[논문]원통-다관형 열교환기의 다관측 입출구 유동 특성의 실험적 연구

도흔승; 왕개; 박승하; 김형범

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.7.581

초록
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본 논문에서는 원통-다관형 열교환기의 다관측 유량의 분배도 향상을 위해 다공성 배플 유무에 따른 입구 및 출구부의 유동 특성을 실험적으로 연구하였다. 원통 및 다관측 유량의 분배성능은 원통-다관형 열교환기의 성능에 직간접적인 영향을 준다. 실험 연구를 위하여 원형 크기의 1/3로 축소한 실험 모델을 제작하였고, 60, 80, 90 LPM의 유량 조건에서 다공성 배플의 유무에 따른 다관측의 분배 성능을 입자화상속도기법을 이용한 입구 및 출구부의 속도장 측정을 통해 확인하였다. 연구로부터 절대 불균일 분배도를 계산하여 정량적으로 다공성 배플이 유량의 분배도에 주는 영향을 확인하였다. 측정 결과로부터 유량에 상관없이 배플을 설치하였을 경우 74%의 절대 불균일 분배도의 감소 효과를 가졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

The inlet/outlet flow in the tube-side of the shell and tube heat exchanger was experimentally measured to investigate the effect of the porous baffle on uniform flow distribution. A 1/3rd scale-downed model of a heat exchanger was used and particle image velocimetry was applied for measuring the in...

The inlet/outlet flow in the tube-side of the shell and tube heat exchanger was experimentally measured to investigate the effect of the porous baffle on uniform flow distribution. A 1/3rd scale-downed model of a heat exchanger was used and particle image velocimetry was applied for measuring the instantaneous velocity vector fields. The absolute errors in the flow rate were calculated and compared for the tube-side with and without the porous baffle, by varying the flow rate from 60 to 90 LPM. The results revealed that the porous baffle can improve flow uniformity and reduce the absolute error in the flow rate of the model with the baffle by about 74%, compared to that without the baffle. This result can be used for improving the performance and design of the shell and tube heat exchanger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LNG 공정에서 기화기(vaporizer)⁽⁸⁾로 사용되는 원통-다관형 열교환기에서의 유량의 불균일 분배를 낮추기 위한 다공성 배플의 효과를 유속 측정을 통해 정량적으로 연구하였다.
본 연구에서는 서로 다른 유량 조건에서 다관측 입구부 전면에 배플이 있는 경우와 없는 경우에 다관측으로 들어가는 입구 유속을 측정하고, 이로부터 절대 불균일 분배도를 계산하여 균일도 향상을 위한 배플 효과를 정량적으로 확인하였다. 본 연구자들은 연구 결과가 고성능의 열교환기 설계에 유용하게 사용되리라 기대한다.
본 연구에서는 원통-다관형 열교환기의 다관측 유량 분배 성능을 향상시키기 위하여 배플을 설치한 후 유량을 달리하며 분배도의 변화를 정량적으로 관찰하였다.

가설 설정

열전달 부위에서의 유량의 균일한 분포는 열교환기 설계에 있어서 가장 기본적인 가정이다. 이러한 가정은 실제 열교환기에서는 구현되기가 매우 어렵다.

