[논문]보텍스튜브 성능향상을 위한 유입노즐 조건에 관한 연구

최훈기; 유근종; 임윤승

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.2.068

보텍스튜브 성능향상을 위한 유입노즐 조건에 관한 연구
Inflow Nozzle Conditions for Improving Vortex Tube Performance 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.2, 2018년, pp.68 - 76

최훈기 (국립창원대학교 기계공학부) , 유근종 (국립창원대학교 기계공학부) , 임윤승 (국립창원대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A vortex tube is a simple energy separating device that splits a compressed air stream into a cold and hot stream without any external energy supply or chemical reactions. The efforts of many researchers and designers have been focused on improvement of vortex tube efficiency by changing the parameters affecting vortex tube operation. The effective parameters are nozzle specifications and inflow pressure conditions. Effects of different nozzle cross-sectional area and number of nozzles are evaluated by computational fluid dynamics (CFD) analysis. In this study, CFD analysis of 3-D steady state and turbulent flow through a vortex tube was performed. We investigated the cold air mass flow rate, the cold air temperature, and the cold air heat transfer rate behavior of a vortex tube by utilizing seven straight nozzles and four inflow pressure conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

뿐만 아니라 유입공기의 압력의 크기도 보텍스튜브의 성능에 많은 영향을 끼치게 된다. 따라서 본 연구 에서는 접선형 공기유입 노즐의 조건(단면적, 수) 및 유입공기의 압력크기에 대한 보텍스튜브의 성능변화를 연구하려 한다.
본 연구에서는 보텍스튜브 유입노즐의 조건(개수와 단면적) 및 유입압력이 유동특성에 미치는 영향을 고찰하는 것이 목적이다. 유입노즐 단면적과 개수는 실제 보텍스튜브 유입노즐시스템을 제작 하는데 비용문제로 대두되고 유입압력은 압축기의 운전조건에 필요하므로 아주 중요한 부분이다.

제안 방법

각각의 지배방정식들에 대한 수렴여부는 초기 계산에 대한 평균오차를 기준으로 매 반복계산에서 발생하는 오차의 크기를 비교하여 1×10-4 미만이 되도록 하였다.
지금까지는 유입노즐의 개수와 단면적 크기가 보텍스튜브의 성능에 미치는 영향을 고찰하였는데 노즐의 입구 공기의 압축압력 크기도 중요한 운전 조건중의 하나이다. 따라서 유입공기 압력이 보텍 스튜브의 성능에 미치는 영향을 해석하기 위하여 노즐의 단면적이 일정한 AR2조건에서 노즐개수를 2개와 6개에 대하여 유입압력(P_i)을 P_i = 3,4,5,6 bar의 조건으로 하여 해석을 수행하였다.
먼저 분배링에 장착된 유입노즐의 위치와 유입 방향에 따라 각 노즐간의 질량흐름율(m_i) 편차를 비교해 보았다. 질량흐름율은 유입공기의 단위시간당 질량으로 환산한 물리량이다.
보텍스튜브 유입노즐의 개수, 단면적 및 유입압력의 입구조건 변화가 성능에 미치는 영향을 전산 해석을 통하여 구하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구의 수치해석 대상의 보텍스튜브는 적용한 전산해석 모델의 타당성을 입증하기 위하여 Skey ^[15] 등이 수행한 보텍스 튜브를 선정하여 본 연구와 그들이 수행한 실험결과를 비교하여 본 연구의 전산해석 모델의 타당성을 검증하였다. 구체적인 유입노즐 형상은 Fig.
아울러 유입압력(Pi)이 성능에 미치는 영향을 규명하기 위하여 Pi = 3,4,5,6bar 의 유입압력에서 해석을 수행하여 성능을 비교하였다.
질량흐름율은 유입공기의 단위시간당 질량으로 환산한 물리량이다. 유입노즐로 통해 유입되는 공기는 보텍스챔버에 접선방향으로 유입시켜 강한 와류가 형성되도록 하였다. 압축기로부터 유출된 고압의 공기는 보텍스튜브 노즐로 유입 하기 위하여 Fig.
유입노즐의 개수(N=1,2,..,8) 및 단면적이 유동특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 두가지 조건 (AR1, AR2)에 대하여 해석을 수행하여 냉풍의 질량흐름율, 냉풍의 온도 및 냉풍의 열전달율의 크기를 비교하였다.
하지만 한정된 크기의 보텍스튜브에서 최대 냉풍의 질량흐름율을 얻기 위하여 총 유입단면적의 확대가 필요하다. 이를 위하여 AR2조건으로 단면적이 일정한 노즐개수를 2개에서 8개까지 증가시켜 총유입단면적을 증가시켜 보았다. 유입노즐 개수가 많아질수록 총단면적이 비례하여 증가하며 냉풍의 질량흐름율도 노즐개수에 비례하여 증가함을 볼 수 있다.
전산해석의 타당성을 검증하기 위하여 유입노즐이 6개인 경우에 대하여 Skey^[13]등의 실험결과와 전산해석간의 온도차를 함께 비교하였다. Fig.
하고 있다. 하지만 본 연구에서는 Fig. 3과 같은 실제로 사용되고 있는 분배링이 있는 유입노즐을 해석영역으로 설정 하여 보다 해석의 정확도를 높였다. 구체적인 형상에 대한 형상정보는 Fig.

