BSM124-1315.MBSM124-1315.MBSM124-1315.MBSM124-1315.M

발전소용 열교환기의 성능 및 신뢰성평가와발전소용 열교환기의 성능 및 신뢰성평가와발전소용 열교환기의 성능 및 신뢰성평가와발전소용 열교환기의 성능 및 신뢰성평가와

설계 기술지원설계 기술지원설계 기술지원설계 기술지원

2007. 3.2007. 3.2007. 3.2007. 3.

지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원지원기관 한국기계연구원::::

지원기업 성산기업 주지원기업 성산기업 주지원기업 성산기업 주지원기업 성산기업 주: (: (: (: ( ))))

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 발전소용 열교환기의 성능 및 신뢰성평가와 설계 기술지원 지원기간“ ”(

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2006. 04. 01 ~ 2007. 03. 31) .

2007. 3.2007. 3.2007. 3.2007. 3.

지원기관 기관명 한국기계연구원지원기관 기관명 한국기계연구원지원기관 기관명 한국기계연구원지원기관 기관명 한국기계연구원: ( ) :: ( ) :: ( ) :: ( ) :

대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영( )( )( )( )

지원기업 기업명 성산기업 주지원기업 기업명 성산기업 주지원기업 기업명 성산기업 주지원기업 기업명 성산기업 주: ( ) : ( ): ( ) : ( ): ( ) : ( ): ( ) : ( )

대표자 권 오 경대표자 권 오 경대표자 권 오 경대표자 권 오 경( )( )( )( )

지원책임자 이 용 범지원책임자 이 용 범지원책임자 이 용 범지원책임자 이 용 범::::

참여연구원 고 재 명참여연구원 고 재 명참여연구원 고 재 명참여연구원 고 재 명::::

김 태 석김 태 석김 태 석김 태 석

한 성 건한 성 건한 성 건한 성 건

김 철김 철김 철김 철

- 3 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

열교환기의 설계 이론열교환기의 설계 이론열교환기의 설계 이론열교환기의 설계 이론1.1.1.1.

베어링 열교환기의 시험기준 개발베어링 열교환기의 시험기준 개발베어링 열교환기의 시험기준 개발베어링 열교환기의 시험기준 개발2.2.2.2.

열교환기의 시험 장비 구축열교환기의 시험 장비 구축열교환기의 시험 장비 구축열교환기의 시험 장비 구축3.3.3.3.

열교환기의 성능 시험열교환기의 성능 시험열교환기의 성능 시험열교환기의 성능 시험4.4.4.4.

구축구축구축구축5. Test Data Base5. Test Data Base5. Test Data Base5. Test Data Base

베어링 열교환기에 대한베어링 열교환기에 대한베어링 열교환기에 대한베어링 열교환기에 대한6. Evaluation6. Evaluation6. Evaluation6. Evaluation

베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가7.7.7.7.

열교환기의 용량 계산 프로그램 개발열교환기의 용량 계산 프로그램 개발열교환기의 용량 계산 프로그램 개발열교환기의 용량 계산 프로그램 개발8.8.8.8.

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

열교환기의 성능 평가열교환기의 성능 평가열교환기의 성능 평가열교환기의 성능 평가1.1.1.1.

열교환기 용량 계산 및 최적 쿨러 선정 프로그램 개발열교환기 용량 계산 및 최적 쿨러 선정 프로그램 개발열교환기 용량 계산 및 최적 쿨러 선정 프로그램 개발열교환기 용량 계산 및 최적 쿨러 선정 프로그램 개발2.2.2.2.

베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발3.3.3.3.

제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약2222

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

- 4 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

발전소용 열교환기는 냉각수를 사용하는 이하 수냉식shell & tube type oil cooler(

열교환기 와 공기를 냉각 유체로 사용하는 이하 공랭식 열교환기 가 있) fan cooler( )

고 특별하게 개발된 베어링 열교환기 이하 베어링 열교환기라 함 등이 있다, ( ) .

베어링 열교환기는 유압 작동유와 베어링 윤활유를 냉각 시키는 것으로서 전체 시,

스템의 안정성에 미치는 영향이 매우 높아 초기 냉각성능은 물론 장시간 사용 후

지속적인 성능을 충족 시켜야 한다 특히 년을 정기적 정비 주기로 한 발전소용. 2

베어링 열교환기는 운행 중 고장이 발생하면 발전설비의 중단을 초래하기 때문에

국산화를 위해서는 신뢰성 제품의 성능 내환경성 내구수명 등 의 확보가 필수적으( , , )

로 요구된다.

또한 오일의 온도 변화는 점성을 변화시켜 베어링의 유막의 두께에 지대한 영향을,

미쳐서 윤활성능을 좌우하는 주요인자가 되기 때문에 오일의 온도를 제어하는 열교

환기의 열 교환성능을 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다 현재까지는 외국의.

비슷한 크기의 제품에 대한 열 교환 성능곡선을 카탈로그에 표시하거나 성능 곡선,

을 제시하지 못하는 것이 국내 열교환기 생산업체의 실정이었다 결과적으로 사용.

자들에게 국산 열교환기는 신뢰를 받지 못하는 제품이 되었으며 사용자들은 카탈,

로그에 표시된 용량의 이상으로 큰 용량을 선정하는 경우가 많았다200% .

일반 산업용 열교환기는 방산장비 선박 공작기계 제철 제강설비 공작기계 건설, , , , , ,

중장비 석유화학 정유 가스 생산 플랜트 등의 핵심 기자재로서 널리 사용되고 있, , ,

으나 베어링 열교환기는 제품을 특수하게 개발한 제품으로서 현재 미국 프랑스, , , ,

이태리 등 선진국 일부 국가만이 자체 기술력으로 세계시장을 장악하고 있다.

- 5 -

베어링 열교환기는 성산기업이 국내최초로 한국 수력원자력의 요청에 의해서 국산

화를 개발한 상품으로 발전설비의 확충은 물론 많은 수입 대체 효과를 획득한 제품

이다.

이 베어링 열교환기를 동남아 및 유럽 등에 수출을 하기 위해서는 열교환기의 정확

한 냉각 성능과 유량 변화에 따른 압력저하시험 결과와 제품 선정을 위한 용량계산

이 요구되었다.

본 연구에서는 성산기업에서 기존부터 생산중인 산업용 열교환기

수냉식 및 공랭식 열교환기 성능 평가■

수냉식 열교환기의 성능평가를 위한 기술지원- test code

공랭식 열교환기의 성능평가를 위한 기술지원- test code

수냉식 열교환기 성능 시험-

공랭식 열교환기 성능 시험-

생산 모델별 성능시험 후 구축test data base■

실험결과 분석 후 취약 부분 설계 기술지원■

생산제품 냉각용량 자동 계산 프로그램 개발 후 기술지원■

베어링 열교환기 신뢰성평가기준 개발 및 신뢰성평가■

등을 하였으며,

특히 새롭게 개발한 발전소의 베어링 열교환기의 경우는 신뢰성 평가 기준 개발(RS

과 신뢰성평가를 통하여 신뢰수준B 0141) 90%, B10 수명 시간을 보증하게18,000

되었다 이는 산업자원부 기술표준원장으로부터 년 월 일 부품 소재 신뢰. 2007 1 24 ㆍ

성 인증 제 호 을 획득하였다( 2007-34 ) .

이와 같은 성능 및 수명시험에 필요한 이상의 오일 가열용Utility (200000 Kcal/h

보일러 등 가 기 구축되어 있고 설계이론 기술과 실험기법이 확립되어 있어 본 지) ,

원기술은 에서 수행하는 것이 적합하였다KIMM .

- 6 -

제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표2222

수냉식 및 공랭식 열교환기 성능 평가-

수냉식 및 공랭식 열교환기의 기술지원- test code

구축- test data base

실험결과 분석 후 취약 부분 설계 기술지원-

생산제품 냉각용량 자동 설계계산 프로그램 지원-

- 7 -

제 절 기술 지원 내용제 절 기술 지원 내용제 절 기술 지원 내용제 절 기술 지원 내용3333

열교환기의 설계 이론열교환기의 설계 이론열교환기의 설계 이론열교환기의 설계 이론1.1.1.1.

가 공랭식 열교환기의 설계가 공랭식 열교환기의 설계가 공랭식 열교환기의 설계가 공랭식 열교환기의 설계....

수직형 공랭식 열교환기는 삽입 통풍방식이나 흡입 방식 중 어느(forced) (induced)

것이나 가능하며 은 수직이거나 거의 수직에 가깝다 이와 같은 형태는, Bundle .

에서 사용되는 형태이고 이 열교환기의 장점은 상부에Package system , Column

직접적으로 올려놓을 수도 있으며 공간을 적게 차지 한다는 점이다, .

구조와 명칭구조와 명칭구조와 명칭구조와 명칭1)1)1)1)

삽입 통풍형 공랭식 열교환기삽입 통풍형 공랭식 열교환기삽입 통풍형 공랭식 열교환기삽입 통풍형 공랭식 열교환기Fig. 1.1Fig. 1.1Fig. 1.1Fig. 1.1

흡입 통풍형 공랭식 열교환기흡입 통풍형 공랭식 열교환기흡입 통풍형 공랭식 열교환기흡입 통풍형 공랭식 열교환기Fig. 1.2Fig. 1.2Fig. 1.2Fig. 1.2

- 8 -

형태와 명칭형태와 명칭형태와 명칭형태와 명칭Fig. 1.3 Tube finFig. 1.3 Tube finFig. 1.3 Tube finFig. 1.3 Tube fin

- 9 -

공랭식 열교환기의 기본설계 과정공랭식 열교환기의 기본설계 과정공랭식 열교환기의 기본설계 과정공랭식 열교환기의 기본설계 과정2)2)2)2)

공랭식 열교환기설계 과정은 기존에 있는 열교환기에 대하여 요구하는 성능을 낼

수 있는지 평가하여 설계치수를 결정 하는 실험방식과 열교환기의 사용 조건을 반,

영하여 요구 성능을 발휘할 수 있는 크기로 이론 설계하는 방식이 있다 또한 모의.

실험 방식은 실험 장치를 이용하여 오염도를 측정하고 오염되지 않은 상태와 오염,

된 상태에서 출구 온도의 변화를 검토하는 방법이 있다.

열교환기의 설계과정은 실험방식과 이론 설계방식 및 모의실험 등이며 이러한 과정

을 열 설계라 한다.

기존제품에 대한 실험평가방식은 기존의 확정된 치수와 자료가 있기 때문에 성능을

검토하기 쉽지만 이론 설계의 경우는 불확실 한 부분이 많아서 큰 오차가 발생하,

게 된다 따라서 이론 설계로 계략적인 치수를 결정하고 모의실험과 성능실험을 통.

하여 최종 사양을 결정하는 시행착오 법을 사용하는 것이 적합하다.

가 열 부하가 열 부하가 열 부하가 열 부하) (heat duty)) (heat duty)) (heat duty)) (heat duty)

열전달의 기본식은 다음처럼 주어진다.

열교환량: []

공기유량: []

비열: []

전열 면적: []

총괄 열전달 계수- 가정

열전달은 원통형 를 통해 이루어지므로Tube ∆가 된다.

총괄 열전달 계수는 다음과 같은 관계식 표현되며,

- 10 -

인 경우G-fin

인 경우L-fin

단위 길이 당 의 전열 면적: Fin tube

의 열전도도: Tube

의 열전도도: Fin

에 대략 주어지는 총괄 열전달 계수 값을 가지고 가정한다Table. 1.1, 1.2 .

총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수Table. 1.1 (liquid cooler)Table. 1.1 (liquid cooler)Table. 1.1 (liquid cooler)Table. 1.1 (liquid cooler)

액체 열교환기 총골 열전달 계수 단위(M.K.S )

오일 20° API

93.33 (200 )℃ ℉ 평균온도

오일 30°

65.55 (150 )℃ ℉ 평균온도

93.33℃ 평균온도

오일 40°

65.55℃ 평균온도

93.33℃ 평균온도

디젤 오일

등유(Kerosene)

중 나프타(Heavy)

경 나프타(Light)

가솔린

물

49~78

58~113

122~171

122~171

244~293

220~269

269~293

293~317

317~342

342~366

586~684

- 11 -

총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수총괄 열전달 계수Table. 1.2 (vapour cooler)Table. 1.2 (vapour cooler)Table. 1.2 (vapour cooler)Table. 1.2 (vapour cooler)

튜브 열 수의 결정- (tube row)

튜브 열의 수가 많다는 것은 공기의 출구온도가 너무 높은 것을 의미하므로 평균

온도차를 낮추고 열전달을 줄인다 추천하는 튜브 열수는 과 같으며 최. Table. 1.3

종 설계된 튜브 열수와 차이가 있을 수 있다.

추천하는 수추천하는 수추천하는 수추천하는 수Table. 1.3 tube rowTable. 1.3 tube rowTable. 1.3 tube rowTable. 1.3 tube row

나 공기 온도 상승과 예상되는 평균 온도차 계산나 공기 온도 상승과 예상되는 평균 온도차 계산나 공기 온도 상승과 예상되는 평균 온도차 계산나 공기 온도 상승과 예상되는 평균 온도차 계산) (MTB)) (MTB)) (MTB)) (MTB)

공기의 온도 상승분 계산에 대한 개략적인 계산식은 다음과 같다

- 12 -

공기의 상승온도 계산 시 보정계수공기의 상승온도 계산 시 보정계수공기의 상승온도 계산 시 보정계수공기의 상승온도 계산 시 보정계수Fig. 1.4Fig. 1.4Fig. 1.4Fig. 1.4

온도가 범위인 경우 계산 값에 를37.77 ~ 93.33 (100 ~ 200) 10 % , 93.33℃ ℉

보다 큰 범위에서는 계산 값에 를 증가시키고(200 ) 20 % , -12.22 ~ -6.666℃ ℉

범위에서는 열교환기나 콘덴서는 계산 값에 를 줄이고 온도(10 ~ 20 ) 10 %℃ ℉

범위가 이거나 이보다 작으면 계산 값에 를 줄인다-12.22 (10 ) 20 % .℃ ℉

온도의 상승분을 계산한 후에 공기의 입구온도에 더한 것이 출구 온도가 된다 향.

류 는 가열방향의 입구 온도와 수열유체의 출구온도가 접촉하(counter-current flow)

며 가열유체의 출구 온도는 수열 유체의 입구 온도와 만나게 되므로 이 열교환기,

의 최종 온도차는

GTTD : 뜨거운 최종 온도차:

LTTD : 차가운 최종 온도차:

로 쓸 수 있고 병류 는 향류와 반대이며 최종 온도차는 다음처럼, (co-current flow)

표현된다.

입구 온도차:

출구 온도차:

온도차가 큰쪽은 라하고 작은 쪽은 라 정의 한다 이 흐름은 열 전달면GTTD LTTD .

에서 비효과적이므로 거의 이러한 흐름은 사용하지 않는다.

- 13 -

효과 계수 와 열용량율 로 보정계수 을 찾는다(P) (R) Fr .

가정한 값과 평균온도차를 가지고 전열 면적을 계산- U

전열면적: bare

수 수와 한 개의 당 본수 계산- Bundles , total tube Bundle row tube

수Bundle 는 전형적인 당 표면 면적Bundle 이 일 때120 ~ 150 m ,

으로부터 계산할 수 있다.

길이를 알면 가정한 전열면적을 가지고 전체 튜브 수Tube 을 계산할 수 있으며,

대부분 길이는 주어진다 일반적으로 사용되는 길이는tube . 9.144 m ~ 12.192 m가

사용된다 그러나 위에 설치 시 의 폭에 를 더해준다. pipe rack pipe rack 0.45 m .

길이: tube

직경: tube

전열 면적: bare

한 개의 당 본 수Bundle row tube 는

수: Bundle

수: row

- 14 -

이 값을 가지고 각 열 당 수를 가정할 수 있다tube .

공기의 유동 단면적과 전열 면적-

가상적인 유동 단면적은 다음과 같은 식으로 표현된다.

길이: tube

피치: tube

설계할 전열면적을 계산은 아래와 같은 식으로 계산된다.

수: tube row

당 수: row Tubes

수: Bundle

직경: tube

전열 면적: bare

공기의 유량 가정치- ( )

속도Face 는 공기의 양을 면적으로 나누어 본 가상 속도이며 이것을 기Bundle

준으로 공기 측 유속의 정도를 짐작하여 설계를 할 수 있는데 보통 2.0 ~ 3.6 ㎧

가 이상적이다 공기의 평균속도와 밀도. ( 3.6 , =1.2)㎧ ρ

혹은

공기 유량:

공기 물성치 밀도:

온도 상승 값 대수 평균 온도차 보정 계수- ( T), (LMTD), (F△ r 평균온도차,), (MTD)

의 계산식 으로부터(1) ,

- 15 -

로 표현되며 대수 평균온도차 는 식 으로 주어지며 효과 계수 와 열 용, (LMTD) (7) , (P)

량율 은 식으로 주어지며 이 관계로부터 보정 계수(R) (8) , 을 찾는다 찾은 보정.

계수 로 대수 평균 온도차를 곱한 값이 평균온도차이다.

의 사양- Fin tube

의 사양으로 전 외부 면적은 에 대해 다음과 같은 관계식으로Fin tube smooth fins

주어진다.

전 외부의 면적-

단위 길이 당 의 외부 면적- fin ()

단위 길이 당- root area ()

를 포함한 면적- root area

단위 길이 당 당 전 외부의 면적 비- root area

내경 면적 비- tube

- 16 -

의 형태와 효율- fin

유체의 온도가 이상 일 때 을 사용하고 그 이하는 를121 embedded fin L-fins℃

사용한다.

핀의 경우에smooth

되어야 유효하다> 3 .

실제 적용과정은 효율개념으로 설명되는데 효율fin fin ( 에서 실제 전달된 열의)

양( 대 전달되어야 할 양) ( 의 비로 설명되며 의 표면온도가 일정하고 의) fin fin

까지 온도가 같다면 열전달 문제는 의 표면에서 대류문제로 귀착된다base fin .

전형적인 의 치수전형적인 의 치수전형적인 의 치수전형적인 의 치수Table. 1.4 FinTable. 1.4 FinTable. 1.4 FinTable. 1.4 Fin

의 길이에 따라 열전달 계수가 일정하다는 가정은 올바른 것이 아니며 간단히fin

식은 다음 식으로 표현된다(26) .

- 17 -

유효 의 높이로 실제 높이: fin ( 로 대체한다) .

의 유효 두께로 의 정의에서 실제 의 두께로 대체된다: fin m fin .

다 측 열전달계수다 측 열전달계수다 측 열전달계수다 측 열전달계수) air) air) air) air

질량 속도-

수: Bundles

수- Reynolds

속도 분포-

비등온 흐름의 보정계수 는 비등온 흐름에서 나타나는 속도 왜곡에 대한 압력 손

실을 보정하기 위해 사용되며 이 보정계수는 점도율을 기준으로 한다.

절대 벽 온도:

절대 가스의 온도:

외부 벽 온도:

가스 온도:

: ′ 즉 측이 냉각될 때fin ,

′ 즉 측이 가열될 때fin , ∼

- 18 -

Smooth Fin tubes in staggered layoutsSmooth Fin tubes in staggered layoutsSmooth Fin tubes in staggered layoutsSmooth Fin tubes in staggered layouts①①①①

에 부착된 사이로 하나의 이 형성되며 전체 단위 전열 면적당 열tube fin channel ,

전달 계수는 가 보다 낮으며 면적비가 증가하면 더 감소한다Fin tube plain tube , .

그러나 의 장점은 전체 전열 면적이 상당히 크므로 열전달 계수를 확대 시fin tube

켜주므로 층류 유동이 깊을 때는 측 전열저항이 전체를 지배하므로 감소한다tube .

한 줄의 일 때tube row , 산업용 은 이하는 거의 사용= 0.7, tube Bundle 4 row

하지 않으므로, = 1.0

Segmented Fin tubes in staggered layoutSegmented Fin tubes in staggered layoutSegmented Fin tubes in staggered layoutSegmented Fin tubes in staggered layout②②②②

면적 비( 가 범위에 있는 은) 6~8 Fin

Finned tubes in inline layoutsFinned tubes in inline layoutsFinned tubes in inline layoutsFinned tubes in inline layouts③③③③

수 및 열전달 계수- Prandtls

- 19 -

보정 계수 및 보정한 열전달 계수-

전형적으로 일정하지 않은 대류 열전달 계수는 열전달 계수가 일정하다고 가정하

여 계산한 효율보다 다소 작을 수 있으므로 보정 계수가 필요하다, .

원형과 사각 에만 적용( fin )

의 효율은 평균 열전달 계수를 보정하여 실제 열전달 계수를 계산하는데 사용하fin

며 의 효율을 보정한 열전달 계수를 구한다, Fin .

전 외부의 표면적:

를 제외한 의 외부 면적: root area Fin

를 포함한 면적: root area =

이론적인 의 효율: fin

효율 보정계수:

실제 열전달 계수:

효율이 라 가정할 때 평균 열전달 계수: fin 100%

의 사용한계 및 공급 가능한 을 와 으로 부터 선정하Finned tube fin Table. 1.2 1.3

고 직경과 는 가정한 총괄 열전달 계수를 기준으로 를 참조한다fin pitch Table. 1.5 .

의 직경과의 직경과의 직경과의 직경과Table. 1.5 fin pitchTable. 1.5 fin pitchTable. 1.5 fin pitchTable. 1.5 fin pitch

- 20 -

질량 속도 물의 속도 혹은 오일의 속도 수 수 속도 분포G, ( ), Reynolds , Prandtls ,

계산

내경: tube (m)

전체 수: tube

수: pass

물의 속도 물의 밀도 물성 치( 수 수는 다음처= 987.3), Reynolds , Prandtls

럼 표현된다.

난류 유동- Re > 10,000

속도 분포 는 일 때 냉각될 때 가열될 때 각각 즉gas , , , = 0, 이다= 0.5 .

액체일 때는 측에 유체가 가열될 때와 냉각될 때tube

- 21 -

식 를 사용하기 위해서는 다음 범위가 있다(44) .

10,000 < Re < 100,000

0.5 < Pr < 150

0.1 < < 10

층류 유동- Re < 2000

Nu , , Pr , 은 평균 온도에서 결정하며bulk ,

은 다음 유동

조건에서 얻어진다.

수평관 내 액체가 유동할 때-

- 22 -

수직관 내 액체가 유동할 때-

혹은 이 경우는 자연 대류와 같은 방향의 유동upflow heating downflow cooling

이며,

혹은 경우는 잠재적인 불안정성이 예상되어 더upflow cooling downflow heating

어렵다 자연대류 수준이 낮기 때문에 열전달을 약간 감소시키려는 경향이 있다. .

일 때< 200 = 0

일 때> 200 식 사용

천이 유동- 2000 < Re < 10,000

수 예상은 층류나 난류처럼 정화하지 않지만 수직관에서 천이 운동 시 자Nusselts

연대류의 효과는 매우 중요하다.

Nu2000 식 사용하여 수 일 때 값: (48) Re 2000

Nu10,000 식 사용하여 수 일 때 값: (44) Re 10,000

비례함수: =1.25-Re/8000

라 측 열전달 계수라 측 열전달 계수라 측 열전달 계수라 측 열전달 계수) tube) tube) tube) tube 및 총괄 열전달 계수및 총괄 열전달 계수및 총괄 열전달 계수및 총괄 열전달 계수 UUUU

총괄 열전달 계수는 개 항으로 이루어 졌으며 첫째 항은 측 열전달 계수의5 , air

저항 두 번째 항은 측 열전달 계수의 저항 셋째 항은 벽의 저항 넷째, tube , tube ,

항은 측 저항 마지막 항은 측 저항을 의미한다air fouling , tube fouling .

- 23 -

가정한 계산 값과 계산된- 의 비교

측 압력 손실- tube

마찰에 의한 압력 손실마찰에 의한 압력 손실마찰에 의한 압력 손실마찰에 의한 압력 손실 ((((①①①① ∆))))

× 마찰계수:

수: tube pass

층류 일 때- Re < 1300

난류 일때-

최초의 경우 단smooth tubing: C.S(carbon steel) ( Re > 2200)

= 0.004 = 0.125 =-0.32

단commercial pipe( Re > 3600)

= 0.0035 = 0.264 =- 0.42

천이 지역일 때-

의 경우smooth tubing (1300 < Re < 2200)

의 경우commercial pipe (1300 < Re < 3600)

= 0.012

- 24 -

점도 분포-

에서 압력 손실에서 압력 손실에서 압력 손실에서 압력 손실nozzle (nozzle (nozzle (nozzle (②②②② ∆))))

입구 노즐 = 1.1

출구 노즐 = 0.7

입 출구와 에서 압력 손실입 출구와 에서 압력 손실입 출구와 에서 압력 손실입 출구와 에서 압력 손실tube turn around (tube turn around (tube turn around (tube turn around (③ ㆍ③ ㆍ③ ㆍ③ ㆍ ∆))))

multipass : = 0.9

single pass : = 1.6

압력 손실압력 손실압력 손실압력 손실totaltotaltotaltotal④④④④

- 25 -

마 모델 선정을 위한 간단한 계산식마 모델 선정을 위한 간단한 계산식마 모델 선정을 위한 간단한 계산식마 모델 선정을 위한 간단한 계산식))))

튜브열 수와 튜브 형태를 고려하지 않을 경우 대략적으로 사용하는 식으로 공랭식,

열교환기의 냉각 온도차는 식의 다른 형태로 다음과 같이 표현된다(1) .

열교환 능력: [ ]㎾

통과 유량: [ /s]㎏

오일의 비열량: 2.08 [kJ/ ]㎏

오일의 냉각 온도차 쿨러 입구 온도 출구온도: [ - ]

오일의 비중량: =0.89 [ / ]㎏ ㎤

비슷하게 공기 열교환 온도차에 대한 표현은 아래와 같다.

열교환 능력: [ ]㎾

통과 유량: [ /s]㎏

오일의 비열량: 1.0[kJ/ ]㎏

오일의 냉각 온도차 쿨러 입구 온도 출구온도: [ - ]

공기의 비중량: =1.2[ / ]㎏ ㎤

팬에 대한 데이터를 위한 관계식으로 시스템 요구 공기통과량 팬 구동력 및 최종,

압력강하에 대한 각각의 표현 다음처럼 표현된다.

공기 통과량:

시스템 요구 공기 통과량:

회전 속도: [rev/min]

시스템 요구 속도: [rev/min]

팬 구동력: [ ]㎾

시스템 요구 팬 구동력: [ ]㎾

- 26 -

압력강하: [mmH2O]

최종압력강하: [mmH2O]

계산된 열교환 동력 으로부터 각 형태별 성능 곡선표에서 적당한 모델을 선정하( )㎾

기 위해 비열 로 환산하여야 한다[ / ] .㎾ ℃

1 kW = 860 /hr㎉

총 열교환량: [ ]㎾

쿨러 입구온도 공기온도: - [ ]℃

비열: [ / ]㎾ ℃

유압 시스템의 열발생량 열교환 총량 은 유압 펌프 구동용 전기 모델의 동력(= )

을 초과할 수 없다 그러므로 유압 기계 시스템의 경우는 구동 전기 모터 동력[ ] .㎾

의 범위 내에서 열교환량을 산출할 수 있다25 % ~ 40 % .

열교환기 형태에 따라 열교환량을 구하기 위해 유량을 열교환량 으로 환[ / ]㎾ ℃

산하여야한다.

위 결과로부터 성능 곡선에서 유량과 열교환 능력 을 만족하는 열교환기의[ ]㎾

팬 회전수 를 선정할 수 있다(n) .

앞 식으로부터 회전수 를 선정하여 팬 구동력 성능을 계산하기 위해 다음 식을, (n)

사용한다.

은 특정 형태의 열교환기의 기준 회전수( 에 대한 동력) 을 얻기 위해 유압

모터에 필요한 동력을 계산하는 것이다.

- 27 -

유압 모터효율:

유압 모터 토출량:

모터 기동형에 필요한 압력 계산하기 위해 다음 식으로부터AC

모터 효율: AC

를 사용한다.

위에서 선정한 팬 회전수에 따른 냉각 능력을 확인할 경우 다음과 같은 식을 사용

한다.

: 에서 교환 량

: 에서 교환 량

- 28 -

나 원통다관식 열교환기의 설계나 원통다관식 열교환기의 설계나 원통다관식 열교환기의 설계나 원통다관식 열교환기의 설계....

원통다관식 열교환기 의 열적 설계는 다음과 단계로 실행(shell & tube oil cooler)

된다.

교환열량교환열량교환열량교환열량1)1)1)1) 의 계산의 계산의 계산의 계산(W)(W)(W)(W)

교환열량은 다음과 같이 쓸 수 있다, .

유체의 교환열량:

유효 온도차유효 온도차유효 온도차유효 온도차2) T2) T2) T2) T△△△△

향류 에서 상변화가 없으면 평균 온도차(counterflow) , ∆은 고온쪽 저온쪽의 온,

도차 ( 와) (

의 대수 평균 온도차) T△ lm 에서 다음과 같이 주어진다.

오일의 입구온도: , 오일의 출구온도:

냉각수의 입구온도: , 냉각수의 출구온도:

일반의 열교환기 구성에는 유체는 향류 병류 직교류 의, (parallel flow), (cross-flow)

부분이 조합되어 있다 가장 효율이 좋은 향류를 기준으로 다음 식과 같이 보정을.

한다.

여기서, Ft 는 온도 보정계수라 부른다 현실의 열교환기는 이론식으로 하는 것 보.

다 형식적으로 취급하는 경우가 많다.

- 29 -

가 상 의 변화 없는 열교환기를 선택했을 경우가 상 의 변화 없는 열교환기를 선택했을 경우가 상 의 변화 없는 열교환기를 선택했을 경우가 상 의 변화 없는 열교환기를 선택했을 경우) (phase)) (phase)) (phase)) (phase)

열교환기는 향류 병류 직 교류의 조합으로 되어 있으므로 평균 온도차, , ∆는 향

류 열전달에 있어서 ∆보다 작게 된다.

나 상 의 변화가 있는 열교환기의 경우나 상 의 변화가 있는 열교환기의 경우나 상 의 변화가 있는 열교환기의 경우나 상 의 변화가 있는 열교환기의 경우) (phase)) (phase)) (phase)) (phase)

비열이 일정하게 되지 않으므로 다음의 식에 의해 가중 평균 온도차, ∆를 계산

하고 ∆ 대신에 사용한다 상변화가 존재하므로 그와 관련된 도표가 필요할 것.

이다 몇 개의 구획 에서의 열량. i 대수 평균 온도차, ∆를 구한다.

- 30 -

열교환기 유기 물질 점도열교환기 유기 물질 점도열교환기 유기 물질 점도열교환기 유기 물질 점도3)3)3)3)

열교환기는 사용 중의 오염에 의해 전열 성능이 떨어진다 설계를 할 때는 성능저.

하를 예상하여 오염계수를 적용하며 단위의 환산에 주의해야 한다 오염계수의 단, .

위는 전도계수의 역수와 같고 전도계수는 온도에 따라 값이 다르며 다음, , Table.

과 같다1.6 .

열교환기의 운전에 따라 전열 면에는 오염원이 부착된다 그 오염 특성은 전열 면.

현상 전열 면 재료 전열 면 표면온도 퇴적물 온도 유체온도 유체의 특성에 의존, , , , ,

한다.

유기 물질 점도유기 물질 점도유기 물질 점도유기 물질 점도Table. 1.6Table. 1.6Table. 1.6Table. 1.6

냉각수의 오염계수는 대략 2× 10-4[ / .hr. ]㎉ ㎡ ℃

-1이다.

즉 오염계수는,

관 내측(tube) , = 0.0002[ .hr. / ]㎡ ℃ ㎉

관 외측(tube) , = 0.0002[ .hr. / ]㎡ ℃ ㎉

금속의 열전도율 은 긍속 성분재료에 따라 다음 과 같다Table. 1.7 .

금속의 열전도율금속의 열전도율금속의 열전도율금속의 열전도율Table. 1.7 (Table. 1.7 (Table. 1.7 (Table. 1.7 ())))

Alloy name

Aluminum (130~170)[ / .hr. ]㎉ ㎡ ℃

Copper (300~400)[ / .hr. ]㎉ ㎡ ℃

Nickel 200(99.6%) (75~80) [ / .hr. ]㎉ ㎡ ℃

- 31 -

관측경 막 열전달계수관측경 막 열전달계수관측경 막 열전달계수관측경 막 열전달계수4) h4) h4) h4) hiiii 및 측 경 막 열전달계수및 측 경 막 열전달계수및 측 경 막 열전달계수및 측 경 막 열전달계수shell hshell hshell hshell h0000

열교환기의 내부 구조도열교환기의 내부 구조도열교환기의 내부 구조도열교환기의 내부 구조도Fig. 1.5Fig. 1.5Fig. 1.5Fig. 1.5

가 관측경 막 열전달계수가 관측경 막 열전달계수가 관측경 막 열전달계수가 관측경 막 열전달계수) h) h) h) hiiii

관내 냉각수 질량속도 ( 는 식 의 냉각수 유량을 관내 유로 면적으로 나눈 값) (79)

으로 정의 된다.

냉각수의 질량속도: (kg/hr)

패스 당 관측 유로 면적1 ( 은)

총 관 개수: , 패스 수:

이며 전달 열관 개수는 다음처럼 주어진다, .

총전열면적: ( )㎡

관 한개당 외주면적: ( )㎡

냉각수관 내의 수 는 관내경과 냉각수 속도의 곱을 점성도 값으로 나Reynolds Re

눈 값으로 정의 된다.

- 32 -

냉각수의 점성계수:

냉각수 평균온도 tc 에서 물 비열30 , C=1 [ / ], t℃ ㎉ ㎏℃ c 에서 물 전도도37 ℃

를 사용한다k=0.52 [ /m.hr. ] .㎉ ℃

원 관내를 유체가 난류로 흐를 경우 수는 다음처럼 정의 되며Nusselt

코르반의 인자j ( 는 관측 경 막 전달 열 계수) hi 와 전도계수 와 관련되어 있으k

며 다음처럼 표현된다, .

관 벽에서 냉각수의 점성계수:

관 벽에서 냉각수의 점성계수관 벽에서 냉각수의 점성계수관 벽에서 냉각수의 점성계수관 벽에서 냉각수의 점성계수Fig. 1.6 (Fig. 1.6 (Fig. 1.6 (Fig. 1.6 ())))

식 로부터(92)

- 33 -

나 측 경 막 전달 열 계수나 측 경 막 전달 열 계수나 측 경 막 전달 열 계수나 측 경 막 전달 열 계수) shell h) shell h) shell h) shell h0000

여기서

: 열교환기 중심선에서 가장 가까운 관열에서의 직교류 최대 질량속도 ( / hr)㎏ ㎡

동관 측면에 흐르는 전유량: ( /hr)㎏

: 열교환기 중심선에 가장 가까운 관 열의 직교류에 대한 최소 유체 통과 면적 ( )㎡

관 종류에 의한 계수 평활관 경우는: , ( 관의 경우는= 1, low fin

수의 극수Reynolds )

Fig. 1.7Fig. 1.7Fig. 1.7Fig. 1.7 의 극수의 극수의 극수의 극수

전열인자에서 수의 극수: Renolds

관에 대해low fin , 은 바닥 지름 참조(Fig. 1.9 )

- 34 -

에 대해= 20 ~ 200 ,

= 1.73 (ㆍ )-0.675

에 대해= 200 ~ 600 ,

= 0.65 (ㆍ )-0.49

에 대해= 600 ~ 10000 ,

= 0.35 (ㆍ )-0.39

유체의 비열C : (kcal/ )㎏ ℃

유체의 점도: ( /m hr)㎏

관 벽 온도에서의 유체점도: ( /m hr)㎏

유체의 열전도율k : (kcal/m hr )℃

배플판 노치부를 통과하는 흐름에 의한 보정계수

배플판의 기본 구조배플판의 기본 구조배플판의 기본 구조배플판의 기본 구조Fig. 1.8Fig. 1.8Fig. 1.8Fig. 1.8

은 배플판 노치부에서 전열면적의 전 전열면적에 대한 비이며 배플판 노치부에 존r ,

재하는 관개수를 전열관의 전개수를, 로 하면,

- 35 -

단 배플판 끝에 걸리는 관은 그 원주비에 따라 구분하고, , 에 가산한다.

는 배플판 노치부 유로면적이며 다음식에 의해 계산된다 관에 대해, . low fin ,

은 표와 같은 계수이다 또. 는 배플판 노치부에 존재하는 관개수이며 배플판,

끝에 걸리는 관은 그 단면적비로 가산한 것이다. 는 외경이다fin .

Table. 1.8Table. 1.8Table. 1.8Table. 1.8 의 수치의 수치의 수치의 수치

배플판 노치 AB K1

0.25 Ds 0.154

0.30 Ds 0.198

0.35 Ds 0.245

0.40 Ds 0.293

0.45 Ds 0.343

동관과 관속 사이의 틈을 통하는 흐름에 의한 보정계수

관에 대해low fin ,

는 의 피치이다fin .

