[논문]Shell & Tube 열교환기 Shell 측 열전달 및 유동에 대한 수치해석

이상혁; 이명성; 허남건

문제 정의

본 연구에서는 CFD를 통해 현재 Shell & Tube 열교환기의설계 모델에 대한 내부 유동 현상 및 열전달 특성을 확인해보고 이로부터 열전달을 향상시키기 위한 설계 인자로써 Sealing Strip 설치에 따른 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 냉각장치로 사용되는 원통다관형 열교환기에 다해서 수치해석을 수행하였다. 열교환기의 성능을 알아보기 위하여 유동 및 열전달에 대한 연구를 진행하였다.
본 장에서는 열교환기의 성능을 향상시키기 위해 기존 형상과 설계 인자 중 원통 내부에서 관 주변 유동을 활발히 하기 위한 Sealing Strip의 설치 유무와 설치 위치에 따른 유동에 대해 비교를 통해 열전달 현상에 미치는 영향에 대해 알아보았다.

가설 설정

이 때, 열교환기 내부의 유동 및 열전달에 대한 특성을 알아보기 위하여 원통의 입구에는 40t 온도의 Air가 5, 400 Nn0hr의 유량을 갖는 것으로 설정하였다. 냉매는 상변화가 일어나는 상태에서 열전달이 진행되기 때문에 냉매의 온도는이로 유지된다고 가정하였다. 따라서 관의 바깥면을 0P의벽 경계조건으로 설정하였다.
시킨다. 이 때, 열교환기 내부의 유동 및 열전달에 대한 특성을 알아보기 위하여 원통의 입구에는 40t 온도의 Air가 5, 400 Nn0hr의 유량을 갖는 것으로 설정하였다. 냉매는 상변화가 일어나는 상태에서 열전달이 진행되기 때문에 냉매의 온도는이로 유지된다고 가정하였다.

제안 방법

따라서 관의 바깥면을 0P의벽 경계조건으로 설정하였다. 또한 해석에 있어 대칭인 입출구 방향에 대해 절반의 격자만을 사용하였고 대칭인 면에 대해서는 대칭 경계조건을 사용하였다.
열교환기 성능 향상을 위한 Sealing Strip 설치에 따른 유동을 비교하기 위하여 Fig. 5와 같은 형상을 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 해석 격자는 가로막을 경계로 주기적인 유동 특성을 갖는 부분을 사용하여 주기 경계조건을 사용하여 해석하였으며 입출구 방향으로 대칭이므로 대칭 경계조건을 사용하였다.
다해서 수치해석을 수행하였다. 열교환기의 성능을 알아보기 위하여 유동 및 열전달에 대한 연구를 진행하였다. 원통내의 온도 분포를 통해서 원통 다관형 열교환기 내의 전체적인 열전달 현상을 확인할 수 있었다.
원통다관형 열교환기의 성능을 평가하기 위하여 Fig. 1과같은 형상의 열교환기를 수치해석 하였다. 이 열교환기는 원통 부분 길이가 2, 239mm이고 내경이 590mm이며, 외경이 12.
원통다관형 열교환기의 성능이라고 할 수 있는 출구에서의 온도를 구하기 위한 열유동 해석을 수행하였다. Fig.
이때 열저항으로는 관에서 관 주변의 유체로 열이 전달됨에 있어서 관의 벽면에서 고체의 전도에 위한 열저항과 원통 부분유체의 관 주변에서의 응축에 위한 열저항이 있다. 이를 고려하기 위해서 관 부분에 해당되는 일정 온도를 갖는 벽 경계조건에 열저항을 고려하였다.
5와 같은 형상을 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 해석 격자는 가로막을 경계로 주기적인 유동 특성을 갖는 부분을 사용하여 주기 경계조건을 사용하여 해석하였으며 입출구 방향으로 대칭이므로 대칭 경계조건을 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 원통 다관형 열교환기는 관 내부에 흐르는 냉매(R-22)가 원통 내부의 뜨거운 유체(Air)와 열전달을 하여 냉매의 잠열로 인하여 원통 내부 유체를 냉각 시킨다. 이 때, 열교환기 내부의 유동 및 열전달에 대한 특성을 알아보기 위하여 원통의 입구에는 40t 온도의 Air가 5, 400 Nn0hr의 유량을 갖는 것으로 설정하였다.
2와 같은 계산 격자를 생성하였다. 이 때, 전체 열교환기는 입출구 방향으로 대칭이므로 절반만을 해석격자로 사용하였으며 절반의 형상에 대해 1, 450만개의 유체격자로 구성하였다.
1과같은 형상의 열교환기를 수치해석 하였다. 이 열교환기는 원통 부분 길이가 2, 239mm이고 내경이 590mm이며, 외경이 12.7nun인 660개의 관으로 구성되어 있다. 또한 열교환기의 원통 부분 입구 및 출구 직경은 140mm이다.

