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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 디젤 차량에서 NOx 저감을 위해 각광받고 있는 Cooled EGR 시스템의 핵심 부품인 EGR Cooler의 고효율, 저압 손실 및 컴팩트화를 위한 스파이럴 구조의 튜브 설계를 위한 토대를 마련하고자 먼저 실험에 의해 수치해석의 검증을 한 후, θ와 p/e에 따른 6개의 스파이럴 튜브와 단순 평판 원관에 대해서 열유동 특성 평가를 하였다. 본 연구에서 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 005 kg/sec 간격으로 변화시켜 해석하였다. EGR Cooler 외부의 공기 온도는 30℃로 가정하였다.
제안 방법
- EGR Cooler 전체 모델에 대한 CFD를 이용한 수치해석은 실험치와의 비교 검증을 위하여 실험 조건에 준하여 고온과 저온의 유체는 각각 공기와 물로 하였으며 모든 입구 조건은 실험 조건과 동일하게 하고 공기의 유량만 0.005 kg/sec에서 0.025 kg/sec까지 0.005 kg/sec 간격으로 변화시켜 해석하였다. EGR Cooler 외부의 공기 온도는 30℃로 가정하였다.
- EGR Cooler에 대한 방열 성능실험 장치는 Fig. 1에 나타낸 개략도와 같이 고온의 공기 측과 냉각을 위한 냉각수 측의 순환회로로 구성하였다. 공기 측의 가열을 위하여 15 kW급 가열기를 사용하였고, 공기의 순환을 위해서는 최대 풍량 3500 LPM의 터보팬을 사용하였다.
- 유량 측정은 공기 측의 경우 오리피스 차압계를 이용하였고 냉각수는 터빈 형의 유량계를 이용하였다. EGR Cooler의 공기 측과 냉각수 측의 입구부와 출구부의 압력은 차동압력센서를 이용하여 차압으로 측정하였고 또한 각각에 대한 입, 출구의 온도는 K-type의 열전대를 이용하여 측정하였다.
- 압력 손실은 최대 오차 범위 7% 내에서 실험과 계산 값이 잘 일치하고 전체적으로 계산 값이 높게 나타났다. Fig. 8에 나타낸 공기측의 열전달율에서 실험에 의한 데이터는 다음과 같이 입구 유량, EGR Cooler 입구와 출구의 공기 온도차 및 비열의 관계식으로 구하였다. 여기서 비열은 입구와 출구 공기 온도의 평균값에서의 비열 값을 적용하였다.
- Table 1에 나타낸 동일한 튜브 내경을 갖는 평판원관(plain tube)과 θ와 p/e가 다른 6개의 스파이럴 튜브에 대해서 열유동 특성을 고찰하였다. 입구 EGR 가스의 질량 유량에 따른 출구의 평균 온도를 비교하여 나타낸 Fig.
- 5 mm이다. 가장 중요한 설계 변수인 스파이럴 피치(p)와 스파이럴 깊이(e)9,10)에 따라 총 6개의 스파이럴 구조 튜브에 대해서 해석을 하여 단순 평판 원관의 경우와 열유동 특성을 비교 고찰하였다. 스파이럴 각도(a)는 스파이럴 피치에 따라 결정되게 된다.
- 이는 EGR Cooler 전체 사이즈에 대한 실험에서 냉각수의 입, 출구의 온도 변화는 거의 모든 실험 조건에서 수℃ 이내였기 때문에 상당히 근사적인 접근이라 사료된다. 단일 튜브의 해석에서 배기가스의 유량은 0.323 g/sec에서 1.29g/sec까지 총 7가지의 유량 조건에 대해서 해석을 하였고 입구 배기가스의 온도는 450℃로 하였다.
- 본 연구에서는 EGR Cooler에 대한 3차원 열유동해석의 타당성 검증을 위하여 우선적으로 Fig. 2에 나타낸 모델에 대해서 해석을 하여 실험치와 비교검증을 하였다 그리고 가스 측의 단일 튜브에 대 해서 열교환 성능 향상을 위해 새롭게 제시된 스파이럴 튜브의 설계 변수에 따른 열유동 특성을 수치해석을 통하여 비교 분석하였다. 수치해석을 위하여 상용 코드인 Fluent 6.
- 본 연구에서는 첫째, Cooled EGR System의 EGR 가스 냉각장치인 EGR Cooler 전체 모델에 대한 열유동 해석의 검증을 위하여 기존의 단순 평판 원관(plain tube)형의 EGRCooler에 대해서 방열 성능 실험을 수행하여 CFD 열유동 해석 결과와 비교 고찰하였으며 둘째, 열교환 성능 향상을 위해 새롭게 제시된 스파이럴 구조의 단일 튜브에 대한 CFD 열유동 해석을 통해 설계 변수에 따른 열유동 특성을 비교분석하였다.
- 5 mm이며 총 튜브(관) 수는 31개이다. 실험조건은 EGR Cooler에 대한 Bench test 조건에 준하여 냉각수의 유량을 0.33 kg/sec, 냉각수 입구온도를 30℃로 고정하고 공기의 유량을 0.008 kg/sec에서 0.019 kg/sec 까지 변화를 주었고 공기의 입구 온도는 200℃와 300℃에 대해서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 1에 나타낸 개략도와 같이 고온의 공기 측과 냉각을 위한 냉각수 측의 순환회로로 구성하였다. 공기 측의 가열을 위하여 15 kW급 가열기를 사용하였고, 공기의 순환을 위해서는 최대 풍량 3500 LPM의 터보팬을 사용하였다. 냉각수는 물탱크 내의 6 kW급 히터로 가열하여 원심식 펌프에 의해 순환시켰다.
