수평관내 $CO_2$의 증발 열전달 계수를 실험적으로 조사하였다. 냉매 순환루프의 주요 구성품은 수액기, 변속냉매 펌프, 질량 유량계, 예열기, 증발기(시험부)로 구성된다. 시험부는 내경 4.57 mm의 수평 평활 스텐레스관이다. 실험은 질량유속 $400{\sim}900kg/m^2s$, 포화온도 $5{\sim}20^{\circ}C$, 열유속$10{\sim}40kW/m^2$인 조건에서 수행하였다. 실험결과로부터 $CO_2$의 열전달은 대류비등보다는 핵비등에 더 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었고, $CO_2$의 질량유속은 핵비등에 많은 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 실험결과와 종래의 상관식을 비교해 본 결과, 기존의 상관식은 실험데이터를 과소예측하였지만, 정 등의 상관식은 좋은 일치를 보였다. 따라서, 수평관내 $CO_2$의 증발 열전달 계수를 예측할 수 있는 정확한 상관식의 개발이 필요하리라 판단된다.
수평관내 $CO_2$의 증발 열전달 계수를 실험적으로 조사하였다. 냉매 순환루프의 주요 구성품은 수액기, 변속냉매 펌프, 질량 유량계, 예열기, 증발기(시험부)로 구성된다. 시험부는 내경 4.57 mm의 수평 평활 스텐레스관이다. 실험은 질량유속 $400{\sim}900kg/m^2s$, 포화온도 $5{\sim}20^{\circ}C$, 열유속 $10{\sim}40kW/m^2$인 조건에서 수행하였다. 실험결과로부터 $CO_2$의 열전달은 대류비등보다는 핵비등에 더 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었고, $CO_2$의 질량유속은 핵비등에 많은 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 실험결과와 종래의 상관식을 비교해 본 결과, 기존의 상관식은 실험데이터를 과소예측하였지만, 정 등의 상관식은 좋은 일치를 보였다. 따라서, 수평관내 $CO_2$의 증발 열전달 계수를 예측할 수 있는 정확한 상관식의 개발이 필요하리라 판단된다.
The evaporation heat transfer coefficient of $CO_2$ (R-744) in a horizontal tube was investigated experimentally. The main components of the refrigerant loop are a receiver, a variable-speed pump, a mass flow meter, a pre-heater and evaporator (test section). The test section consists of ...
The evaporation heat transfer coefficient of $CO_2$ (R-744) in a horizontal tube was investigated experimentally. The main components of the refrigerant loop are a receiver, a variable-speed pump, a mass flow meter, a pre-heater and evaporator (test section). The test section consists of a smooth, horizontal stainless steel tube of inner diameter of 4.57mm. The experiments were conducted at mass flux of 400 to $900kg/m^2s$, saturation temperature of 5 to $20^{\circ}C$, and heat flux of 10 to $40kW/m^2$. The test results showed the heat transfer 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 results and existing correlations, All of the existing correlations for the heat transfer coefficient underestimated the experimental data. However Jung et al.'s correlation showed a good agreement with the experimental data. Therefore, it is necessary to develope accurate predictions determining the evaporation heat transfer coefficient of $CO_2$ in horizontal tubes.
The evaporation heat transfer coefficient of $CO_2$ (R-744) in a horizontal tube was investigated experimentally. The main components of the refrigerant loop are a receiver, a variable-speed pump, a mass flow meter, a pre-heater and evaporator (test section). The test section consists of a smooth, horizontal stainless steel tube of inner diameter of 4.57mm. The experiments were conducted at mass flux of 400 to $900kg/m^2s$, saturation temperature of 5 to $20^{\circ}C$, and heat flux of 10 to $40kW/m^2$. The test results showed the heat transfer 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 results and existing correlations, All of the existing correlations for the heat transfer coefficient underestimated the experimental data. However Jung et al.'s correlation showed a good agreement with the experimental data. Therefore, it is necessary to develope accurate predictions determining the evaporation heat transfer coefficient of $CO_2$ in horizontal tubes.
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문제 정의
따라서, 본 논문은 C6용 열펌프 시스템에서 가장 중요한 요소기기인 증발기의 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 CO2용 열펌프를 비롯한 각종 냉동공조 장치에 가장 일반적으로 적용할 수 있는 수평관내 CO2 냉매의 증발 과정 중 열전달 특성에 대해서 실험적으로 고찰함으로서 CO2용 증발기의 기초적 설계 자료를 제공하고자 한다.
