[논문]휜-히트파이프로 구성된 채널에서 히트파이프의 엇갈림배열에 따른 유동 및 열전달 특성

김성훈; 진윤근; 김철주

문제 정의

본 연구 논문에서는 한국형 고속전철의 전기모 터 전력반도체의 냉각을 목적으로한 휜-히트파이 프 열교환기의 전열특성의 향상에 관하여 히트파 이프의 배열구조를 흐름 방향을 기준으로 정렬배 열 구조에서 엇갈림배열 구조로 변화시켰을 때 열교환기의 기하학적인 형상변화가 유동특성과 전 열특성에 미치는 영향에 대하여 알아보는 것을 목적으로 하였다. 이에 따른 연구결과로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 한국형 고속전철의 전기모터 전 력반도체의 냉각을 목적으로 개발중인 휜-히트파 이프 열교환기의 전열특성에 관하여 수치해석적 인 방법을 이용하여 흐름 방향을 기준으로 히트 파이프의 배열구조를 정렬배열(inlined array) 구조 와 엇갈림배열(staggered array) 구조의 변화에 따른 유동특성과 전열특성을 비교, 분석하고자 한다.

가설 설정

뉴턴유처1, 정상유동, 비압축성 유동으로 가정하여 연속식과 운동량식을 나타내었으며, 여기서 # 는 *, :y, Z 의 3차원을 의미하며 유동의 진행 방향 을 %방향으로 선정하여 모델링을 하였다. 체적력 을 무시한 운동량 방정식에서#와 #는 각각 300 K 기준공기의 밀도와 점성계수를 나타내고 있다.

제안 방법

4mm씩 절단하여 흰의 상부 및 하부면에는 주기적으로 반복하는 경계조건(periodic condition)을 적용하였다. 그리고 같은 크기의 휜 이 계속 반복되는 배열을 고려하여 채널의 좌우 측 단면은 대칭의 경계조건을 적용하였으며 열교 환기의 기하학적인 형상을 단순화하여 128개의 순 차적으로 반복되는 전체의 채널 중에서 하나의 채널을 선택하여 열교환기의 대표모델로 모델링 을 완성하였다.
총합 열전달계수의 실험결과(3)와 수치해석의 결과 비교에서는 정성적 및 정량적으로 매우 잘 일 치하였으며, 실험결과에서는 출구온도( 가 주어진 파라메터에 따라 변하는 값이므로 전체 채 널의 대표성을 가지지 못한다. 따라서 본 연구에서는 채널 전체의 총합 대류열전달계수를 정의하는 방법으로 자유유동의 온도(#)를 단순히 입 구의 온도로 결정하였다. 이와 같이 전체 채널의 열특성을 Reynolds 수와 엇갈림 정도에 따른 파 라메터의 영향을 분석하기 위하여 채널 대류열전 달계수<2#를 식<11)과 같이 정의하였다.
해석방법으로는 저 Reynolds 수의 해석결과를 고 Reynolds 수의 계산시 초기 값으로 가정하는방법과 유동장을 먼저 해석하고 이의 결과를 온 도장의 계산시 초기값으로 대입하여 계산하는 방법을 이용하여 수치해석의 소요시간을 단축하였다. 또한 계산결과의 정확성을 위하여 운동량방 정식과 에너지방정식의 변수들이 lxl0T의 상대 값을 만족하고 동시에 입구의 주어진 질량유량에 대한 입구와 출구의 질량유량차이의 비가 ixio# 을 만족할 때까지 반복계산을 수행하였다.
전체 채널의 열전달 특성을 실험결과(3)와 비교 하기 위하여 국소값을 적분하는 방법을 취하지 않고 실험에서 정의된 총합 대류열전달계수를 사용하였다.
해석방법으로는 저 Reynolds 수의 해석결과를 고 Reynolds 수의 계산시 초기 값으로 가정하는방법과 유동장을 먼저 해석하고 이의 결과를 온 도장의 계산시 초기값으로 대입하여 계산하는 방법을 이용하여 수치해석의 소요시간을 단축하였다. 또한 계산결과의 정확성을 위하여 운동량방 정식과 에너지방정식의 변수들이 lxl0T의 상대 값을 만족하고 동시에 입구의 주어진 질량유량에 대한 입구와 출구의 질량유량차이의 비가 ixio# 을 만족할 때까지 반복계산을 수행하였다.
8mm 두께의 알루미늄으로 제작된 휜 이 설치되어 있다. 휜은 상부와 하부의 열적 조 건이 순차적으로 반복되는 분포를 가지므로 횐의 중심선을 따라 0.4mm씩 절단하여 흰의 상부 및 하부면에는 주기적으로 반복하는 경계조건(periodic condition)을 적용하였다. 그리고 같은 크기의 휜 이 계속 반복되는 배열을 고려하여 채널의 좌우 측 단면은 대칭의 경계조건을 적용하였으며 열교 환기의 기하학적인 형상을 단순화하여 128개의 순 차적으로 반복되는 전체의 채널 중에서 하나의 채널을 선택하여 열교환기의 대표모델로 모델링 을 완성하였다.

