본 논문은 GHP 에 사용되고 있는 이중 쉘-튜브형 배기가스 열교환기의 설계 변수의 변화에 따라 열전달 및 마찰특성 변화를 알아보기 위해 CFD 와 RSM 을 이용하여 최적화를 수행하였다. CFD 해석은 복잡한 형상의 열교환기 해석에 유용한 도구이나, 해석결과를 얻기까지 많은 시간이 소요된다. 이러한 해석시간을 줄이고, 유용한 결과를 얻기 위해 RSM 과 병행하여 최적화 설계를 진행하였다. 시뮬레이션 결과를 이용한 RSM 해석결과, 배플 6 개, 튜브 25 개에서 최적화되었으며, 기존 보다 차압 및 열전달 성능이 약 12.2% 개선되었다. 이러한 CFD 와 RSM 을 이용한 최적화 기법은 다양하고 복잡한 형상의 열교환기 해석에 유용함을 확인하였다.
본 논문은 GHP 에 사용되고 있는 이중 쉘-튜브형 배기가스 열교환기의 설계 변수의 변화에 따라 열전달 및 마찰특성 변화를 알아보기 위해 CFD 와 RSM 을 이용하여 최적화를 수행하였다. CFD 해석은 복잡한 형상의 열교환기 해석에 유용한 도구이나, 해석결과를 얻기까지 많은 시간이 소요된다. 이러한 해석시간을 줄이고, 유용한 결과를 얻기 위해 RSM 과 병행하여 최적화 설계를 진행하였다. 시뮬레이션 결과를 이용한 RSM 해석결과, 배플 6 개, 튜브 25 개에서 최적화되었으며, 기존 보다 차압 및 열전달 성능이 약 12.2% 개선되었다. 이러한 CFD 와 RSM 을 이용한 최적화 기법은 다양하고 복잡한 형상의 열교환기 해석에 유용함을 확인하였다.
In this paper, we performed the design optimization dual-shell and tube heat exchanger on exhaust waste heat recovery for gas heat pump using CFD and RSM. CFD analysis is useful to design the complex structure such as double shell and tube heat exchanger. By computer simulation, engineers can assess...
In this paper, we performed the design optimization dual-shell and tube heat exchanger on exhaust waste heat recovery for gas heat pump using CFD and RSM. CFD analysis is useful to design the complex structure such as double shell and tube heat exchanger. By computer simulation, engineers can assess the feasibility of the given design factors and change them to get a better design. But if one wishes to perform complex analysis on the simulation, such dual-shell and tube heat exchanger for GHP, the computational time can become overwhelming. CFD is powerful but it takes a lot of time for complex structure. Therefore, the CFD analysis is minimized by the optimization using the RSM method. As a result, the number of baffle and tube are optimized by 6 baffles and 25 tubes for heat transfer and flow friction. And then pressure drop and heat transfer is improved about 12.2%. We confirm the design optimization using CFD and RSM is useful on complex structure of heat exchanger.
In this paper, we performed the design optimization dual-shell and tube heat exchanger on exhaust waste heat recovery for gas heat pump using CFD and RSM. CFD analysis is useful to design the complex structure such as double shell and tube heat exchanger. By computer simulation, engineers can assess the feasibility of the given design factors and change them to get a better design. But if one wishes to perform complex analysis on the simulation, such dual-shell and tube heat exchanger for GHP, the computational time can become overwhelming. CFD is powerful but it takes a lot of time for complex structure. Therefore, the CFD analysis is minimized by the optimization using the RSM method. As a result, the number of baffle and tube are optimized by 6 baffles and 25 tubes for heat transfer and flow friction. And then pressure drop and heat transfer is improved about 12.2%. We confirm the design optimization using CFD and RSM is useful on complex structure of heat exchanger.
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문제 정의
따라서 성능에 크게 영향을 미치는 인자들을 선택할 필요가 있다. 본 논문에서는 실제 양산시 변경 가능한 배플과 튜브 수에 대해 열전달량과 차압에 미치는 영향을 확인하였다.
본 논문은 GHP 용 이중 쉘-튜브 배기가스 열교환기에 대한 CFD 해석을 수행하였고, 그 결과를 RSM기법으로 최적화를 수행하였다. 결론은 다음과 같다.
