bsm076-1220.m 20220020 fan cooler 의 성능평가 및 최적 … · 기준으로 공기...

BSM076-1220.MBSM076-1220.MBSM076-1220.MBSM076-1220.M

20202020

의 성능평가 및 최적 도면생성의 성능평가 및 최적 도면생성의 성능평가 및 최적 도면생성의 성능평가 및 최적 도면생성Fan CoolerFan CoolerFan CoolerFan Cooler

기술지원기술지원기술지원기술지원

2005. 10.2005. 10.2005. 10.2005. 10.

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

지원기업 현대올레아유압 주지원기업 현대올레아유압 주지원기업 현대올레아유압 주지원기업 현대올레아유압 주: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

공랭식 오일 냉각기 이하 라고함 는 냉각(Air-Cooled type Oil Cooler Fan Cooler )

수 대신에 공기를 냉각 유체로 하고 팬을 사용하여 전열관의 외면에 공기를 강제

통풍시켜 내부 유체를 냉각시키는 구조의 열교환기이다 공기는 전열계수가 매우.

작으므로 보통 전열관에는 원주핀이 달린 관이 사용된다 냉각수의 비용이 증가하.

고 환경 문제가 대두되면서 냉각 매체로서 물 대신 공기의 사용이 증가되었으며 특

히 영국 러시아 등은 대기온도가 낮고 수자원이 부족하여 공기 냉각 시스템을 많,

이 도입하고 있다 는 방산장비 발전설비 선박 공작기계 제철 제강. Fan Cooler , , , , ,

설비 공작기계 건설중장비 석유화학 정유 가스생산플랜트 등의 핵심 기자재로, , , , ,

서 과거에 이용되던 수냉식에서 전환된 신기술 제품이다 현재 미국 프랑 이태리. , ,

등 선진국 일부 국가만이 자체 기술력으로 세계시장을 장악하고 있다.

국내업체에서는 를 선진국의 제품을 기술 제휴하거나 하여 생산Fan Cooler Modify

하고 있는 수준이며 막대한 소요 예산이 요구되는 의 시험장비를 보유, Fan Cooler

하지 못하여 의 성능시험을 실시하지 못하고 있는 실정이다 그러나 유Fan Cooler .

압시스템에서 오일의 온도는 점성과 유압기기의 원활에 미치는 영향이 높기 때문에

오일의 온도를 제어하는 의 열교환 성능을 정확하게 파악하는 것은 매Fan Cooler

우 중요하다.

지원요청 기업인 현대올레아유압 주 은 국내에서 최초로 와 기술제휴된 고효( ) Olaer

율형 알루미늄 라디에이터 방열판 형 를 개발하여 유공압 시장Matrix( ) Fan Cooler

고객들의 큰 기대와 호응 속에서 주력 상품으로 생산설비를 확충 중에 있다 또한.

를 선진국에 수출을 하기 위해서는 의 정확한 냉각 성능과Fan Cooler Fan Cooler

유량 변화에 따른 압력저하시험 결과와 제품 선정을 위한 용량계산이 요구되었다.

당원에는 시험에 필요한 이상의 오일가열용 보Fan Cooler Utility (200000 Kcal/h

일러 등 가 기 구축되어 있고 설계이론 기술과 실험기법이 확립되어있어 본 지원) ,

기술은 에서 수행하는 것이 적합하였다KIMM .

- 3 -

제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표2222

의 별- Fan Cooler Model (SQI015-2, 04-2, 07-4, 23-4, 23-6, 33-4, SQH33)

성능평가

성능평가 장치 및 지원Fan Cooler Test Cord․

유량 점도 변화에 따른 열교환 성능 시험Oil ,․

풍량 변화에 따른 열교환 성능 시험․

유량 점도 변화에 따른Oil , Pressure Drop Test․

구축- Test Data Base

의 용량 계산- Fan Cooler

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제 절 기술 지원 내용제 절 기술 지원 내용제 절 기술 지원 내용제 절 기술 지원 내용3333

오일 냉각기의 설계 이론오일 냉각기의 설계 이론오일 냉각기의 설계 이론오일 냉각기의 설계 이론1.1.1.1.

가 공랭식 오일 냉각기의 설계가 공랭식 오일 냉각기의 설계가 공랭식 오일 냉각기의 설계가 공랭식 오일 냉각기의 설계....

수직형 공랭식 냉각기는 삽입 통풍방식이나 흡입 방식 중 어느(forced) (induced)

것이나 가능하며 번들 은 수직이거나 거의 수직에 가깝다 이와 같은 형태(bundle) .

는 에서 사용되는 형태이고 이 냉각기의 장점은 상부에Package system , Column

직접적으로 올려놓을 수 도 있으며 공간을 적게 차지 한다는 점이다.

구조와 명칭1)

삽입 통풍형 공랭식 냉각기삽입 통풍형 공랭식 냉각기삽입 통풍형 공랭식 냉각기삽입 통풍형 공랭식 냉각기Fig. 1.1Fig. 1.1Fig. 1.1Fig. 1.1

흡입 통풍형 공랭식 냉각기흡입 통풍형 공랭식 냉각기흡입 통풍형 공랭식 냉각기흡입 통풍형 공랭식 냉각기Fig. 1.2Fig. 1.2Fig. 1.2Fig. 1.2

- 5 -

튜브 핀 형태와 명칭튜브 핀 형태와 명칭튜브 핀 형태와 명칭튜브 핀 형태와 명칭Fig. 1.3Fig. 1.3Fig. 1.3Fig. 1.3

- 6 -

공랭식 오일냉각기의 기본설계 과정2)

공랭식 오일냉각기설계 과정은 기존에 있는 오일냉각기에 대하여 요구하는 성능을

낼 수 있는지 평가하여 설계치수를 결정 하는 실험방식과 오일냉각기의 사용조건,

을 반영하여 요구 성능을 발휘할 수 있는 크기로 이론 설계하는 방식이 있다 또한.

모의실험 방식은 실험 장치를 이용하여 오염도를 측정하고 오염되지 않은 상태와,

오염된 상태에서 출구 온도의 변화를 검토하는 방법이 있다 오일냉각기의 설계과.

정은 실험방식과 이론 설계방식 및 모의실험 등이며 이러한 과정을 열 설계라 한

다.

기존제품에 대한 실험평가방식은 기존의 확정된 치수와 자료가 있기 때문에 성능을

검토하기 쉽지만 이론 설계의 경우는 불확실 한 부분이 많아서 큰 오차가 발생하,

게 된다 따라서 이론 설계로 계략적인 치수를 결정하고 모의실험과 성능실험을 통.

하여 최종 사양을 결정하는 시행착오 법을 사용하는 것이 적합함.

가 열 부하) (heat duty)

열전달의 기본식은 다음처럼 주어진다.

열교환량Q : [Kcal/hr]

공기유량W : [Kg/hr]

Cp 비열: [Kcal/kg0C]

전열 면적A : [m2]

총괄 열전달 계수- Ur 가정

열전달은 원통형 튜브를 통해 이루어지므로 ∆가 된다 총괄 열전달계수.

는 다음과 같은 관계식 표현되며

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핀인 경우G-

핀 인 경우L-

단위 길이 당 핀 튜브의 전열 면적A0 :

kt 튜브의 열전도도:

kf 핀의 열전도도:

과 에 대략 주어지는 총괄 열전달 계수 값을 가지고 가정한다Table. 1.1 Table. 1.2 .

총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수Table. 1.1 (liquid cooler)Table. 1.1 (liquid cooler)Table. 1.1 (liquid cooler)Table. 1.1 (liquid cooler)

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총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수Table. 1.2 (vapour cooler)Table. 1.2 (vapour cooler)Table. 1.2 (vapour cooler)Table. 1.2 (vapour cooler)

튜브 열수의 결정-

튜브 열의 수가 많다는 것은 공기의 출구온도가 너무 높은 것을 의미하므로 평균

온도차를 낮추고 열전달을 줄인다 추천하는 튜브 열수는 과 같으며 최. Table. 1.3

종 설계된 튜브 열수와 차이가 있을 수 있다.

추천하는 튜브 열수추천하는 튜브 열수추천하는 튜브 열수추천하는 튜브 열수Table. 1.3Table. 1.3Table. 1.3Table. 1.3

나 공기 온도 상승과 예상되는 평균 온도차 계산) (MTD)

공기의 온도 상승분 계산에 대한 개략적인 계산식은 다음과 같다.

경우 식 의 화씨 온도를 환산 식 을 이용하여 섭씨온도로 바꾼다, (5) (6) .→

Fr 상승온도 보정계수:

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공기의 상승온도 계산 시 보정계수공기의 상승온도 계산 시 보정계수공기의 상승온도 계산 시 보정계수공기의 상승온도 계산 시 보정계수Fig. 1.4Fig. 1.4Fig. 1.4Fig. 1.4

온도가 범위인 경우 계산 값에 를37.77 ~ 93.33 (100 ~ 200 ) 10% , 93.33

보다 큰 범위에서는 계산 값에 를 증가시키고(200 ) 20% , -12.22 ~-6.666 (10

범위에서는 냉각기나 콘덴서는 계산 값에 를 줄이고 온도 범위가~ 20 ) 10%

이거나 이보다 작으면 계산 값에 를 줄인다-12.22 (10 ) 20% .

온도의 상승분을 계산한 후에 공기의 입구온도에 더한 것이 출구 온도가 된다.

향류 는 가열방향의 입구 온도와 수열유체의 출구온도가 접촉(counter-current flow)

하며 가열유체의 출구 온도는 수열 유체의 입구 온도와 만나게 되므로 이 오일 냉,

각기의 최종 온도차는

GTTD : T1-t2 뜨거운 최종 온도차:

LTTD : T2-t1 차가운 최종 온도차:

로 씅 수 있고 병류 는 향류와 반대이며 최종 온도차는 다음처럼, (co-current flow)

표현된다.

T1-t1 입구 온도차:

T2-t2 출구 온도차:

온도차가 큰쪽은 라하고 작은 쪽은 라 정의 한다 이 흐름은 열전달면에GTTD LTTD .

서 비효과적이므로 거의 이러한 흐름은 사용하지 않는다.

효과 계수 와 열용량율 로 보정계수(P) (R) Fr을 찾는다.

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가정한 값과 평균온도차를 가지고 전열 면적을 계산- U

Ab 전열면적: Bare

번들 수 전체 튜브수와 번들 한 개의 열당 튜브 본수 계산- ,

번들 수 Nbun은 전형적인 번들 당 표면 면적 Asurfa이 일 때120 ~ 150 m ,

으로부터 계산할 수 있다.

튜브 길이를 알면 가정한 전열면적을 가지고 전체 튜브 수 NT을 계산할 수 있으며,

대부분 튜브길이는 주어진다 일반적으로 사용되는 길이는. 9.144 m ~ 12.192 m

가 사용된다 그러나 파이프 선반 위에 설치 시 파이프 선반의 폭에. (pipe rack)

를 더해준다0.45 m .

lT 튜브 길이:

Dtube 튜브 직경:


번들 한 개의 열당 튜브 본 수 Ntr는

Nbun 번들 수:

Nrow 열 수:

이 값을 가지고 각 열당 튜브 수를 가정할 수 있다.

- 11 -

공기의 유동 단면적과 전열 면적-

가상적인 유동 단면적은 다음과 같은 식으로 표현된다.

ltube 튜브 길이:

Pt 튜브 피치:

설계할 전열면적을 계산은 아래와 같은 식으로 계산된다.

Nr 튜브 열수:

Ntr 튜브 열당 튜브 수:

Nbun 번들 수:

Dtube 튜브 직경:


공기의 유량 가정치- ( )

면 속도 는 공기의 양을 번들 면적으로 나누어 본 가상 속도이며 이것을(face) Vf

기준으로 공기 측 유속의 정도를 짐작하여 설계를 할 수 있는데 보통 2.0 ~ 3.6

가 이상적이다 공기의 평균속도와 밀도m/s . ( 3.6 m/s, p=1.2)

혹은

Wair 공기 유량:

공기 물성치 밀도p :

온도 상승 값 대수 평균 온도차 보정 계수- ( T), (LMTD), (F r 평균온도차 의), (MTD)

계산

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식 으로부터(1) ,

로 표현되며 대수 평균온도차 는 식 으로 주어지며 효과 계수 와 열용, (LMTD) (7) , (P)

량율 은 식으로 주어지며 이 관계로부터 보정 계수(R) (8) Fr을 찾는다 찬은 보정 계.

수 Fr로 대수 평균 온도차를 곱한 값이 평균온도차이다.

핀 튜브의 사양-

핀 튜브의 사양으로 전 외부 면적은 핀에 대해 다음과 같은 관계식으로 주Smooth

어진다.

전 외부의 면적-

단위 길이 당 핀의 외부면적- (Af0)

단위 길이 당- Root area (Ar)

를 포함한 면적- Root area

단위 길이 당 당 전 외부의 면적 비- Root area

튜브 내경 면적 비-

- 13 -

핀의 형태와 효율-

유체의 온도가 이상 일 때 핀을 사용하고 그 이하는 핀을 사121 Embedded L-

용한다.

핀의 경우에Smooth

되어야 유효하다.

실제 적용과정은 핀 효율개념으로 설명되는데 핀 효율 에서 실제 전달된 열의( )Ω

양(Qf 대 전달되어야 할 양) (Qr 의 비로 설명되며 핀의 표면온도가 일정하고 핀의)

까지 온도가 같다면 열전달 문제는 핀의 표면에서 대류문제로 귀착된다Base .

전형적인 핀의 치수전형적인 핀의 치수전형적인 핀의 치수전형적인 핀의 치수Table. 1.4Table. 1.4Table. 1.4Table. 1.4

핀의 길이에 따라 열전달 계수가 일정하드는 가정은 올바른 것이 아니며 간단히

식은 다음 식으로 표현된다(26) .

- 14 -

le 유효 핀의 높이로 실제 높이 로 대체: (l)

te 핀의 유효 두께로 의 정의에서 실제 핀의 두께로 대체: m

다 공기 측 열전달계수( )

질량 속도-

Nbun 번들 수:

수- Reynolds

속도분포-

비등온 흐름의 보정계수 Φh는 비등온 흐름에서 나타나는 속도 왜곡에 대한 압력 손

실을 보정하기 위해 사용되며 이 보정계수는 점도 율을 기준으로 한다.

Tw 절대 벽 온도:

Tb 절대 가스의 온도:

tw 외부 벽 온도:

tb 가스 온도:

p : Tw < Tb 즉 핀측이 냉각될 때, , p=0

: Tw> Tb 즉 팬측이 가열될 때, , p=0.2~0.3

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레이아웃에서 핀 튜브Staggered Smooth①

튜브에 부착된 핀 사이로 하나의 채널이 형성되며 전체 단위 전열 면적 당 열전달

계수는 핀 튜브가 단조로운 튜브보다 낮으며 면적비가 증가하면 더 감소한(plain) ,

다 그러나 핀 튜브의 장점은 전체 전열 면적이 상당히 크므로 열전달 계수를 확대.

시켜주므로 층류 유동이 깊을 때는 튜브 측 전열저항이 전체를 지배하므로 감소한

다.

한 줄의 튜브 열일 때, rrh 산업용 튜브 번들은 열 이하는 거의 사용하지 않=0.7, 4

으므로,

rrh=1.0

레이아웃에서 부채꼴 톱니무늬 핀 튜브Staggered (segmented)②

면적 비(A0/Ar 가 범위에 있는 핀은) 6~8

레이아웃에서 핀 튜브Inline③

프랜틀 수 및 열전달 계수-

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보정 계수 및 보정한 열전달 계수-

전형적으로 일정하지 않은 대류 열전달 계수는 열전달 계수가 일정하다고 가정하여

계산한 효율보다 다소 작을 수 있으므로 보정 계수가 필요하다.

원형과 사각 핀에만 적용( )

핀의 효율은 평균 열전달 계수를 보정하여 실제 열전달 계수를 계산하는데 사용하

며 핀의 효율을 보정한 열전달 계수를 구한다.

A0 전 외부의 표면적:

(Af)0 면적을 제외한 핀의 외부 면적: Root

(Ar)0 면적을 포함한 면적: Root = A0 - (Af)0

이론적인 핀의 효율:Ω

Fh 효율 보정계수:

h0 실제 열전달 계수:

hc 핀 효율이 라 가정할 때 평균 열전달 계수: 100%

핀 튜브의 사용한계 및 공급 가능한 핀을 와 으로부터 선정하고 핀Table. 1.2 1.3

직경과 는 가정한 총괄 열전달 계수를 기준으로 를 참조한다Pitch Table. 1.5 .

핀의 직경과핀의 직경과핀의 직경과핀의 직경과Table. 1.5 PitchTable. 1.5 PitchTable. 1.5 PitchTable. 1.5 Pitch

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질량 속도 물의 속도 혹은 오일의 속도 레이놀즈수 프랜틀 수 속도 분포G, ( ), , , Φh

계산

Di 튜브 내경: (m)

Nt 전체 튜브 수:

Np 패스 수:

물의 속도 물의 밀도 물성 치 레이놀즈수 프랜틀 수 는 다음V( = 987.3), (Re), (Pr)ρ

처럼 표현된다.

난류 유동- Re > 10,000

속도 분포 Φh는 기체일 때 냉각될 때 가열될 때 각각 즉, , , =0, 이다=0.5 .

액체일 때는

튜브 측에 유체가 가열될 때와 냉각될 때

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식을 사용하기 위해서는 다음 범위가 있다(44) .

10,000 < Re < 100,000

0.5 < Pr < 150

0.1 < /μ μW < 10

층류 유동- Re < 2000

은 평균 온도에서 결정하며Nu, Re, Pr, Gr Bulk , C1, C2, m1, n1은 다음 유동 조건

에서 얻어진다.

수평관 내 액체가 유동할 때-

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수직관 내 액체가 유동할 때-

으로 가열 혹은 으로 냉각되는 경우는 자연 대류와 같은 방향의Upflow Downflow

유동이며

이 경우는 잠재적인 불안정성이 예상되어 더 어렵다 자연대류 수준이 낮기 때문에.

열전달을 약간 감소시키려는 경향이 있다.

일 때Gr/Re<200 C2 = 0

일 때Gr/Re>200 m1 식 사용

천이 유동- 2000 < Re < 10,000

누셸 수 예상은 층류나 난류처럼 정확하지 않지만 수직관에서 천이 운동시 자(Nu)

연 대류의 효과는 매우 중요하다.

식 사용하여 수 일 때 값: (48) Re 2000

식 사용하여 수 일 때 값: (44) Re 10,000

비례함수: =1.25-Re/8000

라 튜브 측 열전달 계수) hi 및 총괄 열전달 계수 U

총괄 열전달 계수는 개 항으로 이루어 졌으며 첫째 항은 공기 측 열전달 계수의5

저항 두 번째 항은 튜브 측 열전달 계수의 저항 셋째 항은 튜브 벽의 저항 넷째, , ,

항은 공기 측 오염 저항 마지막 항은 튜브 측 오염 저항을 의미한다, .

- 20 -

가정한 계산 값과 계산된- Uc의 비교

튜브 측 압력 손실-

마찰에 의한 압력 손실 (① ∆)

ft=fXΦp 마찰계수:

튜브 수Np: pass

층류 일 때- Re < 1300

난류 일때-

튜브 최초의 경우 단Smooth : C.S(carbon steel) ( Re > 2200)

a = 0.004 b = 0.125 c = -0.32

파이프 단Commercial ( Re > 3600)

a = 0.0035 b = 0.264 c = -0.42

천이 지역일 때-

튜브 의 경우Smooth (1300 < Re < 2200)

파이프 의 경우Commercial (1300 < Re < 3600)

f = 0.012

- 21 -

점도 분포-

노즐에서 압력 손실 (② ∆)

입구 노즐 Kn = 1.1

출구 노즐 Kn = 0.7

튜브 입 출구와 주위에서 압력 손실. Tum (③ ∆)

다중패스 : Kn = 0.9

싱글패스 : Kn = 1.6

전체 압력 손실④

- 22 -

마 모델 선정을 위한 간단한 계산식)

튜브 열수와 튜브 형태를 고려하지 않을 경우 대략적으로 사용하는 식으로 공랭식,

오일 냉각기의 냉각 온도차는 식의 다른 형태로 다음과 같이 표현된다(1) .

Q1 열교환 능력: [kW]

W1 통과 유량: [kg/s]

C1 오일의 비열량: 2.08 [kJ/kg]

T1 오일의 냉각 온도차 쿨러 입구 온도 출구온도: [ - ]

오일의 비중량: = 0.89 [kg/cmρ 3]

비슷하게 공기 열교환 온도차에 대한 표현은 아래와 같다, .

Q2 열교환 능력: [kW]

W2 통과 유량: [kg/s]

C2 오일의 비열량: 1.0 [kJ/kg]

T2 오일의 냉각 온도차 쿨러 입구 온도 출구온도: [ - ]

오일의 비중량: = 1.2 [kg/cmρ3]

팬에 대한 데이터를 위한 관계식으로 시스템 요구 공기통과량 팬 구동력 및 최종,

압력강하에 대한 각각의 표현 다음처럼 표현된다.

V1 공기 통과량:

V2 시스템 요구 공기 통과량:

n1 회전속도: [rev/min]

n2 시스템 요구 속도: [rev/min]

- 23 -

N1 팬 구동력: [kW]

N2 시스템 요구 팬 구동력: [kW]

P1 압력강하: [mmH2O]

P2 최종압력강하: [mmH2O]

계산된 열교환 동력 으로 부터 각 형태별 성능 곡선표에서 적당한 모델을 선정(kW)

하기 위해 비열 로 환산하여야 한다[kW/ ] .

1 KW = 860 kcal/hr

총 열교환량Q: [kW]

오일 냉각기 입구온도 공기온도T: - [ ]

비열C: [kW/ ]

유압 시스템의 열발생량 열교환 총랴은 유압 펌프 구동용 전기 모델의 동력= [kW]

을 초과할 수 없다 그러므로 유압 기계 시스템의 경우는 구동 전기 모터동력. 25%

범위 내에서 열교환량을 산출할 수 있다~ 40% .

오일 냉각기 형태에 따라 열교환량을 구하기 위해 유량을 열교환량 으로H[kW/ ]

환산하여야한다.

위 결과로부터 성능 곡선에서 유량과 열교환 능력 을 만족하는 오일 냉각기Q[kW]

의 팬 회전수 를 선정할 수 있다(n) .

앞 식으로부터 회전수 를 선정하여 팬 구동력 성능을 계산하기 위해 다음 식을, (n)

사용한다.

N1은 특정 형태의 오일 냉각기의 기준 회전수(n1 에 대한 동력) n2을 얻기 위해 유

입 모터에 필요한 동력을 계산하는 것이다.

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ƞvol 유압 모터 효율:

유압 모터 토출량D :

모터 기동형에 필요한 압력 계산하기 위해 다음 식으로부터AC

ƞtot 모터 효율: AC

을 사용한다.

위에서 선정한 팬 회전수에 따른 냉각 능력을 확인할 경우 다음과 같은 식을 사용

한다.

S1: n1에서 교환 량

S2: n2에서 교환 량

- 25 -

나 원통다관식 오일 냉각기의 설계나 원통다관식 오일 냉각기의 설계나 원통다관식 오일 냉각기의 설계나 원통다관식 오일 냉각기의 설계....

원통다관식 오일 냉각기 셸 튜브 오일 냉각기 의 열적 설계는 다음과 단계로 실( & )

행된다.

교환열량 의 계산1) Q[W]

교환열량은 다음과 같이 쓸 수 있다, .

유체의 교환열량Q :

유효 온도차2) ∆

향류에서 상변화가 없으면 평균 온도차 ∆은 고온쪽 저온쪽의 온도차, (T1-t2 와)

(T2-t1 의 대수 평균 온도차) ∆에서 다음과 같이 주어진다.

T1 오일의 입구온도: , T2 오일의 출구온도:

t1 냉각수의 입구온도: , t2 냉각수의 출구온도:

일반의 오일 냉각기 구성에는 유체의 향류 병류 직교류의 부분이 조합되어 있다, , .

가장 효율이 좋은 향류를 기준으로 다음 식과 같이 보정을 한다.

여기서 는 온도 보정계수라 부른다 현실의 오일 냉각기는 이론식으로 하는 것, F1 .

보다 형식적으로 취급하는 경우가 많다.

- 26 -

가 상 의 변화 없는 오일냉각기를 선택했을 경우) (Phase)

오일 냉각기는 향류 병류 직 교류의 조합으로 되어 있으므로 평균 온도차, , ∆는

향류 열전달에 있어서 ∆보다 작게 된다.

나 상 의 변화가 있는 오일 냉각기의 경우) (Phase)

비열이 일정하게 되지 않으므로 다음의 식에 의해 가중 평균 온도차 ∆를 계산

하고 ∆ 대신에 사용한다 상변화가 존재하므로 그와 관련된 도표가 필요할 것.

이다 몇 개의 구획 에서의 열량. i Qi 대수 평균 온도차, ∆를 구한다.

- 27 -

다 오일 냉각기의 유기 물질 점도다 오일 냉각기의 유기 물질 점도다 오일 냉각기의 유기 물질 점도다 오일 냉각기의 유기 물질 점도....

오일냉각기는 사용 중의 오염에 의해 전열 성능이 떨어진다 설계를 할 때는 성능.

저하를 예상하여 오염계수를 적용하며 단위의 환산에 주의해야 한다 오염계수의, .

단위는 전도계수의 역수와 같고 전도계수는 온도에 따라 값이 다르며 다음, , Table

과 같다1.6 .

오일 냉각기의 운전에 따라 전열 면에는 오염원이 부착된다 그 오염 특성은 전열.

면 현상 전열 면 재료 전열 면 표면온도 퇴적물 온도 유체온도 유체의 특성에, , , , ,

의존한다.

유기 물질 점도유기 물질 점도유기 물질 점도유기 물질 점도Table. 1.6Table. 1.6Table. 1.6Table. 1.6

냉각수의 오염계수는 대략 2X10-4[kcal/m

2.hr. ]

-1이다.

즉 오염계수는,

관 튜브 내측( ) , ri = 0.0002[m2.hr. /kcal]

관 튜브 외측( ) , ro = 0.0002[m2.hr. /kcal]

금속의 열전도율 kw은 금속 성분재료에 따라 다음 과 같다Table. 1.7 .

금속의 열전도율금속의 열전도율금속의 열전도율금속의 열전도율Table. 1.7 (kTable. 1.7 (kTable. 1.7 (kTable. 1.7 (kwwww))))

- 28 -

라 관측경 막 전달 열 계수라 관측경 막 전달 열 계수라 관측경 막 전달 열 계수라 관측경 막 전달 열 계수. h. h. h. hiiii 및 셸측 경 막 열전달계수및 셸측 경 막 열전달계수및 셸측 경 막 열전달계수및 셸측 경 막 열전달계수 hhhh0000

의 내부 구조도의 내부 구조도의 내부 구조도의 내부 구조도Fig. 1.5 Oil CoolerFig. 1.5 Oil CoolerFig. 1.5 Oil CoolerFig. 1.5 Oil Cooler

관측경 막 전달 열 계수1) hi

관내 냉각수 질량속도 는 식의 냉각수 유량을 관내 유로 면적으로 나눈 값으(Gt) 79

로 정의 된다.

냉각수의 질량속도w : (kg/hr)

패스 당 관측 유로 면적1 (at 은)

Nt 총 관 개수: , nt,pass 패스 수:

이며 전달 열관 개수는 다음처럼 주어진다, .

총전열면적A : (m2)

관 한개당 외주면적A0: (m2)

- 29 -

냉각수관 내의 수 는 관내경과 냉각수 속도의 곱을 점성도 값으로 나Reynolds Re

눈 값으로 정의 된다.

냉각수의 점성계수:μ

냉각수 평균온도 tc 에서 물 비열30 , C=1[kcal/kg0C], tc 에서에서 물 전도37

도 를 사용한다k=0.52[kcal/m.hr. ] .

원 관내를 유체가 난류로 흐를 경우 수는 다음처럼 정의 되며Nusselt

코르반의 인자j (jh 는 관측 경 막 전달 열 계수) hi 와 전도계수 와 관련되어 있으며k ,

다음처럼 표현된다.

μw 관 벽에서 냉각수의 점성계수:

관 별에서 냉각수의 점성계수관 별에서 냉각수의 점성계수관 별에서 냉각수의 점성계수관 별에서 냉각수의 점성계수Fig. 1.6 (Fig. 1.6 (Fig. 1.6 (Fig. 1.6 (μμμμwwww))))

식 로부터92

- 30 -

셸측 경 막 전달 열 계수(c) h0

여기서

Gc 오일 냉각기 중심선에서 가장 가까운 관열에서의 직교류 최대질량:

속도(kg/m2hr)

Ws 동관 측면에 흐르는 전유량: (kg/hr)

Sc 오일 냉각기 중심선에 가장 가까운 관 열의 직교류에 대한 최소 유체통 면적:

(m2)

Ffh 관종류에 의한 계수이며 평활관 경우는: , Ffh 핀관의 경우는 레이놀= 1, Low

즈수의 극수로 아래 그림으로 구해진다.

jh 전열인자에서 레이놀즈수의 극수로 아래의 식으로 정의된다: .

- 31 -

Fig. 1.7 FFig. 1.7 FFig. 1.7 FFig. 1.7 Ffhfhfhfh 의 극수의 극수의 극수의 극수

핀 관에 대해 은 바닥 지름 참조Low , Dr (Fig. 1.9 )

에 대해Re = 20 ~ 200 ,

jh = 1.73 (Re)-․0.675

에 대해Re = 200 ~ 600 ,

jh = 0.65 (Re)․-0.49

에 대해Re = 600 ~ 10000 ,

jh = 0.35 (Re)․-0.39

유체의 비열C : (kcal/kg )

유체의 점도: (kg/m hr)μ

관 벽 온도에서의 유체점도m : (kg/m hr)μ

유체의 열전도율k : (kcal/m hr )

배플판 노치부를 통과하는 흐름에 의한 보정계수 Φ

- 32 -

배플판의 기본 구조배플판의 기본 구조배플판의 기본 구조배플판의 기본 구조Fig. 1.8Fig. 1.8Fig. 1.8Fig. 1.8

은 배플판 노치부에서 전열면적의 전 전열면적에 대한 비이며 배플판 노치부에 존r ,

재하는 관개수를 nw1 전열관의 전개수를, Nt로 하면,

단 배플판 끝에 걸리는 관은 그 원주비에 따라 구분하고, , nw1에 가산한다.

Sb는 배플판 노치부 유로면적이며 다음식에 의해 계산된다 핀 관에 대해, . Low ,

K1은 표와 같은 계수이다 또. nw2는 배풀판 노치부에 존재하는 관개수이며 배플판,

끝에 걸리는 관은 그 단면적비로 가산한 것이다. Df는 핀 외경이다.

- 33 -

Table. 1.8 KTable. 1.8 KTable. 1.8 KTable. 1.8 K1111의 수치의 수치의 수치의 수치

동관과 관속 사이의 틈을 통하는 흐름에 의한 보정계수 εh

핀 관에 대해Low ,

는 핀의 피치이다Pf .

배플판과 셸내경 사이의 간극을 흐르거나 배플판 관구명과 전열관 외경 사이의 간,

극을 통하는 유동에 의한 보정계수 Fg

:Sα L/SC의 극수

∼일 때

일 때

- 34 -

STB 배플간관 구멍과 전열관외경과의 간극면적에서 배플판의 관공경: ,

DH 배플판의 관공경:

nB 배플판 개당의 관공수: 1

SSB 배플판외경과 셸내경 사이의 간극면적:

SL 간극 면적의 총계:

- 35 -

마 총 전달 열 계수 및 전달면적마 총 전달 열 계수 및 전달면적마 총 전달 열 계수 및 전달면적마 총 전달 열 계수 및 전달면적....

총 전달 열 개수1) (U)

오일과 냉각수의 중심 온도 Tc, tc 는 인수와 고온 저온 온도차 값에 의해 보정C ,

계수 Fc 가 결정된다.

이와 같이, T1>t1 일 때 오일과 냉각수의 중심온도는 다음처럼 표할 수 있다, .

핀 동관 의 형상핀 동관 의 형상핀 동관 의 형상핀 동관 의 형상Fig. 1.9 Low ( )Fig. 1.9 Low ( )Fig. 1.9 Low ( )Fig. 1.9 Low ( )

- 36 -

동관의 표면적은 다음처럼 표할 수 있다

Ao 동관 외주표면적:

Ai 동관 내표면적:

총 전달계수 는U

로 표현되며 관 평균과 관벽 두께는 각각,

이며 관 두께가 얇거나 또는 관 벽의 열 저항이 다른 전달 다른 전달 열 저항에,

비해 적을 때는 실용상 (Dr/Dm 이라고 간주해도 지장 없다)=1 .

전열면적2) A

전열면적 는 식 의 유효 온도차와 총 전달 열 계수로 교환열량을 나눈 값으로A 5

표현된다.

전달 열관 개수3)

전달 열관 개수는 식 로부터 전달 열 면적을 길이와 원둘레로 나눔으로 얻어진89

다.

- 37 -

바 셸측 압력 손실바 셸측 압력 손실바 셸측 압력 손실바 셸측 압력 손실....

관속과 직교로 흐를 때 압력 손실1) , P B

마찰계수 fs

일 때Re < 100

일 때100 Re 300≤ ≤

일 때300 Re 1000≤ ≤

셸측과 관속 간의 간극을 통한 흐름에 의한 보정계수 ε p

일 때Re < 100

일 때Re > 4000

로 주어진다 이와 같이 관속과 직교해서 흐를 때 압력 손실. P B는

관형식에 의한 보정계수 평활관 핀 관Ffp : ( : 1, low : 0.9)

환산계수 gc는 다음 값으로 주어진다.

- 38 -

배플판 노치부를 통한 흐름의 압력 손실2) P w

Vb 배플판 노치부에서의 유속:

Vc 관속과 직교로 흐르는 유속:

Vz 기하평균속도:

관과 관의 최소 관극S :

배플관 노치부 유로의 상당경Dv :

배플관 노치부 하나의 속에 존재하는 전열관의 전열면적aw :

로 표현된다 위의 관계식을 사용하여 배플판 노치부를 통할 때 압력손실. , P w을

구할 수 있다.

Re < 100,

Re > 4000,

- 39 -

셸측 양단에서 직 교류의 압력 손실3) P B

셸측 양측에서 직 교류의 압력 손실은 다음과 같이 표현 할 수 있다.

배플판 노치부 중의 관열수와 배플판 단에서 단까지 관열수는 각각 다음과 같이 표

현 된다.

셸측 압력손실 합계4) P s

배플판 관공과 배플판과 셸내경 간의 간극을 통하는 흐름 및 간극류에 의한 보정

계수 는 다음과 같이 주어진다.β

- 40 -

사 판형 오일 냉각기의 설계이론사 판형 오일 냉각기의 설계이론사 판형 오일 냉각기의 설계이론사 판형 오일 냉각기의 설계이론....

기본이론 및 유동 채널1)

판형 오일 냉각기는 밀집형 단위체적 당 전열체적 당 전열 면적이(compact,

700m2/m

3이상 오일 냉각기로 주로 방법을 적) -NTU(number of Transfer Unit)Є

용한다 열에 민감한 액체에 최적의 오일 냉각기이며 저점도 액체와 중간정도의 증. ,

기 압력 중간점도 유체 양측이 동등한 유체 고점도 유체 판의 난류, (10~ 100 cP)( ), (

유동 때문 이상 까지 오염도가 큰 물체 등에 사용할 경우는)(100 cP ~ 50,000 cP ),

판형 오일 냉각기를 사용한다.

기본 원리는 개의 사각 판 중 하나는 고정되어 있고 다른 하나는 이동이 가2 Head

능하도록 되어 있으며 중간에는 얇고 주름진 여러 장의 전열판이 겹쳐(corrugated)

있으며 판과 판 사이에는 가열 유체와 수열 유체가 교대로 흐르도록 되어 있으며

이 유체의 누설을 방지하기 위해 판 주변으로 개스킷을 넣은 다음 죔쇠 로(clamp)

밀착 시킨 것으로 두 유체가 이 판을 통하여 열을 전달하는 장치이다.

장점은 전열판의 주름이 아주 낮은 수에서도 난류를 유도하기 때문에 두유체Re

열전달 계수는 관형보다 배 정도로 크고 구조상 와 누수가 없으며2 ~ 4 By-pass

항상 향루로 조업 할 수 있어 열효율이 높은 것이 최대 장점이다 원통다관형은 실.

제로 온도 를 이상 되어야 하는데 판은 온도 가 까지Approach 5 , Approach 1

낮아도 가능하기 때문에 열 회수용으로도 아주 이상적이다 오염계수를 관형의. 1/5

정도의 아주 작은 값을 적용하며 용접을 하지 않은 간편한 구조로 되어 있어 보전,

과 정비를 위해 분해가 쉽고 단위 부피당 넓은 전달 면적을 가지면서도 매우 정교

하고 가벼워 취급하기 쉽다.

제작 시 전열판의 크기 다양한 패스 배열 등으로 탄력적인 설계가, Chevron angle,

가능하고 구조적인 측면에서 열 충격 이 있어도 진동 열팽창 등에 문제가(shock) ,

되지 않으며 제작 완료 후에도 전열판 수의 증감이 가능하여 다양한 열부하, (heat

에 적용할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다 조업 시는 정지시간이 짧아duty) .

조절기능이 빠르며 최대 2500 m2의 넓은 전열 면적을 가질수도 있다 단점은 전열.

판과 개스킷에 제한 조건이 있다는 것이며 개스킷 재질로는 천연 혹은 합성 고무,

가 널리 사용되지만 이 재질은 제한된 온도와 압력 특히 용매 와 같은 유, , (solvent)

기물에 의한 화학적 침투성 때문에 제한 받는다 사용범위는 온도 압. 0 ~ 120 ,

력 기압 정도이나 압축 석면 개스킷을 사1 ~ 10 (150 Psi) (compressed asbestos)

용하는 경우는 약 까지 사용하며 탄성 중합체나 석면 개스킷은250 (asbestos)

기압 까지 사용할 수 있지만 이때 사용되는 개스킷은 주기적으로 갈아25 (350 Psi)

주어야 하며 그 주기는 사용하는 곳에 따라 다르다.

- 41 -

채널 간극이 좁기 때문에 부유고체 입체 입자들이 크기가 제한되어야 하고 프레임,

비용이 높기 때문에 판의 수가 개 이하인 경우는 적합하지 않다(frame) 10 .

방법- -NTUЄ

양 유체가 열교환 될 때 유용도 온도 효율 유효계수 는 다음 식으로 정의된다 즉( , ) .

오일 냉각기에서 열역학적으로 가능한 최대의 열전달량에 대한 실제 열전달량의 비

를 나타낸 것으로 오일 냉각기의 유용도 를 도입한다(oil cooler effectiveness, ) .Є

최대 가능한 열전달량은 전열 면적이 무한한 대향류 오일 냉각기에서만 가능하다.

이와 종류의 장치에서 만일 외부로 열손실이 없다면 수열 유체의 출구 온도가 가열

유체의 입구 온도와 같을 때 WcCpc < WhCph가 되고 가열 유체의 출구 온도가 수열

유체의 입구 온도와 같을 때는 WhCph < WcCpc가 된다.

즉 유용도는 실제의 열전달율을 단지 열역학 제 법칙에 의해서만 제한 받는 최대2

열전달율과 비교한다 어느 쪽 열용량율이 더 작은가에 따라 유용도는 다음 중의.

하나가 된다.

Cmin은 WhCph와 WcCpc 중의 작은 값이다.

유용도는 온도 효과로서 유체 유동에서 발생되는 온도 변화 대 두 유체의 입구 온

도차에 대한 비로서 유체 중 하나의 온도가 일정할 경우 에서 가열 유체의 입구0

온도가 수열 유체의 출구 온도와 같은 경우 까지 변한다1.0 .

- 42 -

유체 의 온도 효율 과 유체 의 온도 효율4 ( ) B ( )Є Є

t1, t2는 유체 의 입구 출구 온도A , , T1, T2는 유체 의 입구 출구 온도이다B , .

열교환열교환열교환열교환Fig. 1.10Fig. 1.10Fig. 1.10Fig. 1.10

유체 의 당량 유량 비열 와 유체 의 당량 의 비를 당량 비 용량 비 라A ( x ) wc B WC ( , R)

하며 다음과 같이 주어진다.

다시 정리해 쓰면

Ch와 Cc는 비열 (Cp 과 두 유체 각각의 질량 의 곱이고 첨자 은) (mass flow,W) i, o

입구와 출구를 나타낸다.

∆

혹은∆

가 열 이동 단위 수 라 부른다(N.T.U) .

- 43 -

위식을 열 이동 단위 수 로 표시하면(N.T.U)

Cmin은 Ch와 Cc중 작은 값이다.

유체 에 대한 열 이동 단위 수는 다음과 쓸 수도 있다A,B .

열 이동 단위 수는 오일 냉각기의 열전달 크기의 척도이고 만일 값이 작다면N.T.U

유용도 도 작을 것이고 반면에 값이 크면 유용도도 높은 값(effectiveness, ) N.T.Uε

을 가지게 되는데 값이 클수록 오일 냉각기는 열역학 한계에 더 가까이 접근N.T.U

하게 되는 것이다.

법과 법의 비교- LMTD -NTUЄ

법은 입 출구 온도가 모두 알려진 경우에 가장 적절한 방법으로 셸 튜브 오LMTD . -

일 냉각기 설계에 적용되고 있고 법은 각 유체의 유량과 비열 그리고 총, -NTUЄ

괄 열전달 계수 등을 알 수 있으나 출구의 온도를 모르는 경우 주로 오일 냉각기(

성능평가 시 그리고 전열 면적 변화가 총괄 열전달 계수에 변화를 아주 적게 미),

치는 밀집형 판형 오일 냉각기에서 적절한 방법이다(compact) .

오일 냉각기 설계 시 입출구의 온도 유량 등이 주어질 때 치수와 전열 면적을 결,

정하는 설계 방법 과 전열면적 총괄 열전달 계수 입 출구 온도 등이(design case) , , .

주어 질 때 성능 평가 방법 이 있다(rating case) .

- 44 -

성능평가 경우 의 해석 방법(rating case)

설계 경우 의 해석 방법(design Case)

어느 방법을 사용하던 결과는 같지만 성능을 평가할 때 방법을 사용하면 시행LMTD

착오법을 사용하기 때문에 반복 계산의 번거로움이 있기 때문에 법에서 나-NTUЄ

오는 무차원수 은 법에서 나오는 무차원수 은 보다 열역학적( ), NTU, R LMTD P,R Fε

의미를 명확하게 나타내는 변수이다 투자비를 최적화하려면 전열 면적의 증가에.

따라 오일 냉각기의 성능이 얼마나 증가하는가를 알아야하므로 법으로는-NTUЄ

용량 비에서 의 증가에 따른 의 증가 성향에서 쉽게 알 수 있다NTU .ε

전열판 혼합 과 패스 수의 구성- (plate mixing)

- 45 -

화학공업에서 설계되는 주름진 모양의 판 형태로 얕은 주름이 판의 가로축 방향으

로 경사가 있고 인접 판도 이 각도에 맞추어 주름이 있어 덧붙이게 되며 이 구조는

인접 판과 접합시켰을 때 피크와 피크가 접착되기 때문에 얇은 판일지라도 심한 변

형이 없으며 유체가 유동할 수 있는 공간이 있기 때문에 압력차가 커도 문제가 된

다 이 주름은 이라 부르는 경사 각도 를 가지고 있으며. Chevron angle( ) (65°~25°)β

이 각도는 전열 특성과 압력손실에 큰 영향을 주며 작은 샤브론 각을 가지는 전열

판은 상대적으로 높은 전열과 높은 압력 손실이 있으며 이를 판이라 부르고Hard

큰 샤브론 각을 가지는 판은 반대로 낮은 전열과 작은 압력 손실이 있으며 이를

판이라 한다 최적의 설계 목적 상 열전달 계수와 압력 손실을 중간으로 하여Soft .

