[논문]핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 전열성능과 압력강하 특성비교

장근선; 이현수; 김재덕

doi:10.5762/kais.2009.10.2.222

핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 전열성능과 압력강하 특성비교
Comparison of Heat Transfer Performance and Pressure Drop of Fin-Tube and Aluminum Heat Exchangers 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.2, 2009년, pp.222 - 229

장근선 (선문대학교 기계공학부) , 이현수 (선문대학교 기계공학부) , 김재덕 (선문대학교 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 루버형 핀 형상을 가진 핀-튜브 열교환기와 알루미늄 평행류 열교환기의 에어컨 응축기 조건에서의 열전달 성능과 공기측 압력강하 특성을 비교하였다. 모든 실험은 ASHRAE 표준에 근거해 제작된 공기엔탈피형 칼로리미터를 사용하여 수행하였다. 관외 측 공기 속도는 0.7-1.6 m/s까지 0.3 m/s 간격으로 변화시켰으며 건구온도는 $20^{\circ}C$, 상대습도는 60%로 유지하였다. 관내 측 물의 입구온도는 $70^{\circ}C$, 유량은 10 LPM로 고정하였다. 알루미늄 열교환기의 열전달 성능은 루버 핀-튜브 열교환기보다 단위체적당, 단위질량당, 단위열전달면적당 약 17-163%정도 높게 나타나는 연구결과를 보였으며 반면에 공기측 압력강하는 핀-튜브 열교환기에 비해 약 19-81% 정도 낮게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents comparison of heat transfer and air side friction characteristics in a condenser condition of air conditioner between Louver fin-tube heat exchangers and aluminum parallel heat exchangers. All experiments are performed using an air-enthalpy type calorimeter, which is designed based on the method described in ASHRAE standards. The air velocities crossing the heat exchanger tubes are varied from 0.7 to 1.6 m/s with 0.3 m/s interval, maintaining air dry temperature and relative humidity at $20^{\circ}C$ and 60% respectively. Water temperature and flow rate inside the tube are $70^{\circ}C$ and 10 LPM, respectively. Experimental results show that the heat transfer performances of aluminum heat exchangers are 17-163% higher than those of Louver fin-tube heat exchangers based on the data per unit volume, mass, and heat transfer area, whereas air side pressure drops of aluminum heat exchangers are 19-81% lower.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 현재 자동차 컨덴서로 사용되고 있는 알루미늄 평행류 열교환기의 에어컨 실외기에 적용 가능성을 평가하는데 있다. 이를 위해 기존 에어컨 실외기에 상용화되고 있는 7 mm 직경 루버 핀-튜브 열교환기와 다양한 형태의 알루미늄 열교환기 원형(prototype)을 제작하여 실험을 통해 열전달 성능 및 압력강하 특성을 일차적으로 비교하고 이후 에어컨 실외기에 실제 장착하여 열량, 소비전력, 효율의 사이클 특성을 평가하고자 한다.
핀-튜브열교환기의 공기측 열전달 및 압력강하 특성에 대한 연구도 활발히 이루어졌다[5-8]. 이들 연구의 주류는 핀형상, 핀간격, 열수등 기하학적 변수가 열전달 및 압력강하에 미치는 영향을 고찰한 것이다. 알루미늄 열교환기의공조시스템 적용성 연구는 최근에 수행되기 시작하였으몌9-11], 일반적으로 알루미늄 열교환기를 기존에 사용되고 있는 핀-튜브 열교환기 대신에 공조기의 응축기로 사용할 경우 약 30%의 부피를 절감하는 것으로 나타났다 .

제안 방법

본 연구에서는 2열과 3열 핀-튜브 열교환기와 2가지 핀형상의 알루미늄 열교환기에 대해 단위체적, 단위질량, 단위열전달면적당 전열량 및 공기측 압력강하를 실험을통해 비교하였으며, 이 중 대표 열교환기에 대해 공조사이클에서의 시스템 성능특성을 비교분석하였다. 본 연구를통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
표현된다. 본 연구에서는 실험에서 얻은 측정값과 알고 있는 물질의 특성치를 사용하여 열교환기의 전 열량을 계산하였다.
평가하는데 있다. 이를 위해 기존 에어컨 실외기에 상용화되고 있는 7 mm 직경 루버 핀-튜브 열교환기와 다양한 형태의 알루미늄 열교환기 원형(prototype)을 제작하여 실험을 통해 열전달 성능 및 압력강하 특성을 일차적으로 비교하고 이후 에어컨 실외기에 실제 장착하여 열량, 소비전력, 효율의 사이클 특성을 평가하고자 한다. 알루미늄 열교환기가 에어컨 실외기에 적용할 경우 소형화, 경량화, 가격절감을 도모할 수 있다.
열교환기의 비교실험을 위해 핀.튜브와 알루미늄 열교환기 모두 물의 유량을 10 Ipm 동일 값으로 유지하여 실험하였으며. 측정된 공기측과 물측의 열평형 (heat balance)은 최대 ±3% 이내에서 만족하는 실험값만을 선택하여 실험 결과에 대한 신뢰도를 높였다.