- 2에 나타낸 바와 같이 공기 측과 냉각수 측의 유동패턴은 Counterflow 방식으로써 공기는 입구부의 디퓨져에서 다수의 관다발로 분배되어 관 외부의 셀을 통과하는 냉각수에 의해 냉각되어 출구부의 디퓨져에서 합류된다. 관은 현재 일반적으로 적용되고 있는 평판 원관으로써 길이가 104 mm, 내경이 5 mm, 두께가 0.5 mm이며 총 튜브(관) 수는 31개이다. 실험조건은 EGR Cooler에 대한 Bench test 조건에 준하여 냉각수의 유량을 0.
- 4는 스파이럴 튜브의 단면을 나타낸 것이다. 수치해석에 적용된 스파이럴 튜브는 총 길이가 104 mm, 스파이럴 구간의 길이가 84 mm, 내경이 5 mm이고 두께는 0.5 mm이다. 가장 중요한 설계 변수인 스파이럴 피치(p)와 스파이럴 깊이(e)9,10)에 따라 총 6개의 스파이럴 구조 튜브에 대해서 해석을 하여 단순 평판 원관의 경우와 열유동 특성을 비교 고찰하였다.
- 온도의 함수로 주었다. 튜브는 SUS-316으로 제작되었으며 그 외의 재료는 SUS-304로 제작되었다. 이들 재료에 대한 물성치와 냉각수의 물성치는 Table 2에 나타낸 바와 같다.
이론/모형
- 이들 재료에 대한 물성치와 냉각수의 물성치는 Table 2에 나타낸 바와 같다. EGR Cooler 내부의 난류유동 해석을 위한 지배 방정식으로 표준 x-ε 난류모델을 이용하였다.
- 2에 나타낸 모델에 대해서 해석을 하여 실험치와 비교검증을 하였다 그리고 가스 측의 단일 튜브에 대 해서 열교환 성능 향상을 위해 새롭게 제시된 스파이럴 튜브의 설계 변수에 따른 열유동 특성을 수치해석을 통하여 비교 분석하였다. 수치해석을 위하여 상용 코드인 Fluent 6.1을 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 평판 원관 튜브 구조로 된 EGR Cooler 전체 모델에 대한 해석 결과 온도분포와 열전달은 5% 이내에서 그리고 압력손실은 7% 이내에서 잘 일치함을 알 수 있었다.
- 2) 단일 튜브에 대한 수치 해석 결과 단순 원판 원관에 비해 스파이럴 튜브의 경우 입구 유량 1.29 g/sec에서 열전달율은25%에서 최대 80%까지 증가함을 알 수 있었다. 압력손실이 큰 6, 7번 튜브를 제외하면 5번 튜브가 평판 원관에 비해 46% 정도로 가장 높은 열전달율을 보였다.
- 2) 그러나 고온의 배기가스를 재순환시키는 Hot EGR을 적용하면 연비 악화 및 입자상물질이 증가하는 경향이 있으므로 이의 해소를 위해 고온의 배기가스를 EGR Cooler에 의해 냉각시켜 재순환시키는 Cooled EGR(CEGR) 기술을 적용하고 있다.2) 또한 Cooled EGR System을 적용하면 고온의 EGR 가스에 의한 충진효율 저하 방지차원과 더불어 동일한 압력차를 가진 상태에서 조금 더 나은 EGR율을 확보할 수 있다.1-8)
- 3) 스파이럴 튜브의 경우 동일 튜브 내경에 대해서는 열전달율은 θ가 클수록 증가하였고 압력손실은 p/e가 클수록 감소하였다.
- 여기서 비열은 입구와 출구 공기 온도의 평균값에서의 비열 값을 적용하였다. 실험과 계산 값은 최대 오차 범위 5% 내에서 잘 일치하였다.
- 8은 EGR 가스의 열전달율을 실험과 계산 값을 비교하여 나타낸 것이다. 압력 손실은 최대 오차 범위 7% 내에서 실험과 계산 값이 잘 일치하고 전체적으로 계산 값이 높게 나타났다. Fig.
- 29 g/sec에서 열전달율은25%에서 최대 80%까지 증가함을 알 수 있었다. 압력손실이 큰 6, 7번 튜브를 제외하면 5번 튜브가 평판 원관에 비해 46% 정도로 가장 높은 열전달율을 보였다.
- 입구 EGR 가스의 질량 유량에 따른 출구의 평균 온도를 비교하여 나타낸 Fig. 13을 보면 평판 원관에 비해 스파이럴 튜브의 EGR 가스 온도 강하가 훨씬 크게 나타났으며 특히 저유량 영역에서 스파이럴에 의한 열전달 효과가 크게 나타났다. 스파이럴 튜브만을 놓고 비교해보면 θ 값이 클수록 온도 강하가 크게 나타났다.
- 15는 EGR 가스의 열전달율을 나타낸 것으로써 평판 원관에 비해 스파이럴 튜브가 열전달율이 높고 스파이럴 튜브에 대해서는 θ값이 클수록 열전달율이 증가하였다. 평판 원관에 비해 입구 유량 1.29 g/sec에서 스파이럴 튜브의 열전달율은 튜브 2번의 경우 최소 20%에서 튜브 7번의 경우 최대 80%까지 증가하였고 압력 손실이 지나치게 큰 6번과 7번의 튜브를 제외하면 5번 튜브가 평판 원관에 비해 46%로 가장 높은 열전달율을 보여 주었다
후속연구
- 4) 본 연구를 통하여 향후 EGR Cooler 설계시 열전달 효과 증대와 압력손실을 고려하여 최적의 설계를 가져올 수 있는 토대를 마련할 수 있었다.
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