- 36 -

배플판과 내경 사이의 간극을 흐르거나 배플판 관 구멍과 전열관 외경 사이의shell ,

간극을 통하는 유동에 의한 보정계수

의 극수

일 때= 0.1 ~ 0.8

일 때< 0.1

배플간관 구멍과 전열관외경과의 간극면적에서 배플판의 관공 경을: ,

배플판의 관공경:

배플판 개당의 관공수: 1

배플판외경과 내경 사이의 간극면적: shell

간극 면적의 총계:

- 37 -

총 전달 열 계수 및 전달면적총 전달 열 계수 및 전달면적총 전달 열 계수 및 전달면적총 전달 열 계수 및 전달면적5)5)5)5)

가 총 전달 열 계수가 총 전달 열 계수가 총 전달 열 계수가 총 전달 열 계수) (U)) (U)) (U)) (U)

오일과 냉각수의 중심 온도 Tc, tc 는 인수와 고온 저온 온도차 값에 의해 온도C ,

보정 계수 Fc 가 결정된다.

이와 같이, T1>t1 일 때 오일과 냉각수의 중심온도는 다음처럼 표할 수 있다, .

동관 의 형상동관 의 형상동관 의 형상동관 의 형상Fig. 1.9 low fin( )Fig. 1.9 low fin( )Fig. 1.9 low fin( )Fig. 1.9 low fin( )

- 38 -

동관의 표면적은 다음처럼 표할 수 있다.

동관 외주표면적:

동관 내표면적:

총 전달계수 는U

로 표현되며 관 평균과 관벽 두께는 각각,

이며 관 두께가 얇거나 또는 관 벽의 전달 열 저항이 다른 전달 열 저항에 비해,

적을 때는 실용상 ( 이라고 간주해도 지장 없다) = 1 .

나 전열면적나 전열면적나 전열면적나 전열면적) A) A) A) A

전열면적 는 식 의 유효 온도차와 총 전달 열 계수로 교환열량을 나눈 값으로A (5)

표현된다.

다 동관 개수다 동관 개수다 동관 개수다 동관 개수))))

전달 열관개수는 식 로부터 전달 열 면적을 길이와 원둘레로 나눔으로 얻어진(89)

다.

- 39 -

측 압력 손실측 압력 손실측 압력 손실측 압력 손실6) shell6) shell6) shell6) shell

가 관속과 직교로 흐를 때 압력 손실가 관속과 직교로 흐를 때 압력 손실가 관속과 직교로 흐를 때 압력 손실가 관속과 직교로 흐를 때 압력 손실) ,) ,) ,) , ∆

마찰계수

일 때< 100

100≤ 일 때300≤

300≤ 일 때1000≤

측과 관속 간의 간극을 통한 흐름에 의한 보정계수Shell ∆

일 때< 100

일 때> 4000

로 주어진다 이와 같이 관속과 직교해서 흐를 때 압력 손실. ∆는

관형식에 의한 보정계수 평활관 관 환산계수: ( : 1, low fin : 0.9)

- 40 -

나 배플 판 노치부를 통한 흐름의 압력 손실나 배플 판 노치부를 통한 흐름의 압력 손실나 배플 판 노치부를 통한 흐름의 압력 손실나 배플 판 노치부를 통한 흐름의 압력 손실)))) ∆

배플판 노치부에서의 유속:

관속과 직교로 흐르는 유속:

기하평균속도:

관과 관의 최소 관극:

배플판 노치부 유로의 상당경:

배플판 노치부 하나의 속에 존재하는 전열관의 전열면적:

로 표현된다 위의 관계식을 사용하여 배플판 노치부를 통할 때 압력손실. , ∆을

구할 수 있다.

< 100,

> 4,000,

- 41 -

다 측 양단에서 직 교류의 압력 손실다 측 양단에서 직 교류의 압력 손실다 측 양단에서 직 교류의 압력 손실다 측 양단에서 직 교류의 압력 손실) Shell) Shell) Shell) Shell ∆

′

측 양측에서 직 교류의 압력 손실은 다음과 같이 표현 할 수 있다Shell .

배플판 노치부 중의 관열수와 배플판 단에서 단까지 관열수는 각각 다음과 같이 표

현 된다

라 측 압력손실 합계라 측 압력손실 합계라 측 압력손실 합계라 측 압력손실 합계) Shell) Shell) Shell) Shell ∆

배플판 관공과 배플판과 내경 간의 간극을 통하는 흐름 및 간극류에 의한 보정shell

계수 는 다음과 같이 주어진다.

- 42 -

다 판형 열교환기의 설계이론다 판형 열교환기의 설계이론다 판형 열교환기의 설계이론다 판형 열교환기의 설계이론....

기본이론 및 유동기본이론 및 유동기본이론 및 유동기본이론 및 유동1) channel1) channel1) channel1) channel

열교환기는 밀집형 단위체적 당 전열체적 당 전열 면적이plate (compact, 700 /㎡

이상 열교환기로 주로 방법을 적용한다 열에 민감한 액체에 최적의 열) -NTU .㎥ ε

교환기이며 저점도 액체와 중간정도의 압력 중간점도 유체, steam , (10 ~ 100 cP)

양측이 동등한 유체 고점도 유체 의 난류 유동 때문 이상( ), (plate )(100 cP ~

까지 오염도가 큰 물체 등에 사용할 경우는 열교환기를 사용한50,000 cP ), plate

다.

기본 원리는 개의 사각 중 하나는 고정되어 있고 다른 하나는 이동이2 head plate

가능하도록 되어 있으며 중간에는 얇고 주름진 여러 장의 전열판, (corrugated)

이 겹쳐 있으며 와 사이에는 가열 유체와 수열 유체가 교대로 흐(plate) , plate plate

르도록 되어 있으며 이 유체의 누설을 방지하기 위해 주변으로 을 넣, plate gasket

은 다음 로 밀착 시킨 것으로 두 유체가 이 를 통하여 열을 전달하는clamp , plate

장치이다.

장점은 전열판의 주름이 아주 낮은 수에서도 난류를 유도하기 때문에 두 유체Re

열전달 계수는 관형보다 배 정도로 크고 구조상 와 누수가 없으며2 ~ 4 by-pass ,

항상 향류로 조업 할 수 있어 열효율이 높은 것이 최대 장점이다 원통 다관형은.

실제로 온도 를 이상 되어야 하는데 는 온도 가approach 5 , plate approach 1℃ ℃

까지 낮아도 가능하기 때문에 열 회수용으로도 아주 이상적이다 오염계수를 관형.

의 정도의 아주 작은 값을 적용하며 용접을 하지 않은 간편한 구조로 되어 있1/5 ,

어 보전과 정비를 위해 분해가 쉽고 단위 부피당 넓은 전달 면적을 가지면서도 매

우 정교하고 가벼워 취급하기 쉽다.

제작 시 전열판의 크기 다양한 배열 등으로 탄력적인 설계가, chevron angle, pass

가능하고 구조적인 측면에서 이 있어도 진동 열팽창 등에 문제가 되thermal shock ,

지 않으며 제작 완료 후에도 전열판 수의 증감이 가능하여 다양한 열부하, (heat

에 적용할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다duty) .

조업 시는 정지시간이 짧아 조절기능이 빠르며 최대 의 넓은 전열 면적을, 2500 ㎡

가질 수도 있다 단점은 전열판과 에 제한 조건이 있다는 것이며 재. gasket , gasket

질로는 천연 혹은 합성 고무가 널리 사용되지만 이 재질은 제한된 온도와 압력 특, ,

히 와 같은 유기물에 의한 화학적 침투성 때문에 제한 받는다solvent .

- 43 -

사용범위는 온도 압력 기압 정도이나0 ~ 120 , 1 ~ 10 (150 Psi) compressed℃

을 사용하는 경우는 약 까지 사용하며 탄성 중합체나asbestos gasket 250 ℃

은 기압 까지 사용할 수 있지만 이때 사용되는asbestos gasket 25 (350 Psi) gasket

은 주기적으로 갈아주어야 하며 그 주기는 사용하는 곳에 따라 다르다, . channel

간극이 좁기 때문에 부유고체 입체 입자들이 크기가 제한되어야 하고, frame cost

가 높기 때문에 수가 개 이하인 경우는 적합하지 않다plate 10

방법- - NTUε

양 유체가 열교환 될 때 유용도 온도 효율 유효계수 는 다음 식으로 정의된다 즉( , ) . ,

열교환기에서 열역학적으로 가능한 최대의 열전달량에 대한 실제 열전달량의 비를

나타낸 것으로 열교환기 유용도 를 도입한다(heat exchanger effectiveness, ) .ε

최대 가능한 열전달량은 전열 면적이 무한한 대향류 열교환기에서만 가능하다 이.

와 종류의 장치에서 만일 외부로 열손실이 없다면 수열 유체의 출구 온도가 가열

유체의 입구 온도와 같을 때 가 되고 가열 유체의 출구 온도가 수열

유체의 입구 온도와 같을 때는 된다.

즉 유용도는 실제의 열전달율을 단지 열역학 제 법칙에 의해서만 제한 받는 최대, 2

열전달율과 비교한다 어느 쪽 열용량율이 더 작은가에 따라 유용도는 다음 중의.

하나가 된다.

min은 와 중의 작은 값이다.

유용도는 온도 효과로서 유체 유동에서 발생되는 온도 변화 대 두 유체의 입구 온

도차에 대한 비로서 유체 중 하나의 온도가 일정할 경우 에서 가열 유체의 입구0

온도가 수열 유체의 출구 온도와 같은 경우 까지 변한다1.0 .

- 44 -

유체 의 온도 효율( 과 유체) 의 온도 효율()

는 유체 의 입구 출구 온도, , 는 유체 의 입구 출구 온도이다. .

열교환열교환열교환열교환Fig. 1.10Fig. 1.10Fig. 1.10Fig. 1.10

유체 의 당량 유량 비열( × ) 와 유체 의 당량 의 비를 당량 비 용량비( , 라)

하며 다음과 같이 주어진다.

다시 정리해 쓰면

와 는 비열 ( 과 두 유체 각각의) mass flow( 의 곱이고 첨자) 은 입구

와 출구를 나타낸다.

혹은 가 열 이동 단위 수(N.T.U 라 부른다) .

- 45 -

위식을 열 이동 단위 수(N.T.U 로 표시하면)

min은 와 중 작은 값이다.

유체 에 대한 열 이동 단위 수는 다음과 쓸 수도 있다.

열 이동 단위 수는 열교환기의 열전달 크기의 척도이고 만일 값이 작다면, N.T.U

유용도 도 작을 것이고 반면에 값이 크면 유용도(effectiveness, ) , N.T.Uε

도 높은 값을 가지게 되는데 값이 클수록 열교환기는 열(effectiveness, ) , N.T.Uε

역학 한계에 더 가까이 접근하게 되는 것이다.

법과- LMTD 법의 비교

법은 입 출구 온도가 모두 알려진 경우에 가장 적절한 방법으로LMTD ㆍ

열교환기 설계에 적용되고 있고shell-Tube , 법은 각 유체의 유량과 비열

그리고 총괄 열전달 계수 등을 알 수 있으나 출구의 온도를 모르는 경우 주로 열(

교환기 성능평가 시 그리고 전열 면적 변화가 총괄 열전달 계수에 변화를 아주),

적게 미치는 밀집형 열교환기에서 적절한 방법이다(compact) plate .

열교환기 설계 시 입 출구의 온도 유량 둥이 주어질 때 치수와 전열 면적을 결정,ㆍ

하는 설계 방법 과 전열면적 총괄 열전달 계수 입 출구 온도 등이(design case) , , ㆍ

주어 질 때 성능 평가 방법 이 있다(rating case) .

- 46 -

해석 방법rating case

법 법

주어진 입 출구 온도를 가지고 열 이㈀ ㆍ

동 단위수 와 용량율을 계산한다(NTU) .용량율을 계산한다.㈀

열이동 단위 수 와 용량율 로 온(NTU) (R)㈁

도효율 을 계산한다( ) .ε

출구온도를 가정하여 를 결정 하거나p㈁

를 가정하고 출구온도를 계산한다p .

주어진 전열면적 총괄 열전달계수를 이,㈂

용하여 온도차를 구하고 출구온도를 계산

한다.

온도차 보정계수 를 정한다(F) .㈂

열부하 를 계산한다(Q) .㈃

계산된 값으로 출구 온도를 계산 하여Q㈄

가정한 값과 비교한다.

가정한 값과 일치될 때까지 반복한다.㈅

해석 방법Design Case

법 법

주어진 입 출구 온도를 가지고 온도㈀ ㆍ

효율 을 계산한다( ) .ε

주어진 입 출구 온도를 가지고 와 을- P R㈀

계산한다.

양 유체 용량율 을 계산한다(R) .㈁대수 평균 온도차와 온도차 보정계수㈁

를 계산한다(F) .

와 을 알고 그 값을 이용하여 열 이R㈂ ε

동 단위 수 를 계산한다(NTU) .총괄 열전달 계수 를 계산한다(U) .㈂

전열 면적을 계산한다.㈃

× min

전열 면적을 계산한다.㈃

××

어느 방법을 사용하던 결과는 같지만 성능을 평가할 때 방법을 사용하면 시행LMTD

착오법을 사용하기 때문에 반복 계산의 번거로움이 있기 때문에 법에서

나오는 무차원수 은 법에서 나오는 무차원 수 은 보다 열역( ), NTU, R LMTD P, R Fε

학적 의미를 명확하게 나타내는 변수이다 투자비를 최적화하려면 전열 면적의 증.

가에 따라 열교환기의 성능이 얼마나 증가하는가를 알아야하므로 법으로

는 용량 비에서 의 증가에 따른NTU 의 증가 성향에서 쉽게 알 수 있다.

- 47 -

전열판 혼합 과 수 구성- (plate mixing) pass

화학공업에서 설계되는 주름진 형태로 얕은 주름이 의 가로(corrugated) plate plate

축 방향으로 경사가 있고 인접 도 이 각도에 맞추어 주름이 있어 덧붙이게 되, plate

며 이 구조는 인접 와 접합시켰을 때 와 가 접착되기 때문에 얇은, plate peak peak

일지라도 심한 변형이 없으며 유체가 유동할 수 있는 공간이 있기 때문에 압plate ,

력차가 커도 문제가 된다 이 주름은 이라 부르는 경사 각도. chevron angle( ) (65°β

를 가지고 있으며 이 각도는 전열 특성과 압력손실에 큰 영향을 주며 작은~ 25°) , ,

을 가지는 전열판은 상대적으로 높은 전열과 높은 압력 손실이 있으chevron angle

며 이를 라 부르고 큰 을 가지는 는 반대로 낮은 전, hard plate chevron angle plate

열과 작은 압력 손실이 있으며 이를 라 한다 최적의 설계 목적 상 열전, soft plate .

달 계수와 압력 손실을 중간으로 하여 와 을 같이 사용할 수soft plate hard plate

있다.

열교환기의 수 란 같은 방향의 유동을 갖는 들의 을 말하며pass channel group

열교환기의 경우는 여러 유로 구성을 자유로이 선정할 수 있다plate .

는 와 열전달 계수 식으로 유도 할 수NTU(Number of Transfer Unit) heat balance

있다.

전형적인 재질 및 열전도도전형적인 재질 및 열전도도전형적인 재질 및 열전도도전형적인 재질 및 열전도도Table. 1.9 plateTable. 1.9 plateTable. 1.9 plateTable. 1.9 plate

- 48 -

열교환기 유로 구성열교환기 유로 구성열교환기 유로 구성열교환기 유로 구성Fig. 1.11Fig. 1.11Fig. 1.11Fig. 1.11

전형적인 치수전형적인 치수전형적인 치수전형적인 치수Table. 1.10 plate (mm)Table. 1.10 plate (mm)Table. 1.10 plate (mm)Table. 1.10 plate (mm)

- 49 -

Fig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D PlateFig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D PlateFig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D PlateFig. 1.12 Herring bone(chevron) 3-D Plate

---- 유동 channel

유동 의 상당직경channel (equivalent diameter) 에 대한 관계식은

로 주어지는 증명되지 않은 식이며 원통형 관의 경우 층류 에서는 부(laminar flow)

정확하다 원통형관이 아닌 경우에서는 압력 손실을 예측하는데 가장 근접한.

값을 구할 수 있으며 열교환기에서 이 방법을 사용하여 구할 수Reynolds , plate

있다 폭. plate ( 과 길이) ( 그리고 평균) plate gab( 을 가지고 평균) hydraulic

계산하는 방법은 다음과 같다diameter .

주름진 면적plate ( 과 펼쳐진 면적 즉 면적) projected ( 과의 관계로 계산하)

면 다음과 같다.

- 50 -

는 약 정도 인데 일반적으로 평균 을 적용한다 에서 유1.15 ~ 1.3 1.17 . channel

속 ( 는 로 흐르는 유량) plate 를 평균 단면적(× 으로 나눈 것이 된다) .

은 을 사이에 두고 두 에 의해 형성된 유로이며 주름진 면적의channel gasket plate

전면적은 복잡하여 간극channel ( 는 다음과 같이 정의한다) .

Fig. 1.13 Gasket supportFig. 1.13 Gasket supportFig. 1.13 Gasket supportFig. 1.13 Gasket support

는 의 이고plate pitch 는 의 두께 혹은plate wall ( 이다 간극) . channel ( 는) 1.5

까지 사용되며 수를 계산하는데 이용되는 매우 중요한 값이~ 5 , Reynolds㎜ ㎜

지만 특별히 요구하지 않으면 제작자가, ( 값을 제공하지 않기 때문에) plate pack

의 압축된 상태에서 길이 ( 로부터 를 구한다) plate pitch (P) .

는 수이다 유체 유동의 유효 길이는 특별한 언급이 없으면total plate .

로 가정한다 또 전체 수. , plate ( 수), pass ( 수), channel ( 사이에는 다음)

과 같은 관계식이 성립한다.

- 51 -

열전달에 직접 사용되는 수는plate - 가 되며 끝부분의 개의 들은2 2 plate

와 접한다head plate .

교환 열량의 계산교환 열량의 계산교환 열량의 계산교환 열량의 계산2)2)2)2)

에서 평균 온도 보정 계수 오염 계수 청결 계수 및 열전달plate pack (Fig. 1.14), ,

계수 열전달 장치의 성능 분석과 설계 시 대수 평균 온도에서 열 부하( 는 다음과)

같이 주어진다.

온도차 보정계수 유로 구성 등등온도차 보정계수 유로 구성 등등온도차 보정계수 유로 구성 등등온도차 보정계수 유로 구성 등등Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )Fig. 1.14 ( 1-1, 2-2 )

온도 보정 계수-

값은 일정하고 유동 분포는 등분포이며 사이의 흐름은 가 형성u , plate plug flow

된다는 가정 하에서 유로마다의 양 유체 유량 비 즉 양측을 흐르는 유량1 , plate

비 경우에 적용할 수 있다고 되어 있으며 양 유체가 같은 수의 일0.6 ~ 1.5 , Pass

때 보정 계수 는 크며 가 상대적으로 작을 때 아주 중요하다F , approach . 축의 열

이동 단위 수()max는 다음 식으로 정의 되는 , 가운데 큰 쪽

수치를 취한다 즉. ,

- 52 -

온도차 보정 계수를 사용하면

는 열전달량 전열 면적 총괄 열전달 계수 이다(Kcal/hr), ( ) (Kcal/ hr ) .㎡ ㎡ ℃

실제는 실험적인 접근방법이 더 정확하다 단일 에서 에 대한 보정. pass end effect

은 에서 두개는 전열 가 아니기 때문에 보정이 필요하다pack end plate plate .

