[논문]와류발생기를 사용한 직교류 열교환기의 열전달 촉진

유성연; 권화길; 이상섭; 김병채; 박동성

[국내논문] 와류발생기를 사용한 직교류 열교환기의 열전달 촉진
Heat Transfer Enhancement in Cross-flow Heat Exchanger Using Vortex Generator 원문보기

유성연 (충남대학교 기계설계공학과) , 권화길 (충남대학교 기계설계공학과 대학원) , 이상섭 (한국전력기술(주) 원자로설계개발단) , 김병채 (충남대학교 기계설계공학과 대학원) , 박동성 (충남대학교 기계설계공학과 대학원)

Fouling is very serious problem in heat exchanger because it rapidly deteriorates the performance of heat exchanger. Cross-flow heat exchanger with vortex generators is developed, which enhance heat transfer and reduce fouling. In the present heat exchanger, shell and baffle are removed from the conventional shell-and-tube heat exchanger. The naphthalene sublimation technique is employed to measure the local heat transfer coefficients. The experiments are performed for single circular tube, staggered array tube bank and in-line array tube bank with and without vortex generators. Local and average Nusselt numbers of single tube and tube bank with vortex generator are investigated and compared to those of without vortex generator.

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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존의 열교환기에 비해 다음과 같은 장점을 갖는 열교환기를 설계하였다. 전열관의 내부에는 냉매가 흐르게 하고 자연열원(해수, 하천수 또는 하수 등)은 전열관 외부에 설치된 개수로를 통해 흐르도록 유도함으로써 열교환기에 각과 격벽을 사용하지 않아 제작비용을 절감할 수 있고, 전열 관이 외부로 노출되어 전열관에 부착된 스케일이나 이물질을 간단하게 제거하여 자연열원을 이용한 열교환기의 가장 심각한 문제점인 파울링 문제를 해결할 수 있다.
본 연구에서는 열교환기에 와류발생기를 설치하여 단일 원관과 원관군에서 와류에 의한 열전달 촉진 메카니즘을 실험적으로 규명하고자 하며, 이를 위해 나프탈렌승화법을 도입하였다.
본 연구에서는 직교류 열교환기에서 와류발생기와 원관군의 배열이 열전달 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 지름 30 mm인 원관을 종방향, 횡방향으로 각각 5열씩 배치하여 각 열에서 국소열전달계수를 측정하였다.