2 kPa 을 기준으로 하여 최적화를 수행하였다. 이 결과를 통해 기존 양산품과 개선 여부를 살펴보았다.
가설 설정
배기가스는 천연가스 엔진의 이론 공기과잉률(λ=1)로 가정한 배기조성을 사용하였고, 냉각수는 에틸렌글리콜과 물 각 50% v/v 의 혼합물로 가정하였으며, 튜브와 쉘은 SUS304 재질로 해석을 수행하였다.
제안 방법
따라서 이러한 다중 반응 최적화(multiple response optimization)에서는 반응에 대한 한계를 설정한 후 해석할 필요가 있다. GHP 용 배기가스 열교환기의 경우, 기존 실험결과를 CFD 해석한 결과인 열전달량 7.79 kW, 차압 6.2 kPa 을 기준으로 하여 최적화를 수행하였다. 이 결과를 통해 기존 양산품과 개선 여부를 살펴보았다.
본 논문은 LG 전자의 GHP 제품에 적용된 이중 쉘-튜브형 배기가스 열교환기에 대해 수치해석과 통계적 처리기법인 RSM(response surface model, 반응표면모델)을 사용하여 최적화 설계를 진행하였다.
유동장 해석 결과의 정확성을 확보하기 위해 잔차 목표(residual target)를 설정해야 한다. 본 해석에서는 일반적인 기준인 잔차 목표(residual target)를 1.0E-4 로 설정하여 수렴성을 확인하였다.
최적화를 수행하기 위해 실험계획법(design of experiment)으로 배플과 튜브 수를 인자로 한 2 인자 3 수준의 반응표면설계(response surface design)를 수행하였다. Table 4 는 반응표면설계에 대한 인자와 반응을 나타낸다.
대상 데이터
해석하고자 하는 유동장은 배플과 튜브 형상에 지배를 받고 유체의 유입속도를 고려하였을 경우 난류 유동이다. 난류 모델의 경우 기존의 k-ε모델은 벽면에서의 열전달을 과도하게 예측하고 k-ε모델은 경계층 외부 자유류 영역의 결과에 지나치게 민감하다.
데이터처리
수치해석은 상용 프로그램인 ANSYS CFX 14.0 을 사용하였다. Fig.
해석결과의 타당성을 살펴보기 위해 기존 실험값을 입력값으로 하여 CFD 해석과 실험결과와 비교하였다. Table 2 는 해석을 위한 입력값으로 기존 실험값을 나타낸다.
이론/모형
난류 모델의 경우 기존의 k-ε모델은 벽면에서의 열전달을 과도하게 예측하고 k-ε모델은 경계층 외부 자유류 영역의 결과에 지나치게 민감하다. 따라서 각각의 장점을 살린 SST 모델을 사용하였으며, 지배 방정식은 식 (1), (2)와 같다.
성능/효과
(1) CFD 해석을 수행하였고 실험결과와 비교시 차압은 1.3%, 열전달량은 8.2%의 오차를 보였으며, 해석결과가 높게 나타났다. 이러한 결과는 배플과 쉘 사이의 간극에 기인하는 것으로 해석 편의를 위해 처리되지 않은 간극에 의한 것이다.
(2) RSM 기법을 통해 최적화를 수행한 결과 배플 6 개와 튜브 25 개에서 최적화 되었으며, 그 결과 차압은 24.2%, 열전달량은 2.4% 개선이 되었다. 최적화 결과는 해석 범위 배플 4~6 개, 튜브 25~29 개에 대한 결과로 양산성을 고려하지 않는다면 배플 6 개와 튜브 25 개 이하에서 더 좋은 성능개선 효과를 기대할 수 있을 것이다.
(3) JF factor 를 통한 분석 결과 기존 열교환기에 비해 12.3% 성능이 개선되는 것으로 나타났다. 이러한 배기가스 열교환기 개선효과는 엔진의 펌핑 손실을 줄여 엔진 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
(4) 이중 쉘-튜브형 배기가스 열교환기와 같이 복잡한 형상의 열교환기 설계에 CFD 와 RSM 을 이용한 설계 기법은 해석시간 감소와 최적화에 유용함을 확인하였다.
