<
학술논문> DOI https://doi.org/10.3795/KSME-B.2017.41.9.587ISSN 1226-4881(Pr in t) 2288-5324(Online)
슬림형 루버 핀이 장착된 알루미늄 열교환기의 공기측 전열 성능에 대한 실험적 연구
김 내 현*† · 조 홍 기**
* 인천대학교 기계공학과, ** 삼성전자 가전사업부
Experimental Study on the Airside Performance of Aluminum Heat Exchangers Having Slim Louver Fins
Nae-Hyun Kim*† and Honggi Cho**
* Dept. of Mechanical Engineering, Incheon Nat’l Univ.
** Home Appliance Div., Samsung Electronics
(Received March 7, 2017 ; Revised May 1, 2017 ; Accepted June 11, 2017)
- 기호설명 -
A : 전열면적 C
r: 열용량유량 c
p: 비열
D : 실제 유동 길이 D
h: 수력 직경 f : 마찰계수
F
D: 핀 깊이 F
p: 핀 핏치 F
t: 핀 두께 H : 핀 길이 h : 열전달계수 j : Colburn j 인자 k : 열전도도 L
l: 루버 길이 L
p: 루버 핏치
m&
: 유량
Key Words: Slim Louver Fin(슬림 루버 핀), Airside Performance(공기측 성능), Aluminum Heat Exchanger(알루
미늄 열교환기), Heat Transfer Coeffcient(열전달계수), Pressure Drop(압력손실)
초록: 최근 들어 공조기가 슬림화 되고 따라서 열교환기의 깊이를 줄일 필요가 있다. 본 연구에서는 슬 림형 알루미늄 열교환기에 적절한 루버 핀 형상을 도출하였다. 또한 도출된 루버 핀이 적용된 알루미늄 열교환기 시료를 제작하고 성능 시험을 수행하였다. 비교를 위하여 기존 열교환기에 대해서도 실험을 수행하였다. 도출된 형상의 핀 깊이(F
d)는 10.0 mm, 루버 핏치(L
p)는 0.9 mm, 루버 각( θ )은 35
o이다. 기존 시료에 비하여 신규 슬림 시료의 j 인자는 36%, f 인자는 2.3% 크게 나타났다. 따라서 열교환기 체적은 슬림 시료에서 26% 줄어들게 된다. 또한 동일 소비 동력에서의 전열량을 의미하는 j/f
1/3은 슬림 시료에 서 55% 크다. 실험 데이터를 기존 상관식의 예측치와 비교하였다.
Abstract: Recent trends in slim air conditioners require heat exchangers of reduced flow depth. In this study, slim
louver fin geometry was obtained using predictive correlations. The deduced geometry yielded 10 mm flow depth, 0.9 mm louver pitch, and 35° louver angle. Samples were made and tests were conducted. The new slim sample yielded 36％ higher j factor and 2.3％ higher f factor compared with those of the standard sample. This implies that 26％
reduction of heat exchanger volume was possible by reducing the flow depth. In addition, the j/f
1/3of the slim sample was 55％ larger than that of the standard sample. Furthermore, the results are compared with predictions made using existing correlations.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2017 The Korean Society of Mechanical Engineers
N : 이상적 유동 길이 NTU : 전달단위 수 Pr : Prandtl 수 Q : 전열량 Re : Reynolds 수 S
1: 입구 루버 길이 S
2: 방향 전환 루버 길이 t : 튜브 두께
T : 온도 T
p: 튜브 핏치 U : 열관류율 V
max: 최대 속도
ε : 유용도
ΔP: 압력손실 η : 핀 효율
η :
o표면 효율 μ : 점성계수 θ : 루버 각
ρ : 밀도 σ : 축소비 하첨자 a : 공기 c : 단면 exp : 실험 i : 관 내측 in : 입구 f : 핀 m : 평균 max : 최대 min : 최소 o : 공기측 out : 출구 pred : 예측 t : 튜브
1. 서 론
핀 -관 열교환기는 가정용 공조기의 응축기나 증 발기로 널리 사용되고 있다. 냉매와 공기의 열교 환의 경우 대부분의 열저항은 공기 측에 있고 이 를 줄이기 위하여 고성능 핀, 소구경관 등이 사용 된다 . 하지만 핀-관 열교환기는 핀과 관사이에 접 촉저항이 존재하고 관 후방에서 전열 성능이 감소 하는 등 고효율화, 소형화에는 한계가 있다. 이러
한 한계는 납작한 평판관을 사용하고 핀과 관을 브레이징한 알루미늄 열교환기를 사용하면 개선될 수 있다. Webb and Jung
(1)은 알루미늄 열교환기를 사용하여 기존 핀-관 열교환기의 절반의 체적으로 동일성능을 낼 수 있음을 보고하였다. Webb and Lee
(2)는 1.15 mm 핀 핏치의 알루미늄 열교환기와 0.98 mm 핀 핏치의 핀-관 열교환기 성능을 비교하 였는데 알루미늄 열교환기에서 50% 가량 높은 성 능을 얻을 수 있음을 보고하였다. 알루미늄 열교 환기는 그간 자동차용 응축기로 널리 사용되어 왔 으나 최근 들어 가정용 공조기에 적용되고 있다.
알루미늄 열교환기의 공기 측에는 루버 핀이 사 용된다. 루버 핀의 전열 성능에 대한 연구는 Davenport
(3)를 필두로 하여 많은 연구자들이 실험 을 통해서나
(1,4~10)해석적으로
(11)또는 수치해석을
사용하여
(12~20)수행하여 왔다. 그 결과 상관식도
다수
(8,21~24)존재한다.
최근 들어 공조기가 슬림화 되고 있고 따라서 열교환기의 깊이를 줄일 필요가 있다. 열교환기의 깊이가 줄어들면 전열량이 감소하므로 이를 보상 하기 위해서는 전방 면적을 크게 하여야 한다. 하 지만 전방 면적이 증가하면 풍속이 감소하여 열교 환기 성능이 오히려 감소할 수도 있다. 따라서 열 교환기의 깊이를 줄이는 경우 가능하면 열전달 계 수를 크게 하는 것이 바람직하다.
루버 핀의 열전달계수 및 마찰계수는 루버 핏 치 , 루버 각, 핀 핏치, 핀 깊이 등 여러 인자에 영 향을 받는다. 일반적으로 루버 핏치와 루버 각이 증가할수록 , 핀 핏치와 핀 깊이가 감소할수록 열 전달계수는 증가한다. 본 연구에서는 슬림형 알루 미늄 열교환기에 적절한 루버 핀 형상을 도출하였 다 . 또한 도출된 루버 핀이 적용된 알루미늄 열교 환기 시료를 제작하고 성능 시험을 수행하였다.
비교를 위하여 기존 열교환기에 대해서도 실험을 수행하였다. 기존 열교환기의 깊이는 16 mm이다.
2. 슬림형 루버 핀 형상 도출
슬림형 루버 핀 형상을 도출하기 위하여 여러
인자의 영향을 상관식을 이용하여 검토하였다. 표
준이 되는 루버 핀 형상으로는 S사의 사양을 채
택하였는데 루버 핏치(L
p)는 1.05 mm, 루버 각(
θ)
은 25
o, 핀 핏치(F
p)는 1.4 mm, 핀 길이(H)는 8.03 mm,
핀 깊이(F
d)는 16.0 mm, 루버 길이(L
l)는 6.3 mm, 튜
브 핏치(T
p)는 9.83 mm, 핀 두께(F
t)는 0.09 mm이
다 . Fig. 1에 각 인자를 도시하였다. 슬림형 루버
핀의 전열 성능 향상을 위하여 검토된 인자는 루
버 핏치, 루버 각, 핀 깊이이다. 핀 핏치, 튜브 핏 치, 루버 길이, 핀 두께는 제조 한계 및 생산 효율 성을 고려하여 동일하게 유지하였다.
성능 검토를 위하여 고려된 상관식으로는 Chang and Wang,
(21)Chang 등
(22)Kim and Bullard,
(8)Dong 등
(23)Park and Jacobi
(24)이다 . Chang and Wang,
(21)Chang 등
(22)은 91종의 시료에 대한 여러 연구자의 데이터를 기초로, Park and Jacobi
(24)는 120 종 시료에 대한 여러 연구자의 데이터를 기초로 j 와 f 상관식을 제시하였다. 반면 Kim and Bullard,
(8)Dong 등
(23)상관식은 본인들의 데이터를 기초로 개 발되었다. j와 f 인자는 무차원 열전달계수 및 마찰 계수 인데 상세한 내용은 3절에 기술되어 있다.
