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공학석사 학위논문
교차 주름형상의 브레이징 판형 열교환기
매트릭스부에 대한 구조적 특성 예측
Prediction of Structural Characteristics on Matrix of
Cross-Corrugated Brazed Plate Heat Exchanger
지도교수 조 종 래
년
월
2013
2
한국해양대학교 대학원
기계공학과 전 종 원
본 논문을 전종원의 공학석사 학위논문으로 인준함.
위원장
박 권 하
위
원
정 형 호
위
원
조 종 래
년
월
일
2012
12
27
한국해양대학교 대학원
ⅳ ⅴ ⅵ 서론 1. ··· 1 연구 배경 1.1 ··· 1 연구 동향 1.2 ··· 2 연구 내용 및 목적 1.3 ··· 3 유한요소해석의 이론적 배경 2. ··· 5 브레이징 판형 열교환기의 구조해석 3. ··· 8 해석 모델 선정 3.1 ··· 9 유한요소 모델링 및 요소 크기 선정 3.1.1 ··· 9 구속조건 및 하중조건 3.1.2 ··· 12 부분 모델과 단위 모델의 응력 결과 비교 3.1.3 ··· 18 형상 변수 정의 3.2 ··· 21 형상 변수에 대한 구조적 특성 예측 3.3 ··· 24 압력 하중에 대한 변형 및 응력 결과 3.3.1 ··· 24 온도 하중에 대한 변형 및 응력 결과 3.3.2 ··· 28 압력 및 온도가 동시에 작용할 때의 변형 및 응력 결과 3.3.3 ··· 32 브레이징 크기의 영향 분석 3.3.4 ··· 36 형상 변수 및 입력 하중에 대한 응력 예측 3.4 ··· 37
새로운 형상의 전열면 형상 정의 4. ··· 40 형상 변수 정의 4.1 ··· 41 형상 변수에 대한 구조적 특성 예측 4.2 ··· 43 압력 하중에 대한 변형 및 응력 결과 4.2.1 ··· 45 온도 하중에 대한 변형 및 응력 결과 4.2.2 ··· 47 기존의 형상과 응력 수준 비교 4.3 ··· 50 결론 5. ··· 54 참고문헌 ··· 56
Development of a new heat exchanger is required in order to decrease further the amount of fuel consumption and pollutant emission in all industries. Plate heat exchanger has higher thermal efficiency and stiffness of heat transfer plate than another heat exchangers such as shell-tube type heat exchanger. Especially, brazed plate heat exchanger has more stiffness and less weight and it can use in the extreme environment. The stress and deformation caused by the pressure and temperature load in the matrix, flange and manifold are affected extensively by the restraint of these structural components and aspects of the full installation. Therefore, thermo-mechanical analysis on the matrix of heat exchanger is required. The objective of this paper is to understand the structural characteristics on shape parameters of the cross-corrugated brazed plate heat exchanger under three different loads.
The shape parameters are the pitch to height ratio(P/H ratio), thickness and the wave shape of plates. The intersection angle between upper and lower layers is fixed by 90°. All parametric models are designed to have the same cross-sectional area of flow channel.
The commercial programs, UGS NX 4.0 and ANSYS Mechanical APDL 12.1 are used in order to carry out the 3D geometric modeling and the mesh generation for the brazed cross-corrugated shape heat exchanger matrix. The FE unit cell model using solid element is considered for the detailed analysis on brazing region. The FE unit cell is also modelled by 3D(10-node) solid elements. The displacement boundary condition in bottom and top layers of the unit cell model is constrained in the lay-up direction of layer in order to produce conservative results.
The structural analysis is carried out in order to understand the structural characteristics for shape parameters of the cross-corrugated heat exchanger matrix under three different loads.
For pressure load cases, the maximum compressive stress occurs at the hot junction side between the brazing part and surface of the plate. On the other hand, the maximum tensile stress occurs at the cold junction side between the brazing part and surface of the plate. The mechanical stress(under pressure load) level is decreased with increasing thickness and decreasing P/H ratio, number of wave shape. The major shape parameter is plate thickness.
For thermal load cases, the maximum compressive stress occurs at the junction between the brazing part and all surface of the plate. The thermal stress level is decreased with increasing P/H ratio, number of wave shape and decreasing plate thickness. The major shape parameter is P/H ratio.
For thermo-mechanical load cases(pressure+thermal), the maximum compressive stress at the hot junction side is increased by two kinds of stress caused by the pressure load and the thermal load. Those stress level is similar to the sum of the mechanical stress level and the thermal stress level. The stress at the cold junction side is reduced by two kinds of stress such as the tensile stress caused by pressure load and the compressive stress caused by thermal load.
second corrugated plate, the stress level is lower than base model. Therefore, the humpy model is valuable in regard to structural characteristics.
∼
∼
∆
형상 변수 : 응력예측 함수 : 탄성계수 : 전열면 한 주기의 높이 : 전열면 한 주기의 피치 제어 함수 : 전열면 한 주기의 피치 범위 : 전열면 한 주기의 : 방향 제어 함수 : 방향 변위 : 방향 변위 최대응력, 하중조건 압력 또는 온도 : ( ) : 방향 속도 : 방향 속도 선팽창계수 : 전단 변형률 : 온도차 : : 방향의 변형률 포아송비 : : 방향의 응력 전단응력 :Stress distribution in pressure loading (10 bar) Stress level with various thermal load
