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문제 정의
- 본 연구에서는 가시화 기법을 이용하여 테스트 모델과 가시화 창이 장착된 압축기상부의 오일 거동을 가시화하고, 새로운 정량화 기법을 개발하여. 현재까지 수행된 바 없는 실제 가동 중인 압축기상부의 오일거동 분석을 시도하였다.
제안 방법
- (1) 유동가시화 기법을 통한 테스트 모델 및 로터리 압축기 내부의 오일 거동 분석을 통해 오일토 토출량과 토출관 주변에 존재하는 오일량과의 관계를 규명하고 이를 통해 정량적인 연구의 가능성을 제시하였다.
- Fig. 6(a)는 1단계 측정 장치 개략도이며, 1단계 실험에서는 오일 거동을 상면과 측면에서 관찰하기 위해 측면은 Laser Sheet 을 이용투사 영상을 촬영하였고, 상면은 백색광 에 , 의해 투사된 영상을 촬영하였다. 레이저를 통해 실시간으로 동시에 수평과 수직 영상을 촬영할 경우 레이저: 간섭으로 인해 영상의 왜곡이 일어나므로 이를 방지하기 위해 수직 영상은 레이저를 이용하였고 수평 영상은 백색광을 이용하였다.
- Fig.6(b)에서 보는 것과 같이 2단계 실험에서는 압축기 출구 압력과 온도에 따른 보다 정확한 영상 촬영을 위해 광원을 레이저만 사용하였으며 평면 영상을 CCD 카메라로 촬영하였다. 3단계 측정은 촬영기기의 노후로 인한 노이즈 발생이 우려되어 CCD 카메라를 교체하고 레이저 강도를 15 mW 증가시켜 2단계와 같은 세팅 상태에서 촬영하였으며 냉동 성능 평가 조건 및 다양한 운전조건에서 실험을 수행하였다.
- 따라서, 압축기상부의 오일 거동가시화를 위해 Fig.4(b)와 같이 레이저 투과가 가능한 석영을 이용하여 도넛형상의 측면 가시화를 위한 가시화창, 단면 가시화를 위한 원형 디스크형상의 가시화창을 제작하였다. Fig.
- 3단계 실험은 압축기 신뢰성 확보 및 압축기 내부 평균 밝기 변화에 어떤 다른 영향이 있는지를 추가로 알아보기 위해 Table 3에서 보는 바와 같이 ASHRAE에서 정한 표준 냉동 성능 평가 조건들 중 응축기 압력(Pc) 변화 및 증발기 압력(Pe) 변화에 관련된 조건을 적용하여 실험을 수행하였다. 3단계 실험 결과도 Fig.
- 6(b)에서 보는 것과 같이 2단계 실험에서는 압축기 출구 압력과 온도에 따른 보다 정확한 영상 촬영을 위해 광원을 레이저만 사용하였으며 평면 영상을 CCD 카메라로 촬영하였다. 3단계 측정은 촬영기기의 노후로 인한 노이즈 발생이 우려되어 CCD 카메라를 교체하고 레이저 강도를 15 mW 증가시켜 2단계와 같은 세팅 상태에서 촬영하였으며 냉동 성능 평가 조건 및 다양한 운전조건에서 실험을 수행하였다. 1단계 실험의 각 조건에 대한 P-h 선도를 Fig.
- 6(a)는 1단계 측정 장치 개략도이며, 1단계 실험에서는 오일 거동을 상면과 측면에서 관찰하기 위해 측면은 Laser Sheet 을 이용투사 영상을 촬영하였고, 상면은 백색광 에 , 의해 투사된 영상을 촬영하였다. 레이저를 통해 실시간으로 동시에 수평과 수직 영상을 촬영할 경우 레이저: 간섭으로 인해 영상의 왜곡이 일어나므로 이를 방지하기 위해 수직 영상은 레이저를 이용하였고 수평 영상은 백색광을 이용하였다. Fig.
- 실모델 압축기의 경우, 고온 고압 상태에서 가동하며 다양한 가동 조건 하에서 다량의 오일이 토출구 주변에 분포하므로 레이저광의 산란을 가중시켜 토출구 주변 오일 입자 거동 파악이 어렵고, 토줄구를 통한 토유오일량 측정이 쉽지 않으므로 이러한 문제점을 보완하기 위해 테스트 모델을 제작하였다. 또한, 테스트 모델은 냉매와 오일의 원하는 양을 주입한 후레이저 투영 영상을 관찰할 수 있다는 장점이 있다.
- 실험은 3단계로 수행하였는데 1단계는 압축기 입구의 온도 변화와 압축기 출구 압력 변화에 따른 평균 밝기 변화, 2단계는 압축기 출구압과 출구온 도 변화에 따른 압축기 내부 평균 밝기 변화, 그리고 3단계는 다양한 운전조건에 따른 내부 평균 밝기 변화를 조사하였다. Fig.
