This paper describes a design study of heat exchanger assembly to be used for low NOx condensing gas boiler. In this study, specifications of each heat exchanger components(upper and lower fin-type HEX, coil-type HEX, baffle) were investigated experimently by using model apparatus and analytical model, and comprehensive performances of the pilot gas boiler were examined. As a result, the boiler efficiency for heating and hot-water reached 90% and 94%, respectively. NOx and CO emission are less than 50ppm and 200ppm (0$_2$0% basis), respectively, which are very improved results than those of conventional bunsen-type boiler. But it is considered that supplementary investigations necessary for CO emission improvement and optimum design with boiler capacity.
It was numerically studied that characteristics of fluid flow and heat transfer in a tube with disk and annular baffle for heat exchanger of condensing boiler. Using a finite volume technique and CFD code, STAR-CD, the governing equations were solved and the temperature and flow fields were investigated. The interval between tube and annular baffle, height and diameter of baffle were selected as important design parameters, and the effects of these parameters on heat transfer and fluid flow were studied. As a result, in the case of with interval, the pressure was decreased but heat transfer was increased. Also heat transfer was slowly increased as the size of disk and annular baffle were increased and the distance between baffles were decreased.
This paper describes a design study of the cylindrical multi-hole premixed burner to be used for condensing gas boiler which can raise performance and reduce NOx emission. In this study, specifications of the multi-hole burner (hole diameters and arrangement) are investigated using model flat burners in terms of flame stability, and combustion characteristics for stability and NOx emission are examined for cylindrical multi-hole burner. As a result, the equivalence ratio for optimum operation condition of the cylindrical burner is around 0.72(0.7∼0.75). In this condition, turn-down ratio becomes 3 : 1 at least which is suitable for proportional control. The NOx and CO emission is less than 40ppm and 25ppm(0$_2$0% basis), respectively. This burner can be applied LPG as well as NG because there is no difference for stable combustion region.
Characteristics of fluid flow and heat transfer in a tube with disk and annular baffle for heat exchanger of condensing boiler was numerically studied. The STAR-CD code was used to solve the governing equations and the temperature and flow fields were investigated. The interval between tube and annular baffle, height and diameter of baffle were selected as important design parameters, and the effects of these parameters on heat transfer and fluid flow were studied. As a result, in the case of with interval, the pressure was decreased, but heat transfer was increased. Heat transfer was slowly increased as the size of disk and annular baffle were increased and the distance between baffles were decreased. The pressure drop was rapidly changed fur diameter and size of disk and annular baffle. In addition, it was desirable that optimal conditions to design heat exchanger were about B$\_$a/R=0.5, L/R=1.
Condensing gas boiler units may make a big role for the reduction of energy consumption in heating industries. In order to decrease the energy consumption of a condensing gas boiler unit, effective operations of the system are necessary. In this study, mathematical models of a condensing gas boiler system were developed in order to develop control algorithms of the system. These include dynamic models of a blower, a gas valve, a pump, a burner, a boiler heat exchanger, and a hot water heat exchanger. Control algorithms of a blower, a gas valve, and a pump were also assumed. Simulation results showed good predictions of dynamic behaviors of a boiler system. Therefore, the simulation program developed for this study may be effectively used for the development of control algorithms of a boiler system.
Condensing gas boiler units may make a big role for the reduction of energy consumption in heating industries. In order to decrease the energy consumption of a condensing gas boiler unit, the effective control of the system is necessary. In this study, control algorithms of a condensing gas boiler were developed. Control algorithms are composed of the setpoint algorithm and the control algorithm. The setpoint algorithm consists of the supply water temperature setpoint algorithm and the pump setpoint algorithm. The control algorithm consists of the gas valve control algorithm and the blower control algorithm. In order to analyse the performance of control algorithms, dynamic models of a condensing gas boiler system were used. Simulation results showed that control algorithms developed for this study may be practically applied to the condensing gas boiler.
Recently, energy excessive consumption and environmental pollution are the social issued. The most efficient way to solve both energy excessive consumption and environmental pollution is existing combustion system improved. This study was part of the assume and commercial used existing waste heat recovery condensing boiler to low emission performance for exhaust gas recirculation(EGR) and thermal efficiency rise by applying the condensed water recirculation(CWR) conducted. The researchers applied the EGR and CWR develop a new concept for the condensed water recirculation waste heat recovery condensing boiler. Waste heat recovery condensing boiler applied to the condensed water recirculation thermal efficiency of the same conditions was increased by about 4.8~5.5% and pollution emission also decreased.
