[논문]용접형 판형열교환기 성능측정에 관한 실험적 연구

박현민; 박창용

doi:10.7735/ksmte.2013.22.3.551

Abstract ▼ AI-Helper

The heat transfer performance and pressure drop characteristics of brazed-plate heat exchangers with 20 and 30 plates were experimentally measured and analyzed in this study. The mass flow rates of the heat exchangers with 20 and 30 plates were fixed at 0.6 and 0.9 kg/s for the low temperature side,...

The heat transfer performance and pressure drop characteristics of brazed-plate heat exchangers with 20 and 30 plates were experimentally measured and analyzed in this study. The mass flow rates of the heat exchangers with 20 and 30 plates were fixed at 0.6 and 0.9 kg/s for the low temperature side, respectively. The mass flow rate for the high temperature side was controlled from 0.2 kg/s to 1.2 kg/s. The inlet temperatures for the high and low temperature sides were $10^{\circ}C$ and $7^{\circ}C$, respectively. The heat transfer characteristics were not influenced by the number of plates. The pressure drop at the heat exchanger with 30 plates was slightly higher than that with 20 plates. The values calculated from the correlations based on gasket plate heat exchangers were compared with the experimental results. It was found that the predicted Nusselt numbers for the gasket plate heat exchangers were about 5% to 20% lower than the measured Nusselt numbers for the brazed plate heat exchangers. However, a pressure drop comparison showed that the calculated pressure drops at the gasket plate heat exchangers were less than half of the measured pressure drops at the brazed plate heat exchangers.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 측정된 결과를 기존의 상관식과 비교하여 가스켓형 판형열교환기와 용접형 판형열교환기의 특성을 고찰하고자 하였다. Thonon^[11]은 Chevron 각과 유체의 유량변화에 따른 열전달과 압력강하에 관련된 상관식을 제시하였으며 식 (8)은 열전달 성능에 관한 식을 요약 정리한 것이다.
전술한 것과 같이 상당히 다양한 상관식이 가스켓형 판형열교환기 내부에서의 열전달과 압력강하 성능을 예측하기 위해 제시되었다. 하지만 각 연구에서 적용된 판형열교환기의 형태 및 작동조건이 상이하므로 실제 실험을 통해 얻을 결과를 기존의 상관식과 비교하는 경우, 유효한 상관식이 많지 않은 경우가 대부분이다.

제안 방법

본 연구는 위에서 언급한 것과 같은 연구 배경에서 시작되었다. 동일한 쉐브론 패턴을 가지며 판의 수가 다른 2개의 용접형 판형열교환기의 용량과 압력강하를 실험적으로 측정하였으며 그 결과를 기존에 제시한 상관식과 비교하였다. 이러한 비교를 통해 용접형 열교환기는 동일한 형태의 가스켓형 열교환기와 비교하여 더 높은 열전달 특성과 압력강하 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 20개와 30개의 전열판을 갖는 판형열교환기의 열전달 및 압력강하 성능을 실험적으로 측정하고 그 결과를 분석하였다. 또한 기존의 가스켓형 열교환기에 대한 상관식을 활용하여 동일 조건에서 Nusselt 수와 압력강하를 계산하여 실험값과 비교를 통해 두 차이를 고찰하였다.
본 연구에서는 20개와 30개의 전열판을 갖는 판형열교환기의 열전달 및 압력강하 성능을 실험적으로 측정하고 그 결과를 분석하였다. 또한 기존의 가스켓형 열교환기에 대한 상관식을 활용하여 동일 조건에서 Nusselt 수와 압력강하를 계산하여 실험값과 비교를 통해 두 차이를 고찰하였다.
열교환기의 형상에 관한 정보는 Table 1에 요약 정리되었다. 열교환기의 실험은 저온측 유체의 온도를 고정시킨 상태에서 고온측의 온도를 변화시키며 진행하였다. 판의 개수가 20장과 30장인 열교환기의 경우 각각 저온측 유체의 질량유량을 0.
온도는 T-type의 열전대를 사용하였으며 보정실험을 통해 측정영역에서 ± 0.2℃의 오차를 갖도록 하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 용접형 판형열교환기는 2개이며, 내부의 형상은 동일하였으나, 판의 수가 각각 20개와 30개로 차이가 있었다. 열교환기의 형상에 관한 정보는 Table 1에 요약 정리되었다.
본 연구에서 질량유량은 코리올리 질량유량계(KCM6000)를 사용하였으며 ± 0.2%의 측정값 오차를 갖는다.
식에서 Re는 사이의 채널에 대한 Reynolds 수, Pr은 Prandtl 수, μ는 동점성계수, 하첨자 w는 물, β 는 열교환기 축의 직각방향에 대한 Chevron 각, ϕ는 표면확장계수를 각각 의미한다. 적용 가능한 Re는 160이상이며, 일치하는 Chevron 각이 없어 내삽법을 사용하여 상수를 정의하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 β와 정확히 일치하는 식이 존재하지 않아 식에 사용된 상수는 내삽법을 사용하여 결정하였다.

성능/효과

30개의 판을 갖는 판형열교환기가 20장의 경우에 비해 동일 질량유량에서도 더 높은 용량을 보여주고 있다. 30장 전열판을 갖는 열교환기는 20장에 비해 열전달 면적이1.5배 정도 증가하였지만 동일 유량에서 용량의 증가는 0.5 kg/s이상의 영역에서 평균 1.37배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 동일 유량이라 하더라도 판의 수가 증가하면 유동단면적이 증가하여 열전달 성능이 감소하기 때문이다.
두 판형열교환기의 열전달 특성은 전열판 개수에 큰 영향을 받지 않았다. 가스켓형 판형열교환기를 위한 상관식을 이용하여 계산한 결과를 비교한 결과, 측정된 용접형 판형열교환기의 Nusselt 수는 동일한 판의 구조를 갖는 가스켓 판형열교환기의 경우 비해 약 5～20% 높을 것으로 예측되었다. 반면 용접형 판형열교환기가 갖는 압력강하는 동일한 구조의 가스켓형 판형열교환기에 비해 2배 이상 클 수 있음을 상관식을 통해 알 수 있었다.
가스켓형 판형열교환기를 위한 상관식을 이용하여 계산한 결과를 비교한 결과, 측정된 용접형 판형열교환기의 Nusselt 수는 동일한 판의 구조를 갖는 가스켓 판형열교환기의 경우 비해 약 5～20% 높을 것으로 예측되었다. 반면 용접형 판형열교환기가 갖는 압력강하는 동일한 구조의 가스켓형 판형열교환기에 비해 2배 이상 클 수 있음을 상관식을 통해 알 수 있었다. 실험과 상관식을 통한 분석을 통해 용접형 판형열교환기가 가스켓형 판형열교환기에 비해 약간 높은 열전달 성능을 가질 수 있는 것으로 나타났으나, 그에 대비하여 그보다 훨씬 더 높은 압력강하를 갖는 것으로 예측되었다.
반면 용접형 판형열교환기가 갖는 압력강하는 동일한 구조의 가스켓형 판형열교환기에 비해 2배 이상 클 수 있음을 상관식을 통해 알 수 있었다. 실험과 상관식을 통한 분석을 통해 용접형 판형열교환기가 가스켓형 판형열교환기에 비해 약간 높은 열전달 성능을 가질 수 있는 것으로 나타났으나, 그에 대비하여 그보다 훨씬 더 높은 압력강하를 갖는 것으로 예측되었다. 따라서 가스켓형 대신 용접형 판형열교환기를 적용하는 경우 이러한 성능특성을 고려해야 할 것으로 생각된다.
동일한 쉐브론 패턴을 가지며 판의 수가 다른 2개의 용접형 판형열교환기의 용량과 압력강하를 실험적으로 측정하였으며 그 결과를 기존에 제시한 상관식과 비교하였다. 이러한 비교를 통해 용접형 열교환기는 동일한 형태의 가스켓형 열교환기와 비교하여 더 높은 열전달 특성과 압력강하 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
3에 제시되어 있다. 작동유체의 온도변화가 작은 판형열교환기 운전특성으로 인해 측정불확도는 비교적 크지만, 고온측과 저온측의 용량차이가 모두 5% 이내로 반복적으로 측정되고 있으므로, Fig. 3을 통해 본 실험에서 용량의 측정이 적절히 이루어졌음을 확인할 수 있다.

