RR의 회전은 step motor를 사용하였다. Step motor는 함수발생기를 활용하여 요구 하는 RPM으로 동작하도록 제어했다. 함수발생기에서의 설정은 구형파 및 입력 전 압, 주파수를 통한 회전속도로 모터를 제어한다.
(a) (b)
Figure. 3-9 (a) step motor (b) pulse signal of function generator
Table. 3-4 Specification of step motor
NK-245
Reduction ration 294
Phase 2
Holding torque 82.5 N·m
Rated torque 10.2 N·m
제 2 절 실험방법 및 조건
실험은 동일 조건에 회전식 열교환기의 열소자가 금속소재와 폴리머소재 일 때 열전달률과 유용도를 확인하기 위해 수행하였다. 열소자는 앞선 실험장치에서의 설 명처럼 금속소재와 폴리머 소재를 교환 및 장착했고, 유속을 변수로 설정하여 실험 을 진행했다. Hot side의 Vh는 4, 5, 6 m/s로 하였고, cold side의 Vc는 Vh의 유속의 각각 50, 75, 100%로 하였다. 고온부 입구의 온도는 약 120~130 ℃이고, 저온부 입 구의 온도는 상온이다. 회전속도는 0.75 RPM 이다. Periodic steady state에 도달 할 때까지 20~30분 정도가 소요됐고, 이후에 time step마다 5 s로 총 2000 step을 측정 했다. 유속은 회전부의 입구에서 pitot tube로 측정한 값을 시간에 따라서 평균하였 다. 온도는 회전부의 입·출구에서 K-type thermocouple로 측정하여 시간에 대해서 평 균한 후 동일한 각도의 3개를 평균하였다. 공기의 밀도와 점성계수는 입·출구의 평 균온도에서의 값을 사용했다.
제 3 절 실험결과 및 고찰
Fig. 3-10은 실험 중 시간에 대한 유속결과를 보여준다. 시간에 따라 hot, cold side 동일하게 약 4.8~5.1 m/s의 유동이 흐름을 확인하였다. Fig. 3-11은 MC Nylon의 실험결과로 cold side의 입·출구 공기의 평균 온도는 26 ℃에서 41 ℃로 15 ℃정도 공기 온도가 상승하였다. 입·출구 공기의 온도차이로 HEP와 공기간에 열교환이 이 루어졌음을 확인하였다. 2-3절의 식으로 측정된 유속과 온도로 열전달률과 유용도 를 계산하여 재질별로 비교하였다.
(a) (b)
Figure. 3-10 Measurement of inlet air flow velocity. (a) hot, (b) cold
(a) (b)
Figure. 3-11 Measurement of air temperature (a) hot side, (b) cold side.
Fig. 3-12는 Vh= 4 m/s 일 때 Vc에 따른 총괄열전달계수와 유용도를 나타내었다.
열소자가 aluminum 일 때 총괄열전달계수는 Vc가 빠를수록 0.0244~0.0344 kW/K로 높아지는 것을 보인다. 유용도는 Vc가 100% 일 때는 0.201, 75% 일 때는 0.155, 50% 일 때는 0.183이다. Fig. 3-13은 Vh= 5 m/s 일 때 Vc에 따른 총괄열전달계수와 유용도를 나타내었다. 총괄열전달계수는 Vc가 빠를수록 0.0267~0.0333 kW/K로 높아 지는 것을 보인다. 유용도는 Vc가 100% 일 때는 0.184, 75% 일 때는 0.142, 50% 일 때는 0.151이다. Fig. 3-14는 Vh= 6 m/s 일 때 Vc에 따른 총괄열전달계수와 유용도 를 나타내었다. 총괄열전달계수는 Vc가 빠를수록 0.0301~0.0391 kW/K로 높아지는 것을 보인다. 유용도는 Vc가 100% 일 때는 0.173, 75% 일 때는 0.142, 50% 일 때는 0.147이다. 총괄열전달계수는 고온부와 저온부의 유속이 높을수록 증가한다. 반면에 유용도는 고온부의 유속이 낮을수록 높다. 고온부 유속이 동일 할 때는 저온부 유 속이 75% 일 때 가장 낮은 것으로 보인다. Fig 3-15는 소재별 effectiveness()를 hot side Re(), NTU와 비교한 결과이다. 실험결과 유용도는 CFD결과와 유사하게 재 질에 상관없이 유속이 클수록 유용도는 낮아진다. RR의 유용도는 평균적으로 PTFE > stainless steel > MC Nylon > PSU > PPS > aluminum 순으로 높다. 유용도 의 상대적인 차이가 15% 내의 값을 갖기 때문에 오차범위 내에서 비슷하거나 더 높은 열전달 성능을 가지는 것으로 판단된다. 또한 이론 ε-NTU 관계식과 실험결과 들이 4% 이내의 차이로 계산되어 실험데이터의 유효성을 확인했다.[26]
Figure. 3-12 Overall coefficient of heat transfer and effectiveness base on Rec of Vh=4 m/s
Figure. 3-13 Overall coefficient of heat transfer and effectiveness base on Rec of Vh=5 m/s
