[논문]균일유동에서 백연저감용 전열판 형태에 대한 열유동 특성

손준; 차재민; 왕쩐후안; 권영철

doi:10.5762/kais.2016.17.1.591

균일유동에서 백연저감용 전열판 형태에 대한 열유동 특성
Heat Flow Characteristics on Type of Heat Transfer Plate for White Smoke Reduction under Uniform Flow Condition 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.1, 2016년, pp.591 - 596

손준 (선문대학교 기계공학과 대학원) , 차재민 (선문대학교 기계공학과 대학원) , 왕쩐후안 (선문대학교 기계공학과 대학원) , 권영철 (선문대학교 기계공학과)

초록
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굴뚝의 백연을 줄이기 위하여 6종의 전열판을 선정하여 각각에 대한 열유동 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 전열판의 열전달 성능(열전달 능력, 압력강하, 난류운동 에너지, 열전달계수 등)을 조사하기 위하여 상용 전산유체역학 프로그램인 ANSYS CFX Ver.14를 활용하여 균일유동 조건에서 수치해석을 수행하였다, 다른 유로구조를 가지는 6종의 전열판에 대한 전산해석으로부터 기본형, 사각형, 삼각형, 파형 열교환기의 열유동 과정이 모사되었다. 균일유동 해석으로부터 6종 열교환기들의 열전달 능력, 압력강하, 난류운동 에너지, 열전달계수들은 다른 경향을 보였으며, 유로 내의 열유동 특성은 주어진 유량, 전열판 형상, 종횡비에 좌우됨을 알 수 있었으며, 동일 파형에서는 종횡비가 낮을수록 열전달 성능이 우수하였다. 본 연구의 결과는 백연저감용 열교환기의 설계 기초자료로 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analyses were performed on the heat flow characteristics of a heat transfer plate with six different shapes (basic, rectangle, triangle, wave type) to reduce the level of white smoke at a stack. In this study, to examine the heat transfer performance (heat transfer capacity, pressure drop, turbulence kinetic energy, heat transfer coefficient) on the heat transfer plates, simulations were conducted using the commercial computational fluid dynamics software, ANSYS CFX Ver.14 under uniform flow conditions. The thermal flow phenomenon in a channel with six heat transfer plates could be predicted adequately under uniform flow conditions. The heat transfer capacity, pressure drop, turbulence kinetic energy, and heat transfer coefficient were affected by the flow rate, aspect ratio and plate shape. These results provide guidelines to design an effective heat exchanger with the wave type to reduce white smoke.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

백연저감을 위한 전열판 형태에 따른 열교환기의 성능을 조사하기 위하여 다양한 형태의 전열판에 대한 비교 연구를 하였다. 이를 위해 균일유동 조건에서의 열유동 특성 연구를 상용 전산유체역학 프로그램인 ANSYS CFX Ver.
전열판은 열전달 효과를 최대화하기 위하여 주름모양의 파형을 형성하여 열전달 면적을 극대화하고, 유체의 흐름을 활발하게 하여 우수한 냉각 제습효과를 확보하고자 한다. 본 논문은 백연저감을 위한 냉각제습용 파형 열교환기의 설계해석 기초연구로 진행되었으며, 균일 유동조건에서 여러 종류의 전열판 형태에 따른 열유동 특성을 이해하고자 열유동 프로그램을 이용하였다. 이를 통해 향후 백연저감 설비에 최적 전열판을 적용하여 실험을 수행할 예정이다.
본 연구에서는 열교환기의 전열판 구조를 기존의 사각과 삼각형이 아닌 파형의 형태로 구성하여 열유동 특성이 우수한 전열판을 선정하는데 목적이 있다. 전열판은 열전달 효과를 최대화하기 위하여 주름모양의 파형을 형성하여 열전달 면적을 극대화하고, 유체의 흐름을 활발하게 하여 우수한 냉각 제습효과를 확보하고자 한다.
전열판의 형태에 따른 열유동 특성을 비교하기 위하여 6종의 전열판을 모델링하였다. 상부 채널에 고온 유체가 하부 채널에 저온 유체가 유입되어 전열 판에 따른 유동변화와 열유동과정을 이해하고자 하였다. 채널 내부의 전열판의 형상에 의한 열유동 특성을 파악 하기 위하여 입구에서 유동은 균일 속도를 갖는 균일유동 모델을 고려하였다.
수치해석을 통한 열교환기의 열전달 해석법은 해석대상의 모델링 작업과 경계조건 등이 제공되면 해석이 가능하다. 전산해석을 통해 유동장내의 속도, 압력, 온도 등의 분포를 알 수 있으므로, 본 연구에서는 ANSYS의 유동해석 범용 프로그램을 이용하여 백연 저감을 위한 파형 열교환기의 열유동 특성을 이해하고자 하였다. 해석 준비 및 결과를 위한 전후처리 프로그램으로 형상 모델링을 위해 Solidwork 2013, ANSYS Design Modeler를, 격자생성을 위해 ANSYS Meshing, ICEM-CFD를, 전산해석을 위한 solver로 ANSYS CFX(Ver.
본 연구에서는 열교환기의 전열판 구조를 기존의 사각과 삼각형이 아닌 파형의 형태로 구성하여 열유동 특성이 우수한 전열판을 선정하는데 목적이 있다. 전열판은 열전달 효과를 최대화하기 위하여 주름모양의 파형을 형성하여 열전달 면적을 극대화하고, 유체의 흐름을 활발하게 하여 우수한 냉각 제습효과를 확보하고자 한다. 본 논문은 백연저감을 위한 냉각제습용 파형 열교환기의 설계해석 기초연구로 진행되었으며, 균일 유동조건에서 여러 종류의 전열판 형태에 따른 열유동 특성을 이해하고자 열유동 프로그램을 이용하였다.

가설 설정

다양한 전열판 형태를 가지는 열교환기의 열유동에 대한 수치해석 비교를 위해 비압축성, 정상상태 조건하에서 사각 채널 내의 열유동을 계산하였다. 이 때 모든 열적 상태량은 일정하다고 가정하였으며, 부력효과는 고려하지 않았다. 난류유동을 해석하기 위해서 k- ε 모델을 사용하였으며, 격자는 67만개의 사면체 형태를 가지며, 해석의 수렴을 위해 임계오차 값을 10^-4으로 설정하였다.

