[논문]동일 전열면적을 갖는 용접식 판형열교환기와 관류형 열교환기의 성능 비교

함정균; 김민준; 안성국; 조홍현

doi:10.17664/ksgee.2019.15.4.046

동일 전열면적을 갖는 용접식 판형열교환기와 관류형 열교환기의 성능 비교
Performance Comparison of a Welded Plate Heat Exchanger and Shell and Tube Heat Exchanger with Same Heat Transfer Area 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.15 no.4, 2019년, pp.46 - 54

함정균 (조선대학교 대학원) , 김민준 (한국냉동공조인증센터) , 안성국 (삼일산업) , 조홍현 (조선대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the performance of a shell and tube heat exchanger (STHE) and welded plate heat exchanger (WPHE) was measured experimentally. The pass numbers of the STHE was changed by 1, 2 and 4. As a result, the WPHE showed 2.1 times higher heat exchange capacity than that of the STHE. In case of pressure drop, the STHE with 1 and 2 pass number has a lower pressure drop than the WPHE, while the STHE with 4 pass presented higher pressure drop than the WPHE. The performance index considering the heat exchange capacity and pump consumption power, showed in oder of STHEPass1 > STHEPass2 > W PHE > STHEPass4 under the same flow rate. Therefore, when the WPHE was designed optimally under same operating condition with STHE, the maintenance fee and space can be reduced effectively by using the WPHE.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematics and image of the experimental facility.
표 Table 1. Specifications of the shell and tube heat exchanger
표 Table 2. Specifications of the welded plate heat exchanger
그림 Fig. 2. Energy balance between hot and cold side capacity.
그림 Fig. 3. Heat transfer capacity of STHE and WPHE according to hot side flow rate.
그림 Fig. 4. Nusselt number of STHE and WPHE according to Reynolds number.
그림 Fig. 5. Comparison of heat transfer coefficient ratio between STHE and WPHE according to hot side flow rate.
그림 Fig. 6. Pressure drop of STHE and WPHE according to hot side flow rate.
그림 Fig. 7. Pump power consumption of STHE and WPHE according to hot side flow rate.
그림 Fig. 8. Heat transfer coefficient-pressure drop index of STHE and WPHE according to hot side flow rate.
그림 Fig. 9. Performance index of STHE and WPHE according to hot side flow rate.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환 기의 성능을 비교하기 동일한 전열면적을 갖는 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기의 성능실험을 수행하였다. 동일 유량에서 용접식 판형열교환기는 관류형 열교환기에 비해 우수한 열전달량을 갖지만 상대적으로 차압이 큼이 확인되었다.
본 연구에서는 용접식 판형열교환기의 열적 성능의 잠재성을 평가하기 위해 다양한 패스 수를 가지는 유사한 전열면적을 갖는 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기의 성능을 실험적으로 비교 고찰하였으며 다양한 산업계에 적용할 수 있는 고압식 용접식 판형열교환기 개발을 위한 기초자료를 제시 하고자 한다.

가설 설정

8 mm이다. 본 연구에서는 펌프의 효율이 80%로 가정하였으며 이때 펌프의 소비동력은 식 (15)에 의해 계산하 였다.

제안 방법

정지형 혼합기는 채널별 열교환된 유체의 혼합을 원활히 하도록 도와주는 역할을 하지만 차압의 증가를 야기하기 때문에 RTD 온도센서는 정지형 혼합기 후단에, 차압센서는 정지형 혼합기 전단에 설치하였다. 각 센서로 측정된 데이터는 정보수집기를 통해 실시간으로 수집 및 처리하 였다. 사용한 측정기의 열교환기 성능 용량의 한계로 인해 저온과 고온측 온도는 10℃와 20℃로 유지 하였다.
본 연구에서는 동일한 전열면적을 갖는 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기의 열성능을 비교하기 위해 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기의 전열면적은 10.42 m 2 와 10.53 m 2 로 거의 동일하게 제작하였다. Table 1은 관류형 열교환기의 주요 재원을 보여준다.
사용한 측정기의 열교환기 성능 용량의 한계로 인해 저온과 고온측 온도는 10℃와 20℃로 유지 하였다. 열교환기의 저온과 고온측 온도차, 유량차가 성능에 미치는 영향성을 조사하기 위해 저온측 유량은 300 lpm, 고온측 유량은 100 lpm에서 500lpm으로 증가시켜 실험을 진행하였다. Fig.
관류형 열교환 기와 용접식 판형열교환기의 형상은 상이하기 때문에 열교환기의 성능을 비교하기 위해서는 열교환량과 차압을 함께 고려하여 비교할 필요가 있다. 이에 열교환기의 종합적 성능을 비교하기 위해 열전달계 수와 차압의 비, 열교환기 용량과 펌프 소비동력의 비에 대한 성능지표의 비교를 수행하였다. Fig.

