家庭用 히트 펌프용 蒸發器의 着霜條件 시 蒸發 熱傳達 性能

신성홍 성균관대학교 2007 국내석사

The use of air-source heat pump for the residential application has been steadily increased. It has an advantage of using affluent heat sources in surround atmosphere. However, when the air temperature in winter is below the freezing temperature of water, the porous frost layers on heat exchangers are produced. Under frosting condition, first, the frost layer has an effect on decrease of heat transfer, because the thermal performance of heat exchangers is decreased due to the thermal resistance of the frost layer and the decrease in air flow area. Second, the additional supply of fan power is required because the air side pressure drop is increased. Last, defrosting process causes the energy loss during the heating period. Recently, many studies concerning with frost phenomenon were performed. Therefore, present study also present design data for the residential heat pump application by performing the performance evaluation of the fin-and-tube heat exchanger(evaporator of heat pump) under frosting condition. The tube diameter of all fin-and-tube heat exchangers was 7mm. Key experimental parameters were fin types(plate, slit and louver fin), fin pitch(1.3, 1.4 and 1.5 mm) and row number(1 and 2) of heat exchanger and the face velocity of air(0.5, 1.0, 1.5 and 2.0m/s). The ethylene glycol-water mixture was used as a refrigerant. The experimental apparatus of present study is similar to that for experiment of dry and wet condition. But acrylic wind tunnel, CCD camera, Electric scale, Jig, Oven were additionally installed. Acrylic wind tunnel and CCD camera was installed to picture frost distribution of heat exchanger. Electric scale was used to measure frost accumulation of heat exchanger at the end stage of the experiment. Jig was used to fix the heat exchanger and prevent the leak of air. last, Oven was installed in the outside of experimental chamber and used to maintain fully dry surface of heat exchanger before performing the experiment. The test was done in a psychrometric calorimeter chamber for 40min. For flow characteristics, air side pressure drop and friction factor rate were presented with respect to the frosting time. first, as frost was accumulated, the air pressure drop of slit and louver fin-and-tube heat exchanger increased than that of plate fin-and-tube heat exchanger because the condensate or frost layer on slit bridged between adjacent fins and air flow area was decreased. Secondly, as fin pitch was increased, air pressure drop was decreased. This is because condensate or surface roughness of frost layers caused the whirl flow which produces the extra friction loss under wet or frosting condition. Thirdly, For heat exchanger with 1row, as air velocity decreased, air side