[논문]열전달 해석을 통한 스크롤 압축기 성능 개선

홍상욱; 류호선

문제 정의

압축기 고효율화를 위해서 모터 고효율화, 압축 mechanism을 통한 고효율화, 윤활 연구 등이 필요하지만, 각 요소 부품이 조립된 상태하에서 고효율, 재료비 등의 종합적인 관점에서 효율 개선이 필수적이라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 압축기가 조립된 상태하에서 주로 전동 부의 열전달 현상과 전동기의 냉각과 냉매의 온도 변화 특성을 살펴보아 효율 개선점을 찾아보고자 한다. 전동부의 유동은 Fig.
본 연구에서는 흡입관에서 압축기 내부로 유입된 냉매가 압축부로 유출되기 전까지 압축기 내부 열전달 현상을 해석하였다. 이를 바탕으로 전동기의 온도 저감과 냉매의 온도 저감의 두 가지 목적을 동시에 만족시키는 유로 구조를 확보함으로써 압축기의 성능을 증대하였으며 실험으로 이를 확인하였다.
영향에 관한 연구를 수행하였다. 압축기 내부는 고온고압의 토출가스로 가득차고 압축기 하부의 오일도 고온이어서 흡입되는 낮은 온도의 냉매가스가 가열되어, 비체적이 증대하고 체적효율이 감소되는데, 이러한 사실들을 근간으로 하여 흡입냉매가스의 온도와 실린더 벽의 온도, 그리고 체적효율의 관계에 대해 연구하였다.

가설 설정

스크롤 압축기의 압축부와 오일이 저장된 부위를 제외한 부품의 열전달 현상 이해 및 개선을 위해 MRF와표준 k-£ 모형을 가정하고 유한체적법 및 적응 격자를 이용하여 유동 해석을 수행하였다. 그리고 계산의 정확성을 판단하기 위해서 ARI 조건 하에서 중요 부위의 온도도 측정하였다.
하부의 오일 면은 측정된 등온조건을 주었으며 상부의 main frame도 5부분으로 나누어 측정된 등온조건을 부가하였다. 압축기의 Shell에서는 일정한 온도를 갖는 외기와 열교환을 하게 되는 데, 이 현상에 대해서는 일정한 열전달 계수를 갖는 대류열전달을 한다고 가정하였다. 열전달계수는 압축기 shell의 표면 온도를 측정하여 이온 도를 기준으로 하여 수직 평판에서의 열전달 계수를 취하였다.
그리고 본연구에서는 압축기 내부의 전반적인 유동 해석에 주목적이 있기 때문에 베어링 내부 유동을 자세하게 해석할 필요는 없다. 이 부위에서 나타나는 기계손은 실험에 의해 측정된 온도로 경계조건을 처리하였으며 기타 손은 각 부위에 체적당 방열을 한다고 가정하였다. 해석시 육면체 격자를 사용하였고 초기의 종 격자 수는 약 540, 000개였다.

