셀-튜브 열교환기는 산업분야에서 가장 널리 사용되는 열교환기이다. 열교환기의 열적 성능을 개선하기 위하여 셀-튜브 열교환기에 대해 배플의 배치, 배플의 방향, 배플의 표면의 돌기형상 등의 인자를 변경하였으며, 유동의 박리 및 경계층해석에 적절히 이용되는 SST 난류모델을 적용하여 열전달특성을 고찰하였다. CFD해석시 경계조건는 셀측의 입구온도를 344K로 일정하게 하고, 물의 유량을 6, 12, 18, 24 l/min로 변화시켰다. 그 결과로는 지그재그형 배치가 열전달률 및 압력강하가 향상되는 것으로 나타났으며, 배플의 방향은 기존형보다 수직형 및 각도 $45^{\circ}$형이 열전달이 향상되는 것으로 나타났고, 압력강하는 거의 차이가 없었다. 또한 배플의 돌기형상은 열전달면적을 증가시킴으로써 열전달률 및 압력강하가 향상됨을 알 수 있었다. 해석결과를 통하여 열전달 증가가 유동의 박리, 유체의 체류시간, 튜브와의 접촉면적, 유량, 와류 등에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
셀-튜브 열교환기는 산업분야에서 가장 널리 사용되는 열교환기이다. 열교환기의 열적 성능을 개선하기 위하여 셀-튜브 열교환기에 대해 배플의 배치, 배플의 방향, 배플의 표면의 돌기형상 등의 인자를 변경하였으며, 유동의 박리 및 경계층해석에 적절히 이용되는 SST 난류모델을 적용하여 열전달특성을 고찰하였다. CFD해석시 경계조건는 셀측의 입구온도를 344K로 일정하게 하고, 물의 유량을 6, 12, 18, 24 l/min로 변화시켰다. 그 결과로는 지그재그형 배치가 열전달률 및 압력강하가 향상되는 것으로 나타났으며, 배플의 방향은 기존형보다 수직형 및 각도 $45^{\circ}$형이 열전달이 향상되는 것으로 나타났고, 압력강하는 거의 차이가 없었다. 또한 배플의 돌기형상은 열전달면적을 증가시킴으로써 열전달률 및 압력강하가 향상됨을 알 수 있었다. 해석결과를 통하여 열전달 증가가 유동의 박리, 유체의 체류시간, 튜브와의 접촉면적, 유량, 와류 등에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
In numbers of kinds of heat exchanger, the shell-tube heat exchanger is the most commonly used type of heat exchanger in the industry field. In order to improve the thermal performance of the heat exchanger, this study was analyzed heat transfer characteristics according to arrangement of baffle and...
In numbers of kinds of heat exchanger, the shell-tube heat exchanger is the most commonly used type of heat exchanger in the industry field. In order to improve the thermal performance of the heat exchanger, this study was analyzed heat transfer characteristics according to arrangement of baffle and direction of baffle and bump phase of baffle about shell-tube heat exchanger using appropriate SST (Shear Stress Transport) turbulence model for flow separation and boundary layer analysis. As the boundary condition for CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis, the inlet temperature of shell side was constantly 344 K and the variation of the water flow rate was 6, 12, 18 and 24 l/min. As the result of analysis, zigzag baffle arrangement enhances heat transfer rate and pressure drop. Furthermore, in the direction of the baffle, heat transfer rate is more improved with vertical type and angle $45^{\circ}$ type than existing type, and pressure drop was little difference. Also, the bump shape of baffle surface contributes to heat transfer rate and pressure drop improvement due to the increased heat transfer area. Through analysis results, we knew that the increase of the heat transfer was influenced by flow separation, fluid residual time, contact area with the tube, flow rate, swirl and so on.
