순환유동층내 유동층 열교환기에서의 기포특성

안정렬, 김성원, 김상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지 환경 연구센터

Bubble characteristics in a fluidized bed heat exchanger

of a circulating fluidized bed

J. Y. Ahn,  S. W. Kim and S. D. Kim

Department of Chemical Engineering and Energy & Environment

Research Center, KAIST, Taejon 305-701, Korea

서 론

유동층열교환기 (fluidized bed heat exchanger ; FBHE) 는 유동층의 온도 균일성과 높은 열전달 특성을 이용하는 것으로, 순환유동층 내 유동층 열교환기는 고온의 재순환물질로부터 열을 회수함으로써 연소로 내부의 온도제어 및 총괄열회수율의 향상을 위하여 사용되고 있다. FBHE 조업은 사이클론에서부터 연소로로의 흐름 중 일부를 FBHE 로 흐르게 함으로써 이루어지는데, 열교환기의 흡수능력은 이곳을 통과하는 고체의 흐름속도와  열교환기내의 열교환물질의 순환속도에 의존한다. 또한, 유동층에서 열교환장치의 전열면적 크기와 그 위치는 열효율과 output 등 조업에 많은 영향을 미친다 [1].

유동층에서 중요한 현상중의 하나는 기포의 발생인데, 기-고 유동층에서 기포의 현상과 효과를 이해하는 것은 유동층 조업 및 수력학적 특성을 이해하는데 중요한 열쇠가 된다. 유동층에서의 수력학은 고체나 기체의 혼합이나, immersed surface 에서의 열전달, 입자의 elutriation 등의 bed 특성에 영향을 미친다. 특히 bubbling regime 에서 조작되는 bed 의 수력학은 기포 크기, passing motion 등에 크게 의존한다. Tube bank 에서의 flow pattern 은 웨이크 (wake) 에 의한 혼합뿐만 아니라 tube bank 내에서의 흐름 특성에도 중요한 영향을 미친다. 또, 기체나 고체에 의한 열전달 현상이 열전달관 표면에서의 기포 움직임에 지대한 영향을 받으므로, 유동층 열교환기내의 기포특성을 연구함으로서 열전달면 근처에서의 기포나 고체 입자의 움직임을 관찰할 수 있는 자료가 된다. 유동층열교환기에서의 기포의 특성은 고체 및 가스의 혼합이나 전열관에서의 열전달 특성을 이해하는 데 중요한 자료이지만 internal 이 존재하는 경우에 대한 연구결과는 상대적으로 적은 편이다. 여기에 대한 추가적인 연구가 계속 필요한 이유도, 실험데이터로부터 기포의 특성에 관한 좀더 정확한  정보가 있어야 최적 조업조건을 찾을 수 있기 때문이다.

따라서 본 연구에서는 유동층 열교환기내에서의 조업성능 예측을 위한 기포특성을 연구하고, 궁극적으로 열전달 현상의 이해를 도모하기 위하여 우선 삼각 배열의 전열관 (tube) 을 갖는 FBHE 에서의 기상유속과 측정높이에 따른 기포특성을 연구하였다.

실험장치 및 실험방법

본 연구에서 사용한 상온 순환유동층 열교환기의 개략도는 Fig. 1 (a) 와 같다. FBHE 는 직접적인 내부현상의 관찰을 위하여 아크릴로 제작되었고 0.34×0.50×0.64 m 이며, 그림에서 보듯이 staggered type 으로 제작하였다. 사용된 튜브는 외경이 1 inch 이다. 튜브의 배열은 정삼각형을 이루고 있으며, pitch 의 길이는 0.08 m 이다. 각 튜브는 장치에서 직접 삽입과 제거가 가능하도록 하였다. 높이별 기포의 특성을 측정할 수 있도록 한쪽 면에 다섯 개의 홀을 뚫었으며, 이를 통하여 optical probe 의 삽입이 가능하도록 하였다. 본 연구에 사용된 optical fiber probe 는 Fig. 1 (b) 와 같다.

한쌍의 optical fiber 로 입력되는 레이저광은 beam splitter 를 사용하여 light intensity 가 동일하게 각 fiber 로 입력되도록 하였으며, 입출력되는 빛의 강도를 비슷하게 하였다. 시그날의 강도는 입력되는 빛의 강도에 의존한다. 즉 probe tip 사이에 기포가 지나갈 경우에는 입력되는 빛의 강도가 커서 높은 voltage 의 전기 신호를 나타내고, emulsion phase 가 지나갈 경우에는 낮은 voltage 의 전기 신호를 나타내게 된다. 층을 통과하여 나머지 한쌍의 optical fiber 로 입력되는 빛은 증폭기를 통해 신호를 증폭시켰다. 각 실험마다 sampling interval 은 500 □ 가 되도록 조정하여 기포가 두 tip 사이를 지나가는 시간차를 충분히 확인할 수 있게 하였다. 초기에는 증폭된 신호들이 비슷한 값을 패턴을 보이는지 oscilloscope 를 사용하여 확인하였다. 증폭된 신호는 photo-transistor 를 통과하여 전기신호로 바뀌며, 이 analog 의 전기신호를 A/D converter 를 사용하여 digital 신호로 바꾼 다음 컴퓨터로 입력되도록 하였다.

이 실험에서는 absorption type 의 optical probe 를 사용하여 유속과 internal 의 영향에 따른 유동층 열교환기내의 기포 특성 (기포의 크기, 상승속도, 기포분율, 빈도수) 를 측정하고자 하였다. 실험에 사용된 입자는 silica sand 로 물성은 Table 1 에 나타내었다.

[ Table 1 ] Physical properties of silica sand

Average particle size	240 □
Apparent density	2582 kg/m3
Minimum fluidization velocity	0.048 m/s

결과 및 고찰

Fig. 2 는 유동층열교환기내에 주입되는 공기유속에 대한 측정된 기포의 크기의 변화에 대하여 나타내었다. 측정위치는 분산판으로부터 0.137 m, 0.205 m, 0.273 m, 0.340 m 에 위치하며, 이는 각각 튜브열 2단, 3단, 4단, 5단의 하부 위치로 tube 가 이루는 정삼각형의 중앙에 위치하도록 결정한 높이이다. 수평방향의 네 군데에서 실험을 수행하고, 이 값들의 평균하여 사용하였다. Fig. 2 (a) 에서 보듯이 측정된 기포의 크기는 공기의 주입량에 대하여 선형적으로 증가하였다.

Fig. 2 (b) 는 기포의 크기변화를 측정높이에 대하여 유속별로 나타낸 것이다. 분산판 위에서 형성된 기포들이 초기에는 주로 합체에 의하여 성장을 시작하지만, 일정높이 (본 실험에서는 4단 부근) 에 이르면 성장이 약간 둔화됨을 확인 할 수 있었다. 이는 내부에 internal 이 존재하지 않는 기포유동층에서 최대기포크기가 될 때까지 지속적으로 성장하는 것과는 달리, 기포의 합체와 분리현상이 tube 에 의한 영향을 받기 때문이며 본 실험에서 사용된 유속영역에서는 기포의 성장이 어느 정도 제약을 받는 것으로 판단된다. 즉, 유동층열교환기 내부에 존재하는 tube 에 의하여 기포성장의 정상상태에 빨리 도달하게 되는 것이다. 본 시스템의 경우 4단 (0.273 m) 이상에서의 기포의 합체와 분리가 평형을 이루어 감에 따라 기포의 성장이 조금씩 둔화되고 있는 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 3 은 기존에 발표되었던 기포크기의 예측식과 실험값을 도시한 것이다. Mean bubble chord length 를 equvalent bubble size 로 환산하여 그 값을 나타내어 보았다. 유속이 적을 때에는 비교적 근사한 값들을 가졌으나 유속이 증가하면 그 편차가 점점 커졌다. Yates (1990) 등이 제안한 식의 경우 기포가 존재하는 구간의 단면적까지 고려하여 좀더 정확한 예측을 하고자 하였으나, 이 식도 튜브간 평균거리보다 큰 기포의 크기까지는 예측하지 못하였다 [2].  이러한 편차는 일반적인 기포유동층과는 달리 유동층내에 internal 의 기하학적인 모양이나 수평간/수직간 거리에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라, 기포간 상호작용도 좀더 복잡하게 발생함으로써 그 예측이 어렵기 때문이다 [3].

Fig. 4 는 유속에 따른 기포의 빈도수와 분율을 측정높이에 따라 나타낸 것이다. 타연구자의 결과처럼 일반적으로 기포의 빈도수는 주입되는 공기의 양이 증가할수록 발생하는 기포의 수가 많아지기 때문에 증가하는 경향을 보인다. 높이에 따른 감소의 경향은 기포가 상승함에 따라 합체현상이 발생하기 때문이다. 기포의 분율도 빈도수처럼 유속과 비례관계를 보였다 [4]. 높이에 따른 기포분율의 변화는 높이에 따라 어떤 특정한 경향을 보이지 않았다 (Fig. 4 (b)).

이상의 실험결과로부터 유동층 열교환기 내에서 기포의 성장은 내부의 tube 에 의하여 성장의 한계가 빨리 와서, 열교환기 내의 기포의 균일한 분포가 용이함을 확인할 수 있었다. 또한 기포의 빈도수나 분율이 유속이 증가함에 따라 증가하나, 높이에 따른 일반적인 경향은 보이지 않음을 확인할 수 있었다.

참고 문헌

1. Basu, P. and Praiser S. A., In □Circulating fluidized bed boilers", Butterworth-Heinemann, (1991)

2. Yates, J. G., Ruiz-Martinez, R. S. and Cheesman, D. J., Chem. Eng. Sci., 45(4) 1105-1111 (1990)

3. Hull, A., S., Chen, Z., Fritz, J., W. and Agarwal, P., K., Powder Technol., 103, 230-242 (1999).

4. Glicksman, L., R., Lord, W., K. and Sakagam, M., Chem. Eng. Sci., 42(3) 479-491 (1987)