기호설명

하첨자

1. 서 론

공조설비에서 열교환기는 필수적인 요소로서 전열성능을 향상시키기 위해서는 열전달계수를 높이고 전열면적을 크게 하는 것이 중요하다. 핀튜브형 열교환기의 열교환성능을 유지하려면 내부의 냉매 흐름과 핀 표면에서의 공기흐름이 원활하게 이루어져야 한다. 하지만 열교환기의 사용시간이 지속될수록 핀 표면에 이물질 등이 부착되어 열저항이 증가하며 열교환기를 통하는 공기의 흐름을 방해하기 때문에 열전달 성능저하가 발생하게 된다. 특히 모래바람 등 외부의 영향을 많이 받는 위치에서는 열교환기 표면 파울링으로 인한 열전달 성능저하가 더욱 급격하게 발생하게 된다. 열교환기의 핀 형상과 핀 간격에 따라서 분진부착 양상과 공기유동에 차이가 발생하게 되며 파울링을 최소화할 수 있는 열교환기 형상설계가 필요하다. 본 연구에서는 파울링 가속실험장치를 구축하고 분진모사실험을 수행하였으며 핀튜브 타입 열교환기의 형상에 따른 압력강하 특성을 비교분석하였다.

2. 선행연구 분석

열교환기의 파울링 현상은 열교환기 표면에 실내외 분진 및 오염물이 퇴적되어 열저항을 증가시키고 궁극적으로 전열능력을 감소시킨다. Kern and Seaton⁽¹⁾은 파울링 열저항을 설명하기 위해 식(1)의 모델을 제시하였다. 파울링에 의한 열저항은 파울링 지속시간에 의해 증가하다가 수렴하게 된다. Ahn and Lee⁽²⁾은 파울링 가속 실험을 통해 표면 열저항의 증가에 따라 비례하여 증가하는 압력손실 특성을 식(2)와 같이 제안하였으며 압력손실에 따른 열교환기 전열성능을 식(3)과 같이 제안하였다. 또한 Ahn et al.⁽³⁾은 열교환기 핀 표면에서 응축수에 대한 정적 접촉각에 따른 친수성을 구분하였으며 열교환기의 사용에 따른 친수성 저하를 고려한 압력손실과 전열성능 변화를 식(4), 식(5)와 같이 제안하였다. Won⁽⁵⁾은 중동사막기후에서 에어컨 응축기의 파울링 특성을 분석하기 위해 모래바람을 모사하여 응축기 열교환기의 차폐율을 측정하고 차폐율이 50% 이상이 될 경우 냉방능력이 급격하게 감소되는 것을 확인하였다. Pu et al.⁽⁶⁾은 열교환기 표면에서 미생물의 성장으로 인한 바이오파울링 발생 시 압력강하 및 전열성능 저하를 실험적으로 분석하였고 바이오 파울링 면적이 10% 이상 될 경우 열전달계수가 감소하는 것을 확인하였다. Zhan et al.⁽⁷⁾은 Wet particle이 열교환기 표면에 부착될 때의 열교환기 형상별 압력강하와 열전달성능을 비교하기 위한 실험적 연구를 진행하였으며 핀 간격이 좁을수록, 분진농도가 높을수록, 열교환기 통과유속이 빠를수록 압력손실은 증가하고 전열성능은 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 고농도 분진 조건에서의 파울링에 의한 열교환기의 압력강하 특성을 열교환기 형상에 따라 비교분석하여 설계 시 반영할 수 있는 압력강하 예측식을 도출하는 것을 목적으로 하였다.

3. 연구방법

3.1 파울링가속 실험장치

Ahn et al.⁽⁴⁾은 3 ~ 15년 동안 실제로 사용된 공조용 열교환기의 표면에 부착되어 있는 입자의 크기를 입도분석 하였으며 실 용도에 따라서 6 ~ 21 ㎛ 크기로 분포함을 확인하였다. 따라서 실험분진으로는 입자의 크기분포가 유사한 ISO A2 Fine Test Dust를 사용하였다. 파울링 시험 시 분진 농도는 Ahn et al.⁽⁴⁾이 수행한 파울링 가속시험과 같이 3.84 g/㎥과 1.92 g/㎥으로 설정하였다.

