[논문]Shell & Tube 열교환기 Shell 측 열전달 및 유동에 대한 수치해석

이상혁; 이명성; 허남건

문제 정의

열전달 및 압력강하에 대해 비교해 보았다. 또한 열교환기의 작동조건으로써 유량의 변화에 따른 열교환기 내부 특성에 대해 알아보았다.
본 연구에서는 CFD를 통해 본 논문에서 제시하는 원통다관형 열교환기의 설계 모델에 대한 내부 유동 현상 및 열전달 특성을 파악하였다. 이로부터 열전달을 향상시키기 위한 설계 인자로써 Sealing Strip의 설치 위치 및 크기와 작동조건으로 유량의 변화가 열전달 및 압력강하에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 냉각장치로 사용되는 원통다관형 열교환기에 대해서 수치해석을 수행하였다. 열교환기의 성능을 알아보기 위하여 유동 및 열전달에 대한 연구를 진행하였다.
본 장에서는 열교환기의 성능을 향상시키기 위해 기존 형상과 설계 인자 중 원통 내부에서 관 주변 유동을 활발히 하기 위한 Sealing Strip의 설치 유무와 설치 위치 및 크기에 따른 열전달 및 압력강하에 대해 비교해 보았다. 또한 열교환기의 작동조건으로써 유량의 변화에 따른 열교환기 내부 특성에 대해 알아보았다.
원통 열교환기 내부에 Sealing Strip이 설치됨에 따라 유동 및 열전달에 미치는 영향을 알아보았다. Sealing Strip의 설치 유무 및 설치 위치에 따른 특성을 확인하기 위해서 Fig.

가설 설정

이때, 열교환기 내부의 유동 및 열전달에 대한 특성을 알아보기 위하여 원통의 입구에는 40 ℃ 온도의 Air가 5, 400 Nn0hr의유량을 갖는 것으로 설정하였다. 냉매로 사용되는 R-22의 경우, 5 기압 정도의 압력 조건하에서 0℃에서 상변화를 일으킨다.

