배관 내 열교환기 소음저감성능 예측에 관한 연구

튜브형 열교환기의 소음저감 성능 예측에 관한 연구. 배관형 열교환기의 소음저감 성능 예측에 관한 연구 이대근.

서론

연구배경

본 연구의 목적은 1-2패스 이중관 열교환기의 소음 전달 특성을 규명하는 것이다. 특히, 다중 튜브로 구성된 내부 MIMO(다중 입출력) 구조의 주파수 특성과 소음 저감 효과를 해석적, 실험적 방법을 통해 규명하고, 이에 따른 침투손실과 삽입손실을 비교하여 열교환기 구조를 음향적으로 결정한다. 파이프 모양, 유속 및 온도 구배 조건에 맞게 조정됩니다.

선행연구

열교환기 내부에서 다수의 직관을 차별화하여 연결하는 메커니즘과 다수의 직관을 병렬로 구성한 구조에 대해서는 전달 소음 특성이 정확하게 정의되지 않았습니다. Hua와 Herrin [5]은 다중 입력/다중 출력 시스템에 대한 전송 손실과 삽입 손실을 정의합니다.

연구개요

열교환기의 음향학적 특성

구조적 특성

• 반-실린더형 측면 입· 출입 챔버
• 역류형 챔버
• 다발관

다중 경로 열교환기에서는 역류형 요소에 의해 유체 흐름이 역전되어 다음 경로로 이동합니다. 패키지 튜브는 열 교환기에서 액체와 냉각수 사이에 열이 교환되어 온도 구배가 생성되는 섹션입니다.

Fig. 6 Bundle tube element

환경적 특성

• 유속조건
• 온도조건

이중관 열교환기의 경우 온도구배 모양은 그림과 같다. 이는 구리의 온도 구배에 따라 주파수 영역의 움직임이 발생함을 의미합니다.

Fig. 8 Frequency shift due to linear temperature gradient [10]

음향이론

실험이론

• 음파분리이론
• 성능평가지표
• 투과손실
• 삽입손실
• 소음감소량

투과손실은 머플러의 입출력단에서 입사파 스펙트럼(SAA(𝑓), SCC(𝑓))을 측정, 계산하고 다음의 식을 이용하여 계산한다. ② 삽입손실 측정 결과는 그림 11과 같이 채널 대각선 방향 5곳에서 측정한 평균값을 사용한다.

Table 1 High-order acoustic mode of circular cross-section duct

해석이론

• 전달행렬법
• 수치해석적 방법
• 하이브리드 방법

위의 비율을 이용하여 음향소자의 4단자 정수를 구할 수 있다. 반면, n개의 요소가 연결된 경우 모든 요소의 전달 행렬은 다음과 같으며, 최종 전달 행렬의 4단자 정수로부터 전송 손실을 예측할 수 있다. 유한요소법은 임의의 형상을 쉽게 근사할 수 있으며 복잡한 경계에서 속도, 압력, 온도와 같은 다양한 경계 조건을 쉽게 적용할 수 있습니다.

또한, 유한요소법은 평균유량이나 온도변화에도 자주 사용됩니다. 음향요소해석방법에는 4단자정수법(전달행렬법)과 수치해석법이 있다. 수학적으로 모델링할 수 없는 요소에 대해서는 수치해석 방법(FEM, BEM)을 사용하고 해석 결과에서 4단자 정수를 추출합니다.

연구대상

번들 위치 디자인에 따름 디자인에 따름 디자인에 따름.

Table 2 Variable and condition of bundle tube

실험장치

성능분석지표

해석조건

• 형상에 의한 음향특성 분석
• 유속에 의한 음향특성 분석
• 온도구배에 의한 음향특성 분석

Case.1과 Case.3은 전체 주파수 범위에서 유사한 음향 특성을 보이지만 특정 부분에서 나타난다. 음향 모드 분석 결과, 주로 관심 주파수 범위에서 각 챔버에서 축 방향 음향 모드가 나타납니다. 실시예 2, 3에서는 열교환기의 전체 난류 운동에너지보다 낮은 값을 나타냈다.

숫자 영역에서는 삽입 손실이 31dB로 감소되었습니다. 무화과. 31은 열교환기에서 와류에 의해 발생하는 유동소음을 나타낸다. 반면 Case.3 모델의 유동잡음은 모든 주파수 영역에서 작습니다.

이는 그림 1의 전송 손실 결과에서도 나타납니다. 33으로 나타났으며, 고주파 영역으로 갈수록 두 결과가 불일치하는 것으로 확인되었다. 결과를 보면 해당 주파수 대역에서의 전송 손실이 나타납니다.

Fig. 21 Comparison between analysis and experiment result for SPL (cont’d) 0

열교환기 음향특성 예측 및 평가

• 데이터베이스의 필요성
• FEM을 사용하여 데이터베이스화한 요소
• 선형적인 온도구배와 유속을 가지는 직관
• 데이터베이스의 타당성 검증
• 열교환기 음향특성 예측 프로그램
• 직선관(다발관)의 Parameter 입력
• 데이터베이스 파일 불러오기
• 투과손실의 계산

분석 시 데이터의 저장 형태는 전송 손실이 아닌 각 요소의 특정 경계 조건에 의해 도출된 4단자 정수로 각각 저장하여 데이터베이스화됩니다. 따라서 수학적으로 정의되지 않은 각 챔버 부분은 FEM으로 데이터베이스화되며, 데이터베이스 요소의 변수는 챔버의 길이(L), 챔버의 직경(D), 입구측의 직경(d_in)이다. , 유출단 직경(d_out), 온도(T), 4단자 정수 등 유동조건을 제외한 총 5가지 변수조건이 데이터베이스화되어 있습니다. 데이터베이스 요소 및 변수는 아래 표 7에 요약되어 있습니다.

현재 데이터베이스에 있는 데이터의 유효성을 검증하고, 해당 요소에 대한 데이터를 활용하여 문제점을 검토합니다. 계산된 4단자 상수의 데이터베이스 형식은 엑셀 데이터이며, 형상 및 온도 정보에 따라 계산된 4단자 상수 데이터 파일을 입력하고, 해석하려는 열교환기의 형상 및 온도에 가까운 데이터를 선택한다. 데이터 목록에서. . 사용된 전달 행렬과 데이터베이스 요소는 Case.1의 단일 튜브 모델이지만 전체 주파수 영역에서 다중 튜브 모델의 값에 가깝습니다.

Table 7 Databaseized elements and variables

Ross, 1977, Experimental determination of acoustic properties using a two-microphone random excitation technique, The Journal of the Acoustical Society of America. J., 2001, A study of the experimental hybrid method for the acoustic performance analysis of the muffler, University of Ulsan. English, 2010, A measurement-based study of the acoustics of piping systems with flow, University of Southampton.

However, since the noise reduction of the heat exchanger is not clear, pipe insulation is carried out conservatively. Therefore, it is important to accurately understand the acoustic characteristics of the heat exchanger for efficient and accurate insulation design. In this study, the acoustic characteristics of the beam shape of a 1-2 pass heat exchanger were evaluated under flow and temperature conditions.