- 실험은 테스트 모델 내부에 오일점착현상을 고려하여 먼저 시운전 후 Table 1의 4가지 조건에 대해 수행하였다. 영상은 Cylindrical Lens를 이용하여 생성된 수평, 수직의 레이저 Sheet에 투영된 오일 입자의 굴절 및 반사 현상 촬영을 통해 획득하였다.
- 1 ~ 1mm이다. 식(3)은 토유량 관계식이며 토유량 Q는 주입량 0와 잔류량0?을 저울을 이용해 측정하여 계산하였다. 오일 주입량 Q는 60ml로 동일하게 주입하였다.
- 테스트 모델은 실기 모델 압축기가장자리 Cutcore부에서 오일이 분출되는 형태와 유사한 거동을 모사하기 위해 Fig. 2에서 보는 바와 같이 가장자리에 여러 개의 홀이 있는 원판으로 설계하였고, 냉매가 하부에서 주입될 때 홀에 정체되어 있던 오일이 상부로 분출되는 효과를 가중시키기 위해 홀의 직경은 5mm로 하였으며, 출구 주변 입자거동 가시화를 위해 아크릴로 제작하였다. `Fig.
- 테스트 모델의 경우 계산 영역에서 미소량의 오일이 분포하기 때문에 대부분의 영역이 노이즈 값을 포함한 어두운 영역으로 존재하게 되고, 이 노이즈 영역은 계산값의 오차를 증가시키는 요인으로 작용하므로, 이를 저감시키는 방안으로 밝기가 일정량 이하인 pixel의 경우 그 밝기값을 으로 결정하고 그 이상의 값들로 평균값을 계산하였다. 따라서, 식(2)에서 보는 바와 같이 미량 분석의 정량 범위 표현값인 ppm을 이용하여 테스트 모델에서의 평균 밝기를 구하였다.
- 본 연구에서는 가시화 기법을 이용하여 테스트 모델과 가시화 창이 장착된 압축기상부의 오일 거동을 가시화하고, 새로운 정량화 기법을 개발하여. 현재까지 수행된 바 없는 실제 가동 중인 압축기상부의 오일거동 분석을 시도하였다.
대상 데이터
- 1,2단계 실험의 영상 획득을 위해서는 8bit(0~ 255)의 영상 깊이와 640x480의 해상도를 가진 흑백 CCD 카메라인 소니사의 XC-55 모델을 사용하였으며, 3단계 실험에서는 노이즈 저감을 위해 같은 영상 깊이에 1,024x768 해상도를 가진 소니사의 HR70C 모델을 사용하였다. 모든 실험에서 카메라 노출 시간은 l/l,000sec, 렌즈의 aperture number는 f/8로 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 삼성전자와 성균관대학교의 산학엽력 체인 미래가전 연구센터(2004-0687-600)의 지원으로 이루어졌다.
- 실험은 테스트 모델 내부에 오일점착현상을 고려하여 먼저 시운전 후 Table 1의 4가지 조건에 대해 수행하였다. 영상은 Cylindrical Lens를 이용하여 생성된 수평, 수직의 레이저 Sheet에 투영된 오일 입자의 굴절 및 반사 현상 촬영을 통해 획득하였다. 점성에 의해 직경 5mm 홀에 정체되어 있던 오일은 상하부압차에 의한 냉매의 운동량 증가로부터 발생한 힘에 의해 상부로 분사되어 오일 Mist가 발생하는데, 오일Mist의 직경은 대략 0.
- 테스트 모델의 중요 실험 변수인 오일 (Mineral Oil)과 냉매(R22)의 주입량은 오일 Generator와 Regulator를 이용하여 제어하였으며, Heating Circulator와 항온조는 주입냉매의 온도조절을 위해 설치하였다. 테스트 모델 내부 오일거동 분석은 80mW 강도의 Ar-Ion 레이저를 이용하였다.
- 3은 테스트 모델 실험장치 개략도를 나타낸 것이다. 테스트 모델의 중요 실험 변수인 오일 (Mineral Oil)과 냉매(R22)의 주입량은 오일 Generator와 Regulator를 이용하여 제어하였으며, Heating Circulator와 항온조는 주입냉매의 온도조절을 위해 설치하였다. 테스트 모델 내부 오일거동 분석은 80mW 강도의 Ar-Ion 레이저를 이용하였다.