제안 방법

유동 해석을 수행하였다. 그리고 계산의 정확성을 판단하기 위해서 ARI 조건 하에서 중요 부위의 온도도 측정하였다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
열전달계수는 압축기 shell의 표면 온도를 측정하여 이온 도를 기준으로 하여 수직 평판에서의 열전달 계수를 취하였다. 그리고 입구조건은 측정된 냉매의 유량을 속도 조건으로 부가하였으며 출구조건은 FLUENT에서 제공하는 outflow조건을 사용하였다. 전동기의 회전자와 balancer를 포함한 회전영역은 고정영역과 구분하여 격자를 생성하였으며 회전영역의 유동계산을 위해 FWEW에서 제공하는 MRF (Multiple Reference Frame) 기법을 사용하여 계산을 수행하였다.
모터의 전기에너지 손실인 1차동손 2차동손 1차 철손, 2차철손에 대해서는 기존 연구에서 얻어진 모형을 사용하였다. 동손의 경우 온도가 상승하면 권선의 저항이 커져 손실이 증가하는 특성을 고려하여 권선 부에는 이러한 현상이 반영되도록 하였으며, 이를 위해 FLUENT의 UDF(User Define Function) 의 기능을 이용하여 온도의 함수로 동손을 부과하였다. 그리고 본연구에서는 압축기 내부의 전반적인 유동 해석에 주목적이 있기 때문에 베어링 내부 유동을 자세하게 해석할 필요는 없다.
그래서 스크롤 압축기 전체를'한 번에 계산하기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1에 나타난 부위를 계산 영역으로 정하였으며, 계산 영역 상부에 위치한 고정 스크롤 몸체와 하부에 위치한 오일은 운동을 하지 않기 때문에 실험을 통하여 측정한 온도를 경계조건으로 삽입하였다. 하부의 오일 면은 측정된 등온조건을 주었으며 상부의 main frame도 5부분으로 나누어 측정된 등온조건을 부가하였다.
해석결과와 실험 결과를 살펴보면 본 연구에서 제안한 설계에 의해 코일의 온도가 2° 내에서 변화하는 것을 알 수 있다. 반면 실험 시 서로 다른 시료에 열전대를 부착하여 코일의 온도를 측정하였고 코일의 온도측정값도 전체를 대표하는 평균 온도값이 아닌 열전대가 부착된 특정부위의 온도 값이므로 측정오차가 발생할 수 밖에 없다. 따라서 개선모델의 코일 측정온도의 상승은 설계변경에 의한 온도 변화폭이 실험오차에 비해 상대적으로 적기 때문에 발생한 현상으로 생각된다.
9에는 기존의 유로와 본 연구에서 제안한 유로의 개략도를 나타내었다. 벽을 타고 흐르는 빠른 속도의 유체는 벽면이 일정수준의 곡률을 가질 경우에도 벽면을 타고 흐른다는 Coanda Effect를 이용한 설계로서 동일한 해석을 유로가 개선된 모델에 대해서 실시하였다. 해석결과 Fig.
본 연구에서는 압축기 내부의 열적 거동을 측정하기 위해 주요 지점에 열전대를 부착하고, 압축기 열량계에서 설정된 조건(ARI조건)으로 압축기를 운전하여온 도를 측정하였고 Table 1에 구체적인 조건들을 도시하였다. 실험 시 사용된 열량계는 2차 냉각법을 사용하며 열량측정 범위는 12, 000kcal/hr (Maximum)이다.
여러 가지 압축기 부품 변수를 조정하여 내부 해석을 시도한 결과, 압축부의 효율이 상승하면 모터 효율이 떨어지고 모터 냉각을 충분히 시키면 모터 효율이 올라가는 특성을 관찰하였다. 여러 해석결과 중에서 현재의 압축기 전체의 streak line을 나타내는 것은 너무 복잡하여 Fig.
해석하였다. 이를 바탕으로 전동기의 온도 저감과 냉매의 온도 저감의 두 가지 목적을 동시에 만족시키는 유로 구조를 확보함으로써 압축기의 성능을 증대하였으며 실험으로 이를 확인하였다.
전동기의 발열원은 고정자 권선(1차동손), 고정자 코어(1차철손), 회전자 알루미늄(2차동손), 회전자 코어 (2차철손) 4부분으로 크게 나누어 지며, 각 부분의 발열량은 기존 연구에 의해 알려진 모형을 사용하여 각 부위의 체적당 발열량으로 부여하였다. 즉 모터의 3D CAD를 통해서 모든 요소 부품을 기하학적으로 모델링하였으며 각 요소부품에 체적당 발열량을 부가하였다.
체적당 발열량으로 부여하였다. 즉 모터의 3D CAD를 통해서 모든 요소 부품을 기하학적으로 모델링하였으며 각 요소부품에 체적당 발열량을 부가하였다. 모터의 전기에너지 손실인 1차동손 2차동손 1차 철손, 2차철손에 대해서는 기존 연구에서 얻어진 모형을 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 압축기는 2.5마력급 유도전동기를 탑재한 스크롤 압축기이며, Fig. 1에 단면도와 전반적인 유동의 흐름을 화살표로 나타내었다. 흡입관으로부터 압축기 내부로 흡입된 냉매는 baffle에 충돌을 한 후 일부는 상부로 나머지는 하부로 나뉘는 구조를 갖는다.
실험 시 사용된 열량계는 2차 냉각법을 사용하며 열량측정 범위는 12, 000kcal/hr (Maximum)이다. 압축기 내부 및 shell 외부의 온도측정에 사용된 열전대는 사용 목적에 따라 두 가지 형태의 K-type 열전대를 사용하였다. Fig.
이 부위에서 나타나는 기계손은 실험에 의해 측정된 온도로 경계조건을 처리하였으며 기타 손은 각 부위에 체적당 방열을 한다고 가정하였다. 해석시 육면체 격자를 사용하였고 초기의 종 격자 수는 약 540, 000개였다. 계산과정에서 유동 해석을 정확하게 하기 위해 속도 구배와 온도 구배가 큰 영역에서는 벽면을 중심으로 적응격자기법(adaptive grid)을 사용하였다.

이론/모형

해석시 육면체 격자를 사용하였고 초기의 종 격자 수는 약 540, 000개였다. 계산과정에서 유동 해석을 정확하게 하기 위해 속도 구배와 온도 구배가 큰 영역에서는 벽면을 중심으로 적응격자기법(adaptive grid)을 사용하였다. 적응 격자를 사용한 결과 최종 격자수는 약 650, 000개였다.
난류 유동 해석을 위해 Standard kn Model에 Standard wall functkm을 사용하였으며 온도차에 의한 부력은 국부 평균 유속이 lm/s 이상이 예상되어 무시하였다 유동 해석 시 모터의 회전자 및 balancer 회전이 유동에 미치는 영향을 고려하여 이 부분에서는 Multiple Rotating Frame기법을 사용하기 위해 별도의 계산 영역을 설정하였다. 이에 대한 방정식은 참고문헌에 잘 나타나 있다.
즉 모터의 3D CAD를 통해서 모든 요소 부품을 기하학적으로 모델링하였으며 각 요소부품에 체적당 발열량을 부가하였다. 모터의 전기에너지 손실인 1차동손 2차동손 1차 철손, 2차철손에 대해서는 기존 연구에서 얻어진 모형을 사용하였다. 동손의 경우 온도가 상승하면 권선의 저항이 커져 손실이 증가하는 특성을 고려하여 권선 부에는 이러한 현상이 반영되도록 하였으며, 이를 위해 FLUENT의 UDF(User Define Function) 의 기능을 이용하여 온도의 함수로 동손을 부과하였다.
실험 시 사용된 열량계는 2차 냉각법을 사용하며 열량측정 범위는 12, 000kcal/hr (Maximum)이다. 압축기 내부 및 shell 외부의 온도측정에 사용된 열전대는 사용 목적에 따라 두 가지 형태의 K-type 열전대를 사용하였다.
그리고 입구조건은 측정된 냉매의 유량을 속도 조건으로 부가하였으며 출구조건은 FLUENT에서 제공하는 outflow조건을 사용하였다. 전동기의 회전자와 balancer를 포함한 회전영역은 고정영역과 구분하여 격자를 생성하였으며 회전영역의 유동계산을 위해 FWEW에서 제공하는 MRF (Multiple Reference Frame) 기법을 사용하여 계산을 수행하였다.
적응 격자를 사용한 결과 최종 격자수는 약 650, 000개였다. 전산유동해석을 위해서 격자생성은 범용해석 幽 ft ware 인 FLUENT의 1%-Rpcessor인 GEOMESH 를 사용하였으며 solver로는 유한체적법을 바탕으로 정렬 격자와 비정렬격자를 모두 사용할 수 있는 FLUENT 5 上을 사용하였다.