이론/모형

본 연구에서 사용된 작동유체는 물이며 용접식 판형열교환기에서 열교환이 이루 어진 고온유체와 저온유체는 각각의 챔버로 유입되어 열교환기의 입구측 온도와 동일하게 유지하였다. 열교환기 성능실험은 ANSI/AHRI STANDARD 401[17]의 액 대 액 열교환기 성능 평가 시험 방법을 참조하여 출구측에 정지형 혼합기(static mixer) 를 설치하였다. 정지형 혼합기는 채널별 열교환된 유체의 혼합을 원활히 하도록 도와주는 역할을 하지만 차압의 증가를 야기하기 때문에 RTD 온도센서는 정지형 혼합기 후단에, 차압센서는 정지형 혼합기 전단에 설치하였다.
판형열교환기의 열전달 용량과 압력강하는 ANSI/AHRI STANDARD 401[17]을 따라 진행하였다. 열교환기의 열전달 용량은 고온측과 저온측 용량을 계산 후 평균을 사용하였으며 식 (1)-(3)과 같이 표현된다.

성능/효과

패스 수의 증가는 관 내의 유속이 증가하기 때문에 동일 유량에서 보다 높은 Re수의 획득과 더불어 난류유발에 유리해진다. 1 패스의 경우 고온측 유량이 100 lpm에서 500 lpm으로 증가시 Re수는 1665에서 8866, Nu수 는 27.5에서 83.4로나타났으며 4 패스의 경우 Re 수는 6493에서 33716, Nu수는 62.9에서 105.3으로 증가하는 것으로 나타났다. 반면 용접식 판형열교환기는 전열판의 주름진 형상에 의해 낮은 Re수에서 쉽게 난류가 유발되어 높은 Nu수를 얻을 있다.
용접식 판형열교환기는 1 패스와 2 패스 관류형 열교환 기에 비해 높은 차압이 나타났지만 4 패스 관류형 열교환기에 비해 낮은 차압을 보였다. 고온측 유량이 100 lpm에서 500 lpm으로 증가함에 따라 1 패스관류형 열교환기의 차압은 0.7 kPa에서 2.8 kPa로증가하였고 4 패스 관류형 열교환기의 차압은 4.4kPa에서 65.3 kPa 증가함을 보였다. 용접식 판형열 교환기의 경우 고온측 유량이 100 lpm에서 500 lpm 으로 증가 시 3 kPa에서 40.
3은 고온측 유량변화에 따른 관류형 열교환 기와 용접식 판형열교환기의 열교환량을 보여준다. 고온측 유량이 100 lpm에서 500 lpm으로 증가함에 따라 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기의 열교환량을 증가하였다. 고온측 유량이 500 lpm일 때관류형 열교환기의 경우 패스 수가 1에서 4로 증가 함에 따라 최대 열교환량은 68.
성능지표가 높을수록 펌프의 소비동력 대비 열교환기 용량이 큼을 의미한다. 고온측 유량이 100 lpm일 때 1 패스 관류형 열교환기는 관내 층류 유동으로 인해 2 패스, 3 패스에 비해 높은 마찰계수를 가져 2패스에 비해 낮은 성능지표를 갖지만 4 패스의 경우 단위 관로 당 긴 열교환 길이로 인해 높은 차압을 가져 1패스 관류형 열교환기에 비해 낮은 성능지표를 보였다. 고온측 유량이 200 lpm 이후부터 모든 관류형 열교환기는 관내 흐름이 모두 난류 흐름을 가져 마찰계수의 영향성 보다는 관내 유속의 영향성이 큼으로 성능지표는 1-Pass > 2-Pass > 4-Pass 순으로 나타났다.
고온측 유량이 200 lpm 이후부터 모든 관류형 열교환기는 관내 흐름이 모두 난류 흐름을 가져 마찰계수의 영향성 보다는 관내 유속의 영향성이 큼으로 성능지표는 1-Pass > 2-Pass > 4-Pass 순으로 나타났다.