후속연구

6에서 Nusselt 수가 클수록(Reynolds 수가 클수록) 그 차이는 감소하는 경향을 보여준다. 따라서, 용접형 판형열교환기가 동일한 판의 형상을 갖는 경우 가스켓형 판형열교환기보다 항상 더 좋은 열교환 성능을 가질 수 있는가의 여부는 추가적 연구가 필요할 것으로 보인다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판형열교환기란 무엇인가	서로 다른 두 유체의 열전달을 위해 사용되는 열교환기에는 다양한 형태가 있으며 광범위한 분야에서 활용되고 있다[1,2]. 그 중 판형열교환기는 굴곡진 전열판을 적층시킨 후 각 판 사이를 고온유체와 저온유체가 교대로 흐르게 하여 열교환 하도록 하는 장치이다. 판형의 굴곡진 패턴에는 다양한 종류가 있으며 새로운 판형에 관한연구가 계속되고 있다[3,4].
	쉐브론 패턴을 갖는 열교환기가 널리 사용되는 이유는 무엇인가	판형의 굴곡진 패턴에는 다양한 종류가 있으며 새로운 판형에 관한연구가 계속되고 있다[3,4]. 하지만, 일반적으로 널리 사용되는 형태는 쉐브론 패턴을 갖는 열교환기이며, 이는 두 개의 패턴이 역방향으로 교차하면서 그 사이를 흐르는 유체에 작은 레이놀즈 수 에서도 유동의 회전 및 혼합의 효과를 유발하여 열전달을 촉진시키는 효과가 있기 때문이다. 판형 열교환기에 관한 연구는 1960년대부터 체계적으로 시작되었으며 1990년대에는 쉐브론 패턴을 갖는 판형열교환기의 단상유동 조건에서 열전달 및 압력강하 특성을 예측하기 위한 다양한 상관식이 제시되었다.
	판과 판 사이에 접촉하는 모든 부분을 용접하여 제조하는 방식이 열교환기연구에서 새로운 관점을 갖도록 하는 이유는 무엇인가	브레이징 방식을 사용하기 때문에 판과 판 사이에 접촉하는 모든 부분은 용접되며, 이러한 제조방식은 열교환기연구에서 새로운 관점을 갖도록 한다. 그 이유는 기존의 가스켓형판형 열교환기가 각 판이 점 접촉을 하고 있는 반면, 용접형 열교환기는 접촉부가 용제에 의해 용접이 되므로 열전달 측면에서는 접촉열 저항이 감소하며, 유동적 측면에서는 유동의 저항을 증가시키고 유동의 섞임을 촉진하는 구조물이 추가되기 때문이다. Fig.

참고문헌 (14)

Hong, K., Jeon, S., Lee, S., Park, C., Kwon, I., Kim J., Kim, B., Ha, O., 2004, A Study on the Performance of Fin-type Heat Exchanger for Automotive Ait-conditioners, Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 13:4 100-105.
Ryuh, B., Kim, J., Park, S., 2006, Development of Heat Exchanger Production Model Based on the Microlamination Technology and Estimation of its Economic Efficiency, Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 15:3 97-103.
Duru？, A., Benli, H., Kurtba？, I., Gul, H., 2009 Investigation of Heat Transfer and Pressure Drop in Plate Heat Exchangers Having Different Surface Profiles, Int. J. Heat Mass Transfer, 52 1451-1457.

상세보기
Fernandez-Seara, J., Diz, R., Uhia, F. J., 2013 Pressure Drop and Heat Transfer Characteristics of a Titanium Brazed Plate-Fin Heat Exchanger with Offset Strip Fins, Applied Thermal Eng., 51 502-511.

상세보기
Ayub, Z. H., 2003 Plate Heat Exchanger Literature Survey and New Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Refrigerant Evaporators, Heat Transfer Engineering, 24 3-16.

상세보기
Garcia-Cascales, J. R., Vera-Garcia, F., Corberan- Salvador, J. M., Gonzalvez-Macia, J., 2007 Assessment of Boiling and Condensation Heat Transfer Correlations in the Modelling of Plate Heat Exchangers, Int. J. Refrigeration, 30 1029-1041.

상세보기
Gut, J. A. W., Pinto J. M., 2004 Optimal Configuration Design for Plate Heat Exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 47 4833-4848.

상세보기
Qiao, H., Aute, V., Lee, H., Saleh, K., Radermacher, R., 2013 A New Model for Plate Heat Exchangers with Generalized Flow Configurations and Phase Change, Int. J. Refrigeration, 36 622-632.

상세보기
Kwon, O., Cha, D., Yun, J., Kim, H., 2009 Performance Evaluation of Plate Heat Exchanger with Chevron Angle Variation, Trans. of KSME Series B, 33 520-526.
Son, J., Lee, E., Kang, H., Kim, Y., Kim, J., Cho, S., Park, J., 2012 Performance Characteristics of Plate Heat Exchangers with Various Geometric Design Parameters, Trans. of KSME Series B, 36 583-591.

원문보기 상세보기
Thonon, B., 1999 Design Method for Plate Evaporators and Condensers, 1st Int. Conf. on Process Intensification for the Chemical Industry, BHR Group Conference Series Publication, No. 18, 37-47.
Wanniarachchi, A. S., Ratnam, U., Tilton, B. E., Dutta-Roy, K., 1995 Approximate Correlations for Chevron-type Plate Heat Exchangers, 30th National Heat Transfer Conf. ASME, New York, 314 145-151.
Maslov, A., Kovalenko, L. 1972 Hydraulic Resistance and Heat Transfer in Plate Heat Exchangers, Molochnaya Promyshlennost, 10 20-22.
Focke, W. W., Zacharides, J., Oliver, I., 1985 The Effect of the Corrugation Inclination Angle on the Thermohydraulic Performance of Plate Heat Exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 28:8 1469-1479.

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

용접형 판형열교환기 성능측정에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Performance of Brazed Plater Heat Exchangers 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

용접형 판형열교환기 성능측정에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Performance of Brazed Plater Heat Exchangers 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

박창용 (17)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

용접형 판형열교환기 성능측정에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Performance of Brazed Plater Heat Exchangers 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper