[논문]대향류 매니폴드 내의 튜브 라운드 적용에 따른 고온 고압 열교환기의 성능특성에 관한 수치적 연구

김상조; 최병익; 김귀순; 손창민; 하만영; 정지환; 고정상

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본 논문에서는 매니폴드 내의 튜브 라운드 적용에 따른 고온 고압 튜브형 열교환기에서의 압력강하와 열성능을 분석하기위해 전산해석을 수행하였다. 튜브형 열교환기에서의 압력강하와 열성능은 튜브라운드의 위치에 많은 영향을 받는다. 튜브 라운드에 따른 연구는 튜브 입구, 튜브 출구, 그리고 튜브 양쪽 세 가지 위치에 따라 수행하였다. 본 연구에서, 튜브 양쪽에 라운드를 적용한 경우에는 가장 낮은 압력강하와 감소된 열전달을 보였지만 튜브 출구에 라운드를 적용한 경우에는 압력강하와 열전달 모두 기본형상에 비하여 좋은 특성을 보였다.

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The present paper deals with numerical analysis to investigate the effect of rounded tube on the pressure drop and heat transfer in a compact tubular heat exchanger designed for high temperature and high pressure system. The pressure drop and heat transfer in the tubular heat exchanger greatly depen...

The present paper deals with numerical analysis to investigate the effect of rounded tube on the pressure drop and heat transfer in a compact tubular heat exchanger designed for high temperature and high pressure system. The pressure drop and heat transfer in the tubular heat exchanger greatly depend on the location of rounded tubes. The effect of locations of the rounded tubes was also analyzed. Three different locations which were tube inlet, tube outlet, and inlet&outlet were considered. In this paper, the tube with a rounded inlet&outlet showed the minimum pressure drop with decreased heat transfer while the tube with a rounded outlet showed better characteristics of pressure drop and heat transfer compared with the results of original model.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 수치적 방법을 통하여 고온고압 조건에서 사용되는 튜브형 열교환기 매니폴드 내의 튜브 라운드 적용에 따른 성능해석을 수행하였다. 그리고 라운드가 열교환기의 성능특성에 미치는 효과를 살펴보기 위해 튜브 입구, 튜브 출구, 튜브 양쪽 세 가지 위치에 적용하였다.
본 논문에서는 대향류 매니폴드 내의 튜브 라운드 적용 위치와 곡률반경에 따른 압력강하와 열전달 성능을 분석하기 위하여 전산 해석을 실시하였다.

