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문제 정의
- 기준 면적을 일반적으로 사용하고 있는 열전달 면적으로 하였을 경우는 기존 열교환기와 새로 이 개발된 열교환기 상호간의 열전달 성능 비교를 목적으로 하였을 경우에 사용하며, 열교환기의 전면면적을 기준으로 할 경우는 이들 열교환기 상호간의 compact율과 cost 등을 비교분석하는 목적에 사용된다. 따라서 본 연구에서는 일반 성능 특성을 효과적으로 비교 분석하기 위하여 열전달 면적(heat transfer surface area)과 전면 면적(frontal area)의 두 경우에 대한 실험 결과를 제시하였다.
- 본 연구는 기존의 φ7 관경의 열교환기와 동일한 perimeter를 갖는 4종류의 타원형 관 열교환기 시료를 이용하여 타원형 관 열교환기의 열전달 및 압력 강하 특성을 고찰하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 고려하여야 한다. 본 연구에서는 이를 위하여 타원관 열교환기의 세장비가 1:2와 1:3인 확대모형을 이용하여 공기 측 열전달 특성 실험을 실시하여 관 형상에 대한 최적화된 시료를 도출하고자 한다. 확대 모형 실험은 이미 정도(accuracy)가 검증된 기존의 실험장치(6)를 이용하여 실시되었기 때문에 여기서는 실험 결과만을 제시하기로 한다.
- 본 연구에서는 타원관 열교환기에 대한 가정용 공조기 적용 가능성을 고찰하기 위하여 4개의 타원관 시료에 대한 확대 모형 실험을 실시하여 이들에 대한 열전달 및 압력 강하 특성을 평가하였다. 또한 이들 가운데 최적의 모델이 어떤 것인지를 선정하기 위하여 열 전달과 압력 강하 특성을 동시에 고려할 수 있는 평가 특성치를 이용하여 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 각타원형관 열교환기 시료는 Table 2에 상세히 설명한 바와 같이, 세장비가 1:2와 1:3인 시료 4개이며, 기존의 원형관 열교환기와 동일한 perimeter를 갖는 것으로 하였다. 그리고 공기측열전달 성능을 효과적으로 비교하기 위하여 원형관 열교환기와 열전달 면적 이 동일(ovall, oval2)한 경우와 관의단 및 열간격이 같은 동일 전면면적(oval3, ova!4)의 경우로 나누어 구성하였다.
- 분석 결과 최적으로 선정된 모형에 대하여 기존의 원형관에 대비한 제반 성능특성 결과를 제시하였다. 그리고 본 연구에서 실시한 확대모형 실험은 웅축수상사관계의 난제 등을 고려하여 현열 특성 실험만 실시하였음을 밝혀둔다.
- 실험 결과 각각의 타원관 열교환기에 대한 열전달 및 압력 강하 특성 결과들이 기준 열교환기와 함께 제시되었으며, 실제 적용의 편의와 최적치의 선정을 위하여 열전달과 압력 강하 효과가 동시에 고려된 JF factor라는 평가특성치(7)를 이용한 분석이 수행되었다. 그리고 분석결과 최적으로 나타난 시료를 이용하여 기존의 원형관과 동일성능, 동일 소요 동력 하에서의 면적, 체적 및 가격에 대한 비교 결과를 제시하였다.
- 주 실험부 전후단에는 6개의 정압공을 설치하여 평균 정압을 측정하였으며, 미소차압계를 이용하여 실험횐의 압력강하를 측정하였다. 동시에 이 위치에 T형 열전대를 부착하여 공기의 평균 온도차를 구하였다. 후단의 공(孔)은 휜 폭의 3배 정도 뒤에 설치하여 횐후면 후류의 영향을 받지 않도록 하였다.
- 아니다. 따라서 적절한 비교를 위하여 여러 가지 우성인자(goodness factor) 비교법들을 도입하여 적용하고 있으며, 그 중에서도 단위 열전달 면적당 마찰력(F/A)에 대한 단위 열전달면적 및 온도차당 열전달 능력S로 표시)의 비로 표시할 수 있는 비교를 도입하여 적용하였다. 여기서 h는 열전달 계수, P/A는 압력 강하를 대표하는 변수이며, 다음과 같이 j, f factor 및 Re/Dh의 함수로 표시할 수 있다.
- 또한 이들 가운데 최적의 모델이 어떤 것인지를 선정하기 위하여 열 전달과 압력 강하 특성을 동시에 고려할 수 있는 평가 특성치를 이용하여 분석을 실시하였다. 분석 결과 최적으로 선정된 모형에 대하여 기존의 원형관에 대비한 제반 성능특성 결과를 제시하였다.
- 평균 정상 상태 도달 시간은 30분 정도였으며, 재현(再現)을 위하여 유속의 증감에 따른 반복실험을 실시하였다. 매측정점마다 계측된 온도 및 전력량에 의하여 열 전달 계수S)가 구해지며, 동시에 미소 차압계를 이용하여 압력강하(Δp) 값이 측정되었다.
- 실제 휜과 동일한 재질을 사용한다면 열전도계수가 동일하기 때문에 휜 두께만 확대비만큼 증가시키면 원하는 온도장의 상사는 쉽게 이루어질 수 있으며, 그 결과는 실제값으로 환산이 가능하게 된다. 본 연구에서는 시료의 제작, 측정 정도 등의 모든 여건을 고려하여 3배의 확대비를 적용하였다. 결과적으로 확대 모델이 상사하기 위해서는 무차원수인 Re 수가 동일해야 하므로, 본 연구에서와 같이 확대비를 3배로 할 경우 수력 지름이 3배로 늘어나게 되며, 그에 따른 공기유속은 1/3로 줄여서 실험해야 한다.
- 또한 이들 가운데 최적의 모델이 어떤 것인지를 선정하기 위하여 열 전달과 압력 강하 특성을 동시에 고려할 수 있는 평가 특성치를 이용하여 분석을 실시하였다. 분석 결과 최적으로 선정된 모형에 대하여 기존의 원형관에 대비한 제반 성능특성 결과를 제시하였다. 그리고 본 연구에서 실시한 확대모형 실험은 웅축수상사관계의 난제 등을 고려하여 현열 특성 실험만 실시하였음을 밝혀둔다.
- 실제 제품과 동일한 입구 공기 온도 조건의 제어를 위하여 항온수조를 갖춘 공냉 열교환기를 입구부에 설치하였으며, 열 손실을 최소로 하기 위하여 장치 외부를 30mm 두께 이상의 스티로폼(styrofoam)으로 단열시켰다. 시험부는 관을 형상화한 링과 휜시료를 교대로 부착하며, 링 내부에 니크롬 선을 감아 전력량을 계측하여 열전달량을 계산하였다. 관 온도는 링 내부의 적정 위치에 부착한 T형 열 전대를 이용하여 측정하였다.
- 후단의 공(孔)은 휜 폭의 3배 정도 뒤에 설치하여 횐후면 후류의 영향을 받지 않도록 하였다. 실제 제품과 동일한 입구 공기 온도 조건의 제어를 위하여 항온수조를 갖춘 공냉 열교환기를 입구부에 설치하였으며, 열 손실을 최소로 하기 위하여 장치 외부를 30mm 두께 이상의 스티로폼(styrofoam)으로 단열시켰다. 시험부는 관을 형상화한 링과 휜시료를 교대로 부착하며, 링 내부에 니크롬 선을 감아 전력량을 계측하여 열전달량을 계산하였다.
- 이와 같이 j와 ∫를 분리하여 망대와 망소특성을 동시에 평가함으로써 혼란을 야기할 수 있는 기존의 방식을 배제하고, 값이 클수록 성능이 우수한 것으로 판정할 수 있는 JF factor라는 무차원화된 평가 특성치를 이용하였다. 이는 관내측의 성능평가기준에 대한 정의(9)로 부터 관외측에 적용이 가능하도록 본 연구에서 파생한 것이다.
- 0 m/s로 조절하는데 사용하였다. 주 실험부 전후단에는 6개의 정압공을 설치하여 평균 정압을 측정하였으며, 미소차압계를 이용하여 실험횐의 압력강하를 측정하였다. 동시에 이 위치에 T형 열전대를 부착하여 공기의 평균 온도차를 구하였다.
- 매측정점마다 관벽 온도가 정상 상태가 될 때까지 전력량이 미세조절되며 이 때의 관표면온도는 가능한 한 입구공기와의 차이가 20℃이상이 되도록 하였다. 평균 정상 상태 도달 시간은 30분 정도였으며, 재현(再現)을 위하여 유속의 증감에 따른 반복실험을 실시하였다. 매측정점마다 계측된 온도 및 전력량에 의하여 열 전달 계수S)가 구해지며, 동시에 미소 차압계를 이용하여 압력강하(Δp) 값이 측정되었다.
- 본 연구에서는 이를 위하여 타원관 열교환기의 세장비가 1:2와 1:3인 확대모형을 이용하여 공기 측 열전달 특성 실험을 실시하여 관 형상에 대한 최적화된 시료를 도출하고자 한다. 확대 모형 실험은 이미 정도(accuracy)가 검증된 기존의 실험장치(6)를 이용하여 실시되었기 때문에 여기서는 실험 결과만을 제시하기로 한다. 실험 결과 각각의 타원관 열교환기에 대한 열전달 및 압력 강하 특성 결과들이 기준 열교환기와 함께 제시되었으며, 실제 적용의 편의와 최적치의 선정을 위하여 열전달과 압력 강하 효과가 동시에 고려된 JF factor라는 평가특성치(7)를 이용한 분석이 수행되었다.
대상 데이터
- 4에 나타내었다. 각타원형관 열교환기 시료는 Table 2에 상세히 설명한 바와 같이, 세장비가 1:2와 1:3인 시료 4개이며, 기존의 원형관 열교환기와 동일한 perimeter를 갖는 것으로 하였다. 그리고 공기측열전달 성능을 효과적으로 비교하기 위하여 원형관 열교환기와 열전달 면적 이 동일(ovall, oval2)한 경우와 관의단 및 열간격이 같은 동일 전면면적(oval3, ova!4)의 경우로 나누어 구성하였다.
- 시험부는 관을 형상화한 링과 휜시료를 교대로 부착하며, 링 내부에 니크롬 선을 감아 전력량을 계측하여 열전달량을 계산하였다. 관 온도는 링 내부의 적정 위치에 부착한 T형 열 전대를 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서 사용한 기준 열교환기는 Fig. 3에 제시한 바와 같이, 가정용 공조기에서 가장 많이 사용되고 있는 2열의 엇갈림(staggered) 배열을 갖는 φ7 관경의 열교환기이다. 이는 관경 7.
데이터처리
- 따라서 본 연구에서는 j, ∫ factor를 동시에 고려한 식(7)의 우측항을 JF factor로 정의하고, 이를 이용하여 실험 결과를 분석하였다.
- 확대 모형 실험은 이미 정도(accuracy)가 검증된 기존의 실험장치(6)를 이용하여 실시되었기 때문에 여기서는 실험 결과만을 제시하기로 한다. 실험 결과 각각의 타원관 열교환기에 대한 열전달 및 압력 강하 특성 결과들이 기준 열교환기와 함께 제시되었으며, 실제 적용의 편의와 최적치의 선정을 위하여 열전달과 압력 강하 효과가 동시에 고려된 JF factor라는 평가특성치(7)를 이용한 분석이 수행되었다. 그리고 분석결과 최적으로 나타난 시료를 이용하여 기존의 원형관과 동일성능, 동일 소요 동력 하에서의 면적, 체적 및 가격에 대한 비교 결과를 제시하였다.
성능/효과
- (1) 원형관과 전면 면적이 동일한 경우와 열전달 면적이 동일한 경우 모두가 정용 공조기의 운전범위에서는 세장비가 1;2인 타원관이 1:3 인 타원관보다 성능이 보다 우수하며, 열전달과 압력강하를 모두 고려한 종합적인 성능은 세장비에 관계없이 동일열 전달 표면적의 경우 가 동일 전면면적의 경우보다 훨씬 뛰어나다.
- (2) 압력 강하는 타원형관이 원형관에 비해 현저히 낮다. 공기 속도가 1.
- (3) 타원형관의 성능 특성을 JF factor를 통하여 비교한 결과, oval4를 제외하고는 가정용 의 운전범위에서 원형관에 비해 훨씬 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났으며, 이factor가 기준 열교환기 대비 성능 향상도 측정에 적절히 활용될수 있음을 확인하였다.
- 반면, 1.5 m/s에서는 기준 열교환기 대비 oval2, ovall, ova!4, oval3의 열전달계수가 각각 1.3%, 6.3%, 12.7%, 20.3% 정도 높은 것으로 나타났다. 따라서 속도가 증가할수록 그 편차가 증가한다.
- 이는 원형관을 기준 열교환기(JF=1)로 하여 계산한 것이며, 기준 열교환기에 대비한 각 시료의 향상도를 나타낸 것이다. Ovall, oval2는 전 Reynolds 수범위에 걸쳐 기준 열교환기보다 월등한 성능 향상도를 보이고 있으며, oval3는 Reynolds 수 125 (V=0.9 m/s)이상의 범위, oval4는 Reynolds 수가 대략 200 (V=1.5 m/s)이상인 범위에서 기준 열교환기에 비해 성능이 우수하다. 그러나 이러한 결과는 단속 휜 형상의 적용, FPI의 증가 등에 의해서 다른 양상을 보일 수 있으며, 현재의 시료의 경우만 해당 됨을 알려둔다.
- 여기서 공기 속도와 열전달 계수는 확대모형에 대한결과이며, 실물에서의 공기속도와 열전달계수는 Table 1의 상사 관계에서도 제시하였지만, 모두 3배를 함으로써 얻어진다. 가정용 에어콘에서 가장 많이 사용하는 대역인 1.0 m/s(실물속도)를 기준으로 비교하여 볼 때, 열전달계수는 각각 기준 열교환기 대비 ovalle 거의 유사하며, oval2, oval3는 8.9%, oval4는 24.4% 작다. ova!2, ova!3는 1.
- 이는 공기 속도를 계속 증가시켜도 압력강하가 큰 편차를 가지고 변화하지 않기 때문에 속도 증가에 따른 열전달 향상의 효과가 더 커질 수 있다는 것을 의미하는 것으로 풀이된다. 결과적으로 압력 강하가 원형관에 비해 현저히 낮기 때문에 압력 강하 수준을 원형관으로 맞추고, FP1 의 증가 또는 휜 형상의 최적화 등을 통하여 열전달계수를 대폭 증가시킴으로써 열교환기의 compact화에 크게 기여할 수 있으며, 설사 열전달 성능을 현재 수준으로 유지한다. 하더라도 압력강하가 현저히 낮기 때문에 시스템의 소음 수준을 기대이상으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 시료의 제작, 측정 정도 등의 모든 여건을 고려하여 3배의 확대비를 적용하였다. 결과적으로 확대 모델이 상사하기 위해서는 무차원수인 Re 수가 동일해야 하므로, 본 연구에서와 같이 확대비를 3배로 할 경우 수력 지름이 3배로 늘어나게 되며, 그에 따른 공기유속은 1/3로 줄여서 실험해야 한다. 그리고 구하고자 하는 열전달계수와 압력 강하는 각각 실제 모형의 1/3, 1/9로 계측된다.
