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문제 정의
- 본 연구는 플라스틱 코팅 알루미늄 판형 열교환기(PCAM PHE)의 예비성능을 검토하는데 있다. 이 열교환기의 특징은 우수한 열전도율을 가지고 있어서 열교환 성능이 높고, 도포한 열전도성 플라스틱 수지는 내식성, 내화학성이 있다.
- 본 연구의 해석 목적은 유량변화와 열교환기 재질변화를 주요 변수로 하여 각각에 대해서 열전달 성능과 압력강하를 예측하는데 있다. 해석시 격자수를 줄이기 위하여 1쌍의 유로를 가지는 3개의 열판을 사용하였으며 정상유동에서 유로의 흐름은 대향류로 설정하였다.
- 최근에는 공동주택의 환기시설에서 배기열을 회수하여 에너지를 절감시키는 용도로도 판형 열교환기가 개발되어 적용되고 있으며, 이에 대한 연구로 Park[5]은 알루미늄 판형 열교환기를 사용하여 환기장치 내의 온도, 습도 등의 데이터를 비교 분석하고 이를 바탕으로 열교환 효율을 평가하고자 시뮬레이션과 축소된 실물을 가지고 실험을 병행하여 연구하였다. 또한 Yoo et al.
제안 방법
- 먼저 형상과 관련한 연구로는 Oh et al.[1]은 쉐브론 각도와 딤플이 있는 원뿔형상 등 다양한 형상의 판에서 질량유량비의 변화에 따른 열교환기의 열전달 효율과 압력강하를 SSG Reynolds Stress 난류모델을 이용한 수치해석과 이를 검증하기 위한 실험을 통해 비교 분석하였다. 그 결과 60°의 쉐브론 형상이 열전달 효율은 가장 좋으면서 높은 압력강하를 나타냈으며 원뿔형상에서는 딤플이 지그재그로 구성된 형상이 열전달 성능이 가장 높지만 원뿔의 산과 산이 접촉하는 곳에서는 열교환이 일어나지 않는 것을 확인하였다.
- Tetrahedral형의 격자에 비하여 Polyhedral형 격자는 비슷한 정확도를 유지하면서 필요한 메모리가 적고 수렴성이 좋다고 알려져 있다. 격자는 ANSYS Fluent Meshing을 사용하여 생성하였다.
- 본 연구는 STS316, Titanium, PCAM 재질로 된 열교환기의 성능을 연구하기 위해서 먼저 상용 표준제품인 먼저 상용 표준제품인 제조사 APV[10]의 T4 모델 기준으로 STS316, Titanium, PCAM 재질에 대하여 세계적으로 공인된 열교환기 설계 프로그램인 HTRI 프로그램을 이용하여 유량 0.301 kg/s을 기준으로 50%씩 축소 및 증가시켜 총괄열전달계수와 압력강하를 산출하였다. 그 다음 동일한 크기의 열교환기를 Solidworks [11] 프로그램을 이용하여 3차원 모델링하고, STS316, Titanium, PCAM 재질에 대하여 HTRI 프로그램과 동일한 조건에서 ANSYSFluent[12] 상용 해석 프로그램을 이용하여 수치해석을 한 후 그 결과 값을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서 해석하고자 하는 판형 열교환기 모델은 APV사 상용 모델인 T4로 판의 단위전열면적은 0.04 m2/장, 쉐브론 각도는 HTRI 프로그램은 60°, 45°, 30°으로 해석하였으며, 수치해석에서는 60°, 30°만 해석하였다.
- 본 연구에서는 기존의 STS316 재질의 판형 열교환기 보다 경량이면서 내식성, 내화학성 등 내구성이 향상되고 경제성이 높은 알루미늄 재질에 플라스틱 수지가 코팅된 PCAM 판형 열교환기의 열전달 및 압력강하 성능에 대해서 상용 Software와 수치해석을 병행하여 비교 분석 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이 열교환기의 특징은 우수한 열전도율을 가지고 있어서 열교환 성능이 높고, 도포한 열전도성 플라스틱 수지는 내식성, 내화학성이 있다. 이를 검증하기 위하여 세계적으로 공인된 열교환 성능 검증 프로그램인 HTRI[9]와 CFD 수치해석을 수행하여 비교 검토하였다.
대상 데이터
- 작동유체는 밀도 998.2 kg/㎥, 점성계수 0.001003 kg/m·s인 물을 사용하였다.
- 판의 크기는 449 mm(H) × 138mm(W), 판의 두께는 STS316, Titanium은 0.6 mm,PCAM 재질은 코팅으로 인해 0.76 mm이다.