이론/모형

수치해석을 위한 격자는 ANSYS FLUENT에 사용되는 Meshing tool을 이용하였으며, 격자수는 610여만 개로 구성하였다. 각각의 지배방정식들에 대한 수렴여부는 초기 계산에 대한 평균오차를 기준으로 매 반복계산에서 발생하는 오차의 크기를 비교하여 1×10^-4 미만이 되도록 하였다.
유체 유동의 지배방정식은 SIMPLE 기법을 이용하여 해석하였으며, 전산해석 전용 소프트웨어인 ANSYS FLUENT 18.1V ^[17] 를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1. 유입노즐의 총 단면적이 일정하면 개수가 많아 지더라도 냉풍의 질량유량, 온도차 및 열전달율의 변화는 거의 없었다.
2. 유입노즐 단면적이 증가하면 냉풍의 질량유량과 열전달율은 비례하여 증가한다.
3. 유입압력이 높을수록 냉풍의 질량유량, 온도차 및 열전달율이 증가한다.
5와 같이 본 전산해석을 통해 도출된 출구온도차는 Skey^[13] 등의 실험결과와 비교하면 온도의 크기와 경향이 잘 일치함을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 적용한 수치적 모델은 타당하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보텍스튜브는 무엇인가?	냉풍발생장치는 중, 소량인 경우 보텍스튜브(Vortex Tube)를 사용할 수 있다. 이러한 보텍스튜브는 압축된 가스를 챔버 내부로 유입시키면 어떠한 움직이는 기구도 없고 튜브내부에서 화학반응도 없이 입구로 유입되는 가스보다 저온의 공기를 얻을 수 있는 디바이스이다. 상온의 공기를 압축하여 보텍스튜브에 유입시키면 온풍과 냉풍으로 분리되어진다.
	절삭가공에서 절삭유를 사용하는 이유는?	절삭가공에서 최적의 가공조건 [1] 은 절삭성능에 큰 영향을 끼치게 된다. 절삭가공에서 칩의 원활한 배출, 공작물 또는 공구의 냉각, 공구와 칩 사이의 윤활, 가공된 공작물의 표면 거칠기의 확보를 위하여 절삭유를 일반적으로 사용한다. 이러한 절삭유는 성능향상을 위하여 염소, 황, 인등 유독물질이 첨가제로 포함되어 있어 환경적인 문제뿐만 아니라 절삭유와 설비유지관리에 필요한 절삭유 관련 비용이 많이 소요되고 있는 실정이다.
	절삭가공 중 세미 건식가공의 장점은?	냉각공기와 압축공기에 미량의 윤활유를 동시에 공급하는 세미 건식가공방법은 건식 가공보다 윤활작용 및 냉각성능을 보다 개선할 수있는 방법이다. 이러한 세미 건식가공은 일반적인 절삭보다는 훨씬 적은 소량의 윤활유로 냉각 및 윤활성능을 확보할 수 있으므로 보다 친환경적인 가공 [3] 을 실현할 수 있는 장점을 가진다. Fig.

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Fluent, "ANSYS Fluent V.18 User Guide", USA, 2018.

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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