KR20010088072A - 열교환기 성능 평가 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기 성능 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 일정 온도 및 습도를 가지는 공기를 열교환기에 통과시키고, 일정 시간이 경과한 후에 상기 열교환기를 경사지게 한 후 일정 시간 동안 열교환기 표면의 응축수를 자유낙하시킴으로써 제거하고, 센서를 이용하여 상기 열교환기의 무게를 1차로 측정하고, 상기 열교환기를 건조시킨 후 센서를 이용하여 무게를 2차로 측정하고, 상기 1차측정무게와 2차측정무게의 차이를 이용하여 열교환기를 통과하는 압력 손실을 구하는 단계로 이루어지는 열교환기 성능 평가 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면 종래의 평가 방법과 달리 복잡한 장치를 이용할 필요가 없으며, 특히 종래 3 ~ 4 시간이 소요되는 성능평가를 10분 정도의 짧은 시간 내에 간단하게 열교환기의 성능을 정확하게 평가하는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 열교환기 성능 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.
온도가 서로 다른 두 유체를 직접 또는 간접으로 접촉시켜 열교환시키는 열교환기는 많은 공업 분야에서 널리 쓰이고 있으며, 특히 난방, 공기조화, 동력 발생, 폐열회수 및 화학공정 등에서 중요시되고 있다.
이러한 열교환기 중 냉동 공조용 열교환기는 열전달을 향상시키기 위해 공기측에 확장 표면인 도 1a 및 1b에 나타난 것과 같은 핀을 형성한다. 습도를 가지는 공기가 열교환시 핀을 지날 때 튜브 안으로 공급되는 낮은 온도의 냉매로 인하여 열전달이 일어나며, 핀 표면의 온도가 이러한 습도를 가지는 공기 온도의 이슬점 온도 이하가 되면 열교환기 표면에 물방울이 생겨서 공기의 흐름을 방해하고 그로 인하여 열교환기 입구와 출구 사이의 압력차인 압력 강하가 증가한다. 따라서, 동일 유량을 공급하기 위해서는 팬(fan)의 전력을 증가시켜야 하며, 이는 그 만큼의 전력 소모를 가져온다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 열교환기 핀은 알루미늄 시트(sheet)에 내식성 목적으로 크롬(Cr)으로 방청처리를 한 뒤, 그 위에 친수성을 부여하여 핀 표면에 형성되는 응축수의 흘러내림을 향상시키기 위해 다양한 방법으로 코팅을 행해왔다.
코팅 처리된 열교환기의 성능을 평가하는 방법으로 종래에는 항온항습실을 이용하였다. 도 2에 열교환기 단품 시험장치의 구성도가 도시되어 있다. 상기 장치의 구성을 살펴보면, 챔버 내를 가열, 가습하는 가열/가습기(1)와, 열교환을 위하여 열교환기 튜브 내에 공급되는 물의 온도를 제어하는 등온수조(isothermal water bath)(2)와, 물을 열교환기로 순환시키는 순환펌프(3) 및 열교환기로 공급되는 물의 유량을 측정하는 유량측정기(mass flowmeter)(4)가 항온항습실 외부에 설치되어 있다. 항온항습실 내부에는 온도 및 습도를 공급하는 온/습도 공급부(12)와, 성능 테스트용 샘플(13)이 위치하는 덕트(11)와, 덕트 입구 앞 쪽에 위치하여 온도를 측정하는 공기샘플링부(7a)와, 덕트 출구 쪽에 위치하여 온도를 측정하는 공기샘플링부(7b)와, 덕트 출구로부터 연장되어 덕트 내의 유속의 양을 제어하는 노즐(10)과, 노즐로부터 연장되어 있고 공기를 공급하는 장치인 블로어(9)가 있다. 한편, 항온항습실의 계측기들로부터 신호를 받아 처리하는 데이타처리시스템(5)과 계측기들의 측정값을 조절하는 조절부(6)가 항온항습실 바깥 쪽 한편에 설치되어 있다.
상기와 같은 장치를 이용하여 열교환기의 성능을 평가할 때, 측정 요소로는 열전달량, 열교환기 전후에 미치는 압력 손실 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 이러한 측정 방법으로는 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있으나 성능 평가에 소요되는 시간이 3 ~ 4 시간 정도 소요되어, 연속적인 성능 평가에 어려움이 있다.
따라서 본 발명은 간단한 방법으로 신속하고 정확하게 열교환기 성능을 평가할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 열교환기의 일예를 보여주는 사진이다.
도 1b는 도 1a의 열교환기에서 A부분의 확대도로서 튜브 사이의 핀을 보여준다.
도 2는 종래의 열교환기 단품 시험장치의 구성도이다.
도 3은 응축수 유지량과 열교환기 입구 및 출구 사이의 압력 손실간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 열교환기 성능평가 방법을 위한 장치를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 5c는 도 4의 장치의 측면도, 정면도 및 배면도를 각각 나타내는 사진이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
21:히터 22:덕트
23:열교환기샘플 24:팬
25:수조 26:유량기
27:가습기
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양측이 개방된 챔버와; 상기 챔버와 연통되도록 설치되어 상기 챔버내에 공기 유동을 발생시키는 불로어와; 상기 챔버내에 테스트를 위하여 장착되는 열교환기와; 상기 열교환기를 기준으로 상기 공기 유동의 상류측에 배치되어 소정의 온도를 공급하도록 하는 가온부와; 상기 열교환기를 기준으로 상기 공기 유동의 상류측에 배치되어 소정의 습도를 공급하는 가습부와; 상기 열교환기의 동관에 일정한 온도의 유체를 순환시키는 항온수조와; 상기열교환기의 무게를 측정하는 중량측정부와; 상기 블로어 등의 부품을 제어하고, 중량측정부로부터 열교환기의 무게 값을 입력받아 열교환기의 응축수 유지량을 구하여 이로부터 열교환기의 물흐름성을 평가하는 콘트롤부를 포함하여 구성되는 열교환기 성능 평가 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 일정 온도 및 습도를 가지는 공기를 일정 시간동안 열교환기에 통과시켜 열교환기에 응축수가 맺히도록 하는 응축단계와; 상기 응축수가 맺힌 열교환기에서 응축수 유지량을 구하는 단계와; 상기 구해진 응축수량으로부터 열교환기 표면의 물흐름성(물 흘러내림 정도)을 평가하는 단계를 포함하여 구성되는 열교환기 성능 평가 방법을 제공한다.
상기 물흐름성을 평가하는 단계는 응축수 유지량으로부터 압력손실(△P)을 구하는 단계와; 상기 구해진 압력손실과 기 설정된 기준값을 비교하여 물흐름성을 판단하는 단계로 구성된다.
이에 따라 본 발명은 일정 온도 및 습도를 가지는 공기를 일정 시간동안 열교환기에 통과시키고, 일정 시간동안 열교환기 표면에 응축수가 맺히게 한 다음 상기 열교환기를 경사지게한 후 일정 시간 동안 열교환기 표면의 응축수를 자유낙하시킴으로써 제거하고, 센서를 이용하여 상기 열교환기의 무게를 1차로 측정하고, 상기 열교환기를 건조시킨 후 센서를 이용하여 무게를 2차로 측정하고, 상기 1차측정무게와 2차측정무게의 차이를 이용하여 열교환기를 통과하는 압력 손실을 구하는 단계로 이루어지는 열교환기 성능 평가 방법을 제공한다.
