KR101396905B1 - 핀 배열에서 열전달 향상을 위한 핀 구조 - Google Patents

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문호규
안경환
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박세진
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Abstract

본 발명은 열교환을 위한 핀 배열 구조에 관한 것으로서, 특히, 유동의 흐름 시 핀의 후단에서 발생되는 유동박리 현상으로 인한 낮은 열전달 현상을 개선하여 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 핀 구조에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 유체가 유동하는 바닥면 위에 소정 간격을 이루며 배열되는 복수의 기둥 형태의 핀 구조에 있어서, 상기 핀에는 상기 핀의 선단부측 유동의 일부를 상기 핀의 후단부측 유동박리 영역으로 제트 유동 형태로 분사시키기 위한 핀의 선단부측으로부터 핀의 후단부측으로 경사진 형태의 분사홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

핀 배열에서 열전달 향상을 위한 핀 구조{Shapes of pin structure for enhancing the heat transfer in the pin-fin array}
본 발명은 열교환을 위한 핀 배열 구조에 있어서, 유동의 흐름 시 핀의 후단에서 발생되는 유동박리 현상으로 인한 낮은 열전달 현상을 개선하여 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 핀 구조에 관한 것이다
일반적으로, 유체를 냉각 또는 가열하는 열교환기는, 냉각 또는 가열해야 할 열매체 유체를 유통하는 열전달관을 구비하고, 열전달관의 주위에 공기 등의 열반송 유체를 강제 유동시키도록 구성된다. 열전달관 내의 열매체 유체는, 열전달관의 관벽을 통하여 이루어지는 열반송 유체와의 열교환에 의해 냉각 또는 가열된다. 이와 같은 기체를 열반송 유체로 하는 열교환기에서는, 열반송 유체(공기 등)의 열저항이 열전달 성능을 지배하므로, 열반송 유체와 열전달관과의 열전달 접촉 면적을 증대시키는 동시에, 열전달 촉진을 위한 다양한 형태의 열전달핀이 열전달관에 부착된다.
예를 들면, 스파이럴 형태의 금속핀을 금속관에 부착하고, 금속관을 지그재그 배치 또는 바둑판 배치로 배열한 구성을 갖는 하이핀 튜브형 열교환기나, 컴팩트형 열교환기의 일종으로서 알려진 핀 튜브형 또는 플레이트 핀 튜브형의 열교환기가 각종 발전 시설의 열매체 순환회로, 공기 조화 설비의 열매체 순환회로, 각종 내연기관의 냉각수 순환회로 등에 적용되고 있다.
핀 튜브형 열교환기는 열전달관 내부를 유통하는 열매체 유체와, 관외 영역을 유동하는 기류와의 열교환에 의해 관내의 열매체 유체를 냉각한다. 핀은 열전달관의 열전달 면적을 증대시키고, 관외 기류와 관내 유체와의 열교환 효율을 향상하도록 하는 기능을 한다. 이와 같은 핀 튜브형 열교환기에 있어서, 열교환기의 성능 향상을 도모하는 수단으로서, 다수의 슬릿을 핀 주변에 형성한 구조의 열교환기가 알려져 있다(일본 특개평8-291988호 공보 등).
한편, 도 1은 종래의 핀 배열 구조를 갖는 열교환기에서의 핀 배열 구조를 보여주는 부분 사시도이고, 도 2는 도 1의 핀 배열 구조에서 열매체의 유동 발생시 핀 주변의 열전달 계수 분포를 나타낸 시뮬레이션도이다.
종래의 핀 배열 구조를 갖는 열교환기에서 열전달을 위한 핀 배열 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 평판(10) 위에 유동의 흐름 방향과 수직으로 배치된 다수의 핀(20)이 배열된 구조로 되어 있고, 유체의 유동은 다수의 핀(20) 사이에 형성된 유로를 통과하면서 다양한 형태의 유동을 발생시키게 된다. 즉, 도 2에 도시한 열전달 계수 분포도에 나타낸 바와 같이, 평판(10) 위에 배열된 복수의 핀(20) 주변에는 전열면적의 증가에 따른 열전도 증가 현상이 발생되는데, 여기서, 핀(20) 주변의 유동 흐름을 살펴보면, 전방측 핀(20)의 선단부에서 마주하는 유동은 핀(20)에 부딪히면서 유동의 흐름이 갈라지게 되어 그의 후방측 핀(20) 선단부에서 말발굽 모양의 와류를 발생시키게 되고, 이렇게 발생되는 말발굽 와류(Horseshoe vortex)는 후속되는 핀(20)에 영향을 미치게 되어 열전달 성능을 향상시키게 된다.