가설 설정

2와 같이 튜브 입구, 튜브 출구, 그리고 튜브 양쪽이다. 수직방향(z-축)으로의 튜브배열은 충분한 튜브가 있다 가정하고 양쪽 벽면에 대칭(symmetry) 조건을 주어 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 모델의 형상과 관련된 치수는 Table 1에 나타내었다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 수치적 방법을 통하여 고온고압 조건에서 사용되는 튜브형 열교환기 매니폴드 내의 튜브 라운드 적용에 따른 성능해석을 수행하였다. 그리고 라운드가 열교환기의 성능특성에 미치는 효과를 살펴보기 위해 튜브 입구, 튜브 출구, 튜브 양쪽 세 가지 위치에 적용하였다. 라운드 곡률비 r/D는 0.
그리고 라운드가 열교환기의 성능특성에 미치는 효과를 살펴보기 위해 튜브 입구, 튜브 출구, 튜브 양쪽 세 가지 위치에 적용하였다. 라운드 곡률비 r/D는 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 다섯 경우로 나누어 성능특성을 분석하였다.
본 연구에서는 상용 전산유체 해석프로그램인 FLUENT를 사용하여 여러 가지 조건에 대한 열전달 및 유동 현상을 해석하였다. 계산조건은 매니폴드에서의 레이놀즈수 92,000, 입구온도 1,002K, 튜브 벽면 온도 326K이다.
매니폴드 헤더는 단열경계 조건을, 전열관 면에는 등온조건을 부여하였다. 또한 기준속도는 매니폴드 입구에서의 속도를, 기준 길이는 매니폴드 입구 수력지름으로 정하고 레이놀즈수에 반영하였다.
난류모델이 해석결과에 미치는 영향을 검토하기 위하여 Fig. 3과 같은 Bajura and Jones[8]이 수행한 매니폴드 분지 시험을 네 가지 난류모델, RNG k – ε; Realizable k – ε, Standard k – ω, Spalart-Allmaras를 사용하여 전산해석을 수행하고 결과를 비교하였다.
공기의 물성치는 자료[7]을 이용하면 온도 범위 300K-1200K에서의 근사 값으로 다음과 같은 함수로 나타낼 수 있다. 온도에 따른 공기의 물성치는 상용 전산유체 해석프로그램에 반영을 하여 해석을 수행 하였다.
Figure 4에는 각 난류모델에 따른 전산해석과 실험값을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 그래프의 가로축은 분배 매니폴드의 입구로부터 분지까지의 거리를 무차원화 하였고, 세로축은 각 튜브의 입-출구 압력을 분배 매니폴드 입구와 혼합 매니폴드 출구의 압력차를 기준압력으로 하여 무차원화 하였다. 전산해석과 실험 결과를 비교하였을 때, Realizable k – ε을 사용한 전산해석 결과 값이 평균오차 3.
수치해의 정확도는 계산 영역 내의 분포된 격자 밀집도에 영향을 받는다[9]. 이에 따라 수치해석의 격자 의존도를 검토하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서의 해석대상이 되는 열교환기는 Fig. 1과 같이 매니폴드의 길이방향으로 20개의 튜브가 배치되어 있으며, 대향류 매니폴드를 통해 분지되는 형태로 되어있다. 라운드를 적용하는 위치는 Fig.
3과 같은 Bajura and Jones[8]이 수행한 매니폴드 분지 시험을 네 가지 난류모델, RNG k – ε; Realizable k – ε, Standard k – ω, Spalart-Allmaras를 사용하여 전산해석을 수행하고 결과를 비교하였다. 실험모델은 PVC재료를 사용하여 제작되었으며, 작동유체는 공기를 사용하였다. 매니폴드에서의 레이놀즈수는 60,000~80,000이고, 각 튜브 내의 레이놀즈수는 8,000~10,000이다.
매니폴드에서의 레이놀즈수는 60,000~80,000이고, 각 튜브 내의 레이놀즈수는 8,000~10,000이다. 튜브의 개수는 10개이며, 튜브 중간에 설치되어 있는 오리피스의 지름은 3.18cm이다.

이론/모형

알고리즘은 SIMPLEC를 사용하였으며, 에너지 방정식의 오차는 1.0 × 10–6, 기타 방정식의 오차는 1.0 × 10–5가 되면 수렴한 것으로 판단하였다.
이러한 결과를 바탕으로 본 연구의 전산해석에는 난류모델로 Realizable k – ε을 사용하였다.
본 연구에서 적용된 지배방정식은 3차원 Navier-Stokes 방정식이며, 공간차분화는 2차의 상류차분 도식 (second order upwind difference)을 사용하였다. 알고리즘은 SIMPLEC를 사용하였으며, 에너지 방정식의 오차는 1.

