리엑터용 고밀도 열교환기의 유동 및 열전달 특성

국문 초록 (Abstract)

열교환기에서 에너지의 효율적인 이용 및 환경오염 측면을 고려하여 PI 개념을 적용한 열전달 촉진기술에 대한 관심이 증대되고 있다. PI 개념은 소규모이면서 안전하고, 에너지 이용효율이 높고 환경친화적인 설비 및 기술개발을 통해서 제작 및 공정상의 경제성의 극대화를 추구한다. 본 연구는 새로운 정적 믹서 엘리먼트를 개발하고, 정적 혼합기술을 응용한 열교환기 및 반응기의 압력손실과 열전달특성에 대한 실험적 규명을 목적으로 한다. 개발한 엘리먼트(SMXL-H형)는 장방형의 바에 홀을 갖는 구조로 Sulzer SMXL(SMXL-O)형에 비해 혼합율의 감소는 최소화하고 압력손실을 줄이기 위한 모델이다. 본 연구는 3 단계로 진행되었다. 첫째는 압력손실 측정시스템을 이용하여 제안된 엘리먼트의 압력 손실량을 측정하고 마찰계수를 도입하여 비교분석하였다. -ⅶ-두 번째는 열교환기 측정시스템을 이용하여 전열특성을 규명하였다. 측정 시스템은 동심 2중관 단일튜브 열교환기와 쉘-튜브형 열교환기를 교체하여 실험할 수 있도록 설계하였다. 세 번째는 임의의 직경을 갖는 중공 파이프의 한쪽 끝에서 시작하여 일정한 곡률과 일정한 길이로 규칙적으로 180도 밴딩하고, 파이프의 중앙부를 기준으로 180도 회전시켜 다시 동일한 곡률과 동일한 길이로 180도 밴딩하여 서로 엉킨 구조의 튜브 번들을 갖는 관형 반응기 시스템을 이용하여 전열특성을 규명하였다. 시험 유체는 글리세린과 물이며 열전달 유체로는 물을 이용하였다. 실험변수는 시험유체의 종류 및 유량, 열전달 유체의 온도이며, 측정된 온도를 이용하여 열전달 계수, Nu 수 그리고 전열량을 계산하였다.
본 연구에서 개발한 SMXL-H형 엘리먼트는-ⅷ- SMXL-O형에 비해 압력손실이 약 8.5%, 마찰계수는 약 9.7% 정도 감소하였다. 단일튜브 및 쉘-튜브 열교환기에서는 엘리먼트가 없는 경우와 2가지 종류의 엘리먼트를 삽입한 경우에 대해 시험 유체의 종류와 열전달 유체의 온도에 따라 열전달 특성을 비교・분석하였으며, 반응기에 대해서는 시험 유체의 종류와 열전달 유체의 온도에 따라 열전달 특성을 비교・분석하였다. 열교환기 및 반응기에 대한 연구결과, Nu 수와 열전달율은 정적 믹서 엘리먼트 형상과 유동조건에 따라 크게 달라지는 것을 알 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iii
• 국문초록 vi
• 1. 서 론 1
• 가. 연구배경 및 필요성 1
• 나. 연구목적 2
• 다. 연구동향 4
• 라. 연구내용 7
• 2. 이론적 배경 9
• 가. 정적 혼화 9
• 나. 쉘-튜브 열교환기의 유동 및 열전달 메커니즘 11
• 다. 관형 반응기의 유동 및 반응 메커니즘 15
• 3. 실험장치 및 방법 19
• 가. 실험장치 19
• 1) 열교환기용 엘리먼트 19
• 2) 쉘-튜브형 열교환기 모듈 및 열교환기 측정 시스템 24
• 3) 튜브 번들과 관형 반응기 측정시스템 29
• 나. 실험방법 34
• 1) 압력손실 측정방법 34
• 2) 열교환기 전열특성 측정방법 36
• 3) 반응기 전열특성 측정방법 39
• 4. 결과 및 고찰 43
• 가. 압력손실 43
• 나. 열교환기의 전열특성 52
• 다. 반응기의 전열특성 69
• 5. 결론 75
• 6. 참고문헌 77
• Abstract 80