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문제 정의
- 본 연구에서는 10개의 평판관으로 이루어진 수평 헤더에서 유동방향, 평판관 삽입 깊이 등이 유 량분배에 미치는 영향을 검토하고 30채널의 결과와 비교하였다. 이외에도 평판관 피치, 헤더 관 경, 헤더 입구 형상 등이 유량분배에 영향을 미치리라 판단된다.
가설 설정
- (1) 하향류의 경우 물 분배는 평판관 삽입 깊이에 따라 크게 영향을 받는다. 평판관 돌출이 없는 경우 대부분의 물은 헤더전방으로 흐른다.
제안 방법
- Watanabe et al."'은 내경 20mm의 수평원형 헤더와 4개의 내경 6mm 수직원형 분지관에 대하여 R-11 을 사용하여 상향류 분지 실험을 수행하였다. 실험은 질량유속 40~120kg/m2s, 건도는 0~0.
- Tompkins et al. 은 수 평직사각형 헤더와 15개의 수직평판관으로 이루어진 시험부에서 물-공기를 사용하여 상향류 분지 실험을 수행하였다. 실험은 질량유속 50~ 400kg/m2s, 건도 0~0.
- 유량분배는 분지관의 삽입 깊이에 따라 크게 영향을 받았는데 삽입 깊이가 증가할수록 헤더의 후방에 있는 분지관으로 흐르는 물유량이 증가하였다. Cho et aL⑸은 원형 헤더와 15개의 평판관으로 구성된 시험부에서 R-22를 사용하여 헤더 방향과 냉매주입관의 방향이 유량분배에 미치는 영향을 검토하였다. 질량유속은 60kg/m%로 고정되고 건도는 0~0.
- ⑹의 후속 연구로 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에 대한 유량분배 실험을 수행하고 Kim et al.*, 의 30개 평판관의 결과와 비교함으로써 평판관의 수가 유량분배에 미치는 영향을 고찰하였다. 시험부 형상(내경 17mm원형 헤더, 평판관 수력직경 1.
- 8mm 피치의 평판관 30개로 구성되었다. 헤더는 가시화를 위하여 투명 PVC를 가공하여 제작하였다. 헤더하부에는 평판관이 삽입될 수 있도록 알루미늄 블록을 장착하였고 알루미늄 블록과 헤더 사이에는 O-ring을 장착하여 기밀을 유지하였다.
- 헤더전방에는 유동이 발달할 수 있도록 길이 Im의 입구부를 헤더와 동일한 방향으로 설치하였다. 평판관에 흐르는 유량은 밸브를 조작하여 기액 분리기로 흐르게 한 후 공기와 물의 유량을 각각 계측하였다. 기액분리기는 20리터 용량의 플라스틱 용기로 측부로 물-공기 혼합물이 유입되고 상부로는 공기, 하부로는 물이 유출되도록 제작되었다.
- 기액분리기는 20리터 용량의 플라스틱 용기로 측부로 물-공기 혼합물이 유입되고 상부로는 공기, 하부로는 물이 유출되도록 제작되었다. 공기유량은 체적식유량계로 측정하였고 물의 유량은 메스실린더로 측정하였다.
- 유량은 10개의 분지 관 중 하나 건너 하나씩 5개의 분지관에서 측정하였다. Fig.
- 유량계측시 유의할 점은 꼐측 전후의 평판관 내 유동상태가 변해서는 안 뙌 다는 것이다. 이를 위하여 헤더 전방과 평판 괜: 하부에 차압계를 설치하고 유량계측 전후에 차압이 일정하게 유지되도록 유량 측정부로 가는 배판 에 설치된 밸브를 조절하였다. 유량 측정 전후.
- 본 연구에서는 원형 헤더와 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에서 물-공기를 사용하여 유동방향, 평판관 삽입 깊이, 질량유속, 건도 등이유량 분배에 미치는 영향을 검토하고 그 결과를 기존의 30채널 결과와 비교하였다. 주된 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- "'은 내경 20mm의 수평원형 헤더와 4개의 내경 6mm 수직원형 분지관에 대하여 R-11 을 사용하여 상향류 분지 실험을 수행하였다. 실험은 질량유속 40~120kg/m2s, 건도는 0~0.4 범위에서 수행되었고 헤더 입구의 유동형태는 성층류이었다. 그들은 유량분배가 질량유속과 건도에 따라 크게 달라진다고 보고하였다.
- Vist and Pettersen(3)은 직경이 다른 두 개의 수평원형 헤더 내경 8mm와 16mm)에 내경 4 mm의 수직원형 분지관이 10개 장착된 시험부에서 R-134a를 사용하여 분지 실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류에 대하여 수행되었고 질량유속은 124~ 836kg/m% 건도는 0~0.
- Kim et al.⑹은 내경 17mm의 원형 헤더와 30개의 수력직경 1.32mm 평판관으로 구성된 시험부에서 물-공기를 사용하여 분지 실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류, 무차원 평판관 삽입 깊이나 i/D) 0.
