개요

300L 교반기는 화학 물질을 혼합하는 저장 탱크로 용기 내 혼합 물질의 온도를 일정하게 유지하는 것이 목적이다. 용기 외벽에 냉각수를 공급하는 자켓 타입 설계 방식을 적용할 경우, 용기 내 혼합물질의 온도와 냉각수 출구 온도를 분석 및 계산하고자 하였다. 열유동 현상을 묘사하기 위한 유한체적모델은 2D CAD 도면을 기반으로 작성되었다. 또한 온도 변화 거동을 묘사하기 위해 냉각수, 에탄올, 공기 세 가지의 작동유체를 본 해석에 적용하였다.

Pre-processing

유한체적모델은 해석의 주요 관심 부위인 저장 탱크와 더블자켓으로 구성하였다. 보다 정확한 해석 결과를 도출하기 위해 컴퓨터 자원의 한계를 고려하여 온도 변화에 영향을 미치지 않는 부품은 해석에서 제외하였다. 총 236,314개의 격자로 작성되었으며 유체 격자 151,449개, 고체 격자 84,865개로 구성되었다. 고체와 접촉하는 유체 격자는 84,865개로 유체 온도 변화에 대한 고체의 전도 현상까지 본 해석에서 고려하였다. 저장탱크를 지나는 에탄올은 탱크 외부에 설치된 워터자켓을 통해 냉각이 된다. 이 과정에서 입구조건에 설정한 유량 조건 즉 강제대류현상 뿐만 아니라 중력텀을 활성화하여 온도변화에 따른 비중량 차이 인한 자연대류현상 또한 묘사하였다.

Solving

아래 그림은 시간 흐름에 따른 유체의 최대 온도, 속도장 및 벡터 그리고 온도분포 및 유선으로 구분된 결과이다. 에탄올의 평균 온도 해석결과로는 더블자켓의 냉각수와 열평형 상태가 약 2,000초에 이루어지며, 평균온도 56.5656.56 ℃ 로 수렴함을 확인할 수 있다.

Post-processing

에탄올의 온도 분포 양상 분석 결과, 냉각수의 유출입구는 탱크 오른쪽 방향에 설치되어 있으며스파이럴 형태 유로를 따라 운송된다. 비교적 가장 높은 유속을 보이는 냉각수 초기 입구 부분에서 최대 열전달이 발생되어 탱크 오른쪽 하단 부분에서 최대 온도 하강 양상을 나타낸다. 대류열전달의 가장 큰 변수는 속도이다. 탱크 오른쪽 하단의 가장 빠른 냉각수 유속으로 인해 온도 하강 폭이 가장 크게 나타났다. 초기 온도 60 ℃의 에탄올이 초기 온도 20 ℃ 탱크에 진입하게 되면 유체의 온도는 약 1,000초까지 상승되며 냉각수와의 열평형으로 인해 약 56.56 ℃로 수렴된다. 냉각수 출구 온도는 14.35 ℃로 수렴됨을 확인하였다.