WO2012033245A1 - 고온고압용 열교환기의 성능시험설비 - Google Patents

고온고압용 열교환기의 성능시험설비 Download PDF

Info

Publication number
WO2012033245A1
WO2012033245A1 PCT/KR2010/006160 KR2010006160W WO2012033245A1 WO 2012033245 A1 WO2012033245 A1 WO 2012033245A1 KR 2010006160 W KR2010006160 W KR 2010006160W WO 2012033245 A1 WO2012033245 A1 WO 2012033245A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
air
high pressure
line
temperature
heat exchanger
Prior art date
Application number
PCT/KR2010/006160
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
하만영
강인석
김태훈
윤원근
김경민
Original Assignee
재단법인 부산테크노파크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 부산테크노파크 filed Critical 재단법인 부산테크노파크
Publication of WO2012033245A1 publication Critical patent/WO2012033245A1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/082—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from steel or ferrous alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2200/00—Prediction; Simulation; Testing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling

Definitions

  • the present invention relates to a facility for performance test of a high temperature and high pressure heat exchanger, and more particularly, a first line through which a high temperature and high pressure fluid flows and a second line through which a relatively low temperature fluid flows.
  • the rolling device is configured to cope with the relatively flexible connection from the heat deformation at high temperature, and the piping installed inside the heating system is economically manufactured by using carbon steel instead of inconel material. It also relates to a performance test facility of a high temperature and high pressure heat exchanger having an advantage.
  • a heat exchanger refers to a device for transferring heat from a high temperature fluid to a low temperature fluid through a heat transfer wall, and is used in a heater, a cooler, an evaporator, a condenser, and the like.
  • the heat transfer medium used to heat the fluid of interest is produced, and on the contrary, the heat transfer medium used is called a refrigerant.
  • aircraft gas turbine engines and heat exchangers for use in special environments must be designed to withstand the flow of fluids at high pressures and temperatures. It should be designed to have a wider range of high pressures and temperatures, i.e., wider limits than the heat exchangers used.
  • the present invention has been proposed to achieve the above object, and provides a performance test facility for a heat exchanger having a condition that withstands high temperature and high pressure, in particular for fixing a heating system exposed to high temperature in the performance test facility of the heat exchanger
  • the support consists of a rolling device that can flexibly cope with heat deformation, and the piping installed inside the heating system has an environment that can be made of a material such as carbon steel, which is economically inexpensive.
  • the performance test facility of the high temperature and high pressure heat exchanger proposed as a solution of the present invention includes a plurality of low compressors for first compressing air at low pressure to form air having high temperature and high pressure, and air compressed at low pressure by the low compressor.
  • An air storage tank for preventing pulsation of the air an air dryer for removing moisture before compressing the air stored in the air storage tank to high pressure, a filter installed at the front and rear of the air dryer, and the air dryer
  • a high pressure compressor for compressing low pressure air from which moisture is removed, an air storage tank for preventing pulsation of air compressed at high pressure by the high pressure compressor, and a high pressure air stored in the air storage tank at a predetermined temperature;
  • a first line comprising an air cooler and a heating system for controlling;
  • a second line comprising a blower for generating air to form high pressure air at a lower temperature than the air generated by the first line, and an air cooling device and a heating system for controlling the generated air at a set temperature;
  • a test unit for testing the performance of the heat exchanger by passing the high temperature and high pressure air generated by the first line and the low temperature high pressure air generated by the second line to a heat exchanger installed therein;
  • the high temperature and high pressure air passing through the heat exchanger installed in the test unit is composed of exhaust pipes discharged to the outside, respectively.
  • the performance test facility of the heat exchanger according to the present invention is used under high temperature and high pressure having a higher limit than a general heat exchanger to test the performance of a heat exchanger used in a special situation such as an aircraft gas turbine engine or a power plant, fuel cell, satellite or spacecraft. It is installed under the condition that it can endure, and the lower part of the heating system can be flexibly coped with heat deformation to improve the safety of the heating system, and the internal piping material of the heating system is not expensive inconel material. Made of steel, it is possible to provide a performance test facility of heat exchanger which is economically advantageous.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a performance test facility of a high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention.
  • Figure 2 is a state diagram showing the boundary condition of the surface temperature by heat and the schematic diagram of the heating system of the performance test equipment of the heat exchanger of the present invention.
  • Figure 3 is a partial detailed view showing a rolling device designed to prevent damage due to thermal deformation in the heating system of the performance test equipment of the high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of the pipe installed inside the heating system of the performance test equipment of the high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the position of the temperature sensor installed for measuring the air flow cross-sectional temperature distribution at the inlet of the test section of the first line and the second line.
  • Figure 6 is a graph showing the temperature distribution results measured in the cantilever flow cross section of the temperature sensor installed in the inlet pipe of the test section of the first line and the second line.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing another embodiment of the performance test equipment of the heat exchanger of the present invention.
  • Air dryer 150 High pressure compressor 160. Air storage tank
  • Air dryer 250 High pressure compressor 260. Air storage tank
  • Air cooling system 280 The Air cooling system 280. Heating system 290. Blower
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a performance test facility of a heat exchanger of the present invention.
  • the first line 100 through which a high temperature fluid flows and the second line 200 through which a low temperature fluid flows and the first line 100 and the second line 200.
  • the first line 100 and the second line 200 Through each of the fluid formed through the heat exchanger to measure the heat exchange efficiency of the heat exchanger.
  • the fluid used to measure the efficiency of the heat exchanger basically uses air.
  • the first line 100 for forming the air of high temperature and high pressure and the second line 200 for forming high pressure air at a lower temperature than the first line 200 are configured, and the first line 100 ) Is a plurality of low compressors 110 for compressing air at low pressure, the air storage tank 120 is installed to store the air compressed at low pressure by the low compressor 110, and the air storage tank 120 Water is removed by the air dryer 140, the filter 130 installed at the front and rear of the air dryer 140, and the air dryer 140 before the air is stored at high pressure.
  • a high pressure compressor 150 for compressing the low pressure air to a high pressure
  • an air storage tank 160 for storing the air compressed at high pressure by the high pressure compressor 150
  • Air cooler 170 to control the air at a set temperature
  • a heating system 180
  • the second line 200 is for forming air having a lower temperature than the air generated by the first line 100.
  • the second line 200 generates air by the blower 290 and controls the generated air at a predetermined temperature. It consists of an air cooler 270 and a heating system 280.
  • test unit for testing the efficiency of the heat exchanger in the outlet portion where the high temperature and high pressure air generated by the first line 100 is discharged and the high pressure air of the low temperature generated by the second line 200 is discharged 300 is configured.
  • the test of the heat exchanger is performed by passing through a heat exchanger for testing the high temperature and high pressure air and the low temperature high pressure air generated by the first line 100 and the second line 200.
  • the discharge pipe 400 through which the air passing through the heat exchanger installed by the test unit 300 is discharged to the outside is configured.
  • the air discharged to the outside through the exhaust pipe 400 is not shown in detail in the drawings, the air is discharged to the outside through a valve that controls the air flow rate and pressure before discharge.
  • the air storage tanks 120 and 160 are sent to a later stage, so that the air storage tanks 120 and 160 act as dampers. This is to correct the pulsation phenomenon generated by the low compressor 110 and the high pressure compressor 150 driving.
  • the second line including the blower 290 does not need the low compressor 110 and the high pressure compressor 150, the air storage tanks 120 and 160 of the damper role for correcting the pulsation phenomenon and the filter for removing foreign substances 130 and the air dryer 140 for removing moisture is not necessary.
  • the pressure and flow rate of the first line 100 and the second line 200 can control the desired flow rate and pressure by adjusting the opening degree of the bypass valve and the main valve installed in each line.
  • the temperature of the fluid at the inlet of the test unit 300 is controlled by appropriately controlling the installed air cooling devices 170 and 270 and the heating systems 180 and 280.
  • the desired temperature, pressure and flow rate of the first line 100 and the second line 200 were controlled at the inlet of the test unit 300, and the flow rate and pressure using the mass flow meter, the pressure transducer, and the thermoelectric cell installed in each line. Continue to monitor the temperature.
  • the mass flow meter was installed at the front end of the heating system 180 and 280 because it was difficult to use at high temperature, and the pressure transducer and the thermo battery were installed at the outlet side of the test unit.
  • the test unit 300 installs products requiring a heat exchanger or high temperature and high pressure air to be tested and measures the flow rate, temperature, and pressure at the air inlet and outlet of the product.
  • the air dryer 140 is transferred when the air is transferred from the low compressor 110 to the high pressure compressor 150. This will remove most of the moisture in the air.
  • the filter 130 is configured before and after the air dryer 140, which first removes foreign substances introduced into the air dryer 140 using the pretreatment filter 131 at the front end of the air dryer 140. This is to remove foreign substances that may be introduced from the air dryer 140 through the treatment filter 132 so that the moisture and foreign substances introduced into the high pressure compressor 150 are minimized.
  • the temperature control of the air is controlled by using the heating systems 180 and 280 and the air cooling devices 170 and 270.
  • Table 1 Major Equipment Flow rate [kg / s] Temperature [°C] Pressure [kPa] First line High pressure 0 to 2 Room temperature ⁇ 730 1,000-5,500 pressure 0 to 4 Room temperature ⁇ 330 300 to 1,000 Low pressure 0 to 8 Room temperature ⁇ 230 100-300 2nd line One 0 to 6 Room temperature ⁇ 100 100 2 0 to 1.5 Room temperature ⁇ 680 100
  • the first line 100 satisfies the three operating conditions of high pressure, medium pressure and low pressure.
  • the high pressure conditions are 0 ⁇ 2kg / s flow rate, heater outlet temperature at room temperature ⁇ 730 °C, pressure 1,000 ⁇ 5,500 kPa, and medium pressure condition is flow rate.
  • 0 ⁇ 4kg / s heater outlet temperature at room temperature ⁇ 330 °C, pressure 300 ⁇ 1,000kPa
  • low pressure condition is flow rate 0 ⁇ 8kg, heater outlet temperature at room temperature ⁇ 230 °C, pressure 100 ⁇ 300kpa.
  • the second line 200 is designed for 1 and 2 conditions, 1 condition is flow rate 0 ⁇ 6kg / s, heater outlet temperature room temperature ⁇ 100 °C, pressure 100kPa, 2 conditions are flow rate 0 ⁇ 1.5kg / s, heater outlet Temperature normal temperature-680 degreeC, pressure 100 kPa.
  • the size of the heat exchanger test part was designed to be 3 ⁇ 3 ⁇ 3m.
  • P in FIGS. 1 and 10 denotes a pressure transducer
  • T denotes a thermo battery, which may be referred to as a general control configuration.
  • Figure 2 is a state diagram showing the boundary condition of the surface temperature due to heat and the schematic diagram of the heating system of the performance test equipment of the heat exchanger of the present invention.
  • the heating systems 180 and 280 are installed in the first line 100 and the second line 200, respectively.
  • the heating system 180 installed in the first line 100 is configured as a vertical cylinder type and has a design temperature. Is 800 °C and design pressure is 6,000kPa.
  • the flow rate is 8.01kg / s
  • the heater capacity is 420kW heater, respectively
  • the temperature control is controlled in a multi-step and step method.
  • the heating system 280 is installed in the second line 200 is made of the same type of heater installed in the first line 100, the design temperature is 700 °C, design pressure is 120kPa, flow rate is 6kg / s .
  • Each heater capacity is designed to be 469 kW.
  • the heating system 180 of the first line 100 is designed in consideration of structural stability through structural analysis because the fluid (air) of the high pressure fluid up to 5,500 kPa flows.
  • ANSYS 10.0dmf was used as a commercial tool for the structural analysis.
  • the basic type was the cell 181, the design pressure was 6MPa, the design temperature was 1000K, and the allowable corrosion was 1mm.
  • the boundary conditions of the heating systems 180 and 280 designed according to the above conditions can be seen that the temperature is distributed as shown in FIG. 2.
  • Figure 3 is a partial detailed view showing a rolling device designed to prevent damage due to heat deformation in the heating system of the performance test equipment of the high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention.
  • a rolling device 500 having a structure that can flexibly cope with heat deformation is configured under the heating systems 180 and 280 used in the performance test facility of the high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention.
  • the structure of the cloud device 500 of the present invention is as follows.
  • the support 530 has formed a bolt hole 520 having a relatively larger diameter than the diameter of the bolt 510 .
  • a plurality of rolling bearings 540 are configured between the lower portions of the heating systems 180 and 280 and the support 530.
  • the bolt 510 may have minute movement by the rolling bearing 540 inside the bolt hole 520. Therefore, it is possible to flexibly cope with the heat deformation phenomenon.
  • the portion of the bolt 510 fitted to the support 530 may be expanded due to thermal deformation.
  • the coupling of the heating system 180 and 280 and the support 530 may cause breakage by repeated shear stress.
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of the pipe installed inside the heating system of the performance test equipment of the high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention.
  • the pipe 181 is made of a carbon steel material of a relatively low price instead of an inconel material in which chromium, iron, and carbon are alloyed with a general material used at high temperature, and the carbon steel material is used.
  • the heat insulating material 182 and the heat insulating material for fixing the heat insulating material 182 is composed of a heat insulating jacket (183).
  • the material of the insulating jacket 183 was used SUS 310 material, the material of the insulating material 182 was used cerakwool.
  • the material of the insulation 182 may cope with another material having optimal conditions for the development environment.
  • the compressor used in the heat exchanger performance test of the present invention may be composed of a plurality of low compressors 110 and high pressure compressors 150 to supply compressed air of up to 5,500 kPa of the first line.
  • the low compressor 110 is a turbine-type low compressor 110, the discharge pressure is 500kPa minimum to 1100kPa, the flow rate of 1 unit is designed to 2.67kg / s.
  • Compressor cooling system is equipped with intermediate cooler, final cooler and oil cooler to apply water cooling.
  • an air storage tank 120 having a design pressure of 1,200 kPa and a capacity of 7 m 3 was applied.
  • the high pressure compressor 150 is a piston drive type high pressure compressor 150 type designed to compress the air compressed to 1,000 kPa from the low compressor 110 to a maximum of 6,000 kPa.
  • the flow rate is 2.25 kg / s and the compressor cooling system is equipped with an intermediate cooler, a final cooler and an oil cooler.
  • an air storage tank 160 having a design pressure of 6,000 kPa and a capacity of 3 m 3 was applied.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing another embodiment of the performance test equipment of the heat exchanger of the present invention, a facility for generating high-pressure air.
  • the second line 200 has the same configuration as the first line 100 due to the installation of the low compressor 210 and the high pressure compressor 250, and the low compressor 210 and the high pressure compressor.
  • the air storage tanks 220 and 260, the pre- and post-treatment filters 231 and 232, and the air dryer 240 are configured to be high-pressure air generating equipments, a test unit that requires high-pressure air is required. It can be used instead of the heat exchanger of 300).
  • Blower 290 is designed for air flow rate up to 6.01 kg / s.
  • the turbine type blower 290 has a maximum discharge pressure of 120 kPa and an electric motor driving method, and the operation panel is integrated with a microcomputer panel.
  • blower 290 discharge flow rate is a remote control method, and supports remote operation and field operation method.
  • the compressor and the blower 290 require a cooling water system by applying a water cooling cooling method.
  • a low pressure and high pressure compressor as shown in FIG. 1 or an air cooling device 270 driven by supplying cooling water to the flow outlet of the blower 290 as shown in FIG. 10 is installed. .
  • Performance test equipment of the high temperature and high pressure heat exchanger of the present invention is installed through the first line 100 and the second line 200 by installing a device that requires high temperature and high pressure air without installing a thermal bridge in the test unit 300 It can also cover the high temperature and high pressure air formed.
  • the air temperature passing through the low compressor 210 brings about a temperature increase due to compression and has a temperature of about 70 to 80 ° C.
  • the temperature control of the discharge temperature of the second line 200 is controlled from 10 ° C. to 100 ° C. above the air temperature by using the air cooling device 270.
  • the air dryer 140 is installed to remove moisture of the compressed air of the first line 100, and the pre-treatment filter 131 and the after is installed to prevent damage caused by foreign matters of the air dryer 140 and the high pressure compressor 150.
  • the treatment filter 132 was applied.
  • the air dryer 140 has a capacity of 95 Nm 3 / min, with a design pressure of 1,100 kPa and dew point of 4 ° C.
  • the filtration rates of the pretreatment filter 131 and the post-treatment filter 132 were 1um and 0.01um, respectively, to minimize the inflow of foreign substances into the compressed air.
  • the flow rate supply is set differently to derive a method of controlling the number of operation of the low pressure compressor for the purpose of energy saving.
  • Flow rate can be arbitrarily implemented by installing a plurality of low compressors 110 and high pressure compressors 150 in parallel for each condition of the first line of Table 1 and according to a desired number of low pressure compressors according to the desired flow rate and pressure ( 110) and the high pressure compressor 210 can be operated in conjunction.
  • the acceptance test was conducted to confirm the entire function test facility and the required functions for each equipment. The following describes the acceptance test of each equipment.
  • the acceptance test of the cooling water system was carried out in two ways: the cooling water pump and the cooling tower.
  • the coolant pump visually checked the lamp status of the operation panel and checked if the voltage and current were in the normal range (440V, 53A).
  • the switch was turned on, the discharge of the cooling water was checked and the rotational direction of the pump coincided with the direction of the arrow to be operated.
  • the discharge pressure of the cooling water pump was about 160 kPa, and no leakage occurred.
  • Table 3 shows the results of checking the pressure and temperature of each air storage tank when checking and operating the low-compressor motor rotation direction.
  • the pressure and leakage test method of the pipe was carried out in the same way as the low compressor, and after raising the pressure to 5,100 kPa, both ends of the pipe were blocked using a valve and a blind flange, and the temperature and pressure drop were checked after 12 hours.
  • the total leakage per unit time is 0.13g / s, which is considered to have no effect due to leakage since the error of leakage is 0.03%, considering that the minimum flow rate of the high pressure test is 0.4kg / s.
  • the blower was measured by measuring the pressure drop according to the performance test and the flow rate change.
  • the performance test was conducted by replacing orifices of different diameters in front of the test section at the maximum flow rate that the blower could operate.
  • the pressure drop was measured by connecting a carbon steel straight pipe without orifice mounting, and changing the flow rate from 1 to 7 kg / s.
  • the performance test was performed by dividing the first line side and the second line side.
  • the temperature sensor of the facility is installed inside the inlet pipe of the test section of the first line and the second line, it shows the installation position in Figure 5
  • Figure 6 is the temperature distribution of the temperature distribution installed by the temperature sensor as shown in FIG.
  • the measurement result is a graph.
  • the first high pressure condition was performed at a flow rate of 2.99 kg / s and a temperature of 600 ° C.
  • the second medium pressure condition was tested at a flow rate of 5.24 kg / s and a temperature of 330 ° C.
  • the final third low pressure condition was carried out at a flow rate of 8.6 kg / s and a temperature of 230 ° C., and the heater performance test was carried out under a total of four conditions.
  • This temperature distribution shows the same phenomenon not only in the second line but also in the medium and low pressure conditions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 본 발명은 고온고압의 열교환기의 성능시험을 위한 설비에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 고온고압의 공기가 흐르는 제1라인과 상대적으로 온도가 낮은 공기가 흐르는 제2라인을 구성하되, 상기 제1라인 및 제2라인에 설치되는 히팅시스템에는 고온의 열 변형으로부터 결합부위가 비교적 유연하게 대처할 수 있도록 구름장치가 구성하고 히팅시스템의 내부에 설치되는 배관은 인코넬재질이 아닌 카본 스틸 재질로 제작하여 경제적으로도 이점을 가지는 고온고압용 열교환기의 성능시험설비에 관한 것이다.

