[논문]원형휜-원형관 열교환기의 휜효율 이론에 관한 수치적 검증

강희찬; 임복빈; 이종휘

원형휜-원형관 열교환기의 휜효율 이론에 관한 수치적 검증
VERIFICATION OF FIN EFFICIENCY THEORY FOR THE CIRCULAR FINNED-TUBE HEAT EXCHANGER BY NUMERICAL EXPERIMENT 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.14 no.4 = no.47, 2009년, pp.7 - 12

강희찬 (군산대학교 기계자동차공학부) , 임복빈 (군산대학교대학원 기계공학과) , 이종휘 (군산대학교대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of the present study is to investigate the convective heat transfer characteristics and the validity of fin efficiency of the circular finned-tube heat exchanger by using commercial CFD code. The heat transfer coefficient obtained by using the laminar model was 22% overestimated to the experimental data. The fin surface temperature compared with the experimental data measured by the liquid crystal method. The fin efficiency by the present numerical experiment, defined as normalized and averaged fin surface temperature, was greater than the theoretical fin efficiency and the difference is increased at high value of the factor $mr{\phi}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 원형휜-원형관 열교환기를 대상으로 기존의 열교환기 휜 이론이 전열성능 해석, 즉 휜효율과 열전달계수의 예측에 적합한지를 평가하는 것을 목적으로 하였다. 상용 프로그램인 CFX 11을 이용하여 4가지의 열교환기 조건에 대하여 열전달계수, 휜 온도분포 및 휜효율을 구하고 기존의 실험결과와 비교하였다.
특히 공기를 대상으로 하는 열교환기의 전열성능을 향상시키기 위하여 휜(fin)의 사용이 필수적이다. 휜은 전열면적과 열전달계수의 곱(Ah)을 증가시키는 데 그 목적이 있다[1].

가설 설정

(1) 공기(또는 유체)의 온도는 휜의 전 표면에 일정하다.
(3) 휜 내부에서의 열전도는 1차원적 이다.
본연구에서는 연속방정식, Navier-Stokes 방정식 및 에너지방정식을 계산하였다. 유동조건은 삼차원 비압축성 정상상태 점성유동과정으로 가정하였다. 원형휜에 대하여 공기의 열전달과 연관된 열전도 방정식을 유동모델은 층류와 표준 k-ε 난류 모델을 사용하여 계산하였다.

제안 방법

휜은 구리(k=401 W/m·K)로 하고 유체는 공기로 하였다. 계산영역의 크기는 Fig. 3와 같이 x와 y방향으로 입구영역, 출구영역 그리고 양쪽 측면 영역에 대해서 각각 5D, 12D, 5D로 하였고, z방향으로 휜피치(P_f)를 하였다.
3). 네 개의 경계면(y=0, y=11D, z=0, z=P_f)에 대해서는 대칭경계조건을 적용하였다. 원형관의 벽 온도(T_w)를 100oC로 입구의 공기온도(Ta,in)는 0°C로 하였다.
원형관-원형휜 열교환기의 열전달 특성을 조사하고 휜효율 이론을 검증하기 위하여 휜 직경, 휜 피치, 휜의 열전도율을 변화하며 수치실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구의 수치실험 조건은 Table 1과 같다. 원형관의 외경(D) 25.4 mm, 휜의 외경(Do) 50.8 mm, 휜피치(Pf)는 4.8 mm를 기준조건으로 하고 열교환기의 휜외경, 휜피치 및 휜의 열전도율이 다른 경우에 대하여 비교하였다.

대상 데이터

휜은 구리(k=401 W/m·K)로 하고 유체는 공기로 하였다.

데이터처리

본 연구는 원형휜-원형관 열교환기를 대상으로 기존의 열교환기 휜 이론이 전열성능 해석, 즉 휜효율과 열전달계수의 예측에 적합한지를 평가하는 것을 목적으로 하였다. 상용 프로그램인 CFX 11을 이용하여 4가지의 열교환기 조건에 대하여 열전달계수, 휜 온도분포 및 휜효율을 구하고 기존의 실험결과와 비교하였다.
층류와 난류모델을 적용한 수치계산 결과를 Kang[18]의 상관식과 비교하였다. 층류모델 결과는 Kang의 상관식보다 평균 22% 높게 예측하였다.

이론/모형

본연구에서는 연속방정식, Navier-Stokes 방정식 및 에너지방정식을 계산하였다. 유동조건은 삼차원 비압축성 정상상태 점성유동과정으로 가정하였다.
원형휜에 대하여 공기의 열전달과 연관된 열전도 방정식을 유동모델은 층류와 표준 k-ε 난류 모델을 사용하여 계산하였다.
휜이 있는 열교환기의 해석에 있어서 휜효율과 순수열전달계수를 분리하여 고려하는 것은 매우 중요하다. 이전의 분리해석의 과정에서 휜효율 이론을 적용하였다. 그러나 기존의 휜 효율에 관한 이론은 다음과 같은 가정 하에 얻어진 것이다[13].

성능/효과

(1) 수치계산으로 구한 열전달계수는 층류모델이 k-ε 난류모델의 경우보다 Kang의 실험상관식에 유사한 경향을 보였다.
(2) 열전달계수는 전 표면에 균일하다.
(2) 휜 온도분포로부터 원형관의 하류보다 상류에서 반경방향 열유속이 크고 h/kt가 증가할수록 차이는 크다.
(3) 수치실험의 무차원휜평균온도로 구한 휜효율은 이론 휜효율보다 높았고, 단면적이 일정한 휜에 대한 Kang의 연구와 유사한 경향을 보였다.
본 수치계산에서 휜의 열전도율이 401W/m·K에서 12.83 W/m·K로 1/30 수준으로 감소하면 열전달계수는 3.2-7.6% 감소하는 것으로 나타났다.
층류와 난류모델을 적용한 수치계산 결과를 Kang[18]의 상관식과 비교하였다. 층류모델 결과는 Kang의 상관식보다 평균 22% 높게 예측하였다. k-ε 난류 모델은 실험상관식 보다 하향 예측 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휜의 목적은?	특히 공기를 대상으로 하는 열교환기의 전열성능을 향상시키기 위하여 휜(fin)의 사용이 필수적이다. 휜은 전열면적과 열전달계수의 곱(Ah)을 증가시키는 데 그 목적이 있다[1].

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2004, 강희찬, 강민철, "단일 원형휜-원형관에 대한 강제대류열전달 상관식," 설비공학논문집, Vol.16, pp.584-588

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