주름관 내부 유동과 압력강하에 대한 D형 그루브의 영향에 관한 수치해석

홍기배(Ki Bea Hong),김동우(Dong Woo Kim),유홍선(Hong Sun Ryou) 한국방재안전학회 2021 한국방재안전학회 논문집 Vol.14 No.1

주름관은 자체의 신축성으로 변형에 의한 파손에 대응하고 설비의 편리성으로 인해 소방장비, 스프링클러 배관 등에 널리 사용된다. 그러나 벽의 주름진 형상으로 인해 복잡한 내부 난류유동이 발생하게 되며, 파이프 유동에 중요한 설계인자인 압력강하의 예측이 어렵다. 주름관 내의 압력강하에는 그루브 높이, 길이, 피치 등 파이프 벽의 형상 인자가 영향을 준다. 기존의 연구에는 관 내의 사각형 그루브의 피치(P)와 높이(K)의 비가 5 보다 작은 D형관의 경우에 대하여 길이 변화에 따른 압력 강하에 관하여 연구한 사례가 있다. 본 연구에서는 길이와 높이 변화를 고려한 P/K가 2.8, 3.5, 4.67의 경우 유동의 Re 수가 55,000, 70,000, 85,000인 경우에 대해 압력강하에 대한 수치해석 연구를 수행하였고, 주름관 내의 압력강하는 P/K 가 작을수록 감소하는 것으로 해석되어 압력 강하가 그루브 가로 세로 비율의 변화에 영향을 받고, 그루브 높이가 증가하면 재순환 면적이 증가하기 때문에 영향을 받는다는 것을 보여주었으며, 레이놀즈 수가 클수록 압력 강하가 증가하는 결과를 얻었다. A corrugated pipe is widely used in firefighting equipment and sprinkler pipes because of its elasticity, which is less damaged by deformation and convenient facilities. However, the corrugated shape of the wall results in complex internal turbulent flow, and it is difficult to predict the pressure drop, which is an important design factor for pipe flow. The pressure drop in the corrugated tube is a function of the shape factors of the pipe wall, such as groove height, length, and pitch. Existing studies have only shown a study of pressure drop due to length changes in the case of D-shaped tubes with less than 5 pitch (P) and height (K) of the rectangular grooves in the tube. In this work, we conduct a numerical study of pressure drop for P/Ks with length and height changes of 2.8, 3.5 and 4.67 with Re Numbers of 55,000, 70,000 and 85,000. The pressure drop in the corrugated tube was interpreted to decrease with smaller P/K. We show that the pressure drop is affected by the change in the groove aspect ratio, and the increase in the height of the groove increases the recirculation area, and the larger the Reynolds number, the greater the pressure drop.

채널 간극 및 개수에 따른 판형 응축기의 열전달면적 및 압력강하 분석

김준성,김유택,김도엽 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.6

Recently, power generation technology using an organic Rankine cycle has attracted attention as an alternative method of fossil fuels. Using a plate heat exchanger is effective at miniaturizing the organic Rankine cycle. The channel distance and number of channels in the plate heat exchanger are variables that directly affect the heat transfer area and pressure drop. Accurate prediction during the design step of the thermodynamic cycle is crucial because the pressure drop is a factor that reduces the efficiency of the cycle. In this study, suitable heat transfer and pressure drop models for a plate-type condenser of an organic Rankine cycle were selected and an algorithm was developed to simultaneously calculate heat transfer and pressure drop. The developed algorithm was verified based on the results of the reference literature. Verification results indicated that the developed algorithm has sufficient reliability. Using the validated algorithm, a study was then conducted to improve the pressure drop of an experimental plate-type condenser of Kim et al. Results revealed a pressure drop of less than 3% to the inlet pressure of the condenser could be expected when the channel distance was 1.6mm or more and the number of channels was 93 or more. 최근 화석연료의 대체방안으로 유기랭킨사이클을 이용한 발전기술이 주목받고 있다. 판형 열교환기를 사용하는 것은 유기랭킨사이클의 소형화에 있어 효과적이다. 판형 열교환기의 채널 간극과 채널 개수는 열전달면적 및 압력강하에직접적인 영향을 미치는 변수이다. 압력강하는 사이클의 효율을 감소시키는 요소이므로 열역학적 사이클의 설계단계에서 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 유기랭킨사이클용 판형 응축기에 대한 적합한 열전달 및 압력강하모델을 선정하고, 열전달 및 압력강하를 동시에 연산할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 참고문헌의연구결과를 기준으로 검증하였다. 검증결과는 개발된 알고리즘이 충분한 신뢰성을 갖는 것으로 나타내었다. 검증을 마친알고리즘을 이용하여, Kim 등의 실험용 판형 응축기의 압력강하 개선을 위한 연구를 수행하였다. 그 결과, 채널 간극이1.6mm 이상, 채널 개수가 93개 이상에서 응축기의 입구압력 대비 3% 이내의 압력강하를 기대할 수 있었다.

