판형 열교환기의 성능시험장비 및 설계프로그램개발 기술 ... - itfind ·...

판형 열교환기의 성능시험장비 및판형 열교환기의 성능시험장비 및판형 열교환기의 성능시험장비 및판형 열교환기의 성능시험장비 및

설계프로그램개발 기술지원설계프로그램개발 기술지원설계프로그램개발 기술지원설계프로그램개발 기술지원

2004. 7. 312004. 7. 312004. 7. 312004. 7. 31

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 대원열판 주대원열판 주대원열판 주대원열판 주( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

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제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 지 원 부 장 관 귀 하산 업 지 원 부 장 관 귀 하산 업 지 원 부 장 관 귀 하산 업 지 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 판형 열교환기의 성능시험장비 및 설계프로그램개발에 관한 기술지“

원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다”( : 2003. 6.~2004. 5.) .

2004. 6 . .2004. 6 . .2004. 6 . .2004. 6 . .

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 기관명기관명기관명기관명( )( )( )( ) 한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원

대표자대표자대표자대표자( )( )( )( ) 손 재 익손 재 익손 재 익손 재 익

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 기업명기업명기업명기업명( )( )( )( ) 대원열판 주대원열판 주대원열판 주대원열판 주( )( )( )( )

대표자대표자대표자대표자( )( )( )( ) 송 기 택송 기 택송 기 택송 기 택

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 박상일박상일박상일박상일

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 고창복고창복고창복고창복

〃〃〃〃 김정근김정근김정근김정근

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

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

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

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

대원열판 판형열교환기 설계프로그램 개발대원열판 판형열교환기 설계프로그램 개발대원열판 판형열교환기 설계프로그램 개발대원열판 판형열교환기 설계프로그램 개발1.1.1.1.

판형 열교환기 설계 프로그램판형 열교환기 설계 프로그램판형 열교환기 설계 프로그램판형 열교환기 설계 프로그램2. Flow Chart2. Flow Chart2. Flow Chart2. Flow Chart

설계 프로그램의 오차분석설계 프로그램의 오차분석설계 프로그램의 오차분석설계 프로그램의 오차분석3.3.3.3.

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석1.1.1.1.

가 수의 영향 검토가 수의 영향 검토가 수의 영향 검토가 수의 영향 검토. Re. Re. Re. Re

나 수의 영향 검토나 수의 영향 검토나 수의 영향 검토나 수의 영향 검토. Pr. Pr. Pr. Pr

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다다다다. Nu = C Re. Nu = C Re. Nu = C Re. Nu = C Reㆍㆍㆍㆍxxxx PrPrPrPrㆍㆍㆍㆍ

yyyy 형식의 설계식을 사용하는 경우의 오차형식의 설계식을 사용하는 경우의 오차형식의 설계식을 사용하는 경우의 오차형식의 설계식을 사용하는 경우의 오차

라 벽점도의 영향 고찰라 벽점도의 영향 고찰라 벽점도의 영향 고찰라 벽점도의 영향 고찰....

마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과....

판형열교환기 성능시험장비 개발판형열교환기 성능시험장비 개발판형열교환기 성능시험장비 개발판형열교환기 성능시험장비 개발2.2.2.2.

가 실험장치가 실험장치가 실험장치가 실험장치....

나 열교환기 성능실험방법나 열교환기 성능실험방법나 열교환기 성능실험방법나 열교환기 성능실험방법....

물 물 판형 열교환기 성능실험물 물 판형 열교환기 성능실험물 물 판형 열교환기 성능실험물 물 판형 열교환기 성능실험3. -3. -3. -3. -

가 열교환기 전열성능실험 결과가 열교환기 전열성능실험 결과가 열교환기 전열성능실험 결과가 열교환기 전열성능실험 결과. M10M-H. M10M-H. M10M-H. M10M-H

나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교. M10M-H. M10M-H. M10M-H. M10M-H

다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험. -. -. -. -

라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과. -. -. -. -

오일 물성치 측정결과오일 물성치 측정결과오일 물성치 측정결과오일 물성치 측정결과4.4.4.4.

가 엔진오일의 열전도도측정가 엔진오일의 열전도도측정가 엔진오일의 열전도도측정가 엔진오일의 열전도도측정....

나 엔진오일의 비열측정나 엔진오일의 비열측정나 엔진오일의 비열측정나 엔진오일의 비열측정....

다 엔진오일의 점도측정다 엔진오일의 점도측정다 엔진오일의 점도측정다 엔진오일의 점도측정....

라 엔진오일의 밀도라 엔진오일의 밀도라 엔진오일의 밀도라 엔진오일의 밀도....

마 그리세린의 물성치 결정마 그리세린의 물성치 결정마 그리세린의 물성치 결정마 그리세린의 물성치 결정....

대원열판 판형열교환기 설계프로그램대원열판 판형열교환기 설계프로그램대원열판 판형열교환기 설계프로그램대원열판 판형열교환기 설계프로그램5.5.5.5.

가 판형열교환기 성능해석 방법가 판형열교환기 성능해석 방법가 판형열교환기 성능해석 방법가 판형열교환기 성능해석 방법....

나 모델에 대한 와 비교나 모델에 대한 와 비교나 모델에 대한 와 비교나 모델에 대한 와 비교. M10M-H CAS KIER program. M10M-H CAS KIER program. M10M-H CAS KIER program. M10M-H CAS KIER program

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대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과 분석대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과 분석대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과 분석대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과 분석6. -6. -6. -6. -

가 모델의 물 물 실험결과 분석가 모델의 물 물 실험결과 분석가 모델의 물 물 실험결과 분석가 모델의 물 물 실험결과 분석. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -

나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과. -. -. -. -

그리세린 물 판형열교환기 성능실험 및 결과분석그리세린 물 판형열교환기 성능실험 및 결과분석그리세린 물 판형열교환기 성능실험 및 결과분석그리세린 물 판형열교환기 성능실험 및 결과분석7. -7. -7. -7. -

가 모델의 그리세린 물 실험 결과가 모델의 그리세린 물 실험 결과가 모델의 그리세린 물 실험 결과가 모델의 그리세린 물 실험 결과. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -

나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -

다 모델의 설계 식 도출다 모델의 설계 식 도출다 모델의 설계 식 도출다 모델의 설계 식 도출. DX-22H. DX-22H. DX-22H. DX-22H

라 와 전열성능 비 교라 와 전열성능 비 교라 와 전열성능 비 교라 와 전열성능 비 교. M10M-H DX22-H. M10M-H DX22-H. M10M-H DX22-H. M10M-H DX22-H

마 모델의 실험 및 설계 식 도출마 모델의 실험 및 설계 식 도출마 모델의 실험 및 설계 식 도출마 모델의 실험 및 설계 식 도출. DX-143H. DX-143H. DX-143H. DX-143H

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

별책 판형 열교환기 설계 프로그램별책 판형 열교환기 설계 프로그램별책 판형 열교환기 설계 프로그램별책 판형 열교환기 설계 프로그램: LIST: LIST: LIST: LIST

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그 림 목 차그 림 목 차그 림 목 차그 림 목 차

그림 유체의 물성치 계산 프로그램의그림 유체의 물성치 계산 프로그램의그림 유체의 물성치 계산 프로그램의그림 유체의 물성치 계산 프로그램의[ .1] flow chart[ .1] flow chart[ .1] flow chart[ .1] flow chart

그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램[ .2] flow chart[ .2] flow chart[ .2] flow chart[ .2] flow chart

그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램[ .3] flow chart[ .3] flow chart[ .3] flow chart[ .3] flow chart

그림 설계 프로그램 계산결과의 오차그림 설계 프로그램 계산결과의 오차그림 설계 프로그램 계산결과의 오차그림 설계 프로그램 계산결과의 오차[ .4][ .4][ .4][ .4]

그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선[ .5][ .5][ .5][ .5]

그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .6] Nu Re[ .6] Nu Re[ .6] Nu Re[ .6] Nu Re

그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .7] Nu Re[ .7] Nu Re[ .7] Nu Re[ .7] Nu Re

그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .8] Nu Re[ .8] Nu Re[ .8] Nu Re[ .8] Nu Re

그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .9] Nu Re[ .9] Nu Re[ .9] Nu Re[ .9] Nu Re

그림 에 대한 설제 식 계산 결과그림 에 대한 설제 식 계산 결과그림 에 대한 설제 식 계산 결과그림 에 대한 설제 식 계산 결과[ .10] VG[ .10] VG[ .10] VG[ .10] VG

그림 에 대한 설계 식 계산 결과그림 에 대한 설계 식 계산 결과그림 에 대한 설계 식 계산 결과그림 에 대한 설계 식 계산 결과[ .11] Dowtherm[ .11] Dowtherm[ .11] Dowtherm[ .11] Dowtherm

그림 에텔렌그리콜에 대한 설계 식 계산 결과그림 에텔렌그리콜에 대한 설계 식 계산 결과그림 에텔렌그리콜에 대한 설계 식 계산 결과그림 에텔렌그리콜에 대한 설계 식 계산 결과[ .12][ .12][ .12][ .12]

그림 물에 대한 설계 식 계산 결과그림 물에 대한 설계 식 계산 결과그림 물에 대한 설계 식 계산 결과그림 물에 대한 설계 식 계산 결과[ .13][ .13][ .13][ .13]

그림 에 대한 설계 식 계산 결과그림 에 대한 설계 식 계산 결과그림 에 대한 설계 식 계산 결과그림 에 대한 설계 식 계산 결과[ .14] SAE oil[ .14] SAE oil[ .14] SAE oil[ .14] SAE oil

그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )℃℃℃℃

그림 층류영역에서의 수의 수의 변화그림 층류영역에서의 수의 수의 변화그림 층류영역에서의 수의 수의 변화그림 층류영역에서의 수의 수의 변화[ .16] Pr Nu[ .16] Pr Nu[ .16] Pr Nu[ .16] Pr Nu

그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화[ .17] Pr Nu[ .17] Pr Nu[ .17] Pr Nu[ .17] Pr Nu

그림 난류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 난류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 난류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 난류천이영역에서의 수의 수의 변화[ .18] Pr Nu[ .18] Pr Nu[ .18] Pr Nu[ .18] Pr Nu

그림 난류영역에서의 수의 수의 변화그림 난류영역에서의 수의 수의 변화그림 난류영역에서의 수의 수의 변화그림 난류영역에서의 수의 수의 변화[ .19] Pr Nu[ .19] Pr Nu[ .19] Pr Nu[ .19] Pr Nu

그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .20] Nu Re[ .20] Nu Re[ .20] Nu Re[ .20] Nu Re

그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .21] Nu Re[ .21] Nu Re[ .21] Nu Re[ .21] Nu Re

그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .22] Nu Re[ .22] Nu Re[ .22] Nu Re[ .22] Nu Re

그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .23] Nu Re[ .23] Nu Re[ .23] Nu Re[ .23] Nu Re

- 7 -

그림 의 함수관계 계산결과그림 의 함수관계 계산결과그림 의 함수관계 계산결과그림 의 함수관계 계산결과[ .24] y=f(Pr)[ .24] y=f(Pr)[ .24] y=f(Pr)[ .24] y=f(Pr)

그림그림그림그림[ .25] y[ .25] y[ .25] y[ .25] yoooo 관계식의 계산 결과관계식의 계산 결과관계식의 계산 결과관계식의 계산 결과= f(Pr)= f(Pr)= f(Pr)= f(Pr)

그림 의 계산식의 함수관계그림 의 계산식의 함수관계그림 의 계산식의 함수관계그림 의 계산식의 함수관계[ .26] Correction Factor[ .26] Correction Factor[ .26] Correction Factor[ .26] Correction Factor

그림 지수 의 벽점도 유체점도와의 상관관계그림 지수 의 벽점도 유체점도와의 상관관계그림 지수 의 벽점도 유체점도와의 상관관계그림 지수 의 벽점도 유체점도와의 상관관계[ .27] z /[ .27] z /[ .27] z /[ .27] z /

그림 지수 의 수에 따른 변화그림 지수 의 수에 따른 변화그림 지수 의 수에 따른 변화그림 지수 의 수에 따른 변화[ .28] z Re[ .28] z Re[ .28] z Re[ .28] z Re

그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .29] M10M-H[ .29] M10M-H[ .29] M10M-H[ .29] M10M-H

그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .30] M[0M-L[ .30] M[0M-L[ .30] M[0M-L[ .30] M[0M-L

그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .31] CB200-H[ .31] CB200-H[ .31] CB200-H[ .31] CB200-H

그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식 오차분석결과그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식 오차분석결과그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식 오차분석결과그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식 오차분석결과[ .32] 3[ .32] 3[ .32] 3[ .32] 3

그림 판형열교환기 성능실험장치 현장설치 장면그림 판형열교환기 성능실험장치 현장설치 장면그림 판형열교환기 성능실험장치 현장설치 장면그림 판형열교환기 성능실험장치 현장설치 장면[ .33][ .33][ .33][ .33]

그림 판형 열교환기 설치장면그림 판형 열교환기 설치장면그림 판형 열교환기 설치장면그림 판형 열교환기 설치장면[ .34][ .34][ .34][ .34]

그림 판형열교환기 실험장치 배관도그림 판형열교환기 실험장치 배관도그림 판형열교환기 실험장치 배관도그림 판형열교환기 실험장치 배관도[ .35][ .35][ .35][ .35]

그림 형 열교환기의 실험결과그림 형 열교환기의 실험결과그림 형 열교환기의 실험결과그림 형 열교환기의 실험결과[ .36] M10M-H[ .36] M10M-H[ .36] M10M-H[ .36] M10M-H

그림 난류영역의 측정 결과와 추세선그림 난류영역의 측정 결과와 추세선그림 난류영역의 측정 결과와 추세선그림 난류영역의 측정 결과와 추세선[ .37][ .37][ .37][ .37]

그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교[ .38][ .38][ .38][ .38]

그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교[ .39] M10M-H DX22-H[ .39] M10M-H DX22-H[ .39] M10M-H DX22-H[ .39] M10M-H DX22-H

그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수[ .40] DX-22H -[ .40] DX-22H -[ .40] DX-22H -[ .40] DX-22H -

그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수[ .41] DX-22L -[ .41] DX-22L -[ .41] DX-22L -[ .41] DX-22L -



그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수[ .44] DX-3 -[ .44] DX-3 -[ .44] DX-3 -[ .44] DX-3 -


그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화[ .46] sea sand[ .46] sea sand[ .46] sea sand[ .46] sea sand

그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화[ .47] del[ .47] del[ .47] del[ .47] del

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그림 의 열전도도 측정결과 비교그림 의 열전도도 측정결과 비교그림 의 열전도도 측정결과 비교그림 의 열전도도 측정결과 비교[ .48] Rimula D 30[ .48] Rimula D 30[ .48] Rimula D 30[ .48] Rimula D 30

그림 와 비교 유로수그림 와 비교 유로수그림 와 비교 유로수그림 와 비교 유로수[ .49] CAS KIER program ( =1)[ .49] CAS KIER program ( =1)[ .49] CAS KIER program ( =1)[ .49] CAS KIER program ( =1)


그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교[ .51] DX-22H( - )[ .51] DX-22H( - )[ .51] DX-22H( - )[ .51] DX-22H( - )

그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교[ .52] DX-22H( - )[ .52] DX-22H( - )[ .52] DX-22H( - )[ .52] DX-22H( - )

