나선관을이용한보일러의설계기술지원 2004. 11 지원기관지원기업 : : 한국에너지기술연구원한신보일러주식회사 산업자원부
제출문 산업자원부장관귀하 본보고서를 " 나선관을이용한보일러의설계기술지원"( 지원기간 : 2003. 11. 1~2004. 10. 31) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다. 2004. 11. 30. 지원기관 : 한국에너지기술연구원 ( 대표자 ) 손재익 ( 인 ) 지원기업 : 한신보일러주식회사 ( 대표자 ) 김석호 ( 인 ) 지원책임자 : 김종진 참여연구원 : 김혁주최규성 - 2 -
목 차 제 1 장서론제 1 절기술지원필요성제 2 절기술지원목표 1. 보일러섣설기술이전 2. 보일러열설계프로그램개발및지원제 3 절기술지원내용 1 열설계기술지원교재작성및제공 2. 보일러설계기술지원교육 3. 보일러열설계프로그램개발및지원 제 2 장본론제 1 절기술지원성과 1. 열설계기술지원교재작성및교육 2. 보일러열설계프로그램작성및지원제 2 절기술지원수행 1. 열설계기술지원교재작성및교육 2. 보일러열설계프로그램작성및지원 3. 시제품보일러의설계제작및시떰 제 3 장결론 부록 : 보일러열설계기술 SHEET - 3 -
제 1 장서론 제 1 절기술지원필요성 기술지원기업인한신보일러( 주) 는산업용보일러업체를대표하는회사로일본의히 라가와사와기술제휴를통해기술을도입하여 30년이상많은산업용보일러를제작 한경험을가지고있다. 하지만아직보일러설계의핵심기술인열설계프로그램을 확보하지못하여수계산을통해간이식으로보일러의열설계를실시하고있었다. 기술제휴회사인일본의히라가와사는자체개발한설계프로그램을사용하여보일러 를설계제작하고있고, 이프로그램을이용하여신제품개발도하고있지만, 한신보 일러에이설계프로그램은기술이전하지않고있다. 보일러를정확하게열설계하는것은, 복잡한수식으로되어있는물성치나전열계 산에대한정확한계산을수행하여야만하고, 그계산을무수히반복계산을하여야 하기때문에많은인력과시간( 약 1 주일이상소요됨) 이소요된다. 따라서열설계를 정확히하려면컴퓨터를이용할수밖에없기때문에컴퓨터를이용한열설계기술 은보일러산업의핵심기술이라할수있다. 보일러를정확하게열설계하기위해서는여러가지연소조건에대한정학한연소계 산뿐아니라공기와연소가스의물성치( 점도. 비열. 밀도, 열전도도등) 도정확히 계산할수있는기술이필요하다. 화염의복사계수와복사전열량. 계산할수있어야만한다. 또한여러가지연소조건에따른연소실에서의 대류부에서의전열계수와전열량을계산도정확히 이러한제계산에관련된수식과도표는매우다앙하고 복잡하기때문에보일러설계자가일련의설계과정을정확하게수행하기위해서는 전문적인훈련을통하여숙련되어야만다. 보일러의열설계는수많은수식을사용하여복잡한계산을수반( 반복계산) 하기때 문에컴퓨터프로그램을사용하지않고수계산으로정확한설계를수행하는것은 불가능하고, 설계시간도많이소요된다. 신뢰성있는열설계프로그램을사용하여 보일러를설계한다면설계시간을 1/10 기업의경쟁력이제고를기대할수있다. 이하로단축시킬수있어생산성향상되어 - 4 -
따라서지원기업에서는지원기관인한국에너지기술연구원에서사용하고있는설계 과정과설계자료및수식을기술인력훈련과기술지도를통하여기술을이전하고. 보일러설계계산을할수있는열설계프로그램을확보할수있기를희망하고있 다. 현재국내에서제작되고있는노통연관식보일러의연관은보통원관( 재질 STBH-35) 을사용하고있으나, 미국이나일본등선진외국에서는수년전부터원관 대신나선형으로가공한나선관(Spiral Tube) 을많이사용하고있다. 연관식보일러나관내로가스가흐르는일반관형열교환기와같이유체가관내를 흐르는경우, 열전달율을증가시키기위하여관내유체의경계층을난류상태로만 드는것이유리하다. 그렇게하기위하여원관내부에트위스트테이프나나선상으 로감은철선을삽입하기도하였으나, 본연구의주관연구기관인한신보일러( 주) 에 서는원관의외부를눌러서관내부에나선형의돌기를갖도륵특수하게가공만나 선관을연관식보일러의전열관으로사용하고있다. 그러나한신보일러( 주) 도나선관제작기술을일본의기술제휴선에서도입하였지만 나선관의전열특성에관한정확한자료를갖고있지알다. 그등안의경험에의해서 이전열관을이용한연관식보일러설계를실시하고있다. 따라서이나선관의전열 특성을보일러열설계프로그램에적용하여효과적인열설계를실시하는것이필요 하다. 따라서연소계산, 연소실열계산, 가스복사부열계산, 대류부열계산, 물성치계산등 을포함하는보일러열설계프로그램을개발하여지원할필요가있다. 제 2 절기술지원목표 1. 보일러설계기술이전 보일러의설계는연료의연소계산을비롯하여연소가스의물성치계산, 화염복사 열전달, 가스복사열전달, 대류열전달등에관련된광범위한지식을필요로한다. 보일러를정확하게열설계하기위해서는여러가지연소조건에대한정확한연소계 산뿐아니라공기와연소가스의물성치( 점도, 비열, 밀도, 열전도도등) 도정확히 계산할수있는기술이필요하다. - 5 -
