초록 ▼

고밀도 열교환기는 항공기, 저온공학, 전자회로의 냉각, 발전장치에서의 폐열회수등에 널리 응용되고 있다. 본 연구는 고밀도 열교환기의 성능을 향상시키고 전열능력의 저하를 초래하는 인자들의 영향을 구명하여 이 열교환기에 대한 기초설계자료를 제공하고자 한다. 이를 위해 관외부 표면에 부착된 휜의 주위를 통한 3차원 유동특성을 수치해석법에 의하여 구명하여 유동저항과 pumping power를 계산하는 방법을 확립하였다. 그리고 휜형상에 따른 대류열전달특성을 열 및 물질전달의 상사성을 이용하여 구명하였고 관내응축 열전달의 증진방법을 검

고밀도 열교환기는 항공기, 저온공학, 전자회로의 냉각, 발전장치에서의 폐열회수등에 널리 응용되고 있다. 본 연구는 고밀도 열교환기의 성능을 향상시키고 전열능력의 저하를 초래하는 인자들의 영향을 구명하여 이 열교환기에 대한 기초설계자료를 제공하고자 한다. 이를 위해 관외부 표면에 부착된 휜의 주위를 통한 3차원 유동특성을 수치해석법에 의하여 구명하여 유동저항과 pumping power를 계산하는 방법을 확립하였다. 그리고 휜형상에 따른 대류열전달특성을 열 및 물질전달의 상사성을 이용하여 구명하였고 관내응축 열전달의 증진방법을 검토하여 열전달 촉진에 관한 실험을 수행하였으며 비응축기체가 응측열전달에 미치는 영향을 구명하였다.
본 연구는 4개의 세부과제로 구성되어 있으며 과제별 연구내용은 아래와 같다.
(1) 고밀도 열교환기에서 휜의 형상에 따른 3차원 유동특성
고밀도 열교환기에 사용되고 잇는 fin-and-tube type은 일반적으로 3차원 유동이며 fin과 fin사이의 거리가 대단히 짧은 구조를 하고 있다. 본 연구에서는 튜브 뱅크 내부의 유동특성을 이해하고 튜브 배열의 최적화를 위하여 완전 발달형 정방형 튜브 뱅크 및 완전 발달된 교차형 튜브 뱅크에 대한 2차원 및 3차원 유동해석을 수행하였다.
2차원 유동의 가정하에서는 완전 발달된 유동하에서 정방형 튜브뱅크와 교차형 튜브 뱅크의 해석 결과 교차형 튜브뱅크가 정방형 튜브뱅크에 비해 상대적으로 표면 마찰저항이 크고 난류강도(turbulence intensity)가 크게 나타났다. 그 결과로 교차형 튜브 뱅크가 정합형 튜브뱅크보다 튜브와 유체사이의 전달현상이 잘 일어날 것이나 많은 동력이 요구될 것이다.
한편 fin에 의한 3차원 효과를 고찰하기 위하여 흔히 많이 사용되고 있는 엇각림 격자에 있어서 fin의 거리(pitch 길이 L/D), 배열형상, Re수를 변화시켜 가면서 계산을 수행하여 fin의 거리에 따를ㄴ 효과르 검토하고 배열간격의 변화와 속도효과등을 고려하였다. 핀이 있는 관배열군에 있어서 평판에 수직한 단일관에서 발생되는 말굽형 와류가 관배열 및 핀에 의한 3차원 효과에 억압되어 발달하지 못하고 복잡하게 굽어진 관유동과 유사한 특성을 보여준다. 관배열 형상을 고정하고 핀사이의 거리를 변화시켰을 경우 거리가 멀어질 수록 압력강하계수가 계속 낮아지는데 거리가 증가할 수록 그 정도는 감소하였다. 이는 Re수 10?, 10?에서 공통으로 적용된다. 한편 핀사이의 거를 1.8D로 하였을때 관배열간의 수직거리가 증가함에 따라 압력강하계수가 증가하다 감소하는 결과로 최대압력강하 거리가 존재하였다.
(2) 나프탈렌 승화법을 이용한 고밀도 열교환기에서의 3차원 열전달 특성해석:
고밀도 열교환기의 성능향상을 위한 기초 연구로 본 연구에서 환상핀이 부착된 모델에 대해 나프탈렌 승화법을 이용하여 물질전달 실험을 수행하였다. 원봉의 직격을 길이 척도로하는 레이놀즈수를 66,000정도로 선택하였고 열교환기 설계의 기초자료로 사용할 수 있는 매개변수로서 환상핀의 크기(H)와 환상핀들 사이의 간격(L)을 선태갛여 L/H를 0.05에서 0.4까지 변화시켜가며 물질전달량을 측정하였다. 나프탈렌 승화량을 정밀하게 측정하기 위해서 본 연구에서는 변위측정센서(Linear Variable Differential Transformer : LVDT)를 3차원적으로 움직이기 위한 정밀이송장치를 제작하였다.
그 결과 정체점과 원봉과 환상핀이 만나는 부분에서 말굽와류들(V1, V2, V3)에 의한 물질전달량의 현저한 증가가 나타났다. 또한 환상핀으로부터 원봉표면을 따라서 측정한 결과는 몇 군데에서 정점이 나타나는데 이러한 정점의 위치는 와류의 중심을 나타낸다. 환상핀의 간격이 어떤 일정한 간격(L/H=0.1)보다 좁을수록 와류의 숫자는 감소하고 넓어질수록 와류의 숫자는 3개가 나타났다. 그렇지만 환상핀의 간격이 넓은 경우에 환상핀사이의 전체면적에 대한 물질전달량에는 와류의 영향이 적었다. 반대로 환상핀?우 양쪽 환상핀의 선단으로부터 발달된 경계층의 중첩으로 환상핀 사이에서의 물질전달량은 V1에 의한 영향이 크고 0.15보다 큰 경우는 V1, V2, V3 모두의 영향이 크게 나타났다. 그리고 L/H가 0.1 과 0.15 사이의 영역에서는 L의 크기가 경계층 두께의 21ㅏ 정도 되는 상태로서 0.05, 0.4의 경우와는 다르다. 즉 이 경우에는 와류의 형성이 가장 커다랗게 물질전달에 영향을 주었다. 환상핀의 존재로 인한 물질전달량은 환상핀이 부착되지 않은 경우보다 L/H가 0.4일때 30(%) 정도의 증가를 보였고 L/H가 0.15일때는 200(%) 정도의 증가를 보였다. 이러한 결과는 본 모델과 같은 고밀도 열교환기 설계시에 어느 정도는 최적의 환상핀 간격이 존재함을 알 수 있다. 즉 열 및 물질전달량은 환상핀의 간격에 따라 어떤관계를 가짐을 예측할 수 있고 물질전달 분포에서 정점의 위치는 열전달량의 최대점이므로 열교환기의 손상을 막을 수 있다.
(3)고밀도 응축기에서 전열특성에 대한 비응축기체의 영향:
고밀도 응축기에서 비응축기체의 농도에 따른 응축현상을 실험하기 위하여 다음과 같은 일련의 연구를 수행하였다.