데이터처리
- 테스트 모델의 경우 계산 영역에서 미소량의 오일이 분포하기 때문에 대부분의 영역이 노이즈 값을 포함한 어두운 영역으로 존재하게 되고, 이 노이즈 영역은 계산값의 오차를 증가시키는 요인으로 작용하므로, 이를 저감시키는 방안으로 밝기가 일정량 이하인 pixel의 경우 그 밝기값을 으로 결정하고 그 이상의 값들로 평균값을 계산하였다. 따라서, 식(2)에서 보는 바와 같이 미량 분석의 정량 범위 표현값인 ppm을 이용하여 테스트 모델에서의 평균 밝기를 구하였다.
성능/효과
- (2) 기체 상태의 냉매가로터리 압축기 내부로 주입되는 경우로터리 압축기 상부의 평균 밝기는 압축기 입구온도에 거의 영향을 받지 않는다.
- (3) 압축 기 내부 평균 밝기 변화의 주인자는 독립변수인 압축기 출구의 압력과 증발압이다.
- (4) 테스트 모델을 이용하여 실기 모델에서 관찰하기 어려운 오일토출 메커니즘을 모사할 수 있었으며 정량적 측정이 가능하였다.
- 2단계 실험에서는 1단계 실험에서 발견된 평균 밝기 변화의 주인자인 압축기 출구 압력 및 온도를 변화시켜가며 압축 기 내부 평균 밝기를 측정하였는데 Fig. 10에서 보는 바와 같이 압축기 출구 압력 및 온도 증가에 따른 압축기 내부 평균 밝기는 비례적으로 증가하였다. 압축기 출구온 도의 증가는 압축기 출구압의 증가에 기인하므로 압축기 내부 평균 밝기 변화의 주인자는 출구 압력임을 알 수 있었다.
- 11에서 보는 바와 같이 입구온도(Ts)의 영향은 크지 않았으나 압축기 출구압의 증가에 따른 압축기 내부 평균 밝기는 증가 경향을 보여 1,2단계 실험과 유사한 결과 데이터를 얻었다. 3단계 실험에서 얻어진 또 하나의 결과는 압축 기 내부의 평균 밝기 증가는 압축기 출구 압력뿐 아니라 조절할 수 있는 독립변수 인 증발압의 증가에 따라 급격하게 증가한다는 것이다.
- 이는 온도가 증가함에 따라 오일의 점도 가 급격하게 감소하기 때문이다. 또한, 이 결과를 통해 토출구 주변에 존재하는 오일 입자량이 증가할수록 평균 밝기가 증가하며 토출되는 오일량도 비례적으로 증가함을 알 수 있다.
- 실모델 압축기의 경우, 고온 고압 상태에서 가동하며 다양한 가동 조건 하에서 다량의 오일이 토출구 주변에 분포하므로 레이저광의 산란을 가중시켜 토출구 주변 오일 입자 거동 파악이 어렵고, 토줄구를 통한 토유오일량 측정이 쉽지 않으므로 이러한 문제점을 보완하기 위해 테스트 모델을 제작하였다. 또한, 테스트 모델은 냉매와 오일의 원하는 양을 주입한 후레이저 투영 영상을 관찰할 수 있다는 장점이 있다.
- 1단계 실험 결과로 압축기 입구 냉매 온도 변화, 압축기 출구온도 및 압력 변화에 따른 평균 밝기 변화를 Table 2에서 보여주고 있다. 실제로터리 압축기에서 압축기 입구의 냉매 온도는 압축기 내부의 평균 밝기 변화에 영향이 크지 않았으며, 제어가 가능한 독립변수인 압축기 출구의 압력 및 온도가 증가함에 따라 압축기 내부의 평균 밝기가 증가함을 알 수 있었다. 테스트 모델에서는 입구 온도에 따라 모델 내부의 평균 밝기가 변화하는 현상을 보였는데 그 이유는 테스트 모델은 상온 상태에서 실험을 수행하므로 주입 온도의 증가로 인해 내부 오일의 점도 가 급격히 감소하여 상부에 많은 오일이 존재하게 되기 때문이다.
- 10에서 보는 바와 같이 압축기 출구 압력 및 온도 증가에 따른 압축기 내부 평균 밝기는 비례적으로 증가하였다. 압축기 출구온 도의 증가는 압축기 출구압의 증가에 기인하므로 압축기 내부 평균 밝기 변화의 주인자는 출구 압력임을 알 수 있었다. 이는 출구 압이 증가할수록 내부 압력차가 증가하며 냉매의 유속이 커지므로 더 많은 양의 오일이상부로 분사되기 때문이다.
- Table 1은 4가지 조건에 대한 테스트 모델 내부 평균 밝기 및 토유량을 나타낸 것이다. 테스트 모델에서는 주입 냉매의 온도 또는 압력의 증가에 따라 평균 밝기 및 토유량이 증가하였다. 이는 온도가 증가함에 따라 오일의 점도 가 급격하게 감소하기 때문이다.
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