JF factor 는 기준과 비교 대상의 관계를 나타내는 지표로써 열전달과 차압 개선의 효과를 효율적으로 나타낼 수 있으며, 그 값이 1 보다 크면 클수록 기준 보다 성능이 좋다고 할 수 있다. RSM 해석 결과 배플 6 개, 튜브 25 개 에서 기존 대비 12.3% 개선됨을 확인하였다. 최적화된 배플 6 개, 튜브 25 개 보다 튜브를 더 감소시킬 경우, 더 나은 성능 개선이 있을 것으로 판단되나, 본 논문에서는 양산성을 고려하여 25 개 이하는 고려하지 않았다.
이러한 결과는 배플과 쉘 사이의 간극에 기인하는 것으로 해석 편의를 위해 처리되지 않은 간극에 의한 것이다. 간극으로 흐르는 유동을 고려하면 CFD 해석의 높은 차압 수준과열전달량은 실험결과와 충분히 유사하다고 판단되었다.
배블 4~8 개, 튜브 25~29 개의 조건에서 열전달량과 차압의 결과를 바탕으로 최적화를 진행시킨 결과,배플 6 개 및 튜브 25 개에서 최적 값을 나타냈다. 차압은 4.
열전달량의 경우, 배플 수가 증가하고 튜브 수가 감소할수록 높은 값을 나타냈다. 튜브 수가 증가할수록 열교환 면적이 증가하여 열전달량이 증대될 것으로 예상되었으나, 결과는 감소하는 방향으로 나타났다. 이는 튜브 내로 흐르는 냉각수 유속이 감소하여 오히려 열전달 면에서 불리했을 것이라 판단된다.
후속연구
3% 성능이 개선되는 것으로 나타났다. 이러한 배기가스 열교환기 개선효과는 엔진의 펌핑 손실을 줄여 엔진 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
4% 개선이 되었다. 최적화 결과는 해석 범위 배플 4~6 개, 튜브 25~29 개에 대한 결과로 양산성을 고려하지 않는다면 배플 6 개와 튜브 25 개 이하에서 더 좋은 성능개선 효과를 기대할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GHP는 무엇인가?
따라서 전력수요와 가스연료의 계절별 불균형을 해소하기 위한 일환으로 GHP(gas heat pump)가 재조명 되고 있다. GHP 는 가스(LNG, LPG)를 열원으로 하여 엔진을 구동하여, 그 동력으로 압축기를 작동시키는 시스템으로 여름에는 냉방, 겨울에는 난방을 하는 공조시스템이다. 압축기에 의해 고온/고압으로 압축된 냉매는 실내기나 실외기에서 열교환되어 응축, 증발 과정의 반복에 의해 냉난방 운전을 수행한다.
GHP 용 이중 쉘-튜브 배기가스 열교환기에 대한 CFD 해석을 수행한 결과중 RSM 기법을 최적화 한경우는?
(1) CFD 해석을 수행하였고 실험결과와 비교시 차압은 1.3%, 열전달량은 8.2%의 오차를 보였으며, 해석결과가 높게 나타났다. 이러한 결과는 배플과 쉘 사이의 간극에 기인하는 것으로 해석 편의를 위해 처리되지 않은 간극에 의한 것이다. 간극으로 흐르는 유동을 고려하면 CFD 해석의 높은 차압 수준과열전달량은 실험결과와 충분히 유사하다고 판단되었다.
냉매의 역할은?
GHP 는 가스(LNG, LPG)를 열원으로 하여 엔진을 구동하여, 그 동력으로 압축기를 작동시키는 시스템으로 여름에는 냉방, 겨울에는 난방을 하는 공조시스템이다. 압축기에 의해 고온/고압으로 압축된 냉매는 실내기나 실외기에서 열교환되어 응축, 증발 과정의 반복에 의해 냉난방 운전을 수행한다.
참고문헌 (7)
정장호, 김구성, 이성욱, 허형석, 이홍열, 2012.5, "엔진 폐열 회수를 위한 랭킨 스팀 사이클용 열교환기의 유동 및 구조적 특성 연구", 한국자동차공학회 학술대회, pp. 418-422.
에너지관리공단, 2003. 6, "폐열회수이용 기술(열교환기 사용)", 에너지절약기술동향, Vol.30, pp. 109-145.
Lee. K. S. and Oh, S. J., 2004, "Optimal Shape of the Multi-Passage Branching System in a Single-Phase Parallel-Flow Heat Exchanger," Int. J.Refrigeration, Vol. 27, pp. 82-88.
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