그러나, 위와 같은 종래의 핀 배열 구조는 유동의 흐름 시 핀(20)의 후단부에 역압력구배가 발생되어 유동입자가 실질적으로 거의 움직이지 못하는 유동박리 현상이 발생된다. 즉, 유체의 유동이 핀(20)의 외면을 따라 핀(20)의 후방측으로 유동할 경우, 유동이 핀(20) 후방측 배후로 충분하게 돌아 들어가지 못하여 핀(20)의 배후에는 데드 영역(dead zone)이라고 불리는 유동박리 영역이 형성된다. 이러한 유동박리 현상은 결국 유동난류가 되는 후류에도 영향을 미치게 되어 후방측 핀의 후단에서의 열전달 성능을 현저하게 떨어뜨리게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유체가 유동하는 통로에 복수의 핀이 배열된 구조에서, 상기 핀 부분에 유동의 흐름 방향으로 일정한 경사각을 가지며 관통하는 분사홀을 형성하여, 상기 핀의 선단부측 유동의 일부를 상기 분사홀을 통해 핀의 후단부측 유동박리 영역에 분사하도록 함으로써, 핀 후단부에 제트 유동 효과를 주어 열전달 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조를 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 유체가 유동하는 바닥면 위에 소정 간격을 이루며 배열되는 복수의 기둥 형태의 핀 구조에 있어서, 상기 핀에는 상기 핀의 선단부측 유동의 일부를 상기 핀의 후단부측 유동박리 영역으로 제트 유동 형태로 분사시키기 위한 핀의 선단부측으로부터 핀의 후단부측으로 경사진 형태의 분사홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분사홀의 입구는 상기 핀이 설치된 바닥면으로부터 상기 핀 직경의 1.5 ~ 3.0 배 되는 높이에 위치하도록 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 핀은 원형, 타원형, 익(翼)형, 쐐기형 등과 같은 다양한 단면 모양을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 핀의 후단부측 바닥면 상에는 표면이 우묵하게 들어간 형태의 딤플(dimple)이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 딤플의 선단부는 상기 핀의 후면으로부터 상기 핀 직경의 1/2 거리 내에 위치하도록 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 딤플은 타원형, 반달형 등과 같은 다양한 평면 모양을 갖도록 형성될 수 있다.
아울러, 전술된 구성을 갖는 본 발명의 핀 구조를 가스터빈용 베인이나 가스터빈 로터용 블레이드, 또는 열교환기 등에 적용함으로써 핀의 후단에서 유동박리 현상에 의해 발생되는 낮은 열전달 현상을 개선할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 핀의 선단부측 유동의 일부를 핀에 경사지게 형성된 분사홀을 통해 핀의 후단부측 유동박리 영역으로 제트 유동 형태로 직접 분사하도록 함으로써, 유동이 정체된 상태의 핀 후단부에 제트 유동 효과를 주어 열전달 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러, 이와 같은 제트 유동의 분사로 인한 난류 강도의 상승으로 인해 후속 열에 배치된 핀에서의 열전달 상승 효과를 추가적으로 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 핀 부분에 제트 유동의 분사를 위한 분사홀을 형성함에 있어, 분사홀의 입구 부분이 핀이 설치된 바닥면으로부터 핀 직경의 1.5 ~ 3.0 배 되는 높이에 위치되도록 형성하게 되면, 핀의 전방측에 형성되는 말발굽 와류의 영향으로부터 벗어난 위치에서 분사홀의 입구 부분을 확보할 수 있기 때문에 핀의 후방측에서 발생하는 말발굽 와류의 강도가 저하되는 현상을 방지할 수 있으며, 열전달 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 상기 분사홀이 천공된 핀의 후단부 바닥면에 핀의 후단으로부터 핀 직경의 0.5배 내의 거리에 위치하도록 딤플(dimple)을 형성하게 되면, 제트 유동을 분사할 때와 마찬가지로 상기 딤플에 의해 발달한 후류 유동에 의해 후속 열의 핀에서 말발굽 와류가 강화되어 열전달 성능을 한층 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 핀 또는 딤플의 단면 형태를 타원형, 익형, 쐐기형, 반달형 등과 같이 다양한 단면 형상을 갖도록 형성하게 되면, 핀 후단부에서의 난류 강도를 강화시켜 열전달 향상 효과를 극대화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 열전달 향상을 위한 핀 배열 구조를 보여주는 개념도.
