[논문]고온 챔버의 노즐형상에 따른 섬유가공기 유동 및 열전달 해석

박선명; 박태선

doi:10.6112/kscfe.2015.20.3.70

고온 챔버의 노즐형상에 따른 섬유가공기 유동 및 열전달 해석
FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF TEXTILE MACHINE ACCORDING TO NOZZLE SHAPES OF HIGH TEMPERATURE CHAMBER 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.20 no.3 = no.70, 2015년, pp.70 - 78

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Turbulent flow and heat transfer characteristics of textile machine are numerically investigated. To examine the influence of flow structures on the drying performance of fabrics, the nozzle shape of high temperature chamber is changed. For several nozzles, flow and heat transfer characteristics are discussed. The results show that the drying performance is improved by controlling the angle and arrangement of nozzles corresponding to different drying conditions. This feature is strongly related to the enhancement of turbulent fluctuations and secondary flows.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 목적을 달성 하기 위하여 다양한 섬유건조에 활용될 수 있는 노즐형상변화를 설정하였다. 노즐각도와 노즐간의 간격을 변수로 선택하여 유동 구조의 변화를 CFD분석을 통해 살펴보고, 섬유표면에 대한 열전달 특징을 검토하고자 한다.
그렇지만 섬유가공기 설계에 CFD 활용성은 매우 높기 때문에 다양한 연구가 진행될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 섬유건조에 대한 전산해석 과정을 확립하기 위한 기초연구를 진행하고자 한다. Wan[2]의 연구에서도 확인할 수 있듯이 섬유가공기의 노즐부분은 고온의 공기가 섬유에 접촉하는 유동구조를 결정하는 구성품으로 형상설계에 따라 가공섬유의 품질이 좌우하게 된다.
Haghi[3]의 연구를 토대로 살펴보면, 섬유는 가공과정 중에 수분이 포함되어 있는 다공성(porosity) 매질로 생각하고 전도및 대류열전달과 물질전달이 발생하게 된다. 따라서 섬유건조에 영향을 줄 수 있는 여러 요소 중 고온공기의 속도와 유량 그리고 고온 챔버의 노즐 형상을 선택하여 유동특성을 살펴보고자 한다. 섬유표면에서 발생되는 대류열전달은 유입속도가 증가할수록 크게 발생되고 일정시간 동안 발생되는 총 열 전달양은 공기유량이 많을수록 증가하게 된다.

가설 설정

따라서 섬유에 대한 수치해석 모델은 다공성 물질로 가정하여 porous open ratio를 20%, 40% 일 때 결과를 비교하였다. 이때 섬유두께는1 mm로 가정하였다. 그렇지만 수치모델이 확립되었을 경우 섬유두께는 다양하게 해석될 수 있을 것으로 생각된다.
그렇지만 본 연구에서는 섬유표면에서 유동 및 열전달이 가장 중요한 물리적인 현상이기 때문에 다공성 매 질의 특성을 나타내는 저항계수[7]에 의해서 유동이 모사되었다. 입구의 Turbulent Viscosity Ratio는 100으로 가정하고, 압력-속도 연결은 Coupled 알고리듬, 대류항은 2차 정확도의 상류차분법이 사용되었다. Fig.

제안 방법

This paper is a revised version of the paper "Flow Characteristics of Textile Machine According to Nozzle Angles of High Temperature Chamber" presented at the KSCFE 2015 Spring Annual meeting, Jeju, May 13-15, 2015.
기본형 섬유가공기의 입구조건은 실제작동 조건을 토대로 입구속도를 5 m/s(입구의 수력직경 기준 레이놀즈수 50000)로 부여하였다. 난류강도를 5%로 설정하여 난류운동에너지와 소산율의 경계조건을 결정하였다. 해석은 형상의 복잡성으로 인해 상용코드인 Fluent[7]를 이용하여 진행하였다.
노즐 형상에 따른 유동구조 특징을 살펴보기 위하여 섬유가공기의 노즐부분만 해석영역으로 선택하였다. 노즐각도와 노즐간격을 변수로 14가지 해석조건을 Table 1과 같이 설정하였다.
노즐의 각도는 수직형, 중앙집중형, 방사형의 형태로 노즐의 경사각도는 15°로 변화하는 것으로 설정하였다.
노즐각도와 노즐간격을 변수로 14가지 해석조건을 Table 1과 같이 설정하였다. 노즐의 특성을 파악하기 위해 노즐이 없는 경우를 해석 하여 비교하였다.
노즐의 형상과 원단의 투과율에 따른 유동 특성을 확인하기 위해 입구속도 조건을 1 m/s로 동일하게 가정하고, 출구는 대기압 조건하에 그에 따른 변화를 살펴보았다. 노즐의 각도는 수직형, 중앙집중형, 방사형의 형태로 노즐의 경사각도는 15°로 변화하는 것으로 설정하였다.
상하의 노즐에서 분사되어 섬유원단이 건조되는 영역을 Fluent[7]의 Porous zone으로 설정하였다. 따라서 섬유에 대한 수치해석 모델은 다공성 물질로 가정하여 porous open ratio를 20%, 40% 일 때 결과를 비교하였다. 이때 섬유두께는1 mm로 가정하였다.
노즐부의 유동은 노즐로 유입되면서 가속 되는 유동이 노즐부를 통과하면서 존재하였던 큰스케일의 와유동을 사라지게 하고 균일한 유동이 얻어지는 특징을 나타내고 있다. 섬유가공기 내부에 대한 자세한 난류속도분포를 검증하기 위한 실험데이터는 구하기 어렵기 때문에 노즐출구의 평균유속을 비교하였다. 그림을 보면 실험[8]과 잘 일치하고 있다.
섬유가공기 내부의 기본적인 유동구조를 살펴보기 위하여 Fig. 1에서 나타낸 섬유가공기에 대한 유동해석이 수행되었다. 입구에서 1.
수치해석의 일관성을 확보하기 위하여 검사체적(control volume, CV)의 수가 100만, 150만, 200만, 250만 개일 겨우 일정한 유동구조가 얻어지는 조건을 살펴보았다. Fig.
격자 수가 변함에 따라서 거의 비슷한 유동구조를 가지고 있음을 확인할 수 있고 격자수가 200만 개 이상이면 출구면 중앙에서 일관성 있는 속도분포가 얻어지고 있다. 이러한 결과를 토대로 섬유가공기 해석에서 의미있는 결과를 얻기 위한 격자 해상도는 약300만개로 판단하였고, 형상변화나 노즐부 해석에 필요한 격자계 선택의 기준해상도로 활용하였다.
따라서 건조시간을 짧게 하기 위해서는 공기속도와 유량을 크게 하여야 하지만 섬유가공기의 특성상 다양한 종류의 직물이 가공되고, 그에 따라 요구되는 건조조건도 상이하므로[4,5] 각각 원단에 맞추어서 효율적인 건조가 이루어지기 위해서 유동구조변화와 열전달간의 관계가 고찰되어야 한다. 이러한 목적을 달성 하기 위하여 다양한 섬유건조에 활용될 수 있는 노즐형상변화를 설정하였다. 노즐각도와 노즐간의 간격을 변수로 선택하여 유동 구조의 변화를 CFD분석을 통해 살펴보고, 섬유표면에 대한 열전달 특징을 검토하고자 한다.

대상 데이터

노즐의 각도는 수직형, 중앙집중형, 방사형의 형태로 노즐의 경사각도는 15°로 변화하는 것으로 설정하였다. 노즐부의 유동특성을 결정하는 또 다른 중요요소인 노즐간격은 10 mm, 40 mm로 선택하였다. 상하의 노즐에서 분사되어 섬유원단이 건조되는 영역을 Fluent[7]의 Porous zone으로 설정하였다.

이론/모형

난류응력과 난류열유속을 결정하기 위한 난류모델은 realizable k- ε 모델[6]로 선택하였고 난류 방정식은 생략하기로 한다.
난류강도를 5%로 설정하여 난류운동에너지와 소산율의 경계조건을 결정하였다. 해석은 형상의 복잡성으로 인해 상용코드인 Fluent[7]를 이용하여 진행하였다.

성능/효과

10 mm일 때 중압부분과의 속도크기는 중앙집중형과 비슷하게 약 2배정도 차이가 나고 있다. 결국 섬유종류에 따라 섬유면의 특정부분에서 속도를 높여주기 위해서 노즐의 형상을 중앙집중형과 방사형이나 조합된 형태로 적절히 선택 하여 섬유가공기를 설계할 수 있고, 이러한 결과로부터 다양한 섬유종류에 따라 유속조절이 가능한 섬유가공기 설계가 가능함을 알 수 있다. 즉 국부적인 유속의 변화는 노즐의 각도에 의해서 조절하고 유속변화의 크기는 노즐간격에 의해서 조절하면 가능할 것으로 판단된다.
그렇지만 x = 4 이후의 혼합도는 노즐형태에 큰 영향을 받지 않고 있다. 따라서 섬유건조기 설계에서 유동의 균일도가 일정수준 이상일 경우 속도균일도 보다 열전달계수의 차이를 기준으로 설계하는 것이 타당할 것으로 생각된다.
이러한 유동구조는 섬유에 충돌하는 섭동속도 성분와 주유동방향의 와유동 발달에 기여하는 것으로 생각된다. 따라서 수직형보다 중앙집중형과방사형 노즐에서 섬유건조에 유리한 난류유동이 발생되는 것으로 판단할 수 있다. 그렇지만 적절한 섬유건조 성능을 얻어 내기 위해서는 평균유동의 균일성 또한 중요한 변수이기 때문에 노즐간격과 각도는 추후 상세한 연구를 통하여 결정되어질 필요가 있다.
섬유가공기의 노즐 각도 및 간격, 원단 투과율 조건을 변화하여 노즐의 유동특성을 살펴본 결과 노즐에서 토출되는 유체의 속도를 높게 하기위해서는 노즐의 형상을 중앙집중형과 방사형의 조합된 형태로 선택하여 적용하는 것을 섬유가 공기의 설계안으로 제시 할 수 있다.
이러한 결과를 토대로 다양한 섬유의 종류에 따라 노즐의 각도에 의해 국부적인 유속의 조절이 가능하고, 유속변화의 크기는 노즐의 간격을 조절하여 가능함을 알 수 있다. 또한, 균일한 유동분포가 일정 수준 이상일 경우 속도균일도 보다 열전달계수의 차이를 기준으로 사용하는 것이 건조기의 좋은 노즐 설계로 판단된다.

후속연구

따라서 수직형보다 중앙집중형과방사형 노즐에서 섬유건조에 유리한 난류유동이 발생되는 것으로 판단할 수 있다. 그렇지만 적절한 섬유건조 성능을 얻어 내기 위해서는 평균유동의 균일성 또한 중요한 변수이기 때문에 노즐간격과 각도는 추후 상세한 연구를 통하여 결정되어질 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유가공기의 핵심을 이루고 있는 고온 챔버(Chamber)영역은 어떤 장치인가?	연속식 섬유가공기는 다양한 형태의 직물원단에 방축, 방폭 및 산포라이징 가공, 네트드라이 기능, 기모 샤링후 이물질 제거 기능 등의 후가공 공정을 하나의 기계로 가능하게 하여 직물 및 섬유에 대한 범용성 및 특수성으로 제품의 부가가치를 높이는 섬유 가공 장비이다[1]. 이러한 섬유가공기의 핵심을 이루고 있는 고온 챔버(Chamber)영역은 고속고온의 Air를 섬유에 직접 분사하여 섬유를 건조시키는 주요 기능 뿐 아니라, 직물의 구조를 조밀하게 해주는 장치이다.
	연속식 섬유가공기는 어떤 장비인가?	연속식 섬유가공기는 다양한 형태의 직물원단에 방축, 방폭 및 산포라이징 가공, 네트드라이 기능, 기모 샤링후 이물질 제거 기능 등의 후가공 공정을 하나의 기계로 가능하게 하여 직물 및 섬유에 대한 범용성 및 특수성으로 제품의 부가가치를 높이는 섬유 가공 장비이다[1]. 이러한 섬유가공기의 핵심을 이루고 있는 고온 챔버(Chamber)영역은 고속고온의 Air를 섬유에 직접 분사하여 섬유를 건조시키는 주요 기능 뿐 아니라, 직물의 구조를 조밀하게 해주는 장치이다.
	CFD와 실험을 병행하여 건조기에 대한 연구를 수행하여 무엇을 지적하였는가?	최근에 Wan[2]은 CFD와 실험을 병행하여 건조기에 대한 연구를 수행하였다. 건조대상에 따라 건조기의 설계가 달라져야하는데 고온의 공기노즐설계가 매우 중요함을 지적하였다. 또한, textile의 경우 over-drying에 의한 섬유강도의 약화가 발생하여 제품의 질저하 문제를 발생할 수 있고, 섬유의 종류가 Cotton, wool, silk, acrylic, linen 등에 따라 건조율(drying rate)이 달라지기 때문에 해석적인 접근이 어려운 실정이다.

참고문헌 (9)

2012, Kim, Y.K. and Choi, H.J., "Structural design of the continuous tumbler textile machines," Proc. of KSPE, 12A, p.425.
2011, Wan, L.C., "Investigate the dry and moist heat process for the design of industrial drying machinery for dye-houses," University of Hong Kong.
2006, Haghi, A.K., "Transport phenomena in porous media: A review," Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Vol.40(1), pp.14-26.

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2014, Ateeque, Md., Udayraj, R.K., Mishra, V.P. and Chandramohan, P.T., "Numerical modeling of convective drying of food with spatially dependent transfer coefficient in a turbulent flow field," International Journal of Thermal Science, Vol.78, pp.145-157.

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2002, Scharf, S., Cleve, E., Bach, E. and Schollmeyer, E., "Three-dimensional flow calculation in a textile dyeing process," Textile Research Journal, Vol.72(9), pp.783-788.

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1993, Yang, Z. and Shih, T.H., "New time scale based- $\epsilon$ -model for near-wall turbulence," AIAA Journal, Vol.31, pp.1191-1198.

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Ansys Inc.(www.ansys.com)
2014, Park, S.M. and Choi, H.J., "Flow analysis and experimental study on the dryer performance improvement of tumbler machine for manufacturing fiber," Proc. of KSMPE, p.8.
2011, Park, T.S. and Chung, Y.M., "Turbulent flow and scalar mixing of a coaxial injector having two fluid jets," Numerical Heat Transfer, Part A, Vol.60, pp.197-211.

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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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