[논문]증기압축식 냉동장치에서 다증관 열교환기의 성능특성에 관한 실험적 연구

김재돌

doi:10.5916/jkosme.2009.33.1.37

문제 정의

본 논문은 직경이 서로 다른 3가지 종류의 전열 관을 3중관 구조로 제작하여 기존의 가장 간단하면서 일반적으로 많이 사용되고 있는 2중관 구조의 열교환기와 같이 증기압축식 냉동장치에 설치하여도열교환기의 성능특성을 비교 분석하여 열교환기의 콤팩트화 및 효율향상에 관한 기초 자료를 확보하고자 하였다.

가설 설정

Fig. 4에서 열교환기 입구 냉매온도는 거의 동일하게 유지되지만 출구 온도는 시간이 경과함에 따라 3중관의 경우 (a) 와 (b)조건 모두에서 더 높게 나타나고 있다.

제안 방법

먼저, 충분한 시운전과 장치의 이상 유무를 확인한 후 장치 기동에서부터 일정 시간에 이르기까지 2중관 열교환기부터 실험을 실시하였으며, 이 과정의 실험이 완료된 후에는 동일 조건에서 3중관 열교환기의 성능시험을 실시하였다. 각 실험에 있어서 한 가지 조건을 변화시켰을 때에는 다른 조건들 즉, 냉각수나 열원수, 냉매의 유량이나 온도조건을 일정하게 유지한 상태에서 실시하였다.
그리고 장치의 각 부분에는 열전대와 압력계를 설치하여 각 조건변화에 따른 냉매, 열원수 및 냉각수의 온도 및 압력을 측정할 수 있도록 하였으며, 압축기의 소요동력은 파워메터를 이용하여 측정하였다. 냉매와 열원수 및 냉각수의 유량은 냉매 유량계와 수유량계를 필요 요소에 설치하여 측정하였으며, 대상으로 한 2중관 및 3중관 열교환기는 20mm 단열재로 단열하여 외부와의 열출입이 없도록 하였다.
그리고 팽창장치는 수동식을 설치하여 냉매유량을 조절하였고, 대상으로 한 3중관 열교환기와 2중관 열교환기 내로 순환되는 냉매유량을 동일조건으로 조절하여 성능실험을 실시하였다. 상기 2가지 종류의 열교환기에 있어서 냉매와 열원수의 전열면적은 동일하게 설계하였으며, 압축기와 응축기 및 팽창장치는 하나의 장치에서 밸브조작을 통하여 비교실험이 가능하도록 제작하였다.
그리고 항온조에서 응축기와 열교환기 내로 순환하는 냉각수와 열원수의 유량은 각 입수에 수유량 계를 설치하여 측정하였고. 장치 각부의 냉매, 열원수 및 냉각수의 온도는 C-C열전대를 사용하였으며, 다점온도즉정 장치의 RS-232C를 이용하여 PC에 저장 처리하였다.
냉매와 열원수 및 냉각수의 유량은 냉매 유량계와 수유량계를 필요 요소에 설치하여 측정하였으며, 대상으로 한 2중관 및 3중관 열교환기는 20mm 단열재로 단열하여 외부와의 열출입이 없도록 하였다.
실시하였다. 먼저, 충분한 시운전과 장치의 이상 유무를 확인한 후 장치 기동에서부터 일정 시간에 이르기까지 2중관 열교환기부터 실험을 실시하였으며, 이 과정의 실험이 완료된 후에는 동일 조건에서 3중관 열교환기의 성능시험을 실시하였다. 각 실험에 있어서 한 가지 조건을 변화시켰을 때에는 다른 조건들 즉, 냉각수나 열원수, 냉매의 유량이나 온도조건을 일정하게 유지한 상태에서 실시하였다.
그리고 팽창장치는 수동식을 설치하여 냉매유량을 조절하였고, 대상으로 한 3중관 열교환기와 2중관 열교환기 내로 순환되는 냉매유량을 동일조건으로 조절하여 성능실험을 실시하였다. 상기 2가지 종류의 열교환기에 있어서 냉매와 열원수의 전열면적은 동일하게 설계하였으며, 압축기와 응축기 및 팽창장치는 하나의 장치에서 밸브조작을 통하여 비교실험이 가능하도록 제작하였다.
실험에 있어서 장치내로 순환되는 냉매유량은 팽창장치 입구에 설치된 전자식 냉매유량계로 측정하였으며, 압죽기 소요동력은 파워메터로 즉정하였다. 그리고 항온조에서 응축기와 열교환기 내로 순환하는 냉각수와 열원수의 유량은 각 입수에 수유량 계를 설치하여 측정하였고.
실험은 크게 2가지 과정 즉, 냉매 유량변화와 열 원수 유량 및 입구온도 변화를 파라메터로 동일 조건에서 실시하였다. 먼저, 충분한 시운전과 장치의 이상 유무를 확인한 후 장치 기동에서부터 일정 시간에 이르기까지 2중관 열교환기부터 실험을 실시하였으며, 이 과정의 실험이 완료된 후에는 동일 조건에서 3중관 열교환기의 성능시험을 실시하였다.
그리고 항온조에서 응축기와 열교환기 내로 순환하는 냉각수와 열원수의 유량은 각 입수에 수유량 계를 설치하여 측정하였고. 장치 각부의 냉매, 열원수 및 냉각수의 온도는 C-C열전대를 사용하였으며, 다점온도즉정 장치의 RS-232C를 이용하여 PC에 저장 처리하였다.
에너지 회수. 장치의 콤팩트화 및 설비비 절감 등에 충분한 장점을 가질 수 있는 3중관 열교환기와 2중관 열교환기를 증기압축식 냉동장치에서 비교 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
하였으며. 주요 부분은 압축기, 응축기 팽 창장치 로 이 루어 진 냉 동사이 클로 구성 하였다.

대상 데이터

85 mm 3개의 전열관으로 구성하였으며, 각각의 길이는 1170. 1000, 850mm로 제작하였다.
역류로 순환되는 구조로 하였다. 그리고 3중 관과의 비교 실험을 위해 제작된 2중관 열교환기는 냉매와 열원수의 접촉 전열면적이 동일하게 내경 19.05, 25.85mm 2개의 전열관으로 각각의 길이는 1730, 1610mm이다. 이때, 관경이 작은 내부 관으로는 냉매가 관경이 큰 외부관으로는 열 원수가 역류로 순환할 수 있도록 하였다.
본 논문에 사용된 실험장치는 상기 두 가지 종류의 열교환기를 증발기로 한 증기압축식 냉동 장치를 대상으로 하였으며. 주요 부분은 압축기, 응축기 팽 창장치 로 이 루어 진 냉 동사이 클로 구성 하였다.

데이터처리

Table 2는 실험조건을 타나내며, 작동유체로 사용되는 R-22의 열물성치 계산은 NIST에서 개발한 냉매 물성 계산 프로그램인 REFPROP (Ver. 6.0)를 이용하였다. 그리고 두 증발기에서의 냉동능력 Qe는 식 (1)과 같이 계산하였다⑹「⑺ .

성능/효과

(2) 3중관 열교환기는 2중관 열교환기에 비해 냉동능력도 최대 15%정도 높게 나타났으며, 전열관 길이도 가장 내측관을 기준으로 약 30%이상 콤팩트화가 가능한 것으로 나타났다.
(3) 2중관 열교환기의 경우 2가지 종류 유체의 온도 차 열교환이 가능하지만, 3중관 열교환기의 경우에는 3가지 종류의 서로 다른 온도차를 가지는 유체들의 열교환이 가능한 구조로 폐열회수 등 다양한 분야에서 열교환기로 활용 가능할 것으로 판단되며, 2중관 열교환기에 비해 장치의 콤팩트화 및 에너지 절약적 관점에서 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
이와 같은 결과는 앞에서도 언급한 바와 같이 열교환기 내부에서의 열교환 증대에 따라 2중관에 비해 3중 관이 더 큰 냉동능력을 나타내는 것으로 판단된다. 그리고 냉매유량 및 열원수의 유량이 증가할수록 두 열교환기에서 냉동능력의 차이는 최대 약 15% 정도 나타났다.
출구 온도차가 다소 크게 나타났다. 그리고 냉매유량이 많을수록 열원수의 양이 적을수록 온도차는 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 상기 냉매 출구 온도변화와 연계되는 결과로 3중 관의 경우가 2중관에 비해 우수한 열교환이 이루어지는 것을 열원수 냉각 과정을 통해서도 확인할 수 있다.
그림에서와 같이 입 . 출구온도 모두 시간이 경과함에 따라 일정한 온도폭을 유지하면서 감소하는 경향을 나타내었다. 2중관과 3중관의 비교에서는 3중관의 입 .
및 열원수의 입 . 출구온도차가 크게 발생되어 2중관 열교환기보다 우수한 열교환이 이루어지는 것으로 확인되었다.

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