도 2는 도 1의 핀 배열 구조에서 유동 발생시 핀 주변의 열전달 계수 분포를 나타낸 시뮬레이션도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 분사홀이 형성된 핀 구조를 보여주는 부분 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 핀 내부의 분사홀 형성 위치를 구체적으로 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 핀 주변에 형성되는 말발굽 와류 유동과 분사홀을 통해 핀 후단부측으로 제트 유동이 분사되는 모습을 보여주는 도면
도 6은 분사홀이 형성된 핀 구조에서의 열전달 계수 분포를 나타낸 시뮬레이션도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예로서, 핀의 후단부에 딤플이 형성된 구조를 보여주는 개념도.
도 8은 도 7에 도시된 핀의 후단에 딤플이 형성된 위치를 구체적으로 보여주는 단면도.
도 9는 딤플이 형성된 핀 구조에서의 열전달 계수 분포를 나타낸 시뮬레이션도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 전술된 분사홀과 딤플 구조가 복합적으로 적용된 핀 구조를 보여주는 단면도.
도 11은 핀 후단부에서의 열전달 향상을 위한 핀의 단면 모양으로 적용가능한 다양한 형태를 보여주는 예시도.
도 12 및 도 13은 핀 후단부에서의 열전달 향상을 위한 핀 후단부의 딤플의 평면 모양으로 적용가능한 다양한 형태를 보여주는 예시도.
이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 제트 유동의 분사를 위한 분사홀이 형성된 핀 구조를 보여주는 부분 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 핀 내부의 분사홀 형성 위치를 구체적으로 보여주는 단면도이다. 그리고, 도 5는 본 발명에 따른 핀 주변에 형성되는 말발굽 와류 유동과 분사홀을 통해 핀 후단부측으로 제트 유동이 분사되는 모습을 보여주는 개념도이다
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 핀 배열구조는, 유체가 유동하는 바닥면(100) 위에 소정 간격을 이루며 배열된 복수의 핀(110) 배열 구조에 있어서, 핀(110)의 선단부측 유동의 일부를 핀(110)의 후단부측 유동박리 영역(DZ)으로 제트 유동 형태로 분사시킬 수 있도록 하기 위하여 상기 핀(110) 부분에 후단부 방향으로 경사진 형태의 분사홀(120)이 형성된다.
여기서, 상기 분사홀(120)은 상부에서 바라본 평면 모양이 핀(110)의 선단에서 후단으로 향하는 유동의 흐름 방향과 평행하도록 배치되는 한편, 그 측면에서 바라본 모양은 상기 분사홀(120)의 입구(122)가 출구(124)보다 높은 후단부측 방향으로 경사진 형태로 배치된다.
이와 같은 구조로 핀(110) 부분에 분사홀(120)을 형성함에 따라, 핀(110)의 선단부측 유동의 일부를 상기 분사홀(120)을 통해 핀(110)의 후단부측 유동박리 영역(DZ)으로 제트 유동 형태로 분사시킬 수 있게 되어, 유동이 정체된 상태인 핀(110) 후단부의 유동박리 영역(DZ)에 제트 유동 효과를 주어 열전달 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 핀(110) 부단부에서의 제트 유동 효과를 극대화시킬 수 있도록 하기 위하여, 상기 분사홀(120)의 입구는 핀(110)이 설치된 바닥면(100)으로부터 핀(110) 직경(D)의 1.5 ~ 3.0 배 되는 높이(H)에 위치되도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 6은 위와 같은 분사홀(120)이 형성된 핀(110) 구조에서의 핀(110) 주변의 열전달 계수 분포를 시뮬레이션한 것으로서, 도 6의 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있듯이, 분사홀(120)에 의한 제트 유동 분사 효과로 인하여 핀(110)의 후단부 유동박리 영역(DZ)에서의 열전달 계수 분포가 기존(도 2)보다 향상된 것을 확인할 수 있다. 아울러, 이러한 제트 유동 분사에 의한 핀(110) 후단부에서의 난류 강도의 상승으로 인하여 후속 열에 배치된 핀(110)에서의 추가적인 열전달 상승 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 제2실시 예로서, 핀(110) 후단부에 딤플(140)이 형성된 구조를 도시한 부분 사시도이다. 그리고, 도 8은 도 7에 도시된 핀(110) 후단부의 딤플(140) 형성 위치를 구체적으로 보여주는 단면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시 예에 따른 핀(110) 배열구조는, 핀(110)의 후단부 유동박리 영역(DZ)에서의 열전달 성능 향상을 위하여, 핀(110)의 후단부측 바닥면(100) 상에 딤플(dimple)(140)이 형성된다. 상기 딤플(140)은 바닥면(100)의 표면이 특정 형상으로 우묵하게 들어간 형태를 말한다.
