심층수 이용 열교환기 개발을 위한 열교환기 재질과 열교환 성능에 관한 연구

이창경(C.K.Lee),권정태(J.T.Kwon),권영철(Y.C.Kwon),허철(C.Huh) 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

본 논문은 심층수 이용 열교환기 개발에 있어서 열교환기의 재질인 티타늄, 알루미늄, 스테인리스, 철, 구리 및 코팅된 알루미늄관 등을 이용하여 이중관 열교환 실험장치를 구성하고 그 열교환 성능을 실험하였다. 기존 심층수 이용 열교환기는 대부분티타늄 금속으로 이루어져 있다. 티타늄의 재질은 해양 심층수에 적합하나 고가의 금속이다. 이런 티타늄 금속을 대체할 금속으로 알루미늄, 스테인리스, 철, 구리와 코팅된 알루미늄 관을 실험함으로써 기존 티타늄 열교환기에 비해 비용을 많이 줄일 수 있는 반면 열교환 성능도 크게 뒤지지 않은 재질을 고찰해 보았다. 해양 심층수 이용열교환기의 적합한 금속은 부식에 있어서 강해야 하며 열전달 또한 좋아야 한다. 이러한 열교환기 재질 및 열전달 성능에 관한 기초연구를 위해서 이중관 열교환기를 설계하고 제작하였다. 다양한 재질의 이중관 열교환기에서 열교환 성능을 실험적으로 구하였다. 또한 EES(Engineering Equation Solver) 프로그램을 사용하여 각 관들의 열전달률을 해석 하고 이중관 열교환 실험 결과와 비교하였다. This paper, for the development of heat exchangers using deep sea water, presented the design method of heat exchangers, experimentation, and analysis of double-tube heat exchanger performances. The heat exchangers were made of titanium, aluminum, stainless steel, iron, copper and aluminum with coating pipes. Most frequently used heat exchanger for using deep sea water is composed of titanium metal. Titanium is suitable for deep sea water because of it"s anti-corrosion property, while it is quite expensive. We considered some metals which can reduce the initial cost compared to titanium heat exchanger by testing the heat exchange performances. For these experiments, we designed double-tube heat exchangers and tested their heat transfer performances. Also we calculated heat transfer rate of each pipe by using EES (Engineering Equation Solver) program and compared it with the corresponding experimental result.

발사체용 Rib-tube방식 열교환기 개념설계

신동순(DongSun Shin),김경석(KyungSeok Kim),한상엽(SangYeop Kim),방정석(JeongSuk Bang),김현웅(HyenWoong Kim) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

터빈배기부 구성품중에서 열교환기의 역할은 헬륨가스를 개발규격에 명시된 온도까지 상승시켜산화제와 연료탱크의 얼리지 볼륨에 공급하여 일정하게 추진제를 엔진에 공급하는 역할을 한다. 열교환기는 엔진의 구성요소이며 연소가스의 열원을 이용하여 헬륨을 Rib 채널 및 튜브에 흘려보내어 필요한 출구온도를 생성한다. 발사체 개발 초기 단계에서 열교환기의 구조 및 성능 분석을 위하여 외국 발사체에 사용되는 열교환기의 자료를 수집하여 면밀하게 검토하였으며, 발사체 시스템의 요구조건을 만족시키기 위하여 몇 종류의 열교환기 형상 도출과 개념설계 및 열교환 면적 계산을 수차례에 걸쳐서 수행하였다. 위와 같은 몇 차례의 시도를 통하여 발사체에서 요구하는 열교환기의 길이와 직경 조건을 확정하여 개념 설계를 진행한 결과 산화제탱크 가압용 열교환기는 Rib 채널과 튜브를 혼합한 방식과 연료탱크용 열교환기는 2개의 나선형 튜브 방식으로 설계하였다. 본 논문에서는 추진제탱크 가압용 열교환기의 설계 접근기법과 구성 및 유량 분배 및 흐름에 대하여 간략하게 소개한다. The heat exchanger, which is a component of the turbine exhaust system, serves to raise the temperature of the helium gas to the temperature specified in the development standard and supply it to the oxidizer and the fuel tank so that the propellant is constantly supplied to the engine. In order to analyze the structure and performance of the heat exchanger at the early design stage, data of the heat exchanger used in foreign launch vehicle were collected and analyzed. In order to meet the requirements of the launch vehicle system, several types of heat exchanger shape, heat exchange area calculation was performed. In this paper, design approach, structure and fluid analysis of a heat exchanger for pressurizing the propellant tank are introduced.

동계 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기와 비교 및 열적 성능 분석

이상하(Sang Ha Leigh),장휴산(Hyusan Jang),유석(Shuo Liu),이태하(Tae Ha Leigh),여명석(Myoung Souk Yeo) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6

동계 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기와 비교 및 열적 성능 분석

이상하(Sang Ha Leigh),장휴산(Hyusan Jang),유석(Shuo Liu),이태하(Tae Ha Leigh),여명석(Myoung Souk Yeo) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6

국내에서 대부분의 지열 히트펌프는 수직형 지중 열교환기와 결합되어 사용 중이다. 수직형 지중 열교환기는 설치 시 천공을 뚫는데 큰 비용이 발생하는 데 비해, 수평형 지중 열교환기는 천부에 설치하므로 설치 비용이 비교적 적게 든다. 반면 수직형 지중 열교환기에 비해 외기의 영향을 받아 상대적으로 안정적인 성능을 내지 못하고, 넓은 대지 면적이 필요하다. 수평형 지중 열교환기 중 열교환 성능이 좋은 모세유관을 활용한 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기 대비 열적 성능을 알아보고자 하며, 시뮬레이션을 통해 비교 분석을 진행하였다. 본 연구에서 난방기 매트형 수평형 지중 열교환기 한 모듈의 지중 열교환 성능은 약 500W로 15m 수직형 지중 열교환기와 비슷하였다.

열펌프 유닛 성능과 지열원 냉난방 시스템 설계에 관한 연구

김남태(Kim, Namtae),조찬용(Cho, Chanyong),최종민(Choi, Jong Min) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

현재까지 대부분의 지열원 열펌프 시스템에 관한 연구는 열펌프 유닛과 지중열교환기에 대해 개별적으로 수행되었으며, 열펌프 유닛과 지중열교환기 설계 및 최적화의 공통변수인 지중순환수 유량에 따른 시스템 전체에 대한 연구성과는 매우 미미한 실정이다. 본 연구에서는 현재 국내에서 인증되어 보급되고 있는 물매물 지열원 열펌프 유닛의 성능 자료를 분석하고, 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 열펌프 유닛의 성능 실험 및 지중열교환기 형상에 관한 설계 및 분석을 수행하여 지열원 열펌프 시스템 최적화에 관한 기반 기술 확보하고자 하였다. 현재 국내의 물대물 지열원 열펌프 유닛의 냉방 및 난방 조건에서의 최소 인증 COP는 각각 4.1과 3.45이다. 다양한 용량 및 성능을 갖는 국내 인증 물대물 지열원 열펌프 유닛에 대한 정량적 성능 분석을 위하여 3.5kW(1RT) 용량당의 지중순환수 유량과 COP를 고찰하였다. 냉방운전시 3.5kW 단위 용량당 열펌프 유닛의 지중순환수 유량은 10.73에서 18.52LPM을 나타냈으며, 난방운전에는 10.41에서 18.16LPM을 나타냈다. 이때, 냉방 COP는 4.1에서 5.4의 값을 나타냈으며, 난방 COP는 각각 3.5에서 4.2를 나타냈다. 인증 열펌프 유닛에서 지중순환수 유량과 열펌프 유닛의 냉난방 성능은 일정한 경향성을 나타내지 않았다. 지중순환수 유량에 따른 지열원 열펌프 유닛과 시스템의 성능을 정량적으로 분석하고자 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 지열원 열펌프 유닛 성능 실험을 수행하고 이를 기반으로 지중열교환기를 설계 및 분석하였다. 냉난방 각 운전모드에서 ISO 13256-2 규격과 NRGT 101 규격을 기준으로 지중순환수와 부하측 유량 6LPM 에서 36LPM 사이에서 변화시키며 성능 실험을 수행하였다. 냉방 및 난방모드 모두 유량이 증가함에 따라 열펌프 유닛 COP가 증가하였으나, 유량 증가에 따른 열펌프 유닛 COP 증가율은 감소하였다. 지중순환수 유량이 18LPM 이상에서는 COP 상승폭은 미소하였다. 기존문헌의 부하 산정자료와 열펌프 유닛 실험 성능 데이터를 이용하여 지식경제부 고시 2009-332호에 준하여 수직밀폐형 지중열교환기를 설계하고 순환펌프 소요동력을 이용하여 시스템 COP를 분석하였다. 지중열교환기 설계 시 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 상용지중열교환기 설계프로그램인 GLD 프로그램을 사용하였다. 지중순환수와 부하측 2차 유체 유량 증가 시에 열펌프 유닛 COP 증가율 대비 시스템 COP 증가율은 감소하였으며, 난방모드에서는 일정 유량 이상에서는 열펌프 유닛 COP는 증가하였으나, 시스템 COP는 감소하였다. 또한, 지중순환수 유량 증가에 따라 지중열교환기 길이가 증가하였으며, 냉난방시의 지중열교환기 길이차이가 증가하였다. 지열원 열펌프 시스템의 고효율화 및 시공비 절감을 통한 경제성 확보를 위해서는 지열원 열펌프 유닛 성능과 지중열교환기 형상 공통 변수인 지중순환수 유량을 함께 고려하여 시스템을 설계하여야한다.

