[논문]밀집형 열교환기 내 공기 측 대류열전달특성

모정하; 이상호

밀집형 열교환기 내 공기 측 대류열전달특성
Analysis for Air-Side Convective Heat Transfer Characteristics in Compact Heat Exchangers 원문보기

모정하 (원광대학교 기계자동차공학부) , 이상호 (원광대학교 기계자동차공학부)

Numerical analysis has been carried out to investigate air-side convective heat transfer characteristics in compact heat exchangers with continuous plate fins. Simulation results such as air flow and temperature distributions are presented, and heat transfer characteristics are compared for various inlet conditions. Results from various turbulence models are also compared for applicability. There is large difference between the local heat transfer coefficient distributions along the cylinder wall for circular tubes. Colburn j factors from the calculated results of circular and flat tubes in the heat exchangers are compared for various Reynolds number. The predicted results in this study can be applied to the optimal design of air conditioning system. with compact heat exchanger.

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문제 정의

본 연구에서는 원형관과 납작관 형상의 밀집형 열교환기 내 공기측 유체유동 및 열전달 특성을 전산수치해석을 통하여 분석하고자 한다. 이를 통해 열교환기 설계를 위한 기초 자료 확보를 용이하게 하고자 한다.
본 연구에서는 원형관과 납작관 형상의 밀집형 열교환기 내 공기측 유체유동 및 열전달 특성을 전산수치해석을 통하여 분석하고자 한다. 이를 통해 열교환기 설계를 위한 기초 자료 확보를 용이하게 하고자 한다.

가설 설정

일반적으로 냉방용 공조기기의 경우 응축기의 응축수온도는 약 50℃ 전․후이며, 외기의 공기 온도는 약 30℃이다. 이에 따라 입구의 공기온도는 303K로, 관의 표면온도는 323K로 가정하였다. 위치가 = 0, 12.

제안 방법

본 연구를 통하여 예측한 해석결과의 타당성을 고찰하기 위하여 기존에 수행된 Kays와 London⁽¹⁾, Kim 등⁽⁴⁾, 그리고 Wang 등⁽⁶⁾의 세 개의 실험결과와 비교하였다. 비교 대상인 세 개의 실험결과는 상관관계식에 입구속도의 범위를 1.
본 연구에서는 원형 및 납작 관 형상의 밀집형 열교환기들 내 공기의 유동 및 열전달 특성을 수치해석기법을 적용하여 분석하였다. 이를 위해 여러 가지 기존의 열전달 상관관계식과 난류모델들의 적용성을 검토하였다.
비교 대상인 세 개의 실험결과는 상관관계식에 입구속도의 범위를 1.5∼6.5m/s인 경우 열전달계수를 구하기 위해서 출구온도가 필요하므로 본 논문에서는 각 입구속도에 대한 출구온도를 계산하였으며, 난류모델 별 계산된 출구온도는 Table 1과 같다.
한편 Yoon et al⁽⁷⁾은 열수가 세 개인 열교환기를 대상으로 낮은 Reynolds 수에 대하여 실험과 수치해석을 병행한 결과를 제시하였다. 이들이 제시한 상관관계식은 평균온도(입구온도와 출구온도의 산술평균온도)를 기준으로 유체의 물성치를 구하였다. 대칭형 엇갈림 배열로 구성된 열교환기에 대하여 Fiebig et al.
본 연구에서는 원형 및 납작 관 형상의 밀집형 열교환기들 내 공기의 유동 및 열전달 특성을 수치해석기법을 적용하여 분석하였다. 이를 위해 여러 가지 기존의 열전달 상관관계식과 난류모델들의 적용성을 검토하였다. 해석결과를 바탕으로 유동장 내 공기 속도 및 온도분포를 비교하였으며 이를 통해 열전달 계수 및 Colburn 계수의 변화특성을 비교 분석하였다.
해석 영역의 형태를 고려하여 관 부근에는 직육면체 격자(mesh)를 사용하였고 그 외 부분에는 삼각형 격자를 적용하였다. 그리고 온도 변화가 급격한 관 벽 부근에서는 격자를 조밀하게 구성하였다.
이를 위해 여러 가지 기존의 열전달 상관관계식과 난류모델들의 적용성을 검토하였다. 해석결과를 바탕으로 유동장 내 공기 속도 및 온도분포를 비교하였으며 이를 통해 열전달 계수 및 Colburn 계수의 변화특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 향후 열교환기의 설계를 위한 기초 자료의 확보가 가능할 것으로 판단된다.

대상 데이터

본 전산해석에 사용된 공기의 물성치는 대기압, 310K를 기준으로 밀도는 1.146 kg/m3 , 열전도율은 0.027W/mK , 정압비열은 1005J/kgK , 그리고 점성계수는 1.89 × 10-5 Pa•s 이다.
1과 같다. 휜의 유동방향 길이는 66 mm이며, 가로피치는 22mm, 세로피치는 25.4mm이다. 가운데 관을 중심으로 상하가 대칭이며, 휜의 피치가 일정한 것을 고려하여 계산영역을 Fig.

데이터처리

2 / 가 된다. 이 범위의 속도경계조건이 적용된 수치해석으로부터 얻은 열전달계수를 이용하여 Colburn j 계수값을 구하였다. Fig.

