[논문]핀 튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 성능 비교

장근선; 이현수; 김재덕; 홍석률

핀 튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 성능 비교
Performance Comparison of Fin-Tube Heat Exchanger and Aluminum Heat Exchanger 원문보기

대한설비공학회 2008년도 하계학술발표대회 논문집, 2008 June 25, 2008년, pp.408 - 413

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

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents comparison of the air side heat transfer and friction characteristics in a heating condition between Louver fin-tube heat exchangers and aluminum heat exchangers. Experiments are performed for the Louver fin-tube heat exchangers and aluminum heat exchangers using a calorimeter, which is designed based on air-enthalpy method described in ASHRAE standards. The air velocities its are varied from 0.7 to 1.6 m/s with 0.3 m/s interval. A study result shows that the heat transfer performances of aluminum heat exchangers are $40{\sim}80%$ higher than those of Louver fin-tube heat exchangers per unit volume, mass and heat transfer area.

AI 본문요약
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문제 정의

42% 수준일 때 동일한 냉방능력을 얻을 수 있다고 보고하였다. 본 연구에서는 이러한 알루미늄의 열교환기의 데이터베이스 구축에 일환으로 기존 핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기와의 성능을 비교하고자 한다.

가설 설정

알루미늄 열교환기는 같은 pitch에서는 Type2가 Type1보다 크게 나타났으나 작은 pitch의 Type1의 열교환기 보다는 작아 아직 개선의 부분이 남아있다. 핀-튜브 열교환기보다는 알루미늄으로 구성되어 있는 알루미늄 열교환기의 무게가 가벼워 경량화에 효율적일 것이다.

제안 방법

능력 측정은 실험을 시작하여 공기의 온도 및 유속, 물의 입구온도, 유량 등이 정상상태에 도달한 후, 온도변동이 ±0.2℃ 이내로 안정되면 공기의 풍량 및 입 · 출구 건습도온도, 압력차, 물의 유량 및 입 · 출구온도 등의 데이터를 10초 간격으로 추출하여 컴퓨터로 보내 적산하고 이를 10분 평균값과 70분 평균값으로 출력한다.
본 연구에서는 2열과 3열을 갖는 7mm 핀-튜브열교환기와 알루미늄 열교환기에 대해 단위전면 면적, 단위체적, 단위질량, 단위열전달 면적당 전열량 및 압력강하를 실험을 통해 성능 평가하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
열교환기의 공기측과 물측의 전열량은 다음 식으로 각각 표현된다. 본 연구에서는 실험에서 얻은 측정값과 알고있는 물질의 특성치를 사용하여 열교환기의 전열량을 계산하였다.
그림 7은 핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 단위 전면면적당 압력강하를 비교한 그래프이다. 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 전면면적이 크기 때문에 압력강하 특성을 비교하기위해서 전면 면적으로 나누어 단위 전면 면적당 압력강하를 비교하였다. 결과 그래프에서 볼 수 있듯이, 알루미늄 열교환기와 핀-관 열교환기 모두 핀 피치가 작아질수록 높은 압력 강하를 보였으며, 전면 공기 속도가 증가 할수록 압력강하도 크게 나타났고 핀-튜브 열교환기보다 알루미늄 열교환기의 증가폭이 작았다.
열교환기의 비교실험을 위해 핀-튜브와 알루미늄 열교환기 모두 물의 유량을 10 lpm으로 유지하여 실험하였으며. 측정된 공기측과 물측의 열평형(heat balance)은 최대 ±5% 이내에서 만족하는 실험값만을 선택하여 실험 결과에 대한 신뢰도를 높였다.
핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 난방온도 조건에서의 공기 측 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(5)에 규정된 공기 엔탈피법으로 측정한다.

대상 데이터

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.
실험에 사용된 핀-튜브 열교환기는 7mm 동관을 사용한 루버핀 열교환기로 핀 피치와 열수를 달리한 6개의 시료를 이용하였으며, 알루미늄 열교환기는 기존의 산형 루버핀을 사용한 Type 1과 산형 루버핀을 개선한 사다리꼴형의 루버핀을 사용한 Type 2의 2가지 형태의 열교환기를 사용하였다. Fig.