본 절에서는 이들 상관식에 의해 계산된 값과 실험에 의한 데이터를 비교.분석하고 적용가능성에 대해 고찰해 보았다.
하는 것이다. 이를 위해 CO2용 열펌프를 비롯한 각종 냉동공조 장치에 가장 일반적으로 적용할 수 있는 수평관내 CO2 냉매의 증발 과정 중 열전달 특성에 대해서 실험적으로 고찰함으로서 CO2용 증발기의 기초적 설계 자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
각 지점에서의 포화온도는 관 길이방향으로 선형적으로 변화한다고 가정하여, 건도 X는 냉매의 증발 잠열에 대한 각 온도 측정점에서의 엔탈피 비로 정의된다.
제안 방법
CO2를 이용한 냉동공조 시스템용 열교환기의 최적 설계를 위해서 CO2 냉매의 증발 과정 중에 열전달 특성에 대해서 실험한 결과, 다음과 같이 정리하였다. 따라서 아래의 사항들을 고려하여 CO2용 증발기를 설계할 필요가 있다
증발기의 길이는 각각 4000 mm이며 가능한 일정 열 유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다. 관 외벽 면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구에서 각각 200 mm 간격으로 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 400 mm 간격으로 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽 면의 온도를 측정하였다. 또한, 냉매 온도는 증발기 입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측정하였다.
Zlz는 소 시험 구간의 길이이다. 그리고 열전대가 부착된 각 지점에서 평균 관내벽면온도는 다음과 같이 관의 상부, 하부, 좌부, 우부 4곳에서 측정된 온도를 평균하여 사용하였다.
관 외벽 면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구에서 각각 200 mm 간격으로 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 400 mm 간격으로 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽 면의 온도를 측정하였다. 또한, 냉매 온도는 증발기 입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측정하였다. 압력을 측정하기 위해 시험부 입출구에서 압력 센서와 차압계를 설치하여 측정하였다.
여러가지 상관식 중에 대표적인 증발 열전달 상관식으로는 Gungor-Winterton[6], Liu-Winterton [7], Kandlikar[8], Jung 등[9]의 상관 식이 있다. 본 절에서는 이들 상관식에 의해 계산된 값과 실험에 의한 데이터를 비교.분석하고 적용가능성에 대해 고찰해 보았다.
또한, 냉매 온도는 증발기 입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측정하였다. 압력을 측정하기 위해 시험부 입출구에서 압력 센서와 차압계를 설치하여 측정하였다. 실험데이터는 장치가 정상 상태에 도달하였을 때 온도, 압력과 질량 유량을 각각 측정한다、표 1은 실험조건을 정리한 것이다' 본 연구에서 사용된 C6에 대한 물성치는 냉매 물성치 계산 프로그램인 REFPROP (version 6.
대상 데이터
그림 2에 나타낸 것처럼, 증발 시험 부는 내경 4.57 mm 인 스테인레스 관(SUS316)을 사용하였으며, 파워서플라이에서 공급되는 전류가 시험에 사용된 관에 직접 가해지는 직접 가열방식으로 되어 있다. 증발기의 길이는 각각 4000 mm이며 가능한 일정 열 유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다.
실험장치는 크게 마그네틱 기어펌프①와 질량 유량계②, 보조 냉각기③, 예열기④, 시험 부⑤, 응축기⑥, 수액기⑦로 구성되어 있다. 냉매의 순환 과정을 살펴보면, 수액기에 액상으로 충진된 냉매 액은 구동원인 냉매 펌프에 의하여 구동되어 전자식 질량유량계로 들어간다.
57 mm 인 스테인레스 관(SUS316)을 사용하였으며, 파워서플라이에서 공급되는 전류가 시험에 사용된 관에 직접 가해지는 직접 가열방식으로 되어 있다. 증발기의 길이는 각각 4000 mm이며 가능한 일정 열 유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다. 관 외벽 면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구에서 각각 200 mm 간격으로 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 400 mm 간격으로 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽 면의 온도를 측정하였다.
