[논문]루버형과 파형핀 열교환기에서 분진이 성능에 미치는 영향에 관한 연구

이영림; 황순호

문제 정의

본 연구에서는 3차원 파형핀의 내분진성능을 알아 보기 위한 수치해석 및 실험을 수행하였다. 이를 위해 Fig.
본 연구에서는 수치 해석을 통하여 파형핀과 루버핀의 내분진 성능을 분석하였다. 또한 공기측 압력강하와 방열율에 대한 비교도 이루어졌다.

가설 설정

본 연구에서 고려되어진 유동은 3차원, 비압축성, 정상상태 및 층류유동을 가정하여 상용 열유동 해석 프로그램인 Fluent⁸⁾를 이용하여 해석하였다. Fig.
이것은 입자가 유동에 영향을 끼치지 않는 단방향 연계(one way coupled) 해석이다. 약3000개의분진입자가입구로 유입된다고 가정하였고 이 중에서 몇 개의 입자가 벽에 점착되는지 수량을 확인하였다. 벽에 점착된 입자의 개수를 구하기 위하여 유동장을 해석 한 후에 유동장 입구에서 일정 크기의 입자를 띄워 유속에 의해 입자가 흘러가는 경로를 추적하였다.
또한, 핀의높이H는10 mm, 폭W는32mm이다. 재질은 알루미늄 합금이며 공기의 온도는 298K, 핀의 온도는 343K로 가정하였다.
벽에 점착된 입자의 개수를 구하기 위하여 유동장을 해석 한 후에 유동장 입구에서 일정 크기의 입자를 띄워 유속에 의해 입자가 흘러가는 경로를 추적하였다. 점착모델은 사용하지 않고 단지 입자가 벽에 부딪히는 순간 반사되지 않고 모두 벽에 포집(trapped)되는 것으로가정하였다.

