[논문]정사각 덕트 내에서 열/물질전달 촉진을 위한 경사진 단락 요철의 좁은 틈새 효과

우성제; 이세영; 최청; 조형희

doi:10.3795/ksme-b.2002.26.1.150

정사각 덕트 내에서 열/물질전달 촉진을 위한 경사진 단락 요철의 좁은 틈새 효과
Heat/Mass Transfer Augmentation in a Square Duct . Roughened with Angled Discrete Ribs Having Narrow Gaps 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.26 no.1 = no.196, 2002년, pp.150 - 158

우성제 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 이세영 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 최청 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 조형희 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Local heat/mass transfer and friction loss in a square duct roughened with various types of continuous and discrete rib turbulators are investigated. The combined effects of the gap flows of the discrete ribs and the secondary flows are examined for the purpose of the reduction of thermally weak regions and the promotion of the uniformity of heat/mass transfer distributions as well as the ;augmentation of average heat/mass transfer. The rib-to-rib pitch to the rib height ratio (p/e) of 8 and the rib angles of 90° and 60° are selected with e/D$\_$h/=0.08. The vortical structure of the secondary flows induced by the parallel angled arrays are quite distinct from that induced by the cross angled arrays. This distinction influences on heat/mass transfer and friction loss in all the tested cases. The gap flows of the discrete ribs reduce the strength of the secondary flows but promote local turbulence and flow mixing. Consequently, the angled discrete ribs with the small gaps provide a more uniform heat/mass transfer distribution sustaining high average heat/mass transfer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 요철 폭 정도의 좁은 틈새를 가지는 단락요철을 이용하여 덕트 벽면 열전달과 균일성을 향상시키기 위한 실험을 수행하였다. 요철의 충돌각은 60~75。에서 열전달이 최대로 알려져있어(2.
이러한 차이는 열전달과 마찰손실에 영향을 미치며 연속요철에 대해서는 Han 등E에 설명되어 있다. 본 연구에서는 좁은 틈새를 가지는 단락요철의 영향을 고찰하는데 있어서 위와 같은 요철 배열간 상대위치 변화의 영향을 함께 고려하였다. 결과 제시에 있어서 열/물질전달 계수의 자세한 국소분포와 함께, 평균 열/ 물질전달 계수 및 일정이송동력 조건 하에서의 열 /물질전달 성능계수를 제시하였으며, 열/물질전달 균일성을 평가하기 위해 열전달계수의 면적 가중에 의한 표준편차를 제시하였다.
1(b)에서와 같이 한 개 또는 두 개의 회전하는 이차 유동이 형성되며, 이것이 요철 사이 영역의 물질전달 분포를 결정짓는다. 요철의 배열 변화로 이러한 이차유동을 변화시킬 수 있으며, 본 실험에서는 네 가지 배열로 이차유동의 물질전달에 미치는 영향을 고찰하였다. 이차유동은 평행배열인 PI0 과 PS0 에 대하여 z/e=6.

