[논문]슬림형 루버 핀이 장착된 알루미늄 열교환기의 공기측 전열 성능에 대한 실험적 연구

김내현; 조홍기

doi:10.3795/ksme-b.2017.41.9.587

슬림형 루버 핀이 장착된 알루미늄 열교환기의 공기측 전열 성능에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Airside Performance of Aluminum Heat Exchangers Having Slim Louver Fins 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.9 = no.384, 2017년, pp.587 - 595

초록
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최근 들어 공조기가 슬림화 되고 따라서 열교환기의 깊이를 줄일 필요가 있다. 본 연구에서는 슬림형 알루미늄 열교환기에 적절한 루버 핀 형상을 도출하였다. 또한 도출된 루버 핀이 적용된 알루미늄 열교환기 시료를 제작하고 성능 시험을 수행하였다. 비교를 위하여 기존 열교환기에 대해서도 실험을 수행하였다. 도출된 형상의 핀 깊이($F_d$)는 10.0 mm, 루버 핏치($L_p$)는 0.9 mm, 루버 각(${\theta}$)은 $35^{\circ}$이다. 기존 시료에 비하여 신규 슬림 시료의 j 인자는 36%, f 인자는 2.3% 크게 나타났다. 따라서 열교환기 체적은 슬림 시료에서 26% 줄어들게 된다. 또한 동일 소비 동력에서의 전열량을 의미하는 $j/f^{1/3}$은 슬림 시료에서 55% 크다. 실험 데이터를 기존 상관식의 예측치와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent trends in slim air conditioners require heat exchangers of reduced flow depth. In this study, slim louver fin geometry was obtained using predictive correlations. The deduced geometry yielded 10 mm flow depth, 0.9 mm louver pitch, and $35^{\circ}$ louver angle. Samples were made and tests were conducted. The new slim sample yielded 36% higher j factor and 2.3% higher f factor compared with those of the standard sample. This implies that 26% reduction of heat exchanger volume was possible by reducing the flow depth. In addition, the $j/f^{1/3}$ of the slim sample was 55% larger than that of the standard sample. Furthermore, the results are compared with predictions made using existing correlations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

평판관의 경우 수력 직경이 작기 때문에 난류를 만들기 위해서는 매우 빠른 유속이 필요하게 된다. 본 연구에서는 pass당 4개의 평판관으로 회로를 구성함으로써 제한된 압력손실 하에서 난류유동을 구현하고자 하였다.
일반적으로 루버 핏치와 루버 각이 증가할수록, 핀 핏치와 핀 깊이가 감소할수록 열전달계수는 증가한다. 본 연구에서는 슬림형 알루미늄 열교환기에 적절한 루버 핀 형상을 도출하였다. 또한 도출된 루버 핀이 적용된 알루미늄 열교환기 시료를 제작하고 성능 시험을 수행하였다.

제안 방법

(1) 기존 상관식을 이용하여 슬림 루버 핀 형상을 도출하였다. 도출된 형상의 핀 깊이(F_d)는 10.
공기와 고온수의 온도는 정밀도 ±0.1°인 RTD(Pt100Ω 센서)로 측정하였고 고온수 유량은 정밀도 ±0.00015 kg/s인 Colioris 형식의 질량유량계로 측정하였다.
두 시료의 j와 f 인자를 기존 상관식들의 예측치와 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 슬림형 알루미늄 열교환기에 적절한 루버 핀 형상을 도출하였다. 또한 도출된 루버 핀이 적용된 알루미늄 열교환기 시료를 제작하고 성능 시험을 수행하였다. 비교를 위하여 기존 열교환기에 대해서도 실험을 수행하였다.
또한 도출된 루버 핀이 적용된 알루미늄 열교환기 시료를 제작하고 성능 시험을 수행하였다. 비교를 위하여 기존 열교환기에 대해서도 실험을 수행하였다. 기존 열교환기의 깊이는 16 mm이다.
76 mm이다. 수력 직경은 평판관의 유동 면적과 접수 길이로 부터 구하였다.
슬림형 루버 핀 형상을 도출하기 위하여 여러인자의 영향을 상관식을 이용하여 검토하였다. 표준이 되는 루버 핀 형상으로는 S사의 사양을 채택하였는데 루버 핏치(L_p)는 1.

대상 데이터

6에 실험에 사용된 시료의 개략도가 나타나있다. 높이는 254 mm, 폭은 400 mm로 24단이고 관내측은 pass당 4개의 평판관으로 회로를 구성하였다. 공기 측의 전열성능을 정밀하게 측정하기 위해서는 관내측 열저항을 최소화 하여야 하고 이를 위해서는 관내측 흐름을 난류로 만들 필요가있다.
1에 각 인자를 도시하였다. 슬림형 루버핀의 전열 성능 향상을 위하여 검토된 인자는 루버 핏치, 루버 각, 핀 깊이이다. 핀 핏치, 튜브 핏치, 루버 길이, 핀 두께는 제조 한계 및 생산 효율성을 고려하여 동일하게 유지하였다.
표준이 되는 루버 핀 형상으로는 S사의 사양을 채택하였는데 루버 핏치(Lp)는 1.05 mm, 루버 각(θ )은 25°, 핀 핏치(Fp)는 1.4 mm, 핀 길이(H)는 8.03 mm,핀 깊이(Fd)는 16.0 mm, 루버 길이(Ll)는 6.3 mm, 튜브 핏치(Tp)는 9.83 mm, 핀 두께(Ft)는 0.09 mm이다.

