[논문]판형 열교환기 크기에 따른 전열성능 비교에 관한 연구

박재홍

doi:10.5762/kais.2020.21.2.528

판형 열교환기 크기에 따른 전열성능 비교에 관한 연구
A Study on Thermal Performance Comparison between Large and Small Sized Plate Heat Exchanger 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.528 - 534

박재홍 (디에이치피이엔지)

초록
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판형 열교환기의 초기 개발 및 사용은 19세기 후반 유제품 내 존재하던 각종 바이러스의 살균에 대한 엄격한 법규 대응을 위해 시작되었고, 1920년대가 되어서야 본격적으로 상업화되었다. 이후 판형 열교환기의 기본 컨셉은 지금까지도 거의 변화가 없었지만, 고온, 고압 그리고 대용량 열교환에 적용되기 위해 설계 및 제작 방법들이 혁신적으로 발전하여 지금에 이르게 되었다. 현재의 형태와 같은 쉐브론 타입 주름 전열판의 개발은 1970년대 후반 오일 쇼크 이후 에너지 합리화 및 에너지 효율 향상을 위한 요구들이 강하게 제기되면서 시작되어 지금에 이르고 있다. 판형 열교환기의 개발 트렌드는 전열 효율이 좋으면서 압력강하가 낮고 또한 유체 분배가 잘되는 대형 전열판의 개발과 일치한다. 본 논문에서는 전열판 개발방향을 제시하고자 동일 골깊이와 주름피치를 가진 소형 전열판과 대형 전열판의 열성능을 각 채널(H, M, L type)별로 실험적으로 비교, 분석하였다. 실험결과, 대류열전달계수의 경우, 소형 전열판이 대형 전열판에 비해 H type의 경우 평균 16.5%, M type의 경우 25%, 그리고 L type의 경우 약 40% 정도 더 높았다. 압력강하의 경우는 소형 전열판이 H type의 경우 평균 19%, M type의 경우 46%, 그리고 L type의 경우 약 61% 정도 더 높은 것을 알 수 있었다. 이는 여러 예상되는 요인들 중 두 전열판의 유체분배부 차이에 의한 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The early development and use of plate heat exchangers (PHE) were in response to stringent statutory requirements from dairy products in the late 19th century, but PHEs were not exploited commercially until the 1920s. Since then, although the basic concept of PHEs has changed little, its design and construction have progressed significantly to accommodate higher temperatures and pressures, as well as large heat exchanging capacities. The development of current chevron-type corrugated heat plates has been ongoing since the oil shock in the 1970s to improve energy efficiency. The development trend of PHEs is consistent with the development of larger heat plates with better thermal efficiency, lower pressure drop, and good flow distribution. In this study, the thermal performance of small heat plates (PHE-S) and large heat plates (PHE-L) with the same plate depth and corrugation pitch were analyzed experimentally for each channel (H, M, and L type) to suggest development directions of heat plates. The test results showed that for the convectional heat transfer coefficient, the PHE-S was on average, 16.5% higher in the H type, 25% higher in the M type, and 40% higher in the L type than PHE-L. In the case of the pressure drop, the PHE-S was 19% higher in the H type, 46% higher in the M type, and 61% higher in the L type than PHE-L. These results were attributed to the differences in fluid distribution areas between the PHE-S and PHE-L, among other potential causes.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Plate heat exchanger
그림 Fig. 2. Heat plate structure
그림 Fig. 3. Plate channel details
그림 Fig. 4. Types of heat plates and flow channels
그림 Fig. 5. Heat plates' size comparison
그림 Fig. 6. Test facility schematic diagram
표 Table 1. Comparison between small and large heat plate
그림 Fig. 7. Performance tests
그림 Fig. 8. Comparison of Ucal from Modified Wilson Plot method with experimentally measured Uexp in PHE-S
그림 Fig. 9. Comparison of Ucal from Modified Wilson Plot method with experimentally measured Uexp in PHE-L
그림 Fig. 10. Comparison of h value between PHE-S and PHE-L
그림 Fig. 11. Comparison of f-factor between PHE-S and PHE-L

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 동일 골깊이(plate depth)와 피치 (corrugation pitch)를 가지고 있는 소형 전열판과 대형 전열판에서 판형 열교환기 열설계의 핵심인 대류열전달 계수와 압력강하특성을 실험적으로 비교, 분석하여 그 결과를 제공함으로써 향후 판형 열교환기 전열판 설계에 도움이 되고자 한다.