또한여러가지연소조건에따른연소실에서의화염의복사계수와복사전열량대류 부에서의전열계수와전열량을계산도정확히계산할수있어야만함. 이러한제계 산에관련된수식과도표는매우다양하고복잡하기때문에보일러설계자가일련의 설계과정을정확하게수행하기위해서는전문적인훈련을통하여숙련되어야한다. 따라서지원기관인한국에너지기술연구원에서보일러설계를위하여 20여년동안 사용해오고있는설계기술을지원기업인한신보일러( 주) 에이론및실무교육을통 해이전함으로서한신보일러( 주) 의설계엔지니어가독자적으로보일러의열설계를 수행할수있도록지원하고자한다. 2. 보일러열설계프로그램개발및지원 보일러를정확하게열설계하는것은, 복잡한수식으로되어있는물성치나전열계 산에대한정확한계산을수행하여야만하고, 그계산을무수히반복계산을하여야 하기때문에많은인력과시간( 약 1 주일이상소요됨) 이소요된다. 따라서열설계를 정확히하려면컴퓨터를이용할수밖에없기때문에컴퓨터를이용한열설계기술 은보일러산업의핵심기술이라할수있다. 지원기관인한국에너지기술연구원은 1980년대중반부터 Fortran 언어로된보일러 열설계프로그램을개발하여공급하였으며 1990년대에는 Lotus 1-2-3를이용한 보일러열설계프로그램을개발하여보일러업체에제공하고있다. 이열설계프로 그램은이미그사용의편의성이나신뢰성이국내에서입증되었다. 그러나 2000년 대에는 Fortran 언어와 Lotus 1-2-3 가산업체에서거의사용되지않고있다. 또한, 각보일러제작회사마다구조적인특성을가지고있고, 전열관의배치나구성이상 이하다. 특히지원기업인한신보일러( 주) 는특유의나선관 (Spiral Tube) 을자체생 산하여보일러를제작하고있다. 각사의이러란특성들을열설계프로그램에반영 하여야만신뢰성이보증될수가있다. 보일러의열설계에사용되는수많은수식을 Microsoft사의 Excel을이용하여처리 하고. 복잡한반복계산을 Visual Basic Application를이용하여처리하는 Excel 열 설계프로그램을개발하여지원기업에제공하고자한다. - 6 -
또한이열설계프로그램의사용법을교육을통하여이전기업이프로그램을사용하 는데에어려움이없도록하고자한다. 이열설계프로그램을사용하여새로제작 하는보일러를설계한다면설계시간을 1/10 되어기업경쟁력의제고를기대할수있다. 이하로단축시킬수있어생산성향상 따라서연소계산. 연소실열계산, 가스복사부열계산, 대류부열계산, 물성치계산등 을포함하는보일러열설계프로그램을 Excel과 VBA(Yisual Basic Application) 를 이용하여개발하여지원기업을지원한다. 제 3 절기술지원내용 1. 보일러열설계기술지원교재작성및제공 보일러열설계기술지원을위하여별첨의 보일러설계기술및열설계프로그램 의 교재(328 쪽) 를작성하여제공하였다. 이교재의주요내용은다음과같다. 1 연로및연소 2 보일러열정산 3 전열계산 4 보일러각부분의열설계 5 보일러열설계의기본공식 6 열설계 Chart 이용법 ( 열설계프로그램매뉴얼) 7 노통연관식보일러의열설계예 3 절탄기의열설계예 9 각종설계자료 2. 기술지원교육 보일러열설계기술지원교재의내용을이전기업에교육하였다. 이교육의주요내 용은보일러열설계시에필요한연소계산, 물성치계산, 연소실열계산, 가스복사부 열계산, 대류부열계산등에관한이론및실무교육으로구성하였다. - 7 -
3. 보일러설계프로그램작성및지원 보일러의열설계를단시간에정확하게실시할수있는보일러열설계( 폐열보일러 포함) 를 Excel과 VBA(Visual Basic Application) 를이용하여개발하여지원기업을 지원하였다. 이프로그램은연소계산, 연소실열계산, 가스복사부열계산, 대류부열 계산, 물성치계산등을포함하고있으며다음기기의설계에활용할수있다. 1 노통연관식보일러열설계프로그램 2 연관식보일러열설계프로그램 3 공기예열기열설계프로그램 4 절탄기열설계프로그램 5 폐열보일러열설계프로그램 - 8 -
