헬리컬 코일이 덕트 내부에 있을 때, 기울기에 따른 자연대류열전달을 실험적으로 측정하였다. 고부력 조건을 구현하기 위하여 유사성에 기초하여 열전달 실험을 대신하여 물질전달 실험을 수행하였다. RaD 수 $4.55{\times}10^6$에서, 턴(Turn) 수를 1~10, P/D를 1.3~5, 헬리컬 코일의 기울기를 $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$까지 변화시켰다. 헬리컬 코일의 턴 수가 1일 때, 측정된 $Nu_D$ 수는 McAdams의 수평관 자연대류 열전달 상관식과 거의 일치하였다. 기울어진 덕트 내 헬리컬 코일의 자연대류 열전달은 피치, 턴 수, 덕트 높이에 따라 복합적으로 변화하였고 이는 속도 효과, 굴뚝 효과, 예열 효과로 분석되었다. 본 연구의 결과는 Compact heat exchanger에서의 자연대류 열전달에 대한 현상학적 분석에 기여한다.
헬리컬 코일이 덕트 내부에 있을 때, 기울기에 따른 자연대류 열전달을 실험적으로 측정하였다. 고부력 조건을 구현하기 위하여 유사성에 기초하여 열전달 실험을 대신하여 물질전달 실험을 수행하였다. RaD 수 $4.55{\times}10^6$에서, 턴(Turn) 수를 1~10, P/D를 1.3~5, 헬리컬 코일의 기울기를 $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$까지 변화시켰다. 헬리컬 코일의 턴 수가 1일 때, 측정된 $Nu_D$ 수는 McAdams의 수평관 자연대류 열전달 상관식과 거의 일치하였다. 기울어진 덕트 내 헬리컬 코일의 자연대류 열전달은 피치, 턴 수, 덕트 높이에 따라 복합적으로 변화하였고 이는 속도 효과, 굴뚝 효과, 예열 효과로 분석되었다. 본 연구의 결과는 Compact heat exchanger에서의 자연대류 열전달에 대한 현상학적 분석에 기여한다.
The natural convection heat transfers of a helical coil in a duct were measured experimentally varying the inclination. To achieve high Rayleigh number, mass transfer experiments instead of heat transfer experiments were performed based upon the analogy. The $Ra_D$ was fixed to $4.55...
The natural convection heat transfers of a helical coil in a duct were measured experimentally varying the inclination. To achieve high Rayleigh number, mass transfer experiments instead of heat transfer experiments were performed based upon the analogy. The $Ra_D$ was fixed to $4.55{\times}10^6$. The turn numbers were 1~10. the pitch to diameter ratio were 1.3~5, and the inclination of the helical coil $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$. The measured $Nu_D$ for a single turn of the helical coil was very close to that from McAdams heat transfer correlation for a horizontal cylinder. The heat transfers of the helical coil were varied by the pith, number of turns, and duct height in a complex manner showing the velocity, chimney, and pre-heating effects. The results of the study contributes to the phenomenological analyses of the natural convection heat transfer of a compact heat exchanger.
The natural convection heat transfers of a helical coil in a duct were measured experimentally varying the inclination. To achieve high Rayleigh number, mass transfer experiments instead of heat transfer experiments were performed based upon the analogy. The $Ra_D$ was fixed to $4.55{\times}10^6$. The turn numbers were 1~10. the pitch to diameter ratio were 1.3~5, and the inclination of the helical coil $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$. The measured $Nu_D$ for a single turn of the helical coil was very close to that from McAdams heat transfer correlation for a horizontal cylinder. The heat transfers of the helical coil were varied by the pith, number of turns, and duct height in a complex manner showing the velocity, chimney, and pre-heating effects. The results of the study contributes to the phenomenological analyses of the natural convection heat transfer of a compact heat exchanger.
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문제 정의
본 연구에서 기울어진 덕트 내 헬리컬 코일에서의 자연대류 열전달 현상을 실험적으로 연구하였다. 유사성의 원리를 이용하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 대체하였고, 전기도금계의 한계전류 기법을 채택하였다.
본 연구에서는 굴뚝 내부에 있는 헬리컬 코일의 자연대류 열전달을 실험적으로 연구하였다. 열전달과 물질전달의 유사성(Analogy)개념을 이용하여 열전달 실험대신에 물질전달 실험을 수행하였다.
제안 방법
본 실험방법의 타당성을 검증하기 위해 턴 수가 1인 헬리컬 코일의 자연대류 열전달은 수평관의 자연대류 열전달 상관식인 McAdams 상관식과 비교하였다(17). 비교결과 NuD 수의 오차는 약 1%로 나타나서 실험론이 신뢰할 만 하다고 판단하였다.
2-4. 상사성(Analogy)을 이용한 열/물질전달 실험방법.
실험은 RaD 수 4.55 × 106에서, P/D를 1.3~5, 헬리컬 코일의 기울기를 0°~90°, 턴 수를 1~10 까지 변화시키며 수행하였다.
본 연구에서는 굴뚝 내부에 있는 헬리컬 코일의 자연대류 열전달을 실험적으로 연구하였다. 열전달과 물질전달의 유사성(Analogy)개념을 이용하여 열전달 실험대신에 물질전달 실험을 수행하였다. 물질전달계로는 황산-황산구리 수용액(H2SO4-CuSO4)의 전기도 금계를 채택하였다.
본 연구에서 기울어진 덕트 내 헬리컬 코일에서의 자연대류 열전달 현상을 실험적으로 연구하였다. 유사성의 원리를 이용하여 열전달 실험을 물질전달 실험으로 대체하였고, 전기도금계의 한계전류 기법을 채택하였다. 실험은 RaD 수 4.
대상 데이터
본 연구에서는 황산-황산구리 수용액의 전기도금계를 물질전달계로 이용하였다. 전기도금계의 한계전류를 이용한 물질전달 연구는 Levich(11)에 의해 시도 되었고, Selman and Tobias(12)에 의해 여러 조건에서 개발된 물질전달 상관식을 체계적으로 정립되어 현재 까지 물질전달에 널리 이용된다.
35m3 크기의 윗면이 개방된 직육면체의 아크릴 수조 속에 황산-황산구리 수용액이 담겨 있고, 덕트를 포함한 헬리컬 코일 그리고 양극이 잠겨 있다. 음극은 구리 헬리컬 코일이 사용되었고 양극은 헬리컬 코일의 내외부에 구리이온을 보충해주기 위해 구리봉이 사용되었다. 양극은 음극의 중앙에 위치 시켰다.
전원공급에는 VüPower사의 DC Power supply-K1810이 사용되었고, 전압과 전류측정에는 METEX사의 DIGITAL MULTIMETER MXP-4660A가 사용되었다.
이론/모형
전기도금계의 한계전류를 이용한 물질전달 연구는 Levich(11)에 의해 시도 되었고, Selman and Tobias(12)에 의해 여러 조건에서 개발된 물질전달 상관식을 체계적으로 정립되어 현재 까지 물질전달에 널리 이용된다. 본 연구에서는 무차원수가 계산되는데 필요한 물성치를 알기 위해 Fenech and Tobias(13)가 제시한 관계식(1)~(8)을 사용하여 계산하였다. 이와 같은 물성치는 22°C 5% 이내의 오차로 잘 맞는다고 알려져 있다.
성능/효과
6 일 때, P/D가 5일 때와 거의 유사한 경향을 나타내었으나, 굴뚝 효과의 감소로 열전달률은 전체적으로 감소하였다. P/D 가 1.3일 때 수직 헬리컬 코일에서는 예열 효과가 지배적이었고 Pr수에 따른 경계층 조건에 의해 기울어짐에 따라 열경계 층을 벗어나 속도 경계층에 영향을 받으며 열전달률이 첨두값을 나타냈다.
P/D가 5일 때, 속도 효과와 굴뚝 효과에 의해 턴 수가 증가함에 따라 열전달률도 증가하였고 기울어짐에 따라 열전달률은 감소하였다. P/D가 2.6 일 때, P/D가 5일 때와 거의 유사한 경향을 나타내었으나, 굴뚝 효과의 감소로 열전달률은 전체적으로 감소하였다. P/D 가 1.
P/D가 5일 때, 속도 효과와 굴뚝 효과에 의해 턴 수가 증가함에 따라 열전달률도 증가하였고 기울어짐에 따라 열전달률은 감소하였다. P/D가 2.
