김영욱
(Young Wook Kim)
1
정미진
(Mi Jin Jeong)
1
고우진
(Woo Jin Go)
2
서정세
(Jeong Se Suh)
3†
-
경상국립대학교 대학원 기계항공공학부 석사과정
(M.S. Course, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University,
52828, Jinju, Korea)
-
경상국립대학교 기계공학부 학부과정,
(B.S. Course, School of Mechanical Engineering, Gyeongsang National University, 52828,
Jinju, Korea)
-
경상국립대학교 대학원 기계항공공학부 교수
(Professor, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University,
52828, Jinju, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
전산유체역학, 폐열 이용, 라멜라 열교환기, 수치해석, 열효율
Key words
Computational fluid dynamics, Heat recovery, Lamella recuperator, Numerical analysis, Thermal efficiency
기호설명
d ：
유로의 직경 [m]
ε ：
열교환 효율 [%]
μ ：
동점성계수(점성계수) [Pa․s] or [N․s/m2]
Qactual ：
열교환기가 실제로 전달한 열량 [W]
Qmax ：
열교환기가 이상적으로 전달할 수 있는 최대 열량 [W]
\rho ：
유체의 밀도 [kg/m3]
U ：
속도 [m/s]
Re ：
Reynolyds 수, \dfrac{\rho UD}{\mu}
1. 서 론
철강 산업은 가장 에너지 집약적 산업 중 하나로, 전 세계 제조 부문에서 발생하는 CO2 배출량 중 가장 큰 비중을 차지한다. 이에 따라 철강 산업에서는 이산화탄소 배출 저감을 위한 기술적 혁신이 절실히 요구되고 있다. 대표적으로, 새로운
제철 공정을 도입하여 정밀한 석탄과 철광석을 활용함으로써 생산 비용을 절감하고, 기존 용광로 공정 대비 이산화탄소 배출량을 80% 줄였다.(1) 이러한 기술적 노력은 온실가스 배출 저감에 크게 기여하고 있다. 그럼에도 불구하고, 폐열 관리는 여전히 철강 산업에서 중요한 과제로 남아있다. 특히
제철소에서 발생하는 고온 배출가스를 회수하고 재활용한다면, 추가적 에너지 및 온실가스 저감효과를 기대할 수 있다. 이를 실현하기 위한 핵심 기술 중
하나로 열교환기를 활용한 폐열 회수 장치가 주목받고 있으며 현재 활발히 연구되고 있다.
열교환기는 두 개 이상의 매체 간 열에너지를 교환하는 열전달 장치로, 공정 산업에서 중요한 역할을 한다. 산업용 열교환기는 작동성, 안전성 등을 종합적으로
검토해야 하며, 오늘날에는 공기조화시스템을 비롯해 냉장 시스템, 플랜트 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 열교환기는 열전달 방식에 따라 직․간접
열교환기로 나눌 수 있다. 직접 열교환기는 두 매체가 직접 접촉해 열을 교환, 간접 열교환기는 두 매체가 벽을 사이에 두고 교환하는 방식(2)으로, 구조에 따라 열교환기는 이중관, 판형 열교환기, Plate Fin 열교환기 등으로 구분된다. 예를 들어, Plate Fin 형은 높은 열전달
효율과 가벼운 구조로, 화학 산업에 주로 사용된다.(3) 이중관 형은 비용이 저렴해 소규모 산업에 적합하지만, 공간을 많이 차지하고 열효율이 낮아 현대 산업에서는 효율적인 쉘-튜브형, 판형이 선호되고 있다.
특히 판형은 간접 접촉 방식으로 작동되며, 높은 열효율과 저렴한 비용이라는 장점을 바탕으로 화학 산업, 냉각 시스템 등에 사용되고 있다.(4) 저온 장치로 개발된 판형은 최대 작동 압력 20.4 bar, 작동 온도 150℃로 제한적이지만, 이를 개선한 라멜라 열교환기(Lamella Recuperator)는
최대 40.8 bar의 압력과 800℃ 범위에서도 작동이 가능하다.(5)
본 연구에서는 고온 공정에서 발생하는 열을 효과적으로 회수하고, 폐열 에너지 이용을 극대화하기 위한 라멜라 열교환기 효율에 대해 알아보고자 한다.
이를 위해 Fig. 1과 같이 라멜라 열교환기를 설계하고, 공기와 고온 가스의 입구 유량 및 온도 조건을 변화시키며 이에 따른 열교환기 성능 변화를 살펴보고자 한다.
Fig. 1 (a) Schematic diagram and (b) Cross section lamella recuperator
2. 문제설정 및 해석방법
2.1 라멜라 열교환기 설계 및 해석 조건
본 라멜라 장치는 전도와 대류를 활용해 열전달 효율을 극대화하고, 열교환 면적 확대를 통해 열 회수 효율을 높이도록 설계했다. 또한, 산업 현장의
평균적인 열교환기 크기를 고려해 실용성을 확보했다. 라멜라 열교환기 전체 형상을 Fig. 1(a)에, 라멜라 채널의 단면 형상을 Fig. 1(b)에 나타내었다. 열교환기의 전체 외장 길이는 1,400 mm, 채널 길이는 1,294 mm, 공기 입구 배관 길이는 150 mm로 설계하였다. 고온
가스 입․출구 배관은 각각 500 mm로 동일하며, 라멜라 채널의 개수는 15개로 구성하였다. 설계에 대한 세부 사항은 Table 1에 제시하였다. 제철소에서 발생하는 고온 가스는 폐열 특성을 고려하여 983.15 K부터 1063.15 K로, 이를 냉각하기 위해 도입되는 저온 공기의
온도는 283.15 K부터 363.15 K로 설정 후 각각 20 K씩 변화시켰다.(6) 유량 조건으로는 저온 공기 유량을 0.04 kg/s에서 0.06 kg/s로, 고온 가스 유량은 0.07 kg/s에서 0.09 kg/s로 설정하였으며,
이를 Re 수로 변환하여 각각 1,997, 1,963로 변화를 주며 수치해석을 진행했다. 공기와 고온 가스에 대한 세부 사항을 Table 2에 제시했다. 재질의 경우, 공기 입구 배관은 STS304 물성치를, 외장 및 채널에는 고온 환경의 내열성을 고려해 STS310를 적용했다. 두 재질에
대한 물리적 특성은 Table 3에 정리하였다.
3차원 공간에서 수치해석을 수행했으며, 난류 유동 특성과 경계면의 벽면 효과를 효과적으로 반영하기 위해 k-\varepsilon 모델을 적용하였다.
난류 계산에는 RANS 방정식(7~8)을, 고체 내 열전달 해석에는 전도 열전달 방정식을, 유체에는 에너지, 운동량, Navier-Stokes 방정식을
적용하였다. 본 연구에 사용된 유동과 에너지 방정식별 설명은 참고문헌(9)에 언급되어 있다. 수치해석은 CFD 프로그램인 ‘Star-CCM+’을 사용하여 수행했으며, 해석 모델에는 Polyheadral Mesher 격자
구조를 적용하였다. 라멜라 채널의 얇고 긴 특성을 고려하여 Thin Mesher를 적용하였으며, 공기와 고온 가스의 흐름이 발생하는 유로에는 Prism
Layer Mesher를 적용하였다. 또한, 본 열교환기는 고온 및 저온의 유체가 각각 분리된 구조로 배출되는 시스템으로, 두 유체는 서로 다른 열역학적
특성을 가진다. 이에 따라, 유체의 온도 변화에 따른 물성 변화를 보다 정밀하게 반영하기 위해 엔탈피, 비열, 밀도 등의 열역학적 특성을 다항식 함수(Polynomial
function)(10)로 모델링하였다. 한편, 채널 재질의 경우, 두께가 1.2 mm로 얇아 전도 열저항이 낮고, 대류 열저항이 상대적으로 크기 때문에 온도 변화에 따른
열전도율 및 밀도 변화의 영향이 미미할 것으로 판단된다.(11) 이에 따라, 열교환 성능은 주로 유체의 대류열전달 특성에 의해 지배되므로, 본 연구에서는 채널 재질의 물성 변화를 고려하지 않았다. 수치해석 결과에
대한 검증은 선행연구(12)에서 수행한 바 있다.
