제출문 지식경제부장관귀하 본보고서를 세라믹판형열교환기설계방안도출을위한전산해석에관한기술 개발 개발기간 과제의 단계보고서로제출합니다 참여기관명 ː 국민대학교산학협력단 총괄책임자 ː신동훈참여연구원 ː최현수 ː조지훈 ː진경민 ː조환용 ː이석환 지식경제기술혁신사업공통운영요령제 조에따라보고서열람에동의합니다
단계보고서초록 과제번호 과제명세라믹판형열교환기설계방안도출을위한전산해석 키워드 세라믹열교환기 판형열교환기 컴팩트열교환기 구조및유동해석 열교환 기설계개발목표및내용 l l l l l l l l l l l l l l l l
목 차 제 장서론제 절개발기술의중요성및필요성제 절국내 외관련기술의현황제 절기술개발시예상되는기술적 경제적파급효과 제 장기술개발내용및방법제 절최종목표및평가방법제 절단계목표및평가방법제 절연차별개발내용및개발범위 제 장결과및향후계획제 절단계연구개발결과 단계연구개발추진일정 단계연구개발추진실적 각기관 기업별추진내역 기술개발결과의유형및무형성과전체를기재 제 절시장현황및사업화전망 당초기술개발시작시점의조사와변화된 것위주로기술 제 절차기단계계획 당초계획에서변경된차기계획중점기술제 절기업재무건전성현황 부 록
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l 번호 특허명 보유기관명 출원일 1 세라믹금속혼합열교환기 한국지질연구원 1990-06-29 2 세라믹전열관의교체가가능한세라믹관형열교환기와그 한국에너지기술연구원 1995-08-24 교체방법 3 세라믹관형열교환기 한국지질자원연구원 1988-12-08 l 1982-06-28 1996-03-06 1995-06-16 1995-04-14 1994-04-29 1990-11-16 1990-03-23 1987-05-05 1985-08-30 1982-05-18 1981-07-27 1980-05-28 1979-09-13
1977-12-06 1975-12-08 1975-05-09 1902-10-30 1905-05-13 2003-08-20 2000-09-27 1995-01-27 1993-06-22
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제 장기술개발내용및방법 제 절최종목표및평가방법 l 최종목표 세라믹판형열교환기의최적열응력및열교환기의최적설계방안 도출 l 평가방법 설계안의적합성평가 열전달율 이상 단면온도구배 이하달성 제 절단계목표및평가방법 구분 ( 연도 ) 세부연구목표 가중치 평가의착안점및기준 기존의열교환기및세라믹판형열교환기에적절한열교 20% 핀설계기술조사환기및핀조사보고서 전산해석코드를 이용한열유체및 30% 해석모델과결과의타당성및실용성 구조해석 온도에따라변화하는 1차년도열전달계수및 (07~08) 열팽창계수를고려한 20% 모델의타당성 해석도구개발 열응력을극소화하고열전달효율을극대화한열교환기및핀설계방안의도출 30% 설계방안의적절성 다양한형태의유로와핀의형상에대한 30% 평가결과의타당성 성능평가 세라믹판형열교환기를위한 최적설계방안 2차년도 30% 설계방안의적절성도출 ( 열교환기핀 (08~09) 단면온도구배 100 o C/Cm이하달성 ) 전산해석결과와 실험결과의비교를통한모델의검증및열교환기성능 40% 실험과해석결과의비교
예측기술개발 3차년도 (09~10) 최종평가 시제품모듈에서의열응력, 열전달율해석 ( 사고시물리적충격에대한시뮬레이션평가 ) 시제품모듈최적설계안도출 ( 전열량 0.9MW/m3급기본설계개발 ) 세람믹판형열교환기해석모델판형열교환기최적설계안모듈화최적설계안의타당성다양한분야에적용가능한상용화제품설계상용화제품설계프로그램개발 50% 해석모델의정확성 50% 설계안의타당성 20% 모델의신뢰도 30% 설계방안의타당성 20% 설계방안의타당성 20% 설계안의타당성 10% 설계프로그램의효율성과신뢰도
제 절연차별개발내용및개발범위 차년도 l l l l l l l l l l l l l l l l l
제 장결과및향후계획 제 절단계연구개발결과 그림 1 관형세라믹열교환기 [4] 그림 2 판형세라믹열교환기 [4]
그림 3 Schematic diagram of an externally fired combined cycle [1]
그림 4 Schematic diagram ofheat exchanger [2]
그림 5 Spring loaded sealing mechanism. [2]
그림 6 Sintered SiC process gas plate with full structure [1]