그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출[ .53] DX-22H( - )[ .53] DX-22H( - )[ .53] DX-22H( - )[ .53] DX-22H( - )

그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식[ .54] DX-3[ .54] DX-3[ .54] DX-3[ .54] DX-3

그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식[ .55] DX-22L[ .55] DX-22L[ .55] DX-22L[ .55] DX-22L

그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식[ .56] DX-143H[ .56] DX-143H[ .56] DX-143H[ .56] DX-143H



그림 의 그리세린의그림 의 그리세린의그림 의 그리세린의그림 의 그리세린의[ .59] DX-22H C[ .59] DX-22H C[ .59] DX-22H C[ .59] DX-22H C****ReReReRe

xxxx과 수의 관계과 수의 관계과 수의 관계과 수의 관계ReReReRe

그림 판형열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형열교환기의 영역별 설계 식 도출[ .60] DX-22H[ .60] DX-22H[ .60] DX-22H[ .60] DX-22H

그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교[ .61] DX-22H M10M-H[ .61] DX-22H M10M-H[ .61] DX-22H M10M-H[ .61] DX-22H M10M-H

그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출[ .62] DX-143H[ .62] DX-143H[ .62] DX-143H[ .62] DX-143H

- 9 -

표 목 차표 목 차표 목 차표 목 차

표 영역별 지수 의 값표 영역별 지수 의 값표 영역별 지수 의 값표 영역별 지수 의 값[ .1] z[ .1] z[ .1] z[ .1] z

표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값[ .2][ .2][ .2][ .2]

표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교[ .3] M10M-H[ .3] M10M-H[ .3] M10M-H[ .3] M10M-H

표 와 형 열교환기의 실험결과 비교표 와 형 열교환기의 실험결과 비교표 와 형 열교환기의 실험결과 비교표 와 형 열교환기의 실험결과 비교[ .4] M10M-H DX22-H[ .4] M10M-H DX22-H[ .4] M10M-H DX22-H[ .4] M10M-H DX22-H

표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과[ .5] DX-22H -[ .5] DX-22H -[ .5] DX-22H -[ .5] DX-22H -

표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과[ .6] DX-22L -[ .6] DX-22L -[ .6] DX-22L -[ .6] DX-22L -

표 물 물 판형 열교환기의 성능실험 결과표 물 물 판형 열교환기의 성능실험 결과표 물 물 판형 열교환기의 성능실험 결과표 물 물 판형 열교환기의 성능실험 결과[ .7] DX-143H -[ .7] DX-143H -[ .7] DX-143H -[ .7] DX-143H -


표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과표 물 물 판형열교환기의 성능실험결과[ .9] DX-3 -[ .9] DX-3 -[ .9] DX-3 -[ .9] DX-3 -


표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과[ .11] D 30[ .11] D 30[ .11] D 30[ .11] D 30

표 엔진오일의 열전도도의 비교표 엔진오일의 열전도도의 비교표 엔진오일의 열전도도의 비교표 엔진오일의 열전도도의 비교[ .12] Rimula D 30 (W / m K)[ .12] Rimula D 30 (W / m K)[ .12] Rimula D 30 (W / m K)[ .12] Rimula D 30 (W / m K)

표 의 비열 측정 결과표 의 비열 측정 결과표 의 비열 측정 결과표 의 비열 측정 결과[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)

표 의 점도표 의 점도표 의 점도표 의 점도[ .14] Rimula D 30 (cP)[ .14] Rimula D 30 (cP)[ .14] Rimula D 30 (cP)[ .14] Rimula D 30 (cP)

표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화[ .15][ .15][ .15][ .15]

표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과[ .16] 1 CAS KIER[ .16] 1 CAS KIER[ .16] 1 CAS KIER[ .16] 1 CAS KIER

표 와 비교 유로수표 와 비교 유로수표 와 비교 유로수표 와 비교 유로수[ .17] CAS KIER program ( =5)[ .17] CAS KIER program ( =5)[ .17] CAS KIER program ( =5)[ .17] CAS KIER program ( =5)

표 와 물 물 실험과 계산결과 비교표 와 물 물 실험과 계산결과 비교표 와 물 물 실험과 계산결과 비교표 와 물 물 실험과 계산결과 비교[ .18] DX-22H M10M-H -[ .18] DX-22H M10M-H -[ .18] DX-22H M10M-H -[ .18] DX-22H M10M-H -

표 형 그리세린 물 판형열교환기 성능실험결과표 형 그리세린 물 판형열교환기 성능실험결과표 형 그리세린 물 판형열교환기 성능실험결과표 형 그리세린 물 판형열교환기 성능실험결과[ .19] DX-22H -[ .19] DX-22H -[ .19] DX-22H -[ .19] DX-22H -

표 난류 영역에서의표 난류 영역에서의표 난류 영역에서의표 난류 영역에서의[ .20] C[ .20] C[ .20] C[ .20] C****ReReReRe

xxxx의 실험값과 설계 식 비교의 실험값과 설계 식 비교의 실험값과 설계 식 비교의 실험값과 설계 식 비교

- 10 -

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

판형 열교환기는 선진국의 개의 전문업체가 독자적으로 연구 및 개발 사업을2 - 3

주도적으로 수행하고 있으며 이러한 전문업체는 자체의 열교환기 모델을 보유하고,

있다 이러한 자체 모델에 대한 기초 연구를 통하여 액상 유체를 작동유체로 사용. ,

하는 판형 열교환기의 경우 정확한 자체의 설계 프로그램을 보유하여 약 정, 10%

도의 오차범위내의 정밀한 설계가 가능하다 그리고 판형 열교환기의 세계 시장을.

주도적으로 선점하고 있다.

국내의 판형 열교환기 업체는 현재 외국의 모델을 모방하고 일부는 자체 개발하고

있으나 아직 국내 시장의 대부분은 외국 제품이 보급되고 있는 실정이다 현재 대, .

원열판은 자체 모델을 보유하고 있으며 자체의 모델에 대한 설계 프로그램을 보유,

하고 있으나 전용의 성능실험장치의 미비로 자체 모델의 정확한 성능 예측이 어려,

운 상태이다.

따라서 본 연구를 통하여 판형 열교환기의 전문적인 전열성능 실험장치를 개발하

고 대원열판의 자체 모델에 대한 성능실험을 수행하여 자체 모델의 설계 식을 검,

증하고 좀 더 정확한 성능예측이 가능한 설계 프로그램을 개발할 필요가 있다 이.

러한 대원열판의 자체 모델에 대한 정확한 성능을 예측하여 좀 더 신뢰성있는 제,

품을 고객에 제공하므로서 외국 제품에 대한 기술경쟁력을 향상시켜 국내 시장의,

점유율을 향상시킬 수 있으며 또한 국산 판형 열교환기의 수출에도 도움이 될 수,

있을 것으로 판단된다 따라서 대원열판의 판형 열교환기의 자체 모델에 대한 정확. ,

한 성능실험 및 설계 프로그램의 개발이 필요하다고 판단된다.

- 11 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

본 연구의 기술 지원 목표는 대원열판의 자체 모델에 대한 성능실험을 수행하여 열

전달계수에 대한 실험식을 도출하고 액상 유체에 대한 판형 열교환기의 설계 프로,

그램을 개발하는 것이다 즉. ,

액상 판형 열교환기 대원열판 모델 에 대한 전열성o ( : DX-3, DX-22, DX-143)

능실험 및 설계 식 도출

현재 대상 모델에 대한 자체 성능실험장치는 없으며 국내 기술의 일반적인 성능( ,

실험의 오차는 액상의 경우 수준이나 본 과제에서는 실험 오차를 이내로, 10% , 5%

줄여 선진국 수준으로 향상시키는 것을 목표로 함)

액상 물 물 물 오일 판형 열교환기의 설계 프로그램 개발o ( - , - )

현재 판형 열교환기의 전열성능의 예측은 물 물 열교환기의 경우 오차가 난류 영( - ,

역에서는 정도이며 충류영역에서는 오차가 정도이나 본 과제에서15% , 30 - 50% ,

는 액체용 판형 열교환기의 성능예측의 오차 범위를 이하로 개선하는 것을 목10%

표로 함)

- 12 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 연구의 세부 기술지원 내용은 다음과 같다.

판형 열교환기 물 물 불 오일 에 대한 전열성능 실험방안 연구- ( - , - )

대상 판형 열교환기 모델( : DX-3, DX-22, DX-143)

판형 열교환기 전열성능 실험방안 결정-

물 물 물 오일의 액상인 경우 실험오차 이내로 유지( - , - , 5% )

선진국의 표준 액상의 판형열교환기에 대한 성능실험-

선진국 표준제품의 성능실험결과와 선진국 설계프로그램의 계산결과를 비교하여-

판형열교환기에 대한 성능실험 방법과 선진국의 표준제품에 대한 선진국의 설계 프

로그램의 설계 식을 검증

대원열판의 액상 판형열교환기의 대표모델을 선정하여 성능실험-

실험 결과를 분석하여 설계 식을 결정하기 위한 산출- parameter

설계 와 설계 식을 사용한 대원열판 설계 프로그램 작성- parameter

대원열판 설계 프로그램의 예측결과와 성능실험결과를 비교하여 대원열판 설계 프-

로그램의 검증 성능예측결과의 목표 오차는 이내( 10% )

- 13 -

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


대원열판의 판형 열교환기의 국산의 자체 전열판 모델에 대한 판형 열교환기의 설

계 프로그램을 개발하였다 이것은 외국의 알파라발사의 판형 열교환기 설계 프로.

그램인 과 유사한 기능을 갖도록 하였다 본 과제에서는 대원열판의CAS program .

모델에 적용할 수 있는 을 사용한 판형 열교환기 전용 설계 프로그램을visual basic

개발하였다.

일반적으로 판형 열교환기는 주로 전열판사이의 고온유체와 저온유체의 유로들의

조합체로 구성되어 있다 이러한 판형의 유로 형태에 대하여 일반적으로 유로들을.

단순화하여 일반적인 대향류 또는 병행류로 가정하여 계산하고 있다 본 과제에서.

는 판형 열교환기의 유로의 조합 형태에서의 고온유체와 저온유체의 각 유로에서는

상세한 온도분포를 직접 계산하였다 이러한 상세 온도분포의 계산을 위하여 유한.

차분법을 사용하였다.

그리고 수많은 유로로 형성된 판형 열교환기에서 각 유로의 상세한 온도분포를 계

산하는 것은 상당한 계산시간이 요구된다 따라서 본 연구에 서는 이러한 유로 형.

태를 단순화하여 여러 개의 가 존재하는 경우에 각 의 유로수를 개로pass pass 1

가정하여 계산 과정을 단순화하는 기능을 보유하고 있다 이러한 단순화는 수백 장.

의 전열판을 갖는 판형 열교환기에 대하여 계산 시간이 짧고 정확성도 우수한 성능

계산이 가능하다 그리고 판형 열교환기의 전열판 수의 결정이 필요한 경우 주어진. ,

설계 조건인 유체의 유량과 입출구온도에 맞는 전열판 수의 계산도 가능하도록 하

였다.

- 14 -

그리고 이 경우 고온 및 저온유체 측의 압력손실을 계산하여 주어진 압력손실보다

큰 경우에는 전열판 수를 다시 조정하여 주어진 압력손실보다 낮게 유지할 수 있는

전열판 수를 계산하도록 하였다 그리고 판형 열교환기의 의 수는 최대 개로. pass 5

하였다 이러한 내에서의 전열판의 조합은 임의로 할 수 있도록 프로그램을 개. pass

발하였다 그러나 이 경우 저온유체의 유로 수와 고온유체의 유로 수는 동일하여야. ,

한다.

본 과제에서 성능실험을 수행한 대원열판의 판형 열교환기 모델인 DX-3, DX-22,

와 에 대하여는 직접 전열성능 실험을 수행하여 각 모델의 전열성DX-143 DX-146

능 실험식을 도출하여 본 설계 프로그램에 적용하였다.

그리고 이러한 판형 열교환기의 전열성능 해석을 위해서는 각 유체에 대한 열물성

치의 가 요구된다 따라서 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 유체database .

에 대한 열물성치인 밀도 비열 열전도도 그리고 점도에 대한 를 갖추었, , database

다 이러한 열물성치는 대개 온도에 따라 변하며 본 연구에서는 이러한 물성치의. ,

온도에 따른 변화도 고려할 수 있다 그러나 이러한 유체의 종류는 매우 많으므로. , ,

본 연구의 설계 프로그램에서 고려되지 않은 유체의 종류에 대하여는 별도로 열물

성치를 지정하여 설계 프로그램을 사용할 수 있다 그러나 이러한 경우에는 열물. ,

성치는 온도변화에 따라 일정하다고 가정하였다.

참고로 본 연구의 을 사용한 판형 열교환기 설계visual basic program language

프로그램의 를 별책에 수록하였다source .

- 15 -

판형 열교환기 설계 프로그램판형 열교환기 설계 프로그램판형 열교환기 설계 프로그램판형 열교환기 설계 프로그램2. Flow Chart2. Flow Chart2. Flow Chart2. Flow Chart

본 연구에서 개발한 판형 열교환기의 성능계산 프로그램의 를 작성하였Flow Chart

다 먼저 설계 프로그램의 에 존재하는 유체의 물성치의 계산 값을 산출하. database

는 프로그램 의 를 다음 그림에 나타내었다 그리고 판형 열교subroutine flow chart .

환기의 성능을 계산하는 본 프로그램의 와 각 유로의 유체의 온도분포와flow chart

수렴오차를 계산하는 프로그램의 를 다음에 나타내었다flow chart .

그림 유체의 물성치 계산 프로그램의그림 유체의 물성치 계산 프로그램의그림 유체의 물성치 계산 프로그램의그림 유체의 물성치 계산 프로그램의[ .1] flow chart[ .1] flow chart[ .1] flow chart[ .1] flow chart

- 16 -

그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램그림 판형 열교환기 성능계산 프로그램[ .2] flow chart[ .2] flow chart[ .2] flow chart[ .2] flow chart

- 17 -

그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램그림 각 유로의 유체의 온도분포 계산 프로그램[ .3] flow chart[ .3] flow chart[ .3] flow chart[ .3] flow chart

- 18 -

설계 프로그램의 오차분석설계 프로그램의 오차분석설계 프로그램의 오차분석설계 프로그램의 오차분석3.3.3.3.

본 연구에서 개발한 판형 열교환기 설계 프로그램의 정확성을 고찰하였다 여기서.

검토한 대원열판의 판형 열교환기의 모델들은 DX-3, DX-22H, DX-22L,

그리고 의 가지이다 본 연구에서 이들 모델의 판DX-143H, DX-143L DX-146H 6 .

형 열교환기에 대하여 물 물 성능실험을 수행하였으며 특히 와- , DX-22H DX-143H

의 가지 모델에 대해서는 그리세린 물을 사용한 성능실험을 수행하였다 다음 그2 - . [

림 에 본 연구에서 개발한 판형 열교환기의 설계 프로그램의 계산 결과와 본 연.4]

구에서 수행한 실험결과들을 비교하였다 계산 결과로서 총괄전열계수를 비교하였.

으며 이러한 비교를 통하여 본 연구에서 개발한 설계 프로그램의 정확성을 검증하,

였다 그림 에서 보면 대체적으로 설계 프로그램의 계산결과의 오차범위는 약. [ .4] ,

수준이며 실제적으로 많이 사용되는 수가 높은 경우는 오차는 더욱 감소하5% , Re

는 것으로 나타났다.

