Figure 1. 3D model of helically coiled tube with circular cross-section

이 기술 요약은 Alamin Hussain과 Andrew M. Fsadni가 작성하여 2016년 EPJ Web of Conferences에 발표한 학술 논문 “CFD analysis of the two-phase bubbly flow characteristics in helically coiled rectangular and circular tube heat exchangers”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.

Keywords

  • Primary Keyword: 나선형 코일 열교환기
  • Secondary Keywords: 2상 유동 CFD, 기포 유동, 전산유체역학, 열전달 효율, 유동 해석

Executive Summary

  • The Challenge: 나선형 코일 열교환기 내부에 발생하는 미세 기포는 ‘콜드 스팟’을 형성하여 열전달 효율을 저하시키는 산업적 난제입니다.
  • The Method: 원형 및 사각형 단면을 가진 나선형 코일 튜브 내 2상 기포 유동 특성을 분석하기 위해 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 수행했습니다.
  • The Key Breakthrough: 천이 유동 조건 하에서는 원심력에 의한 기포 분리가 거의 일어나지 않으며, 공기의 체적 분율이 크게 증가해도 기포 분포는 균일하게 유지되는 것을 발견했습니다.
  • The Bottom Line: 열교환기 설계 시, 특정 유동 조건에서는 기포가 분리되지 않고 균일하게 분포할 수 있다는 점을 고려해야 하며, 이는 탈기 시스템 설계 및 효율성 예측에 중요한 영향을 미칩니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

나선형 코일 열교환기는 높은 열전달 효율과 컴팩트한 설계 덕분에 냉동, 발전, 공정 플랜트, 원자력 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 용존 공기로 과포화된 물이 시스템 내부를 흐를 때 미세 기포가 형성되는 현상이 발생할 수 있습니다. 이 기포들이 열교환기 내부에 축적되면 열전달이 일어나지 않는 ‘콜드 스팟(cold spots)’을 만들어 전체 시스템의 효율과 열전달 계수를 심각하게 저하시킵니다.

이러한 기포의 거동과 2상 유동의 특성을 정확히 이해하는 것은 탈기 장치(deaerator)의 설계를 개선하고 열교환기의 성능을 최적화하는 데 필수적입니다. 하지만 2상 유동의 복잡성으로 인해 신뢰할 수 있는 실험 데이터를 얻는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 듭니다. 따라서 이 연구는 CFD 시뮬레이션을 통해 나선형 코일 열교환기 내 기포 유동의 위상 분포를 분석하여, 실험적 한계를 극복하고 설계 개선을 위한 중요한 통찰력을 제공하고자 했습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 ANSYS 15 CFD 소프트웨어 패키지를 사용하여 2상 유동 시뮬레이션을 모델링했습니다. 유동 해석은 FLUENT 솔버를 사용했으며, 원형 단면과 사각형 단면을 가진 두 종류의 나선형 코일 튜브 3D 모델을 분석했습니다.

  • CFD 모델: 2상 유동 해석을 위해 기포 유동에 가장 적합하다고 알려진 혼합(mixture) 모델을 사용했습니다.
  • 난류 모델: 표준 벽 함수(standard wall functions)와 함께 Realizable k-ε 난류 모델을 적용하여 유동을 해석했습니다.
  • 유동 조건: 원형 파이프의 레이놀즈 수는 2500, 사각형 파이프는 3225로 설정하여 두 유동 모두 천이 유동(transient flow) 상태임을 가정했습니다.
  • 시뮬레이션 변수: 두 그룹의 시뮬레이션을 수행했습니다. 첫 번째는 공기의 체적 공극률(volumetric void fraction)이 1.05e-4인 초기 조건이며, 두 번째는 공극률을 0.05로 크게 높이고 해석 기법을 2차 정확도(second order)로 변경하여 더 정밀한 결과를 도출하고자 했습니다. 기포 직경은 0.2mm로 가정했습니다.

이러한 접근 방식을 통해 튜브 단면 형상과 공기 체적 분율이 기포 분포에 미치는 영향을 체계적으로 분석할 수 있었습니다.

