[논문]저온 출구의 배압조건에 따른 볼텍스 튜브의 온도분리 특성 연구

임석연

doi:10.9725/kstle.2016.32.5.166

저온 출구의 배압조건에 따른 볼텍스 튜브의 온도분리 특성 연구
Temperature Separation Characteristics of a Vortex Tube Based on the Back Pressure of the Cold Air Exit 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.32 no.5, 2016년, pp.166 - 171

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Electric vehicle ownership is expanding for two reasons: its technology features have enhanced fuel economy, and the number of vehicle emissions regulations is increasing. Battery performance has a large influence on the capability of electric vehicles, and even though battery thermal management has been actively researched, specific technological improvements to battery performance are not being presented. For instance, many industrial applications utilize vortex tubes as components for refrigeration machines because of their numerous intrinsic benefits. If electric vehicles incorporate vortex tubes for battery cooling, performance and efficiency advancements are possible. This study uses a counter-flow vortex tube to investigate its temperature separation characteristics, based on the back pressure of the cold air exit and the difference between the inlet and back pressures. The experiment uses a vortex tube with the following parameters: six nozzle holes, a 20 mm inner vortex diameter (D), a 14D tube length, a 0.7D cold exit orifice diameter, and a nozzle area ratio of 0.142. The measurements prove that the temperature difference between the hot air and cold air decreased because of the flow resistance of the hot air and the backflow phenomenon at the cold air exit. The flow resistance causes the temperature difference to decrease, and the back pressure of the cold air exit influences the flow resistance. The results show that the back pressure significantly influences the efficiency of temperature separation.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전기자동차 및 연료전지 자동차 등과 같은 친환경 자동차의 배터리 팩 냉각에 온도 분리 특성을 갖는 볼텍스 튜브의 적용을 위해 볼텍스 튜브의 유동에 영향을 미치는 튜브 내부의 표면 거칠기와 배압과의 영향성을 검토하기 위한 사전 연구로서 저온공기 출구의 배압과 입구압력과 배압과의 차이에 따른 온도분리 특성을 검토하고자 한다.
전기자동차의 배터리 팩 냉각용 볼텍스 튜브의 온도분리 특성을 검토하기 위한 선행연구로서, 볼텍스 튜브의 저온공기 출구에 걸리는 배압 및 입구 공급압력과 배압과의 압력차에 따른 온도분리 특성을 확인하였다.

제안 방법

또한, 입구공급 압력과 배압과의 차이에 따른 온도 분리 특성 실험시 공급압력은 저압조건인 P_i=0.5, 1.0, 1.50kgf/cm2로 하였으나, 저온공기유량비 조건은 저온 분리 특성이 상대적으로 우수한 y_c=0.6과 yc=0.7조 건에서 진행하였다.
배압에 따른 온도분리 특성 실험은 입구공급 압력 (Po=1.0 kgf/cm²)에서 저온공기 유량비(yc=0.3~0.8)를 변화시키고, 배압조건은 입구 공급압력(P_i)을 최대 배압으로 하여, 0.10 kgf/cm²씩 변화시키면서 실험을 진행하였으며, 배압에 따른 온도분리 효과가 급격하게 저하되는 조건은 실험에서 배제하였다.
볼텍스 튜브에 의해 분리된 각각의 온도와 입구 공급 압력 데이터는 열전대(Thermal-couple) 및 압력 센서를 사용하여 측정하고 DAQ를 이용하여 확인하였다.
볼텍스 튜브의 배압조건에 따른 온도분리 특성을 확인하기 위해 입구공급 압력을 1.0kgf/cm²로 고정하고, 배압을 0.1kgf/cm² 간격으로 높여가며 고온공기 및 저온 공기 온도차를 확인하였고, 이를 Fig. 4와 Fig. 5에 각각 나타내었다.
볼텍스 튜브의 저온공기 출구의 배압에 따라 온도분리 효과가 감소되는 경향으로부터 입구공급 압력과 배압과의 차에 따른 온도분리 특성을 확인하기 위해 온도분리 효과가 명확하게 나타나는 구간인 저온공기 유량비 y_c=0.6과 y_c=0.7 조건에서 검토하여, 고온공기 온도차 및 저온공기 온도차를 Fig. 6과 Fig. 7에 각각 나타내었다. y_c=0.
온도 측정을 위한 열전대는 볼텍스 튜브 입구, 고온 공기 출구 및 저온공기 출구에 각각 설치하였으며, 공급압력 및 배압의 확인을 위해 압력 센서는 볼텍스 입구 및 저온공기 출구에 각각 설치되었다. 저온공기 유량비(yc)는 고온공기 출구에 구성된 스로틀 밸브에 의해 제어되도록 구성되어 있다.
구성되었다. 저온공기 유량비(y_c)의 확인을 위해 압축공기 공급부 및 저온 출구부에 공기 유량계가 적용되었으며, 압축공기 공급시 발생하는 공기 맥동현상을 방지하기 위해 공기 공급부에 서지탱크가 사용되었다.

대상 데이터

볼텍스 튜브의 배압조건에 대한 온도분리 특성을 확인하기 위해 본 실험에서는 단류형에 비해 온도 분리 효율이 상대적으로 우수한 대향류형(counter-flow type)[12, 15] 볼텍스 튜브를 사용하였다. 실험장치는 Fig.
실험장치는 압축공기 공급부, 볼텍스 튜브에 의해 온도 분리를 일으키는 시험부, 배압 조절부 및 데이터 처리부로 구성되었다. 저온공기 유량비(y_c)의 확인을 위해 압축공기 공급부 및 저온 출구부에 공기 유량계가 적용되었으며, 압축공기 공급시 발생하는 공기 맥동현상을 방지하기 위해 공기 공급부에 서지탱크가 사용되었다.

