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문제 정의
- 본 연구에서는 원형 헤더와 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에서 RT34a를 사용하여 유동방향, 평판관 삽입깊이, 질량유속, 건도 등이 유량 분배에 미치는 영향을 검토하였다. 실험범위(질량 유속 70 - 400kg/m2s, 건도는 0.
제안 방법
- 본 연구는 Kim et al.'"'(2)의 후속 연구로 물꽁기 대신에 냉매 R-134a를 사용하여 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에 대하여 질량유속 70 ~400kg/m2s, 건도는 0.2~0.6 범위에서 유량분배 실험을 수행하였다. 시험범위에서 헤더 입구유동 은 대부분 성층류로 관측되었다.
- Kim et al.'"(2)은 내경 17mm의 원형 헤더와 10개 또는 30개의 수력직경 1.32mm 평판관으로 구성된 시험부에서 물-공기를 사용하여 분지실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류, 무차원 평판관 삽입깊이(#) 0.
- 질량유 량계에는 액체상태의 냉매가 공급되는 것이 중요하다. 이를 위하여 항온 칠러를 사용하여 응축액 의"과냉도를 조절하였다.
- 는 측정된 온도와 압력으로부터 구해진다. 냉매유량은 정확도 ±4.0 xlOekg/s의 질량유량계로 계측하였고 냉각수유량은 메스실린더로 계측하였다. 실험의 재현성을 확인하기 위하여 수 회의 반복시험을 수행하였다.
- 시험부 하 부헤더에서 유출된 2상 냉매는 응축기에서 응축된 후 마그네틱 펌프로 유입된다. 냉매유량은 펌프로부터 토출된 냉매 일부를 우회시켜 조절하였다. 예열기 전방에는 정확도 ±1.
- 또한 시험부에 유입된 냉매유량과 각 채널에서 측정된 유량을 비교해본 결과(유량을 측정하지 않은 채널은 앞과 뒤 채널의 평균값을 사용하였음) 5% 내에서 일치하였다. 본 연구에서 액체와 기체 유량데이터는 각 채널에 흐르는 유량을 평균 유량 값(전체 유량이 각 채널에 균일하게 분배되었을 때 얻어지는 값)으로 나눈 '유량 비'(liquid flow ratio와 gas flow ratio)로 나타내었다. Fig.
- 물-공기 2상류와 같이 기액분리가 손쉬운 경우에는 첫 번째 방법이 주로 사용되나, 냉매의 경우엔 두번째 방법이 선호된다. 본 연구에서도 두 번째 방법으로 채널 내 유량을 계측하였다. Fig.
- 0 xlOekg/s의 질량유량계로 계측하였고 냉각수유량은 메스실린더로 계측하였다. 실험의 재현성을 확인하기 위하여 수 회의 반복시험을 수행하였다. 반복 실험결과 유량분포는 ±10% 내에서 재현이 가능하였다.
- 유량계측장치는 동심 원관 열교환기로 관내로는 냉매가 흐르며 관 외측의 냉각수에 의해 응축된다. 열교환기는 5개의 소구간으로 구분되어 채널간 유량변화에 따른 광범위한 열부하를 감당할 수 있도록 하였다. 유량측정 장치에서 온도는 냉매 입출구와 냉각수 입출구의 4곳에서 측정하였다.
- 냉매유량은 펌프로부터 토출된 냉매 일부를 우회시켜 조절하였다. 예열기 전방에는 정확도 ±1.5xl0fkg/s의 질량유량계를 설치하여 유량을 측정하였다. 질량유 량계에는 액체상태의 냉매가 공급되는 것이 중요하다.
- 이때 유의할 점은 유량계측 전후에 채널 내 유량이 변해서는 안된다는 것이다. 이를 위하여 헤더 전방과 평판관 하부에 차압계를 설치하고 밸브를 조절하여 유량계측 전후에 이 차압 이 일정하게 유지되도록 하였다. 실험 중 차압계 의 변동은 측정치의 2% 내에서 유지되었다.
- 011 (0℃에서)로 공기-물의 값보다 9배 가량 크기 때문에 나타나는 현상으로 동일한 질량유속과 건도 일지라도 유동양식은 현저히 다를 수 있다. 질량 유속과 건도외에 유동방향(하향류와 상향류), 평판관 삽입깊이(Zz/Z)=O.O, 0.5)가 미치는 영향도 검토하고 기존의 물-공기 실험 결과'(2)와 비교하였다.
- 유량측정 장치에서 온도는 냉매 입출구와 냉각수 입출구의 4곳에서 측정하였다. 측정의 정확도를 높이기 위하여 한 곳의 온도를 5개의 열전대로 동시에 측정하였다. 냉매 입출구에서 절대압력도 측정되었다.
- 평판관 채널을 흐르는 유량은 밸브를 조작하여 시험부를 흐르는 유동을 유량측정부로 보내어 측정하였다. Fig.
- 8mm 핏치의 평판관(10개)으로 구성되었다. 헤더는 가시화를 위하여 투명 PVC 를 가공하여 제작하였다. 헤더 하부에는 평판관이 삽입될 수 있도록 알루미늄 블록을 장착하였고 알루미늄 블록과 헤더 사이에는 O-ring을 장착하여 기밀을 유지하였다.
대상 데이터
- 8에 나타내었다. 본 데이터는 질 량유속 G=130kg/m s, 건도 %=0.4에서 취득한 자료로 헤더 입구의 유동은 성충류이다. 평판관이 헤더 내로 돌출되지 않은 경우(#>= 0.
- 12에 나타내었다. 본 데이터는 질량유속 G=130 kg/m2s, 건도 %=0.4에서 취득한 자료로 헤더 입구의 유동은 성층류이다. 상향류에서는 하향류와는 달리 상당부분의 액체가 헤더의 후방으로 흘러 액막의 두께가 흐름방향으로 증가함을 보여준다.
- 3에는 시험부의 상세도를 나타내었다. 시험부는 실제 평판관 열교환기를 모사하여 내경 17mm의 상하부 헤더와 9.8mm 핏치의 평판관(10개)으로 구성되었다. 헤더는 가시화를 위하여 투명 PVC 를 가공하여 제작하였다.
- 32mm 평판관으로 구성된 시험부에서 물-공기를 사용하여 분지실험을 수행하였다. 실험은 상향류와 하향류, 무차원 평판관 삽입깊이(#) 0.0~0.5, 질량유속 70~130kg/m2s, 건도 0.2~0.6 범위에서 수행되었다. 헤더입구 유동은 환상류이었다.
- Watanabe et 은 내경 20mm의 수평 원형 헤더와 4개의 내경 6mm 수직 원형 분지관에 대하여 R-11 을 사용하여 상향류 분지실험을 수행하였다. 실험은 질량유속 40 ~120kg/mZs, 건도는 0~0.4 범위에서 수행되었고 헤더 입구의 유동형태는 성층류이었다. 그들은 건도가 증가할수록 후방 채널로 액체가 유입되어 유량분배가 나빠진다고 보고하였다.
- 열교환기는 5개의 소구간으로 구분되어 채널간 유량변화에 따른 광범위한 열부하를 감당할 수 있도록 하였다. 유량측정 장치에서 온도는 냉매 입출구와 냉각수 입출구의 4곳에서 측정하였다. 측정의 정확도를 높이기 위하여 한 곳의 온도를 5개의 열전대로 동시에 측정하였다.
데이터처리
- 6)에서 시험부 입구유동은 성충류이었다. 또한 본 실험 결과를 물-공기 환상류 실험결과와 비교하였다. 주된 결론은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 하향류의 경우 액체 분배는 평판관 삽입 깊이와 질량유속이 증가할수록, 건도가 감소할수록 개선되었다.
- (2) 상향류의 경우는 질량유속과 건도가 감소할수록 액체분배가 개선되었다. 하지만 평판관 삽입 깊이가 미치는 영향은 미미하였다.
- (3) 하향류에서 건도가 액체 분배에 미치는 영향은 헤더 입구의 유동형태에 따라 현저하게 달랐다. 헤더입구 유동형태가 성층류인 경우 건도의 감소에 따라 액체가 헤더 후방으로 이송되었으나 기존 환상류에 대한 연구에서는 그 반대로 나타났다.
- (4) 상향류에서도 질량유속과 건도가 액체 분배에 미치는 영향은 성충류와 환상류에서 현저히 달랐다. 성층류에서는 건도와 질량유속이 증가할수록 혜더 후방으로 액체가 이송되나 기존 환상류에 대한 연구에서는 혜더 전방으로 이송됨을 보여주었다.
- (5) 본 연구결과를 기존 환상류에 대한 연구결과와 비교하여 보면 전반적으로 성충류의 액체 분배 특성이 환상류보다 우수함을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 원형 헤더와 10개의 평판관으로 이루어진 시험부에서 RT34a를 사용하여 유동방향, 평판관 삽입깊이, 질량유속, 건도 등이 유량 분배에 미치는 영향을 검토하였다. 실험범위(질량 유속 70 - 400kg/m2s, 건도는 0.2~0.6)에서 시험부 입구유동은 성충류이었다. 또한 본 실험 결과를 물-공기 환상류 실험결과와 비교하였다.
후속연구
- 14(b)에는 G=300kg/m2s의 데이터가 나타나 있지 않다. 이 데이터는 측정이 되지 않은 것으로 추후 확인되었으나 없더라도 질량유속의 영향을 판단하는 데는 무리가 없다고 판단되어 다시 실험을 수행하지는 않았다.
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