제안 방법

건설현장에서의 비산먼지는 크기가 대략 10 ㎛내외로 입자 크기가 충분히 작으므로 본 연구에서는 유동과 연계시키지 않고 유동 해석이 끝난 후 분진 입자 거동 해석을 수행하였다. 이것은 입자가 유동에 영향을 끼치지 않는 단방향 연계(one way coupled) 해석이다.
경계조건은 주기 조건(periodic condition)을 양 옆과 위아래로 설정하였고, 전면 풍속은 2 ~ 8 m/s를 고려하였다.
내분진 성능을 예측하기 위하여 전면 풍속 2 m/s를 유지하면서 입자 크기를 1, 5, 7.5, 10 ㎛로 바꾸어 가며 핀에 얼마만큼의 분진이 점착되는지를 해석하였다.
다음으로 동일한 조건에서 루버핀와 파형핀의 공기측 압력강하를 비교해 보았다. Fig.
풍동 시험기 안에 열교환기를 위치시켜 속도에 따른 압력강하 실험을 실시하였다. 단단히 고정된 열교환기에 2,3,4,5,6,7,8m/s의 전면풍속을 주었으며 열교환기의 앞과 뒤에서 피토튜브를 이용하여 압력을 측정하였다. 핀 형상에 따른 압력강하 변화를 알아보기 위하여 핀피치가 4.
본 연구에서는 수치 해석을 통하여 파형핀과 루버핀의 내분진 성능을 분석하였다. 또한 공기측 압력강하와 방열율에 대한 비교도 이루어졌다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
입자 크기와 포집율과의 상관관계를 알아보기 위하여 일정한 전면 속도에서 입자 크기를 1~10㎛로 변화시켰다. 또한 전면 속도 변화에 따른 포집율 변화를 알아보기 위해 10㎛의 입자 크기에 대해 전면 속도를 2~8 m/s로변화시켰다.
약3000개의분진입자가입구로 유입된다고 가정하였고 이 중에서 몇 개의 입자가 벽에 점착되는지 수량을 확인하였다. 벽에 점착된 입자의 개수를 구하기 위하여 유동장을 해석 한 후에 유동장 입구에서 일정 크기의 입자를 띄워 유속에 의해 입자가 흘러가는 경로를 추적하였다. 점착모델은 사용하지 않고 단지 입자가 벽에 부딪히는 순간 반사되지 않고 모두 벽에 포집(trapped)되는 것으로가정하였다.
팬을 이용해 10분간 강제적으로 초음파 수증기를 흡입하였으며 이 과정으로 인해 핀 유로에 응축되는 물의 양으로 내분진 성능을 간접적으로 비교할 수 있었다. 본 연구에서는 4.4mm의 핀피치를 가진 루버형과 파형핀 열교환기만을 대상으로 실험하여 핀 피치 변화에 따른 내분진 성능비교는 수행하지 않았다.
본 연구에서는 루버핀과 파형핀 열교환기의 성능비교를 위하여 다음과 같은 열교환기 방열율을 사용하였다.
분진 성능 실험은 열교환기 통과 풍속을 변화시켜 가며 실시하였다. 통과 풍속은 팬의 회전수를 조절하여 변화시켰는데 팬의 후방에서 최대 풍속 기준으로 2,4,6 및 8 m/s로 변화시키었다.
본 연구에서는 3차원 파형핀의 내분진성능을 알아 보기 위한 수치해석 및 실험을 수행하였다. 이를 위해 Fig. 1과 같이 동일한 제원의 루버핀을 고려하여 공기측 압력강하, 방열량 및 내분진 성능을 비교 하였다.
입자 크기와 포집율과의 상관관계를 알아보기 위하여 일정한 전면 속도에서 입자 크기를 1~10㎛로 변화시켰다. 또한 전면 속도 변화에 따른 포집율 변화를 알아보기 위해 10㎛의 입자 크기에 대해 전면 속도를 2~8 m/s로변화시켰다.
00014㎛이므로 약 10㎛의 크기를 갖는다. 초음파 수증기 발생기의 출구부분과 열교환기는 속도에 상관없이 일정하게 0.22m의 거리를 유지시켰으며 열교환기 뒤에 0.14A의 전력을 가진 팬 두개를 설치하였다. 팬을 이용해 10분간 강제적으로 초음파 수증기를 흡입하였으며 이 과정으로 인해 핀 유로에 응축되는 물의 양으로 내분진 성능을 간접적으로 비교할 수 있었다.
분진 성능 실험은 열교환기 통과 풍속을 변화시켜 가며 실시하였다. 통과 풍속은 팬의 회전수를 조절하여 변화시켰는데 팬의 후방에서 최대 풍속 기준으로 2,4,6 및 8 m/s로 변화시키었다.
14A의 전력을 가진 팬 두개를 설치하였다. 팬을 이용해 10분간 강제적으로 초음파 수증기를 흡입하였으며 이 과정으로 인해 핀 유로에 응축되는 물의 양으로 내분진 성능을 간접적으로 비교할 수 있었다. 본 연구에서는 4.
풍동 시험기 안에 열교환기를 위치시켜 속도에 따른 압력강하 실험을 실시하였다. 단단히 고정된 열교환기에 2,3,4,5,6,7,8m/s의 전면풍속을 주었으며 열교환기의 앞과 뒤에서 피토튜브를 이용하여 압력을 측정하였다.
단단히 고정된 열교환기에 2,3,4,5,6,7,8m/s의 전면풍속을 주었으며 열교환기의 앞과 뒤에서 피토튜브를 이용하여 압력을 측정하였다. 핀 형상에 따른 압력강하 변화를 알아보기 위하여 핀피치가 4.4mm인 열교환기를 고려하였다.

대상 데이터

사용된 격자 종류는 사면체이고 격자 수는 약 150만개~170만개이다.

