순수물질의 응고와 용융현상에 관한 수치해석적 연구

Abstract

As a field of unsteady heat transfer problem and two-phase flow, phase change problem has been an object of concern not only in academic research but also in various industrial fields. However, this is being analyzed as an approximated or simplified form due to the complexity of the problem and still remains as an important issue to solve. In this paper, the numerical analysis method was used in analyzing the phase change problem between solid phase and liquid phase. Using the numerical analysis program, the two-dimensional phase change problem was verified and the phase change process of the object for calculation and natural convection were considered in detail. Also, the freezing and thawing phenomena of urea solution were numerically analyzed in consideration of natural convection in the Urea-SCR system, as one of promising ways of reducing NOx of diesel vehicles that causes a three-dimensional phase change problem, and the following results were obtained. The result of numerical analysis on the melting phenomena of pure gallium in the rectangular cavity which is a two-dimensional unsteady state corresponded relatively well with the existing study results and thus the numerical analysis method used in this study was useful in solving the coagulation and melting problem of pure material. To solve the urea freezing problem of the Urea-SCR system installed in the H/D(Heavy Duty) diesel car for reduction of NOx in the cold-weather area with a temperature below -20℃ during the winter season, a separate thawing device is needed. In this study, using the coolant heater urea-SCR system, as a thawing method for stably supplying liquid urea required in the early stage of cold start-up from frozen urea, the thawing phenomena of urea in the urea storage tank were numerically analyzed. Optimal design of cooling water circulation pipe is required for securing a lot of urea within a short time, and the big heat transfer area and the coil shape rather than the zigzag shape were more favorable to the improvement of thawing performance. Also, it was more effective to horizontally install the cooling water circulation pipe near the bottom of the storage tank. But the effect of cooling water circulation flow on thawing performance was insignificant. This result goes against researcher's expectation and came from the simplified shape of the cooling water circulation pipe. In conclusion, it is thought that the flow path should be long and complex to obtain improved thawing performance depending on the increase in the cooling water circulation flow rate.

물질의 상변화 문제(Phase change problem)는 비정상 열전달 문제 및 2상 유 동의 한 분야로서, 학문적인 연구뿐만 아니라 여러 산업 분야에서 관심의 대상이 되어 왔다. 하지만, 문제의 복잡성으로 인하여 근사 또는 단순화된 형태로 해석 하여 이용하고 있으며, 아직 해결해야할 중요한 문제로 남아있다. 본 논문에서는 고상(Solid phase)과 액상(Liquid phase) 사이의 상변화 문제를 해석하는 데 있어 수치 해석적 방법을 사용하였다. 수치해석 프로그램을 이용하 여 2차원 상변화 문제를 검증함과 동시에 계산 대상의 상변화 과정과 자연 대류 현상을 자세하게 고찰하고, 또한 3차원 상변화 문제로서 디젤 자동차의 NOx를 저감시킬 수 있는 유망한 방법 중 하나인 Urea-SCR 시스템에서 자연 대류 영향 을 고려한 요소수 수용액의 동결 및 해동 현상에 대하여 수치해석 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 2차원 비정상 상태인 사각형 캐비티 내 순수 갈륨의 용융 현상에 대한 수치해 석에서 기존 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었으며, 따라서 본 연구에서 사용된 수치해석 방법은 순수물질의 응고와 용융 문제를 해결하는 데 유용하게 사용될 수 있다. NOx 저감을 위해 H/D(Heavy duty) 디젤 차량에 장착된 Urea-SCR 시스템은 동절기 -20℃ 이하로 내려가는 혹한지역에서 요소수가 동결되는 문제를 해결하 기 위해서는 별도의 해동장치가 필요하다. 본 연구에서는 동결된 요소수로부터 냉시동 초기에 필요한 액상 요소수를 안정적으로 공급하기 위한 해동방법으로 냉각수 순환 가열 방식을 사용하여 요소수 저장 탱크 내 요소수의 해동 현상에 관하여 수치해석 하였다. 짧은 시간에 많은 액상 요소수를 확보하기 위해서는 가열원인 냉각수 순환 파이프의 최적 설계가 필요하며 전열면적은 클수록, 형상은 지그재그 형 보다 코일 형이 해동 성능 향상에 유리하였다. 또한, 냉각수 순환 파이프를 수평방향으로 저장 탱크 바닥에 가까운 위치에 설치하는 것이 유리하였다. 하지만 냉각수 순환 유량이 해동 성능에 미친 영향은 미비하였다. 이는 예상했 던 결과와 다른 것으로써 사용된 냉각수 순환 파이프의 형상이 단순했기 때문에 생긴 결과이며, 냉각수 순환 유량 증가에 따라 향상된 해동 성능을 얻기 위해서 는 유동 경로가 길고 복잡한 형상이어야 된다고 판단된다