데이터처리

시료의 전열량은 관내 측과 공기 측의 평균값을 사용하였다.

이론/모형

실험장치와 항온 항습실의 모든 데이터는 자료획득장치를 거쳐 컴퓨터에 저장되었다. ASHRAE Standard 41.5⁽²⁸⁾에 따라 실험의 불확실도를 해석하였고 그 결과가 Table 1에 나타나 있다. 마찰계수의 주된 불확실도 요인에는 차압계의 불확실도(±10%)가, 열전달계수불확실도의 주된 요인에는 관내측 열전달계수의 불확실도(±10%)가 기여하였다.
시료는 실험장치의 입구에 장착되고 시료후방에는 혼합체(mixer)가 설치되어 출구 공기를 혼합한다. 공기측 입구와 출구의 온도와 습도는 ASHRAE Standard 41.1⁽²⁶⁾에 따라 샘플링 유닛으로 측정하였다. 고온수측 입구 유량과 온도는 항온항습실 외부에 설치된 항온조로부터 조절된다.
관내측 열전달계수는 Gnielinski⁽³⁰⁾ 식으로부터구하였다.
시료의 공기측 압력손실은 정밀도 ±1.0 Pa인 차압계로 측정하였고 공기측 유량은 ASHRAEStandard 41.2(27)에 따라 노즐 차압으로 측정하였다.
5에 기존 루버 핀과 신규 슬림 루버 핀의 j와 f 인자를 나타내었다. 예측에는 Chang andWang,⁽²¹⁾ Chang 등⁽²²⁾의 상관식이 이용되었다. 신규루버 핀은 핀 깊이가 기존의 16 mm에서 10 mm,루버 핏치가 1.

성능/효과

(2) 기존 시료에 비하여 신규 슬림 시료의 j 인자는 36%, f 인자는 2.3% 크게 나타났다. 따라서 열교환기 체적은 슬림 시료에서 26% 줄어들게 된다.
(3) 동일 소비 동력에서의 전열량을 의미하는 j/f^1/3은 슬림 시료에서 55% 크다.
(4) 본 시료들의 j 인자는 Chang and Wang, Kimand Bullard 상관식이, f 인자는 Chang 등 상관식이 적절히 예측하였다.
마찰계수의 주된 불확실도 요인에는 차압계의 불확실도(±10%)가, 열전달계수불확실도의 주된 요인에는 관내측 열전달계수의 불확실도(±10%)가 기여하였다.
실험 시 고온수의 온도는 50°C, 풍동 입구 공기의 온도는 21°C로 유지되었다.
실험 중 고온수의 입구 온도는 50°C로 유지되었고 항온 항습실의 온/습도는 21°, 60%RH로 유지되었다.
마찰계수의 주된 불확실도 요인에는 차압계의 불확실도(±10%)가, 열전달계수불확실도의 주된 요인에는 관내측 열전달계수의 불확실도(±10%)가 기여하였다. 실험의 불확실도는 Reynolds수가 증가할수록 감소하였다.
Fig 9에는 압력 손실을 나타내었다. 압력 손실은 기존시료에서 평균 68% 크게 나타났다.
8은 풍속이 증가할수록 전열량이 증가함을 보여준다. 평균전열량은 기존 시료에서 14% 크게 나타났다. 이는 기존 시료의 전열면적이 슬림 시료보다 60% 크기 때문이다.

후속연구

하지만 핀-관 열교환기는 핀과 관사이에 접촉저항이 존재하고 관 후방에서 전열 성능이 감소하는 등 고효율화, 소형화에는 한계가 있다. 이러한 한계는 납작한 평판관을 사용하고 핀과 관을 브레이징한 알루미늄 열교환기를 사용하면 개선될수 있다. Webb and Jung⁽¹⁾은 알루미늄 열교환기를 사용하여 기존 핀-관 열교환기의 절반의 체적으로 동일 성능을 낼 수 있음을 보고하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핀-관 열교환기은 어떻게 사용되는가?	핀-관 열교환기는 가정용 공조기의 응축기나 증발기로 널리 사용되고 있다. 냉매와 공기의 열교환의 경우 대부분의 열저항은 공기 측에 있고 이를 줄이기 위하여 고성능 핀, 소구경관 등이 사용된다.
	본문에서 언급된 핀-관 열교환기는 어떻게 보완될 수 있는가?	하지만 핀-관 열교환기는 핀과 관사이에 접촉저항이 존재하고 관 후방에서 전열 성능이 감소하는 등 고효율화, 소형화에는 한계가 있다. 이러한 한계는 납작한 평판관을 사용하고 핀과 관을 브레이징한 알루미늄 열교환기를 사용하면 개선될수 있다. Webb and Jung(1)은 알루미늄 열교환기를 사용하여 기존 핀-관 열교환기의 절반의 체적으로 동일 성능을 낼 수 있음을 보고하였다.
	핀-관 열교환기의 한계는?	냉매와 공기의 열교환의 경우 대부분의 열저항은 공기 측에 있고 이를 줄이기 위하여 고성능 핀, 소구경관 등이 사용된다. 하지만 핀-관 열교환기는 핀과 관사이에 접촉저항이 존재하고 관 후방에서 전열 성능이 감소하는 등 고효율화, 소형화에는 한계가 있다. 이러한 한계는 납작한 평판관을 사용하고 핀과 관을 브레이징한 알루미늄 열교환기를 사용하면 개선될수 있다.

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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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