3은 본 연구에서 측정된 저온측과 고온측 열교환량을 비교 하여 보여주고 있다. 고온측과 저온측 열교환량은 2% 이내의 오차에서 재현되었으며 이를 통하여 고온측과 저온측 에너지 균형을 이룸을 확인하였다.
본 연구는 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환 기의 성능을 비교하기 동일한 전열면적을 갖는 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기의 성능실험을 수행하였다. 동일 유량에서 용접식 판형열교환기는 관류형 열교환기에 비해 우수한 열전달량을 갖지만 상대적으로 차압이 큼이 확인되었다. 용접식 판형열교환기의 열전달계수는 관류형 열교환기에 비해 최소 1.
8 kW까지 증가하였다. 동일 전열면적의 작동환경에서 열교환을 수행시 용접식 판형열교환기의 열교환량은 4 패스 관류형 열교환기에 비해 약 1.6배, 1 패스 관류형 열교환기에 비해서는 2.8배의 효과적인 열교환을 수행 할 수있음을 확인하였다.
고온측 유량이 200 lpm 이후부터 모든 관류형 열교환기는 관내 흐름이 모두 난류 흐름을 가져 마찰계수의 영향성 보다는 관내 유속의 영향성이 큼으로 성능지표는 1-Pass > 2-Pass > 4-Pass 순으로 나타났다. 또한, 용접식 판형열교환기의 성능지표는 유량이 증가함에 따라 관류형 열교환기와 성능지표가 유사해짐이 확인되었다. 동일한 성능 지표에서 용접식 판형열교환기는 적은 유량이 소요되었고, 이는 동일 열교환량을 얻기 위한 펌프의 소비동력을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
용접식 판형열교환기에 비해 관류형 열교환기는 유량 증가 대비 Re 증가가 크기 때문에 유량이 증가함에 따라 열전달계수 비는 감소한다. 본 실험에서 확인된 용접식 판형 열교환기의 열전달 성능은 관류형 열교환기에 비해최소 1.8배에서 최대 4.1배 높게 나타났다. 이는 용접식 판형열교환기가 관류형 열교환기에 비해 동일 유량대비 높은 열전달계수를 갖기 때문이며 동일 열전달량의 열교환기를 설계시 판형열교환기가 작은 전열면적을 필요로 하며 소형화가 가능하다고 판단된다.
1은 열교환 성능실험 설비의 개략도와, 관류형 열교환기, 용접식 판형열교환기의 성능실험의 실물 사진을 보여준다. 본 연구에서 사용된 작동유체는 물이며 용접식 판형열교환기에서 열교환이 이루 어진 고온유체와 저온유체는 각각의 챔버로 유입되어 열교환기의 입구측 온도와 동일하게 유지하였다. 열교환기 성능실험은 ANSI/AHRI STANDARD 401[17]의 액 대 액 열교환기 성능 평가 시험 방법을 참조하여 출구측에 정지형 혼합기(static mixer) 를 설치하였다.
이는 단위 관당 열교환 성능을 향상시키지만 차압의 증가를 유발하며, 무분별한 패스수의 증가는 열전달 성능 개선효과 보다 차압의 증가효과가 두드러져 오히려 종합적인 열교환 성능을 감소시킨다. 용접식 판형열교환기는 관류형 열교환기에 비해 마찰계수는 높지만 채널의 길이는 상대 적으로 짧으며, 유량 증가에 따른 Re 수 증가률이작기 때문에 유량이 증가함에 따라 용접식 판형열 교환기의 차압 증가량은 작게 나타났다. 관류형 열교환기는 유량 증가시 용접식 판형열교환기에 비해 높은 Re 수를 얻을 수 있어 동일 유량에서 Nu수는 크지만 용접식 판형열교환기에 비해 큰 수력직경을 갖기 때문에 동일 유량에서 열전달계수는 낮게 형성된다.