Figure 1. 3D model of helically coiled tube with circular cross-section
Figure 1. 3D model of helically coiled tube with circular cross-section

The Breakthrough: Key Findings & Data

CFD 시뮬레이션 결과, 기존의 예상과는 다른 중요한 발견들이 있었습니다. 결과는 파이프 내 공기의 체적 분율 분포를 보여줍니다.

Finding 1: 낮은 공극률에서 나타난 균일한 기포 분포

초기 시뮬레이션 조건(공기 체적 공극률 1.05e-4)에서 원형 및 사각형 파이프 모두에서 공기의 체적 분율이 파이프 단면에 걸쳐 매우 고르게 분포하는 것으로 나타났습니다(Figure 3, 4 참조). 이는 원심력이 공기와 물에 유사하게 작용하여 두 상(phase)이 분리되지 않음을 시사합니다. 즉, 원심력에 의해 기포가 코일 안쪽으로 쏠릴 것이라는 일반적인 예상과 달리, 기포는 물과 함께 균일하게 혼합되어 흐르는 양상을 보였습니다.

Finding 2: 높은 공극률에서도 유지되는 분포 균일성

공기 체적 공극률을 0.05로 크게 높이고 더 정밀한 2차 정확도 해석 기법을 적용한 두 번째 시뮬레이션에서도 결과는 놀라울 정도로 유사했습니다(Figure 5, 6 참조). 체적 분율 분포는 여전히 균일했으며, 첫 번째 시뮬레이션 결과와 거의 차이가 없었습니다. 이는 유체의 체적 공극률 변화가 튜브 내 실제 기포 분포에 미치는 영향이 미미하다는 것을 강력하게 시사합니다. 연구진은 이러한 균일한 분포가 유동의 레이놀즈 수 때문일 수 있다고 추정했습니다. 선행 연구[13]에 따르면 레이놀즈 수가 증가할수록 기포 분포는 더 균일해지는 경향이 있으며, 나선형 코일의 비틀림(torsion) 효과가 직선 파이프보다 낮은 레이놀즈 수에서 난류를 유발하여 이러한 현상을 촉진했을 수 있습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 천이 유동 조건 하에서 기포가 원심력에 의해 쉽게 분리되지 않고 균일하게 분포할 수 있음을 보여줍니다. 이는 탈기 시스템 설계 시, 단순히 원심분리 원리에만 의존하기보다 유동의 난류 특성과 레이놀즈 수를 함께 고려해야 함을 의미합니다.
  • For Quality Control Teams: Figure 3에서 6까지의 데이터는 특정 유동 조건에서 기포 분포가 예측 가능하게 균일하다는 것을 보여줍니다. 이는 열 성능 저하의 정도를 예측하고, 이를 품질 검사 기준으로 활용할 수 있는 가능성을 제시합니다. CFD 모델 자체를 열교환기 성능 예측을 위한 품질 관리 도구로 사용할 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 이 연구 결과는 천이 유동 영역에서 파이프 단면 형상(원형 vs. 사각형)이 기포 분리에 큰 영향을 미치지 않음을 시사합니다. 따라서 제작 용이성이나 다른 성능 지표를 기준으로 단면 형상을 더 자유롭게 선택할 수 있습니다. 또한, 초기 설계 단계에서부터 코일의 비틀림이 유발하는 난류 효과와 시스템의 레이놀즈 수를 중요하게 고려해야 함을 보여줍니다.
  • For FLOW-3D: 이 해석 결과의 한계는 유체의 2상 유동에서 공기-유체의 경계면이 불명확하게 나타나는 지점에 있습니다. FLOW-3D에서는 이 한계를 Bubble Model/Particle Model을 통해 해소하여 보다 빠르고 정확하게 해석할 수 있습니다.

