[논문]환기시스템의 굴절 및 평판형 열교환기 형상에 따른 성능비교

현형호; 정병호; 김지원; 이강연

doi:10.15207/jkcs.2019.10.7.281

초록
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최적의 환기시스템 활용과 에너지 절약을 위한 급 배기공기 간의 열교환을 적용시킨 열회수시스템의 활용과 보급은 에너지관리시스템에서 필수적이다. 이러한 기술은 특히, 겨울철과 여름철의 냉난방에너지를 절약할 수 있어 고효율에너지 빌딩의 기반기술의 주요 요소이다. 본 논문에서는 균일한 형상과 동일한 유동조건에서 열교환기 성능을 비교하기 위해 종이, 플라스틱, 알루미늄을 재질로 시뮬레이션을 통한 열전달효율을 검토하였다. 또한 평판형과 굴절형 구조를 갖는 열교환기의 형상에 따른 열전달 효율을 시험하였고, 그 결과를 토대로 열전달 성능과 압력손실에 대해 고성능의 열교환기를 제작하는데 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Application of heat recovery system applying air supply and cexhaust ventilation device essential in energy management system for the optimum ventilation system utilization and energy saving. This is a key element of infrastructure technology for high-efficiency energy buildings, because it can save...

Application of heat recovery system applying air supply and cexhaust ventilation device essential in energy management system for the optimum ventilation system utilization and energy saving. This is a key element of infrastructure technology for high-efficiency energy buildings, because it can save heating and cooling energy in winter and summer. In this paper, heat transfer efficiency was simulated using paper, plastic, and aluminum materials that was examined to compare heat exchanger performance under uniform flow conditions. We tested heat transfer efficiengy according to the shape of two of that, one is orthogonal and the other is refraction shape. Based on the simulation results, it is expected to contribute to the production of high performance heat exchanger with heat transfer performance and pressure loss.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Flat heat exchanger materials.
그림 Fig. 1. Comparison of Al and PP total heat transfer
$Fig. 2. Heat exchaner shape of orthogonal and refraction type.$ 그림 Fig. 2. Heat exchaner shape of orthogonal and refraction type.
표 Table 2. Total heat transfer coefficient of Al and PP.
표 Table 3. Variables of analysis for Orthogonal type.
$Table 4. Variables of analysis for Refraction type.$ 표 Table 4. Variables of analysis for Refraction type.
표 Table 5. Material properties.
그림 Fig. 3. Computational analysis results.
그림 Fig. 4. Simulation result value of Orthogonal type.
$Fig. 5. Simulation result value of Refraction type.$ 그림 Fig. 5. Simulation result value of Refraction type.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고온의 폐열공기와 저온의 외부 공기가 통과하는 평판형과 굴절형 구조 등 2종의 형상에 대한 열전달효율을 검토하기 위해 3종의 재료 즉, 종이류(Pulp), 플라스틱(PP), 알루미늄(Al)에 대해 동일 형상, 동일 유동조건일 경우에 대한 열교환 성능을 비교분석하여 형상변화에 따른 성능분석을 수행하였다.
본 연구에서는 고온의 폐열공기와 저온의 외부공기가 통과하는 두께 0.4[mm], 가로 200[mm], 세로 200[mm]의 정사각형 평판에 열전달을 면적을 넓히기 위하여 4.3×4.5[mm]인 사각 층상형상 40개를 다층구조로 결합한 평판형 판과 중심부에 공기체류시간을 늘리기 위한 구조의 굴절형 판 등 두 가지 형상에 대한 열전달 효율을 검토하기 위해 3가지 재료 즉, 종이류, 플라스틱 재료, 알루미늄에 대해 동일 형상, 동일 유동조건일 경우에 대한 열교환 성능을 비교분석하였다.

가설 설정

이때, 일관성을 유지하며 고찰하기 위하여 각 단계 모두 관성 좌표계를 사용하였으며 X축 방향은 배기가스 유동 방향으로서 배기가스가 유입되는 입구에서 출구 쪽으로 방향을 양(+)으로 하였으며, 난류모델은 k-ε모델을 사용하였고, 난류 강도는 입구속도의 5[%], 난류의 특성 길이는 입구 직경의 10[%]라 가정하였다.

