[논문]쉘앤튜브형 열교환기의 단일 쉘 내 고온공기 열유동 특성 해석

양영준

doi:10.21289/ksic.2023.26.2.255

[국내논문] 쉘앤튜브형 열교환기의 단일 쉘 내 고온공기 열유동 특성 해석
Analysis on Characteristics of Thermal Flow of Hot Air in Single Shell of Shell and Tube-type Heat Exchanger 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.2/1, 2023년, pp.255 - 263

양영준 (경상국립대학교 자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The shell and tube-type heat exchangers have been frequently used in many industrial field because of its simple structure and wide operation conditions and so on. The purpose of this study is to investigate the flow characteristics in single shell of shell and tube-type heat exchanger according to velocity and temperature of hot air released from heat exchanger simulator through numerical analysis. As the results, the temperature was decreased in almost quadratic curve from top to bottom in single shell of the shell and tube-type heat exchanger. Further the changes of pressure and velocity in outlet according to change of inlet temperature were not observed. The cost for operating the shell and tube-type heat exchanger should be compared the supply cost of hot air with that of velocity in order to make a economic decision.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Simulator and shell & tube-type heat exchanger
그림 Fig. 2 Modeling
그림 Fig. 3 Mesh
표 Table 1. Analysis conditions
그림 Fig. 4 Images with respect to inlet vel. in case of inlet temp. 80℃.
그림 Fig. 5 Variations of relative pressure according to location in shell in case of inlet vel. 0.61m/s and inlet temp. 80℃
그림 Fig. 6 Results according to location in shell in case of inlet vel. 0.61m/s and inlet temp. 80℃
그림 Fig. 7 Results in outlet according to inlet temp. in case of inlet vel. 0.61m/s
그림 Fig. 8 Results in outlet according to inlet vel. in case of inlet temp. 80℃.
그림 Fig. 9 Temp. in outlet according to inlet vel. in case of inlet temp. 80℃
그림 Fig. 10 Temp. in outlet according to inlet temp. in case of inlet vel. 0.12m/s and 0.85m/s
그림 Fig. 11 Examples of temp. image in shell in case of inlet vel. 0.61m/s and inlet temp. 80℃
그림 Fig. 12 Differences of mean pressure drop and mean temp. drop according to inlet vel. and inlet temp

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 수치해석을 통해 고온공기가 열교환 기 시뮬레이터에서 쉘앤튜브형 열교환기로 유입될 때 고온공기의 유속(유량) 및 온도 변화에 따른 단 일 쉘 내 유동 특성을 조사하였다. 즉 쉘앤튜브형 열교환기의 단일 쉘 내 고온공기 유동으로 인한 쉘 내 압력강하 및 온도 변화 특성 등을 조사하여 열교환기 설계 기초자료를 취득하고자 하였다.
본 연구는 수치해석을 통해 고온공기가 열교환 기 시뮬레이터에서 쉘앤튜브형 열교환기로 유입될 때 고온공기의 유속(유량) 및 온도 변화에 따른 단 일 쉘 내 유동 특성을 조사하였다. 즉 쉘앤튜브형 열교환기의 단일 쉘 내 고온공기 유동으로 인한 쉘 내 압력강하 및 온도 변화 특성 등을 조사하여 열교환기 설계 기초자료를 취득하고자 하였다.

가설 설정

열교환기 TEMA 기준에 따르면 BCR은 일반적으로 20∼30% 범위가 되도록 설계 한다. 따라서 본 해석에서는 BCR을 25%로 설정 하였다. BCR 25%를 위해서는 배플의 커트높이를 한쪽 길이만 h=54mm로 설정해야 하지만 해석에 서는 위 영역의 h=27mm에서 고온공기가 유입하 고 아래 영역의 h=27mm에서 유출하는 것으로 근사화하였다.
BCR 25%를 위해서는 배플의 커트높이를 한쪽 길이만 h=54mm로 설정해야 하지만 해석에 서는 위 영역의 h=27mm에서 고온공기가 유입하 고 아래 영역의 h=27mm에서 유출하는 것으로 근사화하였다. 또한 실제 고온공기는 쉘 내에서 유입 경사각을 가지고 튜브와 충돌하지만 본 해석 에서는 직각 충돌로 가정하였다. 경사 각도에 따 른 열전달 영향을 비교하는 것도 흥미로울 것이 다.