pressure drop was increased. This phenomena also appeared in the frost accumulation, frost thickness and photographs of frost distribution. For heat exchanger with 2row, heat exchanger of 1.5m/s case showed the most highest air side pressure drop within the whole air velocity range. Last, friction factor was presented and compared with other friction factor correlations. For heat transfer characteristics, heat transfer rate of refrigerant was investigated. First, the heat transfer rate of slit and louver fin-and-tube heat exchanger decreased, as frost was accumulated. This is because as frost clung to slits or louvers, the enhancement of heat transfer of enhanced fin-and-tube heat exchange decreased due to the decrease of leading edge effect and mixing effect of air. Secondly, for air velocity 1.5m/s, heat exchanger with fin pitch 1.5mm showed the most effective heat transfer rate. From flow and heat transfer characteristics, EER(Energy Efficiency Ratio), EF(Enhancement Factor) and HGR(Heat Gain Ratio) was consider as a index to evaluate the performance of heat exchanger. 주위에 풍부한 공기열원을 이용하는 히트펌프는 에너지 효율, 작동, 안전 측면에서 다른 난방 장치에 비해서 많은 이점을 가지고 있지만, 겨울철 주위의 습공기가 히트펌프의 증발기를 지나감에 따라 습공기의 온도가 빙점이하로 떨어져 습공기 중의 수증기가 증발기 표면에 응축수를 형성하게 되며, 서리층은 열저항과 유동저항으로 작용하여 열전달 감소와 팬 소모동력 증가를 초래하게 되며, 서리층 제거를 위한 제상작업으로 인해 추가적인 에너지 소모가 발생시키게 된다. 이러한 이유에서 최근 착상에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 본 연구에서도 착상 조건 하에서의 열교환기의 성능 평가를 통해 가정용 히트펌프의 기초 설계 데이터를 제시하고자 하였다. 착상 시 열교환기 성능 평가를 위하여 실제 히트펌프에 이용되는 관 관경이 7mm인 핀-관 열교환기가 연구에 이용되었다. 주요변수로는 핀 형상(플레이트 핀, 슬릿 핀, 루버 핀), 핀 피치(1.3, 1.4, 1.5mm), 열 수(1, 2열) 공기 유속(0.5, 1.0, 1.5, 2.0mm)이 고려되었으며, 냉매로서는 질량비 60%의 에틸렌글리콜 수용액을 이용하였다. 이외에 착상 실험을 위하여 추가적인 아크릴 풍동을 설치하였으며, 아크릴 풍동에 위치한 CCD 카메라를 이용하여 서리층을 분포를 촬영하였다. 그리고 전자저울을 이용하여 최종 착상량을 측정하고자 하였으며, 이를 열교환기 입, 출구에서의 절대습도차로 계산된 착상량과의 차이를 비교하였다. 그리고 착상 실험 이전 열교환기의 완전 건조 상태를 유지하기 위하여 열교환기를 약 35℃의 오븐에서 열교환기가 완전 건조되었음을 확인하였다. 본 연구에서의 착상 실험은 칼로리미터 챔버 내 공기 건/습구 온도 2/1℃ 조건에서 40분 동안 수행되었다. 본 연구에서의 착상 시 공기의 유동 특성은 공기 측 압력손실과 마찰계수로 나타내었으며, 아래와 같은 유동 특성을 나타내었다. 첫째, 착상이 증가함에 따라 루버나 슬릿에 형성된 응축수나 서리층의 의해 슬릿, 루버 핀-관 열교환기의 압력손실이 플레이트 핀-관 열교환기보다 크게 증가하였다. 둘째, 핀 피치가 작아질수록 압력손실이 증가하는 일반적인 경향을 나타내었으며, 이는 핀 피치가 작아질수록 열교환기 내의 응축수나 서리층의 거칠기에 의한 whirl flow 발생이 쉬워지기 때문이다. 셋째, 1열 열교환기는 착상이 진행됨에 따라 유속이 감소할수록 압력손실이 증가하는 경향을 나타내었으며, 이러한 경향은 착상량, 서리층 두께, 서리층 분포사진에서도 나타났다. 2열 열교환기의 경우에는 공기 유속 1.5m/s에서 가장 큰 압력손실을 나타내었다. 넷째, 착상 조건 시 마찰계수를 제시하였으며, 기존의 상관식과 비교하였다. 착상 시 열전달 특성의 경우, 첫째 착상 이 진행됨에 따라 슬릿과 루버에 의한 선단효과(leading edge effect)와 공기의 혼합효과(mixing effect)가 감소하여 플레이트, 슬릿, 루버 핀-관 열교환기의 열전달률이 유사해 지는 경향을 나타내게 된다. 둘째, 공기 유속이 1.5m/s일 때 동일 팬 소모동력 조건에서 유효 열전달률은 핀 피치 1.5mm 열교환기에서 가장 크게 나타났다. 이상의 착상 시 압력 손실과 열전달률로부터 착상 시 열교환기의 성능을 나타내는 지표로서 EER(Energy Efficiency Ratio), EF(Enhancement Factor), HGR(Heat Gain Ratio)을 제안하였다.

Modeling and refrigerant circuitry optimization of multi-row finned tube heat exchangers under part-load operating conditions : 부분 부하 작동 조건에서 다열 핀 튜브 열교환기의 모델링 및 냉매 회로 최적화

Shehryar Ishaque 경북대학교 대학원 2021 국내박사

전 세계적으로 증가되고 있는 기후변화 문제로 인해 고효율 에어컨 및 열 펌프 시스템의 중요성이 강조되어 왔다. 열펌프 시스템의 에너지 효율(EER) 또는 성능 계수(COP)는 열교환기 설계의 영향을 크게 받는다. 다열 핀 튜브 열 교환기(MFHX)는 가정용 에어컨 및 열 펌프에서 실외 및 실내 열교환기로 널리 사용되어 왔다. MFHX의 열유동 성능은 다양한 설계 매개변수(튜브 길이, 튜브 직경, 튜브 피치, 핀 유형, 핀 간격, 핀 두께, 공기 흐름 속도 분포, 냉매 회로 등)의 영향을 크게 받는다. 튜브 연결부, 즉 냉매 회로의 구성은 냉매의 흐름 경로를 나타내는 것으로 가장 중요한 매개 변수 중 하나이다. 현재까지 냉매 회로는 설계 엔지니어의 경험과 전문 지식 또는 제한된 연구에 기초하여 설계되어 왔다. 그러나 대형 열 교환기를 위한 잠재적 냉매 회로 배치의 수는 매우 많다. 매개변수 연구 또는 수동 시뮬레이션은 열거된 냉매 회로만 포함할 수 있다. 상세한 검색 알고리즘은 대부분 비현실적인 냉매 회로 설계를 생성하고 계산 비용이 많이 든다. 따라서, 광범위한 도메인 지식과 다양한 제조 제약 조건을 통해 설계의 비실용성의 위험을 줄이는 지능형 검색 기술을 개발해야 한다. 정확한 MFHX 모델링 및 최적화를 위해서는 실제적인 불균일 공기 흐름과 냉매 분포의 영향을 반영하는 강력하고 실험적으로 검증된 수치 모델을 개발해야 한다. 이 연구는 대수 평균 엔탈피 차 방법에 기초한 튜브별 모델링 접근 방식을 사용하여 MFHX에 대해 MATLAB에서 구현된 범용 수치 모델을 제시한다. 3-D 전산 해석은 열 교환기 모델에 대한 입력 자료로 열교환기의 전면 유속 분포를 계산하기 위해 ANSYS Fluent를 이용하여 수행되었다. 최첨단 열 전달 및 압력 강하 상관 식은 각 냉매 측 유량 및 공기 측 핀 구성에 사용된다. 대체 반복 루프도 통합되어 습표면 조건 하에서 열 교환기의 복잡한 회로를 해결한다. 현재 모델의 시뮬레이션 결과는 균일한 기류를 가정한 단순화된 모델의 기류 속도 분포보다 불균일한 기류 속도 분포를 사용하여 일관되고 더 실제적인 열 전달, 압력 강하 및 온도 분포를 산출한다. 따라서 복잡한 냉매 회로에 대한 성능 평가의 정확도가 더 높아진다. 또한 이 모델은 사용 가능한 실험 데이터로 검증되었으며 최대 오차는 ±10.0% 이내이다. 열 교환기 모델이 개발되면 냉매 회로 최적화를 위한 새로운 듀얼 모드 검색 알고리즘이 구현된다. 최적화 알고리즘은 지식 기반 계산 모듈(KBCM)과 순열 기반 계산 모듈(PBCM)의 두 모듈에 별도로 통합된다. KBCM은 열 교환기의 각 회로에 대한 관련 불균일한 공기 흐름 속도 분포를 기반으로 적절한 튜브 수를 확인하는 반면, PBCM은 옵션을 찾는다. 이 기법은 실현 불가능한 회로의 고려를 배제하여 낮은 계산 비용으로 전체 열 교환기 용량을 최대화하도록 설계되었다. 각 부분 부하 조건에서 상당한 열 교환기 용량 개선이 관찰되었으며, 특히 균일하지 않은 공기 흐름 분포로 인해 발생하는 실외기 열 교환기의 경우 더욱 그렇다. 마지막으로, 시스템 성능은 기존의 최적화된 냉매 회로 설계를 사용하여 분석되었다. 최적화된 회로 설계를 사용하여 시스템 EER 및 COP가 크게 개선되는 것으로 관찰되었다. 그러나 최적화된 설계는 특유의 공기 흐름 속도 분포에 따라 각 부품 부하 작동 조건에 따라 다르다. 따라서 현재 최적화 알고리즘은 계절 에너지 효율 비율(SEER)과 계절 성능 계수(SCOP)를 기반으로 최적의 설계를 제공하도록 추가로 제어된다. SEER와 SCOP에서 각각 7.24%와 10.55%의 최대 계절 성능 향상은 현재 최적화 알고리즘을 사용하여 관찰되었다.

