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문제 정의
- 본 연구에서는 기존에 보고[1]한 연구에 이어 대기식기화기 설계에 필요한 자료를 축적하기 위해서 핀의 폭, 기화기의 길이, 액화 가스의 유량 등의 변화에 따른 기화기의 외측 열전달 특성에 대해 실험 및 수치해석을 진행하였다. 실험과 해석 자료를 이용하여 설계 시 가장 중요한 기화효율 산정에 필요한 외측 열전달 계수를 구하였으며 이를 하나의 상관 식을 제시하였다.
가설 설정
- 6 (a)와 (b)에 나타내었다. 실제 핀 표면에는 전열면적의 증가 등을 위해 요철이 형성되어 있으나 해석에서는 핀의 표면이 매끄럽다고 가정하였다. 해석은 형상의 대칭성을 고려하여 전체의 1/4만을 해석영역으로 선정하였다.
- 자연대류에 의한 기화기 외부 공기의 유동은 비압축성 정상상태로 가정하였다. 실험을 통해 얻은 Gr 수가 109 이상이므로 유동을 난류로 간주하여 k-ε 난류모델을 사용하였다.
제안 방법
- KL-175와 KL-125의 두 기화기에 대해 길이를 2,000 ㎜, 1,800 ㎜, 1,600 ㎜의 세 가지로 변화시켜 총 6가지 경우에 대해 실험을 실시하였다. 작동 유체는 앞에서 언급한 바와 같이 액화질소를 사용하였으며 실험조건과 기화기 종류를 Table 1에 나타내었다.
- 또한 유량조절기(Mass flow controller)를 통해서 설계 유량을 기준으로 유량 변화를 주며 실험을 수행하였으며, 정확한 측정을 위해서 기화기 끝 부분과 질소 가스 출구 사이에 유량계(Mass flow meter)를 설치해 유량을 확인하였다. 기화기 내부에 흐르는 기체의 열량 손실을 구하기 위해서 기화기 입구와 출구에 관 내부삽입용 K-형 온도센서와 압력계를 설치하였으며, 표면온도를 측정하기 위하여 핀 표면에 T-형 온도센서를 튜브와 핀 부분을 각각 5개의 구간으로 나누어 부착하였다.
- 기화기 핀과 튜브는 알루미늄으로 간주하여 상수의 물성치를 주었으며, 기화기가 길이에 따라 온도가 다르기 때문에 외측 공기 측의 밀도, 비열, 열전도도, 점도를 온도에 따라 선형적으로 변하도록 하였다. 기화기 표면의 온도는 실험을 통해 얻은 온도 조건을 주어 해석을 실행하였다. 해석결과의 잉여량은 기존 연구[6, 7]를 참고하여10-5으로 설정하였다.
- 이때 벽면에 대해서는 Standard wall functions을 적용하였다. 기화기 핀과 튜브는 알루미늄으로 간주하여 상수의 물성치를 주었으며, 기화기가 길이에 따라 온도가 다르기 때문에 외측 공기 측의 밀도, 비열, 열전도도, 점도를 온도에 따라 선형적으로 변하도록 하였다. 기화기 표면의 온도는 실험을 통해 얻은 온도 조건을 주어 해석을 실행하였다.
- 실험에 사용된 가스는 -196℃의 초저온 액화질소가 사용되었으며, 고압이기 때문에 압력을 조절할 수 있는 압력 조정기를 탱크와 기화기 사이에 설치하여 기화기 내부의 압력을 220 kPa로 일정하게 유지시켰다. 또한 유량조절기(Mass flow controller)를 통해서 설계 유량을 기준으로 유량 변화를 주며 실험을 수행하였으며, 정확한 측정을 위해서 기화기 끝 부분과 질소 가스 출구 사이에 유량계(Mass flow meter)를 설치해 유량을 확인하였다. 기화기 내부에 흐르는 기체의 열량 손실을 구하기 위해서 기화기 입구와 출구에 관 내부삽입용 K-형 온도센서와 압력계를 설치하였으며, 표면온도를 측정하기 위하여 핀 표면에 T-형 온도센서를 튜브와 핀 부분을 각각 5개의 구간으로 나누어 부착하였다.
- 본 연구는 실험을 통해 얻은 기화기 외측 표면의 온도 데이터를 이용하여 수치해석을 진행하여 핀의 길이에 따른 기화기 KL-175와 KL-125의 길이와 유량의 변수를 주어 다음과 같은 결과 값을 얻을 수 있었다.
- 실험 시 외기 온도는 평균 32℃이며 습도는 60%이었다. 실험 시작 후 압력 조정기와 유량 조절기를 이용하여 실험조건을 설정한 후 약 90분 정도 지나 기화기 외측 표면 온도가 정상상태에 도달한 후 부터 실험 데이터를 기록하였다. 유량을 변화시키는 경우에도 동일한 절차를 거쳐 실험 데이터를 얻었다.
