핀-타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 무차원 성능계수 평가 :Evaluation of non-dimensional performance coefficient for a fan-coil unit with fin-oval tubes

윤재동

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자료유형: 학위논문

저자정보: 윤재동 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 성재용

발행연도: 2017

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2019

타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 운전 조건이 무차원 성능계수에 미치는 영향

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2017

핀-타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 무차원 성능계수 평가

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2014

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2013

타원관 열교환기를 적용한 팬코일 성능 시험

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본 논문은 팬코일 유닛의 코일형상을 핀-원형 코일이 아닌 핀-타원코일을 적용 시 핀- 원형관 코일과 핀- 타원관 코일의 성능을 비교하기 위하여 실시 하고자 하며, 팬코일의 풍속, 난방수의 유량, 난방수의 온도 등 각 변수에 따른 열교환 성능, 배관 내 유동의 압력강하, 각 변수에 따른 변수들이 Colburn j-factor에 미치는 영향에 대하여 검토하고자 한다. 팬코일 유닛은 대규모 복합 건물의 중앙집중식 냉,난방 기기로 건축물 외주부의 콜드드래프트 또는 복사열의 처리에 주로 이용되는 공조 장비로 중앙 공급식 냉난방 장치로 많이 사용되고 있다. 최근 전력난의 문제가 두드러지면서 저전력 고효율의 기기를 개발하는 것이 무엇보다 필요하다. 따라서 팬코일 유닛이 많이 설치되어있는 건물의 에너지 효율을 증가시키기 위해서는 팬코일 유닛 자체의 효율을 높이는 것이 무엇보다 중요하다.
본 연구에서는 건물 환경과 동일한 조건에서 기존의 핀-원형관 열교환기와 대비되는 핀-타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 성능 비교실험을 진행하였다. 또한 무차원 열전달 성능 지표인 Colburn j-factor를 도입하여 핀-타원관 열교환기에 대한 성능평가 및 최적 운전 조건에 대한 실험을 수행하였다.
그 결과, 각각 핀-원형관와 핀-타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 성능을 비교한 결과 핀-타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 평균 풍속이 핀-원형관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛에 비해 19~50 %정도 증가하였다. 또한 열전달 효율에서는 동일 팬 모터 동력에 대해 핀-원형관 열교환기가 사용된 팬코일 유닛이 난방의 경우 64~150 %, 냉방의 경우 24~28 %정도 더 높게 나타났다. 관내 유동 압력 강하는 난방수 유량 12 lpm 이하 에서는 핀-타원관이 약간 낮게 나타났고 12 lpm이상에서는 핀-타원관이 약간 높게 나타났다.
핀-타원관 열교환기의 최적 운전 조건에 대한 실험 결과, 팬코일 유닛의 열 전달량은 풍속이 증가할수록 증가하였다. 또한 팬코일 유닛의 열 전달량은 열교환기 내부로 들어가는 난방수 온도와 난방수 유량이 증가할수록 더 증가하지만, 난방수 온도가 가장 큰 영향을 미치며 난방수 유량의 영향이 가장 작다. 그러나 무차원 지표로서 Colburn j-factor는 풍속이 증가할수록 감소하는 경향을 보이며, 본 연구에서는 풍속이 약 0.93 m/s일 때 Colburn j-factor가 최대로 나타났다. 반면에 난방수 유량이 증가할수록 Colburn j-factor는 증가한다. 또한 Colburn j-factor의 값이 크게 나타나는 난방수 온도와 공기 풍속이 존재하며 본 연구에서는 60 ℃와 80 ℃일 때 크게 나타났다. 동일 풍속에서 난방수 온도별 유량변화에 따른 Colburn j-factor 에서는 70 ℃보다 60 ℃의 난방수에서 Colburn j- factor가 높게 나타났다. 이는 차후 연구에서 재검증할 필요가 있다. 연구 결과로는 Colburn j-factor의 값에 가장 큰 영향을 미치는 조건은 풍속이며, 가장 적은 영향을 미치는 조건은 난방수 온도이다. 이에 팬코일 유닛을 설계 시 풍속조건에 대한 적정한 선정이 필요하다는 결론을 얻었다.

