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문제 정의
- 하지만 평판 사각핀-튜브 열교환기는 제상시 제상수 처리의 용이성이 있지만 핀효율이 우수하지 못한 단점이 있다. 본 연구에서는 기존의 냉장고용 증발기로 오랜기간 동안 사용되고 있는 평판 사각핀-튜브 열교환기를 대체할 수 있는 새로운 핀 형상의 고효율 핀-튜브 열교환기에 대한 연구를 수행하였다.
- 현재까지 넓은 핀피치를 가지는 나선형 원형핀-튜브 열교환기에 대한 국내외 연구는 매우 부족하며, 이를 냉장고용 증발기로 적용하기 위한 연구는 매우 제한적이었다. 따라서 본 연구에서는 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 형상변수 변화에 따른 열전달 특성을 고찰하고 기존 사각핀과 열전달 성능의 차이를 비교하고자 한다. 또한 이를 냉장고용 증발기로 적용할 수 있도록 하기 위하여 냉장고용 증발기에 많이 사용되고 있는 5.
- 따라서 본 연구에서는 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 형상변수 변화에 따른 열전달 특성을 고찰하고 기존 사각핀과 열전달 성능의 차이를 비교하고자 한다. 또한 이를 냉장고용 증발기로 적용할 수 있도록 하기 위하여 냉장고용 증발기에 많이 사용되고 있는 5.0 mm 이상의 비교적 큰 핀피치 에 대하여 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 형상변수에 따른 열전달특성을 고찰하였고, 기존 평판 사각핀과의 열전달계수를 비교하였다. 다음은 본 연구를 통하여 얻은 결론이다.
제안 방법
- 시험부를 통과한 공기의 풍량을 측정하기 위한 노즐 및 차압계, 풍량을 조절하기 위한 축류팬 및 인버터 드라이브를 설치하였다. 시험부 입구와 출구의 냉매인 물-에틸렌 글리콜 혼합액 (50:50%)의 온도를 측정하기 위하여 시험용 열교환기의 입구와 출구에 T-type 열전대를 설치하였고, 질량유량을 측정하기 위하여 Coriolis 효과를 이용한 유량계를 사용하였다.
- 시험부를 통과한 공기의 풍량을 측정하기 위한 노즐 및 차압계, 풍량을 조절하기 위한 축류팬 및 인버터 드라이브를 설치하였다. 시험부 입구와 출구의 냉매인 물-에틸렌 글리콜 혼합액 (50:50%)의 온도를 측정하기 위하여 시험용 열교환기의 입구와 출구에 T-type 열전대를 설치하였고, 질량유량을 측정하기 위하여 Coriolis 효과를 이용한 유량계를 사용하였다. 냉매의 입구온도는 30℃ 이며 냉매유량은 150 kg/h이다.
- 시험부는 착상시험을 위하여 10 mm 두께의 투명 아크릴수지로 제작되었기 때문에 외부로의 열손실이 발생할 수 있다. 따라서 외부로의 열손 실을 보정하기 위하여 Kim and Kim(5)이 제시한 단열손실 보정실험을 통하여 공기측 열전달량를 보정하였다. 보정실험에서는 시험부 내부에 열교환기 대신 전기히터를 설치하여 시험부 내부의 조건을 변화시키면서 손실을 측정하고, Fig.
- 따라서 외부로의 열손 실을 보정하기 위하여 Kim and Kim(5)이 제시한 단열손실 보정실험을 통하여 공기측 열전달량를 보정하였다. 보정실험에서는 시험부 내부에 열교환기 대신 전기히터를 설치하여 시험부 내부의 조건을 변화시키면서 손실을 측정하고, Fig. 2와 같은 열손실 상관관계를 유도하였다. Table 1은 본 연구에서 사용한 실험조건이다.
- 3은 본 연구에서 사용한 시험용 열교환기를 나타낸다. 모든 시험용 열교환기는 정렬튜브 배열과 정렬핀 배열을 가지도록 설계하였다. 본 연구에 사용된 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 기존의 평판 사각핀-튜브 열교환기에서 사용된 기계적인 확관방법 대신에 L-foot이라고 불리는 접합방식을 사용하였다.
- 6 은 튜브피치에 따른 풍량변화에 대한 열전달량 변화를 나타낸다. 2 단 2 열에 핀피치 5.0 mm의 나선형 원형핀-튜브 열교환기에 대하여 튜브피치를 30 에서 35mm 로 변화시켜가면서 열전달량을 측정하였다. 튜브피치는 열전달 성능뿐만 아니라 열교환기 사이즈와 밀접하게 관계되는 요소로 적절한 튜브피치를 가지도록 열교환기를 설계하는 것이 중요하다.
- 일반적으로 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 L-foot 길이는 핀과 튜브의 접촉저항 그리고 핀효율과 서로 상관된 영향을 나타내므로 적절한 L-foot 길이의 설계는 중요하다. 따라서 L-foot 길이의 영향을 알아보기 위하여 비교적 많은 열수인 2 단 5 열의 핀피치 5.0 mm의 나선형 원형 핀-튜브 열교환기에 대하여 L-foot 길이를 2.3 에서 2.9 mm 까지 변화시키면서 열전달 성능을 비교하였다. 2 단 5열에서 비교한 이유는 열수가 많을수록 L-foot 변화의 영향을 잘 파악할 수 있기 때문이다.
- 8 은 튜브두께에 따른 풍량변화에 대한 열전달량변화를 나타낸다. 2 단 2열에 핀피치 5.0 mm의 나선형 원형핀-튜브 열교환기에 대하여 튜브두께를 0.7 에서 0.5 mm 로 변화시켜가면서 열전달량을 측정하였다. 이때 튜브외경은 8.
- 5 mm 로 변화시켜가면서 열전달량을 측정하였다. 이때 튜브외경은 8.0 mm 로 유지하면서 튜브두께를 감소시킴으로서 튜브내경이 커지는 효과, 즉 확관효과를 고찰하였다. 일반적으로 평판 사각핀-튜브 증발기는 핀과 튜브를 결합 후 기계적 확관을 이용하여 튜브두께는 얇게 하면서 내경이 커지는 효과를 내지만 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 기계적 확관이 어렵기 때문에 튜브의 두께를 변화시키는 실험이 필요하다.
- 9 는 핀높이에 따른 풍량변화에 대한 열전달량 및 열전달계수를 나타낸다. 2 단 2열에 핀피치 5.0 mm의 나선형 원형핀-튜브 열교환기에 대하여 핀높이를 8.25 에서 8.85 mm 로 변화시켜가면서 열전달량을 측정하였다. 이때 L-foot 의 길이는 2.
- 10 은 레이놀즈수 변화에 따른 열전달계수를나타낸다. 기존 평판 사각핀과 나선형 원형핀의 핀형상에 따른 열전달계수의 차이를 알아보기 위하여 2 단 4 열, 핀피치 7.5 mm의 나선형 원형핀-튜브 열교환기를 제작하였다. 입구공기의 온도 및 상대습도는 각각 3 ℃ 와 30% 이며, 냉매측 온도 및 유량은 각각 30 ℃ 와 150 kg/h 이다.
- 열교환기 성능을 측정할 수 있는 열교환기 실험장치를 공기의 온도와 습도를 제어할 수 있는 항온항습실 내부에 설치하였다. 시험용 열교환기 입구와 출구의 공기온도를 측정하기 위하여 3개의 열전대 다발을 각각 입구와 출구에 설치하였다.
대상 데이터
- 1은 열교환기 성능을 측정하기 위한 실험장치이다. 열교환기 성능을 측정할 수 있는 열교환기 실험장치를 공기의 온도와 습도를 제어할 수 있는 항온항습실 내부에 설치하였다. 시험용 열교환기 입구와 출구의 공기온도를 측정하기 위하여 3개의 열전대 다발을 각각 입구와 출구에 설치하였다.
- 7 에 나타낸 바와 L-foot 길이가 증가할수록 접촉저항이 감소하여 점차 열전달계수가 증가하였지만, L-foot 길이가 너무 길어지면 접촉 저항 감소보다는 전도저항이 추가로 발생하여 점차 열전달계수가 감소하였다. 따라서 본 연구에서는 최적의 L-foot 길이로 2.7 mm 를 선정하였다.
데이터처리
- 2 단 4 열을 기준으로 열전달 성능을 비교한 이유는 기존 평판 사각핀-튜브 열교환기와 원형핀-튜브 열교환기와의 성능 차이를 가장 잘 보여줄 수 있는 열수일 뿐만 아니라 기존 열교환기가 2 단 4 열까지만 열전달 성능 데이터를 제시하였기 때문이다. 평판 사각핀-튜브 열교환기의 열전달 계수는 Kim (11)의 연구결과를 이용하여 비교하였다. 비교된 평판 사각핀-튜브 열교환기는 핀의 가로 및 세로측 길이가 각각 30 mm 로 동일하게 제작되었으며, 2 단 4 열로 핀피치는 7.
이론/모형
- 모든 시험용 열교환기는 정렬튜브 배열과 정렬핀 배열을 가지도록 설계하였다. 본 연구에 사용된 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 기존의 평판 사각핀-튜브 열교환기에서 사용된 기계적인 확관방법 대신에 L-foot이라고 불리는 접합방식을 사용하였다. 본 접합방식은 원형핀 끝의 일부를 튜브와 면접촉하여 접촉저항을 줄이면서 접합력을 유지하는 방식이다.
- UA 를 구하여 식 (5)로부터 공기측 열전달계수인 ho를 계산한다. 보정계수인 Fc는 Incropera and Dewitt(7)를 참조하여 계산하였다.
- 관내측 열전달계수는 관내측 냉매가 물-에틸텐글리콜 혼합액으로 점성으로 인하여 레이놀즈수가 4000 이하로 크지 않으므로 Glieninski correlation (8)을 사용하였다. 나선형 원형 핀효율 계산에 있어 이에 대한 계산식이 없을 뿐만 아니라, 핀피치 구간 내 핀의 길이방향 온도편차가 크지 않기 때문에 Yun 등(4)의 가정을 이용하여 Lee 등(9)의 효율 계산방법을 이용하였다.
- 을 사용하였다. 나선형 원형 핀효율 계산에 있어 이에 대한 계산식이 없을 뿐만 아니라, 핀피치 구간 내 핀의 길이방향 온도편차가 크지 않기 때문에 Yun 등(4)의 가정을 이용하여 Lee 등(9)의 효율 계산방법을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 열전달계수 및 열전달량의 평균오차는 ASHRAE Guideline(1983)(6)에서 제시한 방법을 사용하여 계산하였고 각각 6.
- 나선형 원형 핀효율 계산에 있어 이에 대한 계산식이 없을 뿐만 아니라, 핀피치 구간 내 핀의 길이방향 온도편차가 크지 않기 때문에 Yun 등(4)의 가정을 이용하여 Lee 등(9)의 효율 계산방법을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 열전달계수 및 열전달량의 평균오차는 ASHRAE Guideline(1983)(6)에서 제시한 방법을 사용하여 계산하였고 각각 6.6%와 4.0% 이다.
성능/효과
- 4 는 튜브열수 변화에 대한 열전달계수의 변화를 나타낸다. 튜브열수가 2열에서 5열로 증가함에 따라 열전달계수는 평균 10% 감소하였다. 열수가 증가함에 따라 각 열들은 전열의 후류영역(wake region) 에 존재함으로 열전달 효율이 떨어져서 열전달계수가 감소하게 된다.
- 5 는 핀피치 변경에 따른 열전달계수 변화를 나타낸다. 핀피치가 5.0 에서 10.0mm 로 증가함에 따라 열전달계수는 평균 17.5% 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 핀사이에 발달된 속도 및 온도 경계층으로 설명될 수 있다.
- 일반적으로 냉장고용 증발기의 튜브피치는 30 mm 이다. 모든 풍량조건에서 튜브피치 30 mm 가 35 mm 보다 평균 5.1% 우수한 열전달량을 나타내었다. 이러한 이유로는 튜브피치가 35 에서 30 mm 로 감소함에 따라 열사이에 있는 유동방향의 핀의 끝단과 끝단사이의 간격이 감소하여 공기의 유속이 상대적으로 증가하여 열전달효율이 증가했기 때문이다.
- 일반적으로 평판 사각핀-튜브 증발기는 핀과 튜브를 결합 후 기계적 확관을 이용하여 튜브두께는 얇게 하면서 내경이 커지는 효과를 내지만 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 기계적 확관이 어렵기 때문에 튜브의 두께를 변화시키는 실험이 필요하다. 모든 풍량조건에서 튜브두께 0.5 mm 가 0.7 mm보다 평균 4.1% 우수한 열전달량을 나타 내었다. 이는 튜브두께가 0.
- Fig. 9(a)에서 보는 것처럼, 모든 풍량조건에서 핀높이 8.85 mm의 열전달량이 8.25 mm보다 평균 4.0% 높게 나타났다. 확인할 수 있었다.
- (12) 또한, Lee 등(9)의 연구결과에서 도 알 수 있듯이 핀과 튜브의 접합부 (fin and tube junctions) 주변에서 볼텍스 (vortices)의 발생이 평판 사각핀에 비하여 용이하고, 경계층 두께도 더 얇아 서 열전달계수가 더 높게 나타났다. 본 연구에서도 나선형 원형핀-튜브 열교환기가 평판 사각핀-튜브 열교환기에 비하여 평균 24.3% 정도 높은 열전달계수를 나타냈다. Table 4 는 열교환기의 사양을 나타내고 있다.
- (1) 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 열전달계수는 튜브열수가 2열에서 5열로 증가하면서 평균 10% 감소하였으며, 핀피치가 5 mm에서 10 mm로 증가하면 평균 17.5% 증가하였다.
- (2) 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 L-foot 길이 2.7 mm에서 열전달계수가 최대로 나타났다. 모든 풍량조건에서 튜브피치 30 mm 가 35 mm보다 열전달량이 평균 5.
- 7 mm에서 열전달계수가 최대로 나타났다. 모든 풍량조건에서 튜브피치 30 mm 가 35 mm보다 열전달량이 평균 5.1% 우수하게 나타났다. 또한, 튜브두께 0.
- 1% 우수하게 나타났다. 또한, 튜브두께 0.5 mm 가 0.7 mm보다 열전달량이 평균 4.1% 우수하게 나타났다.
- (3) 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 핀높이 8.85 mm 가 8.25 mm보다 평균 4.0% 열전달량이 높게 나타났지만, 열전달계수는 핀높이 8.25 mm에서 더 얇은 경계층 두께로 인하여 8.85 mm보다 평균 5.4% 우수하게 나타났다.
- (4) 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 기존 냉장고용 증발기로 사용되고 있는 평판 사각핀-튜브 열교환기에 비하여 열전달계수가 평균 24.3% 정도 높게 나타났다.
후속연구
- (1) 하지만 진공단열재는 제작이 어려우며 가격이 비싼 단점이 있다. 마지막으로 냉동사이클 효율을 향상시키기 위한 방안으로는 냉동사이클의 최적화를 통한 사이클효율 향상과 열교환기의 열교환 효율을 향상시키는 방법이 있을 수 있다.(1~2) 일반적으로 냉장고용 증발기에는 평판 사각핀-튜브 열교환기를 주로 사용하고 있다.
- 향후 나선형 원형핀-튜브 열교환기를 냉장고용 증발기로서 적용하기 위해서는 증발기의 주된 운전환경인 착상 및 제상조건에서 열전달 특성을 고찰할 필요가 있다. 더불어 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 국내는 물론 국제적인 관심사인 고효율 시스템에 대한 관심을 충족시켜 줄 수 있는 좋은 증발기의 대안 중 하나로 체계적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 향후 나선형 원형핀-튜브 열교환기를 냉장고용 증발기로서 적용하기 위해서는 증발기의 주된 운전환경인 착상 및 제상조건에서 열전달 특성을 고찰할 필요가 있다. 더불어 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 국내는 물론 국제적인 관심사인 고효율 시스템에 대한 관심을 충족시켜 줄 수 있는 좋은 증발기의 대안 중 하나로 체계적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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