[논문]착상을 고려한 가정용 냉동/냉장고 증발기의 열전달 성능

이장석; 이관수

착상을 고려한 가정용 냉동/냉장고 증발기의 열전달 성능
Heat Transfer Performance of Evaporator Used in a Domestic Refrigerator/Freezer Under Frosting Condition 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.17 no.1, 2005년, pp.62 - 70

이장석 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 이관수 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the air-side heat transfer coefficients of several types of evaporators in the household freezer/refrigerators are investigated. The types considered in this work are: discrete flat plate fin-and-tube type(in-lined tube array), continuous flat plate fin-and-tube type(staggered tube array), and spine fin-and-tube type(in-lined tube array). The heat transfer correlations obtained from this study for each heat exchangers could expect heat transfer coefficients less than $5\%$ of errors. The result indicates that the air-side heat transfer performance of spine fin-and-tube type evaporator shows the highest value under dry conditions, but discrete flat plate fin-and-tube type evaporator shows the highest value among these three evaporators under frosting conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 휀-관 열교환기의 공기측 열전달계수 측정은 모형 제 작을 이용하는 상사실험방법^(5,6)과 실제 열교환기를 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 동등 사용조건의 실물 크기인 열교환기에 대하여 열 적 성능 실험을 통해 열전달량을 측정하여 착상 및 무착상 상태의 열전달 성능을 비교 분석하고자 한다.
본 연구의 목적은 앞서 언급한 세가지 형태의 열교환기들의 무착상 및 착상 상태의 열전달 성능을 비교 분석하는 것이다. 일반적으로 휀-관 열교환기의 공기측 열전달계수 측정은 모형 제 작을 이용하는 상사실험방법^(5,6)과 실제 열교환기를 이용하는 방법이 있다.

가설 설정

② 프로그램에서 공기측의 열전달계수를 상수로 가정한다.
③ 입력된 실험조건과 가정한 공기측 열전달계수 를 사용하여 열전달량을 계산한다.

제안 방법

1과 같다. 공기 유량은 인버터가 있는 원심형 휀으로 조절하였고, 유동노즐 (flow nozzle)을 사용하여 측정하였다. 열교환기의 입구와 출구에서의 공기 온도는 ±0.
항온 수조에 저장되어 일정 온도를 유지하고 있는 브라인의 질량유량은 인버터가 있는 기어 펌프에 의해 조절하였으며, 모든 실험에서 그 값은 50 kg/h로 유지하였다. 또 브라인의 열교환기입구 온도는 수분이 열교환기 표면에 응축되는 것을 피하기 위해 브라인의 온도가 공기 온도보다 높게 3SC 또는 4(TC로 설정하여 유지하였다. 시험부는 두께 30mm의 아크릴판으로 제 작하였고, 두께 80mm의 스틸렌폼(styrene foam) 으로 단열하였다.
본 연구에서는 가정용 냉장고와 냉동고에서 증발기로 사용되는 세가지 형태의 열교환기에 대해 열전달 성능을 무착상 조건과 착상조건으로 나누어 각각의 조건에 대한 실험을 수행하였고 이를 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
공기 유량은 인버터가 있는 원심형 휀으로 조절하였고, 유동노즐 (flow nozzle)을 사용하여 측정하였다. 열교환기의 입구와 출구에서의 공기 온도는 ±0.05°C의 정 밀도를 갖는 Pt 100Q 저항 온도계(RTD)를 각각 5개씩 설치하여 측정하였다.

대상 데이터

무착상 조건의 실험 장치는 열전달 계수를 측정하기 위한 개방형 풍동으로써 열교환기의 작동 유체로 브라인을 사용하도록 제작되었으며, 그 개략적인형상은 Fig. 1과 같다. 공기 유량은 인버터가 있는 원심형 휀으로 조절하였고, 유동노즐 (flow nozzle)을 사용하여 측정하였다.
또 브라인의 열교환기입구 온도는 수분이 열교환기 표면에 응축되는 것을 피하기 위해 브라인의 온도가 공기 온도보다 높게 3SC 또는 4(TC로 설정하여 유지하였다. 시험부는 두께 30mm의 아크릴판으로 제 작하였고, 두께 80mm의 스틸렌폼(styrene foam) 으로 단열하였다.
이 연구에서 사용된 실험 장치는 두가지 형태 로써, 무착상 상태의 열전달 성능을 평가하는 장치와 R-134a를 사용하여 실제 냉장고 조건을 구현함으로써 착상 상태의 열교환기 성능을 평가하는 장치로 구성되어 있다.
착상 조건의 열전달 성능실험 장치는 냉동/냉장고의 장착조건을 모사할 수 있도록 실제 사용 냉매인 R-134a를 사용하였으며, 작동조건의 냉매 입구조건 구현을 위한 냉매공급 장치는 Fig, 2와 같다. 착상조건 실험 장치는 냉매를 사용하는 장치용 응축기, 과냉각기, 교축장치(팽창 valve), 냉매 입구 건도 조절을 위한 예열기, 열교환기 시료를 장착할 수 있는 시험부, 열교환기 출구부의 냉매 상태를 단상 상태에 도달하도록 가열하는 after heater, 그리고 suction unit와 압축기로 구성되어 있다.