제 2 장본론 제 1 절기술지원성과 1. 기술지원교재작성및교육 가. 기술지원교재작성 보일러설계기술지원을위하여기술지원기관인한국에너지기술연구원에서보일러 설계에사용하고있는기술자료, 관련자료, 설계계산실례등을모아서교육용교재 (328 쪽) 를작성하였다. 당초의계획대로기술이전을위한교재를작성하여기술지원기업인한신보일러( 주) 에제공하였다. 이자료들은보일러를생산하는보일러업체에매우유용한자료로 서매우효과적이었다. 나. 기술이전교육보일러설계기술지원을위하여작성한교육교재를사용하여기술이전기업의설계엔지니어들을대상으로장기간에걸쳐이전교육을실시하였다. 이교육은설계에관련된체계적인교육으로서매우효과적이었다. 그동안경험적으로설계하던보일러를수식을사용하여정확하게설계하는구체적인방법과실제설계계산실습등을통하여독자적으로보일러를설계할수있는능력을확보하였다. 2. 보일러열설계프로그램작성및지원 보일러의열설계를단시간에정확하게실시할수있는보일러열설계( 폐열보일러 포함) 를 Excel과 VBA(Visual Basic Application) 를이용하여개발하여지원기업을 지원하였다. 이프로그램은연소계산, 연소실열계산, 가스복사부열계산, 대류부열 계산, 물성치계산등을포함하고있으며다음기기의열설계를할수있는프로그 램을제공하였다. - 9 -
1 연관식보일러열설계프로그램 2 공기예열기열설계프로그램 3 절탄기열설계프로그램 4 폐열보일러열설계프로그램이프로그램을이용한다면보일러열설계를위하여소요되는시간을 1/10 이하로 줄일수있고, 정확한계산이가능하기때문에이전기업에작업능률을크게향상하 였다. 제 2 절기술지원내용 1. 기술지원교재작성및교육 보일러선계기술지원을위하여기술지원기관인한국에너지기술연구원에서보일러 설계에사용하고있는기술자료, 관련자료, 설계계산실례등을모아서교육용교재 를작성하였다. 이교재는 328 쪽으로구성되어있다. 보일러설계기술지원을위하여작성한교육교재를사용하여기술이전기업의설 계엔지니어들을대상으로장기간에걸쳐이전교육을실시하였다. 이보일러열설계기술지원교재및교육내용을요약하여정리한다. 가. 연소계산 - 10 -
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원소분석치 : c, h, s, o, n, w (kg) - 12 -
연소계산을정리하면 < 표 1> 과같이된다. < 표 1> 액체연료및고체연료의연소표 - 13 -
나. 물성치계산 보일러의열설계에필요한물성치는연소가스의비열, 열전도도, 점도등이다. 열계 산에서는가스의조성과온도에따라서여러가지물성치( 비열, 점도, 열전도도등 등) 들이크게변화하기때문에, 레이놀드수. 프란틀수및뉴셀트수가크게변화하게 된다. 따라서가스조성과온도에따른물성치를정확히계산하는것은모든전열계 산의기초자료가된다. 보일러에유입되는가스는 CO 2, H 2 O, SO 2, O 2, N 2, Ar 등의성분으로구성되는혼 합가스이다. 실제로는이치에도 CO, NOx 등의가스성분이함유될수있으나, 대부 분의경우에물성치에큰영향을미치지않을만큼미소량이함유되기때문에물성 치계산시는이미소성분들을무시하여도문제될것이없다. 1) 단일가스의물성치계산 임의의온도 과같이계산할수있다. t 에서혼합가스에포함된각각의가스성분및공기의물성치는다음 여기서, : 가스의비열 (kcal/kg ㆍ ) : 가스의열전도도 (kcal/mㆍh ㆍ ) : 가스의점도 (kg/mㆍs) : 가스의온도 ( ) 상기식의각계수 a 0 ~a 4, b 0 ~b 4, c 0 ~c 4 는 < 표 2> 에나타낸다. - 14 -
< 표 2> 물성치계산을위한계수 - 15 -
대부분의전열계산의경우에저온 t 1 에서고온 t 2 의온도범위에서의평균물성치를알아야만한다. 이평균물성치는전술한식을적분하여다음과같이구할수있다. 여기서, : 온도 0~t 사이의평균 : 온도 t1~t2 사이의평균 2) 혼합가스의물성치계산폐열보일러에유입되는가스는대부분이여러종류의가스들로구성된혼합가스이다. 이혼합가스의물성치를위한몇가지공식들이제안되어있으나이중에서사용하기에가장편리하고오차도크지않은다음식을사용한다. - 16 -
