본 연구에서는 고온측과 저온측의 온도 예측을 위한 볼텍스 튜브 모델을 개발하였다. 볼텍스 튜브 모델은 시스템 식별 방법을 기반으로 개발하였으며, 개발된 볼텍스 튜브 모델은 ARX(Auto-Regressive with eXtra inputs)모델을 기반으로 하여 설계되었다. 본 연구에서 유도된 다항식 모델은 모델의 정확성을 확인하기 위해 실험데이터와 검증하였다. 또한, 유도된 모델은 안정성 검사 통과를 보여준다. 저온측 스로틀 밸브 각도를 변경하였을 때, 적절히 온도 분리가 이루어지는 것을 확인하였으며, 동적응답을 확인하기 위해 저온측 스로틀 밸브 각도를 변경 시켰을 경우, 볼텍스 튜브 모델의 온도가 적절히 분리 되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, 개발된 볼텍스 튜브 모델을 저온측 스로틀 밸브 각도에 따라 온도 분리 예측이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 고온측과 저온측의 온도 예측을 위한 볼텍스 튜브 모델을 개발하였다. 볼텍스 튜브 모델은 시스템 식별 방법을 기반으로 개발하였으며, 개발된 볼텍스 튜브 모델은 ARX(Auto-Regressive with eXtra inputs)모델을 기반으로 하여 설계되었다. 본 연구에서 유도된 다항식 모델은 모델의 정확성을 확인하기 위해 실험데이터와 검증하였다. 또한, 유도된 모델은 안정성 검사 통과를 보여준다. 저온측 스로틀 밸브 각도를 변경하였을 때, 적절히 온도 분리가 이루어지는 것을 확인하였으며, 동적응답을 확인하기 위해 저온측 스로틀 밸브 각도를 변경 시켰을 경우, 볼텍스 튜브 모델의 온도가 적절히 분리 되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, 개발된 볼텍스 튜브 모델을 저온측 스로틀 밸브 각도에 따라 온도 분리 예측이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
In this study, vortex tube system model is developed to predict the temperature of the hot and the cold sides. The vortex tube model is developed based on the system identification method, and the model utilized in this work to design the vortex tube is ARX type (Auto-Regressive with eXtra inputs). ...
In this study, vortex tube system model is developed to predict the temperature of the hot and the cold sides. The vortex tube model is developed based on the system identification method, and the model utilized in this work to design the vortex tube is ARX type (Auto-Regressive with eXtra inputs). The derived polynomial model is validated against experimental data to verify the overall model accuracy. It is also shown that the derived model passes the stability test. It is confirmed that the derived model closely mimics the physical behavior of the vortex tube from both the static and dynamic numerical experiments by changing the angles of the low-temperature side throttle valve, clearly showing temperature separation. These results imply that the system identification based modeling can be a promising approach for the prediction of complex physical systems, including the vortex tube.
In this study, vortex tube system model is developed to predict the temperature of the hot and the cold sides. The vortex tube model is developed based on the system identification method, and the model utilized in this work to design the vortex tube is ARX type (Auto-Regressive with eXtra inputs). The derived polynomial model is validated against experimental data to verify the overall model accuracy. It is also shown that the derived model passes the stability test. It is confirmed that the derived model closely mimics the physical behavior of the vortex tube from both the static and dynamic numerical experiments by changing the angles of the low-temperature side throttle valve, clearly showing temperature separation. These results imply that the system identification based modeling can be a promising approach for the prediction of complex physical systems, including the vortex tube.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 볼텍스 튜브 실험에서 도출된 데이터를 바탕으로 시스템 식별 방법을 사용하여 정확한 볼텍스 튜브 모델을 구성 하고자 한다. 볼텍스 튜브 모델은Matlab/SIMULINK®에서 개발되었으며, 모델링된 볼텍스 튜브 모델은 다시 실험 데이터와 검증 과정을 통해 모델의 신뢰성을 확인하였다.
본 연구에서는 구축된 볼텍스 튜브 장치의 온도 분리 특성을 확인 하기 위해서 저온 유량비를 변화 시키며, 저온과 고온의 온도 차이 특성을 관찰하였다. 볼텍스 튜브의 입구 압력은 1 bar로 고정 하였으며, 저온 유량측의 스로틀 밸브를 완전히 닫힌 상태(yc=0.
본 연구에서는 시스템 식별 방법을 통해 볼텍스 튜브의 온도 분리를 예측할 수 있는 볼텍스 튜브 시스템 모델을 개발하였다.
T 등(9)은 볼텍스 튜브의 노즐 변화에 따른 성능에 대한 효과를 연구하였다. 특히 노즐 직경에 따른 에너지 손실이 다르기 때문에 이를 줄이기 위한 연구를 수행하였다. Skye, H.
제안 방법
(a)에서 보여지며, 스로틀 밸브를 초기에는 90°로 유지하면서 공기를 공급하였으며, 8000초 이후에 스로틀 밸브를 60°로 감소시키면서 공기 유량을 조절하였다.
그리고 압력계는 튜브 입구와 저온 공기부에 각각 설치하였다. 데이터 획득 및 처리 장치로는Graphtec을 사용하여 PC에서 처리하도록 설정하였다. 각각의 데이터 획득 샘플링 타임은 1초로 설정하여 데이터를 획득하였다.
M 등(10)은 상업용 볼텍스 튜브의 실험 데이터를 바탕으로 CFD 소프트웨어를 이용해서 볼텍스 튜브의 특성을 비교 분석하였다. 또한, Eiamsa-ard, S는(11) 대항류 RanqueHilsch 볼텍스 튜브를 바탕으로 실험적인 에너지 분리 연구를 수행하였다. 입구 노즐의 개수와 입구 압력을 조절하면서 저온 측의 질량 분율에 따른 효율 및 온도 분리 효과를 평가하였다.
또한, 공급되는 공기의 압력 조절은 압력 레귤레이터(pressure regulator)에 의해서 조절되며, 고온 측과 저온측의 유량을 유동적으로 조절하기 위해서 고온측 출구단에 스로틀 밸브(throttle valve)를 사용하였다. 또한, 공급되는 공기의 불순불을 제거하기 위한 필터(filter)와 공기중의 습기를 제거 하기 위한 공기건조기(air dryer)를 설치하였다. 볼텍스 튜브는 직경 10mm, 길이140mm, 노즐의 직경은 2.
5는 본 연구에서 시스템 식별 방법 적용을 위한 모델 추정 데이터와 모델 검증 데이터를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 시스템 식별 방법 모델링의 적용을 위해 18000초 구간까지는 시스템 식별 모델링의 부분으로, 18000초 구간에서 28800초 구간까지는 시스템 모델 검증 부분으로 분리하였다. 본 연구에서 적용된 입, 출력 및 제한조건은 Table 2에서 확인할 수 있다.
일반적으로 대향류형(counter-flow type) 볼텍스 튜브는 에너지 분리 효율이 우수한 볼텍스 튜브로 알려져 있다. 본 연구에서는 시스템 식별 방법에 필요한 온도 분리 데이터를 획득 하기 위하여 Fig. 1과 같은 볼텍스 튜브를 사용하였다.
시스템 식별 방법의 적용을 위해서는 우선 입력조건과 출력 조건을 선정해야 한다. 본 연구에서는 저온 측의 스로틀 밸브의 회전각을 입력으로 설정하고, 고온측과 저온측 온도를 각각 출력으로 설정하였다. 입구 압력은 1 bar로 고정하였으며, 볼텍스 튜브 전단으로 들어가는 입력 유량도 100lpm 로 고정하였다.
볼텍스 튜브 모델은Matlab/SIMULINK®에서 개발되었으며, 모델링된 볼텍스 튜브 모델은 다시 실험 데이터와 검증 과정을 통해 모델의 신뢰성을 확인하였다.
3과 같다. 볼텍스 튜브의 공기 공급을 위해서 공기 압축기(air compressor)를 사용하였으며, 공급되는 공기의 압력 맥동을 적절히 제거하기 위해서 볼텍스 튜브 전단에 공기 서지 탱크(air surge tank)를 설치하였다. 또한, 공급되는 공기의 압력 조절은 압력 레귤레이터(pressure regulator)에 의해서 조절되며, 고온 측과 저온측의 유량을 유동적으로 조절하기 위해서 고온측 출구단에 스로틀 밸브(throttle valve)를 사용하였다.
