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문제 정의
- 공조 장치에 적용하기 위한 기초자료는 아직 대단히 부족한 실정이며, 응축 압력강하에 대한 연구도 그 중하나이다. 이에 본 연구에서는 HCFC계 냉매인 R-22를 기본 작동유체로 한 냉동 공조장치의 열교환기를 각각 0.86mm, 0.76mm의 관두께를 가지는 내관 내경 10.86mm와 8mm로 제작하여 탄화수소계 냉매 인, R-1270 (propylene), R-600a (iso-butane), R-290 (propane)으로 작동유체를 변화시 켜 평활관에서의 응축 압력강하를 실험적으로 비교 분석하여 탄화수소계 냉매를 대체 냉매로 사용하는 응축기의 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 실험조건, 건도, 질량유속, 열 유속 등은 냉매 유량, 냉각수의 온도 및 유량 등을 조절 시켜 시스템이 정상상태가 된 이후에 측정을 하였다. 그리고 실험 데이터 측정이 완료되면 다시 냉매 유량과 냉각수 유량을 조절하여 반복실험을 하였다. 또한 온도, 압력 및 유량 등을 측정하기 위한 검출 신호는 데이터 변환기를 통하여 컴퓨터에 입력 시켜 처리하였다.
- 그리고 실험 데이터 측정이 완료되면 다시 냉매 유량과 냉각수 유량을 조절하여 반복실험을 하였다. 또한 온도, 압력 및 유량 등을 측정하기 위한 검출 신호는 데이터 변환기를 통하여 컴퓨터에 입력 시켜 처리하였다. 이 모든 과정은 냉매의내관경 10.
- 실험오차는 측정장치 및 센서와 관계가 있으며, 각실험오차를 합산하는 방식으로 계산하였다. Table 2는 본 실험의 불확실도를 나타낸 것이다.
- 1℃의 오차 범위를 가지는 T형 열전대 (thermocouple)를 사용하였고, 실험 장치에서 데이터의 측정점으로 냉매 유량계(OVAL 질량유량계, ±1%)는 응축기에서 응축된 액량을 측정하기 위하여 응축기 출구측에 설치하였고, 응축기 및 증발기에서의 열원수 유량계(ORIFICE FLOWMETER, ±1%)는 각각 응축기와 증발기 입구 측에 설치하였다. 실험조건, 건도, 질량유속, 열 유속 등은 냉매 유량, 냉각수의 온도 및 유량 등을 조절 시켜 시스템이 정상상태가 된 이후에 측정을 하였다. 그리고 실험 데이터 측정이 완료되면 다시 냉매 유량과 냉각수 유량을 조절하여 반복실험을 하였다.
- 출구에서의 압력을 측정하였고, 그 외에도 열교환기에서의 냉매 온도, 냉각수 온도, 냉매와 냉각수의 유량을 측정하였다. 압력차의 측정에는 차압계(DPI 420, ±0.2kPa)를 사용하였고 압력계는 응축기의 입구에서 출구까지 동일간격으로 (1.35m) 설치하여 관내에서의 압력 강하를 알 수 있도록 하였다. 온도 측정은 정밀 수은 온도계로 보정하여 ±0.
- 22mm인 동관을 사용하였다. 열교환기는 벤딩부전후로 등간격 1.35m의 길이 방향으로 6구간에서 압력을 측정하였으며, U-bend를 지나는 냉매관의 경우 우회하지 않고 동일하게 bending하여 이중관 형태를 취하도록 하였다. 열교환기의 각 소구간에 차압계를 설치하여 냉매관내의 압력강하를 측정할 수 있게 하였다.
- 35m의 길이 방향으로 6구간에서 압력을 측정하였으며, U-bend를 지나는 냉매관의 경우 우회하지 않고 동일하게 bending하여 이중관 형태를 취하도록 하였다. 열교환기의 각 소구간에 차압계를 설치하여 냉매관내의 압력강하를 측정할 수 있게 하였다. 열교환기 관내의 내벽면온도 측정은 각각 소구간별로 8개 지점, 내벽면온도 1개당 상부, 양측부.
- 35m) 설치하여 관내에서의 압력 강하를 알 수 있도록 하였다. 온도 측정은 정밀 수은 온도계로 보정하여 ±0.1℃의 오차 범위를 가지는 T형 열전대 (thermocouple)를 사용하였고, 실험 장치에서 데이터의 측정점으로 냉매 유량계(OVAL 질량유량계, ±1%)는 응축기에서 응축된 액량을 측정하기 위하여 응축기 출구측에 설치하였고, 응축기 및 증발기에서의 열원수 유량계(ORIFICE FLOWMETER, ±1%)는 각각 응축기와 증발기 입구 측에 설치하였다. 실험조건, 건도, 질량유속, 열 유속 등은 냉매 유량, 냉각수의 온도 및 유량 등을 조절 시켜 시스템이 정상상태가 된 이후에 측정을 하였다.