Table 1 Specification of lamella recuperator
|
Specification
|
Physical value
|
|
Case
|
Length [mm]
|
1400
|
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Thickness [mm]
|
4
|
|
Diameter [mm]
|
176
|
|
Air/Gas outlet pipe
|
Length [mm]
|
500
|
|
Thickness [mm]
|
1.2
|
|
Diameter [mm]
|
76.3
|
|
Air inlet pipe
|
Length [mm]
|
150
|
|
Thickness [mm]
|
1.2
|
|
Diameter [mm]
|
150
|
|
Lamella channel
|
Length [mm]
|
1294
|
|
Thickness [mm]
|
1.2
|
|
Number of lamella channel [ea]
|
15
|
Table 2 Composition and thermal properties of air and flue gas
|
Specification
|
Physical value
|
|
Mole fraction
|
Air
|
O2
|
0.21
|
|
N2
|
0.79
|
|
Flue gas
|
O2
|
0.04
|
|
N2
|
0.74
|
|
CO2
|
0.09
|
|
H2O
|
0.12
|
|
Reynolds number
|
Air
|
15,976~23,964
|
|
Flue gas
|
27,485~35,338
|
|
Temperature
|
Air [K]
|
283.15~363.15
|
|
Flue gas [K]
|
983.15~1063.15
|
|
Ambient temperature [K]
|
310
|
|
Convection heat transfer coefficient [W/m2․K]
|
5
|
Table 3 Properties of STS304 and STS310
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Material
|
Property
|
|
STS304
|
Density [kg/m3]
|
7,930
|
|
Specific heat [J/kg․K]
|
510
|
|
Thermal conductivity [W/m2․K]
|
17
|
|
STS310
|
Density [kg/m3]
|
7,980
|
|
Specific heat [J/kg․K]
|
510
|
|
Thermal conductivity [W/m2․K]
|
17
|
3. 해석결과 및 고찰
3.1 공기 및 고온 가스 질량 유량에 따른 열교환 효율 변화
공기와 고온 가스의 유량 무차원 수인 해당 Re 수의 변화는 열교환기의 온도 분포와 열교환 성능에 직접적인 영향을 미친다. Re 수가 과도하게 증가하면
열교환기 내 체류 시간이 감소하여 열교환 효율이 저하될 수 있다. 반면, 적절한 Re 수는 열교환기 내 온도 분포를 최적화하여 열전달 효율을 극대화할
수 있다. 공기 온도 323.15 K, 고온 가스 온도 1023.15 K 조건에서, 공기와 고온 가스의 Re 수를 변화시키며 열교환 효율에 미치는
영향을 분석해 보고자 한다. 열교환 효율에 사용된 식을 (1)에 제시하였다.(13)
여기서, Q_{acutal}는 실제로 전달된 열전달률을, Q_{\max}는 열교환기가 이상적으로 전달할 수 있는 최대 열량을 나타낸다. Fig. 2를 살펴보면, 모든 고온 가스 Re 수 범위에서 공기 Re 수가 증가할수록 열교환 효율이 지속해서 감소하였고, 고온 가스 Re 수 35,338 범위에서
가장 높은 열전달 효율을 보임을 확인하였다. 특히, 공기 Re 수 15,976과 고온 가스 Re 수 35,338 범위에서 가장 높은 열전달 효율을
보였다. 이는 공기 Re 수가 낮아 열교환기 내 공기 체류 시간이 증가함에 따라 열전달 교환 시간이 늘어나고, 동시에 고온 가스 Re 수가 높아 고온
유체의 열 공급이 늘어나면서 열전달이 더욱 효과적으로 이루어진 것으로 판단된다. 가장 높은 열교환 효율을 보이는 공기 Re 수 15,976과 고온
가스 Re 수 35,338 범위에서의 온도 분포도를 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 2 Variation of heat exchanger efficiency with Reynolds number of air in lamella
recuperator.
Fig. 3 Distribution of channel temperature with Reynolds number of 15,976 for air
and 35,338 for flue gas in lamella recuperator.
3.2 공기 및 고온 가스 질량 유량에 따른 입․출구 간 압력강하
열교환기 내 고온 유체의 Re 수가 증가할수록 난류 강화에 따른 열전달 계수 상승으로 인해 열교환 효율을 높일 수 있으나, Re 수가 과도할 경우
유체의 흐름 속도가 증가하여 압력강하가 커지게 되고 펌프나 송풍기와 같은 보조장치의 에너지 소비를 증가시켜 시스템의 운영 비용을 상승시킬 수 있다.
공기 온도 323.15 K, 고온 가스 온도 1023.15 K 조건에서, 공기와 고온 가스 Re 수를 변화시키며 입․출구 간 압력강하에 미치는 영향을
살펴보고자 한다.
Fig. 4(a)를 살펴보면, 모든 고온 가스 Re 수 범위에서 공기 레이놀즈 수가 증가할수록 지속해서 공기의 입․출구 간 압력강하가 증가하였고, 고온 가스 Re
수 35,338에서 가장 높은 압력강하를 보였다. 이는 Re 수 증가로 인해 유체 흐름의 속도가 빨라지고 난류강도가 높아져, 관로 및 열교환기 내부에서의
유동 저항이 증가한 결과로 판단된다. Fig. 4(b)를 살펴보면, 고온 가스 Re 수 모든 범위에서 공기 Re 수가 증가할수록 고온 가스의 입․출구 간 압력강하가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 공기
Re 수가 증가에 따른 고온 가스의 온도 감소로 인해 점성이 낮아져 유동 저항이 감소한 것이 원인으로 판단된다. 입․출구 간 압력강하가 가장 낮은
공기 Re 수 23,964, 고온 가스 Re 수 27,485 범위에서의 고온 가스 입․출구 간 속도 분포도를 Fig. 5에 나타내었다.
Fig. 4 (a) Pressure drop of air channel with Reynolds number of air in lamella recuperator
(b) Pressure drop of flue gas channel with Reynolds number of air in lamella recuperator.
Fig. 5 Distribution of velocity of channel with Reynolds number of 15,976 for air
and 35,338 for flue gas in lamella recuperator.
3.3 공기 및 고온 가스 온도에 따른 열교환 효율 변화
열교환기의 성능은 공기와 고온 가스 간의 온도 차이에 크게 의존한다. 온도 차이가 클수록 대류 열전달량이 증가하고, 유속 증가에 따른 난류 발달로
열전달 성능이 향상될 수 있다. 하지만 지나치게 큰 온도 차이는 열교환기 재질에 열응력을 유발하여 구조적 손상이나 열충격 위험을 초래할 수 있다.
따라서 열교환기의 안정적이고 효율적인 작동을 위해 적정한 온도 차이를 유지하는 것이 중요하다. 앞선 연구에서 가장 높은 열교환 효율을 보였던 15,976,
공기 Re 수와 35,338의 고온 가스 Re 수를 기준으로, 공기와 고온 가스 온도를 변화시키며 열교환 효율에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
Fig. 6을 살펴보면, 모든 고온가스 온도 범위에서 공기 온도가 증가할수록 열교환 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 공기 온도 증가에 따른 온도 차 감소로
열전달량이 감소한 것이 원인으로 판단된다. 특히 고온 가스 온도 983.15 K에서는 공기온도 303.15 K에서, 고온 가스 온도 1063.15
K에서는 공기 온도 283.15 K에서 가장 높은 열교환 효율을 보였다. 이는 공기 온도가 283.15 K일 때, 충분한 열교환이 이루어지지 않고
출구로 빠져나감이 원인으로 판단된다. 공기 온도 283.15 K, 고온 가스 온도 1,063.15 K 범위에서 온도 분포도를 Fig. 7에 나타냈다.
Fig. 6 Variation of heat exchanger efficiency with inlet temperature of air in lamella
recuperator.
Fig. 7 Distribution of channel temperature with inlet temperature of 283.15 K for
air and 1063.15 K for flue gas in lamella recuperator.
3.4 공기 및 고온 가스 온도에 따른 입․출구 간 압력강하
공기와 고온 가스의 온도 변화는 열교환기 내부의 점도, 밀도와 같은 물리적 성질뿐만 아니라 흐름 특성을 변화시켜 입․출구 간 압력강하에 큰 영향을
미친다. 점도 변화로 인한 마찰 저항의 변동이 압력강하에 큰 영향을 미치며, 밀도 변화로 인한 유속 변동 역시 압력강하에 지대한 영향을 미친다. 가장
높은 열교환 효율을 보였던 공기 Re 수 15,976, 고온 가스 Re 수 35,338을 기준으로, 공기와 고온 가스 온도를 변화시키며 입․출구 간
압력강하에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
Fig. 8(a), (b)를 살펴보면, 모든 고온 가스 온도 범위에서 공기 온도가 증가할수록 공기와 고온 가스의 입․출구 간 압력강하가 지속해서 증가하였고, 1,063.15
K 대비 983.15 K 범위에서 가장 낮은 입․출구 간 압력강하가 보임을 확인하였다. 이는 온도 상승으로 인해 밀도 감소로 인한 유속 증가로 난류가
강화되어 유체와 표면 간 마찰 저항이 커지는 것이 원인으로 판단된다. 가장 낮은 입․출구 간 압력강하를 보이는 공기 온도 283.15 K, 고온 가스
온도 983.15 K 범위에서의 입․출구 간 속도 분포도를 Fig. 9에 나타내었다.
Fig. 8 (a) Pressure drop of air channel with inlet temperature of air in lamella
recuperator (b) Pressure drop of flue gas channel with inlet temperature of air in
lamella recuperator
Fig. 9 Distribution of velocity of channel with inlet temperature of 283.15 K for
air and 983.15 K of flue gas in lamella recuperator.
4. 결 론
본 연구에서는 고온 공정에서 발생하는 폐열을 효율적으로 회수하여 이용하기 위한 라멜라 열교환기를 설계하고자 하였다. 열교환 성능을 평가하기 위한 지표로
열교환 효율과 입․출구 간 압력강하를 주로 알아보았다. 열교환 효율은 저온과 고온 유체 간 열교환이 얼마나 효율적으로 이루었는지 판단하는데 적합하며,
입․출구 간 압력강하는 운영 비용과 같은 경제적 효율성을 판단하는데 유용한 지표이다. 열교환기에 유입되는 공기와 고온 가스의 질량 유량 및 온도에
따른 열교환기의 성능 변화를 아래와 같이 정리하였다.
(1) 본 연구의 고온 가스 Re 수 범위에서 공기 Re 수 50% 증가 시 열교환 효율이 16% 감소하였고, 더불어 공기의 입․출구 간 압력강하는
65% 증가하고, 고온 가스의 입․출구 간 압력강하는 5% 감소함을 확인하였다.
(2) 본 연구의 고온 가스 온도 범위에서 공기 온도 28% 증가 시 열교환 효율이 0.2% 감소하였고, 공기의 입․출구 간 압력강하는 11% 감소하고,
고온 가스의 입․출구 간 압력강하는 2% 증가함을 확인하였다.
따라서, 라멜라 열교환기의 성능을 최적화하기 위해서는 공기와 고온 가스의 Re 수 및 온도 조건을 적절히 조절하는 것이 중요하며, 열전달 효율과 입․출구
간 압력손실 간의 균형을 고려해야 함을 시사한다.