본 연구에서는 콘덴싱 가스보일러의 NOx와 CO 배출농도를 줄이기 위한 방안으로 원통형 버너와 열교환기를 평면으로 모사한 평면 버너와 열교환기를 제작하여 버너와 열교환기 거리에 따른 배기 특성을 검토하였다. 그리고 평면 버너 실험에서 도출한 거리에 따라 직경이 다른 3종류의 원통형 버너를 제작하여 각각의 화염 안정성과 배기 특성, 효율 등을 검토하였다. 위와 같은 연구결과에 의해 최적화된 버너를 응축 가스 보일러에 장착히여 LNG와 LPG를 연료로 사용하여 보일러에 대한 종합성능, 즉 화염 안정성, 난방효율 및 배기 특성 등을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 난방부하 20,000kca/hr에 적합한 다공 예혼합 원통형 버너의 최적 제원을 결정하였으며, 이 버너는 당량비 0.68~0.85부근에서 turn-down ratio가 약 5 : 1 정도로 비례제어에 적합하였다. 그리고 보일러의 종합성능을 검토한 결과 난방부하 20,000 kcal/hr로 운전할 경우 LNG, LPG 모두 난방효율 97%(저위 발열량 기준)를 달성할 수 있었고 NOx와 CO 배출농도(O$_2$=0%, wet basis)는 LNG의 경우 각각 26 ppm과 85 ppm, LPG의 경우 각각 41 ppm과 113 ppm 정도로 매우 양호하였다.
In order to improve the overall efficiency and meet the emission regulations of boiler systems, the heat exchanging methods between inlet air and exhaust gas have been used in boiler systems, named as the waste-heat-recovery condensing boiler. Recently, to further improve the overall efficiency and to reduce the NOx emission simultaneously, the concept of the water injection into the inlet air is introduced. This study suggests the models for the optimized design parameters of water injection for waste-heat-recovery condensing boilers and performs the analysis regarding the water injection amount and droplet sizes for the optimized water injection. At first, the required amount of the water injection was estimated based on the 1st law of thermodynamics under the assumption of complete evaporation of the injected water. The result showed that the higher the inlet air and exhaust gas temperature into the heat exchanger, the larger the amount of injected water is needed. Then two droplet evaporation models were proposed to analyze the required droplet size of water injection for full evaporation of injected water: one is the evaporation model of droplet in the inlet air and the other is that on the wall of heat exchanger. Based on the results of two models, the maximum allowable droplet sizes of water injection were estimated in various boiler operating conditions with respect to the residence time of the inlet air in the heat exchanger.
본 연구에서는 고온희석-상온희석 2단 희석의 다공 튜브형 희석장치를 제작하여 실제 배기가스와 시험챔버의 다양한 고수분 환경에서의 희석 조건에 따른 응축성 물질의 생성 억제와 생성된 응축 입자의 제거 특성에 관하여 살펴보았다. 디젤 엔진의 배출 입자는 응축 성분의 핵화 모드와 고체상의 응축성장 모드의 이중모드 분포를 나타내었고, 다공 튜브형 희석장치의 1차 고온희석 유량을 증가시킴으로써 핵화 모드 입자의 생성을 억제시키고 응축성장 모드의 입자만을 측정할 수 있었다. 석탄보일러에서 배출되는 미세먼지에 대해서도 다공 튜브형 희석장치를 적용하여 응축성 성분의 입자 생성 없이 응축성장 모드의 입자만을 측정할 수 있었고, $3{\mu}m$ 크기 이상의 입자에 대해서 기존 이젝터 방식에 비해 상대적으로 입자 손실이 적음을 확인할 수 있었다. 또한 $30m^3$ 시험챔버에서 가습기로 인위적으로 발생시킨 물입자가 측정하고자 하는 고체 입자와 공존할 때 다공 튜브형 희석장치를 사용하여 물입자를 증발시켜 제거함으로써 고체 입자만을 정확하게 분리하여 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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