CFD 해석을 통한 Plain형 핀-튜브 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 연구 A study on heat transfer and pressure drop characteristics of plain fin-tube heat exchanger using CFD analysis원문보기
핀-튜브 열교환기는 산업용 보일러, 라디에이터, 냉동기 등에 많이 사용되고 있어 열교환기의 성능향상을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 Plain형 핀-튜브 열교환기에 대해 가로피치, 와류발생기위치, 튜브표면의 돌기형상 및 돌기개수 등의 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 이론적으로 해석하였다. CFD 해석시 경계조건으로는 SST 난류모델을 적용하였으며, 튜브표면의 온도는 333 K이고, 입구측 공기의 온도와 속도는 423~438 K, 1.5~2.1 m/s로 가정하였다. 해석결과로는 열전달계수는 가로피치에 대한 영향은 큰 차이가 없으며, 열전달특성은 와류발생기 설치가 튜브 전방부에 위치할수록 양호한 것으로 나타났다. 또한 튜브표면의 돌기형상은 열전달 및 압력강하 특성에서 원형이 톱니형과 삼각형보다 적절하였으며, 16개 원형 돌기형상이 가장 양호하였다.
핀-튜브 열교환기는 산업용 보일러, 라디에이터, 냉동기 등에 많이 사용되고 있어 열교환기의 성능향상을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 Plain형 핀-튜브 열교환기에 대해 가로피치, 와류발생기위치, 튜브표면의 돌기형상 및 돌기개수 등의 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 이론적으로 해석하였다. CFD 해석시 경계조건으로는 SST 난류모델을 적용하였으며, 튜브표면의 온도는 333 K이고, 입구측 공기의 온도와 속도는 423~438 K, 1.5~2.1 m/s로 가정하였다. 해석결과로는 열전달계수는 가로피치에 대한 영향은 큰 차이가 없으며, 열전달특성은 와류발생기 설치가 튜브 전방부에 위치할수록 양호한 것으로 나타났다. 또한 튜브표면의 돌기형상은 열전달 및 압력강하 특성에서 원형이 톱니형과 삼각형보다 적절하였으며, 16개 원형 돌기형상이 가장 양호하였다.
The fin-tube heat exchanger being used for industrial boiler, radiator, refrigerator has been conducted in various studies to improve it's performance. In this study, the characteristics of heat transfer and pressure drop was theoretically analyzed according to longitudinal pitch, location of vortex...
The fin-tube heat exchanger being used for industrial boiler, radiator, refrigerator has been conducted in various studies to improve it's performance. In this study, the characteristics of heat transfer and pressure drop was theoretically analyzed according to longitudinal pitch, location of vortex generator, bump phase and number of the tube surface about the plain fin-tube heat exchanger. The boundary condition for the CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis applied with the SST (Shear Stress Transport) turbulence model assumed as the tube surface temperature of 333 K, the inlet air temperature of 423-438 K and the inlet air velocity of 1.5~2.1 m/s. The analysis results indicated that the heat transfer coefficient is not affected highly by the longitudinal pitch, and the heat transfer characteristics was more favorable when the vortex generator was located in front of the tube. Also the bump phase of the tube surface indicated that circle type was more appropriate than serrated type and triangle type in the characteristics of heat transfer and pressure drop, and the sixteen's bump phase of circle type was most favorable.
The fin-tube heat exchanger being used for industrial boiler, radiator, refrigerator has been conducted in various studies to improve it's performance. In this study, the characteristics of heat transfer and pressure drop was theoretically analyzed according to longitudinal pitch, location of vortex generator, bump phase and number of the tube surface about the plain fin-tube heat exchanger. The boundary condition for the CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis applied with the SST (Shear Stress Transport) turbulence model assumed as the tube surface temperature of 333 K, the inlet air temperature of 423-438 K and the inlet air velocity of 1.5~2.1 m/s. The analysis results indicated that the heat transfer coefficient is not affected highly by the longitudinal pitch, and the heat transfer characteristics was more favorable when the vortex generator was located in front of the tube. Also the bump phase of the tube surface indicated that circle type was more appropriate than serrated type and triangle type in the characteristics of heat transfer and pressure drop, and the sixteen's bump phase of circle type was most favorable.
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제안 방법
본 연구에서는 Maeng et al.[10]이 고찰한 핀-튜브 열교환기의 열전달특성을 비교하기 위해 수치해석적으로 검증하였고, 이를 토대로 가로피치, 와류발생기의 설치위치, 튜브표면의 돌기형상 및 돌기개수 등의 여러 인자를 변화시켜 Plain형 핀-튜브 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성을 고찰하여 최적설계에 대한 방안을 제시하고자 한다.
계산영역은 유동방향으로 8열의 관을 포함하여 관군의 상류(제1열관 중심으로부터 80.01 mm) 및 충분한 길이의 하류(제1열과 중심으로부터 406.4 mm)를 포함하였으며, 세로방향 배열의 1피치를 포함하는 공간으로 하였으며, 전체적으로 계산영역의 크기는 600.41×54×4.14(L×H×W)이다.
