[논문]볼텍스 튜브의 에너지 분리 특성에 대한 실험적 연구

이준순; 한근희; 박성영

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.5.517

볼텍스 튜브의 에너지 분리 특성에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Energy Separation Characteristics of Vortex Tube 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.5 = no.308, 2011년, pp.517 - 524

이준순 (공주대학교 기계자동차공학부) , 한근희 (한국에너지기술연구원) , 박성영 (공주대학교 생산기술연구소)

초록
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볼텍스 튜브는 고압의 가스를 이용하여 고온 가스와 저온 가스를 분리하거나 입자상 물질의 분리에 사용 할 수 있는 장치이다. 본 연구에서는 직경 10mm의 볼텍스 튜브의 기본 설계 자료를 구축하기 위하여 에너지 분리 성능 실험을 수행하였다. 설계를 위한 기초 자료를 확보하기 위하여, 공급압력, 볼텍스 발생기의 오리피스 직경 및 튜브의 길이가 에너지 분리 특성에 미치는 영향력을 실험을 통하여 분석하였다. 결과적으로 오리피스 직경과 공급압력이 볼텍스 튜브의 성능의 지배적인 성능인자임을 확인하였다. 튜브길이가 성능에 미치는 영향은 미미하였다. Dc=0.7D, L=16D의 볼텍스 튜브에서 가장 우수한 에너지 분리효과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A vortex tube is a device that can separate small particles from a compressed gas or separate a compressed gas into hot and cold flows. We experimentally analyzed the energy-separation characteristics of a vortex tube with a diameter of 10 mm. We measured the energy-separation characteristics of the vortex tube for different inlet air pressures, orifice diameters, and tube lengths. The orifice diameter and inlet pressure are important for the vortex tube design and operation. The tube length has a small effect on the energy-separation performance. Maximum energy separation occurs for a vortex tube with Dc = 0.7 D and L = 16 D.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 가솔린 직접분사장치와 배기가스재순환장치를 장착한 불꽃점화엔진에 적용하기 위한 볼텍스 튜브의 에너지 분리 성능특성을 파악하고 설계를 위한 기초 자료를 구축하는 것이다.

가설 설정

하지만 Fig. 9(b)의 유량을 고려한 열전달률은 고온 및 저온 모두에서 오리피스 직경이 커질수록 증가하고 있다. 특이한 점은 고온측과 저온측에서 열전달의 방향을 나타내는 부호는 다르지만 그 크기가 거의 일치한다는 점이다.

제안 방법

볼텍스 발생기는 튜브 외경에 접선 방향으로 6개의 노즐을 가공하였고, 이를 통하여 볼텍스가 튜브 내에 형성된다. 본 연구에 사용된 볼텍스 튜브의 기본 형태 및 설계 변수의 범위는 기존 연구⁽¹²⁾의 실험 결과를 바탕으로 설계되었다.
볼텍스 튜브의 에너지 분리효과를 실험하기 위하여 Fig. 4와 같이 압력센서, 온도센서 및 유량계를 공기압 입구, 저온출구 및 고온출구 측에 각각 설치하였으며, 정상상태에 도달하는 시간을 단축하기위하여 단열재로 볼텍스 튜브를 단열하였다. 가압공기는 20마력급 컴프레서와 3,000 liter의 공기탱크를 연결하여 일정한 공급압력을 유지하였다.
가압공기는 20마력급 컴프레서와 3,000 liter의 공기탱크를 연결하여 일정한 공급압력을 유지하였다. 입구부의 공급압력은 압력레귤레이터로 조절하였으며 입구 및 출구부의 온도와 압력을 측정하였다.
2(a) 와 같이 원추의 형상을 가지고 있으며 60°의 내각을 가지고 있다. 특히 트로틀 밸브의 끝에 조절나사를 결합하여, 조절나사를 1회전하면 원추 형상의 트로틀 밸브가 튜브의 축방향으로 1mm씩 이동하도록 제작하였다. 볼텍스 발생기는 튜브 외경에 접선 방향으로 6개의 노즐을 가공하였고, 이를 통하여 볼텍스가 튜브 내에 형성된다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 볼텍스 튜브의 구성은 볼텍스를 생성하는 볼텍스 발생기(vortex generator), 저온 출구와 고온 출구를 포함하는 튜브, 그리고 유량을 조절해주는 트로틀 밸브(throttle valve)로 구성되어 있다. 본 연구에 적용된 모델은 튜브의 직경(D)을 기준으로 오리피스 직경(Dc) 및 튜브의 길이(L)를 Table 1과 같이 설계하였다. 트로틀 밸브는 고온 가스 출구 측에 배치되며 Fig.
본 연구의 대상인 볼텍스 튜브의 구성은 볼텍스를 생성하는 볼텍스 발생기(vortex generator), 저온 출구와 고온 출구를 포함하는 튜브, 그리고 유량을 조절해주는 트로틀 밸브(throttle valve)로 구성되어 있다. 본 연구에 적용된 모델은 튜브의 직경(D)을 기준으로 오리피스 직경(Dc) 및 튜브의 길이(L)를 Table 1과 같이 설계하였다.
볼텍스 튜브, 발생기 및 트로틀 밸브는 SUS304로 제작되었으며, Fig. 3에 제작된 볼텍스 튜브의각 요소부품을 보여주고 있다. Fig.
직경 10mm의 볼텍스 튜브를 설계 및 제작하였으며, 에너지 분리특성 실험을 수행하였다. 볼텍스 튜브와 볼텍스 발생기의 설계 변수에 대한 에너지 분리특성의 영향을 실험적으로 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

성능/효과

(1) 볼텍스 튜브에 공급되는 공기의 압력은 매우 중요한 성능 변수 중의 하나이며 공급압력이 증가할수록 온도비와 열전달률이 증가하였다. 특히 최대 열전달률은 공급압력에 대하여 선형적으로 증가하였다.
(2) 오리피스 직경은 볼텍스 튜브의 성능에 지배적인 영향을 미치는 설계인자이며, 오리피스 직경이 클수록 출구 측의 열전달률과 온도비의 크기가 증가하였다. 하지만, 본 연구에서 수행한 범위내에서 튜브 길이는 온도비와 열전달률에 미미한 영향을 미쳤다.
(3) 저온 출구측과 고온 출구측의 열에너지를 모두 사용하는 튜브 10mm의 볼텍스 튜브를 설계 한다면, 큰 직경의 오리피스(Dc=0.7D)와 긴(L=16D)길이의 튜브를 사용하는 것이 최대의 열전달률을 얻을 수 있다.
Fig. 5(a)에서 공급압력이 100kPa에서 400kPa로 상승함에 따라 고온 출구측의 온도비도 상승하고 있음을 보여주고 있다. 특히 공급압력이 300kPa이상이 되면 온도 비의 변화가 크지않음을 알 수 있다.
공급압력이 증가할수록 Fig. 8(a)의 고온 및 저온 온도비의 크기는 증가하며, 저온 출구측 온도비는 -1.0의 값에 수렴하고 있다. 하지만 Fig.
Fig. 6(b)의 저온 출구측 온도비는 오리피스 직경비가 0.5까지는 감소하는 경향을 보이다가 그 이후 오리피스 직경이 커지면 일부영역에서 증가하는 경향을 보인다. 특히 저온유량비가 0.
7(c)에서 튜브길이가 길어질수록 열전달률이 미미 하게 증가하고는 있으나 그 차이가 미미하다. 결론적으로 본 실험에서 수행된 튜브길이의 범위에서 튜브길이가 에너지 분리에 미치는 영향력은 미미하다.
10은 고온 및 저온측의 최대 및 최소 온도 비와 열전달률을 튜브길이 변화에 대하여 도시화한 그림이다. 온도비 및 열전달률 모두 튜브 길이에 대하여 미미한 성능의 차이를 보여주고 있 으나, 튜브길이가 16D인 모델이 12D 모델대비약 12%정도 향상된 열전달률을 보이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	튜브내의 나선 회전 유동을 구분하라	(11) 입구에서 압축되어 들어온 기체가 볼텍스 발생기의 접선방향 노즐부를 거치면서 강력한 와류를 생성하고, 고온 출구쪽으로 진행한다. 튜브내의 나선 회전 유동은 크게 강제 볼 텍스(forced vortex)와 자유 볼텍스(free vortex) 두부분으로 구분될 수 있다. 튜브의 중심부는 강체 회전에 가까운 강제 볼텍스을 형성하며, 튜브의 벽면에서는 강제 볼텍스에 의한 자유 볼텍스가 생성된다.
	볼텍스 튜브란 무엇인가	일명 Ranque-Hilsch 볼텍스 튜브라고도 불리는 볼텍스 튜브는 관내에 고압의 기체를 분사하여 생기는 볼텍스를 이용하여 공급된 기체를 저온과고온의 기체로 분리해 낼 수 있는 장치이다. 저온의 공기는 기존의 냉각기들에 비해 성능은 떨어지지만 고압의 가스를 사용하는 장소라면 별도의 동력원을 필요로 하지 않고, 저온과 고온의 공기를 동시에 얻을 수 있다는 점과 조작이 단순하며 응답성이 빠르다는 점에서 그 효과가 기대 되고 있다.
	볼텍스 튜브의 장단점은 무엇인가	일명 Ranque-Hilsch 볼텍스 튜브라고도 불리는 볼텍스 튜브는 관내에 고압의 기체를 분사하여 생기는 볼텍스를 이용하여 공급된 기체를 저온과고온의 기체로 분리해 낼 수 있는 장치이다. 저온의 공기는 기존의 냉각기들에 비해 성능은 떨어지지만 고압의 가스를 사용하는 장소라면 별도의 동력원을 필요로 하지 않고, 저온과 고온의 공기를 동시에 얻을 수 있다는 점과 조작이 단순하며 응답성이 빠르다는 점에서 그 효과가 기대 되고 있다. 볼텍스 튜브는 강력한 와류 유동을생성하므로 고온의 공기와 저온의 공기를 분리할뿐만 아니라, 입자상 물질의 분리에도 적용이 가능하다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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