제안 방법

자동이송 승화깊이 측정장치는 컴퓨터로 제어되는 스텝모터를 이용하여 시편과 측정센서를 자동으로 이동시키면서 승화깊이를 측정한다. 시편은。축에 센서는 z축에 고정하고, 。축이 일정 각도만큼 회전한 다음 센서가 z 축으로 이동하여 원관 표면에서의 승화깊이를 측정할 수 있도록 설계되어 있다.
)에 연결한다. Signal Conditioner는 LVDT에서 나오는 전류 신호를 전압신호를 변환하여 증폭하고 LVDT 에전원을 공급하는 역할을 하며, 센서팁의 변위가 0.01 inch 에 대해 1 Volt 의 신호를 발생하도록 교정하였다. Signal Conditioner에서 나온 전압 신호는 다시 Data Acquisition System에 의해 읽혀진다.
mm, 깊이 2 mm)을 가공하였다. 주조용 몰드는 2개로 나누어 제작하였으며, 원관 안쪽에 액체 나프탈렌 주입용 구멍을 만들어 주조된 원관표면에 흠집이 생기지 않도록 하였다.
실험을 수행하기 위해서 먼저 시편 표면에 나프탈렌을 주조하고, 자동이송 승화깊이 측정 장치로 주조된 나프탈렌의 높이를 측정한다. 측정이 끝나면 시편을 풍동 내의 유동장에 1시간 정도노출시킨다.
측정이 끝나면 시편을 풍동 내의 유동장에 1시간 정도노출시킨다. 이때 풍동 내의 유동속도를 피토튜브와 마노미터로 측정하고, 백금저항온도계로 유 동장의 온도를 일정간격으로 측정한다. 풍동에서의 노출이 끝나면, 노출시키기 전과 같은 방법으로 나프탈렌의 승화깊이를 측정한다.
고찰하였다. 지름 30 mm인 원관을 종방향, 횡방향으로 각각 5열씩 배치하여 각 열에서 국소열전달계수를 측정하였다. 이때 원관군을 Fig.
4(a)와 같이 교차로 배열한 경우와 Fig. 4(b)와 같이 정렬로 배열한 경우를 비교하였으며, 원관 군 전단 20 mm 지점에 직경 5 mm의 원형 와류발생기를 설치하여 와류발생기가 없을 때와 비교하였다.
단일 원관과 원관군에 와류발생기를 설치하여 열전달 특성을 실험적으로 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 실험장치들은 크게 풍동,자동이송 승화깊이 측정장치, Data Acquisition System, 실험시편 및 주조설비, 피토튜브와 마노미터, 백금저항온도계 등이 있다.
Signal Conditioner에서 나온 전압 신호는 다시 Data Acquisition System에 의해 읽혀진다. 본 연구에서 사용된 Data Acquisition Systeme HP 3852A Data Acquisition/Control Unit으로, 두 가지 기능을 수행한다. 하나는 Signal Conditioner 에서 나오는 아날로그 (Analog) 신호를 디지털 (Digital) 신호로 변환하는 A/D 변환기능이고, 다른 하나는 시편과 센서를 이동시키는데 사용되는 스텝 모터를 제어하는 스텝모터 콘트롤러기능이다.
실험시편의 크기는 길이 192 mm, 지름 30 mm 이며, 원관에 나프탈렌을 주조하기 위한 홈(길이 162 mm, 깊이 2 mm)을 가공하였다. 주조용 몰드는 2개로 나누어 제작하였으며, 원관 안쪽에 액체 나프탈렌 주입용 구멍을 만들어 주조된 원관표면에 흠집이 생기지 않도록 하였다.

이론/모형

1(a) 와 같이 와류발생기가 없는 경우와 Fig. 1(b) 와 같이 와류발생기가 설치된 경우의 원관 표면에서의 3차원 국소열전달계수를 나프탈렌 승화 법을 사용하여 측정하고 비교하였다. Fig.

성능/효과

그러나 평균값의 크기는。<90°인 전면에서는 와류발생기가 없는 경우에 비해서 매우 크며, 。>90°인 후면에서도 와류에 의해 열전달이 촉진되는 것을 알 수 있다. 또한 전면에서는 이격거리에 따라 평균 Nu 수의 차이가 거의 없으나, 후면에서는 와류발생기가 원관에 접근할수록 열전달계수가 약간 증가하는 것을 알 수 있다.
Fig. 6(b)의 와류발생기가 있는 경우는 1열에서 와류발생기에 의한 열전달계수의 증가는 교차배열과 비슷하고, 2열 이후에는 와류발생기의 영향이 미미한 것으로 판단된다. 이 경우도 교차배열에서와 같이 모든 열에서의 열전달계수가 평준화되는 것을 알 수 있다.
1) 단일 원관에서 와류발생기를 설치하였을 때 평균 Nu 수의 분포 형태는 와류발생기가 설치되지 않았을 때와 유사하지만, 와류에 의한 열전달촉진으로 평균 Nu 수 값이 높게 나타났다.
2) 단일 원관에서 와류발생기의 이격거리에 따른 평균 Nu 수의 차이는 크지 않았다.
3) 원관군에서 교차배열과 정렬배열의 평균 Nu 수 분포 형태가 약간 다르게 나타났지만, 두 경우 모두 와류발생기의 영향으로 열전달이 향상되었다. 교차배열의 경우는 1열과 2열에서, 정렬 배열의 경우는 1열에서 평균 Nu 수가 증가하여 전체적으로 평준화가 되었다.

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