[논문]자연냉매 프로판을 이용한 수평세관 증발기의 열전달 특성에 관한 연구

구학근

자연냉매 프로판을 이용한 수평세관 증발기의 열전달 특성에 관한 연구
Study on Heat Transfer Characteristics of Evaporator with Horizontal Small Diameter Tubes using Natural Refrigerant Propane 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.14 no.4, 2010년, pp.11 - 16

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The evaporation heat transfer characteristics of propane(R-290) in horizontal small diameter tubes were investigated experimentally. The test tubes have inner diameters of 1 mm and 4 mm. Local heat transfer coefficients were measured at heat fluxes of 12, $24\;kW/m^2$, mass fluxes of 150, $300\;kg/m^2s$, and evaporation temperature of $15^{\circ}C$. The experimental results showed that the evaporation heat transfer coefficient of R-290 has an effect on heat flux, mass flux, tube diameter, and vapor quality. The evaporation heat transfer of R-290 has an influenced on nucleate boiling at low quality and convective boiling at high quality. The evaporation heat transfer coefficient of R-290 increases with decreasing inner tube diameter. And the evaporation heat transfer coefficient of R-290 is about 1~3 times higher than that of R-134a.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문은 탄화수소계 자연냉매인 R-290 용 열펌프 시스템에서 가장 중요한 요소기기인 증 발기의 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 R-290용 열펌프를 비롯한 각종 냉동.
본 연구에서는 내경 1 mm와 4 mm의 스테인레스 관(SUS316)내 R-290의 증발열전달 특성을 다양한 조건에서 실험적으로 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

Fig. 4(b)의 조건은 질량유속이 300 kg/m%로 동일 하고 관경과 열유속은 각각 1 mm와 L12 mm, 24 kW/m?과 27 kW/m?로 거의 유사하다.
는 관벽의 열전도도이고, 열전대가 부착된 각 지점에서 평균 벽면온도는 관외벽면 상, 하, 좌, 우에서 측정된 평균온도이고, 냉매의 포화온도 Ts”는 측정된 압력과 차압으로부터 REFPROP를 사용하여 해당 압력의 포화온도를 구하였다. 이때 각 지점에서의 포화온도는 관길이 방향으로 선형적으로 변화한다고 가정하였다. 건도 X는 냉매의 증발 잠열에 대한 각 온도 측정점에서의 엔탈피비로 식 (5)와 같이 정의된다.

제안 방법

이를 위해 R-290용 열펌프를 비롯한 각종 냉동.공조장치에 가장 일반적으로 적용가능한 수 평세관내 R-290 냉매의 증발과정 중에 열전달 특성에 대해서 실험적으로 고찰하였다.
증발기의 길이는 각각 1,000 mm와 4, 000 mm 이며, 가능한 일정 열유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다. 관외 벽면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구 에서 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽면의 온도를 측정하였다. 또한, 냉매온도는 증발기 입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측정하였다.
관외 벽면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구 에서 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽면의 온도를 측정하였다. 또한, 냉매온도는 증발기 입출구에서 T형 열전대를 설치하여 측정하였다. 압력을 측정하기 위해 시험부입 .
출구에서 압력센서와 차압계를 각각 설치하여 측정하였다. 실험데이터는 장치가 정상상태에 도달하였을 때 온도, 압력과 질량유량을 각각 측정하였다. Table 2는 실험조건을 정리한 것이다.
여기서 #는 관벽의 열전도도이고, 열전대가 부착된 각 지점에서 평균 벽면온도는 관외벽면 상, 하, 좌, 우에서 측정된 평균온도이고, 냉매의 포화온도 Ts”는 측정된 압력과 차압으로부터 REFPROP를 사용하여 해당 압력의 포화온도를 구하였다. 이때 각 지점에서의 포화온도는 관길이 방향으로 선형적으로 변화한다고 가정하였다.
압력을 측정하기 위해 시험부입 . 출구에서 압력센서와 차압계를 각각 설치하여 측정하였다. 실험데이터는 장치가 정상상태에 도달하였을 때 온도, 압력과 질량유량을 각각 측정하였다.

