[논문]다양한 각도로 기울어진 직관내에서 아이스슬러리 유동시 압력손실과 IPF 변화

김규목; 박기원

다양한 각도로 기울어진 직관내에서 아이스슬러리 유동시 압력손실과 IPF 변화
Variation of Pressure Loss and IPF Flowing Ice Slurry in Straight Tube Inclined to Various Angle 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.16 no.11, 2004년, pp.1028 - 1034

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Recently, the ice storage system using ice slurry has been used increasingly since it has been introduced where the rapid cooling load change is required. Because it overcomes a decrease of the melting performance and an increase of the thermal resistance on the ice layer in static ice thermal storage system. This study is performed to understand the effects of transporting ice slurry through horizontal, vertical and inclined tubes ($30^{\circ},\;45^{\circ}$). It used propylene glycol-water solution and ice particles (diameter of about 2 mm) in this experiment. The experiments were carried out under various conditions, with concentration of water solution ranging from 0 to $20wt\%$, and velocity of water solution at the entry ranging from 1.5 to 2.5 m/s. The results were as follows: Regarding the angle of inclined tube, the highest pressure loss was measured for vertical tube and the pressure loss for $45^{\circ},\;30^{\circ}$, horizontal straight tubes were lower successively. The lowest pressure loss in these tubes was measured at velocity of $2.0{\sim}2.5m/s$ and concentration of $10wt\%$. The outlet IPF was likewise stable in these ranges.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 유동 아이스슬러리를 필요로 하는 열교환기까지 효율적으로 수송할 수 있도록 하기 위한 배관시스템 중에서 다양한 각도를 가지는 직관부(수평관, 수직관, 경사관)를 그 대상으로 하여 관내에서의 압력손실과 IPF 변화에 대해 정리하였다.

제안 방법

또 아이스슬러리 혼합탱크에는 냉동장치를 설치하여 내부온도가 일정온도(0~ -2℃)로 유지되도록 하였으며, 혼합탱크 내에는 교반기를 설치하여, 혼합탱크 내에 투입되는 얼음입자와 물이 안정적이며 균질한 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 또한 아이스슬러리가 일정유속으로 공급되도록 공급유속에 따라 인버터를 사용하여 펌프의 회전수를 조정하였으며, 혼합탱크 내의 아이스슬러리를 수송용 볼텍스펌프로 유입되도록 하였다.
)로 유지되도록 하였으며, 혼합탱크 내에는 교반기를 설치하여, 혼합탱크 내에 투입되는 얼음입자와 물이 안정적이며 균질한 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 또한 아이스슬러리가 일정유속으로 공급되도록 공급유속에 따라 인버터를 사용하여 펌프의 회전수를 조정하였으며, 혼합탱크 내의 아이스슬러리를 수송용 볼텍스펌프로 유입되도록 하였다.
본 실험에서는 수용액의 농도를 0, 10, 20wt%로 조정하였는데, 수용액으로는 고순도의 프로필 렌글리콜(CH₃CH(OH)CH₂OH, 분자량 76.10)과 수돗물을 이용하여 제조하면서 일정농도가 유지되도록 하였다.

대상 데이터

Fig. 1에는 본 연구에 이용된 실험장치의 개략도를 나타내었으며, 실험장치는 주로 아이스슬러리 혼합탱크, 볼텍스펌프, IPF 측정기, 차압측정용 마노미터, 유속측정부와 시험부로 구성하였다.
시험부로는 굽힘각도에 따라 수평관, 수직상승관과 30°, 45° 상향 경사관의 4종을 그 대상으로 하였으며, 일반 수도용 PVC관으로, 내경은 25mm, 길이는 1000mm로 하였고, 시험부의 입구측과 출구측 각 1개소씩 차압측정용 마노미터와 IPF 측정기^(10,11)를 설치하였다.