판과 판을 같이 사용할 수 있다 오일 냉각기의 패스 수 란 같은 방향의Soft Hard .

유동을 갖는 채널들의 그룹을 말하며 판형 오일 냉각기의 경우는 여러 유로 구성을

자유로이 선정할 수 있다.

는 열평형과 열전달 계수 식으로 유도할 수 있다NTU(number of transfer unit) .

전형적인 재질 및 열전도도전형적인 재질 및 열전도도전형적인 재질 및 열전도도전형적인 재질 및 열전도도Table. 1.9 plateTable. 1.9 plateTable. 1.9 plateTable. 1.9 plate

- 46 -

오일 냉각기 유로 구성오일 냉각기 유로 구성오일 냉각기 유로 구성오일 냉각기 유로 구성Fig. 1.11Fig. 1.11Fig. 1.11Fig. 1.11

전형적인 판 치수전형적인 판 치수전형적인 판 치수전형적인 판 치수Table. 1.10 (mm)Table. 1.10 (mm)Table. 1.10 (mm)Table. 1.10 (mm)

- 47 -

Fig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D PlateFig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D PlateFig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D PlateFig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D Plate

유동 채널-

유동 채널의 상당직경(equivalent diameter) De에 대한 관계식은

로 주어지는 증명되지 않은 식이며 원통형 관의 경우 층류 에서는(Laminar flow)

부정확하다 원통형 튜브가 아닌 경우에서는 압력 손실을 예측하는데 가장 근접한.

레이놀즈 값을 구할 수 있으며 판형 오일 냉각기에서 이 방법을 사용하여 구할 수

있다 판 폭. (Lw 과 길이) (Lv 그리고 평균 판 을 가지고 평균 유압유의 직경) Gab(b)

을 계산하는 방법은 다음과 같다.

주름진 판의 면적 (A1 과 펼쳐진 면적 즉 투영된 면적) (projected) (A1p 과의 관계로)

계산하면 다음과 같다.

×

- 48 -

는 약 정도 인데 일반적으로 평균 을 적용한다 채널에서 유속1.15 ~ 1.3 1.17 .Φ

는 판으로 흐르는 유량 를 평균 단면적(u) Gc (× 으로 나눈 것이 된다) .

채널은 개스킷을 사이에 두고 두 판에 의해 형성된 유로이며 주름진 면적의 전면적

은 복잡하여 채널 간극 는 다음과 같이 정의 한다(b) .

Fig. 1.13 Gasket supportFig. 1.13 Gasket supportFig. 1.13 Gasket supportFig. 1.13 Gasket support

는 판의 피치이고 는 판의 벽두께 혹은P S (ts 이다 채널 간극 는) . (b) 1.5 mm ~5 mm

까지 사용되며 레이놀즈수를 계산하는데 이용되는 매우 중요한 값이지만 특별히 요

구하지 않으면 제작자가 값을 제공하지 않기 때문에 판팩 의 압축(b) (Plate Pack)

된 상태에서 길이 (Lc 로부터 판 피치 를 구한다) (P) .

Nt는 전체 판의 수이다 유체 유동의 유효 길이는 특별한 언급이 없으면. Leff = Lv로

가정한다 또 전체 판의 수. (Nt 패스 수), (Np 채널 수), (Ncp 사이에는 다음과 같은)

관계식이 성립한다.

열전달에 직접 사용되는 판의 수는 가 되며 끝부분의 개의 판들은2

판과 접한다Head .

- 49 -

판 팩에서 평균 온도 보정 계수 오염 계수 청결 계수 및 열전달 계2) (Fig. 1.14), ,

수 열전달 장치의 성능 분석과 설계 시 대수 평균 온도에서 열 부하 는 다음과(Q)

같이 주어진다.

온도차 보정계수 유로 구성 등등온도차 보정계수 유로 구성 등등온도차 보정계수 유로 구성 등등온도차 보정계수 유로 구성 등등Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )

온도 보정 계수-

값은 일정하고 유동 분포는 등분포이며 판 사이의 흐름은 플러그 유동이 형성 된u

다는 가정 하에서 유로마다의 양 유체 유량 비 즉 판 양측을 흐르는 유량 비1 ,

경우에 적용할 수 있다고 되어 있으며 양 유체가 같은 수의 팩스일 때0.6 ~ 1.5

보정 계수 는 크며 가 상대적으로 작을 때 아주 중요하다 축의 열이F , Approach . χ

동 단위 수(NTU)max는 다음 식으로 정의 되는 (NTU)A, (NTU)B가운데 큰 쪽 수치를

취한다 즉.

(NTU)A (NTU)≥ B 일 때

(NTU)max=(NTU)A

(NTU)B (NTU)≥ A 일 때

(NTU)max=(NTU)B

(NTU)A=(AU)/(wc)

(NTU)B=(AU)/(WC)

- 50 -

온도차 보정 계수를 사용하면

는 열전달량 전열 면적Q, A, U (kcal/hr), (m2총괄 열전달 계수) (kcal/m

2이다hr ) .

실제는 실험적인 접근방법이 더 정확하다 단일 패스에서 끝 효과에 대한 보정은.

팩에서 끝 판 두개는 전열 판이 아니기 때문에 보정이 필요하다.

단일 패스로 조업 시 판에 대한 보정단일 패스로 조업 시 판에 대한 보정단일 패스로 조업 시 판에 대한 보정단일 패스로 조업 시 판에 대한 보정Fig. 1.15 EndFig. 1.15 EndFig. 1.15 EndFig. 1.15 End

오염계수-

판형 오일 냉각기에서 오염 계수는 민감하기 때문에 더욱 더 중요한 요소가 되는데

냉각수 냉각수에서 전형적인 청결 총괄 열전달계수/ Uc값은 튜브 형태의 오일 냉각

기에서 500(but/hr ft2

판형 오일 냉각기에서는 이다 판형 오일 냉각기는), 1000 .

고급재질을 사용하며 높은 난류 효과와 주름에 의해 생기는 높은 벽 전단 효과 때

문에 동일 조건의 튜브 형태의 오일 냉각기의 에 불과하므로 보정 없이 사용해1/5

서는 안 되며 유속의 효과는 튜브 형태의 오일 냉각기의 튜브 측과 셸 측에 비교할

수 없기 때문에 단지 다음과 같이 정의 되는 전단 효과에 의해서만 비교 될 수 있

다.

판형 오일 냉각기 경우 물의 유속이 일 때 튜브 측에서 유속이0.5 m/s f=0.5 2m/s

일 때 이다 따라서 튜브에서f=0.007 . τw = 14N/m2

판형 오일 냉각기에서, τ

w=62.5N/m2가 된다.

- 51 -

판형 오일 냉각기는 높은 마찰 계수 때문에 튜브 측에서 가량의 유속으로1/4 4.5

배정도의 전단 응력 값을 갖게 된다.

청결 계수-

청결 계수는 열전달식에서 양 유체의 오염 저항 값 Rf1과 Rf2를 적용한 총괄 열전달

계수와 청결 상태의 열전달 계수가 심하지 않은 냉각수 냉각수에 주로 많이 사용하-

지만 공학적인 관점에서 여러 유체가 사용되므로 다양한 범위의 유속을 필요로 하

므로 청결 계수의 사용은 부정확한 결과를 초래할 수도 있다.

청결한 상태의 총괄 열전달 계수 Uc는

청결계수 Cf는 다음과 같이 정의 된다.

즉 유효 전열 면적 Ae에 대한 안전 계수의 역할을 하게 된다.

라 하면

Cf는 단지 Uc가 일정할 때의 안전 계수를 나타낸다.

유속의 증가로 Uc가 증가되면 같은 청결 계수라 할지라도 오염 저항은 감소하게 된

다.

판형 오일 냉각기에 관한 오염 자료는 아직까지 발표된 적이 없지만 실험적으로 온

도가 대략 조건 유속 일 때 오염 저항은 에서75 ( 1.5ft/s) (fouling) 0.0001

0.00015(hr ft2

나타나며 표는 최적 조건에서 최소 오염 저항과 높은 벽 온/Btu)

도일 때 또한 다량의 입자가 함유 시 같은 최악의 조건에서 예상되는 오염저항을,

보여주며 사용자는 오염 저항을 높게 설정하는 것은 비용이 비싸진다는 것과 허용

압력 손실을 최대로 사용하였는데도 유속이 낮은 경우는 오염 저항이 커진다는 것

을 알아야 한다.

- 52 -

판형 오일 냉각기의 오염 계수판형 오일 냉각기의 오염 계수판형 오일 냉각기의 오염 계수판형 오일 냉각기의 오염 계수Table. 1.11Table. 1.11Table. 1.11Table. 1.11

- 53 -

총괄 전달계수에 대한 청결 계수총괄 전달계수에 대한 청결 계수총괄 전달계수에 대한 청결 계수총괄 전달계수에 대한 청결 계수Fig. 1.16 CFig. 1.16 CFig. 1.16 CFig. 1.16 Cffff

열전달 계수-

판형 오일 냉각기는 제작자가 선정한 크기 포트 지름 판의 길이와 폭 와 주름의( , , )

형태 중에서 요구되는 공정 조건을 맞추어 선정하여(Chevron angle, Groove type)

야 하는 단점이 있으며 사용자가 제작자의 견적을 검토하거나 현재의 오일 냉각기

에 판의 수를 변화시켜 새로운 공정상에 전열 요구량이 적합한지를 검토할 시는 사

용자도 판형 오일 냉각기 설계를 이해할 필요가 있다.

성능 추정 방법을 위한 추정 조건으로는 단일 위상의 뉴턴 액체이거나 기체 샤“ ”, “

브론 패턴 판 좌우 대칭 유동 시스템 두 유체를 동일한 채널(25° < <65°)”, “ ”, “β

에 사용할 때 이고”, “1.0 < Re < 10 0.1 < ( /μ μw 인 경우 이다) < 10 ” .

열평형 상태 에서 유체 에 대한 열부하 는 다음과 같은 관계식(heat balance) 1,2 Q

으로 정의 된다.

실제 깨끗한 상태와 오염 상태에서 얻을 수 있는 전열량은 다음과 같이 표현되며

- 54 -

Ae는 유효 전열 면적 즉 한 총 전열 면적(Nt-2) Uc와 Uf 그리고 청결 계수

(Cleanliness factor Cf 와의 관계는)

향류에서 평균 온도 차 T m은 와 같다LMTD .

T h와 T c는 가열 측과 수열 측의 최종 온도차이며 다중패스인 경우 유동이 바뀌

는 부분에서 병류가 되지만 판의 수가 많은 경우에는 크게 영향을 받지 않는다 판.(

개 이상15 )

오일 냉각기 와 계수오일 냉각기 와 계수오일 냉각기 와 계수오일 냉각기 와 계수Fig. 1.17 Plate j fFig. 1.17 Plate j fFig. 1.17 Plate j fFig. 1.17 Plate j f

전열 관계식에 대해 살펴보면 각각의 판 설계에서 열전달 특성을 설명하는데 판,

표면의 평균 열전달 계수로 설명하며 평균 열전달 계수 는 강제 대류에서 사용된(h)

식들을 적용할 수 있다.

- 55 -

즉 뉴턴 유체에서

, Cρ p 는 밀도 비열 점도 열전도도 특성을 나타낸다 앞에서 정의한 상당직, , k , , , .μ

경(equivalent diameter, De 을 사용하여 무차원 해석을 하여 보면)

판형 오일 냉각기에서 뉴셸수 는 레이놀즈 수 프랜틀 수 그리고 점도(Nu) (Re), (Pr)

분포 만 관계된 것 이 아니라 주름의 경사각에도 많은 영향을 받는다 그러나 주름.

각 는 수에 종속 되므로 다음 식으로 요약할 수 있다Re .β

판 채널에서 복잡한 유동 모양은 주름의 모양 형태 그리고 샤브론 각 깊이 등에, , ,

영향을 받기 때문에 정확한 값을 얻기 위해서는 각 판마다 고유의 성능 곡선이 필

요하며 실험의 결과에서만 얻을 수 있다.

Pr 대한

Gc는 하나의 채널에서 질량 속도

Ncp, b, Lw, De는 각각 패스 당 채널 수 채널 간극 판 유효 폭 채널의 상당, , (m),

직경 이다(m) .

Jnu 는 각각 앞 그림에서 를 가지고 찾는 계수이고 열전도도, k Re , (kcal/mhr )

- 56 -

하나의 채널에서 유속 계산 방법은 앞에서 설명하였으며 다음과 같이 구한다.

채널에서 일반적인 유속은 범위에 있는 것이 가장 적합하다 전형0.25 ~ 2.5 m/s .

적인 의 지수는 이고 점도분포는 의 값을 갖는다 성능 추Pr 0.3 ~ 0.4 0.14 ~ 0.2 .

정방법은 여러 형태의 판에 따라 다르다.

파형 삼각 평행판형 판-

단) 0.0049 D≤ e 0.0127[m]≤

삼각 평행판형 판-

단) 0.00286 D≤ e 0.0126[m]≤

부등변 삼각 평행판형 판-

단) 0.006 D≤ e 0.014[m]≤

- 57 -

난류 일때Re>1000①

Pr

사의 판APV②

층류일 때Re<70 ,

Pr

난류일 때Re>1000 ,

Pr

사의 판De-Laval③


Pr


Pr

사의 판Resenblad Herring bone④


Pr


Pr

압력 손실3)

판에서의 압력 손실-

채널의 구조가 너무 복잡하기 때문에 유체 유동에 대한 방정식의 정확한 해답은 없

으므로 차원 분석을 위해 변수를 줄이고 실험으로 관계식을 얻는다.

∆

만일 상당직경 De와 판 길이 를 안다면 이 문제는 팬의 마찰계수 와 수로(L) (f) Re

줄일 수 있다.

- 58 -

각 판 형태는 고유의 마찰 계수와 수에 밀접한 관계식을 갖는 이유는 중심부의Re

주름 모양이 변수가 때문이며 기본 모양인 이 있으며 판Ribbed, Chevron Ribbed

에서는 의 형태가 특성에 영향을 주며 샤브론 판에서는 주름의 경사Ribbing f-Re

각도가 압력 손실에 근본적인 변수가 되며 이들 두 형태의 판형 오일 냉각기는 다

음 형태의 식이 사용된다.

와 는 유동 지역 난류 천이 층류 에 따라 값이 변한다 판 대다수가 샤브론형A B ( , , ) .

이 사용되고 있고 이에 대한 관련 식은(Chevron type)

패스의 판에서 압력 손실은N

포트에서의 압력 손실-

하나의 패스 중의 어느 한 채널에서 유동은 입 출구 포트에서 압력 분포로 결정되.

는데 포트에서 압력 분포는 포트로 들어오고 나가는 유체의 마찰 저항과 채널 유동

에서 운동량 변화 등에 달려 있다 주의할 점은 설계 시 가능한 압력 손실을 작게.

