Gas engine heat pump (이하 GHP)는 가스엔진으로 압축기를 구동하여 냉난방을 구현하는 시스템으로 전기히트펌프(EHP)와 비교하여 엔진의 배열을 회수함으로써 효율을 증가시키는 고효율의 시스템이다. 따라서 GHP는 엔진의 배기가스를 회수하기 위한 배열회수 열교환기가 중요한 구성품이다. 이 배열회수 열교환기는 고효율이어야 하며, 엔진성능에 영향을 미치지 않도록 6370 Pa 이하의 압력강하라는 제한조건을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 GHP 시스템의 가스엔진에서 발생되는 배기가스의 배열을 효율적으로 회수하기 위한 배열회수 열교환기로 스파이얼 열교환기의 적합성 판단과 그에 따른 최적 설계인자의 획득과 성능 향상을 위해 ε-NTU방법으로 기초 설계를 하여 ...
Gas engine heat pump (이하 GHP)는 가스엔진으로 압축기를 구동하여 냉난방을 구현하는 시스템으로 전기히트펌프(EHP)와 비교하여 엔진의 배열을 회수함으로써 효율을 증가시키는 고효율의 시스템이다. 따라서 GHP는 엔진의 배기가스를 회수하기 위한 배열회수 열교환기가 중요한 구성품이다. 이 배열회수 열교환기는 고효율이어야 하며, 엔진성능에 영향을 미치지 않도록 6370 Pa 이하의 압력강하라는 제한조건을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 GHP 시스템의 가스엔진에서 발생되는 배기가스의 배열을 효율적으로 회수하기 위한 배열회수 열교환기로 스파이얼 열교환기의 적합성 판단과 그에 따른 최적 설계인자의 획득과 성능 향상을 위해 ε-NTU방법으로 기초 설계를 하여 수치해석과 실험을 병행하여 연구를 수행하였다. 스파이얼 열교환기에서는 유로를 형성하는 판과 판 사이의 일정한 간격을 유지하기 위하여 지지대가 삽입된다. 지금까지 단순 지지용으로 사용되었던 이 삽입물을 수치해석을 통하여 열전달 향상방안을 고려한 배열을 통하여 배열에 따른 열전달 특성을 알아보았다. 이와 같은 결과를 실험을 통하여 검증하였다. 지지대인 Distance studs를 inline 배열과 staggered 배열에 대하여 수치해석을 수행한 결과 곡판은 곡률의 영향만으로 평판에 비해 1.5 ～ 2배 열전달이 증가하고 배열에 따라서 inline 배열에 비해서 staggered 배열이 10% 증가한다는 결론를 얻었으며, 압력강하 역시 staggered 배열에서 증가하였지만 성능계수는 staggered 배열이 inline 배열보다 증가하는 결론를 얻었다. Wilson plot 법을 이용한 실험을 통하여 staggered 배열을 실제 적용한 스파이얼 열교환기의 고온측과 저온측 단상유동에 대한 열전달 상관식을 구해본 결과, 스파이얼 열교환기를 사용하였을 때 기존의 열교환기에 비해 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험결과를 수치해석의 결과와 비교했을 때, 5% 이내의 오차 범위 이내에서 일치하였다. 따라서, 수치해석으로 인한 열교환기의 설계 예측이 믿을만하다는 결론을 얻었다. 본 연구를 통해 확보된 열교환기 유로에서 발생하는 복잡한 유동현상과 열전달 특성을 분석함으로써 최적 형상의 스파이얼 열교환기 개발에 필요한 기초 자료로 사용됨과 동시에 수치해석방법을 통한 열교환기의 성능향상을 위한 연구에도 신뢰성을 가진 결과의 예측이 가능할 것으로 본다. 또한 본 연구에 제시된 설계인자들은 향후 다양한 용량의 GHP 및 코젠 시스템 개발에 응용될 수 있을 것이다.Gas engine heat pump (GHP) is a heating and cooling system which drives compressor by gas engine, and its efficiency is higher than electric heat pump (EHP), because it regenerate the energy of exhaust gas. That''s why the heat exchanger to collect the waste heat is a very important component. It should operate with high efficiency, and the pressure drop through it should be less than 6370 Pa in order not to decrease the performance of the gas engine. Trough this research, the spiral heat exchanger is investigated as a exhaust gas heat exchanger for GHP by both numerical analysis and experimental method based on the ε-NTU method. Its suitability on GHP system is verified and the design parameters and the way to enhance its efficiency are proposed. Spiral heat exchanger needs distance studs to support between the upper plates and the lower plates. They have been used just as supporters until now, but, through this research, they are proposed as the components in order to enhance the heat transfer by making a certain array - inline array and staggered array. That is investigated by numerical analysis and verified through the experiment using Wilson plot method. The result of numerical analysis based on the proved reliability shows that the heat transfer of curved plate increases 150 ～ 200 % when compared to the case of the plat plate, and that the plate with staggered array of distance studs transfers heat 10 % more efficiently rather than the plate with inline array of them. Through the experiment, the heat transfer correlation equations of single-phase flow for both hot air and coolant are obtained and the results compared with heat transfer of the conventional shell and tube heat exchanger. The result of experiment shows that heat transfer coefficient of spiral heat exchanger is larger than that of shell and tube heat exchanger. When the result of experiment is compared to the result of numerical analysis, they are similar within 5 % difference and the reliability of the numerical analysis is verified. The results of this research, the complex fluid flow and heat transfer in the spiral heat exchanger, will be used as the basis to develop the spiral heat exchanger with optimized geometry. At the same time, the methods to enhance the performance of the spiral heat exchanger will be investigated easily by numerical analysis. And, the proposed design parameters through the research will be applied to the GHP system which is suitable on various situation.
Gas engine heat pump (이하 GHP)는 가스엔진으로 압축기를 구동하여 냉난방을 구현하는 시스템으로 전기히트펌프(EHP)와 비교하여 엔진의 배열을 회수함으로써 효율을 증가시키는 고효율의 시스템이다. 따라서 GHP는 엔진의 배기가스를 회수하기 위한 배열회수 열교환기가 중요한 구성품이다. 이 배열회수 열교환기는 고효율이어야 하며, 엔진성능에 영향을 미치지 않도록 6370 Pa 이하의 압력강하라는 제한조건을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 GHP 시스템의 가스엔진에서 발생되는 배기가스의 배열을 효율적으로 회수하기 위한 배열회수 열교환기로 스파이얼 열교환기의 적합성 판단과 그에 따른 최적 설계인자의 획득과 성능 향상을 위해 ε-NTU방법으로 기초 설계를 하여 수치해석과 실험을 병행하여 연구를 수행하였다. 스파이얼 열교환기에서는 유로를 형성하는 판과 판 사이의 일정한 간격을 유지하기 위하여 지지대가 삽입된다. 지금까지 단순 지지용으로 사용되었던 이 삽입물을 수치해석을 통하여 열전달 향상방안을 고려한 배열을 통하여 배열에 따른 열전달 특성을 알아보았다. 이와 같은 결과를 실험을 통하여 검증하였다. 지지대인 Distance studs를 inline 배열과 staggered 배열에 대하여 수치해석을 수행한 결과 곡판은 곡률의 영향만으로 평판에 비해 1.5 ～ 2배 열전달이 증가하고 배열에 따라서 inline 배열에 비해서 staggered 배열이 10% 증가한다는 결론를 얻었으며, 압력강하 역시 staggered 배열에서 증가하였지만 성능계수는 staggered 배열이 inline 배열보다 증가하는 결론를 얻었다. Wilson plot 법을 이용한 실험을 통하여 staggered 배열을 실제 적용한 스파이얼 열교환기의 고온측과 저온측 단상유동에 대한 열전달 상관식을 구해본 결과, 스파이얼 열교환기를 사용하였을 때 기존의 열교환기에 비해 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험결과를 수치해석의 결과와 비교했을 때, 5% 이내의 오차 범위 이내에서 일치하였다. 따라서, 수치해석으로 인한 열교환기의 설계 예측이 믿을만하다는 결론을 얻었다. 본 연구를 통해 확보된 열교환기 유로에서 발생하는 복잡한 유동현상과 열전달 특성을 분석함으로써 최적 형상의 스파이얼 열교환기 개발에 필요한 기초 자료로 사용됨과 동시에 수치해석방법을 통한 열교환기의 성능향상을 위한 연구에도 신뢰성을 가진 결과의 예측이 가능할 것으로 본다. 또한 본 연구에 제시된 설계인자들은 향후 다양한 용량의 GHP 및 코젠 시스템 개발에 응용될 수 있을 것이다.Gas engine heat pump (GHP) is a heating and cooling system which drives compressor by gas engine, and its efficiency is higher than electric heat pump (EHP), because it regenerate the energy of exhaust gas. That''s why the heat exchanger to collect the waste heat is a very important component. It should operate with high efficiency, and the pressure drop through it should be less than 6370 Pa in order not to decrease the performance of the gas engine. Trough this research, the spiral heat exchanger is investigated as a exhaust gas heat exchanger for GHP by both numerical analysis and experimental method based on the ε-NTU method. Its suitability on GHP system is verified and the design parameters and the way to enhance its efficiency are proposed. Spiral heat exchanger needs distance studs to support between the upper plates and the lower plates. They have been used just as supporters until now, but, through this research, they are proposed as the components in order to enhance the heat transfer by making a certain array - inline array and staggered array. That is investigated by numerical analysis and verified through the experiment using Wilson plot method. The result of numerical analysis based on the proved reliability shows that the heat transfer of curved plate increases 150 ～ 200 % when compared to the case of the plat plate, and that the plate with staggered array of distance studs transfers heat 10 % more efficiently rather than the plate with inline array of them. Through the experiment, the heat transfer correlation equations of single-phase flow for both hot air and coolant are obtained and the results compared with heat transfer of the conventional shell and tube heat exchanger. The result of experiment shows that heat transfer coefficient of spiral heat exchanger is larger than that of shell and tube heat exchanger. When the result of experiment is compared to the result of numerical analysis, they are similar within 5 % difference and the reliability of the numerical analysis is verified. The results of this research, the complex fluid flow and heat transfer in the spiral heat exchanger, will be used as the basis to develop the spiral heat exchanger with optimized geometry. At the same time, the methods to enhance the performance of the spiral heat exchanger will be investigated easily by numerical analysis. And, the proposed design parameters through the research will be applied to the GHP system which is suitable on various situation.
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