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로진 서
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 4 pp , ISSN / eissn 저온조건에서핀 - 관열교환기의공기측열전달및압력손실 김내현인천대학교기계시스템공학부 Air-side Heat Transfer and Pressure Drop of a Fin-and-Tube Heat Exchanger Under Low Temperature Condition Nae-Hyun Kim Department of Mechanical Engineering Incheon National University 요약최근들어가정용공조기가겨울철에히트펌프로도사용된다. 이때실외기는저온의외기와열전달을하며관내의냉매를증발시킨다. 반면여름철에냉방기로사용될경우실외기는고온의외기와열전달을통해관내의냉매를응축시킨다. 즉, 동일한열교환기가여름철에는응축기로, 겨울철에는증발기로사용되고외기조건도겨울철의저온에서여름철의고온까지넓은범위에놓이게된다. 본연구에서는표준설계온도조건에서얻어진 j와 f 인자가저온운전시에도무리없이적용가능한지를실험을통하여확인하였다. 이를위하여 2열루버핀-관열교환기에대하여외기온도를변화시키며일련의실험을수행하였다. 또한관내측의브라인의유량이미치는영향도살펴보았다. 실험결과외기의온도변화가 j와 f 인자에미치는영향은무시할만하였다. 모든 j와 f 인자는각각 9%, 3% 내에서일치하였다. 따라서표준조건에서얻어진 j와 f 인자를저온조건에사용하여도무리가없다고판단된다. 또한관내측유량변화가 j와 f 인자에미치는영향이미미한것으로미루어관내측상관식의적용이적절하다고판단된다. Abstract Currently, residential air conditioners operate as a heat pump during winter. In this case, the outdoor heat exchanger acts as an evaporator obtaining heat from cold air. On the other hand, it acts as a condenser during summer transferring heat to hot air. The outdoor temperature changes significantly from high to low. Generally, the air-side j and f factors are obtained at a standard outdoor temperature. Therefore, the applicability of the j and f factors under different outdoor conditions needs to be checked. In this study, tests were conducted for a two-row louver finned heat exchanger changing the outdoor temperature to subzero. The effects of the tube-side brine flow rate were also checked. The results showed that air-side j and f factors were essentially constant and independent of the outdoor temperature, suggesting that an extension of j and f factors obtained under standard conditions to a low outdoor temperature is acceptable. All j and f factors agreed within 9% and 3%, respectively. Tests were also conducted by changing the coolant flow rate. Both the j and f factors did not change according to the flow rate, suggesting that the tube-side heat transfer correlation is acceptable. Keywords : Air-side; Heat transfer; Heat exchanger; Low temperature; Pressure drop 1. 서론핀-관열교환기는구조가간단하고제작이용이하여가정용공조기의증발기또는응축기로널리사용된다. 이경우관내로는냉매가흐르고관외측의핀사이로 는공기가흐른다. 최근들어가정용공조기가겨울철에히트펌프로도사용된다. 이때실외기는저온의외기와열전달을하며관내의냉매를증발시킨다. 반면여름철에냉방기로사용될경우실외기는고온의외기와열전달을통해관내의냉매를응축시킨다. 즉, 동일한열교 * Corresponding Author : Nea-Hyun Kim (Incheon Nat'l Univ.) Tel: knh0001@inu.ac.kr Received January 2, 2017 Revised February 14, 2017 Accepted April 7, 2017 Published April 30,