[18]의 연구에 따르면 가스켓 판형열교환기의 경우 관류형 열교환기에 비해 투자비용은 낮지만, 높은 압력강하로 인해 운영비용이 높음을 언급하였으며, 관류형 열교환기에 비해 시스템 투자 및 운용비용은 13% 적어짐을 보고하였다. 용접식 판형열교환기의 경우 가스켓 판형열교환기에 비해 보다 고온, 고압의 환경에 사용하기 때문에 관류형 열교환기와 용접식 판형열교환기는 보다 두꺼운 봉재와 판재의 사용과 가공단가의 증가로 제품 단가는 증가할 것으로 판단된다.
이로 인해 펌프의 소비동력은 1-Pass < 2-Pass < WPHE < 4-Pass 순으로 나타났다. 종합적으로 열교환기 성능고찰 시 동일 유량에서 용접식 판형열교환기는 1-Pass, 2-Pass 관류형 열교환기에 비해 낮은 성능 지표를 갖지만, 4-Pass 관류형 열교환기 보다 높은 성능을 가졌다. 하지만 용접식 판형열교환기는 관류형 열교환기와 동일한 성능지표를 갖기 위해 요구되는 작동유체의 유량이 작기 때문에 펌프의 소비동력을줄일 수 있기 때문에 유지비 저감에 이바지 할 것으로 판단된다.
따라서 열 전달계수와 차압비는 2 패스 관류형 열교환기가 1패스 관류형 열교환기에 비해 높게 형성된다. 하지만 고온측 유량이 200 lpm 이상에서는 관류형 열교환기 모두 관내 유동이 난류가 형성되어 마찰계수는 유사하지만 패스 수의 증가에 의해 단위 관로당 열교환 길이가 긴 2 패스와 4 패스의 열전달계수와 차압비가 1 패스 관류형 열교환기에 비해 작게 나타났다. 관류형 열교환기는 용접식 판형열교환기에 비해 낮은 마찰계수를 갖지만 패스 수가 증가시 유속과 단위 관로 당 열교환 길이는 길어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열교환기의 특징 및 활용 분야는 무엇인가?	특히, 열교환기는 열시스템을 구성하는데 필수적인 기기로서 냉각, 가열, 응축, 폐열회수 등의 목적을 위해 사용되며, 발전소, 화학플랜트, 선박, 건물 공조, 식품산업 등 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다[8]. 관류형 열교환기(Shell and Tube Heat Exchanger, STHE)는 안정적인 성능, 튼튼한 내구성, 유지보수의 용이성, 작은 압력강하 등의 장점과 오 랜 역사를 통한 검증된 신뢰성 등의 이유로 산업분 야에 사용되는 열교환기는 40% 이상을 차지하고 있다[8].
	관류형 열교환기의 장점은 무엇인가?	특히, 열교환기는 열시스템을 구성하는데 필수적인 기기로서 냉각, 가열, 응축, 폐열회수 등의 목적을 위해 사용되며, 발전소, 화학플랜트, 선박, 건물 공조, 식품산업 등 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다[8]. 관류형 열교환기(Shell and Tube Heat Exchanger, STHE)는 안정적인 성능, 튼튼한 내구성, 유지보수의 용이성, 작은 압력강하 등의 장점과 오 랜 역사를 통한 검증된 신뢰성 등의 이유로 산업분 야에 사용되는 열교환기는 40% 이상을 차지하고 있다[8]. 하지만 작은 전열면적과 큰 체적, 낮은 열교환 성능 등의 단점을 가진다.
	고온측 유량이 증가함에 따라 최대 열교환량이 증가하는 이유는 무엇인가?	8 kW 로 증가하였다. 이는 패스 수의 증가에 의해 열교환길이가 증가할 뿐만 아니라 각관에 유입되는 유량 또한 증가하기 때문에 높은 열전달계수를 얻을 수있기 때문이다. 용접식 판형열교환기의 경우 고온측 유량이 100 lpm에서 500 lpm으로 증가함에 따라 열교환량은 66.

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