원형 및 사각타원 전열관을 이용한 냉장고 증발기용 핀-튜브 열교환기의 공기측 열유동 비교평가

강준우,김진훈,이효인,정지환 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.10

The objective of this study was to improve performance of heat exchanger for household refrigerator by modifying the shape of heat transfer tube used in the existing evaporator. In the case of a fin-tube heat exchanger, the thermal resistance accounts for 60 to 80%. It occurs in the air-side heat exchange area, which has a great influence on performance. Existing round tube was replaced with a round rectangle tube to reduce air thermal resistance and improve thermal conduction performance. When a heat exchanger with a round tube was changed to a heat exchanger with a round rectangle tube, the f-factor decreased and the j-factor increased. The pressure loss of the air side inlet was also reduced in the round rectangle tube. Thus, changing the shape of a round tube fin-tube heat exchanger to a round rectangle tube can increase the efficiency of an energy system. 본 연구에서는, 냉장고용 증발기 튜브의 형상이 열교환기 성능개선에 미치는 영향을 수치해석과 실험을 통해 조사하였다. 수치해석과 실험 모두 열교환기의 성능이 개선되었으며, 그 결과는 다음과 같다. (1)해석결과 사각타원 튜브로 변경한 경우, friction-factor는 9.8%에서 최대 17.7%까지 감소하였으며, j-factor는 1.6%에서 최대 3.7% 증가하였다. (2) Area goodness factor 비교 결과, 사각타원 튜브를 적용할 경우, 성능은 최대 23.6% 개선되었다. 또한, Volume goodness factor 비교 결과, 사각타원 튜브를 적용할 경우, 성능은 최대 8.5% 개선되었다. (3) 실험결과 사각타원 튜브를 이용한 경우, 압력손실이 12% 감소하였으며, UA 비교 결과, 사각타원 튜브로 변경하였을 때, 5.3% 개선되었다. 또한, 에너지 비율로 비교한 결과, 사각타원 튜브 이용한 경우가 약 9%의 성능 향상을 보였다. 수치해석 및 실험결과 모두, 사각타원 튜브 열교환기의 성능이 향상되었다. 이를 통해 냉장고 증발기의 튜브를 사각타원 튜브로 변경할 경우 냉각성능 향상을 통한 에너지 효율 개선이 기대된다.

CFD를 통한 슬릿 물결 핀이 장착된 소구경 핀-튜브 열교환기의 공기측 성능 분석

이상욱,안준 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.11

Fin-tube heat exchangers are used in many industrial fields, and plate-type fin-tube heat exchangers are widely used in industrial boilers and cooling/heating equipment. In this study, heat transfer and pressure drop characteristics were analyzed according to the change in the tube diameter, transverse, and longitudinal tube pitch, and fin spacing for slit wavy fin-tube heat exchanger with small diameter using CFD. As a result of the simulation, as the tube diameter decreased, the j and f factors and volume goodness factor was decreased and the area goodness factor was increased. As the transverse tube pitch decreased, the j and f factors was increased,; but however, j and f factors was increased with decreased longitudinal tube pitch. As the fin spacing decreased, the j and f factors increased, but the tendency decreased as the airflow rate increased. 핀-튜브 열교환기는 많은 산업분야에서 활용되고 있으며, plate형 핀-튜브 열교환기는 특히 산업용 보일러, 냉·난방 기기 등에 많이 사용된다. 본 연구에서는 CFD를 통해 슬릿 물결 핀이 장착된 소구경 핀-튜브 열교환기에 대하여 관 직경, 단·열 간격 그리고 핀 간격 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 분석하였다. 해석 결과로는 관 직경이 작아지면 j와 f factor가 낮게 예측되고 area goodness factor는 높게, volume goodness factor는 낮게 예측되었다. 단 간격은 증가할수록 j와 f factor가 증가했지만 열 간격은 감소할수록 j와 f factor가 증가했다. 또한, 핀 간격이 감소할수록 j와 f factor가 증가하지만 공기측 유속이 증가할수록 경향성은 옅어졌다.

가정용 냉장고의 분리형 핀-튜브 증발기의 핀수에 따른 열전달 특성에 대한 실험 연구

박세훈,조건영,김지형,김정배 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2018 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.8 No.2

The purpose of this study is to experimentally identify the change of the heat transfer performance of the evaporator while changing the number of fins for the fin-tube evaporators of the domestic refrigerator. The evaporator A for the experiment has 7 rows and 2 columns with an outer diameter of 8mm, a tube length of 6.902m, and 423 fins with 60 × 28mm. The evaporator B has 12 rows and 2 columns with an outer diameter of 8mm, a tube length of 9.389m. Instead of the refrigerant flowing in the evaporator tube of the actual refrigerator, the water was used inside the tube and the temperature of the evaporator inlet temperature was controlled by using a constant temperature water bath. The inlet temperatures of the water side were 30℃, 33℃ and 35℃ and the volume flow rates were 1.8L/min, 1.5L/min, 1.0L/min and 0.5L/min. And the inlet and outlet temperatures on the water side were measured using 3-wire RTDs. The air side supplied air in the laboratory without applying a separate temperature control method. A wind tunnel with a duct designed to approximate the actual flow path of the evaporator in the refrigerator was manufactured with the two axial fans and the velocity of the air side was measured and measured at a total of 30 points of 6 by 5. The average wind speed was 2.207m/s for two fans and 1.594m/s for one fan running conditions, the air inlet and outlet temperatures were measured using six T-Type thermocouples. The overall experimental conditions were as follows: Evaporator A had 423(100%), 317(75%), 212(50%), 105(25%) and 0 fins, evaporator B had 731(100%), 548(75%), 366(50%), 188(25%) and 0 fins respectively. The heat transfer rate of the evaporator was evaluated experimentally by various numbers of water and air conditions. The results were analyzed by the change of the heat transfer amount according to the number of fins. According to the results of analysis by the change of the heat transfer amount according to the number of pins, the heat transfer performance was showed the maximum in the condition that the ratio of the fins of both evaporators is about 75%. 본 연구는 가정용 냉장고의 핀-튜브 증발기들에 대하여 핀의 개수를 변화시켜 가면서 증발기의 열전달 성능 변화를 실험적으로 규명하는 것을 목적으로 하고 있다. 실험을 위한 증발기A는 외경 8mm, 관길이 6.902m, 60×28mm의 핀 423개를 가진 7열 2단이며, 증발기B는 외경 8mm, 관길이 9.389m, 60×26mm의 핀 731개를 가진 12열 2단 이었다. 실제 냉장고의 증발기 관내를 유동하는 냉매 대신 관내측은 물을 이용하였고, 증발기 입구 물의 온도는 항온수조를 이용하여 제어하였다. 공기측은 별도의 온도 제어방식을 적용하지 않고 실험실 내의 공기를 공급하였다. 증발기 공기측은 냉장고 실제 유로에 근사하도록 설계된 덕트를 가진 풍동을 제작하였고, 공기 측의 속도는 가로 6개와 세로 5개의 총 30개 포인트에 대하여 측정하여 평가하였다. 제작된 풍동에는 두 개의 축류형팬을 설치하였고 공기 평균속도는 두 개의 팬 운전시에는 2.207m/s와 한 개의 팬 운전시에는 1.594m/s이었고, 공기측의 입출구 온도는 각각 6개씩의 T-type 열전대로 측정하고 평가하였다. 전체적인 실험 조건은 핀의 개수는 증발기A는 423개(100%), 317개(75%), 212(50%), 105개(25%)와 0개(0%)에 대하여, 증발기B는 731개(100%), 548개(75%), 366(50%), 188개(25%)와 0개(0%)에 대하여, 물측의 입구온도는 30℃, 33℃와 35℃로, 체적유량은 1.8L/min, 1.5L/min, 1.0L/min과 0.5L/min 이었다. 물측의 입출구 온도는 3선식 RTD를 이용하여 측정하였다. 다양한 물과 공기 측의 실험 조건에서 핀수 별로 증발기의 열전달량을 실험을 통해 평가하였고, 이러한 결과를 핀수에 따른 열전달량의 변화로 분석하였다. 핀수에 따른 열전달량의 변화로 분석한 결과에 따르면 두 개의 증발기 모두 핀의 비율이 실제 장착된 핀수에 비하여 75%인 조건에서의 열전달 성능이 최대임을 알 수 있었다.

형상변수에 따른 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 공기측 열전달 특성에 관한 실험적 연구

강태형(Taehyung Kang),이무연(Mooyeon Lee),김용찬(Yongchan Kim),윤성중(Sungjung Yun) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.5

