[열시스템 설계] 열교환기 분석 및 최적 설계 프로젝트 결과

과제 수행 내용

열교환기의 효율을 높이기 위한 방법은 가능한 유체의 흐름을 방해하고 관의 면적을 높이는 것이다.
먼저 효율을 높이기 위한 첫번째 요소는 '대향류'를 만드는 것이다.

출처 - 네이버 블로그

그러나 shell의 크기가 한정되어 있어 가장 기본적인 대향류만 발생시킨다는 것은 우리가 원하는 효율을 내기도 어렵고 충분한 시간도 보장하기 어려웠다. 그래서 우리는 '코일식' 열교환기를 모델로 삼아 코일 형태로 관을 만들어 최대한 대향류와 비슷하게 만들 수 있다는 토의 결과가 나왔다.
이 토의 결과는 곧 2번째 요소인 ‘질량 유량 을 줄이기 위한 관의 마찰 증대’와 이어지는데, 관의 모양을 코일로 만들게 된다면 정해진 Shell 규격 안에 최대한의 많은 관을 넣을 수 있을뿐만 아니라 관이 길이가 길어지면서 관의 마찰이 증가하게 되며 질량유량이 작아지게 된다.
마지막 요소인 ‘fin의 설치로 인한 난류 발생’은 Shell에 fin을 접착하여 만드는 것은 고난도의 기술과 조심성이 필요하기 때문에 물의 경로를 직접적으로 조정하기 어렵지만 간접적으로 물의 흐름을 방해할 수 있도록 코일관 사이에 아크릴판을 끼워넣어 fin과 같은 난류 발생을 일으켜 유체의 흐름을 방해하여 차가운 물의 질량유량을 최대한 줄이자는 토의결과 가 나왔다.
그리고 관을 2중으로 감는 과정에서 코일의 입구과 출구가 거의 같은 위치에 있게 된다. 예를 들면 사진과 같이 Shell의 왼쪽 부분을 ‘a’, 오른쪽부분을 ‘b’라고 하고, 관의 입구가 ‘a’ 위치에서 시작하며, 유체의 진행방향을 오직 x의 방향으로만 본다면 ‘a-b-a’일 것이다. 하지 만 생각의 전환으로 진행을 ‘c-b-a-c’로 하여 고온유체를 최초의 저온유체와 다시 닿게 함으 로써 열교환의 효율을 극대화 하였다.
이해를 돕기 위해 구리관 만을 봤을 때 유체의 흐름은 ‘입구 – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 - 출구’이다.
그리고 효율을 조금 더 높이기 위해 표면의 스크래치를 주어 ‘fin tube’와 같은 실용성은 기대 하기 어렵지만 같은 효과로 표면적을 넓혀 구리관의 면적을 최대한 늘리려고 하였다.

Shell

Tube

Screach

쉽게 말하면 일반적인 코일형 열교환기에서 일종의 대향류를 구조적으로 만들었고, 제한된 Shell 에 체류 시간을 늘이기 위해 안쪽으로 한번 더 감음으로써 효율을 증대시킨 구조이다.
또 관표면에 스크레치를 내서 표면적을 넓히고 Shell, 그리고 관 사이에 아크릴 판을 끼움으로써 물의 이동을 방해해 체류시간을 보장했다. 이 결과 효율을 우리 팀이 원하던 만큼 나왔고, 성적도 이에 따라 잘 받았던 프로젝트이다.

Onshape 프로그램을 이용한 모델링

완성품 모습

문제점 및 해결방안

프로젝트를 하면서 어려웠던 점도 많았다. 이 점을 나열해보면,
1. 구리관에 설탕을 채워 넣어 둥근 막대를 지지대로 이용하여 둥근 모양의 관을 만들고 원하는 모양의 관을 만들었다. 그러나 안에 설탕이 녹고, 굳어서 빼내지 못해 관을 사용하지 못했다.
→ 설탕의 역할이 관의 빈 공간을 다 채워주는 것이므로 안의 넣는 물체를 설탕이 아닌 물로 채워넣고 함으로써 관의 성형은 똑같이 좋지만 따로 설탕을 뺄 필요가 없어 관을 만들기 수월하였다.
2. 아크릴판을 붙이는 과정에서 본드와 보강 쫄대에도 불과하고 물이 세는 한계가 발생했다.
→글루건을 이용하여 아크릴판 겉에 모서리 부분을 중점으로 세는 부분을 막았다. 그러나 이는 매우 얇고 넓게 펴주는 것이 중요했다. 너무 많이 바르거나 일부분만 하는 경우 떨어졌을때 더 아크릴 판에 손상이 올 수 있다.
3. 1차 제작때 관을 아크릴판과 연결하는 것에 큰 어려움을 겪었고, 많은 시행착오를 겪어 나온 값으로 Shell을 만들어서 시간이 오래 걸렸다.
→ 관을 코일 모양으로 만들어 탄성이 생기고 물리적인 힘으로 조금씩 관의 성형이 가능하여 판과 관을 연결하는데 수월하였다. 또한 작은 오차가 조립시 큰 오차가 되어버린다는 것을 깨닫게 되었다.

느낀점

역할 분담의 중요성을 느꼈다. 제한된 시간내에서 4명이 모두 효과적으로 프로젝트를 진행하는데 어려움이 있었다. 업무가 일찍 끝났을때 분명 남는 시간이 발생했고, 유동적으로 쓰는게 좋다지만 역할분담을 진행할때 조금더 신경써서 노동력을 합리적으로 쓰는게 더 좋았을 것 같다. 또한 오차의 중요성을 깨달았다. 물론 수작업으로 진행했기 때문에 오차가 더 크게 발생하긴 했지만 부품별 작은 오차가 조립시 큰 오차로 다가오는 것을 깨달았다. 그리고 일을 진행할때에 충분한 아이디어 창출시간이 필요하다고 느꼈다. 다른 팀들에 비해 우리는 토의하는 시간이 길었다. 하지만 그만큼 우리는 확신이 있었고, 제작하면서 흔들리지 않았다. 또한 팀원들끼리 충분한 이야기를 나눴기에 제작시에는 다툼없이 순조롭게 진행됬던 것 같다. 팀원 모두가 우리가 진행하는 것이 무엇이고 어느 정도 제작과정에 있는지를 명확히 알아야 한다는 것을 깨달았던 좋은 팀프로젝트였던 것 같다.