단일 로 조업 시 에 대한 보정단일 로 조업 시 에 대한 보정단일 로 조업 시 에 대한 보정단일 로 조업 시 에 대한 보정Fig. 1.15 pass end plateFig. 1.15 pass end plateFig. 1.15 pass end plateFig. 1.15 pass end plate

오염계수-

열교환기에서 오염 계수는 민감하기 때문에 더욱 더 중요한 요소가 되는데plate

에서 전형적인 총괄 열전달계수water/water clean 값은 열교환기에서tubular

500(Btu/hr ft2 열교환기에서는 이다 교환기는 고급 재질을 사), plate 1000 . plate℉

용하며 높은 난류 효과와 주름에 의해 생기는 높은 벽 전단 효과 때문에 동일 조,

건의 열교환기의 에 불과하므로 보정 없이 사용해서는 안 되며 유속의tubular 1/5 ,

효과는 열교환기의 와 에 비교할 수 없기 때문에 단지tubular tube side shell side

다음과 같이 정의 되는 전단 효과에 의해서만 비교 될 수 있다.

- 53 -

교환기 경우 물의 유속이 일 때plate 0.5 ㎧ 에서 유속이 일=0.5 tube side 2㎧

때 이다 따라서 에서=0.007 . tube = 14㎡ 열교환기에서, plate = 62.5

㎡가 된다 열교환기는 높은 마찰 계수 때문에 에서 가량의. plate tube side 1/4

유속으로 배정도의 전단 응력 값을 갖게 된다4.5 .

청결 계수-

청결 계수는 열전달식에서 양 유체의 오염 저항 값 과 를 적용한 총괄 열전

달 계수와 상태의 열전달 계수가 심하지 않은 에 주로 많이 사clean water-water

용하지만 공학적인 관점에서 여러 유체가 사용되므로 다양한 범위의 유속을 필요로

하므로 청결 계수의 사용은 부정확한 결과를 초래할 수도 있다.

상태의 총괄 열전달 계수Clean 는

청결계수 는 다음과 같이 정의 된다.

즉 유효 전열 면적 에 대한 안전 계수의 역할을 하게 된다.

는 단지 가 일정할 때의 안전 계수를 나타낸다.

유속의 증가로 가 증가되면 같은 청결 계수라 할지라도 오염 저항은 감소하게 된다.

- 54 -

열교환기의 오염 계수열교환기의 오염 계수열교환기의 오염 계수열교환기의 오염 계수Table. 1.11 plateTable. 1.11 plateTable. 1.11 plateTable. 1.11 plate

총괄 전달계수에 대한 청결 계수총괄 전달계수에 대한 청결 계수총괄 전달계수에 대한 청결 계수총괄 전달계수에 대한 청결 계수Fig. 1.16Fig. 1.16Fig. 1.16Fig. 1.16

- 55 -

열교환기에 관한 오염 자료는 아직까지 발표된 적이 없지만 실험적으로 온도plate

가 대략 조건 유속 일때 오염 저항은 에서75 ( 1.5 ft/s) (fouling) 0.0001℃

0.00015(hr ft2

나타나며 표는 최적 조건에서 최소 오염 저항과 높은 벽/Btu) ,℉

온도일 때 또한 다량의 입자가 함유 시 같은 최악의 조건에서 예상되는 오염저항,

을 보여주며 사용자는 오염 저항을 높게 설정하는 것은 비용이 비싸진다는 것과 허

용 압력 손실을 최대로 사용하였는데도 유속이 낮은 경우는 저항이 커진다fouling

는 것을 알아야 한다.

열전달 계수-

열교환기는 제작자가 선정한 크기 지름 길이와 폭 와 주름의 형태plate (port , plate )

중에서 요구되는 공정 조건을 맞추어 선정하여야 하(chevron angle, groove type)

는 단점이 있으며 사용자가 제작자의 견적을 검토하거나 현재의 열교환기에, plate

수를 변화시켜 새로운 공정 상에 전열 요구량이 적합한지를 검토할 시는 사용자도

열교환기 설계를 이해할 필요가 있다plate .

성능 추정 방법을 위한 추정 조건으로는 단일 위상의 액체이거나 기체“ Newton ”,

좌우 대칭 유동 시스템 두 유체를“chevron pattern plate( 25°< < 65°)”, “ ”, “β

동일한 에 사용할 때 이고channel ”, “1.0 < Re < 10 0.1 < ( /μ μw 인 경우 이) < 10 ”

다.

열평형 상태 에서 유체 에 대한 열부하 는 다음과 같은 관계식(heat balance) 1,2 Q

으로 정의 된다.

실제 깨끗한 상태와 오염 상태에서 얻을 수 있는 전열량은

는 유효 전열 면적 즉 ( 한 총 전열 면적-2) 와 그리고 청결 계수

( 와의 관계는)

- 56 -

향류 에서 평균 온도 차(countercurrent) ∆은 와 같다.

∆와 ∆는 가열 측과 수열 측의 최종 온도차이며 인 경우 유동이, multi-pass

바뀌는 부분에서 병류 가 되지만 수가 많은 경우에는 크게 영향을(co-rurrent) plate

받지 않는다 개 이상.(plate 15 )

열교환기열교환기열교환기열교환기Fig. 1.17 PlateFig. 1.17 PlateFig. 1.17 PlateFig. 1.17 Plate 와와와와 계수계수계수계수

전열 관계식에 대해 살펴보면 각각의 설계에서 열전달 특성을 설명하는데, plate

표면의 평균 열전달 계수로 설명하며 평균 열전달 계수 는 강제 대류에서plate , (h)

사용된 식들을 적용할 수 있다 즉 유체에서. Newton

- 57 -

는 밀도 비열 점도 열전도도 특성을 나타낸다 앞에서 정의한 상당직, , , .

경 을 사용하여 무차원 해석을 하여 보면(equivalent diameter, De)

열교환기에서 수는 수 수 그리고 점도 분포만 관계plate Nusselt Reynolds , Prandtl

된 것 이 아니라 주름의 경사각에도 많은 영향을 받는다 그러나 주름 각 는. Reβ

수에 종속 되므로 다음 식으로 요약할 수 있다.

에서 복잡한 유동 모양은 주름의 모양 형태 그리고 각 깊plate channel , , chevron ,

이 등에 영향을 받기 때문에 정확한 값을 얻기 위해서는 각 마다 고유의 성능plate

곡선이 필요하며 실험의 결과에서만 얻을 수 있다.

는 하나의 에서 질량 속도channel

는 각각 당 수 간극 유효 폭pass channel , channel , plate (m),

의 상당 직경 이다channel (m) .

Jnu, 는 각각 앞 그림에서 를 가지고 찾는 계수이고 열전도도 이다, ( /mhr ) .㎉ ℃

하나의 에서 유속 계산 방법은 앞에서 설명하였으며 다음과 같이 구한다channel .

- 58 -

에서 일반적인 유속은 범위에 있는 것이 가장 적합하다channel 0.25 ~ 2.5 m/s .

전형적인 의 지수는 이고 점도분포는 의 값을 갖는다 성능Pr 0.3 ~ 0.4 0.14 ~ 0.2 .

추정방법은 여러 형태의 따라 다르다plate .

파형 삼각 평행판형- plate

단) 0.0049 ≤ 0.0127[≤ ]

삼각 평행판형- plate

단) 0.00286 ≤ 0.0126[≤ ]

부등변 삼각 평행판형- plate

단) 0.006 ≤ 0.014[≤ ]

- 59 -

① 난류 일때> 1000

의APV company plate②

De-Laval company plate③

의resenblad company Herring bone plateⓒ

압력 손실압력 손실압력 손실압력 손실3)3)3)3)

에서의 압력 손실- plate

의 구조가 너무 복잡하기 때문에 유체 유동에 대한 방정식의 정확한 해답은channel

없으므로 차원 분석을 위해 변수를 줄이고 실험으로 관계식을 얻는다.

만일 상당직경 와 길이 를 안다면 이 문제는 의 마찰계수 와plate (L) fanning (f) Re

수로 줄일 수 있다.

- 60 -

각 형태는 고유의 마찰 계수와 수에 밀접한 관계식을 갖는 이유는 중심부plate Re

의 주름 모양이 변수이기 때문이며 기본 모양인 이 있으며, ribbed, chevron ribbed

에서는 의 형태가 특성에 영향을 주며 에서는 주름plate ribbing f-Re chevron plate

의 경사 각도가 압력 손실에 근본적인 변수가 되며 이들 두 형태의 열교환기plate

는 다음 형태의 식이 사용된다.

와 는 난류 천이 층류 에 따라 값이 변한다 대다수가A B flow regime( , , ) . plate

이 사용되고 있고 이에 대한 관련 식은chevron type

의 에서 압력 손실은N pass plate

에서의 압력 손실- port

하나의 중의 어느 한 에서 유동은 입 출구 에서 압력 분포로 결pass channel portㆍ

정되는데 에서 압력 분포는 로 들어오고 나가는 유체의 마찰 저항과port port

유동에서 운동량 변화 등에 달려 있다 주의할 점은 설계 시 가능한 압력channel .

손실을 작게 설계해야 잘못되는 유량의 분포 효과를 최소화 할 수 있다 의 압. port

력 손실은 채널 에서 의 배 정도로 추정되는데 잘 설계된(channel) head velocity 1.4

열교환기라면 전체 압력 손실의 이내에 들지만 이런 압력 손실은 드문plate 10 %

일이고 아주 높은 경우는 전체 압력 손실의 까지도 올라 갈 수 있다25 % .

- 61 -

에서 질량 속도: Port ()

의 직경: port (m)

전체 압력 손실은

- chevron Angle 값 결정

chevron Angle 값을 통해 와 를 구할 수 있는데 제작자가 명시j-factor f-factor

할 때도 있지만 거의 명시하지 않는다 제작되어 있는 경우 에서 직접 측정하. plate

면 된다 견적 시. 값이 제공되지 않는다면 아래와 같은 방법으로 추정한다 제작.

자는 반드시 전체 압력 손실을 제공해야 하며 때로는 에서 압력 손실을 구하여port

전체 압력 손실에서 압력 손실을 뺀 다음 압력 손실을 가지고 반대로 를 계port f

산할 수 있다.

수를 알고 있다면 에서 와 수에 의한 값을 추출할 수 있다 동일Re Fig. 1.16 f Re .β

한 를 사용한 장치에는 실제 값이 되고 이나 에plate channel mixing mixed plateβ

서는 유효 이 있다 만일 를 알고 있는 를 사chevron angle . chevron angle( ) plateβ

용하여 혼합 이나 한 경우 다음 방법으로 가중 평균 각channel , channel mixing β

을 구할 수 있다.

: chevron angle 인 수plate

: chevron angle 인 수plate

: chevron angle

- 62 -

라 열교환기의 기본 이론라 열교환기의 기본 이론라 열교환기의 기본 이론라 열교환기의 기본 이론. Coiled Tube. Coiled Tube. Coiled Tube. Coiled Tube

열교환기의 이론열교환기의 이론열교환기의 이론열교환기의 이론1) Coiled Tube1) Coiled Tube1) Coiled Tube1) Coiled Tube

열교환기는 열교환기와 유사하지만 한층 간단한 형태로Coiled Tube Spiral Type ,

원통형 오일 탱크 내에 해수 혹은 냉각수가 입 출구를 통해 흐르는Copper Pipe ㆍ

여러 개의 원형 튜브를 쌓아올려 만든 열교환기이다.

이 형태의 열교환기는 묶음으로 이루어져 있으며 관 입 출구 부분을Coiled Tube , ㆍ

유압호스로 연결하여 냉각수가 코일 관로를 통해 오일 탱크내의 데워진 오일이 냉

각되는 형태로서 열교환기의 역할을 한다 이형태의 열교환기Shell & Tube Tube .

는 냉각수 양을 부분적으로 혹은 전체를 조절할 것인가를 밸브로서 제어할 수 있

다 단점으로는 오일 탱크가 커지면 코일 타입 튜브수가 획기적으로 증가하지 않는.

한 오일 양에 대한 냉각수양의 비율이 커짐으로서 냉각 능력이 떨어질 수 있다.

열교환기에서 관을 통해 흐르는 유량은 다음과 같이 표현된다Coiled Copper .

: flow Rate[Kcal/hr]

: Total Heat Transfer Coefficient[Kcal/m.2hr ]℃

: Heat Transfer Area[ ]㎡

∆ : Temperature Difference( )℃

기하학적인 모형으로부터의 표면적은 다음과 같이 표현된다Tube .

코일 타입 튜브의 코일의 외경: [m]

코일 타입 튜브의 코일의 내경: [m]

코일 타입 튜브의 코일의 두께: [m]

개의 로 구성된다면 아래와 같이 쓸 수 있다Coiled Copper Tube .

: Flow Rate[Kcal/hr]

: Mass Flow [Kg/hr]

: Specific Heat[Kcal/ . ]㎏ ℃

- 63 -

는 한쪽 유체 오일 의 입구 출구 측 온도( ) , 는 다른 한쪽 유체 냉각수 의( )

입구 출구 온도일 때 향류 열교환기로 간주하여 식 로 부터 다, , (Counter Flow) (1) ,

음 기본 전열식을 사용할 수 있다.

개의 로 구성되어 있다면 식 에 의해 다음처럼 쓸 수 있Coiled Copper Tube , (3) 다.

이 형태의 열교환기는 여러개의 를 통해 흐르는 해수 또는 냉Coiled Copper Tube

각수의 양을 독립적으로 밸브에 의해 조절가능하다는 것이다.

대기상태에 놓여있는 원통 오일 탱크의 열전달을 계산하기 위해 원통 오일 탱크의,

표면적의 관계식이 사용된다.

오일 탱크 직경: [m]

오일 탱크 높이: [m]

식 을 사용하면 다음과 같은 관계식을 얻는다(180) , .

그러므로 전체 열전달계수는 아래와 같이 표현된다.

열전달 계수열전달 계수열전달 계수열전달 계수2) Tube Side ,2) Tube Side ,2) Tube Side ,2) Tube Side ,

관내를 흐르는 유체의 유동상태에 따라 적용하는 식이 다르므로 즉 층Coil Copper ,

류와 난류로 분류하기 위해 수를 도입하여 층류에서 난류로 천이하는Reynolds , Re

추정식은 다음과 같다.

- 64 -

: Round Tube Diameter[m]

: Tube Inner Diameter [m]

범위와 범위에서의 열전달 계수의 관계식은Laminar Flow Turbulent Flow

이며 튜브측 유로 단면적에서 질량속도와 유체속도는 다음처럼 주어진다, .

튜브 측 유로 단면적에서 질량속도: []

튜브 측 유체의 유량: []

층류와 난류를 구분하는 수는 질량속도와 관계가 있다 즉Reynolds . ,

측의 열전달 계수측의 열전달 계수측의 열전달 계수측의 열전달 계수3) Shell ,3) Shell ,3) Shell ,3) Shell ,

범위에서의 열전달계수의 관계식은 측에서의 열전달계수Laminar Flow Tube 대

신에 을 사용하여 표현하면 다음과 같다3).

- 65 -

코일 타입 튜브의 내 외경차: . [m]

오일 탱크의 직경: [m]

오일 통의 높이: [m]

두께가 인 원형관의 외경: b [m]

두께가 인 원형관의 내경: b [m]

범위에서 열전달 계수는Turbulent Flow

이며 유로 단면적에서 질량속도는 다음처럼 주어진다.

셸측 유체의 질량: []

오일 탱크의 외경: [m]

오일 탱크의 내경: [m]

수는 다음과 같이 주어진다Reynolds .

전체 열전달 계수: [℃]

전도도: [℃]

동관 두께: [m]

오염계수: [℃]

- 66 -

마 공랭식 수냉식 및 판형 열교환기의 장단점마 공랭식 수냉식 및 판형 열교환기의 장단점마 공랭식 수냉식 및 판형 열교환기의 장단점마 공랭식 수냉식 및 판형 열교환기의 장단점. ,. ,. ,. ,

공기는 자원이 풍부하여 언제 어느 곳에나 사용 가능하기 때문에 많은 부분을 공기

로 냉각하므로 부족한 물은 더 효과적인 곳에 이용할 수 있다 만약 냉각탑을 사용.

하여 냉각수를 재순환시킨다 하여도 전순환의 정도는 계속하여 새로 공급되어4 %

야 한다.

공랭식은 수냉식에서 필수적인 냉각수처리 시설 펌프 냉각탑 등 등 에 투자되는( , )

비용과 공간을 절약할 수 있고 플랜트의 크기 위치 등은 물로 냉각시키는 것보다, ,

는 다소 적게 제한을 받는다 또 공기는 부식성이 적기 때문에 열교환기의 재질 선. ,

정에도 보다 단순하고 비용이 저렴하다 수냉식의 경우는 과다한 규모의 방지를 위.

하여 물의 출구 온도는 늘 최대 이하를 유지시키는데 이는 허용할 수 있는 벽50 ℃

온도와 물 온도의 상승치를 제한하게 된다 수냉식보다는 공기냉각이 오염도 작고.

부식문제도 덜 심각하다 그러므로 공랭식 열교환기에서 제작할 자재는 단지 튜브.

벽 온도만 제한을 하며 공기 측의 오염은 고려하지 않아도 큰 문제가 되지 않는다.

그러나 수냉식에 형성되는 물때 부식 오염 등은 공랭식과는 대조되는 문제 중의, ,

하나이다.

공기 측의 오염은 무시되기 때문에 차단 시간이 거의 요구되지 않으며 대부분의,

열교환기는 공기로 청소할 수 있고 작동하는 동안 증기 등으로 청소할 수 있다 공, .

정 유체는 튜브안으로 흐르기 때문에 청소는 단순하고 비용이 적게 드는 값싼 장비

로 할 수 있으며 대략 작동과 유지비용은 수냉각의 약 정도 이다 요약하면, 1/4 . ,

공랭식 열교환기의 장단점공랭식 열교환기의 장단점공랭식 열교환기의 장단점공랭식 열교환기의 장단점①①①①

공기의 양은 무한하며 특별한 사전 처리가 요구되지 않는다- .

- 공장 위치 선정 시 물은 양과 질에 따라 제한을 두지만 공기는 제한을 두지 않는다.

공기는 거의 부식성이 없으며 오염 때문에 청소를 할 필요가 없다 그러나 물은- .

주기적으로 오염을 제거해 주어야 제 성능을 얻을 수 있다.

전체적으로 공랭식 열교환기의 작동 비용이 수냉식 열교환기보다 싸다- .