제안 방법

12가지의 연속 및 단락 요철에 대하여 실험을 수행하였으며, 이를 통해 경사 요철에 의해 유도되는 이차유동과 단락 요철의 틈새 유동의 효과를 고찰하였다. 틈새 유동을 가지는 단락 유동은 회전하는 이차유동을 충분히 고려한다면 열적 취약점이 될 수 있는 영역을 축소하고 열/ 물질전달의 균일성을 증가시키는데 이용할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 좁은 틈새를 가지는 단락요철의 영향을 고찰하는데 있어서 위와 같은 요철 배열간 상대위치 변화의 영향을 함께 고려하였다. 결과 제시에 있어서 열/물질전달 계수의 자세한 국소분포와 함께, 평균 열/ 물질전달 계수 및 일정이송동력 조건 하에서의 열 /물질전달 성능계수를 제시하였으며, 열/물질전달 균일성을 평가하기 위해 열전달계수의 면적 가중에 의한 표준편차를 제시하였다.
결과의 비교를 위한 기초 자료로 삼기 위해 90° 의 충돌각을 가지는 연속 요철에 대한 실험을 수행하였으며, Fig. 4 에 국소 물질전달 분포가 Sh/Sho 의 형태로 제시되어 있다. 물질전달계수는 각 요철 사이 영역에서 반복적으로 나타나며, 높은 물질전달 분포가 요철 사이 중앙 영역인 41<x/e<44 과 49<x/e<52 에서 관찰된다.
본 연구에서는 열전달 실험을 대신하여 나프탈렌 승화 법을 이용한 물질전달 실험을 수행하였으며, 물질전달계수 측정을 위해 나프탈렌을 코팅한 영역은 Fig. 2 에 표시하였다. 덕트로 유입된 유동은 요철이 설치된 7.
덕트의 측면을 따라 덕트 높이의 중간 위치에 10 개의 압력탭이 위치하며, 압력탭 사이 거리는 50 mm 이다. 압력탭 사이의 차압은 정밀도가 0.1%인 마이크로 차압계를 이용하여 Re=25, 000~60, 000 의 범위에서 측정하였다.
9)60。가 선택되었다. 요철은 마주보는 양쪽 벽면에 배열로 설치되며, 마주보는 요철 배열 간의 상대적 위치가 주유동 방향에 있어서 동일한 일치 배열(in-lined rib array)과 어긋나 있는 이격배열 (shifted rib array), 그리고 Fig. 1(b)와 같이 각 면의 요철 배열이 충돌각에 있어서 동일한 평행배열(parallel rib array)과 교차배 열(cross rib array)을 서로 비교하여 실험하였다. 경사지게 설치된 요철의 경우 요철을 따라 유도되는 회전하는 이차유동이 생성되는데, Fig.
틈새 주변의 물질전달 특성을 좀 더 자세하게 기술하기 위하여, 평행배열이면서 일치배열인 경우에 대하여 틈새가 없는 연속 요철(PI0), 엇갈린 틈새(PI1)와 2 열의 틈새(PI2)를 가진 단락 요철을 비교하여 Fig. 8 에 국소 물질전달계수를 도시하였다. Fig.

대상 데이터

나프탈렌의 물성치는 Ambrose 등"*과 Goldstein 과 Cho吟의 것을 사용하였다. Sherwood 수의 불확실성은 Kline 과 McClintock®)의 기술방법에 의해 95%의 신뢰수준에서 7.
2 는 실험장치에 대한 개념도를 보여주고 있다. 한 변의 길이와 수력직경(0)이 50mm 인 정사각 덕트가 사용되었으며, 150 의 길이에 걸쳐 요철이 반복되어 설치되었다. 유량측정은 플레넘하류의 오리피스 유량계로 이루어 졌으며, 물질전달실험 중의 덕트 내의 평균속도는 약 9.