성능/효과

(1) 경사각도에 따라서는 수직상승관에서 압력 손실이 가장 높으며, 45°와 30° 경사관, 수평관의 순으로 압력손실이 낮아졌다.
(2) 수용액의 농도에 따라서는 30° 경사관에서 10~20wt%, 45° 경사관과 수직상승관에서 10wt% 일 때 압력손실이 가장 낮게 나타났으며, 수평관에서는 농도에 큰 영향을 받지 않았다. 그러나 전체적으로는 10wt%일 때의 압력손실이 비교적 낮았다.
(3) 유속에 따라서는 30° 경사관과 수직상승관에서 2.5m/s, 45° 경사관에서 2.0~2.5m/s, 수평관에서 1.5m/s일 때의 압력손실이 낮았으며, 전체적으로 2.0m/s일 때의 압력손실이 가장 낮은 것으로 파악된다.
(4) 입구로 공급되는 얼음입자의 IPF는 경사각도에 따라 다소 다른 경향을 보였으나, 전체적으로 수용액의 농도 10wt%, 유속 2.0~2.5m/s일 때 비교적 안정하게 유출되는 것을 알 수 있다. 그러나 수직상승관에서는 매우 불안정한 IPF 변화를 나타내고 있다.
5m/s로 달라지면서 안정적인 IPF 수송특성을 나타내고 있다. 그러나 전체적으로는 농도 10wt%, 유속 2.0m/s일 때가 가장 안정적인 IPF로 슬러리를 수송하는 것으로 판단된다.
본 실험에서 사용한 얼음입자는 약 -20℃인 냉동고 속에서 약 24시간에 걸쳐 얼린 수용액을 쇄빙기로 절삭한 것으로, 약 200개의 샘플을 채집하여 입자직경을 확인한 결과, 대부분이 1.7~2.2mm의 범위에 속하며, 평균 입자경은 약 1.943mm인 것을 확인하였다.
유속에 따라서는 수용액의 농도 Owt%일 때에는 전체적으로 유속이 빠를수록 압력손실이 줄어들고 있음을 보여주고 있으며, 수용액의 농도 10 wt%일 때에는 2.0m/s에서보다 2.5m/s에서의 유동저항이 적어지고, 20wt%일 때에는 유속 2.0 m/s인 경우와 2.5 m/s인 경우의 압력손실이 크게 다르지 않음을 알 수 있다. 이는 유속이 느린 상태에서는 수용액에 함유된 얼음입자가 수용액의 유동에 앞서가면서 얼음입자로 인한 관벽마찰 때문에 압력손실이 커지지만, 유속이 빨라지면 얼음입자가 수용액 유동과 함께 진행하면서 관벽과의 마찰이 감소하기 때문으로 생각된다.
이런 결과로부터 수평관에서는 수용액의 농도에는 큰 관계없이 유속을 1.5m/s 정도로 유지하는 것이 압력손실을 가장 줄일 수 있을 것으로 생각된다. 또한 저유속에서 얼음입자가 관벽을 따라 부상함으로 인해 압력손실이 증가하지만, 고유속에서 균질류의 흐름을 나타내어 압력손실이 감소한다는 기존의 연구결과⁽⁵⁾와도 유사한 경향이다.

후속연구

즉, 유속이 느릴수록 불안정한 출구 IPF를 나타내고 있는 것은 수직으로 상승하는 유동으로 인해 얼음입자가 함께 유동하지 못하고 하부에서 일시 정체하기 때문이지만, 20wt%인 경우에는 수용액의 점도가 증가되어 미세한 얼음입자가 수용액과 함께 일시에 유출하기 때문일 것으로 생각된다. 그러나 본 연구에서는 ice slurry의 순간적인 공급에 따른 영향을 살펴보았기 때문에 공급이 동일한 상태로 지속된다면 본 실험의 결과와 반대의 경향이 나타날 수도 있을 것이다.

참고문헌 (11)

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Park, K W., Kim, K M., Roh, G. S. and Jeong, J. C., 2003, Flowing characteristics of iceslurry in elbows with various angle, summer annual conference, SAREK, p. 224
Kitahara, T. and Shirakashi, M., 1993, Hydraulic conveying of snow and ice, Setpyo,Vol. 55, No.4, pp.307-315
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