환수 헤더의 유량 및 온도를 측정한 데이터를 가지고 헤더 내에서 유량들이 어떠한 이유로 온도 불균일 현상으로 인해 저부하 및 과부하 상태로 공급이 되는지 분석하고, 환수 헤더 설계방안을 작성하기 위해서 환수 관의 유량 변화에 따른 배관 내의 열 유동 현상과 최적 혼합길이를 파악하기 위하여 연구를 수행하였다. 특정 제품을 생산하는 공장의 2개의 환수 헤더는 여러 대수의 냉동기가 설치되어 냉수를 공급하게 되어 있는데 필요한 냉동기 운용 댓 수보다 1~2대 정도 추가 가동하고 과잉 유량은 bypass 배관을 사용하여 처리할 수 있도록 대부분 스텝 제어 방식을 채택하여 설계되어 있다. 환수헤더 내에 혼합온도 불균일의 문제 원인은 제품 생산의 종류와 규모가 시장 상황 변화함에 따라 생산설비의 사양 및 운영 댓수 그리고 생산 설비의 배치가 변경되고, 냉수의 공급량도 조정 및 변경되었다. 이러한 상황으로 인해 환수 헤더의 공급 유량과 온도 조건이 당초 설계안과 불일치 현상이 나타났다. 설계안과 불일치함에 있어 생산 장비의 환수온도가 설계 온도보다 높은 온도로 공급되어 생산 장비에 운영에 문제가 생겼다. 플랜트 등의 산업 분야에서 적용된 다양한 배관 시스템의 관 내부 열 유동 현상은 시스템의 성능에 영향을 미친다. 복잡한 배관 내의 열 유동을 실제 실험 장치를 제작하여 파악하는 것은 불가능하므로 CFD를 이용한 수치 해석연구는 이루어지고 있지만, 본 연구에서 수행한 배관 내 최적 혼합길이에 관한 연구는 거의 수행되지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 수치해석을 이용하여 환수 관의 유량 변화에 따른 배관 내의 열 유동 현상과 최적 혼합길이를 파악하기 위하여 연구를 수행하였다. 온도 불균일 현상으로 인한 문제점의 방안을 찾기 위해 본 연구에서는 CFD 수치해석을 사용하여 환수 헤더의 유량 및 온도를 측정한 데이터를 가지고 어떠한 문제 원인으로 온도 불균일 일어나는지 분석하였다. 그리고 환수 헤더 설계방안을 작성하기 위해서 스텝 제어 방식을 적용하여 환수 관의 유량 변화에 따른 배관 내의 열 유동 현상과 최적 혼합길이를 파악하는 것으로 진행하였다. A와 B 공장 환수 헤더의 유량 및 온도 측정값을 가지고 CFD를 통해 분석하였다. 결과에 따라 냉수 환수 헤더 내에서 온도 및 유량이 다른 유체가 유입되어 균일한 온도로 혼합되는 조건으로 봤을 때, bypass 및 환수 배관의 위치 및 구조가 부적합하다고 판단하였다. 추가로 A 공장의 측정데이터를 가지고 테스트 시뮬레이션을 시도하였다. 그 결과는 기존에 배관의 교차연결방식은 저부화 및 과부하 같은 문제가 나왔다. 그 이후 PCW 증설 의한 유량 조건 의해 냉동기 1대 유량을 늘려 혼합온도 균일성 분석을 시도하였지만, 대부분의 유량 온도는 설계 제한기준 온도에 근접하게 나왔고 일부의 유량들은 과부하 상태의 결과가 나왔다. 이러한 결과에 따라 냉수 환수 헤더 내에서 온도 및 유량이 다른 유체가 유입되어 균일온도로 혼합되기 위해서는 배관의 교차연결방식을 온도편차를 줄이는 데 있어 한계가 있었다. 그리고 이론혼합온도 기준으로 유량 비율을 고려하지 않은 것으로 알게 되었다. 그리고 헤더의 일정 거리가 필요하다고 판단하게 되었다. 헤더 설계방안을 작성하기 위해서 CFD 수치해석을 사용하였다. 그리고 같은 조건으로 스텝 제어 방식을 적용하였다. 환수 관의 유량 변화 그리고 환수온도는 8~10℃를 적용하여 배관 내의 열 유동 현상과 최적 혼합길이를 파악하였다. 결과는 유량 비율 및 환수 관의 유량 변화에 따라 냉수 헤더의 일정 길이가 다르게 나왔다. 이러한 결과를 통해 온도 균일화를 위한 유량 비율 그리고 헤더 일정 길이를 고려한 가이드 방안을 도출하였다.

