한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 1, pp. 46-51, 2009 임태우 1, 조동현 2* Study on Heat Transfer Characteristic of Shell-and-Tube Heat Exchanger with Plate Fin Tae-Woo Lim 1 and Dong-Hyun Cho 2* 요약본논문은세개의서로다른관수 (9, 13 그리고 19) 를가지는원통-판형핀관의원통측에서의열전달성능을실험적방법으로평가하였다. 관외를흐르는오일은관내를흐르는냉각수에의해냉각된다. 오일쿨러의원통- 다관형열교환기는단일셸통로와두개의관통로로구성되며, 관내경은 8.82mm, 관길이는 575mm이다. 오일의질량유량은 1.2~6.0m 3 /h이며, 냉각수의질량유량은 0.6~3.0m 3 /h이다. 실험결과 9개의관수를가지는열교환기의총합열전달계수는 13개와 19개의관수의열전달계수보다각각약 1.8배와 2.3배높게나타났다. Abstract In this work, the experimental investigation was carried out to evaluate the heat transfer performance on the shell side of shell-and-plate finned tube heat exchanger with three different tube numbers(9, 13 and 19). Oil flowing on the shell side was cooled by cold water flowing inside the tubes. A shell-and-tube heat exchanger of an oil cooler consisted of one shell pass and two tube passes with the inner tube diameter of 8.82 mm and the tube length of 575 mm. Mass flow rate was varied from 1.2 to 6.0 m 3 /h for oil and from 0.6 to 3.0 m 3 /h for cold water, respectively. From the experiment of shell-and-plate finned tube heat exchanger, the overall heat transfer coefficient of heat exchanger with 9 tubes was compared with that of 13 and 19 tubes. It was found that the heat transfer coefficients in shell side of heat exchanger with 9 plate finned tubes showed averagely 1.8 times and 2.3 times higher than those of 13 and 19 tubes, respectively. Key Words : Shell-and-tube, Oil cooler, Overall heat transfer coefficient, Plate finned tube, heat exchanger 1. 서론 동력설비, 가스터빈등에서원통다관형 (shell-and-tube) 열교환기의적용사례는이미잘알려져있으며, 그중에서오일쿨러, 응축기, 증기발생기, 그리고예열기는그대표적인예라할수있다. 오늘날원통다관형열교환기는전체산업용열교환기의 60% 이상을차지하고있으며, 특히원통다관형오일쿨러는사출기, 압출기, 프레스, 압축기, 유압작동유, 열매체유냉각등많은공업분야에서응용되고있다고할수있다. 또한이들의적용은냉동및공기조화시스템에도널리보급되어져있다. 이러한오일쿨러의장점은고온, 고압과다 양한유체에적용가능하며, 다양한크기와저렴한가격으로제작이가능하나, 체적에비해열전달성능이떨어지는단점을가지고있다 [1,2]. 따라서최근의열교환기개발추세는크기와비용을줄인열교환기가기존의열교환기와동일한열전달성능을내도록하는것이다 [3]. 현재까지열교환기의성능을예측하기위해이론적인연구뿐만아니라수많은실험적인연구가수행되어왔으며, 대표적인예로매끈한 (smooth) 튜브를대신해코러게이트 (corrugated) 튜브와마이크로핀 (micro-fin)[4,5] 튜브와같은여러가지기술을적용하여열전달촉진을위해노력해왔다. 핀형상, 튜브치수그리고유체의종류에 본논문은 2006년도중소기업청산학협력실지원사업으로이루어졌음. 1 2 한국해양대학교기관시스템공학부대진대컴퓨터응용기계설계학과 * 교신저자 : 조동현 (chodh@daejin.ac.kr) 접수일 08 년 10 월 16 일수정일 09 년 01 월 02 일게재확정일 09 년 01 월 16 일 46
따라열교환기의성능에미치는영향에관한이론적이고실험적인연구도수행되었다 [6,7]. 본연구에서는원통다관형열교환기다음으로많이사용되는판형열교환기를응용하여열전달성능을더욱향상시킬목적으로원통다관형열교환기에판형핀을부착한원통-판형핀다관 (shell-and-plate finned tube) 열교환기를제작하였다. 판형열교환기는구조가간단하고온도차가낮은경우에도적용가능하며, 단위체적당전열밀도가높아원통다관형열교환기의단점을보안해줄수있다. 원통다관형열교환기의열전달성능을평가하기위해원통-판형핀다관열교환기시스템을구성하였으며, 원통측에는고온의오일이흐르고관내부에는냉각수가흐르게되어있어관벽과판형핀을통해열전달이일어나게된다. 따라서본연구에서는우선판형핀이부착된원통-다관열교환기의오일측입구온도와오일유량을변화시켜얻은실험결과로부터원통내 3종류의관수 (9, 13 그리고 19) 들각각에대한원통측 ( 관외 ) 총합열전달계수를비교 분석하였다. 그리고관의크기와배플의수는동일하게하였다. 2. 실험장치및방법 [ 그림 1] 은판형핀이부착된원통-다관형열교환기의열전달성능평가를위한실험장치의개략도를나타낸다. [ 그림 2] 는본연구에서구성한원통다관형열교환시스템의실제사진을나타내며, 주요구성요소로는오일저장탱크, 오일펌프, 오일가열시스템, 오일순환배관시스템, 성능실험용오일쿨러, 오일유량계, 오일온도컨트롤시스템, 냉각수저장탱크, 냉각수펌프, 냉각수순환 Flowmeter T P T P Pump T P Heat Exchanger Temp. control sys. Flowmeter Pump Oil Tank Coolant Water Tank [ 그림 2] 원통다관형열교환시스템사진배관시스템, 냉각수유량계, 오일차압계, 냉각수차압계, 냉각수온도컨트롤시스템, 열교환기전용실험데이터분석처리시스템으로이루어져있다. [ 그림 3] 은시험부인원통-판형핀관열교환기내의판형핀관의실제사진을나타내며, < 표 1> 에원통-판형핀관열교환기의주요치수가표시되어있다. 관의외경은 9.52mm로동일하며, 핀두께 (t) 도 0.15mm로모두같으며, 핀피치 (p) 는관수 9, 13 그리고 19에대하여각각 1.6, 2, 그리고 2.3mm로다르게되어있다. 또한, 1m당핀수도관수 9, 13 그리고 19에대하여각각 625, 500 그리고 435개로관수 9일때핀면적이가장크다. 원통-다관형열교환기의원통측직경은핀수 9, 13 그리고 19에대하여각각 φ80, φ104 그리고 φ129 이다. P T (a) 정면사진 [ 그림 1] 실험장치의개략도 47
한국산학기술학회논문지제 10 권제 1 호, 2009 Number of tube (b) 측면사진 [ 그림 3] 판형핀이부착된관군 [ 표 1] 판형핀이부착된관의주요치수 d i d o t p L 9 8.82 9.52 0.15 1.6 575 13 8.82 9.52 0.15 2 575 19 8.82 9.52 0.15 2.3 575 용오일쿨러에유동하는오일의차압은차압계를설치하여차압을측정하였으며, 시험용오일쿨러의입 출구압력은브로돈압력계를설치하여측정하였다. 오일냉각용냉각수는냉각수펌프를작동하여냉각수순환배관시스템에순환시키도록구성하여실험을수행하였다. 시험용오일쿨러입구에설치된냉각수온도컨트롤시스템에의해냉각수온도를일정하게유지하도록하였으며, 냉각수의입 출구온도는 Pt 100Ω 저항온도센서를설치하여측정하였다. 오일쿨러입구에유입되는냉각수온도는 18 o C로일정하게유지한상태에서실험을수행하였으며, 냉각수의유량은 0.6m 3 /h~3.0m 3 /h의범위에서 5가지조건에서실험을수행하였다. 그리고오일쿨러입구에유입되는온도는 30 o C~90 o C 범위에서변화시키면서실험을수행하였며, 오일의유량은 1.2m 3 /h~ 6.0m 3 /h의범위에서 6가지조건에서실험을수행하였다. 