성능/효과

0kgf/cm²에서, 배압과 저온공기 유량비에 따른 저온공기 온도차(ΔT_c)를 나타낸 것이다. 고온공기 온도차의 경우와 동일하게 저온공기 유량비가 증가함에 따라 저온공기 온도차도 증가함을 보이고 있다. 그러나 저온공기 유량비 yc=0.
그러나 입구 공급압력과 배압과의 압력차(ΔP)에 따른 온도분리 특성은 압력차 보다는 배압에 의한 영향이 더 큼을 알 수 있었다.
7^oC를 보이고 있다. 또한, 입구 공급압력과 배압 사이의 차이가 증가할수록 고온 및 저온공기 온도차는 증가하며, 배압이 증가함에 따라 온도 분리차는 감소하는 경향을 보이고 있다.
6℃를 보이고 있다. 입구 공급압력과 배압 사이의 차이가 커질수록 온도차는 증가하였으며, 이를 통해 배압이 높을수록 온도 분리는 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 저온공기 출구의 배압이 증가할수록 볼텍스 튜브 내부의 볼텍스 강도가 약화되고, 저온공기 출구로 배출되어야 할 저온공기의 역류 현상에 의한 온도분리 효과의 저하로 판단된다.
저온출구의 배압이 증가함에 따라 볼텍스 튜브의 온도분리 특성은 악화되었고, 입구 공급압력과 배압과의 차이가 커질수록 온도분리 효과는 향상됨을 알 수 있었다. 그러나 입구 공급압력과 배압과의 압력차(ΔP)에 따른 온도분리 특성은 압력차 보다는 배압에 의한 영향이 더 큼을 알 수 있었다.

후속연구

따라서 전기자동차의 배터리 팩 냉각을 위해 볼텍스 튜브 시스템의 적용을 고려할 경우, 배터리 팩의 구조로부터 발생될 수 있는 배압을 적절하게 제어하는 것이 볼텍스 튜브가 갖는 온도분리 효과를 최대로 활용할 수 있는 최선의 방안이며, 향후 적용을 위해서는 배압의 방지 및 최소화를 위한 연구가 반드시 필요하리라 생각된다.
실험결과로 볼 때 볼텍스 튜브의 전기자동차 배터리팩 적용을 위해서는 공급압력의 증가가 중요한 것이 아니라 배압을 최소로 하는 설계 방안을 찾는 것이 더 중요할 것으로 생각되며, 이러한 결과는 배터리 팩 냉각 적용을 위한 볼텍스 튜브 시스템의 최적 설계를 위한 기초 설계 정보를 제공하는데 그 의의를 둘 수 있을 것이다.

참고문헌 (16)

www.mpoweruk.com
Pesaran, A. A., “Cooling and Preheating of Batteries in a Hybrid Electric Vehicles”, The 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, March, 16-20, 2003.
Pesaran, A. A., “Battery Thermal Management in EVs and HEVs: Issues and Solutions”, Advanced Automotive Battery Conference, February 6-8, 2001.
Kim, G., H., “Battery Thermal Management Design Modeling”, Advanced Automotive Battery Conference, October 23-28, 2006.
Han, J. Y., Park, J. S., Yu, S. S., Kim, S. S., “One-Dimension Thermal Modeling of NiMH Battery for Thermal Management of Electric Vehicles”, Trans. Korean Soc. Mech. Eng., Vol. 38, No. 3, pp. 227-234, 2014.
Ranque, M. G, The Vortex Tube, US Patent No.646.020, 1932.
Hilsch, R., “The Use of the Expansion of Gases in a Centrifual Field as Cooling Process”, Review of Scientific Instruments, Vol. 18, No. 2, pp. 108-113, 1947.

상세보기
Lay, J. E., “An Experimental and analytical Study of Vortex Flow Temperature Separation by Superposition of Spiral and Axial Flows”, Trans. ASME J. Heat Transfer, Vol. 81, pp. 202-212, 1959.
Bruun, H. H., “Experimental Investigation of the Energy Separation in Vortex Tubes”, J. Mechanical Engineering Science, Vol. 11, No. 6, pp. 567-582, 1969.

상세보기
Takahama, H., “Studies on Vortex Tubes”, Bul. JSME, Vol. 8, No. 31, pp. 433-440, 1965.
Stephan, K., Lin, S., Durst, M., Huang, F., Seher, D., “An Investigation of Energy Separation in a Vortex Tube”, Int. J Heat Mass Transfer, Vol. 26, No. 3, pp. 341-348, 1983.

상세보기
Fulton C. D., “Rangue’s Tube’, Refrig. Engineering, Vol. 5, pp. 473-479, 1950.
Westley, R., “The College of Aeronautics (Cranfield) Note”, No. 30(1955. 05) : No. 67(1957. 07).
Oh, D. J., Im, S. Y., Yoon, M. K., Ryu, J. I., “An Experimental Study on the Energy Separation in a Low Pressure Vortex Tube for Engine”, Trans. Korean Soc. Auto. Eng., Vol. 10, No. 5, pp. 235-241, 2002.
Comasser, S., “The Vortex Tube”, J. AM. Soc. Naval Eng., Vol. 63, No, 1, pp. 99-108, 1951.
Im, S., S., Yu, S., S., “Effects of Geometric Parameters on the Separated Air Flow Temperature of a Vortex Tube for Design Optimization”, Energy, Vol. 37, pp. 154-160, 2012.

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