Description

고온고압용 열교환기의 성능시험설비
본 발명은 고온고압의 열교환기의 성능시험을 위한 설비에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 고온고압의 유체가 흐르는 제1라인과 상대적으로 온도가 낮은 유체가 흐르는 제2라인을 구성하되, 상기 제1라인 및 제2라인에 설치되는 히팅시스템에는 고온의 열 변형으로부터 결합부위가 비교적 유연하게 대처할 수 있도록 구름장치가 구성하고 히팅시스템의 내부에 설치되는 배관은 인코넬재질이 아닌 카본 스틸 재질로 제작하여 경제적으로도 이점을 가지는 고온고압용 열교환기의 성능시험설비에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기라 함은 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해서 온도가 낮은 유체로 열을 전달하는 장치를 일컫는 것으로서, 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등에 사용된다.
목적으로 하는 유체에 열을 주기 위해 사용되는 전열매체를 열매하고 하며, 이와는 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매라고 한다.
그리고 상기 열매와 냉매가 전열벽을 통해 열을 주고 받는 성능을 테스트하는 설비는 다양한 구성 및 방법으로 제시되어 있다.
특히, 항공기용 가스터빈 엔진이나 인공위성이나 우주선과 같은 특별한 환경에서 사용하기 위한 열교환기는 상당히 고압과 고온에 유체가 흐르는 것을 견뎌내도록 설계되어야 하며, 상기 열교환기가 제대로 성능을 테스트하기 위한 설비는 특수한 상황에서 사용되는 열교환기보다 폭넓은 범위의 고압과 고온, 다시 말해 보다 폭넓은 한계점을 가지도록 설계되어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제안된 것으로서, 고온고압하에 견디는 조건을 가지는 열교환기의 성능시험설비를 제공하되, 특히 열교환기의 성능시험설비 중 고온에 노출되는 히팅시스템을 고정하기 위한 지지대에는 열변형으로부터 유연하게 대처할 수 있는 구름장치를 구성하고, 히팅시스템의 내부에 설치되는 배관은 경제적으로 저렴한 카본 스틸과 같은 재질로 제작할 수 있는 환경을 가지도록 하는 것이다.
본 발명의 해결수단으로 제시되는 고온고압용 열교환기의 성능시험설비는 고온고압을 가지는 공기를 형성하기 위해 먼저 공기를 저압으로 압축하는 다수의 저압압축기와, 상기 저압압축기에 의해 저압으로 압축된 공기의 맥동을 방지하기 위한 공기저장탱크와, 상기 공기저장탱크에 저장된 공기를 고압으로 압축하기 전 수분제거를 위해 공기건조기와, 상기 공기건조기의 전·후부에 설치되는 필터와, 상기 공기건조기에 의해 수분이 제거된 저압의 공기를 고압으로 압축하는 고압압축기와, 상기 고압압축기에 의해 고압으로 압축된 공기의 맥동을 방지하기 위한 공기저장탱크와, 상기 공기저장탱크에 저장된 고압의 공기를 설정된 온도로 제어하는 공기냉각기 및 히팅시스템으로 이루어진 제1라인과;
상대적으로 제1라인에 의해 생성된 공기보다 저온의 고압공기를 형성하기 위해 공기를 생성시키는 송풍기와 생성된 공기를 설정된 온도로 제어하는 공기냉각장치 및 히팅시스템으로 이루어진 제2라인인과;
상기 제1라인에 의해 생성된 고온고압의 공기와 상기 제2라인에 의해 생성된 저온의 고압공기를 설치된 열교환기에 통과시켜 열교환기의 성능을 테스트하는 테스트부와;
상기 테스트부에 설치된 열교환기를 통과한 고온고압 및 저온의 고압공기가 각각 외부로 배출되는 배기관으로 구성되는 것이다.
본 발명에 따른 열교환기의 성능시험설비는 항공기용 가스터빈 엔진이나 발전소, 연료전지, 인공위성이나 우주선과 같은 특수한 상황에서 사용되는 열교환기의 성능을 테스트하도록 일반적인 열교환기보다 높은 한계점을 가지는 고온고압 하에서도 견딜 수 있는 조건으로 설비되며, 히팅시스템의 하부를 열변형에 유연하게 대처할 수 있는 구조로 구성하여 히팅시스템의 안전성을 도모할 수 있으며, 히팅시스템의 내부 배관재질을 고가의 인코넬재질이 아닌 카본 스틸로 제작하여 경제적으로도 이점을 가지는 열교환기의 성능시험설비를 제공할 수 있도록 하였다.
도 1은 본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비의 개요도.
도 2는 본 발명의 열교환기의 성능시험설비 중 히팅시스템의 개요도 및 열에 의한 표면온도의 경계조건을 나타낸 상태도.
도 3은 본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비 중 히팅시스템에서 열변형에 의한 손상을 방지하기 위해 고안된 구름장치를 나타낸 일부분 상세도.
도 4는 본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비 중 히팅시스템의 내부에 설치되는 배관의 단면 개요도.
도 5은 제1라인과 제2라인의 테스트부 입구에서의 공기 유동 단면 온도 분포측정을 위해 설치된 온도센서의 위치를 나타낸 개요도.
도 6은 제1라인과 제2라인의 테스트부 입구 배관에 설치한 온도센서의 공가 유동 단면에서 측정한 온도분포결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 열교환기의 성능시험설비의 또 다른 실시 예를 나타낸 개요도.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100. 제1라인 200. 제2라인 300. 테스트부
400. 배기관 500. 구름장치
110. 저압압축기 120. 공기저장탱크 130. 필터
140. 공기건조기 150. 고압압축기 160. 공기저장탱크
170. 공기냉각장치 180. 히팅시스템
131. 전처리필터 132. 후처리필터
181. 배관 182. 단열재 183. 단열자켓
210. 저압압축기 220. 공기저장탱크 230. 필터
240. 공기건조기 250. 고압압축기 260. 공기저장탱크
270. 공기냉각장치 280. 히팅시스템 290. 송풍기
231. 전처리필터 232. 후처리필터
510. 볼트 520. 볼트공 530. 지지대
540. 구름베어링
이하, 본 발명의 열교환기의 성능시험설비를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 열교환기의 성능시험설비의 개요도이다.
일반적으로 열교환기의 성능시험설비를 위해서는 고온의 유체가 흐르는 제1라인(100)과 저온의 유체가 흐르는 제2라인(200)으로 이루어져, 상기 제1라인(100)과 제2라인(200)을 통해 형성된 유체를 각각 열교환기에 통과시켜 열교환기의 열교환 효율을 측정하게 된다.
본 발명에서는 열교환기의 효율을 측정하기 위해 사용되는 유체는 기본적으로 공기를 사용한다.