대상 데이터

실험 데이터 획득은 실험을 시작하여 공기의 온도 및유속, 물의 입구온도, 유량 등이 정상상태에 도달한 후, 온도변동이 ±0.2t 이내로 안정되면 공기의 풍량 및 입 . 출구 건습도온도 압력차, 물의 유량 및 입 .
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 실험조건은 다음과 같다.
실험에 사용된 핀-튜브 열교환기는 7 mm 동관을 사용한 루버핀 열교환기로 핀 피치와 열수를 달리한 6개의 시료를 제작하였으며, 알루미늄 열교환기는 기존 자동차 컨덴서에 사용되고 있는 산형(triangle) 루버핀을 사용한 열교환기 3종(AL 1, 2, 3)과 핀과 튜브의 접촉면적을 개선한 사다리꼴형(trapezoid)의 루버핀 열교환기 1종(AL 4) 을 제작하였다. 그림 2, 3은 본 연구의 실험에 사용된 열교환기의 형상을 나타내었고 표 1에는 열교환기의 사양및 제원을 요약하였다.

데이터처리

튜브와 알루미늄 열교환기 모두 물의 유량을 10 Ipm 동일 값으로 유지하여 실험하였으며. 측정된 공기측과 물측의 열평형 (heat balance)은 최대 ±3% 이내에서 만족하는 실험값만을 선택하여 실험 결과에 대한 신뢰도를 높였다.

이론/모형

특성을 비교 실험한 결과이다. 냉매는 R-22를 사용하였으며 실내기, 압축기등 다른 부품은 동일한 상용제품을 사용하였으며 KS C 9306에서 규정한 시험방법을 따랐다 [13]. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)는 산형 알루미늄 열교환기(AL 3)와 핀-튜브 열교환기(FT 5)보다 열량이 각각 2%, 7% 높으며 소비전력은 반대로 1%, 4% 낮아 결과적으로 성능계수(COP)는 각각 2.
실험의 신뢰도를 높이기 위하여 측정된 공기와 물의전열량은 다음과 같은 열평형식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 공기속도 1.3 m/s를 기준으로 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기 보다 단위체적당 전열량은 50~ 104%정도 크고 단위질량당 전열량은 17-53%, 단위 열전달 면적당 전열량은 94~ 163% 크게 나타나 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기 보다 소형화, 경량화 면에서 더 유리함을 알 수 있었다.
(2) 알루미늄 열교환기에서 산형 핀 보다 사다리꼴 핀형이 단위체적당, 단위질량당, 단위열전달면적당 우수하게 나타나 사다리꼴 핀 형태의 열교환기가 고효율화에 더 유리함을 알 수 있었다.
(3) 공조사이클에 적용했을 때의 성능비교에서는 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)가 산형 알루미늄 열교환기(AL 3)와 핀-튜브 열교환기(FT 5)보다 열량은 각각 2%, 7% 높게 나타났으며, 성능계수(COP)도 각각 2.8%, 12% 높게 나타났다.
(4) 핀-튜브 열교환기 보다 알루미늄 열교환기가 압력강하가 적어 에어컨 시스템에 적용 시 팬의 부하를 감소시켜 시스템 성능이 향상될 수 있다.
단위 면적당 전열량은 총 전열량을 공기측 전열면적으로 나눈 값이다. 공기 속도 1.3 m/s 일 때 산형 핀 알루미늄 열교환기(AL 3)의 경우에는 2열 핀-튜브 열교환기(FT 2) 보다 83%정도 높게 나타났고 3열 핀-튜브 열교환기(FT 5) 보다는 148%정도 높게나타났다. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)는 2 열 핀-튜브 열교환기에 비해서는 105%정도 높게 나타났고 3열 핀-튜브 열교환기 보다는 178%정도 크게 나타났다.
단위 질량당 전열량 비교에서도 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 우수하며 2열 핀-튜브 열교환기가 3열 핀-튜브 열교환기 보다 크게 나타났다. 공기 전면 속도 1.3 m/s 에서 각 열교환기의 대표 샘플의 단위질량당 전열량을비교해 보면, 산형 핀 알루미늄 열교환기(AL 3)는 2열 핀 _튜브 열교환기(FT 2)에 비해서는 16%정도 높게 나타났으며 3열 핀-튜브 열교환기(FT 5)에 비해서는 52%정도높게 나타났다. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4) 는 2열 핀-튜브 열교환기 보다는 19% 높은 전열량을 나타내었고 3열 핀-튜브 열교환기 보다는 55% 높게 나타났다.
공기속도 1.3 m/s에서 보면 산형 알루미늄 열교환기 (AL 3)가 가장 낮은 압력강하를 보였으며 산형 알루미늄 열교환기를 기준으로 3열 핀-튜브 열교환기는 81%, 2열 핀-튜브 열교환기는 19%, 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기는 17%정도 압력강하가 높게 나타났다. 사다리꼴 핀형이 산형 핀 보다 압력강하가 높은 것은 튜브 간격이 작아 유로가 좁기 때문이며, 핀-튜브 열교환기의 압력강하가 알루미늄 열교환기보다 크게 나타난 것은 유로 방향의 길이가 알루미늄 열교환기 보다 크고 핀 패턴이 복잡하기 때문이다.
단위 질량당전열량은 총 전열량을 질량으로 나눈 값이다. 단위 질량당 전열량 비교에서도 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 우수하며 2열 핀-튜브 열교환기가 3열 핀-튜브 열교환기 보다 크게 나타났다. 공기 전면 속도 1.
3 m/s 에서 각 열교환기의 대표 샘플의 단위질량당 전열량을비교해 보면, 산형 핀 알루미늄 열교환기(AL 3)는 2열 핀 _튜브 열교환기(FT 2)에 비해서는 16%정도 높게 나타났으며 3열 핀-튜브 열교환기(FT 5)에 비해서는 52%정도높게 나타났다. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4) 는 2열 핀-튜브 열교환기 보다는 19% 높은 전열량을 나타내었고 3열 핀-튜브 열교환기 보다는 55% 높게 나타났다. 알루미늄 열교환기 경우에서는 사다리꼴 핀형이 산형핀형보다 2%정도 높게 나타났다.
3 m/s 일 때 산형 핀 알루미늄 열교환기(AL 3)의 경우에는 2열 핀-튜브 열교환기(FT 2) 보다 83%정도 높게 나타났고 3열 핀-튜브 열교환기(FT 5) 보다는 148%정도 높게나타났다. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)는 2 열 핀-튜브 열교환기에 비해서는 105%정도 높게 나타났고 3열 핀-튜브 열교환기 보다는 178%정도 크게 나타났다. 알루미늄 열교환기의 핀형상 비교에서는 사다리꼴 핀형이 12%정도 크게 나타났다.
3 m/s에서 각 열교환기의 대표 샘플의 단위체적당 전열량을 비교해보면 산형 핀 알루미늄 열교환기(AL 3)는 2열 핀-튜브 열교환기 (FT 2)보다 약 45% 정도 높은 전열량을 나타냈으며 3열 핀-튜브 열교환기(FT 5)보다는 97%정도 높은 전 열량을 나타내었다. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)는 2열 핀-튜브 열교환기보다 55%, 3열 핀-튜브 열교환기보다는 111%정도 높은 단위체적당 전열량을 보였다. 알루미늄 열교환기 비교에서는 사다리꼴 핀형(AL 4)이 산형 (AL 3)보다 약 7%정도 높게 나타났다.
냉매는 R-22를 사용하였으며 실내기, 압축기등 다른 부품은 동일한 상용제품을 사용하였으며 KS C 9306에서 규정한 시험방법을 따랐다 [13]. 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)는 산형 알루미늄 열교환기(AL 3)와 핀-튜브 열교환기(FT 5)보다 열량이 각각 2%, 7% 높으며 소비전력은 반대로 1%, 4% 낮아 결과적으로 성능계수(COP)는 각각 2.8%, 12% 높게나타났다. 이는 사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(응축기로 작동)의 전열량이 다른 경우보다 높아 사이클에서 고압측 압력과 저압측 압력 조건을 낮추어 주고 이 결과는 증발기에서의 전열량은 높여주는 반면 시스템 압력차는줄게 되어 소비전력이 감소하기 때문이다.
사다리꼴 핀형 알루미늄 열교환기(AL 4)는 2열 핀-튜브 열교환기보다 55%, 3열 핀-튜브 열교환기보다는 111%정도 높은 단위체적당 전열량을 보였다. 알루미늄 열교환기 비교에서는 사다리꼴 핀형(AL 4)이 산형 (AL 3)보다 약 7%정도 높게 나타났다. 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 전열량이 높은 것은 알루미늄 열교환기의 튜브가 미세채널로 구성되어 있어 원형 튜브로 되어 있는 핀-튜브 열교환기보다 열전달 계수가 높고 단위 체적당 핀 면적이 큰 것이 주된 원인이다.
핀-튜브 열교환기를 비교해보면 3열 열교환기(FT 4, 5, 6)보다는 2열 열교환기(FT 1, 2, 3)가 단위체적당 전열량이 더 크게 나타나고, 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 전열량이 더 큰 것을 알 수 있다. 그림 4에서핀 간격이 작을수록 열전달 면적이 커져 전열량도 중가하며 공기속도가 커질수록 그 차이가 커짐을 알 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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