얇은 파형경계면을 측정하기 위해서 flush-wire probe라고 명명된 새로운 전기전도 검침을 개발하였다. 수치적 및 실험적으로 검토한 결과 flush-wire probe는 종래의 전기검침 보다 공간해상도가 휠씬 우수하였다. 또한 액막의 존재학률을 이용한 종래의 방법과는 새로운 개념의 전기전도검침의 보정방법을 제안하였고 실용화하였다. 본 연구에서 개발된 flush-wire probe 및 이를 이용한 multi-conductance probe로 근사수평(4.1˚) 및 수직 (87˚)의 물/공기 층상흐름에 대하여, 공기의 속도(0∼12㎧)와 액막의 유량(0.44∼1.11 ㎏/m.s)변화 시켜가면서 파형경계면을 측정하였다. 측정결과로부터 3차원파형, contour plot, 액막두께, 흐름 및 흐름수직방향의 계면속도 및 계면표면적을 실험적으로 도출하였다. 공기측의 운동량보존식에 근거하여 계년전단응력을 측정하였다. 현상적 고찰로 부터, 계면과 같은 속도로 움직이는 좌표계에서의 흐름수직방향의 계면속도(νuc)가 액막두께와 상관관계를 갖음을 설명하였고, 실험결과로 입증하였다. 이로부터 계면전단응력을 거친 고체면에 상사한 전례의 모델과는 달리, 경계면의 속도와 기체의 속도의 항으로 계년전단응력에 관한 모델식을 제안하였다. 제안된 모델식은 본 연구의 실험영역에서 수평 및 수직평판에서의 다양한 파형에 대하여 실험결과와 잘 일치하였다.
파형경계면이 존재하는 경우 공기/수증기의 혼합기체의 막응축에서 전달현상을 구명하기 위하여 실험방법을 개발하고, 실험장치를 제작하였다. 주실험부의 기울기는 물/공기의 실험과 같이 근사수평 (4.1˚)으로 하였고, 비응축기체인 공기의 질량분율(0∼0.78), 공기.수증기 혼합기체의 속도(2∼8㎧)와 액막의 유량(0∼1.11 ㎏/ms)을 변회시켜 가며 실험하였다. 열전달계수, 온도붙포, 속도분포 및 액막파형을 비응축기체의 질량분율, 혼합기체의 속도, 액막의 유량에 따라 측정 비교하였다.
열전달계수는 비응축성기체(공기)의 질량분율이 적을 경우 (<0.2)에는 공기의 분률에 크게 영향을 받았고, 질량분율이 큰 경우에는 팡형이 있을 때의 열전달계수가 매끈한 액막에서보다 수 배 정도 큰 값을 나타내었다. 또한 기·액 경계면이 파형이 미끄러운 경우에는 종래의 이론적 해석이 유효함을 실험적으로 입증하였다. 혼합기체의 온도 및 LDA로 측정한 평균속도 분포로부터 비응축기체의 양이 적을 수록 경계측의 두께가 얇아짐을 확인하였다. 파형 경계면이 존재하는 경우 경계면에 의하여 계면 근처에서 온도, 평균속도와 난류강도분포가 파형경계면에 의하여 크게 변화하고 그 경계층의 두께도 감소하였다. 파형경계면은 물질전달에 의하여 상호연관을 주었고, 물질전달량이 증가함에 따라 파의 진폭은 감소하고, 액막의 존재확률은 정규분포에 근접함을 실험적으로 확인하였다.
(4) 고밀도 열교환기에서 응축열전달의 촉진에 관한 연구:
고밀도 열교환기에서 수평관내 응축열전달의 촉진에 관한 연구를 수행하였다. 본 실험 평활관, internally finned tube 및 spirally twisted tube 이며 매질은 R-113이다. 실험은 응축2상유동양식의 판별, 응축열전달계수결정 그리고 압력강하측정으로 나누어 수행하였다.
오리피스를 통한 순간압력강하치의 통계적해석을 이용하여 2상유동양식을 판별하였다. 이 방법은 공기-물의 단열2상유동에 대하여 시도된 것이고 본 연구에서는 이 판별결과를 응축유동에 확장 적용하였다. 시험관내에 나타난 유동양식은 환상, 환상-파상, 파상, 슬러그 및 플러그 등이었으며 순간압력강하치의 확률밀도함수와 파워스펙트럼 밀도함수는 유동양식에 따라 뚜렷한 특징이 나타났다.
