선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 판형열교환기의 기구적 설계변수인 세브론 각, 전열판 골 깊이, 전열판 골 길이, 전열판 개수 등을 변화시키며 판형열교환기의 열전달 및 압력강하 성능특성을 측정하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 판형열교환기 열전달 및 압력강하 성능특성에 대한 상관식을 다양한 기구적 설계변수의 함수로 제안하여 설계변수별 성능예측이 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 판형열교환기의 기구적인 설계 변수를 변화시키며 열전달 및 압력강하 성능특성을 고찰하였다. 그리고 판형열교환기의 성능특성을 예측할 수 있는 열전달 및 압력강하 상관식을 여러 설계변수의 함수로 제안하고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (3) 실험결과를 토대로 전열판의 설계변수를 무차원화 하여 판형열교환기 열전달 및 압력강하 성능특성 상관식을 제시하였다. 열전달 상관식 및 압력강하 상관식 모두 실험값과의 비교 결과 약 95%의 데이터가 오차범위 ±10% 구간 내에 존재하였다.
- 이를 이용하여 판형열교환기에 저온과 고온의 유체의 실험조건을 조절하면서 열전달 및 압력강하 성능특성을 측정하였다. 각 순환부의 유량은 인버터를 장착한 펌프와 유량조절밸브를 사용하여 조절하였으며, 유체 온도는 항온조와 예열ㆍ냉열교환기를 통해 조절하였다.
- 본 연구에서는 판형열교환기의 기구적인 설계 변수를 변화시키며 열전달 및 압력강하 성능특성을 고찰하였다. 그리고 판형열교환기의 성능특성을 예측할 수 있는 열전달 및 압력강하 상관식을 여러 설계변수의 함수로 제안하고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 판형열교환기 저온 및 고온측 유량은 체적유량계를 각각 루프에 설치하여 측정하였다. 또한 판형열교환기의 압력과 압력강하를 측정하기 위해 판형열교환기 입ㆍ출구에 압력계와 차압계를 설치하였다. 모든 실험장치는 주위로부터의 열손실을 줄이기 위해 단열하였다.
- 먼저 판형열교환기의 성능특성에 영향을 미치는 변수들을 무차원화 하였다. Table 3은 본 상관식에 사용한 무차원항에 대한 정의 및 의미를 나타내고 있다.
- 저온 및 고온 측의 입구 온도를 일정하게 유지시키며, 유량의 변화와 판형열교환기의 설계변수의 변화에 따른 열전달과 압력강하 특성을 측정하였다. 모든 실험은 조건을 변화시킨 후 정상상태에 도달한 후 성능을 측정하였다. 정상상태는 처음 1분 동안 데이터와 그 후 새로운 1분 동안의 데이터와 비교하여 각 온도센서의 평균 온도차가 ±0.
- 본 연구에서는 세브론 각이 30° 및 60°인 두 전열판을 조합하여 30°/30° (30°), 30°/60°(45°), 60°/60°(60°)의 세 가지 세브론 각에 대하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 판형열교환기의 기구적 설계변수인 세브론 각, 전열판 골 깊이, 전열판 골 길이, 전열판 개수 등을 변화시키며 판형열교환기의 열전달 및 압력강하 성능특성을 측정하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 판형열교환기 열전달 및 압력강하 성능특성에 대한 상관식을 다양한 기구적 설계변수의 함수로 제안하여 설계변수별 성능예측이 가능하도록 하였다.
- 또한 폭이 각각 946, 930, 540 mm인 세가지 형태의 전열판을 사용하여 실험을 수행하였다. 이 중 폭이 946, 930 mm의 경우 각각의 골 깊이와 골 길이가 다르기 때문에 이에 대한 성능을 분석하기 위하여 해당 전열판을 사용하여 실험을 수행하였다. 저온 및 고온 측의 입구 온도를 일정하게 유지시키며, 유량의 변화와 판형열교환기의 설계변수의 변화에 따른 열전달과 압력강하 특성을 측정하였다.
- 실험결과의 고찰을 통하여 판형열교환기는 운전조건인 Re 수와 기구적 설계변수인 세브론 각과 전열판의 골 길이, 골 깊이 그리고 전열판 개수에 따라 성능특성이 변화함을 확인할 수 있었다. 이러한 실험결과를 토대로 판형열교환기가 가지고 있는 기구적 설계변수를 반영하여 판형열교환기의 성능예측을 위한 상관식을 제시하였다.
- 판형열교환기 실험장치는 펌프를 이용한 강제순환 사이클로 시험부에 저온유체를 공급하는 저온 순환부와 고온유체를 공급하는 고온 순환부로 구성되어 있다. 이를 이용하여 판형열교환기에 저온과 고온의 유체의 실험조건을 조절하면서 열전달 및 압력강하 성능특성을 측정하였다. 각 순환부의 유량은 인버터를 장착한 펌프와 유량조절밸브를 사용하여 조절하였으며, 유체 온도는 항온조와 예열ㆍ냉열교환기를 통해 조절하였다.
- 이 중 폭이 946, 930 mm의 경우 각각의 골 깊이와 골 길이가 다르기 때문에 이에 대한 성능을 분석하기 위하여 해당 전열판을 사용하여 실험을 수행하였다. 저온 및 고온 측의 입구 온도를 일정하게 유지시키며, 유량의 변화와 판형열교환기의 설계변수의 변화에 따른 열전달과 압력강하 특성을 측정하였다. 모든 실험은 조건을 변화시킨 후 정상상태에 도달한 후 성능을 측정하였다.
- 특히, 전열판의 형상비로만 전열판의 특성을 파악할 경우 형상비는 같지만 골 깊이와 골 길이가 다른 경우의 특성을 고찰하기 힘든 단점이 있다. 제안된 상관식은 이와 같은 특성을 고려하여 전열판의 골 깊이 및 골 길이의 변화뿐만 아니라 같은 형상비의 조건에서도 다른 골 깊이와 골 길이의 변화를 고찰하였다.
- 총괄 열전달계수는 평균 열전달량과 대수평균 온도차 그리고 전열면적을 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
- 판형열교환기 단상 성능특성 실험에서 유체의물성치는 입ㆍ출구온도의 체적 평균온도를 사용하여 계산하였다. 판형열교환기 내에서 저온 및 고온측 열전달량은 다음과 같이 계산하였다.
- 판형열교환기 저온 및 고온측 입·출구의 온도는 T-type 열전대를 삽입하여 측정하였다. 판형열교환기 저온 및 고온측 유량은 체적유량계를 각각 루프에 설치하여 측정하였다. 또한 판형열교환기의 압력과 압력강하를 측정하기 위해 판형열교환기 입ㆍ출구에 압력계와 차압계를 설치하였다.
- 판형열교환기 저온 및 고온측 입·출구의 온도는 T-type 열전대를 삽입하여 측정하였다.
- 판형열교환기에서 열전달 성능과 함께 중요한 요소인 압력강하를 평가하기 위해서 다음과 같이 마찰계수를 계산하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 세브론 각이 30° 및 60°인 두 전열판을 조합하여 30°/30° (30°), 30°/60°(45°), 60°/60°(60°)의 세 가지 세브론 각에 대하여 실험을 수행하였다. 또한 폭이 각각 946, 930, 540 mm인 세가지 형태의 전열판을 사용하여 실험을 수행하였다. 이 중 폭이 946, 930 mm의 경우 각각의 골 깊이와 골 길이가 다르기 때문에 이에 대한 성능을 분석하기 위하여 해당 전열판을 사용하여 실험을 수행하였다.
데이터처리
- 정의된 무차원항을 Pi-theorem을 사용하여 Nu과 f-factor에 대한 상관식을 제시하였다. 상관식의 계수 및 지수는 본 연구에서 얻은 실험결과를 데이터베이스로 사용하여 비선형 회귀접합을 통하여 결정하였다. 본 연구에서 얻은 최종적인 열전달 및 압력강하 상관식은 각각 다음과 같다.
