[논문]태양열 공기난방기에서 핀의 형상에 따른 열전달 성능 평가

최휘웅; 홍부표; 윤정인; 손창효; 최광환

doi:10.7836/kses.2013.33.6.085

태양열 공기난방기에서 핀의 형상에 따른 열전달 성능 평가
Research on Thermal Performance by Different Fins in a Solar Air Heater 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.6, 2013년, pp.85 - 91

최휘웅 (부경대학교 냉동공조공학과 대학원) , 홍부표 (한국폴리텍대학 산업설비자동화과) , 윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과) , 손창효 (부경대학교 냉동공조공학과) , 최광환 (부경대학교 냉동공조공학과)

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It is essential to reduce the amount of fossil fuel because facing with the natural problem such as a global warming. To achieve this goal, many of interests in the use of renewable energy is growing. Especially, as one of these renewable energy systems, a solar air heater invention has been conducted for enhancing the efficiency of solar air heater. According to this trend, scale-down sized experiment apparatus was constructed and performed for searching a proper fin and confirming the heat transfer performance by fin shape on constant heat condition to enhance efficiency of solar air heater. In this experiment, heat gain, convection heat transfer coefficient, number of transfer units, Nusselt number, Reynold's number, friction factor, performance factor were investigated in order to evaluate the thermal characteristics based on the real data obtained. By comparison with the each fin performance, a zigzag shape keeping a right angle to the plate had the highest value among them.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 공기채널에 다양한 형상의 핀을 삽입하여 열전달 성능향상 정도를 확인하고 압력강하를 고려한 핀의 성능계수를 구하고자 하였다. 이를 위해 핀이 설치되지 않은 기존 태양열 공기가열기 온도레벨과 동일한 값을 갖게 되는 1.

제안 방법

금번 실험에서 사용한 장치는 일정열량을 공급하기 위해 제작된 Heatplate, 온도 측정을 위한 열전대, 입출구 풍속 측정을 위한 풍속계, 압력차를 구하기 위한 차압계, 데이터 집록기기, 전력계, 송풍기, 송풍 속도 조절을 위한 AC가변속 드라이브 등으로 구성되어있다. 그러나 공기채널 길이는 기존 태양열 집열판 길이와 동일한 2m로 제작하였으며, 그 중의 하나의 Path를 모식하여 실험하였다.
1kW의 열량을 투입하였다. 또한 공기채널로 취출되는 유입공기의 속도는 기존 태양열 공기난방기에서 최대 효율을 보인 10m/s와 속도 변화 고려를 위한 8m/s, 6m/s 총 세 가지 조건으로 실험을 수행하였다.
이러한 태양열 공기난방기의 유용성 및 효율향상 필요성에 따라 본 실험에서는 태양열 공기난방기의 공기채널과 유사한 실험장비를 제작하여 난류를 촉진하는 여러 형상의 핀을 삽입하였고 핀 형상 및 배치에 따른 열전달 성능을 평가하였다. 이러한 실험을 통해 추후에는 집열성능이 향상된 태양열 공기난방기를 개발하여 적용고자 한다.
본 실험에서는 공기채널에 다양한 형상의 핀을 삽입하여 열전달 성능향상 정도를 확인하고 압력강하를 고려한 핀의 성능계수를 구하고자 하였다. 이를 위해 핀이 설치되지 않은 기존 태양열 공기가열기 온도레벨과 동일한 값을 갖게 되는 1.1kW의 열량을 투입하였다. 또한 공기채널로 취출되는 유입공기의 속도는 기존 태양열 공기난방기에서 최대 효율을 보인 10m/s와 속도 변화 고려를 위한 8m/s, 6m/s 총 세 가지 조건으로 실험을 수행하였다.
이번 실험에서는 공기채널에 여러 형상의 핀을 설치하여 열전달 시스템 성능 향상 정도를 확인하였고 마찰인자를 고려한 핀의 성능 계수를 확인해보았다.

대상 데이터

금번 실험에서 사용한 장치는 일정열량을 공급하기 위해 제작된 Heatplate, 온도 측정을 위한 열전대, 입출구 풍속 측정을 위한 풍속계, 압력차를 구하기 위한 차압계, 데이터 집록기기, 전력계, 송풍기, 송풍 속도 조절을 위한 AC가변속 드라이브 등으로 구성되어있다. 그러나 공기채널 길이는 기존 태양열 집열판 길이와 동일한 2m로 제작하였으며, 그 중의 하나의 Path를 모식하여 실험하였다.