이와 같이, 핀(110)의 후단부 바닥면(100)상에 딤플(140)이 형성됨에 따라, 유동의 흐름 시 상기 딤플(140)이 형성된 유동박리 영역(DZ)은 주위 부분보다 상대적으로 압력이 낮아지게 되어 주변부의 유동을 유동박리 영역(DZ) 부분으로 끌어당기는 효과가 발생되고, 이로 인해 상기 유동박리 영역(DZ)에서 강한 난류를 발생시켜 핀(110)의 후단부에서의 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 딤플(140)의 형성에 따른 핀(110) 후단부에서의 열전달 성능을 극대화시키기 위하여, 상기 딤플(140)의 선단부(142)를 상기 핀(110)의 후면(112)으로부터 상기 핀(110) 직경(D)의 1/2 거리 내에 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.
도 9는 위와 같은 딤플(140)이 형성된 핀(110) 구조에서의 열전달 계수 분포를 시뮬레이션한 것으로서, 도 8의 결과를 통해 확인할 수 있듯이, 핀(110)의 후단부 바닥면(100)상에 형성된 딤플(140) 구조에 의해 발달한 후류 유동에 의해 후속 열의 핀(110)에서 말발굽 와류(Horseshoe vortex)가 강화되어 열전달 성능이 향상된 것을 볼 수 있다. 더 나아가, 도 10에 도시된 형태와 같이, 전술된 제1실시 예의 분사홀(120) 구조와 제2실시 예의 딤플(140) 구조가 복합적으로 적용된 핀(110) 구조로 구성하게 되면, 핀(110) 후단부에서의 열전달 향상 효과를 한층 극대화시킬 수 있다.
또한, 전술된 실시 예들에서 제시된 분사홀(120) 및 딤플(140) 구조와 함께 핀(110)의 단면 모양이나 딤플(140)의 평면 모양을 달리 형성하게 되면, 핀(110) 후단부에서의 열전달 향상 효과를 한층 더 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 핀(110)의 단면 모양을 도 11의 (a),(b),(c),(d)와 같은 원형, 타원형, 익(翼)형, 쐐기형 등의 다양한 단면 모양을 갖도록 형성할 수 있고, 핀(110)의 후단부 바닥면(100)에 형성되는 딤플(140) 모양을 도 12 및 도 13에 도시한 평면 및 단면 모양과 같이, 타원형, 반달형 등의 다양한 평면 모양을 갖도록 형성할 수도 있다.
그리고, 상술한 실시 예들에서 제시한 본 발명의 핀(110) 배열 구조는 열교환기, 가스터빈용 베인(vane)이나 가스터빈 로터용 블레이드(blade)와 같은 각종 내연기관의 내부 순환회로, 각종 발전 시설의 열매체 순환회로, 공기 조화 설비의 열매체 순환회로 등 열교환 작용이 필요한 다양한 사용처에 적용하여 보다 향상된 열전달 성능을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 바닥면 110 : 핀(Pin)
120 : 분사홀 122 : 입구
124 : 출구 140 : 딤플(Dimple)

Claims (14)

  1. 유체가 유동하는 바닥면 위에 소정 간격을 이루며 배열되는 복수의 기둥 형태의 핀 구조에 있어서,
    상기 핀에는 상기 핀의 선단부측 유동의 일부를 상기 핀의 후단부측 유동박리 영역으로 제트 유동 형태로 분사시키기 위한 핀의 선단부측으로부터 핀의 후단부측으로 경사진 형태의 분사홀이 관통 형성되며,
    상기 분사홀의 입구는 상기 핀이 설치된 바닥면으로부터 상기 핀 직경의 1.5 ~ 3.0 배 되는 높이에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 핀은 타원형 단면 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 핀은 익(翼)형 단면 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  5. 제1항에 있어서, 상기 핀은 쐐기형 단면 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  6. 유체가 유동하는 바닥면 위에 소정 간격을 이루며 배열되는 복수의 기둥 형태의 핀 구조에 있어서,
    상기 핀의 후단부측 바닥면 상에는 표면이 우묵하게 들어간 형태의 딤플(dimple)이 형성되고,
    상기 핀에는 상기 핀의 선단부측 유동의 일부를 상기 핀의 후단부측 하부방향으로 분사시키기 위한 경사진 형태의 분사홀이 형성되며,
    상기 분사홀의 입구는 상기 핀이 설치된 바닥면으로부터 상기 핀 직경의 1.5 ~ 3.0 배 되는 높이에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 딤플의 선단부는 상기 핀의 후면으로부터 상기 핀 직경의 1/2 거리 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  8. 제6항에 있어서, 상기 딤플은 타원형의 평면 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  9. 제6항에 있어서, 상기 딤플은 반달형의 평면 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 열전달 향상을 위한 핀 구조.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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