[논문]단일굴곡 및 이중굴곡 판 형상을 갖는 직교류 공랭식 판형열교환기의 전열특성에 대한 실험적 연구

김민성; 백영진; 박성룡; 나호상; 정재훈; 임혁

문제 정의

본 연구에서는 직교류 공랭식 판형 열 교환기의 성능을 평가하였다. 공기측의 열교환을 개선하기 위하여 일반 판형열교환기의 단일굴곡 판에서 쐐기 각에 수직방향으로의 굴곡을 추가한 이 중 굴곡 판을 설계하고, 성능실험을 위하여 실험실 규모의 풍동에 동일한 크기로 제작된 프로토타입 단일굴곡 열교환기와 이중굴곡 열교환기를 설치하였다.
이는 공기측 열전달 특성을 구하기 위해서는 윌슨플롯법등의 방법을 적용하지 않아도 10% 이내의 오차를 갖는 성능평가가 가능하다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 판의 형상에 따른 공기측의 열전달 성능을 관찰하는 것이 목적이므로 기존의 물측 상 관식 중 적용성이 좋은 것을 선정하여 비교하는 것이 무난한 접근이라고 판단된다.
수행하였다. 이로부터 기체-액체용 열교환기에 판형열교환기의 적용성 및 상용화 가능성을 시험하고 평가하는데 본 연구의 목적을 둔다.

가설 설정

물의 밀도는 유량계 출구, 즉 열 교환 기물 측 입구온도에 대한 포화액을 기준으로 계산하였으며, 물과 공기의 비열은 입출구 온도의 산술평균된 온도에 대한 포화액 기준으로 계산하였다. 공기의 경우는 이상기체로 가정하여 계산하였는데, 현재 대기압을 고려하였다. 공기 유량계가 덕트내의 열교환기 후단부에 위치하므로 열교환기 전후의 압력차를 액주계로 읽어 그 차이만큼을 대기압에서 보상하였다.
2mm이다. 물은 열교환기 전체에 유입되어 각각의 판사이로 균등하게 분배되어 들어가는 것으로 가정하였다. 총 판수가 npt이면, 물즉 Reynolds 수는 다음과 같다.

제안 방법

공기측 열전달계수는 알려진 물측 열 저항값을 이용하여 간접적으로 구하였다. 먼저 총 전 열량을 사용하여 총합열전달계수 U4를 결정한 후, 공기측 열전달계수를 식(3)에 의해 구한다.
평가하였다. 공기측의 열교환을 개선하기 위하여 일반 판형열교환기의 단일굴곡 판에서 쐐기 각에 수직방향으로의 굴곡을 추가한 이 중 굴곡 판을 설계하고, 성능실험을 위하여 실험실 규모의 풍동에 동일한 크기로 제작된 프로토타입 단일굴곡 열교환기와 이중굴곡 열교환기를 설치하였다. 공기측의 열전달계수는 물측의 기존 상관식으로부터 구하였는더], 물쪽의 유동조건에 상관없이 편차가 5.
따라서 기존에 알려진 유사 상관식들을 이용하여 해석하고자 한다.
angle)이 30。를 기준으로 하는 단일굴곡(single-wave) 및 이 중 굴곡(double-wave) 판으로 구성된 직교류 공랭식 판형열교환기를 제작하고 이에 대한 성능 실험을 수행하였다. 이로부터 기체-액체용 열교환기에 판형열교환기의 적용성 및 상용화 가능성을 시험하고 평가하는데 본 연구의 목적을 둔다.
식(2)에 의해 구할 수 있다. 물과 공기측 모두 체적유량계를 사용하므로 실제 열량계산을 위하여는 밀도를 계산하여 질량유량을 구하였다. 물 측과 공기측의 물성은 PROPATH v.
l(1)< 사용하였다. 물의 밀도는 유량계 출구, 즉 열 교환 기물 측 입구온도에 대한 포화액을 기준으로 계산하였으며, 물과 공기의 비열은 입출구 온도의 산술평균된 온도에 대한 포화액 기준으로 계산하였다. 공기의 경우는 이상기체로 가정하여 계산하였는데, 현재 대기압을 고려하였다.
5은 단일굴곡 판형열교환기의 성능 시험을 위한 장치도이다. 배기용 송풍기와 이송용 워터펌프가 사용되었으며, 각각의 유로에 공기 유량계(0~7L PM, 측정오차 ±1.5%)와 물 유량계(0~ 6000m7h, 士측정오차 0.5%)를 설치하였다. 송풍기와 펌프는 인버터로 제어된다.
이 열교환기에는 항온조로부터 일정한 온도의 물을 공급받아 공기 온도를 조절한다. 온도가 제어된 공기는 판형열교환기 와 열교환을 하게 되 는데, 입 출구에 각각 2개 씩의 RTD를 설치하였으며, 평균온도 값으로 성능을 평가하였다.