Paper Details

CFD analysis of the two-phase bubbly flow characteristics in helically coiled rectangular and circular tube heat exchangers

1. Overview:

  • Title: CFD analysis of the two-phase bubbly flow characteristics in helically coiled rectangular and circular tube heat exchangers
  • Author: Hussain, Alamin and Fsadni, Andrew
  • Year of publication: 2016
  • Journal/academic society of publication: EPJ Web of Conferences
  • Keywords: Two-phase flow, Bubbly flow, Helically coiled heat exchangers, CFD, Volumetric void fraction

2. Abstract:

나선형 코일 열교환기는 제작 용이성, 높은 열전달 효율, 컴팩트한 설계로 인해 여러 산업 분야에서 채택이 증가하고 있다. 직선 파이프에 비해 높은 열전달 효율은 원심력의 결과로 발생하는 2차 유동 때문이다. 나선형 코일 열교환기의 광범위한 사용과 여러 시스템에서 기포가 포함된 2상 유동의 존재에도 불구하고, 그 결과로 나타나는 유동 특성을 조사한 연구는 거의 없었다. 따라서 이 논문은 체적 공극률과 튜브 단면 설계의 함수로서 나선형 코일 열교환기 내 2상 기포 유동에 대한 CFD 시뮬레이션 결과를 제시한다. CFD 결과는 공개된 문헌에서 찾기 힘든 유동 가시화 실험 결과와 비교된다.

3. Introduction:

나선형 코일 튜브 열교환기는 식품 산업의 냉동, 응축기, 증발기, 열 회수 시스템, 발전, 공정 플랜트 및 잔열 제거 시스템으로 사용되는 원자력 산업과 같은 산업 응용 분야에서 광범위하게 사용되어 왔다. 이는 나선형 코일 열교환기가 직선 튜브 열교환기에 비해 더 높은 열전달률과 더 컴팩트한 설계를 가지고 있기 때문이다. 미세 기포 형성은 용존 공기로 과포화된 물에 의해 발생하는 현상으로, 결과적으로 열교환기 벽에 기포 핵 생성을 유도한다. 기포 핵 생성은 공기가 가장 큰 양의 가스를 흡수할 수 있는 낮은 온도에서 발생한다. 이러한 미세 기포 형성은 열교환기 내부에 기포가 축적되어 콜드 스팟을 유발하고, 열전달이 일어날 수 있는 면적을 줄여 열교환기의 효율과 전체 열전달 계수를 감소시킬 수 있다. 따라서 2차 상인 기포의 거동에 대한 포괄적인 지식은 열교환기 성능의 정확한 표현에 필수적이다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

나선형 코일 열교환기는 높은 효율로 인해 다양한 산업에서 널리 사용되지만, 내부에서 발생하는 미세 기포는 성능 저하의 주요 원인이 된다.

Status of previous research:

이 분야의 이전 연구는 대부분 이론적이며, 2상 기포 유동 및 기포 핵 생성에 대한 신뢰할 수 있는 실험 데이터는 얻기 어렵고 부족한 실정이다.

Purpose of the study:

전산유체역학(CFD)을 사용하여 일반적인 가정용 중앙난방 시스템 조건에서 나선형 코일 튜브 열교환기 내 기포 유동의 위상 분포를 조사하고, 실험적 방법의 어려움을 극복할 수 있는 검증된 CFD 시뮬레이션 개발의 기반을 마련하는 것을 목표로 한다.

Core study:

원형 및 사각형 단면을 가진 두 종류의 나선형 코일 열교환기 모델에 대해, 공기의 체적 공극률과 해석 기법을 변경하며 2상 기포 유동 CFD 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 비교 분석하였다.

5. Research Methodology

Research Design:

ANSYS 15 CFD 소프트웨어와 FLUENT 솔버를 사용하여 시뮬레이션을 수행했다. 원형 및 사각형 단면을 가진 3D 헬리컬 파이프 모델을 사용했으며, 각 모델에 대해 약 2백만, 350만, 5백만 개의 요소 수를 가진 세 가지 메쉬를 생성하여 분석했다.