성능/효과

높은 성능계수는 대부분 높은 평균 열/물질전달에 의한 것이나, 매우 높은 마찰손실은 평균 열/물질전달 결과와 다르게 CS1 가 가장 낮은 성능계수를 나타내게 하였다. 가장 높은 성능계수는 평행배열인 PS1 과 PI2 에서 나타났다.
11 은 일정 이송동력조건 하에서의 열/물질전달 성능계수를 제시한 것으로, 평행배열이 교차배열보다 높은 성능계수를 보인다. 높은 성능계수는 대부분 높은 평균 열/물질전달에 의한 것이나, 매우 높은 마찰손실은 평균 열/물질전달 결과와 다르게 CS1 가 가장 낮은 성능계수를 나타내게 하였다. 가장 높은 성능계수는 평행배열인 PS1 과 PI2 에서 나타났다.
덕트를 통과하는 공기의 질량유량과 Reynolds 수의 불확실성은 각각 1%와 1.4%이며, 평균 압력강하(, 사/!乙)와 마찰계수의 불휘실성은 각각 4.7%와 4.9%이다. 마찰계수도 매끈하 파이프에서 완전발달한 난류유동장에서의 마찰계수* (=2(2.
교차배열에서는 전술한 바와 같이 단일 회전 구조의 이차유동이 요철이 설치된 바닥 면과 윗면의 요철 배열을 차례로 따라 흐르게 되므로, 각 면의 요철을 따라 이동하다가 덕트 중심에 이르고 다시 원래의 요철면으로 돌아가는 이차 유동 구조를 가지는 평행배열보다 한 면의 요철배열이 마주보는 요철 배열에 의해 더 많은 영향을 받게 된다. 따라서 본 실험에서의 교차배열에 있어서, 요철의 끝단이 주유동 방향으로 서로 일치하는 CIO 보다는 약간 이격되어 있는 CSO 가 이차 유동의 나선 구조 강화에 좀 더 유리하고, 이것이 좀 더 높은 물질전달을 일으키는 것으로 사료된다. 이러한 효과는 틈새가 존재하는 경우 틈새 유동이 이차유동의 강도를 약화 시키는 것에 의해 나타나지 않는 것으로 추측된다.
4%이며, 이는 요철의 배열과 단락의 변화로 열/물질전달의 균일성을 조절할 수 있는 가능성을 보여준다. 실험한 경우 중에서는 높은 평균 열/물질전달과 양호한 균일성을 고려하면 PS1 과 PI2 의 단락 요철이 좋은 결과를 보이고 있으며, CI2 의 단락 요철이 가장 높은 열/물질전달 균일성을 나타내고 있다.
고찰하였다. 틈새 유동을 가지는 단락 유동은 회전하는 이차유동을 충분히 고려한다면 열적 취약점이 될 수 있는 영역을 축소하고 열/ 물질전달의 균일성을 증가시키는데 이용할 수 있음을 알 수 있었다. 평행배열과 교차배열은 평균 열/물질전달에 있어서 상당한 차이를 보였지만, 국소적인 열/물질전달 분포는 같은 양상을 띠었다.
일치배열과 이격배열은, 교차배열을 가지는 연속 요철인 CIO와 CSO의 경우 외에는 열/물질전달 및 압력강하에 별다른 영향을 주지 못했다. 틈새 유동의 증가는 회전하는 이차유동을 약화 시키지만, 전체적인 횡 방향 열/물질전달 분포는 실험된 모든 경우 이차 유동이 지배적인 영향을 받았다. 이러한 이차 유동의 약화를 동반하는 틈새유동의 강화는 이차 유동의 강도에 따라 평균 열/물질전달을 증가시키기도 감소시키기도 하였다.
표준편차의 최대 차이는 6.4%이며, 이는 요철의 배열과 단락의 변화로 열/물질전달의 균일성을 조절할 수 있는 가능성을 보여준다. 실험한 경우 중에서는 높은 평균 열/물질전달과 양호한 균일성을 고려하면 PS1 과 PI2 의 단락 요철이 좋은 결과를 보이고 있으며, CI2 의 단락 요철이 가장 높은 열/물질전달 균일성을 나타내고 있다.

참고문헌 (22)

Gee, D. L. and Webb, R. L., 1980, 'Forced Convection Heat Transfer In Helically Rib-Roughened Tubes,' Int. J. of Heat Mass Transfer, Vol. 3, pp. 1127-1136

상세보기
Han, J. C., Park, 1. S. and Lei, C. K., 1985, 'Heat Transfer Enhancement in Channels With Turbulence Promoters,' ASME J. of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 107, pp. 628-635

상세보기
Hwang, J. J., 1998, 'Heat Transfer-Friction Characteristic Comparison in Rectangular Ducts With Slit and Solid Ribs Mounted on One Wall,' ASME J. of Heat Transfer, Vol. 120, pp.709-716

상세보기
Taslim, M. E., Li, T. and Spring, S. D., 1998, 'Measurements of Heat Transfer Coefficients and Friction Factors in Passages Rib-Roughened on All Walls,' ASME J. of Turbomachinery, Vol. 120, pp. 564-570

상세보기
Bonhoff, B., Pameix, S., Leusch, J., Johnson, B. V., Schabacker, J., Boles, A., 1999, 'Experimental and Numerical Study of Developed Flow and Heat Transfer in Coolant Channels with 45 deg Ribs,' Int. J. of Heat and Fluid Flows, Vol. 20, pp. 311-319

