[논문]Louver-Fin 열교환기의 열전달 특성 실험 연구

장근선; 권영철; 홍석률; 김재덕; 이현수; 박병권

[국내논문] Louver-Fin 열교환기의 열전달 특성 실험 연구
Experimental Study of Heat Transfer Performance of Louver-Fin Heat Exchanger 원문보기

장근선 (선문대학교 기계공학과) , 권영철 (선문대학교 기계공학과) , 홍석률 (선문대학교 대학원) , 김재덕 (선문대학교 대학원) , 이현수 (선문대학교 대학원) , 박병권 (선문대학교 대학원)

This study presents the air side heat transfer and friction characteristics of fin-tube heat exchangers. Variations of heat transfer performance in each row are investigated in the present work. Experiments were performed for the Louver fin-tube heat exchangers using air-enthalpy type calorimeter, which is based on air-enthalpy method described in ASHRAE standards. The air velocity was varied from 0.7 to 2.5 m/s with 0.3 m/s interval. The results are plotted in terms of Colburn j-factor and friction factor of with respect to Reynolds number in the range of 200 to 1100.

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문제 정의

본 연구의 목적은 히트펌프의 난방운전 실외기 운전 조건에서 핀-관 열교환기의 공기측 열전달 특성 및 마찰특성을 조사하는 데 있다.
본 연구에서는 건 표면 조건에서 루버 핀-튜브 열교환기의 열전달 성능 및 유동 저항 특성을 실험을 통하여 고찰하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 중요 결론은 다음과 같다.

제안 방법

핀-관 열교환기의 난방온도 조건에서의 열교환기의 공기측 열전달 및 압력강하 특성을 조사하기 위하여 공기엔탈피식 칼로리미터를 이용하였다. 칼로리미터는 히트펌프 및 열교환기의 성능평가에 사용되는 장치로써 실내측 시료의 냉·난방능력을 흡입·배출공기의 엔탈피차와 공기의 풍량을 측정하여 ASHRAE⁽¹¹⁾에 규정된 공기 엔탈피법으로 측정하며 Fig.
시험 열교환기는 흡입식 풍동형의 코드테스트의 입구부에 설치되어 있으며, 열교환기와 입구부의 틈새로 공기의 누설이 없도록 열교환기 주위를 최대한 밀폐하였다. 능력 측정은 실험을 시작하여 공기의 온도 및 유속, 물의 입구온도, 유량 등이 정상상태에 도달한 후, 온도변동이 ±0.1℃ 이내로 안정되면 공기의 풍량 및 입출구 건습도온도, 압력차, 물의 유량 및 입출구온도 등의 데이터를 10초 간격으로 추출하여 적산하고 이를 10분 평균값과 70분 평균값으로 출력한다.
열교환기의 공기측과 물측의 전열량은 다음 식으로 각각 표현된다. 본 연구에서는 공기측 열전달계수를 계산하기 위하여 공기측과 물측의 전열량을 산술 평균한 값을 사용하였다.
핀-관 열교환기에서 열저항은 크게 대류열저항, 전도열저항, 접촉열저항으로 나눌 수 있다. 본 연구에 사용된 열교환기의 동관과 알루미늄 핀의 경우 열전도율이 매우 높고 두께가 매우 얇으므로 관벽에 의한 전도열저항은 전체열저항의 1% 미만이므로 무시하고 총괄열저항을 다음과 같이 나타내었다.

대상 데이터

2.2 실험방법

실험데이터는 유입공기의 온도와 속도 그리고 물의 입구온도와 유량 등이 정상상태에 도달한 후, 공기와 물의 온도변동이 ±0.2℃이내로 안정되면 공기의 속도, 입구 및 출구의 건구와 습구온도, 압력차 그리고 물의 유량과 입구 및 출구온도 등이 획득되었다. 본 연구에 사용된 난방온도에서의 열교환기 실험조건은 다음과 같다.

이론/모형

는 튜브의 확관 전 및 후의 외경차이다. 튜브내의 대류열전달계수는 다음과 같은 Gnielinski⁽⁹⁾ 상관식을 사용하였다.
위 식에서 핀 효율을 계산하기 위해서 Schmidt⁽¹⁰⁾ 가 제안한 상관식을 사용하였다.

성능/효과

핀 피치별로 보면 핀 피치가 작을수록 전열량 증가폭이 큰데 이는 핀 피치의 간격이 좁을수록 열 경계층의 두께가 얇게 형성되어 공기와 전열면과의 접촉면적을 증가시켜 열전달이 활발하게 이루어지고, 핀의 개수 또한 늘어남으로 인해 핀 표면적이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 낮은 공기 유속에서는 핀 피치와 열수에 대한 영향이 미비하나, 전면 공기속도가 증가하면서 핀 피치가 작을수록, 열수가 많을수록 전열량이 증가하는 경향을 보였다.
4는 같은 핀 피치의 열교환기에서 열수별 공기의 레이놀즈수에 대한 공기열전달계수의 관계를 나타낸 그래프 이다. 모든 실험에서 공기의 레이놀즈수가 증가 할수록 열전달 계수의 값은 증가 하는 경향을 보인다. 저 레이놀즈영역(200～400)에서는 3열의 열전달 계수가 2열의 열전달 계수보다 작게 나타나는데, 이는 1열을 지나면서 발생한 와류 때문에 공기가 회전하면서 공기흐름을 방해하기 때문에 순 유량이 다른 지역보다 작게 되어 열전달 현상을 방해하는 것으로 보인다.
공기유량을 고려한 열교환기의 성능을 보면 레이놀즈수가 400정도에서 전반적으로 좋은 효과를 내는 것으로 나타난다. 같은 레이놀즈 영역에서 보면 저 영역(400이하)을 제외하면 작은 피치에서 더 좋은 성능을 내는 것을 볼 수 있다.
(1)핀 피치에 의한 전열량 증가보다 열수에 의한 전열량 증가가 더 크게 나타남을 알 수 있었고, 핀 피치가 작을수록 더 높은 열전달계수를 가졌다. 또한 핀 피치가 작을수록 열수증가에 의한 열전달계수의 증가폭이 커진다는 것을 알 수 있었다.
(1)핀 피치에 의한 전열량 증가보다 열수에 의한 전열량 증가가 더 크게 나타남을 알 수 있었고, 핀 피치가 작을수록 더 높은 열전달계수를 가졌다. 또한 핀 피치가 작을수록 열수증가에 의한 열전달계수의 증가폭이 커진다는 것을 알 수 있었다.
(2)핀 피치와 열수의 변화에 대한 j-factor와 f-factor의 해석결과는 레이놀즈수가 증가할수록 j-factor와 f-factor는 감소함을 보였고, 레이놀즈수 400부근의 영역에서 역전현상이 존재함을 보였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

난방온도에서의 열교환기 실험조건은 어떠한가?

공기측 : 유입 공기온도 : 20℃ 유입공기 상대습도 : RH 60 % 유입공기 속도 : 0.7～2.5 m/s (7 단계) 물측 : 열교환기 유입 물온도 : 70℃ 물유량 : 10lpm

핀-관 열교환기의 열전달계수를 증가시키기 위해 무엇을 향상시켜야 하는가?

또한 열수, 핀 및 관피치 그리고 관회로 구성에 따라 열교환기의 성능은 크게 달라지므로 이들 설계변수들에 대한 데이터 확보 및 해석은 열교환기의 고효율화 및 소형 경량화 관점에서 중요하다. 핀-관 열교환기의 열전달계수를 증가시키기 위해서는 관외측 열저항인 공기측의 열전달 성능을 향상시키는 것이 중요하다. 공기측 전열성능을 나타내는 지표인 열전달계수는 j-factor로 나타내는데, McQuiston(2)은 평판핀 4열 열교환기의 성능을 j-factor를 이용한 상관식을 제시하였으며, Gray와 Webb(3)은 4열 열교환기에 관하여 관의 단 간격과 핀 간격을 포함하여 상관 관계식을 제안하였다.

열교환기의 성능은 무엇에 따라 크게 달라지는가?

또한 열수, 핀 및 관피치 그리고 관회로 구성에 따라 열교환기의 성능은 크게 달라지므로 이들 설계변수들에 대한 데이터 확보 및 해석은 열교환기의 고효율화 및 소형 경량화 관점에서 중요하다. 핀-관 열교환기의 열전달계수를 증가시키기 위해서는 관외측 열저항인 공기측의 열전달 성능을 향상시키는 것이 중요하다.

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