파울링 모사 실험장치 구축 시 열교환기를 제외한 나머지 부분에서의 분진 퇴적을 최소화하기 위해 Fig. 1과 같이 수직형 One-pass 형태로 구축하였다. 내부 유속은 Fig. 2의 풍량측정장치를 사용하여 1.2 m/s, 1.8 m/s로 설정하였으며 온도 및 압력강하 계측은 Testo 625 온습도계, DAQ970A 데이터로거 그리고 Beck 930 차압계를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 핀튜브타입 열교환기는 Fig. 3의 두 가지 열교환기 형상을 사용하였다. Wavy fin 형상의 열교환기는 전열면적을 향상시키고 난류유동을 유도하기 위해 플레이트 전체 구간이 주름져 있으며 Louver fin 형상 열교환기는 난류유동을 유도하기 위해 일자형 플레이트에 튜브를 중심으로 하여 루버가 형성되어 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of the fouling measuring device.

Fig. 2 Multi-nozzle fan tester.

Fig. 3 Plate shape of finned tube heat exchanger.

4. 실험결과

4.1 열교환기 통과유속에 따른 형상별 압력강하

Fig. 4에는 열교환기 통과유속 0.6~2.4 m/s 범위에서 유속증가에 따른 압력손실 변화를 나타내었으며 Wavy fin 열교환기에 비해 Louver fin 열교환기의 압력손실이 더 크게 측정되었고 각 형상에서 핀 간격에 따른 압력손실 증가율은 핀 간격이 좁을수록 압력손실이 더 큰 것을 확인하였다.

Fig. 4 Pressure drop increase ratio by face velocity.

4.2 파울링 가속시간에 따른 압력강하

4.2.1 통과유속별 압력강하

Fig. 5는 분진농도 3.84 g/㎥ 조건에서 14 FPI 열교환기의 통과유속에 따른 초기차압 대비 압력강하 증가율을 나타내고 있다. Wavy fin 열교환기의 경우 파울링 가속시간에 따라서 압력손실이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있으며 가속시험 종료 시 초기차압 대비 압력강하 증가율은 열교환기 통과유속이 1.2 m/s, 1.8 m/s일 때 모두 약 5.8배 증가하였다. Louver fin 열교환기의 초기차압 대비 압력강하 증가율은 1.2 m/s일 때 약 2.13배, 1.8 m/s일 때 약 1.83배 증가하였다.

Fig. 5 Pressure drop increase ratio by face velocity.

4.2.2 분진농도에 따른 압력강하

Fig. 6은 14 FPI 열교환기의 통과유속이 1.2 m/s일 때 분진농도 1.92 g/㎥, 3.84 g/㎥에서 초기차압대비 압력강하 증가율을 나타내었다. Ahn and Lee⁽²⁾의 연구에 따르면 분진농도는 열교환기 표면 파울링 포화 값에는 영향을 미치지 않고 도달시간과 관계가 있다. 본 연구의 파울링 가속실험결과 Louver fin 열교환기에 비해 Wavy fin 열교환기의 파울링 가속시간에 따른 압력강하 증가율이 크게 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 6 Pressure drop increase ratio by dust concentration.

4.2.3 열교환기 형상별 압력강하

Fig. 7은 분진농도 3.84 g/㎥, 열교환기 통과유속 1.2 m/s 조건에서 열교환기 형상과 피치별 파울링 가속시간에 따른 초기차압 대비 압력강하 증가율을 나타내었다. 파울링 가속실험 종료 시 Wavy fin 형상 열교환기의 압력강하는 14 FPI 열교환기의 경우 약 7.46배, 17 FPI 열교환기의 경우 약 12.48배 증가하였다. Louver fin 형상 열교환기의 압력강하는 14 FPI 열교환기는 약 4.41배, 17 FPI 열교환기는 약 5.15배 증가하였다.

Fig. 7 Pressure drop increase ratio by fin pitch.

4.3 표면입자 부착에 의한 열교환기 내부유동

파울링 가속실험 후 열교환기 표면의 분진입자 부착형상은 Fig. 8과 같이 형성된다. Wavy fin 열교환기는 전반적으로 내부 Fin 표면 사이 전 영역에 분진이 부착되는 양상을 보이며 압력손실 결과 값을 고려하였을 때 파울링 가속실험이 지속됨에 따라 부착되는 분진량이 급격하게 증가함을 알 수 있다. 또한 핀 간격이 좁을수록 내부 핀 사이의 막힘이 빠르게 발생하게 된다. Louver fin 열교환기의 경우 난류유동을 유도하기 위한 Louver의 전체 부분에 분진이 부착되어 막히게 되고 평행한 Fin 사이에서의 분진 부착은 적게 발생하여 주 기류는 유지되는 양상을 확인하였다.

Fig. 8 Particle attachment pattern on the heat exchanger surface.

