Automotive Condenser (Radiator) 열 전달 해석 솔루션
- 파트 단위 영역(unit cell-level)부터 전체 시스템(Vehicle-level) 까지-
 <그림1> Reference CAD model : grabcad.com | 본 기술자료에서는 에이블맥스(주)에서 제공하는
Thermal Desktop®과 FloCAD®, TD direct®를
사용하여, <그림1>과 같은
자동차에 사용되는 일반적인 라디에이터(radiator, condenser)의 모델링 및 해석 방법 사례를 소개합니다. *해석 조건(가정)
-공개된 <그림1>과 같은 CAD모델 기반 가정
-알루미늄으로 구성된 평행 관류 열 교환기
-작동 유체 : r134a
-유체 이동 : 우측 상단 > 좌측 하단
-총 29개의 평판의 횡관과 연결된 매니폴드로 구성 |
*평판 횡관(그림2) 가정 - 단일패스로 구성
- 작동유체가 흐를 수 있는 10개의 작은 사각형 내부 유로
- 5~6개의 평판 횡관이 한 개의 그룹으로 그룹화 (그림3 참고)
- 흐름을 5개의 유체 경러로 분할하기 위해 매니폴드 내에 배플로 구분
- 상부 6개의 횡관은 입구에서 좌측으로 흐름
- 아래 6개의 횡관은 우측으로 흐름
- 라디에이터의 중간에 6개의 횡관은 좌측으로 흐름
- 아래 6개의 횡관은 우측으로 흐름
- 마지막 5개의 황관은 좌측으로 흐르며 끝에 출구가 있음
<그림3> Thermal Desktop의 FloCAD 모델 | 
<그림2> 평판 횡관 예시 |
평판 횡관 사이의 냉각핀은 공기와 열 교환이 이루어지며 이때에 냉각핀 주변의 유속은 CFD 혹은 시험을 통해 공기 속도를 반영할 수 있지만 본 모델에서는 이러한 세부사항은 무시하고 균일한 공기의 속도를 가정하였으며 이 모델의 경우 75 km/h의 유속 조건을 반영하였으며 환경 온도(공기의 온도)는 30℃의 고정 온도 조건으로 모델을 구성하였습니다.
평판 횡관 내부의 r134a 냉매의 입구 압력은 14 bar, 유량은 120 kg/hr이 적용되었으며 입구의 냉매 온도는 70℃라고 가정하여 모델을 구성하였습니다.
Unit Cell-level 열 해석
아래의 <그림4,5>는 열 교환기 내에서 가장 작은 반복 패턴인 Unit Cell-level에 대한 해석 결과입니다.
평판 횡류 관의 상/하단에 맞닿는 냉각핀의 위치에 따른 온도분포를 확인할 수 있습니다.
 |  |
| <그림4> 열 교환기 Unit Cell-level 해석 형상 모델 | <그림4> 열 교환기 Unit Cell-level 온도 결과 |
Unit Cell-level 모델에서는 냉각핀의 배치에 따른 열 교환량에 대한 해석을 수행할 수 있으며 이를 활용하여 이후 모델에 대하여 냉각핀을 직접 모델링하지 않고 냉각핀의 효율을 반영하여 열 해석을 수행할 수 있는지에 대한 검증 해석을 수행하였으며 냉각핀의 효율을 확인하기 위하여 풍속, 유체의 상태(기체/유체), 압력 및 냉매의 흐름의 변화가 냉각핀의 효율, 즉 열 전달량에 대한 데이터를 확인하고 이를 활용하여 간단한 효율과 열 전달 영역을 조정함으로써 쉽게 대체할 수 있음을 확인하였습니다.One Lateral part-level(Manifold model) 모델 열 해석
Unit Cell-level에서 모델을 크게 간소화할 수 있는 방법을 확인하였습니다. 결과적으로 유효면적 및 냉각핀의 효율 계산 결과를 사용하여 냉각핀이 없는 One Lateral-level의 모델이 만들어 졌습니다.