수직밀폐형 지중열교환기 성능 향상에 관한 연구

강일현 한밭대학교 일반대학원 2015 국내석사

최근의 신‧재생 에너지 설치 의무화 사업은 공공기관이 신축하는 연면적 1,000 이상의 건축물에 대하여 총 에너지 사용량의 10% 이상을 신‧재생 에너지 설치에 투자하도록 의무화하는 제도이다. 각종 산업시설 및 생활과정에서 발생하는 폐열과 태양열, 풍력, 지열 등의 자연에너지와 같은 저급에너지를 효과적으로 이용하기 위하여 개발된 히트펌프 응용 기술의 발달은 상당한 수준에 달하고 있다. 특히 수직밀폐형 지중열교환기를 적용한 지열원 히트펌프 시스템의 보급이 급증하고 있는 추세이며 관련 연구들이 많이 수행되어지고 있다. 하지만 현재까지의 연구들은 히트펌프의 성능이나 유량 변화, 지중의 온도 변화에 따른 연구들이 주로 수행되었고 지열원 히트펌프 시스템에서 가장 큰 비중을 차지하는 지중열교환기의 길이에 관한 연구는 부족한 실정이다. 본 논문에서는 지열원 히트펌프 시스템의 지중열교환기 길이 변화에 영향을 주는 변수들을 선정하여 변수들에 따른 지중열교환기 길이 변화를 분석하였다. 또 지중열교환기 구성 요소별 검토를 통하여 지중열전도도 증가 방안을 검토하여 지중열교환기 길이 변화에 대한 영향도를 분석하였으며, 피크부하와 히트펌프 성능 및 유량 변화에 따른 지중열교환기의 길이 변화도 분석하였다. 지열원 히트펌프 시스템의 지중열교환기 길이 변화에 영향을 주는 변수들로 보어홀 간격, 보어홀 직경, U-tube 이격거리, EWT, 지중열전도도가 있으며 이 중에서 냉‧난방 모드를 모두 고려하면 지중열전도도가 지중열교환기의 길이 변화에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 보여지며 냉방모드에서는 EWT가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 관 내측 열전달 계수를 향상시키기 위해 HDPE 배관 내부에 나선형 돌기를 구성하였지만 지중열교환기의 길이 변화에는 큰 영향을 끼치지 않았으며 그라우트 열전도도와 토양 열전도도가 증가함에 따라 지중열교환기의 길이는 짧아지는 경향을 보였으며 비교적 영향이 크게 나타났다. 또 피크부하가 감소함에 따라 지중열교환기의 길이도 감소하였으며 히트펌프 유량이 작을수록 지중열교환기의 길이는 짧았으며 히트펌프의 성능이 좋을수록 냉방모드에서의 지중열교환기의 길이는 짧아지는 경향을 나타냈고 난방모드에서는 길어지는 경향을 보였다.

폐열회수 열교환기의 성능 향상에 관한 실험적 연구

박길복 한밭대학교 산업대학원 2015 국내석사

에너지 비용이 비싸지면서 버려지는 공기의 폐열회수기술을 적용하기 위한 다양한 시도와 노력이 이루어지고 있다. 배기열 회수용 열교환기는 공조장치의 폐열을 회수하는 열교환기로, 이중 플라스틱 열교환기는 제조가격이 저렴하면서 열성능이 우수하고 내구성이 훨씬 좋은 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 종래 연구된 최양규 등12)의 결과를 참고로 해서, 폐열회수용 플라스틱 열교환기의 성능 향상 및 적용 가능성에 대해 검토했다. 열교환기의 유로시험을 위해 2종류의 유로로 설계 제작된 전열판을 이용하여 유로에 따른 열교환기의 성능 특성을 파악 하였으며, 유로시험의 결과를 근간으로 해서 압력손실이 낮으며, 열교환 성능이 높아 지도록 하는 폐열회수용 플라스틱 열교환기의 성능 특성에 관해 연구했다. 종래 연구된 물결형-1과 물결형-2보다 압력손실(2~3㎧에서 300~510Pa)을 낮추면서 열교환 성능(2~3㎧에서 78~80%)을 향상시키기 위하여 유로를 사행상의 형상으로 하고, 유로가 지그재그 형태로 교차되도록 함으로써 적절한 와류를 생성시켜며, 유로 중앙부는 일직선으로 연결되는 대향류 방식의 열교환기에 대하여 낮은 압력손실과 열전달 성능을 향상시킬수 있도록 산과 산의 폭을 14mm와 18mm, 유로방향 전환 폭을 12mm로 설계하여 전열판 시편을 제작하고, 성능 실험 장치를 제작 성능 실험을 수행하여, 파이롯 PC 열교환기유닛(물결형-3)의 압력손실은 속도 1.75~3㎧에서 100~190Pa로 비교적 낮은 수치 결과를 나타내고, 열전달 성능은 1.75~3㎧에서 83~86%의 성능을 나타내는. 고효율, 저압력손실의 결론을 얻었다. 또한, 실제 적용 스케일의 유로교차형 파이롯 PC 열교환기를 설계, 제작하여 실험적인 성능 평가를 통해 실용적이며, 경제적인 폐열회수용 열교환기의 타당성을 입증했다.

