농업생명과학연구 Journal of Agriculture & Life Science Vol. 42, No. 1, pp. 71-76(2008) 유리입자에의한순환유동층수평관에서의압력강하와마찰계수 안수환 경상대학교기계항공공학부 Friction Factors and Pressure Drops in a Fluidized Bed Horizontal Pipe with Circulating Glass Beads Soo Whan Ahn Dept. of Mechanical System Eng., Gyeongsang National University, Tongyeong 650-160, Korea 초록일반적으로순환유동층열교환기에서최적의운전과설계에대한지식은아직잘알려져있지않다. 입자유동에관한기초적지식이부족하기순환유동층열교환기를최적설계하는데에는아직제한적이다. 그러므로본연구에서는순환하는물속에고체입자 ( 유리 ) 가유동하는수평원형관에서압력강하와마찰계수에대해실험적으로측정한다. 고체입자의직경은 3 mm와 4 mm를각각취급하였고레이놀즈수의범위는 10,000 에서 45,000 이었다. 연구결과 4 mm 직경의입자가 3 mm의입자보다마찰계수가더컸다. 그리고고체입자의농도가낮은경우에서는마찰계수는고체입자의농도보다유체속도에의해서더영향이컸다. 그러나입자의농도가큰운전조건에서는고체입자의농도도마찰계수에큰영향을주었다. 검색어 - 순환유동층, 고체입자, 마찰계수, 압력강하, 수평관 ABSTRACT Generally, the economic concept of optimized design and operating conditions in fluidized bed heat exchangers can hardly be realized. Because the lack of fundamental knowledge about the particle flows, the optimum design of the fluidized bed heat exchanger is rather limited. In the present work, measurements are made on pressure drops and friction factors in the horizontal circular tube with solid particles in the circulating water. Two different solid particles of diameters of 3mm and 4mm are covered. The Reynolds numbers are ranged from 10,000 to 45,000. It is concluded that the friction factors for the particles of 4mm diameter are much higher than those for the particles of 3mm diameter. And at the lower particle concentration, the friction factors are strongly influenced by the fluid velocity rather than the particle concentration; However, the effect of the particle concentration on friction factors is also significantly higher at a higher particle concentration operating condition. Key words : Fluidized bed, Solid particle, Friction factor, Pressure drop, Horizontal pipe 접수 : 2007 년 10 월 15 일 (Received : Oct. 15, 2007) 수리 : 2008 년 3 월 3 일 (Accepted : Mar. 3, 2008) *Corresponding author: 안수환 (E-mail: swahn@gaechuk.gsnu.ac.kr)
72 J. of Agriculture & Life Science 42(1), March 2008 μ I. 서론 오염 (fouling) 이란열교환기의압력손실을증가시키고열적성능을감소시키는열전달표면에부착된퇴적물로정의된다. 순환유체속에이물질이포함될경우오염 (fouling) 억제문제가중요하다. 그러므로전열면의열전달성능은오염 (fouling) 여부에따라결정된다. 실제로오염 (fouling) 의열저항은전체열전달저항의절반을초과하는경우도종종있다. 열전달용열교환기에서오염 (fouling) 문제는일반적으로작동유체가기체보다액체일경우더욱심각하다. 고체입자를유체유동과같이순환토록하여오염 (fouling) 형성을미연에방지시키고유동하는고체입자로부터의전도열에의해열전달을향상시킨다. 이러한효과를정량적으로보고한 Webb(1994) 의연구에의하면입자의직경이 20~600 범위의고체입자를유동유체속에순환시키면고체입자를넣지않은경우보다열전달증가율이 350% 까지증가한다고보고하였다. 장기간열교환기를사용시고체입자는화학적으로안정되어오염될가능성이적고반복사용이가능하여환경오염을크게줄일수있다. 고체입자를이용한순환유동층열교환기시스템과관련된연구는아직초보적인단계이다. 순환유동층열교환기장치는미국에서 Hatch & Wetch (1970) 에의해처음조수기 (desalination system) 의브라인 (brine) 가열기로개발되었다. 순환유동층열교환기제작의기초연구에서 Basu & Nag(1987) 는피상속도 (superficial velocity), 고체입자유량, 고체입자의크기의변화에대한조사를한결과벽면으로부터의열전달은고체입자비중에비례하나, 고체입자유량이일정량이상인상태에서는유동속도를증가시키면열전달율은오히려감소함을보였다. 그리고 Grace(1986) 는순환유동층밀도가열전달에미치는영향을예측하였으며이러한수치해석에의한예측은 Fraley et al.(1983), Kiang et al.(1976) 그리고 Stromverg(1982) 의실험자료에기초를두었다. 국내에서는이등 (2000) 이열교환기내부의유동을프러그흐름으로한경우고체입자유동층과관벽사이의열전달에대한연구를실험과이론적으로수행하였다. 그리고이등 (1995) 은순환유동층열교환기에서열교환기직경, 배플판구멍직경, 그리고혼합실높이를변수로하여열전달계수와압력강하에대해조사하였다. 위의연구들은입자의유동이용이하도록하기위해고체입자의직경이대체로작은 1 mm 직경이하의경우를취급하였다. 고체입자가작은경우벽면과의충돌 이드물게일어나고입자의열용량이작아서열전달율이낮다. Ahn et al.(2005) 은산업폐수등을이용하는요염요소가큰환경속에서작동되는열교환기의자연오염세정수직형열교환기제작기술에관한기초연구로서수직형순환유동층열교환기파이롯트모델로부터입자체적이비교적큰 14mm 3 인 7종류의고체입자들에대한유동특성과열전달에대해조사하였다. 그결과입자의밀도가크고거친구조일수록열전달계수가컸다. 수직형순환유동층열교환기의경우는순환하는고체입자가유속이일정범위를벗어날때는고체입자가관벽면에충돌되지않아서세정효과가없었다. 그러므로본연구에서는수평형순환유동층열교환기시스템을제작하여수직형의단점을보완하고자한다. 수평형순환유동층열교환기제작에필요한기초연구로서고체입자의유동특성을파악하기위해수평형투명순환유동층시스템에서고체입자농도와유속에대한압력강하와마찰계수를실험적으로측정하였다. 순환유체는수돗물을사용하였고물과함께순환하는고체는 3 mm 와 4 mm 직경의구 (sphere) 형의유리입자를사용하였다. Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup Ⅱ. 실험장치 Fig. 1은본연구의실험장치개략도와실제모습이다. 장치전체크기는가로 880 mm 세로 1,060 mm이다. 그리고관의내경은 14 mm를사용하였다. 가시화를위하여시험부는투명아크릴로제작하였으며 Photo. 1과같이실험부출구에투명하게판으로제작하여정체되어아래로내려가는입자를 CCD 카메라로촬영하여농도를측정하였다. 시험부내유체유동에대한압력구배측정을위해입구에서완전히발달된영역임을확인한 250 mm와 650 mm의거리에각각압력탭을만들고
Soo Whan Ahn 73 : Friction Factors and Pressure Drops in a Fluidized Bed Horizontal Pipe with Circulating Glass Beads 그압력탭에경사마노메터를연결하여행하였다. 이젝트를사용하여유속을증가시켜물의역류를방지하였으며순환펌프는용수량이 18 인원심펌프를사용하였다. 다. 순환펌프는마그네틱펌프를사용하였다. 순환시스템에고체입자를 67 cc (Case(a)), 135 cc (Case(b)), 그리고 169 cc (Case(c)) 를각각주입하고유속을 0.72 m/s에서 2.52 m/s까지변화시켜압력강하와마찰계수를측정하였다. 유속에따라시험부의고체입자의농도는변하였고대체로유속이클수록고체입자의농도가증가하였다. Ⅲ. 결과및고찰 레이놀즈수를계산하기위한공식은다음과같다. (1) Photo. 1 Downward test section 펌프에서이젝터로가는유로사이에밸브와바이패스를설치하여밸브의개폐정도에따라유량을조절을할수있고, 시험부내평균유속은유량계로부터구한값에서연속법칙을적용하여구하였다. 본연구에서는레이놀즈수의법위가 10,000 에서 45,000 이었다. 