히트파이프 열교환기의 열전달 성능해석 및 모사

권혁수,권정훈,정의국 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.11

본 연구는 히트파이프 열교환기의 열교환 성능을 예측하기 위한 수학적 모델을 전개하고 열교환기 설계를 위한 알고리즘을 개발하기 위해 수행되었다. 해석모델에 의해 히트파이프 열교환기의 열성능이 예측되었으며, 열교환기의 고온부와 저온부의 입력조건들에 따라 요구되는 열교환 성능이 획득될 수 있는 히트파이프 열 수가 예측될 수 있도록 알고리즘이 구성되었다. 해석모델은 열저항 접근에 의해 개발되었으며, 각 열에 배열된 히트파이프와 열매체에 대한 열저항-온도 관계가 정의되었다. 해석모델의 신뢰성은 문헌에서 공급된 실험결과에 의해 검증되었으며, 온도에 대한 상대오차는 평균적으로 5% 이내에 있었으나, 유용도에 대한 오차의 평균은 11.9%로 평가되었다. 히트파이프 열교환기의 성능모사를 위한 변수들로서 저온측 입구속도와 공통 벽의 위치가 채택되었으며, 각 열의 온도 분포, 유용도 및 압력강하에 기여하는 이들 변수들의 영향이 조사되었다. This study aimed to develop a mathematical model for predicting the heat exchange performance of a heat pipe heat exchanger and establish an algorithm for effective heat exchanger design. The thermal performance of the heat pipe heat exchanger was assessed using the analytical model, and an algorithm was formulated to estimate the number of heat pipe rows required to achieve the desired heat exchange performance based on the input conditions of the hot and cold sides of the heat exchanger. The analytical model was developed using the thermal resistance approach, defining thermal resistance-temperature relationships between the heat pipes arranged in each row and the heat transfer fluid. The reliability of the analytical model was validated against experimental results found in the literature. The relative error in temperature generally remained within 5, but the error in effectiveness reached up to 17.5%. Inlet velocity on the cold side and the location of the common wall were selected as variables for simulating the performance of the heat pipe heat exchanger. This allowed for an investigation into the effects of these variables on temperature distribution, utility, and pressure drop in each row.

기술보고 : 금속재질 열교환기의 지중 열교환 효율에 관한 연구

송재용 ( Jae Yong Song ),김기준 ( Ki Joon Kim ),안상곤 ( Sang Gon An ),김진성 ( Jin Sung Kim ),정교철 ( Gyo Cheol Jeong ) 대한지질공학회 2015 지질공학 Vol.25 No.1

본 연구는 지열시스템 열교환 효율의 개선방안을 모색하기 위한 것으로 금속재질의 열교환기인 동관 및 스테인레스관과 기존 지열시스템에 많이 적용되는 PE관을 이용하여 지열열교환기의 재질에 따른 열전달 효율을 비교 분석하였다. 또한 지하매질의 지하수에 포함되어 있는 지하수열을 동시 활용할 경우의 열전달 효율 변화를 평가하고 그 적용성을 검토하였다. 열교환기 내의 유속, 유량 및 열교환기의 구경을 조절함으로써 열교환기의 재질에 따른 열전달 효율을 평가 후현장실증시험 설계인자를 도출하였다. 열교환 효율과 유효 열전도도는 현장 열전달 효율 시험 및 열응답 시험을 통해 변화양상을 분석하였다. 분석결과 금속재질이 PE관에 비해 높은 열전달 효율을 보였으며, 유량에서의 구경증대에 따른 열전달효율은 크지 않았으나 유속에서의 구경증대에 따른 열전달효율은 높아지는 것을 확인하였다. The purpose of this study is to analyze and compare the heat transfer efficiency of using copper pipe, stainless pipe and traditional PE pipe commonly used for geothermal heat exchanger, with aims at seeking improved methods. In addition, the varying efficiency of heat transfer from ground heat and groundwater heat was assessed and its applicability was discussed. Design parameters for empirical field study were derived by controlling flow rate, velocity and caliber of pipes of the heat exchanger after the thermal efficiency of the heat exchanger material was evaluated. The heat exchange efficiency and effective thermal conductivity were measured with changing pattern through field thermal efficiency and thermal response test. Experimental results show that the metal material showed higher heat transfer efficiency than the PE pipe. Although the heat transfer efficiency was not high with the increase of the pipe diameter in the flow rate, it was high with the increase of the pipe diameter in the velocity.

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.

쉘-튜브 열교환기에서의 쉘쪽 유체의 특성에 따른 열교환기 성능 변화 예측 사례

백승환,정영석,조기주 한국추진공학회 2019 한국추진공학회지 Vol.23 No.2

The shell and tube heat exchangers installed in the propulsion system test complex (PSTC) at the Naro Space Center heats cryogenic helium to 500 K with a heat transfer oil. As the experimental helium outlet temperature was lower than expected (less than 100 K), the boundary layer effect of the heat transfer oil is predicted to be the cause of the performance deterioration. A computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed to verify where the boundary layer effect exists; however, the boundary layer effect has no significant impact on the performance of the heat exchanger. An alternative method to improve the performance of the heat exchanger by changing the heat transfer oil has been discussed in this paper. The low viscosity and high thermal conductivity at high temperature (~500 K) of heat transfer oil at the shell-side are required to improve the thermal performance of the heat exchanger. The experimental performance of the heat exchanger, used to exchange heat between the cryogenic helium and hot heat transfer oil at the PSTC are summarized in this paper. 쉘-튜브 열교환기가 나로우주센터 추진기관종합시험장(PSTC)에 설치되었으며, 이 열교환기는 극저온의 헬륨을 고온의 열매유와 열교환하여 약 500 K 까지 가열시키는 역할을 한다. 열교환기에서 토출되는 헬륨의 온도가 설계보다 100 K 낮게 나옴에 따라, 성능저하의 원인으로 열매유의 격막효과가 지목되었다. CFD 해석을 통해 격막효과의 유무를 확인하였으며, 격막효과에 의한 열교환기 성능저하는 미미한 것으로 판단되었다. 추가적으로 열교환기의 성능을 증가시키기 위하여 열매유 교체에 따른 열교환기 성능 변화를 알아보았다. 열매유를 사용하는 열교환기의 성능향상을 위해서는 500 K 부근에서 점성이 낮아야 하고, 열전도도가 높아야 한다는 것을 확인할 수 있었다. 추진기관종합시험장에서 운용된 극저온 헬륨과 고온 열매유의 열교환 시스템의 시험 결과를 본 논문에서 확인할 수 있다.

이중관형 지중열교환기의 유입유량에 따른 관내 유체흐름특성에 관한 연구

홍성훈(Hong, Sunghoon),한신인(Han, Shinin),정영욱(Jung, Youngwook),권용주(Kwon, Yongju),김종영(Kim, Jongyeong),권순철(Kwon, Soonchul) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.4

지열에너지를 효과적으로 활용하기 위해서는 효율적인 열교환기 설계기술이 필요하다. 기존의 U자형 열교환기는 낮은 열교환효율과 넓은 천공면적에 따른 높은 비용에 의한 문제가 있었다. 이에 비용효율적인 열교환기 개발을 위해 이중관형 지중열교환기를 제안했다. 우리는 이중관형 지중열교환기(2m 단일형, 4m 단일형, 4m 이음형, 6m 단일형, 8m 이음형)를 사용하여 최대70 Lm-1의 유입유량에 대해 5 Lm-1간격으로 관내 유체흐름특성을 파악하였다. 실험결과 열교환기길이와 유입유량의 증가에 따라 손실수두도 증가했다. 상용화조건인 50 m 열교환기에 대해 회귀분석한 결과 100 Lm-1유량일 때의 손실수두는 1,120 cm,레이놀드 수는 65,690로 나타나 열교환기 내에서 강한 와류를 일으킬 것으로 나타났다. For utilizing geothermal heat energy efficiently, manufacturing technology for energy-efficient heat exchanger is needed. Conventional U-type heat exchangers have both low efficiency of heat exchange and high cost due to large boring area. Herein, to develop cost-friendly heat exchanger, we introduce double pipe heat exchanger. For this purpose, we used a double pipe (2 m single, 4 m single, 4 m (2+2 m) connection, 6 m single, and 8 m (4+4 m) connection) to figure out the characteristics of flow tendency by controlling influent flow rate up to 70 Lm-1 at the interval of 5 Lm-1. Experimental results showed that head loss increased as the length of heat exchanger and influent flow increased. In the result of regression analysis at the practical condition of flow rate (100 Lm-1) and depth (50 m), head loss and Reynolds number were expected to be 1,120 cm and 65,690, respectively, indicating strong vortex in the double pipe heat exchanger.

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.

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.