이론/모형

④ secant 법을 이용하여 새로운 공기측 열전달 계수를 계산한다.
입력값은 실험조건과 실험 결과로 얻어진 열전달량 그리고 실험 열교환기의 기하학적 형상이고, 출력값은 공기측의 열전달계수 이다. 단위열교환기의 열적 성능 해석에는 e -NTU법을 적용하였고, 관내측 혼합, 공기측 비 혼합 조건에서의 e-NTU 관계식은 다음과 같다.
여기서 h_w는 브라인으로 사용한 물측의 열전달계 수이며 Dittus-Boelter의 상관 관계식을 이용하여 계산하였다. A_w는 물측 전열 면적이고, R_t, n_s, h_a 과, 4r는 각각 관 벽면의 열저항, 공기측 휜의 표면 효율, 공기측 열전달계수, 그리고 공기측 전열 면적이다.
이 연구에서는 무착상 조건의 실험으로부터 얻어진 열전달량으로부터 열전달계수를 구하기 위해 Domanski⁽⁷⁾의 관순법(tube-by-tube)과 유사한 단면 분할법 (section-by-section method)을 이용하였다.

성능/효과

(1) 무착상 조건 하에서 침상 휀관형 열교환기의 열전달 성능이 가장 우수하다.
(2) 본 논문에서 제시한 세가지 형태의 휀-관 열교환기의 열전달 상관관계를 기술한 식은 土5% 의 오차 범위 안에서 95%의 실험값을 예측할 수 있다.
(3) 착상조건에서는 단속 평판 휀관형 열교환기의 열전달 성능이 가장 우수하였으며, 냉동/냉장고용 열교환기의 성능비교에 있어서 착상조건을 무시할 수 없다.
4는 Re 수에 대한 열교환기의 공기측 압력 강하량을 비교한 것이다. 동일 Re 수에서 균일한 휀 간격으로 많은 휀을 배치한 연속 평판 휀관형이 단속형에 비해 2.5배의 높은 압력 강하량을 나타내었다. 침상 휀휜관형 열교환기는 열교환기 유동방향에 고르게 휀이 분포하므로 가장 적은 압력강하량을 나타내었다.
한편 작업성을 고려하여 일체형으로 제작하여 휀에서의 선단 효과가 상대적으로 작은 연속 평판 휀관형의 Nu수가 가장 작았다. 따라서 건표면 상태의 성능은 열전달 성능이 우수하고 압력 강하량이 적은 침상 휀관형 열교환기가 가장 우수하였다. 열교환기의 무착상 상태의 공기측 열전달계수와 Re 수와의 관계는 다음과 같다.
시험 열교환기의 열전달량은 공기측과 브라인 측의 평균값으로 하였으며, 전체 실험에서 공기 측과 브라인측의 차이는 ASHRAE standard 33-78에서 제시한 바와 같이 5% 이내를 유지하였다.
5의 결과에서 동일 Re 수에서 열교환기의 휜 형태가 가장 복잡하고 유동의 교란을 발생시키는 침상 휀관형 열교환기의 Nu 수가 가장 크다. 한편 작업성을 고려하여 일체형으로 제작하여 휀에서의 선단 효과가 상대적으로 작은 연속 평판 휀관형의 Nu수가 가장 작았다. 따라서 건표면 상태의 성능은 열전달 성능이 우수하고 압력 강하량이 적은 침상 휀관형 열교환기가 가장 우수하였다.

참고문헌 (9)

Kim, N-H., Youn, J-H., and R. L. Webb, 1997, Heat transfer and friction correlations for wavy plate fin-and-tube heat exchangers, J. Heat Transfer, Vol. 119, pp. 560-567

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Wang, C. C., Lee, W. S., Sheu, W. J.. and Chang, Y. J., 2001, Parametric study of air-side performance of slit fin-and-tube heat exchangers in wet conditions, J Mechanical Engineering Science(Part C), Vol. 214, No. 9, pp. 1111-1121
Wang, C. C., Lee, C. J.. Chang, C. T., and Lin, S. P., 1999, Heat transfer and friction correlation for compact louvered fin-and- tube heat exchangers, J. Heat Mass Transfer, Vol. 42, pp. 1945-1956

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Jhee, S., Lee, K. S. and Kim, W. S., 2002, Effect of surface treatments on the frosting/defrosting behavior of a fin-tube heat exchanger, Int, J. Refrigeration, Vol. 25, No. 8, pp. 1047-1053

상세보기
Yun., J. Y. and Lee, K. S., 1999, Investigation of heat transfer characteristics on various kinds of fin-and-tube heat exchangers with-interrupted surfaces, Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 42, No. 13, pp. 2375-2385

상세보기
Cheong, A. S., 1989, Prediction of heat transfer performance of a heat exchanger based on test of a small sample, SAE Paper No. 890227
Domanski, P. A., 1991, Simulation of an evaporator with nonuniform one-dimensional air distribution, ASHRAE Transactions : Symposia, pp. 793-802
Schmidt, T. E., 1949, Heat transfer calculations for extended surfaces, Refrigerating Engineering, Vol. 57, pp. 351-357
Rich. D. G., 1973, The effect of fin spacing on the heat transfer and friction performance of multi-row, smooth plate fin-and-tube heat exchangers, ASHRAE Transactions, Vol. 79. No. 2, pp. 137-145

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