넓은 환산압력 범위에서 적용가능한 응축열전달계수와 압력강하 모델개발 및 적용

김영찬,Ajayi, A. Samuel,윤린 대한설비공학회 2023 설비공학 논문집 Vol.35 No.11

본 연구에서는 0.1에서 0.97의 비교적 넓은 환산압력범위에서 적용가능한 관내 측 응축열전달계수와 압력강하모델 개발하였고, 이를 향후 중소기업 등 열교환기 설계에 활용하고자 오픈소스형태로 이상유동 열전달계수와 압력강하 예측 툴을 Python을 이용하여 개발하였다. 본 연구를 요약하면 다음과 같다. (1) 응축 열전달계수의 모델개발을 위해 총 966개의 데이터를 수집하였고, 압력강하를 위해서는 총 678개의 데이터를 수집하였다. 모델 개발에 활용된 냉매는 최근 널리 친환경 냉매로 사용되는 HFO계열과 HFC계열, 그리고 자연냉매인 CO2이다. (2) 응축열전달계수의 예측을 위해 Akers et al.(4) 상관식, Cavallini and Zecchin(14) 상관식, Dobson and Chato(15) 모델을 적용하였고, 각각 ±36%, ±68.8%와 그리고 ±67.7%의 오차를 나타냈다. 이는 각각의 상관식이 높은 환산압력을 고려하지 못하고, HFO 계열의 열 및 전달물성을 고려하지 않은 결과로 판단된다. 가장 오차가 낮은 Akers et al.(4) 모델을 기반하여 환산압력에 따라 계수를 달리하는 방법으로 응축열전달 상관식을 개발하였고, 오차는 ±24.6%로 낮출 수 있었다. (3) 넓은 환산압력 범위에서 관내 측 응축 시 압력강하의 예측을 위해 비교적 널리 활용되는 기존모델 적용했을 때 그 오차가 모두 ±50% 이상을 나타냈다. 따라서, 본 연구에서는 넓은 환산범위에서 적용가능한 응축압력강하 모델을 그 활용도를 높이기 위해 비교적 단순한 형태로 개발하여 환산압력이 0.5 이상인 경우에 대해서는 ±15.7%로 총 ±29.2%의 오차율을 나타냈다. (4) 본 연구에서는 넓은 환산범위에서 활용가능한 응축열전달계수와 압력강하상관식을 보다 쉽게 활용 가능할 수 있도록 Python을 활용하여 오픈소스형태로 개발하였고 향후 웹을 통해 공개할 상변화가 발생하는 열교환기나 화학공정을 설계하는 중소기업에서 활용되기를 기대한다.