소듐 시험루프 내 소듐대 공기 열교환기의 고온 설계

이형연(Hyeong-Yeon Lee),어재혁(Jae-Hyuk Eoh),이용범(Yong-Bum Lee) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.5

제 4 세대 소듐냉각 고속로에는 중간열교환기(IHX), 붕괴열제거 열교환기(DHX), 공기 열교환기(AHX), 핀형 소듐-공기 열교환기(FHX) 및 증기발생기(SG)를 포함한 다양한 열교환기들이 설치된다. 본 연구에서는 STELLA-1 시험루프에 설치된 소듐-공기 열교환기인 AHX 와 SELFA 시험루프에 설치될 핀형(finned) 소듐-공기 열교환기인 FHX 등 2 기의 열교환기 설계에 대해 3D 상세 유한요소해석을 수행하고, 동 결과에 기초하여 고온설계 기술기준을 따라 크리프-피로 손상평가를 수행하였다. 손상 평가결과 AHX와 FHX는 의도하는 크리프 피로 손상 하중 하에서 구조 건전성을 유지하는 것으로 확인되었다. In a Korean Generation IV prototype sodium-cooled fast reactor (SFR), various types of high-temperature heat exchangers such as IHX (intermediate heat exchanger), DHX (decay heat exchanger), AHX (air heat exchanger), FHX (finned-tube sodium-to-air heat exchanger), and SG (steam generator) are to be designed and installed. In this study, the high-temperature design and integrity evaluation of the sodium-to-air heat exchanger AHX in the STELLA-1 (sodium integral effect test loop for safety simulation and assessment) test loop already installed at KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) and FHX in the SEFLA (sodium thermal-hydraulic experiment loop for finned-tube sodium-to-air heat exchanger) test loop to be installed at KAERI have been performed. Evaluations of creep-fatigue damage based on full 3D finite element analyses were conducted for the two heat exchangers according to the hightemperature design codes, and the integrity of the high-temperature design of the two heat exchangers was confirmed.

그룹 운전 및 비정형 배열 해석을 위한 FLS 기반 지중열교환기 모델 개발

박영준,박승훈,김의종 대한설비공학회 2024 설비공학 논문집 Vol.36 No.4

본 연구에서는 지열 히트펌프 시스템의 성능에 크게 영향을 끼치는 부하 불균형을 대응하고자 다양한 배열과 공별 및 그룹 운전이 가능한 FLS기반 모델을 개발하였다. 개발한 모델과 동일 조건으로 TRNSYS에 내장된 DST 모델 결과를 비교하였고 지중열교환기 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT를 중심으로 분석하였다. 분석결과, 두 모델의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 평균 오차는 각각 0.11℃, 0.06℃로 차이가 거의 없는 것으로 확인하였다. 또한 DST 배열뿐만 아니라, I자형 배열을 구현하여 시뮬레이션을 진행하였고 시간이 지남에 따라 두 배열의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 차이가 점차 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 다양한 배열에 따라 열교환 효율을 높일 수 있는 적절한 설계에 대한 필요성을 확인하였다. 공별 특성을 알 수 없고 병렬운전만 모사할 수 있는 DST 모델의 한계를 극복하고자 공별 온도 추출 및 공별 계산이 가능한 제안하는 FLS 모델을 활용하여 중앙에 위치한 지중열교환기와 바깥에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT를 확인하였다. 바깥에 위치한 지중열교환기에 비해 중앙에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT는 각각 최대 1.67℃, 0.84℃로 더 높게 나타났다. 이는, 중앙에 위치한 지중열교환기가 열간섭을 심하게 받았기에 나타난 결과임을 알 수 있었고 이러한 해석 결과를 바탕으로 다양한 공별 혹은 존별 운전 방안을 통해 지중온도 변화에 효과적으로 대응할 수 있음을 예측할 수 있었다. 지열 히트펌프 시스템을 안정적이며 장기적으로 높은 COP를 유지하며 사용하기 위해선 현재까지 구현한 FLS 기반 모델을 토대로 장기 시뮬레이션을 통한 최적화 엔지니어링이 필요하며 하이브리드 열원을 조합한 공별 및 그룹 운전 제어 방안에 대한 연구도 필요할 것으로 사료된다. A geothermal heat pump system is a renewable energy system that utilizes the ground as a heat source to meet heating and cooling demands of buildings. Thermal efficiency of a commonly used vertical closed-loop system is affected by thermal interference and load imbalance significantly, necessitating appropriate design of ground heat exchangers and implementation of various optimal control methods. However, the widely used ground heat exchanger model, the DST (Duct-Storage) model, has limitations as it cannot simulate irregular arrangements or individual control strategies among ground heat exchangers. On the other hand, the FLS (Finite Line Source) model can overcome such limitations of the DST model. In this study, we developed an FLS model to estimate the expected Entering Water Temperature (EWT) under specific conditions and validated it by comparing it with the DST model for typical cases. Results demonstrated that the proposed FLS model had similar thermal responses to the DST model, showing only negligible deviations. Furthermore, by utilizing the proposed FLS model, various operating cases can be simulated, e.g., irregular arrangements and separate controls, confirming its ability to overcome limitations of the DST model.

알루미늄 열교환기가 적용된 함체 냉각용 에어컨의 성능에 대한 실험적 연구

박도현,김내현 대한설비공학회 2019 설비공학 논문집 Vol.31 No.4

Heat generated in a telecommunication cabinet keeps increasing due to the increased usage of mobile devices. Inadequate cooling mechanism leads to rise in the cabinet temperature, which results in the malfunction of the electronic devices. In this study, three air-conditioning unit samples one with fin-and-tube heat exchangers (Sample A) and the other two with aluminum heat exchangers having different size (Sample C with the condenser size 47% larger than that of Sample B)were designed, and tested using R-22. Tests were conducted while changing the amount of refrigerant charge, and the performance results were compared with those of foreign product (Base) running by R134a. The optimum change amount was 1250 g for Sample A and 450g for Samples B and C, 64% less charge for samples with aluminum heat exchangers. At the optimum charge, the cooling capacity of sample A was 99% of that of the Base, 105% for Sample B and 106% for Sample C. The larger cooling capacity for Samples B and C may have been due to the usage of high performance aluminum heat exchangers. The power consumption was largest for Sample A followed by Samples B and C. The smallest power consumption for Sample C may be explained by the lowest condensation pressure among the three. The COP of Sample A was 97% of that of Base, 109% for Sample B and 128% for Sample C. 본 연구에서는 함체 냉각용 에어컨 국산화의 일환으로 증발기와 응축기에 핀-관 열교환기를 적용한 시료와알루미늄 열교환기를 적용한 시료를 제작하고 성능을 검토하였다. 시료는 세 종류로 Sample A는 증발기와응축기 모두 핀-관 열교환기인 경우, Sample B와 C는 Type 2 알루미늄 증발기와 알루미늄 응축기를 사용한경우인데 Sample C의 응축기가 Sample B보다 47% 크다. 시료는 압축기의 국내 수급을 고려하여 R-22용으로제작되었다. 각 시료에 대하여 냉매 충전량을 변화시키며 일련의 실험을 수행하고 R-134a를 사용하는 수입제품(Base)과 성능을 비교하였다. 주된 결론은 다음과 같다. (1) 모든 시료에서 냉방 능력이 최대가 되는 최적의 충전량이 존재하였고 Sample A는 1250 g, Sample B와 C는450 g으로 나타났다. 즉, 알루미늄 열교환기를 사용한 시료에서 냉매량이 64% 작게 나타났다. 한편, 최적냉매량에서의 냉방 능력은 Sample A에서 Base 대비 99%, Sample B에서 105%, Sample C에서 106%로 Sample C에서 가장 크게 나타났다. Sample B와 C에서 냉방 능력이 Sample A보다 크게 나타난 이유는 알루미늄열교환기가 핀-관 열교환기보다 전열 성능이 우수하기 때문으로 판단된다. (2) 최적 충전량에서의 소비동력은 Sample A에서 Base 대비 103%, Sample B에서 97%, Sample C에서 82%로나타났다. 즉, 알루미늄 열교환기를 사용한 시료에서 소비동력이 작게 나타나고 특히 큰 응축기를 사용한Sample C에서 현저히 작게 나타났다. (3) 최적 충전량에서의 성적계수는 Sample A의 경우 Base 대비 97%, Sample B에서 109%, Sample C에서 128%로나타났다. Sample C에서 성적계수가 크게 증가한 이유는 소비동력이 다른 시료에 비하여 작기 때문이다. 최적 냉매량에서 증발 압력은 세 시료 모두에서 유사한 반면 응축 압력은 Sample A, Sample B, Sample C순으로 낮아지고 이러한 응축 압력의 감소로 인하여 소비동력도 감소한 것으로 판단된다.