[논문]레이놀즈 수가 낮은 영역에서 와류발생기를 적용한 핀-관 열교환기 성능평가

곽경민; 송길달

문제 정의

또한 이 영역에서는 원형관에 의한 형상항력이 증가하게 되어 핀으로만 구성된 시험부보다 압력 강하가 증가하게 된다. 따라서 핀-관 열교환기에서 특히 Reynolds 수가 작은 영역에서의 열전달 촉진의 필요성이 제기되었으며, 본 연구에서는 Common flow up 형상의 와류발생기를 원형 관 주위에 배치하여 열교환기의 성능을 향상하고자 하였다. 와류 발생기가 부착된 원형 관 시험부 는 와류발생기가 없는 원형관에 비해 f-factor는 11-34% 증가하였고, f-factor는 9-15% 증가하면서 압력 강하의 증가치가 열전달 촉진에 비해 상대적으로 작게 나타났다.
이때 시험부 입구로 유입되는 공기가 Reynolds 수가 큰 경우에는 가열부에 의한 자연대류의 영향은 크지 않지만 공기의 Reynolds 수가 작은 경우에는 자연대류 영향이 존재하게 되어 실험 결과의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 선행 연구(4)에서 사용된 가열부는 스테인레스 강포 일로가열하는 방식이었으나, 본 연구에서는 스테인레스 강포일과 니크롬와이어를 사용한 가 열방식을 비교하여 자연대류의 영향이 최소가 되는 방식을 선정하고자 한다. 가열부에 의한 자연대류의 영향은 리챠드 선 수(Richardson number, Ri = Gr/Re')로 평가할 수 있으며 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
또한 Shah 식과 Stephan 식에서 고려된 유동은 완전 발달 유동이지만, 실험에서는 시험부에 유입되는 유동의 입구 영역이 존재하게 되며 이 역시 기울기 차이의 또 다른 요인으로도 고려할 수 있다. 이상으로 가열부에 의한 자연대류의 영향을 최소화해서 Reymlds 수가 낮은 영역에서의 열교 환기의 성능평가 방법에 대한 신뢰성을 확 인하였다.
이에 본 연구에서는 Reynolds 수가 500 이하를 대상으로 해서 Reynolds 수가 낮은 영역에서의 개량 단발 송풍온도 변화법에 의한 열전달 실험의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 실험방법을 보완하고자 하며, 또한 보완된 실험방법을 토대로 선행연 구자들에 비해서 비교적 낮은 Reynolds 수범위인 160~800을 대상으로 2열 핀-관열교환기에 부착된 와류 발생기의 성능을 평가하고자 한다.