제안 방법

2종의 형상과 3종의 재질을 갖는 판형 열교환기에 대해 입출구 유량(즉, 속도)을 바꾸어가면서 해석을 수행하였다. Fig.
뜨거운 배기가스 유량을 100, 150, 200[m³/h]로설정하였으며, 배출 가스의 유입 온도는 350[K]로 고정하였다. 이때 차가운 회수용 공기 온도는 300[K]로 고정하였으며, 유량을 고온가스와 마찬가지로 유량을 100, 150, 200[m³/h]로 변경 해가면서, 열교환기의 유동채널 내부의 유동 특성과 온도 특성을 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션에서는 각 경우별로 입구에 일정 질량유량, 온도 및 동일한 난류조건을 모든 단계에 똑같이 적용되었다. 이때, 일관성을 유지하며 고찰하기 위하여 각 단계 모두 관성 좌표계를 사용하였으며 X축 방향은 배기가스 유동 방향으로서 배기가스가 유입되는 입구에서 출구 쪽으로 방향을 양(+)으로 하였으며, 난류모델은 k-ε모델을 사용하였고, 난류 강도는 입구속도의 5[%], 난류의 특성 길이는 입구 직경의 10[%]라 가정하였다.
출구는 Outflow (#, #)이다. 열교환기 단위 셀 재질은 알루미늄, 플라스틱, 종이를 사용하였고, Solver는 압력을 기반으로 하며, Pressure-velocity coupling는 결합상태이고, Spatial Discretization는 2nd order로 표현하였다.
/h]로설정하였으며, 배출 가스의 유입 온도는 350[K]로 고정하였다. 이때 차가운 회수용 공기 온도는 300[K]로 고정하였으며, 유량을 고온가스와 마찬가지로 유량을 100, 150, 200[m³/h]로 변경 해가면서, 열교환기의 유동채널 내부의 유동 특성과 온도 특성을 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해서 얻은 속도분포, 압력분포, 입구 출구 압력차, 온도분포 자료는 열교환기 장치의 성능해석에 사용하였다.
전산해석 변수로는 배기가스 유입온도, 폐열 회수용 공기유량 등을 변화시켜 가면서 유동장, 압력장, 온도장, 핀의 온도, 대류 열전달계수를 계산하였으며, Table 2와 Table 3는 시뮬레이션에 적용된 직교형 및 굴절형에 적용된 변수를 각각 나타낸다.

대상 데이터

이때 차가운 회수용 공기 온도는 300[K]로 고정하였으며, 유량을 고온가스와 마찬가지로 유량을 100, 150, 200[m³/h]로 변경 해가면서, 열교환기의 유동채널 내부의 유동 특성과 온도 특성을 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해서 얻은 속도분포, 압력분포, 입구 출구 압력차, 온도분포 자료는 열교환기 장치의 성능해석에 사용하였다. 전산해석 변수로는 배기가스 유입온도, 폐열 회수용 공기유량 등을 변화시켜 가면서 유동장, 압력장, 온도장, 핀의 온도, 대류 열전달계수를 계산하였으며, Table 2와 Table 3는 시뮬레이션에 적용된 직교형 및 굴절형에 적용된 변수를 각각 나타낸다.

데이터처리

환기시스템 열교환기의 3종의 재료에 따른 직교형과 굴절형 설계를 통해 열교환 성능분석을 시뮬레이션을 통한 실험을 수행하였고, 결과를 토대로 성능을 비교·분석 하였다.

이론/모형

난류유동 해석에 있어서는 k-ε모델을 기본적으로 사용하고, 강한 선회류 등의 비등방성 문제는 RSM(Reynolds Stress Model)와 RNG (Renormalization Grop) 모델을 선택적으로 사용할 수 있다. 본 해석에서는 Power-law 기법과 SIMPLEC 알고리즘을 사용하여 전산해석을 수행하였다. 수렴 판정은 다음의 전 영역 잔류항의 총합이 10^-5 이하가 되는 시점을 수렴한 식 (10)으로 표현된다.

