[논문]대향류 매니폴드 입-출구 면적비에 따른 열교환기의 성능특성에 관한 수치적 연구

김상조; 최병익; 김귀순; 손창민; 하만영; 정지환; 고정상

대향류 매니폴드 입-출구 면적비에 따른 열교환기의 성능특성에 관한 수치적 연구
Numerical Investigation of the Performance of a Heat Exchanger for the Inlet-outlet Area Ratio of Counter Flow Manifold 원문보기

김상조 (부산대학교 항공우주공학과 대학원) , 최병익 (부산대학교 항공우주공학과 대학원) , 김귀순 (부산대학교 항공우주공학과) , 손창민 (부산대학교 기계공학부) , 하만영 (부산대학교 기계공학부) , 정지환 (부산대학교 기계공학부) , 고정상 (부산대학교 기계공학부)

본 논문에서는 대향류 매니폴드의 면적비에 따른 튜브형 열교환기에서의 압력강하와 유량 균일도를 분석하기위해 전산해석을 수행하였다. 유동 분배와 압력손실 특성은 입-출구 면적비에 따라 영향을 받는다. 본 연구에서, 최적의 입-출구 면적비를 선택함으로서 튜브형 열교환기의 유동 불균일도 최소와 향상된 압력손실 특성을 얻을 수 있었다.

In present paper focused on the influence of the inlet-outlet area ratio of counter flow manifold on the flow distribution and pressure drop characteristics of a tubular heat exchanger. The characteristics of flow distribution and pressure loss can be obtained depending on the inlet-outlet area ratio. In this paper, a tubular heat exchanger can be designed with minimum flow mal-distribution and better characteristic of pressure loss by choosing the optimum inlet-outlet area ratio.

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문제 정의

따라서 본 연구는 전산해석을 통하여 대향류 매니폴드 입-출구 면적비에 따른 열교환기의 성능특성에 관한 연구를 수행하였다. 그리고 열교환기의 형상과 운용조건에 따른 매니폴드 입-출구 영향을 알아보기 위해서 매니폴드 유동면적과 튜브 총 유동면적의 비로 정의된 총면적비를 1.
본 연구에서는 대향류 매니폴드 입-출구 면적비에 따른 열교환기의 성능특성을 분석하기 위해 전산해석을 수행하였다.
앞서 제시한 모델을 이용하여 유량 분배와 압력강하에 대한 매니폴드 입-출구 면적비의 영향을 살펴보고자 한다. 압력강하는 열교환기의 입구와 출구의 압력 차이를 입구의 동압으로 나누어 무차원화 하였다.

가설 설정

1과 같이 매니폴드의 길이 방향으로 20개의 튜브가 배치되어 있으며, 대향류 매니폴드를 통해 분지되는 형태로 되어있다. 수평방향(z-축)으로의 튜브배열은 충분한 튜브가 있다 가정하고 양쪽 벽면에 대칭(symmetry)조건을 주어 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 모델의 형상과 관련된 치수는 table 1에 나타내었다.

제안 방법

따라서 본 연구는 전산해석을 통하여 대향류 매니폴드 입-출구 면적비에 따른 열교환기의 성능특성에 관한 연구를 수행하였다. 그리고 열교환기의 형상과 운용조건에 따른 매니폴드 입-출구 영향을 알아보기 위해서 매니폴드 유동면적과 튜브 총 유동면적의 비로 정의된 총면적비를 1.42, 2.84, 5.68세 가지로, 레이놀즈수를 49,000, 74,000, 99,000로 나누어 성능특성을 분석하였다.
입구에는 일정유량 조건, 후류에는 압력출구 조건을 주었다. 또한 기준속도는 매니폴드 입구에서의 속도를, 기준 길이는 매니폴드 입구 수력지름으로 정하고 레이놀즈수에 반영하였다. 본 연구에서 적용된 지배방정식은 3차원 Navier-Stokes방정식이며, 난류모델은 Realizable k-ε을 사용하고, 벽면영역은 Standard wall function으로 처리하였다.
본 연구에서는 상용 전산유체 해석프로그램인 FLUENT를 사용하여 여러 가지 조건에 대한 유동현상을 해석하였다. 계산조건은 매니폴드에서의 레이놀즈수 49,000, 74,000, 그리고 99,000이다.
앞서 제시한 모델을 이용하여 유량 분배와 압력강하에 대한 매니폴드 입-출구 면적비의 영향을 살펴보고자 한다. 압력강하는 열교환기의 입구와 출구의 압력 차이를 입구의 동압으로 나누어 무차원화 하였다. 유량 분배 정도는 유량 분포에 대한 각 분지관 유량을 나타내는 유량 불균일도(S)를 이용하였으며, 다음과 같다.
열교환기의 형상에 따른 매니폴드 입-출구 영향을 알아보기 위해 총면적비(A_r)를 다음과 같이 매니폴드 입구 유동면적(A_div)과 튜브 총 유동면적(NA_b)의 비로 정의하고 1.42, 2.84, 그리고 5.68로 나누어 성능특성을 분석하였다.
choi 등[4]은 평행류와 대향류 매니폴드의 입구와 출구의 면적비에 따른 유량 분배 특성에 관해 연구를 수행하였다. 위의 연구들은 연속모델과 불연속모델을 이용하여 수치적 계산을 수행하였다. 이러한 모델을 이용한 계산의 경우 CFD(computational fluid dynamic)를 이용한 계산에 비해 시간이 적게 든다는 장점이 있지만, 계산의 오차가 크고 내부의 유동현상을 예측할 수 없다는 단점이 있다.
84, 레이놀즈수가 74,000인 경우의 입-출구 면적비에 따른 유동 분포를 나타낸 것이다. 튜브의 유량은 각 튜브로 유입되는 평균유량으로 나누어 무차원화 하였다. 입-출구 면적비가 0.

대상 데이터

본 연구에서의 해석대상이 되는 열교환기는 Fig. 1과 같이 매니폴드의 길이 방향으로 20개의 튜브가 배치되어 있으며, 대향류 매니폴드를 통해 분지되는 형태로 되어있다. 수평방향(z-축)으로의 튜브배열은 충분한 튜브가 있다 가정하고 양쪽 벽면에 대칭(symmetry)조건을 주어 계산을 수행하였다.

이론/모형

Realizable k-ε 난류모델은 매니폴드 형태의 유동 분지 현상을 잘 묘사할 수 있는 것으로 알려져 있다[5]. 공간차분화는 2차원 상류차분 도식(second order upwind difference)을 사용하였다. 알고리즘은 SIMPLEC를 사용하였으며, 방정식의 오차는 1.
본 연구에서 적용된 지배방정식은 3차원 Navier-Stokes방정식이며, 난류모델은 Realizable k-ε을 사용하고, 벽면영역은 Standard wall function으로 처리하였다.
알고리즘은 SIMPLEC를 사용하였으며, 방정식의 오차는 1.0 × 10-5가 되면 수렴한 것으로 판단하였다.

성능/효과

유동 불균일도는 입-출구 면적비가 변하면서 감소하거나 증가하는 경향을 보였으며, A_r의 1.42, 2.84, 5.68 각각의 경우, 입-출구 면적비가 0.55, 0.60, 0.65에서 최소의 값을 보였다.

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