데이터처리
압력을 측정하기 위해 시험부 입출구에서 압력 센서와 차압계를 설치하여 측정하였다. 실험데이터는 장치가 정상 상태에 도달하였을 때 온도, 압력과 질량 유량을 각각 측정한다、표 1은 실험조건을 정리한 것이다' 본 연구에서 사용된 C6에 대한 물성치는 냉매 물성치 계산 프로그램인 REFPROP (version 6.02)를 이용하여 계산하였다.
이론/모형
측정한. 외벽면온도로부터 원통에서의 1차원 전도 방정식을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
(2) 열 유속이 증가함에 따라 CO2 냉매의 증발 열전달 계수가 확연히 증가하는 것을 볼 수 있었다. 특히 저 건도 영역에서 더 큰 차이를 보였으며 이는 핵 비등의 활성화로 인한 것으로 판단된다.
(3) 포화온도가 증가할수록 저 건도 영역에서 증발 열전달 계수가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 포화온도가 증가에 따른 표면장력의 감소로 인한 것으로 판단된다.
(4) 내경 가.57 mm 수평 관내 C6의 증발열전달에 대한 실험 결과를 Gungor-Winterton, Liu- Winterton, Kandlikar, Jung 등의 상관 식과 비교한 결과 Jung 등의 상관식이 절대 평균 오차 16.77%로 가장 좋은 일치를 보였다.
특히 저 건도 영역에서 더 큰 차이를 보였으며 이는 핵 비등의 활성화로 인한 것으로 판단된다. 그리고 이러한 영향이 고 건도 영역까지 지속되는 것으로 볼 때 CO2의 증발 열전달에 있어 강제대류의 영향보다는 핵비등의 영향이 지배적임을 알 수 있었다.
열 유속은 핵 비등에 많은 영향을 미치는 인자이며 핵 비등은 주로 저건도영역에서 발생하게 된다. 따라서 이러한 열전달 계수의 증가는 핵 비등의 활성화로 인한 것으로 판단되며 X <0.5 영역까지 열전달 계수의 상승이 이어지는 것을 볼 때 CO2 냉매의 증발 과정 중에 강제대류 비등의 영향보다는 핵비등의 영향이지속적으로 유지됨을 알 수 있다. 일반적으로 과 냉 및 저 건도 비등 영역에서 흐름 양식은 기포 류 또는 슬러그류이며 열전달은 주로 핵 비등에 의해 일어나게 된다.
co2 냉매의 경우 증발 조건이 기존 냉매에 비해 임계점에 보다 가까워짐에 따라 액상에 대한 기상의 비체적 비가 작아지기 때문에 환상 유동으로의 발달이 이루어지기 어려워 강제대류의 영향이 억제되기 때문으로 판단되며, 상변화로 인해 발생하는 냉매속도가 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 또한 그래프에서 보는 바와 같이 질량유속이 빨라질수록 드라이아웃의 발생지점이 저 건도 영역으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 이는 CO2 냉매의 독특한 특성으로 증발 열전달 성능에 악영향을 미치게 된다.
참고문헌 (9)
Thevenot R, A history of refrigeration throughout the world. Paris: IIR; 1979. [Fidler JC, Trans]
Yoon, S. H.(2002), 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.
Yun, L., Kim, Y. C., and Kim, M. S., Two-phase flow patterns of CO2 in a narrow rectangular channel, International Congress of Refrigeration, Washington D. C., pp. 1-7, 2003.
Yun, B., Park, H. Y., Yoo, K. C. and Kim, Y. C., Air-conditioner cycle simulation using tube-by-tube method, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 11, No. 4, pp.499-510, 1999.
Hihara E. and Tanaka S. Boiling heat transfer of carbon dioxide in horizontal tubes. Preliminary proceedings of the 4th IIR-Gustav Lorentzen conference on natural working fluids at Purdue, pp. 279-284, 2000.
Gungor, K. E. and Winterton, R. H. S., Simplified General Correlation for Flow Saturated Boiling and Comparisons of Correlations with Data, Chem. Eng. Res, Des., Vol. 65, pp. 148-156, 1987.
Liu, Z. and Winterton, R. H. S., 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, pp. 2759-2766, 1991.
Jung, D. S., Mclinden, M., Radermacher, R., and Didion, D., A Study of Flow Boiling Heat Transfer with Refrigerant Mixtures, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 32, No. 9, pp. 1751-1764, 1989.
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