현장열응답시험을 이용한 복수관정 지중열교환기 사례 연구

김민준(Min Jun Kim),임지환(Ji Hwan Lim),원철호(Chul Ho Won),김창섭(Chang Seob Choi),양찬우(Chan Woo Yang),최충현(Choong Hyun Choi) 대한설비공학회 2020 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2020 No.6

판형 열교환기 전열판의 부식 파손 분석

송민지(Min Ji Song),최가현(Gahyun Choi),채호병(Hobyung Chae),김우철(Woo Cheol Kim),이수열(Soo Yeol Lee) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

지역난방은 열 생산시설에서 생산한 열의 손실을 최대한 줄이기 위해 열수송 배관망을 통해 대단위 지역으로 공급하며, 주로 물을 열 매체로 이용하여 사용시설에서 열을 전달한 뒤 다시 회수된다. 열을 전달하는 방법은 열 교환기를 통해 이루어지며, 열교환기 형태에 따라 다양한 특징을 가진다. 열교환기 중 판형 열교환기는 우수한 열 전달 효율과 소형화가 가능하다는 특징을 가지기 때문에 많은 곳에서 사용되고 있다. 판형 열교환기는 얇은 스테인리스 전열판을 겹겹이 위치시켜 열 생산시설로부터 오는 지역난방 공급수와 사용자 시설의 물이 섞이지 않고 열을 효과적으로 교환하는 역할을 한다. 이때 중요한 점은 설비 관리를 위해 공급수와 사용자 시설물의 혼합이 발생해서는 안 된다는 점이다. 하지만 결함에 의해 물의 혼합 또는 가스켓 손상, 전열판 스케일 형성이 종종 발생하고 있으며, 이로 인해 누수 및 열전달량 감소로 이어져서 적절한 유지관리 보수가 요구된다. 육안으로 확인되는 결함의 경우 유지관리 및 보수가 원활히 이루어지지만 보이지 않는 미세 결함은 원인 분석을 통해 적절히 관리방안이 도출되어야 한다. 따라서 본 연구를 통해 판형 열교환기의 전열판에서 발생한 결함을 정밀 분석하여 원인을 도출하고 적절한 관리방안을 제시하고자 한다. 육안검사를 통해 부식 및 결함 위치를 판독하였으며, 육안으로 확인 불가능한 부식 및 결함 탐지를 위해 액체침투탐상검사를 수행하였다. 샘플링을 통해 광학현미경, 주사전자현미경, 에너지분상형 분광분석법을 이용해 샘플 표면의 부식 상태 및 성분 분석을 수행하였다. 판형 열교환기로 공급되는 물과 사용 시설의 물을 각각 채수하여 이온크로마토그래프, 유도결합플라즈마질량분석기를 이용해 성분을 분석하였으며, 전열판의 재질인 스테인리스 강 부식을 일으키는 원소가 포함되어 있는지 확인하였다. 육안 및 액체침투탐상검사결과, 전열판 표면에 부식에 의한 표면 패임(pit)이 관찰되었고, 규칙적인 위치에서 발견되었다. 약 150 ㎛ 수준의 pit이 관찰되었으며, 그 주변으로 산화물이 관찰되었다. 표면 성분분석을 통해 산화물 외의 이물질이 발견되었으며 스테인리스 재질과 다른 성분이므로 외부에서 유입된 물질로 판단된다. 부식 저항성이 높은 스테인리스 강을 부식시킬 만큼의 열악한 수질 환경은 아니지만 설비 구조상의 원인으로 인해 부식이 발생한 것으로 보이며, 요약하면 판형 열교환기의 구조상 얇은 전열판이 서로 맞대어 있어 금속-금속 간의 틈이 형성되며, 표면의 이물질 및 산화물은 틈을 더 좁게 형성시켜 틈 부식이 가속화시킨 것으로 판단된다.

