1. 서 론
2. 열교환기 구조 및 수치해석 방법
2.1 열교환기 형상 및 구조
2.2 수치해석 방법 및 경계조건
3. 결과 및 토의
3.1 유동 특성
3.2 회전속도에 따른 열전달 특성
4. 결 론
1. 서 론
현대의 방위 산업 체계는 기존 기계 체계에서 벗어나 전자장비 도입의 비중이 늘어나면서 점차 발전 해가고 있다[1]. 대표적 예시인 전자광학 추적 시스템(Electro-Optical Tracking System : EOTS)은 고도로 진보된 멀티스펙트럼 센서로 전투기, 차륜형 대공포, 함정 등의 방위 산업 체계에 폭넓게 적용된다. 이는 민간 영역에서 방위 산업 체계에 사용되기까지 관찰, 감시, 수색 및 구조, 항법 등 많은 분야에서 적용되었다[2]. EOTS 내부는 고전력 레이저, 정밀 프로세서 및 감지기 등 고성능, 고전력 요소로 구성되어 있으며 작동 시 전력 소모에 의해 발열이 생긴다. 방산 체계 특성상 공중, 육지, 해상 등의 다양한 극한 환경에서 기능을 수행해야 하므로 EOTS 및 전자 소자들의 열관리를 위해 진보된 냉각 기술의 적용이 필수적이다[3]. 또한 임무중 안정적인 전자장비의 작동을 위해 냉각시스템의 고효율 요구조건을 만족하여야 한다[4]. 이를 위해 극한 환경에 적용되는 EOTS의 냉각을 위한 차세대 열교환기의 개발이 필수적이다. 대표적인 열교환 시스템으로 쉘 앤 튜브 열교환기가 존재한다. 저온 유체가 쉘 측으로 흐르고 고온 유체는 튜브 측에서 흐르면서 저온과 고온 유체의 열전달이 발생한다. Abeykoon[5]은 튜브와 배플 수, 배플 절단 비율, 튜브 배열구조를 변수로 삼았다. 그 후 소형 쉘 앤 튜브 열교환기에 대해 수치해석을 하여 원하는 작업을 수행하는데 최적화 된 성능의 열교환기를 도출해내었다. Park 등[6]은 전기추진함정을 위한 해수-청수 열교환기를 수치적으로 연구하였으며, 그 결과로 배플의 각도가 쉘의 유동을 최적화하여 열교환 효율이 개선됨을 증명하였다. 또한 Kim 등[7]은 함정에 장착되는 전자장비의 냉각을 위해 장비 내·외부에 팬을 장착하였다. 장비 내부 팬에 의해 내부 냉각이 유도되었고, 외부 팬에 의해 내부 고온 공기가 외부로 방출되었다. 그들은 수치적 분석에 의해 내부 발열원의 최고온도가 허용온도 이하임을 검증하였다. Park 등[8]은 에틸렌글리콜과 물이 혼합된 유체를 적용하여 레이더 냉각을 위한 냉각 시스템을 설계하였다. 다양한 레이놀즈 수와 발열량에 대하여 수치적인 예측을 통해 작동 조건 및 배열에 대한 기초자료를 구축하였다. 이러한 연구들은 적용 분야들의 특징을 고려하여 냉각 구조를 최적화하는 연구라는 공통점을 가진다. 하지만 대부분 액체를 냉각제로 사용하고 이는 동적인 무기체계에 적합하지 않다. 외기를 적용하여 극한 환경의 무기 체계를 냉각하는 시스템은 극히 일부만 수행되고 있다.
본 연구에서는 무한한 열용량을 가지는 외기를 활용하여 레이더 내부 시스템을 냉각할 수 있는 신개념 열교환기를 제안한다. 제안된 열교환기는 고온의 사막 지역 또는 고온다습한 적도 부근과 같은 극한환경에서의 시스템 작동을 고려하였다. 극한환경에서 먼지와 같은 이물질과 습기 등이 포함된 외기가 내부 체적 내의 EOTS 및 전자소자들을 직접 냉각할 경우 습기로 인한 부식, 이물질로 인한 전자시스템의 절연저항 감소 등으로 인해 EOTS의 성능저하 및 고장을 유발할 수 있다. 따라서 센터 플레이트를 기준으로 외기가 순환되는 외부 시스템과 내부 열원에 의해 가열된 공기가 순환되는 내부 시스템으로 분리하였으며, 이로인해 냉각유체로써의 외기의 이점만 확보가 가능하였다. 센터 플레이트에는 히트 파이프를 적용하여 열교환 효율을 높이도록 설계하였다. 각각의 시스템에는 임펠러가 적용되어 있으며, 외부 시스템은 임펠러의 회전에 의해 외기를 공급하고 방출하고, 내부 시스템은 임펠러의 회전에 의해 내부시스템 내부의 공기를 순환시킨다. 본 연구에서 제안된 열교환기의 열전달 및 유동 특성을 규명하기 위해 ANSYS 2024 R1의 상용 코드를 적용하여 수치적 연구를 수행하였다. 외부 및 내부 시스템의 유동 재순환 영역과 열전달 효율의 상관관계를 규명하여 극한 환경에서 작동하는 레이더 내부 시스템 냉각을 위한 신개념 열교환기의 성능을 평가하였다.
2. 열교환기 구조 및 수치해석 방법
2.1 열교환기 형상 및 구조
Fig. 1은 내부 시스템의 냉각을 위한 전체 시스템의 개략도를 나타낸 그림이다. 내부 시스템은 EOTS 내의 요소들로부터 발생한 열로 인해 고온으로 유지된다. 저온 유체는 이를 냉각하기 위해 열용량이 무한대인 외기를 이용하여 외부 시스템으로 공급된다. 임펠러의 회전을 통해 각 시스템으로 유체가 유입되고, 열교환기 내 14개의 히트파이프와 센터 플레이트에 의해 열전달이 진행된다. 이후 외부 시스템의 가열된 냉각 유체는 외기로 배출되고, 내부 시스템의 냉각된 공기는 시스템 내부에서 순환한다. 이러한 열교환 구조에 의하여 내부 시스템의 온도를 제어한다. Fig. 2는 열교환기의 상세 구조에 대해 나타냈다. 열교환기는 센터 플레이트를 기준으로 구조상 대칭이다. 하지만 외부 시스템에서의 축방향 길이 가 27.9 mm, 내부 시스템의 축방향 길이 가 14.2 mm로 외부 시스템의 축방향 길이가 더 길다. 외부 시스템의 경우 상부 커버와 히트파이프, 임펠러로 구성이 되어있다. 상부 커버 최상단 직경 의 경우 외부 시스템의 냉각 유체 유입 직경을 의미하며, 100 mm이다. 내·외부 시스템의 열전달 효율을 개선하기 위해 최적화 설계된 14개의 히트 파이프를 설치했다. 임펠러의 경우 내·외부 시스템에서 형상은 동일하며, 직경 는 90 mm이다. 내부 시스템의 경우 하부 커버와 히트 파이프, 히트 파이프 브라켓, 임펠러로 구성되어 있다. 따라서 Fig. 2(b)는 내부 시스템에서 하부 커버를 제외한 부분을 나타낸다. 하부 커버 최하단 직경 의 경우 내부 시스템의 고온 유체 유입 직경을 의미하며, 70 mm이다. 히트 파이프 브라켓의 경우에는 히트파이프의 견고한 고정을 위해 센터 플레이트 하단에 고정되어 히트파이프를 지지해 주는 역할을 한다. 센터 플레이트는 내·외부 시스템을 분리해 주는 동시에 히트파이프 통과부이다. 센터 플레이트의 직경 는 223 mm이다. 열교환기의 설계변수는 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Geometry parameter
| Parameter | Diameter[mm] |
| External Inlet diameter() | 100 |
| Internal Inlet diameter() | 70 |
| Impeller diameter() | 90 |
| center plate diameter() | 223 |
| External system length() | 27.9 |
| Internal system length() | 14.2 |
2.2 수치해석 방법 및 경계조건
본 연구에서는 열교환기의 유동 특성과 열전달 특성을 예측하기 위한 수치해석을 수행하였다. ANSYS FLUENT 24버전을 사용하였으며, 난류 모델의 경우 Generalized k-𝜔(GEKO) 모델을 적용하였다. GEKO 모델은 사용 가능한 수많은 2차 eddy-viscosity 기반의 Reynolds Averaged Navier Stokes(RANS) 모델을 통합한 범용 모델로 개발되었다. 이는 광범위한 유동 조건을 수용할 수 있다[9]. 이러한 광범위한 유동 조건을 수용하기 위해 추가적인 자유 매개 변수를 두어 다양한 모델에 대한 유연성을 가지는 것이 특징이다[10]. 이는 벽면 근처에서 박리가 발생하고 재순환 영역을 가지는 경우 효과적인 난류 모델이다[11]. 내·외부 시스템의 입구조건은 전압 조건이고, 난류 강도는 0.01%로 가정하였다. 출구조건은 정압 조건이다. 외부 시스템의 입구 온도는 50°C, 내부 시스템의 입구 온도는 75°C로 설정하였다. 이는 레이더가 작동하는 극한 환경을 고려하여 적용하였다. 임펠러의 회전속도는 7000, 8000, 9000 rev/min으로 설정하였다. 회전자와 고정자 사이의 경계면에는 Frozen rotor 기법을 적용하였다. 수치해석을 위한 경계조건은 Table 2에 나타내었다. 내·외부 시스템의 유체는 모두 상온 공기의 물성치를 사용하였으며, 밀도는 1.225 , 비열은 1006.43 , 열전도도는 0.0242이다. 히트 파이프의 경우 유효 열전달계수가 알루미늄의 약 10배인 2000 으로 설정하였다. 히트 파이프를 제외한 임펠러, 센터 플레이트, 상·하부 커버, 히트 파이프 브라켓 등의 모든 고체에는 알루미늄이 사용되었다. 재료들의 물성치는 Table 3에 나타내었다. 수치해석을 위한 격자 구성은 Fig. 3에 나타내었다. 격자 형상은 Polyhedral로 이루어졌으며, 난류 유동의 벽함수를 고려하기 위해 첫 번째 레이어의 y+는 5 이하로 설정되었다. Fig. 4에 노드 수 변화에 따라 고온부에 해당하는 내부 시스템의 출구에서 표면 평균온도를 나타내었다. 수치적 연구에서 격자 의존도 시험은 연구에 사용된 격자가 가지는 결과의 신뢰성과 계산 효율성을 검증하기 위해 중요하다[12]. 시험 결과 노드 수가 523만 개일 때와 750만 개일 때의 내부 시스템 출구 평균 온도의 편차는 0.20% 이내로 계산되었다. 그러므로 본 연구에서 계산 효율성과 수치 해석 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 523 만개의 노드를 가지는 격자를 적용하였다.
Table 2.
Boundary conditions for numerical simulation
| Parameters | External | Internal | |
| Inlet | Total pressure[Pa] | 0 | 0 |
| Total temperature[°C] | 50 | 75 | |
| Outlet | Static pressure[Pa] | 0 | 0 |
| Rotating speed[rev/min] | 7000, 8000, 9000 | ||
| Interface | Rotor-stator | Frozen rotor | |
3. 결과 및 토의
3.1 유동 특성
Fig. 5는 열교환기의 축방향 표면에 대한 와도 분포와 속도 유선을 나타낸 그림이다. 내·외부 시스템 모두 유체가 임펠러를 통과한 직후 유동 방향에 수직으로 급격하게 꺾인 구조물을 만나 역압력 구배가 발생하며 박리되었다. 그에 따라 임펠러를 둘러싼 구조물의 모서리에서 첫 번째 재순환 영역을 형성한다. 이후 축방향으로 짧은 유동 영역을 통과한 유체는 구조물의 역할을 하는 히트 파이프에 의해 유동 특성이 변하면서 다시 한번 박리가 되며, 두 번째 재순환 영역을 형성한다. 외부 시스템의 경우 내부 체적 차이로 인해 수직으로 급격하게 꺾인 구조물을 한번 더 지나가므로 유동 박리에 의한 세 번째 재순환 영역이 형성된다. 또한 출구부 부근에서 히트 파이프 형상 변화로 유동 박리가 발생하여 네 번째 재순환 영역이 형성된다. 이러한 재순환 영역들에 의해 외부 시스템의 열전달 특성이 향상될 것으로 판단되었다. 