제안 방법

균일유동 모델 해석을 통하여 전열판의 형상과 종횡비에 따른 사각 채널 내 열유동 과정을 이해하고자, 사각 채널 내 속도분포, 열전달 능력, 압력강하, 난류 운동에 너지, 열전달계수 등을 계산하였다. 계산된 수치해석 값들은 모델링된 전체 계산 도메인의 평균값이다.
다양한 전열판 형태를 가지는 열교환기의 열유동에 대한 수치해석 비교를 위해 비압축성, 정상상태 조건하에서 사각 채널 내의 열유동을 계산하였다. 이 때 모든 열적 상태량은 일정하다고 가정하였으며, 부력효과는 고려하지 않았다.
백연을 저감하기 위해서는 굴뚝에서 뜨거운 배기가스가 토출되기 전에 배기가스에 포함된 수증기를 냉각 및 제습방법을 이용하여 제거하는 것이 효과적이다. 따라서 기존연구 및 기술개발 필요성을 검토하였고, 굴뚝에서의 백연 형성기구와 백연저감 방법 그리고 백연저감 기술동향 등을 조사하였다.
사각 채널 내에 삽입되는 판의 종횡비(aspect ratio)는 폭(W)과 높이(H)로 결정된다. 본 연구에서 높이를 15mm 고정하고 판의 형상과 폭을 변화시켰다. 판이 없는 직사각형(fig.
경계조건으로 입구는 균일 유속과 온도조건을, 출구에서는 대기압 조건을 부여하였다. 사각채널과 전열판의 모든 벽 경계조건은 점착(no-slip)조건을 적용하였다. 작동유체는 액상의 물로 저온측과 고온측은 fig.
계산된 수치해석 값들은 모델링된 전체 계산 도메인의 평균값이다. 전열판은 열전달 효과를 최대화하기 위하여 주름모양의 파형을 형성하여 열전달 면적을 극대화하였고, 유체의 흐름을 활발하게 하기 위해 종횡비를 변경하였다.
파형 열교환기와 일반 열교환기의 열유동 특성을 비교하기 위하여 사각 채널 내에 전열판을 삽입하였다. 전열판의 형태에 따른 열유동 특성을 비교하기 위하여 6종의 전열판을 모델링하였다. 상부 채널에 고온 유체가 하부 채널에 저온 유체가 유입되어 전열 판에 따른 유동변화와 열유동과정을 이해하고자 하였다.
상부 채널에 고온 유체가 하부 채널에 저온 유체가 유입되어 전열 판에 따른 유동변화와 열유동과정을 이해하고자 하였다. 채널 내부의 전열판의 형상에 의한 열유동 특성을 파악 하기 위하여 입구에서 유동은 균일 속도를 갖는 균일유동 모델을 고려하였다. Table 1은 채널과 전열판의 형상에 대한 사양을 나타낸다.
2는 균일유동 모델해석에 사용된 사각 채널(a)과 채널 내에 삽입된 기본형, 사각판, 삼각판, 파형판의 형상(b～f)을 나타낸다. 파형 열교환기와 일반 열교환기의 열유동 특성을 비교하기 위하여 사각 채널 내에 전열판을 삽입하였다. 전열판의 형태에 따른 열유동 특성을 비교하기 위하여 6종의 전열판을 모델링하였다.

대상 데이터

사각채널과 전열판의 모든 벽 경계조건은 점착(no-slip)조건을 적용하였다. 작동유체는 액상의 물로 저온측과 고온측은 fig. 3에 표기하였으며, 열교환기는 SUS 304를 사용하였다. 해석조건은 table 2와 같으며, 본 수치해석 연구에서 사용한 물성치는 대기압, 25℃의 데이터를 사용하였으며 table 3과 같다.
3에 표기하였으며, 열교환기는 SUS 304를 사용하였다. 해석조건은 table 2와 같으며, 본 수치해석 연구에서 사용한 물성치는 대기압, 25℃의 데이터를 사용하였으며 table 3과 같다.

데이터처리

백연저감을 위한 전열판 형태에 따른 열교환기의 성능을 조사하기 위하여 다양한 형태의 전열판에 대한 비교 연구를 하였다. 이를 위해 균일유동 조건에서의 열유동 특성 연구를 상용 전산유체역학 프로그램인 ANSYS CFX Ver.14를 이용하여 계산을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
전산해석을 통해 유동장내의 속도, 압력, 온도 등의 분포를 알 수 있으므로, 본 연구에서는 ANSYS의 유동해석 범용 프로그램을 이용하여 백연 저감을 위한 파형 열교환기의 열유동 특성을 이해하고자 하였다. 해석 준비 및 결과를 위한 전후처리 프로그램으로 형상 모델링을 위해 Solidwork 2013, ANSYS Design Modeler를, 격자생성을 위해 ANSYS Meshing, ICEM-CFD를, 전산해석을 위한 solver로 ANSYS CFX(Ver.14)를 사용하였다.

