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문제 정의
- 본 연구에서는 용접형 판형 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 실험적 연구가 수행되었고 결과를 바탕으로 다양한 분석이 수행되었다. 이를 통해 얻을 수 있는 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 온도는 T-type의 열전대를 사용하였으며 보정실험을 통해 측정영역에서 ±0.2℃의 오차를 갖도록 하였다.
- 위 배경에 근거하여 본 연구에서는 다양한 판의 장수(10, 20, 30, 그리고 40장)를 갖는 용접형 판형 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성에 대한 실험적 연구와 분석을 수행하였다. 또한 실험 결과를 기존 가스켓 판형 열교환기를 위한 상관식과 비교하였고, Re수에 따른 마찰계수 변화를 바탕으로 판 사이 내부에서 난류 발생이 시작되는 Re수를 유추하였다.
- 위 배경에 근거하여 본 연구에서는 다양한 판의 장수(10, 20, 30, 그리고 40장)를 갖는 용접형 판형 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성에 대한 실험적 연구와 분석을 수행하였다. 또한 실험 결과를 기존 가스켓 판형 열교환기를 위한 상관식과 비교하였고, Re수에 따른 마찰계수 변화를 바탕으로 판 사이 내부에서 난류 발생이 시작되는 Re수를 유추하였다. 이를 바탕으로 Re 수 영역에 따른 Nu수 예측을 위한 상관식을 도출하였고, 개발된 상관식은 측정값을 비교적 정확히 예측할수 있음을 보였다.
- 3에 제시되었다. 열교환기의 실험은 저온측 유체의 유량을 고정시킨 상태에서 고온측의 유량을 변화시키며 진행하였다. 판의 개수가 10, 20, 30, 그리고 40장인 열교환기에 대해 저온측 유체의 질량유량을 각각 0.
- 열교환기의 실험은 저온측 유체의 유량을 고정시킨 상태에서 고온측의 유량을 변화시키며 진행하였다. 판의 개수가 10, 20, 30, 그리고 40장인 열교환기에 대해 저온측 유체의 질량유량을 각각 0.3, 0.6, 0.9, 그리고 1.2 kg/s으로 고정시킨 상태에서 고온측 유체의 질량유량을 0.2에서 1.2 kg/s의 영역에서 변화시켰다. 고온측 입구온도는 10∼15℃, 저온측 입구온도는 5∼10℃ 조건에서 실험하였다.
- )과 유동길이(L)에 대한 정의는 연구자에 따라 조금씩 다른 경우가 존재한다. 본 연구에서는 열전달 분야에서 가장 많이 활용되는 참고문헌 중 하나인 VDI Heat Atlas(5)에서 제시한 정의에 따라 수력직경을 계산하고 유동길이를 적용하여 무차원 변수를 계산하였다.
- 11은 전형적인 Re수에 대한 승수 형태를 갖는 함수를 보여주고 있으며 Re수의 구간을 나누지 않아도 비교적 정확한 예측이 가능한 상관식을 유도할 수 있음을 알 수 있다. 하지만 Fig. 8에서 보여 주는 것과 같이 Re수 500 이상에서 활발한 난류유동이 발생한다는 것을 알 수 있었으며 이를 Nu수 상관식 유도에 적용하였다. 실제 구간을 나누지 않고 유도된 상관식이 갖는 편차의 절대값 평균은 3.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 용접형 판형 열교환기는 4개이며, 내부의 형상은 동일하였고 판의 수가 각각 10, 20, 30, 40장으로 차이가 있었다. 열교환기의 형상에 관한 정보는 Table 1에 요약 정리되었으며 판에 대한 간략화된 도면이 주요 치수와 함께 Fig.
이론/모형
- 압력강하는 정밀 차압계로 측정되며 이를 표현하는 무차원 변수로 Fanning 마찰계수(fF)를 사용하였다. 마찰계수에 대한 정의는 아래의 식(8)과 같다.
성능/효과
- 또한 실험 결과를 기존 가스켓 판형 열교환기를 위한 상관식과 비교하였고, Re수에 따른 마찰계수 변화를 바탕으로 판 사이 내부에서 난류 발생이 시작되는 Re수를 유추하였다. 이를 바탕으로 Re 수 영역에 따른 Nu수 예측을 위한 상관식을 도출하였고, 개발된 상관식은 측정값을 비교적 정확히 예측할수 있음을 보였다.
- 상대적으로 큰 측정불확도는 두 유체의 온도차가 작은 조건에서 작동하는 판형 열교환기의 특성에 기인한 것이다. 마찰계수에 대한 측정불확도는 차압계의 정밀도에 영향을 받으며 본 연구에서는 9.86%였다.
