| 초록 |
셸-적층 튜브 열교환기는 기체 상태의 배기가스와 액체 상태의 냉각수의 열달을 진하는 열교환기로 자동차 냉각시스템에서 고온의 배기가스를 냉각수와 열교환 시켜 온도를 낮추는 역할을 한다. 튜 내측에 열 핀이 삽입되며 튜 다발의 내측으로는 배기가스가 흐르고 튜의 외측으로 냉각수가 흐르는 구조이다. 내부의 열 핀 형상에 따라 다양한 설계 변수를 설정할 수 있으며 설계 변수에 따라 배기가스와 냉각수의 압 력 손실과 열 성능이 결정되고 압력 손실 비 열 성능이 열교환기 성능 분석의 지표가 된다. 디젤 자동차 EGR Cooler의 열 핀으로는 오셋 핀과 웨이 핀이 주로 사용되며 오셋 핀의 경우 배기 가스가 지나가며 형성되는 층류 경계층을 반복으로 성장 분산시키면서 열 성능을 증가시키며 웨이 핀은 물결 모양에 따라 유동 방향을 환하여 층류 경계층을 분산시켜 열 성능을 높인다. 오셋 핀의 경우 동일한 피치를 갖는 일반 핀 형상보다 열달 계수가 2 ~ 3배 높으며, 웨이 핀의 경우 핀의 폭 방향으로 복수 의 산과 복수의 골이 연속으로 이어진 구조로 오셋 핀에 비해 설계 제작이 비교 용이한 장이 있다. 본 연구에서는 웨이 핀의 웨이 피치, 핀 피치, 핀 높이와 핀의 총 길이에 따른 압력 손실과 열량을 CFD 열 유동 해석을 통해 확인하으며 핀의 높이 방향 양측에 와류를 생성하여 배기가스의 층류 경계층을 분산 시키기 해 곡 면을 삽입한 모델을 추가하여 압력 손실과 열 성능의 변화를 비교하다. 배기가스 입구 유량 75 kg/h, 배기가스 입구 온도 325℃로, 튜 외부 표면의 냉각수 온도는 90℃ 조건으로 하으며 핀의 설 계 변수에 따라 튜 단수 4, 5, 6단에 해 해석을 진행하다. CFD 열 유동 해석 결과, Fig. 1과 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 웨이 피치가 증가할수록 열량이 감소하며 배 기가스 압력 손실이 어드는 경향을 나타내며 열량이 감소하는 비율보다 배기가스의 압력 손실이 더 하 게 어들었다. 핀 피치도 유사한 경향을 나타내고 있다. 핀 높이가 3.0 mm에서 4.7 mm까지 증가함에 따라 열 량이 9.4 % 낮아질 때, 압력손실은 195.5 % 가 낮아지고 핀-튜의 단의 개수를 늘릴수록 배기가스 측의 압력 손실은 확연하게 어드는 경향을 나타낸다. 핀의 총 길이를 120 mm에서 150 mm로 증가시킬 경우, 5단 모델 의 열량은 3.13 kW에서 3.53 kW로 12.8 % 증가하고, 배기가스 압력 손실은 5.08 kPa에서 5.91 kPa로 16.3 % 증 가하다. Fig. 3은 곡 면이 없는 모델과 있는 모델의 압력 분포를 나타내었으며, Fig. 4에는 같은 조건에서 의 온도 분포를 나타내었다. 핀의 높이 방향 양면에 곡 면을 만든 결과, 배기가스 압력 손실은 62.3 % 증가하 으며 열량은 22.0 % 상승하다. 따라서 곡 면의 생성 여부에 따른 배기가스 압력 손실 비 열량의 증가 효과는 다른 설계 변수에 비해 크지 않은 것으로 판단된다. |
