[논문]철도차량용 공기압축기의 열교환기 최적 설계를 위한 해석 연구

김무선; 정종덕; 장성일; 안준

doi:10.6110/kjacr.2017.29.11.570

철도차량용 공기압축기의 열교환기 최적 설계를 위한 해석 연구
Numerical Analysis for Optimal Design of Heat Exchanger in Air Compressor for Railroad Vehicle 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.11, 2017년, pp.570 - 579

김무선 (한국철도기술연구원 광역도시철도융합연구실) , 정종덕 (한국철도기술연구원 광역도시철도융합연구실) , 장성일 (국민대학교 대학원 기계공학과) , 안준 (국민대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we examined the multi-stage piston-type air compressors typically used in a railroad vehicle, and the heat transfer efficiency was analyzed according to the design conditions of the heat exchanger (a compressor component module for cooling the compressed high temperature air). For the fin-tube heat exchanger used in the most air compressors, numerical analysis was performed to analyze heat transfer by defining the various rectangle tube sizes and the number of fin-per-unit area as design variables under the same flow rate of compressed air. Also, this analysis compared the temperature of the compressed air. Regarding environmental conditions for analysis, the flow rate of the external cooling air was measured and the mean value of the values was applied. And a "turbulence model" was considered in both the external flow of the cooling air and the internal flow inside the tube. From the results of analysis, it was found that the change of the aspect ratio value of the tube greatly influences the heat transfer efficiency of the compressed air, and influences if the fin density is relatively small. As a result, the optimum design specifications of the heat exchanger for air compressors were confirmed based on the analysis of the heat transfer efficiency, according to the design conditions of fin and tube by the operating temperature range of the compressed air.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서는 철도차량용 공기압축기를 대상으로 고온 압축공기의 열전달 효율과 열교환기의 중량에 대한 영향을 분석하기 위해, 철도차량용 공기압축기에 쓰이는 핀-튜브 타입 열교환기에 대한 성능을 분석 하였다. 냉각 유체와 고온 유체 상이 동일한 압축공기의 열교환을 고려할 때, 사각 채널 형태의 튜브 크기 변화에 따른 열전달 효과와 더불어, 다양한 핀의 개수(밀도)에 따른 열전달 효과의 변화를 유동해석 툴인 Fluent를 사용하여 해석적으로 분석하였다.

가설 설정

2차 열교환기를 대상으로 해석적 분석을 위한 열교환기 유동은 3차원 비압축성 유동으로 가정하고, 관내및 외부 유동의 Reynolds 수가 2,700~4,100 범위에 있으므로 난류 유동으로 고려하였다. 난류 모델로는 standard k-ε 모델을 적용하였다.
위 조건에서 14개 튜브의 개별 유량은 일정하다고 가정하였다. 그리고 팬 회전에 의한 냉각 공기 유동 속도는 열교환기 핀-튜브 영역인 사각 덕트 내에서 상하 좌우 일정간격의 각 5개 포인트 조합으로 총 25개포인트에서 유속을 측정하여 그 값들의 평균값으로 정의하였다(Fig.

제안 방법

(2)는 냉각수를 활용한 핀-튜브 및쉘-튜브 열교환기 성능 비교 분석을 해석적으로 접근하였다. Ku⁽³⁾는 화학생산라인 등의 제습작용을 위한 열교환기의 최적 운영 조건을 분석하였으며, Zhao et al.
Ku⁽³⁾는 화학생산라인 등의 제습작용을 위한 열교환기의 최적 운영 조건을 분석하였으며, Zhao et al.⁽⁴⁾는 난류 모델을 적용하여 튜브의 배치가 엇갈린 형태에서의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 연구를 진행하였다. Jeon et al.
⁽⁵⁾은 핀-튜브형 및 평행류형 히트파이프에 관한 온도 교환 효율 등에 관하여, 그리고 Chang et al.⁽⁶⁾은 핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 응축기 조건 에서 열전달 성능과 공기측의 압력강하 특성에 관하여 실험적으로 분석하였다. 열교환기의 최적 설계에 관한 연구로는, Yang et al.
위 조건에서 14개 튜브의 개별 유량은 일정하다고 가정하였다. 그리고 팬 회전에 의한 냉각 공기 유동 속도는 열교환기 핀-튜브 영역인 사각 덕트 내에서 상하 좌우 일정간격의 각 5개 포인트 조합으로 총 25개포인트에서 유속을 측정하여 그 값들의 평균값으로 정의하였다(Fig. 4 참조).
냉각 유체와 고온 유체 상이 동일한 압축공기의 열교환을 고려할 때, 사각 채널 형태의 튜브 크기 변화에 따른 열전달 효과와 더불어, 다양한 핀의 개수(밀도)에 따른 열전달 효과의 변화를 유동해석 툴인 Fluent를 사용하여 해석적으로 분석하였다. 또한 압축공기의 온도별로 열전달 효과 분석을 세분화하였다.
본 연구에서는 철도 차량용 공기압축기에 쓰이는 핀-튜브 형태 열교환기의 설계 조건에 따른 성능을 분석하기 위해 Fluent를 활용한 CFD 해석을 통하여, 사각 튜브의 종횡비와 핀 밀도에 따른 관내 난류 발달 구간의 열전달 효과를 다양한 작동 온도별로 분석하였으며 그 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.
튜브의 크기 변화에 따른 유량의 변화를 최소화하기 위해 동일한 단면적을 조건(axb = Const)으로 사각 튜브의 종횡비(aspect ratio)를 고려하였으며 전체 열교환기의 길이와 높이가 동일하다는 조건하에, 핀의 높이 값은 튜브의 높이에 따라 그 값을 정의하였다. 해석 case별 핀-튜브의 기하하적 조건을 Table 2에 정리하였다.
해석 모델 검증을 위해 case 1의 핀-튜브 형태를 대상으로, 핀 사이 및 튜브 내의 유동에 대해 채널 유동 관계식을 적용한 열교환기의 heat transfer rate 계산값과 해석 결과값을 비교분석하였다.
압축공기가 통과하는 튜브의 개수는 15개이며 길이와 높이는 각각 410 mm, 200 mm이다. 해석은 압축공기 입력 온도를 208℃, 100℃, 40℃로 구분하여 진행하였다. Table 1에 해석을 위해 적용한 운영조건을 각 입력 온도로 구분하여 표시하였다.
해석은 튜브의 크기와 그에 따른 핀의 크기 변화, 핀의 밀도, 그리고 압축공기의 온도 범위에 따라서 열전달 효과를 비교 분석하였다.