대상 데이터

Table 1에 나타낸 것처럼, 증발 시험부는 내경 1 mm와 4 mm인 스테인레스관(SUS316)을 사용하였으며, 파워서플라이에서 공급되는 전류가 시험에 사용된 관에 직접 가해지는 직접 가열방식으로 되어 있다. 증발기의 길이는 각각 1,000 mm와 4, 000 mm 이며, 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 질량유량계(②), 냉매유량 조절밸브(③), 열교환기 (④), 예열기(⑤), 사이트 글라스(⑥), 시험부(⑦), 보 조탱크(⑩), 응축기(⑪)로 구성되어 있다.
따라서, 본 논문은 탄화수소계 자연냉매인 R-290 용 열펌프 시스템에서 가장 중요한 요소기기인 증 발기의 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 R-290용 열펌프를 비롯한 각종 냉동.공조장치에 가장 일반적으로 적용가능한 수 평세관내 R-290 냉매의 증발과정 중에 열전달 특성에 대해서 실험적으로 고찰하였다.
Table 1에 나타낸 것처럼, 증발 시험부는 내경 1 mm와 4 mm인 스테인레스관(SUS316)을 사용하였으며, 파워서플라이에서 공급되는 전류가 시험에 사용된 관에 직접 가해지는 직접 가열방식으로 되어 있다. 증발기의 길이는 각각 1,000 mm와 4, 000 mm 이며, 가능한 일정 열유속 조건을 구현할 수 있도록 이음매 없는 관(seamless tube)을 사용하였다. 관외 벽면 온도를 측정하기 위해서 증발기 입구와 출구 에서 T형 열전대를 설치하고, 증발기의 중간 부분은 상부, 하부, 측부(좌우)의 4개 지점에 부착하여 증발관 외벽면의 온도를 측정하였다.

이론/모형

Table 2는 실험조건을 정리한 것이다. 본 실험결과에 대한 불확실도는 실험조건에 의존하여 변화기 때문에 이에 대한 예측은 관련 파라메타를 대상으로 Kline & McClintock")가 제안한 식으로 계산하여 최대값과 최소값의 범위를 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서는 프로판 냉매의 물성값 계산에 NIST 에서 개발한 냉매 물성계산 프로그램 'REFPROP (Version 6.02)'를 사용하였다. 시스템에 가해지는 열량은 파워서플라이에 의해 가해진 값으로 계측되며, 아래식 (1)과 같이 구할 수 있다.

성능/효과

Fig. 4(a)의 실험조건은 질량유속이 150 kg/㎡s로 동일하고 관경과 열유속은 각각 1 mm와 1.12 mm, 12 kW/n?과 15 kW/n?로 거의 유사하다. Fig.
1) 관경에 상관없이 건도가 증가할수록 국소열전 달 계수는 증가하다가 드라이아웃 이후에는 급격히 감소한다. 관경이 작아질수록 건도의 증가에 대한 국소열전달 계수의 증가율이 크다.
2) 본 실험의 모든 조건에서 전열관의 관경이 작을수록 드라이아웃이 발생되는 건도가 낮아지는 것을 알 수 있고 이러한 경향은 고질량유속과 고열 유속 조건에서 매우 뚜렷하게 나타났다,
3) 핵비등이 지배적인 저건도 영역에서 열유속이 증가할수록 국소열전달 계수는 증가하는 경향이나 고건도 영역에서는 열유속의 영향이 나타나지 않았다.
4) 질량유속은 저건도 영역보다 고건도 영역에서 R-290의 증발열전달 계수는 증가하는 경향을 보였다.
5) 관주방향의 R-2^) 비등열전달 계수는 저건도 영역에서 거의 유사한 값을 보이지만 고건도영역으 로 갈수록 관상부, 관측부, 관하부의 순으로 열전달 계수가 최대값을 가지고 감소하였다.
6) R-290과 R-134a의 증발열전달 계수를 비교한 결과, 전체 건도영역에서는 R-2d)이 R-134a보다 1 ~3배 정도 크게 나타났고, 건도 0£인 지점에서는 R-290의 증발열전달 계수가 R-134a 보다 2.5~3배 정도 크게 나타났다.

참고문헌 (12)

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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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