본 연구의 목적은 무착상 조건에서 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 형상변수에 따른 열전달특성을 고찰하고 평판 사각핀-튜브 열교환기와 열전달성능을 비교하는 것이다. 나선형 원형핀-튜브 열교환기는 Lfoot 길이 2.7 ㎜ 에서 열전달계수가 최대로 나타났으며, 공기측 열전달계수는 튜브열수가 2 열에서 5 열로 증가하면서 평균 10% 감소하였고 핀피치가 5 ㎜ 에서 10 ㎜ 로 증가하면서 평균 17.5% 증가하였다. 모든 풍량조건에서 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 튜브피치 30 mm 가 35 ㎜ 보다 열전달량이 평균 5.1% 높게 나타났고 튜브두께 0.5 ㎜ 가 0.7 ㎜ 보다 열전달량이 평균 4.1% 높게 나타났다. 나선형 원형핀-튜브 열교환기의 열전달계수가 평판 사각핀-튜브 열교환기에 비하여 평균 24.3% 정도 높게 나타났다. The objective of this study is to investigate the air-side heat transfer characteristics of a spirally-coiled circular fintube heat exchanger for various geometric parameters under non-frosting conditions. The heat transfer characteristics of the heat exchanger were analyzed with respect to heat exchanger geometries, and then, the characteristics were compared with those of rectangular-plate fin-tube heat exchangers with discrete fins. The heat transfer coefficient increased with a decrease in the number of tube rows and an increase in the fin pitch. The optimum length of the L-foot was 2.7 ㎜. In addition, the heat transfer rate increased with a decrease in the tube pitch and the tube thickness. The heat transfer coefficient of the spirallycoiled circular fin-tube heat exchanger was 24.3% higher than that of the rectangular-plate fin-tube heat exchanger.

Fin 높이가 다른 Fin Tube의 와전류탐상에 관한 연구

이동진 한국공작기계학회 2003 한국공작기계학회 추계학술대회논문집 Vol.2003 No.-

응축기, 증발기, 전열관에 사용되는 Fin Tube는 열전달효율 향상을 위하여 Fin의 높이를 증가시키고, Tube의 최소두께를 얇게 가공하는 경향으로 발전하고 있다. 따라서, Fin Tube의 와전류탐상(ECT; Eddy Current Testing)에 의한 결함검출에 더욱 어려움이 예상된다. 본 연구에서는 Fin Tube의 Fin 높이를 3단계로 변화시켜 Tube를 제작하고, Tube에 축방향결함, 원주방향결함, 원형결함을 각각 Fin Tube의 안쪽에 최소두께의 20%, 40%,60%의 동일결함율을 갖는 인공결함 시험편을 제작하였다. 제작한 원형결함시험편에 와전류탐상을 수행하여 Fin 높이를 따른 최적주파수의 변화를 연구하였다. Fin높이가 다른 원형결함 시험편에 1~2㎑ 주파수를 적용한 결과 최적주파수는 12㎑로 Fin높이에 크게 영향을 받지 않음을 밝혔다. 또한 Fin높이에 따른 최적주파수변화는 크지 않으나 Fin 높이가 높을수록 100%관통결함을 위상각(40′)에 근접하여 나타났다. 축방향결함, 원주방향결함, 원형결함을 갖는 시험편에 와전류탐상을 수행한 결과 원형결함을 갖는 시험편의 신호 감도가 축방향결함, 원주방향결함보다 좋게 나타나다.

핀-튜브에서 와류 발생기와 가이드 베인의 유동 및 전열 성능 특성에 관한 비교 연구 유동 및 전열 성능 특성에 관한 비교 연구

배지환,오영택,이창형,이득호,김귀순 항공우주시스템공학회 2020 항공우주시스템공학회지 Vol.14 No.3

In this paper, the effects of the delta winglet vortex generator, the airfoil vortex generator and the guide vanes on the friction factor and the Colburn factor in the fin-tube flow were studied. The vortex generator and guide vane were non-dimensionalized based on the channel height and tube diameter, and locations were selected according to the authors’ suggestions. The Reynolds number based on the inlet velocity and the tube diameter was selected in the range of 1400-8000. As a result, the friction factor resulted in a 4.7% decrease in guide vanes at the Reynolds number 8000 over the conventional fin-tube, and the Colburn factor resulted in a 33% increase in the delta winglet vortex generator at the Reynolds number 3800 over the conventional fin-tube. 본 논문에서는 델타 윙렛 와류 발생기와 후퇴익형 와류 발생기 그리고 가이드 베인이 핀-튜브 유동에서의 압력 손실과 전열 성능에 미치는 효과를 비교하는 연구를 진행하였다. 와류 발생기와 가이드 베인은 채널 높이와 튜브의 지름을 기준으로 무차원화하였고, 위치는 저자들의 연구 결과에 따라 각각의 형상이 우수한 지점을 선정하였다. 레이놀즈 수는 입구 속도와 튜브 지름을 기준으로 하여 1400~8000으로 선정하였다. 결과적으로 압력 손실은 레이놀즈 수 8000에서 가이드 베인이 기존 핀-튜브 대비 4.7% 감소하는 효과를 보였고, 전열 성능은 레이놀즈 수 3800에서 델타 윙렛 와류 발생기가 기존 핀-튜브 대비 33% 정도 증가하는 결과를 확인하였다.

나선형 핀튜브 열교환기의 열전달 특성에 관한 실험적 연구

윤린,김용찬,김슬우,최종민 대한설비공학회 2005 설비공학 논문집 Vol.17 No.6

This study experimentally examines the air-side performance of spiral finned tube heat exchangers. The effects of fin spacing, fin height, and tube alignment were investigated. Reduction of fin spacing decreased the Colburn j factor. However, the effect of fin height on the Colburn j factor was negligible. An increase of tube row decreased the Nusselt number for both staggered and in-line tube alignments. However, the decrease of the Nusselt number for the in-line tube alignment was much more significant than that of the staggered tube alignment. The average Nusselt number of the staggered tube alignment was larger than that of the in-line tube alignment by 10% when the Reynolds number ranged from 300 to 1700. An empirical correlation of the Nusselt number was developed by using geometric parameters of heat exchanger and correction factors. The correction factor considered the effects of tube alignment and number of tube rows on the heat transfer. The proposed correlation yielded a mean deviation of 4% from the present data.

직교류 핀-튜브형 열교환기에서 팬 위치변화에 따른 열전달 성능변화 연구

김원형(Won Hyung Kim),박태선(Tae Seon Park) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.3

직교류 핀-튜브 열교환기의 대류연절달에 대해 수치해석 연구가 수행되었다. 팬위치에 따른 열전달 성능변화를 조사하기 위하여 분사와 흡입형태로서 몇 가지 팬위치가 선택되었다. 열교환기의 튜브는 엇갈림 배열이며, 튜브의 온도와 유입공기의 온도는 각각 50℃와 30℃이다. 해석결과로부터 3차원 유동구조가 검토되었으며, 팬의 다양한 설치 위치에 따른 대류 열전달계수와 열교환기 입출구 사이의 평균 온도차에 대한 분석을 통해 열교환기 성능을 논의되었다. The convective heat transfer of a crossflow fin-tube heat exchanger was studied numerically. In order to investigate the dependence of the heat transfer performance on the fan position, several cases with different blowing and suction types were selected for the fan position. A staggered tube arrangement was used for the heat exchanger, and the temperatures of the tube wall and air were 50℃ and 30℃, respectively. The three-dimensional flow structures were examined based on the results. In addition, the convective heat transfer coefficient and mean temperature difference between the inlet and outlet of the heat exchanger were analyzed for the various fan positions, and the heat transfer performance was investigated.

핀튜브 열교환기용 전관확관 유닛 개발

노건상,김종남 한국기계기술학회 2011 한국기계기술학회지 Vol.13 No.4

In this paper, the hybrid tube expander unit for fin and tube type heat exchanger are developed by means of enlarging and inserting the smooth tube with a small diameter to a finned tube having larger diameter. In other word, the tube expander tool that is easy to attach and remove from tube is developed. The hybrid tube expander unit developed in this study can move easily and enlarge the tube without fixing at tube sheet. Also, this unit has a function removing scales inside tube by replacing a tube expander ball.

핀-튜브 열교환 구조를 갖는 복합집열기에서 핀 높이 및 간격에 따른 공기열 이용 액체 가열 성능에 관한 수치해석 연구

최휘웅(Choi Hwi-Ung),파쿠르 로커만(Fatkhur Rokhman),류남진(Lyu Nam-Jin),윤정인(Yoon Jung-In),손창효(Son Chang-Hyo),최광환(Choi Kwang-Hwan) 한국태양에너지학회 2016 한국태양에너지학회 논문집 Vol.36 No.3

Solar assisted heat pump system uses solar thermal energy as a heat source of evaporator of heat pump. So, COP can be enhanced as well as collector efficiency. For improving performance of this system, some research about hybrid solar collector that has fin-and-tube heat exchanger has been conducted. This collector can get a thermal energy from ambient air for liquid heating, so heated liquid can be used as a heat source of evaporator in heat pump even the solar radiation is not enough. In this study, numerical analysis was conducted for confirming heat gain of liquid according to fin height and pitch of fin-and-tube heat exchanger in collector. As a result, higher heat gain was obtained on lower fin height and narrow fin pitch, but the pressure drop also increased with increment of heat gain. Thus the JF factor considering both heat transfer enhancement and pressure drop was investigated and the maximum value was shown when the fin height and pitch were 40mm and 45mm. So it is considered that this installation condition has a highest heat transfer improvement when comparing with pressure drop. However heat gain of liquid at this condition was less than the other installation conditions of fin pitch on same height. Then, after establishing a proper minimum heat gain of liquid, actual production and experiment of collector will be conducted with fin height and pitch showing maximum JF factor and satisfying selected minimum heat gain of liquid on the basis of results of this study.