New Flat Tube HEX 성능향상 일 시 : 2010.11.23 과 목 명 : 에너지 변환공학 일 시 : 2010.11.23 과 목 명 : 에너지 변환공학 담당교수 : 김용태 교수님 발 표 자 : 이병휘
목차 MF 열교환기란? 열전달 성능 향상 요소 Basic science 열교환기 성능평가 시스템 열교환기 사양 & 실험조건 실험 결과
MF HEX의 구성 V MF HEX MF HEX의 장점(Fin & Tube HEX 대비) 다수의 미세 채널로 구성된 알루미늄 납작관과 Corrugate fin으로 구성되며, 튜브 양 끝 단은 헤더(Header)와 연결되어 해더 내부의 베플(Baffle)에 의해 유동 패스(Pass)가 결정됨. Inlet Outlet Baffle Microchannel tube 삽입깊이 : 3,6,10 mm Dimeter of Head : 18mm 6mm V Fin : louver Tube MF HEX의 장점(Fin & Tube HEX 대비) 고성능 소형제작가능 기기의 재생성 향상
MF HEX의 성능 향상 인자 Factors Improvement of refrigerant distribution Number of Channel Microchannel tube Form of Channel Wall thickness Fin type Fin depth Factors Fin Fin thickness Fin coating Fin area Form of Head Form of Pass Improvement of refrigerant distribution Insertion Depth of Tube Distributor insertion Velocity of refrigerant Dry of refrigerant
Basic Science . Q = hA(Tw- T∞) 표면적 A를 증가시킴 Basic Science 대류 열전달 고체면과 인접한 유동하는 액체 또는 기체 사이에서 발생하는 열전달 Tw T∞ Fluid Flow hconv 여기서, h : 대류열전달계수 (kcal/m2 ㆍhr ㆍ˚C) A : 열전달 면적 (m2) T∞ : 온도경계층을 벗어난 점에서의 유체온도 (˚C) Tw : 평판표면온도 (˚C) 대류 열전달을 증가 시키는 방법 Q = hA(Tw- T∞) 표면적 A를 증가시킴 Q = hA(Tw- T∞) 대류 열전달 계수 h를 증가시킴
Basic Science Q = hA(Tw- T∞) 대류 열전달 계수 h를 증가시킴 Nusselt 수 대류열전달 계수와 열전도 계수와의 비를 의미 h : Convection Heat Transfer Coefficient (W/m2K) L : Width (m) k : Thermal Conductivity (W/mK) 표면에서의 무차원 온도구배와 같으며 표면에서 일어나는 대류열전달의 척도가 됨. Nusselt 수가 커질수록 대류의 효과는 커짐. T2 T1 Q L
Basic Science Renolds 수 점성력에 대한 관성력의 비 층류와 난류 V V : 유체의 속도(m/sec) Lc : Width(m) ν : μ/ρ 로서 유체의 동점도(m2/sec) μ : 유체의 점도(kg/m·sec) Reynolds Number는 유체의 유동이 Turbulent또는 Laminar인가를 판단하는데 사용. Turbulent일 때 대류 열전달 계수의 값이 상대적으로 매우 큼. V L 층류와 난류 층류 : 매끄러운 유선과 잘 정돈된 유동 특성 난류 : 속도의 섭동과 매우 무질서한 유동 특성 난류의 빠른 섭동 유체의 격렬한 혼합에 의해 유체 입자사이에서 열전달과 운동량 전달을 증대
Basic Science 핀의 형상 변화를 통해 난류 유동을 유발하여 열전달률을 높임. Prandtl 수 열확산계수에 대한 운동량확산계수의 비 Cp : Specific Heat (kJ/kg K) μ : Viscosity (cP = Ns/m2 / 1000) k : Thermal Conductivity (W/mK) 유체의 Property에 의해서 결정되는 값 Prandtl Number는 1을 기준으로 값이 커지면 속도 Profile이 온도 Profile보다 더 빨리 발달한다는 것. Fluid Pr Liquid Metal 0.001 ~ 0.03 Gases 0.7 ~ 1.0 Water 1.0 ~ 10 Oils 50 ~ 2000 핀의 형상 변화를 통해 난류 유동을 유발하여 열전달률을 높임.