Principal stress distribution in thermal loading Stress distribution in thermal loading (400 K) Stress distribution in thermal loading (400 K) Principal stress distribution at cold side Principal stress distribution at hot side
Schematic of cross-section of heat transfer plates Comparison stress level with various brazing radius Humpy model by sine wavy equation
Shape parameters of humpy model Parametric models for structural analysis
Unit cell model for structural analysis in humpy model FE model for structural analysis in humpy model
Boundary condition for structural analysis in humpy model Principal stress distribution in pressure loading
Deformation shape in pressure loading Stress distribution in pressure loading
Principal stress distribution in thermal loading Deformation shape in thermal loading
Stress distribution in thermal loading
Results of parametric analysis in pressure loading Results of parametric analysis in thermal loading
제
장
서론
1.1 연구 배경
국제적으로 환경 문제가 대두되면서 이산화탄소 및 질소산화물과 같은 환, 경오염 물질에 대한 규제가 강화되고 있다 따라서 최근에는 냉동 및 공조 시. 스템을 구성하는 요소부품의 고성능화가 요구되고 있으며 특히 갈수록 심화, 되는 사용공간의 제약성으로 인해 단위 부피당 전열면적을 극대화시킨 고밀도 열교환기의 개발이 요구되고 있다 고효율 열교환기는 갈수록 시장경쟁이 치. 열해짐에 따라 열전달 성능이 뛰어나면서도 압력손실이 작고 외형적인 크기, 와 무게가 작으면서도 가격 경쟁력이 있는 것이 요구되고 있다 지금까지 개. 발되어 사용되고 있는 열교환기 중에서 이러한 여러 가지 요구에 가장 적합한 열교환기로 판형 열교환기가 있으며 현재까지 그에 대한 많은 연구가 진행되 고 있다. 판형 열교환기 는 년대에 최초로 제작되어 실용화 되기 시작했다 초. 창기의 판형 열교환기는 식품산업에서 열처리 즉 우유의 저, 온살균 등과 같은 용도로 사용되었으며 온도와 압력의 사용한계는, 정도로 아주 낮았다 초창기의 판형 열교환기는 열전달 효율도 매우 낮고 열. 판의 두께도 상당히 두꺼웠다. 현재 사용되고 있는 판형 열교환기의 일반적인 전열판은 주름진 판으로서 전열면적을 증대시키고 판의 강도를 증가시켜 압력차가 발생할 때 전열판의, 간격을 유지시키는 역할을 하도록 성형되어 있다 전열판이 오늘과 같은 형상. 을 갖추게 된 것은 년대 후반 헤링본 형태 의 판이판의 강도를 대폭 향상시키고 판 전체에 걸쳐서 금속과 금속이 직접 접촉할 수 있도록 하여 비교적 얇은 두께로 사용 압력의 한계를 까지 증가시 킬 수 있었으며 열전달 성능도 크게 향상시켜 종래의 쉘 튜브형 열교환기, -보다 훨씬 더 높은 열전달 효율을 달성하도록 하였다 헤링본 형태의 판이 도입된 이후로 판형 열교환기는 열교환기를 필요. 로 하는 거의 모든 산업분야에 걸쳐 광범위하게 응용되고 있다 앞서 말한 바. 와 같이, 판형 열교환기는 고효율 고밀도 열교환기로 냉동 공조산업 및 낙· · 농과 식품분야 화학 섬유 의약품 산업 조선 등에 널리 사용되고 있으며 가, , , , , 격이 종래의 열교환기에 비해 저렴하고 크기도, 이하로 이하로 줄어들었으 며 열교환 효율도 높아 사용이 확대되고 있다, . 판형 열교환기의 사용 환경이 점점 더 열악해 지면서 높은 강성을 가진 열, 교환기의 개발이 요구되고 있으나 전열면 및 지지대 등 열교환기 구조물의, 구조적 특성에 대한 연구는 아직 미미한 편이며 굴곡이 많고 복잡한 형상의, 열교환기라 연구가 어려운 실정이다.
1.2 연구 동향
최근 기후변화 자원고갈 등 환경위기에 직면하면서 온실가스와 환경 오염, 을 줄이는 한편 미래 신성장 동력을 확보하는 저탄소 녹색성장 이 국가 경‘ ’ 쟁력의 핵심전략으로 대두되고 있다 저탄소 녹색성장의 부상 배경은 다음과. 같이 요약할 수 있다 첫째 미국 캐나다 일본 등 선진국은 물론 중국 인도. , , , , , 브라질 등 개도국에서도 기후변화 관련 규제논의가 본격화되었다 둘째 에너. , 지자원 고갈에 대한 우려와 함께 국제 에너지 가격이 급등했다 셋째 시장에. , 서 녹색산업의 성장세가 확대되었다. 세계 주요 국가들은 저탄소 녹색성장에 대한 장기적인 비전을 제시하고 있 다 미국의 경우. 년대 후반부터 에너지 관련 신기술 개발 등 전략적인 기 술개발을 추진하여 녹색성장을 위함 패러다임을 구축해왔다 특히 미국 에너. , 지부 는 ‘ 보고서 를 발표’ 하였으며 이는 년부터 년까지 정유 및 가스 발전 광업 자동차 반도, , , ,체 산업 등의 에너지다소비 산업이 추진한 온실가스 배출량 원단위 국내 총생( 산량 대비 온실가스 배출량 향상의 조치에 대한 내용을 담고 있다 또한) . 년까지의 신재생에너지 비전을 제시하면서 향후 년에 걸쳐 연료의 소비를 이상 감소시키기 위한 중장기정책을 발표하고 에너지 효율성 증대를 통, 한 연료 소비의 축소를 요구하고 있다. 이와 같은 상황을 종합해 볼 때 저탄소 녹색성장은, 세기 경제사회의 새 로운 패러다임으로서 이미 선진국에서는 그 기반이 조성되고 있다 이러한 상. 황에 대응하여 국내에서는 에너지 효율성을 극대화해 나가면서 재생에너지, 개발을 하는 것을 매우 중요시하고 있다 재생에너지 개발 비용이 감소하고는. 있으나 아직은 에너지 효율화의 비용이 훨씬 적으므로 새로운 발전소 건설, 계획 등 재생에너지 개발에 앞서 에너지 효율성의 극대화가 더욱 우선시되고, 있다 이와 더불어 국내의 열교환기 산업체 및 연구소에서 고효율의 열교환기. 에 대해 수많은 연구를 하고 있으며 성능적 관점에서 다양한 해석 및 실험이, 이루어지고 있다.
1.3 연구 내용 및 목적
브레이징 타입 판형 열교환기는 각 전열판 사이에 용접용 동판을 삽입한 다 음 고온에서 동시에 용접시킨 열교환기로 기존의 가스켓 을 전열판 사 이에 넣고 조이는 방식에 비해 사용압력 및 온도가 증가하며 프레임이나 가, 스켓이 없기 때문에 사용공간 및 중량이 작다는 장점을 가지고 있으며 국내외 에서 활발히 연구가 진행되고 있다 그 예로 브레이징 판형 열교환기의 열. , · 수력학적 성능을 수력직경을 기준으로 나타내고 층류와 난류구간으로 구분하, 여 각각에 대한 상관 관계식을 유도한 연구 전열판에 대한 열전달과 유체유, 동의 실험적 수치적 해석를 수행하여 열전달과 압력강하에 관한 일반적인 실, 험결과를 제시한 연구 등이 있다 성능적 관점에서의 연구는 많지만 구조적. , 특성에 대한 연구는 아직까지 미미한 편이다. 소형 브레이징 판형 열교환기의 경우 성능 향상 및 소형화를 위해 열판의한 전열면의 구조적 특성을 이해할 필요가 있다 본 논문에서는 소형 브레이. 징 판형 열교환기의 전열면에 대하여 압력 및 온도 하중이 작용할 때의 구조 적 특성을 예측하였으며, 이는 형상 파라미터 해석 을 통한 응력의 평가로 수행되었다. 효과적이고 정확한 해석을 위해 주기적으로 반복되는 형상에서 단위 모델 을 정의하였으며 부분 모델, 의 해석 결과로부터 단위 모델을 사용한 해석의 타당성을 확인하였다 또한 압력 및 온도 하중이. 작용할 때 실제 전열면의 변형 거동과 유사한 구속조건을 적용하였다 형상. 파라미터 해석을 위한 브레이징 판형 열교환기 전열면의 형상 변수는 가지로 선정하였으며 압력 하중 온도 하중 압력과 온도 하중이 동시에 작용할 때의, , 응력을 평가하였다 결과적으로 변수들은 모두 구조적 특성에 영향을 미치는. 인자임을 알 수 있었으며 추가적으로 간단한 수식을 유도하여 실무의 열교환 기 설계 단계에서 쉽게 사용할 수 있도록 하였다. 또한 사인 함수의 식을 사용하여 새로운 개념이 도입된 전열면의 형상을 제안하였으며 동일한 방식으로 형상 파라미터 해석을 수행하였다 새로운 형. 상의 전열면은 2개의 굴곡 형상을 가지며 추가로 형성되는 굴곡은 작용하는, 하중에 대하여 보강재 의 역할을 함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 국제적으로 대두되고 있는 에너지 문제에 직면하여 열효율 을 높이는 데에 적합한 소형 브레이징 판형 열교환기에 대한 구조적 특성을 파라미터 해석을 통해 제시하였다 유한요소 해석을 위해. 모델러를 사 용하여 기본 모델링을 하였고, 을 사용하여 요 소 생성 및 구조해석을 수행하였다. 본 연구의 목적은 브레이징 판형 열교환기의 전열면에 대한 형상 변수 및 상세설계 과정을 제안하고 이를 통해 실무 및 열교환기 설계 프로젝트에 많, 이 활용되도록 하는 것이다.