In numbers of kinds of heat exchanger, the shell-tube heat exchanger is the most commonly used type of heat exchanger in the industry field. In order to improve the thermal performance of the heat exchanger, this study was analyzed heat transfer characteristics according to arrangement of baffle and direction of baffle and bump phase of baffle about shell-tube heat exchanger using appropriate SST (Shear Stress Transport) turbulence model for flow separation and boundary layer analysis. As the boundary condition for CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis, the inlet temperature of shell side was constantly 344 K and the variation of the water flow rate was 6, 12, 18 and 24 l/min. As the result of analysis, zigzag baffle arrangement enhances heat transfer rate and pressure drop. Furthermore, in the direction of the baffle, heat transfer rate is more improved with vertical type and angle $45^{\circ}$ type than existing type, and pressure drop was little difference. Also, the bump shape of baffle surface contributes to heat transfer rate and pressure drop improvement due to the increased heat transfer area. Through analysis results, we knew that the increase of the heat transfer was influenced by flow separation, fluid residual time, contact area with the tube, flow rate, swirl and so on.
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문제 정의
Hong et al. [5] 은 셀측의 유로길이와 방향전환을 최소화하면서도 유체혼합 및 대류열 전달을 효과적으로 증진시킬 수 있는 오리피스 배플과 원형핀의 조합으로 구성 되는 환형 배플을 제시하기 위한 연구를 수행하였다. Shin et al.
본 절에서는 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위한 분석이 수행되었다. Oh et al.
가설 설정
14의 전처리 프로그램(Pre-Processor)인 Design Modeler를 이용하여 셀-튜브 열교환기를 모델링하였으며, 해석모델의 형상 및 제원은 각각 Figure 1 및 Table 1에 나타내었다. 여기서 셀표면 및 튜브면은 단열상태로 가정하였다.
열교환기의 내부는 3차원 정상상태, 비압축성 난류유동으로 가정하였으며, 지배방정식은 기본적인 연속방정식, 운동량방정식 및 에너지방정식을 사용 하였고, 난류모델로는 기존의 난류모델에 비해 유동의 박리나 경계층 영역의 해석에서 우수한 성능을 보인다고 알려진 SST(Shear Stress Transport) k-ω 난류모델을 사용하였다[10].
제안 방법
본 연구에서는 배플을 가지는 셀-튜브 열교환기의 셀측 및 튜브측의 입구속도조건을 변경하여 Oh et al. [4]의 실험 및 해석 값과 비교하여 검증하였으며, 배플의 배치, 배플의 방향, 배플의 돌기형상 등을 적용하여 열 전달 및 압력강하에 미치는 영향을 고찰한 결과는 다음과 같다.
Oh et al. [4]이 수행한 실험 및 해석의 결과와 비교하기 위해 동일한 기하학적 형상 및 입구속도조건에 대하여 얻어진 출구온도 값을 비교하였다. 최적의 난류모델 선정을 위해 Standard k-ε, RNG(Re-Normalization Group) k-ε, SST 난류모델[10]를 적용하여 수행하였으며, 그 해석결과를 Figure 3에 나타내었다.
본 연구에서는 먼저 Oh et al. [4]이 수행한 연구 결과와 비교하기 위해 수치해석 모델에 대한 검증을 수행한 후, 이를 토대로 열교환기 내의 배플의 배치 및 모양, 배플의 돌기형상 등의 다양한 인자를 적용하여 열 전달 및 압력강하 특성을 고찰하였다.
이 3가지 난류모델에 대한 민감도 분석을 수행한 결과로는 SST 난류모델이 가장 실험값과 근사한 결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 근사한 결과를 보인 SST 난류모델을 기본 난류모델로 선정되었다.
본 연구에서는 ANSYS v.14의 전처리 프로그램(Pre-Processor)인 Design Modeler를 이용하여 셀-튜브 열교환기를 모델링하였으며, 해석모델의 형상 및 제원은 각각 Figure 1 및 Table 1에 나타내었다. 여기서 셀표면 및 튜브면은 단열상태로 가정하였다.