디젤차량 배기가스의 PM 제거에 관한 매연여과장치 전산해석

염규인,한단비,남승하,백영순 한국청정기술학회 2018 청정기술 Vol.24 No.4

Recently, due to the increase in the fine dust, regulations on PM generated from diesel cars are strengthened. There is a growing interest in diesel particulate filters (DPFs), a post-treatment device that removes exhaust gases from diesel vehicles. Therefore, one of the enhancements of the DPF efficiency is to reduce the pressure drop in the DPF, thereby increasing the efficiency of the filter and regeneration. In this study, the effect of cell density, channel shape, wall thickness, and inlet channel ratio of 5.66" SiC and Cordierite DPF on the pressure drop in DPF was investigated using ANSYS FLUENT simulator. As a result of the experiment, the pressure drop was smaller at 300 CPSI than 200 CPSI, and the anisotropy and O / S cell showed less than Isotropy by pressure drop of about 1,000 Pa. As the porosity increased by 10% the pressure drop was reduced by about 300 Pa and as the wall thickness increased by 0.05 mm, the pressure drop was increased by about 500 Pa. 최근 미세먼지의 증가로 인해 디젤 자동차로부터 발생되는 PM에 대한 규제가 강화되고 있다. 디젤 자동차의 배기가스를 제거하는 후처리 장치인 매연여과장치(diesel particulate filter, DPF)에 대한 관심이 급증하고 있다. 따라서 DPF 효율 향상의 하나로 DPF 내의 압력강하를 줄여서 필터 및 재생(Regeneration)의 효율을 증가시키고 있다. 본 연구에서는 ANSYS FLUENT 를 이용하여 5.66" SiC와 Cordierite DPF의 셀 밀도, 채널 형상, 벽두께, 입·출구 채널 비에 따른 압력강하 영향을 시뮬레이션했다. 실험결과로서 200 CPSI보다 300 CPSI에서 압력강하가 작게 나타났으며, Anisotropy과 O/S 셀이 Isotropy보다 약 1,301 Pa 작은 압력강하를 나타냈다. 공극률은 10% 증가할 때 마다 압력강하가 약 300 Pa씩 작아졌고, 벽 두께에 따른 영향은 0.05 mm 두꺼워질수록 약 500 Pa 씩 커지는 경향을 나타냈다.

이단유로 축전식 탈염공정의 하수고도처리 적용가능성 평가

차재환(Jae Hwan Cha),신경숙(Kyung Sook Shin),이정철(Jung Chul Lee),박승국(Seung Kook Park),박남수(Nam Su Park),송의열(Eui Yeol Song) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.4

본 연구는 물 재이용을 위한 하수고도처리공정으로서 이단유로 축전식 탈염공정의 적용 가능성을 평가하였다. 일반적으로 축전식 탈염장치는 전극이 병렬식으로 단순 적층되어 있는 반면에 이단유로 축전식 탈염장치는 분리판에 의해 모듈이 2개의 단으로 구분되어 1단과 2단이 수리학적 직렬연결이 되도록 고안되었다. 동일한 유입조건에서 전산유체역학 분석결과 이단유로 모듈이 단일유로 모듈에 비해 스페이서에서 보다 균등하고 빠른 유속분포를 보였고, 사영역도 상대적으로 작게 나타났다. 하지만 입구와 출구 간 압력강하는 단일유로 모듈이 0.4 bar인 반면 이단유로 모듈은 0.7 bar로 높게 나타났다. NaCl용액을 원수로 사용한 단위셀 테스트 결과, 단일유로와 이단유로의 최대 탈염효율은 유입유량 10 mL/min/cell pair에서 각각 88%, 91%이었다. 유량증가에 따른 단위셀 압력강하의 증가는 이단유로가 단일유로보다 높게 나타났으며, 유입유량 70mL/min/cell pair에서 이단유로의 압력강하는 1.67 bar로 단일유로의 압력강하보다 2배 높게 나타났다. 이단유로의 압력강하를 완화시키기 위하여 전극 간 간격을 100에서 200 μm으로 늘린 결과, 탈염효율은 유사하게 유지하면서 압력강하는 최대 0.87 bar로 낮게 유지할 수 있었다. Proto-type 축전식 탈염장치에 하수처리수를 주입하여 연속 운전한 결과, TDS 제거효율은 평균 78%로 나타났으며, 특정이온의 경우, NH₄+-N, NO₃--N 및 PO₄ 3--P 제거효율이 각각 50%, 93% 및 50%로 나타나 질소제거 관점에서 CDI기술의 하수고도처리공정 활용가능성이 높을 것으로 판단된다. This study demonstrates a double-path CDI as an alternative of advanced wastewater treatment process. While the CDI typically consists of many pairs of electrodes connected in parallel, the new double-path CDI is designed to have series flow path by dividing the module into two stages. The CFD model showed that the double-path had uniform flow distribution with higher velocity and less dead zone compared with the single-path. However, the double-path was predicted to have higher pressure drop (0.7 bar) compared the single-path (0.4 bar). From the unit cell test, the highest TDS removal efficiencies of single- and double-path were up to 88% and 91%, respectively. The rate of increase in pressure drop with an increase of flow rate was higher in double-path than single-path. At 70 mL/min of flow rate, the pressure drop of double-path was 1.67 bar, which was two times higher than single-path. When the electrode spacing was increased from 100 to 200 μm, the pressure drop of double path decreased from 1.67 to 0.87 bar, while there was little difference in TDS removal. When proto type double-path CDI was operated using sewage water, TDS, NH₄ +-N, NO₃ --N and PO₄ 3--P removal efficiencies were up to 78%, 50%, 93% and 50%, respectively.