- 본 연구에서는 기존에 보고[1]한 연구에 이어 대기식기화기 설계에 필요한 자료를 축적하기 위해서 핀의 폭, 기화기의 길이, 액화 가스의 유량 등의 변화에 따른 기화기의 외측 열전달 특성에 대해 실험 및 수치해석을 진행하였다. 실험과 해석 자료를 이용하여 설계 시 가장 중요한 기화효율 산정에 필요한 외측 열전달 계수를 구하였으며 이를 하나의 상관 식을 제시하였다. 이를 통해 외측열전달 계수를 높일 수 있으면 최종적으로는 제품의 무게와 부피를 줄여 제품의 단가를 낮출 수 있으므로 더 우수한 제품을 제조할 수 있을 것이다[2, 3].
- 실험을 통해 측정하기 어려운 영역의 Ra 수와 Nu 수의 관계를 얻기 위해서 수치해석을 진행하였다. 기화기의 길이는 2,000 ㎜, 1,800 ㎜, 1,600 ㎜로 실험과 동일하게 하였으며, 그 중 2,000 ㎜인 기화기 모양과 해석에 사용한 격자계를 Fig.
- 은 각각 출구와 입구에서의 엔탈피이다. 엔탈피 값은 온도와 압력을 이용하여 계산하였다. 기화기 외측의 열전달 계수는 식 (1)을 사용하여 얻은 열량과 측정한 표면온도를 이용하여 다음 식 (2)를 통해 계산할 수 있다.
- 는 대기의 온도이다. 외측 표면의 평균온도 TS 는 기화기를 길이에 따라 구간을 나누고 각 구간에 대해 측정한 값을 사용하여 다음과 같이 평균값을 계산하였다.
- 실험을 통해 얻은 Gr 수가 109 이상이므로 유동을 난류로 간주하여 k-ε 난류모델을 사용하였다. 이때 벽면에 대해서는 Standard wall functions을 적용하였다. 기화기 핀과 튜브는 알루미늄으로 간주하여 상수의 물성치를 주었으며, 기화기가 길이에 따라 온도가 다르기 때문에 외측 공기 측의 밀도, 비열, 열전도도, 점도를 온도에 따라 선형적으로 변하도록 하였다.
- 유량을 변화시키는 경우에도 동일한 절차를 거쳐 실험 데이터를 얻었다. 정상 상태에 약 20분간 표면 온도를 측정하여 계산에 사용하였다. 측정 데이터의 수집은 데이터 수집기(National Instrument, 9205)와 처리 프로그램(LabView, V.
- 해석은 형상의 대칭성을 고려하여 전체의 1/4만을 해석영역으로 선정하였다. 핀 외측의 공기영역은 폭이 좁은 핀을 기준으로 핀 폭의 10배까지의 충분한 영역을 해석대상으로 지정하였으며 해석결과를 통해 그 타당성을 확인하였다. 기화기의 표면은 대기보다 온도가 낮기 때문에 자연대류에 의해 표면에서 냉각된 공기가 아랫방향으로 흐른다.
- 해석을 위한 격자계는 육면체 요소로 구성하였으며 핀과 튜브 표면 근처에 격자를 밀집시켜 급격한 온도변화와 속도변화를 나타낼 수 있도록 하였다. 격자의 수를 변화시키면서 해를 구하여 비교하는 격자계 테스트를 수행하였으며 그 결과 최종적으로 사용한 격자수는 Table 2와 같다.
대상 데이터
- 1은 기화기 외측의 자연대류 열전달 특성을 분석하기 위한 실험 장치의 계략도이다. 실험 장치에서 기화기는 알루미늄으로 제작되었으며 외경 0.028 mm인 원형 튜브에 8개의 핀이 부착되어 있다. 8개의 핀 중 4개는 폭이 길며 그 사이 사이에 부착된 나머지의 4개는 폭이 작다.
- 여기서는 폭이 긴 핀의 폭의 크기에 따라 두 가지 기화기를 각각 KL-175와 KL-125로 칭하였다. 실험에 사용된 가스는 -196℃의 초저온 액화질소가 사용되었으며, 고압이기 때문에 압력을 조절할 수 있는 압력 조정기를 탱크와 기화기 사이에 설치하여 기화기 내부의 압력을 220 kPa로 일정하게 유지시켰다. 또한 유량조절기(Mass flow controller)를 통해서 설계 유량을 기준으로 유량 변화를 주며 실험을 수행하였으며, 정확한 측정을 위해서 기화기 끝 부분과 질소 가스 출구 사이에 유량계(Mass flow meter)를 설치해 유량을 확인하였다.
- KL-175와 KL-125의 두 기화기에 대해 길이를 2,000 ㎜, 1,800 ㎜, 1,600 ㎜의 세 가지로 변화시켜 총 6가지 경우에 대해 실험을 실시하였다. 작동 유체는 앞에서 언급한 바와 같이 액화질소를 사용하였으며 실험조건과 기화기 종류를 Table 1에 나타내었다. 실험 시 외기 온도는 평균 32℃이며 습도는 60%이었다.
데이터처리
- 정상 상태에 약 20분간 표면 온도를 측정하여 계산에 사용하였다. 측정 데이터의 수집은 데이터 수집기(National Instrument, 9205)와 처리 프로그램(LabView, V.8.0)을 사용하였다.
이론/모형
- 실험을 통해 얻은 Gr 수가 109 이상이므로 유동을 난류로 간주하여 k-ε 난류모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 실험의 경우 기화기 KL-175 기화기의 경우 성에의 영향을 받지 않을 경우 유량이 증가함에 따라 기화기 표면 온도가 감소하지만 대기를 통해 얻는 열량 값 증가가 더 크기 때문에 외측 열전달계수가 증가하였고, KL-125 기화기와 같이 서리의 영향을 받을 경우 성에로 인해 대기온도와의 차이가 커져 외측 열전달계수가 감소하는 반대의 경향을 확인하였다. 또한 기존의 대기식 기화기의 외측열전달계수는 5 W/m2K이였지만 다음 실험을 통하여 얻은 외측열전달계수의 값은 최대 12.
- (2) 실험을 통해 얻은 온도 데이터를 이용하여 수치해석을 진행하여 다음과 같은 자연대류 상태의 대기식 기화기의 높은 외측열전달계수를 산정할 수 있는 상관식을 얻을 수 있었다. 이는 대기식 기화기 제작에 있어 기화효율 산정에 필수적인 높은 열전달계수를 산정할 수 있는 설계 정보를 제공할 것이다.
- (1) 실험의 경우 기화기 KL-175 기화기의 경우 성에의 영향을 받지 않을 경우 유량이 증가함에 따라 기화기 표면 온도가 감소하지만 대기를 통해 얻는 열량 값 증가가 더 크기 때문에 외측 열전달계수가 증가하였고, KL-125 기화기와 같이 서리의 영향을 받을 경우 성에로 인해 대기온도와의 차이가 커져 외측 열전달계수가 감소하는 반대의 경향을 확인하였다. 또한 기존의 대기식 기화기의 외측열전달계수는 5 W/m2K이였지만 다음 실험을 통하여 얻은 외측열전달계수의 값은 최대 12.76 W/m2K의 높은 값을 얻을 수 있었다.
- 기화기의 길이가 커짐에 따라 열전달계수는 증가하지만 증가 폭은 감소하는데 이것은 실험 중에 발생하는 서리의 영향이 기화기의 길이에 따라 서로 다르기 때문이다. 본 실험에서는 1,800 ㎜ 길이에서는 7.1 m3/h, 7.5 m3/h일 때 그리고 1,600 ㎜길이에서는 모든 유량에서 서리가 발생하였다. 그러나 2,000 ㎜ 길이에서는 서리가 발생하지 않았다.
- 9는 실험결과와 수치해석 결과 및 이를 이용하여 구한 상관식의 그래프를 나타낸다. 수치해석을 통해 얻은 결과는 실험에 비해 서리의 영향이 잘 고려되지 않으므로 Nu 수의 분포가 실험보다 변동 폭이 더 작은 것을 확인할 수 있다. 또한 서리의 영향을 받는 경우에 대해서 수치해석 시 실험에서 측정한 표면 온도를 경계조건으로 사용하기 때문에 Nu 수가 실험값보다 높게 나타나는 경향을 보였다.
후속연구
- (2) 실험을 통해 얻은 온도 데이터를 이용하여 수치해석을 진행하여 다음과 같은 자연대류 상태의 대기식 기화기의 높은 외측열전달계수를 산정할 수 있는 상관식을 얻을 수 있었다. 이는 대기식 기화기 제작에 있어 기화효율 산정에 필수적인 높은 열전달계수를 산정할 수 있는 설계 정보를 제공할 것이다.
- 실험과 해석 자료를 이용하여 설계 시 가장 중요한 기화효율 산정에 필요한 외측 열전달 계수를 구하였으며 이를 하나의 상관 식을 제시하였다. 이를 통해 외측열전달 계수를 높일 수 있으면 최종적으로는 제품의 무게와 부피를 줄여 제품의 단가를 낮출 수 있으므로 더 우수한 제품을 제조할 수 있을 것이다[2, 3].
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