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문제 정의
- 본 연구는 철망(wire screen)을 축열재로 하는 스털링 기관의 재생기 설계에 필요한 기초 자료를 제공하기 위하여 스털링 기관의 작동조건과 동일한 주기적인 왕복유동(periodically reversing flow) 조건하에서 재생기내의 유체유속을 측정하여 유속특성을 구명하였다.
- 본 연구는 철망(wire-mesh)을 축열재로 하는 스털링 기관의 재생기 설계에 필요한 기초 자료를 제공하기 위하여 스털링 기관의 작동조건과 동일한 주기적인 왕복유동(periodically reversing flow) 조건하에서 재생기내의 작동유체의 유속특성을 구명하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 구동장치는 시험 부에 동작체가 왕복 유동 상태가 되도록 2개의 실린더와 피스톤으로 구성하였으며 보조장치는 2개의 피스톤의 위상차를 60〜 130。로 변화시킬 수 있는 장치로 구성하였다. 그리고 구동축의 회전속도 변화는 전동기에 인버터를 장착하여 회전속도를 조절할 수 있도록 하였다.
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다. 실험방법
실험장치의 크랭크축 회전속도(n)는 원주 상에 18도의 간격으로 20개의 요철을 설치한 회전원판을 크랭크축에 부착하고 픽업 센서로 회전 펄스를 검출하여 측정하였다. 구 동부의회 전수는 100 rpm에서 1200 rpm까지 100 rpm씩 증가 시켜 실험을 하였다.
- 구 동부의회 전수는 100 rpm에서 1200 rpm까지 100 rpm씩 증가 시켜 실험을 하였다. 유속은 유속계(Kanomax, Japan Inc. 6542)를이용하여 재생기 단면의 중심부위 즉 메쉬 적층 부위의 중앙에 설치하여 측정하였다.
- 파악하기 위한 실험 장치이다. 장치는 재생기 축열재 내의 유동특성 시험부인 재생기(regenerator), 구동장치(drive mechanism) 및 보조 장치로 구성하였다. 시험부인 재생기 내부에는 각종 공시 축열재를 삽입하였다.
대상 데이터
- 표에서와 같이 철망은 메쉬 번호 50, 100을 사용하였다. 메쉬 번호 50에 대하여 각각 200, 240, 280매의 메쉬가 사용되었다. 메쉬번호 100에 대하여는 320, 370, 420매의 메쉬가 각각 사용되었으며 각각의 경우에 대한 전열 표면적 및 개구비를 표 2에 나타내었다.
이론/모형
- 또한 재생기내에 축열재가 있을 경우, 축열재의 종류에 따른 유속(u)은 Isshiki와Watanabe(1987)가 제안한 식(2)에 의해 계산하였다.
- 본 연구에서 재생기내에 축열재가 없을 경우의 유속(U0)을 Isshiki와 Watanabe(1987)가 제안한 다음 식에 의해 계산하였다.
성능/효과
- (1) 재생기내에 축열재가 없을 경우 작동유체의 유속은 왕복 유동 시가 Isshiki와 Watanabe가 제안한 계산식에 의한 결과보다 1.6 배 빠르게 나타났다.
- (2) 재생기내에 축열재가 없을 경우 작동유체의 유속은 왕복 유동 시가 한방향유동시 보다 1.3배 빠르게 나타났다.
- (3) 메쉬번호 50번 철망을 재생기 축열재로 사용한 결과 경우 작동 유체의 유속은 적층매수에 관계없이 왕복 유동이 한 방향 유동에 비해 25배 빠르게 나타났다.
- (4) 메쉬번히00번 철망을 재생기 축열재로 사용한 결과 작동 유체의 유속은 적층매수에 관계없이 왕복 유동이 한 방향 유동에 비해 2배 빠르게 나타났다.
- (5) 공시 축열재의 철망은 메쉬번호가 크고 적층 매수가 많을수록 유속은 느리게 나타났다.
- 2배 더 빠르게 나타났다. 계산 유속(u)과 #100-420-2을 비교해보면 저회전속도에서는 계산 유속이 14.0배 더 빠르게 나타났고 고회전속도에서는 계산 유속이 4.6배 더 빠르게 나타났으며 평균유속도 계산유속이 4.8배 더 빠르게 나타났다.
- 계산유속(u)과 100-320-2를 비교해보면 저회전 속도에서는 계산 유속이 7.0배 더 빠르게 나타났고, 고회전속도에서는 계산 유속이 3.6배 더 빠르게 나타났으며 평균유속도 계산 유속이 3.7배 더 빠르게 나타났다. 계산유속(u)과 #100-370-2와- 비교해보면 저회전속도에서는 계산유속이 9.
- Seume 등(1987) Seume와 Simmon(1988)은 스털링 기관의 가열기와 냉각기에서 왕복유동의 효과를 파악하기 위해서 관내의 유체유동의 속도분포를 조사하였다. 그 결과, 유체의 평균 유속이 느린 영역(Remax = 3.7x104)에서는 유속분포 곡선은 비압축성이고 누설이 없는 이상적인 경우 계산치보다 15%정도 낮게 나타났으나 유속이 빠른 영역에서는 거의 비슷하다고 하였다. 또한 속도변화는 관의 축 방향 위치에 따라 일어나는 것이 아니고 단면을 가로지르는 위치에 따라 발생한다고 하였다.
- 그리고 계산유속(u)과 #50-200-1 의 유속을 비교 해보면 계산 유속이 한방향 유속에 비해 6.3배 빠르게 나타남을 알 수 있다 또한 계산유속과 #50-240-1 의 유속을 비교 해보면 계산 유속이 한방향 유속에 비해 6.9배 빠르게 나타남을 알 수 있다. 한편 계산유속과 #50-280-1 의 유속을 비교해 보면 계산 유속이 한방향 유속에 비해 7.
- 나타났다. 그리고 왕복유동이 한 방향 유동보다 유속이 더 빠름을 알 수 있고, 계산 유속 실측유속 모두 기관의 회전속도에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있으며 증가폭은 계산 유속이 가장 크고, 축열재로서 철망의 메쉬 번호가 작고 적층매수가 적은 순서로 나타남을 알 수 있다. 이는 축열재로서 철망의 메쉬 번호가 작고 적층 매수가 적은 것이 마찰저항이 감소하기 때문이라 생각된다.
- 1 배 더 빠르게 나타났다. 따라서 메쉬번히00번 철망 320매, 370매, 420매를 각각 재생기 축열재로 사용하여 작동유체를 각각 한 방향 유동과 왕복 유동으로 하였을 경우 작동유체의 유속은 왕복유동이 한 방향 유동에 비해 2배 빠름을 알 수 있다. 또한 그림3의 결과와 비교하면 메쉬번히00번 철망은 메쉬번호 50번 철망에 비해 한방향 유동과 왕복유동시의 유속차가 작게 나타났다.
- 5배 더 빠르게 나타남을 알 수 있다. 또한 계산 유속과 #50-240-2의유속을 비교 해보면 저회전속도에서는 계산 유속이 실측유속보다 3.7배 더 빠르게 나타났고, 고회전 속도에서의 유속도 계산유속이 실측유속보다 2.7배 더 빠르게 나타났다. 그리고 평균유속도 계산유속이 실측유속보다 2.
- 또한 계산유속과 #50-200-2의 유속을 비교해보면 저회전 속도에서는 계산유속이 실측유속보다 3.3배 더 빠르게 나타났고, 고회 전속도에서 의 유속도 계산유속이 실측유속보다 2.5 배 더 빠르게 나타났다. 그리고 평균유속도 계산유속이 실측 유속보다 2.
- 8배더 빠르게 나타남을 알 수 있다. 또한 계산유속과 #50-280-2 의유속을 비교 해보면 저회전속도에서는 계산유속이 실측 유속보다 3.7배 더 빠르게 나타났고, 고회전속도에서의 유속도 계산 유속이 실측유속보다 3.0배 더 빠르게 나타났다. 그리고 평균유속도 계산유속이 실측유속보다 3.
- 03 m/s로 나타났다. 또한 고회전속도에서는 각각 0.38 m/s, 0.83 m/s로 나타났고 평균유속은 각각 0.18 m/s, 0.4 m/s로 나타나 왕복유동시의 유속이 각각 3.0배, 2.2배, 2.2배 더 빠르게 나타남을 알 수 있다. 메쉬번히00번 철망 420매를 재생기내에 충전하여 작동유체의 유동을 각각 한 방향 유동과 왕복유동으로 하였을 경우, 재생기 내의 유속은 저회전 속도에서는 한 방향 유동이 0.
- 3배 더 빠름을 알 수 있다. 메쉬번호 100번 철망 370매를 재생기내에 충전하여 작동유체의 유동을 각각 한 방향 유동과 왕복유동으로 하였을 경우, 재생기 내의 유속은 저회전속도에서는 한 방향 유동이 0.01 m/s, 왕복 유동이 0.03 m/s로 나타났다. 또한 고회전속도에서는 각각 0.
- 68 m/s로 나타났다. 메쉬번히00번 철망 320매를 재생기 축열재로 사용하여 작동 유체를 한 방향 유동과 왕복유동으로 하였을 경우 재생기 내의 작동유체 유속은 저회전속도에서는 한 방향 유동의 유속이 0.01 m/s, 왕복유동의 유속이 0.04 m/s로 나타났다. 또한 고회전 속도에서는 각각 0.
- 2배 더 빠르게 나타남을 알 수 있다. 메쉬번히00번 철망 420매를 재생기내에 충전하여 작동유체의 유동을 각각 한 방향 유동과 왕복유동으로 하였을 경우, 재생기 내의 유속은 저회전 속도에서는 한 방향 유동이 0.01 m/s, 왕복유동이 0.02 m/s로 나타났다. 또한 고회전속도에서는 각각 0.
- 0배 더 빠르게 나타남을 알 수 있다. 이상동작유체의 계산유속과 왕복 유동 시의 유속은 메쉬의 적층매수가 증가할수록 차가 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 식(2)이 왕복유동의 특성과 작동유체의 마찰저항에 의한 유속저하를 완전히 반영하지 못하고 있다는 것을 의미한다.
- 5 배 빠르게 나타남을 알 수 있다. 이상에서 알 수 있듯이 한방향 유동의 경우 재생기 축열재로서 메쉬의 적층매수가 증가하면 할수록 계산유속과 실측치의 차가 더 커지는 경향이 있다. 이는 계산식(2)이 메쉬의 적층매수 증가에 따라 증가하는 유동마찰저항의 영향을 반영하지 못하고 있기 때문이라고 생각한다.
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