성능/효과

전산해석과 실험 결과를 비교하였을 때, Realizable k – ε을 사용한 전산해석 결과 값이 평균오차 3.96%로 실험과 가장 근접한 결과를 제시하고 있다.
모든 경우의 첫 번째 격차 크기는 동일하게 형성 하였다. 결과적으로 압력강하와 열전달이 약 130만개 이상의 격자 밀집도에 대하여 수치해(열교환기의 압력강하와 열전달)는 격자 밀집도에 무관함을 알 수 있다. 132만개의 격자에서 y⁺는 37의 값을 가진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매니폴드를 이용한 다분지 열교환기에서 발생하는 유동의 불균일은 어떤 문제를 야기시키는가?	매니폴드를 이용한 다분지 열교환기(multi-branch heat exchanger)의 경우에는 압력 분포의 분균일과 복잡한 유동 특성에 의한 유동의 불균일(maldistribution)이 발생한다. 이러한 유량 분배의 불균일은 열전달량을 감소시키고 열교환기 내 압력강하를 크게 하여 열교환기의 성능을 저하시킨다. 그리고 국부적인 과열 영역(hot spot)의 발생으로 열교환기의 수명을 단축시킨다. 따라서 다분지 열교환기에서 매니폴드 내의 유량 분배 특성과 성능을 개선시키는 것은 항공기용 엔진의 성능을 향상시키기 위해 매우 중요하다.
	매니폴드 내 튜브 입구의 라운드 증가에 따라 압력강하가 줄어들다가 소폭 증가하는 이유는 무엇인가?	튜브 입구의 라운드 증가에 따라 압력강하가 줄어들다가 소폭 증가하는 이유는, 튜브 라운드 반경의 증가로 인한 유동 박리 감소효과는 점차 줄어들지만 매니폴드 유동의 불균일 심화로 인해 압력강하가 증가했기 때문으로 판단된다. 튜브 양쪽에 라운드를 적용할 경우에는 다른 매니폴드에 적용한 경우에 비해 압력강하가 낮은 값을 가진다.
	항공기 엔진에 사용될 열교환기는 어떤 특성을 가져야 하는가?	최근 친환경 항공기 엔진에 대한 연구가 늘면서 재생기(recuperator), 중간냉각기(intercooler), 냉각공기 냉각기(cooling air cooler)등 열교환기의 도입이 적극 검토되고 있다[1]. 항공기 엔진에 사용될 열교환기는 우선 가벼워야 하지만 고온 고압에 견딜 수 있어야 한다. 이에 따라 많은 경우 튜브형 열교환기가 주로 개발 대상이 되고 있는데, 이 경우 매니폴드 형태의 분배 헤더구조가 사용된다.

참고문헌 (10)

S. Bock, W. Horn, J. Sieber, "Active core-A key technology for more environmentally friendly aero engines being investigated under the NEWAC program," 26th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences, Paper ICAS, 2008
M. K. Bassiouny, H. Martin, "Flow distribution and Pressure drop in Plate Heat Exchangers-I," Chemical Engineering Science, Vol. 39, No. 4, 1984, pp.693-700

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S. H. Choi, S. Shin, and Y. I. Cho, "The effect of area ratio on the flow distribution in liquid cooling module manifolds for electronic packaging," Heat Mass Transfer, Vol. 20, No. 2, 1993, pp.221-234

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A. L. London, G. Klopeer, S. Wolf, "Oblique flow Headers for Heat Exchangers," ASME Journal of Engineering Power, Vol. 90, Ser. A, 1968, pp.271-286
O. Tonomura, S. Tanaka, M. Noda, M. Kano, S. Hasebe, I. Hashimiti, "CFD-based optimal design of manifold in plate-fin microdevices," Journal of Chemical Engineering, Vol. 101, 2004, pp.397-402

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A.R. Barbin, and J.B. Jones, "Turbulent Flow in the Inlet Region of a Smooth Pipe," Trans. ASME, Ser. D: Journal of Basic Engineering, 85, No. 1, 1963
R. K. Shah, D. P. Sekulic, Fundamentals of heat exchanger design, 2003
R. A. Bajura and JR. E. H. Jones, "Flow distribution Manifolds," Journal of Fluids engineering, Vol. 98, 1976, pp.654-666

상세보기
J. C. Tannehill, D. A. Anderson and R. H. Pletcher, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Taylor and Francis., 1997
T. Ma, M. Lin, M. Zeng, Y.P. Ji, Q.W. Wang, Numerical study of internally finned bayonet tubes in a high temperature bayonet heat exchanger with inner and outer fines, ASME Turbo expo 2101, GT2010-22360, 2010

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