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문제 정의
- 본 연구에서는 판형-핀 열교환기의 분배면 및 분배면 후방의 내부 유동 특성을 정량적, 정성적 가시화를 통해 실험적으로 조사하였다. PIV 실험 결과를 통해 분배면내에서 유체는 아래쪽으로 운동량이 편중됨을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 판 형-핀 열교환기의 분배면 에서의 유동을 정량적, 정성적으로 가시화하였다. 저자들은 이 연구를 통하여 판 형-핀 타입 열교환기 유동의 물리적 이해의 향상과 함께 이를 이용하여 분배면 설계에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 기존의 연구들은 대부분 판형-핀 열교환기의 입구부 성능에 관한 수치적/실험적 연구로 열교환기 분배면 자체에 대한 실험적 연구는 본 연구자들이 확인한 바로는 아직까지 보고된 적이 없었다. 본 연구에서는 판 형-핀 열교환기의 분배면 에서의 유동을 정량적, 정성적으로 가시화하였다. 저자들은 이 연구를 통하여 판 형-핀 타입 열교환기 유동의 물리적 이해의 향상과 함께 이를 이용하여 분배면 설계에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
- 분배면 및 분배면 후방의 유동을 정성적으로 가시화하기위해 염료주입법 및 수소기포법 가시화 실험이 수행되었다. 정성적 유동 가시화는 정량적 유동 가시화에 비해 결과 해석이 주관적이지만, 유체의 복잡한 유동 구조를 쉽게 이해하는데 도움이 될 수 있다.
- Dual-head 형 Nd:YAG 레이저가 조명을 위해 사용되었으며 CCD카메라와 레이저는 동기화 장치(delay generator)를 이용하여 연계되어 동작 된다. 분배면 및 후방 영역에서 800장의 순간 속도장을 획득하고, 앙상블 평균하여 유동 특성을 측정하였다. 일반적인 상호상관기법의 PIV 알고리듬을 사용하여 순간 속도 벡터를 획득하고 계산에 사용되는 최종적인 조사 영역을 50% 중첩된 16×16 pixel 로 고정하였다.
- 분배면의 유동의 정량적 유동가시화를 위해 PIV(particle image velocimetry) 실험을 수행하였다. Fig.
- 수소기포법 가시화는 분배면 후방 영역에서의 유동 가시화를 위해 사용되었으며 분배면의 분배성능을 시간선으로 가시화하였다. 수소기포 발생을 위해 설치한 텅스텐 선에 펄스 형태의 전원을 공급하여 단속적으로 수소기포를 발행하였으나, 채널을 지나면서 혼합에 의해 연속적인 수소기포 가시화 결과를 획득하였다. 수소기포 가시화 결과 분배면의 아래쪽 채널에서 가장 빨리 기포가 배출되었음을 확인할 수 있으며 위쪽 채널로 갈수록 느리게 기포가 배출되었음을 확인할 수 있 었다.
- 수소기포법 가시화는 분배면 후방 영역에서의 유동 가시화를 위해 사용되었으며 분배면의 분배성능을 시간선으로 가시화하였다. 수소기포 발생을 위해 설치한 텅스텐 선에 펄스 형태의 전원을 공급하여 단속적으로 수소기포를 발행하였으나, 채널을 지나면서 혼합에 의해 연속적인 수소기포 가시화 결과를 획득하였다.
- 일반적인 상호상관기법의 PIV 알고리듬을 사용하여 순간 속도 벡터를 획득하고 계산에 사용되는 최종적인 조사 영역을 50% 중첩된 16×16 pixel 로 고정하였다.
대상 데이터
- 1.6 k×1.2 k pixel의 공간 해상도를 가진 CCD 카메라가 분배면 및 분배면 후방의 영상을 획득하는데 사용되었다.
- 실험 장치는 판형-핀 열교환기의 입구부, 분배면, 전 열면 중 분배면 1개 층만이 제작되었다. 분배면 영역만을 고려하기 위하여 분배면 입구에서 균일한 속도를 가지는 유체가 흐르도록 실험환경을 조성하였으며 Fig. 1과 같이 분배면의 입구길이는 50 mm, 출구길이는 100 mm 이고, Fig. 2와 같이 채널 각각의 길이는 3 mm, 높이 5 mm 이며 채널 벽의 두께는 0.4 mm 로 실제 LNG액화 플랜트에서 사용되고 있는 판형-핀 열교환기의 분배면과 동일한 비율로 제작되었다. 분배면 출구와 채널 교차영역을 기준으로 채널 각도는 30° 이며 분배면 입구길이와 채널높이로부터 계산되어진 레이놀즈수는 100 이다.
- 또한 입구면을 따라 동일 위치에서 수소기포를 가시화할 수 있다면 시간선의 가시화도 가능하다. 수소기포 발생을 위해 분배면 전방 5 mm 거리에서 알루미늄 판 및 텅스텐 선을 설치하였다. 텅스텐 선은 분배면 입구의 흐름방향을 따라 설치되었으며 전해질로 황산나트륨(Na2SO4)을 작동유체에 투여 하였다.
- 수소기포가 분배면 모든 채널 입구에서 동시에 발생되기 때문에 분배면의 분배성능을 시간선으로 가시화하였다. 수소기포법 에서는 He-Ne 레이저가 조명장치로 사용되었으며 모든 영상은 디지털 비디오 카메라를 사용하여 획득하였다.
