역방향 공기주입방식 무화염 연소로 내 이중관식 열교환기의 열전달특성에 대한 연구 :

김보근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김보근 (국민대학교, 국민대학교 일반대학원)

지도교수: 신동훈

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

이중관식 열교환기가 설치된 역방향 공기 주입 방식 무화염 연소로 내 열유동 특성에 대한 연구

김보근 , 신동훈 대한기계학회 논문집 B권 2020.04 학술저널

2019

역방향 공기주입방식 무화염 연소로 내 이중관식 열교환기의 열전달특성에 대한 연구

김보근 기계공학과 2019.01 학위논문

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수증기 개질기는 연소 가스와 열교환 튜브를 복사를 통해 열교환 시키는 방식이 많다. 하지만 연소 시 공해 물질이 생산되고 열응력에 의한 개질관의 파손이 발생하는 문제가 있다. 무화염 연소는 로 내부로 균일한 온도 분포와 공해 물질 저감 효과로 수소 개질기의 연소 방식으로 적합하다. RAI(Reversed Air Injection)연소 장치는 이런 무화염 연소를 쉽게 구현할 수 있는 방법으로 연구 되었다.
본 연구에서는 RAI 연소실 내부로 이중관 열교환 튜브를 직접 삽입하여 열교환 실험을 수행하였다. 무화염 연소가 구현되는 최저 온도 조건을 유지하기 위해 배기 가스의 열을 회수 하는 공기예열기를 설계하였고 RAI 연소실 내부의 공간과 공기 노즐의 각도를 고려하여 이중관 열교환 튜브를 설치하였다. 또한 각 실험 조건에 대한 전산해석을 진행하였다.
실험은 이중관 열교환 튜브의 유량을 연소 공기 유량 대비 0.8~3.1 비율로 변경하면서 진행하였다. 열화상 카메라를 이용하여 온도 분포를 가시화 하였고 열전대를 사용하여 직접 온도를 측정하였다. 실험 결과 이중관 열교환 튜브를 연소실 내부에 넣어도 무화염 연소가 가지는 공해 물질 저감과 온도 균일성은 유지되는 것으로 나타났다. 또한 열교환 튜브로 전달되는 열전달량은 냉각 공기의 유량이 증가할 때 증가하는 것을 확인하였다. 전산 해석은 상세한 연소 반응 메커니즘이 재차 적용될 필요가 있지만 관의 온도 분포에 한하여 실험결과와 유사한 분포를 보였으며 이를 바탕으로 총괄 열전달 계수와 면적당 열전달률을 계산하였다.
실험 결과와 해석 결과로 볼 때 연소 공기 대비 냉각 공기의 유량이 2.5배일 때 공해 물질 저감 효과와 열전달률이 가장 높게 생긴다고 판단된다.

The steam reformer has many ways of exchanging heat between the combustion gas and the heat exchange tube through radiation. However, there is a problem that pollutants are produced during combustion and the reforming pipe is damaged by thermal stress. Flameless combustion is suitable as a combustion method of a hydrogen reformer due to the uniform temperature distribution inside the furnace and the effect of reducing pollutants. RAI (Reversed Air Injection) combustion devices have been studied as a way to easily realize such flameless combustion.
In this study, heat exchange experiments were performed by directly inserting a double tube heat exchange tube into the RAI combustion chamber. An air preheater was designed to recover the heat of the exhaust gas in order to maintain the lowest temperature condition in which flame combustion is realized. A double tube heat exchange tube was installed considering the space inside the RAI combustion chamber and the angle of the air nozzle. In addition, Computational analysis was performed for each experimental condition.
The experiment was performed while changing the flow rate of cooling air in the heat exchange tube to 0.8 to 3.1 ratio with respect to the combustion air flow rate. The temperature distribution was visualized using a thermal camera and the temperature was measured directly using a thermocouple. Experimental results show that even if a double tube heat exchange tube is placed inside a combustion chamber, pollutant reduction and temperature uniformity of the flame combustion are maintained. Also, It was also found that the amount of heat transferred to the heat exchange tube increased as the flow rate of the cooling air increased.
The computational analysis showed that the detailed combustion reaction mechanism needs to be applied again, but the distribution of the tube temperature was similar to that of the experimental results, and the universal heat transfer coefficient and heat transfer coefficient per area were calculated.
From the experimental results and analysis results, it is considered that the pollutant reduction effect and the heat transfer rate are the highest when the cooling air flow rate is 2.5 times compared with the combustion air.

1. 서론 1
1.1. 연구 배경 및 목적 1
2. 실험 3
2.1. 실험 장치 구성 3
2.1.1. 공기예열기 3
2.1.1.1. 설계 이론 및 목적 3
2.1.1.2. 형상 및 치수 5
2.1.2. 이중관형 열교환 튜브 6
2.1.2.1. 형상 및 치수 6
2.1.3. 장치 구성 7
2.1.4. 계측 장치 10
2.2. 실험 조건 및 방법 14
3. 전산해석 16
3.1. 격자 및 해석 조건 16
4. 결과 및 토의 20
4.1. 실험 결과 20
4.1.1. 냉각 공기 유량에 따른 연소로의 온도 측정결과 20
4.1.2. 연소로 온도에 따른 배기가스 및 오염물질의 농도 분포 특성 23
4.1.3. 열교환 튜브의 유량 변화가 연소로 및 열교환 튜브의 온도 분포에 미치는 영향 29
4.1.4. 열정산 43
4.1.5. 가시화 및 열화상 사진 47
4.2. 전산 해석 결과 52
4.2.1. 전산 해석의 타당성 검토 52
4.2.2. 속도장 및 재순환률 60
4.2.3. 연소로 내부의 화학종 및 온도 분포 66
4.2.4. 열전달률 및 열전달량 70
5. 결론 73
5.1. 실험 73
5.1.1. 온도 분포 73
5.1.2. 최적 운전 조건 73
5.2. 전산 해석 74
5.2.1. 재순환률 74
5.2.2. 연소모델 74
5.2.3. 열전달률 74

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