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문제 정의
- 5% 로 증가함에 따라 마이크로채널 응축기 시스템의 냉방 능력과 COP는 기존 핀 튜브 시스템에 접근하였다. Bae and Han⑼은 가정용 에어컨디셔너로의 마이크로채널 응축기의 적용 가능성을 연구하였다. 그들의 연구에 따르면 마이크로채널 열교환기는 동일한 응축기열량을 내는 핀 튜브 열교환기에 비해서 40% 가량 부피를 감소시킬 수 있고, 충전량은 22%까지 줄일 수 있었다.
- 여기서 SEER는 연중 총 사용 시간을 기준으로 계산한 냉방기의 성능을 나타낸다. 그러나 실제 시스템의 운전에 있어서는 높은 COP와 SEER을 확보하는 것은 매우 중요한 문제이므로, 본 연구에서는 기존의 핀튜브 열교환기와 동일한 전면면적을 유지하면서 마이크로채널 열교환기를 적용한 시스템의 성능향상 정도를 평가하였다. 또한, 정상상태 및 사이클 운전의 특징에 대해서도 함께 고찰하였다.
- 그러나 실제 시스템의 운전에 있어서는 높은 COP와 SEER을 확보하는 것은 매우 중요한 문제이므로, 본 연구에서는 기존의 핀튜브 열교환기와 동일한 전면면적을 유지하면서 마이크로채널 열교환기를 적용한 시스템의 성능향상 정도를 평가하였다. 또한, 정상상태 및 사이클 운전의 특징에 대해서도 함께 고찰하였다.
가설 설정
- 냉매 측과 공기 측의 에너지평형은 식(2)를 통해 확인하였고, 냉매측의 냉방용량은 식(3)을 이용하여 계산하였다. 이때 증발기 입구의 냉매 엔탈피는 응축기 출구의 냉매 엔탈피와 동일하다고 가정한다. 본 실험에서 에너지 평형은 6% 이내에서 만족하였다.
제안 방법
- 열전대는 또한 핀 튜브 열교환기의 U밴드 표면에, 그리고 마이크로채널 열교환기에 있어서는 헤더에 최대한 가까운 튜브 표면에 설치되어 웅축기 내에서 발생하는 냉매의 상변화 상태를 관찰하였다. Fig.2에 나타낸 바와 같이 실내기 입구와 출구의 평균 공기온도를 측정하기 위해, 9개의 열전대를 공기 유동 덕트 내에 철재 그리드를 이용하여 균일하게 설치하였다. 증발기 입구와 출구의 비습도는 두 개의 거울형 이슬점 측정 온도 센서를 이용하여 측정하였고, 센서의 정확도는 士0.
- 8%의 향상을 가져왔다. Kim and Bullard⑹는 마이크로채널 열교환기를 응축기로 하는 창문형 에어컨디셔너의 성능을 평가하였다. 그들은 기존 시스템에 부착된 핀 튜브 열교환기를 대신하여 부피가 이보다 50% 작은 마이크로채널 응축기로 교체하여 시험하였으며, 냉매의 충전량도 기존 시스템 대비 35% 작게 충전하였다.
- 제한적이다. Kim and Groll⑸은 핀 튜브 응축기와 마이크로채널 응축기를 각각 적용한 히트펌프의 성능을 비교하였다. 그들은 열교환기 이외의 다른 시스템요소는 변화시키지 않고 기존의 핀 튜브 열교환기를 마이크로채널 열교환기로 바꾸어 시험하였다.
- Jeong et al.⑶은 동일한 전면면적을 가지나, 튜브와 핀 피치를 조절하여 서로 전열면적이 다른 세 가지 형태의 마이크로채널 응축기에 대해 그 성능을 평가하였다. 마이크로채널 응축기의 전면면적은 기존 핀 튜브 열교환기의 78%에 해당한다.
- 기준 실험을 마친 후에는 시스템의 다른 요소는 그대로 두고 핀 튜브 열교환기만 마이크로채널 열교환기로 교체하여(MCHX system) 시험을 수행하였다. 각 실험은 Table 2에 나타낸 바와 같이 ARI 시험조건(10) 인 시험 A, B, C, 그리고 D 조건에서 수행하였다. 시험 D를 제외하고는 다른 시험은 정상상태 시험 조건이다.
- 없이 사용하여 수행하였다. 기준 실험을 마친 후에는 시스템의 다른 요소는 그대로 두고 핀 튜브 열교환기만 마이크로채널 열교환기로 교체하여(MCHX system) 시험을 수행하였다. 각 실험은 Table 2에 나타낸 바와 같이 ARI 시험조건(10) 인 시험 A, B, C, 그리고 D 조건에서 수행하였다.
- 21 다. 냉매가 응축기를 흐르면서 나타내는 압력강하를 측정하기 위해 차압계를 설치하였고, 차압계의 측정범위는 0에서 1.0 MPa까지며 정확도는 전체 측정범위의 ±0.2%다. 열전대는 또한 핀 튜브 열교환기의 U밴드 표면에, 그리고 마이크로채널 열교환기에 있어서는 헤더에 최대한 가까운 튜브 표면에 설치되어 웅축기 내에서 발생하는 냉매의 상변화 상태를 관찰하였다.
- 두 시스템의 성능비교는 각각 최적 냉매 충전량에서 수행하였다. 최적 냉매충전량은 시험조건 A 에서 냉매충전량을 증가시켜 가며 COP와 과냉도, 그리고 과열도를 비교하여 결정하였다.
- 그러나 이때의 냉매과열도는 로 매우 작은 값을 나타낸다. 따라서 비록 냉매충전량이 1.35 kg일 때 나타나는 COP가 1.5 kg 일 때의 COP보다는 작지만, 냉매충전량 1.35kg일 때의 냉매과열도가 5t 에서 설정되었기 때문에 시스템의 안정성을 고려하여 최적 충전량은 1.35kg으로 결정하였다. 냉매 충전량이 1.
- 마이크로채널 응축기를 적용한 가정용 에어컨디셔너의 계절성능을 실험적으로 연구하였고, 핀 튜브 열교환기를 가진 기존 에어컨디셔너의 성능과 비교하였다. 시험 마이크로채널 응축기는 핀 튜브 열교환기와 동일한 전면면적을 가지고 있으나 내부 유동체적은 핀튜브 열교환기보다 49% 작다.
- l은 본 실험을 수행한 항온항습실과 시험에어컨디셔너의 각 요소를 나타낸다. 모든 실험은 실외 측 항온항습실과 실내측 공기 순환형 루프에서 수행하였다. 시험 에어컨디셔너의 실외기 유닛
- 2%다. 열전대는 또한 핀 튜브 열교환기의 U밴드 표면에, 그리고 마이크로채널 열교환기에 있어서는 헤더에 최대한 가까운 튜브 표면에 설치되어 웅축기 내에서 발생하는 냉매의 상변화 상태를 관찰하였다. Fig.
- Cho et al.<7> 은 마이크로채널 응축기를 갖는 패키지형 에어컨디셔너의 성능을 평가하였다. 그들은 핀 튜브 열교환기 대비 82%의 전면면적을 갖는 마이크로채널 열교환기를 사용하였고, 기존 시스템과 비교할 때 마이크로채널 응축기 시스템은 동일한 냉방용량을 나타냈으며, 냉매충전량에 있어서도 마이크로채널 열교환기의 핀 피치가 3Qnm에서 2.
- 2에 나타낸 바와 같이 실내기 입구와 출구의 평균 공기온도를 측정하기 위해, 9개의 열전대를 공기 유동 덕트 내에 철재 그리드를 이용하여 균일하게 설치하였다. 증발기 입구와 출구의 비습도는 두 개의 거울형 이슬점 측정 온도 센서를 이용하여 측정하였고, 센서의 정확도는 士0.2 P다. 압축기와 실외팬의 소요동력은 두 개의 전력측정기를 사용하여 측정하였고, 정확도는 전체측정범위의 土0.
- 수행하였다. 최적 냉매충전량은 시험조건 A 에서 냉매충전량을 증가시켜 가며 COP와 과냉도, 그리고 과열도를 비교하여 결정하였다. Fig.
대상 데이터
- 127 m의 노즐을 이용하여 측정하였다. 본 시험에 사용한 가정용 에어컨디셔너는 공시 능력 6.25kW 를 나타내고, 냉매로는 R22를 사용하며, 로터리 압축기, 응축기, 증발기, 그리고 팽창장치로서 오리피스로 구성되었다. Table 1은 핀 튜브 및 마이크로채널 열교환기의 구체적인 사양을 나타낸다.
- 튜브 수는 각각 마이크로채널 열교환기는 기개 그리고 핀 튜브 열교환기는 18개를 가진다. 핀 튜브 열교환기는 단일유동 패스로 구성되었고, 마이크로채널 열교환기는 두 개의 패스로 구성되었으며, 각각의 패스는 48개, 그리고 23개의 튜브로 구성되었다.
성능/효과
- 4% 내로 동일하였다. 결과적으로 마이크로채널 웅축기 시스템의 경우 응축기와 증발기에서 나타내는 압력비는 기준 시스템에 비해서 4.5% 감소하였고, 이는 압축기의 소비동력의 감소로 나타났다.
- <7> 은 마이크로채널 응축기를 갖는 패키지형 에어컨디셔너의 성능을 평가하였다. 그들은 핀 튜브 열교환기 대비 82%의 전면면적을 갖는 마이크로채널 열교환기를 사용하였고, 기존 시스템과 비교할 때 마이크로채널 응축기 시스템은 동일한 냉방용량을 나타냈으며, 냉매충전량에 있어서도 마이크로채널 열교환기의 핀 피치가 3Qnm에서 2.5 mm, 그리고 2.0 mm로 감소할 때 각각 기존시스템 대비 35%, 그리고 45% 감소함을 보였다. Jeong et al.
- 마이크로채널 응축기는 핀 튜브 응축기와 비교할 때 전면면적은 23%, 그리고 냉매가 흐르는 유로의 내부 체적은 32% 작은 값을 가진다. 그들의 실험결과에 따르면 지면과 수직으로 설치된 핀 피치 20fpi의 마이크로채널 열교환기의 경우, 핀 튜브 열교환기를 적용한 경우에 비해 냉방능력은 2.7% 작게 나타났고 압축기 소비동력 또한 3.2% 작은 값을 나타냈다. 한편 동일한 마이크로채널 응축기를 적용하고 지면과 수직 상태에서 15° 기울어지게 응축기를 설치한 경우, 냉방능력은 4.
- 그들은 기존 시스템에 부착된 핀 튜브 열교환기를 대신하여 부피가 이보다 50% 작은 마이크로채널 응축기로 교체하여 시험하였으며, 냉매의 충전량도 기존 시스템 대비 35% 작게 충전하였다. 기존 시스템과의 성능평가 비교 시, 마이크로채널 웅축기를 장착한 시스템의 운전은 기존 시스템과 동일한 과열도와 과냉도를 유지하였다. 실험결과를 살펴보면 마이크로채널 응축기 시스템은 기존 시스템과 비교하여 거의 동일한 COP를 나타냈으나, 압축기 소요동력은 기존 시스템에 비해 2% 작게 나타났다.
- 두 시스템 간의 가장 큰 차이는 마이크로채널 응축기 시스템의 응축압력이 기준 시스템에 비해 낮다는 것이다. 또한 마이크로채널 응축기 시스템의 경우 압축기 입구와 출구 사이의 엔탈피 변화가 기준 시스템에 비해 작게 나타났다.
- 그들의 연구에 따르면 마이크로채널 열교환기는 동일한 응축기열량을 내는 핀 튜브 열교환기에 비해서 40% 가량 부피를 감소시킬 수 있고, 충전량은 22%까지 줄일 수 있었다. 또한, 그들은 마이크로채널 열교환기의 패스 수가 시스템 성능에 미치는 영향을 고찰하였는데, 마이크로채널의 패스수가'4개에서 6개로 바뀔 때 냉방용량은 4%가 증가하였고, 압축기의 소비동력은 0.9% 감소하였다.
- 9는 각 시스템의 냉방용량과 COP를 나타낸다. 마이크로채널 응축기 시스템의 CQP는 기준 시스템에 비해 높은데, 시험조건 A, B, 그리고 C조건에서 기준 시스템에 비해 각각 9.5%, 6.1%, 그리고 8.7% 높게 나타났다. 각 시스템의 COP 변화에 비해 냉방용량의 변화는 매우 작게 나타났는데, 시험조건 B에서 각 시스템의 냉방용량은동일한 값을 보인다.
- 3% 증가하였고, 압축기 소비동력은 1% 낮아지는 효과를 보였다. 마이크로채널웅축기 시스템의 COF(성능계수)는 기존 시스템에 비해 각각 1.0% 그리고 4.8%의 향상을 가져왔다. Kim and Bullard⑹는 마이크로채널 열교환기를 응축기로 하는 창문형 에어컨디셔너의 성능을 평가하였다.
- Table 4는 기준시스템과 마이크로채널 응축기 시스템의 응축기 내 압력강하를 나타낸다. 모든 시험 조건에 있어서 마이크로채널 웅축기의 압력강하가 핀 튜브 웅축기에 비해 84% 낮게 나타났다. 마이크로채널 응축기의 낮은 압력강하는 두 가지로 설명할 수 있는데, 첫째로는 마이크로채널 열교환기가 가진 48/23개의 평행 튜브들의 유동 단면적이 기존 핀 튜브 열교환기에 비해 크고, 둘째로는 마이크로채널 열교환기의 냉매 유동길이가 핀 튜브 열교환기에 비해 짧기 때문이다.
- 이때 증발기 입구의 냉매 엔탈피는 응축기 출구의 냉매 엔탈피와 동일하다고 가정한다. 본 실험에서 에너지 평형은 6% 이내에서 만족하였다. COP는 식(4)를 통해 계산하였고, 본 실험에서 COF의 불확실도는 ±4%로 나타났다.
- 나타낸다. 시험조건 A와 B에서 마이크로채널 응축기 시스템의 압축기 소비동력은 6.8% 감소하였고, 시험조건 C에 있어서는 8.2% 감소하였다. 또한, Fig.
- 기존 시스템과의 성능평가 비교 시, 마이크로채널 웅축기를 장착한 시스템의 운전은 기존 시스템과 동일한 과열도와 과냉도를 유지하였다. 실험결과를 살펴보면 마이크로채널 응축기 시스템은 기존 시스템과 비교하여 거의 동일한 COP를 나타냈으나, 압축기 소요동력은 기존 시스템에 비해 2% 작게 나타났다. Cho et al.
- 4는 본 시스템의 과열도와 과냉도를 나타낸다. 예상한 바와 같이 냉매 충전량이 증가할수록 과냉도는 증가하였고, 과열도는 감소하였다. 기준 시스템 실험에 있어서 최대 COP는 냉매충전량이 1.
- 한편, 마이크로채널 옹축기 시스템의 압축기 소비동력은 기준 시스템보다 작게 나타났다. 이와 같은 결과로부터 웅축기의 열전달 능력의 향상은 사이클 시험에 있어서도 냉방능력의 향상과 압축기 소요동력의 감소에 기여함을 보여준다. 본 실험 결과를 바탕으로 성능저하계수 Cd를 식(5)를이용하여 계산하면, 기준 시스템과 마이크로채널 응축기 시스템은 각각 0.
- 시험 마이크로채널 응축기는 핀 튜브 열교환기와 동일한 전면면적을 가지고 있으나 내부 유동체적은 핀튜브 열교환기보다 49% 작다. 이와 같은 작은 내부 유동체적으로 인해, 마이크로채널 웅축기의 최적 냉매충전량은 기준시스템에 비해 10% 작게 나타났다. 냉매가 마이크로채널 웅축기를 통과하면서 나타내는 압력강하는 기존 핀 튜브 열교환기에서 보이는 압력강하에 비해서 84% 작은 값을 가지는데, 이는 마이크로채널 옹축기가 핀 튜브 응축기에 비해 냉매의 유동단면적이 크고 유동길이가 짧기 때문이다.
- 마이크로채널 응축기 시스템이 가지는 사이클 운전에서의 장점 또한 응축기의 열전달 능력의 증가에 기인하다. 정상 상태 운전과 사이클 운전을 고려할 때 핀 튜브 열교환기와 동일한 전면면적을 가지는 마이크로채널 응축기 시스템의 계절성능은 기준 시스템에 비해 7.7% 높게 나타났다.
- 2의 값을 가진다. 최종적으로 식(7)을 이용하여 SEER을 구하면, 기준 시스템과 마이크로채널 웅축기 시스템의 SEER 은 각각 10.4와 11.2Btu/kW-h로서, 마이크로채널웅축기 시스템의 SEER이 기준 시스템에 비해 7.7% 높게 나타났다.
- 2% 작은 값을 나타냈다. 한편 동일한 마이크로채널 응축기를 적용하고 지면과 수직 상태에서 15° 기울어지게 응축기를 설치한 경우, 냉방능력은 4.3% 증가하였고, 압축기 소비동력은 1% 낮아지는 효과를 보였다. 마이크로채널웅축기 시스템의 COF(성능계수)는 기존 시스템에 비해 각각 1.
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