유량계는최대유량 2.4 까지측정할수있는부유식 (floating type) 을사용하였다. 시험부출구측상단에는유입된공기를제거하고입자를투입할수있는관과밸브를설치하였으며출구쪽에서서비스탱크로가는관로역시출구측상단에설치되어있다. 탱크의물은펌프에의해공급되어이젝트를지나실험부입구측으로이동한다. 이젝트는역류를방지하고속도를높이기위해사용되었으며본연구에서는용도에맞게특별히제작하였다. 시험부의플랜지부분에는 O링으로누수를방지하였고각부파이프이음새에서의누수는실링테이프로방지하였다. 실험장치에사용한입자는유리소재구를사용하였으며크기는두종류로구분하였다. 작은입자의직경은 3 mm, 큰입자의직경은 4 mm를각각사용하였다. Fig. 1과같은시스템에서혼입하는고체입자의량이적을경우에는순환하는유체속에유리입자를혼입하여도순환시스템내앵글과요철부분에끼여투명관의시험부에는고체입자가유동하지않았다. 어느정도시스템내고체입자의농도를증가시키면시험부로고체유리입자가유동하였는데고체입자는매우불균일하였으므로시험부내에서고체입자의농도를본연구원들이요구하는데로정확히조절할수가없었다. 순환유동층시스템의고체입자순환이동은펌프와제트에의해가능하였 는유체의유속이고, υ 는유체의동점도, D h 는관의 직경이다. 관내의유량은바이패스밸브의개폐정도에 따라변화시켰다. 압력손실과유속에의해마찰계수는아래의식에의해 정의된다. (2) 여기서 P 는시험부입구와출구간의압력강하, L 은 시험부입구측과출구측압력탭간의거리, D h 는직경, G 는유체질량속도, 그리고 는변환상수이다. Fig. 2 는시험부입구에서 250 mm 와 650 mm 의거 리에서의압력값을측정한한예이다. 대체로고체유리 입자의농도와유체속도가높을수록압력구배가컸고, 유속이 2.52 m/s 이고입자농도가 4v% 에서압력구 배가가장컸다. 이는유속과입자농도가클수록운동에 너지보다전단응력에너지가크게나타났기때문이라사 료된다. Pressure, Pa 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.72m/s concent 0% 1.08m/s concent 0% 1.44m/s concent 0.0012% 1.8 m/s concent 0.0025% 2.16 m/s concent 0.0042% 2.52 m/s concent 4% 3mm dia. 0 100 200 300 400 500 Distance,mm Fig. 2 Variations of pressure gradients
74 J. of Agriculture & Life Science 42(1), March 2008 본연구에서는시스템내에투입한유리입자중에서시험부내를통과하는입자의량을농도로나타내었다. Fig. 3은매끈한아크릴관시험부에 3 mm 직경의유리입자들을물과같이순환하도록하여유체입자농도에대한마찰계수값을보여준다. 유속이클수록운동에너지가증가하여유체농도가증가하였고물의속도와유리입자의농도가증가할수록마찰계수가감소하였다. 이는튜브속에흐르는유리입자와물의혼합류의전단응력에비해운동에너지의증가가크기때문이라사료된다. Case (a) Particles of 67 cc in the system 다. 그러나유리입자의농도가증가한경우인 Case(b) 와 Case(c) 에서는순환고체입자의농도가반드시유체속도에비례하지않았다. 이는유리입자가순환하는중시스템내의요철부와굴곡부에잠입되어실제로시험부로유동하는유리입자농도는매우분산적이었다. Case(c) 는시험부속에고체입자농도가가장높은경우이다. 고체입자농도가가장큰평균유속 에서는 Case(b) 와비교하면농도에증가할수록마찰계수가상승함을보여준다. 이는고체입자농도가낮은경우에는입자농도의영향보다유속의영향이마찰계수변화에크게미치나입자농도가일정수준이상에서는입자의농도도마찰계수에큰영향을줄것이라사료된다. 그일정수준의임계치를구하는일은차후과제로남겨둔다. Fig. 4는레이놀즈수에대한마찰계수값의변화를보여준다. 레이놀즈수계산에서평균유속과동점도는순환수의값을사용하였다. 비교를위해매끈한원관에서고체입자가혼입되지않은경우의 Moody(1944) 값을포함하였다. Case (b) Particles of 135 cc in the system Fig. 4 Friction factors against Reynolds number(particles of 67 cc in the system) Case (c) Particles of 169 cc in the system Fig. 3 Friction factors for 3 mm diameter 본연구에서유리입자의혼입농도가적은경우인 Case(a) 에서는고체입자의농도는유체속도에비례하였 본연구의결과는모든경우 Moody 의결과보다크게나타났다. 이는고체입자가혼입됨으로서벽면전단응력이상승되기때문이라사료된다. Fig. 5는 4 mm 직경의유리입자가시험부에유동하는경우의마찰계수값이다. 농도가증가할수록 3 mm 직경의입자보다마찰계수가크게나타났다. 이는입자가클수록고체입자주위의유체경계층의증가로인하여고체입자전후의압력차가커지기때문인것으로사료된다. Fig. 5의 Case(a) 는 Fig. 3의 Case(a) 보다컸다. 이는 Fig. 5는입자직경이 4 mm이고 Fig. 3은입자직경이 3 mm로작기때문에압력을받는면적이크기때문에동일한유체유속일경우입자직경이클수록입
