Tube-and-plate형 응축기의 유동 및 열전달 특성에 관한 수치적 연구

Abstract

Tube-and-plate형 응축기에 대하여 2차원 및 3차원 수치 시뮬레이션을 수행하여 형상 변화에 따른 내부 유동양상을 파악하였으며, 형태별 열전달 특성을 조사하고 성능을 비교분석하였다. 판의 형상과 두께, 응축기 입구의 형상 변화, 굽혀진 판의 길이에 대하여 수치 시뮬레이션을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 판의 형상에 따른 4가지 형태의 응축기의 해석결과, C, D형태의 경우, Colburn j factor가 가장 높게 나타났으나, C형태는 D형태에 비하여 압력손실 특성을 나타내는 f factor가 상대적으로 높게 나타났다. 압력강하 특성에 대한 열전달 성능의 판별 결과로부터, D형태의 성능이 가장 높은 것으로 파악되었다. 이 경우, 열전달 면적을 최대한 유지하면서 공기 유동을 원활하게 유도하여 혼합효과를 촉진함으로써 열전달 성능이 개선되는 것으로 판단된다. 2) 판의 두께 증가에 따른 열전달 효율의 해석 결과, 판 두께가 증가함에 따라 f factor 및 j factor가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 열전달 성능도 어느 정도 증가하였다. 하지만 재료의 증가를 고려하였을 때, 열전달 성능의 개선효과는 주목할 만큼 크지 않다. 3) 응축기 입구의 형상 변화에 따른 6가지 형태의 모델을 비교 하였다. D5형태에서 f factor와 j factor가 모두 가장 높은 것으로 나타났다. 또한, 동일한 체적 당 소비동력의 비교로부터 D5형태의 열전달 성능이 가장 좋은 것으로 나타났다. Colburn j factor와 f factor를 이용한 압력강하 특성에 대한 열전달 성능의 판별 결과에서도 D5형태가 가장 높은 성능을 나타내었다. 중앙부와 위쪽의 통로를 막아 열전달에 많은 기여를 하지 못하는 손실유량을 감소시키고 판의 면적이 넓은 외곽부분으로 흐르는 유량을 증가시킴으로써 열전달 성능을 향상시킬 수 있었다. 4) 굽혀진 판의 길이와 구멍의 크기에 따른 4가지 형태의 모델에 대하여 3차원 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 굽혀진 판의 길이가 길수록 j factor, f factor가 모두 증가하였고, H형태가 f factor와 j factor 모두 가장 높은 것으로 조사되었다. 동일한 체적 당 소비동력의 비교로부터 H형태의 열전달 성능이 가장 높은 것으로 나타났다. 이를 통해, 굽혀진 판과 구멍을 형성하는 것은 판 사이를 통과하는 공기의 혼합 개선효과를 수반하게 되어 열전달의 향상을 기대할 수 있다는 것을 확인하였다.

Recently, studies of heat exchangers for refrigeration system have focused on innovative design which will cost less and will be more efficient. A domestic refrigerator uses a condenser as a heat exchanger. A new condenser design, called ‘tube-and-plate type condenser’ is developed by a company in Korea for domestic refrigerators in recent years. A tube-and-plate type condenser is mounted at the bottom of the refrigerator and operated as an inline induced draft type. A tube-and-plate type condenser consists of a steel tube and steel plate fins attached to the tube. The tube and the plate are bent into a single-passage serpentine shape. For this type of condenser, refrigerant flows inside the tube and air flows outside of the tube and the plate fin. A well designed condenser will improve the energy efficiency and lower cost, while maintaining the cooling capacity. A computational simulation would serve as a helpful tool to investigate the performance and characteristics of condensers for different parameters. In this study, a two and three-dimensional numerical simulations for the tube-and-plate type condenser are proposed, and the flow and heat transfer characteristics for several types of condensers are investigated.