본 발명에서는 특히 고온고압의 공기를 형성시키는 제1라인(100)과 상대적으로 제1라인(200) 보다는 저온의 고압공기를 형성시키는 제2라인(200)이 구성되되, 상기 제1라인(100)은 공기를 저압으로 압축하는 다수의 저압압축기(110)와, 상기 저압압축기(110)에 의해 저압으로 압축된 공기를 저장하기 위해 설치된 공기저장탱크(120)와, 상기 공기저장탱크(120)에 저장된 공기를 고압으로 압축하기 전에 수분제거를 위해 공기건조기(140)와, 상기 공기건조기(140)의 전·후부에 설치되는 필터(130)와, 상기 공기건조기(140)에 의해 수분이 제거된 저압의 공기를 고압으로 압축하는 고압압축기(150)와, 상기 고압압축기(150)에 의해 고압으로 압축된 공기를 저장하는 공기저장탱크(160)와, 상기 공기저장탱크(160)에 저장된 고압의 공기를 설정된 온도로 제어하는 공기냉각기(170) 및 히팅시스템(180)으로 이루어진다.
상기 제2라인(200)은 상대적으로 제1라인(100)에 의해 생성된 공기보다 저온의 공기를 형성하기 위한 것으로 송풍기(290)에 의해 공기가 생성되고 생성된 공기를 설정된 온도로 제어하기 위한 공기냉각기(270) 및 히팅시스템(280)으로 이루어진다.
그리고 제1라인(100)에 의해 생성된 고온고압의 공기가 배출되는 출구부분과 제2라인(200)에 의해 생성된 저온의 고압공기가 배출되는 출구부분에는 열교환기의 효율을 테스트하는 테스트부(300)가 구성된다.
열교환기의 테스트는 상기 제1라인(100)과 제2라인(200)에 의해 생성된 고온고압의 공기 및 저온의 고압공기를 테스트하기 위한 열교환기에 통과시킴으로써 이루어진다.
끝으로 테스트부(300)에 의해 설치된 열교환기를 통과한 공기가 외부로 배출되는 배출관(400)이 구성된다.
상기 배기관(400)을 통해 외부로 배출되는 공기는 도면에 자세히 도시되지는 않았지만 배출되기 전 공기유량과 압력을 제어하는 밸브를 통과하여 외부로 배출된다.
고온(최대 800℃) 고압(최대 60bar)의 공기 조건을 구현시키기 위해 도 1에서와 같이 저압압축기(110)와 고압압축기(150)를 직렬로 연동하여 최대압력을 구현하였으며 저압압축기(110)의 최대치인 10bar 이하의 조건에서는 저압압축기(110)만 구현할 수 있도록 하였다.
이렇게 저압압축기(110)와 고압압축기(150)로 이루어지는 것은 일반적으로 한 번의 압축을 통해 높은 압력까지 올리는 것은 매우 어렵기 때문이다.
저압압축기(110) 및 고압압축기(150)에서 압축된 공기를 바로 후단계로 보내지 않고 공기저장탱크(120, 160)를 통해 후단계로 보내는데 이는 공기저장탱크(120, 160)가 댐퍼역할을 하도록 하여 저압압축기(110) 및 고압압축기(150) 구동에 따라 발생하는 맥동현상을 바로잡아 주기 위해서이다.
송풍기(290)로 이루어진 제2라인은 저압압축기(110)와 고압압축기(150)가 필요하지 않기 때문에 맥동현상을 바로잡아 주기 위한 댐퍼역할의 공기저장탱크(120, 160)와 이물질 제거를 위한 필터(130)와 수분제거를 위한 공기건조기(140)가 필요하지 않다.
제1라인(100)과 제2라인(200)의 압력과 유량은 각 라인에 설치된 바이패스 밸브와 메인밸브의 개도를 조절하여 원하는 유량과 압력을 제어할 수 있으며, 온도제어의 경우 각 라인에 설치된 공기냉각장치(170, 270)와 히팅시스템(180, 280)을 적절히 제어하여 테스트부(300)의 입구에서의 유체의 온도를 제어한다.
즉, 테스트부(300)의 입구에서 제1라인(100) 및 제2라인(200)의 원하는 온도 및 압력 그리고 유량을 제어하였으며 각 라인에 설치된 질량유량계와 압력변환기, 열전지를 사용하여 유량 및 압력, 온도를 계속하여 모니터링 한다.
상기 바이패스 밸브와 메인밸브의 개도는 일반적인 구성이므로 자세한 도시는 생략한다.
질량유량계의 경우는 고온에서 사용하기 어렵기 때문에 히팅시스템(180, 280)의 전단에 설치하였으며, 압력변환기와 열전지는 테스트부의 출구 측에 설치하였다.
테스트부(300)에는 시험하려는 열교환기 또는 고온고압의 공기를 필요로 하는 제품들을 설치하여 제품의 공기유입출구 측에서 유량과 온도, 압력을 측정하여 테스트한다.
고압압축기(150)의 경우 왕복동식 압축기(피스톤 타입 압축기)를 사용하기 때문에 공기 중에 수분이 포함된 경우 매우 위험하므로 저압압축기(110)에서 고압압축기(150)로 공기 이송시 공기건조기(140)를 통해 공기 중에 포함된 대부분의 수분을 제거하도록 한다.
이때, 공기건조기(140)의 전·후에 필터(130)가 구성되는데 이는 일단 공기건조기(140)의 전단에서 우선 전처리필터(131)를 사용하여 공기건조기(140)에 유입되는 이물질을 제거하고 후처리필터(132)를 통해 공기건조기(140)에서 유입될 수 있는 이물질도 제거하도록 하여 고압압축기(150)에 유입되는 수분과 이물질이 최대한 없도록 하기 위함이다.
공기의 온도제어는 히팅시스템(180, 280)과 공기냉각장치(170, 270)를 이용하여 제어한다.
본 발명에서는 전기 히팅시스템을 사용하였다.
참고로 상기 구성을 가지는 제1라인과 제2라인의 설비의 주요사양은 표 1에서와 같다.
표 1 설비 주요 사항
유량[kg/s] 온도[℃] 압력[kPa]
제1라인 고압 0∼2 상온∼730 1,000∼5,500
중압 0∼4 상온∼330 300∼1,000
저압 0∼8 상온∼230 100∼300
제2라인 1 0∼6 상온∼100 100
2 0∼1.5 상온∼680 100
제1라인(100)은 고압과 중압 그리고 저압의 3가지 운전조건을 만족하며 고압의 조건은 유량 0~2kg/s, 히터출구온도 상온~730℃, 압력 1,000~5,500 kPa이며, 중압조건은 유량 0~4kg/s, 히터출구온도 상온~330℃, 압력 300~1,000kPa 이며, 저압조건은 유량 0~8kg, 히터출구온도 상온~230℃, 압력 100~300kpa이다.
제2라인(200)은 1과 2 조건으로 설계하였으며, 1 조건은 유량 0~6kg/s, 히터출구온도 상온~100℃, 압력 100kPa이고, 2 조건은 유량 0~1.5kg/s, 히터출구온도 상온~680℃, 압력 100kPa이다.
도 1에서와 같이 다수개의 저압압축기(110)와 고압압축기(150)의 성능 및 용량 등의 다양한 구성에 따라 온도와 압력, 유량을 원하는 고온고압 대용량 유량조건까지 맞추어 줄 수 있다.
열교환기 테스트부의 크기는 3×3×3m의 크기로 설계하였다.
참고로 도 1과 도 10의 P는 압력변환기를 나타내며, T는 열전지를 나타내는 것으로서 일반적인 제어구성이라 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 열교환기의 성능시험설비 중 히팅시스템의 개요도 및 열에 의한 표면온도의 경계조건을 나타낸 상태도이다.
히팅시스템(180, 280)은 제1라인(100)과 제2라인(200)에 각각 설치되는데, 제1라인(100)에 설치되는 히팅시스템(180)은 수직실린더타입으로 구성되고, 설계온도는 800℃, 설계압력은 6,000kPa이다.
또한 유량은 8.01kg/s, 히터용량은 각각 히터가 420kW, 온도 조절은 다단 및 스텝방식으로 조절한다.
그리고 제2라인(200)에 설치되는 히팅시스템(280)은 제1라인(100)에 설치되는 동일한 타입의 히터로 이루어지며, 설계온도는 700℃, 설계압력은 120kPa, 유량은 6kg/s이다.
각각의 히터용량은 469kW로 설계되었다.
제1라인(100)의 히팅시스템(180)은 고압의 유체 최대 5,500kPa의 유체(공기)가 흐르므로 구조해석을 통해 구조적 안정성을 고려하여 설계하였다.
구조해석은 구조해석의 상용툴은 ANSYS 10.0dmf 사용하였으며, 기본타입은 셀 181, 설계압력은 6MPa, 설계온도는 1000K, 허용부식 1mm의 FE모델을 적용하였다.
이에 상기 조건에 의해 설계된 히팅시스템(180, 280)의 경계조건은 도 2에서와 같이 온도가 분포됨을 알 수 있다.
구조해석결과 최대 응력은 노즐부분에서 발생하였으며, 온도부하와 압력부하를 함께 고려한 케이스 3의 경우에 대한 응력강도는 표 2와 같다.
표 2 응력 강도 요약(MPa)
위치 분석결과 허용강도 비고
케이스 1 평면부 489.5 222.75(1.5Sm) OK
평면부+굴곡부 245.9 445.5(3.0Sm) OK
케이스 2 평면부 206.8 222.75(1.5Sm) OK
평면부+굴곡부 215.2 445.5(3.0Sm) OK
케이스 3 평면부
평면부+굴곡부 313.0 445.5(3.0Sm) OK
도 3은 본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비 중 히팅시스템에서 열변형에 의한 손상을 방지하기 위해 고안된 구름장치를 나타낸 일부분 상세도이다.
히팅시스템(180, 280)의 하부를 지면과 볼트로 고정을 한다면 고온의 유체가 흐르는 동안에는 열변형이 일어나기 때문에 볼트가 고정되는 지지대부분에 응력이 발생하게 된다.
즉, 금속은 고온의 열을 받으면 부피의 팽창이나 뒤틀림과 같은 열변형 현상이 일어난다.
이를 방지하기 위해 본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비에 사용되는 히팅시스템(180, 280)의 하부에는 열변형에 유연하게 대처할 수 있는 구조의 구름장치(500)가 구성된다.
본 발명의 구름장치(500)의 구조는 다음과 같다.
히팅시스템(180, 280)의 하단부와 지지대(530)를 볼트(510)로서 고정시키되, 상기 지지대(530)에는 볼트(510)의 직경보다는 상대적으로 넓은 직경을 가지는 볼트공(520)을 형성하였다.
그리고 상기 히팅시스템(180, 280)의 하부와 지지대(530) 사이에는 구름베어링(540)을 다수 구성하였다.
따라서, 히팅시스템(180, 280)이 고온의 열을 받아 열변형 현상으로 미세한 변형이 생기더라도 볼트(510)는 볼트공(520)의 내부에서 구름베어링(540)에 의해 미세한 움직임을 가질 수 있게 되어 열변형 현상에도 유연하게 대처할 수 있게 된다.
만약 볼트(510)와 볼트공(520)의 직경을 동일하게 구성하고 구름베어링(540)을 구성하지 않는다면 지지대(530)에 꼭맞춤의 볼트(510)결합된 부위에는 열변형 현상에 의해 팽창이나 뒤틀림과 같은 응력이 발생하게 되고 이런 응력 특히 전단응력이 뒤풀이 되는 과정에서 히팅시스템(180, 280)과 지지대(530)의 결합은 반복적인 전단응력에 의한 파괴현상이 초래될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비 중 히팅시스템의 내부에 설치되는 배관의 단면 개요도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 배관(181)은 고온에서 사용하는 일반적인 재질은 니켈에 크롬과 철 그리고 탄소를 합금한 인코넬재질 대신 비교적 저렴한 가격의 카본 스틸 재질로 구성하고, 상기 카본 스틸 재질을 사용하기 위하여 내부에 고온의 유체가 흐르는 특성상 열차단을 위한 단열재(182)와 상기 단열재(182)를 고정하는 단열자켓(183)으로 구성된다.
단열자켓(183)의 재질은 SUS 310 재질을 사용하였으며, 단열재(182)의 재질은 세라크울(cerakwool)을 사용하였다.
단열재(182)의 재질은 경우에 따라 개발환경에 최적의 조건을 가지는 또 다른 재질로 대처할 수 있다.
본 발명의 열교환기성능시험설에 사용되는 압축기는 제1라인의 최대 5,500kPa의 압축된 공기를 공급하기 위하여 다수개의 저압압축기(110)와 고압압축기(150)로 구성될 수 있다.
저압압축기(110)의 타입은 터빈형식의 저압압축기(110)이며, 배출압력은 최소 500kPa에서 최대 1,100kPa이고, 1 단위의 유량은 2.67kg/s로 설계되었다.
압축기 냉각시스템은 중간냉각기, 최종냉각기, 그리고 오일냉각기를 장착하여 수냉식 냉각방식을 적용하였다.
각각의 저압압축기(110)마다 설계압력 1,200kPa, 용량 7 m3 인 공기저장탱크(120)를 적용하였다.
고압압축기(150)는 저압압축기(110)에서 1,000kPa로 압축된 공기를 최대 6,000 kPa로 압축할 수 있도록 설계된 피스톤 구동형식의 고압압축기(150) 타입이다. 유량은 2.25kg/s 이며, 압축기 냉각시스템은 중간냉각기, 최종냉각기, 오일냉각기를 장착하였다.
그리고 설계압력 6,000kPa, 용량 3m3인 공기저장탱크(160)를 적용하였다.
도 7은 본 발명의 열교환기의 성능시험설비의 또 다른 실시 예를 나타낸 개요도로서, 고압의 공기를 생성하는 설비이다.
도 7에 도시된 바와 같이 제2라인(200)에는 제1라인(100)과 동일한 구성으로서 저압압축기(210)와 고압압축기(250), 그리고 상기 저압압축기(210)와 고압압축기의 설치로 인한 공기저장탱크(220, 260)와 전·후처리필터(231, 232) 및 공기건조기(240)를 구성하면 고압의 공기를 생성하는 설비가 되기 때문에 고압의 공기를 필요로 하는 장치를 테스트부(300)의 열교환기 대신 장착하여 사용할 수 있다.
송풍기(290)는 공기 유량 최대 6.01 kg/s로 설계하였다.
터빈형식의 송풍기(290)는 최대 배출 압력 120kPa, 전동기 구동방식이며, 조작패널은 마이컴 패널을 활용한 일체형이다.
또한 송풍기(290) 토출 유량은 원격 제어 방식이며, 원격 운전 및 현장 운전 방식을 지원한다.
압축기와 송풍기(290)는 수냉식 냉각방법을 적용하여 냉각수 시스템을 필요로 한다.
