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[국내논문] 경계층 이론을 이용한 고효율 열교환기 설계를 위한 이론적 접근법
Theoretical approach on the effective heat exchanger design using boundary layer theory 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.12, 2012년, pp.5655 - 5660  

이동연 (영남대학교 기계공학부) ,  이무연 (동아대학교 기계공학과)

초록
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본 연구의 목적은 경계층 해석법을 이용하여 고효율 열교환기 설계를 위한 이론적 접근법을 제시하고 기존 열교환기에 많이 사용되고 있는 사각 평판 핀과 이를 대체할 수 있는 원형 평판 핀에 대하여 경계층 형성과 간섭에 대하여 설명하고 속도 및 온도 경계층 성장에 따른 열전달계수의 변화를 나타내고자 한다. 더불어 한 개의 핀에서의 유동은 외부유동으로 간주할 수 있으나 다수의 핀 사이의 유동은 내부유동으로 간주하였고 이론적인 결과를 도출하였다. 결과적으로 열교환기의 고효율화 및 컴팩트화를 실현하기 위하여 경계층 간섭을 회피할 수 있는 방안을 이론적으로 제시하였고, 이러한 관점에서 원형 평판 핀이 사각 평판 핀에 비하여 열전달성능이 우수함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is theoretically to suggest the effective heat exchanger design method using boundary layer analysis. The boundary layer formation and interruption on rectangular plate and round plate fins are explained and the heat transfer coefficients showed with the variation of the ...

Keyword

#Boundary layer   #Heat exchanger   #Heat transfer coefficient   #Interruption   #Plate fin  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 사각 평판 핀의 장점인 제상수 처리의 장점을 그대로 유지하면서 공기측 열전달성능을 향상 시킬 수 있는 원형 평판 핀에 대하여 경계층 이론을 적용하여 열전달 특성을 이론적으로 연구하고 열교환기 설계시 가장 중요한 요소인 핀 길이 및 핀 피치와의 상관관계를 경계층 간섭을 이용하여 설명하고자 한다. 또한 원형 평판 핀과 사각 평판 핀과의 열전달성능 차이를 고찰하고자 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 사각 평판 핀의 장점인 제상수 처리의 장점을 그대로 유지하면서 공기측 열전달성능을 향상 시킬 수 있는 원형 평판 핀에 대하여 경계층 이론을 적용하여 열전달 특성을 이론적으로 연구하고 열교환기 설계시 가장 중요한 요소인 핀 길이 및 핀 피치와의 상관관계를 경계층 간섭을 이용하여 설명하고자 한다. 또한 원형 평판 핀과 사각 평판 핀과의 열전달성능 차이를 고찰하고자 한다.
  • 최근에 무공해 자동차용 전동식 공조시스템으로 전동식 히트펌프 시스템에 대한 연구를 진행하고 있으며, 실외기로 원형 평판 핀-튜브 열교환기에 대한 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 절에서는 일정한 길이를 가지는 사각 평판 핀과 원형 평판 핀에서 경계층 간섭과 열전달성능과의 상관관계를 다루고자 한다. Fig.
  • 본 연구에서는 경계층 이론을 이용하여 효율이 우수한 열교환기 설계를 위한 방법을 제안하고 기존의 열장치 시스템에 많이 사용되고 있는 사각 평판 핀의 제상수 처리 장점을 그대로 유지하면서 불리한 공기측 열전달성능을 개선할 수 있는 원형 평판 핀을 제안하였다. 더불어 평판 핀에서 속도 및 온도 경계층과 열전달계수와의 상관관계를 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사각 평판 핀의 단점은? 즉, 열교환기는 열교환기가 사용되는 주변 환경에 따라 열교환기 종류, 관내측 및 관외측의 기하학적 형상 및 유동 패턴 등이 결정된다. 일반적으로 착상 및 제상이 필요로 하는 환경에는 불리한 공기측 열전달성능에도 불구하고 사각 평판 핀이 많이 사용되고 있다. 이러한 이유로는 사각 평판 핀은 착상조건에서 제 상수 처리가 상대적으로 용이하기 때문이다[1].
착상 및 제상이 필요로 하는 환경에 사각 평판 핀이 사용되는 이유는? 일반적으로 착상 및 제상이 필요로 하는 환경에는 불리한 공기측 열전달성능에도 불구하고 사각 평판 핀이 많이 사용되고 있다. 이러한 이유로는 사각 평판 핀은 착상조건에서 제 상수 처리가 상대적으로 용이하기 때문이다[1]. 그러나 국내는 물론 전 세계적으로 환경 규제에 대한 인식이 강화되면서 산업체 전반에 걸쳐 친환경-고효율 기기에 대한 관심이 증가되고 있다[2].
열교환기의 기하학적 형상 및 유동패턴은 어떻게 결정되는가? 열교환이 필요로 하는 산업 전반에 걸쳐 열교환기는 두루 사용되고 있다. 즉, 열교환기는 열교환기가 사용되는 주변 환경에 따라 열교환기 종류, 관내측 및 관외측의 기하학적 형상 및 유동 패턴 등이 결정된다. 일반적으로 착상 및 제상이 필요로 하는 환경에는 불리한 공기측 열전달성능에도 불구하고 사각 평판 핀이 많이 사용되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. M. Y. Lee, H. S. Lee, Y. H. Jang, Y. C. Kim, "Numerical analysis on the frosting performance of a fin-tube evaporator used in a refrigerator", Trans. of the KSME, Vol. 32, No. 4, pp. 307-316, 2008. 