- 32mm 평판관으로 구성된 시험부에서 물-공기를 사용하여 분지 실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류, 무차원 평판관 삽입 깊이나 i/D) 0.0~0.5, 질량유속 70~130kg/m2s, 건도 0.2~0.6 범위에서 수행되었다. 헤더 입구 유동은 환상류이었다.
- 2에 실험장치 의 개략도를 나타내었다. 시험부는 91cm 간격, 내경 17mm의 상하부 헤더와 9.8mm 피치의 평판관 30개로 구성되었다. 헤더는 가시화를 위하여 투명 PVC를 가공하여 제작하였다.
성능/효과
- 헤더 입구 유동은 환상류이었다. 실험 결과 하향류에서는 평판관 삽입 깊이, 질량유속, 건도의 영향이 현저하게 나타났다. 헤더 내로 평판관이 돌출되지 않은 경우(〃/)=0.
- 5 X lOekg/s이고, 체적식유량계의 정확도는 ±1% 이내이다. 반복 실험 결과물 유량 분포는 ±10% 내에서, 공기 유량분포는 ±5% 내에서 재현이 가능하였다. 또한 시험부에 유입된 물과 공기유량과 각 채널에서 측정된 물과 공기유량의 합을 비교해본 결과(유량을 측정하지 않은 채널은 앞과 뒤 채널의 평균값을 사용하였음) 각각 5% 내에서 일치하였다.
- 반복 실험 결과물 유량 분포는 ±10% 내에서, 공기 유량분포는 ±5% 내에서 재현이 가능하였다. 또한 시험부에 유입된 물과 공기유량과 각 채널에서 측정된 물과 공기유량의 합을 비교해본 결과(유량을 측정하지 않은 채널은 앞과 뒤 채널의 평균값을 사용하였음) 각각 5% 내에서 일치하였다. 본 연구에서 물과 공기 데이터는 각 채널에 흐르는 유량을 평균 유량 값(전체 유량이 각 채널에 균일하게 분배되었을 때 얻어지는 값)으로 나눈 '유량비'(water flow ratio와 air flow ratio)로 나타내었다, Fig.
- 이 그림은 헤더 입구 유동이 환상류임을 보여준다. 또한, 본 실험 범위(질량유속 70~130kg/m2s, 건도는 0.2 ~0.6)의 데이터를 대표적인 수평 2상 유동양식 선도인 Baker⑼ 선도에도시해 본 결과 환상류에 속함을 확인할 수 있었다.
- 즉, 질량유속과 건도가 증가할수록 헤더후방으로 물이 이동한다. 한편 30채널과 10채널의 채널 간 물유량비의 표준편차, 최대와 최소값의 차이를 계산해 보면 유동형태가 동일한 경우 모든 질량유속과 건도에서 10채널에서 편차가 더 적음을 확인할 수 있었다.
- 본 실험의 헤더 입구 유동은 환상류이고 환상류에서는 질량유속, 건도 등에 따라 상부와 하부의 액막 두께가 달라진다. 질량유속이나 건도가 작은 경우에는 관성력보다는 중력이 지배적이 되어 상부 액막의 두께가 감소하고 따라서 헤더상부에 위치한 전방 채널에 공급되는 물의 양은 감소할 것이다.
- Tompkins et al.(2)은 성충류에서 보다 균일한 유량분배를 얻을 수 있었다. 하지만 이는 헤더 내돌출부가 없는 경우이고 돌출부가 있는 경우는 경향이 다를 수 있으리라 예상된다.
- (4) 상향류의 경우 질량유속과 건도의 영향은 하향류와 반대이다. 질량유속과 건도가 증가할수록 물은 헤더전방으로 이동한다.
- (5) 30채널에 비하여 10채널에서 채널 간 물유량비의 표준편차, 최대와 최소값의 차이가 더 적었다 따라서 10채널에서 유량분배가 개선된다고 결론지을 수 있다.
- 하지만 30채널에서 헤더 후방 채널의 물유량비가 더 크고 질량유속 및 건도의 영향은 10채널에 비하여 적게 나타났다. 한편 30채널과 10채널의 채널 간 물유량비의 표준편차, 최대와 최소값의 차이를 계산해보면 10채널에서 편차가 더 적게 나타남을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 즉, 물이 많이 흐르는 채널에는 공기가 적게 흐르고, 물이 적게 흐르면 공기가 많이 흐른다. 헤더내 물-공 기 유량분포, 채널별물-공기 유량데이터들은 향후 유량분지 모델의 개발에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- 그들은 수평 헤더에서는 주입 방향에 따라 유량분배가 크게 영향을 받는다고 보고하였다. 평판관 피치, 헤더직경, 헤더 입구 형상 등이 유량분배에 미치는 영향에 대해서는 계속해서 연구해 나갈 예정이다.
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