대상 데이터

휜의 목적은 전열면적을 증가시킴으로써 열전달효 율을 증대시키는 것으로서 단위 부피당 열전달면 적이 700 m7m3 이상을 가지는 열교환기를 밀집 형 열교환기로 분류한다. 본 연구에 이용된 횐- 히트파이프 열교환기는 2457.96 m2/m3의 밀집도를 가지고 있어 밀집도가 상당히 큰 열교환기에 속 한다. 이러한 열교환기의 내부를 흐르는 유동은 일반적으로 층류유동의 형태를 지니므로 본 연구의 휜의 내부를 흐르는 유동은 층류유동으로 제한한다.

데이터처리

본 연구에서 수치해석은 Fluent 5.0을 이용하여 휜-히트파이프 열교환기의 유동 및 전열해석의 미분방정식의 계산을 수행하였다. 열교환기의 입 구와 출구부분은 유선의 급격한 변화를 제한하기 위하여 입구에서는 전체 길이의 1/4배의 길이를 입구길이(inlet buffer length)로 고려하고 출구에 서는 전체 길이의 2배를 출구길이(outlet buffer length)로 고려하고 노이만 조건을 적용하여 외부 의 영향이 내부로의 영향을 배제하였다.

이론/모형

본 연구의 수치해석에서는 운동량방정식과 에너 지방정식의 이산화는 first order upwind scheme 을 이용하였고 속도-압력의 couplinge SIMPLE 방법을 이용하였다. 대수방정식의 반복해를 얻는 과정에서 하향이완을 사용하여 비선형성과 복잡 한 3차원 기하학적 조건에 대해 발산을 방지하였다.
식(3)과 (4)는 각각 유체영역과 고체영역의 에 너지방정식이며 유체의 대류열전달 해석을 위하여 (#, 와 #는 공기의 정압비열과 열전도계수를 이용하였으며 히트파이프와 휜의 전도해석에는 대 류항을 제외한 열전도식을 이용하였다.