여기서, : 혼합가스의 : 가스성분 i의 : 가스성분 i의질량및제적분율 : 가스성분 i의분자량 다. 화염공간의열설계화염에서수냉벽으로전달된열량을다음식으로계산한다. 여기서, : 총괄복사율 (A W 기준 ) : 총괄복사율 (A F 기준 ) : 화염및고체면의면적 (m 2 ) : 화염및고체면의절대온도 ( K) - 17 -
여기서, : : 화염의방출율 흡수계수 : 화염의유효층두께 (Beam length) 여기서, : 화염의유효층두께 (m) : 연소실체적 (m 3 ) : 화염의표면적 (m 2 ) : 연소실벽면의투영면적 (m 2 ) 여기서, : 화염의충만도 : 연소실열부하 (kcal/m3ㆍh) - 18 -
라. 가스공간의열설계 복사전열량은가스분자종류에따라서변하므로, 가스에의한복사는성분원소의 분압, 가스층의두께, 온도의함수로취급한다. 가스와고체벽면( 전열면) 사이의복 사전열량을전열공식은일반적인다음식을사용하였다. 여기서, : 스테판- 볼츠만상수 (=4.88 kcal/m 2 ㆍhㆍK 4 ) : 총괄가스복사율 : TG 에서의가스방출율 : TW 에서의가스흡수을 : 전열면의방출율( 흡수율) : 전열면의유효면적율 : 전열면의면적 (m 2 ) : 가스온도 (K) : 전열면의온도 (K) 일반적으로, 연소가스의방출율및흡수율은 CO 2 와 H 2 O에대한각각의방출율과흡수율및이들가스의상호작용에의한영향을고려하여다음과같이구할수있다. - 19 -
1) 방출율 2) 흡수율 여기서, : 가스의방출율및흡수율 : CO 2 및 H 2 O의방출율 : CO 2 및 H 2 O의흡수율 : 온도 t w 에서의및 : 전압 (kcal/cm 2 ) : CO 2 및 H2O 의분압 (kcal/cm 2 ) : CO 2 및 H2O 의방출율( 흡수율) 의보정계수 : 가스의유효층두께 (m) : 가스및벽표면온도 ( ) - 20 -
3) 가스층두께 여기서 : 가스층두께 (m) : 가스공간의체적 (m 3 ) : 가스공간의표면적 (m 2 ) : 상수 마. 대류부 ( 전열관 ) 의열설계대류전열부인연관부의열설계및절탄기와공기예열기의설계에사용하는기본식은다음과같다. 여기서, : 대류전열량 (kcal/h) : 총괄전열계수( Ao 기준, kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) : 총괄전열계수( Ai 기준, kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) : 외부및내부전열면적 (m 2 ) : 대수평균온도차(LMTD) 총괄전열계수는다음과같이구할수있다. - 21 -
여기서, : 총괄전열계수 (Ao 기준, kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) : 총괄전열계수 (Ai 기준, kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) : 외부및내부경막전열계수 (kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) : 외부및내부오염저항계수 (m 2 ㆍh ㆍ /kcal) : 외부, 내부및평균전열면적 (m 2 ) : 금속벽의두께 (m) : 금속벽의열전도도(kcal/mㆍh ㆍ ) 복사전열계수를대류전열계수에상당하는양으로환산하여가스측의전체전열계수 를구하고, 그이후는일반적대류전열계산방법에따른다. 가스측의전열계산은복 사와대류열전달을동시에고려하기위하여다음과같이정리하여사용한다. 여기서, : 대류, 복사, 전체전열량 (kcal/h) : 가스측의대류, 복사, 전체전열계수 (kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) - 22 -
: 대수평균온도차 ( ) : 보일러수의온도 ( ) 관내부경막전열계수는그래프에서구한 J H 를이용하여다음과같이구한다. 직교류에대하여경막전열계수를구하면 여기에서 fe f N f A : : : 배열계수 관의열수에따른보정계수 흐름의각도에따른보정계수 바. 나선관의특성 1) 스파이럴관의형상과특징 기술지원기업인한신보일러( 주) 이일본의히라가와사와기술제휴로생산하고있는 나선관의사진과도면표시법으로표시한그림을각각 [ 그림 1] 과 [ 그림 2] 에도시 한다. [ 그림 1] 나선관의사진 - 23 -