Heo 등(18)에 따르면 헬리컬 코일이 수직일 때, 속도 효과는 P/D=5일 경우 보다 P/D가 3일 때 더 강하게 발생하였다. 그러나 본 실험에서 헬리컬 코일의 P/D가 2.6일 때 P/D가 5일 때 보다 전체적으로 턴 수에 따른 NuD 수의 증가폭은 감소하였다. 이는 P/D가 2.
기울어진 덕트 내 헬리컬 코일의 자연대류 열전달은 속도 효과, 굴뚝 효과, 예열 효과의 복합적인 영향을 받았다.
첫째, 덕트에 의해 상승하는 플룸이 퍼지는 현상이 약화되어 속도 효과가 발생하였기 때문이라 판단된다. 둘째, 턴 수가 증가한 만큼 덕트 길이가 증가하여, 덕트에 의한 굴뚝 효과가 강화되었다고 판단된다.
수를 나타내었다. 모든 턴 수에서 헬리컬 코일이 수직에서 수평으로 기울어질수록 NuD 수는 감소하였다. 이러한 이유는 헬리컬 코일이 수직일때 튜브는 수평관의 열전달률과 유사하고, 헬리컬 코일이 기울어질 때의 열전달률은 기울어진 관의 열전달률과 유사할 것이기 때문이다.
본 연구를 통해 기울어진 헬리컬 코일 내 자연대류에 대한 피치와 턴에 따른 열전달 영향을 현상론적관점으로 확인할 수 있었다.
비교결과 NuD 수의 오차는 약 1%로 나타나서 실험론이 신뢰할 만 하다고 판단하였다.
6에 가까워지면서 속도 효과는 강해지는 반면, P/D의 감소로 덕트의 길이가 짧아져 굴뚝 효과는 감소했기 때문이라 판단된다. 즉, 덕트 안의 헬리컬 코일에서는 속도 효과보다 굴뚝 효과가 더 크게 작용함을 확인하였다.
그러나 본 실험에서 P/D가 5일 때 턴 수가 증가함에 따라 NuD 수가 증가한 이유는 다음과 같다. 첫째, 덕트에 의해 상승하는 플룸이 퍼지는 현상이 약화되어 속도 효과가 발생하였기 때문이라 판단된다. 둘째, 턴 수가 증가한 만큼 덕트 길이가 증가하여, 덕트에 의한 굴뚝 효과가 강화되었다고 판단된다.
턴 수에 따른 NuD 수의 증가폭은 헬리컬 코일이 수평으로 기울어질수록 점점 감소하였고, 헬리컬 코일이 수평일 때 턴 수에 따른 영향이 거의 없었다. 이는 헬리컬 코일이 수평(θ=0°)일 경우, 코일들이 수평방향에 배열되어 수직으로 상승하는 플룸이 다른 코일에 영향을 주지 않기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
헬리컬 코일을 채택한 열교환기의 장점은?
헬리컬(Helical) 튜브형 열교환기는 선박과 같이 공간적 제약이 있는 컴팩트 시스템(Compact system)에서 흔히 채택된다. 헬리컬 코일(Helical coil)을 채택한 열교환기는 Straight tube 열교환기에 비해 열전달 면적이 크므로 공간대비 효율적이다. 이러한 컴팩트 열교환기가 선박에 적용되면 운행 조건에 따라 기울기가 달라진다.
굴뚝효과란?
굴뚝효과란 가열부에서 데워진 유체가 굴뚝 내부에서 부력을 받아 상승하면서 지속적으로 가속되어 속도가 증가하며 질량유량률이 증가되는 현상이다. 굴뚝 하단에 위치한 가열부는 플룸을 발생시킨다.
헬리컬 코일 열교환기에 관한 연구는 대부분 무엇에 관한 것인가?
헬리컬 코일 열교환기(Helical coil heat exchanger)에 관한 연구는 많은 학자들에 의해 수행되었으나, 굴뚝 내의 기울어진 헬리컬 코일에서 발생하는 자연 대류 열전달에 대한 현상학적 연구는 매우 제한적이다(1~3). 또한 수행된 연구의 대부분은 강제대류 또는 헬리컬 코일의 튜브(Tube) 내부 열전달에 관한 것이다(4~6).
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