설계해야 잘못되는 유량의 분포 효과를 최소화 할 수 있다 포트의 압력 손실은 채.

널에서 속력의 배 정도로 추정되는데 잘 설계된 판형 오일 냉각기라면 전Head 1.4

체 압력 손실의 이내에 들지만 이런 압력 손실은 드문 일이고 아주 높은 경우10%

는 전체 압력 손실의 까지도 올라 갈 수 있다25% .

- 59 -

Gp 포트에서 질량 속도: (Kg/s.m2)

Dp 포트의 직경: (m)

전체 압력 손실은

유효 샤브론 각 값 결정- (chevron Angle) β

유효 샤브론 각 값을 통해 와 를 구할 수 있는데 제작자가 명시j-factor j-factorβ

할 때도 있지만 거의 명시하지 않는다 제작되어 있는 경우 판에서 직접 측정하면.

된다 견적 시 값이 제공되지 않는다면 아래와 같은 방법으로 추정한다 제작자. .β

는 반드시 전체 압력 손실을 제공해야 하며 때로는 포트에서 압력 손실을 구하여

전체 압력 손실에서 포트 압력 손실을 뺀 다음 압력 손실을 가지고 반대로 를 계f

산할 수 있다.

수를 알고 있다면 에서 와 수에 의한 값을 추출할 수 있다 동일Re Fig. 1.16 j Re .β

한 판 을 사용한 장치에는 실제 값이 되고 채널 혼합 이나(plate) (channel mixing)β

혼합 판 에서는 유효 샤브론 각이 있다 만일 샤브론 각 을 알고 있(mixed plate) . ( )β

는 판을 사용하여 혼합 채널이나 채널 혼합인 경우 다음 방법으로 가중 평균 각, β

을 구할 수 있다.

Nχ : chevron angle βχ인 수plate

Ny : chevron angle βy인 수plate

: chevron angleβ

- 60 -

자 공랭식 판형식 및 수냉식 오일 냉각기의 장단점자 공랭식 판형식 및 수냉식 오일 냉각기의 장단점자 공랭식 판형식 및 수냉식 오일 냉각기의 장단점자 공랭식 판형식 및 수냉식 오일 냉각기의 장단점. ,. ,. ,. ,

공기는 자원이 풍부하여 언제 어느 곳에나 사용 가능하기 때문에 많은 부분을 공기

로 냉각하므로 부족한 물은 더 효과적인 곳에 이용할 수 있다 만약 냉각탑을 사용.

하여 냉각수를 재순환시킨다 하여도 전순환의 정도는 계속하여 새로 공급되어4%

야 한다 공랭식은 수냉식에서 필수적인 냉각수처리 시설 펌프 냉각탑 등 등 에 투. ( , )

자되는 비용과 공간을 절약할 수 있고 플랜트의 크기 위치 등은 물로 냉각시키는,

것보다는 다소 적게 제한을 받는다 또 공기는 부식성이 적기 때문에 오일 냉각기.

의 재질 선정에도 보다 단순하고 비용이 저렴하다 수냉식의 경우는 과다한 규모의.

방지를 위하여 물의 출구 온도는 늘 최대 이하를 유지시키는데 이는 허용할 수50

있는 벽 온도와 물 온도의 상승치를 제한하게 된다 수냉식보다는 공기냉각이 오염.

도 작고 부식문제도 덜 심각하다 그러므로 공랭식 오일 냉각기에서 제작할 자재는.

단지 튜브 벽 온도만 제한을 하며 공기 측의 오염은 고려하지 않아도 큰 문제가 되

지 않는다 그러나 수냉식에 형성되는 물 때 부식 오염 등은 공랭식과는 대조되는. , ,

문제 중의 하나이다.

공기 측의 오염은 무시되기 때문에 차단 시간이 거의 요구되지 않으며 대부분의,

냉각기는 공기로 청소할 수 있고 작동하는 동안 증기 등으로 청소할 수 있다 공정.

유체는 튜브 안으로 흐르기 때문에 청소는 단순하고 비용이 적게 드는 값싼 장비로

할 수 있으며 대략 작동과 유지비용은 수냉각의 약 정도이다 요약하면, 1/4 . ,

공랭식 오일 냉각기의 장단점①

공기의 양은 무한하며 특별한 사전 처리가 요구되지 않는다- .

공장 위치 선정 시 물은 양과 질에 따라 제한을 두지만 공기는 제한을 두지 않는-

다.

공기는 거의 부식성이 없으며 오염 때문에 청소를 할 필요가 없다 그러나 물은- .

주기적으로 오염을 제거해 주어야 제 성능을 얻을 수 있다.

전체적으로 공랭식 오일 냉각기의 작동 비용이 수냉식 오일 냉각기보다 싸다- .

공랭식 오일 냉각 시스템의 유지비는 수냉식 오일 냉각 시스템보다- 20% ~ 30%

정도 싸다.

- 61 -

판형 오일 냉각기의 장 단점,②

수냉식 오일냉각기는 실제 온도 접근치가 이상 되어야 하는 반면에 판형 오- 5 ,

일 냉각기의 온도 접근치가 가지 낮아도 가능하기 때문에 열 회수용으로 아주1

이상적이다.

오염 계수는 유체의 짧은 잔류 시간과 높은 난류 효과 그리고 국부적으로 유속- ,

이 낮은 지역이 없기 때문에 수냉식 오일 냉각기보다 정도의 아주 작은값을 적1/5

용한다.

용접을 하지 않는 간단한 구조로 되어 있기 때문에 보전과 정비를 위해 분해가-

쉽고 단위 부피당 넓은 전열 면적을 가지고 있으면서도 매우 정교하고 가벼워 취,

급하기도 쉽다.

작동 시에는 유체 잔류 시간이 짧아 조절 기능이 빠르며 넓은 전열 면적을 가질-

수 있다.

압력 손실은 복잡한 채널 구조로 인하여 판 내의 전단 특성이 유발하기 때문에-

완전 난류의 경우 마찰 계수는 크지만 채널이 짧고 유속이 낮기 때문에 수냉식 오,

일 냉각기의 감도와 같은 합리적인 압력 손실이 발생한다.

높은 전단 특성 때문에 증기의 분율 이 크고 작동 압력이 낮은- (vapour fraction)

이상유동 시에는 적합하지 않으나 일정한 압력 에서 증기를 압, (moderate pressure)

축한다거나 또는 다른 특정한 이상 부하 에서 적절하게 적용할 수(multiphase) (duty)

있다.

수냉식 오일 냉각기의 장단점③

공기는 비열이 작고 건조한 지구 온도에 종속되기 때문에 공기 온도 보다 낮은-

공정 유체는 냉각시킬 수 없지만 물은 공기보다도 낮은 온도까지 냉각시킬 수 있,

다.

공기 냉각 방식은 공기의 낮은 비열과 열전달 계수 때문에 큰 전열 면적이 필요-

하지만 수냉각 방식은 공랭식 보다는 작은 전열 면적이 요구된다.

공기는 계절적인 온도 변동으로 오일 냉각기의 성능에 큰 영향을 주지만 물은 계-

절적인 변동이 작아 덜 민감하다.

공랭식 오일 냉각기는 공기의 순환을 위하여 설치장소의 인접장치 등에 제한을-

받지 않는다.

- 62 -

의 시험기준 개발의 시험기준 개발의 시험기준 개발의 시험기준 개발2. Fan Cooler (Test Cord)2. Fan Cooler (Test Cord)2. Fan Cooler (Test Cord)2. Fan Cooler (Test Cord)

가 시험기준 개발가 시험기준 개발가 시험기준 개발가 시험기준 개발....

적용 범위적용 범위적용 범위적용 범위1)1)1)1)

가 냉각 능력 이하) : 233 kW

나 통과 최대 유량 이하) : 1000 /minℓ

다 오일 최고 온도 이하) : 120

라 오일 최고 압력 이하) :1.0 MPa

인용 규격인용 규격인용 규격인용 규격2)2)2)2)

다음에 나타내는 규격은 이 기준에 인용됨으로써 이 기준의 규정 일부를 구성한다.

이러한 인용 규격은 그 최신판을 적용한다.

KS B 6230KS B 6230KS B 6230KS B 6230 다관 원통형 열 교환기

SAE J 1597SAE J 1597SAE J 1597SAE J 1597 Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers for

Pressure - Cycle Durability


Thermal - Cycle Durability


Durability Under Vibration-Induced Loading


Heat Transfer Performance

SAE 880713SAE 880713SAE 880713SAE 880713 Technical Paper Series

SAE J 343SAE J 343SAE J 343SAE J 343 Tests and Procedures for Hydraulic Hose Assemblies

BS EN-1048BS EN-1048BS EN-1048BS EN-1048 Heat Exchangers Test methods for establishing the Performance

BS EN-1117~8BS EN-1117~8BS EN-1117~8BS EN-1117~8 Heat Exchangers Test methods for establishing the

performance

BS EN-308BS EN-308BS EN-308BS EN-308 Heat Exchangers Test procedures for establishing the performance

DIN EN-1048DIN EN-1048DIN EN-1048DIN EN-1048 Heat Exchangers

ASHRAE STD-24-2000ASHRAE STD-24-2000ASHRAE STD-24-2000ASHRAE STD-24-2000 액체 냉각기 냉동 능력 시험 방법

MIL-sTD-810FMIL-sTD-810FMIL-sTD-810FMIL-sTD-810F Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests

- 63 -

정 의정 의정 의정 의3)3)3)3)

가 열 교환량가 열 교환량가 열 교환량가 열 교환량)))) 의 성능을 나타내는 것으로 총괄 열전달 계수 와 전열Fan Cooler (U)

면적 및 유온과 냉각수의 대수평균 온도차 의 곱으로 나타낸다(A) ( t) .

나 전열면적나 전열면적나 전열면적나 전열면적)))) 오일과 냉각수 간의 실제연전달이 일어나는 튜브의 표면적으로서 전

열면적은 A [m2

로 표시한다] .

다 총괄열전달계수다 총괄열전달계수다 총괄열전달계수다 총괄열전달계수)))) 열교환 계수로서 U[W/m2

로 표시한다] .․

라 오일의 압력차라 오일의 압력차라 오일의 압력차라 오일의 압력차)))) 의 오일 입출구 쪽에서 측정된 순환오일의 압력차로Fan Cooler ․

한다.

마 오일의 온도차마 오일의 온도차마 오일의 온도차마 오일의 온도차)))) 의 오일 입출구 쪽에서 측정된 순환오일의 온도차로Fan Cooler ․

한다.

바 외부 누설바 외부 누설바 외부 누설바 외부 누설)))) 내부에서 외부 대기 로 오일이나 냉각수가 누출되는 현상을 말한다( ) .

누설누설누설누설 내부에서 외부 대기 로 오일이나 냉각수가 누출되는 현상과 내부 전열관 에서( ) ( )

내부 원통 로 냉각수가 누설되어 오일과 냉각수가 혼합되는 현상을 말한다( ) .

사 고 장사 고 장사 고 장사 고 장)))) 제품의 성능이 규정된 규격을 벗어나 기대된 기능을 발휘할 수없는 상태

를 말한다.

아 고장율아 고장율아 고장율아 고장율)))) 고장율이란 부품이 어떤 기간 동안 고장 없이 동작한 뒤 계속되는 단,

위시간내에 고장을 일으키는 확률을 말한다.

자 신뢰성 부품이나 시스템이 주어진 환경에서 고장 없이 일정기간 동안 원래의)

성질을 유지하는 특성을 말한다.

차 와이블 해석차 와이블 해석차 와이블 해석차 와이블 해석) (Weibull)) (Weibull)) (Weibull)) (Weibull) 고장과 관련하여 널리 사용되는 해석 방법으로 일반적인

수명분포를 해석하는데 편리하게 고안된 것으로 형상 모수에 따라 고장 확률 밀도

함수를 다르게 나타낸다.

카카카카) B) B) B) B10101010 수명수명수명수명 전체 대상의 가 고장이 발생하는 시점의 수명: 10%

- 64 -

구조 및 종류구조 및 종류구조 및 종류구조 및 종류4)4)4)4)

가 구조가 구조가 구조가 구조))))

의 냉각 부분은 오일이 순환하는 다수의 전열관을 장치한 관속 과Fan Cooler ( )管束

으로 되어 있으며 전열관 외면에 공기를 강제 통풍시켜서 내부 유체를 냉각시Fan ,

키는 구조의 열교환기로 오일 입구 및 출구는 테이퍼 나사이음 또는 플랜지 이음으

로 하며 주요 부품의 명칭은 과 같다Fig. 2.1 .

의 구조 및 주요 명칭의 구조 및 주요 명칭의 구조 및 주요 명칭의 구조 및 주요 명칭Fig. 2.1 Fan CoolerFig. 2.1 Fan CoolerFig. 2.1 Fan CoolerFig. 2.1 Fan Cooler

나 종 류나 종 류나 종 류나 종 류))))

의 종류는 크기와 냉각 열량에 따라 과 같이 구분한다Fan Cooler Table. 2.1 .

의 종류의 종류의 종류의 종류Table. 2.1 Fan CoolerTable. 2.1 Fan CoolerTable. 2.1 Fan CoolerTable. 2.1 Fan Cooler

- 65 -

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법5)5)5)5)

의 성능 내환경성 수명시험에 필요한 시료는 제조공정을 대표할 수 있Fan Cooler , ,

는 최소의 개수로 하며 가장 최근에 동일한 생산 공정에서 제작된 제품에 대하여,

개의 시료를 발췌한다4 .

종합성능 평가기준종합성능 평가기준종합성능 평가기준종합성능 평가기준6)6)6)6)

종합성능 시험의 시험항목별 평가기준종합성능 시험의 시험항목별 평가기준종합성능 시험의 시험항목별 평가기준종합성능 시험의 시험항목별 평가기준Table. 2.2Table. 2.2Table. 2.2Table. 2.2

내환경성 평가기준내환경성 평가기준내환경성 평가기준내환경성 평가기준7)7)7)7)

가 진동시험가 진동시험가 진동시험가 진동시험))))

는 의 나타낸 조건에서 진동시험의 규정에 따라 시험 후 실Fan Cooler Table. 2.3

시한 대표 구간 냉각성능시험에서 성능저하가 이내이어야 한다5% .

진동시험 조건진동시험 조건진동시험 조건진동시험 조건Table. 2.3Table. 2.3Table. 2.3Table. 2.3

- 66 -

나 습도시험나 습도시험나 습도시험나 습도시험))))

의 모든 부품은 사용 중 쉽게 부식되지 않아야 한다 습도시험의 규정에Fan Cooler .

의해 시험했을 때 외관손상 부식 균열 등 이 업어야하고 시험 후 실시한 대표 구, ( , ) ,

간 냉각성능 시험에서 성능저하가 이내이어야 한다5% .

내환경성 시험의 평가기준은 와 같다Table. 2.4 .

