유효에너지 재활용의 한 방법으로 온도가 서로 다른 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하여 에너지를 회수하기 위해 열교환기(heat exchanger)가 광범위하게 사용되고 있으며 특히, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다. 이러한 열교환기는 대부분 한정된 공간에 설치되어 사용되기 때문에 열전달 성능을 유지하면서 고밀도, 소형화가 요구되며, 형식에 따라서 고온유체와 저온유체가 직접혼합에 의한 열전달 방식과, 금속벽으로 분리되어 있는 고온유체로부터 저온유체로의 전도 및 ...
유효에너지 재활용의 한 방법으로 온도가 서로 다른 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하여 에너지를 회수하기 위해 열교환기(heat exchanger)가 광범위하게 사용되고 있으며 특히, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다. 이러한 열교환기는 대부분 한정된 공간에 설치되어 사용되기 때문에 열전달 성능을 유지하면서 고밀도, 소형화가 요구되며, 형식에 따라서 고온유체와 저온유체가 직접혼합에 의한 열전달 방식과, 금속벽으로 분리되어 있는 고온유체로부터 저온유체로의 전도 및 대류에 의한 열전달로 구분된다. 열교환기 성능에 미치는 인자들, 열전달 특성이나 압력강하, 응축과 난류유동등 이런 요소들의 예측은 지금까지 한정된 실험을 통해서만 이루어져 왔다. 하지만 이런 방법들은 유체의 물성치, 열전달 계수 및 마찰계수를 일정하게 가정하기 때문에 열교환기 성능을 정확히 예측하기는 어렵다. 또한 실험에 따르는 시간적, 경제적 손실과 시제품제작의 어려움 때문에 한계에 부딪칠 수밖에 없었다. 하지만 최근 기술의 발달이 빚어낸 컴퓨터 시뮬레이션의 발전은 기존의 실험적방법이 갖는 한계를 극복하고 복잡한 형상의 3차원 열전달 및 유동해석을 가능하게 하였다. 본 논문에서는 유한 체적법(finite volume method)을 이용하는 상용 CFD 코드인 STAR-CD를 이용하여 현재 산업전반에 쓰이고 있는 셀-튜브형 열교환기에 이중관을 부착하여 수치 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 열교환기 용도가 가열인 기능성 측면에서 볼 때 이중관을 적용한 모델이 약 38% 정도의 전열면적의 향상으로 인해 4.2%의 더 높은 가열효과를 얻어 열전달 능력이 더 뛰어나다는 것을 알 수 있었다. 2. 격판형태에 따른 열교환량은 싱글격판을 적용한 모델의 성능이 더 나은 것으로 나타났으나, 그에 따라 시스템 내부의 소음, 진동의 부정적 요인이 증가 할 것으로 보이며 이를 해결하기 위해서는 유동정체점을 제거할 수 있는 스파이럴식의 격판이 시스템이 적용되어야 한다고 생각된다. 3. 내부유체의 유동에 있어서 격판의 수량은 유동저항 및 열전달에 직접적인 영향을 미치며 격판의 수량이 많을수록 열전달 효과는 증가하리라 생각된다. 하지만 유동저항으로 인한 시스템 내부의 부정적 요인을 제거하기 위해 적절한 간격을 찾는 것이 바람직하다고 생각된다. 4. 수치해석을 통한 해석적 방법은 경계조건 및 해당 유체와 고체의 물성치나 자연적인 물리적 현상과 상이한 결과를 초래할 수 있으며 이를 보완하기 위해서는 실험적 방법이 병행되어야 열교환기 설계에 필요한 설계인자들을 더 정확하게 파악 할 수 있으리라 생각된다.
유효에너지 재활용의 한 방법으로 온도가 서로 다른 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하여 에너지를 회수하기 위해 열교환기(heat exchanger)가 광범위하게 사용되고 있으며 특히, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다. 이러한 열교환기는 대부분 한정된 공간에 설치되어 사용되기 때문에 열전달 성능을 유지하면서 고밀도, 소형화가 요구되며, 형식에 따라서 고온유체와 저온유체가 직접혼합에 의한 열전달 방식과, 금속벽으로 분리되어 있는 고온유체로부터 저온유체로의 전도 및 대류에 의한 열전달로 구분된다. 열교환기 성능에 미치는 인자들, 열전달 특성이나 압력강하, 응축과 난류유동등 이런 요소들의 예측은 지금까지 한정된 실험을 통해서만 이루어져 왔다. 하지만 이런 방법들은 유체의 물성치, 열전달 계수 및 마찰계수를 일정하게 가정하기 때문에 열교환기 성능을 정확히 예측하기는 어렵다. 또한 실험에 따르는 시간적, 경제적 손실과 시제품제작의 어려움 때문에 한계에 부딪칠 수밖에 없었다. 하지만 최근 기술의 발달이 빚어낸 컴퓨터 시뮬레이션의 발전은 기존의 실험적방법이 갖는 한계를 극복하고 복잡한 형상의 3차원 열전달 및 유동해석을 가능하게 하였다. 본 논문에서는 유한 체적법(finite volume method)을 이용하는 상용 CFD 코드인 STAR-CD를 이용하여 현재 산업전반에 쓰이고 있는 셀-튜브형 열교환기에 이중관을 부착하여 수치 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 열교환기 용도가 가열인 기능성 측면에서 볼 때 이중관을 적용한 모델이 약 38% 정도의 전열면적의 향상으로 인해 4.2%의 더 높은 가열효과를 얻어 열전달 능력이 더 뛰어나다는 것을 알 수 있었다. 2. 격판형태에 따른 열교환량은 싱글격판을 적용한 모델의 성능이 더 나은 것으로 나타났으나, 그에 따라 시스템 내부의 소음, 진동의 부정적 요인이 증가 할 것으로 보이며 이를 해결하기 위해서는 유동정체점을 제거할 수 있는 스파이럴식의 격판이 시스템이 적용되어야 한다고 생각된다. 3. 내부유체의 유동에 있어서 격판의 수량은 유동저항 및 열전달에 직접적인 영향을 미치며 격판의 수량이 많을수록 열전달 효과는 증가하리라 생각된다. 하지만 유동저항으로 인한 시스템 내부의 부정적 요인을 제거하기 위해 적절한 간격을 찾는 것이 바람직하다고 생각된다. 4. 수치해석을 통한 해석적 방법은 경계조건 및 해당 유체와 고체의 물성치나 자연적인 물리적 현상과 상이한 결과를 초래할 수 있으며 이를 보완하기 위해서는 실험적 방법이 병행되어야 열교환기 설계에 필요한 설계인자들을 더 정확하게 파악 할 수 있으리라 생각된다.
The heat exchanger is wiedly used to collect the available energy. Especially, heating, air cooling, energy-related industry. Because the device usally conducts heat transfer between two different fluid seperated with solid. As it is installed and operated in a limited space, it needs to be designed...
The heat exchanger is wiedly used to collect the available energy. Especially, heating, air cooling, energy-related industry. Because the device usally conducts heat transfer between two different fluid seperated with solid. As it is installed and operated in a limited space, it needs to be designed with high density in a compact frame while keeping high performance. Still now, Factors of heat exchanger performance affecting to the device has been conducted through experiment. But there was limitation such as times, economical, and difficulty of prototype manufacture. Recently the developed simulation method using computer is able to overcome the limitation and make possible the 3-dimension heat transfer and flow analysis in this study. To expect essential parameters for heat exchanger design, Commercial CFD code, STAR-CD was used for numerical analysis. Double tube was adapted to the conventional shell and tube type heat exchanger to widen the heat transfer area. 3-D, non-compressional, turbulent flow in steady-state and analysis have been conducted on a variation in temperature and heat transfer rate. also two kinds of baffle was adapted to the system to compare fluid flow and heat transfer. The numerical results from analysis are outline as follows below 1. From heating point of view, the model adapted Double tube is more efficient than the conventional heat exchanger thanks to the increased heat transfer area but it also brings decreased flow flux. so the device can be used small capacity facilities effectively for heating. 2. Single segmental baffle in the system was more efficient for heat transfer. but because of flow resistance, it brings negative factors for the system such as noise and vibration. To remove negative factor and stagnation area in the shell side, spiral type baffle should adapted to the device. 3. Many baffles in the system are increasing more efficient heat transfer rate, but flow resistance too, so the appropriate distance for the baffle should be located. 4. The results from numerical analysis using CFD could bring erroneous results because of boundary condition and material properties, and natural situation. To overcome that, experimental method should be conducted with numerical method to get more exact results.
The heat exchanger is wiedly used to collect the available energy. Especially, heating, air cooling, energy-related industry. Because the device usally conducts heat transfer between two different fluid seperated with solid. As it is installed and operated in a limited space, it needs to be designed with high density in a compact frame while keeping high performance. Still now, Factors of heat exchanger performance affecting to the device has been conducted through experiment. But there was limitation such as times, economical, and difficulty of prototype manufacture. Recently the developed simulation method using computer is able to overcome the limitation and make possible the 3-dimension heat transfer and flow analysis in this study. To expect essential parameters for heat exchanger design, Commercial CFD code, STAR-CD was used for numerical analysis. Double tube was adapted to the conventional shell and tube type heat exchanger to widen the heat transfer area. 3-D, non-compressional, turbulent flow in steady-state and analysis have been conducted on a variation in temperature and heat transfer rate. also two kinds of baffle was adapted to the system to compare fluid flow and heat transfer. The numerical results from analysis are outline as follows below 1. From heating point of view, the model adapted Double tube is more efficient than the conventional heat exchanger thanks to the increased heat transfer area but it also brings decreased flow flux. so the device can be used small capacity facilities effectively for heating. 2. Single segmental baffle in the system was more efficient for heat transfer. but because of flow resistance, it brings negative factors for the system such as noise and vibration. To remove negative factor and stagnation area in the shell side, spiral type baffle should adapted to the device. 3. Many baffles in the system are increasing more efficient heat transfer rate, but flow resistance too, so the appropriate distance for the baffle should be located. 4. The results from numerical analysis using CFD could bring erroneous results because of boundary condition and material properties, and natural situation. To overcome that, experimental method should be conducted with numerical method to get more exact results.
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