다양한 형상에 따른 타원형 핀-튜브 열교환기의 열전달 특성에 관한 수치해석 Numerical Analysis for Heat Transfer Characteristics of Elliptic Fin-Tube Heat Exchanger with Various Shapes원문보기
본 연구는 타원형 핀-튜브 열교환기에 대해 AR, 피치, 와류발생기의 위치, 튜브 표면의 돌기형상에 따른 열전달계수 및 압력강하 특성을 수치해석으로 분석하였다. CFD해석시 경계조건으로는 튜브표면의 온도는 348 K이고, 입구공기속도는 1~5 m/s 범위로 가정하였고, 수치해석시 사용된 모델로는 민감도를 고려하여 RSM 7차 난류모델을 하였다. 해석결과로는 AR 및 세로피치가 작을수록 열전달률이 향상되는 것으로 나타났으며 가로피치에 대한 영향은 근소한 차이를 나타냈으며, 와류발생기의 설치는 튜브 전방에 위치할수록 열전달특성상 양호한 것으로 나타났다. 또한 튜브표면의 돌기형상은 톱니형보다 원형이 압력강하나 열전달특성이 유리한 것으로 나타났다.
본 연구는 타원형 핀-튜브 열교환기에 대해 AR, 피치, 와류발생기의 위치, 튜브 표면의 돌기형상에 따른 열전달계수 및 압력강하 특성을 수치해석으로 분석하였다. CFD해석시 경계조건으로는 튜브표면의 온도는 348 K이고, 입구공기속도는 1~5 m/s 범위로 가정하였고, 수치해석시 사용된 모델로는 민감도를 고려하여 RSM 7차 난류모델을 하였다. 해석결과로는 AR 및 세로피치가 작을수록 열전달률이 향상되는 것으로 나타났으며 가로피치에 대한 영향은 근소한 차이를 나타냈으며, 와류발생기의 설치는 튜브 전방에 위치할수록 열전달특성상 양호한 것으로 나타났다. 또한 튜브표면의 돌기형상은 톱니형보다 원형이 압력강하나 열전달특성이 유리한 것으로 나타났다.
In this study, the characteristics of the heat transfer coefficient and pressure drop were numerically analyzed according to the axis ratio (AR), pitch, location of vortex generator, and bump phase of the tube surface about an elliptical fin-tube heat exchanger. The boundary condition for CFD analys...
In this study, the characteristics of the heat transfer coefficient and pressure drop were numerically analyzed according to the axis ratio (AR), pitch, location of vortex generator, and bump phase of the tube surface about an elliptical fin-tube heat exchanger. The boundary condition for CFD analysis was decided as a tube surface temperature of 348 K and inlet air velocity of 1-5 m/s. RSM 7th turbulent model was chosen as the numerical analysis for the sensitivity level. The analysis results indicated that the AR and transverse pitch decreased whereas the heat transfer coefficient increased. On the other hand, there was little difference in the longitudinal pitch. Furthermore, the heat transfer rate was more favorable when the vortex generator was located in front of the tube. Also, the bump phase of the tube surface indicated that the pressure drop and heat transfer were more favorable with the circle type than with the serrated type.
In this study, the characteristics of the heat transfer coefficient and pressure drop were numerically analyzed according to the axis ratio (AR), pitch, location of vortex generator, and bump phase of the tube surface about an elliptical fin-tube heat exchanger. The boundary condition for CFD analysis was decided as a tube surface temperature of 348 K and inlet air velocity of 1-5 m/s. RSM 7th turbulent model was chosen as the numerical analysis for the sensitivity level. The analysis results indicated that the AR and transverse pitch decreased whereas the heat transfer coefficient increased. On the other hand, there was little difference in the longitudinal pitch. Furthermore, the heat transfer rate was more favorable when the vortex generator was located in front of the tube. Also, the bump phase of the tube surface indicated that the pressure drop and heat transfer were more favorable with the circle type than with the serrated type.