- 6%까지 낮아진다. 공기 속도가 증가할수록 압력 강하의 효과는 현저하여 공기 속도 1.5m/s에서는 oval3, ovaI4, ovall 는 각각 25.0%, 29.6%, 34.0%까지 낮으며, 더욱이 oval2의 경우는 42.0% 정도 낮아서 기준원형관 열교환기의 거의 절반 수준에 불과할 정도로 현저히 낮다. 결과적으로 모든 타원형 관 시료들이 원형관에 비해 현저히 적은 값을 보이기 때문에 요즘 issue화 되고 있는 시스템의 저소음화에 가장 적절히 대응할 수 있는 열교환기중의 하나로 자리매김할 수 있을 것으로 사료된다.
- 타원관 열교환기는 원형관에 비해 전면면적을 35% 정도 줄일 수 있으며, 체적을 25% 정도 감소시킬 수 있어서 최소한 25% 정도의 시스템 compact화가 가능하다. 그 결과, 재료비도 대략 22% 정도까지 절감이 가능하다.
- 2% 정도 증가한다. 그러나 다른 시료들은 기존 열교환기 대비 oval2는 2.2%, oval3는 6.3%, oval4는 21.4%의 편차를 보여 속도가 증가할수록 타원관의 열전달 성능은 상대적으로 상승함을 알 수 있다. 동일한 세 장비의 열교환기를 비교하여 볼 때, 기준 열교환기 대비 동일 열전달 면적의 경우가 동일 전면 면적의 경우 보다 더 큰 값을 보이는데, 이는 열교환기단 및 열간격의 축소에 따른 휜 효율 증가와 국소 속도의 증가에 따른 열전달 상승에 기인하는 것으로 예측된다.
- 0 m/s를 기준으로 열전달계수의 크기가 서로 달라진다. 속도가 증가할수록 기존 열교환기와의 편차가 전반적으로 줄어들고 있으며, 1.5 m/s에서는 ovall이 오히려 기존 열교환기보다 1.2% 정도 증가한다. 그러나 다른 시료들은 기존 열교환기 대비 oval2는 2.
- 5m/s의 낮은 속도에서 14% 정도의 성능 향상을 보였으며, PF형 응축기에 대해서는 2m/s 이하에서는 더 좋은 특성을 보이지만 그 이상에서는 더 낮은 열전달 특성을 갖는 것으로 나타났다. 실제로 lm/s에서 비교할 때 대략 20% 정도의 성능 향상을 가져온 것으로 평가되었으며, 실제 가정용 에어컨이 2m/s 이하에서 운전되므로 편평 타원관 응축기가 PF형 응축기보다 더 고성능이라 할 수 있다.
- 이상의 결과들을 종합하여 볼 때, 원형관과 열 및 단 간격이 동일한 경우와 원형관에 대한 열전달 면적이 동일한 경우 모두 세 장비가 1:2인 타원관이 1:3인타원관보다 가정용 공조기의 운전범위에서는 성능이 보다 우수하며, 열전달과 압력강하를 모두 고려한 종합적인 성능을 비교해보면, 세 장비에 관계없이 동일한 열전달 표면적의 경우가 동일 전면면적의 경우보다 성능이 훨씬 뛰어남을 알 수 있다. Fig.
- 동일 전면 면적의 경우, 세 장비가 작은 1:2 시료가 1:3 시료보다 더 큰 값을 보이는 데, 이는 공기유동 방향으로의 공기유량의 통과길이축소에 따른 국소 속도 증가로 인하여 열전달이 상승하는 데도 기인하지만, 가정용의 경우와 같이 속도가 전반적으로 낮은 영역에서 운전되는 열교환기에서는 후류에서의 사영역(dead zone)의 감소 효과가 그다지 큰 영향을 미치지 않기 때문인 것으로도 여겨진다. 자동차용과 같이 고속으로 운전하는 경우는 세 장비가 감소할수록 후류사영역의 축소로 인하여 열 전달 성능이 보다 증가한다는 사실이 이미 기존의 연구(4)에서 밝혀진바 있지만, 본 연구의 결과로 판단하여 볼 때 속도가 낮은 영역에서는 후류사영역의 축소 효과가 열전달 성능에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다.