4.4 압력강하특성 분석

PIAnO 2021 Metamodeler 프로그램을 이용하여 열교환기 파울링 특성의 주요 변수인 분진투입량 x1 (g), 핀 피치 x2 (mm), 열교환기 통과유속 x3 (m/s)에 대한 압력강하 측정값을 회귀분석하여 압력강하 예측식(6)을 도출하였다. 분진투입량은 파울링 시간, 대기 분진농도, 열교환기 통과유량을 통해서 산출이 가능하다. 산출된 예측식을 통해서 분진 노출량과 핀 간격, 열교환기 통과유속 설정 값에 따른 열교환기 형상별 압력강하를 예측할 수 있다. 압력강하 특성 계수는 Table 2에 나타내었으며 Fig. 9는 실제 측정값과 예측값의 관계를 나타내었다. 파울링 실험 시 주요 변수의 범위는 분진투입량 55.3~1,327 g, 핀 피치 1.5~2 mm, 열교환기 통과유속 1.2~1.8 m/s에서 실험하였으며 Fig. 10의 각 점은 실험점을 나타내고 있으며 실선은 중간값인 분진 투입량 663.5 g, 핀 피치 1.75 mm, 열교환기 통과유속 1.5 m/s 조건을 적용하였을 때 각 변수에 대한 압력강하 예측값을 나타내고 있다.

(6)

$$ P_{f t, p r e d}=\alpha_0+\alpha_1 \mathrm{x}_1+\alpha_2 \mathrm{x}_2+\alpha_3 \mathrm{x}_3+\alpha_4 \mathrm{x}_1{ }^2+\alpha_5 \mathrm{x}_2{ }^2+\alpha_6 \mathrm{x}_3{ }^2+\alpha_7 \mathrm{x}_1 \mathrm{x}_2+\alpha_8 \mathrm{x}_1 \mathrm{x}_3+\alpha_9 \mathrm{x}_2 \mathrm{X}_3 $$

Table 2 The results obtained coefficients

	$\alpha_{0}$	$\alpha_{1}$	$\alpha_{2}$	$\alpha_{3}$	$\alpha_{4}$	$\alpha_{5}$	$\alpha_{6}$	$\alpha_{7}$	$\alpha_{8}$	$\alpha_{9}$
Wavy fin	4.29	361.46	-0.36	6.66	-53.33	-0.36	6.66	185.90	-142.78	-0.36
Louver fin	17.82	129.44	8.93	-0.41	18.58	8.93	-0.41	-46.06	-39.11	8.93

Fig. 9 Comparison of pressure drop through experimental and predicted values.

Fig. 10 Exploration plot by experimental condition.

5. 결 론

본 연구에서는 핀 튜브형 열교환기의 핀 형상에 따른 열교환기 표면 파울링 특성을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 핀 형상은 Wavy fin 열교환기와 Louver fin 열교환기를 열교환기 통과유속, 분진농도, 핀 간격에 따라서 비교분석 하였으며 주요 실험결과는 다음과 같다.

(1) 열교환기 통과유속에 따른 압력강하 증가율은 Wavy fin 열교환기는 통과유속이 1.2 m/s, 1.8 m/s일 때 모두 약 5.8배 증가하였고 Louver fin 열교환기는 1.2 m/s일 때 약 2.13배, 1.8 m/s일 때 약 1.83배 증가하였다.

(2) 분진 농도는 열교환기 파울링 포화값에는 영향을 미치지 않고 도달시간에 영향을 미치며 동일한 분진농도 조건에서 Wavy fin 열교환기가 Louver fin 열교환기에 비해 파울링 가속시간에 따른 압력강하 증가율이 크게 나타난다.

(3) 핀 간격에 따른 압력강하 증가율은 Wavy fin 형상 14 FPI 열교환기의 경우 약 7.46배 증가하였으며 17FPI 열교환기는 약 12.48배 증가하였다. Louver fin 형상의 경우 14 FPI 열교환기는 약 4.41배 증가였으며 17FPI는 약 5.15배 증가하였다.

(4) 열교환기 표면 분진 부착양상을 분석한 결과 Wavy fin 열교환기는 전반적으로 내부 Fin 사이에 분진이 부착되어 적층 되면서 표면 파울링이 지속됨에 따라 공기유동이 이루어지는 통로가 급격하게 막히는 양상이 발생하며 Louver fin 열교환기의 경우 난류유동을 유도하기 위한 Louver의 전체 부분에 분진이 부착되어 막히게 되고 평행한 Fin 사이에서의 분진 부착은 적게 발생하여 주 기류가 확보되는 양상을 확인하였다.

(5) 파울링 실험조건인 분진투입량 x1 (g), 핀 피치 x2 (mm), 열교환기 통과유속 x3 (m/s)에 따른 압력강하 측정값을 회귀분석하였으며 아래와 같은 예측식을 도출하였다.