성능/효과

동일 유량, 동일 재질인 경우 열교환기 형태를 달리하여도 효율 차이가 크게 나타나지 않았으며 최대 28% 수준을 나타내었다. 이는 본 연구에서 검토한 열교환기 형상은 유동이 지나는 경로(즉, 유로의 형태)를 달리하였을 뿐 고온부 및 저온부로 구성되어 서로 맞대어있으면서 실제 열교환기 일어나는 면적 자체가 달라지지 않았기 때문이며, 이러한 경우 재료의 변경에도 큰 결과값의 차이가 없음을 보이고 있다.
열교환기의 풍량이 증가함에 따라 차압이 증가하는 것은 베르누이 방정식에 의하여 동일한 규격 크기의 덕트 내에서 풍량이 증가함에 따라 공기의 유속이 빨라져 더욱 큰 차이의 압력 차가 발생하는 현상을 확인할 수 있었으며 직교형 열교환기에 있어서 압력손실과 평균 열전달계수는 열교환기에서의 면풍속이 증가할수록 증가하고, 유효성은 면풍속이 증가할수록 감소하였다. 또한, 동일면풍속에 대하여 압력손실, 유효성은 유료의 높이가 작아질수록 증가하고 평균 열전달계수는 유로의 높이에 대하여 영향이 적어진다는 실험결과를 확보하였다.
열교환기의 성능을 좌우하는 열전달계수는 ε–NUT(Number of Transfer Units)법을 사용하게 되는데 직교형, 굴절형 열교환기를 계산한 결과, 유용성 ε은 0.2-0.28 범위를 갖는 것으로 결과가 나타났으며, 유속이 증가할수록 열교환 효율은 감소하였다.
열교환기의 풍량이 증가함에 따라 차압이 증가하는 것은 베르누이 방정식에 의하여 동일한 규격 크기의 덕트 내에서 풍량이 증가함에 따라 공기의 유속이 빨라져 더욱 큰 차이의 압력 차가 발생하는 현상을 확인할 수 있었으며 직교형 열교환기에 있어서 압력손실과 평균 열전달계수는 열교환기에서의 면풍속이 증가할수록 증가하고, 유효성은 면풍속이 증가할수록 감소하였다. 또한, 동일면풍속에 대하여 압력손실, 유효성은 유료의 높이가 작아질수록 증가하고 평균 열전달계수는 유로의 높이에 대하여 영향이 적어진다는 실험결과를 확보하였다.

후속연구

향후 본 연구결과를 토대로 열교환기의 형상설계에 활용하여 고효율 열교환기의 설계를 통해 환기시스템에 적용할 경우, 우수한 성능을 확보할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환기시스템이란?	환기시스템이란 주어진 건축공간에서 사람 또는 물품을 대상으로 온도, 습도, 기류속도, 청정도(부유분진, 냄새, 세균, 유해가스 등)를 그 실의 사용목적에 적합한 유지하는 것이며, 쾌적하고 위생적인 환경을 조성하기 위해 재실인원에 따른 외기도입량의 결정하고, VAV(Variable Air Volume) 설치를 통한 공조기 풍량 제어에 의한 부하 및 송풍동력 운전시간을 자동으로 제어하는 시스템이다[1,2].
	열교환기의 역할은?	열교환기는 유체간의 열에너지를 유효하게 전도와 대류를 통하여 이동시키는 개체로 사용된다[4-6]. 하지만 유체의 입․출구의 위치 및 형상, 헤드(Head)의 형식, 배플(Baffle)의 형상 및 위치 등 다양한 인자들을 고려하여야한다[3,4].
	열교환기에서 고려해야되는 점은?	열교환기는 유체간의 열에너지를 유효하게 전도와 대류를 통하여 이동시키는 개체로 사용된다[4-6]. 하지만 유체의 입․출구의 위치 및 형상, 헤드(Head)의 형식, 배플(Baffle)의 형상 및 위치 등 다양한 인자들을 고려하여야한다[3,4]. 특히, 판형 열교환기는 내부의 특이한 형상때문에 유동 및 열전달 패턴이 복잡하여 설계 시 고도의 지식과 경험이 요구된다[5,6].

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