이러한 조건을 만족하기 위해 총 2set의 350 RT 용량의 냉각탑을 설치하였으며, 냉각수 공급을 위한 150ton/hr 용량의 원심식 펌프타입 2대의 냉각펌프를 설치하였다.
그리고, 제2라인(200)의 정밀한 온도제어를 위해 도 1과 같은 저압 및 고압압축기 또는 도 10과 같이 송풍기(290) 유동 출구부에 냉각수를 공급받아 구동되는 공기냉각장치(270)를 설치한다.
본 발명의 고온고압용 열교환기의 성능시험설비는 테스트부(300)에 열교한기를 설치하지 않고 고온고압의 공기가 필요한 장치를 설치하여 제1라인(100)과 제2라인(200)을 통해 형성된 고온고압의 공기를 충당할 수도 있다.
일반적으로 저압압축기(210)를 통과한 공기온도는 압축에 따른 온도상승을 가져오며 대략 70∼80℃정도의 온도를 갖는다.
공기냉각장치(270)를 활용하여 제2라인(200)의 배출온도를 대기온도보다 10℃ 높은 온도에서부터 100℃까지 온도제어를 한다.
그 외 제1라인(100)의 압축 공기의 수분 제거를 공기건조기(140)를 설치하였고 공기건조기(140)와 고압압축기(150)의 이물질에 의한 손상을 방지하기 위해 전처리필터(131)와 후처리필터(132)를 적용하였다.
공기건조기(140)의 용량은 95 Nm3/min로 1,100 kPa 설계압력, 이슬점은 4℃ 이다.
그리고, 전처리필터(131)와 후처리필터(132)의 여과율은 각각 1um, 0.01um으로 압축공기의 이물질 유입을 최소화하였다.
제1라인(100)의 각 조건(고압, 중압, 저압)에서는 유량 공급이 각각 다르게 설정되어 있어 에너지절약을 위한 목적으로 저압 압축기의 운전 대수를 조절하여 사용하는 방안을 도출하였다.
표 1의 제1라인의 각 조건별 유량을 다수개의 저압압축기(110) 및 고압압축기(150)를 병렬로 설치하여 유량범위를 임의로 구현해줄 수 있으며 원하는 유량 및 압력에 따라 적정한 대수의 저압압축기(110) 및 고압압축기(210)를 연계하여 가동할 수 있다.
따라서 저압 압축 설비를 다수개를 병렬로 설치하여 에너지절약과 유지 보수 및 정기 점검에 유리하도록 구축하였다.
상술한 조건을 만족하는 열교환기성능을 위한 시험설비의 수락검사결과는 다음과 같다.
수락검사는 성능시험설비 전체 및 장비별 요구기능을 확인하는 것으로 진행하였으며, 아래에는 현재까지 진행된 각 장비의 수락검사 내용을 기술하였다.
(1) 냉각수 시스템
냉각수 시스템의 수락검사는 크게 냉각수 펌프와 냉각탑 두 가지를 수행하였다.
첫째, 냉각수 펌프는 작동 패널의 램프 상태를 육안으로 확인하고, 전압과 전류가 정상범위(440V, 53A)에 있는지를 체크하였다. 스위치를 켰을 때, 냉각수의 토출을 확인하고, 펌프의 회전방향이 작동하여야 하는 화살표 방향과 일치하는지도 확인하였다. 또한 냉각수 펌프의 토출압력은 약 160 kPa 이며, 누수발생은 없었다.
둘째, 냉각탑의 경우도 작동 패널의 램프 상태 및 전압과 전류를 측정하여 정상범위(440V, 13A)에 있는지를 체크하였다. 그리고, 냉각 펌프와 동일한 방법으로 파이프의 누수 확인과 냉각팬 회전방향을 체크하였다.
(2) 저압압축기
저압압축기 모터 회전방향 확인 및 작동시 각각의 공기저장탱크의 압력과 온도를 체크한 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
표 3
압축기 압력[kPa] 온도[℃]
1 1080 11
2 1100 12
3 1100 12
파이프의 가압 및 누설 테스트 방법은 압력을 1,050 kPa까지 올린 후 파이프의 양단을 밸브와 블라인드 플랜지를 이용하여 막고 12시간 후 온도와 압력 강하를 체크하였다.
온도의 경우 288.8K에서 284.3K로 4.5K 떨어졌으며, 압력강하의 경우 1,030 kPa에서 849 kPa 이 측정되었다. 단위시간당 전체 누수량는 0.96 g/s로 파이프 부피와 각 압력 및 온도조건에 따른 밀도를 곱하여 구할 수 있었다. 이는 저압부 시험 최소 유량이 1 kg/s 임을 감안할 때, 누설량의 오차는 0.1%이므로 누설에 따른 영향은 없는 것으로 판단된다.
(3) 고압압축기
고압 압축기 모터 회전방향 확인 및 압력을 5,500kPa까지 상승하였을 때 압축기 토출 공기 온도는 132.7℃였다.
파이프의 가압 및 누설 테스트 방법은 저압압축기와 동일한 방법으로 수행하였으며, 압력을 5,100kPa까지 올린 후 파이프의 양단을 밸브와 블라인드 플랜지를 이용하여 막고 12시간 후 온도와 압력 강하를 체크하였다.
온도의 경우 288.6K에서 285.0K로 3.6K떨어졌으며, 압력강하의 경우 5,154kPa에서 4,988kPa이 측정되었다.
단위시간당 전체누수량는 0.13g/s로, 이는 고압부 시험 최소 유량이 0.4kg/s 임을 감안할 때, 누설량의 오차는 0.03%이므로 누설에 따른 영향은 없는 것으로 판단된다.
(4) 송풍기
송풍기는 성능테스트와 유량 변화에 따른 압력강하를 측정하여 보았다.
성능테스트는 송풍기가 작동가능한 최대유량에서 테스트부의 전단에 직경이 다른 오리피스를 교체하여 장착하면서 시험하였다.
오리피스 직경으로는 207.88mm과 147.11mm 두 가지를 적용하였다.
그리고 압력강하 측정은 오리피스 장착없이 카본스틸 직관을 연결하여 유량을 1~7kg/s까지 변화하면서 송풍기 토출과 테스트부의 입구의 압력을 측정하였다.
송풍기 성능테스트와 압력 강하 측정에 대한 결과는 도 9에 보여주고 있으며, 유량이 커질수록 배관의 압력 손실이 커짐을 알 수 있다.
(5) 히팅시스템
히터의 경우 제1라인 측과 제2라인 측으로 구분하여 성능테스트를 실시하였다.
그리고 설비의 온도 센서는 제1라인과 제2라인의 테스트부의 입구파이프 안쪽에 설치되어 있으며, 도 5에 설치위치를 보여주고 있으며, 도 6은 도 5에서와 같이 설치된 온도센서에 의해 온도 분포의 측정결과를 그래프이다.
도 6에서와 같이 배관 단면에서 균일한 온도 분포를 나타냄을 알 수 있다.
제2라인의 경우 유량 1.35kg/s, 온도 600℃ 한가지 조건으로 성능테스트를 실시하였다.
그리고 제1라인의 경우 먼저 고압 조건은 유량 2.99kg/s, 온도 600℃로 실시하였고, 두 번째 중압 조건은 유량 5.24 kg/s, 온도 330℃로 테스트를 진행하였다. 마지막 세 번째 저압 조건은 유량 8.6 kg/s, 온도 230℃로 실시하여, 히터 성능테스트는 총 네 조건으로 수행하였다.
고압 조건의 테스트 결과 그래프를 보면 a센서의 온도가 가장 높고, b센서의 온도가 가장 낮게 분포되고 있다.
이러한 온도분포는 제2라인 뿐만 아니라, 중압, 저압 조건에서도 같은 현상을 보여주고 있다.
이는 도 6의 센서 설치위치에서 유동의 온도는 배관 중심에서 벽면으로 갈수록 점점 낮아지고 있음을 보여주고 있다.

