[논문]PF 열교환기의 열전달과 압력강하 특성 실험 연구

엄유식; 서동남; 박경만; 이상재; 김대훈; 권영철

PF 열교환기의 열전달과 압력강하 특성 실험 연구
Experimental of Study on Heat Transfer and Pressure drop of PF Heat Exchangers 원문보기

대한설비공학회 2008년도 동계학술발표대회 논문집, 2008 Nov. 21, 2008년, pp.519 - 524

엄유식 (선문대학교 대학원) , 서동남 (선문대학교 대학원) , 박경만 (선문대학교 대학원) , 이상재 (한국산업기술시험원) , 김대훈 (한국산업기술시험원) , 권영철 (선문대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, the air-side heat transfer and pressure drop characteristics of the fin-tube and PF heat exchangers have been experimentally investigated under the cooling standard condition. Fin type of PF heat exchanger is a triangler and squarer form. The experimental data of the slit fin-tube and two kinds of PF heat exchangers are measured using the air-enthalpy calorimeter and the constant temperature water bath. As the inlet air velocity increases, the heat transfer rate and pressure drop of the heat exchanger increased. The heat transfer rate and pressure drop of PF-2 heat exchanger of the squarer fin is larger than that of PF-1 heat exchanger of the triangler fin. As the inlet air temperature increases, the heat transfer rate decreases and the pressure drop is nearly uniform.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가정용 공조기의 응축기로 널리 적용되고 있는 핀-관 열교환기와 최근 적용되고 있는 알루미늄 PF 열교환기의 성능을 평가하기 위하여, 동일 전면면적의 핀-관 열교환기, 그리고 삼각형 및 사각형 형태의 2종의 PF 열교환기의 형상에 따른 열교환기의 공기측 열전달 및 압력강하를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 삼각형과 사각형 핀을 가진 PF 열교환기의 열전달과 압력강하 특성을 조사하기 위하여 핀-관 열교환기와 비교 실험을 수행하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

2에 명시된 바와 같이 KS C 9306에 규정된 여름철 냉방표준 온도조건(건구온도 35℃, 습도 40%)을 기준으로, 건구온도를 25∼40℃ 범위에서 5℃씩 변화를 주었고, 물측 입구 온도는 냉매시스템에서 응축기 입구 온도가 70∼80℃ 범위임을 고려하여 75℃로 설정하였다.
열교환기 성능을 측정하는 실험에는 여러 가지 방법이 있는데 위해 상사법칙을 이용한 확대모형 실험과 열교환기를 물로 직접 실험하여 공기측 성능을 산출하는 방식이 가장 많이 사용되고 있다. 또한 열 및 물질전달의 상사성을 이용하는 나프탈렌 승화법과 열교환기의 입구유속, 입출구 온도 및 압력 등을 직접 측정하여 열교환기 성능을 평가한다. 본 연구에서는 물을 이용하여 공기의 입구유속, 입출구 온도 및 압력 등을 직접 측정하여 평가하는 방법으로 실험을 수행하였다.
온도제어는 PID 제어에 의해 설정치 온도를 자동으로 제어한다. 또한 차압계를 이용하여 실험 열교환기에서 발생하는 압력강하를 측정한다. 저항 온도계와 유량계, 차압계에서 발생된 신호와 실내측 풍량측정장치에서 발생된 공기의 온도 및 풍량 신호는 디지털 기록계로 보내어지고 GPIB 통신을 통해 컴퓨터에 입력되어 능력계산을 수행하도록 프로그램화되어 있다.
물 유량은 12 ℓ/min이며, 전면 공기유속은 1.5∼3.0 m/s로 0.5 m/s씩 변화를 주어 열교환기의 성능을 측정하였다.
본 실험에서는 응축기의 공기 및 물측 입출구 온도를 측정하고, 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 공기측에서 얻은 열전달량( Q_a)과 물측에서 잃은 열전달량( Q_w)을 구하였다.
또한 열 및 물질전달의 상사성을 이용하는 나프탈렌 승화법과 열교환기의 입구유속, 입출구 온도 및 압력 등을 직접 측정하여 열교환기 성능을 평가한다. 본 연구에서는 물을 이용하여 공기의 입구유속, 입출구 온도 및 압력 등을 직접 측정하여 평가하는 방법으로 실험을 수행하였다. 이 방법은 실물 열교환기를 이용함으로써 실제와 가장 가까운 결과를 얻을 수 있고, 물을 이용함으로써 관내측 열전달계수의 불확실성을 줄일 수 있는 이점을 가지고 있다.
실험데이터는 공기의 온도 및 유속, 물의 입구온도와 유량이 정상상태에 도달한 후, 온도변동이 ±0.1℃ 이내로 안정되면 공기의 풍량 및 입출구 건습구온도, 압력차, 물의 유량 및 입출구 온도를 측정하였다.
실험연구에 사용된 열교환기는 챔버 내의 코드 테스터에 부착되었으며, 열교환기와 코드테스터 입구부의 틈새로 공기의 누설이 없도록 주위를 최대한 밀폐하였고, 열교환기의 U밴드 및 헤더부와 입출구 관로 부분의 열 출입을 최소화하기 위해 단열재를 이용하여 마감처리 하였다. Table.

대상 데이터

Table. 1은 본 연구에 사용된 열교환기의 사양으로 PF 열교환기 체적은 핀-관 열교환기의 63% 크기이다. Fig.
실험에 사용된 칼로리미터는 온습도 조절이 가능한 항온항습 챔버로 냉동기, 가열기 및 가습기 등으로 구성되어 있어, 실내의 온습도를 일정한 상태로 제어하여 실험하고자 하는 열교환기 전면 입구공기의 조건을 원하는 상태로 설정할 수 있다. 성능측정부는 흡입형의 코드테스터로 항온항습 챔버 내에 설치되어 있으며 열교환기를 통과한 공기풍량, 온습도를 측정함으로써 열교환기 능력을 계산할 수 있다.

이론/모형

본 연구에서 열교환기의 공기측 열전달 및 압력강하를 측정하기 위하여 공기엔탈피식 칼로리미터(Fig. 1)를 사용하였고, 열량계산을 위하여 KS C 9306에서 규정한 시험방법을 따랐다.⁽⁶⁾
실험의 신뢰도를 확보하기 위하여 측정된 공기와 물의 열전달량은 다음과 같은 열평형식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 열교환기의 열전달량은 PF 열교환기가 핀-관 열교환기보다 우수하며, PF-2 열교환기는 PF-1 열교환기의 열전달량보다 6∼9% 크게 나타났다.
(2) 공기측의 압력강하는 핀-관 열교환기에 비해 PF-2 열교환기는 1∼5% 크게, PF-1 열교환기는 9∼16% 작았다.
(3) 사각형 핀이 적용된 PF-2 열교환기는 삼각형 핀 적용한 PF-1 열교환기보다 열전달은 우수하였지만 압력강하도 크게 나타났다.
(4) 유입공기의 온도가 증가할수록 열전달량은 감소하였으며, 압력강하의 변화는 미미하였다.
Fig. 4와는 달리 유입공기의 속도에 따라 PF-2 열교환기의 단위 열전달 면적당 압력강하는 핀-관 열교환기의 압력강하보다 38∼44% 크게 나타났고, PF-1 열교환기는 핀-관 열교환기의 압력강하보다 8∼14% 크게 나타났다.
0 m/s에서 유입공기 온도 25∼40℃, 상대습도 40%에 대한 압력강하를 나타낸 것이다. PF-2 열교환기의 압력강하는 핀-관 열교환기보다 4.5% 크게 나타났고, PF-1 열교환기는 핀-관 열교환기의 압력강하보다 12% 작게 나타났다. PF-2 열교환기의 압력강하는 PF-1 열교환기보다 18% 정도 크게 나타났다.
PF-2 열교환기의 열전달량은 PF-1 열교환기보다 6∼10% 정도 크게 나타났다.
PF-2 열교환기의 열전달량은 PF-1 열교환기보다, 12∼19% 크게 나타났다.
유입공기의 속도에 따라 PF-2 열교환기의 단위 열전달면적당 열전달량은 핀-관 열교환기의 열전달량보다 61∼75% 크게 나타났고, PF-1 열교환기는 핀-관 열교환기의 열전달량보다 38∼46% 크게 나타났다.
유입공기의 속도에 따라 PF-2 열교환기의 열전달량은 핀-관 열교환기에 비해 17∼27.5% 크게 나타났고, PF-1 열교환기는 핀-관 열교환기의 열전달량보다 10∼16% 크게 나타났다.
한편, PF-2 열교환기의 열전달량은 핀-관 열교환기의 열전달량보다 21∼22% 크게 나타났고, PF-1 열교환기는 핀-관 열교환기의 열전달량보다 13∼15% 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지의 급격한 수요 증가로 인해 정부에서는 어떠한 규제를 강화하고 있는가?	이에 에너지 수요도 급격히 팽창하여 공조기의 에너지 소비량이 건물에서 소비되는 전체 에너지의 절반을 차지하고 있는 실정이다. 에너지의 급격한 수요 증가로 에너지 부족 현상이 야기됨에 따라 정부에서는 에너지소비 효율 등급제를 시행하는 등 공조기의 에너지소비효율에 대한 규제를 강화하고 있다. 에너지를 효율적으로 이용하고 재료비를 절감하기 위한 열교환기 고효율화, 소형화 연구는 그동안 국내외에서 꾸준히 수행되고 있다.
	가정용 공조기에는 주로 어떠한 열교환기가 사용되고 있는가?	가정용 공조기에는 주로 핀-관형 열교환기가 사용되고 있다. 핀-관 열교환기는 냉매가 흐르는 원형의 구리관과 공기측의 알루미늄 핀이 기계적인 확관에 의해 접합되어 제작되는데, 원관 후류에서의 유동저항의 증가와 전열성능의 감소, 그리고 기계적 확관에 의한 접촉열저항의 존재로 성능향상에 한계가 있다.
	삼각형과 사각형 핀을 가진 PF 열교환기의 열전달과 압력강하 특성을 조사하기 위하여 핀-관 열교환기와 비교 실험을 수행했을 때 얻은 결론은?	(1) 열교환기의 열전달량은 PF 열교환기가 핀-관 열교환기보다 우수하며, PF-2 열교환기는 PF-1 열교환기의 열전달량보다 6∼9% 크게 나타났다. (2) 공기측의 압력강하는 핀-관 열교환기에 비해 PF-2 열교환기는 1∼5% 크게, PF-1 열교환기는 9∼16% 작았다. 그리고 PF-2 열교환기는 PF-1 열교환기보다 15∼20% 크게 나타났다. PF-1과 PF-2 열교환기의 압력강하는 유입공기 속도가 증가할수록 차이가 줄어들었다. (3) 사각형 핀이 적용된 PF-2 열교환기는 삼각형 핀 적용한 PF-1 열교환기보다 열전달은 우수하였지만 압력강하도 크게 나타났다. (4) 유입공기의 온도가 증가할수록 열전달량은 감소하였으며, 압력강하의 변화는 미미하였다.

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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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