- 실험 장치는 판형-핀 열교환기의 입구부, 분배면, 전 열면 중 분배면 1개 층만이 제작되었다. 분배면 영역만을 고려하기 위하여 분배면 입구에서 균일한 속도를 가지는 유체가 흐르도록 실험환경을 조성하였으며 Fig.
- 4에서는 염료주입법 가시화 시스템의 전체적인 실험 장치 구성을 보여준다. 실험을 위해 연속광원인 할로겐조명과 식용 색소가 염료로 사용되었다. 염료주입법은 분배면 전방에서 유체가 흐를 때, 입구에서 염료가 주입되어 분배면 및 분배면 후방의 유동을 유맥선으로 관찰 할 수 있으며 특히 분배면 내부 채널 구배구간의 유동을 상세하게 가시화 할 수 있다.
- 일반적인 상호상관기법의 PIV 알고리듬을 사용하여 순간 속도 벡터를 획득하고 계산에 사용되는 최종적인 조사 영역을 50% 중첩된 16×16 pixel 로 고정하였다. 알루미늄 미세 입자가 산란입자로 사용되었다.
이론/모형
- 분배면 유동구조의 정성적 해석은 염료투입법 및 수소기포 가시화 기법을 이용하여 연구하였다. 염료투입법은 유맥선을 수소기포법은 시간선을 발생시켜 유동의 정성적 구조를 보여준다.
성능/효과
- PIV 실험 결과를 통해 분배면 내부에서의 앙상블 평균된 속도장을 획득할 수 있었다. 유체의 균일한 흐름 분포는 열교환기의 성능을 결정하는 중요한 요소 중 하나이며, Fig.
- 본 연구에서는 판형-핀 열교환기의 분배면 및 분배면 후방의 내부 유동 특성을 정량적, 정성적 가시화를 통해 실험적으로 조사하였다. PIV 실험 결과를 통해 분배면내에서 유체는 아래쪽으로 운동량이 편중됨을 확인할 수 있었다.
- 박(6)등은 삼각 형태의 와류발생기를 유동 방향에 직각으로 부착한 판형-핀 열교환기의 최적 형상을 수치적으로 연구하였다. 그 결과, 와류 발생기는 열전달을 향상시키지만 압력강하를 증가시키는 역할을 한다는 사실을 확인하였으며, 입구부가 판형-핀 열교환기의 전체 성능을 결정하는 중요한 요소 중 하나라는 것을 확인하였다.
- 8에 나타내었다. 그 결과로 채널 교차영역의 위쪽 벽면에서 유동박리 현상이 나타남을 확인할 수 있었다. 이 때, 교차되는 채널이 서로 맞물리는 형태이지만 채널 간에 누설방지 공정을 사용하지 않았기 때문에 일부 염료는 채널 간 틈새 사이로 빠져나감을 확인할 수 있었으며, 유체가 채널 틈새로 누설되는 현상은 누설방지 공정이 없는 실제 판형-핀 열교환기에서도 동일한 현상을 보일 것으로 생각된다.
- Wen(7)등은 판형-핀 열교환기에서 기존 입구부의 분배성능을 유동 장 분석을 통해 보여주었다. 그리고 열교환기의 불균등 분배성능을 개선하기 위해 입구부에 추가로 다공성 판을 설치함으로써 분배성능을 향상시킬 수 있다는 것을 실험적으로 증명 하였다. 이(8)등은 CFD를 이용하여 측면입구 형태의 판형-핀 열교환기의 분배면 에서의 입구 조건과 형상 비의 변화에 따른 분배성능을 고찰하여 최적 분배면 형상 비를 제시하였다.
- 정성적 가시화 실험을 통해 분배면 내부 및 분배면 후방에서 박리영역의 존재를 확인할 수 있었고, 이는 분배면 내부 및 분배면 후방의 급격한 채널 각도의 변화가 주요 원인으로 생각된다. 분배면의 분배성능을 시간선으로 나타내어 실제 분배면의 성능을 확인할 수 있었으며, 실험에 사용된 분배면 모델이 이상적인 분배면의 조건인 균일한 분배성능을 보이지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 열교환기의 분배면 설계 및 전체 열교환기의 성능을 향상시키는 것에 도움을 주리라 생각된다.
- 수소기포 발생을 위해 설치한 텅스텐 선에 펄스 형태의 전원을 공급하여 단속적으로 수소기포를 발행하였으나, 채널을 지나면서 혼합에 의해 연속적인 수소기포 가시화 결과를 획득하였다. 수소기포 가시화 결과 분배면의 아래쪽 채널에서 가장 빨리 기포가 배출되었음을 확인할 수 있으며 위쪽 채널로 갈수록 느리게 기포가 배출되었음을 확인할 수 있 었다. 수소기포법 실험 결과에서도 염료투입법 가시화 실험결과와 마찬가지로 분배면 출구 아래쪽 벽 지역에 박리영역의 존재를 확인할 수 있었다는 것이다.
후속연구
- 분배면의 분배성능을 시간선으로 나타내어 실제 분배면의 성능을 확인할 수 있었으며, 실험에 사용된 분배면 모델이 이상적인 분배면의 조건인 균일한 분배성능을 보이지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 열교환기의 분배면 설계 및 전체 열교환기의 성능을 향상시키는 것에 도움을 주리라 생각된다.
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