그림 설계 프로그램 계산결과의 오차그림 설계 프로그램 계산결과의 오차그림 설계 프로그램 계산결과의 오차그림 설계 프로그램 계산결과의 오차[ .4][ .4][ .4][ .4]

- 19 -

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석알파라발 판형열교환기 설계프로그램 분석1.1.1.1.

국산 판형 열교환기의 설계 프로그램의 개발을 위하여 먼저 외국의 알파라발 회사,

의 판형 열교환기 모델에 대한 설계 프로그램을 구입하여 이를 분석하였다 이러한, .

외국 프로그램은 이름은 이며 자체의 모델에 대한 설계 식 그리고 여러 가지CAS , ,

유체에 대한 열물성치에 대한 를 갖추고 있다 그리고 판형 열교환기에 대database .

한 성능해석을 통하여 판형 열교환기를 설계할 수 있다 그러나 일부 보급된 이 프. ,

로그램은 이 공개되어 있지 않기 때문에 자세한 내용은 파악할 수source program

없다 따라서 본 연구에서는 이러한 을 사용하여 특정 조건에 대하여. , CAS program

계산하는 과정을 반복하므로서 특정 모델에 대한 설계 식을 도출하고자 하였다.

먼저 외국의 판형 열교환기 중에서 모델을 선정하였다 이 모델은 대원열M10M-H .

판에서 국산화한 모델이며 이의 대원열판의 판형 열교환기의 모델명은 이DX-22H

다 따라서 이 가지 모델의 전열판은 거의 동일한 전열판의 크기와 형상을 갖고. 2

있다.

가 수의 영향 검토가 수의 영향 검토가 수의 영향 검토가 수의 영향 검토. Re. Re. Re. Re

이러한 을 사용한 설계 결과의 계산에서 계산 조건의 단순화를 위하CAS program

여 온수와 냉수의 유로 수를 각각 개로 가정하였으며 그리고 온수와 냉수의 열물1 ,

성치의 변화를 최대한 줄이기 위하여 다음의 조건을 갖도록 하였다.

- 20 -

대상 모델- = M10M-H

대상 유체 물 물- = - at 50℃

온수 입출구온도- = 50.2 50→ ℃

냉수 입출구온도- = 49.8 50→ ℃

이러한 경우의 판형 열교환기 내에서의 물의 온도는 내외이며 따라서 물의50 ,℃

열물성치인 밀도 비열 열전도도 그리고 점도가 거의 일정한 상태를 유지한다 따, , , .

라서 수가 일정하며 유체점도와 벽점도의 비율이 을 유지하게 된다 일반적인Pr 1.0 .

문헌에 나타나는 판형 열교환기의 열 전달계수 즉 에 대한 실험식은 다, Nu number

음의 형태를 갖는다 즉. ,

만약 계산 조건에서 수가 일정하고 유채점도와 벽점도가 같으면 위의 식은 다, Pr , ,

음과 같은 형태의 식과 같이 단순화될 수 있다 즉. ,

따라서 이 경우의 열전달계수를 산출하는 설계 식의 상수는 실험상수 와 수의, C Re

지수 가 된다 그리고 물의 에서의 물성치는 문헌에서 쉽게 얻을 수 있으x I 50 ℃

며 객관적으로 정확하다고 볼 수 있다 그리고 실제로 의 물성치 데, . CAS program

이터를 통하여 얻을 수 있다 이러한 물의 물성치를 비교 검토한 결과 여러 가지.

문헌에 나타난 데이터가 거의 일치하는 것으로 나타났다.

- 21 -

이러한 실험식에서 수는 물의 유량을 변화시키면 변경이 가능하며 수는 열전Re , Nu

달계수와 상당직경 그리고 열전도도로부터 구할 수 있다 그리고 온수와 냉수 측의.

열전달계수를 동일하게 유지하기 위하여 온수와 냉수의 유량을 동일하게 입력하여,

계산하였다 의 계산 결과로서 얻을 수 있는 온수와 냉수 측의 수. CAS program Re ,

열전달계수와 총괄전열계 온도 에서의 수에 따른 수의 변화의 관계식을50 Re Nu℃

도출할 수 있었다.

그림 에 이러한 반복 계산과정을 통하여 얻은 모델의 수의 수에[ .5] M10M-H Nu Re

따른 변화 곡선을 나타내었다.

그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선그림 열전달계수의 레이놀드수에 따른 변화 곡선[ .5][ .5][ .5][ .5]

그림 에서 보면[ .5] Nu = C Reㆍx의 관계식이 성립하는 것을 알 수 있다 이러한 관.

계식이 성립하는 것을 알 수 있다 이러한 관계식이 성립하는 구간은 직선으로 나.

타나며 이러한 직선 구간 은 가지 영역으로 나타났다 일반적인 문헌에서는 판형, 4 .

열교환기의 경우 수에 따라서 층류 천이와 난류영역으로 구분하고 있다 따라, Re , .

서 본 연구에서는 가지의 영역을 층류 층류천이 난류천이 그리고 난류영역으로4 , ,

구분하였다.

- 22 -

이러한 가지 영역에서 구간별로 주어진 계산 결과에 대한 방법을 사4 curve fitting

용하여 구간별 설계 식을 도출하였으며 이러한 설계 식을 다음에 나타내었다, .

층류영역- : Nu = 1.0092 Reㆍ 0.3324 for 0.1<Re<10.40

층류측 천이 영역- : Nu = 0.2266 Reㆍ0.97

for 10.40<Re<30.99

난류측 천이 영역- : Nu = 1.4034 Reㆍ 0.439 for 30.99<Re<85.03

난류영역- : Nu = 0.4408 Reㆍ0.6996

for 85.03<Re<9,611

그리고 각 구간별로 계산 결과를 그래프로 나타내었으며 이 그래프에 이러한 영역,

별로 계산하여 얻은 계산결과와 이를 한 결과로 실험식을 나타내었다curve fitting .

먼저 층류 영역에 대하여 실험식을 도출한 것을 그림 층류천이 영역에 대한, [ .6],

실험식을 그림 난류천이 영역에 대한 실험식을 그림 그리고 난류영역에 대[ .7], [ .8]

한 실험식을 그림 에 각각 나타내었다[ .9] .

그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .6] Nu Re[ .6] Nu Re[ .6] Nu Re[ .6] Nu Re

- 23 -

그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 층류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .7] Nu Re[ .7] Nu Re[ .7] Nu Re[ .7] Nu Re

그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류천이영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .8] Nu Re[ .8] Nu Re[ .8] Nu Re[ .8] Nu Re

- 24 -

그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식그림 난류영역의 의 에 따른 변화 및 설계 식[ .9] Nu Re[ .9] Nu Re[ .9] Nu Re[ .9] Nu Re

이러한 물의 온도가 인 조건에 대한 의 계산 결과로 부터 가지50 CAS program 1℃

의 관계식을 얻을 수 있다 그러나 이러한 계산 조건이 변하게 되면 수가 변하게. , Pr

되어 Nu = C Reㆍx의 관계식의 상수인 가 변하게 된다 그러나 수의 지수인C . , Re x

의 값은 변하지 않는다.

그러나 설계 식에 사용된 수의 지수인 값을 계산하기 위하여 각 계산 조건에, Pr y ,

서의 수를 변경하면서 반복계산을 수행하여야 한다 따라서 한가지Pr . Nu = C Reㆍx

의 관계식을 얻기 위하여 수를 변경하면서 위의 관계식을 각 경우에 따라 결정하Pr

여야 한다 이러한 반복 계산을 주어진 조건에 대하여 수행하였으며 다음에 각 조. ,

건에서의 계산 결과로부터 도출한 실험식을 정리하여 나타내었다.

- 25 -

물 5℃

층류- Nu= 1.5636 Re0.3322

(0.0406 < Re < 10.23)

층류 천이- Nu= 0.3663 Re0.9547

( 10.23 < Re < 31.53)

난류 천이- Nu= 2.17 Re0.4383

( 31.53 < Re < 85.31)

난류- Nu= 0.6809 Re0.6889

( 85.31 < Re < 1646)

물 50℃

층류- Nu= 1.0083 Re0.3327

(0.08 < Re < 10.40)

층류 천이- Nu= 0.2269 Re0.9697

(10.40 < Re < 30.99)

난류 천이- Nu= 1.4025 Re0.4392 (30.99 < Re < 85.03)

난류- Nu= 0.441 Re0.6996

(85.03 < Re < 9611)

물 90℃

층류- Nu= 0.787 Re0.3308

(0.2184 < Re < 10.34578

층류 천이- Nu= 0.1767 Re0.9701 ( 10.34578< Re < 31.55)

난류 천이- Nu= 1.093 Re0.4395

( 31.55 < Re < 84.9755)

난류- Nu= 0.3442 Re0.6996

( 84.9755 < Re < 18930)

Dowtherm J 5℃

층류- Nu= 1.8061 Re0.3325

(0.05037 < Re < 10.39)

층류 천이- Nu= 0.4061 Re0.97

( 10.39 < Re < 30.93)

난류 천이- Nu= 2.5147 Re0.4387

( 30.93 < Re < 84.91)

난류- Nu= 0.7889 Re0.6997

(84.91 < Re < 911.4)

- 26 -

Dowtherm J 50℃

층류- Nu= 1.4531 Re0.3327

(0.1008 < Re < 10.41)

층류 천이- Nu= 0.3276 Re0.9683

(10.41< Re < 30.85)

난류 천이- Nu= 1.9397 Re0.4497

(30.85 < Re < 87.1)

난류- Nu= 0.6347 Re0.6997

(87.1 < Re < 3310)

Dowtherm J 85℃

층류- Nu= 1.2892 Re0.3327

(0.1495 < Re < 10.4)

층류 천이- Nu= 0.2902 Re0.9696

(10.4< Re < 30.946)

난류 천이- Nu= 1.7711 Re0.4425 (30.946 < Re < 85.69)

난류- Nu= 0.5635 Re0.6998

(85.69 < Re < 6013)

Dowtherm J 100℃

층류- Nu= 1.2289 Re0.3328

(0.1751 < Re < 10.91)

층류 천이- Nu= 0.2763 Re9699 (10.91 < Re < 30.34)

난류 천이- Nu= 1.7092 Re0.4393

(30.34 < Re < 85.04)

난류- Nu= 0.5373 Re0.6998

(85.04 < Re < 7665)

에틸렌 글리콜(35%) 5℃

층류- Nu=2.2744 Re0.3322

(0.01473 < Re < 10.4436)

층류 천이- Nu= 0.5101 Re0.9694

(10.4436< Re < 31)

난류 천이- Nu= 3.1332 Re0.4408

(31 < Re < 84.6237)

난류- Nu= 0.997 Re0.6988

(84.6237 < Re < 6013)

- 27 -

에틸렌 글리콜(35%) 85℃

층류- Nu= 1.1707 Re0.3327

(0.09655 < Re < 10.28)

층류 천이- Nu= 0.2752 Re0.9539

(10.28 < Re < 31.5)

난류 천이- Nu= 1.6026 Re0.4433

(31.5 < Re < 85.87)

난류- Nu= 0.5116 Re0.6997

(85.87 < Re < 6013)

에틸렌 글리콜(25%) 5℃

층류- Nu= 2.0304 Re0.3321

(0.02035 < Re < 10.42)

층류 천이- Nu= 0.4553 Re0.9698

(10.42< Re < 30.949)

난류 천이- Nu= 2.8032 Re0.4403 (30.949 < Re < 86.14)

난류- Nu= 0.8687 Re0.7032

(86.14< Re < 1356)

에틸렌 글리콜(25%) 85℃

층류- Nu= 1.0472 Re0.3328

(0.1188 < Re < 10.41)

층류 천이- Nu= 0.2424 Re0.9595 (10.41 < Re < 31.34)

난류 천이- Nu= 1.4475 Re0.4408

(31.34 < Re < 85.48)

난류- Nu= 0.4577 Re0.6997

(85.48 < Re < 9401)

SAE10 50℃

Nu= 4.6304 Re0.3317

(0.003 < Re < 4.081)

SAE30 50℃

Nu= 6.4815 Re0.3313

(0.001 < Re < 10.4)

SAE40 50℃

Nu= 7.0795 Re0.3312

(0.000895 < Re < 1.166)

- 28 -

SAE70 50℃

Nu= 11.729 Re0.3308

(0.000187 < Re < 0.2575)

VG22 35℃

Nu= 4.8464 Re0.3317

(0.0027 < Re < 3.48)

VG22 75℃

Nu= 3.3525 Re0.3322

(0.00935 < Re < 10.413)

VG32 35℃

Nu= 5.5148 Re0.3315

(0.000187 < Re < 0.2575)

VG32 75℃

Nu= 3.68 Re0.3321

(0.00699 < Re < 9.545)

그리고 여러 가지 유체를 사용한 경우의 실험식을 도출한 그래프를 다음의 그림[

그림 에 각각 나타내었다.10] - [ .14] .

그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과[ .10] VG[ .10] VG[ .10] VG[ .10] VG

- 29 -

그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과[ .11] Dowtherm[ .11] Dowtherm[ .11] Dowtherm[ .11] Dowtherm

그림 에텔렌그리콜에 대한 실험식 계산 결과그림 에텔렌그리콜에 대한 실험식 계산 결과그림 에텔렌그리콜에 대한 실험식 계산 결과그림 에텔렌그리콜에 대한 실험식 계산 결과[ .12][ .12][ .12][ .12]

- 30 -

그림 물에 대한 실험식 계산 결과그림 물에 대한 실험식 계산 결과그림 물에 대한 실험식 계산 결과그림 물에 대한 실험식 계산 결과[ .13][ .13][ .13][ .13]

그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과그림 에 대한 실험식 계산 결과[ .14] SAE oil[ .14] SAE oil[ .14] SAE oil[ .14] SAE oil

- 31 -

그리고 이러한 계산 과정을 외국의 판형 열교환기의 다른 모델인 그M10M-L type

리고 모델에 대하여도 수행하였다 이것은 각 모델에 대한 설계 식CB200-H type .

의 차이를 검토하기 위한 것이다 다음 그림 에 작동유체를 의 식을 각각. [ .15] 50℃

나타낸 것이다.

그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물그림 과 모델의 설계 식 계산결과 물[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )[ .15] M10M-L CB200-H ( 50 )℃℃℃℃

나 수의 영향 검토나 수의 영향 검토나 수의 영향 검토나 수의 영향 검토. Pr. Pr. Pr. Pr

판형 열교환기의 수의 수의 영향을 고려하기 위하여 먼저 계산한 여러 가지Nu Pr ,

유체종류 및 작동온도를 변화시켜 각 수에서의 수와 수의 관계식을 도출하Pr Nu Re

였다.

- 32 -

이러한 관계식을 알파라발의 판형 열교환기에 대하여 도출한 경우의M10M-H type

계산 조건으로 유체종류 및 온도를 다음에 나타내었다.

유체종류 및 작동온도- :

물 도90

물 도50

물 도5

에틸렌 글리콜 도(25%) 85


다우섬 도100

다우섬 도85

다우섬 도50

다우섬 도5



도ISO VG22 75

이러한 유체종류와 온도가 결정되면 판형 열교환기의 작동유체의 수가 결정된다, Pr .

그리고 상기한 바와 같이 각 수에 대한Pr Nu = C Reㆍx의 관계식을 얻을 수 있다.