확관볼 외경이 에어컨용 휜-관 열교환기의 접촉열저항에 미치는 영향 평가

이창욱 부산대학교 대학원 2022 국내석사

접촉열저항은 휜-관 열교환기의 열전달 메커니즘에서 주요 매개 변수 중 하나이다. 하지만 열교환기 설계 과정에서 접촉열저항 측정의 어려움과 정확한 데이터의 부족으로 인해 관 외벽과 휜칼라 사이의 접촉에 의한 열저항을 무시하거나 혹은 특별한 언급 없이 공기측 열저항에 포함시키는 경우가 많아 정량적인 연구가 부족한 상황이다. 본 연구에서는 접촉열저항에 영향을 미치는 요인을 조사하였고 유한요소 구조해석을 통해 휜-관 계면의 접촉거동을 확인하였다. 평균접촉압력과 접촉면적을 통해 확관볼 외경 변화에 따른 휜-관 계면에서의 접촉열저항을 분석하였고 실험을 통해 열교환기 성능 평가를 수행하였다. 확관볼 외경 6.70 ~ 6.72 mm 구간에서 구조해석 결과 접촉면적은 큰 차이가 없으나 평균접촉압력의 증가로 인해 접촉열저항이 감소하였다. 이 결과는 확관볼 외경 6.70 ~ 6.72 mm 구간에서 열교환기의 열교환량이 증가하는 경향과 일치하였다. 6.72 ~ 6.76 mm 구간에서는 열교환기의 열교환량 증가 폭이 1% 이하로 감소하였다. 이 구간은 평균접촉압력이 수렴하는 구간이며 전체 열저항 중에서 접촉열저항의 영향도가 1% 이하로 감소하는 구간으로 해석된다. 확관볼 외경 6.74 ~ 6.76 mm 구간에서 구조해석 결과 접촉면적과 평균접촉압력이 크게 감소하여 접촉열저항이 크게 증가하였다. 이 결과는 6.76 ~ 6.78 mm 구간에서 열교환기의 열교환량이 크게 감소하는 경향과 일치하였고 확관볼 외경과 열교환기의 열교환량 간의 변화 경향이 바뀌는 구간이 존재한다는 것을 확인하였다. The thermal contact resistance is one of the important parameters affecting the heat transfer performance of the fin-tube heat exchanger. However, due to the difficulty of measuring the thermal contact resistance and the lack of accurate data during the design process of the heat exchanger, the thermal contact resistance caused by the contact between the outer wall of the tube and the fin collar is often ignored or included in the thermal resistance of air side without special mention. In this study, factors affecting the thermal contact resistance were investigated and the contact behavior of the fin-tube interface was confirmed through finite element structural analysis. The thermal contact resistance at the fin-tube interface according to the change in outer diameter of the expanding bullet was analyzed through average contact pressure and contact area, and performance of the heat exchanger was evaluated through experiments. As a result of structural analysis of outer diameter of 6.70 ~ 6.72 mm of the expanding bullet, there was no significant difference in the contact area, but the thermal contact resistance decreased due to the increase in the average contact pressure. This result coincided with the tendency of heat transfer of the heat exchanger to increase in the section with outer diameter of 6.70 ~ 6.72 mm of the expanding bullet. In the 6.72 ~ 6.76 mm section, the increase in heat transfer of the heat exchanger was reduced to less than 1%. This section is the section where the average contact pressure converges, and it is interpreted as a section where the influence of the thermal contact resistance among the total heat resistance decreases to 1% or less. As a result of structural analysis in the section with outer diameter of 6.74 ~ 6.76 mm of the expanding bullet, the contact area and average contact pressure were greatly reduced, and the thermal contact resistance was greatly increased. This result coincides with the tendency of heat transfer of the heat exchanger to decrease significantly in the 6.76 ~ 6.78 mm section, and it was confirmed that there is a section in which the change trend between outer diameter of the expanding bullet and heat transfer of the heat exchanger changes.

