우리나라의 기계공학 분야에는 수많은 방향이 있습니다. 구조물의 변형과 강성을 평가하는 구조해석 분야, 유체의 움직임과 흐름에 대해서 판단하는 유체해석 분야도 있지만 오늘 주제는 열과 유체에 대해 다루는 열유동해석 분야입니다. 이번 시간에는 수치해석에 집중하기 보다는 열교환기 분야에 있는 설계 엔지니어들이 현장에서 활용할 수 있는 엔지니어링이 무엇인지, 어떤 엔지니어링이 필요한지 소개하겠습니다.
목차
1. 열교환기의 열설계
2. 수치해석을 통한 열교환기의 효율 향상 방안
3. 열교환기 설계의 적용 사례
1. 열교환기의 열설계
열교환기 뿐만 아니라 모든 기계 장치는 에너지를 입력했야만 일을 할 수 있습니다. 대표적으로 자동차 같은 경우에 화석 연료 형태로 입력된 에너지는 엔진과 구동축을 거치면서 입력된 에너지의 40% 만을 일에너지로 활용할 뿐입니다. 나머지 60%는 사용하지 못하고 배출되는데, 버려지는 에너지를 회수하기 위해 수많은 노력을 하고 있는 상황입니다.
반면, 회수할 수 없는 열 에너지는 최대한 빠르게 방출될 수 있도록 조치가 필요합니다. 방출되지 못한 열에너지가 기계 장치에 쌓이게 되면 제품의 온도가 상승하고 나아가서 제품 내구성에 영향을 미치기 때문입니다. 이를 위해 필요한 장치가 라디에이터라고 불리는 열교환기입니다.
열교환기의 성능을 제품 제작 이전에 평가하고 검증할 수 있어야만 하는 이유도 방출해야만 하는 열에너지를 충분히 빠르게 방출할 수 있어야만 제품의 내구성과 성능을 보장할 수 있기 때문입니다.
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전달 물성치(Transport property) |
열전도율, 동점성계수, 열확산계수 |
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열역학적 물성치(Thermodynamic property) |
밀도, 비열, 열용량 |
열교환기에 대한 설계 과정에서 가장 중요한 개념은 '열 교환'에 대한 개념을 이해하는 것입니다. 설계 엔지니어는 본인이 사용하는 재료에 대한 열전달 물성치(Transport property)와 열역학적 물성치(Thermodynamic property)에 대해서 활용할 수 있어야만 합니다. 이런 값을 통해 열이 전달되는 양과 온도 변화를 예측할 수 있습니다.
예를 들어 내부에 유체가 흐르는 관을 설계하고자 할 때, 엔지니어는 설계 변수와 통제 불가능한 변수에 대해 파악할 수 있어야합니다. 충분한 냉각 성능을 만들기 위해서는 열전달이 잘 될 수 있는 형상의 관을 설계하고 냉각 유체를 선택해야만 하고 유체의 속도, 유량에 따라 열전달량이 크게 달라질 수 있기 때문에 함께 고려해야만 합니다.
위와 같은 1차원적인 형상의 관에 대해서는 주어진 수식으로 예상이 가능할 수 있지만 설계 제품의 형상이 조금이라도 복잡해지면 현실적으로 열전달량을 예측하기는 매우 어렵습니다. 이때 필요한 방법이 수치해석 프로그램을 활용하는 것입니다.
2. 수치해석을 통한 열교환기의 효율 향상 방안
열전달량을 쉽게 예측하기 어려운 이유는 대류 열전달 때문입니다. 유체의 흐름에 의해 발생하는 대류 열전달을 예측하기 위해서는 대류 열전달 계수(h)가 필요합니다. 대류 열전달 계수는 유체의 물성값(밀도, 점도, 열전도율, 비열 등)과 설계 제품의 기하학적 형상, 제품 주변에 흐르는 유체의 유동 조건(속력, 방향 등)이 복잡하게 영향을 미치게 됩니다.
아주 단순한 형태와 일반적인 유체가 흐르는 상황에서의 대류 열전달 계수는 이미 계산되어 있는 값이 존재합니다. 하지만 대부분의 설계 제품에는 사용할 수 없는 수준이기 때문에 우리는 유동 해석 지배방정식(Navier-Stokes Equation)의 해를 찾는 것을 시작으로 대류 열전달 계수를 계산하고 계산된 대류 열전달 계수를 활용해 설계 제품의 열전달 특성을 엔지니어가 제어할 수 있습니다.
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