이러한 여러 개의 관계식에서 동일한 수에서의 수에 따른 수의 함수관계를Re Pr Nu

얻을 수 있다 즉. ,

Nu= C Prㆍy

for Re=constant

- 33 -

이러한 관계식을 역시 그래프에 표시하면 에서 직선 식을Log-Log plot curve

방법으로 구하면 수의 지수인 의 지수 값을 계산할 수 있다fitting , pr y .

수에 의한 관계식이 가지 유동 영역에 따라 다르게 나타나므로Re 4 , Nu= C Prㆍy의

함수관계를 가지 유동 영역으로 분리하여 고찰하였다4 .

먼저 층류영역에서의 수의 수에 따른 변화를 계산하여 다음 그림 에 나타Nu Pr [ .16]

내었다 그리고 이러한 그래프에서 에 의하여 계산한 각 수에서의. curve fitting Re

실험식을 나타내었다.

그림 층류영역에서의 수의 수의 변화그림 층류영역에서의 수의 수의 변화그림 층류영역에서의 수의 수의 변화그림 층류영역에서의 수의 수의 변화[ .16] Pr Nu[ .16] Pr Nu[ .16] Pr Nu[ .16] Pr Nu

층류영역 실험식 :

- Nu=0.3951 Pr0.3407

at Re=0.2

- 34 -

- Nu=0.6720 Pr0.3422

at Re=l

- Nu=1.3398 Pr0.3626

at Re=9

그리고 층류천이 영역에서의 수의 수의 변화를 계산하여 그림 에 나타내Pr Nu [ .17]

었으며 이 경우의 실험식도 함께 나타내었다, .

그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화그림 층류천이영역에서의 수의 수의 변화[ .17] Pr Nu[ .17] Pr Nu[ .17] Pr Nu[ .17] Pr Nu

층류천이 영역의 실험식 :

- Nu=1.4840 Pr0.3625

at Re=11

- Nu=2.6503 Pr0.3625 at Re=20

- Nu=3.9274 Pr0.3625

at Re=30

- 35 -

난류천이 영역에서의 수의 수의 변화를 계산하여 그림 에 나타내었으며Pr Nu [ .18] ,

이 경우의 설계 식도 함께 나타내었다，


난류천이 영역의 실험식 :

- Nu=4.0046 Pr0.3771

at Re=32

- Nu=5.5389 Pr03.772

at Re=57

- Nu=6.0526 Pr0.3773

at Re=82

- 36 -

난류 영역에서의 수의 수의 변화를 계산하여 그림 에 나타내었으며 이 경Pr Nu [ .19] ,

우의 실험식도 함께 나타내었다.


난류영역의 실험식 :

- Nu=6.3967 Pr0.3774

at Re=90

- Nu=13.077 Pr03.773

at Re=250

- Nu=18.171 Pr0.3772

at Re=400

- 37 -

다다다다.... Nu = C ReNu = C ReNu = C ReNu = C Reㆍㆍㆍㆍxxxx

PrPrPrPrㆍㆍㆍㆍyyyy 형식의 설계 식을 사용하는 경우의 오차형식의 설계 식을 사용하는 경우의 오차형식의 설계 식을 사용하는 경우의 오차형식의 설계 식을 사용하는 경우의 오차

상기한 수와 수의 관계식은Nu Pr Nu = C Reㆍx

Prㆍy의 형태의 관계식이 성립할 경

우에 수의 지수 를 결정할 수 있다 그러나 상기한 관계식에서 수의 지수는Pr y . , Pr

약간 씩 변하는 것으로 나타났다 따라서 각 유동영역에서의. , Nu = C Reㆍx

Prㆍy의

관계식을 사용하는 경우의 오차를 분석하고자 하였다.

먼저 층류영역에 대하여 Nu = C Reㆍx

Prㆍy의 관계식으로 계산한 수와Nu CAS

에서 직접 계산한 수의 비율을 층류영역내의 수를 변경시키면서 계산program Nu Re

하였다 그리고 이러한 계산 결과를 다음 그림 에 나타내었다. [ .20] .

그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .20] Nu Re[ .20] Nu Re[ .20] Nu Re[ .20] Nu Re

- 38 -

그리고 이러한 수의 계산 값의 오차의 수에 따른 변화를 다른 영역에서도 계Nu Re

산하였다 이러한 오차에 대한 분석 결과를 층류천이영역에서의 분석 결과는 그. [

림 에 난류천이영역에 대한 분석 결과는 그림 에 그리고 난류 영역에서의.21] , [ .22]

오차분석 결과는 그림 에 각각 나타내었다[ .23] .

그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 층류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .21] Nu Re[ .21] Nu Re[ .21] Nu Re[ .21] Nu Re

그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류천이영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .22] Nu Re[ .22] Nu Re[ .22] Nu Re[ .22] Nu Re

- 39 -

그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화그림 난류영역에서의 수의 비율의 수에 따른 변화[ .23] Nu Re[ .23] Nu Re[ .23] Nu Re[ .23] Nu Re

Nu = C Reㆍx

Prㆍy의 관계식을 사용하는 경우의 오차는 난류 영역에서는 약 2.5%

정도이며 층류영역에서는 약 정도까지 증가하는 것으로 나타났다 따라서, 7% . , Pr

수의 지수 는 상수가 아닌 것으로 판단된다, y .

따라서 Pr∙

형식의 설계 식을 사용하는 경우에 대하여 분석을 수행하였

다 이러한 경우에 대하여 수의 지수 를 수의 함수로 가정하여 의 함수. Pr y Pr y=f(Pr)

를 계산하였다 그리고 이러한 계산결과로 의 함수를 그림 에 나타내었. y=f(Pr) [ .24]

다 그리고 이러한 함수관계는 가지 유동영역을 모두 포함하는 것이다 따라서 이. 4 .

러한 함수관계는 본 연구에서 고려한 모든 유체 및 온도조건에 대하여 성립한다.

그림 의 지수함수를 사용하여 수의 지수 를 산출하여 열전달계수를 계산하[ .24] Pr , y

는 경우 오차는 무시할 정도가 된다는 것을 알 수 있다 따라서, . Nu = C Reㆍx

Prㆍy

의 관계식에서 수의 지수 를 그림 의 함수 값을 계산하여 사용하면 정확한Pr y [ .24]

수의 값을 얻을 수 있다Nu .

- 40 -

그림 의 함수관계 계산결과그림 의 함수관계 계산결과그림 의 함수관계 계산결과그림 의 함수관계 계산결과[ .24] y=f(Pr)[ .24] y=f(Pr)[ .24] y=f(Pr)[ .24] y=f(Pr)

이러한 의 함수를 식으로 결정하는 과정이 남아 있다 외국의 판형 열교환y=f(Pr) .

기 업체인 알파라발의 자료에 의하면 다음의 식을 제시하고 있다, .

여기서 yo 는 수의 지수이다 그리고Pr . yo 와 수의 함수 관계를 그림 에 나Pr [ .25]

타내었다.

- 41 -

그림그림그림그림[ .25] y[ .25] y[ .25] y[ .25] yoooo 관계식의 계산 결과관계식의 계산 결과관계식의 계산 결과관계식의 계산 결과= f(Pr)= f(Pr)= f(Pr)= f(Pr)

이 식은 그림 에 나타난 함수와 다른 함수를 나타내고 있으므로 상기한 알파[ .25] ,

라발의 관계식과 그림 의 결과를 사용하여 새로운 보정 식을 구하였다 이러한[ .25] .

보정함수의 정의는 다음과 같다.

이러한 보정 계수를 형 판형 열교환기에 대하여 각 경우에 대하여 계산하M10M-H

였다 그리고 가지 유동영역에서의 산출한 보정계수의 에 대한 각각의 변. 4 Log(Pr)

화 곡선을 그림 에 나타내었다[ .26] .

- 42 -

그림 의 계산식의 함수관계그림 의 계산식의 함수관계그림 의 계산식의 함수관계그림 의 계산식의 함수관계[ .26] Correction Factor[ .26] Correction Factor[ .26] Correction Factor[ .26] Correction Factor

이러한 그림에서 보듯이 가지 영역에서 각각 산출한 보정계수의 그래프는 동일한4

형태를 나타내고 있다.

그림 의 데이터로부터 방법을 사용하여 방정식을 도출하였으며[ .26] curve fitting ,

다음에 를 수 의 함수 형태로 나타내었다Correction Factor Ln(Pr ) .

Correction Factor = -4.0206281E-5*(Ln(Pr))^4 + 1.1803237E-3

*(Ln(Pr))^3 -

1.3389741E-2*(Ln(Pr))^2 + 7.8314948E-2*Ln(Pr) + 0.98909104

여기서 1.0 < Pr < 10,000

- 43 -

이러한 보정계수는 수만의 함수이며 수가 낮은 경우 보정계수는 대략 의Pr , Pr , 1.0

값을 갖는다 그러나 수의 값이 증가하는 경우 보정계수는 약 정도의 값을. , Pr , 1.2

갖는다 따라서 물과 같이 수가 낮은 경우에는 보정계수가 정도로 보정계수. Pr 1.0

의 도입의 영향이 적다 그러나 엔진오일 등과 같이 점도와 수가 높은 경우 보. , Pr ,

정계수의 사용이 필요하다.

라 벽점도의 영향 고찰라 벽점도의 영향 고찰라 벽점도의 영향 고찰라 벽점도의 영향 고찰....

상기한 경우의 실험식의 계산에서는 유체의 온도가 거의 일정하여 열 물성치의 변

화가 적은 경우에 대하여 고찰하였다 따라서 이러한 경우에는.

∙ ∙Pr∙

의 관계식에서 (μbulk/μwall 의 값이 이 된다 그러나) 1.0 . ,

고온유체와 저온유체의 온도차이가 큰 경우 그리고 유체의 점도가 온도에 따라 심,

하게 변하는 경우에는 벽점도의 영향이 크게 나타난다 이러한 벽점도의 영향을 고.

려해야하는 경우에는 (μbulk/μwall 의 지수 값인 상수 의 값을 결정하여야 한다 일) z .

반적으로 문헌에 나타나는 지수 는 층류의 경우에는 그리고 난류의 경우에z 0.14,

는 정도의 값을 갖는다 따라서 유동 영역별로 이러한 지수 는 변화하는 것0.2 . z

을 알 수 있다.

본 연구에서는 지수 의 벽점도 유체점도 의 함수관계를 유동영역 별로 계산한 결z ( / )

과를 그림 에 나타내었다[ .27] .

- 44 -

그림 지수 의 벽점도 유체점도 와의 상관관계그림 지수 의 벽점도 유체점도 와의 상관관계그림 지수 의 벽점도 유체점도 와의 상관관계그림 지수 의 벽점도 유체점도 와의 상관관계[ .27] z ( / )[ .27] z ( / )[ .27] z ( / )[ .27] z ( / )

그림 에서 보면 가지 영역별로 지수 의 크기가 다르게 나타난다 그리고[ .27] , 4 z .

벽점도 유체점도 의 비율이 인 경우에는 데이터의 산란이 비교적 큰 것을 알( / ) 1.0

수 있다 이 경우에는 수의 계산에 미치는 지수 의 영향이 매우 적어지기 때문. Nu z

에 정확한 지수 의 계산이 어렵기 때문이다 그리고 벽점도 유체점도 의 비율이z . ( / )

커지는 경우에는 유동 영역별로 지수 의 값이 비록 데이터의 산란이 있으나 일정z ,

한 상수 값으로 수렴하는 것을 알 수 있다 즉 물과 같이 온도에 따른 점도의 변화. ,

가 크지 않은 경우 벽점도의 영향은 크지 않다 그러나 엔진오일과 같이 온도에, . ,

따른 점도의 변화가 큰 경우 벽점도와 유체점도의 차이가 커지게 되며 벽점도와,

지수 의 영향은 커지게 된다z .

- 45 -

그림 지수 의 수에 따른 변화그림 지수 의 수에 따른 변화그림 지수 의 수에 따른 변화그림 지수 의 수에 따른 변화[ .28] z Re[ .28] z Re[ .28] z Re[ .28] z Re

그림 에는 지수 의 수에 따른 변화를 계산한 결과를 나타내었다 이것은 지[ .28] z Re .

수 의 값이 수에 따라 함수관계를 갖고 있는 지를 검토하기 위한 것이다 그러z Re .

나 그림 에서 보면 가지 유동 영역별로 지수 는 수에 상관없이 일정하게, [ .28] , 4 z Re

나타나는 것을 알 수 있다 따라서 지수 는 수의 함수가 아니라 유동 영역 별로. z Re ,

변하는 상수인 것을 파악할 수 있다.

본 연구에서는 이러한 계산 결과로부터 유동 영역 별로 지수 의 상수값을 결정하z

였으며 이 상수 값을 표 에 나타내었다, [ .1] .

- 46 -

표 영역 별 지수 의 값표 영역 별 지수 의 값표 영역 별 지수 의 값표 영역 별 지수 의 값[ .1] z[ .1] z[ .1] z[ .1] z

유동영역 z

층류 0.138

층류천이 0.166

난류천이 0.189

난류 0.212

마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과마 알파라발 열교환기 모델에 대한 열전달계수 설계 식 도출결과....

알파라발의 판형 열교환기의 가지 전열판 모델인 그리고3 M10M-H, M10M-L

에 대하여 설계 프로그램을 분석하여 각 전열판 모델에 대한 열전달계수CB200-H

의 설계 식을 도출하였다 이러한 판형 열교환기에 대한 설계 식을 다음에 나타내.

었다.

알파라발의 가지 판형 열교환기 모델에 대한 설계 식에 사용된 상수의 값들을 아3

래의 표 에 나타내었다[ .2] .

그리고 알파라발의 설계 프로그램 으로부터 계산한 열전달계수 와 상(CAS) (CAS(h) )

기한 식을 사용한 에서 본 연구에서 도출한 열전달계수에 대한 설계KIER program

식으로부터 계산한 열전달계수 를 비교하였다 이러한 비교를 통하여 열( Excel(h) ) .

전달계수의 계산 값의 오차율 를 구하였다 계산 결과의 오차율 은 다음의 식(%) . (%)

으로 나타내었다.

- 47 -

표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값표 계산에 사용된 열교환기 형식별 상수 값[ .2][ .2][ .2][ .2]

본 연구에서 도출한 그리고 의 가지 모델에 대한 설M10M-H, M10M-L CB200-H 3

계 식의 정확성을 확인하기 위하여 가지 전열판 모델에 대하여 계산한 각 경우의3

열전달계수와 의 계산 결과로 얻은 열 전달계수를 비교하여 오차율을CAS program

계산하였다 이의 계산결과로서 모델에 대한 열전달계수의 설계시의 오차. M10M-H

율을 그림 에 나타내었다 그리고 형과 형 판형 열교환기 모[ .29] . M10M-L CB200-H

델에 대한 설계 식의 오차를 그림 과 그림 에 각각 나타내었다 그리고[ .30] [ .31] . 3

가지 모델 전체의 계산 결과에 대한 오차율을 그림 에 나타내었다 이러한 비[ .32] .

교결과 본 연구에서 도출한 열전달계수의 설계 식의 오차는 약 이내인 것으, 0.5%

로 나타났다.

- 48 -

그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .29] M10M-H[ .29] M10M-H[ .29] M10M-H[ .29] M10M-H

그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .30] M10M-L[ .30] M10M-L[ .30] M10M-L[ .30] M10M-L

- 49 -

그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .31] CB200-H[ .31] CB200-H[ .31] CB200-H[ .31] CB200-H

그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과그림 알파라발의 가지 모델의 열전달계수 설계 식의 오차 분석결과[ .32] 3[ .32] 3[ .32] 3[ .32] 3

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판형열교환기 성능시험장비 개발판형열교환기 성능시험장비 개발판형열교환기 성능시험장비 개발판형열교환기 성능시험장비 개발2.2.2.2.

가 실험장치가 실험장치가 실험장치가 실험장치....

판형 열교환기의 전열성능 실험장치를 년 월 제작하여 한국에너지기술연구원2003 9

내에 설치하였다 다음 그럼에 성능실험장치의 현장설치 장면과 단열챔버내의 판형.

열교환기의 설치장면을 나타내었다 그리고 판형 열교환기의 성능실험장치의 배관.

도를 함께 나타내었다‘

그림 판형 열교환기 성능실험장치 현장설치 장면그림 판형 열교환기 성능실험장치 현장설치 장면그림 판형 열교환기 성능실험장치 현장설치 장면그림 판형 열교환기 성능실험장치 현장설치 장면[ .33][ .33][ .33][ .33]

- 51 -

그림 판형 열교환기 설치장면그림 판형 열교환기 설치장면그림 판형 열교환기 설치장면그림 판형 열교환기 설치장면[ .34][ .34][ .34][ .34]

- 52 -

그림 판형 열교환기 실험장치 배관도그림 판형 열교환기 실험장치 배관도그림 판형 열교환기 실험장치 배관도그림 판형 열교환기 실험장치 배관도[ .35][ .35][ .35][ .35]

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본 연구사업에서의 판형 열교환기 실험대상 모델은 외국의 알파라발 회사의

형과 대원열판의 과 등이다 그리고 실험M10M-H DX-3, DX-22, DX-143 DX-146 .

대상 작동유체는 주로 물과 그리세린이다 판형 열교환기 성능실험장치는 주로 온.

수발생장치 온수펌프 온수유량계와 온수유량조절밸브 그리고 냉수측에는 냉각탑, , ,

냉수펌프 냉수유량계와 냉수유량조절밸브가 있다 그리고 판형열교환기의 냉온수, .

입출구온도 측정센서 및 부착부품 온도 및 유량측정 용, datalogger (HP34970A)

그리고 자료입력용 개인 컴퓨터 그리고 단열챔버 보조히터와 챔버온도조절장치가, ,

있으며 콘트롤 전기판델이 설치되어 있다, .

온수탱크에는 개의 전기히터가 장착되어 있으며 각 전기히터의 용량은 이6 , 10kW

며 온수의 온도조절을 위하여 개부분으로 나누어 전력의 공급량을 조절하였다, 4 . 4

개의 히터중에서 개는 그리고 나머지 개는 로 구성하였으며 이중2 20kW, 2 10 kW ,

에 히터 개는 자동제어 또는 수동으로 전력을 조절할 수 있도록 하였10kW 1 PID

다 그리고 나머지 개의 히터는 온도조절장치를 갖추었다 그리고 온수탱크. 3 on-off

의 상부에는 물과 공기와의 분리를 위한 기수분리기를 설치하였으며 기수분리부의,

상부에는 공기배출구를 연결하였다.

냉각탑은 용량이 이며 원통형이다 온수 및 냉수의 유량측정을 위하여 저유20RT , .

량에서는 한국유량계의 용적식유량계를 사용하였으며 고유량에는 전자oval type ,

유량계를 사용하였다 그리고 온수 및 냉수의 공급을 위하여 일성종합기계의 스텐.

펌프를 사용하였으며 냉수 측의 급수내에 공기의 배출을 위하여 별도로 기수분리,

장치를 설치하였으며 역시 냉수 측의 기수분리장치의 상부에 공기배출구를 연결하,

였다 또한 온수와 냉수의 중간에 유체의 흐름상체를 관찰하기 위한 관찰구를 아크.

릴 재질로 제작하여 설치하였으며 각 배관의 중간부분에 유체의 배출을 위한 개, 4

의 배출구를 설치하였다.

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그리고 냉각탑으로 유입되는 냉수의 온도를 제한하기 위하여 냉수 펌프의 후단부에

냉수의 재순환 배관망을 설치하였다 그리고 냉각탑의 급수의 보충을 위한 배관과.

냉각탑에서 펌프로 흡입부에 여과망을 설치하여 이물질이 배관내로 유입되는 것을

방지하였다 또한 유량계의 전에 스트레이너를 설치하여 유량계로 이물질이 유입되.

는 것을 방지하였다.

그리고 판형 열교환기의 주위의 온도를 조절하여 냉각손실을 방지하기 위하여 판형

열교환기를 내부에 설치할 수 있는 단열챔버를 설치하였다 단열챔버의 크기는.

이며 챔버의 벽은 단열판넬 두께 이며2200mm x 1500mm x 2200mm , (100mm ) ,

또한 단열을 보강하기 위하여 내부면에 두께의 단열재 아티론 를 시공하였100mm ( )

다 단열챔버의 바닥면과 상부 구조를 분리할 수 있으며 고하중의 판형 열교환기를. ,

설치할 경우 상부의 단열챔버를 크레인으로 이동시킨 후 단열챔버의 바닥면에 역, ,

시 크레인으로 판형 열교환기를 이동시켜 고정하고 다시 단열챔버의 상부구조를 크

레인을 사용하여 조합하는 형태로 구성하였다 그리고 단열챔버내의 공기 온도를.

조절하기 위한 용량의 전기보조히터 개를 단열챔버내에 설치하였다 이러1.5 kW 4 .

한 보조히터는 단열챔버내의 온도를 측정한 후 판형 열교환기의 냉수와 온수의 열,

평형을 정밀하게 유지하기 위하여 온수와 냉수의 입출구온도와 유량을 측정하고,

이러한 측정값으로부터 단열챔버의 승온이 필요한 경우 전기보조히터에의 전력의,

공급시간을 조절하였다.

판형 열교환기의 온수와 냉수의 입출구 온도를 측정하기 위하여 열교환기의 입구,

부에는 개의 그리고 출구부에는 개의 를 사용하여 급수의 온도를 측정3 RTD 5 RTD

하였다 이러한 는 이며 직경이 센서부의 길이는 가지. RTD 4-wire type , 3.2mm, 2

로 와 이다 판형 열교환기의 입출구에는 온도측정센서부 이외에150mm 300mm .

판형 열교환기의 자체의 유체의 배수를 위한 배출구가 설치되어 있다.

- 55 -

나 열교환기 성능실험방법나 열교환기 성능실험방법나 열교환기 성능실험방법나 열교환기 성능실험방법....

실험대상인 판형 열교환기를 단열챔버내에 위치시키고 판형 열교환기의 입출구에

온수와 냉수 배관을 연결한다 온수 탱크와 냉각탑의 수조에 물을 채운다 온수측. .

급수펌프를 가동하여 온수배관과 판형 열교환기의 온수측 유로에 물을 공급하고,

온수배관의 관찰구를 통하여 온수배관 내에 기포의 함유 여부를 관찰하고 기포가,

존재할 경우 온수탱크 상부의 공기배출구를 통하여 공기를 배출시킨다 냉수측은.

역시 냉수펌프를 가동시켜 냉수배관내에 물을 공급하고 역시 관찰구를 통하여 기,

포의 존재 여부를 확인한다 그리고 기포가 있는 경우 냉수 배관중의 기수분리기를. ,

통하여 공기를 배출시킨다 온수와 냉수의 유량을 유량조절밸브들을 조절하여 일정.

하게 유지한 후에 냉각탑을 가동시키고 온수측의 전기히터를 전력량을 조절하여, ,

작동시킨다.

실험 시작 후에 판형 열교환기의 온수와 냉수의 입출구에서의 온도를 를 사용RTD

하여 측정하고 온수와 냉수측의 유량계의 전압신호도 측정한다 또한 단열챔버내의, .

공기온도를 열전대를 사용하여 측정한다 이러한 온도와 전압은 를 사용. HP34970A

하여 측정하며 측정결과는 개인용 컴퓨터에 연결하여 측정결과를 저장한다 그리고, .

컴퓨터에서 판형 열교환기의 온수측과 냉수측의 전열량을 계산하고 이로부터 열평,

형도를 계산한다 실험기간동안 컴퓨터에서 열평형도를 계산한 후 열평형도가. ,

가 되도록 컴퓨터에서 를 통하여 전압신호를 발생하며 이러한 발100% HP34970A ,

생 신호를 사용하여 단열챔버네의 개의 보조히터의 작동을 제어한다, 4 .

- 56 -

시간이 경과하면서 판형 열교환기의 입출구온도와 유량이 일정하게 유지되고 또한, ,

열평도와 단열챔버내 공기의 온도가 일정하게 유지되면 정상상태에서의 판형 열교,

환기의 온수와 냉수의 입출구온도와 유량을 기록한다.

물 물 판형열교환기 성능실험물 물 판형열교환기 성능실험물 물 판형열교환기 성능실험물 물 판형열교환기 성능실험3. -3. -3. -3. -

가 열교환기 전열성능실험 결과가 열교환기 전열성능실험 결과가 열교환기 전열성능실험 결과가 열교환기 전열성능실험 결과. M10M-H. M10M-H. M10M-H. M10M-H

외국의 알파라발의 판형 열교환기인 모델 열교환기의 전열판을M10M-H type 11

개를 설치하고 전열성능실험을 수행하였다 온수와 냉수의 유량을 동일하게 유지하, .

고 온수와 냉수의 입출구 온도차를 약 이상으로 조절하였다 그림 에 물10 . [ .36]℃

유량에 따른 총괄열전달계수의 변화를 나타내었다 여기서 총괄열전달계수는 다음.

의 식으로 계산하였다.

여기서 는 전열량 는 대수평균온도차 는 전열면적 그리고 는 총괄열전Q , LMTD , A U

달계수이다.

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그림 형 열교환기의 실험 결과그림 형 열교환기의 실험 결과그림 형 열교환기의 실험 결과그림 형 열교환기의 실험 결과[ .36] M10M-H[ .36] M10M-H[ .36] M10M-H[ .36] M10M-H

그림 에서 보면 총괄전열계수가 난류영역에서 일정한 기울기로 변화하는 것을[ .36] ,

알 수 있으며 난류 영역보다 낮은 의 영역에서는 기울기가 변화하며 측정값의, Re ,

변화가 심하게 나타나는 것을 알 수 있다 이것은 난류영역을 범어 났거나 또는 판. ,

형 열교환기의 유로에서의 유체의 흐름이 불균일하기 때문이다 이러한 영역에서의.

총괄전열계수는 유체 흐름의 약간의 변화에도 유동현상이 변화하여 같은 조건에서

의 실험에서도 상당한 차이를 나타내는 것을 알 수 있다 이와 대조적으로 수가. Re

어느 정도 이상인 경우 동일한 조건에서의 총괄전열계수의 측정값이 서로 매우 근

접하여 나타나는 것을 알 수 있다.

이러한 실험결과내의 난류 영역에 해당하는 실험결과를 선정하여 난류 실험식을 도

출하였다 그리고 이러한 실험식과 측정 결과의 비교한 결과를 그림 과 표. [ .37] [ .3]

에 나타내었다.

- 58 -

그림 난류영역의 측정결과와 추세선그림 난류영역의 측정결과와 추세선그림 난류영역의 측정결과와 추세선그림 난류영역의 측정결과와 추세선[ .37][ .37][ .37][ .37]

표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교표 열교환기의 총괄전열계수의 측정치와 설계 식 비교[ .3] M10M-H[ .3] M10M-H[ .3] M10M-H[ .3] M10M-H

이러한 측정값과 실험식과의 비교 결과 오차는 이내로 비교적 정확하게 일, 1.4%

치하는 것으로 나타났다 따라서 난류 영역에서 일반적으로 나타나는 형식인 수. , Nu

가 의 지수의 함수로 나타난다는 것을 확인하여 난류 영역에서의 실험결과의 정Re

확성의 일변을 확인할 수 있다.

- 59 -

나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교나 열교환기 성능실험결과와 프로그램 비교. M10M-H. M10M-H. M10M-H. M10M-H

그림 에 외국 설계 프로그램 의 형 열교환기에 대한 계산 결과[ .38] (CAS) M10M-H

와 본 연구의 실험 결과를 비교하였다 그러나 이 그림 에서 보면 난류 영역. , [ .38] ,

에서의 경향은 비슷하게 나타나고 있지만 약 의 총괄전열계수의 차이를, 20 - 30%

나타내고 있다.

그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교그림 외국 설계프로그램의 계산 결과와 측정결과의 비교[ .38][ .38][ .38][ .38]

다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험다 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험. -. -. -. -

외국의 판형 열교환기 모델인 형과 동일한 대원열판의 자체 제작 모델인M10M-H

형 열교환기에 대한 성능실험을 수행하였다 역시 급수유량을 변경하면서DX22-H .

총괄전열계수를 측정하였다.

- 60 -

그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교그림 와 형 열교환기의 실험결과 비교[ .39] M10M-H DX22-H[ .39] M10M-H DX22-H[ .39] M10M-H DX22-H[ .39] M10M-H DX22-H

표 와 형 열교환기의 실험결과 비교표 와 형 열교환기의 실험결과 비교표 와 형 열교환기의 실험결과 비교표 와 형 열교환기의 실험결과 비교[ .4] M10M-H DX22-H[ .4] M10M-H DX22-H[ .4] M10M-H DX22-H[ .4] M10M-H DX22-H

이러한 형과 형 열교환기의 실험값의 차이는 난류영역에서 약M10M-H DX22-H 6%

이내인 것으로 나타났다 이것은 대원열판의 전열판과 알파라발의 전열판의 형태가.

동일하나 제작사의 차이로 인하여 전열판의 파형의 약간의 차이가 존재하기 때문,

인 것으로 볼 수 있다 그러나 이러한 실험결과의 차이는 상당히 작은 것으로 판단. ,

되며 역시 판형 열교환기의 성능실험의 정확성의 일변을 확인할 수 있다, .

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그리고 대원열판의 판형 열교환기의 전열판의 제작기술은 외국의 선진국의 판형 열

교환기의 전열판의 제작기술과 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다.

라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과라 대원열판 물 물 판형열교환기 성능실험결과. -. -. -. -

대원열판의 자체 개발 모델인 에 대한 전열성능 실험에서 측정한 온수와DX-22H

냉수의 입출구온도와 유량을 표 에 나타내었다 그리고 이러한 측정결과로부터[ .5] .

전열량 대수평균온도차와 총괄전열계수를 계산하였으며 표 에 총괄전열계수의, , [ .5]

실험값을 나타내었다 그리고 그림 에는 급수유량에 따른 총괄전열계수의 변화. [ .40]

를 에 나타내었으며 이중에서 직선으로 나타나는 부분에 대한 실험Log-Log Plot ,

식을 함께 나타내었다.

표 물 물 판형열교환기의 실험결과표 물 물 판형열교환기의 실험결과표 물 물 판형열교환기의 실험결과표 물 물 판형열교환기의 실험결과[ .5] DX-22H -[ .5] DX-22H -[ .5] DX-22H -[ .5] DX-22H -

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그리고 이외의 판형 열교환기에 대하여 전열성능실험을 수행하였으며 역DX-22H ,

시 각 영역별로 급수유량에 따른 총괄전열계수의 실험식을 구하였다 표 과 그. [ .6] [

림 에 모델의 성능실험결과를 나타내었으며 표 과 그림 에는.41] DX-22L , [ .7] [ .42]

의 성능실험결과 그리고 표 과 그림 에는 모델의 성능설DX-143H [ .8] [ .43] DX-143L

험결과를 나타내었다 그리고 표 와 그림 에는 모델의 성능실험결과. [ .9] [ .44] DX-3

를 나타내었으며 표 과 그림 에는 모델의 성능실험결과를 나타, [ .10] [ .45] DX-146H

내었다.