Claims (4)

  1. 고온고압의 유체가 흐르는 제1라인과 저온의 유체가 흐르는 제2라인으로 이루어진 열교환기의 성능시험설비에 있어서,
    고온고압을 가지는 공기를 형성하기 위해 먼저 공기를 저압으로 압축하는 다수의 저압압축기(110)와, 상기 저압압축기(110)에 의해 저압으로 압축된 공기의 맥동을 방지하기 위한 공기저장탱크(120)와, 상기 공기저장탱크(120)에 저장된 공기를 고압으로 압축하기 전 수분제거를 위해 공기건조기(140)와, 상기 공기건조기(140)의 전·후부에 설치되는 필터(130)와, 상기 공기건조기(140)에 의해 수분이 제거된 저압의 공기를 고압으로 압축하는 고압압축기(150)와, 상기 고압압축기(150)에 의해 고압으로 압축된 공기의 맥동을 방지하기 위한 공기저장탱크(160)와, 상기 공기저장탱크(160)에 저장된 고압의 공기를 설정된 온도로 제어하는 공기냉각장치(170) 및 히팅시스템(180)으로 이루어진 제1라인(100)과;
    상대적으로 제1라인에 의해 생성된 공기보다 저온의 고압공기를 형성하기 위해 공기를 생성시키는 송풍기(290)와 생성된 공기를 설정된 온도로 제어하는 공기냉각장치(270) 및 히팅시스템(280)으로 이루어진 제2라인인(200)과;
    상기 제1라인(100)에 의해 생성된 고온고압의 공기와 상기 제2라인(200)에 의해 생성된 저온의 고압공기를 테스트를 위해 설치된 열교환기에 통과시켜 열교환기의 성능을 테스트하는 테스트부(300)와;
    상기 테스트부에 설치된 열교환기를 통과한 고온고압 및 저온의 고압공기가 각각 외부로 배출되는 배기관(400);
    으로 구성된 것이 특징인 고온고압용 열교환기의 성능시험설비.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1라인(100) 및 제2라인(200)에 설치된 히팅시스템(180, 280)의 하부에는 열변형에 유연하게 대처할 수 있도록 구름장치(500)가 구성되되, 상기 구름장치(500)는 히팅시스템(180, 280)과 지지대(530)를 결합시키는 볼트(510)와 상기 볼트(510)보다는 상대적으로 넓은 직경을 가지도록 지지대에 형성되어 있는 볼트공(510)과, 상기 히팅시스템(180, 280)과 지지대(530) 사이에 다수개의 구름베어링(540)이 구성되는 것이 특징인 고온고압용 열교환기의 성능시험설비.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1라인(100) 및 제2라인(200)에 설치된 히팅시스템(180, 280)의 내부에 구성되는 배관(181)은 비교적 가격이 저렴한 카본스틸로 구성하되, 내부는 단열재(182)와 상기 단열재(182)를 고정하는 단열자켓(183)으로 구성되는 것이 특징인 고온고압용 열교환기의 성능시험설비.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2라인(200)은 제1라인(100)과 동일한 설비로 구축되어 고압의 공기공급장치로서 사용될 수도 있는 것이 특징인 고온고압용 열교환기의 성능시험설비.
PCT/KR2010/006160 2010-09-06 2010-09-10 고온고압용 열교환기의 성능시험설비 WO2012033245A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20100087022A KR101203526B1 (ko) 2010-09-06 2010-09-06 고온고압용 열교환기의 성능시험설비
KR10-2010-0087022 2010-09-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012033245A1 true WO2012033245A1 (ko) 2012-03-15

