[논문]냉각공기 유속 측정에 기반한 철도차량용 공기압축기 열교환기의 열전달 특성 분석

안준; 김무선; 장성일

doi:10.6110/kjacr.2017.29.9.447

냉각공기 유속 측정에 기반한 철도차량용 공기압축기 열교환기의 열전달 특성 분석
Heat Transfer Analysis of a Heat Exchanger for an Air-Compressor of a Railway Vehicle Based on Cooling Air Flow Measurement 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.9, 2017년, pp.447 - 454

안준 (국민대학교 기계공학부) , 김무선 (한국철도기술연구원) , 장성일 (국민대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, local velocity distribution of cooling air in a heat exchanger used in an air compressor for a railway car was measured and heat transfer characteristics of the heat exchanger were analyzed. First, heat transfer coefficient and fin performance of the cooling air side were predicted and was checked if the fin of the heat exchanger was effectively used. Distribution of air flow rate at high temperature side was predicted through pipe network analysis and heat resistance at high temperature and low temperature side were predicted and compared. Spatial distribution of temperature in the interior and surface of the square channel constituting high-temperature side was predicted and appropriateness of the size of the heat exchanger was examined. As a result of the analysis, the present size of the heat exchanger could be reduced and it could be effective to promote heat transfer inside the heat exchanger rather than outside to improve performance of the heat exchanger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 철도차량용 공기압축기에 사용되는 열교환기에서 냉각공기의 국소 유속 분포를 측정하고 이를 바탕으로 열교환기의 열전달 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
⁽²⁾ 이때 성능은 단순히 속도만을 의미하는 것이 아니라 정숙성 및 차량 내의 열 쾌적성 등을 포함하며 열교환 기술은 실내 환경 구축의 핵심 기술로 부각되고 있다. 철도 차량에서 열교환기는 공조 시스템을 비롯한 다양한 구성 요소에 사용되고 있는데 본 연구에서는 공기 압축기에 사용되는 열교환기에 주목하였다. 공조 시스템에는 냉동 사이클을 구동하기 위해 냉매 압축기가 사용되고 소음, 진동 측면에서 유리한 스크롤 방식이 도입되고 있으며⁽³⁾본 연구에서 분석한 공기 압축기의 경우 무급유(oil free) 왕복동식이 사용된다.

가설 설정

Fig. 4 Temperature distributions at high pressure air side predicted by heat exchanger analysis; (a) temperature distribution of high-pressure air; (b) heat exchanger surface temperature distribution; (c) Temperature distribution of high-pressure air assuming a uniform flow.
(d) heat transfer coefficient contours predicted assuming a channel flow.⁽¹⁰⁾
415 영역에서 발생하여 열교환기가 다소 과설계되어 있음을 알 수 있다. 0.415 m인 한 변의 길이를 0.24 m로 축소하고 Fan에서 발생하는 유량이 일정하다고 가정하여 고온 공기의 온도분포를 예측하여 Fig. 7에 비교하였다. 체적을 66%나 축소하였음에도 불구하고 고온 공기의 출구온도는 목표온도인 40℃까지 냉각할 수 있을 것으로 예측되었다.