이론/모형

본 수치해석을 위하여 열․유체분야의 상용코드인 FLUENT⁽⁸⁾를 사용하였고 SIMPLE 알고리즘⁽⁹⁾이 포함된 유한체적법을 적용하였으며 대류항 보간법으로 2차 상류차분법을 사용하였다. 지배방정식의 주요 변수인 속도와 온도에 대하여 다음의 수렴조건을 설정하였다.

성능/효과

원통의 전면 부분에서 열전달계수가 비교적 크게 나타났으며 원통 후면으로 갈수록 열전달계수가 감소하는 경향을 보이고 있다. 그리고 각각의 원형 관 별 열전달계수는 전방의 원통, 중앙의 원통, 그리고 후방의 원통 순으로 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 Reynolds 수의 범위 1000∼ 15,000에 대하여, 열의 수가 세 개인 원형관-평판휜 형상의 열교환기에 설계에 적용할수 있는 Colburn j계수의 상관관계식이 필요하다.
6은 원형 관의 경우 원통 표면에 대한 열전달계수의 분포를 나타낸 것이다. 원통의 전면 부분에서 열전달계수가 비교적 크게 나타났으며 원통 후면으로 갈수록 열전달계수가 감소하는 경향을 보이고 있다. 그리고 각각의 원형 관 별 열전달계수는 전방의 원통, 중앙의 원통, 그리고 후방의 원통 순으로 감소하는 것으로 나타났다.
이와 함께 수치해석을 통해 구한 열전달계수와 기존의 상관관계식으로부터 계산한 열전달계수를 입구속도변화에 대하여 비교한 결과 입구 공기속도의 전 범위에 대하여 표준 k-ε모델, RNG k-ε모델 및 Kays와 London, Wang 등이 제시한 열전달계수는 최대 수 % 이내에서 거의 근접한 값으로 나타났다.
비대칭형인 경우 관 상단부에서 온도분포는 대칭형인 경우와 비슷하였으나 관 하단부에서는 상단부에 비하여 온도구배가 약간 크게 나타나는 현상을 보였다. 입구속도가 증가하면 입구온도에 근접하는 303K 정도의 온도영역이 세 번째 열 관의 앞 부근까지 이르렀으며 하류에서도 약 307K 정도의 낮은 온도가 형성되고 있음을 관찰할 수 있었다.
입구의 공기속도가 증가할수록 중앙의 원관 뒤에서 형성된 재순환 유동의 영역이 약간 커지는 것으로 관찰되었고, 원관 상·하단에 나타나는 최대 속도 영역은 하류로 갈수록 점점 확대되었다.

후속연구

해석결과를 바탕으로 유동장 내 공기 속도 및 온도분포를 비교하였으며 이를 통해 열전달 계수 및 Colburn 계수의 변화특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 향후 열교환기의 설계를 위한 기초 자료의 확보가 가능할 것으로 판단된다.
원형관과 납작관의 경우 Reynolds 수의 증가에 따라 Colburn j계수가 감소함을 볼 수 있으며 두 경우 Reymolds 수에 대한 변화의 구배가 거의 비슷한 것으로 나타났다. 추후 이들 해석결과를 바탕으로 실제 열교환기설계에 적용 가능한 상관관계식의 제시가 가능할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

밀집형 열교환기는 어떤 경우에 주로 사용되는가?

일반적으로 밀집형 열교환기(compact heat exchanger)는 단위 체적 당 매우 큰 열전달 표면적이 요구되는 상태에서 열전달매체가 기체일 경우에 주로 사용되며 표면의 휜(fin)과 판(plate)의 형상에 따라 여러 종류로 분류된다. 대표적인 형태로써 납작관-연속적인 평판휜(flat tubescontinuous plate fins), 원형관-연속적인 평판휜 원형휜(circular tubes-circular fins) 등이 있으며 이러한 형태의 열교환기는 주로 공조기용 기기에서 사용되고 있다.

밀집형 열교환기는 무엇에 따라 여러 종류로 분류되는가?

일반적으로 밀집형 열교환기(compact heat exchanger)는 단위 체적 당 매우 큰 열전달 표면적이 요구되는 상태에서 열전달매체가 기체일 경우에 주로 사용되며 표면의 휜(fin)과 판(plate)의 형상에 따라 여러 종류로 분류된다. 대표적인 형태로써 납작관-연속적인 평판휜(flat tubescontinuous plate fins), 원형관-연속적인 평판휜 원형휜(circular tubes-circular fins) 등이 있으며 이러한 형태의 열교환기는 주로 공조기용 기기에서 사용되고 있다.

밀집형 열교환기의 대표적인 형태는 무엇인가?

일반적으로 밀집형 열교환기(compact heat exchanger)는 단위 체적 당 매우 큰 열전달 표면적이 요구되는 상태에서 열전달매체가 기체일 경우에 주로 사용되며 표면의 휜(fin)과 판(plate)의 형상에 따라 여러 종류로 분류된다. 대표적인 형태로써 납작관-연속적인 평판휜(flat tubescontinuous plate fins), 원형관-연속적인 평판휜 원형휜(circular tubes-circular fins) 등이 있으며 이러한 형태의 열교환기는 주로 공조기용 기기에서 사용되고 있다.

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