.
이때 열전달률은 총괄열면적계수를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00047
로 정의 될 수 있다.
U는 총괄열전달계수, A는 열전달 면적, △T를 평균온도차로 정의한다.
이때 평균 온도차 △T는 다음과 같이 정의 될 수 있으며, 이를 대수평균온도차(LMTD, Log Mean Temperature Difference)라 한다. 대수평균온도차는 한쪽 끝에서의 온도차에ㅏ서 다른 쪽 끝의 온도차를 뺀 다음 이 값을 두 온차의 비에 대해 자연로그를 취한 값으로 나눈 것이며, 유체의 온도차가 항상 다르기 때문에 어떤 대표하는 값을 정의하는 것이다.
즉, LMTD는 열교환기(100) 등 유체로 열교환을 하는 경우 열교환과정에서 각 유체의 온도가 위치에 따라 다르므로 전체 열교환 과정을 대표 물성값과 평균온도로 해석하기 위해 정의 한 온도이다.
수학식 2-2에 나타나는 LMTD값은 1차측의 제1 입구온도(Thi), 제1 출구온도(Tho)와 2차측의 제2 입구온도(Tco)와 제2 출구온도(Tci)에 의해 계산될 수 있다.
또한, 수학식 2-3에 나타나는 U는 총괄열전달계수로서 대류, 전도, 복사, 파울링 등의 복합적인 함수이며 A는 전열면적을 의미한다. 여기서 열사용시설의 전열면 A는 고정값으며, U*A값의 변화는 U값의 변화로 간주하여도 무방하다.
수학식 2-1에 있어서, NTU(전달단위수, Number of Transfer Units)는 열교환기(100) 설계시 열교환기(100)의 형식과 크기가 규정되었을때, 주어진 질량유량과 입구온도에 대해서 열전달률과 출구온도를 결정지을때 사용되는 함수이다.
여기서, Cp는 비열(kcal/kg℃)를 의미하며, m은 유량(kg/hr)을 의미한다.
세번째로, 매칭단계(S300)는 온도 정보 중 상기 제1 입구온도, 상기 제1 출구온도 및 상기 제2 입구온도와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 3에 근거하여 열교환기(100)의 효율을 판단할 수 있다.
Figure pat00048
(수학식 3-1)
Figure pat00049
(수학식 3-2)
Figure pat00050
(수학식 3-3)
Figure pat00051
(수학식 3-4)
Figure pat00052
(수학식 3-5)
여기서, CPC : 제2 차측 열원의 비열, ρc : 2차측 열원의 밀도, T∞ : 외부대기온도를 의미한다.
수학식 3은 유효도 방법을 이용하여 열교환기(100)의 성능을 평가하는 것이다.
유효도는 하기와 같이 계산된다.
Figure pat00053
수학식 3-1은 에너지의 유효도를 나타내며, 수학식 3-2와 3-3은 수학식 3-1의 변수를 나타낸다.
ε은 에너지 유효도(Energy Effectiveness)를 나타내며, εe는 엑서지 유효도(Exergy Effectiveness)를 나타낸다.
이와 같이 매칭 단계(S300)는 데이터 정합성 판단 단계에서 판단된 열교환기(100)의 상태 정보의 유효성에 따라 열교환기(100) 성능 평가 방법을 달리하여 열교환기(100)의 세정시기 또는 교환시기를 판단할 수 있다.
