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난류 발생 열교환기

조 원 / 학 번최 욱 / 200421473조한길 / 200521461조영홍 / 200521456조민우 / 200621375주혜진 / 200821382분 반1 분 반담당 교수윤순현 교수님제출 일자2010. 3. 25 (목)Design Project 보고서와류발생기를 사용한 열교환기목 차■Abstract……………pp.1■서 론……………pp.1■선행연구분석……………pp.2~4■설계……………pp.5~12■핵심요소기술분석……………pp.12~14■설계타당성분석……………pp.15■경제성분석……………pp.15~16■요약 및 소감……………pp.16■참고문헌……………pp.16- -? Abstract유한한 자원으로 인해, 열에너지 효율 증대는 언제나 엔지니어들의 고민거리였다. 현대는 에너지를 보다 많이 얻고, 보다 효율적으로 처리하는 기술 개발로 카르노 효율에 점차 다가서고 있다. 하지만 개선이 필요한 부분이 많이 남아있다는 사실에 입각해 ‘열교환기’라는 제품의 효율을 개선이라는 목표를 두고 설계를 하였다.열교환기는 그 내부에 많은 핀과 관을 가지고 있다. 열 교환을 위해 내부 부품들이 매우 집약적으로 배치되어 있기 때문에 그 사이의 간격이 매우 좁다. 2가지의 선행기술 분석을 통해서 이러한 좁은 간격 안에서 와류를 발생시켜 유체의 흐름을 혼합되게 도와주는 와류 발생기의 열효율 증가 사실과 정사각형 단면의 채널에 사각날개의 와류 발생기의 각도에 따른 Reynolds 수의 증가 사실로부터 사각날개 와류발생기의 각도에 따른 열교환 효율을 연구하고 가장 좋은 효율의 각도를 설계하였다.? Keyword열교환기, 와류발생기, 사각 날개, 관, 루퍼각, 충돌각? 용어 정리α : 충돌각β : 루퍼각? 서 론현대에서 거주 환경 및 작업 환경의 환기, 열 교환 등은 매우 중요한 문제이다. 열교환의 촉진에는 외부동력을 이용한 경우와 무동력법이 있고 무동력 법으로는 일반적으로 슬릿, 루버, 웨이브 등의 다양한 핀 형상이 이용되고 있다. 하지만 현재에 이러한 방법들만 가지고 열교환의 성능 향상을 시열전달계수의 분포를 나타내고 있다. 유체가 원관형 핀과 충돌하여 생기는 말굽와류가 경계층 유동을 교란시켜 열전달을 촉진한다.Fig. 3은 와류발생기 뒷부분에 형성되는 길이방향의 와류에 의해서 말굽와류와 비슷한 정도의 열전달 촉진이 이루어지는 것을 알 수 있다. 와류발생기는 길이방향의 와류(Longitudinal Vortex)를 형성시킴으로써 경계층과 와류의 상호작용으로 인해 복잡한 3차원의 혼합이 형성되어 열전달을 촉진시킨다.Fig. 4 Effect of vortex generator on heat transfer enhancement for fin-circular tube heat exchangerFig. 4는 와류발생기가 있는 경우와 없는 경우의 평균열전달계수의 변화를 비교한 것이고, 전체 핀 표면에서의 평균열전달계수는 와류발생기가 있는 경우가 없는 경우에 비해 35% 정도 높다.3. 결 론핀-원관형 열교환기에 와류발생기를 부착하면 와류발생기를 부착하지 않았을 때보다 평균적으로 37%, 국부적으로는 3배까지 열전달 향상 효과를 얻을 수 있다.와류발생기의 충돌각과 루버각의 상호작용에 의한 열전달 촉진정재동, 박병규, 이준식 (2002)주 요 내 용1. 시스템 개략도Fig. 5 Schematic representation of the model for channel flow with vortex generatorFig. 