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문제 정의
본 연구에서는 Chiu 등이 조사한 결과를 비교하기 위해 수치해석적으로 검증하였고, 가로피치의 변화, 세로피치의 변화, 와류발생기설치, 튜브 돌기형상변화 등 다양한 설계형상에 따른 핀 튜브 열교환기의 열전달 및 압력강하특성을 고찰하여 최적형상에 대한 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 타원형 핀 튜브 열교환기의 열전달특성을 고찰하기 위해 입구속도, AR의 변화, 가로피치 및 세로피치의 변화, 와류발생기의 위치변화, 핀 튜브의 돌기형상변화 등의 다양한 인자들에 따른 수치해석을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
가설 설정
본 연구에서는 열교환기 내부의 유동을 비압축성, 3차원, 정상상태의 난류유동으로 가정하고 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
다른 네 개의 면에 대해서는 Symmetry조건을 적용하였다. 여기서 입구속도의 범위는 1~5 m/s이고, 입구의 공기온도는 Chiu 등(2)이 실험한 조건과 동일하게 293 K로 하였으며 튜브의 표면온도는 348 K로 가정하였다. 본 수치해석에 사용된 물성치로서 공기의 밀도는 1.
제안 방법
입구에는 일정한 속도조건을 부여하였으며, 출구에는 일정한 압력조건을 부여하였다. 또한 출구쪽의 공간이 적어 역류가 발생할 것을 방지하기 위하여 임의로 50 mm의 여유공간을 두었다. 다른 네 개의 면에 대해서는 Symmetry조건을 적용하였다.
본 연구에서는 Chiu 등(2)이 수행한 연구의 실험결과와 비교분석을 통한 적절한 난류모델을 선정하기 위해 Standard k - ε, RNG(Random Number Generation) k - ε, RSM 난류모델에 대한 민감도 분석을 수행하여 최종적으로 RSM 난류모델을 선정하였다.
해석결과의 타당성을 검증하기 위해 Chiu 등이 수행한 실험 및 수치해석 결과와 비교하여 그 연구결과와 동일한 기하학적 형상 및 입구속도 조건에 대하여 열전달률을 비교하였으며, 난류모델에 따른 계산결과는 Table 1과 같다.
해석영역의 형태를 고려하여 튜브부근에는 직육면체 격자를 사용하였고, 그 외 부분에는 삼각형 격자를 적용하였다. Fig.
대상 데이터
Fig. 1은 본 연구에 사용된 해석모델의 개략도를 나타내고 있으며, SL과 ST은 각각 38 mm, 12 mm이다. 타원형 튜브의 AR은 Fig.
본 수치해석에 사용된 물성치로서 공기의 밀도는 1.205 kg/m3, 열전도율은 0.0257 W/m·K, 정압비열은 1005 J/kg·K, 점성계수는 1.51 × 10-5 kg/m·s를 적용하였다.
이론/모형
0을 사용하였다. Navier-Stokes방정식은 연속적인 위치에서 미지수를 지니고 있는 미분형태의 방정식으로 이에 대한 근사해를 구하기 위하여 이산화방법으로 유한체적법을 사용하였다.
또한 출구쪽의 공간이 적어 역류가 발생할 것을 방지하기 위하여 임의로 50 mm의 여유공간을 두었다. 다른 네 개의 면에 대해서는 Symmetry조건을 적용하였다. 여기서 입구속도의 범위는 1~5 m/s이고, 입구의 공기온도는 Chiu 등(2)이 실험한 조건과 동일하게 293 K로 하였으며 튜브의 표면온도는 348 K로 가정하였다.
본 연구에서는 해석코드로 Fluent v13.0을 사용하였다. Navier-Stokes방정식은 연속적인 위치에서 미지수를 지니고 있는 미분형태의 방정식으로 이에 대한 근사해를 구하기 위하여 이산화방법으로 유한체적법을 사용하였다.
성능/효과
(1) AR이 0.3씩 작아질수록 열전달률은 약 9.3%, 압력강하량은 약 28.5%씩 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 열전달률의 증가에 있어서 가로피치의 변화는 근소한 차이를 보이며, 세로피치는 1 mm씩 작아질수록 열전달률은 약 2.5%씩 증가하고, 압력강하도 약 22.2%씩 증가하였다.
(3) 와류발생기의 설치위치는 튜브의 전반부에 설치하는 것이 후반부에 설치하는 것보다 약 1.1%의 열전달률 향상과 약 20.1%의 압력강하 특성을 나타났다.
(4) 튜브표면의 돌기형상은 톱니형보다 원형이 약 0.8% 정도의 열전달률 향상과 약 11.4% 정도의 압력강하 특성을 나타났다.
그 결과로 AR이 낮아질수록 압력은 낮아지고, 와류발생기의 위치에 따라 압력의 크기가 변하는 것을 알 수 있으며 톱니모양의 핀 형상을 가진(f)경우가 압력이 가장 높게 나타냈다. 결과적으로 AR의 변화보다는 와류발생기설치나 튜브표면을 변화시켰을 경우가 경계층의 유동으로 압력구배구간이 생기면서 와류의 영향을 받음으로 인해 압력손실이 크게 나타나 압력분포가 높게 나타남을 알 수 있었다.
7은 AR을 증가시켰을 때, 압력강하특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 AR이 작아질수록 압력강하 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
여기서 해석한 AR모델의 튜브의 가로, 세로 전체 열교환기의 가로, 세로부분을 Table 2에 나타내었다. 그 결과로 AR이 작아질수록 열전달률이 증가하는 Chiu 등의 해석과 유사한 특성을 확인할 수 있었다. Fig.
4는 본 연구에서 사용된 3가지 난류모델과 Chiu 등이 수행한 실험 및 수치해석 결과를 나타낸 것이다. 그 결과로 본 해석결과와의 차이는 근소하였고, 실험값과 해석값의 큰 차이는 실험 과정에서 정확한 벽온도의 경계조건을 유지하지 못함으로 분석되나 열전달특성은 유사한 경향을 나타내고 있다. 따라서 3가지 난류모델 중에서 RSM 및 RNG 모델은 4~5% 정도의 근사한 결과를 나타내고 있어 2-equation 난류모델들에 비해 스월(swirl) 등을 갖는 곡관유동 등에 우수한 결과를 보여주는 점(11~13)을 고려하여 RSM 난류모델을 채택하였다.
16은 돌기형상에 따른 평균열전달률을 비교한 것으로 튜브표면에 돌기를 부착하여 열전달면적을 증가시키는 것이 열전달률 향상에 기여한다는 것을 확인할 수 있었다. 돌기형태에 있어서는 톱니모양의 돌기형태보다는 원형모양의 돌기를 부착한 튜브가 열전달률이 높았는데 이는 톱니모양의 돌기형태에서는 유체흐름이 좋지 않아 열전달률이 낮게 나타난 것으로 판단된다. Fig.
그 결과로 본 해석결과와의 차이는 근소하였고, 실험값과 해석값의 큰 차이는 실험 과정에서 정확한 벽온도의 경계조건을 유지하지 못함으로 분석되나 열전달특성은 유사한 경향을 나타내고 있다. 따라서 3가지 난류모델 중에서 RSM 및 RNG 모델은 4~5% 정도의 근사한 결과를 나타내고 있어 2-equation 난류모델들에 비해 스월(swirl) 등을 갖는 곡관유동 등에 우수한 결과를 보여주는 점(11~13)을 고려하여 RSM 난류모델을 채택하였다.
본 연구에서는 SIMPLE 알고리즘(9,10)사용하였 으며 모든 변수에 대해서 Residual값이 10-4이하가 되어야 수렴한 것으로 판정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
타원형 튜브 열교환기는 어디에 주로 사용되는가?
그동안 이용효율 향상을 위해 열교환기의 고성능화에 대한 수많은 연구들이 수행되어 왔다. 그 중 특히 산업용 보일러, 조선공정기기에 널리 사용되는 타원형 튜브 열교환기의 성능향상에 대한 연구가 매우 활발하게 수행되고 있다. 타원형 튜브 열교환기의 장점은 일단 기존의 열교환기에서 튜브 제조과정만을 교체함으로 초기 시설투자비가 적게 들며, 공기 유동로의 유선화를 통하여 가용 열전달면적이 증가하고 압력손실이나 열전달 측면에서 향상된 성능을 나타낸다고 알려져 있다.
타원형 튜브 열교환기에서 발생할 수 있는 문제점은?
