볼텍스 튜브 온도 및 유량 제어

EXAIR는 볼텍스 튜브의 작동 원리와 적용 분야에 대해 다양한 글을 작성해 왔습니다. 프레온이나 움직이는 부품 없이 차가운 공기를 만드는 아이디어는 하나의 현상입니다. 이 현상이 바로 볼텍스 튜브입니다. 이 튜브는 영하 50°F(-46°C)까지 낮은 온도의 차가운 공기를 생성할 수 있습니다. 본 글에서는 냉각 분율(Cold Fraction)을 기준으로 다양한 온도와 냉각 효과를 얻기 위한 볼텍스 튜브의 조정 방법을 설명하겠습니다.

EXAIR 볼텍스 튜브의 기본 배경 설명을 드리자면, 당사는 소형, 중형, 대형 세 가지 본체 크기로 제조합니다. 이 크기에 따라 135 BTU/hr에서 10,200 BTU/hr(34 Kcal/hr에서 2,570 Kcal/hr) 범위의 냉각 용량을 생산할 수 있습니다. 독특한 설계는 각 볼텍스 튜브 내부에 생성기를 활용합니다. 이 발생기는 볼텍스 튜브로 유입되는 압축공기의 양을 제어하고 내부 공기 회전을 시작합니다. 예를 들어, 중형 볼텍스 튜브 모델 3240은 100 PSIG(6.9 bar) 압력에서 단 40 SCFM(1,133 SLPM)의 압축공기만 유입을 허용합니다. 소형 모델 3208의 경우 100 PSIG(6.9 bar) 압력에서 8 SCFM(227 SLPM)의 압축 공기만 유입됩니다. EXAIR는 2 SCFM(57 SLPM)부터 150 SCFM(4,248 SLPM)까지 가장 포괄적인 범위의 제품을 생산합니다.

압축 공기가 제너레이터를 통과한 후 압력은 대기압보다 약간 높은 수준으로 떨어집니다. (이것이 바로 볼텍스 튜브 작동 원리의 핵심입니다.) 공기는 튜브의 한쪽 끝으로 이동하는데, 그곳에는 공기 제어 밸브 또는 hot air exhaust valve(열기 배출 밸브)가 있습니다. 볼텍스 튜브의 이쪽 끝에서는 뜨거운 공기가 배출됩니다. 이 밸브를 조절하여 열기 배출량의 증감을 제어할 수 있습니다. 남은 공기는 소용돌이관의 반대쪽 끝인 냉기 배출구로 방향이 전환됩니다. 질량 보존 법칙에 따라, 방정식 1에서 보듯이 뜨거운 공기 흐름과 차가운 공기 흐름은 유입 흐름과 반드시 일치해야 합니다:

방정식 1:

Q = Qc + Qh

Q – 와류 유입 유량 (표준 온도 기준 SCFM/표준 압력 기준 SLPM)

Qc – 냉기 유량 (표준 온도 기준 SCFM/표준 압력 기준 SLPM)

Qh – 열기 유량 (표준 온도 기준 SCFM/표준 압력 기준 SLPM)

볼텍스 튜브의 cold end(저온부)로 배출되는 흡입 공기 유량의 비율을 냉각 분율(Cold Fraction)이라 합니다. 예를 들어, 볼텍스 튜브의 Hot Air Exhaust Valve(고온 공기 배출 밸브)를 조정하여 공기 유량의 20%만 hot end(고온부)로 배출되도록 하면, 공기 유량의 80%가 cold end(저온부)로 재분배됩니다. EXAIR는 이 비율을 냉각 분율로 사용합니다; 참조 방정식 2:

방정식 2:

CF = Qc/Q * 100

CF = 냉기 분율 (%)

Qc – 냉기 유량 (SCFM/SLPM)

Q – 와류 유입 유량 (SCFM/SLPM)

EXAIR는 유입 압축 공기 온도에 따른 온도 강하 및 상승을 보여주는 차트를 제작했습니다. 차트 상단에는 냉각 분율(Cold Fraction)이, 측면에는 유입 공기 압력이 표시되어 있습니다. 보시다시피 냉각 분율과 유입 공기 압력이 변함에 따라 온도도 변화합니다. 냉각 분율의 백분율이 작아질수록 냉각 공기 유량은 더 차가워지지만, 냉각 공기 유량은 줄어듭니다. 이 차트는 볼텍스 튜브 크기와 무관하다는 점을 알 수 있습니다. 따라서 사용되는 볼텍스 튜브의 크기에 상관없이 온도 강하 및 상승은 아래 차트를 따릅니다.

이 차트를 어떻게 활용할까요? 예를 들어 모델 3240 볼텍스 튜브를 선택해 보겠습니다. 이 튜브는 100 PSIG(6.9 Bar) 압력의 압축 공기를 40 SCFM(1133 SLPM) 사용합니다. 이를 통해 냉각단과 가열단에서 유출되는 공기의 온도와 양을 계산할 수 있습니다. 본 시나리오에서는 입구 압력을 100 PSIG로 설정하고, 60% 냉기 분율을 허용하도록 고온 배기 밸브를 조정합니다. 입구 압축 공기 온도가 68°F라고 가정합시다. 방정식 2를 활용하여 값을 재배열하면 냉기 유량 Qc를 구할 수 있습니다:

Qc = CF * Q

Qc = 0.60 * 40 SCFM = 24 SCFM의 냉기 유량

위 차트에 표시된 온도 강하는 화씨 86도입니다. 입구 온도가 화씨 68도라면, 냉기 온도는 ( 화씨 68도 – 화씨 86도) = 화씨 -18도입니다. 따라서 냉각 단에서는 −18°F 온도의 24 SCFM 공기가 생성됩니다. 가열 단의 유량과 온도도 계산 가능합니다. 식 1에 따르면,

Q = Qc + Qh 또는

Qh = Q – Qc

Qh = 40 SCFM – 24 SCFM = 16 SCFM

위 차트에 표시된 온도 상승은 119°F입니다. 따라서 입구 온도가 68°F일 때 (119°F + 68°F) = 187°F가 됩니다. 따라서 고온 단에서 187°F 온도의 공기가 16 SCFM 유량으로 배출됩니다.

냉각 분율과 흡입 공기 압력을 활용하면 특정 응용 분야에 맞는 온도를 산출할 수 있습니다. 냉각 및 가열 용량의 경우 유량과 온도를 바탕으로 해당 응용 분야에 적합한 볼텍스 튜브 크기를 계산할 수 있습니다. 응용 분야에 최적화된 볼텍스 튜브 선정에 도움이 필요하시면 EXAIR의 응용 엔지니어에게 문의하십시오. 기꺼이 도움을 드리겠습니다.

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