성능/효과

1) 압력 강하는 저·중속에서는 루버핀이 크나 6m/s 이상의 고속에서는 역전되어 파형핀이 커지게 된다.
2) 성능 해석 결과에 의하면 루버핀의 경우 공기측 압력 강하는 파형핀 대비 평균적으로 약 11%가 높지만 방열율은 약 33 %정도 향상된 결과를 보여 준다. 이것은 비분진 환경에서는 루버핀의 열전달계수가 파형핀에 비해 훨씬 크다는 것을 의미한다.
3) 수치해석 결과에 의하면 핀피치를 4.0mm에서 4.4mm로 10% 증가시키었을 때 압력 강하는 약 7% 정도 감소하였고 방열율은 약4.2% 증가하는데 그쳐 전체 열교환기 방열율은 오히려 5.3% 감소함을 보여 준다. 이는 열교환기 설계시 핀피치 역시 중요한 최적화 대상임을 보여 준다.
4) 파형핀의 내분진 성능이 루버핀 대비 약 2배 이상 우수하다는 것이 수치해석으로 판명되었는데 이는 초음파 수증기를 이용한 실험에서도 재확인되었다.
결론적으로 본 연구에서 고려된 3차원 파형핀은 루버핀 대비 방열량 성능은 열세이지만 6 m/s이하의 속도에서는 압력 강하 성능이 우수하였다. 또한, 파형핀은 루버핀 대비 내분진 성능이 양호한 것으로 나타나 건설 차량이나 중장비 등에 성공적으로 사용될 가능성이 있다.
6과 같이 수치해석으로도 동일하게 예측되었다. 또한 모든 속도 범위 내에서 실험을 통해 나타낸 압력 강하는 수치해석에 비해 루버핀의 경우 약 2배, 파형핀의 경우약 2.2배의 상승을 보였다.
0 mm 일 때 공기속도에 변화에 따른 루버핀과 파형핀에 대한 방열율을 나타내었다. 초기 전면 풍속 2m/s에서 8m/s까지 변하는 동안 두 핀 모두 방열율이 증가하였고 초기 전면 풍속 2 m/s에서 루버핀의 방열율이 파형핀 대비 약 28% 더 많았다. 전면 풍속이 증가할수록 이러한 방열율 차이는 28%에서 33%까지 점진적으로 증가하였다.
4 mm일 때 루버핀과 파형핀의 압력강하를 각각 나타내었다. 핀 피치가 4.0일 때 파형핀의 압력강하가 루버형보다 평균적으로 약 11% 정도 적었으나 전면 공기 속도가 증가할수록 그 차이는줄어들어 5 m/s에서는 거의 압력 강하 값이 차이가 나지 않았다. 이러한 경향은 핀 피치가 4.
0mm인 경우 대비 루버핀의 방열율이 조금 더 증가하였다. 한편 핀 피치가 4.0 mm에서 4.4 mm로 10% 증가하였지만 방열율은 평균적으로 약 4.2% 증가하는데 그쳐 전체 열교환기 방열율은 오히려 약 5.3 % 감소하였다. 따라서 오염이 없는 환경에서는 파형핀 대신 루버핀을 사용하는 것이 매우 적절한 선택이라 사료된다.
한편, 핀 피치를 4.0 mm에서 4.4 mm로 10% 증가시키면 공기측 압력 강하는 약 7% 감소함을 보였다. 본 연구에서 방열율은 하나의 단위 구간에서 교환되는 열량을 의미한다.

후속연구

또한, 파형핀은 루버핀 대비 내분진 성능이 양호한 것으로 나타나 건설 차량이나 중장비 등에 성공적으로 사용될 가능성이 있다. 향후 실제 건설 현장의 분진 환경에서 파울링 실험을 통한 검증이 요구된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점착된 분진은 무엇을 초래하는가?	따라서 일반 승용차에 사용되는 고효율의 루버핀을 사용할 경우 루버핀의 좁은 틈새 및 유로의 복잡성으로 인하여 많은 오염입자가 점착 될 가능성이 높다. 점착된 분진은 공기의 원활한 흐름을 방해하고 이는 방열 성능의 악화를 초래하게 된다. 또한, 형성된 분진으로 인한 공기 통과 속도 감소는 압력 강하를 더욱 증가시키게 된다.
	분진이 많이 발생되는 공사현장에 사용되는 건설 차량이나 중장비가 경험하는 것은?	분진이 많이 발생되는 공사현장에 사용되는 건설 차량이나 중장비는 작업 중에 발생하는 분진으로 인하여 열교환기의 효율 저하를 경험하게 된다.

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