2 한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 환기가여름철에는응축기로, 겨울철에는증발기로사용되고외기조건도겨울철의저온에서여름철의고온까지넓은범위에놓이게된다. 핀-관열교환기의경우는공기측형상이복잡하여열전달계수에대한이론해석은어렵고실험을통하여열전달계수를산정한다. 이경우관내측유체로는물을사용하는데이는물의물성치가잘알려져있고또한시험부입출구온도변화에따른물성치변화가크지않아데이터리덕션시평균온도에서의물성치를사용하여도크게무리가없기때문이다. 물론점성계수가작고열전도도가커서전열성능이뛰어난것도다른이유이다. 하지만 0 o C이하의저온에는물을사용할수없고보통에틸렌글리콜수용액을사용한다. 실험결과로부터열전달해석을통하여열전달계수를도출하는데이과정을데이터리덕션이라한다. [1,2] 데이터리덕션을통하여구해진열전달계수는 j 인자로무차원화되고 ( 압력손실은 f 인자로무차원화된다 ) 동시에풍속은 Reynolds 수로무차원화된다. 무차원화의장점은한번의실험을통하여얻어진데이터를다른조건에도적용할수있다는데에있다. 실외기의경우설계외기온도에서실험을하여얻어진 j와 f 인자를사용하여열설계를한다. 설계외기온도는건구온도 35 o C, 습구온도 24 o C이다.[3] 하지만실제공조기작동시외기온도는수시로변하고특히히트펌프로작동시 0 o C이하로까지감소한다. 따라서온도변화시 j와 f 인자의적용타당성에대한검토가필요하다. 아래에 j, f인자와열전달계수 (h o) 와압력손실 () 의관계를나타내었다. [1,2] 의비열 (J/kgK), 는공기의 Prandtl수, V max 는열교환기내최대유속 (m/s) 으로유량을최소유동단면적 A c (m 2 ) 으로나누어구한다. 한편,, 은입구, 입출구평균, 출구에서의밀도 (kg/m 3 ), 는축소비이다. 상기식들은공기온도의변화가공기물성치의변화를통하여 j와 f 인자에반영되고있음을보여준다. 이논거는 f 인자의경우는이론의여지가없다. 왜냐하면유체유동의경우유속과압력손실의관계는 Reynolds 수와 f 인자만으로무차원화되기때문이다. [4] 하지만열전달의경우 Nusselt 수 ( 또는 j 인자 ) 는 Reynolds 수외에도 Prandtl 수에관련된다. [4] 따라서범용열전달상관식을얻기위해서는 Reynolds 수와 Prandtl 수를변화시키며실험을수행하여야한다. 공랭식열교환기의경우이는풍속과외기온도를변화시키며실험을하여 Reynolds 수와 Prandtl 수의상관관계를구하여야한다는의미이다. 일반적으로강제대류열전달에서많은경우 Prandtl 수의지수로 2/3가적합한것으로알려져있다. [4] 또한이러한암묵적인가정은 Eq. (1) 의 j 인자에대한정의에도포함되어있다. 하지만이부분에대해서는확인이필요하다. 본연구의목적은설계외기온도조건에서얻어진 j 와 f 인자가넓은온도범위에적용가능한지를확인하는데있다. 또는공랭식응축기에서 j 인자의 Prandtl 수지수 2/3가적절한지를확인하고자한다. 이를위하여외기온도를변화시키며일련의실험을수행하였다. 관내측의유체로는 40% 에틸렌글리콜수용액 ( 브라인 ) 을사용하였다. ho 2/3 j = Pr a ρavmaxc pa (1) A c ρ m 2ΔPρ in 2 ρ in f = (1 + σ ) 1 2 Ao ρ in ( ρ mvmax ) ρ out (2) ρ V D Re a c Dc = max μ a (3) 여기서 와 는공기의밀도 (kg/m 3 ) 와점성계수 (Pa s) 로입출구의평균값을사용한다. 또한 는공기 2. 실험장치및방법 Fig. 1에본연구에사용된 2열열교환기의상세제원을나타내었다. 시료의높이와폭은모든시료에서 234 mm와 400 mm이고세로방향튜브피치 (P t) 는 21.0 mm, 가로방향튜브피치 (P l) 는 18.2 mm, 튜브직경 (D c) 은 7.3 mm, 핀핏치 (P f) 는 1.7 mm, 핀두께 (t f) 는 0.11 mm이다. 핀의중심부에는루버각 ( ) 이 22.2 o, 폭 (L p) 이 0.92mm인루버가 10개가공되어있고루버가가공된부분은절곡각 10.8 o 인웨이브형태로 2차가공되어있다. 핀선단부와말단부에는폭 (w s) 1.3 mm, 높이 (h s) 1.2 mm, 길이 5.8 mm인슬릿이 4개가공되어있고슬릿의 16

저온조건에서핀 - 관열교환기의공기측열전달및압력손실 사이에는폭 1.3 mm, 높이 1.2 mm, 길이 4.2 mm인직육면체와류발생기가가공되어있다. 전체핀면적중루버가치지하는비율은 36.9%, 술릿이차지하는비율은 9.1%, 와류발생기가차지하는비율은 3.3% 로전체핀면적중 49.3% 의면적 (A s/a f) 이전열촉진가공이되어있다.

시료의입출구온습도는 ASHRAE 규격 41.1에따라측정하였다. [5] 시료의내측으로는물 ( 또는브라인 ) 이순환하는데항온조로부터일정온도와유량을공급받았다. 물 ( 또는브라인 ) 의온도는정밀도 ±0.1 의정밀 RTD(P t-100ω 센서 ) 로써측정하였고, 유량은정밀도 ±0.0015 L/s의질량유량계로측정하였다.