타원형 튜브 열교환기의 장점은 일단 기존의 열교환기에서 튜브 제조과정만을 교체함으로 초기 시설투자비가 적게 들며, 공기 유동로의 유선화를 통하여 가용 열전달면적이 증가하고 압력손실이나 열전달 측면에서 향상된 성능을 나타낸다고 알려져 있다. 하지만 타원형 튜브는 고압냉매를 사용할 시 튜브와 핀의 변형이 발생할 수 있으며 이를 해결하기 위한 연구도 현재 진행되고 있다. 이와 같은 고효율의 열교환기를 개발하는 노력은 대부분 실험 및 수치해석을 통하여 제시되었는데 평판형 핀의 형상변화 및 핀면에 각종 난류촉진제나 와류발생기의 부착방안 등이 제안되어져 왔다.
타원형 튜브 열교환기의 장점은?
그 중 특히 산업용 보일러, 조선공정기기에 널리 사용되는 타원형 튜브 열교환기의 성능향상에 대한 연구가 매우 활발하게 수행되고 있다. 타원형 튜브 열교환기의 장점은 일단 기존의 열교환기에서 튜브 제조과정만을 교체함으로 초기 시설투자비가 적게 들며, 공기 유동로의 유선화를 통하여 가용 열전달면적이 증가하고 압력손실이나 열전달 측면에서 향상된 성능을 나타낸다고 알려져 있다. 하지만 타원형 튜브는 고압냉매를 사용할 시 튜브와 핀의 변형이 발생할 수 있으며 이를 해결하기 위한 연구도 현재 진행되고 있다.
참고문헌 (14)
Chang, H. S., Chun, Y. W. and Chung I. K., 2005, "Study on Performance of Plate Fin-Oval Tube Heat Exchanger with Vortex Generators," Proceedings of KSME, pp. 345-350.
Chiu, Y. W., Lin, Y. X., Jang, J. Y., 2007, "Numerical and Experimental Analysis of Elliptic Finned-Tube Heat Exchangers Under Misted Conditions," Proceedings of Clima 2007 Wellbeing Indoors.
Choi, Y. G., Kim, J. S., Yoon S. H., Kim, M. H. and Oh, C., 2006, "Numerical Study for Fluid and Heat Transfer of Fin-Tube Heat Exchangers with Oval-Tube," Proceedings of KOSME, pp.227-228.
Lee, J. H., Lim, M. G. and Kang, H. C., 2010, "Air-side Thermal Performance According to the Fin Shapes of Slit Fin Tube Heat Exchanger," Proceedings of SAREK, pp. 1498-1505.
Moh, J. H. and Lee, S. H., 2009, "Analysis for Air-Side Convective Heat Transfer Characteristics in Compact Heat Exchangers," Proceedings of SAREK, pp. 1443-1448.
Mcilwain, S. R., 2010, "A Comparison of Heat Transfer Around a Single Serrated Finned Tube and a Plain Finned Tube," Proceedings of IJRRAS 2(2), pp. 88-94.
Mcilwain, S. R., 2010, "A CFD Comparison of Heat Transfer and Pressure Drop Across Inline Arrangement Serrated Finned Tube Heat Exchangers with an Increasing Number of Rows," Proceedings of IJRRAS 4(2), pp. 162-169.
Myung, H. G., 2002, Data processing of Heat Fluid Engineering, 4th Int. Munundang, pp. 223-225.
Park, J. Y. and Baek, J. H., 1996, "A Comparative Study of PISO, SIMPLE, SIMPLE-C Algorithms in 3-Dimensional Generalized Coordinate Systems," Transactions of. KSCFE, Vol. 1, pp. 26-34.
Myung, H. G., 2002, CFD introduction, 1th Int. Munundang, pp. 323-328.
Jawarneh, A. M. and Vatistas, G. H., 2006, "Reynolds Stress Model in the Prediction Confined Turbulent Swirling Flows," Journal of Fluids Engineering, Vol. 128, pp. 1377-1382.
Kuznik, F., Brau, J. and Rusaouen, G., 2007, "A RSM Model for the Prediction of Heat and Mass Transfer in a Ventilated Room," Proceedings of Building Simulation, pp. 919-926.
Eiamsa-ard, S., Ridluan, A., Somravysin, P. and Promvonge, P., 2008, "Numerical Investigation of Turbulent Flow Through a Circular Orifice," Journal of KMITL Sci., Vol. 8, No. 1, pp. 43-50.
Chun, C. H., Jang, G. H., No, H. K. and Lim, K. B., 2008, Heat Transfer introduction, 1th Int. Bosungkak, pp. 223-230.
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