이론/모형
물리적 구배가 심하게 나타날 것으로 예상되는 유체부와 고체부가 만나는 부분에는 좀 더 조밀하게 격자를 생성하도록 하였다. 본 연구의 해석코드는 Fluent v.14을 사용했고, 수치해석을 위한 경계조건은 Table 2에서 나타내고 있으며, 입구 속도 및 온도의 범위는 난류 민감도 평가를 수행하기 위해서 Oh et al. [4]이 연구한 실험값을 적용하였다.
이 SST k-ω모델은 난류점성계수의 계산을 위해 난류운동에너지 k와 비소산율 ω의 식을 풀이하여 구한다. 속도-압력 연 성에 대해서는 Patankar에 의하여 제시된 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다[11][12].
최적의 난류모델 선정을 위해 Standard k-ε, RNG(Re-Normalization Group) k-ε, SST 난류모델[10]를 적용하여 수행하였으며, 그 해석결과를 Figure 3에 나타내었다.
성능/효과
(1) 배플이 있는 셀-튜브 열교환기의 열 전달 특성을 정확히 해석하기 위해서는 난류모델 중에 SST 난류모델을 적용하는 해석방법이 가장 적합하게 나타났다.
(2) 배플 배치에 따른 열 전달 및 압력강하의 특성은 일정한 조건에서 유체가 배플을 통과하여 유체의 체류시간을 고려해 볼 때 기본 모델이 지그재그 형상으로 와류현상이 규칙적으로 나타남으로써 가장 유리함을 알 수 있었다.
(3) 배플의 설치방향에 따른 열 전달 및 압력강하 특성은 6 l/min의 동일 유량조건에 대해서 유체가 튜브와의 접촉시간이 길수록 열 전달이 증가됨을 알 수 있으며, 수직형 B모델이 열 전달 및 압력강하의 특성에서 가장 양호하게 나타났다.
(4) 배플의 돌기형상에 따라 전열면적을 증가하는 형태가 열 전달이 향상되는 뿐만 아니라 배플의 크기로 인한 유체의 박리현상, 유량, 와류 등이 열 전달에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
결과적으로 기본형 A모델보다 각도 45°형 C모델이 열 전달 특성은 큰 폭으로 향상되는 반면에 압력강하 특성은 약간 크게 나타남을 알 수 있었다.
그 결과로 유속의 증가에 따라 압력강하가 크게 나타남을 알 수 있으며 모델 A>B>C 순으로 압력강하가 크게 나타남을 보이며, 모델 A, B, C의 배치와 면적이 다 같고 방향만 다르므로 모델 A, B, C의 압력강하의 특성은 미미한 차이로 거의 비슷한 수준으로 나타났다.
Figure 5은 유속 및 배플 배치에 따른 압력강하의 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 유속의 증가에 따라 압력강하가 크게 나타남을 알 수 있으며, 기존의 배플 배치인 F모델이 가장 크게 나타났고, B모델과 E모델보다는 A, C, D모델이 압력 강하가 더 크게 나타났다. C모델과 D모델이 압력강하가 비슷한 나타났다.
Figure 10과 Figure 11는 유속에 따른 배플 돌기 형상에 관한 열 전달 및 압력강하의 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 유속의 증가에 따라 열 전달이 증가됨을 알 수 있으나 Table 5에서 나타난 배플의 돌기형상에 따라 다소 차이는 있지만 기준 배플 형태가 열 전달 특성이 가장 높은 것으로 나타났다. 그리고 압력강하가 가장 큰 것은 Square process F형으로 나타났다.
Figure 4는 유속 및 배플 배치에 따른 열 전달의 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 유속의 증가에 따라 열 전달이 증가됨을 알 수 있으며, 배플 배치의 특성은 기존 배치인 A모델이 가장 높게 나타났다. 또한 B모델과 E모델보다는 C모델과 D모델이 열 전달이 더 높게 나타나고 F모델이 가장 낮게 나타났다.