P : 나선피치(pitch) Do : 나선관외경 Di : 나선관의내경 D 2 : 나선관의최소경 [ 그림 2] 나선관의피치직경 [ 그림 3] 에일반강관과나선관의열전달율( 또는전열계수) 을나타낸다. 나선관의일 반적인열전달율은일반강관( 그림상의 16) 에비해서 [ 그림 3] 과같이약 2배정도 항상되는것으로알려져있다. [ 그림 3] 나선관의열전달율 - 24 -
2) 일반유체에대한관내열전달율나선관의레이놀드수는나선내경을, 다음과같이정의한다. 관내열전달율은나선외부면적을기준으로하여 나선관의뉴셀트수는다음식으로계산한다. Re 5000 5000 Re 5000 Re 15000 여기서 Do : Di : 관외경 관내경 (m) (m) hi : 열전달율 (kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) k : 열전도율 (kcal/m 2 ㆍh ㆍ ) Nu : Nussult No. P : 나선관의나선Pitch (m) Pr : Re : V : ℇ 프란틀수 레이놀드수 속도 (m/s) : 나선관의홈깊이 (m) v : 동점성계수 (m 2 /s) - 25 -
3) 일반유체에대한관내압력손실나선관의압력손실및마찰계수는다음식으의계산한다. e 2.5mm e 2.5mm 여기서 ℇ Di : V : Re : : 나선관의홈깊이 (m) 관내경 속도 Re.const : (m) (m/s) 레이놀드수 g : 중력가속 (m/s 2 ) L : 전열관의길이 Re 50,000경우 Re.const = Re Re > 50,000경우 Re.const = 50,000 (m) P : 압력손실 (kg/m 2 ) γ : 비중량 (kg/m λ : 3 ) 나선관의마찰계수 - 26 -
바. 보일러열설계순서 일반적으로보일러를설계하는순서를 [ 그림 4] 에나타낸다. 보일러의구조를결정하고나서보일러의열설계를한다. 이보일러의열설계시에 는연소실의열설계, 가스공간의열설계, 대류부의열설계등을실시한다. [ 그림 4] 보일러설계순서도 - 27 -
연소실, 가스공간, 대류전열부의열설계를할때에각부의설계순서도를 [ 그림 5] ~ [ 그림 7] 에나타낸다. 이각부의설계시에는전술한많은수식및자료를이용 한다. [ 그림 5] 연소실의열설계순서도 - 28 -
[ 그림 6] 가스공간의열설계순서도 - 29 -
[ 그림 7] 대류전열부의열선계순서도 - 30 -
2. 보일러열설계프로그램작성및지원 보일러를정확하게열설계하는것은복잡한수식으로되어있는물성치나전열계산 에대한정확한계산을수행하여야만하고그계산을무수히반복계산을하여야하 기때문에많은인력과시간( 약 1 주일이상소요됨) 이소요된다. 따라서열설계를 정확히하려면컴퓨터를이용할수밖에없기때문에컴퓨터를이용한열설계기술 은보일러산업의핵심기술이라할수있다. 지원기관인한국에너지기술연구원은 1980년대중반부터 Fortran 언어로된보일러 열설계프로그램을개발하여공급하였으며, 1990년대에는 Lotus 1-2-3를이용한 보일러열설계프로그램을개발하여보일러업체에제공하고있다. 이열설계프로 그램은이미그사용의편의성이나신뢰성이극내에서입증되었다. 그러나 2000년 대에는 Fortran 언어와 Lotus 1-2-3 가산업체에서거의사용되지않고있다. 또한, 각보일러제작회사마다구조적인특성을가지고있고, 전열관의배치나구성이상 이하다. 특히지원기업인한신보일러( 주) 는특유의나선관 (Spiral Tube) 을자제생 산하여보일러를제작하고있다. 각사의이러한특성들을열설계프로그램에반영 하여야만신뢰성이보증될수가있다. 보일러의열설계에사용되는수많은수식을 Microsoft사의 Excel을이용하여처리 하고, 복잡한반복계산을 Visual Basic Application를이용하여처리하는 Excel 열 설계프로그램을개발하여지원기업에제공하고자한다. 또한이열설계프로그램 의사용법을교육을통하여이전기업이프로그램을사용하는데에어려움이없도록 하였다. 이열설계프로램을사용하여새로제작하는보일러를설계한다면설계시 간을 1/10 수있다. 이하로단축시킬수있어생산성향상되어기업경쟁력의제고를기대찰 가. 열설계프로그램의파일구성 연소계산, 연소실열계산, 가스복사부열계산, 대류전열부열계산, 물성치계산등을 포함하는보일러열설계프로그램을 Excel과 VBA(Visual Basic Application) 를이 용하여개발하여지원기업을지원하였다. - 31 -