상세보기
Kukreja, R. T., Lau, S. C. and McMillin, R. D., 1993, 'Local HeatlMass Transfer Distribution in a Square Channel with Full and V-shaped Ribs,' Int. J. of Heat Mass Transfer, Vol. 36, pp. 2013-2020

상세보기
Acharya, S., Myrum, T., Qiu, X. and Sinha, S., 1997, 'Developing and Periodically Developed Flow, Temperature and Heat Transfer in a Ribbed Duct,' Int. J. of Heat Mass Transfer, Vol. 40, pp. 461-479

상세보기
Aliaga, D. A., 1994, 'Convective Heat Transfer Distributions over Plates with Square Ribs from Infrared Thermography Measurements,' Int. J. of Heat Mass Transfer, Vol. 36, No.3, pp. 363-374

상세보기
우성제, 김완식, 조형희, 1998, '사각 덕트내 요철의 각도변화에 따른 열전달 특성', 대한기계학회논문집 B, 제22권, 제4호, pp530-541

원문보기 상세보기
우성제, 권혁진, 조형희, 1999, '터빈 기억 내부관 열전달 증대를 위해 설치된 요철의 형상효과,' 대한기계학회논문집 B, 제 23 권, 제 1 호, pp. 149-157
Lau, S. C., McMillin, R. D. and Han, J. C., 1991, 'Turbulent Heat Transfer and Friction in a Square Channel with Discrete Rib Turbulators,' ASME J. of Turbomachinery, Vol. 113, pp. 360-366

상세보기
Han, J. C. and Zhang, Y. M., 1992, 'High Performance Heat Transfer Ducts with Parallel Broken and V-shaped broken ribs,' Int. J. of Heat Mass Transfer, Vol. 35, pp. 513-523

상세보기
Taslim, M. E., Li, T. and Kercher, D. M., 1996, 'Experimental Heat Transfer and Friction in Channels Roughened With Angled, V -Shaped, and Discrete Ribs on Two Opposite Walls,' ASME J. of Turbo machinery, Vol. 118, pp. 20-28

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Ekkad, S. V. and Han, J. C., 1997, 'Detailed Heat Transfer Distributions in Two-pass Square Channels with Rib Turbu1ators,' Int. J. of Heat Mass Transfer, Vol. 40(11), pp. 2525-2537

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권혁진, 우성제, 조형희, 2000, '사각 덕트 내부 열전달 향상을 위한 요철의 단락 효과', 대한기계학회논문집 B, 제 24 권, 제 5 호, pp. 744-752

원문보기 상세보기
Cho, H. H., Wu, S. J., Kwon, H. J., 2000, 'Local Heat/Mass Transfer Measurements in a Rectangular Duct with Discrete Ribs,' ASME J. of Turbo machinery, Vol. 12.2, pp. 579-586

상세보기
HaIl, J. C., Zhang, Y. M. and Lee, C. P., 1991, 'Augmented Heat Transfer in Square Channels with Parallel, Crossed, and V-shaped Angled Ribs,' ASME J. of Heat Transfer, Vol. 113, pp. 590-596

상세보기
Ambrose, D., Lawrenson, I. J., and Sparke, C. H. S., 1975, 'The Vapor Pressure of Naphthalene,' J. of Chem. Thermodynam., Vol. 7, pp. 1173-1176

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Goldstein, R. J. and Cho, H. H., 1995, 'A Review of Mass Transfer Measurement Using Naphthalene Sublimation,' Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 10, pp. 416-434

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Kline, S. J. and McClintock, F. A., 1953, 'Describing Uncertainty in Single-Sample Experiments,' Mechanical Engineering, Vol. 75, pp. 3-8
McAdams, W. H., 1942, Heat Transmission, 2nd ed. McGraw-Hill, New York.
Petukhov, B. S., 1970, Advances in Heat Transfer, Vol. 6, pp. 503-504, Academic Press, New York.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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