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문제 정의
- 본 연구는 800~1000 "C의 고온용 세라믹 열교환기 전열특성을 계산하기 위해 열교환기 전체에서 고온 가스, 세라믹 코아 및 저온공기 간의 conjugate 강제대류 열전달 수치계산을 수행하였다. 세라믹 열교환기의 유용도와 전열량을 수치 계산하여 구한 값과 여러 상관관계식을 이용하여 e NTU 법으로 구한 값들을 서로 비교하였다.
- 그러나 세라믹 열교환기는 금속 열교환기에 비해 열효율이 낮으므로 세라믹 열교환기의 설계 기술 및 개발에 대한 연구의 필요성이 부각된다. 기존 논문들은 열교환기 형상에서 1개의 유동 통로에 대해 전열 및 압력 강하에 관한 수치계산을 수행하였으나(1), 본 논문에서는 고온가스, 세라믹 코아, 저온공기에 이르는 세라믹 열교환기 전체의 열전달에 대해 수치 계산하여 구한 유용도(effectiveness)와 여러 연구자들이 만든 상관관계식으로 계산한 이론값과 비교하여 본 실험의 범위에서 상관관계식들의 정밀성과 적용성을 비교하고자 한다.
- 22% 로서 두 수치계산 결과가 유사함을 알 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 공기의 열역학적 특성치에 대해 첫 번째 방법으로 수치계산을 수행하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 세라믹 열교환기의 유체와 고체 간의 conjugate 강제대류 열전달 수치계산을 하여 실험에 대체하고자 한다. 이를 위해 세라믹 열교환기 내부의 유동을 3차원 비압축성 정상 상태의 유동으로 가정하였다.
- 본 논문에서는 열교환기 성능 해석방법(ξ-NTU 법)을 이용하여 전열량을 계산하고 이를 수치계산 결과와 비교하고자 한다. 여기서 유용도(ξ)에 관한 식은 단일 통로 직교류에서 비 혼합 유체일 경우 사용하는 식(3)을 사용하였다.
- 본 연구는 세라믹 열교환기에서 유량변화를 레이놀즈 수로 나타내었으며, 이에 대해 수치계산으로 구한 세라믹 열교환기의 전열특성과 여러 연구자들의 누셀트 수 상관관계식을 활용하여 구한 계산 값을 서로 비교하여 적용성을 살펴보고자 한다. 따라서 세라믹 열교환기 내부에 각 유체의 열역학적 특성치를 다음과 같은 두 방법으로 정의하여 수치계산을 수행하였다.
가설 설정
- 공기 측 입구 유속의 방향은 z축 방향이며 y, 2축 방향의 유속은 0으로 가정하였다. 또한 가스 측 입구 유속의 방향은 y축 방향이며 공기 측 유속가정과 동일하게 입구 경계조건으로 대입하였다.
- 내부 벽면 경계조건은 유체와 접한 벽면에서의 유속 성분이 0인 조건(non-slip condition) 으로 식(12)로 가정한다. 입구와 출구 경계조건을 제외한 세라믹 코아의 모든 외부 벽면에서는 단열 조건이며, 식(13)과 같다.
- 두 번째 방법은 CFD 상용프로그램의 옵션을 사용하여 다음과 같이 정의하였다. 밀도 및 다른 열역학적 특성치들이 850 ℃와 560 ℃ 사이에서 선형적으로 변화한다고 가정하였다. 그리고 각각의 수치계산에 사용된 세라믹 코아 재료의 물성치를 Table 5에 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 세라믹 열교환기의 유체와 고체 간의 conjugate 강제대류 열전달 수치계산을 하여 실험에 대체하고자 한다. 이를 위해 세라믹 열교환기 내부의 유동을 3차원 비압축성 정상 상태의 유동으로 가정하였다. 또한 모든 입구 평균유속에 대해 ReDi < 2, 300이하이므로 층류 유동으로 간주하여 수치계산에 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
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