내환경성 시험의 시험항목별 평가기준내환경성 시험의 시험항목별 평가기준내환경성 시험의 시험항목별 평가기준내환경성 시험의 시험항목별 평가기준Table. 2.4Table. 2.4Table. 2.4Table. 2.4

수명 평가기준수명 평가기준수명 평가기준수명 평가기준8)8)8)8)

가 수명시험가 수명시험가 수명시험가 수명시험))))

수명 시험의 시험항목별 평가기준수명 시험의 시험항목별 평가기준수명 시험의 시험항목별 평가기준수명 시험의 시험항목별 평가기준Table. 2.5Table. 2.5Table. 2.5Table. 2.5

- 67 -

종합성능 시험방법종합성능 시험방법종합성능 시험방법종합성능 시험방법9)9)9)9)

가 냉각성능가 냉각성능가 냉각성능가 냉각성능))))

오일의 입구온도는 로 한다- 55±5 .

튜브의 오염계수는 이하로 한다- 0.0002 .

나 전 구간 냉각성능나 전 구간 냉각성능나 전 구간 냉각성능나 전 구간 냉각성능))))

냉각성능은 의 오일 유량을 변화시켜 각 해당조건에서 오일 입력부의Fan Cooler

유체 온도와 출력부의 유체 온도 유량을 측정하여 시험한다 이때 와 같, . Fig. 2.2

이 오일과 냉각수의 유량을 최고 각각 로 분할하는20%, 40%, 60%, 80%, 100% 5

지점에서의 냉각 성능을 구한다 냉각성능 은 에서 계측된 냉각 능력. ( ) Oil Coolerη

(Qa 을 이론냉각 능력) (Qth 으로 나눈 것으로서 다음 식에 의하여 산출한다) .

×

Qth=U A ( t)․ ․ m

Qth=G0 C․ p0 (t․ 01-t02)=Ga C․ pa (t․ a2-ta1)

여기에서

총괄열전달계수U : [W/m2

]․

전열면적A : [m2]

( t) m 양 유체의 대수평균온도차: [ ]

G0 오일 유량: [kg/h]

Cp0 오일 비열: [J/kg ]․

t01 오일 입구온도: [ ]

t02 오일 출구온도: [ ]

Ga 공기 유량: [kg/h]

Cpa 공기 비열: [J/kg ]․

ta1 공기 입구온도: [ ]

ta2 공기 출구온도: [ ]

- 68 -

다 대표 구간 냉각성능다 대표 구간 냉각성능다 대표 구간 냉각성능다 대표 구간 냉각성능))))

대표 구간 냉각성능은 의 성능저하를 계측하기 위한 시험으로서 시험한Fan Cooler

다 이 때 과 같이 오일의 유량을 최고 각각 로 분할하는 지점. Fig. 2.3 80%, 100% 2

에서의 냉각 성능을 구한다.

전 구간 냉각성능 시험 지점 대표 구간 냉각성능 시험 지점전 구간 냉각성능 시험 지점 대표 구간 냉각성능 시험 지점전 구간 냉각성능 시험 지점 대표 구간 냉각성능 시험 지점전 구간 냉각성능 시험 지점 대표 구간 냉각성능 시험 지점Fig. 2.2 Fig. 2.3Fig. 2.2 Fig. 2.3Fig. 2.2 Fig. 2.3Fig. 2.2 Fig. 2.3

라 성능시험회로라 성능시험회로라 성능시험회로라 성능시험회로))))

성능시험회로는 에 따른다Fan Cooler Fig. 2.4 .

의 성능시험회로의 성능시험회로의 성능시험회로의 성능시험회로Fig. 2.4 Fan CoolerFig. 2.4 Fan CoolerFig. 2.4 Fan CoolerFig. 2.4 Fan Cooler

- 69 -

마 오일 압력 손실마 오일 압력 손실마 오일 압력 손실마 오일 압력 손실))))

의 오일 측 입구압력이 최고압력이 되도록 한 상태로 조정하고 최대유Fan Cooler ,

량으로 공급하면서 오일 입구 측과 출구 측의 압력을 분 동안 각각 측정한 후, 2 ,

최대 입구 및 출구의 압력차를 압력 손실 값으로 정한다.

바 오일측 내압성바 오일측 내압성바 오일측 내압성바 오일측 내압성))))

오일 출구를 막고 입구 측에 오일 최고 사용압력의 를 되도록 한 상태로150% 15

분간 유지한 후 육안으로 누유 나사부분의 헐거움 튜브의 영구변형 부품의 파괴, , , ,

여부를 검사한다.

내환경성 시험방법내환경성 시험방법내환경성 시험방법내환경성 시험방법10)10)10)10)

가 진동시험가 진동시험가 진동시험가 진동시험))))

를 실제 사용 조건 또는 이와 동등한 조건으로 장착하고Oil Cooler MIL-STD_810F,MIL-STD_810F,MIL-STD_810F,MIL-STD_810F,

방법방법방법방법 514.5514.5514.5514.5에 따라 시험을 실시하여 진동시험의 조건을 만족하는지 확인한다. Oil

는 의 시험수준 조건으로 직교 좌표상의 축 방향에 대해 유사 정Cooler Table. 2.3 z

현파 진동시험을 시간동안 실시한다 시험 후 대표 구간 냉각성능시험을 실시하여4 .

성능을 계측한다.

나 습도시험나 습도시험나 습도시험나 습도시험))))

를Oil Cooler 방법방법방법방법MIL-STD_810F, 507.4MIL-STD_810F, 507.4MIL-STD_810F, 507.4MIL-STD_810F, 507.4에 따라 시험한다.

환경시험장비 내에 시험품목이 설치된 상태에서 온도 상대습도, 25±3 , 50±①

로 시간 동안 유지한다 조절시간5 24 ( ).

온도 상대습도 로 환경조건을 조정한다30±3 , 85±4 .②

온도 상대습도 환경에 시간 유지하고 환경조건을 온도45±3 , 95±4 6 ,③

상대습도 로 낮추어 이 환경에 시간 유지하는 것을 주기로 하30±3 , 85±4 16 1

여 주기 동안 반복하였을 때 외관손상 변색 부식 변형 등 이 없어야 한다, 10 ( , , ) .

상온에서 대표 구간 냉각성능시험을 실시하여 성능을 계측한다.④

- 70 -

습도 시험 주기습도 시험 주기습도 시험 주기습도 시험 주기Fig. 2.5Fig. 2.5Fig. 2.5Fig. 2.5

수명 시험수명 시험수명 시험수명 시험11)11)11)11)

가 파열 시험가 파열 시험가 파열 시험가 파열 시험) (Burst Test)) (Burst Test)) (Burst Test)) (Burst Test)

파열 시험용 시료를 파열압력 시험장비에 수평으로 설치하고 시료에 유Fan Cooler

압유를 가득 채운 후 가 파손될 때까지 서서히 압력을 증가시킨다 이때, Oil Cooler .

최소 파열압력 최고 사용압력의 까지의 가압은 분 이상 기울기로 한다 시( 250%) 1 .

험용 의 개 모두 최소 파열압력에 도달하기까지 균열 및 파열 등의 이Fan Cooler 2

상이 없어야 한다 시료는 오일측 내압성 시험 을 종료한 것을 사용해. (Proof Test)

도 된다.

나 충격 압력 시험나 충격 압력 시험나 충격 압력 시험나 충격 압력 시험) (Impulse Test)) (Impulse Test)) (Impulse Test)) (Impulse Test)

의 충격 압력 실험은 가속수명시험으로서 개를 시료로 선정하여 사a) Fan Cooler 2

용한다.

충격 압력 시험 장치는 에 나타낸 압력 파형 및 주파수의 충격을 발생b) Fig. 2.6

하고 이 충격 압력을 시험용 지그의 입구에서 압력센서를 사용하여 측정할 수 있,

어야 한다.

충격 압력 파형의 처음 승압 속도c) 참조참조참조참조[ISO 6803 ][ISO 6803 ][ISO 6803 ][ISO 6803 ]는 로53.75~321.88 MPa/s

하고 최대 충격 압력의 인 점과 최대 충격 압력의 인 점을 직선으로 연결15% 85%

하여 구한다 시험 중 작동유의 온도는 로 유지하고 개의 시료를 동시에. 55±3 , 2

병렬로 장착하고 의 시험압력을 최고 사용 압력의 인 의, Fan Cooler 125% Fig. 2.6

SAE J 1597SAE J 1597SAE J 1597SAE J 1597 충격압력 파형 및 주파수 시험조건으로(1 Hz) 2.6x105

동안 가속cycle)

수명시험을 실시한다.

수명시험 중 성능열화를 확인하기 위해서 와 같이 각각 회 수명 시험d) , Fig. 2.2 5 (

전 시험기간의 에 걸쳐 대표 구간 냉각성능 시험을 행하, 25%, 50%, 75%, 100%)

여 평가기준을 만족하는지 확인한다.

- 71 -

수명시험회로는 에 따른다e) Fan Cooler Fig. 2.7 .

충격압력의 파형 및 주파수충격압력의 파형 및 주파수충격압력의 파형 및 주파수충격압력의 파형 및 주파수Fig. 2.6Fig. 2.6Fig. 2.6Fig. 2.6

수명시험 회로수명시험 회로수명시험 회로수명시험 회로Fig. 2.7Fig. 2.7Fig. 2.7Fig. 2.7

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성능 및 수명시험 장치성능 및 수명시험 장치성능 및 수명시험 장치성능 및 수명시험 장치Fig. 2.8 Fan CoolerFig. 2.8 Fan CoolerFig. 2.8 Fan CoolerFig. 2.8 Fan Cooler

수명시험 중 성능열화 측정 주기수명시험 중 성능열화 측정 주기수명시험 중 성능열화 측정 주기수명시험 중 성능열화 측정 주기Fig. 2.9 Fan CoolerFig. 2.9 Fan CoolerFig. 2.9 Fan CoolerFig. 2.9 Fan Cooler

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나 시험기준에 대한 해설서나 시험기준에 대한 해설서나 시험기준에 대한 해설서나 시험기준에 대한 해설서....

기준 작성의 기본적 방법기준 작성의 기본적 방법기준 작성의 기본적 방법기준 작성의 기본적 방법1)1)1)1)

신뢰성평가기준 작성의 방침은 다음과 같다Fan Cooler .

가 가능한 국제성이 있는 것으로 한다) .

나 신뢰성을 충분히 파악 해석 가능한 시험 방법 안정성을 확보할 수 있는 요구) , ,

성능으로 한다.

다 국가 기준으로의 이행을 전제로 하므로 기술적 수준이 높은 것으로 한다) .

라 필요성이 높은 것으로부터 취급하여 간다) .

신뢰성평가 기준은 냉각능력시험 오일측 내압성시험 냉각수측 내압성Fan Cooler , ,

시험 내환경성 시험 수명시험 등의 시험을 통하여 신뢰성 및 평균수명 변화를 파, ,

악 해석함으로써 의 신뢰성을 보다 정확히 파악하여 평가하는 것을 목Fan Cooler

적으로 한다.

따라서 이 기준의 작성에는 KSKSKSKS 규격과 국제적으로도 권위가 있는 SAE, EN, BS,SAE, EN, BS,SAE, EN, BS,SAE, EN, BS,

DIN, MILDIN, MILDIN, MILDIN, MIL 등의 규격을 참고하여 기준의 구성을 검토하였다.

잠재적 고장 형태잠재적 고장 형태잠재적 고장 형태잠재적 고장 형태2)2)2)2)

의 잠재적 고장형태와 그 영향을 분석해 본 결과 누유와 외관고장으로Fan Cooler ,

분류되며 상세하게 분류하면 씰 파손 튜브손상 커버파손 및 외관 부식 등의 고장, , ,

형태가 있다 초기의 종합 냉각 성능시험과 수명시험 후의 외관특성을 파악하고 냉. ,

각 성능평가시험을 실시하여 수명평가기준에 근거하여 고장여부를 판단하여야 한

다 현재로서는 다른 고장 데이터가 없어 정확한 분석이 어려우며 추후 여러 종류. ,

의 에 대한 고장 데이터를 획득하여 보완하여야 할 것으로 사료된다Fan Cooler .

평가항목의 해설평가항목의 해설평가항목의 해설평가항목의 해설3)3)3)3)

이 시험 방법은 에 대하여 종합성능 내환경성 수명 등의 신뢰성 변화Fan Cooler , ,

를 신상품 상태에서 시작하여 사용 이력 열 이력을 가하여 가는 과정에서 관련되,

는 신뢰성을 파악하고 신뢰성으로서 요구하는 허용 가능한 최저 한도를 나타내는,

것을 목적으로 하였다.

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산업용 의 고장해석 자료산업용 의 고장해석 자료산업용 의 고장해석 자료산업용 의 고장해석 자료4) Fan Cooler4) Fan Cooler4) Fan Cooler4) Fan Cooler

가가가가) FMMA (Failure Mode & Mechanism Analysis)) FMMA (Failure Mode & Mechanism Analysis)) FMMA (Failure Mode & Mechanism Analysis)) FMMA (Failure Mode & Mechanism Analysis)

나나나나) Criticality Matrix Analysis) Criticality Matrix Analysis) Criticality Matrix Analysis) Criticality Matrix Analysis

순서Criticality : (9) (7) (5) (3) (1)※ Ⅰ →Ⅱ →Ⅲ →Ⅳ →Ⅴ

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다다다다) Fault Tree Analysis (FTA)) Fault Tree Analysis (FTA)) Fault Tree Analysis (FTA)) Fault Tree Analysis (FTA)

라라라라) Quality Function Deployment Level) Quality Function Deployment Level) Quality Function Deployment Level) Quality Function Deployment Level ⅠⅠⅠⅠ

(Requirements Versus Failure Mode/Mechanism Matrix)(Requirements Versus Failure Mode/Mechanism Matrix)(Requirements Versus Failure Mode/Mechanism Matrix)(Requirements Versus Failure Mode/Mechanism Matrix)

(3)

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마마마마) Quality Function Deployment Level) Quality Function Deployment Level) Quality Function Deployment Level) Quality Function Deployment Level ⅡⅡⅡⅡ

바 산업용 의 세계 품질 인증 규격 비교바 산업용 의 세계 품질 인증 규격 비교바 산업용 의 세계 품질 인증 규격 비교바 산업용 의 세계 품질 인증 규격 비교) Fan Cooler) Fan Cooler) Fan Cooler) Fan Cooler

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다 무고장 데이터 에 의한 신뢰성 평가 해설다 무고장 데이터 에 의한 신뢰성 평가 해설다 무고장 데이터 에 의한 신뢰성 평가 해설다 무고장 데이터 에 의한 신뢰성 평가 해설. (No Failures). (No Failures). (No Failures). (No Failures)

서론서론서론서론1)1)1)1)

실제로 수명시험을 시행할 때 흔히 겪는 문제의 하나는 관측되는 고장 데이터 수가

매우 적거나 무고장인 경우가 많다는 점이다 이 해설서 에서는 기계류 부품의 수.