이 모델은 라디에이터의 전체 평판횡관길이로 모델링 되었으며 내부에는 10개의 내부 유로를 해석에 반영하기 위해 FloCAD를 사용하여 10개의 “PIPE”로 모델링 되었고 “벽면 용 유체 파이프”라는 모델링 옵션을 사용하였습니다. 이 벽면 옵션을 사용하면 FloCAD는 중심선으로부터 Ray를 쏘아서 인접하는 벽면 노드를 연결하고 경로의 단면적과 직경을 자동으로 계산합니다.
하지만 본 모델에서는 인접하는 벽면과 중복하여 연결될 수 있는 가능성을 배제하기 위하여 각 유로의 내부 면을 각각의 도메인으로 지정하여 연결하는 방법을 선택하였으며 Ray 추적 옵션은 사용하지 않았습니다. 또한 단면적과 직경을 FloCAD에서 자동으로 계산하지만 이 역시 근사치 이므로 직접 정확한 값을 입력하여 모델링을 수행하였습니다.
Subsystem-level 모델 열 해석
Sub-System-level 모델에서는 앞서 해석을 수행하며 검증한 내용이 모두 반영됩니다. Unit Cell-level의 해석 모델은 냉각핀의 형상을 반영하지 않고 해석을 수행할 수 있는 수단을 제공해 주었습니다. 물론 해당 모델에서는 상하부에 연결되어 공기와의 대류 열전달 이외에 수직으로 전도 열전달이 추가적으로 반영되어야 합니다. 이 부분은 Thermal Desktop에서 Contactor 혹은 Conductor을 입력할 때, 전열도 계수에 이 부분을 반영하여 해석을 수행함으로써 해결할 수 있습니다.
그리고 One Lateral part-level 모델의 해석 수행을 통하여 평판 횡류관 내부의 각 유로채널을 개별적으로 모델링 할 이유가 거의 없음을 확인할 수 있었습니다. 따라서, 내부 단면적 및 직경을 통합함으로써 단일한 덕트의 모델을 구성함으로써 모델을 단순화 할 수 있음을 확인하였습니다.
이 모델의 목적은 전체 라디에이터의 평판 횡류 관에 있기 때문에 매니폴드 유체 모델의 세부 사항은 단순화 하였습니다. 수직 실린더 매니폴드 내부는 배플로 분리 된 세 개의 탱크로 나누어 지며 이 탱크 내부에서 유체는 완벽하게 혼합되어 유체의 상이 분리되지 않습니다. 또한 본 해석 모델에서 중력은 무시되었습니다.
결론적으로 정상상태의 열 해석 결과 아래의 그림과 같이 오른쪽 상부에 과열 증기가 있고 왼쪽 하단에 과냉 액체가 있는 상태로 해석되었으며 양쪽 측면의 실린더 매니폴드의 수직 전도 효과에 따른 온도 구배도 확인할 수 있습니다.
결론
Unit Cell-level의 해석 모델은 냉각핀의 성능 및 배치에 따른 특성을 확인할 수 있습니다. 또한 이 모델을 통하여 냉각핀을 모델링 하지 않고 유효 열 전달 면적과 냉각핀의 효율을 대체하여 모델링 하는 방법을 확인할 수 있었습니다.
One Lateral part-level 모델은 기계적 또는 제조상에 발생할 수 있는 오차를 제외하고는 온도 구배만으로 평판 횡류관 내의 유체 흐름에는 큰 영향이 없는 것을 확인할 수 있었습니다. 즉, 평판 횡류 관 내부의 10개의 유로 채널에 대한 모델링을 단일 유로로 대체할 수 있음을 확인할 수 있었습니다.
System-level 모델에서는 앞서 해석에서 검증 된 내용을 바탕으로 보다 모델을 단순화할 수 있었으며 대신에 양 측면의 수직 실린더 매니폴드의 수직 전도를 추가로 반영하였습니다. 보다 단순화하여 빠르게 해석을 수행할 수 있는 모델을 구축할 수 있는 방법을 확인할 수 있었습니다. 이러한 접근 방법은 라디에이터뿐만 아니라, 사이클에 초점을 맞춘 증기압축사이클의 동적 모델에도 적합할 것이라 예상되며 Vehicle-level model에 역시 적합한 모델입니다.
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Automotive Condenser (Radiator) 열 전달 해석 솔루션
- 파트 단위 영역(unit cell-level)부터 전체 시스템(Vehicle-level) 까지-
본 기술자료에서는 에이블맥스(주)에서 제공하는
Thermal Desktop®과 FloCAD®, TD direct®를
사용하여,
<그림1>과 같은
자동차에 사용되는 일반적인 라디에이터(radiator, condenser)의 모델링 및 해석 방법 사례를 소개합니다.
*해석 조건(가정)
-공개된 <그림1>과 같은 CAD모델 기반 가정
-알루미늄으로 구성된 평행 관류 열 교환기
-작동 유체 : r134a
-유체 이동 : 우측 상단 > 좌측 하단
-총 29개의 평판의 횡관과 연결된 매니폴드로 구성
*평판 횡관(그림2) 가정
<그림3> Thermal Desktop의 FloCAD 모델
<그림2> 평판 횡관 예시
평판 횡관 사이의 냉각핀은 공기와 열 교환이 이루어지며 이때에 냉각핀 주변의 유속은 CFD 혹은 시험을 통해 공기 속도를 반영할 수 있지만 본 모델에서는 이러한 세부사항은 무시하고 균일한 공기의 속도를 가정하였으며 이 모델의 경우 75 km/h의 유속 조건을 반영하였으며 환경 온도(공기의 온도)는 30℃의 고정 온도 조건으로 모델을 구성하였습니다.
평판 횡관 내부의 r134a 냉매의 입구 압력은 14 bar, 유량은 120 kg/hr이 적용되었으며 입구의 냉매 온도는 70℃라고 가정하여 모델을 구성하였습니다.
Unit Cell-level 열 해석
아래의 <그림4,5>는 열 교환기 내에서 가장 작은 반복 패턴인 Unit Cell-level에 대한 해석 결과입니다.
평판 횡류 관의 상/하단에 맞닿는 냉각핀의 위치에 따른 온도분포를 확인할 수 있습니다.
Unit Cell-level 모델에서는 냉각핀의 배치에 따른 열 교환량에 대한 해석을 수행할 수 있으며 이를 활용하여 이후 모델에 대하여 냉각핀을 직접 모델링하지 않고 냉각핀의 효율을 반영하여 열 해석을 수행할 수 있는지에 대한 검증 해석을 수행하였으며 냉각핀의 효율을 확인하기 위하여 풍속, 유체의 상태(기체/유체), 압력 및 냉매의 흐름의 변화가 냉각핀의 효율, 즉 열 전달량에 대한 데이터를 확인하고 이를 활용하여 간단한 효율과 열 전달 영역을 조정함으로써 쉽게 대체할 수 있음을 확인하였습니다.One Lateral part-level(Manifold model) 모델 열 해석
Unit Cell-level에서 모델을 크게 간소화할 수 있는 방법을 확인하였습니다. 결과적으로 유효면적 및 냉각핀의 효율 계산 결과를 사용하여 냉각핀이 없는 One Lateral-level의 모델이 만들어 졌습니다.
이 모델은 라디에이터의 전체 평판횡관길이로 모델링 되었으며 내부에는 10개의 내부 유로를 해석에 반영하기 위해 FloCAD를 사용하여 10개의 “PIPE”로 모델링 되었고 “벽면 용 유체 파이프”라는 모델링 옵션을 사용하였습니다. 이 벽면 옵션을 사용하면 FloCAD는 중심선으로부터 Ray를 쏘아서 인접하는 벽면 노드를 연결하고 경로의 단면적과 직경을 자동으로 계산합니다.