이론/모형

난류유동을 해석하기 위해서 k- ε 모델을 사용하였으며, 격자는 67만개의 사면체 형태를 가지며, 해석의 수렴을 위해 임계오차 값을 10-4으로 설정하였다.
수치해석을 위하여 열유체분야의 상용코드인 ANSYS CFX를 사용하였다. 사용한 지배방정식을 유한체적법으로 이산화 하였으며, 압력장을 얻기 위해 SIMPLEC 방법을 사용하였다. 경계조건으로 입구는 균일 유속과 온도조건을, 출구에서는 대기압 조건을 부여하였다.
수치해석을 위하여 열유체분야의 상용코드인 ANSYS CFX를 사용하였다. 사용한 지배방정식을 유한체적법으로 이산화 하였으며, 압력장을 얻기 위해 SIMPLEC 방법을 사용하였다.

성능/효과

(1) 전열판 형상에 따라서 속도분포는 다르게 관찰되었으며, 파형판이 활발한 유동혼합으로 다른 전열판에 비해 채널 내 속도분포가 균일하였다.
(2) 동일 형태의 파형에서는 종횡비가 낮은 0.5에서 가장 높았다. 이는 전열판의 주름모양이 열전달 면적을 증가시켜 전열판을 통한 열전달 효과가 향상되었기 때문이다.
(3) 균일유동 해석으로부터 채널 내의 열유동 특성은 전열판의 형상과 종횡비에 좌우됨을 알 수 있었다. 종횡비가 작을수록 유로 내 유속이 증가하고 유체운동이 활발해지기 때문에 난류운동 에너지와 열전달계수는 파형의 전열판에서 가장 우수하였다.
(4) 전열판 형태에 따른 열전달 결과로부터 종횡비가 적은 파형 열교환기가 백연저감 측면에서 유용할 것으로 판단되었다. 따라서 파형 열교환기를 제작하여 백 연저감 설비에서 실증실험을 수행할 예정이다.
그 결과 열전달 성능이 향상되게 된다. 균일유동 해석으로부터 판 형상과 종횡비가 열유동 특성인 난류 운동에너지에 영향 주며, 그 결과 열전달 능력과 압력강하가 달라지는 것을 알 수 있었다.
3배보다 높다. 또한 유량 15, 30, 50lpm에서 종횡비 1을 기준으로 종횡비가 2일 때, 열전달 능력은 67, 54, 42% 감소를, 종횡비가 0.5일 때 열전달 능력은 51, 37, 33% 증가하였다. 즉, 종횡비가 가장 작은 파형판의 열전달 능력이 가장 우수하였다.
전열판 형상에 따라서 속도분포는 서로 상이하다. 삼각판과 사각판의 출구속도는 벽 근처에서 불균일한 속도분포를 보이지만, 파형판에서는 상대적으로 균일한 속도분포를 보이며 벽 근처에서도 속도감소가 낮았다. 그리고 파형판의 경우에 종횡비가 낮을수록 속도분포가 가장 균일하였다.
8은 유량 변화에 따른 평균 열전달계수로, 전열 판의 형상에 따라 열전달계수가 다르다. 유량이 증가할수록 열전달계수는 증가하며, 기본형보다는 채널 내 열전달 판이 있을 때 높은 열전달계수를 보인다. 종횡비가 1의 경우에, 유량 15, 30, 50lpm에서 평균 열전달계수는 파형판이 1.
5는 균일유동 모델해석에서 전열판이 없는 기본형과 사각형, 삼각형, 파형판의 열전달 능력을 보여준다. 전열판의 형태에 따라 열전달 능력이 변화하며, 기본형 대비 열전달 능력은 파형판이 가장 우수하였다. 동일 형상인 파형판의 종횡비에 따른 열전달 능력은 종횡비 0.
5일 때 열전달 능력은 51, 37, 33% 증가하였다. 즉, 종횡비가 가장 작은 파형판의 열전달 능력이 가장 우수하였다. 이는 전열판의 주름모양이 열전달 면적을 향상시켜 전열판을 통한 열전달 효과가 증가되었기 때문이다.
이는 전열판의 주름모양이 열전달 면적을 증가시켜 전열판을 통한 열전달 효과가 향상되었기 때문이다. 파형 전열판의 종횡비가 줄어들수록 열전달과 압력강하는 증가하였다.

