오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “열교환기”에 대한 것입니다. 열교환기는 구조물 따라 수십, 수백 도씨 이상의 고온의 유체가 발생하며 이를 이용하여 다른 물체에 열을 전달하여 사용합니다. 설계 시 각 유체별 온도 변화와 효율, 매개체로 사용되는 구조물의 열변형 및 열응력 등 다양한 변수에 대하여 고려가 필요합니다.
유체의 경우 고체보다 전도율이 낮기 때문에 효율적인 열교환을 위해서는 유체와 맞닿는 면적이 넓어야 합니다. 일반적으로 전열 면적을 늘리기 위해 플레이트나 핀 형태의 형태를 사용하며, Pitch 나 개수 등을 변경하며 효율적인 값을 찾습니다.
열교환기 설계에서 유체 해석은 왜 필요할까요?
이번 주제인 열교환기 구조물은 서로 다른 온도를 가진 물체에 대하여 열법칙에 의거 온도의 평형을 이루려고 하는 성질을 이용하여 열을 전달하기 위한 목적으로 사용합니다. 일반적으로는 전자 장비나, 발전소 등에서 발생하는 고온의 폐유체를 회수하여 다른 유체의 온도를 올리는데 사용하거나, 너무 온도가 높은 경우 낮추기 위해 사용하기도 합니다.
위험한 고온 환경, 예측이 불가능한 대류효과, 비가시화된 유체 등 다양한 원인으로 실험이나 CFD 해석 없이 정확한 결과를 얻기가 어렵습니다. 현장에서 국소부위만 측정하거나 경험치로 예상한다고 해도 형상에 의한 열교환의 효과나 영향성을 정량적으로 얻기 어려운 문제도 존재합니다.
핀의 간격을 좁히는 것이 유리할 것인지, 직경 자체를 키워서 면적을 늘리는 것이 유리할 것인지 등 다양한 형상 변수에 대해서 빠르고 간단하게 검토하기 위해서 CFD 해석을 많이 활용하게 되며, 유체의 흐름 뿐 아니라 유체, 고체부의 온도 변화, 그리고 연계 해석으로 열에 의한 팽창 변형과 응력 안전성 검토 등 확장하여 해석을 수행할 수 있습니다.
형상 변수에 따라 열교환기에 영향을 주는 것은 어떤 것인가?
열교환은 고체, 유체 종류에 따라 전도와 대류로 구분하여 수행합니다. 형상 기준으로 보면 고체의 경우 두께, 유체의 경우 면적에 대비하여 열용량이 결정되게 됩니다. 일반적인 열교환기의 경우 고온의 유체를 이용하여 다른 물체(고체, 유체)에 전달하는 목적으로 사용하므로 고온의 유체와의 면적이 주요한 형상 변수로 작용하게 됩니다.
일반적으로 전열면적을 늘려준다고 이야기 하며, 이번 예제와 같은 핀 타입의 열교환기의 경우 핀사이의 간격(Pitch)와 핀의 직경(Diameter) 가 주요한 변수가 됩니다. 이론상으로는 전열 면적 증가를 위해 간격과 직경을 무한대로 키우면 될 것으로 생각할 수 있으나, 유체의 속도가 벽면에서 감소하는 경계층 효과와 열팽창에 의해 파손이 유발되는 문제 등으로 무한대로 증가 시킬 수가 없어 반드시 형상변수에 대한 영향성을 확인하고 최적화된 형상안 도출이 요구되는 것입니다.
그렇다면 CFD 해석을 통해서 열교환기의 형상 변수에 따라 유체 흐름, 온도 등을 어떻게 확인하고 설계에 적용할 수 있는지 이번 예제를 통해 알아보도록 하겠습니다.
해석 프로그램
- midas NFX CFD
해석 종류
- 일반 유동 해석 (General Fluid Flow Analysis)
- 열전달 해석 (Heat Transfer Analysis)
해석 목적
- 핀 간격(Pitch)에 따른 열교환기 내/외부 유체흐름 분석
- 주요 위치별 온도 변화 확인 및 열변형 안전성 검토
그림. 열교환기 해석모델
주요 해석결과
- 열교환기 1.4 Pitch 모델 온도해석 결과, 외부 배기가스 토출부에서 206.2도, 내부 물 배출온도 92.58도, 열교환기 구조물 상부에서 355.6도 온도 결과 확인됨.
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