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[국내논문] 관 단면형상 변화에 따른 열전달 특성에 관한 수치해석적 연구
Numerical Study for Heat Transfer Characteristics Varying Cross-Sectional Shape of a Tube 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.7, 2012년, pp.560 - 566  

박훈채 (한국기계연구원 환경.에너지기계연구본부) ,  최항석 (연세대학교 환경공학부) ,  김석준 (한국기계연구원 환경.에너지기계연구본부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Numerical study has been carried out to investigate heat transfer and pressure drop characteristics for streamlined shape tubes. The flow and thermal fields are investigated with varying diameter ratio of the tube ranging from 0.4 to 2.5 and Reynolds number ranging from 10,000 to 30,000. The results...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 열교환기 설계시 열전달과 압력손실은 중요한 설계인자로서 동시에 고려해야 하며, 가스보일러 내 전체 시스템 성능 향상은 열전달과 압력손실을 고려한 설계 최적화를 통해 이루어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 전산해석을 통하여 유선형관의 직경비(D2/D1)를 변화시켜 가면서 유선형관 외부의 유체 유동 및 열전달 특성을 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 열교환관의 표면적이 동일할 때 열교환관의 단면 형상 변화에 따른 외부 유동 및 열전달 특성에 대한 연구를 수행하기 위하여 Fig. 1과 같이 유선형의 열교환관을 여러 가지 형태로 모델링하였다. 그림에서 보는 바와 같이 열교환관은 유동방향 전·후면이 반원관 형태이다.
  • 2와 같이 비정렬 격자를 이용하여 계산 격자계를 구성하였다. 수치해의 정확도는 계산영역내의 격자수에 크게 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 계산을 수행하기 전에 각 Case 별로 격자 의존성 연구를 수행하였다. Fig.
  • 열교환기의 압력강하는 송풍기의 필요 동력과 직접적인 연관이 있기 때문에 열교환기 설계에 있어서 중요한 파라미터이며, 열교환관의 형상을 최적화함으로써 열교환기의 압력강하를 최소화 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열교환관의 단면 형상 변화에 따른 항력 변화를 고찰하기 위하여 Re수와 열교환관의 직경비를 변화하며 계산을 수행하였다.
  • 그러므로 열전달 촉진을 위해서 얻어진 열전달량은 압력강하에 수반된 송풍기의 동력과 비교해 보아야 한다. 따라서 본 연구에서는 열교환관을 최적화 하기 위하여 열전달과 압력강하 특성을 동시에 고려하여 직경비 변화에 따른 송풍기 단위 동력당 열전달량을 평가하였다. 송풍기 단위 동력당 열전달량은 식(11)과 같이 열전달량을 송풍기의 동력으로 나누어 무차원 하였다.
  • 본 연구에서는 전산해석을 통하여 유선형 관의 직경비 변화에 따른 유체 유동 및 열전달 특성을 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 유선형관의 외부유동 해석을 위하여 2차원 정상상태 비압축성유동을 가정하였다. 계산 영역 내의 유동 및 열전달에 대한 지배방정식은 식 (1)의 연속방정식과, 식(2)의 운동량 방정식, 식(3)의 에너지 방정식이 사용되었으며, 비원형관 주위의 난류 거동 해석을 위하여 Wilcox(4)의 k- ω 모델을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
관형 열교환기가 사용되는 가스보일러의 경우 전체 시스템의 성능 향상을 위해 고려되어야 하는 요소는 무엇인가? 사각형 보일러는 핀-관형 열교환기가 사용되고, 원통형 보일러는 관형 열교환기가 주로 사용된다. 관형 열교환기가 사용되는 가스보일러의 전체 시스템의 성능 향상을 위해서는 열교환기의 열전달 효율과 송풍기의 부하가 고려되어야 한다. 관형 열교환기에는 제작이 용이한 원형관을 많이 사용하고 있으나 외부 유동 저항이 크기 때문에 열교환기의 성능 향상을 위해서 기존의 원형관 대신 외부 유동저항이 작은 유선형관에 대한 연구가 현재 국내외에서 활발하게 진행되고 있다.
가스보일러는 어떻게 분류되는가? 가스보일러는 주요 핵심부인 버너와 열교환기의 형태에 따라 사각형과 원통형으로 크게 분류 된다. 사각형 보일러는 핀-관형 열교환기가 사용되고, 원통형 보일러는 관형 열교환기가 주로 사용된다.
가스보일러 형태 구분에 따라 사용되는 열교환기는 어떻게 다른가? 가스보일러는 주요 핵심부인 버너와 열교환기의 형태에 따라 사각형과 원통형으로 크게 분류 된다. 사각형 보일러는 핀-관형 열교환기가 사용되고, 원통형 보일러는 관형 열교환기가 주로 사용된다. 관형 열교환기가 사용되는 가스보일러의 전체 시스템의 성능 향상을 위해서는 열교환기의 열전달 효율과 송풍기의 부하가 고려되어야 한다.
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참고문헌 (9)

  1. Nouri-Borujerdi, A. and Lavasani, A. M., 2007, Experimental study of forced convection heat transfer from a cam shaped tube in cross flows, Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp. 2605-2611. 

  2. Talaat, A. I. and Gomaa, A., 2009, Thermal performance criteria of elliptic tube bundle in crossflow, Int. J. Thermal Sciences, Vol. 48, pp. 2148-2158. 

  3. Yun, Y. Y. and Lee, W. Y., 2000, Heat transfer characteristics of oval-tube heat exchanger, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 12, pp. 292-301 

  4. Wilcox, D. C., 2004, Turbulence modeling for CFD, DCW Industries, Inc. 2nd Ed. 

  5. CD-adapco, 2010, STAR-CCM+ user guide version 5.04, CD-adapco, New York. 

  6. Scholten, J. W. and Murray, D. B., 1998, Unsteady heat transfer and velocity of a cylinder in cross flow-I. Low free stream turbulence, Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 41, pp. 1139-1148. 

  7. Zukauskas, A., 1972, Heat transfer from tubes in crossflow, Advances in Heat Transfer, Academic Press, New York, Vol. 8, pp. 93-160. 

  8. Buyruk, E., 1999, Heat transfer and flow structures around circular cylinders in cross-flow, Tr. J. of Engineering and Environmental Science, Vol. 23, pp. 299-315. 

  9. Ramirez, C., Murray D. B., and Fitzpatrick, J. A., 2002, Convective heat transfer of an inclined rectangular plate, Experimental Heat Transfer, Vol. 15, pp. 1-18. 

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