[논문]타원형휜-원형관 열교환기의 강제대류 열전달 특성

강희찬; 이종휘

타원형휜-원형관 열교환기의 강제대류 열전달 특성
CONVECTIVE HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF OVAL FIN-CIRCULAR TUBE HEAT EXCHANGER 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.15 no.2 = no.49, 2010년, pp.1 - 6

강희찬 (군산대학교 기계자동차공학부) , 이종휘 (군산대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of the present study is to investigate the flow resistance and the heat transfer characteristics of oval fin-tube heat exchanger. Six kinds of oval fin having the same fin area and different diameter ratio tested numerically. Test data for the heat transfer, pressure drop and fin temperature were shown and discussed. The pressure drop and heat transfer increased for increasing the oval fin diameter ratio(diameter of span-wise direction to diameter of longitudinal diameter) up to 50% and 45% respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 원형휜-원형관 열교환기를 대상으로 원형휜을 면적이 동일한 타원형휜으로 대체하였을 경우 압력강하와 열전달 특성을 비교하는 것을 주요 목표로 하였다. 해석방법으로 상용 프로그램을 이용하여 원형휜과 4가지 타원형휜 형상에 대하여 수치해석을 하였고 압력강하와 열전달계수를 비교하고 검토하였다.

제안 방법

본 연구의 계산영역은 입구, 양측면의 영역은 공기가 충분히 안정된 상태에서 열교환기를 지날 수 있도록 영역을 선정하였으며, 출구는 후류에서 생기는 역유동이 발생하지 않도록 충분한 거리를 두었다. Fig. 3과 같이 x와 y방향에 대하여 입구영역, 출구영역 그리고 양쪽 측면 영역에 대해서 각각 5, 12D_i, 5D_i로 하였고, z방향은 휜피치(P_f)로 하였다. 본 수치해석은 상용코드인 ANSYS CFX 11[9]을 사용하였다.
2). 그리고 네 개의 면(y=0, y=11D, z=0, z=P_f)에 대해서는 대칭조건을 적용하였다. 산업에서 사용하는 예를 기준으로 원형관의 벽 온도(T_w)를 100℃로 입구의 공기온도(T_a,in)는 0℃로 하였다.
본 연구의 계산영역은 입구, 양측면의 영역은 공기가 충분히 안정된 상태에서 열교환기를 지날 수 있도록 영역을 선정하였으며, 출구는 후류에서 생기는 역유동이 발생하지 않도록 충분한 거리를 두었다. Fig.
타원형휜-원형관 열교환기의 강제대류 열전달 및 유동 특성을 조사하고 원형휜-원형관 열교환기와 비교하기 위하여 면적은 동일하고 형상이 다른 7종류의 타원형휜에 대하여 수치 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

해석요소는 Fig. 3과 같이 사면체를 사용하였고, 원형관 벽 부근에서는 격자를 조밀하게 구성하였다. 기준 열교환기 형상인 경우 휜과 공기 영역은 각각 요소 1,132,858개 (node 235,469개)와 요소 2,832,801개 (node 804,934개) 이다.
휜의 재질은 구리(k=401 W/m·K)이고 유체는 공기이다. 해석형상은 Table 1과 같이 원형관의 직경은 25.4 mm이고 휜의 두께가 1.0 mm이고 휜피치가 2.54 mm인 7종류의 타원형휜과 원형휜이 붙어 있는 형상이다. 타원형휜의 흐름방향 직경(D_el)에 대한 흐름수직방향 직경(D_es)의 비(D_es/D_el)는 0.

데이터처리

본 연구에서는 원형휜-원형관 열교환기를 대상으로 원형휜을 면적이 동일한 타원형휜으로 대체하였을 경우 압력강하와 열전달 특성을 비교하는 것을 주요 목표로 하였다. 해석방법으로 상용 프로그램을 이용하여 원형휜과 4가지 타원형휜 형상에 대하여 수치해석을 하였고 압력강하와 열전달계수를 비교하고 검토하였다.

이론/모형

3과 같이 x와 y방향에 대하여 입구영역, 출구영역 그리고 양쪽 측면 영역에 대해서 각각 5, 12D_i, 5D_i로 하였고, z방향은 휜피치(P_f)로 하였다. 본 수치해석은 상용코드인 ANSYS CFX 11[9]을 사용하였다. 수치해석에 사용된 수학적 모델은 k-ω SST(Shear Stress Transport)난류 모델을 적용하였다.
수치해석에 사용된 수학적 모델은 k-ω SST(Shear Stress Transport)난류 모델을 적용하였다.
과 h는 각각 원형관의 면적, 타원형휜의 면적, 휜효율 및 열전달계수이다. 위 식에서 휜효율은 Schmidt의 근사식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 타원형휜의 공기 흐름방향에 대한 흐름수직방향의 직경비(D_es/D_el)가 증가함에 따라 압력강하와 열전달계수는 증가 하였다.
(2) 타원형휜의 직경비가 크고 Reynolds수가 큰 경우 압력강하에 대한 열전달의 이득은 감소하며 설계에서 휜효율의 고려가 필요하다.
Fig. 8(a)의 휜 온도분포는 대류의 영향으로 상류보다 하류가 높으며 원형관 후류의 휜에서 상대적으로 균일한 온도를 나타낸다. Fig.
4배에 점근한다. 본 연구에서 제안한 타원형휜은 직경비가 클수록 열전달에 효과적인 것을 알 수 있다. 이는 공기의 유속이 증가함에 따라 휜효율이 감소하기 때문이다.

후속연구

향후 휜효율과 휜 피치의 형향에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원형휜-원형관 열교환기의 제작방법으로는 어떤 것들이 있는가?	원형휜-원형관 열교환기의 제작방법은 전조(form roll), 절삭, 용접, 접착 등 다양하다. 전조는 Fig.
	원형휜 형상에 대한 열유동 특성에 대한 연구로는 어떤 것들이 있는가?	이들의 연구는 원형휜 형상에 대한 열유동 특성에 집중되었다. Wang과 Chen[2]은 휜-관 열교환기에 대하여 열전달과 압력강하 특성실험을 수행하였다. Wang와 Fu 그리고 Chang[3]은 파형 휜에 대한 열유동 실험을 하였으며, 이후 Wang와 Lee, 그리고 Chang[4]은 평판휜의 열유동 특성을 이해하는데 기여하였다. 강희찬과 조도영 등 연구자들은 원형휜-원형관 열교환기에 대하여 실험과 수치적으로 연구하였다[5-6]. 강희찬과 강민철[7]은 단일 원형휜-원형관에 대한 강제대류열전달 상관식을 제시하였다. 휜 붙이 열교환기에서 휜은 면적의 증가에 따른 열전달의 증가가 주요 목적이다.
	전조공정으로 원형휜-원형관 열교환기를 제작할 때 어떤 장점들이 있는가?	1과 같이 연성이 큰 시료를 회전시키면서 형상롤러(form roller)로 성형하는 방법이다[1]. 이 전조공정으로 원형휜-원형관 열교환기를 제작하는 경우 재료의 손실이 적고, 생산성이 높고, 형상이 정확하며, 휜 뿌리부분에서 접촉열저항이 없으며, 원형관 내부에서 돌기가 형성되어 열전달이 촉진되는 등 장점이 많다. 따라서 전조는 간단한 시설로 효과적으로 원형휜-원형관 열교환기를 제작하는데 유용한 방법이다.

참고문헌 (9)

2003, 서남섭, 최신 기계공작법, 동명사.
1996, Wang, C.C., Chen, P.Y. and Jang, J.Y., "Heat Transfer and Friction Characteristic of Convex-Louver Fin-and-Tube Heat Exchanger," Experimental Heat Transfer, Vol.9, pp.61-78.

상세보기
1997, Wang, C.C., Fu, W.L. and Chang, C.T., "Heat Transfer and Friction Characteristics of Typical Wavy Fin-and-tube Heat Exchanger," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.14, No.2, pp.174-186.

상세보기
1997, Wang, C.C., Lee, W.S. and Chang, C.T., "Heat and Mass Transfer for Plate Fin-and-tube Heat Exchanger with and without Hydrophilic Coating," Working Paper.
2003, 강희찬, 조도영, 강민철, "원형휜-원형관의 열전달 특성", 설비공학논문집, Vol.15, pp.762-767.

원문보기 상세보기
2008, 강희찬, 임복빈, 이종휘, 장병춘, 안서욱, "원형휜-원형관 열교환기의 휜효율 이론에 관한 수치적 검증," 설비공학논문집, Vol.16, pp.584-588.
2004, 강희찬, 강민철, "단일 원형휜-원형관에 대한 강제대류열전달 상관식," 설비공학논문집, Vol.16, pp.584-588.

원문보기 상세보기
1994, Webb, R.L., Principles of Enhanced Heat Transfer, John Wiley and Sons.
2006, ANSYS CFX Training Manual, Vol.124, ANSYS, Inc..

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