루버핀 도출 형상을 갖는 C형 밴딩 구조의 마이크로 채널 열교환기 설계 및 성능분석

고재일 전남대학교 대학원 2020 국내석사

본 연구에서는 Fin의 폭이 넓고 Tube의 폭이 작은 구성을 가지는 열교환기의 구조에서 밴딩 형상, Fin의 도출 방향 및 루버 핀 피치에 따른 Air측 압력 손실과 열전달 특성을 규명하였다. Flat한 형태의 마이크로채널 열교환기와 Fin의 도출 방향 및 루버 핀 피치가 각각 다른 2가지의 C 형 마이크로채널 열교환기를 제조하여 기존의 Fin&Tube 열교환기와 비교 분석하였다. 풍량 0.5 ㎥/min 에서 Fin&Tube 열교환기 및 Flat한 마이크로채널 열교환기의 경우 각각 14.06 W 및 15.41 W로 유사한 전달량을 보인 반면, C 타입 마이크로채널 열교환기의 경우 핀 피치가 1.4에서 1.6으로 증가시킴에 따라 열전달량이 각각 24.59 W에서 24.35 W로 증가하는 것을 확인하였다. 이는 기존 Fin&Tube 열교환기에 비해 75% 가량 향상된 값으로서 마이크로 채널 열교환기를 C 형태로 밴딩함으로써 전열면적을 극대화하였기 때문이다. 또한 풍량인 1.0 ㎥/min 인 조건에서 Fin&Tube 열교환기의 경우 압력강하 값은 5.59 pa인데 반해 C 형 마이크로채널 열교환기의 경우 압력강화 값은 핀피치가 1.4일 경우 4.51 pa이었고, 1.6인 경우 4.31 pa이었다. 이는 기존의 Fin&Tube 열교환기에 비해 각각 19% 및 29% 개선된 값으로써, Fin의 폭이 넓고 Tube의 폭이 작은 구성을 가지는 C형 마이크로채널 열교환기가 밴딩 과정 에서 핀과 튜브가 접합되지 않은 도출된 부분의 Fin pitch를 2.0 mm까지 증가시켜 압력강하 특성이 개선되었기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 Fin의 폭이 넓고 Tube의 폭이 작은 구성을 가지는 C형 마이크로채널열교환기의 경우 동일한 부피를 갖는 Fin&Tube 열교환기에 비해 압력강하 특성 및 열전달 특성이 향상됨을 확인하였다. In this study, the heat transfer and pressure drop properties was investigated in the heat exchanger with large Fin width and small tube width according to the bending shape, the direction of Fin derivation, Louver pin pitch. The microchannel heat exchangers were prepared as two type of flat type and C type with different derivation direction and louvered pin pitch. Fin&Tube heat exchangers and flatted microchannel heat exchangers showed similar heat transfer values as 14.06 W and 15.41 W, respectively, while for C-type microchannel heat exchangers the heat transfer values increased from 24.59 W to 24.35 W, respectively, as the pin pitch increased from 1.4 to 1.6 at air mass flow rate of 0.5 m3/min. This is because the heat transfer area maximizes by bending the micro-channel heat exchanger in the form of C. In addition, the pressure drop for Fin & Tube heat exchanger was 5.59 pa at 1.0 m3/min air flow, whereas for C-type microchannel heat exchanger, the pressure drop was 4.51 pa for 1.4 pin pitch and 4.31 for 1.6, respectively. This is due to the increase of Fin pitch by 2.0 mm in the derived area where fins and tubes are not bonded during the banding process in the C type microchannel heat exchanger, which has a wide fin and a small tube width, improving pressure drop characteristics by up to 29% compared to conventional Fin&Tube heat exchangers. Therefore, in this paper, it is confirmed that the C type microchannel heat exchanger with a wide fin and a small tube width has improved pressure drop and heat transfer properites compared to Fin&Tube heat exchangers.

엔진폐열회수시스템의 성능 개선을 위한 구조해석

이한수 국민대학교 자동차공학전문대학원 2010 국내석사

엔진 폐열회수 시스템은 엔진에서 버려지는 열을 회수하여 엔진의 효율을 높일 수 있는 장치로서 이미 세계의 선진 자동차 업계에서는 그 개발이 진행되고 있는 상태이다. 열교환기는 이런 엔진 폐열회수 시스템의 핵심 부품으로 엔진 폐열회수 시스템뿐만 아니라 자동차의 다른 공조시스템에도 사용이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 열교환기에 사용되는 파이프의 선별과 이를 바탕으로 열교환기 형상에 따른 성능 차이에 대한 기초 자료를 얻는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 작동 유체를 선정하였고, 파이프의 직경과 두께를 변화시키며 고온의 배기가스가 파이프에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 계산하였으며, 파이프의 안전성을 위해 각 파이프에서의 최대 압력한도를 계산하였다. 또한, 선별된 파이프를 두 가지 형상의 열교환기에 적용시켜 열교환기 내에서의 온도 특성과 열유동 특성에 대한 해석을 수행하였다. 이것으로부터 열교환기의 효율에 영향을 주는 여러 조건에 다른 연구를 통해서 열교환기에 대한 기초적인 자료를 제공하여, 향후 엔진 폐열회수 시스템 개발에 기초 자료를 제공하고자 한다.

열전도성 폴리머와 탄소 섬유 복합재료를 적용한 공기대 공기 판형열교환기 성능 특성연구

동월월 전북대학교 일반대학원 2019 국내석사

본 실험은 폴리머 재료로 판형 열교환기판을 만들 하기 위해서 탄소섬유 복합재료와 에폭시 폴리머재료를 사용하였다. 탄소섬유 복합재료로 열교환판이 적용 할 경우 탄소섬유의 수직방향의 열전도도를 향상하기 위해서 구리입자의 코팅을 전기영동 코팅 방법을 적용하였다. 실험결과는 코팅한 탄소섬유로 제작한 판형 열교환기판의 열교환성능이 가장 우수하다. 자기장을 사용한 자성 그래핀과 에폭시로 만든 판형열교환기판의 열교환성능도 우수하였다. 코팅한 탄소섬유로 만든 판형 열교환기판의 열전도도는 자기장을 사용한 자성 그래핀과 에폭시로 만드는 판형열교환기판의 열전도도보다 크지만 가공상의 문제로 열전달 면적이 작았다. 그래서 자기장을 사용한 자성 그래핀와 에폭시로 만드는 판형열교환의 열전달성능은 코팅한 탄소섬유로 만든 판형 열교환기판의 열전달 성능보다 우수하였다.

배가스의 효율적인 제거를 위한 열회수 시스템의 최적황 관한 연구

임성기 순천대학교 대학원 2023 국내박사

보일러 및 소성공정에서 배출되는 고온의 배기가스를 대상으로, 가스 냉각 및 대기오염 물질 저감을 위한 전처리 설비로 열교환기를 사용하여 냉각 및 수분제거와 대기오염 물질의 처리 효율을 평가하고, 열전달 특성의 수치해석과 실험값의 비교를 통해 설계의 신뢰도를 검증하였다. 원통다관형 (Shell & tube) 형식의 열교환기를 이용하여 아스콘 생산공정에서 배출되는 VOCs (Volatile Organic Compounds)를 처리하는 연구에서 열교환기에 의한 가스 냉각 및 수분 제거 특성을 평가하고, 수분 용축을 통한 VOCs 처리효율을 평가하여 흡착법 또는 약액세정법의 전처리 장치로 활용 가능성을 파악하였다. 원통나관형(Shell & tube) 형식의 열교환기를 이용하여 아스콘 생산공정에서 배출되는 VOCs(Volatile Organic Compounds)를 처리하는 연구에서 열교환기에 의한 가스 냉각 및 수분 제거 특성을 평가하고 수분 응축을 통한 VOCs 처리효율을 평가하여 흡착법 또는 약액세정법의 전처리 장치로 활용 가능성을 파악하였다. 약 100℃의 아스콘 생산공정 배기가스를 15 ㎥/min로 열교환기에 주입하여 냉각한 결과, 냉각 tube에 성애가 끼지 않을 정도린 약 5℃~10℃범위의 냉각수를 이용한 수냉식 열교환 방식에서 가스를 약 37℃까지 냉각시키면서 40% 이상의 제습능력을 확인할 수 있었다. 또한 열교환기에서 가스가 냉각되는 동안, 흡수성 및 고비점, 고점도의 유기화학물의 일부는 응축되어 제거되었으며, 최종적으로 활성탄을 사용한 흡착탑을 거치면서 알데히드류는 약 70%, 황산화물은 100% 제거된 반면, 대표적인 방향족 탄화수소인 벤젠과 벤조(a)피렌의 처리효율은 각각15.4%, 24.3%로 저조한 편이였다 다양한 종류의 VOCs가 배출되는 현장에서 냉각과 흡착으로 구성된 복합 저감설비만으로 완벽한 처리에는 한계가 있으며, 약 액세정 및 열산화 또는 촉매산화 등을 추가적으로 설치한다면 더 높은 VOCs 처리효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 보일러 배기가스를 대상으로 열교환기의 최적 설계안 및 운전조건을 도출하였고, 열전달 특성 및 SO2와 같은 흡수성 대기오염 물질 처리효율을 평가하는 연구를 수행하였다. 열교환기의 최적화와 열전달 특성 연구는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 기법을 이용한 부하변동에 따른 전산유동 해석 및 열교환 성능 평가를 위한 실험을 병행하여 수치해석과 설계안의 신뢰도를 검증하였다. 운전부하 변화에 따른 열교환기의 CFD를 수행한 결과, 열교환기에 주입되는 가스의 온도가 높아질수록 가스 및 냉각수의 배출온도는 증가하였다. 냉각수의 온도와 유속에 따른 열전달 특성은 냉각수 온도가 증가함에 따라 가스측에서 열전달계 수는 6.28 W/ K ~ 6.22 W/ K ㎡ ㎡ 로 약간 감소한 반면, 냉각수측에서는 14.33 W/ K ㎡ ~ 17.14 W/ K ㎡ 로 냉각수 온도가 높을수록 열전달계수가 증가하였다. baffle 수에 따른 열전달 특성을 알아본 결과로부터 baffle 수가 3개보다 많아지면 가스 냉각효율은 오히려 감소하는 경향을 보여, baffle 수 증가에 따른 열전달률 증가는 한계가 있음을 확인하였다. 이러한 수치해석 결과는 보일러 배가스를 대상으로 수행한 실험에서도 같은 경향을 얻을 수 있었으며, 비록 수치해석값에 비해 실험값이 다소 높았지만 그 오차범위는 약 7% 이내로 수치해석값에 대한 신뢰성이 높았다. 내경 300mm, 길이 400mm의 Shell과 내경19.05mm 길이 400 mm인 90개의 동관tube로 제작된 열교환기에 150℃의 배가스를 5㎥/min으로 주입하여 출구가스온도 60℃를 얻기 위해서는 20℃ 냉각수를 0.45kg/sec의 유속으로 주입하는 조건이 최적 조건임을 도축하였다. 이 조건에서 회수할 수 있는 열회수 효율은 약 54.8% 정도였으며, 58%의 백연 저감효율을 얻을 수 있었다. 또한 SO2 제거효율은 배기가스 내 수분함량이 높을수록 SO2 제거효율은 증가하였으며, 열교환기 후단에 냉각수를 분사할 경우 분무수의 양을 늘려 L/G비율이 1.5에서 3.5로 높일수록 SO2제거효율은 40.5%~69.5%로 증가하였다.