역류식 충전탑에서 Raschig Super-ring Random Packing의 수력학적 특성에 대한 연구

강성진(Sung Jin Kang),임동하(Dong-Ha Lim) 한국청정기술학회 2020 청정기술 Vol.26 No.2

오늘날 석유화학, 정밀화학, 대기오염 방지산업 등에서 증류, 흡수, 추출, 탈거 등 물질분리 단위공정으로 주로 충전탑을 사용해 왔다. 충전탑은 가스-액체, 가스-가스 시스템에서의 물질들과의 접촉에 의해 운전되어 진다. 이러한 충전탑은 낮은 압력손실, 경제적 효율, 고온성 액체물질 적용, 유지보수 용이, 유해가스 처리 등의 운영에서 장점들을 가진다. 충전탑의 성능은 충진물을 통해 가스와 액체를 고르게 분산함으로써 우수한 성능을 보이며, 이는 충전탑 설계에 있어 중요한 인자로 고려되어진다. 본 실험에서는 충진물에 대한 액체부하 및 가스용량인자에 따른 건조압력손실, 수력학적 압력손실, 액체함량 변화에 대한 기하학적 특성에 대하여 연구하였다. 결과로부터 설계인자와 운전조건 등의 유해가스 처리에 필요한 인자를 도출하였다. 임의 충진물인 raschig super-ring에 대한 건조압력손실을 측정한 결과, 가스용량인자가 증가할수록 일정하게 선형적으로 증가하였고, 가스용량인자가 0.630 ~3.448 kg<SUP>-1/2</SUP> m<SUP>-1/2</SUP> S<SUP>-1</SUP> 에서 건조압력손실은 1.892~47.312 mmH₂Om<SUP>-1</SUP> 기존 산업현장에서 보편적으로 사용되는 35 mm pall-ring보다도 낮은 압력손실을 보였다. 그리고 raschig super-ring에 대한 수력학적 압력손실을 측정한 결과, 고유 액체부하에 대하여 가스용량인자가 증가할수록 압력손실도 함께 증가함을 확인하였고, 액체부하 변화에 따른 가스용량인자가 1.855 ~ 2.323 kg<SUP>-1/2</SUP> m<SUP>-1/2</SUP> S<SUP>-1</SUP> 으로 20% 증가할 때, 압력손실은 약 17% 증가하는 것으로 나타났다. 마지막으로, 충진물 체적에 관한 액체함량은 가스용량인자에 의존된 액체부하 매개변수로서 액체부하 변화에 따른 가스용량인자 약 3.84kg<SUP>-1/2</SUP> m<SUP>-1/2</SUP> S<SUP>-1</SUP> 까지는 거의 일정한 액체함량을 보였으나, 그 이상에서는 급격하게 증가하였다. In recent years, packed column has been widely used in separation processes, such as absorption, desorption, distillation, and extraction, in the petrochemical, fine chemistry, and environmental industries. Packed column is used as a contacting facility for gas-liquid and liquid-liquid systems filled with random packed materials in the column. Packed column has various advantages such as low pressure drop, economical efficiency, thermally sensitive liquids, easy repairing restoration, and noxious gas treatment. The performance of a packed column is highly dependent on the maintenance of good gas and liquid distribution throughout a packed bed; thus, this is an important consideration in a design of packed column. In this study, hydraulic pressure drop, hold-up as a function of liquid load, and mass transfer in the air, air/water, and air-NH₃/water systems were studied to find the geometrical characteristic for raschig super-ring experiment dry pressure drop. Based on the results, design factors and operating conditions to handle noxious gases were obtained. The dry pressure drop of the random packing raschig super-ring was linearly increased as a function of gas capacity factor with various liquid loads in the Air/Water system. This result is lower than that of 35 mm Pall-ring, which is most commonly used in the industrial field. Also, it can be found that the hydraulic pressure drop of raschig super-ring is consistently increased by gas capacity factor with various liquid loads. When gas capacity factor with various liquid loads is increased from 1.855 to 2.323 kg<SUP>-1/2</SUP> m<SUP>-1/2</SUP> S<SUP>-1</SUP>, hydraulic pressure drop increases around 17%. Finally, the liquid hold-up related to packing volume, which is a parameter of specific liquid load depending on gas capacity factor, shows consistent increase by around 3.84 kg<SUP>-1/2</SUP> m<SUP>-1/2</SUP> S<SUP>-1</SUP> of the gas capacity factor. However, liquid hold-up significantly increases above it.