따라서이보일러열설계프로그램을작동시키기위해서는컴퓨터에 MS사의 Excel 이설치되어있어야만한다. 만약 Excel이설치되어있지않은경우에는먼저컴퓨 터에 Excel을설치하여야한다또한컴퓨터의 OS는 Windows ME이후윈도우환경 에서사용할수있다. 보일러열설계프로그램은다음의 1 연관 _HSB.xls 2 VBA4FTB_HSB.xls 2 개의파일로구성되어있다. 연관_HSB.xls 파일은보일러열설계프칠그램의설계에필요한주된계산을포함 하며, 입출력에관련된대부분의사항을포함하는파일이고, VBA4FTB_HSB.xls 파일은 Macro 작업에관련된파일필서대부분의 Macro 프로그램을포함하고있다. 절탄기열설계프로그램은보일러열설계프로그램과유사하게다음의 로구성되어있다. 1 ECON_HSB.xls 2 VBA4Eco_HSB.xls 공기예열기열설계프로그램은열설계프로그램과유사하게다음의 구성되어있다. 1 AirPH_HSB.xIs 2 VBA4APH_HSB.xls 2개의파일 2개의파일로 나. 설계프로램의설치 1 C드라이버의 Program Files 폴더에 Blr_Xls 폴더를만든다. 2 보일러, 절탄기, 공기예열기의선계를위하여각각전술한 2개의파일을 Blr_Xls 폴더에복사한다. 다. 열설계프로그램의작동 열설계프로그램의작동을위해서는 Excel 이설치되어있어야한다. 이미 Excel이 설치되어있는경우에는다음의두방법으로설계프로그램을작동시킬수있다( 보 일러열설계프로그램의경우를예로서설명을한다 ). - 32 -
1 Excel을작동시키고 Excel 상에서 Blr_Xls 폴더에있는 연관_HSB.xls 파일 을불러오기한다. 2 윈도우탐색기에서 Blr_Xls 폴더에있는 ' 연관_HSB.xls' 파일을더블클릭 (double click) 한다. 전술한두방법중한방법으로프로그램을작동시키면 Excel 에서 연관 HSB.xls 파일을읽고, 이어서자동으로 VBA4FTB_HSB.xls' 파일을읽는다. 즉설계프로그램이정상으로작동하기위한기초작업으로 Excel 상에 연관 HSB.xls' 파일과 'VBA4FTB_HSB.xls' 파일이 Excel 상에읽히게된다. 설계프로그램의사용자가입력과출력은오직 연관_HSB.xls 파일에서만이루어진 다. VBA4FTB_HSB.xls 파일은사용자가직접다룰필요가없다. 설계계산과정에 서 BA4FTB_HSB.xls 파일이필요한경우즉 Macro 계산시에는 연관_HSB.xls 파일에서자동으로 VBA4FTB_HSB.xls 파일의내용을참조하여작업을한다. 이 VBA4FTB_HSB.xls 파일을참조는오직 Macro 버튼이크릭 (click) 되었을경우에만 발생하게된다. [ 그림 8] 보일러설계프로그램의주화면 - 33 -
[ 그림 8] 과 [ 그림 9] 에 연관_HSB.xls 파일과 'VBA4FTB_HSB.xls' 파일의주화면 을각각나타낸다 프로그램은 [ 그림 8] 에도시한주화면의 Macro 버튼을크릭함으로서각부의열설 계가진행된다. [ 그림 9] 보일러설계프로그램의주화면 라. 열설계프르그램의입력 1) 설계 -sheet 의구성 화면상에나타나는 연관_HSB.xls 파일은 21개의 sheet로구성되어있다앞부분 7 개의 sheet는설계계산을위한기초계산 sheet 이다. 특히 설계 -sheet 에는 [ 그림 I-5] 와같이 Macro 버튼만이놓여있다. 이설계-sheet에는 11개의 Macro버튼이 배치되어있고각버튼의기능은다음과같다. 1 배기온도입력 Macro버튼 이버튼을클릭하면설계하고자하는보일러의배기가스온도를입력하는대화상자 가나타난다. 이대화상자에배기가스온도를입력하면설계프로그램상의필요한위 치로배기가스온도가입력된다. - 34 -