제안 방법

PIV기법을 이용한 정량적인 유속 측정과 함께 정성적인 유동 가시화 기법을 사용하여 입구부의 유동 구조를 관찰하였다. 유동 가시화는 연속 레이저인 Ar-ion 레이저와 노출 시간이 긴 디지털 카메라를 사용하여 투입된 마이크로버블(micro bubble)의 유적선(path line)을 가시화하였다.
1은 실험에 사용된 다관측실험 장치 및 모델의 개략도와 사용된 좌표계를 보여준다. 결과 정리를 단순화하기 위하여 입구부 측정 단면 및 출구부 측정 단면의 좌표축을 별개로 사용하였다. 실험 모델은 입구에서의 완전 발달된 난류 관 유동을 만들기 위하여 충분히긴 길이의 관을 입구노즐의 전면에 설치하였다.
배플은 이 반구와 직관이 만나는 위치에 설치되었다. 곡률을 가지는 측정 구간의 특성상, 굴절률에 의한 영상 왜곡을 최소화하기 위하여 다관측의 입구 및 출구부는 물을 채운 사각 상자 안에 위치시켜 영상의 왜곡을 최소화 하였다. 실험에 사용된 작동 유체는 상온의 물로 실험은 유량이 60, 80 및 90 LPM 조건에서 연구를 수행하였다.
다공성 배플의 가운데 부분은 분류판(impingment plate)역할을 위해 구멍을 내지 않았다. 다공성 배플을 제작시 다공도를 30%로 선택한 이유는 이 다공도 이상에서는 후방에 재순환 영역이 생기지 않는다는 기존 연구를 참고하여 결정하였다.⁽¹³⁾ 다관측 입출구부의 속도 측정을 위하여 PIV(particle image velocimetry)기법을 사용 하였다.
원통-다관형 열교환기의 다관측 입구 및 출구부 유동을 측정하기 위하여, 원형을 1/3로 축소한 실험 모델을 제작하였다. 원통부의 직경(D)은 300mm 이다.
PIV기법을 이용한 정량적인 유속 측정과 함께 정성적인 유동 가시화 기법을 사용하여 입구부의 유동 구조를 관찰하였다. 유동 가시화는 연속 레이저인 Ar-ion 레이저와 노출 시간이 긴 디지털 카메라를 사용하여 투입된 마이크로버블(micro bubble)의 유적선(path line)을 가시화하였다.
측정 구간이 크기 때문에 두 대의 1,600×1,200 해상도를 가지는 CCD 카메라를 나란하게 설치한 후 Nd:YAG 레이저와 동기시켜 입자 화상을 획득하였다.

대상 데이터

측정 구간이 크기 때문에 두 대의 1,600×1,200 해상도를 가지는 CCD 카메라를 나란하게 설치한 후 Nd:YAG 레이저와 동기시켜 입자 화상을 획득하였다. 산란 입자는 작동 유체에 존재하는 불순물(impurities)을 이용하였고, 일부 입자가 부족할 경우, 옥수수 전분을 사용하였다. PIV계산은 일반적인 상호상관 관계 방식의 알고리듬을 사용하였고 최종 속도 벡터의 공간 해상도는 1.
결과 정리를 단순화하기 위하여 입구부 측정 단면 및 출구부 측정 단면의 좌표축을 별개로 사용하였다. 실험 모델은 입구에서의 완전 발달된 난류 관 유동을 만들기 위하여 충분히긴 길이의 관을 입구노즐의 전면에 설치하였다. 유속을 측정한 입구부와 출구부의 형상은 대칭으로 동일한 기하학적 형상을 가진다.
실험에 사용된 다공성 배플은 30%의 다공도(porosity)를 갖도록 구멍의 직경(d_h)을 배치하였다.
곡률을 가지는 측정 구간의 특성상, 굴절률에 의한 영상 왜곡을 최소화하기 위하여 다관측의 입구 및 출구부는 물을 채운 사각 상자 안에 위치시켜 영상의 왜곡을 최소화 하였다. 실험에 사용된 작동 유체는 상온의 물로 실험은 유량이 60, 80 및 90 LPM 조건에서 연구를 수행하였다. 입구 노즐의 직경(d_n)과 평균 속도(V_avg)를 기준으로 한 Reynolds 수(Re)는 15,000, 20,000 및 22,500이다.

데이터처리

6 mm²이다. 총 400장의 순간 속도장을 획득한 후 앙상블 평균하여 평균값을 계산하였다.

이론/모형

다공성 배플을 제작시 다공도를 30%로 선택한 이유는 이 다공도 이상에서는 후방에 재순환 영역이 생기지 않는다는 기존 연구를 참고하여 결정하였다.⁽¹³⁾ 다관측 입출구부의 속도 측정을 위하여 PIV(particle image velocimetry)기법을 사용 하였다. 측정 구간이 크기 때문에 두 대의 1,600×1,200 해상도를 가지는 CCD 카메라를 나란하게 설치한 후 Nd:YAG 레이저와 동기시켜 입자 화상을 획득하였다.
위 평균 속도장 결과는 배플에 의한 유동 구조의 변화를 잘 보여주지만 분배 성능에 대한 향상 정도를 정확히 알기가 어렵다. 유량의 분배 성능을 정량적으로 알기 위하여 절대 불균일 분배도(absolute error of flow uniformity:#)를 사용하였다. 절대 불균일 분배도의 정의는 다음 식과 같다.

성능/효과

그림은 이해를 돕기 위해 원본 이미지를 역상으로 바꾸었다. 각각의 유량 조건에서 배플 유무에 따른 가시화 실험을 모두 수행하였으나 정성적 특징이 동일하여 80 LPM의 결과만을 나타내었다. 유체는 위쪽에서 아래쪽으로 흐르고 사진의 아래쪽은 다관측 입구부이다.
배플에 의한 다른 특징으로 정류 효과에 의해 입구부에서 난류 감소 효과가 나타나지만 출입구에서는 난류가 더 발달되어 열전달을 촉진시킬수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 상변화 등이 존재하여 유량의 불균일 분배가 영향을 크게 주는 열교환기 설계에 있어 도움을 줄 수 있으리라 기대된다.
5는 배플이 있는 경우와 없는 경우에 각 유량에 따른 절대 불균일 분배도 값의 비교 결과이다. 배플이 없는 경우에 평균 420%의 절대 불균일 분배도값을 가지나 배플을 설치하였을 경우에는 110%로 배플이 없는 경우와 비교하여 불균일 분배도가 74% 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 배플의 설치에 의해 유량의 분배 성능이 향상되었음을 나타낸다.
연구 결과로부터 배플이 없는 일반적인 형태의 원통-다관형 열교환기는 입구측 유동 구조가 충돌 분류의 형태를 가지며 대부분의 유량이 중심부에 집중되어 있는 것을 알 수 있었다. 이로 인해 바깥쪽에 위치한 다관에서는 축방향 속도가 음으로 나타나 역류 현상도 나타났다.
반면 배플을 부착한 경우에는 배플에 일차적으로 분류 형태로 부딪힌 후, 배플에 위치한 구멍을 통해 유량이 넓게 분산되어 다관측 입구로 흐르는 것을 알 수 있었다. 절대 분균일 분배도 계산으로부터 배플에 의해 유량에 상관없이 평균 84%의 절대 불균일 분배도의 감소를 확인하였다.
배플이 있는 경우도 마찬가지로 바깥쪽에 위치한 관을 통과한 유량이 감소하는 것을 알 수 있으나 속도의 감소되는 비율이 배플이 없는 경우와 비교하여 작게 나타난다. 중심부에 위치한 제트의 최대 축방향 속도와 주변부 제트의 최대 축방향 속도값의 비는 배플이 있는 경우에 33% 로 배플이 없는 경우의 58%와 비교하여 속도 차이가 감소하였고 이는 유량의 분배도가 증가하였음을 나타낸다.
축방향 난류 강도 결과에서도 배플이 있는 경우의 난류 강도의 최대값 비교에서 중심부와 주변부의 차이는 23%로 배플이 없는 경우의 49%와 비교하여 차이가 줄어 들었다.

후속연구

배플에 의한 다른 특징으로 정류 효과에 의해 입구부에서 난류 감소 효과가 나타나지만 출입구에서는 난류가 더 발달되어 열전달을 촉진시킬수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 상변화 등이 존재하여 유량의 불균일 분배가 영향을 크게 주는 열교환기 설계에 있어 도움을 줄 수 있으리라 기대된다.
본 연구에서는 서로 다른 유량 조건에서 다관측 입구부 전면에 배플이 있는 경우와 없는 경우에 다관측으로 들어가는 입구 유속을 측정하고, 이로부터 절대 불균일 분배도를 계산하여 균일도 향상을 위한 배플 효과를 정량적으로 확인하였다. 본 연구자들은 연구 결과가 고성능의 열교환기 설계에 유용하게 사용되리라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유량의 불균일 분포는 어떻게 구분되는가?	이러한 가정은 실제 열교환기에서는 구현되기가 매우 어렵다. 유량의 불균일 분포(maldistribution)는 노즐(nozzle), 헤더(header) 및 각종 배관(manifold) 등의 형상 등에 의해 생기는 기계적 요인에 의한 불균일과 열교환기가 작동시, 작동 유체의 점도, 밀도 및 상변화 등과 같은 동작 환경에 기인한 물성 변화로 발생하는 불균일로 크게 구분된다. (1)
	판-핀형 열교환기는 무엇에 의해 유량의 균일 분배 성능이 크게 증가하는가?	유량의 불균일 분배가 큰 영향을 준다고 알려진 판-핀형 열교환기에서는 입구부에 설치한 다공성 배플(baffle)에 의해 유량의 균일 분배 성능이 크게 증가한다고 보고되었다. (9,10) 반면 NTU가 작은 원통-다관형 열교환기에서는 원통측 유량의 균일 분배 향상 연구에 집중되어 상대적으로 다 관측의 유량 분배 성능 향상에 대한 연구는 이루어지지 않았다.
	배플이 없는 일반적인 형태의 원통-다관형 열교환기의 바깥쪽 다관에서 나타나는 현상은 무엇인가?	연구 결과로부터 배플이 없는 일반적인 형태의 원통-다관형 열교환기는 입구측 유동 구조가 충돌 분류의 형태를 가지며 대부분의 유량이 중심부에 집중되어 있는 것을 알 수 있었다. 이로 인해 바깥쪽에 위치한 다관에서는 축방향 속도가 음으로 나타나 역류 현상도 나타났다.