열교환기에서 일정한 습도를 가지는 공기가 열교환시 핀을 지날 때 튜브 안으로 공급되는 낮은 온도의 냉매로 인하여 열전달이 일어나는데, 핀 표면의 온도가 이러한 습도를 가지는 공기 온도의 이슬점 온도 이하가 되면 열교환기 표면에 물방울이 생겨서 공기의 흐름을 방해하므로 열교환기 입구와 출구 사이의 압력차인 압력 강하가 증가한다. 열교환기의 핀 표면에 친수성을 부여하는 등의 표면처리를 하게 되면 열교환기 표면의 표면 장력이 커지게 되므로 열교환기 표면의 물방울이 중력에 의해 밑으로 흐르는 물흐름성이 좋아지게 된다. 따라서 열교환기 입구와 출구 사이의 압력 강하가 감소되고, 압력 강하로 인하여 감소되는 유량을 증가시키기 위해 팬의 전력을 증가시킬 필요가 없고, 전력 소모도 줄일 수 있다.
본 발명은 열교환기 입구와 출구 사이의 압력 강하와 열교환기 표면의 응축수 유지량과의 상관관계를 밝혀내고, 이로부터 열교환기 표면의 응축수 유지량을 간단한 방법으로 측정함으로써 상기 압력 강하를 간접적으로 측정하여 열교환기의 성능을 평가하는 방법이다.
이하, 도면을 참조하며 실시예를 통하여 본 발명의 특징을 구체적으로 설명한다.
다양한 표면에너지를 가지는 열교환기는 응축수 유지량이 각각 다르며, 물흐름성이 좋은 열교환기 일수록 적은 응축수 유지량을 갖는다. 응축수 유지량과 열교환기 입구 및 출구 사이의 압력 손실간의 관계를 도 3에 나타내었다. 도 3의 그래프를 보면 응축수 유지량이 클 수록, 즉 표면의 물흐름성이 나쁜 소수성을 지닌 열교환기일 수록 열교환기 입구 및 출구 사이의 압력 손실이 커서 압력 강하비가 증가하는 것을 알 수 있다. 도 3에 나타난 실험 결과에 따라 압력 강하비(△P)와 응축수 유지량(water holding, WH)의 관계를 다음과 같은 실험식으로 나타낼 수 있다.
△P = 1.4384 + 0.0713(WH/100)3.69
위 식에 의하면 응축수 유지량(water holding, WH)을 알 수 있다면 압력 강하비(△P)를 쉽게 알 수 있게 된다.
여러가지 핀 표면의 특성, 즉 표면에너지를 가진 다양한 형상의 열교환기가 시험 후에 핀 표면에 생성된 열교환기 자체가 가지고 있는 응축수의 유지량을 측정하기 위한 장치를 도 4에 개략적으로 나타내었다. 덕트(22)의 왼쪽 입구에 공기를 불어넣으면 히터(21)와 가습기(27)에 의해 일정 온도 및 습도를 유지하게 되고, 이러한 공기의 흐름이 테스트를 위한 열교환기샘플(23)을 통과하여 덕트(22) 오른 쪽의 팬(24)을 통과하여 바깥으로 배출된다. 열교환기에는 수조(25)로부터 일정한 온도의 물이 튜브로 흐르게 되고, 튜브 내로 흐르는 물은 유량기(26)에 의해 제어된다. 도 5a 내지 5c는 상기 장치의 측면도, 정면도 및 배면도를 각각 나타내는 사진이다.