그 결과로 유속의 증가에 따라 열 전달이 증가됨을 알 수 있으며, 특히 수직형 B모델이 각도 45°형 C모델보다 열 전달 특성이 더 높게 나타남을 알 수 있다.
그 결과로 유속의 증가에 따라 열 전달이 증가됨을 알 수 있으며, 배플 배치의 특성은 기존 배치인 A모델이 가장 높게 나타났다. 또한 B모델과 E모델보다는 C모델과 D모델이 열 전달이 더 높게 나타나고 F모델이 가장 낮게 나타났다. 이는 배플 배치 때문에 유체가 유입 할 때부터 유체가 배플을 지난 소요하는 시간이 달라서 유체가 튜브와의 접촉시간이 다름으로써 열 전달 특성이 각각 다르게 변화하는 것을 알 수 있었다.
최적의 난류모델 선정을 위해 Standard k-ε, RNG(Re-Normalization Group) k-ε, SST 난류모델[10]를 적용하여 수행하였으며, 그 해석결과를 Figure 3에 나타내었다. 이 3가지 난류모델에 대한 민감도 분석을 수행한 결과로는 SST 난류모델이 가장 실험값과 근사한 결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 근사한 결과를 보인 SST 난류모델을 기본 난류모델로 선정되었다.
또한 B모델과 E모델보다는 C모델과 D모델이 열 전달이 더 높게 나타나고 F모델이 가장 낮게 나타났다. 이는 배플 배치 때문에 유체가 유입 할 때부터 유체가 배플을 지난 소요하는 시간이 달라서 유체가 튜브와의 접촉시간이 다름으로써 열 전달 특성이 각각 다르게 변화하는 것을 알 수 있었다.
출구의 압력강하도 크게 발생함으로 돌기형태에 따른 배플의 전열면적이 큰 F>B>D>Standard A>C>A>E 모델 순으로 압력강하가 낮아짐을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산업분야에서 가장 널리 사용되는 열교환기는 무엇인가?
셀-튜브 열교환기는 산업분야에서 가장 널리 사용되는 열교환기이다. 열교환기의 열적 성능을 개선하기 위하여 셀-튜브 열교환기에 대해 배플의 배치, 배플의 방향, 배플의 표면의 돌기형상 등의 인자를 변경하였으며, 유동의 박리 및 경계층해석에 적절히 이용되는 SST 난류모델을 적용하여 열전달특성을 고찰하였다.
본 연구에서 열교환기의 열적 성능을 개선하기 위한 방법은 무엇인가?
셀-튜브 열교환기는 산업분야에서 가장 널리 사용되는 열교환기이다. 열교환기의 열적 성능을 개선하기 위하여 셀-튜브 열교환기에 대해 배플의 배치, 배플의 방향, 배플의 표면의 돌기형상 등의 인자를 변경하였으며, 유동의 박리 및 경계층해석에 적절히 이용되는 SST 난류모델을 적용하여 열전달특성을 고찰하였다. CFD해석시 경계조건는 셀측의 입구온도를 344K로 일정하게 하고, 물의 유량을 6, 12, 18, 24 l/min로 변화시켰다.
CFD해석시 경계조건을 변경한 결과는 어떠한가?
CFD해석시 경계조건는 셀측의 입구온도를 344K로 일정하게 하고, 물의 유량을 6, 12, 18, 24 l/min로 변화시켰다. 그 결과로는 지그재그형 배치가 열전달률 및 압력강하가 향상되는 것으로 나타났으며, 배플의 방향은 기존형보다 수직형 및 각도 $45^{\circ}$형이 열전달이 향상되는 것으로 나타났고, 압력강하는 거의 차이가 없었다. 또한 배플의 돌기형상은 열전달면적을 증가시킴으로써 열전달률 및 압력강하가 향상됨을 알 수 있었다. 해석결과를 통하여 열전달 증가가 유동의 박리, 유체의 체류시간, 튜브와의 접촉면적, 유량, 와류 등에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
참고문헌 (12)
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