3 저온조건에서핀 - 관열교환기의공기측열전달및압력손실 사이에는폭 1.3 mm, 높이 1.2 mm, 길이 4.2 mm인직육면체와류발생기가가공되어있다. 전체핀면적중루버가치지하는비율은 36.9%, 술릿이차지하는비율은 9.1%, 와류발생기가차지하는비율은 3.3% 로전체핀면적중 49.3% 의면적 (A s/a f) 이전열촉진가공이되어있다. 시료에사용된튜브는마이크로핀관으로높이 0.12 mm, 선회각 25 o 인마이크로핀 60개가관내측에가공되어있다. 튜브측회로는직교대향류로구성되어있다. 실험장치의개략도가 Fig. 2에나타나있다. 실험장치는크게흡입식풍동, 수순환회로, 자료획득장치로구성되고항온항습챔버내에설치된다. 시료는흡입식풍동의입구에설치되고시료후방에는배플이설치되어배출공기를혼합시켜준다. 시료의입출구온습도는 ASHRAE 규격 41.1에따라측정하였다. [5] 시료의내측으로는물 ( 또는브라인 ) 이순환하는데항온조로부터일정온도와유량을공급받았다. 물 ( 또는브라인 ) 의온도는정밀도 ±0.1 의정밀 RTD(P t-100ω 센서 ) 로써측정하였고, 유량은정밀도 ± L/s의질량유량계로측정하였다. 공기측풍량은흡입식풍동후방에장착된노즐을사용하여측정하였고 [6] 시료의압력손실은정밀도 ±1.0 Pa의차압트랜스듀서로측정하였다. Table 1에외기건구및습구온도그리고물 ( 또는브라인 ) 의온도및유량범위를나타내었다. 실험은전방풍속 0.75 m/s에서 2.0 m/s 사이에서변화시키며수행되었는데공기측과물 ( 또는브라인 ) 측열평형은 ±3% 내에서일치하였다. ASHRAE 규격 41.5 [7] 에따라실험오차해석을수행하였고그결과를 Table 2에나타내었다. 마찰인자의오차는주로차압계 (±1.0 Pa) 에의한것이고열전달계수의오차는주로관내측상관식의오차 (±10%) 에기인하였다. 실험오차는 Reynolds수가감소할수록증가하였다. 본연구에사용된 2 열직교대향류열교환기의경우 관계식 [8] 은다음과같다. (4) (5) Fig. 1. Detailed drawing of the compound enhanced fin (unit: mm) Fig. 2. Schematic drawing of the apparatus 열용량유량비 R 은다음과같다. 17

4 한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 (6) (7) 여기서 은유용도, [4] U는열관류율 (W/m 2 K), A는전열면적 (m 2 ), 은유량 (kg/s), NTU는전달단위수이다. UA로부터공기측열전달계수 h o 는아래식으로구한다. (8) 여기서 t는관벽두께 (m), A i, A t, A o 는각각관내측, 튜브, 관외측전열면적이다. 관내측열전달계수 h i 는본연구의마이크로핀관실험으로부터얻어진 Park et al. [9] 식을사용하여구한다. Table 1. Test conditions DB/WB ( o C/ o C) 35/24 27/14 17/7 7/-3-3/-13 Water / Temp. ( o C) Water/ Water/ Table 2. Experimental uncertainties Parameter Temperature Differential pressure Water flow rate Re Dc j f Max. Uncertainty ±0.1 o C ±1.0Pa ±2.0% ±2.2% ±10.4% ±12.3% Water / Flow Rate (kg/hr) 160- (2row) (15) (9) (10) 여기서 k f 는핀의열전도도 (W/mK), r c 는튜브의반경 (m) 이다. 풍속과열전달계수, 압력손실은 Re Dc 와 j, f 인자로식 (1) ~ (3) 과같이무차원화된다. 여기서 Nu w 는관내측 Nusselt 수, Re w 는관내측 Reynolds수 Pr w 는관내측 Prandtl수이다. 식 (8) 의 는표면효율로아래식으로구한다. (11) 여기서 는핀효율이고 A f 는핀의면적이다. 핀효율은 Schmidt [10] 가제안한식을사용하여구한다. (12) (13) (14) 3. 결과및고찰본연구의목적은설계외기조건에서물을사용한실험데이터가넓은외기온도범위에적용가능한지를확인하는데있다. 설계조건에서물을사용한실험을통하여공기측 j와 f 인자를구할경우물의유량을우선결정하여야한다. Eq. (8) 에나타나있듯이공기측열전달계수는 UA에서관내측열저항을차감하여구한다. 따라서정확한관내측열전달상관식이필요하다. 관내측이평활한경우는 Dittus-Boelter [11], Gnielinski [12] 상관식들이사용된다. 하지만관내측형상이복잡한경우 ( 예를들면본연구의마이크로핀관 ) 별도의실험을통하여상관식을구하게된다. [9] 일반적으로관내측열전달실험은관외측에전기히터를설치하거나또는관벽의 Joule 발열을통하여수행한다. 하지만실제열교환기실험에서는공기에의해가열또는냉각되므로관내측열전달실험과열경계조건이동일하지않다. 일반적으로난류영역에서는열경계조건이열전달계수에미치는영향이크지않은것으로알려져있으나이부분에대해 18