제안 방법

따라서, 앞장에서 가장 열전달 측면에서 높은 성능을 보였지만 높은 압력강하를 요구한 가로막의 상하단부에 Sealing Strip o] 설치되어 있는 Model Ⅲ을 기준으로 Sealing Strip 크기를 변화시켜가며 열교환기 내부 유동 특성에 대해 분석하였다. Sealing Strip의 크기의 변화는 Fig. 9와 같이 기존 47 mm의 길이를 갖는 Sealing Strip을 10 ~ 40 mm로 바꾸어가며 Sealing Strip 의 크기에 따른 열전달 성능 및 압력강하에 대해 수치해석을 수행하였다.
관 주변에서의 열전달로부터 최종적으로 얻을 수 있는 결과인 출구에서의 온도는 열교환기의 성능을 좌우할 수 있는 변수로써 이를 구하기 위해서 열유동 해석을 수행하였다. Fig.
냉매로 사용되는 R-22의 경우, 5 기압 정도의 압력 조건하에서 0℃에서 상변화를 일으킨다. 냉매가 상변화가 일어나는 조건에서 열교환이 일어나면 잠열을 이용할 수 있기 때문에 본 연구에서 사용된 열교환기의 경우 냉매의 온도는 거의 0를 유지하며 작동하므로 관의 바깥면을 이의 벽 경계조건으로 설정함으로써 냉매로 부터의 열전달을 표현하였다. 또한 대칭인 유동 특성을 갖는 절반의 형상에 대해 대칭 경계조건을 사용하였다.
또한, 열교환기의 원통 부분 유동장에서 관군이 중심 부분에 집중되어 있어 관군 바깥으로 유동이 우회하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 열전달 성능의 저하를 초래하였다. 따라서 열전달을 향상시키기위해서 원통 내부의 관 주변 유동을 활발히 할 수 있는 설계조건으로 Sealing Strip의 설치에 대해 고려하였다. Sealing Strip의 설치 위치 및 크기가 열전달과 압력강하와 같은 열교환기의 성능에 영향을 미치는 것을 파악할 수 있었다.
열교환기의 성능에 영향을 미치는 요인이다. 따라서, 앞장에서 가장 열전달 측면에서 높은 성능을 보였지만 높은 압력강하를 요구한 가로막의 상하단부에 Sealing Strip o] 설치되어 있는 Model Ⅲ을 기준으로 Sealing Strip 크기를 변화시켜가며 열교환기 내부 유동 특성에 대해 분석하였다. Sealing Strip의 크기의 변화는 Fig.
냉매가 상변화가 일어나는 조건에서 열교환이 일어나면 잠열을 이용할 수 있기 때문에 본 연구에서 사용된 열교환기의 경우 냉매의 온도는 거의 0를 유지하며 작동하므로 관의 바깥면을 이의 벽 경계조건으로 설정함으로써 냉매로 부터의 열전달을 표현하였다. 또한 대칭인 유동 특성을 갖는 절반의 형상에 대해 대칭 경계조건을 사용하였다.
본 논문에 사용된 열교환기의 작동 유량은 0.965 s이었으며 유량의 변화에 따른 열교환기의 특성 변화를 해석하기 위해서 작동 유량을 0.4 ~ 2.0 kg/s으로 변화시켜 이 때의 열전달 및 압력강하의 변화를 알아보았다. Fig.
열교환기 성능 향상을 위한 Sealing Strip 설치에 따른 유동을 비교하기 위하여 Fig. 6과 같은 형상을 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 해석 격자는 가로막을 경계로 주기적인 유동 특성을 갖는 부분에 대해 구성하였으며 주기 경계조건을 사용하여 초기의 온도가 313.
대해서 수치해석을 수행하였다. 열교환기의 성능을 알아보기 위하여 유동 및 열전달에 대한 연구를 진행하였다. 원통 내의 온도 분포를 통해서 원통 다관형 열교환기 내의 전체적인 열전달 현상을 파악할 수 있었다.
와 같이 막응축에 대한 열전달계수를 구하여 이를 이용하여 열저항을 구하였다. 이 때, #는 포화 상태의 물(유체)의 열전도도를, P는 밀도 hfg 증발 잠열, μ는 점도 d는 관의 직경, #는 Film 경계면에서의 온도(Air의 포화상태 온도), #는관의 벽면 온도를 나타낸다.
원통다관형 열교환기의 성능을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같은 형상의 열교환기를 수치해석 하였다. 이 열교환기는 큰 원통 안에 여러개의 작은 관으로 구성되어 있는데 원통 부분 길이가 2, 239mm이고 내경이 590mm이며, 외경이 12.
특성을 파악하였다. 이로부터 열전달을 향상시키기 위한 설계 인자로써 Sealing Strip의 설치 위치 및 크기와 작동조건으로 유량의 변화가 열전달 및 압력강하에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
이 때, #는 포화 상태의 물(유체)의 열전도도를, P는 밀도 hfg 증발 잠열, μ는 점도 d는 관의 직경, #는 Film 경계면에서의 온도(Air의 포화상태 온도), #는관의 벽면 온도를 나타낸다. 이와 같은 전도와 응축에 위한 열저항을 고려하여 관 부분에 해당하는 일정 온도를 갖는 벽 경계조건으로 처리하였다.
열교환기의 형상이 결정될 것이다. 이와 같이 설계된 형상에 유량의 변화는 열전달 성능과 압력강하에 영향을 미치게 되므로 이러한 영향에 대해 수치해석을 수행하였다.
6과 같은 형상을 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 해석 격자는 가로막을 경계로 주기적인 유동 특성을 갖는 부분에 대해 구성하였으며 주기 경계조건을 사용하여 초기의 온도가 313.15 K을 가지며 0.965 kg/sS] 유량을 가질 경우에 대해 해석하였으며 전체 열교환기에 대한 해석과 같이 관에 해당하는 부분은 273.15 K을 갖는 벽 경계조건을 적용하였고 대칭 경계조건을 사용함으로써 절반의 형상에 대해 유동 및 열해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 원통 다관형 열교환기는 관 내부에 흐르는 냉매(R-22)가 원통 내부의 뜨거운 유체(Air)와 열전달을 하여 냉매의 잠열로 인하여 원통 내부 유체를 냉각시킨다. 이때, 열교환기 내부의 유동 및 열전달에 대한 특성을 알아보기 위하여 원통의 입구에는 40 ℃ 온도의 Air가 5, 400 Nn0hr의유량을 갖는 것으로 설정하였다.
1과 같은 형상의 열교환기를 수치해석 하였다. 이 열교환기는 큰 원통 안에 여러개의 작은 관으로 구성되어 있는데 원통 부분 길이가 2, 239mm이고 내경이 590mm이며, 외경이 12.7mm인 660개의 관으로 구성되어 있다. 또한 열교환기의 원통 부분 입구 및 출구 직경은 140mm이다.
또한 열교환기의 원통 부분 입구 및 출구 직경은 140mm이다. 이를 수치해석하기 위하여 Fig. 2와 같은 계산 격자를 생성하였다 이 때, 열교환기 원통 내 유체는 진행방향으로 좌우가 대칭인 유동 특성을 갖기 때문에 대칭 경계조건을 사용함으로써 절반의 형상에 대해 1, 450만개의 유체 격자로 구성하였다.