- 4에 제시되었다. 고온측과 저온측의 용량차이가 모두 5% 이내로 반복적으로 측정되어 이를 통해 용량의 측정이 적절히 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
- 대부분의 상관식은 측정값과 비교하여 상당히 낮은 압력강하를 예측하고 있으며 가장 근사한 결과를 제공하는 Wanniarachchi et al.(6) 식이 갖는 편차의 절대값 평균(Absolute Average Deviation：AAD)이 46.9%였다. 이는 동일한 형상을 갖는 용접형 판형 열교환기의 단상 유동 압력강하가 가스켓형의 거의 2배에 가까운 값을 갖는다는 것을 보여주며, 기존 가스켓형에 대한 압력 강하 상관식이 용접형의 압력강하를 예측하는데 적절하기 않다는 것을 알 수 있다.
- 8과 같은 그래프에서 오른쪽 위에서 왼쪽 아래로 연속적으로 감소하는 형태로 나타난다. 하지만 실험을 통한 결과에서는 마찰계수가 Re수 500까지는 조금씩 증가하다가 Re수 500 이후에는 점차 감소하는 경향을 보여주고 있다. 이는 유동이 천이영역에서 난류로 발달하는 과정에서 나타나는 전형적인 경향으로 볼 수 있으며, 이를 통해 판 사이 유로에서 난류의 발생은 Re수 500 이상인 조건에서 발생한다는 것을 유추할 수 있다.
- 용량은 질량유량의 증가에 따라 함께 증가하는 경향을 보여준다. 용량의 증가가 약간 불연속적인 모습을 보이는 이유는 실험에서 고온측과 저온측의 입구온도가 조건마다 약간씩 차이를 보이는 것에 기인하며, 실제 열전달에 관련된 Nu수의 불연속적인 변화는 없는 것으로 분석되었다. Fig.
- 8에서 보여 주는 것과 같이 Re수 500 이상에서 활발한 난류유동이 발생한다는 것을 알 수 있었으며 이를 Nu수 상관식 유도에 적용하였다. 실제 구간을 나누지 않고 유도된 상관식이 갖는 편차의 절대값 평균은 3.57%인데 반해 Re수 구간을 나누고 유도한 상관식에서는 2.62%로 상관 식의 정확도가 약간 향상될 수 있었다. Re수 구간에 따른 Nu수 예측을 위한 상관식은 식(10)에 제시되었다.
- 상관식은 측정된 Nu수와 비교하여 오차 ±3% 이내로 66.2%, ±5% 이내로 87.7%, 그리고±10% 이내로 98.5%의 실험결과를 예측하였다.
- 3%였다. 이를 통해 개발된 상관식이 용접형 판형 열교환기의 Nu수를 비교적 정확히 예측함을 알 수 있었다.
- (1) Re수가 400 이상인 경우 동일 Re수에 대하여 판의 장수는 압력강하에 영향을 미치지 않았고 이를 통해 분배부에서 각 판 사이 유로로의 유동분배 영향이 본 연구에서는 크지 않았음을 알 수 있었다.
- (2) 마찰계수와 Re수 변화 경향을 분석한 결과 Re수가 500 이상인 조건에서 유동의 난류가 활발하게 일어남을 확인하였다.
- (3) Nu수를 예측할 수 있는 상관식이 유도되었으며, 상관식은 Re수 500 이상과 이하의 영역으로 구분하여 제시되었다. 상관식은 실험결과를 비교적 정확히 예측하였다.
- (4) 기존상관식과 비교하여 볼 때, 용접형 판형 열교환기는 가스켓형에 비해 열전달 계수는 약 15% 정도 높았으나, 압력강하는 약 2배 정도 높다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 용접형 판형 열교환기의 적용은 용도에 맞도록 선택되어야 함을 알 수 있었다.
- (4) 기존상관식과 비교하여 볼 때, 용접형 판형 열교환기는 가스켓형에 비해 열전달 계수는 약 15% 정도 높았으나, 압력강하는 약 2배 정도 높다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 용접형 판형 열교환기의 적용은 용도에 맞도록 선택되어야 함을 알 수 있었다.
후속연구
- 하지만 Re수가 350 이하인 경우 미소하게 판의 수에 따른 압력강하의 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 저유량 조건에 따른 각 판 사이 유로로의 불균일 분배나 분배부 자체 압력강하의 영향이 반영된 결과로 보여지며 이에 대한 연구는 추가로 필요할 것으로 판단된다.
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