[논문]난류발생기를 가지는 원형 파이프내에서의 마찰저감 및 열전달율에 관한 실험적 연구

김성수; 조성환; 윤석만

난류발생기를 가지는 원형 파이프내에서의 마찰저감 및 열전달율에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Drag Reduction & Heat Transfer Ratio in the Circular Pipe with Swirl Generater 원문보기

김성수 (전주대학교 대학원) , 조성환 (전주대학교 기계자동차공학과) , 윤석만 (한국지역난방공사 기술연구소)

Total lengths of domestic pipe network for district heating system are above about 2,500Km. A lots of pumping power for heat transportation through long pipe are required by the flow friction of pipe surface. Until now there have been considered about various methods to reduce the flow friction for district heating system such as using surfactants and turbulence promoters by swirl flow and baffles etc. At this study, swirl flow generator was tested about the possibility to increase the heat transfer ratio at the heat exchanger in the case which the suppling water temperature increased from $50^{\circ}C$ until $120^{\circ}C$. Experimental results showed that the heat transfer ratio increased and also pressure increase ratio increased simultaneously in the case which swirl flow generator installed. The amount of the increasing ratio for heat transfer and pressure were reached until 4.33% and 11% at the case of $120^{\circ}C$ suppling temperature which domestic district heating system were using.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

축열조의 고온수는 펌프를 사용하여 순환시키고, 냉각기에서 공급된 저온수와 열교환기에서 열교환이 이루어지도록 구성되어있다. 고온수 측의 배관에서 열교환기로 들어가기 직전에 난류 발생창치를 설치하는 것에 따라 열교환기에서의 열전달 효과와 압력 강하가 어느 정도인지를 평가 하는 것이다. 본 연구에서 사용된 장치들의 세부 사양은 Table 1에서 보는 바와 같다.
본 실험은 난류가 발생되었을 때 열교환기에서의 열전달률 향상을 분석하기 위해 각 경우별로 열교환기의 저ㆍ고온수의 입출구 온도 및 난류발생기 통과 전후의 압력을 측정하였다.
본 연구에서는 장거리 열수송에서 중요한 인자 중 하나인 열교환기의 열전달을 증가시키기 위한 방법으로 고온(50℃～120℃)의 유체가 흐르는 관내에서 난류발생기(swirl generator)를 설치할 경우 어느 정도 효과를 가질 수 있는 지를 평가하기위해 실험적 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 지역난방 시스템에서의 장거리 열수송을 모사하기위해 실험 장치를 제작하였다. 지역난방 시스템은 대형 축열조로부터 약 120℃의 고온수가 배관망을 통해 수용가로 공급된다.
본 연구에서는 지역난방을 하는 고온의 열공급 시스템에서 난류발생기가 원형 파이프 내에 장착 되었을 때 장착되지 않은 경우와 대비하여 압력 및 열전달률에 미치는 영향을 실험 및 분석한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

저온수 측인 냉동기에서의 공급 온도는 15℃로 설정하였으며 유량은 3lpm으로 고정하여 실험하였다. 또한, 실험 장치가 실내에 설치되어 있어 Heater와 냉동기에서 나오는 열로 실내의 온도가 상승되기 때문에 동일조건으로 실험하기위해 실내공조기를 사용하여 실내온도를 25℃로 유지하였다. 각 조건별 실험시간은 온수가 공급되기 시작하는 시점에서 10분 동안 실시하였다.
본 연구에서는 2개의 압력센서로 고온수가 난류발생기를 통과하기전의 압력과 통과후의 압력을 측정하였다. 측정범위는 0～20 kgf/cm²이다.
그림에서 볼 수 있듯 50℃, 120℃의 정상상태 도달 시간은 각각 180초와 120초 정도가 소요되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 고온수측의 공급온도가 정상 상태가 되는 시점인 실험 시작 후 180초의 부분에서 360초까지의 측정 데이터를 평균하여 열전달률 및 압력의 변화를 분석하였다.
표에서 보는 바와 같이 고온수 측의 온도를 각각 50, 80, 120℃로 설정하여 실험을 수행하였다. 이때 각 온도에서 유량은 2.5lpm, 5lpm, 10lpm, 15lpm, 20lpm으로 변경해 가며 난류발생기가 설치된 경우와 설치되지 않은 경우를 비교 실험하였다. 저온수 측인 냉동기에서의 공급 온도는 15℃로 설정하였으며 유량은 3lpm으로 고정하여 실험하였다.
Table 2는 열전달 향상을 위해 본 실험에서 사용한 실험 조건들을 나타낸다. 표에서 보는 바와 같이 고온수 측의 온도를 각각 50, 80, 120℃로 설정하여 실험을 수행하였다. 이때 각 온도에서 유량은 2.

대상 데이터

유량센서의 측정범위는 2～20lpm이 다. 각 센서들로부터 측정된 데이터들은 Agilent 사의 34970A를 통해 PC로 수집되었다.
고온수로부터 저온수로의 열교환을 위한 열교환기는 300×200×50mm의 크기로 제작된 전열량 3,320kcal/hr의 대향류 판형 열교환기를 사용하였다.
지역 난방 시스템에서 수용가의 열부하를 모사하는 Chiller는 2RT급 냉동기를 사용 하였으며, 1.5kW의 출력을 가지는 압축기가 사용되었다. 순환 펌프는 열교환기로 최대유량 40lpm으로 공급할 수 있다.

성능/효과

(1) 공급온수의 온도가 증가할수록 열교환기에서의 열전달률의 증가율은 증가 하였고, 난류발생기의 영향이 크게 나타났다.
(2) 공급온수의 온도가 낮은 온도인 50℃와 80℃에서는 난류발생기의 유무에 따른 열전달률의 증가율은 상대적으로 작은 1.2%와 2.5%로 나타났고, 최대 압력증가 비율은 약 16%로 크게 나타났다.
(3) 공급온수의 온도가 상대적으로 높은 온도인 120℃에서는 유량이 증가할수록 열전달률 증가율(Q.R)과 압력 증가율(P.R)도 증가하여 최대유량(20lpm)에서 열전달률의 증가율(Q.R)이 4.33%로 증가하였고, 압력 증가 비율(P.R)은 11%로 나타났다.
그러나 120℃에서의 유량이 증가함에 따라 열전달량의 차이값이 크게 증가 하는 것으로 나타났다. 결과적으로 120℃의 경우 최대유량 20lpm에서 열전달률의 증가 비율은 4.33% 정도가 증가하는 것으로 나타났다.
R이 모두 증가하였다. 공급수 온도가 50℃와 80℃에서 Q.R은 최대 약 1.2%와 2.5%의 증가율을 보였으며, P.R은 약 15.9%까지 증가하는 것으로 나타났다. 지역난방 시스템에서 고온수의 공급온도로 사용되는 120℃에서는 Q.
본 실험에서 계산되어진 열전달률은 저온 측에서의 열전달률을 가지고 Q.R를 계산 하였고, Q.R 값이 클수록 열교환기에서의 열전달이 좋다는 것을 의미하며, 압력의 비율을 나타내는 P.R은 %값이 낮을수록 펌프동력이 적게 들어가는 것을 의미한다.
가로축은 고온부의 유량[lpm]을 나타내며, 세로축은 열전달량[W]을 나타낸다. 전체적으로 유량이 증가할수록 열전달량이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 공급수의 온도가 낮은 50℃와 80℃ 보다는 120°C인 경우에 증가율이 크게 나타났다.
9%까지 증가하는 것으로 나타났다. 지역난방 시스템에서 고온수의 공급온도로 사용되는 120℃에서는 Q.R이 최대 4.33%가 증가하는 것으로 나타났으며, P.R 역시 최대유량인 20lpm에서 약 11%가 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 연구에서는 지역난방 시스템에서의 실제 열공급 온도인 120℃에서 열전달률 증가율을 좀 더 높이고 압력 증가율을 낮추는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

유체의 관내 마찰저항 저감효과는 어떤 현상으로 알려져 있는가?

유체의 관내 마찰저항 저감효과는 탐스효과 (Toms Effect)라는 현상으로 알려져 있다. 탐스효과는 난류의 층류화 현상에 의하여 일어나는 것으로, 사슬모양의 고분자 물질을 적용하는 경우 고분자 물질이 코일모양으로 변형되거나 서로 연결됨으로써 실모양으로 전환되게 된다.

마찰저감제는 어떻게 유체의 유동을 향상시키게 되는가?

효율적인 장거리 열수송을 위한 연구로서 대표적인 방법 중 하나는 마찰저감제를 투입하는 것이다. 이러한 마찰저감제는 파이프 내표면의 마찰 저항을 감소시킴으로서 유체의 유동을 향상시키게 되는 것이다.(1-3)

열전달 저감으로 인한 손실을 줄이고 열교환기에서의 열전달을 증가 시키고자 어떠한 방법들이 검토되고 있는가?

이러한 열전달 저감으로 인한 손실을 줄이고 열교환기에서의 열전달을 증가 시키고자 다양한 방법들이 검토되고 있다. 이러한 방법 중에는 선회유동(swirl flow) 발생장치, 파형 덕트(corrugate ducts), 리브(ribs), 배플(baffles)와 같은 난류발생장 치(turbulence promoters)를 설치하는 것이 있다.(5)

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

난류발생기를 가지는 원형 파이프내에서의 마찰저감 및 열전달율에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Drag Reduction & Heat Transfer Ratio in the Circular Pipe with Swirl Generater 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

난류발생기를 가지는 원형 파이프내에서의 마찰저감 및 열전달율에 관한 실험적 연구 Experimental Study on the Drag Reduction & Heat Transfer Ratio in the Circular Pipe with Swirl Generater 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

난류발생기를 가지는 원형 파이프내에서의 마찰저감 및 열전달율에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Drag Reduction & Heat Transfer Ratio in the Circular Pipe with Swirl Generater 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper