[논문]수평관내 이산화탄소의 증발 열전달과 압력강하

손창효

수평관내 이산화탄소의 증발 열전달과 압력강하
Evaporation Heat Transfer and Pressure Drop of Carbon Dioxide In a Horizontal Tube 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.18 no.2, 2007년, pp.189 - 196

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The evaporation heat transfer coefficient and pressure drop of $CO_2$(R-744) in a horizontal tube was investigated experimentally. The main components of the experimental apparatus are a receiver, a variable-speed pump, a mass flow meter, a pre-heater and an evaporator(test section). The test section consists of a horizontal stainless steel tube of 4.57 mm inner diameter. The experiments were conducted at mass flux of $200{\sim}1000\;kg/m^2s$ saturation temperature of $0{\sim}20^{\circ}C$, and heat flux of $10{\sim}40\;kW/m^2$. The test results showed that the heat transfer coefficient of $CO_2$ has a greater effect on nucleate boiling more than convective boiling. Mass flux of $CO_2$ does not affect nucleate boiling too much. In comparison with test data and existing correlations, All of the existing correlations for the heat transfer coefficient underestimated the experimental data. However lung et al.'s correlation showed a good agreement with the experimental data. The evaporation pressure drop of $CO_2$ increases with increasing mass flux and decreasing saturation temperature. When comparison between the experimental pressure drop and existing correlations. Existing correlations failed to predict the evaporation pressure drop of $CO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문은 CO₂용 열펌프 시스템에서 가장 중요한 요소기기인 증발기의 설계를 위한 기초자료를 제 공하고자 하는 것이다. 이를 위해 CC) 2용열펌프를 비롯한 각종 냉동·공조장치에 가장 일반적으로 적용할 수 있는 수평관내 C(& 냉매의 증발 과정 중에 열전달 특성에 대해서 실험적으로 고찰함으로서 CO₂용 증발기의 기초적 설계 자료를 제공하고자 한다.
여러가지 상관식 중에 대표적인 증발 열전달 상관식으로는 Gungor- Winterton®, LiueWinterton®, Kandlikar7), Jung 등®의 상관 식이 있다. 본 절에서는 이들 상관식에 의해 계산된 값과 실험에 의한 데이터를 비교·분석하고 적용 가능성에 대해 고찰해 보았다.
제 공하고자 하는 것이다. 이를 위해 CC) 2용열펌프를 비롯한 각종 냉동·공조장치에 가장 일반적으로 적용할 수 있는 수평관내 C(& 냉매의 증발 과정 중에 열전달 특성에 대해서 실험적으로 고찰함으로서 CO₂용 증발기의 기초적 설계 자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

이때 각 지점에서의 포화온도는 관 길이 방향으로 선형적으로 변화한다고 가정하였다. 건도 X는 냉매의 증발 잠열에 대한 각 온도 측정점에서의 엔탈피비로 정의된다.

제안 방법

CQ를 이용한 냉동·공조 시스템용 열교환기의 최적 설계를 위해서 CO₂ 냉매의 증발과정 중에 열전달 특성에 대해서 실험한 결과, 다음과 같이 정리 하였다.
증발기의 길이는 각각 4000 mm이며, 가능한 일정 열유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다. 관외벽면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구에서 각각 200 mm간격으로 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 400 mm 간격으로 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽 면의 온도를 측정하였다. 또한, 냉매온도는 증발기입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측청하였다.
관외벽면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구에서 각각 200 mm간격으로 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 400 mm 간격으로 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽 면의 온도를 측정하였다. 또한, 냉매온도는 증발기입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측청하였다. 압력을 측정하기 위해 시험부 입출구에서 압력 센서와 차압계를 설치하여 측정하였다.
압력을 측정하기 위해 시험부 입출구에서 압력 센서와 차압계를 설치하여 측정하였다. 실험데이터는 장치가 정상상태에 도달하였을 때 온도, 압력과 질량 유량을 각각 측정한다. Table 1은 실험조건을 정리한 것이다.
또한, 냉매온도는 증발기입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측청하였다. 압력을 측정하기 위해 시험부 입출구에서 압력 센서와 차압계를 설치하여 측정하였다. 실험데이터는 장치가 정상상태에 도달하였을 때 온도, 압력과 질량 유량을 각각 측정한다.
여기서 A:는 관벽의 열전도도이고, 열전대가 부착된 각 지점에서 평균 벽면온도는 관외벽면 상, 하, 좌, 우에서 측정된 평균온도이고, 냉매의 포화온도 Tsat 는 측정된 압력과 차압으로부터 REFPROP를 사용하여 해당 압력의 포화온도를 구하였다. 이때 각 지점에서의 포화온도는 관 길이 방향으로 선형적으로 변화한다고 가정하였다.

대상 데이터

Fig. 2에 나타낸 것처럼, 증발 시험부는 내경 4.57 mm인 스테인레스 관(SUS316)을 사용하였으며, 파워서플라이에서 공급되는 전류가 시험에 사용된 관에 직접 가해지는 직접 가열방식으로 되어있다. 증발기의 길이는 각각 4000 mm이며, 가능한 일정 열유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다.
1은 본 연구에서 사용된 실험장치를 나타낸 것이다. 실험장치는 크게 마그네틱 기어펌프 (①)와 질량 유량계(②), 보조 냉각기(③), 예열기 (④), 시험부(⑤), 응축기(⑥), 수액기(⑦)로 구성되어 있다. 냉매의 순환 과정을 살펴보면, 수액기에액상으로 충진된 냉매액은 구동원인 냉매 펌프에 의하여 구동되어 전자식 질량유량계로 들어간다.
57 mm인 스테인레스 관(SUS316)을 사용하였으며, 파워서플라이에서 공급되는 전류가 시험에 사용된 관에 직접 가해지는 직접 가열방식으로 되어있다. 증발기의 길이는 각각 4000 mm이며, 가능한 일정 열유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다. 관외벽면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구에서 각각 200 mm간격으로 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 400 mm 간격으로 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽 면의 온도를 측정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 CQ? 냉매의 물성값 계산에 NIST 에서 개발한 냉매 물성계산 프로그램 lREFPROP(Version 6.02)'를 사용하였다. 시스템에 가해지는 열량은 파워서플라이에 의해 가해진 값으로 계측되었다.
Table 1은 실험조건을 정리한 것이다. 본 연구에서 사용된 CO₂에 대한 물성치는 냉매 물성치 계산 프로그램인 REFPROP (version 6.02)를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1) CG 냉매는 질량유속의 변화에 상관없이 증발 열전달 계수는 거의 변화하지 않았다. 또한, 열 유속이 증가함에 따라 CO2 냉매의 증발 열전달 계수가 확연히 증가하였다.
2) 내경 4.57 mm 수평관내 CQ의 증발 열전달에 대한 실험결과를 Gungor-Winterton, Liu-Winterton, Kandlikar, Jung 등의 상관식과 비교한 결과 Jung 등의 상관식이 절대평균오차 16.77%로 가장 좋은 일치를 보였다.
3) 질량유속과 열유속이 증가할수록 마찰 압력강하는 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 포화온도가 증가할수록 마찰압력강하는 현저하게 감소하는 것을 볼 수 있었다.
4) 수평관내 CO₂의 압력강하에 대한 실험결과를 Friedel, Gromerud, Chisholm의 상관식과 비교한 결과 전체 상관식 모두 100% 이상의 오차를 나타내고 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 보다 정확한 CO₂ 냉매용 증발 압력강하 예측 상관식의 개발이 필요하다.
열유속은 핵비등에 많은 영향을 미치는 인자이며 핵비등은 주로 저건도영역에서 발생하게 된다. 따라서 이러한 열전달계수의 증가는 핵 비등의 활성화로 인한 것으로 판단되며 고건도 영역까지 열전달 계수의 상승이 이어지는 것을 볼 때 CO2 냉매의 증발 과정 중에 강제대류 비등의 영향보다는 핵 비등의 영향이 지속적으로 유지됨을 알 수 있다. 일반적으로 과냉 및 저건도 비등 영역에서 흐름 양식은 기포류 또는 슬러그류이며 열전달은 주로 핵 비등에 의해 일어나게 된다.
증가하는 것을 알 수 있다. 또한 포화온도가 증가할수록 마찰압력강하는 현저하게 감소하는 것을 볼 수 있었다.
거의 변화하지 않았다. 또한, 열 유속이 증가함에 따라 CO2 냉매의 증발 열전달 계수가 확연히 증가하였다. 포화온도가 증가할수록 저건도 영역에서 증발 열전달 계수가 증가하였다.
하지만 전체 결과의 오차 계산에 있어서는 Jung 등의 상관식이 우세하게 나타났는데 이는 평균값의 비교에 따른 영향으로 판단된다. 질량 유속의 증가에 대해서도 저질량유속의 경우 Kandlikar 의 상관식이 가장 근접한 값을 예측하였으나 질량 유속이 증가할수록 실험데이터와의 편차가 증가하여 고질량 유속에서는 Jun壇 등의 상관식이 가장 근접한 예측값을 나타내는 것을 볼 수 있다. 따라서 CO2 냉매에 적용하는데 있어 Kmdlikar의 상관 식이 질량유속의 영향을 지나치게 크게 표현하고 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (11)

R. Thevenot, 'A history of refrigeration throughout the world'. Paris: IIR; 1979, [Fidler JC, Trans]
S. H. Yoon, 'Studies on the characteristics of evaporation and supercritical gas cooling heat transfer of carbon dioxide', Seoul National University, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy, 2002
L. Yun, Y. C. Kim and M. S. Kim, 'Two-phase flow patterns of $CO_{2}$ in a narrow rectangular channel', International Congress of Refrigeration, Washington D. C., 2003, pp. 1-7
E. Hihara and S. Tanaka, 'Boiling heat transfer of carbon dioxide in horizontal tubes', Preliminary proceedings of the 4th IIR-Gustav Lorentzen conference on natural working fluids at Purdue, 2000, pp. 279-284
K. E. Gungor and R. H. S. Winterton, 'Simplified General Correlation for Flow Saturated Boiling and Comparisons of Correlations with Data', Chem. Eng. Res, Des., Vol. 65, 1987, pp. 148-156

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Z. Liu and R. H. Winterton, 'A General Correlation for Saturated and Subcooled Flow Boiling in Tubes and Annuli', Based on a Nucleate Pool Boiling Equation, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 34, No.1, 1991, pp. 2759-2766

상세보기
S. G. Kandlikar, 'A general correlation for saturated two-phase flow boiling horizontal and vertical tubes', Trans. ASME, Vol. 112, 1990, pp. 219-228

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D. S. Jung, M. Mclinden, R. Radermacher and D. Didion, 'A Study of Flow Boiling Heat Transfer with Refrigerant Mixtures', International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 32, No.9, 1989, pp. 1751-1764

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L. Friedel, 'Improved friction pressure drop correlations for horizontal and vertical two-phase pipe flow', European Two-Phase Flow Group Meeting. Paper. E2: Ispra, Italy, 1979
R. Gronnerud, 'Investigation of liquid hold-up, flow resistance and heat transfer in circulation type evaporators. part N: two-phase flow resistance III boiling refrigerants', Annexe Bull. de l'Inst. du Froid, 1972
D. Chisholm, 'Pressure gradients due to friction during the flow of evaporating two-phase mixtures in smooth tubes and channels', Int J Heat Mass Transfer, Vol. 16, 1973, pp. 347-358

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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