보일러 열정산 실험

목차

1. 실험목적

2. 기초이론

3. 실험장치

4. 실험방법

5. 결과

6. 고 찰

7. 실험상의 문제점 및 개선 방안

8. 보일러의 효율 상향방안

본문내용

러의 가격(Cost)이 상승하게 된다.
<그림1> 연소실내의 온도분포 예
<그림2> 연소가스유속과 전열계수의 관계
(2) 전열계수 h를 증가시키는 경우
전열계수 h를 증가시키기 위한 방안으로서는 다음과 같은 방법이 있다.
① 수관(水管)을 증가시킨다.
일반적으로 연소가스의 흐름상에 일종의 관체형(罐體型)인 동판벽(銅板壁)을 설치한 경우 보다는 수관(水管)의 형식을 취하는 경우에는 관체형(罐體型)인 동판의 전열계수 h보다 수관의 전열계수 h가 상당히 큰 값을 가지고 있으므로, 수관의 단위면적은 동일 온도차 [(Δt)1·m]의 동판단위면적보다도 다량의 열을 전달시킬 수 있다.
② 연소가스를 관체형(管體型)에 각도를 유지시켜 접촉하도록 한다.
전열계수 h의 값은, 예를 들면 [그림1]에서 보는 바와 같이 연소가스 흐름상에 평행한 벽면(상부 의 관체 및 연소실부분)과 전열면이 기울어진 부분 및 연소가스가 각도를 유 지하여 접촉하고 있는 벽면([그림1]의 3'부분)의 순으로 증가하게 되므로, 관체벽(罐體 壁)에 가능한 한 직각에 가까운 각도를 유지시켜 버너의 화염이 접촉하도록 설계할 경우 에는 재료를 증대시키지 않고도 전열계수 h를 상승시킬 수 있다.
③ 수관(水管)을 밀집시켜 사용한다.
수관을 지그재그(zig-zag)로 밀집시켜 사용하게 되면 단일관을 사용하는 경우보다도 전 열계수 h 가 증가하게 된다. 또 수관부분에서 유로(流路)가 줄어들기 때문에 가장 협소 한 관부분에서 연소 가스의 유속이 최대가 되기 때문에 전열계수 h가 커지게 되며, 참고 로 전열계수 h와 연소가스유속 u 의 관계를 도시하면 [그림2]과 같다.
④ 가는 수관(水管)을 사용한다.
전열계수 h는 가는 수관을 사용하는 경우에 커지게 되며, 전열계수 h와 수관의 직경과의 관계를 [그림3]에 도시하였다.
⑤ 연소가스의 유속을 빠르게 하고 반드시 난류상태로 전열관을 통과시킨다.
<그림3>수관직경과 전열계수의 관계
<그림4>레이놀즈수와 전열계수의 관계
[그림2]에서와 같이 연소가스의 유속이 증가함에 따라서 전열계수 h는 커지게 되며, 또 [그림3]에서와 같이 레이놀즈수가 2,100부근보다 커지게 되면 연소가스는 층류로부터 난 류로 이행하고, 또 그점에 있어서의 전열계수 h는 급격히 증가하게 된다. 일반적으로 가 스를 연료로 사용하는 대부분의 보일러에서는 연소가스의 흐름이 난류상태이나, 연소가스 의 주흐름(Main Flow) 영역을 벗어난 부분은 연소가스의 유속이 늦어져 층류상태가 될 가능성이 있으므로 전열계수 h는 저하하게 되는 경우가 있다.
(3) 온도차 (Δt)1·m
대수평균온도차는 근사적으로 연소가스온도 tg와 수온 tw의 차로 나타낼 수 있다. 즉,
따라서, 온도차를 크게 위하기 위해서는 동판에 접촉하는 연소가스온도 tg를 높게 하든지 또는 수온 tw를 낮추면 된다.
연소가스온도 tg를 높게 취하기 위해서는 보다 더 고온인 연소가스에 접촉하도록 설계하 든지 또는 수관을 연소가스 흐름상의 중심부에 위치하도록 설계한다.
수온 tw를 낮게 취하기 위해서는 수관을 세로방향이 되도록 사용하면 낮은 부분으로부터 차가운 물이 흡입되어지므로 자연대류가 용이해지게 되며, 또 가능한 한 수관내의 물을 강제대류시키게 된다.
다음에 복사전열에 의해 전달되는 열량은 일반적으로 다음과 같은 식으로 표시되어지며, 고온의 화염이나 연소가스로부터 전달되는 것이 압도적으로 많다.
여기서,
hr : 복사전열계수(kcal/㎡·h·℃)
q : 전열량(kcal/h)
tg : 연소가스온도(℃)
tw : 동판의 온도(℃)
따라서, 버너주변이나 고온의 연소가스가 통하는 연소실을 전열면으로 둘러싸서 화염이나 연소가스로부터의 복사열이 외부로 빠져나가지 못하도록 설계하는 것은 보일러의 효율을 증대시키는 이상으로 불가피한 것이나, 근래에 생산되고 있는 보일러의 경우는 우수한 단 열재로서 버너와 연소실주위를 둘러싸고 있으므로, 이 점은 거의 문제시되지 않는다고 말 할 수 있다.
그러나, 보일러의 효율을 향상시키기 위한 방안에 있어서 가장 큰 문제가 되는 것은 보일 러의 효율을 증대시킴에 따라서 폐기가스중의 일산화탄소(CO) 함유량이 증가하게 되며, 이러한 현상은 수관이 밀집되도록 사용함으로서 관체(罐體)를 흐르는 연소가스의 마찰저 항 및 와류저항(渦流抵抗)이 커지게 되어 배기가스가 흐르는 유로(流路)상이 막히는 경향 이 나타나 2차공기의 흡입을 나쁘게 할 뿐만 아니라 버너의 화염이 길어지게 되고, 도 이 러한 화염이 선단에 위치하고 있는 차가운 수관부위와 접촉하게 되어 불완전 연소를 일으 키게 된다.
이 때, 버너의 화염이 차가운 수관부위와 접촉되지 않도록 연소실의 공간을 넓게 설계하 여 일산화탄소(CO) 발생량이 증가하지 않도록 설계하는 데에는 어느 정도 한도가 있으며, 배기가스온도와 효율의 관계를 보면 배기가스온도가 10℃ 저하함에 따라서 효율은 약 1% 상승하는 반면에, 일산화탄소(CO)의 발생량은 증가하게 된다. 또한 완전연소를 위하 여 연소실의 공간을 넓히는 것은 앞에 기술한 식으로부터 연소가스온도와 수온의 온도차 Δt가 감소하게 되므로, 효율을 상승시키기 위한 방안으로서는 바람직하지 않다고 말할 수 있다.
또한, 보일러의 효율을 증대시키기 위한 방안의 하나로서 배기가스온도를 저하시키는 방 법을 취하는 경우에는 배기가스온도가 저하됨에 따라서 연소생성수(Drain)의 량이 증가하 게 되어 부식의 원인이 되므로, 연소생성수가 버너부위에 접촉되지 않도록 배출시키는 대 책이 필요하게 된다.
이와 같이, 연소시에 생성하는 응축수는 대부분의 경우 미산성(微酸性)으로서 부식성이 강하여 보일러의 연소실이나 열교환기 및 버너 등에 사용되어지는 금속재료를 부식시킬 뿐만 아니라, 이러한 응축수가 버너에 직접 닿게 되면 버너부식이 촉진하게 되어 보일러 의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 여러 가지 위험한 장해를 일으키는 주원인이 된다. 더군 다나 시간이 경과할수록 다량의 산화물이 누적하게 되어 부식은 급속적으로 증가하게 되 고, 또 황산동이나 환산철 등이 석출하게 되어 버너의 염공이나 배기구 등을 막히게 할 뿐만 아니라 불완전연소의 주원인이 되므로 바람직하지 못하다.

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