ln Pr P r P r P r exp exp m in
그림 8 설계프로그램인자변경및결과그래프
표 1 유량 0.189 kg/s 온도 1200 CO 2 14 vol.% 연소가스 (Methane) H 2 O 11 vol.% 조성 O 2 2 vol.% N 2 73 vol.% 합계 100 vol.% 유량 0.2 kg/s 공기 온도 400 열전도계수 170 W/mK 세라믹 최소허용두께 5 mm
그림 9 배기가스와공기유로의높이비율에따른압력손실과체적당열전달율의 변화
그림 10 휜의두께와유로의너비비율에따른압력손실과체적당열전달율의변화
유로의개수 그림 11 한층에들어가는유로의개수에따른압력손실과체적당열전달율의변화
유로층의개수 그림 12 유로층의개수에따른압력손실과체적당열전달율의변화
Plate 두께 그림 13 Plate 의두께에따른압력손실과체적당열전달율의변화
표 2 H g H a P 유로층두께 설계안 6 mm 6 mm 18 mm 8 EA 9 EA 5 mm 표 3 설계안에따른주요성능인자값 Gas Air 단위 입구압력 100 100 kpa 유량 0.02 0.02 kg/s 입구온도 1200 500 출구온도 958 813 입구속도 9.96 6.52 m/s 압력손실 0.034 0.073 kpa Re 471.2 547.21 Nu 4.55 4.78 h( 평균열전달계수 ) 36.53 43.4 W/m 2 k Δ ε
그림 14 세라믹열교환기모듈최종설계안도면
200 200 200 (mm) 모듈열유동 표 4 열유동전산해석개요 Module size 200 200 200 (mm) 사용코드 Fluent 6.2 난류모델 격자시스템 k-ɛ standard model 계산셀약 20 만셀 그림 15 전산해석영역의설정
그림 16 200 200 200 (mm) 모듈전산해석모델의계산셀구조
그림 17 유로내의압력손실
그림 18 공기의유로내온도변화 그림 19 배기가스의유로내온도변화 ε
그림 20 세라믹표면에서의온도변화 그림 21 세라믹단면에서의온도변화
표 5 설계프로그램과열유동전산해석결과의비교 Gas Air CFD 설계 CFD 설계 단위 Pressure drop 657 655 690 362 Pa T 165.6 111 170.5 150 참고문헌
(3) 실험장치용 100x100x100 모듈및이를이용한실험장치설계및운전 100x100x100 모듈설계 100x100x100 모듈에대하여 유량에따른압력변화
1600 1400 세라믹열교환기기동실험 1200 ) 1000 ªC µ( 800 µ 600 400 200 버너예열공기출구 (2) 예열공기입구세라믹블록 (2-3) 세라믹블록 (1-2) 연소가스출구예열공기출구 (1) 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 시간 (20 min)
이상의실험장치설계 제작및운전을통해다음과같은결론을얻었다 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 차년도최적설계프로그램을기반으로도면을설계하고파일롯트실험기기를제작 장기간실험결과세라믹코어의경우 이상의고온에서견딜수있다는사실을알수있었으나 버너와내화재 케이싱의마모가발생 성능평가실험을위해내화재와케이싱실링에각별히신경을쓸필요가있음실험기기의온도측정센서가장치내부에서이루어지는복사열전달의간섭에의한온도변화에자유로울수없다는점이한계로지적
실험장치의이론값과실험값의오차의원인분석
수직사각공간 에서 f or 이되고
제 절기업재무건전성현황 과제명 세라믹판형열교환기설계방안도출을위한전산해석 주관기관 한국과학기술연구원 항목해당사항기재 최근년도말부채비율 이상 이상 산식 부채총계 자기자본총계 최근년도말유동비율 산식 유동자산 유동부채 자본잠식여부 법정관리 화의기업여부 이자보상비율 산식 영업이익 이자비용 개년도계속적자기업 활용 판단기준 손익계산서상의당기순이익 손실 로서판단 계산결과 계산식및수치기재 계산결과 계산식및수치기재 계산결과 계산식및수치기재 년 년 년 수치기재 수치기재 수치기재 외부감사기업의경우최근년도감사의견이 한정 인경우 중소기업해당여부 상시근로자수가 천명이상인기업 자산총액이 천억원이상인법인또는그러한법인이기업발행주식총수의 이상을소유하고있는기업 상호출자제한기업집단에속하는회사 근로자수 명 기타특이사항 참여하는모든기업이각각작성할것
주 의 이보고서는지식경제부에서시행한지식경제기술혁신사업기술개발보고서이다 이기술개발내용을대외적으로발표할때에는반드시지식경제부에서시행한지식경제기술혁신사업의기술개발결과임을밝혀야한다