Soo Whan Ahn 75 : Friction Factors and Pressure Drops in a Fluidized Bed Horizontal Pipe with Circulating Glass Beads 자상승력이커지기때문이라사료된다. Fig. 5의 Case(c) 는시험부내고체유리입자농도가 0.07% 체적농도이하범위에대한마찰계수이다. Fig. 5 를보면고체입자농도가 0.01v% 이상에서는고체입자의농도가증가할수록마찰계수가증가하였다. 이는앞에서설명한유리입자가 3 mm인경우와동일한이유로사료된다. 고체입자농도가낮은 Case(a) 에서유속이 2.16 m/s와 2.52 m/s를보면다른경우와는달리유속이낮은 2.16 m/s에서고체입자의농도가크게나타났다. 이는유체속의고체입자분포의분산 (scattering) 이너무크기때문이라사료된다. Fig. 6 은레이놀즈수에대한마찰계수의값들이다. 고체입자직경이 3 mm 에대한 Fig. 4 의경우보다마찰 계수값이약간높다. 이는 Fig. 6 의경우고체입자직 경이 4 mm 이며고체입자직경이크면고체입자주위에 유체경계층이크게형성되기때문이라사료된다. concent 0.0% concent 0.0% concent 0.00015% concent 0.0013% concent 96% concent 0.00339% u b =0.72m/s u b =1.08m/s u b =1.44m/s u b =1.8m/s u b =2.16m/s u b =2.52m/s 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 Reynolds number, Re 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 Concentration (v %) Fig. 6 Friction factors against Reynolds number Ⅳ. 결론 Case(a) Particles of 67 cc in the system u b =0.72m/s u b =1.08m/s u b =1.44m/s u b =1.8m/s u b =2.16m/s u b =2.52m/s 본연구는수평형순환유동층열교환기제작에필요한기초연구를위해행하였다. 매끈한튜브내고체입자 (3 mm 와 4 mm 직경의유리 ) 가혼입된물을순환하는시스템에서고체입자농도와유체속도에따른마찰계수와압력강하를조사한결과아래와같은결론을얻었다. 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Concentration (v %) Case(b) Particles of 135 cc in the system u b =0.72m/s u b =1.08m/s u b =1.44m/s u b =1.8m/s u b =2.16m/s u b =2.52m/s (1) 유체속도가증가할수록유체입자의혼입농도가대체로증가하였고, 이러한농도증가가압력강하를상승시켰다. (2) 유리입자의크기가 4 mm 직경인경우가 3 mm 직경의경우보다마찰계수가더컸다. (3) 고체입자농도가낮은경우에는입자농도보다유속의영향이마찰계수의변화에크게영향을미치나입자농도가일정수준이상에는입자농도도마찰계수에큰영향을준다. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 Concentration (v %) Case(c) Particles of 169 cc in the system Fig. 5 Friction factors for particles of 4mm diameter Literature cited 1. Ahn, S. W., S. T. Bae, B. C. Lee, M. W. Bae, and W. C. Kim. 2005. Fluid flow and heat transfer in fluidized bed vertical shell and tube type heat exchanger, Int. Comm. Heat Mass Transfer 32(1): 224-232.
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