수력학적 공동현상을 이용한 발열장치의 설계 및 성능 분석

Abstract

공동현상은 펌프, 터빈, 오리피스 및 밸브 등 유체기계의 작동 중에 압력이 포화증기압 이하로 내려갈 때 발생한다. 공동현상은 발생하여 소멸되는 과정에서 기계의 침식, 파손, 진동, 소음 등을 발생시켜 기계의 성능을 떨어뜨리는 부정적인 원인으로 작용하여 피해야 할 현상 중에 하나이다. 하지만 최근 들어 공동현상에 의해 발생하는 진동 및 열을 이용한 장치의 연구가 진행되고 있는데 초음파 또는 수력학적 공동현상을 이용하여 화학 반응기 또는 수처리에 응용하는 기술, 수력학적인 공동현상을 이용한 발열장치 등이 대표적인 예라 할 수 있다. 특히 발열장치 분야의 경우 앞의 다른 분야와 달리 특허 및 상업적 자료 등은 있으나, 학술적인 연구 논문은 없는 실정이다. 그로 인하여 상당히 높은 열효율의 발열장치 제작이 가능함에도 시장에서 그 가치를 인정받지 못하고 있다. 본 연구에서는 전동기에 연결된 가열기를 고속으로 회전시켜 물을 국부적으로 상변화하는 공동현상을 생성시켜 발생하는 열을 통해 물을 가열하는 장치에 대한 이론 및 실험적 연구를 진행하였다. 기존의 기포 운동학으로부터 기포 클러스터에 대한 운동 방정식을 유도하였으며 이를 이용하여 기포 클러스터에 의한 방출 에너지를 구하여 실험값과 비교하였다. 실험은 15kW, 55kW급 전동기를 이용하여 진행하였다. 입구에서 가압 펌프를 이용하여 입구 압력을 변화시켰으며 인버터를 이용하여 전동기의 회전 속도를 제어하여 회전 속도를 변화시켜 실험을 진행하였다. 다양한 유동 조건에 대하여 공동현상과 열발생 및 열효율에 대하여 분석하였다. 15kW급 가열기는 앞덮개를 투명아크릴로 제작하여 고속촬영장치를 이용하여 가열기 내부 유동을 촬영하여 설계 및 이론 해석의 기초 자료로 활용하였다. 실험결과를 통하여 공동현상을 이용한 발열장치의 열효율이 우수하다는 사실을 확인하였으며 위의 언급한 조건들이 성능에 미치는 영향이 있음을 확인하였다. 특히 입구압력 및 회전 속도 등이 가열장치의 열발생에 미치는 영향이 큰 것을 확인할 수 있었다. 기존의 공동현상에 대한 이론 및 유도된 기포 클러스터에 의하여 구한 에너지와 실험결과에 대한 분석도 진행하였다. 유도된 기포 클러스터에 대한 운동방정식으로부터 구한 발생열량이 실험 결과와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과는 향후 공동현상을 이용한 발열장치뿐만 아니라 공동현상을 이용한 화학반응기, 수처리장치 등의 설계에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.|Cavitation occurs typically when pressure is lower than the saturated vapor pressure. Generally, cavitation used to be a phenomenon engineer should avoid when they design fluid machinery because it creates erosion, vibration and noise that make performance of the machineries worse. Recently, researches about a chemical reactor, water treatment equipment and heat generator using the ultrasonic or hydrodynamic cavitaion are being proceeded. Among these, there is little academic research for the heat generator using hydrodynamic cavitation except some commercial documents or patents, although it is the one of typical equipments of using cavitation. In this paper, it is proceeded theoretical and experimental studies for a heat generator, connected to an electrical motor, which generates heat from cavitaion by roating a generator fast. Theoretical equations for predicting the bubble cluster dynamic and energy released from bubble cluster collapse are suggested. Experiments also are carried out to evaluate the performance of the heat generator and validate suggested equations. A 15kW and 55kW electric motors are used to rotate the generator. The experiments performed changing flow conditions such as pressure at entering position by using a booster pump and rotating velocity of the motors by an inverter. Heat production and thermal efficiency according to the flow conditions are investigated. The front cover of the heater is made of acrylic plate to observe the relation between cavitation and generator shape using high speed photography. From the results, it is shown that these conditions affect performance and especially pressure at entrance or rotating velocity affect heat production. Theory of cavitation, suggested theoretical equations and experiments results are discussed. These results could be useful for design process of the machine using cavitation such as a cavitation heat generator and a chemical reactor etc.; Cavitation occurs typically when pressure is lower than the saturated vapor pressure. Generally, cavitation used to be a phenomenon engineer should avoid when they design fluid machinery because it creates erosion, vibration and noise that make performance of the machineries worse. Recently, researches about a chemical reactor, water treatment equipment and heat generator using the ultrasonic or hydrodynamic cavitaion are being proceeded. Among these, there is little academic research for the heat generator using hydrodynamic cavitation except some commercial documents or patents, although it is the one of typical equipments of using cavitation. In this paper, it is proceeded theoretical and experimental studies for a heat generator, connected to an electrical motor, which generates heat from cavitaion by roating a generator fast. Theoretical equations for predicting the bubble cluster dynamic and energy released from bubble cluster collapse are suggested. Experiments also are carried out to evaluate the performance of the heat generator and validate suggested equations. A 15kW and 55kW electric motors are used to rotate the generator. The experiments performed changing flow conditions such as pressure at entering position by using a booster pump and rotating velocity of the motors by an inverter. Heat production and thermal efficiency according to the flow conditions are investigated. The front cover of the heater is made of acrylic plate to observe the relation between cavitation and generator shape using high speed photography. From the results, it is shown that these conditions affect performance and especially pressure at entrance or rotating velocity affect heat production. Theory of cavitation, suggested theoretical equations and experiments results are discussed. These results could be useful for design process of the machine using cavitation such as a cavitation heat generator and a chemical reactor etc.