[논문]절곡각에 따른 가습소자의 성능에 대한 수치해석적 연구

이을종; 김내현

doi:10.5762/kais.2015.16.5.3051

절곡각에 따른 가습소자의 성능에 대한 수치해석적 연구
Numerical Analysis on the Effect of Corrugation Angle on the Performance of Humidifying Element 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.5, 2015년, pp.3051 - 3059

이을종 (인천대학교 기계시스템공학부) , 김내현 (인천대학교 기계시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 가습소자 개발을 목적으로 절곡형상이 전열판의 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 검토하였다. 수치해석은 절곡각을 변화시키며 ($0^{\circ}/0^{\circ}$에서 $60^{\circ}/60^{\circ}$사이의 등각도와 $15^{\circ}/0^{\circ}$에서 $15^{\circ}/60^{\circ}$사이의 엇각도) 수행되었다. 해석 결과 j와 f 인자 모두 절곡각이 증가할수록 증가하였다. 특히 f 인자는 절곡각이 큰 영역에서 급격히 증가하였다. 엇각도 전열판의 j, f 인자와 두 각을 평균내어 구한 등각도 전열판의 j, f 인자는 거의 같은 값을 나타내었다. 한편 동일 소비동력 대비 열전달량을 나타내는 $j/f^{1/3}$의 경우 $15^{\circ}/15^{\circ}$에서 가장 크게 나타났다. 기존 상관식은 본 수치해석 결과를 과대 또는 과소예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of corrugation angle on thermal performance of corrugated plate is numerically investigated with an aim to develop humidifying element. Numerical analysis was conducted for a range of corrugation angle (from $0^{\circ}/0^{\circ}$ to $60^{\circ}/60^{\circ}$ for equal angle and from $15^{\circ}/0^{\circ}$ to $15^{\circ}/60^{\circ}$ for unequal angle). Results revealed that both j and f factor increased as corrugation angle increased. Especially, f factor increased significantly at high corrugation angles. j and f factors of unequal angle plates and those of equal angle (obtained by averaging unequal angles) plates were approximately the same. The largest $j/f^{1/3}$, which implies the largest heat transfer rate per consumed power, was obtained at $15^{\circ}/15^{\circ}$. Existing correlations under- or over-predicted the present numerical results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가습소자 개발을 목적으로 절곡형상이 전열판의 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 검토하였다. 수치해석은 절곡각을 변화시키며 (0º/0º에서 60º/60º사이의 등각도와 15º/0º에서 15º/60º사이의 엇각도) 수행되었다.
본 연구의 목적은 절곡형상이 가습소자의 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 검토하는데 있다. 상기 문헌 조사 결과 가습소자와 같은 물질전달 문제는 수치해석적 불확실성이 크므로[8] 이를 열전달 문제로 변환하여 수치해석을 수행하였다.
본 절에서는 α는 15º로 고정하고 β를 0º에서 60º까지 변화시키며 수치해석을 수행하여 최적 β를 구하고자 한다.

가설 설정

산업의 발달과 산업구조의 변화로 현대인들은 대부분의 시간을 실내 거주 공간 및 사무실에서 보내고 있음을 고려할 때 쾌적한 실내공기환경을 제공하는 것은 매우 중요하다. 실내공기 환경을 결정하는 가정 주된 인자는 온도와 습도이다. 그중 온도제어에 대해서는 많은 연구가 이루어졌고 설비 또한 다양하게 개발되어 있는 반면 습도의 제어는 상대적으로 취약한 편이다.

제안 방법

(4) 기존 상관식은 본 수치해석 결과를 과대 또는 과소예측하였다.
그러나 0º/0º를 제외한 나머지 형상은 복잡성을 고려하여 k-ε 난류모델과 standard wallfunction을 적용하여 해석을 수행하였다 [19].
3에 한 예로 15º/45º 형상에 사용된 격자를 나타내었다. 사각격자를 사용하였고 벽면 근처에 보다 많은 격자를 배정하였다. 수치해석에 대한 수렴판단은 ANSYS Fluent의 제안에 따라 잔류항의 총합이 10^-6이하가 되도록 하였다[20].
본 연구의 목적은 절곡형상이 가습소자의 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 검토하는데 있다. 상기 문헌 조사 결과 가습소자와 같은 물질전달 문제는 수치해석적 불확실성이 크므로[8] 이를 열전달 문제로 변환하여 수치해석을 수행하였다. 이 경우 수치해석 결과로 열전달 계수(h)를 얻는데 열-물질전달 상사(h/c_p=h_D)를 통하여 물질전달 계수(h_D)를 구할 수 있다 [19].
수치해석은 가습소자 일부 (90mm×50mm×7.0mm)에 대하여 절곡각을 변화시키며(0º/0º에서 60º/60º사이의 등각도와 15º/0º에서 15º/60º사이의 엇각도) 수행되었다.
수치해석은 절곡각을 변화시키며 (0º/0º에서 60º/60º사이의 등각도와 15º/0º에서 15º/60º사이의 엇각도) 수행되었다.
아울러 입구는 균일 유속, 출구는 대기압 조건으로 하였다. 해석은 실제상황을 고려하여 입구온도 27℃, 절곡판 온도 21℃, 풍속 2.7m/s에서 수행하였다[21]. 이 때의Reynolds 수는 Table 1에 나타나 있듯이 2000 미만으로 층류에 해당된다.

대상 데이터

1W/m²K로 오차가 3%이내임을 보인다. 따라서 해석은 격자수 900만개로, AMD 8Core 3.1GHz, 16GB 메모리, HDD는 고성능 SSD가 탑재된 컴퓨터로 수행되었다. 15º/45º 형상의 경우 격자수 900만개로 해석 시 소요된 시간은 약 48시간으로 반복계산 2000회 이내에서 수렴하였다.

데이터처리

수치해석의 적정성을 판단하기 위하여 기본형상 (2-D 채널, 균일 벽면온도, Fig. 5 참조)에 대하여 수치해석을 수행하고 그 결과를 Shah and London [22]의 해석해와 비교하였다(Fig. 6). 해석은 벽면온도 21℃, 입구공기온도 27℃, 풍속 1m∼5m/s에서 수행되었다.

이론/모형

사각격자를 사용하였고 벽면 근처에 보다 많은 격자를 배정하였다. 수치해석에 대한 수렴판단은 ANSYS Fluent의 제안에 따라 잔류항의 총합이 10^-6이하가 되도록 하였다[20].
참고로 기존 대부분의 연구는 등각도 (α=β)에 제한된다. 수치해석에는 ANSYS Fluent 12 [20]가 사용되었다. Table 1에 각 형상의 유동단면적 (A_c), 접수길이(Pw), 수력직경(D_h), 실제 표면적(A), 입구유속(m/s), Reynolds 수를 기술하였다.

성능/효과

(1) j와 f 인자 모두 절곡각이 증가할수록 증가함을 보여준다. 특히 f 인자는 절곡각이 큰 영역에서 급격히 증가함을 보인다.
(2) 엇각도 전열판의 j, f 인자와 두 각을 평균내어 구한 등각도 전열판의 j, f 인자는 거의 같은 값을 나타낸다.
(3) 동일 소비동력 대비 열전달량을 나타내는 j/f^1/3의 경우 15º/15º에서 가장 크게 나타났다.
2mm)에 대하여 k-ε 난류모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 해석결과 절곡각이 증가할수록 전열성능이 증가하였다. 판형열교환기에 대해서는 상관식도 다수 존재한다[13, 17, 18].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공조기 내에 설치되는 가습장치는 어떻게 구별되는가?	일반적으로 공조기 내에 설치되는 가습장치는 기화식, 분무식, 스팀식으로 구별된다. 이 중 기화식 가습기는 부하에 대해 다소 느리게 반응하는 단점이 있으나 초기투자비 및 유지비가 저렴한 장점이 있다.
	본문에서 습도의 제어의 어려움을 보여주는 예시는 무엇인가?	그중 온도제어에 대해서는 많은 연구가 이루어졌고 설비 또한 다양하게 개발되어 있는 반면 습도의 제어는 상대적으로 취약한 편이다. 예를 들어, 겨울철의 경우 쾌적한 실내 온도 및 상대습도 조건은 17°C∼28°C, 40%∼70%인데 온도는 조절하기 쉬우나 습도는 상대적으로 조절이 쉽지 않다. 만일 습도 조건을 만족시키지 못하여 건조한 상태가 되면 재실자가 호흡기 질환, 피부질환 등에 노출되게 된다. 이 외에도 습도는 전산실, 반도체, 제약설비 등 산업현장에서도 정밀하게 제어 되어야 할 인자 중의 하나이다.
	실내공기 환경을 결정하는 가장 주된 인자는 무엇인가?	산업의 발달과 산업구조의 변화로 현대인들은 대부분의 시간을 실내 거주 공간 및 사무실에서 보내고 있음을고려할 때 쾌적한 실내공기환경을 제공하는 것은 매우 중요하다. 실내공기 환경을 결정하는 가정 주된 인자는 온도와 습도이다. 그중 온도제어에 대해서는 많은 연구가 이루어졌고 설비 또한 다양하게 개발되어 있는 반면 습도의 제어는 상대적으로 취약한 편이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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