CFD를 활용한 전투차량 오일쿨러 열교환기 핀 형상에 관한 연구

황성원 한국품질경영학회 2022 한국품질경영학회 학술대회 Vol.2022 No.2

높은 밀집도를 가지는 열교환기는 항공우주, 자동차, 냉동기, 냉각기 등에 많이 이용되고 있다. 그 중 납작관과 핀을 이용한 핀-관 열교환기는 기체-액체를 활용한 열교환에 많이 이용되고 있다. 우리군에서는 작전구역에서의 신속한 이동과 시가지 전투를 위하여 차륜형장갑차를 개발하였다. 이 차륜형장갑차는 일반 대형차량의 엔진을 수정하여 장착하고 있다. 이러한 차륜형장갑차는 적의 위협으로부터 보호하기 위하여 특수장갑 및 구조물을 적용하고 있으며 이런 구조로 인하여 차륜형장갑차의 엔진은 외기를 이용한 자연냉각을 하지 못하며 쿨링 팬에 의한 강제냉각 방식을 적용하고 있다. 강제냉각 방식의 차륜형장갑차는 자연냉각 방식보다 차량의 무게가 늘어나게 되며 차량무게는 곧 전투성능과 직결되어 있기때문에 차량무게를 줄이기 위한 고밀집형 열교환기가 요구되고 있다. 그 중 차륜형장갑차 오일 쿨러용 열교환기는 연구가 부족한 실정이며 성능연구가 필요하다. 본 연구에서는 차륜형장갑차용으로 사용되고 있는 주름진 구조를 가지는 웨이비 핀 열교환기와 앞에서 설명된 평판 핀, 루버 핀, 측면방향 천공 및 유동방향과 평행한 웨이비 핀을 적용한 열교환기에 대하여 성능변화를 전산유체역학을 이용하여 성능을 확인하였으며 비교된 성능을 통한 열교환기 성능개선방안을 제안하였다. 현재 차륜형장갑차에서 사용되고 있는 열교환기 핀은 평판 핀이나 루버 핀에 비하여 성능이 낮을 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는 웨이브 간격 및 형상이 최적화되지 못하여 경계층의 분할이 원활하지 못하고 큰 후류영역에 의한 압력강하가 크게 나타나 열전달 효율이 낮아지는 것으로 확인되었다. 추후 현재 사용되고 있는 웨이핀 열교환기에 대한 최적화 연구를 수행 할 예정이다.