이러한 매칭 단계(S300)는 집단에너지 시스템의 설비와 관련이 있다. 집단에너지 시스템은 새롭게 설치되는 지역이 있는 반면, 매우 노후화된 상태의 시스템까지 그 노후화 정도가 다양하다.
최근에 설치된 시스템의 경우 다양한 정보를 취득할 수 있으나, 노후화된 시스템의 경우에는 각종 정보를 수신하는데 제약이 있으며, 설비의 노후화로 인해 정보의 전송에 많은 오류가 발생하고 있다.
본 발명은 수신 정보에 오류가 발생하더라도 열교환기(100)의 상태정보를 판단하기 위한 판단방법을 달리하여 정보 오류의 문제를 해결할 수 있으며, 이를 통해 열교환기(100)의 교환 또는 세정시기를 조절하여 에너지 낭비를 막을 수 있다.
또한, 매칭 단계(S300)에서 제1 유량 정보가 유효하지 않은 경우, 제2 유량 정보 또는 사용 열량으로부터 제1 유량을 추정할 수 있다.
열교환기의 성능 평가 단계(S400)는 판단부(300)를 통해 매칭단계에서 판단된 판단방법에 기초하여 열교환기(100)의 성능을 평가할 수 있다.
열교환기의 성능 평가 단계(S400)는 판단부(300)를 통해 직전 세정 이후 열교환기(100)의 효율에 기초하여 기설정된 범위로 효율이 하락하는 경우 열교환기(100)의 세정시기로 판단할 수 있다.
일실시예로, 세정직후의 열교환기(100)의 효율에 비해 10~20% 이상의 효율이 감소되는 경우 열교환기(100)의 세정이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 열교환기의 성능 평가 단계(S400)는 난방용 열교환기(100)와 급탕용 열교환기(100)를 구분하여 판단할 수 있다.
도 1에서는 열교환기(100)를 공급자(10)와 사용자(20) 사이에 열교환이 일어나는 것을 개략적으로 나타내고 있다. 그러나, 집단 난방 시스템에서 열교환기(100)는 난방을 위한 난방 열교환기(100)와 목욕 등의 기타 온수 사용을 위한 급탕 열교환기(100)로 구분된다.
종래에는 열교환기(100)의 세정시 급탕 열교환기(100)와 난방 열교환기(100)의 구분없이 일률적으로 세정하였다.
그러나, 난방 열교환기(100)는 연중 가동시간이 약 5개월 내외지만, 급탕 열교환기(100)는 1년 연속 운전을 한다. 약 2배의 운전시간의 차이가 나지만 대부분의 열사용시설에서는 난방 열교환기(100)와 급탕 열교환기(100)의 세정주기를 동일하게 관리하고 있으며, 이는 열교환기(100)의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있으며, 세정이 필요로 하지 않는 열교환기(100)까지 세정하게 되어 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명에서는 난방 열교환기(100)와 급탕 열교환기(100)를 구분하여 판단함으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 공급자
11 : 제1 공급배관
12 : 제1 회수배관
13 : 제2 공급배관
14 : 제2 회수배관
20 : 사용자
100 : 열교환기
200 : 수신부
300 : 판단부

Claims (16)

  1. 공급자로부터 공급되는 열원을 사용자로 전달하기 위해 열교환이 일어나는 열교환기;
    상기 열교환기를 통해 열교환하는 상기 열원의 상태 정보를 수신하는 수신부;
    상기 수신부의 정보를 이용하여 상기 열교환기의 상태를 판단하는 판단부;
    를 포함하며,
    상기 판단부는 상기 수신부로부터 수신된 정보에 따라 판단방법을 달리하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부는
    상기 공급자에서 열교환기를 이동하는 열원의 제1 입구온도, 제1 출구온도, 제1 유량, 제1 입구압력 및 제1 출구압력 정보와 상기 열교환기와 상기 사용자측을 순환하는 열원의 제2 입구온도, 제2 출구온도, 제2 유량, 제2 입구압력 및 제2 출구압력 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 수신부에서 수신되는 정보인 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보의 효율을 판단하여 유효한 정보에 따라 열교환기의 성능 판단을 달리하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 판단부는 수신정보의 연속성, 기설정된 범위에 포함되는지 여부를 판단하여 수신 정보의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보가 유효한 경우 수학식 1에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
    [수학식 1]
    Figure pat00054

    Figure pat00055
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 온도 정보와 상기 유량 정보가 유효한 경우 수학식 2에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
    [수학식 2]
    Figure pat00056

    Figure pat00057

    Figure pat00058

    Figure pat00059

    (여기서, Cp:비열, m:유량, Thi:제1 입구온도, Tho:제1 출구온도(Tho), Tco:제2 입구온도, Tci:제2 출구온도를 의미한다.)
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 온도 정보 중 상기 제1 입구온도, 상기 제1 출구온도 및 상기 제2 입구온도와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 3에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
    [수학식 3]
    Figure pat00060

    Figure pat00061

    Figure pat00062

    Figure pat00063

    Figure pat00064

    (여기서, Cp:비열, m:유량, Thi:제1 입구온도, Tho:제1 출구온도(Tho), Tco:제2 입구온도, Tci:제2 출구온도, CPC : 제2 차측 열원의 비열, ρc : 2차측 열원의 밀도, T∞ : 외부대기온도를 의미한다.)
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 제1 유량 정보가 유효하지 않은 경우, 상기 제2 유량 정보 또는 사용 열량으로부터 제1 유량을 추정하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 시스템.
  9. 공급자와 사용자간에 열원을 공급하기 위한 열교환기의 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보 중 적어도 하나의 상태 정보를 수신하는 데이터 정보 수신 단계;
    상기 상태 정보의 정합성을 판단하는 데이터 정합성 판단 단계;
    상기 상태 정보 중 추출된 유효 데이터와 상기 열교환기의 상태정보를 판단하기 위한 판단방법을 매칭하는 데이터와 판단 방법 매칭 단계; 및
    상기 판단방법에 기초하여 열교환기의 성능을 평가하는 열교환기의 성능 평가 단계;
    를 포함하는 열교환기 성능 평가 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 데이터 정보 수신 단계는
    상기 공급자에서 열교환기를 이동하는 열원의 제1 입구온도, 제1 출구온도, 제1 유량, 제1 입구압력 및 제1 출구압력 정보와 상기 열교환기와 상기 사용자측을 순환하는 열원의 제2 입구온도, 제2 출구온도, 제2 유량, 제2 입구압력 및 제2 출구압력 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 성능 평가 방법
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 매칭 단계에서,
    상기 온도 정보, 유량 정보 및 압력 정보가 유효한 경우 수학식 1에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00065

    Figure pat00066
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 매칭 단계에서,
    상기 온도 정보와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 2에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00067

    Figure pat00068

    Figure pat00069

    Figure pat00070

    (여기서, Cp:비열, m:유량, Thi:제1 입구온도, Tho:제1 출구온도(Tho), Tco:제2 입구온도, Tci:제2 출구온도를 의미한다.)
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 매칭 단계에서,
    상기 온도 정보 중 상기 제1 입구온도, 상기 제1 출구온도 및 상기 제2 입구온도와 상기 제1 유량 정보가 유효한 경우 수학식 3에 근거하여 열교환기의 효율을 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00071

    Figure pat00072

    Figure pat00073

    Figure pat00074

    Figure pat00075

    (여기서, Cp:비열, m:유량, Thi:제1 입구온도, Tho:제1 출구온도(Tho), Tco:제2 입구온도, Tci:제2 출구온도, CPC : 제2 차측 열원의 비열, ρc : 2차측 열원의 밀도, T∞ : 외부대기온도를 의미한다.)
  14. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    상기 매칭 단계에서,
    상기 제1 유량 정보가 유효하지 않은 경우, 상기 제2 유량 정보 또는 사용 열량으로부터 제1 유량을 추정하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 열교환기 성능 평가 단계는 직전 세정 이후 열교환기의 효율에 기초하여 기설정된 범위로 효율이 하락하는 경우 열교환기의 세정시기로 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 열교환기의 성능 평가 단계는 난방용 열교환기와 급탕용 열교환기를 구분하여 판단하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
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