Fig. 2(a)에 핀 깊이를 변화시켰을 때 각 상관식 의 j와 f 인자 예측치를 나타내었다. 이 때 다른 변수는 표준 사양 값을 유지하였다. j인자의 경우 Chang and Wang
(21)과 Kim and Bullard
(8)는 유사한 값 을 예측하는 반면 Park and Jacobi
(24)는 큰 값을, Dong 등
(23)은 작은 값을 예측한다. 하지만 모든 상관식은 핀 깊이가 감소하면 j인자가 증가함을 보인다 . f 인자의 경우 Kim and Bullard
(8)를 제외하 고는 유사한 경향(핀 깊이에 무관하게 일정함)을 보인다. Fig. 3에 루버 핀 내 유동의 개략도를 나타 내었다 . 루버 핀으로 유입된 공기 중 일부는 절곡 된 루버 방향으로 상향 유동하고 나머지는 수평 방향으로 흐른다. 상향 유동하는 공기는 중간의 방향 전환 루버를 통과하며 대칭적으로 하향 유동 한다 . 루버 핀의 전열 성능은 유동 효율로써 평가 할 수 있다.
(11)유동 효율은 실제 유동 거리 N와 이상적인 유동 거리(모든 유량이 루버 사이를 통 과할 때) D의 비(= N/D)로 정의된다. 핀 깊이가 감 소하면 루버 유동의 급격한 방향 전환에 따른 원 심력이 증가할 것이고 이로 인해 유동 거리가 증 가할 것으로 예상된다. 유동 거리의 증가는 유동 효율을 증가시키고 따라서 j와 f인자가 증가하는
것으로 판단된다.
(a) Effect of fin depth
(b) Effect of louver pitch
(c) Effect of louver angle
Fig. 2 Effect of geometric parameters on j and f factor
of the louver fin
Fig. 2(a)는 핀 깊이의 감소에 따른 j인자의 증가
폭이 f 인자의 증가 폭보다 큼을 보여주는데 이로
Fig. 1 Geometric details of the louver fin부터 핀 깊이가 감소하면 압력손실 대비 전열 성 능 면에서 유리함을 알 수 있다. 이로부터 루버 핀의 슬림화가 정당화될 수 있다. 하지만 핀 깊이 가 너무 작아지면 냉매측 유로 면적도 감소하여 과다한 압력 손실이 유발된다. 이러한 측면과 납 작관과 루버 핀의 제조 여건을 고려하여 핀 깊이 를 기존 16 mm에서 10 mm로 감소시켰다.
Fig. 2(b)에는 루버 핏치의 영향을 나타내었다. j 인자의 경우 Park and Jacobi
(24)를 제외한 모든 상관 식에서 루버 핏치에 따라 증가함을 보인다. f 인자 는 모든 상관식에서 루버 핏치에 따라 증가한다.
Webb and Trauger
(25)에 따르면 루버 핀의 유동 효율 은 (L
p/F
p)
0.23에 비례한다. 즉 동일 핀 핏치에서 루 버 핏치가 증가할수록 유동 효율도 증가한다. 신 규 루버 핀의 루버 핏치는 짧아진 핀 깊이를 고려 하여 0.9 mm로 하였다. 이 경우 유동 효율은 0.90 으로 가정용 공조기에 적용되는 값으로 적절하다 고 판단되었다. 기존 루버 핀의 루버 핏치는 1.05 mm이다. Fig. 4에 기존(standard)과 신규(slim) 루버 핀의 단면 형상을 나타내었다. 또한 각각의 핀에 적용되는 평판관의 형상도 나타내었다. 평판관의
수력 직경은 각각 0.82 mm, 0.76 mm이다. 수력 직 경은 평판관의 유동 면적과 접수 길이로 부터 구 하였다 .
Fig. 2(c)에 루버 각의 영향을 나타내었다. 루버 각이 증가할수록 j와 f 인자 모두 증가한다. 신규 루버 핀의 루버 각은 기존의 25
o에서 35
o로 증가 시켰다. 루버 각 35
o이상은 제조상 어렵다.
Fig. 5에 기존 루버 핀과 신규 슬림 루버 핀의 j 와 f 인자를 나타내었다. 예측에는 Chang and Wang,
(21)Chang 등
(22)의 상관식이 이용되었다. 신규 루버 핀은 핀 깊이가 기존의 16 mm에서 10 mm, 루버 핏치가 1.05 mm에서 0.9 mm, 루버 각이 25
o에서 35
o로 변화된 형상이다. Fig. 5는 슬림 루버 핀의 j 인자는 기존 루버 핀보다 평균 22%, f 인자 는 평균 4% 증가함을 보여준다.
Fig. 6에 실험에 사용된 시료의 개략도가 나타나 있다. 높이는 254 mm, 폭은 400 mm로 24단이고 관내측은 pass당 4개의 평판관으로 회로를 구성하 였다 . 공기 측의 전열성능을 정밀하게 측정하기 위해서는 관내측 열저항을 최소화 하여야 하고 이 를 위해서는 관내측 흐름을 난류로 만들 필요가 있다. 평판관의 경우 수력 직경이 작기 때문에 난 류를 만들기 위해서는 매우 빠른 유속이 필요하게
Fig. 3 Schematic drawing illustrating the flow efficiency(a) Standard sample
(b) Slim sample
Fig. 4 Cross-sectional shape of the standard and slim
sample
Fig. 5 j and f factors of the standard and slim louver fin
Fig. 6 Schematic drawing of the sample
된다. 본 연구에서는 pass당 4개의 평판관으로 회 로를 구성함으로써 제한된 압력손실 하에서 난류 유동을 구현하고자 하였다.
3. 실험장치 및 방법
3.1 실험 장치
실험장치의 개략도를 Fig. 7에 나타내었다. 이 장치는 항온 항습실에 설치된 흡입식 풍동으로 고 온수 순환부와 자료획득 및 처리장치가 부착되어 있다 . 시료는 실험장치의 입구에 장착되고 시료 후방에는 혼합체(mixer)가 설치되어 출구 공기를 혼합한다 . 공기측 입구와 출구의 온도와 습도는 ASHRAE Standard 41.1
(26)에 따라 샘플링 유닛으로 측정하였다 . 고온수측 입구 유량과 온도는 항온 항습실 외부에 설치된 항온조로부터 조절된다. 공 기와 고온수의 온도는 정밀도 ±0.1°인 RTD(Pt- 100Ω 센서)로 측정하였고 고온수 유량은 정밀도
±0.00015 kg/s인 Colioris 형식의 질량유량계로 측정 하였다 . 시료의 공기측 압력손실은 정밀도 ±1.0 Pa 인 차압계로 측정하였고 공기측 유량은 ASHRAE Standard 41.2
(27)에 따라 노즐 차압으로 측정하였다.
실험 중 고온수의 입구 온도는 50°C로 유지되
었고 항온 항습실의 온/습도는 21°, 60%RH로 유지 되었다. 실험은 시험부 전방풍속을 1.0 m/s에서 2.5 m/s까지 변화시키며 수행되었는데 고온수 측과 공 기 측의 열평형은 ±2% 이내이었다. 실험장치와 항온 항습실의 모든 데이터는 자료획득장치를 거 쳐 컴퓨터에 저장되었다. ASHRAE Standard 41.5
(28)에 따라 실험의 불확실도를 해석하였고 그 결과가 Table 1에 나타나 있다. 마찰계수의 주된 불확실도 요인에는 차압계의 불확실도(±10%)가, 열전달계수 불확실도의 주된 요인에는 관내측 열전달계수의 불확실도 (±10%)가 기여하였다. 실험의 불확실도는 Reynolds수가 증가할수록 감소하였다.
3.2 자료처리
시료의 전열량은 관내 측과 공기 측의 평균값을 사용하였다 .
( o i) / 2
Q= Q +Q
(1)
, ,
( )
o po o out o in
Qo =m c T& −T
(2)
, ,
( )
i pi i in i out
Q
i= m c T & − T (3)
시료의 UA 값은 비혼합-비혼합 대향류의 ε-NTU 관계식으로부터 구해진다.
(29){ }
0.22
1 exp exp(
r 0.78) 1
r
NTU C NTU
ε = −
⎡C − −
⎤⎢ ⎥
⎣ ⎦
(4)
/
maxε = Q Q (5)
min max
( ) /( )
r p p
C = & mc mc & (6) (
p)
minUA = & mc NTU
(7) 공기측 열전달계수 h
o는 전체 열저항으로부터 관내측과 관벽의 열저항을 빼내어 구한다.
1 1 1
o o o i i t t
t h A UA h A k A
η = − − (8)
관내측 열전달계수는 Gnielinski
(30)식으로부터 구하였다 .
,
2/3 ,
(Re 1000) Pr ( / 2) 1.0 12.7 / 2(Pr 1)
Dh i i i
i i
h i i i
k f
h D f
⎛ ⎞ −
= ⎜⎜⎝ ⎟⎟⎠ + −
(9)
[
1.58 ln(Re , 3.28)]
2i Dh i
f = − −
(10)
Table 1 Experimental UncertaintiesParameter Max. Uncertainties
Temperature ± 0.1 °C Differential pressure ± 1 Pa
Water flow rate ± 1.5×10-6 m3/s
ReLp ± 2%
f ± 10 %
j ± 12%
Fig. 7 Schematic drawing of the apparatus
실험 중 관 내측의 Reynolds수는 6,500을 유지 하였는데 이 값이 본 실험장치에서 얻을 수 있는 최대값이었다. 이 때 유량은 각각 0.283 kg/s(기존 시료 ), 0.156 kg/s(슬림 시료)이었다. 관 내측의 수력 직경이 0.82 mm (기존 시료), 0.76 mm(슬림 시료)로 매우 작기 때문에 얻을 수 있는 유속엔 한계가 있 었다 . 실험 중 관내측 열저항은 전체 열저항의 5%내를 유지하였다. 표면효율은 식 (11)로부터 구 한다 .
1 f (1 )
o
o
A
η
= − A −η (11) 휜 효율 η는 Schmidt
(31)의 제안에 따라 아래식에 서 구한다.
tanh( ml )
η = ml (12)
2 (1 ) , 2
o
f d
t t
h t H
m l F
k F F
= + = − (13)
열교환기 실험에서는 열전달계수는 Colburn j인 자로 나타내는 것이 일반적이다.
ReLp o max p
o
ρ
V L=
μ (14)
2 / 3
max
Pr
o o
o po
j h
ρ
V c=
(15)
여기서 V
max은 열교환기 내의 최대 유속이다. 마 찰계수는 다음 식으로 구한다.
2 2
max
[ 2 (1 )( 1)]
( )
c m in in
o in m out
A P
f A V
ρ ρ ρ
ρ ρ σ ρ
= Δ − + − (16
)4. 실험결과 및 고찰
Fig. 8에 기존 시료와 신규 슬림 시료의 전열량 을 나타내었다. 두 시료는 루버 핏치, 루버 각, 핀 깊이를 제외하고는 사양이 동일하다. 기존 시료의 루버 핏치는 1.05 mm, 루버 각은 25
o, 핀 깊이는 16 mm이고 슬림 시료의 루버 핏치는 0.9 mm, 루 버 각은 35
o, 핀 깊이는 10 mm이다. Fig. 8은 풍속 이 증가할수록 전열량이 증가함을 보여준다. 평균
전열량은 기존 시료에서 14% 크게 나타났다. 이 는 기존 시료의 전열면적이 슬림 시료보다 60%
크기 때문이다. 실험 시 고온수의 온도는 50
oC, 풍 동 입구 공기의 온도는 21
oC로 유지되었다. Fig 9 에는 압력 손실을 나타내었다. 압력 손실은 기존 시료에서 평균 68% 크게 나타났다.
Fig. 8 Heat transfer rate of the standard and slim sample
Fig. 9 Pressure drop of the standard and slim sample
Fig. 10 j and f factors of the standard and slim sample
Fig. 10에는 3.2절의 자료처리 절차를 통하여 얻 어진 j와 f 인자를 나타내었다. j 인자는 슬림시료 에서 현저히(36%) 크게 나타났고 f 인자는 두 시 료 비슷하게(슬림 시료에서 2.3% 큼) 나타났다. 하 지만 f 인자의 경향은 두 시료에서 다르다. 낮은 유속에서는 슬림 시료의 마찰계수가 기존 시료보
다 작은데 비하여 높은 유속에서는 이 경향이 역 전된다. 이는 루버 핀에서 유동 방향 전환시 유발 되는 원심력의 크기가 핀 깊이에 영향을 받기 때 문으로 판단된다. 즉, 핀 깊이가 작은 경우는 핀 깊이가 큰 경우보다 유속에 따른 원심력의 증가가 현저하여 높은 유속에서 두 마찰계수가 역전되는 현상을 보인다. 1절에서 Chang and Wang
(21)의 상관 식은 슬림 루버 핀의j인자를 22%, f 인자를 4% 크 게 예측하였다. 이 예측치는 f 인자의 경우는 실 험값인 2.3%와 유사하나 j 인자의 경우는 실험값 인 36%보다 작다. 이는 본 연구의 핀 깊이(10 mm)가 상관식의 적용 범위(16 mm 이상)를 벗어나 있기 때문으로 판단된다.
핀 -관 열교환기의 경우 대부분의 열저항이 공기 측에 있다. 모든 열저항이 공기 측에 있다고 가정 하면 전열면적은 j 인자의 역수에 비례하게 된다.
따라서 열교환기 체적은 슬림 시료에서 26% 줄어 들게 된다. 한편 핀 깊이에 따른 전열면적의 감소 를 고려하면 슬림 시료의 전방 면적은 기존 시료 보다 23% 크게 된다. 열교환기의 성능은 동일 소 비 동력에서의 전열량을 의미하는 j/f
1/3으로 평가 할 수 있다.
(32)Fig. 11에 두 시료의 j/f
1/3을 나타내 었다 . 슬림 시료에서 55% 크게 나타남을 알 수 있다.
두 시료의 j와 f 인자를 기존 상관식들의 예측 치와 비교하였다. Fig. 12에j 인자를 비교 하였는데 Chang and Wang,
(21)Kim and Bullard
(8)상관식은 실험 데이터를 ± 20% 이내에서 예측함을 보여준다. 또 한 슬림 루버 핀 보다는 기존 루버 핀 데이터를 좀 더 잘 예측함을 알 수 있는데 이는 슬림 루버 핀의 핀 깊이(10 mm)가 이들 상관식의 적용 범위 를 벗어나기 때문으로 판단된다. Park and Jacobi
(24)상관식은 j 인자를 과대 예측하고 Dong 등
(23)상관 식은 과소 예측한다. Fig. 13에는 f 인자를 비교하 였다. Chang 등
(22)을 제외하고는 모든 상관식이 과 소 예측함을 보여준다. Chang 등 상관식은 데이터 를 ± 20% 이내에서 예측한다.
5. 결 론
본 연구에서는 슬림형 알루미늄 열교환기에 적 절한 루버 핀 형상을 도출하였다. 또한 도출된 루 버 핀이 적용된 알루미늄 열교환기 시료를 제작하 고 성능 시험을 수행하였다. 비교를 위하여 기존 열교환기에 대해서도 실험을 수행하였다.
(1) 기존 상관식을 이용하여 슬림 루버 핀 형상 을 도출하였다. 도출된 형상의 핀 깊이(F
d)는 10.0
Fig. 11 j/f1/3of the standard and slim sample
Fig. 12 j factors predicted by existing correlations
Fig. 13 f factors predicted by existing correlations
mm, 루버 핏치(L
p)는 0.9 mm, 루버 각(θ )은 35
o, 핀 핏치 (F
p)는 1.4 mm, 핀 길이 (H)는 8.03 mm, 루버 길 이(L
l)는 6.3 mm, 튜브 핏치(T
p)는 9.83 mm, 핀 두 께(F
t)는 0.09 mm이다.
(2) 기존 시료에 비하여 신규 슬림 시료의 j 인 자는 36%, f 인자는 2.3% 크게 나타났다. 따라서 열교환기 체적은 슬림 시료에서 26% 줄어들게 된 다. 한편 슬림 시료의 전방 면적은 기존 시료보다 23% 크게 된다.
(3) 동일 소비 동력에서의 전열량을 의미하는 j/f
1/3은 슬림 시료에서 55% 크다.
(4) 본 시료들의 j 인자는 Chang and Wang, Kim and Bullard 상관식이, f 인자는 Chang 등 상관식이 적절히 예측하였다.
참고문헌