단일추진제 추력기 내 촉매대 압력강하에 따른 분해효율에 대한 연구

장동욱(Dongwook Jang),곽영출(Youngchul Kwak),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

단일 추진제 추력기내의 압력강하가 추력기 성능에 미치는 영향에 대해서 연구를 진행하였다. 가압압력을 변화시키면서 유량 및 촉매대의 압력강하를 조절하였고, 촉매 베드의 길이를 변화시켜가면서 실험을 진행하였다. 그 결과 40 mm, 35 mm, 30 mm의 촉매 베드 길이를 가질 때 각각 99%, 97%, 95%의 최대 분해효율을 가지는 것을 확인하였다. 또한 최대 분해효율이 발생하는 시점의 압력강하 최소값은 각각 9 bar, 6.5 bar, 5 bar로 확인되었다. 따라서 단일추진제 추력기의 최대효율을 내기 위해서는 촉매단에 적절한 압력강하가 필요하다는 것을 확인 하였다. Effect of pressure drop of catalyst bed in monopropellant thruster on thruster performance was performed. The experiment were performed vary with feeding pressure for control mass flow rate and pressure drop in catalyst bed. And test were conducted by changing catalyst bed length using nickel foam. As a results, when the bed length were 40 mm, 35 mm, 30 mm then decomposition efficiency were 99%, 97%, 95% respectively. The maximum decomposition efficiency was achieved when the minimum pressure drop was 9, 6.5 and 5 bar in catalyst bed respectively. Therefore, appropriate pressure drop in catalyst bed is needed for maximum performance of monopropellant thruster.

다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하에 관한 실험적 연구

서민교(Min Kyo Seo),김도헌(Do Hun Kim),서찬우(Chan Woo Seo),이승윤(Seoung Youn Lee),장석필(Seok Pil Jang),구자예(Jaye Koo) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.8

동축형 전단 분사기의 액적분포 균일도 및 혼합성능을 개선하기 위해 고안한 액체로켓 엔진용 동축형 다공성 분사기의 개발에 앞서 다공성재를 분사기에 적용하기 위해 다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하 특성을 파악하였다. Non-Darcy 유동의 압력강하는 점성력과 관성력으로 인한 손실을 포함하는 Forchheimer 방정식을 이용하여 도출할 수 있으며, 이 때 다공성재의 형상인자인 투과율과 관성력의 영향을 나타내는 Ergun 상수를 이용하여 다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하를 예측할 수 있다. 본 연구에서는 다공성재의 압력강하 특성을 나타내는 투과율와 Ergun 상수를 작동유체의 압력강하에 대한 함수로 나타내었으며, 최종적으로 이를 일반화하여 pore의 크기에 따라 압력강하를 예측할 수 있는 관계식을 도출하였다. This study proposes the characteristics of the pressure drop in a compressible fluid through porous media for application to a porous injector in a liquid rocket engine in order to improve the uniformity of the drop size distribution and the mixing performance of shear coaxial injectors. The fluid through the porous media is a Non-Darcy flow that shows a Nonlinear relation between the pressure drop and the velocity at high speed and high mass flow rate. The pressure drop of the Non-Darcy flow can be derived using the Forchheimer equation that includes the losses of viscous and inertia resistance. The permeability and Ergun coefficient represented as a function of the pressure drop and pore size can be applied to the porous injector, where the fluid through the porous media is compressible. A generalized correlation between the pressure drop in relation to the pore size was derived.

OWC 파력발전구조물의 터빈을 대체하는 오리피스의 적용성 검토

김상호(Sang-Ho KIM),유황진(Whang-Jin RYU),신승호(Seung-Ho SHIN),홍기용(Key-Yong HONG),김영덕(Young-Duk KIM),김길원(Gil-Won KIM) 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

진동수주(Oscillating Water Column, OWC)형 파력발전장치의 에너지변환 특성 검토 시, 덕트 내에 위치한 공기터빈에서 발생되는 압력강하의 재현을 위해 오리피스를 사용하는 방법이 제안되어 있다. 본 연구에서는 3차원 수리모형실험을 통해 오리피스에 의한 압력강하 측정치와 Setoguchi(2001)가 제안한 임펄스 터빈의 압력강하 계산식에 의한 추정치를 비교하였다. 실험결과, 적절한 오리피스의 사용은 터빈에 의한 압력강하를 재현할 수 있고, 이를 고려한 OWC형 파력발전구조물의 에너지변환 특성을 파악할 수 있음을 알 수 있었다. For examination of the energy conversion characteristics for a OWC wave-power plant’s structure with consideration of air turbines located within the ducts, the use of an orifice has been proposed for the reproduction of pressure drops due to the air turbines. In this study, a 3-dimensional experiment was conducted using an orifice, to compare measured pressure drops due to the orifice with estimated pressure drops based on the Setoguchi(2001). The results of the experiment is presenting that the pressure drop due to turbines should be considered and an orifice is a useful substitute for reproducing pressure drop due to turbines in the OWC wave energy converter.

기상분사용 LPG 기화기의 유량 및 압력특성에 대한 실험적 연구

박종영(Chongyoung Park),이범호(Beomho Lee),조승환(Shengwhan Cho),이대엽(Daeyup Lee),이병직(Byongjik Lee),최윤재(Yoonjae Choi) 한국유체기계학회 2006 유체기계 연구개발 발표회 논문집 Vol.- No.-

In order to satisfy more stringent emission regulations, it is required to control the fuel supply system with higher accuracy for LPG vehicles. Vaporizer, which is one of the important core parts in gaseous LPG injection system, functions not only to evaporate an LPG fuel and its pressure. thus in this work, pressure drop across the vaporizer in a gaseous LPG vehicle was measured and analyzed. Pressure drop occurs through orifices of pressure regulator and flow meter. As expected, pressure drop depends on flow rate, which increases when the more fuel is needed to be injected. Although Pressure sensor helps engine computer calculate the accurate amount of injected fuel depending on fuel pressure, it may be necessary to understand the pressure drop as a function of flow rate and coolant temperature. In this work, an experimental study of flow rate and pressure drop across the vaporizer was carried out.