- 따라서 속도가 증가할수록 그 편차가 증가한다. 전면면적을 기준으로 할 경우 전 유속범위에서 oval3는 탁월한 열전달 성능을 보이고있어, 횐 표면에 슬릿이나 루버 등을 가공하여 단속면의 효과를 가미한다면, 기존 설계tool의 변경을 꾀하지 않고도 기준 열교환기에 비해 엄청난 열전달 상승 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 결과적으로 전면 면적을 기준으로 한 열전달계수는 기준 열교 환기와 동일한 열 및 단 간격을 가지는 경우가 세 장비에 관계없이 월등히 높은 열전달계수를 보인다.
- 9는 4개의 시료중 가장 우수한 성능을 갖는 것으로 입증된 원형관과 동일한 열전달 표면적의 1:2세장비를 갖는 타원관을 원형관과 동일 성능, 동일 소요 동력하에서의 면적, 체적 및 가격에 대한 비교 결과를 제시한 것이다. 타원관 열교환기는 원형관에 비해 전면면적을 35% 정도 줄일 수 있으며, 체적을 25% 정도 감소시킬 수 있어서 최소한 25% 정도의 시스템 compact화가 가능하다. 그 결과, 재료비도 대략 22% 정도까지 절감이 가능하다.
- Vestergarrd 등(5)은 편평 타원관을 자동차에어컨의 응축기로 사용하기 위한 연구를 수행하였으며, 그 결과를 PF형(parallel flow type) 응축기와 비교하였다. 편평 타원관은 기존의 원형관에 비해 1.5m/s의 낮은 속도에서 14% 정도의 성능 향상을 보였으며, PF형 응축기에 대해서는 2m/s 이하에서는 더 좋은 특성을 보이지만 그 이상에서는 더 낮은 열전달 특성을 갖는 것으로 나타났다. 실제로 lm/s에서 비교할 때 대략 20% 정도의 성능 향상을 가져온 것으로 평가되었으며, 실제 가정용 에어컨이 2m/s 이하에서 운전되므로 편평 타원관 응축기가 PF형 응축기보다 더 고성능이라 할 수 있다.
후속연구
- 0% 정도 낮아서 기준원형관 열교환기의 거의 절반 수준에 불과할 정도로 현저히 낮다. 결과적으로 모든 타원형 관 시료들이 원형관에 비해 현저히 적은 값을 보이기 때문에 요즘 issue화 되고 있는 시스템의 저소음화에 가장 적절히 대응할 수 있는 열교환기중의 하나로 자리매김할 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 타원형관의 경우 공기 속도의 증가에 따라 압력강하가 거의 선형적으로 변화하는 경향을 보인다.
- 결과적으로 본 연구는 타원관 열교환기에 있어어서 관배열 (tube arrangement), 휜수(FPI) 등이 최적화되지 않은 상태의 시료들을 이용하여 평가되었기 때문에, 현재의 시스템에 맞는 횐 수가 결정되고, 관배열이 어느 것이 최적인가를 추가로 확인해 볼 필요가 있으며, 이것이 이루어진다면 보다 새로운 성능 분석 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 결과적으로 압력 강하가 원형관에 비해 현저히 낮기 때문에 압력 강하 수준을 원형관으로 맞추고, FP1 의 증가 또는 휜 형상의 최적화 등을 통하여 열전달계수를 대폭 증가시킴으로써 열교환기의 compact화에 크게 기여할 수 있으며, 설사 열전달 성능을 현재 수준으로 유지한다. 하더라도 압력강하가 현저히 낮기 때문에 시스템의 소음 수준을 기대이상으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
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