내부 시스템의 경우에 2차 박리 이후 상대적으로 좁은 체적에 의해 유동이 정렬되어 방출되었다. Fig. 6은 반경방향 열교환기의 (a) 외부 시스템 단면 과 (b) 내부 시스템 단면에서의 유체 유동 특성인 와도 분포와 2차원 속도벡터를 나타낸 그림이다. Fig. 6(a)의 출구부에서는 정렬되지 않은 유동이 특징적으로 나타난다. 이는 히트 파이프면을 따라 정렬되어 유출되는 유체가 출구부 부근의 유동 재순환 영역의 영향을 받아 발생하는 현상이다. 출구로 나가지 않은 유체는 다시 인근 히트 파이프에 부착되고 이는 국부적으로 연속된 재순환영역을 생성한다. 회전속도가 높아질수록 이러한 재순환영역은 더욱 두드러지게 된다. 한편 Fig. 6(b)는 Fig. 6(a)에 비해 훨씬 복잡하고 발달한 와도분포 및 2차원 속도벡터 특성을 보인다. 내·외부 시스템의 내부구조 차이로 인해 Fig. 6(b)의 중심부에서는 임펠러의 회전에 따라 유동하는 2차원 속도벡터가 나타났다. 임펠러의 회전에 따라 유동하는 고온 유체는 히트 파이프를 만나 유동 박리 현상이 발생한다. 박리된 유체는 양의 와도 영역을 따라 히트 파이프 사이에서 재순환영역을 생성한다. 그에 따라 Fig. 6(a)에 비해 유동 박리 영역과 재순환 영역이 발달함을 보였다. 축방향, 반경방향 단면 모두에서 회전속도가 증가함에 따라 와도가 증가하고 속도벡터와 속도 유선의 밀도 또한 변화하였다.
3.2 회전속도에 따른 열전달 특성
Fig. 7은 열교환기 축방향 표면에 대한 온도 분포와 속도 유선을 나타낸 그림이다. 내부 시스템의 경우 센터 플레이트와 히트 파이프가 인접하는 부분에서 가장 효율적으로 냉각되었다. 외부 시스템의 경우 상대적으로 넓은 체적 내에서 센터 플레이트와 인접한 국소적인 재순환 영역들이 발생하였다. 내부 시스템의 경우 유체는 짧은 축방향 높이를 가지는 유동영역을 통과한 직후, 층류화되어 유출되었다. 하지만 해석 결과 회전속도에 따른 온도변화는 미미했다. 따라서 임펠러의 회전속도 증가에 따른 각 시스템 유량의 변화를 검증하기 위해 Fig. 8에 회전속도에 따른 각 시스템의 유입 질량 유량 변화를 수치적으로 나타냈다. 회전속도 증가에 따른 질량유량 변화는 7000 RPM에서 8000 RPM으로 증가할 때의 증가율과 8000 RPM에서 9000 RPM으로의 증가율의 평균으로 측정되었다. 평균적으로 내부시스템의 경우 14.85%, 외부 시스템의 경우 15.49%씩 증가하였다. 시스템 내 구조상의 차이로 외부 시스템에 비해 내부 시스템에서의 유입 질량 유량이 더 크다. 임펠러 회전속도가 증가함에 따라 유입 질량유량 자체는 증가하지만, 압력강하 또한 비례하여 커지므로 증가율은 감소한다. 결과적으로 유입 질량 유량은 회전속도에 비례하여 증가한다는 것이 입증되었다. Fig. 9에 반경방향 표면에서의 온도 분포를 나타냈다. 우선 온도분포의 경우 축방향에서 달리 반경방향에서 와도와 유사한 분포를 보인다. 외부 시스템의 경우 출구 부근의 히트 파이프에서 박리된 유체가 재순환을 하며, 효율적인 냉각을 하였다. 히트 파이프부의 재순환 영역 또한 회전 중심부로 갈수록 열전달 효율이 증가하였으며, 그에 따라 회전속도에 비례하여 열전달면적이 증가하였다. 내부 시스템의 경우 반경방향 와도 분포에서 회전부로부터 히트 파이프를 따라 출구까지 양의 와도가 지배적이었다. Fig. 9(b)에서도 마찬가지로 양의 와도 영역을 따라 고온의 유체가 분포하였다. 이는 내부 시스템의 내부체적이 상대적으로 작아 임펠러 통과 직후 재순환을 거친 다음 유동이 정렬되기 때문이다. 이에 따라 정렬된 유동은 층류의 특성을 가져 더 이상의 재순환을 하지 않아 열전달에 크게 영향을 주지 않는다. 결과적으로 유입된 대부분의 고온유체가 정해진 경로를 따라 출구로 유출된다. 하지만 히트 파이프 사이의 재순환 영역에 의해 연속적인 국소열전달이 효과적으로 발생했다. 이에 대해 Fig. 10에는 회전속도에 따른 시스템의 (a)열전달률과 (b)표면 평균 열전달 계수를 수치적으로 나타내었다. 여기서 열전달률() 및 평균 열전달 계수()는 각각 다음의 식 (1)과 (2)를 사용하여 계산하였다.
은 각 시스템의 열전달율, 는 각 시스템에서의 유입온도와 수렴온도 차를 의미하며, 은 각 시스템의 질량 유량, 는 유체의 비열을 의미한다. 는 각 시스템의 표면 평균 열전달계수, A는 각 시스템의 센터 플레이트부에서 히트파이프를 제외한 고체면과 유체가 닿는 면적이다. 회전속도 증가에 따른 열전달율 변화 또한 7000 RPM에서 8000 RPM으로 증가할 때의 증가율과 8000 RPM에서 9000 RPM으로의 증가율의 평균으로 측정되었다. 평균적으로 내부 시스템의 경우 13.71% , 외부 시스템의 경우 15.15%씩 증가하였다. 또한 각 회전속도별 내부 시스템과 외부 시스템의 열전달율 차이는 평균적으로 11.53%였으며, 회전속도가 증가할수록 차이 비율은 감소했다. 두 시스템 모두 동일한 유체 물성치를 사용하고, 회전속도에 따른 내·외부 시스템의 유입온도와 수렴온도의 편차 는 0.1정도로 거의 변화하지 않는다. 따라서 열전달율의 주요 변수는 질량유량으로 판단되었다. 이로 인해 임펠러의 회전속도가 증가함에 따라 질량유량도 비례하여 증가하기 때문에 열전달율 또한 증가한다는 것을 검증할 수 있었다. 회전속도 증가에 따른 표면 평균 열전달계수 변화는 평균적으로 내부시스템의 경우 10.78% , 외부 시스템의 경우 11.52%씩 증가하였다. 두 시스템 모두 회전속도 증가에 따른 평균 열전달계수 증가율은 감소하였다. 회전속도별 두 시스템의 표면 평균 열전달계수의 차이는 평균적으로 81.42%였으며, 회전속도가 증가할수록 차이 비율은 감소했다. 이로 인해 유체통과 면적에서의 열전달 계수를 측정했을 때 임펠러 회전속도의 증가에 따라 질량 유량 증가율이 감소하면서 표면 평균 열전달 계수 증가율 또한 감소한다는 것을 검증할 수 있었다. 또한 회전 속도의 증가에 따라 평균 대류 열전달 계수값이 증가하는 경향성을 띄었으므로 가장 높은 회전속도에서 내 외부 시스템의 열전달률이 가장 우수함을 나타냈다.
4. 결 론
본 연구에서는 극한환경에서 작동되는 무기체계에 적용되는 레이더의 냉각을 위한 신개념 열교환기를 제안하였다. 제안된 열교환기의 성능을 분석하기 위해 수치해석적 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서 제안된 열교환기는 히트파이프에 의해 유동박리 및 유동재순환이 발생하였다. 이러한 유동특성은 히트 파이프– 센터 플레이트 – 냉각 유체 간 열교환 효율을 개선시킨다. 또한 임펠러의 회전속도가 7000 rev/min에서 9000 rev/min으로 증가할 때 내부 및 외부 시스템의 흡입 유량은 각각 평균적으로 14.85% , 18.49% 개선되었다.
신개념 열교환기 내부에서 재순환 영역에 의해 열교환되는 영역이 분명하게 나타났으며, 재순환 영역이 열전달 효율을 개선시키는 것으로 예측되었다. 결론적으로 임펠러 회전속도 증가에 의해 열전달율은 내부와 외부 시스템에서 각각 평균적으로 13.7% 및 15.2% 개선되었다.
본 연구에서 제안된 신개념 열교환기를 극한 환경의 EOTS에 적용한다면 EOTS의 열관리를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 과도상태해석 수행을 통해 내부 시스템의 냉각 효율 및 냉각 시간에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