대상 데이터

압축공기가 통과하는 튜브의 개수는 15개이며 길이와 높이는 각각 410 mm, 200 mm이다. 해석은 압축공기 입력 온도를 208℃, 100℃, 40℃로 구분하여 진행하였다.
그 외의 벽면 경계조건은 대칭조건을 부여했다. 해석 격자 생성의 예로 case 1의 경우 사면체 요소를 활용하여 225만 개 요소, 136만 개 노드로 구성하였으며, 경계층에는 격자밀도를 향상하였다. 나머지 case에 대해서도 유사한 요소 형태가 유지되도록 격자를 구성하였다.

데이터처리

이번 연구에서는 철도차량용 공기압축기를 대상으로 고온 압축공기의 열전달 효율과 열교환기의 중량에 대한 영향을 분석하기 위해, 철도차량용 공기압축기에 쓰이는 핀-튜브 타입 열교환기에 대한 성능을 분석 하였다. 냉각 유체와 고온 유체 상이 동일한 압축공기의 열교환을 고려할 때, 사각 채널 형태의 튜브 크기 변화에 따른 열전달 효과와 더불어, 다양한 핀의 개수(밀도)에 따른 열전달 효과의 변화를 유동해석 툴인 Fluent를 사용하여 해석적으로 분석하였다. 또한 압축공기의 온도별로 열전달 효과 분석을 세분화하였다.

이론/모형

난류 모델로는 standard k-ε 모델을 적용하였다.
먼저 난류의 경우 채널 유동 내 Nusselt 수 예측을 위해 Gnielinski 관계식⁽¹³⁾을 적용하였다.
열교환기를 통해 전달되는 heat transfer rate를 계산하기 위해 식(7)에서 계산한 U값과 ε-NTU 관계식을 적용하였다.

