[논문]마찰 계수와 점성 계수 모델이 단열 모세관 유동에 미치는 영향 평가

손기동; 박상구; 정지환; 이승홍; 김윤수

마찰 계수와 점성 계수 모델이 단열 모세관 유동에 미치는 영향 평가
An Assessment of Friction Factor and Viscosity Models for Predicting the Refrigerant Characteristics in Adiabatic Capillary Tubes 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.21 no.3, 2009년, pp.140 - 148

손기동 (부산대학교 기계공학부) , 박상구 (부산대학교 기계공학부) , 정지환 (부산대학교 기계공학부) , 이승홍 (부산대학교 기계공학부) , 김윤수 (LG전자 냉장고 사업부)

Abstract ▼ AI-Helper

Capillary tubes are widely used as expansion device in small refrigeration systems. The refrigerant flowing in the capillary tube experiences frictional and accelerational head losses and flashing simultaneously. In this paper flow characteristics of adiabatic capillary tubes were simulated with various friction factor models, two-phase viscosity models, and two-phase frictional multiplier models. The predicted pressure distribution and mass flow rate are compared with experimental data reported in literature. It is confirmed that the predicting accuracy with homogeneous model can be improved by employing suitable correlations of friction factor, two-phase viscosity and two-phase frictional multiplier.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

모세관의 냉매 유동 특성에 관하여 많은 연구가 있었으나 대부분 단상유동 마찰계수 상관식에 이상유동 물성치를 대입하여 압력변화를 계산하는 방법을 이용하였다. 본 논문에서는 마찰 계수 상관식과 점성 계수 모델 그리고 이상 마찰 승수 상관식을 이용한 모세관 유동 해석모델을 실험 데이터와 비교하여 예측성능을 평가하고자 한다.

가설 설정

동시에 해석하여야 한다. 본 연구에서는 수평관에서의 유동이 정상상태이고 표면 거칠기와 직경이 일정하며 오일의 영향은 무시할 만하다고 가정하였다. 모세관 내 이상 유동은 균질이상 유동 모델을 사용하였다.

제안 방법

Koizumi and Yokoyama(1)는 모세관 내의 냉매 유동 특성에 관하여 연구하였으며 Chen et al.(2)은 R-12를 사용한 모세관에서의 증발지연현상에 따른 상관 식을 개발하였다. Dirik et al.
모사 계산의 경우 모세관의 길이가 주어지고 반복 계산을 통하여 질량유량을 계산한다. 각 미소 체적은 미소 체적 내의 연속방정식, 운동량 방정식을 적용하여 미소 체적의 출구 데이터를 계산하였다.
단열 모세관에서의 유량계산과 길이계산 모두가 가능한 프로그램을 개발하였다. 모세관의 길이 예측 및 유량을 예측하는 두 가지 경우에 마찰계수 상관식과 점성계수 모델 그리고 이상 마찰 승수 상관식의 조합을 평가하였다.
가능한 프로그램을 개발하였다. 모세관의 길이 예측 및 유량을 예측하는 두 가지 경우에 마찰계수 상관식과 점성계수 모델 그리고 이상 마찰 승수 상관식의 조합을 평가하였다. 두 경우 모두 마찰계수 상관식은 Churchill⁽¹¹⁾의 상관식이 우수한 성능을 보였다.
수치적으로 해를 구하기 위하여 capillary tube 를 여러 개의 섹션으로 나누어 반복 계산하는 방법을 이용하였다. 이 방법은 모세관 전체를 다수의 섹션으로 나누어 각 섹션별로 계산이 되며 Fig.

대상 데이터

각 섹션별 압력강하와 열역학적 물성치들은 반복계산법에 의하여 연속적으로 계산된다. 미소 검사 체적의 길이는 1 mm로 하였다. 냉매의 열역학적 물성치와 전달물성치 들은 REFPROP 에서 값을 구하였다.

데이터처리

수치적 해석을 이용하여 여러가지 모델들의 예측성능을 평가하기 위하여 수치적 해석 결과값을 문헌에 발표된 실험값과 비교하였다. Table 1은 설계계산에 사용한 Li et al.

이론/모형

⁽¹⁹⁾)의 이상 마찰 승수모델과 Cicchitti et al.'">의 점성계수 모델이 Churchill⁽¹¹⁾의 마찰계수 모델과 함께 사용되어 실험값을 잘 예측하였다. 각각의 상관식을 조합하여 계산한 값과 실험값을 비교해보면 모세관의 길이를 잘 예측한 상관식 조합이 모세관의 유량 예측에도 좋은 결과를 보여 주었다.
⁽¹⁴⁾의 이상마찰승수 상관 식과 Friedel*9의 이상마찰승수 상관식을 사용하였다. Lin et al.
(2)의 식을 사용했으며 이상마찰승수는 Lin etal.⁽²⁾모델을 사용하였다. Friedel'⑸의 이상마찰승수 모델을 사용한 계산 결과는 Fig.
이 계산에서 증발 지연 예측식은 설계계산과 마찬가지로 Chen et al.(2)의 식을 사용했으며 이상마찰승수는 Lin etal.⁽²⁾모델을 사용하였다.
냉매 유동을 해석하기 위하여 연속방정식과 운동량 방정식, 에너지 방정식을 사용하였다. 정상 상태에서 모세관을 흐르는 냉매의 질량 유량과 엔탈피는 일정하므로 아래 식으로 나타낼 수 있다.
미소 검사 체적의 길이는 1 mm로 하였다. 냉매의 열역학적 물성치와 전달물성치 들은 REFPROP 에서 값을 구하였다. Fig.
본 연구에서는 수평관에서의 유동이 정상상태이고 표면 거칠기와 직경이 일정하며 오일의 영향은 무시할 만하다고 가정하였다. 모세관 내 이상 유동은 균질이상 유동 모델을 사용하였다.

성능/효과

3333px;">(11)의 마찰계수 모델과 함께 사용되어 실험값을 잘 예측하였다. 각각의 상관식을 조합하여 계산한 값과 실험값을 비교해보면 모세관의 길이를 잘 예측한 상관식 조합이 모세관의 유량 예측에도 좋은 결과를 보여 주었다.
모든 경우에 있어서 유량이 증가함에 따라 예측값이 더 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한, 이상 점성계수 모델 보다는 마찰계수 모델이 예측 계산 결과에 더 큰 영향을 미치고 있음을 볼 수 있다. 모사 계산의 경우 Churchill⑩(마찰계수) + Cicchitti et al.

참고문헌 (22)

Koizumi, H. and Yokoyama K., 1980, Characteristics of refrigerant flow in capillary tube, ASHRAE Transactions, Vol. 86, pp. 19-27
Chen Z. H., Li R. Y., Lin S. and Chen Z. Y., 1990, A correlation for metastable flow of refrigerant 12 through capillary tubes, ASHRAE Transactions, Vol. 96, pp. 550-554
Dirik E., Inan C. and Tanes M. Y., 1994, Numerical and experimental studies on adiabatic and non-adiabatic capillary tubes with R-134a in International Refrigeration Conference at Purdue, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA
Peixoto R. A. and Bullard C. W., 1994, A simulation and design model for capillary tube-suction line heat exchanger, International Refrigeration Conference at Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA
Bittle R. R., Wolf D. A. and Pate M. B., 1998, A generalized performance prediction method for adiabatic capillary tubes, HVAC&R Research, Vol. 4, No. 1, January, pp. 27-44

상세보기
Mezavila M. M. and Melo C., 1996, CAPHEAT : An homogeneous model to simulate flow through non-adiabatic capillary tubes, International Refrigeration Conference at Purdue, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA
Bansal P. K. and Xu B., 2002, Non-adiabatic capillary tube flow : A homogeneous model and process description, Applied Thermal Engineering, Vol. 22, pp. 1801-1819

상세보기
Wongwises S. and Suchatawut M., 2003, A simulation for predicting the refrigerant flow characteristics including metastable region in adiabatic capillary tubes, International Journal of Energy Research, Vol. 27, pp. 93-109

상세보기
Yufeng Z., Guobing Z., Hui X. and Chen J., 2005, An assessment of friction factor and viscosity correlations for model prediction of refrigerant flow in capillary tubes, International Journal of Energy Research, Vol. 29, pp. 233-248

상세보기
Churchill S. W., 1977, Frictional equation spans all fluid flow regimes, Chemical Engineering, Vol. 84, pp. 91-92
Colebrook C. F., 1939, Turbulent flow in pipes with particular reference to the transition between the smooth and rough pipe laws, Journal of the Institute of Civil Engineers London, Vol. 11
Bittle R. R. and Pate M. B., 1996, A theoretical model for predicting adiabatic capillary tube performance with alternative refrigerants, ASHRAE Transactions, Vol. 102, pp. 52-64
Mikol E. P., 1963, Adiabatic single and twophase flow in small bore tubes, ASHRAE Journal, Vol. 5, pp. 75-86
Lin S., Kwok C. C. K. and Li R. Y., 1991, Local frictional pressure drop during vaporization of R-12 through capillary tubes, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 17, pp. 95-102

상세보기
Friedel L., 1979, Improved friction pressure drop correlation for horizontal and vertical two-phase pipe flow, European Two-phase Group Meeting, Paper E2, Ispra, Italy
McAdams W. H., Wood W. K. and Bryan R. L., 1942, Vaporization inside horizontal tubes benzene-oil mixtures, Journal of Heat Transfer, Vol. 64, pp. 193-200
Cicchitti A., Lombardi M., Silverstri G., Soldaini R. and Zavattarelli, 1960, Two-phase cooling experiments-pressure drop, heat transfer and burnout measurements, Energia Nucl, Vol. 7, pp. 407-425
Dukler A. E., Wicks M. and Cleveland R. G., 1964, Pressure drop and hold-up in twophase flow, Part A-A comparison of existing correlation, Part B-An approach through similarity analysis, AIChE J, Vol. 10, pp. 38-51

상세보기
Lin S., Kew P. A. and Cornwell K., 2001, Two-phase heat transfer to a refrigerant in a 1mm diameter tube, International Journal of Refrigerantion, Vol. 24, pp. 51-56

상세보기
NIST, Thermodynamic and transport properties of refrigerants and refrigerant mixtures-REFPROP V 7.0 ed
Li R. Y., Lin S. and Chen Z. H., 1990, Numerical modeling of thermodynamic non-equilibrium flow of refrigerant through capillary tubes, ASHRAE Transactions, Vol. 96, pp. 542-549
Melo C, Ferreira R. T. S., Neto C. B., Goncalves J. M. and Mezavila M. M., 1999, An experimental analysis of adiabatic capillary tubes, Applied Thermal Engineering, Vol. 19, pp. 669-684

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증