상기 장치로부터 열교환기의 응축수 유지량을 측정하는 방법은 다음과 같다. 수조(25)로부터 열교환기샘플(23)의 튜브 내로 흐르는 물의 유량을 일정하게 유지하고, 덕트(22) 내로 통과하는 공기의 온도 및 습도를 일정하게 유지하면 일정 시간이 경과한 후에 정상상태에 도달하게 된다. 공기는 열교환기샘플(23)을 통과하면서 다소의 압력 손실이 발생하며, 열교환기 튜브 내로 흐르는 물에 의해 열교환이 이루어지면서 열교환기 표면에 응축수를 맺히게 한다. 응축수가 맺힌 열교환기를 포스센서(Force Sensor)를 이용하여 열교환기를 45°정도로 경사시키고 약 30초간 열교환기 표면의 응축수를 자유낙하시킴으로써 제거한 후 열교환기의 1차무게를 측정한다. 그 다음 열교환기를 건조시킨 후 다시 포스 센서를 이용하여 2차무게를 측정한다. 상기 1차무게와 2차무게의 차이를 구하면 열교환기 표면에서 흘러내리지 않고 그대로 유지되는 응축수의 유지량이 구해진다. 이 양을 통해 앞서 기술한 실험식을 이용하여 열교환기의 압력 손실을 구할 수 있고, 압력 손실에 대한 기준값과 비교하면 열교환기의 성능을 쉽고 간단하게 평가할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면 종래의 평가 방법과 달리 복잡한 장치를 이용할 필요가 없으며, 특히 종래 3 ~ 4 시간이 소요되는 성능평가를 10분 정도의 짧은 시간 내에 간단하게 열교환기의 성능을 정확하게 평가하는 것이 가능하다. 또한 평가 비용면에서도 큰 절감을 가져와 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 일정 온도 및 습도를 가지는 공기를 일정 시간동안 열교환기에 통과시켜 열교환기에 응축수가 맺히도록 하는 응축단계와;상기 응축수가 맺힌 열교환기에서 응축수 유지량을 구하는 단계와;상기 구해진 응축수량으로부터 열교환기 표면의 물흐름성(물 흘러내림 정도)을 평가하는 단계를 포함하여 구성되는 열교환기 성능 평가 방법.
- 제1항에 있어서, 물흐름성을 평가하는 단계는응축수 유지량으로부터 압력손실(△P)을 구하는 단계와;상기 구해진 압력손실과 기 설정된 기준값을 비교하여 물흐름성을 판단하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
- 제2항에 있어서, 압력손실을 구하는 단계는응축수 유지량과의 비례관계에 의해서 압력손실을 구함을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
- 제3항에 있어서, 압력손실은 아래의 응축수 유지량과의 관계식압력손실(△P) = 1.4384 + 0.0713(WH/100)3.69,여기서 WH는 응축수 유지량(water holding)에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 열교환기 성능 평가 방법.
- 제1항에 있어서, 응축수 유지량을 구하는 단계는응축수가 맺힌 열교환기를 경사지게한 후 일정 시간 동안 열교환기 표면의 응축수를 자유낙하시킴으로써 제거하는 단계와;상기 응축수가 제거된 열교환기의 무게를 포스센서에 의하여 구하는 1차 무게측정 단계와;상기 응축수가 제거된 열교환기를 챔버내에서 가온부와 블로어 등을 작동시켜 건조하는 건조단계와;상기 건조된 열교환기의 무게를 포스센서에 의하여 구하는 2차 무게측정 단계를 포함하여 이루어지는 열교환기 성능 평가 방법.
- 양측이 개방된 챔버와;상기 챔버와 연통되도록 설치되어 상기 챔버내에 공기 유동을 발생시키는 불로어와;상기 챔버내에 테스트를 위하여 장착되는 열교환기와;상기 열교환기를 기준으로 상기 공기 유동의 상류측에 배치되어 소정의 온도를 공급하도록 하는 가온부와;상기 열교환기를 기준으로 상기 공기 유동의 상류측에 배치되어 소정의 습도를 공급하는 가습부와;상기 열교환기의 동관에 일정한 온도의 유체를 순환시키는 항온수조와;상기열교환기의 무게를 측정하는 중량측정부와;상기 블로어 등의 부품을 제어하고, 중량측정부로부터 열교환기의 무게 값을 입력받아 열교환기의 응축수 유지량을 구하여 이로부터 열교환기의 물흐름성을 평가하는 콘트롤부를 포함하여 구성되는 열교환기 성능 평가 장치.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20000310 |
|
PG1501 | Laying open of application | ||
PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |