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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 HCFC계 냉매인 R-22를 기본 작동 유체로 한 냉동공조장치를 외경 12.70 mm와 9.52 mm로 제작하여 탄화수소계냉매인, R-1270, R-600a, R-290으로 작동 유체를 변화시켜 평활관에서의 증발전 열 특성 및 압력 강하를 실험적으로 비교분석하여 탄화수소계냉매를 대체냉매로 사용하는 증발기의 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- Fig. 3에 나타낸 바와 같이 평활관에서 냉매, 열원수 및 내관의 외벽면 온도 측정은 각각 소구간별로 8지점, 내과 외벽면 온도 1개 지점 당 원주 방향 90° 간격으로 상부, 양측부, 하부의 4지점에서 측정하였다.
- 5%의 프로판(R-290)과 이소부탄(R-600a), 프로필렌(R-1270)을 사용하였다. 결과 분석을 위해 측정한 데이터는 각 소구간에서의 압력과 열교환기 입•출구에서의 압력을 측정하였고, 그 외에도 열교환기에서의 냉매 온도, 열원 수 온도, 냉매와 열원수의 유량을 측정하였다. 압력차의 측정에는 차압계(DPI-420)를 사용하였고 압력계는 증발기의 입구와 출구에 동일 간격으로 (1.
- wi은 증발기에서의 냉매와 관내 벽 온도[K]이다. 관벽 내 표 면온도는 정상 상태에서의 1차원 전도 방정식으로 계산하였다.
- 그리고 실험 데이터 측정이 완료되면 다시 냉매유량과 냉각수 유량을 조절하여 반복 실험을 하였다. 또한 온도, 압력 및 유량 등을 측정하기 위한 검출 신호는 데이터 변환기를 통하여 컴퓨터에 입력시켜 처리하였다.
- 열교환기는 입구 측에서 675mm 등간 격소구간으로 8구간으로 구분하였으며, U-bend 를 지나는 냉매관의 경우 우회하지 않고 동일하게 밴딩하여 이중 관 형태를 취하도록 하였다. 그리고 열교환기의 각 소 구간에 차압계를 설치하여 냉매관 내의 압력 강하를 측정할 수 있게 하였다.
- 실험조건, 즉 작동온도, 질량유속, 열유속 등은 냉매유량, 열원수의 온도 및 유량 등을 조절시켜 시스템이 정상 상태가 된 이후에 측정을 하였다. 냉매별 drop-in 기준은 증발 온도 5℃로 하고, 증발기 출구는 과열이 5℃가 되도록 각 냉매의 질량유속, 열원수의 온도와 유량을 조절하였다.
- 그리고 실험 데이터 측정이 완료되면 다시 냉매유량과 냉각수 유량을 조절하여 반복 실험을 하였다. 또한 온도, 압력 및 유량 등을 측정하기 위한 검출 신호는 데이터 변환기를 통하여 컴퓨터에 입력시켜 처리하였다. 이 모든 과정은 내관 12.
- 실험장치의 신뢰성을 확인하기 위하여 증발기에서 냉매와 열원 수 사이의 열평형을 검토하였다. Fig.
- 실험조건, 즉 작동온도, 질량유속, 열유속 등은 냉매유량, 열원수의 온도 및 유량 등을 조절시켜 시스템이 정상 상태가 된 이후에 측정을 하였다. 냉매별 drop-in 기준은 증발 온도 5℃로 하고, 증발기 출구는 과열이 5℃가 되도록 각 냉매의 질량유속, 열원수의 온도와 유량을 조절하였다.
- 결과 분석을 위해 측정한 데이터는 각 소구간에서의 압력과 열교환기 입•출구에서의 압력을 측정하였고, 그 외에도 열교환기에서의 냉매 온도, 열원 수 온도, 냉매와 열원수의 유량을 측정하였다. 압력차의 측정에는 차압계(DPI-420)를 사용하였고 압력계는 증발기의 입구와 출구에 동일 간격으로 (1.35m) 설치하여 관내에서의 압력 강하 를 알 수 있도록 하였다. 온도 측정은 정밀 수은 온도계로 보정하여 ±o.
- 22 mm인 동관을 사용하였다. 열교환기는 입구 측에서 675mm 등간 격소구간으로 8구간으로 구분하였으며, U-bend 를 지나는 냉매관의 경우 우회하지 않고 동일하게 밴딩하여 이중 관 형태를 취하도록 하였다. 그리고 열교환기의 각 소 구간에 차압계를 설치하여 냉매관 내의 압력 강하를 측정할 수 있게 하였다.
- 35m) 설치하여 관내에서의 압력 강하 를 알 수 있도록 하였다. 온도 측정은 정밀 수은 온도계로 보정하여 ±o.rc의 오차범위를 가지는 T형 열 전대(thermocouple)를 사용하였고, 실험장치에서 데이터의 측정점으로 냉매유량겨](OVAL 질량유량계, ±1%)는 응죽기에서 웅죽된 액량을 측정하기 위하여 응축기 출구 측에 설치하였고, 응축기 및 증발기에서의 열원수유량계 (ORIFICE FLOW-METER, ±1%)는 각각 응축기와 증발기 입구 측에 설치하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에서 사용한 실험장치로써 압축기, 웅축기, 팽창장치, 증발기 및 주변 장치로 구성된 기본적인 냉동•공조시스템이며, 크게 냉매가 순환되는 경로와 증발기 및 응축기의 열원수가 순환되는 루프로 구성되어 있다. 그리고 시험구간으로 사용한 열교환기 인 증발기는 내관으로 냉매가 흐르고, 내관과 외관 사이의 환상 구간 으로 열원수가 냉매의 흐름과 반대 방향으로 흐르는 이중 관형 열 교환기 구조로 되어 있다.
- Fig. 2는 시험부인 열교환기로서, 내관의 내경은 10.92mm, 8mm 동관으로 제작하였다. 그리고 외관은 두 관경 모두 외경 22.
- 92mm, 8mm 동관으로 제작하였다. 그리고 외관은 두 관경 모두 외경 22.22 mm인 동관을 사용하였다. 열교환기는 입구 측에서 675mm 등간 격소구간으로 8구간으로 구분하였으며, U-bend 를 지나는 냉매관의 경우 우회하지 않고 동일하게 밴딩하여 이중 관 형태를 취하도록 하였다.
- 본 연구에서는 작동 유체로 규제 대상 냉매인 R- 22와 이를 대체할 것으로 판단되어지는 자연냉매 중 탄화수소계 냉매인 순도 99.5%의 프로판(R-290)과 이소부탄(R-600a), 프로필렌(R-1270)을 사용하였다. 결과 분석을 위해 측정한 데이터는 각 소구간에서의 압력과 열교환기 입•출구에서의 압력을 측정하였고, 그 외에도 열교환기에서의 냉매 온도, 열원 수 온도, 냉매와 열원수의 유량을 측정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 R-22와 그 대체 냉매인 R- 290, R-600a, R-1270의 열물성 값 계산은 NIST (National Institute of Standards and Technology) 에서 개발한 냉매물성 계산 프로그램인 'REFPROP (version 6.0)'을 이용하였다.
성능/효과
- (2) 탄화수소계냉매는 R-22보다 우수한 증발 전열 성능을 나타내었고, 국소증발 열전달계수는 R-22보다 12.70 mm에서 13.35%, 9.52 mm에서 13.73% 높게 나타났다.
- (3) 평균 증발 압력 강하는 실험에서 내 관 외경 12.70 mm에서 47.18%, 9.52 mm에서 45.42%로 탄화수소계 냉매가 R-22보다 압력 강하가 높게 나타났으며, 탄화수소계 냉매 중에서는 R-600a의 압력 강하가 가장 높게 나타났다.
- (4) 동질량유속에서 건도별 단위길이 당 압력 강 하는 R-600a, R-1270, R-290, R-22 순으로 높게 나타났으며, 저질량유속에서 보다 고질량유 속에서 각 냉매별로 압력 강하의 차가 더 크게 나타났다.
- R-22와 비교해서 각 냉매별 평균 증발 열 전달 계수는 외경 12.70 mm에서 R-290의 경우 평균 약 18.98%, R-600a는 평균 약 18.27%, RT270는 약 32.38% 정도 높게 나타났고, 9.52 mm에서 R- 290의 경우에 평균 약 19.96%, R-600a는 평균 약 18.57%, R-1270는 약 34.23% 정도 높게 나타났다.
- 8 이후에서 압력 강하가 감소하는데 이것은 환상류 영역으로 액막이 얇아져서 기액계면에서 마찰 손실이 감소하기 때문이라고 생각된다. R-22와 비교해서 건도에 따른 압력 강하는 R-22에 비해 탄화수소계냉매가 평균 약 46.52% 높게 나타났다. 이것은 탄화수소계냉매 가 R-22보다 증기 밀도가 작기 때문이다.
- 52mm에서 모두 탄화수소계냉매 모두가 기존의 R-22보다 높게 나타났으며, 탄화수소계 냉매.가운데에서는 R-1270의 평균 증발 열 전달 계수가 R-22보다 내 관 외경 12.70mm에서 32.38 %, 9.52mm에서 34.23%로 가장 높게 나타났다.
- 감소하는 것으로 판단된다. 건도에 따른 R-22와 탄화수소계 냉매의 국소열전달률의 정성적 추이는 동일하게 나타나지만 정량적인 차이는 외경 12.70 mm에서는 탄화수소계 냉매가 R-22보다 평균 13.35% 정도 높게 나타났으며, 외경 9.52 mm에서는 탄화수소계 냉매가 R-22보다 평균 13.73% 정도 높게 나타났다.
- 5는 각 냉매별 건도 변화에 대한 국소증발 열 전달계수의 변화를 나타낸 것이다. 동일 질량유속에서 냉매의 건도가 증가함에 따라 국소열 전 달계수는 증가하였으며, 건도가 약 0.82 이후부터는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 증발이 진행됨에 따라 열전달률이 증가하다가 건도가 약 0.
- 이와 같은 결과는 저질량 유 속에서는 프레온 계 냉매와 탄화수소계 냉매의 차이가 미소하였지만 질량유속이 증가함에 따라 탄화수소계냉매의 평균 증발 열 전달계수가 점점 더 높게 나타났다.
- (1) 국소.증발열전달계수는 실험에서 내 관 외경 12.70mm, 9.52mm에서 모두 탄화수소계냉매 모두가 기존의 R-22보다 높게 나타났으며, 탄화수소계 냉매.가운데에서는 R-1270의 평균 증발 열 전달 계수가 R-22보다 내 관 외경 12.
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