명분포로 널리 사용되는 와이블 분포의 무고장 데이터 분석에 대해 설명한다.

데이터 수가 적을 경우 형태 및 철도모수 모두에 대한 추정의 신뢰도는 더욱 떨어

진다.

따라서 여기서는 형태모수 의 값은 알려져 있다고 가정한다 실제로 경험적이나.β

이론적으로 재료의 특성 연구 등 값이 알려져 있거나 어느 정도의 범위 내에 있( ) β

다고 볼 수 있는 경우가 많다 그렇지 않다면 먼저 가능한 값을 추측하여 사용하. β

고 그 값을 변화시켜 가면서 결과를 비교 분석해 볼 수도 있다, .

근거자료근거자료근거자료근거자료----

Nelson W. (1985). Weibull Analysis of Reliability Data with Few or No Failures,

Journal of Quality Technology, Vol. 17, No. 3, pp140-146.

무고장 데이터 발생 상황무고장 데이터 발생 상황무고장 데이터 발생 상황무고장 데이터 발생 상황2)2)2)2)

기계류 부품 중에는 대형 고가의 장비가 많고 수명시험에 소요되는 비용 시험장비, ( ,

에너지 사용료 등 도 다른 전자 전기 등 부품에 비해 월등히 높은 경우가 많다) , .

따라서 총 시험비용과 시간의 계약으로 불가피하게 소수의 시료 또는 만으로(n=1 2)

한정된 시간 동안에 시험을 종료해야 하는 상황이 발생한다.

그 결과 관측되는 고장 수도 극히 적어 대부분의 경우 무고장 고장수 상태에서( =0)

시험이 종료된다 시료수도 극히 적고 고장수도 인 이러한 극단적 상황에서 시험. 0

대상부품의 요구신뢰도에 대한 검정은 높은 불확실성으로 인해 사실상 의미가 없으

며 그 대안으로 불가피하게 시험 대상부품의 수명이나 신뢰도 추정 값을 구하여,

신뢰성 평가지표로 사용하는 방안을 제시한다.

- 78 -

무고장 데이터에 의한 신뢰도 추정무고장 데이터에 의한 신뢰도 추정무고장 데이터에 의한 신뢰도 추정무고장 데이터에 의한 신뢰도 추정3)3)3)3)

가 척도모수 의 추정가 척도모수 의 추정가 척도모수 의 추정가 척도모수 의 추정))))

수명시험에 들어간 개 제품 중 개의 고장시간이 관측되고 관측된 고장 및 관측n r ,

중

단시간을 t1, t2, ,t・・・ n이라 하자 이 때 값이 알려져 있을 경우 척도모수 의. β

는 다음과 같다MLE .

만약 고장수가 이면 가 되어 의미 없는 결과가 나오게 된다 이러한 경우0 = .∞

한가지 방법은 의 추정 값으로 또는 신뢰하한을 사(r=0) 50%(1- =0.5 =0.5)α α

용하는 것이다.

앞 절에서 소개한 와이블 분포에 있어서의 신뢰구 정시중단 식을 사용하면( ) 50%

신뢰 하한으로 구해지는 의 추정 값은 다음과 같다.

척도모수 의 신뢰하한척도모수 의 신뢰하한척도모수 의 신뢰하한척도모수 의 신뢰하한- 50%- 50%- 50%- 50%

단 무고장 데이터의 경우 r=0

척도모수 의 신뢰하한척도모수 의 신뢰하한척도모수 의 신뢰하한척도모수 의 신뢰하한- 90%- 90%- 90%- 90%

단 무고장 데이터의 경우 r=0

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나 백분위수나 백분위수나 백분위수나 백분위수) t) t) t) tpppp (B(B(B(B10101010, B, B, B, B5555, B, B, B, B1111 등 의 추정등 의 추정등 의 추정등 의 추정life )life )life )life )

최우추정량 를 이용한 백분위수는 다음과 같이 추정된다100p .

ln

인 경우 최우추정량을 구할 수 없으므로 앞에서 소개한 신뢰하한 추정치를 사용r=0

하여 백분위수100p tp에 대한 신뢰하한을 구하면 다음과 같다100(1- )% .α

백분위수백분위수백분위수백분위수- 100p t- 100p t- 100p t- 100p tpppp에 대한 신뢰하한에 대한 신뢰하한에 대한 신뢰하한에 대한 신뢰하한100(1- )%100(1- )%100(1- )%100(1- )%αααα

다 평균수명 의 추정다 평균수명 의 추정다 평균수명 의 추정다 평균수명 의 추정) MTTF) MTTF) MTTF) MTTF

최우추정량 를 이용한 의 추정량은 다음과 같다MTTF .

일 때는 의 신뢰하한 를 사용하여 의 신뢰하한을 구하면r=0 MTTF 100(1- )%α

다음과 같다.

- 의의의의MTTFMTTFMTTFMTTF 100(1- )%α 신뢰하한신뢰하한신뢰하한신뢰하한

라 신뢰도와 불신도라 신뢰도와 불신도라 신뢰도와 불신도라 신뢰도와 불신도))))

최우추정량 를 이용한 시간 에서의 신뢰도 및 불신도는 다음과 같다t .

- 80 -

일 때는 신뢰하한 를 사용하여 다음과 같이 신뢰도 및 불신도를 추정할 수 있r=0

다.

시간 에서의 신뢰도 및 불신도시간 에서의 신뢰도 및 불신도시간 에서의 신뢰도 및 불신도시간 에서의 신뢰도 및 불신도- t- t- t- t

의 신뢰하한R(t) : exp

의 신뢰상한F(t) : exp

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의 시험 장비 구축의 시험 장비 구축의 시험 장비 구축의 시험 장비 구축3. Fan Cooler3. Fan Cooler3. Fan Cooler3. Fan Cooler

시험 평가 기준 개발에서 정한 적용범위와 에서 보유하고 있는Table. 3.1 KIMM

오일펌프 용량 및 오일가열용 보일러 를 감안한 시험장비의 사양은 다음과Utility( )

같다.

적용범위적용범위적용범위적용범위Table. 3.1Table. 3.1Table. 3.1Table. 3.1

의 성능 시험 회로의 성능 시험 회로의 성능 시험 회로의 성능 시험 회로Fig. 3.1 Fan CoolerFig. 3.1 Fan CoolerFig. 3.1 Fan CoolerFig. 3.1 Fan Cooler

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Fig. 3.2 Fan Cooler Test ControllerFig. 3.2 Fan Cooler Test ControllerFig. 3.2 Fan Cooler Test ControllerFig. 3.2 Fan Cooler Test Controller

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Fig. 3.3 Fan Cooler Testing System LayoutFig. 3.3 Fan Cooler Testing System LayoutFig. 3.3 Fan Cooler Testing System LayoutFig. 3.3 Fan Cooler Testing System Layout

Fig. 3.4 Fan Cooler Testing System (1)Fig. 3.4 Fan Cooler Testing System (1)Fig. 3.4 Fan Cooler Testing System (1)Fig. 3.4 Fan Cooler Testing System (1)

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Fig. 3.5 Fan Cooler Testing System (2)Fig. 3.5 Fan Cooler Testing System (2)Fig. 3.5 Fan Cooler Testing System (2)Fig. 3.5 Fan Cooler Testing System (2)

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의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험4. Fan Cooler4. Fan Cooler4. Fan Cooler4. Fan Cooler

의 성능 시험은 지원 요청 기업에서 생산하는 개의 크기와 용량이 다Fan Cooler 7

른 들을 각각 시험 장비에 장착하여 실험하였다 시험 시 의Fan Cooler . Fan Cooler

용량에 맞는 유량을 선정하여 구간 분할을 시키면서 전 구간 성능시험을 실시하였

다 전 에 대하여 오일의 입구 온도를 로 변화시키면서 오일. Fan Cooler 70 , 60

측 온도 변화와 압력 저하 시험을 실시하여 냉각능력을 측정하였다 모델. SQH-33

인 경우에는 유압 모터의 유량을 변화시키면 팬의 회전 속도를 변화시킬 수 있기

때문에 회전 속도에 따른 성능 시험을 병행하여 실시하였다 또한 오일의 점도 변.

화에 따른 의 성능 특성을 분석하기 위하여 모델을 사용하고Fan Cooler SQH-33

및 등의 작동유를 사용하여 종합성능 시험을 실시하고 데이터를 분ISO 32, 46 68

석하였다 아래의 은 각종 모델의 성능 시험 장면이다. Fig. 4.1~3 .

의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험Fig. 4.1 Fan Cooler (SQH33)Fig. 4.1 Fan Cooler (SQH33)Fig. 4.1 Fan Cooler (SQH33)Fig. 4.1 Fan Cooler (SQH33)

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의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험Fig. 4.2 Fan Cooler (SQI33-4)Fig. 4.2 Fan Cooler (SQI33-4)Fig. 4.2 Fan Cooler (SQI33-4)Fig. 4.2 Fan Cooler (SQI33-4)

의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험의 성능 시험Fig. 4.3 Fan Cooler (SQI015-2)Fig. 4.3 Fan Cooler (SQI015-2)Fig. 4.3 Fan Cooler (SQI015-2)Fig. 4.3 Fan Cooler (SQI015-2)

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가 전 구간 성능 시험가 전 구간 성능 시험가 전 구간 성능 시험가 전 구간 성능 시험....

데이터 취득을 위해 를 기반으로 하는 데이터 취득 프로그램을 자체적으Lab View

로 제작해서 사용하였으며 다음 그림들은 사양별 유량 변화에 따른 온Fan Cooler ,

도 및 압력 변화를 나타낸 프로그램 화면들이다DAQ .

의 전구간 성능 시험의 전구간 성능 시험의 전구간 성능 시험의 전구간 성능 시험Fig. 4.4 SQI015-2 Data (60 )Fig. 4.4 SQI015-2 Data (60 )Fig. 4.4 SQI015-2 Data (60 )Fig. 4.4 SQI015-2 Data (60 )


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의 전구간 성능 시험의 전구간 성능 시험의 전구간 성능 시험의 전구간 성능 시험Fig. 4.10 SQH33 DataFig. 4.10 SQH33 DataFig. 4.10 SQH33 DataFig. 4.10 SQH33 Data

(rpm500/60 /ISO32)(rpm500/60 /ISO32)(rpm500/60 /ISO32)(rpm500/60 /ISO32)



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입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과1) 701) 701) 701) 70

의 성능 시험 결과의 성능 시험 결과의 성능 시험 결과의 성능 시험 결과Fig. 4.14 SQI015-2Fig. 4.14 SQI015-2Fig. 4.14 SQI015-2Fig. 4.14 SQI015-2


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의 성능 시험 결과의 성능 시험 결과의 성능 시험 결과의 성능 시험 결과Fig. 4.20 SQH33Fig. 4.20 SQH33Fig. 4.20 SQH33Fig. 4.20 SQH33


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에서 의 입력 온도에 차이를 두어 성능을 비교 실험하기 위하여Fan Cooler Cooler

시험 장치에서 안정적으로 최고 온도를 낼 수 있는 를 우선 선택Fan Cooler 70

을 하여 실험하였다 작동유의 점도는 에서 이고 입력측의 오일 온. 70 8.31mpa s ・

도는 가능한 가 될 수 있게 유지하였다 실험 결과 일반적으로70 ± 4 . Fan

의 입출력 온도차는 지수함수 곡선을 나타내었고 유량이 적을수록 온도차가Cooler

많이 발생하며 유량이 많을수록 온도차가 적게 발생하는 등 일반적인 열교환기의

온도차 패턴을 따르고 있다 는 실험한 개 모델의 의 실. Fig. 4.14~19 6 Fan Cooler

험 온도 분포이며 는 델의 별 실험 온도 분포이다Fig. 4.20~25 SQH33 rpm .

입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과입구 온도가 일 때의 성능 시험 결과2) 602) 602) 602) 60


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의 입력온도를 를 선택하여 실험하였으며 작동유의 점도는 에Fan Cooler 60 60

서 이고 입력측의 오일 온도는 로 유지하였다11.5 mpa s 60 ± 4 . Fig. ・

은 실험한 개 모델의 공랭식 의 실험 온도 분포이며4.26~31 6 Oil Cooler Fig.

은 모델의 별 실험 온도 분포이다4.32~43 SQH33 rpm .

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구축구축구축구축5. Test Data Base5. Test Data Base5. Test Data Base5. Test Data Base

의 성능시험을 실시한 후 생산 모델 별로 총 개 시험 결과를 화 하Fan Cooler ( 7 ) DB

였고 시험한 결과로부터 교환 열량을 정확히 산출하기 위해 을 하였으, curve fitting

며 계산식들의 변수들을 에 추가하였다DB .

가 시험 결과가 시험 결과가 시험 결과가 시험 결과. DB. DB. DB. DB

교환열량교환열량교환열량교환열량1)1)1)1)

의 냉각 능력의 냉각 능력의 냉각 능력의 냉각 능력Fig. 5.1 SQI015-2, SQI04-2, SQI07-4 (70 )Fig. 5.1 SQI015-2, SQI04-2, SQI07-4 (70 )Fig. 5.1 SQI015-2, SQI04-2, SQI07-4 (70 )Fig. 5.1 SQI015-2, SQI04-2, SQI07-4 (70 )

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의 냉각 능력의 냉각 능력의 냉각 능력의 냉각 능력Fig. 5.5 SQH33 (70 )Fig. 5.5 SQH33 (70 )Fig. 5.5 SQH33 (70 )Fig. 5.5 SQH33 (70 )

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의 냉각 능력의 냉각 능력의 냉각 능력의 냉각 능력Fig. 5.6 SQH33 (60 / ISO32)Fig. 5.6 SQH33 (60 / ISO32)Fig. 5.6 SQH33 (60 / ISO32)Fig. 5.6 SQH33 (60 / ISO32)


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는 입력 온도를 로 실험한 개 모델의 의 냉각능력이며Fig. 5.1, 2 70 6 Fan Cooler

는 입력 온도를 로 실험한 개 모델의 의 냉각능력이다Fig. 5.3, 4 60 6 an Cooler .

모델의 별 실험 온도 분포이다 는 입력 온도를 로 실험SQH33 rpm . Fig. 5.5 70

한 모델의 냉각 능력이며SQH33

는 입력 온도를 로 하고 작동유 점도 별로 실험한 모델의Fig. 5.6~8 60 SQH33

냉각 능력이다.

온도 변화에 따른 압력 저하 시험온도 변화에 따른 압력 저하 시험온도 변화에 따른 압력 저하 시험온도 변화에 따른 압력 저하 시험2)2)2)2)

오일의 입구온도를 와 로 변화시켰을 경우 각 에 대해 오일의70 60 , Fan Cooler

점성 변화에 따른 압력 변화를 알아보기 위해 시험하였고 결과는 다음과 같다 오.

일의 점도는 온도에 따라서 크게 변하기 때문에 그 경향이 실험 결과에 그대로 반

영이 되었다 의 유로는 수냉식 에 비하여 작기 때문에 작은. Fan Cooler Oil Cooler

유로를 통과하는 작동유와의 마찰 손실이 발생하여서 많은 압력 저하를 발생시키고

있다 오일의 입력온도 측면에서 의 오일이 의 오일의 점도에 비하여 작기. 70 60

때문에 압력 저하 그래프에서 보는 바와 같이 압력 손실이 모든 모델Fan Cooler

에 대하여 작게 나타나고 있다.

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의 압력손실의 압력손실의 압력손실의 압력손실Fig. 5.9 SQI23-2, SQI23-2, SQI07-4 (70 )Fig. 5.9 SQI23-2, SQI23-2, SQI07-4 (70 )Fig. 5.9 SQI23-2, SQI23-2, SQI07-4 (70 )Fig. 5.9 SQI23-2, SQI23-2, SQI07-4 (70 )


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은 입력 온도를 로 실험한 개 모델의 의 압력손실이Fig. 5.9, 10 70 6 Fan Cooler

며 는 입력 온도를 로 실험한 개 모델의 의 압력손Fig. 5.11, 12 60 6 Fan Cooler

실이다.

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실험 결과의실험 결과의실험 결과의실험 결과의3) curve fitting3) curve fitting3) curve fitting3) curve fitting

냉각 능력 선도를 작성하기 위하여 온도 데이터를 사용하였더니 온도 편차가 계raw

산 과정에서 증폭이 되어서 불규칙한 냉각 능력 선도가 작성되어 온도 데이터raw

와 압력 데이터를 모두 시켜 냉각 능력 선도와 압력 선도를 작성raw curve fitting

하였다 압력 데이터에는 을 사용하였고 온도 데이터에. raw polynomial fitting raw

는 을 사용하였다exponential decay 2nd fitting .

은 각 조건별 모델의 온도차 변수들이고Table. 5.1~6 Fan Cooler fitting Table.

는 각 조건별 모델의 압력 손실 변수들이다5.7~12 Fan Cooler fitting .

온도 fitting

의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도Table. 5.1 Fan Cooler fitting ( 70 )Table. 5.1 Fan Cooler fitting ( 70 )Table. 5.1 Fan Cooler fitting ( 70 )Table. 5.1 Fan Cooler fitting ( 70 )

의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도Table. 5.21 Fan Cooler fitting ( 60 )Table. 5.21 Fan Cooler fitting ( 60 )Table. 5.21 Fan Cooler fitting ( 60 )Table. 5.21 Fan Cooler fitting ( 60 )

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의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도Table. 5.3 SQH33 fitting ( 70 )Table. 5.3 SQH33 fitting ( 70 )Table. 5.3 SQH33 fitting ( 70 )Table. 5.3 SQH33 fitting ( 70 )

의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도Table. 5.4 SQH33 fitting ( 60 , ISO32)Table. 5.4 SQH33 fitting ( 60 , ISO32)Table. 5.4 SQH33 fitting ( 60 , ISO32)Table. 5.4 SQH33 fitting ( 60 , ISO32)



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압력 식fitting

의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도Table. 5.7 Fan Cooler fitting( 70 )Table. 5.7 Fan Cooler fitting( 70 )Table. 5.7 Fan Cooler fitting( 70 )Table. 5.7 Fan Cooler fitting( 70 )

공랭식 의 온도 입력온도공랭식 의 온도 입력온도공랭식 의 온도 입력온도공랭식 의 온도 입력온도Table. 5.8 Oil Cooler fitting ( 60 )Table. 5.8 Oil Cooler fitting ( 60 )Table. 5.8 Oil Cooler fitting ( 60 )Table. 5.8 Oil Cooler fitting ( 60 )

의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도의 온도 입력온도Table. 5.9 SQH33 fitting ( 70 )Table. 5.9 SQH33 fitting ( 70 )Table. 5.9 SQH33 fitting ( 70 )Table. 5.9 SQH33 fitting ( 70 )

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제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

의 냉각 성능의 냉각 성능의 냉각 성능의 냉각 성능1. Fan Cooler1. Fan Cooler1. Fan Cooler1. Fan Cooler

의 냉각성능의 냉각성능의 냉각성능의 냉각성능Fig. 1.1 Fan CoolerFig. 1.1 Fan CoolerFig. 1.1 Fan CoolerFig. 1.1 Fan Cooler

은 시험한 종의 의 냉각 성능 도표이다 각 모델마다 성능을Fig. 1.1 7 Fan Cooler .

쉽게 파악할 수 있고 크기가 유사한 모델들에 대해서도 냉각 성능의 차이를 구분

가능할 수 있게 되었다 풍량 가변이 가능한 은 풍량이 일정한 다른 모델들. SQH 33

보다 다양한 냉각 성능을 낼 수 있어 원하는 최적 냉각성능을 얻기 위해 자동 제어

를 한다면 한층 더 좋은 능력을 발휘 할 수 있을 것이다.

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의 풍향 별 온도차의 풍향 별 온도차의 풍향 별 온도차의 풍향 별 온도차2. Fan Cooler2. Fan Cooler2. Fan Cooler2. Fan Cooler

의 팬 방향별 온도차의 팬 방향별 온도차의 팬 방향별 온도차의 팬 방향별 온도차Fig. 2.1 Fan CoolerFig. 2.1 Fan CoolerFig. 2.1 Fan CoolerFig. 2.1 Fan Cooler

팬의 유동방향에 따른 의 성능을 판별하기 위해 정격 오일 통과 유량이Fan Cooler

인 모델 를 사용하여 팬의 유동 방향을 정방향과 역방향으로 각200 l/min SQI23-4

각 바꾸어 실험하였다 온도차를 명확히 구분하기 위하여 오일의 입구온도를. 70

로 설정하였기 때문에 실험 초기 통과 유량 이 비교적 큰 약 를 보였(30 l/min) 19

으며 실험 당시 외기의 온도는 를 기록하였다 에서 축은 오일의 통32 . Fig. 2.1 x

과 유량을 나타내고 축은 의 입구와 축구의 온도차를 나타내며 실험y Fan Cooler

결과 양방향 모두 온도차 면에서 거의 유사한 온도차 곡선을 보여주고 있다 팬을.

마주 볼 때 반시계 방향으로 회전하면 정방향 회전이며 시계 방향으로 회전하게 되

면 역방향 회전이다 정방향으로 운전을 하면 구동 모터의 발열을 억제하는데 도움.

을 주지만 역방향으로 운전할 때와 열교호나기 성능을 비교해 보면 큰 차이가 없는

것을 알 수 있다.

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오일 점도에 따른 의 특성오일 점도에 따른 의 특성오일 점도에 따른 의 특성오일 점도에 따른 의 특성3. Fan Cooler3. Fan Cooler3. Fan Cooler3. Fan Cooler

실험에 사용된 점도등급 인 종류의 작동유 점도를 측정하기 위하ISO 32, 46, 68 3

여 측정 범위가 이고 신뢰도가 인 사의 디지털 점도0.3~10,000 mpa s ±1 % AND・

계 을 사용하여 점도를 측정하였다 는 에서 까지 작동유의SV-10 . Fig. 3.1 35 95

온도를 변화시켜 가면서 점도를 측정한 도표로서 온도가 올라갈수록 작동유 간의

점도차는 자아지고 온도가 내려 갈수록 작동유 간의 점도차는 커진다는 것을 나타

내고 있다.

온도 변화에 따른 각종 오일의 점성 변화온도 변화에 따른 각종 오일의 점성 변화온도 변화에 따른 각종 오일의 점성 변화온도 변화에 따른 각종 오일의 점성 변화Fig. 3.1Fig. 3.1Fig. 3.1Fig. 3.1

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점도 측정기점도 측정기점도 측정기점도 측정기Fig. 3.2Fig. 3.2Fig. 3.2Fig. 3.2

의 오일 점도에 따른 특성을 보기 위해 모델 을 사용하고 팬의Fan Cooler SQH33

속도를 에서 까지 단위로 바꾸어 실험하였다 실험에500 rpm 2000 rpm 500 rpm .

사용한 작동유는 종류이며 시리험 시 입구에ISO 32, 46, 68 3 Fan Cooler 60 ±

의 온도범위를 주어 시험을 실시하였다 공기는 비열이 물보다 작기때문에 쉽게4 .

가열되며 공기의 풍량이 많아질수록 많은 열을 방출할 수 있다 실험 결과도 유압.

모터의 회전 속도를 상승시켜 팬에서 발생하는 풍량을 증가시키면 온도차가 비례적

으로 상승하는 것을 볼 수 있다 는 입력온도를 로 고정 한 뒤. Fig. 3.3~5 60 3

종류의 점도를 가진 작동유를 각각 교체 투입하고 에서 까지500 rpm 2000 rpm

간격으로 실험한 모델의 온도차와 압력 손실이다500 rpm SQH33 .

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시험 결과 오일시험 결과 오일시험 결과 오일시험 결과 오일Fig. 3.3 Fan Cooler (ISO 32 )Fig. 3.3 Fan Cooler (ISO 32 )Fig. 3.3 Fan Cooler (ISO 32 )Fig. 3.3 Fan Cooler (ISO 32 )


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의 점도 별 압력의 점도 별 압력의 점도 별 압력의 점도 별 압력강강강강하하하하Fig. 3.6 Fan CoolerFig. 3.6 Fan CoolerFig. 3.6 Fan CoolerFig. 3.6 Fan Cooler

- 125 -

실험 대상물인 는 관 내 외의 단면거비 및 전열 면적비를 크게 변화시Fan Cooler ・

키므로 기체와의 열교환에 적합한 열교환기이지만 좁은 관을 따라 점성이 있는 작

동유가 흐르기 때문에 작동유의 점도에 따라 관 내에 발생하는 압력의 차이가 발생

한다 은 작동유온 팬의 회전속도 에서 모델 의 입. Fig. 3.6 60 , 2000 rpm SQH33

구와 출구 압력 차이를 점도별로 나타낸 도표이다.

∆

압력강하P :

마찰 계수f :

열교환기 입출구 거리L :

수력 직경D :

관내 평균 속도u :

밀도:ρ

위의 열교환기 압력 강하식에서 알 수 있드시 압력 강하는 관내의 평균 속도의 제

곱에 비례하고 있으므로 압력 강하 선도 역시 차 곡선 형태를 이루고 있는 것을2

알 수 있다 각 작동유는 같은 사용 온도 조건에서 점도가 클수록 관마찰 손실이.

커지므로 인해 압력차 또한 커지는 것을 알 수 있다.

의 회전 속도 별 압력의 회전 속도 별 압력의 회전 속도 별 압력의 회전 속도 별 압력 강강강강하 입력온도하 입력온도하 입력온도하 입력온도Fig. 3.7 SQH33 ( 70 )Fig. 3.7 SQH33 ( 70 )Fig. 3.7 SQH33 ( 70 )Fig. 3.7 SQH33 ( 70 )

- 126 -

은 입력 온도 인 의 회전 속도 별 압력 강하 선도로 일 때Fig. 3.7 70 SQH33 60

실험한 결과와 마찬가지로 회전수가 상승함에 따라서 압력차도 미세하게 상승하고

있다 그 이유는 저회전수에서는 열교환 풍량 감소로 의 온도차가 낮게. Fan Cooler

나타나 점도의 하강이 이루어지고 고회전수에서는 열교환 풍량 증가로 Fan Cooler

의 온도차가 높게 나타나 점도의 상승이 나타난다 그 결과 저회전수에서 점도의.

하강과 고저회전수에서 점도의 상승이 반영이 된 결과 저회전수에서는 압력차가 낮

고 고회전수에서는 압력차가 높게 나타났다.

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제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약2222

본 기술 지원 사업을 통하여 기업이 얻은 지원 성과는 의 설계 이론을Fan Cooler

정립하였고 종합 성능 및 내환경성 시험 코드를 개발 하였다, .

국내에서 최초로 의 시험 장치를 설계하여 에 구축하였으며 생산Fan Cooler KIMM ,

되는 열교환기의 성능시험을 실시하여 를 구축 하게 되어 제품의Test Data Base

성능 향상을 이룰 수 있었다.

의 설계 이론 정립- Fan Cooler

의 시험 기준 개발- Fan Cooler (test cord)

의 시험 장치 설계 및 구축- Fan Cooler

의 종합 성능 시험- Fan Cooler

시험 결과 구축- Data Base

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 기술 지원 사업은 의 설계 이론 정립하였고 종합 성능 및 내환경성Fan Cooler ,

시험코드 개발 하였다(test cord) .

국내에서 최초로 의 시험 장치를 에 구축하여 기술 지원 요청 기Fan Cooler KIMM

업에서 생산하는 제품에 대하여 성능 시험을 실시하고 를 구축하게Test Data Base

되었으며 시험 중 발생한 문제점에 대한 보완이 이루어져서 성능 향상을 이룰 수,

있었다.

본 연구를 통아여 획득한 연구결과는 다음과 같다.

공랭식 오일 냉각기 원통 다관식 오일냉각기 판형오일 냉각기 등- Oil Cooler ( , , )

의 설계이론 정립

성능 평가 기준 개발- Fan Cooler (cord)

총 종 성능- Fan Cooler SQI015-2, 04-2, 07-4, 23-4, 23-6, 33-4, SQH33 7

평가

구축- Test Data Base

의 용량 계산- Fan Cooler

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌

김김김김세세세세영영영영 열교환기 설계열교환기 설계열교환기 설계열교환기 설계 핸드북핸드북핸드북핸드북 도서도서도서도서출출출출판 한판 한판 한판 한미미미미1. ,1. ,1. ,1. , “ ”“ ”“ ”“ ” pp917~942, , 1995pp917~942, , 1995pp917~942, , 1995pp917~942, , 1995



김김김김석석석석권권권권 열교환기 설계와 열적 계산법 신기열교환기 설계와 열적 계산법 신기열교환기 설계와 열적 계산법 신기열교환기 설계와 열적 계산법 신기술술술술4. ,4. ,4. ,4. , “ ”“ ”“ ”“ ”, , 2002, , 2002, , 2002, , 2002

5. Incropera de witt5. Incropera de witt5. Incropera de witt5. Incropera de witt """"Heat transferHeat transferHeat transferHeat transfer"""", WILE, WILE, WILE, WILEYYYY, 1993, 1993, 1993, 1993

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주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재 기술개발사업의1. ㆍ

기술개발 보고서이다.

이 기술개발내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시2.

산업자원부에서 시행한 부품 소재 기술 개발사업의ㆍ

기술개발결과임을 밝혀야 한다.

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bsm076-1220.m 20220020 fan cooler 의 성능평가 및 최적 … · 기준으로 공기...

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