[논문]핀-튜브 열교환 구조를 갖는 복합집열기에서 핀 높이 및 간격에 따른 공기열 이용 액체 가열 성능에 관한 수치해석 연구

최휘웅; 파쿠르 로커만; 류남진; 윤정인; 손창효; 최광환

doi:10.7836/kses.2016.36.3.053

핀-튜브 열교환 구조를 갖는 복합집열기에서 핀 높이 및 간격에 따른 공기열 이용 액체 가열 성능에 관한 수치해석 연구
Numerical Analysis on Heat Gain of Liquid from Ambient Air with Various Fin Heights and Pitches of Fin-and-Tube Heat Exchanger in Hybrid Solar Collector 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.36 no.3, 2016년, pp.53 - 61

최휘웅 (부경대학교 냉동공조공학과 대학원) , 파쿠르 로커만 (부경대학교 냉동공조공학과 대학원) , 류남진 ((주)탑솔) , 윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과) , 손창효 (부경대학교 냉동공조공학과) , 최광환 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Solar assisted heat pump system uses solar thermal energy as a heat source of evaporator of heat pump. So, COP can be enhanced as well as collector efficiency. For improving performance of this system, some research about hybrid solar collector that has fin-and-tube heat exchanger has been conducted. This collector can get a thermal energy from ambient air for liquid heating, so heated liquid can be used as a heat source of evaporator in heat pump even the solar radiation is not enough. In this study, numerical analysis was conducted for confirming heat gain of liquid according to fin height and pitch of fin-and-tube heat exchanger in collector. As a result, higher heat gain was obtained on lower fin height and narrow fin pitch, but the pressure drop also increased with increment of heat gain. Thus the JF factor considering both heat transfer enhancement and pressure drop was investigated and the maximum value was shown when the fin height and pitch were 40mm and 45mm. So it is considered that this installation condition has a highest heat transfer improvement when comparing with pressure drop. However heat gain of liquid at this condition was less than the other installation conditions of fin pitch on same height. Then, after establishing a proper minimum heat gain of liquid, actual production and experiment of collector will be conducted with fin height and pitch showing maximum JF factor and satisfying selected minimum heat gain of liquid on the basis of results of this study.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이에 본 연구에서는 이러한 공기-물 열교환 구조를 가지는 복합집열기 개발의 초기 설계 단계로써 전산해석에 근거해 핀-튜브 열교환부에서 핀 설치 높이 및 간격에 따른 공기열 이용 액체 가열 성능을 확인하고자 하였다. 또한 이를 통해 핀 설치 높이 및 간격에 따른 열교환 성능 및 압력강하 증감 경향을 평가하여 추후 실제 집열기 제작을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
이에 본 연구에서는 이러한 공기-물 열교환 구조를 가지는 복합집열기 개발의 초기 설계 단계로써 전산해석에 근거해 핀-튜브 열교환부에서 핀 설치 높이 및 간격에 따른 공기열 이용 액체 가열 성능을 확인하고자 하였다. 또한 이를 통해 핀 설치 높이 및 간격에 따른 열교환 성능 및 압력강하 증감 경향을 평가하여 추후 실제 집열기 제작을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 핀-튜브 열교환 구조를 가지는 복합집열기에서 핀 높이 및 간격에 따른 공기열 이용 액체 가열 성능을 수치해석적 방법을 이용해 평가해보았으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

데이터처리

본 연구에서는 고안된 집열기에서의 핀 설치 높이 및 간격에 따른 열교환 성능 및 압력 강하 정도를 비교 분석하기 위해 colburn j factor 및 friction factor를 이용하였으며 이때 각 인자는 다음과 같다^8),10).

이론/모형

배관 측 대류열전달계수의 경우 액체 측 Reynolds 수가 9,500정도임을 감안하여 아래와같이 낮은 Re수에서 정확도가 높은 Gnielinski 관계식을 이용하여 산출하였다⁹⁾.