제안 방법

시험부는 Fig. 1(b)을 변화시켜 Reynolds 수가 작은 영역에서 실험방법의 신뢰성을 평가하기 위해 수행된 단지핀으로만 구성된 시험부, 핀-관열교환기에서 핀 표면에 원형관이 부착된 시험부, 핀 표면에 원형관과와류발생기가 같이 부착된 시험부의 3가지 형태로 실험에 평가하였다. 각각의 시험부에 유입되는 유동은 가열된 상태로 시 험부 내로 유입되면서 핀과 핀 사이의 공간에 흐르게 되며 핀과의 열전달 과정을 수행한 후 시험 부출구로 빠져나가게 된다.
열전달 표면에서의 성능 평가에 관한 새로운 기법이 Liang and Yang⑸에 의해 제안되고 Mo- chizuki et al.⑹이 개선한 개량단발 송풍온도 변 화법이라고 불려지는 비정상 열 전달 실험기법으 로 평가하였다. 열전달 계수를 측정할 때 사용되는 이러한 실험기법은 정상 열전달 실험과는 달리 열교환기 표면 온도를 따로 측정할 필요가 없어 온도측정에 의한 실험 오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 빠른 시간 내에 실험을 완료시킬 수 있는 장점이 있다.
1(a)는 Mochizuki et al.⑹이 개선한 개량단발 송풍온도 변화법을 바탕으로 하여 열교환기의 열전달 계수를 평가할 수 있는 실험장치를 나타내었다. 실험장치는 크게 송풍기, 가열부, 시험부 및 측정부 등으로 구성된 개방형 풍동실험장치이다.
가열부의 표면 온도는 동일한 열, 유동조건에서 와이어 방식이 크게 나타났다. 가열부의 표면 온도 및 특성길이를 이용하여 Grashof수로 나타낼 수 있으며, 최종적으로 리챠드 선 수로 평가하여 두 가열부의 자연대류의 영향을 제시하였다. Reynolds 수가 감소함에 따라 가열부의 리챠드 선 수는 증가하고 있으며, 리챠드 선 수는 포일 방식인 경우 0.
1(b)과 같이 하나의 시험부 내에서 핀과 핀 사이의 공간으로 흐르게 된다. 공기유량 측정은 시험 부 출구 이후의 지점에 설치된 초음파 유량계로 측정하였으며, 이때 시험부 입구에서의 평균 속도 로 환산하면 0.1~1.2m/s의 범위이다. 공기유동의 온도는 온도 응답에 민감한 0.
시험부 입구의 수력직경을 기준으로 한 Reynolds 수가 160~ 800범위에서 핀-관열교환기의 성능 향 상을 위하여 와류 발생기를 부착하여 성능을 평가하였다. Fig.
와이어 방식에 의한 리챠드 선 수는 포일 방식에 비하여 최소한 한 차 수 낮은 크기를 보여주며, 자연대류의 영향이 더 작음을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 공기를 가열하는 가열부를 와이어 방식으로 적용하여 열교환기의 성능 평가에 이용되었다.
그러나, 본 연구에서 고려하고 있는 Reynolds 수가 작은 영역인 경우, 포일을 통과하는 공기 속도는 작아서 포일 표면을 따라 자연대류의 영향이 증가하게 되며, 이것은 유체의 유동속도 및 온도분포가 시험부로 균일하게 흐르지 못하는 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 본 연구에서는 스테인레스 강포일 대신에 0.9mm 직경의 니크롬와이어 (nichrome wire)를 사용한 가열부를 제작하였으며, 이때 와이어의 피치는 2mm이며 격자 형태로 구성되었다. 가열부의 개략도를 Fig.
개량단발 송풍온도 변화법에 의하여 열교환기의 열전달 성능을 평가하는 경우 Reynolds 수가 낮은 유동조건에서는 가열부에 의한 자연대류의 영향을 최소화하여야 하며, 본 연구에서는 와이어 방식에 의한 가열부를 사용하여 열교환기의 열전달 성능이 해석 결과와 잘 일치하는 실험 결과를 얻었다. 이로부터 Reynolds 수가 낮은 영역에서의 열전달 성능을 평가할 수 있는 실험방법의 신뢰성을 제시하였다.
03mm 직경의 백금선을 시험부입 . 출구의 단면적 전체에서 격자형태로 구성하여 각각 설치하였고, 이로부터 출력된 저항은 평균 온도로 환산하여 사용하였다. 시험부의 압력 강하는 시험부입 .

대상 데이터

⑹이 개선한 개량단발 송풍온도 변화법을 바탕으로 하여 열교환기의 열전달 계수를 평가할 수 있는 실험장치를 나타내었다. 실험장치는 크게 송풍기, 가열부, 시험부 및 측정부 등으로 구성된 개방형 풍동실험장치이다. 3.
시험부의 압력 강하는 시험부입 . 출구지점에서 피토관을 사용하여 측정하였다. 시험부 입구로 가열된 공기 온도를 공급하기 위해서는 시험부 입구 전에 가열부가 필요하며 이것은 개량단발 송풍온 도변화법에서 가장 중요한 인자 중의 하나이다(5,6) 가열부는 상온의 공기 온도를 요구되는 온도조건(일반적으로 상온보다 10-20K 높음)으로 신속히 가열해야 하고, 또한 공기 속도 및 온도 교란치가 최소화되어야 한다.

이론/모형

열전달 계수 및 압력 강하는 Reynolds 수를 변수로 하여 각각 무차원 형태인 Colburn factor(j)와 Fanning factor]/)의 식으로 각각 나타내었다.

