판형 열교환기의 공진 열전달에 관한 실험적 연구 = (An) experimental study on the heat transfer of flow resonance in a plate heat exchanger

국문 초록 (Abstract)

열교환기는 용도에 따라 여러가지 형태가 존재하며 그 중에서도 가정용 에어컨과 자동차의 엔진 냉각시스템 및 실내 공조시스템 등에 고밀도 열교환기가 사용되고 있다. 그 중에서도 판형 열교환기는 고밀도 열교환기(compact heat exchanger)의 일종으로, 현재 냉동시스템의 증발기와 응축기로 폭넓게 사용되고 있다. 판형 열교환기를 이용한 열시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 판형 열교환기의 열전달계수를 증가시켜야 하는데, 열전달 향상의 일반적인 방법으로 냉각유체의 유량을 증가시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 고밀도의 열교환기가 사용되는 현재의 열시스템에 적용하기에는 적절치 않다.
최근 유동공진(flow resonance)을 이용한 열전달의 향상 방법이 주목을 받고 있다. 본질적으로 불안정성을 내포한 유체유동에 교란을 발생시켜 와류를 형성시키고 와류가 가지고 있는 고유흐름 주파수(natural shedding frequency)와 일치하는 주기적인 외력이 가해지면 유동공진 현상을 일으키게 된다. 이러한 유동공진 현상을 이용하면 낮은 레이놀즈수의 유동에서도 대류 열전달계수를 촉진시킬 수 있다.
본 연구에서는 이러한 유동공진 현상을 응용하여 상용 판형 열교환기에 맥동을 가진했을 때 열전달과 압력강하 특성을 알아보았다. 판형 열교환기의 주요 인자인 세브론각(chevorn angle)과 플레이트 피치(plate pitch)가 변함에 따라 열전달 향상과 압력강하 특성을 실험을 통해 규명하였다. 또한 판형 열교환기의 형상이 변함에 따라 유동공진의 주파수 대역이 어떻게 분포하는지 알아보기 위해 각 판형 열교환기의 유동공진 주파수의 검증을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
정상유동시에는 세브론각이 플레이트 피치보다 열전달 향상에 더 큰 영향을 미쳤다. 또한 맥동유동에서는 플레이트 피치가 넓을 때 좁은 경우보다 열전달 향상비가 증가하였다. 동일조건에서 세브론각이 변할 때 열전달 향상비는 큰 차이가 없었고, 세브론각이 크고 플레이트 피치가 넓은 경우, 열전달 향상비가 최대값이 되었다. 또한 맥동유동에서는 플레이트피치와 세브론각에 상관없이 질량유량이 증가할수록 열전달 향상비가 감소하는 경향을 보여주었다.
정상요동과 맥동유동 조건에서 모두 질량유량이 증가할수록 압력강하량이 증가하였다. 정상유동에서는 세브론각이 플에이트 피치보다 압력강하량에 더 많은 영향을 미쳤다. 또한 맥동유동에서는 동일 세브론각에서 플레이트 피치가 좁아지면 압력강하량이 상승하였고, 본 연구에서는 플레이트 피치가 좁고 세브론각이 큰 경우의 압력강하량이 가장 큰 값을 나타내었다.
본 연구에서 유동공진 주파수 검증 실험을 통해서 맥동유동에서 가진된 맥동주파수에 의한 열전달의 향상은 유동공진 현상에 의해 이루어졌음을 밝혀내었다. 실험에 사용된 모든 판형 열교환기에서 최대 열전달 향상을 보인 맥동주파수와 고유흐름 주파수는 거의 일치하였다. 본 연구영역 내에서 판형 열교환기의 세브론각과 플레이트 피치의 변화에 따라 내부구조가 변하였을때 유동공진 주파수의 범위는 10~15 Hz로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Heat transfer enhancement of three types of brazed plate heat exchangers has been evaluated experimentally. The effects of flow resonance in a plate heat exchanger on the heat transfer rate and pressure drop have been investigated in the range of mass flow rates in detail. The problem is of particular interest in the innovative design of a plate heat exchanger by flow resonance. The results obtained indicate that both heat transfer coefficient and pressure drop are increased as mass flow rate is increased, as expected. It is also found that the heat transfer enhancement is increased with an increase in the plate pitch, while the heat transfer is decreased with a decrease in the chevron angle. Pressure drop is increased with an increase in the plate pitch and with a decrease in the chevron angle. Heat transfer enhancement in the plate heat exchangers is maximized by flow resonance and the resonance frequency of the present plate heat exchangers is found to be a range of 10~15 Hz. To investigate flow resonance frequency, it is used to self-sustained oscillating method. In this study, the heat transfer coefficient enhancement is caused by flow resonance effect.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• 국문요약 = ⅲ
• Nomenclature = ⅴ
• List of Figures and Tables = ⅶ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구동향 = 2
• 1.3 연구목적 = 3
• Ⅱ. 실험장치 및 방법 = 4
• 2.1 실험장치 = 4
• 2.2 측정장치 = 7
• 2.3 실험조건 = 13
• 2.4 데이터 처리방법 = 15
• 3. 결과 및 고찰 = 17
• 3.1 열전달 특성 = 17
• 3.2 압력강하 특성 = 18
• 3.3 유동공진 주파수 검증 = 19
• 4. 결론 = 32
• 참고문헌 = 34
• Abstract = 36