[논문]동시 냉난방 히트펌프용 루버핀-관 열교환기 성능 및 전열특성 실험연구

권영철

동시 냉난방 히트펌프용 루버핀-관 열교환기 성능 및 전열특성 실험연구
Performance and Heat transfer Characteristics of Louver Fin-tube Heat Exchanger for Simultaneous Cooling/Heating Heat Pump 원문보기

본 연구에서는 동시 냉난방 히트펌프용 열교환기의 성능평가 및 설계해석 기술의 확보를 위해 난방운전 온도조건에서 6종의 루버핀-관 열교환기의 공기측 열전달특성 및 마찰특성을 실험을 통하여 조사하였다. 실험을 위해 공기엔탈피방식의 칼로리미터와 항온수조를 이용하였다. 전열량의 증가는 핀피치보다 열수에 의해 더 크게 나타났고, 핀피치가 작을수록 열전달계수는 더 높았다. 또한 핀피치가 작을수록 열수증가에 의한 열전달계수의 증가폭이 커졌다. 핀피치와 열수변화에 대한 j-계수와 f-계수는 레이놀즈 수가 증가할수록 감소하였고, 레이놀즈 수 400부근의 영역에서 역전현상이 존재하였다.

An experimental study has been performed to investigate the performance and heat transfer characteristics of the heat exchanger for simultaneous cooling/heating heat pump. The heat transfer performance was measured using an air-enthalpy calorimeter and a constant temperature water bath, to obtain the performance evaluation and analysis of a fined tube heat exchanger. Six finned tube heat exchangers with louver fin were tested under a heating condition. Air-side heat transfer and friction were presented in terms of j-factor and f-factor. The heat transfer coefficient increased with decreasing the fin pitch, j-factor and f-factor on the fin pitch and the number of tube rows decreased with increasing Reair.

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문제 정의

본 실험연구의 목적은 동시 냉난방 히트펌프용 루버핀 -관 열교환기의 성능평가 및 설계해석 기술의 확보를 위해 난방운전 온도조건에서 6종의 열교환기의 공기측 열전달특성 및 마찰특성을 조사하는데 있다.
본 연구의 목적은 동시 냉난방 히트펌프용 루버 핀-관열교환기의 성능평가 및 설계해석 기술의 확보를 위해 난방운전 온도조건에서 6종의 열교환기의 공기측 열전달 특성 및 마찰특성을 실험을 통하여 조사하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

제안 방법

(2) 레이놀즈 수 400부근에서 열수에 따른 열전달계수의 역전현상을 확인하였다. 핀피치가 작을수록 전체적으로 높은 열전달계수를 가지며, 핀피치가 작을수록 열수증가에 의한 열전달계수의 증가폭이뚜렷하였다.
김형일 등[9]은 슬릿핀-관 열교환기를 물로 실험하여 냉난방조건에서의 열전달 및 물질전달의 특성을, 윤백 등[10] 은 직교류형 핀-관 열교환기에 있어 공기측 열전달계수의 측정방법, 실험 데이터의 분석방법을 제시하였다. 또한 작동유체를 물로 하여 서로 다른 핀 형상을 갖는 두종류의 열교환기의 공기측 열전달계수와 압력강하 특성실험을 수행하였다.
Wang 등[6]은 18개의 서로 다른 형상을 가진 파형핀-관 열교환기를 이용하여 열전달과 마찰특성실험을 수행하였다. 또한 제습조건에서의 핀-관 열교환기에 대한 핀간격, 열수, 공기 입구조건에 따른 성능변화를조사하였다. 강희찬 등[기은 슬릿핀에 대한 확대 모형실험과 액적법에 의한 핀-관 열교환기의 실험적 방법을 제시하였다.
시험 열교환기는 흡입식 풍동형의 코드테스트의 입구부에 설치되어 있으며, 열교환기와 입구부의 틈새로 공기의 누설이 없도록 열교환기 주위를 최대한 밀폐하였다. 열 교환기의 성능측정은 실험을 시작하여 공기의 온도 및 유속, 물의입구온도, 유량 등이 정상상태에 도달한 후, 온도변동이 ±0.2℃ 이내로 안정되면 공기의 풍량 및 입출구 건습도 온도 압력차, 물의 유량 및 입출구온도 등의 데이터를 10 초 간격으로 추출하여 적산하고 이를 10분 평균값과 70 분 평균값으로 출력한다. 표 1에 본 실험연구에 사용된 열교환기 6종의 제원을, 그림 3은 열교환기에 적용된 루버 핀의 형상을 보여준다.

대상 데이터

2.2 실험방법

실험데이터는 유입공기의 온도와 속도 그리고 물의 입구온도와 유량 등이 정상상태에 도달한 후, 공기와 물의온도변동이 ±0.2℃이내로 안정되면 공기의 속도, 입구 및출구의 건구와 습구온도, 압력차 그리고 물의 유량과 입구 및 출구온도 등이 획득되었다. 본 연구에 사용된 난방온도에서의 열교환기 유입공기와 물의 실험조건은 표 2 와 같다.
본 연구에 사용된 난방온도에서의 열교환기 유입공기와 물의 실험조건은 표 2 와 같다. 측정된 공기측과 물측의 열평형(heat balance)은최대 ±5% 이내에서 만족하는 실험값만을 선택하였다.

이론/모형

의미한다. 공기측 총괄 열전달계수統淑를 구하기 위해 LMTD법을 이용하였다. 접촉열전달계수(&)는 Sawai 등[12]이 제안한 식을 관내측의 대류열전달계수(代 )는 Gnielinski 상관식[13]을 그리고 핀 효율은 열교환기 표면효율 관계식과 Schmidt의 상관식을 사용하였다[14].
동시 냉난방 히트펌프용 루버핀-관 열교환기의 난방온도 조건에서의 공기측 열전달 및 압력강하 특성을 조사하기 위하여 공기엔탈피식 칼로리미터(그림 1)를 이용하였으며, 열량을 계산하기 위하여 ANSI/ASHRAE Standard 58-1986(RA 99)에서 규정한 시험방법을 따랐다 [11].
공기측 총괄 열전달계수統淑를 구하기 위해 LMTD법을 이용하였다. 접촉열전달계수(&)는 Sawai 등[12]이 제안한 식을 관내측의 대류열전달계수(代 )는 Gnielinski 상관식[13]을 그리고 핀 효율은 열교환기 표면효율 관계식과 Schmidt의 상관식을 사용하였다[14].

성능/효과

(1) 열교환기 전열량은 공기유속이 증가할수록 증가하며, 핀피치가 작을수록 증가폭은 크다. 공기 속도가 증가하게 되면 핀피치 간격이 좁을수록, 열수가 많을수록 전열량이 증가하였으나, 핀피치보다 열수에 의한 전열량 증가가 더 크게 관찰되었다.
(3) j-계수는 핀피치 간격이 좁을수록 우수한 성능을 2열보다 3열의 경우에 핀피치에 더 큰 영향을 받았으며, 레이놀즈 수 300-500 부근에서 전반적으로 우수하였다. f-계수는 핀피치보다 열수에 더 크게 영향을 받으며, 레이놀즈 수가 증가할수록 감소하였다.
(4) 열교환기 설계 시 공기유속이 증가하게 되면 전열량은 증가하고 f-계수는 줄어들지만 j-계수가 감소하기 때문에 열교환기의 전 성능평가를 위해서는 j-계수와 f-계수를 함께 고려해야 한다.
낮은 공기유속에서는 핀피치와 열수에 대한 영향이 미비하나, 공기속도가 증가하면서 핀피치가 작을수록, 열수가 많을수록 전열량이 증가하였다. 2열에서는 핀피치가 증가할수록 약 10%, 3열에서는 약 6%의 증가폭을 그리고 각 피치별로 2열과 3열의 열량을 비교해보면 1.2피치에서는 약 20%, 1.4피치에서는 약 27%, 1.6 피치에서는 약 32% 증가하였다. 이로부터 핀피치보다 열수에 의한 전열량 증가가 더 크게 나타남을 알 수 있다.
공기 속도가 증가하게 되면 핀피치 간격이 좁을수록, 열수가 많을수록 전열량이 증가하였으나, 핀피치보다 열수에 의한 전열량 증가가 더 크게 관찰되었다.
Goldstein 등[3]은 1열파형핀에 대한 나프탈렌 승화법으로 실험을 하여 국소물질전달계수 및 평균 물질전달계수를 측정하였다. 국소물질전달계수 분포에서 와류의 발생을 확인하였으며 레이놀즈 수가 증가할수록 와류의 영향이 증가한다고 하였다. Gray 등[4]은 엇갈린 관 배열을 갖는 평판핀-관 4열열교환기의 실험으로 j-계수와 f-계수를 구하였다.
또한 핀의 개수가 늘어남으로 인해 상대적인 핀표면적의 증가도 열량 증가에 영향을 주었을 것으로 판단된다. 낮은 공기유속에서는 핀피치와 열수에 대한 영향이 미비하나, 공기속도가 증가하면서 핀피치가 작을수록, 열수가 많을수록 전열량이 증가하였다. 2열에서는 핀피치가 증가할수록 약 10%, 3열에서는 약 6%의 증가폭을 그리고 각 피치별로 2열과 3열의 열량을 비교해보면 1.
역전현상을 확인하였다. 핀피치가 작을수록 전체적으로 높은 열전달계수를 가지며, 핀피치가 작을수록 열수증가에 의한 열전달계수의 증가폭이뚜렷하였다.

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