이론/모형

실험의 신뢰도를 높이기 위하여 측정된 공기와 물의 전열량은 다음과 같은 열평형식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 단위체적당 전열량은 전체적으로 핀-튜브 열교환기에 비해 알루미늄 열교환기가 75% 정도 크게 나타났으며, 알루미늄 열교환기 Type1 보다 Type2의 전열량이 크게 나타났다.
(2) 단위질량당 전열량은 핀-튜브 열교환기에 비해 알루미늄 열교환기가 37%크게 나타났다. 알루미늄 열교환기는 같은 pitch에서는 Type2가 Type1보다 크게 나타났으나 작은 pitch의 Type1의 열교환기 보다는 작아 아직 개선의 부분이 남아있다.
(3) 단위열전달 면적당 전열량을 비교한 결과 알루미늄 열교환기가 핀-관 열교환기보다 매우 높은 전열량이 나타났다. 알루미늄 열교환기 Type별로는 Type2가 Type1보다 12%가량 높아 접촉면적의 열전달 효율이 좋아 진 것으로 보인다.
(4) 압력강하 특성을 보면 핀-튜브 열교환기보다 알루미늄 열교환기의 압력 강하가 작게 나타났으며 속도가 증가 할수록 압력 강하 폭이 알루미늄열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 작았다.
(5) 알루미늄 열교환기는 동일한 크기의 핀-튜브 열교환기에 비해 체적, 질량, 열전달 면적 등의 효율이 40～80%이상 높아 에어컨의 소형화, 경량화가 가능하며, 공기 측의 압력손실도 감소하기 때문에 열교환기로 인한 시스템의 소음증가를 보다 쉽게 해결할 수가 있다.
알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기보다 전면면적이 크기 때문에 압력강하 특성을 비교하기위해서 전면 면적으로 나누어 단위 전면 면적당 압력강하를 비교하였다. 결과 그래프에서 볼 수 있듯이, 알루미늄 열교환기와 핀-관 열교환기 모두 핀 피치가 작아질수록 높은 압력 강하를 보였으며, 전면 공기 속도가 증가 할수록 압력강하도 크게 나타났고 핀-튜브 열교환기보다 알루미늄 열교환기의 증가폭이 작았다.
5 pitch)이 2열 보다는 46%, 3열보다는 104% 크게 나타났다. 또한 알루미늄 열교환기 동일 피치(2.5 pitch) Type별로 보면 Type1보다 Type2의 전열량이 7% 크게 나타났다. 같은 크기의 알루미늄 열교환기와 핀-튜브 열교환기 일 경우 평균적으로 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기에 비해 75%정도의 전열량이 향상 될 것으로 볼 수 있다.
0m/s일 경우 비교해 보면 열전달 면적당 전열량은 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기 2열보다는 84%, 핀-튜브 열교환기 3열보다는 158% 크게 나타났다. 알루미늄 열교환기 Type별(2.5 pitch)로는 Type2가 Type1보다 12%정도 성능이 우수한 것으로 나타났다.
그림 5는 핀-튜브 열교환기와 알루미늄 열교환기의 단위질량당 전열량을 비교한 그래프이다. 전면 공기속도 1.0m/s일 경우를 비교해 보면 단위질량당 전열량은 Type1(2.5 pitch) 알루미늄 열교환기가 1.4 피치 핀-튜브 열교환기 2열 보다는 17%, 3열 보다는 58% 크게 나타났으며, 알루미늄 열교환기 Type(2.5 pitch)별로는 Type2가 Type1 보다 단위 질량당 전열량이 2.3%정도 높게 나타났다. 하지만 작은 pitch에서는 Type1이 Type2보다 크게나타나 질량면에서는 좀 더 개선이 필요한 것으로 보인다.
하지만 작은 pitch에서는 Type1이 Type2보다 크게나타나 질량면에서는 좀 더 개선이 필요한 것으로 보인다. 전체적으로 동관과 핀으로 구성되어 있는 핀-튜브 열교환기보다 알루미늄으로 구성되어 있는 알루미늄 열교환기의 무게가 가볍고, 단위 질량당 전열량 또한 크게 나타났다. 이는 기존 연구자들의 결과와 마찬가지로 알루미늄 열교환기를 사용 하였을 때 핀-튜브 열교환기보다 무게를 줄일 수 있다는 결론과 일치한다.
측정된 공기측과 물측의 열평형(heat balance)은 최대 ±5% 이내에서 만족하는 실험값만을 선택하여 실험 결과에 대한 신뢰도를 높였다.
그에 반해 알루미늄 열교환기는 튜브의 홀수나 길이의 변화보다는 핀 피치가 감소함에 따라 핀의 개수가 늘어남에 따른 열전달 면적이 증가하였다. 핀-튜브 열교환기 핀 피치 1.4와 알루미늄열교환기를 전면 공기속도가 1.0m/s일 경우 비교해 보면 열전달 면적당 전열량은 알루미늄 열교환기가 핀-튜브 열교환기 2열보다는 84%, 핀-튜브 열교환기 3열보다는 158% 크게 나타났다. 알루미늄 열교환기 Type별(2.

후속연구

그러나 이러한 발전은 그 한계가 있다. 그에 반해 알루미늄 열교환기는 냉매 측의 수력직경이 작고 공기 측의 열 유동 특성이 기존의 핀-튜브 열교환기보다 우수할 뿐 아니라 핀과 평판 관을 일체로 융착하여 제작하기 때문에 고성능의 소형 열교환기의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 또한 열교환기 전체가 알루미늄으로만 구성되기 때문에 열교환기의 중량도 크게 줄일 수 있고 재 활용성이 기존의 핀-튜브 열교환기보다 우수하여 친환경 제품의 개발이 강조되고 있는 현재 상황에 잘 부합된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 열교환기가 고성능의 소형 열교환기의 개발로 적합한 이유는 무엇인가?	그러나 이러한 발전은 그 한계가 있다. 그에 반해 알루미늄 열교환기는 냉매 측의 수력직경이 작고 공기 측의 열 유동 특성이 기존의 핀-튜브 열교환기보다 우수할 뿐 아니라 핀과 평판 관을 일체로 융착하여 제작하기 때문에 고성능의 소형 열교환기의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 또한 열교환기 전체가 알루미늄으로만 구성되기 때문에 열교환기의 중량도 크게 줄일 수 있고 재 활용성이 기존의 핀-튜브 열교환기보다 우수하여 친환경 제품의 개발이 강조되고 있는 현재 상황에 잘 부합된다.
	핀-튜브 열교환기는 어떻게 제작되고 있는가?	냉동 공조시스템의 효율을 향상시키기 위해서는 시스템을 구성하는 요소부품의 고성능화가 선행되어야 하는데 열교환기는 시스템의 크기 및 성능에 크게 영향을 미치는 핵심 구성 요소이다. 공조용 열교환기에는 증발기와 응축기의 두 종류가 있으며 핀-튜브 열교환기가 주로 사용되고 있는데 핀-튜브 열교환기는 냉매가 흐르는 원형의 구리 관과 공기 측의 알루미늄 핀이 기계적인 확관에 의해 접합되어 제작되고 있다. 이 경우 열 저항은 구리관의 전도저항을 무시하면 공기 측, 냉매 측, 그리고 접촉 열 저항으로 크게 구분할 수 있는데 공기 측의 열 저항이 상대적으로 매우 큰 것으로 알려져 있다.
	알루미늄 열교환기는 전체가 알루니늄으로 구성되기 때문에 어떠한 장점을 가지는가?	그에 반해 알루미늄 열교환기는 냉매 측의 수력직경이 작고 공기 측의 열 유동 특성이 기존의 핀-튜브 열교환기보다 우수할 뿐 아니라 핀과 평판 관을 일체로 융착하여 제작하기 때문에 고성능의 소형 열교환기의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 또한 열교환기 전체가 알루미늄으로만 구성되기 때문에 열교환기의 중량도 크게 줄일 수 있고 재 활용성이 기존의 핀-튜브 열교환기보다 우수하여 친환경 제품의 개발이 강조되고 있는 현재 상황에 잘 부합된다.

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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