제안 방법

각 열교환기에서의 열전달량은 온수와 냉수의 유량을 조절하여 변화시켰다. 밸브들로 유량을 조절한 다음, 각 RTD와 압력센서들로부터 3초 간격으로 1분 동안 데이터를 읽은 후 평균을 취한다.
각 열교환기에서의 열전달량은 입구와 출구사이에 설치된 검교정된 RTD(Resistance Temperature Detector)에 의한 온도측정값과 체적유량계(volume flowmeter)를 이용한 유량측정값으로 계산하였다. 또한 열교환기 입구와 출구사이에 차압계를 설치하여 압력강하를 측정하였다.
열전달의 경우, 소형 전열판(PHE-S)이 대형 전열판 (PHE-L)보다 열전달 성능이 우수함을 알 수 있었다. 대형 전열판(PHE-L)의 열성능이 소형 전열판(PHE-S)보다 부족한 이유로 몇 가지 원인을 제시하였으며, 본 연구에 서는 그중 유체분배부의 형상이 부족하여 전열판 전체로 유체가 고르게 분배되지 못하였기 때문인 것으로 판단하였다. 물론 이 부분에 대한 보다 정확한 진단은 향후 추가적인 연구가 진행되어야만 명확해질 것으로 보인다.
각 열교환기에서의 열전달량은 입구와 출구사이에 설치된 검교정된 RTD(Resistance Temperature Detector)에 의한 온도측정값과 체적유량계(volume flowmeter)를 이용한 유량측정값으로 계산하였다. 또한 열교환기 입구와 출구사이에 차압계를 설치하여 압력강하를 측정하였다. 각 센서의 데이터는 데이터로그를 통해서 PC로 실시간으로 획득 및 처리하였다.
본 연구에서 사용된 판형 열교환기는 직접적인 벽면 온도의 측정이 불가능하기 때문에 Farrell 등[9]이 제안한 수정된(modified) Wilson Plot 방법을 응용하여 열 전달계수를 구하였다. 이 방법은 기존의 Wilson Plot 방법에 비해 적은 실험으로 보다 정확한 상관식을 구할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 동일한 골깊이와 피치를 가지고 있는 소형 전열판(PHE-S)과 대형 전열판(PHE-L)에서 판형 열교환기 열설계의 핵심인 대류열전달계수와 압력강하특성을 실험적으로 비교, 분석하였다. 이를 위하여 대형 전열판과 소형 전열판의 High θ 전열판만을 이용한 H type 제품 2종류, 동일하게 Low θ 전열판만을 이용한 L type 제품 2종류, 그리고 High θ와 Low θ 전열판의 조합인 M type 제품 2종류 등 총 6종류의 테스트용 제품을 제작하였다.
본 연구에서는 온수의 온도를 50.0 ℃(±0.3 ℃), 냉수의 온도를 30.0 ℃(±0.3 ℃)로 하였으며, 열전달 성능실험과 압력강하 실험에서 레이놀즈수의 범위는 실제 사용 범위인 2,000 ~ 10,000 사이로 하였다.
이를 위하여 대형 전열판과 소형 전열판의 High θ 전열판만을 이용한 H type 제품 2종류, 동일하게 Low θ 전열판만을 이용한 L type 제품 2종류, 그리고 High θ와 Low θ 전열판의 조합인 M type 제품 2종류 등 총 6종류의 테스트용 제품을 제작하였다.
0 % 이내가 되면 정상상태라고 판단하였다[7,8]. 정상상태에 도달하면 15분 동안 3초 간격으로 데이터를 읽은 후 평균치를 취하여 데이터를 처리하였다.

대상 데이터

대형 전열판과 소형 전열판의 High θ 전열판만을 이용한 H type 제품 2종류, 동일하게 Low θ 전열판만을 이용한 L type 제품 2종류, 그리고 High θ와 Low θ 전열판의 조합인 M type 제품 2종류 등 총 6종류이다.
본 연구에서는 대형 전열판과 소형 전열판을 이용하여 총 6종류의 테스트용 제품을 제작하였다. 대형 전열판과 소형 전열판의 High θ 전열판만을 이용한 H type 제품 2종류, 동일하게 Low θ 전열판만을 이용한 L type 제품 2종류, 그리고 High θ와 Low θ 전열판의 조합인 M type 제품 2종류 등 총 6종류이다.
2.2 실험장치 및 실험방법

실험장치는 Fig. 6과 같이 수(water) 펌프를 이용한 강제 순환식 사이클이며, 온수가 순환되는 회로와 냉수가 순환되는 회로로 구성되어 있다. Fig.

이론/모형

h_w,h와 h_w,c를 구하기 위해 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하였다.

성능/효과

이는 쉐브론각이 커질수록 전열판의 주름 형태가 유동에 대한 저항이 커지는 방향으로 나타나 있기 때문이다. M type 의 압력강하의 경향성은 대류열전달계수와는 달리 전체적으로 L type의 영향을 많이 받는 것으로 나타났으며, 이는 대부분의 실질적인 적용처에서 효율적인 설계가 가능하다는 것을 의미한다.
10의 대류열전달계수를 비교해 보면 보다 명확하게 그 차이를 알 수 있다. PHE-S가 PHE-L보다 H type의 경우 평균 16.5%, M type의 경우 25%, 그리고 L type의 경우 약 40% 정도 대류열전달계 수가 더 높았다.
그러나 여기에서 중요한 점은 PHE-L의 열성능이 PHE-S에 비해 조금 부족하다는 것이지 전열판 자체가 잘못되었다는 것은 결코 아니다. 본 연구에서 얘기하고자 하는 것은 PHE-L에 개선할 만한 부분이 있어 보이고, 또한 개선을 통해 열성능이 좋아질 수 있는 가능성이 있다는 것이다.
비교 결과 모든 경우에 대하여 두 총괄열전달계수는 ±2 % 이내로 서로 잘 일치하였다.
성능테스트 후 대류열전달계수를 구하기 위하여 수정된 Wilson Plot 방법을 응용하였으며, 그 결과 수정된 Wilson Plot 방법은 판형 열교환기처럼 양 유체의 전열 면적이 동일하면서 판벽 측정이 어려운 경우에 적용할 수 있는 신뢰성 높은 방법임을 확인할 수 있었다.
압력강하특성은 PHE-S가 PHE-L보다 H type의 경우 평균 19%, M type의 경우 46%, 그리고 L type의 경우 약 61% 정도 더 높은 것을 알 수 있다.
열전달의 경우, 소형 전열판(PHE-S)이 대형 전열판 (PHE-L)보다 열전달 성능이 우수함을 알 수 있었다. 대형 전열판(PHE-L)의 열성능이 소형 전열판(PHE-S)보다 부족한 이유로 몇 가지 원인을 제시하였으며, 본 연구에 서는 그중 유체분배부의 형상이 부족하여 전열판 전체로 유체가 고르게 분배되지 못하였기 때문인 것으로 판단하였다.
비교 결과 모든 경우에 대하여 두 총괄열전달계수는 ±2 % 이내로 서로 잘 일치하였다. 이를 통해 본 연구에 적용된 수정된 Wilson Plot 방법이 판형 열교환기처럼 양 유체의 전열 면적이 동일하면서 판벽 측정이 어려운 경우에 적용할 수 있는 신뢰성 높은 방법임을 확인할 수 있었다.

후속연구

지금까지 대부분의 판형 열교환기와 관련된 연구는 Lab scale의 소규모 테스트이거나 CFD 해석 연구가 대부분이다[3-6]. 그러나 본 연구는 실제 현장에서 사용되 는 제품들에 대한 Full scale 테스트를 바탕으로 하였기 때문에 보다 실질적인 정보를 제공할 수 있을 거라 생각된다.
대형 전열판(PHE-L)의 열성능이 소형 전열판(PHE-S)보다 부족한 이유로 몇 가지 원인을 제시하였으며, 본 연구에 서는 그중 유체분배부의 형상이 부족하여 전열판 전체로 유체가 고르게 분배되지 못하였기 때문인 것으로 판단하였다. 물론 이 부분에 대한 보다 정확한 진단은 향후 추가적인 연구가 진행되어야만 명확해질 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	데드존(dead zone)이란 무엇인가?	이러한 이유로 대형 전열판에서는 구조적 안정성과 관계되는 부분의 설계와 함께 유체 분배부의 설계가 매우 중요하다. 만일 유체분배에 문제가 있을 경우, 전열부 전체로 유체가 고르게 흐르지 못하고 일부 구간에서는 유체가 흐르지 않는 데드존(dead zone)이 발생하기도 한다. 요즘에는 유체분배부의 특성을 파악하기 위해 CFD 유동해석이 많이 활용되고 있다.
	대형 전열판에서 유체 분배부의 특성을 파악하기 위해 사용하는 방법은?	만일 유체분배에 문제가 있을 경우, 전열부 전체로 유체가 고르게 흐르지 못하고 일부 구간에서는 유체가 흐르지 않는 데드존(dead zone)이 발생하기도 한다. 요즘에는 유체분배부의 특성을 파악하기 위해 CFD 유동해석이 많이 활용되고 있다.

참고문헌 (10)

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H. J. Kim, Y. K. Jung, H. S. Lee, J. I. Yoon and C. H. Son, "A numerical study on heat transfer and pressure drop of plate heat exchanger using at sea- water air conditioning with the variation of channel spaces", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.38, No.6, pp.704-709, Jul. 2014. DOI : https://doi.org/10.5916/jkosme.2014.38.6.704

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D. K. Kang, S. P. Kim, I. J. Hwang, J. H. Lee, T. W. Do and W. Y. Yeo, "A Numerical Analysis Study on Plate Heat Exchanger Heat Transfer Characteristic by Corrugation Angle and Pitch", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.11, No.3, pp.154-159, 2012.
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R. K. Shah and W. W. Focke, Plate heat exchangers and their design theory, in Heat Transfer Equipment Design, R. K. Shah, E. C. Subbarao, and R. A. Mashelkar(eds.), p809, Hemisphere Publishing, 1988, pp.227-254.

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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