Data Collection and Analysis Methods:

2상 유동 모델로는 혼합(mixture) 모델을, 난류 모델로는 Realizable k-ε 모델을 사용했다. 압력-속도 연계는 SIMPLE 방식을 사용했다. 두 가지 주요 시뮬레이션 세트를 구성했다: (1) 낮은 체적 공극률(1.05e-4)과 1차 이산화 기법, (2) 높은 체적 공극률(0.05)과 2차 이산화 기법.

Research Topics and Scope:

연구는 나선형 코일 열교환기 내에서 튜브 단면 형상(원형, 사각형)과 공기의 체적 공극률이 2상 기포 유동의 분포 특성에 미치는 영향에 초점을 맞추었다. 유동은 천이 유동 영역(Re = 2500, 3225)으로 한정되었다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 낮은 체적 공극률(1.05e-4)과 높은 체적 공극률(0.05) 조건 모두에서, 기포는 파이프 단면에 걸쳐 균일하게 분포했으며, 원심력에 의한 뚜렷한 상 분리 현상은 관찰되지 않았다.
  • 원형 단면 파이프와 사각형 단면 파이프 간의 기포 분포 특성에서 유의미한 차이는 발견되지 않았다.
  • 체적 공극률의 크기를 크게 변경해도 파이프 내 실제 기포 분포 패턴에는 거의 변화가 없었다.
  • 연구진은 이러한 균일한 분포가 천이 유동 영역의 레이놀즈 수와 코일의 비틀림으로 인한 난류 증가 효과 때문일 수 있다고 추론했다.
Figure 3. Volume void fraction distribution of air within the circular pipe under initial simulation conditions with enlarged sections for loops 1 – 3.
Figure 3. Volume void fraction distribution of air within the circular pipe under initial simulation conditions with enlarged sections for loops 1 – 3.

Figure List:

  • Figure 1. 3D model of helically coiled tube with circular cross-section
  • Figure 2. 3D model of helically coiled tube with rectangular cross-section
  • Figure 3. Volume void fraction distribution of air within the circular pipe under initial simulation conditions with enlarged sections for loops 1 – 3.
  • Figure 4. Volume void fraction distribution of air within the rectangular pipe under initial simulation conditions with enlarged sections for the inlet and loops 1 & 2.
  • Figure 5. Volume void fraction distribution of air within the circular pipe with a volume fraction of 0.05 with enlarged sections for loops 1 – 3.
  • Figure 6. Volume void fraction distribution of air within the rectangular pipe with a volume fraction of 0.05 with enlarged sections for loops 1 – 3.

7. Conclusion:

본 연구는 CFD 시뮬레이션을 통해 두 종류의 나선형 코일 열교환기 내 2상 기포 유동의 체적 분율 분포를 분석했다. 연구 결과, CFD 시뮬레이션을 통해 얻은 체적 분율 분포는 특정 실험 결과와 유사한 경향을 보이며, 이는 초기에 레이놀즈 수를 계산할 때 고려되지 않았던 요인들이 영향을 미쳤을 가능성을 시사한다. 공기 체적 공극률 값을 변경해도 체적 분율 분포가 변하지 않는다는 사실은 이 가설을 더욱 뒷받침한다. 이 연구의 중요성은 열교환기 내 기포 유동의 체적 분율 분포를 철저히 이해함으로써 탈기 시스템의 효율을 향상시키고, 결과적으로 열교환기 작동에 필요한 에너지를 줄일 수 있다는 데 있다. 또한, 검증된 CFD 시뮬레이션 모델은 어렵고 비용이 많이 드는 실험적 방법을 보완하여 열교환기 개발을 가속화할 수 있다.

8. References:

  1. J.S. Jayakumar, Helically Coiled Heat Exchangers, Heat Exchangers – Basics Design Applications, Dr. Jovan Mitrovic (Ed.), ISBN: 978-953-51-0278-6, InTech, (2012), Available from: http://www.intechopen.com/books/heat-exchangers-basics-design-applications/helically-coiled-heatexchangers. Last accessed (12/08/2015)
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 오일러리안(Eulerian) 모델 대신 혼합(mixture) 모델을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 논문에 따르면, 혼합 모델이 기포 유동(bubbly flows)에 가장 적합하다고 보고되었기 때문에 초기 모델로 선택되었습니다. 하지만 연구 결론에서는 원심력과 코리올리 힘이 작용하는 잘 혼합된 기체-액체 영역에서는 혼합 모델이 정확한 결과를 내지 못할 수 있으므로, 향후 연구에서는 각 상에 대해 완전한 보존 방정식을 푸는 오일러리안 모델을 사용할 것을 권장하고 있습니다.