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Abstract ▼

Compact heat exchangers are widely used in automobiles, cooling systems of electronic equipment and cryogenic engineering. The present study was carried out to improve understanding of the fundamental phenomena in connection with compact heat exchangers and to provide some basic design data for the

Compact heat exchangers are widely used in automobiles, cooling systems of electronic equipment and cryogenic engineering. The present study was carried out to improve understanding of the fundamental phenomena in connection with compact heat exchangers and to provide some basic design data for them. The present study consists of four sbu-studies which deal with the three-dimensional flow analysis around a complex fin of compact heat exchangers, the heat transfer performance of various type fins, the effect of non-condensible gas on condensation heat transfer and enhancement of condensation heat transfer inside the horizontal tube.
(1) Study on the 3-Dimensional Flow Characteristics depending on the configuration of Fins in Compact Heat Exchangers:
To understand the characteristics of the flow in tube banks and the optimal configuration of tube-bank array, we performed the numerical analysis of the flow in in-line tube banks and staggered tube banks, where the flow was assumed to be fully-developed.
Two-dimensional flow analysis shows that the surface friction drag and the turbulence intensity of the flow in staggered tube banks is higher than those of the flow in in-line tube banks.
When fins are attached on the tube bank, i.e. fin-and-tube array, three-dimensional effects are exposed. As the distance between fins increases for the same tube-bank configuration, the pressure drop coefficient shows the decreasing tendancy but the decreasing speed is reducd with the distance. Those phenomena can be found to be similar at both of Re number 10? and 10?. On the other hand, as the vertical distance of fins changes with the pitch length between fins fixed by 1.8D, the results shows that there exist the critical distance between fins which produces maximum pressure drop.
(2) Analysis of Three dimensional Heat Transfer Characteristics of Compact Heat Exchanger using Naphthalene Sublimation Technique:
Experiments were performed to investigate the mass transfer from annularfinned circular cylinder in cross flow, using the naphthalene sublimation technique. Geometric parameter, the length between annular fins to the height of annular fin L/H, varied during experiments for a cylinder Reynolds number of 66,000. A remarkable enhancement of mass transfer due to horseshoe vortices was found near the junction of cylinder. In spanwise Sherwood number distribution. can be seen several points that is maximum. For small L/H is one point of maximum and for large L/H is two point of maximum. As L/H increase, the enhancement of total mass transfer due to vortices is small. The average mass transfer of overall surface at L/H=0.15 is larger two times than that of without annular fins. The correlations of total average mass transfer rate with L/H and Re(sub)(L) can also be obtained.
(3) The Effect of Noncondensable Gas on Heat Transfer in Compact Condenser:
A series of experimental studies has been conducted to elucidate the interfacial structure and its role one the film condensation in the presence of noncondensable gas with wavy interface.
A new conductance probe, called a flush-wire probe, to measure thin liquid film thickness was developed to enhance spatial resolution. A new calibration method using the probability of the liquids existence was also proposed. The flush-wire probe and the calibration method give more accurate and reliable measurement of film thickness than the traditional ones. This combination was extended to a multi-conductance probe to measure the three-dimensional wave form. Information on the interfacial structure and shear stress was obtained for nearly horizontal(4.1˚) and vertical(87,0˚) air-water stratified flows on a flat plate. The three dimensional wave forms were reconstructed for various experimental conditions from the measured film thickness data. The air-water interfacial area increases by only a few percent in the range of moderate waviness. A model was proposed for the interfacial shear stress deduced from the interfacial velocities, and agress well with the experimental data in a wide range of air-water stratified flow.
Experimental facilities have been constructed to investigate the transport phenomena for the condensation of steam with and without air and wavy water film. Experiments ware performed in a nearly horizontal (4.1˚) square duct of 0.1 m height, 0.15 m width and 1.56 m length at the atmospheric pressure.