성능/효과

이에 본 연구자는 새로운 열전달 촉진기법으로서 Common flow up 형상의와류발생기를 제안한 바 있으며, 3열 '민- 관 열교환기에서 원형관 후류의 적절한 위치에 배치하여 와류 발생기에 의한 열교환기의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있었다.(4) 이때 열 전달 성능평가방법은 개량단발 송풍온도 변화법 (Modified single-blow method)을 사용하였으며, Reynolds 수의 범위는 시험부 입구에서의 수력직경을 기준으로 하여 300~2, 100이며, 상대적으로 Reynolds 수가 작은 영역에서와류발생기에 의한 열전달촉진 효과가 크게 나타났다. 그러나 Reynolds 수가 비교적 낮은 영역에서 개량단발 송풍온도 변 화법에 의해 열전달 성능을 정확히 평가하기 위해서는 가열부에 의한 자연대류의 영향이 최소화되어야 하지만, 이전의 연구(4)에서는 이에 대한 연구가 충분히 고려되지 않았다.
개량단발 송풍온도 변화법에 의하여 열교환기의 열전달 성능을 평가하는 경우 Reynolds 수가 낮은 유동조건에서는 가열부에 의한 자연대류의 영향을 최소화하여야 하며, 본 연구에서는 와이어 방식에 의한 가열부를 사용하여 열교환기의 열전달 성능이 해석 결과와 잘 일치하는 실험 결과를 얻었다. 이로부터 Reynolds 수가 낮은 영역에서의 열전달 성능을 평가할 수 있는 실험방법의 신뢰성을 제시하였다.
이상의 결과를 토대로 . 본 연구에 사용된 와 류발생기를 핀-관 열교환기에 부착하여 Reynolds 수가 작은 영역에서의 핀의 성능을 효과적으로 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
따라서 핀-관 열교환기에서 특히 Reynolds 수가 작은 영역에서의 열전달 촉진의 필요성이 제기되었으며, 본 연구에서는 Common flow up 형상의 와류발생기를 원형 관 주위에 배치하여 열교환기의 성능을 향상하고자 하였다. 와류 발생기가 부착된 원형 관 시험부 는 와류발생기가 없는 원형관에 비해 f-factor는 11-34% 증가하였고, f-factor는 9-15% 증가하면서 압력 강하의 증가치가 열전달 촉진에 비해 상대적으로 작게 나타났다. Common flow up 형상 의 와류발생기는 선행연구에서 언급한 바와 같이, (4) 와류발생기가 원형관 주위에 적절히 놓여 있을 때 와류발생기와 원형 관 사이의 유로는 가속유동을 유발시키게 되고, 그 결과로서 원형관의 박리점을 후류지점으로 이동시킬 수 있다.
핀-관 열교환기에서 핀 측으로 유입되는 유동이 Reynolds 수가 작아지게 되면 단지 핀으로만 구성된 유로에서의 열전달 성능과 압력 강하보다 오히려 불리하게 나타났다. 이때 Common flow up 형상의와류발생기를 원형 관 주위에 부착하면 열전달 성능은 11-34% 증가하고, 압력 강하는 9 ~15% 증가하면서 압력 강하의 증가치는 열전달에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 수행된 와류 발생기의 배치를 Reynolds 수가 작은 영역에서 운전되는 핀-관열 교환기에 적절히 잘 활용하면 압력 강하 증가치가 크지 않고 열전달을 촉진시킬 수 있는 유용한 열 전달 장치로 사용할 수 있으리라 사료된다.
'(2) 특히 Reynolds 수가 작을수록 관의 후류 영역은 핀 표면의 더 넓은 지역에서 분포되는 특징이 있다. 이에 본 연구자는 새로운 열전달 촉진기법으로서 Common flow up 형상의와류발생기를 제안한 바 있으며, 3열 '민- 관 열교환기에서 원형관 후류의 적절한 위치에 배치하여 와류 발생기에 의한 열교환기의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있었다.(4) 이때 열 전달 성능평가방법은 개량단발 송풍온도 변화법 (Modified single-blow method)을 사용하였으며, Reynolds 수의 범위는 시험부 입구에서의 수력직경을 기준으로 하여 300~2, 100이며, 상대적으로 Reynolds 수가 작은 영역에서와류발생기에 의한 열전달촉진 효과가 크게 나타났다.
핀-관 열교환기에서 핀 측으로 유입되는 유동이 Reynolds 수가 작아지게 되면 단지 핀으로만 구성된 유로에서의 열전달 성능과 압력 강하보다 오히려 불리하게 나타났다. 이때 Common flow up 형상의와류발생기를 원형 관 주위에 부착하면 열전달 성능은 11-34% 증가하고, 압력 강하는 9 ~15% 증가하면서 압력 강하의 증가치는 열전달에 비해 상대적으로 작게 나타났다.

후속연구

이때 Common flow up 형상의와류발생기를 원형 관 주위에 부착하면 열전달 성능은 11-34% 증가하고, 압력 강하는 9 ~15% 증가하면서 압력 강하의 증가치는 열전달에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 수행된 와류 발생기의 배치를 Reynolds 수가 작은 영역에서 운전되는 핀-관열 교환기에 적절히 잘 활용하면 압력 강하 증가치가 크지 않고 열전달을 촉진시킬 수 있는 유용한 열 전달 장치로 사용할 수 있으리라 사료된다.

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