Q2: 원심력이 기포를 코일 안쪽으로 밀어낼 것이라는 예상과 달리, 결과에서 균일한 분포가 나타난 이유는 무엇입니까?

A2: 연구진은 이 현상이 유동의 레이놀즈 수(Reynolds number)와 관련이 있다고 추정합니다. 시뮬레이션된 유동은 천이 유동(transitional flow) 영역에 있으며, 선행 연구[13]에 따르면 레이놀즈 수가 증가함에 따라 난류가 강해져 기포 분포가 더 균일해지는 경향이 있습니다. 또한, 나선형 코일의 비틀림(torsion) 효과가 직선 파이프보다 낮은 레이놀즈 수에서도 난류를 유발하여 이러한 균일한 혼합을 촉진했을 가능성이 있습니다.

Q3: 파이프의 단면 형상(원형 대 사각형)이 기포 유동 특성에 중요한 영향을 미쳤습니까?

A3: Figure 3-6의 결과에 따르면, 본 연구에서 분석한 천이 유동 조건 하에서는 단면 형상이 기포 분포에 미치는 영향이 미미했습니다. 원형 파이프와 사각형 파이프 모두에서 매우 유사한 균일 분포 패턴이 관찰되었으며, 이는 특정 유동 조건에서는 형상보다 유동 체제(flow regime) 자체가 더 지배적인 요인임을 시사합니다.

Q4: 첫 번째 시뮬레이션과 두 번째 시뮬레이션 사이에 변경된 주요 매개변수는 무엇이었습니까?

A4: 두 가지 주요 변경 사항이 있었습니다. 첫째, 공기의 체적 공극률(volumetric void fraction)이 1.05e-4에서 0.05로 약 500배 가까이 크게 증가했습니다. 둘째, 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위해 운동량, 난류 운동 에너지 등의 이산화 기법(discretization scheme)을 1차(first order)에서 2차(second order) 및 QUICK 기법으로 변경했습니다.

Q5: 이 연구를 바탕으로 추천되는 향후 연구 방향은 무엇입니까?

A5: 논문은 두 가지 주요 방향을 제시합니다. 첫째, 더 정확한 결과를 위해, 특히 원심력이 중요한 시스템에서는 혼합 모델 대신 오일러리안 다상 모델(Eulerian multiphase model)을 적용할 것을 권장합니다. 둘째, 레이놀즈 수가 상 분포에 미치는 영향에 대한 가설을 검증하기 위해, 유속이나 파이프 직경을 변경하여 약 100에서 10,000에 이르는 넓은 범위의 레이놀즈 수에 걸쳐 시뮬레이션을 수행할 것을 제안합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 나선형 코일 열교환기 내부의 2상 기포 유동이 특정 천이 유동 조건 하에서는 원심력에 의해 분리되지 않고 놀라울 정도로 균일한 분포를 보인다는 중요한 통찰을 제공합니다. 이 발견은 열교환기의 효율 저하를 막기 위한 탈기 시스템 설계 및 성능 예측에 있어 기존의 통념을 재고하게 만듭니다. CFD 시뮬레이션을 통해 이러한 복잡한 현상을 규명하는 것은 더 효율적이고 신뢰성 높은 열 관리 솔루션을 개발하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “CFD analysis of the two-phase bubbly flow characteristics in helically coiled rectangular and circular tube heat exchangers” by “Hussain, Alamin and Fsadni, Andrew”.
  • Source: http://clok.uclan.ac.uk/19702/ or DOI: 10.1051/epjconf/201611402044

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