- 결과 분석을 위해 측정한 데이터는 각 소구간에서의 압력과 열교환기 입 . 출구에서의 압력을 측정하였고, 그 외에도 열교환기에서의 냉매 온도, 냉각수 온도, 냉매와 냉각수의 유량을 측정하였다. 압력차의 측정에는 차압계(DPI 420, ±0.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에서 사용한 실험 장치로써 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기 및 주변장치로 구성된 기본적인 냉동 . 공조 시스템이며, 크게 냉매가 순환되는 경로와 증발기 및 응축기의 열 원수가 순환되는 경로로 구성되어 있다.
- Fig. 2는 시험부인 열교환기로서, 내관의 내경은 10.92mm, 8mm 동관으로 제작하였다. 그리고외관은 두 관경 모두 내경 19.
- 92mm, 8mm 동관으로 제작하였다. 그리고외관은 두 관경 모두 내경 19.94mm, 외경 22.22mm인 동관을 사용하였다. 열교환기는 벤딩부전후로 등간격 1.
- 본 연구에서는 작동 유체로 규제 대상 냉매인 R-22와 이를 대체할 것으로 판단되는 자연 냉매 중 순도 99.5% 탄화수소계 냉매인 프로판, 이소부탄, 그리고 프로필렌을 사용하였다. 결과 분석을 위해 측정한 데이터는 각 소구간에서의 압력과 열교환기 입 .
- 열교환기 관내의 내벽면온도 측정은 각각 소구간별로 8개 지점, 내벽면온도 1개당 상부, 양측부. 하부의 4개 지점에서 측정하였다.
이론/모형
- 본 실험의 실험결과를 Moffat'©와 Holman[11) 이 제시한 방법에 따라 오차해석을 수행하였다. 실험오차는 측정장치 및 센서와 관계가 있으며, 각실험오차를 합산하는 방식으로 계산하였다.
- 본 연구에서 사용한 R-22와 그 대체 냉매인 R-290, R-600a, R-1270의 열물성값 계산은 NIST (National Institute of Standards and Technology) 에서 개발한 냉매 물성 계산 프로그램인 , REFPROP(version 6.0)'을 이용하였다. 위의 실험조건을 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 응축압력강하는 실험에서 내관 직경 10.92 mm, 8mm에서 모두 탄화수소계 냉매 모두가 R-22보다 압력강하가 높게 나타났다. 탄화수소계 냉매 중에서는 R-600a의 응축압력강하가 가장 높게 나타났다.
- (2) 동 질량유속에서 건도별 단위길이당 압력강하는 R-600a, R-1270, R-290, R-22 순으로 높게 나타났으며, 저질량유속에서 보다 고질량유속에서 각 냉매별로 압력강하의 차가 더 크게 나타났다. (3) 평균 응축압력강하는 실험에서 내관 외경 12.
- 나타났다. (3) 평균 응축압력강하는 실험에서 내관 외경 12.70mm에서 79.52%, 9.52mm에서 74.26%로 탄화수소계 냉매가 R-22보다 압력강하가 높게 나타났으며, 압력강하특성에서는 R-22의 대체 냉매로서 탄화수소계 냉매 중 압력강하를 가장 적게 보인 R-290이 다른 탄화수소계 냉매보다 타당하다고 생각된다.
- (4) Lockhart-Martinelli 상관식과 다소의 오차를 보였으나 내경 8mm와 10.98mm 모든 냉매에서 비슷한 경향을 보였다.
- 탄화수소계냉매의 압력강하가 동질량유속일때 R-22보다 높게나타난 이유는 밀도가 매우 낮고, 열전도율이 크고질량유속이 증가하면 유체의 속도가 커지면서 마찰에 의한 압력강하가 크기 때문이라 생각된다. R-22와 비교해서 탄화수소계 냉매의 평균압력강하는 내관경 10.92mm에서 R-290의 경우 평균 약 66.47%, R-1270의 경우 평균 약 92.58%, R-600a의 경우 평균 약 122.51%, 8mm에서 R-290의 경우 평균 약 62.47%, R-1270의 경우평균 약 86.05%, R-600a 의 경우 평균 약 93.74%로 R-22보다 높게 나타났다. R-600a는다른 냉매들과 달리 질량유속이 작은 이유는 비체적이 2배 이상 크기 때문이다.
- 9에서와 같이 Xu가 증가할수록 건도가 감소하여 응축이 진행되고 있음을 나타내고 있으며동일한 질량유속의 범위내에서 R-22의 ∅L값이 탄화수소계 냉매의 ∅L값보다 높게 나타났다. 또한, 대상 열교환기의 내경 등의 실험조건 차이로 인해실험결과 값이 상관식에 의한 값보다 작게 예측되는 경향을 보이고 있으나 전체적으로 상관식과 유사한 경향을 보였다.
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