수치해석을 이용한 폐합성수지 열분해장치의 열교환기 개발 연구

Abstract

최근 불안정한 국제 유가의 변동과 지구온난화 방지를 위한 기후변화협약 체결 등의 국제정세로 인해 국제적으로 신재생에너지 확보 및 기술개발․보급에 많은 관심이 집중되고 있다. 국내의 경우 1차 에너지로 사용되고 있는 신재생에너지중에 폐기물을 이용한 폐자원의 자원화가 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 특히 폐합성수지의 열분해 기술이 가장 큰 잠재력을 가지고 있다. 본 연구에서는 폐합성수지 열분해 기술의 에너지효율을 증가시키기 위하여, 전산수치해석을 이용하여 효율적인 에너지전달을 위한 열교환기의 최적 설계 연구를 수행하였다. 폐합성수지 열분해장치의 기본 구성은 열교환실과 열분해실로 구성되어 있으며, 고온의 가스가 열교환기로 유입되어 열전달부를 통과하면서 열분해실로 에너지를 전달하는 방식이다. 여기서 주요 관건은 에너지를 운반하는 고온의 가스가 열전달부로 균일하게 통과하는 것이며, 이를 통해 열전달부에서 열분해실로 균일하게 에너지가 전달되도록 설계하는 것이다. 우선, 전산수치해석을 이용하여, 원안 모델의 유동해석을 수행하였고, 열교환기 내에서의 고온의 연소가스가 유동 분포가 불균일하게 나타나는 것을 확인하였다. 열교환기에서 열분해실로 균일한 에너지를 전달하기 위해서는 고온의 가스의 균일한 유량분배가 이루어져야하며, 이를 위해서 4가지의 새로운 대안 모델들을 선정하여 유량분배 성능을 해석하였다. 새로운 대안 모델들은 총 20개의 열전달부가 설치되어 있으며, 내부로 유입된 연소가스가 모두 열전달부를 통과하는 구조이다. 또한, 열전달부로 균일한 유량분배를 유도하기위하여 열교환실에 Mixing부를 설치하였고, Mixing의 형상 변수를 변경하며 유량분배 성능을 비교 분석하였다. 가장 이상적인 유량분배 성능은 20개의 열전달부로 각각 5%씩 고온의 가스가 유입되는 것이며, 5%를 기준으로 유량의 평균 편차와 표준 편차를 계산하여 유량분배 성능을 평가하였다. 또한, 열전달 해석을 수행하기에 앞서 간단한 테스트를 통해 DO모델을 복사모델로 선정하였으며, 유량분배 성능해석 결과를 바탕으로 원안 모델과 대안 모델의 열전달 해석을 수행하였다. 유량분배 성능 해석과 열전달 성능 해석을 결과를 비교하면, 유량분배 성능이 우수할수록 열전달 성능도 우수함을 알 수 있었다. 이러한 과정을 통하여, 열전달 성능이 우수한 모델을 찾았고, 유량분배 성능과 열전달 성능의 상관관계를 확인 할 수 있었다. 그럼으로, 폐합성수지 열분해장치의 열교환기로 유입된 에너지가 열분해실로 균일하게 전달되기 위해서는 고온의 가스가 열전달부로 균일하게 유입되도록 설계하는 것이 중요한 요소임을 확인하였다.