후속연구

(4) 전열판 형태에 따른 열전달 결과로부터 종횡비가 적은 파형 열교환기가 백연저감 측면에서 유용할 것으로 판단되었다. 따라서 파형 열교환기를 제작하여 백 연저감 설비에서 실증실험을 수행할 예정이다.
본 논문은 백연저감을 위한 냉각제습용 파형 열교환기의 설계해석 기초연구로 진행되었으며, 균일 유동조건에서 여러 종류의 전열판 형태에 따른 열유동 특성을 이해하고자 열유동 프로그램을 이용하였다. 이를 통해 향후 백연저감 설비에 최적 전열판을 적용하여 실험을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배기가스로 인해 백연현상이 발생되는 이유는 무엇인가?	일반적으로 냉각수를 사용하여 설비나 제품 등을 냉각하는 산업에서는 필연적으로 수증기를 포함하는 배기가스가 발생된다. 배기가스는 다량의 수분과 여러 물질을 함유하고 있어 굴뚝으로 배출시 백연(white smoke) 현상이 발생한다(fig. 1).
	열교환기란 무엇인가?	열교환기는 열전달 과정을 이용하여 고온유체에서 저온유체로 열에너지를 이동시키는 기기이다. 발전소, 자동차, 가정용 공조기 및 백연저감용 등 다양한 산업분야에 사용된다.
	열유동 특성이 우수한 전열판 선정을 위해 어떠한 파형을 형성하였는가?	본 연구에서는 열교환기의 전열판 구조를 기존의 사 각과 삼각형이 아닌 파형의 형태로 구성하여 열유동 특성이 우수한 전열판을 선정하는데 목적이 있다. 전열판은 열전달 효과를 최대화하기 위하여 주름모양의 파형을 형성하여 열전달 면적을 극대화하고, 유체의 흐름을 활발하게 하여 우수한 냉각 제습효과를 확보하고자 한다. 본 논문은 백연저감을 위한 냉각제습용 파형 열교환기의 설계해석 기초연구로 진행되었으며, 균일 유동조건에서 여러 종류의 전열판 형태에 따른 열유동 특성을 이해하고자 열유동 프로그램을 이용하였다.

참고문헌 (7)

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S. Y. Yoo, H. K. Kwon, K. I. Jang, and J. T. Park, A study on local heat transfer characteristics for cross flow heat exchanger of in-line arrangement, Fall Proceeding of the Korean Society of Mechanical Engineering, pp. 2023-2028. 2006.
E. J. Lee, J. S. Kim and N. H. Kim, Performance comparison of heat transfer plates for cooling tower air heater through numerical analysis, J. Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 12, pp. 5676-5683, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.12.5676

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S. Y. Yoo, M. H. Chung, K. H. Kim and J. M. Lee, An Experimental Study on the Performance of Plastic Plate Heat Exchanger, Korean J. Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, pp. 117-124, 2005.
S. Y. Yoo, M. H. Chung and Y. M. Lee, A Study on the Factors Affecting the Performance of Plastic Plate Heat Exchanger, Korean J. Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, pp. 839-848, 2005.
M. H. Chung, S. Y. Yoo, K. H. Han and H. I. Yoon, A Numerical Study on the Flow and Heat Transfer Characteristics of Plastic Plate Heat Exchanger, Proceedings of the Summer Annual Conference, SAREK, pp. 1366-1371, 2008.
M. Kim, J. H. Lee, S. R. Park, H. S. Ra, J. H. Jeong and H. Lim, Experimental Investigation of an Cross-Flow Air-Cooled Heat Exchanger with Single-Wave and Double-Wave Plates, Korean J. Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 21, pp. 347-354, 2009.

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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