이론/모형
- 열전달량, 마찰계수, Re, 그리고 Nu 값의 불확실도는 Moffatt(8)의 방법을 사용하여 계산하였다. 계산된 열전달량, 마찰계수, Re, 그리고 Nu의 최대 오차는 각각 ±3.
- Table 3은 본 상관식에 사용한 무차원항에 대한 정의 및 의미를 나타내고 있다. 정의된 무차원항을 Pi-theorem을 사용하여 Nu과 f-factor에 대한 상관식을 제시하였다. 상관식의 계수 및 지수는 본 연구에서 얻은 실험결과를 데이터베이스로 사용하여 비선형 회귀접합을 통하여 결정하였다.
- 위와 같은 총괄열전달계수와 대류열전달계수 사이의 관계에서 대류열전달계수를 구하기 위해서는 열교환기의 표면온도가 필요하다. 하지만본 실험장치에 사용된 판형열교환기는 직접적인 표면온도의 측정이 불가능하였기 때문에 각 유로에서의 물의 대류열전달계수를 계산하기 위해서 Fernandez- Seara 등(7)이 제안한 수정된 Wilson=plot 방법을 사용하였다. 고온 측과 저온 측 유량 비의 관계를 계산하고 이를 이용하여 고온 및 저온 측 대류열전달계수의 평균값을 취하여 식 (8) 과 같이 Nu 수를 계산하였다.
성능/효과
- (1) 열전달계수의 경우 세브론 각의 증가에 따른 변화가 가장 크게 증가하였고 전열판 골 길이의 감소에 따라, 전열판 개수가 증가함에 따라, 그리고 전열판 골 깊이가 증가함에 따라 열전달 계수가 증가함을 알 수 있었다.
- (2) 마찰계수의 경우 세브론 각이 증가함에 따라 가장 크게 증가하였고 전열판 골 길이가 감소함에 따라 증가하였다. 전열판 개수가 증가함에 따라 마찰계수는 소폭 감소하였다.
- 계산된 열전달량, 마찰계수, Re, 그리고 Nu의 최대 오차는 각각 ±3.7%, ±5.4%, ±4.2%, ±6.3%로 나타났다.
- 7은 전열판 너비, 길이, 골 길이가 고정된 상태에서 전열판 골 깊이를 변화에 따른 열전달및 압력강하 성능특성을 나타내고 있다. 동일한 Re 수 조건에서 전열판의 형상비가 증가함에 따라서 Nu 수는 최대 9%, 마찰계수는 최대 25%가 증가하였다. 전열판 골 길이를 고정시킨 상태에서 전열판 골 깊이를 증가 하게 되면 유체가 더 넓은 전열면에 닿을 뿐만 아니라 깊어진 골 안쪽까지 유체가 유입되면서 난류생성이 더욱 활발해진다.
- 5는 전열판 골 길이와 Re 수 변화에 따른 Nu 수와 마찰계수의 변화를 나타낸다. 동일한 Re 수와 전열판 조건에서 골 길이를 증가시킴에 따라, Nu 수는 최대 10%, 마찰계수는 최대 39% 감소하였다. 전열판 골 길이가 증가하게 되면 전열판 내에서 주름의 개수가 감소하게 된다.
- 전열판 골 길이를 고정시킨 상태에서 전열판 골 깊이를 증가 하게 되면 유체가 더 넓은 전열면에 닿을 뿐만 아니라 깊어진 골 안쪽까지 유체가 유입되면서 난류생성이 더욱 활발해진다. 따라서 전열판 골 깊이가 깊어짐에 따라서 열전달계수가 증가하였으며, 마찰계수도 증가하였다. 이는 앞서 언급했던 이유와 마찬가지로 전열판 골 깊이가 증가하면서 난류생성이 활발해짐에 따라서 마찰계수가 증가하게 되는 것이다.
- 또한 동일한 Re 수를 기준으로 세브론 각이 30°/30°에서 30°/60°으로 증가할 때 Nu 수가 약 64%가 증가하였고, 30°/30°에서 60°/60°으로 증가할 때 약 97%가 증가하였다.