성능/효과

(1) 휜-히트파이프 열교환기에서의 마찰계수는 Reynolds 수가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내고 있으나 정렬배열 구조에서 엇갈림배열 구조로 변화하였을 경우 마찰계수는 증가하며 Reynolds 수에 따른 감소구배는 달라진다. 마찰계 수는 Reynolds 수와 엇갈림 정도에 따라 다음의 관계식으로 표현된다.
(2) 정렬배열 열교환기의 전열특성에서는 히트 파이프의 후류부에 역압력구배 영역의 성장으로 인한 제한된 전열특성에 비하여 히트파이프의 배 열 구조를 엇갈림배열 구조로 변화하였을 경우 히트파이프 후류부의 역압력 구배 영 역과 재순환 영역을 파괴하여 열교환기의 전열특성을 향상시 키는 결과를 초래한다. 열전달의 향상은 Reynolds 수가 클수록 엇갈림배열의 영향이 커지며 20mm 엇갈림에서 최소 4.
총합 대류열전달계수는 Reynolds 수가 증가함에 따라 증가하고 있으며 같은 Reynolds 수에서는 엇갈림 배열 열교환기의 총합 대류열전달계수가 높게 나 타남을 보여주고 있다. 또한 엇갈림 정도가 증가함에 따라 총합 대류열전달계수의 증가폭은 증가 하므로 엇갈림배열 열교환기의 전열특성이 향상 됨을 나타낸다. 열전달과 유동특성은 기하학적인 형태에 따라 결정되고 있으며 열전달 결과를 결 정하는 중요한 파라메터로서 Colburn j Factor (#)를 식(12)와 같이 이용하였다.
(2) 정렬배열 열교환기의 전열특성에서는 히트 파이프의 후류부에 역압력구배 영역의 성장으로 인한 제한된 전열특성에 비하여 히트파이프의 배 열 구조를 엇갈림배열 구조로 변화하였을 경우 히트파이프 후류부의 역압력 구배 영 역과 재순환 영역을 파괴하여 열교환기의 전열특성을 향상시 키는 결과를 초래한다. 열전달의 향상은 Reynolds 수가 클수록 엇갈림배열의 영향이 커지며 20mm 엇갈림에서 최소 4.3%로부터 최대 21.5%까지 향 상되었다.
히트파이프의 측면에서 10mm 떨어지고 흐름 방향으로 10, 50, 95, 125, 170, 210, 220mm의 위치에서 열전대를 이용하여 측정된 온도이다. 전체적으로 열교환기의 온 도는 상승하고 있으며 휜의 온도거동은 네번째 히트파이프의 후류부에서는 다소 차이를 보이나 정성적으로 매우 잘 일치한다.(3)
히트파이프의 원주 방향을 따라 S 좌표를 정의하고 히 트파이프 벽면에서의 온도를 도시하였으며 S 좌표 의 빈 공간은 히트파이프와 히트파이프 사이의 직선거리를 나타낸다. 전체적으로 파이프의 둘레 를 따라 온도는 상승하는 분포를 나타내고 있으며 하류로 가면서 온도는 더욱더 상승하는 분포를 나타내고 있으나 마지막 히트파이프에서는 끝 단효과에 의해 히트파이프의 전체적인 온도는 다소 낮아지는 분포를 나타내고 있다. 히트파이프 의 입구속도가 증가되면 열교환기 전체의 온도는 감소현상을 보여주고 있다.
5에는 열교환기의 입출구에서 압력강하의 정량적인 결과를 도시하였다. 정렬배열 열교환기 의 시제품을 이용한 실험결과(3)와 수치해석의 결과를 비교하였으며 전체 약 5% 이내의 매우 작은 오차범위를 보이고 있어 실험과 수치해석의 결과는 정량적으로 거의 일치함을 나타낸다. 전 체적으로 속도가 증가함에 따라 증가하는 분포를 나타내고 있으며 정렬배열 열교환기보다 엇갈림 배열 열교환기의 압력강하가 증가하는 경향을 나타내고 있다.
9는 식(11)로 정의한 총합 대류열전달계수 를 Reynolds 수의 증가에 따라 나타내었다. 총합 대류열전달계수는 Reynolds 수가 증가함에 따라 증가하고 있으며 같은 Reynolds 수에서는 엇갈림 배열 열교환기의 총합 대류열전달계수가 높게 나 타남을 보여주고 있다. 또한 엇갈림 정도가 증가함에 따라 총합 대류열전달계수의 증가폭은 증가 하므로 엇갈림배열 열교환기의 전열특성이 향상 됨을 나타낸다.
총합 열전달계수의 실험결과(3)와 수치해석의 결과 비교에서는 정성적 및 정량적으로 매우 잘 일 치하였으며, 실험결과에서는 출구온도( 가 주어진 파라메터에 따라 변하는 값이므로 전체 채 널의 대표성을 가지지 못한다. 따라서 본 연구에서는 채널 전체의 총합 대류열전달계수를 정의하는 방법으로 자유유동의 온도(#)를 단순히 입 구의 온도로 결정하였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

휜-히트파이프로 구성된 채널에서 히트파이프의 엇갈림배열에 따른 유동 및 열전달 특성
Flow and Heat Transfer Characteristics due to Staggered Arrangement of Heat Pipes in Channels with Heat Pipes and Fins 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

휜-히트파이프로 구성된 채널에서 히트파이프의 엇갈림배열에 따른 유동 및 열전달 특성 Flow and Heat Transfer Characteristics due to Staggered Arrangement of Heat Pipes in Channels with Heat Pipes and Fins 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김성훈 (12) 김철주 (27)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

휜-히트파이프로 구성된 채널에서 히트파이프의 엇갈림배열에 따른 유동 및 열전달 특성
Flow and Heat Transfer Characteristics due to Staggered Arrangement of Heat Pipes in Channels with Heat Pipes and Fins 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper