용접형 판형열교환기의 유동분배 및 특성에 대한 연구
함 정 균*, 장 대 원*, 이 아 름**, 김 미 정**, 김 주 현**, 조 홍 현**†
*조선대학교 대학원, 기계공학과
**조선대학교, 기계공학과
†조선대학교, 기계공학과
Study of flow distribution and flow characteristics in the welded plate heat exchanger
Jeonggyun Ham
*, Daewon Jang
*, Areum Lee
**, Mijeong Kim
**, Juhyeon Kim
**, Honghyun Cho
**,†**Graduate school of Mechanical Engineering, Chosun Universit, Korea
*Department of Mechanical Engineering, Chosun University, Korea
†Department of Mechanical Engineering, Chosun University, Korea (Received : May. 17, 2018, Revised : Jun. 18, 2018, Accepted : Jun. 25, 2018)
Abstract : An experimental study on the flow distribution characteristics according to the inlet direction of the working fluid and an analytical study on the flow characteristics according to the variation of the outlet width were carried out in order to present the optimal design of welded plate heat exchanger. In the experiment results on the flow distribution according to the inflow direction of the working fluid, the flow distribution in the welded plate heat exchanger is mainly formed around the center channel. As the inflow flow rate increases, the flow distribution ratio at the center channel decreases, whereas the flow distribution ratio at the side channel increases, thereby improving the distribution effect. The increase inflow rate of working fluid brings the incre of the pressure drop in the channel while the increase in width at the outlet reduces the pressure drop. Besides, it can be seen the dead zone where the fluid flow stagnates at the opposite corner of the outlet side.
Keyword : Welded plate heat exchanger, Flow distribution, pressure drop
1. 서 론
1)
현대 사회의 기술적 진보로 인해 에너지 소비량이 증가되고 있는 실정이다. 에너지의 생성은 주로 화석 연료에 의존하고 있기 때문에 온실가스 및 탄소 배출 을 증가시키며 지구온난화를 가속화 시킨다. 이 문제 를 해결하기 위해서는 에너지 소비량이 높은 제조공 정, 플랜트, 냉난방 시스템의 효율향상이 요구되고 있 다. 이중 열교환기는 다양한 산업분야에 활용되고 있 으며 열에너지를 회수 및 전달하는 목적으로 사용되기 때문에 열교환기의 성능 개선은 에너지 효율 증가에
†Corresponding Author 성 명 : 조 홍 현
소 속 : 조선대학교 기계공학과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7769
E-mail : [email protected]
도움을 준다. 현재 산업 제조공정 및 플랜트 분야에는 관류형 열교환기인 Shell-Tube 열교환기가 주로 사용 되고 있다. 판형열교환기는 주름진 주기적인 패턴을 갖는 전열판이 적층되어 채널을 형성하기 때문에 낮은 유속에서도 난류를 유발하여 다른 열교환기에 비해 높 은 열전달 성능을 갖는다. 따라서 최근 낮은 열전달 성능을 갖는 Shell-Tube 열교환기를 판형열교환기로 대체하고자 많은 연구가 진행중이며 이를 위하여 설계 최적화, 다양한 시스템의 적용성 평가, 나노유체 활용 등의 연구가 진행되고 있다.
우선 기존의 판형열교환기 설계 최적화는 다음과 같 다. Lee et al.(1)은 LES(Large-Eddy Simulation) 의 비정상 수치해석을 이용하여 쉐브론 판형열교환기 의 압력강하와 열전달 성능을 조사하였다. 그들은 쉐 브론 판형열교환기의 주요 설계인자인 쉐브론 각도, 쉐브론 폭과 높이를 변화시켜 Muley and Manglik(2) 와 Kim et al.(3)의 연구결과와 비교를 수행하였으며 쉐브론 각도가 66.5°, 쉐브론 높이와 폭의 비가 2.73 일 때 쉐브론 판형열교환기의 최적 설계조건이라 언급
하였다. Wang et al.(4)은 판형열교환기의 최적 설 계를 수행하기 위해 쉐브론 각도가 다른 3가지 전열판 과 쉐브론 높이, 쉐브론 폭 등의 설계요소의 영향성에 대해 3D 수치해석을 진행하였으며 3가지 전열판 중 쉐브론 각도가 69°일 때 우수한 열전달 성능을 가지며 쉐브론 높이와 폭이 증가함에 따라 압력강하가 낮아짐 을 확인하였다. Zhang et al.(5)은 단상유동에서 캡 슐 패턴을 갖는 판형열교환기의 열전달 특성을 CFD 해석을 진행하였는데 캡슐 패턴에 의해 생성된 와류가 열전달 성능 향상에 영향을 주며 쉐브론 형태의 판형 열교환기에 비해 높은 Nusselt number와 낮은 압력 강하를 가짐을 보고하였다. Jin et al.(6)은 복잡한 형상을 갖는 판형열교환기 전열판에 대한 금형설계를 3차원 유한요소법을 이용하여 상이한 8개의 패턴에 대한 두께 변화를 확인하였으며 초기 재료에 대해 1%
미만의 공차를 보이며 형상 일치성은 96%까지 일치 성을 가짐을 확인하였다.
또한 판형열교환기의 시스템 적용에 대한 연구는 다 음과 같다. Wang et al.(7)은 열전지 발전시스템을 기반으로 폐열 활용을 수행하는 판형열교환기를 제안 하였으며 열교환기와 열전지 발전을 통해 열회수를 실 현할 수 있으며 가열된 공기와 찬물 사이의 열교환의 효율성은 83.6%, 최대 개방순환전압은 108.1 mV로 보고하였다. Walraven et al.(8)은 유기랭킨사이클 에서 Shell-Tube 열교환기와 판형열교환기 활용 시 성능에 대해 비교를 수행하였으며 유기랭킨사이클에 판형열교환기의 적용은 전반적으로 우수하지만 판형열 교환기의 형상이 양면으로 동일하여 열교환기가 비효 율적일 수 있다고 언급하였다. Jeong et al.(9)은 흡 수식 사이클에 용접형 판형열교환기의 성능에 대한 연 구를 통하여 H2O/LiBr의 농도가 54-62%에서 해석 을 진행하였으며 질량유량의 증가시 열전달계수가 증 가함을 확인하였으며 Elliptic embossing 형상을 갖 는 판형교환기가 쉐브론 및 다른 전열판을 갖는 열교 환기에 비해 높은 열전달 성능을 가짐을 확인하였다.
그리고 판형열교환기의 나노유체 활용에 대한 연구 는 다음과 같다. Barzegarian et al.(10)은 나노유 체가 용접형 판형 열교환기의 열전달 향상과 압력강하 에 영향에 대한 연구를 통하여 TiO2의 농도가 각각 0.3%,0.8% 및 1.5%에서 최대 향상이 각각 6.6%, 13.5%, 23.7%로 대류열전달 계수가 크게 증가함을 확인하였다. 또한 Tiwari et al. (11)은 CeO2/물 나 노 유체를 이용한 열전달 및 압력강하 특성을 연구를 통하여 판형열교환기의 나노유체 CeO2는 0.75vol%
의 최적농도에서 최대 39% 높은 열전달 계수를 갖는 결과를 확인했다.
이와 같이 판형열교환기의 최적 설계 및 성능 개선 에 대한 연구를 지속적으로 진행되고 있다. 그러나 용 접형 판형열교환기는 일반적인 판형열교환기와 달리 매니폴드 구조에서 전열판 적층에 형성된 채널로 작동 유체가 분배 및 병합되며 채널의 입구와 출구의 크기 가 상이하다. 이러한 조건은 판형열교환기의 열전달 및 압력강하에 영향을 주지만 용접형 판형열교환기는 수요자의 사용 조건에 맞춰 주문제작으로 진행되기 때 문에 설계조건을 최적화하기 어렵다. 따라서 본 연구
에서는 용접형 판형열교환기의 작동유체 분배특성에 대한 실험적 평가와 더불어 전열판의 채널 출구의 형 태변화가 열전달 및 압력강하에 미치는 영향성을 해석 적으로 분석하였다.
2. 입구측 유입방향에 따른 유량분배 실험 방법 용접형 판형열교환기의 작동유체의 유입방향에 따른 각 채널별 작동유체 분배 특성을 조사하기 위해 실험 을 진행하였다. Fig. 1은 채널별 유량분배 특성을 측 정하기 위해 사용된 용접형 판형열교환기의 개략도를 보여주며 Table 1은 용접형 판형열교환기의 주요 재 원을 보여주고 있다. 용접형 판형열교환기의 전열판은 쉐브론 패턴을 가지며 쉐브론 각도는 60°, 쉐브론 폭 과 높이는 14 mm 와 1.6 mm이다. 전열판에 의해 형성된 채널은 고온부와 저온부가 각 9개이며, 그 중 저온부 채널의 유량분배를 고찰하였다. 판형열교환기 의 채널의 높이는 최대 1.6 mm로 매우 좁기 때문에 각각의 채널의 유량을 측정하는 것은 매우 어렵다. 따 라서 본 연구에서는 출구에서 3개의 채널의 유량을 병 합하여 평균 유량을 측정하였다. 즉, 입구측에서 왼쪽 에 있는 3개의 채널에서 나오는 유체를 하나로 연결하 여 Left channel, 가운데 3개의 채널을 묶어서 Middle channel, 오른쪽 3개의 채널을 묶어서 Right channel로 정하였다. 유량 변화에 따른 영향 성을 평가하기 위해 입구에서 유입되는 유량은 최소 29.58 lpm에서 118.02 lpm 까지 변화시켜 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 입구에서 유입되는 유체의 방향에 대한 영향을 고찰하기 위하여 입구측에 설치되 는 입구관의 방향이 다른 3가지 모델 Fig. 2와 같이 설정하여 실험을 수행하였다.
(a) Plate geometry
(b) Plate laminating and outlet port
Fig. 1 Geometry of welded plate heat exchanger.
Item Value Chevron pitch / depth 14 / 1.6 mm
Chevron angle 60°
Plate length / width 280 / 960 mm Plate thickness 0.6 mm Distributor width / length 280 / 100 mm
Distributor heigh 44.6 mm Pipe diameter 20 mm Table 1 Specifications of welded plate heat
exchanger and distributor
(a) Model 1 (b) Model 2 (c) Model 3 Fig. 2 Inlet pipe direction of plate heat exchanger.
3. 채널 출구의 폭 변화에 따른 유동 특성 해석 방법
용접형 판형열교환기는 가스켓 및 브레이징 판형열 교환기와 달리 전열판을 용접을 수행하여 전열판 적층 을 수행하기 때문에 Shell-Plate 형태를 갖는다. 용 접형 판형열교환기에서 대항류로 유체가 흐르기 위해 서는 채널에서 유동 흐름은 L 형태의 흐름을 갖도록 채널이 형성된다. 채널 입구의 형상은 전열판의 폭에 의해 결정되며 출구의 크기는 출구 측 포트의 크기와 설치 조건에 따라 상이하다. 이에 유동분배 실험의 동 일 규격의 용접형 판형열교환기를 모델링을 바탕으로 출구폭 변화에 따른 용접형 판형열교환기에서 작동유 체의 유동특성에 대해 CFD 해석을 수행하였다. CFD 해석은 다음과 같은 가정 하에 진행하였다.
① 유동은 3차원 정상상태이다.
② 해석 영역외의 열손실은 없다.
③ 중력의 영향성은 무시한다.
④ 유체의 열역학적 물성치(밀도, 점성계수, 열전도 도)는 일정하다.
⑤ 오염에 의한 채널의 유동에 대한 영향성은 무시 한다.
해석은 상용 CFD 소프트웨어인 Fluent를 사용하 였으며 해석에 사용된 난류모델은 Realizable k-e m odel과 비평형 벽함수(Non-equilibrium wall funct ion)이다. 해석을 진행하기 위해 연속방정식, 운동량
방정식, 난류운동량 에너지방정식, 난류운동량 에너지 소산율 방정식은 사용하였다.(12)
해석은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)을 통해 계산되었으며 해석 잔차(Residual)가 10-4 이내 시 수렴으로 간주 하였다. Fig. 3은 출구의 폭이 다른 3가지 형태의 판 형열교환기 채널의 형상을 보여준다. 해석에 사용된 판형열교환기의 전열판은 유량분배 실험에 사용된 전 열판과 동일 규격이지만 출구의 폭을 Case 1: 80 mm, Case 2: 160 mm, Case 3: 240 mm 변화시 켜 해석을 진행하였다. Table 2는 CFD 해석조건을 보여준다.
4. 판형열교환기 작동유체의 유입방향에 다른 유량분배 실험결과
Fig. 4(a)와 (b)는 판형열교환기 입구측 유입유량 이 87.78 lpm일 때 채널 위치별 체적유량과 유량비 를 보여준다. 3개의 Model에서 공통적으로 중심부에 위치한 채널로 유량이 집중적으로 유입되어 좌측과 우 측에 위치한 채널에 유입된 유량보다 많은 유량이 유 입되어 흐르는 것을 확인하였다. Model 1의 경우 채
(a) Case 1
(b) Case 2
(c) Case 3
Fig. 3 Channel geometry of plate heat exchanger.
Item Value
Inlet velocity (m/s) 0.0366, 0.0723, 0.109, 0.146 Channel length (mm) 980
Outlet width (mm) 80, 160, 240 Table 2 Simulation conditions
Left Middle Right 20
25 30 35 40
Volumetric flow rate(L/min)
Location Model 1
Model 2 Model 3
Total fluid rate = 87.78 lpm
(a) Volumetric flow rate at the location of channel
Left Middle Right
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Model 1 Model 2 Model 3
Total fluid rate = 87.78 lpm
Ratio of flow rate (-)
Location
(b) Flow ratio at three locations of channel Fig. 4 Flow distribution according to inlet pipe direction.
널의 좌측, 중심, 우측에서의 유량이 각각 25.14.
34.98, 28.44 lpm이며 각각의 유량유입비는 0.321, 0.395, 0.284로 중심>좌측>우측 채널순으로 유량유입비 가 형성됨을 알 수 있다. Model 2의 경우 좌측, 중심, 우측에서 각각 24.78, 35.4, 27.6 lpm의 유량이 유입 되며 각각의 유량유입비는 0.314, 0.403, 0.282으로 중심>좌측>우측 순으로 Model 1과 유사한 특성을 보였 다. 하지만 Model 3의 경우 좌측, 중심, 우측에서 각각 27.3, 34.56, 24.42 lpm의 유량이 유입되어 0.283, 0.4, 0.32의 유량유입비가 형성되었다. 중심부의 유량은 Case 1과 Case 2와 유사하게 형성되지만 좌측의 유량 유입이 줄고 우측의 유량유입이 증가하였다. 이러한 유 량 유입의 비대칭성은 전열판에 의해 형성된 채널이 입 구 매니폴드의 우측으로 쏠려 형성되기 때문이다. 즉, 전 열판에 의해 형성된 고온부와 저온부의 채널을 형성하며 입구 매니폴드 벽면에서 일정 간격 떨어진 채 유량은 한 쪽으로 쏠리게 된다. 본 연구에 사용된 판형열교환기는 우측을 기준으로 저온측 채널이 먼저 형성되기 때문에 입구 매니폴드 벽면과 가까워져 우측 채널의 유속이 느 리게 형성되어 유량 유입 또한 우측이 작게 형성된다.
Left Middle Right
0 10 20 30 40 50 60
Volumetric flow rate(L/min)
Location
Total fluid rate(lpm) 29.58 58.5 87.78 118.02 Model 2
(a) Volumetric flow rate at the location of channel
Left Middle Right
0.00 0.15 0.30 0.45 0.60
Total fluid rate (lpm) 29.58 58.5 87.78 118.02 Model 2
Ratio of flow rate (-)
Location
(b) Flow ratio at three locations of channel Fig. 5 Flow distribution according to flow rate.
하지만 Model 3의 경우 입구 매니폴드가 우측 벽면 에 위치하고 있어 유입구의 방향성의 영향으로 이 방 향으로 유체가 유입되면서 상대적으로 회전곡률이 작 은 우측에 유속이 좌측에 비해 빠르게 형성되고 이에 우측 채널의 유량 분배비가 Model 1과 Model 2에 높게 형성된 것으로 판단된다.
Fig. 5는 Model 2에서 입구측 유입유량 변화에 따 른 채널별 유량 분배비를 보여준다. 입구측 유입유량 이 29.58 lpm에서 118.02 lpm으로 증가함에 따라 각각의 채널에 유입되는 유량은 증가하였다. 총 유입 유량이 증가함에 따라 채널로의 유입유량은 중심>좌 측>우측 순으로 증가하였다. 입구측 유입유량이 29.58 lpm에서 118.02 lpm으로 증가함에 따라 좌 측 채널의 유량 분배비는 0.302에서 0.32, 우측 채널 의 유량 분배비는 0.266에서 0.285로 소폭 향상된 반면 중심에 위치한 채널의 유량 분배비는 0.432에서 0.359로 감소하였다. 유량이 증가함에 따라 중심부 채널의 유량유입비가 감소하는데 이는 입구측 매니폴 드의 유입 속도와 연관이 있다. 입구측 유량이 증가함 에 따라 입구측 배관에서 매니폴더로 유입되는 작동유 체의 속도도 함께 증가한다. 유입속도의 증가는 작동
유체의 관성력과 난류강도를 강하시켜 중심부 채널의 작동유체 유입을 어렵게 만들며 전열판 적층 벽면에 충돌하여 중심부 채널로 유입되지 못한 유체는 좌우 채널로 분산되어 유입되기 때문이다.
5. 채널 출구의 폭 변화에 따른 판형열교환기에서 유량 분배 해석 결과 Fig. 6은 채널 출구의 폭 변화에 따른 압력강하를 보여준다. 입구에서 유입속도가 0.0366 m/s에서 0.146 m/s로 증가함에 따라 압력강하는 증가하는 경 향을 나타냈다. 더불어 출구측 채널폭 변화는 압력강 하에 큰 영향을 미침을 확인하였다. 0.08 m의 출구측 폭을 가지는 채널인 Case 1의 경우 입구 측 유입속도 가 0.0366 m/s에서 0.146 m/s로 증가함에 따라 압 력강하는 201.14 Pa에서 987.85 Pa로 증가함을 보 였다. 출구측 채널폭이 증가하여 입구측 채널폭과 유 사한 Case 3의 경우 입구측 유입속도가 0.0366 m/s 에서 0.146 m/s로 증가함에 따라 압력강하는 150.32 Pa에서 718.44 Pa로 Case 1과 Case 2에 비해 작은 압력강하를 보였다. 이러한 결과는 전열판 의 압력강하의 주요 특성인 마찰계수에 영향을 준다.
유입속도가 0.0366 m/s 일 때 Case 1, 2, 3의 마찰 계수는 0.491, 0.413, 0.367로 출구의 폭이 증가함 에 따라 감소하였다. 유입속도가 증가는 작동유체의 운동량이 증가하여 작동유체 물성의 영향성이 감소하 여 마찰계수를 전반적으로 감소시켰지만 출구 폭 증가 효과는 마찰계수에 큰 영향을 줌을 확인되었다. 이러 한 결과는 채널에서 압력강하는 입출구의 채널폭과 일 정 관계가 있으며 입구에 비하여 출구의 폭의 크기가 작아질수록 압력강하가 커짐을 확인하였다.
Fig. 7은 입구측 유입속도가 0.146 m/s일 때 채 널에서 압력분포를 보여준다. Case 1, 2, 3 모두 채 널 입구 근처에서 채널 폭 방향으로 균일한 압력분포 를 보여준다. 하지만 출구에 가까워짐에 따라 채널 폭 방향으로 형성된 압력분포는 출구 반대편쪽의 압력이 크게 형성됨을 알 수 있다. 출구측에서는 출구 모서리
0.02 0.05 0.08 0.11 0.14 0.17
100 300 500 700 900 1100
Pressure drop (Pa)
Velocity (m/s) Case 1 Case 2 Case 3 Pressure drop
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Friction factor
Friction factor (-)
Fig. 6 Pressure drop and friction factor at the channel.
(a) Case 1
(b) Case 2
(c) Case 3
Fig. 7 Pressure drop according to the width of outlet.
(a) Case 1
(b) Case 2
(c) Case 3
Fig. 8 Velocity vector according to the width of outlet.
를 기준으로 반경 모양으로 압력변화가 형성된다. 출 구의 폭이 가장 좁은 Case 1의 경우 Case 2 와 Case 3에 비해 큰 압력변화를 보여준다. 특히 Case 1의 경우 출구측에서 압력이 급격히 변함을 확인할 수 있다. 이와 같이 출구폭을 제외한 동일 형상을 갖는 판형열교환기 채널에서 채널 내의 압력형성이 상이한 이유는 채널의 폭이 채널에서의 작동유체의 유동특성 에 영향을 주기 때문이다. Fig. 8은 유입속도가 0.146 m/s 일 때 채널에서의 속도벡터를 보여준다.
전반적으로 유체는 전열판의 쉐브론 형상 패턴에 의해 와류가 형성됨을 확인할 수 있다. 우선 입구에서 전열 판 길이 방향으로 유체가 흐름에 따라 유속은 크게 변 하지 않는다. 하지만 출구측으로 갈수록 변화가 크게 나타나며 출구쪽으로 방향이 변화하며 작동유체의 유 속이 크게 변한다. 이 때 출구 모서리를 반경으로 유 속은 가속되는 반면 출구 반대쪽에서 유속은 급격히 감소하며 국소 부위에서의 일부 데드존(dead zone) 이 형성됨이 확인되었다. 출구의 폭이 좁은 Case 1의 경우 출구의 단면적이 작기 때문에 유체는 쏠림과 더 불어 유속이 급격히 빨라진다. 반면 출구에서 폭이 증 가한 Case 2 와 Case 3의 경우 출구 단면적이 증가 하여 유속 변화가 크지 않음을 확인할 수 있다. 이와 같은 유동특성은 Fig. 6 과 Fig. 7의 압력강하와 압 력 분포에 동일한 영향을 준다.
Fig. 9는 Case 2에서 유속 변화에 따른 속도 벡터 의 변화를 보여준다. 유체의 유입속도가 0.0366 m/s 에서 0.1459 m/s로 증가함에 따라 채널 내 유속은 증가한다. 유속의 증가는 채널내의 와류 형성을 강화 함을 확인할 수 있다. 하지만 유속의 증가에도 불구하 고 출구측 반대 모서리에서 유속은 거의 증가하지 않 으며 주변에서만 순환하는 형태를 보여 여전히 데드존 의 형성을 확인하였다. 이로 미루어 볼 때 전열판 출 구 부분의 형상 개선을 통하여 판형열교환기에서 데드 존을 최소할 필요가 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 용접형 판형열교환기의 최적 설계를 수행하기 위해 작동유체의 입구측 유입방향에 따른 채 널별 유량 분배 특성에 대한 실험적 고찰과 출구측 폭 변화에 따른 채널내의 유동 특성에 대한 해석적 연구 를 진행하였으며 이를 통하여 얻은 연구의 결과는 다 음과 같다.
(1) 작동유체의 유입방향에 따른 유량분배에 대한 실 험에서 용접형 판형열교환기의 유량분배는 중심 에 위치한 채널을 중심으로 유량 분배가 이루어 지며 유량은 중심>좌측>우측순으로 형성됨을 확 인하였다.
(2) 작동유체의 유입 유량이 증가함에 따라 중심부에 위치한 채널의 유량 분배비는 줄어들지만 반면 측면에 위치한 채널의 유량 분배비는 증가하여 유체의 분배 효과가 향상된다.
(3) 채널로 유입되는 유량의 증가는 채널의 압력강하
(a) V=0.0366m/s
(b) V=0.07233m/s
(c) V=0.1085m/s
(d) V=0.1459m/s
Fig. 9 Velocity vector in the case 2 according to inlet velocity.
는 증가시키는 반면 채널 출구에서 폭의 증가는 압력강하를 감소시킨다.
(5) 용접식 판형열교환기에서 출구측 채널 반대 모서 리에서 유체 흐름이 정체되는 데드존이 발생하며 이에 대한 형상 개선이 필요하다.
후 기
이 논문은 조선대학교 2017 학년도 학부생 새싹형 연구 인재 지원 프로그램의 지원을 받아 연구되었음
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