공랭식 오일 냉각 시스템의 유지비는 수냉식 오일 냉각 시스템보다 비교적 저렴-

하다.

- 67 -

수냉식 열교환기의 장 단점수냉식 열교환기의 장 단점수냉식 열교환기의 장 단점수냉식 열교환기의 장 단점② ㆍ② ㆍ② ㆍ② ㆍ

- 공기는 비열이 작고 건조한 지구 온도에 종속되기 때문에 공기 온도 보다 낮은 공

정 유체는 냉각시킬 수 없지만 물은 공기보다도 낮은 온도까지 냉각시킬 수 있다, .

공랭식 방식은 공기의 낮은 비열과 열전달 계수 때문에 큰 전열 면적이 필요 하-

지만 수냉식 방식은 공랭식 보다는 작은 전열 면적이 요구된다.

공기는 계절적인 온도 변동으로 열교환기의 성능에 큰 영향을 주지만 물은 계절-

적인 변동이 작아 덜 민감하다.

공랭식 열교환기는 공기의 순환을 위하여 설치장소의 인접건물 등에 제한을 받지-

않는다.

공랭식 열교환기는 대부분이 핀 튜브를 사용하기 때문에 핀에 대한 지식이 필요-

하다.

판형 열교환기의 장 단점판형 열교환기의 장 단점판형 열교환기의 장 단점판형 열교환기의 장 단점③ ㆍ③ ㆍ③ ㆍ③ ㆍ

수냉식 오일 열교환기는 실제 온도 접근치가 이상 되어야 하는 반면에 판형- 5 ,℃

열교환기의 온도 접근치가 까지 낮아도 가능하기 때문에 열 회수용으로 아주1 ℃

이상적이다.

오염 계수는 유체의 짧은 잔류 시간과 높은 난류 효과 그리고 국부적으로 유속- ,

이 낮은 지역이 없기 때문에 수냉식 열교환기보다 정도의 아주 작은 값을 적용1/5

한다.

용접을 하지 않는 간단한 구조로 되어 있기 때문에 보전과 정비를 위해 분해가-

쉽고 단위 부피당 넓은 전열 면적을 가지고 있으면서도 매우 정교하고 가벼워 취,

급하기도 쉽다.

판의 크기 셰브론 각 다양한 패스 배열 등으로 탄성적인 설계가 가능- , (chevron) ,

하고 구조적인 측면에서도 열충격이 있어도 진동 열팽창 등에 문제가 안되며 제, , ,

작이 완료된 후라도 전열판 수의 증감이 가능하여 다양한 열부하 에 적용heat duty

할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다.

작동 시에는 유체 잔류 시간이 짧아 조절 기능이 빠르며 넓은 전열 면적을 가질- ,

수 있다.

압력 손실은 복잡한 채널 구조로 인하여 판 내의 높은 전단 특성이 유발하기 때-

문에 완전 난류의 경우 마찰 계수는 크지만 채널이 짧고 유속이 낮기 때문에 수냉,

식 열교환기의 감도와 같은 합리적인 압력 손실이 발생한다.

- 68 -

높은 전단 특성 때문에 증기의 분율 이 크고 작동 압력이 낮은- (vapour fraction)

이상유동 시에는 적합하지 않으나 일정한 압력 에서 증기를 압, (moderate pressure)

축한다거나 또는 다른 특정한 이상 부하 에서 적절하게 적용할 수(multiphase) (duty)

있다.

판형 열교환기는 판 둘레에 긴 개스킷 때문에 진공 조건의 작업은 근본적으로 부-

적합하다.

채널 간격이 좁기 때문에 부유 고체 입자들의 크기가 제한되어야 하고 프레임 비-

용이 높기 때문에 판수가 개 이하인 경우는 비경제적이다10 .

- 69 -

베어링 열교환기의 시험기준 개발베어링 열교환기의 시험기준 개발베어링 열교환기의 시험기준 개발베어링 열교환기의 시험기준 개발2.2.2.2.

가 시험기준 개발가 시험기준 개발가 시험기준 개발가 시험기준 개발....

적용 범위적용 범위적용 범위적용 범위1)1)1)1)

가 냉각 능력) 이하: 50 ㎾

나 통과 최대 유량) 이하: 100 /minℓ

다 오일 최고 온도) 이하: 100 ℃

라 오일 최고 압력) 이하: 1.0 MPa

인용 규격인용 규격인용 규격인용 규격2)2)2)2)

다음에 나타내는 규격은 이 기준에 인용됨으로써 이 기준의 규정 일부를 구성한다.

이러한 인용 규격은 그 최신판을 적용한다.

다관 원통형 열 교환기KS B 6230

냉동 장치의 성능 시험 방법KS B 6366

압력 용기의 내압 및 누수 시험KS B 6730

압력 용기 기반 규격KS B 6733 ( )

이음매 없는 구리 및 구리 합금 관KS D 5301

IEC 60721-3-3 Classification of environmental conditions - Part 3-3:

Classification of groups of environmental parameters and their severities -

Stationary use at weatherprotected locations

BS EN 308 Heat exchangers - Test procedures for establishing

performance of air to air and flue gases heat recovery devices

BS EN 1048 Heat exchangers - Air cooled liquid coolers "dry coolers" -

Test methods for establishing the performance

BS EN 1117 Heat exchangers - Liquid cooled refrigerant condensers - Test

procedures for establishing the performance

ASHRAE STD-24-2000 Methods of Testing for Rating Liquid Coolers

ASME NQA 1 Quality Assurance Requirements for Nuclear Facility Applications

SAE J 1542 Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers

for Thermal Cycle Durability

- 70 -

SAE J 1597 Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers

for Pressure-Cycle Durability

SAE J 1598 Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers

for Durability Under Vibration-Induced Loading

SAE J 1994 Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers

for Heat Transfer Performance

DEF STAN 00-35 Environmental Handnook for Defence Materiel

MIL-STD-167/1 Mechanical Vibrations of Shipboard Equipment

MIL-STD-810F Environmental Engineering Considerations and Laboratory

Tests

정 의정 의정 의정 의3)3)3)3)

가 열 교환량 오일 쿨러의 성능을 나타내는 것으로서 총괄 열전달 계수 와 전) (U)

열 면적 및 윤활유와 냉각수의 대수 평균 온도차(A) (∆ 의 곱)

나 전열 면적 윤활유와 냉각수 간의 실제 열전달이 일어나는 관의 표면적인 전열)

면적은 로 표시(m2)

다 총괄 열전달 계수) 열교환량 계산에 필요한 열교환 계수로서 로 표U(W/ )㎡ㆍ℃ 시

라 냉각수의 압력차 오일 쿨러의 냉각수 입 출구 쪽에서 측정된 순환 냉각수의) ㆍ

압력차

마 윤활유의 온도차 베어링이 작동하여 발열하고 있을 때 냉각수가 흐르기 전과)

후에 측정된 윤활유의 온도차

바 냉각수의 온도차 오일 쿨러의 냉각수 입 출구 쪽에서 측정된 순환 냉각수의) ㆍ

온도차로 한다.

사 누 설 오일 쿨러 전열관에서 오일 챔버로 냉각수가 누설되어 윤활유와 냉각수)

가 혼합되거나 오일 쿨러 외부로 누출되는 현상

아 대표 성능 시험 종합 성능 시험 항목들 중 시험 대상품의 성능을 대표할 수) ,

있는 시험 항목

자 사전 시험 내환경성 시험 전에 실시하는 대표 성능 시험)

차 시험 중 시험 내환경성 시험 중에 실시하는 대표 성능 시험)

카 사후 시험 내환경성 시험 종료 후에 실시하는 대표 성능 시험)

- 71 -

구조 및 종류구조 및 종류구조 및 종류구조 및 종류4)4)4)4)

가 구 조 오일 쿨러의 구조는 냉각수의 입 출구를 포함하며 스러스트 베어링의) ㆍ

발열을 억제하기 위하여 베어링을 감싸는 형태의 전열관과 고정구 및 체결 볼트 등

으로 되어 있으며 주요 부품의 명칭은 과 같다, Fig. 2.1 .

오일 쿨러의 구조 및 주요 명칭오일 쿨러의 구조 및 주요 명칭오일 쿨러의 구조 및 주요 명칭오일 쿨러의 구조 및 주요 명칭Fig. 2.1Fig. 2.1Fig. 2.1Fig. 2.1

나 종 류 오일 쿨러의 크기는 과 같다) Table. 2.1 .

오일 쿨러의 크기Table. 2.1

오일 쿨러의 지름

㎜

전열관 지름

㎜

운전 압력

MPa

730±100 20±10 0.32

샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법샘플링 방법5)5)5)5)

가장 최근에 동일한 조건으로 생산된 부품 중 무작위로 개의 시료를 발췌하여 종5 ,

합 성능 시험을 실시한 후 고장이 없을 경우 개는 내환경성 시험 개는 수명 시1 , 4

험을 실시한다.

- 72 -

종합 성능 평가 기준종합 성능 평가 기준종합 성능 평가 기준종합 성능 평가 기준6)6)6)6)

종합 성능 시험의 시험 항목 별 평가 기준종합 성능 시험의 시험 항목 별 평가 기준종합 성능 시험의 시험 항목 별 평가 기준종합 성능 시험의 시험 항목 별 평가 기준Table. 2.2Table. 2.2Table. 2.2Table. 2.2

시험 항목 시험 조건 평가 기준

냉각

능력

시험

전 구간

냉각 능력

시험

윤활유와 냉각수를 최저 유량ㆍ

에서 최대 유량까지 가변시켜 공

급하면서 열교환량을 측정한다.

오일 쿨러의 성능은 최대 유량ㆍ

에서 냉각 효율이 이상이어0.1

야 한다.

대표 구간

냉각 능력

시험

윤활유와 냉각수를 최대 유량ㆍ

으로 공급하면서 열교환량을 측

정 한다.

오일 쿨러의 성능은 최대 유량ㆍ

에서 냉각 효율이 이상이어0.1

야 한다.

냉각수 시험

손실 시험

냉각수를 최대 유량으로 공급ㆍ

한다.

오일 쿨러 입구 측과 출구측의ㆍ

압력을 분 동안 측정 한다2 .

압력 손실은 이하이0.1 MPaㆍ

어야 한다.

냉각수 내압성

냉각수 출구를 막는다.ㆍ

입구 측에 냉각수 최고 사용ㆍ

압력의 를 분간 가한다150 % 15 .

누설 및 기타 이상 흔적이 없ㆍ

어야 한다.

- 73 -

내환경성 평가 기준내환경성 평가 기준내환경성 평가 기준내환경성 평가 기준7)7)7)7)

내환경성 시험 중 사후 시험 종료 후 시간 이내에 다음 시험 항목의 사전 시험이72

실시되는 경우에는 앞 선 시험 항목의 사후 시험을 다음 시험의 사전 시험으로 대,

체할 수 있으며 내환경성 시험의 시험 항목별 평가 기준은 을 따른다, Table. 2.3 .

내환경성 시험의 시험 항목별 평가 기준내환경성 시험의 시험 항목별 평가 기준내환경성 시험의 시험 항목별 평가 기준내환경성 시험의 시험 항목별 평가 기준Table. 2.3Table. 2.3Table. 2.3Table. 2.3

시험 항목 시험 조건 평가 기준

가진 시험

사전 시험으로서 육안 검사 및 대표ㆍ

성능 시험 실시한다.

진폭은 로 한다0.35 .ㆍ ㎜

주파수는 로 한다12 .ㆍ ㎐

직교 좌표상의 상하 방향에 대해 시3ㆍ

간 분 동안 시험을 실시한 후 육안30 ,

검사 및 대표 성능 시험 실시한다.

조립부의 풀림 변형 파손 등, ,ㆍ

이 없어야 한다.

대표 성능 시험 대표 구간 냉(ㆍ

각 능력 시험 및 냉각수 내압성

시험 의 평가 기준을 만족하고)

냉각 능력의 저하가 이내이5 %

어야 한다.

고온 시험

사전 시험으로서 육안 검사 및 대표ㆍ

성능 시험 실시한다.

시간 고온 저장한다(55±2) 4 .ㆍ ℃

시간 유지 후 시험 중(45±2) 4 ,ㆍ ℃

시험으로서 육안 검사 및 대표 성능 시

험 실시한다.

시간 안정화 후 육안검(25±2) 2ㆍ ℃

사 및 대표 성능 시험 실시한다.

외관 손상 부식 들뜸 기포 발( , ,ㆍ

생 변형 등 이 없어야 한다, ) .

대표 성능 시험 대표 구간 냉(ㆍ

각 능력 시험 및 냉각수 내압성

시험 의 평가 기준을 만족하고)

냉각 능력의 저하가 이내이5 %

어야 한다.

염수 부식

시험

소금 농도를 으로 하고(50±5) g/Lㆍ

소금 용액의 온도를 로 유지(25±2) ℃

한 상태에서 시편을 침지하고 연속 96

시간 동안 실시한다.

코팅 표면의 손상은 레이팅 넘ㆍ

버 이상이어(rating number) 8.0

야 한다.

- 74 -

수명 평가 기준수명 평가 기준수명 평가 기준수명 평가 기준8)8)8)8)

총 시료 개를 사용하여 가속 수명 시험 하였을 때 시간 동안 고장 없이 작동4 270

하고 대표 구간 냉각 능력 시험을 실시하여 냉각 능력의 저하가 이내이면, 10 %

신뢰 수준 에서90 % 1.8×104시간 (B10 수명 을 보장 한다) .

수명 시험의 시험 항목별 평가 기준수명 시험의 시험 항목별 평가 기준수명 시험의 시험 항목별 평가 기준수명 시험의 시험 항목별 평가 기준Table. 2.4Table. 2.4Table. 2.4Table. 2.4

시험

항목시험 조건 평가 기준

수명

시험

운전압력의 로 오일 쿨150 %(0.48 MPa)ㆍ

러에 냉각수를 순환시킨다.

베어링 회전수의 진폭300 %(36 , 0.1ㆍ ㎐

이상 를 가하여 수명 시험을 실시)㎜

시료 수 개를 가속 수명 시험을 실시한4ㆍ

후 냉각 성능 시험을 실시한다.

냉각 능력 시험을 실시하여 냉ㆍ

각 능력의 저하가 이내이10 %

고 무고장이어야 한다.

종합성능 시험방법종합성능 시험방법종합성능 시험방법종합성능 시험방법9)9)9)9)

가 냉각성능가 냉각성능가 냉각성능가 냉각성능))))

윤활유의 입구 온도- : (60±5) ℃

냉각수의 입구 온도- : (25±5) .℃

오일 쿨러의 오염 계수- : 0.0002 /W㎡ㆍ℃

나 전 구간 냉각 능력 시험나 전 구간 냉각 능력 시험나 전 구간 냉각 능력 시험나 전 구간 냉각 능력 시험))))

냉각 효율은 오일 쿨러의 냉각수량을 변화시켜 냉각수 출력부의 온도와 유량을 측,

정하여 시험한다 여기서 열부하로 작용하는 윤활유의 입구 온도 출구 온도 및 유. ,

량은 시험 시 지속적으로 제어를 한다 이때 와 같이 냉각수의 최대 유량을. Fig. 2.2

각각 로 분할하는 지점에서 냉각 능력을 구한20 %, 40 %, 60 %, 80 %, 100 % 5

다 냉각 효율. ( 은 오일 쿨러에서 계측된 냉각 능력) ( 을 이론 냉각 능력) ( 으)

로 나눈 것으로서 다음 식에 의하여 산출한다.

- 75 -

다 대표 구간 냉각 능력 시험다 대표 구간 냉각 능력 시험다 대표 구간 냉각 능력 시험다 대표 구간 냉각 능력 시험))))

대표 구간 냉각 능력 시험은 오일 쿨러의 성능 저하를 계측하기 위하여 시험한다.

이 때 과 같이 냉각수의 유량을 최고 각각 로 분할하는 지Fig. 2.3 80 %, 100 % 2

점에서의 냉각 효율을 구한다.

여기에서 이론 냉각 능력:

여기에서 윤활유 유량: ( /h)㎏

윤활유 비열: (J/ )㎏ㆍ℃

냉각수 유량: ( /h)㎏

냉각수 비열: (J/ )㎏ㆍ℃

윤활유 입구 온도: ( )℃

냉각수 입구 온도: ( )℃

계측 냉각 능력:

여기에서 총괄 열전달 계수: (W/ )㎡ㆍ℃

전열 면적: ( )㎡

∆ 양 유체의 대수 평균 온도차: ( )℃

윤활유 출구 온도: ( )℃

냉각수 출구 온도: ( )℃

전 구간 냉각 능력 시험 지점전 구간 냉각 능력 시험 지점전 구간 냉각 능력 시험 지점전 구간 냉각 능력 시험 지점Fig. 2.2Fig. 2.2Fig. 2.2Fig. 2.2 대표 구간 냉각 능력 시험 지점대표 구간 냉각 능력 시험 지점대표 구간 냉각 능력 시험 지점대표 구간 냉각 능력 시험 지점Fig. 2.3Fig. 2.3Fig. 2.3Fig. 2.3

- 76 -

라 성능시험회로라 성능시험회로라 성능시험회로라 성능시험회로))))

베어링 열교환기의 성능시험회로는 에 따른다Fig. 2.4 .

베어링 열교환기의 성능시험회로베어링 열교환기의 성능시험회로베어링 열교환기의 성능시험회로베어링 열교환기의 성능시험회로Fig. 2.4Fig. 2.4Fig. 2.4Fig. 2.4

마 냉각수 압력 손실 시험마 냉각수 압력 손실 시험마 냉각수 압력 손실 시험마 냉각수 압력 손실 시험))))

오일 쿨러의 냉각수 입구 압력이 최고 압력이 되도록 한 상태로 조정하고 최대 유

량으로 공급하면서 냉각수 입구 측과 출구 측의 압력을 분 동안 각각 측정한 후2

최대 입구 및 출구의 압력차를 압력 손실 값으로 정한다.

바 냉각수 내압성 시험바 냉각수 내압성 시험바 냉각수 내압성 시험바 냉각수 내압성 시험))))

냉각수 출구를 막고 입구 측에 냉각수 최고 사용압력의 를 되도록 한 상태로150 %

분 간 유지한 후 육안으로 누설 나사 부분의 헐거움 전열관의 영구 변형 부품15 , , ,

의 파괴 여부를 검사한다.

- 77 -

내환경성 시험 방법내환경성 시험 방법내환경성 시험 방법내환경성 시험 방법10)10)10)10)

가 가진 시험가 가진 시험가 가진 시험가 가진 시험))))

사전 시험으로서 육안 검사 및 대표 성능 시험을 실시한다.①

방법 에 따라서 시험 오일 쿨러를 실제 사용조건 또는 이MIL-STD-810F, 515.5②

와 동등한 조건으로 장착한다.