이론/모형

이 때 원통다관형 열교환기의 내부 유동 및 열전달에 대하여 상용 프로그램인 STAR-CD를 사용하여 정상상태 비압축성난류유동을 해석하였으며, 지배 방정식은 기본적인 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였고, 난류 모델은 k-e 모델, 해석 알고리즘은 PISO 법을 적용하였다.

성능/효과

15°C의결과를 얻었다. 관 내에 흐르고 있는 유체에 위해서 원통 부분의 유체인 공기의 열을 많이 빼앗아가나 열교환기의 내부유동 결과에서 확인한 것과 같이 관군을 통해서 유동장이 형성되지 않고 관군 주변으로의 유동장이 대부분 형성되기 때문에 충분한 열교환은 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 관군을 통해 흐르는 유동장을 더욱 활발하게 한다면더 많은 열전달 효과를 얻을 수 있을 것이다.
또한, 열교환기의 원통부분의 유동장에서 관군이 중심 부분에 집중되어 있어 관군바깥으로 유동이 우회하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 열전달 성능을 저하를 초래하였다. 또한 원통 내부 유체의 관주변 유동을 활발하게 할 수 있는 가로막 상하단부 및 중심부분에 Sealing Strip과 같은 설계 인자 변화는 열전달을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
원통내의 온도 분포를 통해서 원통 다관형 열교환기 내의 전체적인 열전달 현상을 확인할 수 있었다. 또한, 열교환기의 원통부분의 유동장에서 관군이 중심 부분에 집중되어 있어 관군바깥으로 유동이 우회하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 열전달 성능을 저하를 초래하였다. 또한 원통 내부 유체의 관주변 유동을 활발하게 할 수 있는 가로막 상하단부 및 중심부분에 Sealing Strip과 같은 설계 인자 변화는 열전달을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
열교환기의 성능을 알아보기 위하여 유동 및 열전달에 대한 연구를 진행하였다. 원통내의 온도 분포를 통해서 원통 다관형 열교환기 내의 전체적인 열전달 현상을 확인할 수 있었다. 또한, 열교환기의 원통부분의 유동장에서 관군이 중심 부분에 집중되어 있어 관군바깥으로 유동이 우회하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 열전달 성능을 저하를 초래하였다.

후속연구

이론적 해석 방법[1]은 전열량과 압력 손실로부터 열교환기의 성능을 평가하는 것으로 종류로는 관의 외측 흐름에관한 해석에 따라 크게 세 종류로 나눌 수 있다. Kern 방법에서는 관과 가로막, 원통과 가로막 등의 누설류와 관군과 원통사이의 우회류를 고려하지 않고 열전달 상관식을 이용하였고, Bell-Delaware 방법에서는 누설류와 우회류를 실험을 통한 보정인자를 사용하였으며, Stream Analysis 방법은 누설류와 우회류에 대한 유동 저항 회로를 활용하여 열교환기의 성능을 평가하였다 하지만 상관식을 통한 열교환기의 해석은 유동및 열전달 현상에 있어서 실험에서 얻어진 상관식을 사용하기 때문에 성능을 평가하는데 있어 국부적인 현상이나 특성을 알아보는데 한계를 가지고 있다.
관 내에 흐르고 있는 유체에 위해서 원통 부분의 유체인 공기의 열을 많이 빼앗아가나 열교환기의 내부유동 결과에서 확인한 것과 같이 관군을 통해서 유동장이 형성되지 않고 관군 주변으로의 유동장이 대부분 형성되기 때문에 충분한 열교환은 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 관군을 통해 흐르는 유동장을 더욱 활발하게 한다면더 많은 열전달 효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 열교환기내부에서 관과 관 주변의 유체와의 정확한 열전달 현상을 알아보기 위해서는 관과 주변 유체에서의 열저항 및 관 주변에서의 응축에 위한 영향과 같은 현상에 대한 연구가 진행되어야 한다.
따라서, 관군을 통해 흐르는 유동장을 더욱 활발하게 한다면더 많은 열전달 효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 열교환기내부에서 관과 관 주변의 유체와의 정확한 열전달 현상을 알아보기 위해서는 관과 주변 유체에서의 열저항 및 관 주변에서의 응축에 위한 영향과 같은 현상에 대한 연구가 진행되어야 한다.

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