- 본 연구의 해석 목적은 유량변화와 열교환기 재질변화를 주요 변수로 하여 각각에 대해서 열전달 성능과 압력강하를 예측하는데 있다. 해석시 격자수를 줄이기 위하여 1쌍의 유로를 가지는 3개의 열판을 사용하였으며 정상유동에서 유로의 흐름은 대향류로 설정하였다. 온수의 질량유량 조건은 0.
데이터처리
- 301 kg/s을 기준으로 50%씩 축소 및 증가시켜 총괄열전달계수와 압력강하를 산출하였다. 그 다음 동일한 크기의 열교환기를 Solidworks [11] 프로그램을 이용하여 3차원 모델링하고, STS316, Titanium, PCAM 재질에 대하여 HTRI 프로그램과 동일한 조건에서 ANSYSFluent[12] 상용 해석 프로그램을 이용하여 수치해석을 한 후 그 결과 값을 비교 분석하였다.
이론/모형
- 뉴턴유체,정상유동 비압축성 유동으로 가정하여 연속방정식(1)과 비압축성 Navier-Stokes 방정식 (2)을 나타내었으며, ρ는 유체의 밀도, νe는 동점성계수를 나타낸다.
성능/효과
- (1) 세계적으로 공인된 검증 프로그램인 HTRI 분석 결과 질량유량 비가 100%를 기준으로 기존의 STS316 재질의 판형 열교환기 대비 쉐브론 각이 30°일 때는 Titanium이 6.7%, PCAM이 24.0% 열교환 성능이 우수했으며, 쉐브론 각이 60°일 때는 각각 12.2%, 48.9%의 열전달 성능이 우수한 것으로 나타났다.
- (2) HTRI 분석 결과 질량유량 비가 100%를 기준으로 쉐브론 각도가 30°일 때는 28.9 kPa, 쉐브론 각도가 60°일 때는 107.5 kPa로 쉐브론 각도가 클수록 더 많은 압력손실이 발생되었지만 열전달 성능이 더 우수한 것으로 나타났다.
- (3) 전산수치해석에서는 판의 물결형상이 복잡하기 때문에 모델링의 단순화와 3차원 해석이므로 계산량을 줄이기 위하여 3개의 열판만 사용하였기 때문에 해석 결과가 실무 검증 프로그램과 다소 차이는 있지만 CFD 해석에서도 PCAM 열교환기가 성능이 가장 우수하였으며 그 다음으로 Titanium, STS316 순으로 열교환 성능을 보였다. ANSYS와HTRI의 결과값 차이를 만드는 요인은 3D 모델링작업의 정밀성이 낮아 부분적으로 유량분배가 불균형화 되어 분석 결과의 차이를 나타내었지만, 실무검증 프로그램인 HTRI의 결과 값과 CFD 해석의 결과 값이 둘 다 유사한 열전달 및 압력강하 특성을 보인다는 결과를 확인하였다.
- Table 6에는 쉐브론 각도 60°에서 질량유량 비가 각각 50%, 100%, 150%인 조건일 때 열전달율을 나타내었다. 100% 질량유량을 기준으로 STS316 대비 Titanium은 3.5%, PCAM은 14.8% 열전달율이 증가한 것을 알 수 있었다. Fig.
- (3) 전산수치해석에서는 판의 물결형상이 복잡하기 때문에 모델링의 단순화와 3차원 해석이므로 계산량을 줄이기 위하여 3개의 열판만 사용하였기 때문에 해석 결과가 실무 검증 프로그램과 다소 차이는 있지만 CFD 해석에서도 PCAM 열교환기가 성능이 가장 우수하였으며 그 다음으로 Titanium, STS316 순으로 열교환 성능을 보였다. ANSYS와HTRI의 결과값 차이를 만드는 요인은 3D 모델링작업의 정밀성이 낮아 부분적으로 유량분배가 불균형화 되어 분석 결과의 차이를 나타내었지만, 실무검증 프로그램인 HTRI의 결과 값과 CFD 해석의 결과 값이 둘 다 유사한 열전달 및 압력강하 특성을 보인다는 결과를 확인하였다.
- Fig. 3과 같이 동일 쉐브론 각도에서는 열전도율이 가장 큰 PCAM 재질의 효율이 가장 좋으며, 60°에서는 유체 흐름의 난류 강도가 커지므로 열전도가 좋은 재질이 그에 비례하여 열교환 성능이 증가하였다.
- 7의 온수가 흐르는 판에서도PCAM 재질의 열교환기가 온수 입구의 빨간색 부분이 빨리 없어지고 출구 쪽의 파란색 부분이 더 빨리,더 많이 분포됨을 보여준다. Fig. 6, 7에 나타난 바와 같이 질량유량 비가 50%, 150%에서도 유사한 현상을 보이며 유량이 많을수록 열교환 정도가 더 잘되는 것을 확인하였다. 이 결과를 종합하여 보면 Fig.