Water film in a steady state thermal condition was injected to simulate the effect of a wavy interface on condensation. The experimental data for the heat transfer coefficient, velocity and temperature profile and interfacial structrue were obtained for the three parameters; air mass fraction, mixture velocity and film flow rate. When the interface is smooth, the heat transfer coefficient with and without noncondensable gas reasonably agree with the theoretical predictions. A small concentration of a noncondensable gas has a major effect on heat transfer in film condensation. When the concentration is large, the waviness of condensate film affect the heat transfer up to several times. The velocity profiles of mixture and instantaneous wave structure measured by the LDA system and flush-wire probe in the film condensation were determined, perhaps for the first time, in this paper. Temperature and velocity profiiles move downward in conditions of increased mass flux. The wave amplitude is greatly reduced when the mass transfer rate is dominant.
(4) Study on Augmentation of Condensation Heat Transfer in Compact Heat Exchanger:
A study to enhance condensation heat transfer by means of an internally finned tube and a spirally twisted tube has been carried out. Horizantal test tube are 13.88(㎜) in diameter and 3.2m long. The test fluid is R-113. Measurement of condensation heat transfer coefficient and pressure drop as well as determination of the two-phase flow regime was made for a smooth tube and two augmented tubes. Several flow regimes such as annular, annular-wavy, wavy, slug and plug were identified based upon a statistical analysis of instantaneous pressure drop through an orifice. Five different inlet pressures were taken for condensation heat transfer experiment. The mass flux was in the range between 62.4 and 275.5(㎏/㎡s).
The results show that the average condensation heat transfer coefficient and the pressure drop across the test section are increased with increasiong the mass flux for both the smooth tube and the augmented tube. The average heat transfer coefficient of the spirally twisted tube and the internally finned tube increases approximately 40∼70(%) and 220∼340(%), respectively, compared to that of the smooth tube. The pressure drop through the entire tube length also increases 260∼300(%) for spirally twisted tube and 1250∼1650(%) for internally twisted tube, respectively. The present data of the condensation heat transfer coefficient were compared to several empirical correlations. The Cavallini and Zecchin correlation seems to be qualitatively is good agreement with the present data and thus new correlations of the condensation heat transfer coefficient for both smooth and the augmented tubes were developed using dimensionless parameters suggested by them.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...14
• 제 2 장 연구내용 및 방법...16
• 제 3 장 결과 및 고찰...18
• 제 4 장 결 론...22
• 제 5 장 참고문헌...23
• 제 1 세 부 목 차...26
• 부호규약...28
• 1. 서론...32
• 2. 이론적 배경...35
• 3. 2차원 계산 결과...45
• 4. 3차원 계산 결과...62
• 5. 결론...93
• 6. 참고문헌...94
• 제 2 세부목차...100
• 제 1 장 서 론...102
• 제 1 절 환상핀 주위의 말굽와류 특성...106
• 제 2 장 연구방법...109
• 제 1 절 실험방법 및 데이타처리...109
• 제 2 절 열 및 물질전달 유추해석...115
• 제 3 절 데이타 처리...118
• 제 4 절 오차해석...119
• 제 3 장 결 과...122
• 제 1 절 환상핀이 없는 원봉주위의 물질전달...122
• 제 2 절 물질전달에 대한 양핀의 영향...124
• 제 4 장 결 론...152
• 제 5 장 참고문헌...154
• 제 3 세 부 목 차...160
• 1. 서 론...162
• 2. 연구방법...168
• 3. 결 과...190
• 4. 고 찰...243
• 5. 결 론...245
• 6. 부호규약...246
• 7. 참고문헌...249
• 제 4 세 부 목 차...254
• Nomenclature...254
• 제1장 서 론...258
• 제2장 연구방법...260
• 제1절 실험장치...260
• 제2절 보정실험...266
• 제3절 실험방법 및 범위...268
• 제4절 순간압력강하치의 통계적처리...269
• 제5절 열평형식...272
• 제3장 결 과...274
• 제1절 응축2상유동양식의 판별...274
• 제2절 응축열전달 및 압력강하특성...286
• 제4장 고 찰...315
• 제1절 열전달계수에 관한 타실험식과의 비교...315
• 제2절 새로운 실험식의 개발...321
• 제5장 결 론...324
• 제6장 참고문헌...325