제안 방법

수치해석을 통해 쉘앤튜브형 열교환기의 쉘 내고온공기의 유동특성을 조사하였다. 그 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.
해석조건을 Table 1에 나타내었다. 시뮬 레이터의 고온공기 유량 범위가 최대 80 m3/h이므 로 이를 20 m3/h의 간격인 10, 30, 50, 70 m3/h 으로 설정하였다. 이를 해석대상 면적에 유입하는 속도로 환산하면 각각 0.

대상 데이터

3에 해석 격자(mesh)를 나타내었다. 격자 형태는 사면체(tetrahedron), 노드 수는 약 57만개, 엘리먼트 수는 약 300만개이다. 열전달은 순수 열 전달만 취급하는 Thermal Energy, 난류모델로서 역압력 구배로 인한 유동박리 현상 예측에 많이 사 용되는 SST(shear stress transport) 모델을 적용하 였다.

이론/모형

격자 형태는 사면체(tetrahedron), 노드 수는 약 57만개, 엘리먼트 수는 약 300만개이다. 열전달은 순수 열 전달만 취급하는 Thermal Energy, 난류모델로서 역압력 구배로 인한 유동박리 현상 예측에 많이 사 용되는 SST(shear stress transport) 모델을 적용하 였다. 반복해석에서 잔차는 10-8 오더로 설정하였으 며 해석 프로그램으로서 ANSYS Workbench를 사 용하였다.

성능/효과

또 한 본 해석을 통해 쉘 내 압력강하(△P)와 온도강 하(△T)의 관계를 확인하여 해석대상의 쉘앤튜브 형 열교환기에서 설계 기초자료 취득 가능성을 확 인하였다. 결과적으로 쉘 내에 유입되는 고온공기 의 공급 비용과 공급속도(즉 공급유량) 비용을 서 로 비교하여 경제적인 운전조건 결정이 가능함을 확인하였다.
그 결과 본 형상의 쉘앤튜브형 열교환기는 쉘 의 양쪽 측면에서 더 높은 온도분포를 보이고 고 온공기와 접촉하는 튜브는 각 튜브 위치마다 다르 다. 쉘 상층부에서 하층부로의 평균온도 감소는 거의 2차곡선 형태로 변한다.
유입온도의 변화에 따른 출구압력 및 출구속도 변화는 거의 없다. 또 한 본 해석을 통해 쉘 내 압력강하(△P)와 온도강 하(△T)의 관계를 확인하여 해석대상의 쉘앤튜브 형 열교환기에서 설계 기초자료 취득 가능성을 확 인하였다. 결과적으로 쉘 내에 유입되는 고온공기 의 공급 비용과 공급속도(즉 공급유량) 비용을 서 로 비교하여 경제적인 운전조건 결정이 가능함을 확인하였다.
또한 쉘 하부로 갈수록 온도가 감소한 다. 본 해석대상 열교환기의 쉘의 양쪽 측면부는 튜브 영역과 비교하여 쉘의 하부에서도 높은 온도 를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
그 결과 본 형상의 쉘앤튜브형 열교환기는 쉘 의 양쪽 측면에서 더 높은 온도분포를 보이고 고 온공기와 접촉하는 튜브는 각 튜브 위치마다 다르 다. 쉘 상층부에서 하층부로의 평균온도 감소는 거의 2차곡선 형태로 변한다. 유입온도의 변화에 따른 출구압력 및 출구속도 변화는 거의 없다.

후속연구

따 라서 본 해석대상의 열교환기 설계 시 목표로 하 는 온도차를 설정하고 그에 맞는 유입온도와 유입 속도를 결정해야 할 것으로 예상된다. 결과적으로 유입온도와 유입속도의 비용을 서로 비교하여 경제 적인 결정을 내려야 할 것으로 판단된다.
본 해석대상의 쉘앤튜브형 열교환기 에서 ΔP와 ΔT의 관계를 도출하여 설계 기초자료 를 취득하는 것도 흥미로울 것이다

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상세보기
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