[논문]직교류 핀-튜브형 열교환기에서 팬 위치변화에 따른 열전달 성능변화 연구

김원형; 박태선

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.3.271

직교류 핀-튜브형 열교환기에서 팬 위치변화에 따른 열전달 성능변화 연구
Numerical Study on Heat Transfer Performance of Crossflow Fin-tube Heat Exchanger Depending on Different Fan Positions 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.3 = no.354, 2015년, pp.271 - 278

초록
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직교류 핀-튜브 열교환기의 대류연절달에 대해 수치해석 연구가 수행되었다. 팬위치에 따른 열전달 성능변화를 조사하기 위하여 분사와 흡입형태로서 몇 가지 팬위치가 선택되었다. 열교환기의 튜브는 엇갈림 배열이며, 튜브의 온도와 유입공기의 온도는 각각 $50^{\circ}C$와 $30^{\circ}C$이다. 해석결과로부터 3차원 유동구조가 검토되었으며, 팬의 다양한 설치 위치에 따른 대류 열전달계수와 열교환기 입출구 사이의 평균 온도차에 대한 분석을 통해 열교환기 성능을 논의되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The convective heat transfer of a crossflow fin-tube heat exchanger was studied numerically. In order to investigate the dependence of the heat transfer performance on the fan position, several cases with different blowing and suction types were selected for the fan position. A staggered tube arrangement was used for the heat exchanger, and the temperatures of the tube wall and air were $50^{\circ}C$ and $30^{\circ}C$, respectively. The three-dimensional flow structures were examined based on the results. In addition, the convective heat transfer coefficient and mean temperature difference between the inlet and outlet of the heat exchanger were analyzed for the various fan positions, and the heat transfer performance was investigated

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 팬은 팬의 기하학적 특징을 유지하면서 유동 발생이 주된 목적으로 작동조건의 유량을 특성곡선으로 얻어내어 속도조건을 부여한다. 덕트내에 유동을 발생시키는 장치로서 팬을 적용하고 팬의 위치를 열교환기 전/후면으로 변화시켜가면서 유동구조의 변화와 열교환기 성능의 특성변화를 고찰하고자 한다.
그러나 이러한 조건에 대한 해석은 팬에 대한 수치해석 모델도입에 대한 어려움으로 인해 많은 연구가 진행되어 있지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 열교환기가 설치된 덕트 내에 유동을 발생시키는 팬이 있는 조건에서 열전달 특성의 변화를 수치해석으로 살펴보고자 한다. 팬에 대한 정교한 수치해석은 그 자체만으로 매우 어려운 CFD과제중의 하나이다.
본 연구에서는 열교환기가 설치된 덕트 내에 공기를 유동시키는 인자로서 팬을 포함한 수치해석을 수행하여 팬의 위치변화에 따른 열 교환기 내부의 유동구조 변화와 열교환기 성능변화 여부를 조사하였다. 수치해석결과로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
팬에 대한 정교한 수치해석은 그 자체만으로 매우 어려운 CFD과제중의 하나이다. 본 연구에서는 팬은 팬의 기하학적 특징을 유지하면서 유동 발생이 주된 목적으로 작동조건의 유량을 특성곡선으로 얻어내어 속도조건을 부여한다. 덕트내에 유동을 발생시키는 장치로서 팬을 적용하고 팬의 위치를 열교환기 전/후면으로 변화시켜가면서 유동구조의 변화와 열교환기 성능의 특성변화를 고찰하고자 한다.