본 연구에서는 구축된 볼텍스 튜브 장치의 온도 분리 특성을 확인 하기 위해서 저온 유량비를 변화 시키며, 저온과 고온의 온도 차이 특성을 관찰하였다. 볼텍스 튜브의 입구 압력은 1 bar로 고정 하였으며, 저온 유량측의 스로틀 밸브를 완전히 닫힌 상태(yc=0.3)에서 저온 공기의 질량 유량비를 변화 시키기 위해서 조절하였다. Fig.
볼텍스 튜브의 입구, 고온 공기 출구 및 저온 공기 출구의 온도데이터를 확보하기 위해서 본 연구에서는 튜브의 입구, 고온 공기 출구측 및 저온 공기 출구측에 k-type 온도 센서를 각각 설치하였다. 그리고 압력계는 튜브 입구와 저온 공기부에 각각 설치하였다.
또한, Eiamsa-ard, S는(11) 대항류 RanqueHilsch 볼텍스 튜브를 바탕으로 실험적인 에너지 분리 연구를 수행하였다. 입구 노즐의 개수와 입구 압력을 조절하면서 저온 측의 질량 분율에 따른 효율 및 온도 분리 효과를 평가하였다.
입력조건은 저온측 스로틀 밸브를 90°로 설정하고, 정상상태 시간을 고려하여 8000초 동안 입력하여 운전하였다.
설계된 시스템 모델을 운전하기 위해서는 안정성(stability) 검사가 선행되어야 한다. 통상 안정성 검사는 여러가지 방법이 존재하지만, 본 연구에서는 계단 입력과 임펄스 입력을 시스템에 가해 안정성 검사를 수행하였다. 개발된 볼텍스 ARX 모델은 고온측 모델과 저온측 모델로 나뉘어 지며,Fig.
대상 데이터
볼텍스 튜브는 직경 10mm, 길이140mm, 노즐의 직경은 2.0mm, 스로틀 콘 앵글(throttle cone angle) 은 60°, 그리고 오리피스 비(orifice ratio)는 각각 0.5이다.
데이터처리
설계된 볼텍스 튜브 모델은 Matlab/SIMULINK®환경에서 시뮬레이션 되었으며, 모델의 결과를 분석하였다.
이론/모형
ARX 모델은 다항식 모델로서 시스템 식별 방법에 많이 사용되는 것으로 현재 시간의 값을 전 시간에서의 값들과 오차의 합으로 나타내는 모델 표현 방법이다.(12) 따라서 본 연구에서는 고온,저온측 모두 ARX 모델을 선정하여 볼텍스 튜브 모델 개발에 사용하였다. 일반적으로 ARX 모델의 식은 다음과 같은 형태의 함수 식을 가진다.
성능/효과
(1) 시스템 식병 방법을 통해 ARX 모델로 표현 가능한 볼텍스 튜브 모델을 개발하였으며, 개발된 모델은 검증 데이터 부분과의 비교를 통해 타당성을 입증하였다. 또한, 개발된 모델의 오차는 고온 측 기준 7.
(2) 볼텍스 튜브 모델의 정상상태 응답 확인 결과 스로틀 밸브 각도를 90°로 일정하게 입력하였을 때, 고온측은 약 5000초에서44°C, 저온측은 약 4000초에서 18.5°C의 온도에서 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
(3) 볼텍스 튜브 모델에 계단 입력을 주었을 때,고온측은 8000초까지 온도가 증가하며, 8000초 이후에 스로틀 밸브 각도의 변화로 인하여 온도가 감소하는 것을 볼 수 있으며, 저온측 역시 8000초 이후에 온도가 변화되는 것을 확인할 수 있다.
(4) 볼텍스 튜브 모델에 스로틀 밸브 회전각을 임의로 변경하여 운전하였을 경우, 고온측과 저온 측 온도 분리 효과를 확인할 수 있으며, 개발된 볼텍스 튜브를 통해 온도 분리 예측 가능성을 확인하였다.
Fig. 10(a)에서 보듯이 저온 측의 스로틀 밸브의 각도를 변경하였을 경우 고온 측의 온도가 변화되는 것을 확인할 수 있으며, 실제 실험 값과의 에러 2% 이내에 결과가 대부분 일치 하는 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig.
10(b)에는 저온측의 온도 분리 결과로서, 고온측과 마찬가지로 실험값과 모델의 값이 에러 2% 이내에 전 구간에서 대부분 일치 하는 것을 확인할 수 있다. 결과론적으로, 본 연구에서 개발된 볼텍스 튜브 모델은 실제 실험 데이터를 적절히 반영하는 것을 확인할 수 있다.
9(c)는 입력 조건 변화에 따른 저온측의 온도 변화를 나타낸 것이다. 고온측의 온도와 동일하게 초기 온도 조건에서 온도가 감소하여 일정한 온도에 수렴하여 8000초 이후에는 밸브의 면적 변화로 인해 다시 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
6(a), (b)는 고온측과 저온측의 온도 실제 시스템 모델의 출력과 실제 모델 출력을 추정하는 추정 모델을 비교하였다. 그 중 고온측의 온도 모델은 ARX(Auto-Regressive with eXtra inputs)를 사용한 모델로 추정 성능이 93.23%로 가장 우수하였으며, 저온측의 온도 모델은 상태 공간 모델식이 가장 우수하지만, 고온측의 모델과의 통일성을 위해 추정성능 92.12%를 보이는ARX 모델을 선정하였다. 각각의 모델의 오차를 100%-추정성능(%)로 정의하면, 고온측은 7.
5℃까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 일정한 상수 입력을 주었을 때, 개발된 볼텍스 튜브가 온도를 분리하는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
볼텍스 튜브의 단점을 극복하기 위해 무엇이 필요한가
그러나 현재까지 볼텍스 튜브를 정확히 예측할 수 있는 물리적인 수학식이 존재 하지 않아 수학적으로 이를 증명하기는 어렵다. 따라서, 이런 단점을 극복하기 위하여 시스템 식별 방법(System Identification Method)을 이용한 정확한 볼텍스 튜브 모델을 얻는 것이 필요하다.
볼텍스 튜브의 장점은 무엇인가
이러한 특성을 이용하면 전기 자동차 또는 연료전지의 열관리를 효율적으로 할 수 있는 장점이 있다. 특히, 냉 시동 환경에서의 차량 구동은 너무 낮은 외기 온도로 인하여 시동 문제점을 가지고 있지만, 이러한 효율적인 볼텍스 튜브를 이용하면 해결 가능성이 존재한다.
볼텍스 튜브란 무엇인가
볼텍스 튜브는 압축기 입구로부터 공급되는 압축가스를 일련의 에너지 분리 과정을 통해 입구 온도보다 더 높거나 낮은 온도로 분리해 내는 에너지 분리 장치이다.(1~5) 이러한 볼텍스 튜브를 이용하면 추가적인 장치가 필요없이 서로 다른 온도를 가지는 유체를 얻을 수 있다.
참고문헌 (12)
Li, N., Zeng, Z. Y., Wang, Z., Han, X. H. and Chen, G. M., 2015, "Experimental Study of the Energy Separation in a Vortex Tube," International Journal of Refrigeration, Vol. 55, pp. 93-101.
Thakare, H. R., Monde, A. and Parekh, A.D., 2015, "Experimental, Computational and Optimization Studies of Temperature Separation and Flow Physics of Vortex Tube: A Review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 52, pp. 1043-1071.
Katanoda, H., Yusof, M.H.b. and Morita, H., 2015, "Energy Separation Mechanism in Unconfined Laminar Compressible Vortex," International Journal of Refrigeration, Vol. 59, pp. 115-123.
Sadi, M. and Farzaneh-Gord, M., 2014, "Introduction of Annular Vortex Tube and Experimental Comparison with Ranque-hilsch Vortex Tube," International Journal of Refrigeration, Vol. 46, pp. 142-151.
Liu, X. and Liu, Z., 2014, "Investigation of the Energy Separation Effect and Flow Mechanism Inside a Vortex Tube," Applied Thermal Engineering, Vol. 67, pp. 494-506.
Wu, Y. T., Ding, Y., Ji, Y. B., Ma, C. F. and Ge, M. C., 2007, "Modification and Experimental Research on Vortex Tube," International Journal of Refrigeration, Vol. 30, pp. 1042-1049.
Skye, H. M., Nellis, G. F. and Klein, S. A., 2007, "Modification and Experimental Research on Vortex Tube," International Journal of Refrigeration, Vol. 30, pp. 1042-1049.
Eiamsa-ard, S., 2010, "Experimental Investigation of Energy Separation in a Counter-flow Ranque-Hilsch Vortex Tube with Multiple Inlet Snail Entries," International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 37, pp. 637-643.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.