Family

ID=45810828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2010/006160 WO2012033245A1 (ko) 2010-09-06 2010-09-10 고온고압용 열교환기의 성능시험설비

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101203526B1 (ko)
WO (1) WO2012033245A1 (ko)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104596786A (zh) * 2015-01-09 2015-05-06 无锡佳龙换热器股份有限公司 一种用于换热器性能测试的压缩空气循环系统
CN107764343A (zh) * 2017-10-17 2018-03-06 上海牡沪机电工程设备有限公司 气体流量监测装置
CN108918175A (zh) * 2018-09-03 2018-11-30 中国科学院工程热物理研究所 一种热性能测试系统
CN110887680A (zh) * 2018-09-07 2020-03-17 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种多功能水冷测试装置及其方法
CN111237291A (zh) * 2019-12-30 2020-06-05 南京晨光集团有限责任公司 一种磷酸酯油液压油箱性能试验台
CN111896287A (zh) * 2020-08-11 2020-11-06 武汉第二船舶设计研究所(中国船舶重工集团公司第七一九研究所) 一种换热器测试台架及其使用方法
CN113375950A (zh) * 2021-04-25 2021-09-10 浙江东杰冷却塔有限公司 一种循环水冷却塔设备能力测评系统
CN114112463A (zh) * 2021-11-12 2022-03-01 沪东中华造船(集团)有限公司 一种新型的紧凑型高效换热器的安装调试方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101471456B1 (ko) * 2013-09-24 2014-12-11 주식회사 엘에치이 열교환기의 피로 시험 장치
CN103792103B (zh) * 2014-01-21 2016-04-20 宁波奥克斯电气股份有限公司 多联式空调机组的检测方法
CN105158003A (zh) * 2015-09-17 2015-12-16 中国船舶重工集团公司第七〇三研究所无锡分部 一种节能型蒸汽喷射制冷机组测试装置
CN106872201A (zh) * 2017-03-20 2017-06-20 安徽人和环境科技股份有限公司 一种风淋室的检测试验方法
KR101869441B1 (ko) 2017-09-28 2018-06-20 주식회사 유현 초고온고압을 이용한 배관자재 시험설비
CN111912640B (zh) * 2020-07-14 2024-02-09 渭南美益特发动机减排技术有限公司 Egr冷却器换热性能实验系统及其应用方法
CN112432799B (zh) * 2020-11-05 2022-12-16 青岛大学 一种桌面型空空热管热交换器性能测试装置
CN114618796A (zh) * 2022-03-14 2022-06-14 北京智芯传感科技有限公司 一种mems压力传感器自动标定线装置
KR102797804B1 (ko) * 2023-06-16 2025-04-22 한국기계연구원 열교환기 열성능시험장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05168847A (ja) * 1991-04-16 1993-07-02 Kww Gmbh 圧縮空気の除湿用熱交換器及び圧縮空気乾燥器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05168847A (ja) * 1991-04-16 1993-07-02 Kww Gmbh 圧縮空気の除湿用熱交換器及び圧縮空気乾燥器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BUSAN TECHNO PARK: "International Joint Support Business for Next Generation Heat Exchanger Professional Companies", INTRODUCTION TO CENTER FOR NEXT GENERATION HEAT EXCHANGERS, 20 March 2008 (2008-03-20), pages 14, Retrieved from the Internet <URL:http://www.hex.or.kr/6000/6500,php?pagetype=&bbsidx=39&pageno=1&pagekind=c&bbsid=6500&cafeid=&reccode=kor&keyword=&keyfie=d=&category=&qstr=&gopage=/6000/6500.php> [retrieved on 20111004] *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104596786A (zh) * 2015-01-09 2015-05-06 无锡佳龙换热器股份有限公司 一种用于换热器性能测试的压缩空气循环系统
CN107764343A (zh) * 2017-10-17 2018-03-06 上海牡沪机电工程设备有限公司 气体流量监测装置
CN108918175A (zh) * 2018-09-03 2018-11-30 中国科学院工程热物理研究所 一种热性能测试系统
CN108918175B (zh) * 2018-09-03 2023-06-06 中国科学院工程热物理研究所 一种热性能测试系统
CN110887680A (zh) * 2018-09-07 2020-03-17 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种多功能水冷测试装置及其方法
CN110887680B (zh) * 2018-09-07 2022-03-11 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种多功能水冷测试装置及其方法
CN111237291A (zh) * 2019-12-30 2020-06-05 南京晨光集团有限责任公司 一种磷酸酯油液压油箱性能试验台
CN111237291B (zh) * 2019-12-30 2021-07-13 南京晨光集团有限责任公司 一种磷酸酯油液压油箱性能试验台
CN111896287A (zh) * 2020-08-11 2020-11-06 武汉第二船舶设计研究所(中国船舶重工集团公司第七一九研究所) 一种换热器测试台架及其使用方法
CN113375950A (zh) * 2021-04-25 2021-09-10 浙江东杰冷却塔有限公司 一种循环水冷却塔设备能力测评系统
CN113375950B (zh) * 2021-04-25 2022-08-19 浙江东杰冷却塔有限公司 一种循环水冷却塔设备能力测评系统
CN114112463A (zh) * 2021-11-12 2022-03-01 沪东中华造船(集团)有限公司 一种新型的紧凑型高效换热器的安装调试方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120024232A (ko) 2012-03-14
KR101203526B1 (ko) 2012-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012033245A1 (ko) 고온고압용 열교환기의 성능시험설비
US9027351B2 (en) System and method for packaging and transporting a gas turbine
CN111486344B (zh) 一种集装箱撬装式压缩加氢装置
CN110487558B (zh) 一种用于燃气轮机燃烧室的高温高压试验系统
WO2017099457A1 (ko) 2루프 가압경수로형 증기발생기의 시공방법 및 이를 위한 원자로 배관 시공용 역변위 시스템
CN115628912B (zh) 用于开展地面和高空试验用试验系统
US20150125260A1 (en) Steam Turbine Forced Air Cooling System, Equipment, and Steam Turbine Equipped with it
CN111502774A (zh) 一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置
EP2239437A2 (en) Systems and methods for providing compressor extraction cooling
CN111579200B (zh) 一种螺杆控温夹膜装置
CN115628913B (zh) 空气涡轮起动机真空试验舱
KR100871936B1 (ko) 고로의 스테이브 공급관과 배출관의 리크 보수방법 및 그장치
CN118111658A (zh) 电弧风洞试验系统
CN212316195U (zh) 一种用于汽轮机叶片的现场高精度热处理装置
CN111649904B (zh) 一种基于螺杆控温的夹膜方法
WO2022014984A1 (ko) 히트펌프 및 그 제어방법
CN112404051B (zh) 一种蒸汽管网一体化吹扫系统及方法
CN221375742U (zh) 一种点火电嘴高温测试保护装置
RU2810310C1 (ru) Способ подачи топливного газа на газоперекачивающие агрегаты
CN216278043U (zh) 一种新型超临界汽轮机组快速启动预暖装置
CN110512042B (zh) 一种热风阀及其法兰垫片的更换方法
CN222386316U (zh) 一种拆卸装置
KR100550771B1 (ko) 냉각 장치를 구비한 신축관
CN120094921A (zh) 一种大型压气储能电站的管路吹扫布置方法
CN221263197U (zh) 一种电缆敷设冷却管道

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10857032

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 10/09/2013)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10857032

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1