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문제 정의
- 118)을 사용하여 살펴보았다. 이를 통하여 이중관 열교환기의 유체의 유입위치와 회전구간에 따른 최적 값을 도출하여 이를 설계에 반영하고자 하였다.
제안 방법
- CFX-Mesh를 사용하여 격자를 생성하였고 유체와 고체간의 점성유동을 고려하여 Inflation을 주어 해석의 정확도를 높였다. 또한 해석의 정확도를 위하여 채널 사이에 격자를 3개 이상으로 주었다.
- 본 연구에서 고안한 이중관형 열교환기는 Fig. 1과 같이 동관, 알루미늄 핀, 티타늄튜브가 혼합된 형태이며, 알루미늄 핀을 사용하여 전열면적을 넓게 한 티타늄 이중관 열교환기 내관에 특수재질의 스펀지 볼을 넣어 히트펌프 운전 중에도 자동적으로 순환하면서 오염을 제거하는 기능을 갖는 자동 세정 시스템이다.
- 본 연구에서는 열교환기 세정을 위해서 일반적인 이중관형 열교환기와는 형태가 다르게 관내부로는 물이 흐르고 환상공간으로는 냉매가 흐르는 열교환기 세정장치를 고안하였다.5-7)
- 이는 두 유체의 점성계수와 열전도율의 열물성에 대한 차이로 유량균일도가 차이가 나타나는 것으로 판단된다. 이 때 냉매의 열물성치는 CFX에서 제공하는 Redich Kwong Wet Refrigerants에 기반을 두어 계산을 수행하였다.
- 2와 같이 유입된 유체(Winlet)는 헤더부에서 분지하고(Lheader) 일정구간 회전을 한 후(Lroating) 알루미늄 핀 내부로 흐르도록 고안된 구조이다. 이 때 알루미늄 핀 내 유체의 분포도를 확인하기 위해 유체의 유입위치(Winlet) 및 회전구간 길이(Lrotating)에 따른 유동특성을 CFD 상용코드인 ANSYS CFX ver.118)을 사용하여 살펴보았다. 이를 통하여 이중관 열교환기의 유체의 유입위치와 회전구간에 따른 최적 값을 도출하여 이를 설계에 반영하고자 하였다.
- 이중관 열교환기의 유량분배 특성을 파악하기 위하여 이중관 열교환기의 유체 유입위치 및 유체 회전구간에 대한 유량특성을 CFX를 통해 해석하였으며, 해석결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이중관 열교환기의 유량분배를 정량적으로 파악하기 위하여 유량비(Flow rate trtio)와 유량균일도를 정의하였다. 식(6)은 전체 채널 중 각 채널에 분배되는 유량비이고, 식(7)은 표준 편차를 응용한 유량균일도이다.
대상 데이터
- 3은 해석영역의 격자계를 나타낸 것이다. Table 2는 격자수에 따른 압력강하를 나타낸 것으로 격자수가 가장 큰 경우와 비교하였을 때 오차가 0.21%이므로 계산시간, 정확도 등을 고려하여 2,849,099 개의 격자를 사용하였다. Table 3은 수치 해석에 사용된 조건을 나타낸 것이다.
- 입구로부터 유입된 유체는 알루미늄 핀에 의해 16개의 채널로 분배가 되어 출구로 나간다. 본 연구는 외관 유체의 분배 및 유동특성을 살펴보기 위한 것이므로 해석의 간소화를 위해 이중관 열교환기의 외관 및 채널의 일정길이(42.87 mm)만 고려하였다. Table 1은 이중관 열교환기의 상세 치수를 나타낸 것이다.
- 유량분배 및 유동특성을 파악하기 위한 주요 해석인자로는 아래의 2가지를 해석대상으로 하였다.
이론/모형
- 수치해석에 사용된 지배방정식으로는 식(1) 연속방정식과 식(2), (3) 운동량 방정식 그리고 식(4), (5) 에너지 방정식을 사용하였다. 각각의 방정식은 CFX에서 제공하는 2차항 이상의 정확도를 가지는 High resolution scheme을 사용하였다. 또한, 열유동 해석에 가장 널리 쓰이는 standard k-ε난류모델을 사용하였다.
- 또한, 열유동 해석에 가장 널리 쓰이는 standard k-ε난류모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 유입위치가 유량분배에 있어서 회전구간보다 더 큰 영향을 끼친다는 것을 확인하였다.
- (2) 유량균일도는 열교환기의 입구중심과 중심 거리(Winlet)가 10.05 mm일 때와 유체 회전구간(Lrotating)이 57.274 mm일 때가 약 0.1376 ~ 0.1638로 가장 균일함을 확인하였다.
- (3) 질량유량을 10 ~ 50 kg/min으로 변화시킬 때 작동유체가 냉매 R410a인 경우에 물보다 유량균일도가 약 27 ~ 46%까지 증가함을 확인하였다.
- 274 mm일 때 동일한 입구 조건에서 유체가 물과 냉매 R410a인 경우의 유량균일도를 비교한 것이다. 냉매인 경우가 물보다 유량분배가 훨씬 더 균일한 경향을 보였으며, 질량유량이 40 kg/min에서 유량균일도가 약 47% 향상되었다. 이는 두 유체의 점성계수와 열전도율의 열물성에 대한 차이로 유량균일도가 차이가 나타나는 것으로 판단된다.
- 레이놀즈수가 커질수록 유량균일도가 감소하는 경향을 나타내었다. 위 두 그래프를 통해 유입위치가 열교환기 중심으로부터 가장 멀 때(Winlet = 10.05 mm)의 유량분배가 균일함을 확인할 수 있다.
- ), 작동 유체에 따른 유체의 속도분포를 나타낸 것이다. 유입위치가 더 멀수록, 유체의 회전구간이 길수록 각각의 채널에 균일한 속도로 유체가 분배되는 것을 확인할 수 있다.
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