제
2
장
유한요소해석의 이론적 배경
유한요소해석 이란 구조물 내에 있는 무한개 의 미지수점들을 유한개의 절점 으로 나타내고 이들 간에 서로 유기적, 인 관계를 맺어주는 요소 를 이용하여 전체 구조물이나 실제의 물리 적 시스템을 연립방정식으로 나타내고 이를 계산하여 각 절점에서의 변위를, 구함으로써 구조물 내의 임의의 점에 대한 변위 응력 변형률 등의 결과값을, , 수치적인 근사화를 통해 얻어내는 것을 말한다 요소는 절점과 절점들을 연결. 하는 블록의 형태를 가지고 있지만 실제로는 각 절점들 간의 관계를 나타내는 정보의 집합이라고 할 수 있다 즉 유한요소법은 연속체를 여러 개의 유한요. , 소로 나누어서 각 절점의 값들을 변수로 하는 미분방정식을 변분원리 가중잔, 여법 에너지균형법 등을 이용하여 세우고 이 미분방정식을 이용하여 유한요, 소방정식을 만들어 각 절점에서의 변수 값들을 구하는 방법이다. 재질이 등방성 인 선형탄성 재료에 대하여 응력과 변형률의 관계를 후크의 법칙 에 의하여 다음 식과 같이 쓸 수 있다.
∆
∆
∆
여기에서, 는 재료의 탄성계수
는 포아송비 이며 이 값들은 실험을 통해 얻어진 상수값들이다 위 식들을 나중에 유, . 한요소해석에 사용하기 위하여 선형대수식으로 표현하면 식과 같이 정리할 수 있으며 이 행렬식의 역은, 식과 같다.
∆ ∆ ∆
∆
∆
∆
이 식에서 와
는 상수이므로 임의점에서의 변형률을 구하면 그 점에서의 응력도 쉽게 계산할 수 있음을 알 수 있다. 식을 간단히 축약하여 다음과 같은 식으로 나타낸다.
여기에서,
와
는 응력과 변형률 벡터,
는 탄성행렬이다 임의 점에. 서의 변형률을 구하는 식은 다음과 같으며 앞의 식들과 마찬가지로 행렬식으 로도 나타낼 수 있다.
이 식에서는 임의점에서의 변위량을 안다면 그 점에서의 변형률을 구할 수 있다는 것을 나타내며 즉 임의점에 대한 변위로 변형률 및 응력 등 원하는, 값들을 모두 구할 수 있음을 의미한다.제
3
장
브레이징 판형 열교환기의 구조해석
브레이징 판형 열교환기는 굴곡형 전열판이 적층되며 헤링본 형태로 판의, 굴곡 형상이 서로 엇갈리게 배치된다 열교환기의 전열부는 브레이징 재료를. 사용하여 전열판만으로 접착되어 있다 따라서 다른 판형 열교환기와 달리 프. 레임이나 가스켓이 없는 매우 밀집된 열교환기이며 고온과 고압의 환경 조건, 에서 사용이 용이하며 중량이 적게 나간다는 장점이 있다 브레이징 판형 열. 교환기의 유체 흐름 및 전체적인 형상은 과 같다. 본 논문의 목적은 브레이징 판형 열교환기의 구조적 특성을 예측하는 것이 며 구조해석은 응력 예측을 통해 구조적 특성을 평가하기 위해 수행되었다, .브레이징 판형 열교환기의 구조해석은 4가지로 구분하였으며 효율적인 해, 석을 위한 해석 모델 선정 구조적 특성을 표현할 수 있는 형상 변수의 정의, , 실제 해석을 통한 구조적 특성 예측 그리고 결과에 대해 응력을 예측할 수, 있는 계산식의 유도로 구분하였다.
해석 모델 선정
3.1
브레이징 판형 열교환기의 전열면에 압력 및 온도 하중이 작용할 때 대부, 분의 응력은 접촉면인 브레이징부에 발생한다 또한 사용되는 압력 및 온도의. 환경이 다른 열교환기보다 열악하다 따라서 전체적인 설계에 앞서 브레이징. 부에 대해서 구조 타당성 검증이 수행되어야 한다 브레이징부를 정확히 묘사. 하기 위해 유한요소 모델은 차원 솔리드 요소를 사용하였으며, 차원 솔리드 요소는 해석 시간이 오래 걸리고 많은 양의 메모리가 요구되므로 정확하고 효 율적인 해석을 위해 적합한 해석 모델을 선정하고 타당성을 검증하였다. 유한요소 모델링 및 요소 크기 선정 3.1.1 브레이징 판형 열교환기는 전열면부와 매니폴드로 구성이 되며 본 연구에, 서는 전열면부를 연구의 대상으로 선정하였다 헤링본 형태의 전열면은 똑같. 은 형상이 주기적으로 반복이 되므로 정확하게 표현할 수 있는 구속조건을, 부여한다면 단위모델로도 해석이 가능하다 따라서 단위모델을 대상으로 유한. 요소 모델을 생성하였다. 굴곡형 전열면의 형상은 으로 모델링 하였고, 에 나타내었으며 브레이징은 반경이 가 되도록 생성하였다 유한요소 모. 델은 해석 상용코드인 을 사용하였으며, 10개의 절점을 갖는 3차 원 솔리드 요소를 사용하였고, 에 나타내었다 응력이 많이 발생할 것으. 로 예상되는 브레이징부에는 정확한 해석을 위해 요소를 많이 생성하였으며, 상대적으로 관심부가 아닌 플레이트는 효율적인 해석을 위해 요소를 적게 생 성하였다.요소의 크기 또한 해석의 시간 및 사용 메모리에 많은 영향을 미치므로 요
소 밀도에 대한 연구도 수행하였다 요소의 밀도는 요소 크기와 관련이 있으.
결과로부터 요소의 크기는 최소, 이하가 되어야 함을 알 수 있으며 요소의 크기가 더욱 작아지더라도 변위의 값이 이하의 오차로 거의 차이 가 나지 않으므로 그 사용의 타당성을 확인할 수 있었다 따라서 본 연구의, . 모든 해석에서 브레이징부의 요소 크기는 로 통일하였다. 구속조건 및 하중조건 3.1.2 단위 모델이 전체적으로 타당성 있는 응력 분포를 갖게 하기 위해서 구속, 조건은 상당히 중요하다 브레이징 판형 열교환기는 최종적으로 엔드 플레이. 트 로 고정이 되므로 열교환기의 축방향으로 변형이 구속된다 또한, . 동일한 형상이 지속적으로 반복되므로 대칭 조건 이 성립한다 하지. 만 단위 모델의 양 끝단에 대칭 조건을 부여하면 열팽창에 의한 응력이 과도 하게 크게 발생하므로 결합 조건, 을 사용하여 응력의 분포가 고르게 나오도록 하였다 부여한 구속조건의 개략도는. 에 나타내었다.
브레이징 판형 열교환기에 유체가 흐르면 유체에 의한 압력 및 온도 하중, 이 발생하게 된다 본 연구에서는 압력 및 온도의 하중 조건을 각각. 3가지로 부여하였으며 하중이 바뀔 때의 응력도 함께 비교하였다 적용된 하중의 값은, . 에 나타내었다 열역학 법칙에 의해 압력 하중은 뜨거운 유체가 흐르 Table 1 . 1 는 전열면의 표면에 작용하였으며 판형 열교환기의 특성상 열전달이 빠르게, 진행되므로 전열면의 전체적인 온도는 균일하다고 가정하였다. 열교환기 전열면의 재질은 이며 압력 및 온도 해석을 위한, 에서의 물성치는 과 같다.
정확한 해석을 위해서 유동의 흐름을 고려해 모든 하중은 시간에 따라 적, 용하여야 한다 하지만 이는 해석 시간이 오래 걸리며 경계 조건 부여도 상당. , 히 까다롭다 따라서 대표적인 형상에 대해 과도해석과 정적해석의 결과를 비. 교하여 정적해석의 사용 가능성을 검증하였다. 해석 결과로부터 시간에, 따른 온도의 하중 조건은 다음과 같다. 뜨거운 유체에서 발생하는 온도 하중은 시간이 흐르면서 증가하고 차가운, 유체는 계속해서 흐르고 있도록 하였다 열교환기의 사용되는 환경은 상온인. 를 적용하였다 열전달 해석에 필요한 대류열전달계수는. ㎡ 를 적용하였으며 이는, 해석 결과 및 실험 데이터를 바탕으로 얻은 값이다. 시간 이력에 따른 열전달 해석의 결과로부터 뜨거운 유체가 흐르는 부분과, 차가운 유체가 흐르는 부분의 온도차는 시간이 흐를수록 감소하였으며, 초 부터는 이 됨을 알 수 있었고 이때부터는 정상상태라고 볼 수 있다 온도가.
었다 브레이징이 생성되는 접촉 부분은 두께가 상대적으로 두껍기 때문에 열. 전달이 느려 플레이트 부분보다 온도가 높거나 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이는 추가적으로 단면의 온도 분포를 함께 비교하여 확인하였다. 온도 분포를 고려하여 열교환기의 사용 환경에서 열응력을 평가하였다 마, . 찬가지로 초 초의 열응력을 평가하였으며, 은 브레이징 부분에서 발생하 는 최대응력 위치이며, 는 플레이트 부분에서 발생하는 최대응력의 위치이 다 온도 하중이 들어가기 시작하는 시간부터. , 초가 되기까지 각각의 시간에 따른 응력분포는 모두 경향이 동일하였으며 에서와 같이 브레이징의 곡 면이 끝나는 부분에서 최대응력이 발생하였다.
시간에 따른 와 에서의 온도분포 및 응력을 정리하였으며 정적해석의, 결과와 비교하였다 그 결과 온도는 구조물 전체가 동일한 온도가 되었으며. , 뜨거운 유체 와 차가운 유체 의 평균 온도가 됨을 확인할 수 있 었다 또한 응력분포 양상도 동일하였으며 최대 응력의 값도. , 이하의 오차 로 잘 일치함을 확인할 수 있었다 따라서 본 연구에서는 해석의 시간을 고려. 하여 모든 해석은 정적 상태로 가정하여 수행하였다, . 부분 모델과 단위 모델의 응력 결과 비교 3.1.3 본 연구에서는 해석의 효율성을 위해 단위 모델에 대하여 구조해석을 수행 하였으며 결과의 타당성을 확인하기 위해 대표적인 형상의 부분 모델 및 단, 위 모델의 응력 결과를 비교하였다 부분 모델과 단위 모델의 형상은. 에 나타내었으며 여기에서 단위 모델이란 주기적으로 반복되는 형상의 최소, 모델이라고 가정하였다.
정확한 비교를 위해 유한요소 모델의 요소 크기는 동일하게, 로 하
였으며 구속조건 및 하중조건도 동일한 상태로 해석을 수행하였다 하중은 압, .
부분 모델과 단위 모델의 응력 결과로부터 압력 하중에 대한 응력의 차이, 는 이하이며 온도 하중에 의한 응력의 차이는, 이하로 단위 모델에 대한 해석 결과의 타당성을 확인할 수 있었다 응력 분포 또한 유사하였으므. 로 구속조건에 대한 타당성도 추가적으로 확인할 수 있었다.
형상 변수 정의
3.2
파라미터 해석을 수행하기 위해 브레이징 판형 열교환기의 전열면에 대해, 구조적으로 영향이 있을 것으로 예상되는 가지 요소를 형상 변수로 정의하였 다 또한 형상 변수들의 영향을 알아보기 위해. 개의 값을 각각 할당하였다. 모든 파라미터 모델들은 단면적의 면적이 모두 동일하도록 설계되었다.세장비 는 헤링본 형태의 전열면에 대해 구조적 특성을 나타내는 중요한 형상 변수이며 구조적 관점 뿐 아니라 성능적 관점에서도 매우 중요, 시되는 형상 변수이다 세장비는 많이 사용되고 있는 범위로부터. 개의 값을 선정하였다 두께는 구조적 특성을 결정하는 중요한 요소이며 두께 또한. , 개 의 값으로 선정하였다 파의 형태는 헤링본 형태의 굴곡 형상을 나타내며 이. , 는 그림을 통해 설명할 수 있다. 은 의 형상을 개략화하여 비교한 것이다 파의 형태가 바뀌. 더라도 전열면의 피치와 높이는 바뀌지 않으며 따라서 세장비가 동일하다 파, . 의 형태를 결정하는 것은 전열면의 반경값이며 이는 그림에서 보는 것과 같이 평평한 판을 성형할 때 롤러의 크기와 동일하다고 가정할 수 있다 두 개의. 반경이 접할 경우가 반경이 가장 큰 값이며 이는 으로 정의하였다. 의 반경에 대해 의 반경을 로, 그리고 의 반경을 로 정의하였다. 의 파형은 sine 함수의 식과 유사하며, 의 파형은 삼각형 형태와 유사하다. 형상 변수에 따라 파라미터 모델은 총 가지로 정하였으며, 가지 하중 압( 력 온도 압력 온도 에 대하여 모든 구조해석을 수행하였다 해석된 파라미터, , + ) . 모델은 에 나타내었으며 이는 모두 두께, 이다.
형상 변수에 대한 구조적 특성 예측
3.3
압력 하중에 대한 변형 및 응력 결과 3.3.1 뜨거운 유체와 차가운 유체가 존재하는 열교환기에서 두 유체 사이에 발생 하는 압력차는 상황에 따라 파손을 유발할 수도 있다 특히 브레이징 판형 열. , 교환기에 발생하는 압력은 브레이징을 파손할 수도 있다 본 연구에서는 압력. 하중을 1가지로 두지 않고 일반적인 브레이징 판형 열교환기의 사용범위 안에 서 3가지로 구분하여 조건을 두었다.모든 파라미터 모델에 대한 3가지 압력 하중에 대한 응력 수준은 에
그래프로 나타내었으며 압력의 증가에 따라 응력 또한 선형적으로 증가함을,
압력 해석에 대한 결과로부터 하중에 대해 응력이 가장 낮게 나오는 형상, 과 높게 나오는 형상을 확인하였으며 그 형상들의 변형 및 응력의 분포를 분, 석하였다. 압력 하중은 열역학 법칙에 의해 뜨거운 유체가 흐르는 쪽의 표면에서 발 생한다 따라서 뜨거운 유체가 흐르는 쪽의 브레이징에는 압력에 의한 압축. 응력이 발생하며 차가운 유체가 흐르는 쪽의 브레이징에는 압력에 의한 인장, 응력이 발생한다.
전열면은 압력에 의해 변형되며 이 과정에서 브레이징은 변형을 구속하는, 역할을 한다 사인 곡선에 가까운. 의 형상과 세장비 의 형상은 전열 면에 수직 방향으로 발생하는 변형을 좀 더 자연스럽게 발생시켜준다 따라서. 압력 하중의 변형에 있어서는 과 세장비 가 더 유리한 것으로 판단 된다 또한 압력의 하중 방향이 두께 방향이므로 두께가 증가할수록 강성이. , 증가하므로 압력 하중에 더욱 잘 버틸 수 있어 구조적 측면에서 유리하다고 할 수 있다. 압력 하중으로 발생하는 압축 및 인장 응력의 값은 동일하다. 에 나 타난 응력은 모두 뜨거운 유체가 흐르는 쪽의 브레이징이며 따라서 모두 압, 축 응력이다 최대 응력은 변형을 구속하는 브레이징의 끝단에서 발생하며 이. , 부분은 브레이징의 반경이 끝나는 부분과 플레이트 부분이 접하는 부분으로 형상적으로 불연속이다 압력 하중에 의한 모든 해석 모델에서 최대 응력은. 이 부분에서 발생함을 확인할 수 있었다. 결론적으로 압력 하중이 작용할 때 전열면의 형상은 파형의 곡면이 더욱, 커질수록 세장비가 작을수록 두께가 클수록 구조적 측면에서 유리한 형상임, , 을 알 수 있었다 압력 하중에 대하여 가장 영향력이 큰 형상 변수는 전열면. 의 두께임을 확인하였으며 모든 형상 변수는 발생하는 응력에 영향을 미치는, 것을 확인할 수 있었다 또한 모든 형상에서 최대 응력은 브레이징 부분에 발. 생을 하므로 브레이징 접합 기술이 많이 요구된다고 볼 수 있다, . 온도 하중에 대한 변형 및 응력 결과 열교환기에서 뜨거운 유체와 차가운 유체 사이에 발생하는 온도차는 열변형 을 유발하며 대부분의 열교환기에서 열변형은 사용 및 설치에 있어서 많은, 문제점을 발생시킨다 시간 이력에 따른 해석에서 브레이징 판형 열교환기의. 두께가 얇고 열교환기 빠른 형상 특성으로 열교환기 전체의 온도가 균일하다 는 것을 확인하였다 따라서 환경온도인 상온. 과 열교환기의 온도 사이 의 온도차를 온도 하중으로 정의하였다.
마찬가지로 모든 형상에 대해 온도 하중 3가지에 대한 구조해석을 수행했으
며 응력 수준은 에 나타내었으며 온도 하중이 증가함에 따라 응력 수
온도 하중에 대한 응력 결과로부터 하중에 대해 응력이 가장 낮게 발생하,
는 형상과 높게 발생하는 형상을 확인하였으며 그 형상들의 변형 및 응력의,
열교환기의 위 아래는 엔드 플레이트에 의해 변형이 구속되므로 열변형에· , 의한 응력은 위 아래 방향으로 발생하는 열변형에 의해 발생한다 따라서 브· . 레이징 부에 발생하는 모든 응력은 압축 응력임을 알 수 있었다. 파형이 과 세장비 은 전열면의 형상이 납작한 형상이 되며 이는 위 아래의 변형에 더욱 유리한 형상이며 양 옆으로 변형이 잘 이루어진다고· 할 수 있다 또한 두께가. 일 때 발생하는 굽힘 모멘트를 줄일 수 있 어 구조적 측면에서 유리하다고 판단된다. 온도 하중으로 인해 발생하는 응력은 대부분이 열변형에 의한 압축 응력이 다 또한 대부분의 응력은 열에 의한 변형을 억제하는 브레이징부에서 발생하. 며 구조물 전체가 동일한 온도가 되므로 뜨거운 유체가 흐르는 쪽과 차가운, 유체가 흐르는 쪽의 모든 브레이징부에서 동일하게 발생한다 최대 응력은 마. 찬가지로 브레이징의 끝단에서 발생하며 이 부분은 브레이징의 반경이 끝나, 는 부분과 플레이트 부분이 접하는 부분으로 형상적으로 불연속이다 온도 하. 중에 의한 모든 해석 모델에서 최대 응력은 이 부분에서 발생함을 알 수 있으 며 이는 압력 하중과 동일하다. 결론적으로 온도 하중이 작용할 때 전열면의 형상은 파형에 곡면이 없을수, 록 세장비가 클수록 두께가 작을수록 구조적 측면에서 유리한 형상임을 알, , 수 있었다 이는 압력 하중에 대해 구조적으로 유리한 형상과 정반대의 형상. 이며 표면력으로 생각할 수 있는 압력 하중과 체적력으로 생각할 수 있는 온, 도 하중의 경향이 정반대임을 알 수 있었다 온도 하중이 작용할 때 가장 영. 향력이 있는 형상 변수는 세장비였으며 모든 형상 변수는 응력에 영향을 미, 치는 것을 확인할 수 있었다 또한 모든 형상에서 최대 응력은 브레이징 부분. 에 발생을 하므로 압력 하중과 마찬가지로 브레이징 접합 기술이 많이 요구, 된다. 압력 및 온도가 동시에 작용할 때의 변형 및 응력 결과 3.3.3 일반적으로 열교환기가 사용될 때 압력과 온도는 동시에 작용된다 앞선 연, . 구에서 압력과 온도 하중을 따로 평가한 이유는 각각의 하중이 작용할 때 전,
열면의 형상 변수들의 구조적 영향을 확인하기 위해서이다 여기에서는 압력. 및 온도가 동시에 작용할 때의 변형 및 응력을 확인하였으며 이는 열교환기에 발생하는 실제 응력이라고 할 수 있다. 압력 및 온도가 동시에 작용할 때의 응력은 다양한 하중 조건이 있으므로, 경향성만을 파악하기 위해 두가지의 하중 조건에 대해서 해석을 수행하였다. 첫 번째 하중 조건은 가장 낮은 압력 하중과 가장 높은 온도 하중이 동시에 작용할 때이며 두 번째 하중 조건은 가장 높은 압력 하중과 가장 낮은 온도, 하중이 동시에 작용할 때이다. 온도 하중이 작용할 때 모든 브레이징부의 응력은 압축 응력임을 알 수 있 으며 압력 하중이 작용할 때 차가운 유체가 흐르는 브레이징부의 응력은 압, 축 응력인 것 또한 알 수 있었다 따라서 압력 및 온도 하중이 동시에 작용할. 때 최대 응력은 차가운 유체가 흐르는 브레이징부의 응력이며 응력값은 압력 하중이 작용할 때의 응력과 온도 하중이 작용할 때의 응력과의 합과 유사하 다 뜨거운 유체가 흐르는 쪽의 응력은 압력 하중시에 발생하는 인장 응력과. 온도 하중시에 발생하는 압축 응력으로 서로 상쇄되어 비교적 낮은 응력이 발 생한다.
모든 형상에 대한 압력 및 온도가 동시에 작용할 때의 최대 응력값을 에 모두 열거하였다.
압력 및 온도 하중에 대한 응력 결과로부터 압력 하중 및 온도 하중에 대, 한 형상 변수의 구조적 경향이 정반대임을 알 수 있었다 따라서 압력 및 온. 도가 동시에 작용할 때 구조적으로 가장 유리한 형상은 하중 조건에 따라 달, 라질 수 있는 것을 알 수 있었다 예를 들어 압력 하중이 온도 하중에 비해. 상대적으로 크다면 곡면이 많은 파형과 높은 세장비 그리고 두께가 증가될수, , 록 구조적으로 유리하다고 할 수 있다 또한 모든 형상 변수들은 응력에 영향. 을 미치므로 구조적 특성과 열교환기의 사용에 대한 제약성 등을 고려한 세심 한 설계가 필요하다. 브레이징 크기의 영향 분석 3.3.4 모든 하중 조건 및 해석 모델에서 대부분의 응력은 브레이징부에서 발생하 며 최대 응력은 브레이징의 끝단에서 발생한다는 것을 알 수 있었다 따라서, . 브레이징이 구조적 측면에 있어서 상당히 중요한 부분임을 알 수 있으며 브레 이징의 크기에 대해 구조적 특성을 평가하였다. 현재 모든 파라미터 모델의 브레이징은 반경이 로 통일되어 있다. 따라서 추가적으로 의 브레이징을 생성하여 브레이징이 작아지 거나 커질 때의 응력 분포 및 최대 응력의 값을 비교하였다.
해석 결과로부터 브레이징이 커질수록 압력 및 온도 하중이 작용할 때 모, 두 응력 수준이 많이 감소됨을 알 수 있고 반면 브레이징이 작아지면 응력 수 준이 증가됨을 알 수 있다 또한 브레이징의 반경이 일정한 값 이상이 되면. 크기의 변화가 거의 없으므로 응력 측면에서의 효과가 줄어든다는 것을 예측, 할 수 있다 결론적으로 열교환기의 무게 성능 등 제약 조건을 만족한다면. , , 구조적 측면에서 브레이징은 크면 클수록 좋다는 것을 알 수 있다.
형상 변수 및 입력 하중에 대한 응력 예측
해석 결과들을 바탕으로 형상 변수와 입력되는 압력 혹은 온도 하중에 대, 한 응력을 예측할 수 있다면 구조적 관점에서 유리한 형상 변수의 설계에 많 은 도움이 될 수 있다 본 연구에서는 모든 형상 변수에 대해 직접 구조 해석. 을 다 수행하였으며 이에 대한 응력값을 구하였다 또한 압력 및 온도 하중이, . 변함에 따라 응력이 선형적으로 변하는 것을 확인하였으므로 어떠한 하중 조,본 연구에서는 실무에서 널리 활용할 수 있도록 응력 예측 수식을 유도하였
수식으로부터 의 값을 변화시키면서 응력을 예측할 수 있다 여. 기에서 입력 하중은 소수점이 되더라도 무방하며 파형의 경우, 은 두 개의 직경이 접하는 반경 값을 가지며, 는 여기의 배, 그리고 은 접하는 반경의 배이다 따라서. 또한 소수점이 되어도 계산할 수 있다 세장비와 두께는 마찬가지로 소수점을 포함하더라도 자연스럽게 변. 화시킬 수 있다 이 수식을 통하여 브레이징 판형 열교환기의 구조적 설계에. 앞서 많은 도움이 될 것이라 예상되며 더욱 안전성을 확보할 수 있다고 판단, 된다.
제
4
장
새로운 형상의 전열면 형상 정의
헤링본 형상의 전열면이 개발된 이래로 대부분의 판형 열교환기는 헤링본 형상을 그대로 유지하고 있으며 예전과 비교해 열교환기가 더욱 열악한 환경, 에서 사용되므로 새로운 형상의 전열면 형상 개발이 요구되고 있다 따라서. 본 연구에서는 헤링본 형상을 기본으로 하여 몇가지 추가적인 형상을 사인 함 수를 통해 유도해 내었다 수식에서. 는 파형에서의 높이를 뜻하며, p는 폭을 의미한다. 는 파형의 돌출 방향을 의미하며, 에 따라 그 높이가 변하도록 하 였다 즉 기존의 헤링본 형상이 사인 곡선과 유사한 파형을 지니며 여기에 돌. , 출 방향으로도 사인 곡선의 함수를 도입하여 모든 방향으로 곡면이 존재하도 록 하였다. 유도된 형상은 에 나타내었으며 돌기형, 의 형상이라고 할 수 있다 이 형상은 전열면적이 더욱 넓어져 효율을 향상시킬 수 있는 형상이다. . 여기에서는 이 돌기형의 형상에 대해 동일한 방식으로 형상 변수를 정의하고 압력 및 온도 하중에 대한 형상 변수의 구조적 특성을 예측하고자 한다 또한. 기존의 헤링본 형상과 비교하여 어떠한 구조적 특징을 가지는지 평가하였다. • M = 1,2,3,∙∙∙ (natural number) • XM= ( M – 1 ) × p • RM = {(2M – 1) / 2} × p • p* = {( 21/N) / 2}× p (modified variable)(
)
1 cos 2 , 2 N M M M x X h y p R x R + æ - ö = çç ÷÷ £ < è p* ø형상 변수 정의
4.1
돌기형의 형상 또한 마찬가지로 파라미터 해석을 수행하기 위해 전열면 형,
상에 대해 구조적으로 영향이 있는 형상 변수들을 정의해야한다 정의된 형상.
세장비 는 구조적 관점 뿐 아니라 성능적 관점에서도 매우 중요 시되는 형상 변수이다 세장비는 많이 사용되고 있는 범위로부터. 개의 값을 선정하였다 두께는 구조적 특성을 결정하는 중요한 요소이며 따라서 두께 또. , 한 개의 값으로 선정하였다 기존의 형상과 달리 돌기형의 형상은 돌출 방향. 의 곡선을 가지며 이 때 곡면의 높이가 돌출 길이에 따라 변화한다 이때 변. 화하는 높이의 최대 높이는 기존의 높이에 에 해당하는 값으로 고정을 하 였다. 형상 변수에 따라 파라미터 모델은 총 가지로 정하였으며, 가지 하중 압( 력 온도 압력 온도 에 대하여 모든 구조해석을 수행하였다 해석된 파라미터, , + ) . 모델은 에 나타내었으며 이는 모두 두께, 이다.
형상 변수에 대한 구조적 특성 예측
4.2
여기에서도 모든 해석은 단위 모델에 대해서 수행되었으며 요소의 크기 또, 한 로 기존의 형상과의 비교를 위해 동일하게 생성하였다 구속 조건. 은 마찬가지로 위 아래의 변형이 구속되며 양 옆으로는 변형이 자유롭게 진· , 행되도록 부여하였다.압력 하중에 대한 변형 및 응력 결과 4.2.1 압력 해석에 대한 결과로부터 하중에 대해 응력이 가장 낮게 나오는 형상, 과 높게 나오는 형상을 확인하였으며 그 형상들의 변형 및 응력의 분포를 분, 석하였다. 곱사등의 형상 또한 기존의 형상과 마찬가지로 뜨거운 유체가 흐르는 쪽의 브레이징에는 압력에 의한 압축 응력이 발생하며 차가운 유체가 흐르는 쪽의, 브레이징에는 압력에 의한 인장 응력이 발생한다.
또한 압력 하중으로 발생하는 압축 및 인장 응력의 값은 동일하다 최대 응. 력은 변형을 구속하는 브레이징의 끝단에서 발생하며 이 부분은 브레이징의, 반경이 끝나는 부분과 플레이트 부분이 접하는 부분으로 형상적으로 불연속이 다 압력 하중에 의한 모든 해석 모델에서 최대 응력은 이 부분에서 발생함을. 확인할 수 있었다 기존의 형상과 마찬가지로 세장비가 작고 두께가 두꺼워질. , 수록 응력에 유리한 형상임을 확인할 수 있었다. 온도 하중에 대한 변형 및 응력 결과 4.2.2 온도 해석에 대한 결과로부터 하중에 대해 응력이 가장 낮게 나오는 형상, 과 높게 나오는 형상을 확인하였으며 그 형상들의 변형 및 응력의 분포를 분, 석하였다.
열교환기의 위 아래는 엔드 플레이트에 의해 변형이 구속되므로 열변형에· , 의한 응력은 위 아래 방향으로 발생하는 열변형에 의해 발생한다 따라서 브· . 레이징 부에 발생하는 모든 응력은 압축 응력임을 알 수 있었다. 온도 하중으로 인해 발생하는 응력은 대부분이 열변형에 의한 압축 응력이 다 또한 대부분의 응력은 열에 의한 변형을 억제하는 브레이징부에서 발생하. 며 뜨거운 유체가 흐르는 쪽과 차가운 유체가 흐르는 쪽의 모든 브레이징부, 에서 동일하게 발생한다 최대 응력은 마찬가지로 브레이징의 끝단에서 발생. 하며 이 부분은 브레이징의 반경이 끝나는 부분과 플레이트 부분이 접하는, 부분으로 형상적으로 불연속이다 온도 하중에 의한 모든 해석 모델에서 최대. 응력은 이 부분에서 발생함을 알 수 있으며 이는 압력 하중과 동일하다 또한. 기존의 형상과 마찬가지로 세장비가 크고 두께가 작을수록 응력에 유리한 형, 상임을 확인할 수 있었다.
기존의 형상과 응력 수준 비교
4.3
우선 압력 하중 온도 하중이 작용할 때 모든 파라미터 모델의 응력을 그래, 프화 하였으며 동일한 열교환기의 사용 조건에서 응력에 가장 유리한 형상을, 각각 표시하였다. 압력 하중이 작용할 때 세장비는 낮을수록 그리고 두께는 두꺼울수록 구조, 적 측면에서 유리하다 가장 영향력이 있는 형상 변수는 전열면의 두께이며. 두께가 증가할수록 응력이 감소한다 이는. 에서도 확인할 수 있다 응. 력 수준은 최대 응력이 발생하는 브레이징부에서 비교되었으며 기존의 형상, 에서 가장 좋은 형상은 응력이 였으며 돌기형의 형상에서는 가 가장 낮은 응력이었다 압력 하중이 작용할 때 돌기형의 형상은 기존. , 의 형상에 비해 의 구조적 이점이 있음을 확인할 수 있었다. 한편 온도 하중이 작용할 때 세장비는 높을수록 그리고 두께는 얇을수록, 구조적 측면에서 유리하다 가장 영향력이 있는 형상 변수는 세장비이며 세장. 비가 높아질수록 응력이 감소한다 이는. 에서도 확인할 수 있다 응력. 수준은 마찬가지로 최대 응력이 발생하는 브레이징부에서 비교되었으며 기존, 의 형상에서 가장 좋은 형상은 응력이 였으며 돌기형의 형상에서는 가 가장 낮은 응력이었다 온도 하중이 작용할 때 돌기형의 형상은. , 기존의 형상에 비해 의 구조적 이점이 있음을 확인할 수 있었다. 즉 압력 하중이 작용할 때 그리고 온도 하중이 작용할 때 각각 돌기형의, , 형상은 기존의 형상에 비해 구조적 이점을 갖는 것을 확인할 수 있었다.돌기형의 형상은 돌출 방향으로 생성되는 추가적인 굴곡면으로 인해 변형이 좀 더 자연스럽게 발생하며 이로 인해 발생하는 응력이 감소된 것으로 예상, 된다. 하지만 돌기형의 형상은 이상적으로 수식을 통해 유도된 형상이며 열교환, 기의 제작 과정에 있어서 다소 어려움이 있을 수 있다 따라서 열교환기의 제. 품 생산성을 고려하여 헤링본 형상의 모델을 설계하고 그 때의 응력이 재료, 의 허용범위를 벗어난다는 가정 하에 돌기형의 형상 모델을 적용시키는 식으 로 활용되는 것이 바람직하다고 판단된다 추가적으로 돌기형의 형상은 헤링. , 본 형상과 비교해 얇은 두께로도 응력조건을 만족시킬 수 있으므로 열교환기 의 제약조건인 중량을 많이 줄일 수 있을 것으로 생각된다.
제
5
장
결론
본 논문은 세계적으로 문제가 되고 있는 이산화탄소 배출을 감안하여 고밀 도 열교환기인 브레이징 판형 열교환기의 전열면부에 대한 구조적 특성을 예 측하였다 구조적 특성은 압력과 온도 하중에 대한 유한요소 해석을 수행하여. 예측하였다 또한 형상 변수들을 정의했고 파라미터 해석을 통해 각각 형상. , 변수들의 영향을 확인하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다. 실제의 전열면은 형상이 복잡하기 때문에 유한요소의 수가 너무 많아 해 1. 석이 상당히 어렵다 효과적인 해석을 위해 단위모델을 정의하였으며 부분모. , 델과 비교하여 응력 수준이 비슷한 것을 확인할 수 있었다 따라서 동일한 형. 상이 주기적으로 반복되는 판형 열교환기의 전열면에 대한 구조해석 접근 방 법을 제시하였다. 브레이징 판형 열교환기의 전열면에서 구조적 특성을 갖는 형상 변수들 2. 을 정의하였으며 압력 그리고 온도 하중이 작용할 때 형상 변수들 모두 응력, 에 영향을 미치는 인자임을 확인할 수 있었다 압력이 작용할 때 가장 영향력. 이 있는 형상 변수는 두께였으며 두께가 증가하고 세장비가 감소하며 파형에, 곡면이 많을 때 구조적으로 유리한 형상임을 확인하였다 한편 온도 하중이. 작용할 때 가장 영향력이 있는 형상 변수는 세장비였으며 세장비가 증가하고, 두께가 감소하며 파형에 곡면이 적을수록 구조적으로 유리한 형상임을 확인할 수 있었다 결과적으로 압력과 온도 하중이 작용할 때 형상 변수들의 경향이. 정반대임을 확인하였다.압력과 온도 하중이 동시에 작용할 때 응력의 최대값은 각각의 하중에서 3. , 발생하는 최대값들의 합과 동일하였으며 두 하중에 대한 형상 변수들의 경향, 이 정반대이므로 사용되는 열교환기의 사용조건에 따라 구조적으로 유리한 형 상이 바뀔 수 있다 따라서 사용조건과 형상 변수들의 값을 알 때 응력을 예. , 측할 수 있는 수식들을 유도하였다 이는 실무에서 열교환기의 설계 과정에. 있어 많은 도움이 될 수 있을 것으로 예상된다. 현재 판형 열교환기 전열면의 형상은 헤링본 형태가 많이 사용되고 있으 4. 며 나날이 열악해 지는 사용조건에 맞추어 새로운 형상의 전열면 개발이 요구 되고 있다 사인 함수를 사용하여 돌출 방향으로 추가적인 곡면이 존재하는. 돌기형의 형상 전열면을 적용하였으며 그 형상의 정의 과정을 제시하였다, . 돌기형의 형상 또한 헤링본 형상과 마찬가지로 압력 하중이 작용할 때 5. , 두께가 증가할수록 그리고 세장비가 감소할수록 응력이 낮았으며 온도 하중, 이 작용할 때는 세장비가 증가할수록 그리고 두께가 감소할수록 응력이 낮음 을 확인하였다. 돌기형의 형상과 헤링본 형상의 전체적인 응력을 비교해 보았을 때 돌기 6. , 형의 형상은 추가적인 곡면으로 인해 변형이 비교적 자유로웠으며 압력 그리 고 온도 하중이 작용할 때 모두 응력 수준이 헤링본 형상보다 낮음을 확인하 였다 따라서 돌기형의 형상은 구조적으로 유리한 형상이므로 헤링본 형상의. , 전열면이 어떠한 사용조건에서 구조적으로 문제가 될 수 있을 경우 이를 대, 체할 수 있을 것으로 예상된다.
김한호 황상동 조형희 최재호 전승배, , , , , 2001. 가스터빈용 열교환기의
주름진 덕트에서 종횡비 변화가 열전달 특성에 미치는 영향. 유체기계 연
구개발 발표회 논문집,
권오경 차동안 윤재호 김효상, , , , 2009. 쉐브론 각도변화에 따른 판형 고
김민우 강동욱 김명훈 이상진 박자연 정호승, , , , , , 2009. 브레이징 판형 열 교환기의 브레이징 접합 형상에 관한 연구. 한국 정밀공학회 춘계논문집, 최성우, 박상후, 정호승, 민준기, 정재헌, 조종래, 김현준, 폴월리암, 고세장비 연속주름을 갖는 박판구조물 제작을 위한 다단성형공정 2010. 개발. 대한기계학회 논문집, 김민훈 박상후 정호승 조종래 하만영, , , , , 2011. 균일압력 유도에 의한 꺾 임 구조를 가진 미세주름 박판구조물 성형을 위한 고무성형 공정연구. 대 한기계학회 논문집, 주 태성에스엔이 사업부 활용안내서 유한요소해석입문 과 선형해석 판 주 태성에스엔이