代替 冷媒를 利用한 마이크로채널 熱交換機의 性能 評價

소병열 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

000년대 이후 지구온난화에 대한 관심과 규제가 높아지면서 Low GWP를 가진 새로운 냉매에 대한 관심이 급증하고 있다. 이러한 관심은 새로운 냉매의 개발과 기존 시스템의 대체냉매 사용으로 나타나고 있다. 대체냉매를 현제의 시스템에 적용을 하는 경우 기존냉매를 사용한 시스템과 비교하여 성능 면에서 유사하거나 우수한 특성을 보여야 한다. 가장 바람직한 형태는 기존의 냉매를 사용하던 시스템에 대체냉매를 그대로 사용하는 것이지만, 냉매의 물성치 차이로 인해 최적화가 필요한 실정이다. 이를 위하여 Low GWP를 가진 R-152를 사용하여 최적화된 열교환기를 개발하려고 하였다. 경제성과 열효율을 높이기 위해 기존 많이 사용되고 있는 핀-관 열교환기가 아닌 마이크로채널 열교환기를 사용하였으며 또한 마이크로채널 열교환기를 열펌프 조건에 적용하려 한다. 열펌프는 열의 흡수 및 방출이 동시에 일어나며 에어컨 또는 냉동기와 같은 기계장치와 동일한 냉동사이클로 구성된다. 마이크로 채널의 냉방 용량은 10.56kW 이고 증발부의 온도는 7℃, 응축부의 온도는 50℃로 선정하였다. 같은 냉방 용량을 가지고 있지만, 그 크기와 핀의 모양, 핀 피치, 채널의 모양과 개수 등을 다르게 하여 각각의 최적화된 열교환기를 설계하였으며, 또한 그 마이크로채널 열교환기의 크기는 같지만 핀의 모양, 핀 피치, 튜브피치, 채널의 모양과 개수 등을 서로 다르게 하여 최대의 용량을 가지는 열교환기를 설계, 비교 하였다. 이러한 열교환기의 설계를 위하여 기존에 사용되고 있는 열교환기의 제원들과 기존에 발표된 상관식들을 사용하였으며 각각의 최적화된 열교환기를 제작하여 CODE-TESTER를 사용하여 실험을 진행하였다. 기존에 사용되고 있는 R-134a 냉매와 그에 대체냉매인 R-152a 냉매를 실험을 진행하였고 두 냉매사이의 작동압력과 압력 강하 량을 비교하여 기존 시스템에 적용하기 위해 유량과 냉매의 사용량을 조절하여 실험을 진행하였다. 그 결과 R-152a 냉매를 사용한 열교환기가 R-134a냉매를 사용한 열교환기의 냉방용량보다 20% 그 성능이 증가됨을 알 수 있었다. 해석을 통해 대체냉매를 적용한 마이크로채널 열교환기의 성능 예측이 어느정도 가능 하며 추후 다른 대체냉매 적용 연구 시에도 방향성을 제시 할 수 있을 것으로 보인다.