오일의입 출구온도및압력, 오일유량, 오일쿨러입 출구차압, 냉각수의입 출구온도및압력, 냉각수유량, 냉각수입 출구차압등의모든실험데이터는정상상태에서측정하였다. 그리고이와같이구성된실험장치로부터측정된모든실험데이터는 [ 그림 4] 에나타낸원통-다관형열교환기전용실험데이터분석처리시스템으로전송되어실험데이터가자동으로저장및처리되도록구성하였다. 본연구에서제작된열교환기를작동하는데있어원통측열전달계수의불확실성 (uncertainty) 은 Kline과 McClintock[8] 에설명된절차에따라평가하였다. 온도의최대오차는 0.02, 냉각수유량과오일유량의최대오차는각각 0.002 m 3 /h와 0.003m 3 /h였다. 3. 결과및고찰 [ 그림 4] 데이터분석처리시스템본연구에서사용한오일은유압작동유인 ISOVG46을사용하였다. 오일탱크내부에설치되어있는오일가열시스템에의해오일을가열하여일정온도까지상승시킨후오일펌프를작동하여오일순환배관시스템에순환시키도록구성하여실험을수행하였다. 그리고시험용오일쿨러입구에설치된오일온도컨트롤시스템에의해오일온도를일정하게유지하도록하였으며, 오일의입 출구온도는 Pt 100Ω 저항온도센서를설치하여측정하였다. 그리고시험 원통다관형열교환기의열전달성능을평가하기위해서는원통측 ( 관외 ) 의열전달계수가결정되어야한다. 이것을결정하기위한과정으로우선관측과원통측의열전달율은다음식에의해정의된다. (1) (2) 여기서 Q w 와 Q oil 은물과오일의열전달율 (J/s) 을나타내고, 는체적유량 (m 3 /s) 을나타낸다. 오일과물의열역학적물성치와전달물성치는시험부입 출구온도의평균값을사용하여결정하였다. 열교환 48
기의총합열전달계수 (U) 는대수평균온도차 (LMTD) 를사용하여다음식에의해결정된다. 0.10 (3) (4) 0.08 0.06 0.04 Number of tube = 9 Number of tube = 13 Number of tube = 19, (5) (6) 0.02 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T oil, in 여기서 Q는관측과원통측의열전달율의평균값을나타내며, A o 는관의바깥표면적을나타내고, F는단일셸과 2패스의다관에대한열교환기설계 (Incropera et al, 1996) 를토대로한수정계수로다음식으로부터결정된다., (7) 5 4 3 2 1 (a) Water flow rate = 1.8 m 3 /h Number of tube = 9 Number of tube = 13 Number of tube = 19 여기서 P는온도효율 (Temperature Efficiency) 이며, R 은열용량비 (Thermal Capacity Ratio) 를나타낸다. 관의바깥표면적을바탕으로한열교환기의총합열전달계수는다음식과같다. (8) 여기서 A i 는관내표면을나타내며, R wall 는관벽의열저항을나타낸다. (9) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 T oil, in (b) Water flow rate = 2.4 m 3 /h Number of tube = 9 Number of tube = 13 Number of tube = 19 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T oil, in (10) 식 (8) 에서 h i 는흐름이완전발달된난류유동에서널리사용되는 Dittus-Boelter 상관식을사용하였으며, 다음식으로표현된다., (11) (c) Water flow rate = 3 m 3 /h [ 그림 5] 오일입구온도변화에따른총합열전달계수의변화 [ 그림 5] 는냉각수의유량을 1.8, 2.4 그리고 3 m 3 /h으로각각고정한후원통내에설치된 3종류의관수 (9, 13 그리고 19) 대해오일입구측온도변화에따른총합열전달계수의변화를나타낸것이다. 그림으로부터알수있듯이오일입구온도가약 42.5 이하에서는열전달계수의변화가크며, 42.5 이상에서는거의완만한변화를 49
한국산학기술학회논문지제 10 권제 1 호, 2009 나타내고있다. 즉, 오일입구온도가 42.5 이상에서는시스템이안정화된다는것을알수있다. 원통내 9개의관들로이루어진열교환기의열전달계수는 13개와 19개의관들로이루어진열교환기보다약 1.8배와 2.3배씩각각열전달계수가상승하였다. 이러한결과는 9개의관들로이루어진열교환기가 13개와 19개의관들로이루어진열교환기보다 1m당핀개수가훨씬많아접촉면적이증가하였기때문으로사료된다. 5 [ 그림 6] 은원통내각각의관수들의경우세종류의냉각수유량을기준으로오일유량증가에따른총합열전달계수의변화를나타낸다. 그림 (a) 의경우저유량영역에서열전달계수의변화는그림 (b) 와 (c) 에비해완만하다는것을알수있다. 원통내 9 개의관들로이루어진열교환기의관내유속이 13개와 19개의관들로이루아진것보다관내유속이증가하였기때문으로사료된다. 그림으로부터알수있듯이냉각수유량이 3 m 3 /h인경우가 2.4와 1.8 m 3 /h보다열전달계수가약 1.2배와 1.7배높게나타났다. 4 3 2 1 water flow raate = 1.8 m 3 /h water flow raate = 2.4 m 3 /h water flow raate = 3 m 3 /h 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 5 4 3 2 1 V (m 3 /h) (a) Number of tube = 9 water flow raate = 1.8 m 3 /h water flow raate = 2.4 m 3 /h water flow raate = 3 m 3 /h 4. 결론 본연구에서는판형핀이부착된원통-다관형열교환시스템을구성하여원통-판형핀다관열교환기의성능을평가하는것을목적으로여러작동조건에서실험을수행하였으며그결과는다음과같다. 1. 판형핀이부착된원통다관형열교환기의오일입구측온도변화에따른원통측 ( 관외 ) 열전달계수의변화는원통내 9개의관들로이루어진열교환기가 13개와 19개의관들로이루어진열교환기보다약 1.8배와 2.3배높게나타났다. 2. 오일유량증가에따른원통측 ( 관외 ) 열전달계수의변화는냉각수유량이 3 m 3 /h인경우가 2.4와 1.8 m 3 /h보다열전달계수가약 1.2배와 1.7배높게나타났다. 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 2.0 1.5 1.0 0.5 V (m 3 /h) (b) Number of tube = 13 water flow raate = 1.8 m 3 /h water flow raate = 2.4 m 3 /h water flow raate = 3 m 3 /h 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 V (m 3 /h) (c) Number of tube = 19 [ 그림 6] 오일유량에따른총합열전달계수의변화 참고문헌 [1] Walker, G.(1990). Industrial Heat Exchangers - A Basic Guide, 2nd ed., Hemisphere Publishing Co., New York. [2] Incropera, F. P. and DeWitt, D. P.(1996). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4th ed., John Wiley & Sons Inc., New York. [3] Kovarik, M.(1989). Optimal Heat Transfer, J. Heat Transfer Ⅲ. pp.287 293. [4] Brognaux, L. J., Webb, R. L., Chamra, L. M., and Chung, B. Y.(1997). Single-Phase Heat Transfer in Micro-Fin Tubes, Int. J. Heat and Mass Transfer, 40(18). pp.4345 4357. [5] Han, D. H., and Lee, K. J.(2005). Single-Phase Heat Transfer and Flow Characteristics of Micro-Fin Tubes, Appl. Therm. Eng., 25. pp.1657 1669. [6] Newell, T. A., and Shah, R. K.(1999). Refrigerant Heat 50
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