하지만 본 모델에서는 인접하는 벽면과 중복하여 연결될 수 있는 가능성을 배제하기 위하여 각 유로의 내부 면을 각각의 도메인으로 지정하여 연결하는 방법을 선택하였으며 Ray 추적 옵션은 사용하지 않았습니다. 또한 단면적과 직경을 FloCAD에서 자동으로 계산하지만 이 역시 근사치 이므로 직접 정확한 값을 입력하여 모델링을 수행하였습니다.
Sub-System-level 모델에서는 앞서 해석을 수행하며 검증한 내용이 모두 반영됩니다. Unit Cell-level의 해석 모델은 냉각핀의 형상을 반영하지 않고 해석을 수행할 수 있는 수단을 제공해 주었습니다. 물론 해당 모델에서는 상하부에 연결되어 공기와의 대류 열전달 이외에 수직으로 전도 열전달이 추가적으로 반영되어야 합니다. 이 부분은 Thermal Desktop에서 Contactor 혹은 Conductor을 입력할 때, 전열도 계수에 이 부분을 반영하여 해석을 수행함으로써 해결할 수 있습니다.
그리고 One Lateral part-level 모델의 해석 수행을 통하여 평판 횡류관 내부의 각 유로채널을 개별적으로 모델링 할 이유가 거의 없음을 확인할 수 있었습니다. 따라서, 내부 단면적 및 직경을 통합함으로써 단일한 덕트의 모델을 구성함으로써 모델을 단순화 할 수 있음을 확인하였습니다.
이 모델의 목적은 전체 라디에이터의 평판 횡류 관에 있기 때문에 매니폴드 유체 모델의 세부 사항은 단순화 하였습니다. 수직 실린더 매니폴드 내부는 배플로 분리 된 세 개의 탱크로 나누어 지며 이 탱크 내부에서 유체는 완벽하게 혼합되어 유체의 상이 분리되지 않습니다. 또한 본 해석 모델에서 중력은 무시되었습니다.
결론적으로 정상상태의 열 해석 결과 아래의 그림과 같이 오른쪽 상부에 과열 증기가 있고 왼쪽 하단에 과냉 액체가 있는 상태로 해석되었으며 양쪽 측면의 실린더 매니폴드의 수직 전도 효과에 따른 온도 구배도 확인할 수 있습니다.
Unit Cell-level의 해석 모델은 냉각핀의 성능 및 배치에 따른 특성을 확인할 수 있습니다. 또한 이 모델을 통하여 냉각핀을 모델링 하지 않고 유효 열 전달 면적과 냉각핀의 효율을 대체하여 모델링 하는 방법을 확인할 수 있었습니다.
One Lateral part-level 모델은 기계적 또는 제조상에 발생할 수 있는 오차를 제외하고는 온도 구배만으로 평판 횡류관 내의 유체 흐름에는 큰 영향이 없는 것을 확인할 수 있었습니다. 즉, 평판 횡류 관 내부의 10개의 유로 채널에 대한 모델링을 단일 유로로 대체할 수 있음을 확인할 수 있었습니다.
System-level 모델에서는 앞서 해석에서 검증 된 내용을 바탕으로 보다 모델을 단순화할 수 있었으며 대신에 양 측면의 수직 실린더 매니폴드의 수직 전도를 추가로 반영하였습니다. 보다 단순화하여 빠르게 해석을 수행할 수 있는 모델을 구축할 수 있는 방법을 확인할 수 있었습니다. 이러한 접근 방법은 라디에이터뿐만 아니라, 사이클에 초점을 맞춘 증기압축사이클의 동적 모델에도 적합할 것이라 예상되며 Vehicle-level model에 역시 적합한 모델입니다.
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