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- 64 -



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표 판형열교환기의 성능실험결과표 판형열교환기의 성능실험결과표 판형열교환기의 성능실험결과표 판형열교환기의 성능실험결과[ .9] DX-3[ .9] DX-3[ .9] DX-3[ .9] DX-3

그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수그림 물 물 판형 열교환기의 총괄전열계수[ .44] DX-3 -[ .44] DX-3 -[ .44] DX-3 -[ .44] DX-3 -

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표 물 물 판형 열교환기의 성능실혐결과표 물 물 판형 열교환기의 성능실혐결과표 물 물 판형 열교환기의 성능실혐결과표 물 물 판형 열교환기의 성능실혐결과[ .10] DX-146H -[ .10] DX-146H -[ .10] DX-146H -[ .10] DX-146H -


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오일 물성치 측정결과오일 물성치 측정결과오일 물성치 측정결과오일 물성치 측정결과4.4.4.4.

판형 열교환기의 작동유제로서 물을 주로 사용하였으며 이외의 물성치의 변화에,

따른 열전달계수의 변화를 고려하기 위하여 본 연구에서는 엔진오일 즉, SAE oil

을 선정하였다 이것은 실제로 선박용 판형 열교환기의 경우 엔진오일이 작동유30 . ,

체로 사용되기 때문이다.

그러나 이러한 의 경우 제작사에 따라 약간 오일의 성분이 다르게 나, SAE oil 30 ,

타날 수 있으며 또한 이러한 엔진오일의 제작사에서는 온도 변화에 따른 열적 물,

성치에 대한 측정 결과를 얻을 수 없었다 따라서 본 연구에서는 한국 사의 리. shell

무라 을 구입하여 이의 물성치로서 열전도도 비열 그리고 점도를 직접 측정D 30 , , ,

하였다 그리고 참고로 알파라발의 물성치 와 여러 가지의 참고문헌에 나. database

타난 물성치를 조사하여 비교하였다.

가 엔진오일의 열전도도측정가 엔진오일의 열전도도측정가 엔진오일의 열전도도측정가 엔진오일의 열전도도측정....

오일의 열전도도는 외부의 연구기관에서 의뢰하여 측정할 수 없어서 본 연구에서

직접 측정하도록 하였다 본 연구에서는 액체의 열전도도를 결정하기 위하여.

을 사용하였다 먼저 고체 입자로서 고순도의cylinder elemnet model . , silica sand

인 를 사용하였다 이러한 는 일본의 제품이며sea sand . sea sand showa SiO2가 주

성분으로 함량은 이다 그리고 입경은 이다 입자의 모양은99.8% . 30 - 50 mesh .

약간 가진 모양을 갖고 있다.

엔진오일의 열전도도를 결정하기 위하여 의 모델 를 결정하여, sea sand parameters

야 한다 따라서 본 연구에서는 모래의 입자체적율에 따른 상온에서의 모래의. dry

를 측정 하였다 그리고 모래의 유효열전도도를 측정effective thermal conductivity .

하기 위하여 를 사용하였다thermal probe method .

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본 연구에서 측정한 상온 모래의 의 결과를 그dry effective thermal conductivity [

림 에 나타내었다 이 경우 입자체적율은 약 범위에서 변화하였.46] . , 0.475 - 0.52

다.

그리고 모래가 물에 잠긴 경우의 유효열전도도를 측정하였다 측정온도는 이. 35℃

었으며 유효열전도도는 이었다 이러한 유효열전도도와 열, 2.597 W/m K . dry wet

전도도의 측정 결과를 사용하여 해사의 를 구하였으며 이의 결model parameters ,

과는

pbm = 0.22248

del = 0.0069558 - 0.0114772*ps

여기서 입자체적율 유효접착체적율 그리고 유효입자간극이다ps= , pbm= , del= .

그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화그림 의 입자체적율에 따른 유효열전도도의 변화[ .46] sea sand[ .46] sea sand[ .46] sea sand[ .46] sea sand

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그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화그림 입자체적율에 따른 모델의 의 변화[ .47] del[ .47] del[ .47] del[ .47] del

다음은 해사에 리무라 의 엔진오일을 채웠을 경우의 온도에 따른 유효열전도D 30

도의 변화를 측정하였다 이 경우의 유효열전도도의 측정결과를 다음의 표에 나타.

내었다.

표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과표 해사에 리무라 를 채운 경우의 온도에 따른 유효열전도도 측정결과[ .11] D 30[ .11] D 30[ .11] D 30[ .11] D 30

온도 ( )℃ 유효열전도도 측정값 (W/m K)

41 1.1008

74 1.0037

100 0.971

130 0.8614

이 경우 입자체적율은 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화에 따른 체적 변화에 따라,

약간 씩 변하게 된다 이러한 엔진오일의 밀도 변화를 고려하고 위 표의 측정 결과. ,

로부터 을 사용하여 엔진 오일의 온도에 따른 열전도도를cylinder element model

계산할 수 있다 이러한 모델을 사용한 이론 열전도도와 문헌 즉 의 참고. , Holmann

서와 에 나타난 열전도도를 다음에 비교하여 나타내었다CAS program .

- 71 -

참고로 의 자료는 일반적인 에 대한 물성치이며Holmann unused engine oil , CAS

자료는 에 대한 자료이며 자료는 의 사의 제SAE oil 30 , Model Rimula D 30 Shell

품에 대한 측정자료이다.

표 엔진오일의 열전도도의 비교표 엔진오일의 열전도도의 비교표 엔진오일의 열전도도의 비교표 엔진오일의 열전도도의 비교[ .12] Rimula D 30 (W/m K)[ .12] Rimula D 30 (W/m K)[ .12] Rimula D 30 (W/m K)[ .12] Rimula D 30 (W/m K)

그림 의 열전도도 측정결과 비교그림 의 열전도도 측정결과 비교그림 의 열전도도 측정결과 비교그림 의 열전도도 측정결과 비교[ .48] Rimula D 30[ .48] Rimula D 30[ .48] Rimula D 30[ .48] Rimula D 30

- 72 -

나 엔진오일의 비열측정나 엔진오일의 비열측정나 엔진오일의 비열측정나 엔진오일의 비열측정....

한국표준연구원에 의뢰하여 의 온도에 따른 비열을 측정 하였으며 이Rimula D 30 ,

의 측정결과를 의 자료와 비교하여 다음의 표에 나타내었다 측정장CAS program .

비는 이며 와DSC (Pyris 1, Perkin Elmer) , NIST SRM 720 (Synthetic Sapphire)

비교 측정하였으며 측정결과의 불확도는 이내이다, 5% .

표 의 비열 측정결과표 의 비열 측정결과표 의 비열 측정결과표 의 비열 측정결과[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)[ .13] Rimula D 30 (J/KgK)

다 엔진오일의 점도측정다 엔진오일의 점도측정다 엔진오일의 점도측정다 엔진오일의 점도측정....

한국화학연구원에 의뢰하여 사의 의 점도를 측정하였으며 이의Shell Rimula D 30 ,

측정 결과를 자료와 비교하여 다음 표에 나타내었다 점도의 분석CAS program .

조건은 에 의하여 측정하였다ASTM D445 .

표 의 점도표 의 점도표 의 점도표 의 점도[ .14] Rimula D 30 (cP)[ .14] Rimula D 30 (cP)[ .14] Rimula D 30 (cP)[ .14] Rimula D 30 (cP)

- 73 -

라 엔진오일의 밀도라 엔진오일의 밀도라 엔진오일의 밀도라 엔진오일의 밀도----

의 밀도에 대한 자료는 과 자료가 비슷하게 나타나서Rimula D 30 Holmann CAS ,

이 자료를 사용하기로 하였다 참고로 의 자료를 다음의 표에 나타내. CAS program

었다.

표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화표 온도에 따른 엔진오일의 밀도변화[ .15][ .15][ .15][ .15]

온도 CAS program

0 911.8

40 888.0

80 862.5

120 835.2

160 806.0

마 그리세린의 물성치 결정마 그리세린의 물성치 결정마 그리세린의 물성치 결정마 그리세린의 물성치 결정....

디젤엔진 오일의 경우 제작사의 제조공정에 따라서 열물성치가 다르게 나타날 수,

있으며 객관적인 검증이 어려운 것으로 판단되었다 따라서 본 연구에서는 디젤엔.

진과 비슷한 점도를 가지고 있으며 또한 객관적으로 물성치가 비교적 잘 알려진,

그리세린을 선정하여 판형 열교환기의 성능실험을 수행하기로 하였다.

이러한 그리세린의 경우 열전도도와 비열에 대한 자료는 물성치에 대한 전문서적,

과 열전달에 대한 기술서적으로부터 얻을 수 있었다 이러한 물성치는 에서 제. CAS

시한 물성치와 약간의 차이를 나타내고 있으나 좀 더 정확하고 객관적인 자료로,

판단되었다 본 연구에서 사용한 그리세린의 비열을 다음 식으로 나타내었다. .

- 74 -

여기서 이며 이다 그리고 온도범위는 이다 그Cp in cal/g K T in K . 283 - 511K .

리고 열전도도는

여기서 이며 이다 그리고 온도범위는 이k in cal/sec-cm-K T in K . 250 - 550 K

다.

그리고 점도는 에서 제시한 자료를 사용하였다Dow Corning web site .

for 0 < T < 40℃ ℃

for 40 < T < 100℃ ℃

여기서 이며 이다 그리고 온도범위는in CentiPoise T in . 0 < T < 100μ ℃ ℃ ℃

이다.

그리고 밀도는 의 데이터를 그대로 사용하였다CAS program .

여기서 in kg/mρ3이며 이다 그리고 온도범위는 이T in . 0 < T < 100℃ ℃ ℃

다.

- 75 -


가 판형열교환기 성능해석 방법가 판형열교환기 성능해석 방법가 판형열교환기 성능해석 방법가 판형열교환기 성능해석 방법....

대원열판의 판형 열교환기의 자체 전열판 모델에 대한 판형 열교환기의 설계 프로

그램을 개발하였다 이것은 외국의 판형 열교환기의 설계 프로그램인. CAS

과 유사한 기능을 갖도록 하였다 이러한 은 외국 판형 열교program . CAS program

환기 모델에 대하여만 사용할 수 있다 그리고 프로그램의 가 공개되어 있지. source

않으므로 이를 수정하여 사용 하는 것도 어렵다 따라서 본 과제에서는 대원열판의.

모델에 적용할 수 있는 을 사용한 판형 열교환기 전용 설계 프로그램을visual basic

개발하였다.

일반적으로 판형 열교환기는 주로 전열판사이의 고온유체와 저온유체의 유로들의

조합체로 구성되어 있다 이러한 판형의 유로 형태에 대하여 일반적으로 유로들을.

단순화하여 일반적인 대향류 또는 병행류로 가정하여 계산하고 있다 그리고 전열.

판 수가 적은 경우에 대하여 수정계수를 적용하여 오차를 줄인다 이러한 경우 이. ,

러한 전열판 수에 의한 영향은 주로 에 의한 것이고 이 경우에는 주로end effect ,

를 사용하여 판형 열교환기의 성능을 수정하고 있다 그러나 유로의 조합형태chart . ,

가 복잡한 경우에는 이러한 에 의한 수정이 어렵다 따라서 본 과제에서는 판chart .

형 열교환기의 유로의 조합 형태에서의 고온유체와 저온유체의 각 유로에서는 상세

한 온도분포를 직접 계산하였다 이러한 상세 온도분포의 계산을 위하여 유한차분.

법을 사용하였다 이러한 유한차분법에 사용한 에너지 방정식은 다음과 같다. .

- 76 -

이러한 방정식은 고온 및 저온유체에 대한 에너지 평형을 고려하여 얻을 수 있다.

이러한 평형방정식을 판형 열교환기의 각 유로의 미세 체적에 대하여 적용하고 이,

러한 미세 체적을 판형 열교환기의 전체 구조에 적용한 방정식의 전체 조합을 수치

해석을 수행하였다 이러한 수치해석은 가 필요하여 수많은 반복계. Iteration method

산을 수행하여 수렴된 온도분포를 얻을 수 있다 본 연구에서는 판형 열교환기의.

전체 길이를 또는 등분하여 각 미세 요소에 대한 온도를 계산하였다20 40 .

그리고 수많은 유로로 형성된 판형 열교환기에서 각 유로의 상세한 온도계산을 계

산하는 것은 상당한 계산시간이 요구된다 따라서 본 연구에서는 이러한 유로 형태.

를 단순화하여 여러 개의 가 존재하는 경우에 각 의 유로수를 개로 가pass pass 1

정하여 계산 과정을 단순화하는 기능을 보유하고 있다 이러한 단순화는 수백 장의.

전열판을 갖는 판형 열교환기에 대하여 계산 시간이 짧고 정확성도 우수한 성능계

산이 가능하다 그리고 판형 열교환기의 전열판 수의 결정이 필요한 경우 주어진. ,

설계 조건인 유체의 유량과 입출구온도에 맞는 전열판 수의 계산도 가능하도록 하

였다 그리고 이 경우 고온 및 저온유체측의 압력손실을 계산하여 주어진 압력손실.

보다 큰 경우에는 전열판수를 다시 조정하여 주어진 압력손실보다 낮게 유지할 수

있는 전열판 수를 계산하도록 하였다 그리고 판형 열교환기의 의 수는 최대. pass 5

개로 하였다 이러한 내에서의 전열판의 조합은 임의로 할 수 있도록 프로그램. pass

을 개발하였다 그러나 이 경우 저온유체의 유로 수와 고온유체의 유로 수는 동일. ,

하여야 한다.

이러한 판형 열교환기의 고온유체와 저온유체의 유로 조합에 대한 온도 분포 및 전

열성능을 계산하는 경우 각 전열판 모델에 대한 열전달계수를 결정할 수 있는 전,

열성능 실험식을 제공하여야 한다.

- 77 -

이러한 대원열판의 전열판의 각 모델에 대한 실험식은 기존의 대원열판이 보유하였

던 전열성 능식을 일부 그대로 사용하였다 그리고 본 과제에서 성능실험을 수행한.

대원열판의 판형 열교환기 모델인 와 에 대하여는DX-3, DX-22, DX-143 DX-146

직접 전열성능 실험을 수행하여 각 모델의 전열성능 실험식을 도출하여 본 설계 프

로그램에 적용하였다.

그리고 이러한 판형 열교환기의 전열성능 해석을 위해서는 각 유체에 대한 열물성

치의 가 요구된다 따라서 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 유체database .

에 대한 열물성치인 밀도 비열 열전도도 그리고 점도에 대한 를 갖추었, , database

다 이러한 열물성치는 대개 온도에 따라 변하며 본 연구에서는 이러한 물성치의. ,

온도에 따른 변화도 고려할 수 있다 그러나 이러한 유체의 종류는 매우 많으므로. , ,

본 연구의 설계 프로그램에서 고려되지 않은 유체의 종류에 대하여는 별도로 열물

성치를 지정하여 설계 프로그램을 사용할 수 있다 그러나 이러한 경우에는 열물. ,

성치는 온도변화에 따라 일정하다고 가정하였다 참고로 본 연구의. visual basic

을 사용한 판형 열교환기 설계 프로그램의 를 별책에 수program language source

록하였다.