성능/효과

(1) 핀을 삽입함으로써 공기채널 내에 열전달 성능이 향상함을 확인할 수 있었다.
(2) 열전달 성능은 핀의 높이가 높을수록 증가하는 경향을 보였으며 배치에 따라서는 같은 조건에서 Type.2(핀 배치가 수직이면서 지그재그 형상), Type.3(핀 배치가 수직이면서 일렬 형상), Type.1(핀 배치가 수직이면서 유동공기와 45° 유지 형상)순으로 큰 값을 나타내었다.
(4) 열전달 성능과 마찰인자를 고려한 핀의 성능계수는 TypeH.2(핀 높이가 공기층 높이의 0.7이며 수직을 이루면서 지그재그인 형상)에서 가장 큰 값을 보였다.
NTU 값 또한 대류열전달계수와 마찬가지로 핀 설치로 인해 증가함을 알 수 있었으며, 핀의 높이가 높을수록 NTU 값이 커졌으며 배치에 따라 Type.2, Type.3, Type.1순으로 큰 값을 가지는 경향을 보였다.
핀 설치 시 핀이 설치되지 않았을 경우에 비해 대류열전달계수 값이 증가함을 확인할 수 있었다.
5에 나타내었다. 핀 설치로 인해 공기채널로의 열전달량이 증가함을 알 수 있었고, 최대값은 Type H.2에서 핀을 설치하지 않았을 때와 비교 시 약 2.3배 정도 증가한 635W를 보였다. 한편, 최소값은 Type M.
핀 높이가 높을수록 큰 열전달 성능을 보이는 것과는 달리 마찰인자를 고려에 의해 낮은 높이에서도 더 큰 성능계수를 나타낼 수 있음을 확인할 수 있었다.
3배 정도 증가한 635W를 보였다. 한편, 최소값은 Type M.1에서 339W로 나왔으며 핀을 설치하지 않았을 때와 비교 시, 약 0.48배가 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

(5) 그러나 TypeH.2(핀 높이가 공기층 높이의 0.7이며 수직을 이루면서 지그재그인 형상)에서 마찰인자 값이 커서 실제 공기난방기 설치 핀으로서의 적정성 검증을 위해 추후 실제 공기난방기에서의 압력손실에 따른 전력소모량의 확인, 비교 실험이 추가적으로 필요함을 알 수 있었다.
이러한 태양열 공기난방기의 유용성 및 효율향상 필요성에 따라 본 실험에서는 태양열 공기난방기의 공기채널과 유사한 실험장비를 제작하여 난류를 촉진하는 여러 형상의 핀을 삽입하였고 핀 형상 및 배치에 따른 열전달 성능을 평가하였다. 이러한 실험을 통해 추후에는 집열성능이 향상된 태양열 공기난방기를 개발하여 적용고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실험에서 사용한 장치는 무엇으로 구성되어 있는가?	금번 실험에서 사용한 장치는 일정열량을 공급하기 위해 제작된 Heatplate,온도 측정을 위한 열전대,입출구 풍속 측정을 위한 풍속계,압력차를 구하기 위한 차압계,데이터 집록기기,전력계,송풍기,송풍 속도 조절을 위한 AC가변속 드라이브 등으로 구성되어 있다.그러나 공기채널 길이는 기존 태양열 집열판 길이와 동일한 2m로 제작하였으며,그 중의 하나의 Path를 모식하여 실험하였다.
	핀이 높을수록 Reynold’s number증가에 따라 어떤 값의 증가량이 커지는가?	또한 핀이 높을수록 Reynold’s number증가에 따른 Nusselt number값 증가량이 커짐을 알 수 있다. 이는 높은 핀에서 유동 공기의 난류형성 및 정체영역이 많아진다는 것을 알 수 있게 해준다.
	공기채널에 다양한 형상의 핀을 삽입하여 열전달 성능향상 정도를 확인 하고 압력강하를 고려한 핀의 성능계수를 구하고자 어떤 조치를 취하였는가?	본 실험에서는 공기채널에 다양한 형상의 핀을 삽입하여 열전달 성능향상 정도를 확인 하고 압력강하를 고려한 핀의 성능계수를 구하고자 하였다.이를 위해 핀이 설치되지 않은 기존 태양열 공기가열기 온도레벨과 동일한 값을 갖게 되는 1.1kW의 열량을 투입하였다. 또한 공기채널로 취출되는 유입공기의 속도는 기존 태양열 공기난방기에서 최대 효율을 보인 10m/s와 속도 변화 고려를 위한 8m/s,6m/s 총 세 가지 조건으로 실험을 수행하였다.

참고문헌 (6)

김지훈 외 5명, "여러 가지 형태의 립이 설치 된 수평채널의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 수치해석", 한국마린엔지니어링학회지 제37권 제1호, pp. 40-46, 2013

원문보기 상세보기
김지훈 외 3명, "딤플과 돌출이 설치된 수평채널의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 수치해석적 연구", 한국마린엔지니어링학회지 제36권 제1호, pp. 57-63, 2012

원문보기 상세보기
허주녕, 2012, "열전달 향상 장치를 삽입한 평판형 태양열 집열기의 열전달 특성과 압력강하에 관한 수치해석", 석사학위논문, 동의대학교 대학원
김종렬 외 3명, "태양열 이용 난방용 공기가열기 개발을 위한 기초운전 특성", 한국태양에너지학회논문집 제31권 제5호, pp. 87-94, 2012
엄한샘 외 4명, "복합형 태양열 집열기의 공기채널에 있어서의 열적 성능에 관한 연구", 한국태양에너지학회 Vol. 33, No. 1, pp. 150-152, 2013
Yunus A. Cengel, "INTRODUCTION TO THERMODYNAMICS AND HEAT TRANSFER, 2nd Edition", 권오봉 외8명 옮김, McGrawHill, 2010, pp. 290-353

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