2 효율계산 ' Macro버튼 1번 sheet~6번 sheet 의필요한입력을한후에 효율계산 Macro 버튼을클릭하면, 보일러의설계효율을나타내는대화상자가나타난다. 이설계효율이요구치보다낮 은경우에는배기가스온도를재입력하여다시계산한다. 3 이론화염온도 Macro버튼 7번 sheet와 8번 sheet 를입력하고 이론화염온도 Macro버튼을클릭하면이론화 염대화상자에이론단열화염온도가나타난다. 4 화염공간계산 Macro버튼 9번 sheet 를입력한후에 화염공간계산 Macro버튼을클릭하면화염공간열계산 결과가대화상자에나타난다. 5 가스공간계산 Macro버튼 10번 sheet ~ 13번 sheet 를입력한후에 가스공간계산 Macro버튼을클릭하면 가스공간의열계산결과요약이대화상자로나타난다. 6 1 차연관부계산 Macro버튼 14번 sheet ~ 17번 sheet 를 입력한후애 1 차연관부계산 Macro버튼을클릭하 면 1 차대류전열부의열계산결과요약이대화상자로나타난다. 7 2 차연관부계산 Macro버튼 18번 sheet ~ 21번 sheet 를 입력한후에 2 차연관부계산 Macro버튼을클릭하 면 2 차대류전열부의열계산결과요약이대화상자로나타난다. 8 설계결과요약 Macro버튼 이버튼을클릭하면설계결과를요약한대화상자가나타난다. 연소실, 가스공간, 대 류부등각부의흡수열량과출구가스온도가대화상자에나타난다. 9 풍압손실 Macro버튼 이버튼을클릭하면연소실, 가스공간. 대류부등각부의압력손실이계산되어보일 러에서의풍압손실이계산된다. - 35 -
10 인쇄 ' Macro버튼 이버튼을클릭하면프린트대화상자가나타나고, 이대화상자는 1번 sheet ~ 21 번 sheet을선택할수있도록 check box 로구성되어있다. 선택된 sheet들을프린 트하는데사용한다. 11 폐열보일러의입력과선택 Macro버튼 이버튼을클릭하면폐열보일러대화상자가나타나고, 이대화상자안에폐열보일러 를설계할것인지일반노통연관식보일러를설계할것인가를선택한다. 또, 폐열보 일러를선택하는경우에는폐열보일러입구가스온도및가스유량을입력하는입력 상자가이대화상자에포함되어있다. 폐열보일러를설계시는이대화상자에서입 력한값들이 폐열보일러의입력과선택 Macro버튼좌측의 cell 에입력된다. 2) 열설계프로그램의입력 설계프로그램상의입력사항은 [ 그림 10] 과같이 work sheet의 cell색상을분홍으로 표시하여쉽게구분하였고, Macro 계산 cell 은녹색으로표시하였다. [ 그림 10] 계산 sheet 의 cell 색상 열설계프로그램에관련된수식들과프로그램의입력에필요한표, Chart들을정리 하여 < 부록 - 1> 에수록하였다. - 36 -
3. 시제품보일러의설계ㆍ제작및시험 가. 시제품보일러의설계및제작 보일러설계프로그램의정확도를파악하기위하여시제품보일러를설계제작하였 다. 시제품보일러의설계는기술지원기관인한국에너지기술연구원의기술지원하 에기술지원기업인한신보일러( 주) 가담당하였고, 제작은전적으로한신보일러( 주) 가담당하였다. 시제품보일러의주요제원은 < 표 3> 과같다. < 표 3> 시제품보일러본체의주요제원 항 목 단위 제 원 증발용량 kg/h 3,000 동 체 내경 mm 1,640 길이 mm 2,680 직 경 mm 670 연소실 길이 mm 2,665 전열면적 m 2 5.61 출구가스온도 1,134 외경 두께 mm 50.8 2.9 수 량 ea 58 1차연관 길 이 mm 2,685 전열면적 m 2 22 출구가스온도 280 이시제품보일러를설계하기위하여사용한보일러열설계프로그램의주요계산 sheet 를 < 표 4> ~ < 표 11> 에나타낸다. - 37 -
< 표 4> 설계 sheet - 1 ( 보일러설계기본사항 ) 1. BOILER DESIGN BASES - 38 -
< 표 5> 설계 sheet - 2 ( 보일러시스템구성 ) 2. 보일러 SYSTEM 구성 ( 이 Sheet 는정확한조건을정하기전에대략적인입출구조건을결정하는데에사용 ) - 39 -
< 표 6> 설계 sheet - 3 ( 보일러시스템구성 ) 3. 연소계산 - 40 -
< 표 7> 설계 sheet - 6 ( 열손실및열효율 ) 6. 열손실및열효율 - 41 -
< 표 8> 설계 sheet - 9 ( 화염공간출구가스온도 ) 9. 화염공간출구가스온도 - 42 -
< 표 9> 설계 sheet - 12 ( 가스의방출율및흡수율 ) 12. 가스의방출율및흡수율 - 43 -
< 표 10> 설계 sheet - 13 ( 가스공간의출구온도 ) 13. 가스공간출구온도 이열설계한결과를이용하여설계한보일러본제의도면을 [ 그림 11] 에도시하고. 그조립도를 [ 그림 12] 에나타낸다. 이시제품보일러에장착한절탄기와공기예열기의도면을각각 [ 그림 13] 과[ 그림 14] 에나타낸다. 이공기예열기는히트파이프형이며, 절탄기는 shell & tube 형이다. - 44 -
< 표 11> 설계 sheet - 17 ( 대류부의출구가스온도 ) 17.1 차대류부의출구가스온도 - 45 -
[ 그림 11] 시제품보일러본체도면 - 46 -
[ 그림 12] 시제품보일러의조립도 - 47 -
[ 그림 13] 공기예열기 - 48 -
[ 그림 14] 절탄기 - 49 -
나. 시제품보일러제작및시험 [ 그림 11] 과 [ 그림 12] 의시제품보일러를설치하고촬영한사진을 [ 그림 15] 에 도시한다. [ 그림 15] 시제품보일러사진 시제품보일러를기술지원기업인한신보일러( 주) 의남동공장에설치하였고, 시험은 보일러성능시험법인 KS B 6205 에준하여실시하였다. 시험은기술지원기업과기 술지원기관이공동으로실시하였다. < 표 12> 에서알수있는바와같이시제품보일러의설계용량 3 ton/h의포화증 기를얻을수있었으며, 이경우에진발열량기준보일러열효율은 94.4% 로매우 양호하였다. 시제품보일러를정격용량으로운전하였을경우의각부의온도측정치와설계치의 비교한결과를 < 표 13> 에나타낸다 - 50 -
< 표 12> 시제품보일러의시험결과 시 험 항 목 단 위 측 정 치 증 발 량 kg/h 3,055 발생증기의압력 kg/cm 2 5.0 보일러입구급수온도 14.0 보일러시험부하율 % 101.8 O 2 % 2.8 배기가스 CO 2 % 10.4 CO ppm 13 온도 95.1 소음 db 82 열효율 ( 진발열량기준) % 94.4 < 표 13> 보일러각부온도의측정치와설계치의비교 항 목 단 위 측 정 치 설 계 치 공기예열기입구가스온도 275.4 280.7 절탄기입구가스온도 195.3 200.4 보일러최종배기가스온도 95.1 100 보일러의각부위에서측정한온도는설계치와약 5 의편차가있었다. 배기가스 온도 5 의편차를보일러의열효율로환산하면, 0.2~0.25% 에불과하기때문에설 계치와측정치가잘일치하였다고평가할수있다. - 51 -
제 3 장결론 보일러를정확하게열설계하기위해서는여러가지연소조건에대한정확한연소계 산뿐아니라공기와연소가스의물성치( 점도, 비열, 밀도, 열전도도등) 도정확히 계산할수있는기술이필요하다. 화염의복사계수와복사전열량, 계산할수있어야만한다. 또한여러가지연소조건에따른연소실에서의 대류부에서의진열계수와전열량의계산도정확히 이러한계산들은관련된수식과도표는매우다양하고 복잡하기때문에보일러설계자가일련의설계과정을정확하게수행하기위해서는 전문적인훈련을통하여숙련되어야하기때문에기술이전교육을실시하였다. 보일러의열설계를단시간에정확하게실시할수있는보일러열설계( 폐열보일러 포함) 를 Excel과 VBA(Visual Basic Application) 를이용하여개발하여지원기업을 지원하였다. 이프로그램은연소계산, 연소실열계산, 가스복사부열계산, 대류부열 계산, 물성치계산등을포함하고있으며다음기기의설계에활용할수있다. 1 노통연관식보일러열설계프로그램 2 연관식보일러열설계프로그램 3 공기예열기열설계프로그램 4 절탄기열설계프로그램 5 폐열보일러열설계프로그램 시제품보일러를기술지원기업인한신보일러( 주) 의남동공장에설치하였고, 시험은 보일러성능시험법인 KS B 6205 에준하여실시하였다. 시험은기술지원기업과기 술지원기관이공등으로실시하였다. 시제품보일러의설계용량 3 ton/h 의포화증기를얻을수있었으며. 이경우에진 발열량기준보일러열효율은 94.4% 로매우양호하였다. 보일러의각부위에서측정한온도는설계치와약 5 의편차가있었다. 배기가스 온도 5 의편차를보일러의열효율로환산하면, 0.2-0.25% 에불과하기때문에설 계치과측정치가잘일치하였다고평가할수있다. - 52 -
이열설계프로그램을사용함으로서열설계를정확하게실시할수있게되었으며보일러의열설계시간을 1/10 이하로단축시킬수있어생산성이크게향상되어기업의경쟁력이크게제고되었다. - 53 -