The purpose of this paper is to evaluate the non-dimensional performance coefficient for a fan coil unit with fin-oval tubes in a heat exchanger module. This study is to examine the effects of various factors such as the wind speed of the fan coil, the flow rate and temperature of the heating water on the heat exchange performance, pressure drop, and Colburn j-factor of the fan coil unit system. The fan coil unit is used for a centralized cooling-heating equipment in large scale complex buildings. It has been widely adopted in an air conditioning system which supplies with cold or hot water in the outer periphery of buildings. As the problem of power shortage becomes more prominent, it is necessary to develop devices with lower power and high efficiency. Therefore, in order to increase the energy efficiency of a building in which a large number of fan coil units are installed, it is most important to increase the efficiency of the fan coil unit itself.
In this study, the performance of the fan coil unit with the fin-oval tube heat exchanger is compared with that with the previous fin-circular tube heat exchanger under the same conditions as the building environment. In addition, the performance evaluation and optimal operating conditions of the fin-oval tube heat exchanger are tested by introducing Colburn j-factor, which is a dimensionless heat transfer performance index.
As a result, the average wind speed of the fan coil unit with fin-oval tubes is increased up to 19 ~ 50% by substituting it with fin-circular tubes. For the same fan motor power, the enhancements of the heat transfer rate of the fan coil unit with fin-oval tube are 64 ~ 150% for heating condition and 24 ~ 28% for cooling condition. The pressure drop of water flow in the fin-oval tube is almost similar at 8 lpm but 27% higher at 12 lpm than that in the fin-circular tube.
From the experiments on the heat transfer performance of the fan coil unit with fin-oval tubes, it is shown that the amount of heat transfer increases with the wind speed. It also increases with the heating water temperature and the heating water flow rates. The influence of the heating water temperature is the greatest but the influence of the heating water flow is the smallest. However, as a non-dimensional index, the Colburn j-factor tends to decrease as the wind speed increases. In this study, the Colburn j-factor is the maximum at a wind speed of about 0.93 m/s. On the other hand, the Colburn j-factor proportionally increases as the heating water flow increases. In addition, there found some conditions where the Colburn j-factor becomes maximized. In this study, it is at the heating water temperature of 60 ℃ or 80 ℃. For a given wind speed, the Colburn j-factor is higher at the heating water temperature of 60 ℃ than at that of 70 ℃ even though the flow rate varies. This needs to be re-verified in future studies. In brief, the condition that has the greatest influence on the value of Colburn j-factor is the wind speed, and the condition with the least effect is the heating water temperature. Therefore, it was concluded that it is necessary to design the fan coil unit properly for the temperature condition and the wind speed condition.

#열교환기 #오발코일 #Colburn j-factor

I. 서 론 1
II. 이론적 고찰 3
2.1. 열교환기 관련이론 및 성능평가 방법 3
2.1.1 Nusselt number 3
2.1.2 Prandtl number 4
2.1.3 Colburn j factor 5
2.2. 열교환기 성능평가 방법 7
III. 실험 장치 및 실험 방법 10
3.1. 실험장치 10
3.1.1 실험장치 구성 10
3.1.2 열전대(thermocouple) 11
3.1.3 열선유속계(hot-wire anemometer) 12
3.1.4 터빈 유량계(turbine flowmeter) 13
3.1.5 열교환기 제원 14
3.2. 실험조건 16
3.2.1 원형관과 타원관의 성능 비교 실험조건 16
3.2.2 핀-타원관 열교환기 성능평가 실험조건 18
IV. 결과 및 고찰 19
4.1. 원형관과 타원관 열교환기를 적용한 팬코일 유닛의 성능 비교 19
4.1.1 평균 토출 풍속 19
4.1.2 열전달 특성 20
4.1.3 압력 손실 특성 23
4.2. 운전조건이 무차원 성능지표에 미치는 영향 25
4.2.1 풍속 실험 결과 25
4.2.2 열전달 및 무차원 성능지표 특성 26
V. 결 론 36
참고문헌 37
영문초록(Abstract) 39
감사의글 41

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