전산해석을 통한 핀-관 열교환기의 열·유동 특성에 관한 연구 = CFD Analysis of Heat Transfer and Fluid Flow Characteristics of a Plate Fin and Tube Heat Exchanger

국문 초록 (Abstract)

응축기의 역할은 냉매로부터 대기로 열을 방출하는 것이다. 냉장고용 응축기는 방열판에 설치되는 관형 주 응축기와 기계실에 설치되는 보조 응축기로 구분된다. 보조 응축기는 좁은 기계실 내에서 효과적으로 열을 방출하기 위하여 일반적으로 핀-관 열교환기 형태로 제작되며, 강제대류에 의하여 열전달 과정이 진행된다. 이 연구는 보조 응축기를 대상으로 수행되었으며, 공기측 대류열저항과 핀-관 결합부의 열 접촉저항이 전열성능에 미치는 영향을 분석하여 새로운 응축기 개발에 필요한 기초자료를 얻는데 목적이 있다. 전체적인 연구에는 CFD기법을 이용하였고, 수치해석의 신뢰성 검증 및 열 접촉저항 예측을 위해 실험을 병행하였다. 이 연구에서는 실험과 수치해석의 효과적인 수행을 위해 응축기 형상의 일부를 열교환기 샘플 및 모델로 제작하였다. 열교환기 샘플은 관형과 핀-관형 두 가지로 수치해석의 신뢰성 검증과 열 접촉저항 예측을 위해 사용되었다. 실험은 작동유체의 입·출구 온도차를 측정하여 전열량을 구하고, 열화상카메라를 이용해 열교환기의 표면 온도분포를 측정하는 방법으로 수행되었다. 그리고 동일한 조건에서 수치해석을 수행한 후 전체 결과들을 비교함으로써 수치해석의 신뢰성을 확보하고, 열 접촉저항을 예측하였다. 또한 공기측 대류열저항과 열 접촉저항이 전열성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다양한 핀 피치와 공기유속 조건에서 수치해석을 수행하였고, 열·유동 특성을 비교분석하였다. 그 결과 열 접촉저항, 핀 피치 및 공기 유속에 의한 열교환기의 성능변화를 관찰하였으며, 열교환기 설계 시 이 요인들에 대한 총체적 고려의 필요성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A primary role of a condenser is to emit thermal energy from refrigerant to atmosphere. A condenser used in a refrigerator is divided into a cluster pipe installed on heat sink and a sub-condenser installed in a small machine room, where a heat exchanger of fin and pipe type is equipped as a sub-condenser in order to effectively emit thermal energy by forced convection. This research was targeted on a condenser currently used on a domestic refrigerator. Main objective of the research is to obtain basic data in order to develop a new condenser focused on an influence of thermal resistance of air side and thermal contact resistance on the heat transfer performance. The CFD technique was used for whole research, and experiments were performed in order to verify the reliability of numerical analysis and predict the thermal contact resistance. In this research, a heat exchanger sample was made of a part of condenser to perform experimental and numerical analysis simply and efficiently. Water was used for the inner working fluid of the heat exchanger, and an experimental apparatus was composed concisely. A heat exchanger sample of tube type was used to verify the reliability of numerical analysis, and a heat exchanger of fin and tube type was used to predict the ratio of thermal contact resistance to the overall thermal resistance. The reliability for numerical solutions reflecting thermal contact resistance was increased by comparing those with the temperature distributions for surfaces of a heat exchanger measured by a thermographic camera. And then, numerical analysis was performed, varying fin pitch and air velocity to examine the influence of thermal resistance of air side for heat transfer performance. As a result, it was concluded that these factors need to be considered in a integrative manner because heat transfer performance is influenced by both fin pitch and air velocity. Therefore, it is expected that heat transfer performance of a heat exchanger will be improved by applying a suitable fin pitch to its operating conditions.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 실험 및 수치해석 3
• 2.1 열 접촉저항 예측 방법 3
• 2.2 장치 구성 및 실험 방법 4
• 2.3 수치해석 모델 5
• 2.4 지배방정식 6
• 2.5 난류모델 7
• 2.6 격자 생성 12
• 2.7 수치해석 방법 및 해석 조건 13
• 제 3 장 결과 및 고찰 15
• 3.1 관형 열교환기의 실험 및 수치해석 결과 비교 15
• 3.2 열 접촉저항 예측 15
• 3.3 핀-관형 열교환기의 실험 및 수치해석 결과 비교 16
• 3.4 전열성능에 대한 열 접촉저항의 영향 17
• 3.5 전열성능에 대한 핀 피치의 영향 19
• 3.6 전열성능에 대한 공기 유속의 영향 23
• 제 4 장 결 론 26
• 표 28
• 그림 30
• 참고문헌 53
• 영문초록 55