With the measured data of the flow rate and temperature of the return header, analyze why the flow rates in the header are supplied in low load and overload conditions due to temperature non-uniformity, and analyze the change in flow rate of the return pipe to create a design plan for the return header. A study was conducted to find out the heat flow phenomenon and the optimal mixing length in the piping. Two chilled return headers in a factory that produces a specific product have several chillers installed to supply cold water. One or two additional chillers are operated more than the required number of chillers, and excess flow can be handled by using a bypass pipe. Most of them are designed by adopting a step control method. The cause of the mixed temperature non-uniformity in the water return header is that, as the type and scale of product production change, the specifications of production facilities, the number of operating units, and the layout of production facilities are changed, and the supply of cold water is also adjusted and changed. Due to this situation, the supply flow rate and temperature conditions of the return header were inconsistent with the original design. In the case of inconsistency with the design plan, the return temperature of the production equipment was supplied at a higher temperature than the design temperature, causing problems in the operation of the production equipment. The heat flow phenomenon inside the pipes of various piping systems applied in industrial fields such as plants affects the performance of the system. Since it is impossible to grasp the heat flow in a complex pipe by fabricating an actual experimental device, numerical analysis studies using CFD are being conducted, but studies on the optimal mixing length in the pipe conducted in this study are rarely conducted.
Therefore, in this study, a study was conducted to identify the heat flow phenomenon in the pipe and the optimal mixing length according to the flow rate change in the return pipe using numerical analysis. In order to find a solution to the problem caused by the temperature non-uniformity, this study analyzed the cause of the temperature non-uniformity by using the data obtained by measuring the flow rate and temperature of the return header using CFD numerical analysis.
In addition, in order to create a design plan for the return header, the step control method was applied to identify the heat flow phenomenon in the pipe according to the change in the flow rate of the return pipe and the optimal mixing length. The flow rate and temperature measurement values of the return headers of A and B plants were analyzed through CFD. Based on the results, it was determined that the location and structure of the bypass and return pipes were inappropriate when viewed under the condition that fluids with different temperatures and flow rates flowed into the cold water return header and mixed at a uniform temperature. In addition, a test simulation was attempted with the measurement data of plant A. As a result, the existing cross-connection method of pipes has problems such as underloading and overloading. After that, the mixed temperature uniformity analysis was attempted by increasing the flow rate of one chiller according to the flow condition by PCW expansion, but most of the flow temperature came out close to the design limit temperature, and some flow rates came out as an overload condition. According to these results, in order for fluids with different temperatures and flow rates to flow in and mix at a uniform temperature in the cold water return header, the cross-connection method of the pipes had limitations in reducing the temperature deviation. And it was found that the flow rate ratio was not considered based on the theoretical mixing temperature. And it was decided that a certain distance of the header was necessary. CFD numerical analysis was used to create the header design plan. And the step control method was applied under the same conditions. The heat flow phenomenon in the pipe and the optimal mixing length were identified by applying the flow rate change of the return pipe and the return water temperature of 8 ~ 10 ℃. As a result, the constant length of the cold water header was different depending on the flow rate and the flow rate of the return pipe. Through these results, a guide method considering the flow rate for temperature uniformity and the constant length of the header was derived.