제안 방법

덕트 내부에서 열교환기의 상류쪽 단면을 -0, 하류쪽 단면을 +0으로 정의하고 Xfan을 Blowing의 형태인 –10mm ~ -90mm과 Suction형태인 +10mm ~ +90mm으로 변화시켜가면서 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서 수행하고자 하는 해석에 대한 선행연구 결과가 존재하지 않기 때문에 유사조건인 Moh 등(3)의 조건에 대한 검증해석이 수행되었다.
얻어진 결과를 통해 Colburn j계수(j = St⋅Pr2/3)에 대한 상관식을 제시하였다.
15K로 설정하였고 핀의 재질은 열전도율 167W/m-K인 AL6061-T6로 선택하였다. 열교환기의 성능과 관계된 온도를 구하기 위하여 Fig. 1에 나타내었듯이 열전달이 일어난 이후의 공기에 대한 정량지표를 추출하기 위하여 열교환기의 하류쪽 단면으로부터 5mm 떨어진 위치에 단면 A를 설정하였다. 팬이 열교환기 하류쪽에 위치할 때 가장 가까운 경우가 -10mm 이므로 모든 X^fan에 대해서 동일하게 적용될 수 있는 단면이 선택되었다.
따라서 팬의 형상에 기인한 3차원 유동의 영향이 튜브 2열의 열전달까지 영향을 주고 3열 이후는 팬의 위치에 따른 열전달변화가 거의 나타나지 않음을 알 수 있다. 이러한 열전달 변화를 정량적으로 살펴보기 위하여 Fig. 12에 팬위치에 따른 열교환기 성능을 열량관점에서 비교하였다. 여기서 Q는 #으로 계산된 양이다.

대상 데이터

이런 결과로부터 현재 해석과정은 열교환기와 관련된 대류열전달 해석에 적절히 적용될 수 있는 것으로 판단된다. 위의 검증해석과 예비해석 연구로부터 Fig. 1의 계산영역에 대해 격자수는 약 1,000만개로 결정하였다.
총 12개의 X_fan에 대한 해석이 수행이 되었으며 Fig. 5에 z=20mm에 대해서 x -y plane의 온도분포를 나타내었다. 팬이 상류로부터 열교환기에 접근할수록 덕트의 중앙부분에 고온부가 나타나고 있다.
89 × 10^-5Pa·s이다. 튜브의 온도는 323.15K로 설정하였고 핀의 재질은 열전도율 167W/m-K인 AL6061-T6로 선택하였다. 열교환기의 성능과 관계된 온도를 구하기 위하여 Fig.

이론/모형

난류모형은 다양한 유동에 대해 좋은 예측결과를 얻을 수 있는 realizable k-∊모델을 선택하였다. 압력과 속도의 연계는 SIMPLE알고리즘, 대류항차분법은 2차 정확도의 상류차분법이 선택되었고 비정렬격자에 유한체적법이 적용되었다.
정상상태, 비압축성 난류유동에 대해 상용코드인 Ansys⁽⁸⁾를 이용하여 해석을 수행하였다. 관련된 지배방정식은 상용코드 설명서에서 확인이 가능하기 때문에 생략하기로 한다.

성능/효과

(1) 열교환기의 전면에 팬이 설치되는 것이 후면에 설치되는 것보다 최대 약 7.2% 정도의 성능 향상을 가지고 온다.
(2) 열교환기 전면에 팬이 설치된 경우 열교환기의 성능은 팬의 위치설정에 따른 고속 유동영역과 재순환 영역에 따라 성능변화가 일어난다.
(3) 열교환기 후면에 팬이 설치된 경우는 열교환기의 성능이 평균유속에 영향을 받게 되므로 팬의 유량증가를 통해 열교환기의 성능변화를 일으킬 수 있다.
7에 나타낸 유적선의 변화를 보면 Giordano 등⁽⁵⁾이 보여준 말굽와류형태는 아니지만 팬위치에 따른 3차원적인 유동구조를 살펴볼 수 있다. 기하학적인 특징에 의해 팬의 중앙부분과 팬과 덕트가 만나는 구석부분에서 재순환유동이 발생되고 튜브 1열과 마지막열의 유동구조에 영향을 주고 있음을 확인할 수 있다. 팬이 열교환기 전면에 설치된 경우 이러한 재순환 유동과 덕트벽면 효과로 인해 열교환기로 유입되는 공기는 3차원적인 유동구조가 발달하게 되지만 후면에 위치하는 경우 유동구조에 대한 팬의 영향이 거의 없는 덕트벽과 평행한 유동형태를 보여주고 있다.
8은 X_fan에 따른 단면A의 평균유속을 나타낸 것이다. 열 교환기를 기준으로 전면부와 후면부에서 상반되는 특징을 보여주고 있는데, 전면부에서는 팬의 위치가 열교환기에 접근 할수록 평균유속이 감소하다가 수렴하는 경향을 보여주고 있고, 후면부에서는 팬의 위치가 열교환기에서 멀어질수록 증가하다가 일정 값에서 수렴하는 경향을 보여주고 있다. 또한, 팬이 열교환기 전면부에 위치할 경우 보다 후면부에 위치할 경우 평균유속변화가 상대적으로 크게 나타나고 있다.
또한 Giordano 등⁽⁵⁾은 원봉과 환상핀이 만나는 부분 에서 존재하는 말굽와류가 열전달에 커다란 영향을 주는 것을 보여주었고, Park and Kim⁽⁶⁾과 Sung 등⁽⁷⁾은 환상핀이 부착된 원봉에서 핀간격에 따라 유동구조의 3차원적인 특성이 크게 변하고 대류 열전달계수의 변화에 커다란 영향을 줌을 보여 주었다. 이러한 결과로부터 본 연구의 핀-튜브형 열교환기도 팬에 의한 유동변화와 핀에 의한 3차원적인 유동변화가 열전달과 밀접한 관련이 있을 것으로 예상된다.
Moh 등⁽³⁾의 연구결과와 잘 일치하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이런 결과로부터 현재 해석과정은 열교환기와 관련된 대류열전달 해석에 적절히 적용될 수 있는 것으로 판단된다. 위의 검증해석과 예비해석 연구로부터 Fig.
2% 큰 열량을 보여주었다. 이상의 결과로부터 열교환기의 성능을 생각해보면 열교환기 전면 -10 mm에 팬을 설치하여 열교환기로 공기를 불어주는 것이 가장 효율적인 배치구성이라고 판단 할 수 있지만 팬의 작동조건 및 팬의 성능특성에 따라 정확한 설치위치는 변할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열밀도에 따른 냉각방식은?	냉각이 필요한 다양한 시스템에서 열전달의 형태는 열원의 열밀도(Heat Density)에 의존한다. 열밀도가 낮은 경우 열원의 형상에 의한 자연대류 냉각방식을 사용하여도 충분하지만 열밀도가 큰 경우 팬에 의한 강제대류 방식과 필요에 따라 전열면적을 증가시킨 핀의 형태나 와유동구조가 발생하도록 하는 냉각방식이 일반적이다.
	열전달의 형태는 어디에 의존하는가?	냉각이 필요한 다양한 시스템에서 열전달의 형태는 열원의 열밀도(Heat Density)에 의존한다. 열밀도가 낮은 경우 열원의 형상에 의한 자연대류 냉각방식을 사용하여도 충분하지만 열밀도가 큰 경우 팬에 의한 강제대류 방식과 필요에 따라 전열면적을 증가시킨 핀의 형태나 와유동구조가 발생하도록 하는 냉각방식이 일반적이다.

참고문헌 (8)

Zukasukas, A. and Ulinskas, R., 1988, "Heat Transfer in Banks of Tubes in Crossflow," Hemisphere, New Yok
Kwon, H. K. and Yoo, S. Y., 2005, "A Study on Local Heat Transfer Characteristics for Cross Flow Heat Exchanger," Proceeding of the KSME 2005 spring annual meeting, pp. 2200-2205.
Yoo, S. Y., Kwon, H. K., Jang, K. I. and Park, J. T., 2006, "A Study on Local Heat Transfer Characteristics for Cross Flow Heat Exchanger of In-line Arrangement," Proceeding of the KSME 2006 spring annual meeting, pp. 2023-2028.
Moh, J. H. and Lee, S. H., 2007, " Numerical Analysis for the Air-Side Convective Heat Transfer Characteristics in a Compact Heat Exchanger with Circular Tubes and Continuous Plate Fins," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 34, No. 3, pp. 291-299.
Giordano, R., Ianiro, A., Astarita, T. and Carlomagno, G. M., 2011, "Flow Field and Heat Transfer on the Base Surface of a Finite Circular Cylinder in Crossflow," Int. J. Applied Thermal Engineering, Vol. 49, pp. 1-10.
Park, T. S. and Kim, C. H., 2014, "Effects if Fin Spacing on Convective Heat Transfer for a Circular Cylinder with Annular Fins," J. Comput. Fluids Eng., Vol. 19, No. 2, pp. 1-7.
Sung, H. J., Yang, J. S. and Park, T. S., 1993, "Local Convective Mass Transfer on Circular Cylinder with Transverse Annular Fins in Crossflow," Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 39, pp. 1093-1101.
Ansys Inc. (www.ansys.com)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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