의 시험 조건으로 직교 좌표상의 축 방향에 대해 가진 시험을 시간Table. 2.5 z 3③

분 동안 실시한다30 .

가진 시험 후 육안 검사 및 대표 성능 시험을 실시하여 의 평가 기준Table. 2.2④

을 만족하고 냉각 능력의 저하가 이내이어야 한다5 % .

가진 시험 조건가진 시험 조건가진 시험 조건가진 시험 조건Table. 2.5Table. 2.5Table. 2.5Table. 2.5

주파수 범위

㎐

가속도

m/s2

진폭

㎜

시험 시간

h

12 0.98 0.35 상하3.5( )

나 고온 시험나 고온 시험나 고온 시험나 고온 시험))))

사전 시험으로서 대표 성능 시험을 실시한다.①

방법 에 따라서 시험 대상물을 의 항온조에 연MIL-STD-810F, 501.4 (55±2)② ℃

속 시간 저장한다4 .

로 온도를 낮춘 다음 시간 유지한 후 시간 이내에 시험 중 시험으(45±2) 4 , 2③ ℃

로서 육안 검사 및 대표 성능 시험을 실시하여 의 평가 기준을 만Table. 2.3, 2.4

족하고 냉각 능력의 저하가 이내이어야 한다5 % .

온도를 로 하강시켜 시간 동안 안정화시킨 후 사후 시험으로서 육(25±2) 2 ,④ ℃

안 검사 및 대표 성능 시험을 실시하여 의 평가 기준을 만족하고Table. 2.3, 2.4

냉각 능력의 저하가 이내인지 확인한다5 % .

고온 시험 주기고온 시험 주기고온 시험 주기고온 시험 주기Fig. 2.5Fig. 2.5Fig. 2.5Fig. 2.5

- 78 -

다 염수 부식 시험다 염수 부식 시험다 염수 부식 시험다 염수 부식 시험))))

소금농도를 으로 하고 소금용액의 온도를 로 유지한다(50±5) g/L (25±2) .① ℃

오일 쿨러의 전열관 시편을 침지한 상태에서 연속 시간 동안 방치한다96 .②

코팅 표면의 손상은 레이팅 넘버 이상으로 한다(rating number) 8.0 .③

수명 시험 방법수명 시험 방법수명 시험 방법수명 시험 방법11)11)11)11)

가 수명 시험가 수명 시험가 수명 시험가 수명 시험))))

운전압력의 로 오일 쿨러에 냉각수를 순환시킨다150 %(0.48 MPa) .①

오일 쿨러 조립체에 사용 베어링 회전수의 진폭 이상 를300 %(36 Hz, 0.1 )② ㎜

가하여 수명 시험을 실시한다.

수명 시험 중 성능 열화를 확인하기 위해서 과 같이 수명 시험 전과 완Fig. 2.6③

료 후 에는 종합 성능 시험을 실시하여 의 평가 기준을 모두 만(100 %) Table. 2.2

족하여야 하며 수명 시험 구간에서는 대표 성능 시험을 실시하여 평가 기준, 50 %

을 만족하여야 한다.

시간까지 수명 시험을 실시하여 그 기간 동안 고장 없이 작동하여야 한다270 .④

오일 쿨러 수명 시험 개념도오일 쿨러 수명 시험 개념도오일 쿨러 수명 시험 개념도오일 쿨러 수명 시험 개념도Fig. 2.6Fig. 2.6Fig. 2.6Fig. 2.6

- 79 -

나 시험기준에 대한 해설서나 시험기준에 대한 해설서나 시험기준에 대한 해설서나 시험기준에 대한 해설서....

기준 작성의 기본적 방법기준 작성의 기본적 방법기준 작성의 기본적 방법기준 작성의 기본적 방법1)1)1)1)

오일 쿨러의 신뢰성 평가 기준 작성의 방침은 다음과 같다.

가 가능한 국제성이 있는 것으로 한다) .

나 신뢰성을 충분히 파악 해석 가능한 시험 방법 안정성을 확보할 수 있는 요구) , ,

성능으로 한다.

다 국가 기준으로의 이행을 전제로 하므로 기술적 수준이 높은 것으로 한다) .

라 필요성이 높은 것으로부터 취급하여 간다) .

오일 쿨러의 신뢰성 평가기준은 냉각능력시험 냉각수 내압성시험 내환경성 시험, , ,

수명시험 등의 시험을 통하여 신뢰성 및 평균수명 변화를 파악 해석함으로써 오일

쿨러의 신뢰성을 보다 정확히 파악하여 평가하는 것을 목적으로 한다.

따라서 이 기준의 작성에는 규격과 국제적으로도 권위가 있는KS SAE, EN, BS,

등의 규격을 참고하여 기준의 구성을 검토하였다DIN, MIL .

잠재적 고장 형태잠재적 고장 형태잠재적 고장 형태잠재적 고장 형태2)2)2)2)

오일 쿨러의 잠재적 고장 형태와 그 영향을 분석해 본 결과 누유와 외관고장으로,

분류되며 상세하게 분류하면 입출력 포트의 씰 손상 전열관 균열 체결부 손상 및, , ,

외관 부식 등의 고장 형태가 있다 초기의 종합 냉각 능력 시험과 수명시험 후의.

외관특성을 파악하고 냉각 능력 평가 시험을 실시하여 수명 시험의 수명 평가 기준

에 근거하여 고장 여부를 판단하여야 한다 현재로서는 다른 고장 데이터가 없어.

정확한 분석이 어려우며 추후 여러 종류의 오일 쿨러에 대한 고장 데이터를 획득,

하여 보완하여야 할 것으로 사료된다.

평가항목의 해설평가항목의 해설평가항목의 해설평가항목의 해설3)3)3)3)

이 시험 방법은 오일 쿨러에 대하여 종합성능 내환경성 수명 등의 신뢰성 변화를, ,

신상품 상태에서 시작하여 사용 이력 열 이력을 가하여 가는 과정에서 관련되는,

신뢰성을 파악하고 신뢰성으로서 요구하는 허용 가능한 최저 한도를 나타내는 것,

을 목적으로 하였다.

가 종합 성능 시험가 종합 성능 시험가 종합 성능 시험가 종합 성능 시험))))

종합 성능 시험은 전 구간 및 대표 구간 냉각 능력 시험 냉각수 압력 손실 시험, ,

냉각수 내압성 시험으로 구성되었으며 시험 방법과 시험 기준은 KS, JIS, EN, BS

등의 시험 규정을 참고로 하여 작성하였다.

- 80 -

나 내환경성 시험나 내환경성 시험나 내환경성 시험나 내환경성 시험))))

의 고온 시험과 의 가진 시험 염수 부식 시험을 적용하였다MIL KS , .

다 수명 시험다 수명 시험다 수명 시험다 수명 시험))))

오일 쿨러의 교체 주기는 년 시간 일 일 년 년 약2 (24 / × 365 / × 2 = 1.8×104시간 으로)

되어 있다 따라서 신뢰성 조건은. , B10 수명의 형태로 정립하고 신뢰 수준 에, 90 %

서 B10 수명 1.8×104시간을 보장하는 것으로 정하였다 수명 시험 전 시험 중 및. ,

시험 후에 대표 구간 냉각 능력 시험을 실시하여 냉각 능력의 저하가 이내이10 %

고 고장 파손 균열 이 없을 경우 신뢰성을 보증하는 것으로 결정 하였다, ( , ) .

무고장 시험 시간 산출무고장 시험 시간 산출무고장 시험 시간 산출무고장 시험 시간 산출①①①①

신뢰성 평가 기준에서 규정된 오일 쿨러의 수명 1.8×104시간(B10 수명 을 보장하기)

위한 무고장 합격 기준을 만족하는 시험 시간의 계산은 다음에 따른다, .

수명 분포 형상 모수 가 인 와이블 분포- : ( ) 1.2 (weibull)β

보증 수명- : 1.8×104시간(10 수명)

신뢰 수준- : 90 %

시 료 수 개- : 4

무고장 시험 시간- () :

여기에서 무고장 시험 시간:

보증 수명:

신뢰 수준: (confidence level)

시험 중인 전체 아이템의 개수 시료수: ( )

불신뢰도: ( 수명이면 = 0.1)

형상 모수:

- 81 -

가속 수명 시험가속 수명 시험가속 수명 시험가속 수명 시험②②②②

시험 조건과 실제 평균 사용 조건을 고려한 가속 계수( 는 다음에 따른다) .

여기에서 수명 시험 압력 비율: (%)

사용 압력 비율: (%)

수명 시험 진동 적용율: (%)

사용 조건 진동 적용율: (%)

압력에 의한 가속 지수: [ = 3, (3~8)]

진동에 의한 가속 지수: [ = 4, (4~6)]

가속 계수로부터 가속 시험 시간( 의 산출은 다음에 따른다) .

합격 기준합격 기준합격 기준합격 기준③③③③

발췌 시료 개를 시간 까지 가속 수명 시험한 후 개 모두 고장이 없고 종합4 270 , 4

성능의 평가 기준을 만족하면 신뢰 수준 에서 수명, 90 % 1.8×104시간 (B10 수명)

을 보장한다.

- 82 -

대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의 고장 해석 자료대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의 고장 해석 자료대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의 고장 해석 자료대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의 고장 해석 자료4)4)4)4)

가 고장 모드 및 메커가 고장 모드 및 메커가 고장 모드 및 메커가 고장 모드 및 메커니즘 분니즘 분니즘 분니즘 분석석석석) (Failure Modes and Mechanisms Analysis) (Failure Modes and Mechanisms Analysis) (Failure Modes and Mechanisms Analysis) (Failure Modes and Mechanisms Analysis;;;;

FMMA)FMMA)FMMA)FMMA)

주요 구성품

(primary

components)

기능

(function)

고장 모드

(failure

modes)

고장 메커니즘

(failure mechanisms)

전열관

열 교환,

유로 형성,

압력 유지

파손 1-1 과부하(overstress)

균열 1-2 누적 피로

변형 1-3 반복 입력

막힘 1-4 오염

입출력 포트의 씰 유로밀폐

파열 2-1 과부하(overstress)

균열 2-2 반복 입력

플랜지결합 및

압력 유지

균열 3-1 과부하(overstress)

변형 3-2 누적 피로

부식 3-3 외부환경

체결 볼트 및 너트 전열관 체결

파손 4-1 과부하(overstress)

풀림 4-2 진동

고정구 전열관 지지

부식 5-1 외부 환경

변형 5-2 반복 압력

- 83 -

나 치명도 메트나 치명도 메트나 치명도 메트나 치명도 메트릭릭릭릭스스스스 분분분분석석석석) (Criticality Matri) (Criticality Matri) (Criticality Matri) (Criticality Matrixxxx AnalysisAnalysisAnalysisAnalysis;;;; CMA)CMA)CMA)CMA)

- 84 -

다 고장모드 영다 고장모드 영다 고장모드 영다 고장모드 영향향향향 및 치명도및 치명도및 치명도및 치명도 분분분분석석석석) , (Fai) , (Fai) , (Fai) , (FaiIIIIure Modes, Effects and Criticalityure Modes, Effects and Criticalityure Modes, Effects and Criticalityure Modes, Effects and Criticality

AnalysisAnalysisAnalysisAnalysis;;;; FMECA)FMECA)FMECA)FMECA)

주요 구성품

(primary

components)

기능

(function)

고장

모드

(failure

modes)

고장

메커니즘

(failure

mechanisms)

고장 원인

(failure

causes)

고장 영향

(failure

effects)

치명도 평가

(criricality)

고장

발생

빈도

고장

심각

도

치

명

도

전열관

열 교환,

유로

형성,

압력 유지

파손 열화 과부하 누설 중 상 7

균열 크래킹 누적 피로 누설 상 상 9

변형기계적 부하

증가반복 입력 성능 저하 상 상 9

막힘 이물질 유입 오염 성능 저하 하 상 5

입출력

포트의 씰유로밀폐

파열 열화 과부하 누설 상 상 9

균열 열화 반복 입력 누설 상 상 9

플랜지결합 및

압력 유지

균열 크래킹 과부하 누설 하 상 5

변형재료 강도

부족누적 피로 누설 중 상 7

부식내식 처리

부적절외부환경 수명 저하 하 중 3

체결 볼트 및

너트

전열관

체결

파손 열화 과부하 수명 저하 하 상 5

풀림 채터링 진동 수명 저하 중 상 7

고정구전열관

지지

부식내식 처리

부적절외부 환경 외부 환경 하 중 3

변형재료 강도

부족반복 압력 수명 저하 하 중 3

- 85 -

라 결라 결라 결라 결함함함함 나무나무나무나무 분분분분석석석석) (Fault Tree Analysis) (Fault Tree Analysis) (Fault Tree Analysis) (Fault Tree Analysis;;;; FTA)FTA)FTA)FTA)

- 86 -

마 단계마 단계마 단계마 단계 품품품품질 기능 전개질 기능 전개질 기능 전개질 기능 전개) 2 (2-stage) 2 (2-stage) 2 (2-stage) 2 (2-stage QQQQuality Function Deploymentuality Function Deploymentuality Function Deploymentuality Function Deployment; Q; Q; Q; QFD)FD)FD)FD)

품품품품질 기능 전개 단계질 기능 전개 단계질 기능 전개 단계질 기능 전개 단계 1 (1 (1 (1 (QQQQuaity Function Deployment leveluaity Function Deployment leveluaity Function Deployment leveluaity Function Deployment level I; QI; QI; QI; QFD level 1)FD level 1)FD level 1)FD level 1)①①①①

비 고 중요도 가장 중요 점 중요 점 보통 점: (5 ), (3 ), (1 )◎ ● ▲

품품품품질 기능 전개 단계질 기능 전개 단계질 기능 전개 단계질 기능 전개 단계 2 (2 (2 (2 (QQQQuaity Function Deployment level 2uaity Function Deployment level 2uaity Function Deployment level 2uaity Function Deployment level 2; Q; Q; Q; QFD level 2)FD level 2)FD level 2)FD level 2)②②②②

비 고 평가 척도 가장 중요 점 중요 점 보통 점1. : (5 ), (3 ), (1 )◎ ● ▲

시험 항목별 유효성 점수 중요도 점수 평가 척도2. = ( × )Σ

- 87 -

바 대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의바 대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의바 대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의바 대형 스러스트 베어링 냉각용 오일 쿨러의 세세세세계 유명계 유명계 유명계 유명 품품품품질인질인질인질인증증증증 규격 비교규격 비교규격 비교규격 비교))))

비 고 직접 인용 간접 인용 인용 내용 없음: , : , × :○ △

주(*) ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers

- 88 -

다 무고장다 무고장다 무고장다 무고장 데데데데이이이이터터터터 에 의한 신뢰성 평가 해설에 의한 신뢰성 평가 해설에 의한 신뢰성 평가 해설에 의한 신뢰성 평가 해설. (. (. (. (NNNNo Failures)o Failures)o Failures)o Failures)

서론서론서론서론1)1)1)1)

실제로 수명시험을 시행할 때 흔히 겪는 문제의 하나는 관측되는 고장 데이터 수가

매우 적거나 무고장인 경우가 많다는 점이다 이 해설서 에서는 기계류 부품의 수.

명분포로 널리 사용되는 와이블 분포의 무고장 데이터 분석에 대해 설명한다.

데이터 수가 적을 경우 형태 및 척도모수 모두에 대한 추정의 신뢰도는 더욱 떨어

진다.

따라서 여기서는 형태모수 의 값은 알려져 있다고 가정한다 실제로 경험적이나.β

이론적으로 재료의 특성 연구 등 값이 알려져 있거나 어느 정도의 범위 내에 있( ) β

다고 볼 수 있는 경우가 많다 그렇지 않다면 먼저 가능한 값을 추측하여 사용하. β

고 그 값을 변화시켜 가면서 결과를 비교 분석해 볼 수도 있다, .

근거자료-

Nelson W. (1985). Weibull Analysis of Reliability Data with Few or No Failures,

Journal of Quality Technology, Vol. 17, No. 3, pp140-146.

무고장무고장무고장무고장 데데데데이이이이터터터터 발발발발생생생생 상상상상황황황황2)2)2)2)

기계류 부품 중에는 대형 고가의 장비가 많고 수명시험에 소요되는 비용 시험장비, ( ,

에너지 사용료 등 도 다른 전자 전기 등 부품에 비해 월등히 높은 경우가 많다) , .

따라서 총 시험비용과 시간의 제약으로 불가피하게 소수의 시료 또는 만으로(n=1 2)

한정된 시간 동안에 시험을 종료해야 하는 상황이 발생한다.

그 결과 관측되는 고장 수도 극히 적어 대부분의 경우 무고장 고장수 상태에서( =0)

시험이 종료된다 시료수도 극히 적고 고장수도 인 이러한 극단적 상황에서 시험. 0

대상부품의 요구신뢰도에 대한 검정은 높은 불확실성으로 인해 사실상 의미가 없으

며 그 대안으로 불가피하게 시험 대상부품의 수명이나 신뢰도 추정 값을 구하여,

신뢰성 평가지표로 사용하는 방안을 제시한다.

- 89 -

무고장무고장무고장무고장 데데데데이이이이터터터터에 의한 신뢰도 추정에 의한 신뢰도 추정에 의한 신뢰도 추정에 의한 신뢰도 추정3)3)3)3)

가가가가 척척척척도모수 의 추정도모수 의 추정도모수 의 추정도모수 의 추정)))) ΘΘΘΘ

수명시험에 들어간 개 제품 중 개의 고장시간이 관측되고 관측된 고장 및 관측n r ,

중

단시간을 ㆍㆍㆍ 이라 하자 이 때 값이 알려져 있을 경우 척도모수 의. β Θ

는 다음과 같다MLE .

만약 고장수가 이면0 가 되어 의미 없는 결과가 나오게 된다 이러한 경우= .∞

한가지 방법은 의 추정 값으로 또는 신뢰하한을 사(r=0) 50 %(1- =0.5 =0.5)Θ α α

용하는 것이다.

앞 절에서 소개한 와이블 분포에 있어서의 신뢰구 정시중단 식을 사용하면( ) 50 %

신뢰 하한으로 구해지는 의 추정 값은 다음과 같다.Θ

척도모수 의 신뢰하한- 50 %Θ

단 무고장 데이터의 경우 =0

척도모수 의 신뢰하한- 90 %Θ

단 무고장 데이터의 경우 =0

- 90 -

나나나나 백분백분백분백분위수위수위수위수)))) ((((,,,, ,,,, 등 의 추정등 의 추정등 의 추정등 의 추정, life ), life ), life ), life )

최우추정량 를 이용한 백분위수는 다음과 같이 추정된다100p .

인 경우 최우추정량을 구할 수 없으므로 앞에서 소개한 신뢰하한 추정치를 사용r=0

하여 백분위수100p 에 대한 신뢰하한을 구하면 다음과 같다100(1- )% .α

백분위수- 100p 에 대한 신뢰하한100(1- a)%

다 평균수명 의 추정다 평균수명 의 추정다 평균수명 의 추정다 평균수명 의 추정) MTTF) MTTF) MTTF) MTTF

최우추정량 를 이용한 의 추정량은 다음과 같다MTTF .

