[논문]감온 팽창밸브 및 모세관 성능 시뮬레이션 프로그램 개발

박봉수; 한창섭

문제 정의

모세관(capillary tube)은 압축기 rpm의 변동이 적고 열부하의 변화가 비교적 미소한, 예를 들면 R AC (Room Air Conditioner), PACCPackaged Air Conditioner) 등의 가정용 에어컨이나 냉장고, 김치 저장고 등의 가전제품 또는 BAC(Bus Air Conditioner), TAC(Train Air Conditioner) 등의 광범위한 영역에서 사용되는 보편화된 팽창장치이다. 본 연구에서는 모세관 성능 시뮬레이션 프로그램을 개발하였고 Kim et 이 실험한 자료를 근거로 이를 검증하였다.
에어컨 시스템에 TXV를 적용하기 위해서는 시스템 매칭 테스트를 거쳐야 하는더〕, 테스트 수 행시 시행착오(trial and error) 방식을 따르고 있는 것이 대다수 에어컨 업체의 현실이다. 이에 본 연구의 목적은 TXV의 시스템 매칭테스트를 수행하기에 앞서 시뮬레이션 테스트를 수행할 수 있도록 TXV 시뮬레이션 프로그램을 개발하는 데 있다. 이를 위하여 우선, 트럭용 에어컨에 적용하고 있는 TXV에 대한 성능 시뮬레이션 프로그램을 작성하고 이의 검증 시험을 수행하였으며 계산값과 실험값을 비교하여 알고리즘의 타당성을 검증하였다.

가설 설정

(1) 모세관은 직관이며 내경은 일정하다.
(2) 모세관 외벽은 단열되어 있다.
(3) 단상 영역은 비압축성 유동이다.
(5) 준 안정 평형 영역은 무시한다.
(6) 모세관의 조도는 무시한다.

제안 방법

(1) Buckingham 의 n 정리 '' 이용하여 TXV 성능 시뮬레이션 프로그램을 개발하였고, 유체역학의 기초방정식을 이용하여 모세관 성능 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다.
(2)이 TXV에 대한 일반적인 동적 특성을 규명하였고, Jang(3)은 수동식 팽창밸브에 대하여 운전조건의 변화에 따른 자동차에어컨 시스템의 특성을 해석하였으며, Kyle Davis et al.⑸은 TXV에 관한 일반적인 해석 모델을 제안하였다.
실험은 총 84가지의 조건에 대해 실시되었으며, 각 조건에 대하여 5회의 실험을 실시하여 평균 한 값을 구하였다. 각 실험조건별로 실험조건을 설정하기 시작한 직후부터 설비를 정지하는 시점까지 전 과정에 대한 압력, 온도, 질량유량 등의 자료를 아날로그-디지털 혼합기록계 (hybrid recorder)로 기록하여 검토하였다.
TXV의 입구에서 냉매가액상 (liquid phase)이므로 밀도의 변화는 온도 또는 압력의 변화에 따라 다소 둔감하게 변화한다. 따라서, 본 연구에서는 밀도의 영향 실험을 따로 수행하지 않았으며 Table 2와 같이 나머지 2가지 운전 조건에 대한 실험을 수행하였다.
본 시뮬레이션 프로그램에서는 각 운전 조건에 따라 변화하는, TXV의 작동에 관여하는 3가지 힘에 대한 평형식으로부터 0를 구하였다.
본 연구에서는 TXV 단품 실험을 위하여, R-134a를 작동 유체로 하고 공기엔탈피 법을 이용하여 최대 6000 kcal/h의 용량 범위 내에서 열량의 측정이 가능한 차량용 calorimeter를 이용하였다. 실험장치의 개략도는 Fig.
설정하고자 하는 실험조건에서 압축기가 토출할 수 있는 최대 냉매유량으로부터 시작하여 유량계의 측정한 계점인 50 kg/h 조건까지 20 kg/h의 유량 감소를 갖는 감온통(remote sensing bulb)의 온도를 순차적으로 측정하였다.
실험은 총 84가지의 조건에 대해 실시되었으며, 각 조건에 대하여 5회의 실험을 실시하여 평균 한 값을 구하였다. 각 실험조건별로 실험조건을 설정하기 시작한 직후부터 설비를 정지하는 시점까지 전 과정에 대한 압력, 온도, 질량유량 등의 자료를 아날로그-디지털 혼합기록계 (hybrid recorder)로 기록하여 검토하였다.
실험조건은 미리 작성한 시뮬레이션 프로그램을 사용하여, 각 운전 조건의 영향을 충분히 비교할 수 있고 실험 이용이 용이하도록, 계산한 데이터를 분석하여 최종적으로 결정하였다.

대상 데이터

1과 같다. 실험 샘플은 트럭용으로 적용하고 있는 TXV중에서 비교적 많이 사용되는 사양으로 선택하였다. 실험 샘플의 사양은 Table 1과 같다.

데이터처리

TXV 성능 시뮬레이션 프로그램의 검증은 TXV 전후의 압력차 변화 조건 실험과 균압 변화 조건 실험 결과를 종합하여 총 84개의 실험 데이터와 비교하였다. 제곱근 평균 제곱 오차를 계산한 결과 전체 실험 데이터에 대하여 1.
계산값과 실험 값에 대한 상대 오차를 계산하였고 이를 이용하여 제곱근 평균 제곱 오차를 구하였다.
이에 본 연구의 목적은 TXV의 시스템 매칭테스트를 수행하기에 앞서 시뮬레이션 테스트를 수행할 수 있도록 TXV 시뮬레이션 프로그램을 개발하는 데 있다. 이를 위하여 우선, 트럭용 에어컨에 적용하고 있는 TXV에 대한 성능 시뮬레이션 프로그램을 작성하고 이의 검증 시험을 수행하였으며 계산값과 실험값을 비교하여 알고리즘의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

TXV 성능 시뮬레이션 프로그램은 FORTRAN 으로 작성하였으며 입출력 등을 담당하는 main program과 조건별 냉매유량 및 그에 따른 증발기에서의 압력 강하량을 계산하는 sub-program으 로 구성되어 있다. 각 단계별 냉매물 성치는 REFPROP V4.01 을 이용하여 계산하였다. 알고리즘은 다음과 같다.
TXV 성능 시뮬레이션 프로그램은 FORTRAN 으로 작성하였으며 입출력 등을 담당하는 main program과 조건별 냉매유량 및 그에 따른 증발기에서의 압력 강하량을 계산하는 sub-program으 로 구성되어 있다. 각 단계별 냉매물 성치는 REFPROP V4.01 을 이용하여 계산하였다. 알고리즘은 다음과 같다.

성능/효과

(2) TXV 성능 시뮬레이션 프로그램은 TXV 전후의 압력차 변화 조건 실험 및 균압변화조건 실험을 실시하여 검증하였으며 제곱근 평균 제곱 오차는 1.83%이었고 최대 오차는 9.94%이었다.
TXV 성능 시뮬레이션 프로그램의 검증은 TXV 전후의 압력차 변화 조건 실험과 균압 변화 조건 실험 결과를 종합하여 총 84개의 실험 데이터와 비교하였다. 제곱근 평균 제곱 오차를 계산한 결과 전체 실험 데이터에 대하여 1.83%이었고, 최대 오차는 9.94%로 나타났다. Fig.
9는 총 28개의 실험값과 계산값을 비교한 그래프이다. 제곱근 평균 제곱 오차를 계산한 결과 전체 실험 데이터에 대하여 4.13%이었고, 최대 오차는 8.7%로 나타났다.

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