이론/모형

이때 원통다관형 열교환기의 내부 유동 및 열전달에 대하여 상용 프로그램인 STAR-CD[8]를 사용하여 정상상태 비압축성 난류유동을 해석하였으며, 지배방정식은 기본적인 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였고, 난류 모델은 k-e 모델, 해석 알고리즘은 SIMPLE 법을 적용하였다.

성능/효과

따라서 열전달을 향상시키기위해서 원통 내부의 관 주변 유동을 활발히 할 수 있는 설계조건으로 Sealing Strip의 설치에 대해 고려하였다. Sealing Strip의 설치 위치 및 크기가 열전달과 압력강하와 같은 열교환기의 성능에 영향을 미치는 것을 파악할 수 있었다. 또한 열교환기의 작동조건 중에 유량에 따른 열교환기 내부의 열전달 및 압력강하 특성 변화를 확인할 수 있었다.
Sealing Strip의 설치 위치 및 크기가 열전달과 압력강하와 같은 열교환기의 성능에 영향을 미치는 것을 파악할 수 있었다. 또한 열교환기의 작동조건 중에 유량에 따른 열교환기 내부의 열전달 및 압력강하 특성 변화를 확인할 수 있었다.
원통 내의 온도 분포를 통해서 원통 다관형 열교환기 내의 전체적인 열전달 현상을 파악할 수 있었다. 또한, 열교환기의 원통 부분 유동장에서 관군이 중심 부분에 집중되어 있어 관군 바깥으로 유동이 우회하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 열전달 성능의 저하를 초래하였다. 따라서 열전달을 향상시키기위해서 원통 내부의 관 주변 유동을 활발히 할 수 있는 설계조건으로 Sealing Strip의 설치에 대해 고려하였다.

후속연구

왔다. 그러나 실험을 통한 방법으로는 유체의 입출구 위치 및 형상, Head의 형식, 가로막(Baffle)의 형상 및 간격 등 고려해야 할 설계 인자들이 다양하고 원통(Shell) 내 유동 및 열전달 현상이 복잡하기 때문에 그 특성을 파악하는데 한계가 있었다. 이러한 어려움을 해결하기 위한 다른 방법으로 원통다관형 열교환기의 이론적 해석 방법이 연구되어 왔다.
관 내에 흐르고 있는 유체에 위해서 원통 부분의 유체인 공기의 열을 많이 빼앗아가나 열교환기의 내부 유동 결과와 같이 관군을 통해 지나가는 유동장보다 관군 주변으로의 유동장이 대부분 형성되기 때문에 충분한 열교환은 이루어지지 않는다. 따라서, 관군을 통해 흐르는 유동장을 더욱 활발하게 한다면 더 많은 열전달효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 열교환기 내부에서 관과 관 주변의 유체와의 정확한 열전달 현상을 해석하기 위해서는 관과 주변 유체에서의 열저항 및 관 주변에서의 응축에 위한 영향과 같은 현상에 대한 연구가 진행되어야 한다.
따라서, 관군을 통해 흐르는 유동장을 더욱 활발하게 한다면 더 많은 열전달효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 열교환기 내부에서 관과 관 주변의 유체와의 정확한 열전달 현상을 해석하기 위해서는 관과 주변 유체에서의 열저항 및 관 주변에서의 응축에 위한 영향과 같은 현상에 대한 연구가 진행되어야 한다.

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