5은 시스템의 개략도를 나타낸다. 채널 안은 완전 발달된 정상흐름 유동으로 가정하고 충돌각와 루버각의 변화에 따른 열전달 효율을 계산하였다.2. 분 석1) Reynolds 수의 변화에 따른 결과Fig. 6 Effect of Reynolds numberFig.6 는 Reynolds수의 증가에 따른 열전달 증가를 보여준다. 정량적으로 비교하면 충돌각이 루버각보다 Re수에 더 민감함을 알 수 있다.2) 충돌각과 루버각의 변화에 따른 결과Fig. 7 Effect of angle of attack and louver angleFig.7 충돌각의 영향을 날개 와류발생기에 의해서 와류가 발생된다. 열교환기 내부의 틈새는 좁기 때문에 이때의 입구유동은 완전 발달된 정상상태 유동으로 가정하고 일정온도()로 유입된 것으로 한다. 이때 와류발생기의 각도에 의해 와류발생 효과가 달라지므로 최적의 효율을 나타낼 수 있는 각도를 찾고자 한다. 사각날개의 각도는 15°, 30°, 45°, 60° 로 각각 변화시켜 본다. 해석은 상용 유동해석 프로그램인 ‘FLUENT'를 사용하여 이루어졌다.? 에너지 해석1.=0° 인 경우1) 사각날개 주위의 속도장Fig. 9 Velocity field at=0°2) 날개 끝 확대 사진Fig. 10 Scale up picture at=0°Fig.9 는 충돌각=0°일 때 속도장을 표현한 것이다. 날개에 의해서 속도변화는 거의 없는 것으로 보인다. Fig.10은 날개 부분을 확대한 것으로 속도장의 방향 변화가 거의 없고 유동방향으로 흘러가는 것을 관찰했다.2.=15° 인 경우1) 사각날개 주위의 속도장Fig. 11 Velocity field at=15°2) 날개 끝 확대 사진Fig. 12 Scale up picture at=15°Fig.11 은 충돌각=15°일 때의 속도장을 나타낸 것으로 Fig.12을 살펴보았을 때 날개 끝 주위에서 유동이 발생함을 알 수 있다.3.=30° 인 경우1) 사각날개 주위의 속도장Fig. 13 Velocity field at=30°2) 날개 끝 확대 사진Fig. 14 Scale up picture at=30°Fig.13는=30°일 때의 속도장을 나타낸 것으로, Fig. 14에서 보았을 때 양쪽 날개 끝에서 둘 다 와류가 발생함을 알 수 있다. 날개를 지난 유체는 와류에 의해서 뒤쪽으로 진행할수록 계속해서 혼합이 되는 것을 볼 수 있다.4.=45° 인 경우1) 사각날개 주위의 속도장Fig. 15 Velocity field at=45°2) 날개 끝 확대 사진Fig. 16 Scale up picture at=45°Fig.15은=45°의 것으로 Fig.16와 같이 보았을 때 NT속도장 고려1) FLUENT를 이용한 난류 모델링 난류 모델링난류 모델링 (Turbulence Modeling)Multiple choices for k-ε models including standard, realizable, and RNG models2) 구조물을 이용한 난류 발생 모델링Near-wall modeling options: Standard wall functions: Non-equilibrium wall functions sensitized to pressure gradient: Enhanced wall treatment model? 핵심요소기술 (열 교환기)1) 열교환기의 작동원리Fig 23. 평행흐름 열교환기의 동작원리 / 열교환기 내에서의 유체온도의 변화열교환기의 기본 동작은 Fig23에 보여진 간단한 형태로써 설명될 수 있다. 이 교환기는 동축(同軸)으로 배열된 2개의 관으로 구성되어 있다 (→ 더블파이프 열 교환기). 2가지 액체에 대해서 각각의 입구와 출구가 있다. 그림에서 찬 유체는 내관을 통해 흐르고 뜨거운 유체는 내관과 외관 사이에 있는 환상(環狀)의 공간을 통해 같은 방향으로 흐른다. 이와 같은 구성의 흐름을 평행흐름이라고 한다. 그 안에서 열은 내관(가열표면)의 벽을 통해 찬 유체로 전달된다. 두 유체의 온도는 그림1의 아래에 보여지는 대로 변화한다. 뜨거운 유체의 온도는 tw1에서 tw2로 감소하고 찬 유체의 온도는 tc1에서 tc2로 증가한다. 단위시간당 한 유체에서 다른 유체로 단위 시간당 전달되는 열량 Q는 열흐름이라고 하며 방정식 Q=mc (t2－t1)에 의해 계산될 수 있다. 이 식에 의해 열량 Q (kW의 단위)는 유체의 단위시간당 질량 m (㎏/s의 단위), 유체의 비열 c, 열교환기의 입구와 출구 사이에서 상승한 유체의 온도 t2－t1을 곱함으로써 얻어진다. 비열은 관련된 유체의 특성이며 뜨거운 유체가 잃은 열량은 찬 유체가 얻은 열량과 같아야 한다. 그림1에 나타난 바와 같이 열교환기의 입구에서 유체간의 온환기에서 뜨거운 유체로부터 찬 유체로 열을 전달하는 데는 여러 물리적 과정이 포함되어 있다. 고체의 벽을 통하여 한 표면에서 다른 쪽 표면으로 열이 흐르는 과정을 열전도라고 한다. 이것은 특별한 방법으로 시각화해야 한다. 즉 벽의 각 원자는 그 에너지를 낮은 온도의 이웃 원자에게 줌으로써 벽의 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 열에너지를 전달한다. 이 열속을 만드는 데 필요한 온도차이는 벽의 두께, 벽표면의 면적, 그리고 벽의 열전도율과 관계가 있다.(→ 열전도).유체에서 고체 표면으로의 열전달은 부분적으로 전도에 의해 일어난다. 그런데 그 열전달에는 유체가 열교환기를 통해 이동하면서 열도 같이 따라서 이동하는 과정이 부가된다. 이 과정은 대류라고 부르며 흐름의 성격에 의존한다. 자연에서 발생하는 흐름에는 2가지 형태가 있다. 하나는 층류(層流)라고 불리며 유체의 입자들이 서로 나란히 매끄럽게 움직이는 것이다. 또다른 하나인 난류(亂流)의 조건에서는 파동과 소용돌이가 계속해서 생겼다가 없어지곤 한다. 이러한 소용돌이가 평균적인 흐름에 겹쳐지면 유체입자들이 계속해서 혼합된다. 관 내부의 흐름이 층류 또는 난류인가는 관의 지름, 유체의 속도, 유체의 점성과 관계가 있다. 속도와 관의 지름이 작고 점성이 클 때의 흐름은 층류적인 경향을 띤다. 예를 들면 층류는 기름냉각기에서 나타나는데 이는 기름의 점성이 크기 때문이다.물과 같은 액체 또는 기체를 사용하는 열교환기는 대개 난류로 동작한다. 유체 내에서 관벽으로의 층류의 열전달은 주로 전도로 일어난다. 따라서 열전달은 유체의 열전도율과 관의 지름에 의해 결정된다. 액체는 기체보다 열전도율이 상당히 크며 따라서 더 빨리 열을 전달한다. 액상(液狀) 금속은 특히 큰 열전도율을 갖기 때문에 작은 온도차로 큰 열량을 전달해야 하는 공학적 응용분야에 쓰인다. 핵반응로 중에서도 열전달 매체로서 액상금속을 사용하는 것이 있다. 위에 설명된 난류의 혼합과정은 유체 내에서 관벽으로 열을 전달하는 3번째 기구이다. 이 과정이 유체의 속도에 크게 있다.

공학/기술| 2010.05.24| 9페이지| 1,500원| 조회(437)

유체역학, 열교환기, 와류발생기

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