제안 방법

작동유체를 헤더에서 다수의 채널로 분배하는 구조의 열교환기의 경우 채널 별로 분배가 균일하지 않아 열교환기의 성능이 저하될 수 있다는 연구 결과가 보고되고 있다.^{(11, 12)} 작동유체 분배가 균일하지 않을 경우 분배기 등을 설치하여 분배를 개선하기도 하는 데⁽¹²⁾ 본 연구에서도 이를 검토하기 위해 작동유체 분배를 예측하였다. Fig.
⁽⁶⁾ 본 연구에서는 Fig. 1(b)에 제시한 냉각 시스템을 설계를 개선하여 경량화하기 위하여 열교환기의 냉각공기 입구에서 Fan을 통해 발생시킨 유동 분포를 측정하고 이를 바탕으로 열교환 특성을 분석하였다.
냉각 공기의 속도가 불균일하게 분포되어 변화하는 열전달 특성을 예측하기 위하여 속도분포를 바탕으로 냉각공기 측의 국소 열전달계수를 예측하였다. 냉각공기 측은 Fig.
다음으로 냉각 공기 측의 열전달 계수를 예측하고 저온부를 구성하는 Fin의 성능을 분석하여 현재 설치된 Fin이 효과적으로 활용되고 있는 지를 점검하였다. 다음으로 고온부, 열교환기, 저온부에서 발생하는 열저항을 분석하여 열전달 촉진이 요구되는 부분을 파악하였다. 마지막으로 현재 열교환기의 체적의 적정성을 검토하고 추가적인 체적 축소 가능성을 검토하였다.
열교환기의 설계 개선을 위하여 Fan에서 생성된 불균일한 유동이 열전달 특성에 미치는 영향을 분석하여 유동을 균일하게 만들었을 때의 효과를 예측하였다. 다음으로 냉각 공기 측의 열전달 계수를 예측하고 저온부를 구성하는 Fin의 성능을 분석하여 현재 설치된 Fin이 효과적으로 활용되고 있는 지를 점검하였다. 다음으로 고온부, 열교환기, 저온부에서 발생하는 열저항을 분석하여 열전달 촉진이 요구되는 부분을 파악하였다.
다음으로 고온부, 열교환기, 저온부에서 발생하는 열저항을 분석하여 열전달 촉진이 요구되는 부분을 파악하였다. 마지막으로 현재 열교환기의 체적의 적정성을 검토하고 추가적인 체적 축소 가능성을 검토하였다.
먼저 저온부에 설치된 Fin의 성능을 분석하였다. Fin의 성능은 유용도와 효율로 판단하는 데 본 연구에서 사용된 Fin은 균일한 Fig.
1(a)에서 상단에 위치하는 12기압의 압축공기를 냉각하는 쪽이다. 불균일한 속도분포의 영향을 파악하기 위해 평균속도인 8.8 m/s의 균일한 분포로 냉각공기가 공급된다고 가정하여 열교환 성능을 예측하여 현재 속도분포에서의 열교환 성능과 비교하였다. 8.
1(b)에 제시한 열교환기의 입구에서 냉각 공기의 속도분포를 측정하였다. 속도는 Pitot tube(Furness, FCO65-E225)를 이용하여 60 mm 등간격으로 가로, 세로 7지점씩 총 49지점에서 측정하였다. Pitot tube의 차압은 2 Pa의 정확도를 갖는 차압계(Testo 480)로 측정하였고 속도 측정의 최대 오차는 1.
5배까지 높게 예측하고 있다. 열교환기를 경량화하는 과정에서 보수적인 설계를 하기 위하여 열전달 계수는 채널 유동 관계식으로 예측한 값을 사용하여 분석을 수행하였다.
열교환기의 설계 개선을 위하여 Fan에서 생성된 불균일한 유동이 열전달 특성에 미치는 영향을 분석하여 유동을 균일하게 만들었을 때의 효과를 예측하였다. 다음으로 냉각 공기 측의 열전달 계수를 예측하고 저온부를 구성하는 Fin의 성능을 분석하여 현재 설치된 Fin이 효과적으로 활용되고 있는 지를 점검하였다.
열교환기의 특성 분석을 위하여 Fan을 작동시킨 상태에서 Fig. 1(b)에 제시한 열교환기의 입구에서 냉각 공기의 속도분포를 측정하였다. 속도는 Pitot tube(Furness, FCO65-E225)를 이용하여 60 mm 등간격으로 가로, 세로 7지점씩 총 49지점에서 측정하였다.
유동저항은 입, 출구 헤더 내부, 채널입구, 채널 내부, 채널 출구에서 발생하는 것으로 계산하였고 채널 내부를 제외한 유동저항은 각각의 저항계수⁽¹³⁾로부터 등가 길이(L_e,k)를 계산하여 식(7)에 반영하였다. 계산 결과 채널별 유량은 모든 채널에서 0.
034 kg/s로서⁽⁶⁾ 수력직경 기준 Reynolds 수는 약 2,700으로 계산된다. 이를 바탕으로 열전달계수를 예측하면 45.5 W/m²K이고 다음 절에서 설명할 Fin 해석을 포함하여 고온부의 온도변화를 예측하였다. 앞서 기술한 바와 같이 유동은 60 mm 간격으로 측정하였고 유동 측정점 중간 위치에 계산 격자점 설정하고 e-NTU 관계식을 적용하면 이웃한 계산 격자점 사이에는 다음 관계식이 성립한다.
반대로 고온부의 열저항이 크다면 turbulator 등⁽¹⁵⁾을 설치하여 고온부를 구성하는 사각 채널 내부의 열전달을 촉진시키는 것이 효과적이다. 이와 같은 설계 개선 방향을 설정하기 위하여 고온부와 저온부의 열저항을 계산하여 비교하였다.

이론/모형

철도 차량에서 열교환기는 공조 시스템을 비롯한 다양한 구성 요소에 사용되고 있는데 본 연구에서는 공기 압축기에 사용되는 열교환기에 주목하였다. 공조 시스템에는 냉동 사이클을 구동하기 위해 냉매 압축기가 사용되고 소음, 진동 측면에서 유리한 스크롤 방식이 도입되고 있으며⁽³⁾본 연구에서 분석한 공기 압축기의 경우 무급유(oil free) 왕복동식이 사용된다.⁽⁴⁾

성능/효과

(1) 본 연구에서 분석한 철도차량용 공기압축기에는 압축공기의 냉각을 위해 Fan을 통해 평균 8.8 m/s의 속도로 공급되고 표준편차 4.9 m/s의 불균일한 분포를 갖는다. 동일 유량의 균일 유속으로 공급되는 조건을 가정하여 분석한 결과 균일도 향상에 따른 열전달 성능 향상은 크지 않을 것으로 예측되었다.
(2) 열교환기 저온부에 설치된 Fin의 성능을 분석한 결과 Fin의 유용도와 효율 모두 높은 것으로 나타나 Fin의 형상을 개선하여 열교환기의 성능을 향상시키는 어려울 것으로 예상되었다.
(3) 고온의 압축 공기는 15개의 채널로 나누어 공급되는 데 배관망 해석결과 채널별로 매우 균일하게 분배될 것으로 예상되었고 Fin이 설치된 저온측보다는 고온측의 열저항이 큰 것으로 계산되어 고온측에 열전달 촉진 기술을 적용하는 것이 타당할 것으로 분석되었다.
(4) 본 연구에서 분석한 철도차량 공기압축기용 열교환기의 경우 성능 개선을 위해서는 냉각 공기 측의 Fin 형상 개선, 냉각 공기 유동 균일화를 위한 가이드 베인, 고온 공기 분배를 위한 분배기 등 보다는 고온측의 열전달을 촉진하는 것이 효과적일 것으로 분석되었고 체적을 축소할 수 있는 여지가 다소 있을 것으로 예측되었다.
Fin 유용도의 경우(Fig. 5(a) 참조), 모든 영역에서 Fin이 유의미한 것으로 판정하는 2보다 큰 값을 보이고 최대값은 30 이상을 나타내어 Fin 형상 개선을 통해 얻을 수 있는 효과는 크지 않을 것으로 예상되었다. 유용도와 함께 Fin의 성능을 나타내는 지표인 Fin 효율의 경우에도(Fig.
)를 계산하여 식(7)에 반영하였다. 계산 결과 채널별 유량은 모든 채널에서 0.00214 kg/s로 구해졌고 채널별 유량 차이는 1% 미만으로 나타나 작동 유체의 분배 문제는 없을 것으로 예측되었다.
9 m/s의 불균일한 분포를 갖는다. 동일 유량의 균일 유속으로 공급되는 조건을 가정하여 분석한 결과 균일도 향상에 따른 열전달 성능 향상은 크지 않을 것으로 예측되었다.
3(b)⁽⁷⁾와 유사한 형태이다. 측정한 속도는 1.3 m/s에서 16.4 m/s의 범위를 보이고 평균 속도는 8.8 m/s이다. 측정값의 표준편차는 4.

후속연구

저온부에 설치된 Fin 형상을 개선해서 큰 효과를 기대하기 어렵다면 고온부의 채널에 열교환 촉진 기술을 도입할 수 있을 것이다. 이에 대한 타당성을 검토하기 위하여 고온부, 저온부의 열저항을 각각 구하여 Fig.
14로 구해졌다. 즉, Fin 측의 열저항이 tube 측의 14%에 불과하여 tube 측에 열전달 촉진 기술을 적용하여 열전달 계수 또는 열전달 면적을 증가시키면 열전달을 보다 효과적으로 촉진시킬 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대류 열전달을 일으키는 유동의 속도가 불균일할 경우 어떤 결과가 있는가?	대류 열전달을 일으키는 유동의 속도가 불균일할 경우 균일한 속도 분포를 가정하고 설계한 열교환기의 성능이 설계값에 미치지 못할 수 있다. 예를 들어 가스터빈 열병합 발전에서 가스터빈 출구에서 배가스를 열회수보일러(HRSG : Heat Recovery Steam Generator)에 공급할 때 보일러의 증기 발생량이 설계값에 크게 미치지 못하였고 가이드 베인을 설치하여 유동 분포를 균일하게 함으로써 이와 같은 문제를 해결한 사례가 보고된 바 있다.
	공조 시스템에는 어떤 게 도입되고 있는가?	철도 차량에서 열교환기는 공조 시스템을 비롯한 다양한 구성 요소에 사용되고 있는데 본 연구에서는 공기 압축기에 사용되는 열교환기에 주목하였다. 공조 시스템에는 냉동 사이클을 구동하기 위해 냉매 압축기가 사용되고 소음, 진동 측면에서 유리한 스크롤 방식이 도입되고 있으며(3) 본 연구에서 분석한 공기 압축기의 경우 무급유(oil free) 왕복동식이 사용된다.(4)
	대류 열전달을 일으키는 유동의 속도가 불균일할 경우 발생하는 결과를 해결한 사례는?	대류 열전달을 일으키는 유동의 속도가 불균일할 경우 균일한 속도 분포를 가정하고 설계한 열교환기의 성능이 설계값에 미치지 못할 수 있다. 예를 들어 가스터빈 열병합 발전에서 가스터빈 출구에서 배가스를 열회수보일러(HRSG : Heat Recovery Steam Generator)에 공급할 때 보일러의 증기 발생량이 설계값에 크게 미치지 못하였고 가이드 베인을 설치하여 유동 분포를 균일하게 함으로써 이와 같은 문제를 해결한 사례가 보고된 바 있다.(8)

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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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