일 때는 의 신뢰하한r=0 Θ 를 사용하여 의 신뢰하한을 구하면MTTF 100(1- )%α

다음과 같다.

의 신뢰하한- MTTF 100(1- )%α

라 신뢰도와라 신뢰도와라 신뢰도와라 신뢰도와 불불불불신도신도신도신도))))

최우추정량 를 이용한 시간 에서의 신뢰도 및 불신도는 다음과 같다.

- 91 -

일 때는 의 신뢰하한r=0 Θ 를 사용하여 다음과 같이 신뢰도 및 불신도를 추정할

수 있다.

시간- 에서의 신뢰도 및 불신도

- 92 -

열교환기의 시험 장비 구축열교환기의 시험 장비 구축열교환기의 시험 장비 구축열교환기의 시험 장비 구축3.3.3.3.

가 종합 열교환기 시험 장비가 종합 열교환기 시험 장비가 종합 열교환기 시험 장비가 종합 열교환기 시험 장비....

시험 평가 기준 개발에서 정한 적용범위와 에서 보유하고 있는Table.. 3.1 KIMM

오일펌프용량 및 오일가열용 보일러 를 감안한 시험장비의 사양은 다음과 같Utility( )

다.

적용범위적용범위적용범위적용범위Table. 3.1Table. 3.1Table. 3.1Table. 3.1

No 구 분 사 양

1 시험 용량 이하233 ㎾

2 통과 최대 유량 이하1000 /minℓ

3 오일 최고 온도 이하120 ℃

4 오일 최고 압력 이하1.0 MPa

시험 대상 오일 냉각기1.

오일 입력부의 압력 및 온도센서2.

오일 출력부의 유량 압력 및 온도 센서3. ,

오일 유량 제어 밸브4.

오일 압력 제어밸브5.

오일 축압기6.

오일 가열 및 공급장치7.

의 성능 시험 회로의 성능 시험 회로의 성능 시험 회로의 성능 시험 회로Fig. 3.1 CoolerFig. 3.1 CoolerFig. 3.1 CoolerFig. 3.1 Cooler

- 93 -

Fig. 3.2 Cooler Tester ControllerFig. 3.2 Cooler Tester ControllerFig. 3.2 Cooler Tester ControllerFig. 3.2 Cooler Tester Controller &&&& TesterTesterTesterTester

Fig. 3.3 Cooler Testing SystemFig. 3.3 Cooler Testing SystemFig. 3.3 Cooler Testing SystemFig. 3.3 Cooler Testing System LLLLayoutayoutayoutayout

- 94 -

나 베어링 열교환기의 시험 장비나 베어링 열교환기의 시험 장비나 베어링 열교환기의 시험 장비나 베어링 열교환기의 시험 장비....

수력발전소 및 터빈을 이용한 발전을 하는 곳에서 사용하는 조건과 유사한 환경을

만들어 주기 위해 원통의 를 제작하여 와 같이 열교환기를 장착하여test jig Fig. 3.4

성능 시험을 실시하였다 오일의 온도를 측정하기 위해 오일의 입 출구 및 탱크의. ㆍ

지점에 를 장착하였다 또한 상단에 서보 모터를1/3, 2/3 thermo-couple . test jig

이용하여 편심 원통의 회전체를 회전시키는 장치를 설치하였다 이는 일정한 가진.

조건을 만들어 진동이 제품에 미치는 영향을 알아 볼 수 있도록 하였다 는. Fig. 3.5

진동 발생 장치의 조립도이다.

Fig. 3.4 Thrust BearingFig. 3.4 Thrust BearingFig. 3.4 Thrust BearingFig. 3.4 Thrust Bearing OOOOil Cooler Testing Systemil Cooler Testing Systemil Cooler Testing Systemil Cooler Testing System &&&& TestTestTestTest jjjjigigigig

- 95 -

Fig. 3.5Fig. 3.5Fig. 3.5Fig. 3.5 VVVVibration Test Mechanismibration Test Mechanismibration Test Mechanismibration Test Mechanism

- 96 -

열교환기의 성능 시험열교환기의 성능 시험열교환기의 성능 시험열교환기의 성능 시험4.4.4.4.

가 공랭식 열교환기의 성능 시험가 공랭식 열교환기의 성능 시험가 공랭식 열교환기의 성능 시험가 공랭식 열교환기의 성능 시험....

공랭식 열교환기의 성능 시험은 지원 요청 기업에서 생산하는 개의 크기와 용량이6

다른 공랭식 열교환기들을 각각 시험 장비에 장착하여 실험하였다 시험 시 공랭식.

열교환기의 용량에 맞는 유량을 선정하여 오일의 온도를 일정하게 유지시키면서 전

구간 성능시험을 실시하였다 전 공랭식 열교환기에 대하여 오일의 입구 온도를. 60

로 고정하여 오일 측 온도 변화와 압력 저하 시험을 실시하여 냉각능력을 측정하℃

였다 아래의 은 시험 품목 중 가지의 모델의 성능 시험 장면이다. Fig. 4.1 3 .

a) 600 L/min

b) 300 L/min

c) 100 L/min

공랭식 열교환기 성능 시험공랭식 열교환기 성능 시험공랭식 열교환기 성능 시험공랭식 열교환기 성능 시험Fig. 4.1Fig. 4.1Fig. 4.1Fig. 4.1

- 97 -

공랭식 열교환기의 성능 시험 결과공랭식 열교환기의 성능 시험 결과공랭식 열교환기의 성능 시험 결과공랭식 열교환기의 성능 시험 결과1)1)1)1)

은 전기식 모터를 이용한 팬을 가동한 상태에서 의 오일의Fig. 4.2, 4.3 (60±2) ℃

유량을 의 간격으로 조절하면서 성능 시험을 실시하여 나온 결과이10 ~ 30 L/min

다 용량이 의 경우는 최고 유량으로 설정한 상태에서 오일의 온도를. 30, 60 L/min

로 변화시키면서 성능 시험하였다 성능 시험에 따른 열교환량은 팬40, 50, 60 .℃

의 크기 및 개수에 따라 다른 결과를 보여주고 있다 압력차는 용량 및 유량이 증.

가하면서 증가하고 온도차는 감소하는 것을 볼 수 있다, .

a) 30 L/min, 60 L/min b) 80 L/min, 100 L/min

c) 300 L/min, 600 L/min

공랭식 열교환기의 열전달량공랭식 열교환기의 열전달량공랭식 열교환기의 열전달량공랭식 열교환기의 열전달량Fig. 4.2Fig. 4.2Fig. 4.2Fig. 4.2

- 98 -

구분 압력차 온도차

30, 60

L/min

80, 100

L/min

300, 600

L/min

공랭식 열교환기의 압력차 및 온도차공랭식 열교환기의 압력차 및 온도차공랭식 열교환기의 압력차 및 온도차공랭식 열교환기의 압력차 및 온도차Fig. 4.3Fig. 4.3Fig. 4.3Fig. 4.3

- 99 -

나 수냉식 열교환기의 성능 시험나 수냉식 열교환기의 성능 시험나 수냉식 열교환기의 성능 시험나 수냉식 열교환기의 성능 시험....

수냉식 열교환기의 성능 시험은 지원 요청 기업에서 생산하는 개의 크기와 용량13

이 다른 수냉식 열교환기들을 각각 시험 장비에 장착하여 실험하였다 시험 시 수.

냉식 열교환기의 용량에 맞는 유량을 선정하여 구간 분할을 시키면서 전 구간 성능

시험을 실시하였다 전 수냉식 열교환기에 대하여 오일의 입구 온도를 로 고. 60 ℃

정하여 오일 측 온도 변화와 압력 저하 시험을 실시하여 냉각 능력을 측정하였다.

아래의 는 각종 모델의 성능 시험 장면이다Fig. 4.4 .

a) 4 inch

b) 5 inch

c) 6 inch

수냉식 열교환기 성능 시험수냉식 열교환기 성능 시험수냉식 열교환기 성능 시험수냉식 열교환기 성능 시험Fig. 4.4Fig. 4.4Fig. 4.4Fig. 4.4

- 100 -

수냉식 열교환기의 성능 시험 결과수냉식 열교환기의 성능 시험 결과수냉식 열교환기의 성능 시험 결과수냉식 열교환기의 성능 시험 결과1)1)1)1)

은 수냉식 열교환기의 성능 시험 결과이다 는 오일과 냉Fig. 4.5, 4.6, 4.7 . Fig. 4.5

각수의 유량은 의 비율로 하여 시험하였고 각각의 데이터는 오일 및 냉각수의2:1 ,

입구 온도를 일정하게 한 상태에서 내부 구조에 의해 발생하는 압력 강하를 보여주

고 있다 오일측의 경우를 제외하고 압력 강하는 생산되는 제품군에서는 거. 4 inch

의 유사한 것으로 판명되었다.

수냉식 열교환기의 압력차수냉식 열교환기의 압력차수냉식 열교환기의 압력차수냉식 열교환기의 압력차Fig. 4.5Fig. 4.5Fig. 4.5Fig. 4.5

- 101 -

은 성능 시험 중 오일 및 냉각수의 온도 변화에 대한 결과를 보여준다 유Fig. 4.6 .

량에 따른 온도 분포는 로그함수 중 감소함수의 형태를 나타내고 있다 오일 및 냉.

각수의 유량비가 인 경우에는 오일 및 냉각수의 온도차가 감소하지만 냉각수의2:1 ,

유량을 고정한 상태에서 오일의 유량을 증가시키면 오일의 온도차는 감소하고 냉,

각수의 온도차는 증가하는 것을 볼 수 있다.

수냉식 열교환기의 온도차수냉식 열교환기의 온도차수냉식 열교환기의 온도차수냉식 열교환기의 온도차Fig. 4.6Fig. 4.6Fig. 4.6Fig. 4.6

- 102 -

열교환량은 이론식 을 이용하여 계산하였다 의 경우 길이 변화(77), (78) . 4, 5 inch

에 따른 열교환량의 차이가 뚜렷하게 구분이 되지만 의 경우 의, 6, 7, 9 inch shell

길이가 일 때 열교환량이 거의 유사하게 계산되어 나오는 것을 알 수750, 850 ㎜

있다.

a) 4inch b) 5inch

c) 6inch d) 7inch

e) 9inch

수냉식 열교환기의 열전달량수냉식 열교환기의 열전달량수냉식 열교환기의 열전달량수냉식 열교환기의 열전달량Fig. 4.7Fig. 4.7Fig. 4.7Fig. 4.7

- 103 -

다 베어링 열교환기의 성능 시험다 베어링 열교환기의 성능 시험다 베어링 열교환기의 성능 시험다 베어링 열교환기의 성능 시험....

베어링 열교환기의 성능 시험은 개를 의 시험 장비에 장착하여 실험하였4 Fig. 3.4

다 시험 시 베어링 열교환기의 용량에 맞는 유량을 선정하여 구간 분할을 시키면.

서 전 구간 성능시험을 실시하였다 전 베어링 열교환기에 대하여 오일의 입구 온.

도를 로 고정하여 오일 측 온도 변화와 압력 저하 시험을 실시60 , 65 , 70℃ ℃ ℃

하여 냉각능력을 측정하였다.

베어링 열교환기의 성능 시험 결과베어링 열교환기의 성능 시험 결과베어링 열교환기의 성능 시험 결과베어링 열교환기의 성능 시험 결과1)1)1)1)

성능 시험은 코일 동관을 냉각수의 입 출구를 제외하고 호스로 연결하여 2, 3, 4ㆍ

개의 동관을 로 구분하여 시험을 진행하였다 탱크 내부를 흐르는 오일의 온1 set .

도를 일정하게 유지하기 위해 열 변화에 맞춰 유량을 으로 고정시켰다200 L/min .

초기 성능을 실시한 이후에는 실제 사용 조건과 유사한 환경을 만들어 주고 성능,

시험을 실시하였다 스러스트 베어링의 회전수가 가 된다고 할 때 실제보다. 12 Hz

더 빠른 가속 조건을 주기 위해 진동수를 증가시켜 로 설정하였고 압300% 36 Hz ,

력 조건은 사용 압력의 인 로 시간 동안 가속 수명 시험을 실150 % 0.48 MPa 270

시하였다 시험 진행 중 쿨러의 변화를 알아보기 위해 전체 시간의. 50 %, 100 %

에서 성능 시험을 실시하였다.

에 나타난 초기 성능 결과는 설정 오일 온도에서 온도차가 예상한 값Fig. 4.8, 4.9

을 나타내지 않고 있지만 수명 시험을 로 진행한 후 의 결과는, 50 % 60, 65, 70

에서의 온도차가 에서 구분되어 나타나고 있다 수명 시험이 완료된2, 3, 4-set .℃

후의 결과는 일 때의 온도차는 결과가 거의 유사한 값을 나타내고 있다65, 70 .℃

수명 시험이 진행된 후 압력 강하는 같은 에서 거의 변화가 없는 것을 알 수 있set

고 의 이론식의 압력 강하 공식 및 시험결과로 확인할 때 동관의 주위 온, Cooler ,

도 및 냉각수의 온도에 독립적인 결과를 나타내고 있다.

열교환량은 수명 시험이 진행됨에 따라 안정적인 로그함수의 증가함수 분포를 보이

고 있고 의 열교환량은 증가한 반면에 의 경우는 변화의 폭이 적게, 60, 65 70℃ ℃

나타나고 있다.

- 104 -

베어링 열교환기의 압력 및 온도차베어링 열교환기의 압력 및 온도차베어링 열교환기의 압력 및 온도차베어링 열교환기의 압력 및 온도차Fig. 4.8Fig. 4.8Fig. 4.8Fig. 4.8

- 105 -

베어링 열교환기의 열교환량베어링 열교환기의 열교환량베어링 열교환기의 열교환량베어링 열교환기의 열교환량Fig. 4.9Fig. 4.9Fig. 4.9Fig. 4.9

- 106 -

구축구축구축구축5. Test Data Base5. Test Data Base5. Test Data Base5. Test Data Base

수냉식 열교환기의 성능시험을 실시한 후 생산 모델 별로 총 개 시험 결과를( 13 )

화 하였고 시험한 결과로부터 교환 열량을 정확히 산출하기 위해DB , curve fitting

을 하였으며 계산식들의 변수들을 에 추가하였다, Data Base .

가 시험 결과가 시험 결과가 시험 결과가 시험 결과. Data Base. Data Base. Data Base. Data Base

열교환량열교환량열교환량열교환량1)1)1)1)

열교환량의 구축은 를 기본으로 하여 시험 유량을 초과한 부분data base raw data

까지 예측하여 자료를 정리하였다.

4 inch 5 inch

6 inch 7 inch

9 inch

수냉식 열교환기의 열교환량수냉식 열교환기의 열교환량수냉식 열교환기의 열교환량수냉식 열교환기의 열교환량Fig. 5.1Fig. 5.1Fig. 5.1Fig. 5.1

- 107 -

유량 변화에유량 변화에유량 변화에유량 변화에 따른따른따른따른 압력압력압력압력 저저저저하 시험하 시험하 시험하 시험2)2)2)2)

수냉식 열교환기의 압력수냉식 열교환기의 압력수냉식 열교환기의 압력수냉식 열교환기의 압력Fig. 5.2Fig. 5.2Fig. 5.2Fig. 5.2

- 108 -

실험 결과의실험 결과의실험 결과의실험 결과의3) curve fitting3) curve fitting3) curve fitting3) curve fitting

냉각 능력 선도를 작성하기 위하여 열교환량의 를 사용할 경우 온도 편차raw data

가 계산 과정에서 증폭이 되어 불규칙한 능력 선도가 작성되기 때문에 열교환량의

결과를 하여 냉각 능력 선도를 작성하였다 압력 강하의 경우curve fitting . raw

를 이용하여 식을 구하였다 은 열교환량 및 압력data fitting . Table. 5.1, 5.2, 5.3

강하의 식에 의한 변수를 정리한 것이다fitting .

열교환량 식열교환량 식열교환량 식열교환량 식fittingfittingfittingfitting■■■■

수냉식 열교환기의 열교환량수냉식 열교환기의 열교환량수냉식 열교환기의 열교환량수냉식 열교환기의 열교환량Table. 5.1 fittingTable. 5.1 fittingTable. 5.1 fittingTable. 5.1 fitting

- 109 -

압력 식압력 식압력 식압력 식fittingfittingfittingfitting■■■■

수냉식 열교환기의 오일 압력수냉식 열교환기의 오일 압력수냉식 열교환기의 오일 압력수냉식 열교환기의 오일 압력Table. 5.2 fittingTable. 5.2 fittingTable. 5.2 fittingTable. 5.2 fitting

수냉식 열교환기의 냉각수 압력수냉식 열교환기의 냉각수 압력수냉식 열교환기의 냉각수 압력수냉식 열교환기의 냉각수 압력Table. 5.3 fittingTable. 5.3 fittingTable. 5.3 fittingTable. 5.3 fitting

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베어링 열교환기에 대한베어링 열교환기에 대한베어링 열교환기에 대한베어링 열교환기에 대한6. Evaluation6. Evaluation6. Evaluation6. Evaluation

가 구조 해석가 구조 해석가 구조 해석가 구조 해석....

베어링 열교환기의 진동에 영향을 알아보기 위하여 상용코드 를 이용하(3G. Author)

여 구조해석을 실시하였다 열교환기에 가해지는 진동수는 로 설정하였. 30 ~ 40 ㎐

고 진동이 가해지는 부분은 열교환기가 설치되는 강 구조물로 하였다 모델의 격자, .

형태는 격자 구조를 사용하였다 조립체 내에서 부품의 접촉 조건은 볼트와Tetra .

부품 간의 구속 조건으로 인하여 고정되어 있다면 면과 면이 만나는 부분은 결합된

것으로 가정하였다.

시험 장치 모델의 재질은 열교환기를 지지하는 구조물은 구조용 강재로 하였고 열,

교환기는 구리를 사용하였다 구조해석에 사용된 재질의 특성은 와. Table. 6.1, 6.2

같다.

해석에해석에해석에해석에 사사사사용한 재료 물성치 구조용용한 재료 물성치 구조용용한 재료 물성치 구조용용한 재료 물성치 구조용 강강강강재재재재Table. 6.1 ( )Table. 6.1 ( )Table. 6.1 ( )Table. 6.1 ( )

명 칭 단 위 값 명 칭 단 위 값

인장 항복 강도 MPa 250 인장 극한 강도 MPa 460

밀 도 N/㎣ 7.85×10-9

영 률 MPa 2.05×105

Poisson's Ratio 0.33 열팽창 1/℃ 1.2×10-5

해석에해석에해석에해석에 사사사사용한 재료 물성치 구용한 재료 물성치 구용한 재료 물성치 구용한 재료 물성치 구리리리리Table. 6.2 ( )Table. 6.2 ( )Table. 6.2 ( )Table. 6.2 ( )

명 칭 단 위 값 명 칭 단 위 값

인장 항복 강도 MPa 33.3 인장 극한 강도 MPa 210

밀 도 N/㎣ 8.93×10-9 영 률 MPa 1.2×105

Poisson's Ratio 0.37 열팽창 1/℃ 1.7×10-5

진동 조건을 방향에 가하여 최대 응력 및 최대 변형량의 결과를 분석하였X, Y, Z

다 진동에 의해서 최대 응력이 발생하는 부분은 냉각수의 입출구 노즐에 동관이.

용접된 부분이고 최대 변형량은 상단의 안쪽 동관에서 나타난다, .

- 111 -

각각의 결과는 방향으로 진동을 가하였을 때 가장 큰 값을 나타냈다 진동 조X, Y .

건에 의한 결과는 에 정리하였다Table. 6.3 .

의 최대 변형량은Fig. 6.1, 6.2, 6.3 1.5×1012배로 확대하여 보여주고 있다 적색.

을 표현되는 부분은 응력 및 변형량의 최대가 되는 곳을 나타낸다.

진동 조건에진동 조건에진동 조건에진동 조건에 따른따른따른따른 최대최대최대최대 응응응응력 및 변형량력 및 변형량력 및 변형량력 및 변형량Table. 6.3Table. 6.3Table. 6.3Table. 6.3

방방방방향향향향 구조 해석 결과구조 해석 결과구조 해석 결과구조 해석 결과Fig. 6.1Fig. 6.1Fig. 6.1Fig. 6.1 XXXX

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방방방방향향향향 구조 해석 결과구조 해석 결과구조 해석 결과구조 해석 결과Fig. 6.2Fig. 6.2Fig. 6.2Fig. 6.2 YYYY

방방방방향향향향 구조 해석 결과구조 해석 결과구조 해석 결과구조 해석 결과Fig. 6.3Fig. 6.3Fig. 6.3Fig. 6.3 ZZZZ

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베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가베어링 열교환기에 대한 신뢰성 평가7.7.7.7.

가 종합 성능 시가 종합 성능 시가 종합 성능 시가 종합 성능 시힘힘힘힘....

베어링 열교환기의 종합 성능 시험은 냉각 능력 시험 냉각수 압력 손실 시험 냉각, ,

수 내압성 시험으로 구분하여 실시하였다 평가 기준은 앞 절에서 기준을 소개하였.

고 냉각 능력 시험은 냉각수의 유량을 최저에서 최대로 가변하며 전 구간에 대한, ,

냉각 능력을 산출하여 효율을 계산하였다 시험 결과는 에 정리하였다. Table. 7.1 .

평가 결과는 기준에 모두 만족되는 것으로 나타났다 은 이론식을 이용하여. Fig. 7.1

계산된 결과와 시험 결과에 따라 구해진 열전달량을 그래프로 나타낸 것이다.

종합 성능 시험 결과종합 성능 시험 결과종합 성능 시험 결과종합 성능 시험 결과Table. 7.1Table. 7.1Table. 7.1Table. 7.1

냉각 능력 평균 효율냉각 능력 평균 효율냉각 능력 평균 효율냉각 능력 평균 효율Fig. 7.1Fig. 7.1Fig. 7.1Fig. 7.1

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나 내환경성 시험나 내환경성 시험나 내환경성 시험나 내환경성 시험

내환경성 시험은 전체 항목 중에서 실제 시험 조건에 맞는 가진 시험과 고온 시험

을 선택하여 실시하였고 가진 시험은 수명 시험기 상단에 설치된 진동 발생 장치,

를 이용하여 가진 조건을 유지하였다 내환경 시험 진행 중에 대표 성능 시험으로.

대표 구간 냉각 능력 시험 및 냉각수 내압성 시험을 실시하여 환경 변화에 따른 성

능 저하를 평가하였다.

는 가진 시험 장면이고 가진 조건은 가속도 센서를 이용하여 측정하였다Fig 7.2 , .

은 가진 시험 후 냉각 능력 시험 결과이다 가진 시험에 의한 풀림 변형Fig. 7.3 . ,

및 파손은 발생하지 않았다 대표 성능 시험에 대한 결과는 냉각 능력 저하는. 1.5

이고 내압에 의한 이상은 발생하지 않았다% , .

시료는 고온에 의한 외관 손상이 발생하지 않았고 시험 중 시험과 사후 시험에서,

냉각 능력 저하는 로 평가 기준에 만족하였고 내압성 시험에서도 이1.9 %, 2.5 % ,

상이 발생하지 않았다 는 고온 시험 전 중 후에 실시된 냉각 능력 시험. Fig. 7.4 , ,

결과를 그래프를 나타낸 것이다.

가진 시험가진 시험가진 시험가진 시험Fig. 7.2Fig. 7.2Fig. 7.2Fig. 7.2

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냉각 능력 시험 결과 그냉각 능력 시험 결과 그냉각 능력 시험 결과 그냉각 능력 시험 결과 그래래래래프 가진 시험프 가진 시험프 가진 시험프 가진 시험Fig. 7.3 ( )Fig. 7.3 ( )Fig. 7.3 ( )Fig. 7.3 ( )

냉각 능력 시험 결과 그냉각 능력 시험 결과 그냉각 능력 시험 결과 그냉각 능력 시험 결과 그래래래래프 고온 시험프 고온 시험프 고온 시험프 고온 시험Fig. 7.4 ( )Fig. 7.4 ( )Fig. 7.4 ( )Fig. 7.4 ( )

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다 수명 시험다 수명 시험다 수명 시험다 수명 시험....

수명 시험은 압력과 진동을 사용 수준보다 가혹하게 크게 하여 시험 시간을 사용

시간보다 크게 단축하여 실시하였다 개의 시료를 수명 시험기에 장착하고 시. 4 270

간 동안 운전 압력의 사용 베어링 회전수의150 % (0.48 MPa), 300 % (36 ,㎐

를 가하여 실시한다 는 수명 시험 장면이고 진동수를 측정한 결과0.1 ) . Fig. 7.5 ,㎜

이다 수명 시험 전 구간 완료 후에 냉각 능력 시험을 실시하여 냉각 능력. , 50 % ,

의 저하율을 에 정리하였다 수명 시험 전 후의 냉각수 압력 손실은Table 7.2 . ,

로 측정되었다0.091 MPa .

수명 시험a) 진동 측정 결과b)

수명 시험 및 진동 측정수명 시험 및 진동 측정수명 시험 및 진동 측정수명 시험 및 진동 측정Fig. 7.5Fig. 7.5Fig. 7.5Fig. 7.5

냉각 시험 결과 냉각수 최대 유량냉각 시험 결과 냉각수 최대 유량냉각 시험 결과 냉각수 최대 유량냉각 시험 결과 냉각수 최대 유량Table. 7.2 ( )Table. 7.2 ( )Table. 7.2 ( )Table. 7.2 ( )

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열교환기의 용량 계산 프로그램 개발열교환기의 용량 계산 프로그램 개발열교환기의 용량 계산 프로그램 개발열교환기의 용량 계산 프로그램 개발8.8.8.8.

본 기술지원으로 개발된 를 이용하여 하나의 프로그램 창 내에서 쿨러의soft ware

종류 단위 오일의 종류를 선정할 수 있고 그에 따른 총교환 열량 및 예상 교환, , ,

열량을 계산할 수 있도록 하였다.

본 는 사용자가 손쉽게 사용할 수 있고 알아보기 편하도록 탭 창soft ware , (Tab)

방식으로 되어 있다 은 프로그램의 시작창을 보여준다 아래의 탭을 클릭. Fig. 8.1 .

하면 용량 계산 및 선정된 쿨러의 치수 및 계산 결과를 확인할 수 있다.

는 용량 계산을 위해 입력 조건을 선정해 주는 단계의 화면을 보여준다 좌Fig. 8.2 .

측 상단에는 쿨러 및 오일의 종류를 선정하여 유량 압력 오일 및 냉각수의 입 출, , ㆍ

구의 온도를 입력하면 교환열량이 계산되게 되고 펌프의 열량과 동력 예비율을 알,

고 있을 경우 그 조건을 입력하면 오일 및 냉각수의 출구의 온도를 쿨러의 성능 데

이터에 맞추어 계산할 수 있다 은 입력된 오일 및 냉각수의 온도 조건에. Fig. 8.3

따른 유체의 물성치를 보여준다 각각의 물성치는 온도에 따라 계산되도록. data

화 되어 있다base .

는 계산된 결과에 따라 선정된 쿨러의 치수 및 결과 리포트를 확인하고 프Fig. 8.4

린트할 수 있는 창을 보여준다.

용량 계산 프로그램용량 계산 프로그램용량 계산 프로그램용량 계산 프로그램Fig. 8.1Fig. 8.1Fig. 8.1Fig. 8.1

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용량 계산 화면용량 계산 화면용량 계산 화면용량 계산 화면Fig. 8.2Fig. 8.2Fig. 8.2Fig. 8.2

온도 조건에온도 조건에온도 조건에온도 조건에 따른따른따른따른 오일 및 냉각수의 물성치오일 및 냉각수의 물성치오일 및 냉각수의 물성치오일 및 냉각수의 물성치Fig. 8.3Fig. 8.3Fig. 8.3Fig. 8.3

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결과 보고서 화면결과 보고서 화면결과 보고서 화면결과 보고서 화면Fig. 8.4Fig. 8.4Fig. 8.4Fig. 8.4

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제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

열교환기의 성능 평가열교환기의 성능 평가열교환기의 성능 평가열교환기의 성능 평가1.1.1.1.

본 연구에서는 업체에서 생산되고 있는 공랭식 및 수냉식 열교환기에 대한 성능 평

가를 실시하였다 공랭식 열교환기는 종 수냉식 열교환기는 종으로 크기와 냉. 6 , 13

각 능력이 다른 열교환기를 선정하여 시험하였고 시험 결과는 생산 업체에 제공하,

고 수냉식 열교환기의 시험 결과는 용량 계산 프로그램의 로 사용하였다, data .

베어링 열교환기는 구조해석을 통해 진동에 취약한 부분을 확인하였고 신뢰성 평,

가를 통해 쿨러의 성능 및 외부 환경 영향 평가하였고 가속 수명 시험을 통해 과,

도한 진동 및 압력에서도 에 따른 영향을 평가하여 과도한 환경 조건에서 안전성을

확보하였다.

공랭식 열교환기a) 수냉식 열교환기b)

베어링 열교환기c)

열교환기 시험열교환기 시험열교환기 시험열교환기 시험Fig. 1.1Fig. 1.1Fig. 1.1Fig. 1.1

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열교환기 용량 계산 프로그램 개발열교환기 용량 계산 프로그램 개발열교환기 용량 계산 프로그램 개발열교환기 용량 계산 프로그램 개발2.2.2.2.

기업에서 국내외 영업을 위하여 필수적으로 요구되는 열교환기의 용량 계산 후 결

과 보고서를 이용해 사용자 설계자 가 설계에 적용이 용이하도록 기술을 지원하였( )

다.

이 프로그램은 한국기계연구원에서 시험에 의해 얻어진 각종 자료를 바탕으로 하

여 수냉식 열교환기의 성능 시험 결과를 계산식에 적용할 수 있도록 하였다 따라, .

서 기존의 카탈로그에 의한 영업보다 사용자 입장에서 시스템에 적합한 쿨러를 선

정하여 설계의 정확성을 높이는 것은 물론이고 웹 사이트 상에 업로드하여 국내,

및 해외에서 쉽게 프로그램을 사용할 수 있다.

베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발베어링 열교환기의 가속 수명 시험 기술 개발3.3.3.3.

베어링 열교환기의 주고장 모드는 동관의 파손 파열 부식 및 변형 등이 있으며, , ,

설치 후에 냉각 대상 유체에 침식되어 있으므로 외부 환경 요인은 유체가 고온이

되는 경우이다.

터빈 및 발전기의 제너레이터 의 회전으로 인한 진동 및 냉각수 압력의(Generator)

상승으로 파손 및 파열되어 교체하게 된다 교체 주기는 년 시간 일 일. 2 (24 / × 365 /

년 년 약× 2 = 1.8×104시간 으로 되어 있다 따라서 신뢰성 조건은) . , B10 수명의 형

태로 정립하고 신뢰 수준 에서, 90 % B10 수명 1.8×104시간을 보장하는 것으로 정

하였다 수명 시험 전 시험 중 및 시험 후에 대표 구간 냉각 능력 시험을 실시하여. ,

냉각 능력의 저하가 이내이고 고장 파손 균열 이 없을 경우 신뢰성을 보증10 % , ( , )

하는 것으로 결정하였다.

가 무고장 시험 시간 산출가 무고장 시험 시간 산출가 무고장 시험 시간 산출가 무고장 시험 시간 산출)))) 신뢰성 평가 기준에서 규정된 오일 쿨러의 수명

1.8×104시간(B10 수명 을 보장하기 위한 무고장 합격 기준을 만족하는 시험 시간) ,

의 계산은 다음에 따른다.

수명 분포 형상 모수 가 인 와이블 분포- : ( ) 1.2 (weibull)β

보증 수명- : 1.8×104시간(10 수명)

신뢰 수준- : 90 %

시 료 수 개- : 4

무고장 시험 시간- () :

- 122 -

여기에서 무고장 시험 시간:

보증 수명:

신뢰 수준: (confidence level)

시험 중인 전체 아이템의 개수 시료수: ( )

불신뢰도: ( 수명이면 = 0.1)

형상 모수:

나 가속 수명 시험나 가속 수명 시험나 가속 수명 시험나 가속 수명 시험)))) 시험 조건과 실제 평균 사용 조건을 고려한 가속 계수 ( 는)

다음에 따른다.

여기에서 수명 시험 압력 비율: (%)

사용 압력 비율: (%)

수명 시험 진동 적용율: (%)

사용 조건 진동 적용율: (%)

압력에 의한 가속 지수: [ = 3, (3~8)]

진동에 의한 가속 지수: [ = 4, (4~6)]

가속 계수로부터 가속 시험 시간( 의 산출은 다음에 따른다) .

발췌 시료 개를 시간 까지 가속 수명 시험한 후 개 모두 고장이 없고 종합4 270 , 4

성능의 평가 기준을 만족하면 신뢰 수준 에서 수명, 90 % 1.8×104시간(B10 수명 을)

보장하게 되며 이는 년 동안 현장 평균 등가 사용횟수가 된다, 2 .

따라서 실제 사용 시간보다 짧고 소용 비요을 적게 하여 베어링 열교환기의 가속,

수명 시험을 실시할 수 있고 신뢰성 인증을 추진할 수 있었다, .

- 123 -

제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약제 절 기술지원 성과 요약2222

본 기술 지원 사업을 통하여 기업이 얻은 지원 성과는 열교환기의 설계 이론을 정

립하였고 베어링 열교환기의 종합 성능 및 내환경성 시험 코드를 개발 하였으며, ,

이 시험 코드가 기술표준원의 대형 스러스트 베어링 냉각용 오일쿨러의 신뢰성 평

가기준 으로 확정되었다(RS B 0141) .

에 구축되어 있는 열교환기 시험 장비를 이용하여 공랭식 및 수냉식 열교환기KIMM

의 성능을 평가하였으며 를 구축하였다 진동 및 압력을 동시에 가, Test Data Base .

할 수 있는 시험 장비를 구축하여 베어링 열교환기의 신뢰성 평가를 하여 평가 기

준을 통과함으로서 인증기관에서 인정하는 신뢰성을 확보하였다.

또한 향후 일방적인 제품 판매에서 벗어날 수 있도록 설계자 사용자 가 쉽게 제품( )

을 선정하기 위한 용량 자동 계산 프로그램을 개발하여 영업활동에 새로운 계기를

마련하였다.

열교환기의 설계 이론 정립-

베어링 열교환기의 시험 기준 개발 및 신뢰성 평가 기준 등록-

베어링 열교환기의 시험 장치 설계 및 구축-

공랭식 및 수냉식 열교환기의 성능 시험-

시험 결과 구축- Data Base

베어링 열교환기의 신뢰성 평가-

열교환기의 용량 계산 프로그램 개발-

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

본 기술 지원 사업은 열교환기의 설계 이론을 정립하였고 베어링 열교환기의 종합,

성능 및 내환경성 시험코드와 진동과 압력에 의한 가속 수명 시험 기술을 개발하였

으며 이 시험 코드가 기술표준원의 대형 스러스트 베어링 냉각용 오일쿨러, “ (RS

의 평가기준으로 확정되었다B 0141)” .

에서 보유하고 있는 장비를 이용하여 기술 지원 요청 기업에서 생산하는 제품KIMM

을 성능시험하고 를 구축하였으며 이를 이용하여 용량 계산프로그Test Data Base ,

램의 자료로 사용하였다.

개발된 프로그램은 일방적인 영업 전략에서 벗어나 사용자의 요구에 맞는 제품을

직접 선정하게 하여 회사의 홍보를 극대화하고 기술 기업으로서의 이미지를 신장,

시킬 수 있도록 하였다.

본 연구를 통하여 기업에 제공한 중요 내용은 다음과 같다.

열교환기의 설계 이론 정립-

베어링 열교환기의 시험 기준 개발 및 신뢰성 평가 기준 등록-

베어링 열교환기의 시험 장치 설계 및 구축-

공랭식 및 수냉식 열교환기의 성능 시험-

시험 결과 구축- Data Base

베어링 열교환기의 신뢰성 평가-

열교환기의 용량 계산 프로그램 개발-

원자력 화력 수력 발전소 및 공공기관 등에 개발 제품을 수의 계약 방식으로 납품, ,

이 가능하도록 중소기업청이 인정해주는 성능 인증 획득을 위해 수냉식 열교환기,

베어링 열교환기에 대하여 기술 지원을 하였다.

또한 본 사업을 통하여 개발된 시험코드가 기술표준원의 신뢰성 평가 기준으로 확

정되어 베어링 열교환기의 신뢰성 평가를 실시하여 신뢰성 인증을 획득하였다, .

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참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌참 고 문 헌

김세영 열교환기 설계 핸드북 도서출판 한미1. , “ ” pp917~942, , 1995

김세영 열교환기 설계 핸드북 도서출판 한미2. , “ ” pp393~593, , 1995

김세영 열교환기 설계 핸드북 도서출판 한미3. , “ ” pp631~665, , 1995

김석권 열교환기 설계와 열적 계산법 신기술4. , “ ”, , 2002

5. Incropera de witt "Heat transfer", WILEY, 1993

열교환기의 성능평가 및 최적 도면생성 기술지원 산업자원부6. “ ”, , 2004

의 성능평가 및 최적 도면생성 기술지원 산업자원부7. “Fan Cooler ”, , 2005