본 연구에서는 Plain형 핀-튜브 열교환기의 열전달특성을 고찰하기 위해 CFD 해석을 통하여 가로 피치, 와류발생기의 설치위치, 핀-튜브의 돌기형상 및 튜브표면의 돌기개수의 변화에 따라 얻어진 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
Figure 2는 본 연구의 수치모사에 사용된 전형적인 격자계로서 계산의 정확도와 기하학적 특성을 고려하여 6면체 격자의 크기로 조정하였다. 본 계산모델은 약 70만개로 구성된 전체 격자계로 구성하여 해석을 수행하였다. 모든 계산은 일반 Intel Core i7 3770급 PC에서 수행되었으며, 각각의 경우에 대한 계산은 약 3시간 이상 소요되었다.
Figure 1은 본 연구에 사용된 핀-튜브 열교환기의 해석모델에 대한 개략도를 나타내고 있다. 여기서 관의 직경은 25.4 mm이고, 세로피치 ST 는 54 mm이며, 가로피치 SL 은 54 mm이다.
이론/모형
점성계수를 구하기 위해서는 난류유동을 도입할 필요가 있는데, 본 연구에서는 Maeng et al.[10]이 수행한 연구의 실험값과 비교분석을 통해 여러 난류모델 중 유동의 박리와 경계층 해석에 안정적인 SST(Shear Stress Transport) 난류모델[11][12]을 사용하였고, 지배방정식은 다음과 같다.
본 연구에서는 ANSYS CFD v14.0을 사용하여 열전달을 포함하는 유동장 해석을 위한 지배방정식으로 압축성 비정상 Navier-Stokes 방정식을 적용하였다. Figure 2는 본 연구의 수치모사에 사용된 전형적인 격자계로서 계산의 정확도와 기하학적 특성을 고려하여 6면체 격자의 크기로 조정하였다.
본 연구에서는 plain형 핀-튜브 열교환기의 수치 모사에 사용된 모델은 3차원 형상으로 열교환기내의 가스유동과 튜브 내 저온수(cold water)의 유동에 의해 핀-튜브 사이로 서로 열전달이 발생한다. 이때의 유체 및 에너지 이동현상의 해석에 필요한 방정식은 질량, 운동량 및 에너지 보존법칙을 유체내의 미소체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식을 적용한다. 여기서 열교환기에 사용되는 유체는 비압축성 유체이고, 정상상태로 가정할 경우 다음과 같은 식으로 표현된다.
성능/효과
(1) 평균레이놀즈수에 따른 열전달률 및 압력강하의 특성은 실험값과 비교했을 때 각각 1.8%, 16%의 오차를 얻게 되어 SST 난류모델의 검증을 확인할 수 있었다.
(2) 가로피치의 변화는 열전달 및 압력강하의 특성이 비슷한 양상을 보여 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
(3) 와류발생기의 설치위치에 있어서는 전방부에 설치하는 것이 후방부에 설치하는 것보다 약 1.5%의 열전달률 향상과 약 1.5%의 압력강하 특성을 나타내었다.
(4) 튜브표면의 돌기형상은 원형이 톱니형과 삼각형보다 약 0.9%의 열전달률 향상과 약 4.7%의 압력강하 특성을 나타내었다.
(5) 튜브표면의 돌기개수가 커질수록 열전달면적 적을 증가하기 때문에 전열성능이 향상됨을 알 수있었으며, 돌기형상 16개가 가장 양호하였다.
Figure 15는 튜브표면의 돌기형상에 따른 열전달 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 톱니모양(a) 및 삼각형모양(c)의 돌기형상보다는 원형모양(b)의 돌기형상의 튜브가 열전달계수가 높게 나타났으며, 따라서 튜브표면에 돌기를 부착하여 열전달면적을 증가시키는 것이 열전달 향상에 기여한다는 것을 확인할 수 있었다.
그 결과로 SL의 변화에 관계없이 입구속도의 증가에 따라 열전달계수가 선형적으로 증가함을 알 수 있었으며, SL의 변화가 열전달특성에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다. 또한 압력강하의 특성도 비슷한 양상을 보였다.
)을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 그 결과로 가스유량을 적용한 평균레이놀즈수에 따른 가스측 열전달률은 실험값과 비교한 결과로서 최대 1.8%이내의 오차 범위내에 있으므로 매우 근사함을 알 수 있었다.
Figure 19와 Figure 20은 튜브표면의 돌기형상에 개수를 변화시켜 열전달 및 압력강하 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 원형모양의 돌기 16개를 설치한 튜브가 열전달률이 가장 높았다. 반면에 압력 강하는 삼각형모양 16개를 설치했을 때가 가장 높게 나왔다.
원형모양의 돌기형상(b)에서는 유동의 박리나 캐비티내에서의 재순환영역이 톱니모양(a)와 삼각형모양(c)의 돌기형상보다 작게 나타났고 이로 인해 유동흐름이 더 원활할 것으로 판단된다. 그 결과로 튜브표면의 돌기형상은 원형이 톱니형과 삼각형보다 약 0.9%의 열전달률 향상과 약 4.7%의 압력강하 특성을 나타내었다.