성능/효과

(2) 압축부 흡입구의 유동 현상은 압축기 효율에 영향을 미치는데, 입구 설계시 압축부 흡입구로 유동이 바로 들어가지 않는 경우에는 고온의 mainframe 표면 온도의 영향으로 냉매의 온도가 약 3° 가량 증가하여 압축기 효율을 감소시킨다.
(3) 전동기의 냉각과 냉매의 온도상승을 고려하여 냉매의 유로를 개선함으로써 냉매의 온도를 2.5° 저감하여 압축기 전체의 효율을 06% 가량 개선할 수 있다.
각 열전달량을 살펴본 결과, 본 연구 대상 모델은 모터의 방열 대부분은 냉때 유동을 통헤서 78%, 전도둥을 통해서 shell로 방출되는 열전달 량은 약 22%를 차지한다. shell을 통해서 열량을 외부로 방출시키는 것이 압축기 성능 향상에 유리하지만, 이런 경우에 모터 고정자의 접촉에 의해서 shell에서의 전도 및 대류를 통해 열전달이 되기 때문에 효율 향상을 위해 shell 과의 접촉 면적 증가를 위해 고정자 작층이 증가되어재료비 부담 등 때문에 현실적으로 이 방법을 사용하기는 어렵게 된다.
이는 유출구와 baffle이 수직으로 배치되어 상승하던 대부분의 냉매가 압축부 흡입구 벽면의 급격한 각도의 변환으로 인해 이 부위에서 유동이 박리되기 때문이다. 계산결과에 의하면 이미 main-frame 의상 부로 올라온 냉매가 복잡한 회전운동을 거치며 약 48W의 흡열과정을 거치며 3°C 가량 온도가 상승함을 알 수 있었다. 이는 등온벽 경계조건 처리된mainframe 은 압축부의 외벽이므로 압축부로 흡입되기 전의 냉매 온도보다 높기 때문이다.
7'C 감소시키는 특성을 나타내었다. 그리고 통상적으로 흡입구의 온도가 낮아지면 효율이 상승하는 특성을 감안한다면 압축기 효율이 개선될 것으로 예상되었다. 이를 확인하기 위해서 실험을 칼로리미터에서 수행한 결과, 압축기 EER이 0.
이렇게 곡면 유로의 개선은 Table 2와 같이 상부 유로의 손실을 감소하여 상부로 올라가는 냉매의 유량은 근소하게 증가시키고 하부로 내려가는 냉매의 유량을 근소하게 감소시킨다. 이러한 유로의 개선은 전체 유로 손실(흡입관으로부터 압축기로 흡입된 순간부터 압축부로 유출될 때까지의 총압 손실)을 약 75% 감소시키며, Table 3에 나타난 바와 같이 전동기의 온도는 기존의 각 부품 온도 상태를 유지하면서 압축부 흡입구 냉매의 온도를 약 1.7'C 감소시키는 특성을 나타내었다. 그리고 통상적으로 흡입구의 온도가 낮아지면 효율이 상승하는 특성을 감안한다면 압축기 효율이 개선될 것으로 예상되었다.
그리고 통상적으로 흡입구의 온도가 낮아지면 효율이 상승하는 특성을 감안한다면 압축기 효율이 개선될 것으로 예상되었다. 이를 확인하기 위해서 실험을 칼로리미터에서 수행한 결과, 압축기 EER이 0.06 향상되었음을 알 수 있었다.
계산과정에서 유동 해석을 정확하게 하기 위해 속도 구배와 온도 구배가 큰 영역에서는 벽면을 중심으로 적응격자기법(adaptive grid)을 사용하였다. 적응 격자를 사용한 결과 최종 격자수는 약 650, 000개였다. 전산유동해석을 위해서 격자생성은 범용해석 幽 ft ware 인 FLUENT의 1%-Rpcessor인 GEOMESH 를 사용하였으며 solver로는 유한체적법을 바탕으로 정렬 격자와 비정렬격자를 모두 사용할 수 있는 FLUENT 5 上을 사용하였다.
이는 여러 가닥의 권선을 하나의 권선 덩어리로 모델링함으로 권선과 권선사이의 접촉 열저항에 의한 비등방성 열전도율을 고려하지 못한 결과로 생각된다. 코일에서의 실험결과를 보면 하부로의 냉매 유량이 감소하였음에도 불구하고 코일의 온도가 1〜2° 가량 감소하는 현상을 보이고 있다. 해석결과와 실험 결과를 살펴보면 본 연구에서 제안한 설계에 의해 코일의 온도가 2° 내에서 변화하는 것을 알 수 있다.
코일에서의 실험결과를 보면 하부로의 냉매 유량이 감소하였음에도 불구하고 코일의 온도가 1〜2° 가량 감소하는 현상을 보이고 있다. 해석결과와 실험 결과를 살펴보면 본 연구에서 제안한 설계에 의해 코일의 온도가 2° 내에서 변화하는 것을 알 수 있다. 반면 실험 시 서로 다른 시료에 열전대를 부착하여 코일의 온도를 측정하였고 코일의 온도측정값도 전체를 대표하는 평균 온도값이 아닌 열전대가 부착된 특정부위의 온도 값이므로 측정오차가 발생할 수 밖에 없다.

후속연구

동손의 경우 온도가 상승하면 권선의 저항이 커져 손실이 증가하는 특성을 고려하여 권선 부에는 이러한 현상이 반영되도록 하였으며, 이를 위해 FLUENT의 UDF(User Define Function) 의 기능을 이용하여 온도의 함수로 동손을 부과하였다. 그리고 본연구에서는 압축기 내부의 전반적인 유동 해석에 주목적이 있기 때문에 베어링 내부 유동을 자세하게 해석할 필요는 없다. 이 부위에서 나타나는 기계손은 실험에 의해 측정된 온도로 경계조건을 처리하였으며 기타 손은 각 부위에 체적당 방열을 한다고 가정하였다.

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