Figure. 3-14 Overall coefficient of heat transfer and effectiveness base on Rec of Vh=6 m/s
(a)
(b)
Figure. 3-15 Comparison of effectiveness by material. (a) effectiveness by material based on Reh (b) effectiveness-NTU method
유속과 온도에 대한 열전달률의 오차를 분석했다. 유속의 경우 피토관의 설치 각 도와, 차압계의 측정 오차를 고려했다. 피토관은 유동방향에 수평하게 설치해야 정 확한 유속값이 측정된다. 각도가 틀어지면 유속은 실제 유속보다 낮아진다. 피토관 을 최대한 수평하게 설치하였으나, 설치과정 중에 약간의 틀어짐이 발생 할 수 있 다. 틀어진 각도가 5˚정도 이내일 때 유속에 의한 열전달률은 0.38% 낮아진다. 유동 이 난류이므로 피토관의 높이에 의한 오차는 고려하지 않았다. 다음은 차압계의 오 차이다. 동일한 실험조건에서 한 개의 피토관을 6개의 차압계로 확인 했을 때, 차 압계 별로 최대 0.2 m/s의 차이가 관찰되다. 따라서 측정된 유속값에 0.2 m/s를 하 였고 이때의 오차는 최대 4.83% 정도이다. 유속에 관한 모든 오차를 고려하였을 때 열전달률은 5.21% 정도 차이 난다. 다음은 온도의 경우로 회전체의 구조상 유동이 흐르지 않는 시간이 있어 주기적으로 온도가 낮게 측정된다. 해당 온도값을 제외하 였을 때는 Th,out의 값이 0.7 ℃ 상승하여 열전달률은 3.14% 낮아진다. 다음은 온도 평균에서의 오차이다. 온도의 평균값과 최대값의 차이는 약 3 ℃ 정도 차이가 발생 한다. 차이의 반절인 1.5 ℃를 고려하면 열전달률은 13.26% 차이가 발생한다. 온도 에 관한 오차를 모두 고려하였을 때 열전달률의 오차는 16.40%이다. thermocouple의 오차는 비교적 작으므로 고려하지 않았다. 온도와 유속의 오차를 모두 고려했을 때 열전달률의 차이는 20.77% 정도로 실험 측정시 발생되는 최대오차가 된다. 실험에 서 측정된 유속, 온도값으로 계산된 열전달률은 모두 오차범위 내에 있다. 비교적 큰 오차범위를 갖지만 모든 실험을 최대한 동일한 환경에서 했기 때문에 재질별 열전달 효율을 비교하는 것은 문제가 없을 것으로 생각된다. 또한 열용량이 가장 높은 stainless steel의 경우가 열전달률과 유용도가 가장 높을것으로 예상하였지만 평균적으로 PTFE의 경우가 가장 높은 것으로 확인된다. 이는 폴리머 소재의 열팽 창으로 전열면적이 증가하여 stainless steel보다 PTFE의 열전달 성능이 높게 측정된 것으로 판단된다. 추가적으로 MC Nylon의 경우 열소자가 열팽창에 의해 휘어짐이 발생하였다. Fig. 3-16과 같이 회전체의 회전방향과 열소자의 휘어짐 방향에 의해서 도 실험결과가 달라지므로 이 부분에 대해서도 추가적인 연구가 필요하다.
Figure. 3-16 Results of overall coefficient of heat transfer and effectiveness according to bending
제 4 장 회전식 열교환기의 실정장치 개선
제 1 절 기존 실험장치의 문제 및 개선점
기존장치는 에너지밸런스가 최저 75% 정도로 매우 낮아 문제점을 개선하여 실험 장치를 설계 및 제작하였다. 첫 번째 문제점은 사각케이스와 원형 회전체간에서 모 서리부분의 공간문제이다. 사각케이스 외부를 단열하였지만 모서리 부분에서의 공 기가 실험데이터에 영향을 준다고 판단하여 원형케이스로 변경하였다. 두 번째는 실링의 경우이다. RR는 기본적으로 hot side와 cold side간의 cross-over가 발생하고 실제 설비에서는 5% 이내가 되도록 한다. 이전 장치의 경우 회전체의 외각에 HEP 가 장착이 되어 있고 해당 부분에만 유동이 흐르도록 외부유동을 환형유로로 구성 하였다. 환형유로와 회전체 사이의 공간에 고무로 패킹을 하였지만 공기의 누수가 있었을 것으로 판단된다. 이 부분을 개선하고자 유동이 파이프에만 흐르도록 내·외 각에 테프론 구조물을 장착하여 누수를 줄였다.
Figure. 4-1 Improving the device through minimizing gap and leakage problem.
세 번째 문제점은 회전체와 HEP 간의 중량비 문제이다. RR의 경우에는 열용량 이 주요한 성능인자가 된다. 그러나 기존 장치에서는 SS 제작된 회전체와 폴리머재 질의 무게 차이로 회전체의 무게 비중이 매우 높다. 회전체의 무게비중이 높으면 실험결과가 회전체에 의한 영향성이 높을 수도 있어 개선이 필요하다. 개선된 실험 장치는 HEP를 고정한 회전체의 무게가 최소화 되도록 제작하였고, 내부에 HEP를 다량의 파이프로 최대한 채울 수 있도록 형상적으로 변경하였다.
Figure. 4-2 Minimizing the weight of the rotating body, and installment of pipes.