성능/효과

(1) 튜브 내 온도 분포는 같은 유량 조건하에 튜브의 종횡비가 커질수록 온도 분포의 변화가 컸으며, 핀의 밀도는 온도 분포에 큰 영향을 주지 않음을 확인 할 수 있었다. 고온의 작동 온도 환경에서 종횡비의 값에 따라 입출력 평균 온도 차이 값은 컸으며, 핀의 밀도에 따른 온도 차이는 상대적으로 크지 않았다.
(2) h값은 모든 작동 온도 환경에서 종횡비 값에 비례한 결과 값을 보였으며, 핀 밀도 변화에 대해서는 큰차이를 보이지 않았다. 열유속은 냉각유체와의 접촉 면적이 고려되므로, h값과 상반되는 유형을 보이며, 입출구 온도 차이 유형과 유사한 형태로 설계조건 별 값의 차이를 보였다.
(3) 압력 강하는 모든 온도 환경에서, 종횡비 값이 커질수록 압력 강하량이 적었으며, 핀의 밀도에 따른 압력 강하의 차이는 크지 않았다. 또한 압력 강하량은 공기압축기의 성능에 영향이 거의 없을 것으로 예상된다.
(1) 튜브 내 온도 분포는 같은 유량 조건하에 튜브의 종횡비가 커질수록 온도 분포의 변화가 컸으며, 핀의 밀도는 온도 분포에 큰 영향을 주지 않음을 확인 할 수 있었다. 고온의 작동 온도 환경에서 종횡비의 값에 따라 입출력 평균 온도 차이 값은 컸으며, 핀의 밀도에 따른 온도 차이는 상대적으로 크지 않았다.
(2) h값은 모든 작동 온도 환경에서 종횡비 값에 비례한 결과 값을 보였으며, 핀 밀도 변화에 대해서는 큰차이를 보이지 않았다. 열유속은 냉각유체와의 접촉 면적이 고려되므로, h값과 상반되는 유형을 보이며, 입출구 온도 차이 유형과 유사한 형태로 설계조건 별 값의 차이를 보였다.
7에 나타내었다. 위 결과로부터 해석해 및이론해 모두 내부 입력 유체의 온도에 따라 열유속이 증가함을 보이고 있으며, 해석해가 이론해에 근접함을 확인 할 수 있다.
이상과 같이 압축공기 냉각을 위한 핀-튜브 형태 열교환기에서 튜브의 종횡비에 따른 열전달 효과가 핀밀도의 영향보다 상대적으로 중요함을 확인하였으며, 또한 작동 온도의 범위 별로, 설계 조건에 따른 열전달 효과가 달라짐을 알 수 있었다. 따라서 열교환기의 성능만을 고려할 때 튜브의 가로 길이를 늘리는 것이 효과적인데, 이 경우 튜브 둘레 길이가 늘어남에 따라 동시에 중량이 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도 차량에 쓰이는 공기압축기란?	철도 차량에 쓰이는 공기압축기는 대기압의 공기를 흡입 후 모터 구동에 의한 압축력을 활용하여 9~10바의 고압 압축공기로 변환하는 역할을 담당하는 압축 시스템이다. 이렇게 압축된 공기는 열차의 제동을 형성하기 위한 동력원으로 쓰이게 되며, 공압식 출입문 등의 작동을 위해서 쓰이기도 한다.
	도시철도에 주로 쓰이는 공기압축기의 작동 방식은 어떻게 분류 되는가?	도시철도에 주로 쓰이는 공기압축기의 작동 방식은 급유식 스크류형 및 피스톤형, 무급유식 스크류형 및피스톤형으로 구분할 수 있다. 현재는 유지보수 측면에서 강점이 있는 무급유식의 공기압축기가 주류로 쓰이고 있다.
	열교환 효율을 향상 시키기 위해선 유동 특성에 따라 열교환기의 적정 설계가 진행되어야 하는 이유는?	1단과 2단에서 압축된 고온 압축 공기는 튜브를 통과하게 되며, 외부에서는 팬이 회전하여 냉각공기의 유동을 형성함으로써, 압축공기와 냉각공기와의 열교환을 진행하게 된다. 이 때 열교환기는 고온 유체와 냉각 유체의 특성과 더불어 채널과 핀의 형상, 크기, 개수 등에 의해 냉각 성능의 영향을 받는다. 따라서 열교환 효율을 높이기 위해서는 유동 특성에 따라 열교환기의 적정 설계가 진행되어야 한다.

참고문헌 (13)

ALMIiG, ALMIiG WP2N8ST TAO Compressor User Manual, 2014, pp. 32-41.
Yoo, S. H., Park, S., Jeong, J., and Yoon, J., 2008, Comparison of Various Heat Exchanger Performances in order for Air Compressor Intercooler Application, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 32, No. 1, pp. 73-81.

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Ku, H. K., 2010, A Study on Performance Characteristics of a Dehumidifier with Multi-layer Type Heat Exchangers Varying Frontal Air Velocity, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 11, No. 7, pp. 2323-2327.

원문보기 상세보기
Zhao, L. and Yoon, J., 2015, A Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Staggered Tube Banks using CFD Analysis, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 5, pp. 2985-2992.

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Jeon, S. and Cho, J., 2016, Separate type heat pipe performance comparison by the heat exchanger shapes, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 17, No. 12, pp. 723-729.
Chang, K., Lee, H., and Kim, J., 2009, Comparison of Heat Transfer Performance and Pressure Drop of Fin-Tube and Aluminum Heat Exchangers, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 10, No. 2, pp. 222-229.

원문보기 상세보기
Yang, D., Lee, K., and Song, S., 2006, Fin spacing optimization of a fin-tube heat exchanger under frosting conditions, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, pp. 2619-2625.

상세보기
Qiao, H., Singh, V., Aute, V., and Radermacher, R., 2010, Optimization of Fin Density for Air Cooled Heat Exchanger, International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue 2010, p. 1089.
Manassaldi, J. I., Scenna, N. J., and Mussati, S. F., 2014, Optimization mathematical model for the detailed design of air cooled heat exchangers, Energy, Vol. 64, pp. 734-746.

상세보기
Bilirgen, H., Dunbar, S., and Levy, E. K., 2013, Numerical modeling of finned heat exchangers, Applied Thermal Engineering, Vol. 61, pp. 278-288.

상세보기
Hatami, M., Jafaryar, M., Ganji, D. D., and Gorgi-Bandpy, M., 2014, Optimization of finned-tube heat exchangers for diesel exhaust waste heat recovery using CFD and CCD techniques, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 57, pp. 254-263.

상세보기
Nagaosa, R. S., 2017, Turbulence model-free approach for predictions of air flow dynamics and heat transfer in a fin-and-tube exchanger, Vol. 142, pp. 414-425.

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Bergman, T. L., Lavine, A. S., Incropera, F. P., and DeWitt, D. P., Fundamentals of heat and mass transfer 7th ed, Wiley.

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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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