참고문헌 (15)

Mueller, A. C. and Chiou, J. P., 1988, "Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers," Heat Transfer Engineering, Vol. 9, No. 2, pp. 36-50.

상세보기
Soltan, B. K., Saffar-Avval, M., and Damangir, E. 2004, "Minimizing Capital and Operating Costs of Shell and Tube Condensers Using Optimum Baffle Spacing," Applied Thermal Engineering, Vol. 24, pp. 2801-2810.

상세보기
Roetzel, W., Na Ranong, R, C. and Fieg, G., 2011, "New Axial Dispersion Model for Heat Exchanger Design," Heat and Mass Transfer, Vol. 47, No. 8, pp. 1009-1017.

상세보기
Wang, J., 2008, "Pressure Drop and Flow Distribution in Parallel-Channel Configurations of Fuel Cells: U-type Arrangement," Int. J. of Hydrogen Energy, Vol. 33, No. 21, pp. 6339-6350.

상세보기
Vist, S. and Pettersen, J., 2004, "Two-Phase Flow Distribution in Compact Heat Exchanger Manifolds," Exp. Thermal and Fluid Science, Vol. 28, pp. 209-215.

상세보기
Lalot, S., Florent, P., Lang, S. K. and Bergles, A. E., 1999, "Flow Maldistribution in Heat Exchangers," Applied Thermal Engineering, Vol. 19, pp. 847-863.

상세보기
Pacio, J. C. and Dorao, C. A., 2010, "A Study of the Effect of Flow Maldistribution on Heat Transfer Performance in Evaporators," Nuclear Engineering and Design, Vol. 240, pp. 3868-3877.

상세보기
Lee, J. K. and Oh, H. C., 2008, "Introduction of LNG Regasification Vessel," Daewoo Eng. Tech report, Vol. 24, No. 1, pp. 80-89.
Wen, J., Li, Y., Zhou, A. and Zhang, K., 2006, "An Experimental and Numerical Investigation of Flow Patterns in the Entrance of Plate-Fin Heat Exchanger," Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, pp. 1667-1678.

상세보기
Wen, J. and Li, Y., 2004, "Study of Flow Distribution and Its Improvement on The Header of Plate-Fin Heat Exchanger," Cryogenics, Vol. 44, pp. 823-841.

상세보기
Gaddis, E. S. and Gnielinski, V., 1997, "Pressure Drop on The Shell Side of Shell-and-Tube Heat Exchangers with Segmental Baffle," Chem. Eng. and Proc., Vol. 36, pp. 149-159.

상세보기
Li, H. and Kottke, V., 1999, "Analysis of Local Shellside Heat and Mass Transfer in the Shell-and-Tube Heat Exchanger with Disc-and Doughnut Baffles," Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 42, pp. 3509-3521.

상세보기
Lee, S. J. and Kim, H. B., 1999, "Laboratory Measurements of Velocity and Turbulence field behind the porous fences," J. of Wind Eng. and Ind. Aerodyn., Vol. 80, pp. 311-326.

상세보기
Ranganayakulu, Ch. and Seetharamu, K. N., 2000, "The Combined Effects of Wall Longitudinal Heat Conduction and Inlet Fluid Flow Maldistribution in Crossflow Plate-Fin Heat Exchangers," Heat and Mass Transfer, Vol. 36, pp. 247-255.

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Lee, E., Kang, H., Heo, J., Kim, Y., Park, J. and Cho, S., 2011, "Numerical Study on the Distribution Characteristics of Aluminum Plate-Fin Heat Exchangers According to the Distributor Aspect Ratio," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 35, No. 8, pp. 805-814.

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