나 모델에 대한 와 비교나 모델에 대한 와 비교나 모델에 대한 와 비교나 모델에 대한 와 비교. M10M-H CAS KIER program. M10M-H CAS KIER program. M10M-H CAS KIER program. M10M-H CAS KIER program

본 연구에서는 외국의 판형 열교환기의 전열판 모델인 형 판형 열교환기M10M-H

에 대한 성능실험식을 도출하였다 이러한 작업은 기존의 을 사용하. CAS program

여 여러 가지 조건에서의 계산을 통하여 가능하였다 이 경우 전열판의 온수와 냉. ,

수의 유로수를 각각 개로 가정하여 계산하였다 이러한 설계 식을 본 연구의 설계1 .

프로그램에 적용하여 직접 형 판형 열교환기의 성능을 본 연구에서 개발한M10M-H

설계 프로그램을 사용하여 계산하였다.

- 78 -

이러한 계산 결과를 을 사용한 계산 결과와 직접 비교하므로서 본 연CAS program

구의 설계 프로그램의 정확성과 특성을 검증하도록 하였다.

먼저 본 연구의 설계 프로그램을 사용하여 온수와 냉수의 유로가 각각 개이며 온1 ,

구의 입구온도가 그리고 냉수의 입구온도가 인 경우에 대하여 온수와80 20 ,℃ ℃

냉수의 유량이 변하는 경우의 총괄전열계수의 변화를 계산하였다 그리고 이러한.

계산 결과를 을 사용하여 계산한 총괄전열계수인 값과 비교CAS program U-clean

하여 다음 표와 그림에 나타내었다.

표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과표 유로수가 각각 개인 경우의 와 프로그램 비교결과[ .16] 1 CAS KIER[ .16] 1 CAS KIER[ .16] 1 CAS KIER[ .16] 1 CAS KIER

- 79 -


이러한 결과 비교에서 가지 설계 프로그램의 총괄전열계수의 계산 결과는 약2 3 -

정도의 오차를 나타내고 있으나 나머지 전 구간에서는 이내의 오차를 나5% , 1%

타내고 있다 이러한 천이영역에서 오차의 원인은 이 영역의 범위가 비교적 적으며. ,

이러한 경계 영역에 총괄전열계수의 변화가 심하기 때문인 것으로 볼 수 있다 본.

연구의에서의 실험식을 도출한 경우는 온수와 냉수의 온도가 정도를 유지하50 ℃

고 온도변화 정도로 매우 적은 경우에 산출한 것이다 그리고 본 계산에서는, 0.2 .℃

온수와 냉수의 온도 범위가 로 온도변화 범위가 매우 넓어서 이러한 경20 - 80℃

우 판형 열교환기의 전체 영역을 고려할 때 일부의 구간이 천이영역과 난류영역, ,

또는 천이영역과 층류영역에 속할 수 있다 이러한 경우에는 판형 열교환기의 전체.

구간을 동일한 영역 역으로 간주하거나 아니면 전체 구간의 일부를 나누어서 영역,

별로 고려 할 수 있다.

- 80 -

따라서 이러한 유동영역의 고려하는 방법의 차이에 의하여 총괄전열계수의 차이가,

나타날 수 있다.

그러나 전체적으로 보면 유로수가 각각 개인 경우의 총괄전열계수의 비교를 통, , 1

하여 비교적 본 연구의 프로그램의 계산 결과는 정확하다고 볼 수 있다.

유로수가 각각 개인 경우와 유로수가 매우 많은 경우는 완전한 대향류를 이룬다고1

볼 수 있다 그리고 유로수가 각각 개인 경우 가 매우 크게 나타. 1 , end plate effect

나며 유로수가 매우 많은 경우 는 무시할 수 있다고 볼 수 있다, , end plate effect .

그러나 유로 수가 적은 경우에는 판형 열교환기 전체의 유로 형태를 고려할 경우, ,

비록 유로 방향이 대향류인 경우에도 완전한 대향류로 볼 수 없으며 또한 end

의 영향도 크게 나타나고 있다 본 연구에서는 고온유체와 저온유체의plate effect .

유로수가 각각 개인 경우에 실험을 수행하였다5 .

외국 판형 열교환기 모델인 형에 대하여 온수와 냉수의 유로 수가 각각M10M-H 5

개이고 온수의 입구온도가 그리고 냉수의 업구온도가 인 경우에, 80 20 CAS℃ ℃

과 을 사용하여 전열성능을 계산하였다 그리고 계산 결과로program KIER program .

서 얻어진 총괄전열계수를 비교하였으며 에서는 값을 계산, CAS program U-clean

하였으며 에서는 값과 을 동시에 계산하였다 여, KIER program U-average U-cal. .

기서 는 각 유로의 중간 위치에서의 총괄전열계수들의 평균값이다 그U-avearge .

리고 은 다음의 식으로부터 구하였다U-cal .

- 81 -

여기서 는 전열량 는 전열면적 그리고 는 평균온도차이다 이러한 값Q , A T . U-calΔ

은 완전 대향류인 경우에는 값과 동일하다 이것은 온수와 냉수의 유로U-clean .

수가 각각 개인 경우에 확인하였다 그러나 유로수가 각각 개인 경우 다음의1 . , 5 ,

식을 사용하여 평균온도차를 산출하여야 한다.

여기서 는 대수평균온도차이며 는 라고 하며 이는 열교환기의 구LMTD F F factor ,

조와 고온유체와 저온유체의 입출구온도에 따라 변하는 값이다 완전대향류인 경우. ,

이 성립한다 그리고 판형 열교환기에서 온수와 냉수의 유로수가 각각 개인F=1 . 5

경우 역시 와 판형 열교환기의 유로를 분리하므로서 이러한, end plate effect F

는 이 아닌 것으로 나타난다factor 1.0 .

다음의 표 와 그림 에 형 판형 열교환기에서 온수와 냉수의 온도가[ ] [ .50] M10M-H

각각 와 이고 유로수가 각각 개인 경우 과80 20 5 , CAS program KIER℃ ℃

을 사용하여 계산한 그리고 값을 비교하여 나program U-clean, U-average U-cal

타내었다 그리고 참고로 가지 경우의 전열량의 계산 값의 비교 결과도 함께 나타. 2

내었다 이 경우 급수유량은 온수와 냉수의 급수유량은 범위에. , 0.0005 - 2.0 kg/s

서 변화시켰으며 이러한 범위 내에 층류 천이 및 난류 영역이 모두 포함된다, , .

- 82 -

표 와 비교 유로수표 와 비교 유로수표 와 비교 유로수표 와 비교 유로수[ .17] CAS KIER program ( =5)[ .17] CAS KIER program ( =5)[ .17] CAS KIER program ( =5)[ .17] CAS KIER program ( =5)


- 83 -

위에서 나타난 바와 같이 의 계산결과인 값은CAS program U-clean KIER

의 계산 값인 와 와 다르게 나타나며 값은program U-average U-cal , U-clean

값과 값의 사이에 존재한다 표 에서 보는 바와 같이 유량이 큰U-average U-cal . [ ]

경우 이 차이는 약 정도로 그다지 크지 않으나 유량이 적은 경우 이러한, 1 - 4% , ,

차이에 의한 오차는 약 정도로 매우 크게 나타난다 그러나 전열량의 경12 -34% . ,

우 가지 경우의 차이는 그다지 크지 않으며 전열량의 차이의 오차는 전 영역에서2 ,

이내이다4% .

따라서 유로수가 각각 개인 경우 에서 사용한 전열성능 계산 방법은, 5 , CAS progrm

를 계산한 것으로 판단되고 에서는end plate effect , KIER program end plate

를 문헌에 보고된 를 사용하지 않고 각 유로의 온도분포를 정확하게 계effect chart

산하여 를 정확한 온도분포를 사용하여 계산한 결과이다 이러한 계산 방법의U-cal .

차이는 유량이 많은 경우에는 그 차이가 크지 않으나 유량이 적은 경우 큰 차이를, ,

나타내는 것으로 나타났다.

본 연구에서의 전열성능실험에서 고온유체와 저온유체의 유로 수가 각각 개인 경5

우에 대하여 성능실험을 수행하였다 이 경우에 총괄전열계수는 측정한 전열량과.

입출구온도로부터 계산한 대수평균온도차 를 사용하여 계산하였다 이러한(LMTD) .

총괄전열계수는 의 값이며 의 경우 값KIER program U-cal , CAS program U-clean

에 해당한다 따라서 동일한 실험실 험결과에 대하여 을 사용한 경우. , CAS program

와 을 사용한 경우의 총괄전열계수 에 대한 실험식이 다KlER program (U-average)

르게 나타날 수 있다.

- 84 -

대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과분석대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과분석대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과분석대원열판 물 물 판형열교환기의 성능실험 결과분석6. -6. -6. -6. -

가 모델의 물 물 설험결과 분석가 모델의 물 물 설험결과 분석가 모델의 물 물 설험결과 분석가 모델의 물 물 설험결과 분석. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -

대원열판의 국산화 모델인 모델에 대한 실험결과로부터 물유량에 따른 총DX-22H

괄전열계수의 변화를 산출하였다 의 전열판은 외국의 형의 전열. DX-22H M10M-H

판과 형상이 동일하다 따라서 의 총괄전열 계수와 의 총괄전열계. DX-22H M10M-H

수는 비슷하게 나타날 것으로 판단된다 먼저 고찰한 바와 같이 형 판형. , M10M-H

열교환기의 전열성능실험 결과에 대하여 과 비교한 결과를 보면 약간CAS program

의 차이가 나타난다.

여기서는 의 실험결과와 각 실험조건에서의 과DX-22H CAS program KIER

의 의 실험식을 사용한 계산 결과를 표 와 그림 에 비교하여program M10M-H [ ] [ .51]

나타내었다.

표 와 물 물 실험과 계산결과 비교표 와 물 물 실험과 계산결과 비교표 와 물 물 실험과 계산결과 비교표 와 물 물 실험과 계산결과 비교[ .18] DX-22H M10M-H -[ .18] DX-22H M10M-H -[ .18] DX-22H M10M-H -[ .18] DX-22H M10M-H -

- 85 -

그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 총괄전열계수의 실험과 계산결과 비교[ .51] DX-22H( - )[ .51] DX-22H( - )[ .51] DX-22H( - )[ .51] DX-22H( - )

그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교그림 물 물 전열량의 실험과 계산결과 비교[ .52] DX-22H( - )[ .52] DX-22H( - )[ .52] DX-22H( - )[ .52] DX-22H( - )

- 86 -

이러한 비교에서 총괄전열계수는 난류영역에서는 약간의 값의 차이가 있으나 경향

은 거의 동일하다 그러나 유량이 어느 정도 이하로 감소한 영역에서는 갑자기 총. ,

괄전열계수의 실험값이 줄어들어 큰 차이를 나타내고 있다 이러한 총괄전열계수의.

차이가 시작되는 위치는 대략적으로 난류 영역에 존재하는 것으로 판단된다 그리.

고 이러한 난류영역에서의 총괄 전열계수의 실험값과 계산 값의 오차는 먼저 고찰

한 형 열교환기의 실험결과의 고찰에서와 마찬가지로 실험결과가 계산 결M10M-H

과에 비하여 약 정도 낮게 나타났다 이러한 경향은 열량의 경우에 비록10 - 15% .

약간 불규칙하게 나타나지만 전체적인 특성은 동일하게 나타나는 것을 알 수 있다, .

그리고 형 열교환기의 전열성능 실험결과로부터 설계 프로그램에 필요한DX22-H

설계 식을 도출하였다 이것은 수 수 수 그리고 벽점도의 영향을 전체적으. Re , Nu , Pr

로 고려한 에서 도출한 일반적인 설계 식의 형태를 갖는다고 가정하CAS program

였다 이러한 설계 식에서는 작동유체의 종류에 따라 수등이 변하나 이러한 수. Pr , Pr

에 의한 변화 즉 수의 지수 수의 수정계수 그리고 유체온도와 벽면온도에서, Pr , Pr ,

의 점도의 비율의 지수는 일정한 것으로 나타난다 이라한 가정이 성립하면 전열성. ,

능에 대한 실험식에서 결정하여야 할 상수는 실험상수와 수의 지수이며 이러한Re ,

가지 상수는 난류영역 천이영역 그리고 층류영역에 따라 각각 다르게 나타난다2 , .

이러한 가지 상수를 계산하기 위하여 다음의 관계식을 도출하였다2 .

- 87 -

즉 Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

Z과 수를 에 나타내고) Nu,(F Re Log-Log plot Curve

방법을 사용하면 쉽게 상수 와 수의 지수 를 영역별로 산출할fitting , ( C ) Re ( X )

수 있다.

다음의 그림 에 형 판형 물 물 열교환기의 실험결과로부터 계산한[ .53] DX22-H - Re

수와 C*Re

x의 관계를 나타내었다. x

그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출그림 물 물 실험결과로부터 실험식 도출[ .53] DX-22H( - )[ .53] DX-22H( - )[ .53] DX-22H( - )[ .53] DX-22H( - )

이러한 분석 결과로부터 설계식과 실험결과의 오차는 약 이내이며 난류영역8 % ,

에서는 평균오차는 약 수준인 것을 알 수 있다 그래프에서 난류영역의 경우2% . ,

상수 그리고 수의 지수인 인 것을 알 수 있다 그리고 이와C=0.2416 Re X=0.6653 .

다른 영역에서는 에서 도출한 설계 식과 상당한 차이가 있으며 또한CAS program ,

물 물 열교환기의 경우 총괄전열계수가 비교적 낮아서 일반적으로 사용하지 않는-

영역이다.

- 88 -

나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과나 기타 모델에 대한 물 물 실험 및 분석결과. -. -. -. -

모델에 대한 물 물 성능실험에서 성능실험에서 난류와 층류의 전 영역에DX-22H -

대하여 성능실험을 수행하였다 그러나 물의 유량이 적은 기존의 설계 식과 많은. , ,

차이를 나타내며 또한 총괄전열계수가 낮아 거의 사용하지 않는 설계 영역에 속한,

다 따라서 대원열판의 다른 모델의 열교환기애 대하여는 총괄전열계수가 약. 300

W/m2정도보다 높은 경우에 대하여 물 물 성능실험을 수행하였다 이러한 열교환K - .

기의 모델은 그리고 등이 있으며DX-3, DX-22L, DX-143H, DX-143L DX-146H ,

이 모델에 대하여 물 물 성능실험을 수행한 결과로부터 수와- Re C*Re

X의함수 관계

를 계산하여 해당 그래프에 나타내었다 이러한 그래프로부터 설계 식을 도출하였.

으며 다음에 각 열교환기 모델에 대한 설계 식을 나타내었다.