- 전열판 개수가 증가함에 따라 마찰계수는 소폭 감소하였다. 또한 전열판 골 깊이가 증가함에 따라 마찰계수가 증가하였음을 알 수 있었다.
- 0065, 20 < N < 70 범위 안에서, ±10%를 신뢰구간으로 95%의 신뢰수준을 보임을 알 수 있었다. 또한 제안된 상관식은 세브론 각 이외에도 전열판 골 깊이, 전열판 골 길이, 전열판 개수 등을 고려하여 기존 상관식들 보다 다양한 설계변수를 포함하고 있음을 알 수 있다. 특히, 전열판의 형상비로만 전열판의 특성을 파악할 경우 형상비는 같지만 골 깊이와 골 길이가 다른 경우의 특성을 고찰하기 힘든 단점이 있다.
- 오늘날 판형열교환기는 다른 열교환기에 비해 유체에 의해 발생하는 진동, 소음, 입구영향이 적고 고온, 저온의 두 유체가 입구에서 출구까지 도달하는 시간이 거의 같은 특징을 가지고 있다. 또한 판형열교환기의 좁은 유로와 복잡한 전열판 형상이 내부 유동을 교란시키고 재순환과 재흡입을 유도하여 기존의 쉘-튜브형식 열교환기 보다 뛰어난 열전달 성능을 가진다. 따라서 판형열교환기는 같은 열교환량을 가진 쉘튜브형식의 열교환기 보다 훨씬 작고 가벼운 특성을 지니고 있다.
- 마찰계수의 경우 Re가 증가함에 따라 감소하였고, 세브론 각이 30°/30°에서 30°/60°으로 증가할때 약 143%, 30°/30°에서 60°/60°으로 증가할 때약 430% 증가하였다.
- Focke 등(1)은 실험을 통해서 판형열교환기의 세브론 각과 Re 수에 따른 열전달과 압력강하 특성을 파악하였다. 세브론 각을 증가시킴에 따라 열전달계수 및 압력 강하가 동시에 증가함을 확인하였다. 또한 Re 수가 증가할 경우 j-factor와 마찰계수가 감소하였다.
- 실험결과의 고찰을 통하여 판형열교환기는 운전조건인 Re 수와 기구적 설계변수인 세브론 각과 전열판의 골 길이, 골 깊이 그리고 전열판 개수에 따라 성능특성이 변화함을 확인할 수 있었다. 이러한 실험결과를 토대로 판형열교환기가 가지고 있는 기구적 설계변수를 반영하여 판형열교환기의 성능예측을 위한 상관식을 제시하였다.
- (3) 실험결과를 토대로 전열판의 설계변수를 무차원화 하여 판형열교환기 열전달 및 압력강하 성능특성 상관식을 제시하였다. 열전달 상관식 및 압력강하 상관식 모두 실험값과의 비교 결과 약 95%의 데이터가 오차범위 ±10% 구간 내에 존재하였다.
- 열전달과 압력강하 상관식은 물 대 물 조건, 1000< Re <10000, 0.15< b/l <0.3, 0.0025< l/L <0.0065, 20 < N < 70 범위 안에서, ±10%를 신뢰구간으로 95%의 신뢰수준을 보임을 알 수 있었다.
- (2) 마찰계수의 경우 세브론 각이 증가함에 따라 가장 크게 증가하였고 전열판 골 길이가 감소함에 따라 증가하였다. 전열판 개수가 증가함에 따라 마찰계수는 소폭 감소하였다. 또한 전열판 골 깊이가 증가함에 따라 마찰계수가 증가하였음을 알 수 있었다.
- 정상상태는 처음 1분 동안 데이터와 그 후 새로운 1분 동안의 데이터와 비교하여 각 온도센서의 평균 온도차가 ±0.1℃ 이하, 압력과 유량의 변화가 ±5% 이내가 되면 만족하는 것으로 판단하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.