건설장비용 열교환기 성능 추정 및 최적화 설계에 대한 수치해석 연구

정찬혁(Jeong Chan Hyeok),김형락(Kim Hyung Rak),하만영(Ha Man Yeong),이재석(Lee Jae Seok),김판영(Kim Pan Yeong) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.5

핀-판형 열교환기의 형식에 속하는 루버핀 열교환기는 다른 핀-판형 열교환기와 비교하여 열전달 성능향상과 중량을 감소 시킬 수 있어 건설장비용 열교환기에 사용되고 있다. 하지만 건설장비 분야에 사용하는 루버형 열교환기는 먼지 농도가 높고, 이물이 많이 발생하는 작업환경에 사용하므로 성능이 저하되는 단점이 있으며 유지 및 보수에 많은 시간적, 물질적 비용이 요구된다. 본 연구에서는 기존 건설장비용 열교환기에 사용되고 있는 루버핀 열교환기의 핀 형상과 유량변화에 따른 압력강하량과 열전달량을 측정하여, 이를 대체 할 수 있는 다른 형상의 열교환기를 선정하고자 한다. 핀의 구멍 수, 핀 곡선의 주기 수 그리고 핀 곡선의 접촉각과 같은 변수들에 대해 최적화 테스트를 수행하였다. 변수들을 조합하여 압력강하 및 열전달 특성인 f-factor와 j-factor를 구하고, 루버핀 열교환기의 값들과 비교 분석하여 최적의 형태를 제시하였다. Louvered fin heat exchanger included in the plate-fin type has been used as the construction machinery, because it can enhance the heat transfer performance compared to the other. But, louver type which is used at the working environment, foreign bodies are generated, is required to expense for maintenance. The purpose of this study is to measure heat exchanger that it can be substituted for louver type. The optimization test on minimum control volume was performed with the diverse variables such as, the number of hole, cycle and contact angle of fin curve. It is found that heat transfer and pressure drop are obtained by the combination of parameters. As a result, the optimum type is suggested through the comparison analysis of f-factor and j-factor

복합 열교환기를 활용한 폐열회수 시스템 에너지회수량 분석

임류갑 ( Ryugap Lim ),장재경 ( Jae Kyung Jang ),백이 ( Yee Paek ),이태석 ( Taeseok Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

가축분뇨 처리시설의 액비화를 위한 호기 반응조에서는 호기성 미생물에 의한 유기물의 산화분해에서 발생하는 산화반응열과 반응조에서 공급하는 폭기에서 발생하는 유체마찰열 등이 발생하며 이 열에너지는 열회수장치 등을 이용하여 회수, 활용 가능한 폐열 에너지자원이다. 가축분뇨 처리 폐열은 주로 공공처리시설, 공동처리장, 개별농가로부터 처리를 위한 공정 내에서 버려지고 있는 폐열을 의미한다. 이러한 중온 또는 고온의 열을 액비 공정 또는 시스템 내에서 가치가 있는 유효한 에너지로 최대한 회수하고, 이용 효율을 올리기 위해 열교환기 등 각종 열회수 장치 도입은 필연적이며, 에너지 절감 측면에서 중요한 관점이 되고 있다. 폐열은 열에너지의 온도 수준, 형태, 물질 특성에 따라 다양한 형태와 방법으로 열회수 장치를 도입하여 열을 회수할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 가축분뇨 호기성 발효조를 모사한 수조 내에 설치된 스테인리스 및 PE 열교환기, 열교환기와 연결되어 있으며 내부에 작은 열교환기를 포함하는 버퍼탱크, 버퍼탱크와 연결된 물-물 히트펌프, 히트펌프와 연결된 축열조, 버퍼탱크의 열교환기에 연결된 배기열 회수기와 축열조에 연결된 팬코일 유닛으로 구성된 가축분뇨 폐열회수 시스템을 구성하였다. 수조의 온도 35, 40, 45 ℃ 조건에 인자를 두어 PE파이프와 스테인리스파이프로 구성된 열교환기의 열에너지 회수량을 측정하였다. 시스템의 열교환기는 57.9, 70.0, 75.6 MJ/h의 열에너지를 회수하였으며, 발효조 폐열 수준이 높은 곳에서 적극적으로 폐열을 회수할수록 열에너지 활용 범위와 가치가 크다는 것을 확인하였다.