Vortex tube 성능개선을 위한 수치해석적 연구

Abstract

전 세계적인 에너지 부족에 대한 경각심과 환경 및 청정에너지에 대한 관심의 증가로 각종 기기들의 에너지 효율 증가에 대한 연구가 활발해지고 있다. 특히, 냉방기기에 대한 사이클 효율은 거의 최대치에 이르렀으며, 냉방기기의 운전 환경, 운전 방식 등의 데이터를 이용한 성능 최적화에 대한 관심이 증가하고 있다. 그중 공장에서의 국소냉각, 자동차 실내와 같은 작은 공간에서 에어컨의 약점을 보완하기 위한 냉각 기기로써 vortex tube에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. Vortex tube는 주로 냉각 장치로 이용되고 있으며 압축 공기를 이용하여 고온과 저온으로 공기의 에너지를 분리하는 장치이다. 에너지 분리 현상의 원리는 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, vortex tube의 유동구조 등을 분석하기 위해 수치모사에 대한 연구와 낮은 효율을 가지는 vortex tube의 성능을 증가시키기 위해 형상 인자를 매개변수로 삼은 최적화 연구가 수행되고 있다. 하지만 vortex tube의 새로운 구조에 관한 연구는 크게 부족한 상황이다. 본 연구에서는 0.2, 0.5, 1bar 세 가지 압력조건과 다양한 저온출구 질량분율에 대하여 실험을 진행하고 같은 조건에서의 수치해석을 수행하였다. 그리고 두 결과를 비교하여 수치해석 기법을 검증하였다. 절두체 구조물에 대한 효과를 정량적으로 평가하기 위하여 비효율 유량 분율을 정의하고 검증된 수치해석 기법으로 원뿔 절두체 구조물이 적용된 vortex tube에 대해 수치해석을 수행하였다. 또한, 원뿔 절두체의 형상 매개변수(밑 반지름, 윗 반지름, 높이)를 선정하고 완전요인 실험계획법을 진행하여 각 매개변수가 성능에 미치는 영향도를 분석하였다. 이를 통해 원뿔 절두체 구조물에 따른 성능, 비효율 유량 분율과 전압력에 따른 성능 변화를 분석하였다. 본 연구를 통해 노즐 내 원뿔 절두체 구조물은 vortex tube 성능개선에 도움이 될 것으로 판단하였으며, 이 연구는 기존의 형상수정을 통한 성능 개선 연구와 다르게 vortex tube 내 구조물을 통한 성능개선에 대한 연구로, 향후 vortex tube 성능 개선을 위한 연구의 다양성을 제시할 것으로 사료된다.