Figure 4, 5, 6은 해석을 통한 온도분포, 속도분포 및 압력분포를 각각 나타내고 있다. 그 결과로서 온도 및 속도분포는 Figure 4와 Figure 5에서 나타낸바와 같이 관군을 지나는 동안에는 온도 및 속도장이 어느 정도 상하 대칭성을 유지하고 있으나 관군이 끝난 하류에서는 와류의 박리현상이 발생함을 알 수 있었고, 압력분포는 Figure 6에서 나타낸바와 같이 1열에서 가장 큰 압력이 걸리는 것을 확인하였으며, 하류로 갈수록 압력이 낮아짐을 확인할 수 있었다.
그 결과로 와류발생기의 설치를 후방부(c)의 경우가 압력강하는 가장 크게 나타났고, 전방부(a)의 경우는 두 번째로 크게 나타났으며, 중앙부(b) 경우는 압력강하의 특성이 가장 낮게 나타났다. 그 결과로서 와류발생기의 위치는 튜브의 전방부의 경우가 후방부의 경우보다 열전달률이 약 1.5% 정도 향상 되는 반면에, 압력강하는 약 1.5% 정도로 높은 특성을 나타내었다. 이는 와류발생기의 위치에 따른 압력강하의 영향으로 경계층의 유동이 달라짐으로써 열전달 및 압력강하특성이 서로 상반관계가 있음을 알 수 있었다.
Figure 8은 가스유량을 고려한 평균레이놀즈수에에 따른 열교환기 내부에서의 압력손실을 나타낸 것이다. 그 결과로서 유량증가에 따라 압력손실은 거의 선형적으로 증가하며, 실험값과 비교했을 때 압력손실이 약 16% 정도 차이로 높은 것으로 나타났다. 이는 실제 실험과 이론해석에 대한 오차로서 SST 난류모델의 민감도를 고려한다면 양호한 결과라 사료된다.
본 해석결과로서 Figure 4와 Figure 5에서 나타난 바와 같이 핀 내의 온도구배는 상류측에서는 크게 나타나지만, 하류로 갈수록 온도구배는 미미한 것으로 나타났으며, 유동의 경우 관군사이를 통과하는 주 유동속도는 하류로 진행하면서 점차 감소함을 알 수 있었고, 유속이 느린 후류영역에서는 낮은 온도영역이 형성됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
따라서 Plain형 핀-튜브 열교환기의 최적설계를 위하여 여러 형상 및 와류발생기의 설치위치를 잘 고려한다면 전열성능은 더욱더 향상될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFD 해석시 경계조건으로 무엇을 적용하였는가?
본 연구에서는 Plain형 핀-튜브 열교환기에 대해 가로피치, 와류발생기위치, 튜브표면의 돌기형상 및 돌기개수 등의 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 이론적으로 해석하였다. CFD 해석시 경계조건으로는 SST 난류모델을 적용하였으며, 튜브표면의 온도는 333 K이고, 입구측 공기의 온도와 속도는 423~438 K, 1.5~2.1 m/s로 가정하였다. 해석결과로는 열전달계수는 가로피치에 대한 영향은 큰 차이가 없으며, 열전달특성은 와류발생기 설치가 튜브 전방부에 위치할수록 양호한 것으로 나타났다.
핀-튜브 열교환기는 어디에 많이 사용되는가?
핀-튜브 열교환기는 산업용 보일러, 라디에이터, 냉동기 등에 많이 사용되고 있어 열교환기의 성능향상을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 Plain형 핀-튜브 열교환기에 대해 가로피치, 와류발생기위치, 튜브표면의 돌기형상 및 돌기개수 등의 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 이론적으로 해석하였다.
Plain형 핀-튜브 열교환기의 열전달특성을 고찰하기 위해 CFD 해석을 통하여 가로 피치, 와류발생기의 설치위치, 핀-튜브의 돌기형상 및 튜브표면의 돌기개수의 변화에 따라 얻어진 결과는?
(1) 평균레이놀즈수에 따른 열전달률 및 압력강하의 특성은 실험값과 비교했을 때 각각 1.8%, 16%의 오차를 얻게 되어 SST 난류모델의 검증을 확인할 수 있었다.
(2) 가로피치의 변화는 열전달 및 압력강하의 특성이 비슷한 양상을 보여 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
(3) 와류발생기의 설치위치에 있어서는 전방부에 설치하는 것이 후방부에 설치하는 것보다 약 1.5%의 열전달률 향상과 약 1.5%의 압력강하 특성을 나타내었다.
(4) 튜브표면의 돌기형상은 원형이 톱니형과 삼각형보다 약 0.9%의 열전달률 향상과 약 4.7%의 압력강하 특성을 나타내었다.
(5) 튜브표면의 돌기개수가 커질수록 열전달면적 적을 증가하기 때문에 전열성능이 향상됨을 알 수있었으며, 돌기형상 16개가 가장 양호하였다.
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