[논문]딤플형 판형 열교환기의 열유동 수치해석

안혁진; 이상혁; 이명성; 허남건

딤플형 판형 열교환기의 열유동 수치해석
A Numerical Analysis of Flow and Heat Transfer in the Plate Heat Exchanger with Dimple 원문보기

안혁진 (서강대학교 대학원) , 이상혁 (서강대학교 대학원) , 이명성 (서강대학교 대학원) , 허남건 (서강대학교 기계공학과)

In this study, the characteristics of internal flow and the heat transfer performance of dimpled plate heat exchanger were numerically investigated. For the numerical analysis, conjugate heat transfer method between cold fluid - plate - hot fluid was studied with appropriate boundary conditions. Velocity magnitude, temperature and pressure distribution were obtained from the simulation. Correlations for fanning f-factor and Colburn j-factor were obtained from numerical results and compared to the experimented data.

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문제 정의

본 연구에서는 배열 회수장치에 사용되는 딤플형 판형 열교환기 내의 유동특성을 파악하고, 열전달 성능을 수치해석적 방법으로 해석하였다. 각각 물과 공기를 냉각 유체로 하는 두 가지 모델에 대해 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 양면에 딤플이 주기적으로 배열되어 요철을 이루는 전열판으로 구성된 열교환기에 대하여 각각 배기가스와 물, 배기가스와 공기에 대한 열전달과 유동 저항 특성을 수치해석적으로 예측하였다. 전열판과 작동유체에 대한 해석 조건을 Table 1에 정리하였다.

제안 방법

본 연구에서는 배열 회수장치에 사용되는 딤플형 판형 열교환기 내의 유동특성을 파악하고, 열전달 성능을 수치해석적 방법으로 해석하였다. 각각 물과 공기를 냉각 유체로 하는 두 가지 모델에 대해 해석을 수행하였다. 전열판과 유체 사이의 전도와 대류를 동시에 고려하기 위하여 Conjugate heat transfer 방법을 사용하였고, 주기적으로 반복되는 전열판을 모사하기 위해 Cyclic boundary condition을 해석조건으로 하였다.
전열판과 작동유체에 대한 해석 조건을 Table 1에 정리하였다. 같은 크기의 딤플이 주기적으로 배열된 전열판(Model I)으로 구성된 열교환기와 서로 다른 크기의 딤플들이 배열된 전열판(Model II)으로 구성된 열교환기에 대해 각각 배기가스와 공기(Case I), 배기가스와 물(Case II)에 대하여 해석을 수행하였다.
그래프에서는 배기가스의 응축 잠열의 고려 여부로 인해 열전달량에서 차이를 보이게 된다. 본 수치해석에서는 응축을 고려하지 않은 배기가스의 열전달량을 기준으로 하여 해석을 수행하였다. Fig.
온도차가 나는 두 유체 사이에 위치한 전열판에서의 열전달 현상을 고려하기 위해 Conjugate heat transfer analysis를 수행하였다. 고체를 통해 전도되는 전열량을 계산할 수 있어, 고온의 배기가스가 포함하고 있는 열이 저온의 공기 또는 물로 전달되는 현상을 수치해석적으로 예측할 수 있다.
적층구조로 이루어진 전열판에 대해 Cyclic boundary condition을 적용하였다. 이는 계산에서 사용되는 변수가 서로 기하학적인 차이를 가지고 반복될 때, 한 쌍의 경계면에서 서로 연속이 되도록 설정하는 것이다.
Case I에서는 열판 간격이 좁은 쪽에 배기가스가, 넓은 쪽에 공기가 위치하고, Case II에서는 열판 간격이 넓은 쪽에 배기가스가, 좁은 쪽에 물이 위치한다. 주기적으로 반복되는 형상을 단위격자로 생성하여 전체 형상을 구성하였다.

대상 데이터

Fig. 1과 같이 실제 열교환기에서 사용되는 전열판(Model I)을 모델링하여 해석을 수행하였다. Model I은 Fig.

데이터처리

본 연구에서 수치 해석한 결과의 타당성을 고찰하기 위해 기존에 수행된 실험 결과와 비교하였다. Fig.
전열판과 유체 사이의 전도와 대류를 동시에 고려하기 위하여 Conjugate heat transfer 방법을 사용하였고, 주기적으로 반복되는 전열판을 모사하기 위해 Cyclic boundary condition을 해석조건으로 하였다. 해석결과를 검증하기 위하여 기존 열교환기를 대상으로 수행된 실험결과와 수치해석결과를 비교하였고, 열전달량과 압력강하량을 각각 Colburn j-factor와 Fanning f-factor로 무차원화 하여 Reynolds 수에 대한 상관식을 얻었다.

이론/모형

본 연구에서 수치해석에 사용한 프로그램은 상용 CFD 코드인 STAR-CD V.3.26를 사용하였으며, 본 연구실이 보유한 AMD Opteron 250(2GHz) 36 CPU Linux cluster를 이용하였다. 각 열교환기 별 해석 격자수는 Table 2에 정리하였다.
서로 다른 형상의 전열판을 갖는 열교환기에 배기가스와 공기, 배기가스와 물의 작동유체를 사용하여 수치해석하였기 때문에, 열전달 성능과 유동 저항특성을 서로 비교하기 위해서는 무차원 변수가 요구된다. 서로 다른 작동유체 간의 열전달 성능과 압력 강하량을 비교하기 위하여 무차원 마찰 계수인 Fanning f-factor와 Colburn j-factor[7]를 도입하였다. 두 무차원 수 모두 Reynolds 수에 가장 크게 영향을 받으므로 적절한 Reynolds 수를 정의하는 것이 중요하다.
각각 물과 공기를 냉각 유체로 하는 두 가지 모델에 대해 해석을 수행하였다. 전열판과 유체 사이의 전도와 대류를 동시에 고려하기 위하여 Conjugate heat transfer 방법을 사용하였고, 주기적으로 반복되는 전열판을 모사하기 위해 Cyclic boundary condition을 해석조건으로 하였다. 해석결과를 검증하기 위하여 기존 열교환기를 대상으로 수행된 실험결과와 수치해석결과를 비교하였고, 열전달량과 압력강하량을 각각 Colburn j-factor와 Fanning f-factor로 무차원화 하여 Reynolds 수에 대한 상관식을 얻었다.

성능/효과

이로 인해 j-factor값을 평가하는 평균 속도 및 열교환기의 특성 길이를 적절히 산정하는데 있어서 이와 같은 격차가 발생하였을 것이다. 그래프 전반에 걸쳐 Reynolds 수가 증가함에 따라 j-factor가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. Model I과 II에서 물에 대한 j-factor값이 공기와 배기가스의 j-factor값보다 상회하는 것을 확인할 수 있다.
이는 계산에서 사용되는 변수가 서로 기하학적인 차이를 가지고 반복될 때, 한 쌍의 경계면에서 서로 연속이 되도록 설정하는 것이다. 본 연구의 대상인 딤플형 판형 열교환기의 경우 한 쌍의 고온과 저온 유체를 포함하는 단위 격자 생성 후 전체 형상을 형성하게 되는데, Cyclic boundary condition을 적용하면 전체 격자와 동일한 격자가 위, 아래에 존재하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있기 때문에 격자수를 절감 시킬 수 있고, 수치해석의 효율을 높일 수 있다.
실험결과와의 비교를 통해 해석결과가 정성적, 정량적으로 타당함을 검증할 수 있었다. 서로 다른 형태의 딤플 배열을 같는 열판으로 구성된 열교환기의 열전달량을 Colburn j-factor로, 압력강하량을 Fanning f-factor로 무차원화하여, Reynolds 수에 따른 상관식을 도출할 수 있었다.
수치해석을 통하여 각각의 유동의 특성과, 열전달 성능, 유동 저항특성을 얻을 수 있었다. 각 Case별 열전달량에 대한 결과를 얻을 수 있었다.
해석결과는 그래프와 같이 정성적, 정량적으로 실험결과와 부합하는 것을 확인할 수 있었다. 수치해석을 통해 얻은 결과는 실험 결과와 마찬가지로 부하량이 커짐에 따라 열전달량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한 각 작동유체의 속도, 온도, 압력에 대한 결과를 얻을 수 있었다. 실험결과와의 비교를 통해 해석결과가 정성적, 정량적으로 타당함을 검증할 수 있었다. 서로 다른 형태의 딤플 배열을 같는 열판으로 구성된 열교환기의 열전달량을 Colburn j-factor로, 압력강하량을 Fanning f-factor로 무차원화하여, Reynolds 수에 따른 상관식을 도출할 수 있었다.
10에 도시하였다. 전체적으로는 Reynolds 수가 증가함에 따라 하향하는 경향을 보였다. R L > 100인 범위에서 Model II의 f-factor는 Reynolds 수가 증가함에 따라 Model I의 f-factor에 비해 더 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

배열 회수장치란 무엇인가?

산업용 설비기기들에서 방출되는 고온의 배기가스의 열을 효율적으로 회수하기 위한 장치를 배열 회수장치라고 한다. 회수된 열은 급수 또는 공기의 예열에 사용하여 전체 시스템의 열전달 성능을 향상시킨다.

열교환기 내에 부착되어있는 유동간섭물은 어떠한 역할을 하는가?

일반적으로 열교환기 내에는 리브(rib), 핀(pin), 딤플(dimple) 등의 유동간섭물이 부착되는데, 이들은 난류 발생을 야기하고 열경계층 형성을 억제시켜 열전달을 촉진한다. 이러한 유동 간섭물은 열전달 성능은 향상시키지만 압력강하를 증가시키는 단점도 가지므로 설계 시 열전달계수와 마찰계수에 대한 고려가 필요하다.

열교환기 내에 부착된 유동간섭물은 어떠한 악영향을 만드는가?

일반적으로 열교환기 내에는 리브(rib), 핀(pin), 딤플(dimple) 등의 유동간섭물이 부착되는데, 이들은 난류 발생을 야기하고 열경계층 형성을 억제시켜 열전달을 촉진한다. 이러한 유동 간섭물은 열전달 성능은 향상시키지만 압력강하를 증가시키는 단점도 가지므로 설계 시 열전달계수와 마찰계수에 대한 고려가 필요하다.

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