성능/효과

(1) 액체 측 열획득량의 경우 해석이 수행된 조건에서 최소 332W, 최대 1084W정도의 열 획득량을 보여 공기열 이용 액체 가열이 충분히 가능할 것으로 판단되었으며 핀 높이가 낮을수록, 핀 간격이 좁을수록 그 값이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 압력강하의 경우 핀 높이가 낮을수록, 핀 설치 간격이 좁을수록 증가하여 열획득량과 유사한 경향을 나타냄을 알 수 있었고, 이를 통해 핀 설치로 인한 공기로부터 액체 측으로의 열전달량 향상에 압력 강하 증가가 같이 수반됨을 확인할 수 있었다.
(3) 이러한 열전달 향상 및 압력강하 증가를 같이 고려하기 위해 JF 인자를 확인해 본 결과 핀 설치 높이가 낮을수록, 설치 간격이 넓을수록 그 값이 커지는 경향을 확인하였으며 높이 40mm, 간격 45mm에서 가장 큰 값을 보여 조사된 조건 중 해당 조건에서 핀 설치로 인한 압력강하 증가 대비 열전달 성능 향상이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.

후속연구

(4) 다만 액체 측 열획득량 자체는 핀 설치 간격이 조밀할수록 증가하는 모습을 보여, 추후 적절 최소 열획득량 선정 후 이를 만족하는 조건에서 최대 JF값을 보이는 설치 조건에 대해 실제 제작 및 실험 수행이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기-물 열교환 구조를 가지는 집열기가 개발 될 때 어떤 이점을 기대할 수 있는가?	하지만 이러한 집열기 모두 태양열만 이용하므로 흐린날 혹은 야간에 사용이 어려우며 여름철 과열문제를 갖게된다. 따라서 이러한 부분의 개선으로 공기-물 열교환 구조를 가지는 집열기가 개발 될 시, 일사가 충분한 조건에서는 기존 시스템과 마찬가지로 태양열을 이용해 순환 액체 가열 후 히트펌프 증발부에 열을 공급함으로써 태양열 이용율 향상 및 높은 COP에서의 히트펌프 작동이 가능하고, 일사가 부족한 경우 히트펌프 증발 온도 제어 및 외부 공기열 이용 집열기 순환 액체 가열을 통해 흐린날 및 야간에도 시스템 운전을 수행할 수 있게 되며, 여름철 집열기 과열 방지를 통한 장기수명화 등의 이점을 가질 수 있을 것으로 기대된다.
	대상 집열기는 어떤 구조를 갖는가?	대상 집열기는 흐린날 혹은 야간에도 공기열 이용 액체 가열이 가능하도록 기존 평판형 집 열기와 달리 흡수판 하부에 공기-물 열교환 구조를 갖도록 하였다. 열교환부는 구리 배관과 알루미늄 핀으로 구성된 플레이트 핀-튜브 타입 열교환기로 되어있다.
	태양열에너지를 종래 히트펌프 증발부 열원으로 사용할 때 장점은 무엇인가?	이 중 태양열의 경우 해당 에너지원 이용 효율 증진을 위한 노력의 일환으로 태양열에너지를 종래 히트펌프 증발부 열원으로 사용하고자하는 연구가 진행된바 있다. 이러한 시스템은 좀 더 낮은 온도대에서 집열을 수행함으로써 태양열 집열 효율을 높이고 히트펌프 또한 높은 COP로 작동될 수 있는 장점이 있다. 국내의 경우 관련 연구로는 Baek et al.

참고문헌 (11)

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Y. C. Park, J. Y. Kim, G.S. Ko, A Study of Performance Characteristics on Hybrid Heat Pump System with Solar Energy as Heat Source, Journal of The Korean Solar Energy Society, Vol. 27, No. 1, pp. 47-54, 2007.
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Y.H. Kuang and R.Z. Wang, Performance of a multi-functional direct-expansion solar assisted heat pump system, Solar Energy, Vol. 80, Issue. 7, pp. 795-803, 2006.

상세보기
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J.Y. Yun and K.S. Lee, Influence of design parameters on the heat transfer and flow friction characteristics of the heat exchanger with slit fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 43, Issue 14, pp. 2529-2539, 2000

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T.H. Kang, M.Y. Lee, Y.C. Kim and S.J. Yun, Experimental Study on the Air-Side Heat Transfer Characteristics of a Spirally-Coiled Circular Fin-Tube Heat Exchanger According to Geometric Parameters, The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, No. 5, pp. 515-522, 2010

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