  2. M. Lee, S. Kim, Y. Kim, "Performance evaluations of a residential small multi-refrigeration system considering the adiabatic characteristics", Trans. of the KSME, Vol. 31, No. 10, pp. 868-875. 2007. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. Y. H. Kim, Y. C. Kim, "Heat transfer characteristics of flat plate finned-tube heat exchangers with large fin pitch", Int. J. of Refrigeration, Vol. 28, pp. 851-858, 2005, Article(CrossRefLink) 

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  4. M. Y. Lee, H. S. Lee, Y. H. Jang, Y. C. Kim, "Numerical analysis on the frosting performance of a fin-tube evaporator used in a refrigerator", Trans. of the KSME, Vol. 32, No. 4, pp. 307-316, 2008. 

  5. M. Y. Lee, S. H. Lee, H. W. Jung, Y. C. Kim, J. J. Park, "Frosting heat transfer characteristics of evaporators used for household refrigerators according to fin configuration", Trans. of the KSME, Vol. 34, No. 12, pp. 1071-1078, 2010. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. M. S. Mon, U. Gross, "Numerical study of fin-spacing effects in annular-finned tube heat exchangers", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 47, pp. 1953-1964, 2004, Article(CrossRefLink) 

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  7. R. Yun, Y. C. Kim, S. Kim, J. M., Choi, "Experimental study on the heat transfer characteristics of spiral fin-tube heat exchanger", trans. of the SAREK, Vol. 17, No. 6, pp. 529-535, 2005. 

  8. M. Y. Lee, T. H. Kang, Y. C. Kim, "Air-side heat transfer characteristics of spiral-type circular fin-tube heat exchangers", Int. J. of Refrigeration, Vol. 33, pp. 313-320, 2010, Article(CrossRefLink) 

    상세보기 crossref

  9. M. Y. Lee, "Heat and mass transfer characteristics of a spirally-coiled circular fin tube heat exchanger", Ph.D. Thesis, Korea University, Seoul, Korea, February 2010. 

  10. Y. H. Kim, Y. Kim, "Heat transfer characteristics of flat plate finned-tube heat exchangers with large fin pitch", Int. J. Refrigeration, Vol. 28, pp. 851-858, 2005, Article(CrossRefLink) 

    상세보기 crossref

  11. F. P. Incropera, D. P Dewitt, "Fundamentals of heat and mass transfer", John Wiley & Sons, 4th edition, pp. 88-431, 2002. 

  12. Y. H. Kim, "Study on the frosting and defrosting performance of fin-tube heat exchangers", Ph. D. Thesis, Korea University, 2004. 

  13. M. Y. Lee, T. H. Kang, Y. Kim, "Air-side heat transfer characteristics of spiral-type circular fin-tube heat exchangers", Int. J. Refrigeration, Vol. 28, pp. 313-320, 2010, Article(CrossRefLink) 

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