그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식그림 모델의 설계 식[ .54] DX-3[ .54] DX-3[ .54] DX-3[ .54] DX-3

- 89 -



- 90 -



- 91 -

의 설계 식-DX-3 :

Nμ = 0.0134ㆍRe0.972

Fㆍ C PrㆍYo

(ㆍ μbulk/μwall)0.212

for Re>129.7

의 설계 식-DX-22L :

Nu = 0.0649ㆍRe0.7509

Fㆍ C PrㆍYo


for Re>504.5

의 설계 식-DX-143H :

Nμ = 0.2692ㆍRe0.6609

Fㆍ C PrㆍYo


for Re>213.17

N = 0.3914μ ㆍRe0.5911

Fㆍ C PrㆍYo


for 20.55<Re<213.17

의 설계 식-DX-143L :

N = 0.0767μ ㆍRe0.7304

Fㆍ C PrㆍYo


for Re>281.26

N = 1.5243μ ㆍRe0.2003

Fㆍ C PrㆍYo


for 30.55<Re<281.26

의 설계 식-DX-146H :

Nu = 0.1867ㆍRe0.7005

Fㆍ C PrㆍYo


for Re>166.8

- 92 -

그리세린 물 판형열교환기 성능설혐 및 결과분석그리세린 물 판형열교환기 성능설혐 및 결과분석그리세린 물 판형열교환기 성능설혐 및 결과분석그리세린 물 판형열교환기 성능설혐 및 결과분석7. -7. -7. -7. -

가 모델의 그리세린 물 실혐결과가 모델의 그리세린 물 실혐결과가 모델의 그리세린 물 실혐결과가 모델의 그리세린 물 실혐결과. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -

대원열판의 형 판형 열교환기에서 고온 측에 그리세린을 그리고 저온 측DX-22H ,

에 불을 사용하여 전열성능실험을 수행하였다 그리세린은 열물성치에 대한 자료가.

문헌에 나타나 있고 따라서 객관적으로 엔진오일에 비하여 열물성치가 더 정확하,

다고 볼 수 있고 그리세린의 농도가 이상으로 순도가 높으므로 실험의 재현, 98%

성을 위하여 품질도 일정하다고 판단된다 이러한 그리세린은 물보다 훨씬 점도가.

높으며 엔진오일의 점도와 대략적으로 비슷하게 나타난다, .

이러한 그리세린을 작동유제로 선정하여 전열성능실험을 수행하므로서 유체의 점,

도에 의한 영향을 고찰할 수 있다 특히 판형 열교환기의 설계 식에서 수에 의한. Pr

영향을 실험을 통하여 검증할 수 있다 설계 식에서 수정계수 수의 지수는 수. , Pr Pr

의 함수로 나타난다 그리고 벽점도와 유체 점도의 비율에 의한 변화도 점도만의.

함수로 나타난다 의 설계 식의 도출과정에서 보면 이러한 상수들은. CAS program ,

유체의 종류에 관계없는 것으로 나타난다 그리고 에서 도출한 수. CAS program Pr

의 지수와 수정 계수가 정확한 지를 또한 실제로 실험을 통하여 검증할 필요가 있

다 이러한 검증을 위한 실험을 위하여 점도가 물과 크게 다른 유체를 선정할 필요.

가 있으며 이러한 대표적인 유체로서 그리세린이 적당한 것으로 판단되었다, .

형 판형 열교환기를 사용하여 그리세린 물 성능실험을 수행한 결과로서DX-22H - ,

그리세린과 물의 유량과 입출구온도 그리고 전열량과 대수평균온도차로부터 계산한

총괄전열계수를 표 에 나타내었다[ .19] .

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표 형 그리세린 물 판형 열교환기 성능실험결과표 형 그리세린 물 판형 열교환기 성능실험결과표 형 그리세린 물 판형 열교환기 성능실험결과표 형 그리세린 물 판형 열교환기 성능실험결과[ .19] DX-22H -[ .19] DX-22H -[ .19] DX-22H -[ .19] DX-22H -

나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석나 모델의 그리세린 물 실험결과 분석. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -. DX-22H -

모델의 그리세린 물 성능실험결과로부터 계산한 그리세린 측의DX-22H -

수와Re Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

Z의 관계를 그림 에 나타내었다) [ .59] .

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이러한 그리세린 물 실험에서 나타난 그리세린 측의 수는 의 범위- Re 0.5 - 121.7

에서 변화한다 그리고 의 물 물 실험에서 나타난 난류 영역에서의 실험식. DX-22H -

에서의 수의 하한값은 이다 따라서 수가 이상의 난류영역에서는Re 133.4 . Re 133.4

물 물 실험에서 산출한 설계 식을 사용할 수 있다 이것은 그리세린 물 실험에서- . -

냉각유체로 사용한 물 측에서의 수는 난류영역에 존재하므로 그리세린 물 실험Re , -

결과를 분석할 때 물 측의 열전달계수는 물 물 실험결과로부터 구한 난류영역의, -

설계식을 그대로 사용하고 그리세린 물의 실험결과로부터 산출한 총괄전열계수로, -

부터 그리세린 측의 열전달계수를 구할 수 있다.

그리고 그림 에 물 물 성능실험에서 산출한 물 측의 의 난류영역의[ .59] - Re > 133.4

설계 식으로부터 산출한 계산결과를 동시에 나타내었다.

그림 의 그리세린측의그림 의 그리세린측의그림 의 그리세린측의그림 의 그리세린측의[ .59] DX-22H C[ .59] DX-22H C[ .59] DX-22H C[ .59] DX-22H C****ReReReRexxxx과 수의 관계과 수의 관계과 수의 관계과 수의 관계ReReReRe

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이러한 그림 에서 보면 이하에서는 그리세린 측의 실험 결과이며[ .59] Re < 121.7 ,

영역에서는 물 측의 실험결과를 분석한 결과이다 참고로 열Re > 133.4 . M10M-H

교환기의 경우에 의 설계 식을 보면 난류영역의 수의 하한값은CAS program , Re

정도이다 이러한 점을 고려하면 의 경우에도 난류영역은 그리세린85.0 . , DX-22H

실험결과의 일부를 포함하는 것을 유추할 수 있다 그리고 이것은 그림 에서. [ .59]

도 명백하게 나타나는 것을 알 수 있다 즉 난류식의 설계 식이 그림 에서 기. , [ .59]

울기가 일정한 직선으로 나타나며 이 직선은 그리세린의 실험결과의 상부의 일부,

영역의 경향과 동일하며 또한 더욱 중요한 것은 동일한 수에서, Re Nu/(FC PrㆍYoㆍ

(μbulk/μwall)Z의 값이 서로 비슷하게 나타난다는 것이다 이 관점은 이러한 난류영역) .

에서 그리세린과 물의 가지 다른 유체에 대하여 에서 도출한 설계2 CAS program

식이 정확하며 따라서 이러한 설계 식은 수의 영향을 정확하게 고려하고 있고, Pr

유체의 종류에 관계없이 설계 식이 그대로 적용될 수 있다는 것을 나타내는 것이

다.

이러한 관점의 좀 더 정확한 검증을 위하여 물 측의 난류영역의 설계 식을 그리세

린 측의 수가 이상인 경우에 대하여 설계 에 그대로 적용하Re 85.0 KIER program

여 의 전열성능을 재계산한 실험 값과 비교하였다 다음 표에 주어진 수DX-22H . Re

에 따른 C*Re

x의 그리세린측의 값과 물측의 설계 식을 사용한 계산 값을 비교하여

나타내었다.

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표 난류 영역에서의표 난류 영역에서의표 난류 영역에서의표 난류 영역에서의[ .20] C[ .20] C[ .20] C[ .20] C****ReReReRe

xxxx의 실험값과 설계 식 비교의 실험값과 설계 식 비교의 실험값과 설계 식 비교의 실험값과 설계 식 비교

위의 표 에서 보면 의 난류 영역의 동일한 영역에서의 물의[ .20] DX-22H C*Re

x값,

즉 Nu/(FC Prㆍ Yo (ㆍ μbulk/μwall)Z 값과 그리세린의 값이 서로 일치한다고 판단할 수 있)

다 따라서 으로부터 도출한 설계 식을 사용할 경우 수에 의한 영. CAS program , Pr

향을 정확하게 고려한 것으로 볼 수 있으며 이에 따라 한 가지 유체에 대하여 설,

계 식을 도출할 경우 동일한 판형 열교환기 모델에 다른 유체를 사용하더라도 동,

일한 설계 식이 그대로 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

다 모델의 설계 식 도출다 모델의 설계 식 도출다 모델의 설계 식 도출다 모델의 설계 식 도출. DX-22H. DX-22H. DX-22H. DX-22H

그림 의 형 판형 열교환기의 그리세린과 물을 사용한 경우의 실험 결[ .59] DX22-H

과로부터 각 영역에 따른 설계 식을 도출하였다 다음 그림 에. [ .60] C*Re

x의 수에Re

따른 변화를 나타내었으며 이와 동시에 각 영역의 데이터를 방법을, curve fitting

사용하여 결정한 실험식을 나타내었다 그리고 이러한 각 영역의 설계 식과 수의. Re

범위를 다음 식에 나타내었다.

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그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계 식 도출[ .60] DX-22H[ .60] DX-22H[ .60] DX-22H[ .60] DX-22H

층류영역- :

Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

Z) = 0.3975 * Re

0.4415for Re<12.72

층류천이영역- :


Z) = 0.1449 * Re

0.8383for 12.72<Re<36.714

난류천이영역- :


Z) = 0.4824 * Re

0.5045for 36.714<Re<73.72

난류영역- :


Z) = 0.2416 * Re

0.4415for 3.72<Re

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라 와 전열성능 비교라 와 전열성능 비교라 와 전열성능 비교라 와 전열성능 비교. M10M-H DX22-H. M10M-H DX22-H. M10M-H DX22-H. M10M-H DX22-H

그림 에 모델의 실험 식과 모델의 설계 식을 적용한[ .61 ] DX-22H M10M-H KIER

설계 을 사용한 경우의 물유량에 따른 총괄전열계수를 계산하여 비교하였program

다 이 경우 온수의 온도는 그리고 냉수의 온도는 로 가정하였으며 물. , 80 20 ,℃ ℃

유량은 층류 천이와 난류의 전체 영역을 포함하는 범위에서 변화시켰다 온수와 냉, .

수의 유로수는 각각 개로 하였다5 .

그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교그림 와 모델의 총괄전열계수의 계산결과 비교[ .61] DX-22H M10M-H[ .61] DX-22H M10M-H[ .61] DX-22H M10M-H[ .61] DX-22H M10M-H

의 물 물 실험결과의 실험값과 설계 값을 비교한 그림 의 비교결과를DX-22H - [ .51]

보면 물유량이 높은 경우는 차이가 없으며 물유량이 적은 경우는 총괄전열계수의, ,

변화 경향과 값이 많은 차이를 나타내고 있다 이러한 물 물 실험결과와 달리 그. - , [

림 의 비교결과를 보면 그리세린을 사용한 경우에는 으로부터 도.61] , CAS program

출한 총괄전열계수의 값과 약간 차이는 있지만 총괄전열계수의 물유량에 따른 변,

화 경향이 거의 동일한 것으로 나타난다.

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마 모델의 실험 및 설계 식 도출마 모델의 실험 및 설계 식 도출마 모델의 실험 및 설계 식 도출마 모델의 실험 및 설계 식 도출. DX-143H. DX-143H. DX-143H. DX-143H

모델에 대한 그리세린 물의 성능실험결과로부터 열전달계수 실험결과와DX-22H -

달리 유동영역이 층류에서부터 천이영역 그리고 난류영역에 건친 전 유동영역에 대

하여 적용될 수 있는 것으로 판단되었다 이러한 관점을 재확인하기 위하여.

모델의 열교환기에 대하여 그리세린 물의 전열성능실험을 수행하였다DX-143H - .

그림 에 모델에 대한 그리세린 물의 실험결과로부터 도출한[ .62] DX-143H - C*Re

x의

수에 따른 변화를 나타내었으며 각 영역에서의 의 결과 식도 함께Re , curve fitting

나타내었다.

그림 판형 열교환기의 영역별 설계식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계식 도출그림 판형 열교환기의 영역별 설계식 도출[ .62] DX-143H[ .62] DX-143H[ .62] DX-143H[ .62] DX-143H

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그림 를 보면 의 물 물 성능실험결과는 난류와 난류천이 영역에 속[ .62] , DX-143H -

하며 의 경우에 나타나는 전체 영영에 대한 설계 식과의 차이는 나타나지, DX-22H

않았다 그러나 에서도 불의 유량을 더 줄이게 되면 이러한 유동의 불. , DX-143H ,

균일에 의한 열전달계수의 급격한 감소현상이 나타날 수 있을 것으로 판단된다.

의 경우 유동영역에서의 수의 경계 값이 다르게 나타나지만DX-143H , Re , DX-22H

의 경우와 같이 가지의 유동영역을 갖는 것으로 나타났다 다음에 모델4 . DX-143H

의 각 유동영역 에서의 실험결과로부터 도출한 설계 식을 나타내었다.

층류영역- : Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

0.318) = 0.3852 * Re

0.4808

for Re<8.82

층류천이영역- : Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

0.166= 0.1425 * Re

0.9226

for 8.82<Re<21.424

난류천이 영역- : Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

0.189) = 03562 * Re

0.6096

for 21 .424<Re<212.99

난류영역- : Nu/(FC PrㆍYo(ㆍ μbulk/μwall)

0.212= 0.2692 * Re

0.6609

for 212.99<Re

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 연구에서는 대원열판의 자체 개발 판형 열교환기 모델에 대한 전열 성능의 확인

을 위하여 판형 열교환기의 전열성능시험장치를 자체 개발하여 설치하였다 이러한.

판형 열교환기의 전열성능실험장치를 사용한 실험 방법을 개발하므로서 자체 개발,

한 액체형 판형 열교환기의 전열성능의 정확한 측정이 가능하게 되었다.

그리고 외국의 알파라발사의 판형 열교환기 설계 프로그램을 분석하여 판형 열교,

환기의 열전달계수를 결정하기 위한 일반적인 설계 식의 형태를 도출하였다 이러.

한 설계 식을 사용하므로서 액체의 종류와 작동온도에 따라 변하는 수의 영향을, Pr

정확하게 고려할 수 있어서 주어진 판형 열교환기의 모델에 대한 설계 식의 결정에

많은 도웅이 될 수 있다 따라서 난류영역에서는 물을 사용한 성능실험을 수행하고. ,

그리고 층류영역에서는 그리세린을 사용한 성능실험을 수행한 후 이의 가지 실험, 2

결과를 분석하여 주어진 판형 열교환기의 모델의 열전달계수에 대한 각 유동영역에

서의 각각의 설계 식을 결정할 수 있는 방안을 마련하였다.

그리고 대원열판의 액상 판형 열교환기에 대한 성능해석 및 설계를 위한 자체의 설

계 프로그램을 개발하였다 이러한 설계 프로그램을 사용하여 각 유로에서의 고온.

및 저온유체의 온도분포를 계산할 수 있으며 이에 따라 판형 열교환기의 정확한,

성능예측이 가능하고 동시에 정확한 열교환기의 설계가 가능하다 그리고 대원열판, .

의 가지 열교환기 모델을 선정하여 이에 대한 성능실험 및 분석을 통하여 열전달6

계수에 대한 설계 식을 도출하고 이를 자체 개발한 설계 프로그램에 적용하였다, .

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그리고 본 연구의 설계 프로그램을 사용하여 얻은 총괄전열계수의 계산값과 본 연

구의 성능실험장치를 사용하여 결정한 총괄전열계수의 측정값을 비교한 결과 본,

연구에서 개발한 설계 프로그램의 성능예측오차는 약 정도 이하인 것으로 나타5%

났다.

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판형 열교환기의 성능시험장비 및 설계프로그램개발 기술 ... - itfind ·...

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