성능평가시스템의 사양 장치명 : 열교환기 성능평가 장치 성능평가 시스템 사양 구성 장치 사양 - 작동유체 : 물, R410A - 성능평가 : 물-공기 실험, 냉매-공기 실험(응축 및 증발 성능) - 평가범위 : 4,000 kcal/h ~ 8000 kcal/h ( 1.5 ~ 3 HP ) 구성 장치 사양 구 분 명 칭 범 위 냉·온수 공급장치 온도 조절계 0 ~ 100 ℃ 유량 조절계 0 ~ 2,000 kg/h 냉매 공급장치 0 ~ 300 kg/h 압력계 -1 ~ 70 kg/cm2 항온·항습 챔버 온도 조절 -10 ~ 50 ℃ 풍량 조절 4 ~ 50 m3/min 습도 조절 30 ~ 90%RH
Environment Control System 성능평가시스템의 개략도 Environment Control System Heat Exchanger (Test unit) Humidifier Air Flow Air Mixer Heater T T T T Air sampling System Fan DP Nozzle DP Condenser Test Evaporator Test Air-To-Water Test Cooling Coil Exhaust Fan Data Acquisition Mass flow meter Overheat tank Pump Expansion valve Mass flow meter Isothermal water bath Sub-cooling tank Evaporator Oil separator Condenser Compressor Refrigerator Accumulator Refrigerator
성능평가 시스템 측정 시간 및 Data 처리 S/W에 의해 Data 처리 및 Visual화 시료교체, System 안정 및 Data 측정까지는 5~8 시간 소요 실시간 측정 화면 실시간 측정 그래프 증발 응축
성능평가 시스템의 Energy balance 측정 결과 응축성능 증발성능 냉매 공기 열교환 능력 (kW) 5.864 4.493 전열량 (kW) 5.870 5.858 4.524 4.463 Energy Balance (%) 0.19 1.35 실 험 조 건 입구 온도 (℃) 66.04 20.08 30.81 27.0 출구 온도 (℃) 41.02 38.14 10.71 16.0 유량 (kg/h) 112.5 1123.2 91.0 1097.1 CP (kJ/kg ℃) 1.0067 1.0064 입구 건도 공기측 전열량(kW) 냉매측 전열량(kW) Energy balance(%)=
열교환기 사양 & 실험조건 Experiment condition HEX specification Item Condensation Evaporation Inlet Velocity(m/s) 1.0~2.5 Air Inlet T(℃) Dry : 20 Wet : 15 Dry : 27 Wet : 19.5 Refrigerant Saturation P(MPa) 2.8 0.95 Superheat & Supercooling T (℃) 5 W×H (mm) 400×264 Frontal area (m2) 0.1056 Tube type Micro-channel Pass 2 Fin type Flat / Louver FPI 18
핀 폭 & 핀 형상에 따른 성능비교 구 분 평판 Fin(#5) 평판 Fin(#7) Louver Fin(#8) 형 상 W×H (mm) 400×264 Frontal area (m2) 0.106 (100%) Tube type Micro-channel Path 2 Row 1 Column 24 24.5 mm 32 mm 32 mm
핀 폭 및 형상에 따른 성능비교 및 결론 응축 실험 시 각 풍속에 따라 10%~30%의 성능 향상 증발 실험 시 각 풍속에 따라 5%~10%의 성능 향상 응축 증발 결론 증발기 적용 시 루버 휜에서의 응축수 적층 증발기 헤더에서 마이크로 채널 튜브로의 유량 불균등에 따른 전열성능 저하