5 저온조건에서핀 - 관열교환기의공기측열전달및압력손실 서는확인이필요하다. 따라서본연구에서는관내측물의유량을변화시키며열교환기실험을수행하여이들이공기측 j와 f인자에미치는영향을살펴봄으로써상기열경계조건문제를확인하고자하였다. 또한동일한조건에서브라인을사용하여반복실험을수행하여관내측유체의종류가 j와 f인자에미치는영향도검토하였다. Fig. 3에물 ( 또는브라인 ) 의온도를 50 o C로고정하고유량을 160~ kg/hr로변화시키며실험한결과를나타내었다. 이때공기의건습구온도는설계온도인 35 o C/24 o C로유지되었다. Fig. 3은유량변화가 j와 f 인자에미치는영향이무시할만함을보여준다. 물과브라인의차이도구분될만하지않다. 모든 j와 f 인자는각각 8%, 3% 내에서일치하였다. 실험유량범위에서관내측 Reynolds 수는물의경우 14,000에서 60,000사이로브라인의경우 2,700에서 11,000 사이에서변화하였다. 즉, 물과브라인의유량변화 (Reynolds 수와 Prandtl 수 ) 가공기측 j와 f 인자에영향을미치지않으므로본연구의상관식 [ 식 (9) 와 (10)] 은열교환기실험에적절하다고결론을내릴수있다. Fig. 4에는외기온도변화가전열량 (Q), 압력손실 ( ), 열전달계수 (h o) 그리고 j와 f 인자에미치는영향을나타내었다. 이때브라인과외기의입구온도차는 10 o C로유지하였고건구와습구온도차도 10 o C로유지하였다. 브라인의유량은 kg/hr이었다. 실험은브라인온도 -13 o C, 외기건습구온도 -3 o C까지수행되었다. 그이하의외기온도에서는열교환기에착상이일어나정상상태실험이어려웠다. Fig. 4는전열량이공기의건구온도 (T DB) 가내려갈수록 ( 또는브라인온도가내려갈수록 ) 감소함을보여준다. 브라인의점성계수는온도가내려감에따라증가하는데점성계수의증가는 Reynolds 수의감소를의미하고따라서열전달계수가 ( 또는전열량이 ) 감소하게된다. Fig. 5에는압력손실을나타내었다. 압력손실은 -3 o C 를제외하고는공기온도가내려가면증가함을보인다. 이는공기온도가내려가면밀도가증가하므로 (27 o C에서 -3 o C로변화하면밀도가 11% 증가함 ) 압력손실도증가한것으로판단된다. 하지만 -3 o C의경우는예상보다낮게나타났는데이는저온에서풍량측정의오차가증가하기때문에나타난현상으로판단된다. 본연구에서풍량은노즐차압으로부터계산되는데노즐의특성곡선이저온까지보정되지는않았기때문으로판단된다. f j brine water kg/hr 430kg/hr 160kg/hr 1E Re Fig. 3. j and f factors obtained changing the coolant flow rate Q [W] Flow rate kg/hr T DB 27 o C 17 o C 7 o C -3 o C V [m/s] Fig. 4. Heat transfer rates obtained changing the outdoor temperature ΔP [Pa] Flow rate kg/hr T DB 27 o C 17 o C 7 o C -3 o C V [m/s] Fig. 5. Pressure drops obtained changing the outdoor temperature Fig. 6은공기온도변화가 j와 f 인자에미치는영향이무시할만함을보여준다. j와 f 인자는각각 9%, 3% 내에서일치하였다. 즉, 설계온도에서구해진 j와 f 인자가다른공기온도에서도적용가능함을알수있다. 또한이로부터식 (1) 의 Prandtl 수의지수 2/3가무리가없다고판단된다. 하지만본공기온도범위 (-3 o C ~ 27 o C) 에서 19

한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 Prandtl 수의변화가 0.737 에서 0.729 로 1% 정도이므로 Prandtl 수의지수를판단하기엔다소미흡한면이있다. f 1 0.1 j 27 o C 17 o C 7 o C -3 o C Flow rate kg/hr 0.01 500 1000 1500 2000 Re Fig. 6.

6 한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 Prandtl 수의변화가 에서 로 1% 정도이므로 Prandtl 수의지수를판단하기엔다소미흡한면이있다. f j 27 o C 17 o C 7 o C -3 o C Flow rate kg/hr Re Fig. 6. j and f factors obtained changing the outdoor temperature 4. 결론 본연구에서는표준설계온도조건에서얻어진 j 와 f 인자가저온운전시에도무리없이적용가능한지를실험을통하여확인하였다. 이를위하여 2열루버핀-관열교환기에대하여외기온도를변화시키며일련의실험을수행하였다. 또한관내측의브라인의유량이미치는영향도살펴보았다. 주된결론은다음과같다. (1) 실험결과외기의온도변화가 j와 f 인자에미치는영향은무시할만하였다. 따라서표준조건에서얻어진 j와 f 인자를저온조건에사용하여도무리가없다고판단된다. (2) 관내측유량변화가 j와 f 인자에미치는영향이미미한것으로미루어별도의실험을통하여얻어진관내측상관식의적용이적절하다고판단된다. (3) 상기결과는열교환기표면의형상변화가없을때에만적용가능하다. 만일수분응축, 결로등에의해면열교환기표면형상이변화한다면 j와 f 인자도영향을받을것으로예상된다 , DOI: [2] Kim, N.-H., Oh, W.-K., Cho, J.-P., Park, H.-Y, Youn, B., Data reduction on the air-side heat transfer coefficients of heat exchangers under dehumidifying conditions, Korean J. Air Conditioning Refrigeration, vol. 15, no. 1, pp , [3] Kim, N-H., Personal communication with Samsung Electronics, [4] Mills, A. F., Basic Heat ad Mass Transfer, Irwin Pub., [5] ASHRAE Standard 41.1, Standard Method for Temperature Measurement, ASHRAE, [6] ASHRAE Standard 41.2, Standard Method for Laboratory Air-Flow Measurement, ASHRAE [7] ASHRAE Standard 41.5, Standard Measurement Guide, Engineering Analysis of Experimental Data, ASHRAE, [8] ESDU 98005, Design and performance evaluation of heat exchangers: the effectiveness and NTU method, Engineering and Sciences Data Unit with Amendment A, London ESDU International plc., pp , [9] Park, B.-B., You, S.-M., Yoon, B., and Yoo, K.-C., "Experimental study of heat transfer and pressure drop characteristics for flow of water inside circular smooth and micro-fin tubes," Korean J. Air Conditioning Refrigeration, vol. 9, no. 4, pp , [10] Schmidt, T. E., "Heat transfer calculations for extended surfaces," J. of ASRE, Refrigeration Engineering, vol. 4, pp , [11] Dittus, F. W. and Boelter, L. M. K., "Heat transfer in automobile radiators of the tubular type," University of California Publications on Engineering, vol. 2, no. 13, pp , [12] Gnielnski, V., "New equations for heat and madd transfer in turbulent pipe and channel flow," Int. Chem. Eng., vol. 16, pp , 김내현 (Nae-Hyun Kim) [ 준회원 ] 1989 년 12 월 : Penn. State University Pennsylvania, PA, U.S.A ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 ~ 현재 : 인천대학교기계공학과교수 References < 관심분야 > 열전달, 공기조화및내용 [1] Wang, C.-C., Webb, R. L. and Chi, K.-Y., Data reduction for air-side performance of fin-and-tube heat exchangers, Exp. Thermal Fluid Sci., vol. 21, no. 4, pp. 20

Microsoft PowerPoint - chapter4-2-web [호환 모드]

Microsoft PowerPoint - chapter4-2-web [호환 모드] Chapter4 Principles of Steady-State Heat Transfer 이광남 정상상태열전달의원리 1 차원해석 Buckingham π theorem ~ u개의기본적단위나차원으로주어진 q개의양또는변수의함수관계는 (q-u) 개의독립적군 (π) 으로표현할수있다. Buckingham method 특별한물리적문제에있어서중요한변수들을나열한다음에 Buckingham