대상 데이터

5 mm판을 적용하였다. 단일굴곡 열교환기와 이중굴곡 열교환기의 판수는 각각 38장과 32장이다.
두 판 모두 동일한 크기 (162x430 mm?)로 제 작되었다. 단일굴곡 판은 0.6mm의 두께로 제작되었으며, 이 중 굴곡 판은 성형성을 고려하여 단일굴곡판보다 18% 두께가 감소한 0.5 mm판을 적용하였다. 단일굴곡 열교환기와 이중굴곡 열교환기의 판수는 각각 38장과 32장이다.
본 연구에 적용되는 직교류 판형열교환기는 기존의 판형열교환기와는 달리 입출구가 1쌍만이 존재하고 있다. Fig.

이론/모형

본 연구의 더블웨이브 판형열교환기는 공기와 물의 유동방향이 직교방향으로 흐르고 있으므로 식 (4)의 직교류 열교환기의 대수평균온도차 식을 적용하였다.

성능/효과

공기측의 열교환을 개선하기 위하여 일반 판형열교환기의 단일굴곡 판에서 쐐기 각에 수직방향으로의 굴곡을 추가한 이 중 굴곡 판을 설계하고, 성능실험을 위하여 실험실 규모의 풍동에 동일한 크기로 제작된 프로토타입 단일굴곡 열교환기와 이중굴곡 열교환기를 설치하였다. 공기측의 열전달계수는 물측의 기존 상관식으로부터 구하였는더], 물쪽의 유동조건에 상관없이 편차가 5.5% 이내로 예측됨을 알 수 있었다. 열전달 및 압력강하 실험결과 이중굴곡 판형 열교환기는 단일굴곡 판형열교환기 에 비하여 약 50% 정도의 열전달 성능향상이 있었으나, 30%의 압력손실이 증가하였다.
이는 핀-튜브 열교환기에서는 비록 평판핀이라고 할지라도 튜브의 배열에 따라 튜브후류에 발생하는 와류로 성능개선이 이루어진다. 그러나 본 연구의 단일굴곡 열교환기는 이러한 효과가 없으므로 이중굴곡에 비해 열전달 성 능 저 하가 큼을 알 수 있다. N
그러나 이중굴곡 열교환기는 길이방향에 형성된 이 중 굴곡으로 인하여 공기유동에서 와류가 발생하여 보다 나은 열전달 성능을 보이는 것이다. 실제로 핀-튜브 열교환기에서 웨이비핀은 평판 핀에 비하여 30% 이상의 열전달 성능향상을 보이는 더 본 연구에서는 이보다 높은 50%의 향상을 관찰할 수 있었다. 이는 핀-튜브 열교환기에서는 비록 평판핀이라고 할지라도 튜브의 배열에 따라 튜브후류에 발생하는 와류로 성능개선이 이루어진다.
5% 이내로 예측됨을 알 수 있었다. 열전달 및 압력강하 실험결과 이중굴곡 판형 열교환기는 단일굴곡 판형열교환기 에 비하여 약 50% 정도의 열전달 성능향상이 있었으나, 30%의 압력손실이 증가하였다.
Table 1은 실험조건을 정리한 것이다. 인버터로 제어되는 워터펌프와 원심 팬은 공히 입력주파수에 대한 체적 유량이 강한 선 형성을 보였으며, 주파수에 대한 일차함수 형태로 근사할 수 있었다. 오차해석을 통하여 공기 측과 물측의 열량에 대한 평균오차는 각각 2.

후속연구

현장에서의 적용을 위하여 판의 설계는 공기측의 열전달 향상을 위하여 이 중 굴곡 설계가 바람직하다. 다만 대형화된 열교환기 에 적 용할 경우 공기측의 유동 압력강하가 크게 나타날 것으로 예상되는 바, 향후 판의 형상을 최적화하고 크기에 따른 적정한 판간 거리를 산출하는 연구가 추가로 요구될 것으로 사료된다.
또한, 이를 대형화할 수 있다면 공조용 쿨링타워 뿐 아니라 많은 산업 분야에서 필요로 하는 기체-액체 혹은 기체-기체 열교환 시스템의 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
상기의 결과로부터 직교류 공랭식 판형 열교환기에서 공기측 열전달을 향상시키기 위하여는 이 중 굴곡 판을 이용하여야 하는 것이 좋으며, 추가적인 성능개선을 위하여는 공기유로를 충분히 확보할 수 있는 판의 설계가 필요하다는 것을 알 수 있었다.
이렇게 이중굴곡 형상으로 성형함으로써 유효전열 면적이 증가하게 되고 와류의 증가로 인해 열전달 성능의 향상을 기대할 수 있다. 실제로 본 연구의 판형열교환기는 공기-물 열교환기이며, 열저항의 대부분은 공기측에 있는데, Fig. 3에서와같이 큰 규모의 와류(large scale wave)뿐만 아니라 이중굴곡 형상에 의한 작은 규모의 와류(small scale wave)가 복합적으로 작용하여 열전달 효과를 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.
즉 공기측의 열저항을 줄이기 위해서는 공기유속을 증가시킬 경우 이 중 굴곡 판에서는 단위 공기유량에 대한 열 교환효율 저하가 상대적으로 크다는 것을 의미한다. 이에 P계수 감소율을 낮게 유지하기 위해서는 이 중 굴곡 판의 형상설계시에 판과 판 사이의 공기 유로를 가능한 넓게 확보하는 것이 필요할 것으로 보인다.

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