- HTRI 프로그램 해석 결과는 Table 3과 같이 쉐브론 각도 30°, 45°, 60° 모두 열전달 성능은 PCAM이가장 높고, 그 다음이 Titanium, STS316 순서이다.
- 6은 질량유량 비가 100%일 때 냉수가 흐르는 판에서의 온도 등고선을 나타내었다. STS316, Titanium, PCAM 순으로 냉수입구에서 파란색 부분이 빨리 없어지고 빨간색 부분이 더 빨리 그리고 더 많이 분포됨을 볼 수 있으며, 이것은 바로 열교환이 그만큼 잘 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다. Fig.
- [3]은 역시 쉐브론 각도와 함께 판의 매수에 따른 열전달 성능과 압력강하를 실험을 통해서 연구하였는데 120°의 쉐브론 각도에서 난류를 형성하는 조건이 크므로 열전달 성능은 높아지며 매수가 증가할수록, 유량이 많을수록 성능은 높아지고 반면에 압력강하는 커진다는 결론을 얻었다.
- 그리고 Kwak et al.[4]은 가스켓이 설치된 판형이 아니라 용접형 판형 열교환기에서 판의 개수가 증가함에 따라 Re 수가 증가면서 유량분배가 불균형해지고 이로 인해 압력강하가 더욱 커지는 것을 확인하였다.
- 그 결과 60°의 쉐브론 형상이 열전달 효율은 가장 좋으면서 높은 압력강하를 나타냈으며 원뿔형상에서는 딤플이 지그재그로 구성된 형상이 열전달 성능이 가장 높지만 원뿔의 산과 산이 접촉하는 곳에서는 열교환이 일어나지 않는 것을 확인하였다.
- [6]은 배기열 회수용 플라스틱 판형 열교환기 성능 실험을 위하여 열전달 촉진의 방안으로 형상에 착안하였다. 기존의 평판형 열교환기를 기준으로 평판-핀형, 난류촉진형, 물결형, 딤플형의 5가지 형상을 제작하여 성능 실험한 결과물결형, 딤플형, 난류촉진형, 평판-핀형 순으로 풍속의 증가와 함께 성능이 증가하는 것을 확인하였고, 압력손실은 물결형이 가장 높았다.
- 다만 30°일 경우 그 격차가 가장 작고 45°, 60°로 각도가 증가할수록 그 격차가 커지면서 60°일 때 열전달 효율의 격차가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 수치해석 연구에서는 Fig. 5에 나타낸 것처럼 유량 0.301 kg/s를 100% 기준으로 하여 50% 축소된 0.1505 kg/s와 50% 증가된 0.4515 kg/s를 유량 조건으로 하여 해석하였으며, 유량과 쉐브론 각도에 따라 판의 압력강하가 다르므로 쉐브론 각도 60°일 경우 유량 50%일 때는 30.3 kPa, 100%일 때는 107.5kPa 그리고, 150%일 때는 229.5 kPa로 유량이 증가하면서 압력강하도 크게 나타났고, 쉐브론 각도 30°일 경우 유량 50%일 때는 7.9 kPa, 100%일 때는 28.9 kPa 그리고, 150%일 때는 62.6 kPa로 유량이 증가하면서 압력강하도 증가 되었지만, 쉐브론 각 60°보다는 쉐브론 각도 30°가 적게 증가하는 추세로 나타났다.
- 유량에 관계없이 열전달률은 PCAM이 가장 높으며, 각도 60°에서의 격차가 30°에 비하여 큰 것을 확인할 수 있다.
- 이 결과를 종합하여 보면 Fig. 8에 그래프로 나타내었듯이, 열판 각도 60°에서의 유량 50%, 100%, 150%로 갈수록, PCAM 재질이 STS316보다, Titanium보다 열전달률이 월등하게 높아짐을 알 수 있다.
- 다만 기준 유량 100% 대비 50%로 감소되었을 때 그 격차는 작아지고 반대로 150%로 증가했을 때 격차가 크게 나타난다. 즉 유로의 단면은 동일한데 비해 유량이 많아지면 저항으로 인해 압력강하는 커지고, 유체 속도는 증가하여 난류 강도가 커지면서 열교환이 활발하게 일어나고 그만큼 열전도계수가 가장 높은 PCAM 재질의 열교환 효율이 가장 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 즉, 질량유량 비가 100%를 기준으로 기존의 STS316 재질의 판형 열교환기 대비 쉐브론 각이 60°일 때는 각각 Titanium이 12.2%, 개발하고자 하는 PCAM 재질이 48.9%의 열전달 성능이 우수한 것으로 나타나고 있다.
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