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쉘-튜브 열교환기에서 배플 인자에 따른 열전달 특성 연구
Research of Heat Transfer Characteristics with Baffle Parameters in Shell and Tube Heat Exchanger 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.22 no.9, 2010년, pp.599 - 604  

오규남 (공주대학교 기계공학과) ,  전용두 (공주대학교 기계공학과) ,  이금배 (공주대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Because shell and tube heat exchanger is widely used in industry, extensive research work is going on to improve the thermal efficiency and to understand the key design parameters. In this study, the main design parameters of the baffle, depending on the height and number of baffle for heat recovery...

주제어

#쉘-튜브 열교환기   #배플   #전산유체역학  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 쉘-튜브 열교환기 내에서 수치해석을 통해 열전달에 미치는 값들을 구하였으며, 이들 값들의 신뢰도를 높이기 위해 실험 결과와 비교 분석하였다. 또한 수치해석을 통해 배플 높이(baffle height) 및 배플 수(number of baffle)에 따른 최적 값을 도출하였으며, 이러한 결과들은 산업현장에서 열교환기 설계 시 바로 적용 시키고자 한다.
  • 실험에 사용된 쉘 및 튜브 입구온도 및 유량은 Table 2에서 보여주고 있다. 여기서 보일러의 최대 생성 유량은 12 l/min(70℃)이고, 이를 최대로 활용시킬 경우 저온수의 유량을 변화시켜 온도상승이 얼마나 되는지를 보고자 하였습니다.

가설 설정

  • 수치해석을 위해 3차원 정상상태, 비압축성 난류 유동, 유체의 물성치는 일정하다고 가정하였다. 연속 방정식, 운동량방정식, 에너지방정식은 다음과 같다.
  • 3에서 보여주고 있다. 쉘 표면 및 배플 면은 단열로 가정하였다. 본 연구에서는 격자(mesh) 생성 전용 도구인 ICEM CFD를 이용하여 정렬격자인 헥사 격자(hexa mesh)로 구성하였으며, 격자 수는 약 100만 개로 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
쉘-튜브(shell and tube) 열교환기의 장점은? 열교환기 타입 중 쉘-튜브(shell and tube) 열교환기는 가격이 저렴하고 유지 보수가 간편하며, 다양한 크기의 제작이 가능하여, 그 활용 분야는 공기 조화 설비, 화학플랜트 및 발전 설비 등 산업공정 전 분야에 걸쳐 다양하게 사용되고 있다.(1-3) 문헌에 의하면 쉘-튜브 열교환기는 전체 산업공정용 열교환기의 약 60% 이상을 차지하고 있다.
쉘-튜브 열교환기의 한계점은? (1-3) 문헌에 의하면 쉘-튜브 열교환기는 전체 산업공정용 열교환기의 약 60% 이상을 차지하고 있다.(4,5) 따라서 쉘-튜브 열교환기에 대한 많은 연구를 수행하고 있으나, 유체의 입·출구 위치 및 형상, 헤드(head)의 형식, 배플(baffle)의 형상 및 간격 등 고려해야 할 설계 인자들이 다양하고 쉘 내 유동 및 열전달 현상이 복잡하기 때문에 그 특성을 파악하는데 한계가 있다. 설계인자 중 배플의 역할은 관군을 지지하고, 원통 내의 유체 흐름이 관군과 직교가 되게 하고, 유속을 높여 쉘 내에서 난류 강도 증가와 혼합이 잘되게 하여 열전달량을 증가시키는 것이다.
쉘-튜브 열교환기의 배플 높이와 배플 수를 변화시켜 열전달 및 압력강하에 미치는 영향에 대하여 수치해석을 수행한 본 연구의 결과는 무엇인가? (1) 수치해석의 신뢰도를 높이기 위해 실험 결과와 비교한 결과, 평균 오차가 3% 정도로 수치해석 값의 신뢰도가 매우 높다고 사료된다. (2) 배플 높이에 대한 열전달량은 튜브를 완전히 덮을 때까지는 일정하게 증가하나, 배플 높이가 더 커짐에 따라, 유체의 박리현상, 와류, 속도, 튜브와의 접촉 면적, 체류시간 등에 의해 감소하다가 다시 증가하는 현상을 보이고 있다. (3) 배플 수의 증가에 따른 열전달량은 일정 수까지는 증가하나, 그 수를 넘으면 감소하는 현상을 보이고 있다. 이 또한 튜브와의 접촉 면적, 속도, 체류 시간, 박리 및 와류, 배플 간격 등에 의해 증가하다 감소하는 현상을 보이고 있다. 따라서 쉘-튜브 열교환기 제작 시 최대한의 열 회수를 위해서는, 수치해석을 통한 최적의 배플 높이 및 배플 수를 도출하여 제작하는 것이 경제적인 측면에서 뿐만 아니라 시행착오를 줄인다는 면에서 매우 좋은 방안이라고 사료된다.
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참고문헌 (8)

  1. Kakac, S. and Liu, H., 2002, Heat exchangers： selection, rating and thermal design, 2nd Ed., CRC Press. 

  2. Perry, R. H. and Green, D. W., 1984, Perry's Chemical Engineers, Handbook, 6th-Ed., Mc- Graw-Hill. 

  3. Li, H. and Kottke, V., 1999, Analysis of local heat and mass transfer in the shell and tube with disc-and-doughnut baffles, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 42, pp. 3509-3521. 

    상세보기 crossref

  4. Lee, S. C., Jo, Y. W. and Nam, S. C., 1997, Effect of Baffle Parameters on heat transfer in shell and tube heat exchangers, Transactions of the KSME B, Vol. 21, No. 1, pp. 185-194. 

  5. Dutta, P. and Dutta, S., 1998, Effect of Baffle Size, Perforation on Internal Heat Transfer Enhancement, Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 19, pp. 2133-2147. 

  6. Li, H. and Kottke, V., 1998, Effect of baffle spacing on pressure drop and local heat transfer in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 10, pp. 1303-1311. 

    상세보기 crossref

  7. Kim, S. I., Park, K. H. and Jun, W. P., 2008, The performance in shell-and-tube exchangers with configuration and surface characteristics of tube, Proceedings of the KSME fall annual meeting. 

  8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide, ANSYS CFX, Release 11.0. 

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